JP6584560B2 - 工作機械の主軸装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ヒートパイプと熱交換器とを用いて、先端部に工具またはワークを取り付けるように形成された主軸から熱を効率良く排出するようにした工作機械の主軸装置に関する。
フライス盤や旋盤のような工作機械の主軸が回転すると軸受において発熱し、主軸温度が上昇して主軸が延びるため工作精度が低下する。この主軸の温度上昇を防止または低減するため、従来から種々の軸受冷却方法が開発されている。例えば特許文献1には、工作機械の主軸を回転可能に支持する前軸受と後軸受とに亘って延在するように、主軸内にヒートパイプを埋設し、前軸受と後軸受との間の主軸の中央部分の外周面にフィンを設け、前軸受と後軸受で生じた熱をヒートパイプによって主軸の中央部分に輸送し、前記フィンから主軸の外部に放熱するようにした主軸の軸受冷却構造が記載されている。
実公平02−036679号公報
特許文献1の主軸の軸受冷却構造では、前軸受と後軸受とで発生した熱は、主軸装置のハウジング内に排出され、次いでハウジングを通して外部へ排出されるため、主軸を含めた主軸装置全体の温度が上昇する。従って、主軸の外周面に設けたフィンからの排熱も不十分であり、主軸の温度上昇抑制効果は限定的である。また、前軸受と後軸受との間にモータを組み込むビルトインモータ方式の主軸に適用する場合には、モータのロータおよびステータが主軸の外周面を覆うため排熱が妨げられる。更に、モータのロータおよびステータ自体も発熱源となり主軸の温度を上昇させる。
本発明は、こうした従来技術の問題を解決することを技術課題としており、主軸の熱を外部へ効率良く排出可能にした主軸装置を提供することを目的としている。
上述の目的を達成するために、本発明によれば、ハウジングに対して回転可能に支持された主軸の前端部に工具またはワークを保持するように形成された工作機械の主軸装置において、前記主軸の前側で該主軸を回転可能に支持し、該主軸の回転軸線方向に間隔をあけて設けられた複数のフロント側軸受と、前記フロント側軸受よりも後側で前記主軸を回転可能に支持するリア側軸受と、前記フロント側軸受とリア側軸受との間の中央部分において、前記主軸の周囲に配置され該主軸を回転駆動するビルトインモータと、前記リア側軸受よりも後方に突出し、前記リア側軸受の内輪に接して前記主軸の後方部分に固定され、前記主軸の回転軸線方向に配列され、かつ、前記主軸の回転軸線に対して垂直な方向に延びる板状の複数の内側フィンと、前記ハウジングに固定され、かつ、前記複数の内側フィンに接触しないように、同内側フィンの間に配置された板状の複数の外側フィンとを有する後部熱交換器と前記複数のフロント側軸受間に設けられ、前記主軸の回転軸線方向に配列され、かつ、前記主軸の回転軸線に対して垂直な方向に延びる板状の複数の内側フィンと、前記ハウジングに固定され、前記複数の内側フィンに接触しないように、同内側フィンの間に配置された板状の複数の外側フィンとを有する前部熱交換器と、前記後部熱交換器および前部熱交換器の各々の外側フィンの外周に配置された後部冷却液通路および前部冷却液通路と、前記主軸に内蔵され、前記主軸の中央部と前記後部熱交換器との間で熱を伝える後部ヒートパイプと、前記リア側軸受と前記後部ヒートパイプとの間に配設された断熱材と、前記主軸に内蔵され、前記フロント側軸受と前記前部熱交換器との間で熱を伝える前部ヒートパイプとを具備する工作機械の主軸装置が提供される。
本発明によれば、ビルトインモータから主軸に伝達される熱をヒートパイプを通して効率良く主軸の後方部分に輸送し、更に、該主軸の後方部分から内側フィンから外側フィンに非接触式に効率良く輸送することが可能となる。これにより、主軸を効果的に冷却することが可能となる。
本発明の好ましい実施形態による主軸装置の断面図である。 図1の矢視線II-IIに沿う主軸装置の部分断面図である。
以下、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を説明する。
以下に説明する本発明の好ましい実施形態では、主軸装置は、主軸の先端に工具を装着し、該工具をテーブルに取り付けたワークに対して、例えばX軸、Y軸、Z軸の直交三軸方向に相対移動させて、回転する工具によってワークを加工する工作機械の主軸装置である。然しながら、本発明の主軸装置は、主軸の先端にワークを取り付け、回転するワークに静止した切削工具(バイト)を押し付けてワークを加工する工作機械の主軸装置としてもよい。
主軸装置10は、中空のハウジング12と、該ハウジング12に回転可能に支持された主軸14とを具備している。主軸14の先端部には、工具ホルダTHを介してエンドミルのような回転工具Tを装着するテーパ穴14aが形成されている。主軸14は、リア側軸受16と、フロント側軸受18、20によって、回転軸線Oを中心として回転可能に支持されている。
図1の実施形態では、リア側軸受は、主軸14の後端側の部分を支持し、フロント側軸受18、20は主軸14の前端側の部分を支持している。主軸14の前端側の部分には、加工中に大きな力が作用するので、主軸14の前端側の部分は、2つのフロント側軸受18、20によって支持されている。これに対して、負荷が比較的小さい主軸14の後端側の部分は、1つのリア側軸受16によって支持されている。リア側軸受16およびフロント側軸受18、20の配置や個数は必要に応じて選択することができる。なお、本発明の中央部分とは、主軸14の回転軸線方向の前端と後端から距離が中央にある位置という意味ではなく、前端側を支持するフロント側軸受18、20と後端側を支持するリア側軸受との間にある部分という意味で用いていることに注意されたい。
ハウジング12内において、リア側軸受16と、フロント側軸受18、20の間の主軸14の中央部分に対応したハウジング12の部分には、主軸14を回転駆動するビルトインモータが組み込まれている。該ビルトインモータは、主軸14の中央部分の外表面に固定されたロータ22と、該ロータ22に対面するように、ハウジング12に固定されたステータ24とを具備している。該ビルトインモータ22、24は、工作機械の制御装置、例えばNC装置(図示せず)に接続されており、該NC装置によって回転の起動、停止および回転速度が制御される。
主軸装置10は、後方部分(図1では主軸装置10の上端側)に後部熱交換器を具備している。該後部熱交換器は、内側フィン54と外側フィン56とを備える。内側フィン54は、主軸14と共に回転するように、主軸14のリア側軸受16よりも後方に突出した後方部分に固定さている。内側フィン54は、主軸14の外周面に固定される円筒形状のベース部材54aと、該ベース部材54aから半径方向外側に突出した複数のフィン部材54bとを有している。フィン部材54bの各々は、回転軸線Oに対して垂直な方向に延びる板部材であって、好ましくはリング状に形成されている。また、複数のフィン部材54bは、ベース部材54aの外周面に沿って主軸14の回転軸線O方向に所定の間隔で配列されている。内側フィン54は、例えばベース部材54aの外表面にリング状のフィン部材54bをろう付けまたは溶接することによって形成することができる。或いは、円筒部材の外周面に複数の周溝を形成することによって、フィン部材54bとベース部材54aとを一体的に形成してもよい。内側フィン54は、好ましくは、そのベース部材54aの内周面が直接主軸14の外周面に接触するように配置される。
外側フィン56は、内側フィン54に対面するようにハウジング12の後方部分に固定されている。外側フィン56は、主軸14と共に回転することはない。外側フィン56は、円筒状または円弧状のベース部材56aと、該ベース部材56aの内周面から半径方向内側に突出した複数のフィン部材56bとを有している。フィン部材56bの各々は、回転軸線Oに対して垂直な方向に延びる板部材であって、環状または後述するように円弧状に形成することができる。外側フィン56は、好ましくは、そのベース部材56aの外周面が円筒部材26の内周面に直接接触するように配置される。
内側フィン54と外側フィン56は、各々のフィン部材54b、56bが回転軸線Oの方向に交互に配置されるように、主軸14とハウジング12にそれぞれ取り付けられる。内側フィン54と外側フィン56の各々のフィン部材54b、56b間の間隔は小さい方が好ましいが、主軸14の回転中に振動等によって両者が接触しないように選択される。
ここで、回転軸線Oに垂直な平面に沿う主軸装置10の部分断面である図2を参照すると、後部熱交換器の外側フィン56は、2つの半体部分56′を具備している。半体部分56′は、半円筒部材または少なくとも部分的に円筒状の部材の内周面に円弧状のフィン部材56bをろう付けまたは溶接することによって形成することができる。或いは、半体部分56′は、半円筒部材または少なくとも部分的に円筒状の部材の内周面に複数の溝を形成することによって、フィン部材56bとベース部材56aとを一体的に形成するようにしてもよい。2つの半体部分56′の間には、半体部分56′をハウジング12の内面、本実施形態では、後部冷却液通路26aを形成する円筒部材26の内周面に押圧する付勢部材56cが配設されている。付勢部材56cは、コイルばねや皿ばねから形成することができる。
主軸装置10の前方部分(図1では下端部分)にも、後部熱交換器と同様の前部熱交換器が設けられている。前部熱交換器は、主軸14の前方部分、より詳細には2つのフロント側軸受18、20の間の部分に設けられた内側フィン58と、内側フィン58に対面するようにハウジング12の内面に固定された外側フィン60とを具備している。
内側フィン58は、主軸14の外周面に固定される円筒形状のベース部材58aと、該ベース部材58aから半径方向外側に突出した複数のフィン部材58bとを有している。内側フィン58は、好ましくは、そのベース部材58aの内周面が主軸14の外周面に直接接触するように配置される。
外側フィン60は、円筒状または円弧状のベース部材60aと、該ベース部材60aの内周面から半径方向内側に突出した複数のフィン部材60bとを有している。外側フィン60は、好ましくは、そのベース部材60aの外周面が円筒部材30の内周面に直接接触するように配置される。外側フィン60は、後部熱交換器の外側フィン56と同様に、2つの半体部分から形成するようにできる。
内側フィン58と外側フィン60は、各々のフィン部材58b、60bが回転軸線Oの方向に交互に配置されるように、主軸14とハウジング12にそれぞれ取り付けられる。内側フィン58と外側フィン60の各々のフィン部材58b、60b間の間隔は小さい方が好ましいが、主軸14の回転中に振動等によって両者が接触しないように選択される。
ハウジング12の後方部分には冷却液が流通する後部冷却液通路26aが形成されている。後部冷却液通路26aは、例えば円筒部材26の外周面に螺旋状の溝を形成し、円筒部材26をハウジング12の内面に密着するように嵌合させることによって円筒部材26の外周面とハウジング12の内周面との間に形成することができる。本実施形態では、後部冷却液通路26aは、外側フィン56のベース部材56aに少なくとも部分的に、好ましくは回転軸線O方向にベース部材56aの全体と重なるように配置される。
後部冷却液通路26aには、冷却液供給管路32によって冷却液供給装置(図示せず)から冷却液、例えば水が供給される。後部冷却液通路26aを流通した冷却液は、冷却液戻り管路34によって冷却液供給装置に戻される。冷却液供給装置は、例えば冷却液を貯留するタンク(図示せず)、該タンクから冷却液を後部冷却液通路26aへ向けて送り出すポンプ(図示せず)、関連する弁、および、前記ポンプおよび弁の動作を制御する制御装置または制御回路(図示せず)等を含むことができる。冷却供給装置は、後部冷却液通路26aから戻ってきた冷却液を冷却する冷却装置(図示せず)含んでいてもよい。
ハウジング12の中央部分には、冷却液が流通する中間冷却液通路28aが形成されている。中間冷却液通路28aは、例えば円筒部材28の外周面に螺旋状の溝を形成し、円筒部材28をハウジング12の内面に密着するように嵌合させることによって円筒部材28の外周面とハウジング12の内周面との間に形成することができる。本実施形態では、中間冷却液通路28aは、ステータ24に少なくとも部分的に、好ましくは回転軸線O方向にステータ24の全体と重なるように配置される。また、好ましくは、ステータ24は、中間冷却液通路28aを形成する円筒部材28の内周面に直接接触するように配置される。中間冷却液通路28aには、冷却液供給管路36によって前記冷却液供給装置から冷却液が供給される。中間冷却液通路28aを流通した冷却液は、冷却液戻り管路40によって前記冷却液供給装置に戻される。
ハウジング12の前方部分には、冷却液が流通する前部冷却液通路30aが形成されている。前部冷却液通路30aは、例えば円筒部材30の外周面に螺旋状の溝を形成し、円筒部材30をハウジング12の内面に密着するように嵌合させることによって円筒部材30の外周面とハウジング12の内周面との間に形成することができる。本実施形態では、前部冷却液通路30aは、外側フィン60のベース部材60aに少なくとも部分的に、好ましくは回転軸線O方向にベース部材60aの全体と重なるように、より好ましくは、フロント側軸受18、20およびベース部材60aに重なるように配置される。前部冷却液通路30aには、冷却液供給管路42によって前記冷却液供給装置から冷却液が供給される。前部冷却液通路30aを流通した冷却液は、冷却液戻り管路44によって前記冷却液供給装置に戻される。
主軸装置10は、更に、後部ヒートパイプ50を具備している。後部ヒートパイプ50は主軸14の後方部分に組み込まれている。複数の後部ヒートパイプ50が、主軸14の回転軸線Oを中心として周方向に等間隔に配置される。複数の後部ヒートパイプ50は、好ましくは、回転軸線Oに対して所定の角度θを以て主軸14の後端から先端へ向けて拡開するように埋設されている。つまり、複数の後部ヒートパイプ50は、主軸14内で主軸14の後端から先端へ向けて拡開する所定の円錐面に沿って配置するようにできる。
また、後部ヒートパイプ50は、後部熱交換器54、56の少なくとも一部に重なり合う位置から、ビルトインモータ22、24の少なくとも一部に重なり合う位置まで延設されている。より好ましくは、後部ヒートパイプ50は後部熱交換器54、56の全体、リア側軸受16およびビルトインモータ22、24の全体と重なるように延設される。本実施形態では、ビルトインモータ22、24に隣接した後部ヒートパイプ50の前端部分が高温部となり、後部熱交換器54、56に隣接した後部ヒートパイプ50の後端部分が低温部となる。
主軸装置10は、更に、前部ヒートパイプ52を具備することができる。前部ヒートパイプ52は主軸14の前方部分に組み込まれている。複数の前部ヒートパイプ52が、主軸14の回転軸線Oを中心として周方向に等間隔に配置される。複数の前部ヒートパイプ52は、好ましくは、回転軸線Oに対して平行に延設され、主軸14内に埋設される。また、前部ヒートパイプ52は、前部熱交換器58、60の少なくとも一部と、前部熱交換器58、60に重なり合うように延設されている。本実施形態では、フロント側軸受18、20に隣接した前部ヒートパイプ52の両端部分が高温部となり、前部ヒートパイプ52の中央部分が低温部となる。
主軸装置10は、更に、後部熱交換器の内側フィン54と外側フィン56との間に冷却空気を供給するようにしてもよい。本実施形態では、冷却空気供給管路46によって、冷却空気が冷却空気源(図示せず)から内側フィン54と外側フィン56との間に供給される。内側フィン54と外側フィン56との間に供給された冷却空気は、内側フィン54と外側フィン56との間を流通して主軸装置10の後端側から外部に排出される。
同様に、前部熱交換器の内側フィン58と外側フィン60との間に冷却空気を供給するようにしてもよい。冷却空気は、前記冷却空気源から冷却空気供給管路48によって前部熱交換器の内側フィン58と外側フィン60との間に供給される。内側フィン58と外側フィン60との間に供給された冷却空気は、内側フィン58と外側フィン60との間を流通して主軸装置10の前端側から外部に排出される。
冷却空気源は、例えば空気を圧縮するコンプレッサ(図示せず)、圧縮された空気を貯留するタンクまたはアキュムレータ(図示せず)、関連する弁(図示せず)等を含むことができる。更に、冷却空気源は、タンクまたはアキュムレータからの空気を除湿するドライヤ(図示せず)や、タンクまたはアキュムレータからの空気を冷却する冷却装置(図示せず)を含んでいてもよい。
以下、本実施形態の作用を説明する。
主軸14が回転すると、リア側軸受16、フロント側軸受18、20およびビルトインモータ22、24から発熱する。リア側軸受16に作用する負荷は比較的小さく、従ってリア側軸受16からの発熱量は比較的小さい。ビルトインモータ、特にそのステータ24から発生する熱は、中間冷却液通路28aを流通する冷却液によって、主軸装置10の外部に効果的に排出される。
一方、ロータ22から生じた熱により、主軸14内に埋設されている後部ヒートパイプ50が加熱される。特に、後部ヒートパイプ50において、ロータ22と重なる後部ヒートパイプ50の高温部がロータ22から生じる熱によって加熱される。これにより、各後部ヒートパイプ50の高温部内では、作動流体、例えば水が気化する。作動流体が気化することにより、作動流は周囲から気化熱に相当する熱量を奪い、これによりロータ22が冷却される。気化した作動流体は、後部ヒートパイプ50の低温部へ向けて主軸14の後端方向に流動する。
リア側軸受16と主軸14の後端との間の主軸14の後方部分は、後部熱交換器54、56によって冷却される。これにより、後部ヒートパイプ50の低温部も冷却され、後部ヒートパイプ50の低温部において気体の作動流体が凝縮、液化する。低温部で液化した作動流体は、後部ヒートパイプ50内のウィック内に吸収され、毛細管作用によって高温部へ移動する。作動流体が高温部へ移動する間、作動流体は、後部ヒートパイプ50内でリア側軸受16の近傍を通過する。リア側軸受16からの発熱は比較的小さいが、リア側軸受16からの熱によって、高温部へ向かう作動流体の移動が阻害される場合には、リア側軸受16の内輪と、後部ヒートパイプ50との間に断熱部材62を配設するようにしてもよい。
また、作動流体が高温部へ向かって移動するとき、回転軸線Oに対して所定の角度θを以て主軸14の後端から先端へ向けて拡開するように後部ヒートパイプ50を配置することによって、ウィック内を移動する液体の作動流体に、主軸14の回転に伴う遠心力が作用し、高温部へ向かう移動が促進される。こうして、ロータ22から発生する熱は、後部ヒートパイプ50によって、効果的に主軸14の後方部分へ輸送される。
後部ヒートパイプ50によって主軸14の後方部分へ輸送された熱、および、リア側軸受16、特にその内輪から熱伝導によって主軸14の後方部分に輸送された熱は、後部熱交換器54、56によって、後部冷却液通路26a内を流通する冷却液に輸送される。また、図1に示すように、内側フィン54の円筒形状のベース部材54aの端部(図1では下端部)をリア側軸受16の内輪に接触させることによって、リア側軸受16の内輪から熱が直接内側フィン54のベース部材54aに伝達される。
後部熱交換器の外側フィン56のフィン部材56bは、内側フィン54のフィン部材54bに接触しないように、同内側フィン54のフィン部材54bの間に配置されているので、対流熱伝達および放射熱伝達によって、内側フィン54のフィン部材54bから外側フィン56のフィン部材56bへ熱が輸送される。これにより内側フィン54が冷却され、主軸14の後方部分が冷却される。
また、冷却空気供給管路46によって冷却空気源から後部熱交換器54、56へ冷却空気を供給することによって、内側フィン54のフィン部材54bが一層効果的に冷却される。後部熱交換器54、56へされる冷却空気は、内側フィン54のフィン部材54bと外側フィン56のフィン部材56bとの間の隙間を通って、主軸装置10の後端から排出される。これによって、更に、内側フィン54と外側フィン56との間を通って塵埃等の異物がハウジング12内に侵入することが防止される。
フロント側軸受18、20からの発熱によって、前部ヒートパイプ52の高温部である両端部分が加熱される。これにより、前部ヒートパイプ52の高温部では作動流体が気化する。作動流体が気化するとき、気化熱に相当する熱量が高温部の周辺から作動流体に吸収される。気化した作動流体は、前部ヒートパイプ52の低温部である中央部分へ移動し、前部熱交換器58、60によって冷却されて、凝縮、液化する。凝縮に際して、凝縮熱に相当する熱量が作動流体から解放され、この熱量が前部熱交換器58、60を通じて前部冷却液通路30a内を流通する冷却液に輸送される。液化した作動流体は、前部ヒートパイプ52のウィック内を高温部である前部ヒートパイプ52の両端部分へ向けて移動する。こうして、主軸装置10のフロント側軸受18、20、特にその内輪が効果的に冷却される。
また、冷却空気供給管路48によって冷却空気源から前部熱交換器58、60へ冷却空気を供給することによって、内側フィン58のフィン部材58bが一層効果的に冷却される。前部熱交換器58、60へされる冷却空気は、内側フィン58のフィン部材58bと外側フィン60のフィン部材60bとの間の隙間を通って、主軸装置10の前端から排出される。これによって、更に、内側フィン58と外側フィン60との間を通って、工作機械がワークを加工する際に発生する切り屑や、加工領域に供給される加工液のような塵埃等の異物がハウジング12内に侵入することが防止される。
10 主軸装置
12 ハウジング
14 主軸
16 リア側軸受
18 フロント側軸受
20 フロント側軸受
22 ロータ
24 ステータ
26 円筒部材
26a 後部冷却液通路
28 円筒部材
28a 中間冷却液通路
30 円筒部材
30a 前部冷却液通路
32 冷却液供給管路
34 冷却液戻り管路
36 冷却液供給管路
40 冷却液戻り管路
42 冷却液供給管路
44 冷却液戻り管路
46 冷却空気供給管路
48 冷却空気供給管路
50 後部ヒートパイプ
52 前部ヒートパイプ
54 内側フィン
54a ベース部材
54b フィン部材
56 外側フィン
56′ 半体部分
56a ベース部材
56b フィン部材
56c 付勢部材
58 内側フィン
58a ベース部材
58b フィン部材
60 外側フィン
60a ベース部材
60b フィン部材
62 断熱部材

Claims (3)

  1. ハウジングに対して回転可能に支持された主軸の前端部に工具またはワークを保持するように形成された工作機械の主軸装置において、
    前記主軸の前側で該主軸を回転可能に支持し、該主軸の回転軸線方向に間隔をあけて設けられた複数のフロント側軸受と、
    前記フロント側軸受よりも後側で前記主軸を回転可能に支持するリア側軸受と、
    前記フロント側軸受とリア側軸受との間の中央部分において、前記主軸の周囲に配置され該主軸を回転駆動するビルトインモータと
    記リア側軸受よりも後方に突出し、前記リア側軸受の内輪に接して前記主軸の後方部分に固定され、前記主軸の回転軸線方向に配列され、かつ、前記主軸の回転軸線に対して垂直な方向に延びる板状の複数の内側フィンと、前記ハウジングに固定され、かつ、前記複数の内側フィンに接触しないように、同内側フィンの間に配置された板状の複数の外側フィンとを有する後部熱交換器と
    前記複数のフロント側軸受間に設けられ、前記主軸の回転軸線方向に配列され、かつ、前記主軸の回転軸線に対して垂直な方向に延びる板状の複数の内側フィンと、前記ハウジングに固定され、前記複数の内側フィンに接触しないように、同内側フィンの間に配置された板状の複数の外側フィンとを有する前部熱交換器と、
    前記後部熱交換器および前部熱交換器の各々の外側フィンの外周に配置された後部冷却液通路および前部冷却液通路と、
    前記主軸に内蔵され、前記主軸の中央部と前記後部熱交換器との間で熱を伝える後部ヒートパイプと、
    前記リア側軸受と前記後部ヒートパイプとの間に配設された断熱材と、
    前記主軸に内蔵され、前記フロント側軸受と前記前部熱交換器との間で熱を伝える前部ヒートパイプと、
    を具備することを特徴とした工作機械の主軸装置。
  2. 前記後部熱交換器および前部熱交換器の各々の外側フィンは2つの半体部分を具備しており、該2つの半体部分の各々は、少なくとも部分的に円筒形状のベース部材と、該ベース部材の内周面から半径方向に突出した複数のフィン部材とを有しており、2つの半体部分のベース部材の間に付勢部材が配設され、該付勢部材が該2つの半体部分を互いに離反する方向に付勢し、これによって、後部熱交換器および前部熱交換器の各々の外側フィンが前記ハウジングの内面に押圧されるようにした請求項1に記載の主軸装置。
  3. 前記後部ヒートパイプは、前記主軸装置の回転軸線に対して所定の角度を以て主軸の後端から先端へ向けて拡開するように配置されている請求項1に記載の主軸装置。
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