JP6710022B2 - 可変剛性軸受と、当該可変剛性軸受を使用した工作機械の主軸装置及び当該主軸装置を備えたマシニングセンタ - Google Patents
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Description
図1に、可変剛性軸受を使用した工作機械としてのマシニングセンタの主軸装置100の概要を示す。マシニングセンタは任意の軸数で縦型又は横型で構成可能であり、図1は縦型マシニングセンタを想定している。この主軸装置100は主軸頭10の内部に主軸11を回転可能に配設している。主軸11は主軸頭10の後方に配置された駆動モータと連結されており、後述する制御装置40によって駆動モータの回転数を任意に変更することで所望の回転数で回転駆動されるようになっている。
2つの軸受外筒31、32のL字状部分31a、32aに、主軸11のスラスト方向に予圧を付与するための静圧機構としての油静圧軸受50が配設されている。本発明の特徴は、当該油静圧軸受50の高剛性の利点を生かして可変予圧を実現したことにある。油静圧軸受50は、この実施形態では定ポンプ圧力・絞り弁方式であるが、定流量方式を採用することも可能である。
制御装置40によって予圧付与装置20が制御されることで、当該予圧付与装置20の油圧ポンプから所定圧の油が供給されると、当該油は軸受外筒31の油供給通路31bを通り、絞りSを通って静圧ポケット31c内に導入される。静圧ポケット31cに導入された油はランド部隙間h、すなわち前側軸受外筒31の後端面と後側軸受外筒32の前端面との間の隙間hを通って機外に排出される。
油静圧軸受50は、図2Bに示すように、予圧付与装置20のポンプから供給された油が絞りSを通って静圧ポケット31cに入り、ランド部隙間hを通って軸受外に排出される。ここで、予圧付与装置のポンプの供給圧をPs、静圧ポケット31c内の中間圧をPr、大気圧をP0、ポンプから絞りSを通って静圧ポケット31cに入る油の流量をQin、ランド部隙間hから排出される油の流量をQoutとすると、Qin=Qoutとなる。
Qin=π・(d 2/4)・Vin∝Ps−Pr
となる。dは絞りSの径、Vinは絞りSを通る油の流速である。
Ks=−∂W/∂h
図3の(a)は従来の定位置予圧を使用した軸受の概略図であり、(b)は当該定位置予圧軸受の力学モデルである。定位置予圧では主軸11を軸承するアンギュラ玉軸受21〜24の間にある中間部外輪間座25aと外輪間座25bの寸法によりアンギュラ玉軸受21〜24の予圧量を調整する。
Kb1+Kb2 …(1)
Kb1 …(2)
Kb1+Kbs・Kb2/(Kbs+Kb2) …(3)
図6は油静圧軸受50に供給する供給油圧Ps(MPa)と主軸剛性(N/μm)との関係を示したものである。このように供給油圧Psを変更することで任意の主軸剛性(例えば500N/μm以上)を得ることができる。したがって、例えばフライス加工のような重切削加工(切削力の大きな加工)では大きな主軸剛性が必要になるので、供給油圧Psを上げて主軸剛性を高めることができる。
10a:油供給通路
10b:油排出通路
11:主軸
11a:段部
12:ボルト
13:フロントキャップ
14:押圧リング
15:軸受ナット
20:予圧付与装置
21〜24:アンギュラ玉軸受
25a:中間部外輪間座
25b:外輪間座
25c:中間部内輪間座
25d:内・外輪間座
31:前側軸受外筒
31a:L字状部分
31b:油供給通路
31c:静圧ポケット
31d:ランド部
31e:排出通路
32:後側軸受外筒
32a:L字状部分
32d:対向面
33:油圧室
34:スペーサ
40:制御装置
50:油静圧軸受
60:バイアス用ばね
61:ボルト
62:エンドキャップ
63:ボルト
64:リヤキャップ
100:主軸装置
h:ランド部隙間
Claims (6)
- 予圧可能な転がり軸受に対して、軸線方向に作用する予圧の大きさを調整することで、当該転がり軸受の軸受負隙間の大きさを調整する静圧機構を配設した可変剛性軸受であって、
前記静圧機構は、静圧隙間を介して軸線方向に対向した第1部材と第2部材を有し、前記第1部材と第2部材の対向面に前記静圧隙間を挟んで対向するランド部が形成されると共に、前記第1部材と第2部材の少なくとも一方の前記ランド部に、前記第1部材内又は前記第2部材内に形成された給油通路によって油圧が供給される静圧ポケットが形成され、当該静圧ポケットに供給された油が前記静圧隙間を通って前記ランド部の外側に排出されるように構成され、
前記第1部材と第2部材の少なくとも一方が、前記転がり軸受の軸受負隙間の大きさを調整可能なように、前記第1部材又は前記第2部材の対向面の軸線方向の反対側に前記転がり軸受の外輪又は内輪に軸線方向に当接する当接面が形成され、前記第1部材と第2部材は前記静圧隙間の大きさを増減させることで軸線方向に相対変位可能とされていることを特徴とする可変剛性軸受。 - 前記転がり軸受が背面合わせのアンギュラ玉軸受で構成されるとともに、前記静圧機構が前記背面合わせのアンギュラ玉軸受相互間に配設され、前記第1部材と第2部材が前記アンギュラ玉軸受の外輪に軸線方向に当接していることを特徴とする請求項1の可変剛性軸受。
- 前記第1部材と第2部材が前記転がり軸受の周方向で複数に分割され、当該分割された第1部材と第2部材相互間の前記静圧隙間が独立に増減可能とされていることを特徴とする請求項2の可変剛性軸受。
- 前記分割された第1部材と第2部材の対向面に前記ランド部が円弧状に形成され、当該第1部材と第2部材の少なくとも一方の前記ランド部の内側に前記円弧状に沿った溝部によって前記静圧ポケットが形成され、当該静圧ポケットに対して給油通路によって油圧が供給され、前記静圧隙間を通って前記ランド部の外側に排出された油が排油通路によって軸受外に排出されることを特徴とする請求項3の可変剛性軸受。
- 請求項1から4のいずれか1項の可変剛性軸受を備えたことを特徴とする工作機械の主軸装置。
- 請求項5の主軸装置を備えたことを特徴とするマシニングセンタ。
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