JP6729304B2 - スピンドル装置 - Google Patents

Description

本発明は、スピンドル装置に関する。

近年の高速回転を可能にするスピンドル装置においては、例えば、ハウジングと、一端に工具等が取り付けるチャッキング部を有して回転駆動される回転軸と、回転軸の前側（チャッキング部側）に配設された固定側軸受と、回転軸の後側に配設された自由側軸受と、を備えたものがある。
自由側軸受は、回転軸の回転による熱膨張の対策として、ハウジングにスリーブを介して、軸方向にスライド移動可能に支持される。このスリーブは、軸の熱膨張の伸張分だけ後側に移動することで、熱膨張の影響をキャンセルし、軸受に対する予圧を一定にして、軸受の寿命と支持剛性を適正に保っている。スリーブとリアハウジングとの間には、スリーブがスムーズにスライドするために、ボールブッシュの挿入や、流体の封入等による工夫によって、適正な嵌合隙間が設けられている。

しかし、スリーブ自身の熱膨張によってスリーブの外径が拡大すると、スリーブがリアハウジングに固着し、軸受に対する予圧が抜けて、軸が正常に保持できなくなる問題が発生する。また、スリーブとリアハウジングとの嵌合隙間が変化することで、スリーブが振動を発生したり、スリーブとリアハウジングとの間での接触剛性が変化したりする等、スピンドルの回転精度が悪化する要因となる。そのため、スリーブ及び後側の発熱源である後側軸受を冷却することが重要となる。

後側軸受及び嵌合するスリーブを冷却する技術として、例えば特許文献１に示されたものがある。特許文献１では、スリーブの外周面又はリアハウジングの内周面にて、冷却媒体が流動可能な溝を設けることで、スリーブを冷却し、後側軸受の焼付きやスリーブのスライド不良を防止している。

特開２０１５−１７８１６５号公報

しかしながら、特許文献１の構成では、冷却媒体の供給及び排出は、スリーブの冷却専用に設ける必要がある。また、スリーブ外周面又はリアハウジングの内周面に設ける溝は、複雑な形状に加工することによって冷却効果を高めており、スリーブ冷却のためだけに複雑な構造になるという問題があった。

また、高速回転主軸における駆動方法としては、主軸内にモータを内蔵した、所謂、モータビルトイン主軸が大勢を占めている。このような構成の高速主軸では、主軸を支持する転がり軸受からの発熱以外にも、モータに内蔵されるステータやロータからの発熱も大きい。例えば工作機械主軸の場合、主軸の温度上昇が高いと、熱変形が生じ加工精度が低下する問題を生じる。

そこで本発明は、冷却媒体の流路構造を複雑化することなく、モータと自由側軸受とを同時に冷却できる機能を備えたスピンドル装置を提供することを目的とする。

本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
ハウジングと、
前記ハウジング内に回転自在に挿通される回転軸と、
内輪が前記回転軸の一端側に外嵌され、外輪が前記ハウジングに固定される固定側軸受と、
前記回転軸の他端側で前記ハウジング内に内嵌され、前記回転軸の軸方向に移動可能なスリーブと、
前記ハウジング内の固定側軸受と前記スリーブとの間に配置され、前記回転軸に固定されたロータ及び前記ハウジングに固定されたステータを有するモータと、
内輪が前記回転軸の他端側に外嵌され、外輪が前記スリーブに内嵌される自由側軸受と、
を有するスピンドル装置であって、
前記回転軸の一端側から前記ハウジング内に冷却媒体を供給する供給流路と、
前記スリーブを軸方向に貫通して形成され、前記モータ部を通過した前記冷却媒体を前記ハウジング外に排出するスリーブ側排出流路と、
を備えることを特徴とするスピンドル装置。

本発明のスピンドル装置によれば、冷却媒体の流路構造を複雑化することなく、モータと自由側軸受とを同時に冷却できる。

スピンドル装置の第１構成例の断面図である。 図１のII−II線断面図である。 図１のIII−III線断面図である。 図１のIV−IV線断面図である。 スピンドル装置の第２構成例の部分断面図である。 図５のVI−VI線断面図である。 冷却構造の違いによる自由側軸受の外輪の温度変化を対比可能に模式的に示したグラフである。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
（第１構成例）
図１は本発明の実施形態を説明するための図で、スピンドル装置の断面図である。
スピンドル装置１００は、ハウジング１１と、回転軸１３と、一対の固定側軸受１５Ａ，１５Ｂと、一対の自由側軸受１７Ａ，１７Ｂと、スリーブ１９とを備える。回転軸１３は、図中左側の一端（前端）側に不図示の工具等が取り付けられ、ハウジング１１に対して相対回転自在に支持される。固定側軸受（本構成例では玉軸受）１５Ａ，１５Ｂは、回転軸１３の前端側に配設される。自由側軸受（本構成例では玉軸受）１７Ａ，１７Ｂは、回転軸１３の他端（後端）側に配設される。スリーブ１９は、ハウジング１１に内挿されて軸方向にスライド移動可能に取り付けられる。

ハウジング１１は、略円筒形状のハウジング本体２１と、ハウジング本体２１の前端側に嵌合固定されるフロントハウジング２３と、ハウジング本体２１の後端側に嵌合固定されるリアハウジング２５とを有する。フロントハウジング２３の前端には、前蓋２７が締結固定され、リアハウジング２５の後端には、後蓋２９が締結固定される。

ハウジング本体２１の内側面２１ａに内嵌するインナースリーブ３１には、ビルトインタイプのモータ３３のステータ３８が固定される。また、回転軸１３の軸方向中間部には、ステータ３８と対向してロータ３７が固定される。ロータ３７は、ステータ３８が発生する回転磁界によって回転力が与えられて回転軸１３を回転駆動する。インナースリーブ３１の外周面には、円環状の複数の溝３１ａが形成されており、ハウジング本体２１に内嵌することで内側面２１ａとの間に冷却路３９が形成される。

固定側軸受１５Ａ，１５Ｂは、各外輪４１がフロントハウジング２３に内嵌され、内輪４３，４３が回転軸１３に外嵌されて、回転軸１３の前端側を回転自在に支承する。固定側軸受１５Ａ，１５Ａの各外輪４１は、外輪間座４５を介してフロントハウジング２３の後端面２３ａと前蓋２７とによって狭持されてフロントハウジング２３に軸方向に関して位置決めされる。固定側軸受１５Ａ，１５Ａの各内輪４３は、内輪間座４７を介して、回転軸１３の前側段部１３ａと回転軸１３に螺合するナット４９とによって狭持され、回転軸１３に軸方向に関して位置決めされる。

リアハウジング２５のスリーブ支持部２５ｂにおける内周面２５ａには、軸方向に移動可能な略円筒形状のスリーブ１９が挿入される。自由側軸受１７Ａ，１７Ｂは、各外輪５１がスリーブ１９に内嵌され、各内輪５３が回転軸１３に外嵌されて、回転軸１３の後端側を回転自在に支承する。各外輪５１は、外輪間座５５を介してスリーブ１９の内周面１９ａに嵌合してスリーブ１９の軸方向に関して位置決めされる。各内輪５３は、内輪間座５７を介して回転軸１３の後側段部１３ｂと、回転軸１３に螺合するナット５９とによって狭持されて回転軸１３に軸方向に関して位置決めされる。

ハウジング本体２１、フロントハウジング２３、リアハウジング２５、及び後蓋２９には、スピンドル装置１００の内部に冷却媒体Ｍを供給するための供給流路６１が設けられる。供給流路６１は、後蓋２９を貫通する流路６３と、流路６３に連通されてリアハウジング２５を貫通する流路６５と、流路６５に連通されてハウジング本体２１を貫通する流路６７と、流路６７に連通されてフロントハウジング２３内を貫通する流路６９と、により構成される。

流路６３，６５，６７，６９の軸断面は、それぞれ同径の円形状である。後蓋２９の流路６３、リアハウジング２５の流路６５、及びハウジング本体２１の流路６７は、軸方向に沿って直線状に連通する。

図２は図１のII-II線断面図である。
図１，図２に示すように、フロントハウジング２３の流路６９は、ハウジング本体２１の流路６７と同軸に連通する外側流路６９ａと、外側流路６９ａの前端部からフロントハウジング２３の半径方向内側に延びる径方向流路６９ｂと、径方向流路６９ｂの内端部からフロントハウジング２３の後端面２３ｂに延びる内側流路６９ｃとを有する。この内側流路６９ｃは、フロントハウジング２３の内周面側の固定側軸受１５Ａ，１５Ｂの近傍に形成される。径方向流路６９ｂは、フロントハウジング２３の外周面から穿設された穴の開口を栓体７２で塞ぐことで形成される。

流路６３，６５，６７，６９は、ハウジング１１に回転軸１３の一端側から他端側までを連通して形成される。すなわち、流路６３，６５，６７，６９は、ハウジング本体２１、フロントハウジング２３、リアハウジング２５及び後蓋２９が互いに密に接合することにより、後蓋２９の後端面２９ａに開口した流路６３の開口部６３ａからリアハウジング２５の後端面２３ｂに開口した流路６９の開口部６９ｄまで連通する供給流路６１を形成する。

冷却媒体Ｍは、後蓋２９の後端面２９ａに開口した開口部（供給口）６３ａから供給流路６１内に供給される。そして、冷却媒体は、供給流路６１内を通ってフロントハウジング２３の後端面２３ｂに開口した開口部６９ｄからハウジング１１のモータ３３が収容されている空間Ｓに供給される。この冷却媒体Ｍとしては圧縮供給される空気、冷却空気、オイルミストを含む空気等が使用される。開口部６９ｄは、モータ３３のステータ３８の一端部に臨ませて配置される。

図３は図１のIII-III線断面図である。
冷却媒体Ｍは、モータ３３のロータ３７とステータ３８との間を通過して、図１に示すスリーブ１９に保持された自由側軸受１７Ａ，１７Ｂ側に供給される。

スリーブ１９には、モータ３３を通過した冷却媒体Ｍをハウジング１１外に排出するためのスリーブ側排出流路７１が形成される。後蓋２９には、スリーブ側排出流路７１を通過した冷却媒体Ｍをスピンドル装置１００外に排出するための排出孔７３が設けられる。スリーブ側排出流路７１は、スリーブ１９を軸方向に貫通する。

図４は図１のIV−IV線断面図である。スリーブ側排出流路７１は、図４に示すように、周方向に沿った複数箇所に等配される。図示例では、スリーブ側排出流路７１がスリーブ１９の８箇所に設けられているが、スリーブ側排出流路７１の数や配置はこれに限らない。また、スリーブ側排出流路７１の軸断面積の合計は、供給流路６１の軸断面積の合計よりも大きくなるように形成される。また、排出孔７３の軸断面積も、供給流路６１の軸断面積の合計よりも大きく形成される。

上記構成によれば、冷却媒体Ｍは、供給流路６１を通してスピンドル装置１００のハウジング１１内の空間Ｓに供給される。その際、冷却媒体Ｍは、モータ３３の前方から供給され、モータ３３のロータ３７とステータ３８との間を通過した後、スリーブ１９側に送られる。そして、冷却媒体Ｍは、スリーブ側排出流路７１を通過して、後蓋２９の排出孔７３からハウジング１１の外側、すなわち、スピンドル装置１００外に排出される。

上記の冷却媒体Ｍの流れによって、モータ３３のロータ３７とステータ３８とが冷却される。その冷却媒体Ｍが、更にスリーブ側排出流路７１を通過することにより、スリーブ１９を介しての熱交換により自由側軸受１７Ａ，１７Ｂが冷却される。

このように、スピンドル装置１００のハウジング１１内にモータ３３の前方から冷却媒体Ｍが供給され、モータ３３を通過した冷却媒体Ｍが、自由側軸受１７Ａ，１７Ｂを保持するスリーブ１９のスリーブ側排出流路７１を通過してハウジング１１外に排出される。このような流路構成を採用したことにより、冷却媒体Ｍの流路構造を複雑化することなく、モータ３３と自由側軸受１７Ａ，１７Ｂとを同時に冷却でき、冷却効率を向上できる。

また、冷却媒体Ｍの供給と排出を、ハウジング１１の後方に纏めることで、配管のレイアウトが容易となる。

更に、自由側軸受１７Ａ，１７Ｂが内嵌するスリーブ１９の周方向に沿った複数箇所にスリーブ側排出流路７１が等配されることで、自由側軸受１７Ａ，１７Ｂの外輪５１を全周にわたって均一に冷却できる。これにより、自由側軸受１７Ａ，１７Ａの温度を周方向に均一となり、回転中の転がり接触部や保持器案内面等での粘度低下による潤滑油膜切れが生じ難くなり、潤滑不良による寿命低下や焼付きが防止される。

また、スリーブ１９が、スリーブ内部を通過する冷却媒体Ｍとの熱交換によって直接冷却されるので、スリーブ１９の熱膨張による拡大が抑制され、リアハウジング２５の内周面２５ａとスリーブ１９の外周面１９ｂとの隙間間隔が安定して保たれる。このため、リアハウジング２５とスリーブ１９との隙間間隔の変動による振動の発生、回転精度の低下等の不具合の発生を防止できる。

また、スリーブ側排出流路７１の軸断面積の合計が、供給流路６１の軸断面積の合計よりも大きいことにより、流路抵抗が小さくなり、冷却媒体Ｍを円滑に流動させることができる。

そして、供給流路６１がフロントハウジング２３内にも形成されているので、冷却媒体Ｍとの熱交換により直接冷却されるフロントハウジング２３を介して、固定側軸受１５Ａ，１５Ｂも冷却できる。フロントハウジング２３内の内側流路６９ｃが、フロントハウジング２３の内周面近傍にまで形成されるので、固定側軸受１５Ａ，１５Ｂを効率良く冷却できる。

更に、フロントハウジング２３の周方向に沿った複数箇所に内側流路６９ｃを等配することにより、固定側軸受１５Ａ，１５Ｂの外輪４１を全周にわたって均一に冷却する構成にできる。

また、スリーブ側排出流路７１は、スリーブ１９を軸方向に貫通しているので、加工性が良く、スリーブ側排出流路７１を設けたことによる製造コストの増加は僅かである。

（第２構成例）
次に、第２構成例について説明する。なお、第１構成例と同一又は同等部分については、図面に同一符号を付してその説明を省略又は簡略化する。

図５は第２構成例のスピンドル装置２００の一部断面図である。
本構成のスピンドル装置２００のスリーブ１９には、第１構成例と同様にスリーブ側排出流路７１が形成される。また、スリーブ１９が内嵌されるリアハウジング２６には、支持部側排出流路７５が軸方向に貫通して設けられる。

図６は図５のVI−VI線断面図である。
支持部側排出流路７５は、リアハウジング２６のスリーブ支持部２６ａに円周方向に沿った複数箇所に等配される。図示例では、支持部側排出流路７５がリアハウジング２６のスリーブ支持部２６ａの８箇所に設けられているが、支持部側排出流路７５の数や配置はこれに限らない。また、支持部側排出流路７５とスリーブ側排出流路７１の軸断面積の合計は、供給流路６１の軸断面積の合計よりも大きくなるように形成される。

支持部側排出流路７５とスリーブ側排出流路７１は、図示例のように周方向に同じ位相で配置してもよく、周方向に交互に配置した構成であってもよい。双方の流路間隔が小さくなるほど、均一な冷却効果が得やすくなる。

上記構成によれば、冷却媒体Ｍは、モータ３３のロータ３７とステータ３８との間を通過した後、スリーブ側排出流路７１及び支持部側排出流路７５を通過し、排出孔（図１の排出孔７３と同様）からスピンドル装置２００外に排出される。モータ３３は、冷却媒体Ｍがロータ３７とステータ３８との間を通過することにより冷却される。その冷却媒体Ｍが、スリーブ側排出流路７１及び支持部側排出流路７５を通過することにより、スリーブ１９及びリアハウジング２６がそれらの内部を通過する冷却媒体Ｍとの熱交換により同時に直接冷却される。

したがって、本構成によれば、モータ３３と自由側軸受１７Ａ，１７Ｂとを同時に冷却できる効果に加えて、スリーブ１９からリアハウジング２６までの径方向に沿った温度分布を均一に保ち、スリーブ１９の外周面１９ｂとリアハウジング２６の内周面２６ｂとの間の隙間を適正に保つ効果も得られる。

また、支持部側排出流路７５は、リアハウジング２６を軸方向に貫通するので、加工性が良く、支持部側排出流路７５を設けたことによる製造コストの増加は僅かである。その他の構成及び作用効果については、上記第１構成例と同様である。

このように、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、実施形態の各構成を相互に組み合わせることや、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。

例えば、上記構成例では、自由側軸受に玉軸受を使用しているが、円筒ころ軸受等、他の種類の転がり軸受を使用してもよい。
また、上記構成例では、スリーブ側排出流路７１及び支持部側排出流路７５がどちらも全長にわたって一定の径で形成されているが、流路の上流側を拡径させて、冷却媒体Ｍの流動をより円滑にしてもよい。また、各流路の断面形状を扁平状、或いは、フィン等を設け、流路内面の面積を増加させて熱交換頻度を向上させる構成としてもよい。更に、各流路を軸方向から傾斜させて設けてもよく、軸線回りの螺旋状にしてもよい。いずれの場合でも、冷却媒体Ｍとの接触面積を増加させることで、冷却効果をより高めることができる。

図１に示すスリーブ１９にスリーブ側排出流路７１を設けた第１構成例の冷却構造と、スリーブ１９にスリーブ側排出流路７１を設けない他の構造とを用いて、自由側軸受１７Ａ，１７Ｂの外輪５１の回転開始から回転終了までの温度変化を比較した。図７は、冷却構造の違いによる外輪５１の温度変化を対比可能に模式的に示したグラフである。

図７から明らかなように、自由側軸受１７Ａ，１７Ｂの回転開始直後から回転終了までの全期間を通して、スリーブ１９にスリーブ側排出流路７１を設けた第１構成例の構造が、上記他の構造と比較して外輪５１の定常状態の温度を低く保つことができる。これは、自由側軸受１７Ａ，１７Ｂが、冷却媒体Ｍによりスリーブ１９を介して冷却されたことによる効果であることは明らかである。

以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
（１）ハウジングと、
前記ハウジング内に回転自在に挿通される回転軸と、
内輪が前記回転軸の一端側に外嵌され、外輪が前記ハウジングに固定される固定側軸受と、
前記回転軸の他端側で前記ハウジング内に内嵌され、前記回転軸の軸方向に移動可能なスリーブと、
前記ハウジング内の固定側軸受と前記スリーブとの間に配置され、前記回転軸に固定されたロータ及び前記ハウジングに固定されたステータを有するモータと、
内輪が前記回転軸の他端側に外嵌され、外輪が前記スリーブに内嵌される自由側軸受と、
を有するスピンドル装置であって、
前記回転軸の一端側から前記ハウジング内に冷却媒体を供給する供給流路と、
前記スリーブを軸方向に貫通して形成され、前記モータを通過した前記冷却媒体を前記ハウジング外に排出するスリーブ側排出流路と、
を備えることを特徴とするスピンドル装置。
このスピンドル装置によれば、冷却媒体の流路構造を複雑化することなく、モータと自由側軸受とを同時に冷却できる。
（２） 前記供給流路は、前記ハウジングの前記回転軸の一端側から他端側まで連通され、前記ハウジングの前記他端側から供給された冷却媒体が、前記回転軸の一端側から前記ハウジング内の前記モータ内の空間に供給され、前記モータを通過した冷却媒体が前記ハウジングの前記他端側から排出されることを特徴とする（１）のスピンドル装置。
このスピンドル装置によれば、冷却媒体の供給と排出を、ハウジングの後方（回転軸の他端側）に纏めることで、配管のレイアウトが容易となる。
（３） 前記スリーブ側排出流路は、前記供給流路の軸断面積の合計以上の軸断面積を有することを特徴とする（１）又は（２）のスピンドル装置。
このスピンドル装置によれば、流路抵抗を小さくして冷却媒体を円滑に流動させることができる。
（４） 前記ハウジングは、前記スリーブを内嵌するスリーブ支持部に、前記冷却媒体を前記ハウジング外に排出する支持部側排出流路が形成されている（１）〜（３）のいずれか一つのスピンドル装置。
このスピンドル装置によれば、スリーブからスリーブ支持部までの温度分布を均一に保つことができる。
（５） 前記冷却媒体は、空気であることを特徴とする（１）〜（４）のいずれか一つのスピンドル装置。
このスピンドル装置によれば、特別な冷却媒体を別途用意することなく、簡便に冷却機構を実現できる。

１１ ハウジング
１３ 回転軸
１５Ａ，１５Ｂ 固定側軸受
１７Ａ，１７Ｂ 自由側軸受
１９ スリーブ
２１ ハウジング本体
２３ フロントハウジング
２５，２６ リアハウジング（スリーブ支持部）
３３ モータ
３７ ロータ
３８ ステータ
５１ 外輪
６１ 供給流路
７１ スリーブ側排出流路
７５ 支持部側排出流路
１００，２００ スピンドル装置

Claims (5)

1. ハウジングと、
   前記ハウジング内に回転自在に挿通される回転軸と、
   内輪が前記回転軸の一端側に外嵌され、外輪が前記ハウジングに固定される固定側軸受と、
   前記回転軸の他端側で前記ハウジング内に内嵌され、前記回転軸の軸方向に移動可能なスリーブと、
   前記ハウジング内の固定側軸受と前記スリーブとの間に配置され、前記回転軸に固定されたロータ及び前記ハウジングに固定されたステータを有するモータと、
   内輪が前記回転軸の他端側に外嵌され、外輪が前記スリーブに内嵌される自由側軸受と、
   を有するスピンドル装置であって、
   前記回転軸の一端側から前記ハウジング内に冷却媒体を供給する供給流路と、
   前記スリーブを軸方向に貫通して形成され、前記モータを通過した前記冷却媒体を前記ハウジング外に排出するスリーブ側排出流路と、
   を備えることを特徴とするスピンドル装置。
2. 前記供給流路は、前記ハウジングの前記回転軸の一端側から他端側まで連通され、前記ハウジングの前記他端側から供給された冷却媒体が、前記回転軸の一端側から前記ハウジング内の前記モータ内の空間に供給され、前記モータを通過した冷却媒体が前記ハウジングの前記他端側から排出されることを特徴とする請求項１に記載のスピンドル装置。
3. 前記スリーブ側排出流路は、前記供給流路の軸断面積の合計以上の軸断面積を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のスピンドル装置。
4. 前記ハウジングは、前記スリーブを内嵌するスリーブ支持部に、前記冷却媒体を前記ハウジング外に排出する支持部側排出流路が形成されている請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載のスピンドル装置。
5. 前記冷却媒体は、空気であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載のスピンドル装置。

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