JP6779349B1

JP6779349B1 - 滑りスラスト軸受装置および滑りスラスト軸受装置を用いたロータリワークヘッド

Info

Publication number: JP6779349B1
Application number: JP2019163112A
Authority: JP
Inventors: 良夫星
Original assignee: Makino Milling Machine Co Ltd
Current assignee: Makino Milling Machine Co Ltd
Priority date: 2019-09-06
Filing date: 2019-09-06
Publication date: 2020-11-04
Anticipated expiration: 2039-09-06
Also published as: JP2021042773A

Abstract

【課題】制振性、静粛性、耐荷重性を高めた滑りスラスト軸受装置を提供すること。【解決手段】滑りスラスト軸受装置１００が、軸線に垂直な平面を有する回転軸１０２と、回転軸の当接面１０８に対面する支承面１１２を有するベース部材１１０と、支承面に貼付され、回転軸の当接面との間で摺動面を構成する摺動部材１０とを具備する。摺動部材は環状に形成され、軸受部材の平面と当接する複数の凸部１６が形成され、かつ、各凸部の周囲を潤滑油が流動するように連通した潤滑油ポケット１４を有し、潤滑油ポケットの内周部と外周部とに開口し、半径方向外側に溜まる潤滑油を半径方向内側へ帰還させる潤滑油帰還通路１１８が形成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、例えばロータリーワークヘッド等の回転主軸を主軸ハウジングに回転可能に支持する滑りスラスト軸受装置に関する。本発明は、また、該滑りスラスト軸受装置を用いたロータリワークヘッドに関する。

回転主軸は、ラジアルボールベアリングやラジアルローラベアリングによって主軸ハウジング等に回転可能に支持される。こうしたラジアルベアリングは、軸方向の荷重に対して回転主軸を支持することができないので、転がりスラストベアリングと組み合わせたり、或いは、ボールベアリングに代えてクロスローラベアリングが用いられたりする。

特許文献１には、リニア（直動）ガイドであるが、移動体に摺動部材を貼付して、該摺動部材を支持体の案内面に接触させながら支持、案内する移動体の案内装置が記載されている。該案内装置は、摺動面に開口する潤滑油帰還通路と、潤滑油帰還通路にそれぞれ連通する、潤滑油供給通路と潤滑油排出通路とを移動体に設け、移動体の移動に伴い摺動面と潤滑油帰還通路との間で潤滑油を帰還させながら、潤滑油供給通路を介して潤滑油源から摺動面へ潤滑油を供給し、潤滑油排出通路を介して摺動面から外部へ潤滑油を排出するようになっている。

特開２０１３−０９１１４２号公報

転がりスラスト軸受やクロスローラベアリングは、摩擦が小さく、スラスト荷重に対して高い耐荷重性（高剛性）を示す一方で、減衰性が小さく振動を低減できなかったり、回転の真円精度が高くない問題がある。

また、従来の静圧滑りスラスト軸受では、耐荷重が小さく、直接接触すると圧痕が付き易い問題がある。また、静圧滑りスラスト軸受では、耐荷重性を高めるために潤滑油の供給圧力を高めると、潤滑油が漏洩する問題がある。

本発明は、こうした従来技術の問題を解決することを目的としており、転がりスラスト軸受の高剛性、低摩擦性を生かしながら、制振性や静粛性、回転精度、耐荷重性を一層高めた滑りスラスト軸受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、回転軸体を軸受部材に対して軸線方向に支持する滑りスラスト軸受装置において、軸線に垂直な少なくとも１つの平面を有する回転軸体と、前記回転軸体の前記平面と対面する平面を有する軸受部材と、前記軸受部材の前記平面に貼付され、前記回転軸体の前記平面との間で摺動面を構成する摺動部材であって、前記摺動面に、前記軸受部材の前記平面と当接する複数の凸部が形成され、かつ、各凸部の周囲を潤滑油が流動するように連通した凹部が形成されている潤滑油ポケットを、前記軸線と同心の環状に形成した摺動部材と、前記軸受部材に形成され、前記潤滑油ポケットの半径方向内側位置と外側位置とに開口し、半径方向外側に溜まる潤滑油を半径方向内側へ帰還させる少なくとも１つの潤滑油帰還通路とを具備する滑りスラスト軸受装置が提供される。

更に、本発明によれば、工作機械のテーブルに載置され、加工するワークを回転可能に取付けるロータリワークヘッドにおいて、前記テーブルに固定される主軸ハウジングと、請求項１に記載の滑りスラスト軸受装置の前記回転軸体であり、前記主軸ハウジングに回転可能に支持される回転主軸と、前記主軸ハウジング内に配設され、前記回転主軸を回転駆動する主軸モータとを具備し、請求項１に記載の滑りスラスト軸受装置の前記軸受部材、前記摺動部材、および前記潤滑油帰還通路を有する前記主軸ハウジングによって、前記回転主軸が軸線方向にも支持されるようにしたロータリワークヘッドが提供される。

本発明によれば、軸受部材において回転軸体の平面と対面する平面に摺動部材を貼付して、これを回転軸体が軸受部材に対して回転するときの摺動面としたので、転がりスラスト軸受の低摩擦性を生かしながら、制振性や静粛性、回転精度、耐荷重性を一層高めることが可能となる。

本発明の好ましい実施形態による滑りスラスト軸受装置の分解斜視図である。潤滑油供給装置と共に示す図１の滑りスラスト軸受装置の部分断面図である。摺動部材の平面図である。図３の摺動部材の凸部の拡大図である。本発明の滑りスラスト軸受装置を用いたロータリワークヘッドの断面図である。滑りラジアル軸受の一例を示す斜視図である。

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。
図１〜４において、本発明の好ましい実施形態による滑りスラスト軸受装置１００は、回転軸体としての回転軸１０２と、軸受部材としてのベース部材１１０と、該ベース部材１１０に貼付された底摩擦樹脂で成る摺動部材１０とを備えている。

ベース部材１１０は、中空の円筒形状の部材であり、中心軸線Ｏに対して垂直な環状の一端面が、回転軸１０２を軸方向に支持する環状の支承面１１２となっている。ベース部材１１０は、支承面１１２と円筒形状の外側面との間に延びる第１と第２の通路１１４、１１６が形成されている。第１の通路１１４は、外側面から半径方向に延びる半径通路１１４ａと、半径通路１１４ａから軸方向に支承面１１２へ向けて延びる軸方向通路１１４ｂとを有している。第２の通路１１６は、側面から半径方向に延びる半径通路１１６ａと、半径通路１１６ａから軸方向に支承面１１２へ向けて延びる軸方向通路１１６ｂとを有している。

第１と第２の通路１１４、１１６の軸方向通路１１４ｂ、１１６ｂは、好ましくは、第１の通路１１４の軸方向通路１１４ｂが、第２の通路１１６の軸方向通路１１６ｂよりも半径方向内側に支承面１１２に開口し、かつ、各開口部が半径方向に整列するように配置される。ベース部材１１０は、好ましくは、このように配置された第１と第２の通路１１４、１１６を１つの組として、周方向に等角度間隔で配置された複数組、本実施形態では、４組の第１と第２の通路１１４、１１６を備えている。

第１と第２の通路１１４、１１６の軸方向通路１１４ｂ、１１６ｂの間に潤滑油帰還通路１１８が形成されている。潤滑油帰還通路１１８は、例えば、ベース部材１１０の円筒状の外側面から、第１と第２の通路１１４、１１６の軸方向通路１１４ｂ、１１６ｂを貫通するように、ドリル等の切削工具（図示せず）で半径方向に穴を穿設した後に、埋め栓１１８ａで開口部を閉塞することによって形成することができる。

回転軸１０２は、円筒状の本体部１０４と、本体部１０４の一端面から中心軸線Ｏに沿って突出した延長部１０６とを有している。回転軸１０２は、例えば工作機械のテーブルに取り付けるワークヘッドの回転主軸とすることをができる。延長部１０６は、円柱状または円筒状に形成され、ベース部材１１０の中空部分に挿入される。延長部１０６によって、本体部１０４の前記一端面には、ベース部材１１０の支承面１１２に対面する環状の当接面１０８が形成される。当接面１０８は、中心軸線Ｏに対して垂直な平面となっている。

ベース部材１１０の支承面１１２には、環状薄板状の低摩擦樹脂で成る摺動部材１０が貼付されている。摺動部材１０は、耐摩耗性が高くかつ摩擦係数の低い低摩擦樹脂材料、例えばフッ素樹脂から薄板状に形成され、ターカイトやベアリーの商品名で市販されているベアリング材料を用いることができる。摺動部材１０は、所定寸法に裁断した薄板状のベアリング材料の一方の側面に、エンドミルのような回転工具を用いてマシニングセンタにより、ランド部と凸部とを残して、ベアリング部材の表面を削り取ることによって潤滑油ポケットを形成することで製造することができる。この摺動部材１０の切削加工は、マシニングセンタのテーブルに真空チャックを用いて摺動部材１０を固定して行う。

図３を参照すると、摺動部材１０は、回転軸１０２の当接面１０８に対面する表面において、その外周および内周に沿って延びるランド部１２ａ、１２ｂと、ランド部１２ａ、１２ｂの間に画成される潤滑油ポケット１４と、潤滑油ポケット１４内に配置された多数の凸部１６と、潤滑油ポケット１４に開口する第１と第２のポート１８ａ、１８ｂが形成されている。なお、潤滑油ポケット１４内に凸部１６の表面の合計面積が、ランド部１２ａ、１２ｂの内側の面積の好ましくは１５〜５０％となるように、凸部１６の個数および寸法が決定される。

図４を参照すると、凸部１６は、長径Ａ_jと短径Ａ_nとを有する細長い形状を有している。凸部１６は、長径Ａ_jに沿った両端部が、中央部よりも幅広に形成されている。好ましくは、凸部１６は、短径Ａ_nを横断する両側部が半径Ｒ₁を有する円弧状に凹んでいる。また、凸部１６は、長径Ａ_j方向の両端部が半径Ｒ₂を有する円弧状に膨出している。

また、凸部１６は、長径Ａ_jが、中心軸線Ｏ周りの接線方向Ｄ_Tに対してして所定の角度α、−α（図４では角度αのみが示されている）を以て傾斜するように形成される。より詳細には、凸部１６は、接線方向Ｄ_Tに対する長径Ａ_jの傾斜角度α、−αが交互に入れ替わるように規則正しく機械加工される。接線方向Ｄ_Tに対する長径Ａ_jの傾斜角度αは、回転軸１０２の移動速度や、使用する潤滑油の粘性等に応じて適宜選択することができる。

図３、４の例では、凸部１６の傾斜角度α＝４５°となっているが、回転軸１０２の回転速度や、潤滑油の粘性等によって、α＝６０°または３０°のように、接線方向Ｄ_Tに対する凸部１６の傾斜角度を変更することができる。例えば、回転軸１０２が、より高速で回転する場合には、α＝３０°のように、接線方向Ｄ_Tに対する傾斜角度αを緩やかにして、潤滑油の流動により生じる遠心力によって半径方向外側に輸送される潤滑油の流量を低減するようにできる。

このように、回転軸１０２の接線方向Ｄ_Tに対して傾斜角度α、−αが交互に入れ替わるように凸部１６を配置することによって、回転軸１０２が回転する間、潤滑油ポケット１４内の潤滑油は、その粘性によって、回転軸１０２の表面に引きずられて、回転軸１０２の接線方向Ｄ_Tと同じ方向に流動するとともに、凸部１６に当たったときに、遠心力に対向して、回転軸１０２の中心軸線Ｏへ向かう方向へも流動するようになる。

第１のポート１８ａおよび第２のポート１８ｂは、ベース部材１１０（支承面１１２）の半径方向に互いに離間させて摺動部材１０の内周部と外周部に配置されており、摺動部材１０の背面から厚さ方向に潤滑油ポケット１４内に開口するように形成されている。また、ランド部１２ａ、１２ｂは、潤滑油ポケット１４内の凸部１６と略同一の高さに形成され、ランド部１２ａ、１２ｂおよび凸部１６の表面は、回転軸１０２の当接面１０８外周面と直接接触しながら、回転軸１０２に対して相対的に滑動する。

図示する実施形態では、ベース部材１１０の支承面１１２には、１枚の環状の摺動部材１０が貼付されているが、複数の摺動部材（図示せず）を貼付することができる。この場合、摺動部材は、平面視において、共通の中心を有した異なる半径の２つの円弧と、該２つの円弧の間で半径方向に延びる２本の線分から成るセクタ形状とすることができる。

図２を参照すると、滑りスラスト軸受装置１００は潤滑油供給装置３２０に接続することができる。潤滑油は、潤滑油供給装置３２０から潤滑油供給管路３２２を介して第１の通路１１４に供給され、第２の通路１１６から潤滑油排出管路３２４を介して潤滑油供給装置３２０に回収される。

潤滑油供給装置３２０は、第２の通路１１６および潤滑油排出管路３２４を介して滑りスラスト軸受装置１００から回収した潤滑油を貯留する潤滑油タンク３２６、潤滑油を冷却して温度を一定に制御するための潤滑油温度制御装置３２８、潤滑油タンク３２６から潤滑油を吸引し潤滑油供給管路３２２を介して第１の通路１１４へ潤滑油を圧送するポンプ３３０、ポンプ３３０の吐出側に設けられポンプ３３０により潤滑油中に発生する脈動を除去するアキュムレータ３３２を具備する。

脈動の少ないポンプを用いたり、脈動の影響が問題とならない場合は、アキュムレータ３３２を省略してもよい。潤滑油温度制御装置３２８およびポンプ３３０は潤滑油制御装置３４０によって制御される。潤滑油制御装置３４０は、例えば、滑りスラスト軸受装置１００を適用する機械、例えば工作機械の機械制御装置（図示せず）の一部、或いは、ＮＣ装置の一部として構成することができる。

また、潤滑油タンク３２６は、仕切り壁３２６ｃによって内部空間を受入側タンク３２６ａと供給側タンク３２６ｂとに分割し、新しい潤滑油および潤滑油排出管路３２４からの潤滑油を受入側タンク３２６ａに貯留し、該受入側タンク３２６ａに貯留されている潤滑油を潤滑油温度制御装置３２８によって温度調整して供給側タンク３２６ｂに貯留し、該供給側タンク３２６ｂから潤滑油をポンプ３３０によって滑りスラスト軸受装置１００へ供給するようにできる。

回転軸１０２が回転すると、潤滑油ポケット１４内の潤滑油は、その粘性により回転軸１０２の当接面１０８に引きずられて、摺動部材１０に対して周方向に流動する。このとき潤滑油には遠心力が作用し、潤滑油は、周方向に流動しながら半径方向外側へ流動し、潤滑油ポケット１４内では、第２のポート１８ｂが設けられている外周部が相対的に高圧になり、第１のポート１８ａが設けられている内周部が低圧となる。

こうして、潤滑油ポケット１４内の潤滑油は、周方向に流動しつつ遠心力によって外周へ流動して、第２のポート１８ｂから第２の通路１１６の軸方向通路１１６ｂに排出される。第２の通路１１６の軸方向通路１１６ｂ内の潤滑油の一部は、潤滑油帰還通路１１８内に流入し、残りの部分は、第２の通路１１６の軸方向通路１１６ｂおよび半径通路１１６ａ内を流通し、次いで、潤滑油排出管路３２４を介して潤滑油供給装置３２０へ回収される。

潤滑油供給装置３２０から潤滑油供給管路３２２を介して第１の通路１１４へ供給された低温の潤滑油は、軸方向通路１１４ｂ内で潤滑油帰還通路３０４からの昇温した潤滑油と合流して、第１のポート１８ａから潤滑油ポケット１４内に流入する。潤滑油ポケット１４内に流入した潤滑油は、周方向に流動すると共に、第２のポート１８ｂ側へ向けて潤滑油ポケット１４内を流通する。こうして、潤滑油の入替り作用によって、摺動部材１０および回転軸１０２が冷却される。

本実施の形態によれば、摺動部材１０と回転軸１０２の外表面との間の潤滑油を直接冷却可能となり、摺動部材１０および回転軸１０２の当接面１０８の発熱領域を直接冷却可能となる。また、摺動部材１０に形成されたランド部１２ａ、１２ｂに包囲された潤滑油ポケット１４に潤滑油が供給されるので、摺動部材１０と回転軸１０２の当接面１０８との間から漏洩する潤滑油量が低減される。更に、潤滑油ポケット１４に供給する潤滑油の圧力を調節することにより、滑りスラスト軸受装置１００の軸線方向の耐荷重を増減することができる。

また、上述のように、潤滑油ポケット１４内の潤滑油は遠心力により外周部に集まり、外周部の圧力が内周部よりも高くなる。潤滑油ポケット１４内の外周部に集まった潤滑油は、第２のポート１８ｂから排出できるが、排出された潤滑油量に見合う量の潤滑油は、第１のポート１８ａから潤滑油ポケット１４内に供給しなければならない。潤滑油帰還通路３０４を備えていなくとも、潤滑油ポケット１４内に新たな潤滑油を供給することは可能であるが、本実施形態のように、潤滑油帰還通路３０４を設けて潤滑油の一部を循環させることによって、潤滑油供給装置３２０から供給する潤滑の量を低減しながら、潤滑油ポケット１４内の潤滑油の圧力の偏りを低減することが可能となる。

次に、図５、６を参照して、本発明の滑りスラスト軸受装置を用いたロータリワークヘッドを説明する。
図５を参照すると、ロータリワークヘッド６００は、工作機械のテーブル６２４に載置、固定され、加工するワークＷを回転可能に取付ける装置である。ロータリワークヘッド６００は、テーブル６２４に固定される中空円筒状の主軸ハウジング６１２と、主軸ハウジング６１２に回転可能に支持される回転主軸６０６とを有している。主軸ハウジング６１２は、後端側の開口部が後エンドプレート６０２により閉塞され、前側の開口部が前エンドプレート６０４により閉塞される。

回転主軸６０６は、後側ラジアル軸受６２０、主ラジアル軸受６３０および滑りスラスト軸受６４０によって主軸ハウジング６１２に回転可能に支持されている。後側ラジアル軸受６２０は、例えば、上述した滑りスラスト軸受に類似する滑りラジアル軸受によって形成することができる。該滑りラジアル軸受は、後エンドプレート６０２の中心開口部６０２ａに嵌合する軸受リング６２２を有し、該軸受リング６２２の内周面に摺動部材２０（図６）が貼付されている。

摺動部材２０は、耐摩耗性が高くかつ摩擦係数の低い低摩擦樹脂材料、例えばフッ素樹脂で成る薄板状の円筒部材から形成され、該円筒部材の内周面に、摺動部材１０と同様のランド部２２、潤滑油ポケット２４および凸部２６が形成される。但し、潤滑油ポケット２４内を流動する潤滑油には、摺動部材１０の場合のような遠心力が作用しないので、第１と第２のポート２８ａ、２８ｂは、円筒部材の直径方向反対側に形成されている。

軸受リング６２２には、摺動部材１０の第１と第２のポート１８ａ、１８ｂに連通する第１と第２のポート６２４ａ、６２４ｂが径方向に形成され、後エンドプレート６０２には、第１と第２のポート６２４ａ、６２４ｂに連通する第１と第２の通路６２６ａ、６２６が径方向に形成されている。

主ラジアル軸受６３０は、後側ラジアル軸受６２０と同様に形成されており、主軸ハウジング６１２の内周面に貼付された摺動部材２０を有し、主軸ハウジング６１２には、摺動部材２０の第１と第２のポート２８ａ、２８ｂに連通する第１と第２の通路６３６ａ、６３６ｂが径方向に形成されている。

滑りスラスト軸受６４０は、既述した滑りスラスト軸受装置１００によって形成され、回転主軸６０６を軸線Ｏ_RW方向に主軸ハウジング６１２に支持している。回転主軸６０６は、図１〜図４の滑りスラスト軸受１０の回転軸１０２の支承面１１２を形成するフランジ部６０６ａを有している。

前エンドプレート６０４と主軸ハウジング６１２との間にスペーサ６４２とフランジ部６０６ａが挟持される。主軸ハウジング６１２においてフランジ部６０６ａに対面する端面、および、前エンドプレート６０４においてフランジ部６０６ａに対面する端面にそれぞれ摺動部材１０が貼付される。本例では、フランジ部６０６ａが、図１、２の回転軸１０２の当接面１０８を提供し、主軸ハウジング６１２および前エンドプレート６０４においてフランジ部６０６ａに対面する端面が、図１、２の支承面１１２を提供する。スペーサ６４２の厚さによって、摺動部材１０に印加される面圧を調節することが可能となる。

回転主軸６０６の先端には、面板６１８が固定されており、該面板６１８にワークＷが取り付けられる。回転主軸６０６の後端側の外周面にはロータ６０８が固定されている。主軸ハウジング６１２の内周面には、ロータ６０８に対面するようにステータ６１０が固定されている。ロータ６０８とステータ６１０は、ロータリワークヘッド６００のビルトインモータを形成している。

１０摺動部材
１２ａランド部
１２ｂランド部
１４潤滑油ポケット
１６凸部
１８ａ第１のポート
１８ｂ第２のポート
１００滑りスラスト軸受装置
１０２回転軸
１１４第１の通路
１１６第２の通路
１１８潤滑油帰還通路
３２０潤滑油供給装置

Claims

回転軸体を軸受部材に対して軸線方向に支持する滑りスラスト軸受装置において、
軸線に垂直な少なくとも１つの平面を有する回転軸体と、
前記回転軸体の前記平面と対面する平面を有する軸受部材と、
前記軸受部材の前記平面に貼付され、前記回転軸体の前記平面との間で摺動面を構成する摺動部材であって、前記摺動面に、前記軸受部材の前記平面と当接する複数の凸部が形成され、かつ、各凸部の周囲を潤滑油が流動するように連通した凹部が形成されている潤滑油ポケットを、前記軸線と同心の環状に形成した摺動部材と、
前記軸受部材に形成され、前記潤滑油ポケットの半径方向内側位置と外側位置とに開口し、半径方向外側に溜まる潤滑油を半径方向内側へ帰還させる少なくとも１つの潤滑油帰還通路と、
を具備することを特徴とした滑りスラスト軸受装置。
前記摺動部材は、低摩擦樹脂で成る薄板状の環状部材より成り、内周部と外周部とをランド部によって包囲された凹所より成る潤滑油ポケットと、該潤滑油ポケット内に形成された複数の凸部とを有しており、前記摺動部材の潤滑油ポケット内において、半径方向に互いに離間させて内周部に配置された第１のポートと、外周部に配置された第２のポートが前記潤滑油帰還通路に連通するように形成されている請求項１に記載の滑りスラスト軸受装置。
前記第１のポートに連通する前記潤滑油帰還通路に連結される第１の通路と、前記第２のポートに連通する前記潤滑油帰還通路に連結される第２の通路とを更に具備し、潤滑油供給装置から前記第１の通路に潤滑油が供給され、前記第２の通路から前記潤滑油供給装置へ潤滑油が回収される請求項２に記載の滑りスラスト軸受装置。
工作機械のテーブルに載置され、加工するワークを回転可能に取付けるロータリワークヘッドにおいて、
前記テーブルに固定される主軸ハウジングと、
請求項１に記載の滑りスラスト軸受装置の前記回転軸体であり、前記主軸ハウジングに回転可能に支持される回転主軸と、
前記主軸ハウジング内に配設され、前記回転主軸を回転駆動する主軸モータと、
を具備し、請求項１に記載の滑りスラスト軸受装置の前記軸受部材、前記摺動部材、および前記潤滑油帰還通路を有する前記主軸ハウジングによって、前記回転主軸が軸線方向にも支持されることを特徴としたロータリワークヘッド。