JP7067637B2 - モータビルトイン方式のスピンドル装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータビルトイン方式のスピンドル装置に関する。

工作機械等に適用されるスピンドル装置は、回転軸の先端に刃具を備え、高速回転して被加工物の切削加工や研削加工を行っている。一般的に加工に際しては、刃具および加工部位の潤滑や冷却を目的として、多量の加工液が加工部位に供給される。即ち、加工液の潤滑効果により、被削特性の向上、加工刃先の摩耗抑制、工具寿命の延長などが図られる。また、加工液の冷却効果により、刃具及び被加工物の熱膨張を抑制して、加工精度の向上や、加工部位の熱溶着を防止して加工効率の向上や加工面の表面性状の向上が図られる。

しかしながら、スピンドル装置と加工部位との距離が近いこともあり、加工液がスピンドル装置の前面にも多量にかかることで問題が発生する場合がある。即ち、多量に供給される加工液が回転軸を支持する軸受内部に浸入することがあり、加工液が軸受内部に浸入した場合、軸受の潤滑不良や焼付きなどの原因となる。そのため、スピンドル装置の防水性を高め、軸受内部への加工液浸入を防止する目的で様々な防水機構が、スピンドル装置に適用される。

特に、工作機械に使用されるスピンドル装置では、軸受のｄｍｎ値が４０万以上（より好ましくは５０万以上）で使用される場合、スピンドル装置の前端部（工具側）に、回転軸と一体回転するフリンガーと呼ばれる非接触の防水機構が適用されることが多い。フリンガーは、当該フリンガーとハウジングとの間のすきまを狭くして、所謂ラビリンスシールを構成して防水性の向上を図るものである。これは、オイルシールやＶシールなどの接触シールでは、高速回転時にシール接触部からの発熱が大きく、シール部材が摩耗して防水性能を長期間にわたって維持することが難しいためである。

また、近年の工作機械用主軸においては、加工効率を向上させるために主軸回転数の高速化が進んできており、それに伴い、モータビルトイン方式のスピンドル装置が採用されてきている。例えば、特許文献１には、フリンガーを備えるモータビルトイン構造のスピンドル装置が開示されている。

図４は、フリンガーを備える従来のモータビルトイン構造のスピンドル装置の一例を示す断面図である。このスピンドル装置１００は、スピンドル装置１００の内部にモータ１０１を有し、このモータ１０１を駆動させて回転軸１０２を回転させる。また、フリンガー１０５は、スピンドル装置１００の前端部に、回転軸１０２と一体回転するように固定され、ハウジング１０３の前側ハウジング１０６及び前側外輪押さえ１０７との間にラビリンスシール部１０８を形成している。これにより、フリンガー１０５は、回転軸１０２とともに高速で一体回転するため、上記のラビリンス効果とともに、フリンガー１０５にかかる加工液を遠心力で径方向外方に振り飛ばして、スピンドル装置１００の内部、特に、前側軸受１０９の内部への加工液の浸入を抑制する効果も有している。

日本国特開２０１６－２６９００号公報

ところで、図４に示すようなスピンドル装置１００では、モータ駆動時に発生する種々の損失によりモータ１０１において熱エネルギーが発生する。この熱エネルギーによって、ハウジング１０３の内部では、特に、モータ１０１が収容されるモータ室１０４の空気が加熱されて高温の空気となる。さらに、スピンドル装置１００は、外部から空気や水分、ゴミ等が極力入り込まないように設計されるのが一般的なため、回転軸１０２の前部に設けられたラビリンスシール部１０８を除いては、スピンドル装置１００の内部空間が外部と繋がるような穴等が開いていないことが多い。そのため、上記の高温空気によりスピンドル装置１００の内部空間（特に、モータ室１０４）は、外部に比べて圧力が高くなる。

一方、フリンガー１０５の近傍は、回転軸１０２の回転中に最も周速が速くなる部分であり、フリンガー１０５近傍の空気はフリンガー１０５の回転に連れ回る。ベルヌーイの定理によると、流体の速度が増加するとその圧力は低下する。すなわち、スピンドル装置１００中で最も周速の速いフリンガー１０５の回転に連れ回る空気は、スピンドル装置１００の近傍の空気中で最も速度が高くなるため、その圧力も最も低くなる。

上記のように、モータ１０１で発生した熱エネルギーによりモータ室１０４内の空気の圧力が高くなる一方、フリンガー１０５の回転によりフリンガー１０５近傍の空気の圧力が低くなることで、スピンドル装置１００の内部においては、モータ室１０４からスピンドル装置１００の前面方向（フリンガー１０５に向かう方向）に空気が流れる現象が発生する。

また、この場合、スピンドル装置１００の内部空間とラビリンスシール部１０８とをつなぐ空間の途中には前側軸受１０９が位置しているため、回転軸１０２の回転中にモータ室１０４の高温空気が前側軸受１０９内の隙間を通過する。この高温空気の移動によって、前側軸受１０９の潤滑剤（オイルやグリースなど）が潤滑に適切な場所から強制的に移動させられること、および、高温の空気が前側軸受１０９内部を通過することにより軸受１０９の内部温度が上昇して、軸受１０９の使用環境が苛酷なものとなることから、軸受１０９の早期損傷につながる虞があった。

本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、防水性能の向上を図ると共に、モータの発熱による高温空気が前側軸受を通ることを抑制して、軸受の早期損傷を防止することができるモータビルトイン方式のスピンドル装置を提供することにある。

本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１） 回転軸と、
前記回転軸をハウジングに対して回転自在にそれぞれ支持する前側軸受及び後側軸受と、
該前側軸受及び後側軸受との間で前記回転軸と一体回転可能に配置されるロータと、該ロータの周囲に配置されるステータと、を有するモータと、
を備えるモータビルトイン方式のスピンドル装置であって、
前記回転軸の前端部側に固定されて、前記ハウジングとの間にラビリンスシールを形成するフリンガーを備え、
前記ハウジングは、前記スピンドル装置の外部とを連通する少なくとも１つのエアパージ孔と、該エアパージ孔が開口し、前記ラビリンスシールに臨む環状溝と、を有する、モータビルトイン方式のスピンドル装置。

本発明のモータビルトイン方式のスピンドル装置によれば、フリンガーにより防水性能を向上させると共に、ラビリンスシールに臨む環状溝にエアパージ孔の一端を開口させて、スピンドル装置の外部からのエアをラビリンスシールに供給することで、ラビリンスシールとモータ室の圧力差を解消する。これにより、モータから発生した熱エネルギーにより昇温するモータ室内の高温の空気が前側軸受を通ることが抑制され、前側軸受の内部の温度上昇を低減させ、前側軸受、ひいてはスピンドル装置の信頼性を向上させることができる。

本発明の第１実施形態に係るモータビルトイン方式のスピンドル装置の断面図である。 本発明の第２実施形態に係るモータビルトイン方式のスピンドル装置の断面図である。 本発明の第３実施形態に係るモータビルトイン方式のスピンドル装置の断面図である。 従来のスピンドル装置の断面図である。

以下、本発明に係るモータビルトイン方式のスピンドル装置の各実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の説明においては、回転軸の工具が取り付けられる側（工具側）を前側、工具側と反対側を後側とも言う。

（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態のモータビルトイン方式のスピンドル装置の断面図である。
図１に示すように、工作機械主軸用のモータビルトイン方式のスピンドル装置１０（以下、単に「スピンドル装置１０」とも言う）では、回転軸１１が、その工具側（図1において左側）に配置される２列の前側軸受５０，５０と、反工具側（図1において右側）に配置される２列の後側軸受６０，６０とによって、ハウジングＨに回転自在に支持されている。ハウジングＨは、工具側から順に、前側ハウジング１２、外筒１３、後側ハウジング１４、及び後蓋１５によって主に構成されており、不図示のボルトによってそれぞれ締結固定されている。

各前側軸受５０は、外輪５１と、内輪５２と、接触角を持って配置される転動体としての玉５３と、図示しない保持器と、をそれぞれ有するアンギュラ玉軸受であり、各後側軸受６０は、外輪６１と、内輪６２と、接触角を持って配置される転動体としての玉６３と、図示しない保持器と、を有するアンギュラ玉軸受である。前側軸受５０，５０（並列組合せ）と後側軸受６０，６０（並列組合せ）とは、互いに協働して背面組み合わせとなるように配置されている。

前側軸受５０，５０の外輪５１，５１は、前側ハウジング１２に内嵌されており、また、前側ハウジング１２に形成された雌ねじ２７に螺合固定された前側外輪押さえ１６によって、外輪間座５４を介して前側ハウジング１２に対し軸方向に位置決め固定されている。なお、雌ねじ２７は、前側ハウジング１２の外輪５１、５１が内嵌される部分の前端面１２ａから前方に突出して、後述するフリンガー４０と対向する前側筒部１２ｂの内周面に形成されている。

また、前側軸受５０，５０の内輪５２，５２は、回転軸１１に外嵌されており、回転軸１１に締結されたナット１７によって、後述するフリンガー４０及び内輪間座５５を介して回転軸１１に対し軸方向に位置決め固定されている。

後側軸受６０，６０の外輪６１，６１は、後側ハウジング１４に対して軸方向に摺動自在に内嵌するスリーブ１８に内嵌すると共に、このスリーブ１８に不図示のボルトで一体的に固定された後側外輪押さえ１９によって、外輪間座６４を介してスリーブ１８に対し軸方向に位置決め固定されている。

後側軸受６０，６０の内輪６２，６２は、回転軸１１に外嵌されており、また、回転軸１１に締結された他のナット２１によって、内輪間座６５、６５を介して回転軸１１に対し軸方向に位置決め固定されている。後側ハウジング１４と後側外輪押さえ１９との間にはコイルばね２３が配設され、このコイルばね２３のばね力が、後側外輪押さえ１９をスリーブ１８と共に後方に押圧する。これにより、前側軸受５０、５０及び後側軸受６０，６０に予圧が付与される。

回転軸１１の工具側には、軸中心を通り軸方向に形成された不図示の工具取付孔及び雌ねじが設けられている。工具取付孔及び雌ねじは、刃具などの不図示の工具を回転軸１１に取付けるために使用される。なお、工具取付孔及び雌ねじの代わりに、回転軸１１の軸芯に従来公知のドローバー（図示せず）を摺動自在に挿嵌するようにしてもよい。ドローバーは、いずれも不図示の工具ホルダを固定するコレット部を備え、皿ばねの力によって反工具側方向に付勢する。

回転軸１１の前側軸受５０，５０と後側軸受６０，６０間の軸方向略中央には、回転軸１１と一体回転可能に配置されるロータ３１と、ロータ３１の周囲に配置されるステータ３２とを備えるモータ３０が配設されている。ステータ３２は、ステータ３２に焼き嵌めされた冷却ジャケット３３を、ハウジングＨを構成する外筒１３に内嵌することで、外筒１３に固定される。

ステータ３２のコイルに接続されてステータ３２に電力を供給する電線３５は、後側ハウジング１４、及び後蓋１５に設けられた配索孔３６ａ、３６ｂに挿通されて外部電源に接続されている。モータ３０は、電線３５を介してステータ３２に電力を供給することでロータ３１に回転力を発生させて回転軸１１を回転させる。モータ３０は、回転軸１１の周囲で、前側ハウジング１２、外筒１３、後側ハウジング１４及びスリーブ１８によって囲まれた空間であるモータ室３４内に収容されている。なお、後蓋１５は、後端部に形成された開口部分１５ａを塞ぐ開口カバー２８を有する。

フリンガー４０は、上述したように、前側軸受５０，５０より工具側（図中左側）で、回転軸１１の前端部側に外嵌し、ナット１７で内輪５２，５２と共に回転軸１１に固定されている。

フリンガー４０は、回転軸１１に外嵌されるボス部４１と、ボス部４１から径方向外方に延設された円盤部４２と、該円盤部４２の外周部から後方に向かってリング状に延設された円環部４３と、を有する。

円盤部４２の軸方向内側面は、前側ハウジング１２、及び前側外輪押さえ１６の前端面と、僅かな軸方向隙間、例えば０．５ｍｍ程度の隙間を介して軸方向に対向配置され、円環部４３の内周面が、前側ハウジング１２の外周面と、僅かな径方向隙間、例えば０．５ｍｍ程度の隙間を介して径方向に対向配置される。これにより、回転部材であるフリンガー４０と、非回転部材である前側ハウジング１２及び前側外輪押さえ１６との間には、所謂ラビリンスシール４４が構成される。

また、フリンガー４０の円環部４３の内周面に対向する前側ハウジング１２の外周面には、全周に亘って環状溝７１が形成されている。環状溝７１には、ハウジングＨ（後蓋１５、後側ハウジング１４、外筒１３、及び前記ハウジング１２）を貫通して屈曲形成されたエアパージ孔７２の一端が接続され、エアパージ孔７２の他端には、ポンプＰが接続されてスピンドル装置１０の外部からエアを環状溝７１に供給する。環状溝７１は、前側ハウジング１２の外周面に、全周に亘って形成された周方向溝であるので、エアは環状溝７１の全周に亘って供給され、ラビリンスシール４４の圧力は、周方向で均一化される。
なお、エアパージ孔７２の他端は、ポンプＰと接続されておらず、開放するのみであっても、フリンガー４０への開口部へ空気が送り込まれる効果を有するが、より好ましくは、ポンプＰを使用することで、上記効果をさらに促進することができる。
また、ポンプＰを使用する場合、ポンプＰのエア圧、エア流量は任意に設定できるが、スピンドルの最高回転数やフリンガー４０のサイズに応じて、適切な仕様のポンプＰを用いてエアを送り込むことで、環状溝７１内の内圧を迅速に均等にすることができる。

また、本実施形態のスピンドル装置１０においては、フリンガー４０が回転軸１１と共に回転する場合であっても、エアパージ孔７２から環状溝７１に外部のエアを供給することで、モータ室３４の圧力とラビリンスシール４４の圧力とが均衡する。このため、モータ３０からの発熱によって高温になったモータ室３４の空気が、前側軸受５０内の隙間を通ってスピンドル装置１０の前方に移動するのが発生しにくくなる。従って、前側軸受５０内の潤滑剤の強制移動や軸受部の異常温度上昇が抑制されて、前側軸受５０の早期損傷を防止することができ、スピンドル装置１０の信頼性が向上する。

さらに、エアパージ孔７２からラビリンスシール４４に外部のエアを導入することで、ラビリンスシール４４の圧力が、スピンドル装置１０の外部よりも高くなってエアカーテンが形成され、被加工物を加工する際、スピンドル装置１０に降りかかる加工液が前側軸受５０，５０側に入ることを抑制する。また、ラビリンス部位に加工液や粉塵が侵入したとしても、フリンガー４０の遠心力による振り切り効果で、円環部４３から外部に排出することができ、回転軸１１の内部に加工液や粉塵が侵入するのを防止することができる。

なお、本実施形態では、エアパージ孔７２の本数や周方向位相、開口部断面積等はスピンドル装置１０の仕様や使用条件などに合わせて、適切に設計することができる。また、ポンプＰには、ゴミやミストなどの異物の侵入を防止するため、サイレンサなどの不図示のフィルター部材が取り付けられてもよい。

（第２実施形態）
次に、スピンドル装置の第２実施形態について図２を参照して説明する。図２に示すように、本実施形態の環状溝７３は、フリンガー４０の円盤部４２に対向する前側ハウジング１２の軸方向端面に円環状に形成されている。環状溝７３には、第１実施形態のスピンドル装置１０と同様に、ポンプＰが接続されたエアパージ孔７２によってスピンドル装置１０Ａの外部からエアが供給される。したがって、第１実施形態と同様に、エアパージ孔７２から環状溝７３に外部のエアを供給することで、モータ室３４の圧力とラビリンスシール４４の圧力とが均衡し、モータ３０からの発熱によって高温になったモータ室３４の空気が、前側軸受５０内の隙間を通ってスピンドル装置１０の前方に移動するのが発生しにくくなる。また、環状溝７３も、前側ハウジング１２の軸方向端面に、全周に亘って形成された周方向溝であるので、ラビリンスシール４４の圧力は、周方向で均一化される。
その他の構成及び作用については、本発明の第１実施形態と同様である。

（第３実施形態）
次に、スピンドル装置の第３実施形態について図３を参照して説明する。図３に示すように、本実施形態のスピンドル装置１０Ｂは、第１実施形態のスピンドル装置１０の構成に加えて、モータ室３４とラビリンスシール４４とを連通する複数のバイパス孔２４が、前側ハウジング１２に形成されている。バイパス孔２４の空気抵抗は、断面積の大きさ等の関係から、前側軸受５０の内部隙間の空気抵抗より小さくなっている。

バイパス孔２４は、前側ハウジング１２内を軸方向に延びるストレート孔であり、断面積が長手方向で変わらない円形断面とされており、容易に加工することができる。なお、本実施形態では、複数のバイパス孔２４は、前側軸受５０、５０の外輪５１、５１が内嵌される前側ハウジング１２の部分の内周面や、前側外輪押さえ１６が螺合する雌ねじ２７よりも外径側で、且つ、外周面に形成された冷却溝２６よりも内径側の径方向位置に形成されている。

環状溝７１とスピンドル装置１０Ｂの外部を接続するエアパージ孔７２と、バイパス孔２４を組み合わせて設けることで、回転軸１１の回転初期や停止時初期、つまりラビリンスシール４４の圧力とモータ室３４の圧力が均衡していないときに空気の移動が発生する虞があるが、移動する該空気は前側軸受５０内を通らずにバイパス孔２４を通るため、前側軸受５０の温度上昇が抑制されて前側軸受５０の早期損傷を防止することができる。
その他の構成及び作用については、本発明の第１実施形態と同様である。

尚、本発明は、前述した各実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。
例えば、本発明のモータビルトイン方式のスピンドル装置は、研削盤主軸用としても好適に使用できる。

以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
（１） 回転軸と、
前記回転軸をハウジングに対して回転自在にそれぞれ支持する前側軸受及び後側軸受と、
該前側軸受及び後側軸受との間で前記回転軸と一体回転可能に配置されるロータと、該ロータの周囲に配置されるステータと、を有するモータと、
を備えるモータビルトイン方式のスピンドル装置であって、
前記回転軸の前端部側に固定されて、前記ハウジングとの間にラビリンスシールを形成するフリンガーを備え、
前記ハウジングは、前記スピンドル装置の外部とを連通する少なくとも１つのエアパージ孔と、該エアパージ孔が開口し、前記ラビリンスシールに臨む環状溝と、を有する、モータビルトイン方式のスピンドル装置。
この構成によれば、フリンガーにより防水性能を向上させると共に、ラビリンスシールに臨む環状溝にエアパージ孔の一端を開口させて、スピンドル装置の外部からのエアを供給することで、モータ室とラビリンスシールの圧力を均衡させる。これにより、モータ室とラビリンスシールとの圧力差により、モータ室内の高温空気が前側軸受内を移動するのが抑制されるので、前側軸受の温度上昇を低減して、前側軸受、ひいてはスピンドル装置の信頼性を向上させることができる。

（２） 前記ハウジングは、前記モータが配置されるモータ室と、前記ラビリンスシールとを連通する、少なくとも１つのバイパス孔を備える、（１）に記載のモータビルトイン方式のスピンドル装置。
この構成によれば、モータから発生した熱エネルギーにより昇温したモータ室内の高温の空気を、前側軸受を通さずに、モータ室とラビリンスシールとを連通するバイパス孔から排気することで、前側軸受の内部の温度上昇を抑制し、前側軸受、ひいてはスピンドル装置の信頼性を向上させることができる。

（３） 工作機械主軸用である、（１）又は（２）に記載のモータビルトイン方式のスピンドル装置。
この構成によれば、工作機械主軸用として好適に使用できる。

（４） 研削盤主軸用である、（１）又は（２）に記載のモータビルトイン方式のスピンドル装置。
この構成によれば、研削盤主軸用として好適に使用できる。

なお、本出願は、２０１８年１０月３１日出願の日本特許出願（特願２０１８－２０５６５２）に基づくものであり、その内容は本出願の中に参照として援用される。

１０、１０Ａ、１０Ｂ モータビルトイン方式のスピンドル装置
１１ 回転軸
１２ 前側ハウジング
１３ 外筒
１４ 後側ハウジング
１５ 後蓋
２４ バイパス孔
３０ モータ
３１ ロータ
３２ ステータ
３４ モータ室
４０ フリンガー
４１ ボス部
４２ 円盤部
４３ 円環部
４４ ラビリンスシール
５０ 前側軸受
５１ 外輪
５２ 内輪
５３ 玉
６０ 後側軸受
６１ 外輪
６２ 内輪
６３ 玉
７１，７３ 環状溝
７２ エアパージ孔
Ｈ ハウジング

Claims (5)

1. 回転軸と、
   前記回転軸をハウジングに対して回転自在にそれぞれ支持する前側軸受及び後側軸受と、
   該前側軸受及び後側軸受との間で前記回転軸と一体回転可能に配置されるロータと、該ロータの周囲に配置されるステータと、を有するモータと、
   を備えるモータビルトイン方式のスピンドル装置であって、
   前記回転軸の前端部側には、前記回転軸に外嵌・固定されるボス部と、前記ボス部から径方向外方に延設された円盤部と、前記円盤部の外周部分から前記回転軸の後端部側に向かって延設された円環部とを有するフリンガーを備え、
   前記円盤部及び円環部に対向する前記ハウジングの面と前記フリンガーとの間にはラビリンスシールを有し、
   前記ハウジングは、スピンドル装置の外部からエアを取り込む一端の開口と、前記エアを放出する他端の開口とを有する貫通孔と、前記貫通孔の他端の開口に接続する、前記ラビリンスシールに臨む環状溝と、を有する、モータビルトイン方式のスピンドル装置。
2. 前記ハウジングは、前記モータが配置されるモータ室と、前記ラビリンスシールとを連通する、少なくとも１つのバイパス孔を備える、請求項１に記載のモータビルトイン方式のスピンドル装置。
3. 工作機械主軸用である、請求項１又は２に記載のモータビルトイン方式のスピンドル装置。
4. 研削盤主軸用である、請求項１又は２に記載のモータビルトイン方式のスピンドル装置。
5. 前記貫通孔の一端がエアを供給するポンプに接続している、請求項１に記載のモータビルトイン方式のスピンドル装置。
   

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