JP7089135B2 - 工作機械の主軸冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、工具ホルダを保持する主軸を備えた工作機械において、主軸の回転時や停止時の軸受の温度上昇による主軸の熱膨張を低減すると共に、主軸の冷却の均一化を図るようにした工作機械の主軸冷却装置に関する。

中ぐりスピンドルを備えた工作機械の主軸は、長い中ぐりスピンドルとその外側に配設された筒状のＷ軸スピンドルとを有する２重筒構造である。中ぐりスピンドルはスラスト軸受で保持されてＷ軸スピンドル内を軸方向に摺動可能とされ、Ｗ軸スピンドルは高剛性の回転軸受（以下、単に軸受という）で回転可能に保持されている。
この主軸は軸方向に長く且つ二重構造であるため、高速回転駆動時に軸受が発熱して温度上昇し、熱伝導を受けた中ぐりスピンドルの熱膨張がこのスピンドルを持たない工作機械に比較して大きくなる問題があった。

中ぐりスピンドルが軸方向に移動することで軸受からの熱流入位置が変化し、広域に亘って温度が高くなるため、熱膨張がより大きくなる問題がある。また、主軸運転が続いて熱変位が定常になった状態で主軸を停止させると、中ぐりスピンドルの温度が急速に低下して熱収縮することで熱変位が大きく変わってしまうという問題もあった。

例えば特許文献１に記載された工作機械の主軸装置では、主軸の内部に冷却油を循環させることで軸受と主軸モータを冷却する。この冷却油はプッシュロッドと主軸との間の筒体を後部から前方に流れて主軸モータの後部と前部に配設された後軸受と前軸受を冷却した後に、モータロータのスリーブと主軸の外筒との間を通って後方に戻ることで、軸受と主軸モータの発熱を低下させる。
特許文献２に記載された工作機械では、中ぐりスピンドルの外側に配設された軸受の冷却溝の配列構造により中ぐりスピンドルの冷却効果を高めている。

特許文献３に記載された主軸の潤滑冷却装置では、ベアリング支持領域の通孔と支持軸領域の通孔の総断面積により、ベアリング潤滑油量及び主軸冷却油量の供給量を設定して、各油量を簡潔に制御したものである。
特許文献４に記載された主軸の熱変位抑制装置では、主軸内の冷媒温度検知器と温度発生器若しくは機体または室温検知器との比較により、冷媒温度検知器の温度値が上回るときのみ運転するようにしている。機体の運転中は機体または室温検知器側とするほか、機械停止中は温度発生器側と冷媒温度検知器とに切り換え比較して運転制御している。

特許第３５２１３９６号公報 特開２０１５－１８６８２９号公報 特開平８－２４７１５４号公報 特開平７－４０１８５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の工作機械の主軸装置は、スピンドルが軸方向に相対移動しないことを前提としているため、中ぐりスピンドルが軸受のない前方に移動した際に過冷却になり急激な熱収縮を生じて変位するおそれがあった。
特許文献２に記載の工作機械では、軸受内部からの発熱により軸受の内輪と外輪の温度が上昇し、内輪に接する中ぐりスピンドルの温度も上昇して径方向に熱膨張する。このときに軸受の外輪のみを強く冷却すると外輪が収縮してボールが締め付けられて軸受の予圧が上昇して焼付くおそれがある。また、主軸は中空スピンドルの内側に軸方向に摺動可能な中ぐりスピンドルを設けた２重筒構造であるため、主軸の外側を強く冷却すると２重スピンドル間の摺動部の隙間が小さくなって食い付き、中空スピンドルの摺動ができなくなるおそれがあった。

特許文献３に記載の潤滑冷却装置では、主軸冷却油は軸受の潤滑油を兼ねているため、清浄度と潤滑重視が求められるが、軸受に流す潤滑油の流量を絞ることが困難であった。そのため、冷却を兼ねて多量の潤滑及び冷却油を軸受に投入しなければならず、強力な冷却装置が必要になるため動力損失が激しいという欠点があった。
特許文献４に記載の熱変位抑制装置は、通常行われている冷却装置の機体同調に冷却装置のＯＮ／ＯＦＦを追加した構成であり、主軸運転を停止すると主軸の温度は低下するため、運転時の熱変位状態を維持できずに冷えてしまうという問題がある。しかも、再度主軸を稼働させると熱的に安定するまでに時間を要するという問題もある。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、主軸の停止時における主軸の過冷却を防止できるようにした工作機械の主軸冷却装置を提供することを目的とする。
また、本発明の他の目的は、主軸の停止時に主軸が急激に冷却されて熱収縮することを抑制するようにした工作機械の主軸冷却装置を提供することである。
本発明の更に他の目的は、主軸の高速回転時に高温になる発熱部分を効率的に冷却できるようにした工作機械の主軸冷却装置を提供することである。

本発明に係る工作機械の主軸冷却装置は、ハウジングに設けられた軸受に主軸が回転可能に支持されている工作機械の主軸冷却装置において、前記主軸は工具を把持する中ぐりスピンドルと、その外側に配設されていて前記軸受に保持された外側筒部とを備えた二重筒を有し、前記中ぐりスピンドルは、前記中ぐりスピンドルの内部に進退可能に配設されたプッシュロッドの外周に配設された仕切り筒部と、前記中ぐりスピンドルの内側であって、前記仕切り筒部に設けられていて前記軸受を冷却媒体で内側から冷却する内側冷却流路とを備え、前記ハウジングは、前記軸受を冷却媒体で外側から冷却する外側冷却流路を備え、前記主軸が停止した時に前記内側冷却流路による冷却を停止させ、所定時間経過後に前記外側冷却流路による冷却を停止させるようにしたことを特徴とする。
本発明によれば、主軸の回転が停止した時点で内側冷却流路による冷却を停止させて中ぐりスピンドルの過冷却を防止でき、更に所定時間経過後に外側冷却流路による冷却を停止させることで軸受から遅れて伝導する熱を低下させて中ぐりスピンドルの熱変形を抑え、発熱体である軸受を効果的に冷却できる。

また、前記内側冷却流路は、前記仕切り筒部の内側に設けられた往側冷却通路と、外側に設けられた往側冷却溝と、前記往側冷却通路及び往側冷却溝を連通する第一の連通孔と、前記仕切り筒部の外側に設けられた復側冷却溝と、前記復側冷却溝及び往側冷却通路を連通する第二の連通孔とを備え、前記第一の連通孔は第二の連通孔より前記主軸の長手方向の前記工具を把持する側となる前方に設けられていることが好ましい。
往側冷却通路を主軸の前方に送られる冷却媒体が第一の連通孔を介して仕切り筒部の外側の往側冷却溝に流れて主軸と軸受を冷却し、主軸や軸受を冷却して暖まった冷却媒体が復側冷却溝を通って後方に流れる。その際、復側冷却溝には往側冷却通路の冷えた冷却媒体が第二の連通孔を介して供給されるため再度冷却されており、主軸の後方側や後方に配設された軸受も冷却することができる。

また、仕切り筒部は長手方向に複数に分割された分割筒部からなり、分割筒部の接続部に円周方向に形成された円周溝が形成され、円周溝を介して前後の分割筒部における復側冷却溝が連通していることが好ましい。
仕切り筒部が長軸になると製造コストが高くなるので、複数に分割した分割筒部を製造して配列させ、その際、前後の分割筒部が周方向に相対角度をずらしていても、復側冷却溝は円周溝を介して連通しているため、複数の分割筒部間で冷却媒体を前方から後方にスムーズに流通させて戻すことができる。

また、第一の連通孔を閉塞可能な弾性閉塞部材を有しており、主軸の回転による遠心力で弾性閉塞部材が第一の連通孔を開口するように変位して冷却媒体を外側に吐出するようにしてもよい。
主軸を高速回転させると弾性部材がその遠心力で一部の第一の連通孔を閉塞した位置から開口させた位置に変位するため、当該第一の連通孔から冷却媒体を仕切り筒部の外側に吐出させることができて軸受や主軸の冷却効率が向上する。

本発明に係る工作機械の主軸冷却装置によれば、主軸の回転が停止した時点で内側冷却流路による冷却を停止させることで主軸の過冷却を防止でき、更に所定時間経過後に外側冷却流路による冷却を停止させることで軸受から遅れて伝導する熱を除去して主軸の熱変位を抑制して軸受を効率よく冷却することができる。

また、本発明に係る工作機械の主軸冷却装置によれば、主軸の回転が停止した時点で内側冷却流路による冷却を停止させることで中ぐりスピンドルの過冷却を防止でき、更に所定時間経過後に外側冷却流路による冷却を停止させることで軸受から遅れて伝導する熱を除去して主軸の熱変位を防止して軸受を効果的に冷却することができる。

本発明に係る工作機械の主軸冷却装置によれば、主軸の停止時に、主軸温度センサで測定した主軸の温度に基づいて往側冷却通路に供給する冷却媒体の温度を設定したことで、主軸停止後に過冷却によって中ぐりスピンドルが急激に熱収縮することを防止できる。
本発明に係る工作機械の主軸冷却装置によれば、主軸の停止時に、往側冷却通路を循環して戻る暖まった冷却媒体を再度往側冷却通路に供給することで、主軸停止後に過冷却によって中ぐりスピンドルが急激に熱収縮することを防止できる。

本発明に係る工作機械の主軸冷却装置によれば、高速回転時に、分割筒部と制御キーとの熱膨張係数の差によって分割筒部の間の隙間から内側冷却流路の冷却媒体を流出させて発熱する軸受と主軸の冷却効率を向上できる。

本発明の第一実施形態による工作機械の要部構成図である。 主軸ユニットにおける中ぐりスピンドルが引っ込んだ状態の断面図である。 主軸ユニットにおける中ぐりスピンドルが突き出た状態の断面図である。 図２における主軸ユニットの前側部分の拡大断面図である。 主軸ユニットの中間部分の拡大断面図である。 主軸ユニットの後側部分の拡大断面図である。 （ａ）中ぐりスピンドルの拡大断面図、（ｂ）同図（ａ）における仕切り筒部の拡大断面図である。 （ａ）は図７（ｂ）のＡ－Ａ線断面図、（ｂ）は同じくＢ－Ｂ線断面図である。 仕切り筒部の後端部の拡大図である。 工作機械の主軸冷却装置の要部構成を示す説明図である。 主軸冷却装置の軸心冷却供給源と冷却液の循環機構を示す説明図である。 第二実施形態による工作機械の中ぐりスピンドルの前側拡大断面図である。 （ａ）中ぐりスピンドルの制御キーを備えた仕切り筒部の部分拡大断面図、（ｂ）は同図（ａ）のＣ－Ｃ線断面図である。 中ぐりスピンドルの往側冷却溝の第一の連通孔に設けた板バネを示す図であり、第一の連通孔の閉塞状態と開口状態の拡大断面図である。

以下、本発明の実施形態による工作機械の主軸冷却装置について図１乃至図１４に基づいて説明する。
図１～図１１は第一実施形態による工作機械１の主軸冷却装置５５を示すものである。
図１は実施形態に係る工作機械１における主軸ユニット２を示す。この主軸ユニット２は、例えば、横型の工作機械１に設置されている。工作機械１は、ベース３と、ベース３上の前部に設けられてＺ軸方向に移動可能なテーブル４と、ベース３上の後部に設けられていてＸ軸方向に移動可能なコラム５と、コラム５に支持されてＹ軸方向に移動可能な主軸ヘッド６とを備えている。ベース３には、テーブル４をＺ軸ガイドレールＲｚに沿って移動させるＺ軸モータＭｚと、コラム５をＸ軸ガイドレールＲｘに沿って移動させるＸ軸モータＭｘとが設けられている。コラム５には、Ｙ軸ガイドレールＲｙに沿って主軸ヘッド６を移動させるＹ軸モータＭｙが設けられている。

テーブル４の上面の中央には、ワークを取り付けたパレットＰが自動交換可能に載置されている。ワークは、主軸ヘッド６に設けられた主軸８の中ぐりスピンドル９に装着された後述する工具ホルダ７の工具で加工させられる。主軸８には、中ぐりスピンドル９を冷却するためのスピンドル内冷却装置１２と、後述するＷ軸スピンドル１６を冷却するための主軸外筒冷却装置１３とが設置されている。
パレットＰには、テーブル４がパレット交換位置に移動したときに、テーブル４上の加工済みワークと段取りテーブル上の新しいワークとを互いに入れ替える、従来周知の２面式自動パレット交換装置が設けられている。

本実施形態による主軸ユニット２は、主軸８の中心軸線Ｏに沿って切削液が先端に送られて吐出されるセンタースルー方式である。
図２及び図３に示す主軸ユニット２において、主軸８として、工具を把持した工具ホルダ７をセンターのテーパ穴９ａに着脱する中ぐりスピンドル９と、スライド軸受１５を介してその外周側に設けられた筒状のＷ軸スピンドル１６とが二重筒状に形成されている。Ｗ軸スピンドル１６は外側筒部に含まれる。スライド軸受１５は前後方向に分割配置されており、例えば前側スライド軸受１５ａと中間スライド軸受１５ｂと後側スライド軸受１５ｃとを有している。
Ｗ軸スピンドル１６の外側には主軸ヘッド６とボールねじ支持枠１９が配設され、ボールねじ支持枠１９の内周面に設けた高剛性の軸受１８によってＷ軸スピンドル１６が回転可能に支持されている。ハウジング１７はマシニングセンタ等の主軸頭に固定されている。軸受１８は前後方向に複数に分割されて配置されており、例えば前側軸受１８ａと中間軸受１８ｂと後側軸受１８ｃとを有している。

図４～図６において、中空状の中ぐりスピンドル９の内部にはプッシュロッド２０が進退可能に配設され、中ぐりスピンドル９の後端部には支持軸受２１を介してロータリージョイント２２が装着されている。プッシュロッド２０の後端部には、支持軸受２１の前側に作動油の貯留タンク２３内を進退可能なアンクランプ用ピストン２４が設置されている（図６参照）。貯留タンク２３内への作動油の供給位置を前後切り替えることでアンクランプ用ピストン２４を前進または後退移動させる。これらをアンクランプ機構という。
プッシュロッド２０の前端部には工具ホルダ７のプルスタッドを着脱可能なコレット爪２５が設けられている（図４参照）。貯留タンク２３内におけるアンクランプ用ピストン２４の前進位置でコレット爪２５を開いて工具ホルダ７を離し、後退位置でコレット爪２５を綴じて工具ホルダ７を把持するようになっている。なお、本実施形態において、主軸８の長手方向における工具ホルダ７側を前方、前側といい、アンクランプ用ピストン２４側を後方、後側というものとする。

図２及び図３において、ハウジング１７には、ボールねじ支持枠１９の外周側に主軸モータＭ１が設置され、主軸モータＭ１の出力軸に固定されたモータ軸ギア２７、アイドルギア２８を介して、Ｗ軸スピンドル１６の外周面に固定した主軸ギア２９に噛合している。主軸モータＭ１の駆動により、主軸ギア２９を介して、前側軸受１８ａ、中間軸受１８ｂ及び後側軸受１８ｃで保持されたＷ軸スピンドル１６及び中ぐりスピンドル９を有する二重筒の主軸８が一体に中心軸線Ｏ回りに回転可能とされている。

Ｗ軸スピンドル１６にはＷ軸モータＭ２が設置され、その出力軸に固定したＷ軸モータ用ギア３１は、両端を軸受で支持されたＷ軸ボールねじ３２に固定されたボールねじ用ギア３３に噛合している。Ｗ軸ボールねじ３２は中ぐりスピンドル９と平行に配設され、Ｗ軸ボールねじ３２に螺合するＷ軸ナット３４は中ぐりスピンドル９に連結されている。
そのため、Ｗ軸モータＭ２の駆動に連動して回転するＷ軸ボール３２に沿ってＷ軸ナット３４が前後方向に移動し、中ぐりスピンドル９がＷ軸スピンドル１６に対して進退移動する。これにより、中ぐりスピンドル９はＷ軸スピンドル１６に対して引っ込んだ位置（図２参照）と突き出た位置（図３参照）とを選択的にとることができる。

次に、図４乃至図７により主軸８の内部構造を説明する。
図４に示す主軸８の先端部において、中ぐりスピンドル９の先端部に設けたテーパ穴９ａには工具ホルダ７のテーパシャンクが着脱可能である。中空の中ぐりスピンドル９内には、中ぐりスピンドル９と一体回転するプッシュロッド２０が進退可能に装着されている。プッシュロッド２０の先端には、工具ホルダ７のプルスタッドを把持及び開放可能な複数のコレット爪２５が開閉可能に設けられている。プッシュロッド２０の先端にはテーパ穴９ａとの連通部に拡径された空間部３６が形成されている。

プッシュロッド２０が前方に移動した場合にはコレット爪２５が空間部３６内に進入して、ばねの力で拡径するように回動してプルスタッドを離す。中ぐりスピンドル９が後方に移動した場合には、コレット爪２５が空間部３６の後方の穴部内に納められて縮径しプルスタッドを把持する（図４参照）。
プッシュロッド２０の内部には、切削液を先端側に供給する中心穴として切削液流路２０ａが形成されている。プッシュロッド２０には工具ホルダ７にテーパ穴９ａから外れる方向(後方)に付勢力を与える圧縮ばねが装着されている。圧縮ばねは例えば前後部のバネリテーナに挟まれた皿ばねである。

中ぐりスピンドル９の外周側には前側スライド軸受１５ａ、中間スライド軸受１５ｂ及び後側スライド軸受１５ｃを介してＷ軸スピンドル１６が配設されている。中ぐりスピンドル９はＷ軸スピンドル１６に対して進退可能であると共に、Ｗ軸スピンドル１６と一体回転する。
中ぐりスピンドル９において、プッシュロッド２０の外周面には略円筒状の仕切り筒部３８が同軸に配設されている。仕切り筒部３８はプッシュロッド２０の前端から後側軸受１８ｃに軸方向に重なる領域まで延びている。仕切り筒部３８は一体の長い筒状に形成してもよいが、本実施形態では長手方向に配列された複数個（図では４個）の分割筒部３８ａ、３８ｂ、３８ｃ、３８ｄに分割されている。通常、複数個の分割筒部３８ａ～３８ｄは互いに当接して長手方向に配列されて仕切り筒部３８を形成している。

図７（ａ）、（ｂ）及び図８（ａ）、（ｂ）において、複数の分割筒部３８ａ～３８ｄの最も先端側の分割筒部３８ａの外周面には冷却媒体として例えば冷却油等からなる冷却液を流通させる往側冷却溝３９と復側冷却溝４０とが中心軸線Ｏ方向に平行に延びて形成され、冷却液の行きと戻りが分離されている。往側冷却溝３９と復側冷却溝４０は分割筒部３８ａの外周面の周方向に交互に配列されている。往側冷却溝３９と復側冷却溝４０は分割筒部３８ａの先端部で互いに接続されている。往側冷却溝３９は先端側の分割筒部３８ａにのみ設けられている。先端の分割筒部３８ａに続く分割筒部３８ｂ、３８ｃ、３８ｄには復側冷却溝４０のみが複数周方向に配列され、後方に直線状に延びて連通している。

図４乃至図６において、仕切り筒部３８の内周面とプッシュロッド２０との間には、冷却液を後方のスピンドル内冷却装置１２から前方に供給するための往側冷却通路４２が長手方向に沿って配列されている。図７（ａ）に示す仕切り筒部３８において、往側冷却通路４２と往側冷却溝３９及び復側冷却溝４０との間には仕切り筒部３８を厚み方向に貫通する複数の連通孔４４が形成されている。
即ち、図７（ｂ）に示す先端側の分割筒部３８ａでは、往側冷却通路４２の先端部と往側冷却溝３９の後端部との間に第一の連通孔４４ａが複数（図では２個）形成されている。二つ目以降の分割筒部３８ｂ、３８ｃの各復側冷却溝４０と往側冷却通路４２との間にも第二の連通孔４４ｂ、第三の連通孔４４ｃがそれぞれ適宜数、例えば１つずつ形成されている。

復側冷却溝４０は最も後端の分割筒部３８ｄまで延びている。図９において、後端の分割筒部３８ｄで復側冷却溝４０は中ぐりスピンドル９の後端部の内部に形成された復側冷却通路４３に接続されている。
複数の連通孔４４は仕切り筒部３８の長手方向に沿って所定間隔で配設され、しかも複数の連通孔４４は前側から後ろ側に穴径が次第に小さくなるように配列されている。先端の分割筒部３８ａにおける最も大径の第一の連通孔４４ａを介して往側冷却通路４２から往側冷却溝３９に冷却液を供給している。これにより、中ぐりスピンドル９が引っ込んだ位置で前側軸受１８ａを冷却することができる。

また、後方側の第二の連通孔４４ｂ、第三の連通孔４４ｃは比較的小径であり、二つ目以降の分割筒部３８ｂ、３８ｃに形成した復側冷却溝４０にそれぞれ連通している。復側冷却溝４０で戻る冷却液は前側軸受１８ａや中ぐりスピンドル９等を冷却して後方に行くほど暖まっているが、第二、第三の連通孔４４ｂ、４４ｃを介して往側冷却通路４２の冷却液を供給することで再冷却して、中間軸受１８ｂ及び後側軸受１８ｃの冷却や、中ぐりスピンドル９が突き出た位置での前側軸受１８ａの冷却を行える。

仕切り筒部３８の後方から往側冷却通路４２を前方に流れる冷却液は、先端の分割筒部３８ａに設けた連通孔４４を介して往側冷却溝３９に流れ、仕切り筒部３８の前端で復側冷却溝４０に流れ込み、復側冷却溝４０を後方に流れる。後端の分割筒部３８ｄでは、復側連通孔を介して復側冷却通路４３内に流れ込む。これによって、中ぐりスピンドル９を全長に亘って冷却できる。
中ぐりスピンドル９の後端部では、図６に示すように、往側冷却通路４２と復側冷却通路４３の各冷却液はロータリージョイント２２を介してスピンドル内冷却装置１２に循環されている。

仕切り筒部３８は複数個の分割筒部３８ａ～３８ｄに分割されているため、前後の分割筒部３８ａ～３８ｄ間で周方向にずれて角度位相が相違すると、復側冷却溝４０が周方向にずれることがあり得る。そのため、図４に示すように、隣り合う分割筒部３８ａ、３８ｂ、３８ｃ、３８ｄの各分割面の接合部(接続部)における一方の端部にリング状の円周溝４９が形成されている。これによって、前後の復側冷却溝４０は円周溝４９を介して連通可能であるため、冷却液を後端に連結した復側冷却通路４３に流すことができる。
なお、円周溝４９は接合部の他方側の分圧筒部に形成してもよいし両側に形成してもよい。

なお、図９において、仕切り筒部３８の後端部にはＷ軸スピンドル１６との接合部にゴム等のリング状の弾性体５０が固定されている。仕切り筒部３８は複数の分割筒部３８ａ～３８ｄに分割されているため、隣り合う分割筒部３８ａ～３８ｄ同士の隙間で生じ得る全長の伸びを弾性体５０の弾性で吸収することができる。
図４において、Ｗ軸スピンドル１６の外周面とボールねじ支持枠１９との間には軸受１８が配設されている。ボールねじ支持枠１９の外周面には、主軸ユニット２の駆動時に軸受１８の前側軸受１８ａ、中間軸受１８ｂ、後側軸受１８ｃで発生する熱を冷却するための、例えば螺旋状に配列された外筒冷却通路５１が形成されている。そのため、外筒冷却通路５１は軸受１８の全域に対向して配設されており、冷却油等の冷却液が流れて外側から軸受１８を冷却することができる。

次に実施形態による工作機械１の主軸ユニット２における主軸冷却装置５５の制御機構について図１、図１０及び図１１により説明する。
図１及び図１０において、制御装置５６は主軸モータＭ１とＷ軸モータＭ２とに電気的に接続されている。制御装置５６から出力される電気信号により主軸モータＭ１を駆動させて、軸受１８に対してプッシュロッド２０、中ぐりスピンドル９及びＷ軸スピンドル１６を備えた主軸８を回転させる。制御装置５６から出力される電気信号によりＷ軸モータＭ２を駆動させて、Ｗ軸ボールねじ３２に沿って中ぐりスピンドル９をＷ軸スピンドル１６に対して進退させる。

制御装置５６は、切削液供給源５７、軸心冷却液供給源５８、外筒冷却液供給源５９にそれぞれ電気的に接続されている。工具ホルダ７に固定した工具によるワーク切削時には、切削液供給源５７から切削液を供給してプッシュロッド２０の切削液流路２０ａを通してワークの切削点に切削液を吐出する。
主軸８の回転時には、回転する主軸８を支持する軸受１８が発熱するため、軸心冷却液供給源５８から冷却液をロータリージョイント２２を介して往側冷却通路４２に供給して中ぐりスピンドル９及び軸受１８を冷却する。軸受１８の前側軸受１８ａ、中間軸受１８ｂ、後側軸受１８ｃは内側から冷却される。中ぐりスピンドル９及び軸受１８を冷却して暖まった冷却液は復側冷却通路４３からロータリージョイント２２を介して軸心冷却液供給源５８に戻される。

往側冷却通路４２により中ぐりスピンドル９の内側を冷却するので、主軸８の外側の冷却も強めにすることができ、軸受１８やスライド軸受１５の摺動隙間に悪影響を与えないで冷却能力を高めることができる。
同様に、外筒冷却液供給源５９では、ボールねじ支持枠１９において、軸受１８の前側軸受１８ａ、中間軸受１８ｂ、後側軸受１８ｃに対向する外筒冷却通路５１に冷却液を供給して循環させ、外側から前側軸受１８ａ、中間軸受１８ｂ、後側軸受１８ｃを冷却させる。そのため、軸受１８の内輪と外輪が同時に冷却されるため冷却効率が高い。
また、軸受１８の例えば前側軸受１８ａの温度を測定する軸受温度センサＳ１、さらに主軸８の温度Ｔｓを適宜位置で測定する主軸温度センサＳ２が設置され、各測定値を制御装置５６に出力するように設定されている。

図１１はスピンドル内冷却装置１２の軸心冷却液供給源５８を示すものであり、戻された冷却液を貯留する冷却液タンク６２と、冷却液の温度を制御する冷却装置６３と、冷却液タンク６２から冷却装置６３を介してロータリージョイント２２に冷却液を供給する吐出流路６４ａと、主軸８内を循環して暖まった冷却液をロータリージョイント２２から冷却液タンク６２に戻す戻り流路６４ｂと、が設けられている。
冷却装置６３には、冷却液タンク６２から冷却液を繰り出す第一ポンプＰ１と、冷却液を熱交換で再冷却させる熱交換器６５と、制御装置５６からの指示が入力されるコントローラ６６とが設けられている。更に、冷却液タンク６２と吐出流路６４ａをバイパスして接続するバイパス流路６７が設けられている。バイパス流路６７には第二ポンプＰ２が設置されている。

第一の冷却モードでは、主軸８の駆動時には冷却液タンク６２内の冷却液を冷却装置６３で熱交換して冷却させて吐出流路６４ａからロータリージョイント２２へ供給する。そして、冷却液を主軸８内の往側冷却通路４２、往側冷却溝３９、復側冷却溝４０を経由して循環させて中ぐりスピンドル９と軸受１８を冷却し、冷却液タンク６２に戻す。これが主たる冷却モードである。

第二の冷却モードでは、主軸８の停止した時に、主軸温度センサＳ２で主軸８の温度Ｔｓを測定する。その後に制御装置５６によって、軸心冷却液供給源５８の冷却装置６３から主軸８内に吐出する冷却液の温度を熱交換器６５で温度Ｔｓに設定することで、中ぐりスピンドル９が急激に熱収縮することを防止できる。外筒冷却液供給源５９においても、制御装置５６によって、外筒冷却通路５１に供給する冷却液を同様に制御してもよい。
第三の冷却モードでは、中ぐりスピンドル９がＷ軸スピンドル１６から突き出た位置または引っ込んだ位置で主軸８が停止した状態で、軸心冷却液供給源５８内で第一ポンプＰ１を停止させ、主軸８から戻り流路６４ｂを介して冷却液タンク６２に戻った暖まった冷却液を冷却することなく第二ポンプＰ２によりバイパス流路６７を介して吐出流路６４ａに供給する。この冷却液を中ぐりスピンドル９に循環させることで、中ぐりスピンドル９の過冷却を阻止できる。

本第一実施形態による工作機械１の主軸ユニット２は上述した構成を有しており、次に主軸冷却装置５５による主軸冷却方法について説明する。
図２において、主軸８のＷ軸スピンドル１６に対して中ぐりスピンドル９が引っ込められた状態で、主軸モータＭ１を駆動して主軸８を回転駆動させて中ぐりスピンドル９のテーパ穴９ａに装着した工具ホルダ７で回転切削加工を行う。その際、主軸８の回転を受ける軸受１８の前側軸受１８ａ、中間軸受１８ｂ、後側軸受１８ｃは高温の発熱体となる。しかも軸受１８の内側に設けられた中ぐりスピンドル９も軸受１８からの熱伝導で高温になる。

一方、図４～図７において、軸心冷却液供給源５８により所定の低温に調整された冷却液は仕切り筒部３８とプッシュロッド２０の間の往側冷却通路４２内を前方に送られる。冷却液は、先端の分割筒部３８ａで内面側の往側冷却通路４２から第一の連通孔４４ａを介して外面の往側冷却溝３９へ流れ込み、中ぐりスピンドル９の前端部を冷却すると共にその外側の前側軸受１８ａも内側から冷却する。
往側冷却溝３９の冷却液は中ぐりスピンドル９の先端部で分割筒部３８ａの復側冷却溝４０に移動し、その後方の分割筒部３８ｂ、３８ｃ、３８ｄの復側冷却溝４０を後方に流れる。その際、分割筒部３８ｂ、３８ｃ、３８ｄの周方向位置がずれていたとしても、各分割筒部３８ｂ、３８ｃ、３８ｄの各端部に設けた円周溝４９を介して後方の復側冷却溝４０に冷却液を順次流すことができる。

冷却液は、分割筒部３８ａ～３８ｄを復側冷却溝４０に沿って中ぐりスピンドル９を冷却しながら後部に戻っていく。そのため、復側冷却溝４０内の冷却液は後方に流れるほど暖められる。
また、往側冷却通路４２内では、二つ目以降の分割筒部３８ｂ、３８ｃから第二、第三の連通孔４４ｂ、４４ｃを介して復側冷却溝４０に冷却液が供給されるため、暖められた冷却液の温度を低下させる。これによって、中ぐりスピンドル９を冷却し、発熱している中間軸受１８ｂ、後側軸受１８ｃを内側から冷却する。しかも第二、第三の連通孔４４ｂ、４４ｃは前側の第一の連通孔４４ａに対して順次小径になるため、過度に冷却されることを抑制できる。

その後、冷却液は復側冷却溝４０から復側冷却通路４３に流れてロータリージョイント２２を介して軸心冷却液供給源５８の冷却液タンク６２に戻される。また、外筒冷却液供給源５９においても、冷却液が外筒冷却通路５１に供給されて軸受１８の前側軸受１８ａ、中間軸受１８ｂ、後側軸受１８ｃを外側から冷却する。
そのため、主軸８の熱変位を抑制して、剛性は高いが周囲温度の変化により軸受１８の予圧が変動し易い例えば円筒コロの軸受１８を軸冷により安定させることができるため、主軸８の高速回転を行える。また、主軸８が長軸で二重筒構造であって軸受１８の温度上昇による中ぐりスピンドル９の熱膨張量が大きくても全長に亘って冷却して熱膨張を抑制できる。

次に、Ｗ軸モータＭ２を駆動することで、Ｗ軸モータ用ギア３１及びボールねじ用ギア３３を介してＷ軸ボールねじ３２を回転させることで、Ｗ軸ナット３４をＷ軸ボールねじ３２に沿って移動させて中ぐりスピンドル９をＷ軸スピンドル１６から突き出た位置に移動させる。
図３において、中ぐりスピンドル９がＷ軸スピンドル１６から突き出た状態で、主軸モータＭ１を駆動して主軸８を回転駆動させて中ぐりスピンドル９のテーパ穴９ａに装着した工具ホルダ７の工具で回転切削加工を行う。

その際、高温となる軸受１８の前側軸受１８ａ、中間軸受１８ｂ、後側軸受１８ｃに対して冷却液を流す中ぐりスピンドル９の位置が図２の引っ込んだ位置と比較して前方にずれている。仕切り筒部３８の先端の分割筒部３８ａはＷ軸スピンドル１６から突出している。しかし、二つ目以降の分割筒部３８ｂ、３８ｃ、３８ｄに設けた復側冷却溝４０に、第二、第三の連通孔４４ｂ、４４ｃを介して往側冷却通路４２の低温の冷却液が流れ込むため、往路で暖まった冷却液が再度冷却されて、中ぐりスピンドル９を介して前側軸受１８ａ、中間軸受１８ｂ、後側軸受１８ｃを冷却できる。

主軸８の回転を停止させた場合には、Ｗ軸スピンドル１６から突き出た部分の中ぐりスピンドル９は往側冷却溝３９の冷却液により過冷却になるため、即座に軸心冷却液供給源５８の第一ポンプＰ１を停止させて冷却液の供給を停止させる。一方、主軸８の停止後にも軸受１８は高温状態に保持されているため、外筒冷却液供給源５９と外筒冷却通路５１による冷却は継続して行う。これにより、軸受１８から遅れて伝導する熱を除去することで中ぐりスピンドル９やＷ軸スピンドル１６の熱変位を阻止できる。

そして、主軸８が停止した後、所定時間経過すると軸受１８の温度も低下する。そのため、所定時間として例えば５分～２０分程度経過後に外筒冷却液供給源５９の作動を停止させて冷却液による軸受１８の冷却を停止する。しかも、中ぐりスピンドル９の先端部だけが過度に冷却されることを阻止できる。
このような主軸冷却制御は、中ぐりスピンドル９が突き出た状態だけでなく、引っ込んだ状態でも適用できる。主軸８の停止後、外筒冷却液供給源５９の作動を遅れて停止させる時間は、主軸８がより長くて外径が大きいほど長時間になるため、実験で求めて制御装置５６のメモリに記憶させておくとよい。

また、主軸冷却装置５５による第二の冷却モードの主軸冷却方法について説明する。
即ち、主軸８の停止時に、主軸温度センサＳ２によって主軸温度Ｔｓを測定し、制御装置５６に入力する。そして、軸心冷却液供給源５８から中ぐりスピンドル９の往側冷却通路４２に供給する冷却液の温度をＴｓに設定する。これにより、主軸８の回転停止後に中ぐりスピンドル９が急激に冷却されて熱収縮することを防止できる。
その後、時間経過によって軸受１８の温度が低下することで、中ぐりスピンドル９の温度も徐々に低下するため、熱収縮を防止できる。更に所定時間経過後に軸心冷却液供給源５８からの冷却液の供給を停止すればよい。

なお、主軸８の停止後に、暖まった、或いは比較的温度の高い冷却液を軸心冷却液供給源５８から中ぐりスピンドル９の往側冷却通路４２に供給する場合、熱交換器６５とコントローラ６６で冷却液の温度調整する第二の冷却モードに代えて、第三の冷却モードを用いてもよい。
即ち、ロータリージョイント２２から戻り流路６４ｂを介して冷却液タンク６２内に戻る暖まった冷却液を、軸心冷却液供給源５８の熱交換器６５を通すことなく、バイパス流路６７を介して第二ポンプＰ２で吐出流路６４ａに戻し、往側冷却通路４２に供給する。
この第三の冷却モードによっても、主軸８の停止時の中ぐりスピンドル９の急速な冷却による熱収縮を抑制できる。

上述したように本実施形態による工作機械１の主軸ユニット２の主軸冷却装置５５によれば、中ぐりスピンドル９及びＷ軸スピンドル１６の二重筒を備えた主軸８の高速回転時に軸受１８が高温に発熱するが、軸心冷却液供給源５８の往側冷却通路４２、往側冷却溝３９、復側冷却溝４０と、外筒冷却液供給源５９の外筒冷却通路５１とによって軸受１８及び中ぐりスピンドル９を安定して冷却できる。特に軸受１８は内外両側から冷却できるため、主軸８の高速回転を行える。
また、主軸８が長軸で外径の大きい二重筒構造であって軸受１８の発熱による中ぐりスピンドル９の熱膨張量が大きくても全長に亘って冷却して熱膨張を抑制できる。

また、主軸８を停止させた際に、外筒冷却液供給源５９の外筒冷却通路５１を通る冷却液の供給停止を所定時間遅らすことで、軸受１８から遅れて中ぐりスピンドル９に伝導する熱を低下させることができる。そのため、中ぐりスピンドル９の先端部だけが過冷却になることを阻止する。
更に、主軸８を停止させた際に、中ぐりスピンドル９について、往側冷却通路４２、往側冷却溝３９、復側冷却溝４０に供給する冷却液の温度を主軸８の温度Ｔｓに調整したり、循環して戻った冷却時の熱交換で暖まった冷却液を再供給させることによって、急激に冷却されて熱収縮することを阻止できる。

なお、本発明による工作機械１の主軸冷却装置５５は、上述した第一実施形態によるものに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜の変更や置換等が可能である。以下に、本発明の他の実施形態や変形例等について説明するが、上述した第一実施形態による工作機械１の主軸冷却装置５５と同一または同様な部材、部品には同一の符号を用いて説明する。

次に本発明の第二実施形態による工作機械１の主軸ユニット２の主軸冷却装置５５Ａについて、図１２～図１４により説明する。
図１２に示す主軸８において、中ぐりスピンドル９内のプッシュロッド２０の外周面に設けた仕切り筒部３８は、その長手方向に分割された複数の分割筒部３８ａ～３８ｄを互いに当接させて設けている。そして、分割筒部３８ａ、３８ｂ、３８ｃ、３８ｄの各当接部には、円周溝４９に代えて両側の分割筒部３８ａ、３８ｂ、３８ｃ、３８ｄに延びるキー溝７０がそれぞれ形成されている。各キー溝７０内には分割筒部３８ａ、３８ｂ、３８ｃ、３８ｄより熱膨張係数の高い制御キー７１が嵌合されている。
そのため、上述の第一実施形態のように前後の分割筒部３８ａ、３８ｂ、３８ｃ、３８ｄが周方向にずれることはなく、外周面に形成された冷却液の復側冷却溝４０が周方向にずれないで連通している。

図１３において、主軸８の回転駆動時に、軸受１８の発熱等により制御キー７１の周囲温度が上昇すると分割筒部３８ａ、３８ｂ、３８ｃ、３８ｄよりも各制御キー７１の熱膨張率が高いため、熱膨張係数の差によって分割筒部３８ａ、３８ｂ、３８ｃ、３８ｄの間に隙間Ｋが発生する。すると、分割筒部３８ａ、３８ｂ、３８ｃ、３８ｄの内側の往側冷却通路４２の冷えた冷却液がこの隙間Ｋを通って外側に流れるため、中ぐりスピンドル９や前側軸受１８ａ、中間軸受１８ｂ、後側軸受１８ｃ等の発熱部分を効果的に冷却することができる。

なお、分割筒部３８ａ、３８ｂ、３８ｃ、３８ｄと制御キー７１は例えば金属製とされている。しかも制御キー７１と分割筒部３８ａ、３８ｂ、３８ｃ、３８ｄは温度が例えば２０℃以下では隙間Ｋが生じないように設定し、２０℃を超えた場合に隙間Ｋが生じるように、各金属の熱膨張率を設定してもよい。

また、図１２及び図１４に示す前側の分割筒部３８ａにおいて、往側冷却通路４２と往側冷却溝３９を連通する第一の連通孔４４ａが例えば２つ形成されている。そのうちの一方、例えば後方の第一の連通孔４４ａとその後方の往側冷却溝３９には、弾性閉塞部材として例えば長板状の板バネ７３が設置されている。板バネ７３の一端部７３ａは往側冷却溝３９の底部に固着され、他端部７３ｂは一方の第一の連通孔４４ａを閉塞している。後方の第一の連通孔４４ａは、板バネ７３の弾性力によって他端部７３ｂが湾曲変位して開口可能とされている。

図１４において、主軸８の停止時や低速回転時には、第一の連通孔４４ａは板バネ７３によって閉塞されている。主軸モータＭ１の駆動によって主軸８を高速回転させると、その強い遠心力で板バネ７３の他端部７３ｂが弾性変形して湾曲し第一の連通孔４４ａを開口させる。すると、第一の連通孔４４ａから往側冷却通路４２内の低温の冷却液が外側に流れ出す。第一の連通孔４４ａから流れ出した冷却液によって、中ぐりスピンドル９や前側軸受１８ａの発熱部分等を効果的に冷却することができる。主軸８の回転速度が高くなるほど板バネ７３の弾性変形が大きくなり、第一の連通孔４４ａから吐出する冷却液の流量が増加することになる。

なお、本発明の変形例として、上述した各実施形態による主軸冷却装置５５、５５Ａにおいて、主軸８の停止時に測定した主軸温度Ｔｓを、往側冷却通路４２に供給する冷却液の温度に設定する第二の冷却モードや、復側冷却通路４３から軸心冷却液供給源５８に戻る暖まった冷却液を熱交換することなくバイパス流路６７を介して往側冷却通路４２に再供給する第三の冷却モードは、中ぐりスピンドル９を設けない二重筒でない一般的な主軸にも適用できる。
また、第二、第三の冷却モードは、第一実施形態で説明した、主軸８の停止時にスピンドル内冷却装置１２の軸心冷却液供給源５８の第一ポンプＰ１を停止させ、所定時間経過後に主軸外筒冷却装置１３の外筒冷却液供給源５９から外筒冷却通路５１への冷却液の供給を停止する主軸冷却装置５５に限定されない。例えば主軸８の停止時に軸心冷却液供給源５８と外筒冷却液供給源５９を同時停止させる場合にも適用できる。

本発明において、外筒冷却通路５１は外側冷却流路に含まれる。また、仕切り筒部３８の内側に設けられた往側冷却通路４２と、外側に設けられた往側冷却溝３９と、往側冷却通路４２及び往側冷却溝３９を連通する第一の連通孔４４ａと、仕切り筒部３８の外側に設けられた復側冷却溝４０と、復側冷却溝４０及び往側冷却通路４２を連通する第二の連通孔４４ｂは、内側冷却流路に含まれる。

１ 工作機械
２ 主軸ユニット
７ 工具ホルダ
８ 主軸
９ 中ぐりスピンドル
１２ スピンドル内冷却装置
１３ 主軸外筒冷却装置
１５ スライド軸受
１６ Ｗ軸スピンドル
１７ ハウジング
１８ 軸受
１８ａ 前側軸受
１８ｂ 中間軸受
１８ｃ 後側軸受
２０ プッシュロッド
３８ 仕切り筒部
３８ａ、３８ｂ、３８ｃ、３８ｄ 分割筒部
３９ 往側冷却溝
４０ 復側冷却溝
４２ 往側冷却通路
４４ 連通孔
４４ａ 第一の連通孔
４４ｂ 第二の連通孔
４９ 円周溝
５１ 外筒冷却通路(外側冷却流路)
５６ 制御装置
５８ 軸心冷却液供給源
５９ 外筒冷却液供給源
７１ 制御キー
７３ 板バネ（弾性閉塞部材）
Ｋ 隙間

Claims (4)

1. ハウジングに設けられた軸受に主軸が回転可能に支持されている工作機械の主軸冷却装置において、
   前記主軸は工具を把持する中ぐりスピンドルと、その外側に配設されていて前記軸受に保持された外側筒部とを備えた二重筒を有し、
   前記中ぐりスピンドルは、
   前記中ぐりスピンドルの内部に進退可能に配設されたプッシュロッドの外周に配設された仕切り筒部と、
   前記中ぐりスピンドルの内側であって、前記仕切り筒部に設けられていて前記軸受を冷却媒体で内側から冷却する内側冷却流路とを備え、
   前記ハウジングは、前記軸受を冷却媒体で外側から冷却する外側冷却流路を備え、
   前記主軸が停止した時に前記内側冷却流路による冷却を停止させ、所定時間経過後に前記外側冷却流路による冷却を停止させるようにしたことを特徴とする工作機械の主軸冷却装置。
2. 前記内側冷却流路は、前記仕切り筒部の内側に設けられた往側冷却通路と、外側に設けられた往側冷却溝と、前記往側冷却通路及び往側冷却溝を連通する第一の連通孔と、前記仕切り筒部の外側に設けられた復側冷却溝と、前記復側冷却溝及び往側冷却通路を連通する第二の連通孔とを備え、
   前記第一の連通孔は第二の連通孔より前記主軸の長手方向の前記工具を把持する側となる前方に設けられている請求項１に記載された工作機械の主軸冷却装置。
3. 前記仕切り筒部は長手方向に複数に分割された分割筒部からなり、前記分割筒部の接続部に周方向に形成された円周溝が形成され、前記円周溝を介して前後の前記分割筒部における前記復側冷却溝が連通している請求項２に記載された工作機械の主軸冷却装置。
4. 前記第一の連通孔を閉塞可能な弾性閉塞部材を有しており、
   前記主軸の回転による遠心力で前記弾性閉塞部材が前記第一の連通孔を開口するように変位して冷却媒体を外側に吐出する請求項２に記載された工作機械の主軸冷却装置。

Images