JP7177723B2 - 予圧調整型スピンドルユニット - Google Patents

Description

本発明は、工作機械のスピンドルユニットに係り、より詳しくは、低速回転時の剛性を確保するとともに高速回転時には予圧過大にならず、更にベアリングの発熱による剛性の変化と精度劣化を防止可能なスピンドルユニットに関する。

周知のように、工作機械の主軸は一般的に、アンギュラ玉軸受けによってハウジング内に回動自在に支持されるが、このとき、運転時の主軸の剛性、回転精度を確保するために、アンギュラ玉軸受けに予圧を与えている。

そして、このアンギュラ玉軸受けに予圧を与える方法としては、バネ等を用いる定圧予圧方法と、アンギュラ玉軸受け間に配置した間座幅で予圧量を調整する定位置予圧方法があり、バネ等を用いる定圧予圧方法では、高速回転時及び低速回転時のいずれも、バネで一定の予圧を与える方法としている。

しかし、定圧予圧方法では、適正な定位置予圧の様な高剛性を確保することが困難であり、切削振動に対しては弱い構造となってしまうという問題点が指摘されており、一般的に同じ軸受けでは、定位置予圧は、定圧予圧に比べて剛性が高いという利点がある。

その一方、定位置予圧では、予圧を与えるに際して、高速回転時に合わせて初期予圧を小さく設定すると、高速回転のときには、予圧が高くなり最適な予圧となるが、低速回転時には、予圧が不足してしまいガタが出てしまい必要な剛性を得ることができないという問題点があり、その逆に、低速回転時に合わせて初期予圧を大きく設定すると、高速回転時に過大予圧となり昇温や焼き付けを発生してしまうという問題点がある。

また、工作機械では加工条件によって主軸の回転数が広い範囲内で選択されるために、予圧を主軸の回転数に合わせて調整する必要がある。そのために、過去においては、主軸の回転数に応じて予圧を調整して、主軸の回転数に最適な予圧を確保して、低速回転時には剛性を確保し、高速回転時には予圧過大にならない調整方法が提案されてきた。

特開２０１７－２９７５号公報 特開２００６－６４１２７号公報 特開２００２－５４６３１号公報 特開平６－３４１４３１号公報

しかしながら、いずれの方法においても、低速回転時の剛性を確保するとともに、高速回転時には、予圧過大にならず、更に、ベアリングの発熱による剛性の変化と精度劣化を防止可能とすることはできなかった。

そこで、本発明は、低速回転時の剛性を確保し、高速回転時には、予圧過大にならず、更に、ベアリングの発熱による剛性の変化と精度劣化を防止することが可能な予圧調整型スピンドルユニットを提供することを課題としている。

本発明の予圧調整型スピンドルユニットは、
工作機械の主軸をハウジング内に回動自在に支持するための予圧調整型スピンドルユニットであり、
一対の軸受によってハウジング内に回動自在に支持された主軸と、
前記一対の軸受の内輪間に配置した内輪間座と、
前記一対の軸受の外輪間に互いに対向する側に隙間を置いて配置した一対の同じ長さの外輪間座と、
ハウジングの内周側に、前記外輪間座間の隙間に対応する箇所に内輪間座側に向けてハウジングと一体とされて突出したストッパーと、
前記一対の軸受のそれぞれの外輪の外側に配置したピストンと、を具備して、
前記ピストンに圧力を加えて、ピストンを前記外輪間座側に移動することで、外輪間座を主軸の軸方向に圧縮して予圧を調整可能としたことを特徴としている。

本発明の予圧調整型スピンドルユニットでは、一対の軸受によってハウジング内に回動自在に支持された主軸と、一対の軸受の内輪間に配置した内輪間座と、一対の軸受の外輪間に間隔を置いて配置した一対の外輪間座と、一対の外輪間座間に配置したストッパーとを有するとともに、一対の軸受のそれぞれの外輪の外側にピストンを配置し、ピストンに圧力を加えてピストンを外輪間座側に移動することで、外輪間座を主軸の軸方向に圧縮して予圧を調整することを可能としている。

そのために、ピストンに加える圧力を調整することで予圧を変化させることができるので、主軸の回転数に合った予圧を加えることができ、低速回転時には剛性を確保することができ、高速回転時には予圧過大を防止して昇温や焼き付けの発生を防止することが可能である。

また、一対の外輪間座間にストッパーを設けているために、ピストンに圧力を加えてピストンを外輪間座側に移動して外輪間座を主軸の軸方向に圧縮した場合でも、主軸が移動してしまうことを有効に防止することが可能である。

本発明の予圧調整型スピンドルユニットの実施例を説明するための図であり、長手方向に沿った構造を示している。 本発明の予圧調整型スピンドルユニットの他の実施例を説明するための図であり、長手方向に沿った構造を示している。

本発明の予圧調整型スピンドルユニットでは、工具やワークのチャックが先端に取り付けられる主軸を有しており、この主軸は、アンギュラ玉軸受によってハウジング内に回動自在に支持されており、アンギュラ玉軸受けは、１個対１個、２個対２個等の一対個を配置している。

そして、一対の軸受の内輪間には、内輪間座が配置され、また、一対の軸受の外輪間には、互いに対向する側に隙間を置いて一対の同じ長さの外輪間座が配置され、ハウジングの内周側において、前記外輪間座間の隙間に対応する箇所には、内輪間座側に向けて、ストッパーが、ハウジングと一体とされて突出されている。

更に、一対の軸受のそれぞれの外輪の外側にはピストンが配置されており、ピストンに圧力を加えて、ピストンを外輪間座側に移動することで、外輪間座を主軸の軸方向に圧縮して、それにより予圧を調整可能としている。

ここで、主軸の内部に冷却液を通過させる軸心冷却液搬送路を具備するとともに、ハウジングの内側に冷却液を通過させる外輪側冷却液搬送路を具備し、軸心冷却液冷却液搬送路に供給する冷却液により内輪間座を冷却し、外輪側冷却液搬送路に供給する冷却液により外輪間座を冷却するとよく、これにより、ベアリングの回転による発熱で外輪間座と内輪間座が熱膨張して当初の予圧を維持できない事態を防止することが可能である。

本発明の予圧調整型スピンドルユニット（以下単に「スピンドルユニット」と言う。）の実施例について図面を参照して説明すると、図１は、本実施例のスピンドルユニットを説明するための一部断面図であり、図において１は、主軸である。即ち、本実施例のスピンドルユニットは、主軸１を有しており、この主軸１は、ハウジング２の内周側に回動自在に支持されており、モーター１４より回動することとしている。そして、金属等の切削に際しては、主軸１の先端に、切削工具やワークのチャックが取り付けられることとしている。

次に、図において３及び４は、前記主軸１をハウジング２内に回動自在に支持するための軸受けであり、本実施例ではアンギュラ玉軸受を用いている、そして、本実施例では、一対のアンギュラ玉軸受を互いに背面が対向する配置で用いており、この一対のアンギュラ玉軸受３、４を、前記主軸１の先端側に間隔を置いて配置して、それにより、前記主軸１の先端側を前記ハウジング２の内周側に回動自在に支持している。なお、アンギュラ玉軸受は周知であるので詳細な説明は省略するが、外輪９と内輪１０を有するとともに、外輪９と内輪１０間には転動体としての玉１１が介在されており、この玉１１は、内輪９と外輪１０のそれぞれに形成した溝に一部が嵌合している。また、本実施例ではアンギュラ玉軸受３、４をそれぞれ１個ずつ配置した場合を説明したが、このアンギュラ玉軸受け３、４は、必ずしも１個ずつにする必要はなく、前側と後側で一対個としてあればよく、従って、前側と後側のアンギュラ玉軸受け３、４をそれぞれ２個ずつ備えても良い。

次に、図において８は前記一対のアンギュラ玉軸受３、４の内輪１０間に配置した内輪間座である。即ち、本実施例において前記一対のアンギュラ玉軸受３、４は、それぞれの内輪１０が内輪間座８を挟んで対向した位置に配置されており、内輪１０と内輪間座８は前記主軸１に連結されている。

次に、図において７は外輪間座である。即ち、本実施例のスピンドルユニットでは、前記一対のアンギュラ玉軸受３、４の外輪９間に外輪間座７を配置している。

そして、本実施例においては、前記外輪間座７は、同じ長さのものを２本用いており、この２本の外輪間座７を、互いに対向する側に隙間１２をおいて配置している。即ち、本実施例において、前記アンギュラ玉軸受３、４の外輪９間の距離は、２本の外輪間座７の長さに、外輪間座７間の隙間１２を足したものとしている。

一方、前記ハウジング２の内周側において、前記外輪間座７間の隙間１２に対応する箇所には、内輪間座８側に向けてストッパー１３を突出しており、このストッパー１３が前記外輪間座７間の隙間１２に挿入され、これにより、２本の外輪間座７の位置を固定している。即ち、本実施例のスピンドルユニットは、定位置予圧の方法を採用しており、これにより、定圧予圧を採用した場合と比べて剛性を高くしている。

次に、図において５、６はピストンである。即ち、本実施例においては、前記一対のアンギュラ玉軸受３、４のそれぞれの外輪９の外側にピストン５、６を配置しており、このピストン５、６は、主軸１の軸方向に移動自在としている。即ち、前記一対のアンギュラ玉軸受３、４のそれぞれの外輪９の外側にはピストン収容空間が形成され、このピストン収容空間内にはピストン５、６が、主軸１の軸方向に移動自在に収容されており、ピストン５、６を外輪９側に移動することで、外輪間座７を圧縮させることを可能にしている。

一方、前記ハウジング２には、圧力媒体供給路１５が形成され、この圧力媒体供給路１５は、基端側が外部に開口して注入口１５ｃとされている。

また、圧力媒体供給路１５は途中で２本に分岐しており、一方１５ａは前側のアンギュラ玉軸受３の外輪９の外側に形成したピストン収容空間に連結され、他方１５ｂは後側のアンギュラ玉軸受４の外輪９の外側に形成したピストン収容空間に連結されている。

そしてこれにより、圧力媒体供給路１５内にエアーや液体を供給して、前記ピスト５、６に油圧又は空圧を加えて、ピストン５、６を外輪９側に移動することで、外輪間座７を圧縮させながら、アンギュラ玉軸受の外輪９を外輪間座７側に移動させ、それにより、アンギュラ玉軸受３、４に加えている予圧を調整することを可能としている。

即ち、周知のようにアンギュラ玉軸受は、内輪、玉、外輪の接点を結ぶ直線がラジアル方向に対して接触角を持っており、ラジアル荷重が作用するとアキシャル分力が生じるために、主軸を高速回転したときには、玉が内側に移動して予圧過大になってしまい、場合によっては、玉が外輪の溝をから外れて溝肩に乗り上げてしまうおそれも考えられる。

そこで、本実施例のスピンドルユニットでは、高速回転時に遠心力で玉１１が外輪間座７側に移動して、それにより過大予圧になった場合には、圧力媒体供給路１５内にエアーや液体を供給してピスト５、６に油圧又は空圧を加えて、ピストン５、６を外輪間座７側に移動することで、予圧を調整して、過大予圧の発生を防止している。そしてこのとき、本実施例のスピンドルユニットでは、外輪間座７を２本用いて、各外輪間座７間にストッパー１３を配置しているために、ピストン５、６の移動により外輪間座７を圧縮させたときでも、予圧が偏ることが無く、従って、主軸１が移動してしまうことを防止することが可能である。

このように、本実施例のスピンドルユニットでは、一対のアンギュラ玉軸受３、４のそれぞれの外輪９の外側にピストン５、６を配置し、ピスト５、６に油圧又は空圧を加えてピストン５、６を外輪間座７側に移動することで、予圧を調整可能としている。なお、図において１６はエアー抜き口であり、また、１７は開放口である。即ち、本実施例においては、油圧又は空圧でピストン５、６を押したときや、及び、油圧又は空圧を解除したときに外輪間座の伸び力によりピストン５、６が戻されるときに、空気が閉じ込められることを防止してピストン５、６の移動をスムーズにするために、ハウジング２にエアー抜き口１６及び開放口１７を形成している。

ところで、前述のように、本実施例のスピンドルユニットでは、ピスト５、６に油圧又は空圧を加えてピストン５、６を外輪間座７側に移動することで、予圧を調整可能としているが、アンギュラ玉軸受の予圧は、回転による発熱で外輪間座７や内輪間座８が熱膨張することでも変化するため、ピストンによる圧力のみでは予圧の調整を完全に行うことができない場合がある。

そこで、本実施例のスピンドルユニットでは、更に、外輪間座７及び内輪間座８に冷却液を供給するとともに、主軸の内側にも冷却液を供給することで、外輪間座７及び内輪間座８の温度を当初温度に維持することで、当初の予圧状態を維持可能としている。

この構造について、図２を参照して説明すると、図２は、本実施例のスピンドルユニットにおける冷却液の供給方法を説明するための一部断面図である。図１の構成に更に冷却液用搬送路を加えた図にしており、図１と同様の部品には同様の符号を付している。

そして、図において２１は、スピンドルを冷却するための軸芯側冷却液供給路である。即ち、本実施例においては、前記主軸１の内部に軸芯側冷却液供給路２１を有しており、この軸芯側冷却液供給路２１に冷却液を供給することで、主軸１を冷却することを可能としている。

ここで、前記軸芯側冷却液供給路２１について説明すると、本実施例においては、前記主軸１の中心部の周囲に軸芯側冷却液供給路２１が形成されており、この軸芯側冷却液供給路２１は、先端側は前記主軸１の先端部近傍迄至っており、基端側は前記主軸１の後方側まで延長されている。そして、後端部分はホース等の冷却液供給手段（図示せず）に連結されており、これにより、軸芯側冷却液供給路２１の基端側から冷却液を供給可能としている。

一方、軸芯側冷却液供給路２１の周囲には軸芯側冷却液排水路２２が形成されており、この軸芯側冷却液排水路２２は、先端は前記主軸１の先端部近傍迄至るとともに、先端部分で前記軸芯側冷却液供給路２１の先端部と連結され、更に基端部分は、前記軸芯側冷却液供給路２１と同様に前記主軸１の後方側まで延長され、排水手段（図示せず）が連結されている。そしてこれにより、前記軸芯側冷却液供給路２１に供給された冷却液を軸芯側冷却液排水路２２から排水可能としている。即ち、本実施例では、軸芯側冷却液供給路２１と軸芯側冷却液排水路２２により、軸芯側冷却液搬送路が形成されている。

従って、本実施例のスピンドルユニットでは、矢印で示すように、芯側冷却液供給路２１から冷却液を供給し、この供給した冷却液を軸芯側冷却液排水路２２から排水することにより、即ち、軸芯側冷却液搬送路内に冷却液を通すことにより、内輪間座８を冷却して、内輪間座８が熱膨張することを防止することが可能である。

次に、図において２３は、外輪側冷却液供給路である。即ち本実施例のスピンドルユニットでは、外輪間座７の周囲に外輪側冷却液供給路２３を設けて、この外輪側冷却液供給路２３に冷却液を通すことで、外輪間座７を冷却し、外輪間座７の熱膨張を防止するとともに、外輪間座７と内輪間座８の同じ温度に維持することとしている。

ここで、前記外輪側冷却液供給路２３について説明すると、本実施例においては、前記ハウジング２に外輪側冷却液注入路２４を形成しており、この外輪側冷却液注入路２４と前記外輪側冷却液供給路２３を連結している。そして、前記外輪側冷却液注入路２４の基端側には、ホース等の冷却液供給手段（図示せず）が連結されており、これにより、外輪側冷却液注入路２４に冷却液を供給することで、外輪側冷却液供給路２３に冷却液を通すことで、外輪間座７を冷却し、外輪間座７の熱膨張を防止するとともに、外輪間座７と内輪間座８を同じ温度に維持することとしている。

次に、図において２５、２６は、外輪側冷却液排水路である。即ち、本実施例においては、前記ハウジング２の外周側に、第１の外輪側冷却液排水路２５が形成されており、この第１外輪側冷却液排水路２５は、排水口Ａによって、前記外輪側冷却液供給路２３の先端側に連結されている。

また、前記ハウジング２内には、第２の外輪側冷却液排水路２６が形成されており、この第２の外輪側冷却液排水路２６は、排水口Ｂによって、前記第１の外輪側冷却液排水路２５と連結されており、他端はハウジング２の後方側まで延長されて排水手段（図示せず）に連結されている。そしてこれにより、外輪間座７の外周側に冷却液を供給するとともに、この供給した冷却液をハウジング２の外部に排水可能としている。即ち、本実施例では、外輪側冷却液注入路２４、外輪側冷却液供給路２３及び、第１、第２の外輪側冷却液排水路２５、２６によって、外輪側冷却液搬送路が形成されている。

なおここで、外輪間座７を冷却する冷却液の流れを簡単に説明すると、外輪側冷却液注入路２４からハウジング２内に供給された冷却液は、矢印で示されるように、外輪側冷却液供給路２３を通過することで外輪間座７の外側を通って外輪間座７を冷却する。

次に、外輪間座７の外側を通ることで外輪間座７を冷却した冷却液は、矢印で示されるように、排水口Ａを通過して第１の外輪側冷却液排水路２５に排水され、更に、排水口Ｂを通って第２の外輪側冷却液排水路２６に排水され、その後、ハウジング２の外部に排水される。

従って、本実施例のスピンドルユニットでは、外輪側冷却液注入路２４及び外輪側冷却液供給路２３から冷却液を供給し、この供給した冷却液を外輪側冷却液排水路２５、２６から排水することで、外輪間座７を冷却し、外輪間座７が熱膨張することを防止することが可能である。

そのため、本実施例のスピンドルユニットでは、アンギュラ玉軸受の発熱の影響で内輪間座８及び外輪間座７が熱膨張することを防止することができるとともに、このとき、軸芯側冷却液供給路２１により内輪間座８を冷却するとともに、外輪側冷却液供給路２３で外輪間座７を冷却することで、外輪間座７と内輪間座８の温度を同じ温度に維持することとしているために、外輪間座７と内輪間座８が個別に膨張してしまうことも防止でき、当初の予圧状態を確実に維持することが可能である。

このように、本実施例のスピンドルユニットでは、ストッパー１３を挟んで配置した一対の外輪間座７のそれぞれの外側（反ストッパー側）にピストン５、６を配置して、ピストン５、６に圧力を加えてピストン５，６を外輪間座７側に移動することで、外輪間座７を主軸１の軸方向に圧縮して予圧を調整することを可能としているため、ピストン５、６の作動を制御することで、主軸１の回転数に合った予圧を加えることができ、低速回転時には剛性を確保することができ、高速回転時には予圧過大を防止して昇温や焼き付けの発生を防止することが可能である。そしてこのとき、本実施例のスピンドルユニットでは、一対の外輪間座７間にストッパー１３を設けているために、ピストン５，６に圧力を加えてピストン５，６を外輪間座７側に移動して外輪間座７を主軸１の軸方向に圧縮した場合でも、予圧が偏ることが無く、主軸１が移動してしまうことを防止することが可能である。

更に、本実施例のスピンドルユニットでは、内輪間座８を冷却するための軸芯側冷却液供給路２１と、外輪間座７を冷却するための外輪側冷却液供給路２３を有しているために、アンギュラ玉軸受けの回転による発熱の影響で外輪間座７と内輪間座８が膨張してしまうことを確実に防止でき、それにより、当初の予圧状態を確実に維持することが可能である。

本発明のスピンドルユニットは、工作機械の主軸を回動自在に支持するアンギュラ玉軸受の予圧を当初の状態に維持することを可能としているために、軸受けを備えたスピンドルユニットの全般に適用可能である。

１ 主軸
２ ハウジング
３ 前側アンギュラ玉軸受
４ 後側アンギュラ玉軸受
５ 前側ピストン
６ 後側ピストン
７ 外輪間座
８ 内輪間座
９ アンギュラ玉軸受の外輪
１０ アンギュラ玉軸受の内輪
１１ アンギュラ玉軸受の内輪の玉
１２ 外側間座間の隙間
１３ ストッパー
１４ モーター
１５ 圧力媒体供給路
１６ エアー抜口
１７ 解放口
２１ 軸芯側冷却液供給路
２２ 軸芯側冷却液排水路
２３ 外輪側冷却液供給路
２４ 外輪側冷却液注入路
２５ 第１外輪側冷却液排水路
２６ 第２外輪側冷却液排水路Ｂ
Ａ、Ｂ 排水口

Claims (3)

1. 工作機械の主軸をハウジング内に回動自在に支持するための予圧調整型スピンドルユニットであり、
   一対の軸受（３、４）によってハウジング（２）内に回動自在に支持された主軸（１）と、
   前記一対の軸受（３、４）の内輪（１０）間に配置した内輪間座（８）と、
   前記一対の軸受（３、４）の外輪（９）間に互いに対向する側に隙間（１２）を置いて配置した一対の同じ長さの外輪間座（７）と、
   ハウジング（２）の内周側に、前記外輪間座（７）間の隙間（１２）に対応する箇所に内輪間座（８）側に向けてハウジングと一体とされて突出したストッパー（１３）と、
   ハウジングと一体とされ
   前記一対の軸受（３、４）のそれぞれの外輪（９）の外側に配置したピストン（５、６）と、を具備して、
   前記ピストン（５、６）に圧力を加えて、ピストン（５、６）を前記外輪間座（７）側に移動することで、外輪間座（７）を主軸（１）の軸方向に圧縮して予圧を調整可能としたことを特徴とする予圧調整型スピンドルユニット。
2. 前記軸受け（３、４）がアンギュラ玉軸受であることを特徴とする請求項１に記載の予圧調整型スピンドルユニット。
3. 前記主軸（１）の内部に冷却液を通過させる軸心側冷却液搬送路を具備するとともに、前記外輪間座（７）の周囲に冷却液を通過させる外輪側冷却液搬送路を具備し、軸心側冷却液搬送路を通過する冷却液により内輪間座（８）を冷却し、外輪側冷却液搬送路を通過する冷却液により外輪間座（７）を冷却することとしたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の予圧調整型スピンドルユニット。

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