JP7340445B2

JP7340445B2 - 主軸装置

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Publication number: JP7340445B2
Application number: JP2019234089A
Authority: JP
Inventors: 嘉治受井
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2019-12-25
Filing date: 2019-12-25
Publication date: 2023-09-07
Anticipated expiration: 2039-12-25
Also published as: JP2021102244A

Description

本発明は、主軸装置に関し、特に、離間した複数の軸受によって回転可能に支持された主軸を有する主軸装置に関する。

マシニングセンタなどの工作機械では、近年の主軸のさらなる高速回転化への対応として、主軸を冷却する技術が発展してきている。主軸冷却技術は、軸受や電動機ロータの熱が逃げにくい主軸を効果的に冷却できるため、主軸の熱膨張低減効果が大きく、ワークの加工精度が向上する。この主軸冷却では回転部材側の冷却液流路と固定部材側の冷却液流路との間で冷却液漏出を防止する必要があり、これには、一般的にエアシールが用いられている。

エアシールは、固定部材と回転部材との間にエアを供給することで外部からの切削液・塵などの侵入を防止する用途で広く利用されている。主軸冷却とエアシールを用いた技術は、特許文献１に記載されているように、主軸に冷却液流路を設けて、固定部材（ハウジングなど）に設けられた固定側冷却液流路と回転部材（主軸など）に設けられた回転側冷却液流路との接続部に設けられた冷却液受け渡し部を挟むようにして隙間にエアを供給することで冷却液の漏出を防止するものが知られている。

特開２０００－２８８８７０号公報

上記の特許文献１において、冷却液の漏出を防止するためにエアシールを行っているが、運転中は常時エアを消費するためランニングコストが大きくなるという課題がある。消費エア流量を減らす方法として、回転部材と固定部材との間の隙間を小さくする方法がある。しかし、この方法において、隙間を小さくしすぎると、例えばエアシールのエア中に含まれる異物により小さくなった隙間が詰まる可能性がある。この場合、主軸が回転部と非回転部で焼き付いて、停止するという問題がある。他にも隙間を小さくする場合、この隙間を構成する部品にはより高い精度が必要となる。このため、部品の製造コストが大きくなるという問題がある。

この発明の目的は、回転部材と固定部材との間の隙間を小さくすることなく、エアシールの消費エア流量を減らすことができる主軸装置を提供することにある。

この発明の主軸装置は、主軸の回転を制御する制御装置と、主軸の回転を制御する制御装置と、主軸の冷却構造とを備えた主軸装置であって、主軸の冷却構造は、ハウジングに設けられた固定側冷却液流路と、主軸に設けられた回転側冷却液流路と、固定側冷却液流路に冷却液を供給する冷却液供給装置と、固定側冷却液流路端と回転側冷却液流路端との間の冷却液受け渡し部と、主軸外周面とハウジング内周面との間に形成された隙間を介してエアを冷却液受け渡し部の軸方向に平行な両側から吹き付けることで冷却液受け渡し部からの冷却液の漏出を防止するエアシールと、前記エアシールにエアを供給するエア供給装置と、前記冷却液供給装置に設けられて冷却液流量を調整する冷却液流量調整機構と、前記エア供給装置に設けられてエア流量を調整するエア流量調整機構とを備えており、制御装置は、主軸の制御に加えて、主軸回転数に応じた前記冷却液流量の設定値および前記エア流量の設定値を呼び出して、これらの設定値に基づいて前記冷却液流量調整機構および前記エア流量調整機構を制御することが可能で、回転数が相対的に小さい場合、前記冷却液流量の設定値は小さい値とされ、これに応じて、前記エア流量の設定値も小さい値とされることを特徴とするものである。

例えば、回転数が相対的に小さい場合、冷却液流量設定値は小さい値とされ、これに応じて、エア流量設定値も小さい値とされる。低速回転時では、主軸軸受の発熱量は少ないため、冷却液流路を循環させる冷却液流量は少なくてもよく、冷却液流量を少なくすることで、冷却液の漏出を防止するために必要なエア流量を減らすことができる。これにより、エア消費量を減らすことができ、この発明の主軸装置を使用する工作機械などのランニングコストを抑えることができる。

この発明の主軸装置によると、主軸回転数に応じた設定値となるように冷却液流量およびエア流量を調整することにより、回転部材と固定部材との間の隙間を小さくすることなく、エアシールで使用する消費エア流量を減らすことができる。これにより、この発明の主軸装置を使用する工作機械などのランニングコストを抑えることができる。

図１は、この発明の主軸装置を示す縦断面図および回路図である。図２は、制御装置の制御機能を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態例について、図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明において、図１の左側を前側、図１の右側を後側というものとする。

図１に、この発明の工作機械の主軸装置の断面図および回路図を示す。

主軸装置(1)は、回転部材である主軸(2)と、固定部材であるハウジング(3)と、主軸(2)を冷却する主軸の冷却構造(4)とを備えている。

主軸(2)は、横形に配置されており、主軸(2)は、前端に工具を装着するためのテーパ孔(2a)を有し、その前側部分が前側の１対の軸受(5)(6)および後側の１対の軸受(7)(8)によってハウジング(3)に回転可能に支持されている。

ハウジング(3)は、ハウジング本体(9)と、ハウジング本体(9)とは別部材とされてハウジング本体(9)の前端に固定された前側流路形成部材(10)と、ハウジング本体(9)とは別部材とされて軸受(5)(6)(7)(8)を介して前側流路形成部材(10)に後側から対向するようにハウジング本体(9)に固定された後側流路形成部材(11)とからなる。

軸受(5)(6)(7)(8)の外輪(5a)(6a)(7a)(8a)間には、外輪間座(12)が配されており、軸受(5)(6)(7)(8)の内輪(5b)(6b)(7b)(8b)間には、内輪間座(13)が配されている。

後端にある軸受(8)の外輪(8a)は、ハウジング本体(9)に設けられた径方向内向きの突出部(9a)の前面で受けられており、前端にある軸受(5)の外輪(5a)は、ハウジング本体(9)前端部にボルト（図示略）で固定された前側流路形成部材(10)によって保持されている。

前端にある軸受(5)の内輪(5b)は、主軸(2)に設けられた径方向外向きの突出部(2b)の後面で受けられており、後端にある軸受(8)の内輪(8b)は、主軸(2)にねじ合わされたナット(14)によって保持されている。

冷却構造(4)は、固定部材であるハウジング(3)と回転部材である主軸(2)との間で冷却液を受け渡して主軸(2)を冷却するもので、後端の軸受(8)の後側から冷却液を供給して、前端の軸受(5)の前側から排出して回収するようになされている。

冷却構造(4)は、冷却液流路(21)として、ハウジング本体(9)に設けられた第１流入路(21a)と、第１流入路(21a)に連なるように後側流路形成部材(11)に設けられた第２流入路(21b)と、前側流路形成部材(10)に設けられた流出路(21c)と、軸方向に平行に前後にのびるように主軸(2)に設けられた主軸内軸方向流路(21d)と、主軸内軸方向流路(21d)に連なり、かつ流出路(21c)の開口に臨まされた主軸内径方向流路(21e)とを有している。主軸内軸方向流路(21d)および主軸内径方向流路(21e)は、周方向に等間隔で４つ設けられている。

冷却構造(4)は、冷却液流路(21)として、さらに、全ての主軸内軸方向流路(21d)の後端部に連通するように主軸(2)に設けられ、かつ各第２流入路(21b)の開口部が連通可能に臨まされた主軸内環状流路(21f)と、全ての流出路(21c)の径方向内側の開口部に連通するように前側流路形成部材(10)に設けられ、かつ各主軸内径方向流路(11e)の径方向外向きの開口が連通可能に臨まされた前側流路形成部材内環状流路(21g)とを有している。

第１流入路(21a)、第２流入路(21b)、流出路(21c)および前側流路形成部材内環状流路(21g)が固定側冷却液流路を構成し、主軸内軸方向流路(21d)、主軸内径方向流路(21e)および主軸内環状流路(21f)が回転側冷却液流路を構成している。

そして、固定側冷却液流路である第２流入路(21b)と回転側冷却液流路である主軸内環状流路(21f)との接続部が後側の冷却液受け渡し部(22)とされるとともに、回転側冷却液流路である主軸内径方向流路(21e)と固定側冷却液流路である前側流路形成部材内環状流路(21g)との間が前側の冷却液受け渡し部(23)とされて、第１流入路(21a)から流入した冷却液は、まず、第２流入路(21b)に流入し、後側の冷却液受け渡し部(22)から主軸内環状流路(21f)に流入し、主軸内軸方向流路(21d)および主軸内径方向流路(21e)を経て、前側の冷却液受け渡し部(23)から前側流路形成部材内環状流路(21g)に至り、流出路(21c)から流出する。

冷却構造(4)は、冷却液供給装置(24)として、第１流入路(21a)に連通する流入用配管(24a)と、流出路(21c)に連通する回収用配管(24b)と、流入用配管(24a)に冷却液を流入させ、回収用配管(24b)から冷却液を回収する冷却液供給源(24c)とを有している。

流入用配管(24a)には、第１流入路(21a)に流入する冷却液の流量を調整する冷却液流量調整機構(31)が設けられている。冷却液流量調整機構(31)は、例えば、絞り弁などの流量制御弁からなるものとされる。

冷却構造(4)は、さらに、主軸(2)の外周面と後側流路形成部材(11)の内周面との間にある隙間を介してエアを後側冷却液受け渡し部(22)の両側から吹き付けることで後側冷却液受け渡し部(22)からの冷却液の漏出を防止する後側エアシール(25)と、主軸(2)の外周面と前側流路形成部材(10)の内周面との間にある隙間を介してエアを前側冷却液受け渡し部(23)の両側から吹き付けることで前側冷却液受け渡し部(23)からの冷却液の漏出を防止する前側エアシール(26)と、後側エアシール(25)および前側エアシール(26)にエアを供給するエア供給装置(27)とを備えている。

後側エアシール(25)は、ハウジング本体(9)に設けられた後側エア流入路(25a)と、後側エア流入路(25a)に一端部がそれぞれ連なるように後側流路形成部材(11)に設けられた後側第１分岐流路(25b)および後側第２分岐流路(25c)とを有している。後側第１分岐流路(25b)および後側第２分岐流路(25c)の各他端部は、後側冷却液受け渡し部(22)を前後両側から挟むように設けられるとともに、主軸(2)の外周面に径方向外側から対向するように開口しており、各開口部には、環状の前側エア吐出部(25d)および後側エア吐出部(25e)が設けられている。

前側エアシール(26)は、前側流路形成部材(10)に設けられた前側エア流入路(26a)と、前側エア流入路(26a)に一端部がそれぞれ連なるように前側流路形成部材(10)に設けられた前側第１分岐流路(26b)および前側第２分岐流路(26c)とを有している。前側第１分岐流路(26b)および前側第２分岐流路(26c)の各他端部は、前側冷却液受け渡し部(23)を前後両側から挟むように設けられるとともに、主軸(2)の外周面に径方向外側から対向するように開口しており、各開口部には、環状の前側エア吐出部(26d)および後側エア吐出部(26e)が設けられている。

エア供給装置(27)は、後側エア流入路(25a)に連通する後側配管(27a)と、前側エア流入路(26a)に連通する前側配管(27b)と、各配管(27a)(27b)にエアを流入させるエア供給源(27c)とを有している。

後側配管(27a)には、後側エア流入路(25a)に流入するエアの流量を調整する後側エア流量調整機構(32)が設けられている。前側配管(27b)には、前側エア流入路(26a)に流入するエアの流量を調整する前側エア流量調整機構(33)が設けられている。エア流量調整機構(32)(33)は、例えば、絞り弁などの流量制御弁からなるものとされる。

図２に示すように、主軸駆動装置(30)を制御する制御装置(30a)には、主軸(2)の回転数を制御するための主軸回転数設定値が記憶されているとともに、主軸回転数に応じた冷却液流量設定値およびエア流量設定値が記憶されている。

制御装置(30a)は、主軸回転数設定値を呼び出して、この主軸回転数設定値に基づいて主軸駆動装置(30)を制御し、主軸(2)を回転させる。主軸回転数は制御装置(30a)にフィードバックされる。

制御装置(30a)は、主軸(2)の制御に加えて、主軸回転数に対応する冷却液流量設定値およびエア流量設定値を呼び出し、これらの設定値に基づいて冷却液流量調整機構(31)と後側および前側エア流量調整機構(32)(33)とを制御する。

これにより、冷却液流量調整機構(31)を通過することで適正な量とされた冷却液が第１流入路(21a)に供給され、後側および前側エア流量調整機構(32)(33)を通過することで適正な量とされたエアが後側および前側エア流入路(25a)(26a)に供給される。

上記の冷却構造(4)によると、冷却液は、各流入用配管(24a)から第１流入路(21a)に供給され、各主軸内軸方向流路(21d)および各主軸内径方向流路(21e)を通ることで、主軸(2)および軸受(5)(6)(7)(8)を冷却し、流出路(21c)を経て各回収用配管(24b)によって回収される。冷却液の供給・排出に際し、回転側冷却液流路と固定側冷却液流路との連通部である後側の冷却液受け渡し部(22)および前側の冷却液受け渡し部(23)では、冷却液の漏出の可能性があるが、この漏出は、後側エアシール(25)および前側エアシール(26)によって防止される。

ここで、エアシールで使用する消費エア流量を減らしてランニングコストを抑えることが重要となる。上記の主軸装置(1)によると、例えば、回転数が相対的に小さい場合、冷却液流量設定値は小さい値とされ、これに応じて、エア流量設定値も小さい値とされる。低速回転時では、主軸軸受(5)(6)(7)(8)の発熱量は少ないため、冷却液流路(21)を循環させる冷却液流量は少なくてもよく、冷却液流量を少なくすることで、冷却液の漏出を防止するために必要なエア流量を減らすことができる。これにより、エア消費量を減らすことができ、この主軸装置(1)を使用する工作機械などのランニングコストを抑えることができる。

(2)：主軸
(3)：ハウジング
(4)：主軸の冷却構造
(21)：冷却液流路
(21a)：第１流入路（固定側冷却液流路）
(21b)：第２流入路（固定側冷却液流路）
(21c)：流出路（固定側冷却液流路）
(21d)：主軸内軸方向流路（回転側冷却液流路）
(21e)：主軸内径方向流路（回転側冷却液流路）
(21f)：主軸内環状流路（回転側冷却液流路）
(21g)：前側流路形成部材内環状流路（固定側冷却液流路）
(22)(23)：冷却液受け渡し部
(24)：冷却液供給装置
(25)(26)：エアシール
(27)：エア供給装置
(30)：主軸駆動装置
(30a)：制御装置
(31)：冷却液流量調整機構
(32)(33)：エア流量調整機構

Claims

主軸の回転を制御する制御装置と、主軸の冷却構造とを備えた主軸装置であって、
主軸の冷却構造は、ハウジングに設けられた固定側冷却液流路と、主軸に設けられた回転側冷却液流路と、固定側冷却液流路に冷却液を供給する冷却液供給装置と、固定側冷却液流路端と回転側冷却液流路端との間の冷却液受け渡し部と、主軸外周面とハウジング内周面との間に形成された隙間を介してエアを冷却液受け渡し部の軸方向に平行な両側から吹き付けることで冷却液受け渡し部からの冷却液の漏出を防止するエアシールと、前記エアシールにエアを供給するエア供給装置と、前記冷却液供給装置に設けられて冷却液流量を調整する冷却液流量調整機構と、前記エア供給装置に設けられてエア流量を調整するエア流量調整機構とを備えており、
制御装置は、主軸の制御に加えて、主軸回転数に応じた前記冷却液流量の設定値および前記エア流量の設定値を呼び出して、これらの設定値に基づいて前記冷却液流量調整機構および前記エア流量調整機構を制御することが可能で、回転数が相対的に小さい場合、前記冷却液流量の設定値は小さい値とされ、これに応じて、前記エア流量の設定値も小さい値とされることを特徴とする主軸装置。