JPH05208339A - 工作機械主軸の温度制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 主軸の熱膨張による加工精度の劣化を防止す
るとともに、優れたシール効果を発揮させ、長時間にわ
たって加工精度を維持する。 【構成】 主軸と、主軸をハウジングに回転自在に支承
する複数個の軸受と、複数個の軸受間に配設された軸受
間座と、主軸の先部に軸受隙間を介して嵌挿されて支軸
キャップとを具備した工作機械主軸系において、上記主
軸キャップに主軸を回転自在に支承させる静圧空気軸受
を設けるとともに、上記軸受間座に外部から一定温度に
制御された冷却媒体を還流させる冷媒溜まりを設け、か
つ、主軸の熱膨張量を測定するための変位センサを設け
るとともに、主軸の熱膨張量に応じて上記静圧軸受への
圧縮空気の温度もしくは上記冷媒溜まりへの冷却媒体の
温度を自動的に調整する手段を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、工作機械の主要な発熱
源である工作機械主軸系において、主軸回転時の軸受の
発熱による主軸の温度上昇を制御する装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】工作機械においては、長時間にわたって
安定した加工精度を維持することが最重要課題である。

【０００３】一般的な工作機械主軸系の構成例を図４に
示す。図４において、（１）は主軸で、２個１組の適宜
の間隔を置いて配設された２組の軸受（２ａ）（２ｂ）
を介してハウジング（３）に回転自在に支承され、後端
が主軸モータ（図示せず）に連結されている。この主軸
（１）の先部にはテーパ孔（４）が形成され、このテー
パ孔（４）に工具（図示せず）が装着される（工具を装
着するためのドローバー機構は省略）。（５）（６）は
円筒形の間座で、２組の軸受（２ａ）（２ｂ）の間に配
設されている（内側が内輪間座、外側が外輪間座）。
（７）は断面Ｌ字形をなした環状の主軸キャップで、取
付ネジ（８）によってハウジング（３）の前端面に取付
けられることにより、２組の軸受（２ａ）（２ｂ）及び
間座（５）（６）をハウジング（３）に保持させてい
る。この主軸キャップ（７）の内周にはラビリンス
（９）が設けられ、このラビリンス（９）により主軸
（１）との間の軸受隙間（10）を通って外部から切削油
や塵埃等が侵入するのを防止させている。（11）は主軸
（１）に螺挿された押しナットで、スリンガ（12）を介
して２組の軸受（２ａ）（２ｂ）及び間座（５）（６）
を主軸（１）に保持させることにより、主軸（１）の軸
方向の移動を拘束させている。（13）は主軸頭で、その
前端面に取付ネジ（14）によって主軸キャップ（７）を
取付けることにより、ハウジング（３）を一体に固定さ
せている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記構成において、主
軸（１）を回転させると、２組の軸受（２ａ）（２ｂ）
の回転に伴う軸受摩擦により熱が発生し、２組の軸受
（２ａ）（２ｂ）から主軸（１）或いはハウジング
（３）に熱が伝導され、その結果、主軸（１）及びハウ
ジング（３）更にはハウジング（３）を固定している主
軸頭（13）の温度が上昇し、熱膨張もしくは温度分布の
不均一による熱歪みが生じ、主軸（１）の位置精度が劣
化して加工精度の低下を招くことになる。特に主軸
（１）の中央部では間座（５）（６）で密閉された状態
にあるため、２組の軸受（２ａ）（２ｂ）で発生した熱
が逃げなくて主軸（１）の温度は回転とともに上昇する
ことになる。

【０００５】図５は主軸（１）の先部での軸受摩擦によ
る温度上昇に伴う熱変形の計算結果例である。主軸
（１）を２次元の軸対称構造とし、２組の軸受（２ａ）
（２ｂ）の熱発生量を入力して有限要素法で解析したも
ので、熱のない理想状態での外径形状（変形前）を１点
鎖線で示し、熱が流入した後の定常状態での外径形状
（変形後）を実線で示す。これによると定常状態では理
想状態に比べ、主軸（１）の内径で約９ m、主軸（１）
の前面では93 mの熱膨張がみられる。このような熱変形
はそのまま加工誤差となるため、これら主軸（１）に対
する温度制御の必要性は明らかであろう。

【０００６】このため、これまで熱変位対策として数多
くの試みがなされ、その一部は実用化され加工精度の向
上に大きく寄与している。その代表例として、ハウジン
グのオイルジャケット冷却法がある。この方法はハウジ
ング（３）の外周部に螺旋状の油の流路を形成し、この
流路に油冷却器で冷却した油を還流させて発生熱を外部
へ取り出すようにしている。しかしながら、この方法で
はハウジング（３）だけが冷却されるだけで、肝心の主
軸（１）の冷却に対し比較的効果が薄く、主軸（１）の
温度上昇を抑制する効果が少ないのが実情である。

【０００７】また、従来構造では、主軸（１）と主軸キ
ャップ（７）の間の軸受隙間（10）を通って外部から侵
入する切削油や塵埃等をラビリンス（９）により対処し
ていたが、切削雰囲気が苛酷な場合にはこのような構造
では不完全で、時として切削油等が軸受部に侵入し、軸
受（２ａ）（２ｂ）の損傷に至る場合があった。

【０００８】本発明は、従来装置の上記問題点に鑑みて
提案されたもので、主軸の熱膨張による加工精度の劣化
を防止するとともに、優れたシール効果も期待できる工
作機械主軸の温度制御方法及び装置を提供することを目
的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するため、主軸と、主軸をハウジングに回転自在に支承
する複数個の軸受と、複数個の軸受間に配設された軸受
間座と、主軸の先部に軸受隙間を介して嵌挿されて支軸
キャップとを具備した工作機械主軸系において、上記主
軸キャップに主軸を回転自在に支承させる静圧空気軸受
を設けたものである。

【００１０】また、本発明は、上記軸受間座に外部から
一定温度に制御された冷却媒体を還流させる冷媒溜まり
を設けたものである。

【００１１】更に、本発明は、主軸の熱膨張量を測定す
るための変位センサを設けるとともに、主軸の熱膨張量
に応じて上記静圧軸受への圧縮空気の温度もしくは上記
冷媒溜まりへの冷却媒体の温度を自動的に調整する手段
を設けたものである。

【００１２】

【作用】本発明によれば、主軸キャップに主軸を回転自
在に支承させる静圧空気軸受を設けたことにより、主軸
を圧縮空気によって直接冷却により冷却することができ
るとともに、シール構造として機能して優れたシール効
果が得られる。

【００１３】また、軸受間座に外部から一定温度に制御
された冷却媒体を還流させる冷媒溜まりを設けたことに
より、冷却媒体を利用して軸受間座を介して放射冷却に
より主軸を冷却することができ、それだけより高い冷却
効果を得ることができる。

【００１４】更に、主軸の熱膨張量を測定するための変
位センサを設けるとともに、主軸の熱膨張量に応じて上
記静圧軸受への圧縮空気の温度もしくは上記冷媒溜まり
への冷却媒体の温度を自動的に調整する手段を設けたこ
とにより、変位センサにより主軸の熱膨張量を測定し
て、その検出量から上記静圧軸受への圧縮空気の温度も
しくは上記冷媒溜まりへの冷却媒体の温度を自動的に制
御し、主軸の温度を常に理想状態に保持することができ
る。

【００１５】

【実施例】以下、本発明を図１乃至図３に示す実施例に
基づいて説明する。

【００１６】図１は本発明装置を用した工作機械主軸系
の要部縦断面図で、従来技術を示す図４と同一部材には
同一符号を付し、重複する事項に関して説明を省略す
る。

【００１７】図１において、（15）は主軸キャップ
（７）に設けた静圧空気軸受で、主軸キャップ（７）の
円筒部分を外円筒（７ａ）と内円筒（７ｂ）からなる２
重構造とし、外円筒（７ａ）に供給口（16）を形成する
とともに、内円筒（７ｂ）の外周面に供給口（16）と連
通する環状溝（17）を形成し、この環状溝（17）の底面
に内円筒（７ｂ）の内周面に貫通する複数個（通常６〜
８個）の自成絞り（18）を円周等配置に形成し、更に、
内円筒（７ｂ）の内周両側に大気と排気孔（19）を介し
て連通される環状の排気ポケット（20）を形成し、か
つ、主軸（１）との間の軸受隙間（10）を約10〜20 m程
度に設定して構成されている。（21）は外輪間座（６）
の外周部に設けた環状の冷媒溜まりで、系外に設けた冷
媒循環装置（図示せず）にハウジング（３）に設けた供
給流路（22）と排出流路（23）を介して循環的に連通さ
れている。（24）は内輪間座（５）と外輪間座（６）と
の間の環状空間で、系外に設けた圧縮空気供給装置（図
示せず）とハウジング（３）に設けた給気流路（25）、
外輪間座（６）の外周面に設けた環状給気溝（26）及び
この環状給気溝（26）の底面に円周等間隔に外輪間座
（６）の内周面に貫通するように設けた複数個（通常６
〜８個）の給気孔（27）を介して連通され、かつ、外輪
間座（６）に設けた排気孔（28）、外輪間座（６）の外
周面に排気孔（28）と連通するように設けた環状排気溝
（29）及びハウジング（３）に設けた排気流路（30）を
介して大気と連通されている。尚、（31）は外輪間座
（６）の内周面両端に設けたランドで、環状空間（24）
の空気が流出して軸受（２ａ）（２ｂ）に流入するのを
防ぐためのもので、内輪間座（５）の内周面との隙間は
50μ程度に設定されている。

【００１８】上記の構成において、静圧空気軸受（15）
の供給口（16）に系外に設けた圧力空気装置（図示せ
ず）から圧縮空気を供給し、この圧縮空気を環状溝（1
7）及び自成絞り（18）を通して軸受隙間（10）に導入
させる。すると、軸受隙間（10）に圧縮空気層が形成さ
れて、圧縮空気が排気ポケット（20）から排気孔（19）
を通って大気に放出され、主軸（１）と主軸キャップ
（７）間の温度差による熱伝導により、発生熱が外部に
取り出されて主軸（１）を冷却させる。

【００１９】ところで、静圧空気軸受面における熱伝達
率は、面積当たり油冷却の約10倍もの冷却効果があるこ
とが機械学会関西支部第 250回講演会講演論文集（No.9
14-4,P47）で最近明らかにされ、このことは静圧空気軸
受（15）を利用して主軸（１）を冷却すると、主軸
（１）の温度上昇が抑制されることを意味し、主軸
（１）の熱膨張による加工精度の劣化を防止することが
できる。

【００２０】また、静圧空気軸受（15）の軸受隙間（1
0）での圧力は、当然のことながら外部圧力（大気圧）
よりも高いから、主軸（１）の冷却効果と同時に外部か
らの切削油や塵埃等の侵入を防止させることができる。

【００２１】一方、外輪間座（６）の冷媒溜まり（21）
内に系外の冷媒供給装置で一定温度に制御された冷却媒
体を供給流路（22）と排出流路（23）を介して還流させ
ると、外輪間座（６）が一定温度に冷却されてこれの内
周面からの熱放射による内輪間座（５）と外輪間座
（６）との間の環状空間（24）での放射冷却（輻射）に
より、主軸（１）を冷却させる。この構成によれば、冷
却油によって主軸（１）の外周を冷却する従来の方法に
比べ、油の粘性抵抗が少なくてそれだけ高い冷却効果が
得られ、主軸（１）が高速回転になればなるほど有効と
なる。

【００２２】この時、内輪間座（５）と外輪間座（６）
との間の環状空間（24）内に系外の圧縮空気供給装置か
ら圧縮空気を給気流路（25）、環状給気溝（26）及び給
気口（27）を介して供給して排気孔（28）、環状排気溝
（29）及び排気流路（30）を介して大気に放出させるこ
とにより、環状空間（24）の空気の溜まりによる温度上
昇を防止している。

【００２３】このように本発明装置では、静圧空気軸受
（15）を利用した主軸（１）の冷却効果及びシール効果
と、冷却媒体を利用した主軸（１）の放射冷却効果とに
より、主軸（１）の熱膨張による加工精度の劣化を防止
するとともに、優れたシール効果も期待することができ
る。

【００２４】また、本発明装置では、主軸（１）の熱変
形形態が図５に示した通りであるので、主軸（１）の外
径の熱膨張量を測定して、この検出量から自動的に温度
制御することができる。即ち、図２に示すように、主軸
キャップ（７）の円筒部分に主軸（１）の外周面に臨ん
で非接触の変位センサ（32）を設けるとともに、図３に
示すように、変位センサ（32）にＡＭＰ（33）、温度調
節器（34）及び冷却器（35）が直列状態で接続される温
度自動制御装置（36）を設け、主軸（１）の外径の熱膨
張量を変位センサ（32）を介して測定し、この検出量か
ら冷却器（35）の温度を温度調節器（34）により例えば
10〜20℃の範囲で可変制御することにより、静圧空気軸
受（15）への圧縮空気の温度もしくは冷媒溜まり（21）
への冷却媒体の温度を自動的に制御し、主軸（１）の温
度を常に理想状態に保持することが可能である。

【００２５】

【発明の効果】本発明装置によれば、静圧空気軸受によ
り主軸の温度上昇を抑制させて熱膨張による加工精度の
劣化を防止でき、かつ、従来に比べ優れたシール効果を
得ることができるとともに、冷却媒体を利用した放射冷
却によりそれだけ高い冷却効果が得られるから、長時間
にわたって加工精度を維持することができる。また、主
軸の外径の熱膨張量に応じて静圧空気軸受への圧縮空気
の温度もしくは放射冷却用冷却媒体の温度を自動的に制
御することにより、主軸の温度を常に理想状態に保持す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明装置を用いた工作機械主軸系の要部縦断
面図である。

【図２】主軸の外径熱膨張量を測定するための変位セン
サの設置位置を説明する工作機械主軸系の先部縦断面図
である。

【図３】温度自動制御のブロック線図である。

【図４】一般的な工作機械主軸系の要部縦断面図であ
る。

【図５】主軸の熱変形形態を示す図面である。

【符号の説明】

１ 主軸 ２ａ，２ｂ 軸受 ３ ハウジング ５ 内輪間座 ６ 外輪間座 ７ 主軸キャップ 10 軸受隙間 13 主軸頭 15 静圧空気軸受 16 供給口 18 自成絞り 20 排気ポケット 21 冷媒溜まり 24 環状空間

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 主軸と、 主軸をハウジングに回転自在に支承する複数個の軸受
   と、 複数個の軸受間に配設された軸受間座と、 主軸の先部に主軸隙間を介して嵌挿されて支軸キャップ
   とを具備した工作機械主軸系において、 上記主軸キャップに主軸を回転自在に支承させる静圧空
   気軸受を設けたことを特徴とする工作機械主軸の温度制
   御装置。
2. 【請求項２】 上記軸受間座に外部から一定温度に制御
   された冷却媒体を還流させる冷媒溜まりを設けたことを
   特徴とする請求項１の工作機械主軸の温度制御装置。
3. 【請求項３】 主軸の熱膨張量を測定するための変位セ
   ンサを設けるとともに、主軸の熱膨張量に応じて上記静
   圧軸受への圧縮空気の温度もしくは上記冷媒溜まりへの
   冷却媒体の温度を自動的に調整する手段を設けたことを
   特徴とする請求項１及び請求項２の工作機械主軸の温度
   制御装置。