JPH06143003A

JPH06143003A - スピンドルユニット

Info

Publication number: JPH06143003A
Application number: JP29320192A
Authority: JP
Inventors: Kenji Hibi; 建治日比; Masatsugu Mori; 正継森
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 1992-10-30
Filing date: 1992-10-30
Publication date: 1994-05-24

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、熱膨張による主軸の軸方向変位を
無くし、回転に応じて軸受の予圧を切換えるスピンドル
ユニットを提供する。【構成】外筒１と主軸４の間に、軸受を軸方向に押圧
する高剛性の弾性部材１５と、油圧の圧力制御弁１８に
接続する圧力室１６を設け、主軸端部の変位検出器２０
と回転検出器２１を圧力制御弁１８に接続する。回転数
上昇に伴ない、圧力室１６に油圧を導入して軸受の予圧
を低減し、この予圧変化に応じた主軸４の軸方向変位に
より、熱膨張による主軸の変位を相殺する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、スピンドルユニット
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術及びその課題】工作機械のスピンドルにお
いては、低速回転時で主軸の大きな支持剛性が得られ、
高速回転時では剛性よりも温度上昇を抑制できる特性が
求められる。

【０００３】従来、このような工作機械の主軸を支持す
る構造には、主軸の軸受を定位置に固定した状態で予圧
を与える定位置予圧方式が採られているが、この予圧方
式では、低速時の予圧を大きくすることができず、剛性
が不足し、逆に高速時では重予圧となって軸受温度が上
昇し、高速化に限界が生じる欠点がある。

【０００４】これに対して、スピンドルの内部に軸受の
予圧変換機構を設け、主軸の運転条件に応じて軸受の予
圧を切換えるようにしたスピンドルが考えられている。
しかし、この予圧切換式のスピンドルは、確かに高速化
には適しているが、予圧の切換や回転数の増減（主軸温
度の変化）により、工具に取付けられる主軸端面が軸方
向に変位することを避けることができず、このため、加
工精度を保持するには主軸端面の変位を補正しながら加
工する必要があった。

【０００５】そこで、この発明は、上記の問題を解決
し、低速から高速に至る回転域で安定した主軸精度が得
られ、同時に主軸の高速化と高剛性化を図ることができ
るスピンドルユニットを提供することを目的としてい
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、この発明は、外筒の内部に、主軸を軸受を介して軸
方向に所定の範囲内で移動可能となるように設け、上記
外筒と主軸の間に、上記軸受に対する軸方向の押圧力を
変化させる予圧切換機構を設け、上記主軸の軸方向の変
位量に応じて軸受に対する予圧切換機構の押圧力を変化
させる制御手段を備えたのである。

【０００７】

【作用】上記の構造においては、予圧切換構造により軸
受を押圧し、軸受に初期状態の重予圧を加える。主軸の
回転が増加し、温度上昇による熱膨張により主軸が軸方
向に変位すると、予圧切換機構により上記とは逆方向に
軸受を押圧し、軸受の予圧を減少させると共に、主軸の
軸移動により上記熱膨張の変位分を相殺する。

【０００８】

【実施例】以下、この発明の実施例を添付図面に基づい
て説明する。図１及び図２に示すように、外筒１は、円
筒状の外筒本体２と、その外筒本体２の端部に取付けら
れる蓋部材３、３とから成り、外筒本体２の内部に主軸
４が挿通している。

【０００９】上記主軸４は、その両端部が、それぞれ間
座５を介して並列に背面組合せの状態で配置されたアン
ギュラ玉軸受６、７及び８、９により回転自在に支持さ
れている。この主軸４は、図１における右側端部４ａ
が、切削工具の取付け側（加工側）となり、その加工側
に近い軸受６、７は、内輪が主軸４に固定され、外輪
が、軸受６、７と外筒１の間に挿入された軸受箱１０の
内側に組込まれている。また、他端側の軸受８、９は、
内輪が主軸４に固定され、外輪が外筒１に固定されてお
り、主軸４は、上記各軸受６〜９の内輪と外輪が相対移
動できる範囲で外筒１に対して軸方向に移動可能となっ
ている。

【００１０】上記軸受箱１０は、外筒１の内径面に移動
可能に嵌合され、その内径側の段部１０ａと一方の端部
に取付けた部材１１との間で軸受６、７の外輪を挟み込
んでいる。このため、軸受箱１０が軸方向に移動すると
軸受６、７の外輪を押し、各軸受６〜９に予圧が与えら
れる。この場合、軸受６、７と軸受８、９間の内輪間寸
法Ｌ₁と外輪背面間寸法Ｌ₀の寸法差により、軸受の予
圧力が決定される。

【００１１】また、上記軸受箱１０の内径側には、外筒
１の内側端面１ａに位置決められる調整部材１２が設け
られている。この調整部材１２は、内側に弾性部材１５
が組込まれるばね支持部品１３と、軸受箱１０の内径側
に挿入されるリング部品１４とから成り、この両部品１
３、１４はボルトにより一体に連結されている。

【００１２】上記弾性部材１５は、断面Ｕ字形をした円
環状のばねが用いられ、そのばね定数は、各軸受６、
７、８、９の軸方向剛性に比べて大きく設定されてお
り、スピンドルユニットに組付けた状態で各軸受の軸方
向すき間をなくし、大きな初期予圧を各軸受に与えるよ
うになっている。

【００１３】また、上記ばね支持部品１３の厚み寸法
は、弾性部材１５を組込んだ状態で軸受箱１０との間で
すき間δが生じる寸法に設定され、このすき間δを弾性
部材１５の圧縮弾性限界内で設定することにより、弾性
部材１５の塑性変形を防止するようにしている。

【００１４】一方、上記軸受箱１０とリング部品１４の
間には、圧力室１６が形成され、この圧力室１６に連通
した外筒１内部の通路１７に、圧力制御弁１８を介して
高圧油を供給する圧力源１９が連結されている。

【００１５】また、主軸４の加工側端部４ａには、その
端部の軸方向変位を検出する変位検出器２０が設けら
れ、この変位検出器２０と、主軸４の回転数を検出する
回転検出器２１からの信号が上記圧力制御弁１８に入力
されるようになっている。圧力制御弁１８は、この両検
出器２０、２１から信号が入力されると、その信号に基
づいて所定の予圧を得るための油圧力を算出し、圧力室
１６に加える油圧を制御するように設定されている。

【００１６】また、上記軸受箱１０の外周面には、その
周面をめぐる円筒溝２２、２２と螺旋溝２３が形成さ
れ、その両溝２２、２３に切換弁を介して油圧を供給す
る圧力源２４が接続されている。この構造では、予圧切
換えのタイミングに合せて両溝２２、２３に油圧を加え
ると、軸受箱１０が縮径して外筒１との嵌合部にすき間
が生じ、軸受箱１０の軸方向の移動をスムーズに行なえ
るようになる。

【００１７】上記の構造で成るスピンドルユニットにお
いて、軸受の初期予圧の設定は、ユニットを組立てた時
点で、弾性部材１５が撓んだ状態となるように軸受６〜
７間に外輪背面間寸法Ｌ₀を設定する。これにより、弾
性部材１５の撓み量に相当した弾性力が軸受６〜９に加
わり、初期予圧量となる。この状態から圧力室１６に高
圧油を導入すると、その油圧力により軸受箱１０が弾性
部材１５を撓ませる方向に移動し、軸受６〜９の予圧量
は減少する。また、この予圧量の変化と共に、軸受箱１
０の移動によって各軸受６〜９の内輪と外輪が軸方向に
相対変位し、主軸４の加工側端部４ａが外筒１端部から
後退する方向に移動する。

【００１８】図３は、圧力室１６に加える油圧力を連続
して変化した場合の各軸受６〜９に加わる予圧量の変化
を示している。また、図４の（ａ）は、上記の予圧量の
変化による軸受箱１０の軸方向変位量を、図４の（ｂ）
は、予圧量の変化による主軸４の加工側端部４ａの軸方
向変位量を示したものである。この図３と図４に示すよ
うに、予圧量が回転数の上昇と共に減少すると、それに
比例して主軸４の軸方向変位量はマイナス方向（主軸端
部４ａが後退する方向）に増大する。

【００１９】一方、主軸４の回転数を上昇させると、そ
の上昇に伴なってスピンドル温度が上昇し、主軸４が熱
膨張により伸びる。このため、図５に示すように主軸４
の加工側端部４ａの軸方向変位量は、回転数の上昇に比
例してプラス方向（主軸端部４ａが突出する方向）に増
大する傾向がある。

【００２０】そこで、実際のスピンドル運転において
は、高い剛性が必要な低速回転時では圧力室１６から油
圧を抜き、弾性部材１５の押圧力により軸受６〜９に初
期状態の重予圧を加える。

【００２１】主軸４の回転が中速域まで上昇し、変位検
出器２０が熱膨張による主軸端部４の軸方向の伸びを検
出すると、圧力室１６に油圧を導入し、軸受を軸方向に
押圧して予圧を中予圧に切換える。これにより、主軸端
部４ａがマイナス方向に変位し、熱膨張によるプラス方
向の変位と相殺するため、主軸端部４ａの変位量はゼロ
に保持される。

【００２２】また、主軸４の回転が高速域まで上昇する
と、熱膨張による主軸端部の変位量も大きくなるが、こ
れに応じて圧力室１６にさらに大きな油圧を導入し、軸
受の予圧を軽予圧に切換える。これによって主軸端部４
ａのマイナス方向の変位量が大きくなり、熱膨張による
プラス方向の変位を相殺する。

【００２３】このように変形検出器２０で主軸４の変位
量をモニターし、圧力室１６に加える油圧力を調整する
ことにより、低速から高速域の広い回転範囲内で主軸端
部４ａの変位量をゼロに維持することができ、高い加工
精度を保つことができる。

【００２４】また、回転数の上昇に伴なって軸受の予圧
を軽減するので、軸受の温度上昇を防止でき、優れた高
速性能を得ることができる。

【００２５】さらに、この実施例のスピンドルユニット
では、軸受６〜９が高剛性の弾性部材１５の押圧力によ
って大きな力で位置決めされるので、定位置予圧に近い
スピンドル剛性を得ることができる。

【００２６】なお、上記の実施例では、変位検出器２０
により主軸の変位をモニターして油圧力を調整する例を
示したが、図３及び図４に示すような油圧力と予圧及び
主軸の変位量との関係を予め知ることができれば、回転
数と油圧の調整だけで主軸端部の変位量をゼロに制御す
ることが可能であり、変位検出器２０を省くことができ
る。

【００２７】また、予圧切換機構として、弾性部材１５
と圧力室１６の圧力により軸受箱２０を押圧する構造を
示したが、弾性部材の部分に圧力室を形成し、２つの圧
力室の圧力により軸受箱を軸方向の反対方向に押圧する
ようにしてもよく、予圧切換機構としては任意の構造の
ものを採用することができる。

【００２８】さらに、外筒１と軸受箱１０の間に適当な
嵌合すき間を確保できれば、予圧切換え時に軸受箱１０
を縮径させるための円筒溝２２や螺旋溝２３の給油構造
を省略することができる。

【００２９】また、圧力室１５や螺旋溝２３等へ導入す
る流体は、高圧油に代えて高圧空気やその他のガスとし
てもよい。

【００３０】

【効果】以上のように、この発明は、軸受に対する予圧
量を変化させると共に、その予圧の変化に応じて主軸を
軸方向に移動させるので、低速域から高速域までの回転
範囲で主軸の軸方向変化をなくすことができ、スピンド
ルの精度向上を図ることができる。

【００３１】また、低速域では重予圧、高速時では軽予
圧というように回転数の変化に応じて軸受の予圧を適切
に変化できるので、スピンドルの高剛性化と高速度化を
図ることができ、多機能のスピンドルを提供できる利点
がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例を示す断面図

【図２】同上の要部を拡大した断面図

【図３】軸受予圧を回転数の関係を示すグラフ

【図４】予圧変化による主軸の軸方向変位と回転数の関
係を示すグラフ

【図５】温度上昇による主軸の軸方向変位と回転数の関
係を示すグラフ

【符号の説明】

１外筒４主軸６、７、８、９軸受１０軸受箱１５弾性部材１６圧力室１８圧力制御弁２０変形検出器２１回転検出器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】外筒の内部に、主軸を軸受を介して軸方
向に所定の範囲内で移動可能となるように設け、上記外
筒と主軸の間に、上記軸受に対する軸方向の押圧力を変
化させる予圧切換機構を設け、上記主軸の軸方向の変位
量に応じて軸受に対する予圧切換機構の押圧力を変化さ
せる制御手段を備えたスピンドルユニット。
【請求項２】上記予圧切換機構を、軸受を軸方向に押
圧し、軸受の軸方向剛性より大きな弾性力を有する弾性
部材と、その弾性部材とは逆方向に軸受を押圧し、圧力
流体が導入可能な圧力室とから構成した請求項１に記載
のスピンドルユニット。