JPH0633604U - 予圧切換式スピンドルユニット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本考案は、スピンドル運転中の軸受予圧の変
化に応じて、予圧を最適値に切換えることができるスピ
ンドルユニットを提供する。 【構成】 外筒１の内部に、移動可能な軸受箱８と、高
剛性の弾性部材１２と、油圧制御装置２１に連結する圧
力室１７を組込み、弾性部材１２に、歪みゲージ１３と
変形検出器１５を接続する。弾性部材１２により軸受
６、７に重予圧を与え、弾性部材１２の変形量の変化に
応じて圧力室１７に加える油圧力を調整し、軸受予圧を
切換える。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

この考案は、工作機械のスピンドル等に用いられる予圧切換式のスピンドルユ ニットに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】

一般に、工作機械においては、スピンドルに予圧をかけて運転されており、そ の場合、スピンドルの低速と高速の両方の回転域で十分な剛性や精度を得るため に、回転数の変化に応じて予圧量を変化させる予圧方法がとられている。

【０００３】 このようなスピンドルの軸受に対する予圧を回転数に応じて切換え可能にした ユニットとして、従来、本出願人が実願平２−１１５０４１号により提案したも のがある。

【０００４】 このスピンドルユニットは、図５に示すように外筒３１の内部に、主軸３２を 支持する軸受３３、３４を軸方向に押圧する軸受箱３５を移動可能に設け、外筒 ３１と軸受箱３５の間に、軸受３３、３４の軸方向剛性より大きな剛性を有する 弾性部材３６と、高圧流体が導入排出される圧力室３７を設けて構成され、弾性 部材３６のばね力により軸受３３、３４に大きな初期予圧を与え、圧力室３７に 導入する流体の圧力によって軸受箱３５を弾性部材３６に向かう方向に押圧して 、軸受３３、３４に加わる予圧を切換えるようにしている。

【０００５】

【考案が解決しようとする課題】

上記従来のスピンドルユニットでは、工作機械の目標とする回転数や主軸剛性 から予圧の変換が可能な予圧荷重範囲を設定し、その範囲内で加工条件に合せて 予圧量を選定しているが、その選定のもとになる条件には、経験値に基づいて予 測した数値や、技術計算による推定値が含まれている。

【０００６】 このため、スピンドルの運転時において、軸受の軌道輪の温度変化や遠心力が 予め見積った数値を逸脱すると、現実の予圧状態と設定予圧量にずれが生じ、最 適な予圧切換えに支障が生じる問題がある。

【０００７】 また、上記予圧の選定には、切削等によりスピンドルに加わる外部荷重の変化 や構成部品間の温度バランスの変化などを考慮することができないため、加工中 のびびり現象や工具位置の変動等により加工精度が不安定になる恐れがあった。

【０００８】 そこで、この考案は、上記の問題を解決し、運転中にスピンドルや軸受に作用 する各種の条件に応じて予圧量を最適に調整設定す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。

【０００９】

【課題を解決するための手段】

上記の課題を解決するため、この考案は、主軸が挿通する外筒の内部に、主軸 を支持する軸受を軸方向に押圧する軸受箱と、上記軸受の軸方向剛性より大きな 剛性を有する弾性部材と、圧力流体が導入排出される圧力室とを設け、上記弾性 部材と圧力室の流体圧力とにより上記軸受箱をそれぞれ軸方向の逆方向に押圧す るようにし、上記弾性部材の変位量を検出する検出手段を設け、その検出手段の 検出情報により上記圧力室に対する圧力流体の導入排出量を変化させる制御手段 を備えた構造としたのである。

【００１０】

【作用】

上記の構造においては、弾性部材の変位量により、運転中の軸受に作用する実 際の予圧を検出し、その変化に基づいて圧力室に加える流体圧力を調整し、予圧 を切換える。

【００１１】 また、弾性部材の変位における振動情報により、工具の損傷や加工びびり等の 現象を検出し、加工条件や予圧量を変更する。

【００１２】

【実施例】

図１及び図２は、実施例の予圧切換式スピンドルユニットを示している。 図に示すように、外筒１内を挿通する主軸２は、その両端部が、それぞれ間座 ３を介して並列に背面組合せで配置されたアンギュラ玉軸受４、５及び６、７に より回転自在に支持されている。

【００１３】 上記一端側の軸受４、５は、外輪が外筒１内に直接組込まれており、この軸受 側の主軸端部が、使用状態においてワークの取付け側になる。

【００１４】 一方、他端側の軸受６、７は、内輪が主軸２の外径面に固定され、外輪が、軸 受６、７と外筒１の間に挿入された軸受箱８の内側に組込まれている。

【００１５】 上記軸受箱８は、その内側端面が、間座３を介して軸受６の外輪端面に向き合 っており、軸受箱８が軸方向に移動すると、間座３が軸受６の外輪を押し、各軸 受４、５、６、７に予圧が与えられる。

【００１６】 また、軸受箱８の内径側には、外筒１の内部端面１ａに一端が固定された位置 決め部材９が設けられている。

【００１７】 この位置決め部材９は、外筒の端面１ａに当接するばね支持部品１０と、軸受 箱８の内径側に挿入されるリング部品１１とから成り、この両部品１０、１１は ボルトにより一体に連結されている。

【００１８】 上記ばね支持部品１０の内側には、環状の弾性部材１２が組込まれ、その弾性 部材１２とばね支持部品１０を介して軸受箱８と外筒１の端面１ａが接触した状 態となっている。

【００１９】 上記弾性部材１２は、断面がＵ字形をした円環状のばねが用いられ、各軸受４ 、５、６、７の軸方向剛性より大きな剛性を有しており、スピンドルユニットに 組付けた状態で各軸受４〜７の軸方向すき間を無くし、低速回転域において重予 圧を各軸受に付加できるばね力を備えている。

【００２０】 上記弾性部材１２の表面には歪ケージ１３が取付けられており、この歪ケージ １３から出たリード線１４が、軸受箱８と外筒１に設けた軸方向の貫通孔１６か ら外部に引き出され、変形検出器１５に接続されている。

【００２１】 また、弾性部材１２を組込んだ状態で、ばね支持部品１０と軸受箱８の間には すき間δが設けられ、そのすき間δを弾性部材１２の圧縮弾性限界内の寸法で設 定することにより、弾性部材１２の塑性変形を防止するようにしている。

【００２２】 一方、軸受箱８と位置決め部材９のリング部品１１との間には、圧力室１７が 設けられ、この圧力室１７に連通した外筒１内部の通路１８に、圧力制御弁１９ を介して油圧供給源２０が連結されている。また、上記圧力制御弁１９には、油 圧制御装置２１が接続されている。この油圧制御装置２１は、上記した変形検出 器１５と、主軸２の回転数を検出する回転検出器２２とから信号が入力されるよ うになっており、この信号に基づいて所定の予圧量を得るための油圧を算出し、 圧力制御弁１９を作動するように設定されている。

【００２３】 また、上記軸受箱８の外周面には、その外周をめぐる円周溝２３と螺旋溝２４ が形成され、その両溝２３、２４に切換弁を介して油圧供給源２５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円周溝２３や螺旋溝２４ に油圧が加えられると、軸受箱８が縮径して外筒１との嵌合部にすき間が生じる ため、軸受箱８の移動がスムーズになる。なお、この円周溝２３や螺旋溝２４は 、外筒１の内周面側に設けてもよい。

【００２４】 この実施例のスピンドルユニットは上記のような構造であり、次に予圧の切換 え作業について説明する。

【００２５】 上記構造のスピンドルユニットにおいては、スピンドルを組立てた状態で、弾 性部材１２のばね力により軸受箱８が図１の右側に向かって押され、各軸受４、 ５、６、７に重予圧が加えられる。その状態から圧力室１７に高圧油を導入して 、弾性部材１２を変形させる方向に圧力を加えると、軸受箱８が左側に移動し、 各軸受に対する予圧量を変化させることができる。この場合、予め切換え作業前 に、弾性部材１２の変形量と圧力室１７に加える油圧力との関係を求め、図３に 示すような変形特性を求めておく。

【００２６】 実際のスピンドル運転では、主軸２の回転数が上がると、主軸の熱膨張や遠心 力等のために軸受の予圧が徐々に上昇するが、この予圧の変化は軸受箱８の移動 に変換され、弾性部材１２の変形量の変化となって表われる。

【００２７】 いま、変形検出器１５から得られるスピンドル運転中の弾性部材１２の変形量 が、油圧力で設定した図３で示す変形量からずれると、スピンドルの設計段階に おける設定要因以外の外部要因がスピンドルに作用していると考えられる。すな わち、実際上、運転中のスピンドルの軸受予圧又は主軸剛性は、最適な予圧や剛 性に対して過不足が生じた状態になる。

【００２８】 この場合は、油圧制御装置２１が、軸受予圧の過不足分を生じさせないための 油圧力を求め、その求めた油圧量に基づいて圧力室１７に加える油圧を制御し、 予圧を調整する。これにより、運転中の軸受予圧は設定された予圧量に沿うよう に調整され、良好な予圧状態が維持される。

【００２９】 一方、回転数の上昇に対する基本的な予圧の切換え作業は、増大する予圧が図 ４に示すように許容最大予圧（Ｐｍａｘ）になった時点（Ｎ₁ ）で、圧力室１７ に高圧油を導入し、弾性部材１２を圧縮変形させる。これにより、軸受箱８はそ の変形量だけ移動し、軸受予圧が低下する。この制御を、予圧が許容値に達する 回転数Ｎ₂ 、Ｎ₃ ごとに実行することにより、段階的な予圧切換えを行なうこと ができる。

【００３０】 また、弾性部材１２の変形量の変化に応じて、圧力室１７に加える油圧力を連 続的に制御し、弾性部材１２の変形が生じないように油圧力を制御すると、回転 数の変化に関係なく常に予圧を一定に保持することができる。

【００３１】 なお、工作機械のスピンドルにおいては、主軸の剛性不足や加工びびり、工具 の損傷等が生じた場合、主軸２に微少な振動が発生するが、この微少振動は、軸 受４、５、６、７を介して弾性部材１２に伝わり、弾性部材１２と接続した変形 検出器１５の検出信号に高周波の振動成分を付与する。このため、変形検出器１ ５の検出信号から各種の周波数成分を抽出することにより、加工条件や作業環境 の変化を検出することができる。

【００３２】 この場合、検出信号の振動成分から、主軸の剛性不足や加工びびりに起因する 信号が検出されると、圧力室１７に加える油圧力を調整して軸受予圧を上昇し、 主軸剛性を増大させる。また、主軸の異常や工具の損傷などが検出されると、加 工条件の見直しや主軸停止を行なう。このように変形検出器１５の信号は、スピ ンドルの異常発生を検出するモニターとして利用することができ、安定したスピ ンドル運転を行なうことができる。

【００３３】

【効果】

以上のように、この考案は、弾性部材の変位により圧力室に加える流体圧力を 変化させるので、運転中の軸受予圧の変化に応じて予圧量を正確に調整すること ができ、最適な主軸剛性による運転を可能にする効果がある。

【００３４】 また、弾性部材の変形によりスピンドルに加わる外部要因や作業環境の変化が 検出できるので、主軸系の異常診断に利用することができ、安定したスピンドル の使用が図れる利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例のスピンドルユニットを示す断面図

【図２】同上の要部を拡大して示す断面図

【図３】弾性部材の変形量と油圧力の関係を示すグラフ

【図４】予圧の切換え過程を示すグラフ

【図５】従来例を示す断面図

【符号の説明】

１ 外筒 ２ 主軸 ４、５、６、７ 軸受 ８ 軸受箱 １２ 弾性部材 １３ 歪ケージ １５ 変形検出器 １７ 圧力室 ２１ 油圧制御装置

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 主軸が挿通する外筒の内部に、主軸を支
   持する軸受を軸方向に押圧する軸受箱と、上記軸受の軸
   方向剛性より大きな剛性を有する弾性部材と、圧力流体
   が導入排出される圧力室とを設け、上記弾性部材と圧力
   室の流体圧力とにより上記軸受箱をそれぞれ軸方向の逆
   方向に押圧するようにした予圧切換式スピンドルユニッ
   トにおいて、上記弾性部材の変位量を検出する検出手段
   を設け、その検出手段の検出情報により上記圧力室に対
   する圧力流体の導入排出量を変化させる制御手段を備え
   たことを特徴とする予圧切換式スピンドルユニット。