JPH0828566A - 静圧型流体軸受装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 工作機械等の回転軸の温度上昇に伴う焼付き
等の不具合を確実に防止できる流体軸受装置を提供す
る。 【構成】 ハウジング２とブッシュ３からなるハウジン
グ体１に可動スリーブ４を収納し、可動スリーブ４の外
周ポケット部１０に圧油を供給してハウジング体１によ
って軸方向に移動可能に静圧支持する。また、可動スリ
ーブ４のテーパ内周部に内周ポケット部１１を設け、こ
の内周ポケット部１１に圧油を供給して、主軸５のテー
パ外周部を静圧支持する。そして、可動スリーブ４の外
周に形成した圧力室１３に空気圧を導入してテーパ大径
側に付勢する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、工作機械等の主軸の軸
受けにおける主軸の温度上昇に伴う焼付き等の不具合を
防止する流体軸受装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、工作機械等の主軸の流体軸受装置
として、例えば実開昭６２−１１２３１９号公報或いは
実開昭６２−１１２３２０号公報に開示される装置が知
られている。

【０００３】これらの装置はハウジング内に固着した軸
受ブッシュで主軸の外周を静圧支持するとともに、組立
時に軸受ブッシュ内周面と主軸の外周面との間の隙間調
整を容易にするため、軸受ブッシュ内周面と主軸外周面
をテーパ状に構成し、両者を軸方向に相対移動させるこ
とで隙間間隔を調整できるようにしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のような
装置では、組立は容易になるものの、組立後の主軸の回
転に伴う発熱によって主軸が熱膨張し、軸受ブッシュ内
周面と主軸外周面の隙間が変化するという問題があり、
両者が接触して損傷したり、又は焼付いたりする可能性
があった。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記した課題を解決する
ため本発明は、テーパ外周部を備えた主軸をハウジング
で静圧支持するようにした静圧型流体軸受装置におい
て、ハウジングとテーパ主軸との間にテーパ内周部を備
えた可動スリーブを設け、この可動スリーブの外周をハ
ウジングの内周で摺動自在に支持するとともに、可動ス
リーブのテーパ内周部で前記テーパ主軸のテーパ外周部
を静圧支持し、且つこの可動スリーブの回転を規制部材
で規制するようにした。

【０００６】ここで、前記可動スリーブを、押圧手段に
よって主軸のテーパ外周部と可動スリーブのテーパ内周
部が密着する方向に押圧する構成とすることが可能であ
り、また、可動スリーブの外周を、ハウジングの内周に
よって静圧支持するようにしてもよい。

【０００７】

【作用】主軸のテーパ外周部は可動スリーブのテーパ内
周部によって静圧支持されているため、主軸は静圧によ
って浮いた状態で回転する。そして、回転に伴って主軸
の温度が上昇し熱膨張すると、主軸のテーパ外周部と可
動スリーブのテーパ内周部の間の軸受隙間が狭まりこの
ため隙間内の静圧が高まる。この結果、可動スリーブは
高まった静圧の分圧作用によって、軸受隙間が広がる方
向に圧力を受けて移動し、軸受隙間が広がる。つまり、
焼付け等が防止される。

【０００８】また、押圧手段によって可動スリーブを密
着方向に押圧すれば、この押圧手段の圧力と、主軸の熱
膨張による静圧の分力がバランスして、軸受隙間が常に
一定に保たれる。

【０００９】更に、可動スリーブ外周をハウジングの内
周によって静圧支持すれば、可動スリーブを円滑に移動
せしめることができるのみならず、可動スリーブは完全
にフローティング状態になるため、例えば主軸の温度が
ハウジングに伝わるのを遮断する効果が高まる。

【００１０】

【実施例】以下に本発明の実施例を添付図面に基いて説
明する。ここで、図１は本発明に係る静圧型流体軸受装
置の軸方向に沿った縦断面図、図２は図１の要部拡大
図、図３は同静圧型流体軸受装置の側面図、図４は同静
圧型流体軸受装置の径方向に沿った縦断面図である。

【００１１】本発明に係る静圧型流体軸受装置は、静圧
型流体軸受機構を採用する例えば工作機械等において、
特に主軸の回転の立上がり後、数分から十数分の間に発
生する温度の上昇に対して、主軸外径が膨張した時でも
軸受隙間を適切に保つことができるようにしたものあ
る。

【００１２】このため、この軸受装置は、ハウジング２
とブッシュ３からなるハウジング１内に可動スリーブ４
を備えており、この可動スリーブ４によって主軸５を静
圧支持するとともに、可動スリーブ４の内周面と主軸５
の外周面にはテーパ部を形勢し、且つ可動スリーブ４は
軸方向に移動できるようにしている。

【００１３】また、本実施例では、主軸５の軸方向の移
動を規制するため、ハウジング１内の主軸５の中間部に
スラスト受圧フランジ５ａを形成しており、このスラス
ト受圧フランジ５ａを境にほぼ左右対称形に構成してい
るが、スラスト受圧フランジ５ａは必ずしも必須の要件
ではない。

【００１４】次に構成の細部について説明すると、図１
に示すようにハウジング１は、ハウジング２と、ハウジ
ング２の内周部に嵌め込まれて固定された左右一対のブ
ッシュ３、３からなり、このブッシュ３には、ハウジン
グ２の開口部側に半径方向の外側に広がる外側フランジ
３ａが形成され、他端側には半径方向の内側に狭まる内
側フランジ３ｂが形成され、外側フランジ３ａがハウジ
ング２端面にボルト止めされている。

【００１５】また、図中左方のブッシュ３の内側フラン
ジ３ｂの端面には、前記主軸５のスラスト受圧フランジ
５ａを嵌め込むことのできる凹部を形成しており、ま
た、この凹部にスラスト受圧フランジ５ａを嵌め込んだ
際、抜け出るのを防止する方向から位置決め部材６をボ
ルト止めしている。

【００１６】そして、スラスト受圧フランジ５ａの張出
し側面とブッシュ３の凹部の間、及び反対側の張出し側
面と位置決め部材６との間には僅かなクリアランスが形
成されるようにするとともに、ブッシュ３と位置決め部
材６の対向面側には圧油を溜めるポケット部９を形成
し、スラスト方向（軸方向）に主軸を浮かした状態で静
圧支持し得るようにしている。

【００１７】ところで、ブッシュ３の筒内には前記可動
スリーブ４をスラスト方向に移動自在に装入している。
そしてこの可動スリーブ４の外周とブッシュ３の内周と
の間には、微小なクリアランスが形成されるようにし
て、ブッシュ３の内周部で可動スリーブ４を静圧支持し
得るようにされるとともに、可動スリーブ４の内周は、
軸方向に径が変化するテーパ内周部として構成されてい
る。

【００１８】そして、この可動スリーブ４の外周面に
は、ラビリンス溝８ａに隣接して静圧支持用の外周ポケ
ット部１０が形成され、また、可動スリーブ４内周のテ
ーパ内周部には、ラビリンス溝８ｂに隣接して主軸５を
静圧支持するための内周ポケット部１１が形成されてい
る。

【００１９】因みに、この外周ポケット部１０と内周ポ
ケット部１１は、図４に示すように、円周方向に夫々４
ヵ所づつ形成され、この各ポケット部１０、１１に後述
する油路から圧油を供給するようにしている。

【００２０】また、この可動スリーブ４がブッシュ３か
ら抜け出すのを防止するため、ブッシュ３の先端には規
制リング１２を取り付けている。つまり、可動スリーブ
４の外周には、前記ラビリンス溝８の先端側に凹部が形
成され、規制リング１２の内周面はこの凹部内の外周面
に殆ど接触するような位置まで近接するとともに、この
規制リング１２によって凹部の一部を圧力室１３として
区画形成するようにしている。

【００２１】そして後述するように、この圧力室１３に
押圧手段としての空気圧を導入することで、可動スリー
ブ４を奥側に向けて押圧する。

【００２２】主軸５は、可動スリーブ４に軸受けされる
部分が、軸方向に径が変化するテーパ外周部ｔとして構
成され、このテーパ外周部ｔと、前記可動スリーブ４内
周のテーパ内周部との間には微小なクリアランスが形成
されている。つまり、可動スリーブ４によって主軸５を
静圧支持し得るようにしている。

【００２３】次に静圧支持用の圧油を供給する油路につ
いて説明すると、図１、図４に示すように、前記外周ポ
ケット部１０に圧油を供給するための油路は、絞りｂを
配した圧油供給管１４ａをハウジング１の貫通孔１５ａ
を介して外周ポケット部１０に連通せしめることで構成
し、内周ポケット部１１に圧油に供給するための油路
は、絞りｂを配した圧油供給管１４ｂをハウジング１と
可動スリーブ４の貫通孔１５ｂを介して内周ポケット部
１１に連通せしめることで構成する。

【００２４】また、スラスト方向の静圧支持のため、前
記ポケット部９に圧油を供給するための油路は、圧油供
給管１４ｃ、１４ｄを夫々ハウジング１の通孔１５ｃ、
或はハウジング１と位置決め部材６の通孔１５ｄを介し
て各ポケット部９に連通せしめることで構成する。

【００２５】そして、各ポケット部９、１０、１１に供
給された圧油はドレーン通路１６かな逃がすようにして
いる。この際、特に内周ポケット部１１に圧油を供給す
るための貫通孔１５ｂにあっては、可動スリーブ４の貫
通孔を利用しているため、可動スリーブ４の回転を規制
してハウジング１の貫通孔と位相を合せる必要がある。

【００２６】このため、可動スリーブ４の回転を規制す
る規制部材として、可動スリーブ４の先端面にレバー１
７を固定し、このレバー１７の先端がハウジング２に固
定されたストッパ１８に当接するようにしている。

【００２７】すなわち、主軸５の回転によって可動スリ
ーブ４は主軸の回転方向に連れ回されそうになるため、
図３に示すように、回転方向の下流側にストッパ１８を
固定し、このストッパ１８にレバー１７の先端を当接さ
せて回転を規制しようとするものである。

【００２８】また、前記圧力室１３には空気圧を供給す
るようにしている。従って、前記ブッシュ３の外側フラ
ンジ３ａには図１に示す空気通路２０を設けており、圧
力室１３に連通させている。

【００２９】以上のような流体軸受装置の作用について
以下に述べる。先ず、各圧油供給管１４ａ〜１４ｄから
各ポケット部９、１０、１１に圧油を供給し主軸５を回
転させると、可動スリーブ４はハウジング１の内周によ
って静圧支持された状態になり、また、主軸５はスラス
ト方向及びラジアル方向共に可動スリーブ４によって静
圧支持された状態で回転する。

【００３０】主軸５が回転を始めて数分たつと、主軸５
の外周部と可動スリーブ４の内周部との間の発熱によ
り、特に主軸５の温度が上昇して径方向に熱膨張し、主
軸５のテーパ外周部ｔと可動スリーブ４のテーパ内周部
との間の隙間間隔が狭まる。

【００３１】すると、可動スリーブ４の内周ポケット部
１１の油圧が上昇し、この上昇した油圧の軸方向の分力
によって可動スリーブ４が隙間間隔を広げる方向に推力
を受ける。

【００３２】この際、前記圧力室１３には圧力源Ａから
圧力調整弁Ｖ及び空気通路２０を介して圧縮空気が供給
されており、この空気圧によって可動スリーブ４をテー
パ大径側に付勢しているが、前記油圧分力がこの付勢力
より強くなったら、可動スリーブ４は、隙間間隔が広が
る方向に向けて内周ポケット部１１の油圧分力と圧力室
１３の空気圧がバランスするまで移動する。

【００３３】つまり、主軸５のテーパ外周部ｔと可動ス
リーブ４のテーパ内周部との軸受隙間は初期の設定隙間
間隔に戻り、一定に保持される。因みに、例えば軸受隙
間を約３０μｍに保持しようとすると、内周ポケット部
１１の圧力は８．５kg/cm²程度になり、これにバランス
させるための空気圧は約１．２kg/cm²程度になる。ま
た、空気圧を変化させることで、図８（ａ）及び（ｂ）
に示すように隙間間隔を自由に設定できる。

【００３４】またこの隙間が適正に保持されることに加
えて、可動スリーブ４の外周とハウジング１の内周との
間にも隙間が形成されているため、主軸５及び可動スリ
ーブ４の熱がハウジング１に伝わろうとしても可動スリ
ーブ４外周の静圧軸受部によって遮断されるような状態
になり、ハウジング１に熱変形等が起きにくい。

【００３５】尚、前記圧力室１３の位置は、図５の別実
施例に示すように可動スリーブ４の後端側に設けても良
い。この実施例では可動スリーブ４の後端側（奥側）の
外周に設けた圧力室１３に、ハウジング１に形成した空
気通路２０を連通させ、この圧力室１３に空気圧を導入
することで可動スリーブ４をテーパ大径側に向けて付勢
する。この場合も前記と同様の効果を奏する。

【００３６】次に、図６、図７に基づいて本装置を用い
たテスト結果につき説明する。図６は起動時の軸受隙間
の変化を示すものであり、（Ａ）が本案、（Ｂ）が従来
例、図７は主軸の回転数によるハウジングの温度上昇を
示すグラフである。

【００３７】図６（Ｂ）に示すように、従来の固定式の
軸受構造では、主軸の外周とハウジングの内周との間の
軸受隙間（縦軸）は、起動からの時間（横軸）によって
変化し、特に主軸の熱がハウジングに伝わってハウジン
グが熱膨張するまでの起動開始から数分間で急速に狭く
なり、その後ハウジングに熱が伝わってハウジングが熱
膨張するため、隙間は徐々に広がって約２６μｍ程度の
所で安定する。

【００３８】この際、ハウジングが厚肉の場合は、主軸
の熱膨張に対してハウジングの熱膨張の追随が遅れるた
め、薄肉の場合に較べて最小隙間が狭くなるがちであ
り、極端な場合は焼付きの虞がある。

【００３９】これに対して、本案の場合は、（Ａ）に示
すように、主軸５の熱が高まると可動スリーブ４が隙間
を広げる方向に移動するため、主軸５のテーパ外周部ｔ
と可動スリーブ４の内周部との間の隙間はほぼ２６〜２
７μｍで一定を保っている。

【００４０】また、図７は主軸の回転数（横軸）に対す
るハウジングの温度上昇（縦軸）を示すチャートであ
り、従来の固定式の軸受の場合の温度上昇（黒丸）に対
して、本案の場合（白丸）は温度上昇を低く抑えること
ができることが実証された。そして、この温度上昇は、
従来の約３２％程度に相当する。この結果、ハウジング
１の熱変形が抑制され、良好な軸受機能を発揮する。

【００４１】また、数μｍの仕上が要求される隙間間隔
において、従来では隙間のパラメータを変えてテストす
るのが大変であったが、本案の場合は圧力室の空気圧を
変えるだけで加工条件（負荷条件）に対応してリアルタ
イムに隙間間隔を設定できる。例えば高負荷の場合、隙
間を小として剛性を一時的にアップする。また軽負荷或
いはアイドリング中は隙間を大として発熱、消費動力の
低減を図ることが可能である。

【００４２】

【発明の効果】以上のように、本発明の静圧型流体軸受
装置は、主軸が高速回転して発熱しても可動スリーブが
軸方向に移動して常に主軸のテーパ外周部と可動スリー
ブのテーパ内周部の隙間間隔を一定に保つよう作用する
ため、従来以上の高速回転が可能になるとともに、焼付
くような不具合がない。また、従来では一旦装置を組み
付けた後、隙間の間隔を変えるのが困難であったため、
各種テストを行うのが難しかったが、本案では簡単に隙
間の間隔を変えることができるので便利である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る静圧型流体軸受装置の軸方向に沿
った縦断面図

【図２】図１の要部拡大図

【図３】同静圧型流体軸受装置の側面図

【図４】同静圧型流体軸受装置の径方向に沿った縦断面
図

【図５】別実施例を示す図２と同様の要部拡大図

【図６】起動時の軸受隙間の変化を示すグラフで、
（Ａ）が本発明、（Ｂ）が従来例

【図７】回転数と温度変化のグラフで、白丸が本発明、
黒丸が従来例

【図８】（ａ）はポケット圧と軸受けの隙間との関係を
示すグラフ、（ｂ）はエア圧とポケット圧との関係を示
すグラフ

【符号の説明】

１…ハウジング、４…可動スリーブ、５…主軸、１３…
圧力室、１７…レバー、１８…ストッパ、ｔ…テーパ外
周部。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 テーパ外周部を備えた主軸をハウジング
   で静圧支持するようにした静圧型流体軸受装置におい
   て、前記ハウジングと主軸との間にテーパ内周部を備え
   た可動スリーブを設け、この可動スリーブの外周をハウ
   ジングの内周で摺動自在に支持するとともに、可動スリ
   ーブのテーパ内周部で前記主軸のテーパ外周部を静圧支
   持し、且つこの可動スリーブの回転を規制部材で規制す
   ることを特徴とする静圧型流体軸受装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の静圧型流体軸受装置に
   おいて、前記可動スリーブは、押圧手段によって主軸の
   テーパ外周部と可動スリーブのテーパ内周部が密着する
   方向に押圧されることを特徴とする静圧型流体軸受装
   置。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２に記載の静圧型
   流体軸受装置において、前記可動スリーブの外周は、前
   記ハウジングの内周によって静圧支持されることを特徴
   とする静圧型流体軸受装置。