JPH1058277A - 工作機械の主軸冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、工作機械の主軸を冷却する主軸冷
却却装置に関し、主軸に対する冷却液が通る流路を充分
に取ることにより接触面積を確保し、且つ、熱交換時間
が充分に確保することにより冷却効率を高めることがで
き、また、主軸の外周に環状冷却室を設けたため主軸回
りの構造を単純化でき、加工も容易することを目的とす
る。 【解決手段】 主軸ヘッドと、該主軸ヘッドの内周面に
軸受を介して回転自在に支持された主軸と、該主軸の外
周に設けられた環状冷却室とを備え、該環状冷却室の一
側には冷却液入口が設けられ、該冷却液入口に冷却液を
供給する冷却液供給路が前記主軸ヘッドに設けられ、前
記環状冷却室の他側には冷却液出口が設けられ、該冷却
液出口から冷却液を排出する冷却液排出路が前記主軸ヘ
ッドに設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、工作機械の主軸を
冷却する主軸冷却装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、工作機械では、軸受やモータ等
の発熱による主軸の熱変位量を少なくするために、主軸
を冷却することが要求され、主軸を冷却する構造を採用
した装置が種々案出されている。例えば、主軸に直接冷
却油をかけるという方法があるが、この方法では、冷却
油が高速で回転する主軸の外周面の回転部分に吹き付け
られると、すぐに、はじき飛ばされ、冷却油と主軸の間
の熱交換の時間もなく、充分な冷却効果を得ることはで
きないという問題がある。

【０００３】また、主軸の外周面の回転部分を冷却油に
浸らせる冷却装置もあるが、かかる冷却装置では、主軸
が回転する際の冷却油の攪拌抵抗によって動力損失が生
じることになる。或いは、主軸の外周面の回転部分の外
側と主軸ヘッドとの間に狭い環状隙間を設け、この環状
隙間に冷却油を供給してその冷却油に主軸の外周面の回
転部分を浸すことにより主軸を冷却する冷却装置もある
が、かかる冷却装置では、冷却油に摩擦熱が発生し、む
しろ発熱することになるという問題がある。

【０００４】また、主軸に軸方向に沿って冷却孔を設け
てこの冷却孔の１端から他端に向けて冷却液を流すこと
により主軸を冷却する冷却装置が、例えば特開平７−９
３００号公報に示すように知られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、特開平７−
９３００号公報に示す冷却装置においては、冷却孔は主
軸の軸方向に沿っていることから、主軸に対する冷却孔
の内周壁面の接触面積が充分に確保されず、且つ、熱交
換時間が充分取れないため冷却効率が低いという問題が
あった。

【０００６】本発明は、上述の問題点を解決するために
なされたもので、その目的は、主軸に対する冷却液が通
る流路を充分に取ることにより接触面積を確保し、且
つ、熱交換時間を充分に確保することにより冷却効率を
高めることができ、また、主軸の外周に環状冷却室を設
けたため主軸回りの構造を単純化でき、加工も容易にで
きる工作機械の主軸冷却装置を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
主軸ヘッドと、該主軸ヘッドの内周面に軸受を介して回
転自在に支持された主軸と、該主軸の外周に設けられた
環状冷却室とを備え、該環状冷却室の一側には冷却液入
口が設けられ、該冷却液入口に冷却液を供給する冷却液
供給路が前記主軸ヘッドに設けられ、前記環状冷却室の
他側には冷却液出口が設けられ、該冷却液出口から冷却
液を排出する冷却液排出路が前記主軸ヘッドに設けられ
ていることを特徴とする。

【０００８】請求項２記載の発明は、請求項１記載の工
作機械の主軸冷却装置において、前記環状冷却室は、そ
れぞれ仕切壁を介して主軸の軸方向に沿って所定の間隔
で配置された複数の環状分室を有し、前記各仕切壁に、
隣接する環状分室を連通させる通孔がそれぞれ設けられ
ていることを特徴とする。請求項３記載の発明は、請求
項２記載の工作機械の主軸冷却装置において、前記各通
孔の主軸の軸回転方向における位相はずれていることを
特徴とする。

【０００９】（作用）請求項１記載の発明においては、
冷却液供給路を通って冷却液入口に冷却液が供給され、
冷却液は環状冷却室に流れる。環状冷却室において、冷
却液と主軸の間で熱交換が行なわれ、冷却液により主軸
が冷却される。

【００１０】熱交換されて温度上昇した冷却液は、環状
冷却室から冷却液出口を通って冷却液供給路に至り、こ
の冷却液供給路を通って外部に排出される。請求項２記
載の発明においては、請求項１記載の発明と同様な作用
が生じる。しかも、冷却液が通る流路を長く取れるた
め、接触面積は、環状冷却室の主軸の軸方向及び周方向
で増える。

【００１１】請求項３記載の発明においては、各通孔
の、軸回転方向における位相はずれているので、ある環
状分室に流入される冷却液の軸回転方向における位置
と、その次の環状分室に流入される冷却液との軸回転方
向における位置がずれ、冷却液は環状冷却室の各環状分
室の軸回転方向で異なった位置に供給される。主軸は周
方向で平均に冷却され、冷却のむらがなくなるととも
に、入口から環状冷却室に流入した冷却液は、冷却液入
口とは軸回転方向に異なる位置にある冷却液出口に流れ
ることになるので、環状冷却室に滞留している時間が長
く、従って、熱交換時間がさらに長くなる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図面により本発明の実施の
形態について説明する。図１ないし図５により、請求項
１，請求項２及び請求項３記載の発明に係わる工作機械
の主軸冷却装置について説明する。図１、図２におい
て、符号１は工作機械の主軸ヘッド、符号２は主軸ヘッ
ド１に回転可能に軸着した主軸を示す。

【００１３】主軸２は前部側軸受３Ａ，３Ｂ及び後部側
軸受４Ａ，４Ｂを介して主軸ヘッド１に回転可能に軸支
されている。後部側軸受４Ａ，４Ｂは主軸２の段差部２
Ａに配置されている。主軸２の、前部側軸受３Ｂと後部
側軸受４Ａの間の部分の外周面２Ｂには、回転スリーブ
５が外嵌され、主軸２の、前部側軸受３Ａの前側部分に
は、カラー６が外嵌されている。

【００１４】カラー６の外側には、主軸ヘッド１の前端
面を規制する軸受押え７が配置されている。カラー６及
び軸受押え７は前部側軸受３Ａ，３Ｂを保持するととも
に、回転スリーブ５を介して後部側軸受４Ａ，４Ｂを保
持している。主軸ヘッド１の内周面１Ａと回転スリーブ
５の外周面５Ａの間の部分に、冷却用スリーブ９が配置
されている。冷却用スリーブ９は、主軸ヘッド１の内側
に位置している。

【００１５】冷却用スリーブ９は回転スリーブ５に嵌合
されている。従って、冷却用スリーブ９は回転スリーブ
５を介して主軸２に一体になっており、回転側になって
いる。主軸ヘッド１は、固定側になっている。主軸２の
外周面２Ｂの外嵌された回転スリーブ５に嵌合された冷
却用スリーブ９の内周面に環状冷却室８が設けられてい
る。環状冷却室８について以下に詳しく述べる。

【００１６】回転側の冷却用スリーブ９の外周面９Ｃと
固定側の主軸ヘッド１の内周面１Ａの間にはクリアラン
スが形成されている。これにより、冷却用スリーブ９の
回転を円滑にしている。冷却用スリーブ９内には、仕切
壁１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄを介して所定の間隔
で配置された複数の環状分室１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，
１２Ｄ，１２Ｅが形成されている。各仕切壁１１Ａ，１
１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄに円形孔からなる通孔１３がそれ
ぞれ設けられている。各通孔１３の主軸２の軸回転方向
における位相はそれぞれ９０度ずれている。隣接する各
環状分室１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄ，１２Ｅは、
その間の仕切壁１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄの通孔
１３を介してそれぞれ連通している。なお、符号１１Ｅ
は環状分室１２Ａの前壁部、符号１１Ｆは環状分室１２
Ａの後壁部を示す。環状冷却室８の環状分室１２Ａの一
側に、該環状分室１２Ａの後壁部１１Ｆを貫通して主軸
２の軸方向に平行に冷却液入口２４が形成されている。
環状分室１２Ｅには冷却液出口３０が形成され、この冷
却液出口３０は冷却用スリーブ９の外周面９Ｃに開口し
ている。

【００１７】上記の複数の環状分室１２Ａ，１２Ｂ，１
２Ｃ，１２Ｄ，１２Ｅと、通孔１３とで上記記環状冷却
室８が構成されている。そして、冷却用スリーブ９の前
端面９Ａと前部側軸受３Ｂの間には、前方から第１リン
グ３Ｃと第１ラビリンス用リング１４が配置されてい
る。第１リング３Ｃは固定側になっており、内部にはオ
イルエアの流路が形成されており、供給口が前部側軸受
３Ｂの転動体へ向かってオイルエアを供給するように供
給口を有し、第１ラビリンス用リング１４は回転スリー
ブ５の外周面５Ａ上に常法に従って外嵌され、回転側に
なっている。

【００１８】冷却用スリーブ９の後端面９Ｂと後部側軸
受４Ａの間には、前方から第２ラビリンス用リング１６
と第２リング１７とが配置されている。第２リング１７
は固定側になっており、内部にはオイルエアの流路が形
成されており、供給口が後部側軸受４Ａの転動体へ向か
ってオイルエアを供給するように供給口を有し、第２ラ
ビリンス用リング１６は回転スリーブ５の外周面５Ａ上
に常法に従って外嵌され、回転側になっている。

【００１９】そして、主軸ヘッド１の一側には、冷却液
供給路１８が形成されている。冷却液供給路１８は、冷
却液供給装置（図示せず）に一端が連通するＬ字状の第
１供給通路１９と、第１供給通路１９の他端に直角に連
通する第２供給通路２０と、第２供給通路２０から前方
に向けて分岐する第３供給通路２１と、第２供給通路２
０から後方に向けて分岐する第４供給通路２２とから構
成されている。

【００２０】図４に示すように、主軸ヘッド１から供給
管２３が径方向に沿って挿入されている。供給管２３の
入口部２３Ａに上記第４供給通路２２の末端２２Ａが連
通している。供給管２３の出口部２３Ｂは、環状冷却室
８の環状分室１２Ａにおける冷却液入口２４に連通して
いる。

【００２１】一方、図２に示すように、主軸ヘッド１の
他側には、冷却液排出路２５が形成されている。冷却液
排出路２５は、Ｌ字状の第１排出通路２６と、第１排出
通路２６の他端に直角に連通する第２排出通路２７と、
第２排出通路２７から前方に向けて分岐する第３排出通
路２８と、第２排出通路２７から後方に向けて分岐する
第４排出通路２９とから構成されている。

【００２２】そして、図３に示すように、上記の主軸ヘ
ッド１の内周面１Ａには第１環状溝３１が形成されてお
り、この第１環状溝３１に上記環状分室１２Ｅの冷却液
出口３０が開口している。主軸ヘッド１の第３排出通路
２８の途中部分に、第２環状溝３２が形成されている。
第１環状溝３１と第２環状溝３２は固定スリーブ１０に
形成された排出孔３３を介して連通している。

【００２３】そして、主軸ヘッド１には、円周方向で冷
却液排出路２５の第３排出通路２８からずれた位置に図
１，図３の点線で示す空気供給路３４が形成されている
（図１，図３には第３排出通路２８と空気供給路３４は
同一位置に示されているが、主軸ヘッド１の円周方向で
は位置がずれている）。空気供給路３４は主軸２の軸方
向に平行になっており、空気供給路３４には図示しない
供給端から図２の矢印Ｘで示すように空気が供給される
ようになっている。空気供給路３４の先端３４Ａは主軸
ヘッド１から径方向に沿って穿設された第１噴射ノズル
３５の一端３５Ａに連通し、その先端３５Ｂは主軸ヘッ
ド１の内周面１Ａに開口している。第１噴射ノズル３５
から第１ラビリンス用リング１４の外周面１４Ａに向け
て空気が噴射され、第１ラビリンス用リング１４の外周
面１４Ａ上に空気膜が環状に形成される。なお、前記第
１噴射ノズル３５は、主軸ヘッド１に図示しないドリル
で径方向に沿って形成された穿孔の一部として形成さ
れ、穿孔の入口端にプラグ３７が装着されている。

【００２４】また、図５に示すように、空気供給路３４
の途中部分には主軸ヘッド１の径方向に沿って穿設され
た第２噴射ノズル３６の一端３６Ａが連通し、その先端
３６Ｂは主軸ヘッド１の内周面１Ａに開口している。第
２噴射ノズル３６から第２ラビリンス用リング１６の外
周面１６Ａに向けて空気が噴射され、第２ラビリンス用
リング１６の外周面１６Ａ上に空気膜が環状に形成され
る。なお、前記第２噴射ノズル３６は、主軸ヘッド１に
図示しないドリルで径方向に沿って形成された穿孔の一
部として形成され、穿孔の入口端にプラグ３７が装着さ
れている。

【００２５】次に、本実施の形態の作用について説明す
る。図示しない冷却装置から、冷却油等の冷却液が冷却
液供給路１８に送られ、冷却液供給路１８を介して供給
管２３に送られる。冷却液は、冷却液入口２４を介して
環状冷却室８の環状分室１２Ａに導かれる。冷却液は、
環状分室１２Ａ→通孔１３→環状分室１２Ｂ→通孔１３
→環状分室１２Ｃ→通孔１３→環状分室１２Ｄ→通孔１
３→環状分室１２Ｅの順序で環状分室１２Ｅに至る。例
えば、図６においては、環状分室１２Ａから次の環状分
室１２Ｂへの冷却液の流れが示されている。

【００２６】ここで、各仕切壁１１Ａ，１１Ｂ，１１
Ｃ，１１Ｄの通孔１３の、軸回転方向における位相はず
れているので、ある環状分室１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，
１２Ｄ，１２Ｅに流入される冷却液の軸回転方向におけ
る位置と、その次の位置の環状分室１２Ｂ，１２Ｃ，１
２Ｄ，１２Ｅに流入される冷却液との軸回転方向におけ
る位置がずれ、冷却液は各環状分室１２Ａ，１２Ｂ，１
２Ｃ，１２Ｄ，１２Ｅに軸回転方向で異なった位置に供
給される。これにより、主軸２は均一に冷却され、冷却
のむらがなくなるとともに、冷却液入口２４から環状冷
却室８に流入した冷却液は、冷却液入口２４とは軸回転
方向に異なる位置にある冷却液出口３０に流れることに
なるので、環状冷却室８に滞留している時間が長く、従
って、熱交換時間がさらに長くなる。

【００２７】環状分室１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２
Ｄ，１２Ｅにおいて、冷却液と主軸２の間で熱交換が行
なわれ、冷却液により主軸２が冷却される。即ち、主軸
２の熱は、回転スリーブ５から環状分室１２Ａの後壁部
１１Ｆ，仕切壁１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄを通っ
て環状分室１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄ，１２Ｅ内
の冷却液に逃がされる。

【００２８】熱交換されて温度上昇した冷却液は、環状
分室１２Ｅから冷却液出口３０に至り、冷却液出口３０
から第１環状溝３１→ 排出孔３３→第２環状溝３２の
順序で冷却液排出路２５を通って外部に排出される。こ
こで、空気供給路３４から第１噴射ノズル３５，第２噴
射ノズル３６を通って空気が第１ラビリンス用リング１
４、第２ラビリンス用リング１６に噴射されるので、こ
の第１ラビリンス用リング１４の外周面１４Ａ、第２ラ
ビリンス用リング１６の外周面１６Ａ上に環状に空気膜
が形成されている。従って、回転側の冷却用スリーブ９
の外周面９Ｃと固定側の主軸ヘッド１の内周面１Ａの間
にクリアランスがあることで、冷却液入口２４及び冷却
液出口３０において冷却液がクリアランスに漏れても、
前記空気膜によって前部側軸受３Ａ，３Ｂ及び後部側軸
受４Ａ，４Ｂに至ることが防止されている。これによ
り、前部側軸受３Ａ，３Ｂ及び後部側軸受４Ａ，４Ｂに
対して冷却液による錆の発生や軸受の異常昇温を招き、
著しい場合には焼付きに至り、また、軸受の寿命の低下
を防止し、耐久性を確保している。

【００２９】以上の如き構成によれば、次の効果を奏す
る。第１に、環状冷却室８は主軸２の外周に設けられて
いるので、環状冷却室８の主軸２に対する冷却液が通る
流路が長く取れるため、接触面積を主軸２の軸方向及び
周方向で増やし、冷却効率を高めることができる。ま
た、環状冷却室８は、回転側として主軸２と同じ側にあ
るので、従来における主軸の外周面の回転部分の外側と
主軸ヘッドとの間の環状隙間に冷却油を供給して主軸を
直接冷却する冷却装置に比して、主軸２と冷却液との間
で摩擦熱が生じることを防止し、冷却効率を高めること
ができる。

【００３０】さらに、従来における主軸に軸方向に沿っ
て設けた冷却孔の１端から他端に向けて冷却液を流す冷
却装置（特開平７−９３００号公報）に比して、簡単な
構造で環状冷却室８の主軸２に対する冷却液が通る流路
が長く取れるため、接触面積を増やすことができる。第
２に、環状冷却室８は軸方向に沿って配置された複数の
環状分室１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄ，１２Ｅを有
し、各環状分室１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄ，１２
Ｅは通孔１３を介してそれぞれ連通しているので、環状
冷却室８の数が１個の場合よりも環状冷却室８の軸方向
と周方向における主軸２に対する冷却液が通る流路が長
く取れるため、接触面積を増やすことになり、熱交換時
間が充分に取れるので、冷却効率を高めることができ
る。

【００３１】第３に、各通孔１３の、軸回転方向におけ
る位相はずれているので、主軸２を周方向で平均に冷却
して冷却のむらを無くし、さらに、冷却効率を高めるこ
とができる。第４に、環状冷却室８が設けられている冷
却用スリーブ９は、主軸２と別個の構造体となっている
ので、主軸回りの構造を単純化でき、加工も容易にでき
る。

【００３２】なお、本実施の形態においては、各通孔１
３の軸回転方向における位相はそれぞれ９０度ずれてい
るが、かかる数値に限定されることはない。また、本実
施の形態においては、環状冷却室８は、それぞれ仕切壁
１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄを介して所定の間隔で
配置された複数の環状分室１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１
２Ｄ，１２Ｅを有し、各仕切壁１１Ａ，１１Ｂ，１１
Ｃ，１１Ｄに通孔１３がそれぞれ設けられているが、か
かる態様に限定されない。例えば、回転スリーブ５の周
りに冷却液を流す螺旋溝が形成された冷却スリーブを配
置し、螺旋溝を環状冷却室とすることもできる。

【００３３】さらに、本実施の形態においては、環状冷
却室８の数は５個となっているが、かかる個数に限定さ
れることはない。そして、本実施の形態においては、通
孔１３は円形孔からなるが、かかる形状に限定されず、
仕切壁の内周面に切欠孔を形成し、この切欠孔と回転ス
リーブの外周面で通孔を形成することもできる。

【００３４】そして、また、本実施の形態においては、
主軸２の外周面２Ｂに回転スリーブ５が外嵌され、さら
に回転スリーブ５に嵌合された冷却用スリーブ９に環状
冷却室８が設けられた構造になっているが、回転スリー
ブ５を介することなく、主軸２の外周面２Ｂに環状冷却
室８が設けられた冷却用スリーブ９を嵌合させることも
できる。

【００３５】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、環状冷却
室は主軸の外周に設けられているので、環状冷却室の主
軸に対する冷却液が通る流路が長く取れるため、接触面
積を主軸の軸方向及び周方向で増やすことになり、熱交
換時間を充分に取れるので、冷却効率を高めることがで
きる。

【００３６】請求項２記載の発明によれば、環状冷却室
は軸方向に沿って配置された複数の環状分室を有し、各
環状分室は通孔を介して連通しているので、冷却液が通
る流路が長く取れるため主軸に対する接触面積を、環状
冷却室の軸方向及び周方向で増やすことになり、熱交換
時間を充分に取れるので、さらに、冷却効率を高めるこ
とができる。請求項３記載の発明によれば、各通孔の、
軸回転方向における位相はずれているので、主軸を周方
向で平均に冷却して冷却のむらを無くし、さらに、冷却
効率を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１，請求項２及び請求項３記載の発明の
実施の形態に係わる工作機械の主軸冷却装置の要部を示
す縦断面図である。

【図２】同工作機械の主軸冷却装置を示す縦断面図であ
る。

【図３】図２の冷却液出口付近を示す拡大断面図であ
る。

【図４】図２の冷却液入口付近を示す拡大断面図であ
る。

【図５】図２の第２噴射ノズル付近を示す拡大断面図で
ある。

【図６】或る環状分室から次の環状分室への冷却液の流
れの状態を示す説明図である。

【符号の説明】

１ 主軸ヘッド １Ａ 内周面 ２ 主軸 ３Ａ 前部側軸受 ３Ｂ 前部側軸受 ４Ａ 後部側軸受 ４Ｂ 後部側軸受 ８ 環状冷却室 １１Ａ 仕切壁 １１Ｂ 仕切壁 １１Ｃ 仕切壁 １１Ｄ 仕切壁 １２Ａ 環状分室 １２Ｂ 環状分室 １２Ｃ 環状分室 １２Ｄ 環状分室 １２Ｅ 環状分室 １３ 通孔 １８ 冷却液供給路 ２５ 冷却液排出路 ２４ 冷却液入口 ３０ 冷却液出口

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 主軸ヘッドと、 該主軸ヘッドの内周面に軸受を介して回転自在に支持さ
   れた主軸と、 該主軸の外周に設けられた環状冷却室とを備え、 該環状冷却室の一側には冷却液入口が設けられ、 該冷却液入口に冷却液を供給する冷却液供給路が前記主
   軸ヘッドに設けられ、 前記環状冷却室の他側には冷却液出口が設けられ、 該冷却液出口から冷却液を排出する冷却液排出路が前記
   主軸ヘッドに設けられていることを特徴とする工作機械
   の主軸冷却装置。
2. 【請求項２】 前記環状冷却室は、それぞれ仕切壁を介
   して主軸の軸方向に沿って所定の間隔で配置された複数
   の環状分室を有し、 前記各仕切壁に、隣接する環状分室を連通させる通孔が
   それぞれ設けられていることを特徴とする請求項１記載
   の工作機械の主軸冷却装置。
3. 【請求項３】 前記各通孔の主軸の軸回転方向における
   位相はずれていることを特徴とする請求項２記載の工作
   機械の主軸冷却装置。