KR20160113271A - 주축 장치 - Google Patents

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KR20160113271A
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KR
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sleeve
annular groove
housing
cooling
circumferential surface
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KR1020167023519A
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Inventor
쇼이치로 오구리
요시아키 가츠노
Original Assignee
닛본 세이고 가부시끼가이샤
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Abstract

자유측 베어링이 내측 끼움되는 베어링 슬리브 (16) 의 외주면과 리어 하우징 (33) 의 내주면의 사이에는, 냉각 매체가 유동 가능한 냉각로 (40) 가 형성된다. 냉각로 (40) 는, 베어링 슬리브 (16) 의 외주면에 형성되고, 슬리브의 축방향 일단측에 배치된 제 1 환상 홈 (41A) 과, 축방향 타단측에 배치된 제 2 환상 홈 (41B) 과, 제 1 환상 홈에 일단부가 연통하고, 제 2 환상 홈에 타단부가 연통하는 1 조의 나선상의 나선홈 (47) 을 구비하고, 제 1 환상 홈에 냉각 매체가 공급되고, 제 2 환상 홈으로부터 냉각로를 유동한 냉각 매체가 배출된다.

Description

주축 장치{MAIN SHAFT DEVICE}
본 발명은, 주축 장치에 관한 것이며, 보다 상세하게는, 공작 기계 주축, 고속 모터, 원심 분리기, 혹은 터보 냉동기 등의 고속 회전하는 회전 기계의 주축 장치에 관한 것이다.
공작 기계 주축의 고속화는 현저하게 발전하고 있고, 주축의 고속화를 가능하게 하기 위한 윤활 방법으로서, 오일 에어 윤활이나 오일 미스트 윤활이 채용되고 있다. 또, 다른 윤활 방법으로서 환경 보호의 관점에서, 윤활유를 외부에 배출하지 않는 그리스 윤활도 다시 재검토되고 있고, 고속 회전으로 내시이징성이 우수한 경량의 세라믹 전동체 (예를 들어, 질화규소 등) 를 사용한 롤링 베어링과 함께 채용되고 있다.
또, 고속 회전 주축에 있어서의 구동 방법으로서는, 기어 구동이나 벨트 구동, 혹은, 커플링에 의한 직결 구동보다, 주축 내에 모터를 내장한, 소위, 모터 빌트인 주축이 대세를 차지하고 있다.
이와 같은 구성의 고속 주축에서는, 주축을 지지하는 롤링 베어링으로부터의 발열 이외에도, 내장하는 모터 (스테이터 및 로터) 로부터의 발열도 크다. 공작 기계 주축의 경우, 주축의 온도 상승이 높으면 열 변형이 생겨 가공 정밀도가 저하된다. 이 때문에, 주축의 온도 상승을 억제하도록, 주축 외통인 하우징에 외부로부터 냉각유를 흘리는 수단이 이용되고 있다. 열 팽창에 의한 주축의 변형은, 고정측이 되는 전측 베어링을 원점으로 하여, 축방향으로 발생하므로, 고정측인 전측 베어링 및 모터의 스테이터의 외주부를 냉각시키는 경우가 많다.
예를 들어, 전측 베어링으로부터의 발열을 억제하는 종래의 냉각 장치 (100) 로서는, 도 11 에 나타내는 바와 같이, 주축 (101) 의 전측을 지지하는 1 쌍의 전측 베어링 (102, 103) 이 내측 끼움되는 프론트 하우징 (104) 의 외주면에 원주 방향 홈 (105) 을 형성한다. 그리고, 프론트 하우징 (104) 의 외주면과 다른 하우징 (106) 의 내주면의 사이에, 냉각 매체를 순환시켜 전측 베어링 (102, 103) 을 냉각시키고 있다.
또, 특허문헌 1 에는, 전측 베어링과 후측 베어링의 사이에 배치한 내륜 틈메꿈 쇠에 냉각 매체 통로를 형성하고, 펌프 등으로부터 압송되는 냉각 매체에 의해 내륜 틈메꿈 쇠를 냉각시키도록 한 공작 기계에 있어서의 스핀들 냉각 장치가 개시되어 있다.
한편, 자유측 베어링이 되는 후측 베어링은, 전측 베어링과 비교해서, 사이즈가 약간 작은 베어링 (예를 들어, 베어링 내경 치수로, 고정측 베어링보다 φ10 ∼ φ30 mm 전후 작은 사이즈) 이 사용되는 경우가 많다. 이 때문에, 베어링의 dmn 값이 작아져, 그만큼, 온도 상승이 적어진다. 또, 후측 베어링은, 자유측인 것, 및, 주축 후부의 열 변형은 가공 정밀도에 미치는 영향도가 전측 베어링에 비해 작은 것 (예를 들어, 만일, 회전축이 비회전 부품에 대해 축방향으로 상대 팽창해도 주축 후측은 후방으로 슬라이드 이동하여, 칼날이 장착되는 주축 전측의 변위로는 나타나기 어렵다) 등의 이유에 의해, 후측 베어링에는, 구조가 복잡해지는 냉각 구조를 부가하지 않는 경우가 많다.
일본 실용공개공보 평4－133555호
그런데, 최근의 고속 주축은, 사용하는 베어링의 dmn 값이 100 만 이상, 혹은, 150 만을 초과하고, 나아가서는 200 만 이상의 타입이 증가하고 있고, 이것에 수반하여 후측 베어링의 dmn 값도 증가하여, 발열이 커지고 있다. 후측 베어링의 발열이 크면 베어링의 내부 온도의 상승에 의해, 윤활유 점도가 저하되고, 롤링 접촉부 등에서의 유막 형성 불량에 의한 시이징이 발생할 우려가 있다.
이 때문에, 도 12 에 나타내는 냉각 장치 (110) 에서는, 주변 구조를 간소화하면서, 후측 베어링을 냉각시키는 것이 생각된다. 이 경우, 주축 (101) 의 후측을 지지하는 1 쌍의 자유측 베어링 (112, 113) 이 내측 끼움되는 슬리브 (114) 를 리어 하우징 (115) 에 내측으로 끼우고, 이 리어 하우징 (115) 의 외주면에 원주 방향 홈 (116) 을 형성한다. 그리고, 리어 하우징 (115) 의 외주면과 다른 하우징 (117) 의 내주면의 사이에 냉각 매체를 순환시켜, 자유측 베어링 (112, 113) 을 냉각시킨다.
그러나, 도 12 에 나타내는 구조에서는, 냉각부는, 발열부 (베어링 (112, 113)) 로부터 직경 방향으로 떨어진 위치에 배치되어 있고, 또, 헐거운 끼움으로 끼워 맞춤하는 슬리브 (114) 와 리어 하우징 (115) 사이의 열 전달 효율이 낮기 때문에, 냉각 효율이 낮다는 문제가 있다. 따라서, 리어 하우징은 냉각되지만, 슬리브가 효율좋게 냉각되지 않고, 리어 하우징과 슬리브 사이의 간극이 작아져 슬라이드 불량이 발생할 우려가 있다. 이 때문에, 전측 베어링 (고정측 베어링) 과 후측 베어링 (자유측 베어링) 간에서 열 팽창에 의한 떠받침 하중이 발생하고, 베어링에 과대 하중이 부하되어 베어링이 손상될 가능성이 있다. 혹은, 예압 빠짐이 발생하여 이음이나 이상 진동이 발생하는 요인이 된다.
본 발명은, 전술한 과제를 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적은, 후측 베어링으로부터의 발열에 의한 온도 상승을 고효율로 억제하여, 후측 베어링의 수명 연장, 즉, 주축 장치의 수명 연장을 도모함과 함께, 가공 정밀도를 향상시킬 수 있는 주축 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 상기 목적은, 하기의 구성에 의해 달성된다.
(1) 하우징과,
그 하우징에 대해 자유롭게 상대 회전할 수 있는 회전축과,
내륜이 상기 회전축의 일단측에 외측 끼움되고, 외륜이 상기 하우징에 고정되는 고정측 베어링과,
상기 회전축의 타단측에서 상기 하우징 내에 배치되고, 상기 회전축의 축방향으로 이동 가능한 슬리브와,
내륜이 상기 회전축의 타단측에 외측 끼움되고, 외륜이 상기 슬리브에 내측 끼움되는 자유측 베어링을 갖는 주축 장치로서,
서로 대향하는 상기 슬리브의 외주면과 상기 하우징의 내주면의 사이에는, 냉각 매체가 유동 가능한 냉각로가 형성되고,
상기 냉각로는, 상기 슬리브의 외주면 또는 상기 하우징의 내주면에 형성되고, 상기 슬리브의 축방향 일단측에 배치된 제 1 환상 홈과, 상기 슬리브의 축방향 타단측에 배치된 제 2 환상 홈과, 상기 제 1 환상 홈에 일단부가 연통하고, 상기 제 2 환상 홈에 타단부가 연통하는 1 조의 나선상의 나선홈을 구비하고,
상기 제 1 환상 홈에 상기 냉각 매체가 공급되고, 상기 제 2 환상 홈으로부터 상기 냉각로를 유동한 상기 냉각 매체가 배출되는 것을 특징으로 하는 주축 장치.
(2) 상기 냉각로의 축방향 양측에는, 상기 슬리브의 외주면과 상기 하우징의 내주면의 사이를 액밀하게 봉지하는 환상의 탄성 부재가 배치 형성되는 것을 특징으로 하는 (1) 에 기재된 주축 장치.
(3) 상기 슬리브의 상기 하우징의 내주면에 대면하는 외주면의 양단 가장자리부, 또는 상기 하우징의 내주면의 양단 가장자리부에는, 모따기부가 형성되는 것을 특징으로 하는 (1) 또는 (2) 에 기재된 주축 장치.
(4) 상기 제 1 환상 홈, 상기 제 2 환상 홈, 상기 나선홈 중 적어도 어느 것의 홈의 측벽면은, 상기 축방향과 직교하는 방향에 대해 경사져 형성되는 것을 특징으로 하는 (1) ∼ (3) 중 어느 한 항에 기재된 주축 장치.
본 발명의 주축 장치에 의하면, 서로 대향하는 슬리브의 외주면과 하우징의 내주면의 사이에는, 냉각 매체가 유동 가능한 냉각로가 형성된다. 냉각로는, 슬리브의 외주면 또는 하우징의 내주면에 형성되고, 슬리브의 축방향 일단측에 배치된 제 1 환상 홈과, 슬리브의 축방향 타단측에 배치된 제 2 환상 홈과, 제 1 환상 홈에 일단부가 연통하고, 제 2 환상 홈에 타단부가 연통하는 1 조의 나선상의 나선홈을 구비하도록 했다. 이로써, 베어링이 내측 끼움되는 슬리브를 직접 냉각 가능해져, 자유측 베어링을 고효율로 냉각시킬 수 있다. 또, 베어링의 내부 온도가 내려감으로써, 회전 중의 롤링 접촉부나 유지기 안내면 등에서의 점도 저하에 의한 윤활유 막끊김이 생기기 어려워져, 윤활 불량에 의한 수명 저하나 베어링의 시이징이 방지된다. 그리고, 하우징과 슬리브의 양 부재를 동시에 냉각시키므로, 양 부재의 반경 방향 수축량이 균일해지고, 슬라이드부의 간극 (하우징과 슬리브의 간극) 이 막히지 않고, 간극 부족에 의한 슬라이드 문제의 발생을 방지할 수 있다. 또한, 냉각로 내에 있어서의 냉각 매체의 흐름이 순조롭게 되어, 슬리브 전체를 균일하게 냉각시킴으로써, 냉각에 의한 변형 왜곡이 생기지 않는다. 그 결과, 내측 끼움되는 베어링의 왜곡도 발생하지 않고, 주축의 회전 정밀도가 높은 정밀도로 유지되어, 주축의 가공 정밀도가 양호해진다.
도 1 은, 본 발명에 관련된 주축 장치의 제 1 실시 형태의 단면도이다.
도 2 는, 도 1 에 나타내는 자유측 베어링 근방의 확대 단면도이다.
도 3 은, 환상 홈을 설명하기 위한, 슬리브의 외주면을 나타내는 도 2 에 대응하는 부분 단면도이다.
도 4 는, 환상 홈의 단면도이다.
도 5a 는, 변형예로서의 환상 홈의 단면도이다.
도 5b 는, 변형예로서의 환상 홈의 단면도이다.
도 5c 는, 변형예로서의 환상 홈의 단면도이다.
도 6 은, 외주면 양단 가장자리부에 모따기부가 형성된 슬리브의 부분 파단 측면도이다.
도 7 은, 환상 홈의 숄더부에 모따기부가 형성된 슬리브의 부분 파단 측면도이다.
도 8 은, 본 발명에 관련된 주축 장치의 제 2 실시 형태의 자유측 베어링 근방에 있어서의 확대 단면도이다.
도 9 는, 환상 홈을 설명하기 위해, 슬리브의 외주면을 나타내는 도 8 에 대응하는 부분 단면도이다.
도 10 은, 자유측 베어링의 냉각 구조의 차이에 의한 온도 상승을 비교해서 나타내는 그래프이다.
도 11 은, 종래의 고정측 베어링의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 12 는, 종래의 자유측 베어링의 구조를 나타내는 단면도이다.
이하, 본 발명의 주축 장치의 각 실시 형태에 대해, 도면에 기초하여 상세하게 설명한다.
(제 1 실시 형태)
먼저, 도 1 을 참조하여, 본 발명에 관련된 제 1 실시 형태의 주축 장치의 전체 구성에 대해 설명한다.
주축 장치 (10) 는, 하우징 (11) 과 일단 (도면 중 좌측) 에 도시 생략된 공구가 장착되고, 하우징에 대해 자유롭게 상대 회전할 수 있는 회전축 (12) 과 회전축 (12) 의 전단측 (도면 중 좌측) 에 배치 형성된 1 쌍의 고정측 베어링 (본 실시 형태에서는, 앤귤러 볼 베어링) ((13, 13)) 과, 회전축 (12) 의 후단측 (도면 중 우측) 에 배치 형성된 1 쌍의 자유측 베어링 (본 실시 형태에서는, 앤귤러 볼 베어링) (14, 14) 과, 하우징 (11) 에 내부 삽입되어 축방향으로 슬라이드 이동 가능한 슬리브 (15) 를 구비한다.
하우징 (11) 은, 대략 원통 형상의 하우징 본체 (31) 와, 하우징 본체 (31) 의 전단측에 끼워 맞춤 고정되는 프론트 하우징 (32) 과, 하우징 본체 (31) 의 후단측에 끼워 맞춤 고정되는 리어 하우징 (33) 을 가지고 있다. 프론트 하우징 (32) 의 전단에는, 전측 덮개 (34) 가 체결 고정되고, 리어 하우징 (33) 의 후단에는, 후측 덮개 (36) 가 체결 고정되어 있다.
하우징 본체 (31) 의 내주면 (31a) 에 내측으로 끼우는 슬리브 (29) 에는, 빌트인 모터 (37) 의 스테이터 (38) 가 고정되어 있다. 또, 회전축 (12) 의 축방향 중간부에는, 스테이터 (38) 와 대향하여 로터 (39) 가 고정되어 있고, 스테이터 (38) 가 발생하는 회전 자계에 의해 회전력이 부여되어 회전축 (12) 을 회전 구동한다. 슬리브 (29) 의 외주면에는, 원환상의 복수의 홈 (29a) 이 형성되어 있고, 하우징 본체 (31) 에 내측으로 끼움으로써 내주면 (31a) 과의 사이에 냉각로 (28) 가 형성된다.
고정측 베어링 (13, 13) 은, 외륜 (18, 18) 이 프론트 하우징 (32) 에 내측 끼움되고, 내륜 (19, 19) 이 회전축 (12) 에 외측 끼움되어, 회전축 (12) 의 전단측을 자유롭게 회전할 수 있도록 지승한다. 고정측 베어링 (13, 13) 의 외륜 (18, 18) 은, 외륜 틈메꿈 쇠 (20) 를 개재하여 프론트 하우징 (32) 의 단부 (32a) 와 전측 덮개 (34) 에 의해 협지되어 프론트 하우징 (32) 에 대해 축방향으로 위치 결정된다. 내륜 (19, 19) 은, 내륜 틈메꿈 쇠 (21) 를 개재하여 회전축 (12) 의 전측 단부 (12a) 와, 회전축 (12) 에 나사 결합하는 너트 (22) 에 의해 협지되어 회전축 (12) 에 대해 축방향으로 위치 결정된다. 프론트 하우징 (32) 의 외주면에는, 원환상의 복수의 홈 (32b) 이 형성되어 있고, 하우징 본체 (31) 에 내측으로 끼움으로써 하우징 본체 (31) 의 내주면 (31b) 과의 사이에 냉각로 (30) 가 형성된다.
리어 하우징 (33) 의 내주면 (33a) 에는, 축방향으로 이동 가능한 대략 원통 형상의 베어링 슬리브 (16) 가 끼워 맞춤되어 있다. 또, 베어링 슬리브 (16) 의 공구 장착측과는 반대측의 단면에는, 베어링 슬리브 (16) 의 외주면으로부터 직경 방향 외방으로 연장되는 외륜 누름 (17) 이 도시 생략된 나사에 의해 장착되어 있다. 또한, 베어링 슬리브 (16) 와 외륜 누름 (17) 은, 슬리브 (15) 를 구성한다.
리어 하우징 (33) 에는, 그 공구 장착측과는 반대측의 단면 (도면 중 우측면) 에 개구하는 복수의 스프링실 (55) 이 형성되어 있고, 베어링 슬리브 (16) 로부터 직경 방향 외방으로 연장되는 외륜 누름 (17) 의 플랜지 부분의 공구 장착측 단면과 대향한다. 코일 스프링 (56) 은, 스프링실 (55) 에 수용되어 외륜 누름 (17) 의 플랜지 부분과 스프링실 (55) 의 사이에 끼워 장착된다. 코일 스프링 (56) 은, 슬리브 (15) 에 축방향 (도면 중 우방향) 의 탄성력을 부여하고, 이로써 고정측 베어링 (13, 13) 및 자유측 베어링 (14, 14) 에 정압 예압을 부여하고 있다.
자유측 베어링 (14, 14) 은, 외륜 (23, 23) 이 베어링 슬리브 (16) 에 내측 끼움되고, 내륜 (24, 24) 이 회전축 (12) 에 외측 끼움되어, 회전축 (12) 의 후단측을 자유롭게 회전할 수 있도록 지승한다. 자유측 베어링 (14, 14) 의 외륜 (23, 23) 은, 외륜 틈메꿈 쇠 (25) 를 개재하여 베어링 슬리브 (16) 의 단부 (16a) 와 외륜 누름 (17) 의 원환상 볼록부 (17a) 에 의해 협지되어 베어링 슬리브 (16) 에 대해 축방향으로 위치 결정된다. 내륜 (24, 24) 은, 내륜 틈메꿈 쇠 (26) 를 개재하여 회전축 (12) 의 후측 단부 (12b) 와, 회전축 (12) 에 나사 결합하는 너트 (27) 에 의해 협지되어 회전축 (12) 에 대해 축방향으로 위치 결정된다.
도 2 및 도 3 에 나타내는 바와 같이, 베어링 슬리브 (16) 의 외주면 (16b) 에는, 슬리브 (15) 의 축방향 일단측에 형성된 제 1 환상 홈 (41A) 과, 슬리브 (15) 의 축방향 타단측에 형성된 제 2 환상 홈 (41B) 과, 제 1 환상 홈 (41A) 에 일단부가 연통하고, 제 2 환상 홈 (41B) 에 타단부가 연통하는 1 조의 나선상의 나선홈 (47) 이 형성되어 있다. 제 1 환상 홈 (41A), 제 2 환상 홈 (41B), 및 나선홈 (47) 은, 베어링 슬리브 (16) 를 리어 하우징 (33) 의 내주면 (33a) 에 끼워 맞춤함으로써, 서로 대향하는 베어링 슬리브 (16) 의 외주면과 리어 하우징 (33) 의 내주면 (33a) 의 사이에 냉각로 (40) 가 형성된다. 이 냉각로 (40) 에는, 냉각유 등의 냉각 매체가 유동한다.
또, 도 1 에 나타내는 냉각로 (40) 의 냉각 매체를 공급하는 공급로 (57) 의 공급구 (51) 는, 가장 빌트인 모터 (37) 측에 위치하는 제 1 환상 홈 (41A) 을 향하여 개구하도록 형성되고, 냉각 매체를 배출하는 배출로 (58) 의 배출구 (52) 는, 빌트인 모터 (37) 로부터 가장 이간되는 제 2 환상 홈 (41B) 을 향하여 개구하고, 공급구 (51) 와 180 °상이한 위상에서 형성된다. 그리고, 도시 생략된 펌프로부터 압송되는 냉각 매체는, 공급구 (51) 로부터 공급되어 냉각로 (40) 내를 유동하여, 냉각로 (40) 주위를 냉각시킨 후, 배출구 (52) 로부터 배출된다. 냉각 매체를 빌트인 모터 (37) 에 가까운 제 1 환상 홈 (41A) 으로부터 공급함으로써, 발생 열량이 큰, 즉, 온도가 높아지기 쉬운 부분을, 보다 저온의 냉각 매체로 냉각시킬 수 있어, 고효율로 냉각이 가능해진다. 또, 공급구 (51) 와 배출구 (52) 를 원주 방향으로 180 °위상을 다르게 하여 배치함으로써, 냉각로 (40) 가 심메트릭 배치가 되어, 균일하게 냉각시킬 수 있다. 또한, 공급구 (51) 와 배출구 (52) 의 위상차는, 주변 부품의 배치에 따라 임의로 변경할 수 있고, 예를 들어, 동위상이어도 된다.
또, 베어링 슬리브 (16) 의 외주면 (16b) 에는, 냉각로 (40) 보다 축방향 외측에 1 쌍의 환상 오목홈 (44) 이 형성되어 있다. 환상 오목홈 (44) 에는, 탄성 부재인 O 링 (45) 이 장착되고, 리어 하우징 (33) 의 내주면 (33a) 과 베어링 슬리브 (16) 의 끼워 맞춤부를 봉지하고 있다. O 링 (45) 의 압축량은 0.1 mm ∼ 2.0 mm 의 범위로 하는 것이 바람직하고, 베어링 슬리브 (16) 의 슬라이딩 문제를 보다 해소하기 쉽게 하려면, 0.2 mm ∼ 0.5 mm 의 범위로 하는 것이 바람직하다. 또, 베어링 슬리브 (16) 와 리어 하우징 (33) 의 끼워 맞춤 간극은, 직경 치수의 차, 즉, 리어 하우징 (33) 의 내경 - 베어링 슬리브 (16) 의 외경으로 나타내는 치수를, 5 ㎛ ∼ 100 ㎛ 의 범위로 하는 것이 바람직하고, 간극 부족이나 베어링 슬리브 (16) 의 기울기에 의해 슬라이딩 문제를 해소하기 쉽게 하려면, 15 ㎛ ∼ 50 ㎛ 의 범위로 하는 것이 바람직하다.
O 링 (45) 의 재료로서는, 일반적인 니트릴 고무나 아크릴 고무 등에 더하여, 모터 빌트인 스핀들의 발열에 대응한 내열성이 있는 실리콘 고무나 각종 엘라스토머, 혹은, 냉각 매체에 대응한 내팽윤성·내유성이 있는 불소 고무 등이, 필요에 따라 선정된다. 또한, 본 실시 형태에 있어서의 베어링 슬리브 (16) 와 리어 하우징 (33) 의 슬라이드량은, 가공 하중에 의한 변형이나 스핀들의 열적인 축방향의 팽창을 회피할 정도의 변위이므로, ±0.5 mm 이하, 많아도 ±1 mm 이하이다. 따라서, 가동 실린더부에 장착되는 피스톤 링에 보여지는 크고, 또한, 빠른 스트로크에 의한 슬라이딩 마모에 의한 시일성 저하의 문제는 작고, 경년 변화 (열이나 초기의 간섭 끼워 맞춤) 에 의한 내크리프 특성이 우수한 재료를 선정하는 것이 바람직하다.
도 1 에 나타내는 바와 같이, 주축 장치 (10) 가, 고정측 베어링 (13, 13) 을 냉각시키는 냉각로 (30), 빌트인 모터 (37) 의 스테이터 (38) 를 냉각시키는 냉각로 (28), 및 자유측 베어링 (14, 14) 을 냉각시키는 냉각로 (40) 의 복수의 냉각로를 구비하는 경우, 자유측 베어링 (14, 14) 의 최적인 냉각으로서는, 냉각 장치 (도시 생략) 도 다른 냉각로 (28, 30) 와는 별계통으로 형성하고, 냉각로 (40) 용으로 독립시켜 배치 형성하는 것이 바람직하다. 이로써, 냉각 매체의 온도 조정이, 다른 냉각로 (28, 30) 의 상황에 영향받는 일 없이 실시할 수 있다.
그러나, 실용상 곤란한 경우에는, 냉각 장치는 독립시키지 않고, 냉각로 (40) 를 독립시키는 것만으로도 된다. 이 경우, 냉각로 (40) 에의 공급측 배관의 어딘가에 스로틀을 형성하고, 냉각 매체의 공급량을 제어함으로써, 최적인 냉각 조건을 조정할 수 있다.
또한, 1 경로 냉각 구성으로 한 경우에는, 먼저 발열량이 큰 경향이 있는 스테이터 (38) 를 냉각시키는 냉각로 (28) 에 냉각 매체를 통과시킨 후, 자유측 베어링 (14, 14) 을 냉각시키는 냉각로 (40) 에 순환시키는 경로 구성으로 하면, 주축 장치 (10) 전체의 온도를 보다 효율적으로 내릴 수 있다. 또, 자유측 베어링 (14, 14) 의 온도를 보다 효율적으로 냉각하고자 하는 경우에는, 상기와 반대의 경로 구성으로 하여, 보다 저온의 냉각 매체를 냉각로 (40) 에 먼저 순환시키면 되고, 필요에 따라 선택할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태의 주축 장치 (10) 에 의하면, 베어링 슬리브 (16) 의 외주면 (16b) 과 리어 하우징 (33) 의 내주면 (33a) 의 사이에는, 냉각 매체가 유동 가능한 냉각로 (40) 가 형성된다. 냉각로 (40) 는, 베어링 슬리브 (16) 의 외주면 (16b) 에 형성되고, 베어링 슬리브 (16) 의 축방향 일단측에 형성된 제 1 환상 홈 (41A) 과, 베어링 슬리브 (16) 의 축방향 타단측에 형성된 제 2 환상 홈 (41B) 과, 제 1 환상 홈 (41A) 에 일단부 (홈 시단측의 단부) 가 연통하고, 제 2 환상 홈 (41B) 에 타단부 (홈 종단측의 단부) 가 연통하는 1 조의 나선상의 나선홈 (47) 을 구비하도록 했다. 이 때문에, 자유측 베어링 (14, 14) 이 내측 끼움되는 베어링 슬리브 (16) 를 직접 냉각 가능해져, 자유측 베어링 (14, 14) 을 효율적으로 냉각시킬 수 있다.
또, 냉각로 (40) 에 나선상의 나선홈 (47) 을 사용함으로써, 냉각 매체가 나선홈을 따라, 배출측으로 향하는 일방향으로 순조롭게 흘러 열냉각 효율이 향상된다. 베어링 슬리브 (16) 는, 원주 방향을 따라 형성된 제 1 환상 홈 (41A), 제 2 환상 홈 (41B) 을 갖는다. 이들 제 1 환상 홈 (41A), 제 2 환상 홈 (41B) 을 경유하여, 나선홈 (47) 에 냉각 매체를 공급 배출하는 구조로 되어 있다. 그 때문에, 리어 하우징 (33) 의 공급구 (51) 와 나선홈 (47) 의 일단부, 및 배출구 (52) 와 나선홈 (47) 의 타단부의 원주 위상을 맞출 필요가 없어진다. 이로써, 주축 장치의 구조 설계나 조립 작업이 용이해진다.
상기한 베어링 슬리브 (16) 의 나선홈 (47) 의 가공은, 먼저, 슬리브 축방향 중 어느 일방의 단부 근방으로부터, 엔드 밀 공구를 슬리브 반경 방향으로 절삭을 넣어 홈을 판다. 그 후, 절삭을 유지하면서 나선상으로 엔드 밀 공구를 이송하여, 나선홈을 가공한다. 그리고, 슬리브 축방향 중 어느 타방의 단부 근방에 도달하면, 이송을 정지하고, 엔드 밀 공구를 끌어 올림으로써 홈이 완성된다.
일반적으로, 원통 형상 부재에 대한 나선홈의 가공은, 지금까지는 매우 곤란하여 가공 정밀도를 높이기 어렵고, 가공 비용도 커지는 불리가 있었다. 그러나, 최근에는 다축 가공기나 복합 가공기가 널리 사용되게 되어, 본 구성의 나선홈 (47) 이 용이하게 또한 고정밀도로 게다가 저비용으로 가공이 가능하게 되어 있다.
상기 냉각로 (40) 에 의해, 자유측 베어링 (14, 14) 의 내부 온도가 내려가고, 회전 중의 롤링 접촉부나 유지기 안내면 등에서의 점도 저하에 의한 윤활유 막끊김이 생기기 어려워져, 윤활 불량에 의한 수명 저하나 자유측 베어링 (14, 14) 의 시이징이 방지된다.
또, 리어 하우징 (33) 과 베어링 슬리브 (16) 의 양 부재를 동시에 냉각시키므로, 양 부재의 반경 방향 수축량이 균일하게 되어, 슬라이드부의 간극 (리어 하우징 (33) 과 베어링 슬리브 (16) 의 간극) 이 막히지 않고, 간극 부족에 의한 슬라이드 문제의 발생을 방지할 수 있다. 또한, 제 1 환상 홈 (41A), 제 2 환상 홈 (41B), 나선홈 (47) 의 각 홈 내에 있어서의 냉각 매체의 흐름이 순조롭게 되어, 베어링 슬리브 (16) 전체를 균일하게 냉각시킴으로써, 냉각에 의한 변형 왜곡이 생기지 않는다. 그 결과, 내측 끼움되는 자유측 베어링 (14, 14) 의 왜곡도 발생하지 않고, 회전축 (12) 의 회전 정밀도가 높은 정밀도로 유지되어, 주축 장치 (10) 의 가공 정밀도가 양호해진다.
또, 슬라이드부는, 상시 냉각유가 순환하고 있으므로, 마찰 계수도 작아, 보다 슬라이드성이 향상되는 효과도 있다. 슬라이드부에, 볼 가이드 (볼 부쉬) 등을 배치시켜, 롤링 작용에 의해 슬라이드성을 좋게 하는 방법도 있지만, 강성 저하에 의해, 진동의 발생이나, 스핀들의 고유 진동수의 저하 등의 문제가 생긴다. 한편, 강성을 올리기 위해서, 예압 간극 (즉, 하우징 내경, 볼, 슬리브 외경간의 래디얼 간극) 을 크게 하면, 오히려 반대로, 미끄러짐에 의한 슬라이드보다 슬라이드성이 나빠진다는 문제가 생긴다.
또, 중절삭 가공 중 등에 발생하는 경우가 있는 채터 진동 등에 의해, 리어 하우징 (33) 과 베어링 슬리브 (16) 간에 초기의 프렛팅 마모 가루가 발생한 경우라도, 냉각 매체가 미세 마모 가루를 외부로 옮겨버려 주므로, 마모 가루가 보조제가 되어 프렛팅이 더 진행되어 버리는 것을 억제할 수 있다.
또, 냉각 매체를 공급하는 공급구 (51) 는, 축방향 일단측에 위치하는 제 1 환상 홈 (41A) 을 향하여 개구하고, 냉각 매체를 배출하는 배출구 (52) 는, 축방향 타단측에 위치하는 제 2 환상 홈 (41B) 을 향하여 개구하기 때문에, 제 1 환상 홈 (41A), 제 2 환상 홈 (41B), 나선홈 (47) 의 각 홈 내에 있어서의 냉각 매체의 흐름이 순조롭게 되어, 베어링 슬리브 (16) 전체를 균일하게 냉각시킬 수 있다. 이로써, 높은 회전 정밀도가 유지된다.
또한, 냉각로 (40) 의 축방향 양측에는, 베어링 슬리브 (16) 의 외주면 (16b) 과 리어 하우징 (33) 의 내주면 (33a) 의 사이를 액밀하게 봉지하는 O 링 (45) 이 배치 형성되기 때문에, 냉각 매체의 리크가 방지됨과 함께, O 링 (45) 의 탄성에 의해 주축 장치 (10) 에 있어서의 감쇠 특성이 향상되고, 특히 난삭재(難削材)의 가공 특성에 영향을 주는 동강성 향상에도 기여한다. 또, 슬라이드부를 흐르는 냉각 매체의 댐퍼 효과에 의한 감쇠 작용도 가해진다.
또한, 상기 실시 형태에 있어서는, 나선홈 (47) (제 1 환상 홈 (41A), 제 2 의 41B 도 동일) 은, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 저면 (47a) 과 측벽면 (47b) 에 의해 직사각형의 단면 형상으로 형성되어 있다. 이 직사각형 단면 형상의 나선홈 (47) 의 홈폭 B 및 깊이 T 의 크기는, 적절히 선택 가능하다.
B ＞ T 로 하면, 나선홈 (47) 의 반경 방향 깊이가 얕기 때문에, 베어링 슬리브 (16) 의 직경 방향 두께가 확보되어, 슬리브 강성을 크게 할 수 있다. 이와 같은 형상은, 슬리브의 가공 정밀도 향상을 중시하는 경우나, 주축의 강성을 향상시키는 경우 등에 적용된다. 또, B ＜ T 로 하면, 나선홈 (47) 의 반경 방향 깊이가 깊기 때문에, 나선홈 (47) 이 베어링의 근처에 형성되어, 베어링 근방을 보다 고효율로 냉각시킬 수 있다. 그 결과, 주축의 냉각 효율을 향상시킬 수 있다. 이와 같은 형상은, 주축의 냉각 특성 향상을 중시하는 경우에 적용된다. B = T 로 하면, 상기의 효과를 균형있게 양립시킬 수 있다.
또, 나선홈 (47) (제 1 환상 홈 (41A), 제 2 의 41B 도 동일) 의 단면 형상은, 직사각형 이외에도 도 5a ∼ 도 5c 에 나타내는 바와 같은 각종 형상이 가능하다. 예를 들어, 도 5a 및 도 5b 에 나타내는 바와 같이, 나선홈 (47) 의 측벽면 (47b) 은, 축방향과 직교하는 방향, 즉, 반경 방향에 대해 경사져 형성되어도 된다.
구체적으로, 도 5a 에 나타내는 베어링 슬리브 (16) 의 나선홈 (47) 은, 홈폭 B 가 나선홈 (47) 의 저면 (47a) 으로부터 베어링 슬리브 (16) 의 외주면 (16b) 을 향해 점차 커지는 사다리꼴 홈으로 되어 있다. 즉, 사다리꼴상의 나선홈 (47) 에서는, 나선홈 (47) 의 단면 형상은, 저면 (47a) 과 측벽면 (47b) 이 이루는 각도가 둔각 (θ1) 이므로, 리어 하우징 (33) 의 내주면 (33a) 과의 간섭이 없고, 슬라이드성이 향상된다. 또, 도 5b 에 나타내는 베어링 슬리브 (16) 의 나선홈 (47) 은, 홈폭 B 가 나선홈 (47) 의 저면 (47a) 으로부터 베어링 슬리브 (16) 의 외주면 (16b) 을 향해 점차 작아지는, 소위, 개미 홈으로 되어 있다. 즉, 개미 홈의 나선홈 (47) 에서는, 나선홈 (47) 의 단면 형상은, 저면 (47a) 과 측벽면 (47b) 이 이루는 각도가 예각 (θ2) 이므로, 발열원인 자유측 베어링 (14, 14) 에 가까운 부분의 표면적이 크고, 자유측 베어링 (14, 14) 의 열을 효율적으로 냉각 매체에 전달할 수 있어, 냉각 성능이 향상된다.
또, 도 5c 에 나타내는 베어링 슬리브 (16) 의 나선홈 (47) 은, 곡률 반경 R 의 단면 반원형이므로, 둥근 형상의 바이트로 가공할 수 있고, 가공할 때에 바이트의 마멸이 적어, 가공성을 향상시킬 수 있다.
또, 베어링 슬리브 (16) 의 리어 하우징 (33) 의 내주면 (33a) 과 대면하는 외주면 (16b) 의 양단 가장자리부에는, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 모따기부 (43) 가 형성되어도 된다. 모따기부 (43) 의 외주면 (16b) 에 대한 각도 θ3 은, 3 °∼ 45 °, 보다 바람직하게는, 3 °∼ 30 °로 하는 것이 좋다. 이로써, 베어링 슬리브 (16) 가 리어 하우징 (33) 내에서 기울어져도, 리어 하우징 (33) 의 내주면 (33a) 과의 간섭이 방지되어 슬라이드성이 확보된다.
또, 도 7 에 나타내는 바와 같이, 베어링 슬리브 (16) 의 양단 가장자리부의 모따기부 (43) 에 더하여, 나선홈 (47) (제 1 환상 홈 (41A), 제 2 의 41B 도 동일) 의 측벽의 정부(頂部) (숄더부) 에 모따기부 (46) 를 형성하면, 리어 하우징 (33) 의 내주면 (33a) 과의 간섭이 더욱 방지되어, 슬라이드성이 유지된다. 나선홈 (47) 의 숄더부의 모따기 각도 θ4 는, 3 °∼ 45 °, 보다 바람직하게는, 3 ∼ 30 °이다.
(제 2 실시 형태)
다음으로, 도 8 및 도 9 를 참조하여, 주축 장치의 제 2 실시 형태에 대해 설명한다. 또한, 본 실시 형태의 주축 장치는, 환상 홈이 리어 하우징의 내주면에 형성되어 있는 것 이외는, 제 1 실시 형태와 동일하므로, 제 1 실시 형태와 동일 또는 동등 부분에 대해서는, 도면에 동일 부호를 첨부하여 그 설명을 생략 혹은 간략화한다. 또, 자유측 베어링 근방만을 도시하여 설명한다.
도 8 및 도 9 에 나타내는 바와 같이, 리어 하우징 (33) 의 내주면 (33a) 에는, 베어링 슬리브 (16) 의 축방향 일단측에 형성된 제 1 환상 홈 (41C) 과, 베어링 슬리브 (16) 의 축방향 타단측에 형성된 제 2 환상 홈 (41D) 과, 제 1 환상 홈 (41C) 에 일단부가 연통하고, 제 2 환상 홈 (41D) 에 타단부가 연통하는 1 조의 나선상의 나선홈 (47A) 을 형성하고 있다. 제 1 환상 홈 (41C), 제 2 환상 홈 (41D), 나선홈 (47A) 은, 베어링 슬리브 (16) 를 리어 하우징 (33) 의 내주면 (33a) 에 끼워 맞춤함으로써, 베어링 슬리브 (16) 의 외주면 (16b) 과의 사이에 냉각 매체가 유동하는 냉각로 (49) 를 형성한다.
또, 리어 하우징 (33) 의 내주면 (33a) 에는, 냉각로 (49) 보다 축방향 외측에 1 쌍의 환상 오목홈 (50) 이 형성되어 있다. 환상 오목홈 (50) 에는, 탄성 부재인 O 링 (45) 이 장착되어, 리어 하우징 (33) 의 내주면 (33a) 과 베어링 슬리브 (16) 의 끼워 맞춤부를 봉지하고 있다.
따라서, 본 실시 형태의 주축 장치 (10) 에 있어서도, 베어링 슬리브 (16) 의 외주면 (16b) 과 리어 하우징 (33) 의 내주면 (33a) 의 사이에는, 냉각 매체가 유동 가능한 냉각로 (49) 가 형성된다. 냉각로 (49) 는, 리어 하우징 (33) 의 내주면 (33a) 에 형성되고, 베어링 슬리브 (16) 의 축방향 일단측에 배치된 제 1 환상 홈 (41C) 과 베어링 슬리브 (16) 의 축방향 타단측에 배치된 제 2 환상 홈 (41D) 과 제 1 환상 홈 (41C) 에 일단부가 연통하고, 제 2 환상 홈 (41D) 에 타단부가 연통하는 1 조의 나선상의 나선홈 (47A) 을 구비하도록 했다. 이 때문에, 상기 제 1 실시 형태와 동일한 효과를 발휘할 수 있다.
그 밖의 구성 및 작용 효과에 대해서도, 상기 제 1 실시 형태와 동일하다.
또한, 본 실시 형태에 있어서도, 나선홈 (47A), 제 1 환상 홈 (41C), 제 2 환상 홈 (41D) 의 각 단면 형상이나, 리어 하우징 (33) 의 내주면 (33a) 의 양단 가장자리부의 형상은, 제 1 실시 형태의 나선홈 (47), 제 1 환상 홈 (41A), 제 2 환상 홈 (41B) 의 단면 형상이나, 베어링 슬리브 (16) 의 외주면 (16b) 의 양단 가장자리부의 형상과 동일하게 적용할 수 있다.
즉, 리어 하우징 (33) 의 내주면 (33a) 의 양단 가장자리부에는, 모따기부가 형성되어도 되고, 또, 나선홈 (47) 의 측벽면은, 축방향과 직교하는 방향에 대해 경사져 형성되어도 된다.
또한, 본 발명은, 전술한 각 실시 형태로 한정되는 것이 아니고, 적절히, 변형, 개량, 등이 가능하다.
예를 들어, 나선홈의 축방향 홈폭은, 동일해도 되고, 상이한 폭이어도 된다. 나선상의 축방향 피치도 임의로 설정할 수 있다. 또한, 본 구성에서는, 모터측을 냉각 매체의 공급측, 주축 단부측을 냉각 매체의 배출측으로 했지만, 이것에 한정되지 않는다.
또, 상기 실시 형태에서는, 고정측 베어링과 자유측 베어링간에 정압 예압에 의해 예압이 부여된 주축 장치에 대해 설명했지만, 이것으로 한정되지 않고, 고정측 베어링과 자유측 베어링에 각각 정위치 예압된 주축 장치에도 적용할 수 있고, 동일한 효과가 얻어진다. 이 때문에, 자유측 베어링으로서는, 앤귤러 볼 베어링으로 한정되지 않고, 원통 굴림대 베어링 등의 다른 롤링 베어링이 적용되어도 된다.
실시예
여기서, 베어링 슬리브 (16) 의 외주면에 나선홈을 갖는 냉각로를 형성한 본 발명 (제 1 실시 형태) 의 냉각 구조와, 리어 하우징의 외주면에 냉각로를 형성한 도 12 에 나타내는 냉각 구조와, 베어링 슬리브에도 리어 하우징에도 냉각로를 형성하지 않는 냉각 없는 구조를 사용하여, 베어링 슬리브 내경으로부터 하우징 외경까지의 온도 상승치를 비교했다. 도 10 은, 냉각 구조의 차이에 의한 베어링 슬리브 내경으로부터 하우징 외경까지의 온도 상승치를 비교한 그래프이다.
도 10 으로부터 분명한 바와 같이, 각 냉각 구조에 의한 온도 상승은, 베어링 슬리브 (16) 의 외주면에 나선홈을 갖는 냉각로 (40) 를 형성한 본 발명의 냉각 구조의 온도 상승치가 가장 작고, 주축 장치 (10) 를 고효율로 냉각시키고 있는 것을 알 수 있다. 또, 하우징 내경 (슬리브 내측 끼움부) 과 베어링 슬리브의 온도 상승치의 차도 도 12 에 나타내는 외통 냉각 구조에 비해 매우 작아져 있고, 열 팽창차에 의한 슬라이드부의 끼워 맞춤 간극의 감소를 작게 할 수 있어 양호한 슬라이딩 특성을 유지할 수 있다.
상세하게는, 베어링 슬리브와 하우징 내경의 온도차가, 도 12 에 나타내는 외통 냉각 구조의 경우인 8.5 ℃ 에 비해 본 발명의 구성에서는 1.5 ℃ 로, 약 7 ℃ 의 우위차가 있다. 만일 슬라이드부 (= 슬리브 외경 치수) 가 φ150 mm 인 경우, 베어링 슬리브와 하우징 (탄소강) 의 선팽창 계수를 11.5 × 10-6 으로 하면, 쌍방의 열 팽창량의 차는,
11.5 × 10-6 (/℃) × 150 (mm) × 7 (℃) = 0.012 (mm) 가 된다.
요컨대, 본 발명의 구성의 경우, 슬라이드부의 설정 간극을 종래 구조 (외통 냉각) 에서의 적정 설정 간극보다 12 ㎛ 작게 해도, 양호한 슬라이드 특성의 유지가 가능해진다. 그 결과, 베어링 온도 상승이 비교적 낮고, 슬라이드부의 온도차가 작은 저속 회전에서의 중절삭 가공 시에 있어서, 종래 구조에서는, 슬라이드부의 간극이 과잉이 되는 것에 의한 강성 부족이나 진동의 발생 및 프렛팅 문제가 생기는 바, 본 발명의 구성에서는 이들을 방지하는 효과가 얻어진다.
또, 베어링 슬리브의 온도도 약 12 ℃ 낮기 때문에, 베어링 온도도 낮아져 윤활제의 기유 점도를 유지할 수 있어 롤링 접촉부의 유막 형성도 양호해진다. 그리스 윤활의 경우, 기유의 호제로부터의 분리 (이유(離油)) 도 하기 어려워져, 베어링 외부로의 그리스 유출도 적어져, 그리스 수명의 연장화도 도모할 수 있다.
본 출원은 2014 년 2 월 28 일 출원된 일본 특허출원 (특허출원 2014－39262), 및 2014 년 8 월 27 일 출원된 일본 특허출원 (특허출원 2014－173222) 에 기초하는 것이며, 그 내용은 여기에 참조로서 받아들여진다.
10 : 주축 장치
11 : 하우징
12 : 회전축
13 : 고정측 베어링
14 : 자유측 베어링
16 : 베어링 슬리브 (슬리브)
16b : 슬리브의 외주면
18, 23 : 외륜
19, 24 : 내륜
28, 30, 40, 49 : 냉각로
31 : 하우징 본체
32 : 프론트 하우징
33 : 리어 하우징 (하우징)
33a : 하우징의 내주면
41A, 41C : 제 1 환상 홈
41B, 41D : 제 2 환상 홈
47, 47A : 나선홈
43 : 모따기부
45 : O 링 (탄성 부재)
51 : 공급구
52 : 배출구

Claims (4)

  1. 하우징과,
    그 하우징에 대해 자유롭게 상대 회전할 수 있는 회전축과,
    내륜이 상기 회전축의 일단측에 외측 끼움되고, 외륜이 상기 하우징에 고정되는 고정측 베어링과,
    상기 회전축의 타단측에서 상기 하우징 내에 배치되고, 상기 회전축의 축방향으로 이동 가능한 슬리브와,
    내륜이 상기 회전축의 타단측에 외측 끼움되고, 외륜이 상기 슬리브에 내측 끼움되는 자유측 베어링을 갖는 주축 장치로서,
    서로 대향하는 상기 슬리브의 외주면과 상기 하우징의 내주면의 사이에는, 냉각 매체가 유동 가능한 냉각로가 형성되고,
    상기 냉각로는, 상기 슬리브의 외주면 또는 상기 하우징의 내주면에 형성되고, 상기 슬리브의 축방향 일단측에 배치된 제 1 환상 홈과, 상기 슬리브의 축방향 타단측에 배치된 제 2 환상 홈과, 상기 제 1 환상 홈에 일단부가 연통하고, 상기 제 2 환상 홈에 타단부가 연통하는 1 조의 나선상의 나선홈을 구비하고,
    상기 제 1 환상 홈에 상기 냉각 매체가 공급되고, 상기 제 2 환상 홈으로부터 상기 냉각로를 유동한 상기 냉각 매체가 배출되는 것을 특징으로 하는 주축 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각로의 축방향 양측에는, 상기 슬리브의 외주면과 상기 하우징의 내주면의 사이를 액밀하게 봉지하는 환상의 탄성 부재가 배치 형성되는 것을 특징으로 하는 주축 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 슬리브의 상기 하우징의 내주면에 대면하는 외주면의 양단 가장자리부, 또는 상기 하우징의 내주면의 양단 가장자리부에는, 모따기부가 형성되는 것을 특징으로 하는 주축 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 환상 홈, 상기 제 2 환상 홈, 상기 나선홈 중 적어도 어느 것의 홈의 측벽면은, 상기 축방향과 직교하는 방향에 대해 경사져 형성되는 것을 특징으로 하는 주축 장치.
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