WO1996002353A1

WO1996002353A1 - Magnetic bearing spindle apparatus

Info

Publication number: WO1996002353A1
Application number: PCT/JP1995/001425
Authority: WO
Inventors: Manabu Taniguchi; Hirochika Ueyama
Original assignee: Koyo Seiko Co., Ltd.
Priority date: 1994-07-20
Filing date: 1995-07-18
Publication date: 1996-02-01
Also published as: US5804900A; DE69532125D1; EP0771609A1; EP0771609A4; DE69532125T2; EP0771609B1; JP3261602B2; JPH0825173A

Description

明細書磁気軸受スピンドル装置技術分野

この発明は、工作機械として用いられる磁気軸受スピンドル装置に関する。

この明細害において、各図の左側を前、これと反対側を後というものとする。背景技術

工作機械として用いられるスピンドル装置には、磁気軸受スピンドル装置の他に転がり軸受スピンドル装置がある。磁気軸受スピンドル装置は、ハウジング内に、スピンドル、モ一夕、ラジアル磁気軸受、アキシアル磁気軸受、ラジアルセンサ、アキシアルセンサおよびタツチダウン軸受などが配置されており、スピンドルがラジアル磁気軸受ぉよびアキシァル磁気軸受によりハウジングに対して非接触状態で支持されるようになされているものである。転がり軸受スピンドル装置は、ノヽウジング内に、スピンドル、モータおよび転がり軸受が配置されており、スピンドルが転がり軸受を介してハウジングに対して回転自在に支持されるようになされているものである。そして、磁気軸受スピンドル装置には、転がり軸受スピンドル装置に比べてスピンドルの軸径を大として高剛性にすることができるとともに高速回転が可能になり、しかも軸受損失も小さくなるというメリットがある。

ところで、工作の種類によっては、スピンドルの前端から冷却加工液を被加工物に向けて吹き付け、被加工物およびェ具を冷却する必要のある場合がある。このような要請に応えるために、転がり軸受スピンドル装置では、スピンドルに軸線方向に伸びる冷却加工液流路が形成され、ハウジングの後端に筒状の冷却加工液供給部材が固定状に設けられ、スピンドルと冷却加工液供給部材とがロータリージョイントを介して接続されたものが考えられている。このロータリージョイントは、スピンドルの後端に取付けられたパイプ材を冷却加ェ液供給部材に固定された外枠内に収納し、パイプ材と外枠との間の隙間に環状シール部材を装着して密封構造としたものである。このように、転がり軸受スピンドル装置の場合、スピンドルのラジアル方向の位置は常に一定であるので、冷却加工液供給部材とスピンドルとの接続部分からの冷却加工液の洩れはオイルシールなどで容易に防止できる。しかも、若干の加工液が洩れたとしても装置全体に悪影響を及ぼすことはない。

ところが、磁気軸受スピンドル装置の場合、停止状態と作動状態とではスピンドルのラジアル方向およびアキシァル方向の位置が変わるので、スピンドルに軸線方向に伸びる冷却加工液流路が形成され、ハウジングの後端に筒状の冷却加工液供耠部材が固定状に設けられていたとしても、スピンドルと冷却加工液供給部材とをロータリージョイントを介して接続することはできない。また、接触式の密封装匿を用いると高速回転に対応できなくなる。そのため、冷却加工液供給部材をスピンドルの冷却加工液流路に隙間をおいて挿入しておくことも考えられるが、これでは加工液の洩れを完全に防止することはできない。そして、加工液の洩れが発生すると、特に加工液が水溶性の場合、絶縁不良などが発生し、モータ

、磁気軸受、センサなどが破損して磁気軸受スピンドル装置全体の故障につながる。

この発明の目的は、上記問題を解決した磁気軸受スピンドルを提供することにある。発明の開示

この発明による磁気軸受スピンドル装置は、

ノヽウジング内にスピンドルが配置され、スピンドルが、回転時には磁気軸受によりハウジングに対して非接触状態で支持され、回転開始時および停止時には機械式のタツチダウン軸受により接触状態で支持されるようになされている磁気軸受スピンドル装置において、

スピンドルに軸線方向に伸びる冷却加工液流路が形成されていることを特徴とするものである。

このように構成されていると、スピンドルの冷却加工液流路に冷却加工液を送り込めば、この冷却加工液が冷却加工液流路を通って前方に送られ、スピンドルの前端に取付けられた工具から被加工物に吹き付けられる。したがって、転がり軸受スピンドル装置に比べて種々のメリツトを有する磁気軸受スピンドル装置においても、被加工物および工具の冷却が可能になる。

上記磁気軸受スピンドル装置において、スピンドルの冷却加工液流路の内周面に、スピンドルが回転したさいに冷却加ェ液を前方に送るらせん溝が形成されていることがある。

この場合、スピンドルが回転したさいに冷却加工液は確実に刖方に isりれる o 上記磁気軸受スピンドル装置において、ハウジングの後端に、スピンドルの冷却加工液流路内に隙間をおいて挿入される筒状の冷却加工液供給部材が固定状に設けられ、冷却加工液供給部材の外周面とスピンドルの冷却加工液流路の内周面との半径方向の間隔が、スピンドルが非接触状態で支持されたさいの夕ツチダウン軸受とスピンドルとの半径方向の間隔よりも大きくされていることがある。

この場合、冷却加工液供給部材を通してスピンドルの冷却加工液流路に冷却加工液を供給することができる。しかも、冷却加工液供給部材の外周面とスピンドルの冷却加工液流路の内周面との半径方向の間隔が、スピンドルが非接触状態で支持されたさいのタツチダウン軸受とスピンドルとの半径方向の間隔よりも大きくされていると、磁気軸受スピンドル装置の作動および停止の切り替わりによりスピンドルのラジアル方向およびアキシアル方向の位置が変わるさいにも、スピンドルと冷却加工液供給部材の接触干渉が防止される。

上記のように、冷却加工液供給部材が設けられている磁気軸受スピンドル装置において、ハウジング内の後端部にスピンドルと冷却加工液供铪部材との隙間に連なつた加工液溜めが形成され、ハウジングに加工液溜めに連なつたドレン穴が形成されているのがよい。この場合、スピンドルと冷却加工液供铪部材との隙間から後方へ洩れた冷却加工液は、加工液溜めに溜められてドレン穴から排出される。

上記のように、加工液溜めが形成され、ハウジングに加工液溜めに連なったドレン穴が形成されている磁気軸受スピンドル装置において、ウジングとスピンドルとの間に、ヽゥジング内における加工液溜めの部分とこれよりも前方の部分との間をシールするシール手段が設けられているのがよい。上記シール手段は、ハウジングとスピンドルとの間に形成されたラビリンスシールであることが好ましい。この場合、加ェ液溜め内に溜められた冷却加工液の加工液溜めよりも前方の部分への浸入が防止される。したがって、ハウジング内における加工液溜めよりも前方の部分に存在するモータ、磁気軸受およびセンサ等の冷却加工液による絶縁不良などに起因する破損が防止され、ひいては装置全体の故障が防止されるまた、上記のように、冷却加工液供給部材が設けられている磁気軸受スピンドル装置において、スピンドルの冷却加工液流路の内周面に、その後端から冷却加工液供給部材の挿入深さよりも長い範囲にわたって、スピンドルが回転したさいに冷却加工液を前方に送るらせん溝が形成されていることがある。この場合、スピンドルが回転したさいに冷却加工液は確実に前方に送られ、スピンドルと冷却加工液供給部材との隙間からの公報への洩れが抑制される。

また、上記のように、冷却加工液供給部材が設けられている磁気軸受スピンドル装置において、スピンドルの冷却加工液流路の内周面に、スピンドルが回転したさいに冷却加工液を前方に送るらせん溝が形成され、冷却加工液供給部材におけるスピンドルの冷却加工液流路内に挿入されている部分の外周面に、スピンドルの冷却加工液流路の内周面に形成されたらせん溝とは捩じれ方向の異なるらせん溝が形成されていることがある。この場合、両らせん溝の働きにより、スピンドルの回転時における冷却加工液供給部材とスピンドルとの間の冷却加工液の後方への流れが一層確実に抑制される。上記磁気軸受スピンドル装置において、磁気軸受が、スピンドルの軸線方向に離隔した 2箇所の位置においてそれぞれヽゥジングとスピンドルとの間に配設されたラジアル磁気軸受と、ハウジングとスピンドルに固定状に設けられた外向きフランジとの間に配設されたアキシアル磁気軸受と、スピンドルのラジアル方向の位置を検出するラジアルセンサと、スピンドルのアキシアル方向の位置を検出するアキシアルセンザと、ラジアルセンサおよびアキシアルセンサよりの位置検出信号に基いてラジアル磁気軸受とアキシアル磁気軸受とに電流を供給する磁気軸受制御回路とを備えていることがあるこの場合、 2つのラジアル磁気軸受の間に、アキシアル磁気軸受と、スピンドルを回転駆動するモータとが配置されていることがある。さらに、夕ツチダウン軸受が、 2つのラジアル磁気軸受よりもスピンドルの軸線方向外側に配設されていることがある。この場合、万一冷却加工液がスピンドルと冷却加工液供給部材との間から後方に洩れたとしても、タツチダウン軸受自体が障壁となるとともに、スピンドルとタツチダウン軸受との間の隙間がラビリンスシールの働きをし、ラジアル磁気軸受ゃアキシアル磁気軸受の箇所まで冷却加工液が流入するのが防止される。図面の簡単な説明

第 1図はこの発明による磁気軸受スピンドル装置の全体構成を示す縦断面図である。第 2図は第 1図の要部拡大図である。第 3図は第 1図の要部を分解して示す図である。発明を実施するための最良の形態

以下、この発明の最良の実施形態を、図面を参照して説明する。

第 1図はこの発明による磁気軸受スピンドル装置の全体構成を示し、第 2図および第 3図はその要部の構成を示す。

第 1 図において、磁気軸受スピンドル装置は、公知のように、ハウジング（1 ) 内に、スピンドル（2) 、モータ（3) 、ラジアル磁気軸受（4) 、アキシアル磁気軸受（5) 、ラジアルセンサ（6) 、アキシアルセンサ（7) および夕ツチダウン軸受（8 ) (9)などが配置されている。

ラジアル磁気軸受（4) は、スピンドル（2) の軸線方向に離隔した 2箇所の位置においてそれぞれハウジング（1 ) とスピンドル（2) との間に配設されている。アキシアル磁気軸受（5 ) は、ハウジング（1 ) とスピンドル（2) に固定状に設けられた外向きフランジ（4 1 ) との間に配設されている。ラジアル磁気軸受（4) 、アキシアル磁気軸受（5) 、スピンドル（2) のラジアル方向の位置を検出する 2つのラジアルセンサ（6) 、およびスピンドル（2) のアキシアル方向の位匿を検出するアキシアルセンサ（7) は、ラジアルセンサ（6) とアキシアルセンサ（7) とからの位置検出信号に基いてラジアル磁気軸受 U) とアキシアル磁気軸受（5) とに電流を供給する磁気軸受制御回路（40)にそれぞれ接続されている。 2つのラジアル磁気軸受（4) の間に、アキシアル磁気軸受（5) と、スピンドル（2) を回転駆動するモータ（3) と、アキシアルセンサ（7) とが配置されている。 2つのラジアルセンサ（6) は、 2つのラジアル磁気軸受（4) よりもスピンドル（2) の軸線方向の外側にそれぞれ配置されている。また、タツチダウン軸受（8) (9)は、 2つのラジアル磁気軸受 U) およびラジアルセンサ（6) よりもスピンドル（2) の軸線方向外側に配設されている。

スピンドル（2) の前端はハウジング（1) の前端を貫通して外部に突出させられており、ここに工具が取付けられるようになっている。そして、スピンドル（2) は、回転時にはラジアル磁気軸受 U) およびアキシアル磁気軸受（5) によりハウジング（1) に対して非接触状態で支持され、回転開始時および停止時には機械式のタツチダウン軸受（8) (9)により接触状態で支持されるようになされている。

ハウジング（1) は、円筒状の主構成部材（11)と、主構成部材（11)の前端に固定された環状の前部構成部材（12)と、主構成部材（11)の後端に固定された環状の後部構成部材（13)と、前部構成部材（12)の前面に固定されかつ前部構成部材（12)とともに前側のタツチダウン軸受（8) を固定する環状の前部押ぇ部材（14)と、後部構成部材（13)の後面に固定されかつ後部構成部材（13)とともに後側の夕ツチダウン軸受（9) を固定する環状の後部押え部材（15)と、後部押え部材（15)の後面に固定されてハウジング（1) の後端を閉鎖する閉鎖板（16)とよりなる。ハウジング（1) の後端部は主構成部材（11)に固定されたカバー（Π)により覆われている。なお、（U)はハウジング (1) およびカバー（Π)に形成されている冷却流体通路である第 1図〜第 3図に示すように、スピンドル（2) に軸線方向に伸びる冷却加工液流路（19)が貫通状に形成されている。冷却加工液流路（19)の後端部に大径部（19 a) が形成されている。冷却加工液流路（19)の大径部（19a) よりも前方の小径部（1 9b) の後端部に、所定長さにわたってスピンドル（2) が回転したさいに冷却加工液を前方に送る少なくとも 1条、たとえば 2条のらせん溝（21)が形成されている。たとえば、後方から前方を見てスピンドル（2) が時計方向（右方）に回転する場合には、らせん溝（21)は左捩じれとなされている。大径部 (19a) の内周面にも、スピンドル（2) が回転したさいに冷却加工液を前方に送る少なくとも 1条、たとえば 2条のらせん溝（22)が形成されている。このらせん溝（22)の捩じれ方向も小径部（19 b) のらせん溝（21)の捩じれ方向と同じになつている。冷却加工液流路（19)の前端部にテーパ部（19c) および大径部（19d) が形成されている。そして、前部大径部（19d) および小径部（19 b) の前端部の内周面にそれぞれ工具固定用のめねじ（23 ) (24 )が形成されている。後側のめねじ（24)よりもさらに後方の部分の内周面には、前述のらせん溝（21)と同様の冷却加工液送出用のらせん溝（25)が形成されている。

第 2図に示すように、スピンドル（2) の後端部に小径部（2 a)が形成されており、小径部（2a)の後部外周面におねじ（26) が形成されている。小径部（2 a)の後端部は後部押え部材（15) に形成された貫通穴（15a) を通って後方に突出している。そして、後部押え部材（15)の後方から貫通穴（15a) を通して、スピンドル（2) の小径部（2a)のおねじ（26)にリング（27)がねじ嵌められている。リング（27)と後部押え部材（15)との間に全周にわたつてラビリンスシール（28)が設けられている。

筒状の冷却加工液供給部材（29)が、カバー（Π)の後方からカバー（17)を貫通するとともに閉鎖板（16)を液密状に貫通してハウジング（1) 内に挿入され、カバー（Π)および閉鎖板（1 6)に固定されている。冷却加工液供給部材（29)の前部には小径部（29a) が形成されており、この小径部（29a) がスピンドル（2) の冷却加工液流路（19)の大怪部（19a) 内に隙間をおいて挿入されている。冷却加工液流路（19)の大径部（19a) の内周面と冷却加工液供給部材（29)の小径部（29a) の外周面との半径方向の間隔 Lは、スピンドル（2) がラジアル磁気軸受（4 ) およびアキシアル磁気軸受（5) により非接触状態で支持されたさいの夕ツチダウン軸受（8) (9)とスピンドル（2) との半径方向の間隔よりも大きくなつている。冷却加工液供給部材（29)の小径部（29a) の外周面に、スピンドル（2) の冷却加ェ液流路（19)の大径部（19a) 内周面に形成されたらせん溝（2 2) と捩じれ方向の異なるらせん溝（31)が少なくとも 1条、たとえば 2条形成されている。

ハウジング（1) 内の後端部、すなわち後部押え部材（15)と閉鎖板（16)とリング（27)と冷却加工液供給部材（29)とにより区画された部分に、スピンドル（2) と冷却加工液供給部材（2 9)との間の隙間に連なった環状の加工液溜め（32)が形成されている。そして、加工液溜め（32)とハウジング（1) 内における後部押え部材（15)よりも前方の部分との間がラビリンスシール（28)によりシールされている。後部押え部材（15)に、加ェ液溜め（32)に連なったドレン穴（33)が、周方向に間隔をおいて複数形成されている。カバー（Π)の周壁を外側から貫通した冷却加工液吸引部材（34)の先端部がドレン穴（33)内に差し込まれて固定されている。冷却加工液吸引部材（34)に吸引装置（35)から伸びている吸引管（36)が接続されている。

このような構成において、磁気軸受スピンドル装置の作動時にラジアル磁気軸受 U) およびアキシアル磁気軸受（5) により非接触状態で支持されているスピンドル（2) がモータ（3 ) により回転させられると、冷却加工液供給部材（29)を通つてスピンドル（2) の冷却加工液流路（19)内に送り込まれた冷却加工液が、冷却加工液流路（ )を通って前方に送られ、ェ具から被加工物に向けて吹き出される。このとき、冷却加工液流路（19)の小径部（19 b) の後端部内周面に形成されたらせん溝（21)の働きによって冷却加工液は前方に送られ、後方に流れるのが抑制される。冷却加工液が後方に流れて冷却加工液流路（19)の大径部（19 a) 内周面と冷却加工液供給部材（29) の小径部（29a) 外周面との隙間に流入したとしても、冷却加ェ液流路（19)の大径部（Ha) 内周面に形成されたらせん溝（2 2)と冷却加工液供給部材（29)の小径部（29a) 外周面に形成されたらせん溝（31) との働きにより、冷却加工液は前方に送られ、後方への流れが抑制される。その結果、冷却加工液がスピンドル（2) と冷却加工液供給部材（29)との隙間からの後方へ洩れるのが抑制される。

仮に、冷却加工液がスピンドル（2) と冷却加工液供給部材 (29)との隙間から後方へ洩れたとしても、この冷却加工液は加工液溜め（32)に溜められ、ドレン穴（33)を通して吸引装置 (35)により吸引部材（34)および吸引管（36)を経て吸引除去される。

また、ラビリンスシール（28)の働きにより、加工液溜め（3 2)内の冷却加工液のハウジング（1) 内における後部押え部材 (15)よりも前方への浸入が防止される。なお、リング（27)が回転することにより生じる遠心力によって、加工液溜め（32) 内の冷却加工液がラピリンスシ一ル（28)側に流れるのが抑制される。その結果、モータ（3) 、ラジアル磁気軸受（4) 、ァキシアル磁気軸受（5) 、ラジアルセンサ（6) およびアキシァルセンサ（7) の破損が防止される。なお、上記実施例では、らせん溝（2 1 )を冷却加工液流路（1 9)の後端部にのみ形成したが、冷却加工液流路（1 9)の軸方向の全体に形成しておいてもよい。このようにすると、より確実に冷却加工液を前方に送出することができる。産業上の利用可能性

この発明による磁気軸受スピンドル装置は、工作機械として用いられるのに適している。

2 一

Claims

請求の範囲

1 ウジング内にスピンドルが配置され、スピンドルが

、回転時には磁気軸受によりハウジングに対して非接触状態で支持され、回転開始時および停止時には機械式のタツチダウン蚰受により接触状態で支持されるようになされている磁気軸受スピンドル装置において、

スピンドルに軸線方向に伸びる冷却加工液流路が形成されていることを特徴とする磁気軸受スピンドル装置。

2 . スピンドルの冷却加工液流路の内周面に、スピンドルが回転したさいに冷却加工液を前方に送るらせん溝が形成されている請求項 1の磁気軸受スピンドル装匮。

3 . ハウジングの後端に、スピンドルの冷却加工液流路内に隙間をおいて挿入される筒状の冷却加工液供給部材が固定状に設けられ、冷却加工液供給部材の外周面とスピンドルの冷却加工液流路の内周面との半径方向の間隔が、スピンドルが非接触状態で支持されたさいのタツチダウン軸受とスピンドルとの半径方向の間隔よりも大きくされている請求項 1 の磁気軸受スピンドル装置。

4 . ハウジング内の後端部にスピンドルと冷却加工液供給部材との隙間に連なった加工液溜めが形成され、ハウジングに加工液溜めに連なったドレン穴が形成されている請求項 3 の磁気軸受スピンドル装置。

5 ウジングとスピンドルとの間に、ヽゥジング内における加工液溜めの部分とこれよりも前方の部分との間をシールするシール手段が設けられている請求項 4の磁気軸受スピンドル装置。

. シール手段が、ハゥジングとスピンドルとの間に形成されたラビリンスシールである請求項 5の磁気軸受スピンドル装置。

. スピンドルの冷却加工液流路の内周面に、その後端から冷却加工液供給部材の挿入深さよりも長い範囲にわたつて、スピンドルが回転したさいに冷却加工液を前方に送るらせん溝が形成されている請求項 3 の磁気軸受スピンドル装置。

. スピンドルの冷却加工液流路の内周面に、スピンドルが回転したさいに冷却加工液を前方に送るらせん溝が形成され、冷却加工液供給部材におけるスピンドルの冷却加工液流路内に挿入されている部分の外周面に、スピンドルの冷却加工液流路の内周面に形成されたらせん溝とは捩じれ方向の異なるらせん溝が形成されている請求項 3の磁気軸受スピンドル装置。

. 磁気軸受が、スピンドルの軸線方向に離隔した 2箇所の位匿においてそれぞれハウジングとスピンドルとの間に配設されたラジァル磁気軸受と、ハウジングとスピンドルに固定状に設けられた外向きフランジとの間に配設されたアキシアル磁気軸受と、スピンドルのラジアル方向の位置を検出するラジアルセンサと、スピンドルのアキシアル方向の位置を検出するアキシアルセンサと、ラジアルセンサおよびアキシアルセンサよりの位置検出信号に基いてラジアル磁気軸受とアキシアル磁気軸受とに電流を供給する磁気軸受制御回路とを備えている請求項 1の磁気軸受スピンドル装置。

0. 2つのラジアル磁気軸受の間に、アキシアル磁気軸受

4 と、スピンドルを回転駆動するモータとが配置されている請求項 9の磁気軸受スピンドル装置。

1 1 . 夕ツチダウン軸受が、 2つのラジアル磁気軸受よりもスピンドルの軸線方向外側に配設されている請求項 9の磁気軸受スピンドル装置。

5 一