WO2016199534A1 - モータ内蔵スピンドル用玉軸受 - Google Patents

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崇広 金本
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Definitions

  • the present invention relates to a ball bearing for a small spindle, particularly a motor built-in spindle.
  • Small spindle is mainly used for light load machining such as aluminum machining.
  • the spindle with a built-in motor has a motor 2 built in the housing 1 of the spindle, the periphery of the motor 2 serves as a heat generation source. Therefore, it is necessary to cool the bearing 3 together with the motor 2.
  • the method of cooling the inside of the spindle housing 1 with a liquid is not only complicated but also difficult in terms of space, for example, the structure needs to be sealed.
  • the cooling in the housing 1 of the spindle with a built-in motor is mainly performed with air that does not require a complicated structure.
  • the air that cools the inside of the spindle housing 1 cools the motor 2 and then the bearing 3 from the rear side by a vent hole 4 installed in the spindle housing 1, and the spindle housing 1 starts from the tip of the spindle housing 1. 1 is discharged to the outside.
  • the tip of the spindle housing 1 also serves as a seal against flying objects, and the pressure inside the spindle housing 1 is increased by an air curtain and a labyrinth seal so that cutting fluid, work pieces, etc. are contained in the spindle housing 1. Preventing intrusion.
  • the bearing 3 used for the spindle with a built-in motor is filled with grease as a lubricant, and as shown in FIG. 4, both end surfaces are sealed with seal plates 5, but air for cooling the inside of the housing 1 of the spindle is used. If it passes through the inside of the bearing 3, the lubricant may leak to the outside.
  • a labyrinth structure is formed between the inner diameter portion of the seal plate 5 and the outer diameter portion of the inner ring 6, and the inner diameter portion of the seal plate 5 is the outer diameter of the inner ring 6. It fits in the seal groove 7 provided in the part.
  • reference numeral 8 denotes a cage
  • 9 denotes an outer ring
  • 10 denotes a rolling element.
  • the labyrinth structure prevents the air that has entered the inside of the bearing 3 from being discharged by the seal plate 5, and the air that has entered the inside of the bearing 3 causes turbulent flow inside the bearing 3 as indicated by the arrows in FIG. 4.
  • the cage 8 may be vibrated.
  • the vibration of the cage 8 is transmitted to the spindle housing 1 and adversely affects the quietness.
  • the present invention is designed so that when cooling air enters the bearing of the spindle with a built-in motor, the air is smoothly discharged outside the bearing without causing turbulent flow inside the bearing. It is an object of the present invention to provide a ball bearing for a spindle with a built-in motor that is less susceptible to vibration and has high quietness.
  • a ball bearing for a spindle with a built-in motor having a seal plate projecting toward the inner ring side on the inner diameter surface of the bearing the bearing center end of the inner diameter surface of the seal plate and the outer surface in the axial direction of the cage are the same surface, or the seal plate
  • the bearing center end of the inner diameter surface of the seal plate is positioned closer to the center side in the axial direction than the outer surface in the axial direction of the cage, and the tip in the bearing center direction of the inner diameter surface of the seal plate and the outer surface in the axial direction of the cage An overlap portion is formed between them.
  • the inner diameter surface of the seal plate is parallel to the outer diameter surface of the inner ring, or is inclined so that the bearing center side has a small diameter and a large diameter toward the outside of the bearing.
  • the circumferential contact portion of the cage pocket with the rolling element is preferably positioned on the outer diameter side of the rolling element PCD.
  • the inner diameter portion of the cage is located on the outer diameter side of the rolling element PCD.
  • a grease pocket for enclosing grease is provided in the inner diameter portion of the outer ring.
  • the tip in the bearing center direction of the inner surface of the seal plate and the outer surface in the axial direction of the cage are the same surface, or the inner surface of the seal plate If an overlap portion is formed between the tip of the bearing in the center direction of the bearing and the outer surface of the cage in the axial direction, when the cooling air passes through the bearing of the spindle with a built-in motor, the cooling air enters the cage side. Therefore, the turbulent flow of cooling air inside the bearing is unlikely to occur, the cooling air is smoothly discharged outside the bearing, and the cage vibration due to the collision between the cooling air and the cage can be prevented. High silence can be maintained.
  • the ball bearing for spindle with a built-in motor is an angular ball bearing.
  • the angular ball bearing according to the present invention includes an inner ring 11, an outer ring 12, a rolling element 13 disposed on the rolling surfaces of the inner ring 11 and the outer ring 12 facing each other, a cage 14 that holds the rolling element 13, and an inner ring. 11 and seal plates 15 provided on both end faces of the outer ring 12.
  • the seal plate 15 is mounted in a mounting groove 16 provided on the inner diameter surface of the outer ring 12.
  • the outer diameter surface 11 a of the inner ring 11 facing the inner diameter portion of the seal plate 15 is formed in a straight line, and between the inner diameter portion of the seal plate 15 and the outer diameter surface of the inner ring 11, Unlike the conventional bearing shown in FIG. 4, the seal groove forming the labyrinth structure is not formed.
  • the bearing center direction tip 15a of the inner diameter surface of the seal plate 15 and the outer side surface 14a of the cage 14 in the axial direction are the same surface, or, as shown in FIG.
  • the bearing 14 is positioned closer to the center side in the axial direction than the outer side surface 14a in the axial direction, and between the bearing center direction tip 15a of the inner diameter surface of the seal plate 15 and the outer side surface 14a in the axial direction of the cage 14.
  • An overlap portion A is formed.
  • the bearing center direction tip 15a of the inner diameter surface of the seal plate 15 and the outer side surface 14a of the cage 14 in the axial direction are the same surface, or the bearing center direction tip 15a of the inner diameter surface of the seal plate 15 and the cage. If the overlap portion A is formed between the outer surface 14a in the axial direction of 14 and the cooling air passes through the bearing of the motor built-in spindle, the cooling air is prevented from entering the cage 14 side. Further, turbulent flow of the cooling air inside the bearing hardly occurs, and vibration of the cage 14 due to collision between the cooling air and the cage 14 can be prevented.
  • the inner diameter surface of the seal plate 15 is parallel to the outer diameter surface 11a of the inner ring 11, or is inclined so that the bearing center side has a small diameter and increases toward the outer side of the bearing.
  • the angle ⁇ formed between the intersection B of the outer diameter surface 11a of the inner ring 11 on the extension line of the inner diameter surface of the seal plate 15 and the inner diameter surface of the seal plate 15 is determined by the cooling air that has directly collided with the outer diameter surface 11a of the inner ring 11. It is desirable to set the angle to suppress the collision with the cage 14.
  • 2 and 3 are partially enlarged views showing the guide state of the cage 14 of the embodiment of the ball bearing for a spindle with a built-in motor according to the present invention.
  • the alternate long and two short dashes line indicates the pitch circle diameter (PCD) of the rolling element 13
  • reference numeral 14 b indicates a pocket that accommodates the rolling element 13.
  • the size of the inner diameter portion 14c of the cage 14 is preferably larger than the inner diameter size of the seal plate 15 so as not to hinder the passage of air.
  • FIG. A structure in which the circumferential contact portion 14e with the rolling element 13 of 14b is on the outer diameter side than the PCD of the rolling element 13 is more preferable.
  • the circumferential contact portion 14e of the pocket 14b of the cage 14 with the rolling element 13 is located on the outer diameter side of the PCD of the rolling element 13, so that the rolling element 13 moves in the circumferential direction as shown by the thick arrow.
  • a force in the outer diameter direction always acts on the retainer 14, a clearance between the retainer 14 and the outer diameter surface 11a of the inner ring 11 is secured, and passage of air is not hindered.
  • the inner diameter portion 14 c of the cage 14 is more than the PCD of the rolling element 13 so that a force in the outer diameter direction always acts on the cage 14 with respect to the circumferential movement of the rolling element 13. It may be located on the outer diameter side.
  • the circumferential contact portion 8b of the pocket 8a of the cage 8 with the rolling element 10 is on the PCD of the rolling element 10, but the embodiment of the present invention shown in FIG. Then, the circumferential direction contact part 14e with the rolling element 13 of the pocket 14b of the holder
  • retainer 14 is located in the outer diameter side rather than PCD of a rolling element.
  • a grease pocket 17 is provided in the part.
  • the orientation of the bearing differs between the two rows with respect to the air flow, so that the grease pockets 17 are formed on the left and right sides of the bearing. .
  • the amount of grease filled is 40% to 50% of the static space volume. If it is 40% or less, a stable durability effect cannot be obtained due to the bias of grease due to air pressure. In the case of 50% or more, due to grease bias due to air pressure, excessive rewinding of grease leads to large temperature fluctuations and vibration fluctuations, and stable rotation cannot be obtained.
  • the base oil viscosity of the grease is preferably 20 to 40 mm 2 / s.

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Abstract

モータ内蔵スピンドルの軸受内に冷却エアが侵入した際に、エアが軸受内部で乱流を起こすことなく、エアが軸受外部に排出され、保持器１４の振動が生じ難く、静粛性の高いモータ内蔵スピンドル用玉軸受を提供することを課題とする。シール板１５の内径面の軸受中心方向先端１５ａを、保持器１４の軸方向の外側面１４ａよりも軸方向の中心側に位置させて、シール板１５の内径面の軸受中心方向先端１５ａと保持器１４の軸方向の外側面１４ａとの間にオーバーラップ部Ａを形成し、軸受の内部を冷却エアが通過する際に、冷却エアの保持器１４側への侵入を抑制して、冷却エアがスムーズに軸受外部に排出されるようにした。

Description

モータ内蔵スピンドル用玉軸受
　この発明は、小型スピンドル、特にモータ内蔵スピンドル用玉軸受に関するものである。
　小型スピンドルは、主にアルミ加工などの軽負荷加工に用いられている。
　近年、小型スピンドルは、図６に示すように、コンパクト化を目的にスピンドルのハウジング１内にモータ２を内蔵したタイプが多くなってきている（特許文献１～３）。なお、図６において、被加工物は、符号Ｗで示している。
　この種のモータ内蔵スピンドル用玉軸受３としては、高速性を求められることから、アンギュラ玉軸受を使用することが多い。
実用新案登録第３１５０３７１号公報 特開２００５－１９９８２８号公報 特開２０１３－０６３７２７号公報
　モータ内蔵スピンドルは、スピンドルのハウジング１内にモータ２を内蔵していることから、モータ２の周辺が発熱源となるので、モータ２と共に、軸受３を冷却する必要がある。
　スピンドルのハウジング１内を液体で冷却する方法は、構造にシール性が必要になる等、構造が複雑になるばかりか、スペース的にも困難であることが多い。
　このため、モータ内蔵スピンドルのハウジング１内の冷却には、複雑な構造が不要なエアでの冷却が主流になっている。
　このスピンドルのハウジング１内を冷却するエアは、スピンドルのハウジング１に設置された通気孔４により、後ろ側からモータ２、次に軸受３を冷却し、スピンドルのハウジング１の先端部からスピンドルのハウジング１の外部に排出される。
　スピンドルのハウジング１の先端部は、飛来物に対するシールを兼ねており、エアカーテン、ラビリンスシールにより、スピンドルのハウジング１の内部の圧力を高くし、切削液、加工片等がスピンドルのハウジング１内に侵入することを防止している。
　ところで、スピンドルのハウジング１内を冷却するエアは、軸受３の内部を通過することもあるため、次のような問題がある。
　モータ内蔵スピンドルに使用する軸受３は、内部に潤滑剤としてグリースが充填され、図４に示すように、両端面がシール板５によって密封されているが、スピンドルのハウジング１内を冷却するエアが軸受３の内部を通過すると、潤滑剤が外部に漏洩するおそれがある。
　潤滑剤が外部に漏えいすると、軸受の耐久性能に影響を及ぼす可能性がある。
　また、従来、図４に示すように、シール板５の内径部と、内輪６の外径部との間は、ラビリンス構造になっており、シール板５の内径部が、内輪６の外径部に設けたシール溝７に嵌っている。なお、図４において、符号８は保持器、９は外輪、１０は転動体を示している。
　上記ラビリンス構造により、軸受３の内部に侵入したエアの排出がシール板５によって妨げられ、図４の矢印に示すように、軸受３の内部に侵入したエアが軸受３の内部で乱流を引き起こして、保持器８を振動させることがある。
　保持器８の振動は、スピンドルのハウジング１に振動が伝達され、静粛性にも悪影響を及ぼす。
　そこで、この発明は、モータ内蔵スピンドルの軸受内に冷却エアが侵入した際に、エアが軸受内部で乱流を起こすことなく、エアがスムーズに軸受外部に排出されるようにして、保持器の振動が生じ難く、静粛性の高いモータ内蔵スピンドル用玉軸受を提供しようとするものである。
　上記の課題を解決するため、この発明においては、内輪と、外輪と、内輪と外輪の対向する転動面に配設された転動体と、転動体を保持する保持器と、外輪の両端部の内径面に内輪側に向かって突出するシール板を有するモータ内蔵スピンドル用玉軸受において、シール板の内径面の軸受中心方向先端と保持器の軸方向の外側面とが同一面、もしくはシール板の内径面の軸受中心方向先端を保持器の軸方向の外側面よりも軸方向の中心側に位置させて、シール板の内径面の軸受中心方向先端と保持器の軸方向の外側面との間にオーバーラップ部を形成したことを特徴とする。
　前記シール板の内径面が、内輪の外径面に対して平行、もしくは軸受中心側が小径で、軸受外側に向かって大径になるように傾斜していることが好ましい。
　前記保持器のポケットの転動体との周方向接触部は、転動体のＰＣＤよりも外径側に位置することが好ましい。
　また、前記保持器の内径部は、転動体のＰＣＤよりも外径側に位置することが好ましい。
　また、前記外輪の内径部に、グリースを封入するグリースポケットを設けることが好ましい。
　この発明に係るモータ内蔵スピンドル用玉軸受においては、上記のように、シール板の内径面の軸受中心方向先端と保持器の軸方向の外側面とが同一面か、もしくは、シール板の内径面の軸受中心方向先端と保持器の軸方向の外側面との間にオーバーラップ部を形成すると、モータ内蔵スピンドルの軸受内に冷却エアが通過する際に、冷却エアの保持器側への侵入が抑制されるので、軸受内部での冷却エアの乱流が生じ難く、冷却エアがスムーズに軸受外部に排出され、また、冷却エアと保持器との衝突による保持器の振動を防止することができ、高い静粛性を維持することができる。
この発明に係るモータ内蔵スピンドル用玉軸受の部分断面図である。 この発明に係るモータ内蔵スピンドル用玉軸受の保持器の案内状態を示す部分拡大図である。 この発明に係るモータ内蔵スピンドル用玉軸受の別な形態の保持器の案内状態を示す部分拡大図である。 従来のモータ内蔵スピンドル用玉軸受の部分断面図である。 従来のモータ内蔵スピンドル用玉軸受の保持器の案内状態を示す部分拡大図である。 モータ内蔵スピンドルの概略図である。
　以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
　この発明の一実施形態に係るモータ内蔵スピンドル用玉軸受は、図１に示すように、アンギュラ玉軸受である。
　この発明に係るアンギュラ玉軸受は、内輪１１と、外輪１２と、内輪１１と外輪１２の対向する転動面に配設された転動体１３と、転動体１３を保持する保持器１４と、内輪１１と外輪１２の両端面に設けられたシール板１５とからなる。
　シール板１５は、外輪１２の内径面に設けられた取付溝１６に装着されている。
　シール板１５の内径部と対面する内輪１１の外径面１１ａは、図１に示すように、直線状に形成され、シール板１５の内径部と内輪１１の外径面との間に、図４に示す従来の軸受のように、ラビリンス構造を形成するシール溝を形成していない。
　シール板１５の内径面の軸受中心方向先端１５ａと保持器１４の軸方向の外側面１４ａとが同一面、もしくは、図１に示すように、シール板１５の内径面の軸受中心方向先端１５ａを、保持器１４の軸方向の外側面１４ａよりも軸方向の中心側に位置させて、シール板１５の内径面の軸受中心方向先端１５ａと保持器１４の軸方向の外側面１４ａとの間にオーバーラップ部Ａを形成している。
　このように、シール板１５の内径面の軸受中心方向先端１５ａと保持器１４の軸方向の外側面１４ａとが同一面か、もしくは、シール板１５の内径面の軸受中心方向先端１５ａと保持器１４の軸方向の外側面１４ａとの間にオーバーラップ部Ａを形成すると、モータ内蔵スピンドルの軸受内に冷却エアが通過する際に、冷却エアの保持器１４側への侵入が抑制されるので、軸受内部での冷却エアの乱流が生じ難く、また、冷却エアと保持器１４との衝突による保持器１４の振動を防止することができる。
　また、シール板１５の内径面は、内輪１１の外径面１１ａに対して平行、もしくは軸受中心側が小径で、軸受外側に向かって大径になるように傾斜している。このシール板１５の内径面の延長線上における内輪１１の外径面１１ａの交点Ｂと、シール板１５の内径面とがなす角度αは、内輪１１の外径面１１ａに直接衝突した冷却エアが、保持器１４への衝突を抑制する角度にすることが望ましい。
　図２及び図３は、それぞれこの発明に係るモータ内蔵スピンドル用玉軸受の実施形態の保持器１４の案内状態を示す部分拡大図である。図２及び図３において、二点鎖線は、転動体１３のピッチ円直径（ＰＣＤ）を示し、符号１４ｂは、転動体１３を収容するポケットを示している。
　次に、保持器１４の内径部１４ｃの寸法は、エアの通過を妨げないようシール板１５の内径寸法より大きくすることが好ましいが、図２に示すように、回転中の保持器１４のポケット１４ｂの転動体１３との周方向接触部１４ｅが転動体１３のＰＣＤよりも外径側になるような構造がより好ましい。保持器１４のポケット１４ｂの転動体１３との周方向接触部１４ｅが転動体１３のＰＣＤよりも外径側にすることにより、太線の矢印で示すように、転動体１３の円周方向運動に対し常に保持器１４に外径方向の力が作用するため、保持器１４と内輪１１の外径面１１ａとの隙間が確保され、エアの通過が妨げられない。
　また、図３に示すように、転動体１３の円周方向運動に対し常に保持器１４に外径方向の力が作用するよう、保持器１４の内径部１４ｃが、転動体１３のＰＣＤよりも外径側に位置させてもよい。
　即ち、従来例では、図５に示すように、保持器８のポケット８ａの転動体１０との周方向接触部８ｂは転動体１０のＰＣＤ上になるが、図２に示すこの発明の実施形態では、保持器１４のポケット１４ｂの転動体１３との周方向接触部１４ｅは転動体のＰＣＤよりも外径側に位置している。
　また、図１の実施形態では、外輪１２の軌道輪と転動体１３との間、外輪１２の軌道輪と保持器１４との間に、安定的に潤滑剤を供給するため、外輪１２の一部にグリースポケット１７を設けている。
　この発明に係るアンギュラ玉軸受を２列の背面合せで使用する場合には、エアの流れに対し軸受の向きが２列間で異なるため、軸受の左右両側にグリースポケット１７を形成するようにする。
　また、グリース封入量は、静止空間容積の４０％～５０％とする。４０％以下の場合、エア圧よるグリースの偏りにより、安定した耐久効果が得られない。５０％以上の場合、エア圧よるグリースの偏りにより、グリースの再巻き込み過多により温度変動大、振動変動に繋がり安定した回転が得られない。なお、グリースの基油粘度は、２０～４０ｍｍ2/ｓが好ましい。
１０　　　：転動体
１１　　　：内輪
１１ａ　　：外径面
１２　　　：外輪
１３　　　：転動体
１４　　　：保持器
１４ａ　　：外側面
１４ｂ　　：ポケット
１４ｃ　　：内径部
１４ｅ　　：周方向接触部
１５　　　：シール板
１５ａ　　：軸受中心方向先端
１６　　　：取付溝
１７　　　：グリースポケット

Claims (6)

  1. 　内輪と、外輪と、内輪と外輪の対向する転動面に配設された転動体と、転動体を保持する保持器と、外輪の両端部の内径面に内輪側に向かって突出するシール板を有するモータ内蔵スピンドル用玉軸受において、シール板の内径面の軸受中心方向先端と保持器の軸方向の外側面とが同一面、もしくはシール板の内径面の軸受中心方向先端を保持器の軸方向の外側面よりも軸方向の中心側に位置させて、シール板の内径面の軸受中心方向先端と保持器の軸方向の外側面との間にオーバーラップ部を形成したことを特徴とするモータ内蔵スピンドル用玉軸受。
  2. 　前記シール板の内径面が、内輪の外径面に対して平行、もしくは軸受中心側が小径で、軸受外側に向かって大径になるように傾斜していることを特徴とする請求項１記載のモータ内蔵スピンドル用玉軸受。
  3. 　前記保持器のポケットの転動体との周方向接触部は、転動体のＰＣＤよりも外径側に位置することを特徴とする請求項１又は２記載のモータ内蔵スピンドル用玉軸受。
  4. 　前記保持器の内径部が、転動体のＰＣＤよりも外径側に位置することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のモータ内蔵スピンドル用玉軸受。
  5. 　前記外輪の内径部に、潤滑剤としてグリースを封入した請求項１から４のいずれかに記載のモータ内蔵スピンドル用玉軸受。
  6. 　前記外輪の内径部に、グリースを封入するグリースポケットを設けたことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のモータ内蔵スピンドル用玉軸受。
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