WO2019182048A1 - 工作機械の主軸装置 - Google Patents

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fin
side bearing
heat
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洋祐 安田
毅 川田
和雅 ▲高▼野
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株式会社牧野フライス製作所
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    • B23Q5/10—Driving main working members rotary shafts, e.g. working-spindles driven essentially by electrical means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • Y10T409/30—Milling
    • Y10T409/309352—Cutter spindle or spindle support

Definitions

  • the present invention relates to a spindle device of a machine tool that uses a heat pipe and a heat exchanger to efficiently discharge heat from a spindle that is formed so that a tool or a workpiece is attached to a tip portion.
  • a heat pipe is embedded in the main shaft so as to extend over a front bearing and a rear bearing that rotatably support the main shaft of the machine tool, and between the front bearing and the rear bearing.
  • a bearing cooling structure for the main shaft in which fins are provided on the outer peripheral surface of the central portion of the main shaft, and heat generated by the front bearing and the rear bearing is transported to the central portion of the main shaft by a heat pipe and radiated from the fin to the outside of the main shaft Is described.
  • the present invention has a technical problem to solve such problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a spindle device that can efficiently discharge the heat of the spindle to the outside.
  • the spindle device of a machine tool configured to hold a tool or a workpiece at a front end portion of a spindle that is rotatably supported with respect to a housing
  • the spindle A front side bearing that rotatably supports the main shaft on the front side, a rear side bearing that rotatably supports the main shaft on the rear side of the front side bearing, and a front side bearing between the front side bearing and the rear side bearing.
  • a built-in motor that is arranged around the main shaft and rotationally drives the main shaft at a central portion; a heat pipe that is built in the main shaft and that transfers heat between a central portion and a rear end portion of the main shaft; and the rear side A plurality of plate-shaped inner flanges fixed to a rear portion of the main shaft protruding rearward from the bearing, arranged in the direction of the rotation axis of the main shaft, and extending in a direction perpendicular to the rotation axis of the main shaft.
  • heat transferred from the built-in motor to the main shaft is efficiently transported to the rear portion of the main shaft through the heat pipe, and further, efficiently transported from the inner fin to the outer fin from the rear portion of the main shaft in a non-contact manner. It becomes possible to do. Thereby, the main shaft can be effectively cooled.
  • the main spindle device has a tool mounted on the tip of the main spindle, and the workpiece is attached to the table, for example, three axes orthogonal to the X, Y, and Z axes. It is a spindle device of a machine tool that processes a workpiece with a rotating tool that is relatively moved in a direction.
  • the spindle device of the present invention may be a spindle device of a machine tool that attaches a workpiece to the tip of the spindle and presses a stationary cutting tool (bite) against the rotating workpiece to process the workpiece.
  • the main shaft device 10 includes a hollow housing 12 and a main shaft 14 that is rotatably supported by the housing 12.
  • a tapered hole 14a for mounting a rotary tool T such as an end mill is formed at the tip of the main shaft 14 via a tool holder TH.
  • the main shaft 14 is supported by the rear side bearing 16 and the front side bearings 18 and 20 so as to be rotatable about the rotation axis O.
  • the rear bearing supports the rear end portion of the main shaft 14, and the front bearings 16 and 18 support the front end portion of the main shaft 14. Since a large force acts on the front end portion of the main shaft 14 during processing, the front end portion of the main shaft 14 is supported by two front side bearings 16 and 18. On the other hand, the rear end portion of the main shaft 14 having a relatively small load is supported by one rear bearing 16.
  • the arrangement and number of the rear side bearing 16 and the front side bearings 18 and 20 can be selected as necessary.
  • the center portion of the present invention does not mean a position where the distance from the front end and the rear end in the rotation axis direction of the main shaft 14 is in the center, but supports the front bearings 16 and 18 that support the front end side and the rear end side. It should be noted that it is used to mean the part between the rear bearing and the rear bearing.
  • a built-in motor that rotationally drives the main shaft 14 is incorporated in a portion of the housing 12 corresponding to a central portion of the main shaft 14 between the rear side bearing 16 and the front side bearings 18 and 20.
  • the built-in motor includes a rotor 22 fixed to the outer surface of the central portion of the main shaft 14 and a stator 24 fixed to the housing 12 so as to face the rotor 22.
  • the built-in motors 22 and 24 are connected to a control device of a machine tool, for example, an NC device (not shown), and the start, stop, and rotation speed of the rotation are controlled by the NC device.
  • the spindle device 10 includes a rear heat exchanger in the rear part (the upper end side of the spindle device 10 in FIG. 1).
  • the rear heat exchanger includes inner fins 54 and outer fins 56.
  • the inner fin 54 is fixed to a rear portion of the main shaft 14 protruding rearward from the rear side bearing 16 so as to rotate together with the main shaft 14.
  • the inner fin 54 includes a cylindrical base member 54a that is fixed to the outer peripheral surface of the main shaft 14, and a plurality of fin members 54b that protrude radially outward from the base member 54a.
  • Each of the fin members 54b is a plate member extending in a direction perpendicular to the rotation axis O, and preferably formed in a ring shape.
  • the plurality of fin members 54b are arranged at predetermined intervals in the direction of the rotation axis O of the main shaft 14 along the outer peripheral surface of the base member 54a.
  • the inner fin 54 can be formed, for example, by brazing or welding a ring-shaped fin member 54b to the outer surface of the base member 54a.
  • the fin member 54b and the base member 54a may be integrally formed by forming a plurality of circumferential grooves on the outer peripheral surface of the cylindrical member.
  • the inner fins 54 are preferably arranged so that the inner peripheral surface of the base member 54 a directly contacts the outer peripheral surface of the main shaft 14.
  • the outer fin 56 is fixed to the rear portion of the housing 12 so as to face the inner fin 54.
  • the outer fin 56 does not rotate with the main shaft 14.
  • the outer fin 56 includes a cylindrical or arc-shaped base member 56a and a plurality of fin members 56b protruding radially inward from the inner peripheral surface of the base member 56a.
  • Each of the fin members 56b is a plate member extending in a direction perpendicular to the rotation axis O, and can be formed in an annular shape or an arc shape as described later.
  • the outer fins 56 are preferably arranged so that the outer peripheral surface of the base member 56 a is in direct contact with the inner peripheral surface of the cylindrical member 26.
  • the inner fin 54 and the outer fin 56 are respectively attached to the main shaft 14 and the housing 12 such that the fin members 54b and 56b are alternately arranged in the direction of the rotation axis O.
  • the distance between the fin members 54b, 56b of the inner fin 54 and the outer fin 56 is preferably small, but is selected so that they do not come into contact with each other during vibration of the main shaft 14.
  • the outer fin 56 of the rear heat exchanger comprises two half portions 56 '.
  • the half portion 56 ' can be formed by brazing or welding an arcuate fin member 56b to the inner peripheral surface of a semi-cylindrical member or at least partially cylindrical member.
  • the half member 56 ′ may be formed integrally with the fin member 56 b and the base member 56 a by forming a plurality of grooves in the inner peripheral surface of the semi-cylindrical member or at least partially cylindrical member. It may be.
  • the biasing member 56c presses the half portion 56' against the inner surface of the housing 12, in this embodiment, the inner peripheral surface of the cylindrical member 26 forming the rear coolant passage 26a. Is arranged.
  • the urging member 56c can be formed from a coil spring or a disc spring.
  • a front heat exchanger similar to the rear heat exchanger is also provided in the front portion (lower end portion in FIG. 1) of the spindle device 10.
  • the front heat exchanger includes an inner fin 58 provided in a front portion of the main shaft 14, more specifically, a portion between the two front side bearings 18 and 20, and an inner surface of the housing 12 so as to face the inner fin 58.
  • an outer fin 60 fixed to the outer side.
  • the inner fin 58 has a cylindrical base member 58a fixed to the outer peripheral surface of the main shaft 14, and a plurality of fin members 58b protruding radially outward from the base member 58a.
  • the inner fin 58 is preferably arranged so that the inner peripheral surface of the base member 58 a is in direct contact with the outer peripheral surface of the main shaft 14.
  • the outer fin 60 has a cylindrical or arc-shaped base member 60a and a plurality of fin members 60b protruding radially inward from the inner peripheral surface of the base member 60a.
  • the outer fins 60 are preferably arranged so that the outer peripheral surface of the base member 60 a is in direct contact with the inner peripheral surface of the cylindrical member 30.
  • the outer fins 60 can be formed from two halves, similar to the outer fins 56 of the rear heat exchanger.
  • the inner fin 58 and the outer fin 60 are respectively attached to the main shaft 14 and the housing 12 such that the fin members 58b and 60b are alternately arranged in the direction of the rotation axis O.
  • the distance between the fin members 58b and 60b of the inner fin 58 and the outer fin 60 is preferably small, but is selected so that they do not come into contact with each other during the rotation of the main shaft 14 due to vibration or the like.
  • a rear coolant passage 26 a through which coolant flows is formed in the rear portion of the housing 12.
  • the rear coolant passage 26 a forms a spiral groove on the outer peripheral surface of the cylindrical member 26, and fits the cylindrical member 26 so as to be in close contact with the inner surface of the housing 12. It can form between the inner peripheral surfaces.
  • the rear coolant passage 26 a is disposed at least partially on the base member 56 a of the outer fin 56, preferably so as to overlap the entire base member 56 a in the direction of the rotation axis O.
  • a cooling liquid for example, water is supplied to the rear cooling liquid passage 26a from a cooling liquid supply device (not shown) through a cooling liquid supply pipe 32.
  • the coolant that has flowed through the rear coolant passage 26 a is returned to the coolant supply device by the coolant return pipe 34.
  • the coolant supply device includes, for example, a tank (not shown) for storing coolant, a pump (not shown) for sending coolant from the tank toward the rear coolant passage 26a, an associated valve, and the pump and A control device or a control circuit (not shown) for controlling the operation of the valve can be included.
  • the cooling supply device may include a cooling device (not shown) that cools the coolant that has returned from the rear coolant passage 26a.
  • an intermediate coolant passage 28a through which coolant flows is formed.
  • the intermediate coolant passage 28 a forms a spiral groove on the outer peripheral surface of the cylindrical member 28, and the cylindrical member 28 is fitted to the inner surface of the housing 12 so as to be in close contact with the outer peripheral surface of the cylindrical member 28 and the housing 12. It can form between the inner peripheral surfaces.
  • the intermediate coolant passage 28a is arranged so as to at least partially overlap the stator 24, and preferably overlap the entire stator 24 in the direction of the rotation axis O.
  • the stator 24 is disposed so as to be in direct contact with the inner peripheral surface of the cylindrical member 28 forming the intermediate coolant passage 28a.
  • Cooling liquid is supplied from the cooling liquid supply device to the intermediate cooling liquid passage 28 a through the cooling liquid supply pipe 36.
  • the coolant that has flowed through the intermediate coolant passage 28 a is returned to the coolant supply device by the coolant return conduit 40.
  • a front coolant passage 30a through which coolant flows is formed in the front portion of the housing 12.
  • the front coolant passage 30a is formed, for example, by forming a spiral groove on the outer peripheral surface of the cylindrical member 30 and fitting the cylindrical member 30 so as to be in close contact with the inner surface of the housing 12. It can form between 12 inner peripheral surfaces.
  • the front coolant passage 30a is more preferably a front-side bearing such that it overlaps at least partially with the base member 60a of the outer fin 60, preferably in the direction of the rotation axis O, with the entire base member 60a. 18, 20 and the base member 60a.
  • the coolant is supplied from the coolant supply device to the front coolant passage 30a through the coolant supply pipe 42.
  • the coolant that has flowed through the front coolant passage 30 a is returned to the coolant supply device by the coolant return conduit 44.
  • the spindle device 10 further includes a rear heat pipe 50.
  • the rear heat pipe 50 is incorporated in the rear part of the main shaft 14.
  • a plurality of rear heat pipes 50 are arranged at equal intervals in the circumferential direction around the rotation axis O of the main shaft 14.
  • the plurality of rear heat pipes 50 are preferably embedded so as to expand from the rear end to the front end of the main shaft 14 at a predetermined angle ⁇ with respect to the rotation axis O. That is, the plurality of rear heat pipes 50 can be arranged along a predetermined conical surface that expands from the rear end to the front end of the main shaft 14 in the main shaft 14.
  • the rear heat pipe 50 extends from a position overlapping at least a part of the rear heat exchangers 54 and 56 to a position overlapping at least a part of the built-in motors 22 and 24. More preferably, the rear heat pipe 50 extends so as to overlap the entire rear heat exchangers 54 and 56, the rear side bearing 16 and the entire built-in motors 22 and 24.
  • the front end portion of the rear heat pipe 50 adjacent to the built-in motors 22 and 24 is a high temperature portion
  • the rear end portion of the rear heat pipe 50 adjacent to the rear heat exchangers 54 and 56 is a low temperature portion.
  • the spindle device 10 can further include a front heat pipe 52.
  • the front heat pipe 52 is incorporated in the front portion of the main shaft 14.
  • a plurality of front heat pipes 52 are arranged at equal intervals in the circumferential direction around the rotation axis O of the main shaft 14.
  • the plurality of front heat pipes 52 preferably extend parallel to the rotation axis O and are embedded in the main shaft 14.
  • the front heat pipe 52 extends so as to overlap at least a part of the front heat exchangers 58 and 60 and the front heat exchangers 58 and 60.
  • both end portions of the front heat pipe 52 adjacent to the front bearings 18 and 20 are high temperature portions, and the central portion of the front heat pipe 52 is a low temperature portion.
  • the main spindle device 10 may further supply cooling air between the inner fin 54 and the outer fin 56 of the rear heat exchanger.
  • the cooling air is supplied between the inner fin 54 and the outer fin 56 from a cooling air source (not shown) by the cooling air supply pipe 46.
  • the cooling air supplied between the inner fin 54 and the outer fin 56 flows between the inner fin 54 and the outer fin 56 and is discharged to the outside from the rear end side of the spindle device 10.
  • cooling air may be supplied between the inner fin 58 and the outer fin 60 of the front heat exchanger. Cooling air is supplied between the inner fin 58 and the outer fin 60 of the front heat exchanger by a cooling air supply line 48 from the cooling air source. The cooling air supplied between the inner fin 58 and the outer fin 60 flows between the inner fin 58 and the outer fin 60 and is discharged to the outside from the front end side of the spindle device 10.
  • the cooling air source may include, for example, a compressor (not shown) that compresses air, a tank or accumulator (not shown) that stores compressed air, an associated valve (not shown), and the like. Further, the cooling air source may include a dryer (not shown) that dehumidifies the air from the tank or accumulator, or a cooling device (not shown) that cools the air from the tank or accumulator.
  • the operation of the present embodiment will be described.
  • the rear side bearing 16 When the main shaft 14 rotates, the rear side bearing 16, the front side bearings 18, 20 and the built-in motors 22, 24 generate heat.
  • the load acting on the rear side bearing 16 is relatively small. Therefore, the amount of heat generated from the rear side bearing 16 is relatively small.
  • the heat generated from the built-in motor, particularly its stator 24, is effectively discharged outside the spindle device 10 by the coolant flowing through the intermediate coolant passage 28a.
  • the heat generated from the rotor 22 heats the rear heat pipe 50 embedded in the main shaft 14.
  • the high temperature portion of the rear heat pipe 50 that overlaps the rotor 22 is heated by the heat generated from the rotor 22.
  • working fluid for example, water vaporizes.
  • the working flow takes heat from the surroundings corresponding to the heat of vaporization, and thereby the rotor 22 is cooled.
  • the vaporized working fluid flows toward the rear end of the main shaft 14 toward the low temperature portion of the rear heat pipe 50.
  • the rear part of the main shaft 14 between the rear side bearing 16 and the rear end of the main shaft 14 is cooled by the rear heat exchangers 54 and 56.
  • the low temperature part of the rear heat pipe 50 is also cooled, and the gaseous working fluid is condensed and liquefied in the low temperature part of the rear heat pipe 50.
  • the working fluid liquefied in the low temperature part is absorbed in the wick in the rear heat pipe 50 and moves to the high temperature part by capillary action. While the working fluid moves to the high temperature portion, the working fluid passes in the vicinity of the rear side bearing 16 in the rear heat pipe 50.
  • a heat insulating member 62 may be disposed between the two.
  • the rear heat pipe 50 is arranged so as to expand from the rear end to the front end of the main shaft 14 at a predetermined angle ⁇ with respect to the rotation axis O, Centrifugal force accompanying the rotation of the main shaft 14 acts on the liquid working fluid moving in the wick, and the movement toward the high temperature part is promoted.
  • the heat generated from the rotor 22 is effectively transported to the rear portion of the main shaft 14 by the rear heat pipe 50.
  • the heat transported to the rear part of the main shaft 14 by the rear heat pipe 50 and the heat transported to the rear part of the main shaft 14 by heat conduction from the rear side bearing 16, particularly the inner ring thereof, are transmitted by the rear heat exchangers 54 and 56. Then, it is transported to the coolant flowing through the rear coolant passage 26a. Further, as shown in FIG. 1, the end portion (the lower end portion in FIG. 1) of the cylindrical base member 54 a of the inner fin 54 is brought into contact with the inner ring of the rear side bearing 16, whereby heat is generated from the inner ring of the rear side bearing 16. Is directly transmitted to the base member 54 a of the inner fin 54.
  • the fin member 56b of the outer fin 56 of the rear heat exchanger is disposed between the fin members 54b of the inner fin 54 so as not to contact the fin member 54b of the inner fin 54, convective heat transfer and radiant heat are provided. Heat is transferred from the fin member 54b of the inner fin 54 to the fin member 56b of the outer fin 56 by the transmission. Thereby, the inner fin 54 is cooled, and the rear portion of the main shaft 14 is cooled.
  • the fin member 54b of the inner fin 54 is more effectively cooled.
  • the cooling air sent to the rear heat exchangers 54 and 56 is exhausted from the rear end of the spindle device 10 through a gap between the fin member 54 b of the inner fin 54 and the fin member 56 b of the outer fin 56. This further prevents foreign matter such as dust from entering the housing 12 between the inner fin 54 and the outer fin 56.
  • the heat generation from the front side bearings 18 and 20 heats both end portions which are the high temperature portions of the front heat pipe 52.
  • the working fluid is vaporized in the high temperature portion of the front heat pipe 52.
  • the amount of heat corresponding to the heat of vaporization is absorbed by the working fluid from the periphery of the high temperature portion.
  • the vaporized working fluid moves to the central portion, which is the low temperature portion of the front heat pipe 52, and is cooled by the front heat exchangers 58 and 60 to condense and liquefy.
  • the amount of heat corresponding to the heat of condensation is released from the working fluid, and this neutral is transported to the coolant flowing through the front coolant passage 30a through the front heat exchangers 58 and 60.
  • the liquefied working fluid moves in the wick of the front heat pipe 52 toward both end portions of the front heat pipe 52 which is a high temperature portion. In this way, the front bearings 18 and 20 of the main shaft device 10, and particularly the inner ring thereof, are effectively cooled.
  • the fin member 58b of the inner fin 58 is more effectively cooled. Cooling air sent to the front heat exchangers 58, 60 is discharged from the front end of the spindle device 10 through a gap between the fin member 58 b of the inner fin 58 and the fin member 60 b of the outer fin 60. As a result, foreign matter such as chips generated when the machine tool processes the workpiece through the space between the inner fin 58 and the outer fin 60 and dust such as machining fluid supplied to the processing area are further generated. Intrusion into the housing 12 is prevented.

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Abstract

工作機械の主軸装置（１０）が、主軸（１４）をハウジング（１２）に対して回転可能に支持するリア側軸受（１６）とフロント側軸受（１８、２０）と、フロント側軸受とリア側軸受との間で主軸の周囲に配置されたビルトインモータ（２２、２４）と、主軸に内蔵され主軸の中央部と後端部との間で熱を伝えるヒートパイプ（５０）と、リア側軸受よりも後方に突出した主軸の後方部分に固定され、主軸の回転軸線に対して垂直な方向に延びる板状の複数の内側フィン（５４ｂ）と、ハウジングに固定され、複数の内側フィンに接触しないように、同内側フィンの間に配置された板状の複数の外側フィン（５６ｂ）とを具備する。

Description

工作機械の主軸装置
　本発明は、ヒートパイプと熱交換器とを用いて、先端部に工具またはワークを取り付けるように形成された主軸から熱を効率良く排出するようにした工作機械の主軸装置に関する。
　フライス盤や旋盤のような工作機械の主軸が回転すると軸受において発熱し、主軸温度が上昇して主軸が延びるため工作精度が低下する。この主軸の温度上昇を防止または低減するため、従来から種々の軸受冷却方法が開発されている。例えば特許文献１には、工作機械の主軸を回転可能に支持する前軸受と後軸受とに亘って延在するように、主軸内にヒートパイプを埋設し、前軸受と後軸受との間の主軸の中央部分の外周面にフィンを設け、前軸受と後軸受で生じた熱をヒートパイプによって主軸の中央部分に輸送し、前記フィンから主軸の外部に放熱するようにした主軸の軸受冷却構造が記載されている。
実公平０２－０３６６７９号公報
　特許文献１の主軸の軸受冷却構造では、前軸受と後軸受とで発生した熱は、主軸装置のハウジング内に排出され、次いでハウジングを通して外部へ排出されるため、主軸を含めた主軸装置全体の温度が上昇する。従って、主軸の外周面に設けたフィンからの排熱も不十分であり、主軸の温度上昇抑制効果は限定的である。また、前軸受と後軸受との間にモータを組み込むビルトインモータ方式の主軸に適用する場合には、モータのロータおよびステータが主軸の外周面を覆うため排熱が妨げられる。更に、モータのロータおよびステータ自体も発熱源となり主軸の温度を上昇させる。
　本発明は、こうした従来技術の問題を解決することを技術課題としており、主軸の熱を外部へ効率良く排出可能にした主軸装置を提供することを目的としている。
　上述の目的を達成するために、本発明によれば、ハウジングに対して回転可能に支持された主軸の前端部に工具またはワークを保持するように形成された工作機械の主軸装置において、前記主軸の前側で該主軸を回転可能に支持するフロント側軸受と、前記フロント側軸受よりも後側で前記主軸を回転可能に支持するリア側軸受と、前記フロント側軸受とリア側軸受との間の中央部分において、前記主軸の周囲に配置され該主軸を回転駆動するビルトインモータと、前記主軸に内蔵され、前記主軸の中央部と後端部との間で熱を伝えるヒートパイプと、前記リア側軸受よりも後方に突出した前記主軸の後方部分に固定され、前記主軸の回転軸線方向に配列され、かつ、前記主軸の回転軸線に対して垂直な方向に延びる板状の複数の内側フィンと、前記ハウジングに固定され、前記複数の内側フィンに接触しないように、同内側フィンの間に配置された板状の複数の外側フィンとを具備する工作機械の主軸装置が提供される。
　本発明によれば、ビルトインモータから主軸に伝達される熱をヒートパイプを通して効率良く主軸の後方部分に輸送し、更に、該主軸の後方部分から内側フィンから外側フィンに非接触式に効率良く輸送することが可能となる。これにより、主軸を効果的に冷却することが可能となる。
本発明の好ましい実施形態による主軸装置の断面図である。 図１の矢視線II-IIに沿う主軸装置の部分断面図である。
　以下、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を説明する。
　以下に説明する本発明の好ましい実施形態では、主軸装置は、主軸の先端に工具を装着し、該工具をテーブルに取り付けたワークに対して、例えばＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の直交三軸方向に相対移動させて、回転する工具によってワークを加工する工作機械の主軸装置である。然しながら、本発明の主軸装置は、主軸の先端にワークを取り付け、回転するワークに静止した切削工具（バイト）を押し付けてワークを加工する工作機械の主軸装置としてもよい。
　主軸装置１０は、中空のハウジング１２と、該ハウジング１２に回転可能に支持された主軸１４とを具備している。主軸１４の先端部には、工具ホルダTHを介してエンドミルのような回転工具Ｔを装着するテーパ穴１４ａが形成されている。主軸１４は、リア側軸受１６と、フロント側軸受１８、２０によって、回転軸線Ｏを中心として回転可能に支持されている。
　図１の実施形態では、リア側軸受は、主軸１４の後端側の部分を支持し、フロント側軸受１６、１８は主軸１４の前端側の部分を支持している。主軸１４の前端側の部分には、加工中に大きな力が作用するので、主軸１４の前端側の部分は、２つのフロント側軸受１６、１８によって支持されている。これに対して、負荷が比較的小さい主軸１４の後端側の部分は、１つのリア側軸受１６によって支持されている。リア側軸受１６およびフロント側軸受１８、２０の配置や個数は必要に応じて選択することができる。なお、本発明の中央部分とは、主軸１４の回転軸線方向の前端と後端から距離が中央にある位置という意味ではなく、前端側を支持するフロント側軸受１６、１８と後端側を支持するリア側軸受との間にある部分という意味で用いていることに注意されたい。
　ハウジング１２内において、リア側軸受１６と、フロント側軸受１８、２０の間の主軸１４の中央部分に対応したハウジング１２の部分には、主軸１４を回転駆動するビルトインモータが組み込まれている。該ビルトインモータは、主軸１４の中央部分の外表面に固定されたロータ２２と、該ロータ２２に対面するように、ハウジング１２に固定されたステータ２４とを具備している。該ビルトインモータ２２、２４は、工作機械の制御装置、例えばＮＣ装置（図示せず）に接続されており、該ＮＣ装置によって回転の起動、停止および回転速度が制御される。
　主軸装置１０は、後方部分（図１では主軸装置１０の上端側）に後部熱交換器を具備している。該後部熱交換器は、内側フィン５４と外側フィン５６とを備える。内側フィン５４は、主軸１４と共に回転するように、主軸１４のリア側軸受１６よりも後方に突出した後方部分に固定さている。内側フィン５４は、主軸１４の外周面に固定される円筒形状のベース部材５４ａと、該ベース部材５４ａから半径方向外側に突出した複数のフィン部材５４ｂとを有している。フィン部材５４ｂの各々は、回転軸線Ｏに対して垂直な方向に延びる板部材であって、好ましくはリング状に形成されている。また、複数のフィン部材５４ｂは、ベース部材５４ａの外周面に沿って主軸１４の回転軸線Ｏ方向に所定の間隔で配列されている。内側フィン５４は、例えばベース部材５４ａの外表面にリング状のフィン部材５４ｂをろう付けまたは溶接することによって形成することができる。或いは、円筒部材の外周面に複数の周溝を形成することによって、フィン部材５４ｂとベース部材５４ａとを一体的に形成してもよい。内側フィン５４は、好ましくは、そのベース部材５４ａの内周面が直接主軸１４の外周面に接触するように配置される。
　外側フィン５６は、内側フィン５４に対面するようにハウジング１２の後方部分に固定されている。外側フィン５６は、主軸１４と共に回転することはない。外側フィン５６は、円筒状または円弧状のベース部材５６ａと、該ベース部材５６ａの内周面から半径方向内側に突出した複数のフィン部材５６ｂとを有している。フィン部材５６ｂの各々は、回転軸線Ｏに対して垂直な方向に延びる板部材であって、環状または後述するように円弧状に形成することができる。外側フィン５６は、好ましくは、そのベース部材５６ａの外周面が円筒部材２６の内周面に直接接触するように配置される。
　内側フィン５４と外側フィン５６は、各々のフィン部材５４ｂ、５６ｂが回転軸線Ｏの方向に交互に配置されるように、主軸１４とハウジング１２にそれぞれ取り付けられる。内側フィン５４と外側フィン５６の各々のフィン部材５４ｂ、５６ｂ間の間隔は小さい方が好ましいが、主軸１４の回転中に振動等によって両者が接触しないように選択される。
　ここで、回転軸線Ｏに垂直な平面に沿う主軸装置１０の部分断面である図２を参照すると、後部熱交換器の外側フィン５６は、２つの半体部分５６′を具備している。半体部分５６′は、半円筒部材または少なくとも部分的に円筒状の部材の内周面に円弧状のフィン部材５６ｂをろう付けまたは溶接することによって形成することができる。或いは、半体部分５６′は、半円筒部材または少なくとも部分的に円筒状の部材の内周面に複数の溝を形成することによって、フィン部材５６ｂとベース部材５６ａとを一体的に形成するようにしてもよい。２つの半体部分５６′の間には、半体部分５６′をハウジング１２の内面、本実施形態では、後部冷却液通路２６ａを形成する円筒部材２６の内周面に押圧する付勢部材５６ｃが配設されている。付勢部材５６ｃは、コイルばねや皿ばねから形成することができる。
　主軸装置１０の前方部分（図１では下端部分）にも、後部熱交換器と同様の前部熱交換器が設けられている。前部熱交換器は、主軸１４の前方部分、より詳細には２つのフロント側軸受１８、２０の間の部分に設けられた内側フィン５８と、内側フィン５８に対面するようにハウジング１２の内面に固定された外側フィン６０とを具備している。
　内側フィン５８は、主軸１４の外周面に固定される円筒形状のベース部材５８ａと、該ベース部材５８ａから半径方向外側に突出した複数のフィン部材５８ｂとを有している。内側フィン５８は、好ましくは、そのベース部材５８ａの内周面が主軸１４の外周面に直接接触するように配置される。
　外側フィン６０は、円筒状または円弧状のベース部材６０ａと、該ベース部材６０ａの内周面から半径方向内側に突出した複数のフィン部材６０ｂとを有している。外側フィン６０は、好ましくは、そのベース部材６０ａの外周面が円筒部材３０の内周面に直接接触するように配置される。外側フィン６０は、後部熱交換器の外側フィン５６と同様に、２つの半体部分から形成するようにできる。
　内側フィン５８と外側フィン６０は、各々のフィン部材５８ｂ、６０ｂが回転軸線Ｏの方向に交互に配置されるように、主軸１４とハウジング１２にそれぞれ取り付けられる。内側フィン５８と外側フィン６０の各々のフィン部材５８ｂ、６０ｂ間の間隔は小さい方が好ましいが、主軸１４の回転中に振動等によって両者が接触しないように選択される。
　ハウジング１２の後方部分には冷却液が流通する後部冷却液通路２６ａが形成されている。後部冷却液通路２６ａは、例えば円筒部材２６の外周面に螺旋状の溝を形成し、円筒部材２６をハウジング１２の内面に密着するように嵌合させることによって円筒部材２６の外周面とハウジング１２の内周面との間に形成することができる。本実施形態では、後部冷却液通路２６ａは、外側フィン５６のベース部材５６ａに少なくとも部分的に、好ましくは回転軸線Ｏ方向にベース部材５６ａの全体と重なるように配置される。
　後部冷却液通路２６ａには、冷却液供給管路３２によって冷却液供給装置（図示せず）から冷却液、例えば水が供給される。後部冷却液通路２６ａを流通した冷却液は、冷却液戻り管路３４によって冷却液供給装置に戻される。冷却液供給装置は、例えば冷却液を貯留するタンク（図示せず）、該タンクから冷却液を後部冷却液通路２６ａへ向けて送り出すポンプ（図示せず）、関連する弁、および、前記ポンプおよび弁の動作を制御する制御装置または制御回路（図示せず）等を含むことができる。冷却供給装置は、後部冷却液通路２６ａから戻ってきた冷却液を冷却する冷却装置（図示せず）含んでいてもよい。
　ハウジング１２の中央部分には、冷却液が流通する中間冷却液通路２８ａが形成されている。中間冷却液通路２８ａは、例えば円筒部材２８の外周面に螺旋状の溝を形成し、円筒部材２８をハウジング１２の内面に密着するように嵌合させることによって円筒部材２８の外周面とハウジング１２の内周面との間に形成することができる。本実施形態では、中間冷却液通路２８ａは、ステータ２４に少なくとも部分的に、好ましくは回転軸線Ｏ方向にステータ２４の全体と重なるように配置される。また、好ましくは、ステータ２４は、中間冷却液通路２８ａを形成する円筒部材２８の内周面に直接接触するように配置される。中間冷却液通路２８ａには、冷却液供給管路３６によって前記冷却液供給装置から冷却液が供給される。中間冷却液通路２８ａを流通した冷却液は、冷却液戻り管路４０によって前記冷却液供給装置に戻される。
　ハウジング１２の前方部分には、冷却液が流通する前部冷却液通路３０ａが形成されている。前部冷却液通路３０ａは、例えば円筒部材３０の外周面に螺旋状の溝を形成し、円筒部材３０をハウジング１２の内面に密着するように嵌合させることによって円筒部材３０の外周面とハウジング１２の内周面との間に形成することができる。本実施形態では、前部冷却液通路３０ａは、外側フィン６０のベース部材６０ａに少なくとも部分的に、好ましくは回転軸線Ｏ方向にベース部材６０ａの全体と重なるように、より好ましくは、フロント側軸受１８、２０およびベース部材６０ａに重なるように配置される。前部冷却液通路３０ａには、冷却液供給管路４２によって前記冷却液供給装置から冷却液が供給される。前部冷却液通路３０ａを流通した冷却液は、冷却液戻り管路４４によって前記冷却液供給装置に戻される。
　主軸装置１０は、更に、後部ヒートパイプ５０を具備している。後部ヒートパイプ５０は主軸１４の後方部分に組み込まれている。複数の後部ヒートパイプ５０が、主軸１４の回転軸線Ｏを中心として周方向に等間隔に配置される。複数の後部ヒートパイプ５０は、好ましくは、回転軸線Ｏに対して所定の角度θを以て主軸１４の後端から先端へ向けて拡開するように埋設されている。つまり、複数の後部ヒートパイプ５０は、主軸１４内で主軸１４の後端から先端へ向けて拡開する所定の円錐面に沿って配置するようにできる。
　また、後部ヒートパイプ５０は、後部熱交換器５４、５６の少なくとも一部に重なり合う位置から、ビルトインモータ２２、２４の少なくとも一部に重なり合う位置まで延設されている。より好ましくは、後部ヒートパイプ５０は後部熱交換器５４、５６の全体、リア側軸受１６およびビルトインモータ２２、２４の全体と重なるように延設される。本実施形態では、ビルトインモータ２２、２４に隣接した後部ヒートパイプ５０の前端部分が高温部となり、後部熱交換器５４、５６に隣接した後部ヒートパイプ５０の後端部分が低温部となる。
　主軸装置１０は、更に、前部ヒートパイプ５２を具備することができる。前部ヒートパイプ５２は主軸１４の前方部分に組み込まれている。複数の前部ヒートパイプ５２が、主軸１４の回転軸線Ｏを中心として周方向に等間隔に配置される。複数の前部ヒートパイプ５２は、好ましくは、回転軸線Ｏに対して平行に延設され、主軸１４内に埋設される。また、前部ヒートパイプ５２は、前部熱交換器５８、６０の少なくとも一部と、前部熱交換器５８、６０に重なり合うように延設されている。本実施形態では、フロント側軸受１８、２０に隣接した前部ヒートパイプ５２の両端部分が高温部となり、前部ヒートパイプ５２の中央部分が低温部となる。
　主軸装置１０は、更に、後部熱交換器の内側フィン５４と外側フィン５６との間に冷却空気を供給するようにしてもよい。本実施形態では、冷却空気供給管路４６によって、冷却空気が冷却空気源（図示せず）から内側フィン５４と外側フィン５６との間に供給される。内側フィン５４と外側フィン５６との間に供給された冷却空気は、内側フィン５４と外側フィン５６との間を流通して主軸装置１０の後端側から外部に排出される。
　同様に、前部熱交換器の内側フィン５８と外側フィン６０との間に冷却空気を供給するようにしてもよい。冷却空気は、前記冷却空気源から冷却空気供給管路４８によって前部熱交換器の内側フィン５８と外側フィン６０との間に供給される。内側フィン５８と外側フィン６０との間に供給された冷却空気は、内側フィン５８と外側フィン６０との間を流通して主軸装置１０の前端側から外部に排出される。
　冷却空気源は、例えば空気を圧縮するコンプレッサ（図示せず）、圧縮された空気を貯留するタンクまたはアキュムレータ（図示せず）、関連する弁（図示せず）等を含むことができる。更に、冷却空気源は、タンクまたはアキュムレータからの空気を除湿するドライヤ（図示せず）や、タンクまたはアキュムレータからの空気を冷却する冷却装置（図示せず）を含んでいてもよい。
　以下、本実施形態の作用を説明する。
　主軸１４が回転すると、リア側軸受１６、フロント側軸受１８、２０およびビルトインモータ２２、２４から発熱する。リア側軸受１６に作用する負荷は比較的小さく、従ってリア側軸受１６からの発熱量は比較的小さい。ビルトインモータ、特にそのステータ２４から発生する熱は、中間冷却液通路２８ａを流通する冷却液によって、主軸装置１０の外部に効果的に排出される。
　一方、ロータ２２から生じた熱により、主軸１４内に埋設されている後部ヒートパイプ５０が加熱される。特に、後部ヒートパイプ５０において、ロータ２２と重なる後部ヒートパイプ５０の高温部がロータ２２から生じる熱によって加熱される。これにより、各後部ヒートパイプ５０の高温部内では、作動流体、例えば水が気化する。作動流体が気化することにより、作動流は周囲から気化熱に相当する熱量を奪い、これによりロータ２２が冷却される。気化した作動流体は、後部ヒートパイプ５０の低温部へ向けて主軸１４の後端方向に流動する。
　リア側軸受１６と主軸１４の後端との間の主軸１４の後方部分は、後部熱交換器５４、５６によって冷却される。これにより、後部ヒートパイプ５０の低温部も冷却され、後部ヒートパイプ５０の低温部において気体の作動流体が凝縮、液化する。低温部で液化した作動流体は、後部ヒートパイプ５０内のウィック内に吸収され、毛細管作用によって高温部へ移動する。作動流体が高温部へ移動する間、作動流体は、後部ヒートパイプ５０内でリア側軸受１６の近傍を通過する。リア側軸受１６からの発熱は比較的小さいが、リア側軸受１６からの熱によって、高温部へ向かう作動流体の移動が阻害される場合には、リア側軸受１６の内輪と、後部ヒートパイプ５０との間に断熱部材６２を配設するようにしてもよい。
　また、作動流体が高温部へ向かって移動するとき、回転軸線Ｏに対して所定の角度θを以て主軸１４の後端から先端へ向けて拡開するように後部ヒートパイプ５０を配置することによって、ウィック内を移動する液体の作動流体に、主軸１４の回転に伴う遠心力が作用し、高温部へ向かう移動が促進される。こうして、ロータ２２から発生する熱は、後部ヒートパイプ５０によって、効果的に主軸１４の後方部分へ輸送される。
　後部ヒートパイプ５０によって主軸１４の後方部分へ輸送された熱、および、リア側軸受１６、特にその内輪から熱伝導によって主軸１４の後方部分に輸送された熱は、後部熱交換器５４、５６によって、後部冷却液通路２６ａ内を流通する冷却液に輸送される。また、図１に示すように、内側フィン５４の円筒形状のベース部材５４ａの端部（図１では下端部）をリア側軸受１６の内輪に接触させることによって、リア側軸受１６の内輪から熱が直接内側フィン５４のベース部材５４ａに伝達される。
　後部熱交換器の外側フィン５６のフィン部材５６ｂは、内側フィン５４のフィン部材５４ｂに接触しないように、同内側フィン５４のフィン部材５４ｂの間に配置されているので、対流熱伝達および放射熱伝達によって、内側フィン５４のフィン部材５４ｂから外側フィン５６のフィン部材５６ｂへ熱が輸送される。これにより内側フィン５４が冷却され、主軸１４の後方部分が冷却される。
　また、冷却空気供給管路４６によって冷却空気源から後部熱交換器５４、５６へ冷却空気を供給することによって、内側フィン５４のフィン部材５４ｂが一層効果的に冷却される。後部熱交換器５４、５６へされる冷却空気は、内側フィン５４のフィン部材５４ｂと外側フィン５６のフィン部材５６ｂとの間の隙間を通って、主軸装置１０の後端から排出される。これによって、更に、内側フィン５４と外側フィン５６との間を通って塵埃等の異物がハウジング１２内に侵入することが防止される。
　フロント側軸受１８、２０からの発熱によって、前部ヒートパイプ５２の高温部である両端部分が加熱される。これにより、前部ヒートパイプ５２の高温部では作動流体が気化する。作動流体が気化するとき、気化熱に相当する熱量が高温部の周辺から作動流体に吸収される。気化した作動流体は、前部ヒートパイプ５２の低温部である中央部分へ移動し、前部熱交換器５８、６０によって冷却されて、凝縮、液化する。凝縮に際して、凝縮熱に相当する熱量が作動流体から解放され、このネウが前部熱交換器５８、６０を通じて前部冷却液通路３０ａ内を流通する冷却液に輸送される。液化した作動流体は、前部ヒートパイプ５２のウィック内を高温部である前部ヒートパイプ５２の両端部分へ向けて移動する。こうして、主軸装置１０のフロント側軸受１８、２０、特にその内輪が効果的に冷却される。
　また、冷却空気供給管路４８によって冷却空気源から前部熱交換器５８、６０へ冷却空気を供給することによって、内側フィン５８のフィン部材５８ｂが一層効果的に冷却される。前部熱交換器５８、６０へされる冷却空気は、内側フィン５８のフィン部材５８ｂと外側フィン６０のフィン部材６０ｂとの間の隙間を通って、主軸装置１０の前端から排出される。これによって、更に、内側フィン５８と外側フィン６０との間を通って、工作機械がワークを加工する際に発生する切り屑や、加工領域に供給される加工液のような塵埃等の異物がハウジング１２内に侵入することが防止される。
　１０　　主軸装置
　１２　　ハウジング
　１４　　主軸
　１６　　リア側軸受
　１６　　フロント側軸受
　１８　　フロント側軸受
　２０　　フロント側軸受
　２２　　ロータ
　２４　　ステータ
　２６　　円筒部材
　２６ａ　　後部冷却液通路
　２８　　円筒部材
　２８ａ　　中間冷却液通路
　３０　　円筒部材
　３０ａ　　前部冷却液通路
　３２　　冷却液供給管路
　３４　　冷却液戻り管路
　３６　　冷却液供給管路
　４０　　冷却液戻り管路
　４２　　冷却液供給管路
　４４　　冷却液戻り管路
　４６　　冷却空気供給管路
　４８　　冷却空気供給管路
　５０　　後部ヒートパイプ
　５２　　前部ヒートパイプ
　５４　　内側フィン
　５４ａ　　ベース部材
　５４ｂ　　フィン部材
　５６　　外側フィン
　５６′　　半体部分
　５６ａ　　ベース部材
　５６ｂ　　フィン部材
　５６ｃ　　付勢部材
　５８　　内側フィン
　５８ａ　　ベース部材
　５８ｂ　　フィン部材
　６０　　外側フィン
　６０ａ　　ベース部材
　６０ｂ　　フィン部材
　６２　　断熱部材

Claims (6)

  1. 　ハウジングに対して回転可能に支持された主軸の前端部に工具またはワークを保持するように形成された工作機械の主軸装置において、
    　前記主軸の前側で該主軸を回転可能に支持するフロント側軸受と、
    　前記フロント側軸受よりも後側で前記主軸を回転可能に支持するリア側軸受と、
    　前記フロント側軸受とリア側軸受との間の中央部分において、前記主軸の周囲に配置され該主軸を回転駆動するビルトインモータと、
    　前記主軸に内蔵され、前記主軸の中央部と後端部との間で熱を伝えるヒートパイプと、
    　前記リア側軸受よりも後方に突出した前記主軸の後方部分に固定され、前記主軸の回転軸線方向に配列され、かつ、前記主軸の回転軸線に対して垂直な方向に延びる板状の複数の内側フィンと、
    　前記ハウジングに固定され、前記複数の内側フィンに接触しないように、同内側フィンの間に配置された板状の複数の外側フィンと、
    　を具備することを特徴とした工作機械の主軸装置。
  2. 　前記外側フィンは２つの半体部分を具備しており、該２つの半体部分の各々は、少なくとも部分的に円筒形状のベース部材と、該ベース部材の内周面から半径方向に突出した複数のフィン部材とを有しており、２つの半体部分のベース部材の間に付勢部材が配設され、該付勢部材が該２つの半体部分を互いに離反する方向に付勢し、これによって、外側フィンが前記ハウジングの内面に押圧されるようにした請求項１に記載の主軸装置。
  3. 　前記リア側軸受とヒートパイプとの間に断熱材が配設されている請求項１に記載の主軸装置。
  4. 　前記内側フィンは、円筒形状のベース部材と、該ベース部材の外周面から半径方向外側に突出した複数のフィン部材とを有しており、前記内側フィンは、そのベース部材が前記リア側軸受の内輪に接するように配置されている請求項３に記載の主軸装置。
  5. 　前記ヒートパイプは、前記主軸装置の回転軸線に対して所定の角度を以て主軸の後端から先端へ向けて拡開するように配置されている請求項１に記載の主軸装置。
  6. 　前記主軸の回転方向に前記外側フィンと少なくとも部分的に重なり合うように配置された冷却液通路を更に具備する請求項１に記載の主軸装置。
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