JP2011167799A

JP2011167799A - 主軸装置

Info

Publication number: JP2011167799A
Application number: JP2010033341A
Authority: JP
Inventors: Futoshi Kosugi; 太小杉
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2010-02-18
Filing date: 2010-02-18
Publication date: 2011-09-01

Abstract

【課題】構造を簡単化すると共に、回転初期の剛性を十分に確保し、なおかつ高速回転時においても予圧過大で過度の昇温を生じない主軸装置を提供する。
【解決手段】主軸装置において、冷却流体供給路１２に供給する流体の温度を調整する温度調整手段１３を設けると共に、転がり軸受２の内外輪５，６およびハウジング７の温度をそれぞれ検出する温度検出手段１５，１６，１７を設け、主軸１の回転速度を検出する回転速度検出手段１８を設け、主軸１の回転速度に応じて、検出される内輪５の温度と、外輪６の温度の温度差が定められた温度差となるように、温度調整手段１３により冷却流体供給路１２に供給する流体の温度を調整し、所望の軸受予圧に調整する予圧調整手段１４を設けた。
【選択図】図１

Description

この発明は、工作機械の主軸や、一般産業機械の主軸等に用いられる主軸装置に関する。

一般に、工作機械の主軸は、主軸回転精度と剛性を得るため、主軸を支持するアンギュラ玉軸受に予圧を与えて使用している。この場合の予圧の方法としては、ばね等を用いる定圧予圧と、軸受間に設けた間座幅で調整する定位置予圧とが挙げられる。定位置予圧は、定圧予圧に比較して、主軸の剛性が高いという特長がある。

特開２００６−６４１２７号公報

定位置予圧の場合、高速域を重視して高速回転できるように、主軸先端側のフロント固定側軸受の初期予圧を小さくすると、低速回転時の予圧が不足し、必要剛性が得られない。逆に初期予圧を大きくすると、高速回転時に遠心力や軸受内外輪温度差の影響により必要以上の予圧がかかり内部面圧が高まって、焼き付き限界を超えた場合に主軸の運転に支障を来たすおそれがある。軸受を回転させるとその放熱の関係から、内輪の方が外輪よりも温度が高くなる。つまり内輪の熱膨張により軸受の内部すきまが小さくなり予圧が高くなる。

そこで本件出願人は、低速の剛性つまり予圧が低い状態において、外輪間座を熱膨張させることで剛性不足を補う技術を提案している（特許文献１）。この技術では、外輪間座の外周に螺旋状等の溝が設けられ、この溝内に、前記外輪間座を軸方向に熱膨張させる発熱体が設けられている。発熱制御手段の制御により主軸の回転初期に発熱体を発熱させることで外輪間座を加熱し、この外輪間座を軸方向に熱膨張させる。これにより、各転がり軸受に必要な初期予圧を付与し、主軸に所要の剛性を付与している。
この技術では、外輪間座を軸方向に熱膨張させるため、例えば、これまで必要のなかったハウジングから外輪間座へ導く冷却媒体の通路等の構造が必要となり複雑化する。

この発明の目的は、構造を簡単化すると共に、回転初期の剛性を十分に確保し、なおかつ高速回転時においても予圧過大で過度の昇温を生じない主軸装置を提供することである。

この発明の主軸装置は、主軸を支持し予圧を付与可能な転がり軸受と、この転がり軸受の外輪を嵌合するハウジングとを備え、このハウジングに冷却用の流体を供給する冷却流体供給路を設けた主軸装置において、前記冷却流体供給路に供給する流体の温度を調整する温度調整手段を設けると共に、主軸の回転速度を検出する回転速度検出手段を設け、前記回転速度検出手段により検出された主軸の回転速度に応じて、前記温度調整手段により冷却流体供給路に供給する流体の温度を調整し、所望の軸受予圧に調整する予圧調整手段を設けたことを特徴とする。

この構成によると、主軸装置を高速回転を目的とした初期の予圧が小さい設定またはすきまのある設定にしておく。主軸剛性の低い低速状態では、ハウジングの冷却流体供給路に供給する流体の温度を下げる。この場合、最初に内外輪温度差が例えば０℃であったものが急激に外輪側が冷やされたため内外輪温度差が広がる。その後、内外輪温度が共に例えば１０℃付近で安定する。

このときの主軸のアキシアル固有振動数は、前記のように内外輪温度差が大きいときに、高くなっている。これは軸受のばね定数が高くなっているためであり、すなわち軸受の予圧が大きくなっているということである。前述のように、内外輪温度が共に例えば１０℃付近で安定すると、初期の主軸、内外輪温度共に例えば３０℃の状態よりも、固有振動数がやや高めで安定する。つまり予圧量も初期よりも大きくなる。このように低速状態においても、強制的に予圧を上げて剛性を高めた状態とする。この場合、低速状態における主軸剛性および加工精度等を高めることが可能となる。
そして、予圧調整手段は、主軸の回転速度が上がれば、冷却流体供給路に供給する流体の温度を上げる。これにより、軸受に与えられた予圧状態が過大となることを避け、高速加工を精度良く行うことができる。この構成によると、従来技術のものより構造を簡単化したうえで、回転初期の剛性を十分に確保し、なおかつ高速回転時においても予圧過大で過度の昇温を生じない主軸装置とすることができる。

前記転がり軸受の内外輪およびハウジングの温度をそれぞれ検出する温度検出手段を設け、前記予圧調整手段は、前記回転速度検出手段により検出された主軸の回転速度に応じて、前記各温度検出手段で検出される内輪の温度と、外輪の温度の温度差が定められた温度差となるように、前記温度調整手段により冷却流体供給路に供給する流体の温度を調整し、所望の軸受予圧に調整するようにしても良い。
この場合、予圧調整手段は、いわゆる低速回転時に、内外輪の温度を検出して内外輪の温度差が、定められた温度差に実際に到達したか否かを確実に判断する。それ故、より精密な予圧調整を行うことができる。

前記転がり軸受は、主軸の軸方向に互いに離れて複数個配置されたものであり、前記ハウジングは、ハウジング内筒とハウジング外筒とを内外に嵌合させたものであり、前記ハウジングの冷却流体供給路は、前記ハウジング内筒の外周面における、軸方向に離れて配置された軸受間に及ぶ範囲に設けられた溝であっても良い。このように、冷却流体供給路を、冷却が必要な範囲に限定して設けることができる。

前記冷却流体供給路は、前記ハウジング内筒の外周面に設けた螺旋状または円周状の溝であっても良い。
前記温度調整手段を、前記ハウジング内筒の外周面に設けた螺旋状の溝内に設けても良い。このような溝の形成により、温度調整手段を安定して設置することができる。また、このような螺旋状または円周状の溝に流す冷却用の流体を、この溝内に設けた温度調整手段により直接的に温度調整するため、温度調整手段設置用の溝を別に設けるよりも、温度調整手段の温度調整の促進効果を高めることができる。しかも別の溝加工の手間が不要となり製造コストの低減を図れる。

前記温度調整手段は、主軸装置の外部で前記冷却流体供給路に配管接続されたものであり、この温度調整手段内における流路に、前記流体を循環させるポンプと、前記流体を冷却させる冷却装置と、前記流体を加熱する加熱装置とを設けても良い。この場合、既存の主軸装置に温度調整手段等を追加するだけで足りるため、主軸装置の汎用性を高めると共に工数低減を図ることができる。

前記予圧調整手段は、主軸の回転速度が定められた速度未満であると判断したとき、冷却流体供給路に供給する流体の温度を室温よりも下げ、主軸の回転速度が定められた速度以上であると判断したとき、前記流体の温度を室温よりも下げることを停止するか、または室温まで上げるように制御するものとしても良い。このように流体の温度を調整することで、回転初期の剛性を十分に確保し、なおかつ高速回転時においても予圧過大で過度の昇温を生じないようにすることができる。

前記転がり軸受としてアンギュラ玉軸受を組込んでも良い。
前記転がり軸受として円すいころ軸受を組込んでも良い。
前記主軸装置は工作機械に適用されるものであっても良い。

この発明の主軸装置は、主軸を支持し予圧を付与可能な転がり軸受と、この転がり軸受の外輪を嵌合するハウジングとを備え、このハウジングに冷却用の流体を供給する冷却流体供給路を設けた主軸装置において、前記冷却流体供給路に供給する流体の温度を調整する温度調整手段を設けると共に、主軸の回転速度を検出する回転速度検出手段を設け、前記回転速度検出手段により検出された主軸の回転速度に応じて、前記温度調整手段により冷却流体供給路に供給する流体の温度を調整し、所望の軸受予圧に調整する予圧調整手段を設けたため、構造を簡単化すると共に、回転初期の剛性を十分に確保し、なおかつ高速回転時においても予圧過大で過度の昇温を生じない主軸装置を得ることが可能となる。

この発明の一実施形態に係る主軸装置の断面図である。同主軸装置の主軸の回転速度と軸受予圧量との関係を示す図である。同主軸装置の冷却流体供給路の油温を下げた場合の、時間経過に対する内外輪の温度変化を示す図である。同内外輪温度差と固有振動数との関係を時間経過と共に示す図である。この発明のさらに他の実施形態に係る主軸装置の温度調整手段の形態を概略表す図である。

この発明の一実施形態を図１ないし図４と共に説明する。
この実施形態に係る主軸装置は、例えば、マシニングセンタ、旋盤、フライス盤、研削盤等の各種の工作機械に適用されるものであり、主軸の先端部に図示外の工具またはワークのチャック等が取付けられる。図１に示すように、主軸１は、軸方向に離れて配置された前後の転がり軸受２，２により支持されている。各転がり軸受２はアンギュラ玉軸受からなり、これらアンギュラ玉軸受が内外輪間座３，４を介して背面組合せで設けられ、定位置予圧が付与される。各転がり軸受２の内輪５は主軸１の外径面に嵌合し、外輪６はハウジング７の内径面に嵌合している。

主軸１の先端側（図１左側）つまり前側に位置する転がり軸受２の内外輪５，６は、それぞれ主軸１の先端部外径面の段部８、およびハウジング７の端部に固定された外輪押さえ９により、軸方向の位置規制が行われている。主軸１の基端側（図１右側）つまり後側に位置する転がり軸受２の内外輪５，６は、主軸１の外径面に嵌合する内輪押さえ１０、およびハウジング７の内径面の段部１１により軸方向の位置規制が行われている。両転がり軸受２，２の外輪６，６間には外輪間座４が設けられ、内輪５，５間には内輪間座３がそれぞれ設けられている。よってこれら内外輪間座３，４の間座幅を調整することで、転がり軸受２に定位置予圧が付与される。主軸１の後部には、内輪押さえ１０に押し当てて転がり軸受２を固定する図示外の軸受固定ナットが螺着されている。主軸１の後側の端部は、図示外のモータ等の駆動源に回転伝達機構等を介して連結される。なお、前記モータはハウジング７に内蔵しても良い。

前記ハウジング７は、ハウジング内筒７Ａとハウジング外筒７Ｂとを内外に嵌合させたものである。このハウジング７に、冷却用の流体を供給する冷却流体供給路１２を設けている。前記流体として油が用いられる。冷却流体供給路１２は、ハウジング内筒７Ａのハウジング外筒７Ｂとの嵌合面、つまりハウジング内筒７Ａの外周面において、軸受２，２間に及ぶ範囲に設けられた螺旋状の溝である。この溝の軸方向ピッチは、軸方向一定間隔に形成されている。このような螺旋状の溝を例えば旋盤等を用いて容易に加工し得る。なお、冷却流体は例えば図示外のポンプ等によって循環されて用いられる。

ハウジング７における前記溝内には、冷却流体供給路１２に供給する流体の温度の調整をする温度調整手段１３を設けている。温度調整手段１３は例えば電気ヒータ等の綿状の発熱体から成る。この発熱体には、予圧調整手段１４が電気的に接続されている。後述する予圧調整手段１４は、温度調整手段１３により冷却流体供給路１２に供給する流体の温度の調整し、所望の軸受予圧に調整するものである。
ハウジング７には、図示外の軸受潤滑用のエアオイル供給路が形成されている。このエアオイル供給路にはエアオイル供給装置が接続され、エアオイル供給装置から供給されるエアオイルは、前記エアオイル供給路を経て各転がり軸受２の内輪５に吹き付けられる。

各転がり軸受２の内外輪５，６およびハウジング７の温度をそれぞれ検出する温度検出手段１５，１６，１７が設けられている。各温度検出手段１５〜１７は温度センサーから成る。これら温度検出手段１５〜１７は、予圧調整手段１４に電気的に接続されている。また、主軸１の回転速度を検出する回転速度検出手段１８が設けられ、この回転速度検出手段１８は予圧調整手段１４に電気的に接続されている。この例では、主軸１の回転速度の信号を前記モータの制御系等から得ているが、この形態に限定されるものではない。例えば、主軸１の回転速度を検出するセンサを設けても良い。

予圧調整手段１４は、定められた制御規則に基づき、検出された[主軸１の回転速度に応じて]、各温度検出手段１５，１６で検出される内輪５の温度と、外輪６の温度の温度差が[定められた温度差]、例えば１０℃程度の温度差となるように、温度調整手段１３により冷却流体供給路１２に供給する流体の温度を調整し、所望の軸受予圧に調整する。具体的には、予圧調整手段１４は、ハウジング７の冷却油温を強制的に変化させることで、軸受２の内外輪５，６の温度差を操作し、軸受２の予圧量を変化させるものであり、予め冷却温度と軸受温度の関係を確認しておいた上で行う。

［上記主軸１の回転速度に応じて］とあるのは、この例では、例えば、主軸の回転速度が、定められた回転速度となる低速回転であるdmn５０万未満（dmn：dm転動体ピッチ円径とn回転速度の積）で、且つ、内外輪温度差が２〜３℃未満であると、予圧調整手段１４が判断すると、この予圧調整手段１４は、温度調整手段１３にハウジング７の冷却油温を下げるように指示する。また、前記低速回転の状態で、内外輪温度差が１０℃に到達したと、予圧調整手段１４が判断すると、この予圧調整手段１４は、温度調整手段１３に冷却油温を室温よりも下げることを停止させるか、または室温まで冷却油温を上げるように指示する。この場合に、内外輪温度差を１０℃に付近に保つ際、８℃未満でスイッチオン、１２℃以上でスイッチオフという設定値を挟んでオン／オフのレベルを設定し、平均値を制御するようなヒステリシス制御を行ってもよい。
主軸の回転速度が低速領域を超えるdmn５０万以上になったと、予圧調整手段１４が判断すると、この予圧調整手段１４は、内外輪温度差を見ないで温度調整手段１３にハウジング７の冷却油温を室温まで上げるように指示する。

［上記定められた温度差］とあるのは、内外輪５，６の温度が共に室温等に同調した温度（例えば３０℃）に設定した運転停止状態から、主軸１を回転させて時間経過した後の内外輪５，６の温度差をいう。この定められた温度差は、低速回転の設定回転数、初期予圧の設定値、アキシアル内部すきま等によって規定される。

ここで図３のグラフは、主軸が３０℃の状態から、冷却流体供給路の油温を下げた場合の、時間経過に対する内外輪の温度変化を確認したものである。主軸１の温度が３０℃で内外輪５，６の温度が共に３０℃の運転停止状態からハウジング冷却油温を１０℃の設定として、内外輪５，６の温度差の変化を確認した。最初は内外輪温度差が０℃であったものが、急激に外輪側が冷やされたため内外輪温度差が広がり、最終的には内外輪共１０℃付近で安定している。なお図３グラフでは冷却油流量が５L/minの場合であるが、流量を増やすことで軸受の温度変化速度を速めることができる。

このときの主軸１のアキシアル固有振動数を実際に主軸１をハンマリングして確認してみると、図４に示すように、内外輪温度差が大きいときには固有振動数も高くなっている。これは、軸受２のばね定数が高くなっているためであり、すなわち軸受２の予圧が大きくなっているということである。
運転停止状態でもありハウジング冷却の効果で内輪側も時間経過と共に徐々に冷やされ、内外輪温度が共に１０℃付近で安定すると、初期の主軸、内外輪温度共に３０℃の状態よりも、固有振動数がやや高めで安定する。つまり予圧量も初期よりも大きくなる。
本発明はこの特性を生かしたものである。

主軸装置の作用効果について説明する。
主軸装置を高速回転を目的とした初期の予圧が小さい設定またはすきまのある設定にしておく。図２は、主軸の回転速度と軸受予圧量との関係を示したものである。主軸剛性の低い低速状態（図１矢符Ａ１にして示す強制冷却範囲、例えば主軸１の回転速度がdmn５０万未満では、予圧調整手段１４は、温度調整手段１３に主軸１の回転速度に応じた適切な冷却を加えるよう指示する。そうすると外輪側が急激に冷やされることで内外輪温度差が広がる。このとき軸受２のばね定数が高くなっている。すなわち軸受２の予圧が大きくなっている。このように低速状態においても、強制的に予圧を上げて剛性を高めた状態とする。この場合、低速状態における主軸剛性および加工精度等を高めることが可能となる。

そして、予圧調整手段１４は、主軸１の回転速度が例えばdmn５０万以上に上がれば、冷却流体供給路１２に供給する流体の温度を温度調整手段１３により高める。これにより、軸受２に与えられた予圧状態が過大となることを避け、高速加工を精度良く行うことができる。
この構成によると、従来技術のものより構造を簡単化したうえで、回転初期の剛性を十分に確保し、なおかつ高速回転時においても予圧過大となることを避け、過度の昇温を生じない主軸装置とすることができる。

ハウジング７の冷却流体供給路１２は、軸方向に離れて配置された軸受２，２間に及ぶ範囲に設けられた溝であるため、冷却流体供給路１２を、冷却が必要な範囲に限定して設けることができる。
温度調整手段１３を、ハウジング７における螺旋状の溝内に設けたため、溝の形成により、温度調整手段１３を安定して設置することができる。また、この螺旋状の溝に流す冷却用の流体を、この溝内に設けた温度調整手段１３により直接的に温度調整するため、温度調整手段設置用の溝を別に設けるよりも、温度調整手段１の温度調整の促進効果を高めることができる。しかも別の溝加工の手間が不要となり製造コストの低減を図れる。

前記各実施形態では、温度調整手段１３として電気ヒータ等の発熱体を、ハウジング７の溝内に設けているが、このような形態に限定されるものではない。例えば、図５に示すように、前記電気ヒータ等の発熱体に代えて、温度調整手段１３Ａを、主軸装置の外部に設けて、この主軸装置の冷却流体供給路１２およびオイルタンク１９に配管接続しても良い。前記温度調整手段１３Ａは、冷却流体を循環させる流路を備えている。この流路の上流側端部２０にオイルタンク１９が配管接続され、流路の下流側端部２１に冷却流体供給路１２が配管接続されている。温度調整手段１３Ａ内における流路には、例えば、冷却流体を強制的に循環させる図示外のポンプ、冷却流体を冷却させる冷却装置、冷却流体を加熱する加熱装置とが設けられている。予圧調整手段１４は、主軸１の回転速度に応じて、内外輪５，６の温度差が定められた温度差となるように、ハウジング７の冷却流体供給路１２に供給する流体の温度を温度調整手段１３Ａにより調整し、所望の軸受予圧に調整する。この場合、既存の主軸装置に温度調整手段１３Ａ等を追加するだけで足りるため、主軸装置の汎用性を高めると共に工数低減を図ることができる。

前記各実施形態では、内外輪の温度を検出して、予圧調整手段は、主軸回転数と共に内外輪温度差をも加味して温度制御を行っているが、この形態に限定されるものではない。例えば、予圧調整手段は、主軸の回転速度に応じて、前記温度調整手段により冷却流体供給路に供給する流体の温度を調整し、所望の軸受予圧に調整するものとしても良い。すなわち、主軸の回転速度が低速回転であるdmn５０万未満であると、予圧調整手段が判断すると、この予圧調整手段はハウジングの冷却油温を下げる制御を行い、主軸の回転速度が低速領域を超えるdmn５０万以上であると、予圧調整手段が判断すると、この予圧調整手段はハウジングの冷却油温を室温より下げる制御を停止しても良い。この場合、内外輪等の温度検出手段を省略することができ、構造が簡単化する。
さらに他の実施形態として、予圧調整手段は、主軸の回転速度が低速回転であるdmn５０万未満で、且つ、内外輪温度差が２〜３℃未満であると、予圧調整手段１４が判断すると、この予圧調整手段１４は、この低速回転の範囲内において回転初期に冷却油温を室温よりも大きく下げその後前記低速回転の範囲内で回転数が上がるに従って次第に冷却油温を小さく下げるように制御しても良い。

ハウジングの螺旋状の溝に代えて、または螺旋状の溝と共に、ハウジングの周面に円周状の溝を軸方向に沿って複数設けても良い。これら溝内に発熱体を設けても良い。
いわゆるジャケット冷却構造の冷却流体供給路を設けても良い。
ハウジングに、冷却流体供給路とは別に、温度調整手段だけを設置する専用の溝または孔を設けても良い。
ハウジング外筒の内周面に冷却流体供給路を設けても良い。ハウジング内筒の外周面およびハウジング外筒の内周面の両方に冷却流体供給路を設けても良い。ハウジング内筒およびハウジング外筒のいずれか一方または両方の螺旋状の溝内に、温度調整手段を設けても良い。
主軸装置に組み込む転がり軸受として、円すいころ軸受を適用しても良い。

１…主軸
２…転がり軸受
５…内輪
６…外輪
７…ハウジング
１２…冷却流体供給路
１３…温度調整手段
１４…予圧調整手段
１５〜１７…温度検出手段
１８…回転速度検出手段

Claims

主軸を支持し予圧を付与可能な転がり軸受と、この転がり軸受の外輪を嵌合するハウジングとを備え、このハウジングに冷却用の流体を供給する冷却流体供給路を設けた主軸装置において、
前記冷却流体供給路に供給する流体の温度を調整する温度調整手段を設けると共に、主軸の回転速度を検出する回転速度検出手段を設け、
前記回転速度検出手段により検出された主軸の回転速度に応じて、前記温度調整手段により冷却流体供給路に供給する流体の温度を調整し、所望の軸受予圧に調整する予圧調整手段を設けたことを特徴とする主軸装置。
請求項１において、前記転がり軸受の内外輪およびハウジングの温度をそれぞれ検出する温度検出手段を設け、
前記予圧調整手段は、前記回転速度検出手段により検出された主軸の回転速度に応じて、前記各温度検出手段で検出される内輪の温度と、外輪の温度の温度差が定められた温度差となるように、前記温度調整手段により冷却流体供給路に供給する流体の温度を調整し、所望の軸受予圧に調整する主軸装置。
請求項１または請求項２において、前記転がり軸受は、主軸の軸方向に互いに離れて複数個配置されたものであり、前記ハウジングは、ハウジング内筒とハウジング外筒とを内外に嵌合させたものであり、前記ハウジングの冷却流体供給路は、前記ハウジング内筒の外周面における、軸方向に離れて配置された軸受間に及ぶ範囲に設けられた溝である主軸装置。
請求項３において、前記冷却流体供給路は、前記ハウジング内筒の外周面に設けた螺旋状または円周状の溝である主軸装置。
請求項３または請求項４において、前記温度調整手段を、前記ハウジング内筒の外周面に設けた螺旋状の溝内に設けた主軸装置。
請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記温度調整手段は、主軸装置の外部で前記冷却流体供給路に配管接続されたものであり、この温度調整手段内における流路に、前記流体を循環させるポンプと、前記流体を冷却させる冷却装置と、前記流体を加熱する加熱装置とを設けた主軸装置。
請求項１ないし請求項６のいずれか１項において、前記予圧調整手段は、主軸の回転速度が定められた速度未満であると判断したとき、冷却流体供給路に供給する流体の温度を下げ、主軸の回転速度が定められた速度以上であると判断したとき、前記流体の温度を下げるのを停止もしくは温度を上げるように制御する主軸装置。
請求項１ないし請求項７のいずれか１項において、前記転がり軸受としてアンギュラ玉軸受を組込んだ主軸装置。
請求項１ないし請求項７のいずれか１項において、前記転がり軸受として円すいころ軸受を組込んだ主軸装置。
請求項１ないし請求項９のいずれか１項において、前記主軸装置は工作機械に適用されるものである主軸装置。