JP3949801B2

JP3949801B2 - 工作機械主軸の軸受装置

Info

Publication number: JP3949801B2
Application number: JP34674997A
Authority: JP
Inventors: 隆夫伊達
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 1997-12-16
Filing date: 1997-12-16
Publication date: 2007-07-25
Anticipated expiration: 2017-12-16
Also published as: JPH11179603A; US6158895A; US6293703B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、工作機械主軸の軸受装置に関し、特にアンギュラコンタクトボール軸受を使用した工作機械主軸の軸受装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
工作機械の主軸の軸受装置は、高い回転精度が必要なことから、がたつきを少なくするため、アンギュラコンタクトボール軸受（アンギュラ軸受）に予荷重を与えて使用し、これを複数個並べた、いわゆる組合わせ軸受が主流であり、主軸支持では主軸の支持スパンを大きく取れる有利さから、背面組み合わせ型と呼ばれる組合わせが一般的である。
【０００３】
組み合わせ軸受では、アンギュラコンタクトボール軸受に予荷重を与えるために、２個のアンギュラコンタクトボール軸受のアウタレース間に中間アウタカラー（アウタカラー）を、インナレース間に中間インナカラー（インナカラー）を組み入れ、アウタカラーの軸線方向長さとインナカラーの軸線方向長さに寸法差を付けることによりアンギュラ軸受に予荷重を与えている。背面組み合わせ型のものでは、アウタカラーの軸線方向長さがインナカラーの軸線方向長さより長いほど、アンギュラ軸受に与える予荷重が大きくなる。
【０００４】
近年、工作機械の主軸回転数の高速化が顕著であり、最近では、毎分１０００回転を遥かに超える高速運転での使用が増えており、この主軸回転数の高速化に伴い遠心力による軸受寿命の問題がクローズアップされている。
【０００５】
これは、主軸が高速回転になるほど、遠心力により主軸やインナレースが半径方向に膨張し、さらにボールも遠心力によってアウタレースに押し付けられ、予荷重が増加することによっている。
【０００６】
また、工作機械の主軸は金属加工に充分に耐える剛性が必要であるため、主軸直径が大きく、軸受部材のボール重量も大きい。これらのことから、一般の機械装置における高速回転軸に用いられる小さな直径の軸受の場合より工作機械の主軸の場合には、遥かに大きい遠心力が発生し、軸受に作用する荷重が過剰になり、軸受の寿命を著しく縮めることになる。
【０００７】
このことに対して、特開平２−２７９２０３号公報に示されているように、軸受部に油圧ピストン機構を組み込み、油圧ピストン機構に与える油圧切換によりアウタレースとインナレースの軸線方向の相対位置を変化させて軸受予荷重を切り換えることが既に提案されている。
【０００８】
また、特開平８−２００３５９号公報に示されているように、インナカラーを主軸より熱膨張係数が高い材料により構成し、主軸とインナカラーとの熱膨張差により高速回転時の軸受予荷重を低減することが既に提案されている。
【０００９】
また、主軸回転速度が高速度になるほど、軸受部の発熱量が増加し、この熱によって主軸系全体の温度上昇が大きくなり、熱変形による加工精度の低下が顕著となるから、アウタレースを保持する主軸頭本体等による軸受ケースにオイルジャケットを設けて冷却液を流し、軸受部をアウタレース側より冷却することが行われている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
特開平２−２７９２０３号公報に示されているような、油圧ピストン機構により軸受予荷重を切り換えるものは、油圧ピストン機構を軸受部に組み込むことから、部品点数が多く、構造が複雑になり、また油圧切換のための油圧制御装置が必要になり、大がかりなものになる。
【００１１】
これに対し、特開平８−２００３５９号公報に示されているように、インナカラーを主軸より熱膨張係数が高い材料により構成されものでは、部品点数が増えたり、構造が複雑になることがないが、しかし、アウタレースは主軸頭本体等による軸受ケースにすきま嵌めで装填されるのに対してインナレースは主軸外周に強いしまり嵌めで装填されるため、熱膨張差による主軸とインナカラーとの軸線方向の相対変位時に大きい摩擦力が作用し、インナカラーの熱変形量に追従してインナレースが主軸に対し正しく滑らずに変位せず、設計値通りに予荷重の変化を制御することが難しいと云う問題点がある。
【００１２】
また、主軸頭本体等による軸受ケースにオイルジャケット等による冷却機構によって軸受部をアウタレース側より冷却することが行われると、軸受ケースとアウタレースとの間、アウタレースとインナレースとの間に各々温度差が生じ、この温度差による各部の熱膨張差（主軸側の方が熱膨張が大きい）により軸受の径方向隙間が詰まり、軸受部の発熱が逆に増える結果になる。これを避けるためには、軸受にがたを与えた状態で組み付けなれればならず、主軸の回転精度、支持剛性の低下を避けることできない。
【００１３】
この発明は、上述の如き問題点に着目してなされたものであり、構造を複雑にすることなく高速回転時の軸受予荷重を的確に低減でき、また軸受ケースの冷却によって軸受部の発熱が増えるを避けるために軸受にがたを与えた状態で組み付ける必要がなく、主軸の回転精度、支持剛性を保つことができる工作機械主軸の軸受装置を提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上述の如き目的を達成するために、請求項１に記載の発明による工作機械主軸の軸受装置は、背面組合わせに配置された２個のアンギュラコンタクトボール軸受により工作機械主軸を、軸受ケースの内側に取り付けた筒状のクーラントハウジングより支持し、２個のアンギュラコンタクトボール軸受のアウタレース間にアウタカラーが、インナレース間にインナカラーが各々配置され、前記アウタカラーの軸線方向長さが前記インナカラーの軸線方向長さより長いことにより前記アンギュラコンタクトボール軸受に予荷重を与えられる工作機械主軸の軸受装置において、
前記クーラントハウジングの外周に螺旋溝による冷却液通路が形成されると共に、この冷却液通路の一端に冷却液を供給する冷却液入口と、冷却液通路の他端に冷却液を取り出す冷却液出口とが形成されてなり、
前記クーラントハウジングは前記アウタカラーより熱膨張係数が高い材料により構成されているものである。
【００１５】
この発明による工作機械主軸の軸受装置によれば、アウタカラーの熱膨張係数が軸受ケース、工作機械主軸、インナカラーの熱膨張係数より低いことにより、主軸の高速回転により軸受部が発熱すると、アウタカラーが他のものに比して熱膨張せず、このことによりアウタカラーとインナカラーの軸線方向の寸法差が少なくなり、アウタカラーの軸線方向変位によりアンギュラコンタクトボール軸受に与える予荷重が減少する。
【００１６】
軸受ケースの内側に取り付けたクーラントハウジングの冷却によって軸受部がアウタカラー側より冷却され、この冷却によりクーラントハウジングとアウタカラーとの間、アウタカラーとインナカラーとの間に各々温度差が生じても、軸受ケースの熱膨張係数がアウタレースの熱膨張係数より高いことにより、クーラントハウジングの熱膨張量が多くなり、軸受の径方向隙間が詰まることが回避、あるいはその度合いが低減される。
【００１７】
請求項２に記載の発明による工作機械主軸の軸受装置は、前記軸受ケースの内側に取り付けたクーラントハウジングはステンレス鋼により構成されているものである。
【００１８】
この発明による工作機械主軸の軸受装置によれば、軸受ケースの内側に取り付けたクーラントハウジングの熱膨張係数がアウタカラーの熱膨張係数より高い値に適切に設定される。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に添付の図を参照してこの発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００２０】
（実施の形態１）
図１はこの発明による工作機械主軸の軸受装置の実施の形態１を示している。
【００２１】
図１において、１は主軸頭本体（軸受ケース）を、３は主軸を、５、７は背面組合わせに配置された２個のアンギュラ軸受を各々示している。
【００２２】
アンギュラ軸受５、７のインナレース５ｉ、７ｉは主軸３の外周にしまり嵌め嵌合し、インナレース５ｉと７ｉとの間にインナカラー９を挟んで、主軸３の先端部の段部３ａと主軸３にねじ止めされた軸受ナット１１によりスラスト方向に締結されている。
【００２３】
アンギュラ軸受５、７のアウタレース５ｏ、７ｏは主軸頭本体１の内周にすきま嵌め嵌合し、アウタレース５ｏと７ｏとの間にアウタカラー１３を挟んで、主軸頭本体１の段部１ａと主軸頭本体１の先端にねじ１５によってねじ止めされたベアリング押さえ１７によりスラスト方向に締結されている。
【００２４】
アウタカラー１３の軸線方向長さはインナカラー９の軸線方向長さより少し長く、この寸法差によりアンギュラ軸受５、７に予荷重を与えている。
【００２５】
主軸頭本体１、主軸３、インナカラー９は、鋳鉄や炭素鋼、クロムモリブデン鋼等の構造用鋼など、熱膨張率がほぼ等しい（１０×１０-6程度）材料により構成され、アウタカラー１３はそれらより熱膨張率が低い低熱膨張材、たとえば熱膨張率が２．２×１０-6程度のインバー系金属により構成されている。
【００２６】
上述のように、アウタカラー１３がインバー系金属により構成され、主軸頭本体１、主軸３、インナカラー９が鋳鉄、構造用鋼により構成されていることにより、アウタカラー１３の熱膨張係数が主軸頭本体１、主軸３、インナカラー９の熱膨張係数より低い値に適切に設定される。
【００２７】
上述の如き構成によれば、主軸３の高速回転により軸受部が発熱すると、主軸３、アンギュラ軸受５、７、インナカラー９、アウタカラー１３、主軸頭本体１の各部の温度が上昇する。
【００２８】
熱膨張率の差により、アウタカラー１３の軸線方向の伸びは、インナカラー９、主軸３、主軸頭本体１の軸線方向の伸びより少なく、このことによりアウタカラー１３とインナカラー９の軸線方向の寸法差が初期設定値より少なくなり、アウタカラー１３の主軸頭本体１に対する円滑な軸線方向変位により、アンギュラ軸受５、７に与える予荷重が減少する。
【００２９】
これにより、大きい遠心力が発生してもアンギュラ軸受５、７に作用する荷重が過剰になることがなく、軸受寿命が短縮されることがない。
【００３０】
（実施の形態２）
図２はこの発明による工作機械主軸の軸受装置の実施の形態２を示している。なお、図２において、図１に対応する部分は、図１に付した符号と同一の符号を付けて、その説明を省略する。
【００３１】
この実施の形態では、アウタカラー１３が軸線方向に２個に分割された前側アウタカラー１３ａと後側アウタカラー１３ｂにより構成され、前側アウタカラー１３ａはインバー系金属に低熱膨張材より構成され、後側アウタカラー１３ｂが炭素鋼等の一般機械構造材により構成されている。
【００３２】
この実施の形態によれば、低熱膨張材による前側アウタカラー１３ａと一般機械構造材による後側アウタカラー１３ｂの軸長の組合せにより、アウタカラー全体の熱膨張特性が大きい自由度をもって設定され、主軸回転数−予荷重特性をアウタカラーの全長や各材料の熱膨張係数に拘束されることなく適正値に設定することが可能になる。
【００３３】
従って、この実施の形態でも、大きい遠心力が発生してもアンギュラ軸受５、７に作用する荷重が過剰になることがなく、軸受寿命が短縮されることがない。
【００３４】
（実施の形態３）
図３はこの発明による工作機械主軸の軸受装置の実施の形態３を示している。
【００３５】
なお、図３においても、図１に対応する部分は、図１に付した符号と同一の符号を付けて、その説明を省略する。
【００３６】
この実施の形態では、アウタカラー１３の外周面に形成された螺旋溝によりアウタカラー１３に冷却液通路２１が形成されている。主軸頭本体１には、冷却液通路２１の一端に冷却液を供給する冷却液入口２３と、冷却液通路２１の他端より冷却液を取り出す冷却液出口２５が形成されており、これらは外部配管２７、２９によって冷却液温度制御手段３１に接続されている。
【００３７】
冷却液温度制御手段３１は、冷却液をアウタカラー１３の冷却液通路２１に循環供給する機能と、冷却液の冷却器を含み、アウタカラー１３の温度を指令値に保つように、冷却液通路２１に供給する冷却液の温度をフィードバック制御する機能とを有している。
【００３８】
この実施の形態では、冷却液通路２１に供給する冷却液の温度制御によりアウタレース１３の温度が指令値に保たれ、アウタレース１３の熱膨張量が定量的に制御される。この熱膨張量制御により軸受予荷重が外部より任意の値に制御され、大きい遠心力が発生してもアンギュラ軸受５、７に作用する荷重が過剰になることがなく、軸受寿命が短縮されることがない。
【００３９】
（実施の形態４）
図４はこの発明による工作機械主軸の軸受装置の実施の形態４を示している。
【００４０】
なお、図４においても、図１に対応する部分は、図１に付した符号と同一の符号を付けて、その説明を省略する。
【００４１】
この実施の形態では、ボルト３３によって筒状のクーラントハウジング３５が主軸頭本体１の先端部にねじ止めされている。クーラントハウジング３５の外周面には螺旋溝による冷却液通路３７が形成されている。主軸頭本体１には、冷却液通路３７の一端に冷却液を供給する冷却液入口３９と、冷却液通路３７の他端より冷却液を取り出す冷却液出口４１が形成されており、これらは図示されていない外部配管によって冷却液温度制御手段（図示省略）に接続されている。
【００４２】
冷却液通路３７を流れる冷却液によりクーラントハウジング３５の外周側の温度は主軸頭本体１の温度と同等の室温に保たれる。
【００４３】
アンギュラ軸受５、７のアウタレース５ｏ、７ｏはクーラントハウジング３５の内周にすきま嵌め嵌合し、アウタレース５ｏと７ｏとの間にアウタカラー１３を挟んで、クーラントハウジング３５の段部３５ａとクーラントハウジング３５の先端にねじ４３によってねじ止めされたベアリング押さえ４５によりスラスト方向に締結されている。
【００４４】
アンギュラ軸受５、７のアウタレース５ｏ、７ｏ間のアウタカラー１３が構造用鋼により構成されるのに対して、クーラントハウジング３５はアウタレース５ｏ、７ｏ間のアウタカラー１３より熱膨張係数が高い材料、たとえば熱膨張率が１６×１０-6程度のステンレス鋼（ＳＵＳ２７Ｂ）により構成されている。
【００４５】
この構成によれば、クーラントハウジング３５の冷却によって軸受部がアウタカラー１３側より冷却され、この冷却によりクーラントハウジング３５とアウタカラー１３との間、アウタカラー１３とインナレース５ｉ、７ｉ間のインナカラー９との間に各々温度差が生じても、クーラントハウジング３５の熱膨張係数がアウタレース５ｏ、７ｏ間のアウタカラー１３の熱膨張係数より高いことにより、クーラントハウジング３５の熱膨張量が多くなり、アンギュラ軸受５、７の径方向隙間が詰まることが回避、あるいはその度合いが低減される。
【００４６】
たとえば、主軸３、インナカラー９、インナレース５ｉ、７ｉの温度が室温より３２℃高く、アウタカラー１３、アウタレース５ｏ、７ｏの温度が室温より５℃高くなり、冷却液通路３７を流れる冷却液によるクーラントハウジング３５の冷却によってクーラントハウジング３５の外周側が室温に保たれることから、クーラントハウジング３５の平均温度が室温より７．５℃高いとする。軸受外径を１５０ｍｍとすると、アウタレース５ｏ、７ｏ間のアウタカラー１３の室温時からの径方向の熱膨張量は（１．０×１０-5/ ℃）・１５℃×１５０ｍｍ＝２２．５μｍとなり、クーラントハウジング３５がアウタレース５ｏ、７ｏ間のアウタカラー１３と同一の熱膨張率による材料に構成されていれば、クーラントハウジング３５の室温時からの径方向の熱膨張量は（１．０×１０-5/ ℃）・７．５℃×１５０ｍｍ＝１１．２５μｍとなり、２２．５μｍ−１１．２５μｍ＝１１．２５μｍを予め径方向間隙として軸受部に確保していないと、軸受の径方向間隙が発熱により詰まることになる。
【００４７】
これに対して、クーラントハウジング３５がアウタレース５ｏ、７ｏ間のアウタカラー１３より熱膨張係数が高い材料に構成されていると、クーラントハウジング３５の室温時からの径方向の熱膨張量は（１．６×１０-5/ ℃）・７．５℃×１５０ｍｍ＝１８μｍとなり、差分２２．５μｍ−１８μｍ＝４．５μｍとなり、予め軸受部に確保すべき径方向間隙が少なくすむようになる。
【００４８】
以上に於ては、本発明を特定の実施例について詳細に説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、本発明の範囲内にて種々の実施例が可能であることは当業者にとって明らかであろう。
【００４９】
【発明の効果】
以上の説明から理解される如く、請求項１に記載の工作機械主軸の軸受装置によれば、アウタカラーの熱膨張係数が軸受ケース、工作機械主軸、インナカラーの熱膨張係数より低いことにより、主軸の高速回転により軸受部が発熱すると、アウタカラーが他のものに比して熱膨張せず、このことによりアウタカラーとインナカラーの軸線方向の寸法差が少なくなり、アウタカラーの軸線方向変位によりアンギュラ軸受に与える予荷重が減少するから、大きい遠心力が発生してもアンギュラ軸受に作用する荷重が過剰になることがなく、軸受寿命が短縮されることがない。
【００５０】
また、軸受ケースの内側に取り付けた筒状のクーラントハウジングの冷却によって軸受部がアウタカラー側より冷却され、この冷却によりクーラントハウジングとアウタカラーとの間、アウタカラーとインナカラーとの間に各々温度差が生じても、軸受ケースの内側に取り付けた筒状のクーラントハウジングの熱膨張係数がアウタカラーの熱膨張係数より高いことにより、クーラントハウジングの熱膨張量が多くなり、軸受の径方向隙間が詰まることが回避、あるいはその度合いが低減されるから、クーラントハウジングの冷却によって軸受部の発熱が増えるを避けるために軸受にがたを与えた状態で組み付ける必要がなくなり、あるいは少なくなり、主軸の回転精度、支持剛性を保つことができるようになる。
【００５１】
請求項２に記載の発明による工作機械主軸の軸受装置によれば、クーラントハウバングがステンレス鋼により構成されているから、クーラントハウジングの熱膨張係数がアウタカラーの熱膨張係数より高い値に適切に設定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による工作機械主軸の軸受装置の実施の形態１を示す断面図である。
【図２】この発明による工作機械主軸の軸受装置の実施の形態２を示す断面図である。
【図３】この発明による工作機械主軸の軸受装置の実施の形態３を示す断面図である。
【図４】この発明による工作機械主軸の軸受装置の実施の形態４を示す断面図である。
【符号の説明】
１主軸頭本体
３主軸
５、７アンギュラ軸受
５ｉ、７ｉインナレースカラー
５ｏ、７ｏアウタレース
９インナカラー
１３アウタカラー
１３ａ前側アウタカラー
１３ｂ後側アウタカラー
２１冷却液通路
３１冷却液温度制御手段
３５クーラントハウジング
３７冷却液通路

Claims

背面組合わせに配置された２個のアンギュラコンタクトボール軸受（５、７）により工作機械主軸（３）を、軸受ケース（１）の内側に取り付けた筒状のクーラントハウジング（３５）より支持し、２個のアンギュラコンタクトボール軸受（５、７）のアウタレース（５ｏ、７ｏ）間にアウタカラー（１３）が、インナレース（５ｉ、７ｉ）間にインナカラー（９）が各々配置され、前記アウタカラー（１３）の軸線方向長さが前記インナカラー（９）の軸線方向長さより長いことにより前記アンギュラコンタクトボール軸受（５、７）に予荷重を与えられる工作機械主軸の軸受装置において、
前記クーラントハウジング（３５）の外周に螺旋溝による冷却液通路（３７）が形成されると共に、この冷却液通路（３７）の一端に冷却液を供給する冷却液入口（３９）と、冷却液通路（３７）の他端に冷却液を取り出す冷却液出口（４１）とが形成されてなり、
前記クーラントハウジング（３５）は前記アウタカラー（１３）より熱膨張係数が高い材料により構成されていることを特徴とする工作機械主軸の軸受装置。
前記クーラントハウジング（３５）はステンレス鋼により構成されていることを特徴とする請求項１に記載の工作機械主軸の軸受装置。