(57)【要約】【課題】低速域から高速域まで、少ない圧縮エアで軸受を効率良く冷却することができ、また予圧の調整が行い易い軸受装置の冷却構造を提供する。【解決手段】転がり形式１の軸受の外輪２および内輪３にそれぞれ隣接する外輪間座４および内輪間座５を有する。外輪間座４に、内輪間座５の外周面に向けて圧縮エアを吐出する空冷ノズル１０が設けられる。内輪間座５は外輪間座４に比べて、熱伝導率が高く、かつ軸方向の線膨張係数が高い。転がり軸受１の予圧形式は定位置予圧である。【選択図】図１
2020041647.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
転がり軸受の外輪および内輪にそれぞれ隣接する外輪間座および内輪間座を有し、前記外輪間座に、前記内輪間座の外周面に向けて圧縮エアを吐出する空冷ノズルが設けられた軸受装置の冷却構造であって、
前記内輪間座は前記外輪間座に比べて、熱伝導率が高く、かつ軸方向の線膨張係数が高く、前記転がり軸受の予圧形式が定位置予圧である軸受装置の冷却構造。
【請求項２】
請求項１に記載の軸受装置の冷却構造において、前記内輪間座が、内輪間座本体と、この内輪間座本体の少なくとも前記転がり軸受の内輪と接触する端面を覆う覆い材とを有し、前記覆い材が前記内輪間座本体よりも機械加工性の良い材質である軸受装置の冷却構造。
【請求項３】
請求項１に記載の軸受装置の冷却構造において、前記内輪間座が、内輪間座本体と、この内輪間座本体の軸方向両端面に接合された端部材とを有し、この端部材は、前記内輪間座本体よりも機械加工性の良い材質である軸受装置の冷却構造。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載の軸受装置の冷却構造において、前記内輪間座本体よりも機械加工性の良い材質は、外輪間座と同じ材質である軸受装置の冷却構造。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の軸受装置の冷却構造において、軸方向に並ぶ２列以上の軸受を備え、隣合う軸受の外輪間および内輪間に前記外輪間座および内輪間座がそれぞれ介在する軸受装置の冷却構造。
【請求項６】
請求項５に記載の軸受装置の冷却構造において、前記隣合う軸受がアンギュ玉軸受であって、背面組み合わせに配置された軸受装置の冷却構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、軸受装置の冷却構造に関し、例えば、工作機械の主軸装置における軸受の冷却構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
工作機械の主軸装置では、加工精度を確保するために、装置の温度上昇は小さく抑える必要がある。しかしながら最近の工作機械では、加工能率を向上させるため高速化の傾向にあり、主軸を支持する軸受からの発熱も高速化と共に大きくなってきている。また、装置内部に駆動用のモータを組込んだいわゆるモータビルトインタイプが多くなってきており、装置の発熱要因ともなってきている。
発熱による軸受の温度上昇は、軸受の予圧の増加をもたらす結果となり、主軸の高速化、高精度化を考えると極力抑えたい。
【０００３】
温度上昇により軸受の予圧が上がることを調整する機構としては、内輪間座を、主軸より熱伝導率が大きく、主軸の材料より比重の小さい材料で構成する「工作機械主軸軸受の予圧調整機構」( 特許文献１）が提案されている。
また、外輪間座に圧縮空気を内輪間座に向けて吐出するノズルを設けた「工作機械主軸用空冷間座付軸受」（特許文献２）が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−１９８０５号公報
【特許文献２】特許第６１４４０２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の提案は、外輪間座と内輪間座の熱膨張差により、軸受の予圧を軽減する技術であり、温度差が生じにくい低速域から中速域では、効果が発揮されにくい。
特許文献２の提案は、内輪間座に圧縮空気を吹き付けて冷却する技術であり、圧縮エアの供給量が多いと軸受冷却効果が増し、軸受の高速化、高剛性化に寄与する。しかし、その反面、より大きな容量を持つ圧縮機を採用しなければならず、工作機械の大形化やエネルギー消費量の増加を招くため、少ない圧縮エアで軸受を効率良く冷却する必要がある。また、特許文献２の空冷間座付軸受は、内輪間座を冷却することで隣接する軸受を冷却するが、その際、内輪間座の熱膨張は、空冷を実施しない場合に比べ小さい。また、通常、工作機械の主軸において、アンギュラ形式の転がり軸受は背面組合せで使用されるため、空冷間座が軸受の背面間にある場合は、内輪間座の熱膨張が小さい方が、予圧や軸受の軌道面の接触面圧が増大し、発熱しやすくなる。そのため、空冷の効果を得にくい。
【０００６】
この発明の目的は、低速域から高速域まで、少ない圧縮エアで軸受を効率良く冷却することができ、また予圧の調整が行い易い軸受装置の冷却構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明の軸受装置の冷却構造は、転がり軸受の外輪および内輪にそれぞれ隣接する外輪間座および内輪間座を有し、前記外輪間座に、前記内輪間座の外周面に向けて圧縮エアを吐出する空冷ノズルが設けられた軸受装置の冷却構造であって、
前記内輪間座は前記外輪間座に比べて、熱伝導率が高く、かつ軸方向の線膨張係数が高く、前記転がり軸受の予圧形式が定位置予圧である。
【０００８】
この構成によると、外輪間座に設けた空冷ノズルより内輪間座の外周面に圧縮エアを吐出することで、内輪間座が冷却され、内輪間座における熱伝導で軸受が冷却される。このため、内輪間座に熱伝導率の高い材質を用いることで、冷却効果を上げることができる。特に、低速域から中速域では、少量の圧縮エアで軸受を冷却することができる。
また、定位置予圧形式であって、内輪間座の材質に外輪間座の材質よりも線膨張係数の高いものを使用することで、内輪間座は熱膨張しやすくなり、軸受の予圧や回転中の軸受の軌道面の接触面圧が低減でき、軸受の昇温をより抑えられる。この線膨張差による予圧や軌道面の接触面圧の低減は、高速域の場合に効果的である。
このように、外輪間座と内輪間座の熱膨張差、内輪間座の高熱伝導率、および空冷間座の技術を組み合わせることで、上記各課題は解消される。
【０００９】
この発明において、前記内輪間座が、内輪間座本体と、この内輪間座本体の少なくとも前記軸受の内輪と接触する端面を覆う覆い材とを有し、前記覆い材が前記内輪間座本体よりも機械加工性の良い材質からなっていてもよい。
内輪間座の端面が機械加工性の良い材質の覆い材で覆われていると、内輪間座の端面の直角度と表面粗さを高精度に仕上げることができて、軸受の内輪と密接させることができる。そのため、熱伝導性の向上による冷却効果の向上が期待できる。
内輪間座は、熱伝導率が高い材質であることが必要であり、例えば銅やアルミが好ましいが、銅やアルミなど、熱伝導率が高い材質は一般的に軟質金属であるため、高精度に加工するには工数がかかる。この課題につき、内輪間座を熱伝導性に優れた内輪間座本体とその表面を覆う材料とで構成することで、内輪間座内部での熱伝導性の向上と、加工精度の向上による密着性の向上による接触部での熱伝導性の向上とが両立され、冷却効果をより高めることができる。
【００１０】
この発明において、前記内輪間座が、内輪間座本体と、この内輪間座本体の軸方向両端面に接合された端部材とを有し、この端部材は、前記内輪間座本体よりも機械加工性の良い材質からなるようにしてもよい。
この構成の場合も、内輪間座内部での熱伝導性の向上と、加工精度の向上による密着性の向上による接触部での熱伝導性の向上とが両立され、冷却効果をより高めることができる。
【００１１】
前記内輪間座における、前記内輪間座本体よりも機械加工性の良い材質は、外輪間座と同じ材質であってもよい。
外輪間座は冷却ノズルの形成等のために鋼材等の機械加工性の良い材質が用いられる。そのため、内輪間座における機械加工性の良い材料に外輪間座と同じ材質を用いることができる。
【００１２】
この発明において、軸方向に並ぶ２列以上の軸受を備え、隣合う軸受の外輪間および内輪間に前記外輪間座および内輪間座がそれぞれ介在していてもよい。
例えば、前記隣合う軸受がアンギュ玉軸受であって、背面組み合わせに配置されていてもよい。
２列以上の軸受の場合に、内輪間座の線膨張係数を高くしたことによる予圧の調整効果が良好に得られる。
特に、軸受が背面組み合わせに配置されたアンギュ玉軸受の場合、内輪間座の線膨張係数を高くしたことによる予圧の調整効果がより良好に得られる。
【発明の効果】
【００１３】
この発明の軸受装置の冷却構造は、転がり軸受の外輪および内輪にそれぞれ隣接する外輪間座および内輪間座を有し、前記外輪間座に、前記内輪間座の外周面に向けて圧縮エアを吐出する空冷ノズルが設けられた軸受装置の冷却構造であって、前記内輪間座は前記外輪間座に比べて、熱伝導率が高く、かつ軸方向の線膨張係数が高く、前記転がり軸受の予圧形式が定位置予圧であるため、少ない圧縮エアで軸受を効率良く冷却することができ、また予圧の調整が行い易い。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】この発明の第１の実施形態に係る軸受装置の冷却構造の一部を示す部分縦断面図である。
【図２】同軸受装置の間座部分の横断面図である。
【図３】同軸受装置を備えた工作機械の主軸装置の縦断面図である。
【図４】この発明の他の実施形態に係る軸受装置の冷却構造の一部を示す部分縦断面図である。
【図５】この発明のさらに他の実施形態に係る軸受装置の冷却構造の一部を示す部分縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
この発明の第１の実施形態に係る軸受装置の冷却構造を図１ないし図３と共に説明する。この例の軸受装置の冷却構造は、工作機械の主軸装置や、他の種々の装置に適用される。
図１に示すように、この軸受装置は、軸方向に並ぶ複数の転がり軸受１，１の外輪２、２間および内輪３、３間に、外輪間座４および内輪間座５をそれぞれ介在させている。外輪間座４と内輪間座５とで間座装置１４が構成される。外輪２および外輪間座４が図３のようにハウジング６に設置され、内輪３および内輪間座５が回転軸７に嵌合される。
図３は、この軸受装置の冷却構造を備えた工作機械の主軸装置の、例えばフロント側となる一部の断面図である。前記回転軸７は、この主軸装置の主軸である。
【００１６】
各転がり軸受１，１は、アンギュラ玉軸受であり、背面組合せで設置されている。内輪外径面および外輪内径面における接触角の反偏り側に、それぞれカウンタボアが設けられている。内輪３のカウンタボアは、内輪端面側から軌道面側に向かうに従って、大径となるように傾斜する傾斜面３ａに形成されている。内外輪３、２の軌道面間に複数の転動体８が介在され、これら転動体８が保持器９により円周等配に保持される。保持器９は外輪案内形式のリング形状である。
【００１７】
転がり軸受１，１の予圧構造につき説明する。
２列の転がり軸受１，１のうち、ハウジング６の内側(図の右側)の転がり軸受１における外輪２は、ハウジング６の内周面に設けられた段差部６ａに側面が係合する。ハウジング６の端面側の転がり軸受１における外輪２は、ハウジング６の端面にボルト等で固定されたリング状の蓋部材１７の側面に係合する。
２列の転がり軸受１，１のうち、回転軸７の中央側の転がり軸受１における内輪３は、外輪７の外周に嵌合して位置固定された内側スリーブ２６の端面に係合する。ハウジング６の端面側の転がり軸受１における内輪２３、ハウジング６の端面の外周に設けられた端部側スリーブ２７の端面に係合する。回転軸７の端部の外周面は雄ねじ部７ａに形成され、雄ねじ部７ａに螺合するナット部材２８により、前記端部側スリーブ２７が軸方向の内側に押しつけらている。
このように、両列の転がり軸受１，１が外輪間座４および内輪間座５を挟んで配置され、両列の転がり軸受１，１の外輪２，２および内輪３，３がハウジング６および回転軸７に位置固定されることで、転がり軸受１，１は定位置予圧されている。
【００１８】
冷却構造について説明する。
外輪間座４は、中央の外輪間座本体２４と、一対の潤滑ノズル構成部材２５，２５とでなる。外輪間座本体２４は断面略Ｔ字形状に形成され、外輪間座本体２４の内径側における両側部に、前記一対の潤滑ノズル部材２５，２５がそれぞれ嵌め込み状態に接合され、左右対称形状の外輪間座４を構成する。外輪間座本体２４および潤滑ノズル構成部材２５，２５は、いずれもリング状である。
外輪間座本体２４に、内輪間座５の外周面に向けて圧縮エアを吐出する１個または複数個（この例では３個）の空冷ノズル１０が設けられている。これら空冷ノズル１０のエア噴出方向は、図２のように、主軸７の回転方向Ｌ１の前方へ傾斜させている。これら複数個の空冷ノズル１０は円周等配に配設されている。
各空冷ノズル１０は、それぞれ直線状である。空冷ノズル１０は、外輪間座４の軸心に垂直な断面における任意の半径方向の直線Ｌ２から、この直線Ｌ２と直交する方向にオフセットした位置に設けることで、前記傾斜を生じさせている。ノズル１０を傾斜させる理由は、吐出エアを主軸７の回転方向に旋回流とするためである。
【００１９】
図３において、外輪間座本体２４の外周面には、冷却エアである圧縮エアを導入する導入溝１１が設けられている。この導入溝１１は、外輪間座４の外周面における軸方向中間部に設けられ、かつ、図２に示すように、各ノズル１０に連通する円弧状に形成されている。導入溝１１は、外輪間座本体２４の外周面において、エアオイル供給孔（図示せず）が設けられる円周方向位置を除く円周方向の大部分を占める角度範囲α１（図２参照）にわたって設けられている。
圧縮エアの導入経路は、軸受潤滑用のエアオイルとは独立経路で構成される。よって図３に示すように、ハウジング６に冷却エア用供給孔１３が設けられ、この冷却エア用供給孔１３に導入溝１１が連通するように構成されている。ハウジング６の外部には、冷却エア用供給孔１３に圧縮エアを供給する図示外の供給装置が配管接続されている。
【００２０】
冷却作用につき説明する。
外輪間座４の空冷ノズル１０から内輪間座５の外周に圧縮空気を吹き付ける。これにより、内輪間座５が冷却され、熱伝導によって転がり軸受１の内輪３が冷却される。空冷ノズル１０は上記のように回転方向前方に傾けられているため、吐出エアが主軸７の回転方向に旋回流として作用し、冷却効果が向上する。
【００２１】
潤滑構造について説明する。
外輪間座４は、転がり軸受１内にそれぞれエアオイルを供給する潤滑用ノズル１６を有する。外輪間座４の前記両側の潤滑ノズル構成部材２５，２５は、転がり軸受１内に突出して内輪３の前記傾斜面３ａに隙間δを介して対向する環状の鍔部２３を有していて、この鍔部２３内の円周方向の１箇所または複数箇所に前記潤滑用ノズル１６が形成されている。内輪３の前記傾斜面３ａには環状溝３ａａが設けられ、前記潤滑用ノズル１６は、環状溝３ａａに向けてエアオイルを吐出するように設けられている。
【００２２】
潤滑用ノズル１６の入口部は、ハウジング６に設けられたエアオイル供給孔（図示せず）に連通し、このエアオイル供給孔に設けられた図示外のエアオイル供給装置からエアオイルが供給される。
【００２３】
排気構造について説明する。
この軸受装置には、潤滑用のエアオイルを吐出するエアオイル排気路１９が設けられている。このエアオイル排気路１９は、外輪間座４の外輪間座本体２４における円周方向の一部に設けられた排気溝２０と、ハウジング６に設けられ排気溝２０に連通するハウジング内排気溝２１と、ハウジング６内で軸方向に延びるハウジング内排気孔２２とで構成される。
【００２４】
間座装置１４の材質、加工精度等につき説明する。
この間座装置１４は、内輪間座５が外輪間座４に比べて、熱伝導率が高く、かつ軸方向の線膨張係数が高い特性を有している。
外輪間座４の材質は、次の理由より炭素鋼などが良い。
・炭素鋼は機械加工性に優れているため、空冷ノズル１０などの複雑な形状を加工する上で好ましい。
・コスト、入手性が良い。
内輪間座５の材質は、次の理由より銅やアルミニウムが良い。
・圧縮エアによる冷却効果を上げるためには、熱伝導率が高い材質にする必要がある。  ・内輪間座５と外輪間座４との熱膨張差を利用し、転がり軸受１の予圧を軽減させるためには、内輪間座５は線膨張係数が外輪間座４よりも高い材質にする必要がある。
・コスト、入手性が良い
【００２５】
内輪間座５の加工精度については、冷却効率を上げるために次のように、端面の直角度と表面粗さを高精度に仕上げることが好ましい。これにより、内輪間座５の端面を転がり軸受１の内輪３の端面と密接させることができ、熱伝導性が向上して冷却効果の向上が期待できる。
【００２６】
以上より、内輪間座５は、熱伝導率が１００W/m ・k 以上であり、内輪間座５の端面の直角度は、内輪間座５の内周面に対し、５μm 以下であり、表面粗さはＲａ１．０μm 以下であり、線膨張係数が１５×１０−６以上であることが望ましい。
また、予圧が付加されている状態の転がり軸受１に対し、内輪間座５を円滑に膨張させるためには、内輪間座５のヤング率も重要となり、６０ＧＰa 以上が望ましい。
【００２７】
作用、効果につき説明する。
外輪間座４に設けた空冷ノズル１０より内輪間座５の外周面に圧縮エアを吐出することで、内輪間座５が冷却され、内輪間座５における転がり軸受１の内輪３への熱伝導で、転がり軸受１が冷却される。このため、内輪間座５に熱伝導率の高い材質を用いることで、冷却効果を上げることができる。特に、低速域から中速域では、少量の圧縮エアの軸受１を冷却することができる。
また、定位置予圧形式であって、内輪間座５の材質に外輪間座４の材質よりも線膨張係数の高いものを使用しているため、内輪間座５は熱膨張しやすくなり、転がり軸受１の予圧や回転中の転がり軸受１の軌道面の接触面圧が低減でき、転がり軸受の昇温がより抑えられる。この線膨張差による予圧や軌道面の接触面圧の低減は、高速域の場合に効果的である。特に、転がり軸受１，１が背面組み合わせの場合により効果的である。
【００２８】
なお、熱の影響による各間座４，５の軸方向の延伸は、次式、
ΔＬ＝ａ×Ｌ×（Ｔ２−Ｔ１）
で求めることができる。
ここで、
ΔＬ：熱の影響による間座の軸方向の延伸、
ａ：線膨張係数、
Ｌ：間座幅寸法、
Ｔ１：初期の温度、Ｔ２：変化後の温度
上式のように、線膨張係数ａ以外に、温度差（Ｔ２−Ｔ１）、間座幅寸法Ｌの影響も受ける。高速域で温度差が生じやすい条件や間座幅寸法Ｌが長い場合、内輪間座５に線膨張係数が高い材質を用いれば、より大きく内輪間座５と外輪間座４との膨張差が生じる。
【００２９】
内輪間座５の端面の直角度や表面粗さは、上記のように冷却効果の向上のためには高精度であることが好ましい。しかし、熱伝導率が高く、かつ線膨張係数が高いことから内輪間座５に好ましい材質である銅やアルミニウムは、軟質金属であるため、加工性は良くない。高精度に加工するためには、工数がかかる。
そのため、内輪間座５は、銅やアルミニウムを主体とし、精度が必要な面に炭素鋼を用いた構成としてもよい。これにより加工性が上がる。ただしその場合、銅やアルミニウムの効果を低減させないために、内輪間座５の断面に対し、８０％以上を銅やアルミニウムなどの軟質金属にすることが望ましい。
【００３０】
内輪間座５を、銅やアルミニウムを主体とし、精度が必要な面に炭素鋼を用いる構成としては、次の図４および図５の各実施形態が採用できる。これらの実施形態において、特に説明する事項の他は、第１の実施形態と同様である。
図４の実施形態は、内輪間座５が、内輪間座本体５ａと、この内輪間座本体５ａの少なくとも転がり軸受１の内輪３と接触する端面を覆う覆い材５ｂとを有し、この覆い材５ｂが、内輪間座本体５ａよりも機械加工性の良い材料からなっている。
内輪間座本体５ａは、銅またはアルミニウムからなり、覆い材５ｂは炭素鋼等の加工性の良い材料からなる。覆い材５ｂは、例えば外輪間座４と同じ材質とされる。
【００３１】
覆い材５ｂは、内周面における円周方向の複数箇所に軸方向に延びる嵌合溝５ｂａａが形成された環状の覆い材本体５ｂａと、環状の蓋材５ｂｂとでなり、覆い材本体５ｂａの各嵌合溝５ｂａａに、円周方向に分割された内輪間座本体５ａの各分割体が嵌合している。この嵌合により、内輪間座本体５ａの各分割体の周方向への動きが阻止されている。蓋材５ｂｂは、覆い材本体５ｂａの嵌合溝開口側の端面に被せられ、ビン２９を蓋材５ｂｂおよび内輪間座本体５ａに渡って設けられたピン孔に圧入することなどで固定されている。
このように内輪間座５を、内輪間座本体５ａと覆い材５ｂとで構成することで、銅やアルミニウムを主体とし、精度が必要な面に炭素鋼を用いた構成とすることができる。
【００３２】
図５の実施形態は、内輪間座５が、環状の内輪間座本体５ｃと、この内輪間座本体５ｃの軸方向両端面に接合された環状の端部材５ｄ，５ｄとを有する。内輪間座本体５ｃは、銅またはアルミニウム等からなり、端部材５ｄ，５ｄは、内輪間座本体５ｃよりも機械加工性の良い材料、例えば炭素鋼からなる。内輪間座本体５ｃと端部材５ｄ，５ｄとの接合は、接着剤等による接着、ピン等の止め具による固定、圧接などで行われる。
このように内輪間座５を、内輪間座本体５ｃと端部材５ｄ，５ｄとで構成した場合も、銅やアルミニウムを主体とし、精度が必要な面に炭素鋼を用いた構成とすることができる。
【００３３】
以上、実施形態に基づいて本発明を実施するための形態を説明したが、ここで開示した実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００３４】
１…転がり軸受
２…外輪
３…内輪
４…外輪間座
５…内輪間座
５ａ，５ｃ…内輪間座本体
５ｂ…覆い材
５ｄ…端部材
６…ハウジング
７…回転軸
８…転動体
９…保持器
１０…空冷ノズル
１６…潤滑用ノズル
【図１】
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【図２】
2020041647.tif 000004
【図３】
2020041647.tif 000005
【図４】
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【図５】
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