(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
長さ方向に移動させられている被加工材の外周に転造用工具を圧接させて回転させる転造加工用スピンドル装置であって、前記転造用工具が取付けられた中空状のスピンドルを備え、前記加工材が前記スピンドルの中心を通ってアキシアル方向に移動させられるようになされているものにおいて、
前記スピンドルの外周にロータ部が形成されたスピンドル回転駆動用の内蔵型電動機と、前記スピンドルをアキシアル方向に非接触支持する１組のアキシアル磁気軸受と、前記スピンドルをラジアル方向に非接触支持する２組のラジアル磁気軸受とを備えており、前記電動機のロータ部の前側および後側の部分に、前記ロータ部より外径の小さい前側小径部および後側小径部がそれぞれ形成され、前記ロータ部と前記後側小径部との間に、前記ロータ部より外径の大きい外向きフランジ部が形成されており、前記フランジ部の前側および後側に前記フランジ部を吸引する前記アキシアル磁気軸受の電磁石が配置され、前記前側小径部および後側小径部の周囲に、それぞれ、前記ラジアル磁気軸受の電磁石が配置されていることを特徴とする転造加工用スピンドル装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、転造加工用スピンドル装置、さらに詳しくは、たとえば引抜き転造加工により内面みぞ付伝熱管を製造する際などに、長さ方向に移動させられている被加工材の外周に転造用工具を圧接させて回転させる装置に関する。
【０００２】
なお、この明細書において、前後方向は被加工材の移動方向についていうものとする。
【０００３】
【従来の技術】
内面みぞ付伝熱管の製造装置として、被加工材である管の内側に保持されたみぞ付プラグと、このプラグの部分の管の外周に圧接して公転する複数のボールを有する転造用工具とを備えているものが知られている。転造用工具は中空状のスピンドルに取付けられ、スピンドルは複数の転がり軸受（通常はラジアル転がり軸受とスラスト転がり軸受）により回転支持されている。管は、転造用工具とスピンドルの中心を通ってアキシアル方向前側に引抜かれる。そして、スピンドルにより転造用工具を回転させてボールを公転させながら、管を引抜くことにより、ボールの働きで管が縮径させるとともに、みぞ付プラグの働きで管の内周にみぞが成形され、内面みぞ付伝熱管が得られる。
【０００４】
上記の装置において、加工能率を向上させるため、転造用工具をかなり高速で回転させることが要求される。また、転造用工具は管を縮径させながらみぞ付プラグに押付けるものであるから、転造用工具およびスピンドルには前向きの大きなアキシアル荷重が作用する。このため、スピンドルが転がり軸受（通常はスラスト転がり軸受）に前向きの大きなアキシアル荷重を及ぼし、とくに高速回転の場合に、軸受の寿命が短くなるという問題がある。
【０００５】
内面みぞ付伝熱管の製造以外にも、長さ方向に移動させられている被加工材の外周に転造用工具を圧接させて回転させる装置には、同様の問題がある。
【０００６】
この発明の目的は、高速回転が可能で、寿命の長い転造加工用スピンドル装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
この発明による転造加工用スピンドル装置は、長さ方向に移動させられている被加工材の外周に転造用工具を圧接させて回転させる転造加工用スピンドル装置であって、前記転造用工具が取付けられた中空状のスピンドルを備え、前記加工材が前記スピンドルの中心を通ってアキシアル方向に移動させられるようになされているものにおいて、前記スピンドルの外周にロータ部が形成されたスピンドル回転駆動用の内蔵型電動機と、前記スピンドルをアキシアル方向に非接触支持する１組のアキシアル磁気軸受と、前記スピンドルをラジアル方向に非接触支持する２組のラジアル磁気軸受とを備えており、前記電動機のロータ部の前側および後側の部分に、前記ロータ部より外径の小さい前側小径部および後側小径部がそれぞれ形成され、前記ロータ部と前記後側小径部との間に、前記ロータ部より外径の大きい外向きフランジ部が形成されており、前記フランジ部の前側および後側に前記フランジ部を吸引する前記アキシアル磁気軸受の電磁石が配置され、前記前側小径部および後側小径部の周囲に、それぞれ、前記ラジアル磁気軸受の電磁石が配置されていることを特徴とするものである。
【０００８】
スピンドルは、アキシアル磁気軸受およびラジアル磁気軸受によりアキシアル方向およびラジアル方向に非接触支持され、内蔵型電動機により回転させられる。転造加工中にスピンドルに作用する前向きのアキシアル荷重は、アキシアル磁気軸受によって支持される。磁気軸受はスピンドルを非接触状態に支持するものであるから、回転速度が高くてアキシアル荷重が大きくても、寿命が短くなることがない。したがって、この発明によれば、高速回転が可能で、軸受の寿命を長くすることができ、メンテナンスの回数を減らすことができる。
【０００９】
転造加工中、前述のように、スピンドルには前向きの大きなアキシアル荷重が作用するため、アキシアル磁気軸受の負荷容量を大きくする必要があり、そのためには、アキシアル磁気軸受により支持されるスピンドルのフランジ部の外径を大きくしなければならない。また、スピンドルの加減速時間短縮のために、電動機のロータ部の外径を大きくする必要がある。ところが、スピンドルのフランジ部やロータ部の外径を大きくすると、その分、慣性モーメントが増大し、スピンドルの加減速時間が長くなり、ラインに組込んだ場合などに、サイクルタイムなどの点で支障が生じることがある。
【００１０】
この発明の装置の場合、ラジアル磁気軸受が設けられる前後の小径部よりも外径の大きい部分に電動機のロータ部が設けられているので、ロータ部の外径を大きくして、電動機の出力を大きくすることができる。そして、電動機の出力を大きくすることにより、スピンドルの加減速時間を短くすることができる。また、ロータ部と後側小径部との間に、アキシアル磁気軸受で支持されるフランジ部が設けられているので、フランジ部の外径を大きくして、アキシアル磁気軸受の負荷容量を大きくすることができる。アキシアル磁気軸受の後側の電磁石は、後側小径部より外側のフランジ部の後端面を後側に吸引するが、後側小径部の外径はロータ部の外径より小さく、フランジ部の外径はロータ部の外径より大きいので、フランジ部の後端面の面積を大きくして、アキシアル磁気軸受の電磁石による後向きの吸引力を大きくすることができ、これにより転造加工中にスピンドルに作用する前向きの大きなアキシアル荷重を受けることができる。また、ロータ部の前後の小径部にラジアル磁気軸受が設けられているので、ラジアル磁気軸受の部分のスピンドルの外径を小さくして、慣性モーメントの増大を極力小さくすることができる。なお、転造加工中にスピンドルに作用するラジアル荷重は小さいので、ラジアル磁気軸受の部分のスピンドルの外径を小さくしても、支障がない。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明を内面みぞ付伝熱管の製造装置に適用した実施形態について説明する。
【００１２】
図面は、内面みぞ付伝熱管の製造装置の転造加工用スピンドル装置の部分を示している。
【００１３】
この製造装置は、引抜きにより、被加工材であるたとえば銅製の管（１）  を縮径しながら、その内面にみぞ（１ａ）を形成して、内面みぞ付伝熱管にするものである。管（１）  は、図面の右側に引抜かれる。したがって、図面の右側が前、左側が後となる。
【００１４】
スピンドル装置は、転造用工具（２）  が取付けられたスピンドル（３）  、スピンドル（３）  をアキシアル方向に非接触支持する１組のアキシアル磁気軸受（４）  、スピンドル（３）  をラジアル方向に非接触支持する前後２組のラジアル磁気軸受（５）（６）、スピンドル（３）  のアキシアル方向の位置を検出するためのアキシアル位置センサ（７）  、スピンドル（３）  のラジアル方向の位置を検出するための前後２組のラジアル位置センサユニット（８）（９）、スピンドル（３）  を回転駆動する駆動手段としての内蔵型高周波モータ（電動機）（１０）、および磁気軸受（４）（５）（６）  が作動していないときにスピンドル（３）  を機械的に支持するためのタッチダウン軸受（１１）（１２）（１３）を備え、これらの大部分が筒状のハウジング（１４）内に収容されている。
【００１５】
スピンドル（３）  は、中心に貫通状の管挿通穴（１５）が形成された中空状のものであり、ハウジング（１４）の中心に同心状に配置されている。スピンドル（３）  の後端部はハウジング（１４）の後側に出ており、その後端面に工具（２）  が取付けられている。
【００１６】
工具（２）  は、中心に貫通状の管挿通穴（１６）が形成された中空短円柱状のホルダ（２ａ）と、その内周に取付けられた複数のボール（２ｂ）とから構成され、ホルダ（２ａ）がスピンドル（３）  の後端面に同心状に固定されている。ホルダ（２ａ）の穴（１６）の内径は、スピンドル（３）  の穴（１５）の内径とほぼ等しい。ホルダ（２ａ）の穴（１６）の内周面の前後方向中央部に複数の凹所（１７）が円周方向に等間隔をおいて形成され、これらの凹所（１７）にボール（２ｂ）が収容されている。全てのボール（２ｂ）に内接する円柱の外径は、スピンドル（３）  およびホルダ（２ａ）の穴（１５）（１６）の内径より少し小さい。ホルダ（２ａ）の穴（１６）の後端部の内径は、他の部分の内径より少し大きくなっている。ボール（２ｂ）は、ホルダ（２ａ）の回転に伴って公転するとともに、凹所（１７）内で自転しうるようになっている。詳細な図示は省略したが、ホルダ（２ａ）は複数の部材を組合わせることにより構成されている。なお、工具（２）  については、公知のものであるから、詳細な説明は省略する。
【００１７】
管（１）  は、ホルダ（２ａ）のボール（２ｂ）の内側の穴（１６）の中心およびスピンドル（３）  の穴（１５）の中心を通って前側に移動させられる。工具（２）  の後方に、管（１）  を縮径させるための固定ダイス（１８）が工具（２）  と同心状に配置されている。管（１）  の内側において、ホルダ（２ａ）の穴（１６）内のボール（２ｂ）の内側にみぞ成形用のみぞ付プラグ（１９）が配置され、固定ダイス（１８）の中心に浮プラグ（２０）が配置される。浮プラグ（２０）とみぞ付プラグ（１９）は連結棒（２１）で連結されている。
【００１８】
モータ（１０）は組込式のものであり、モータステータ部（１０ａ）  がハウジング（１４）の前後方向中間部の内周に設けられ、モータロータ部（１０ｂ）  がこれに対応するスピンドル（３）  の前後方向中間部の外周に設けられている。
【００１９】
スピンドル（３）  のロータ部（１０ｂ）  の前側および後側の部分に、ロータ部（１０ａ）  より外径の小さい前側小径部（３ａ）および後側小径部（３ｂ）がそれぞれ形成されている。前側小径部（３ａ）の周囲のハウジング（１４）の内周に、前側のラジアル磁気軸受（５）  を構成する２対の電磁石（５ａ）が取付けられている。後側小径部（３ｂ）の周囲のハウジング（１４）の内周に、後側のラジアル磁気軸受（６）  を構成する２対の電磁石（６ａ）が取付けられている。各対の電磁石（５ａ）（６ａ）は、小径部（３ａ）（３ｂ）を互いに直交する２つのラジアル方向から挟むように配置され、小径部（３ａ）（３ｂ）をラジアル方向外側に吸引してスピンドル（３）  をラジアル方向に非接触支持するようになっている。
【００２０】
スピンドル（３）  のロータ部（１０ａ）  と後側小径部との間の部分に、ロータ部（１０ａ）  より外径の大きい外向きフランジ部（３ｃ）が形成され、その前後のハウジング（１４）の内周に、アキシアル磁気軸受（４）  を構成する前後１対の電磁石（４ａ）（４ｂ）が取付けられている。前側の電磁石（４ａ）は、ロータ部（１０ａ）  より外側のフランジ部（３ｃ）の前端面に所定の間隔をあけて対向するように配置され、フランジ部（３ｃ）を前向きに吸引する。後側の電磁石（４ｂ）は、後側小径部（３ｂ）より外側のフランジ部（３ｃ）の後端面に所定の間隔をあけて対向するように配置され、フランジ部（３ｃ）を後向きに吸引する。そして、前後の電磁石（４ａ）（４ｂ）の吸引力により、スピンドル（３）  がアキシアル方向に非接触支持されるようになっている。
【００２１】
アキシアル位置センサ（７）  は、スピンドル（３）  の前部の前向きの端面に対向するようにハウジング（１４）内の前部に取付けられ、端面までの距離を検出するようになっている。そして、このセンサ（７）  の出力より、スピンドル（３）  のアキシアル方向の位置が検出される。
【００２２】
前側のラジアル位置センサユニット（８）  は、前側のラジアル磁気軸受（５）  の電磁石（５ａ）の近傍においてハウジング（１４）の内周に取付けられた２対のラジアル位置センサ（８ａ）より構成されている。各対のセンサ（８ａ）は、スピンドル（３）  の外周面を互いに直交する２つのラジアル方向から挟むように配置され、外周面までの距離を検出するようになっている。そして、これらのセンサ（８ａ）の出力より、前側のラジアル磁気軸受（５）  の近傍におけるスピンドル（３）  の互いに直交する２つのラジアル方向の位置が検出される。
【００２３】
後側のラジアル位置センサユニット（９）  は、後側のラジアル磁気軸受（６）  の電磁石（６ａ）の近傍においてハウジング（１４）の内周に取付けられた２対のラジアル位置センサ（９ａ）より構成されている。各対のセンサ（９ａ）は、スピンドル（３）  の外周面を互いに直交する２つのラジアル方向から挟むように配置され、外周面までの距離を検出するようになっている。そして、これらのセンサ（９ａ）の出力より、後側のラジアル磁気軸受（６）  の近傍におけるスピンドル（３）  の互いに直交する２つのラジアル方向の位置が検出される。
【００２４】
図示は省略したが、この装置には、位置センサ（７）（８ａ）（９ａ）  の出力に基づいて磁気軸受（４）（５）（６）  の電磁石（４ａ）（４ｂ）（５ａ）（６ａ）に供給する励磁電流を制御する磁気軸受制御装置が設けられ、これにより、スピンドル（３）  がアキシアル方向およびラジアル方向の所定位置に非接触支持されるようになっている。
【００２５】
タッチダウン軸受（１１）（１２）（１３）はたとえば深みぞ玉軸受よりなり、これらのうちの１個は前部に、残りの２個は後部に配置されている。ハウジング（１４）の前部内周に、前側のタッチダウン軸受（１１）の外輪が固定されている。磁気軸受（４）（５）（６）  が作動しているときは、軸受（１１）の内輪とスピンドル（３）  との間にラジアル方向の小さな隙間があり、磁気軸受（４）（５）（６）  が作動していないときに、軸受（１１）の内輪によりスピンドル（３）  がラジアル方向に支持されるようになっている。ハウジング（１４）の後部内周に、軸方向に重ね合わされた後側の２個のタッチダウン軸受（１２）（１３）の外輪が固定されている。磁気軸受（４）（５）（６）  が作動しているときは、軸受（１２）（１３）の内輪とスピンドル（３）  との間にラジアル方向およびアキシアル方向の小さな隙間があり、磁気軸受（４）（５）（６）  が作動していないときに、軸受（１２）（１３）の内輪によりスピンドル（３）  がラジアル方向およびアキシアル方向に支持されるようになっている。
【００２６】
上記の装置において、管（１）  は固定ダイス（１８）からホルダ（２ａ）の穴（１６）のボール（２ｂ）の内側およびスピンドル（３）  の穴（１５）に通され、磁気軸受（４）（５）（６）  によりスピンドル（３）  を所定位置に非接触支持した状態で、モータ（１０）を駆動して、スピンドル（３）  を高速で回転させながら、管（１）  を前側に引抜くことにより、次のように、内面みぞ付伝熱管が形成される。まず、管（１）  は固定ダイス（１８）の部分で縮径されて、素管より外径の小さい管となり、スピンドル（３）  とともに高速で回転しているホルダ（２ａ）およびホルダ（２ａ）とともに高速で公転しているボール（２ｂ）によりこれが縮径されて、さらに外径の小さい管となる。そして、ボール（２ｂ）による縮径と同時に、ボール（２ｂ）の内側にあるみぞ付プラグ（１９）により、管（１）  の内面に螺旋状のみぞ（１ａ）が形成されて、内面みぞ付伝熱管となる。
【００２７】
加工中、ホルダ（２ａ）およびボール（２ｂ）が管（１）  の外周に圧接して、ボール（２ｂ）が管（１）  を縮径させながらみぞ付プラグ（１９）に押付けるので、工具（２）  およびスピンドル（３）  には前向きの大きなアキシアル荷重が作用する。しかし、上記の装置の場合は、位置センサ（７）（８ａ）（９ａ）  の出力に基づいて磁気軸受（４）（５）（６）  の電磁石（４ａ）（４ｂ）（５ａ）（６ａ）の励磁電流を制御することにより、上記のアキシアル荷重が変動しても、スピンドル（３）  は常に所定位置に非接触支持される。
【００２８】
上記の装置において、ロータ部（１０ｂ）  の外径が大きいので、電動機（１０）の出力を大きくして、スピンドル（３）  の加減速時間を短くすることができる。また、フランジ部（３ｃ）の外径がさらにロータ部（１０ｂ）  の外径より大きいので、アキシアル磁気軸受（４）  の負荷容量を大きくすることができる。そして、アキシアル磁気軸受（４）  の後側の電磁石（４ｂ）が、面積の大きいフランジ部（３ｃ）の後端面を後向きに吸引するので、この電磁石（４ｂ）による後向きの吸引力を大きくして、転造加工中にスピンドル（３）  に作用する前向きの大きなアキシアル荷重を受けることができる。また、ロータ部（１０ｂ）  の前後の小径部（３ａ）（３ｂ）にラジアル磁気軸受（５）（６）が設けられているので、ラジアル磁気軸受（５）（６）の部分のスピンドル（３）  の外径を小さくして、慣性モーメントの増大を極力小さくすることができる。転造加工中にスピンドル（３）  に作用するラジアル荷重は小さいので、ラジアル磁気軸受（５）（６）の部分のスピンドル（３）  の外径を小さくしても、支障がない。
【００２９】
工具（２）  をスピンドル（３）  に対して着脱自在にし、加工する管の径や加工の種類が変わったときなどに、工具（２）  だけを交換できるようにするのが望ましい。このようにすれば、同一の装置で、種々の加工を行うことができる。
【００３０】
この発明は、内面みぞ付伝熱管の製造以外の転造加工にももちろん適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、この発明の実施形態を示す転造加工用スピンドル装置の概略構成図である。
【符号の説明】
（１）                管（被加工材）
（２）                転造用工具
（２ａ）              ホルダ
（２ｂ）              ボール
（３）                スピンドル
（３ａ）              前側小径部
（３ｂ）              後側小径部
（３ｃ）              外向きフランジ部
（４）                アキシアル磁気軸受
（４ａ）（４ｂ）          電磁石
（５）（６）            ラジアル磁気軸受
（５ａ）（６ａ）          電磁石
（１０）              内蔵型電動機
（１０ｂ）              モータロータ部
【図１】
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