(57)【要約】【課題】  高速回転時のフロント側軸受の温度上昇を抑制できて、加工精度の維持が図れ、かつ温度上昇防止のためのコスト増を抑えることができる工作機械主軸用軸受装置を提供する。【解決手段】  この工作機械主軸用軸受装置は、主軸３をフロント側軸受４およびリア側軸受５で支持する。フロント側軸受４として、それぞれ接触角θ１〜θ４を有する前部と後部の転がり軸受４Ａ〜４Ｄを背面合わせで配置する。フロント側軸受４における前部の軸受４Ａ，４Ｂのみは、その転動体２３をセラミックス製とする。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主軸をフロント側軸受およびリア側軸受で支持し、フロント側軸受として、それぞれ接触角を有する前部と後部の転がり軸受を背面合わせで配置した工作機械主軸用軸受装置において、前記フロント側軸受における前部の軸受のみ、その転動体をセラミックス製としたことを特徴とする工作機械主軸用軸受装置。
【請求項２】
請求項１において、前記リア側軸受は、主軸の後ろ向きに定圧予圧されたものである工作機械主軸用軸受装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記フロント側軸受がアンギュラ玉軸受である工作機械主軸用軸受装置。
【請求項４】
請求項３において、フロント側軸受を３個以上配置し、かつこれらフロント側軸受に予圧を与え、これら３個以上のフロント側軸受は、軸方向の外側の軸受に比べて軸方向の内側の軸受の外径寸法を小さくした工作機械主軸用軸受装置。
【請求項５】
請求項４において、軸方向の内側の軸受の外径寸法と外側の軸受の外径寸法との差を、５〜２０μｍとした工作機械主軸用軸受装置。
【請求項６】
請求項４または請求項５において、前記３個以上配置されたフロント側軸受は、内輪を軸方向に押圧することにより軸受に予圧を与えたものとし、軸方向の外側の軸受に比べて軸方向の内側の軸受の接触角を小さくした工作機械主軸用軸受装置。
【請求項７】
請求項６において、軸方向の外側の軸受と内側の軸受との接触角の差を、３〜５°とした工作機械主軸用軸受装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、工作機械主軸の支持に用いられる軸受装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
工作機械主軸用軸受装置では、例えば、主軸のフロント側を複数列のアンギュラ玉軸受で支持し、リア側を単列の深溝玉軸受で支持する構成とされる。この場合に、フロント側軸受は主軸回転精度および剛性を得るために定位置予圧を与えた状態で使用される。リア側軸受は、後ろ向きに定圧予圧される。
【０００３】
アンギュラ玉軸受において、転動体の材質としては、軸受鋼やセラミックスが適用されている。通常、セラミックス製の転動体は軽量で線膨張係数が小さいことから、高速回転時の軸受予圧の増大を小さく抑えることができる。これにより発熱が抑制され、工作機械主軸用軸受装置の場合、加工精度が維持される。このため、セラミックス製の転動体は、工作機械の高速主軸用軸受に適用される。この場合に、フロント側軸受は、背面合わせの２〜４列で使用されるが、全列の軸受の転動体がセラミックス製とされる。
上記理由以外にセラミックス製の転動体を適用する例として、絶縁対策や摩耗対策があるが、いずれも全列の軸受の転動体がセラミックス製とされる。
これらの特別な理由がない場合、軸受の転動体には軸受鋼製のものが使用される。
【特許文献１】実公平８−９４４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
工作機械主軸用軸受装置において、前記のようにセラミックス製の転動体を用いると、高速回転時の発熱が抑制され、加工精度が維持される。しかし、セラミックス製の転動体は高価であり、多列の軸受に用いられているため、工作機械主軸用軸受装置が高価なものとなる。
このため、低価格化のためには、鋼製の転動体を用いることが望まれる。しかし、背面合わせの軸受配列の場合、フロント側軸受における前部の軸受は、加工荷重が大きく負荷される。また、リア側軸受に定圧で後ろ向きに予圧を負荷させた場合、主軸は予圧分だけ後ろ側に引っ張られ、フロント側軸受における前部の軸受はこの荷重が負荷されるため、発熱が大きくなる。発熱はグリース寿命の低下や更なる予圧荷重の増大を招く。上記発熱により、主軸の伸びによる加工精度の劣化や過昇温を招くことがある。
【０００５】
また、３列以上のアンギュラ玉軸受をセット状態で使用した場合、配列の内側の軸受の温度が上昇する傾向にある。
内側軸受の異常温度上昇を抑制する手法としては、外側軸受よりも内側軸受の予圧を小さくする手法が提案されている（特許文献１）。しかし、外側軸受と内側軸受とで予圧を異ならせるのに、内外輪の幅寸法を異ならせているため、標準軸受が使用できず、高価になる。
この他に、内側軸受の異常温度上昇を抑制する手法として、間座を設ける手法が挙げられているが、軸受装置の長さが長くなることや、間座のコストが掛かること、部品点数が増えるなどの問題がある。
また、内側軸受の転動体径や軸受径を小さくする手法が提案されているが、設計仕様の異なる２種類の軸受を製作する必要があり、コスト面で不利となる。
【０００６】
この発明の目的は、高速回転時のフロント側軸受の温度上昇を抑制できて、加工精度の維持が図れ、かつ温度上昇防止のためのコスト増を抑えることができる工作機械主軸用軸受装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明の工作機械主軸用軸受装置は、主軸をフロント側軸受およびリア側軸受で支持し、フロント側軸受として、それぞれ接触角を有する前部と後部の転がり軸受を背面合わせで配置した工作機械主軸用軸受装置において、前記フロント側軸受における前部の軸受のみ、その転動体をセラミックス製としたことを特徴とする。
この構成のように、フロント側軸受が、接触角を有する前部と後部の転がり軸受を背面合わせで配置したものである場合、前部の軸受に加工荷重が大きく負荷される。そのため前部の軸受が高速回転時に発熱を生じ易い傾向にある。この発明は、この発熱を生じ易い前部の軸受の転動体をセラミックス製としたため、セラミックスの軽量で線膨張係数が小さい特性により、高速回転時の軸受予圧の増大を小さく抑えることができ、軸受の発熱を小さくできる。後部の軸受の転動体は軸受鋼製等とされるが、加工荷重の負荷が小さくて、発熱の問題が少ない。このように前部の軸受の発熱が低減されるため、発熱に伴う主軸の伸びによる加工精度の劣化や過昇温が防止され、発熱による潤滑剤の劣化や更なる予圧荷重の増加が回避される。
また、軸受鋼製の軌道輪と軸受鋼製の転動体との組み合わせよりも、セラミックス製の転動体を用いた方が摩耗が抑制され、軸受の精度劣化を防止できる。フロント側軸受における前側の軸受は、多列の軸受のうち、主軸の先端に最も近い位置にあって加工精度への影響が大きく、この前部の軸受の摩耗が抑制されることで、軸受精度の低下による加工精度の低下防止の効果が大きく得られる。
フロント側軸受の全ての軸受の転動体をセラミックス製とすると、コスト増が大きくなるが、この発明は、温度上昇および摩耗の防止への影響の大きい前部の軸受の転動体のみをセラミックス製とするので、コスト増を抑えながら、発熱防止および摩耗による精度低下の防止の効果を十分に得ることができる。
【０００８】
この発明において、前記リア側軸受は、主軸の後ろ向きに定圧予圧されたものであっても良い。リア側軸受に上記定圧予圧を付与した場合、主軸は定圧予圧分だけ後ろ側に引っ張られ、この予圧荷重は、接触角の方向の関係で、フロント側軸受のうちの前部の軸受で負荷されることになる。この負荷は、軸受の発熱を増大させる要因となるが、この負荷を受けるフロント側軸受の前部の軸受の転動体をセラミックス製としていることから、上記負荷による発熱を十分に抑制することができる。
【０００９】
前記フロント側軸受は、接触角を有する軸受であれば良いが、例えばアンギュラ玉軸受または円すいころ軸受とされる。アンギュラ玉軸受の場合に、フロント側軸受の前部の軸受の転動体をセラミックス製としたことによる発熱防止，摩耗防止の効果がより効果的となる。  
【００１０】
この発明において、フロント側軸受を３個以上配置し、かつこれらフロント側軸受に予圧を与え、これら３個以上のフロント側軸受は、軸方向の外側の軸受に比べて軸方向の内側の軸受の外径寸法を小さくしても良い。
３個以上の軸受を配列した場合、温度上昇時に内側軸受の予圧上昇による発熱の問題が生じる。この構成の場合、内側軸受の外径寸法を小さくしたため、軸受外輪と軸受ハウジングの内径面との間の隙間が、外側軸受に比べて大きくなる。そのため、軸受温度の上昇時に内側軸受での軸受ハウジングとの隙間の詰まりを軽減させることができ、この点からも軸受予圧の増加を抑えて発熱を小さくすることができる。軸受外輪と軸受ハウジングとの隙間の増大は、主軸の傾きを増大させることにつながるが、外側軸受における軸受ハウジングとの隙間は大きくせず、内側軸受の隙間のみ大きくするため、主軸の傾き度合いが大きくなることはなく、主軸の精度を確保できる。
軸受のみで効果が得られるため、余計な部品コストが掛からない。また、軸方向外側の軸受と内側の軸受は、外径寸法のみを異ならせるだけで良く、内輪、外輪、保持器などは同一の設計仕様とでき、コスト増を小さくすることができる。
【００１１】
この構成の場合に、上記軸方向の内側の軸受の外径寸法と外側の軸受の外径寸法との差は、例えば５〜２０μｍとするのが好ましい。外径寸法の差が５μｍ未満であると、温度上昇時の上記隙間の詰まりの軽減効果が十分には得られず、また２０μｍを超えると、外部荷重負荷の不均一さが問題となってくる。
【００１２】
この発明において、前記３個以上配置されたフロント側軸受は、内輪を軸方向に押圧することにより軸受に予圧を与えたものとし、軸方向の外側の軸受に比べて軸方向の内側の軸受の接触角を小さくしても良い。
このように接触角を小さくした場合も、軸受温度の上昇時に軸方向内側の軸受での隙間の詰まりを軽減させることができて、軸受予圧の増加を抑え、発熱を小さくすることができる。この場合も、軸受のみで効果を得ることができて、余分な部品コストが掛からない。接触角の違いは、例えば外輪の溝径を僅かに変化させることが与えても良く、その場合は、内輪、保持器、転動体等を同一設計仕様とできて、コスト増を抑えることができる。  
【００１３】
前記接触角の差は３〜５°とするのが好ましい。接触角の差が３°未満であると、上記隙間の詰まり軽減の効果が十分には得られず、また５°を超えると、主動剛性に影響を与える可能性があるからである。
【発明の効果】
【００１４】
この発明の工作機械主軸用軸受装置は、主軸をフロント側軸受およびリア側軸受で支持し、フロント側軸受として、それぞれ接触角を有する前部と後部の転がり軸受を背面合わせで配置した工作機械主軸用軸受装置において、前記フロント側軸受における前部の軸受のみ、その転動体をセラミックス製としたため、高速回転時のフロント側軸受の温度上昇を抑制できて、加工精度の維持が図れ、かつ温度上昇防止のためのコスト増を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
この発明の一実施形態を図１および図２と共に説明する。図１はこの実施形態の軸受装置が用いられる工作機械の主軸装置の断面図を示す。この主軸装置１は、軸受ハウジング２内において、主軸３をフロント側軸受４およびリア側軸受５で回転自在に支持したものであり、主軸３の中間部に設けられたモータ６により主軸３を回転駆動するようにされている。フロント側軸受４は主軸３の前端側を支持するものであり、ここでは多列アンギュラ玉軸受からなる。リア側軸受５は主軸３の後端側を支持するものであり、ここでは単列のアンギュラ玉軸受からなる。
【００１６】
フロント側軸受である多列アンギュラ玉軸受４の各内輪１４は、内輪固定ナット７の締め付けにより、主軸３の段部３ａと内輪固定ナット７との間で主軸３に締め付け固定されている。多列アンギュラ玉軸受４の各外輪１５は、外輪押え蓋８のボルト等による締め付けにより、軸受ハウジング２の段部２ａと外輪押え蓋８との間で位置決め固定されている。多列アンギュラ玉軸受４の各軸受４Ａ〜ＡＤの間には、内輪間座１９および外輪間座２０が介在させてあり、これら内輪間座１９と外輪間座２０の幅を異ならせることなどで、多列アンギュラ玉軸受４に定位置予圧が与えられる。
【００１７】
リア側軸受である単列アンギュラ玉軸受５の内輪１６は、内輪固定ナット９により主軸３に締め付け固定されている。単列アンギュラ玉軸受５の外輪１７は、前記軸受ハウジング２から分離されたハウジング別材１０内に固定されている。前記ハウジング別材１０と軸受ハウジング２の後端との間には圧縮ばね１１が介在させてあり、このばね１１により単列アンギュラ玉軸受５に主軸３の後ろ向きに定圧予圧が与えられる。
【００１８】
モータ６は、主軸３に固定されたロータ１２と、このロータ１２に対向して軸受ハウジング２の内周に設けられたステータ１３とでなる。
なお、この実施形態では、多列アンギュラ玉軸受４の各軸受４Ａ〜４Ｄ間に間座１９，２０を介在させたものとしているが、間座１９，２０を介在させないものであっても良い。その場合、多列アンギュラ玉軸受４には他の手段で定位置予圧を与える。
【００１９】
多列アンギュラ玉軸受４は、それぞれ接触角を有する４個の軸受４Ａ〜４Ｄが軸方向にＤＴＢＴ配列されたものである。すなわち、図１の一部を拡大して示す図２のように、前部（同図の左側）２列の軸受４Ａ，４Ｂと、後部（同図の右側）２列の軸受４Ｃ，４Ｄが互いに背面合せで配列されている。
【００２０】
４個の軸受４Ａ〜４Ｄのうち、前部２列の軸受４Ａ，４Ｂの転動体２３はセラミック製とされ、後部２列の軸受４Ａ，４Ｂの転動体２３Ａは軸受鋼製とされている。軸受４Ａ〜４Ｄの内外輪２１，２２は、いずれも軸受鋼製とされている。
【００２１】
また、この多列アンギュラ玉軸受４では、軸方向外側の軸受４Ａ，４Ｄに比べて、軸方向内側である中央２列の軸受４Ｂ，４Ｃの外径寸法を小さくしている。ここでは、前記外径寸法の差を５〜２０μｍとしている。
また、この実施形態では、軸方向外側の軸受４Ａ，４Ｄの接触角θ１，θ４に比べて、軸方向内側である中央２列の軸受４Ｂ，４Ｄ  の接触角θ２，θ３を小さくしている。すなわち、θ２（＝θ３）＜θ１（＝θ４）としている。その接触角の差は、３〜５°としている。
なお、接触角を異ならせる場合、各軸受４Ａ〜４Ｄの外径寸法を同じとしても良い。
【００２２】
この構成によると、フロント側軸受である多列アンギュラ玉軸受４において、加工荷重が大きく負荷される前部２列の軸受４Ａ，４Ｂの転動体２３を、軽量で線膨張係数が小さい材質であるセラミックス製としているので、高速回転時の軸受予圧の増大を小さく抑えることができ、軸受の発熱を小さくできる。その結果、発熱に伴う主軸３の伸びによる加工精度の劣化や焼付きを防止でき、発熱による潤滑剤の劣化や潤滑不具合も低減できる。また、セラミックス製の転動体２３とすることで、摩耗も抑制でき、軸受の精度低下を防止できる。この摩耗抑制される軸受４Ａ，４Ｂは、主軸３の先端を支持するものであるため、精度低下の防止による加工精度維持の効果が大きい。
また、多列アンギュラ玉軸受４の全軸受４Ａ〜４Ｄの転動体２３，２３Ａをセラミックス製とするのではなく、前部２列の軸受４Ａ，４Ｂの転動体２３のみをセラミックス製とするので、コスト増が抑えられる。
【００２３】
この実施形態では、リア側軸受である単列アンギュラ玉軸受５に主軸３の後ろ向きに定圧予圧が与えられているので、主軸５は定圧予圧分だけ後ろ側に引っ張られ、この予圧荷重もフロント側軸受である多列アンギュラ玉軸受４の前部の軸受４Ａ，４Ｂに負荷されて多列アンギュラ玉軸受４での発熱を増大させる要因となる。しかし、上記したように多列アンギュラ玉軸受４の前部２列の軸受４Ａ，４Ｂの転動体２３をセラミックス製としていることから、その発熱を十分に抑制できる。
【００２４】
また、この実施形態では、フロント側軸受である多列アンギュラ玉軸受４に定位置予圧を与えているが、軸方向の外側の軸受４Ａ，４Ｄに比べて軸方向の内側の軸受４Ｂ，４Ｃの外径寸法を小さくしているので、軸受外輪２３と軸受ハウジング２の内径面との間の隙間が、軸方向外側の軸受４Ａ，４Ｄに比べて軸方向内側の軸受４Ｂ，４Ｃで大きくなる。そのため、軸受温度の上昇時に軸方向内側の軸受４Ｂ，４Ｃでの隙間の詰まりを軽減させることができ、この点からも軸受予圧の増加を抑えて発熱を小さくすることができる。また、軸方向外側の軸受４Ａ，４Ｄで前記隙間が大きくならないので、主軸３の傾き度合いが大きくなることはなく、主軸３の精度を確保できる。
軸受４Ｂ，４Ｃの外径寸法は異ならせるが、軸方向外側の軸受４Ａ，４Ｄと軸方向内側の軸受４Ｂ，４Ｃと、内輪２１、転動体２３，２３Ａ、および保持器２４は同一設計仕様とできるため、余計な部品コストが掛からずコスト増が抑えられる。
【００２５】
さらに、この実施形態では、フロント側軸受である多列アンギュラ玉軸受４は、その内輪２１を軸方向に押圧することにより定位置予圧を与えたものとし、軸方向外側の軸受４Ａ，４Ｄの接触角θ１，θ４に比べて軸方向内側の軸受４Ｂ，４Ｃの接触角θ２，θ３を小さくしているので、この点でも軸受温度の上昇時に軸方向内側の軸受４Ｂ，４Ｃでの隙間の詰まりを軽減させることができ、軸受予圧の増加を抑え発熱を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】この発明の一実施形態にかかる軸受装置が用いられる主軸装置の断面図である。
【図２】同軸受装置の半部断面図である。
【符号の説明】
【００２７】
３…主軸
４…フロント側軸受
４Ａ〜４Ｄ…転がり軸受
５…リア側軸受
１４…軸受内輪
２３Ａ…転動体
θ１〜θ４…接触角
【図１】
2006326695.tif 000003
【図２】
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