(57)【要約】【課題】回転軸を支持する組合せ軸受を備え、組合せ軸受に予圧を与えたスピンドル装置において、回転軸や内輪の半径方向熱膨張の影響で組合せ軸受の摩擦トルクが増大することを防ぐ。【解決手段】回転軸２０の中心線と内輪軌道の転動体接触部までの半径方向距離をｒとし、内輪軌道の接触角をθとし、対となる内輪軌道の転動体接触部間の軸方向間隔をＬとしたとき、円すいころ軸受３１、３２で背面組合せとした組合せ軸受３０の中心線が回転軸２０の中心線に一致し、前記対となる内輪間で半径方向距離ｒ及び前記接触角θが同一であり、軸方向間隔Ｌが２ｒ／ｔａｎθであるように設定し、前記対となる内輪間の軸方向間隔が回転軸２０の熱膨張で拡大することに伴う予圧減少作用と、回転軸２０及び各内輪の熱膨張で各内輪軌道が半径方向に拡大することに伴う予圧増大作用とが釣り合うようにした。【選択図】図１
2008110426.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸を支持する組合せ軸受を備え、前記組合せ軸受に予圧を与えたスピンドル装置において、
前記組合せ軸受を、背面組合せとし、
前記組合せ軸受の対となる内輪間の軸方向間隔が前記回転軸の熱膨張で拡大することに伴う予圧減少作用と、前記回転軸及び各内輪の熱膨張で各内輪軌道が半径方向に拡大することに伴う予圧増大作用とが釣り合うように設定したことを特徴とするスピンドル装置。
【請求項２】
前記回転軸の中心線と内輪軌道の転動体接触部までの半径方向距離をｒとし、内輪軌道の接触角をθとし、対となる内輪軌道の転動体接触部間の軸方向間隔をＬとしたとき、
前記組合せ軸受の中心線が前記回転軸の中心線に一致し、前記対となる内輪間で半径方向距離ｒ及び前記接触角θが同一であり、前記軸方向間隔Ｌが２ｒ／ｔａｎθであることを特徴とする請求項１に記載のスピンドル装置。
【請求項３】
前記回転軸が工作機械の主軸であり、前記組合せ軸受がフロント側とリア側に配置された２個の円すいころ軸受からなる請求項１又は２に記載のスピンドル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、工作機械主軸用に好適なスピンドル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
工作機械主軸用のように高速の回転軸に適用されるスピンドル装置の中には、高速回転による発熱を低く抑えるため、軸受箱に対して回転軸を支持する転がり軸受にアンギュラ玉軸受を採用したものがある。
【０００３】
上記アンギュラ玉軸受は、摩擦トルクが小さく、高速回転には適するが、軸受剛性がころ軸受に比べ低いため、軸一端部に大きな外力が作用する回転軸を支持した場合、軸一端部の変位が大きく生じ易い特徴がある。このため、軸受剛性が特に求められるスピンドル装置、例えば、工作機械の主軸用スピンドル装置においては、アンギュラ玉軸受で主軸を支持すると、主軸フロント端部に位置する重切削等工具に大きな外力が作用した場合、重切削等工具の変位が比較的に大きく生じることになり、その結果、被削物の形状精度に悪影響を及ぼし易い。
【０００４】
そこで、主軸のフロント側（工具が装着される側）において、ラジアル荷重を支持する円筒ころ軸受と軸荷重を支持するアンギュラ玉軸受を配置し、適切な予圧を与えることにより、それぞれで剛性向上と高速回転時の発熱抑制との両立を図ることが行われている。
【０００５】
例えば、非特許文献１に開示されたものは、主軸フロント側に、１個の複列円筒ころ軸受と２個の単列アンギュラ玉軸受からなる組合せ軸受が定位置予圧で設けられており、加えて、軸方向の軸の伸縮を逃す自由側となるリア側に、円筒ころ軸受又は外輪をボールブッシュで軸方向に移動自在にしたアンギュラ玉軸受が設けられている。
【０００６】
しかし、円筒ころ軸受とアンギュラ玉軸受とで主軸を支持すると、軸受個数が多くなり、軸受の装着や取り外し作業が不便である。
【０００７】
そこで、回転軸系のラジアル方向と軸方向の剛性向上を可能にする組合せ用軸受として、両方向の荷重を同時に負荷できる円すいころ軸受が採用されることも行われている。
【０００８】
例えば、非特許文献１に開示されたものは、主軸のフロント側を２個の単列円すいころ軸受からなる組合せ軸受で支持し、リア側を円筒ころ軸受で支持し、リア側の歯車で駆動するようにした主軸スピンドル装置である。
【０００９】
しかしながら、円すいころ軸受は剛性には非常に優れるものの、ころ大端面とつばとの間の転がり滑り接触の存在のため、高速回転には一般に不向きである。
【００１０】
そこで、円すいころ軸受の潤滑方法を工夫することにより、スピンドル装置の高速運転化を図ることも行われている。例えば、組合せ用軸受として、ころの案内つばを外輪側に設け、つば部での潤滑油確保を容易にしたものがある（例えば、特許文献１）。
【００１１】
また、内輪大つば部に外部より強制的に潤滑油供給を行うもので、つば部と外部給油部とを孔で連通させる潤滑技術が採用されることもある（例えば、特許文献２）。
【００１２】
前掲の特許文献１、２に開示された技術を採用すると、円すいころ軸受の大つば部での発熱を抑制することができる分、高速回転が可能である。
【００１３】
【特許文献１】特公昭５３−８８５６号公報
【特許文献２】特開平８−２７０６６０号公報
【非特許文献１】ＮＴＮカタログ、精密転がり軸受、ＣＡＴ．Ｎｏ．２２６０／Ｊ  第２２頁  表５．１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、近年では、工作機械の主軸用スピンドル装置の分野に代表されるように、産業界からより一層の高速回転化と組合せ軸受の高剛性化が求められることが多くなっている。
【００１５】
上記の要求に応えると、前掲の非特許文献１のように、主軸フロント側に円筒ころとアンギュラ玉軸受を併用した組合せ軸受の採用により、軸受個数が多くなり、軸受の装着や取り外し作業が手間である。
【００１６】
また、円すいころ軸受を組合せ用軸受として採用し、前掲の特許文献１、２のような潤滑方法を採用すれば軸受個数を減らすことはできるが、ころと内外輪軌道面間の転がり粘性抵抗の増大による回転速度の低下を避けるには、潤滑剤をできるだけ希薄にすることが求められる。
ところが、円すいころ軸受を高速運転する場合、ころ大端面とつばとの間の潤滑油不足で摩擦トルクが増大し、温度上昇することが問題になり、さらなる高速回転化に限界がある。
【００１７】
特に、工作機械の主軸用スピンドル装置のように、回転軸と内輪の温度が外輪温度よりも上昇する場合、それらの半径方向熱膨張が軸受すきまを負にする側に作用し、摩擦トルクが増大して温度上昇に繋がる問題が生じる。この問題は、組合せ用軸受の種類を問わずに生じる。前記の熱膨張の影響を見越して組合せ用軸受の初期すきまを正にすることは、軸受剛性を減少させることになり、上記の要求に応えることができない。
【００１８】
そこで、この発明の課題は、回転軸を支持する組合せ軸受を備え、前記組合せ軸受に予圧を与えたスピンドル装置において、回転軸や内輪の半径方向熱膨張の影響で組合せ軸受の摩擦トルクが増大することを防ぐことにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記の課題を達成するため、この発明は、回転軸を支持する組合せ軸受を備え、前記組合せ軸受に予圧を与えたスピンドル装置において、前記組合せ軸受を、背面組合せとし、前記組合せ軸受の対となる内輪間の軸方向間隔が前記回転軸の熱膨張で拡大することに伴う予圧減少作用と、前記回転軸及び各内輪の熱膨張で各内輪軌道が半径方向に拡大することに伴う予圧増大作用とが釣り合うように設定した構成を採用したものである。
【００２０】
上記のように組合せ軸受を背面組合せとした構成を採用すれば、回転軸と内輪の半径方向の膨張変位は予圧増大の方向に作用するが、背面組合せであるので、上記回転軸が熱膨張すると、その軸方向の熱膨張変位は、組合せ軸受の対となる内輪間の軸方向間隔を拡大させ、予圧減少の方向に作用する。一方、回転軸と内輪の温度が外輪温度よりも上昇する場合、回転軸と内輪の半径方向熱膨張による各内輪軌道の半径方向変位は、予圧増大の方向に作用し、摩擦トルクを増大させる。
【００２１】
したがって、前記組合せ軸受の対となる内輪間の軸方向間隔が前記回転軸の熱膨張で拡大することに伴う予圧減少作用と、前記回転軸及び各内輪の熱膨張で各内輪軌道が半径方向に拡大することに伴う予圧増大作用とが釣り合うように設定した構成を採用すれば、上記の予圧減少作用により上記の予圧増大作用が打ち消される。
【００２２】
ここで、外輪の熱膨張の影響は、回転軸や内輪のそれと比べて小さいので、実用上、考慮する必要はない。
また、外輪の半径方向の拡大は、外輪とハウジングとのはめあい（通常すきま嵌め）の状態やハウジングの熱膨張によっても決定されるので、一般に評価は難しいが、若干は熱膨張によって半径方向に拡大し、予圧減少の方向に作用する。
一方、転動体の径は熱膨張し予圧過大の方向に作用するが、実用上、外輪の拡大に伴う予圧減少作用により相殺されるものと考えることができる。
したがって、上記対となる内輪間の軸方向間隔の拡大に伴う予圧減少作用と、上記内輪軌道の半径方向の拡大に伴う予圧増大作用とが打ち消されれば、回転軸あるいは内輪の温度が外輪温度よりも相当程度上昇しても、熱膨張による予圧増大を実用上影響のない程度に抑えることができる。
【発明の効果】
【００２３】
上述のように、この発明は、回転軸を支持する組合せ軸受を備え、前記組合せ軸受に予圧を与えたスピンドル装置において、回転軸や内輪の半径方向熱膨張の影響が前記組合せ軸受の対となる内輪間の軸方向間隔が前記回転軸の熱膨張で拡大することに伴う予圧減少作用により打ち消されるので、組合せ軸受の摩擦トルクが増大することを防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、この発明の実施形態に係るスピンドル装置を添付図面に基づいて説明する。
図１に示すスピンドル装置は、ハウジング１０と、このハウジング１０に対して回転軸２０を支持する組合せ軸受３０とを備えたものである。
【００２５】
回転軸２０は、工作機械の主軸からなり、その中心線は、組合せ軸受３０の中心線と一致させて設けられている。回転軸２０のフロント側（図中の左側）の端部に工具が装着される（図示省略）。
【００２６】
組合せ軸受３０は、２個の単列円すいころ軸受３１、３２から構成されている。これら２個の円すいころ軸受３１、３２は、同一のものが利用されており、背面組合せで配列されている。２個の円すいころ軸受３１、３２の一方側で回転軸２０のフロント側が支持され、他方側で回転軸２０のリア側（図中の右側）が支持されている。すなわち、スピンドル装置全体で回転軸２０を支持するための転がり軸受は２個のみであり、軸受の装着や取り外し作業に手間取らない。
【００２７】
２個の円すいころ軸受３１、３２の間を利用して、ハウジング１０と回転軸２０の間にビルトインモータ４０が組み込まれている。ビルトインモータ４０は、ハウジング１０の外筒１１の内周に沿って設けられたモータケーシング４１と、回転軸２０の外周に固定されたロータ４２と、モータケーシング４１とロータ４２の間に組み込まれたステータ４３を主な要素とし、ロータ４２に発生する回転力により回転軸２０を回転させるようになっている。なお、回転軸２０をリア側に延長し、プーリ、ギヤ等を設けて回転力を外部から伝達させることもできる。
【００２８】
ハウジング１０の外筒１１には、ビルトインモータ４０の発熱を考慮し、冷却路１１ａが形成されている。ハウジング１０は、冷却路１１ａに冷却油を流すと、外筒１１の熱分布がハウジング１０内の構造物に支障となる歪が生じないように熱が奪われるようになっている。
【００２９】
上記組合せ軸受３０は、各円すいころ軸受３１、３２に対して定位置予圧方式で所定の予圧が与えられている。この予圧は、通常−３〜−５μｍ程度の負すきまが適当である。
【００３０】
なお、組合せ軸受３０の外輪側の位置決めは、モータケーシング４１、軸受箱部材１２、１２、蓋１３、１４、潤滑油供給用のノズル部材１５、１６で行われている。組合せ軸受３０の内輪側の位置決めは、ロータ４２、間座１７、１７、回転軸２０の肩２１、回転軸２０のねじ山２２に螺着して軸方向の予圧を生じさせるナット１８等で行われている。対となる円すいころ軸受３１、３２間の構造は、この間の軸方向２分点を含むラジアル平面に関して対称になっており、これにより、この間の剛性が両側で均衡し、熱分布が概ね一様になるようになっている。
【００３１】
上述のように、組合せ軸受３０の中心線は、回転軸２０の中心線に一致しており、対となる円すいころ軸受３１、３２は、同一のものが利用されている。したがって、これら円すいころ軸受３１、３２間では、回転軸２０の中心線と内輪軌道の転動体接触部までの半径方向距離ｒ、対となる内輪軌道の接触角θは同一に対応させられている。これにより、円すいころ軸受３１、３２の対となる内輪間の軸方向間隔が回転軸２０の熱膨張で拡大することに伴う予圧減少作用と、回転軸２０及び各内輪の熱膨張で各内輪軌道が半径方向に拡大することに伴う予圧増大作用とが円すいころ軸受３１、３２で均等に作用するようになっている。
【００３２】
また、対となる内輪軌道の転動体接触部間の軸方向間隔Ｌは、式（１）の条件を満たす値である。
Ｌ＝２ｒ／ｔａｎθ・・・式（１）
軸方向間隔Ｌを式（１）の値に設定すれば、組合せ軸受３０の対となる内輪間の軸方向間隔が回転軸２０の熱膨張で拡大することに伴う予圧減少作用と、回転軸２０及び各内輪の熱膨張で各内輪軌道が半径方向に拡大することに伴う予圧増大作用とが釣り合い、組合せ軸受３０の摩擦トルクが増大することを防ぐことができる。
【００３３】
具体的に述べると、回転軸２０が熱膨張すると、軸方向に伸張した結果、対となる円すいころ軸受３１、３２間の間隔が軸方向に拡大し、これに伴い、軸方向間隔Ｌも同じように拡大する。この軸方向間隔Ｌの拡大変位の影響は、組合せ両側に２等分して影響するから、各円すいころ軸受３１、３２において等しく作用する。
軸方向間隔Ｌの拡大変位量ΔＬは、各円すいころ軸受３１、３２に接触角θに応じて影響するため、ΔＬｔａｎθ／２の半径方向変位を縮径側に生じさせる。
この半径方向変位と共に、回転軸２０及び円すいころ軸受３１、３２の内輪の熱膨張による半径方向変位を、Δｒとすると、ΔＬｔａｎθ／２＝Δｒの関係がある。一方、内輪の線膨張係数をα、温度上昇をΔｔとすれば、ΔＬ＝αＬΔｔ、Δｒ＝αｒΔｔとなる。これらの関係式から、式（１）の条件を満たせば、上記予圧減少作用と上記予圧増大作用とが釣り合うように設定することになり、回転軸２０及び円すいころ軸受３１、３２の内輪の熱膨張による半径方向変位が打ち消されるため、上記の予圧減少作用により上記の予圧増大作用が打ち消される。
【００３４】
なお、半径方向距離ｒ、内輪軌道の接触角θは、円すいころ軸受なので、転動体と接触する部分の軸方向幅の中央位置を代表に定めたが、アンギュラ玉軸受の場合は接触点を基準に定める。
上記半径方向距離ｒ、接触角θ、及び軸方向間隔Ｌは、装置全体が室温である状態で設定すればよい。熱膨張は、温度に対する線形性の変化だからである。
【００３５】
また、組合せ軸受３０が複列に軌道が形成された内輪を含むものであっても、複列間で接触角θが同じである限り、フロント側、リア側それぞれの複数個の軸受の中心位置間のスパンで軸方向間隔Ｌを定めれば、各列において上記の釣り合いを得ることができる。
【００３６】
ここで、通常、工作機械主軸の直径は５０〜１００ｍｍ程度であるので式（１）の半径方向距離ｒは２５〜５０ｍｍ程度となる。また、円すいころ軸受の内輪における接触角θは１５°程度であるので、軸方向間隔Ｌは、１９０〜３８０ｍｍ程度となる。このような寸法であれば、ビルトインモータ４０が２個の軸受３１、３２間に納まり、かつ回転軸２０の全長も一般的なオーダとなる。
【００３７】
また、回転軸２０の停止時の室温での予圧は、軸受すきま（初期すきま）を適当な負すきま（通常−３〜−５μｍ程度）としておく。このような値であれば、円すいころ軸受３１、３２が本来備えるラジアル、スラスト両方向の高剛性に加え、高速回転時の発熱による予圧過大を防ぐことができるので、特に高速回転に好適な主軸用スピンドル装置になる。
【００３８】
このスピンドル装置は、円すいころ軸受３１、３２のつば部での発熱が増大しても、摩擦トルクの増大がなく、予圧は初期状態とほぼ同一に保たれるので、つば部での表面損傷等が発生しない限り、高速回転が可能である。なお、このスピンドル装置は、予圧が与えられるので、発熱の影響が少ない低速回転時でも剛性が犠牲にならないことは勿論である。
【００３９】
以上に述べたように、このスピンドル装置は、円すいころ軸受３１、３２を、予圧調整のための特別な付帯設備を一切用いずに高速で運転できる。
【００４０】
また、このスピンドル装置は、低速領域から高速領域まで、円すいころ軸受本来の剛性を維持できる。すなわち、このスピンドル装置は、工作機械の加工効率向上と被削面の品位向上に要求される高速性と高剛性を両立することができる。
【００４１】
また、このスピンドル装置は、上記０００５段落に記した意味でのリア側（自由側）の軸受を廃することができ、軸受の組み付け・取り外し作業が簡便であり、コスト的にも有利である。
【００４２】
このスピンドル装置は、組合せ用軸受が２個の例を示したが、同様に考えて、極めて高い剛性が要求される場合では、３個以上の多数個で構成することもできる。
【００４３】
また、このスピンドル装置は、軸受個数を減らすため、組合せ用軸受として円すいころ軸受を採用したが、接触角を有するアンギュラ玉軸受の背面組合せについても同様に適用することできる。
【００４４】
ただし、アンギュラ玉軸受の接触角は、回転速度上昇に伴って増加するため、予め接触角の変化量を静力学的な釣り合い方程式から概算しておき、初期接触角と高速回転時の接触角の間の適当な接触角度を用いて、式（1）から軸方向間隔Ｌを決めればよい。この実施形態のように円すいころ軸受を組合せ用軸受に採用すれば、そのような複雑な設定が避けられるので、上記の打ち消しを安定して得易い利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】実施形態の全体構成を示す断面図
【符号の説明】
【００４６】
１０  ハウジング
２０  回転軸
３０  組合せ軸受
３１、３２  円すいころ軸受
４０  ビルトインモータ
【図１】
2008110426.tif 000003