(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
主軸の前後複数箇所に固定ハウジングに対して主軸を回転支持するための転がり軸受の内輪が固定され、一部の転がり軸受の外輪が固定ハウジングの内周にボールブッシュを介して軸方向移動可能に取付けられた移動ハウジングに固定され、移動ハウジングの外周面にブッシュが固定され、移動ハウジングの外周面とブッシュの内周面との間に環状の冷却流体循環用中空部が形成されている工作機械の主軸装置において、
移動ハウジングと固定ハウジングとの温度差を検出する手段と、この温度差に基いて冷却流体循環用中空部への冷却流体の供給を制御する手段とを備えていることを特徴とする工作機械の主軸装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、工作機械の主軸装置に関する。
【０００２】
この明細書において、主軸の先端側、すなわち図１、図３および図４の左側を前、これと反対側を後ということにする。
【０００３】
【従来の技術】
工作機械とくに高速主軸を備えたマシニングセンタなどにおいては、低速から高速までの広い範囲で安定した加工が可能な主軸装置が望まれている。
【０００４】
工作機械の主軸装置として、主軸の前部および後部が転がり軸受によりハウジングに対して回転支持されているものが知られている。このような主軸装置の軸受として、アンギュラ玉軸受などが使用され、軸受内輪は主軸側に、軸受外輪はハウジング側に固定される。そして、軸受の転動体のすべり防止や主軸の剛性増加のため、軸受に適切な予圧が付与されるように各軸受間の内輪の軸方向相対位置と外輪の軸方向相対位置との関係が決められている。
【０００５】
ところで、主軸が回転すると、軸受が発熱し、主軸に温度上昇が生じる。また、近年、主軸駆動用の電動モータを内蔵した主軸装置が増加しているが、その場合、主軸側のモータのロータも発熱し、主軸の温度上昇はさらに大きくなる。主軸の温度上昇の度合は回転速度によって変化し、とくに高速回転時に、主軸の温度上昇が大きく、主軸とハウジングとの間に大きな温度差が生じ、ハウジングに対して主軸の軸方向の熱変形が大きくなる。その結果、主軸側に固定されている軸受内輪の軸受間の軸方向相対位置とハウジング側に固定されている軸受外輪の軸受間の軸方向相対位置との関係が変化し、予圧過小あるいは予圧過大になり、これが軸受損傷の原因となる。
【０００６】
このような主軸の熱変形を吸収するため、主軸の前後複数箇所に固定ハウジングに対して主軸を回転支持するための転がり軸受の内輪が固定され、一部の転がり軸受の外輪が固定ハウジングの内周にボールブッシュを介して軸方向移動可能に取付けられた移動ハウジングに固定された主軸装置が知られている。
【０００７】
この主軸装置の場合、主軸に熱変形が生じても、固定ハウジングに対して移動ハウジングが軸方向に移動することにより、軸受の予圧の変化が防止される。しかし、次のような問題がある。
【０００８】
上記の主軸装置では、固定ハウジングの内周と移動ハウジングの外周との隙間の大きさをボールブッシュのボールの外径より若干小さくし、ボールに適切な締め代を与えて、主軸の支持剛性を高めるようにしている。ところで、主軸回転中に、軸受や主軸に発熱が生じると、これらに近い移動ハウジングの方が固定ハウジングに比べて温度上昇が大きく、両者の間に温度差およびそれによる径方向の熱変形の差が生じる。移動ハウジングと固定ハウジングの温度差は主軸の温度変化によって変化し、温度差が変化することにより、両者の隙間が変化して、上記締め代が変化する。このため、上記締め代を温度差が小さい状態において適切になるように設定すると、温度差が大きい状態では、締め代が大きくなって、ボールブッシュのボールに作用する圧縮力が大きくなり、これにより、ボールの転がり抵抗が大きくなって、移動ハウジングの動きが悪くなる。逆に、上記締め代を温度差が大きい状態において適切になるように設定すると、温度差が小さい状態において、締め代が小さくなり、主軸の支持剛性が不足して、加工精度などに悪影響を及ぼす。いずれにしても、主軸の温度変化にかかわらずに、常に移動ハウジングの動きを円滑にして、主軸の支持剛性を高くすることは不可能である。
【０００９】
移動ハウジングと固定ハウジングとの温度差を小さくするために、移動ハウジングの内部に冷却油を循環させるようした主軸装置が提案されている。そのような主軸装置の１例が図３に示され、その後部が図４に拡大して示されている。
【００１０】
図３において、中空状の主軸(10)の前部の２箇所と後部の２箇所が転がり軸受(11)(12)(13)(14)により円筒状の固定ハウジング(15)に対して回転支持されている。この例の場合、軸受(11)〜(14)は全てアンギュラ玉軸受である。固定ハウジング(15)は、前後方向に長い円筒状の外側ハウジング部材(15a)と、外側ハウジング部材(15a)の前部内側に同心状に固定された円筒状の前部ハウジング部材(15b)と、外側ハウジング部材(15a)の後部内側に同心状に固定された円筒状の後部ハウジング部材(15c)とから構成されており、外側ハウジング部材(15a)が主軸頭(16)などに固定されている。固定ハウジング(15)内の前後のハウジング部材(15b)(15c)の間の部分に、主軸(10)を駆動するための内蔵型電動モータ(17)が設けられている。モータ(17)は、主軸(10)の外周に設けられたロータ(17a)と、その周囲の外側ハウジング部材(15a)の内周に設けられたステータ(17b)とから構成されている。
【００１１】
前側の２個の軸受(11)(12)は向きを揃えて配置され、これらの内輪は主軸(10)の外周に、外輪は前部ハウジング部材(15b)の内周にそれぞれ適切な間隔をおいて固定されている。
【００１２】
図４に詳細に示すように、後側の２個の軸受(13)(14)は前側の軸受(11)(12)と逆向きに向きを揃えて配置され、これらの内輪(13a)(14a)が主軸(10)の外周に適切な間隔をおいて固定されている。後部ハウジング部材(15c)の内周にボールブッシュ(18)がはめられ、その内周に円筒状の移動ハウジング(19)がはめられている。ボールブッシュ(18)は薄肉円筒状の保持器に多数のボール(18a)が径方向の両側に突出するように保持されたものであり、移動ハウジング(19)は、ハウジング部材(15c)に対して回転はしないが、ボールブッシュ(18)のボール(18a)を介して軸方向に移動しうるようになっている。ハウジング部材(15c)より後方に出ている移動ハウジング(19)の後端部に蓋(20)が固定され、移動ハウジング(19)の内周に２個の軸受(13)(14)の外輪(13b)(14b)が適切な間隔をおいて固定されている。ハウジング部材(15c)の後端面に３つ以上のばね収容穴(21)が円周方向に等間隔をおいて形成され、これらの穴(21)に対応して、蓋(20)の後端部に外方突出部(20a)が形成されている。各穴(21)に、弾性部材である圧縮コイルばね(22)が収容されている。ばね(22)は、穴(21)の底と蓋(20)の突出部(20a)に圧接して、蓋(20)を後向きに付勢している。これにより、移動ハウジング(19)が後向きに付勢され、その結果、軸受(13)(14)の外輪(13b)(14b)が後向きに付勢されて、軸受(11)〜(14)に適切な予圧が付与されている。
【００１３】
ボールブッシュ(18)の内側にある移動ハウジング(19)の外周面に、ブッシュ(23)が焼きばめにより固定されている。移動ハウジング(19)の後端部外周面およびブッシュ(23)の前端部内周面に、それぞれ突出高さの等しい環状凸部(19a)(23a)が全周にわたって一体に形成されている。移動ハウジング(19)の環状凸部(19a)の外周面とブッシュ(23)の内周面との間、およびブッシュ(23)の環状凸部(23a)の内周面と移動ハウジング(19)の外周面との間がそれぞれシール(24)(25)により密閉されており、これにより移動ハウジング(19)とブッシュ(23)との間に環状の冷却油循環用中空部(26)（冷却流体循環用中空部）が形成されている。冷却油循環用中空部(26)は、移動ハウジング(19)および蓋(20)に形成された連通路(27)を介して蓋(20)の突出部(20a)に固定された冷却油供給管接続用継手ブロック(28)に通じさせられている。継手ブロック(28)に、油タンク、ポンプ等を備えた冷却油供給装置(29)からの冷却油供給管(30)が接続されている。なお、図示は省略したが、冷却油循環用中空部(26)は、連通路(27)とは異なった位置において移動ハウジング(19)および蓋(20)に形成された連通路を介して蓋(20)に固定された冷却油排出管接続用継手ブロックに通じさせられており、この継手ブロックに、冷却油供給装置(29)に伸びる冷却油排出管(30)が接続されている。
【００１４】
上記の主軸装置において、主軸(10)に熱変形が生じても、固定ハウジング(15)の後部ハウジング部材(15c)に対して移動ハウジング(19)が軸方向に移動することにより、軸受(11)〜(14)の予圧の変化が防止される。たとえば、主軸(10)の熱変形が大きくなってその後部が後側に移動すると、これに伴って後側の軸受(13)(14)の内輪(13a)(14a)も後側に移動し、軸受(11)〜(14)の予圧が減少する。すると、軸受(13)(14)の外輪(13b)(14b)に働いている予圧の分力とばね(22)の力とのつりあいがくずれ、移動ハウジング(19)および外輪(13b)(14b)がばね(22)に押されて後側に移動し、両方の力がつりあう位置で停止する。逆に、主軸(10)の熱変形が小さくなってその後部が前側に移動すると、これに伴って軸受(13)(14)の内輪(13a)(14a)も前側に移動し、軸受(11)〜(14)の予圧が増加する。すると、軸受(13)(14)の外輪(13b)(14b)に働いている予圧の分力とばね(22)の力とのつりあいがくずれ、移動ハウジング(19)および外輪(13b)(14b)がばね(22)を圧縮させて前側に移動し、両方の力がつりあう位置で停止する。
【００１５】
また、主軸(10)の高速回転時には、軸受(11)〜(14)の発熱により移動ハウジング(19)の温度がハウジング部材(15c)の温度よりも高くなるが、冷却油が冷却油供給装置(29)から冷却油循環用中空部(26)に供給されてこの中空部(26)内を循環するので、移動ハウジング(19)とハウジング部材(15c)との温度差が緩和され、両者の隙間の大きさを調整して、ボールブッシュ(18)のボール(18a)の締め代を適切な範囲に保つことができる。したがって、主軸(10)の温度変化にかかわらず、常に、移動ハウジング(19)の動きを円滑にして、軸受(11)〜(14)の予圧を適切な値に保つとともに、主軸(10)の支持剛性を高く保つことができる。このため、低速回転から高速回転まで安定した運転が可能であり、加工精度などの性能も向上する。
【００１６】
しかしながら、上記主軸装置では、次のような問題がある。すなわち、高速回転していた主軸(10)が急停止した場合、軸受(11)〜(14)の発熱により温度上昇していた移動ハウジング(19)およびハウジング部材(15c)への熱伝達がなくなり、冷却油循環用中空部(26)内に供給されている冷却油によって熱容量の小さい移動ハウジング(19)が、ハウジング部材(15c)に比べて急速に冷却される。このため、移動ハウジング(19)の収縮量がハウジング部材(15c)の収縮量に比べて大きくなり、ボールブッシュ(18)のボール(18a)の締め代が過小になる。したがって、主軸(10)の支持剛性が低下し、その後の主軸(10)の急加速時に主軸(10)に大きな振動が発生する。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
この発明の目的は、上記の問題を解決し、主軸の急停止時にも主軸の支持剛性の低下を防止することが可能であり、その後の主軸の急加速時に主軸に大きな振動が発生するのを防止することができる工作機械の主軸装置を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
この発明による装置は、主軸の前後複数箇所に固定ハウジングに対して主軸を回転支持するための転がり軸受の内輪が固定され、一部の転がり軸受の外輪が固定ハウジングの内周にボールブッシュを介して軸方向移動可能に取付けられた移動ハウジングに固定され、移動ハウジングの外周面にブッシュが固定され、移動ハウジングの外周面とブッシュの内周面との間に環状の冷却流体循環用中空部が形成されている工作機械の主軸装置において、移動ハウジングと固定ハウジングとの温度差を検出する手段と、この温度差に基いて冷却流体循環用中空部への冷却流体の供給を制御する手段とを備えていることを特徴とするものである。
【００１９】
この発明の装置によれば、主軸の高速回転時には、軸受の発熱により移動ハウジングの温度が固定ハウジングの温度よりも高くなり、温度差検出手段により検出された移動ハウジングと固定ハウジングとの温度差が設定値を越えると、冷却流体供給制御手段は、冷却流体を冷却流体循環用中空部内に供給し、移動ハウジングを冷却する。したがって、両ハウジングの温度差が緩和され、両者の隙間の大きさを調整して、ボールブッシュのボールの締め代を適切な範囲に保つことができる。その結果、ボールブッシュのボールの締め代を常に適切な範囲に保つことができる。このため、主軸の温度変化にかかわらず、常に、移動ハウジングの動きを円滑にして、転がり軸受の予圧を適切な値に保つとともに、主軸の支持剛性を高く保つことができる。したがって、低速回転から高速回転まで安定した運転が可能であり、加工精度などの性能も向上する。
【００２０】
高速回転していた主軸が急停止した場合、軸受の発熱により温度上昇していた移動ハウジングおよび固定ハウジングへの熱伝達がなくなり、冷却流体循環用中空部内に供給されていた冷却流体によって熱容量の小さい移動ハウジングが急速に冷却される。このとき、温度差検出手段により検出された移動ハウジングと固定ハウジングとの温度差が設定値以下になると、冷却流体供給制御手段は、冷却流体の冷却流体循環用中空部内への供給を停止し、移動ハウジングの過冷却が防止される。したがって、両ハウジングのボールブッシュのボールの締め代が過小になることを防止することができ、主軸の支持剛性の低下を防止することができる。その結果、その後の主軸急加速時に主軸に振動が発生することはない。
【００２１】
この発明の装置において、移動ハウジングの外周面にブッシュが固定され、移動ハウジングの外周面とブッシュの内周面との間に環状の冷却流体循環用中空部が形成されている。
【００２２】
このようにすれば、比較的簡単に移動ハウジングに冷却流体循環用中空部を形成することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
【００２４】
図１はこの発明の実施形態を示す図４に相当する主軸装置後部の縦断面図であり、図１において、図４のものに対応する部分には同一の符号を付している。
【００２５】
この実施形態の場合、移動ハウジング(19)内および後部ハウジング部材(15c)内の適当箇所に、これらの間の温度差を検出する手段としての温度センサ(41)(42)が設けられている。また、冷却油供給装置(29)から冷却油循環用中空部(26)内に冷却油を供給する冷却油供給管(30)の途中に単一のソレノイドを用いたばねオフセット形のソレノイドバルブ(43)が設けられている。各温度センサ(41)(42)およびソレノイドバルブ(43)は、冷却油供給制御装置(44)（冷却流体供給制御手段）に接続されている。
【００２６】
ここで、図２のフローチャートを参照して、冷却油供給制御装置(44)による制御動作について説明する。
【００２７】
制御装置(44)は、移動ハウジング(19)の温度センサ(41)および後部ハウジング部材(15c)の温度センサ(42)の出力信号から両温度センサ(41)(42)により検出された温度Ｔｉ  、Ｔｏ  の温度差Ｔｉ  −Ｔｏ  を求め、この温度差Ｔｉ  −Ｔｏ  と設定値ＴＨとを比較して温度差Ｔｉ  −Ｔｏ  が設定値ＴＨ以上であれば（ステップ１）、ソレノイドバルブ(43)の励磁を停止してこれを開にし、冷却油供給装置(29)から冷却油循環用中空部(26)内に冷却油を供給する（ステップ２）。ステップ２の後ステップ１に戻る。ステップ１で上記温度差Ｔｉ  −Ｔｏ  が設定値ＴＨ未満のであれば、上記温度差Ｔｉ  −Ｔｏ  と設定値ＴＬとを比較し、温度差Ｔｉ  −Ｔｏ  が設定値ＴＬ以下であれば（ステップ３）、ソレノイドバルブ(43)を励磁してこれを閉にし、冷却油供給装置(29)から冷却油循環用中空部(26)内への冷却油の供給を停止する（ステップ４）。ステップ４の後にステップ１に戻る。ステップ３において、温度差Ｔｉ  −Ｔｏ  が設定値ＴＬよりも大きければ、ステップ１に戻る。ここで、設定値ＴＬは設定値ＴＨよりも所定温度低い温度であり、ソレノイドバルブ(43)が頻繁に開閉しないようになっている。
【００２８】
主軸装置の後部における他の部分の構成は、図４のものと同様である。また、主軸装置全体の構成は、たとえば図３のものと同様にすることができる。
【００２９】
上記の主軸装置において、運転の初期段階においては、移動ハウジング(19)と、固定ハウジング(15)の後部ハウジング部材(15c)には温度差がほとんど存在しないので、ソレノイドバルブ(43)は励磁されて閉とされており、冷却油循環用中空部(26)内には冷却油は供給されていない。
【００３０】
主軸(10)が回転することにより軸受(11)〜(14)が発熱し、主軸(10)の温度が上昇して主軸(10)に熱変形が生じても、固定ハウジング(15)の後部ハウジング部材(15c)に対して移動ハウジング(19)が軸方向に移動することにより、軸受(11)〜(14)の予圧の変化が防止される。たとえば、主軸(10)の熱変形が大きくなってその後部が後側に移動すると、これに伴って後側の軸受(13)(14)の内輪(13a)(14a)も後側に移動し、軸受(11)〜(14)の予圧が減少する。すると、軸受(13)(14)の外輪(13b)(14b)に働いている予圧の分力とばね(22)の力とのつりあいがくずれ、移動ハウジング(19)および外輪(13b)(14b)がばね(22)に押されて後側に移動し、両方の力がつりあう位置で停止する。逆に、主軸(10)の熱変形が小さくなってその後部が前側に移動すると、これに伴って軸受(13)(14)の内輪(13a)(14a)も前側に移動し、軸受(11)〜(14)の予圧が増加する。すると、軸受(13)(14)の外輪(13b)(14b)に働いている予圧の分力とばね(22)の力とのつりあいがくずれ、移動ハウジング(19)および外輪(13b)(14b)がばね(22)を圧縮させて前側に移動し、両方の力がつりあう位置で停止する。
【００３１】
また、主軸(10)の高速回転時に、軸受(11)〜(14)の発熱により移動ハウジング(19)の温度が後部ハウジング部材(15c)の温度よりも高くなるが、その温度差が設定値ＴＨ以上になった場合、上記のように冷却油供給制御装置(44)により冷却油循環用中空部(26)内に冷却油が供給され、両者の温度差が緩和され、ボールブッシュ(18)のボール(18a)の締め代を適切な範囲に保つことができる。その結果、主軸(10)の温度変化にかかわらず、常に、移動ハウジング(19)の動きを円滑にして、軸受(11)〜(14)の予圧を適切な値に保つとともに、主軸(10)の支持剛性を高く保つことができる。このため、低速回転から高速回転まで安定した運転が可能であり、加工精度などの性能も向上する。
【００３２】
さらに、高速回転していた主軸(10)が急停止した場合、冷却油循環用中空部(26)内を循環している冷却油により熱容量の小さい移動ハウジング(19)が急速に冷却されるが、移動ハウジング(19)と後部ハウジング部材(15c)の温度差が設定値ＴＬ以下になった場合、上記のように冷却油供給制御装置(44)により冷却油循環用中空部(26)内への冷却油の供給が停止され、移動ハウジング(19)の過冷却が防止される。したがって、両ハウジングのボールブッシュのボールの締め代が過小になることを防止することができ、主軸(10)の支持剛性の低下を防止することができる。その結果、その後の主軸(10)の急加速時に主軸(10)に振動が発生することはない。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施形態を示す主軸装置後部の縦断面図である。
【図２】  冷却油供給制御装置による制御動作の１例を示すフローチャートである。
【図３】  従来例を示す主軸装置の縦断面図である。
【図４】  図３の後部を拡大して示す縦断面図である。
【符号の説明】
(10)：主軸
(11)(12)(13)(14)：玉軸受（転がり軸受）
(11a)(12a)(13a)(14a)：内輪
(13b)(14b)：外輪
(15)：固定ハウジング
(15c)：ハウジング部材
(18)：ボールブッシュ
(18a)：ボール
(19)：移動ハウジング
(26)：冷却油循環用中空部（冷却流体循環用中空部）
(41)(42)：温度センサ（温度差検出手段）
(44)：冷却油供給制御装置（冷却流体供給制御手段)
【図１】
0003845757.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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