(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
前記供給流路は、前記ハウジングの前記回転軸の一端側から他端側まで連通され、前記ハウジングの前記他端側から供給された冷却媒体が、前記回転軸の一端側から前記ハウジング内の前記モータ内の空間に供給され、前記モータを通過した冷却媒体が前記ハウジングの前記他端側から排出されることを特徴とする請求項1に記載のスピンドル装置。
前記ハウジングは、前記スリーブを内嵌するスリーブ支持部に、前記冷却媒体を前記ハウジング外に排出する支持部側排出流路が形成されている請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載のスピンドル装置。
【背景技術】
【0002】
近年の高速回転を可能にするスピンドル装置においては、例えば、ハウジングと、一端に工具等が取り付けるチャッキング部を有して回転駆動される回転軸と、回転軸の前側(チャッキング部側)に配設された固定側軸受と、回転軸の後側に配設された自由側軸受と、を備えたものがある。
自由側軸受は、回転軸の回転による熱膨張の対策として、ハウジングにスリーブを介して、軸方向にスライド移動可能に支持される。このスリーブは、軸の熱膨張の伸張分だけ後側に移動することで、熱膨張の影響をキャンセルし、軸受に対する予圧を一定にして、軸受の寿命と支持剛性を適正に保っている。スリーブとリアハウジングとの間には、スリーブがスムーズにスライドするために、ボールブッシュの挿入や、流体の封入等による工夫によって、適正な嵌合隙間が設けられている。
【0003】
しかし、スリーブ自身の熱膨張によってスリーブの外径が拡大すると、スリーブがリアハウジングに固着し、軸受に対する予圧が抜けて、軸が正常に保持できなくなる問題が発生する。また、スリーブとリアハウジングとの嵌合隙間が変化することで、スリーブが振動を発生したり、スリーブとリアハウジングとの間での接触剛性が変化したりする等、スピンドルの回転精度が悪化する要因となる。そのため、スリーブ及び後側の発熱源である後側軸受を冷却することが重要となる。
【0004】
後側軸受及び嵌合するスリーブを冷却する技術として、例えば特許文献1に示されたものがある。特許文献1では、スリーブの外周面又はリアハウジングの内周面にて、冷却媒体が流動可能な溝を設けることで、スリーブを冷却し、後側軸受の焼付きやスリーブのスライド不良を防止している。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
(第1構成例)
図1は本発明の実施形態を説明するための図で、スピンドル装置の断面図である。
スピンドル装置100は、ハウジング11と、回転軸13と、一対の固定側軸受15A,15Bと、一対の自由側軸受17A,17Bと、スリーブ19とを備える。回転軸13は、図中左側の一端(前端)側に不図示の工具等が取り付けられ、ハウジング11に対して相対回転自在に支持される。固定側軸受(本構成例では玉軸受)15A,15Bは、回転軸13の前端側に配設される。自由側軸受(本構成例では玉軸受)17A,17Bは、回転軸13の他端(後端)側に配設される。スリーブ19は、ハウジング11に内挿されて軸方向にスライド移動可能に取り付けられる。
【0013】
ハウジング11は、略円筒形状のハウジング本体21と、ハウジング本体21の前端側に嵌合固定されるフロントハウジング23と、ハウジング本体21の後端側に嵌合固定されるリアハウジング25とを有する。フロントハウジング23の前端には、前蓋27が締結固定され、リアハウジング25の後端には、後蓋29が締結固定される。
【0014】
ハウジング本体21の内側面21aに内嵌するインナースリーブ31には、ビルトインタイプのモータ33のステータ38が固定される。また、回転軸13の軸方向中間部には、ステータ38と対向してロータ37が固定される。ロータ37は、ステータ38が発生する回転磁界によって回転力が与えられて回転軸13を回転駆動する。インナースリーブ31の外周面には、円環状の複数の溝31aが形成されており、ハウジング本体21に内嵌することで内側面21aとの間に冷却路39が形成される。
【0015】
固定側軸受15A,15Bは、各外輪41がフロントハウジング23に内嵌され、内輪43,43が回転軸13に外嵌されて、回転軸13の前端側を回転自在に支承する。固定側軸受15A,15Aの各外輪41は、外輪間座45を介してフロントハウジング23の後端面23aと前蓋27とによって狭持されてフロントハウジング23に軸方向に関して位置決めされる。固定側軸受15A,15Aの各内輪43は、内輪間座47を介して、回転軸13の前側段部13aと回転軸13に螺合するナット49とによって狭持され、回転軸13に軸方向に関して位置決めされる。
【0016】
リアハウジング25のスリーブ支持部25bにおける内周面25aには、軸方向に移動可能な略円筒形状のスリーブ19が挿入される。自由側軸受17A,17Bは、各外輪51がスリーブ19に内嵌され、各内輪53が回転軸13に外嵌されて、回転軸13の後端側を回転自在に支承する。各外輪51は、外輪間座55を介してスリーブ19の内周面19aに嵌合してスリーブ19の軸方向に関して位置決めされる。各内輪53は、内輪間座57を介して回転軸13の後側段部13bと、回転軸13に螺合するナット59とによって狭持されて回転軸13に軸方向に関して位置決めされる。
【0017】
ハウジング本体21、フロントハウジング23、リアハウジング25、及び後蓋29には、スピンドル装置100の内部に冷却媒体Mを供給するための供給流路61が設けられる。供給流路61は、後蓋29を貫通する流路63と、流路63に連通されてリアハウジング25を貫通する流路65と、流路65に連通されてハウジング本体21を貫通する流路67と、流路67に連通されてフロントハウジング23内を貫通する流路69と、により構成される。
【0018】
流路63,65,67,69の軸断面は、それぞれ同径の円形状である。後蓋29の流路63、リアハウジング25の流路65、及びハウジング本体21の流路67は、軸方向に沿って直線状に連通する。
【0019】
図2は
図1のII-II線断面図である。
図1,
図2に示すように、フロントハウジング23の流路69は、ハウジング本体21の流路67と同軸に連通する外側流路69aと、外側流路69aの前端部からフロントハウジング23の半径方向内側に延びる径方向流路69bと、径方向流路69bの内端部からフロントハウジング23の後端面23bに延びる内側流路69cとを有する。この内側流路69cは、フロントハウジング23の内周面側の固定側軸受15A,15Bの近傍に形成される。径方向流路69bは、フロントハウジング23の外周面から穿設された穴の開口を栓体72で塞ぐことで形成される。
【0020】
流路63,65,67,69は、ハウジング11に回転軸13の一端側から他端側までを連通して形成される。すなわち、流路63,65,67,69は、ハウジング本体21、フロントハウジング23、リアハウジング25及び後蓋29が互いに密に接合することにより、後蓋29の後端面29aに開口した流路63の開口部63aからリアハウジング25の後端面23bに開口した流路69の開口部69dまで連通する供給流路61を形成する。
【0021】
冷却媒体Mは、後蓋29の後端面29aに開口した開口部(供給口)63aから供給流路61内に供給される。そして、冷却媒体は、供給流路61内を通ってフロントハウジング23の後端面23bに開口した開口部69dからハウジング11のモータ33が収容されている空間Sに供給される。この冷却媒体Mとしては圧縮供給される空気、冷却空気、オイルミストを含む空気等が使用される。開口部69dは、モータ33のステータ38の一端部に臨ませて配置される。
【0022】
図3は
図1のIII-III線断面図である。
冷却媒体Mは、モータ33のロータ37とステータ38との間を通過して、
図1に示すスリーブ19に保持された自由側軸受17A,17B側に供給される。
【0023】
スリーブ19には、モータ33を通過した冷却媒体Mをハウジング11外に排出するためのスリーブ側排出流路71が形成される。後蓋29には、スリーブ側排出流路71を通過した冷却媒体Mをスピンドル装置100外に排出するための排出孔73が設けられる。スリーブ側排出流路71は、スリーブ19を軸方向に貫通する。
【0024】
図4は
図1のIV−IV線断面図である。スリーブ側排出流路71は、
図4に示すように、周方向に沿った複数箇所に等配される。図示例では、スリーブ側排出流路71がスリーブ19の8箇所に設けられているが、スリーブ側排出流路71の数や配置はこれに限らない。また、スリーブ側排出流路71の軸断面積の合計は、供給流路61の軸断面積の合計よりも大きくなるように形成される。また、排出孔73の軸断面積も、供給流路61の軸断面積の合計よりも大きく形成される。
【0025】
上記構成によれば、冷却媒体Mは、供給流路61を通してスピンドル装置100のハウジング11内の空間Sに供給される。その際、冷却媒体Mは、モータ33の前方から供給され、モータ33のロータ37とステータ38との間を通過した後、スリーブ19側に送られる。そして、冷却媒体Mは、スリーブ側排出流路71を通過して、後蓋29の排出孔73からハウジング11の外側、すなわち、スピンドル装置100外に排出される。
【0026】
上記の冷却媒体Mの流れによって、モータ33のロータ37とステータ38とが冷却される。その冷却媒体Mが、更にスリーブ側排出流路71を通過することにより、スリーブ19を介しての熱交換により自由側軸受17A,17Bが冷却される。
【0027】
このように、スピンドル装置100のハウジング11内にモータ33の前方から冷却媒体Mが供給され、モータ33を通過した冷却媒体Mが、自由側軸受17A,17Bを保持するスリーブ19のスリーブ側排出流路71を通過してハウジング11外に排出される。このような流路構成を採用したことにより、冷却媒体Mの流路構造を複雑化することなく、モータ33と自由側軸受17A,17Bとを同時に冷却でき、冷却効率を向上できる。
【0028】
また、冷却媒体Mの供給と排出を、ハウジング11の後方に纏めることで、配管のレイアウトが容易となる。
【0029】
更に、自由側軸受17A,17Bが内嵌するスリーブ19の周方向に沿った複数箇所にスリーブ側排出流路71が等配されることで、自由側軸受17A,17Bの外輪51を全周にわたって均一に冷却できる。これにより、自由側軸受17A,17Aの温度を周方向に均一となり、回転中の転がり接触部や保持器案内面等での粘度低下による潤滑油膜切れが生じ難くなり、潤滑不良による寿命低下や焼付きが防止される。
【0030】
また、スリーブ19が、スリーブ内部を通過する冷却媒体Mとの熱交換によって直接冷却されるので、スリーブ19の熱膨張による拡大が抑制され、リアハウジング25の内周面25aとスリーブ19の外周面19bとの隙間間隔が安定して保たれる。このため、リアハウジング25とスリーブ19との隙間間隔の変動による振動の発生、回転精度の低下等の不具合の発生を防止できる。
【0031】
また、スリーブ側排出流路71の軸断面積の合計が、供給流路61の軸断面積の合計よりも大きいことにより、流路抵抗が小さくなり、冷却媒体Mを円滑に流動させることができる。
【0032】
そして、供給流路61がフロントハウジング23内にも形成されているので、冷却媒体Mとの熱交換により直接冷却されるフロントハウジング23を介して、固定側軸受15A,15Bも冷却できる。フロントハウジング23内の内側流路69cが、フロントハウジング23の内周面近傍にまで形成されるので、固定側軸受15A,15Bを効率良く冷却できる。
【0033】
更に、フロントハウジング23の周方向に沿った複数箇所に内側流路69cを等配することにより、固定側軸受15A,15Bの外輪41を全周にわたって均一に冷却する構成にできる。
【0034】
また、スリーブ側排出流路71は、スリーブ19を軸方向に貫通しているので、加工性が良く、スリーブ側排出流路71を設けたことによる製造コストの増加は僅かである。
【0035】
(第2構成例)
次に、第2構成例について説明する。なお、第1構成例と同一又は同等部分については、図面に同一符号を付してその説明を省略又は簡略化する。
【0036】
図5は第2構成例のスピンドル装置200の一部断面図である。
本構成のスピンドル装置200のスリーブ19には、第1構成例と同様にスリーブ側排出流路71が形成される。また、スリーブ19が内嵌されるリアハウジング26には、支持部側排出流路75が軸方向に貫通して設けられる。
【0037】
図6は
図5のVI−VI線断面図である。
支持部側排出流路75は、リアハウジング26のスリーブ支持部26aに円周方向に沿った複数箇所に等配される。図示例では、支持部側排出流路75がリアハウジング26のスリーブ支持部26aの8箇所に設けられているが、支持部側排出流路75の数や配置はこれに限らない。また、支持部側排出流路75とスリーブ側排出流路71の軸断面積の合計は、供給流路61の軸断面積の合計よりも大きくなるように形成される。
【0038】
支持部側排出流路75とスリーブ側排出流路71は、図示例のように周方向に同じ位相で配置してもよく、周方向に交互に配置した構成であってもよい。双方の流路間隔が小さくなるほど、均一な冷却効果が得やすくなる。
【0039】
上記構成によれば、冷却媒体Mは、モータ33のロータ37とステータ38との間を通過した後、スリーブ側排出流路71及び支持部側排出流路75を通過し、排出孔(
図1の排出孔73と同様)からスピンドル装置200外に排出される。モータ33は、冷却媒体Mがロータ37とステータ38との間を通過することにより冷却される。その冷却媒体Mが、スリーブ側排出流路71及び支持部側排出流路75を通過することにより、スリーブ19及びリアハウジング26がそれらの内部を通過する冷却媒体Mとの熱交換により同時に直接冷却される。
【0040】
したがって、本構成によれば、モータ33と自由側軸受17A,17Bとを同時に冷却できる効果に加えて、スリーブ19からリアハウジング26までの径方向に沿った温度分布を均一に保ち、スリーブ19の外周面19bとリアハウジング26の内周面26bとの間の隙間を適正に保つ効果も得られる。
【0041】
また、支持部側排出流路75は、リアハウジング26を軸方向に貫通するので、加工性が良く、支持部側排出流路75を設けたことによる製造コストの増加は僅かである。その他の構成及び作用効果については、上記第1構成例と同様である。
【0042】
このように、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、実施形態の各構成を相互に組み合わせることや、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。
【0043】
例えば、上記構成例では、自由側軸受に玉軸受を使用しているが、円筒ころ軸受等、他の種類の転がり軸受を使用してもよい。
また、上記構成例では、スリーブ側排出流路71及び支持部側排出流路75がどちらも全長にわたって一定の径で形成されているが、流路の上流側を拡径させて、冷却媒体Mの流動をより円滑にしてもよい。また、各流路の断面形状を扁平状、或いは、フィン等を設け、流路内面の面積を増加させて熱交換頻度を向上させる構成としてもよい。更に、各流路を軸方向から傾斜させて設けてもよく、軸線回りの螺旋状にしてもよい。いずれの場合でも、冷却媒体Mとの接触面積を増加させることで、冷却効果をより高めることができる。
【実施例】
【0044】
図1に示すスリーブ19にスリーブ側排出流路71を設けた第1構成例の冷却構造と、スリーブ19にスリーブ側排出流路71を設けない他の構造とを用いて、自由側軸受17A,17Bの外輪51の回転開始から回転終了までの温度変化を比較した。
図7は、冷却構造の違いによる外輪51の温度変化を対比可能に模式的に示したグラフである。
【0045】
図7から明らかなように、自由側軸受17A,17Bの回転開始直後から回転終了までの全期間を通して、スリーブ19にスリーブ側排出流路71を設けた第1構成例の構造が、上記他の構造と比較して外輪51の定常状態の温度を低く保つことができる。これは、自由側軸受17A,17Bが、冷却媒体Mによりスリーブ19を介して冷却されたことによる効果であることは明らかである。
【0046】
以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
(1)ハウジングと、
前記ハウジング内に回転自在に挿通される回転軸と、
内輪が前記回転軸の一端側に外嵌され、外輪が前記ハウジングに固定される固定側軸受と、
前記回転軸の他端側で前記ハウジング内に内嵌され、前記回転軸の軸方向に移動可能なスリーブと、
前記ハウジング内の固定側軸受と前記スリーブとの間に配置され、前記回転軸に固定されたロータ及び前記ハウジングに固定されたステータを有するモータと、
内輪が前記回転軸の他端側に外嵌され、外輪が前記スリーブに内嵌される自由側軸受と、
を有するスピンドル装置であって、
前記回転軸の一端側から前記ハウジング内に冷却媒体を供給する供給流路と、
前記スリーブを軸方向に貫通して形成され、前記モータを通過した前記冷却媒体を前記ハウジング外に排出するスリーブ側排出流路と、
を備えることを特徴とするスピンドル装置。
このスピンドル装置によれば、冷却媒体の流路構造を複雑化することなく、モータと自由側軸受とを同時に冷却できる。
(2) 前記供給流路は、前記ハウジングの前記回転軸の一端側から他端側まで連通され、前記ハウジングの前記他端側から供給された冷却媒体が、前記回転軸の一端側から前記ハウジング内の前記モータ内の空間に供給され、前記モータを通過した冷却媒体が前記ハウジングの前記他端側から排出されることを特徴とする(1)のスピンドル装置。
このスピンドル装置によれば、冷却媒体の供給と排出を、ハウジングの後方(回転軸の他端側)に纏めることで、配管のレイアウトが容易となる。
(3) 前記スリーブ側排出流路は、前記供給流路の軸断面積の合計以上の軸断面積を有することを特徴とする(1)又は(2)のスピンドル装置。
このスピンドル装置によれば、流路抵抗を小さくして冷却媒体を円滑に流動させることができる。
(4) 前記ハウジングは、前記スリーブを内嵌するスリーブ支持部に、前記冷却媒体を前記ハウジング外に排出する支持部側排出流路が形成されている(1)〜(3)のいずれか一つのスピンドル装置。
このスピンドル装置によれば、スリーブからスリーブ支持部までの温度分布を均一に保つことができる。
(5) 前記冷却媒体は、空気であることを特徴とする(1)〜(4)のいずれか一つのスピンドル装置。
このスピンドル装置によれば、特別な冷却媒体を別途用意することなく、簡便に冷却機構を実現できる。