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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-11-15
(45)【発行日】2022-11-24
(54)【発明の名称】予圧調整型スピンドルユニット
(51)【国際特許分類】
   F16C 25/08 20060101AFI20221116BHJP
   F16C 37/00 20060101ALI20221116BHJP
   F16C 19/16 20060101ALI20221116BHJP
   F16C 35/12 20060101ALI20221116BHJP
   B23B 19/02 20060101ALI20221116BHJP
   B23Q 11/12 20060101ALI20221116BHJP
【FI】
F16C25/08 A
F16C37/00 B
F16C19/16
F16C35/12
B23B19/02 B
B23Q11/12 C
【請求項の数】 3
(21)【出願番号】P 2019030576
(22)【出願日】2019-02-22
(65)【公開番号】P2020133821
(43)【公開日】2020-08-31
【審査請求日】2021-10-06
(73)【特許権者】
【識別番号】519063473
【氏名又は名称】橋立 昭武
(73)【特許権者】
【識別番号】595025707
【氏名又は名称】矢口 完洋
(74)【代理人】
【識別番号】100104488
【弁理士】
【氏名又は名称】杉本 良夫
(72)【発明者】
【氏名】橋立 昭武
【審査官】稲村 正義
(56)【参考文献】
【文献】特開平10-231836(JP,A)
【文献】特開2002-054631(JP,A)
【文献】実開平09-000518(JP,U)
【文献】特開2009-270618(JP,A)
【文献】特開2001-254742(JP,A)
【文献】特開2003-056582(JP,A)
【文献】特開平11-179603(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
F16C 19/00-37/00
B23B 19/02
B23Q 11/12
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
工作機械の主軸をハウジング内に回動自在に支持するための予圧調整型スピンドルユニットであり、
一対の軸受(3、4)によってハウジング(2)内に回動自在に支持された主軸(1)と、
前記一対の軸受(3、4)の内輪(10)間に配置した内輪間座(8)と、
前記一対の軸受(3、4)の外輪(9)間に互いに対向する側に隙間(12)を置いて配置した一対の同じ長さの外輪間座(7)と、
ハウジング(2)の内周側に、前記外輪間座(7)間の隙間(12)に対応する箇所に内輪間座(8)側に向けてハウジングと一体とされて突出したストッパー(13)と、
ハウジングと一体とされ
前記一対の軸受(3、4)のそれぞれの外輪(9)の外側に配置したピストン(5、6)と、を具備して、
前記ピストン(5、6)に圧力を加えて、ピストン(5、6)を前記外輪間座(7)側に移動することで、外輪間座(7)を主軸(1)の軸方向に圧縮して予圧を調整可能としたことを特徴とする予圧調整型スピンドルユニット。
【請求項2】
前記軸受け(3、4)がアンギュラ玉軸受であることを特徴とする請求項1に記載の予圧調整型スピンドルユニット。
【請求項3】
前記主軸(1)の内部に冷却液を通過させる軸心側冷却液搬送路を具備するとともに、前記外輪間座(7)の周囲に冷却液を通過させる外輪側冷却液搬送路を具備し、軸心側冷却液搬送路を通過する冷却液により内輪間座(8)を冷却し、外輪側冷却液搬送路を通過する冷却液により外輪間座(7)を冷却することとしたことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の予圧調整型スピンドルユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、工作機械のスピンドルユニットに係り、より詳しくは、低速回転時の剛性を確保するとともに高速回転時には予圧過大にならず、更にベアリングの発熱による剛性の変化と精度劣化を防止可能なスピンドルユニットに関する。
【背景技術】
【0002】
周知のように、工作機械の主軸は一般的に、アンギュラ玉軸受けによってハウジング内に回動自在に支持されるが、このとき、運転時の主軸の剛性、回転精度を確保するために、アンギュラ玉軸受けに予圧を与えている。
【0003】
そして、このアンギュラ玉軸受けに予圧を与える方法としては、バネ等を用いる定圧予圧方法と、アンギュラ玉軸受け間に配置した間座幅で予圧量を調整する定位置予圧方法があり、バネ等を用いる定圧予圧方法では、高速回転時及び低速回転時のいずれも、バネで一定の予圧を与える方法としている。
【0004】
しかし、定圧予圧方法では、適正な定位置予圧の様な高剛性を確保することが困難であり、切削振動に対しては弱い構造となってしまうという問題点が指摘されており、一般的に同じ軸受けでは、定位置予圧は、定圧予圧に比べて剛性が高いという利点がある。
【0005】
その一方、定位置予圧では、予圧を与えるに際して、高速回転時に合わせて初期予圧を小さく設定すると、高速回転のときには、予圧が高くなり最適な予圧となるが、低速回転時には、予圧が不足してしまいガタが出てしまい必要な剛性を得ることができないという問題点があり、その逆に、低速回転時に合わせて初期予圧を大きく設定すると、高速回転時に過大予圧となり昇温や焼き付けを発生してしまうという問題点がある。
【0006】
また、工作機械では加工条件によって主軸の回転数が広い範囲内で選択されるために、予圧を主軸の回転数に合わせて調整する必要がある。そのために、過去においては、主軸の回転数に応じて予圧を調整して、主軸の回転数に最適な予圧を確保して、低速回転時には剛性を確保し、高速回転時には予圧過大にならない調整方法が提案されてきた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【文献】特開2017-2975号公報
【文献】特開2006-64127号公報
【文献】特開2002-54631号公報
【文献】特開平6-341431号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
しかしながら、いずれの方法においても、低速回転時の剛性を確保するとともに、高速回転時には、予圧過大にならず、更に、ベアリングの発熱による剛性の変化と精度劣化を防止可能とすることはできなかった。
【0009】
そこで、本発明は、低速回転時の剛性を確保し、高速回転時には、予圧過大にならず、更に、ベアリングの発熱による剛性の変化と精度劣化を防止することが可能な予圧調整型スピンドルユニットを提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明の予圧調整型スピンドルユニットは、
工作機械の主軸をハウジング内に回動自在に支持するための予圧調整型スピンドルユニットであり、
一対の軸受によってハウジング内に回動自在に支持された主軸と、
前記一対の軸受の内輪間に配置した内輪間座と、
前記一対の軸受の外輪間に互いに対向する側に隙間を置いて配置した一対の同じ長さの外輪間座と、
ハウジングの内周側に、前記外輪間座間の隙間に対応する箇所に内輪間座側に向けてハウジングと一体とされて突出したストッパーと、
前記一対の軸受のそれぞれの外輪の外側に配置したピストンと、を具備して、
前記ピストンに圧力を加えて、ピストンを前記外輪間座側に移動することで、外輪間座を主軸の軸方向に圧縮して予圧を調整可能としたことを特徴としている。
【発明の効果】
【0011】
本発明の予圧調整型スピンドルユニットでは、一対の軸受によってハウジング内に回動自在に支持された主軸と、一対の軸受の内輪間に配置した内輪間座と、一対の軸受の外輪間に間隔を置いて配置した一対の外輪間座と、一対の外輪間座間に配置したストッパーとを有するとともに、一対の軸受のそれぞれの外輪の外側にピストンを配置し、ピストンに圧力を加えてピストンを外輪間座側に移動することで、外輪間座を主軸の軸方向に圧縮して予圧を調整することを可能としている。
【0012】
そのために、ピストンに加える圧力を調整することで予圧を変化させることができるので、主軸の回転数に合った予圧を加えることができ、低速回転時には剛性を確保することができ、高速回転時には予圧過大を防止して昇温や焼き付けの発生を防止することが可能である。
【0013】
また、一対の外輪間座間にストッパーを設けているために、ピストンに圧力を加えてピストンを外輪間座側に移動して外輪間座を主軸の軸方向に圧縮した場合でも、主軸が移動してしまうことを有効に防止することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【0014】
図1】本発明の予圧調整型スピンドルユニットの実施例を説明するための図であり、長手方向に沿った構造を示している。
図2】本発明の予圧調整型スピンドルユニットの他の実施例を説明するための図であり、長手方向に沿った構造を示している。
【発明を実施するための形態】
【0015】
本発明の予圧調整型スピンドルユニットでは、工具やワークのチャックが先端に取り付けられる主軸を有しており、この主軸は、アンギュラ玉軸受によってハウジング内に回動自在に支持されており、アンギュラ玉軸受けは、1個対1個、2個対2個等の一対個を配置している。
【0016】
そして、一対の軸受の内輪間には、内輪間座が配置され、また、一対の軸受の外輪間には、互いに対向する側に隙間を置いて一対の同じ長さの外輪間座が配置され、ハウジングの内周側において、前記外輪間座間の隙間に対応する箇所には、内輪間座側に向けて、ストッパーが、ハウジングと一体とされて突出されている。
【0017】
更に、一対の軸受のそれぞれの外輪の外側にはピストンが配置されており、ピストンに圧力を加えて、ピストンを外輪間座側に移動することで、外輪間座を主軸の軸方向に圧縮して、それにより予圧を調整可能としている。
【0019】
ここで、主軸の内部に冷却液を通過させる軸心冷却液搬送路を具備するとともに、ハウジングの内側に冷却液を通過させる外輪側冷却液搬送路を具備し、軸心冷却液冷却液搬送路に供給する冷却液により内輪間座を冷却し、外輪側冷却液搬送路に供給する冷却液により外輪間座を冷却するとよく、これにより、ベアリングの回転による発熱で外輪間座と内輪間座が熱膨張して当初の予圧を維持できない事態を防止することが可能である。
【実施例1】
【0020】
本発明の予圧調整型スピンドルユニット(以下単に「スピンドルユニット」と言う。)の実施例について図面を参照して説明すると、図1は、本実施例のスピンドルユニットを説明するための一部断面図であり、図において1は、主軸である。即ち、本実施例のスピンドルユニットは、主軸1を有しており、この主軸1は、ハウジング2の内周側に回動自在に支持されており、モーター14より回動することとしている。そして、金属等の切削に際しては、主軸1の先端に、切削工具やワークのチャックが取り付けられることとしている。
【0021】
次に、図において3及び4は、前記主軸1をハウジング2内に回動自在に支持するための軸受けであり、本実施例ではアンギュラ玉軸受を用いている、そして、本実施例では、一対のアンギュラ玉軸受を互いに背面が対向する配置で用いており、この一対のアンギュラ玉軸受3、4を、前記主軸1の先端側に間隔を置いて配置して、それにより、前記主軸1の先端側を前記ハウジング2の内周側に回動自在に支持している。なお、アンギュラ玉軸受は周知であるので詳細な説明は省略するが、外輪9と内輪10を有するとともに、外輪9と内輪10間には転動体としての玉11が介在されており、この玉11は、内輪9と外輪10のそれぞれに形成した溝に一部が嵌合している。また、本実施例ではアンギュラ玉軸受3、4をそれぞれ1個ずつ配置した場合を説明したが、このアンギュラ玉軸受け3、4は、必ずしも1個ずつにする必要はなく、前側と後側で一対個としてあればよく、従って、前側と後側のアンギュラ玉軸受け3、4をそれぞれ2個ずつ備えても良い。
【0022】
次に、図において8は前記一対のアンギュラ玉軸受3、4の内輪10間に配置した内輪間座である。即ち、本実施例において前記一対のアンギュラ玉軸受3、4は、それぞれの内輪10が内輪間座8を挟んで対向した位置に配置されており、内輪10と内輪間座8は前記主軸1に連結されている。
【0023】
次に、図において7は外輪間座である。即ち、本実施例のスピンドルユニットでは、前記一対のアンギュラ玉軸受3、4の外輪9間に外輪間座7を配置している。
【0024】
そして、本実施例においては、前記外輪間座7は、同じ長さのものを2本用いており、この2本の外輪間座7を、互いに対向する側に隙間12をおいて配置している。即ち、本実施例において、前記アンギュラ玉軸受3、4の外輪9間の距離は、2本の外輪間座7の長さに、外輪間座7間の隙間12を足したものとしている。
【0025】
一方、前記ハウジング2の内周側において、前記外輪間座7間の隙間12に対応する箇所には、内輪間座8側に向けてストッパー13を突出しており、このストッパー13が前記外輪間座7間の隙間12に挿入され、これにより、2本の外輪間座7の位置を固定している。即ち、本実施例のスピンドルユニットは、定位置予圧の方法を採用しており、これにより、定圧予圧を採用した場合と比べて剛性を高くしている。
【0026】
次に、図において5、6はピストンである。即ち、本実施例においては、前記一対のアンギュラ玉軸受3、4のそれぞれの外輪9の外側にピストン5、6を配置しており、このピストン5、6は、主軸1の軸方向に移動自在としている。即ち、前記一対のアンギュラ玉軸受3、4のそれぞれの外輪9の外側にはピストン収容空間が形成され、このピストン収容空間内にはピストン5、6が、主軸1の軸方向に移動自在に収容されており、ピストン5、6を外輪9側に移動することで、外輪間座7を圧縮させることを可能にしている。
【0027】
一方、前記ハウジング2には、圧力媒体供給路15が形成され、この圧力媒体供給路15は、基端側が外部に開口して注入口15cとされている。
【0028】
また、圧力媒体供給路15は途中で2本に分岐しており、一方15aは前側のアンギュラ玉軸受3の外輪9の外側に形成したピストン収容空間に連結され、他方15bは後側のアンギュラ玉軸受4の外輪9の外側に形成したピストン収容空間に連結されている。
【0029】
そしてこれにより、圧力媒体供給路15内にエアーや液体を供給して、前記ピスト5、6に油圧又は空圧を加えて、ピストン5、6を外輪9側に移動することで、外輪間座7を圧縮させながら、アンギュラ玉軸受の外輪9を外輪間座7側に移動させ、それにより、アンギュラ玉軸受3、4に加えている予圧を調整することを可能としている。
【0030】
即ち、周知のようにアンギュラ玉軸受は、内輪、玉、外輪の接点を結ぶ直線がラジアル方向に対して接触角を持っており、ラジアル荷重が作用するとアキシャル分力が生じるために、主軸を高速回転したときには、玉が内側に移動して予圧過大になってしまい、場合によっては、玉が外輪の溝をから外れて溝肩に乗り上げてしまうおそれも考えられる。
【0031】
そこで、本実施例のスピンドルユニットでは、高速回転時に遠心力で玉11が外輪間座7側に移動して、それにより過大予圧になった場合には、圧力媒体供給路15内にエアーや液体を供給してピスト5、6に油圧又は空圧を加えて、ピストン5、6を外輪間座7側に移動することで、予圧を調整して、過大予圧の発生を防止している。そしてこのとき、本実施例のスピンドルユニットでは、外輪間座7を2本用いて、各外輪間座7間にストッパー13を配置しているために、ピストン5、6の移動により外輪間座7を圧縮させたときでも、予圧が偏ることが無く、従って、主軸1が移動してしまうことを防止することが可能である。
【0032】
このように、本実施例のスピンドルユニットでは、一対のアンギュラ玉軸受3、4のそれぞれの外輪9の外側にピストン5、6を配置し、ピスト5、6に油圧又は空圧を加えてピストン5、6を外輪間座7側に移動することで、予圧を調整可能としている。なお、図において16はエアー抜き口であり、また、17は開放口である。即ち、本実施例においては、油圧又は空圧でピストン5、6を押したときや、及び、油圧又は空圧を解除したときに外輪間座の伸び力によりピストン5、6が戻されるときに、空気が閉じ込められることを防止してピストン5、6の移動をスムーズにするために、ハウジング2にエアー抜き口16及び開放口17を形成している。
【0034】
ところで、前述のように、本実施例のスピンドルユニットでは、ピスト5、6に油圧又は空圧を加えてピストン5、6を外輪間座7側に移動することで、予圧を調整可能としているが、アンギュラ玉軸受の予圧は、回転による発熱で外輪間座7や内輪間座8が熱膨張することでも変化するため、ピストンによる圧力のみでは予圧の調整を完全に行うことができない場合がある。
【0035】
そこで、本実施例のスピンドルユニットでは、更に、外輪間座7及び内輪間座8に冷却液を供給するとともに、主軸の内側にも冷却液を供給することで、外輪間座7及び内輪間座8の温度を当初温度に維持することで、当初の予圧状態を維持可能としている。
【0036】
この構造について、図2を参照して説明すると、図2は、本実施例のスピンドルユニットにおける冷却液の供給方法を説明するための一部断面図である。図1の構成に更に冷却液用搬送路を加えた図にしており、図1と同様の部品には同様の符号を付している。
【0037】
そして、図において21は、スピンドルを冷却するための軸芯側冷却液供給路である。即ち、本実施例においては、前記主軸1の内部に軸芯側冷却液供給路21を有しており、この軸芯側冷却液供給路21に冷却液を供給することで、主軸1を冷却することを可能としている。
【0038】
ここで、前記軸芯側冷却液供給路21について説明すると、本実施例においては、前記主軸1の中心部の周囲に軸芯側冷却液供給路21が形成されており、この軸芯側冷却液供給路21は、先端側は前記主軸1の先端部近傍迄至っており、基端側は前記主軸1の後方側まで延長されている。そして、後端部分はホース等の冷却液供給手段(図示せず)に連結されており、これにより、軸芯側冷却液供給路21の基端側から冷却液を供給可能としている。
【0039】
一方、軸芯側冷却液供給路21の周囲には軸芯側冷却液排水路22が形成されており、この軸芯側冷却液排水路22は、先端は前記主軸1の先端部近傍迄至るとともに、先端部分で前記軸芯側冷却液供給路21の先端部と連結され、更に基端部分は、前記軸芯側冷却液供給路21と同様に前記主軸1の後方側まで延長され、排水手段(図示せず)が連結されている。そしてこれにより、前記軸芯側冷却液供給路21に供給された冷却液を軸芯側冷却液排水路22から排水可能としている。即ち、本実施例では、軸芯側冷却液供給路21と軸芯側冷却液排水路22により、軸芯側冷却液搬送路が形成されている。
【0040】
従って、本実施例のスピンドルユニットでは、矢印で示すように、芯側冷却液供給路21から冷却液を供給し、この供給した冷却液を軸芯側冷却液排水路22から排水することにより、即ち、軸芯側冷却液搬送路内に冷却液を通すことにより、内輪間座8を冷却して、内輪間座8が熱膨張することを防止することが可能である。
【0041】
次に、図において23は、外輪側冷却液供給路である。即ち本実施例のスピンドルユニットでは、外輪間座7の周囲に外輪側冷却液供給路23を設けて、この外輪側冷却液供給路23に冷却液を通すことで、外輪間座7を冷却し、外輪間座7の熱膨張を防止するとともに、外輪間座7と内輪間座8の同じ温度に維持することとしている。
【0042】
ここで、前記外輪側冷却液供給路23について説明すると、本実施例においては、前記ハウジング2に外輪側冷却液注入路24を形成しており、この外輪側冷却液注入路24と前記外輪側冷却液供給路23を連結している。そして、前記外輪側冷却液注入路24の基端側には、ホース等の冷却液供給手段(図示せず)が連結されており、これにより、外輪側冷却液注入路24に冷却液を供給することで、外輪側冷却液供給路23に冷却液を通すことで、外輪間座7を冷却し、外輪間座7の熱膨張を防止するとともに、外輪間座7と内輪間座8を同じ温度に維持することとしている。
【0043】
次に、図において25、26は、外輪側冷却液排水路である。即ち、本実施例においては、前記ハウジング2の外周側に、第1の外輪側冷却液排水路25が形成されており、この第1外輪側冷却液排水路25は、排水口Aによって、前記外輪側冷却液供給路23の先端側に連結されている。
【0044】
また、前記ハウジング2内には、第2の外輪側冷却液排水路26が形成されており、この第2の外輪側冷却液排水路26は、排水口Bによって、前記第1の外輪側冷却液排水路25と連結されており、他端はハウジング2の後方側まで延長されて排水手段(図示せず)に連結されている。そしてこれにより、外輪間座7の外周側に冷却液を供給するとともに、この供給した冷却液をハウジング2の外部に排水可能としている。即ち、本実施例では、外輪側冷却液注入路24、外輪側冷却液供給路23及び、第1、第2の外輪側冷却液排水路25、26によって、外輪側冷却液搬送路が形成されている。
【0045】
なおここで、外輪間座7を冷却する冷却液の流れを簡単に説明すると、外輪側冷却液注入路24からハウジング2内に供給された冷却液は、矢印で示されるように、外輪側冷却液供給路23を通過することで外輪間座7の外側を通って外輪間座7を冷却する。
【0046】
次に、外輪間座7の外側を通ることで外輪間座7を冷却した冷却液は、矢印で示されるように、排水口Aを通過して第1の外輪側冷却液排水路25に排水され、更に、排水口Bを通って第2の外輪側冷却液排水路26に排水され、その後、ハウジング2の外部に排水される。
【0047】
従って、本実施例のスピンドルユニットでは、外輪側冷却液注入路24及び外輪側冷却液供給路23から冷却液を供給し、この供給した冷却液を外輪側冷却液排水路25、26から排水することで、外輪間座7を冷却し、外輪間座7が熱膨張することを防止することが可能である。
【0048】
そのため、本実施例のスピンドルユニットでは、アンギュラ玉軸受の発熱の影響で内輪間座8及び外輪間座7が熱膨張することを防止することができるとともに、このとき、軸芯側冷却液供給路21により内輪間座8を冷却するとともに、外輪側冷却液供給路23で外輪間座7を冷却することで、外輪間座7と内輪間座8の温度を同じ温度に維持することとしているために、外輪間座7と内輪間座8が個別に膨張してしまうことも防止でき、当初の予圧状態を確実に維持することが可能である。
【0049】
このように、本実施例のスピンドルユニットでは、ストッパー13を挟んで配置した一対の外輪間座7のそれぞれの外側(反ストッパー側)にピストン5、6を配置して、ピストン5、6に圧力を加えてピストン5,6を外輪間座7側に移動することで、外輪間座7を主軸1の軸方向に圧縮して予圧を調整することを可能としているため、ピストン5、6の作動を制御することで、主軸1の回転数に合った予圧を加えることができ、低速回転時には剛性を確保することができ、高速回転時には予圧過大を防止して昇温や焼き付けの発生を防止することが可能である。そしてこのとき、本実施例のスピンドルユニットでは、一対の外輪間座7間にストッパー13を設けているために、ピストン5,6に圧力を加えてピストン5,6を外輪間座7側に移動して外輪間座7を主軸1の軸方向に圧縮した場合でも、予圧が偏ることが無く、主軸1が移動してしまうことを防止することが可能である。
【0050】
更に、本実施例のスピンドルユニットでは、内輪間座8を冷却するための軸芯側冷却液供給路21と、外輪間座7を冷却するための外輪側冷却液供給路23を有しているために、アンギュラ玉軸受けの回転による発熱の影響で外輪間座7と内輪間座8が膨張してしまうことを確実に防止でき、それにより、当初の予圧状態を確実に維持することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【0051】
本発明のスピンドルユニットは、工作機械の主軸を回動自在に支持するアンギュラ玉軸受の予圧を当初の状態に維持することを可能としているために、軸受けを備えたスピンドルユニットの全般に適用可能である。
【符号の説明】
【0052】
1 主軸
2 ハウジング
3 前側アンギュラ玉軸受
4 後側アンギュラ玉軸受
5 前側ピストン
6 後側ピストン
7 外輪間座
8 内輪間座
9 アンギュラ玉軸受の外輪
10 アンギュラ玉軸受の内輪
11 アンギュラ玉軸受の内輪の玉
12 外側間座間の隙間
13 ストッパー
14 モーター
15 圧力媒体供給路
16 エアー抜口
17 解放口
21 軸芯側冷却液供給路
22 軸芯側冷却液排水路
23 外輪側冷却液供給路
24 外輪側冷却液注入路
25 第1外輪側冷却液排水路
26 第2外輪側冷却液排水路B
A、B 排水口
図1
図2