JP2018012142A - 工作機械主軸の冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】エアシールの隙間変化を低減し、エアシールの隙間を最小化することで、エア消費量の削減や、同一エア消費量においてのエアシール強化を可能とする工作機械主軸の冷却構造を提供する。【解決手段】冷却液通路およびエア通路が形成された環状の通路形成部材6が、ボルト31によってハウジング2に取り付けられている。通路形成部材6と主軸2との間に、冷却液の圧力によって支持される流体軸受が配置されている。流体軸受の動圧発生部27が、通路形成部材6の冷却液受け部の中央に設けられている。【選択図】図２

Description

本発明は、離間した複数の軸受によって回転可能に支持された主軸を有する主軸装置、特にマシニングセンタのように高速回転する工作機械における主軸装置の冷却構造に関するものである。

近年、主軸、特にマシニングセンタ主軸の回転数が高速となってきている。そのため、軸受の発熱量が大きくなっており、主軸や工具の熱変位を増大させている。工具の熱変位を低減し、かつ、軸受の内外輪温度差による面圧増加をおさえるために、軸受を内輪側と外輪側の両側から冷却する必要があり、主軸を直接冷却する方法が開発されている。

特許文献１には、工作機械主軸の冷却構造として、ハウジングおよび主軸にそれぞれ冷却液通路を設け、ハウジング内の冷却液通路と主軸内の冷却液通路との間で冷却液を受け渡して、主軸内に冷却液を流すことで主軸を冷却するものが開示されている。

このような冷却構造では、ハウジング内通路と主軸内通路との受け渡し部からの冷却液の漏れを防止するためのシール構造が必要であり、特許文献１では、ハウジング内の冷却液通路を挟むようにエア用の通路を形成し、冷却液の漏出をエアシール構造によって防止するようにしている。

上記の特許文献１のエアシール構造において、エアの消費量は隙間の大きさの３乗にほぼ比例するため、エアシールの隙間を最小限とすることは非常に重要である。仮に、隙間を１００μｍから１０μｍにできればエア消費量は９９．９０％削減できる計算である。

エアシールの隙間を最小化する方法としては、特許文献２および３が知られている。特許文献２のものは、エアシールのエアを利用した空気静圧軸受構造を用いており、主軸のたわみに追従してエアシール部品が動くことで、隙間を一定に保つものである。特許文献３のものは、アキシャル方向に隙間が調整されるものであり、ラジアル方向の隙間を大きくできるため、衝突などで主軸がたわんでも影響は受けにくい。

特開２０１１−２４０４２８号公報 特開２００７−１１３７８６号公報 特開２００２−６１７５０号公報

上記の特許文献１において、工作機械に用いられる主軸装置では加工時の負荷によって主軸がたわむため、主軸とハウジングとが接触しないように一定以上の隙間を設ける必要があり、隙間をある程度以上小さくすることができないという問題があった。

特許文献２のものでは、空気静圧軸受は荷重の負荷容量が小さいため、プログラムミスで主軸をぶつけてしまうなど瞬間的に大きい負荷がかかると、エアシール部品と主軸が接触する。エアシール部はエアにより乾燥しているため、高速回転時に接触するとエアシール部品が焼き付いて損傷する可能性があるという問題があった。

特許文献３のものでは、主軸先端に用いられるエアシール部品が大径となるため、エアシール部品を平行に動かすことが難しいこと、冷却液の両側にシール構造を配置するためのスペース確保が困難なこと、構造が複雑化することなど課題が残る。

この発明の目的は、エアシールの隙間変化を低減し、エアシールの隙間を最小化することで、エア消費量の削減や、同一エア消費量においてのエアシール強化を可能とする工作機械主軸の冷却構造を提供することにある。

この発明の工作機械主軸の冷却構造は、冷却用の冷却液通路とエアシール用のエア通路とをハウジングに設けるとともに、冷却用の冷却液通路を主軸に設け、前記ハウジングと前記主軸との間で冷却液を受け渡して前記主軸を冷却するとともに、冷却液の漏出をエアシールによって防止した工作機械主軸の冷却構造において、前記冷却液通路および前記エア通路が形成された環状の通路形成部材がハウジングに取り付けられており、前記通路形成部材と前記主軸との間に、冷却液の圧力によって支持される流体軸受が配置されていることを特徴とするものである。

通路形成部材は、従来、ハウジングに一体に設けられた部材とされていたが、この発明の工作機械主軸の冷却構造では、ボルトなどの適宜な手段によりハウジングに取り付けられた部材（より好ましくは、ハウジングに対して遊びを有して取り付けられた部材）とされる。

主軸に対向する通路形成部材と主軸との間に、流体軸受が配置されることで、主軸の回転により生じる静圧や動圧による強力な主軸支持が可能となり、主軸のたわみを軽減することによって、エアシールの隙間を小さくすることができる。

流体軸受は、動圧軸受であってもよく、静圧軸受であってもよい。いずれにしろ、流体としては、冷却に使用される冷却液が使用され、これにより、流体軸受用の回路を新たに追加する必要無しに、上記のエアシールの隙間を小さくするという効果を得ることができる。

通路形成部材は、主軸に対してラジアル方向に移動可能とされており、流体軸受により主軸に対してラジアル方向に位置決めされることが好ましい。

通路形成部材をラジアル方向に移動可能とするには、例えば、通路形成部材に複数のボルト挿通孔を設けるとともに、ハウジングに複数のめねじを設けて、複数のボルトによって通路形成部材をハウジングに取り付けることとし、各ボルトと各ボルト挿通孔との間に遊びを設ければよい。

通路形成部材をラジアル方向に移動可能としておけば、主軸の衝突など急激な負荷を与えた場合も含めて、通路形成部材は主軸に対して一定の隙間を保つことができる。これにより、通路形成部材と主軸との接触を防ぐことができ、隙間を最小化した設計が可能となるため、エア消費量を最小限にできる。

通路形成部材は、軸方向にも移動可能とされていることがある。

通路形成部材は、前記主軸の回転時の遠心力によって発生する圧力を利用した静圧軸受によって位置決めされることがあり、通路形成部材は、主軸の回転により発生する圧力を利用した動圧軸受によって位置決めされることがある。

静圧軸受は、主軸回転時の遠心ポンプ効果により生じる冷却液の静圧を利用することで得ることができ、動圧軸受は、楔状空間を形成する動圧発生部を一周にわたって通路形成部材に形成することで得ることができる。

動圧軸受を使用する構成においては、通路形成部材に形成された冷却液通路は、外側に開口する冷却液流出入路と、冷却液流出入路に連なって主軸側に開口する冷却液受け部とからなり、動圧軸受は、冷却液受け部の軸方向中央付近に配置されていることが好ましい。冷却液受け部に対向して主軸に設けられる冷却液通路は、動圧発生部にまたがって配置される。冷却液受け部に対向して主軸に設けられる冷却液通路は、環状溝とされることがあり、径方向溝とされることもある。

動圧発生部を冷却液を受ける冷却液受け部の中央に配置することで、発生した大きな動圧は、冷却液が動圧発生部を抜け出た後に急激に減少する。つまり、エアシール部には発生した大きな動圧が直接作用せず、影響がほとんどないため、確実にシールすることが可能となる。

通路形成部材は、エアシール用のエアによる静圧軸受によって、主軸に対してラジアル方向に支持されていることが好ましい。

冷却液を使用した流体軸受に加えて、エアの静圧も併用することで、停電時など冷却液の供給異常が生じた場合にも、主軸停止まで通路形成部材を主軸に対し位置決めし、接触を防ぐことができる。

通路形成部材は、主軸と比較して、軽量な材質でできていることが好ましい。

通路形成部材を軽量な材質として通路形成部材の質量を小さくすることで、通路形成部材の慣性力が小さくなり、主軸のたわみに対する追従性が向上し、より信頼性が高くなる。

この発明の工作機械主軸の冷却構造によると、主軸のたわみ量を減らし、エアシールの隙間を最小化し、エア消費量の削減や、同一エア消費量においてのエアシール強化を実現できる。もしくは、冷却液の静圧や動圧によって通路形成部材を主軸に対してラジアル方向に強力に位置決めし、隙間量を小さく一定に保つことができる。この際、大きな動圧を発生させても、この動圧が直接エアシール部に作用しない構造とでき、シール性能も高く維持できる。これらのことから、信頼性が高くランニングコストを劇的に小さくした工作機械の主軸側直接冷却のためのエアシール構造が実現できる。

図１は、この発明の工作機械主軸の冷却構造を示す縦断面図である。 図２は、同冷却液回収部における横断面図である。 図３は、図１の要部を拡大した縦断面図である。 図４は、通路形成部材の斜視図である。

以下、本発明の実施形態例について、図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明において、図１の左側を前側、図１の右側を後側というものとする。

図１から図４までは、この発明による工作機械主軸の冷却構造の１実施形態を示している。

主軸(1)は、前端に工具を装着するためのテーパ孔(1a)を有し、その前側部分が前側の軸受(3)および後側の軸受(4)を介して固定側部材であるハウジング(2)に回転可能に支持されている。

冷却構造(5)は、ハウジング(2)と主軸(1)との間で冷却液を受け渡して主軸(1)を冷却するもので、後側の軸受(4)の後側から冷却液を供給して、前側の軸受(3)の前側から排出して回収するようになされている。

冷却構造(5)を構成する非回転部材として、前側の通路形成部材(6)と後側の通路形成部材(7)とが設けられている。各通路形成部材(6)(7)には、後述するように、冷却構造(5)としての冷却液通路に加えて、エアシール構造(21)(22)としてのエア通路が設けられている。

前側の通路形成部材(6)および後側の通路形成部材(7)は、ボルト(8)(9)によって、ハウジング(2)に取り付けられている。なお、前側および後側の通路形成部材(6)(7)を除く固定側部材をハウジング(2)と総称する。

冷却構造(5)の冷却液通路は、後側の通路形成部材(7)に設けられた冷却液流入路（冷却液流出入路）(11)および冷却液受け部(12)と、主軸(1)に設けられた供給側環状溝(13)と、前側の通路形成部材(6)に設けられた冷却液流出路（冷却液流出入路）(14)および冷却液受け部(15)と、主軸(1)に設けられた回収側径方向孔(16)と、供給側環状溝(13)と回収側径方向孔(16)とを連通するように主軸(1)に設けられた連通路(17)とを備えている。

冷却液流入路(11)は、周方向に等間隔で４つ設けられており、一端が外側に開口し、後側の通路形成部材(7)内を径方向にのびて、他端が主軸(1)側に開口している。冷却液受け部(12)は、各冷却液流入路(11)の他端側に連なる環状に形成されて、主軸(1)側に開口している。供給側環状溝(13)は、冷却液受け部(12)を臨むように、主軸(1)の外周部に設けられている。同様に、冷却液流出路(14)は、一端が外側に開口し、前側の通路形成部材(6)内を径方向にのびて、他端が主軸(1)側に開口している。冷却液受け部(15)は、各冷却液流出路(14)の他端側に連なる環状に形成されて、主軸(1)側に開口している。回収側径方向孔(16)は、冷却液受け部(15)を臨むように、主軸(1)の外周部に設けられている。

供給側環状溝(13)は、回収側径方向孔(16)に比べて、深くかつ幅が大きく形成されており、連通路(17)は、供給側環状溝(13)から回収側径方向孔(16)まで、徐々に径が大きくなる直線状に形成され、周方向に等間隔で４つ設けられている。なお、回収側径方向孔(16)は、孔ではなく溝であってもよいが、大きな圧力が発生して圧力が高くなりやすい手という点で、孔である方が好ましい。

各冷却液流入路(11)には、冷却液供給用のチューブ(18)がそれぞれ接続され、各冷却液流出路(14)には、冷却液回収用のチューブ(19)がそれぞれ接続されている。

冷却液は、各冷却液供給用のチューブ(18)から冷却液流入路(11)に供給されて、冷却液受け部(12)に導入され、供給側環状溝(13)に至り、各連通路(17)を介して回収側径方向孔(16)に流入する。そして、冷却液受け部(15)および冷却液流出路(14)を経て冷却液回収用のチューブ(19)から外部へ流出して回収される。これにより、主軸(1)および軸受(3)(4)が適切に冷却される。

冷却液の受け渡し部である冷却液受け部(12)と供給側環状溝(13)との間および冷却液受け部(15)と回収側径方向孔(16)との間からは、冷却液が漏れる可能性があり、各通路形成部材(6)(7)には、この受け渡し部からの冷却液の漏れを防ぐためのエアシール構造(21)(22)が設けられている。

前側の通路形成部材(6)に設けられている回収側のエアシール構造(21)は、冷却液流出路(14)を挟んで対向するように設けられた複数（図示は４つ）の前側および後側のシールエア流入路(23)(24)と、前側のシールエア流入路(23)同士を連通するように設けられた前側のシールエア吐出部(25)と、後側のシールエア流入路(24)同士を連通するように設けられた後側のシールエア吐出部(26)とを備えている。

同様に、後側の通路形成部材(7)に設けられている供給側のエアシール構造(22)は、冷却液流入路(12)を挟んで対向するように設けられた複数（図示は４つ）の前側および後側のシールエア流入路(27)(28)と、前側のシールエア流入路(27)同士を連通するように設けられた前側のシールエア吐出部(29)と、後側のシールエア流入路(28)同士を連通するように設けられた後側のシールエア吐出部(30)とを備えている。

各シールエア流入路(23)(24)(27)(28)は、一端が通路形成部材(6)(7)の外側に開口して、通路形成部材(6)(7)内を径方向にのびるように形成されており、シールエア吐出部(25)(26)(29)(30)は、各シールエア流入路(23)(24)(27)(28)の他端に連なって、主軸(1)の外周を臨むように環状に形成されている。

各シールエア流入路(23)(24)(27)(28)には、エア供給用のチューブ(31)(32)(33)(34)が接続されている。

このエアシール構造(21)(22)によると、各エア供給用のチューブ(31)(32)(33)(34)から各シールエア流入路(23)(24)(27)(28)に供給されたエアがシールエア吐出部(25)(26)(29)(30)から吹き出されることで、冷却液受け渡し部の前後両側において、通路形成部材(6)(7)と主軸(1)との間がエアシールされる。これにより、冷却液受け渡し部からの冷却液の漏れが防止される。

エアシール構造(21)(22)において、エアの消費量は隙間の大きさの３乗にほぼ比例するため、エアシールの隙間を最小限とすることが非常に重要である。以下に、図２から図４までを参照して、エアシールのための隙間を小さくすることを可能とする前側の通路形成部材(6)の詳細な構成を説明する。

ハウジング(2)には、通路形成部材(6)を配置するための環状の凹所(41)が設けられている。凹所(41)は、前壁(42)、後壁(43)および周壁(44)によって形成されている。前壁(42)には、ボルト(8)の頭部(8a)を収める座繰り(42a)が形成されており、後壁(43)には、ボルト(8)の軸部(8b)の先端部をねじ合わせるめねじ部(43a)が形成されている。

通路形成部材(6)には、ボルト挿通孔(45)が形成されており、このボルト挿通孔(45)の径は、ラジアル方向に遊び(P1)を持たせるように、ボルト(8)の軸部(8b)の径よりも大きくなされている。

通路形成部材(6)は、凹所(41)内に配されて、凹所(41)の前壁(42)側から挿入されたボルト(8)が凹所(41)の後壁(43)のめねじ部(43a)にねじ合わされることで、ハウジング(2)に取り付けられている。

凹所(41)の前壁(42)の後面と凹所(41)の後壁(43)の前面との距離は、アキシャル方向に遊び(P2)を持たせるように、通路形成部材(6)の軸方向の長さよりも大きくなされている。

通路形成部材(6)がハウジング(2)に対してラジアル方向の遊び(P1)を有しており、また、アキシャル方向についても遊び(P2)を有していることで、通路形成部材(6)は、ボルト(8)によってハウジング(2)に取り付けられた状態で、ラジアル方向の遊び(P1)の分だけラジアル方向に移動可能とされている。

通路形成部材(6)には、冷却液流出路(15)の軸方向中央に位置するように、楔状空間(46a)およびこれに連なる狭い隙間(46b)を有する動圧発生部(46)が設けられている。

連通路(17)を通って主軸(1)内部を流れた冷却液は、通路形成部材(6)の動圧発生部(46)および冷却液受け部(15)に流れ込む。高速回転中は動圧発生部(46)に供給された冷却液は、楔状空間(46a)を通って狭い隙間(46b)に流れ込み、これにより、動圧が発生する。動圧発生部(46)は、冷却液の動圧によって主軸(1)を回転可能に支持する動圧軸受を構成しており、楔状空間(46a)および狭い隙間(46b)が周方向に繰り返し連続して設けられているため、ラジアル方向の遊び(P1)を有するようにハウジング(2)に取り付けられている通路形成部材(6)は、主軸(1)に対してある隙間を持った位置で支持される。

さらに、主軸(1)回転時の遠心ポンプ効果による冷却液の静圧も通路形成部材(6)に作用する。遠心ポンプ効果による冷却液の静圧は、冷却液の静圧によって主軸(1)を回転可能に支持する静圧軸受を構成しており、連通路(17)を３本以上（図示は４本）とし、点対称に配置することで、通路形成部材(6)の位置決めをより強力に行うことができる。

動圧軸受および静圧軸受が配置されていることにより、主軸(1)に外力がかかったとしても、主軸(1)と通路形成部材(6)の位置関係はほとんど変化しない。主軸(1)を衝突させるなど瞬間的な外力を与えても同様である。そのため、通路形成部材(6)と主軸(1)の隙間を劇的に小さくすることができるようになり、エアシールのエア消費量を最小化することができる。

また、動圧発生部(46)を冷却液受け部(15)の中央に配置されているので、動圧発生部(46)で上昇した動圧は、冷却液が動圧発生部(46)を抜け出た後に急激に減少する。例えば、冷却液受け部(15)の両端に動圧発生部(46)を設けてしまうと、発生した動圧が直接エアシール部に作用し、エアシールを突き破る可能性があるが、動圧発生部(46)を冷却液受け部(15)の中央に配置されていることで、エアシール部には冷却液の動圧が直接作用せず影響がほとんどないため、確実にシールすることが可能となる。

さらに、この実施形態によると、エアシールのエアによる静圧によっても、通路形成部材(6)が主軸(1)に対して位置決めされる。つまり、停電などの外的要因で冷却液の供給が停止しても、主軸(1)が停止するまでの間、エアの静圧によって通路形成部材(6)を浮上させて、主軸(1)との接触を防ぐことができる。

また、通路形成部材(6)を主軸(1)やハウジング(2)などに比べて軽量な材質とすることで、主軸(1)のたわみに対する通路形成部材(6)の追従性をより高めることができる。

なお、通路形成部材(6)を遊び無しで固定することも可能であり、この場合には、通路形成部材(6)に対して主軸(1)が支持され、主軸(1)のたわみ量が低減する。これにより、通路形成部材(6)と主軸(1)の間の隙間を小さくすることができる。

また、上記においては、前側の通路形成部材(6)について詳述したが、後側の通路形成部材(7)を前側の通路形成部材(6)と同様の構成とすることで、冷却液の供給側においても、エアシールの隙間変化を低減し、エアシールの隙間を最小化することができる。

(1)：主軸
(2)：ハウジング
(5)：冷却構造
(6)：通路形成部材
(14)：冷却液流出路（冷却液流出入路）
(15)：冷却液受け部
(21)(22)：エアシール構造
(27)：動圧発生部（動圧軸受）
(P1)：ラジアル方向の遊び

Claims (7)

1. 冷却用の冷却液通路とエアシール用のエア通路とをハウジングに設けるとともに、冷却用の冷却液通路を主軸に設け、前記ハウジングと前記主軸との間で冷却液を受け渡して前記主軸を冷却するとともに、冷却液の漏出をエアシールによって防止した工作機械主軸の冷却構造において、
   前記冷却液通路および前記エア通路が形成された環状の通路形成部材がハウジングに取り付けられており、
   前記通路形成部材と前記主軸との間に、冷却液の圧力によって支持される流体軸受が配置されていることを特徴とする工作機械主軸の冷却構造。
2. 前記通路形成部材は、前記主軸に対してラジアル方向に移動可能とされており、前記流体軸受により前記主軸に対してラジアル方向に位置決めされることを特徴とする請求項１記載の工作機械主軸の冷却構造。
3. 前記通路形成部材は、前記主軸の回転時の遠心力によって発生する圧力を利用した静圧軸受によって位置決めされることを特徴とした請求項１〜２のいずれかに記載の工作機械主軸の冷却構造。
4. 前記通路形成部材は、前記主軸の回転により発生する圧力を利用した動圧軸受によって位置決めされることを特徴とした請求項１〜３のいずれかに記載の工作機械主軸の冷却構造。
5. 前記通路形成部材に形成された前記冷却液通路は、外側に開口する冷却液流出入路と、前記冷却液流出入路に連なって主軸側に開口する冷却液受け部とからなり、前記動圧軸受は、前記冷却液受け部の軸方向中央付近に配置されていることを特徴とする請求項４記載の工作機械主軸の冷却構造。
6. 前記通路形成部材は、エアシール用のエアによる静圧軸受によって、前記主軸に対してラジアル方向に支持されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の工作機械主軸の冷却構造。
7. 前記通路形成部材は、前記主軸と比較して、軽量な材質でできていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか記載の工作機械主軸の冷却構造。

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