JP4146065B2

JP4146065B2 - 静圧磁気複合軸受スピンドル装置

Info

Publication number: JP4146065B2
Application number: JP2000156449A
Authority: JP
Inventors: 伸幸鈴木; 裕之山田
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2000-05-26
Filing date: 2000-05-26
Publication date: 2008-09-03
Anticipated expiration: 2020-05-26
Also published as: JP2001336527A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、高速切削加工装置や研削加工装置等に装備される静圧磁気複合軸受スピンドル装置に関し、特にタッチダウン時の保護を図るものである。
【０００２】
【従来の技術】
高能率で高精度な加工を行うためには、高速回転が可能であって、高回転精度を有し、静剛性・動剛性が高いスピンドル装置が必要となる。この要求に対して静圧気体軸受と磁気軸受とを複合化したハイブリッド型の非接触軸受を提案した（特願平１０−０９７５０５号など）。これによれば、静圧気体軸受の優れた動剛性および回転精度と、磁気軸受の優れた静剛性という両軸受の特長を生かしたコンパクトな軸受とできる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
静圧磁気複合軸受は非接触軸受であるが、過大な負荷が作用した場合などに、主軸が軸受面に接触する恐れがある。このような主軸の接触をタッチダウンと呼んでいる。このタッチダウンに対して、従来の磁気軸受スピンドルでは、転がり軸受からなる保護軸受が使用されている。しかし、静圧磁気複合軸受は、磁気軸受部に静圧気体軸受を形成したものであるため、軸受部の主軸と磁気軸受ステータ間の隙間が、例えば数十ミクロン以下と狭く、磁気軸受スピンドルで通常使用されている転がり軸受からなる保護軸受が使用できない。
この問題は、静圧磁気複合軸受に限らず、静圧気体軸受の場合にも生じる。
なお、静圧磁気複合軸受の場合は、その静圧気体軸受面が磁気軸受の電磁石を形成することから、静圧気体軸受面の材質は潤滑性のない磁性金属に限られる。そのため、スピンドルに過大な負荷が印加された場合に、主軸と軸受面との接触によって、軸受部に悪影響を及ぼす恐れがより大きい。
【０００４】
このようなタッチダウン時の保持を目的として、本出願人は、摺動材を静圧磁気複合軸受スピンドル装置に設けるものを提案した（特願平Ｈ１１−０７１５０２号）。
しかしながら、摺動材としてカーボン等の縦弾性係数が小さなものを使用した場合、加工中における工具の破損、あるいは誤操作によるワークへの衝突などにより非常に大きな負荷が加わったときには、摺動材が変形してこの摺動材の設定隙間以上に主軸が変位してしまうことがある。この場合、摺動材による保護機能が果たされない恐れがある。
【０００５】
この発明の目的は、軸受隙間の狭い静圧気体軸受部を有しながら、主軸に過大な負荷が作用し、主軸と静止側部材の間にタッチダウンがあった場合にも、軸受や主軸の摩耗や損傷を防止することができる静圧磁気複合軸受スピンドル装置を提供することである。
この発明の他の目的は、タッチダウン時保護用の転がり軸受の空回りによる不具合を無くすことである。
この発明のさらに他の目的は、スラスト型の静圧磁気複合軸受におけるタッチダウン時の保護を図ることである。
この発明のさらに他の目的は、主軸に過大な負荷が作用し、主軸と静止側部材の間にタッチダウンがあった場合にも、軸受や主軸の摩耗や損傷を防止することができる静圧気体軸受スピンドル装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明の静圧磁気複合軸受スピンドル装置は、静圧気体軸受と磁気軸受とが複合化されたラジアル型の静圧磁気複合軸受により主軸を支持したスピンドル装置において、予圧を与えた転がり軸受をハウジングに設け、この転がり軸受の内輪の内径面と主軸の外径面とのラジアル隙間を、静圧磁気複合軸受のラジアル隙間以下に設定し、上記主軸に設けられた鍔部に対面して主軸を支持するスラスト型の静圧磁気複合軸受を設け、このスラスト型の静圧磁気複合軸受における軸受面およびこの軸受面に対面する主軸の鍔面のいずれか一方の面に、モリブデンまたはカーボンの溶射層を設け、上記軸受面および主軸鍔面の他方の面にセラミックスの溶射層を施したものである。
この構成によると、主軸に過大な負荷が印加された場合も、主軸が静圧磁気複合軸受に接触する前に、転がり軸受によって支持される。そのため静圧磁気複合軸受の損傷が防止される。転がり軸受を用いるため、縦弾性係数が小さな摺動材を用いるものと異なり、負荷が大きくても変形の問題がなく、確実な保護が行える。また、転がり軸受は予圧を与えるため、静圧磁気複合軸受の軸受面と主軸との隙間が狭くても、通常回転時に転がり軸受が主軸に接触しない設計とできる。
上記転がり軸受は、上記予圧によって軸受隙間を零にすることが好ましい。これにより、静圧磁気複合軸受と主軸との隙間がより一層狭い場合にも対応可能となる。
【０００７】
この発明において、上記転がり軸受の内輪の端面に圧接する摺動材をハウジングに設けても良い。このように、摺動材を設けることで、通常の運転時に、主軸回転によって発生する空気せん断トルクにより内輪が空回りすることが防止される。
【０００８】
この発明において、上記転がり軸受が、複列のアンギュラ玉軸受であっても良い。複列のアンギュラ玉軸受は、正面を向き合う組み合わせであっても、背面を向き合う組み合わせであっても良い。複列のアンギュラ玉軸受を用いると、予圧を与えて軸受隙間を零とすることが容易である。
【０００９】
上記主軸に設けられた鍔部に対面して主軸を支持するスラスト型の静圧磁気複合軸受を設け、このスラスト型の静圧磁気複合軸受における軸受面およびこの軸受面に対面する主軸の鍔面のいずれか一方の面に、モリブデンまたはカーボンの溶射層を設け、上記軸受面および主軸の鍔面の他方の面にセラミックスの溶射層を施している。
スラスト型の静圧磁気複合軸受を設けた場合、主軸の運転時の支持が、完全に非接触で行える。この場合に、上記のように軸受面および主軸鍔面に上記材質の溶射層を設けることで、スラスト方向のタッチダウン時の耐摩耗，摺動特性を向上させることができる。スラスト軸受部に関しては、ラジアル軸受と同様にして並列に摺動部材を置くことは困難である。本来の軸受面積を減らすこと無く摺動部材を置くためには、主軸の鍔部の径を大きくすることになるが、固有振動数は著しく低下することになる。しかし、上記のように軸受面に溶射層を設けることにより、鍔径を大きくすることなく、タッチダウン時の保護が行える。
【００１１】
【発明の実施の形態】
この発明の一実施形態を図１ないし図４と共に説明する。この静圧磁気複合軸受スピンドル装置１は、主軸４を、ハウジング５に設置された複数のラジアル型の静圧磁気複合軸受６，７と、スラスト型の静圧磁気複合軸受８，９とで支持し、スピンドル駆動源１０を設けたものである。スピンドル駆動源１０は、ハウジング５に内蔵のモータであって、主軸４に一体に設けられたロータ２１と、ハウジング５に設置されたステータ２２とで構成され、ビルトインモータ形式のスピンドル装置１を構成する。主軸４の先端には工具装着部１１が設けられている。主軸４内を貫通したドローバ１２は、主軸４の後方のアンクランプユニット１３で操作される。
各軸受６〜９とスピンドル駆動源１０の配置は、この例では、主軸４の前部（工具側部）および後部をラジアル型の静圧磁気複合軸受６，７で支持し、その中間をスラスト型の静圧磁気複合軸受８，９で支持し、後端にスピンドル駆動源１０を配置した構成としてある。
【００１２】
この構成のスピンドル装置１において、図２に拡大して示す示すように、タッチダウン保護用の転がり軸受４１を、主軸４の先端近傍に位置してハウジング５に設置してある。転がり軸受４１は、先端側の静圧磁気複合軸受６よりも主軸４の先端側に配置してある。転がり軸受４１は、予圧を与えて軸受隙間を零とし、その内輪４２の内径面と主軸４の外径面とのラジアル隙間ｄ２を、静圧磁気複合軸受６のラジアル隙間ｄ１以下に設定してある。
転がり軸受４１は、深溝玉軸受からなり、内輪４２と外輪４３の間に、保持器（図示せず）に保持された転動体４４を介在させたものである。転がり軸受４１の予圧は、外輪４３をハウジング５に締まり嵌めで固定することにより与えている。転がり軸受４１は、具体的には、ハウジング５に設けられた円筒面からなる軸受取付面４５に外輪４３を締まり嵌めし、軸受取付面４５に続くハウジング５の段部４６と固定リング４７とで外輪４３を軸方向に挟み付けることにより固定している。固定リング４７はハウジング５にボルト４８で取付けられられる。
【００１３】
各静圧磁気複合軸受６〜９の構成を説明する。前後のラジアル型の各静圧磁気複合軸受６，７は、互いに同じ構成のものである。静圧磁気複合軸受６，７は、各々静圧気体軸受６Ａ，７Ａと磁気軸受６Ｂ，７Ｂとを複合化させたものである。この明細書で言う複合化とは、静圧および磁気の両形式の軸受を共通部分が生じるように組み合わせることを意味し、例えば、静圧気体軸受面と磁気軸受面とに共通部分（ラジアル軸受では軸方向の重なり部分）を生じさせるか、あるいは両形式の軸受に少なくとも一部の部品が共通化されるものであれば良い。
【００１４】
この実施形態では、図２に示すように、磁気軸受６Ｂの電磁石のコア２３に、静圧気体軸受６Ａの絞り２４ａを設けることで、コア２３で静圧気体軸受面の一部を構成している。コア２３は、軸方向に離れた一対の主コア部２３ａ，２３ａと、これら主コア部２３ａ，２３ａを連結した連結コア部２３ｂとを有する。磁気軸受６Ｂは、コア２３の連結コア部２３ｂにコイル２５を巻装したものである。コイル２５は、樹脂材等の非磁性体２６に埋め込まれている。なお、磁気軸受７Ｂおよび静圧気体軸受７Ａは、それぞれ磁気軸受６Ｂおよび静圧気体軸受６Ａと同じ構成である。
【００１５】
静圧気体軸受６Ａは、コア２３および非磁性体２６の内径側面で形成されて主軸４との間に軸受隙間ｄ１を形成する静圧磁気受面６Ａａと、コア２３の各主コア部２３ａ，２３ａに設けられて静圧軸受面６Ａａに開口する絞り２４ａとで構成される。絞り２４ａは、各主コア部２３ａの外径側面に開口した給気孔２４の先端に設けられている。
図３に階段断面を示すように、コア２３は、主軸４の回りの円周方向複数箇所（同図の例では４箇所）に配置されてハウジング５に固定されている。円周方向に隣合うコア２３間の隙間は、樹脂材等の非磁性体２７で埋められている。この非磁性体２７は、コイル２５の周囲の非磁性体２６（図２）と一体のものであっても良い。これら非磁性体２６，２７と、コア２３とで、前記静圧磁気軸受面６Ａａが構成される。
【００１６】
図４は、スラスト型の静圧磁気複合軸受８，９の拡大図である。この一対の軸受８，９は、主軸４に設けられた鍔部４ａの両面に対向してハウジング５内に設置されたものであり、互いに一つの両面式スラスト型静圧磁気複合軸受３０を構成する。両側の静圧磁気複合軸受８，９は、互いに同じ構成のものである。これら静圧磁気複合軸受８，９は、各々静圧気体軸受８Ａ，９Ａと磁気軸受８Ｂ，９Ｂとを複合化させたものである。
この実施形態では、磁気軸受８Ｂ，９Ｂの電磁石のコア３３に、静圧気体軸受８Ａ，９Ａの絞り３４ａを設けることで、軸受構成部品の共通化と共に、軸受面の一部が軸方向に重なるようにしてある。コア３３は、スピンドル鍔部４ａの対向面に開き部３３ｄが生じるように、縦断面形状がＣ字状に形成され、その内部にコイル３５が収められている。開き部３３ｄは非磁性体で埋められている。コア３３は、図示の例では断面Ｌ字状の内周コア部３３ａと外周コア部３３ｂとの組立構成としてあるが、一体物であっても良い。コア３３には軸方向に間座２９が隣接している。
【００１７】
スラスト型の静圧気体軸受８Ａ，９Ａは、コア３３の側面で形成されてスピンドル鍔部４ａとの間に軸受隙間ｄ３を形成する静圧軸受面８Ａａ，９Ａａと、コア３３に設けられて静圧軸受面８Ａａ，９Ａａに開口する絞り３４ａとで構成される。絞り３４ａは、コア３３の外径側面に開口した給気孔３４の先端に設けられている。
【００１８】
スラスト型の静圧磁気複合軸受８，９における軸受面８Ａａ，９Ａａには、モリブデンまたはカーボンの溶射層５１を施し、主軸４の鍔面にはセラミックスの溶射層５２を施してある。なお、溶射層５１，５２の材質は上記と互いに逆に、軸受面の溶射層５１をセラミックス、主軸鍔面の溶射層５２をモリブデンまたはカーボンとしても良い。
【００１９】
図１の各静圧磁気複合軸受６〜９における静圧気体軸受６Ａ〜９Ａの給気孔２４，３４には、ハウジング５内に設けられた給気孔４０の給気入口４０ａから、圧縮空気またはその他の圧縮気体が供給される。
【００２０】
この構成のスピンドル装置１によると、タッチダウン防止用の転がり軸受４１を設けたため、主軸４に過大な負荷が印加された場合も、主軸４が静圧磁気複合軸受６，７に接触する前に、転がり軸受４１によって支持される。そのため静圧磁気複合軸受６，７の摩耗や損傷が防止される。転がり軸受４１を用いるため、縦弾性係数が小さな摺動材を用いるものと異なり、負荷が大きくても変形の問題がなくて確実な保護が行える。また、転がり軸受４１は予圧を与えるため、静圧磁気複合軸受６，７の軸受面と主軸４との隙間ｄ１が狭くても、通常回転時に転がり軸受が主軸に接触しない設計とできる。予圧により、転がり軸受４１の軸受隙間を零にした場合は、静圧磁気複合軸受６，７と主軸４との隙間ｄ１がより一層狭い場合にも対応可能となる。
【００２１】
また、スラスト型の静圧磁気複合軸受８，９には、軸受面にモリブデンまたはカーボンの溶射層５１を施し、主軸鍔面にセラミックスの溶射層５２を施したため、タッチダウン時にはこれらの溶射層５１，５２が接することになり、その滑りによって保護が行える。また、溶射層５１，５２を施したものであるため、タッチダウン保護用の摺動部材を静圧磁気複合軸受８，９と並べて設ける場合と異なり、鍔径を大きくすることなく、タッチダウン時の保護が行える。
【００２２】
図５は、上記実施形態において、深溝玉軸受からなる転がり軸受４１を設けた代わりに、複列のアンギュラ玉軸受からなる転がり軸受４１Ａ設けたものである。両列の軸受４１Ａａ，４１Ａｂは、互いに正面を向けて組み合わせ、軸方向に予圧をかけてハウジング５に固定してある。軸方向の予圧は、ハウジング５の軸受取付面４５に続く段部４６と固定リング４７とで両列の軸受４１Ａａ，４１Ａｂの外輪４３を軸方向に挟み付けることにより与えている。固定リング４７は、ボルト４８でハウジング５に取付けられる。両列の軸受４１Ａａ，４１Ａｂにわたり、内輪４２の内径面にはタッチダウン時の主軸接触用のリング部材４９が締まり嵌め状態に嵌合させてある。このリング部材４９と、各列の軸受４１Ａａ，４１Ａｂの内輪４２とで、複列のアンギュラ玉軸受からなる転がり軸受４１Ａの内輪５０が構成される。この例では、上記リング部材４９の内径面と主軸４との隙間ｄ２が、静圧磁気複合軸受６，７の軸受隙間ｄ１よりも小さくなるように設定される。
この構成の場合、転がり軸受４１Ａとして複列のアンギュラ玉軸受を用いたため、予圧が与え易く、軸受隙間を零とすることが容易である。そのため、静圧磁気複合軸受６，７の軸受隙間ｄ１がより一層狭い場合にも適用できる。その他の構成，効果は、図１ないし図４に示す第１の実施形態と同じである。
なお、複列のアンギュラ玉軸受における両列の軸受４１Ａａ，４１Ａｂの組み合わせは、背面を向き合うようにしても良い。モーメントの関係では、背面を向き合うように配置することが好ましい。
【００２３】
図６，図７は、それぞれ図２および図５の実施形態において、転がり軸受４１，４１Ａの内輪４２，５０の端面に摺動材６０を圧接させた例を示す。摺動材６０は、軸受４１，４１Ａの外輪４３をハウジング５に固定するリング部材４８に取付けてある。すなわち、リング部材４７の内径部の軸受対向面に環状凹部を形成し、その環状凹部にリング状の摺動材６０を嵌合状態に取付けてある。摺動材６０は、例えばカーボンやフッ素樹脂等の低摩擦係数の部材である。
このように摺動部材６０を設けた場合、主軸４の回転によって発生する空気せん断トルクによって内輪４２，５０が回転することが防止される。そのため、無駄な内輪４２，５０の空回りによる不具合が防止される。
【００２４】
なお、前記各実施形態は、ラジアル形式の静圧磁気複合軸受６，７を備える静圧磁気複合軸受スピンドル装置の場合につき説明したが、この発明は、静圧気体軸受スピンドル装置にも適用することができる。例えば、図１〜図４に示す第１の実施形態において、静圧磁気複合軸受６，７に代えて、図８に示すように静圧気体軸受６６を設け、静圧気体軸受スピンドル装置としても良い。その場合に、スラスト形式の静圧磁気複合軸受８，９（図１）の代わりに、スラスト形式の静圧気体軸受（図示せず）を設けても良い。
【００２５】
【発明の効果】
この発明の静圧磁気複合軸受スピンドル装置は、予圧を与えた転がり軸受をハウジングに設け、この転がり軸受の内輪の内径面と主軸の外径面とのラジアル隙間を、静圧磁気複合軸受のラジアル隙間以下に設定し、上記主軸に設けられた鍔部に対面して主軸を支持するスラスト型の静圧磁気複合軸受を設け、このスラスト型の静圧磁気複合軸受における軸受面およびこの軸受面に対面する主軸の鍔面のいずれか一方の面に、モリブデンまたはカーボンの溶射層を設け、上記軸受面および主軸鍔面の他方の面にセラミックスの溶射層を施したものであるから、軸受隙間の狭い静圧気体軸受部を有しながら、主軸に過大な負荷が作用し、主軸と静止側部材の間にタッチダウンがあった場合にも、軸受や主軸への影響を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態にかかるスピンドル装置の縦断側面図である。
【図２】同スピンドル装置の主軸先端部付近の拡大断面図である。
【図３】同スピンドル装置おけるラジアル型の静圧磁気複合軸受の横断面図である。
【図４】同スピンドル装置おけるスラスト型の静圧磁気複合軸受の拡大断面図である。
【図５】この発明の他の実施形態にかかるスピンドル装置の部分断面図である。
【図６】この発明のさらに他の実施形態にかかるスピンドル装置の部分断面図である。
【図７】この発明のさらに他の実施形態にかかるスピンドル装置の部分断面図である。
【図８】この発明を静圧気体軸受スピンドル装置に適用した実施形態の部分断面図である。
【符号の説明】
１…スピンドル装置
４…主軸
５…ハウジング
６〜９…静圧磁気複合軸受
６Ａ〜９Ａ…静圧気体軸受
６Ｂ〜９Ｂ…磁気軸受
６Ａａ，７Ａａ…静圧気体軸受面
１０…スピンドル駆動源
４１…転がり軸受
５１，５２…溶射層
６０…摺動材
ｄ１，ｄ２…ラジアル隙間

Claims

静圧気体軸受と磁気軸受とが複合化されたラジアル型の静圧磁気複合軸受により主軸を支持したスピンドル装置において、予圧を与えた転がり軸受をハウジングに設け、この転がり軸受の内輪の内径面と主軸の外径面とのラジアル隙間を、静止磁気複合軸受のラジアル隙間以下に設定し、主軸が過大な負荷によって静圧側の部材に接触するタッチダウンに対する保護を上記転がり軸受で行うようにし、上記主軸に設けられた鍔部に対面して主軸を支持するスラスト型の静圧磁気複合軸受を設け、このスラスト型の静圧磁気複合軸受における軸受面およびこの軸受面に対面する主軸の鍔面のいずれか一方の面に、モリブデンまたはカーボンの溶射層を設け、上記軸受面および主軸鍔面の他方の面にセラミックスの溶射層を施した静圧磁気複合軸受スピンドル装置。
上記予圧により上記転がり軸受の軸受隙間を零にした請求項１に記載の静圧磁気複合軸受スピンドル装置。
上記転がり軸受の内輪の端面に圧接する摺動材をハウジングに設け、主軸回転時に生じる空気剪断トルクで内輪が空回りすることを防止した請求項１または請求項２に記載の静圧磁気複合軸受スピンドル装置。
上記転がり軸受が、複列のアンギュラ玉軸受である請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の静圧磁気複合軸受スピンドル装置。