JPH03196941A - 主軸構造を備えた工作機械 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は工作機械の主軸の構造に関するものである。

し従来技術］ 従来の主軸構造の第１例は第４．５図の構造を有してい
る。両図により従来の主軸構造を説明すると、主軸１０
１は被加工物を加工する工具１０７を先端に有する回転
軸１０２を支持する軸受１０３、軸受１０３を保持する
クイル１０４及びクイル１０４を保持するハウジング１
０５により構成されている。回転軸１０２をモータ等に
よりプーリ１０６を介して回転させると第５図に示す軸
受球１１９と軸受内、外輪１２０．１１８との摩擦で摩
擦熱が発生する。この摩擦熱は回転軸１０２の回転数及
び負荷が高くなるほど高くなるので、伝熱により主軸構
造１０１全体が昇温し、かつ彫版するので被加工物の所
望の加工形状に対し加工誤差が生じる。

この加工誤差を防止するためクイル１０４に給油路１０
８ａ〜１０８ｅ（１０８Ｃは１０８ｂの位相のずれた位
置にある）を設ける。これらの給油路１０Ｂに、ポンプ
１１４から供給され、更に定量ピストン式分配器１１５
を有するミキシングバルブ１２１から定量で吐出された
潤滑油（以後オイルとも言う）と、フィルタ１１３を通
過した圧縮空気とを連続的に供給して軸受１０３を潤滑
、冷却する。この結果オイルは軸受１０３に発生する熱
を吸収する。吸熱後のオイルは第４図下方の軸受排出口
１１０ａ〜１１０ｅから排出路１１１を通り、排出口１
１１ａから排出される。

上記の冷却システムはオイルの顕熱を利用した冷却方法
であり、潜熱に比べ熱の移動量が極めて少ないため冷却
効率が悪く、又オイルは水や空気に比べ室温において約
１０００倍粘性が高く回転軸１０２の回転により撹伴さ
れて撹伴熱を発生し、主軸構造１０１から排出されたオ
イルは周囲の環境を悪くする。更に空気とオイルとを供
給するためのユニット１１２．１２１が必要でありコス
トが高くなる等の問題がある。

又従来の冷却システムを有する別の主軸構造２０１は第
７図に示すように回転軸２０２を支持する軸受２０３、
軸受２０３を保持するクイル２０４、クイル２０４を保
持するハウジング２０５等により構成されている。ここ
で第６図に示す主軸構造２０１と被加工物２３０との関
係は先ず送りねじ２２９をモータ２２５等により回転さ
せる。

この回転はハウジング２０５と連結固定された支持部材
２２８によりハウジング２０５に設けられた直線案内２
２６．２２７に導かれ、被加工物２３０に対し主軸構造
２０１は垂直方向に直線運動し、回転軸２０２の先端に
設置された工具２０７により被加工物２３０を加工する
。なお、上記の運動はラックアンドビニオン機構等によ
っても可能である。

回転軸２０２が高速回転するとこれに比例して発熱量が
大きくなり、この発熱により回転軸２０２、ハウジング
２０５が昇温、熱彫版するので被加工物２３０の加工精
度に影響する。即ち、支持部材２２８からハウジング２
０５前端までの突出量Ｌ１がハウジング２０５の昇温に
よりΔ１だけ増加し、ハウジング２０５支持部から主軸
構造２０１の中心までの直線案内２２６．２２７の芯高
目がハウジング２０５の昇温により△ｈだけ増加し、直
線案内２２６．２２７が支持されているハウジング２０
５の温度差（ｔ２−１１）が大きくなれば変位Δθが大
きくなる等により被加工物２３０に要求される加工形状
に対し加工誤差が生じる。

そこで第７図に示すように回転軸２０２が回転すること
により軸受２０３の発熱によるハウジング２０５等の昇
温、彫版を抑制するためにクイル２０４の外周にリード
溝２０８を設けて冷却ジャゲット部とし、オイル等の媒
体２１０を流入させ又はヒートパイプを組み込み、オイ
ル２１０等がジャケットを通過する際に軸受２０３から
の熱量を吸収し、吸熱後のオイル２１０は外部に移動し
、冷却ユニット２０９の液タンク２１１へ、更に循環ポ
ンプ２１２により冷却器２１３に送られる。

冷却器２１３においてはフロンガス２１８がコンプレッ
サ２１４により圧縮され、高温高圧ガスとなる。高温高
圧ガスとなったフロン２１８はコンデンサー２１５に運
ばれ、冷却ファン２１６による低温の空気と接触し放熱
して液化する。コンデンサー２１５により液化したフロ
ン２１８は彫版弁２１７に入り低温低圧液となり冷却器
２１３に運ばれる。この低温低圧液と前述の軸受２０３
から吸熱した媒体（オイル）２１０が接触し、フロン２
１８は気化し再びコンプレッサ２１４に運ばれる。この
伝熱サイクルにより吸熱後の媒体２１０は冷却器２１３
によって冷却され、液タンク２１１に戻されて圧送ポン
プにより再び主軸ジャケットに送られる。

以上のシステムは冷却ジャケット部のみに就いて考慮す
るとオイルの顕熱を利用して主軸構造２０１の冷却を行
なっているので、第１例の主軸構造１０１と同じ欠点を
有している。更に設備が大きくなり、冷却ジャケット２
０Ｂがリード溝であるため圧力損失が大きくなり冷却効
果が低下する。

又クイル２０４の外周部に冷却ジャケット２０８を設け
たのでハウジング２０５の直径りは冷却ジャケットを有
しない低速回転、低荷重の主軸と比べて大きくなり、こ
れに伴い直線案内２２６．２２７を支持するハウジング
２０５のスライダ幅Ｂ（第８図）も大きくなり主軸構造
２０１全体が大型となる。このため直線運動を行なう主
軸部の慣性が大きくなり、駆動モータへの負荷が大きく
なり、サイクルタイムに影響を与える等の問題を有して
いる。

［発明が解決しようとする課題］ この発明は冷却効率が高く、高速回転、高負荷に耐え、
かつ小型、低コストの主軸構造の提供を課題とする。

［課題を解決するための技術的手段］ 上記の課題を解決するためこの発明は回転軸が軸受を介
してクイルに支持され、クイルにはハウジングが外嵌さ
れ、クイルには水ミストを含む空気の通路が設けられ、
この空気通路は液体ミストを含む空気の供給口と排出口
とを有し、前記供給口は液体ミストを含む空気の供給装
置に連通している構成を有している。

［作用］ 液体ミストを含んだ空気がクイル外周面の空気通路を通
過する際、ミストはクイル外面に付着する。クイル外面
に付着したミストは回転軸の高速回転により主軸構造に
発生した熱により蒸発し、蒸発潜熱によりクイルを介し
て主軸構造全体を冷却して主軸構造の熱による変形を防
止し、被加工物に対する加工精度を高める。

［実施例］ 以下実施例を示す図面によりこの発明を説明する。第１
図は第１実施例を示す。同図において、図示しないモー
タの駆動力は主軸構造１の後端部〈第１図では右端部）
外周に固定された動力伝達部材（例えばギヤ、プーリ等
）を介して回転軸２に伝達される。回転軸２は軸受３に
より回転自在に支持され、軸受３はクイル４により支持
されている。クイル４には後述の互いに位相のずれた５
個の給霧口９と、それに連通ずる５個の給霧路８ａ〜８
ｅと、１個の排出通路１１と、１個の排出口１１ａとが
設けられている。クイル４はハウジング５に保持され、
給霧口９近傍のハウジング５には二流体混合ノズル１２
が設置されている。

図示しない加圧空気源から供給され、フィルタ１６を通
った空気と、水タンク１４からポンプ１３を経て送られ
てきた微量の水１５とは二流体混合ノズル１２で混合さ
れてミスト（噴霧）状となり、給霧口９、給霧路８ａ〜
８ｅ（８Ｃは８ｂと位相が違うため図示しない）を通過
し軸受３に噴入する。この際軸受３に水ミスト（以後単
にミストと言う）が付着するがこのミストは回転軸２の
回転による軸受３の発熱により蒸発する。蒸発により湿
気を帯びた空気は主軸排出口１０８〜１０ｅを通り、排
出路１１に送られ排出口１１ａより排出される。従って
軸受３に発生した熱量はミストの蒸発潜熱により吸収さ
れ外部に運ばれる。このため従来の顕然方式による冷却
に比べ熱の移動が１００倍以上となり、冷却効率が極め
て高くなる。又オイルによる冷却と比較して水と空気は
粘性が低いので撹伴熱も低い。更に排出された空気がミ
ストを含んでいても環境汚染はクーラントオイルに水溶
性のものを使用すれば問題はない。又ミストの供給手段
は非常に簡単なシステムが可能であり、小型、低コスト
となり、高速化、重負荷に対応できる等の数々の優れた
効果を有する。

上記の構成において、５個の給霧口９、給霧路８ａ〜８
ｅを設けたがこれは軸受３の個数に合せたからであり、
これらの数は任意である。

又回転軸２に回転力を伝達する際に回転軸２に固定され
た動力伝達部材６を使用したが、ビルトインモータによ
り、回転軸２を回転させる方法あるいは主動力源と回転
軸２とを直結して回転軸２を直接回転させてもよい。

冷却媒体の一つである水１５に防錆油を混合して水タン
ク１４に入れておくと軸受３と給霧路８、排出口１０と
の防錆が可能であり、かつ軸受３を潤滑する効果がある
。

第２．３図は第２実施例を示す。第２図（イ）の主軸構
造２１においては、図示しないモータの駆動力が回転軸
２２の後端部（第２図で右端部）外周に固定されたプー
リ２６を介して回転軸２２に伝達される。回転軸２２は
軸受２３により支持され、軸受２３はクイル２４に保持
されている。

クイル２４の外周にはクイル２４の円周方向に等ピッチ
で配置された、多列の軸方向の直線溝２８が設けられ、
更に直線溝２８の両端において円周方向の溝２９．３０
が設けられている。ハウジング２５の近傍に設置された
二流体混合弁３１によりフィルタ３７からの空気と水タ
ンク３３からポンプ３６を経て送られた微量の水とが混
合され、ミスト（噴霧）状にして■具２７側の円周溝部
（以後円形ヘッダと呼ぶ）２９内に第２図（・口）に示
すように接線方向に旋回流を発生するよう噴出する・こ
の時円形ヘッダ２９に送られたミストの流速はかなり高
速（１，５ｍ／５ｅＣ）のため円形ヘッダ２９の圧力分
布、ミストの分布が均一となり、又円形ヘッダ２９から
軸方向溝部２８にもミストが均一に分布される。クイル
２４の外周面にある直線溝部２８に付着したミストは回
転軸２２の回転に伴う軸受２３の発熱により蒸発する。

このため軸受２３に発生した熱量はミストの蒸発潜熱に
より吸収され外部に運ばれる。第３図（イ）（ロ）に示
すように軸方向直線溝２８を面取りしてほぼ蒲鉾状の溝
とし、ランド部３２をクイル２４の円周方向に等分布さ
せる。ランド部３２とハウジング２５の内面との間には
微小な隙間があり、ここにミストが侵入する。侵入した
ミストは上記の隙間で膜を形成し隣接する溝部相互のシ
ールの働きをし、溝部相互間のミストの分布を更に均一
にする。又ミストが過剰に前記の隙間に侵入した場合で
も水分は溝部へ流れ蒸発潜熱となって冷却効果を発揮す
る。又ランド部３２と溝部２８の構成を有しない溝部の
み、即ち円筒状の冷却溝とするとヘッダを持たなくなり
ミストの分布が不均一で軸方向、径方向に冷却誤差（ば
らつき）が生じ温度分布が不均一になる。

本実施例は円形ヘッダ２９、直線溝２８、ランド部３２
を有しているので隣接溝部とのシール性を高め、かつ高
速旋回流を発生させてミスト分布を均一化させ主軸構造
の冷却を安定させる。

次に直線溝２８の深さに就いて説明する。クイル２４は
ハウジング２５に嵌合され、その嵌合の部位はクイル２
４の前後端の一部３４．３５であり、その中央部に普通
の「ぬすみ」を設ける。ぬすみの深さは本実施例ではハ
ウジング５の内径とクイル４の外径との間の微小のクリ
アランスで約０．２〜１．０鵬である。これはクイル２
４とハウジング２５との嵌合部３４．３５の加工精度を
維持するためと嵌合時の組付は性を容易にするために設
けである。このクリアランスと直線溝２８の深さとを同
じにし、円形ヘッダ２９、直線溝２８、ランド部３２の
構成により前記の潜熱を利用した冷却を行なう。従来の
オイルを使用した冷却では上記の溝の深さではオイルの
必要流量を確保することができないが低い粘性の空気を
使用すると空気の流量はオイルの流量の約１００００倍
確保できので上記のぬすみを利用してミスト冷却が可能
になる。このぬすみを冷却ジャケットとして利用するこ
とで従来のオイル冷却と比較してクイル２４及びハウジ
ング２５の外径が小さく、重量は１／２となり、これに
ともない直線案内のガイド部であるスライダ幅も小さく
なり、主軸構造全体が小型になり、被加工物に対して直
線運動を行なわせるモータへの負荷イナーシャが１７２
となり、負荷低減に伴うモータの加減速時間も１／２と
短縮され、サイクルタイムの短縮（高速化）が得られる
などの優れた効果がある。

次に上記の構成に就いての具体例を述べる。

本実施例の主軸構造２１の回転軸２２の回転に伴う軸受
２３の発熱量Ｑｈは回転軸径ｄ＝φ５０ｍ１軸回転数Ｎ
＝１５００Ｏｒｐｍとすると、Ｑｈ＝１７２ｋｃａ　ｌ
で蒸発潜熱の冷却熱量Ｑ。との熱収支条件Ｑｈ＝Ｑｃで
溝内（冷却ジャケット内）絶対圧力ｐ＝　１．１ｋｇｆ
ｏｃｉ、空気流量Ｗ＝１３ＯＮ　Ｉ／ｍｉ　ｎ　（工場
空気露点−２０℃）、注水ＩＶ＝４ｑ／ｍｉ　ｎ、溝の
深さ＝０．５８により主軸部の冷却を行なった。

以上の結果主軸構造の室温からの昇温量を８℃以下に押
えることができた。これは従来のリード溝構造の代りに
本実施例は円形ヘッダと、直線多列溝と、ランド部とか
らなる構成を有しているので、圧力損失がなくなり、ミ
スト分布が均一となり、そのため主軸構造の温度分布が
均一化し安定した冷却を行えるからである。即ち冷媒を
オイルから粘性の低い空気に代えることにより１０００
０倍の流量を確保でき、又冷却方法を顕熱から蒸発潜熱
にすることで１００倍以上の熱移動が可能になったため
、従来の構造より高い効率で冷却でき、又ぬすみをジャ
ケットに利用したので主軸構造が小型になる。

上記両実施例はミスト成分として水を使用したが水に限
定するものでなく、他の蒸発潜熱の大きな液体を使用し
てもよい。

［効果］ この発明の主軸構造は上記の構成を有するので次の優れ
た効果を有する。

（イ）主軸構造が高速回転、高負荷を受けてもこれに耐
え冷却効率が極めて高い。

（ロ）小型であるので狭いスペースにも設置が可能であ
る。

（ハ）構造が簡単であるので製作が簡単であり、コスト
が安い。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１実施例の縦断正面図を示す。第２図（イ）
は第２実施例の縦断正面図を示す。第２図（ロ）は第２
図（イ）の要部の斜視図を示す。 第３図（イ）は第２図（イ）のＡ−Ａ線断面図を示す。 第３図（ロ）は第３図・（イ）の一部の斜視図を示す。 第４図は冷却装置を含めて従来の主軸構造の一例の正断
面図を示す。第５図は第４図のＡ部の拡大正面断面図を
示す。第６図は第４図の主軸構造の動作時での工具の変
位の状態を示す正面図である。第７図は冷却装置を含め
て第４図とは別個の従来の主軸構造の正断面図を示す。 第８図は第７図の側面図を示す。 １．２１・・・主軸構造 ２．２２・・・回転軸 ３．２３・・・軸受 ４．２４・・・クイル ５．２５・・・ハウジング ８・・・給霧路（空気通路） ９・・・給霧口（供給口） １１ａ・・・排出口 １２・・・二流体混合ノズル（液体ミストを含む空気の
供給装置） ３１・・・二流体混合弁（液体ミストを含む空気の供給
装置）

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）回転軸が軸受を介してクイルに支持され、クイル
   にはハウジングが外嵌され、クイルには液体ミストを含
   む空気の通路が設けられ、この空気通路は液体ミストを
   含む空気の供給口と排出口とを有し、前記供給口は液体
   ミストを含む空気の供給装置に連通していることを特徴
   とする主軸構造。
2. （２）前記液体は水であることを特徴とする請求項（１
   ）記載の主軸構造。
3. （３）前記の液体ミストを含む空気の供給装置は加圧空
   気の供給機構と液体の供給機構と空気及び液体を混合す
   る機構とから構成されていることを特徴とする請求項（
   １）記載の主軸構造。
4. （４）前記の液体ミストを含む空気の通路は前記軸受の
   数に対応してクイルに設けた給霧路と、この給霧路に連
   通する１個の排出通路とからなるを特徴とする請求項（
   １）記載の主軸構造。
5. （５）前記液体ミストを含む空気の通路はクイルの外周
   面の両端に配置された、円周方向の円形溝と、この両円
   形溝に連通し、クイルの外周面において円周方向に等分
   布に配置され、クイルの軸方向に延出する直線溝とから
   なり、直線溝はランド部を有することを特徴とする請求
   項（１）記載の主軸構造。