JPH0373205A - 予圧可変スピンドル - 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〕 本発明は、スピンドルを支持する軸受に付与する予圧の
大きさを変え得るようにした予圧可変スピンドルの改良
に関する。

〔従来の技術〕

工作機械の主軸を支持する軸受の予圧は、軸受間に介挿
される間座の長さを予め調整することにより、重切削を
行う低速回転時に高剛性となるように設定されている。

しかして高速回転時には、発熱による軸又は軸受の膨張
等により、軸受の予圧が一般に過大となるため、早期に
焼付を起こすという問題がある。そこで、予圧を回転速
度に対応させて必要なときに変化させるようにした予圧
可変型のスピンドルが用いられている。

従来のこの種の予圧可変スピンドルとしては、例えば特
開昭６４−３４６０２号公報に提示されたものがある。

このものは、スピンドルをハウジング内に回転可能に支
持する互いに間隔をあけて配置した第１および第２の軸
受を備えたスピンドルにおいて、少なくとも一方の軸受
の両側に圧電素子又は電歪素子を設け、それらの素子を
作動させて一方の軸受を軸線方向に往復動させることに
より、軸受に所定の予圧負荷を発生させるものである（
第１従来例）。

又、実開昭６３−９７４４０号公報には、工作機械の主
軸ベアリングにかかるプリロードを温度制御された油に
より一定に維持する装置が提示されている。これは、工
作機械の主軸ベアリングの外輪間に介装された、油室を
有する熱膨張率の大きい材質でなる油受は部材と、主軸
ハウジングに設けた油室に連通ずる通路と、油受は部材
の温度を検出する温度センサと、温度センサで検出した
温度から算出した油受は部材長と、主軸回転数から算出
した最適プリロード量を付与可能な油受は部材長とを比
較して、最適油受は部材長を得られる温度の油を、通路
を経て油室へ供給する油供給装置とを備えたものである
（第２従来例）。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記第１従来例の圧電素子又は電歪素子
を用いるものにあっては、個々に特性がいくらか異なる
複数の素子を周方向に間隔をおいて配設したもので軸受
を軸線方向に往復動させるから、軸受の全周にわたり均
等に予圧荷重を付与することが困難であるという問題点
があった。

又、第２従来例にあっては、一対の軸受の軸受間隔を規
制する間座としての油受は部材の現在の長さを、温度セ
ンサで検出した油受は部材の温度から算出する。これに
対して、現在の主軸回転数における油受は部材の目標長
さを算出する。そして両算出値を比較し、差をゼロとす
るべく油供給装置の温度を制御して油受は部材の長さを
熱変位させることにより予圧を一定に維持しようとする
。

しかし予圧は、間座である油受は部材の温度変化のみで
はなく、温度上昇による主軸ハウジングの伸びにも影響
される。したがって、専ら油受は部材の温度のみを制御
しても、主軸ハウジングの温度変化による変位に対処し
ない限り、正確な予圧制御は行い難いという問題点があ
った。

そこで本発明は、上記従来の問題点に着目してなされた
ものであり、その目的とするところは、均等に予圧荷重
を付与でき、且つ主軸ハウジングの温度変化にも対応し
て正確に予圧の大きさを制御できる予圧可変スピンドル
を提供して、上記従来の問題点を解決することにある。

〔課題を解決するための手段〕

スピンドル軸と外筒との間に一対の軸受が間座を介して
軸方向に所定の間隔を隔てて配設され、熱膨張係数の大
きな材料からなる外輪間座の熱変位を制御して軸受の予
圧を調整するようにした予圧可変スピンドルにおいて、 前記スピンドル軸の回転数に対応して冷却流体の温度と
流量とを制御する手段と、前記外輪間座の外周面に前記
制御された冷却流体が流通する第１の冷却路を備えると
ともに、前記外筒の外周面に、ほぼ室温と同温度の冷却
流体が流通する第２の冷却路を備えたことを特徴とする
。

〔作用〕

軸受には予め初期予圧が設定される。この予圧は、軸受
３，４の外輪３Ｂ、４Ｂの端面の全周に当接する円筒状
の外輪間座６を介して付与されるから、例えば従来の圧
電素子を使用した場合のように不均一になるおそれはな
く、均一に付与される。

初期予圧は、両間座の温度が等しい状態でスピンドル軸
が低速回転して重切削する際に最適な大きさの定位置予
圧が軸受に与えられるように、軸受間に介装された外輪
間座と内輪間座との長さを設しておこなっている。

第２の冷却路には運転状態で常時、室温の冷却流体を流
す。これにより、外筒の熱変位で軸受間の外輪間距離が
変化して予圧に影響を与えることを防止する。

一方、第１の冷却路には、回転数に応じて上記第１の冷
却路の流体とは別途に制御された冷却流体を予め定めら
れた条件で流す。ここに、予め定められた条件とは、当
該型式のスピンドルにおいて、低速重切削から軽切削時
の高速回転数に及び、最適予圧量を与える外輪間座の長
さが得られる冷却流体の種類、温度、流量などの条件で
あり、予め回転数との関係を実験して求めておけばよい
。

かくして、高速回転に切り換えた場合も、スピンドル軸
の回転数検出信号（ＮＣ工作機械であればパルス信号と
して発信される速度信号）に応じて冷却流体を第１の冷
却路に送るのみでよく、わざわざ外輪間座の温度を検出
して外輪間座の長さを算出する必要はなく、したがって
温度センサも不要である。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図とともに説明する。

第１図は、本発明の一実施例を示すものである。

スピンドル軸１とハウジングである外筒２との間に、一
対の軸受３．４が円筒状の内輪間座５と同じく円筒状の
外輪間座６を介して軸方向に所定の間隔を隔てて配設さ
れている。各軸受３，４は、例えば２個のアンギュラ玉
軸受などの転がり軸受を並列に組み合わせてなる組合わ
せ軸受である。

スピンドル１の外径は、前端（左＠）部が最も大きく、
段部１ａから以降は一段と細く形成されている。このス
ピンドル１の左端側から軸受３が挿通され、先方の軸受
の内輪３Ａの端面が前記段部１ａに係止している。予圧
を付与するための内輪間座５と外輪間座６もスピンドル
１の左端側から挿通され、更に軸受４が挿通され、ナツ
ト７がスピンドル１に螺合されて軸受４の後方の内輪４
Ａの端面を押圧している。かくして、軸受３と軸受４と
の内輪間間隔Ｌｌが内輪間座５の長さで規制されている
。

一方、軸受４の後方の外輪４Ｂの端面が外筒２の内径段
部２ａに係止し、軸受３の先方の外輪３Ｂの端面ば前蓋
８により押圧されている。この前蓋８は、外筒５の先端
面との間に幾らかのすきま１０をおいて外筒５に軸方向
に移動可能に嵌合されており、皿ばね１１を座金とする
六角穴付ボルト１２を締めつけて取付けられている。か
くして、軸受３と軸受４との外輪間間隔Ｌ２が外輪間座
６の長さで規制されている。

上記内輪間座５の長さＬｌと外輪間座６の長さＬ２とは
、同温度の状態（この場合は室温）で軸受３，４に初期
予圧量が得られる長さに設定しである。通常、この初期
予圧量は、低速での重切削時に必要な剛性が保ち得る大
きさに設定する。

外輪間座６は、例えばステンレス鋼の５ＵＳ３０４とか
快削黄銅のＣ３６０４などの熱膨張係数の大きな材料か
らなる。そして外周面に、第１の冷却路としての螺旋状
の外輪間座冷却溝１５と、これに流通する冷却流体の外
部漏れを防止するシール材１６用のシール溝１７とが形
成されている。

外筒２に、外輪間座冷却流体入口１８および外輪間座冷
却流休出ロエ９が設けられており、上記外輪間座冷却溝
１５に連通している。これらの外輪間座冷却流体出入口
１８．１９は、図外の間座冷却流体供給装置に連結され
る。外筒２の外周面には、第２の冷却路としての螺旋状
の外筒冷却溝２０と、これに流通する冷却流体の外部漏
れを防止するシール材２１用のシール溝２２とが形成さ
れている。

上記外筒２の外周面には、さらに外筒スリーブ２３が嵌
合され、その外筒スリーブ２３に外筒冷却流体人口２４
および外筒冷却流体出口２５が設けられており、上記外
筒冷却溝２０に連通している。これらの外筒冷却流体出
入口２４．２５は、ほぼ室温と同温度に維持した冷却流
体を供給する図示しない外筒冷却流体供給装置に連結さ
れる。

上記の間座冷却流体供給装置は、外筒冷却流体供給装置
とは異なり、前記スピンドル軸１の回転数に対応させた
温度と流量に制御された冷却流体を供給するものである
。

なお、このスピンドルの使用にあたっては、外筒２に設
けたフランジ２Ｆの右側面を機械面にあてて、ボルト孔
２Ｂに挿通したボルトで取付ける。

したがって、外筒スリーブ２３は外気に曝されている。

それ故、スピンドルの発熱に関しては、機械に殆ど影響
を与えないから、制御が簡単に行える。

次に作用を述べる。

スピンドル軸１を支持する軸受３，４に予め設定されて
いる初期予圧は、スピンドル軸１に取り付けた工具で被
加工体を低速重切削するのに必要な剛性が確保できる最
適な大きさにしである。この予圧は、軸受３，４の外輪
３Ｂ、４Ｂの端面に均一に当接している円筒状の外輪間
座６を介して付与されるから、例えば従来の圧電素子を
使用した場合のように不均一になるおそれはなく、均一
に付与される。

第２の冷却路である外筒冷却溝２０にはスピンドル運転
状態で常時、室温の冷却流体を流し、外筒２の熱変位を
抑制する。これにより、軸受３゜４の外輪間間隔Ｌ２の
長さは、外輪間座６の長さに依存することになる。一方
、第１の冷却路である外輪間座冷却溝１５には、低速重
切削の回転数の時は、外輪間座６が室温を維持できるよ
うに温度、流量を設定した冷却流体を流す。回転する軸
受の発熱で外輪間座６の温度が上昇することを防止する
ためである。これにより、低速重切削の加工を継続して
も、外輪間座６の熱膨張で予圧が適正量を越える現象は
防止される。

工具を変えて、例えば穴開は加工のような軽切削高速回
転に切り換えると、スピンドル軸ｌの回転を表すパルス
信号が変化する。このスピンドル軸１の回転数の変化を
捉えて、外輪間座冷却溝１５に供給する冷却流体の温度
、流量等の条件が予め回転数に応じて設定されている値
に切り換えられる。すなわち高速回転では、軸受３，４
の発熱量が増大するから、外輪間座６の熱膨張で予圧は
増加する傾向になる。これに対して予圧を低速重切削時
より小さく保つため、外輪間座６の冷却を強くする。こ
れにより、外輪間座６の長さが、初期予圧時の長さより
短縮され、予圧が軽減される。

この高速回転に切り換えた場合の外輪間座６の冷却強化
は、スピンドル軸１の回転数検出信号（ＮＣ工作機械で
あればパルス信号として発信される速度信号）に応じて
、予め実験的に求めである条件で冷却流体を外輪間座冷
却溝１５に送るのみでよい。従来のように、わざわざ外
輪間座６の温度を検出して外輪間座６の長さを算出する
必要はなく、したがって温度センサも不要である。

なお、上記の外輪間座６に対する冷却の強化で、外輪間
座６の長さが初期設定長さより短縮され、そのままでは
軸受３の外輪３Ｂとの間にすきまだできる。しかし、外
筒２と前蓋８との間にはすき間１０が設けられているか
ら、前蓋８を取付けている六角穴付ボルト１２の皿ばね
１１の弾性付勢力が作用し、前蓋８は外輪間座６の短縮
に追従して、軸受３の外輪３Ｂをすきまが生じないよう
に弾圧する。

かくして、スピンドル軸１の回転速度の変化に応じて、
簡単な構成で、容易に、自動的に予圧の大きさを変更す
ることが可能である。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、間座による定位
置予圧を、熱膨張係数の大きな材料からなる外輪間座の
熱変位を制御して調整するようにした予圧可変スピンド
ルにおいて、外輪間座の外周面に、スピンドル軸の回転
数に対応して温度と流量を制御された冷却流体が流通す
る第１の冷却路を設けるとともに、主軸ハウジングの外
周面に、ほぼ室温と同温度の冷却流体が流通する第２の
冷却路を設けた構成とした。そのため軸受に対し均等に
予圧荷重を付与できると共に、主軸ハウジングの温度変
化にも対応して正確に予圧の大きさを制御できる予圧可
変スピンドルを提供できるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の半縦断面図である。 図中、１はスピンドル軸、２は外筒、３．４は軸受、５
は内輪間座、６は外輪間座、１５は第１の冷却路、２０
は第２の冷却路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）スピンドル軸と外筒との間に一対の軸受が間座を
   介して軸方向に所定の間隔を隔てて配設され、熱膨張係
   数の大きな材料からなる外輪間座の熱変位を制御して軸
   受の予圧を調整する予圧可変スピンドルにおいて、 前記スピンドル軸の回転数に対応して冷却流体の温度と
   流量とを制御する手段と、前記外輪間座の外周面に前記
   制御された冷却流体が流通する第１の冷却路を備えると
   ともに、前記外筒の外周面に、ほぼ室温と同温度の冷却
   流体が流通する第２の冷却路を備えたことを特徴とする
   予圧可変式スピンドル。