JPH07310742A - 円筒ころ軸受及びその軸受を用いたスピンドル装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 工作機械の主軸に使用する円筒ころ軸受にお
いて、運転中に生じる軸受の内部すきま減少に伴なう過
大負荷をなくし、低速から高速回転に至るまで高い主軸
剛性を実現できるようにする。 【構成】 円筒ころ軸受５の外輪７の内径面に径の異な
る軌道面１７、１８を形成し、外輪７を組込んだスリー
ブ１６を、圧力室２０に導入する流体の圧力により軸方
向に移動させる。主軸３の回転数の変化に応じて外輪７
を移動させることにより、運転中の軸受すきまを制御
し、高速時に軸受に作用する過大負荷を防止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、工作機械の主軸等の
支持に用いられる円筒ころ軸受と、その円筒ころ軸受を
用いたスピンドル装置に関し、特に、軸受を組込んだ状
態で軸受の内部すきまを任意に調整可能にした構造に関
するものである。

【０００２】

【従来技術及びその課題】円筒ころ軸受で支持した主軸
を高速運転すると、円筒ころ軸受の内部では、内外輪の
温度差（内輪の方が外輪より高温度になる）と遠心力に
よる内輪の膨張等から、軸受すきまが減少し、転動体荷
重が増加する現象が生じる。

【０００３】このため、軸受組込み後の初期軸受すきま
が小さい場合、主軸剛性は高くなるが、高速運転が難し
くなり、逆に、初期軸受すきまを大きくすると、高速運
転が可能となるが、低速域での剛性が低下する不具合が
ある。

【０００４】したがって、従来のスピンドルでは、低速
高剛性と高速運転との両機能を単一のスピンドルで満足
することは難しく、一般に主軸剛性が必要な場合は、軸
受組込み後の内部すきま（ラジアル方向すきま）をゼロ
又はマイナスの値に調整して使用し、高速仕様の場合に
は、内部すきまを大きくしたスピンドルを使用し、使用
状態条件に応じて異なる仕様のスピンドルを使い分けす
る方法がとられていた。

【０００５】しかしながら、最近では、１つの工作機械
で加工される材料の種類や加工内容が多様化し、それに
応じて加工に適した加工条件も広範囲なものに拡大して
いるため、低速回転から高速回転に至るまでの広い範囲
で高い主軸剛性を備えたスピンドルの出現が要望されて
いる。

【０００６】そこで、この発明は、上記の課題を解決
し、軸受組込み後の状態において軸受の内部すきまを任
意に調節でき、主軸剛性を変化させることができる円筒
ころ軸受を提供することを目的としている。

【０００７】また、この発明の第２の目的は、上記の円
筒ころ軸受を用いて、主軸の回転数等に応じて主軸剛性
を最適に制御することができるスピンドル装置を提供す
ることにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、この発明の円筒ころ軸受は、外輪の内径面の径寸法
を軸方向に変化させ、その外輪を、内輪に保持された円
筒ころに対して軸方向に移動可能にしたのである。

【０００９】また、この発明のスピンドル装置は、上記
構造の円筒ころ軸受の外輪を、スピンドル外筒の内側に
軸方向に移動可能に取付け、円筒ころ軸受の内輪を、ス
ピンドル外筒の内部に挿入した主軸に固定し、スピンド
ル外筒に、上記外輪を任意のタイミングで軸方向に移動
させる駆動手段を連結したのである。

【００１０】なお、上記のスピンドル装置において、円
筒ころ軸受の外輪を、スピンドル外筒の内側を軸方向に
移動するスリーブに保持し、このスリーブに、外輪の軸
方向両側から軸受内部に潤滑剤を供給する複数の潤滑剤
通路を設け、スピンドル外筒には、外輪が軸方向に移動
した時にその移動方向側の潤滑剤通路と交互に連通する
潤滑剤の導入路を設けるようにしてもよい。

【００１１】

【作用】上記の円筒ころ軸受においては、円筒ころと内
輪に対して外輪を軸方向に相対移動させると、円筒ころ
に向き合う外輪の内径面の径寸法が変化するため、軸受
の内部すきまの大きさも変化する。

【００１２】また、上記スピンドル装置では、駆動手段
により円筒ころ軸受の外輪を移動させると、軸受すきま
が変化し、それに応じて軸受による主軸の支持剛性も変
化する。このため、主軸の回転数の変化に応じて、低速
回転時の軸受すきまを小さく、高速回転時の軸受すきま
を大きく調整することにより、広い回転の範囲において
最適な主軸剛性を得ることができる。

【００１３】

【実施例】以下、添付図面に基づいて、この発明の実施
例を説明する。図１において、１はスピンドル外筒、２
はそのスピンドル外筒１の蓋部材であり、スピンドル外
筒１の内部孔１ａに主軸３が挿通し、その主軸３の後端
部が、背面組合せの状態で並列配置した２個のアンギュ
ラ玉軸受４、４により支持されている。

【００１４】また、主軸３の前端部（ワーク取付け側）
には、この発明に係る円筒ころ軸受５が組込まれてい
る。この円筒ころ軸受５は、内輪６と、外輪７と、その
内外輪６、７間に組込まれる複数の円筒ころ８から成
り、内輪６が主軸３の外径面に固定されている。

【００１５】この内輪６の両側には、図３に示すよう
に、位置決め用間座９と固定用間座１０が組込まれ、主
軸３端部のねじ部１１にねじ込んだ固定ナット１２によ
り固定用間座１０を軸方向に締め込むことにより、その
両間座９、１０の間で内輪６が位置決め固定されてい
る。

【００１６】また、内輪６の外径面には、円筒ころ８が
転動する軌道溝１３が形成され、この軌道溝１３の両側
のつば部１４、１４が円筒ころ８の軸方向に動きを規制
し、一定の位置で円筒ころ８が回転するように保持して
いる。

【００１７】一方、円筒ころ軸受５の外輪７は、スピン
ドル外筒１と蓋部材２の内部の凹所１５に組込まれたス
リーブ１６に固定されており、スリーブ１６と外輪７が
一体で凹所１５の内部を軸方向に移動可能になってい
る。

【００１８】この外輪７の内径面には、径寸法の異なる
２つの軌道面１７、１８が軸方向に並列して形成され、
その両軌道面１７、１８の間に、その双方の間で円筒こ
ろ８を滑らかに摺動させる傾斜面１９が形成されてい
る。

【００１９】ここで、上記軌道面１７、１８のうち、小
径側の軌道面１７の径寸法は、内輪６の軌道溝１３との
間で円筒ころ８に対する内部すきまがゼロ又はわずかに
マイナスとなるような大きさで形成され、大径側の軌道
面１８の径寸法は、高速回転時に内輪６が膨張しても円
筒ころ８と軌道面１８の間で適切な軸受すきまが生じる
ような大きさで形成されており、この両軌道面１７、１
８の寸法とも、外輪７が軸方向に移動した時にその内側
へ円筒ころ８がスムーズに入り込むような大きさに設定
されている。

【００２０】また、両軌道面１７、１８の軸方向の長さ
は、円筒ころ８の軸方向長さよりも若干大きく形成さ
れ、外輪７が軸方向のストローク限界まで移動した時、
円筒ろ８の表面全体が各軌道面１７、１８に当接するよ
うになっている。

【００２１】上記スリーブ１６の外径面とスピンドル外
筒１の内径面との間には、圧力室２０が形成され、その
圧力室２０に、スリーブ１６から環状に突出したフラン
ジ２１が軸方向に摺動可能に嵌まり込んでいる。

【００２２】また、上記圧力室２０の両側面には、軸方
向に向き合う流体供給孔２２、２３が形成され、その各
供給孔２２、２３に連なる流体通路２４、２５が、スピ
ンドル外筒１と蓋部材２の内部に形成されている。さら
に、上記流体通路２４、２５には、図１に示すように、
外輪を移動させる駆動手段としての流体供給装置２６が
接続されている。この流体供給装置２６には、圧力油又
は圧力空気などを発生する圧力源２７と、回路中の流体
の流れを切換える電磁式の方向切換弁２８とが設けら
れ、その方向切換弁２８が各流体通路２４、２５に対す
る流体の供給と排出の方向を切換えるようになってい
る。

【００２３】また、スリーブ１６の内径面には、図２及
び図４に示すように、円筒ころ軸受５の外輪７が軸方向
の両側部を間座２９、３０で挾み付けた状態で組込まれ
ており、その各間座２９、３０に、それぞれ外輪７の両
側から軸受内部へエアオイルを吹き出すノズル３１、３
２が形成されている。また、スリーブ１６の内部には、
上記各ノズル３１、３２に連通する潤滑剤通路３３、３
４が形成され、一方、スリーブ１６の軸方向の移動を止
める凹所１５の両側面には、スリーブ１６が軸方向に移
動した時にその各潤滑剤通路３３、３４と交互に接続す
るエアオイル供給孔３５、３６が形成されている。

【００２４】さらに、スピンドル外筒１と蓋部材２の内
部には、上記各供給孔３５、３６に連なるエアオイルの
導入路３７、３８が形成され、その各導入路３７、３８
にエアオイルの供給装置３９が接続している。

【００２５】このエアオイル供給装置３９は、エアオイ
ルを発生する発生ユニット４０と、電磁式の方向切換弁
４１を備えており、方向切換弁４１は、図４の（ａ）
（ｂ）に示すようにスリーブ１６が軸方向に移動した時
に、そのスリーブ１６の各潤滑剤通路３３、３４と接続
する導入路３７、３８に自動的にエアオイルを送り込む
ように制御されている。

【００２６】この実施例のスピンドル装置は上記のよう
な構造であり、次にその作用を説明する。

【００２７】図３（ａ）は、低速域で高剛性が必要な場
合の運転状態を示しており、この場合は、蓋部材２の流
体供給孔２２から圧力流体を圧力室２０に供給し、スリ
ーブ１６を図面右方向に移動させる。これにより、円筒
ころ軸受５の外輪７が円筒ころ８に対して右方向に偏位
し、小径側の軌道面１７と内輪６との間に円筒ころ８が
嵌まり込むため、軸受の内部すきまがセロ又はマイナス
の値になる。このため、軸受５内部の予圧量が増大し、
主軸剛性が増大する。

【００２８】一方、主軸３を高速回転させて使用する場
合は、図３（ｂ）に示すように、スピンドル外筒１側の
流体供給孔２３から圧力室２０内に圧力流体を導入し、
スリーブ１６を図面左方向に移動させ、円筒ころ軸受５
の外輪７を左方向に偏位させる。これにより、外輪７の
大径側の軌道面１８と円筒ころ８が向き合い、軸受５の
内部すきまが大きくなるため、高速回転によって内輪６
が膨張等をしても、円筒ころに対する軸受すきまが適正
に保たれる。

【００２９】このような軸受すきまの切換え制御は、軸
受の必要初期剛性と主軸の最高回転数に基づいて行なわ
れる。

【００３０】図５は、実施例の円筒ころ軸受５を使用し
た場合の軸受すきまと転動体荷重の変化を、回転数との
関係で概念的に示したものである。図に示すように、回
転数が上昇すると、内輪の膨張等により軸受すきまが減
少し、それに反比例して転動体荷重が増大する。

【００３１】ここで、主軸の支持構造の最適な設計を行
なうためには、外輪７における小径側の軌道面１７を、
低速使用域で高い剛性が得られるように軸受すきまを小
さくする大きさにする必要がある。いま、必要軸受剛性
から決まる軸受初期すきまを−δ₁ とすると、主軸３に
内輪６を組込んだ状態のころ外接円径に対して、−δ₁
のすきまとなるように軌道面１７の径寸法を設定する。
この場合、軌道面１７と円筒ころ８を係合させた状態の
回転数の上昇限界は、回転数上昇に伴なう転動体荷重の
上限からｎ₁ となる。

【００３２】一方、大径側の軌道面１８の径寸法は、主
軸３の最高回転数から決定される。すなわち、主軸３の
最高回転数をｎ₂ とした場合、そのｎ₂ の回転数のとき
に転動体荷重限界となるような軸受初期すきまをδ₂ と
すると、軌道面１８の径寸法は、δ₂ の内部すきまが生
じるような寸法に設定する。

【００３３】この実施例の装置では、上記のような軸受
すきまの切換えと同時に、図４（ａ）（ｂ）に示すよう
に、スリーブ１６と外輪７の移動に応じてエアオイル供
給装置３９からスピンドル外筒１と蓋部材２の各導入路
３７、３８にエアオイルが導入され、間座２９、３０の
各ノズル３１、３２を介して軸受５内部に供給される。
この場合、圧力室２０に対する流体供給方向の切換えタ
イミングに合せて、各導入路３７、３８へのエアオイル
供給を切換えることにより、移動方向側の軸受の端部か
らエアオイルが軸受内に導入されるため、常に外輪７と
円筒ころ８の接触部に向かってエアオイルが供給される
ことになり、安定した軸受の潤滑を行なうことができ
る。

【００３４】なお、上記の実施例では、外輪７に２個の
軌道面１７、１８を設けたが、径寸法の異なる３個以上
の軌道面を外輪の内径面に形成し、その各軌道面の位置
で円筒ころが係合するように外輪を駆動する構造をとれ
ば、軸受すきまを多段に切換えることができ、よりきめ
の細かいすきまの調整を行なうことができる。

【００３５】

【効果】以上のように、この発明は、円筒ころ軸受の外
輪を軸方向に移動させることにより複数の軸受すきまを
選択できるため、低速高剛性の条件から高速回転までス
ピンドルの最適な使用回転領域を拡げることができる。
このため、従来は低速高剛性の仕様と高速仕様とでそれ
ぞれ別個のスピンドルを必要としていたのに対して、こ
の発明を用いれば、１本のスピンドルで両仕様を兼用す
ることができ、スピンドルの集約化と、加工の多様化に
応じた加工条件の設定範囲の拡大を実現できる効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例のスピンドル装置を示す断面図

【図２】同上の潤滑構造を示す断面図

【図３】（ａ）（ｂ）はそれぞれ軸受すきまの切換え作
用を示す断面図

【図４】（ａ）（ｂ）はそれぞれエアオイル潤滑の切換
え作用を示す断面図

【図５】（ａ）は軸受すきまと回転数の関係を示す図
表、（ｂ）は転動体荷重と回転数の関係を示す図表

【符号の説明】

１ スピンドル外筒 ２ 蓋部材 ３ 主軸 ５ 円筒ころ軸受 ６ 内輪 ７ 外輪 ８ 円筒ころ １３ 軌道溝 １５ 凹所 １６ スリーブ １７、１８ 軌道面 ２０ 圧力室 ２４、２５ 流体通路 ２６ 流体供給装置 ２９、３０ 間座 ３３、３４ 潤滑剤通路 ３７、３８ 導入路 ３９ エアオイル供給装置

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 外輪の内径面の径寸法を軸方向に変化さ
   せ、その外輪が内輪に保持された円筒ころに対して軸方
   向に移動可能になっている円筒ころ軸受。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の円筒ころ軸受の外輪
   を、スピンドル外筒の内側に軸方向に移動可能に取付
   け、上記円筒ころ軸受の内輪を、スピンドル外筒の内部
   に挿入した主軸に固定し、上記スピンドル外筒に、上記
   外輪を任意のタイミングで軸方向に移動させる駆動手段
   を連結した円筒ころ軸受を用いたスピンドル装置。
3. 【請求項３】 上記円筒ころ軸受の外輪を、スピンドル
   外筒の内側を軸方向に移動するスリーブに保持し、この
   スリーブに、上記外輪の軸方向両側から軸受内部に潤滑
   剤を供給する複数の潤滑剤通路を設け、上記スピンドル
   外筒に、外輪が軸方向に移動した時にその移動方向側の
   潤滑剤通路と交互に連通する潤滑剤の導入路を設けた請
   求項２に記載の円筒ころ軸受を用いたスピンドル装置。