JPH10225802A - 工作機械の主軸装置 - Google Patents

工作機械の主軸装置

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JPH10225802A
JPH10225802A JP3010097A JP3010097A JPH10225802A JP H10225802 A JPH10225802 A JP H10225802A JP 3010097 A JP3010097 A JP 3010097A JP 3010097 A JP3010097 A JP 3010097A JP H10225802 A JPH10225802 A JP H10225802A
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JP
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oil
fixed
movable housing
movable
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JP3010097A
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Shihou Katsumata
志芳 勝又
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Okuma Corp
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Okuma Machinery Works Ltd
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C27/00—Elastic or yielding bearings or bearing supports, for exclusively rotary movement
    • F16C27/04—Ball or roller bearings, e.g. with resilient rolling bodies
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C25/00—Bearings for exclusively rotary movement adjustable for wear or play
    • F16C25/06—Ball or roller bearings
    • F16C25/08—Ball or roller bearings self-adjusting

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Turning (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 温度変化にかかわらず、常に、移動ハウジン
グの動きを円滑にして、転がり軸受の予圧を適切な値に
保持するとともに、主軸の支持剛性を高くして、振動を
防止し、よって、低速回転から高速回転まで安定した運
転を可能にし、加工精度などの性能を高くする。 【解決手段】 主軸１の前後複数箇所に固定ハウジング
７に対して主軸１を回転支持するための転がり軸受６の
内輪6aが固定され、一部の転がり軸受６の外輪6bが固定
ハウジング７の内周に軸方向摺動可能に取付けられた移
動ハウジング10に固定され、固定ハウジング７に対して
移動ハウジング10を一定方向に付勢することにより転が
り軸受６に予圧が付与されている。移動ハウジング10の
外周の摺動面10s とこれに面する固定ハウジング７の内
周の摺動面7sとの間の隙間ａを通して油が循環させら
れ、油の圧力により移動ハウジング10が固定ハウジング
７の中心に保持されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、工作機械の主軸
装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】工作機械においては、低速から高速まで
の広い範囲で安定した加工が可能な主軸装置が望まれて
いる。
【０００３】工作機械の主軸装置として、主軸の前部お
よび後部が転がり軸受によりハウジングに対して回転支
持されているものが知られている。このような主軸装置
の軸受として、アンギュラ玉軸受などが使用され、軸受
内輪は主軸側に、軸受外輪はハウジング側に固定され
る。そして、軸受の転動体のすべり防止や主軸の剛性増
加のため、軸受に適切な予圧が付与されるように各軸受
間の内輪の軸方向相対位置と外輪の軸方向相対位置との
関係が決められている。
【０００４】ところで、主軸が回転すると、軸受が発熱
し、主軸に温度上昇が生じる。また、近年、主軸駆動用
の電動モータを内蔵した主軸装置が増加しているが、そ
の場合、主軸側のモータのロータも発熱し、主軸の温度
上昇はさらに大きくなる。主軸の温度上昇の度合は回転
速度によって変化し、とくに高速回転時に、主軸の温度
上昇が大きく、主軸とハウジングとの間に大きな温度差
が生じ、ハウジングに対して主軸の軸方向の熱変形が大
きくなる。その結果、主軸側に固定されている軸受内輪
の軸受間の軸方向相対位置とハウジング側に固定されて
いる軸受外輪の軸受間の軸方向相対位置との関係が変化
し、予圧過小あるいは予圧過大になり、これが軸受損傷
の原因となる。
【０００５】このような主軸の熱変形を吸収するため、
固定ハウジングに軸方向移動可能に取付けられた移動ハ
ウジングに一部の軸受の外輪が固定された主軸装置が提
案されている。そのような主軸装置の１例が図５に示さ
れ、その後部が図６に拡大して示されている。
【０００６】図５において、中空状の主軸(1) の前部の
４箇所と後部の１箇所が転がり軸受(2)(3)(4)(5)(6) に
より円筒状の固定ハウジング(7) に対して回転支持され
ている。この例の場合、軸受(2) 〜(6) は全てアンギュ
ラ玉軸受である。固定ハウジング(7) は、前後方向に長
い円筒状の外側ハウジング部材(7a)と、外側ハウジング
部材(7a)の前部内側に同心状に固定された円筒状の前部
ハウジング部材(7b)と、外側ハウジング部材(7a)の後部
内側に同心状に固定された円筒状の後部ハウジング部材
(7c)とから構成されており、外側ハウジング部材(7a)が
主軸台(8) などに固定されている。固定ハウジング(7)
内の前後のハウジング部材(7b)(7c)の間の部分に、主軸
(1) を駆動するための内蔵型電動モータ(9) が設けられ
ている。モータ(9) は、主軸(1) の外周に設けられたロ
ータ(9a)と、その周囲の外側ハウジング部材(7a)の内周
に設けられたステータ(9b)とから構成されている。
【０００７】前側の４個の軸受(2) 〜(5) の内輪は主軸
(1) の外周に、外輪は前部ハウジング部材(7b)の内周に
それぞれ固定され、これらに適切な予圧が付与されるよ
うに、各軸受(2) 〜(3) 間の内輪の軸方向相対位置と外
輪の軸方向相対位置との関係が決められている。
【０００８】図６に詳細に示すように、後側の軸受(6)
の内輪(6a)は、主軸(1) の外周に固定されている。後部
ハウジング部材(7c)の内周に、円筒状の移動ハウジング
(10)がわずかな隙間をあけて軸方向摺動可能にはめられ
ている。移動ハウジング(10)は、ハウジング部材(7c)に
対して回転しないようになっている。ハウジング部材(7
c)より後方に出ている移動ハウジング(10)の後端部に蓋
(11)が固定され、移動ハウジング(10)の内周に軸受(6)
の外輪(6b)が固定されている。ハウジング部材(7c)の後
端面に３つ以上のばね収容穴(12)が円周方向に等間隔を
おいて形成され、これらの穴(12)に対応して、蓋(11)の
後端部に外方突出部(11a) が形成されている。各穴(12)
に、弾性部材である圧縮コイルばね(13)が収容されてい
る。ばね(13)は、穴(12)の底と蓋(11)の突出部(11a) に
圧接して、蓋(11)を後向きに付勢している。これによ
り、移動ハウジング(10)が後向きに付勢され、その結
果、軸受(6) の外輪(6b)が後向きに付勢されて、軸受
(6) に適切な予圧が付与されている。
【０００９】この主軸装置の場合、主軸(1) に熱変形が
生じても、ハウジング部材(7c)に対して移動ハウジング
(10)が軸方向に摺動することにより、軸受(6) の予圧の
変化が防止される。しかし、次のような問題がある。
【００１０】ハウジング部材(7c)の内周と移動ハウジン
グ(10)の外周との間には、移動ハウジング(10)の動きを
円滑にするために、適切な隙間が設けられている。とこ
ろで、主軸(1) 回転中に、軸受(6) や主軸(1) に発熱が
生じると、これらに近い移動ハウジング(10)の方がハウ
ジング部材(7c)に比べて温度上昇が大きく、両者の間に
温度差およびそれによる径方向の熱変形の差が生じる。
移動ハウジング(10)とハウジング部材(7c)との温度差は
主軸(1) の温度変化によって変化し、温度差が変化する
ことにより上記隙間が変化する。このため、上記隙間を
温度差が小さい状態において適切になるように設定する
と、温度差が大きい状態では、隙間が小さくなって、移
動ハウジング(10)の動きが悪くなる。逆に、上記隙間を
温度差が大きい状態において適切になるように設定する
と、温度差が小さい状態において、隙間が大きくなり、
主軸(1) に振動が発生して、加工精度に悪影響を及ぼし
たり、移動ハウジング(10)が傾いて、動きが悪くなった
りする。いずれにしても、主軸(1) の温度変化にかかわ
らずに、常に移動ハウジングの動きを円滑にして、主軸
(1) に振動が発生しないようにすることは不可能であ
る。
【００１１】図７は、主軸(1) の熱変形を吸収するため
の後側の軸受(6) の支持構造の他の１例を示している。
図７は図６に相当するものであり、対応する部分には同
一の符号を付している。
【００１２】この場合、ハウジング部材(7c)の内周と移
動ハウジング(10)の内周との間にボールブッシュ(14)が
介在させられ、移動ハウジング(10)は、ボールブッシュ
(14)の多数のボール(14a) を介して、ハウジング部材(7
c)に対して軸方向に移動しうるようになっている。他
は、図６の場合と同様である。
【００１３】図７の例の場合、ハウジング部材(7c)の内
周と移動ハウジング(10)の外周との隙間の大きさをボー
ル(14a) の外径より若干小さくし、ボール(14a) に適切
な締め代を与えて、主軸(1) の支持剛性を高めるように
している。しかし、この場合も、図６の場合と同様、主
軸(1) の温度変化により、ハウジング部材(7c)と移動ハ
ウジング(10)の温度差が変化して、両者の隙間が変化す
る。このため、上記締め代を温度差が小さい状態におい
て適切になるように設定すると、温度差が大きい状態で
は、締め代が大きくなって、ボール(14a) に作用する圧
縮力が大きくなり、これにより、ボール(14a) の転がり
抵抗が大きくなって、移動ハウジング(10)の動きが悪く
なる。逆に、上記締め代を温度差が大きい状態において
適切になるように設定すると、温度差が小さい状態にお
いて、締め代が小さくなり、主軸(1) の支持剛性が不足
して、加工精度などに悪影響を及ぼす。いずれにして
も、主軸(1) の温度変化にかかわらずに、常に移動ハウ
ジング(10)の動きを円滑にして、主軸(1) の支持剛性を
高くすることは不可能である。また、ボール(14a) とハ
ウジング部材(7c)および移動ハウジング(10)との接触面
積が小さく、これらの接触点に大きな応力が作用するた
め、ハウジング部材(7c)および移動ハウジング(10)の周
面に摩耗や圧痕が生じるという問題もある。
【００１４】移動ハウジング(10)とハウジング部材(7c)
との温度差を小さくするために、移動ハウジング(10)の
内部に冷却油を循環させるようにしたものが提案されて
いる。しかし、このようにしても、両者の温度差を十分
に小さくすることができず、上記の問題を解決すること
はできない。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】この発明の目的は、上
記の問題を解決し、温度変化にかかわらず、常に、移動
ハウジングの動きを円滑にして、転がり軸受の予圧を適
切な値に保持するとともに、主軸の支持剛性を高くし
て、振動を防止することができ、よって、低速回転から
高速回転まで安定した運転が可能で、加工精度などの性
能を高くすることができる工作機械の主軸装置を提供す
ることにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段および発明の効果】この発
明による装置は、主軸の前後複数箇所に固定ハウジング
に対して主軸を回転支持するための転がり軸受の内輪が
固定され、一部の転がり軸受好ましくは後側の転がり軸
受の外輪が固定ハウジングの内周に軸方向摺動可能に取
付けられた移動ハウジングに固定され、固定ハウジング
に対して移動ハウジングを一定方向に付勢することによ
り転がり軸受に予圧が付与されている工作機械の主軸装
置において、移動ハウジングの外周の摺動面とこれに面
する固定ハウジングの内周の摺動面との間の隙間を通し
て油が循環させられ、油の圧力により移動ハウジングが
固定ハウジングの中心に保持されるようになされている
ことを特徴とするものである。
【００１７】この明細書において、主軸の先端側を前、
反対側を後ということにする。
【００１８】固定ハウジングと移動ハウジングとの隙間
は、できるだけ小さいのが望ましいが、温度差が最大の
状態（隙間が最小の状態）においても移動ハウジングの
動きが円滑であるように設定される。
【００１９】移動ハウジングと固定ハウジングの摺動面
の隙間を通して循環させられる油により移動ハウジング
が冷却されるため、両者の温度差が小さくなり、その結
果、温度変化による温度差の変化およびそれによる隙間
の変化も小さくなる。そして、温度差が小さい状態にお
いて、両者の隙間が大きくなっても、油の圧力によって
移動ハウジングが固定ハウジングのほぼ中心に保持され
るため、主軸の支持剛性が高く、主軸の振動が防止され
る。このため、主軸の温度変化にかかわらず、常に、移
動ハウジングの動きが円滑であり、主軸が温度上昇によ
り軸方向に熱変形しても、これに追随して移動ハウジン
グが移動することにより、これが吸収され、転がり軸受
の予圧を適切な値に保つことができる。したがって、低
速回転から高速回転まで安定した運転が可能であり、加
工精度などの性能も向上する。さらに、固定ハウジング
と移動ハウジングとの間の金属接触がなくなり、これら
の摺動面に摩耗や圧痕が生じることもない。
【００２０】たとえば、移動ハウジングの外周と固定ハ
ウジングの内周の間に、油入口に連通する３つ以上の油
流入空間と、油出口に連通する同数の油流出空間とが、
円周方向に等間隔をおいてかつ交互に設けられ、隣接す
る油流入空間と油流出空間とが移動ハウジングと固定ハ
ウジングの摺動面の間の隙間により連通させられてい
る。
【００２１】このようにした場合、油は、油入口、油流
入空間、移動ハウジングと固定ハウジングの摺動面の間
の微小隙間、油流出空間および油出口を通って循環させ
られる。このとき、上記微小隙間における流路抵抗が大
きいため、油流入空間内の油の圧力が高くなり、この圧
力により、移動ハウジングが固定ハウジングの中心に保
持される。何らかの原因で移動ハウジングが中心位置か
ら径方向に偏心すると、偏心方向側とその反対側とで摺
動面間の隙間の大きさが変わる。偏心方向の反対側で
は、隙間が大きくなり、これにより油流入空間から油流
出空間に油が流れやすくなるため、油流入空間内の油の
圧力が小さくなる。逆に、偏心方向側では、隙間が小さ
くなり、これにより油流入空間から油流出空間に油が流
れにくくなるため、油流入空間内の油の圧力が大きくな
る。このため、移動ハウジングは、油により偏心方向と
反対方向の力を受け、中心位置に戻される。したがっ
て、油流入空間内の油の圧力によって確実に移動ハウジ
ングを中心位置に保持することができる。
【００２２】好ましくは、油の循環回路に、油の温度を
制御する手段が設けられている。
【００２３】このようにすれば、温度制御された油によ
って移動ハウジングが冷却されるため、移動ハウジング
と固定ハウジングとの温度差をさらに小さくすることが
でき、上記の効果がさらに顕著になる。
【００２４】
【発明の実施の形態】以下、図１〜図４を参照して、こ
の発明の実施形態について説明する。
【００２５】図１は図６に相当する主軸装置後部の縦断
面図であり、図２および図３は同じ部分の図１と異なる
縦断面を、図４は同じ部分の横断面を示している。図１
〜図４において、図６のものに対応する部分には同一の
符号を付している。
【００２６】この実施形態の場合、移動ハウジング(10)
の前後両端に小径部分が形成され、これらの間の大径部
分の外周面が摺動面(10s) となっている。そして、この
摺動面(10s) に対向する固定ハウジング(7) の後部ハウ
ジング部材(7c)の内周面が摺動面(7s)となっている。移
動ハウジング(10)の両端の小径部分の外周に、ハウジン
グ部材(7c)との間を密閉するシール(20)(21)が設けられ
ている。ハウジング部材(7c)と移動ハウジング(10)の摺
動面(7s)(10s) の間の隙間の大きさは、これが最小にな
る温度差が最大の状態においても移動ハウジング(10)の
動きが円滑であるという範囲内で、できるだけ小さくな
るように設定されている。
【００２７】ハウジング部材(7c)の摺動面(7s)に、３つ
の油流入空間(22)と同数の油流出空間(23)が円周方向に
等間隔をおいてかつ交互に設けられ、隣接する油流入空
間(22)と油流出空間(23)が摺動面(7s)(10s) の間の微小
隙間(a) により連通されている。各空間(22)(23)は、固
定ハウジング(7) の摺動面(7s)の移動ハウジング(10)の
摺動面(10s) より少し短い部分に浅い凹所を形成するこ
とにより形成されている。油流入空間(22)はハウジング
部材(7c)に設けられた油入口(24)に、油流出空間(23)は
ハウジング部材(7c)に設けられた油出口(25)に、それぞ
れ適宜な手段により連通されている。油入口(24)および
油出口(25)は、油タンク、ポンプなどを備えた油循環装
置(26)に接続されており、これにより、油入口(24)、油
流入空間(22)、隙間(a) 、油流出空間(23)および油出口
(25)を通して油が循環させられるようになっている。こ
の油循環回路の適当箇所、たとえば油循環装置(26)内
に、油の温度を適切な値に制御する手段としての温度制
御装置(27)が設けられている。
【００２８】主軸装置の後部における他の部分の構成
は、図６のものと同様である。また、主軸装置全体の構
成は、たとえば図５のものと同様にすることができる。
【００２９】上記の主軸装置において、主軸(1) に熱変
形が生じても、固定ハウジング(7)の後部ハウジング部
材(7c)に対して移動ハウジング(10)が軸方向に摺動する
ことにより、軸受(6) の予圧の変化が防止される。たと
えば、主軸(1) の熱変形が大きくなってその後部が後側
に移動すると、これに伴って軸受内輪(6a)も後側に移動
し、軸受(6) の予圧が減少する。すると、軸受外輪(6b)
に働いている予圧の分力とばね(13)の力とのつりあいが
くずれ、移動ハウジング(10)および軸受外輪(6b)がばね
(13)に押されて後側に移動し、両方の力がつりあう位置
で停止する。逆に、主軸(1) の熱変形が小さくなってそ
の後部が前側に移動すると、これに伴って軸受内輪(6a)
も前側に移動し、軸受(6) の予圧が増加する。すると、
軸受外輪(6b)に働いている予圧の分力とばね(13)の力と
のつりあいがくずれ、移動ハウジング(10)および軸受外
輪(6b)がばね(13)を圧縮させて前側に移動し、両方の力
がつりあう位置で停止する。
【００３０】また、温度制御装置(27)により温度制御さ
れた油が、移動ハウジング(10)とハウジング部材(7c)の
摺動面(7s)(10s) の間を通して循環させられ、この油に
より移動ハウジング(10)が冷却されるため、両者の温度
差が小さくなり、その結果、温度変化による温度差の変
化およびそれによる隙間(a) の変化も小さくなる。そし
て、油の循環回路中、隙間(a) における流路抵抗が大き
いため、油流入空間(22)内の油の圧力が高くなり、この
圧力により、移動ハウジング(10)がハウジング部材(7c)
のほぼ中心に保持され、これらの間の金属接触がなくな
る。何らかの原因で移動ハウジング(10)が中心位置から
径方向に偏心すると、偏心方向側とその反対側とで隙間
(a) の大きさが変わる。偏心方向の反対側では、隙間
(a) が大きくなり、これにより油流入空間(22)から油流
出空間(23)に油が流れやすくなるため、油流入空間(22)
内の油の圧力が小さくなる。逆に、偏心方向側では、隙
間(a) が小さくなり、これにより油流入空間(22)から油
流出空間(23)に油が流れにくくなるため、油流入空間(2
2)内の油の圧力が大きくなる。このため、移動ハウジン
グ(10)は、油により偏心方向と反対方向の力を受け、中
心位置に戻される。このように、油流入空間(22)内の油
の圧力によって確実に移動ハウジング(10)を中心位置に
保持することができるため、温度差が小さい状態におい
て、隙間(a) が大きくなっても、主軸(1) の支持剛性が
高く、主軸(1) の振動が防止される。このため、主軸
(1) の温度変化にかかわらず、常に、移動ハウジング(1
0)の動きが円滑であり、主軸(1) が温度上昇により軸方
向に熱変形しても、これに追随して移動ハウジング(1)
が移動することにより、これが吸収され、軸受(6) の予
圧を適切な値に保つことができる。
【００３１】油流入空間(22)および油流出空間(23)の数
は、３つに限らず、４つ以上であってもよい。上記実施
形態では、固定ハウジング(7) 側に油流入空間(22)と油
流出空間(23)が設けられているが、これらは、移動ハウ
ジング(10)側に設けられてもよいし、両側に跨がるよう
に設けられてもよい。
【００３２】主軸装置の全体構成は任意であり、また、
移動ハウジング(10)および固定ハウジング(7) の構成、
移動ハウジング(10)を付勢するための構成、主軸(1) お
よび移動ハウジング(10)に対する軸受(6) の取付構造、
固定ハウジング(7) と移動ハウジング(10)の間に油を循
環させて移動ハウジング(10)を支持するための構成など
も、上記実施形態のものに限らず、適宜変更可能であ
る。さらに、上記実施形態では、主軸(1) と移動ハウジ
ング(10)との間に１個の軸受(6) が取付けられている
が、これらの間に２個の軸受が取付けられることもあ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、この発明の実施形態を示す主軸装置後
部の縦断面図である。
【図２】図２は、図１と同じ部分の他の縦断面を示す縦
断面図である。
【図３】図３は、図１と同じ部分の他の縦断面を示す縦
断面図である。
【図４】図４は、図１の部分の横断面図である。
【図５】図５は、従来例を示す主軸装置の縦断面図であ
る。
【図６】図６は、図５の後部を拡大して示す縦断面図で
ある。
【図７】図７は、他の従来例を示す図６相当の図面であ
る。
【符号の説明】
(1) 主軸 (2)(3)(4)(5)(6) 転がり軸受 (6a) 内輪 (6b) 外輪 (7) 固定ハウジング (7s) 摺動面 (10) 移動ハウジング (10s) 摺動面 (13) ばね (22) 油流入空間 (23) 油流出空間 (24) 油入口 (25) 油出口 (26) 油循環装置 (27) 温度制御装置 (a) 隙間

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】主軸の前後複数箇所に固定ハウジングに対
    して主軸を回転支持するための転がり軸受の内輪が固定
    され、一部の転がり軸受の外輪が固定ハウジングの内周
    に軸方向摺動可能に取付けられた移動ハウジングに固定
    され、固定ハウジングに対して移動ハウジングを一定方
    向に付勢することにより転がり軸受に予圧が付与されて
    いる工作機械の主軸装置において、 移動ハウジングの外周の摺動面とこれに面する固定ハウ
    ジングの内周の摺動面との間の隙間を通して油が循環さ
    せられ、油の圧力により移動ハウジングが固定ハウジン
    グの中心に保持されるようになされていることを特徴と
    する工作機械の主軸装置。
  2. 【請求項２】移動ハウジングの外周と固定ハウジングの
    内周の間に、油入口に連通する３つ以上の油流入空間
    と、油出口に連通する同数の油流出空間とが、円周方向
    に等間隔をおいてかつ交互に設けられ、隣接する油流入
    空間と油流出空間とが移動ハウジングと固定ハウジング
    の摺動面の間の隙間により連通させられていることを特
    徴とする請求項１の工作機械の主軸装置。
  3. 【請求項３】油の循環回路に、油の温度を制御する手段
    が設けられていることを特徴とする請求項１または２の
    工作機械の主軸装置。
JP3010097A 1997-02-14 1997-02-14 工作機械の主軸装置 Withdrawn JPH10225802A (ja)

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