JPH1096419A - 研削加工用スピンドル装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】砥石を装着したスピンドル主軸が極めて高い回
転数で回転している場合であっても、被加工物の研削点
に対して常に研削油剤を十分に供給し、研削加工におけ
る被加工物の加工精度を高めることが可能な研削加工用
スピンドル装置を提供する。 【解決手段】ホルダー１と、被加工物の研削を行う砥石
４が装着されるスピンドル主軸２と、このスピンドル主
軸２を上記ホルダー１に対して回転自在に支承するラジ
アル動圧軸受と、上記ホルダー１に対するスピンドル主
軸２の軸方向の移動を規制する一対のスラスト動圧軸受
と、上記スピンドル主軸２に対して回転力を与えるター
ビン５と、このタービン５に対して加圧流体を噴射する
タービン駆動用ノズル７とを備えた研削加工用スピンド
ル装置において、上記加圧流体として研削油剤を用いる
と共に、この研削油剤を上記砥石４に対して噴射する研
削用ノズル８を上記タービン駆動用ノズル７から分岐さ
せた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被加工物の研削加工を
行う砥石をスピンドル主軸に装着した研削加工用スピン
ドル装置に係り、詳細には、加圧流体が吹きつけられる
タービンによって上記スピンドル主軸を回転させるスピ
ンドル装置の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、研削盤等の工作機械に用いられる
スピンドル装置では、工具あるいは被加工物が固定され
るスピンドル主軸を転がり軸受で回転自在に支承すると
共に、このスピンドル主軸に対してプーリ及びベルトか
らなる動力伝達系を介してモータの回転動力を伝達する
ものが一般的であった。

【０００３】しかしながら、近年では被加工物に対する
高精密加工の要請から小型で且つ主軸回転数の高いスピ
ンドル装置が必要とされており、ベルトによってモータ
とスピンドル主軸を結合する従来のスピンドル装置で
は、このような小型化及び高速化の要求に十分に応える
ことかできなかった。また、従来のスピンドル装置では
スピンドル主軸の回転数を高速化した場合に、スピンド
ル主軸を支えている転がり軸受に振動あるいは焼きつき
が発生し、スピンドル主軸の回転数を高精密加工に十分
な速度にまで高めることができなかった。

【０００４】そこで、このような小型化及び高速化の要
請に応えるものとして、スピンドル主軸をタービンで回
転駆動すると共に、スピンドル主軸をホルダーに対して
非接触に支承したスピンドル装置が既に提案されている
（特開平８−２１４３５号公報）。具体的には、ホルダ
ーとスピンドル主軸との間でラジアル動圧軸受を構成
し、該スピンドル主軸をホルダーに対して非接触に保持
すると共に、上記ホルダーに対するスピンドル主軸の軸
方向の移動を規制する一対のスラスト動圧軸受を設け、
更に、加圧流体の噴射によって駆動されるタービンを上
記スピンドル主軸に対して装着したものである。

【０００５】そして、かかるスピンドル装置によれば、
スピンドル主軸に備えられたタービンに対して僅かな流
量の加圧流体を吹き込むだけで、該スピンドル主軸に対
して毎分数万回転の極めて高い回転数を与えることがで
き、しかもスピンドル主軸の回転に伴って発生する潤滑
流体の動圧で該スピンドル主軸の回転を支承しているこ
とから、極めてコンパクトに該スピンドル装置を構成す
ることができた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、スピンドル
主軸に装着した砥石を用いて被加工物の表面を削り取る
研削加工においては、砥石と被加工物との研削点におけ
る摩擦を低減し、被加工物の温度上昇や砥石に対する切
り粉の溶着を防止する目的から、かかる研削点に対して
研削油剤を供給しながら該加工を進行するのが一般的で
ある。

【０００７】しかし、前述したタービン駆動のスピンド
ル装置においては、スピンドル主軸の回転数が余りにも
高いことから、砥石の周速も極めて高速となり、かかる
砥石の周速を上回った流速で上記研削油剤を研削点に供
給しなければ、該研削点における研削油剤が不足してし
まうという問題点があった。

【０００８】すなわち、研削点に対して供給される研削
油剤の流速が砥石の周速よりも遅い場合には、砥石と被
加工物との間の摩擦が極めて大きくなり、加工中におけ
る砥石あるいは被加工物にビビリ現象が発生する他、被
加工物の加工面に割れや歪み等の欠陥が発生し、更に、
被加工物の温度上昇に伴う加工精度の低下が発生し易い
といった問題点があった。

【０００９】本発明はこのような問題点に鑑みなされた
ものであり、その目的とするところは、砥石を装着した
スピンドル主軸が極めて高い回転数で回転している場合
であっても、被加工物の研削点に対して常に研削油剤を
十分に供給し、研削加工における被加工物の加工精度を
高めることが可能な研削加工用スピンドル装置を提供す
ることにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の研削加工用スピンドル装置は、ホルダー
と、被加工物の研削を行う砥石が装着されるスピンドル
主軸と、このスピンドル主軸を上記ホルダーに対して回
転自在に支承するラジアル動圧軸受と、上記ホルダーに
対するスピンドル主軸の軸方向の移動を規制する一対の
スラスト動圧軸受と、上記スピンドル主軸に対して回転
力を与えるタービンと、このタービンに対して加圧流体
を噴射するタービン駆動用ノズルとを備えた研削加工用
スピンドル装置を前提とし、上記加圧流体として研削油
剤を用いると共に、この研削油剤を上記砥石に対して噴
射する研削用ノズルを上記タービン駆動用ノズルから分
岐させたことを特徴とするものである。

【００１１】このような技術的手段によれば、上記ター
ビン駆動用ノズルからタービンに対して加圧流体を噴射
すると、かかるタービンによって加圧流体の流体エネル
ギがスピンドル主軸の回転エネルギに変換され、該スピ
ンドル主軸が回転を開始する。これにより、スピンドル
主軸の回転を支承するラジアル動圧軸受及びスラスト動
圧軸受の軸受隙間に潤滑流体の動圧が発生し、スピンド
ル主軸はホルダーに対して非接触な状態で保持される。

【００１２】ここで、上記タービンは加圧流体の噴射を
受けて回転していることから、上記タービン駆動ノズル
から噴射される加圧流体の流速はタービンの周速よりも
極めて速い筈である。このため、タービンの外径とスピ
ンドル主軸に装着された砥石の外径とが極端に相違しな
い限り、上記加圧流体の噴流の流速は砥石の周速よりも
速いということができる。

【００１３】従って、上記加圧流体として研削油剤を用
いると共に上記タービン駆動用ノズルから研削用ノズル
を分岐させた本発明によれば、該研削用ノズルから砥石
に向かって噴射される研削油剤の流速も砥石の周速より
も必ず大きいものとなり、研削油剤の流速に対して特別
な配慮を払わずとも、被加工物の研削点に対して常に十
分な研削油剤を供給することができる。

【００１４】また、本発明において上記ラジアル動圧軸
受及びスラスト動圧軸受の潤滑流体としては空気や水等
のように、上記タービンの加圧流体、すなわち砥石に対
する研削油剤とは異なるものを用いても差し支えない
が、かかる研削油剤を上記潤滑流体として使用すれば、
動圧軸受の軸受隙間から軸受外に排出された潤滑流体を
タービンに噴射された加圧流体と混合して回収すること
ができ、これを加圧流体あるいは潤滑流体として再利用
することもできる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、添付図面に基づいて本発明
の研削加工用スピンドル装置を詳細に説明する。図１は
本発明を適用した研削加工用スピンドル装置の第１実施
例を示すものである。同図において符号１はクイル軸で
あり、該クイル軸１の先端にはスピンドル主軸２を包持
するホルダー３が突設されている。このホルダー３の両
側には一対の研削加工用砥石４，４及びタービン５，５
が夫々配置され、スピンドル主軸に螺合する一対のロッ
クナット６，６によって該スピンドル主軸２に固定され
ている。

【００１６】また、上記クイル軸１には各タービン５と
の対向位置に加圧流体の噴射ノズル（以下、タービン駆
動用ノズル）７，７が夫々設けられており、図示外の高
圧ポンプから供給された加圧流体が各タービン５に向け
て噴射されるようになっている。

【００１７】更に、このスピンドル装置では上記砥石４
に対して研削油剤を供給する噴射ノズル（以下、研削用
ノズル）８，８が上記クイル軸１に設けられ、この研削
用ノズル８は上記タービン駆動用ノズル７から分岐して
形成されている。従って、本実施例において、上記ター
ビン５を駆動するための加圧流体としては砥石４を潤滑
するための研削油剤が共用されている。

【００１８】図２は、上記ホルダー３によるスピンドル
主軸２の保持状態を示す断面図である。上記スピンドル
主軸２にはロータ９が嵌合しており、かかるロータ９は
砥石ホルダ１０，１０及びタービン５，５に両側から挟
まれるようにしてスピンドル主軸２に固定されている。
また、上記ホルダー３の内径にはステータ１１が焼き嵌
めされており、かかるステータ１１の内径と上記ロータ
９の外径とが１０μｍの軸受隙間を保持してラジアル動
圧軸受を構成する一方、該ステータ１１の両端面とこれ
に対向する砥石ホルダ１０の端面とがやはり１０μｍの
軸受隙間を保持して一対のスラスト動圧軸受を構成して
いる

【００１９】上記ラジアル動圧軸受においては、図３に
示すように、ロータ９の外周面にヘリングボーン状の動
圧発生用溝（以下、ヘリングボーン溝）１２が形成され
ており、かかるヘリングボーン溝１２はロータ９の矢線
方向への回転に伴い、ロータ９とステータ１１の軸受隙
間に存在する潤滑流体をロータ９の両端方向へ排出する
所謂ポンプアウト型をなしている。

【００２０】また、上記スラスト動圧軸受においては、
図４に示すように、ステータ１１の両端面にスパイラル
状の動圧発生用溝（以下、スパイラル溝）１３が形成さ
れており、かかるスパイラル溝１３は砥石ホルダ１０の
回転に伴い、該砥石ホルダ１０とステータ１１の軸受隙
間に存在する潤滑流体をステータ１１の外径方向へ排出
する所謂ポンプアウト型をなしている。尚、図４中の矢
線は砥石ホルダ１０に対するステータ１１の相対的な回
転方向を示している。

【００２１】上記ロータ９及びステータ１１にはアルミ
ナ焼結体のセラミクス材を用い、上記ヘーリングボーン
溝１２及びスパイラル溝１３の加工は夫々の加工面に樹
脂製マスクを貼り付け、Ａｌ₂Ｏ₃砥粒を用いたショット
ブラストにより行った。また、この実施例において、上
記ヘーリングボーン溝１２及びスパイラル溝１３の深さ
は１８μｍとした。

【００２２】更に、上記ステータ１１及びホルダー３の
軸方向の中央には、上記ラジアル動圧軸受及びスラスト
動圧軸受の軸受隙間に潤滑流体を供給するための供給穴
１４が開設されている。従って、この実施例ではスピン
ドル主軸２が回転を開始すると、上記ラジアル動圧軸受
ではポンプアウト型のヘリングボーン溝１２の作用によ
って、潤滑流体が上記供給穴１４からラジアル動圧軸受
の軸受隙間に吸引され、スラスト動圧軸受の軸受隙間を
介してスピンドル装置の外部へと排出される。上記潤滑
流体の流量はスピンドル主軸２の回転数によっても異な
るが、本実施例では毎分４万回転で２０ｃｃ／ｍｉｎ程
度であった。また、潤滑流体は常に供給穴１４から吸引
されて、スラスト動圧軸受から排出されるので、各軸受
隙間に対する外部からの汚れ因子の侵入は全く見られな
かった。

【００２３】また、この実施例では上記潤滑流体として
前述の研削油剤を用い、図示外の供給パイプによって上
記供給穴１４に送油するようにした。これにより、本実
施例では各動圧軸受の潤滑流体及びタービン駆動用の加
圧流体として砥石４の研削油剤を共用することになるの
で、スラスト動圧軸受の軸受隙間から排出された潤滑流
体、タービン５に噴射された加圧流体及び砥石４に噴射
された研削油剤を回収時に区別する必要がなく、これを
即座に再使用に供することができる。

【００２４】以上のように構成された本実施例の研削加
工用スピンドル装置において、加圧流体がタービン駆動
用ノズル７からタービン５に噴きつけられてスピンドル
主軸２及びこれに固定されたロータ９、砥石４が回転す
ると、上記ラジアル動圧軸受及びスラスト動圧軸受の軸
受隙間に潤滑流体の動圧が発生し、スピンドル主軸２は
非接触でその回転を支承される。これにより、スビンド
ル主軸２は非常に軽い回転抵抗を伴いながら高速で回転
し、かかるスピンドル主軸２に固定された砥石４によっ
て被加工物の研削加工を行うことができる。

【００２５】このとき、砥石４に対して研削油剤を噴射
する研削用ノズル８はタービン駆動用ノズル７から分岐
しているため、かかる研削油剤は砥石４が回転を開始す
ると同時にその噴射が開始され、該砥石４と被加工物と
が接触する研削点に供給される。

【００２６】以下の表１は、高圧ポンプによって加圧さ
れた研削油剤（加圧流体）の圧力と研削用ノズル８から
噴出した研削油剤の流速との関係、並びに、その時の砥
石４の周速及びスピンドル主軸２の回転数を示すもので
ある。本実施例では高圧ポンプによって加圧された研削
油剤をタービン駆動用ノズル７及び研削用ノズル８の双
方から噴出させているので、表１に示されるように、研
削用ノズル８から噴出される研削油剤の噴流速度は概ね
砥石４の周速の約２倍を呈している。

【００２７】

【表１】

【００２８】一方、図５はタービン駆動用ノズル７と研
削用ノズル８とを別々の高圧ポンプに接続し、上記ター
ビン駆動用ノズル７から噴射される加圧流体の流速を変
化させながら砥石４に対して任意の周速を与える一方、
研削用ノズル８から噴射される研削油剤の流速をこれと
は無関係に変化させ、両者の組み合わせにおける被加工
物の研削加工面の状態を観察した結果を示すグラフであ
る。

【００２９】このグラフから明らかなように、砥石４の
周速に対する研削油剤の噴出速度が小さいと、被加工物
の研削加工面に欠陥が発生し易い一方、砥石４の周速に
対する研削油剤の噴出速度が略同等又はそれ以上であれ
ば、研削加工面に欠陥が発生することはなかった。従っ
て、この実験結果からすれば、砥石４に対する研削油剤
の噴出速度が常に砥石４の周速よりも大きければ、割れ
や歪み等の欠陥を発生させることなく、被加工物に対し
て研削加工を行い得ることが判明した。

【００３０】この点に関し、本実施例の研削加工用スピ
ンドル装置では、砥石４に対して研削油剤を噴出する研
削用ノズル８はタービン駆動用ノズル７から分岐したも
のであり、研削用ノズル８から噴出する研削油剤の流速
はタービン駆動用ノズル７から噴出する加圧流体（研削
油剤）の流速と略同等である。このため、タービン５の
周速がこれを駆動する加圧流体の噴出速度よりも遅いこ
とに鑑みれば、該タービン５と共に回転する砥石４の周
速もこれに対する研削油剤の噴出速度よりも遅い筈であ
る。

【００３１】従って、本実施例では砥石４に対する研削
油剤の噴出速度が必ず該砥石４の周速よりも大きくなる
のであって、被加工物に対して研削加工を施した際に、
その加工面に加工欠陥が生じるのを確実に防止できるも
のである。

【００３２】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明の研削
加工用スピンドル装置によれば、スピンドル主軸に固定
されたタービンの駆動流体として研削油剤を用いると共
に、タービンに対して噴射される研削油剤の一部を砥石
に対して噴射しているので、砥石に対する研削油剤の噴
出速度を常に砥石の周速よりも大きく保つことができ、
被加工物の研削点に対して常に十分な研削油剤が供給さ
れることから、被加工物の研削面に加工欠陥が発生する
のを可及的に防止することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の研削加工用スピンドル装置の実施例
を示す概略図である。

【図２】 実施例に係るスピンドル装置の内部構造を示
す断面図である。

【図３】 実施例に係るロータの外周面に形成されたヘ
リングボーン溝を示す斜視図である。

【図４】 実施例に係るステータの端面に形成されたス
パイラル溝を示す側面図である。

【図５】 砥石の周速と該砥石に対する研削油剤の噴出
速度との組み合わせが被加工物の研削加工面に及ぼす影
響を示すグラフである。

【符号の説明】

１…ホルダー、２…スピンドル主軸、４…砥石、５…タ
ービン、７…タービン駆動用ノズル、８…研削用ノズル

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ホルダーと、被加工物の研削を行う砥石
   が装着されるスピンドル主軸と、このスピンドル主軸を
   上記ホルダーに対して回転自在に支承するラジアル動圧
   軸受と、上記ホルダーに対するスピンドル主軸の軸方向
   の移動を規制する一対のスラスト動圧軸受と、上記スピ
   ンドル主軸に対して回転力を与えるタービンと、このタ
   ービンに対して加圧流体を噴射するタービン駆動用ノズ
   ルとを備えた研削加工用スピンドル装置において、 上記加圧流体として研削油剤を用いると共に、この研削
   油剤を上記砥石に対して噴射する研削用ノズルを上記タ
   ービン駆動用ノズルから分岐させたことを特徴とする研
   削加工用スピンドル装置。
2. 【請求項２】 上記ラジアル動圧軸受及びスラスト動圧
   軸受の潤滑流体と上記加圧流体とが同一の流体であるこ
   とを特徴とする請求項１記載の研削加工用スピンドル装
   置。