JPH1163385A - 回転軸軸受潤滑方法及びこの方法を用いた回転軸の温度制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、回転軸軸受潤滑に必要としない余
分の潤滑油を圧力調整弁から排出すると軸受潤滑油供給
装置のオイルポンプ，駆動モータが余分のエネルギーを
発生させることになり、潤滑油の温度が上昇するという
問題を解決し、この余分のエネルギーを発生しない軸受
潤滑方法を提供する。 【解決手段】 予め実験により回転軸回転数に対応する
軸受ユニットの上昇温度，潤滑油流量の関係を求め運転
状態に見合った最適潤滑油流量を把握してこの値にもと
づきオイルポンプの回転数を制御して上記油量を吐出さ
せる。この吐出流量で軸受ユニットを潤滑する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は産業機械、特に高精
度が要求される工作機械、例えば研削盤，旋盤，マシニ
ングセンタ等の主軸に類する回転軸軸受の潤滑方法及び
この方法を用いた回転軸の温度制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】工作機械に使用する主軸軸受は主軸の回
転数の上昇に伴って温度が上昇し、この温度上昇がその
主軸の最高回転数を制限する原因にもなる。同時に主軸
又は主軸台等に熱変位が発生して加工精度に影響するた
め、如何にして軸受温度の上昇を抑えるかが各製造技術
者の頭を使うところである。従来一般に行われている軸
受への潤滑油供給装置を図１にもとづいて説明する。主
軸ユニット１は例えば先端に工具を取り付けた主軸２が
軸受〔流体軸受（動圧軸受等）または転がり軸受〕で軸
承されており、軸の後部からベルト駆動またはモータ３
との直結により駆動される。潤滑油供給装置のオイルポ
ンプ５はフイルタ６を介してオイルタンク７に接続され
ている。オイルポンプ５は駆動モータ８の回転によって
一定量の油を吐出するものである。吐出された潤滑油は
油量調整弁９，圧力制御弁１０を介して供給流路１１よ
り軸受ユニット１の軸受に供給され、軸受を潤滑したあ
と排出流路１２からオイルタンク７へ戻される。流量調
整弁９は通常軸受の必要とする適当な流量に調整されて
おり、軸受に供給されない余分の油は圧力制御弁１０の
排出路１１よりオイルタンク７に戻される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】一般にオイルポンプ５
および駆動モータ８は余裕を持った容量で設計使用され
ているので、潤滑に必要としない余分の流量は必然的に
圧力制御弁１０の排出路１１から排出されタンク７内の
油の温度を一層上昇させる。この排出される流量の分だ
けオイルポンプ５および駆動モータ８は余分のエネルギ
ーを発生していることになる。このエネルギーは取りも
直さず潤滑油供給装置自体の温度上昇となり潤滑油の温
度へ添加され温度上昇につながる。軸受ユニット内で主
軸の回転に伴う発熱による軸受自体の温度上昇に加え
て、余分のエネルギーにより既に温度が上昇している潤
滑油の温度が加算され総合的な軸受ユニットの温度上昇
となりそれだけ主軸ユニットの運転可能回転数の上限に
近づき、すなわち運転不能限度に近くなり、さらに機械
の熱変位を増大するという問題があった。

【０００４】また軸受ユニットの軸受に必要とする潤滑
油量を流量調整弁で調整するとしても適格でない場合が
多く、従来の観念から一般には多い目に調整されてお
り、軸受ユニット内の攪拌による乱流を生じる結果、か
えって温度上昇が起こっているという問題があることが
判明した。本発明は従来の技術の有するこのような問題
点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、軸
受ユニット内での潤滑油の攪拌、及び潤滑油供給装置か
ら発生する余分のエネルギーにもとづく余分の温度上昇
を伴った潤滑油を、軸受ユニットに供給する構成を止め
て、温度上昇を最低に抑えることのできる回転軸軸受潤
滑方法並びにこの方法を用いた回転軸の温度制御方法を
提供しようとするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明はこの問題を解決
するために、回転軸の軸受に潤滑用油を供給するオイル
ポンプに回転数に対応した吐出量が得られる形式を用
い、予め回転軸の回転数をパラメータとする軸受温度上
昇と供給する潤滑油流量との関係を求めて回転数に対す
る最低温度上昇時の最適潤滑油流量を把握しておき運転
する回転軸の回転数に対応した最適潤滑油流量を吐出す
るようにオイルポンプの回転数を制御して軸受を最適潤
滑油流量で潤滑してなり、軸受ユニット内での潤滑油の
乱流を抑制するとともに、潤滑に利用しない余分の油を
オイルポンプが吐出しないようにして潤滑油供給装置か
らの余分のエネルギーの発生を無くするものである。回
転軸の回転数に見合った最適な潤滑油流量をオイルポン
プが吐出するようにして軸受を潤滑させる。このため軸
受ユニット内で潤滑油の攪拌による乱流が生ぜず、また
オイルポンプ，駆動モータから余分のエネルギーが発生
せず潤滑油供給装置自体の温度上昇が最低となり、軸受
の温度上昇に転嫁される度合いが最少となる。また軸受
も運転条件に見合った必要な潤滑油流量が供給されるの
で軸受の温度上昇も最少となる。

【０００６】また回転軸の軸受に潤滑油を供給するオイ
ルポンプに回転数に対応した吐出量が得られる形式を用
い、予め回転軸の回転数をパラメータとする軸受温度上
昇と供給する潤滑油流量との関係を求めて色々な回転数
に対する最低温度上昇時の最適潤滑油流量を把握してお
き、色々な回転数に対する最低温度上昇の点を結ぶ温度
特性カーブを求めて、該温度特性カーブを利用して広い
回転数範囲に対応して、それぞれの回転数に最適の潤滑
油流量を供給し、何れの回転数においても最低温度上昇
で運転できるものである。広い範囲運転できるとともに
最高速度で運転できる限度を求めることができる。

【０００７】また回転軸の軸受に潤滑用油を供給するオ
イルポンプに回転数に対応した吐出量が得られる形式を
用い、予め回転軸の回転数をパラメータとする軸受温度
上昇と供給する潤滑油流量との関係を求めて回転数に対
する最低温度上昇時の最適潤滑油流量を把握しておき、
回転軸起動時に潤滑油流量を前記最適潤滑油流量よりは
るかに大量に供給して軸受の温度上昇の立ち上がりを急
速に行い、飽和点以上に達したとき潤滑油供給流量を減
らし暫くしてから最適潤滑油流量に切り換えることによ
り、回転軸の軸受温度が飽和点へ到達する時間を短縮す
るものである。最適潤滑油流量より大量の潤滑油を供給
するので軸受の焼付の恐れはなく安全運転が可能で回転
軸の温度の飽和点への時間が短縮できる。

【０００８】

【発明の実施の形態】発明者は回転軸の動圧軸受を採用
した主軸ユニットの軸受の温度上昇と潤滑油流量の関係
を長年にわたって研究しその結果一つの新しい事実を見
出した。即ち従来軸受の温度上昇は潤滑油流量を多くす
るほど抑制できるというのが一般的な常識となってい
た。ところが実験を重ねるうち、潤滑油流量が多ければ
多い方が良いということに疑問が生じた。軸受の構成，
負荷の状況等の種々の条件を考慮して製造された回転軸
はそれぞれに軸受が必要とする潤滑油流量が決められる
ものであり軸受温度上昇を少なくする最適流量が存在す
るとこが判明した。

【０００９】その一つ目には今まで軸受が潤滑に必要と
しない余分の油はタンクに戻していたことが潤滑油温度
の上昇に悪影響を及ぼしていることが明らかとなった。
その二つ目には軸受ユニットの軸受に必要とする潤滑油
量を流量調整弁で調整するとしても適格でない場合が多
く、従来の観念から一般には焼付の防止上多い目に調整
されており、軸受ユニット内での余分の潤滑油の攪拌に
よる乱流を生じる結果、かえって温度上昇が起こってい
ることが明らかとなった。

【００１０】図２は実験結果の一例を示す図表である。
このときの実験条件は、軸受型式；動圧軸受，軸径φ５
５ｍｍ、潤滑油；エッソスタンダード，ベロシティ＃
３、室温；２２℃。

【００１１】図表は回転軸の回転数をパラメータとした
潤滑油流量と軸受ユニットの温度上昇との関係を示すも
のである。回転軸回転数が２０００ｒｐｍの場合におい
て、潤滑油の供給量の増加に対してＦ１点の潤滑油流量
約１２００ｃｃ／ｍｉｎ迄は温度上昇の値は順調に低下
しているが、１２００ｃｃ／ｍｉｎを越える付近から温
度上昇の値は再び上昇に転じている。これは軸受ユニッ
ト内での余分の潤滑油による攪拌による乱流現象によ
る。即ち温度上昇が最低となる流量が存在することを示
している。回転軸回転数が４０００ｒｐｍの場合は温度
上昇最低の流量は約１８００ｃｃ／ｍｉｎ近傍のＦ２点
である。回転軸回転数が６５００ｒｐｍの場合の温度上
昇最低の流量は２３００ｃｃ／ｍｉｎ近傍のＦ３点であ
る。なお、このＦ１，Ｆ２，Ｆ３点は軸受の構造，負荷
等によって変動するものである。したがってこの実験デ
ータは実際の軸受ユニットにおいて求めるべきものであ
る。

【００１２】

【実施例】上記の実験結果にもとづき本発明に使用する
軸受潤滑装置を示す図３にもとづき説明する。図１と同
じ部品は同符号を付して説明を省略する。オイルポンプ
５は吐出量が回転数によって変更できる市販されている
ものを用い、その駆動モータ８を制御手段２０で制御す
るものである。従って従来技術において必要であった流
量調整弁９，圧力調整弁１０は不要となる。

【００１３】ここに使用する制御手段２０について電気
的制御の第１の場合を図４について説明する。駆動モー
タ８は通常の汎用モータが使用でき、このモータ８の入
力電源の周波数を変える市販の通常のインバータ２１を
用いることができる。インバータにより駆動モータ８の
回転数を、必要とする吐出量となるようにオイルポンプ
５の回転数に合わせる。

【００１４】電気的制御の第２の場合を図５について説
明する。駆動モータ８は直流モータ２２を使用し交流電
源を整流器により直流電源としてその電圧を変更する電
圧変換器２３を用いる。直流電圧を変更して駆動モータ
８の回転数を必要とする吐出量となるようにオイルポン
プ５の回転数に合わせる。

【００１５】電気的制御の第３の場合を図６について説
明する。市販されているオイルポンプはリニアモータ式
オイルポンプ或いはパイブレータ式オイルポンプ２５を
用いる。このポンプの回転数制御に周波数変換器２６が
組み合わされる。周波数変換器２６の周波数を変更して
駆動モータ８の回転を必要とする吐出量となるようにオ
イルポンプ２５の回転数に合わせる。

【００１６】機械的制御の場合を図７について説明す
る。駆動モータ８の出力軸に市販されている変速装置２
７を接続し、この出力軸をオイルホンプ５と連結するも
のである。そして必要とする吐出量が得られるようにオ
イルポンプの回転数に変速装置を調整する。

【００１７】このような構成における本発明の作用を説
明する。使用条件に対応して回転軸軸受ユニット１が決
まると必然的に回転数が決まる。一般的に、この回転数
はその用途により固定回転数の場合とある程度の範囲を
持つ場合とがある。今駆動モータ８の制御手段２０に図
４の構成を用いるものとする。回転軸回転数をパラメー
タとした。回転軸受ユニット１の温度上昇と潤滑油流量
との関係を、予め実験して求めた図２から最低温度上昇
に見合う最適潤滑油流量を確認する。オイルポンプの吐
出量と回転数との関係を示す特性表により、上記最適潤
滑油流量が吐出される回転数を選択する。インバータ２
１の周波数を選択して駆動モータ８の回転数をオイルポ
ンプ回転数に合わせる。予め測定したオイルポンプの回
転数と吐出量との関係から駆動モータの回転数を個々に
設定する。

【００１８】例えば回転軸の回転数４０００ｒｐｍが決
定されたとすると、最適潤滑油流量は１８００ｃｃ／ｍ
ｉｎと図２より求める。又は図２におけるＦ１，Ｆ２
点，Ｆ３点から、個々の回転数に対する最低温度上昇の
点を結ぶ温度カーブＨ線を図８のように得ることができ
る。図８のＧ線は図２のＦ１点の流量で２０００，４０
００，６５００ｒｐｍで運転した時の流量、すなわちＦ
１点と交差する垂直な線に交わる点の温度上昇の値をフ
ロットしたものであるから、４０００，６５００ｒｐｍ
ではＨ線より高い温度上昇となる。この各回転数におけ
るＧ線とＨ線との温度上昇の差は本方式により普通の運
転方式より低い温度で運転できることを意味している。

【００１９】潤滑油供給装置の電源を入れるとインバー
タ２１が選択した回転数で駆動モータ８を駆動する。こ
れによりオイルポンプ５は選択した吐出量１８００ｃｃ
／ｍｉｎの潤滑油を送り出し、供給流路１１より主軸軸
受ユニット１に供給される。潤滑油供給は適量であるの
で軸受ユニット内での攪拌による乱流はなく、主軸軸受
ユニット１を潤滑した潤滑油は排出流路１２よりオイル
タンク７に戻される。循環された油は軸受を潤滑すると
ともに発熱した熱をうばって昇温した油となってオイル
タンク７に戻される。しかし潤滑油供給装置では余分の
エネルギーが発生していないのでタンク内の油は軸受ユ
ニットからうばった熱による昇温より更なる温度上昇は
なく、主軸軸受ユニットの温度上昇は小さいものとな
る。なお実施例では動圧軸受を例としたが転がり軸受に
適用できることは勿論である。

【００２０】広い回転数範囲を持つ、および高速な回転
軸を必要とする場合に、軸受に潤滑油を供給するオイル
ポンプに回転数を対応した吐出量が得られる形式を用
い、予め回転軸の回転数をパラメータとする軸受温度上
昇と供給する潤滑油流量との関係を求めて色々な回転数
に対する最低温度上昇時の最適潤滑油流量を把握してお
き、色々な回転数に対する最低温度上昇の点を結ぶ温度
特性カーブを得ることができる。従来は、同じ潤滑油流
量で広い回転数範囲の運転を行う場合はその範囲の最高
回転数を満足させる潤滑油流量で低い回転数も運転する
ことになり、低い回転数においては、本来は低い回転数
のみで運転する場合に比べて高い温度上昇で運転される
結果となる。本案は、広い回転数範囲に対して、上記の
温度特性カーブを利用してそれぞれの回転数に最適の潤
滑油流量を供給するので、何れの回転数においても最低
温度上昇で運転できる回転軸の潤滑油供給の制御方法。
この方式は回転軸を広い回転範囲で運転するのに効果を
発揮する。また高速回転の上限を高めることも可能とな
る。

【００２１】さらに本発明で述べた回転軸潤滑方法を軸
受ユニットの温度の安定領域（飽和点）に早く到達させ
たい場合に応用することができる。潤滑油流量を少なく
しておけば温度上昇の立ち上がりが早くなるが、この場
合は軸受の焼付が起こる可能性が大きく、危険にさらさ
れる運転は避けなければならない。本発明では安全状態
において運転できる方法である。回転軸の回転による温
度上昇と経過時間との関係が図９のＤ線に示す状態であ
る場合、そのときの回転軸回転数における温度上昇に対
する最適潤滑油流量以上のはるかに大量の流量を軸受ユ
ニット１に供給して、軸受ユニットの発熱を促進して温
度上昇の立ち上がりを急速に行い、軸受ユニット１の温
度をＥ線のＥ１点まで上げ、Ｅ１点に達したら潤滑油の
供給を減らして、暫くしてから最終的にその回転数の最
適潤滑油流量に切り換えることにより、温度の安定領域
に達する時間をほぼ半減させるということができる。

【００２２】起動停止の頻度の高い回転軸の場合、上記
と同様の方法でやはり起動時のみ潤滑油供給量を最適潤
滑油流量より増やしてから最適潤滑油流量に戻すことに
より回転軸の温度上昇が高くなるのを防ぎ且つ回転軸の
損耗を少なくすることができる。これによって機械の稼
働効率を上げるとともに、主軸の運転領域即ち温度上昇
の範囲をある程度広く制御することが可能である。さら
にまた回転軸回転数が広い範囲でその回転数に対応する
最適潤滑油流量を図８より求めて回転数の変化に対応し
てオイルポンプの回転数を順次手動又は自動で切り換え
て行くことにより広範囲に対応することができる。

【００２３】

【発明の効果】請求項１の本発明は予め実験で求めてお
いた主軸回転数に対応した最適な潤滑油流量をオイルポ
ンプが吐出するようにオイルポンプを制御するようにし
必要以上の潤滑油の供給をなくしたので、オイルポン
プ，駆動モータを含む潤滑油供給装置が余分のエネルギ
ーを発生することがなくなり、軸受で発生する熱による
油温の上昇のみに止めることができ、また軸受ユニット
内での攪拌による乱流を防止でき、軸受ユニットの温度
上昇を総合的に最低に抑えることが可能である。このた
め従来より広い回転数領域で低い温度上昇で運転が可能
となり、高速回転域を持つ軸受ユニットが得られる。ま
た特定回転数のみ運転される軸受ユニットを特別な冷却
装置を付加することなく最低の温度上昇とすることが可
能である。さらに節電にも寄与する。請求項２の本発明
は広い回転数範囲において温度の上昇を最低で運転する
ことができる。請求項３の本発明は回転軸温度の安定領
域に早く到達でき運転効率が上がる。そして温度上昇を
最低点から広い範囲にわたって制御できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の軸受の潤滑油供給装置を示す説明図であ
る。

【図２】回転回転数をパラメータとし軸受温度上昇と潤
滑油量との関係を示す図表である。

【図３】本発明の軸受の潤滑油供給装置を示す説明図で
ある。

【図４】オイルポンプ駆動モータの第１の電気的制御を
示す説明図である。

【図５】オイルポンプ駆動モータの第２の電気的制御を
示す説明図である。

【図６】オイルポンプ駆動モータの第３の電気的制御を
示す説明図である。

【図７】オイルポンプ駆動モータの機械的制御を示す説
明図である。

【図８】最適潤滑油流量に対する主軸温度上昇と回転数
との関係を示す図表である。

【図９】軸受ユニットの温度上昇と経過時間との関係を
示す図表である。

【符号の説明】

１ 主軸軸受ユニット ２ 主軸 ３ 駆動モータ ５ オイルポンプ ８ 駆動モータ ２０ モータ回転数の制御装置 ２１ インバータ ２２ 直流モータ ２３ 直流電圧変換器 ２５ リニアモータ式オイルポンプ ２６ 周波数変換器 ２７ 変速機

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転軸の軸受に潤滑用油を供給するオイ
   ルポンプに回転数に対応した吐出量が得られる形式を用
   い、予め回転軸の回転数をパラメータとする軸受温度上
   昇と供給する潤滑油流量との関係を求めて回転数に対す
   る最低温度上昇時の最適潤滑油流量を把握しておき運転
   する回転軸の回転数に対応した最適潤滑油流量を吐出す
   るようにオイルポンプの回転数を制御して軸受を最適潤
   滑油流量で潤滑してなり、軸受ユニット内での潤滑油の
   乱流を抑制するとともに、潤滑に利用しない余分の油を
   オイルポンプが吐出しないようにして潤滑油供給装置か
   らの余分のエネルギーの発生を無くすることを特徴とす
   る回転軸軸受潤滑方法。
2. 【請求項２】 回転軸の軸受に潤滑油を供給するオイル
   ポンプに回転数に対応した吐出量が得られる形式を用
   い、予め回転軸の回転数をパラメータとする軸受温度上
   昇と供給する潤滑油流量との関係を求めて色々な回転数
   に対する最低温度上昇時の最適潤滑油流量を把握してお
   き、色々な回転数に対する最低温度上昇の点を結ぶ温度
   特性カーブを求めて、該温度特性カーブを利用して広い
   回転数範囲に対応して、それぞれの回転数に最適の潤滑
   油流量を供給し、何れの回転数においても最低温度上昇
   で運転できることを特徴とする回転軸の温度制御方法。
3. 【請求項３】 回転軸の軸受に潤滑用油を供給するオイ
   ルポンプに回転数に対応した吐出量が得られる形式を用
   い、予め回転軸の回転数をパラメータとする軸受温度上
   昇と供給する潤滑油流量との関係を求めて色々な回転数
   に対する最低温度上昇時の最適潤滑油流量を把握してお
   き、回転軸起動時に潤滑油流量を前記最適潤滑油流量よ
   りはるかに大量に供給して軸受の温度上昇の立ち上がり
   を急速に行い、飽和点以上に達したとき潤滑油供給流量
   を減らし暫くしてから最適潤滑油流量に切り換えること
   により、回転軸の軸受温度が飽和点へ到達する時間を短
   縮することを特徴とする回転軸の温度制御方法。