JPS6368301A - スピンドルの軸受構造 - 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、軽荷重時には高速性を、又重荷ｍ時には高剛
性を必要とするスピンドルの軸受構造に関するものであ
る。

［従来の技術］ 近年、工作機械の主軸のみならず全ゆる分野で、軽荷重
高速・重荷重高剛性を必要とするスピンドルの性能向上
が要求されている。しかし、スピンドルの性能向上は軸
受の性能の制限によって高速回転に限界がある。

すなわち、ころがり軸受の場合、潤滑方法や冷却方法に
よって多少の差はあるが、現状ではグリース潤滑の場合
、Ｄｍ−Ｎ値て最大８０万ＲＰＭまで、オイルエア潤滑
の場合、同じく最大１５０万ＲＰ　Ｍまで、オイルジェ
ット潤滑の場合、同じく最大２００″Ｊ′ｉＲＰＭまで
である。たたし、Ｄｍはころがり軌道径で（内径＋外径
）　×４　ｍｌｌｌ％Ｎは回転数ＲＰＭである。

又すベリ軸受は発熱、摩耗の関係から高速回転には向か
す、空気軸受は軸受設計値によってかなり高速（Ｄｍ−
Ｎ値で２００万以」二）まで使用可能であるが、高速に
するため軸受隙間を大きく取る必要があり、剛性は低下
してしまううえ、本来空気軸受自体他の軸受構造よりも
剛性は大きく劣っている。換言すれば、スピンドルの高
速化と高剛性化は相反する要請であり、未だに高速且つ
高剛性のスピンドルで実現、実用化されているものは少
ない。

一方、高速・高剛性のスピンドルの実現、実用化のため
にハイブリッド軸受を使用したスピンドルが提案されて
おり、斯かるスピンドルとしては、通産省レーザ応用複
合生産システムで行った油静圧と空気静圧から成るハイ
ブリッド軸受を使用したもの、或いは特公昭５８−３７
０８１号公報に示すように玉軸受と空気軸受から成るハ
イブリッド軸受を使用したものがある。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、上述のスピンドルでは、前者にあっては
ハイブリッド軸受の発熱、シール方法等に問題があって
未だ研究室レベルの段階にあり、又後者にあっては、玉
軸受の内周側又は外周側に空気軸受を設ける直列構造と
しているために、空気軸受を使用せずに玉軸受を使用す
る、高剛性の必要な低速重切削加工時に、空気軸受の軸
受隙間がガタとなり、従って種々の不具合が発生し未だ
実用化されてはいない。

更にハイブリッド軸受に分離形軸受を使用した場合、内
輪若しくは外輪の軸線方向への移動を検知する手段がな
いと、内外輪が分離しない状態で高速回転した場合、こ
ろがり軸受の使用回転領域を越えて破壊に到るおそれが
あり、又逆に内外輪が一体となっていない状態で低速高
荷重を加えると、軸受はころがり軸受として機能してい
ないため、静圧空気軸受により支持することになり、許
容荷重を越えて破壊に至るおそれがある。

本発明は上述の実情に鑑み、高剛性の必要のない高速軽
荷重時から高剛性の必要な低速重荷重時まで１つでカバ
ーできるスピンドルの軸受構造を実現、実用化すること
を目的として、なしたものである。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は軸線方向へ移動し得る可動スリーブ内に、内輪
と外輪を備え且つ内輪と外輪との間に転動体が介在しし
かも可動スリーブを軸線方向へ移動させることにより内
輪と外輪を結合、分離し得るようにしたころがり軸受を
嵌入せしめ、該ころがり軸受に軸を回転可能に嵌合せし
め、前記軸の軸受嵌合部以外の軸線方向所要位置に静圧
流体軸受を設け、前記可動スリーブが所定の位置に移動
したことを検知する検知装置を設け、低速回転時には軸
を前記ころがり軸受により支持させ、高速回転時に軸を
前記静圧流体軸受により支持させるよう構成している。

［作　　　用］ ころがり軸受が嵌入されている可動スリーブが軸線方向
へ所定量移動したか否かを検知しつつ、可動スリーブを
軸線方向へ移動させ、軸の低速回転時にはころがり軸受
の内輪と外輪を結合させ、ころがり軸受により軸を回転
、支持せしめ、軸の高速回転時にはころがり軸受の内輪
と外輪を分離させ、静圧流体軸受に流体を供給して軸を
回転、支持せしめる。

［実　施　例］ 以下、本発明の実施例を添付図面を参照しつつ説明する
。

第１図は本発明の一実施例で、工作機械のマシニングセ
ンターの主軸に適用した例であり、中心線！より上半分
は低速域に、又下半分は高速域に適用した状態を示して
いる。

工具主ｔＩｈｌの先端側所要位置に２個１対のアンギュ
ラ−玉軸受２を嵌合せしめ、該アンギュラ−玉軸受２か
ら所定の間隔をへだてて工具主軸１の後端側に２個１対
の別のアンギュラ−玉軸受３を嵌合せしめ、アンギュラ
−玉軸受２，３により工具主軸１を回転自在に支持せし
める。

アンギュラ−玉軸受２．３は、内輪がボールから分離で
き、外輪案内の一体保持器は内輪が分離してもボールが
脱落しないように形成されている。

工具主軸１のアンギュラ−玉軸受２．３間外周にスリー
ブ４を工具主軸ｌと一体的に回転し得るよう嵌合せしめ
、スリーブ４の外周軸線方向所要位置２個所に大径部４
ａ、４ｂを形成させスリーブ４の外周に、ケーシング５
に嵌入、固定された中空円筒状のハウジング６を嵌合せ
しめ、該ハウジング６の内周軸線方向中央部近傍２個所
に前記スリーブ４外周の大径部４ａ、４ｂと相対向する
よう小径部６ａ、６ｂを形成させ、スリーブ４の大径部
４ａ、４ｂとハウジング６の小径部８ａ、８ｂとの間に
空気軸受８ａ、８ｂを形成する隙間７ａ、７ｂを設ける
。

ハウジング６の前後端部に設けられた中空部に、工具主
軸ｌ軸線方向へ摺動自在な可動スリーブ９．１０を嵌合
せしめ、該可動スリーブ９．ｌＯの中空部に前記アンギ
ュラ−玉軸受２，３を嵌合せしめると共にアンギュラ−
玉軸受２．３の外輪を該外輪が可動スリーブ９．ｌＯと
一体的に工具主軸ｌの軸線方向へ移動し得るよう可動ス
リーブ９゜１０内周部に固着したストッパ９ａ、　ｌＯ
ａにより押え、可動スリーブ９ａ、１０ａ中空部の先端
側或いは後端側に可動スリーブ９．１０をスリーブ４側
Ｉ＼付勢させるためのスプリング１１．１２を収納する
。

工具主軸ｌのアンギュラ−玉軸受３後方部につば１３ａ
を備えたスリーブ１３を嵌合、固定し、ケーシング５中
空部に、スリーブ１３のつば１３ａが挿入される環状溝
１４ａを有するハウジング１４を嵌合せしめ、スリーブ
１３のつば１３ａ前後面とハウジング１４の環状溝１４
ａ側面との間にスラスト空気軸受１５が形成される隙間
１６を設け、ハウジング１４の可動スリーブＩＯ側側面
をハウジングＢ端部に接触させると共にハウジング１４
の可動スリーブｌＯ側端面によりスプリング１２を押え
る。

圧縮空気を空気軸受８ａ、８ｂの隙間７ａ、７ｂに外部
から供給する流路１７ａ、　１７ｂと隙間７ａ、７ｂを
通った空気を外部へ排出する流路１８をハウジング６に
穿設すると共に圧縮空気をスラスト空気軸受１５の隙間
１６に外部から供給する流路１９と隙間１６を通った空
気を外部へ排出する流路２０をハウジング１４に穿設し
、圧油を可動スリーブ９．ｌＯの空気軸受８ａ、８ｂ側
端面とハウジング６て形成される油室２１，２２へ外部
の油圧ユニットから供給し或いは油室２１，２２から油
を外部へ排出する油路２３，２４をハウジング６．１４
に穿設する。

ハウジング６の先端内周にスプリング１１を押え得るよ
う嵌合させた止め金具２７及びケーシング５にスプリン
グ１２を押え得るよう嵌合させたハウジング１４の夫々
に穴を設け、該穴に可動スリーブ９゜１０の工具主軸１
軸線方向位置を検出するための位置検出器３０．３１を
嵌入し、位置検出器３０．３１で検出した信号を外部へ
送るケーブル３２．３３を位置検出器３０．３１に接続
する。位置検出器３０．３１としては、圧電素子センサ
ー、近接スイッチ、非接触型変位計、タッチセンサー等
を用いる。

なお、図中２５はプーリ２６を介して工具主軸１を回転
させるための駆動ベルトである。

駆動時には、駆動ベルト２５が図示してない駆動装置に
より駆動され、プーリ２６を介して工具主軸１が回転す
る。

工具主軸１の低速回転時には、図示してない油圧ポンプ
からの圧油の圧力か油路２４，２３を通って油室２１，
２２へ作用している。このため、可動スリーブ９．ｌＯ
はスプリング１１．１２の抗力に打勝って第１図の中心
線！より−Ｆ方へ示すように矢印イ、口方向へ押出され
、而して、可動スリーブ９の先端位置及び可動スリーブ
ｌＯの後端位置は、位置検出器３０．３１により検出さ
れ、工具主軸ｌの軸線方向所定位置まで可動スリーブ９
゜ｌＯが移動すると、位置検出器３０．３１により検出
された信号を基に油室２１．２２へ圧油を送るラインの
制御弁が閉止される。これて、アンギュラ−玉軸受２．
３の外輪及び保持器並びにボールは内輪に対して結合し
、玉軸受として機能し、工具主軸ｌはアンギュラ−玉軸
受２．３に支持されて回転する。低速回転時のラジアル
荷重、スラスト荷重は何れもアンギュラ−玉軸受２．３
に負荷される。又低速回転時、隙間７ａ、７ｂ、１Ｇに
は圧縮空気は供給されないため、空気軸受８ａ、８ｂ、
スラスト空気軸受１５は何れも空気軸受として機能しな
い。

工具主１１１１１の高速回転時には、油室２１，２２へ
は圧油が作用せず、従って可動スリーブ９．ＩＯはスプ
リング１１．１２の弾発力によって第１図の中心線！よ
り下方に示すように、矢印イ゛１ロ′方向へ押され、可
動スリーブ９は反スプリングｌｌ側のストッパ９ａかハ
ウジング６突出端に当接し、可動スリーブ１０は反スプ
リング１２側のストッパ１０ａがハウジング６突出端に
当接し、可動スリーブ９．ｌＯの矢印イ″１ロ°方向へ
の移動によりアンギュラ−玉軸受２．３の外輪、保持器
、ボールも可動スリーブ９．１０と共に矢印イ°１ロ°
方向へ移動して内輪から分離している。このため、アン
ギュラ−玉軸受２．３は軸受として機能しない状態とな
る。一方このとき、図示してない圧縮機よりの圧縮空気
は、流路１７ａ、１７ｂより隙間７ａ。

７ｂに噴出して空気軸受８ａ、８ｂによるラジアル荷重
の支持が行われ、流路１９より隙間１６に噴出してスラ
スト空気軸受１５によるスラスト荷重の支持が行われ、
工具主軸１は高速回転する。隙間７ａ、７ｂ、１Ｂに噴
出した空気は流路１８，２０を通って外部へ排出される
。

なお、スプリング１１．１２の弾発力により可動スリー
ブ９．１０か所定位置へ移動しているか否かの確認は位
置検出器３０．３１により行われる。

第２図は本発明の他の実施例で、前記実施例では工具主
軸１の低速回転時にはアンギュラμ玉軸受を使用してい
たのに対し、本実施例では円錐コロ軸受２８．２９を使
用するようにしている。

又可動スリーブ９．１０の空気軸受８ａ、８ｂ側中空部
にスプリング１１．１２を収納し、反空気軸受８ａ、８
ｂ側に油室２１．２２を設け、スラスト空気軸受１５を
左右の空気軸受８ａ、８ｂ間に形成させている。

斯かる構成とすると、工具主軸１の低速回転には、圧油
は油室２１，２２に作用し、円錐コロ軸受２８．２９の
外輪、保持器、コロは内輪と結合して円錐コロ軸受とし
て機能し、又高速回転時にはスプリング１１．１２の弾
発力により円錐コロ軸受２８．２９の外輪、保持器、コ
ロは内輪から外れ、隙間７ａ、７ｂ、１Ｇに圧縮空気が
噴出し、空気軸受７ａ。

７ｂ、スラスト空気軸受１５が軸受として機能する。

第３図は本発明の更に他の実施例で、ハウジング６に穿
設した空気通路３４の一端を、可動スリーブ９の移動に
より閉止されたり或いは開放されたりする位置に開口せ
しめ、空気通路３４の他端に圧力スイッチ３５を備えた
管路３６を接続する。

斯かる構成とすると、油室２１に圧油が作用し可動スリ
ーブ９が第３図の矢印イ方向へ移動して空気通路３４が
可動スリーブ９により閉止されると、空気通路３４及び
管路３６内の空気圧力が上Ｈして圧力スイッチ３５がオ
ンになり、これでアンギュラ−玉軸受２が一体となった
ことが検知される。又油室２１の圧力が低下すると、ス
プリング１１の弾発力により可動スリーブ９が第３図の
矢印イ°方向へ移動して空気通路３４が開放され、空気
通路３４及び管路３６の空気圧力が低下して圧力スイッ
チ３５がオフになり、これてアンギュラ−玉軸受２が分
離されたことが検知される。

可動スリーブ１０側も可動スリーブ９側と同（工、圧力
スイッチにより可動スリーブｌＯの位置を検知するよう
にできる。

第２図及び第３図中第１図に示す符号と同一の符号のも
のは同一のものを示す。

なお、本発明の実施例においては、静圧流体軸受として
空気軸受を用いる場合について説明したが、空気軸受に
限らず油、他のガス体等を利用した種々の静圧流体軸受
を使用できること、玉軸受、コロ軸受等のころがり軸受
と静圧流体軸受の配列は上述の実施例に限らず種々の組
合せが可能なこと、可動スリーブのストッパは可動スリ
ーブ内周にねじを介して取付けることにより軸線方向位
置を調整し、これによってスプリングの予圧を最適に調
節するようにもてきること、工作機械の工具主軸に限ら
ず、種々の軸に適用できること、可動スリーブを移動さ
せる装置として油圧のみを用いても良く又空圧、電動等
の他の駆動源を用いても良いこと、その他、本発明の要
旨を逸脱しない範囲内で種々変更を加え得ること、等は
勿論である。

［発明の効果コ 本発明のスピンドルの軸受構造によれば高速運転時と低
速運転時の軸受の切換えを確実に行うことができるうえ
、高速運転時には静圧流体軸受により軸を支持し、低速
運転時には軸長手方向の静圧流体軸受段置部以外に設け
たころがり軸受により軸を支持しているため、十分高速
運転を行うことができると共に低速運転時の剛性も向上
する、等種々の優れた効果を奏し得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のスピンドルの軸受構造の一実施例の説
明図、第２図は本発明のスピンドルの軸受構造の他の実
施例の説明図、第３図は本発明のスピンドルの軸受構造
の更に他の実施例の説明図である。 図中１は工具主軸、２，３はアンギニラー玉軸受、４は
スリーブ、６はハウジング、７ａ、７ｂは隙間、８ａ、
８ｂは空気軸受、９．ＩＯは可動スリーブ、１３はスリ
ーブ、１３ａはつば、１４はハウジング、１４ａは環状
溝、１５はスラスト空気軸受、１６は隙間、１７ａ、１
７ｂ、１ｇ、１９．２０は流路、２１．２２は油室、２
３．２４は油路、２８．２９は円錐コロ軸受、３０．３
１は位置検出器、３５は圧力スイッチを示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）軸線方向へ移動し得る可動スリーブ内に、内輪と外
   輪を備え且つ内輪と外輪との間に転動体が介在ししかも
   可動スリーブを軸線方向へ移動させることにより内輪と
   外輪を結合、分離し得るようにしたころがり軸受を嵌入
   せしめ、該ころがり軸受に軸を回転可能に嵌合せしめ、
   前記軸の軸受嵌合部以外の軸線方向所要位置に静圧流体
   軸受を設け、前記可動スリーブが所定の位置に移動した
   ことを検知する検知装置を設け、低速回転時には軸を前
   記ころがり軸受により支持させ、高速回転時に軸を前記
   静圧流体軸受により支持させるよう構成したことを特徴
   とするスピンドルの軸受構造。