JP7185546B2 - 軸受装置の冷却構造および工作機械の主軸装置 - Google Patents

Description

この発明は、軸受装置の冷却構造に関し、例えば工作機械の主軸および主軸に組み込まれる軸受の冷却構造に関する。

工作機械の主軸装置では、加工精度を確保するために、装置の温度上昇は小さく抑える必要がある。しかしながら最近の工作機械では、加工能率を向上させるため高速化の傾向にあり、主軸を支持する軸受からの発熱も高速化と共に大きくなってきている。また、装置内部に駆動用のモータを組込んだいわゆるモータビルトインタイプが多くなってきており、装置の発熱要因ともなってきている。
発熱による軸受の温度上昇は、軸受の予圧の増加をもたらす結果となり、主軸の高速化、加工の高精度化を考えると極力抑えたい。

主軸装置の温度上昇を抑えるための手段の一つとして、図９に示すように、運転中の軸受１０１を、外輪間座１０４の軸方向中央に設けられたノズル１１０から内輪間座１０５に向けて圧縮エアを吐出させることで冷却する方法が、特許文献１等で提案されている。

特許６１４４０２４号公報

特許文献１の構成の場合、間座幅Ｗが軸受幅Ｘと同等のため、外輪間座１０４の軸方向中央に圧縮エアを吐出するノズル１１０が設けられていても、吐出口と軸受の距離が短いため、十分冷却効果を得ることができている。

しかし、間座幅Ｗが大きい場合、例えば図１０に示すように軸受幅Ｘに対し、間座幅Ｗが２．５倍以上の場合、外輪間座１０４の軸方向中央に圧縮エアを吐出するノズル１１０を設け、圧縮エアの効果により、内輪間座１０５を冷却させたとしても、積極的に冷却されている箇所Ｓから軸受１までの距離が長いため、冷却効果が下がる。

この発明の目的は、間座の幅寸法が大きい場合でも、軸受の冷却効果が確保できる空冷の軸受装置の冷却構造、および工作機械の主軸装置を提供することである。

この発明の軸受装置の冷却構造は、軸受の外輪および内輪にそれぞれ隣接する外輪間座および内輪間座を備え、前記外輪間座に前記内輪間座の外周面に向けて圧縮エアを吐出するノズルが設けられた軸受装置の冷却構造であって、
前記ノズルは前記内輪間座の回転方向の前方へ傾斜し、かつ前記外輪間座の軸心に垂直な断面における任意の半径方向の直線から、この直線と直交する方向にオフセットした位置にあり、
前記外輪間座および内輪間座の幅が軸受幅の２．５倍以上であって、前記ノズルの中心から前記軸受の側面までの距離が、前記軸受幅以下であり、かつ前記軸受幅の１／２以上である。

この構成によると、ノズルを回転方向の前方へ傾斜させたので、冷却用の圧縮エアがノズルから内輪間座の外周面に噴き付けられる。これにより圧縮エアは、内輪間座の外周面と外輪間座の内周面との間の環状のすきま部で、旋回流となって内輪間座を冷却する。結果、内輪間座の端面と接触固定されている軸受内輪が、熱伝導により冷却される。

前記ノズルは、軸受から遠い位置に配置させると、課題で述べている通り、冷却効果が下がる。一方、軸受から近い位置に配置させると、圧縮エアが内輪回転方向に旋回せず、早々に軸方向に拡散してしまう。そのため、内輪間座の表面に長く留まることができず、冷却効果は下がる。グリース潤滑の場合は、軸受内に封入しているグリースが軸受外に排出されてしまい、潤滑信頼性が下がるという課題がある。
そのため、図８に示すように、内輪間座端面に障害壁１０５ａを設けることで圧縮エアの流入を低減させている。更にノズルの中心から軸受の側面までの距離Ｙを、軸受幅Ｘ以下で、かつ軸受幅Ｘの１／２以上としている。この範囲であると、ノズルから吐出された圧縮エアで内輪間座が冷却される位置から軸受までの距離が遠すぎず、かつノズル位置が近すぎて圧縮エアが旋回せずに拡散してしまうことがなく、間座の幅寸法が大きい場合でも軸受の冷却効果が確保できることが確認できた。間座幅が狭い場合は前記のノズル位置が遠すぎて冷却効果が低下すると言う問題は生じず、間座幅が軸受幅の２．５倍以上と長い場合に、前記のノズルの中心から軸受側面までの距離Ｙを規制したことによる効果が発揮される。

この発明の軸受装置の冷却構造において、前記外輪間座に、前記ノズルに対して前記軸受側および反軸受側に、前記外輪間座と内輪間座の間の空間から外部に排気する排気路が設けられていてもよい。

軸受近傍に圧縮エアを吐出するノズルを設けた場合、軸受側に流れる圧縮エアは外輪間座と軸受間に設けている排気路、および軸受の内部を通り排出される。一方、反軸受側に流れる圧縮エアは、排気される箇所が無い場合、内輪間座から熱を奪った後に内輪間座と外輪間座間の空間に留まりやすくなり、冷却効果が下がる。このため、反軸受側にも排気を設ける必要がある。

前記各排気路を設ける場合、前記反軸受側の排気路が、前記内輪間座の回転方向の前方に排気口が向くように傾斜していてもよい。
前記排気路は径方向に設けても良いが、内輪間座の回転方向の前方へ傾斜させて設けることで、排気性が向上する。

また、前記各排気路を設ける場合、前記軸受側の排気路の容積と前記反軸受側の排気路の容積との差が、前記軸受側の排気路の容積の１０％以内であることが好ましい。
反軸受側に設ける排気は、軸受側に設けた排気溝の体積と同等にすることで、圧縮エアが軸受側または、反軸受側のどちらか一方へ偏って流れるのを防ぐことができる。

この発明の軸受装置の冷却構造において、前記外輪間座および前記内輪間座は、隣合う２つの軸受間に介在し、前記外輪間座の間座幅の中心位置に対する両側に前記ノズルが設けられていてもよい。
このように外輪間座および内輪間座が軸受間に配置され、両側の軸受に対して前記ノズルが設けられている場合に、前記ノズルと軸受間の距離や間座幅を規制したことによる冷却効果の確保が、より効果的に発揮される。

この発明の工作機械の主軸装置は、この発明の前記いずれかの構成の軸受装置の冷却構造を備えていてもよい。
工作機械の主軸装置では、加工精度を確保するために、装置の温度上昇は小さく抑える必要があり、この発明の軸受装置の冷却構造を適用することによる効果が、より効果的に発揮される。

この発明の軸受装置の冷却構造は、軸受の外輪および内輪にそれぞれ隣接する外輪間座および内輪間座を備え、前記外輪間座に前記内輪間座の外周面に向けて圧縮エアを吐出するノズルが設けられた軸受装置の冷却構造であって、前記ノズルは前記内輪間座の回転方向の前方へ傾斜し、かつ前記外輪間座の軸心に垂直な断面における任意の半径方向の直線から、この直線と直交する方向にオフセットした位置にあり、前記外輪間座および内輪間座の幅が軸受幅の２．５倍以上であって、前記ノズルの中心から前記軸受の側面までの距離が、前記軸受幅以下であり、かつ前記軸受幅の１／２以上であるため、間座の幅寸法が大きい場合でも、軸受の冷却効果を確保することができる。

この発明の工作機械の主軸装置は、この発明の前記いずれかの構成の軸受装置の冷却構造を備えるため、間座の幅寸法が大きい場合でも、軸受の冷却効果が確保することができる。

この発明の第１の実施形態に係る軸受装置の冷却構造の断面図である。 その軸受と間座の寸法関係の説明図である。 同軸受装置の冷却構造における外輪間座と内輪間座をノズル位置で断面した横断面図である。 この発明の他の実施形態に係る軸受装置の冷却構造の断面図である。 同軸受装置の冷却構造における反軸受側の排気路の一例を示す外輪間座の横断面図である。 同軸受装置の冷却構造における反軸受側の排気路の他の例を示す外輪間座の横断面図である。 同軸受装置の冷却構造を備える工作機械の主軸装置の断面図である。 従来例の断面図である。 提案例に係る軸受装置の冷却構造の断面図である。

この発明の第１の実施形態に係る軸受装置の冷却構造を、図１ないし図３と共に説明する。この例の軸受装置の冷却構造は、例えば、図７と共に後述する工作機械の主軸装置等に適用される。ただし、工作機械の主軸装置だけに限定されるものではない。
図１に示すように、この軸受装置は、軸方向に並ぶ複数の軸受１、１の外輪２、２間および内輪３、３間に、外輪間座４および内輪間座５がそれぞれ介在している。外輪２および外輪間座４はハウジング６の内周面に設置され、内輪３および内輪間座５は回転軸７の外周面に嵌合する。回転軸７は、例えば工作機械の主軸である。各軸受１には、転がり軸受、具体的にはアンギュラ玉軸受が用いられ、両側の軸受１，１は、背面組合せで設置されている。両側の軸受１，１は、内輪２の外径面および外輪３内径面における接触角の反偏り側に、それぞれカウンタボアが設けられている。内外輪３，２の軌道面間に複数の転動体８が介在し、これら転動体８が保持器９により円周方向に等間隔で保持される。保持器９は、リング形状であり外輪案内形式とされる。

冷却構造について説明する。外輪間座４の両端付近に、内輪間座５の外周面に向けて圧縮エアを吐出するノズル１０が、１個または円周方向に複数個（この例では３個）並んで設けられている。ノズル１０は、流入側が太く吐出側が細くなる段付き形状の丸孔とされている。

外輪間座４には、ノズル１０に対する軸受側に、外輪間座４と内輪間座５の間の空間から外部に排気する排気路１５が、円周方向の１箇所または複数箇所に設けられている。この排気路１５は、外輪間座４の端面に形成された径方向の溝と、軸受１の外輪２の側面とで径方向の貫通孔として構成されている。

外輪間座４のノズル１０が設けられた軸方向位置の内周面部分は、環状の凸部４ａが形成されて内輪間座５の外周面に近接している。また、内輪間座５の両端の外周面には、突出端が外輪間座４の外周面に近づく環状の障害壁５ａが設けられている。この障害壁５ａは、前記ノズル１０から外輪間座４と内輪間座５の間に吐出された圧縮エアが転がり軸受１側に流れることを邪魔し、排気路１４に流れるように案内する。

なお、内輪間座５は、この内輪間座５の両端の障害壁５ａと外輪間座４の両端の前記凸部４ａとが干渉することによりこれら内輪間座５と外輪間座４との組み付けが不可となることを回避するために、軸方向に並ぶ２つの内輪間座分割体５Ａ，５Ａに分割されている。分割位置は軸方向の中央とされているが、いずれかに偏った位置であってもよい。この明細書において、内輪間座５の幅Ｗは、両内輪間座分割体５Ａ，５Ａを合わせた幅を言う。

前記ノズル１０の軸方向位置は、次のように規制されている。すなわち、ノズル１０の中心から前記軸受の側面までの距離Ｙ（図２）が、軸受幅Ｘ以下であり、かつ軸受幅Ｘの１／２以上とされている。式で示すと、
（１／２）Ｘ≧Ｙ≧Ｘである。
ただし、前記距離Ｙの前記の規制は、外輪間座４および内輪間座５の幅Ｗが軸受幅Ｘの２．５倍以上である場合に適用される。

図３に示すように、複数設けられる各ノズル１０は円周等配に配設される。各ノズル１０のエア吐出方向は、それぞれ主軸７の回転方向Ａの前方へ傾斜している。各ノズル１０は、それぞれ直線状であって、外輪間座４の軸心に垂直な断面における任意の半径方向の直線Ｌから、この直線Ｌと直交する方向にオフセット量ＯＦＦだけオフセットした位置にある。ノズル１０をオフセットさせる理由は、吐出エアを主軸７の回転方向に旋回流として作用させて、冷却効果を向上させることである。ノズル１０のオフセット量ＯＦＦは、内輪間座５の外径寸法（Ｄ）に対して、０．８Ｄ／２以上、Ｄ／２以下の範囲にする。この範囲は、試験の結果によるもので、冷却効果が最も大きくなる。

外輪間座４の外周面には、冷却エアである圧縮エアを導入する導入溝１１が設けられている。この導入溝１１に連通するように、ハウジング６に冷却エア用供給孔１３（図１）が設けられ、この冷却エア用供給孔１３は、ハウジング６の外部のブロワー等の圧縮エア供給源（図示せず）に接続されている。

作用効果について説明する。
内輪間座５と外輪間座４とを使用して、内輪間座５の外周面に、外輪間座４に設けたノズル１０より圧縮エアを吐出することで、間接的に軸受１の冷却を行うことができる。外輪間座４の圧縮エアのノズル１０を、回転方向Ａの前方へ傾斜させたので、冷却用の圧縮エアは、ハウジング６に設けた冷却エア用供給孔１３より、ノズル１０を介して内輪間座５の外周面に吹き付けられる。これにより圧縮エアは、内輪間座５の外周面と外輪間座４の内周面との間の環状のすきま部で、旋回流となって内輪間座５を冷却する。結果、内輪間座５の端面と接触固定されている軸受内輪３が、熱伝導により冷却されることになる。

この場合に、前記ノズル１０は、軸受１から遠すぎると冷却効果が下がる。一方、軸受１から近すぎても圧縮エアが内輪回転方向に旋回せず、早々に軸方向に拡散してしまう。そのため、内輪間座５の表面に長く留まることができないため、冷却効果は下がる。グリース潤滑の場合、軸受１内に封入しているグリースが軸受外に排出されてしまい、潤滑信頼性が下がる。
そのため、ノズル１０の中心から軸受１の側面までの距離Ｙを、軸受幅Ｘ以下で、かつ軸受幅Ｘの１／２以上としている。この範囲であると、ノズル１０から吐出された圧縮エアで内輪間座５が冷却される位置から軸受１までの距離が遠すぎず、かつノズル位置が近すぎて圧縮エアが旋回せずに拡散してしまうことがなく、間座４，５の幅Ｗが大きい場合でも軸受１の冷却効果が確保できる。間座幅Ｗが狭い場合は前記のノズル位置が遠すぎて冷却効果が低下すると言う問題は生じず、間座幅が軸受幅の２．５倍以上と長い場合に、前記のノズル１０の中心から軸受側面までの距離Ｙを規制したことによる効果が発揮される。

図４は、この発明の他の実施形態を示す。この実施形態は、図１～図３と共に説明した第１の実施形態において、外輪間座４に、前記ノズル１０に対して軸受側に設けられた前記排気路１５の他に、ノズル１０に対して反軸受側となる排気路１６が設けられている。
反軸受側の排気路１６は、外輪間座４の内外の周面間に貫通する孔であり、外輪間座４の軸方向の中央に位置して、円周方向の１箇所または複数箇所に設けられている。また、この例では、反軸受側の排気路１６は、外輪間座４の半径方向に延びている。
前記軸受側の排気路１５と反軸受側の排気路１６とは、その容積との差が、軸受側の排気路１５の容積の１０％以内とされている。
この実施形態において、その他の構成は第１の実施形態と同様である。

反軸受側に排気路１６を設けたのは、次の理由による。軸受近傍に圧縮エアを吐出するノズル１０を設けた場合、軸受側に流れる圧縮エアは外輪間座４と軸受１の間に設けられている排気路１５、および軸受１の内部を通り排出される。一方、反軸受側に流れる圧縮エアは、排気される箇所が無い場合、内輪間座５から熱を奪った後に、内輪間座１０と外輪間座４の間の空間に留まりやすくなり、冷却効果が下がる。反軸受側に排気路１６を設けることで、上記の内輪間座１０から熱を奪った空気が外部に排出され、冷却効果が高められる。

反軸受側の排気路１６を設ける場合、軸受側の排気路１５の容積と反軸受側の排気路１６の容積との差が、前記軸受側の排気路１５の容積の１０％以内であることが好ましい。
反軸受側に設ける排気路１６は、軸受側に設けた排気路１５の容積と同等にすることで、圧縮エアが軸受側または、反軸受側のどちらか一方へ偏って流れるのを防ぐことができる。

外輪間座４の反軸受側の排気路１６は、図６に示すように、内輪間座５の回転方向Ａの前方に排気口１６ａが向くように傾斜していてもよい。
前記排気路１６は、図５のように径方向に設けてもよいが、内輪間座５の回転方向Ａの前方へ傾斜させて設けることで、排気能力がより向上する。

図７は、工作機械の主軸装置の一例を示し、図１または図４と共に説明した実施形態の軸受装置の冷却構造が適用されている。
図１の前記回転軸７である主軸７Ａは、ハウジング６にフロント側およびリア側となる前後一対の軸受１，１を介して回転自在に支持されている。前記主軸７Ａは、先端に工具またはワークを把持するチャック１７が設けられ、後端が駆動モータ１８に接続されている。駆動モータ１８は、この例ではハウジング６の外部に設けられているが、ハウジング６内に設けたビルトインタイプとしてもよい。軸受１，１の間には前記構成、例えば図４の例の外輪間座４および内輪間座５が設けられている。ハウジング６には、外輪間座４の各ノズル１０に前記導入溝１１を介して連通する冷却エア用供給孔１３と、前記各排気路１５，１６に連通するハウジング内排気経路２０が設けられている。また、ハウジング６には冷却液を循環させる冷却液流路２１が設けられている。

この構成の工作機械の主軸装置によると、前記軸受装置の冷却構造を適用することによる冷却の効果が発揮され、主軸７Ａの回転の高速化、および加工の高精度化が得られる。

なお、前記各実施形態では、軸受１が２列に設けられてその間に配置された外輪間座４にノズル１０を設けた場合につき説明したが、軸受１は３列または４列以上であってもよく、または１列であってもよい。また、前記ノズル１０を設ける外輪間座４は、軸受間に設けなくても良い。さらに潤滑は、油(エアオイル、オイルミスト)でもグリースでも適用可能であり、潤滑仕様により制限されることはない。

以上、実施形態に基づいて本発明を実施するための形態を説明したが、ここで開示した実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１…軸受
２…外輪
３…内輪
４…外輪間座
５…内輪間座
６…ハウジング
７…回転軸
１０…ノズル
１５…軸受側の排気路
１６…反軸受側の排気路

Claims (6)

1. 軸受の外輪および内輪にそれぞれ隣接する外輪間座および内輪間座を備え、前記外輪間座に前記内輪間座の外周面に向けて圧縮エアを吐出するノズルが設けられた軸受装置の冷却構造であって、
   前記ノズルは前記内輪間座の回転方向の前方へ傾斜し、かつ前記外輪間座の軸心に垂直な断面における任意の半径方向の直線から、この直線と直交する方向にオフセットした位置にあり、
   前記外輪間座および内輪間座の幅が軸受幅の２．５倍以上であって、前記ノズルの中心から前記軸受の側面までの距離が、前記軸受幅以下であり、かつ前記軸受幅の１／２以上であり、
   前記外輪間座に、前記ノズルに対して前記軸受側に、前記外輪間座と内輪間座の間の空間から外部に排気する排気路が設けられた、
   軸受装置の冷却構造。
2. 請求項１に記載の軸受装置の冷却構造において、前記外輪間座に、前記ノズルに対して反軸受側に、前記外輪間座と内輪間座の間の空間から外部に排気する排気路が設けられた軸受装置の冷却構造。
3. 請求項２に記載の軸受装置の冷却構造において、前記反軸受側の排気路が、前記内輪間座の回転方向の前方に排気口が向くように傾斜した軸受装置の冷却構造。
4. 請求項２または請求項３に記載の軸受装置の冷却構造において、前記軸受側の排気路の容積と前記反軸受側の排気路の容積との差が、前記軸受側の排気路の容積の１０％以内である軸受装置の冷却構造。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の軸受装置の冷却構造において、前記外輪間座および前記内輪間座は、隣合う２つの軸受間に介在し、前記外輪間座の間座幅の中心位置に対する両側に前記ノズルが設けられた軸受装置の冷却構造。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の軸受装置の冷却構造を備える工作機械の主軸装置。

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