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工作機械主軸スピンドル - 特開2008−23675 | j-tokkyo
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【発明の名称】 工作機械主軸スピンドル
【発明者】 【氏名】水谷 守

【要約】 【課題】二重ハウジングの合わせ面に冷却油を流すらせん溝を設けた工作機械主軸スピンドルにおいて、冷却油の停留を防いで冷却効率を高める。

【構成】らせん溝26の両端に円周溝22,24を設け、一方の円周溝22に冷却油入口28を設け、冷却油入口28をらせん溝26の始点より冷却油の流れに対し前方に配置し、円周溝22とらせん溝26の合流部に堰30を設ける。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
二重ハウジングの合わせ面に冷却油を流す外筒冷却溝を設けた工作機械主軸スピンドルにおいて、らせん溝の両端に円周溝を設け、一方の円周溝に冷却油入口を設け、他方の円周溝に冷却油出口を設け、冷却油入口をらせん溝の始点より冷却油の流れに対し前方に配置し、円周溝とらせん溝の合流部に堰を設けた工作機械主軸スピンドル。
【請求項2】
円周溝の軸方向外端が軸受幅を越えた外側に位置する請求項1の工作機械主軸スピンドル。
【請求項3】
二重ハウジングの合わせ面に冷却油を流す外筒冷却溝を設けた工作機械主軸スピンドルにおいて、冷却溝が円周溝のみで構成され、円周溝が各軸受の幅中心に配置してある工作機械主軸スピンドル。
【請求項4】
円周溝の幅が軸受の幅の80〜120%である請求項3の工作機械主軸スピンドル。
【請求項5】
二重ハウジングの合わせ面に冷却油を流す外筒冷却溝を設けた工作機械主軸スピンドルにおいて、冷却溝が円周溝のみで構成され、円周溝が各転動体の長さ中心に配置してある工作機械主軸スピンドル。
【請求項6】
円周溝の幅が転動体の長さの80〜120%である請求項5の工作機械主軸スピンドル。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【0001】
この発明は工作機械主軸スピンドルに関し、より詳しくは、工作機械主軸用軸受のハウジング冷却機構に関する。
【背景技術】
【0002】
工作機械主軸に用いる軸受の温度上昇は、軸受の寿命に影響するだけでなく、ワーク(加工物)の仕上がり精度にも影響する。そのため、ハウジングに冷却油を流してスピンドル全体の温度を抑えるようにしている。この手法を外筒冷却と呼んでいる。しかし、工作機械実機のさまざまな制約により、軸受には厳しい溝配置となっていることが多い(特許文献1参照)。
【特許文献1】特開2004−249439号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
図7に示すように、ハウジング冷却溝の多くはらせん状であり、同図の場合は左端から右端へと冷却油が流れる。しかし、ハウジングの構造上、フロント側およびリヤ側軸受間に設ける冷却溝の幅は広くすることができない。このため、冷却油出入口の位置によって軸受に対する冷却能力が変わってくる。すなわち、冷却溝は、両端に円周溝2,4を設け、その間をらせん溝6で連結するのが通常であり、冷却油の出入口8,10は両端の円周溝部に設けるが、図7の場合、入口8が円周溝2かららせん溝6が分岐する点(らせん溝の始点12)の近くに位置していることから、同図にクロスハッチングで示すように冷却油が停留して冷却効率が低下する場合がある。
【0004】
その結果、図7に示す位置に冷却油出入口を設けたことで冷却油の入口側(フロント側)と出口側(リヤ側)の軸受温度上昇が異なる場合がある。その原因は、冷却油が出口10側では円周溝4を循環するのに対して入口8側では冷却油が停留するためであると考えられる。つまり、入口8側は出口10側に比べて冷却油が循環しないため冷却効果が劣り、軸受温度が高くなったと考えられる。
【0005】
冷却油が停留するか、円周溝を循環するかは、らせん溝の始点(または終点)と冷却油出入口との位置関係が大きく影響する。図7に示した従来の技術のようにらせん溝の始点(終点)付近に冷却油出入口がある場合、冷却油入口8から出てきた冷却油は円周溝2を循環することなくらせん溝6を通って冷却油出口10に向かう。冷却油は抵抗の小さい方に流れるからである。同様に、冷却油出口10側も、冷却油が円周溝4を通らずに出て行き、円周溝10に冷却油が停留する。
【0006】
軸受温度の高かったフロント側の冷却油入口8の位置を、図1のようにらせん溝6の始点12より冷却油の流れに対しやや前方に変更することによって、入口側(給油温度)と出口側(排油温度)の軸受温度差が小さくなった。このように、同一冷却溝であっても冷却油出入口8,10の位置により冷却効果が異なることが判明した。
【0007】
この発明の目的は、一層効率のよい冷却溝構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
この発明は、二重ハウジングの合わせ面に冷却油を流す外筒冷却溝を設けた工作機械主軸スピンドルにおいて、らせん溝の両端に円周溝を設け、一方の円周溝に冷却油入口を設け、他方の円周溝に冷却油出口を設け、冷却油入口をらせん溝の始点より冷却油の流れに対し前方に配置し、円周溝とらせん溝の合流部に堰を設けたことを特徴とするものである。
【0009】
請求項2の発明は、請求項1の工作機械主軸スピンドルにおいて、円周溝の軸方向外端が軸受幅を越えた外側に位置することを特徴とするものである。
【0010】
請求項3の発明は、二重ハウジングの合わせ面に冷却油を流す外筒冷却溝を設けた工作機械主軸スピンドルにおいて、冷却溝が円周溝のみで構成され、円周溝が各軸受の幅中心に配置してあることを特徴とするものである。
【0011】
請求項4の発明は、請求項3の工作機械主軸スピンドルにおいて、円周溝の幅が軸受の幅の80〜120%であることを特徴とするものである。
【0012】
請求項5の発明は、二重ハウジングの合わせ面に冷却油を流す外筒冷却溝を設けた工作機械主軸スピンドルにおいて、冷却溝が円周溝のみで構成され、円周溝が各転動体の長さ中心に配置してあることを特徴とするものである。
【0013】
請求項6の発明は、請求項5の工作機械主軸スピンドルにおいて、円周溝の幅が転動体の長さの80〜120%のであることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【0014】
外筒冷却溝は両端に円周溝を設け、その間にらせん溝を配置して連結する方法が通常である。冷却油の出入り口は両端の円周溝部に設けるが、この位置により冷却油が停留して冷却効率が低下する。これを防ぐため、円周溝とらせん溝の合流部に堰を設け、その真横を冷却油入り口(出口)とし、略360°回ってきたところかららせん溝に連結させる。円周溝は軸受幅の外側から配置することにより軸受の温度勾配を抑えることができる。これにより、応力集中や転動体を挙動を安定させ、軸受の寿命延長効果が期待できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0015】
以下、図面に従って本発明の実施の形態を説明する。
【0016】
図1に示すように、外筒冷却溝は、軸方向の両端に位置する円周溝22,24と、その間を連結するらせん溝26とからなる。冷却油の出入口28,32はそれぞれ円周溝22,24内に設けてある。冷却油入口28はらせん溝26の始点(円周溝22かららせん溝26が分岐する点)より冷却油の流れに対しやや前方に配置してあり、冷却油出口32はらせん溝26の終点(円周溝24かららせん溝26が分岐する点)より冷却油の流れに対しやや後方に配置してある。
【0017】
らせん溝の始点すなわち円周溝22かららせん溝26が分岐する位置に堰30が設けてある。たとえば、フライス加工で穴を形成し、別部材を埋め込むことによって堰30を形成させる。なお、冷却油出口32に関しても同様に堰を設けてもよいが、ここでは省略した場合が例示してある。冷却油入口28はその堰30のすぐ下流側に位置している。したがって、冷却油入口28から円周溝22に流入した冷却油は、らせん溝26に沿って流れて円周溝24に達し、冷却油出口32から流出する。このように、冷却油は略360°回って出てゆく。このような構成を採用することにより、図7を参照して上に述べたような冷却油の停留がなくなり、冷却効率が向上する。
【0018】
図1に示した実施例1と図7に示した従来例につき比較試験を行った。使用した試験機の縦断面を図8に示す。試験軸受は複列円筒ころ軸受NN3020(内径φ100×外径φ150×幅37、内径テーハ゜品)で、試験条件は次のとおりである。
軸受すきま:組み込み後0μm
潤滑法:エアオイル潤滑
潤滑油:モービルDTEオイルライト
油量:0.02ml/10min
エア量:30Nl/min
外筒冷却油量:5l/min
【0019】
図9および図10に、従来例と実施例1の試験結果を示す。従来例は、14000min-1時で同一軸受の刻印側22℃、反刻印側17℃となり、刻印側および反刻印側の温度差が5℃生じた。実施例1は、14000min-1時で刻印側19.3℃、反刻印側16.5℃となり、刻印側および反刻印側の温度差は2.8℃となり、従来例に比べて温度も下がり、刻印側と反刻印側の温度差も小さくなり、改良効果が認められた。
【0020】
以上より推定すると、従来例は、円周溝部に入った冷却油が円周溝を循環することなくらせん溝へ回るため、図7においてクロスハッチングで示した部分は冷却油が停留し、冷却効果が少なかったものと思われる。一方、実施例1は、図1に示すように円周溝とらせん溝の合流部に堰を設けることにより、冷却油が略360°回り冷却するため冷却効果が高くなる。しかし、同一軸受の刻印側および反刻印側の温度差が依然として3℃程度生じていた。これは円周溝と軸受の配置によるものと思われる。実施例1の円周溝は刻印側転動体の略中央から始まっており、図1に符合Lで示す円周溝の掛かっていない部分があるため、刻印側は反刻印側に比べて冷却効果が小さくなり、温度差が依然として残る結果になったと考えられる。
【0021】
図2に示実施例2は、円周溝22の掛かっていない部分Lをなくして、軸受幅全部に冷却溝が掛かるように改良したものである。言い換えれば、実施例2では、冷却溝の軸方向の外端が軸受幅を越えた外側に位置している。この実施例2について、実施例1と同様の試験を行ったところ、その結果は図11に示すとおりであった。すなわち、実施例2では実施例1に比べて刻印側の温度が下がり、同一軸受の刻印側と反刻印側との温度差も略0℃になり改善された。
【0022】
刻印側と反刻印側の温度差(同一軸受の温度勾配)は、応力集中や転動体の挙動を乱す要因となる。実施例では複列円筒ころ軸受の場合を例にとってあるが、アンギュラ玉軸受の2列以上の多列使い(図6(B)に4列の場合を示す)でも冷却溝と軸受の配置により同じように温度勾配ができ、予圧が不均一となり、寿命に影響を与える可能性がある。
【0023】
温度勾配を抑える冷却溝を具備した他の実施例を図3〜5に示す。図3に示す実施例3は、実施例2を容易に機械加工できる構造に変更したものである。すなわち、円周溝22,24とらせん溝26を全てフライスにて加工した冷却溝である。なお、この場合、円周溝22,24とらせん溝26とは縁が切れているため、堰を形成するための特段の加工は不要である。
【0024】
図4に示す実施例4は4列のアンギュラ玉軸受を用いた例であり、各軸受の幅中心にそれぞれ円周溝22が配置してある。ここでは各円周溝22の幅は軸受幅の80%に設定してあるが、軸受間に間座があるなどスペースが確保できる場合は、たとえば軸受幅の120%程度とできるだけ大きく設定することが望ましい。隣接した円周溝22どうしは両者間の畝を切り通して互いに連結してある。この連結は、冷却油入り口28に対して180°間隔で行うことにより360°全周が冷却されることになる。
【0025】
図5に示す実施例5は、複列円筒ころ軸受の各転動体中心に円周溝22を配置した例である。ここでは各円周溝22の幅は転動体(ころ)の長さの80%に設定してある。隣接した円周溝22の連結については上述の実施例4と同様である。実施例4と実施例5は、実機のようにさまざまな制約により円周溝とらせん溝とを組み合わせた外筒冷却溝が成立しない場合に、軸受の温度勾配を考慮して最小限のスペースで外筒冷却溝を成立させる方法である。
【図面の簡単な説明】
【0026】
【図1】(A)は実施例1を示す冷却溝の展開図、(B)は(A)のB−B線に沿う断面図
【図2】(A)は実施例2を示す冷却溝の展開図、(B)は(A)のB−B線に沿う断面図
【図3】(A)は実施例3を示す冷却溝の展開図、(B)は(A)のB−B線に沿う断面図
【図4】(A)は実施例4を示す冷却溝の展開図、(B)は(A)のB−B線に沿う断面図
【図5】(A)は実施例5を示す冷却溝の展開図、(B)は(A)のB−B線に沿う断面図
【図6】軸受部分の断面図であって、(A)は2列、(B)は4列の場合を示す。
【図7】(A)は従来例を示す冷却溝の展開図、(B)は(A)のB−B線に沿う断面図
【図8】試験機の断面図
【図9】従来例の試験結果を示すグラフ
【図10】実施例1の試験結果を示すグラフ
【図11】実施例2の試験結果を示すグラフ
【符号の説明】
【0027】
22 円周溝
24 円周溝
26 らせん溝
28 冷却油入口
30 堰
32 冷却油出口
【出願人】 【識別番号】000102692
【氏名又は名称】NTN株式会社
【出願日】 平成18年7月24日(2006.7.24)
【代理人】 【識別番号】100064584
【弁理士】
【氏名又は名称】江原 省吾

【識別番号】100093997
【弁理士】
【氏名又は名称】田中 秀佳

【識別番号】100101616
【弁理士】
【氏名又は名称】白石 吉之

【識別番号】100107423
【弁理士】
【氏名又は名称】城村 邦彦

【識別番号】100120949
【弁理士】
【氏名又は名称】熊野 剛


【公開番号】 特開2008−23675(P2008−23675A)
【公開日】 平成20年2月7日(2008.2.7)
【出願番号】 特願2006−200305(P2006−200305)