JP2004190741A

JP2004190741A - 非接触軸受スピンドル装置

Info

Publication number: JP2004190741A
Application number: JP2002357658A
Authority: JP
Inventors: Takami Ozaki; 孝美尾崎; Hiroyuki Yamada; 裕之山田
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2002-12-10
Filing date: 2002-12-10
Publication date: 2004-07-08

Abstract

【課題】静圧気体軸受からの排気による熱の影響が外部に及ぶことを防止できて、超精密加工に対応できる非接触軸受スピンドル装置を提供する。
【解決手段】スピンドルハウジング３内に、静圧気体軸受４，５、または静圧気体軸受と磁気軸受の組合せによって主軸２を支持して非接触軸受スピンドル装置１を構成する。静圧気体軸受４，５から排出される気体をスピンドルハウジング３から離れた箇所へ排出する排気チューブ２０を、スピンドルハウジング３に外方へ延びて設ける。また、静圧気体軸受４よりも工具取付端側で主軸外径面とスピンドルハウジング間の隙間に開口する排出流生起用の気体吹出し口２１を設ける。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、非接触軸受によって主軸が支持されるスピンドル装置、特に高速スピンドル装置によって精密加工を可能とするマシニングセンタ等の工作機械に使用される非接触軸受スピンドル装置に係る。
【０００２】
【従来の技術と発明が解決しようとする課題】
近年、マシニングセンタに使われるスピンドル装置は、作業効率向上を図るために高速回転化している。また、作業効率向上だけでなく、加工ワークの品質への要求に応えるために、「浅切込み・高送り」といった工具１刃当たりの除去量を少なくした軽加工の方法により、加工時のワーク温度を抑えて高精度加工やワークの変質を抑えることが一般化してきており、加工能率との兼ね合いから、高速回転が可能で優れた回転精度を有するスピンドル装置が必要となってきた。
【０００３】
このような背景の下に、最近では、スピンドル装置の高速回転化および高精度化のために、非接触軸受を利用した例が多く見られるようになってきている。この非接触軸受は、基本的に機械接触による摩擦がなく、高速回転が可能である。特に、回転精度を強く要求する場合には、軸支持媒体に空気を用いた静圧気体軸受が使われる（例えば特許文献１，２）。また、劣悪な使用環境で使用され軸受隙間へのごみの影響が問題となる場合や、静的な剛性が必要な場合には、磁気軸受が使用される場合もある（例えば特許文献３）。
さらに、優れた回転精度と静剛性の両方が必要な場合には、静圧気体軸受と磁気軸受とをハイブリットさせることも行われている（例えば特許文献４）。
【０００４】
しかし、これらいずれの非接触軸受の場合にも、非接触支持とは言え流体摩擦や磁気的摩擦が存在する。特に静圧気体軸受では、軸支持媒体であるエア自体が流体摩擦によって暖められ、このエアを外部に排出することによって、外部温度に影響を与えてしまうといった問題がある。
【０００５】
また、磁気軸受では、磁気的摩擦によってスピンドル主軸が加熱される。磁気軸受の場合、非接触でかつ軸受隙間が広いため、主軸に蓄積された熱量の輻射効果も、介在する空気膜からの伝導による放熱も小さく、主軸温度を下げるに十分ではない。そこで、磁気軸受の場合、主軸温度を下げるのに、外部から軸受隙間に強制的にエアを送って放熱させるといった方法が採られる。
【０００６】
しかし、この場合も、上述した静圧気体軸受の場合と同様、軸受隙間に強制的に供給するエアが外部に排出されることによって、外部温度に影響を与えてしまうといった問題がある。
また、静圧気体軸受と磁気軸受とを一体化したハイブリットのスピンドル装置では、軸受部に流体摩擦と磁気的摩擦の両方が存在するので、軸支持媒体であるエアを外部に排出することによって、外部温度に影響を与えてしまうといった問題がある。
【０００７】
図５は、従来の静圧気体軸受スピンドル装置の一例を示す。主軸６２を回転駆動するモータ６６は、そのロータ部６６ａを主軸６２の後端部外周に、ステータ部６６ｂをロータ部６６ａに対向するスピンドルハウジング６３の内周にそれぞれ配置して構成される。スピンドルハウンジング６３の後端部には、スピンドル装置６１内に圧縮エアを給気する給気入口７１と、スピンドル装置６１内からエアを排気する排気出口７６とが設けられる。また、スピンドルハウジング６３には、上記給気入口７１に連通し、主軸６２とスピンドルハウジング６３の間の軸受隙間ｄ１，ｄ２に開口する複数の軸受給気ノズル６９，７２が設けられる。これにより、上記軸受隙間ｄ１，ｄ２を持つラジアル型およびアキシアル型の静圧気体軸受６４，６５がそれぞれ構成される。さらに、スピンドルハウジング６３には、上記排気出口７６に連通し、上記軸受隙間ｄ１，ｄ２に開口する複数の排気入口７３，７４が設けられ、これにより静圧気体軸受６４，６５からの排気が行われる。主軸６２の前端部には工具ホルダ６７が設けられ、この工具ホルダ６７で工具６８が保持される。
【０００８】
このスピンドル装置６１において、静圧気体軸受６４，６５における主軸６２とスピンドルハウジング６３の間の軸受隙間ｄ１，ｄ２での流体摩擦で暖められたエアの一部は、矢印で示すように工具６８側に排出される。その結果、図示しない加工ワークの温度が変化して、熱膨張のために所望の加工ができないといった問題がある。また、軸受隙間ｄ１，ｄ２で暖められたエアの殆どは、排気出口７６から外部に排出されるが、その排出エアは周辺に散らばり、図示しない周辺のコラム部材の温度を変化させるため、主軸６２に取付けた工具６８の位置が変わってしまい、所望の加工ができないといった問題がある。すなわち、非接触軸受で支持されるスピンドル装置を工作機械に使用すると、エア排気によってコラムの温度上昇や温度分布が形成されてしまい、工作機械自体に熱歪を発生させてしまう結果、所望の精密加工ができない。
【０００９】
ちなみに、転がり軸受を使用したスピンドル装置では、転がり軸受部のトルク損失が大きいが、この軸受部のトルク損失は、通常、オイル等による冷却媒体で強制冷却され、またこの冷却媒体が比熱の高い液体によって行われるため、問題にならない場合が多い。しかし、上記トルク損失を補償するためにモータの出力を上げて使用することから、このモータの温度上昇が問題となっている。その対策として、モータに排気ダクトを設けたものや（例えば特許文献５）、コラム内のエアによりコラムの外壁に空気層（エアカーテン）を形成させるエアカーテン発生装置を、コラムの後部背面の左右に設けることでコラム内外壁における均温化を図り、コラムの真直性を確保するもの（例えば特許文献６）が提案されている。
一方、最近の工作機械では、精密加工を実現するため、工作機械の熱変形誤差を補正して加工精度を向上させるようにしたもの（例えば特許文献７，８）が提案されている。しかし、熱変形誤差の補正では十分な対応が難しく、熱変形そのものを低減することが求められる。
【００１０】
【特許文献１】
特開２０００−１１０８３６号公報
【特許文献２】
特開平６−２９２６８９号公報
【特許文献３】
特開平３−１３６７６７号公報
【特許文献４】
特開平１１−１３７５９号公報
【特許文献５】
特開平１−１５６８４２号公報
【特許文献６】
特開平８−２８１５３３号公報
【特許文献７】
特開平１１−８５０号公報
【特許文献８】
特開平１１−３３６７０公報
【００１１】
この発明の目的は、静圧気体軸受からの排気による熱の影響が外部に及ぶことを防止できる非接触軸受スピンドル装置を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明の非接触軸受スピンドル装置は、スピンドルハウジング内に、静圧気体軸受、または静圧気体軸受と磁気軸受の組合せによって主軸を支持した非接触軸受スピンドル装置において、上記静圧気体軸受から排出される気体を上記スピンドルハウジングから離れた箇所へ排出する排気チューブを、上記スピンドルハウジングに外方へ延びて設けたことを特徴とする。
この構成によると、スピンドル装置内の静圧気体軸受から排出される暖められた気体を上記排気チューブによりスピンドル装置から離れた箇所に導いて排出することができる。そのため、上記の暖められた気体がスピンドル装置の周辺に散らばってスピンドル装置の周辺部材に熱の影響を与えることを無くすことができる。
【００１３】
この発明において、主軸の工具取付端側の静圧気体軸受よりもさらに工具取付端側で主軸外径面とスピンドルハウジング間の隙間に開口する排出流生起用の気体吹出し口を上記スピンドルハウジングに設け、この気体吹出し口と上記工具取付端側の静圧気体軸受との間に、上記静圧気体軸受隙間の気体を排出する排気入口を設けても良い。
この構成の場合、スピンドルハウジングの端部に、上記気体吹出し口から吹き出された気体がスピンドルハウジングと主軸間の隙間を経て工具取付け側に排出される排出流が生起される。このため、静圧気体軸受で暖められた軸支持媒体となる気体が工具取付け側へ排出されることが、上記気体流によって阻止される。その結果、静圧気体軸受で暖められた気体は全て排気チューブを経て外部に排出されることになる。また加工ワークは上記気体吹出し口から吹き出された上記排出流に曝されることになる。これらのため、静圧気体軸受からの暖められた排気の熱影響を受けることが確実に防止される。
【００１４】
この発明において、スピンドルハウジング内における上記気体吹出し口に気体を供給する供給路を、上記静圧気体軸受に気体を供給する供給路とは別に設けても良い。
このように供給路を別に設けた場合、気体吹出し口から吹き出される気体の温度を、静圧気体軸受への給気の温度に影響を与えることなく自由に調整することができる。そのため、上記気体吹出し口からの吹出し気体に常に曝される加工ワークの温度を、上記吹出し気体の温度をコントロールすることによって一定に維持したり、任意の温度に調整したりすることができる。
【００１５】
これらの発明において、スピンドル装置は、上記主軸に取付けられた工具により切削加工に用いられるものであっても良い。例えば、このスピンドル装置が工作機械のコラムに設置されたものであっても良い。
このようにスピンドル装置が切削加工に用いられるものである場合、静圧気体軸受で温められた気体がスピンドル装置周辺のコラム等に熱影響を与えることが無くなる。その結果、主軸に取付けた工具の位置が熱歪みで変わることがなく、超精密加工に対応できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
この発明の第１の実施形態を図１と共に説明する。同図において、中心線より下側には給気経路の配置部を、上側には排気経路の配置部をそれぞれ断面して示している。この非接触軸受スピンドル装置１は、工作機械のビルトインモータ形式のスピンドル装置であって、主軸２は、主軸頭となる円筒状のスピンドルハウジング３内に、複数のラジアル型の静圧気体軸受４と、１つのアキシアル型の静圧気体軸受５とで回転自在に支持され、主軸２の軸方向の一部（図示の例では後端）にモータ６のロータ部６ａが形成されている。主軸２の先端には工具ホルダ７が設けられており、この工具ホルダ７に取付けられる工具８により切削加工が行われる。モータ６のステータ部６ｂはスピンドルハウジング３内に設けられている。
【００１７】
各静圧気体軸受４，５は圧縮エア等の圧縮気体を軸支持媒体とするものであって、ラジアル型の静圧気体軸受４は、スピンドルハウジング３と主軸２の間に形成された静圧気体軸受隙間ｄ１と、スピンドルハウジング３内に形成され上記静圧気体軸受隙間ｄ１に開口する複数の軸受給気ノズル９とで構成される。各軸受給気ノズル９は、スピンドルハウジング３内に形成された給気路１０を経てスピンドルハウジング３の後端に開口する給気入口１１に連通している。主軸２は一部の外周に鍔状に突出した軸受ロータ２ａを有しており、アキシアル型の静圧気体軸受５は、軸受ロータ２ａとスピンドルハウジング３の間に形成された静圧気体軸受隙間ｄ２と、スピンドルハウジング３内の上記軸受ロータ２ａを挟んだ位置に形成されて上記静圧気体軸受隙間ｄ２に開口する一対の軸受給気ノズル１２，１２とで構成される。これら軸受給気ノズル１２も上記給気路１０を経て上記給気入口１１に連通している。この給気入口１１には、スピンドル装置１内の各静圧気体軸受４，５に圧縮気体１９を供給する圧縮気体供給源（図示せず）が接続される。
【００１８】
スピンドルハウジング３内には、静圧気体軸受隙間ｄ１，ｄ２に開口する複数の排気入口１３，１４が形成され、これら排気入口１３，１４はスピンドルハウジング３内に形成された排気路１５を経てスピンドルハウジング３の後端に開口する排気出口１６に連通している。この排気出口１６に、静圧気体軸受４，５から排気出口１６を経て排出される気体をスピンドルハウジング３から離れた箇所へ排出する排気チューブ２０が、スピンドルハウジング３から延びて設けられている。排気チューブ２０には、例えばフレキシブルなチューブが用いられる。排気チューブ２０の長さおよび出口位置は任意に設定しても良く、スピンドル装置１やこのスピンドル装置１を設置したコラム等に排気が吹きかからない位置および方向にチューブ出口が設けられる。
【００１９】
次に、この構成の非接触軸受スピンドル装置１における軸受気体の流れについて説明する。外部の圧縮気体供給源から送られる圧縮気体１９は、給気入口１１から給気路１０を経て各静圧気体軸受４，５に導入される。これら静圧気体軸受４，５の軸受給気ノズル９，１２から主軸２とスピンドルハウジング３との間の軸受隙間ｄ１，ｄ２に流出したエア１９の殆どは、排気入口１３，１４から排気路１５を経てスピンドルハウジング３の後端の排気出口１６に至り、さらに排気チューブ２０を経てスピンドルハウジング３から後方等に離れた箇所へ排出される。これにより、スピンドル装置１内の静圧気体軸受４，５から排出される暖められた気体がスピンドル装置１の後部周辺に散らばることが防がれ、周辺のコラム（図示せず）等への熱の影響を無くすことができる。その結果、主軸２に取付けた工具８の位置が熱歪みで変わることがなく、超精密加工に対応できる。
【００２０】
図２は、この発明の他の実施形態を示す。この非接触軸受スピンドル装置は、図１に示した第１の実施形態において、主軸２の工具取付端側の静圧気体軸受４よりもさらに工具取付端側で、主軸２の外径面とスピンドルハウジング３との軸受隙間ｄ１に開口する気体吹出し口２１をスピンドルハウジング３に設けたものである。気体吹出し口２１は給気路１０に連通している。この気体吹出し口２１と工具取付端側の静圧気体軸受４との間に、軸受隙間ｄ１の気体を排出する排気入口１３を設けている。その他の構成は第１の実施形態と同じである。
【００２１】
この実施形態の場合、給気入口１１から給気路１０を経て静圧気体軸受４，５に供給される圧縮気体１９の一部が上記気体吹出し口２１から軸受隙間ｄ１を経て工具８側に排出される。この排出流のため、静圧気体軸受４で暖められた軸支持媒体となる気体が工具取付け側へ排出されることが阻止される。その結果、静圧気体軸受４，５で暖められた気体は全て排気チューブ２０を経て外部に排出されることになり、加工ワーク（図示せず）が静圧気体軸受４，５からの暖められた排気の熱影響を受けることが防止できる。また、加工ワークは、給気路１０から気体吹出し口２１を経て排出される冷たいままの排出流に曝されることになって、より確実に静圧気体軸受４，５による熱影響が防止される。
【００２２】
図３は、この発明のさらに他の実施形態を示す。この非接触軸受スピンドル装置は、図２に示した第２の実施形態において、気体吹出し口２１に気体１９を供給する供給路として、静圧気体軸受４，５に気体１９を供給する給気路１０とは別の給気路１０Ａをスピンドルハウジング３に設けている。この別の給気路１０Ａは、スピンドルハウジング３の後端に、給気入口１１とは別に開口させた給気入口１１Ａに連通している。この別の給気入口１１Ａは、静圧気体軸受４，５への圧縮気体供給源とは別の圧縮気体供給源（図示せず）に接続され、または同じ圧縮気体供給源から分岐された経路に接続され、その分岐経路に温度調整手段（図示せず）が設けられている。
【００２３】
この実施形態の場合、気体吹出し口２１、給気路１０Ａ、および給気入口１１Ａによって、主軸２の工具取付側から排出される気体のための専用の供給路が確保される。そのため、この専用の供給路からの気体に常に曝される加工ワークの温度を、その気体温度をコントロールすることによって一定に維持したり、任意の温度に調整したりすることができる。
【００２４】
図４は、この発明のさらに他の実施形態を示す。この非接触軸受スピンドル装置は、図１に示した第１の実施形態において、支持軸受が静圧気体軸受４，５である非接触軸受スピンドル装置１に適用したのに代えて、支持軸受として静圧気体軸受４，５と磁気軸受２４，２５を併用した非接触軸受スピンドル装置１Ａに適用したものである。これら静圧気体軸受４，５と磁気軸受２４，２５は、後述のように静圧磁気複合軸受を構成している。
すなわち、このスピンドル装置１Ａは、２つのラジアル型の静圧気体軸受４，４および２つのラジアル型の磁気軸受２４，２４と、１つのアキシアル型の静圧気体軸受５および１つのアキシアル型の磁気軸受２５と、主軸２を回転させるモータ６とを有する。ラジアル型の静圧気体軸受４、アキシアル型の静圧気体軸受５、およびモータ６の構成は図１に示した第１の実施形態の場合と同じであり、各静圧気体軸受４，５の軸受給気ノズル９，１２は給気路１０を経てスピンドルハウジング３の後端に開口する給気入口１１に連通している。また、スピンドルハウジング３内に、各静圧気体軸受４，５の軸受隙間に開口する複数の排気入口１３，１４が形成され、これら排気入口１３，１４が排気路１５を経てスピンドルハウジング３の後端に開口する排気出口１６に連通していること、および排気出口１６には、上記静圧気体軸受４，５および磁気軸受２４，２５から排気出口１６を経て排出される気体をスピンドルハウジング３から離れた箇所へ排出する排気チューブ２０が、スピンドルハウジング３から後方に延ばして設けられていることは第１の実施形態の場合と同じである。
【００２５】
ラジアル型の磁気軸受２４は、主軸２の外周に設けられた磁性体の軸受ロータ（図示せず）と、スピンドルハウジング３に設けられた軸受ステータ２６とで構成され、軸受ステータ２６はコア２７とコイル２８とでリング状に形成されている。アキシアル型の磁気軸受２５は、アキシアル型の静圧気体軸受５と共通の軸受ロータ２ａと、スピンドルハウジング３に設けられ上記軸受ロータ２ａを軸方向に前後から挟む一対の軸受ステータ２９，２９とからなる。
これにより、磁気軸受３４と静圧気体軸受４とでラジアル型の静圧磁気複合軸受が構成され、また磁気軸受３５と静圧気体軸受５とでアキシアル型の静圧磁気複合軸受が構成されている。
なお、複合型の軸受とせずに、磁気軸受３４，３５と静圧気体軸受４，５とを独立して設け、同じ主軸２の支持に併用しても良い。
【００２６】
この実施形態の場合でも、スピンドル装置１Ａ内の各静圧気体軸受４，５における軸受隙間で暖めたれた気体１９の殆どが、排気チューブ２０を経てスピンドルハウジング３から後方に離れた箇所へ排出されるので、この暖められた気体が周辺のコラム部材等へ熱影響を与えることが無くなる。その結果、主軸２に取付けた工具８の位置が熱歪みで変わることがなく、超精密加工に対応できる。
【００２７】
【発明の効果】
この発明の非接触軸受スピンドル装置は、静圧気体軸受から排出される気体をスピンドルハウジングから離れた箇所へ排出する排気チューブを設けたため、静圧気体軸受で温められた排気による熱影響がスピンドル装置周辺の外部に及ぶことが防止される。そのため、切削加工用のスピンドル装置に適用する場合、コラム等の熱変位が防止され、超精密加工に対応できる。
また、静圧気体軸受よりも工具取付端側で開口する排出流生起用の気体吹出し口を設けた場合は、その排出流により、静圧気体軸受で温められた気体の加工ワークへの影響が避けられ、より高精度な加工を安定して行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態にかかる非接触軸受スピンドル装置の縦断面図である。
【図２】この発明の他の実施形態にかかる非接触軸受スピンドル装置の縦断面図である。
【図３】この発明のさらに他の実施形態にかかる非接触軸受スピンドル装置の縦断面図である。
【図４】この発明のさらに他の実施形態にかかる非接触軸受スピンドル装置の縦断面図である。
【図５】従来例の縦断面図である。
【符号の説明】
１，１Ａ…非接触軸受スピンドル装置
２…主軸
３…スピンドルハウジング
４…ラジアル型の静圧気体軸受
５…アキシアル型の静圧気体軸受
１３，１４…排気入口
１０…給気路
１１…給気入口
１５…排気路
１６…排気出口
２０…気体吹出し口
２１…排気チューブ
２４…ラジアル型の磁気軸受
２５…アキシアル型の磁気軸受

Claims

スピンドルハウジング内に、静圧気体軸受、または静圧気体軸受と磁気軸受の組合せによって主軸を支持した非接触軸受スピンドル装置において、上記静圧気体軸受から排出される気体を上記スピンドルハウジングから離れた箇所へ排出する排気チューブを、上記スピンドルハウジングに外方へ延びて設けたことを特徴とする非接触軸受スピンドル装置。
請求項１において、主軸の工具取付端側の静圧気体軸受よりもさらに工具取付端側で主軸外径面とスピンドルハウジング間の隙間に開口する排出流生起用の気体吹出し口を上記スピンドルハウジングに設け、この気体吹出し口と上記工具取付端側の静圧気体軸受との間に、静圧気体軸受隙間の気体を排出する排気入口を設けた非接触軸受スピンドル装置。
請求項２において、スピンドルハウジング内における上記気体吹出し口に気体を供給する供給路を、上記静圧気体軸受に気体を供給する供給路とは別に設けた非接触軸受スピンドル装置。
請求項１ないし請求項３のいずれかにおいて、スピンドル装置は、上記主軸に取付けられた工具により切削加工に用いられるものである非接触軸受スピンドル装置。