JP2004190741A - 非接触軸受スピンドル装置 - Google Patents
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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
【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
【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 (4)
- 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。
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CN114352704A (zh) * | 2022-01-14 | 2022-04-15 | 深圳特斯特半导体设备有限公司 | 划片机刀片主轴结构 |
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-
2002
- 2002-12-10 JP JP2002357658A patent/JP2004190741A/ja not_active Withdrawn
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CN114352704B (zh) * | 2022-01-14 | 2024-03-15 | 深圳特斯特半导体设备有限公司 | 划片机刀片主轴结构 |
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