JP2006125554A - Non-contact seal structure for rotating shaft - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば工作機械における主軸部分での非接触タイプのシール構造に関するもので、回転中、停止中にかかわらず確実なシールを実現するためのものである。 The present invention relates to a non-contact type seal structure in a main shaft portion of a machine tool, for example, and is intended to realize a reliable seal regardless of whether it is rotating or stopped.
加工物に対して切削や切断の加工を行う工作機械において、摩擦熱の発生を少なくし、また発生した熱を冷却して工具の高温化による軟化を防止し、更には切粉を洗い流すために、加工物に対抗する工具刃物の加工点に向けて切削液を供給することが一般に行われている。このとき、直接切削液が主軸端面周辺に当たったり、加工物や刃物からの切削液の跳ね返り主軸端面周辺にかかり、主軸外周とフランジ内径との隙間から主軸に沿って機械内部へ切削液が浸入して、軸受の潤滑グリースや油を流し取り、軸受の破損に至ることがある。そのため、主軸外周とフランジ内径との隙間を適切にシールすることが必要とされ、各種の提案が過去に多くなされている。 To reduce the generation of frictional heat in machine tools that cut and cut workpieces, to cool the generated heat and prevent softening due to high tool temperature, and to wash away chips In general, the cutting fluid is supplied toward the processing point of the tool blade that opposes the workpiece. At this time, the cutting fluid directly hits the periphery of the spindle end surface or bounces off the cutting fluid from the work piece or the cutter, and is applied to the periphery of the spindle end surface, and the cutting fluid enters the machine along the spindle through the clearance between the spindle outer periphery and the flange inner diameter. As a result, the lubricating grease and oil of the bearing may be washed away and the bearing may be damaged. For this reason, it is necessary to appropriately seal the gap between the outer periphery of the main shaft and the inner diameter of the flange, and various proposals have been made in the past.
主軸の回転数は例えば50〜15000rpmのような低速から高速までにわたり、その都度、各加工条件に応じて選ばれるものである。そして、それぞれの回転数で切削液がかかり、最悪の場合には主軸の回転が停止している時に切削液がかかることすらあり、これら広範囲の回転数範囲にわたって満足できるシールを実現することが必要である。摩擦熱の発生防止にオイルミストを用いる場合もある。 The rotation speed of the main shaft ranges from a low speed to a high speed such as 50 to 15000 rpm, and is selected according to each processing condition each time. Then, the cutting fluid is applied at each rotation speed, and in the worst case, the cutting fluid may be applied when the rotation of the main shaft is stopped, and it is necessary to realize a satisfactory seal over these wide rotation speed ranges. It is. Oil mist is sometimes used to prevent the generation of frictional heat.
主軸先端部のシールに関して、接触式及び非接触式のタイプが公知である。接触式のシール効果は、主軸の停止時及び低速回転時に非常に有効であり、当該タイプの利点として認識されている。しかしながら、主軸の回転速度を高めると摩擦が激しくなって発熱を伴うために、一般的に高速回転には向いていない。例えば接触式のオイルシールを用いた態様のものでは、通常、周速10m/秒(スピンドル径φ90mmとすると回転数に換算して2123rpm)程度が限度である。また同じく接触式のVリングを用いた態様のものでは、周速15〜20m/秒(同径で3184〜4246rpm)を越えると、主軸表面とVリングのリップが離れて、シール効果が薄れてしまう。 As for the seal at the tip of the main shaft, a contact type and a non-contact type are known. The contact-type sealing effect is very effective when the spindle is stopped and rotated at a low speed, and is recognized as an advantage of this type. However, when the rotational speed of the main shaft is increased, friction becomes intense and heat is generated, so that it is generally not suitable for high-speed rotation. For example, in the embodiment using a contact-type oil seal, the limit is usually about 10 m / second (2123 rpm in terms of rotation speed when the spindle diameter is 90 mm). Similarly, in the case using the contact type V-ring, when the peripheral speed exceeds 15 to 20 m / sec (3184 to 4246 rpm with the same diameter), the surface of the main shaft and the lip of the V-ring are separated and the sealing effect is reduced. End up.
一方、図3に示すラビリンスシール30の如き従来の非接触式シール部材は、高速回転であっても非接触であるが故に発熱やシール部材の摩耗がなく優れているが、油溝31との組み合わせ構造だけでは、主軸の停止時や低速回転時には切削液やミストの侵入が容易である。また狭い隙間と広い部分を交互に設けて半径方向に凹凸を形成する構造のためにシール内での流体の浸入経路としては単純で、高圧スルーやミストの使用時に異物の侵入が避けられない。
On the other hand, the conventional non-contact type seal member such as the
本出願人は、高速回転時にシール作用の優れる非接触式のシール構造であり、しかも回転停止時や低速回転時でも切削液の浸入を防ぐことができる非接触シール構造を特許文献1において提案した。このシールシング10は、図4に示すように、軸受6の外側であって主軸4とハウジングフランジ5の間に位置する外輪30と内輪20とからなり、切削液の存在し得る側からシールされるべき側に向かうにしたがい先細りになるテーパーが上記両輪20,30の互いに対向する面40に付けられているとともに、両輪20,30のそれぞれに軸方向において凹凸21,31が形成され、これら凹凸が互いに組み合うようになっている構造である。
The present applicant proposed in Patent Document 1 a non-contact type seal structure that is excellent in sealing action at high speed rotation and that can prevent the ingress of cutting fluid even when rotation is stopped or at low speed rotation. . As shown in FIG. 4, the
しかしながら、特許文献1に開示の構造をもってしても、外部からの切削液や異物の侵入を完全に防ぎ切ることは容易でない。
エアを利用してシールを確実にする構成が知られている。エアを外部へ吹き出すことで、切削液や異物の侵入を積極的に防止するエアシール方式である。この場合、オイルシールの外側の気圧を内側より高くして潤滑油の漏れをなくすことで、シールをより確実にすることも行われている。
However, even with the structure disclosed in
Configurations that use air to ensure a seal are known. This is an air seal system that actively prevents cutting fluid and foreign matter from entering by blowing air to the outside. In this case, the seal is made more reliable by making the air pressure outside the oil seal higher than the inside to eliminate leakage of the lubricating oil.
図5は、主軸エアシールを組み込んだ3段シール構造の一例である。図3に示した構造にエアシールを付加した構成となっている。エアを案内空間7から主軸4とハウジングフランジ5の間の狭窄部8を通って外部へ吹き出すようになっている。エアの吹き出しで大部分の異物侵入を防ぐことができる。更に、狭窄部8にテーパーを付けることでエアが内部に侵入し難くなっている。けれども1段目のエアシールのみで大部分の異物侵入を防ぐためには、上記狭窄部8の厳格な隙間調整が必要であり、組み立てに難があった。また軸径が細く、回転時に遠心力の影響によって外部から主軸内部へエアが流れることがあり、それに伴って異物が侵入する虞もあった。
FIG. 5 is an example of a three-stage seal structure incorporating a spindle air seal. An air seal is added to the structure shown in FIG. Air is blown out from the
そこで本発明は、高速回転時、低速回転時、回転停止時のいずれであっても回転軸周囲に均一にエアが排出してシール作用の優れたシール構造を提供することを課題とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a sealing structure that has an excellent sealing action by uniformly discharging air around the rotating shaft at any time during high-speed rotation, low-speed rotation, and rotation stop.
上記課題を解決するために、本発明は、回転軸と当該回転軸を取り囲むハウジングの間からエアを外部へ放出することでシール機能を果たす非接触タイプシール構造において、ハウジングの範囲内に形成されたエア案内空間から回転軸先端部とハウジングの間の狭窄部に至るエア流通路の上記狭窄部近傍に第2の狭窄部を形成するとともに、当該第2の狭窄部の前後にエア溜りポケットを形成するように構成される。 In order to solve the above-described problems, the present invention is a non-contact type seal structure that performs a sealing function by discharging air to the outside from between a rotating shaft and a housing surrounding the rotating shaft, and is formed within the range of the housing. A second constriction is formed in the vicinity of the constriction in the air flow path from the air guide space to the constriction between the front end of the rotary shaft and the housing, and an air pool pocket is provided before and after the second constriction. Configured to form.
最初の狭窄部を形成する回転軸側の部分におけるハウジングに対向する面に、エアが回転軸の半径方向外側へ吹き出るように、傾斜が付けられているのが、好適である。また主軸受周辺のための別のシール構造を付加していて、当該別のシール構造につながる回転軸とハウジングの間の隙間が、上記最初の狭窄部よりも狭くなっているのも、シール用エアが回転軸に沿って内部へ侵入しないので好都合である。 It is preferable that the surface facing the housing in the portion on the rotating shaft side forming the first constricted portion is inclined so that air blows out radially outward of the rotating shaft. Also, another seal structure for the periphery of the main bearing is added, and the gap between the rotating shaft and the housing connected to the other seal structure is narrower than the first constricted part. Conveniently, air does not enter the interior along the axis of rotation.
本発明に係るシール構造では、2段ポケット(環状空気室)を配することになるので、エア圧が均等になり、回転軸周囲に均一にエアが排出して、軸シール構造として優れたものとなる。また従来の構造に比して、現合合わせなどの組立調整工数を削減できるようにもなった。 In the seal structure according to the present invention, since two-stage pockets (annular air chambers) are provided, the air pressure is uniform, air is uniformly discharged around the rotating shaft, and the shaft seal structure is excellent. It becomes. Compared to the conventional structure, the assembly adjustment man-hours such as the current combination can be reduced.
最初の狭窄部を形成する回転軸側の部分におけるハウジングに対向する面に、エアが回転軸の半径方向外側へ吹き出るように、傾斜を付けることで、高圧スルーの跳ね返りの直撃を防ぐことができる。また回転時、遠心力によってエアが内部から外部に向かって流れるようになる。 By directing the surface of the rotary shaft side that forms the first constriction portion that faces the housing so that air is blown outward in the radial direction of the rotary shaft, it is possible to prevent the high-pressure thru from hitting directly. . During rotation, air flows from the inside toward the outside due to centrifugal force.
本発明の詳細を、図に示した実施の形態に基づいて、説明する。なお当然ながら、以下の実施形態は、本発明を具体化した一例であり、本発明の技術的範囲はこれに制約されるものではない。 Details of the present invention will be described based on the embodiment shown in the drawings. Of course, the following embodiments are examples embodying the present invention, and the technical scope of the present invention is not limited thereto.
図1に、本発明に係るエアシール構造1を組み込んだ主軸の先端近傍の構成を示す。図2は、エアシール構造1の拡大図である。不図示の圧縮空気源からつながりハウジングの範囲内に形成されたエア案内空間11は、主軸4(正確に言えば、主軸4の頭部周辺に取り付けられたスリンガ部材24)とハウジングフランジ5の間に形成された第1狭窄部12と共にエアシール用エア流通路を構成している。
FIG. 1 shows a configuration in the vicinity of the tip of a main shaft incorporating an
第1狭窄部12のエア流通下流側にはエア溜り用のポケット空間14が形成されている。このポケット空間14の更にエア流通下流側は、エア流通路が再び狭くなって、第2狭窄部16を形成し、その更にエア流通下流側は広がって第2ポケット空間18を形成している。これから、第2狭窄部16の前後にはそれぞれエア溜りポケットが形成されていることになる。エア案内空間11を通って移動したエアは第2ポケット空間18にいったん溜り、第2狭窄部16を通り抜けた後、再び第1ポケット空間14に溜まって、しかる後に第1狭窄部12を通り抜けて外部へ吹き出すこととなる。エア供給は、主軸4の回転停止時にも行うようになっている。
A
第1狭窄部12、第1ポケット空間14、第2狭窄部16、第2ポケット空間18はいずれも主軸4を取り囲むように環状に形成されており、図1bから認識できるように、エア案内空間11はハウジングの範囲内の一部に形成されている(図面上、エア案内空間11は主軸4の上方のみに存在し、下方側には存在していない)。
The first
第1狭窄部12をハウジングフランジ5と共に形成するスリンガ部材24は、主軸4の頭部周辺に一体的に取り付けられ、ハウジングフランジ5に対向する面は、エアが主軸4の半径方向外側へ吹き出すように、傾斜が付けられている。このような傾斜の付けられ方によって、主軸4が回転すると第1狭窄部12は外部に近い側のほうが周速が大きくなり、また遠心力の作用によって、エアが内部から外部に向かって吹き出ることとなる。またスリンガ部材24は、主軸端面のバランス取り穴(図示せず)を覆っており、風切り音の対策も果たしている。
The
本例では、エアシール構造1のほかに、油溝3とラビリンスシール2がエアシール構造より主軸内側にある。油溝3、ラビリンスシール2、エアシール構造1によって極めて優れたシール機能を奏するようになっている。油溝3の前方部分の、図2で見て左側の、主軸4とハウジングの隙間26は第1狭窄部12よりも狭くなっており、それによってシールエアが軸受側内部に侵入することが防がれる。
In this example, in addition to the
1 エアシール構造
4 主軸
5 ハウジングフランジ
11 エア案内空間
12 第1狭窄部
14,18 エア溜まり空間
16 第2狭窄部
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