JP2008019943A - 組合せ軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】 剛性を低下させることなく軸受の発熱を小さく抑えることができる組合せ軸受を提供する。
【解決手段】 この組合せ軸受４は、工作機械のスピンドル装置１における主軸３のフロント側部分を、それぞれ接触角を有する複数の転がり軸受４Ａ〜４Ｄにより予圧付与状態で支持するものである。前記複数の転がり軸受４Ａ〜４Ｄのうちのいずれかの転がり軸受の接触角を、他の転がり軸受と異ならせる。例えば、主軸３のフロント端側である工具取付側の転がり軸受４Ａ，４Ｂよりも、反負荷側の転がり軸受４Ｃ，４Ｄの接触角を小さくする。
【選択図】 図１

Description

この発明は、工作機械のスピンドル装置における主軸のフロント側部分を支持する組合せ軸受に関する。

スクリューコンプレッサの回転軸を支持するのに、予圧をかけない一対のアンギュラ玉軸受を組み合わせたものを用い、これら一対の玉軸受の接触角を互いに異ならせたものが提案されている（特許文献１）。この場合、一対の玉軸受のうち、アキシアル荷重を受ける方の玉軸受の接触角を、アキシアル荷重を受けない方の玉軸受よりも大きくしている。これにより、アキシアル荷重を受ける玉軸受の負荷容量が大きくなって、軸受寿命が延ばされる。

ところで、工作機械のスピンドル装置では、主軸により加工物を加工することを前提としていることから主軸の剛性が必要不可欠であり、そのため主軸を支持する軸受には予圧が付与される。また、工作機械のスピンドル装置では、高速回転しながら加工する割合が高く、マシニングセンタ等で使用される場合には加工負荷はそれほど大きくないので、主軸を支持する軸受が受ける負荷も大きくなく、軸受の転がり疲労寿命が問題になることはほとんど無い。

通常、マシニングセンタ等で高速回転される図８のようなスピンドル装置では、その主軸３３を支持するアンギュラ玉軸受３４Ａ，３４Ｂ，３５Ａ，３５Ｂの接触角は１５〜２５°程度に設定され、同図のようにアンギュラ玉軸受３４Ａ，３４Ｂをフロント固定側（工具側）軸受として定位置予圧で使用する場合、同じ接触角のものを背面組合せ（ＤＢ組合せ）で使用するのが一般的である。

この場合、軸受は高速運転されると発熱するが、一般に接触角が小さい方が大きいものよりも発熱が小さい。すなわち、アンギュラ玉軸受３４Ａ，３４Ｂのボールには構造上スピンモーメントが働くが、その大きさは図９のようにボール３６と軌道輪（内輪）３７との接触楕円両側の径差による。この場合の径差は、接触角大の場合（図９（Ａ））は（Ｒ１−Ｒ２）で、接触角小の場合（図９（Ｂ））は（Ｒ３−Ｒ４）であり、これらの大小関係は、
接触角大の場合の径差（Ｒ１−Ｒ２）＞接触角小の場合の径差（Ｒ３−Ｒ４）
であり、内輪３７が回転すると径差によってボール３６が自転軸を中心に回転（スピン）する。構造上、ボール３６と内輪・外輪は同時に純転がりすることができず、とくに高速回転域では内輪３７とボール３６の間でスピン滑りが生じ、これが発熱に影響を与える。通常、このスピン滑りは、接触角が大きいほど大きく発熱も大きい。図１０は、内径φ１００のセラミックボール軸受で、エアオイル潤滑、組込み時予圧量：０ kgfの場合に、接触角と発熱量との関係を示すグラフである。

また、ラジアル剛性は接触角の小さい方が高く、アキシアル剛性は接触角の大きい方が高い。すなわち、図８のアンギュラ玉軸受３４Ａ，３４Ｂの背面組合せにおいて、玉軸受３４Ａ，３４Ｂに付与される予圧は、図１１における水平方向力Ｆ１に相当する。図１１（Ａ），（Ｂ）のように接触角が大小異なる２種類のアンギュラ玉軸受に同一予圧を与えた場合、ボール３６にかかる力（合力Ｆ）は、接触角が大きい方が小さい。つまり、アキシアル荷重が同じであれば、ボール３６にかかる力が小さくなる接触角大の場合（図１１（Ａ））は変位も小さく、アキシアル剛性が高いと言える。
特開平８−２１９０５２号公報

図８に示すスピンドル装置を例えばアキシアル剛性を必要とするタッピングセンタ等に使用した場合に、一対のアンギュラ玉軸受３４Ａ，３４Ｂの組合せで運転して温度上昇が高かったとすると、もう少し温度上昇を下げたければ組込み時の予圧量を下げることで温度を下げることが可能である。しかし、この場合、同時に剛性も低下してしまうという問題がある。

この発明の目的は、剛性を低下させることなく軸受の発熱を小さく抑えることができる組合せ軸受を提供することである。

この発明の組合せ軸受は、工作機械のスピンドル装置における主軸のフロント側部分を、それぞれ接触角を有する複数の転がり軸受により予圧付与状態で支持する組合せ軸受において、前記複数の転がり軸受のうちのいずれかの転がり軸受の接触角を、他の転がり軸受と異ならせたことを特徴とする。例えば、前記主軸フロント側部分を支持する複数の転がり軸受のうち、主軸のフロント端側である工具取付側の転がり軸受よりも、反負荷側の転がり軸受の接触角を小さくする。また、組合せ形態は、背面組合せが好ましい。

この構成の組合せ軸受によると、一部の転がり軸受の接触角を小さくするので、その転がり軸受につき、回転による軸受温度の上昇を抑制することができ、また予圧付与状態とするため、接触角を小さくしたことによるアキシアル剛性の低下は殆どないものとできる。なお、接触角が変わっても、ラジアル剛性差はアキシアル剛性程の大きな差はない。このように、剛性を低下させることなく軸受の発熱を小さく抑えることができる。スピンドル装置における主軸のフロント側部分を支持する組合せ軸受は、軸受温度が上昇すると主軸の熱変位による加工物の加工精度への影響が大きいが、上記のように軸受温度の上昇を抑制できるため、温度上昇による加工精度の低下が防止される。
また、主軸のフロント側部分を支持する組合せ軸受のうち、反負荷側の転がり軸受は、モータ発熱の影響を受け易いため、この発熱の影響を受け易い反負荷側の転がり軸受の接触角を小さくして発熱を押えることで、主軸の熱変位を抑える効果がより効果的に得られる。この反負荷側の転がり軸受の接触角を小さくする構成は、主軸のフロント側部分とリア側部分との間にモータを内蔵したスピドル装置の場合に、より効果的である。

具体的な応用例として、例えば負荷側および反負荷側の軸受の接触角を共に２０°とした組合せアンギュラ玉軸受を使用していて、アキシアル剛性面では満足しているが、剛性を低下させることなく発熱をもう少し抑えたいという場合には、反負荷側の軸受の接触角を１５°に変更することで要求に応えることができる。
また、例えば負荷側および反負荷側の軸受の接触角を共に１５°とした組合せアンギュラ玉軸受を使用していて、発熱面では満足しているが、もう少しアキシアル剛性を高くしたいという場合には、負荷側の軸受の接触角を２０°に変更することにより、最小限の発熱増加でアキシアル剛性の向上が可能となる。

この発明において、前記複数の転がり軸受がアンギュラ玉軸受であっても良い。アンギュラ玉軸受は、アキシャル負荷を支持可能な軸受でありながら、低発熱で高速回転が可能であり、この発明における接触角を異ならせる組合せを、アンギュラ玉軸受に適用することにより、低発熱で高速回転が求められる工作機械のスピドル装置主軸支持用として適した軸受仕様とできる。

この発明の組合せ軸受は、工作機械のスピンドル装置における主軸のフロント側部分を、それぞれ接触角を有する複数の転がり軸受により予圧付与状態で支持する組合せ軸受において、前記複数の転がり軸受のうちのいずれかの転がり軸受の接触角を他の転がり軸受と異ならせたため、剛性を低下させることなく軸受の発熱を小さく抑えることができる。

この発明の第１の実施形態を図１〜図３と共に説明する。図１はこの実施形態の組合せ軸受が用いられる工作機械のスピンドル装置の断面図を示す。このスピンドル装置１は、例えばアキシアル剛性を必要とするタッピングセンタ等に使用されるものである。このスピンドル装置１は、軸受ハウジング２内において、主軸３のフロント側部分をこの実施形態の組合せ軸受４により、また主軸３のリア側部分を他の組合せ軸受５でそれぞれ回転自在に支持したものであり、主軸３の中間部に設けられたモータ６により主軸３を回転駆動するようにされている。

主軸３のフロント側部分を支持する組合せ軸受４は、それぞれ接触角を有する４列の転がり軸受４Ａ〜４Ｄからなる。主軸３のリア側部分を支持する組合せ軸受５は、２列の転がり軸受５Ａ，５Ｂからなる。これら各転がり軸受４Ａ〜４Ｄ，５Ａ，５Ｂは、いずれもアンギュラ玉軸受としている。フロント側組合せ軸受４の各内輪１４は、内輪固定ナット７の締め付けにより、主軸３の段面３ａと内輪固定ナット７との間に固定される。フロント側組合せ軸受４の各外輪１５は、外輪押え蓋８を押し付け状態に取付けることにより、外輪押え蓋８と軸受ハウジング２内の段面２ａとの間に位置決め固定されている。これにより、フロント側組合せ軸受４には定位置予圧が与えられる。フロント側組合せ軸受４の各転がり軸受４Ａ〜４Ｂ間には間座１９，２０が介在する。

主軸３のリア側部分を支持する組合せ軸受５の２列の転がり軸受５Ａ，５Ｂは、背面組合せ（ＤＢ組合せ）とされている。これら軸受５Ａ，５Ｂの各内輪１６は内輪固定ナット９により主軸３に締め付け固定され、リア側組合せ軸受４の各外輪１７は軸受ハウジング２から分離されたハウジング別材１０内に固定されている。前記ハウジング別材１０と軸受ハウジング２の後端との間には圧縮ばね１１が介挿され、この圧縮ばね１１によりリア側組合せ軸受５に主軸３の後ろ向きに定圧予圧が与えられている。このように、予圧を予め付与することにより、主軸３の剛性が高められる。

モータ６は、主軸３に固定されたロータ１２と、このロータ１２に対向して軸受ハウジング２の内周に設けられたステータ１３とでなる。

フロント側組合せ軸受４における４列の転がり軸受４Ａ〜４Ｄは、軸方向にＤＴＢＴ組合せで配列されたものである。すなわち、図１において、主軸３のフロント端側（負荷側）である工具取付側（同図の左側）の２列の転がり軸受４Ａ，４Ｂと、反負荷側であるモータ配置側（同図の右側）の２列の転がり軸受４Ｃ，４Ｄとが互いに背面合せで配列されている。４列の転がり軸受４Ａ〜４Ｄのうち、反負荷側の２列の転がり軸受４Ｃ，４Ｄの接触角は、負荷側の２列の転がり軸受４Ａ，４Ｂよりも小さくしている。具体的には、負荷側の転がり軸受４Ａ，４Ｂの接触角を２０°とし、反負荷側の転がり軸受４Ｃ，４Ｄの接触角を１５°としている。

通常では、背面組合せ軸受の場合、同じ接触角の転がり軸受を使用する。このような組合せ軸受として、例えばφ７０の転がり軸受を、組込み時予圧量１００kgf の予圧を付与して組んだ場合に、主軸のアキシアル剛性を見ると、図２にグラフで示すように、負荷側および反負荷側の接触角を共に２０°としたものと、負荷側および反負荷側の接触角を共に１５°としたものとでは、３００kgf 負荷時に６μｍ程度ものアキシアル剛性差（接触角１５°の場合にアキシアル剛性低下）がある。これに対して、負荷側の接触角を２０°とし反負荷側の接触角を１５°とした場合、負荷側および反負荷側の接触角を共に２０°としたものと比べてアキシアル剛性低下は１μｍとなり、剛性差はほとんど無くなる。なお、同じ条件でラジアル剛性を見ると、図３にグラフで示すように、接触角の変更によるラジアル剛性差はアキシアル剛性程大きくならない。
他方、接触角の小さい転がり軸受は、接触角の大きい転がり軸受よりも軸受温度を低くできることは先述した通りである。

このことから分かるように、この実施形態の組合せ軸受４では、反負荷側の転がり軸受４Ｃ，４Ｄの接触角（＝１５°）を、負荷側の転がり軸受４Ａ，４Ｂの接触角（＝２０°）よりも小さくしているので、剛性をほとんど低下させることなく、軸受温度を抑制することができる。
具体的な応用例として、例えば負荷側および反負荷側の軸受の接触角を共に２０°とした組合せアンギュラ玉軸受を使用していて、アキシアル剛性面では満足しているが、剛性を低下させることなく発熱をもう少し抑えたいという場合には、反負荷側の軸受の接触角を１５°に変更することで要請に応えることができる。
また、例えば負荷側および反負荷側の軸受の接触角を共に１５°とした組合せアンギュラ玉軸受を使用していて、発熱面では満足しているが、もう少しアキシアル剛性を高くしたいという場合には、負荷側の軸受の接触角を２０°に変更することにより、最小限の発熱増加でアキシアル剛性の向上が可能となる。

とくに、この実施形態では、モータ６の発熱の影響を受けやすい反負荷側の転がり軸受４Ｃ，４Ｄの接触角を例えば１５°と小さくしているので、軸受温度の抑制効果がより高くなる。また、この実施形態では、アンギュラ玉軸受に適用しているので、低発熱で高速回転が求められる工作機械のスピンドル装置主軸支持用として適した軸受仕様となる。

なお、図１の実施形態では、反負荷側の２列の転がり軸受４Ｃ，４Ｄの接触角を共に１５°と小さくした場合を示したが、図４に示す実施形態のように、反負荷側の２列の転がり軸受４Ｃ，４Ｄのうち、１列の軸受（例えば転がり軸受４Ｄ）の接触角だけを１５°と小さくしても良い。

また、これらの実施形態では、大きい接触角が２０°、小さい接触角が１５°の場合を例示したが、これに限定されるものではなく、その接触角の組合せは設計者が任意に設定できる。

図５は、この発明のさらに他の実施形態にかかる組合せ軸受４を用いた工作機械のスピンドル装置の断面図を示す。このスピンドル装置１では、図１の実施形態において、主軸３のフロント側部分を支持する組合せ軸受４を、負荷側の１列のアンギュラ玉軸受４Ａと、反負荷側の１列のアンギュラ玉軸受４Ｄを背面組合せとして構成したものであり、反負荷側軸受４Ｄの接触角（＝１５°）を負荷側軸受４Ｄの接触角（＝２０°）よりも小さくしている。その他の構成は図１の実施形態の場合と同様である。

図６は、この発明のさらに他の実施形態にかかる組合せ軸受４を用いた工作機械のスピンドル装置の断面図を示す。このスピンドル装置１では、図５の実施形態において、主軸３のフロント側部分を支持する組合せ軸受４の各列の軸受４Ａ，４Ｄを、円すいころ軸受としたものである。

図７は、この発明のさらに他の実施形態にかかる組合せ軸受４を用いた工作機械のスピンドル装置の断面図を示す。このスピンドル装置１では、主軸３のフロント側部分である負荷側（工具取付側）を、複列円筒ころ軸受２１と、背面組合せとした２列のアンギュラ玉軸受４Ａ，４Ｄからなる組合せ軸受４とで支持し、主軸３のリア側部分を単列円筒ころ軸受５で支持したものであり、主軸３は図示しない回転駆動装置により外部駆動される。組合せ軸受４では、反負荷側の軸受４Ｄの接触角（１５°）が、負荷側の軸受４Ａの接触角（２０°）よりも小さくされる。その他の構成は図１の実施形態の場合と略同様である。

この発明の第１の実施形態の組合せ軸受が組み込まれた工作機械用スピンドル装置の断面図である。 同組合せ軸受のアキシアル変位とアキシアル荷重との関係を従来の組合せ軸受と比較した試験結果を示すグラフである。 同組合せ軸受のラジアル変位とラジアル荷重との関係を従来の組合せ軸受と比較した試験結果を示すグラフである。 この発明の他の実施形態の組合せ軸受が組み込まれた工作機械用スピンドル装置の断面図である。 この発明のさらに他の実施形態の組合せ軸受が組み込まれた工作機械用スピンドル装置の断面図である。 この発明のさらに他の実施形態の組合せ軸受が組み込まれた工作機械用スピンドル装置の断面図である。 この発明のさらに他の実施形態の組合せ軸受が組み込まれた工作機械用スピンドル装置の断面図である。 従来の組合せ軸受が組み込まれた工作機械用スピンドル装置の断面図である。 アンギュラ玉軸受の接触角とボール・軌道輪接触楕円両側の径差との関係を示す説明図である。 アンギュラ玉軸受の接触角と発熱量との関係を示すグラフである。 アンギュラ玉軸受の接触角とアキシアル剛性の関係を示す説明図である。

符号の説明

１…スピンドル装置
３…主軸
４…組合せ軸受
４Ａ〜４Ｄ…転がり軸受

Claims (3)

1. 工作機械のスピンドル装置における主軸のフロント側部分を、それぞれ接触角を有する複数の転がり軸受により予圧付与状態で支持する組合せ軸受において、前記複数の転がり軸受のうちのいずれかの転がり軸受の接触角を他の転がり軸受と異ならせたことを特徴とする組合せ軸受。
2. 請求項１において、前記主軸フロント側部分を支持する複数の転がり軸受のうち、主軸のフロント端側である工具取付側の転がり軸受よりも、反負荷側の転がり軸受の接触角を小さくした組合せ軸受。
3. 請求項１または請求項２において、前記複数の転がり軸受がアンギュラ玉軸受である組合せ軸受。

Images