JP2009014101A - 軸受装置およびこれを備えた工作機械 - Google Patents

Abstract

【課題】転がり軸受に付与されている予圧を個別に調整することができ、共振が発生することを抑制することができる軸受装置およびこれを備えた工作機械を提供する。
【解決手段】軸受装置１は、主軸１０と、主軸１０の外周に設けられた内輪２１と、内輪２１の外周に配設された玉２２と、玉２２を内輪２１と挟持する外輪２３とを有する転がり軸受２０と、外輪２３の少なくとも一部（フランジ部２３ｃ）と対向して配設された電磁石４０とを備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、主軸を支持する転がり軸受を備えた軸受装置、およびこれを備えた工作機械に関する。

一般に、例えば、工作機械において、主軸（スピンドル）を回転可能に支持するために、転がり軸受を備えた軸受装置を用いることが知られている。このような軸受装置の転がり軸受には、一般に、転がり軸受および転がり軸受が支持する主軸の振動を抑えるとの観点から、剛性を高めるための予圧が予め付与されている。

ここで、従来、転がり軸受に上述した予圧が付与されている場合であっても、転がり軸受により支持された主軸が、その固有振動数と同じ周波数で振動（回転）することによって、軸受装置において共振（いわゆるビビリ振動）が発生するという問題があった。特に、ワーク（加工対象物）を加工するための工作機械に用いられる軸受装置において共振が発生した場合は、ワークを精密に加工することができないため、主軸の回転数を下げることが必要となる。その結果、ワークの加工能率が低下するという問題があった。

そこで、軸受装置における共振を抑えるために、転がり軸受に付与されている予圧を調整することが知られている。即ち、転がり軸受に付与されている予圧を調整することで、転がり軸受の剛性を変えて、転がり軸受により支持された主軸の固有振動数を、主軸の回転数と異ならせることにより、軸受装置において共振が発生することを抑えることができる。このような予圧を調整する軸受装置としては、主軸と一体に形成されたスラストディスクに、電磁石の励磁によって生じた磁力を作用させて、主軸をアキシアル方向に移動させることにより転がり軸受に付与されている予圧を調整する（即ち、主軸をアキシアル方向に移動させて予圧を調整する）軸受装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特許第２７５９２３２号公報

しかし、上記従来技術においては、主軸を移動させることにより転がり軸受に付与されている予圧を調整するため、軸受装置が複数の転がり軸受を備える場合に、転がり軸受に付与されている予圧を個別に調整することができない。その結果、転がり軸受の予圧を個別に調整することができないため、転がり軸受により支持された主軸の固有振動数を自在に調整できないという問題があった。

そこで、本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、転がり軸受に付与されている予圧を個別に調整することができ、主軸の固有振動数を自在に調整することができる軸受装置およびこれを備えた工作機械を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、主軸と、主軸の外周に設けられた内輪と、内輪の外周に配設された転動体と、転動体を内輪と挟持する外輪とを有する転がり軸受と、外輪の少なくとも一部と対向して配設された電磁石とを備えることを特徴とする。

同構成によれば、軸受装置が、外輪の少なくとも一部と対向して配設された電磁石を備えるため、電磁石に電流を供給することにより発生する磁力（磁気の吸引力）によって、転がり軸受に付与されている予圧が変化する。従って、例えば、複数の転がり軸受を備える場合であっても、転がり軸受に付与されている予圧を個別に調整することができ、転がり軸受により支持された主軸の固有振動数を自在に調整できる。その結果、主軸の固有振動数を、主軸の回転数と異ならせることにより、共振が発生することを抑制することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の軸受装置であって、外輪は、転動体の軌道面を有する本体部と、本体部に設けられたフランジ部により形成され、電磁石がフランジ部と対向していることを特徴とする。

同構成によれば、電磁石がフランジ部と対向しているため、フランジ部と対向する電磁石に電流を供給することにより発生する磁力を、外輪に対して効果的に作用させることができ、転がり軸受に付与されている予圧を効果的に調整することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の軸受装置であって、フランジ部は本体部から外方へ向けて延設され、電磁石は、アキシアル方向においてフランジ部と対向し、さらに、ラジアル方向において本体部と対向していることを特徴とする。

同構成によれば、アキシアル方向（即ち、主軸の回転軸に平行な方向）において電磁石が配設されるスペースを小さくすることができる。なお、アキシアル方向とは主軸の回転軸に平行な方向であり、ラジアル方向とはアキシアル方向に垂直な方向である。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の軸受装置を備えることを特徴とする。
同構成によれば、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の軸受装置を備えるため、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の発明と同じ効果を得ることができる。また、共振を発生することを抑えることができるため、例えば、主軸の回転数を下げる必要がなくなり、ワークの加工能率を維持することができる。

本発明によれば、転がり軸受に付与されている予圧を個別に調整することができ、転がり軸受により支持された主軸の固有振動数を自在に調整でき、その結果、共振が発生することを抑制することができる。

以下、本発明の具体的な実施形態について、図１を参照しながら説明する。なお、本実施形態では、本発明の軸受装置を備え、ワークを加工する工作機械を例に挙げて説明する。

図１に示すように、工作機械が備える軸受装置１は、主軸１０と、主軸１０を支持する一対の転がり軸受２０，３０と、アキシアル方向（図中の矢印Ａの方向）において転がり軸受２０，３０の各々と対向して配設された電磁石４０，５０とを備えている。

主軸１０は、図１に示すように、大径部１１と、アキシアル方向Ａにおいて大径部１１を挟む一対の中径部１２，１３と、一方の中径部１２からアキシアル方向Ａへ突出した小径部１４を有している。大径部１１の外周には、積層された珪素鋼板１１ａが設けられるとともに、小径部１４の先端には、研削用または切削用の工具１４ａが取り付けられている。

転がり軸受２０は、図１に示すように、主軸１０の外周に設けられた内輪２１と、内輪２１の外周に配設された転動体としての玉２２と、玉２２を内輪２１と挟持する外輪２３とを有する。転がり軸受２０は、内輪２１および外輪２３と玉２２が接触角を有するアンギュラ軸受であるため、ラジアル方向（即ち、図中の矢印Ｒの方向）の荷重だけでなくアキシアル方向Ａの荷重も受ける。また、転がり軸受３０も、転がり軸受２０と同様に、主軸１０に固定された内輪３１と、内輪３１の外周に配置された転動体としての玉３２と、玉３２を内輪３１と挟持する外輪３３とを有するアンギュラ軸受である。アンギュラ軸受である転がり軸受２０，３０の各々は、内輪２１，３１の軌道面２１ａ，３１ａと、外輪２３，３３の軌道面２３ａ，３３ａによって、アキシアル方向Ａおよびラジアル方向Ｒの荷重を支持する。なお、本実施形態においては、転動体は玉２２，３２であるが、円筒状または円錐状のころであってもよい。

また、転がり軸受２０の外輪２３は、図１に示すように、玉２２の軌道面２３ａを有する本体部２３ｂと、本体部２３ｂに一体に設けられた円盤状のフランジ部２３ｃにより形成されている。フランジ部２３ｃは、図１に示すように、矢印Ｄ１の方向へ突出して、さらに外方（図中の矢印Ｇの方向）へ延びている。同様に、外輪３３は、玉３２の軌道面３３ａを有する本体部３３ｂと、本体部３３ｂに一体に設けられた円盤状のフランジ部３３ｃにより形成されている。フランジ部３３ｃは、図１に示すように、矢印Ｄ２の方向へ突出して、さらに外方Ｇへ延びている。これらフランジ部２３ｃ，３３ｃは磁性材料により形成されている。なお、本実施形態においては、フランジ部２３ｃ，３３ｃの各々は、外輪２３，３３に一体に形成されているが、一体に形成されていなくてもよく、少なくともフランジ部２３ｃ，３３ｃが磁性材料により形成されていればよい。

電磁石４０，５０は、磁性体（不図示）と、磁性体に導線を巻くことによって形成されたコイル（不図示）とから構成されている。電磁石４０，５０の各々は、ヨーク部材４１，５１内に収容され、アキシアル方向Ａにおいて外輪２３，３３の少なくとも一部（即ち、フランジ部２３ｃ，３３ｃ）と対向するように所定間隔を空けて配設されている。

上記構成の軸受装置１を備える工作機械は、軸受装置１の他に、主軸１０をロータ（回転子）として回転させるための回転磁界を発生させるステータ（固定子）６０と、転がり軸受２０，３０およびステータ６０を保護するためのハウジング７０とを備えている。即ち、ロータである主軸１０とステータ６０により、電動機（モータ）が構成されている。

ステータ６０は、円筒状のステータコア６１と、ステータコア６１に巻かれた導線からなるコイル６２とから構成されている。ステータコア６１は軟質磁性材料により形成されているため、コイル６２に電流を供給することによって回転磁界を発生させることができる。

ハウジング７０は円筒状に形成され、その内周には、ヨーク部材４１，５１およびステータ６０が固定されるとともに、転がり軸受２０，３０を保持することにより主軸１０のアキシアル方向Ａへの移動を規制している。

次に、軸受装置１を備える工作機械の動作について説明する。
ステータ６０が発生させる回転磁界によって、磁性体である珪素鋼板１１ａにトルクが生じて、転がり軸受２０，３０によって支持された主軸１０が回転する。そして、主軸１０の回転に伴い、主軸１０の先端に取り付けられた工具１４ａも回転する。この回転する工具１４ａをワーク（不図示）に押し付けることにより、工作機械はワークを研削または切削して加工することができる。

ここで、本実施形態においては、上述のごとく、軸受装置１が、外輪２３の少なくとも一部と対向して配設された電磁石４０を備えることに特徴がある。即ち、電磁石４０に電流を供給することにより発生する磁気の吸引力によって、外輪２３を図中の矢印Ｄ１の方向へ吸引する。この場合、内輪２１は主軸１０に固定されているため、転がり軸受２０の全体が図中の矢印Ｄ１の方向へ移動することはなく、転がり軸受２０に付与されている予圧が変化する。同様に、軸受装置１は、外輪３３の少なくとも一部と対向して配設された電磁石５０を備え、電磁石５０に電流を供給することにより発生する磁気の吸引力によって、外輪３３を図中の矢印Ｄ２の方向へ吸引する。その結果、転がり軸受３０に付与されている予圧が変化する。各電磁石４０，５０に供給される電流の量に対応する転がり軸受２０，３０に付与されている予圧の変化は、予め知ることができるので、電磁石４０，５０の各々に供給される電流の制御は容易である。

また、上述のごとく、電磁石４０，５０が発生させる磁気の吸引力によって、転がり軸受２０，３０に付与されている予圧が大きくなるように外輪２３，３３を吸引する。即ち、外輪２３，３３の軌道面２３ａ，３３ａの各々を内輪２１，３１の軌道面２１ａ，３１ａに近づける方向へ、各外輪２３，３３を移動させようとするため、転がり軸受２０，３０に付与されている予圧が大きくなる。従って、電磁石４０，５０は転がり軸受２０，３０の剛性を高めるように磁力（即ち、磁気の吸引力）を発生させる。

また、本実施形態においては、上述のごとく、外輪２３，３３は、玉２２，３２の軌道面２３ａ，３３ａを有する本体部２３ｂ，３３ｂと、本体部２３ｂ，３３ｂに設けられたフランジ部２３ｃ，３３ｃにより形成され、各電磁石４０，５０が、フランジ部２３ｃ，３３ｃと対向している。

上記実施形態の軸受装置１によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）外輪２３の少なくとも一部と対向して配設された電磁石４０に電流を供給することにより発生する磁力（即ち、磁気の吸引力）によって、転がり軸受２０に付与されている予圧を変化させることができる。また、外輪３３の少なくとも一部と対向して配設された電磁石５０に電流を供給することにより発生する磁力（即ち、磁気の吸引力）によって、転がり軸受３０に付与されている予圧を変化させことができる。従って、複数の転がり軸受２０，３０を備える場合であっても、転がり軸受２０または転がり軸受３０に付与されている予圧を個別に調整することができ、転がり軸受２０および転がり軸受３０により支持された主軸１０の固有振動数を自在に調整できる。その結果、主軸１０の固有振動数を、主軸１０の回転数と異ならせることにより、共振が発生することを抑制することができる。

（２）電磁石４０，５０の各々は、転がり軸受２０，３０の剛性を高めるように磁力（即ち、磁気の吸引力）を発生させるため、転がり軸受２０，３０の剛性を高めることにより、転がり軸受２０，３０により支持された主軸１０の固有振動数が大きくなる。従って、共振を抑えて主軸１０をより高速に回転させることができる。

（３）電磁石４０，５０の各々はフランジ部２３ｃ，３３ｃと対向しているため、フランジ部２３ｃ，３３ｃと対向する電磁石４０，５０に電流を供給することにより発生する磁力を、外輪２３，３３に対して効果的に作用させることができ、転がり軸受２０，３０に付与されている予圧を効果的に調整することができる。

また、上記実施形態において、工作機械は軸受装置１を備えているため、上記（１）乃至（３）に記載の効果と同じ効果を得ることができ、また、共振を発生することを抑えることができるため、主軸１０の回転数を下げる必要がなくなり、ワークの加工能率を維持することができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の設計変更をすることが可能であり、それらを本発明の範囲から除外するものではない。例えば、上記実施形態は以下のように変更してもよい。

・上記実施形態においては、フランジ部２３ｃ，３３ｃの各々は、矢印Ｄ１または矢印Ｄ２の方向へ突出して、さらに外方Ｇへ延びていたが、図２に示すように、外輪２３，３３の本体部２３ｂ，３３ｂから外方Ｇへ向けて延設されていてもよい。この場合、図２に示すように、各電磁石４０，５０は、アキシアル方向Ａにおいてフランジ部２３ｃ，３３ｃと対向し、さらに、ラジアル方向Ｒにおいて本体部２３ｂ，３３ｂと対向していることが好ましい。このようにすれば、上記（１）乃至（３）の効果を得ることができ、さらに、アキシアル方向Ａにおいて電磁石４０，５０が配設されるスペースを小さくすることができる。

・上記実施形態においては、フランジ部２３ｃ，３３ｃの各々は、外方Ｇへ延びていたが、図３に示すように、内方（即ち、図中の矢印Ｎの方向）へ延びていてもよい。このようにしても、上記（１）乃至（３）の効果を得ることができる。

・上記実施形態においては、軸受装置１は一対（２つ）の転がり軸受２０，３０を備えていたが、一方がその他の軸受（例えば、すべり軸受）であってもよく、また、軸受装置１が３つ以上の転がり軸受を備えていてもよい。即ち、軸受装置１が備える転がり軸受の数は適宜変更することができ、このようにしても、上記（１）の効果を得ることができる。

本発明の実施形態に係る軸受装置を備えた工作機械を示す断面図。 本発明の実施形態に係る軸受装置を備えた工作機械の変形例を示す断面図。 本発明の実施形態に係る軸受装置を備えた工作機械の変形例を示す断面図。

符号の説明

Ａ…アキシアル方向、Ｇ…外方、Ｒ…ラジアル方向、１…軸受装置、１０…主軸、２０，３０…転がり軸受、２１，３１…内輪、２２，３２…玉（転動体）、２３，３３…外輪、２３ａ，３３ａ…軌道面、２３ｂ，３３ｂ…本体部、２３ｃ，３３ｃ…フランジ部、４０，５０…電磁石、６０…ステータ、７０…ハウジング。

Claims (4)

1. 主軸と、
   前記主軸の外周に設けられた内輪と、前記内輪の外周に配設された転動体と、前記転動体を前記内輪と挟持する外輪とを有する転がり軸受と、
   前記外輪の少なくとも一部と対向して配設された電磁石とを備えることを特徴とする軸受装置。
2. 前記外輪は、前記転動体の軌道面を有する本体部と、前記本体部に設けられたフランジ部により形成され、
   前記電磁石が前記フランジ部と対向していることを特徴とする請求項１に記載の軸受装置。
3. 前記フランジ部は前記本体部から外方へ向けて延設され、
   前記電磁石は、アキシアル方向において前記フランジ部と対向し、さらに、ラジアル方向において前記本体部と対向していることを特徴とする請求項２に記載の軸受装置。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の軸受装置を備えることを特徴とする工作機械。

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