JP2013142412A

JP2013142412A - Spindle device

Info

Publication number: JP2013142412A
Application number: JP2012001570A
Authority: JP
Inventors: Yoshifumi Inagaki; 好史稲垣
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2012-01-06
Filing date: 2012-01-06
Publication date: 2013-07-22
Anticipated expiration: 2032-01-06
Also published as: JP5899932B2

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a spindle device capable of high speed rotation with a dmn value being one million or more, and having a superior waterproof function.SOLUTION: At least a portion of rotating member 40 constituting a portion of waterproof function for suppressing entry of liquid to a front side bearing 50, 50, being fixed integrally rotatably to a rotation shaft 11 of a spindle device 10 is formed of carbon fiber complex material.

Description

本発明は、スピンドル装置に関し、より詳細には、防水機能を有し、工作機械に適用するのに好適なスピンドル装置に関する。 The present invention relates to a spindle device, and more particularly to a spindle device having a waterproof function and suitable for application to a machine tool.

工作機械等に適用されるスピンドル装置の回転軸は、高速回転して被加工物の切削加工や研削加工を行っている。加工に際して、一般的に、刃具および加工部位の潤滑や冷却を目的として多量の加工液が加工部位に供給される。即ち、潤滑により、被削特性の向上、加工刃先の摩耗抑制、工具寿命の延長などが図られる。また、冷却により、刃具及び被加工物の熱膨張が抑制されて加工精度の向上、加工部位の熱溶着を防止して加工効率の向上や加工面の表面性状の向上が図られる。スピンドル装置と加工部位との距離が近いこともあり、加工液がスピンドル装置の前面にも多量にかかる。加工液が軸受内部に浸入すると、軸受の潤滑不良や焼付きなどの原因となるため軸受の防水性能が重要となる。特に、グリース封入潤滑やグリース補給潤滑される軸受においては、エアと共に潤滑油が供給されるオイルエア潤滑やオイルミスト潤滑の軸受と比較して軸受内部が低圧であるため、加工液が軸受内部に浸入しやすく、より高い防水性能が必要となる。 A rotating shaft of a spindle device applied to a machine tool or the like rotates at a high speed to perform cutting or grinding of a workpiece. In machining, a large amount of machining fluid is generally supplied to the machining site for the purpose of lubricating and cooling the cutting tool and the machining site. That is, lubrication can improve the machining characteristics, suppress wear on the cutting edge, extend the tool life, and the like. Moreover, the thermal expansion of the cutting tool and the workpiece is suppressed by cooling, so that the processing accuracy is improved, the thermal welding of the processing part is prevented, the processing efficiency is improved, and the surface property of the processing surface is improved. Since the distance between the spindle device and the processing part is close, a large amount of processing liquid is also applied to the front surface of the spindle device. When the working fluid enters the inside of the bearing, it may cause poor lubrication or seizure of the bearing, so that the waterproof performance of the bearing is important. In particular, in bearings that are lubricated with grease or lubricated with grease, the inside of the bearing is at a lower pressure than oil-air lubricated or oil-mist lubricated bearings that are supplied with lubricating oil together with air, so that the machining fluid enters the bearing. It is easy to do, and higher waterproof performance is necessary.

一般的な防水機構としては、オイルシールやＶリングなどの接触式シールが知られている。しかしながら、この接触式シールを、ｄｍｎ値で１００万以上（より好適には、１５０万以上）の高速回転で使用されるスピンドル装置に適用した場合、接触式シールの接触部からの発熱が大きく、シール部材が摩耗して防水性能を長期間に亘って維持し難い問題がある。このため、工作機械では、スピンドル装置の前端部（工具側）に、回転軸と一体回転可能にフリンガーを固定し、該フリンガーとハウジングとの間の隙間を小さくした非接触シールである、所謂ラビリンスシールを構成して防水を図っている。高速で回転するフリンガーは、ラビリンス効果と共に、フリンガーに降りかかった加工液を遠心力で径方向外方に振り飛ばして、加工液の軸受内部への浸入を防止している。 As a general waterproof mechanism, a contact seal such as an oil seal or a V ring is known. However, when this contact-type seal is applied to a spindle device used at a high-speed rotation with a dmn value of 1 million or more (more preferably, 1.5 million or more), the heat generated from the contact portion of the contact-type seal is large, There is a problem that the sealing member is worn and it is difficult to maintain the waterproof performance for a long time. For this reason, in a machine tool, a so-called labyrinth is a non-contact seal in which a flinger is fixed to a front end portion (tool side) of a spindle device so as to be able to rotate integrally with a rotary shaft, and a gap between the flinger and a housing is reduced. The seal is made to be waterproof. The flinger that rotates at a high speed has a labyrinth effect and prevents the machining fluid from entering the bearing by shaking the machining fluid that has fallen on the flinger outward in the radial direction by centrifugal force.

フリンガーによる遠心力及びラビリンス効果を利用した防水効果は、回転の高速化や大径のフリンガーを用いることで遠心力を大きくすると共に、フリンガーとハウジングとの間の隙間を極力小さく、且つ、長く設けることが効果的である。しかし、高速回転したり、フリンガーの直径を大きくすると、フリンガーに作用する遠心力及びフープ応力もこれに比例して大きくなる。 The waterproofing effect using the flinger's centrifugal force and labyrinth effect increases the centrifugal force by increasing the rotation speed and using a large-diameter flinger, and the gap between the flinger and the housing is as small and long as possible. It is effective. However, when rotating at a high speed or increasing the diameter of the flinger, the centrifugal force and the hoop stress acting on the flinger also increase in proportion thereto.

遠心力による影響を抑制する従来の技術としては、工具に装着されたコレットを工具保持部のテーパ孔に挿入し、工具保持部に螺合するナットを締め付けて工具を工具保持部に固定するようにした工具ホルダにおいて、ナットの外周面に炭素繊維層を巻き付け、遠心力によるナットの膨張抑制を図ったものが開示されている（例えば、特許文献１参照。）。 As a conventional technique for suppressing the influence of centrifugal force, a collet mounted on a tool is inserted into a taper hole of a tool holding portion, and a nut screwed into the tool holding portion is tightened to fix the tool to the tool holding portion. A tool holder is disclosed in which a carbon fiber layer is wound around the outer peripheral surface of a nut and the expansion of the nut is suppressed by centrifugal force (see, for example, Patent Document 1).

特開平６−２２６５１６号公報JP-A-6-226516

一般的にフリンガーは、ＳＣ材、ＳＣＭ材、ＳＵＳ材、ＡＬ材、ＣＵ材などの比較的比重が大きな金属材料で製作されている。従って、フリンガーに降りかかる加工液に大きな遠心力を作用させるために、フリンガーの直径を大きくすると、フリンガー自身、特に外径側に大きな遠心力が作用する。工作機械の回転軸のようにｄｍｎ値が１００万以上となる高速回転においては、遠心力によってフリンガーが変形したり、極端な場合には遠心力がフリンガーの引張強度を越えて破壊に至る可能性がある。このため、遠心力による影響が許容される程度に、フリンガーの直径や回転軸の回転速度を制限する必要がある。 In general, the flinger is made of a metal material having a relatively large specific gravity such as an SC material, an SCM material, a SUS material, an AL material, or a CU material. Therefore, if the diameter of the flinger is increased in order to apply a large centrifugal force to the working fluid falling on the flinger, a large centrifugal force acts on the flinger itself, particularly on the outer diameter side. In high-speed rotation with a dmn value of 1 million or more, such as the rotation axis of a machine tool, the flinger may be deformed by centrifugal force, or in extreme cases, the centrifugal force may exceed the tensile strength of the flinger and cause destruction. There is. For this reason, it is necessary to limit the diameter of a flinger and the rotational speed of a rotating shaft to such an extent that the influence of centrifugal force is allowed.

従来のｄｍｎ値が１００万以上となる環境下で使用されるスピンドル装置では、遠心力の大きさを考慮してフリンガーの径方向寸法を制限していたために、防水性能の点で改善の余地があった。 In a conventional spindle device used in an environment where the dmn value is 1 million or more, the radial dimension of the flinger is limited in consideration of the centrifugal force, so there is room for improvement in terms of waterproof performance. there were.

本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ｄｍｎ値が１００万以上の高速回転可能、且つ、良好な防水機能を有するスピンドル装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a spindle device having a dmn value of 1 million or more and capable of high-speed rotation and a good waterproof function.

本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１）回転軸と、前記回転軸をハウジングに対して回転自在に支持する軸受と、前記軸受への液体の浸入を抑制する防水機構の少なくとも一部を構成し、前記回転軸に一体回転可能に固定される回転部材と、を備えたスピンドル装置であって、
前記回転部材の少なくとも一部は、炭素繊維複合材料から形成されることを特徴とするスピンドル装置。
（２）前記回転部材は、前記ハウジングに対して僅かな隙間を介して対向配置されるフリンガーであることを特徴とする（１）に記載のスピンドル装置。
（３）前記フリンガーは、径方向において少なくとも２部材から構成され、外径側に炭素繊維複合材料から形成される部材が配置されることを特徴とする（２）に記載のスピンドル装置。
（４）前記フリンガーは、軸方向で前記ハウジングと対向する面に前記ハウジング側に突出する凸部を有し、
前記ハウジングは、前記フリンガーと対向する面に前記凸部を僅かな隙間を介して収容する凹部を有し、
前記フリンガーの凸部に、前記少なくとも２部材の境界面が存在することを特徴とする（３）に記載のスピンドル装置。 The above object of the present invention can be achieved by the following constitution.
(1) Consists of at least a part of a rotating shaft, a bearing that rotatably supports the rotating shaft with respect to the housing, and a waterproof mechanism that prevents liquid from entering the bearing, and can rotate integrally with the rotating shaft A rotating device fixed to the spindle device,
At least a part of the rotating member is formed of a carbon fiber composite material.
(2) The spindle device according to (1), wherein the rotating member is a flinger arranged to face the housing with a slight gap.
(3) The spindle apparatus according to (2), wherein the flinger includes at least two members in the radial direction, and a member formed of a carbon fiber composite material is disposed on the outer diameter side.
(4) The flinger has a convex portion protruding toward the housing on a surface facing the housing in the axial direction,
The housing has a concave portion that accommodates the convex portion through a slight gap on a surface facing the flinger,
The spindle apparatus according to (3), wherein a boundary surface of the at least two members exists on a convex portion of the flinger.

上記（１）に記載のスピンドル装置によれば、回転軸に一体回転可能に固定され、軸受への液体の浸入を抑制する防水機構の一部を構成する回転部材の少なくとも一部が、炭素繊維複合材料から形成されているので、金属と比較して質量が小さくなることで遠心力が小さくなり、遠心力による回転部材への影響を軽減することができる。また、引張強度が金属と比較して高いので、遠心力による変形が更に抑制される。これにより、回転軸の高速回転化が可能となると共に、回転部材に対する大きさの制限が大幅に緩和されて径方向長さを大きくすることができるため、ラビリンスを長く確保することで良好な防水性能が得られる。 According to the spindle device described in (1) above, at least a part of the rotating member that is fixed to the rotating shaft so as to be integrally rotatable and that constitutes a part of the waterproof mechanism that suppresses the intrusion of liquid into the bearing is a carbon fiber. Since it is formed from a composite material, the centrifugal force is reduced by reducing the mass compared to metal, and the influence of the centrifugal force on the rotating member can be reduced. Moreover, since the tensile strength is higher than that of metal, deformation due to centrifugal force is further suppressed. As a result, the rotating shaft can be rotated at a high speed, and the restriction on the size of the rotating member can be greatly relaxed and the radial length can be increased. Performance is obtained.

上記（２）に記載のスピンドル装置によれば、防水機構の主要な構成要素であるフリンガーの少なくとも一部を炭素繊維複合材料とすることで、より防水性能を向上させることができる。 According to the spindle device described in (2) above, the waterproof performance can be further improved by using at least a part of the flinger, which is a main component of the waterproof mechanism, as the carbon fiber composite material.

上記（３）に記載のスピンドル装置によれば、内径側に金属材料から形成される部材を配置することで、高精度な加工が可能となる。また、軸受固定用のナットで挟み込む部分を金属材料から形成される部材とすることで、典型的に金属材料から形成される回転軸との線膨張係数の違いによる回転軸との伸び量の差が小さくなり、軸方向固定力が落ちにくくなる。 According to the spindle device described in (3) above, high-precision processing is possible by arranging a member formed of a metal material on the inner diameter side. In addition, by using a member formed of a metal material as a portion sandwiched between nuts for fixing the bearing, a difference in the amount of elongation from the rotation shaft due to a difference in linear expansion coefficient from the rotation shaft typically formed of a metal material. Becomes smaller, and the axial fixing force is less likely to drop.

上記（４）に記載のスピンドル装置によれば、２部材の接触面積を大きく確保することができる。 According to the spindle device described in (4) above, a large contact area between the two members can be secured.

本発明の第１実施形態に係るスピンドル装置の断面図である。It is sectional drawing of the spindle apparatus which concerns on 1st Embodiment of this invention. 図１に示すスピンドル装置の要部拡大図である。It is a principal part enlarged view of the spindle apparatus shown in FIG. 本発明の第２実施形態に係るスピンドル装置の要部拡大図である。It is a principal part enlarged view of the spindle apparatus which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第３実施形態に係るスピンドル装置の要部拡大図である。It is a principal part enlarged view of the spindle apparatus which concerns on 3rd Embodiment of this invention.

以下、本発明に係るスピンドル装置の各実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
（第１実施形態） Hereinafter, embodiments of a spindle device according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(First embodiment)

図１及び図２に示すように、本実施形態のスピンドル装置１０は、工作機械用のモータビルトイン式スピンドル装置であり、回転軸１１が、その工具側（前側）を支承する２列の前側軸受５０，５０と、反工具側（後側）を支承する２列の後側軸受６０，６０とによって、ハウジングＨに回転自在に支持されている。ハウジングＨは、工具側から順に、前側軸受外輪押さえ１２、外筒１３、及び後側ハウジング１４によって構成されている。 As shown in FIGS. 1 and 2, the spindle device 10 of the present embodiment is a motor built-in spindle device for a machine tool, and a rotating shaft 11 has two rows of front bearings that support the tool side (front side). 50 and 50 and two rows of rear bearings 60 and 60 that support the non-tool side (rear side) are rotatably supported by the housing H. The housing H is composed of a front bearing outer ring retainer 12, an outer cylinder 13, and a rear housing 14 in this order from the tool side.

各前側軸受５０は、外輪５１と、内輪５２と、接触角を持って配置される転動体としての玉５３と、図示しない保持器と、をそれぞれ有するアンギュラ玉軸受であり、各後側軸受６０は、外輪６１と、内輪６２と、転動体としての玉６３と、図示しない保持器と、を有するアンギュラ玉軸受である。前側軸受５０，５０（並列組合せ）と後側軸受６０，６０（並列組合せ）とは、互いに協働して背面組み合わせとなるように配置されている。 Each front bearing 50 is an angular ball bearing having an outer ring 51, an inner ring 52, a ball 53 as a rolling element arranged with a contact angle, and a cage (not shown). Is an angular ball bearing having an outer ring 61, an inner ring 62, balls 63 as rolling elements, and a cage (not shown). The front bearings 50 and 50 (parallel combination) and the rear bearings 60 and 60 (parallel combination) are arranged to cooperate with each other to form a back combination.

前側軸受５０，５０の外輪５１，５１は、外筒１３に内嵌されており、外筒１３にボルト１５で締結された前側軸受外輪押え１２によって外輪間座５４を介して外筒１３に対し軸方向に位置決め固定されている。 The outer rings 51, 51 of the front bearings 50, 50 are fitted into the outer cylinder 13, and are fixed to the outer cylinder 13 via the outer ring spacer 54 by the front bearing outer ring presser 12 fastened to the outer cylinder 13 with bolts 15. It is positioned and fixed in the axial direction.

また、前側軸受５０，５０の内輪５２，５２は、回転軸１１に外嵌されており、回転軸１１に締結されたナット１６によって回転部材であるフリンガー４０及び内輪間座５５を介して回転軸１１に対し軸方向に位置決め固定されている。 Further, the inner rings 52, 52 of the front bearings 50, 50 are externally fitted to the rotating shaft 11, and the rotating shaft is connected to the rotating shaft 11 through the flinger 40 and the inner ring spacer 55 which are rotating members by the nut 16 fastened to the rotating shaft 11. 11 is fixed in the axial direction.

フリンガー４０は、前側軸受５０，５０より工具側（図中左側）において回転軸１１に外嵌し、ナット１６で内輪５２，５２と共に回転軸１１に固定されている。 The flinger 40 is externally fitted to the rotary shaft 11 on the tool side (left side in the figure) with respect to the front bearings 50, 50, and is fixed to the rotary shaft 11 together with the inner rings 52, 52 by a nut 16.

後側軸受６０，６０の外輪６１，６１は、後側ハウジング１４に対して軸方向に摺動自在に内嵌するスリーブ１８に内嵌すると共に、このスリーブ１８に不図示のボルトで一体的に固定された後側軸受外輪押え１９によって、外輪間座６４を介してスリーブ１８に対し軸方向に位置決め固定されている。 The outer rings 61 and 61 of the rear bearings 60 and 60 are fitted into a sleeve 18 that is slidably fitted in the rear housing 14 so as to be slidable in the axial direction. The fixed rear bearing outer ring presser 19 is positioned and fixed in the axial direction with respect to the sleeve 18 via the outer ring spacer 64.

後側軸受６０，６０の内輪６２，６２は、回転軸１１に外嵌されており、回転軸１１に締結された他のナット２１によって、内輪間座６５を介して回転軸１１に対し軸方向に位置決め固定されている。後側ハウジング１４と後側軸受外輪押え１９との間にはコイルばね２３が配設され、このコイルばね２３のばね力が、後側軸受外輪押え１９をスリーブ１８と共に後方に押圧する。これにより、後側軸受６０，６０に予圧が付与される。 Inner rings 62 and 62 of the rear bearings 60 and 60 are externally fitted to the rotary shaft 11, and are axially directed to the rotary shaft 11 via the inner ring spacer 65 by another nut 21 fastened to the rotary shaft 11. It is fixed to the position. A coil spring 23 is disposed between the rear housing 14 and the rear bearing outer ring retainer 19, and the spring force of the coil spring 23 presses the rear bearing outer ring retainer 19 together with the sleeve 18 backward. Thereby, a preload is applied to the rear bearings 60 and 60.

回転軸１１の工具側には、軸中心を通り軸方向に形成された工具取付孔２４及び雌ねじ２５が設けられている。工具取付孔２４及び雌ねじ２５は、刃具などの不図示の工具を回転軸１１に取付けるために使用される。なお、雌ねじ２５の代わりに、タップが設けられ、工具がタップ留めされるようにしてもよい。また、工具取付孔２４及び雌ねじ２５の代わりに、回転軸１１の軸芯に従来公知のドローバー（図示せず）を摺動自在に挿嵌するようにしてもよい。ドローバーは、いずれも不図示の工具ホルダを固定するコレット部を備え、皿ばねの力によって反工具側方向に付勢する。 On the tool side of the rotary shaft 11, a tool mounting hole 24 and a female screw 25 formed in the axial direction through the center of the shaft are provided. The tool attachment hole 24 and the female screw 25 are used for attaching a tool (not shown) such as a cutting tool to the rotary shaft 11. Instead of the female screw 25, a tap may be provided and the tool may be tapped. Further, instead of the tool mounting hole 24 and the female screw 25, a conventionally known draw bar (not shown) may be slidably inserted into the shaft core of the rotary shaft 11. Each draw bar has a collet portion for fixing a tool holder (not shown), and is biased in the counter tool side direction by the force of a disc spring.

回転軸１１の前側軸受５０，５０と後側軸受６０，６０間の略軸方向中央には、回転軸１１と一体回転可能に配置されるロータ２６と、ロータ２６の周囲に配置されるステータ２７とを備える。ステータ２７は、ステータ２７に焼き嵌めされた冷却ジャケット２８を、ハウジングＨを構成する外筒１３に内嵌することで、外筒１３に固定される。ロータ２６とステータ２７はモータＭを構成し、ステータ２７に電力を供給することでロータ２６に回転力を発生させて回転軸１１を回転させる。 A rotor 26 disposed so as to be able to rotate integrally with the rotation shaft 11 and a stator 27 disposed around the rotor 26 are disposed substantially at the center in the axial direction between the front bearings 50, 50 and the rear bearings 60, 60 of the rotation shaft 11. With. The stator 27 is fixed to the outer cylinder 13 by fitting the cooling jacket 28 shrink-fitted into the stator 27 into the outer cylinder 13 constituting the housing H. The rotor 26 and the stator 27 constitute a motor M, and by supplying electric power to the stator 27, a rotational force is generated in the rotor 26 to rotate the rotating shaft 11.

フリンガー４０は、回転軸１１に外嵌するボス部４１と、ボス部４１から径方向外方に延設された円盤部４２と、該円盤部４２の外周部から後方（前側軸受外輪押さえ１２側）に向かってリング状に延設された円環部４３と、を有する。円盤部４２の径方向中間には、前側軸受外輪押さえ１２と対向する面に、前側軸受外輪押さえ１２側に向かって突出する凸部４４が形成されている。 The flinger 40 includes a boss portion 41 fitted on the rotary shaft 11, a disk portion 42 extending radially outward from the boss portion 41, and a rear side (front bearing outer ring retainer 12 side) from the outer peripheral portion of the disk portion 42. ) And an annular portion 43 extending in a ring shape. A convex portion 44 that protrudes toward the front bearing outer ring retainer 12 side is formed on the surface facing the front bearing outer ring retainer 12 in the middle in the radial direction of the disk portion 42.

前側軸受外輪押さえ１２には、フリンガー４０と対向する面に、フリンガー４０の凸部４４と対向して該凸部４４を僅かな隙間を介して収容可能な凹部３１が形成されている。また、前側軸受外輪押さえ１２には、外周前端側に小径部３２が形成されている。 The front bearing outer ring retainer 12 is formed with a concave portion 31 on the surface facing the flinger 40 so as to face the convex portion 44 of the flinger 40 and accommodate the convex portion 44 through a slight gap. The front bearing outer ring retainer 12 is formed with a small diameter portion 32 on the outer peripheral front end side.

フリンガー４０は、前側軸受外輪押さえ１２と僅かな軸方向隙間及び径方向隙間を介して対向配置され、所謂ラビリンスシールを構成する。より具体的に説明すると、フリンガー４０の凸部４４が前側軸受外輪押さえ１２の凹部３１に僅かな隙間を介して収容されると共に、リング状の円環部４３が小径部３２の外周面を覆うように、僅かな径方向隙間、例えば０．５ｍｍ程度の隙間を介して配置されている。 The flinger 40 is disposed so as to face the front bearing outer ring retainer 12 through a slight axial gap and radial gap, and constitutes a so-called labyrinth seal. More specifically, the convex portion 44 of the flinger 40 is accommodated in the concave portion 31 of the front bearing outer ring retainer 12 through a slight gap, and the ring-shaped annular portion 43 covers the outer peripheral surface of the small diameter portion 32. Thus, it arrange | positions through a slight radial gap, for example, a gap of about 0.5 mm.

特に、円環部４３と小径部３２との間には、その周速度の差によってエアカーテンが形成され、被加工物を加工する際、スピンドル装置１０に降りかかる加工液が前側軸受５０，５０側に入ることを抑制するための防水機構を構成する。 In particular, an air curtain is formed between the annular portion 43 and the small-diameter portion 32 due to the difference in peripheral speed, and the machining fluid that falls on the spindle device 10 when machining the workpiece is on the front bearings 50 and 50 side. The waterproof mechanism for suppressing entering is comprised.

フリンガー４０は、金属と比較して、引張強度が高く、比重が小さい炭素繊維複合材料（ＣＦＲＰ）から形成されている。 The flinger 40 is made of a carbon fiber composite material (CFRP) that has a higher tensile strength and a lower specific gravity than a metal.

具体的に、炭素繊維複合材料としては、例えば、ＰＡＮ（ポリアクリルニトリル）を主原料とした炭素繊維からなる糸を平行に引きそろえたものや、炭素繊維からなる糸で形成した織物（シート状）に、硬化剤を含むエポキシ樹脂などの熱硬化樹脂を含浸させてなるシートを多数層重ね合わせて、芯金などに巻きつけ、加熱硬化させることで製造される。また、ピッチ系を主原料とした炭素繊維を使用することもできる。炭素繊維複合材料は、纖維方向・角度を最適化することで、引張強度、引張弾性率、線膨張係数などの物性値を用途に合わせて最適化することができる。 Specifically, as the carbon fiber composite material, for example, a woven fabric (sheet-like shape) made of PAN (polyacrylonitrile) as a main raw material, in which yarns made of carbon fibers are arranged in parallel, or made of yarns made of carbon fibers. ), A plurality of sheets impregnated with a thermosetting resin such as an epoxy resin containing a curing agent are superposed on each other, wound around a core metal, etc., and heated and cured. Moreover, the carbon fiber which used pitch system as the main raw material can also be used. By optimizing the fiber direction and angle, the carbon fiber composite material can optimize physical properties such as tensile strength, tensile elastic modulus, and linear expansion coefficient according to the application.

炭素繊維複合材料の特性としては、例えば、引張強度１８００〜３５００ＭＰａ、引張弾性率１３０〜２８０ＧＰａ、比重１．５〜２．０ｇ／ｃｃの物性値を持ったＰＡＮ系を主原料とした炭素繊維を用いると、従来の高張力鋼などと比べて、引張強度は同等以上であり、比重は１／５程度になる（比強度では、通常の金属材料に比べて略３倍となる）。また、熱膨張係数は、繊維方向・角度を最適化することにより、−５〜＋１２×１０^−６Ｋ^−１にすることができるので、従来の炭素鋼に比べて１〜１／１０程度にすることができる。 As the characteristics of the carbon fiber composite material, for example, carbon fiber mainly composed of PAN having a tensile strength of 1800 to 3500 MPa, a tensile elastic modulus of 130 to 280 GPa, and a specific gravity of 1.5 to 2.0 g / cc is used. When used, the tensile strength is equal to or higher than that of conventional high-strength steel and the like, and the specific gravity is about 1/5 (the specific strength is about three times that of a normal metal material). Moreover, since the thermal expansion coefficient can be made −5 to + 12 × 10 ⁻⁶ K ⁻¹ by optimizing the fiber direction and angle, it is about 1 to 1/10 compared with the conventional carbon steel. can do.

このように、金属と比較して比重が小さい炭素繊維複合材料を用いることで、直径が同じであればフリンガー４０に作用する遠心力を大幅に小さくすることができ、高速回転時におけるフリンガー４０の遠心力破損の虞がなくなる。更に、引張強度が金属と比較して同等以上であるため、遠心力による変形も抑えられる。従って、回転軸１１の回転速度に対する制約や、フリンガー４０の大きさ（径方向）に対する制限を大幅に緩和することができる。 In this way, by using a carbon fiber composite material having a specific gravity smaller than that of metal, if the diameter is the same, the centrifugal force acting on the flinger 40 can be greatly reduced, and the flinger 40 at the time of high-speed rotation can be reduced. The possibility of centrifugal force damage is eliminated. Furthermore, since the tensile strength is equal to or higher than that of metal, deformation due to centrifugal force can be suppressed. Therefore, the restriction on the rotational speed of the rotating shaft 11 and the restriction on the size (radial direction) of the flinger 40 can be greatly relaxed.

これにより、従来達成することが困難であった更なる高速回転化、或いはフリンガー４０の大型化が可能となり、加工液に作用する遠心力を高めて、降りかかる加工液を確実に径方向外方に振り飛ばして軸受内部への浸入を防止することができる。また、フリンガー４０の円環部４３に作用する遠心力が小さくなることで、比較的強度が弱い片持ち構造となる円環部４３の開口側（図中右側）が径方向外方へ拡径することを抑制することができる。これにより、円環部４３の径方向長さ及び軸方向長さを長く設定して、ラビリンスシールの長さが長くなり防水効果が向上する。 This makes it possible to increase the rotation speed of the flinger 40, which has been difficult to achieve in the past, or to increase the size of the flinger 40. It can be swung away to prevent intrusion into the bearing. Further, since the centrifugal force acting on the annular portion 43 of the flinger 40 is reduced, the opening side (right side in the drawing) of the annular portion 43 having a cantilever structure with relatively low strength is expanded radially outward. Can be suppressed. Thereby, the radial direction length and axial direction length of the annular part 43 are set long, the length of a labyrinth seal becomes long, and the waterproofing effect improves.

フリンガー４０と回転軸１１との嵌合は、金属と炭素繊維複合材料との線膨張係数の差を考慮して、例えば数μｍ程度のすきま嵌めとするのが好ましく、この場合、高速回転時に回転軸１１の膨張によりしまり嵌め嵌合となる。また、フリンガー４０と前側軸受外輪押さえ１２との隙間も、両者の線膨張係数の差を考慮して、金属製の回転軸１１や前側軸受外輪押さえ１２が熱膨張しても干渉の発生が生じない程度の隙間（例えば、φ０．５ｍｍ以下）に設定される。 The flinger 40 and the rotating shaft 11 are preferably fitted with a clearance fit of, for example, several μm in consideration of the difference in linear expansion coefficient between the metal and the carbon fiber composite material. Due to the expansion of the shaft 11, a tight fit is achieved. Further, the clearance between the flinger 40 and the front bearing outer ring retainer 12 also takes into account the difference in linear expansion coefficient between them, and interference occurs even if the metal rotary shaft 11 and the front bearing outer ring retainer 12 are thermally expanded. It is set to a gap that is not large (for example, φ0.5 mm or less).

以上説明したように、本実施形態のスピンドル装置１０によれば、回転軸１１に一体回転可能に固定され、前側軸受５０，５０への加工液の浸入を抑制する防水機構の一部を構成するフリンガー４０の少なくとも一部が、炭素繊維複合材料から形成されているので、金属と比較して質量が小さく、同じ回転速度であれば遠心力が小さくなるので、遠心力によるフリンガー４０への影響を軽減することができる。さらに、引張強度が金属と比較して高いので、遠心力による変形が更に抑制される。これにより、回転軸１１の高速回転化、即ちｄｍｎ値で１００万以上、より好ましくはｄｍｎ値で１５０万以上でも使用できると共に、フリンガー４０に対する大きさの制限が大幅に緩和されて径方向長さを大きくすることができるため、ラビリンスを長く確保することで良好な防水性能が得られる。 As described above, according to the spindle device 10 of the present embodiment, it is fixed to the rotary shaft 11 so as to be integrally rotatable, and constitutes a part of the waterproof mechanism that suppresses the intrusion of the machining liquid into the front bearings 50 and 50. Since at least a part of the flinger 40 is formed of a carbon fiber composite material, the mass is smaller than that of a metal, and centrifugal force is reduced at the same rotational speed. Can be reduced. Furthermore, since the tensile strength is higher than that of metal, deformation due to centrifugal force is further suppressed. As a result, the rotating shaft 11 can be rotated at a high speed, that is, with a dmn value of 1 million or more, more preferably with a dmn value of 1.5 million or more, and the size restriction on the flinger 40 is greatly relaxed and the radial length is reduced. Therefore, good waterproof performance can be obtained by ensuring a long labyrinth.

また、フリンガー４０は、ハウジングＨを構成する前側軸受外輪押さえ１２に対して僅かな隙間を介して対向配置されるので、フリンガー４０と前側軸受外輪押さえ１２とにより非接触シールであるラビリンスシールを構成することができ、長期間に亘って安定して前側軸受５０，５０への加工液の浸入を抑制することができる。 Further, since the flinger 40 is disposed to face the front bearing outer ring presser 12 constituting the housing H via a slight gap, the flinger 40 and the front bearing outer ring presser 12 constitute a labyrinth seal that is a non-contact seal. It is possible to suppress the penetration of the machining fluid into the front bearings 50 and 50 stably over a long period of time.

（第２実施形態）
次に、スピンドル装置の第２実施形態を図３に基づいて説明する。図３は本発明の第２実施形態であるスピンドル装置の要部断面図であり、フリンガーの構成が第１実施形態と異なる。その他の部分については、本発明の第１の実施形態のスピンドル装置と同様であるので、同一部分には同一符号又は相当符号を付して説明を簡略化又は省略する。 (Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the spindle device will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view of a main part of a spindle apparatus according to the second embodiment of the present invention, and the configuration of the flinger is different from that of the first embodiment. The other parts are the same as those of the spindle apparatus according to the first embodiment of the present invention. Therefore, the same parts are denoted by the same or corresponding reference numerals, and description thereof will be simplified or omitted.

本実施形態のスピンドル装置１０Ａのフリンガー４０Ａは、円環部４３が、円環部４３の外周面を含む外径側円環部４３ａと、外径側円環部４３ａの内径側に位置する内径側円環部４３ｂと、から構成される。外径側円環部４３ａと内径側円環部４３ｂは、異なる材料から形成され、外径側円環部４３ａは炭素繊維複合材料から形成され、内径側円環部４３ｂはボス部４１と円盤部４２と一体的に、主に、ＳＣ材、ＳＣＭ材、ＳＵＳ材、ＡＬ材、ＣＵ材などの金属材料から形成される。 In the flinger 40A of the spindle device 10A of the present embodiment, the annular portion 43 has an outer diameter side annular portion 43a including the outer peripheral surface of the annular portion 43 and an inner diameter located on the inner diameter side of the outer diameter side annular portion 43a. Side annular portion 43b. The outer diameter side annular portion 43a and the inner diameter side annular portion 43b are formed of different materials, the outer diameter side annular portion 43a is formed of a carbon fiber composite material, and the inner diameter side annular portion 43b is formed of the boss portion 41 and the disk. It is formed integrally with the portion 42 mainly from a metal material such as SC material, SCM material, SUS material, AL material, CU material.

このように、遠心力が最も大きくなる外径側円環部４３ａを炭素繊維複合材料で形成することにより、遠心力を抑制すると共に、機械的強度の高い炭素繊維複合材料で内径側円環部４３ｂの膨張を抑えることで、高速回転時のフリンガー４０Ａの変形や破損を防止する。 In this way, by forming the outer diameter side annular portion 43a having the largest centrifugal force with the carbon fiber composite material, the centrifugal force is suppressed and the inner diameter side annular portion is made of the carbon fiber composite material having high mechanical strength. By suppressing the expansion of 43b, deformation and breakage of the flinger 40A during high-speed rotation can be prevented.

金属材料から形成される内径側円環部４３ｂと炭素繊維複合材料から形成される外径側円環部４３ａとの固定方法は、一体成形、インサート成形、接着剤固定などの方法が採用可能である。あるいは、冷却した内径側円環部４３ｂにリング状の外径側円環部４３ａを嵌合させる冷やし嵌めとすることもできる。冷やし嵌めの場合、例えば、０．００５ｍｍ程度の小さなシメシロ嵌合であっても、回転時には、比重差に起因して金属材料から形成される内径側円環部４３ｂに大きな遠心力が作用し、シメシロが増大して確実に固定される。 As a method for fixing the inner diameter side annular portion 43b formed of a metal material and the outer diameter side annular portion 43a formed of a carbon fiber composite material, methods such as integral molding, insert molding, and adhesive fixing can be employed. is there. Or it can also be set as the cold fitting which fits the ring-shaped outer diameter side annular part 43a to the cooled inner diameter side annular part 43b. In the case of cold fitting, for example, even if it is a small squeeze fitting of about 0.005 mm, during rotation, a large centrifugal force acts on the inner diameter side annular portion 43b formed from a metal material due to the difference in specific gravity, Shimeshiro increases and is securely fixed.

また、最外周部である外径側円環部４３ａを除くフリンガー４０Ａの主要部を金属で形成することにより、複雑形状の加工、高精度での加工が容易であり、全体が炭素繊維複合材料で形成されたフリンガー４０と比較してフリンガー４０Ａと前側軸受外輪押さえ１２との隙間を小さくすることができる。また、ナット１６によって内輪５２，５２を軸方向に固定するフリンガー４０Ａのボス部４１が、回転軸１１、ナット１６、内輪５２，５２、及び内輪間座５５と同じ金属製であるため、線膨張係数の差による伸び量の差が少なく、内輪５２，５２の軸方向固定力が変化し難い。 Further, by forming the main part of the flinger 40A excluding the outer peripheral side annular part 43a which is the outermost peripheral part with metal, it is easy to process a complicated shape and process with high accuracy, and the whole is a carbon fiber composite material. The gap between the flinger 40A and the front bearing outer ring retainer 12 can be made smaller than the flinger 40 formed by the above. Further, since the boss portion 41 of the flinger 40A that fixes the inner rings 52, 52 in the axial direction by the nut 16 is made of the same metal as the rotary shaft 11, the nut 16, the inner rings 52, 52, and the inner ring spacer 55, linear expansion The difference in elongation due to the difference in coefficient is small, and the axial fixing force of the inner rings 52, 52 is difficult to change.

本実施形態のスピンドル装置１０Ａによれば、フリンガー４０Ａの円環部４３が、内径側に配置される金属製の内径側円環部４３ｂと、該内径側円環部４３ｂの外径側に配置される炭素繊維複合材料製の外径側円環部４３ａと、の２部材から構成されるので、発生する遠心力が抑制されると共に、外径側円環部４３ａで内径側円環部４３ｂの膨張を抑えることで、高速回転時のフリンガー４０Ａの変形や破損を防止することができる。 According to the spindle apparatus 10A of the present embodiment, the annular part 43 of the flinger 40A is arranged on the inner diameter side annular part 43b made of metal disposed on the inner diameter side and on the outer diameter side of the inner diameter side annular part 43b. The outer diameter side annular portion 43a made of the carbon fiber composite material is made of two members, so that the generated centrifugal force is suppressed and the outer diameter side annular portion 43a has an inner diameter side annular portion 43b. By suppressing the expansion of the flinger, deformation and breakage of the flinger 40A during high-speed rotation can be prevented.

（第３実施形態）
次に、本発明のスピンドル装置の第３実施形態を説明する。図４は本発明の第３実施形態であるスピンドル装置の要部断面図であり、フリンガーの構成が第１及び第２実施形態と異なる。その他の部分については、本発明の第１の実施形態のスピンドル装置と同様であるので、同一部分には同一符号又は相当符号を付して説明を簡略化又は省略する。 (Third embodiment)
Next, a third embodiment of the spindle apparatus of the present invention will be described. FIG. 4 is a cross-sectional view of an essential part of a spindle apparatus according to the third embodiment of the present invention, and the configuration of the flinger is different from that of the first and second embodiments. The other parts are the same as those of the spindle apparatus according to the first embodiment of the present invention. Therefore, the same parts are denoted by the same or corresponding reference numerals, and description thereof will be simplified or omitted.

本実施形態のスピンドル装置１０Ｂのフリンガー４０Ｂは、凸部４４の略中間面より外径側に配置される外径側フリンガー４７ａと、凸部４４の略中間面より内径側に配置される内径側フリンガー４７ｂと、から構成される。外径側フリンガー４７ａと内径側フリンガー４７ｂは、異なる材料から形成され、外径側フリンガー４７ａは炭素繊維複合材料から形成され、内径側円環部４３ｂは、主に、ＳＣ材、ＳＣＭ材、ＳＵＳ材、ＡＬ材、ＣＵ材などの金属材料から形成される。 The flinger 40B of the spindle device 10B of the present embodiment includes an outer diameter side flinger 47a disposed on the outer diameter side from the substantially intermediate surface of the convex portion 44, and an inner diameter side disposed on the inner diameter side from the substantially intermediate surface of the convex portion 44. Flinger 47b. The outer diameter side flinger 47a and the inner diameter side flinger 47b are formed from different materials, the outer diameter side flinger 47a is formed from a carbon fiber composite material, and the inner diameter side annular portion 43b is mainly composed of SC material, SCM material, SUS. It is formed from metal materials, such as a material, AL material, and CU material.

従って、円盤部４２の凸部４４には、金属材料から形成される内径側フリンガー４７ｂと炭素繊維複合材料から形成される外径側フリンガー４７ａとの境界面４５が存在することとなる。 Accordingly, the convex portion 44 of the disk portion 42 has a boundary surface 45 between an inner diameter side flinger 47b formed of a metal material and an outer diameter side flinger 47a formed of a carbon fiber composite material.

これにより、内径側フリンガー４７ｂの外径を小さくして遠心力を抑制すると共に、金属材料から形成される内径側フリンガー４７ｂと炭素繊維複合材料から形成される外径側フリンガー４７ａとの接合面積を大きくすることができ、接合強度が向上する。なお、金属材料から形成される内径側円環部４３ｂと炭素繊維複合材料から形成される外径側円環部４３ａとの固定方法、及び線膨張係数の差による内輪５２，５２の軸方向固定力が維持されることは、第２実施形態のスピンドル装置１０Ａと同様である。 Thereby, while reducing the outer diameter of the inner diameter side flinger 47b and suppressing the centrifugal force, the bonding area between the inner diameter side flinger 47b formed of the metal material and the outer diameter side flinger 47a formed of the carbon fiber composite material is reduced. The bonding strength can be increased. The inner ring 52, 52 is fixed in the axial direction by a method of fixing the inner diameter side annular portion 43b formed of a metal material and the outer diameter side annular portion 43a formed of a carbon fiber composite material, and the difference in linear expansion coefficient. The force is maintained as in the spindle device 10A of the second embodiment.

本実施形態のスピンドル装置１０Ｂによれば、フリンガー４０Ｂは、前側軸受外輪押さえ１２と対向する面に前側軸受外輪押さえ１２側に突出する凸部４４を有し、前側軸受外輪押さえ１２は、フリンガー４０Ｂと対向する面に凸部４４を僅かな隙間を介して収容可能な凹部３１を有する。フリンガー４０Ｂの凸部４４に、金属材料から形成される内径側フリンガー４７ｂと炭素繊維複合材料から形成される外径側フリンガー４７ａとの境界面４５が配置されるので、フリンガー４０Ｂの内径側フリンガー４７ｂの直径が小さくなり、遠心力が小さくなる。また、内径側フリンガー４７ｂと外径側フリンガー４７ａとの接合面積を大きくすることができ、接合強度が向上して遠心力によるフリンガー４０Ｂの損傷が防止される。 According to the spindle apparatus 10B of the present embodiment, the flinger 40B has a convex portion 44 that protrudes toward the front bearing outer ring retainer 12 on the surface facing the front bearing outer ring retainer 12, and the front bearing outer ring retainer 12 is provided with the flinger 40B. And a concave portion 31 that can accommodate the convex portion 44 through a slight gap. Since a boundary surface 45 between the inner-diameter side flinger 47b formed from a metal material and the outer-diameter side flinger 47a formed from a carbon fiber composite material is disposed on the convex portion 44 of the flinger 40B, the inner-diameter side flinger 47b of the flinger 40B is disposed. The diameter becomes smaller and the centrifugal force becomes smaller. Moreover, the joining area of the inner diameter side flinger 47b and the outer diameter side flinger 47a can be increased, the joining strength is improved, and the flinger 40B is prevented from being damaged by centrifugal force.

なお、フリンガー４０Ｂは、径方向において２部材に分割されている場合に限らず、３部材以上に分割されていてもよい。この場合、最外径部に位置する部材が炭素繊維複合材料から形成される。 Note that the flinger 40B is not limited to being divided into two members in the radial direction, and may be divided into three or more members. In this case, the member located in the outermost diameter portion is formed from a carbon fiber composite material.

なお、本発明は、前述した各実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。例えば、上記実施形態では、フリンガーは、外周部に円環部を備えるものとして説明したが、スピンドル装置が縦型スピンドル装置として使用される場合などでは、円環部を有しないフリンガーとすることもできる。また、モータビルトイン式スピンドル装置として説明したが、これに限定されず、ベルト駆動方式スピンドル装置、モータの回転軸とカップリング連結されたモータ直結駆動方式スピンドル装置にも同様に適用可能である。更に、工作機械用のスピンドル装置に限定されず、防水機能が要望される、他の高速回転機器のスピンドル装置にも適用することができる。 In addition, this invention is not limited to each embodiment mentioned above, A deformation | transformation, improvement, etc. are possible suitably. For example, in the above embodiment, the flinger is described as having an annular portion on the outer peripheral portion. However, when the spindle device is used as a vertical spindle device, the flinger may be a flinger that does not have an annular portion. it can. Further, although the motor built-in type spindle device has been described, the present invention is not limited to this, and the present invention can be similarly applied to a belt drive type spindle device and a motor direct connection drive type spindle device coupled to a rotation shaft of a motor. Further, the present invention is not limited to a spindle device for machine tools, and can be applied to a spindle device of other high-speed rotating equipment that requires a waterproof function.

１０，１０Ａ，１０Ｂスピンドル装置
１１回転軸
３１凹部
４０，４０Ａ，４０Ｂフリンガー（回転部材）
４４凸部
４５境界面
５０前側軸受（軸受）
６０後側軸受
Ｈハウジング 10, 10A, 10B Spindle device 11 Rotating shaft 31 Recess 40, 40A, 40B Flinger (rotating member)
44 Projection 45 Boundary surface 50 Front bearing (bearing)
60 Rear bearing H Housing

Claims

回転軸と、前記回転軸をハウジングに対して回転自在に支持する軸受と、前記軸受への液体の浸入を抑制する防水機構の少なくとも一部を構成し、前記回転軸に一体回転可能に固定される回転部材と、を備えたスピンドル装置であって、
前記回転部材の少なくとも一部は、炭素繊維複合材料から形成されることを特徴とするスピンドル装置。 A rotating shaft, a bearing that rotatably supports the rotating shaft with respect to the housing, and at least a part of a waterproof mechanism that suppresses liquid intrusion into the bearing are configured and fixed to the rotating shaft so as to be integrally rotatable. A spindle device comprising:
At least a part of the rotating member is formed of a carbon fiber composite material.

前記回転部材は、前記ハウジングに対して僅かな隙間を介して対向配置されるフリンガーであることを特徴とする請求項１に記載のスピンドル装置。 The spindle device according to claim 1, wherein the rotating member is a flinger arranged to face the housing via a slight gap.

前記フリンガーは、径方向において少なくとも２部材から構成され、外径側に炭素繊維複合材料から形成される部材が配置されることを特徴とする請求項２に記載のスピンドル装置。 3. The spindle apparatus according to claim 2, wherein the flinger is composed of at least two members in the radial direction, and a member formed of a carbon fiber composite material is disposed on the outer diameter side.

前記フリンガーは、軸方向で前記ハウジングと対向する面に前記ハウジング側に突出する凸部を有し、
前記ハウジングは、前記フリンガーと対向する面に前記凸部を僅かな隙間を介して収容する凹部を有し、
前記フリンガーの凸部に、前記少なくとも２部材の境界面が存在することを特徴とする請求項３に記載のスピンドル装置。 The flinger has a protrusion protruding toward the housing on a surface facing the housing in the axial direction,
The housing has a concave portion that accommodates the convex portion through a slight gap on a surface facing the flinger,
The spindle apparatus according to claim 3, wherein a boundary surface of the at least two members exists at a convex portion of the flinger.