JP5690613B2 - 主軸装置 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械等に設置される主軸装置であって、クーラント等の冷却用媒体を流すための冷却用流路を内部に備えてなる主軸装置に関するものである。

一般的に、主軸装置では、主軸の軸受や主軸を回転させるモータ等が発熱したり、加工点に生じた熱の影響によって主軸が加熱されてしまう。そして、発生した熱をそのままにしておくと、主軸の熱膨張により加工精度が悪化してしまったり、軸受が破損してしまったりすることになる。そこで、従来から主軸装置には、主軸を冷却するための構造が備えられており、たとえば特許文献１に記載の主軸装置では、主軸装置の内部に冷却用流路を螺旋溝状に設け、該冷却用流路内にクーラント等の冷却用媒体を流すことによって、主軸装置全体を均一に冷却しようとしている。

特開平６−３１５８５号公報

確かに、特許文献１に記載の主軸装置の如く、冷却用流路を螺旋溝状に形成すると、冷却用流路内を流れる冷却用媒体の流速が上がるため、冷却効率は向上する。しかしながら、冷却用媒体として空気等の圧縮性流体を採用していたり、クーラント等の非圧縮性流体を採用しているものの冷却用流路内が完全に冷却用媒体で満たされていない（すなわち、空気等が混在している）状態では、加減速時においては軸流ポンプ作用によって流体圧力が発生する。したがって、この流体圧力が高くなると、たとえば回転継手部において冷却用媒体の漏れが発生してしまうという問題があった。さらに、回転継手部における漏れ量が多くなったり、冷却媒体が逆流する方向へ高い流体圧力がかかると、主軸装置内へ十分な量の冷却用媒体を供給できなくなるという問題も生じてしまう。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みなされたものであって、加減速時であっても確実に冷却用媒体を供給することができ、冷却効果に係る信頼性の高い主軸装置を提供しようとするものである。

上記目的を達成するために、本発明のうち請求項１に記載の発明は、ハウジングに対し前後方向を軸として回転可能に支持された主軸の内部に、冷却用流体を流すための冷却用流路が前記主軸の軸方向へ螺旋状に形成されてなる主軸装置であって、前記冷却用流路は、前記主軸の前側に形成される所定の螺旋方向の第１螺旋状部と、前記主軸の後側に形成されて前記第１螺旋状部と直列に接続され、前記所定の螺旋方向とは螺旋方向が逆方向となる第２螺旋状部とを有しており、前記第１螺旋状部と前記第２螺旋状部との何れか一方側から前記冷却用流路へ供給した前記冷却用流体が、前記一方の螺旋状部を通り、さらに他方の螺旋状部を通った後、前記冷却用流路から排出され、前記主軸の加減速時に、前記第１螺旋状部で生じる流体圧力が、前記第２螺旋状部で生じる流体圧力によって相殺されることを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記第１螺旋状部と前記第２螺旋状部とのリード、条数、及び軸方向長さが同じであることを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記主軸が軸方向前側から見て反時計回りに加速して回転を開始するとともに、前記冷却用流路が前記主軸の軸方向後端から回転継手及びシール部を介して前記主軸の外部に接続される主軸装置であって、前記第１螺旋状部と前記第２螺旋状部とを連続して設けるとともに、前記回転継手及びシール部に近い方の螺旋方向を反時計回り方向としたことを特徴とする。

本発明によれば、冷却用流路が、主軸の前側に形成される所定の螺旋方向の第１螺旋状部と、主軸の後側に形成されて第１螺旋状部と直列に接続され、所定の螺旋方向とは螺旋方向が逆方向となる第２螺旋状部とを有してしており、第１螺旋状部と第２螺旋状部との何れか一方側から冷却用流路へ供給した冷却用流体が、一方の螺旋状部を通り、さらに他方の螺旋状部を通った後、冷却用流路から排出されるため、主軸の加減速時に一方の螺旋状部にかかる流体圧力の少なくとも一部を他方の螺旋状部によって相殺することができる。したがって、冷却用流路全体に所定方向に大きな流体圧力がかからないため、主軸外との接続部（すなわち回転継手やシール部等）から冷却用媒体が漏れにくいし、冷却用流路内へ冷却用媒体が供給不足になるといった事態も生じず、冷却効果に係る信頼性が高い。
また、請求項２に記載の発明によれば、第１螺旋状部と第２螺旋状部とのリード、条数、及び軸方向長さが同じであるため、一方の螺旋状部にかかる流体圧力を他方の螺旋状部によって完全に相殺することができ、冷却用媒体の漏れ抑制や、冷却用媒体の確実な供給といった効果を向上することができる。
さらに、請求項３に記載の発明によれば、主軸が軸方向前側から見て反時計回りに加速して回転を開始するとともに、冷却用流路が主軸の軸方向後端から回転継手及びシール部を介して主軸の外部に接続される主軸装置であって、第１螺旋状部と第２螺旋状部とを連続して設けるとともに、回転継手及びシール部に近い方の螺旋方向を反時計回り方向としているため、特に流体圧力が発生しやすい回転開始時に回転継手及びシール部へ流体圧力がかかりにくく、当該箇所からの冷却用媒体の漏れを一層確実に抑制することができる。

主軸装置の軸方向での断面を示した説明図である。

以下、本発明の一実施形態となる主軸装置について、図面にもとづき詳細に説明する。

図１は、主軸装置１の軸方向での断面を示した説明図である。尚、図１における左右方向を主軸装置１の前後方向とする（特に左側を前側）。また、主軸４の軸方向で前側から見て反時計回り（左回り）方向を正転方向、時計回り（右回り）方向を逆転方向とし、後述する右ねじ、左ねじについても主軸４の前側から見た場合を基準として説明する。
主軸装置１は、たとえばマシニングセンタ等といった工作機械に設置されるものであって、ハウジング２内に複数の軸受３、３・・を介して主軸４をＣ軸周りで回転可能に支持してなる。また、主軸４の外周面にはロータ５が、ハウジング２の内周面でロータ５と対向する位置にはステータ６が夫々設置されており、該ロータ５とステータ６とで所謂ビルトインモータ構造がとられ、主軸４を回転可能としている。さらに、主軸４の軸心部には前後方向へ進退可能なドローバー８が設置されており、該ドローバー８の進退動作に応じて作用する保持機構（図示せず）によって、主軸４の前端に工具７を装着可能となっている。

ここで、本発明の要部となる主軸装置１を冷却するための構造について説明する。
上述したような主軸４の後部を覆うようにして継手ハウジング１１が設置されているとともに、主軸４の後端面には第１の回転継手９ａが、継手ハウジング１１の内面で、第１の回転継手９ａと軸方向で所定の間隔を有して対向する位置には第２の回転継手９ｂが、夫々取り付けられている。また、回転継手９ａ、９ｂ間は、第１の回転継手９ａに設けられたシール部１２ａ、１２ａと第２の回転継手９ｂに設けられたシール部１２ｂ、１２ｂとによりシールされている。そして、主軸装置１を冷却するためのクーラントを、継手ハウジング１１の外部から主軸装置１内部（特に主軸４内部）へ送り込んだ後、再び継手ハウジング１１の外部へ排出させるようになっている。尚、クーラントは、主軸装置１の外部に設けられた別途供給装置を供給源として送り込まれる。

そして、主軸装置１には、上述したようにクーラントを送り込む／排出させるにあたり、クーラントを流すための冷却用流路として、送り流路１３、１４と、螺旋溝流路１５ａ、１５ｂと、排出流路１６、１６とが設けられている。第１の送り流路１３は、継手ハウジング１１及び回転継手９ａ、９ｂの中心を貫通し、ドローバー８の軸部を軸方向に沿って前端際まで延設されてなり、継手ハウジング１１の開口部は図示しないクーラント供給源と接続されている。第２の送り流路１４は、ドローバー８の前端際において径方向へ設けられており、第１の送り流路１３と後述する螺旋溝流路１５ａとを繋いでいる。

一方、主軸４は、軸心部に円柱状の収納空間を有し、外周面が軸受３、３・・に支持される外側部材４ａと、外側部材４ａの収納空間内に内装される円柱状の内側部材４ｂとからなる二重構造となっており、この外側部材４ａと内側部材４ｂとの間に螺旋溝流路１５ａと螺旋溝流路１５ｂとが連続して形成されている。各螺旋溝流路１５ａ、１５ｂは、内側部材４ｂの外周面に径方向へ螺旋状に突設された突条部間が外側部材４ａに覆われることによって形成されており、主軸４の前側の螺旋溝流路１５ａは螺旋方向が時計回り方向となる右ねじ螺旋溝とされている一方、主軸４の後側の螺旋溝流路１５ｂは螺旋方向が反時計回り方向となる左ねじ螺旋溝とされている（すなわち突条部の螺旋方向が内側部材４ｂの前部と後部とで逆方向となっている）。また、螺旋溝流路１５ａと螺旋溝流路１５ｂとのリード（突条部の軸方向での間隔）、条数、及び軸方向長さは同じとされている。さらに、螺旋溝流路１５ｂの後端開口と対応する位置から回転継手９ａ、９ｂ及び継手ハウジング１１を貫通するように排出流路１６、１６が軸方向と平行に延設されている。

上記冷却用流路を有する主軸装置１によれば、クーラントは、まず第１の送り流路１３を介してドローバー８の内部を主軸４の前端近傍まで送られた後、第２の送り流路１４を介して径方向へ送られる。そして、螺旋溝流路１５ａ、１５ｂを通った後、排出路１６、１６を介して外部へ排出されることになる。したがって、主軸４を正転方向へ加速させた際、左ねじ状の螺旋溝流路１５ｂにはクーラントを逆流させる方向へ軸流ポンプ作用による圧力が生じるものの、右ねじ状の螺旋溝流路１５ａには順方向へ同じ軸流ポンプ作用による圧力が生じて、上記逆流させる方向への圧力が相殺される。一方、主軸４を減速させた（すなわち主軸４に逆転方向への加速度を加えた）際には、加速時とは逆で螺旋溝流路１５ａにクーラントを逆流させる方向へ軸流ポンプ作用による圧力が生じるが、これも螺旋溝流路１５ｂに生じる圧力によって相殺されることになる。つまり、主軸装置１によれば、主軸４の加減速時に螺旋溝流路１５ａ、１５ｂ全体として正逆何れか一方に大きな流体圧力がかからないため、回転継手９ａ、９ｂやシール部１２ａ、１２ｂ等からクーラントが漏れにくいし、冷却用流路内へクーラントが供給不足になるといった事態も生じず、冷却効果に係る信頼性が高い。

また、回転継手９ａ、９ｂやシール部１２ａ、１２ｂに近い螺旋溝流路１５ｂを左ねじ状としている（すなわち、螺旋方向を反時計回り方向としている）ため、冷却用流路内に空気等が混在しやすい主軸４の停止状態からの加速時において、螺旋溝流路１５ｂにはクーラントの逆流方向（すなわち、反回転継手９ａ側）へ流体圧力がかかる。したがって、回転継手９ａ、９ｂやシール部１２ａ、１２ｂ等からのクーラント漏れを一層効果的に抑制することができる。
さらに、螺旋溝流路１５ａと螺旋溝流路１５ｂとは、リード、条数、及び軸方向長さを同じとしているため、螺旋溝流路１５ａと螺旋溝流路１５ｂとで相反方向に生じる圧力を完全に相殺することができ、クーラント漏れの抑制やクーラントの確実な供給といった効果を一層向上することができる。

なお、本発明に係る主軸装置は、上記実施形態の態様に何ら限定されるものではなく、主軸装置が設置される工作機械の種類等は勿論、冷却用流路の構成や冷却用媒体の種類等についても、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、必要に応じて適宜変更することができる。

たとえば、上記実施形態では、主軸４の前側を右ねじ状の螺旋溝流路１５ａとし、後側を左ねじ状の螺旋溝流路１５ｂとしているが、逆としてもよいし、主軸４の前端及び後端に右ねじ状の螺旋溝流路を、主軸４の中央部に左ねじ状の螺旋溝流路を形成する等してもよく、螺旋溝流路の右ねじとする位置、左ねじとする位置に関しては、主軸４の回転方向やどの状況で軸流ポンプ作用による圧力が発生しやすいか等に応じて適宜変更することができる。
また、必ずしも、右ねじ状の螺旋溝流路１５ａと左ねじ状の螺旋溝流路１５ｂとのリード、条数、及び軸方向長さを同じとする必要はなく、各螺旋溝流路におけるリード、条数、及び軸方向長さについても適宜設計変更可能である。
さらに、冷却用流路への冷却用媒体の供給方向についても適宜変更可能であって、上記実施形態とは逆に、螺旋溝流路側から送り込み、ドローバーの中心を通って主軸の後方へ排出させるように構成することも可能である。
さらに、上記実施形態では、主軸４に工具を装着可能とした主軸装置としているが、主軸にワークを把持させるような主軸装置に対しても、上記冷却用流路に係る構成は当然適用可能であるし、冷却用媒体についてもクーラントに何ら限定されることはない。

１・・主軸装置、２・・ハウジング、４・・主軸、９ａ、９ｂ・・回転継手、１１・・継手ハウジング、１２ａ、１２ｂ・・シール部、１３、１４・・送り流路、１５ａ、１５ｂ・・螺旋溝流路、１６・・排出流路。

Claims (3)

1. ハウジングに対し前後方向を軸として回転可能に支持された主軸の内部に、冷却用流体を流すための冷却用流路が前記主軸の軸方向へ螺旋状に形成されてなる主軸装置であって、
   前記冷却用流路は、前記主軸の前側に形成される所定の螺旋方向の第１螺旋状部と、前記主軸の後側に形成されて前記第１螺旋状部と直列に接続され、前記所定の螺旋方向とは螺旋方向が逆方向となる第２螺旋状部とを有しており、
   前記第１螺旋状部と前記第２螺旋状部との何れか一方側から前記冷却用流路へ供給した前記冷却用流体が、前記一方の螺旋状部を通り、さらに他方の螺旋状部を通った後、前記冷却用流路から排出され、前記主軸の加減速時に、前記第１螺旋状部で生じる流体圧力が、前記第２螺旋状部で生じる流体圧力によって相殺されることを特徴とする主軸装置。
2. 前記第１螺旋状部と前記第２螺旋状部とのリード、条数、及び軸方向長さが同じであることを特徴とする請求項１に記載の主軸装置。
3. 前記主軸が軸方向前側から見て反時計回りに加速して回転を開始するとともに、前記冷却用流路が前記主軸の軸方向後端から回転継手及びシール部を介して前記主軸の外部に接続される主軸装置であって、
   前記第１螺旋状部と前記第２螺旋状部とを連続して設けるとともに、前記回転継手及びシール部に近い方の螺旋方向を反時計回り方向としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の主軸装置。

Images