JP7456792B2

JP7456792B2 - 主軸装置

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Publication number: JP7456792B2
Application number: JP2020017618A
Authority: JP
Inventors: 真一田中; 雄三稲口
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2020-02-05
Filing date: 2020-02-05
Publication date: 2024-03-27
Anticipated expiration: 2040-02-05
Also published as: JP2021122891A

Description

本発明は、主軸装置に関する。

主軸装置は、シャフトと、シャフトが挿通されるハウジングと、シャフトをハウジングに対して回転可能に支持する軸受とを有している。軸受は、あらかじめ予圧が加わっている状態で用いられる場合がある。軸受に対して予圧を加える場合、ロックナットを用いて予圧を付与する定位置予圧が知られている。

下記の特許文献１には、シャフト（ねじ軸）がハウジングに挿通され、軸方向に間隔をあけて一対の軸受がハウジング内に収納された軸受ユニットが開示される。一対の軸受の一方は、ハウジングの内周面に嵌合された間座とシャフトの係止部との当接により、軸方向への軸移動が規制され、一対の軸受の他方は、シャフトに嵌合されたロックナットとハウジングの係止部との当接により、軸方向への移動が規制されている。

特開２００８－１６７６０８号公報

しかし、上記の特許文献１のように、定位置予圧で予圧が付与される場合、シャフトが回転していないときの予圧に比べて、シャフトが回転しているときの予圧が上昇する傾向にあり、当該予圧の上昇量は、シャフトの回転が高速になるほど大きくなり易い。

そこで、本発明は、シャフトが回転するときの予圧の上昇を抑制し得る主軸装置を提供することを目的とする。

本発明の態様は、シャフトと、前記シャフトが挿通されるハウジングと、前記シャフトを前記ハウジングに対して回転可能に支持する軸受とを有する主軸装置であって、前記シャフトに取り付けられ、前記軸受にアキシアル方向の荷重を付与する荷重付与部と、前記軸受の内輪と、前記荷重付与部との間に配置されるスリーブと、を備え、前記スリーブにおける前記荷重付与部側の端面である第１面と、前記荷重付与部における前記スリーブ側の端面である第２面とは、前記シャフトに対して傾斜している。

本発明の態様によれば、シャフトの回転時に生じる遠心力が大きくなるほど、第１面および第２面の接触位置（相対位置）が変位し、荷重付与部が軸受に付与する荷重の荷重量を下げることができる。この結果、シャフトが回転するときの予圧の上昇を抑制することができる。

第１実施形態の主軸装置を示す断面図である。シャフトの回転により荷重付与部が変形した様子を示す断面図である。第２実施形態の主軸装置を示す断面図である。第３実施形態の主軸装置を示す断面図である。

本発明について、好適な実施形態を掲げ、添付の図面を参照しながら以下、詳細に説明する。

〔実施形態〕
（第１実施形態）
図１を用いて、第１実施形態の主軸装置１０を説明する。主軸装置１０は、工作機械に用いられる。工作機械が旋盤機である場合、主軸装置１０は主軸台に相当する。工作機械がマシニングセンタである場合、主軸装置１０は主軸頭に相当する。主軸装置１０は、シャフト１２、ハウジング１４、軸受１６、第２の軸受１８、スリーブ２０および荷重付与部２２を有する。

シャフト１２は、シャフト１２を駆動するモータ（図示せず）から伝達される動力により回転する軸である。なお、シャフト１２は、シャフト１２が延びる方向（軸方向）に沿って貫通する貫通孔を有してもよい。シャフト１２の外周面には、第２の軸受１８の内輪３０を係止する内輪係止部１２Ａが形成されている。

ハウジング１４は、シャフト１２が挿通される孔を有する箱体である。ハウジング１４は、複数のハウジング分体に分割され、ハウジング分体の各々を組み立てることで形成されてもよい。ハウジング１４の内周面には、軸受１６の外輪３２を係止する第１外輪係止部１４Ａと、第２の軸受１８の外輪３２を係止する第２外輪係止部１４Ｂとが、シャフト１２が延びる軸方向に間隔をあけて形成されている。

軸受１６および第２の軸受１８は、シャフト１２をハウジング１４に対して回転可能に支持するものであり、内輪３０と外輪３２と転動体３４とを有する。軸受１６および第２の軸受１８は、本実施形態では、アンギュラ玉軸受とし、背面合わせでハウジング１４の内部に配置されるものとする。軸受１６の内輪３０と第２の軸受１８の内輪３０との間には内輪間座３６が配置され、軸受１６の外輪３２と第２の軸受１８の外輪３２との間には外輪間座３８が配置される。なお、内輪間座３６は省かれていてもよい。外輪間座３８が軸受１６の外輪３２と第２の軸受１８の外輪３２との間に配置されることで、軸受１６の外輪３２は第１外輪係止部１４Ａに押さえ付けられるとともに、第２の軸受１８の外輪３２は第２外輪係止部１４Ｂに押さえ付けられる。これにより、軸受１６および第２の軸受１８の外輪３２がハウジング１４に固定される。

スリーブ２０は、ハウジング１４の内部に配置される軸受１６の内輪３０と、当該ハウジング１４の外部に配置される荷重付与部２２との間に配置されるものであり、筒状に形成される。スリーブ２０は、軸受１６の内輪３０と別体のものであっても、軸受１６の内輪３０と一体であってもよい。なお、図１では、スリーブ２０は、軸受１６の内輪３０と別体のものとして示している。

荷重付与部２２は、軸受１６にアキシアル方向の荷重を付与するものであり、ハウジング１４の外部のシャフト１２に取り付けられる。本実施形態では、荷重付与部２２は、ロックナットとする。荷重付与部２２（ロックナット）は、ハウジング１４から露出するシャフト１２の外周面に形成されたねじ部位に螺合する。

荷重付与部２２（ロックナット）は、工具を用いて締め付けられると、スリーブ２０を介して軸受１６にアキシアル方向の荷重を付与する。この荷重が付与されることで、軸受１６はスリーブ２０と外輪間座３８とに押さえつけられるとともに、第２の軸受１８は外輪間座３８と内輪係止部１２Ａとに押さえつけられる。これにより、軸受１６および第２の軸受１８に常に予圧が加わった状態で、軸受１６および第２の軸受１８の内輪３０がシャフト１２に固定される。

本実施形態の主軸装置１０では、スリーブ２０における荷重付与部２２側の端面である第１面２０Ｆと、荷重付与部２２におけるスリーブ２０側の端面である第２面２２Ｆとは、シャフト１２に対して傾斜している。第１面２０Ｆおよび第２面２２Ｆは、具体的には、互いにシャフト１２から離れるほど軸受１６に近づくように傾斜し、接触している。

これにより、図２に示すように、シャフト１２の回転時に働く遠心力に応じて、荷重付与部２２が外側に広がるように変形する。荷重付与部２２が外側に広がるように変形する変形量は、シャフト１２の回転が高速になるほど大きくなる。荷重付与部２２が外側に広がるように変形すると、その変形量に応じて、互いに接触する第１面２０Ｆおよび第２面２２Ｆの接触位置（相対位置）が変化し、スリーブ２０に付与する荷重が解放される。これにより、軸受１６に付与する荷重の荷重量が下がる。

このように本実施形態の主軸装置１０は、シャフト１２の回転時に生じる遠心力が大きくなるほど、第１面２０Ｆと第２面２２Ｆとの接触面を小さくして荷重付与部２２が軸受１６に付与する荷重の荷重量を下げることができる。この結果、シャフト１２が回転するときの予圧の上昇を抑制することができる。

なお、荷重付与部２２の縦弾性係数がスリーブ２０の縦弾性係数よりも小さい場合、あるいは、荷重付与部２２の密度がスリーブ２０の密度よりも小さい場合、荷重付与部２２が外側に広がるように変形し易くなる。したがって、荷重付与部２２の縦弾性係数および密度の少なくとも一方がスリーブ２０よりも小さい場合には、シャフト１２の回転速度（遠心力）に応じた第１面２０Ｆおよび第２面２２Ｆの接触位置の変位量を大きくすることができる。

（第２実施形態）
次に、図３を用いて、第２実施形態の主軸装置１０を説明する。図３では、第１実施形態において説明した構成と同等の構成に対して同一の符号が付されている。なお、本実施形態では、第１実施形態と重複する説明は省略する。

本実施形態では、第１面２０Ｆおよび第２面２２Ｆは、互いにシャフト１２から離れるほど軸受１６から遠ざかるように傾斜し、接触している。

これにより、図示はしないが、シャフト１２の回転時に働く遠心力に応じて、スリーブ２０が外側に広がるように変形する。スリーブ２０が外側に広がるように変形する変形量は、第１実施形態と同様に、シャフト１２の回転が高速になるほど大きくなる。スリーブ２０が外側に広がるように変形すると、その変形量に応じて、互いに接触する第１面２０Ｆおよび第２面２２Ｆの接触位置（相対位置）が変化することで、荷重付与部２２が軸受１６に付与する荷重の荷重量が下がる。

このように本実施形態の主軸装置１０は、第１実施形態と同様に、シャフト１２の回転時に生じる遠心力が大きくなるほど、第１面２０Ｆおよび第２面２２Ｆの接触位置（相対位置）を変位させて荷重付与部２２が軸受１６に付与する荷重の荷重量を下げることができる。この結果、シャフト１２が回転するときの予圧の上昇を抑制することができる。

なお、本実施形態では、荷重付与部２２の縦弾性係数がスリーブ２０の縦弾性係数よりも大きい場合、あるいは、荷重付与部２２の密度がスリーブ２０の密度よりも大きい場合、スリーブ２０が外側に広がるように変形し易くなる。したがって、荷重付与部２２の縦弾性係数および密度の少なくとも一方がスリーブ２０よりも大きい場合には、シャフト１２の回転速度（遠心力）に応じた第１面２０Ｆおよび第２面２２Ｆの接触位置の変位量を大きくすることができる。

（第３実施形態）
次に、図４を用いて、第３実施形態の主軸装置１０を説明する。図４では、第１実施形態において説明した構成と同等の構成に対して同一の符号が付されている。なお、本実施形態では、第１実施形態と重複する説明は省略する。

本実施形態では、第１面２０Ｆは、シャフト１２から離れるほど軸受１６に近づくように傾斜し、第２面２２Ｆは、シャフト１２から離れるほど軸受１６から遠ざかるように傾斜している。

また、本実施形態では、第１面２０Ｆと第２面２２Ｆとの間にスペーサ４０が設けられる。スペーサ４０は、筒状に形成され、第１面２０Ｆおよび第２面２２Ｆに接触する接触面を有している。

本実施形態では、図示はしないが、シャフト１２の回転時に働く遠心力に応じて、スペーサ４０が外側に広がるように変形する。スペーサ４０が外側に広がるように変形する変形量は、第１実施形態と同様に、シャフト１２の回転が高速になるほど大きくなる。スペーサ４０が外側に広がるように変形すると、その変形量に応じて、スペーサ４０が接触する第１面２０Ｆおよび第２面２２Ｆの少なくとも一方の接触位置（相対位置）が変化することで、荷重付与部２２が軸受１６に付与する荷重の荷重量が下がる。

このように本実施形態の主軸装置１０は、第１実施形態と同様に、シャフト１２の回転時に生じる遠心力が大きくなるほど、第１面２０Ｆおよび第２面２２Ｆの接触位置（相対位置）を変位させることで荷重付与部２２が軸受１６に付与する荷重の荷重量を下げることができる。この結果、シャフト１２が回転するときの予圧の上昇を抑制することができる。

なお、本実施形態では、スペーサ４０の縦弾性係数が荷重付与部２２およびスリーブ２０の縦弾性係数よりも小さい場合、あるいは、スペーサ４０の密度が荷重付与部２２およびスリーブ２０の密度よりも小さい場合、スペーサ４０が広がるように変形し易くなる。したがって、スペーサ４０の縦弾性係数および密度の少なくとも一方が荷重付与部２２およびスリーブ２０よりも小さい場合には、シャフト１２の回転速度（遠心力）に応じた第１面２０Ｆおよび第２面２２Ｆの接触位置の変位量を大きくすることができる。

〔本発明〕
上記の実施形態から把握し得る発明について、以下に記載する。

本発明は、シャフト（１２）と、シャフト（１２）が挿通されるハウジング（１４）と、シャフト（１２）をハウジング（１４）に対して回転可能に支持する軸受（１６）とを有する主軸装置（１０）である。主軸装置（１０）は、シャフト（１２）に取り付けられ、軸受（１６）にアキシアル方向の荷重を付与する荷重付与部（２２）と、軸受（１６）の内輪（３０）と、荷重付与部（２２）との間に配置されるスリーブ（２０）と、を備える。スリーブ（２０）における荷重付与部（２２）側の端面である第１面（２０Ｆ）と、荷重付与部（２２）におけるスリーブ（２０）側の端面である第２面（２２Ｆ）とは、シャフト（１２）に対して傾斜している。

これにより、シャフト（１２）の回転時に生じる遠心力が大きくなるほど、第１面（２０Ｆ）および第２面（２２Ｆ）の接触位置（相対位置）が変位し、荷重付与部（２２）が軸受（１６）に付与する荷重の荷重量を下げることができる。この結果、シャフト（１２）が回転するときの予圧の上昇を抑制することができる。

第１面（２０Ｆ）と第２面（２２Ｆ）とは、互いにシャフト（１２）から離れるほど軸受（１６）に近づくように傾斜し、接触してもよい。これにより、シャフト（１２）の回転時に働く遠心力に応じて、荷重付与部（２２）が外側に広がるように変形し、第１面（２０Ｆ）および第２面（２２Ｆ）の接触位置（相対位置）を変位させることができる。

第１面（２０Ｆ）と第２面（２２Ｆ）とが互いにシャフト（１２）から離れるほど軸受（１６）に近づくように傾斜し、接触する場合、荷重付与部（２２）の縦弾性係数は、スリーブ（２０）の縦弾性係数よりも小さくてもよい。これにより、荷重付与部（２２）が変形し易くなり、シャフト（１２）の回転速度に応じた第１面（２０Ｆ）および第２面（２２Ｆ）の接触位置の変位量を大きくすることができる。

第１面（２０Ｆ）と第２面（２２Ｆ）とが互いにシャフト（１２）から離れるほど軸受（１６）に近づくように傾斜し、接触する場合、荷重付与部（２２）の密度は、スリーブ（２０）の密度よりも小さくてもよい。これにより、荷重付与部（２２）が変形し易くなり、シャフト（１２）の回転速度に応じた第１面（２０Ｆ）および第２面（２２Ｆ）の接触位置の変位量を大きくすることができる。

第１面（２０Ｆ）と第２面（２２Ｆ）とは、互いにシャフト（１２）から離れるほど軸受（１６）から遠ざかるように傾斜し、接触してもよい。シャフト（１２）の回転時に働く遠心力に応じて、スリーブ（２０）が外側に広がるように変形し、第１面（２０Ｆ）および第２面（２２Ｆ）の接触位置（相対位置）を変位させることができる。

第１面（２０Ｆ）と第２面（２２Ｆ）とは、互いにシャフト（１２）から離れるほど軸受（１６）から遠ざかるように傾斜し、接触する場合、荷重付与部（２２）の縦弾性係数は、スリーブ（２０）の縦弾性係数よりも大きくてもよい。これにより、スリーブ（２０）が変形し易くなり、シャフト（１２）の回転速度に応じた第１面（２０Ｆ）および第２面（２２Ｆ）の接触位置の変位量を大きくすることができる。

第１面（２０Ｆ）と第２面（２２Ｆ）とは、互いにシャフト（１２）から離れるほど軸受（１６）から遠ざかるように傾斜し、接触する場合、荷重付与部（２２）の密度は、スリーブ（２０）の密度よりも大きくてもよい。これにより、スリーブ（２０）が変形し易くなり、シャフト（１２）の回転速度に応じた第１面（２０Ｆ）および第２面（２２Ｆ）の接触位置の変位量を大きくすることができる。

第１面（２０Ｆ）は、シャフト（１２）から離れるほど軸受（１６）に近づくように傾斜し、第２面（２２Ｆ）は、シャフト（１２）から離れるほど軸受（１６）から遠ざかるように傾斜し、主軸装置（１０）は、第１面（２０Ｆ）および第２面（２２Ｆ）に接触する接触面を有し、第１面（２０Ｆ）と第２面（２２Ｆ）との間に設けられるスペーサ（４０）を備えてもよい。これにより、シャフト（１２）の回転時に働く遠心力に応じて、スペーサ（４０）が外側に広がるように変形し、第１面（２０Ｆ）および第２面（２２Ｆ）の接触位置（相対位置）を変位させることができる。

スペーサ（４０）の縦弾性係数は、荷重付与部（２２）およびスリーブ（２０）の縦弾性係数よりも小さくてもよい。これにより、スペーサ（４０）が変形し易くなり、シャフト（１２）の回転速度に応じた第１面（２０Ｆ）および第２面（２２Ｆ）の接触位置の変位量を大きくすることができる。

スペーサ（４０）の密度は、荷重付与部（２２）およびスリーブ（２０）の密度よりも小さくてもよい。これにより、スペーサ（４０）が変形し易くなり、シャフト（１２）の回転速度に応じた第１面（２０Ｆ）および第２面（２２Ｆ）の接触位置の変位量を大きくすることができる。

軸受（１６）は、アンギュラ玉軸受であってもよい。また、主軸装置（１０）は、軸受（１６）を基準として荷重付与部（２２）側とは逆側に配置され、シャフト（１２）をハウジング（１４）に対して回転可能に支持する第２の軸受（１８）と、軸受（１６）の外輪（３２）と第２の軸受（１８）の外輪（３２）との間に配置される外輪間座（３８）と、を備えてもよい。

１０…主軸装置１２…シャフト
１４…ハウジング１６…軸受
１８…第２の軸受２０…スリーブ
２０Ｆ…第１面２２…荷重付与部
２２Ｆ…第２面３０…内輪
３２…外輪３４…転動体
３６…内輪間座３８…外輪間座
４０…スペーサ

Claims

シャフトと、前記シャフトが挿通される孔が形成されるハウジングと、前記ハウジングに対して回転可能に前記シャフトを支持する軸受とを有する主軸装置であって、
前記シャフトに取り付けられ、前記軸受にアキシアル方向の荷重を付与する荷重付与部と、
前記軸受の内輪と、前記荷重付与部との間に配置されるスリーブと、
を備え、
前記スリーブにおける前記荷重付与部側の端面である第１面と、前記荷重付与部における前記スリーブ側の端面である第２面とは、前記シャフトに対して傾斜しており、
前記軸受は、前記ハウジングの前記孔の内部に位置し、
前記荷重付与部は、前記ハウジングの外部に位置し、
前記スリーブは、前記孔の内部から前記ハウジングの外部にまで延びており、
前記第１面と前記第２面とは、前記ハウジングの外部に位置し、互いに接している、主軸装置。
請求項１に記載の主軸装置であって、
前記第１面と前記第２面とは、互いに前記シャフトから離れるほど前記軸受に近づくように傾斜し、接触する、主軸装置。
請求項２に記載の主軸装置であって、
前記荷重付与部の縦弾性係数は、前記スリーブの縦弾性係数よりも小さい、主軸装置。
請求項２または３に記載の主軸装置であって、
前記荷重付与部の密度は、前記スリーブの密度よりも小さい、主軸装置。
請求項１に記載の主軸装置であって、
前記第１面と前記第２面とは、互いに前記シャフトから離れるほど前記軸受から遠ざかるように傾斜し、接触する、主軸装置。
請求項５に記載の主軸装置であって、
前記荷重付与部の縦弾性係数は、前記スリーブの縦弾性係数よりも大きい、主軸装置。
請求項５または６に記載の主軸装置であって、
前記荷重付与部の密度は、前記スリーブの密度よりも大きい、主軸装置。
請求項１に記載の主軸装置であって、
前記第１面は、前記シャフトから離れるほど前記軸受に近づくように傾斜し、
前記第２面は、前記シャフトから離れるほど前記軸受から遠ざかるように傾斜し、
前記第１面および前記第２面に接触する接触面を有し、前記第１面と前記第２面との間に設けられるスペーサを備える、主軸装置。
請求項８に記載の主軸装置であって、
前記スペーサの縦弾性係数は、前記荷重付与部および前記スリーブの縦弾性係数よりも小さい、主軸装置。
請求項８または９に記載の主軸装置であって、
前記スペーサの密度は、前記荷重付与部および前記スリーブの密度よりも小さい、主軸装置。
請求項１～１０のいずれか１項に記載の主軸装置であって、
前記軸受は、アンギュラ玉軸受である、主軸装置。
請求項１～１１のいずれか１項に記載の主軸装置であって、
前記軸受を基準として前記荷重付与部側とは逆側に配置され、前記シャフトを前記ハウジングに対して回転可能に支持する第２の軸受と、
前記軸受の外輪と前記第２の軸受の外輪との間に配置される外輪間座と、
を備える、主軸装置。