主轴装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种马达内置方式的主轴装置（10），其中，旋转轴（12）具有：由金属材料制成的第一圆筒构件（71）和配置于第一圆筒构件（71）的外周面的由碳纤维复合材料制成的第二圆筒构件（72），第二圆筒构件（72）的外周面嵌合有转子（20）。由此，能够抑制因转子发热造成的旋转轴及轴承温度的上升，从而能够提高加工精度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种主轴装置，特别涉及适用于双柱式加工中心等的主轴箱、多坐标 控制机床等，dmn为100万以上的能够高速旋转的主轴装置。
技术介绍
由于适用于机床等的主轴装置的旋转轴需要在进行高速旋转的同时，承受加工载 荷，因此需要维持相对于加工载荷的刚性，或维持相对于高速旋转时的离心力的变形抑制 特性等，作为其材质，主要使用金属。另外，旋转轴通过更换工具(刀具)来使用，因而，也需 要其具有耐磨性和硬度。因此，根据该金属的物性，其特征值和热膨胀存在一定限度，转速 和加减速时间也受限。在专利文献I所述的机床中，记载有旋转轴使用了纤维强化复合材料的卧式镗 床。在该卧式镗床中，公开了在旋转的同时，在套筒内沿轴向移动的旋转轴，通过使用纤维 强化复合材料，实现了轻量化和热膨胀的降低，并且考虑到作为旋转轴所要求的抗冲击性、 表面硬度和机械加工所决定的强度，在旋转轴的必要部位设置了金属或陶瓷。另外，在专利文献2中，记载了由气动轴承支承旋转轴使其能够旋转，并在旋转轴 的外周面形成纤维层，以抑制旋转轴的膨胀，同时提高了刚性的主轴装置。而在专利文献3 中，记载了在旋转轴的安装有滚子轴承的外周面两侧形成槽，在槽内形成有碳纤维层，由此 抑制了离心力所导致的膨胀的主轴装置。另外，在专利文献4所述的工具支架中，圆锥部、法兰部与刀具保持部形成为一 体，在形成于刀具保持部的锥孔中，插入安装在刀具上的筒夹(collet)，将与形成于刀具保 持部外周的螺钉相螺合的螺母紧固，以固定刀具，在螺母的外周面缠绕有碳纤维层以防止 螺母变形。在专利文献5所述的刀具支架中，也公开了在螺母外周面缠绕碳纤维层，以实现 对离心力所导致的螺母膨胀的抑制。另外，以往，作为利用大型工件与刀具间的三维相对移动，以进行切削、开孔等加 工的复合加工机床，例如，使用使得装配着工件的工作台直进往复运动，同时在X轴、Y轴、Z 轴方向控制具有刀具的主轴的双柱式加工中心。在双柱式加工中心中，在由两个支柱支承的横导轨上安装着床鞍,在相对于床鞍 进行上下方向移动的滑枕(ram)的端部安装着主轴箱，进而，在该主轴箱的二条支承臂上， 借助支架安装主轴装置，使该主轴装置能够回转。以往，作为配设于这样的机床中的主轴，公开了一种主轴，其具有由碳纤维或芳 族聚酰胺纤维以两种卷绕角度缠绕而成的纤维强化复合材料形成的中空圆筒状结构件；内 嵌固定于中空圆筒状结构件中的低热膨胀的因瓦合金；内嵌固定于因瓦合金中的中空圆筒 构件；形成于中空圆筒状结构件外周面上的作为覆盖层的金属层或陶瓷层；以及具有刀具 嵌插锥面的主轴端构件(例如，参照专利文献6 )。在该主轴中，在中空圆筒状结构件与中空 圆筒构件之间，安装着热膨胀低于金属或陶瓷的因瓦合金，由此能够实现轻量化，并能减少 主轴的轴向热膨胀，提高加工精度。进而，在现有的主轴装置中，主轴的前侧由固定端轴承支承，主轴的后侧由游动端轴承支承，在游动端轴承外周，外嵌配置轴承套筒，考虑到运转时主轴的热膨胀，将轴承套筒与外嵌于其外侧的壳体之间的配合间隙数定为几微米 几十微米的程度。由此，主轴装置形成为在马达的放热或轴承发热的影响下，作为旋转侧的主轴的温度高于作为固定端的壳体的温度，使主轴沿轴向相对伸长，但由于轴承套筒的滑动，该相对膨胀量之差转移到主轴的后侧(或前侧)。但是，当轴承发热或转子发热增加时，传热到设置于轴承外侧的轴承套筒，使轴承套筒发生热膨胀，由此减小了轴承套筒与壳体之间的间隙缩小。其结果为，轴承套筒的滑动受到妨碍而造成滑动不畅，固定端轴承与游动端轴承间产生推压力，轴承的滚动接触部的表面压力增大，造成预压增大或发生热粘。另外，当考虑到热膨胀而在初期将间隙量设定得较大，以防止滑动不畅时，会出现低速运转(低发热)时轴承套筒与壳体间产生振动，或以该振动为起因出现微振磨损等，造成该部位的磨损或粘着等问题。其结果为，出现了磨屑侵入轴承内部，造成轴承损伤，或因粘着而产生滑动不畅，导致反效果的情况。在专利文献7所述的主轴装置中，记载有轴承套筒、后盖、外圈紧固件等各构件由热膨胀系数小于钢的因瓦合金、超级因瓦合金等材质构成，减小了初期设定间隙的变化的内容。另外，以往公开了一种轴与环体之间的安装装置，例如，该安装装置具有钢制的轴、由线膨胀系数小于轴的陶瓷制内圈、以及内周面与内圈的外周面嵌合并与轴牢固结合的衬圈，在将线膨胀系数不同的构件相互嵌合时，轴与内圈通过间隙配合进行嵌合，并将内圈压入衬圈，这样在温度上升时不会因轴的热膨胀而使内圈受到应力作用，防止内圈发生破损(例如参照专利文献8)。专利文献1:日本特开平2-167602号公报专利文献2 :日本特开平7-51903号公报专利文献3 :日本特开平6-226506号公报(图3)专利文献4 :日本特开平6-218608号公报专利文献5 :日本特开平6-226516号公报专利文献6 :日本专利第2756155号公报专利文献7 日本特开2006-88245号公报专利文献8 :日本特开平1-295025号公报
技术实现思路
专利技术要解决的课题但是，作为能够高速旋转的主轴装置，采用了在用于支承旋转轴的前侧轴承与后侧轴承之间内置有马达的马达内置方式。因此，当外嵌于旋转轴的转子发热时，该传热至旋转轴，将导致旋转轴发生膨胀，存在影响加工精度的可能性。另外，传导到旋转轴的热量也会传导到轴承的内圈，使内圈温度上升，内外圈产生温度差，因此，有可能导致轴承预压过大、滚动接触部的PV值上升、发生热粘等不利情况。通常，为了抑制整个主轴装置升温造成的热位移，采用了使冷却油在壳体内的定子或轴承外径部附近循环的方法，但是，其冷却效果难以影响到旋转轴，会产生旋转轴温度变得高于壳体温度的不均衡问题。在这样的不均衡状态下产生轴向热膨胀差时，固定端的前侧轴承与游动端的后侧轴承的相对位置发生变动，在后侧轴承发生滑动不畅状况的情况下，因轴承间的推压而产生异常载荷，这样会造成轴承的热粘等损伤。在专利文献I 3所述的主轴装置中，关于马达内置方式没有记载，也并未认识到上述课题。另外，由于机床的主轴用轴承要求具有高旋转精度和低振动特性，因此在组装时以消除了轴承内部的间隙的所谓施加有预压的状态进行组装。另一方面，在现有的马达内置方式的主轴装置中，来自转子的热量经由金属制的旋转轴传导到轴承内圈，因而存在轴承的内圈温度高于外圈温度的趋势。在该内外圈温度差的影响下，内外圈的热膨胀不同，力口上预压载荷，轴承的内部载荷将上升。进而，在高速旋转时(特别是dmn值为100万以上)，加上作用于滚珠(滚动体)的离心力，轴承的内部载荷变得过大，有可能发生轴承的热粘等故障。专利文献3 5中，是在螺母或主轴的外周侧形成有纵弹性模量大且比重小的碳纤维层，利用碳纤维层的机械强度来抑制螺母或主轴的膨胀的技术，但对于抑制内圈的温度上升和旋转轴的伸长并未考虑。另外，对马达内置方式既未记载，也未认识到上述课题。另外，专利文献6所公开的机床主轴，实现了对因热膨胀造成主轴轴向的热膨胀的抑制和加工精度的提高，但对于从主轴传导到安装着主轴的主轴箱(壳体)热量的影响没有考虑。另外，由于在主轴的内表面侧插入安装有低热膨胀的因瓦合金，因而存在结构复杂、难以制作的问题。进而，在专利文献7所述的主轴装置中，记载了使轴承套筒由因瓦合金、超级因本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.07.20 JP 2011-159094;2011.07.20 JP 2011-159091.一种主轴装置，具有旋转轴；前侧轴承和后侧轴承，其分别支承所述旋转轴，使所述旋转轴能够相对于壳体自由旋转；以及马达，其具有位于所述前侧轴承和后侧轴承之间，外嵌于所述旋转轴的转子，和配置于所述转子周围的定子，其特征在于，所述旋转轴具有由金属材料制成的第一圆筒构件；和由比弹性模量大于所述第一圆筒构件的金属材料且线膨胀系数小于所述第一圆筒构件的金属材料的材料制成的第二圆筒构件，所述第二圆筒构件配置于所述第一圆筒构件外周面，且在所述第二圆筒构件的外周面，嵌合有所述转子。2.根据权利要求1所述的主轴装置，其特征在于，所述转子与所述第二圆筒构件过盈嵌合。3.根据权利要求1或2所述的主轴装置，其特征在于，所述第一圆筒构件具有用于配置所述第二圆筒构件的小直径部；具有使得用于调节所述前侧轴承的轴向位置的螺母被紧固的外螺纹部的大直径部。4.根据权利要求1 3中任一项所述的主轴装置，其特征在于，所述前侧轴承和所述后侧轴承外嵌于所述第二圆筒构件。5.根据权利要求1 3中任一项所述的主轴装置，其特征在于，还具有由金属材料制成的第三圆筒构件，所述第三圆筒构件配置于所述第二圆筒构件外周面上的沿轴向远离外周面嵌合有所述转子的位置，所述第三圆筒构件的外周面嵌合有所述前侧轴承的内圈或所述后侧轴承的内圈。6.根据权利要求5所述的主轴装置，其特征在于，所述第二圆筒构件具有台阶部，使得配置所述第三圆筒构件的外周面为小直径，所述第三圆筒构件具有夹持于所述台阶部的轴向侧面与所述内圈的轴向端面之间的法兰部。7.根据权利要求5或6所述的主轴装置，其特征在于，所述第三圆筒构件为嵌合于所述第二圆筒构件外周面的薄壁套筒。8.根据权利要求5或6所述的主轴装置，其特征在于，所述第三圆筒构件为利用电学或化学方法与所述第二圆筒构件外周面结合的薄膜构件。9.根据权利要求5 8中任一项所述的主轴装置，其特征在于，所述第三圆筒构件设有两个，分别与所述前侧轴承和所述后侧轴承的各内圈嵌合。10.根据权利要求1 9中任一项所述的主轴装置，其特征在于，所述第二圆筒构件由碳纤维复合材料制成。11.一种主轴装置，具有旋转轴；前侧轴承和后侧轴承，其分别支承所述旋转轴，使所述旋转轴能够相对于壳体自由旋转；以及马达，其具有配置在所述前侧轴承和后侧轴承之间，能够与所述旋转轴一起旋转的转子，和配置于所述转子周围的定子，其特征在于，在所述旋转轴与所述转子之间，配置有传热系数小于所述旋转轴的圆筒构件。12.根据权利要求11所述的主轴装置，其特征在于，所述圆筒构件由碳纤维复合材料形成。13.—种主轴装置，具有旋转轴；前侧轴承和后侧轴承，其分别支承所述旋转轴，使所述旋转轴能够相对于壳体自由旋转；以及马达，其具有配置在所述前侧轴承和所述后侧轴承之间，能够与所述旋转轴一起旋转的转子，和配置于所述转子周围的定子，其特征在于，在所述转子与所述旋转轴之间，设有转子套筒，在所述转子套筒和所述旋转轴的对置面中的其中一个面上，具有部分介入的传热系数小于所述旋转轴的构件。14.根据权利要求13所述的主轴装置，其特征在于，在所述转子套筒的内周面，形成有环状的内向凸部，从而形成多个环状槽，传热系数小于所述旋转轴的构件配置于所述多个环状槽中，并且，所述转子套筒的环状的内向凸部与所述旋转轴的外周面通过过盈配合嵌合。15.根据权利要求13所述的主轴装置，其特征在于，在所述旋转轴的外周面，形成环状的外向凸部，从而形成多个环状槽，传热系数小于所述旋转轴的构件配置于所述多个环状槽中，并且，所述转子套筒的内周面与所述旋转轴的环状的外向凸部通过过盈配合嵌合。16.根据权利要求13 15中任一项所述的主轴装置，其特征在于，所述传热系数小于所述旋转轴的构件由碳纤维复合材料形成。17.—种主轴装置，具有旋转轴；前侧轴承和后侧轴承，其分别支承所述旋转轴，使所述旋转轴能够相对于壳体自由旋转；以及马达，其具有配置在所述前侧轴承与所述后侧轴承之间，能够与所述旋转轴一起旋转的转子，和配置于所述转子周围的定子，其特征在于，在所述前侧轴承与所述后侧轴承之间，并在所述旋转轴的内周面以及远离与所述转子或装配有所述转子的转子套筒嵌合的位置的所述旋转轴的外周面中的至少一处位置，配置有传热系数小于所述旋转轴的构件。18.根据权利要求17所述的主轴装置，其特征在于，所述传热系数小于所述旋转轴的构件由碳纤维复...

【专利技术属性】
技术研发人员：米山博树，岩崎修，小栗翔一郎，稻垣好史，胜野美昭，
申请(专利权)人：日本精工株式会社，
类型：
国别省市：