CN102979822B - 滚动轴承装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种滚动轴承装置，可在高速旋转时保持保持器的稳定性并防止导向面彼此直接接触，且可降低保持器导向间隙中的动力损耗。该滚动轴承装置包含：滚动轴承(1)，在内环(2)与外环(3)的轨道面(2a、3a)之间夹设有由环状的保持器(5)所固持的转动体(4)；及喷嘴构件(8)，邻接该外环(3)而设置。喷嘴构件(8)中设有插入内环(2)与外环(3)之间轴承空间并具有润滑剂喷嘴孔(10)的环状锷部(8a)。以该锷部(8a)的外径面(8aa)为保持器导向面，以该保持器导向面(8aa)导向保持器(5)的内径面(5a)。

Description

滚动轴承装置
本发明是2008年08月19日申请的发明名称为“滚动轴承装置”的第200880104081.2号发明专利申请的分案申请。
相关申请
本申请案主张2007年8月24日申请的日本特愿2007-218734及2008年6月20日申请的日本特愿2008-162439的优先权，通过参照其整体作为本申请案的一部分而引用。
技术领域
本发明为关于用于支持加工机械用主轴装置等高速主轴的滚动轴承装置。
背景技术
滚动轴承保持器的导向形式，有外环导向、内环导向、转动体(球或滚子)导向的方式。加工机械用主轴装置中，滚动轴承多用于内环旋转，内环导向方式的保持器中润滑油因离心力不易保持于导向面。因此，从润滑性的观点而言，加工机械用主轴装置中可使用保持器为外环导向方式或转动体导向方式的滚动轴承。另一方面，在其为保持器为转动体导向方式的滚动轴承的情形下，高速旋转时保持器的摇摆变大。关于此点，在其为保持器为外环导向方式的滚动轴承的情形下可以外环抑制保持器的摇摆，故若使用保持器为外环导向方式的滚动轴承作为加工机械用轴承装置的轴承(例如专利文献1)，则关于特别是在高速旋转时保持器动作的稳定性或在导向面上确保润滑油的情况，可被确认其具有优点。
且也有人提议制作一种可对应加工机械用主轴装置高速化的滚动轴承装置，其包含环境对应型润滑构造，在内环外径面设置斜面部，设置包含喷射输送空气中混合有润滑油的油气的喷嘴的喷嘴构件，使该喷嘴构件与该斜面部之间具有间隙并沿其设置(例如非专利文献1)。为此润滑构造时，为将自喷嘴所喷射的润滑油沿内环的外径面导往轴承内，故与一般油气供油的情形那样的从保持器与轨道面的间隙直接将油气朝转动体喷射的情况相比，其静音性优异，且空气及油流量少即可使用。
且非专利文献2、3中有关于对应滚动轴承高速化的记载。非专利文献2中介绍有一种在材料中使用精密陶瓷，特别是氮化硅(Si3N4)的滚动轴承。且介绍有用于加工机械主轴，以氮化硅构成转动体或轨道环的例子。非专利文献3中介绍有一种在材料中使用氮化硅(Si3N4)的加工机械主轴用滚动轴承。例如仅转动体、转动体与内环、转动体与内外环为陶瓷的构成例显示于同文献的图2中。
专利文献1：日本特开2006-329233号公报
非专利文献1：NTN目录精密滚动轴承CAT.No2260/J，53页
非专利文献2：精密工学会志第54卷7号1988 1240-1244页
非专利文献3：Koyo ENGINEERING JOURNAL第135号1989 62-71页
发明内容
于专利文献1中揭示的具有外环导向保持器的滚动轴承，其外环与保持器之间的导向间隙通常虽为1/10mm级，但为确保保持器动作的稳定性，想将该导向间隙设定尽量小。然而在高速旋转时因发热与离心力的影响，该导向间隙变得小于其静止时。近年来，以树脂使保持器成形的例子虽很多，但相比构成外环的钢，特别是树脂的线膨胀系数大，且纵向弹性系数小，故该导向间隙变小。其结果产生导向面彼此不透过油膜而直接接触，有妨碍轴承正常动作的危险，而成为最佳设计的障碍。
具有喷射油气的润滑构造的非专利文献1中所揭示的滚动轴承装置，保持器也为外环导向方式或是转动体导向方式，因此若为外环导向方式即会发生与专利文献1中所揭示的滚动轴承相同的问题。且若为转动体导向方式即容易发生如上述保持器的摇摆变大，或因与转动体的干扰而导致保持器坑穴破损等问题。
非专利文献2、3中记载有通过使用氮化硅作为滚动轴承要素(转动体、内外轨道环)的材料，可提升轴承刚性与其高速旋转性能。然而为使其高速旋转，保持器导向部若非适于高速的构造，则作为轴承整体的高速旋转性会不充分。
本发明的目的在于提供一种滚动轴承装置，可在高速旋转时保持保持器的稳定性并防止导向面彼此的直接接触，且降低保持器导向间隙中其动力损耗。
本发明的另一目的在于提供高速旋转性能优异的滚动轴承装置。
本发明的滚动轴承装置，包含：
滚动轴承，在内环与外环的轨道面之间夹设有由环状的保持器所保持的转动体；及
喷嘴构件，邻接该外环而设置；
其特征在于：
在该喷嘴构件内设有插入内环与外环之间的轴承空间并具有润滑剂的喷嘴孔的环状锷部，该锷部的外径面为保持器导向面，以该保持器导向面导向该保持器的内径面。
依此构成，保持器的导向方式为非转动体导向方式而是以环状锷部导向的方式，故可回避保持器的摇摆变大或因与转动体的干扰而导致保持器坑穴破损的问题。
且，起因于高速旋转的导向间隙量变化也倾向于变大，可确实防止运转中导向面彼此(喷嘴构件锷部的保持器导向面与保持器的内径面)未夹设有油膜的直接接触。
且与外环导向方式比较，此时以保持器的导向方式在导向面上滑动速度小，故轴承动力损耗也小，仅此轴承温度也获得抑制，在预压管理的层面上也有利。
其结果可在高速旋转时保持保持器的稳定性并防止导向面彼此直接接触，且可降低保持器导向间隙中的动力损耗。
本发明中也可在该内环外径面设置轨道面侧为大径的斜面部，使该喷嘴构件的设于该锷部的喷嘴孔朝该内环的该斜面部喷出润滑剂。为此构成时，为通过因内环旋转产生的离心力与表面张力将自喷嘴孔朝内环斜面部喷出的润滑剂沿内环斜面部导往轴承内，故可顺利将润滑剂导入轴承内。
本发明中，也可使该喷嘴构件的设于该锷部的喷嘴孔，朝保持器内径面喷出润滑剂。为此构成时，通过自喷嘴孔喷出的润滑剂，可润滑形成于锷部外径面的保持器导向面与保持器内径面之间的导向间隙。
本发明中，也可于该喷嘴孔设置节流部。为此构成时，可非动压轴承而以定压型静压轴承构成下述间隙，该间隙为形成于作为喷嘴构件锷部的外径面的保持器导向面与保持器内径面之间的导向间隙，通过此静压轴承效果，即使在轴承旋转速度低时，也可通过流体润滑作用稳定导向保持器。
本发明中，也可以该内环外径面为斜面部，在沿该内环外径面的斜面上形成该锷部内径面。为此构成时，在锷部内径面的斜面与内环外径面的斜面部之间虽会形成微小间隙，但欲自此微小间隙朝轴承外喷出的润滑剂会因离心力与内环斜面部或喷嘴构件锷部的内径斜面上的表面张力回到轴承内，可供高效率的润滑。
本发明中也可在该喷嘴构件的该锷部中的圆周方向的多处设置该喷嘴孔。为此构成时，可朝轴承内圆周方向均等导入润滑剂，故提升润滑性能。润滑剂自喷嘴孔朝保持器内径面喷出时，润滑剂可横跨保持器的内径面的全周均等喷出，故可以平衡性良好的方式导向保持器。
本发明中，自该喷嘴构件的该喷嘴孔喷出的润滑剂也可为油气。为油气时容易进行微量润滑。
本发明中该滚动轴承装置也可用于支持加工机械的主轴。此时，可高速化主轴并降低温度的上升。
本发明中，该内环也可以陶瓷构成。该陶瓷可为以例如氮化硅为主成分的烧结体或以Si6-ZAlZOZN8-Z的组成式表示，满足0.1≤z≤3.5的以β赛隆(硅铝氧氮陶瓷)为主成分的烧结体。
对陶瓷以氮化硅为主成分的烧结体的情形为例进行说明。
比较以钢构成内环与外环双方的滚动轴承(钢制内环型)，与以氮化硅构成内环、以钢构成外环的滚动轴承(陶瓷制内环型)。钢的线膨胀系数约为11×10-6，氮化硅的线膨胀系数约为3.2×10-6，故若假定运转时内环温度高于外环，则陶瓷制内环型相较于钢制内环型，运转时转动体与内外环之间的径向间隙(在加工机械中通常为负间隙)大(作为负值绝对值小)。因此，陶瓷制内环型可降低预压过大现象，高速旋转性能优异。预压过大现象为将转动体过度朝径向压缩的现象，为阻碍滚动轴承高速旋转性的重大要因。
又，钢的密度为7.8×103kg/m3，氮化硅的密度为3.2×103kg/m3，故若考虑两者的密度差即知，陶瓷制内环型相较于钢制内环型对离心膨胀导致的预压过大也有利，特别是在高速旋转时。
而且，钢的杨氏系数约为210GPa，氮化硅的杨氏系数约为314GPa，故陶瓷制内环型相较于钢制内环型在轴承刚性的面上也有利。
以上说明虽为关于陶瓷为以氮化硅为主成分的烧结体的情形，但可以说关于陶瓷为以β赛隆为主成分的烧结体的情形也几乎相同。且以β赛隆为主成分的烧结体具有较以氮化硅为主成分的烧结体更可以低成本制造的优点。
以陶瓷构成内环时，为更高速化，转动体宜为陶瓷。该转动体也以陶瓷构成时，该转动体也可以与该内环种类不同的陶瓷构成。
转动体若也以陶瓷构成，与以陶瓷构成内环时相同，在高速旋转时对热膨胀或离心膨胀所导致的预压过大有利，故可实现轴承的更高速化。此时，考虑到制造面上的方便，可以不同种类的陶瓷构成内环与转动体。
本发明中，该内环最好具有较轨道面更位于轴方向外侧的肩部，设置内径面配合该肩部外径面的内环垫圈，通过该内环垫圈对该内环肩部赋予径向的压缩应力。或是该内环也可具有较轨道面更位于轴方向外侧的肩部，以沿周向纤维所构成的纤维性构件束缚该肩部外周，对该内环肩部赋予径向的压缩应力。
因热或离心力的影响导致径向的应力施加于接近圆筒形的内环时，产生于内环的周向应力(箍应力)其绝对值在材料力学上大于径向、轴方向的应力。一般而言陶瓷相较于钢的拉伸强度小，故箍应力作为拉伸应力作用时，内环有破损的危险。在此，如上述，通过以内环垫圈或纤维性构件对内环肩部赋予径向的压缩应力，可抵消沿拉伸方向作用的箍应力。借此可防止内环的破损，成为对应高速旋转强固的构造。
本发明中，该内环宜具有较轨道面更位于轴方向外侧的肩部，设置内径面配合该肩部外径面的内环垫圈，使轴配合该内环及内环垫圈内周，内环与轴的配合为过盈配合，内环垫圈与轴的配合为间隙配合，通过该内环垫圈对该内环肩部赋予径向的压缩应力。
若为此构成，通过以内环垫圈对内环肩部赋予径向的压缩应力，可抵消沿拉伸方向作用的箍应力，防止内环的破损而成为对应高速旋转强固的构造。
而且，轴配合内环及内环垫圈内周时，关于组装时的配合可考虑3种状况：内环与轴为过盈配合，内环垫圈与轴为间隙配合(状况1)；双方皆为过盈配合(状况2)；及内环与轴为间隙配合，内环垫圈与轴为过盈配合(状况3)。若考虑热或离心力所导致的轴外径面的膨胀，状况1因最可发挥通过内环垫圈对内环肩部赋予径向的压缩应力的功能的重点而优选。且就确保内环轨道面刚性的观点而言状况1最好。
若考虑作用于内环的箍应力，应避免组装时内环与轴的配合量大至所需以上。例如其为多半用于加工机械主轴的内径约50～100mm左右的滚动轴承时，将低速旋转时的刚性确保也考虑在内，配合量大致上宜约为不满5μm。相对于此，在同尺寸的钢制内环中，考虑到dmn值超过200万的高速旋转时的热或离心力所导致的膨胀，配合量需为20～30μm。如此，陶瓷制内环的配合量可小于钢制内环，故组装时易于进行压入作业。
附图说明
本发明应可参考附图自以下的适当实施形态说明更为明确地理解。然而，实施形态及图式仅为用以例示及说明，本发明范围由权利要求书确定。附图中多个附图中的同一零件编号显示同一部分。
图1(A)为依本发明第1实施形态的滚动轴承装置剖面图，(B)为此部分放大剖面图。
图2(A)为依本发明第2实施形态的滚动轴承装置剖面图，(B)为此部分放大剖面图。
图3(A)为依本发明第3实施形态的滚动轴承装置剖面图，(B)为此部分剖面图。
图4为依本发明第4实施形态的滚动轴承装置剖面图。
图5为包含图1及图4所示的滚动轴承装置的主轴装置构成图。
图6为依本发明第5实施形态的滚动轴承装置剖面图。
图7为依本发明第6实施形态的滚动轴承装置剖面图。
图8为依本发明第7实施形态的滚动轴承装置剖面图。
图9为依本发明第8实施形态的滚动轴承装置剖面图。
图10为依本发明第9实施形态的滚动轴承装置剖面图。
图11为依本发明第10实施形态的滚动轴承装置剖面图。
图12为依本发明第11实施形态的滚动轴承装置剖面图。
图13为依本发明第12实施形态的滚动轴承装置剖面图。
图14为包含图6及图13所示的滚动轴承装置的主轴装置构成图。
图15为显示通过以β赛隆为主成分的烧结体所构成的内环的制造方法概略图。
图16为以光学显微镜的斜光拍摄试验片的观察用剖面的照片。
图17为显示使用影像处理软件并通过亮度阀值对图16的照片影像进行2值化处理的状态一例。
图18为显示使用影像处理软件并通过亮度阀值对图16的照片影像进行2值化处理时进行影像处理的区域(评价区域)图。
具体实施方式
结合图1说明本发明第1实施形态。图1(A)显示本实施形态滚动轴承装置的剖面图。本滚动轴承装置为作为加工机械的主轴轴承使用，包含滚动轴承1与邻接其外环3而设置的喷嘴构件8。滚动轴承1为圆柱滚子轴承，由下述构成：
内环2；外环3；圆柱滚子4，夹设于这些内外环2、3的轨道面2a、3a之间的多个转动体；环状保持器5，沿圆周方向保持规定间隔固持这些圆柱滚子4。
内环2为在轨道面2a两侧具有锷的带锷的内环，配合于未图示的主轴外径面。在夹着内环2的轨道面2a的轴方向两侧的外径面，分别设置轨道面2a侧为大径的斜面部2b。且在内环2的各斜面部2b设置圆周沟槽6。
外环3固定于未图示的轴承箱内。于外环3两侧邻接外环3，分别配置外环定位垫圈7，于各外环定位垫圈7的内径面设置环状喷嘴构件8。外环定位垫圈7及喷嘴构件8中使用与内外环2、3等相同的轴承钢或其它适宜的铁类材料。外环定位垫圈7固定于轴承箱内。喷嘴构件8中设有插入内环2与外环3之间轴承空间的环状锷部8a。横跨这些左右的外环定位垫圈7及喷嘴构件8分别设置对滚动轴承1供给油气以作为润滑剂的供油机构9。油气为输送空气中混入有润滑油而形成。此供油机构9由喷嘴孔10、圆周沟槽11及供油路12所构成。喷嘴孔10设于喷嘴构件8锷部8a中圆周方向的多处，朝内环2对应的斜面部2b的圆周沟槽6喷出作为润滑剂的油气。又，喷嘴孔10也可仅设于喷嘴构件的锷部8a的1处。圆周沟槽11设于外环定位垫圈7与喷嘴构件8的接面交界部，连通该复数喷嘴孔10。供油路12设于外环定位垫圈7，自其外径面连通该圆周沟槽11。通过如此构成的供油机构9，使自轴承箱的油气供给路(未图示)到达外环定位垫圈7的供油路12的油气经圆周沟槽11自全周的喷嘴孔10朝滚动轴承1的内环斜面部2b喷出。
如放大于图1(B)者所示，该喷嘴构件8的环状锷部8a的外径面8aa为保持器导向面，以此保持器导向面8aa导向保持器5的内径面5a。且喷嘴构件的锷部8a的内径面8ab形成为斜面，使沿内环2对应的斜面部2b，在与斜面部2b之间形成微小间隙δ。
通过如此构成的滚动轴承装置，使自外环定位垫圈7外径侧经供油路12被导入的油气，经圆周沟槽11自喷嘴构件8的喷嘴孔10朝内环2的斜面部2b的圆周沟槽6喷出。通过因内环2的旋转而产生的离心力与表面张力，沿内环2的斜面部2b将被内环2的圆周沟槽6所挡住的润滑油导往轴承内，于主要在斜面部2b上端朝外径侧飞散后，用于保持器5的坑穴5b与圆柱滚子4之间或是圆柱滚子4的转动面与内外环轨道面2a、3a之间的润滑。同时，被压送至轴承内的空气一部分通过为喷嘴构件锷部8a的外径面的保持器导向面8aa与保持器5的内径面5a所构成的导向间隙g，自圆柱滚子4侧朝喷嘴构件8侧移动。即其润滑导向间隙g。
喷嘴构件锷部8a的内径面8ab，形成于沿内环斜面部2b的斜面，在与内环斜面部2b之间形成间隙δ，在此间隙δ中以表面张力附着于内环斜面部2b的油通过离心力的斜面方向分量使润滑油沿内环斜面部2b更顺利地被导往轴承内。且油气非直接自喷嘴孔10被喷射至轴承内，故无伴随轴承旋转产生的风切声，静音性优异，且空气流量少即可使用。
且喷嘴构件8的锷部8a外径面8aa为保持器导向面，导向保持器5的内径面5a，故可回避如保持器5为导向转动体的方式时，保持器5的摇摆变大，因与为转动体的圆柱滚子4的干扰导致保持器5的坑穴5b破损的问题。
且该导向间隙g构成相对于直径宽度狭小，所谓正圆形短宽度轴颈动压轴承，通过油膜产生的荷重负荷能力或衰减性，可以非接触的方式稳定支持保持器5。
而且，与上述已知例(专利文献1)的外环导向方式相比，为此保持器导向方式时，导向保持器5内径面5a的保持器导向面8aa的半径与滑动速度变小。用于加工机械用主轴装置的轴承内环，一般除在启动停止时以外，为以数千～数万min-1的速度高速旋转，保持器也以其约40%的速度旋转，故可充分获得产生动压所需的滑动速度。因此，实用上的问题在于降低该导向间隙g中的黏性阻力扭矩损耗，而此扭矩损耗功率与保持器旋转速度的2次方与保持器导向面8aa半径的3次方的乘积成比例，故以此保持器导向方式可降低扭矩损耗。
且以此保持器导向方式如上述通过经常将新鲜的低温润滑油供给至该导向间隙g，可冷却导向间隙g，故可抑制轴承系的温度上升，与外环导向方式相比，在预压管理的层面也较有利。
而且，以此保持器导向方式，起因于高速旋转的导向间隙g的变化也倾向于变大，可确实防止运转中保持器导向面8aa与保持器5的内径面5a直接接触。
即，以此保持器导向方式，在高速旋转时该导向间隙g因作用于保持器5的离心力的作用而增大。同时，从热膨胀的角度而言，不仅保持器5的内径面5a，保持器导向面8aa中直径也增大，而喷嘴构件8多以铁类材料构成，保持器5多以树脂或铜类材料构成，考虑到线膨胀系数的不同，导向间隙g仍倾向于增大。相对于此，以已知例(专利文献1)的外环导向方式，导向间隙在高速旋转时倾向于减少。因此，以此保持器导向方式，在高速旋转时确实可回避保持器导向面8aa与保持器内径面5a的直接接触。
又，第1实施形态中虽已例示并说明油气自喷嘴孔10喷出的油气润滑的情形，但润滑方式并不限于此，采用兼顾冷却与润滑的润滑油自喷嘴孔10喷射的喷射润滑方式也可获得相同的作用效果。
图2显示本发明第2实施形态。第2实施形态，考虑使图1的第1实施形态中喷嘴构件锷部8a中的喷嘴孔10在为锷部8a外径面的保持器导向面8aa形成开口，使作为润滑剂的油气自喷嘴孔10朝保持器5的内径面5a喷出，由此将导向间隙g润滑。此时，喷嘴孔10即使仅设于喷嘴构件锷部8a圆周方向的1处，也可发挥导向保持器5的功能或润滑功能，而等距配置于圆周方向的多处时则可更平衡地导向保持器5。
且保持器5的内径面5a的中央部5aa形成于中央侧为大径的斜面。藉此以离心力将附着于保持器5内径面5a的润滑油，沿该中央部5aa的斜面导往保持器5的坑穴5b方向，以供保持器坑穴5b与圆柱滚子4之间或圆柱滚子4的转动面与内外环轨道面2a、3a之间的润滑。
在夹着内环2的轨道面2a的轴方向两侧的外径面，分别设置轨道面2a侧为大径的斜面部2b，虽为与图1第1实施形态的情形相同，但此斜面部2b上未设置圆周沟槽6。且形成喷嘴构件锷部8a的内径面8ab为斜面也与图1的第1实施形态的情形相同，以使沿内环2对应的该斜面部2b，在与斜面部2b之间形成微小间隙δ。由此，自该微小间隙δ朝轴承外喷出的润滑油，因离心力与内环斜面部2b或喷嘴构件锷部8a的内径斜面8ab上的表面张力而回到轴承内，以供润滑。
图3显示本发明第3实施形态。第3实施形态为在图2第2实施形态中，喷嘴构件锷部8a的喷嘴孔10的出口部设置如放大图3(B)所示，附有坑穴的孔口节流部10a，由此构成导向间隙g作为非动压轴承而为定压型的静压轴承。又，作为节流部10a的节流形式，也可采用毛细管节流或自成节流等其它形式。此时若沿喷嘴构件锷部8a的圆周方向等距配置喷嘴孔10约3处至8处，则即使在轴承旋转速度低的情形下也可通过静压轴承效果以流体润滑作用稳定导向保持器5。其它构成及作用效果与图2第2实施形态时相同。
图4显示本发明第4实施形态。此实施形态为以角接触球轴承取代图1第1实施形态中的圆柱滚子轴承作为滚动轴承1。此时，喷嘴构件8固定于轴承箱内。即，此时的喷嘴构件8为使图1的第1实施形态中外环定位垫圈7与喷嘴构件8为一体的构件，此喷嘴构件8中设有构成供油机构9A的喷嘴孔10、供油路12及圆周沟槽13。圆周沟槽13设于喷嘴构件8的外径面，喷嘴孔10及供油路12等距配置于喷嘴构件8的圆周方向的多处。由此将自轴承箱的油气供给路(未图示)被导入圆周沟槽13的油气经各供油路12供给至喷嘴孔10。此时，配置喷嘴构件8于角接触球轴承1的背面侧而未配置于正面侧。其它构成及作用效果与图1第1实施形态时相同。
图5显示包含图1及图4的第1及第4实施形态滚动轴承装置的高速主轴装置一例。此主轴装置24可为应用于加工机械，于主轴25的前侧(加工侧)端部安装有工具或工件的夹头。主轴25，其轴方向前侧由2列1组的角接触球轴承型滚动轴承装置(图4)所支持，轴方向后侧由圆柱滚子轴承型的滚动轴承装置(图1)所支持。各滚动轴承1的内环2配合于主轴25的外径面，外环3配合于轴承箱26的内径面。关于主轴前侧的滚动轴承1，其内环2通过主轴25的段面25a固定于轴承箱26内，外环3则透过外环定位垫圈7并通过推压盖28A固定于轴承箱26内；关于被固定于轴承箱26内的主轴后侧的滚动轴承1，其内环2为通过内环定位垫圈27固定于轴承箱26内，外环3则透过外环定位垫圈7并通过推压盖28B固定于轴承箱26内。轴承箱26为内周轴承箱26A与外周轴承箱26B的双层构造，在内外轴承箱26A、26B之间形成有冷却槽29。两滚动轴承1的外环3的另一方端面侧则分别配置外环定位垫圈7，这些外环定位垫圈7、7之间夹设有内周轴承箱26A。于主轴25后端部，螺合有抵压内环定位垫圈27以固定滚动轴承1的轴承固定螺帽31。
该推压盖28A、28B中分别设置油气导入孔33，该油气导入孔33从油气供给装置32A、32B导入油气，该油气供给装置32A、32B作为油气润滑滚动轴承1时的供给源，这些油气导入孔33连通设于内周轴承箱26A的油气供给路34。且推压盖28A、28B中设有排油孔35，这些排油孔35连通设于内周轴承箱26A的排油路36。
如此构成的主轴装置24中，组装有上述滚动轴承装置，故可高速化主轴25并降低温度的上升。
上述各实施形态中无论内外环2、3中的任一者其皆由轴承钢所构成，而以下为说明关于以陶瓷构成内环的滚动轴承装置。
依本发明第5实施形态的图6的滚动轴承装置，为以由内环2A与配置于其两侧的2个内环垫圈13A组合而成的内环·垫圈组合体14A取代依图1第1实施形态的滚动轴承装置的内环2。内环2A为由陶瓷，例如以氮化硅为主成分的烧结体或以Si6-ZAlZOZN8-Z的组成式表示，满足0.1≤z≤3.5的以β赛隆为主成分的烧结体所构成。内环垫圈13A，为由轴承钢或其它适宜的铁类材料所构成。
内环2A为不具有锷的形状，于轨道面2a内径侧具有较轨道面2a两端更位于轴方向外侧的肩部2c。此实施形态中肩部2c外径面为平行于轴方向的面。
内环垫圈13A具有接于圆柱滚子4端面的锷部13a，以此锷部13a的内径面接于内环2A的肩部2c外径面，并以轴方向内侧端面13c接于内环2A的端面。组装以使内环垫圈13A的锷部13a对内环2A的肩部2c赋予径向的压缩应力。且通过使内环垫圈13A的端面13c接于内环2A的端面使内环垫圈13A定位。于内环垫圈13A的外径面设有内环2A侧为大径的斜面部13b。此斜面部13b上设有承接自喷嘴10所喷出的润滑剂的圆周沟槽6。在内环垫圈13A的轴方向外侧则设有内环定位垫圈27。
轴15配合于内环·垫圈组合体14A的内周。内环2A与轴15的配合为过盈配合，内环垫圈13A与轴15的配合为间隙配合。以下说明其理由。
关于组装时的配合，可考虑内环2A与轴15为过盈配合，内环垫圈13A与轴15为间隙配合(图6)，双方皆为过盈配合(图7，第6实施形态)，内环2A与轴15为间隙配合，内环垫圈13A与轴15为过盈配合(图8，第7实施形态)的3种状况。若考虑到热或离心力所造成的轴15外径面的膨胀，图6的构成在最可发挥通过上述内环垫圈13A对内环2A的肩部2c赋予径向的压缩应力的功能的观点上为优选。且从确保内环轨道面2a的刚性上的观点而言，图6的构成最好。
其它构成则与依图1的第1实施形态的滚动轴承装置相同。关于构成相同之处赋予相同符号，省略其说明。此滚动轴承装置也可通过油气自喷嘴孔10朝内环垫圈13A斜面部13b的圆周沟槽6喷出，获得与依图1第1实施形态的滚动轴承装置相同的作用效果。
而且，该滚动轴承装置通过以陶瓷构成内环2A，可得以下的效果。对陶瓷以氮化硅为主成分的烧结体的情形为例进行说明。
比较内环2A与外环3双方以钢构成的滚动轴承装置(钢制内环型)与内环2A以氮化硅构成、外环3以钢构成的滚动轴承(陶瓷制内环型)。因钢的线膨胀系数约为11×10-6，氮化硅的线膨胀系数约为3.2×10-6，若假定运转时内环2A的温度高于外环3，则陶瓷制内环型相较于钢制内环型，运转时为转动体的圆柱滚子4与内外环间2A、3的径向间隙(在加工机械中通常为负间隙)大(作为负值绝对值小)。因此，陶瓷制内环型可降低预压过大现象，高速旋转性能优异。预压过大现象为沿径向过度压缩圆柱滚子4的现象，是阻碍滚动轴承1高速旋转性的一大要因。
又，因钢的密度为7.8×103kg/m3，氮化硅的密度为3.2×103kg/m3，若考虑两者的密度差则陶瓷制内环型相较于钢制内环型对离心膨胀所导致的预压过大也有利，特别是在高速旋转时。
且因钢的杨氏系数约为210GPa，氮化硅的杨氏系数约为314GPa，陶瓷制内环型相较于钢制内环型在轴承刚性方面也有利。
以上说明虽为关于陶瓷为以氮化硅为主成分的烧结体的情形，但可以说关于陶瓷为以β赛隆为主成分的烧结体的情形也几近相同。
而且，因以β赛隆为主成分的烧结体为在低压，例如1MPa以下的压力下所烧结，故具有下述优点，较在10MPa以上的压力下所加压烧结的以氮化硅为主成分的烧结体，能以更低成本制造。
又，关于β赛隆，于后段附记有详细说明。
因热或离心力的影响使径向的应力施加于接近圆筒形的内环2A时，产生于内环2A的周向应力(箍应力)在材料力学上其绝对值大于径向、轴方向的应力。一般而言，陶瓷相较于钢拉伸强度小，故箍应力作为拉伸应力作用时，内环2A有破损的危险。在此通过内环垫圈13A对内环2A的肩部2c赋予径向的压缩应力，以此抵消沿拉伸方向作用的箍应力。以此防止内环2A破损，可充分对应高速旋转。
为最有效地发挥上述通过内环垫圈13A对内环2A的肩部2c赋予径向压缩应力的功能，最好如图6使内环2A与轴15的配合为过盈配合，内环垫圈13A与轴15的配合为间隙配合。依情况也可如图7使内环2A与轴15、内环垫圈13A与轴15双方皆为过盈配合。
为图6及图7中任一者时，考虑到作用于内环2A的箍应力，组装时内环2A与轴15的配合量应避免过大至所需以上。例如，为多用于加工机械主轴的内径约50～100mm的滚动轴承时，将确保低速旋转时的刚性也考虑在内，配合量大致上约未满5μm。相对于此，同尺寸的钢制内环中，考虑到dmn值超过200万的高速旋转时的热或离心力所造成的膨胀，配合量需20～30μm。如此，陶瓷制内环的配合量可小于钢制内环，故组装时压入作业容易。
图9显示第8实施形态。此滚动轴承装置虽也具有由内环2B与2个内环垫圈13B组合而成的内环·垫圈组合体14B，但内环2B具有接于圆柱滚子4端面的锷部2d，于此锷部2d外侧配置有内环垫圈13B。内环垫圈13B组装为对内环2B的肩部2c赋予径向的压缩应力的方式。内环2B的内周以过盈配合的方式配合于轴15，设置内环定位垫圈27相接于内环2B的端面。与上述相同，内环2B为由陶瓷，例如以氮化硅为主成分的烧结体或以Si6-ZAlZOZN8-Z的组成式表示，满足0.1≤z≤3.5的以β赛隆为主成分的烧结体所构成，内环垫圈13B为由轴承钢或其它适宜的铁类材料所构成。
此滚动轴承具有与图6所示者相同的作用效果。且锷部2d也以陶瓷构成，由此锷部2d与圆柱滚子4的端面的润滑性较图6所示状况良好，具有锷部2d的抗烧熔性优异的优点。
为内环2B具有锷部2d的形状时，如为本发明第9实施形态的图10所示，可通过以沿周向由纤维所构成的纤维性构件16束缚肩部2c的外周对内环2B的肩部2c赋予径向的压缩应力。例如将纤维性构件16缠绕肩部2c的周围360度。纤维性构件16中拉伸强度优异的碳纤维或芳香族聚酰胺纤维为适当。特别是使用具有负线膨胀系数(-4×10-6)的芳香族聚酰胺纤维有效。此时不使用内环垫圈13B，代以使用在外径面设置内环2B侧为大径的斜面部、于此斜面部设有圆周沟槽的构件(未图示)即可。
也可如本发明第10实施形态的图11那样，在组合未具有锷部的内环2C与具有锷部13a的内环垫圈13C以构成内环·垫圈组合体14C的滚动轴承装置中，使内环2C的肩部2c较图6朝轴方向外侧延伸，使内环定位垫圈27的端面接于内环2C的端面。此时，通过使内环垫圈13C的端面13c接于内环2C的段差面2e，可定位内环垫圈13C。若为此构成，与图6比较，内环2C内周与轴15的接触面较广，故可赋予轨道面2a更大的刚性。
且也可如本发明第11实施形态的图12所示，为提升内环2D与内环垫圈13D的组装性，使内环2D的肩部2c为愈朝外侧愈为小径的锥形。
为本发明第12实施形态的图13的滚动轴承装置，为以由内环2E与配置于其两侧的2个内环垫圈13E、17E组合而构成的内环·垫圈组合体14E来取代图4的滚动轴承为角接触球轴承的滚动轴承装置的内环2。内环2E为由陶瓷，例如以氮化硅为主成分的烧结体或以Si6-ZAlZOZN8-Z的组成式表示，满足0.1≤z≤3.5的以β赛隆为主成分的烧结体所构成。内环垫圈13E、17E为由轴承钢或其它适宜的铁类材料所构成。
滚动轴承为角接触球轴承时也与滚动轴承为圆柱滚子轴承时相同，组装成使得:内环2E的内径以过盈配合的方式配合于轴15，内环垫圈13E、17E的锷部13a、17a对内环2E的肩部2c赋予径向的压缩应力。由此，可产生与滚动轴承为圆柱滚子轴承时相同的作用效果。
图6至图13所示的第5至第12实施形态中，虽仅内环2A、2B、2C、2D、2E为以陶瓷构成，但转动体4也可以陶瓷构成。转动体4若也以陶瓷构成，即可与内环2A、2B、2C、2D、2E为以陶瓷构成时相同，于高速旋转时对热膨胀或离心膨胀所造成的预压过大有利，故可实现轴承更加高速化。此时考虑到制造面上的方便等，可以不同种类陶瓷构成内环2A、2B、2C、2D、2E与转动体4。
图14为分别将图5的高速主轴装置中支持主轴25前侧的滚动轴承装置取代为图13第12实施形态的滚动轴承装置，将支持主轴25后侧的滚动轴承装置取代为图6第5实施形态的滚动轴承装置。也可不使用图6所示的滚动轴承装置而代的以图7至图12(第6至第11实施形态)中任一者所示的滚动轴承装置。
一般而言，加工机械主轴为以内环旋转·外环静止的方式运转，采用通过对设于外环3外径侧的轴承箱26进行冷却而冷却主轴系的构造。因此，于内环侧放热性低。且最近在主轴内部以与主轴25(15)一体化的内装马达形式驱动主轴25的情形较多，有内环侧易因马达发热成高温环境的倾向。此倾向在高速旋转时显著。若为支持如此的加工机械主轴25，使用内环2A、2B、2C、2D、2E为以陶瓷构成的滚动轴承装置，可更实现高速旋转化。
以下更详细说明关于以β赛隆为主成分的烧结体。
此烧结体系指以β赛隆为主成分，残余杂质所构成的烧结体，或以β赛隆为主成分，及残余助烧结剂及杂质所构成的烧结体。杂质包含不可避免的杂质，该不可避免的杂质包含来源于原料或是在制造工序中混入的情况。助烧结剂中可采用镁(Mg)、铝(Al)、硅(Si)、钛(Ti)、稀土类元素的氧化物、氮化物、氧氮化物中至少1种类以上。又，助烧结剂于烧结体中宜在20质量%以下。
图15中显示由以β赛隆为主成分的烧结体所构成的内环2A的制造方法。
β赛隆粉末准备工序S1为准备β赛隆粉末的工序。通过采用例如燃烧合成法可便宜地制造β赛隆的粉末。
混合工序S2为对在β赛隆粉末准备工序S1中所准备的β赛隆粉末添加助烧结剂并加以混合的工序。不添加助烧结剂时可省略此工序。
成形工序S3，为使β赛隆粉末或β赛隆粉末与助烧结剂的混合物，成形为内环2A的大致形状的工序。具体而言，通过使β赛隆粉末或β赛隆粉末与助烧结剂的混合物适用于冲压成形、浇铸成形、挤制成形、滚筒造粒等成形方法，制作成形为内环2A大致形状的成形体。
烧结前加工工序S4为将上述成形体表面加工，使该成形体在烧结后成更为接近所希望的内环2A形状的形状而成形的工序。具体而言，通过适用未烧成体(グリ一ン体）加工等加工方法，成形使上述成形体成为烧结后更为接近内环2A形状的形状。此烧结前加工工序S4，在成形工序S3中上述成形体成形的阶段，可得到于烧结后接近所希望的内环2A形状的状态时，可省略。
烧结工序S5为使上述成形体在1MPa以下的压力下烧结的工序。具体而言，通过加热器加热、以微波或毫米波进行的电磁波加热等加热方法加热并烧结上述成形体，由此制作具有内环2A大致形状的烧结体。
精加工工序S6为通过对在烧结工序S5中所制作的烧结体实施光制加工完成内环2A的工序。具体而言，通过研磨在烧结工序S5中所制作的烧结体表面完成内环2A。
在此，通过上述烧结工序S5中的烧结，在自烧结体表面起算厚约500μm的区域中形成致密性较内部高，在以光学显微镜的斜光观察剖面时，作为白色区域可观察到的白色区域面积率在7%以下的致密层。且在自烧结体表面起算厚约150μm的区域中形成致密性更高于致密层内其它区域，以光学显微镜的斜光观察剖面时，作为白色区域可观察到的白色区域面积率在3.5%以下的高致密层。因此，在光制加工工序S6中，所去除的烧结体厚度，特别是在应为轨道面的区域宜在150μ以下。由此使高致密层残留于包含内环轨道面2a的区域，可提升内环2A的转动疲劳寿命。
进行调查赛隆烧结体剖面中致密层及高致密层的形成状态的试验。试验程序如以下。
首先准备以燃烧合成法制作的组成为Si5AlON7的β赛隆粉末(ISMANJ股份公司制，产品名Meramix)，以与该图15所示的内环制造方法相同的方法制作一边约10mm的立方体试验片。具体的制造方法如下。首先，使用球磨机并通过湿式混合混合微细化至次微米的β赛隆粉末与作为助烧结剂的氧化铝(住友化学股份公司制，AKP30)及氧化钇(H.C.Starck公司制，Yttriumoxide grade C)。其后，以喷雾干燥机实施造粒以制造造粒粉。以模具使该造粒粉成形为规定形状，且以冷均压成形(CIP)的方式加压而得成形体。接着在压力0.4MPa的氮气氛围中将其加热至1650℃以烧结该成形体，由此制造上述立方体试验片。
其后裁切该试验片，以钻石研磨盘来研磨所裁切的面后通过以氧化铬研磨盘实施镜面研磨形成包含立方体中心的观察用剖面。又，以光学显微镜(Nikon股份公司制，Microphoto‐FAX)的斜光观察该剖面，拍摄倍率50倍的快照(富士胶卷股份公司制FP-100B)。其后使用扫描仪(分辨率300DPI)将所得的照片影像导入个人计算机。又，使用影像处理软件(三谷商事股份公司制WinROOF)以亮度阀值进行2值化处理(本试验中的2值化阀值：140)，测定白色区域的面积率。
其次说明关于试验结果。图16为以光学显微镜斜光拍摄试验片的上述观察用剖面的照片。且图17为显示经使用影像处理软件并通过亮度阀值对图16的照片影像进行2值化处理的状态一例。且图18为显示使用影像处理软件并通过亮度阀值对图16的照片影像进行2值化处理时进行影像处理的区域(评价区域)图。图16中照片上侧为试验片处理侧，上端为表面。
参照图16及图17可知，以与图15所示的内环制造方法相同的方法作成的试验片中，在包含表面的区域内形成有白色区域少于其内部的层。又，如图18所示，对应自试验片最表面起算的距离将所拍摄的照片影像分为3区域(自最表面起算的距离在150μm以内的区域、超过150μm且在500μm以内的区域、超过500μm且在800μm以内的区域)，分别对每一区域进行影像解析以计算白色区域的面积率即可得表1所示的结果。表1中显示以图18所示的各区域为1个视野，自随机拍摄的5张照片所得的5个视野中白色区域的面积率的平均值与最大值。
[表1]
参照表1，试验片中白色区域的面积率为，相对于在其内部为18.5%，自表面起算的深度在500μm以下的区域中为3.7%，自表面起算的深度在150μm以下的区域中为1.2%。因此确认以与图15所示的内环制造方法相同的方法作成的试验片中，包含表面的区域内形成有白色区域少于其内部的致密层及高致密层。
如以上，已参照图式并说明适当的实施形态，而若为该技术领域普通技术人员，在阅读本案说明书后应可在其自明的范围内轻易设想各种变更及修正。因此，如此的变更及修正应解释为权利要求书规定的本发明范围内。
符号说明
δ…微小间隙(间隙)
g…导向间隙
2e…内环2C的段差面
2E…内环
13A、13B、13C、13D、13E、17E…内环垫圈
1…滚动轴承
2a、3a…内外环2、3的轨道面
2b…轨道面2a侧为大径的斜面部
2c…内环的肩部
2d…内环的锷部
2、2A、2B、2C、2D、2E…内环
3…外环
4…圆柱滚子(转动体)
5…保持器
5a…保持器5的内径面
5b…保持器5的坑穴
5aa…内径面5a的中央部
6…圆周沟槽
7…外环定位垫圈
8…喷嘴构件
8a…喷嘴构件8的锷部
8aa…锷部8a的外径面(保持器导向面)
8ab…锷部8a的内径面(内径斜面)
9、9A…供油机构
10…喷嘴孔
10a…节流部
11、13…圆周沟槽
12…供油路
13a、17a…内环垫圈的锷部
13c…内环垫圈的端面
13b…内环垫圈的斜面部
14A、14B、14C、14E…内环·垫圈组合体
15…轴
16…纤维性构件
24…主轴装置
25a…主轴25的段面
25(15)…主轴
26…轴承箱
26A…内周轴承箱
26B…外周轴承箱
27…内环定位垫圈
28A、28B…推压盖
29…冷却槽
31…轴承固定螺帽
32A、32B…油气供给装置
33…油气导入孔
34…油气供给路
35…排油孔
36…排油路

Claims (15)

1.一种圆柱滚子轴承装置，包含：
圆柱滚子轴承，在作为旋转部件的内环与作为固定部件的外环的轨道面之间夹设有由环状的保持器所保持的圆柱滚子；
外环定位垫圈，邻接该外环而设置；及
喷嘴构件，设置于上述外环定位垫圈的内径面；
上述喷嘴构件分别设于上述外环的轴方向的两侧；
其中：在该喷嘴构件内设有插入内环与外环之间的轴承空间并具有润滑剂的喷嘴孔的环状锷部，该锷部的外径面为保持器导向面，以该保持器导向面导向该保持器的内径面。
2.如权利要求1所述的圆柱滚子轴承装置，其中在该内环的外径面，设有其轨道面侧为大径的斜面部，该喷嘴构件的设于该锷部中的喷嘴孔朝该内环的该斜面部喷出润滑剂。
3.如权利要求1所述的圆柱滚子轴承装置，其中该喷嘴构件的设于该锷部中的喷嘴孔朝保持器的内径面喷出润滑剂。
4.如权利要求3所述的圆柱滚子轴承装置，其中该喷嘴孔中设有节流部。
5.如权利要求3所述的圆柱滚子轴承装置，其中以该内环的外径面为斜面部，在沿着该内环外径面的斜面，形成该锷部的内径面。
6.如权利要求1所述的圆柱滚子轴承装置，其中在该喷嘴构件的该锷部中圆周方向的多处设置该喷嘴孔。
7.如权利要求1所述的圆柱滚子轴承装置，其中自该喷嘴构件的该喷嘴孔喷出的润滑剂为油气。
8.如权利要求1所述的圆柱滚子轴承装置，其中用以支持加工机械的主轴。
9.如权利要求1所述的圆柱滚子轴承装置，其中该内环以陶瓷构成。
10.如权利要求9所述的圆柱滚子轴承装置，其中该陶瓷为以氮化硅为主成分的烧结体。
11.如权利要求9所述的圆柱滚子轴承装置，其中该陶瓷为以Si6-ZAlZOZN8-Z的组成式表示，满足0.1≦z≦3.5的以β赛隆为主成分的烧结体。
12.如权利要求9所述的圆柱滚子轴承装置，其中该圆柱滚子为以与该内环种类不同的陶瓷所构成。
13.如权利要求9所述的圆柱滚子轴承装置，其中该内环具有较轨道面更位于轴方向外侧的肩部，设置内径面配合该肩部外径面的内环垫圈，通过该内环垫圈对该内环的肩部赋予径向的压缩应力。
14.如权利要求9所述的圆柱滚子轴承装置，其中该内环具有较轨道面更位于轴方向外侧的肩部，以沿周向的纤维所构成的纤维性构件束缚该肩部外周，对该内环肩部赋予径向的压缩应力。
15.如权利要求9所述的圆柱滚子轴承装置，其中该内环具有较轨道面更位于轴方向外侧的肩部，设置内径面配合该肩部外径面的内环垫圈，使轴配合该内环及内环垫圈的内周，内环与轴的配合为过盈配合，内环垫圈与轴的配合为间隙配合，通过该内环垫圈对该内环肩部赋予径向的压缩应力。
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