CN113840987B - 球轴承 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种球轴承，具备：内圈、设置于上述内圈的外侧的外圈、介于上述内圈与上述外圈之间的多个滚动体和具备兜部的圆环状保持器，上述兜部将上述滚动体保持成能够沿着周向隔开间隔地以旋转轴为中心旋转；上述保持器由包含聚醚醚酮、石墨和碳纤维的树脂组合物构成，在将上述树脂组合物整体设为100重量％时，以60重量％～80重量％的量包含上述聚醚醚酮，以10重量％～30重量％的量包含上述石墨，以5重量％～20重量％的量包含上述碳纤维。

Description

球轴承
技术领域
本发明涉及一种球轴承。
背景技术
一直以来，在牙科的治疗等中使用牙科用机头(handpiece)。上述牙科用机头通常具有：具备旋转机构的头部和可装卸地安装于该头部的工具。另外，上述旋转机构使用具备内圈、外圈和保持器的球轴承，上述保持器保持介于内圈与外圈之间的多个滚动体(球)。在专利文献1中，对于这样的保持器，使用将具有耐热性的基础树脂、填料和润滑油混合而得的成型材料来形成。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平11－37162号公报
发明内容
牙科用机头每次使用都进行煮沸消毒，因此其旋转机构中使用的球轴承的保持器需要即使反复置于高温高湿环境下也不易劣化。另外，也需要可耐受高速旋转的强度、寿命。另外，对于除牙科用机头以外所使用的高速旋转用的球轴承，也需要具有上述特性。
本发明是鉴于上述情况而进行的，本发明的目的在于提供一种具备在确保必要的强度的同时可以抑制在高温高湿环境下的强度降低且寿命长的保持器的球轴承。
为了解决上述问题并达成目的，本发明的一个方案的球轴承具备：内圈、设置于上述内圈的外侧的外圈、介于上述内圈与上述外圈之间的多个滚动体和具备兜部(pocket)的圆环状的保持器，上述兜部将上述滚动体保持成能够沿着周向隔开间隔地以旋转轴为中心旋转；上述保持器由包含聚醚醚酮、石墨和碳纤维的树脂组合物构成，在将上述树脂组合物整体设为100重量％时，以60重量％～80重量％的量包含上述聚醚醚酮，以10重量％～30重量％的量包含上述石墨，以5重量％～20重量％的量包含上述碳纤维，在将上述保持器的外周面与旋转轴平行地切断而得的平面、即位于邻接的2个兜部之间并与各兜部相接且延伸到轴向两端面的矩形区域作为观察区域时，相对于石墨在上述观察区域中所占的总面积，粒子内切圆的直径为30μm以上的石墨所占的面积的比例即面积率为10％～20％。
根据本发明的一个方式，可以得到具备在确保必要的强度的同时可以抑制高温高湿环境下的强度降低且寿命长的保持器的球轴承。
附图说明
图1是牙科用机头的外观图。
图2是牙科用机头的头部的截面图。
图3是头部中使用的球轴承的截面图。
图4是球轴承中使用的保持器的立体图。
图5是用于说明面积率的图。
图6是用于说明面积率的图。
图7是球轴承中使用的冠型保持器的立体图。
图8是示出实施例1中得到的保持器的显微镜照片的图。
图9是示出比较例2中得到的保持器的显微镜照片的图。
图10是示出耐久试验的结果的图。
图11是用于说明保持器的拉伸强度的测定方法的图。
图12是示出压热试验的结果的图。
图13是示出压热试验的结果的图。
具体实施方式
以下，参照附图对实施方式详细进行说明。应予说明，不限于以下实施方式。
实施方式的球轴承是适用于牙科用机头的高速旋转用球轴承。图1是牙科用机头的外观图，图2是牙科用机头的头部的截面图，图3是头部中使用的球轴承的截面图，图4是球轴承中使用的保持器的立体图。
如图1所示，牙科用机头1具有：具有旋转机构的头部2和可装卸地安装于该头部2的工具3。在使用牙科用机头1时，使工具3高速旋转(例如每分钟40万转以上)，进行牙齿的切削等。
如图2所示，牙科用机头1的头部2在壳体4中具有工具3、以及轴构件5、一对球轴承6、涡轮叶片7和空气供给口8。工具3安装于轴构件5，轴构件5通过存在于轴向的上下一对球轴承6而可旋转自如地被壳体4支承。进而，在轴构件5，在一对球轴承6之间安装有涡轮叶片7。如果从空气供给口8对该涡轮叶片7提供压缩空气，则涡轮叶片7高速旋转。由此，能够使轴构件5和工具3高速旋转。
如图2和图3所示，球轴承6具有：在外周面具有内圈轨道的内圈61、在内周面具有外圈轨道的外圈62、介于该内圈轨道与该外圈轨道之间的多个滚动体(球)63和保持器64，该保持器64将滚动体63保持成能够沿着周向隔开间隔地旋转。内圈61和外圈62例如由不锈钢形成，滚动体63例如由不锈钢或陶瓷形成。如图4所示，在圆环状的保持器64，沿着周向以一定间隔设置有多个用于将滚动体63保持成能够滚动自如的兜部65。
保持器64的内周面与内圈61的外周面对置，保持器64的外周面与外圈62的内周面对置。外圈62内嵌于壳体4，内圈61外嵌于轴构件5。在球轴承6，内圈61和外圈62围绕旋转轴A相对旋转自如。即，在使用牙科用机头1时，内圈61相对于外圈62高速旋转。
应予说明，为了防止润滑剂从球轴承6内部泄漏或异物进入到球轴承6内部，在外圈62中可以设置密封圈、防护罩(shield)等密封构件。
对保持器64进一步详细进行说明。保持器64是包含聚醚酮系树脂作为基础树脂的切制型的保持器。作为聚醚酮系树脂，可以举出聚醚醚酮、聚醚酮醚酮酮等。聚醚酮系树脂可以单独使用1种，也可以并用2种以上。然而，一直以来，对于牙科用机头的球轴承中使用的保持器，使用聚酰胺酰亚胺(PAI)作为基础树脂。该聚酰胺酰亚胺的耐热性优异，耐久寿命长且具有高初始强度。但是，由于反复煮沸消毒牙科用机头(置于高温高湿环境下)，因构成树脂的酰亚胺基的吸湿性导致劣化，强度降低。与此相对，如果使用聚醚酮系树脂，则可以抑制置于高温高湿环境下时的强度降低。
另外，保持器64包含聚醚酮系树脂、以及粒子状的石墨和碳纤维。在保持器64中以10重量％～30重量％的量包含石墨、以5重量％～20重量％的量包含碳纤维。如果石墨少于10重量％，则有寿命变短的风险。如果石墨多于30重量％，则基础树脂的比例相对减少，因此有时得不到必要的强度。如果以上述范围包含碳纤维，则可以适当地提高强度。这样，保持器64包含石墨和碳纤维这两者作为碳系填料，其总量为20重量％～40重量％。由此，可以兼顾由石墨的滑动性带来的寿命的延长和由碳纤维带来的强度的确保。
应予说明，从兼顾强度和寿命的观点出发，优选在保持器64中以60重量％～80重量％的量包含聚醚酮系树脂。
另外，在将与旋转轴平行地切断保持器64的外周面而得的平面、即位于邻接的2个兜部65之间并与各兜部65相接且延伸到轴向两端面的矩形区域设为观察区域时，相对于石墨在上述观察区域中所占的总面积，粒子内切圆的直径(以下称为最大径)为30μm以上的石墨所占的面积的比例即面积率为10％～20％。如果粒子内切圆的直径为30μm以上的石墨含量在上述范围，则可以实现寿命的延长。
这里，对于面积率的计算方法，更具体地进行说明。首先，为了求出面积率而使用的试样如下所示地制作。图5和图6是用于说明面积率的图。图5示出了从与图4的保持器64的轴向垂直的方向观察保持器64时的情况。另外，图6示出了从与图4的保持器64的轴向平行的方向观察由保持器64制作的试样时的情况。首先，在保持器64中，将邻接的2个兜部65之间切开，得到部分圆环B(图5)。然后，研磨部分圆环B的外周面。此时，对包含部分圆环B的外周面的假想圆，与切线方向平行且与轴向平行地进行研磨，得到试样C(图6)。在试样C中，研磨得到的平面是将保持器64的外周面与旋转轴平行地切断而得的平面、即位于邻接的2个兜部65之间并与各兜部65相接且延伸到轴向两端面的矩形区域。将该矩形区域的整个区域设为观察区域R。应予说明，以试样C的厚度(部分圆环B的内周面与观察区域R的最短距离)成为保持器64的厚度的1/2的方式进行研磨。
接下来，通过显微镜观察试样C的观察区域R。观察到的石墨的最大径是粒子内切圆的直径。然后，求出最大径为30μm以上的石墨的面积相对于石墨在观察区域R所占的总面积的比例，将其作为上述面积率。
在如上所述地通过显微镜观察试样C时，优选碳纤维在试样C中在与制作试样C前的保持器64的轴向对应的方向上取向。如果碳纤维在上述方向上取向，则可以进一步提高球轴承的强度。认为这是因为，虽然滚动体在高速旋转中与兜部的壁面碰撞，但是如果碳纤维沿着上述方向取向，则可对抗因该碰撞而施加于壁面的力。
保持器64还可以包含添加剂。作为添加剂，可以包含固体润滑剂、无机填充材料、抗氧化剂、抗静电剂、脱模材料、强化纤维材料等。作为固体润滑剂，可以举出聚四氟乙烯(PTFE)、氮化硼、三聚氰胺氰脲酸酯等。添加剂的量只要是不影响上述机械强度的确保以及摩擦和磨损的减少效果的量就不特别限定，例如可以在保持器64的100重量％中包含合计为15重量％以下的量的添加剂。
在保持器64的制造中，例如，首先以成为上述数值范围内的比例的方式混合聚醚酮系树脂、石墨(具体而言为原料石墨)和碳纤维。根据需要可以混合添加剂。例如使用亨舍尔混合机、转鼓混合机等混合机将这些成分进行干式混合。
这里，为了将最大径为30μm以上的石墨所占的面积率调整为上述范围，优选使用包含粒径为30μm以上的石墨的原料石墨。这是因为在上述混合时粒径变小。具体而言，原料石墨优选平均粒径为30μm～100μm的范围。如果平均粒径为上述范围，则以适当的量包含粒径为30μm以上的石墨，因此可以将上述面积率调整为上述范围。应予说明，为了将上述面积率调整为上述范围，也优选适当地设定上述混合的条件。
然后，将混合的成分供给于挤出成型机，在减压下进行熔融混炼。通过将混炼的混合成分从挤出成型机的前端部的模头挤出成棒状并冷却，制作圆棒等的成型材料。对其进行切削加工，制成规定的形状作为保持器64。如果这样制作成型材料后进行切削加工，则可以如上所述将碳纤维的朝向与保持器64的轴向对齐。应予说明，使用所得到的保持器64，通过公知的方法来制造球轴承6和牙科用机头1。
实施方式的球轴承除了是具有图4所示的保持器64的球轴承6之外，也可以是具有冠型保持器的球轴承。图7是球轴承中使用的冠型保持器的立体图。冠型保持器604沿着周向以一定间隔设置有多个用于将滚动体保持成能够滚动自如的兜部605。除了兜部的形状不同之外，冠型保持器604与保持器64同样。即，冠型保持器604以特定的量包含如上所述的特定的成分，上述面积率在特定的范围。因此，对于具有冠型保持器604的球轴承604，也可以得到与球轴承6同样的效果。
应予说明，实施方式的球轴承除牙科用机头之外，也适用于吸尘器等家电、机床等中使用的主轴等设备。实施方式的球轴承的高速旋转时的强度、寿命优异，因此特别适用于在这些设备中使球轴承高速旋转的情况。
以下，基于实施例进一步具体说明本发明，但是本发明不限定于这些实施例。
[实施例]
[实施例1]
将聚醚醚酮(Victrex 150FP(商品名)，Victrex公司制)以70重量％的量、原料石墨(CGB－50(商品名)，日本石墨工业株式会社制，平均粒径D50＝50μm)以20重量％的量和碳纤维(HT－C702，帝人株式会社制)以10重量％的量进行了配合、混合。通过注塑成型机将得到的混合物制成圆棒的成型材料。对其进行切削加工，得到具有图4所示的形状的保持器64。
通过数字显微镜(VHX－6000，Keyence Corporation制)对保持器64进行观察。即，以倍率300倍观察如上所述制作的试样C的观察区域R，测定各石墨粒子的最大径和面积。相对于石墨在观察区域中所占的总面积，最大径为30μm以上的石墨所占的面积率为12％。
另外，图8示出了由实施例1中得到的保持器制作的试样C的观察区域R的一部分的数字显微镜照片。碳纤维在试样C中在与制作试样C前的保持器64的轴向对应的方向上取向。
应予说明，表1示出在得到混合物时的配合比和最大径为30μm以上的石墨所占的面积率。
[实施例2]
将聚醚醚酮(Victrex 150FP(商品名)，Victrex公司制)以60重量％的量、原料石墨(CGB－50(商品名)，日本石墨工业株式会社制，平均粒径D50＝50μm)以20重量％的量和碳纤维(HT－C702，帝人株式会社制)以20重量％的量进行了配合，除此之外，与实施例1同样地得到保持器64。
与实施例1同样地通过数字显微镜对保持器64进行观察。相对于石墨在观察区域中所占的总面积，最大径为30μm以上的石墨所占的面积率为10％。
[实施例3]
将聚醚醚酮(Victrex 150FP(商品名)，Victrex公司制)以60重量％的量、原料石墨(CGB－50(商品名)，日本石墨工业株式会社制，平均粒径D50＝50μm)以20重量％的量、碳纤维(HT－C702，帝人株式会社制)以10重量％的量和聚四氟乙烯(KT－400M，喜多村株式会社制)10重量％的量进行了配合，除此之外，与实施例1同样地得到保持器64。
与实施例1同样地通过数字显微镜对保持器64进行观察。相对于石墨在观察区域中所占的总面积，最大径为30μm以上的石墨所占的面积率为14％。
[实施例4]
将聚醚醚酮(Victrex 150FP(商品名)，Victrex公司制)以60重量％的量、原料石墨(CGB－50(商品名)，日本石墨工业株式会社制，平均粒径D50＝50μm)以30重量％的量和碳纤维(HT－C702，帝人株式会社制)以10重量％的量进行了配合，除此之外，与实施例1同样地得到保持器64。
与实施例1同样地通过数字显微镜对保持器64进行观察。相对于石墨在观察区域中所占的总面积，最大径为30μm以上的石墨所占的面积率为19％。
[实施例5]
将聚醚醚酮(Victrex 150FP(商品名)，Victrex公司制)以70重量％的量、原料石墨(CGB－50(商品名)，日本石墨工业株式会社制，平均粒径D50＝50μm)以10重量％的量和碳纤维(HT－C702，帝人株式会社制)以20重量％的量进行了配合，除此之外，与实施例1同样地得到保持器64。
与实施例1同样地通过数字显微镜对保持器64进行了观察。相对于石墨在观察区域中所占的总面积，最大径为30μm以上的石墨所占的面积率为11％。
[实施例6]
将聚醚醚酮(Victrex 150FP(商品名)，Victrex公司制)以80重量％的量、原料石墨(CGB－50(商品名)，日本石墨工业株式会社制，平均粒径D50＝50μm)以10重量％的量和碳纤维(HT－C702，帝人株式会社制)以10重量％的量进行了配合，除此之外，与实施例1同样地得到保持器64。
与实施例1同样地通过数字显微镜对保持器64进行了观察。相对于石墨在观察区域中所占的总面积，最大径为30μm以上的石墨所占的面积率为15％。
[实施例7]
将聚醚醚酮(Victrex 150FP(商品名)，Victrex公司制)以70重量％的量、原料石墨(CGB－50(商品名)，日本石墨工业株式会社制，平均粒径D50＝50μm)以25重量％的量和碳纤维(HT－C702，帝人株式会社制)以5重量％的量进行了配合，除此之外，与实施例1同样地得到保持器64。
与实施例1同样地通过数字显微镜对保持器64进行观察。相对于石墨在观察区域中所占的总面积，最大径为30μm以上的石墨所占的面积率为20％。
[实施例8]
将聚醚醚酮(Victrex 150FP(商品名)，Victrex公司制)以70重量％的量、原料石墨(CGB－50(商品名)，日本石墨工业株式会社制，平均粒径D50＝50μm)以10重量％的量、碳纤维(HT－C702，帝人株式会社制)以10重量％的量和聚四氟乙烯(KT－400M，喜多村株式会社制)以10重量％的量进行了配合，除此之外，与实施例1同样地得到保持器64。
与实施例1同样地通过数字显微镜对保持器64进行了观察。相对于石墨在观察区域中所占的总面积，最大径为30μm以上的石墨所占的面积率为11％。
[比较例1]
将聚醚醚酮(Victrex 150FP(商品名)，Victrex公司制)以70重量％的量、碳纤维(HT－C702，帝人株式会社制)以10重量％的量和聚四氟乙烯(KT－400M，喜多村株式会社制)以20重量％的量进行了配合，除此之外，与实施例1同样地得到保持器64。
[比较例2]
将聚醚醚酮(Victrex 150FP(商品名)，Victrex公司制)以60重量％的量、原料石墨(JCPB(商品名)，日本石墨工业株式会社制，平均粒径D50＝5μm)以10重量％的量、石墨(CGB－20(商品名)，日本石墨工业株式会社制，平均粒径D50＝20μm)以20重量％的量和碳纤维(HT－C702，帝人株式会社制)以10重量％的量进行了配合，除此之外，与实施例1同样地得到保持器64。
与实施例1同样地通过数字显微镜对保持器64进行了观察。相对于石墨在观察区域中所占的总面积，最大径为30μm以上的石墨所占的面积率为6％。
另外，图9示出了由比较例2中得到的保持器制作的试样C的观察区域R的一部分的数字显微镜照片。
[比较例3]
将聚醚醚酮(Victrex 150FP(商品名)，Victrex公司制)以50重量％的量、原料石墨(CGB－20(商品名)，日本石墨工业株式会社制，平均粒径D50＝20μm)以20重量％的量和碳纤维(HT－C702，帝人株式会社制)以30重量％的量进行了配合，除此之外，与实施例1同样地得到保持器64。
与实施例1同样地通过显微镜对保持器64进行了观察。相对于石墨在观察区域中所占的总面积，最大径为30μm以上的石墨所占的面积率为0.4％。
[比较例4]
将聚醚醚酮(Victrex 150FP(商品名)，Victrex公司制)以50重量％的量、原料石墨(CGB－50(商品名)，日本石墨工业株式会社制，平均粒径D50＝50μm)以40重量％的量和碳纤维(HT－C702，帝人株式会社制)以10重量％的量进行了配合，除此之外，与实施例1同样地得到保持器64。
与实施例1同样地通过显微镜对保持器64进行了观察。相对于石墨在观察区域中所占的总面积，最大径为30μm以上的石墨所占的面积率为24％。
[比较例5]
使用由使基础树脂为聚醚醚酮的市售的Victrex公司制450FC30构成的保持器。
与实施例1同样地通过显微镜对保持器64进行了观察。相对于石墨在观察区域中所占的总面积，最大径为30μm以上的石墨所占的面积率为8％。
[比较例6]
使用由使基础树脂为聚酰胺酰亚胺的市售的Solvay Specialty Polymers公司制TORLON材料(注册商标TORLON)构成的保持器。
[表1]
Figure BDA0003359450970000111
＜评价方法和结果＞
[耐久试验]
通过利用规定压力的压缩空气使安装有保持器的牙科用机头运转，从而使球轴承旋转，在施加负载的同时保持旋转状态一定时间后停止，重复这一循环，并测定转速。更具体而言，将球轴承的初始旋转速度设为约40万rpm，实施负载旋转试验。在该试验中将1次循环设为2分钟，1次循环的内容是在旋转中的工具前端在1分钟内重复加载2～4N的负荷30次后，测定无负载旋转时的旋转速度1分钟。将测定的旋转速度降低了初始旋转速度的10％以上的时刻作为寿命。
图10是示出耐久试验的结果的图。分别示出5次耐久试验后的结果的平均值。横轴表示将基础树脂为市售的聚酰胺酰亚胺材料的比较例6的寿命设为1时的寿命。可知作为市售的聚醚醚酮材料的比较例5的寿命非常短。比较例1、2、3的聚醚醚酮材料也短于比较例6的寿命。另一方面，可知在实施例1～8的聚醚醚酮材料中可以得到长于比较例6的寿命。由此可知，如果使用实施例中制作的保持器，则可以得到寿命长的球轴承。
应予说明，比较例4的聚醚醚酮材料的寿命与比较例6大致相同，但是如后所述得不到充分的拉伸强度。
[压热试验]
将加工成保持器64的形状的材料在温度为132℃、湿度为100％RH的环境下放置10分钟后，在100℃下干燥20分钟，将上述循环设为1次循环。重复该循环最多到2500次，每隔规定次数测定拉伸强度。
保持器64的拉伸强度如下测定。如图11所示，在保持器64的内径上安装2根截面半月状的夹具101、102。固定下方的夹具101，将另一个夹具102向上方拉伸直到保持器64断裂，求出断裂时的负荷作为拉伸强度。
图12和图13是示出压热试验的结果的图。纵轴表示通过上述拉伸试验得到的拉伸强度，横轴表示进行该拉伸试验时的压热次数。可知在使用聚酰胺酰亚胺的比较例6中压热次数越多，拉伸强度越低。另一方面，如果使用实施例1～8中制作的保持器，则即使压热次数增加，也可维持拉伸强度，因此可知即使在高温高湿环境下也可以维持优异的强度。对于使用市售的聚醚醚酮的比较例5，即使压热次数增加，也可维持拉伸强度，但是如上所述耐久试验的寿命较短。比较例1～4虽然维持了拉伸强度，但是初始强度不足。
表2总结了上述试验结果。在“耐久寿命”项目中，将比较例6的耐久寿命以上的试验结果记为“长”，将小于比较例6的耐久寿命的试验结果记为“短”。在“初始强度”项目中，将不低于比较例5的初始强度5N以上的试验结果记为“允许”，将低于比较例5的初始强度5N以上的试验结果记为“不允许”。在“由压热试验引起的强度变化”项目中，将压热次数为2500次时的强度不低于初始强度10N以上的试验结果记为“维持”，将低10N以上的试验结果记为“不维持”。可知即使压热的次数增加也可维持足够的初始强度且耐久寿命也长的仅为实施例1～8。
[表2]
[表2]
Figure BDA0003359450970000131
以上对本发明的实施方式进行了说明，但是本发明不限定于上述实施方式。将上述各构成要素适当组合而构成的实施方式也包含在本发明中。另外，本领域技术人员可以容易地导出进一步的效果或变形例。因此，本发明的更宽泛的方式并不限于上述实施方式，可以进行各种变更。
符号说明
1：牙科用机头，2：头部，3：工具，4：壳体，5：轴构件，6：球轴承，7：涡轮叶片，8：空气供给口，61：内圈，62：外圈，63：滚动体(球)，64：保持器，65：兜部，604：保持器，605：兜部，101、102：半月状的夹具

Claims (2)

1.一种球轴承，具备：内圈、设置于所述内圈的外侧的外圈、介于所述内圈与所述外圈之间的多个滚动体、和具备兜部的圆环状的保持器，所述兜部将所述滚动体保持成能够沿着周向隔开间隔地以旋转轴为中心旋转；
所述保持器的内周面与所述内圈的外周面对置，所述保持器的外周面与所述外圈的内周面对置，
所述保持器由包含聚醚醚酮、石墨和碳纤维的树脂组合物构成，
在将所述树脂组合物整体设为100重量％时，以60重量％～80重量％的量包含所述聚醚醚酮，以10重量％～30重量％的量包含所述石墨，以5重量％～20重量％的量包含所述碳纤维，
在将所述保持器的外周面与旋转轴平行地切断而得的平面、即位于邻接的2个兜部之间并与各兜部相接且延伸到轴向两端面的矩形区域作为观察区域时，相对于石墨在所述观察区域中所占的总面积，粒子内切圆的直径为30μm以上的石墨所占的面积的比例、即面积率为10％～20％。
2.根据权利要求1所述的球轴承，其中，所述碳纤维在所述观察区域中在与所述保持器的轴向对应的方向上取向。
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