CN116964341A - 角接触球轴承 - Google Patents

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balls
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Abstract

本发明的角接触球轴承包含夹设于内圈(1)及外圈(2)的轨道面(1a、2a)之间的多个滚珠(3)，这些滚珠(3)被保持在设于呈圆筒形状的保持器(4)的圆周方向上的多个位置的兜孔(Pt)。又，从邻接的滚珠(3、3)的中心间的距离(Pc)减去滚珠(3)的直径(Da)所得的滚珠间距离(Pd)相对于滚珠(3)的直径(Da)的比为0.16以上0.35以下。此外，将内圈(1)的轨道面(1a)的沟(1g)的直径(Di)除以滚珠(3)的直径(Da)所得的内圈沟曲率(Ri)相对于将外圈(2)的轨道面(2a)的沟(2g)的直径(Do)除以滚珠(3)的直径(Da)所得的外圈沟曲率(Ro)的比为0.97以上0.99以下。

Description

角接触球轴承
相关申请
本发明要求于2021年3月15日申请的日本特愿2021-041252的优先权，并将其全部内容作为参照进行引用构成本申请的一部分。
技术领域
本发明涉及一种例如用于机床的主轴的角接触球轴承。
背景技术
近年来，机床为了满足各种产业的多样需求，要求进一步性能。例如作为代表性的要求项目包含：为了加工难切削材料的高刚性化、为了高效率加工的步骤整合及复合化、为了加工复杂形状的五轴化、及为了省空间化的小型化。特别是，将这些要求项目全部满足的一次装夹全加工的要求非常强烈。该一次装夹全加工是从主轴的中低速旋转范围的重切削到高速旋转范围的精加工切削为止，由一台机床执行加工，对于用于该机床的主轴的滚动轴承而言，要求以更高水平兼顾呈矛盾关系的高速旋转性能与负荷容量。
另外，在一次装夹全加工中，为了提高生产率，主轴及工作台的进给速度高速化。除此之外，由于加工物形状复杂化，故容易产生安装于主轴前端的工具与加工物的无预期碰撞，从而可能对轴承施加冲击负载。若此碰撞时的负载超过该轴承的允许界限，便会产生压痕，并阻碍主轴的顺畅且高精度的旋转。从而，为了防止、减轻压痕的产生，还对主轴用轴承要求强化对于碰撞的耐受性。为此，例如，可以考虑增大轴承的内径、外径来提高负荷容量，但如此一来，必须使轴承周边的包含主轴的构造大型化，从而导致主轴的生产成本增加及构造的复杂化。因此，对于主轴用轴承而言，要求其内径、外径、宽度的基本尺寸和以往产品相同，同时具有更高的负荷容量。
具体而言，考虑采用比图3的轴承A所示的以往高速用轴承中的滚珠直径更大的滚珠，但在该情况下，由于与轨道面的接触面积的增加及伴随滚珠重量增加的离心力的增加，会使轴承变得容易发热，而不利于高速旋转。特别是，在高速旋转并伴随高负荷的条件下，和外圈相比接触面压较高且散热性也较为不利的内圈，会更强烈的发热。另外，为了提高负荷容量，滚珠的个数越多越好，但滚珠越多，作为发热源的滚珠之间的距离越短，散热性也越差，进而增加发热。
另外，若滚珠直径变大，则相应地外圈的壁厚会变薄，故在高负荷时外圈轨道面中的滚珠的接触位置与非接触位置上，可能导致外圈外周面中的变形的差变大，并且振动变大同时加工精度降低。
因此，以往，试图通过组合了专利文献1所记载的冷却技术与专利文献2所记载的抑制振动的技术的轴承，来实现兼顾高速旋转性能与负荷容量。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2014-062617号公报
专利文献2：日本特开2020-148220号公报
发明内容
发明所要解决的问题
然而，在这种现有技术的轴承中，必须使适用的机床主轴的构造大幅变更或复杂化，无法充分满足在与以往产品相同的基本尺寸下兼顾高速旋转性能与负荷容量。
本发明的目的在于提供一种角接触球轴承，其轴承的内径、外径、宽度的基本尺寸与以往产品相同，但能够充分兼顾高速旋转性能与负荷容量。
解决问题的技术手段
本发明的角接触球轴承包含：内圈、外圈、夹设于这些内圈及外圈的轨道面之间的多个滚珠、以及呈圆筒形状并以设于圆周方向上的多个位置的兜孔来保持所述滚珠的保持器；从邻接的所述滚珠的中心间的距离减去所述滚珠的直径所得的滚珠间距离相对于所述滚珠的直径的比为0.16以上0.35以下；将所述内圈的轨道面的沟的直径除以所述滚珠的直径所得的内圈沟曲率相对于将所述外圈的轨道面的沟的直径除以所述滚珠的直径所得的外圈沟曲率的比为0.97以上0.99以下。
为了抑制高速旋转时的轴承的发热，必须将内圈沟曲率设为外圈沟曲率的0.97以上0.99以下，从而将接触面压较容易变高的内圈的接触面压抑制成与外圈的接触面压相同程度，同时将滚珠间距离设为滚珠的直径的0.16以上，从而确保散热性。另一方面，为了通过多个滚珠确保负荷容量，必须将滚珠间距离设为滚珠的直径的0.35以下。由于本发明的角接触球轴承满足此条件，因此轴承的内径、外径、宽度的基本尺寸与以往产品相同，同时能够抑制高速旋转时的发热，并能够确保负荷容量，充分兼顾高速旋转性能与负荷容量。
在本发明的角接触球轴承的优选构成中，作为所述外圈中的从所述轨道面到外周面为止的壁厚的最小值的外圈最小壁厚相对于所述滚珠的直径的比为0.39以上0.63以下，所述滚珠的直径相对于从所述外圈的外径减去所述内圈的内径再除以2所得的轴承剖面高度的比为0.44以上0.56以下。
为了将外圈的外周面中的变形保持在对机床的加工没有影响的范围内，优选将外圈最小壁厚设为滚珠直径的0.39以上，并将滚珠直径设为轴承剖面高度的0.56以下，另一方面，为了利用大直径的滚珠而确保负荷容量，优选将外圈最小壁厚设为滚珠直径的0.63以下，并将滚珠直径设为轴承剖面高度的0.44以上。由于该优选的构成满足此条件，故可抑制高速旋转时外圈的外周面中的变形所引起的振动，并更加确保负荷容量。
在本发明的角接触球轴承中，所述保持器也可为受到外圈的内周面引导的外圈引导保持器。此情况下，由于轴承内的润滑剂(润滑油或是滑脂)的一部分会通过保持器中的受到外圈的内周面引导的引导面，故可防止在此引导面产生过度的磨损。从而，可实现轴承的进一步高速化。
在本发明的角接触球轴承中，所述保持器也可为受到作为滚动体的所述滚珠引导的滚动体引导保持器。此情况下，可扩大外圈的内周面与保持器的径向空间，并使润滑剂效率良好地保持在该扩大的空间。
另外，在本发明的角接触球轴承中，优选所述滚珠为陶瓷制。
再者，本发明的角接触球轴承适用于机床的主轴。
本发明包含权利要求书和/或说明书和/或附图中公开的至少两个构成的任意组合。特别是，权利要求书的各权利要求的两个以上的任意组合也包含于本发明。
附图说明
通过以下参考了附图的优选实施方式的说明，应可更明了地理解本发明。然而，实施方式及附图仅用于图示及说明，并不应用于限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求书限定。在附图中，多个附图中的同一附图标记表示同一部分。
图1为本发明的第一实施方式的角接触球轴承的纵剖面图。
图2A为同上的角接触球轴承的内圈的纵剖面图。
图2B为同上的角接触球轴承的外圈的纵剖面图。
图2C为同上的角接触球轴承的横剖面图。
图2D为图2C的部分放大图。
图3为表示同上的角接触球轴承与以往的角接触球轴承的比较例的图。
图4为表示本发明的第二实施方式的角接触球轴承的纵剖面图。
图5为表示高速旋转测试机的概略的纵剖面图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的第一实施方式的角接触球轴承进行说明。如图1所示，该角接触球轴承包含：内圈1、外圈2、夹设于这些内圈1及外圈2的轨道面1a、2a之间的多个滚珠3、以及呈圆筒形状并且以设于圆周方向上的多个位置的兜孔Pt来保持滚珠3的保持器4。滚珠3优选为陶瓷制，但也可为钢球。该角接触球轴承是在例如将润滑油与压缩空气一起供给的油气润滑下使用于轴承空间中，润滑油通过由内圈旋转所产生的离心力而遍及且暂时保持于保持器4的内周面4a及外圈2的内周面2c。保持器4的内周面4a及外圈2的内周面2c的润滑油附着于滚珠3的表面，通过被搬运至内圈1的轨道面1a及保持器4的兜孔Pt，可长时间地使轴承顺畅地旋转。
保持器4是受到外圈2的内周面2c(图1的情况下为轴方向左侧的内周面2c)引导的外圈引导保持器。在外圈引导保持器中，由于轴承内的润滑油的一部分会在保持器4中的受到外圈2的内周面2c引导的引导面(图1的情况下为轴方向左侧的保持器4的外周面4b)通过，故可防止在该引导面产生过度的磨损。从而，可实现轴承的进一步高速化。
保持器4由以玻璃纤维、碳纤维等增强后的脂肪族的聚酰胺树脂(尼龙)、芳香族的聚酰胺树脂、聚醚醚酮树脂(简称：PEEK材料)、聚苯硫醚树脂(简称：PPS材料)、酚醛树脂等树脂材料所形成。另外，保持器4中，包含轴心L的平面切断的剖面为矩形，保持滚珠3的兜孔Pt形成于轴方向中央部的圆周方向上的多个位置。保持器4的内周面4a的直径设定为比滚珠3的节圆直径PCD小。另一方面，保持器4的外周面4b的直径设定为比该节圆直径PCD大，且比外圈2的内周面2c(图1的情况下为轴方向左侧的内周面2c)的直径小。
此处，如图2C所示，从邻接的滚珠3的中心间的距离Pc减去滚珠3的直径Da后所得的滚珠间距离Pd相对于滚珠3的直径Da(图1)的比Pd/Da为0.16以上0.35以下，优选为0.18以上0.25以下。另外，如图2C中的粗线矩形内的放大图即图2D所示，Pc＝2×(PCD/2)×sinα，α是将360度除以滚珠的个数，再进一步除以2后所得的角度。
另外，将图2A所示的内圈1的轨道面1a的沟1g的直径Di除以滚珠3的直径Da所得的内圈沟曲率Ri(＝Di/Da)相对于将图2B所示的外圈2的轨道面2a的沟2g的直径Do除以滚珠3的直径Da(图1)所得的外圈沟曲率Ro(＝Do/Da)的比Ri/Ro(＝Di/Do)为0.97以上0.99以下，优选除此之外，内圈沟曲率Ri为1.04以上1.08以下，外圈沟曲率Ro为1.06以上1.10以下。
再者，如图1所示，作为外圈2中的从轨道面2a到外周面2b的壁厚的最小值的外圈最小壁厚Tomin相对于滚珠3的直径Da的比Tomin/Da为0.39以上0.63以下，优选为0.46以上0.57以下。此外，滚珠3的直径Da相对于从外圈2的外径减去内圈1的内径再除以2所得的轴承剖面高度H的比Da/H为0.44以上0.56以下，优选为0.48以上0.52以下。
图3为表示本实施方式的角接触球轴承(轴承B、C、D)与以往的角接触球轴承(轴承A、E)的比较例的图。以往的轴承A例如是角接触球轴承的公称编号为“7014”的尺寸，且为用于高速旋转的小径滚珠规格。具体而言，轴承A的滚珠的直径约为8.731mm(11/32英寸)，滚珠的个数为25个。
以往的轴承E例如是角接触球轴承的公称编号为“7014”的尺寸，且为大直径滚珠规格。具体而言，轴承E的滚珠的直径约为11.906mm(15/32英寸)，滚珠的个数为21个。
相对于此，本实施方式的角接触球轴承(轴承B、C、D)例如是角接触球轴承的公称编号为“7014”的尺寸，且滚珠间距离Pd相对于滚珠3的直径Da的比Pd/Da为0.16以上0.35以下，同时，内圈沟曲率Ri相对于外圈沟曲率Ro的比Ri/Ro为0.97以上0.99以下，再者，外圈最小壁厚Tomin相对于滚珠3的直径Da的比Tomin/Da为0.39以上0.63以下，并且滚珠3的直径Da相对于轴承剖面高度H的比Da/H为0.44以上0.56以下。
对于这些公称编号为“7014”的轴承及同样地设定了各条件的公称编号为“7020”的轴承，进行高速性、高速旋转时的振动及负荷容量的评价测试，并得到以下表1的结果。如图5所示，此评价测试使用以背对背排列四列角接触球轴承Bg构成的主轴，在各轴承Bg中使用陶瓷制的滚珠，并通过使用了VG32(ISO黏度)的润滑油的油气润滑来进行。在表1中，对于高速性而言，是在组装后的预压负载1400N、旋转速度18000rpm、连续旋转100小时这样的第一条件下进行的评价，对于高速旋转时的振动而言，是在组装后的预压负载600N、旋转速度0～22000rpm这样的第二条件下进行的评价，对于负荷容量而言，是在第一及第二条件下进行的评价。表1中的评价基准如下所述。另外，所谓dmn值，是滚珠3的节圆直径PCD(mm)乘上旋转速度(rpm)所得的值。
＜高速性＞
◎：旋转时的外圈温度上升在20℃以下时，评价为高速性优异。
○：旋转时的外圈温度上升超过20℃，但在25℃以下时，评价为高速性没有问题。
△：旋转时的外圈温度上升超过25℃时，评价为高速性有问题。
＜高速旋转时的振动＞
◎：dmn值200万以下的高速旋转时的振动，是不会对于假设使用同轴承的综合加工机的加工精度造成影响的水平。
○：dmn值160万以下的高速旋转时的振动，是不会对于假设使用同轴承的综合加工机的加工精度造成影响的水平。
△：dmn值140万以下的低中速范围的旋转时的振动，是不会对于假设使用同轴承的综合加工机的加工精度造成影响的水平。
＜负荷容量＞＊来自轴承内部各元素的计算值
◎：将从内部各元素所求得的值，在假设使用同轴承的综合加工机的重切削加工中，能够充分富余地以单列承受的水平，评价为负荷容量优异。
○：将从内部各元素所求得的值，在假设使用同轴承的综合加工机的重切削加工中，能够以单列承受的水平，评价为负荷容量没有问题。
△：从内部各元素所求得的值，是在假设使用同轴承的综合加工机的重切削加工中，必须以两列并列承受的水平。
[表1]
由表1可知，根据本实施方式的角接触球轴承，轴承的内径、外径、宽度的基本尺寸与以往产品相同，但能够抑制高速旋转时的发热同时能够确保负荷容量，可充分兼顾高速旋转性能与负荷容量，进而，可抑制高速旋转时的轴承振动，同时更加确保负荷容量。
接着，参照附图对本发明的第二实施方式的角接触球轴承进行说明。如图4所示，在该角接触球轴承中，采用受到滚珠3引导的滚动体引导保持器作为保持器4A，而其他构成与第一实施方式的角接触球轴承相同。根据第二实施方式的角接触球轴承，可扩大外圈2的内周面2c与保持器4A的径向空间，从而可将润滑油效率良好地保持在该扩大后的空间。
另外，本发明的角接触球轴承并不限定于在油气润滑下使用，也可在油雾润滑、滑脂润滑下使用。另外，在本发明的角接触球轴承中，也可在外圈2的内周面2c中的轴方向两端部或是轴方向一端部中，设有对于内圈1的外周面1b而言非接触的轴承油封(未图示)。例如，也可在外圈2的内周面2c形成有轴承油封安装沟，并将轴承油封的外径侧的基端部装设于该轴承油封安装沟。此情况下，在滑脂润滑下使用时，可更确实地保持轴承内部的滑脂。
以上，虽然参照附图描述了优选实施例，但本领域技术人员在阅读了本申请说明书后，将很容易地想到在显而易见的范围内的各种变更及修正。因此，上述的变更及修正被解释为属于由所附权利要求所限定的本发明的范围内。
符号说明
1…内圈，1a…内圈的轨道面，1g…内圈的轨道面的沟，2…外圈，2a…外圈的轨道面，2b…外圈的外周面，2c…外圈的内周面，2g…外圈的轨道面的沟，3…滚珠，4、4A…保持器，4a…保持器的内周面，4b…保持器的外周面，Da…滚珠的直径，Di…内圈的轨道面的沟的直径，Do…外圈的轨道面的沟的直径，H…轴承剖面高度，Pc…滚珠的中心间的距离，Pd…滚珠间距离，Pt…保持器的兜孔，Ri…内圈沟曲率，Ro…外圈沟曲率，Tomin…外圈最小壁厚。

Claims (6)

1.一种角接触球轴承，包含：
内圈；
外圈；
多个滚珠，所述多个滚珠夹设于这些内圈及外圈的轨道面之间；以及
保持器，所述保持器呈圆筒形状，并且以设于圆周方向上的多个位置的兜孔保持所述滚珠；
从邻接的所述滚珠的中心间的距离减去所述滚珠的直径所得的滚珠间距离相对于所述滚珠的直径的比为0.16以上0.35以下；
所述内圈的轨道面的沟的直径除以所述滚珠的直径所得的内圈沟曲率相对于所述外圈的轨道面的沟的直径除以所述滚珠的直径所得的外圈沟曲率的比为0.97以上0.99以下。
2.根据权利要求1所述的角接触球轴承，其中，作为所述外圈中的从所述轨道面到外周面为止的壁厚最小值的外圈最小壁厚相对于所述滚珠的直径的比为0.39以上0.63以下；
所述滚珠的直径相对于从所述外圈的外径减去所述内圈的内径再除以2所得的轴承剖面高度的比为0.44以上0.56以下。
3.根据权利要求1或2所述的角接触球轴承，其中，所述保持器是受到外圈的内周面引导的外圈引导保持器。
4.根据权利要求1或2所述的角接触球轴承，其中，所述保持器是受到作为滚动体的所述滚珠引导的滚动体引导保持器。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的角接触球轴承，其中，该滚珠为陶瓷制。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的角接触球轴承，其中，该角接触球轴承用于机床的主轴。
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