JP2001065572A - Ceramic combination rolling bearing - Google Patents

Ceramic combination rolling bearing

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JP2001065572A
JP2001065572A JP23975099A JP23975099A JP2001065572A JP 2001065572 A JP2001065572 A JP 2001065572A JP 23975099 A JP23975099 A JP 23975099A JP 23975099 A JP23975099 A JP 23975099A JP 2001065572 A JP2001065572 A JP 2001065572A
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inner ring
bearing
alumina
zirconia
outer ring
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JP23975099A
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Chuichi Sato
忠一 佐藤
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NSK Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a ceramic combination rolling bearing to satisfy characteristics demanded for a bearing for a high speed spindle. SOLUTION: In a ceramic combination rolling bearing consisting of a rolling body, an inner ring, and an outer ring, all of which are formed of a ceramic material, a ceramic material consisting of sialon or a silicon nitride, being comparatively low in density and high in fracture toughness and thermal shock properties is formed in the rolling body. A ceramic material consisting of zirconia or alumina, having a thermal expansion factor comparatively similar to that of a steel and being low in thermal conductance and high in a fracture strength and a Young's modulus is used in the inner ring, and a ceramic material, consisting of silicon carbide, aluminum nitride, or alumina, being comparatively high in thermal conductance and low in a thermal expansion factor is used in an outer ring.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、転動体、内輪およ
び外輪にセラミックス材を使用したセラミック組合せ転
がり軸受に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a ceramic combination rolling bearing using a ceramic material for a rolling element, an inner ring and an outer ring.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、セラミック組合せ転がり軸受とし
て、転動体に窒化珪素(Si34)を使用し、内輪およ
び外輪に軸受鋼を使用した転がり軸受が一般的に知られ
ている。また、内輪および外輪にも、窒化珪素を使用し
たオールセラミック軸受も存在する。
2. Description of the Related Art Conventionally, a rolling bearing using silicon nitride (Si 3 N 4 ) for a rolling element and bearing steel for an inner ring and an outer ring is generally known as a ceramic combination rolling bearing. In addition, an all-ceramic bearing using silicon nitride also exists on the inner ring and the outer ring.

【0003】これらの転がり軸受は、窒化珪素による優
れた特性を有し、窒化珪素の密度が3.3(g/c
3)と比較的小さいので、転動体の遠心力による外輪
の接触応力の緩和にも役立つ。
[0003] These rolling bearings have excellent characteristics due to silicon nitride, and the density of silicon nitride is 3.3 (g / c).
m 3 ), which is relatively small, which helps to reduce the contact stress of the outer ring due to the centrifugal force of the rolling elements.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記セ
ラミック組合せ転がり軸受を高速スピンドルに適用した
場合、以下に掲げる問題があり、その改良が要望されて
いた。すなわち、転動体に窒化珪素、内輪および外輪に
軸受鋼を用いた転がり軸受の場合、発熱により焼き付け
が発生するおそれがあり、軸受の回転数Nには限界があ
った。回転数Nに対応する一般的なDmN値(=ピッチ
円径×回転数)で表現すると、現状では、DmN値は限
界に達している。
However, when the above-mentioned ceramic combination rolling bearing is applied to a high-speed spindle, there are the following problems, and improvement thereof has been demanded. That is, in the case of a rolling bearing using silicon nitride for the rolling element and bearing steel for the inner and outer rings, there is a possibility that seizure may occur due to heat generation, and the rotational speed N of the bearing is limited. In terms of a general DmN value (= pitch circle diameter × rotation speed) corresponding to the rotation speed N, at present, the DmN value has reached its limit.

【0005】このような発熱による焼き付き対策とし
て、既にオイルジェット潤滑を使用することでDmN値
を増加させることが行われている。しかし、オイルジェ
ット潤滑を使用する場合、転がり軸受潤滑油の撹拌抵抗
の増大による摩擦が大きくなり、このため、駆動モータ
の負荷が大きくなるので、工作機械では、加工のための
回転動力が容量不足となってしまう。
[0005] As a countermeasure against seizure due to such heat generation, oil jet lubrication has been used to increase the DmN value. However, when oil jet lubrication is used, friction increases due to an increase in the stirring resistance of the rolling bearing lubricating oil, which increases the load on the drive motor. Will be.

【0006】一方、内輪および外輪にも窒化珪素を使用
したオールセラミック軸受は、軸受の温度上昇に対して
有利であるが、軸受鋼からなる軸の温度上昇による熱膨
張量に対し、窒化珪素の温度上昇による熱膨張量が小さ
いので、締め代が過大となって内輪が破損してしまうお
それがあった。また、外輪が窒化珪素である場合、熱伝
導率が小さいため、転がり軸受内で発生した熱により温
度が上昇し、熱を逃がすためには不利であった。
On the other hand, an all-ceramic bearing in which silicon nitride is also used for the inner ring and the outer ring is advantageous for increasing the temperature of the bearing. Since the amount of thermal expansion due to the temperature rise is small, the interference may be excessive and the inner ring may be damaged. In addition, when the outer ring is made of silicon nitride, the heat conductivity is small, so that the temperature generated by the heat generated in the rolling bearing increases, which is disadvantageous for releasing the heat.

【0007】そこで、本発明は、上記問題を解決するた
めになされたものであり、高速スピンドル用の軸受に要
求される特性を満たすことができるセラミック組合せ転
がり軸受を提供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and has as its object to provide a ceramic combination rolling bearing which can satisfy the characteristics required for a bearing for a high-speed spindle.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の請求項1に記載のセラミック組合せ軸受
は、転動体、内輪および外輪にセラミックス材を使用し
たセラミック組合せ転がり軸受において、前記転動体
に、比較的、密度が小さく、破壊靭性が大きく、かつ熱
衝撃性が大きいサイアロンまたは窒化珪素からなるセラ
ミックス材を使用し、前記内輪に、比較的、熱膨張係数
が鋼に近く、熱伝導度が小さく、かつ破壊強度およびヤ
ング率が大きいジルコニアまたはアルミナからなるセラ
ミックス材を使用し、前記外輪に、比較的、熱伝導度が
大きく、かつ熱膨張係数が小さい炭化珪素、窒化アルミ
またはアルミナからなるセラミックス材を使用したこと
を特徴とする。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a ceramic combination rolling bearing using a ceramic material for a rolling element, an inner ring and an outer ring. For the rolling element, a ceramic material made of sialon or silicon nitride having relatively low density, high fracture toughness, and high thermal shock resistance is used. A ceramic material made of zirconia or alumina having a low conductivity and a high breaking strength and a high Young's modulus is used. The outer ring is made of silicon carbide, aluminum nitride or alumina having a relatively high thermal conductivity and a low thermal expansion coefficient. Characterized by using a ceramic material composed of

【0009】このように、転動体にはサイアロンまたは
窒化珪素を使用することが好ましく、内輪にはジルコニ
アまたはアルミナを使用することが好ましく、外輪には
炭化珪素、窒化アルミまたはアルミナを使用することが
好ましい。
As described above, it is preferable to use sialon or silicon nitride for the rolling elements, zirconia or alumina for the inner ring, and silicon carbide, aluminum nitride or alumina for the outer ring. preferable.

【0010】また、各セラミックス材を母体とする炭化
珪素ウイスカによる複合材を使用してもよい。さらに、
炭化珪素と窒化珪素とからなる複合材のように、材料そ
のままの複合材を使用してもよい。
Further, a composite material of silicon carbide whiskers having each ceramic material as a base may be used. further,
A composite material as it is, such as a composite material composed of silicon carbide and silicon nitride, may be used.

【0011】このようなセラミックス材を用いて転動
体、内輪および外輪を構成した転がり軸受では、互いに
転がる材質が異なるため、転がり摩擦が小さく、温度上
昇そのものを抑えることができる。さらに、高速スピン
ドルに使用しても、軸と内輪との熱膨張および遠心力に
よる膨張の差によって、内輪が破壊強度に達することは
生じない。
[0011] In the rolling bearing in which the rolling element, the inner ring and the outer ring are formed using such a ceramic material, the rolling materials are different from each other, so that the rolling friction is small and the temperature rise itself can be suppressed. Furthermore, even when used for a high-speed spindle, the inner ring does not reach breaking strength due to the difference between the thermal expansion of the shaft and the inner ring and the expansion due to centrifugal force.

【0012】また、発熱に対して熱の流れを考慮した材
質にしているので、温度上昇を抑えることができる。例
えば、外輪の材質に炭化珪素を使用した場合、熱伝導度
は軸受鋼の1.6〜4倍であり、窒化アルミを使用した
場合、軸受鋼の6倍である。したがって、オイルミス
ト、オイルエアーでも十分に高速回転可能である。
Further, since the material is made in consideration of the flow of heat with respect to heat generation, a rise in temperature can be suppressed. For example, when silicon carbide is used as the material of the outer ring, the thermal conductivity is 1.6 to 4 times that of the bearing steel, and when aluminum nitride is used, it is 6 times that of the bearing steel. Therefore, it is possible to sufficiently rotate at high speed even with oil mist and oil air.

【0013】さらに、上記材質を使用した転がり軸受で
あるアンギュラ玉軸受を、定圧予圧方式のスピンドルに
組み込んで使用することが望ましく、軸受すきま(アン
ギュラ玉軸受の場合、接触角)の変化を抑えることがで
きる。
Furthermore, it is desirable to use an angular contact ball bearing, which is a rolling bearing using the above-mentioned material, by incorporating it into a spindle of a constant pressure preload system, and to suppress a change in bearing clearance (in the case of an angular contact ball bearing, a contact angle). Can be.

【0014】また、内輪から回転軸への熱の流れを少な
くしているので、軸の伸びを小さくすることができ、工
作機械では、工具先端位置の変化が少なくなり、高精度
な加工を実現できる。特に、ビルトインモータ駆動方式
のスピンドルに適用する場合、軸受の潤滑用とは別系統
の入口用貫通孔および出口用貫通孔をロータ両端近くの
ハウジングに設け、ロータおよびステータ間に室温以下
(例えば、マイナス30℃)に冷却された空気を流すこ
とで発熱を抑えることが可能である。このように、軸受
の他にもう1つの熱源であるビルトインモータのロータ
の発熱を室温以下の空気で冷却することにより、回転軸
の温度上昇を抑えることができる。この場合、冷却空気
は、工具取付側から入れることが好ましく、工具側の回
転軸の温度上昇による伸びのため、工具位置が変化する
ことは抑えられる。
Further, since the flow of heat from the inner ring to the rotating shaft is reduced, the elongation of the shaft can be reduced, and in the machine tool, the change in the position of the tool tip is reduced, thereby realizing high-precision machining. it can. In particular, when applied to a spindle of a built-in motor drive system, an inlet through-hole and an outlet through-hole of a system separate from lubrication of a bearing are provided in a housing near both ends of a rotor, and a room temperature or lower (for example, It is possible to suppress heat generation by flowing air cooled to (−30 ° C.). As described above, the heat generated by the rotor of the built-in motor, which is another heat source other than the bearing, is cooled by the air at room temperature or lower, whereby the temperature increase of the rotating shaft can be suppressed. In this case, the cooling air is preferably introduced from the tool mounting side, and changes in the tool position are suppressed due to elongation due to the temperature rise of the rotating shaft on the tool side.

【0015】[0015]

【発明の実施の形態】本発明のセラミック組合せ転がり
軸受の実施の形態について説明する。本実施形態のセラ
ミック組合せ転がり軸受はアンギュラ玉軸受に適用され
る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the ceramic combination rolling bearing of the present invention will be described. The ceramic combination rolling bearing of the present embodiment is applied to an angular contact ball bearing.

【0016】[スピンドルの構造]図1はアンギュラ玉
軸受を使用したビルトインモータ駆動方式のスピンドル
の構造を示す断面図である。ビルトインモータ駆動方式
のスピンドルでは、ハウジング11の両端内側にそれぞ
れ設けられた一対のアンギュラ玉軸受13、15によっ
て回転軸18が軸支されている。一対のアンギュラ玉軸
受13、15の各中間位置には、間座21、23が設け
られている。
[Spindle Structure] FIG. 1 is a sectional view showing the structure of a spindle of a built-in motor drive system using an angular ball bearing. In the spindle of the built-in motor drive system, the rotating shaft 18 is supported by a pair of angular ball bearings 13 and 15 provided inside both ends of the housing 11. Spacers 21 and 23 are provided at intermediate positions between the pair of angular ball bearings 13 and 15.

【0017】また、ハウジングの内側中央に位置する回
転軸18には、ロータ24が取り付けられており、ロー
タ24と対向するステータ26がハウジング11の内側
に設けられている。さらに、ステータ26と向かい合う
ハウジング11の内壁には、冷却水用の溝11aが形成
されている。また、ロータ24の前後の回転軸18に
は、バランスリング27が設けられている。
A rotor 24 is attached to the rotation shaft 18 located at the center of the inside of the housing. A stator 26 facing the rotor 24 is provided inside the housing 11. Further, a groove 11a for cooling water is formed on an inner wall of the housing 11 facing the stator 26. A balance ring 27 is provided on the rotation shaft 18 before and after the rotor 24.

【0018】さらに、ハウジング11の両端から突出す
る回転軸18の各部分には、内輪締付ナット31、33
が設けられており、内輪の締め付け量を調整可能であ
る。さらに、内輪締付ナット31、33より外側の回転
軸18の部分には、それぞれ外輪締付ナット35、36
が設けられており、外輪の締め付け量を調整可能であ
る。
Further, each part of the rotating shaft 18 protruding from both ends of the housing 11 is provided with inner ring tightening nuts 31, 33.
Is provided, and the amount of tightening of the inner ring can be adjusted. Further, outer ring tightening nuts 35 and 36 are provided on the portion of the rotating shaft 18 outside the inner ring tightening nuts 31 and 33, respectively.
Is provided, and the amount of tightening of the outer ring can be adjusted.

【0019】図中右側のハウジング11の端部には、案
内ボール38を介して予圧スリーブ39が挿入されてお
り、予圧スリーブ39は予圧ばね42によって図中右方
向に付勢されるとともに、まわり止め43によって回転
しないようにされている。予圧スリーブ39の先端部3
9aはアンギュラ玉軸受15の外輪15aを係止するよ
うに屈曲しており、予圧スリーブ39と外輪締付ナット
36との間に挟まれた一対のアンギュラ玉軸受15の外
輪15aは外輪締付ナット36によって締め付け調整さ
れる。
A preload sleeve 39 is inserted into the end of the right housing 11 through a guide ball 38. The preload sleeve 39 is urged rightward in FIG. The stop 43 prevents rotation. Tip 3 of preload sleeve 39
9a is bent so as to lock the outer ring 15a of the angular ball bearing 15, and the outer rings 15a of the pair of angular ball bearings 15 sandwiched between the preload sleeve 39 and the outer ring tightening nut 36 are fixed to the outer ring tightening nut. Tightening is adjusted by 36.

【0020】[潤滑および冷却構造]図2はビルトイン
モータ駆動方式のスピンドルにおける潤滑および冷却構
造を示す断面図である。一対のアンギュラ玉軸受13お
よび15の各中間に位置するハウジング11の半径方向
部分には、入口用貫通孔51、52が形成されており、
この貫通孔51、52を通じてハウジング11の外側か
らオイルミストあるいはオイルエアおよび冷却空気(例
えば、マイナス30℃)が一対のアンギュラ玉軸受1
3、15の間、つまり、外輪13a、15a、内輪13
b、15bおよび転動体13c、15cの間に夫々流入
する。また、ハウジング11の略中央左側の半径方向部
分には、出口用貫通孔54が形成されている。同様に、
ハウジング11および予圧スリーブ39の略中央右側の
半径方向部分には、出口用貫通孔55が形成されてい
る。入口用貫通孔51、52を通じてハウジング11内
に流入したオイルミスト(オイルエア)および冷却空気
は、それぞれアンギュラ玉軸受13、15の内側を通過
する間に熱を吸収し、出口用貫通孔54、55を通じて
あるいは軸方向から外部へと流出する(図中、矢印a参
照)。ここで、図中矢印dは熱の流れを表す。
[Lubricating and Cooling Structure] FIG. 2 is a sectional view showing a lubricating and cooling structure in a spindle of a built-in motor drive system. Entrance through-holes 51 and 52 are formed in a radial portion of the housing 11 located at an intermediate position between the pair of angular ball bearings 13 and 15.
Oil mist or oil air and cooling air (for example, minus 30 ° C.) are supplied from the outside of the housing 11 through the through holes 51 and 52 to the pair of angular ball bearings 1.
3 and 15, that is, the outer ring 13a, 15a, the inner ring 13
b, 15b and the rolling elements 13c, 15c, respectively. An outlet through-hole 54 is formed in a radial portion on the substantially central left side of the housing 11. Similarly,
An outlet through-hole 55 is formed in a radial portion on the substantially central right side of the housing 11 and the preload sleeve 39. Oil mist (oil air) and cooling air flowing into the housing 11 through the inlet through holes 51 and 52 absorb heat while passing through the inside of the angular ball bearings 13 and 15, respectively, and the outlet through holes 54 and 55, respectively. Out or from the axial direction to the outside (see arrow a in the figure). Here, the arrow d in the figure represents the flow of heat.

【0021】また、ステータ26と向かい合うハウジン
グ11の内壁の半径方向部分には、溝11aに通じる入
口用貫通孔61および出口用貫通孔62が形成されてお
り、入口用貫通孔61を通じて流入した冷却水(矢印b
参照)は、ステータ26で熱を吸収した後、出口用貫通
孔62から流出する。
An inlet through-hole 61 and an outlet through-hole 62 communicating with the groove 11a are formed in a radial portion of the inner wall of the housing 11 facing the stator 26, and the cooling air flowing through the inlet through-hole 61 is formed. Water (arrow b
After the heat is absorbed by the stator 26, flows out of the outlet through-hole 62.

【0022】さらに、冷却水用の入口用貫通孔61およ
び出口用貫通孔62の外側に位置するハウジング11の
半径方向部分には、冷却空気用の入口用貫通孔65およ
び出口用貫通孔66が形成されており、入口用貫通孔6
5を通じて流入した冷却空気は、ステータ26およびロ
ータ24間を通る途中で熱を吸収した後、出口用貫通孔
66を通じてハウジング11の外部に流出する(矢印c
参照)。
Further, a cooling air inlet through hole 65 and an outlet through hole 66 are provided in a radial portion of the housing 11 located outside the cooling water inlet through hole 61 and the outlet through hole 62. Formed through hole 6 for the entrance
The cooling air that has flowed in through hole 5 absorbs heat while passing between stator 26 and rotor 24 and then flows out of housing 11 through outlet through hole 66 (arrow c).
reference).

【0023】このように、発熱部としてのアンギュラ玉
軸受13、15およびロータ24を冷却する冷却系統
と、アンギュラ玉軸受13、15の潤滑を行うを潤滑系
統とを別々に設けることにより、冷却効果を高めること
ができる。
As described above, by providing a cooling system for cooling the angular ball bearings 13, 15 and the rotor 24 as heat generating portions and a lubrication system for lubricating the angular ball bearings 13, 15 separately, a cooling effect is obtained. Can be increased.

【0024】[材質]上記構造を有するスピンドルに使
用されるアンギュラ玉軸受13、15は、セラミック組
合せ転がり軸受からなり、以下に転動体、内輪、外輪の
材質を検討する。図3は各種セラミックス材の特性を表
として示す図である。
[Materials] The angular ball bearings 13 and 15 used for the spindle having the above structure are composed of ceramic combination rolling bearings. The materials of the rolling elements, the inner ring and the outer ring will be examined below. FIG. 3 is a table showing characteristics of various ceramic materials.

【0025】転動体について アンギュラ玉軸受が高速スピンドルに使用される場合、
遠心力による転動体と外輪との接触力の増大が問題とな
るので、転動体の材質としては、密度小であることが望
ましい。図3では、炭化珪素、サイアロン、窒化珪素の
密度が比較的小さいことが分かる。
Rolling element When an angular contact ball bearing is used for a high-speed spindle,
Since an increase in the contact force between the rolling element and the outer ring due to centrifugal force poses a problem, it is desirable that the material of the rolling element has a low density. FIG. 3 shows that the density of silicon carbide, sialon, and silicon nitride is relatively small.

【0026】また、ビルトインモータ駆動方式のスピン
ドルが搭載されるマシニングセンタ(M/C)では、回
転数の立ち上がり(回転数:0→最高回転数)、立ち下
がり(回転数:最高回転数→0)の時間短縮が重要であ
り、ますます衝撃的運動が要求されるため、破壊靭性が
大きいことが望まれる。図3では、サイアロン、窒化珪
素の破壊靭性が比較的大きいことが分かる。また、熱衝
撃抵抗が大きいことが望まれ、同様にサイアロン、窒化
珪素の熱衝撃抵抗が比較的大きいことが分かる。
In a machining center (M / C) on which a built-in motor drive type spindle is mounted, the rotation speed rises (rotation speed: 0 → maximum rotation speed) and falls (rotation speed: maximum rotation speed → 0). Since it is important to reduce the time of the impact, and more and more impact movement is required, it is desired that the fracture toughness is large. FIG. 3 shows that sialon and silicon nitride have relatively high fracture toughness. It is also desired that the thermal shock resistance is large, and similarly, it can be seen that sialon and silicon nitride have relatively large thermal shock resistance.

【0027】さらに、温度上昇に対してすきま変化(本
実施形態のアンギュラ玉軸受の場合、接触角の変化)が
小さいこと、つまり内輪および外輪との熱膨張係数の差
が小さいことが望まれる。この点については、後に詳述
する。また、発熱をハウジングの外部へ逃がすために
は、熱伝導率が大きいことが望まれる。図3では、炭化
珪素の熱伝導率(熱伝導度)が最も大きいことが分か
る。
Furthermore, it is desired that the change in clearance (change in the contact angle in the case of the angular ball bearing of the present embodiment) with respect to the temperature rise is small, that is, the difference in the coefficient of thermal expansion between the inner ring and the outer ring is small. This will be described in detail later. Further, in order to release heat to the outside of the housing, it is desired that the heat conductivity is large. FIG. 3 shows that silicon carbide has the largest thermal conductivity (thermal conductivity).

【0028】内輪について 温度上昇による回転軸と内輪との熱膨張量の差による応
力破壊を防止するために、内輪の材質としては、回転軸
との熱膨張係数の差が小さいことが望ましい。図3で
は、ジルコニア、アルミナの熱膨張係数が大きく、回転
軸(軸受鋼)の熱膨張係数との差が比較的小さいことが
分かる。
Inner Ring In order to prevent stress destruction due to the difference in the amount of thermal expansion between the rotating shaft and the inner ring due to temperature rise, it is desirable that the material of the inner ring has a small difference in thermal expansion coefficient from the rotating shaft. In FIG. 3, it can be seen that the thermal expansion coefficients of zirconia and alumina are large, and the difference from the thermal expansion coefficient of the rotating shaft (bearing steel) is relatively small.

【0029】また、破壊強度およびヤング率は大きいこ
とが望ましく、ジルコニアが最も大きい。さらに、破壊
靭性も大きいことが望ましく、ジルコニア、サイアロ
ン、窒化珪素の破壊靭性が比較的大きいことが分かる。
It is desirable that the breaking strength and the Young's modulus are large, and zirconia is the largest. Further, it is desirable that the fracture toughness is also large, and it can be seen that zirconia, sialon, and silicon nitride have relatively large fracture toughness.

【0030】また一方では、遠心力による回転軸と内輪
との膨張量差による締め代の変化が小さいことが望まし
い。この点については後に詳述する。また、密度および
ヤング率は大きいことが望ましく、図3では、炭化珪
素、アルミナ、窒化珪素、サイアロンが適当である。
On the other hand, it is desirable that the change in interference due to the difference in the amount of expansion between the rotating shaft and the inner ring due to centrifugal force be small. This will be described in detail later. Further, it is desirable that the density and the Young's modulus are large. In FIG. 3, silicon carbide, alumina, silicon nitride, and sialon are appropriate.

【0031】さらに、軸受の発熱を効率よく逃がすため
には、熱伝導率が大きいことが望ましく、炭化珪素、窒
化珪素が適当である。ただし、発熱を外輪側に逃がすこ
とを想定する場合、むしろ熱伝導率は小さいことが望ま
しく、この場合、ジルコニア、サイアロンが適当であ
る。いずれにせよ、熱伝導率については、転動体、外輪
との組合せによって判断される。
Furthermore, in order to efficiently release the heat generated by the bearing, it is desirable that the thermal conductivity is large, and silicon carbide and silicon nitride are suitable. However, when it is assumed that heat is released to the outer ring side, it is preferable that the thermal conductivity is rather small. In this case, zirconia and sialon are appropriate. In any case, the thermal conductivity is determined by the combination of the rolling element and the outer ring.

【0032】外輪について 軸受の発熱をできるだけハウジングへ逃すためには、熱
伝導率が大きい炭化珪素、アルミナ、窒化珪素が望まれ
る。特に、内輪にジルコニアを使用した場合、この熱伝
導率の特性は重要である。
Outer ring In order to release heat generated by the bearing to the housing as much as possible, silicon carbide, alumina and silicon nitride having high thermal conductivity are desired. In particular, when zirconia is used for the inner ring, this characteristic of thermal conductivity is important.

【0033】また、温度上昇に対してすきま変化が小さ
いことが望ましく、内輪、転動体に近い熱膨張係数であ
ることが望ましい。ただし、この要求に対する特性の優
先順位は比較的低いものである。この他、破壊靭性が大
きいジルコニア、サイアロン、窒化珪素が望まれる。
Further, it is desirable that the change in the clearance with respect to the temperature rise be small, and that the coefficient of thermal expansion be close to those of the inner ring and the rolling element. However, the priority of the characteristic for this request is relatively low. In addition, zirconia, sialon, and silicon nitride having high fracture toughness are desired.

【0034】以上示したように、アンギュラ玉軸受の要
求に対する特性の優先順位は、転動体、内輪、外輪の順
で高く、これらの要求に対する特性を満足するセラミッ
クス材を整理すると、つぎの通りである。図4は転動
体、内輪および外輪の各必要特性および該当するセラミ
ックス材を表として示す図である。
As described above, the priority order of the characteristics with respect to the requirements of the angular contact ball bearing is higher in the order of the rolling element, the inner ring, and the outer ring, and the ceramic materials satisfying the characteristics with respect to these requirements are arranged as follows. is there. FIG. 4 is a table showing necessary characteristics of the rolling elements, the inner ring and the outer ring, and corresponding ceramic materials.

【0035】上記検討の結果、転動体、内輪、外輪の組
合せとして最適なセラミックス材は、転動体:サイアロ
ン、内輪:ジルコニア、外輪:炭化珪素である。
As a result of the above examination, the most suitable ceramic material as a combination of the rolling element, the inner ring and the outer ring is a rolling element: sialon, an inner ring: zirconia, and an outer ring: silicon carbide.

【0036】つぎに、図4に示すように選定されたセラ
ミックス材からなる転がり軸受をスピンドルに使用した
場合の技術的検討を行う。すなわち、温度上昇による回
転軸と内輪の熱膨張および遠心力による膨張を解析して
検討する。また、軸受すきま(アンギュラ玉軸受の場
合、接触角)についても検討する。ここでは、代表名番
85BNCのアンギュラ玉軸受が用いられる。この軸受
は、外径Do=130φ、内径Di=85φ、ピッチ円
径Dm(P.C.D)=106.357φの寸法を有するも
のである。また、回転数Nは25,000rpm(DmN
値≒260万)である。
Next, a technical study will be made when a rolling bearing made of a ceramic material selected as shown in FIG. 4 is used for a spindle. That is, thermal expansion of the rotating shaft and the inner ring due to temperature rise and expansion due to centrifugal force are analyzed and examined. The bearing clearance (contact angle in the case of an angular contact ball bearing) is also examined. Here, an angular contact ball bearing having a representative name of 85BNC is used. This bearing has dimensions of outer diameter Do = 130φ, inner diameter Di = 85φ, and pitch circle diameter Dm (PCD) = 106.357φ. The rotation speed N is 25,000 rpm (DmN
Value ≒ 2.6 million).

【0037】[検討1(軸と内輪の熱膨張について)]
まず、回転軸と内輪との熱膨張による締め代の増加につ
いて検討する。温度上昇分をΔT℃とし、回転軸および
内輪の熱膨張率をそれぞれαs,αiとすると、締め代
の増加量δtは数式(1)で表される。
[Study 1 (thermal expansion of shaft and inner ring)]
First, the increase in the interference due to the thermal expansion between the rotating shaft and the inner ring will be examined. Assuming that the temperature rise is ΔT ° C. and the thermal expansion coefficients of the rotating shaft and the inner ring are αs and αi, respectively, the increase δt of the interference is expressed by the following equation (1).

【0038】[0038]

【数1】δt=(αs−αi)Di・ΔT ここで、材質が鋼である回転軸の熱膨張率αsは12.
5×10-6/℃である。また、材質がジルコニアである
内輪の熱膨張率αiは10.5×10-6/℃である。材
質がアルミナである内輪の熱膨張率αiは8.1×10
-6/℃である。
Δt = (αs−αi) Di · ΔT Here, the thermal expansion coefficient αs of the rotating shaft made of steel is 12.
5 × 10 −6 / ° C. The thermal expansion coefficient αi of the inner ring made of zirconia is 10.5 × 10 −6 / ° C. The thermal expansion coefficient αi of the inner ring made of alumina is 8.1 × 10
−6 / ° C.

【0039】したがって、温度上昇による締め代の増加
量δtは、ジルコニアの場合、2.1×10-4ΔT(m
m)であり、アルミナの場合、3.7×10-4ΔT(m
m)である。
Therefore, in the case of zirconia, the increase δt of the interference due to the temperature rise is 2.1 × 10 −4 ΔT (m
m), and 3.7 × 10 −4 ΔT (m
m).

【0040】つぎに、締め代の増加量δtにより発生す
る内輪の円周方向の応力σtθ(最大応力σtθma
x)を算出する。すなわち、内輪の径方向に内圧Paが
作用した際、内輪の円周方向の応力σtθmaxは、内
輪の内径aと外径bの比k(=b/a)とすると、数式
(2)で表される。
Next, the circumferential stress σtθ (maximum stress σtθma) of the inner ring caused by the increase in the interference δt.
x) is calculated. That is, when the internal pressure Pa acts in the radial direction of the inner ring, the stress σtθmax in the circumferential direction of the inner ring is expressed by Expression (2) assuming that the ratio k (= b / a) between the inner diameter a and the outer diameter b of the inner ring. Is done.

【0041】[0041]

【数2】 σtθmax=Pa・(k2+1)/(k2−1) また、内圧Paは数式(3)により求められる。Σtθmax = Pa · (k 2 +1) / (k 2 −1) Further, the internal pressure Pa is obtained by Expression (3).

【0042】[0042]

【数3】 (Equation 3)

【0043】ここで、鋼の縦弾性係数Eb=2.08×
104kg/mm2、ジルコニアの縦弾性係数Ea=2.
1×104kg/mm2、アルミナの縦弾性係数Ea=
3.90×104kg/mm2であり、また、ポアソン比
νa,νb=0.3である。
Here, the modulus of longitudinal elasticity of steel Eb = 2.08 ×
10 4 kg / mm 2 , the modulus of longitudinal elasticity of zirconia Ea = 2.
1 × 10 4 kg / mm 2 , alumina longitudinal modulus Ea =
3.90 × 10 4 kg / mm 2 , and Poisson's ratio νa, νb = 0.3.

【0044】数式(2)、(3)により内輪の応力は、
ジルコニアの場合、5.20×10 -2ΔT(kg/mm
2)、アルミナの場合、18.9×10-2ΔT(kg/
mm2)となる。
According to equations (2) and (3), the stress of the inner ring is
5.20 × 10 for zirconia -2ΔT (kg / mm
Two), 18.9 × 10 for alumina-2ΔT (kg /
mmTwo).

【0045】軸受温度の上昇分ΔT=100℃では、ジ
ルコニアの強度100kg/mm2に対し、5.2kg
/mm2であり、アルミナの強度60kg/mm2に対
し、18.9kg/mm2であるので、両方の材質とも
120℃での使用(ΔT=100℃に相当)に十分耐え
ることができる。
At a bearing temperature increase ΔT = 100 ° C., 5.2 kg for zirconia strength of 100 kg / mm 2 .
/ Mm 2, to strength 60 kg / mm 2 of alumina, because it is 18.9 kg / mm 2, both the material can be sufficiently withstand use at 120 ° C. ([Delta] T = equivalent to 100 ° C.).

【0046】また、内輪の外径の膨張量δt2は、内輪
の熱膨張量と締め代による膨張量との和であるので、ジ
ルコニア、アルミナの場合、それぞれ1.19×ΔT
(μmφ)、1.11×ΔT(μmφ)となる。
The expansion amount δt2 of the outer diameter of the inner ring is the sum of the amount of thermal expansion of the inner ring and the amount of expansion due to interference, and in the case of zirconia and alumina, respectively, 1.19 × ΔT
(Μmφ), and 1.11 × ΔT (μmφ).

【0047】図5はジルコニア、アルミナにおける内輪
の外径の熱膨張量δt2、内輪の径方向の応力の最大値
σtθmaxの温度上昇ΔTに対する変化を示すグラフ
である。
FIG. 5 is a graph showing changes in the thermal expansion amount δt2 of the outer diameter of the inner ring and the maximum value σtθmax of the stress in the radial direction of the inner ring with respect to the temperature rise ΔT in zirconia and alumina.

【0048】[検討2(軸と内輪の遠心力による膨張に
ついて)]つぎに、遠心力による内輪の締め代の増加量
δc1、内輪の円周方向の応力σθmax、内輪の外径
の膨張量δc2は、それぞれ数式(4)、(5)、
(6)で求められる。
[Study 2 (Expansion of Shaft and Inner Ring by Centrifugal Force)] Next, the increase in interference of the inner ring due to centrifugal force δc1, the stress σθmax in the circumferential direction of the inner ring, and the expansion amount δc2 of the outer diameter of the inner ring Are the equations (4), (5),
Required by (6).

【0049】[0049]

【数4】 (Equation 4)

【0050】[0050]

【数5】 (Equation 5)

【0051】[0051]

【数6】 (Equation 6)

【0052】ここで、ρa:内輪材料の質量(ジルコニ
アの場合、6.12×10-10kg・sec2/mm2
ルミナの場合、3.98×10-10kg・sec2/mm
2)、ρb:軸材料の質量(7.96×10-10kg・s
ec2/mm2)、角速度ω:2.62×103rad/
sec at 25,000rpm、内輪材料の縦弾性
係数Ea:2.08×104kg/mm2 、軸材料の縦弾
性係数Eb:2.10×104kg/mm2、内輪の内径
a:42.5mm、内輪の外径b:49.5mm、ポア
ソン比νa=νb=0.3である。
Here, ρa: mass of inner ring material (6.12 × 10 −10 kg · sec 2 / mm 2 for zirconia, 3.98 × 10 −10 kg · sec 2 / mm 2 for alumina)
2 ), ρb: mass of shaft material (7.96 × 10 −10 kg · s)
ec 2 / mm 2 ), angular velocity ω: 2.62 × 10 3 rad /
sec at 25,000 rpm, modulus of longitudinal elasticity Ea of inner ring material: 2.08 × 10 4 kg / mm 2 , modulus of longitudinal elasticity Eb of shaft material: 2.10 × 10 4 kg / mm 2 , inner diameter of inner ring a: 42 0.5 mm, outer diameter b of the inner ring: 49.5 mm, and Poisson's ratio νa = νb = 0.3.

【0053】これにより、遠心力による内輪の締め代の
増加量δc1は、ジルコニア、アルミナの場合、それぞ
れ−36.5μmφ、−8.2μmφとなる。
As a result, the increase δc1 in the interference of the inner ring due to the centrifugal force is −36.5 μmφ and −8.2 μmφ in the case of zirconia and alumina, respectively.

【0054】また、内輪の内径方向に発生する円周方向
の応力σcθmaxは、ジルコニア、アルミナの場合、
それぞれ18.6kg/mm2、12.2kg/mm2
ある。
Further, in the case of zirconia and alumina, the circumferential stress σcθmax generated in the inner diameter direction of the inner ring is as follows.
They are 18.6 kg / mm 2 and 12.2 kg / mm 2 , respectively.

【0055】さらに、内輪の外径の膨張量δc2は、ジ
ルコニア、アルミナの場合、それぞれ42.4μmφ、
14.9μmφとなる。
The expansion amount δc2 of the outer diameter of the inner ring is 42.4 μmφ for zirconia and alumina, respectively.
It becomes 14.9 μmφ.

【0056】[検討3(軸と内輪の締め代および応力の
まとめ)]上記計算値を整理すると、内輪がジルコニ
ア、アルミナである場合、それぞれ以下に示す通りであ
る。 (a)温度上昇ΔTによる膨張の場合 内輪の内径の円周方向の最大応力σtθmax=5.2
0×10-2×ΔT(kg/mm2)、18.9×10-2
×ΔT(kg/mm2) 締め代の増加量δt=0.17×ΔT(μm)、0.0
37×ΔT(μm) 内輪の外径膨張量δt2=1.19×ΔT(μm)、
1.11×ΔT(μm) (b)遠心力による膨張の場合、 内輪の内径の円周方向の最大応力σcθmax=18.
6(kg/mm2)、12.2(kg/mm2) 締め代の増加量δc1=−36.5μmφ、−8.2μ
mφ 内輪の外径膨張量δc2=42.4μmφ、14.9μ
mφ 実際のスピンドルでは、最高回転数、最高軸受温度で締
め代の存在が必要である。このとき、締め代は温度上昇
により増大し、回転の増加とともに減少することにな
る。マシニングセンタでは、常に最高回転数と回転停止
との間の動作が繰り返される。図6は最高回転数と回転
停止との間で動作を繰り返す際の軸受温度および締め代
の時間変化を示すグラフである。
[Study 3 (Summary of Interlock and Stress between Shaft and Inner Ring)] The above calculated values are summarized below when the inner ring is made of zirconia and alumina. (A) In case of expansion due to temperature rise ΔT Maximum stress σtθmax in the circumferential direction of the inner diameter of the inner ring = 5.2
0 × 10 −2 × ΔT (kg / mm 2 ), 18.9 × 10 −2
× ΔT (kg / mm 2 ) Increase in interference δt = 0.17 × ΔT (μm), 0.0
37 × ΔT (μm) The amount of expansion of the outer diameter of the inner ring δt2 = 1.19 × ΔT (μm),
1.11 × ΔT (μm) (b) In the case of expansion due to centrifugal force, the maximum stress σcθmax in the circumferential direction of the inner diameter of the inner ring = 18.
6 (kg / mm 2 ), 12.2 (kg / mm 2 ) Increase in interference δc1 = −36.5 μmφ, −8.2 μ
mφ Outer diameter expansion amount of inner ring δc2 = 42.4 μmφ, 14.9 μm
mφ In the actual spindle, it is necessary to have an interference at the maximum rotation speed and the maximum bearing temperature. At this time, the interference increases with an increase in temperature, and decreases with an increase in rotation. In the machining center, the operation between the maximum rotation speed and the rotation stop is always repeated. FIG. 6 is a graph showing the change over time in the bearing temperature and interference when the operation is repeated between the maximum rotation speed and the rotation stop.

【0057】図中A点(温度上昇0、回転数最大の近
傍)で締め代を確保し、図中B点(温度上昇最大、回転
数0の近傍)で締め代が最大となる。このことは、A点
(常温)での締め代は遠心力による締め代減少分を与え
ておいた値となり、B点での締め代は温度上昇による締
め代増加分と遠心力による締め代増加分を加えた値とな
る。尚、内輪の内径応力の変化および内輪の外径寸法の
変化においても同様である。
The interference is ensured at point A (near the temperature rise and rotation speed maximum) in the figure, and the interference is maximized at the point B (near the temperature rise maximum and rotation speed 0) in the figure. This means that the interference at point A (normal temperature) is a value that gives the decrease in interference due to centrifugal force, and the interference at point B is an increase in interference due to temperature rise and an increase in interference due to centrifugal force. The value is obtained by adding minutes. The same applies to a change in the inner diameter stress of the inner ring and a change in the outer diameter dimension of the inner ring.

【0058】温度上昇ΔT=50℃として、A点、B点
における締め代増加量、最大応力、外径膨張量を計算す
ると、以下の通りである。ただし、A点での最小すきま
を0としている。
Assuming that the temperature rise ΔT = 50 ° C., the increase in the interference at the points A and B, the maximum stress, and the expansion of the outer diameter are as follows. However, the minimum clearance at point A is set to zero.

【0059】(a)A点: 締め代増加量δt=36.5μmφ(ジルコニア)、
8.2μmφ(アルミナ) 最大応力σθmax=11.2kg/mm2(ジルコニ
ア)、4.2kg/mm2(アルミナ) 内輪の外径膨張量δt2=33.1μmφ(ジルコニ
ア)、6.9μmφ(アルミナ) (b)B点: 締め代増加量δt=45.0μmφ(ジルコニア)、2
6.7μmφ(アルミナ) 最大応力σθmax=25.9kg/mm2(ジルコニ
ア)、24.8kg/mm2(アルミナ) 内輪の外径膨張量δt2=102μmφ(ジルコニ
ア)、74.1μmφ(アルミナ) このように、A点、B点における最大応力は、ジルコニ
アの場合、その破壊強度(100kg/mm2)よりも
かなり下回っており、また、アルミナの場合も、その破
壊強度(60kg/mm2)より下回っており、ジルコ
ニア、アルミナのいずれを使用した場合、ともに破壊に
は至らない。アルミナを使用した場合、破壊強度の約1
/2以下の応力しか生じない。また、温度上昇ΔT=1
00℃の場合(使用温度120℃に相当)でも、ジルコ
ニアの場合、その最大応力は28.5(kg/mm2
であり、アルミナの場合、その最大応力は34.1(k
g/mm2)であるので、十分に耐えることができる。
(A) Point A: Increase in interference δt = 36.5 μmφ (zirconia),
8.2 μmφ (alumina) Maximum stress σθmax = 11.2 kg / mm 2 (zirconia), 4.2 kg / mm 2 (alumina) Outer diameter expansion of inner ring δt2 = 33.1 μmφ (zirconia), 6.9 μmφ (alumina) (B) Point B: Increase in interference δt = 45.0 μmφ (zirconia), 2
6.7 μmφ (alumina) Maximum stress σθmax = 25.9 kg / mm 2 (zirconia), 24.8 kg / mm 2 (alumina) Outer diameter expansion of inner ring δt2 = 102 μmφ (zirconia), 74.1 μmφ (alumina) In addition, the maximum stress at the points A and B is much lower than the fracture strength (100 kg / mm 2 ) in the case of zirconia, and lower than the fracture strength (60 kg / mm 2 ) in the case of alumina. When either zirconia or alumina is used, neither is destroyed. When alumina is used, the breaking strength is about 1
/ 2 or less. Also, the temperature rise ΔT = 1
Even in the case of 00 ° C. (corresponding to an operating temperature of 120 ° C.), in the case of zirconia, the maximum stress is 28.5 (kg / mm 2 ).
In the case of alumina, the maximum stress is 34.1 (k
g / mm 2 ), so it can withstand sufficiently.

【0060】また、内輪の外径寸法の変化は、ジルコニ
アの場合で68.1μmφ、アルミナの場合で66.2
μmφであり、ともに変化量が大きい。これは、ジルコ
ニアでは、遠心力による膨張量が大きく、温度上昇によ
る膨張量が小さい一方、アルミナでは、遠心力による膨
張量が小さく、温度上昇による膨張量が大きいことによ
り、ほぼ同じ値となった。
The change in the outer diameter of the inner ring was 68.1 μmφ in the case of zirconia and 66.2 in the case of alumina.
μmφ, and both have large amounts of change. This is because, in zirconia, the expansion due to centrifugal force is large and the expansion due to temperature rise is small, while in alumina, the expansion due to centrifugal force is small and the expansion due to temperature rise is almost the same value. .

【0061】[検討4(軸受すきまの変化(接触
角))]軸受すきま(接触角)の変化について検討す
る。 (イ)遠心力による内輪みぞ(外径)の膨張量は、前述
した数式(6)に従って回転数N=25,000rpm
で算出されるように、ジルコニアの場合、42.4μm
φ、アルミナの場合、14.9μmφである。 (ロ)温度上昇によるすきまの変化には、外輪みぞ径と
転動体の膨張(×2倍)の変化が関係する。ここで、転
動体径9.525φ、外輪みぞ径Doi=115.89
6φであり、外輪の材質を炭化珪素とした場合、その熱
膨張率αは4.2×10-6/℃であり、転動体の材質を
サイアロンとした場合、その熱膨張率αは1.6×10
-6/℃である。
[Study 4 (Change in Bearing Clearance (Contact Angle))] The change in bearing clearance (contact angle) will be examined. (A) The amount of expansion of the inner groove (outer diameter) due to the centrifugal force is determined by the rotational speed N = 25,000 rpm according to the aforementioned equation (6).
42.4 μm in the case of zirconia as calculated by
φ, in the case of alumina, 14.9 μmφ. (B) The change in the clearance due to the temperature rise is related to the change in the outer ring groove diameter and the expansion (× 2) of the rolling element. Here, the rolling element diameter is 9.525, and the outer ring groove diameter is Doi = 115.89.
When the material of the outer ring is silicon carbide, the coefficient of thermal expansion α is 4.2 × 10 −6 / ° C., and when the material of the rolling elements is sialon, the coefficient of thermal expansion α is 1. 6 × 10
−6 / ° C.

【0062】したがって、外輪が炭化珪素である場合、
温度上昇によるすきまの変化量δ1は、内輪がジルコニ
ア(熱膨張率α=1.19×10-3)のとき、δ1=
4.2×10-6×115.896×ΔT−1.6×10
-6×9.525×2×ΔT−1.19×10-3×ΔT=
−0.733×10-3×ΔTであり、内輪がアルミナの
とき、δ1=−0.653×10-3×ΔTである。
Therefore, when the outer ring is made of silicon carbide,
When the inner ring is made of zirconia (coefficient of thermal expansion α = 1.19 × 10 −3 ), the amount of change δ1 in the clearance due to temperature rise is δ1 =
4.2 × 10 -6 × 115.896 × ΔT-1.6 × 10
-6 * 9.525 * 2 * [Delta] T-1.19 * 10 < -3 > * [Delta] T =
−0.733 × 10 −3 × ΔT, and when the inner ring is alumina, δ1 = −0.653 × 10 −3 × ΔT.

【0063】また、外輪がアルミナである場合、同様
に、温度上昇によるすきまの変化量δ2は、内輪がジル
コニアのとき、δ2=−0.293×10-3×ΔTであ
り、内輪がアルミナのとき、δ2=−0.213×10
-3×ΔTである。
Similarly, when the outer race is made of alumina, the variation δ2 in the clearance due to the temperature rise is δ2 = −0.293 × 10 −3 × ΔT when the inner race is made of zirconia, and the inner race is made of alumina. Where δ2 = −0.213 × 10
−3 × ΔT.

【0064】したがって、ΔT=50℃、内輪がジルコ
ニアのとき、温度上昇によるすきまの変化量δ1、δ2
は次のようになる。尚、()内は内輪がアルミナの場合
である。
Therefore, when ΔT = 50 ° C. and the inner ring is made of zirconia, the amount of change in the clearance δ1, δ2 due to the temperature rise
Is as follows. In addition, () shows the case where the inner ring is made of alumina.

【0065】 δ1=−36.7μmφ(−32.7μmφ) δ2=−14.7μmφ(−10.7μmφ) ここで、軸受の幾何学すきまδo=23〜33μmφ、
接触角α=15゜である。尚、転動体の材質が、窒化珪
素でもすきまの変化量δ1、δ2は同じ値とみなせる。
Δ1 = −36.7 μmφ (−32.7 μmφ) δ2 = −14.7 μmφ (−10.7 μmφ) Here, the geometrical clearance of the bearing δo = 23 to 33 μmφ,
The contact angle α = 15 °. Even if the material of the rolling element is silicon nitride, the change amounts δ1 and δ2 of the clearance can be regarded as the same value.

【0066】以上示した計算結果から、最も適切なセラ
ミックス材の組合せは、次の通りである。
From the above calculation results, the most suitable combination of ceramic materials is as follows.

【0067】転動体:サイアロンまたは窒化珪素 内輪:アルミナ 外輪:アルミナ このとき、遠心力によるすきまの変化は、前述したよう
に、14.9μmφ(N=25000rpm)、軸受の
温度上昇によるすきまの変化は、前述したように、−1
0.7μmφである(ΔT=50℃)。内輪および外輪
がアルミナである場合、熱膨張係数、ヤング率、密度、
強度はそれぞれバランスのとれた中間値である。
Roller: Sialon or silicon nitride Inner ring: Alumina Outer ring: Alumina At this time, as described above, the change in the clearance due to the centrifugal force is 14.9 μmφ (N = 25000 rpm), and the change in the clearance due to the temperature rise of the bearing is as follows. , As described above, -1
0.7 μmφ (ΔT = 50 ° C.). When the inner and outer rings are made of alumina, the coefficient of thermal expansion, Young's modulus, density,
The intensities are each a balanced intermediate value.

【0068】しかし、すきまの変化は、14.9+1
0.7=25.6μmφであり、ほぼ幾何学すきまと同
等であるので、温度上昇、遠心力を考慮して、最初のね
らいのすきまを定めておく必要がある。
However, the change in the clearance is 14.9 + 1.
Since 0.7 = 25.6 μmφ, which is almost equivalent to the geometric clearance, it is necessary to determine the initial clearance in consideration of temperature rise and centrifugal force.

【0069】[検討5(適正すきまの設計)]図7は適
正すきまの設計を示す図である。適正すきまδoは、数
式(7)で表される。
[Study 5 (Design of Appropriate Clearance)] FIG. 7 is a diagram showing a design of an appropriate clearance. The appropriate clearance δo is represented by Expression (7).

【0070】[0070]

【数7】δo=2×(Δo+Δi) =2×(ro+ri−d)(1−cosα) ここで、ro=ri=4.97、d=9.525を用い
ると、数式(7)は、δo=0.830×(1−cos
α)となる。接触角αに対する適正すきまδoは次の通
りである。すなわち、接触角αが10゜ ,15゜ ,
20゜ ,25゜ ,30゜,35゜のとき、すきまδ
oはそれぞれ12.6,28.3,50.1,77.
8,111,150である。
Δo = 2 × (Δo + Δi) = 2 × (ro + ri−d) (1-cosα) Here, using ro = ri = 4.97 and d = 9.525, the equation (7) becomes: δo = 0.830 × (1-cos
α). The appropriate clearance δo for the contact angle α is as follows. That is, when the contact angle α is 10 °, 15 °,
Clearance δ at 20 ゜, 25 ゜, 30 ゜, 35δ
o are 12.6, 28.3, 50.1, and 77., respectively.
8, 111, and 150.

【0071】図8はすきまδoと接触角αとの関係を示
すグラフである。最小すきまの時(最高昇温、最高回転
数)を設計すきま28.3μm、接触角α=15゜とす
ると、最大すきま53.9(=28.3+25.6)μ
mの時(昇温0、回転数0)、接触角α=21゜とな
る。接触角α=21゜〜15゜は、アンギュラ玉軸受と
して、一般的な値であり、特に問題がない。
FIG. 8 is a graph showing the relationship between the clearance δo and the contact angle α. When the minimum clearance (maximum temperature rise, maximum rotation speed) is the design clearance 28.3 μm and the contact angle α = 15 °, the maximum clearance 53.9 (= 28.3 + 25.6) μ
When m (temperature rise, rotation speed 0), the contact angle α = 21 °. The contact angle α = 21 ° to 15 ° is a general value for an angular ball bearing, and there is no particular problem.

【0072】図中、温度変化ΔT=50゜、N=250
00rpmの遠心力を受けたときの接触角α=15゜か
らのすきまの変化点A’は、内輪:ジルコニア、外輪:
炭化珪素、転動体:サイアロンの場合である。また、変
化点Aは内輪:アルミナ、外輪:アルミナ、転動体:サ
イアロンの場合である。いずれも接触角α=15゜〜2
9.4゜までの範囲内で変化している。ただし、これだ
けの接触角の変化に対しては、定圧予圧方式にすること
で使用可能である。したがって、図4に示す材質の組合
せは全て使用可能である。
In the figure, temperature change ΔT = 50 °, N = 250
The change point A 'of the clearance from the contact angle α = 15 ° when receiving the centrifugal force of 00 rpm is as follows: inner ring: zirconia, outer ring:
Silicon carbide, rolling element: Sialon. The change point A is the case where the inner ring is alumina, the outer ring is alumina, and the rolling element is sialon. Contact angle α = 15 ° ~ 2
It changes within the range up to 9.4 °. However, such a change in the contact angle can be used by using a constant pressure preload method. Therefore, all combinations of materials shown in FIG. 4 can be used.

【0073】[検討6(遠心力による外輪みぞと転動体
との接触応力)]遠心力による外輪みぞと転動体との接
触応力について検討する。図9は遠心力による外輪みぞ
との転動体との接触応力の関係を示す図である。転動体
に作用する遠心力をFeとすると、遠心力Feは数式
(8)で表される。
[Study 6 (Contact Stress between Outer Ring Groove and Rolling Element Due to Centrifugal Force)] The contact stress between the outer ring groove and the rolling element due to centrifugal force will be examined. FIG. 9 is a view showing the relationship between the contact stress between the outer ring groove and the rolling element due to centrifugal force. Assuming that the centrifugal force acting on the rolling elements is Fe, the centrifugal force Fe is expressed by the following equation (8).

【0074】[0074]

【数8】Fe=m・Dm/2・(2π・Nm)2 ここで、mは転動体の質量、Dmは軸受のピッチ円径、
ρは転動体の密度である。転動体の材質をサイアロン
(窒化珪素)とすると、密度ρは3.2(3.3)であ
る。また、軸受の寸法より、軸受のピッチ円径Dm=1
06.357φ、転動体の直径d=9.525、接触角
α=15゜〜20゜、回転数N=25000rpmであ
る。したがって、遠心力Fe=11.2kgとなる。
Fe = m · Dm / 2 · (2π · Nm) 2 where m is the mass of the rolling element, Dm is the pitch circle diameter of the bearing,
ρ is the density of the rolling elements. If the material of the rolling elements is sialon (silicon nitride), the density ρ is 3.2 (3.3). Also, from the bearing dimensions, the bearing pitch diameter Dm = 1.
06.357φ, the diameter d of the rolling element d = 9.525, the contact angle α = 15 ° to 20 °, and the rotation speed N = 25000 rpm. Therefore, the centrifugal force Fe = 11.2 kg.

【0075】また、遠心力による軸受接触点荷重成分Q
は、Q=Fe/cosα=11.9kg(α=20゜)
である。この荷重成分Qによる接触点での接触楕円の最
大応力σmaxを数式(9)により求める。ここで、2
aは接触楕円の長径であり、2bは接触楕円の短径であ
る。
Also, the load component Q at the bearing contact point due to centrifugal force
Is: Q = Fe / cos α = 11.9 kg (α = 20 °)
It is. The maximum stress σmax of the contact ellipse at the contact point due to the load component Q is obtained by Expression (9). Where 2
a is the major axis of the contact ellipse, and 2b is the minor axis of the contact ellipse.

【0076】[0076]

【数9】σmax=3Q/2πab さらに、外輪みぞ直径115.896μmφ、外輪みぞ
半径4.97R、転動体の直径d=9.525より、数
式(9)は数式(10)となる。
Σmax = 3Q / 2πab Further, from the outer ring groove diameter 115.896 μmφ, the outer ring groove radius 4.97R, and the rolling element diameter d = 9.525, Expression (9) becomes Expression (10).

【0077】[0077]

【数10】 (Equation 10)

【0078】転動体の材質が窒化珪素、外輪の材質がア
ルミナである場合、窒化珪素の縦弾性係数EI、ポアソ
ン比1/mIはそれぞれ3.00×104(kg/m
2)、03であり、アルミナの縦弾性係数EII、ポア
ソン比1/mIIはそれぞれ3.90×104(kg/m
2)、0.3であるので、最大応力σmaxは137
kg/mm2となる。また、転動体の材質が窒化珪素、
外輪の材質が炭化珪素である場合、同様にして、炭化水
素の縦弾性係数EII、ポアソン比1/mIIはそれぞれ
3.00×104(kg/mm2)、0.3であるので、
最大応力σmaxは107kg/mm2となる。
When the material of the rolling element is silicon nitride and the material of the outer ring is alumina, the longitudinal elastic modulus E I and Poisson's ratio 1 / m I of silicon nitride are 3.00 × 10 4 (kg / m 2).
m 2 ) and 03, and the longitudinal elastic modulus E II and the Poisson's ratio 1 / m II of alumina are 3.90 × 10 4 (kg / m 2 ), respectively.
m 2 ) and 0.3, the maximum stress σmax is 137
kg / mm 2 . The material of the rolling element is silicon nitride,
When the material of the outer ring is silicon carbide, similarly, the longitudinal elastic modulus E II and the Poisson's ratio 1 / m II of the hydrocarbon are 3.00 × 10 4 (kg / mm 2 ) and 0.3, respectively. ,
The maximum stress σmax is 107 kg / mm 2 .

【0079】このように、最大応力σmaxは107〜
137kg/mm2の範囲にあり、この範囲の値は軸受
鋼でも実績のある値であり、特に問題は生じない。
As described above, the maximum stress σmax is 107〜
It is in the range of 137 kg / mm 2 , and the value in this range is a proven value for bearing steel, and no particular problem occurs.

【0080】[まとめ]このように、本実施形態では、
図4に示すセラミックス材の組合せからなる転がり軸受
に対し、軸径85φ、DmN値260万のアンギュラ玉
軸受を想定して技術計算を行って検討したが、数値的に
は問題がなく、より高いDmN値300万以上でも使用
可能である。
[Summary] As described above, in this embodiment,
For the rolling bearing composed of a combination of ceramic materials shown in FIG. 4, technical calculations were conducted assuming an angular ball bearing with a shaft diameter of 85φ and a DmN value of 2.6 million. It can be used with a DmN value of 3,000,000 or more.

【0081】したがって、図4に示すセラミックス材を
使用したセラミック組合せ転がり軸受は、高速スピンド
ル用の軸受として要求される特性を満たすことができ
る。
Therefore, the ceramic combination rolling bearing using the ceramic material shown in FIG. 4 can satisfy the characteristics required as a bearing for a high-speed spindle.

【0082】[0082]

【発明の効果】本発明によれば、前述したセラミックス
材を用いて転動体、内輪および外輪を構成したので、互
いに転がる材質が異なるため、転がり摩擦が少なく、温
度上昇そのものを抑えることができる。さらに、高速ス
ピンドルに使用しても、軸と内輪との熱膨張および遠心
力による膨張の差によって、内輪が破壊強度に達するこ
とは生じない。
According to the present invention, since the rolling element, the inner ring and the outer ring are formed using the above-described ceramic material, the rolling materials are different from each other, so that the rolling friction is small and the temperature rise itself can be suppressed. Furthermore, even when used for a high-speed spindle, the inner ring does not reach breaking strength due to the difference between the thermal expansion of the shaft and the inner ring and the expansion due to centrifugal force.

【0083】また、発熱に対して熱の流れを考慮した材
質にしているので、温度上昇そのものを抑えることがで
きる。例えば、外輪の材質に炭化珪素を使用した場合、
熱伝導度は軸受鋼の1.6〜4倍であり、窒化アルミを
使用した場合、軸受鋼の6倍である。したがって、オイ
ルミスト、オイルエアーでも十分に高速回転可能であ
る。
Further, since the material is made in consideration of the heat flow with respect to heat generation, the temperature rise itself can be suppressed. For example, when silicon carbide is used for the material of the outer ring,
Thermal conductivity is 1.6 to 4 times that of bearing steel, and 6 times that of bearing steel when aluminum nitride is used. Therefore, it is possible to sufficiently rotate at high speed even with oil mist and oil air.

【0084】さらに、内輪から回転軸への熱の流れを少
なくしているので、軸の伸びを小さくするすることがで
き、工作機械では、工具先端位置の変化が少なくなり、
高精度な加工を実現できる。特に、ビルトインモータ駆
動方式のスピンドルに適用する場合、軸受の潤滑用とは
別系統の入口用貫通孔および出口用貫通孔を、ロータ両
端近くのハウジングに設け、ロータおよびステータ間に
室温以下(例えば、マイナス30℃)に冷却された空気
を流すことで発熱を抑えることが可能である。このよう
に、軸受の他にもう1つの熱源であるビルトインモータ
のロータの発熱を室温以下の空気で冷却することによ
り、回転軸の温度上昇を抑えることができる。この場
合、冷却空気は工具取付側から入れることが好ましく、
工具側の回転軸の温度上昇による伸びのため、工具位置
が変化することは抑えられる。
Further, since the flow of heat from the inner ring to the rotating shaft is reduced, the elongation of the shaft can be reduced.
High-precision processing can be realized. In particular, when applied to a spindle of a built-in motor drive system, an inlet through-hole and an outlet through-hole of a different system from that for lubrication of the bearing are provided in a housing near both ends of the rotor, and a room temperature or lower (for example, , Minus 30 ° C.), it is possible to suppress heat generation by flowing air cooled to −30 ° C.). As described above, the heat generated by the rotor of the built-in motor, which is another heat source other than the bearing, is cooled by the air at room temperature or lower, whereby the temperature increase of the rotating shaft can be suppressed. In this case, the cooling air is preferably introduced from the tool mounting side,
Due to the elongation of the rotary shaft on the tool side due to the temperature rise, the change in the tool position is suppressed.

【0085】このように、本発明のセラミック組合せ転
がり軸受は、高速スピンドル用の軸受に要求される特性
を満たすことができる。
As described above, the ceramic combination rolling bearing of the present invention can satisfy the characteristics required for a bearing for a high-speed spindle.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】アンギュラ玉軸受を使用したビルトインモータ
駆動方式のスピンドルの構造を示す断面図である。
FIG. 1 is a sectional view showing the structure of a spindle of a built-in motor drive system using an angular ball bearing.

【図2】ビルトインモータ駆動方式のスピンドルにおけ
る潤滑および冷却構造を示す断面図である。
FIG. 2 is a sectional view showing a lubrication and cooling structure in a spindle of a built-in motor drive system.

【図3】各種セラミックス材の特性を表として示す図で
ある。
FIG. 3 is a table showing characteristics of various ceramic materials.

【図4】転動体、内輪および外輪の各必要特性および該
当するセラミックス材を表として示す図である。
FIG. 4 is a table showing required characteristics of rolling elements, inner races and outer races, and corresponding ceramic materials.

【図5】ジルコニア、アルミナにおける内輪の外径の熱
膨張量δt2、内輪の径方向の応力の最大値σtθma
xの温度上昇ΔTに対する変化を示すグラフである。
FIG. 5 shows the thermal expansion amount δt2 of the outer diameter of the inner ring in zirconia and alumina, and the maximum value σtθma of the radial stress of the inner ring.
5 is a graph showing a change in x with respect to a temperature rise ΔT.

【図6】最高回転数と回転停止との間で動作を繰り返す
際の軸受温度および締め代の時間変化を示すグラフであ
る。
FIG. 6 is a graph showing the change over time in the bearing temperature and interference when the operation is repeated between the maximum rotation speed and the rotation stop.

【図7】適正すきまの設計を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing a design of an appropriate clearance.

【図8】すきまδoと接触角αとの関係を示すグラフで
ある。
FIG. 8 is a graph showing a relationship between a clearance δo and a contact angle α.

【図9】遠心力による外輪みぞとの転動体との接触応力
の関係を示す図である。
FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the contact stress between the outer ring groove and the rolling element due to centrifugal force.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11 ハウジング 13、15 アンギュラ玉軸受 13a、15a 外輪 13b、15b 内輪 13c、13c 転動体 18 回転軸 24 ロータ 26 ステータ 51、52、61、65 入口貫通孔 54、55、62、66 出口貫通孔 11 Housing 13, 15 Angular contact ball bearing 13a, 15a Outer ring 13b, 15b Inner ring 13c, 13c Rolling element 18 Rotating shaft 24 Rotor 26 Stator 51, 52, 61, 65 Inlet through hole 54, 55, 62, 66 Outlet through hole

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 転動体、内輪および外輪にセラミックス
材を使用したセラミック組合せ転がり軸受において、 前記転動体に、比較的、密度が小さく、破壊靭性が大き
く、かつ熱衝撃性が大きいサイアロンまたは窒化珪素か
らなるセラミックス材を使用し、 前記内輪に、比較的、熱膨張係数が鋼に近く、熱伝導度
が小さく、かつ破壊強度およびヤング率が大きいジルコ
ニアまたはアルミナからなるセラミックス材を使用し、 前記外輪に、比較的、熱伝導度が大きく、かつ熱膨張係
数が小さい炭化珪素、窒化アルミまたはアルミナからな
るセラミックス材を使用したことを特徴とするセラミッ
ク組合せ転がり軸受。
1. A ceramic combination rolling bearing using a ceramic material for a rolling element, an inner ring and an outer ring, wherein the rolling element has a relatively low density, a high fracture toughness, and a high thermal shock resistance. A ceramic material made of zirconia or alumina having a thermal expansion coefficient relatively close to that of steel, a small thermal conductivity, and a high fracture strength and a large Young's modulus for the inner ring; A ceramic combination rolling bearing using a ceramic material made of silicon carbide, aluminum nitride, or alumina having relatively high thermal conductivity and low thermal expansion coefficient.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003029669A1 (en) * 2001-09-28 2003-04-10 Nsk Ltd. Rolling unit
JP2009109018A (en) * 2008-12-09 2009-05-21 Ntn Corp Rolling bearing
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JP2013170656A (en) * 2012-02-22 2013-09-02 Ntn Corp Preload adjustment structure and preload adjustment method of bearing device

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