JP2003028174A

JP2003028174A - 転がり軸受

Info

Publication number: JP2003028174A
Application number: JP2001218263A
Authority: JP
Inventors: Hirotoshi Miyajima; 裕俊宮島; Hirotsuna Nawamoto; 大綱縄本
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2001-07-18
Filing date: 2001-07-18
Publication date: 2003-01-29

Abstract

(57)【要約】【課題】高速回転に充分に対応でき、工作機械のコン
パクト化や運転経費の削減を可能にする転がり軸受を提
供する。【解決手段】内輪１２と外輪１１との間に、複数のセ
ラミック転動体１３を保持器１４により転動自在に保持
してなり、かつピュアダイヤモンドと、ダイヤモンドラ
イクカーボンと、アモルファスカーボンとを含む微粒子
を含有するグリースを封入したことを特徴とする転がり
軸受１０。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は転がり軸受に関し、
より詳細には、例えば旋盤、ボール盤、中ぐり盤、フラ
イス盤、研削盤、ホーニング盤、超仕上盤、ラップ盤等
で代表される、高速で摺動、回転する工作機械の主軸支
持部等に好適に組み込まれる転がり軸受に関する。

【０００２】

【従来の技術】上記に挙げたような工作機械のスピンド
ルには、主軸支持用に通常転がり軸受が組み込まれてお
り、一般にアンギュラ玉軸受や円筒ころ軸受等が組み合
わされて使用されている。工作機械の加工精度や生産性
は主軸の回転速度に依存するところが大きく、生産性を
高めるためには主軸の回転速度の高速化を図らなければ
ならない。しかし、転がり軸受を高速回転下で使用する
と、軸受の発熱が顕著化したり、遠心力により転動体と
内外輪との間の接触面圧が増大するため、スピンドルの
使用条件は著しく悪化し、結果として、摩耗や焼付き等
に代表される軸受損傷の危険性が高まる。また、高速回
転により発熱も大きくなることから、工作機械の熱変形
が起こる危険性もあり、加工精度への影響もある。

【０００３】このような軸受システムに致命的な事態を
発生させないため、また工作機械全体の熱変形による加
工精度の低下を避けるためにも、高速回転下においては
適切な潤滑方式を選択して主軸支持用転がり軸受におけ
る発熱を極力抑えなければならない。従来では、高速回
転する工作機械の主軸支持用転がり軸受の潤滑には、潤
滑油供給に伴う冷却効果が得られることから、オイルエ
ア潤滑法、ノズルジェット潤滑法、アンダーレース潤滑
法が採用されている。しかし、これらの潤滑方式では、
潤滑油供給装置の導入が不可欠であるため、必然的にそ
のための設置面積が確保されなければならず、工作機械
全体のコンパクト化を妨げてしまう。また、これらの潤
滑方式では、潤滑油を継続的に消費し、しかも潤滑油供
給装置の運転経費も必要であるため、工作機械全体とし
ての運転経費が大きくなる。運転経費の削減のために種
々の対策が講じられているが、ほぼ限界に達している状
況にある。

【０００４】軸受の潤滑方式としてグリースを封入する
方式も一般的であるが、グリースの剪断に起因する軸受
発熱が大きく、上記オイルエア潤滑法等に比べて軸受耐
久性に対する信頼性も低いことから、高速回転を伴う工
作機械の主軸支持用転がり軸受には本質的に不向きの潤
滑方式である。しかしながら、グリース潤滑が実現でき
れば、潤滑油を継続供給する上記各潤滑方式では対応で
きない工作機械のコンパクト化や運転経費の削減等のメ
リットを享受することができる。また、グリース潤滑
は、オイルエア潤滑方式等と異なり、多量に潤滑油を消
費しないため、環境保全に寄与するという利点も有す
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこのような状
況に鑑みてなされたものであり、例えばｄｍｎ１００万
以上という高速回転に充分に対応でき、工作機械のコン
パクト化や運転経費の削減を可能にする転がり軸受を提
供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に係る上記目的
は、内輪と外輪との間に、複数の転動体を保持器により
転動自在に保持してなり、かつピュアダイヤモンドと、
ダイヤモンドライクカーボンと、アモルファスカーボン
とを含む微粒子を含有するグリースを封入したことを特
徴とする転がり軸受により達成される。

【０００７】特に、前記微粒子の含有量をグリース全量
の２〜７質量％とすること、並びに前記微粒子の平均粒
径を４０ｎｍ以下とすることが好ましい。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明に関して詳細に説明
する。

【０００９】本発明の転がり軸受は、構造的には特に制
限されるものではなく、例えば図１に示されるアンギュ
ラ玉軸受１０を例示することができる。図示されるアン
ギュラ玉軸受１０は、外輪１１と内輪１２との間に、複
数の玉１３を保持器１４により転動自在に保持して構成
される。また、玉１３は、窒化珪素や炭化珪素等のセラ
ミック製とすることもできる。

【００１０】本発明においては、外輪１１、内輪１２及
び玉１３で形成される軸受空間には、下記に示す特定の
グリースが封入される。

【００１１】封入グリースにおいて、基油および増ちょ
う剤は特に制限されるものではない。基油としては、例
えば鉱油系や合成油系の各潤滑油等が挙げられる。鉱油
系潤滑油としては、鉱油を減圧蒸留、油剤脱れき、溶剤
抽出、水素化分解、溶剤脱ろう、硫酸洗浄、白土精製、
水素化精製等を、適宜組み合わせて精製したものを用い
ることができる。前記合成油系潤滑基油としては、炭化
水素系油、芳香族基油、エステル系油、エーテル系油等
が挙げられる。前記炭化水素系油としては、ノルマルパ
ラフィン、イソパラフィン、ポリブテン、ポリイソブチ
レン、１−デセンオリゴマー、１−デセンとエチレンコ
オリゴマー等のポリ−α−オレフィン等が挙げられる。
前記芳香族系油としては、モノアルキルナフタレン、ジ
アルキルナフタレン、ポリアルキルナフタレン等のアル
キルナフタレン油等が挙げられる。前記エステル系油と
しては、ジブチルセバケート、ジ−２−エチルヘキシル
セバケート、ジオクチルアジペート、ジイソデシルアジ
ペート、ジトリデシルアジペート、ジトリデシルタレー
ト、メチル・アセチルシノレート等のジエステル油、ト
リオクチルトリメリテート、トリデシルトリメリテー
ト、テトラオクチルピロメリテート等の芳香族エステル
油、トリメチロールプロパンカプリレート、トリメチロ
ールプロパンベラルゴネート、ペンタエリスリトール−
２−エチルヘキサノエート、ペンタエリスリトールベラ
ルゴネート等のポリオールエステル油、炭酸エステル油
等が挙げられる。前記エーテル系油としては、ポリエチ
レングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリエチ
レングリコールモノエーテル、ポリプロピレングリコー
ルモノエーテル等のポリグリコール、あるいはモノアル
キルトリフェニルエーテル、アルキルジフェニルエーテ
ル、ジアルキルジフェニルエーテル、ペンタフェニルエ
ーテル、テトラフェニルエーテル、モノアルキルテトラ
フェニルエーテル、ジアルキルテトラフェニルエーテル
等のフェニルエーテル油等が挙げられる。これらの基油
は、単独または混合物として用いることができる。

【００１２】また、増ちょう剤としては、Ｌｉ，Ｎａ，
Ｂａ，Ｃａ，Ａｌ等から選択される複合金属石けん等の
金属石けん類、ベントン、シリカゲル、ウレア化合物、
ウレア・ウレタン化合物、ウレタン化合物等の非石けん
類を適宜選択して使用できるが、グリースの耐熱性を考
慮するとウレア化合物、ウレア・ウレタン化合物、ウレ
タン化合物または、これらの混合物が好ましい。耐熱性
能や音響特性を考慮すると、ジウレア化合物が特に好ま
しい。また、高速回転用途としては、バリウム複合石け
んが特に望ましく、グリースを形成するのに必要な増ち
ょう剤の量が他の種類のものに比べ比較的多い（グリー
ス全量の約３０重量％）ため基油の保持性能が良く、高
速回転下においても適度の離油特性を持つ。そのため、
回転中に離油した油で軸受外輪部に付着したグリースを
洗い流がしてしまうこともなく、軸受内部に多くのグリ
ースを留めておくことができる。また、増ちょう剤の量
は、上記基油との間でグリースを形成し得る量であれば
特に制限はなく、グリース組成物全量の１０〜３０重量
％が一般的である。

【００１３】本発明においては、上記ベースグリース
に、ピュアダイヤモンドと、ダイヤモンドライクカーボ
ンと、アモルファスカーボンとを含む微粒子を添加す
る。この微粒子は、図２に模式的に示すように、ダイヤ
モンドライクカーボンで覆われたピュアダイヤモンドが
複数個集合し、全体がアモルファスカーボンで包囲され
て一つの粒子を構成しているものであり、以降の説明で
は「クラスターダイヤモンド」という。

【００１４】二硫化モリブデンやグラファイト、ポリテ
トラフルオロエチレン等の固体潤滑剤は、自身が層状に
へき開して潤滑作用を発現するため、柔らかく、相手材
との接触により削られやすい。これに対してクラスター
ダイヤモンドは硬度が高く、削られ難いことから、金属
表面、あるいはセラミック軸受においてはセラミックス
表面の微小凹部に入り込んで表面硬度を高め、耐アブレ
ーション性を向上させる。

【００１５】また、クラスターダイヤモンドは、摩擦係
数が二硫化モリブデンやグラファイト、ポリテトラフル
オロエチレン等の固体潤滑剤と比較して小さいため（約
０．０７〜０．０９）、これらの固体潤滑剤を用いた場
合よりもマイクロベアリング機能が高く、摩擦抵抗を低
減させる。そのため、特に金属軸受の場合、金属同士が
直接接触して起こる凝着摩耗をより確実に防止すること
ができる。

【００１６】上記のような作用をより効果的に発現させ
るためには、クラスターダイヤモンドの平均粒径が４０
ｎｍ以下であることが好ましい。このような超微粒子の
形態を採ることにより、金属表面やセラミックス表面の
微小凹部や摩擦面間に入り込み易くなり、表面の高硬度
化及び摩擦抵抗の低減をより促進することができる。ま
た、超微粒子とすることにより、研磨研削作用がほとん
ど無くなり、軸受の転走面を傷つけることもなくなる。

【００１７】これに対し、クラスターダイヤモンドの粒
径が大きくなるほど、金属やセラミクス表面の微小凹部
や摩擦面間に侵入し難くなり、クラスターダイヤモンド
が有する上記効果が発揮され難くなる。また、クラスタ
ーダイヤモンドの粒径が大きくなると、摩擦面間でのク
ラスターダイヤモンドの剪断発熱が顕著になり、摩擦低
減効果が発揮され難くなることとの相乗効果から、耐久
性に悪影響を及ぼすおそれがある。

【００１８】尚、クラスターダイヤモンドの粒径の下限
は、特に制限されるものではないが、余り微小すぎると
グリース中への分散性が困難になるため、均一分散が維
持できる範囲で適宜選択する。

【００１９】また、クラスターダイヤモンドの含有量
は、グリース全量の２〜７質量％が好ましく、より好ま
しくは３〜５質量％、最も好ましくは３〜４質量％であ
る。含有量が２質量％未満では、上記した表面の高硬度
化や摩擦低減効果が十分に発揮されず、高速回転領域に
おける耐久性が十分でなくなる。

【００２０】一方、含有量が７質量％を超える場合は、
増分に見合う効果の向上が見られず、また相対的に他の
成分の含有量が少なくなり、潤滑性能等に支障をきたす
可能性がある。また、クラスターダイヤモンドが２次凝
集を起こすようになり、グリース中での分散性が悪くな
り、回転性能に悪影響を及ぼす。更には、摩擦面間にお
けるクラスターダイヤモンドの剪断発熱が大きくなり、
潤滑剤の耐荷重性能が低下して高速回転に耐えることが
できなくなる。

【００２１】上記グリースには、必要に応じて酸化防止
剤、防錆剤、油性剤、極圧剤等を添加してもよい。これ
らは何れも公知のもので構わない。これらの添加剤の含
有量は、個別にはグリース全量の０．０５質量％以上、
合計量でグリース全量の０．１５〜１０質量％の範囲と
なることが好ましい。特に、合計量で１０質量％を越え
る場合は、含有量の増加に見合う効果が期待できないば
かりか、相対的に他の成分の含有量が少なくなり、また
グリース中でこれら添加剤が凝集し、トルク上昇等の好
ましくない現象を招くこともある。

【００２２】

【実施例】以下、試験例を挙げて本発明を更に説明する
が、本発明はこれにより何ら制限されるものではない。

【００２３】（試験−１：軸受耐久寿命試験）工作機械
用アンギュラ玉軸受（内径６５ｍｍ、外径１００ｍｍ、
幅１８ｍｍ、窒化珪素球）に、グリースを２．３ｇ（軸
受空間容積の１５％占有）封入して試験軸受を作製し
た。尚、グリースは、４０℃における動粘度が２０ｍｍ
²／ｓのエステル油に、バリウム複合石けんを３０重量
％の割合で配合したベースグリース、並びにこのベース
グリースに添加量を変えてクラスターダイヤモンド（東
洋ドライルーブ（株）製「ＬＵＢＤＩＡ」；平均粒径１
５ｎｍ）を配合して調製したものを使用した。また、何
れのグリースも、混和ちょう度が２８０となるように増
ちょう剤量を調整した。

【００２４】そして、各試験軸受について、図３に示す
試験装置を用い、軸受耐久試験を行った。図示される試
験装置は、背面組み合わせに配設した２つの試験軸受２
０で主軸６を支承し、主軸６が図示しないモータ及び変
速機を介して回転駆動されるスピンドル構造となってい
る。また、試験装置本体２４の軸方向の略中央部であっ
て両試験軸受２０の中間位置には、半径方向の潤滑剤供
給のための貫通孔が設けられており、これにオイルエア
ノズル２１が挿入されている、このオイルエアノズル２
１は、グリースニップルと置き換え可能な構造となって
いる。また、試験装置本体２４には、軸受２０の設定空
間内の空気を排気するための排気路２３が設けられてい
る。更に、試験装置本体２４には、熱電対２５が、その
検知部を試験軸受２０の外輪２０ａと当接させて設置さ
れている。

【００２５】試験は、雰囲気温度２０℃、予圧９８Ｎ、
ｄｍｎ１４０万の条件にて、軸受が焼き付きに至るまで
の時間を測定し、軸受耐久寿命を評価した。結果を図４
に、クラスターダイヤモンド無添加のベースグリースを
封入した試験軸受の寿命に対する相対値で示すが、クラ
スターダイヤモンドを２質量％以上含有させることによ
り、耐久寿命の改善に効果が現れることがわかる。特
に、3〜５質量％の範囲が最も効果的である。また、含
有量が５質量％を超えると、耐久寿命の改善効果が徐々
に弱まる傾向にあり、７質量％を超えると耐久寿命の改
善効果が極く僅かになる。これは、含有量が増加するの
に伴ってクラスターダイヤモンドが２次凝集を起こすよ
うになり、グリース中での分散性が低下するためである
と考えられる。

【００２６】（試験−２：軸受最高回転速度測定）上記
試験−１と同様にして、クラスターダイヤモンドの含有
量の異なるグリースを封入して試験軸受を作製し、クラ
スターダイヤモンドの含有量と軸受最高回転速度との関
係を調べた。試験は図３に示す試験装置を用いて行い、
雰囲気温度２０℃、予圧９８Ｎの条件でスピンドルの回
転速度を５００ｒｐｍずつ段階的に上昇させ、各回転速
度で５０時間放置し、５０時間耐久し得なくなったとき
の回転速度を最高回転速度として求めた。結果を図５
に、クラスターダイヤモンド無添加のベースグリースを
封入した試験軸受の最高回転速度に対する相対値で示す
が、クラスターダイヤモンドを２質量％以上含有させた
場合に回転速度を高める効果が現れている。特に、3〜
４質量％の範囲が最も効果的である。また、含有量が４
質量％を超えると、最高回転速度が徐々に低下する傾向
にあるが、これは、含有量が増加するのに伴って摩擦面
間でのクラスターダイヤモンドの剪断による発熱が大き
くなり、潤滑剤の耐荷重性能が低下するためであると考
えられる。

【００２７】（試験−３：クラスターダイヤモンド粒径
の検証）工作機械用アンギュラ玉軸受（内径６５ｍｍ、
外径１００ｍｍ、幅１８ｍｍ、窒化珪素球）に、グリー
スを２．３ｇ（軸受空間容積の１５％占有）封入して試
験軸受を作製した。尚、グリースは、４０℃における動
粘度が２０ｍｍ²／ｓのエステル油に、バリウム複合石
けんを３０重量％の割合で配合したベースグリース、並
びにこのベースグリースに平均粒径の異なるクラスター
ダイヤモンドを３質量％の割合で配合して調製したもの
を使用した。また、何れのグリースも、混和ちょう度が
２８０となるように増ちょう剤量を調整した。

【００２８】そして、図３に示す試験装置を用いて、雰
囲気温度２０℃、予圧９８Ｎ、ｄｍｎ１４０万の条件に
て試験軸受を回転させて軸受外輪温度を測定した。尚、
軸受外輪温度は、所定回転速度に達した後、十分な時間
（約２時間）放置して外輪温度が変化しなくなった時点
で測定した。結果を図６に、クラスターダイヤモンド無
添加のベースグリースを封入した試験軸受の寿命に対す
る相対値で示すが、クラスターダイヤモンドの平均粒径
が４０ｎｍ以下であれば、回転に伴う発熱が少なく、良
好な回転を実現できることがわかる。粒径が４０ｎｍを
超えるクラスターダイヤモンドを使用した場合、摩擦面
において研磨剤としての機能が発現し、それに随伴して
発熱が生じる。また、摩擦面間におけるクラスターダイ
ヤモンド自身の剪断による発熱も著しくなる。以上２つ
の現象の相乗効果により軸受の発熱低減効果は失われ
る。

【００２９】以上の各試験結果から、本発明に使用され
るグリースにおける、クラスターダイヤモンドの含有量
及び平均粒径の好ましい範囲を示すと、図７のようにな
る。即ち、クラスターダイヤモンドの平均粒径は４０ｎ
ｍ以下であり、含有量は２〜７質量％、好ましくは３〜
５質量％、最も好ましくは３〜４質量％であり、この範
囲を満足するようにクラスターダイヤモンドをグリース
に添加することにより、特に高速回転で使用されるよう
な転がり軸受の耐久寿命を改善することが可能になる。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、クラスターダイヤ
モンドを含有するグリースを封入した転がり軸受は、高
速回転下での軸受寿命の向上と発熱の抑制とが可能にな
り、旋盤、ボール盤、中ぐり盤、フライス盤、研削盤、
ホーニング盤、超仕上盤、ラップ盤等の高速で摺動、回
転する工作機械の主軸支持部に組み込まれる転がり軸受
として好適である。しかも、オイルエア潤滑法等のよう
に潤滑油を連続して供給する方式と異なり、グリースを
封入して使用できるため、運転コストの削減、省スペー
ス化も可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る転がり軸受の一実施形態であるア
ンギュラ玉軸受を示す断面図である。

【図２】クラスターダイヤモンドを示す模式図である。

【図３】試験に用いた装置の構成を示す断面図である。

【図４】試験−１で得られた、グリース中のクラスター
ダイヤモンドの含有量と軸受耐久寿命との関係を示すグ
ラフである。

【図５】試験−２で得られた、グリース中のクラスター
ダイヤモンドの含有量と軸受最高回転速度との関係を示
すグラフである。

【図６】試験−３で得られた、クラスターダイヤモンド
の平均粒径と軸受外輪温度との関係を示すグラフであ
る。

【図７】本発明で使用されるグリ−スのクラスターダイ
ヤモンドの含有量及び平均粒径の好ましい範囲を示すグ
ラフである。

【符号の説明】

１０アンギュラ玉軸受１１外輪１２内輪１３玉１４保持器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｃ１０Ｎ 30:00 Ｃ１０Ｎ 30:00 Ｚ 40:02 40:02 50:10 50:10 Ｆターム(参考） 3C011 FF06 3J101 AA01 AA32 AA52 AA62 EA64 FA06 FA32 FA48 FA53 GA31 4H104 AA04C AA22B AA24B BB17B BE13B BE16B DA02A EA08C EB02 FA01 FA02 FA03 LA20 PA01 QA18

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内輪と外輪との間に、複数の転動体を保
持器により転動自在に保持してなり、かつピュアダイヤ
モンドと、ダイヤモンドライクカーボンと、アモルファ
スカーボンとを含む微粒子を含有するグリースを封入し
たことを特徴とする転がり軸受。
【請求項２】前記微粒子の含有量が、グリース全量の
２〜７質量％であることを特徴とする請求項１記載の転
がり軸受。
【請求項３】前記微粒子の平均粒径が、４０ｎｍ以下
であることを特徴とする請求項１または２に記載の転が
り軸受。