JP2004505219A - 高速アンギュラコンタクト玉軸受 - Google Patents
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Abstract
アンギュラコンタクト軸受(D)は、高圧及び高温に耐える浸炭又は浸炭窒化により肌焼された鋼、好ましくはステンレス鋼から形成されたレース(2、4)を有する。該軸受は熱の生成を減らすため、比較的低い接触率を有するが、加えられる半径方向荷重及び高速運転において発生する遠心力に耐えることができるものである。
【選択図】図2
【選択図】図2
Description
【0001】
(技術分野)
本発明は、一般に減摩軸受に関し、より詳細には、高速アンギュラコンタクト玉軸受に関する。
【0002】
(発明の背景)
切削工具技術は、長年にわたり改良してきており、それとともに金属を除去する能力も、かつてない速さで改良されている。したがって、工作機械は、切削工具技術の改良を活かすために、より高速で運転することが求められているが、この点に関しては大幅に失敗している。次世代の工作機械スピンドルはより高速で回転しなければならないだけではなく、中心として回転する軸が固定されたままであるという意味で、剛性または剛度を有さなければならない。言い換えると、スピンドル用の軸受は、スピンドルが回転することを可能にしながら、半径方向または軸方向の自由運動を有してはいけない。複数のアンギュラコンタクト玉軸受が、他方に対向して装着されているものもあり、これらの必要性に最良にこたえるものであると思えるが、この種類の軸受配列は依然として、現代の切削工具が運転することができる速度には適応することができない。
【0003】
典型的なアンギュラコンタクト玉軸受は、対向する軌道を備えた内側レース(内側軌道輪)および外側レース(外側軌道輪)と、レース(軌道輪)の間に位置し、軸受が運転されるときに軌道に沿って回転する玉の列と、を有する。断面において、軌道はアーチ形であるが、一方の軌道に沿った接触の領域は、他方の軌道に沿った接触の領域から軸方向にずれており、そのため、これらの接触の領域を通って引かれた線は、軸受の軸に対して斜めである。この傾斜接触によって軸受は、半径方向荷重と同様に軸方向荷重を取ることができる。工作機械スピンドルのように、2つまたはそれ以上のこれらの軸受が対向して装着されるときには、複数の軸受が両軸方向でスラスト荷重に適応する。剛性を高めるために、通常対向した軸受は、通常、予荷重と称される備わった軸方向荷重を有する。
【0004】
ある意味では、高速工作機械スピンドルを支持するのに使用される典型的なアンギュラコンタクト玉軸受は、いくつかのの妥協を表す。恐らく、最も重要なものは、接触率、すなわち、玉の経路に対して横方向に取られた軌道の曲率半径に対する玉の半径の比率である。この比率が高い(軌道がより厳密に玉に一致する)ときには、比率が低いときよりも、軸受はより高い荷重を取ることができるが、軸受は、より高い接触率ではより多くの熱を発し、これは特に高速ではやっかいである。
【0005】
一般的に、高速スピンドルを支持するアンギュラコンタクト玉軸受は、ハウジング内に含まれ、ハウジングのノーズポジションおよびテールポジションを占める。ハウジングは、通常、らせん状の冷却剤溝を有し、これを通って冷却剤が循環し、軸受によって発生した熱を放散する。ハウジングでは良好な伝熱は有効であるが、これは、軸受に支持されるスピンドルには当てはまらない。これは、ハウジングよりも高い温度で運転され、結果として、ハウジングよりもより大きな軸方向膨張および半径方向膨張を受ける傾向がある。半径方向膨張は、軸受の予荷重を増大する可能性がある。軸方向膨張は、予荷重を分散さえする可能性があり、これに適応するために、取り付け台によってはテールポジションの軸受が浮動することが可能なものがある。これは、ハウジングと、テールポジションの軸受の外側レースとの間に隙間嵌めを必要とし、隙間嵌めは、時がたつにつれて、フレッティング腐食を導く。フレッティング腐食は、浮動する外側レースを最終的にはハウジング内に捉えさせる原因となり、これは今度は、軸受に過度の予荷重の危険を受けさせる。結局、スピンドルを支持するのに使用される典型的な軸受のレースは、ステンレスではない軸受鋼から形成される。この鋼の耐腐食性は、通常の鋼と同様であり、したがってフレッティング腐食を受ける。また、スピンドルの高速のために不均衡な状態によって引き起こされる高振動力が生じることがある。
【0006】
フレッティングは、腐食の唯一の原因ではない。シールは、軸受を保護するものであるが、熱生成を避けるためにスピンドルが受けやすい汚染物質を排除するラビリンスに依存しなければならない。したがって、このシールは実際に磨耗表面に接触するシールよりも効果的ではない。切削液等の汚染物質が、軸受に入り腐食を起こす可能性が大きい。
【0007】
最後に、高速運転は、軸受に非常に大きな遠心力を生成し、玉から生じるそれらの力は主に外側レースによって抵抗される。鋼玉のサイズおよびこのようにその質量を減じることによって、遠心力は小さくなるが、これは、軸受の荷重担持能力も削減する。最適な玉サイズを得るためには妥協が必要である。
【0008】
高速運転中に生じた遠心力は、重い周期的な荷重を軸受の外側レースに課しながら、内側レースを膨張させる。したがって、隙間嵌めは軸の剛性を崩壊するだけではなく、軸受の内側レースとスピンドルとの間にフレッティング腐食を発生させるため、各軸受の内側レースは、膨張が残っているにもかかわらず、締まり嵌めでスピンドル上に設置されなければならない。例えば、スピンドルがその運転速度に到達するときまでに、内側レース用の内腔の直径が、スピンドルよりも0.0014インチ膨張する場合、内側レースは、少なくとも0.0014インチ、好ましくはそれ以上の締まり嵌めで設置されなければならない。これは、許容差が原因ではなく、そのため、実際的な問題として、締まり嵌めは幾分大きくなるべきである。実際、許容差を考慮するときには、締まり嵌めおよび遠心力によって内側レースに生じた応力は、これらの応力に耐える従来の52100鋼の能力を超える可能性がある。その鋼は、スピンドル軸受のレースに使用されるときには、無心焼入れされた状態で存在する。しかし、無心焼入れされたレースは、脆いため、より延性がある低炭素鋼よりも低い応力で割れる。理論的代替例は、適切な位置で内側レースを非常にきつくクランプするか、または、スピンドルおよび軸受をより厳密な許容差で整合されたセットに作るかであるが、これらの代替例は、スピンドルおよび軸受のコストを上げる。
【0009】
したがって、低い振動率で比較的高速に耐えることができるように改良された熱生成の少ない、延性のある玉軸受アセンブリが必要である。
【0010】
(発明の開示)
本発明は、肌焼された鋼から形成され、玉と、玉が沿って回転する軌道との間の接触率が低い高速アンギュラコンタクト玉軸受に属し、上記鋼はステンレス鋼であることが好ましい。本発明は、また対向して装着されたそのような軸受でハウジング内に支持された高速スピンドルを含む取り付け台にも属する。
【0011】
(発明を実施するためのベストモード)
次に図面を参照すると、工作機械用の主軸台A(図1)の形態の取り付け台は、スピンドルBと、その中でスピンドルBが軸Xを中心として回転するハウジングCと、を含む。スピンドルBは、2つの単一列アンギュラコンタクト玉軸受Dに支持され、これはまた主軸台Aの一部を形成し、一方の軸受D1はノーズポジションにあり、他方の軸受D2はテールポジションにある。軸受Dの両方は、同一の軸Xを共有する。スピンドルBは、ノーズポジションで軸受D1を越えて延在し、そこで切削工具または工作物を支持する。このスピンドルBは、テールポジションで軸受D2も越えて延在し、そこで、スピンドルBを高速度で回転させるための駆動装置に連結される。実際、軸受DによってスピンドルBは、少なくとも100万DN(ただし、D=内側軸受レースの直径(mm)、および、N=速度(回転/分))の速度及び200万DNまたはそれ以上の速度ででさえ回転することができる。
【0012】
各軸受D(図2〜4)は、内側レース2と、内側レース2のまわりに位置する外側レース4と、レース2と4との間に位置する玉6の形態の回転要素と、を含む。各々は、ケージまたは保持器8も含み、これも同様にレース2と4との間に位置し、一般的に玉6の間の間隔を均一に維持する。実際に、玉6は、それぞれ、軌道10および12に沿ってレース2および4に接触し、それぞれ断面がアーチ形で凹形状であり、すなわち、軌道10および14によって形成される環状経路に対して横方向にある。軸受Dが運転中にセットされるときには、玉6は軌道10および12に沿って回転し、スピンドルBとハウジングCとの間の摩擦を最小限度へ減少する。玉6と軌道10との間の接触領域は、玉6と軌道12との間の接触領域から軸方向に変位されるため、ある意味では、軌道10と12は、軸方向にわずかにずれている。したがって、接触の各領域の中心を通ってのばした線は、斜角で軸Xに交差し、同様に、軸Xに垂直である平面に対して斜角θで存在する(図4)。角度θは、接触角度と称される。軌道10および12の斜め配向の結果として、軸受Dは、半径方向荷重を取るだけではなく、玉6を軌道10および12に対してよりしっかりと設置するようにする方向に、スラスト荷重または軸方向荷重も取る。これは、アンギュラコンタクト玉軸受の特徴である。
【0013】
スピンドルB(図1)は、切削工具または工作物を保持するチャックを受け取る内腔20を含む。スピンドルBはまた、ショルダ24まで達する円筒形表面22も有し、ショルダを越えたところにスピンドルBにはラビリンス26が設けられる。軸受D1の内側レース2は、ノーズポジションにあり、締まり嵌めで円筒形表面22上に設置され、これは、レース2を表面22上に押すか、または、レース2を熱で膨張させ次いで表面22上に前進させることによって達成される。いずれにせよ、軸受D1の内側レース2は、円筒形表面22の端でショルダ24に対して圧迫する。残りの軸受D2の内側レース2も、締まり嵌めで円筒形表面22のまわりに嵌まり、テールポジションにあるため、ノーズポジションにある軸受D1のレース2から間隔をとっておかれる。軸受D1およびD2の内側レース2は、スピンドルBの円筒形表面22のまわりに嵌まるスリーブ状スペーサー28によって分離される。軸受D1の内側レース2は、ショルダ24とスリーブ28との間に捉えられ、一方、軸受D2の内側レース2は、スペーサー28と、スピンドルBの端上へねじ込むナット30との間に捉えられる。
【0014】
内側レース2とスピンドルBの円筒形表面22との間の締まり嵌めは、高速運転中に生じる遠心力にもかかわらず、レース2をスピンドルBにきつく嵌まったままに保つ。例えば、円筒形表面22が2.75インチ(70mm)の直径を有する場合、各内側レース2は、30000回転/分(2.2DN)で約0.0016インチ膨張する。他方、スピンドルBは、固体であると仮定して、0.0002インチ膨張する。したがって、中で生じた遠心力のためにレース2がこれらの角速度で確実にゆるくならないようにするために、各内側レース2は少なくとも0.0014インチの最小締まり嵌めを有するべきである。内側レース2は、0.0014インチ以上の締まり嵌めに耐えることができるのに対して、無心焼入れ鋼から形成された従来のレースは、約0.0010インチのみの締まり嵌めを受け入れることができるだけである。それを超えると、従来のレースは破壊する。このように、内側レース2は、きつい締まり嵌めに耐え、極度に高い角速度で締まったままであり、この間ずっと標準許容差に適応している。
【0015】
ハウジングC(図1)は、ハウジングCのノーズエンドから内側へ延在しショルダ38で終端する内腔36を有する。また、テールエンドからその中へ延在しショルダ42で終端する別の内腔40も有する。軸受D1の外側レース4は、内腔36内へ押すことによってなされる締まり嵌めで内腔36内に嵌まる。そのように嵌まったときには、軸受D1用の外側レース4は、ショルダ38に対して圧迫する。他方の軸受D2の外側レース4は、締まり嵌めでハウジングCのテールエンドから開口する内腔40内に嵌まり、そこでショルダ42に対して圧迫する。
【0016】
軸受D1およびD2の内側レース2を分離するスリーブ28の長さは、軸受Dを予荷重の状態に置くものであり、予荷重はスピンドルBおよび軸受Dの運転中残存する。
【0017】
スピンドルBのラビリンス26に噛み合うラビリンス44は、ハウジングCの端に対して嵌まるので、その2つが、主軸台AのノーズエンドでスピンドルBとハウジングCとの間の流体バリアをもたらす。ラビリンス26と44との間の分離はわずかであるが、ラビリンス26と44とは互いに接触しない。
【0018】
ハウジングCはその外部表面(図1)に、そのまわりを円周的に延在するらせん状の溝を有する。溝50は、円筒形のジャケット52で囲まれ、そのようにして環状らせん経路を形成し、それを通って液体冷却剤が循環する。
【0019】
軸受Dの各々において、玉6と内側レース2および外側レース4の軌道10および12との間の接触角度θは、それぞれ、一般に15度〜18度の範囲であり、スピンドルBの予定された用途によって変動する。これによって軸受Dは、軸受Dの運転中の予荷重を含むスラスト荷重を担持することができる。また、軸受けDは、玉6が内側レース2のまわりを速く周回するときに玉6によって生じる遠心力を含む重い半径方向荷重を取ることができる。
【0020】
玉6のいずれか1つが軌道10または12の一方に接触する領域の接触率は、玉6の半径を軌道10または12の断面半径で割ったもの、すなわち、玉6が軌道10または12に沿って動く方向に対して横方向に測定された半径を表す。一般に、より小さい接触率を有する軸受は、熱生成が少ないが、荷重を担持する能力も低くなる。高速スピンドルを支持するのに使用される従来のアンギュラ玉軸受の接触率は、0.943〜0.962の範囲である。軸受Dは、荷重能力を失うことなく、接触率がより低い。玉6と軸受Dのいずれかの内側レース2の軌道10との間の接触率は、0.72〜0.89の間の範囲であるべきであり、用途によって変動する。玉6と軸受Dのいずれかの外側レース4の軌道12との間の接触率は、0.72〜0.93の間の範囲であるべきであり、用途によって変動する。
【0021】
より低い接触率および他の利点もまた、レース2および4に使用される改良された鋼、および、これらのレース2および4が受ける肌焼浸炭および熱処理から、得られる。これらの鋼は、肌焼き前の炭素含有量が重量で0.05%〜0.50%、クロム含有量が重量で10.0%〜20.0%であるステンレス鋼として特徴づけることができる。この鋼は、熱処理が後に続く浸炭および浸炭窒化の肌焼によって形成された硬化表面を受け入れ、これに適応する能力を持つべきである。適切な鋼として、商標CSS−42L、商標パイロウェア(PYROWEAR)675およびAISI420で販売されているものが挙げられる。これらの高合金鋼の組成範囲は、下記表に見られる。
【0022】
【表1】
ペンシルバニア州ラトローブ(Latrobe、Pennsylvania)のラトローブスティール社(Latrobe Steel Company)がCSS−42L鋼を販売しており、この鋼は、1999年6月13日に付与された米国特許第5,424,028号のテーマを形成する。ペンシルバニア州レディング(Reading、Pennsylvania)のカーペンターテクノロジー社(Carpenter Technology Company)がパイロウェア675鋼を販売しており、これが、1991年3月26日に付与された米国特許第5,002,729号のテーマを形成する。この2つの特許は、参照してここに組み込まれる。
【0023】
CSS−42L鋼は、工作機械スピンドル軸受からは、かけ離れた目的のために開発されたが、肌焼浸炭され且つ700°Fもの高温の持続した操作温度に耐えることができるステンレス鋼合金である。これは、肌焼浸炭され熱処理されたときに高表面硬度を達成しこれを維持することができ、コアの延性および強度を維持しながら、高破壊靱性、熱硬度、金属対金属磨耗耐性および腐食耐性を併せ持つ。CSS−42L合金鋼は、特に、ヘリコプターの変速装置の歯車およびシャフト等の高温の腐食環境で使用する目的で開発された。その予定された用途は、高温で且つ腐食環境で運転されるカム、シャフト、歯車およびボルト等の他の機械構成要素を含む。CSS−42L合金鋼の回転接触疲労試験は、この材料が、これらの競合材料の試験寿命をはるかに上回る試験寿命を呈することを示した。
【0024】
内側レース2および外側レース4は、両方とも鍛造されるかまたはさもなければ適切な高合金鋼から形成される。そのように製造された形状は、次いで、レースに必要な構成に機械加工され、その後、下記に記載される手順にしたがって、浸炭または浸炭窒化により肌焼され、熱処理される。これによって、レース2および4には、硬い外部肌およびより延性のあるコアが残る。実際、適切な熱処理の後に、軌道10および12に沿ったレース2および4はそれぞれ、および他の外部表面も、68〜80ロックウェルC程度の硬度を獲得する。浸炭または浸炭窒化も、肌を圧縮の状態のままにする。
【0025】
簡単に言うと、高合金化されたクロム含有合金鉄の新規の肌硬度、微細構造および残留応力特性を達成するため、且つ、浸炭から冷却時の肌の割れを排除するために、ステンレス鋼は、比較的高い炭素含有量、すなわち、作業面すなわち軌道10および12において重量で1.5以上のレベルで、浸炭されるかまたは浸炭窒化されなければならない。浸炭または浸炭窒化は、炉内で起こり、レース2および4は炭素が豊富な化合物内に詰められるか、または、炭素が豊富な気体にさらされる。浸炭は、1998年12月22日に付与された米国特許第5,851,313号に開示されたようなプラズマプロセスで達成されてもよい。
【0026】
新規微細構造を製造する後浸炭肌焼は、真空炉の使用によってもっとも効果的に実施されるが、従来の炉でも満足のいく結果が得られる。浸炭が真空炉で行われる場合、温度は、1600°〜1880°F(870°〜985°C)の浸炭温度から、直接、2000°〜2050°F(1090°〜1120°C)のオーステナイト化温度へ上げることができ、次に油焼入れを行う。二重焼入れを必要とする部分(例えば気体浸炭が使用されるとき等)は、1450°F(790°C)へ予め加熱し、次いで、2000°〜2050°F(1090°〜1120°C)でオーステナイト化し、次に、約150°F(66°C)へ窒素で気体ファン焼入れが行われ、室温へ空気冷却されることにより、硬化することができる。H.Burrier、D.Milam、J.MaloneyおよびC.Tomaselloの発明のために、「高温使用のための高性能浸炭ステンレス鋼(High Performance Carburizing Stainless Steel for High Temperature Use)」という発明の名称で2000年3月14日に出願された米国特許出願第09/524,938号には、肌硬化手順が記載されている。この特許出願は、参照してここに組み込まれる。
【0027】
玉6も同様に、肌焼浸炭されたCSS−42L鋼から形成されてもよく、または、無心焼入れされたステンレス鋼から形成されてもよい。他方、玉6は、とりわけ、コネチカット州イーストグランビィ(East Granby、Conneticut)のノートンアドバンストセラミクス(Norton Advanced Ceramics)がセルベック(CERBEC)という商標で販売しているセラミック材料である窒化ケイ素(Si3N4)から形成されてもよい。窒化ケイ素は、優れた圧縮強さを有し、且つ、セラミックであるため、強度を失うことなく極度の高温に耐える。これを傷つける腐食材料はほとんどない。これは、鋼の密度の42%の密度を有し、このような高速操作状態下で慣性効果が少なく、玉6の寿命を延ばすのと同様に、結果としてレース2および4の寿命を延ばす。その熱膨張係数は、鋼の熱膨張係数の4分の1である。最後に、これは、きわめて硬く、鋼よりも50%大きい弾性率を有する。これは、軸受Dの静的剛性および動的剛性を増加させる。
【0028】
いずれにせよ、軸受Dのレース2および4は、玉6が鋼から形成されるか窒化ケイ素から形成されるかに関係なく、玉6によって課せられた荷重且つ玉6を通って伝えられた荷重を担持し、これは、低い接触率でさえ、有効である。低い接触率のおかげで、軸受Dの温度は低いままであり、通常は130°F(55°C)未満であり、110°F(43°C)未満がより適している。確かに、CSS−42L鋼が耐えられる温度範囲内、すなわち700°F(370°C)までである。軸受Dの重要な構成要素はステンレス鋼から形成されるため、工作物の切削液が軸受D内に入った場合、腐食を発生させない。ハウジングCの温度変化とは異なる温度変化でスピンドルBが軸方向に膨張し収縮するので、軸受D2用の外側レース4が浮動しないときには、テールポジションに対向して(二重に)装着された2つの軸受Dを有する取り付け台には、これらの軸受の外側レース4が浮動できるものもある。そのような浮動によって生じるいずれのフレッティング腐食も、容認可能なレベル内のままである。
【0029】
軸受Dの低い接触率の結果として、熱生成が少なくなるだけではなく、軸受Dはより強い保持器8を有することもできる。これに関して、保持器8は、軸受Dが運転されるであろう高温に耐えることができるポリマーから成形されることが好ましい。密度が低いため、ポリマーは、鋼よりも慣性効果が低い。PEEK(ポリエーテルエーテルケトン)のような、機械加工された繊維強化フェノール樹脂が、保持器8に適している。ニュージャージー州ウェイン(Wayne、New Jersey)のセントゴバインパフォーマンスプラスチクス(Saint Gobain Performance Plastics)(元フロン社(Furon Company))が、メルディン(MELDIN)2001という商標で販売している材料も同様である。各軸受Dの接触率が低い結果として、内側レース2が外側レース4内を回転するときに接触角度の変化が少なくなり、そのため、玉6の速度の変化が小さくなる。各回転中に玉6がスピードアップしスローダウンするのが少なくなり、且つ、互いに対する角度位置の変化が少なくなるため、保持器8内で玉6を受け取るポケットは、従来のスピンドル軸受の保持器用のポケットよりも小さく作られてもよく、実際に、小さく作られている。ポケットが小さくなると、保持器8の強度が増加する。さらに、保持器8上の玉6の加速および減速の衝撃を減じることによって吸収されるエネルギーが少なくなり、これは、軸受D内での熱の生成をさらに減じる。
【0030】
肌焼浸炭は、コアよりもマルテンサイトの割合が多く、肌がコア上で膨張しようとするため、軌道10および12に沿ったレース2および4に、残留応力、本来は圧縮応力を与える。内側レース2は、延性コアおよび浸炭された肌が圧縮の高い状態であり、無心焼入れ鋼から形成された従来のレースよりも、スピンドルB上でよりきつい締まり嵌めに耐えることができる。浸炭で肌焼されたステンレス鋼から形成された内側レース2は、従来の無心焼入れ鋼よりも、きつい締まり嵌め下で割れる傾向が少ない。よりきつい締まり嵌めは、内側レース2が遠心力下で緩みを生じる点まで膨張する可能性を少なくする。また、よりきつい締まり嵌めによって、円筒形表面22でスピンドルB及びその内腔で内側レース2が、無心焼入れされたレースを使用する取り付け台よりも、より広い許容差で製造することができる。実際、ステンレス鋼としては分類することができないSAE8620等の従来の低炭素鋼から形成された内側レース2を有する軸受Dにでさえ、これは有効である。
【0031】
各軸受Dの2つのレース2および4の浸炭された肌および頑丈なコアによって、レース2および4は潤滑剤をそれぞれの軌道10および12に導入するための小さな半径方向穴を適応することができ、レース2および4の穴から割れが広がる重大な危険は全くない。これは、割れやすく且つレースに形成された穴で割れが広がりやすい無心焼入れレースとは対照的である。
【0032】
一般に、浸炭または浸炭窒化によって肌焼された高合金ステンレス鋼から形成されたレース2および4と、同一の鋼または窒化ケイ素から形成された玉6を有する軸受Dは、無心焼入れ鋼から形成されたレースを有する従来の軸受と比較すると、非常に長い寿命を有し、低い熱生成でかなり高速度で操作されることができる。
【0033】
主軸台Aが2つの軸受DのみでスピンドルBを支持する一方、他の主軸台は、ノーズポジションおよびテールポジションの両方において複数の軸受Dでスピンドルを支持する。この種類の配列のいくつかでは、テールポジションの軸受Dは、二重にされると、浮動することがある。
【0034】
本発明の範囲から逸脱することなく上記構造物に様々な変更を行うことができるため、上記説明に含まれるか、または添付の図面に示されるすべての事項は、例示的なものであると解釈され限定的な意味はないと判断されることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にしたがって製造され且つ本発明を体現する2つのアンギュラコンタクト玉軸受上でスピンドルが回転するハウジングの断面図である。
【図2】一方の軸受の横方向断面図である。
【図3】図2の線3−3に沿って取られた軸受の断面図である。
【図4】軸受の拡大切欠断面図である。
(技術分野)
本発明は、一般に減摩軸受に関し、より詳細には、高速アンギュラコンタクト玉軸受に関する。
【0002】
(発明の背景)
切削工具技術は、長年にわたり改良してきており、それとともに金属を除去する能力も、かつてない速さで改良されている。したがって、工作機械は、切削工具技術の改良を活かすために、より高速で運転することが求められているが、この点に関しては大幅に失敗している。次世代の工作機械スピンドルはより高速で回転しなければならないだけではなく、中心として回転する軸が固定されたままであるという意味で、剛性または剛度を有さなければならない。言い換えると、スピンドル用の軸受は、スピンドルが回転することを可能にしながら、半径方向または軸方向の自由運動を有してはいけない。複数のアンギュラコンタクト玉軸受が、他方に対向して装着されているものもあり、これらの必要性に最良にこたえるものであると思えるが、この種類の軸受配列は依然として、現代の切削工具が運転することができる速度には適応することができない。
【0003】
典型的なアンギュラコンタクト玉軸受は、対向する軌道を備えた内側レース(内側軌道輪)および外側レース(外側軌道輪)と、レース(軌道輪)の間に位置し、軸受が運転されるときに軌道に沿って回転する玉の列と、を有する。断面において、軌道はアーチ形であるが、一方の軌道に沿った接触の領域は、他方の軌道に沿った接触の領域から軸方向にずれており、そのため、これらの接触の領域を通って引かれた線は、軸受の軸に対して斜めである。この傾斜接触によって軸受は、半径方向荷重と同様に軸方向荷重を取ることができる。工作機械スピンドルのように、2つまたはそれ以上のこれらの軸受が対向して装着されるときには、複数の軸受が両軸方向でスラスト荷重に適応する。剛性を高めるために、通常対向した軸受は、通常、予荷重と称される備わった軸方向荷重を有する。
【0004】
ある意味では、高速工作機械スピンドルを支持するのに使用される典型的なアンギュラコンタクト玉軸受は、いくつかのの妥協を表す。恐らく、最も重要なものは、接触率、すなわち、玉の経路に対して横方向に取られた軌道の曲率半径に対する玉の半径の比率である。この比率が高い(軌道がより厳密に玉に一致する)ときには、比率が低いときよりも、軸受はより高い荷重を取ることができるが、軸受は、より高い接触率ではより多くの熱を発し、これは特に高速ではやっかいである。
【0005】
一般的に、高速スピンドルを支持するアンギュラコンタクト玉軸受は、ハウジング内に含まれ、ハウジングのノーズポジションおよびテールポジションを占める。ハウジングは、通常、らせん状の冷却剤溝を有し、これを通って冷却剤が循環し、軸受によって発生した熱を放散する。ハウジングでは良好な伝熱は有効であるが、これは、軸受に支持されるスピンドルには当てはまらない。これは、ハウジングよりも高い温度で運転され、結果として、ハウジングよりもより大きな軸方向膨張および半径方向膨張を受ける傾向がある。半径方向膨張は、軸受の予荷重を増大する可能性がある。軸方向膨張は、予荷重を分散さえする可能性があり、これに適応するために、取り付け台によってはテールポジションの軸受が浮動することが可能なものがある。これは、ハウジングと、テールポジションの軸受の外側レースとの間に隙間嵌めを必要とし、隙間嵌めは、時がたつにつれて、フレッティング腐食を導く。フレッティング腐食は、浮動する外側レースを最終的にはハウジング内に捉えさせる原因となり、これは今度は、軸受に過度の予荷重の危険を受けさせる。結局、スピンドルを支持するのに使用される典型的な軸受のレースは、ステンレスではない軸受鋼から形成される。この鋼の耐腐食性は、通常の鋼と同様であり、したがってフレッティング腐食を受ける。また、スピンドルの高速のために不均衡な状態によって引き起こされる高振動力が生じることがある。
【0006】
フレッティングは、腐食の唯一の原因ではない。シールは、軸受を保護するものであるが、熱生成を避けるためにスピンドルが受けやすい汚染物質を排除するラビリンスに依存しなければならない。したがって、このシールは実際に磨耗表面に接触するシールよりも効果的ではない。切削液等の汚染物質が、軸受に入り腐食を起こす可能性が大きい。
【0007】
最後に、高速運転は、軸受に非常に大きな遠心力を生成し、玉から生じるそれらの力は主に外側レースによって抵抗される。鋼玉のサイズおよびこのようにその質量を減じることによって、遠心力は小さくなるが、これは、軸受の荷重担持能力も削減する。最適な玉サイズを得るためには妥協が必要である。
【0008】
高速運転中に生じた遠心力は、重い周期的な荷重を軸受の外側レースに課しながら、内側レースを膨張させる。したがって、隙間嵌めは軸の剛性を崩壊するだけではなく、軸受の内側レースとスピンドルとの間にフレッティング腐食を発生させるため、各軸受の内側レースは、膨張が残っているにもかかわらず、締まり嵌めでスピンドル上に設置されなければならない。例えば、スピンドルがその運転速度に到達するときまでに、内側レース用の内腔の直径が、スピンドルよりも0.0014インチ膨張する場合、内側レースは、少なくとも0.0014インチ、好ましくはそれ以上の締まり嵌めで設置されなければならない。これは、許容差が原因ではなく、そのため、実際的な問題として、締まり嵌めは幾分大きくなるべきである。実際、許容差を考慮するときには、締まり嵌めおよび遠心力によって内側レースに生じた応力は、これらの応力に耐える従来の52100鋼の能力を超える可能性がある。その鋼は、スピンドル軸受のレースに使用されるときには、無心焼入れされた状態で存在する。しかし、無心焼入れされたレースは、脆いため、より延性がある低炭素鋼よりも低い応力で割れる。理論的代替例は、適切な位置で内側レースを非常にきつくクランプするか、または、スピンドルおよび軸受をより厳密な許容差で整合されたセットに作るかであるが、これらの代替例は、スピンドルおよび軸受のコストを上げる。
【0009】
したがって、低い振動率で比較的高速に耐えることができるように改良された熱生成の少ない、延性のある玉軸受アセンブリが必要である。
【0010】
(発明の開示)
本発明は、肌焼された鋼から形成され、玉と、玉が沿って回転する軌道との間の接触率が低い高速アンギュラコンタクト玉軸受に属し、上記鋼はステンレス鋼であることが好ましい。本発明は、また対向して装着されたそのような軸受でハウジング内に支持された高速スピンドルを含む取り付け台にも属する。
【0011】
(発明を実施するためのベストモード)
次に図面を参照すると、工作機械用の主軸台A(図1)の形態の取り付け台は、スピンドルBと、その中でスピンドルBが軸Xを中心として回転するハウジングCと、を含む。スピンドルBは、2つの単一列アンギュラコンタクト玉軸受Dに支持され、これはまた主軸台Aの一部を形成し、一方の軸受D1はノーズポジションにあり、他方の軸受D2はテールポジションにある。軸受Dの両方は、同一の軸Xを共有する。スピンドルBは、ノーズポジションで軸受D1を越えて延在し、そこで切削工具または工作物を支持する。このスピンドルBは、テールポジションで軸受D2も越えて延在し、そこで、スピンドルBを高速度で回転させるための駆動装置に連結される。実際、軸受DによってスピンドルBは、少なくとも100万DN(ただし、D=内側軸受レースの直径(mm)、および、N=速度(回転/分))の速度及び200万DNまたはそれ以上の速度ででさえ回転することができる。
【0012】
各軸受D(図2〜4)は、内側レース2と、内側レース2のまわりに位置する外側レース4と、レース2と4との間に位置する玉6の形態の回転要素と、を含む。各々は、ケージまたは保持器8も含み、これも同様にレース2と4との間に位置し、一般的に玉6の間の間隔を均一に維持する。実際に、玉6は、それぞれ、軌道10および12に沿ってレース2および4に接触し、それぞれ断面がアーチ形で凹形状であり、すなわち、軌道10および14によって形成される環状経路に対して横方向にある。軸受Dが運転中にセットされるときには、玉6は軌道10および12に沿って回転し、スピンドルBとハウジングCとの間の摩擦を最小限度へ減少する。玉6と軌道10との間の接触領域は、玉6と軌道12との間の接触領域から軸方向に変位されるため、ある意味では、軌道10と12は、軸方向にわずかにずれている。したがって、接触の各領域の中心を通ってのばした線は、斜角で軸Xに交差し、同様に、軸Xに垂直である平面に対して斜角θで存在する(図4)。角度θは、接触角度と称される。軌道10および12の斜め配向の結果として、軸受Dは、半径方向荷重を取るだけではなく、玉6を軌道10および12に対してよりしっかりと設置するようにする方向に、スラスト荷重または軸方向荷重も取る。これは、アンギュラコンタクト玉軸受の特徴である。
【0013】
スピンドルB(図1)は、切削工具または工作物を保持するチャックを受け取る内腔20を含む。スピンドルBはまた、ショルダ24まで達する円筒形表面22も有し、ショルダを越えたところにスピンドルBにはラビリンス26が設けられる。軸受D1の内側レース2は、ノーズポジションにあり、締まり嵌めで円筒形表面22上に設置され、これは、レース2を表面22上に押すか、または、レース2を熱で膨張させ次いで表面22上に前進させることによって達成される。いずれにせよ、軸受D1の内側レース2は、円筒形表面22の端でショルダ24に対して圧迫する。残りの軸受D2の内側レース2も、締まり嵌めで円筒形表面22のまわりに嵌まり、テールポジションにあるため、ノーズポジションにある軸受D1のレース2から間隔をとっておかれる。軸受D1およびD2の内側レース2は、スピンドルBの円筒形表面22のまわりに嵌まるスリーブ状スペーサー28によって分離される。軸受D1の内側レース2は、ショルダ24とスリーブ28との間に捉えられ、一方、軸受D2の内側レース2は、スペーサー28と、スピンドルBの端上へねじ込むナット30との間に捉えられる。
【0014】
内側レース2とスピンドルBの円筒形表面22との間の締まり嵌めは、高速運転中に生じる遠心力にもかかわらず、レース2をスピンドルBにきつく嵌まったままに保つ。例えば、円筒形表面22が2.75インチ(70mm)の直径を有する場合、各内側レース2は、30000回転/分(2.2DN)で約0.0016インチ膨張する。他方、スピンドルBは、固体であると仮定して、0.0002インチ膨張する。したがって、中で生じた遠心力のためにレース2がこれらの角速度で確実にゆるくならないようにするために、各内側レース2は少なくとも0.0014インチの最小締まり嵌めを有するべきである。内側レース2は、0.0014インチ以上の締まり嵌めに耐えることができるのに対して、無心焼入れ鋼から形成された従来のレースは、約0.0010インチのみの締まり嵌めを受け入れることができるだけである。それを超えると、従来のレースは破壊する。このように、内側レース2は、きつい締まり嵌めに耐え、極度に高い角速度で締まったままであり、この間ずっと標準許容差に適応している。
【0015】
ハウジングC(図1)は、ハウジングCのノーズエンドから内側へ延在しショルダ38で終端する内腔36を有する。また、テールエンドからその中へ延在しショルダ42で終端する別の内腔40も有する。軸受D1の外側レース4は、内腔36内へ押すことによってなされる締まり嵌めで内腔36内に嵌まる。そのように嵌まったときには、軸受D1用の外側レース4は、ショルダ38に対して圧迫する。他方の軸受D2の外側レース4は、締まり嵌めでハウジングCのテールエンドから開口する内腔40内に嵌まり、そこでショルダ42に対して圧迫する。
【0016】
軸受D1およびD2の内側レース2を分離するスリーブ28の長さは、軸受Dを予荷重の状態に置くものであり、予荷重はスピンドルBおよび軸受Dの運転中残存する。
【0017】
スピンドルBのラビリンス26に噛み合うラビリンス44は、ハウジングCの端に対して嵌まるので、その2つが、主軸台AのノーズエンドでスピンドルBとハウジングCとの間の流体バリアをもたらす。ラビリンス26と44との間の分離はわずかであるが、ラビリンス26と44とは互いに接触しない。
【0018】
ハウジングCはその外部表面(図1)に、そのまわりを円周的に延在するらせん状の溝を有する。溝50は、円筒形のジャケット52で囲まれ、そのようにして環状らせん経路を形成し、それを通って液体冷却剤が循環する。
【0019】
軸受Dの各々において、玉6と内側レース2および外側レース4の軌道10および12との間の接触角度θは、それぞれ、一般に15度〜18度の範囲であり、スピンドルBの予定された用途によって変動する。これによって軸受Dは、軸受Dの運転中の予荷重を含むスラスト荷重を担持することができる。また、軸受けDは、玉6が内側レース2のまわりを速く周回するときに玉6によって生じる遠心力を含む重い半径方向荷重を取ることができる。
【0020】
玉6のいずれか1つが軌道10または12の一方に接触する領域の接触率は、玉6の半径を軌道10または12の断面半径で割ったもの、すなわち、玉6が軌道10または12に沿って動く方向に対して横方向に測定された半径を表す。一般に、より小さい接触率を有する軸受は、熱生成が少ないが、荷重を担持する能力も低くなる。高速スピンドルを支持するのに使用される従来のアンギュラ玉軸受の接触率は、0.943〜0.962の範囲である。軸受Dは、荷重能力を失うことなく、接触率がより低い。玉6と軸受Dのいずれかの内側レース2の軌道10との間の接触率は、0.72〜0.89の間の範囲であるべきであり、用途によって変動する。玉6と軸受Dのいずれかの外側レース4の軌道12との間の接触率は、0.72〜0.93の間の範囲であるべきであり、用途によって変動する。
【0021】
より低い接触率および他の利点もまた、レース2および4に使用される改良された鋼、および、これらのレース2および4が受ける肌焼浸炭および熱処理から、得られる。これらの鋼は、肌焼き前の炭素含有量が重量で0.05%〜0.50%、クロム含有量が重量で10.0%〜20.0%であるステンレス鋼として特徴づけることができる。この鋼は、熱処理が後に続く浸炭および浸炭窒化の肌焼によって形成された硬化表面を受け入れ、これに適応する能力を持つべきである。適切な鋼として、商標CSS−42L、商標パイロウェア(PYROWEAR)675およびAISI420で販売されているものが挙げられる。これらの高合金鋼の組成範囲は、下記表に見られる。
【0022】
【表1】
ペンシルバニア州ラトローブ(Latrobe、Pennsylvania)のラトローブスティール社(Latrobe Steel Company)がCSS−42L鋼を販売しており、この鋼は、1999年6月13日に付与された米国特許第5,424,028号のテーマを形成する。ペンシルバニア州レディング(Reading、Pennsylvania)のカーペンターテクノロジー社(Carpenter Technology Company)がパイロウェア675鋼を販売しており、これが、1991年3月26日に付与された米国特許第5,002,729号のテーマを形成する。この2つの特許は、参照してここに組み込まれる。
【0023】
CSS−42L鋼は、工作機械スピンドル軸受からは、かけ離れた目的のために開発されたが、肌焼浸炭され且つ700°Fもの高温の持続した操作温度に耐えることができるステンレス鋼合金である。これは、肌焼浸炭され熱処理されたときに高表面硬度を達成しこれを維持することができ、コアの延性および強度を維持しながら、高破壊靱性、熱硬度、金属対金属磨耗耐性および腐食耐性を併せ持つ。CSS−42L合金鋼は、特に、ヘリコプターの変速装置の歯車およびシャフト等の高温の腐食環境で使用する目的で開発された。その予定された用途は、高温で且つ腐食環境で運転されるカム、シャフト、歯車およびボルト等の他の機械構成要素を含む。CSS−42L合金鋼の回転接触疲労試験は、この材料が、これらの競合材料の試験寿命をはるかに上回る試験寿命を呈することを示した。
【0024】
内側レース2および外側レース4は、両方とも鍛造されるかまたはさもなければ適切な高合金鋼から形成される。そのように製造された形状は、次いで、レースに必要な構成に機械加工され、その後、下記に記載される手順にしたがって、浸炭または浸炭窒化により肌焼され、熱処理される。これによって、レース2および4には、硬い外部肌およびより延性のあるコアが残る。実際、適切な熱処理の後に、軌道10および12に沿ったレース2および4はそれぞれ、および他の外部表面も、68〜80ロックウェルC程度の硬度を獲得する。浸炭または浸炭窒化も、肌を圧縮の状態のままにする。
【0025】
簡単に言うと、高合金化されたクロム含有合金鉄の新規の肌硬度、微細構造および残留応力特性を達成するため、且つ、浸炭から冷却時の肌の割れを排除するために、ステンレス鋼は、比較的高い炭素含有量、すなわち、作業面すなわち軌道10および12において重量で1.5以上のレベルで、浸炭されるかまたは浸炭窒化されなければならない。浸炭または浸炭窒化は、炉内で起こり、レース2および4は炭素が豊富な化合物内に詰められるか、または、炭素が豊富な気体にさらされる。浸炭は、1998年12月22日に付与された米国特許第5,851,313号に開示されたようなプラズマプロセスで達成されてもよい。
【0026】
新規微細構造を製造する後浸炭肌焼は、真空炉の使用によってもっとも効果的に実施されるが、従来の炉でも満足のいく結果が得られる。浸炭が真空炉で行われる場合、温度は、1600°〜1880°F(870°〜985°C)の浸炭温度から、直接、2000°〜2050°F(1090°〜1120°C)のオーステナイト化温度へ上げることができ、次に油焼入れを行う。二重焼入れを必要とする部分(例えば気体浸炭が使用されるとき等)は、1450°F(790°C)へ予め加熱し、次いで、2000°〜2050°F(1090°〜1120°C)でオーステナイト化し、次に、約150°F(66°C)へ窒素で気体ファン焼入れが行われ、室温へ空気冷却されることにより、硬化することができる。H.Burrier、D.Milam、J.MaloneyおよびC.Tomaselloの発明のために、「高温使用のための高性能浸炭ステンレス鋼(High Performance Carburizing Stainless Steel for High Temperature Use)」という発明の名称で2000年3月14日に出願された米国特許出願第09/524,938号には、肌硬化手順が記載されている。この特許出願は、参照してここに組み込まれる。
【0027】
玉6も同様に、肌焼浸炭されたCSS−42L鋼から形成されてもよく、または、無心焼入れされたステンレス鋼から形成されてもよい。他方、玉6は、とりわけ、コネチカット州イーストグランビィ(East Granby、Conneticut)のノートンアドバンストセラミクス(Norton Advanced Ceramics)がセルベック(CERBEC)という商標で販売しているセラミック材料である窒化ケイ素(Si3N4)から形成されてもよい。窒化ケイ素は、優れた圧縮強さを有し、且つ、セラミックであるため、強度を失うことなく極度の高温に耐える。これを傷つける腐食材料はほとんどない。これは、鋼の密度の42%の密度を有し、このような高速操作状態下で慣性効果が少なく、玉6の寿命を延ばすのと同様に、結果としてレース2および4の寿命を延ばす。その熱膨張係数は、鋼の熱膨張係数の4分の1である。最後に、これは、きわめて硬く、鋼よりも50%大きい弾性率を有する。これは、軸受Dの静的剛性および動的剛性を増加させる。
【0028】
いずれにせよ、軸受Dのレース2および4は、玉6が鋼から形成されるか窒化ケイ素から形成されるかに関係なく、玉6によって課せられた荷重且つ玉6を通って伝えられた荷重を担持し、これは、低い接触率でさえ、有効である。低い接触率のおかげで、軸受Dの温度は低いままであり、通常は130°F(55°C)未満であり、110°F(43°C)未満がより適している。確かに、CSS−42L鋼が耐えられる温度範囲内、すなわち700°F(370°C)までである。軸受Dの重要な構成要素はステンレス鋼から形成されるため、工作物の切削液が軸受D内に入った場合、腐食を発生させない。ハウジングCの温度変化とは異なる温度変化でスピンドルBが軸方向に膨張し収縮するので、軸受D2用の外側レース4が浮動しないときには、テールポジションに対向して(二重に)装着された2つの軸受Dを有する取り付け台には、これらの軸受の外側レース4が浮動できるものもある。そのような浮動によって生じるいずれのフレッティング腐食も、容認可能なレベル内のままである。
【0029】
軸受Dの低い接触率の結果として、熱生成が少なくなるだけではなく、軸受Dはより強い保持器8を有することもできる。これに関して、保持器8は、軸受Dが運転されるであろう高温に耐えることができるポリマーから成形されることが好ましい。密度が低いため、ポリマーは、鋼よりも慣性効果が低い。PEEK(ポリエーテルエーテルケトン)のような、機械加工された繊維強化フェノール樹脂が、保持器8に適している。ニュージャージー州ウェイン(Wayne、New Jersey)のセントゴバインパフォーマンスプラスチクス(Saint Gobain Performance Plastics)(元フロン社(Furon Company))が、メルディン(MELDIN)2001という商標で販売している材料も同様である。各軸受Dの接触率が低い結果として、内側レース2が外側レース4内を回転するときに接触角度の変化が少なくなり、そのため、玉6の速度の変化が小さくなる。各回転中に玉6がスピードアップしスローダウンするのが少なくなり、且つ、互いに対する角度位置の変化が少なくなるため、保持器8内で玉6を受け取るポケットは、従来のスピンドル軸受の保持器用のポケットよりも小さく作られてもよく、実際に、小さく作られている。ポケットが小さくなると、保持器8の強度が増加する。さらに、保持器8上の玉6の加速および減速の衝撃を減じることによって吸収されるエネルギーが少なくなり、これは、軸受D内での熱の生成をさらに減じる。
【0030】
肌焼浸炭は、コアよりもマルテンサイトの割合が多く、肌がコア上で膨張しようとするため、軌道10および12に沿ったレース2および4に、残留応力、本来は圧縮応力を与える。内側レース2は、延性コアおよび浸炭された肌が圧縮の高い状態であり、無心焼入れ鋼から形成された従来のレースよりも、スピンドルB上でよりきつい締まり嵌めに耐えることができる。浸炭で肌焼されたステンレス鋼から形成された内側レース2は、従来の無心焼入れ鋼よりも、きつい締まり嵌め下で割れる傾向が少ない。よりきつい締まり嵌めは、内側レース2が遠心力下で緩みを生じる点まで膨張する可能性を少なくする。また、よりきつい締まり嵌めによって、円筒形表面22でスピンドルB及びその内腔で内側レース2が、無心焼入れされたレースを使用する取り付け台よりも、より広い許容差で製造することができる。実際、ステンレス鋼としては分類することができないSAE8620等の従来の低炭素鋼から形成された内側レース2を有する軸受Dにでさえ、これは有効である。
【0031】
各軸受Dの2つのレース2および4の浸炭された肌および頑丈なコアによって、レース2および4は潤滑剤をそれぞれの軌道10および12に導入するための小さな半径方向穴を適応することができ、レース2および4の穴から割れが広がる重大な危険は全くない。これは、割れやすく且つレースに形成された穴で割れが広がりやすい無心焼入れレースとは対照的である。
【0032】
一般に、浸炭または浸炭窒化によって肌焼された高合金ステンレス鋼から形成されたレース2および4と、同一の鋼または窒化ケイ素から形成された玉6を有する軸受Dは、無心焼入れ鋼から形成されたレースを有する従来の軸受と比較すると、非常に長い寿命を有し、低い熱生成でかなり高速度で操作されることができる。
【0033】
主軸台Aが2つの軸受DのみでスピンドルBを支持する一方、他の主軸台は、ノーズポジションおよびテールポジションの両方において複数の軸受Dでスピンドルを支持する。この種類の配列のいくつかでは、テールポジションの軸受Dは、二重にされると、浮動することがある。
【0034】
本発明の範囲から逸脱することなく上記構造物に様々な変更を行うことができるため、上記説明に含まれるか、または添付の図面に示されるすべての事項は、例示的なものであると解釈され限定的な意味はないと判断されることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にしたがって製造され且つ本発明を体現する2つのアンギュラコンタクト玉軸受上でスピンドルが回転するハウジングの断面図である。
【図2】一方の軸受の横方向断面図である。
【図3】図2の線3−3に沿って取られた軸受の断面図である。
【図4】軸受の拡大切欠断面図である。
Claims (22)
- 軸を中心とする回転を容易にするための高速軸受であって、前記軸受は、断面がアーチ形であり前記軸から離れる方向を向くように設けられた軌道を有する内側レースと、前記内側レースを囲み、断面がアーチ形であり前記内側レースの軌道と面するように設けられた軌道を有する外側レースと、前記レースの間で1列に配列され前記レースの前記軌道に接触する玉と、を具備し、前記玉と少なくとも一方の前記レースの前記軌道間の接触率が約0.93以下であり、前記レースは、重量で約0.05%〜0.50%の炭素と、約10.0%〜20.0%のクロムとを含むステンレス鋼から形成され、前記レースは、浸炭または浸炭窒化の肌焼によって形成された硬化表面を有する軸受。
- 前記玉は、前記玉が前記外側レースの軌道に接触する領域から軸方向にずれた領域で前記内側レースの軌道に接触する、請求項1に記載の軸受。
- 前記軸受の接触角度は15度〜30度である、請求項2に記載の軸受。
- 前記玉は、重量で約0.05%〜0.50%の炭素と、約10.0%〜20.0%のクロムとを含むステンレス鋼から形成される、請求項1に記載の軸受。
- 前記玉は、窒化ケイ素から形成される請求項1に記載の軸受。
- 前記玉と前記内側レースの軌道との間の接触率は約0.89以下であり、前記玉と前記外側レースの軌道との間の接触率は約0.93以下である、請求項1に記載の軸受。
- 少なくとも一方の前記レースのステンレス鋼は、CSS−42L鋼とパイロウェア(PYROWEAR)675鋼とAISI420鋼とからなる群から選択されたものである請求項1に記載の軸受。
- 工作機械において、ハウジングと、前記ハウジング内に位置するスピンドルと、前記ハウジング内で回転軸を中心とする前記スピンドルの高い角速度での回転を容易にするために前記スピンドルと前記ハウジングとの間に位置する複数のアンギュラコンタクト玉軸受と、を具備する組み合わせであって、前記軸受が前記スピンドルと前記ハウジングとの間の両方の軸方向に半径方向荷重およびスラスト荷重を移すように前記軸受の一方は前記軸受の他方に対向して配列され、各軸受は、前記スピンドルのまわりに位置し、断面がアーチ形であり前記軸から離れる方向を向くように設けられた軌道を有する内側レースと、前記ハウジング内に位置し、断面がアーチ形であり前記内側レースの軌道に面するように設けられた軌道を有する外側レースと、前記内側レースと前記外側レースとの間で円形列に配列され前記レースの軌道に接触する玉と、を含み、前記玉と少なくとも一方の前記レースの回転要素との間の接触率は約0.93以下の組み合わせ。
- 前記玉と前記内側レースの軌道との間の接触率は約0.89以下であり、前記玉と前記外側レースの軌道との間の接触率は約0.93以下である、請求項8に記載の組み合わせ。
- 前記軸受の前記レースは、重量で約0.05%〜0.50%の炭素と、約10.0%〜20.0%のクロムとを含む鋼から形成され、前記レースは、浸炭または浸炭窒化によって形成された硬化表面を有する、請求項8に記載の組み合わせ。
- 前記玉は、窒化ケイ素から形成される請求項10に記載の組み合わせ。
- 各軸受用の接触角度は、約15度〜30度の範囲である、請求項8に記載の組み合わせ。
- 前記軸受は、予荷重の状態にある請求項8に記載の組み合わせ。
- 工作機械において、ハウジングと、前記ハウジング内に位置するスピンドルと、前記ハウジング内で回転軸を中心とする前記スピンドルの高い角速度での回転を容易にするために前記スピンドルと前記ハウジングとの間に位置する複数のアンギュラコンタクト玉軸受と、を具備する組み合わせであって、前記軸受が前記スピンドルと前記ハウジングとの間の両方の軸方向に半径方向荷重およびスラスト荷重を移すように、前記軸受の一方は前記軸受の他方に対向して配列され、各軸受は、前記スピンドルのまわりに位置し、断面がアーチ形であり前記軸から離れる方向を向くように設けられた軌道を有する内側レースと、前記ハウジング内に位置し、断面がアーチ形であり前記内側レースの軌道に面するように設けられた軌道を有する外側レースと、前記内側レースと前記外側レースとの間で円形列に配列され前記レースの軌道に接触する玉と、を含み、前記軸受の前記レースは、重量で約0.50%以下の炭素と、約10.0%以上のクロムとを含むステンレス鋼から形成され、前記レースは、浸炭または浸炭窒化によって形成された硬化表面を有する組み合わせ。
- 前記軌道は、前記玉の列に対して横方向に湾曲し、軸受の前記軌道の横方向曲率は、前記軸受の前記玉の曲率を超える、請求項14に記載の組み合わせ。
- 前記玉と前記内側レースの軌道との間の接触率は0.89以下である、請求項14に記載の組み合わせ。
- 各軸受用の接触角度は、15度〜30度の範囲である請求項14に記載の組み合わせ。
- 前記軸受は、予荷重の状態にある請求項14に記載の組み合わせ。
- 前記レースのステンレス鋼は、CSS−42L鋼とパイロウェア(PYROWEAR)675鋼とAISI420鋼とからなる群から選択されたものである請求項14に記載の組み合わせ。
- 工作機械において、ハウジングと、前記ハウジング内に位置するスピンドルと、前記スピンドルの回転軸を中心とする回転を容易にするために前記スピンドルと前記ハウジングとの間に位置するアンギュラコンタクト玉軸受と、を具備する組み合わせであって、前記軸受は、締まり嵌めで前記スピンドルのまわりに嵌まり、断面がアーチ形であり前記軸から離れる方向を向くように設けられた軌道を有する内側レースと、前記ハウジング内に位置し、断面がアーチ形であり前記内側レースの軌道に面するように設けられた軌道を有する外側レースと、前記内側レースと前記外側レースとの間で円形列に配列され前記レースの軌道に接触する玉と、を含み、前記軸受の前記内側レースは、少なくとも当初は圧縮の状態で存在する硬化表面を形成するために浸炭または浸炭窒化によって肌焼される鋼からなる組み合わせ。
- 前記スピンドルが静止しているときに前記内側レースと前記スピンドルとの間の締め代は、少なくとも約0.0010インチである請求項20に記載の組み合わせ。
- 前記内側レースは、遠心力発生下で破壊せずに少なくとも106DNで回転する能力を有する、請求項20に記載の組み合わせ。
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