JP2005240881A

JP2005240881A - 工作機械用アンギュラ玉軸受

Info

Publication number: JP2005240881A
Application number: JP2004050008A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Kataoka; 俊之片岡
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2004-02-25
Filing date: 2004-02-25
Publication date: 2005-09-08

Abstract

【課題】ｄｍｎ値１００万以上の高速回転でも焼付きを生じない工作機械用アンギュラ玉軸受を提供する。
【解決手段】工作機械用アンギュラ玉軸受の内輪の外周面および外輪の内周面に形成した断面円弧状の軌道溝の曲率半径を、それぞれ玉の直径の５４％以上かつ５７％以下とする。これにより実用上十分なアキシアル荷重負荷能力を維持でき、かつ、ｄｍｎ値１００万以上でも焼付きが生じるのを防止することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は高速回転性能を向上させた工作機械用アンギュラ玉軸受に関する。

近年の工作機械は生産性向上のため主軸回転数の高速化が著しく、これに伴い工作機械に使用されるアンギュラ玉軸受にも高速化要求が高まっている。主軸回転数が上昇するとアンギュラ玉軸受の発熱量が増大して焼付きの原因となるので、発熱量の低減が大きな課題となっている。発熱の原因は玉と内外輪軌道面との間の滑りにある。

一般に、玉軸受に生じる滑りは玉と軌道溝の巨視的周速差により生じる公転滑りの他に、玉と軌道溝の転がり接触部における微視的周速差によって幾何学的に生じる滑りがある。公転滑りは玉軸受の幾何学的寸法で定まる公転速度で玉を軸受内で移動させることができなくなることで生じるが、発熱に関与する割合は比較的低い。一方、玉と軌道輪との転がり接触部の微視的な周速差によって幾何学的に生じる滑りには、差動滑り、スピン滑りおよびジャイロ滑りがある。工作機械用軸受は他の機器よりも高速回転数で使用することが多いため、差動滑り、スピン滑りおよびジャイロ滑りによる発熱が焼付きの原因となる可能性が高まる。特にコスト的に有利な微量油や微量グリース潤滑下で使用する場合は適正油膜厚さを確保することが難しいので、面圧増加ないし油膜破断により焼付きを起こす可能性がいっそう増大する。

従来の軸受ではこれら滑りの低減対策と共に、微量油潤滑から大流量潤滑に変更することや、定位置予圧から定圧予圧に変更することによって軸受の高速化要求に対応してきた。滑りの低減対策としては内外輪の軌道溝曲率半径の見直しがある（例えば特許文献１参照）。この特許文献１記載の発明は内外輪軌道溝の曲率半径が共に玉の直径の５２％で形成していたのを、内輪軌道溝で５２．５〜６０．０％とし、外輪軌道溝で５０．５〜５３．０％としたものである（以下、本明細書では軌道溝曲率半径比＝（軌道溝曲率半径／玉の直径）と定義する）。ＪＩＳＢ１５１８規格では内輪軌道溝曲率半径比が５２％、外輪軌道溝曲率半径比が５３％を越える場合には、軸受の定格荷重が小さくなると記載されているが、これは実際の軸受荷重が所定の計算式から割出した値よりも少ない場合は、内外輪軌道溝曲率半径比を前記５２％、５３％に拘泥することなく、これらよりも大きな値を採用可能であることを示唆したものと理解できる。一般のアンギュラ玉軸受の軌道溝曲率半径比は、ＪＩＳＢ１５１８規格で定格荷重が維持されるとする上限値よりもそれぞれ１％少ない内輪側５１％、外輪側５２％を採用したものが多い。
特開平１１−２７０５６４

工作機械のように定格荷重より高速化性能が優先的に要求される軸受では、ＪＩＳＢ１５１８規格の定格荷重に着目した仕様条件と異なるさらに望ましい仕様条件（最適な軌道溝曲率半径比）が存在する可能性がある。

本発明は、以上の見地から工作機械のｄｍｎ値（軸受の玉の回転中心径（ＰＣＤ）×回転数（ｒｐｍ））１００万以上の高速主軸に着目し、この高速主軸に適したアンギュラ玉軸受を提供しようとするものである。

本発明は、内輪と外輪との間に、保持器に保持された玉を接触角を持って介在させたアンギュラ玉軸受において、前記内輪の外周面および外輪の内周面に形成され前記玉を案内する断面円弧状の軌道溝の曲率半径を、それぞれ玉の直径の５４％以上かつ５７％以下としたことを特徴とする、ｄｍｎ値１００万以上の工作機械用アンギュラ玉軸受に係るものである。
（作用）前記手段による作用は以下の通りである。
１．内、外輪の軌道溝曲率半径比を大きくすることにより、玉と内、外輪間の接触楕円が小さくなり、差動滑りを少なくすることができる。
２．内、外輪の軌道溝曲率半径比を大きくすることにより、玉と内、外輪間の接触楕円が小さくなり、スピン滑りを少なくできる。
３．内、外輪の軌道溝曲率半径比を大きくすることにより、内輪外径と外輪内径はそのままとした場合、軌道溝円周長さが長くなるとともに接触楕円が小さくなるため、接触楕円が軌道溝肩部に乗り上げ難くなり、これにより標準品より大きな許容アキシアル荷重（玉の内、外輪溝肩部への乗り上げ荷重）を確保することができる。
４．内、外輪溝曲率半径比が５７％を超えると、接触面圧が大きくなりすぎて、早期に不具合（短寿命）が発生しやすくなる。

（内外輪の軌道溝曲率半径比の下限を５４％にした理由）
工作機械主軸用軸受の温度上昇は工作機械の加工精度に悪影響を及ぼす。このため主軸の設計では温度上昇による主軸膨張の逃げを非加工側で吸収する構造にしている。しかし、軸受の温度上昇が大きいと主軸膨張量が多くなり、設定予圧量が大きく変化して工作機械の加工精度に悪影響を及ぼす。図３は軸受の玉の回転中心径（ＰＣＤ）を１２５ｍｍ、軸受予圧荷重を１９６０Ｎ（重予圧）とし、内外輪軌道溝曲率半径比をそれぞれ５２％、５４％に二段階に変化させた場合の４つの回転速度（６０００、８０００、１００００、１２０００ｒｐｍ）での外輪温度上昇を実験で実測したものである。図３の実験結果から、軸受外輪の温度上昇が最も低くなっている内外輪の軌道溝曲率半径比５４％を下限値とした。その他の軌道溝曲率半径比の組合せ（比較品１〜３）はすべて本発明品よりも外輪温度上昇が上回った。

（内外輪の軌道溝曲率半径比の上限を５７％にした理由）
図４は、内外輪の軌道溝曲率半径比と回転数を変化させた場合の内外輪軌道面と玉との間の接触楕円内の最大接触面圧を下記の計算式に基づき算出した値を、回転数を横軸、最大接触面圧を縦軸にとってプロットしたものである。計算式では軸受の玉の回転中心径（ＰＣＤ）を１２５ｍｍ、軸受予圧荷重を１９６０Ｎ（重予圧）とした。
［計算式］最大接触面圧Ｐｍａｘ＝１．５×（Ｐ／πａｂ）、ここでａ，ｂ：軸受の接触楕円の長軸と短軸、Ｐ：軸受に作用する荷重、

回転数が増加すると玉に働く遠心力が大きくなるため、最大接触面圧は外輪側では増大するが内輪側では逆に減少する。また、内外輪の軌道溝曲率半径比が大きくなると接触楕円が小さくなるため、外輪側の最大接触面圧は増加する。

軸受の疲労限界面圧は１．５ＧＰａ（ＩＳＯ２８１：１９９０／Ａｍｄ２：２０００に記載されている数値）と考えられており、主軸回転数１２０００回転で内外輪の軌道溝曲率半径比を５７％とした場合には、軸受外輪の最大接触面圧が疲労限界面圧を超えないことが分かった。軌道溝曲率半径比５７％とした内輪の最大接触面圧は、１２０００回転でも疲労限界面圧１．５ＧＰａよりかなり低いことは勿論である。そこで内外輪の軌道溝曲率半径比の上限値を５７％とした。

本発明の工作機械用アンギュラ玉軸受は、内外輪曲率半径を従来の玉の直径の５１％、５２％から内外輪共に５４〜５７％に変更したことによって、発熱量の低減を図り高速性能を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。図２に一般的な工作機械主軸の構造を示す。図示するように、主軸１は左右一対のアンギュラ玉軸受３と１つの円筒ころ軸受４とで回転自在にハウジング２内に支持されている。ロータ５とステータ６とで主軸１を回転駆動するためのビルトインモータが構成される。ロータ５は主軸１に固定され、ステータ６はハウジング２に固定されている。この工作機械は主軸１の前端（図２で左端）を下向きとした立型のものとしてもよい。なお、図２で符号７は軸受冷却ジャケットを示し、符号８はモータ冷却ジャケットを示す。

２つのアンギュラ玉軸受３、３は、互いに背面向きに設置され、図１のようにそれぞれのアンギュラ玉軸受３の内輪１０と外輪１１との間に球形の玉１２を介在させてある。玉１２は環状の保持器１３の周方向等間隔の複数のポケット内に転動自在に保持されている。内輪１０の外周面および外輪１１の内周面には、玉１２との接触角が所定の角度となるように、断面円弧状の軌道溝１０ａと軌道溝１１ａがそれぞれ形成されている。この軸受３はグリース潤滑で使用される。

内外輪は一般に使用される軸受鋼製でよい。例えば内輪１０はＳＵＳ４４００（マルテンサイト系ステンレス鋼）とし、外輪１１はＳＵＪ２（高炭素クロム軸受鋼）とすることができる。

玉１２は一般に使用される鋼製（ＳＵＪ２など）のほかセラミック製（Ｓｉ３Ｎ４など）も含まれる。一般に軸受は外輪側で遠心力の影響を強く受けて温度上昇が大きくなり、鋼製の玉では１００万ｄｍｎを大きく越える高速回転で焼付きが発生する。セラミック製の玉は鋼製の玉に比べて密度が低く耐熱性が大きいので、高速回転での遠心力の影響を回避するのに好適である。

保持器１３は図１では外輪１１の内周面で案内しているが、内輪１０の外周面で案内してもよい。保持器１３を案内する外輪１１または内輪１０の案内面は、軌道溝１１ａ，１０ａの片側に設けることも可能であるが、両側に設けるのが好ましい。軌道溝１１ａ，１０ａの両側の案内面で保持器１３を案内することにより、高速運転時においても保持器１３の挙動が安定し、保持器１３の挙動による温度上昇が抑制される。また、保持器１３を外輪１１の内周面および内輪１０の外周面から離間させボールで案内するようにしてもよい。

内輪軌道溝１０ａと外輪軌道溝１１ａの軌道溝曲率半径比は、内輪側と外輪側でそれぞれ５４％以上かつ５７％以下であり、最も望ましくは、５４％以上５５％以下である。

前述した構成によれば、内外輪曲率半径を従来の玉の直径の５１％、５２％から内外輪共に５４〜５７％に変更したことによって、発熱量の低減を図り高速性能を向上させることができる。なお、内外輪曲率半径を増大させることによりある程度の面圧上昇は避けられないが、軸受の疲労限界面圧以下であればトータルの発熱量に影響する割合は滑り発熱量に比べ非常に低い。

従って大流量潤滑や定圧予圧などコスト高となる高速回転軸対策を用いなくとも、低コストで軸受の焼付きを防止して長寿命化を図ることが可能となる。

尚、本発明の工作機械用アンギュラ玉軸受は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明の工作機械用アンギュラ玉軸受の一部を拡大して示す断面図。工作機械主軸の一部を拡大して示す断面図。（ａ）は各種軌道溝曲率品の回転数と外輪温度上昇の実験結果を示す図、（ｂ）は各種軌道溝曲率品の内外輪軌道溝曲率半径比を示す図。（ａ）は各種軌道溝曲率品の回転数と最大接触面圧を計算した結果を示す図、（ｂ）は各種軌道溝曲率品の内外輪軌道溝曲率半径比を示す図。

符号の説明

１主軸
２ハウジング
３アンギュラ玉軸受
４円筒ころ軸受
５ロータ
６ステータ
１０内輪
１０ａ内輪軌道溝
１１外輪
１１ａ外輪軌道溝
１２玉
１３保持器

Claims

内輪と外輪との間に、保持器に保持された玉を接触角を持って介在させたアンギュラ玉軸受において、前記内輪の外周面および外輪の内周面に形成され前記玉を案内する断面円弧状の軌道溝の曲率半径を、それぞれ玉の直径の５４％以上かつ５７％以下としたことを特徴とする、ｄｍｎ値１００万以上の工作機械用アンギュラ玉軸受。