JP2006199771A - グリース組成物及び工作機械車軸用転がり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】 増ちょう剤量を増すことが可能なリチウム石けん系グリース組成物を提供し、工作機械主軸用転がり軸受におけるグリースのバリウムフリー化を図る。
【解決手段】 炭素数が１３〜１６または２０〜２４の直鎖脂肪酸をケン化してなるリチウム石けんの少なくとも１種を増ちょう剤とし、４０℃における動粘度が１５〜４０ｍｍ^２／ｓの潤滑油を基油とするグリース組成物、並びに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、前記グリース組成物を封入した工作機械主軸用転がり軸受。
【選択図】 図１

Description

本発明は、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工作機械主軸用転がり軸受、並びに前記工作機械主軸用転がり軸受に封入されるグリースに関する。

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。

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。

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。

従来、工作機械主軸用転がり軸受に封入されるグリースとしては、バリウム複合石けんを増ちょう剤とするものが採用されている。バリウム複合石けんは、同じ金属石けんであるステアリン酸リチウムや１２−ヒドロキシステアリン酸リチウム等とは異なり、増ちょう性が弱く、必要なちょう度（約２８０）を得るにはグリース全量の３０〜３５質量％の多量配合を必要とする。しかしながら、これが幸いして工作機械主軸用転がり軸受の封入グリースに適した性能を呈するのである。これは、以下の理由によるものと考えられている。

工作機械主軸用転がり軸受は、通常、シールを付けないオープンの状態で使用されるため、グリースの漏洩を起こしやすい。上記のリチウム石けんを増ちょう剤とするグリースでは、リチウム石けんは増ちょう性が高いため、配合量には限度があり、通常はグリース全量の１０〜１５質量％程度である。そのため、相対的に基油量が多くなり、遠心力により離油しやすく、離油した潤滑油によって外輪部に付着したグリースが軟化して軸受外部に流出するようになる。これに対し、バリウム複合石けんを増ちょう剤とするグリースでは、バリウム複合石けんの配合量が上記のように多く、基油量が少ないため、離油し難く、グリースの軟化、流出も起こり難い。

特開２０００−３２８０８３号公報

しかしながら、バリウムは環境負荷物質の疑いがあるため、出来れば使用を避けたいという要望が産業界から起こりつつある。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、増ちょう剤量を増すことが可能なリチウム石けん系グリース組成物を提供し、工作機械主軸用転がり軸受におけるグリースのバリウムフリー化を図ることを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明は以下のグリース組成物及び工作機械主軸用転がり軸受を提供する。
（１）工作機械主軸用転がり軸受に封入されるグリースであって、炭素数が１３〜１６または２０〜２４の直鎖脂肪酸をケン化してなるリチウム石けんの少なくとも１種を増ちょう剤とし、４０℃における動粘度が１５〜４０ｍｍ^２／ｓの潤滑油を基油とすることを特徴とするグリース組成物。
（２）基油が合成炭化水素油、鉱油、エステル油、アルキルジフェニルエーテル油から選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする上記（１）記載のグリース組成物。
（３）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、上記（１）または（２）記載のグリース組成物を封入したことを特徴とする工作機械主軸用転がり軸受。

本発明のグリース組成物は、増ちょう剤として特定のリチウム石けんを用いるため、従来よりも多量に配合してもグリースが硬くなりすぎず、潤滑性能等には悪影響を及ぼすことが無く、離油による流出が抑えられ、工作機械主軸用転がり軸受のバリウムフリー化を実現できる。

以下、本発明に関して詳細に説明する。

本発明の工作機械主軸用転がり軸受は、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。

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、下記に示す特定のリチウム石けん系グリース組成物が封入される。

グリース組成物において、基油は４０℃における動粘度が１５〜４０ｍｍ^２／ｓであれば、その種類や組成には制限がないが、鉱油系や合成油系の各潤滑油を使用できる。動粘度が１５ｍｍ^２／ｓ（４０℃）未満では、実使用に供した場合、軸受回転中の発熱に起因して動粘度が低くなりすぎるため、良好な油膜を形成し難く、４０ｍｍ^２／ｓ（４０℃）を越える場合は基油動粘度の高さが災いしてグリースの攪拌抵抗の一因となり、高速回転する軸受の発熱を促してしまうため好ましくない。

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。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。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。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。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。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、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。

これら潤滑油の中では、本発明で増ちょう剤に用いるリチウム石けんと相性がよく、グリース状を実現しやすく、かつ耐熱性、高速性に優れることから、合成炭化水素油、鉱油、アルキルジフェニルエーテル油及びエステル油が好ましい。

増ちょう剤には、炭素数が１３〜１６または２０〜２４の直鎖脂肪酸と、水酸化リチウムとをケン化させて得られるリチウム石けんを用いる。後述する実施例にも示すように、これらのリチウム石けんは、ステアリン酸リチウムや１２−ヒドロキシステアリン酸リチウムに比べて、増ちょう性が弱く、配合量を多くできる。具体的には、ステアリン酸リチウムや１２−ヒドロキシステアリン酸リチウムでは配合量がグリース全量の１０〜１５質量％を越えるとグリースが硬くなりすぎて潤滑性が低下するようになるが、これらのリチウム石けんでは配合量をグリース全量の２０〜３０質量％まで増量することができ、バリウム複合石けんと同程度とすることができる。尚、直鎖脂肪酸の炭素数が増すほど配合量を増量できる傾向にあるが、炭素数が２４を越える脂肪酸は融点が低くすぎるため、グリースの耐熱性が低くなり好ましくない。逆に炭素数が１２以下であると、融点が高すぎるためグリース製造が困難になり、製造時に基油を熱劣化させるおそれもある。

グリース組成物には、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。

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。

（試験−１：グリース試作）
４０℃における動粘度が４７ｍｍ^２／ｓのエステル油を基油とし、ラウリン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、ステアリン酸、アラキジン酸、ペヘン酸、リグノセリン酸と水酸化リチウムとをけん化させて得た各リチウム石けんを増ちょう剤とするグリースを作製した。その際、工作機械主軸用転がり軸受の封入グリースとして一般に適正とされる混和ちょう度の上下限値である３００または２４０となるように調整し、必要な増ちょう剤配合量を測定した。

結果を図２にグラフ化して示すが、炭素数が１３〜１６または２０〜２４の直鎖脂肪酸であれば、混和ちょう度２４０においても、増ちょう剤配合量をグリース全量の２０質量％以上と多くすることができ、好ましいことがわかる。

（試験−２：軸受耐久寿命試験及び漏洩評価）
４０℃における動粘度が４０ｍｍ^２／ｓのエステル油を基油とし、ラウリン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、ステアリン酸、アラキジン酸、ペヘン酸、リグノセリン酸と水酸化リチウムとをけん化させて得た各リチウム石けんを増ちょう剤とするグリースを作製した。また、比較のために、４０℃における動粘度が４０ｍｍ^２／ｓのエステル油を基油とし、バリウム複合石けんを増ちょう剤とするグリースを作製した。尚、何れのグリースも混和ちょう度を３００となるように調整した。表１に作製したグリースを示す。

そして、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、作製した各グリースを２．３ｇ（軸受空間容積の１５％占有）封入して試験軸受を作製し、図３に示す試験装置を用いて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２０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２１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。試験は、雰囲気温度２５℃、予圧９８Ｎ、ｄｍｎ１５０万の条件にて、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。結果を表１に示すが、比較例２の軸受耐久寿命を１とする相対値で示してある。また、１０００時間経過した時点で一度軸受を取外し、軸受内部から流出したグリースの量を量りを利用して測定した。結果を表１に合わせて示す。漏洩量を測定した後、軸受を試験機に組み込み、耐久寿命試験を再開した。

表１から、炭素数１３〜１６または２０〜２４の直鎖脂肪酸をケン化してなるリチウム石けんを増ちょう剤に用いたグリースは、バリウム複合石けんを増ちょう剤とするグリースと同等の漏洩特性、同等以上の耐久寿命が得られており、バリウム複合石けんを増ちょう剤とするグリースの代替品として好適であることがわかる。

本発明に係る工作機械主軸用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。 試験−１で得られた脂肪酸の炭素数と配合量との関係を示すグラフである。 試験−２で用いた試験装置の構成を示す断面図である。

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

Claims (3)

1. 工作機械主軸用転がり軸受に封入されるグリースであって、炭素数が１３〜１６または２０〜２４の直鎖脂肪酸をケン化してなるリチウム石けんの少なくとも１種を増ちょう剤とし、４０℃における動粘度が１５〜４０ｍｍ^２／ｓの潤滑油を基油とすることを特徴とするグリース組成物。
2. 基油が合成炭化水素油、鉱油、エステル油、アルキルジフェニルエーテル油から選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項１記載のグリース組成物。
3. 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、請求項１または２記載のグリース組成物を封入したことを特徴とする工作機械主軸用転がり軸受。

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