JP2006316850A

JP2006316850A - 正逆微動回転用転がり軸受

Info

Publication number: JP2006316850A
Application number: JP2005138553A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Takiuchi; 博志瀧内
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2005-05-11
Filing date: 2005-05-11
Publication date: 2006-11-24
Also published as: DE102006020556A1; TW200702571A; KR20060116694A

Abstract

【課題】高速で正逆微動回転が切り替えられても、転動体の微小滑りを十分に抑制して、内外輪の軌道面にフレッティングが発生しないようにすることである。
【解決手段】転動体としてのボール４をセラミックで形成し、内輪２と外輪３の各軌道面２ａ、３ａに浸炭窒化層を形成して、軸受空間に封入するグリース７の増ちょう剤にウレア化合物を用いることにより、ボール４の微小滑りを抑制するとともに、高速の正逆微動回転の切り替えによってボール４の微小滑りが生じても、内外輪２、３の各軌道面２ａ、３ａに十分な厚さの油膜が形成されるようにし、ボール４は勿論、内外輪２、３の各軌道面２ａ、３ａにもフレッティングが発生しないようにした。
【選択図】図２

Description

本発明は、正逆微動回転する軸を支持する正逆微動回転用転がり軸受に関する。

例えば、工作機械の中には、ワークまたは加工工具が載せられる移動テーブルを、サーボモータによって正逆微動回転されるボールねじで少しずつ往復動させ、ワークに精密加工を施すものがある。このような正逆微動回転されるボールねじのねじ軸を支持する転がり軸受では、正逆微動回転に伴う転動体の微小滑りによって転動体とその軌道面に油膜切れが生じ、転動体の表面や内外輪の軌道面に、フレッティングと呼ばれる局部的な摩耗が発生しやすくなる。

このような正逆微動回転に伴う転動体と内外輪の軌道面間の微小滑りによるフレッティングの発生を防止する手段として、本発明者は、転動体をセラミック製のものとして転動体のフレッティングを防止するとともに、その慣性質量を小さくして転動体の微小滑りを抑制し、内外輪の軌道面のフレッティングも防止することを先に提案している（例えば、特許文献１参照）。

実用新案登録第２５１０４０８号公報

近年、工作機械における加工の高速化に伴い、上述したような移動テーブルをボールねじで往復動させる工作機械でも、ボールねじの正逆微動回転を高速で切り替えるようになっている。このため、特許文献１に記載された正逆微動回転用転がり軸受のように、転動体を慣性質量の小さいセラミック製のものとしても、正逆微動回転の高速切り替えに伴う転動体の微小滑りを十分に抑制できず、内外輪の軌道面にフレッティングが発生しやすくなっている。

そこで、本発明の課題は、高速で正逆微動回転が切り替えられても、転動体や内外輪の軌道面にフレッティングが発生しないようにすることである。

上記の課題を解決するために、本発明は、内外輪の軌道面間に転動体が配列された軸受空間にグリースを封入し、正逆微動回転する軸を支持するようにした正逆微動回転用転がり軸受において、前記転動体をセラミックで形成し、前記内外輪の軌道面に浸炭窒化層を形成して、前記グリースの増ちょう剤にウレア化合物を用いた構成を採用した。

すなわち、転動体をセラミックで形成し、内外輪の軌道面に浸炭窒化層を形成して、グリースの増ちょう剤にウレア化合物を用いることにより、転動体の微小滑りを抑制するとともに、高速の正逆微動回転の切り替えによって転動体の微小滑りが生じても、内外輪の軌道面に十分な厚さの油膜が形成されるようにし、転動体は勿論、内外輪の軌道面にもフレッティングが発生しないようにした。

前記増ちょう剤にウレア化合物を用いたグリースは、浸炭窒化層との密着性が高いウレア化合物の薄い酸化皮膜を形成し、この酸化皮膜の上に十分な厚さの油膜を形成するので、転動体の微小滑りが生じても、内外輪の軌道面におけるフレッティングの発生を防止することができる。また、万が一、油膜切れが生じても、浸炭窒化層との密着性が高いウレア化合物の酸化皮膜の作用によって油膜が直ぐに修復されるので、軌道面にフレッティングが発生することはない。

なお、前記ウレア化合物としては、脂肪族系、脂環族系、芳香族系、およびこれらを任意の比率で混合したものを用いることができ、これらの中でも次の化学式で示されるジウレアまたはポリウレアがよく、中でもジウレアが好ましい。

ここに、Ｒ_２は炭素数６〜１５の芳香族系炭化水素基、脂肪族系炭化水素基または脂環族系炭化水素基であり、Ｒ_１およびＲ_３は、炭素数６〜１２の芳香族系炭化水素基もしくはシクロヘキシル基、炭素数７〜１２のシクロヘキシル誘導体、または炭素数６〜２０のアルキル基のいずれかである。

また、前記グリースの基油としては、鉱油、合成炭化水素油およびエーテル油から選ばれる潤滑油、またはこれらを任意の混合比率で混合した混合油を用いることができ、中でも前記ウレア化合物との相溶性のよい鉱油が好ましい。

前記グリースの増ちょう剤の配合割合を１０〜５０質量％とすることにより、グリースに十分な粘性を持たせ、高速で正逆微動回転が切り替えられても、慣性質量の小さいセラミック製の転動体の微小滑りをグリースの粘性で十分に抑制して、内外輪の軌道面でのフレッティングの発生をより確実に防止することができる。

前記増ちょう剤の配合割合を１０〜５０質量％としたのは、増ちょう剤の配合割合が１０質量％未満では、増ちょう剤のゲル化が不十分でグリースの粘性を十分に確保できず、増ちょう剤の配合割合が５０質量％を超えると、グリースの流動性が悪くなるとともに、基油の配合割合が少なくなって、グリースの潤滑性を十分に確保できなくなるからである。

なお、前記グリースには、ウレア化合物の増ちょう剤の機能を阻害しない範囲で、防錆剤、酸化防止剤、極圧添加剤、摩耗抑制剤、油性向上剤、腐食防止剤、流動点降下剤、粘度指数向上剤、構造安定剤、帯電防止剤、乳化剤、着色剤等を添加することもできる。

前記浸炭窒化層の残留オーステナイト量を２０〜４０質量％とすることにより、内外輪の軌道面の耐摩耗特性を向上させるとともに、転動疲労寿命を延長することができる。残留オーステナイト量が２０質量％未満では、転動疲労寿命を十分に延長することができず、残留オーステナイト量が４０質量％を超えると、浸炭窒化層の硬度が低下して耐摩耗特性も低下するからである。

本発明の正逆微動回転用転がり軸受は、転動体をセラミックで形成し、内外輪の軌道面に浸炭窒化層を形成して、グリースの増ちょう剤にウレア化合物を用いたので、転動体の微小滑りを抑制するとともに、高速の正逆微動回転の切り替えによって転動体の微小滑りが生じても、内外輪の軌道面に十分な厚さの油膜が形成されるようにし、転動体は勿論、内外輪の軌道面にもフレッティングが発生しないようにすることができる。

前記浸炭窒化層の残留オーステナイト量を２０〜４０質量％とすることにより、内外輪の軌道面の耐摩耗特性を向上させるとともに、転動疲労寿命を延長することができる。

以下、図面に基づき、本発明の実施形態を説明する。図１に示すように、この正逆微動回転用転がり軸受１は、サーボモータ１１で正逆微動回転され、工作機械の移動テーブル１２を往復動するボールねじ１３のねじ軸１３ａを支持するものであり、加工工具１４で加工されるワーク１５が載せられた移動テーブル１２は、ボールねじ１３のナット１３ｂに取り付けられている。

図２に示すように、前記正逆微動回転用転がり軸受１は、内輪２と外輪３の軌道面２ａ、３ａ間に、窒化珪素のセラミックで形成された転動体としてのボール４が保持器５に保持されたアンギュラ玉軸受であり、シール６で密封された軸受空間にグリース７が封入されている。なお、ボール４はアルミナ、窒化ホウ素等の他のセラミックで形成することもできる。

前記内輪２と外輪３は高炭素クロム軸受鋼ＳＵＪ２で形成され、図示は省略するが、これらの各軌道面２ａ、３ａには、浸炭窒化処理によって残留オーステナイト量が２０〜４０質量％の浸炭窒化層が形成されている。また、グリース７の増ちょう剤には脂肪族系ジウレアのウレア化合物が用いられている。

図３に示すように、内外輪２２、２３の間にボール２４を組み込み、このボール２４を組み込んだ内外輪２２、２３の間にグリース（図示省略）を封入した試験用軸受２１について、ＡＳＴＭＤ４１７０に準拠してファフナ型微動摩耗試験を行い、内外輪２２、２３の耐摩耗特性を調査した。試験用軸受２１の寸法は、外径４０ｍｍ、内径２０ｍｍ、ボール直径７．１４ｍｍ（９／３２ｉｎｃｈ）とし、試験前後のグリースを除いた内外輪の重量減少量から内外輪の摩耗量を求め、耐摩耗特性を評価した。

前記ファフナ型微動摩耗試験は、図４に示すように、上下の保持部材２５ａ、２５ｂの間に、上下２組の試験用軸受２１をその間に揺動部材２６を介在させてセットし、保持部材２５ａ、２５ｂ間の間隔をボルト２７とナット２８の締め付け量で調節して、コイルばね２９で各試験用軸受２１に荷重を負荷した状態で、揺動部材２６をモータ（図示省略）に接続されたクランク棒３０で揺動させ、各試験用軸受２１を正逆微動回転させるものである。試験条件は以下の通りとした。
・負荷荷重：２．４５ｋＮ
・揺動角：±１２°
・揺動サイクル：３０Ｈｚ
・試験時間：８時間

前記試験用軸受としては、実施例として、ボールをセラミック（窒化珪素）で形成し、内外輪を高炭素クロム軸受鋼ＳＵＪ２で形成して、浸炭窒化処理によってその表面に残留オーステナイト量が２０〜４０質量％の浸炭窒化層を形成し、グリースを増ちょう剤にウレア化合物（脂肪族系ジウレア）を用いたウレア系としたものを用意した。また、比較例として、実施例のボールをＳＵＪ２製としたもの（比較例１Ａ）、実施例の内外輪を浸炭窒化処理を施さない通常のＳＵＪ２製としたもの（比較例２Ａ）、実施例のボールをＳＵＪ２製とし、内外輪を通常のＳＵＪ２製としたもの（比較例３Ａ）、および比較例１Ａ、比較例２Ａ、比較例３Ａのグリースを、それぞれ増ちょう剤にリチウム化合物を用いたリチウム系としたもの（比較例１Ｂ、比較例２Ｂ、比較例３Ｂ）を用意した。なお、グリースの基油はいずれも鉱油とし、増ちょう剤の配合比率はウレア系、リチウム系のいずれも３０質量％とした。

図５は、上述したファフナ型微動摩耗試験における内外輪の摩耗量の測定結果を示す。ボールをセラミック製とし、内外輪をＳＵＪ２製として表面に浸炭窒化層を形成し、グリースをウレア系とした実施例のものは内外輪の摩耗がほとんど認められず、非常に優れた耐摩耗特性を有する。一方、グリースをウレア系とし、ボールをＳＵＪ２製とした比較例１Ａのものと、同じくグリースをウレア系とし、内外輪を通常のＳＵＪ２製とした比較例２Ａのものは、比較的耐摩耗特性が優れているが、顕著に内外輪の摩耗が認められる。ボールをＳＵＪ２製とし、内外輪を通常のＳＵＪ２製とした比較例３Ａのものは、グリースをウレア系としても内外輪の摩耗量が大きくなっている。また、グリースをリチウム系とした比較例１Ｂ、比較例２Ｂおよび比較例３Ｂのものは、いずれも内外輪の摩耗量が著しく増大している。

図６は、上記実施例のものと、比較的耐摩耗特性が優れていた比較例１Ａのものとについて、グリースの増ちょう剤の配合割合を１〜６０質量％の範囲で変化させて、ファフナ型微動摩耗試験を行った結果を示す。ボールをＳＵＪ２製とした比較例１Ａのものは、グリースの増ちょう剤の配合割合を変えても、配合割合を６０質量％と多くしたものを除いて、内外輪の摩耗量はあまり変化していない。これに対して、ボールをセラミック製とした実施例のものは、増ちょう剤の配合割合を１０〜５０質量％としたものは、いずれも内外輪が殆ど摩耗していないが、増ちょう剤の配合割合を１質量％と少なくしたものと、増ちょう剤の配合割合を６０質量％と多くしたもので、若干の内外輪の摩耗が認められる。

図６に示したファフナ型微動摩耗試験の結果は、以下のように考えられる。すなわち、ボールをＳＵＪ２製とした比較例１Ａのものは慣性質量が大きいので、グリースの増ちょう剤の配合割合を変えてその粘性を大きくしても、正逆微動回転に伴うボールの微小滑りを抑制する効果はなく、内外輪にフレッティングが発生するものと思われる。なお、増ちょう剤の配合割合を６０質量％としたもので内外輪の摩耗量が増加しているのは、基油の配合割合の減少に伴うグリースの潤滑性の低下によるものと思われる。これに対して、ボールをセラミック製とした実施例のものは慣性質量が小さいので、グリースの増ちょう剤の配合割合を１０〜５０質量％としたものでは、グリースの粘性の十分な確保によってボールの微小滑りが抑制され、内外輪にフレッティングが発生しなかったものと思われる。なお、増ちょう剤の配合割合が１質量％のものはグリースの粘性不足によって、配合割合が６０質量％のものはグリースの潤滑性低下によって、それぞれ内外輪にフレッティングが発生したものと思われる。

グリースを塗布したプレート上でボールが往復微動するように振動させる微小滑り摩耗試験を行い、プレートの摩耗深さとボールの摩耗量を測定した。プレート、ボールおよびグリースの組み合わせ試験サンプルとしては、上述したファフナ型微動摩耗試験における内外輪をプレートに対応させて、実施例のものと、比較例１Ａ、比較例２Ａ、比較例３Ａ、比較例１Ｂ、比較例２Ｂ、比較例３Ｂのものとを用意した。試験条件は以下の通りである。
・負荷荷重：９８Ｎ
・振動数：３０Ｈｚ
・振幅：０．４７ｍｍ
・負荷回数：８．６×１０^５サイクル
・試験時間：８時間

なお、前記プレートの摩耗深さは、その摩耗痕の５点以上で直角方向に走査したときの断面深さをタリサーフによって測定し、最も深い値をプレートの摩耗深さとした。また、ボール直径Ｄ_０は７．９４ｍｍ（５／１６ｉｎｃｈ）とし、摩耗後のボール直径Ｄを測定して、次式によってボールの摩耗量Ｖを算出した。
Ｖ＝{πｈ^２×（３Ｄ_０／２−ｈ）}／３（１）
ここに、ｈはボールの摩耗深さに相当し、次式で表される。
ｈ＝{Ｄ_０−（Ｄ_０ ^２−Ｄ^２）^１／２}／２（２）

図７（ａ）、（ｂ）は、上述した微小滑り摩耗試験におけるプレートの摩耗深さとボールの摩耗量の測定結果を示す。図７（ａ）に示したプレートの摩耗深さは、図６に示したファフナ型微動摩耗試験における内外輪の摩耗量とほぼ同じ傾向を示しており、実施例のものはプレートがほとんど摩耗していない。また、グリースをウレア系とした比較例１Ａ、比較例２Ａおよび比較例３Ａのものは、プレートの摩耗深さが比較的小さく、グリースをリチウム系とした比較例１Ｂ、比較例２Ｂおよび比較例３Ｂのものは、いずれもプレートの摩耗深さが大幅に増大している。

図７（ｂ）に示したボールの摩耗量は、ボールをセラミック製とした実施例、比較例２Ａおよび比較例２Ｂのものではほとんど認められない。また、ボールをＳＵＪ２製としたなかでは、グリースをウレア系とした比較例１Ａおよび比較例３Ａのボールの摩耗量が比較的少なく、グリースをリチウム系とした比較例１Ｂおよび比較例３Ｂのものは、ボールの摩耗量が大幅に増加している。以上の結果より、微小滑り摩耗試験においても、ボールをセラミック製とし、内外輪をＳＵＪ２製として表面に浸炭窒化層を形成し、グリースをウレア系とした実施例のものは、軌道面に相当するプレートの摩耗がほとんどなく、かつ、ボールも摩耗しないことが確認された。

上述した実施形態では、転がり軸受をアンギュラ玉軸受としたが、本発明に係る正逆微動回転用転がり軸受は、深溝玉軸受やころ軸受等の他の転がり軸受に適用することもできる。

本発明に係る正逆微動回転用転がり軸受を採用した工作機械を示す概略正面図図１の正逆微動回転用転がり軸受を示す一部省略縦断面図ファフナ型微動摩耗試験の試験用軸受を示す斜視図ファフナ型微動摩耗試験機の構成を示す分解斜視図ファフナ型微動摩耗試験における内外輪の摩耗量の測定結果を示すグラフファフナ型微動摩耗試験におけるグリースの増ちょう剤の配合割合と内外輪の摩耗量との関係を示すグラフａは微小滑り摩耗試験におけるプレートの摩耗深さの測定結果を示すグラフ、ｂは同試験におけるボールの摩耗量の測定結果を示すグラフ

符号の説明

１正逆微動回転用転がり軸受
２内輪
３外輪
２ａ、３ａ軌道面
４ボール
５保持器
６シール
７グリース
１１サーボモータ
１２移動テーブル
１３ボールねじ
１３ａねじ軸
１３ｂナット
１４加工工具
１５ワーク
２１試験用軸受
２２内輪
２３外輪
２４ボール
２５ａ、２５ｂ保持部材
２６揺動部材
２７ボルト
２８ナット
２９コイルばね
３０クランク棒

Claims

内外輪の軌道面間に転動体が配列された軸受空間にグリースを封入し、正逆微動回転する軸を支持するようにした正逆微動回転用転がり軸受において、前記転動体をセラミックで形成し、前記内外輪の軌道面に浸炭窒化層を形成して、前記グリースの増ちょう剤にウレア化合物を用いたことを特徴とする正逆微動回転用転がり軸受。
前記グリースの増ちょう剤の配合割合を１０〜５０質量％とした請求項１に記載の正逆微動回転用転がり軸受。
前記浸炭窒化層の残留オーステナイト量を２０〜４０質量％とした請求項１または２に記載の正逆微動回転用転がり軸受。