JP2006329233A - 転がり軸受及び工作機械用主軸装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 外輪案内保持器を用いた軸受でグリース潤滑や油潤滑においても保持器の挙動を安定させ、保持器音の発生を防止できる転がり軸受及び工作機械用主軸装置を提供する。
【解決手段】 アンギュラ玉軸受１０は、外輪１２に案内される保持器１４を備え、保持器１４の案内面１４ｂには、軸方向に傾斜する少なくとも２つの傾斜溝１４ｃが形成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、転がり軸受及び工作機械用主軸装置に関し、特に、保持器音の抑制を図った転がり軸受及び工作機械用主軸装置に関する。

一般に、転がり軸受の保持器の案内方式としては、外輪案内、内輪案内、玉或いはころ案内の方式がある。このうち、工作機械用主軸装置で使用される転がり軸受は内輪回転で用いられることが多いため、内輪案内の保持器では遠心力により潤滑油が案内面に保持されない。このため、工作機械用主軸装置で使用される転がり軸受は、潤滑性の面から外輪案内、玉或いはころ案内の保持器が用いられる。

玉或いはころ案内の保持器の場合には、保持器音の発生を小さく抑えることができるが、高速回転の際には、遠心力によって保持器の振れまわりが大きくなる可能性がある。一方、外輪案内の保持器の場合には、保持器の振れまわりを外輪で抑えることができるため、軸受を高速回転させることができるが、潤滑状態が悪化すると保持器音が発生しやすい。

外輪案内の保持器において保持器音が発生しやすい理由は潤滑剤の抵抗が保持器の挙動を乱し、保持器ポケットと転動体、外輪と保持器とを激しく衝突させるからである。特に転がり軸受にグリースを封入して初めて回す初期運転時には、グリースが軸受内部でまだ馴染んでいないため、転動体が軌道面上に付着したグリースを撹拌し、保持器案内面に潤滑剤を押し出そうとする。このため、保持器案内面におけるグリースが抵抗となり保持器のスムーズな回転が妨げられ、保持器が激しい振動を起こす。そして、保持器案内面と外輪（内輪）案内面、保持器ポケット面と玉とが衝突し、保持器音と呼ばれる激しい騒音が発生する。

グリースは転がり軸受をしばらく回転させることで馴染み、これにより保持器音の発生は収束する。しかしながら、保持器の案内すきまによっては保持器音が収束しづらい場合がある。一般的に、案内すきまが小さい方が保持器の振れ回り成分（ｆｃ）による軸受振動は発生しにくく、工作機械主軸のように低振動性能が要求される場合には案内すきまを小さくした方が良い。しかし、案内すきまが小さいとグリースを排出するすきまが小さいため、グリースが馴染みにくく保持器音が収束しにくい。このため、慣らしが終わった後でも潤滑状態が不安定になると保持器音が発生しやすい。またオイルエア潤滑やオイルミスト潤滑でも潤滑状態が不安定になると保持器音は発生してしまう。

上述のように、外輪案内の保持器では保持器の挙動が不安定になると保持器音を発生しやすいため、従来からこれらの課題を解決するための技術が知られている（例えば、特許文献１及び２参照。）。

特許文献１に記載の転がり軸受では、外輪あるいは内輪案内の保持器において、保持器の案内面に軸方向及び周方向に溝を設けて油の排出を促進させている。また、特許文献２に記載の転がり軸受では、図１３に示すように、外輪１０１がカウンターボア１０１ａを有し、保持器１０２のカウンターボア側の外径をテーパ状の案内面１０２ａとし、さらに保持器１０２の案内面１０２ａにヘリングボーンと呼ばれるＶ字溝（図示せず）を設けることで保持器１０２の軸方向、ラジアル方向の動きを安定させている。
特開２００３−１８４８８８号公報 特開２００１−１４０８７０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の転がり軸受では、油潤滑のように流動しやすい潤滑剤に対して、ある程度排出効果を有するが、高速回転で使用される場合には、より良好な排出効果が期待され、さらに、グリースのようにペースト状になって流動性に乏しい潤滑剤においてもより良好な排出効果が望まれる。

さらに、特許文献２に記載の転がり軸受では、運転中軸受内に、矢印ｗに示すような空気の流れが発生し、グリースＧは外輪１０１のカウンターボア側に集まる。このため、集まったグリースＧが保持器１０２の回転抵抗となり、保持器の挙動が不安定になる可能性がある。また、外輪１０１のカウンターボア側を案内としているため、軸受内部にグリースＧが残留できる空間が小さくなって、潤滑性が乏しくなり、軸受の寿命が低下する可能性がある。

本発明はこのような不都合を解消するためになされたものであり、その目的は、外輪案内保持器を用いた軸受でグリース潤滑や油潤滑においても保持器の挙動を安定させ、保持器音の発生を防止できる転がり軸受及び工作機械用主軸装置を提供することにある。

本発明の目的は、下記の構成によって達成される。
（１） 外輪に案内される保持器を備える転がり軸受であって、
前記保持器の案内面には、軸方向に対して傾斜する少なくとも２つの傾斜溝が形成されることを特徴とする転がり軸受。
（２） 前記傾斜溝の傾斜角度は、前記軸方向に対して５度以上６０度以下であることを特徴とする（１）に記載の転がり軸受。
（３） グリースによって潤滑されることを特徴とする（１）または（２）に記載の転がり軸受。
（４） 前記転がり軸受は、前記外輪がカウンターボアを有するアンギュラ玉軸受であり、前記グリースは、前記カウンターボア側に封入されることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載の転がり軸受。
（５） （１）〜（４）のいずれかに記載の転がり軸受を用いることを特徴とする工作機械用主軸装置。

本発明によれば、外輪に案内される保持器の案内面には、軸方向に対して傾斜する少なくとも２つの傾斜溝が形成されるので、グリース潤滑や油潤滑においても保持器の挙動を安定させ、保持器音の発生を防止できる。

以下、本発明の各実施形態に係る転がり軸受について図面を参照して詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１〜図４に示すように、第１実施形態の転がり軸受は、工作機械用主軸装置等に適用可能なアンギュラ玉軸受である。アンギュラ玉軸受１０は、外周面に内輪軌道面１１ａを有する内輪１１と、内周面に外輪軌道面１２ａを有する外輪１２と、内輪軌道面１１ａ及び外輪軌道面１２ａ間に円周方向に沿って配置される複数の転動体である玉１３と、玉１３を転動自在に保持する保持器１４とを備える。

図１（ｂ）に示すように、外輪１２は、外輪軌道面１２ａに対して軸方向一方側にカウンターボア１２ｂを有し、軸方向他方側に肩部１２ｃを有する。図２及び図３に示すように、保持器１４は、ＰＰＳ樹脂等の樹脂材料からなり、玉１３をそれぞれ保持する複数のポケット１４ａを備える。また、保持器１４は外輪案内方式であり、外輪１２の反カウンター側となる肩部１２ｃの内周面と対抗する外周面を案内面１４ｂとして外輪１２に案内される。

外輪１２の肩部１２ｃの内周面における直径ｄ１と保持器１４の案内面１４ｂにおける直径（案内径）ｄ２の差である保持器１４の案内すきまｇは、保持器１４の案内径ｄ２に対して０．０５〜０．７％に設定される。また、保持器１４のポケット１４ａと玉１３との間のすきまである保持器１４のポケットすきまは、上記案内すきまｇに対して０．８〜１．８倍に設定される。このように設定することで高速時に保持器１４が振れまわることによる軸のＦｃ振れ（保持器回転周波数での振れ）発生を低減されることができる。

また、保持器１４の案内面１４ｂには、軸方向に傾斜する複数の傾斜溝１４ｃ（本実施形態では１２箇所）が円周方向に亘って等間隔に配置されている。これら複数の傾斜溝１４ｃは、それぞれ所定の幅ｗを持って軸方向に傾斜しており、互いに平行に配置されている。傾斜溝１４ｃは、その傾斜角度αを軸方向に対して５度以上６０度以下、幅ｗを玉径に対して５０％以上にそれぞれ設定される。また、傾斜溝１４ｃの深さｓは、厚さｔに対して０．０７５〜０．６６倍となるように設定される。また、傾斜溝１４ｃと案内面１４ｂとの間の縁部１４ｄには、保持器１４がエッジあたりを生じて摩耗しないように丸みＲを持った形状としている。

また、内輪１１の外周面と外輪１２の内周面との間の内部空間には、この内部空間容積に対して所定量のグリースが封入されている。なお、グリースは、保持器音の収束を考慮して、外輪１２のカウンターボア１２ｂ側の位置Ａから封入されることが好ましい。

具体的には、本実施形態の保持器１４は、案内径ｄ２：８６ｍｍ、厚さｔ：４ｍｍ、傾斜溝の傾斜角度α：１５°、傾斜溝の深さｓ：１．５ｍｍ、傾斜溝の幅ｗ：１０ｍｍ、傾斜溝と案内面との間の縁部における丸みＲ：０．２ｍｍに設定されている。また、案内すきまｇは０．４ｍｍに設定され、グリースは内部空間容積に対して１５％の量が封入されている。

このように形成される保持器１４では、図４（ａ）に示すように、保持器１４の傾斜溝１４ｃに付着したグリースＧに、保持器１４の運転中、軸方向に傾斜した傾斜溝１４ｃによって保持器１４の外側に押し出すような分力Ｆａが作用する。これにより、図４（ｂ）に示すように、グリースＧは傾斜溝１４ｃを通じて案内面１４ｂから逃げやすくなり、グリースＧによる抵抗を回避できるので、保持器１４の挙動が安定して保持器音の発生を防止することができる。また、傾斜溝１４ｃは少なくとも２つ円周方向に等間隔に配置されているので、保持器１４が高速回転したときのアンバランスによる挙動の乱れを防ぐことができる。

さらに、回転時におけるアンギュラ玉軸受１０内のグリースは、遠心力や玉１３による撹拌、軸受内部の空気の流れによりカウンターボア側に移動し、その移動中に保持器１４の運動の抵抗となりうる。そこで予めグリースを外輪１２のカウンターボア１２ｂ側に封入しておけば運転中のグリースの移動を極力避けられ、撹拌抵抗による保持器挙動の乱れを回避し、保持器音の発生を抑える効果が高くすることができる。

従って、本実施形態のアンギュラ玉軸受１０によれば、外輪１２に案内される保持器１４の案内面１４ｂに、軸方向に傾斜する少なくとも２つの傾斜溝１４ｃが形成されるので、グリースは傾斜溝１４ｃを通じて案内面１４ｂから逃げやすくなり、グリースによる抵抗を回避でき、保持器１４の挙動が安定して保持器音の発生を防止することができる。

また、傾斜溝１４ｃの傾斜角度は、軸方向に対して５度以上６０度以下であるように設定されるので、グリースに十分な分力が作用し、且つ、傾斜溝１４ｃが円周方向に長くなることがないので、グリースをよる抵抗をより確実に回避でき、保持器１４の挙動が安定して保持器音の発生を防止することができる。

なお、本実施形態では、保持器１４の樹脂材料としてＰＰＳ樹脂を用いたが、他の樹脂材料でも同様な効果が得られる。
例えば、合成樹脂材料としては、ポリアミド６６やポリアミド４６、ポリフェニレンサルファイド、ポリアセタール、熱可塑性ポリイミド、ポリエーテルエーテルケトン等を母材として使用することができる。さらに、保持器１４の強度向上のために、ガラス繊維を、１０〜４０重量％、炭素繊維、アラミド繊維を１０〜３０重量％程度添加することが好ましい。また、高速回転で使用される場合には、炭素繊維やアラミド繊維がより好ましいが、使用に応じてガラス繊維も選択できる。炭素繊維やアラミド繊維の添加量が、１０重量％より少ない場合は強度の保持が不十分であり、３０重量％より多くすると成形性が悪くなり外観も悪くなる。また、さらに好ましくは、炭素繊維やアラミド繊維の添加量を２０〜３０重量％とすると強度、成形性も共に良好になる、ガラス繊維の場合は１０〜４０重量％が好ましく、この理由は上記と同様である。

その他にも、ガラス転移温度が１００℃を超え、融点が２７０℃を超える樹脂に、繊維径２μｍ以下のウィスカーを充填した樹脂組成物からなる合成樹脂が適用可能である。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る転がり軸受について図５を参照して説明する。なお、第１実施形態と同等部分については同一符号を付して説明を省略或いは簡略化する。

図５に示すように、本実施形態のアンギュラ玉軸受２０は、第１実施形態より幅ｗが大きい保持器２１の傾斜溝１４ｃが６箇所に形成されている点において第１実施形態のものと異なる。このように構成される保持器２１を用いたアンギュラ玉軸受２０においても、第１実施形態と同様の効果を奏する。

また、図６に示す本実施形態の変形例のように、保持器３１の傾斜溝１４ｃは３箇所に配置されてもよい。この場合、案内面１４ｂを構成する３つの突起３１ａの幅ｗ’は、例えば、案内径ｄ２が８６ｍｍの保持器３１において、５ｍｍ以上であればよい。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係る転がり軸受について図７を参照して説明する。なお、第１実施形態と同等部分については同一符号を付して説明を省略或いは簡略化する。

本実施形態では、転がり軸受に適用される保持器４１の形状において、第１実施形態のものと異なる。即ち、図７に示すように、本実施形態の保持器４１は、傾斜溝１４ｃ、１４ｃ’の軸方向に対する傾斜角度が円周方向に亘って交互に付けられている。即ち、傾斜溝１４ｃが軸方向に対して傾斜角度α°だけ傾斜し、傾斜溝１４ｃ’は、軸方向に対して傾斜角度−α°だけ傾斜する。このように構成される保持器４１を有する転がり軸受では、いずれの方向に回転する場合においても、第１実施形態と同様なグリース排出効果が得られ、保持器音の発生を抑制することができる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態に係る転がり軸受について図８を参照して説明する。なお、第１実施形態と同等部分については同一符号を付して説明を省略或いは簡略化する。

本実施形態の転がり軸受は、外輪案内方式の保持器５４を有する円筒ころ軸受５０であり、内外輪５１，５２間に配置されるころ５３を保持する保持器５４は、外輪５２の外輪軌道面５２ａの両側の内周面と対向する外周面を案内面１４ｂとし、さらに、第１実施形態と同様の傾斜溝１４ｃが外周面に設けられている。このように構成される円筒ころ軸受５０においても、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

なお、本発明は上記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において適宜変更可能である。
本実施形態では、アンギュラ玉軸受と円筒ころ軸受について説明したが、本発明はこれらの軸受に限定されず、他の転がり軸受にも適用可能である。

ここで、第１実施形態で用いた転がり軸受１０と、図９及び図１０に示す比較例としての従来品の転がり軸受６０を用いて行われた３つの試験及びその試験結果について説明する。
なお、本発明品としての転がり軸受１０は、第１実施形態で説明したように、案内径ｄ２：８６ｍｍ、厚さｔ：４ｍｍ、傾斜溝の傾斜角度α：１５°、傾斜溝の深さｓ：１．５ｍｍ、傾斜溝の幅ｗ：１０ｍｍ、傾斜溝と案内面との間の縁部における丸みＲ：０．２ｍｍに設定されている。また、案内すきまｇは０．４ｍｍに設定され、グリースは内部空間容積に対して１５％の量が封入されている。
一方、従来品である転がり軸受６０は、保持器６１の外周面に傾斜溝がない点において転がり軸受１０と異なる。

（試験１）
試験１では、上記２つの転がり軸受１０，６０を単体回転試験機で回転させ、保持器音の発生状況を確認した。なお、グリースは、いずれの転がり軸受１０，６０においても、内輪１１の反カウンターボア側（位置Ｂ）に軸受の内部空間容積に対して１５％となる量を封入した。各軸受１０，６０は慣らし運転をしていないものを使い、回転数は４０００ｍｉｎ^−１でバネによって予圧５０Ｎをかけて行った。その結果を表１に示す。

これにより、従来品の軸受６０が運転開始から保持器音が発生していたのに対して、発明品１の軸受１０は１００秒経過後には保持器音が発生していないことがわかる。

また、上記の転がり軸受１０，６０を用いて、各保持器１４，６１のラジアル方向の振動速度を検出し、保持器１４，６１の挙動を測定した。この測定では、図１１に示すように、転がり軸受１０，６０を単体回転試験機７０にセットしバネによってアキシアル荷重５０Ｎを軸受１０，６０に負荷しながら、４０００ｍｉｎ^−１で軸受１０，６０を回転させ、レーザードップラ振動計７１という非接触の振動測定器を用いて保持器１４，６１の振動速度を検出した。レーザードップラ振動計７１は運動している物体にレーザーを当てると、物体の振動状態によってそのレーザーの反射波の周波数が変化することを利用したものである。また、これら軸受１０，６０には軸受の内部空間容積に対して１５％のグリースが封入されており、軸受１０，６０の外輪には孔が形成され、そこからレーザードップラ振動計７１のレーザーを回転中の保持器１４，６１に直接当てて保持器１４，６１の振動速度を測定した。

その結果を図１２に示す。なお、図１２のグラフは横軸に時間、縦軸がラジアル方向の振動速度を表している。この図から、従来品の軸受６０では、ラジアル方向の振動速度が不安定な挙動を示していることがわかる。一方で、本発明品の軸受１０については、回転させてすぐに振動が安定状態に入っており、本発明品の軸受１０が保持器１４の挙動を安定させて保持器音の発生を抑える効果を有することがわかる。

（試験２）
次に、グリースの封入位置による保持器音の収束性について試験を行った。本試験では、本発明品の転がり軸受１０を使用し、グリースの封入位置を外輪１２のカウンターボア側の位置Ａと、内輪１１の反カウンターボア側の位置Ｂとしたもので比較を行った（図１参照。）。この結果、表１に示すように、封入位置を反カウンター側の位置Ｂとした発明品１よりも、カウンター側の位置Ａとした発明品２の方が保持器音の収束が早く、保持器音の抑制に効果があることがわかる。

（試験３）
さらに、保持器１４の案内面１４ｂに設けられる傾斜溝１４ｃの軸方向に対する傾斜角度α°を変更して試験を行った。なお、グリースの封入位置はカウンターボア側の位置Ａとした。その結果を表２に示す。

表２の結果から、軸方向に対して傾斜がないもの（０°）や傾斜角度が６０°を越えるものは時間がたっても保持器音が発生していたが、傾斜角度を５〜６０°にしたものは保持器音の発生が抑えられていることがわかる。
なお、図１のような本発明の転がり軸受１０において傾斜溝１４ｃの幅ｗや深さｓを変更して試験をしてみたところ、幅ｗは玉径の５０％以上、深さｓは０．３ｍｍ以上としたものが保持器音発生防止により効果があることが確認された。また、図６のような形状の保持器３１でも効果が確認され、この場合、突起３１ａの幅ｗ’が玉径の５０％以上あるとより好ましいことがわかった。

本発明の第１実施形態に係るアンギュラ玉軸受を示し、（ａ）はその正面図であり、（ｂ）は（ａ）のI−I線に沿った断面図である。 本発明の第１実施形態に係るアンギュラ玉軸受の保持器を示す斜視図である。 （ａ）は図２の保持器の正面図であり、（ｂ）は（ａ）の部分側面図である。 保持器の案内面に付着したグリースの運転中の動きを説明するための図である。 本発明の第２実施形態に係るアンギュラ玉軸受の正面図である。 本発明の第２実施形態の変形例に係るアンギュラ玉軸受の保持器の正面図である。 本発明の第３実施形態に係るアンギュラ玉軸受の保持器を示し、（ａ）はその正面図であり、（ｂ）はその部分側面図である。 本発明の第４実施形態に係る円筒ころ軸受を示す断面図である。 従来のアンギュラ玉軸受を示し、（ａ）はその正面図であり、（ｂ）は（ａ）のIX−IX線に沿った断面図である。 図９のアンギュラ玉軸受の保持器を示す斜視図である。 レーザードップラ振動計を使った保持器挙動測定の概略図である。 保持器のラジアル方向振動速度の測定結果を示すグラフである。 従来のアンギュラ玉軸受の潤滑状態を示す断面図である。

符号の説明

１０，２０ アンギュラ玉軸受（転がり軸受）
１１ 内輪
１２ 外輪
１２ｃ カウンターボア
１３ 玉（転動体）
１４，２１，３１，４１ 保持器
１４ｂ 案内面
１４ｃ，１４ｃ’ 傾斜溝
５０ 円筒ころ軸受（転がり軸受）
５１ 内輪
５２ 外輪
５３ ころ（転動体）
５４ 保持器

Claims (5)

1. 外輪に案内される保持器を備える転がり軸受であって、
   前記保持器の案内面には、軸方向に対して傾斜する少なくとも２つの傾斜溝が形成されることを特徴とする転がり軸受。
2. 前記傾斜溝の傾斜角度は、前記軸方向に対して５度以上６０度以下であることを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受。
3. グリースによって潤滑され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。
4. 前記転がり軸受は、前記外輪がカウンターボアを有するアンギュラ玉軸受であり、前記グリースは、前記カウンターボア側に封入されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の転がり軸受。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の転がり軸受を用いることを特徴とする工作機械用主軸装置。

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