JP2007100759A

JP2007100759A - 転がり軸受

Info

Publication number: JP2007100759A
Application number: JP2005289230A
Authority: JP
Inventors: Taisuke Maruyama; 泰右丸山
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2005-09-30
Filing date: 2005-09-30
Publication date: 2007-04-19

Abstract

【課題】高速回転下で使用した場合であっても、潤滑性能の向上を図りつつ、低トルク化や発熱量の減少を図ることができる転がり軸受を提供する。
【解決手段】内輪１及び外輪２の軌道面１ａ，２ａに、表面粗さ（Ｒａ）が０．０５μｍ以上２．０μ以下となるようなショットピーニング処理が施されたショットピーニング層４を介して、潤滑油Ｊに対する接触角θが５０°以上となるような撥油処理が施された撥油性層５を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、転がり軸受に関する。

工作機械の主軸を支持するために用いられる転がり軸受としては、アンギュラ玉軸受や円筒ころ軸受、或いはこれらを組み合わせたものを用いることが知られている。工作機械の主軸は、加工精度と生産性の向上を図るために回転の高速化が望まれているが、主軸を支持する転がり軸受は高速回転下で使用する程、予荷重が増大してトルクが大きくなるとともに、発熱量が多くなるため、焼付きや軸受損傷が生じ易くなる。また、転がり軸受において発熱量が多くなると、工作機械全体が熱変形して加工精度が低下する場合もある。

このため、特許文献１では、内輪軌道面、外輪軌道面、及び転動面のうち少なくとも一つの転がり面に撥油処理を施して、軸受内の潤滑剤（例えば、潤滑油やグリース）をそれ自身の表面張力で転がり面に保持することにより、トルクや発熱量の上昇を抑制し、焼付きや軸受損傷を生じ難くする技術が提案されている。
特開平１０−１７６７１９号公報

近年、工作機械の更なる加工精度及び生産性の向上を図るために、主軸の更なる高速回転化が進むにつれて、この主軸を支持する転がり軸受においては、潤滑性能の向上を図りつつ、更なる低トルク化や発熱量の減少を図ることが要求されている。また、環境問題の観点から、自動車の燃費や風力発電機の発電効率の向上を図るために、これらに用いられる転がり軸受においても、潤滑性能の向上を図りつつ、更なる低トルク化や発熱量の減少を図ることが要求されている。

しかしながら、上述した特許文献１に記載の転がり軸受には、高速回転下で使用されると、転がり面に施した撥油処理による被膜が剥離し易くなり、潤滑性能の向上を図りつつ、さらなる低トルク化や発熱量の減少を図ることが難しいという問題がある。
そこで、本発明は、このような従来の問題に着目してなされたものであり、高速回転下で使用した場合であっても、潤滑性能の向上を図りつつ、低トルク化や発熱量の減少を図ることができる転がり軸受を提供することを課題としている。

このような課題を解決するために、本発明は、内輪と、外輪と、複数の転動体と、を備え、前記内輪及び前記外輪の軌道面と前記転動体の転動面との間が潤滑剤により潤滑される転がり軸受において、前記軌道面及び前記転動面のうち少なくとも一つの転がり面の表面粗さ（Ｒａ）が０．０５μｍ以上２．０μｍ以下であるとともに、この転がり面に前記潤滑剤に対する接触角が５０°以上となるような撥油処理が施されていることを特徴とする転がり軸受を提供する。

本発明によれば、軌道面及び転動面のうち少なくとも一つの転がり面の表面粗さ（Ｒａ）を０．０５μｍ以上２．０μｍ以下とし、この転がり面に潤滑剤（例えば、潤滑油やグリース）に対する接触角が５０°以上となるような撥油処理を施したことにより、撥油処理による被膜が転がり面に形成した凹部に保持されて、転がり面に密着して形成できるようになる。このため、転がり面と潤滑剤との接触面で速度勾配が小さく（つまり、見かけの動粘度が小さく）なるため、潤滑性能の向上を図りつつ、転がり軸受の低トルク化及び発熱量の減少を図ることができる。

ここで、高速回転下において、潤滑性能の向上を図りつつ、低トルク化及び発熱量の減少を図るために、潤滑剤に対する接触角が５０°以上となるような撥油処理を施す。一方、潤滑剤に対する接触角は、１８０°に近づく程、油をはじく能力（撥油性）が向上するため、出来るだけ大きくすることが好ましいが、撥油処理に要するコストを考慮して、潤滑剤に対する接触角が１６０°以下となるような撥油処理を施すことが好ましい。

また、撥油処理による被膜を転がり面に密着して形成するために、転がり面の表面粗さ（Ｒａ）は０．０５μｍ以上とする。一方、低トルク化及び発熱量の減少を図るために、転がり面の表面粗さ（Ｒａ）は２．０μｍ以下とする。
本発明の転がり軸受は、例えば、工作機械、自動車等のトランスミッション、ターボチャージャ、風力発電機の回転部を支持する転がり軸受として好適に用いることができる。
なお、転がり面の表面粗さ（Ｒａ）は、例えば、転がり面に、略球状をなすショット材（例えば、直径２．５μｍ以上６０μｍ以下のショット粉末）を所定の噴射圧力（例えば、０．２ＭＰａ以上１．０ＭＰａ）で噴射（ショットピーニング）することで調節することができる。

また、本発明における撥油処理の方法としては、例えば、撥油剤を希釈した溶液中に転動部材（内輪、外輪、及び転動体）を所定時間浸漬させた後に引きあげて、転動部材に付着した溶液を乾燥させる方法や、転動部材の転がり面に撥油剤を希釈した溶液をスプレーを用いて噴射して、転動部材に付着した溶液を乾燥させる方法や、テフロン（登録商標）等のフッ素系改質膜をスパッタリングすることによる方法が挙げられる。特に、転がり面に撥油処理を薄く均一に施すためには、撥油剤を希釈した溶液中に転動部材を所定時間浸漬させた後に引きあげて、転動部材に付着した溶液を乾燥させる方法を用いることが好ましい。

撥油剤としては、例えば、フッ素系界面活性剤、フッ素系シランカップリング剤、フッ素系ポリマー等のフッ素系処理剤が挙げられる。なお、潤滑剤として、鉱油又は合成油の潤滑油を使用する場合には、撥油剤としてフッ素系界面活性剤を用いることが好ましい。さらに、撥油処理による被膜の潤滑剤に対する接触角は、例えば、撥油剤を希釈した溶液の希釈率、乾燥前の付着量、及び乾燥条件等によって調整することができる。

本発明の転がり軸受によれば、軌道面及び転動面のうち少なくとも一つの転がり面の表面粗さ（Ｒａ）を０．０５μｍ以上２．０μｍ以下とするとともに、この転がり面に潤滑剤に対する接触角が５０°以上となるような撥油処理を施すことにより、撥油処理による被膜を転がり面に密着して形成できる。よって、高速回転下で使用した場合であっても、潤滑性能の向上を図るとともに、低トルク化や発熱量の減少を図ることができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
＜第一実施形態＞
図１は、本発明に係る転がり軸受として玉軸受の一例を示す断面図である。
本実施形態の玉軸受は、図１に示すように、内輪１と、外輪と、玉３とからなり、内輪１及び外輪２の軌道面（転がり面）１ａ，２ａには、表面粗さ（Ｒａ）が０．０５μｍ以上２．０μｍ以下となるようなショットピーニング処理が施された凹凸部（以下、「ショットピーニング層」と記す。）４を介して、内輪１及び外輪２の軌道面１ａ，２ａと玉３の転動面３ａとからなる転がり面に供給された潤滑油（潤滑剤）Ｊに対する接触角が５０°以上となるような撥油処理が施された層（以下、「撥油性層」と記す。）５が形成されている。
本実施形態の玉軸受では、内輪１及び外輪２の軌道面１ａ，２ａにショットピーニング層４を介して撥油性層５が形成されているため、軌道面１ａ，２ａに撥油性層５を密着して形成することができる。

＜第二実施形態＞
図２は、本発明に係る転がり軸受として玉軸受の他の例を示す断面図である。
本実施形態の玉軸受は、図２に示すように、内輪１と、外輪と、玉３とからなり、玉３の転動面（転がり面）３ａには、表面粗さ（Ｒａ）が０．０５μｍ以上２．０μｍ以下となるようなショットピーニング処理が施されたショットピーニング層４を介して、内輪１及び外輪２の軌道面１ａ，２ａと玉３の転動面３ａとからなる転がり面に供給される潤滑油（潤滑剤）Ｊに対する接触角が５０°以上となるような撥油処理が施された撥油性層５が形成されている。
本実施形態の玉軸受では、玉３の転動面３ａにショットピーニング層４を介して撥油性層５が形成されているため、転動面３ａに撥油性層５を密着して形成することができる。

＜第三実施形態＞
図３は、本発明に係る転がり軸受として玉軸受の他の例を示す断面図である。
本実施形態の玉軸受は、図３に示すように、内輪１と、外輪と、玉３とからなり、内輪１及び外輪２の軌道面１ａ，２ａと玉３の転動面３ａには、表面粗さ（Ｒａ）が０．０５μｍ以上２．０μｍ以下となるようなショットピーニング処理が施されたショットピーニング層４を介して、内輪１及び外輪２の軌道面１ａ，２ａと玉３の転動面３ａとからなる転がり面に供給される潤滑油（潤滑剤）Ｊに対する接触角が５０°以上となるような撥油処理が施された撥油性層５が形成されている。

本実施形態の玉軸受では、内輪１及び外輪２の軌道面１ａ，２ａと玉３の転動面３ａにショットピーニング層４を介して撥油性層５が形成されているため、軌道面１ａ，２ａ及び転動面３ａに撥油性層５を密着して形成することができる。
なお、本実施形態では、転がり軸受の一例として単列の玉軸受について説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、複列の軌道面を有する複列の転がり軸受や、保持器を有する転がり軸受や、転動体としてころを用いた転がり軸受に適用してもよい。
また、本実施形態では、内輪１及び外輪２の軌道面１ａ，２ａや玉３の転動面３ａのみにショットピーニング層４及び撥油性層５を形成した場合について説明したが、これら以外の部分（例えば、内輪１及び外輪２の内外周面や軸方向端面）にもショットピーニング層４や撥油性層５を形成するようにしてもよい。

以下、本発明の効果を検証した結果について、図面を参照しながら説明する。
本実施例では、転がり軸受の一例として、呼び番号７３０５ＡＣＴＹの単列アンギュラ玉軸受（内径：２５ｍｍ，外径：６２ｍｍ，幅：１７ｍｍ）Ｎｏ．１〜Ｎｏ．２５を、以下に示す手順で製した。
まず、高炭素クロム軸受鋼二種（ＳＵＪ２）からなる素材を所定形状に加工した後、熱処理を施すことにより、転動部材として内輪、外輪及び玉（転動体）を作製した。
次に、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１５、Ｎｏ．１７〜Ｎｏ．１９、Ｎｏ．２２〜Ｎｏ．２５の玉軸受を構成する転動部材のうち少なくとも一つの転がり面（軌道面や転動面）に、ショットピーニング層を形成した。具体的には、直径２０μｍの鋼球（ショット材）を噴射圧０．５ＭＰａで噴射するショットピーニング処理により形成した。

次に、ショットピーニング層が形成された後の転がり面と、Ｎｏ．２０の玉軸受を構成する玉の転動面と、Ｎｏ．２１の玉軸受を構成する内輪及び外輪の軌道面とに、撥油性層を形成した。具体的には、撥油剤として、下記（１）式で示されるフッ素系界面活性剤（パーフルオロアルキル−エチルアクリレート共重合体，日本メクトロン株式会社製，ノックスガードＳＴ−４３０）を希釈した溶液をスプレーを用いて噴射して、転動部材に付着した溶液を乾燥させることにより、撥油性層を形成した。この時、撥油性層の潤滑剤に対する接触角θを変化させるために、乾燥前の溶液の付着量を調整した。

但し、上記（１）中のｌ，ｍ，ｎはそれぞれ１〜３０の整数である。
その後、公知の接触角試験機を用いて、各転がり面に潤滑剤を滴下して、潤滑剤に対する接触角θを以下に示す条件で測定した。この結果を、表１に併せて示した。
＜接触角測定条件＞
試験温度：室温（約２５．０℃）
潤滑剤：ポリーαーオレフィン油（４０℃における動粘度：３０．３ｍｍ²／ｓ）
潤滑剤滴下量：３μｌ
接触角の観察条件：潤滑剤を滴下してから６秒後

また、Ｎｏ．１とＮｏ．１６の玉軸受を構成する内輪及び外輪の軌道面においては、潤滑剤を滴下してから６秒経過するまでの潤滑剤に対する接触角θの測定を連続して行い、潤滑剤に対する接触角θの経時変化を示す図４のグラフを作成した。
次に、このようにして得られた転動部材と、ポリアミド製でショットピーニング層及び撥油性層が形成されていない保持器と、を用いて表１に示すＮｏ．１〜Ｎｏ．２５の玉軸受を組み立てた後、転がり面に上述した接触角θの測定時と同様の潤滑剤を供給した。

次に、これらの玉軸受を、高速回転下で使用することを想定した以下に示す条件で回転させることにより、トルク試験を行った。
このトルク試験では、Ｎｏ．１とＮｏ．１６の玉軸受のトルク試験開始から４８０秒経過するまでのトルクを連続して測定し、回転時間とトルクとの関係を示す図５のグラフを作成した。
また、このトルク試験では、トルク試験開始から４８０秒経過後のトルクを測定し、転がり面にショットピーニング層及び撥油性層のいずれも形成していないＮｏ．１６の玉軸受のトルクに対する減少率を算出した。この結果は、トルク減少率として表１に併せて示した。また、この結果を用いて、撥油性層の潤滑剤に対する接触角θと、トルク減少率との関係を示す図６のグラフを作成した。

さらに、このトルク試験では、転がり面に撥油性層が形成されたＮｏ．１〜Ｎｏ．１５，Ｎｏ．１７〜Ｎｏ．２５の玉軸受のトルクが初期値の４０％上昇するまでの回転時間を測定し、この回転時間を撥油性層の寿命とした。この結果は、上述した特許文献１に相当するＮｏ．２０の撥油性層の寿命を１００％とした時の割合を算出し、撥油性層の寿命として表１に併せて示した。
さらに、このトルク試験では、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．２５の玉軸受のトルク試験前と４８０秒試験後の軸受温度の測定も行った。この結果は、軸受温度として表１に併せて示した。＜トルク試験条件＞
試験機：日本精工株式会社製トルク試験機
潤滑剤：ポリーαーオレフィン油（４０℃における動粘度：３０．３ｍｍ²／ｓ）
潤滑剤充填量：０．３ｇ
ラジアル荷重：３０Ｎ
アキシャル荷重：４００Ｎ
回転速度：８７００ｍｉｎ^-1

表１に示すように、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１５の玉軸受では、Ｎｏ．１６〜Ｎｏ．２５の玉軸受と比べて、トルク減少率が大きく、回転前後の軸受温度の差が小さく、さらに撥油性層の寿命が長くなっていた。
また、図４に示すように、Ｎｏ．１の玉軸受では、潤滑剤に対する接触角θが、滴下時と滴下してから６秒経過後とで略同一になっていた。一方、Ｎｏ．１６の玉軸受では、時間とともに接触角θが小さくなり、滴下してから６秒経過後の接触角θが滴下時の接触角θの１７％以下になっていた。
さらに、図５に示すように、Ｎｏ．１の玉軸受では、約４８０秒回転後のトルクが、Ｎｏ．１６の玉軸受の約半分まで減少していた。
さらに、図６に示すように、潤滑剤に対する接触角θが５０°以上であると、玉軸受のトルク減少率がＮｏ．２０の約３０％以上となっていることが分かる。

以上の結果より、軌道面及び転動面のうち少なくとも一つの転がり面に、表面粗さ（Ｒａ）が０．０５μｍ以上２．０μｍ以下となるようなショットピーニング処理が施されたショットピーニング層を介して、潤滑剤に対する接触角θが５０°以上となるような撥油処理が施された撥油性層を形成することにより、転がり面に撥油性層を密着して形成できるとともに、玉軸受のトルクを小さく、且つ、発熱量を小さくできることが分かった。

本発明に係る転がり軸受として玉軸受の一例を示す断面図である。本発明に係る転がり軸受として玉軸受の他の例を示す断面図である。本発明に係る転がり軸受として玉軸受の他の例を示す断面図である。撥油性層の潤滑剤に対する接触角θの経時変化を示す図である。玉軸受の回転時間と、トルクとの関係を示す図である。撥油性層の潤滑剤に対する接触角θと、トルク減少率との関係を示す図である。

符号の説明

１内輪
１ａ軌道面（転がり面）
２外輪
２ａ軌道面（転がり面）
３玉
３ａ転動面（転がり面）
４ショットピーニング層
５撥油性層
Ｊ潤滑油（潤滑剤）

Claims

内輪と、外輪と、複数の転動体と、を備え、前記内輪及び前記外輪の軌道面と前記転動体の転動面との間が潤滑剤により潤滑される転がり軸受において、
前記軌道面及び前記転動面のうち少なくとも一つの転がり面の表面粗さ（Ｒａ）が０．０５μｍ以上２．０μｍ以下であるとともに、この転がり面に前記潤滑剤に対する接触角が５０°以上となるような撥油処理が施されていることを特徴とする転がり軸受。