JP2008093833A - 冠形保持器用金型、冠形保持器の製造方法及び転がり玉軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】良好な潤滑油膜を形成することができるとともに、玉とポケット面の表面接触を抑制することができる冠形保持器用金型を提供する。
【解決手段】ポケット成形用金型部１５の外周面は、表面粗さＲａ（ＪＩＳ Ｂ ０６０１で規定されている表面粗さ）が０．１μｍ未満となるように研削加工が施されて平滑面とされている。そして、ポケット成形用金型部１５の外周面に、パルス幅１ｐｓ以上５ｐｓ以下の短パルスレーザーを照射することで微細加工が施されている。微細加工は、ポケット成形用金型部１５の外周面に互いに平行に細長く延びている複数の溝と、これら溝の内面に、一定幅の微細な線状凹部及び線状凸部を交互に縞状に繰り返して形成した加工である。
【選択図】図６

Description

本発明は、モータ等の回転機械の回転軸を回転・支持し、潤滑油を内部に封入した転がり玉軸受用いられる冠形保持器の製造に用いられる金型、冠形保持器の製造方法及び転がり玉軸受に関する。

モータ等の回転機械の回転軸を回転・支持する部位には、転がり軸受、特に転がり玉軸受が多く用いられる。転がり玉軸受の軌道輪や玉は、例えば高荷重が作用する環境下や急加速を伴う環境下で使用されると、その接触面に焼付き，スメアリング等の損傷が発生する場合がある。このような転がり軸受においては、転がり接触する軌道面や転動面で表面接触（潤滑膜を介することなく表面突起同士が直接接触することを意味し、金属表面の場合は金属接触と言われる）が発生することを抑えるために、添加剤を含む潤滑油により潤滑が行われている。

また、転がり玉軸受に用いられる保持器には、合成樹脂を金型により射出成形した合成樹脂製の冠形保持器が用いられている。
冠形保持器における玉と玉を保持するポケット面や、外輪案内型の保持器の場合には外輪内径面と摺接する保持器案内部外周面、内輪案内保持器の場合には内輪外径面と摺接する保持器案内部内周面は、玉と軌道溝との転がり状態ではなく、すべり状態で相対運動している。

冠形保持器のポケットは、玉の曲率より僅かに大きい曲率を有した球面状の形状を有しているのが一般的である。このような冠形保持器を用いた場合、玉に付着した潤滑油はポケット端縁部で掻き取られやすく、軸受の低トルクを目的として潤滑油の量を減少させた仕様においては、玉と軌道溝が潤滑不足に陥る場合がある。この場合、玉とポケットが直接接触することによって発熱や、保持器が自励振動を起こして保持器音を発生したり、軌道面と玉のグリースの量が減少することによって玉と軌道面が摩耗して振動・騒音を発生させ、機器の寿命を損なう等の障害につながることがある。また、内輪案内型あるいは外輪案内型の保持器についても、グリース潤滑の場合には、特に摺接面が潤滑不足に陥りやすく、接触による発熱や異常音・異常振動、あるいは保持器の案内部が摩耗するなどして、正常な回転を損なうことがある。

これらの問題の解決策として、冠形保持器を射出成形するために用いる金型の玉が摺接するポケット面を形成する位置に、転造、レーザー加工、あるいは旋削により複数の溝や凹凸を形成する技術（例えば特許文献１）や、冠形保持器のポケット面に、ディンプル状の微小な凹部を形成する技術（例えば、特許文献２）が知られている。
特開２００３−２４７５５２号公報 特開２００５−１５５６９６号公報

しかし、特許文献１の技術は、旋削によって金型のポケット面を形成する位置に複数の溝や凹凸を高精度に形成することが難しく、金型に形成した溝や凹凸を溶融樹脂の射出成形により冠形保持器に転写しても、ポケット面の凹凸や溝の寸法が大きくなり表面粗さも粗くなって潤滑油膜が切れやすくなり、玉とポケット面が表面接触する。また、転造により溝を形成する場合には、隣接する溝の間の平滑面にゆがみが発生しやすく、この平滑面のゆがみによってポケット面の表面粗さが粗くなり、潤滑油膜が切れやすくなる。さらに、特許文献１の技術のレーザー加工で金型に複数の溝や凹凸を形成する場合も、潤滑油膜の形成能力が高い微細加工の溝や凹凸を形成したり、表面粗さが滑らかなポケット面を形成することが難しい。

一方、特許文献２の技術は、金型のポケット面を形成する位置に、深さや開口径が均一な多数のディンプルを形成することが難しいので、成形した冠形保持器のポケット面における潤滑油膜が切れやすい。ここで、シボ加工等のエッチング処理を行なうことで金型のポケット面を形成する位置に多数のディンプルを形成することが考えられるが、金型全体を薬品に浸漬するので、ポケット面を形成する位置以外の表面粗さが悪化するおそれがある。

そこで、本発明は、上記のような従来技術が有する問題点を解決し、良好な潤滑油膜を形成することができるとともに、玉とポケット面の表面接触を抑制することができる冠形保持器用金型、冠形保持器の製造方法及び転がり玉軸受を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、合成樹脂製の転がり玉軸受用の冠形保持器の製造に用いられる金型であって、前記冠形保持器の玉に摺接するポケット面を形成する金型面の表面粗さＲａを、０．１μｍ未満として形成するとともに、前記金型面に、パルス幅１ｐｓ以上５ｐｓ以下の短パルスレーザーの照射により潤滑油を保持可能な微細加工を施すことを特徴とする冠形保持器用金型である。

また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の冠形保持器用金型において、前記微細加工は、細長く延びた溝を複数平行に形成した加工である。
また、請求項３記載の発明は、請求項２記載の冠形保持器用金型において、前記複数の溝の内面に、微細な線状凹部及び線状凸部を交互に繰返して縞状に形成した。
一方、請求項４記載の発明は、請求項１乃至３の何れか１項に記載の冠形保持器用金型を用いた転がり玉軸受用の冠形保持器を製造する方法であって、前記金型のキャビティ内に溶融樹脂を射出することにより、前記金型面を転写して前記冠形保持器の前記ポケット面を形成することを特徴とする冠形保持器の製造方法である。

さらに、請求項５の発明は、少なくとも一対の軌道輪と、当該一対の軌道輪間に多数個組み込まれる複数の玉と、周方向に所定の間隔をあけて設けた複数のポケットで前記複数の玉を案内保持する冠形保持器を有してなる転がり玉軸受であって、前記冠形保持器の前記複数のポケットの玉が摺接する前記ポケット面が、表面粗さＲａを０．１μｍ未満として形成されているとともに、前記ポケット面に、細長く延びた溝が複数平行に形成され、これら複数の溝の内面に、微細な線状凹部及び線状凸部が交互に繰返されて縞状に形成されていることを特徴とする転がり玉軸受である。

本発明に係る冠形保持器用金型によると、冠形保持器の玉に摺接するポケット面を形成する金型面の表面粗さＲａを、０．１μｍ未満として形成するとともに、金型面に、パルス幅１ｐｓ以上５ｐｓ以下の短パルスレーザーの照射により潤滑油を保持可能な微細加工を施していることから、ナノメートルオーダーで高精度に潤滑油を保持可能な微細加工を施すことができる。

また、本発明に係る冠形保持器の製造方法によると、上述した冠形保持器用金型を用いてキャビティ内に溶融樹脂を射出することにより、冠形保持器用金型に形成した微細加工を転写して冠形保持器のポケット面に高精度の微細加工を形成することができ、転がり玉軸受に使用したときに良好な潤滑油膜を形成することができる。
さらに、本発明に係る転がり玉軸受によれば、玉を保持する冠形保持器のポケットには、玉が摺接するポケット面に、潤滑油を保持可能な高精度の微細加工が施されているので、長寿命化を図ることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態（以下、実施形態という。）を、図面を参照しながら詳細に説明する。

（転がり玉軸受の構造）
図１は、本発明に係る冠形保持器が組み込まれている転がり玉軸受の縦断面図、図２は、冠形保持器を示す斜視図である。
図１に示すように、転がり玉軸受１は、外輪２と、内輪３と、これら外輪２及び内輪３の間に複数個組み込まれる玉４と、複数個の玉４を等配して案内する冠形保持器５と、密封板（シール又はシールド）７とで構成されている。
外輪２の内周面の略中央部には、円弧溝状の外輪軌道面２ａが形成されており、内輪３の外周面の略中央部には、外輪軌道面２ａと対向する円弧溝状の内輪軌道面３ａが形成されている。

複数の玉４は、冠形保持器５のポケット６内（図２参照）に転動自在に保持されて円周方向に所定の間隔で配置されている。
外輪２と内輪３とによって構成される軸方向両側の開口端部に、円環状の密封板８がそれぞれ配設されており、開口端部を封止して、封入された潤滑油の流出を防止するとともに、外部からの異物の侵入を阻止するようになっている。なお、潤滑油としては、エーテル系ウレアグリース等の耐熱性・機械安定性に優れた合成油系グリースが使用されている。

冠形保持器５は、図２に示すように、ポリアミド樹脂、ポリアセタール樹脂等の合成樹脂を射出成形することにより形成されており、円筒形状の主部５ａと、主部５ａの周方向に所定の間隔をあけて設けられた複数のポケット６とを有している。各ポケット６は、互いに間隔をあけて主部５ａの軸方向の一端面に突設された一対の弾性片５ｂ，５ｂと、前記一端面において前記一対の弾性片５ｂ，５ｂの間に設けられたポケット面５ｃとで形成されており、主部５ａの内周面及び外周面にそれぞれ開口している。そして、玉４はポケット６に転動自在に保持されているとともに、玉４が摺接する各ポケット６のポケット面５ｃは、玉４より僅かに大きな半径の球面形状に形成されている。

ここで、ポケット面５ｃには、図３に示すように、微細加工が施されている。
ポケット面５ｃに施されている微細加工は、一対の弾性片５ｂ，５ｂのうち一方の弾性片５ｂから他方の弾性片５ｂに向けて細長く延びる溝１０と、この溝１０に沿って延在する平滑面１１が厚さ方向に交互に形成されている。隣接する溝１０，１０の間に形成されている平滑面１１は、表面粗さＲａ（ＪＩＳ Ｂ ０６０１で規定されている表面粗さ）が０．１μｍ未満に設定されている。ここで、平滑面１１の表面粗さＲａを０．１μｍ未満に設定したのは、平滑面１１の表面粗さＲａが０．１μｍ以上になると、ポケット面５ｃと玉４との間の潤滑油膜の形成を妨げるからである。

そして、各溝１０…の内面には、図４に示すように、溝１０が延在する方向に対して交差する方向に、一定幅の微細な線状凹部１２及び線状凸部１３が交互に繰り返して縞状に形成されている。線状凹部１２及び線状凸部１３はナノメートルオーダーの間隔を空けて平行に並んでおり、隣り合う２つの線状凹部１２の間の距離Ｌ７の平均値は、４００〜８００ｎｍである。

本実施形態の転がり玉軸受１によると、玉４を保持する冠形保持器５のポケット６は、玉４が摺接するポケット面５ｃに、複数の溝１０…及び平滑面１１…を交互に形成し、各溝１０…の内面に、一定幅の微細な線状凹部１２及び線状凸部１３が交互に繰り返して縞状に形成されているので、潤滑油の良好な保持が可能となり、良好な潤滑油膜を形成することができる。

特に、本実施形態のように、潤滑油としてエーテル系ウレアグリース等の耐熱性・機械安定性に優れた合成油系グリースが使用されていることで、潤滑油の流動性が低下する低温環境下においても、ポケット面５ｃに保持された潤滑油によりポケット面５ｃと玉４との摺接面に潤滑油を安定して供給することができ、ポケット面５ｃと玉４との摺接面の間に潤滑油を引き込むような流れを作ることができる。

また、ポケット面５ｃの溝１０…を除く平滑面１１…は、表面粗さＲａが０．１μｍ未満に設定されているので、ポケット面５ｃと玉４との間に均一な厚さの潤滑油膜が形成され、広範囲な面積で玉４を支持することができる。このため、高付加荷重・高速回転、且つ低温から高温までの厳しい条件下での使用においても摩耗や保持器音の発生を低減することができる。さらに、低速回転において潤滑油膜が形成されにくい条件下での使用においても、接触面積が少なくなるために摺接面で凝固が起こりにくく、摩耗や保持器音の発生を抑制することができる。

したがって、玉４が摺接するポケット６のポケット面５ｃに均一な厚さの潤滑油膜が形成されて玉４とポケット面５ｃとが表面接触しないので、転がり玉軸受１の長寿命化を図ることができる。
また、高付加荷重・高速回転、且つ低温から高温までの厳しい条件下での使用においても、摩耗や保持器音の発生を抑制した転がり玉軸受１を提供することができる。

（冠形保持器の製造に使用される金型と、冠形保持器の製造方法）
次に、上述した冠形保持器５を製造する際に使用する金型の一実施形態と、冠形保持器５の製造方法について説明する。
冠形保持器５を製造する際には、図５に示すように、冠形保持器５のポケット６を成形する球形状のポケット成形用金型部１５を使用する。このポケット成形用金型部１５は、ポケット成形用金型部１５全体を保持する保持部１６が一体に設けられている。
ポケット成形用金型部１５の外周面は、表面粗さＲａ（ＪＩＳ Ｂ ０６０１で規定されている表面粗さ）が０．１μｍ未満となるように研削加工が施されて平滑面とされている。

そして、ポケット成形用金型部１５の外周面に、パルス幅１ｐｓ以上５ｐｓ以下の短パルスレーザーを照射することで微細加工が施されている。
この微細加工は、ポケット成形用金型部１５の外周面に互いに平行に細長く延びている複数の溝と、これら溝の内面に、一定幅の微細な線状凹部及び線状凸部を交互に縞状に繰り返して形成した加工である。これら複数の溝、線状凹部及び線状凸部を金型溝１７と称する。この金型溝１７は、前述したポケット面５ｃに形成される溝１０、線状凹部１２及び線状凸部１３の形状に対応している。

なお、パルス幅１ｐｓ以上５ｐｓ以下の短パルスレーザーレーザーを照射して微細加工を行う際には、バリが生成したり、短パルスレーザーで除去されたものが飛散してパーティクルとしてポケット成形用金型部１５の外周面に堆積したりする場合がある。このため、レーザークリーニング等によりポケット成形用金型部１５の外周面に発生したバリやパーティクルを除去してもよい。

上記のように、ポケット成形用金型部１５の外周面にパルス幅１ｐｓ以上５ｐｓ以下の短パルスレーザーの照射により微細加工を施すことで、ナノメートルオーダーで高精度に金型溝１７を形成することができる。また、短パルスレーザーを照射することで金型溝１７の平行に細長く延びている複数の溝の間に設けられた平滑面（ポケット成形用金型部１５の外周面）にゆがみが発生しない。

そして、上記のように形成されたポケット成形用金型部１５を用いて冠形保持器５を製造する際には、ポケット成形用金型部１５及び他の金型を合わせた金型のキャビティ内に溶融樹脂を射出し、図６（ａ）に示すように、ポケット成形用金型部１５の外周面に微細加工した金型溝１７をポケット６のポケット面５ｃに転写成形することで、製造された冠形保持器５には、図６（ｂ）に示すように、ポケット面５ｃに、一対の弾性片５ｂ，５ｂのうち一方の弾性片５ｂから他方の弾性片５ｂに向けて細長く延びる溝１０と、この溝１０に沿って延在し、ゆがみを発生せずに平滑面１１が厚さ方向に交互に形成され、平滑面１１の表面粗さＲａを０．１μｍ未満とし、各溝１０…の内面に、一定幅の微細な線状凹部１２及び線状凸部１３が交互に繰り返して縞状に形成される。

したがって、本実施形態のポケット成形用金型部１５を用いて冠形保持器５を製造することで、ポケット面５ｃに、複数の溝１０…及び平滑面１１…を交互に形成し、各溝１０…の内面に、一定幅の微細な線状凹部１２及び線状凸部１３を交互に繰り返して縞状に形成し、平滑面１１…の表面粗さＲａを０．１μｍ未満に設定した形状を高精度に形成することができる。

（実施例）
以下に、実施例（実施形態Ｎｏ１〜実施形態Ｎｏ１２）及び比較例（比較例Ｎｏ１，比較例Ｎｏ２）を示して本発明をさらに具体的に説明する。実施形態及び比較例は、何れも内径１５mm、外径３５mm、幅１１mmの単列深溝玉軸受である。これら単列深溝玉軸受にモーメント付加をかけて３０００rpmで回転させた。潤滑油は、粘度が５０〜１１０cst（センチトークス）が望ましく、１００cstのエーテルを基油としてウレア増ちょう剤を添加しなものが使用され、空間容積比を１５％として封入され、密封板は装着していない。

実施形態の単列深溝玉軸受で使用されている冠形保持器のポケット面５ｃには、複数の溝１０…及び平滑面１１…が交互に形成され、平滑面１１…の表面粗さＲａが０．１μｍ未満に設定され、各溝１０…の内面に、溝幅Ｌ７（図４参照）が７００ｎｍの線状凸部１３と、線状凹部１２とが交互に繰り返して縞状に形成されている。
そして、実施形態Ｎｏ１〜実施形態Ｎｏ１２の単列深溝玉軸受で使用している冠形保持器５は、微細加工の線状凹部１２及び線状凸部１３が形成されている方向と、ポケット面５ｃの全体面積のうち溝１０が形成されている面積の割合を変化させている。

そして、微細加工の線状凹部１２及び線状凸部１３が形成されている方向は、溝１０が延在している方向に対して線状凹部１２及び線状凸部１３が直交する方向に形成されている場合を「直交」とし、溝１０が延在している方向に対して線状凹部１２及び線状凸部１３が平行に形成されている場合を「平行」とし、溝１０が延在している方向に対して線状凹部１２及び線状凸部１３が斜め４５°で交差している場合を「４５°」とした。

また、比較例Ｎｏ１の単列深溝玉軸受で使用されている冠形保持器のポケット面は平滑面として形成されている。また、比較例Ｎｏ２の単列深溝玉軸受で使用されている冠形保持器は、シボ加工等のエッチングを施した金型を使用して製造されることにより、ポケット面にディンプル状の微細な凹部が形成されている。
そして、上記の条件で実施形態Ｎｏ１〜実施形態Ｎｏ１２、比較例Ｎｏ１，比較例Ｎｏ２の単列深溝玉軸受を回転させながら、騒音計によって騒音レベルを測定した。また、摩擦トルクの測定も行い、比較例Ｎｏ１のトルクを１とした場合の相対値で示した。そして、各実施形態及び各比較例の騒音レベルの騒音レベルと、摩擦トルクを評価した結果を、表１及び図７に示す。

表１、図７から明らかなように、面積率（ポケット面５ｃの全体面積のうち溝１０が形成されている面積の割合）が７５％以下である実施形態Ｎｏ２〜４、６〜８、１０〜１２が摩擦トルク、騒音レベルが低く、特に、面積率が５０％の実施形態Ｎｏ３、７、１１が摩擦トルク、騒音レベルが大幅に低くなる。また、面積率が１００％であっても、溝１０が延在している方向に対して線状凹部１２及び線状凸部１３が平行に形成されている実施形態Ｎｏ５は、摩擦トルク、騒音レベルが低い傾向となる。

本発明に係る冠形保持器が組み込まれている転がり玉軸受を示す縦断面図である。 冠形保持器を示す斜視図である。 冠形保持器のポケット面５ｃに施されている微細加工を示す図である。 図３の符号Ａで示す丸印の部分を拡大した図である。 冠形保持器用金型を示す図である。 冠形保持器用金型を使用した冠形保持器の製造方法を示す図である。 本発明に係る転がり玉軸受と比較例としての転がり玉軸受との摩擦トルク及び騒音レベルの測定結果を示す図である。

符号の説明

１…転がり玉軸受、２…外輪、３…内輪、４…玉、５…冠形保持器、６…密封板、２ａ…外輪軌道面、３ａ内輪軌道面、６…ポケット、５ａ…主部、５ｂ…弾性片、５ｃ…ポケット面、１０…溝、１１…平滑面、１２…線状凹部、１３…線状凸部、１５…ポケット成形用金型部（金型）、１６…保持部、１７…金型溝

Claims (5)

1. 合成樹脂製の転がり玉軸受用の冠形保持器の製造に用いられる金型であって、
   前記冠形保持器の玉に摺接するポケット面を形成する金型面の表面粗さＲａを、０．１μｍ未満として形成するとともに、前記金型面に、パルス幅１ｐｓ以上５ｐｓ以下の短パルスレーザーの照射により潤滑油を保持可能な微細加工を施すことを特徴とする冠形保持器用金型。
2. 前記微細加工は、細長く延びた溝を複数平行に形成した加工であることを特徴とする請求項１記載の冠形保持器用金型。
3. 前記複数の溝の内面に、微細な線状凹部及び線状凸部を交互に繰返して縞状に形成したことを特徴とする請求項２記載の冠形保持器用金型。
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載の冠形保持器用金型を用いた転がり玉軸受用の冠形保持器を製造する方法であって、
   前記金型のキャビティ内に溶融樹脂を射出することにより、前記金型面を転写して前記冠形保持器の前記ポケット面を形成することを特徴とする冠形保持器の製造方法。
5. 少なくとも一対の軌道輪と、当該一対の軌道輪間に多数個組み込まれる複数の玉と、周方向に所定の間隔をあけて設けた複数のポケットで前記複数の玉を案内保持する冠形保持器を有してなる転がり玉軸受であって、
   前記冠形保持器の前記複数のポケットの玉が摺接する前記ポケット面が、表面粗さＲａを０．１μｍ未満として形成されているとともに、前記ポケット面に、細長く延びた溝が複数平行に形成され、これら複数の溝の内面に、微細な線状凹部及び線状凸部が交互に繰返されて縞状に形成されていることを特徴とする転がり玉軸受。

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