JP2008223942A - 転がり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】高速回転下で使用された場合であっても、潤滑性能に優れるとともに低トルク且つ低発熱である転がり軸受を提供する。
【解決手段】深溝玉軸受は、内輪１と外輪２と複数の転動体３と潤滑剤５とを備えている。内輪１の軌道面１ａ及び外輪２の軌道面２ａには、略くの字状の微小溝１０が多数形成されており、さらに撥油剤からなる撥油被膜７が被覆されている。微小溝１０は、略中央の屈曲部１０ａの凸側が転動体３の転動時の移動方向を向いているとともに、転動体３の転動時の移動方向に沿って互いに平行に等間隔を空けて並んでいる。また、撥油被膜７と潤滑剤５との接触角が５０゜以上１６０゜以下とされている。
【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、円筒ころ軸受、又はこれらを組み合わせたものが知られている。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やすくなる。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。

例えば、転がり軸受のピッチ円直径ｄｍ（ｍｍ）と転がり軸受の回転速度（ｍｉｎ^-1）との積ｄｍ・Ｎが１００万以上の高速回転下で使用した場合に、潤滑性能を向上させるための技術として、特許文献１及び特許文献２に記載の技術が提案されている。特許文献１では、微量の潤滑油を高速で間欠的に軸受内部に供給することにより、転がり面に潤滑膜を形成することが提案されている。特許文献２では、所定量のグリースを間欠的に軸受内部に供給することにより、転がり面に潤滑膜を形成することが提案されている。

しかしながら、転がり軸受の高速回転化が進むにつれて、特許文献１や特許文献２に記載の技術のように、転がり面に潤滑膜が十分に形成された状態で使用すると、潤滑性能は向上できるが、低トルク化や発熱量の低減を図ることが難しくなってきている。このため、特に低トルク化や発熱量の低減が要求される転がり軸受では、その転がり面に潤滑膜が十分に形成されにくい状態で使用する場合がある。

そこで、転がり面に潤滑膜が十分に形成されにくい状態で使用された場合であっても、焼付きや軸受損傷を生じ難くするための技術が、特許文献３に提案されている。特許文献３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膜を形成して、軸受内部の潤滑剤（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にくくすることが提案されている。
特開２００１−３１５０４１号公報 特開２００３−１１３８４６号公報 特開平１０−１７６７１９号公報

近年、工作機械の加工精度及び生産性の更なる向上を図るために、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低減が要求されている。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低減が要求されている。

しかしながら、特許文献３に記載の転がり軸受では、高速回転下で使用されると撥油膜が剥離しやすくなり、前述した要求に対応できない場合がある。
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、高速回転下で使用された場合であっても、潤滑性能に優れるとともに低トルク且つ低発熱である転がり軸受を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明に係る請求項１の転がり軸受は、内輪と、外輪と、前記内輪の軌道面と前記外輪の軌道面との間に転動自在に配された複数の転動体と、前記両軌道面と前記転動体の転動面との間の潤滑を行う潤滑剤と、を備える転がり軸受において、下記の４つの条件を満足することを特徴とする。

条件Ａ：前記両軌道面には、略くの字状の微小溝が多数形成されている。
条件Ｂ：前記微小溝は、略中央の屈曲部の凸側が前記転動体の転動時の移動方向を向いているとともに、前記転動体の転動時の移動方向に沿って互いに平行に等間隔を空けて並んでいる。
条件Ｃ：前記両軌道面のうち前記微小溝が形成されている部分には、撥油剤からなる撥油被膜が被覆されている。
条件Ｄ：前記撥油被膜と前記潤滑剤との接触角が５０゜以上１６０゜以下とされている。

また、本発明に係る請求項２の転がり軸受は、請求項１に記載の転がり軸受において、前記微小溝の内面には、微細な線状凹部及び線状凸部が交互に繰り返し縞状に形成されており、前記線状凹部及び前記線状凸部は前記転動体の転動時の移動方向に対して直交する方向に延びていることを特徴とする。

本発明の転がり軸受は、撥油被膜が微小溝に保持されて軌道面から剥離しにくいので、高速回転下で使用された場合であっても、潤滑性能に優れるとともに低トルク且つ低発熱である。

本発明に係る転がり軸受の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明に係る転がり軸受の一実施形態である深溝玉軸受の構造を示す部分縦断面図である。また、図２は、図１の深溝玉軸受を構成する内輪及び外輪の軌道面の一部分を拡大して示した図である。
図１の深溝玉軸受は、軌道面１ａを有する内輪１と、軌道面１ａに対向する軌道面２ａを有する外輪２と、両軌道面１ａ，２ａ間に転動自在に配された複数の転動体（玉）３と、を備えている。そして、内輪１と外輪２との間の転動体３が配された空隙部（軸受内部空間）内には、両軌道面１ａ，２ａと転動体３の転動面３ａとの間の潤滑を行う潤滑剤５（例えば潤滑油，グリース）が配されている。

内輪１の軌道面１ａ及び外輪２の軌道面２ａには、略くの字状の微小溝１０が多数形成されており（図２を参照）、さらに撥油剤からなる撥油被膜７が被覆されている。図１においては、撥油被膜７は軌道面１ａ，２ａの全面に被覆されているが、微小溝１０が形成されている部分のみに被覆してもよい。
まず、撥油剤からなる撥油被膜７について詳細に説明する。撥油被膜７は撥油性を有しているので、潤滑剤５として使用された潤滑油の基油又はグリースからにじみ出た基油は、自身の表面張力によって、転動体３の転動面３ａと軌道面１ａ，２ａとの接触部である軸受すきま、前記軸受すきまに円周方向に隣接する転動体３と軌道面１ａ，２ａとの間のすきま、及び前記軸受すきまに軸方向に隣接する転動体３と内外輪１，２との間のすきまに保持されやすい。

その結果、前記軸受すきま及び軸受すきまの隣接部には前記基油が常時保持された状態となるため、軸受すきま内の油膜には充分な基油が常時供給されることとなる。よって、この深溝玉軸受は、高速回転下で使用されても潤滑性能に優れているとともに低トルク且つ低発熱である。潤滑剤として潤滑油を用いると、その基油は転動体３の転動面３ａと軌道面１ａ，２ａとの接触部に長期間にわたって保持されやすいため、トルク変動が少なくなる。

この時、撥油被膜７と潤滑剤５との接触角は５０゜以上１６０゜以下である必要がある。すなわち、潤滑剤５の基油に応じて撥油剤の種類を適宜選択する等の手段により、撥油被膜７と潤滑剤５との接触角が５０゜以上１６０゜以下となるような撥油被膜７を形成する必要がある。接触角が５０°未満であると、高速回転下で使用された場合の潤滑性能が不十分となるおそれがあるとともに、低トルク化及び発熱量の減少を十分に達成できないおそれがある。一方、接触角は、１８０°に近いほど油をはじく能力（撥油性）が高いため、できるだけ大きいことが好ましいが、撥油被膜７の形成コストを考慮すると１６０°以下が好ましい。

撥油被膜７は、軌道面１ａ，２ａに撥油剤を付着することによって形成する。撥油剤としては、例えばフッ素系撥油剤（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）があげられる。潤滑剤の基油として合成油又は鉱物油を使用する場合は、撥油剤としてフッ素系界面活性剤であるパーフルオロアルキルエチルアクリレート共重合体（例えば、日本メクトロン株式会社製のノックスガードＳＴー４３０、化学構造は化１を参照）等を使用することが好ましい。また、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系ポリマーを、スパッタリング，蒸着，メッキ等により被覆して撥油被膜７を形成することが好ましい。

なお、上記化学式中のｌ，ｍ，ｎは、それぞれ１〜３０の整数である。
撥油被膜７を形成する方法は特に限定されるものではないが、撥油剤又はその希釈液を軌道面１ａ，２ａに塗布，噴霧した後に乾燥する方法や、撥油剤又はその希釈液へ内外輪１，２を浸漬し引き上げた後に乾燥する方法があげられる。撥油剤を溶剤で希釈して使用すれば、薄く均一な撥油被膜７を形成しやすい。希釈に用いる溶剤としては、フロン等が好ましく、環境問題を考慮するならば、代替フロンやフッ素系溶剤が好ましい。なお、撥油剤の希釈液を用いる場合には、希釈液中の撥油剤の含有率や、希釈液の乾燥前の付着量や、乾燥条件等を変更することにより、撥油被膜７と潤滑剤５との接触角を調節することが可能である。

次に、略くの字状の微小溝１０について詳細に説明する。図２に示すように、多数の微小溝１０が軌道面１ａ，２ａに形成されている。この微小溝１０は略くの字状をなしており、略中央の屈曲部１０ａの凸側が転動体３の転動時の移動方向を向いている。すなわち、軸受回転時に転動する転動体３が移動していく方向に屈曲部１０ａの凸側を向けて、微小溝１０が形成されている。そして、各微小溝１０は、転動体３の転動時の移動方向に沿って互いに平行に等間隔を空けて並んでいる。

このような微小溝１０が、撥油被膜７が被覆されている部分に形成されているので、撥油被膜７が微小溝１０に保持されて軌道面１ａ，２ａから剥離しにくい。そのため、この深溝玉軸受は、長期間にわたって高速回転下で使用された場合であっても、潤滑性能に優れるとともに低トルク且つ低発熱である。
また、軸受回転時には、微小溝１０の屈曲部１０ａの凸側が向く方向（図２の矢印方向）に転動体３が移動するため、ＥＨＬ接触域中央部に基油が集められて油膜厚さが厚くなるので、潤滑性能が優れている。これは、微小溝１０が形成された軌道面１ａ，２ａに被覆された撥油被膜７の表面に、微小溝１０に対応する凹部が形成されている（微小溝１０が撥油剤で完全には埋まらず凹部が残存している）からである。

軌道面１ａ，２ａに微小溝１０を形成する方法は特に限定されるものではないが、例えば、軌道面１ａ，２ａにレーザー光を照射する方法や、マスク材で覆ってショットピーニングを施す方法や、エッチングする方法があげられる。
これらの方法の中でも短パルスレーザーの照射によれば、簡単，確実，且つ低コストで微細加工を施すことができるので、転がり軸受を安価に製造することができる。機械加工，フォトリソグラフィー，エッチング，通常のレーザー加工等によっても微小溝１０を形成することは可能であるが、短パルスレーザーの照射によれば、通常の機械的な表面加工処理では困難な微細な溝を形成することができる。例えば、形成位置をナノメートルオーダーで制御しつつ微細な溝を形成することができる。なお、短パルスレーザーとは、フェムト秒レーザーのようなパルス幅が非常に小さいレーザーの総称であり、このようなレーザーを用いれば、レーザー波長と略同じかそれよりも短いピッチで周期的に微細な溝を形成することができる。

このような微小溝１０を形成する軌道面上の位置は、以下の通りであることが好ましい。転がり軸受が深溝玉軸受又はアンギュラ玉軸受である場合は、軌道面の接触点（転動体が接触すると考えられる軌道面上の点）に屈曲部１０ａが位置するように、微小溝１０を形成することが好ましい。つまり、図１においては、丸で囲まれた部分（Ａ部）に微小溝１０が形成してある。また、転がり軸受がころ軸受である場合は、軌道面の軸方向中央に屈曲部１０ａが位置するように、微小溝１０を形成することが好ましい。

なお、この微小溝１０の形状は、略くの字状が最も好ましいが、円弧状や直線状（すなわち、略中央の屈曲部１０ａの屈曲角度θが１８０°の場合）でも一定の効果を得ることができる。
各微小溝１０の間の間隔ｄは特に限定されるものではないが、転動体３の円周長さの０．１倍以下であることが好ましい。また、微小溝１０の幅ｃは、前記間隔ｄ以下であることが好ましい。ただし、幅ｃは１μｍ以上である必要がある。さらに、微小溝１０の深さは、１μｍ以下であることが好ましい。

さらに、微小溝１０の長さａ（微小溝１０の両端部の間の距離であって、転動体３の転動時の移動方向に直交する方向の距離）は、転がり軸受が深溝玉軸受又はアンギュラ玉軸受である場合は、溝半径，転動体の直径，及び荷重から計算される接触楕円よりも大きいことが好ましく、軌道面の幅と同一であることがより好ましい。また、転がり軸受がころ軸受である場合は、ころ有効長さと同一であることが好ましく、ころの実長さと同一であることがより好ましく、軌道面の幅と同一であることがさらに好ましい。

この微小溝１０の内面には、さらに微細な凹凸を形成することが好ましい。すなわち、微小溝１０の内面には、微細な線状凹部及び線状凸部（その高さ及び深さは微小溝１０の深さよりも小さい）が交互に繰り返し縞状に形成されており、前記線状凹部及び前記線状凸部は転動体３の転動時の移動方向（図２の矢印方向）に対して直交する方向に延びていることが好ましい。

なお、本実施形態は本発明の一例を示したものであって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。例えば、本実施形態においては、転がり軸受として深溝玉軸受を例示して説明したが、本発明の転がり軸受は、他の種類の様々な転がり軸受に対して適用することができる。例えば、アンギュラ玉軸受，自動調心玉軸受，円筒ころ軸受，円すいころ軸受，針状ころ軸受，自動調心ころ軸受等のラジアル形の転がり軸受や、スラスト玉軸受，スラストころ軸受等のスラスト形の転がり軸受である。また、保持器を備えていてもよいし、保持器を備えていない総玉軸受や総ころ軸受でもよい。さらに、軌道は単列でも複列でもよい。

〔実施例〕
以下に実施例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。ＳＵＪ２製の内輪及び外輪の軌道面に前述のような微小溝が形成されているとともに撥油被膜が被覆されている単列アンギュラ玉軸受（内径２５ｍｍ，外径６２ｍｍ，幅１７ｍｍ，接触角２５°）を用意して、軸受内部空間内に潤滑剤（４０℃における動粘度が３０ｍｍ² ／ｓであるポリα−オレフィン油）０．３ｇを充填し、回転試験を行った。なお、上記接触角とは、軸受中心軸に垂直な平面と、軌道輪によって転動体に伝えられる力の合力の作用線とがなす角度である。

微小溝の形成は、以下のようにして行った。内輪の軌道面と外輪の軌道面とにフェムト秒レーザーを照射して、前述のような略くの字状の微小溝（図２を参照）を多数形成した。この微小溝は、軌道面の接触点（転動体が接触すると考えられる軌道面上の点）にその屈曲部が位置するように形成した。なお、略中央の屈曲部の屈曲角度θは９０°である。また、各微小溝の間の間隔ｄは６０μｍ、微小溝の幅ｃは２０μｍ、微小溝の深さは１μｍ、微小溝の長さａ（微小溝の両端部の間の距離であって、転動体の転動時の移動方向に直交する方向の距離）は７ｍｍである。
また、この微小溝の内面には、微細な線状凹部及び線状凸部が交互に繰り返し縞状に形成されており、前記線状凹部及び前記線状凸部は転動体の転動時の移動方向に対して直交する方向に延びている。線状凹部と線状凸部の間隔は０．６μｍである。

次に、撥油剤からなる撥油被膜を軌道面に被覆した。撥油剤としては、化１に示した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のノックスガードＳＴ−４３０）を用いた。なお、撥油被膜の形成は、撥油剤を溶媒で希釈して得た希釈液を軌道面に噴霧し、溶媒を乾燥させることにより行った。この時、希釈液の付着量を調整することにより、軸受の潤滑に用いる潤滑剤に対する接触角を変化させた。

このような単列アンギュラ玉軸受（実施例１）と、微小溝及び撥油被膜を備えていない通常の単列アンギュラ玉軸受（比較例１）とを、日本精工株式会社製のトルク試験機に装着し、下記のような条件で回転させて回転開始時のトルクを測定した。また、回転開始時及び回転終了時の軸受温度を測定した。結果を表１に示す。

〔トルク試験の条件〕
雰囲気温度 ：室温（２５℃）
ラジアル荷重 ：３０Ｎ
アキシアル荷重：４００Ｎ
回転速度 ：８７００ｍｉｎ^-1
回転時間 ：４８０秒
なお、撥油被膜と潤滑剤との接触角を測定した結果を、表１に併せて示す。撥油被膜と潤滑剤との接触角の測定方法は、以下の通りである。

〔接触角の測定条件〕
試験機 ：接触角試験機
試験温度：室温（２５℃）
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
トルク試験の結果から、実施例１の軸受は、微小溝及び撥油被膜を備えていない比較例１の軸受と比べて、回転開始時のトルクが低く、回転による温度上昇（発熱）も小さかった。

次に、撥油被膜と潤滑剤との接触角が種々異なる単列アンギュラ玉軸受（実施例２〜７及び比較例２〜５）について、上記と同様のトルク試験を行って、回転開始時のトルクを測定した。そして、比較例１の軸受の回転開始時のトルクに対する減少率を算出した。すなわち、比較例１の軸受のトルクを１００とした場合に、その軸受のトルクが６０であった場合は、減少率は４０％である。結果を表２に示す。

表２の結果から分かるように、撥油被膜と潤滑剤との接触角が５０°以上１６０°以下である実施例２〜７の軸受は、比較例１の軸受に対するトルク減少率が高かったが、撥油被膜と潤滑剤との接触角が５０°未満である比較例２〜４の軸受は、比較例１の軸受に対するトルク減少率は低かった。
また、比較例５は、実施例及び他の比較例とは異なり、微小溝の略中央の屈曲部の凸側が転動体の転動時の移動方向とは逆方向に向いているものであるが、この場合は比較例１の軸受に対してトルクは殆ど減少しなかった。なお、表２の「転動体の移動方向」の欄においては、比較例５については「逆方向」と示してあり、他の例については「正方向」と示してある。

本発明に係る転がり軸受の一実施形態である深溝玉軸受の構成を示す部分縦断面図である。 軌道面に形成された微小溝を拡大して示した図である。

符号の説明

１ 内輪
１ａ 軌道面
２ 外輪
２ａ 軌道面
３ 転動体
３ａ 転動面
５ 潤滑剤
７ 撥油被膜
１０ 微小溝
１０ａ 屈曲部

Claims (2)

1. 内輪と、外輪と、前記内輪の軌道面と前記外輪の軌道面との間に転動自在に配された複数の転動体と、前記両軌道面と前記転動体の転動面との間の潤滑を行う潤滑剤と、を備える転がり軸受において、下記の４つの条件を満足することを特徴とする転がり軸受。
   条件Ａ：前記両軌道面には、略くの字状の微小溝が多数形成されている。
   条件Ｂ：前記微小溝は、略中央の屈曲部の凸側が前記転動体の転動時の移動方向を向いているとともに、前記転動体の転動時の移動方向に沿って互いに平行に等間隔を空けて並んでいる。
   条件Ｃ：前記両軌道面のうち前記微小溝が形成されている部分には、撥油剤からなる撥油被膜が被覆されている。
   条件Ｄ：前記撥油被膜と前記潤滑剤との接触角が５０゜以上１６０゜以下とされている。
2. 前記微小溝の内面には、微細な線状凹部及び線状凸部が交互に繰り返し縞状に形成されており、前記線状凹部及び前記線状凸部は前記転動体の転動時の移動方向に対して直交する方向に延びていることを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受。

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