JP2008240796A

JP2008240796A - シール付きアンギュラ玉軸受及び主軸装置

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Publication number: JP2008240796A
Application number: JP2007079236A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Katsuno; 美昭勝野
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2007-03-26
Filing date: 2007-03-26
Publication date: 2008-10-09

Abstract

【課題】高速回転域で使用されても、外内輪軌道面と玉との転がり接触部や、保持器のポケットと玉とのすべり接触部を確実に潤滑し、長寿命なシール付きアンギュラ玉軸受及び主軸装置を提供する。
【解決手段】外輪１１と、内輪１２と、該外内輪間１１、１２に配置される複数の玉１３と、玉１３を転動自在に保持する玉案内型保持器１４と、一対のシール部材１７と、を備えるシール付きアンギュラ玉軸受１００であって、保持器１４は、ポケット１５の端部から突設し、玉１３と接触して保持器１４の半径方向の移動を規制する係止部２１を備え、更に保持器１４の軸方向中心部近傍の内周面には、円周方向溝２０が形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、シール付きアンギュラ玉軸受及び主軸装置に関し、より詳細には、高速回転する工作機械等の主軸を長期間に亘って安定して支持することが可能なシール付きアンギュラ玉軸受及び主軸装置に関する。

工作機械の主軸を支持する転がり軸受を潤滑する従来の潤滑法としては、潤滑剤の攪拌抵抗を低減させて温度上昇を抑えるため、グリース潤滑やオイルエア・オイルミスト潤滑等の微量潤滑法が採用されている。オイルエア・オイルミスト潤滑は、グリース潤滑と比較して高速回転での耐焼付き性は向上するものの、給排油機構が複雑でありコストの増大、ノズルから軸受に向けて噴出させる空気の風切音による騒音発生、排油穴やラビリンス部からの使用後の潤滑油流出に対する配慮等が必要である。このため、近年、外部に潤滑剤が放出されないグリース潤滑によって、高速回転する主軸を支持する転がり軸受の要求が強まっている。

一方、グリース潤滑では、軸受内に充填したグリースは、使用に伴って消費され、或いは軸受両端の開口部から徐々に流出して、オイルエア・オイルミスト潤滑と比較して軸受寿命が短くなる傾向がある。また、高速回転で使用される軸受、特に、高速での連続加工、急加減速運転等の過酷な条件でサイクル加工される工作機械の主軸を支持する軸受では、軸受の温度上昇が大きく、グリース寿命が低下する傾向がある。このため、軸受の両側面にシールを装着してグリースの流出を防止し、これにより軸受の長寿命化を図ったシール付きアンギュラ玉軸受が提案されている。また、比重の小さなセラミック製の玉を採用し、高速回転時の玉に作用する遠心力を低減させて軸受の発熱を抑制するようにした玉軸受も提案されている。

また、グリース潤滑では、グリースの消費、劣化が進んで、保持器と転動体、或いは保持器と外内輪案内面の潤滑油膜形成が不安定となったとき、すべり接触面の摩擦抵抗が変動して保持器の自励振動が発生し、異音の発生や回転精度が悪化する可能性があった。このような現象を防止するため、保持器が玉で案内される玉案内保持器を用いると共に、玉との接触面積を低減させるようにポケット部に係止部を設けた玉軸受が提案されている（例えば、特許文献１、２参照。）。

例えば、特許文献１に記載のアンギュラ玉軸受１００では、図９に示すように、内周面に軌道面１０１ａを有する外輪１０１と、外周面に軌道面１０２ａを有する内輪１０２と、外輪１０１と内輪１０２との間に転動自在に配設された複数の玉１０３と、玉１０３を転動自在に保持する保持器１０４と、外輪１０１と内輪１０２の両側面の開口部に設けられ、グリースの流出を防止するシール１０５と、を備える。

保持器１０４は、合成樹脂製の環状部材であり、玉１０３を保持するためのポケット１０６が周方向に複数形成されている。保持器１０４の内周側には、ポケット１０６の内側に向かって突出する係止部１０７が形成されており、玉１０３と接触して保持器１０４のラジアル方向の移動が規制されている。
特開２００３−４２１６０号公報特開２００３−４０４７号公報

ところで、工作機械の主軸では、ｄｍｎ値（ｄｍ：転動体のピッチ円直径（ｍｍ）、ｎ：軸回転速度（ｍｉｎ^−１））が１００万を超えるような領域で使用されることが、近年益々要求されている。このような領域で使用される主軸では、シール付き玉軸受を用いたり、特許文献１、２に記載の玉案内保持器を有する玉軸受を採用しても、外内輪軌道面と玉との転がり接触部や、保持器のポケットと玉とのすべり接触部で、潤滑油が枯渇し、自励振動の発生や焼付きが生じる可能性があり、グリース潤滑の耐久性に更なる改善が望まれていた。

また、セラミック製の玉による軸受の発熱抑制も低発熱化には限界があり、外内輪軌道面と玉との転がり接触部近傍や、保持器のポケットと玉とのすべり接触部近傍に潤滑油膜を確実に確保することができる方策が望まれていた。

本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、高速回転域で使用されても、外内輪軌道面と玉との転がり接触部や、保持器のポケットと玉とのすべり接触部を確実に潤滑し、長寿命なシール付きアンギュラ玉軸受及び主軸装置を提供することにある。

本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１）内輪と、外輪と、該外輪及び内輪間に所定の接触角を持って配置される複数の玉と、半径方向に貫通して該複数の玉をそれぞれ保持する円筒形状の複数のポケットを有する合成樹脂製の玉案内型保持器と、前記外輪及び内輪の軸方向両側開口部をシールする一対のシール部材と、を備えるシール付きアンギュラ玉軸受であって、
前記保持器は、前記ポケットの端部から突設し、前記玉と接触して前記保持器の半径方向の移動を規制する係止部を備え、
前記保持器の軸方向中心部近傍の内周面には、円周方向溝が形成されることを特徴とするシール付きアンギュラ玉軸受。
（２）上記（１）に記載のシール付きアンギュラ玉軸受を用いて、工作機械主軸を回転自在に支持することを特徴とする主軸装置。

本発明のシール付きアンギュラ玉軸受によれば、合成樹脂製の保持器は、ポケットの端部から突設し、玉と接触して保持器の半径方向の移動を規制する係止部を備えるので、玉と保持器の接触面積を少なくすることができ、これにより軸受の接触による発熱を抑制して充填されたグリースの劣化や流出を防止することができる。また、保持器の軸方向中心部近傍の内周面には、円周方向溝が形成されるので、潤滑が必要な箇所の近傍である該円周方向溝内に保持されたグリースによって、玉と保持器とのすべり接触部、及び外内輪の軌道面と玉との転がり接触部を確実に、且つ長期間に亘って潤滑することができる。これにより、ｄｍｎ値が１００万を超えるような高速回転域でも、自励振動や異音発生がなく、回転精度が高く、且つ長寿命なものとなる。

以下、本発明に係るシール付きアンギュラ玉軸受の一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１〜図３に示すように、本実施形態のシール付きアンギュラ玉軸受１０は、内周面に外輪軌道面１１ａを有する外輪１１と、外周面に内輪軌道面１２ａを有する内輪１２と、外輪軌道面１１ａと内輪軌道面１２ａとの間に転動自在に配設された複数の玉１３と、該玉１３をポケット１５内に転動自在に保持して外輪１１と内輪１２の間に配置されたもみ抜き保持器１４と、を備える。

外輪１１の内周面には、外輪軌道面１１ａの一方の側方に肩部１１ｂが形成されている。また、内輪１２の外周面には、玉１３を中心として肩部１１ｂと軸方向対称位置に肩部１２ｂが形成されている。シール付きアンギュラ玉軸受１０は、非回転時において接触角α_０を有しており、ラジアル荷重及びスラスト荷重を負荷する。また、外輪１１と内輪１２の両側面の開口部には、芯金１７がゴム等の弾性体１８によって覆われて環状に形成されたシール部材１６が装着され、内部からのグリース流出が防止されている。

保持器１４は、合成樹脂製からなり、図２に示すように、軸方向両側の環状部２２ａ，２２ｂと、これら環状部２２ａ，２２ｂを連結する複数の柱部２３とを有し、これら環状部２２ａ，２２ｂと隣接する柱部２３とで玉１３を転動自在に保持する複数のポケット１５を構成する。

保持器１４の外径は、外輪１１の肩部１１ｂの内径より小さく、また内径は、内輪１２の肩部１２ｂの外径より大きく形成されている。ポケット１５の内面は径方向に貫通する略円筒形状であり、その内径（２×半径Ｒ_Ｐ）は玉１３の外径（２×半径Ｒ_Ｂ）より僅かに大きい。

また、保持器１４の内周面側で、軸方向中心部近傍には、円周方向溝２０が全周に亘って形成されている。即ち、円周方向溝２０は、保持器１４の柱部２３の内周面が、隣接するポケット１５間で円周方向に連続して、部分的に半径方向に切り欠かれるように形成されている。図２（ｂ）に示すように、円周方向溝２０の直径φＣは、ピッチ円直径ＰＣＤより小さく設定され、ピッチ円直径ＰＣＤと直径φＣとの差Δ１が正であることが望ましい。これにより、シール付きアンギュラ玉軸受１０の回転に伴って玉１３がポケット１５内で移動してポケット１５の内面と接触したとき、玉１３はピッチ円直径ＰＣＤ上のポケット１５の内面Ｐ１と接触するので、ポケット１５の内面と円周方向溝２０との縁部Ｑと、玉１３との干渉を防止することができ、縁部Ｑによるエッジ摩耗を防止することができる。

さらに、保持器１４の円周方向溝２０の軸方向両側には、ポケット１５の内側に向かって突出する係止部２１が形成されている。係止部２１は、柱部２３からポケット１５内に４箇所で突出し、２箇所ずつが保持器１４の周方向に沿った対向位置に設けられている。図２（ａ）に示すように、ポケット１５内に突出する係止部２１の端縁部の形状は、半径方向から見たとき、半径Ｒ_Ｔ（＜Ｒ_Ｂ）の円弧状に形成されている。図２及び図３に示すように、係止部２１には、ポケット１５の内面から連続する傾斜面２１ａが形成されており、該傾斜面２１ａが玉１３と接触することにより、保持器１４の半径方向の移動を規制する。係止部２１は、隣接するポケット１５間で連続して帯状に形成されており、本実施形態では、この軸方向両側の係止部２１の軸方向内側面が円周方向溝２０の側面を形成している。

また、円周方向溝２０の軸方向幅Ｗ１は、係止部２１に玉１３が接触したときの変形や損傷を防止できるように、係止部２１の軸方向幅Ｗ２が最小でも１〜２ｍｍ程度確保されることが望ましい。

保持器１４の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、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。更に、１０〜３０重量％の炭素繊維やアラミド繊維、或いは、１０〜４０重量％のガラス繊維を添加して強度を向上させることが好ましい。また、高速回転で使用するためには、炭素繊維やアラミド繊維がより好ましいが、使用条件に応じてガラス繊維を選択することもできる。炭素繊維やアラミド繊維の添加量が１０重量％より少ないと十分な強度が得られず、また、３０重量％より多いと成型性が劣化して外観も悪くなる。炭素繊維やアラミド繊維の添加量を２０〜３０重量％とすることにより、強度及び成型性が共に良好となり、更に好ましい。同様の理由により、ガラス繊維も１０〜４０重量％の添加量が好ましい。

このような保持器１４は種々の方法で製作可能であり、例えば、すべて切削加工により製作してもよく、或いは、射出成型後に円周方向溝のみを切削加工して製作、また、すべて射出成型により製作することもできる。

このように構成されるシール付きアンギュラ玉軸受１０は、内部にグリースを封入した後、グリースが玉１３とポケット１５とのすべり接触部や、玉１３と外内輪１１、１２の軌道面１１ａ、１２ａとの転がり接触部等、潤滑を要する部分に行き渡るように、運転初期に徐々に回転数を上げる、所謂ならし運転を行なう。これにより、封入されたグリースは、アンギュラ玉軸受１０の両側面のシール部材１６の内面（Ｇ１）や、外輪１１及び内輪１２の内側表面（Ｇ２、Ｇ３）、保持器１４の表面にも、余剰グリースとして分散して付着する。さらに、円周方向溝２０内にも、ポケット１５や外内輪１１、１２と玉１３との転がり接触部から押し出されたグリースＧ４が蓄積される（以下、グリースＧ４が蓄積される円周方向溝２０内側の空間を「グリースポケットＧＰ」と言う。）。

通常の工作機械の主軸を支持するアンギュラ玉軸受１０の１列当たりの玉数は、２０〜３０個程度であるので、保持器１４の柱部２３も同数形成されている。従って、柱部２３の内径側に形成されるグリースポケットＧＰの合計容積は大きく、相当量のグリースＧ４が蓄積される。

シール部材１６の内面や外内輪１１、１２の内側表面に付着した余剰グリースＧ１，Ｇ２，Ｇ３は、すべてがすべり接触部や転がり接触部等、潤滑を要する部分に供給されるわけではなく、玉１３の近く等回転中心近傍に近いグリースのみが潤滑に寄与できる。

特に、外輪１１等の非回転部分に付着したグリースＧ２には、遠心力が作用することがないので、外輪軌道面１１ａ近くに付着したグリースＧ２の基油だけが、僅かに潤滑に寄与する。また、内輪１２の外周面に付着したグリースＧ３は、その殆どが遠心力によって飛散してしまい、潤滑には大きく寄与しない場合が多い。

これに対して、グリースポケットＧＰに蓄積された相当量のグリースＧ４は、柱部２３の内径側にあるので回転中の振動や遠心力等によって振り飛ばされ難く、更にグリースポケットＧＰの軸方向両側に突設された係止部２１によって軸方向へのグリースＧ４の流出が防止されることから、グリースポケットＧＰに長期間に亘って留まり易い。

また、グリースポケットＧＰは、玉１３とポケット１５とのすべり接触部や、玉１３と外内輪１１、１２の軌道面１１ａ、１２ａとの転がり接触部等の潤滑を要する部分に最も近接した位置にあり、保持器１４の公転に伴う遠心力によってグリースＧ４の基油が徐々に染み出して潤滑を要する部分に供給される。

内輪１２が回転輪として使用される場合、保持器１４の公転数は、通常、内輪１２の回転数の４０％程度である。このため、グリースＧ４に作用する遠心力は、グリースＧ４がグリースポケットＧＰから振り飛ばされるほど大きくはなく、遠心力によってグリースＧ４から適度の量の基油が染み出し、長期間に亘って潤滑を要する部分に供給される。

また、ｄｍｎ値が１００万を超えるような高速回転の場合には（特に、定圧予圧において）、図４に示すように、玉１３に作用する遠心力Ｆｃによって玉１３が外輪１１側に変位し、外輪１１との接触角α_１は軌道面１１ａの底寄りに（非回転時の接触角α_０より小さくなる方向）、また、内輪１２の接触角α_２は軌道面１２ａの肩部１２ｂ寄り（非回転軸の接触角α_０より大きくなる方向）に移動する。これは、内輪１２側においては、内輪１２の肩部１２ｂに付着しているグリースＧ３から基油の供給が容易となる一方、外輪１１側においては、外輪１１の肩部１１ｂに付着しているグリースＧ２から離れる傾向となって、基油の供給がされ難くなることを意味する。

しかし、シール付きアンギュラ玉軸受１０では、保持器１４の軸方向中心部近傍の内周面に設けられ、多量のグリースＧ４が蓄積されたグリースポケットＧＰから基油が供給され、且つグリースポケットＧＰは、玉１３とポケット１５とのすべり接触部、及び玉１３と軌道面１０ａ、１１ａとの転がり接触部に近接配置されているので、確実に潤滑することができる。

従って、本実施形態のシール付きアンギュラ玉軸受１０によれば、多量のグリースＧ４を蓄積することができる円周方向溝２０（グリースポケットＧＰ）が、保持器１４の内周面側で、軸方向中心部近傍に形成されているので、保持器１４の回転によってグリースＧ４が飛散することはなく、また適度の大きさの遠心力を利用してグリースＧ４から基油を徐々に染み出させ、グリースポケットＧＰのきわめて近傍に位置する玉１３とポケット１５とのすべり接触部や、玉１３と外内輪１１、１２の軌道面１０ａ、１１ａとの転がり接触部等の潤滑を要する部分に供給して潤滑することができる。

また、上記したシール付きアンギュラ玉軸受１０は、工作機械等の主軸装置３０において、主軸３１を支持するのに好適に使用される。図５に示すように、工作機械の主軸（回転軸）３１は、その前後で互いに背面を向けて２列ずつ配置された（ＤＢＢ組合せ）シール付きアンギュラ玉軸受１０を介してハウジング３２に転動自在に支持されている。各シール付きアンギュラ玉軸受１０の外輪１１は、外輪間座３３を介してハウジング３２に内嵌し、ハウジング３２の両端にボルト締めされた一対の固定リング３４で挟持されて固定されている。内輪１２は、内輪間座３５と共に主軸３１に外嵌され、主軸３１の雄ねじ部３１ａに螺合するナット３６によって固定されている。

主軸装置３０の主軸３１は、本発明のシール付きアンギュラ玉軸受１０によって支持されるので、高速回転時においてもシール付きアンギュラ玉軸受１０の振動や温度上昇が抑制される。従って、軸受に起因する主軸３１及び主軸装置３０の振動や温度上昇がなく、加工精度が向上する。また、長期に亙ってその性能を維持できる。

尚、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。

例えば、図６に示すように、円周方向溝２０は、軸方向から見て柱部２３の円周方向中央部が最深部となるように、半径Ｒからなる円弧状に形成してもよい。これにより、グリースポケットＧＰの容積がさらに増大して、より多くのグリースＧ４を蓄積できると共に、グリースＧ４の保持性が向上し、長期間に亘って潤滑油を安定して供給することができる。また、この場合にも、ピッチ円直径ＰＣＤと、ポケット１５の内面と円周方向溝２０の縁部Ｑとの差Δ１は正とすることで、縁部Ｑと玉１３との干渉を防止することができ、縁部Ｑによるエッジ摩耗を防止することができる。

また、半径方向から見た円周方向溝２０の断面形状も、任意の形状が可能であり、例えば、図７（ａ）に示す逆Ｖ字形状や、図７（ｂ）に示す台形形状、図７（ｃ）に示す半円形状等、本発明の範囲内で適宜、変更することができる。また、円周方向溝２０は、例えば、ポケット１５への開口を絞ってグリースＧ４の保持性を向上する等、その軸方向幅を円周方向に沿って任意に変更することも可能である。

さらに、係止部２１の形状は、本実施形態のような半径方向から見て円形に限定されるものではなく、例えば、図８（ａ）に示すように、互いに中心点が異なる半径Ｒ_Ｔのゴシックアーチ形状や楕円形状としてもよく、図８（ｂ）に示すように、軸方向中央からずれた位置に適正数を形成するようにしてもよい。これにより、ポケット１５の内面と円周方向溝２０の縁部Ｑと、玉１３との干渉が防止されると共に、玉１３と保持器１４との接触面積を最小にすることができる。さらに、玉１３の自転軸ＲＣ（図４参照。）の極に近い位置に玉１３とポケット１５との接触点が移動するので、接触点でのすべり速度が小さくなって接触による発熱を低減できる。高速回転の場合、遠心力により玉１３が外輪溝に強く押し付けられるので、外輪コントロールで自転軸ＲＣが決まる。なお、図８（ａ）及び（ｂ）の玉１３は、係止部２１と接触する位置での断面外形を示している。

また、本発明においては、係止部を保持器の外周面側に配置し、グリースポケット（円周方向溝）だけを保持器の内周面に形成することもできる。また、本発明においては、円周方向溝は軸方向中心部近傍に形成されればよく、例えば、軸方向中心部を跨ぐように対称に複数形成されてもよい。

また、本発明のシール付きアンギュラ玉軸受は、工作機械の主軸装置だけでなく、高速回転する軸部を支持する機械装置に適用することができ、同様の効果を奏する。

本発明の一実施形態であるシール付きアンギュラ玉軸受の要部縦断面図である。（ａ）は、図１におけるシール付きアンギュラ玉軸受の保持器の部分平面図で、（ｂ）は、図１におけるII−II線に沿う断面図である。保持器の部分斜視図である。回転時における軌道輪と球の接触位置を示す断面図である。本発明の主軸装置の一実施形態を示す断面図である。円周方向溝の軸方向形状が異なる保持器の変形例を示す断面図である。（ａ）〜（ｃ）は、円周方向溝の半径方向形状が異なる保持器の変形例を示す断面図である。（ａ）及び（ｂ）は、係止部の形状が異なる保持器の変形例を示す部分平面図である。従来のシール付きアンギュラ玉軸受の要部縦断面図及び保持器の平面図である。

符号の説明

１０アンギュラ玉軸受
１１外輪
１２内輪
１３玉
１４玉案内型保持器
１５ポケット
１６シール部材
２０円周方向溝
２１係止部
３０主軸装置
３１主軸（工作機械主軸）
α_０接触角
α_１接触角

Claims

内輪と、外輪と、該内輪及び外輪間に所定の接触角を持って配置される複数の玉と、半径方向に貫通して該複数の玉をそれぞれ保持する円筒形状の複数のポケットを有する合成樹脂製の玉案内型保持器と、前記内輪及び外輪の軸方向両側開口部をシールする一対のシール部材と、を備えるシール付きアンギュラ玉軸受であって、
前記保持器は、前記ポケットの端部から突設し、前記玉と接触して前記保持器の半径方向の移動を規制する係止部を備え、
前記保持器の軸方向中心部近傍の内周面には、円周方向溝が形成されることを特徴とするシール付きアンギュラ玉軸受。
請求項１に記載のシール付きアンギュラ玉軸受を用いて、工作機械主軸を回転自在に支持することを特徴とする主軸装置。