JP2009243617A - 転がり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】ｄ_m ｎが１４０万を超えるような高速回転で使用されても寿命が長い転がり軸受を提供する。
【解決手段】玉３を、常温における熱伝導率が４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の窒化珪素焼結体からなるものとする。
【選択図】図１

Description

本発明は転がり軸受に関する。

高速で摺動、回転する工作機械（旋盤、ボール盤、中ぐり盤、フライス盤、研削盤、ホーニング盤、超仕上盤、ラップ盤等）の主軸支持部等に組み込まれる転がり軸受（工作機械主軸用転がり軸受）には、工作機械の高性能化に対する要求に伴って、例えばｄ_m ｎ（ｄ_m ：軸受内径と外径との平均値（ｍｍ）、ｎ：回転数（min ^-1））が１４０万を超えるような高速回転に十分に耐えられることが要求されている。

下記の特許文献１には、このような要求に応えることを目的として、軸受に封入するグリースを改良することが記載されている。このグリースは、平均粒径が２μｍ以下の無機化合物からなる微粒子をグリース全量に対して０．１〜７質量％含み、基油の４０℃における動粘度を１５〜４０ｍｍ² ／ｓとしたものである。
下記の特許文献２には、４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を有する窒化珪素焼結体が記載されている。この文献では、窒化珪素焼結体の熱伝導率を４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上とするために、酸素とアルミニウムの含有率をそれぞれ３．５質量％以下とし、密度を３．１５ｇ／ｃｍ³ 以上としている。

下記の特許文献３には、８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を有する窒化珪素焼結体が記載されている。この文献では、窒化珪素焼結体の熱伝導率を８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上とするために、８５重量％以上９９重量％以下のβ型窒化ケイ素粒と残部が酸化物または酸窒化物の粒界相とから構成し、粒界相中にＭｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｙ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｇｄ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｙｂのうちから選ばれる１種または２種以上の金属元素を０．５重量％以上１０重量％以下含有すると共に、粒界相中のＡｌ原子含有量を１重量％以下とし、気孔率を５％以下とし、β型窒化ケイ素粒のうち短軸径５μｍ以上を持つものの割合を１０体積％以上６０体積％以下としている。

下記の特許文献４には、常温における熱伝導率が７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を有する窒化珪素焼結体が記載されている。この文献では、窒化珪素焼結体の熱伝導率を７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上とするために、窒化ケイ素粒子中の酸素量を１．５ｗｔ％以下としている。
下記の特許文献５には、常温における熱伝導率が５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の窒化珪素焼結体で、すべり軸受の摺動面の少なくとも一部を形成することが記載されている。この文献には、窒化珪素焼結体中の酸素の含有率を５．０重量％以下、アルミニウムの含有率を０．２重量％以下に抑えることにより、常温における熱伝導率を５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上にすることができると記載されている。
特開２００５−１６３８９３号公報 特開平４−１７５２６８号公報 特開平９−３０８６６号公報 特開２００１−３３５３６８号公報 特開２００４−２１８７０１号公報

本発明の課題は、ｄ_m ｎが１４０万を超えるような高速回転で使用されても寿命が長い転がり軸受を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明の転がり軸受は、常温における熱伝導率が４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の窒化珪素焼結体からなる転動体を備えている。
熱伝導率が高い窒化珪素焼結体からなる転動体を用いることで、転動体と内外輪との転がり接触面で発生した摩擦熱が、転動体の表面から内部に早く放散して転がり接触面から直ぐに取り除かれるため、焼き付きなどの損傷が生じにくい。よって、ｄ_m ｎが１４０万を超えるような高速回転で使用された場合の寿命を長くすることができる。
なお、常温における熱伝導率が４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の窒化珪素焼結体を得る方法としては、例えば、上述の特許文献２〜５に記載された方法が挙げられる。

本発明の転がり軸受によれば、常温における熱伝導率が４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の窒化珪素焼結体からなる転動体を備えることで、ｄ_m ｎが１４０万を超えるような高速回転で使用された場合の寿命を長くするとができる。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に相当する、工作機械用アンギュラ玉軸受を示す断面図である。
この軸受は、内輪１、外輪２、玉（転動体）３、および保持器４からなる。内輪１および外輪２はＳＵＪ２製で、通常の熱処理がなされたものである。保持器４はプラスチック製である。玉３は、常温における熱伝導率が４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の窒化珪素焼結体からなる。

常温における熱伝導率が１０、４０、８０、１２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）である窒化珪素焼結体からなり、直径が８．７３ｍｍ（１１／３２インチ）である玉３を用意（日立金属株式会社より入手）し、図１の構造で型番が７０ＢＮＲ（ｄ_m ＝７０ｍｍ）のアンギュラ玉軸受を組み立てた。玉３以外の構成は各サンプルで全て同じにした。
サンプルNo. １では、常温における熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）である窒化珪素焼結体からなる玉３を用いた。サンプルNo. ２では、常温における熱伝導率が４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）である窒化珪素焼結体からなる玉３を用いた。サンプルNo. ３では、常温における熱伝導率が８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）である窒化珪素焼結体からなる玉３を用いた。サンプルNo. ４では、常温における熱伝導率が１２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）である窒化珪素焼結体からなる玉３を用いた。

各サンプルのアンギュラ玉軸受を図２に示す試験機にかけて、オイルエアー潤滑での耐焼付き性を調べる試験を行った。この試験機は、ベルト２１で駆動される回転軸２２を有し、この回転軸２２とハウジング２３との間に試験軸受２４として、図１の転がり軸受を取り付ける。また、回転軸２２のベルト２１とは反対側の端部に、サポート軸受２５が取り付けられている。また、各試験軸受２４の軸受空間に向かう流路２６を設け、その入口２６ａに、オイルエアー導入チューブのコネクタを取り付ける。さらに、試験軸受２４の外輪の温度を測定する熱電対２７が設けてある。

この試験機により下記の条件で回転速度（１秒あたりの回転数：ｎ）を変えて回転試験を行い、２時間後に試験軸受２４の外輪の温度が試験前よりどれくらい上昇するかを調べた。その結果を図３のグラフに示す。
＜回転試験条件＞
雰囲気温度：常温
アキシャル荷重：２００Ｎ
回転速度（ｎ）：５０００ｍｉｎ^-1、１００００ｍｉｎ^-1、１５０００ｍｉｎ^-1、２００００ｍｉｎ^-1、２５０００ｍｉｎ^-1、３００００ｍｉｎ^-1
オイルエアーとして供給した潤滑油：ＶＧ２２（鉱油）
オイルエアー供給量：０．２ミリリットル／ｍｉｎ

図３のグラフから分かるように、本発明の実施例に相当するNo. ２〜４では、比較例に相当するNo. １よりも外輪温度上昇値が小さかった。また、ｎ＝２００００ｍｉｎ^-1の場合にｄ_m ｎ＝１４０万に相当する。ｎが２５０００ｍｉｎ^-1の場合に、No. １では焼き付きが生じたが、No. ２〜４では焼き付きが生じなかった。よって、本発明の実施例に相当するNo. ２〜４の軸受は、比較例に相当するNo. １の軸受よりも、オイルエアー潤滑での耐焼付き性に優れていることが分かる。また、本発明の実施例に相当するNo. ２〜４の軸受は、ｄ_m ｎが１４０万を超える場合でも、オイルエアー潤滑で焼き付きが生じないことが分かる。

また、図４に示す試験方法で、試験片を用いた耐摩耗試験を行った。上面が水平に保持された台５の上に板状の固定試験片６を置き、その上に回転円筒７を圧力Ｐで押し付けながら速度Ｖで回転させた時に、固定試験片６の表面に生じる摩耗量を測定した。
固定試験片６は、寸法が１００ｍｍ×１００ｍｍ×厚さ１５ｍｍで、常温における熱伝導率が１０、４０、８０、１２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）の各値である窒化珪素焼結体からなる。回転円筒７は、寸法が直径４０ｍｍ×長さ１０ｍｍであり、ＳＵＪ２製である。試験条件は、回転速度４０００ｍｉｎ^-1、接触部最大面圧２００ＭＰａ、試験時間１０分、無潤滑とした。

その結果を、固定試験片６の常温における熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）の場合の摩耗量を「１」とした比で表すと、４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）の場合は０．５、８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）の場合は０．２、１２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）の場合は０．１であった。これにより、常温における熱伝導率が４０、８０、１２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）の窒化珪素焼結体の無潤滑での耐摩耗性は、常温における熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）の窒化珪素焼結体の２〜１０倍と高いことが分かる。

本発明の一実施形態に相当する、工作機械用アンギュラ玉軸受を示す断面図である。 実施形態で使用した、オイルエアー潤滑での耐焼付き性を調べる回転試験機を示す概略構成図である。 回転速度を変えて回転試験を行い、外輪温度上昇値の変化を調べた結果を示すグラフである。 実施形態で行った、試験片を用いた耐摩耗試験法を説明する図である。

符号の説明

１ 内輪
２ 外輪
３ 玉（転動体）
４ 保持器
５ 台
６ 固定試験片
７ 回転円筒
２１ ベルト
２２ 回転軸
２３ ハウジング
２４ 試験軸受
２５ サポート軸受
２６ オイルエアー導入用流路
２６ａ オイルエアー導入口
２７ 熱電対

Claims (1)

1. 常温における熱伝導率が４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の窒化珪素焼結体からなる転動体を備えた転がり軸受。

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