JP2011074954A - 固体潤滑玉軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】３００〜４００℃を越える高温での使用に耐える玉軸受を提供する。
【解決手段】玉軸受は、内輪2と、外輪4と、複数の玉6と、保持器8と、一対のシール10を有し、前記玉6は、少なくとも１個が固体潤滑複合材ボールで、残りは鋼球に固体潤滑剤コーティングを施したものである。固体潤滑複合材ボールは非負荷ボールであり、鋼球に固体潤滑剤コーティングを施した玉６は負荷ボールである。固体潤滑複合材ボールは、タングステン合金中に二硫化タングステンを分散させた焼結材料をバレル加工機で球形のボールに加工し、必要寸法に仕上げたものである。鋼球にコーティングを施す固体潤滑剤には二硫化タングステンや二硫化モリブデンが用いられる。
【選択図】図１

Description

この発明は固体潤滑玉軸受に関する。例えば、フィルム延伸機のテンタクリップ用軸受のように、高温環境で使用され、軸受内部のグリースの流出が軸受寿命に影響を及ぼすような用途で利用することができる。

従来、フィルム延伸機のテンタクリップ用軸受でフッ素系グリースを使用している（特許文献１参照）。フィルム延伸機は、溶融押出し機により押し出された樹脂の原反シートをテンタクリップで連続的に挟んだ状態で延伸する。テンタクリップは、ガイドレール上を周回するもので、ガイドレール上を周回するガイドローラとして転がり軸受が用いられる。この延伸において、テンタクリップは、一般に１５０〜２５０℃の高温雰囲気にさらされるため、テンタクリップ用軸受は耐熱性が考慮されている。そのため、この軸受に用いられるシールとしては、鉄板製のシールはもとより、フッ素ゴムやシリコーンゴムが採用されており、また、稼動時の動力負荷低減のため、非接触のシール構造が採用されている。さらに、潤滑用に封入するグリースにも耐熱性のあるグリース、一般にはフッ素グリースが採用されることが多い。

特開２００７−３２１７８２号公報 特開２００２−２５０３５０号公報 特開２００５−０４８８５２号公報

フィルム延伸機のテンタクリップのように高温雰囲気で軸受を運転すると、内部のグリースの粘度が低下するため、グリースが漏れやすい状態となる。グリース漏れは、グリース量の低下ひいては軸受の損傷の原因となるだけでなく、漏れたグリースが飛散して被延伸材（フィルム）に付着し、フィルムの汚染・品質不良の原因ともなる。グリース漏れ対策は、軸受のシール構造を改善したり、グリース量を減らしたりすることによってなされるのが従来一般的である。

しかし、シール構造は軸受の寸法やシールリップの構造上の制約がある。非接触シールであれば、さらに設計の制約や軸受軌道輪への組込み後の管理に難しさがある。また、グリース封入量は、一般に静止空間の３０〜４０％程度とされるが、大幅なグリース量の低減は、転がり軸受としての機能を損なう可能性があり、これにも制約がある。したがって、グリース漏れ対策としては、グリースの封入構造あるいは封入方法が重要とされる。

半導体、液晶および水晶振動子製造の成膜装置用転がり軸受においては、大気・真空両用性、低発塵性、耐久性が要求されるが、なかでも真空高温での耐久性に対する要求が最も大である。真空高温用の固体潤滑転がり軸受として、金属被膜である銀イオンプレーティング膜あるいはＰＴＦＥ被膜が用いられているが、被膜だけの潤滑源では耐久性が劣る。潤滑源としてＰＴＦＥボールを組み込んだ長寿命ウルトラクリーン軸受があるが（特許文献２）、３００〜４００℃の高温は使用限界である。

フッ素系グリースでは、例えば２５０℃以上の高温で使用した場合、グリースの基油が蒸発してしまい本来の性能を発揮できない。また、特許文献３では、軸受を構成する玉のうち少なくとも１個を二硫化タングステンボールとすることで長寿命を達成しているが、初期潤滑に問題があり長寿命と言う点では課題を残している。

この発明の課題は、３００〜４００℃を越える高温での使用に耐える玉軸受を提供することにある。

この発明は、潤滑源として、グリースを使用せず、固体潤滑複合材ボールと固体潤滑剤コーティングを施した玉の組合せを採用することによって課題を解決したものである。すなわち、この発明の玉軸受は、内輪と、外輪と、複数の玉と、保持器と、一対のシールを有し、前記玉は、少なくとも１個が固体潤滑複合材ボールで、残りは鋼球に固体潤滑剤コーティングを施したものである。

固体潤滑複合材ボールは非負荷ボールで、鋼球に固体潤滑剤コーティングを施した玉は負荷ボールである（請求項２）。言い換えれば、固体潤滑複合材ボールは鋼球に固体潤滑剤コーティングを施した玉よりも小径である。

固体潤滑複合材ボールは、タングステン（Ｗ）合金中に二硫化タングステン（ＷＳ₂ ）を分散させた焼結材料をバレル加工機で球形のボールに加工し、必要寸法に仕上げたものである（請求項３）。潤滑源として玉軸受に組み込むことにより、真空３００〜４００℃の高温で耐久性を大幅に向上させることができる。

固体潤滑複合材としては、例えば、二硫化タングステンＷＳ₂ の体積％を８０％以上とする。固体潤滑複合材ボールの作成に用いる焼結材料の例としては、金属マトリクスと固体潤滑剤とを複合化した焼結材料、たとえば、冨士ダイス株式会社からＮＦメタルの商品名で上市されているものを挙げることができる。

既存のＳＵＳ４４０Ｃ製玉軸受に、玉（負荷ボール）より小径の固体潤滑複合材ボール（非負荷ボール）を組み込むことにより、その固体潤滑複合材ボールから長期にわたって潤滑剤が供給されることになり、大幅な耐久性の向上が達成される。本材料は真空中で８００℃まで使用可能であり、３００〜４００℃の高温での使用は問題ない。

固体潤滑複合材ボールの製造方法としては、多面体形状の固体潤滑複合材をバレル加工機により球形の潤滑ボールに加工し、必要寸法に仕上げる方法が挙げられる。バレル加工により、必要寸法のボールを得ることができ、材料および材料加工の面からコスト低減をはかることができる。すなわち、ボール形状にするためにバレル加工はもっとも有効な方法と考えられ、量産性があり、かつ、低コストな加工方法である。固体潤滑複合材が硬質粒子で表面を切削されながらボール形状になってゆく。このようにして製造されたボールは玉軸受に組み込まれて潤滑剤供給源になる。

また、樹脂ボールをバレル加工機により必要寸法に仕上げる方法でもよい。上記の場合と同様に、バレル加工により、低コストで必要寸法の樹脂ボールを得ることができる。

バレル加工機の構成は、回転円盤と、固定円盤と、固定円盤に設けた貫通孔と、固定円版の上面に取り外し可能に固定したボール飛び出し防止板とを有するものとすることができる。回転円盤の上面が硬質粒子を含む材質からなるものであってもよく、その硬質粒子としては、ダイヤモンド、炭化けい素、アルミナが挙げられる。

固体潤滑複合材ボールは非負荷ボールであるため、全部の玉を固体潤滑複合材ボールとするのは好ましくない。そこで、固体潤滑複合材ボールは一部にとどめ、残りは鋼球に固体潤滑剤コーティングを施した玉を負荷ボールとして使用する。固体潤滑剤は、例えば、二硫化タングステン(請求項４)または二硫化モリブデン(請求項５)である。固体潤滑複合材ボールだけでは初期の潤滑に問題があったが、残りを固体潤滑剤コーティングを施した玉とすることで、良好な初期潤滑が期待できる。

この発明の玉軸受は、例えば、フィルム延伸装置のテンタクリップ用（請求項６）や、真空装置用（請求項７）として用いることができる。

この発明によれば、３００〜４００℃を越える高温使用での長寿命化が図れ、しかもグリースレスであることから周囲環境の汚染を防止できる。固体潤滑複合材ボールと固体潤滑剤コーティングを施した玉の組合せとしたことで、初期潤滑の問題も解消した。

また、真空発塵に関しては、運転初期にかなり多量の発塵が発生するが、一定時間経過すると予想外に低い発塵を維持することができる。従来の、転動体間に複数のピロー形状の固体潤滑複合材を組み込んだ軸受と比較して、摩耗は少なく、低発塵性に優れる。

この発明で用いる固体潤滑複合材は、従来の固体潤滑複合材ボールより硬度が低くなるため、球形のボールに加工するのに加工時間が短縮され、コスト低減につながる。
固体潤滑複合材ボールを組み込むことで、真空高温で長寿命を達成することが可能であるので、低コストで機能アップを図ることができる。

この発明の実施例を示す深溝玉軸受の断面図である。 バレル加工機の概略構成を示す縦断面略図である。 フィルム延伸機の概略構成図である。 テンタクリップ周辺の断面図である。

以下、この発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。なお、深溝玉軸受の場合を例にとって説明する。

図１に示す深溝玉軸受は、内輪２と、外輪４と、複数の玉６と、保持器８と、一対のシール１０を有する。内輪２は外周に軌道を有し、外輪４は内周に軌道を有している。軌道のうち玉６が転走する表面を特に軌道面と呼ぶ。そして、内輪２の軌道面２ａと外輪４の軌道面４ａとの間に転動自在に玉６が介在させてある。玉６は保持器８によって所定間隔に保持される。

内輪２と外輪４の間の軸受空間を密封する役割を果たすのがシール１０である。この実施例では、シール１０は、外部から水やじんあいといった異物が侵入するのを防止するほか、固体潤滑複合材や固体潤滑剤由来のじんあいが外部に飛散しないように作用する。図１、は外輪４を静止部材に固定し、内輪２を回転部材に固定するいわゆる内輪回転タイプである。この場合、シール１０は、外輪４の内周に形成した取付け溝４ｂにシール１０の外周をはめ込み、内周のリップを内輪２の外周に形成したシール溝２ｂに接触させるようにしてある。

少なくとも１個の玉６を固体潤滑複合材ボールとする。この実施の形態の場合は二硫化タングステンボールとする。これにより、軸受が回転することにより二硫化タングステンが軸受の内輪２および外輪４の軌道面２ａ、４ａに二硫化タングステンの被膜を形成し、内輪２と玉６、外輪４と玉６の金属接触を防止する。しかし、１個の玉６を二硫化タングステンボールとしただけでは、内輪２と外輪４の軌道面２ａ、４ａに二硫化タングステンの潤滑被膜が形成されるまでに時間がかかってしまう。被膜が形成されるまでの間の内輪２と玉６、外輪４と玉６間の金属接触により内輪２、外輪４、玉６にはダメージが残り、結果的に軸受寿命を短くする要因となる。

この問題を解決するために、１個の二硫化タングステンボールを除いたその他の玉については固体潤滑剤をコーティングする。固体潤滑剤には二硫化タングステン、二硫化モリブデン等が含まれる。固体潤滑剤として二硫化タングステンを採用した場合、すべての玉の表層が二硫化タングステンで構成されるため、内輪２と玉６、外輪４と玉６の金属接触をなくすことができ、玉６の表層の二硫化タングステンが内輪２および外輪４に早期に転着し、潤滑被膜を形成することが可能となる。このようにして早期に潤滑被膜を形成することにより、長寿命を達成することが可能である。

固体潤滑複合材ボールの製造方法について述べる。図２に、加工に用いるバレル加工機の概略構成を示す。このバレル加工機は回転円盤１２と固定円盤１６を有する。回転円盤１２は電動モータ等の駆動手段（図示省略）によって回転駆動される。回転円盤１２の上面にはダイヤモンドペーパー１４を貼り付けてある。回転円盤１２の上方に固定円盤１６が位置している。固定円盤１６は円周方向に分配した複数の貫通孔１８を有する。貫通孔１８の下端は開放し、上端は固定円盤１６の上面にボール飛び出し防止板２０を取り付けることによって閉じられる。回転円盤１２の上面と固定円盤１６の下面との間には仕上げられた潤滑ボールが通過しない程度のすきまがある。

固定円盤１６の材質を例示するならば、加工対象が固体潤滑複合材の場合には鉄系材料、ＰＴＦＥボールの場合にはジュラコン（ポリプラスチックス株式会社製ポリアセタールの商品名）とすることができる。回転円盤１２にダイヤモンドペーパー１４を貼り付ける代わりに、ダイヤモンド、炭化けい素、アルミナその他の硬質粒子を含む層を設けてもよい。

加工に際しては、ボール飛び出し防止板２０を外した状態で貫通孔１８に固体潤滑複合材（黒丸で示す）を投入する。そして、ボール飛び出し防止板２０を取り付けた後、駆動手段を起動して回転円盤１２を回転させる。すると、図中破線矢印で示すように、固体潤滑複合材はダイヤモンドペーパー１４と鉄系材料からなる固定円盤１６の壁との間を跳ね回り、ダイヤモンドペーパー１４と衝突を繰り返して角が丸く削られ、徐々に表面が均等に削られてボール形状となる。

購入した立方体形状の固体潤滑複合材２種類（一辺が４ｍｍのものと一辺が６．５ｍｍのもの、いずれもＮＦメタル（冨士ダイス株式会社製固体潤滑複合材料の商品名であって、具体的にはＷ＋ＷＳ₂ 複合材を用いた。））のそれぞれにつき、上述の図２に示したバレル加工機を用いて加工を行なった。すなわち、固体潤滑複合材をダイヤモンドペーパー１４（＃１００、株式会社マルトー製）を貼り付けた回転円盤１２（静止状態）上に置き、回転円盤１２を８５ｒｐｍで回転させた。立方体形状の固体潤滑複合材は、ダイヤモンドペーパー１４と鉄系材料からなる固定円盤１６の壁との間を跳ね回り、ダイヤモンドペーパー１４と衝突を繰り返して立方体の角が丸く削られ、徐々に表面が均等に削られてボール形状になった。

加工時間と得られたボールの直径は表１に示すとおりである。ボール直径は、１個ボールの直径を数箇所測ってばらつきの範囲を示した。一辺４．００ｍｍの固体潤滑複合材から加工した潤滑ボールはＪＩＳ Ｂ １５２１深溝玉軸受の呼び番号６０８に、一辺６．３５ｍｍの固体潤滑複合材から加工した潤滑ボールはＪＩＳ Ｂ １５２１深溝玉軸受６００４に、それぞれ組込み可能となった。

他の立方体形状のＮＦメタル（Ｃｕ−Ｓｎ＋ＷＳ₂ 複合材、Ｃｕ−Ｓｎ＋Ｃ＋ＷＳ₂ 複合材等）についても同様の傾向が得られることを確認した。ここに、Ｃｕ−Ｓｎ＋ＷＳ₂ 複合材はＣｕ−Ｓｎ合金の金属マトリクスと固体潤滑剤ＷＳ₂ （二硫化タングステン）とを複合化した焼結材料であり、Ｃｕ−Ｓｎ＋Ｃ＋ＷＳ₂ 複合材はさらに炭素を複合化した焼結材料である。

バレル加工により、必要寸法の非負荷ボール（固体潤滑複合材ボール）を得ることができ、材料および材料加工の面から、コスト低減をはかることができる。また、バレル加工機では、最も粒子の粗い＃１００のダイヤモンドペーパーを用いた場合、粒子が粗いため固体潤滑複合材、樹脂ボールの加工に対して顕著な目詰まりは発生せず、しかも、加工時間を短縮して必要寸法の潤滑ボールを得ることができる。さらに、バレル加工機では、加工時間さえセットしておけば、必要寸法の固体潤滑複合材ボールを得ることができ、加工機のメンテナンスが比較的簡単である。

図１に示した玉軸受は、少なくとも１個の玉６を、上述のようにして得られた固体潤滑複合材ボールとし、その他の玉６には固体潤滑剤コーティングを施した固体潤滑玉軸受である。固体潤滑複合材ボールはそれ以外の玉よりも小径である。したがって、固体潤滑複合材ボールは非負荷ボールであって、負荷は専らそれ以外の玉６が受ける。負荷ボールと非負荷ボールを交互に配置するのが望ましい。

上述の固体潤滑玉軸受を使用し得る用途の一例としてフィルム延伸機のテンタクリップが挙げられる。図３に示すように、フィルム延伸機２１は、熱可塑性高分子化合物２２を溶融して未延伸状態のフィルム２３として押し出す押出し機２４と、押し出されたフィルム２３を受ける冷却ドラム２５と、次の各工程を行う手段を備える。すなわち、冷却ドラム２５で冷却されたフィルム２３を送る送りローラ２６と、この送りローラ２６で送られるフィルム２３に調湿処理を施す水槽２７と、この水槽２７で調湿処理されたフィルム２３を挟み込んで表面の水滴を除去する水切り装置２８とを備える。また、水切り処理後のフィルム２３を縦および横方向に２軸延伸する２軸延伸機２９と、この２軸延伸機２９で形成されたフィルム２３を巻き取る回収ローラ３０とを備える。

２軸延伸機２９の構成要素として、図４に示す横延伸装置４０が設けられる。この横延伸装置４０にテンタクリップ３１が備えられる。横延伸装置４０は、送られて来るシート２３の左右両側に配置され、両ガイド間の間隔がラインの進行方向に向かって徐々に広くなっているガイドレール３３、３４と、それぞれローラ鎖状に連結され、ガイドレール３３、３４上をラインの進行方向に循環する複数個のテンタクリップ３１とを備える。

テンタクリップ３１は、フィルム２３の端部を掴むグリップ部３２と、閉ループで構成されたガイドレール３３、３４上を転動するガイド軸受（ガイドローラ）３５、３６とを有する。このテンタクリップ３１は、グリップ部３２でフィルム２３の両端を掴んだ状態で、ガイドレール３３、３４に沿って進行方向に進み、フィルム２３を横方向に延伸させる役割を担う。ガイドレール３３、３４には、そのガイド面を水平方向に向けたレール３３と、垂直方向に向けたレール３４の２種類がある。テンタクリップ３１のガイド軸受３５、３６は、テンタクリップ３１を各ガイドレール３３、３４に沿って転がり案内する役割を担う。このガイド軸受３５、３６のうち、水平方向のガイド面を転動するガイド軸受３５は水平方向（横姿勢）の固定軸３７に設置される。垂直方向のガイド面を転動するガイド軸受３６は、垂直方向（縦姿勢）の固定軸３８に設置される。したがって、これら各ガイド軸受３５、３６は、いずれも外輪が回転側とされる。また、この横姿勢および縦姿勢の固定軸３７、３８に取り付けたガイド軸受３５、３６の両方またはいずか一方に、上記の玉軸受を用いることができる。

深溝玉軸受の場合を例にとってこの発明の実施の形態を説明したが、この発明は、ここに図示し、かつ、記述した実施の形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることはいうまでもない。

２ 内輪
４ 外輪
６ 玉（転動体）
８ 保持器
１０ 回転円盤
１２ ダイヤモンドペーパー
１４ 固定円盤
１６ 貫通孔
１８ ボール飛び出し防止板
２０ 固体潤滑複合材ボール

Claims (7)

1. 内輪と、外輪と、複数の玉と、保持器と、一対のシールを有し、前記玉は、少なくとも１個が固体潤滑複合材ボールで、残りは鋼球に固体潤滑剤コーティングを施したものである玉軸受。
2. 固体潤滑複合材ボールは非負荷ボールで、鋼球に固体潤滑剤コーティングを施した玉は負荷ボールである請求項１の玉軸受。
3. 前記固体潤滑複合材ボールは、タングステン合金中に二硫化タングステンを分散させた焼結材料をバレル加工機で球形のボールに加工し、必要寸法に仕上げたものである請求項１の玉軸受。
4. 前記固体潤滑剤は二硫化タングステンである請求項１から３のいずれか1項の玉軸受。
5. 前記固体潤滑剤は二硫化モリブデンである請求項１から３のいずれか1項の玉軸受。
6. フィルム延伸装置のテンタクリップ用である請求項１〜５のいずれか１項の玉軸受。
7. 真空装置用である請求項１〜５のいずれか１項の玉軸受。

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