JP2011106665A

JP2011106665A - 高速回転用転がり軸受

Info

Publication number: JP2011106665A
Application number: JP2010176285A
Authority: JP
Inventors: Shunichi Yabe; 俊一矢部; Yoshiji Sugita; 芳史杉田
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2009-10-23
Filing date: 2010-08-05
Publication date: 2011-06-02

Abstract

【課題】工作機械等の高速回転される装置用の転がり軸受において、従来よりも合成樹脂製保持器の曲げ弾性率を高めて高速回転下での変形を抑えるとともに、合成樹脂製保持器が摩耗した場合でも露出した強化繊維による相手材の損傷を抑えて耐久性を向上させる。
【解決手段】ポリアミド樹脂系サイジング剤、エポキシ樹脂系サイジング剤またはウレタン樹脂系サイジング剤で処理されたメソフェーズピッチ系炭素繊維を２０〜４５質量％の割合で含有する樹脂組成物からなり、かつ、曲げ弾性率が１５〜４０ＧＰａである合成樹脂製保持器１１４を備える高速回転用転がり軸受１１０。
【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械等のように高速で回転する主軸を支持するために使用される高速回転用転がり軸受に関する。

一般的に工作機械主軸用軸受には、円筒ころ軸受やアンギュラ玉軸受等が使用されている。これらの軸受の保持器としては、ポリアミド６６樹脂やポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂等に強化繊維を配合した合成樹脂製保持器が使用されている。強化繊維として炭素繊維が広く使用されているが、強度や弾性率に優れることからＰＡＮ系炭素繊維を配合することが提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。これら合成樹脂製保持器は、軽量のため回転時の遠心力が小さく、さらに自己潤滑性を有するという特徴を備えているため、高速回転に有利である。

特開２００７−３９６６７号公報特開２００７−１０７６１４号公報

近年、工作機械では、切削能力を向上させて加工時間を短縮する方向にあり、それに伴い主軸の回転数を高速化する傾向が顕著である。そのため、主軸を支承する軸受に供給する潤滑油量も微量（必要最小限の量）となる傾向にある。これらの軸受の潤滑法としては、グリース潤滑、オイルエア潤滑、ジェット潤滑等が、使用条件やコストによって適宜、選択され採用されているが、一般的には低コストでメンテナンスも容易なことからグリース潤滑が利用されることが多い。しかし、グリース潤滑では、回転中に外部から軸受内部に潤滑油が供給されない場合には、時間の経過とともに潤滑油が一時的あるいは継続的に不足して、潤滑油膜が途切れがちになるため、上記のような厳しい潤滑条件では、十分な潤滑を得ることが困難である。そのため、保持器と転動体（外輪・内輪）との摺動部が発熱して高温になり、場合によっては焼き付いて回転停止に到ることもある。

このような問題は、特に、保持器の案内面と外輪内径面との摺接部、あるいは、保持器と転動体との摺接部において生じることが多い。そのため、強化繊維を含有する合成樹脂製保持器では、摩耗が進展すると、徐々に保持器表面に強化繊維が露出するようになり、露出した強化繊維が相手材である軌道輪案内面を傷付けるようになる。特に、強化繊維としてＰＡＮ系炭素繊維を配合した合成樹脂製保持器では、ＰＡＮ系炭素繊維が硬質であるため、損傷度合が大きなものとなる。

また、高速回転化は今後とも要求されるため、合成樹脂製保持器の曲げ弾性率をより高めて高速回転に伴う保持器の変形を抑える必要がある。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、工作機械等の高速回転される装置用の転がり軸受において、従来よりも合成樹脂製保持器の曲げ弾性率を高めて高速回転下での変形を抑えるとともに、合成樹脂製保持器が摩耗した場合でも露出した強化繊維による相手材の損傷を抑えて耐久性を向上させることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は下記の高速回転用転がり軸受を提供する。
（１）高速回転する主軸を支承し、合成樹脂製保持器を備える高速回転用転がり軸受において、
前記合成樹脂製保持器が、ポリアミド樹脂系サイジング剤、エポキシ樹脂系サイジング剤またはウレタン樹脂系サイジング剤で処理されたメソフェーズピッチ系炭素繊維を２０〜４５質量％の割合で含有する樹脂組成物からなり、かつ、曲げ弾性率が１５〜４０ＧＰａであることを特徴とする高速回転用転がり軸受。
（２）前記合成樹脂製保持器が、樹脂成分として直鎖状ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂及びポリエーテルケトン樹脂から選ばれる少なくとも１種を含有することを特徴とする上記（１）記載の高速回転用転がり軸受。
（３）前記合成樹脂製保持器が外輪案内型であることを特徴とする上記（１）または（２）記載の高速回転用転がり軸受。

本発明の高速回転用転がり軸受では、合成樹脂製保持器がメソフェーズピッチ系炭素繊維を高充填しているため曲げ弾性率が高く、高速回転下で変形することがない。また、メソフェーズピッチ系炭素繊維は、ＳＵＪ２鋼等の一般的な軸受鋼よりも硬度が低く、更にはＰＡＮ系炭素繊維よりも柔軟性が高いため、合成樹脂製保持器が摩耗して露出しても軌道輪案内面を損傷することがない。更には、メソフェーズピッチ系炭素繊維は、ＰＡＮ系炭素繊維よりも熱伝導率が格段に高いため、高速回転時の温度上昇が抑えられ、合成樹脂製保持器の軟化による変形や潤滑剤の熱劣化が抑えられて信頼性が高く長寿命となる。

本発明に係る円筒ころ軸受の一例を示す縦断面図である。図１に示す円筒ころ軸受用保持器の斜視図である。本発明に係るアンギュラ玉軸受の一例を示す縦断面図である。図３に示すアンギュラ玉軸受用保持器の斜視図である。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。

本発明において、高速回転用途で、後述する合成樹脂製保持器を備える限り、軸受の種類や構造に制限はない。例えば、図１に示すような円筒ころ軸受１１０を例示することができる。図示されるように、円筒ころ軸受１１０は、内周面に外輪軌道面１１１ａを有する外輪１１１と、外周面に内輪軌道面１１２ａを有する内輪１１２と、外輪軌道面１１１ａと内輪軌道面１１２ａとの間に転動可能に配設される複数の円筒ころ（転動体）１１３と、複数の円筒ころ１１３を円周方向に略等間隔に保持する合成樹脂製保持器１１４と、を備える。

合成樹脂製保持器１１４は、図２に示すように、軸方向に互いに同軸に離間配置される一対の円環部１１５と、一対の円環部１１５を連結すべく、円周方向に略等間隔で配置される複数の柱部１１６と、円周方向に互いに隣り合う各柱部１１６の間に形成され、円筒ころ１１３を転動可能に保持するポケット部１１７と、を有する。

また、軸受として図３に示すようなアンギュラ玉軸受１２０を例示することもできる。図示されるアンギュラ玉軸受１２０は、内周面に外輪軌道面１２１ａを有する外輪１２１と、外周面に内輪軌道面１２２ａを有する内輪１２２と、外輪軌道面１２１ａと内輪軌道面１２２ａとの間に転動可能に配設される複数の玉（転動体）１２３と、複数の玉１２３を円周方向に略等間隔に保持する合成樹脂製保持器１２４と、を備える。

合成樹脂製保持器１２４は、図４に示すように、板状の円環部材１２５と、この円環部材１２５に円周方向に略等間隔で形成され、玉１２３を転動可能に保持する複数のポケット部１２６と、を有する。

本発明では、合成樹脂製保持器１１４、１２４の高速回転時の変形を防止するために、その曲げ弾性率を１５〜４０ＧＰａ、好ましくは２０〜４０ＧＰａとする。そのためには、合成樹脂製保持器１１４、１２４を形成する樹脂組成物に、メソフェーズピッチ系炭素繊維を２０〜４５質量％、好ましくは３０〜４０質量％の割合で含有させる。メソフェーズピッチ系炭素繊維の含有量が２０質量％未満では、１５ＧＰａ以上の曲げ弾性率を実現することが困難になり、熱伝導性も悪くなり好ましくない。一方、４５質量％を超える場合は、相対的に樹脂量が少なすぎて成形性が悪くなり、更には伸びが低下して転動体を組み込むときに亀裂等が発生しやすくなり、高コストにもなるため好ましくない。

メソフェーズピッチ系炭素繊維は異方性ピッチ系炭素繊維であり、また易黒鉛化性である。具体的には、繊維の軸方向に規則正しく平行に配向した異方性を持った結晶構造を有し、密度も２．１〜２．３ｇ／ｃｍ^３であり、黒鉛（密度２．３ｇ／ｃｍ^３）に非常に近いレベルまで黒鉛化が進んでいる。そのため、黒鉛化されていないＰＡＮ系炭素繊維や、同じピッチ系であっても等方性ピッチ系炭素繊維では到達できない熱伝導率にすることができる。尚、メソフェーズピッチ系炭素繊維の中には、黒鉛化度が低く低熱伝導率のものも市販されているが、本発明では熱伝導率として１４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のものを使用することが好ましい。熱伝導率が１４０Ｗ／ｍ・Ｋよりも低いメソフェーズピッチ系炭素繊維も使用してもよいが、上記の配合量の範囲でも多く配合するようになり、成形性や伸び、コストの面で不利になる。

等方性ピッチ系炭素繊維の中には熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋのものも知られているが、メソフェーズピッチ系炭素繊維に比べて引張強度や引張弾性率がかなり低く、目的とする曲げ弾性率（１５〜４５ＧＰａ）が得られない。一方、ＰＡＮ系炭素繊維は、引張強度や引張弾性率には問題がないものの、熱伝導率の点でメソフェーズピッチ系炭素繊維よりも格段に劣る。

表１に、メソフェーズピッチ系炭素繊維、ＰＡＮ系炭素繊維及び等方性ピッチ系炭素繊維の上記の諸特性を示す。

更に、メソフェーズピッチ系炭素繊維は、ＰＡＮ系炭素繊維に比べて柔軟であるため、縫製樹脂製保持器が摩耗しても相手材である軌道輪案内面の損傷を抑えることもできる。

メソフェーズピッチ系炭素繊維は、混合前の状態で通常は３〜６ｍｍ程度にチョップされたものであるが、樹脂成分と混練し、保持器形状に成形された後の形状としては、平均繊維径が７〜１３μｍ程度となる。また、形状は円柱状でも平板状でもよい。

また、メソフェーズピッチ系炭素繊維は、樹脂組成物中での分散性及び樹脂成分との接着性を向上させて、目的とする機械的強度を達成するために、ポリアミド樹脂系サイジング剤、エポキシ樹脂系サイジング剤またはウレタン樹脂系サイジング剤で処理されている。特に、樹脂成分との接着性に優れるエポキシ樹脂系サイジング剤またはウレタン樹脂系サイジング剤が好ましい。サイジング剤の使用量としては、十分な接着性を得るために、メソフェーズピッチ系炭素繊維１００質量部に対し１〜６質量部が適当である。

一方、樹脂成分としては、吸水や温度による寸法変化、耐熱性、機械的強度から、直鎖状ポリフェニレンサルファイド樹脂（Ｌ−ＰＰＳ；融点２８５℃）、ポリエーテルエーテルケトン樹脂（ＰＥＥＫ；融点３４３℃）及びポリエーテルケトン樹脂（ＰＥＫ；融点３７３℃）が好適であり、軸受が支持する回転軸の回転数に応じて選択される。これら樹脂は、それぞれ単独または組み合わせて使用できるが、広い回転数をカバーするのであれば、自身の曲げ弾性率が高く、高弾性率化が可能なＰＥＥＫが特に好ましい。

また、樹脂組成物には種々の添加剤を添加することが可能であるが、中でも摺動性を向上させるために、ＰＴＦＥや黒鉛等の固体潤滑剤を添加することが好ましい。含有量は１〜５質量％が好適であり、１質量％未満では摺動性の改善効果が少なく、５質量％を超える場合は相対的にメソフェーズピッチ系炭素繊維及び樹脂成分の量が少なくなり、機械的強度に影響を与える恐れがある。

上記樹脂組成物を用いて保持器を製造するには、従来と同様の方法で構わず、樹脂成分にメソフェーズピッチ系炭素繊維、必要に応じて固体潤滑剤等の添加剤をそれぞれ所定量配合して十分に混練し、図２や図４に示したような形状に成形すればよい。成形方法としては、生産効率に優ることから射出成形が好適であるが、これに限定されることはない。

ところで、転がり軸受では、潤滑剤が保持器と転動体との隙間に入り込み、遠心力により外輪側へと移動する。その際、潤滑剤は保持器の内輪側の端面から入り込むため、保持器と内輪との間隔が広いほど潤滑剤が入り込みやすくなる。そのため、内輪案内型の保持器では、内輪との間隔が狭く、保持器を通じて転動体との隙間に潤滑剤が入り込み難いが、外輪案内型の保持器では、内輪との間隔が広いため潤滑剤が入り込みやすく、より良好な潤滑が可能になる。そこで本願でも、上記の円筒ころ軸受１１０及びアンギュラ玉軸受１２０においても、各合成樹脂製保持器１１４、１２４を外輪案内型とした場合に摩耗防止効果がより顕著となる。

また、転動体を窒化珪素等のセラミック製とし、内外輪を一般的なＳＵＪ２製に代えて、浸炭窒化材（ＳＨＸ材等）製とすることにより、高速回転時の焼付きや摩耗をより防止することができるようになる。

更に、本発明の転がり軸受では、潤滑のために、例えばグリース（図示せず）が封入される。

以下に実施例を挙げて本発明を更に説明するが、本発明はこれにより何ら制限されるものではない。

（実施例１〜４、比較例１〜４）
表１に示すように、樹脂及び強化繊維を用いて樹脂組成物を調製し、熱伝導率測定用、引張強度測定用及び曲げ弾性率測定用の各試験片を作製した。尚、表中のメソフェーズピッチ系炭素繊維Ａとは三菱樹脂製「ダイヤリードＫ６３７１Ｔ」（エポキシ樹脂系サイジング剤処理品（添加量１〜３質量％）、繊維径１０〜１１μｍ、形状は平板状）であり、メソフェーズピッチ系炭素繊維Ｂとは三菱樹脂製「ダイヤリードＫ２２７ＳＥ」（ポリアミド樹脂系サイジング剤処理品、繊維径１０〜１１μｍ、形状は円柱状）であり、メソフェーズピッチ系炭素繊維Ｃとは、日本グラファイトファイバー製「ＧＲＡＮＯＣＸＮ−６０」（ウレタン樹脂系サイジング剤処理品、繊維径１０〜１１μｍ、形状は円柱状）であり、メソフェーズピッチ系炭素繊維Ｄとは三菱樹脂製「ダイヤリードＫ２２３ＨＥ」（サイジング剤処理なし、繊維径１１μｍ、形状は円柱状）であり、等方性ピッチ系炭素繊維とはクレハ製「クレカチョップＣ−２０６Ｓ」（サイジング剤処理なし、繊維径１４．５μｍ、形状は円柱状）である。また、比較例１では、ＰＡＮ系炭素繊維３０％入りＬ−ＰＰＳ材（ポリプラスチックス製「フォートロン２１３０Ａ１」）、比較例２ではＰＡＮ系炭素繊維３０％入りＰＥＥＫ材（ＶＩＣＲＥＸ製「ＶＩＣＴＲＥＸＰＥＥＫ４５０ＣＡ３０」）を用いたが、ＰＡＮ系炭素繊維の密度、引張強度、引張弾性率及び熱伝導率は、汎用品から求めた値である。

そして、試験品について、引張強度をＩＳＯ５２７−１に準じて、曲げ弾性率をＩＳＯ１７８に準じてそれぞれ測定した。結果を表２に併記する。

また、上記の樹脂組成物を用いて、アンギュラ玉軸受（日本精工（株）製「７０ＢＥＲ２０ＸＤＢ」；内径７０ｍｍ、外径１１０ｍｍ、幅２４ｍｍ、接触角２５°、２列組合せ）用の保持器（図４参照）を作製した。

そして、内輪をＳＵＪ２製、外輪を浸炭窒化鋼ＳＨＸ製、転動体をＳｉ_３Ｎ_４製として軸受を組立て、ＭＴＥグリース（Ｂａコンプレックス−エステル系）を封入して試験用アンギュラ軸受を作製した。保持器は外輪案内方式とした。また、組み込み時予圧荷重は１５００Ｎである。

各試験用アンギュラ軸受を、１００００ｍｉｎ^−１または１６０００ｍｉｎ^−１の回転数にて各１０００時間連続回転させた。回転後に軸受を分解し、外輪案内面の摩耗状態を観察し、更に保持器の変形の有無を確認した。結果を表３に示す。

表２、３に示すように、メソフェーズピッチ系炭素繊維は、等方性ピッチ系炭素繊維に比べて引張強度及び引張弾性率に優れ、ＰＡＮ系炭素繊維に比べて引張弾性率に優れるとともに、熱伝導率は両炭素繊維に比べて格段に小さい。そのため、メソフェーズピッチ系炭素繊維を配合した合成樹脂製保持器を組み込んだ実施例の試験アンギュラ軸受では、高速回転した場合でも、外輪案内面を損傷することがなく、摩耗により脱離した繊維片が原因となる焼付きも抑えられる。また、軸受の温度上昇も少なく、保持器の変形も抑えられる。

これに対し、比較例１、２のようにＰＡＮ系炭素繊維を用いると、初期の高速回転性はあるもの、外輪案内面を摩耗し、また摩耗により脱離したＰＡＮ系炭素繊維片が原因となって早期に焼付きを起こし、十分な耐久性が得られない。

また、比較例３のように、メソフェーズピッチ系炭素繊維を用いても、エポキシ樹脂系サイジング剤やポリアミド樹脂系サイジング剤、ウレタン樹脂系サイジング剤で処理されていないと保持器の補強効果が十分でなく、高速回転用途では高信頼性が得られない。

また、比較例４のように等方性ピッチ系炭素繊維を用いると、保持器が強度不足となり、高速回転用途には使用できない。

また、実施例１〜４を比較すると、補強効果の点ではエポキシ樹脂系サイジング剤またはウレタン樹脂系サイジング剤で処理する方が、ポリアミド樹脂系サイジング剤で処理で処理するよりも高いといえる。

更に、実施例１〜４及び比較例１、２について、回転中の外輪温度を測定したが、実施例１〜４では比較例１、２に比べて２０％程度低くなっており、温度上昇の抑制にも効果があることが確認された。このことから、軸受の潤滑状態が良好に保たれるとともに、温度が低い分、保持器強度が高いレベルで維持され、破損・摩耗等に対する耐久性も高まることが予想される。

１１０円筒ころ軸受
１１４合成樹脂製保持器
１２０アンギュラ玉軸受
１２４合成樹脂製保持器

Claims

高速回転する主軸を支承し、合成樹脂製保持器を備える高速回転用転がり軸受において、
前記合成樹脂製保持器が、ポリアミド樹脂系サイジング剤、エポキシ樹脂系サイジング剤またはウレタン樹脂系サイジング剤で処理されたメソフェーズピッチ系炭素繊維を２０〜４５質量％の割合で含有する樹脂組成物からなり、かつ、曲げ弾性率が１５〜４０ＧＰａであることを特徴とする高速回転用転がり軸受。
前記合成樹脂製保持器が、樹脂成分として直鎖状ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂及びポリエーテルケトン樹脂から選ばれる少なくとも１種を含有することを特徴とする請求項１記載の高速回転用転がり軸受。
前記合成樹脂製保持器が外輪案内型であることを特徴とする請求項１または２記載の高速回転用転がり軸受。