JP2017172650A - モータ内蔵スピンドル用玉軸受 - Google Patents

モータ内蔵スピンドル用玉軸受 Download PDF

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Abstract

【課題】 高速運転時での潤滑特性を維持しながら、エアが軸受内部を流れる条件下でも、グリースや、基油が排出されにくく、長期に安定した潤滑寿命を可能にしたモータ内蔵スピンドル用玉軸受を提供することを課題とする。
【解決手段】 エアの影響を受けやすい保持器１４の側面から内径側に、粘度の高いグリースＧ２を封入し、この粘度の高いグリースＧ２によって、外輪１２の内径側に主に位置する高速での潤滑特性に優れる粘度の低いグリースＧ１や基油が排出され難いようにし、長期に亘って安定した潤滑寿命が得られるようにした。
【選択図】 図１

Description

この発明は、小型スピンドル、特にモータ内蔵スピンドル用玉軸受に関するものである。
小型スピンドルは、主にアルミ加工などの軽負荷加工に用いられている。
近年、小型スピンドルは、図７に示すように、コンパクト化を目的にスピンドルのハウジング１内にモータ２を内蔵したタイプが多くなってきている（特許文献１）。なお、図７において、被加工物（ワーク）を研削加工するための砥石を、符号Ｗで示している。
この種のモータ内蔵スピンドル用玉軸受３としては、高速性に優れ、加工時の主軸先端からの外部荷重に対し、主軸の変位を小さくし、高精度の加工に有利なアンギュラ玉軸受を使用することが多い。
スピンドル内部にモータ２を内蔵しているタイプでは、連続運転ではこのモータ２と、軸受３が発熱するので、スピンドル全体の寸法変化による加工精度の低下を防止するために冷却構造が必要である。
その冷却構造としては、スピンドルのハウジング１の外周部に冷却液が循環する外筒冷却構造があるが、外筒冷却構造はスピンドル外径を大きくする必要があり、また冷却液の漏れを防止するシールが必要になる等、構造が複雑になる。
このため、モータ内蔵スピンドルのハウジング１内の冷却には、複雑な構造が不要なエアでの冷却が主流になっている。
このスピンドルのハウジング１内を冷却するエアは、後ろ側からモータ２、次に軸受３を冷却し、スピンドルのハウジング１の先端部からスピンドルのハウジング１の外部に排出される。
スピンドルのハウジング１の先端部は、飛来物に対するシールを兼ねており、エアカーテン、ラビリンスシールにより、スピンドルのハウジング１の内部の圧力を高くし、切削液、加工片等がスピンドルのハウジング１内に侵入することを防止している。
また、図４に示すモータ内蔵スピンドル用玉軸受３は、シール板５の内径部と、内輪６の外径部との間は、ラビリンス構造になっており、シール板５の内径部が、内輪６の外径部に設けたシール溝７に嵌っている。なお、図４において、符号８は保持器、９は外輪、１０は転動体を示している。
上記ラビリンス構造により、軸受３の内部に侵入したエアの排出がシール板５によって妨げられ、図４の矢印に示すように、軸受３の内部に侵入したエアが軸受３の内部で乱流を引き起こして、保持器８を振動させることがある。
保持器８の振動は、スピンドルのハウジング１に振動が伝達され、静粛性にも悪影響を及ぼす。
このため、本願の出願人は、モータ内蔵スピンドルの軸受内に冷却エアが侵入した際に、エアが軸受内部で乱流を起こすことなく、エアがスムーズに軸受外部に排出するために、図６に示すように、シール板５の内径方向の長さを、軸受内を通過するエアの入り口側から出口側に向かって、エアが抵抗なくほぼ直線状に通過できる長さに規定することにより、保持器８の振動が生じ難く、静粛性の高いモータ内蔵スピンドル用玉軸受を特許出願している（特許文献２）。
実用新案登録第３１５０３７１号公報 特開２０１６−２３７１９号公報
ところで、モータ内蔵スピンドル用玉軸受は、グリース潤滑条件下でも、ｄｎ５０万からｄｎ１００万程度の高速運転で使用される場合が多い。
このため、モータ内蔵スピンドル用玉軸受には、高速運転性に優れている、すなわち、極少量の潤滑油で油膜を形成しながら、高速運転でも撹拌抵抗が少なく、温度上昇し難いグリースが使用されている。また、撹拌抵抗を抑えるため、グリースに含まれる基油の粘度は低い方が好ましく、粘度２０〜４０ｍｍ2/Ｓ(４０℃)、混和調度２００〜３００程度のグリースを使用する場合が多い。
このグリースの中でも、特に高速性を重視する場合は、基油粘度２０〜３０ｍｍ2/Ｓ（４０℃)、混和調度２００〜２３０程度のものを使用する。
ところが、特許文献２のモータ内蔵スピンドル用玉軸受３は、軸受内部にエアが流れる構造であり、エア量で１０〜３０ＮＬ／分が流れる場合がある。軸受内部のエア流量が多い程、初期に封入したグリースや、基油が排出され易く、高速での潤滑特性に優れる基油粘度２０〜３０ｍｍ2/Ｓ(４０℃)、混和調度２００〜２３０のグリースは、特に、排出され易い。
そこで、この発明は、高速運転時での潤滑特性を維持しながら、エアが軸受内部を流れる条件下でも、グリースや、基油が排出されにくく、長期に安定した潤滑寿命を可能にしようとするものである。
上記の課題を解決するため、この発明においては、内輪と、外輪と、内輪と外輪の対向する転動面に配設された転動体と、転動体を保持する保持器と、外輪の両端部の内径面に内輪側に向かって突出するシール板を有し、シール板の内径方向の長さを、軸受を通過するエアの入り口側から出口側に向かって、エアが抵抗なくほぼ直線状に通過できる長さに規定されているモータ内蔵スピンドル用玉軸受において、外輪と内輪間に封入されるグリースが、外輪の内径側に主に位置する粘度の低いグリースと、エアの影響を受けやすい保持器側面から内径側に位置する粘度の高いグリースの２種類からなることを特徴とする。
外輪の内径側に主に位置する粘度の低いグリースは、基油粘度２０〜３０ｍｍ2/Ｓ（４０℃）、混和調度２００〜２３０のグリースであり、エアの影響を受けやすい保持器側面から内径側に位置する粘度の高いグリースが、基油粘度３０〜４０ｍｍ2/Ｓ（４０℃）、混和調度２４０〜２６０のグリースである。
この発明に係るモータ内蔵スピンドル用玉軸受は、軸受内部にエアが流れる構造であっても、エアの影響を受けやすい保持器側面から内径側に、粘度の高いグリースを封入しているので、この粘度の高いグリースによって、外輪の内径側に主に位置する高速での潤滑特性に優れる粘度の低いグリースや基油が排出されにくく、長期に亘って安定した潤滑寿命が得られる。
この発明に係るモータ内蔵スピンドル用玉軸受の部分断面図である。 この発明に係るモータ内蔵スピンドル用玉軸受の保持器の案内状態を示す部分拡大図である。 この発明に係るモータ内蔵スピンドル用玉軸受の別な形態の保持器の案内状態を示す部分拡大図である。 従来のモータ内蔵スピンドル用玉軸受の部分断面図である。 従来のモータ内蔵スピンドル用玉軸受の保持器の案内状態を示す部分拡大図である。 特許文献２のモータ内蔵スピンドル用玉軸受の部分断面図である。 モータ内蔵スピンドルの概略図である。
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
この発明の一実施形態に係るモータ内蔵スピンドル用玉軸受は、図１に示すように、アンギュラ玉軸受である。
この発明に係るアンギュラ玉軸受は、内輪１１と、外輪１２と、内輪１１と外輪１２の対向する転動面に配設された転動体１３と、転動体１３を保持する保持器１４と、内輪１１と外輪１２の両端面に設けられたシール板１５とからなり、内輪１１の外周面の軸方向の一端部側にカウンターボア１１ｂを設けている。
シール板１５は、外輪１２の内径面に設けられた取付溝１６に装着されている。
シール板１５の内径部と対面する内輪１１の外径面１１ａは、図１に示すように、直線状に形成され、シール板１５の内径部と内輪１１の外径面との間に、図４に示す従来の軸受のように、ラビリンス構造を形成するシール溝を形成していない。
そして、図１の矢印Ａに示すように、通過するエアの入り口側から出口側に向かって、エアが抵抗なくほぼ直線状に通過できるように、出口側の内輪１１の外径面とシール板１５の内径部との間の隙間の投影面積が、軸受を通過するエア流路の通過投影面積とがほぼ同等になるように、シール板１５の内径方向の長さを規定している。
このシール板１５の内径方向の長さは、エアが通過する際の流路抵抗があるため、軸受を通過するエアの流路投影面積よりも投影面積が１０％程度小さくなる長さであればよい。
シール板１５の内径部と対面する内輪１１の外径面との間の隙間が、上記のように、エアが抵抗なくほぼ直線状に通過できる投影面積になるように、シール板１５の内径方向の長さを規定することにより、軸受の内部をエアが通過する際に、シール板１５に余分な力が加わり難く、シール板１５の倒れや変形を防止し、安定したシール性を確保できる。この条件を満たせば、シール板１５の内径部と対面する内輪１１の外径面との間の隙間を大きくしてもよいが、軸受内部潤滑油の漏洩防止のため、保持器１４の内径よりも小さいことが望ましい。
さらに、エアの通過をより妨げないようにするため、シール板１５の内径部と対面する内輪１１の外径面１１ａを直線状に形成することが望ましい。
図２及び図３は、それぞれこの発明に係るモータ内蔵スピンドル用玉軸受の実施形態の保持器１４の案内状態を示す部分拡大図である。図２及び図３において、二点鎖線は、転動体１３のピッチ円直径（ＰＣＤ）を示し、符号１４ａは、転動体１３を収容するポケットを示している。
保持器１４の内径部１４ｂの寸法ｄは、極力大きくし、エアの通過を妨げないようにすることが好ましいが、保持器１４の内径部１４ｂを大きくすると、保持器１４の強度が低下するので、保持器１４の内径部１４ｂの寸法ｄは、保持器１４の外径部１４ｃの寸法Ｄ、転動体１３が受ける荷重Ｑ、転動体１３と軌道輪間の摩擦係数μ、保持器１４を形成する樹脂材料の許容引張強度σ、保持器１４の軸方向肉厚合計値Ｂとした場合、次式を満足するように決定することが望ましい。
ｄ≦Ｄ−（４*Ｑ*μ）／（σ*Ｂ）
次に、保持器１４の内径部１４ｂの寸法ｄは、エアの通過を妨げないようシール板１５の内径寸法より大きくすることが好ましいが、図２に示すように、回転中の保持器１４のポケット１４ａの転動体１３との周方向接触部１４ｄが転動体１３のＰＣＤよりも外径側になるような構造がより好ましい。保持器１４のポケット１４ａの転動体１３との周方向接触部１４ｄが転動体１３のＰＣＤよりも外径側にすることにより、太線の矢印で示すように、転動体１３の円周方向運動に対し常に保持器１４に外径方向の力が作用するため、保持器１４と内輪１１の外径面１１ａとの隙間が確保され、エアの通過が妨げられない。
また、図３に示すように、転動体１３の円周方向運動に対し常に保持器１４に外径方向の力が作用するよう、保持器１４の内径部１４ｂが、転動体１３のＰＣＤよりも外径側に位置させてもよい。
即ち、従来例では、図５に示すように、保持器８のポケット８ａの転動体１０との周方向接触部８ｂは転動体１０のＰＣＤ上になるが、図２に示すこの発明の実施形態では、保持器１４のポケット１４ａの転動体１３との周方向接触部１４ｄは転動体のＰＣＤよりも外径側に位置している。
また、図１の実施形態では、外輪１２の軌道輪と転動体１３との間、外輪１２の軌道輪と保持器１４との間に、安定的に潤滑剤を供給するため、外輪１２の一部にグリースポケット１７を設けている。
この発明に係るアンギュラ玉軸受を２列の背面合せで使用する場合には、エアの流れに対し軸受の向きが２列間で異なるため、軸受の左右両側にグリースポケット１７を形成するようにする。
また、グリース封入量は、静止空間容積の４０％〜５０％とする。４０％以下の場合、エア圧よるグリースの偏りにより、安定した耐久効果が得られない。５０％以上の場合、エア圧よるグリースの偏りにより、グリースの再巻き込み過多により温度変動大、振動変動に繋がり安定した回転が得られない。
封入するグリースは、外輪１２の内径側に主に位置する粘度の低いグリースＧ１と、エアの影響を受けやすい保持器１４の側面から内径側に位置する粘度の高いグリースＧ２の２種類を使用している。
軸受にグリース封入する際、まず最初に、グリースの中でも、特に、高速性に優れる、基油粘度２０〜３０ｍｍ2/Ｓ(４０℃)、混和調度２００〜２３０のスピンドル用グリースを、外輪１２の内径側に主に位置するように封入する。
また、封入後、アキシアル荷重を加え、回転させることで、封入したグリースＧ１を、外輪１２の内径面、転動体１３、保持器１４の表面に馴染ませる。
この時、外輪１２の内径にある、グリースポケット１７や、保持器１４のポケット面、外輪１２との案内面に十分グリースを保持させる。
次に、エア流量で１０〜３０ＮＬ/分が流れることを想定し、初期に封入したグリースＧ１より、基油粘度が３０〜４０ｍｍ2/Ｓ(４０℃)、混和調度２４０〜２６０の粘度の高いグリースＧ２を保持器１４の側面から内径側に位置するように封入する。
その際、２列のアンギュラ玉軸受を背面合せで使用の場合も考え、エアの流れに対し軸受の向きが２列間で異なるため、軸受の左右両側にグリースを封入する。
２種類のグリースＧ１、Ｇ２は、一部混ざり合うことも考え、基油粘度、混和ちょう度以外の、基油の種類、増ちょう剤の種類は、同じものを選ぶ。
この発明は、最初に粘度の低いグリースを封入して馴染み運転し、その後、粘度の高いグリースを左右両側に封入する効果として、片側に一度に多く封入した場合、馴染み運転時、封入側のシールリップから撹拌により溢れたグリースが排出されるが、先行して封入するグリースによって馴染み運転し、その後両側の空間にグリースを配分して封入することにより、馴染み運転時のシールリップ１５からの排出を抑制することができる。
これにより、グリース封入量は全体で静止空間容積の５０％〜７０％とする。
７０％以上の場合、主軸組立後の慣らし運転時間が長くなる、或いはグリースの再巻き込み、過多により温度変動大、振動変動に繋がり安定した回転が得られない場合がある。
最初に封入するグリースＧ１は、全封入グリース量の５０％程度とする。残り５０％は、粘度の高いグリースＧ２を２５％づつ、軸受両側に封入する。
グリースの増ちょう剤としては、例えば、ウレア系や、Ｂａ複合石鹸系、Ｌｉ石鹸系などがある。また、基油は、エステル系や、合成油などがある。
１１ ：内輪
１１ａ ：外径面
１２ ：外輪
１３ ：転動体
１４ ：保持器
１４ａ ：ポケット
１４ｂ ：内径部
１４ｃ ：外径部
１４ｄ ：周方向接触部
１５ ：シール板
１６ ：取付溝
１７ ：グリースポケット
Ｇ１ ：粘度の低いグリース
Ｇ２ ：粘度の高いグリース

Claims (6)

  1. 内輪と、外輪と、内輪と外輪の対向する転動面に配設された転動体と、転動体を保持する保持器と、外輪の両端部の内径面に内輪側に向かって突出するシール板を有し、シール板の内径方向の長さを、軸受を通過するエアの入り口側から出口側に向かって、エアが抵抗なくほぼ直線状に通過できる長さに規定されているモータ内蔵スピンドル用玉軸受において、外輪と内輪間に封入されるグリースが、外輪の内径側に主に位置する粘度の低いグリースと、エアの影響を受けやすい保持器側面から内径側に位置する粘度の高いグリースの２種類からなることを特徴とするモータ内蔵スピンドル用玉軸受。
  2. 外輪の内径側に主に位置する粘度の低いグリースが、基油粘度２０〜３０ｍｍ2/Ｓ（４０℃）、混和調度２００〜２３０のグリースであり、エアの影響を受けやすい保持器側面から内径側に位置する粘度の高いグリースが、基油粘度３０〜４０ｍｍ2/Ｓ（４０℃）、混和調度２４０〜２６０のグリースである請求項１記載のモータ内蔵スピンドル用玉軸受。
  3. 内輪片側にカウンタボアがあり、外輪内径面の片側または両側にグリースポケットを有し、前記グリースポケットに粘度の低いグリースが位置することを特徴とする請求項１または２記載のモータ内蔵スピンドル用玉軸受。
  4. 前記シール板の内径部と対面する内輪の外径面は直線状に形成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のモータ内蔵スピンドル用玉軸受。
  5. 前記保持器のポケットの転動体との周方向接触部は、転動体のＰＣＤよりも外径側に位置することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のモータ内蔵スピンドル用玉軸受。
  6. 前記保持器の内径部が、転動体のＰＣＤよりも外径側に位置することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のモータ内蔵スピンドル用玉軸受。
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