JP2018204771A - 転がり軸受及び転がり軸受の製造方法 - Google Patents

転がり軸受及び転がり軸受の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】転がり軸受において、軌道輪に対するコーティング層の密着力を高める。【解決手段】転がり軸受３０は、内輪３１と、外輪３２と、内輪３１と外輪３２との間に介在する複数の玉３３と、を備えている。内輪３１及び外輪３２はステンレス鋼製である。内輪３１及び外輪３２それぞれが有し玉３３が転がり接触する軌道面３４，３５は、超仕上げ加工面であって、この超仕上げ加工面上に固体潤滑皮膜によるコーティング層３６，３７が形成されている。【選択図】 図２

Description

本発明は、転がり軸受及びその製造方法に関する。
転がり軸受は様々な機器に用いられているが、軌道輪（内輪、外輪）に固体潤滑皮膜によるコーティング層が形成されている転がり軸受として、例えば、ターボ分子ポンプに用いられるタッチダウン軸受がある（例えば、特許文献１参照）。
タッチダウン軸受は磁気軸受と共に設けられており、回転軸が通常回転する間は、その回転軸は磁気軸受によって支持されており、タッチダウン軸受は回転軸に接触しない状態にある。これに対して、例えば磁気軸受が制御不能になると、回転軸はタッチダウン軸受の軌道輪に接触して（タッチダウンして）回転が止まるまで支持され、磁気軸受及び回転軸を保護する。
ターボ分子ポンプのタッチダウン軸受のように、真空下で使用される場合、潤滑剤としてグリースやオイルを用いることができないため、固体潤滑剤が用いられる。また、軌道輪においても防錆油を使用することができないことから、軌道輪にはステンレス鋼が用いられることが多い。
特開２００９−２４８４６号公報
軌道輪の表面に固体潤滑皮膜によるコーティングを施す場合、その密着性を高めることが望ましいが、軌道輪がステンレス鋼であると、コーティングの前処理としてリン酸塩処理を施すことができない。そこで、従来では、軌道輪に対して、前処理としてショットブラストを行っている。このようにして、軌道輪の表面、特に転動体が転がり接触する軌道面に対して、固体潤滑皮膜によるコーティング層を形成することで、転がり軸受（タッチダウン軸受）の潤滑性を確保している。
ターボ分子ポンプに用いられるタッチダウン軸受を代表として、様々な転がり軸受においても、繰り返し寿命を向上させるのが好ましく、そのために固体潤滑皮膜によるコーティング層の密着力を向上させるための研究が進められている。
そこで、本発明は、新たな技術的手段によってコーティング層の密着力を高め、更に、転がり軸受の基本的な性能を有することができる転がり軸受、及びその製造方法を提供することを目的とする。
本発明の発明者は、軌道輪（内輪、外輪）が有する軌道面を超仕上げ加工面としても、その表面粗さをある程度粗くする（微鏡面とする）ことにより、固体潤滑皮膜によるコーティング層の密着力を高くすることができることを見出し、かかる知見に基づいて本発明を完成させた。
すなわち、本発明の転がり軸受は、内輪と、外輪と、前記内輪と前記外輪との間に介在する複数の転動体と、を備え、前記内輪及び前記外輪はステンレス鋼製であり、前記内輪及び前記外輪それぞれが有し前記転動体が転がり接触する軌道面は、超仕上げ加工面であって、当該超仕上げ加工面上に固体潤滑皮膜によるコーティング層が形成されている。
この転がり軸受によれば、軌道面においてコーティング層の密着力が高く、転がり軸受の寿命を延ばすことができる。また、軌道面は、その表面粗さがある程度粗くても超仕上げ加工面であることから、回転時における振動の発生等の不具合を抑制することが可能となり、転がり軸受としての基本的な性能を有することができる。
なお、前記転がり軸受とは異なり、軌道面がブラスト面（梨地面）であって、このブラスト面上に固体潤滑皮膜によるコーティング層が形成される例もあるが、前記転がり軸受（本発明）の場合においてコーティング層の密着力が高くなる理由は、超仕上げ加工面（微鏡面）の表面状態が、ブラスト面と同様に又はブラスト面よりも、固体潤滑皮膜と相性がよいためであると推定される。
また、前記軌道面以外の面であって他部材と接触する接触面はブラスト面であって、当該ブラスト面上に固体潤滑皮膜によるコーティング層が形成されているのが好ましい。この構成によれば、軌道面以外の面においても、コーティング層の密着力が高くなる。なお、軌道面以外でありかつ前記接触面以外の面についても、ブラスト面であって、当該ブラスト面上に固体潤滑皮膜によるコーティング層が形成されていてもよい。
また、前記コーティング層を、二硫化モリブデン皮膜又は二硫化タングステン皮膜により構成すればよく、これにより、グリースやオイルを使用できない真空下においても、転がり軸受の潤滑性を確保することができる。
また、前記超仕上げ加工面の表面粗さＲａは０．１以上であって０．８以下であるのが好ましい。これにより、軌道面は超仕上げ加工面であるが、表面粗さが比較的粗いためコーティング層の密着力が高くなる。また、軌道面に対する仕上げ加工を、粗い超仕上げ加工とすればよく、例えば工作機械等に用いられる転がり軸受の軌道面で要する鏡面仕上げのための超仕上げ加工が不要となり、加工コストを低減することができる。
また、好ましい用途として、前記転がり軸受は、ターボ分子ポンプに用いられるタッチダウン軸受である。
また、本発明は、内輪と、外輪と、前記内輪と前記外輪との間に介在する複数の転動体と、を備えている転がり軸受の製造方法であって、環状であるステンレス製素材から旋削により前記内輪又は前記外輪となる中間品を得ると共に、当該中間品に対して加工を行う加工工程と、前記加工工程を終えて製造された前記内輪及び前記外輪を前記転動体と共に組み立てる組み立て工程と、を備え、前記加工工程には、前記中間品の表面に対して研磨加工を行う工程と、研磨加工を終えた前記中間品が有し前記転動体が転がり接触する軌道面となる面に対して超仕上げ加工を行う工程と、超仕上げ加工された前記面に固体潤滑皮膜によるコーティング層を形成する工程と、が含まれる。
この製造方法によれば、軌道面となる面に対して超仕上げ加工する際、その表面粗さをある程度粗くすることにより、固体潤滑皮膜によるコーティング層の密着力を高くすることが可能となり、転がり軸受の寿命を延ばすことができる。また、軌道面は、その表面粗さがある程度粗くても超仕上げ加工面であることから、回転時における振動の発生等の不具合を抑制することが可能となり、製造された転がり軸受は基本的な性能を有することができる。
本発明の転がり軸受によれば、固体潤滑皮膜によるコーティング層の密着力が高く、寿命を延ばすことができる。
本発明の製造方法によれば、前記のような転がり軸受を製造することができる。
本発明の転がり軸受を備えているターボ分子ポンプの一例を示す断面図である。 転がり軸受の断面図である。 転がり軸受の製造方法を示すフロー図である。
図１は、本発明の転がり軸受を備えているターボ分子ポンプの一例を示す断面図である。このターボ分子ポンプ１０は、ポンプハウジング１１と、このポンプハウジング１１内に設けられているロータ翼１２と、このロータ翼１２と一体回転する回転軸（ロータ軸）１３と、アキシャル磁気軸受１４と、第一及び第二のラジアル磁気軸受１５，１６と、第一転がり軸受１７と、第二転がり軸受１８とを備えている。
第一及び第二のラジアル磁気軸受１５，１６それぞれは、回転軸１３を非接触の状態で径方向から支持することができる。回転軸１３の端部（図１では下端）にはフランジ１９が設けられており、アキシャル磁気軸受１４は、一対の電磁石１４ａ，１４ｂを有しており、これら電磁石１４ａ，１４ｂがフランジ１９を軸方向から挟む構成となっている。これにより、アキシャル磁気軸受１４は、フランジ１９（回転軸１３）と非接触の状態で回転軸１３を軸方向について支持することができる。
第一転がり軸受１７は、回転軸１３の軸方向一方側（図１では上側）に設けられている。第一転がり軸受１７は、内輪２１、外輪２２、複数の玉（転動体）２３を備えている深溝玉軸受であり、回転軸１３のラジアル荷重を支持することができる。内輪２１と回転軸１３との間には、半径方向の隙間が設けられており、この隙間は、ラジアル磁気軸受１５（１６）の回転軸１３に対する半径方向の隙間よりも小さい。外輪２２は、ポンプハウジング１１の一部に取り付けられている。
第二転がり軸受１８は、回転軸１３の軸方向他方側（図１では下側）に設けられている。第二転がり軸受１８は、内輪３１、外輪３２、複数の玉（転動体）３３を備えている組み合わせアンギュラ玉軸受であり、回転軸１３のラジアル荷重とアキシャル荷重とを支持することができる。内輪３１と回転軸１３との間には、半径方向の隙間が設けられており、この隙間は、ラジアル磁気軸受１５（１６）の回転軸１３に対する半径方向の隙間よりも小さい。外輪３２は、ポンプハウジング１１の一部に取り付けられている。
以上の構成によれば、通常回転時（ターボ分子ポンプ１０の正常運転時）、回転軸１３は、アキシャル磁気軸受１４とラジアル磁気軸受１５，１６とによって回転自在に支持される。これら磁気軸受１４，１５，１６が制御不能になると、回転軸１３が第一及び第二転がり軸受１７，１８の内輪２１，３１に接触し（タッチダウンし）、回転する回転軸１３は第一及び第二転がり軸受１７，１８によって支持される。このように、第一及び第二転がり軸受１７，１８が、ターボ分子ポンプ１０のタッチダウン軸受として機能する。
図２は、第二転がり軸受１８の断面図である。第二転がり軸受１８は、前記のとおり、組み合わせアンギュラ玉軸受であり、二つのアンギュラ玉軸受２９，３０が組み合わされて構成されている。一方のアンギュラ玉軸受３０と他方のアンギュラ玉軸受２９とは同じものである。以下において、一方のアンギュラ玉軸受３０（以下、単に軸受３０という。）について説明するが、他方のアンギュラ玉軸受２９についても構成は同じである。なお、第一転がり軸受１７（図１参照）は、内輪２１及び外輪２２に対する玉２３の接触角がゼロであり、これに応じて軌道輪（内輪２１、外輪２２）の軌道面が深溝形状である点で、軸受３０と比較して異なるが、それ以外は同様の構成を有し、軸受３０と同じ製造方法によって製造される。このため、第一転がり軸受１７の詳細については説明を省略する。
図２において、軸受３０は、前記のとおり、内輪３１と、外輪３２と、これら内輪３１と外輪３２との間に介在する複数の玉３３（転動体）とを備えている。内輪３１の外周面には内輪軌道面３４が形成されており、外輪３２の内周面には外輪軌道面３５が形成されている。軸受３０（本実施形態では内輪３１）が回転すると、玉３３が内輪軌道面３４及び外輪軌道面３５を転がり接触する。
内輪３１及び外輪３２はステンレス鋼製（例えばＳＵＳ４４０Ｃ）である。玉３３はステンレス鋼製であってもよく、窒化ケイ素製であってもよい。内輪軌道面３４は、超仕上げ加工面であって、この超仕上げ加工面上に固体潤滑皮膜によるコーティング層３６が形成されている。同様に、外輪軌道面３５は、超仕上げ加工面であって、この超仕上げ加工面上に固体潤滑皮膜によるコーティング層３７が形成されている。本実施形態のコーティング層３６，３７はそれぞれ同じであり、二硫化モリブデン皮膜により構成されている。なお、二硫化モリブデン被膜に代えて二硫化タングステン皮膜であってもよい。
前記のとおり、内輪軌道面３４を超仕上げ加工面としているが、その表面粗さをある程度粗くしており、内輪軌道面３４を微鏡面（微鏡面仕上げ面）としている。同様に、外輪軌道面３５を超仕上げ加工面としているが、その表面粗さをある程度粗くしており、外輪軌道面３５を微鏡面（微鏡面仕上げ面）としている。
表面粗さの具体例を説明する。内輪軌道面３４及び外輪軌道面３５それぞれにおける前記超仕上げ加工面の表面粗さ（中心線平均粗さ）Ｒａを、０．１以上であって０．８以下とするのが好ましい。より好ましくは、表面粗さＲａの上限は０．６であり、下限は０．２である。表面粗さＲａが前記の下限値未満であると、固体潤滑皮膜によるコーティング層３６，３７の密着度が若干低下する可能性がある。また、表面粗さＲａが前記の上限値を超えると、玉３３が転がり接触する際の振動がやや大きくなる可能性がある。
内輪３１において、内輪軌道面３４以外の面であって他部材と接触する接触面はブラスト面であって、このブラスト面上に（内輪軌道面３４の場合と同じ）固体潤滑皮膜によるコーティング層３６が形成されている。軸受３０がタッチダウン軸受として機能する際、内輪３１の内周面３８及び軸方向の側面３９が回転軸１３（図１参照）と接触（滑り接触）する場合があることから、これら内周面３８及び側面３９が前記の「他部材と接触する接触面」であり、これら内周面３８及び側面３９にブラスト処理（ショットブラスト処理）がされ固体潤滑剤によるコーティングが施される。なお、本実施形態の軸受３０では、内輪３１において、内輪軌道面３４以外でありかつ前記接触面（内周面３８及び側面３９）以外の面についても、ブラスト面であって、このブラスト面上に固体潤滑皮膜によるコーティング層３６が形成されていている。つまり、内輪３１の全面にコーティング層３６が形成されている。ただし、固体潤滑皮膜のコーティングのための前処理が、内輪軌道面３４とその他の面とで異なっており、内輪軌道面３４は超仕上げ加工であるのに対して、その他の面はブラスト処理である。
外輪３２においても、外輪軌道面３５以外の面はブラスト面であって、このブラスト面上に（外輪軌道面３５の場合と同じ）固体潤滑皮膜によるコーティング層３７が形成されている。つまり、外輪３２の全面にコーティング層３７が形成されている。ただし、固体潤滑皮膜のコーティングのための前処理が、外輪軌道面３５とその他の面とで異なっており、外輪軌道面３５は超仕上げ加工であるのに対して、その他の面はブラスト処理である。
軸受３０の製造方法について説明する。図３は、その製造方法を示すフロー図である。この製造方法は、加工工程Ｓ１と、組み立て工程Ｓ２とを備えている。加工工程Ｓ１では、環状であるステンレス製素材から旋削により内輪３１又は外輪３２となる中間品を得ると共に、この中間品それぞれに対して加工を行う。組み立て工程Ｓ２では、加工工程Ｓ１を終えて製造された内輪３１及び外輪３２を玉３３と共に組み立てる。
加工工程Ｓ１には、旋削により前記中間品を製造する工程Ｓ１０の他に、研磨工程Ｓ１１、超仕上げ加工工程Ｓ１２、及びコーティング工程Ｓ１４が含まれる。更に本実施形態の加工工程Ｓ１には、ブラスト工程Ｓ１３が含まれる。
内輪３１又は外輪３２となる前記中間品を旋削により製造する工程Ｓ１０では、環状であるステンレス製素材の外周面、内周面、軸方向の両端面を所定形状に旋削すると共に、内輪軌道面３４（図２参照）又は外輪軌道面３５となる領域に旋削により溝形状を形成する。
研磨工程Ｓ１１では、この中間品の表面に対して研磨加工を行う。本実施形態では、中間品の全面に対して研磨加工が行われる。
超仕上げ加工工程Ｓ１２では、研磨加工を終えた内輪３１となる前記中間品（内輪中間品）において、内輪軌道面３４となる面に対して超仕上げ加工を行い、また、外輪３２となる前記中間品（外輪中間品）において、外輪軌道面３５となる面に対して超仕上げ加工を行う。内輪軌道面３４及び外輪軌道面３５それぞれに対して行う超仕上げ加工は、鏡面仕上げではなく、微鏡面仕上げ加工であり、仕上げ面の表面粗さが、ある程度粗く加工される。例えば、超仕上げ加工面（内輪軌道面３４及び外輪軌道面３５）の表面粗さＲａは０．１以上であって０．８以下とする。内輪中間品において内輪軌道面３４となる面以外の面、及び、外輪中間品において外輪軌道面３５となる面以外の面は、超仕上げ加工されず、研磨加工（研磨工程Ｓ１１）による研磨面のままである。
超仕上げ加工工程Ｓ１２は、内輪軌道面３４及び外輪軌道面３５のみが対象とされており、これらが超仕上げ加工面とされると、その超仕上げ加工面（微鏡面）における微細な山谷形状を確保するために、内輪軌道面３４及び外輪軌道面３５それぞれにマスクが施され、内輪中間品及び外輪中間品それぞれに対してブラスト処理（ブラスト工程Ｓ１３）がされる。これにより、内輪軌道面３４及び外輪軌道面３５を除く他の表面に微細な凹凸を形成する。このように、本実施形態のブラスト工程Ｓ１３では、研磨加工を終えた内輪中間品の表面の内の内輪軌道面３４を除く全ての面に対して、ブラスト処理が行われ、また、研磨加工を終えた外輪中間品の表面の内の外輪軌道面３５を除く全ての面に対して、ブラスト処理が行われる。ブラスト処理が行われた面の表面粗さＲａは、例えば０．１以上であって１．０以下となる。
そして、コーティング工程Ｓ１４では、超仕上げ加工された（内輪軌道面３４又は外輪軌道面３５となる）前記面に固体潤滑皮膜によるコーティング層を形成する。更に、本実施形態のコーティング工程Ｓ１４では、ブラスト工程１３においてブラスト処理がされた面に対しても固体潤滑皮膜によるコーティング層を形成する。つまり、内輪中間品において、内輪軌道面３４に対するコーティングの際にあわせて、それ以外の面（ブラスト面）に対するコーティングが行われる。そして、外輪中間品において、外輪軌道面３５に対するコーティングの際にあわせて、それ以外の面（ブラスト面）に対してコーティングが行われる。本実施形態では、二硫化モリブデンのコーティングが行われ、その具体的方向は従来行われている方法による。
コーティング工程Ｓ１４が終了すると、組み立て工程Ｓ２が行われる。組み立て工程Ｓ２は、従来行われている方法により、内輪３１と外輪３２との間に玉３３を介在させる。以上より、軸受３０が完成する。
以上のようにして製造された軸受３０（図２参照）は、内輪３１及び外輪３２はステンレス鋼製であり、玉３３が転がり接触する内輪軌道面３４及び外輪軌道面３５は、超仕上げ加工面であって、この超仕上げ加工面上に固体潤滑皮膜によるコーティング層３６，３７が形成された転がり軸受となる。
この軸受３０によれば、内輪軌道面３４及び外輪軌道面３５それぞれを超仕上げ加工面としても、その表面粗さをある程度粗くする（微鏡面とする）ことにより、固体潤滑皮膜によるコーティング層３６，３７の密着力が高くなる。つまり、本実施形態の超仕上げ加工面を、鏡面仕上げ面とする必要がなく、微鏡面とすればよく、これにより、コーティング層３６，３７の密着力が高くなる。この結果、ターボ分子ポンプ１０のタッチダウン軸受としての繰り返し性能（寿命）を延ばすことができ、ターボ分子ポンプ１０のオーバーホールの周期を長くすることが可能となる。
そして、本実施形態の軸受３０では、内輪軌道面３４及び外輪軌道面３５それぞれは、その表面粗さがある程度粗くても超仕上げ加工面（微鏡面）であることから、回転時における振動の発生等の不具合を抑制することが可能となり、転がり軸受としての基本的な性能を有することができる。本実施形態の軸受３０において、コーティング層３６，３７の密着力が高くなる理由は、超仕上げ加工面（微鏡面）である内輪軌道面３４及び外輪軌道面３５の表面状態が、ブラスト面と同様に又はブラスト面よりも、固体潤滑皮膜と相性がよいためであると推定される。
また、本実施形態では、研磨加工を終えた内輪中間品及び外輪中間品それぞれの表面の内の軌道面（３４，３５）を除く面に対して、ブラスト処理が行われ、このブラスト処理がされた面に対して固体潤滑皮膜によるコーティング層（３６，３７）が形成されている。このため、軌道面（３４，３５）以外の面においても、コーティング層（３６，３７）の密着力を高めることが可能となる。
また、内輪軌道面３４及び外輪軌道面３５それぞれに対する仕上げ加工を、粗い超仕上げ加工とすればよく、例えば工作機械等に用いられる転がり軸受の軌道面で要する鏡面仕上げのための超仕上げ加工が不要となり、加工コストを低減することができる。粗い超仕上げとするためには、鏡面仕上げとする場合よりも目の粗い砥石等の磨き材を用いればよい。
そして、内輪３１及び外輪３２がステンレス製であることから、防錆油が不要であり、また、前記コーティング層３６，３７が二硫化モリブデン皮膜により構成されていることから、グリースやオイルを使用できない真空下においても、軸受３０の潤滑性を確保することができる。つまり、本実施形態の軸受３０は、ターボ分子ポンプ１０のタッチダウン軸受として好適である。
以上のとおり開示した実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。つまり、本発明の転がり軸受は、図示する形態に限らず本発明の範囲内において他の形態のものであってもよい。前記実施形態の軸受３０は、ターボ分子ポンプ１０（図１参照）に用いられるタッチダウン軸受であるが、その他の用途にも用いることができる。また、前記実施形態では、転動体が玉である場合について説明したが、転動体はころであり、転がり軸受はころ軸受であってもよい。
１０：ターボ分子ポンプ ３１：内輪 ３２：外輪
３３：玉（転動体） ３４：内輪軌道面 ３５：外輪軌道面
３６：コーティング層 ３７：コーティング層 ３８：内周面
３９：側面

Claims (6)

  1. 内輪と、外輪と、前記内輪と前記外輪との間に介在する複数の転動体と、を備え、
    前記内輪及び前記外輪はステンレス鋼製であり、
    前記内輪及び前記外輪それぞれが有し前記転動体が転がり接触する軌道面は、超仕上げ加工面であって、当該超仕上げ加工面上に固体潤滑皮膜によるコーティング層が形成されている、転がり軸受。
  2. 前記軌道面以外の面であって他部材と接触する接触面はブラスト面であって、当該ブラスト面上に固体潤滑皮膜によるコーティング層が形成されている、請求項１に記載の転がり軸受。
  3. 前記コーティング層は、二硫化モリブデン皮膜又は二硫化タングステン皮膜により構成されている、請求項１又は２に記載の転がり軸受。
  4. 前記超仕上げ加工面の表面粗さＲａは０．１以上であって０．８以下である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の転がり軸受。
  5. ターボ分子ポンプに用いられるタッチダウン軸受である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の転がり軸受。
  6. 内輪と、外輪と、前記内輪と前記外輪との間に介在する複数の転動体と、を備えている転がり軸受の製造方法であって、
    環状であるステンレス製素材から旋削により前記内輪又は前記外輪となる中間品を得ると共に、当該中間品に対して加工を行う加工工程と、
    前記加工工程を終えて製造された前記内輪及び前記外輪を前記転動体と共に組み立てる組み立て工程と、を備え、
    前記加工工程には、
    前記中間品の表面に対して研磨加工を行う工程と、
    研磨加工を終えた前記中間品が有し前記転動体が転がり接触する軌道面となる面に対して超仕上げ加工を行う工程と、
    超仕上げ加工された前記面に固体潤滑皮膜によるコーティング層を形成する工程と、
    が含まれる、転がり軸受の製造方法。
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