JP2020041561A - 転がり軸受およびこの転がり軸受を備えたスピンドル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】グリースの保持量の向上を図り、従来構造よりも軸受寿命を延ばすことができる転がり軸受およびこの転がり軸受を備えたスピンドル装置を提供する。【解決手段】この転がり軸受は、アンギュラ玉軸受であり、内輪１と、外輪２と、これら内外輪１，２間に介在する複数の転動体３と、複数の転動体３を保持する保持器４と、軸受空間を塞ぐシール５，５とを備える。この転がり軸受は、軸受空間にグリースが封入され、グリース潤滑で使用される。保持器４は、軸方向中央部に転動体３を保持するポケットＰｔが円周方向複数箇所に形成されている。保持器４の外周面における、ポケットＰｔを含む位置に、半径方向内方に凹む円周方向に延びるグリース収容凹部９が設けられた。【選択図】図１

Description

この発明は、例えば、工作機械の主軸等に用いられる転がり軸受およびこの転がり軸受を備えたスピンドル装置に関し、特にモータ内蔵型の小型スピンドル用玉軸受に適用される技術に関する。

小型スピンドルでは、（１）高速性に優れ、（２）加工荷重に対する主軸の変位が小さく、（３）高精度加工に有利なアンギュラ玉軸受が使用されることが多い。また、エアオイルまたはオイルミスト等の油潤滑の他、付帯設備が不要なグリース潤滑が多く用いられる。

小型スピンドルのうち、モータ内蔵型のものは、連続運転または高速運転の際、モータと軸受が発熱する。スピンドルが熱膨張し、加工精度が低下するのを抑制するため、スピンドル内部に冷却用の圧縮空気が供給される。この圧縮空気は、スピンドル後側から供給され、内部を通過した後、スピンドル先端から排出される。これにより、主軸内部への切削粉および切削液等の浸入を防止する役割も担っている（例えば、特許文献１，２）。

特開２０１６−２３７１９号公報 特開２０１７−１７２６５０号公報 特開２００９−２７５１７６号公報

このスピンドル構造では、軸受内部を圧縮空気が貫通するが、これにより、軸受内部のグリースは徐々に軸受外部に排出され、減少する。軸受内部のグリースを保持するため、軸受両側にシールを設ける場合があるが、主軸が高速回転するため、接触型のシールは発熱面で使用できない。

一方、非接触型シールを用いた軸受の内部に圧縮空気を貫通させる場合、図８に示すように、保持器内径と内輪外径の間で圧縮空気を積極的に貫通させることで、外輪内径と保持器外径の間にグリースをより多く保持し、軸受寿命を延ばす構造がある。
外輪内径部と保持器外径部の外輪軌道面および転動体に隣接する空間には、できるだけ多くのグリースを保持する必要がある。この空間に保持されたグリースの油分が潤滑油となり、ボール表面に付着し、内輪軌道面および保持器ポケット面（ボールとの接触面）に運ばれることで、長期にわたり、円滑に運動することが可能となる。

図７〜図９に示すように、従来の軸受は、外輪内径面にグリースポケット５０を設けることで、グリースの保持量を増し、軸受寿命を延ばしていた（特許文献３）が、グリースの保持量の向上を図りさらに軸受寿命を延ばすことが望まれる。

この発明の目的は、グリースの保持量の向上を図り、従来構造よりも軸受寿命を延ばすことができる転がり軸受およびこの転がり軸受を備えたスピンドル装置を提供することである。

この発明の転がり軸受は、内外輪間に介在する複数の転動体が保持器に保持され、外輪内周面に半径方向外方に凹むグリースポケットが設けられた転がり軸受において、
前記保持器は、前記転動体を保持するポケットが円周方向複数箇所に形成され、
前記保持器の外周面における、前記ポケットを含む位置に、半径方向内方に凹み円周方向に延びるグリース収容凹部が設けられている。

この構成によると、外輪内周面のグリースポケットだけでなく、保持器の外周面にもグリース収容凹部が設けられたため、外輪内周面と保持器の外周面、特に、外輪軌道面および転動体に隣接する空間を拡大させ、この拡大させた空間にグリースを増加して保持することができる。前記拡大させた空間に保持されたグリースの油分が潤滑油となり、転動体の表面に付着し、内輪軌道面および保持器ポケット面に運ばれる。したがって、グリースの保持量の向上を図り、さらに長期にわたり円滑に潤滑油を供給し、安定して円滑に運転することができる。これにより従来構造よりも軸受寿命を延ばすことができる。

前記転がり軸受はアンギュラ玉軸受であり、前記外輪は、軌道面に隣接する反接触面側の外輪内周面のみに前記グリースポケットが設けられていてもよい。この場合、軌道面と玉との接触面である接触楕円を確保したうえで、グリースポケットを設ける箇所を比較的大きくすることができる。

前記保持器は、前記外輪内周面に案内される外輪案内保持器であってもよい。この場合、保持器における、外輪内周面に案内される案内面に、軸受内のグリースの一部が通過することから、この案内面に過度の摩耗が生じることを防止し得る。したがって、軸受の高速化を図ることができる。

前記保持器は、前記転動体に案内される転動体案内保持器であってもよい。この場合、外輪案内保持器を備えた転がり軸受よりも、グリース収容凹部とグリースポケット間の径方向の空間を拡大させ、グリースの保持量をさらに増加することができる。したがって、従来構造よりもさらに軸受寿命を延ばすことができる。

この発明のスピンドル装置は、ハウジングに、主軸を回転支持するいずれかに記載の転がり軸受と、前記主軸を駆動するモータとが内蔵されたものである。この場合、転がり軸受の内部に保持するグリース保持量を増加することができるため、主軸をより高速運転することが可能となる。

前記スピンドル装置は、前記転がり軸受の内部を冷却用のエアが通る構造を有するものであってもよい。この場合、スピンドル装置および転がり軸受を冷却用のエアで冷却することで、スピンドル装置の熱膨張を抑え、加工精度が低下するのを抑制することができる。転がり軸受の内部を冷却用のエアが通ることで、軸受内部のグリースは徐々に軸受外部に排出され、減少するものの、外輪内周面と保持器の外周面との間の拡大させた空間に多量のグリースを保持しているため、スピンドル装置を支障なく高速運転、連続運転することができる。

この発明の転がり軸受は、内外輪間に介在する複数の転動体が保持器に保持され、外輪内周面に半径方向外方に凹むグリースポケットが設けられた転がり軸受において、前記保持器は、前記転動体を保持するポケットが円周方向複数箇所に形成され、前記保持器の外周面における、前記ポケットを含む位置に、半径方向内方に凹み円周方向に延びるグリース収容凹部が設けられた。このため、グリースの保持量の向上を図り、従来構造よりも軸受寿命を延ばすことができる。

この発明のスピンドル装置は、ハウジングに、主軸を回転支持するいずれかに記載の転がり軸受と、前記主軸を駆動するモータとが内蔵されたため、グリースの保持量の向上を図り、従来構造よりも軸受寿命を延ばすことができる。

この発明の実施形態に係る転がり軸受の断面図である。 同転がり軸受における保持器の外周面の一部を拡大して見た図である。 この発明の他の実施形態に係る転がり軸受の断面図である。 この発明のさらに他の実施形態に係る転がり軸受の断面図である。 この発明のさらに他の実施形態に係る転がり軸受の断面図である。 いずれかの転がり軸受をモータ内蔵のスピンドル装置に適用した断面図である。 従来例の転がり軸受の断面図である。 他の従来例の転がり軸受の断面図である。 さらに他の従来例の転がり軸受の断面図である。

［第１の実施形態］
この発明の実施形態に係る転がり軸受を図１および図２と共に説明する。
図１に示すように、この転がり軸受はアンギュラ玉軸受であり、内輪１と、外輪２と、これら内外輪１，２間に介在する複数の転動体３と、複数の転動体３を保持する保持器４と、軸受空間を塞ぐシール５，５とを備える。この転がり軸受は、軸受空間にグリースが封入され、グリース潤滑で使用される。前記転動体３として玉が適用され、転動体３は、保持器４によって、周方向に所定の間隔で転動自在に保持されている。内輪外周面および外輪内周面には、転動体３との接触角が所定の角度となるように、軌道面１ａ，２ａがそれぞれ形成されている。内輪外周面には、軌道面１ａの片側に、つまり接触角αの生じる方向と反対側部分に、外径が軸方向外側へ向かうに従って次第に小径となるカウンターボア６が設けられている。

＜シール５＞
外輪内周面における軸方向両端部には、内輪外周面に非接触のシール５，５が設けられている。外輪内周面のシール取付溝２ｂに、シール５の外径側の基端部が装着されている。各シール５は、鋼板から成る芯金５ａと、この芯金５ａに覆われた弾性体５ｂとを有する。芯金５ａは、円環状の立板部と、この立板部の外周縁部に繋がる円筒部とで断面Ｌ字形状に形成される。各シール５の内径側の先端部は、後述するように軸受内部をエアが通過する際に、シール５の倒れおよび変形を防止し安定したシール性を確保できる長さで、且つ、軸受内部のグリースの漏洩防止のため例えば保持器４の内周面よりも低く設定されている。

＜グリースポケットについて＞
外輪内周面には、半径方向外方に凹むグリースポケット７が設けられている。グリースポケット７は、軌道面２ａに隣接する反接触面側の外輪内周面のみに設けられている。この反接触面側の外輪内周面の全周に連続してグリースポケット７が形成されている。グリースポケット７にグリースが保持される。前記反接触面側の外輪内周面とは、接触角αの生じる方向と反対側（図１右側）の外輪内周面であり、軌道面２ａから軸方向一方に繋がる周面である。これに対して接触面側の外輪内周面とは、接触角αの生じる方向（図１左側）の外輪内周面であり、軌道面２ａから軸方向他方に繋がる周面である。

＜保持器４およびグリース収容凹部等について＞
図１および図２に示すように、保持器４は、外輪内周面に案内される外輪案内保持器である。保持器４は、例えば、樹脂材料等から断面略矩形状の環状体に形成されている。前記断面は、この保持器４を軸心を含む平面で切断して見た断面である。保持器４の軸方向中央部に転動体３を保持するポケットＰｔが円周方向複数箇所に形成されている。保持器４の内周面の径方向寸法は、転動体３のピッチ円直径ＰＣＤよりも小さく設定されている。保持器４の外周面のうち、軸方向両側部の案内面４ａ，４ａは、前記ピッチ円直径ＰＣＤよりも大きく且つ外輪内周面よりも小さく設定されている。

保持器４の外周面における、ポケットＰｔを含む位置に、半径方向内方に凹む円周方向に延びるグリース収容凹部９が設けられている。グリース収容凹部９は、保持器４の軸方向中央からポケット位置よりも軸方向両側に幅広に形成され、保持器４の外周面における全周に渡って形成されている。グリース収容凹部９における軸方向一方側縁部（右側）は、グリースポケット７の一方側縁部と同じか、または一方側縁部よりも幅広となるような軸方向位置に設定されている。また保持器４の軸方向中央から軸方向一方側縁部までの寸法と、軸方向他方側縁部までの寸法は同一である。グリース収容凹部９の底面は、ピッチ円直径ＰＣＤよりも大きく且つ案内面４ａよりも小さい。

＜作用効果＞
以上説明した転がり軸受によれば、外輪内周面のグリースポケット７だけでなく、保持器４の外周面にもグリース収容凹部９が設けられたため、外輪内周面と保持器４の外周面、特に、外輪軌道面２ａおよび転動体３に隣接する空間を拡大させ、この拡大させた空間にグリースを増加して保持することができる。前記拡大させた空間に保持されたグリースの油分が潤滑油となり、転動体３の表面に付着し、内輪軌道面１ａおよび保持器ポケット面Ｐｔに運ばれる。また保持器４は、軸方向両側の案内面４ａよりも半径方向内方に凹む位置にグリース収容凹部９が形成されているため、単に外輪２との間隔を大きくした場合に比べて、外輪軌道面２ａおよび転動体３に隣接する空間にグリースを保持する効果が高まる。したがって、グリースの保持量の向上を図り、さらに長期にわたり円滑に潤滑油を供給し、安定して円滑に運転することができる。これにより従来構造よりも軸受寿命を延ばすことができる。

転がり軸受はアンギュラ玉軸受であり、外輪２は、軌道面２ａに隣接する反接触面側の外輪内周面のみにグリースポケット７が設けられているため、軌道面２ａと玉との接触面である接触楕円を確保したうえで、グリースポケット７を設ける箇所を比較的大きくすることができる。
保持器４は、外輪内周面に案内される外輪案内保持器であるため、保持器４における、外輪内周面に案内される案内面４ａに、軸受内のグリースの一部が通過することから、この案内面４ａに過度の摩耗が生じることを防止し得る。したがって、軸受の高速化を図ることができる。

＜他の実施形態について＞
以下の説明においては、各実施の形態で先行して説明している事項に対応している部分には同一の参照符号を付し、重複する説明を略する。構成の一部のみを説明している場合、構成の他の部分は、特に記載のない限り先行して説明している形態と同様とする。同一の構成から同一の作用効果を奏する。実施の各形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施の形態同士を部分的に組合せることも可能である。

図３に示すように、グリースポケット７は、外輪軌道面２ａの両側の外輪内周面に設けてもよい。つまり外輪軌道面２ａに隣接する反接触面側の外輪内周面だけでなく、外輪軌道面２ａに隣接する接触面側の外輪内周面にもグリースポケット７を設ける。この場合、前述の実施形態よりもグリースの保持量の向上を図れる。この実施形態では、反カウンターボア側の内輪外周面にシール溝１ｂが形成され、シール５の内径側先端がこのシール溝１ｂに所定のすきまを介して挿入されているため、同シール溝が形成されていない前述の実施形態よりも密閉性を高め、軸受空間からグリースが漏洩することを抑制し、また軸受内に異物等が侵入することを抑制することができる。

図４に示すように、保持器４Ａは、転動体３に案内される転動体案内保持器であり、外輪軌道面２ａに隣接する反接触面側の外輪内周面のみにグリースポケット７が設けられていてもよい。この転がり軸受は、反接触面側の外輪内周面に、内径が軸方向外側へ向かうに従って次第に大径となるカウンターボアが設けられ、このカウンターボアにより前記グリースポケット７を実現している。なおこの例の内輪１には、内輪外周面にカウンターボアが設けられておらず、内輪軌道面１ａの軸方向両側ともに平坦な円筒状の内輪外周面が設けられている。
この図４の構成によると、外輪案内保持器を備えた転がり軸受よりも、グリース収容凹部９とグリースポケット７間の径方向の空間を拡大させ、グリースの保持量をさらに増加することができる。したがって、従来構造よりもさらに軸受寿命を延ばすことができる。

図５に示すように、外輪案内保持器４を備えた転がり軸受において、外輪内周面の軸方向両側にグリースポケット７が設けられ、保持器４にグリース収容凹部９が設けられた構成であってもよい。この場合、図１の実施形態よりもグリースポケット７が拡大しているため、グリースの保持量をさらに増加することができる。

図示しないが、転がり軸受は、シールが設けられていないアンギュラ玉軸受であってもよく、シールが片側のみに設けられているアンギュラ玉軸受であってもよい。
転がり軸受は、アンギュラ玉軸受に限定されるものではなく、深溝玉軸受、円筒ころ軸受であってもよい。

＜スピンドル装置への適用例＞
図６に示すように、いずれかの転がり軸受ＢＲをモータ内蔵のスピンドル装置１０に適用してもよい。スピンドル装置１０は、ハウジング１１にモータ１２が内蔵され、このモータ１２に同軸に主軸１３が設けられている。ハウジング１１に複列の転がり軸受ＢＲを介して主軸１３が回転自在に支持され、ハウジング１１の開口部から突出する主軸先端に、工具１４が着脱自在に設けられている。スピンドル装置１０は、転がり軸受ＢＲの内部を冷却用のエア（圧縮空気）が通る構造を有する。スピンドル装置１０のリア側に、ハウジング１１内に圧縮空気を供給する供給孔１５が設けられ、この圧縮空気によりモータ１２と軸受ＢＲを冷却する。圧縮空気は、スピンドル装置１０のリア側から、順次、モータ１２、転がり軸受ＢＲを冷却した後、スピンドル装置１０のフロント側の排出孔１６から排出される。

この構成によると、スピンドル装置１０および転がり軸受ＢＲを冷却用のエアで冷却することで、スピンドル装置１０の熱膨張を抑え、加工精度が低下するのを抑制することができる。転がり軸受ＢＲの内部を冷却用のエアが通ることで、軸受内部のグリースは徐々に軸受外部に排出され、減少するものの、外輪内周面と保持器の外周面との間の拡大させた空間に多量のグリースを保持しているため、スピンドル装置１０を支障なく高速運転、連続運転することができる。

以上、実施形態に基づいてこの発明を実施するための形態を説明したが、今回開示された実施の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。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１…内輪、２…外輪、３…転動体、４，４Ａ…保持器、７…グリースポケット、９…グリース収容凹部、１０…スピンドル装置、１２…モータ、１３…主軸、Ｐｔ…ポケット

Claims (6)

1. 内外輪間に介在する複数の転動体が保持器に保持され、外輪内周面に半径方向外方に凹むグリースポケットが設けられた転がり軸受において、
   前記保持器は、前記転動体を保持するポケットが円周方向複数箇所に形成され、
   前記保持器の外周面における、前記ポケットを含む位置に、半径方向内方に凹み円周方向に延びるグリース収容凹部が設けられた転がり軸受。
2. 請求項１に記載の転がり軸受において、前記転がり軸受はアンギュラ玉軸受であり、前記外輪は、軌道面に隣接する反接触面側の外輪内周面のみに前記グリースポケットが設けられている転がり軸受。
3. 請求項１または請求項２に記載の転がり軸受において、前記保持器は、前記外輪内周面に案内される外輪案内保持器である転がり軸受。
4. 請求項１または請求項２に記載の転がり軸受において、前記保持器は、前記転動体に案内される転動体案内保持器である転がり軸受。
5. ハウジングに、主軸を回転支持する請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の転がり軸受と、前記主軸を駆動するモータとが内蔵されたスピンドル装置。
6. 請求項５に記載のスピンドル装置において、前記スピンドル装置は、前記転がり軸受の内部を冷却用のエアが通る構造を有するスピンドル装置。

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