JP2022141104A - アンギュラ玉軸受 - Google Patents

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Abstract

【課題】軸受の内径、外径、幅の基本寸法が従来品と同じでありながら、高速回転性能と負荷容量を十分に両立できるアンギュラ玉軸受を提供する。【解決手段】本発明は、内輪１および外輪２の軌道面１ａ，２ａ間に介在する複数のボール３を有し、これらボール３が円筒形状の保持器４の円周方向複数箇所に設けられたポケットＰｔに保持されたアンギュラ玉軸受である。そして、ボール３の直径Ｄａに対する、隣接するボール３，３の中心間の距離Ｐｃからボール３の直径Ｄａを差し引いたボール間距離Ｐｄの比が、０．１６以上０．３５以下である。さらに、外輪２の軌道面２ａの溝２ｇの直径Ｄｏをボール３の直径Ｄａで除した外輪溝曲率Ｒｏに対する、内輪１の軌道面１ａの溝１ｇの直径Ｄｉをボール３の直径Ｄａで除した内輪溝曲率Ｒｉの比が、０．９７以上０．９９以下である。【選択図】図２Ｃ

Description

この発明は、例えば工作機械の主軸に用いられるアンギュラ玉軸受に関する。
近年、工作機械は各種産業の多様なニーズに応えるため、さらなる性能向上が要求されている。例えば、難削材加工のための高剛性化、高効率な加工のための工程の集約や複合化、複雑形状を加工するための５軸化、省スペース化のための小型化が、代表的な要求項目である。とりわけ、これらの要求項目をすべて満足するワンチャック全加工の要求は強い。このワンチャック全加工は、主軸の中低速回転域での重切削から高速回転域での仕上げ切削までを、１台の工作機械が担う加工であり、その工作機械の主軸に用いられる転がり軸受には、相反関係にある高速回転性能と負荷容量とをより高いレベルで両立することが求められている。
また、ワンチャック全加工では、生産性向上のために、主軸やテーブルの送り速度が高速化する。加えて、加工物形状が複雑化するので、主軸先端に取り付けた工具と加工物の予期せぬ衝突が生じやすく、軸受に衝撃荷重が加わる場合がある。この衝突時の荷重がその軸受の許容限界を超えると圧痕が発生し、主軸の円滑かつ高精度な回転が阻害される。したがって、圧痕の発生を防止、軽減するために、主軸用軸受には衝突に対する耐性の強化も求められている。そのためには、例えば、軸受の内径、外径を大きくして負荷容量を高めることが考えられるが、そうするには、軸受周辺の主軸を含む構造を大型化する必要があり、主軸の生産コストの増加や構造の複雑化を招いてしまう。したがって、主軸用軸受には、内径、外径、幅の基本寸法が従来品と同じでありながら、より高い負荷容量をもつことが求められる。
具体的には、図３の軸受Ａに示したような従来の高速用軸受におけるボールよりも大径のボールを採用することが考えられるが、その場合、軌道面との接触面積の増加やボールの重量増に伴う遠心力の増加により、軸受が発熱しやすくなり、高速回転に不利になる。特に、高速回転で高荷重が伴う条件では、外輪よりも接触面圧が高くて放熱性でも不利な内輪が、より強く発熱する。また、負荷容量を高めるためにはボールの個数は多い方がよいが、多いほど、発熱源であるボール間の距離が短くなって、放熱性も悪くなり、さらに発熱が増加する。
また、ボールが大径になると、その分、外輪の肉厚が薄くなるので、高負荷時の外輪軌道面におけるボールの接触位置と非接触位置とで、外輪の外周面における変形の差が大きくなり、振動が大きくなるとともに、加工精度が低下する場合がある。
そこで、従来、特許文献１に記載のような冷却技術と、特許文献２に記載のような振動を抑制する技術とを組み合わせた軸受により、高速回転性能と負荷容量との両立を果たそうとしている。
特開２０１４－０６２６１７号公報 特開２０２０－１４８２２０号公報
しかし、このような従来技術による軸受では、適用する工作機械の主軸の構造を大幅に変更したり、複雑化したりする必要があり、従来品と同じ基本寸法での高速回転性能と負荷容量との両立を十分に満足することができなかった。
この発明の目的は、軸受の内径、外径、幅の基本寸法が従来品と同じでありながら、高速回転性能と負荷容量を十分に両立できるアンギュラ玉軸受を提供することである。
本発明のアンギュラ玉軸受は、内輪と、外輪と、これら内輪および外輪の軌道面間に介在する複数のボールと、円筒形状であって前記ボールを円周方向複数箇所に設けられたポケットで保持する保持器とを有し、前記ボールの直径に対する、隣接する前記ボールの中心間の距離から前記ボールの直径を差し引いたボール間距離の比が、０．１６以上０．３５以下であり、前記外輪の軌道面の溝の直径を前記ボールの直径で除した外輪溝曲率に対する、前記内輪の軌道面の溝の直径を前記ボールの直径で除した内輪溝曲率の比が、０．９７以上０．９９以下である。
高速回転時の軸受の発熱を抑えるためには、内輪溝曲率を外輪溝曲率の０．９７以上０．９９以下として、より接触面圧が高くなりやすい内輪の接触面圧を外輪の接触面圧と同等程度に抑えつつ、ボール間距離をボールの直径の０．１６以上として、放熱性を確保する必要がある。一方、多数のボールにより負荷容量を確保するためには、ボール間距離をボールの直径の０．３５以下とする必要がある。本発明のアンギュラ玉軸受は、この条件を満たすので、軸受の内径、外径、幅の基本寸法が従来品と同じでありながら、高速回転時の発熱が抑えられるとともに、負荷容量が確保され、高速回転性能と負荷容量を十分に両立できる。
本発明のアンギュラ玉軸受の好ましい構成においては、前記ボールの直径に対する、前記外輪における前記軌道面から外周面までの肉厚の最小値である外輪最小肉厚の比が、０．３９以上０．６３以下であり、前記外輪の外径から前記内輪の内径を差し引いて２で除した軸受断面高さに対する、前記ボールの直径の比が、０．４４以上０．５６以下である。
外輪の外周面における変形を工作機械の加工に影響が出ない範囲に留めるためには、外輪最小肉厚をボールの直径の０．３９以上とし、ボールの直径を軸受断面高さの０．５６以下とすることが好ましく、一方、大径のボールにより負荷容量を確保するためには、外輪最小肉厚をボールの直径の０．６３以下とし、ボールの直径を軸受断面高さの０．４４以上とすることが好ましい。前記好ましい構成はこの条件を満たすので、高速回転時の外輪の外周面における変形に起因する振動が抑えられるとともに、よりいっそう負荷容量が確保される。
本発明のアンギュラ玉軸受においては、前記保持器が、外輪の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、外輪の内周面に案内される案内面に、軸受内の潤滑剤（潤滑油またはグリース）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、軸受のさらなる高速化を図ることができる。
本発明のアンギュラ玉軸受においては、前記保持器が、前記ボールである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、外輪の内周面と保持器との径方向の空間を広げ、その広がった空間に、潤滑剤を効率良く保持することができる。
また、本発明のアンギュラ玉軸受においては、前記ボールがセラミックス製であることが好ましい。
さらに、本発明のアンギュラ玉軸受は、工作機械の主軸に好適に用いられる。
本発明のアンギュラ玉軸受は、前記ボールの直径に対する、隣接する前記ボールの中心間の距離から前記ボールの直径を差し引いたボール間距離の比が、０．１６以上０．３５以下であり、前記外輪の軌道面の溝の直径を前記ボールの直径で除した外輪溝曲率に対する、前記内輪の軌道面の溝の直径を前記ボールの直径で除した内輪溝曲率の比が、０．９７以上０．９９以下であるので、軸受の内径、外径、幅の基本寸法が従来品と同じでありながら、高速回転時の発熱が抑えられるとともに、負荷容量が確保され、高速回転性能と負荷容量を十分に両立できる。
本発明の第１実施形態のアンギュラ玉軸受の縦断面図である。 同アンギュラ玉軸受の内輪の縦断面図である。 同アンギュラ玉軸受の外輪の縦断面図である。 同アンギュラ玉軸受の横断面図である。 図２Ｃの部分拡大図である。 同アンギュラ玉軸受と従来のアンギュラ玉軸受の比較例を示す図である。 本発明の第２実施形態のアンギュラ玉軸受の縦断面図である。 高速回転試験機の概略を示す縦断面図である。
以下、本発明の第１実施形態のアンギュラ玉軸受について、図にしたがって説明する。図１に示すように、このアンギュラ玉軸受は、内輪１と、外輪２と、これら内輪１および外輪２の軌道面１ａ，２ａ間に介在する複数のボール３と、円筒形状であってボール３を円周方向複数箇所に設けられたポケットＰｔで保持する保持器４とを備える。ボール３は、セラミックス製であることが好ましいが、鋼球でもよい。このアンギュラ玉軸受は、軸受空間に例えば潤滑油を圧縮空気とともに供給するエアオイル潤滑で使用され、潤滑油が、内輪回転による遠心力によって保持器４の内周面４ａおよび外輪２の内周面２ｃに行き渡り、一時的に保持される。保持器４の内周面４ａおよび外輪２の内周面２ｃの潤滑油は、ボール３の表面に付着し、内輪１の軌道面１ａおよび保持器４のポケットＰｔに運ばれることで、長期にわたり、軸受が円滑に回転することが可能となる。
保持器４は、外輪２の内周面２ｃ（図１の場合、軸方向左側の内周面２ｃ）に案内される外輪案内保持器である。外輪案内保持器では、保持器４における、外輪２の内周面２ｃに案内される案内面（図１の場合、軸方向左側の保持器４の外周面４ｂ）に、軸受内の潤滑油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、軸受のさらなる高速化を図ることができる。
保持器４は、ガラス繊維、カーボン繊維等で補強された脂肪族のポリアミド樹脂（ナイロン）、芳香族のポリアミド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂（略称：ＰＥＥＫ材）、ポリフェニルサルファイド樹脂（略称：ＰＰＳ材）、フェノール樹脂等の樹脂材料から、形成されている。また、保持器４は、軸心Ｌを含む平面で切断した断面が矩形状であり、ボール３を保持するポケットＰｔは、軸方向中央部の円周方向複数箇所に形成されている。保持器４の内周面４ａの直径は、ボール３のピッチ円直径ＰＣＤよりも小さく設定されている。一方、保持器４の外周面４ｂの直径は、前記ピッチ円直径ＰＣＤよりも大きく、かつ外輪２の内周面２ｃ（図１の場合、軸方向左側の内周面２ｃ）の直径よりも小さく設定されている。
ここで、図２Ｃに示すように、ボール３の直径Ｄａ（図１）に対する、隣接するボール３の中心間の距離Ｐｃからボール３の直径Ｄａを差し引いたボール間距離Ｐｄの比Ｐｄ／Ｄａが、０．１６以上０．３５以下であり、好ましくは、０．１８以上０．２５以下である。なお、図２Ｃにおける太線の矩形内の拡大図である図２Ｄに示すように、Ｐｃ＝２×（ＰＣＤ／２）× sinαであり、αは、３６０度をボールの個数で除し、さらに２で除した角度である。
また、図２Ｂに示す外輪２の軌道面２ａの溝２ｇの直径Ｄｏをボール３の直径Ｄａ（図１）で除した外輪溝曲率Ｒｏ（＝Ｄｏ／Ｄａ）に対する、図２Ａに示す内輪１の軌道面１ａの溝１ｇの直径Ｄｉをボール３の直径Ｄａで除した内輪溝曲率Ｒｉ（＝Ｄｉ／Ｄａ）の比Ｒｉ／Ｒｏ（＝Ｄｉ／Ｄｏ）が、０．９７以上０．９９以下であり、好ましくは、これに加えて、内輪溝曲率Ｒｉが１．０４以上１．０８以下であり、外輪溝曲率Ｒｏが１．０６以上１．１０以下である。
さらに、図１に示すように、ボール３の直径Ｄａに対する、外輪２における軌道面２ａから外周面２ｂまでの肉厚の最小値である外輪最小肉厚Ｔｏｍｉｎの比Ｔｏｍｉｎ／Ｄａが、０．３９以上０．６３以下であり、好ましくは、０．４６以上０．５７以下である。さらにまた、外輪２の外径から内輪１の内径を差し引いて２で除した軸受断面高さＨに対する、ボール３の直径Ｄａの比Ｄａ／Ｈが、０．４４以上０．５６以下であり、好ましくは、０．４８以上０．５２以下である。
図３は、本実施形態のアンギュラ玉軸受（軸受Ｂ，Ｃ，Ｄ）と従来のアンギュラ玉軸受（軸受Ａ，Ｅ）の比較例を示す図である。
従来の軸受Ａは、例えば、アンギュラ玉軸受の呼び番号「７０１４」サイズで、高速回転のための小径ボール仕様である。具体的には、軸受Ａのボールの直径は約８．７３１ｍｍ（１１／３２インチ）、ボールの個数は２５個である。
従来の軸受Ｅは、例えば、アンギュラ玉軸受の呼び番号「７０１４」サイズで、大径ボール仕様である。具体的には、軸受Ｅのボールの直径は約１１．９０６ｍｍ（１５／３２インチ）、ボールの個数は２１個である。
これに対して、本実施形態のアンギュラ玉軸受（軸受Ｂ，Ｃ，Ｄ）は、例えば、アンギュラ玉軸受の呼び番号「７０１４」サイズで、ボール３の直径Ｄａに対するボール間距離Ｐｄの比Ｐｄ／Ｄａが、０．１６以上０．３５以下であるとともに、外輪溝曲率Ｒｏに対する内輪溝曲率Ｒｉの比Ｒｉ／Ｒｏが、０．９７以上０．９９以下であり、さらに、ボール３の直径Ｄａに対する外輪最小肉厚Ｔｏｍｉｎの比Ｔｏｍｉｎ／Ｄａが、０．３９以上０．６３以下であるとともに、軸受断面高さＨに対するボール３の直径Ｄａの比Ｄａ／Ｈが、０．４４以上０．５６以下である。
これらの呼び番号「７０１４」の軸受と、同様に諸元を設定した呼び番号「７０２０」の軸受につき、高速性、高速回転時の振動、負荷容量の評価試験を行い、次の表１の結果を得た。この評価試験は、図５に示すように、４列のアンギュラ玉軸受Ｂｇを背面組合せで構成した主軸を用いて、各軸受Ｂｇにセラミックス製のボールを使用し、ＶＧ３２（ＩＳＯ粘度）の潤滑油を使用したエアオイル潤滑で行った。表１において、高速性については、組込後の予圧荷重１４００Ｎ、回転速度１８０００ｒｐｍ、１００時間連続回転という第１の条件での評価、高速回転時の振動については、組込後の予圧荷重６００Ｎ、回転速度０～２２０００ｒｐｍという第２の条件での評価、負荷容量については、第１および第２の条件での評価である。表１における評価基準は以下の通りである。なお、ｄｍｎ値とは、ボール３のピッチ円直径ＰＣＤ（ｍｍ）に回転速度（ｒｐｍ）を乗じた値である。
＜高速性＞
◎：回転時の外輪温度上昇が、２０℃以下の時、高速性に優れると評価する。
○：回転時の外輪温度上昇が、２０℃を超え、２５℃以下の時、高速性に問題ないと評価する。
△：回転時の外輪温度上昇が、２５℃を超える時、高速性に問題ありと評価する。
＜高速回転時の振動＞
◎：ｄｍｎ値２００万以下の高速回転時の振動が、同軸受の使用を想定するマシニングセンタの加工精度に影響しない水準である。
○：ｄｍｎ値１６０万以下の高速回転時の振動が、同軸受の使用を想定するマシニングセンタの加工精度に影響しない水準である。
△：ｄｍｎ値１４０万以下の低中速域の回転時の振動が、同軸受の使用を想定するマシニングセンタの加工精度に影響しない水準である。
＜負荷容量＞ ＊軸受の内部諸元からの計算値
◎：内部諸元から求めた値が、同軸受の使用を想定するマシニングセンタの重切削加工に、十分余裕をもって単列で受けることができる水準を、負荷容量に優れると評価する。
○：内部諸元から求めた値が、同軸受の使用を想定するマシニングセンタの重切削加工に、単列で受けることができる水準を、負荷容量に問題ないと評価する。
△：内部諸元から求めた値が、同軸受の使用を想定するマシニングセンタの重切削加工に、２列の並列で受ける必要がある水準である。
Figure 2022141104000002
表１から、本実施形態のアンギュラ玉軸受によれば、軸受の内径、外径、幅の基本寸法が従来品と同じでありながら、高速回転時の発熱が抑えられるとともに、負荷容量が確保されて、高速回転性能と負荷容量を十分に両立でき、さらに、高速回転時の軸受振動が抑えられるとともに、よりいっそう負荷容量が確保されることが明らかである。
次に、本発明の第２実施形態のアンギュラ玉軸受について、図にしたがって説明する。図４に示すように、このアンギュラ玉軸受では、保持器４Ａとして、ボール３に案内される転動体案内保持器が採用されているが、その他の構成は、第１実施形態のアンギュラ玉軸受と同様である。第２実施形態のアンギュラ玉軸受によれば、外輪２の内周面２ｃと保持器４Ａとの径方向の空間を広げ、その広がった空間に潤滑油を効率良く保持することができる。
なお、本発明のアンギュラ玉軸受は、エアオイル潤滑での使用に限定されず、オイルミスト潤滑、グリース潤滑で使用されてもよい。また、本発明のアンギュラ玉軸受においては、外輪２の内周面２ｃにおける軸方向両端部または軸方向一端部に、内輪１の外周面１ｂに対して非接触のシール（図示せず）が設けられていてもよい。例えば、外輪２の内周面２ｃにシール取付溝が形成され、このシール取付溝に、シールの外径側の基端部が装着されていてもよい。この場合、グリース潤滑での使用において、軸受内部のグリースをより確実に保持することができる。
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、１ａ…内輪の軌道面、１ｇ…内輪の軌道面の溝、２外輪、２ａ…外輪の軌道面、２ｂ…外輪の外周面、２ｃ…外輪の内周面、２ｇ…外輪の軌道面の溝、３…ボール、４，４Ａ…保持器、４ａ…保持器の内周面、４ｂ…保持器の外周面、Ｄａ…ボールの直径、Ｄｉ…内輪の軌道面の溝の直径、Ｄｏ…外輪の軌道面の溝の直径、Ｈ…軸受断面高さ、Ｐｃ…ボールの中心間の距離、Ｐｄ…ボール間距離、Ｐｔ…保持器のポケット、Ｒｉ…内輪溝曲率、Ｒｏ…外輪溝曲率、Ｔｏｍｉｎ…外輪最小肉厚

Claims (6)

  1. 内輪と、外輪と、これら内輪および外輪の軌道面間に介在する複数のボールと、円筒形状であって前記ボールを円周方向複数箇所に設けられたポケットで保持する保持器とを有するアンギュラ玉軸受において、
    前記ボールの直径に対する、隣接する前記ボールの中心間の距離から前記ボールの直径を差し引いたボール間距離の比が、０．１６以上０．３５以下であり、
    前記外輪の軌道面の溝の直径を前記ボールの直径で除した外輪溝曲率に対する、前記内輪の軌道面の溝の直径を前記ボールの直径で除した内輪溝曲率の比が、０．９７以上０．９９以下であるアンギュラ玉軸受。
  2. 請求項１に記載のアンギュラ玉軸受において、
    前記ボールの直径に対する、前記外輪における前記軌道面から外周面までの肉厚の最小値である外輪最小肉厚の比が、０．３９以上０．６３以下であり、
    前記外輪の外径から前記内輪の内径を差し引いて２で除した軸受断面高さに対する、前記ボールの直径の比が、０．４４以上０．５６以下であるアンギュラ玉軸受。
  3. 請求項１または２に記載のアンギュラ玉軸受において、
    前記保持器が、外輪の内周面に案内される外輪案内保持器であるアンギュラ玉軸受。
  4. 請求項１または２に記載のアンギュラ玉軸受において、
    前記保持器が、前記ボールである転動体に案内される転動体案内保持器であるアンギュラ玉軸受。
  5. 請求項１から４のいずれか一項に記載のアンギュラ玉軸受において、
    前記ボールがセラミックス製であるアンギュラ玉軸受。
  6. 請求項１から５のいずれか一項に記載のアンギュラ玉軸受において、
    工作機械の主軸に用いられるアンギュラ玉軸受。
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