JP4326533B2 - 組み合わせ転がり軸受 - Google Patents

Description

この発明は、複数のアンギュラ玉軸受あるいは円すいころ軸受の間に間座を設置する定位置予圧方式の組み合わせ転がり軸受であって、組み込みの予圧量あるいは軸方向のすきまを高精度に管理する必要がある組み合わせ転がり軸受に関する。

アンギュラ玉軸受は、しばしば定位置予圧方式で使用され、軸受作用点の距離を広げ主軸剛性を確保するため、外輪間および内輪間に間座をそれぞれ介在させている（例えば、特許文献１、特許文献２）。

定位置予圧方式では、軸やハウジングへの組込み後の予圧量（あるいは軸方向すきま）を高精度に管理するため、軸受側の内輪および外輪の平面差を測定し、それに合わせ内輪間座および外輪間座の幅寸法を設定する。この場合、設定された予圧が大きくなり過ぎると、剛性は高くなるが、その反面、運転時の温度上昇も高くなり、主軸の伸び等の精度劣化に繋がる。また、予圧が小さいと、軸の剛性不足あるいは回転精度劣化に繋がる。最近の高精度化、高剛性化、高速化に対応するため、こうした平面差の設定は数μｍレベルで管理され、今後はさらに高精度に管理される傾向にある。
特開２００２−３６１５４０号公報 特開２００５−１３３８９１号公報

間座は、軸やハウジングへの組込み等の取扱いの面から、高硬度品を使用することが多い。組込み時に幅面等に打痕等の傷を付けると、傷部の盛り上がりにより隣接する軸受の傾きや平面差のずれを生じることがあるためである。高硬度品の代表的なものとしては軸受鋼があるが、軸受鋼は、高い硬度を得るために焼入れ・焼戻し処理がなされる。その際、残留オーステナイトが存在するが、この残留オーステナイトは熱的に不安定なため、長い時間を経て安定な組織に変化していく。そのため、長時間の運転による軸受部および間座の温度上昇により、この組織の安定化が促進され、膨張が生じて寸法が大きくなることがある。

例えば、内輪間座と外輪間座の寸法経年変化量が同じであれば、初期に設定した予圧量（あるいは、軸方向すきま）は変化しないため問題は無いが、外輪間座より内輪間座の寸法経年変化量が大きくなれば、予圧過大（軸方向すきま減少）となり、温度上昇大の原因となる。また、内輪間座より外輪間座の寸法経年変化量が大きくなれば、予圧不足（軸方向すきま増大）となり、いずれも精度劣化に繋がる。同一ロットで上記処理を行えば、内輪間座と外輪間座の残留オーステナイト量のばらつきを抑え、寸法経年変化量の差を抑えることができるが、作業性が悪くなる。

この発明の目的は、間座の寸法経年変化を抑制し、長期に渡って初期の予圧あるいは軸方向隙間を安定して維持することができる組み合わせ転がり軸受を提供することである。

この発明の組み合わせ転がり軸受は、複数並べて配置した転がり軸受の外輪間および内輪間の少なくとも一方に間座を介在させ、前記複数の転がり軸受を定位置予圧した組み合わせ転がり軸受において、前記間座が、焼戻しの第２段階の温度で焼戻しを行ったものであることを特徴とする。焼戻しの第２段階は、オーステナイトがフェライトとセメンタイトに分解され、膨張する段階であり、その温度は２００〜３００℃である。
この構成によると、複数並べて配置した転がり軸受を定位置予圧方式で使用することになるから、軸受作用点の距離を広げ主軸剛性を確保することができる。また、間座が、焼戻しの第２段階の温度で焼戻しを行ったものであるので、残留オーステナイト量が初期より大幅に少なくなっており、間座間のばらつきが小さく、寸法経年変化の差も小さくなる。したがって、初期の予圧（あるいは軸方向すきま）を長期間安定して維持することができる。そして、残留オーステナイト量が大幅に少なくかつばらつきも小さいことから、異なるロットで処理しても各間座間の差が少なく、効率的に製造することができる。

この発明において、前記転がり軸受をアンギュラ玉軸受あるいは円すいころ軸受とすることができる。これらの軸受は、組み合わせ転がり軸受に汎用される軸受であり、これにより、適用機器における高精度化、高剛性化、高速化のニーズに好適に対応することができる。

前記間座が、マルテンサイトの微少歪みを無くすと共に、残留オーステナイトが４％未満で、硬度ＨＲＣ５５以上の材質のものとする。定位置予圧方式では、一般的に数μｍレベルで平面差を管理していることから、残留オーステナイト量を４％未満とすることができ、このように残留オーステナイト量を４％未満とすることにより、寸法経年変化のばらつきをより効果的に抑えることができる。また、焼戻し温度を高く設定し過ぎて、間座硬度を下げ過ぎると、取扱い時の打ち傷が発生しやすくなるが、間座の硬度をＨＲＣ５５以上とすることにより、このような打ち傷の発生が抑制される。硬度を高くする為には、焼戻し温度を第２段階より低い温度とすることで、可能であるが、この場合、残留オーステナイト量が多くなり、寸法経年変化量が大きくなるため、残留オーステナイト量が４％未満となるような硬度の上限設定が肝要であり、この意味で、残留オーステナイト量が４％未満でかつ表面硬度ＨＲＣ５５以上の材質の間座を使用した軸受仕様が、性能と取扱い性を両立した最良の仕様となる。
この発明の組み合わせ転がり軸受の製造方法は、複数並べて配置した転がり軸受の外輪間および内輪間の少なくとも一方に間座を介在させ、前記複数の転がり軸受を定位置予圧した組み合わせ転がり軸受の製造方法において、前記間座は、鋼材を焼入れ焼戻し処理し、この焼戻しを第２段階の温度で行い、残留オーステナイトが４％未満で、この間座の表面硬度をＨＲＣ５５以上としたものである。

この発明の組み合わせ転がり軸受は、複数並べて配置した転がり軸受の外輪間および内輪間の少なくとも一方に間座を介在させ、前記複数の転がり軸受を定位置予圧した組み合わせ転がり軸受において、前記間座を、焼戻しの第２段階の温度で焼戻しを行ったものとし、前記間座が、残留オーステナイトが４％未満で、表面硬度をＨＲＣ５５以上とした材質であるため、残留オーステナイト量が大幅に少なく、間座間のばらつきおよび寸法経年変化の差も小さくなり、初期の予圧、あるいは軸方向すきまを長期間安定して維持することができる。また、異なるロットで処理しても各間座間の差が少なくなるから、同一ロットでの処理を必要とせず、製造の効率化を図ることができる。

この発明の一実施形態を図１と共に説明する。図１はこの発明の組み合わせ転がり軸受を装備したスピンドル装置の断面図である。このスピンドル装置は、マシニングセンタや、旋盤、フライス盤、研削盤等の工作機械に用いられるものであり、ハウジング１に、主軸となる軸２が前後の転がり軸受３，４によって回転自在に支持されている。軸２は、前端に工具（図示せず）を差し込んで取付ける工具取付部２ａを有し、ビルトインタイプのモータＭが出力軸に設けられ、軸回転可能とされている。前後の転がり軸受３，４は、それぞれ軌道輪である内輪３ａ，４ａと外輪３ｂ，４ｂとの間に複数の転動体（玉）３ｃ，４ｃを介在させたアンギュラ玉軸受であり、保持器（図示ぜず）によって保持されている。

前後の転がり軸受３，４は、内輪間座５および外輪間座６によって軸方向の定位置予圧が付与された組み合わせ転がり軸受Ａを構成する。前側の転がり軸受３は、内輪３ａの前側幅面が軸２の前端側異径段面２ｂに、外輪３ｂの前側幅面がハウジング１の前端部に装着された押さえ蓋７に、それぞれ当接・係合するよう軸２の外径面およびハウジング１の内径面間に嵌合されている。前後の転がり軸受３，４間には、スリーブ状の内輪間座５および外輪間座６が介在している。内輪間座５は、その前端面が前側転がり軸受３の内輪３ａの後側幅面に、後端面が後側転がり軸受４の内輪４ａの前側幅面に、それぞれ当接・係合するよう軸２の外径面に嵌合されている。また、外輪間座６は、その前端面が前側転がり軸受３の外輪３ｂの後側幅面に、後端面が後側転がり軸受４の外輪４ｂの前側幅面に、それぞれ当接・係合するようハウジング１の内径面に嵌合されている。

後側転がり軸受４は、内輪４ａの後側幅面が軸２に嵌合した内輪押付け用リング８の前端面に、外輪４ｂの後側幅面がハウジング１の内径面に形成された異径段面１ａに、それぞれ当接・係合するよう軸２の外径面およびハウジング１の内径面間に嵌合されている。軸２の後端側には雄ねじ部２ｃが形成され、この雄ねじ部２ｃにナット９を螺合・締付けることによってリング８を軸受４の内輪４ａに押し付けるようになされている。

この構成における定位置予圧の付与につき説明する。ナット９の雄ねじ部２ｃに対する螺合・締付けによって、リング８が後側転がり軸受４の内輪４ａに押し付けられ、この押し付け力は内輪間座５を介して前側転がり軸受３の内輪３ａに付加される。前側転がり軸受３の内輪３ａは、さらに軸２の上記段面２ｂに押し付けられる。一方、前後の転がり軸受３，４の外輪３ｂ，４ｂ間では、前後両端部が押さえ蓋７およびハウジング１の段面１ａによって規制され、その間に外輪間座６が介在するから、これと上記ナット９の締付けによる押し付け力が拮抗し、両転がり軸受３，４は定位置予圧付与状態に維持される。

上記のように構成された組み合わせ転がり軸受が組込まれた図例のようなスピンドル装置においては、前後の転がり軸受３，４の軸受作用点が、両内輪３ａ，４ａ間および両外輪３ｂ，４ｂ間に介在された内輪間座５および外輪間座６によって広げられるから、軸２の剛性が確保される。しかも、これらの転がり軸受３，４は定位置予圧方式で用いられることになるから、その予圧量の管理が高精度になされ、スピンドル装置の高剛性化、高速化に対応することができる。

この実施形態の内輪間座５および外輪間座６は、炭素鋼（例えば軸受鋼）を焼入れ焼戻し処理したものが用いられる。この焼戻しは、第２段階（２００〜３００℃）の温度で行う。炭素鋼の焼き戻しには、第１〜第３の段階がある。第１段階は、マルテンサイトからε炭化物（Ｆｅ₂. ₄Ｃ）が析出する段階であり、その温度は１００〜１６０℃程度である。第２段階は、その温度範囲は２００〜３００℃程度である。第３段階は、低炭素マルテンサイトからも、フェライトとセメンタイトが生成する段階であり、その温度は２８０〜４００℃程度である。
したがって、焼戻しの第２段階の温度での焼戻し処理をすることによって、間座５，６中の残留オーステナイト量を大幅に少なくし、４％未満とできる。残留オーステナイト量を大幅に少なくすることによって、間座５，６の硬度がＨＲＣ５５以上に維持され、性能と取扱い性を両立した最良の軸受仕様が確立される。

下記（１）に示す寸法の内輪間座および外輪間座を作製し、焼戻しの第２段階の温度での焼戻し処理を行ったものについて、各寸法経年変化率より軸方向変化量を測定した。比較例として、同様の寸法で高温焼戻し処理を行わない内輪間座および外輪間座について、各寸法経年変化率より軸方向変化量を測定した。その結果を下記（２）（３）に示す。

（１）内輪間座および外輪間座の寸法（実施例、比較例共通）
内輪間座；内径１００ｍｍ、外径１１０ｍｍ、長さ５０ｍｍ
外輪間座；内径１４０ｍｍ、外径１５０ｍｍ、長さ５０ｍｍ の間座を２３０℃×２時間の温度で経年変化を加速させた。
（２）結果−実施例
・残留オーステナイト量３．５％
（内輪間座寸法経年変化率１０×１０^-5）軸方向変化量０．００５
・残留オーステナイト量１．５％
（外輪間座寸法経年変化率５×１０^-5）軸方向変化量０．００２５
（３）結果−比較例
・残留オーステナイト量１０％
（内輪間座寸法経年変化率３５×１０^-5）軸方向変化量０．０１７５
・残留オーステナイト量６％
（外輪間座寸法経年変化率１５×１０^-5）軸方向変化量０．００５２５

上記結果において、実施例では、内輪間座が０．００２５大きくなるが、初期設定の予圧量（軸方向すきま）からの変化量が小さいことが解る。これに対して比較例では、内輪間座が０．０１２５大きくなり、初期設定の予圧量（軸方向すきま）から大きく外れることが解る。したがって、この発明の実施例では、間座の寸法経年変化が抑制され、長期に渡って初期の予圧あるいは軸方向すきまを安定して維持し得ることが理解される。

図２の実施形態は、上記と同様のスピンドル装置に、前後２個の円すいころ軸受１０，１１による組み合わせ転がり軸受を適用し、軸２を回転自在に支持する例を示すものである。前後の転がり軸受１０，１１は、それぞれ軌道輪である内輪１０ａ，１１ａと外輪１０ｂ，１１ｂとの間に複数の転動体（ころ）１０ｃ，１１ｃを保持器（図示ぜず）によって保持したものである。前後の転がり軸受１０，１１と、外輪１０ｂ，１１ｂ間に介在させた外輪間座１２とによって軸方向の定位置予圧が付与された組み合わせ転がり軸受Ｂを構成する。

前側の転がり軸受１０は、内輪１０ａの前側幅面が軸２の前端側に形成された異径段面２ｂにリング１３を介し、外輪１０ｂの前側幅面がハウジング１の前端部に装着された押さえ蓋７に、それぞれ当接・係合するよう軸２の外径面およびハウジング１の内径面間に嵌合されている。前後の転がり軸受１０，１１の外輪１０ｂ，１１ｂ間には、スリーブ状の外輪間座１２が介在している。外輪間座１２は、その前端面が前側転がり軸受１０の外輪１０ｂの後側幅面にリング１４を介し、後端面が後側転がり軸受１１の外輪１１ｂの前側幅面に、それぞれ当接・係合するようハウジング１の内径面に嵌合されている。後側の転がり軸受１１は、内輪１１ａの後側幅面が軸２に嵌合した押付け用リング１５の前端面に当接・係合するよう軸２の外径面およびハウジング１の内径面間に嵌合されている。軸２の後端側には雄ねじ部２ｄが形成され、この雄ねじ部２ｄにナット（図例ではダブルナットとされている）１６を螺合・締付けることによってリング１５を軸受１１の内輪１１ａに押し付けるようになされている。
なお、この実施形態では、図１のビルトタイプのモータＭの代りに、ベルトまたはギヤ等の伝達機構２１を介して、ハウジング外のモータ（図示せず）により、軸２の駆動が行われる。

この実施形態における定位置予圧について説明する。前記ナット１６の雄ねじ部２ｄに対する螺合・締付けによって、リング１５が後側転がり軸受１１の内輪１１ａに押し付けられる。この押し付け力は、内輪１１ａ、円すいころ１１ｃおよび外輪１１ｂ間のテーパ面同士の分力作用により、外輪１１ｂに与えられる。外輪１１ｂに与えられた押し付け力は、さらに、外輪間座１２およびリング１４を経て前側転がり軸受１０の外輪１０ｂに与えられ、外輪１０ｂの前側幅面が押さえ蓋７に押し付けられる。また、外輪１０ｂに与えられた押し付け力は、円すいころ１０ｃおよび内輪１０ａ間のテーパ面同士の分力作用により、内輪１０ａにも与えられる。これにより、内輪１０ａの前側幅面は、リング１３を介して軸２の段面２ｂに押し付けられる。この結果、外輪間座１２が介在した前後の転がり軸受１０，１１には定位置予圧付与状態に維持される。

この実施形態のように、円すいころ軸受１０，１１の組み合わせによる軸受の場合、内輪または外輪に対する軸方向の予圧力が、内輪、円すいころおよび外輪間のテーパ面同士の分力作用により、外輪または内輪に伝達されるから、外輪間座１２のみで、定位置予圧の付与がなされる。このように構成された組み合わせ転がり軸受が組込まれた図例のようなスピンドル装置においても、前後の転がり軸受１０，１１の軸受作用点が、両外輪１０ｂ，１１ｂ間に介在された外輪間座１２によって広げられるから、軸２の剛性が確保される。しかも、これらの転がり軸受１０，１１は定位置予圧方式で用いられることになるから、その予圧量の管理が高精度になされ、スピンドル装置の高剛性化、高速化に対応することができる。

この実施形態の外輪間座１２も、炭素鋼を焼入れ焼戻し処理したものが用いられ、上記同様焼戻しは、焼戻しの第２段階（２００〜３００℃）の温度で行う。これにより外輪間座１２中の残留オーステナイト量を大幅に少なくする（４％未満）ことが出来る。残留オーステナイト量を大幅に少なくし、外輪間座１２の硬度がＨＲＣ５５以上に維持され、性能と取扱い性を両立した最良の軸受仕様が確立される。

なお、上記実施形態では、転がり軸受を２個用いた組み合わせ転がり軸受を例示したが、３個以上の組み合わせ転がり軸受であっても良い。この場合、隣接する外輪間または内輪間に、それぞれ間座が介在されることになる。また、上記各実施形態では、ハウジング１が固定側で軸２が回転側である場合について説明したが、ハウジング１が回転側で軸２が固定側である場合にもこの発明を適用することができる。さらに、スピンドル装置に適用した例について述べたが、これに限らず、組込み後の予圧量あるいは軸方向のすきまを高精度に管理する必要がある組み合わせ転がり軸受を組込んだその他の装置・機械にも適用することができる。

この発明の一実施形態にかかる組み合わせ転がり軸受が適用されたスピンドル装置の縦断面図である。 この発明の別の実施形態にかかる組み合わせ転がり軸受が適用されたスピンドル装置の縦断面図である。

符号の説明

３…転がり軸受（アンギュラ玉軸受）
３ａ…内輪
３ｂ…外輪
４…転がり軸受（アンギュラ玉軸受）
４ａ…内輪
４ｂ…外輪
５…内輪間座（間座）
６…外輪間座（間座）
１０…転がり軸受（円すいころ軸受）
１０ａ…内輪
１０ｂ…外輪
１１…転がり軸受（円すいころ軸受）
１１ａ…内輪
１１ｂ…外輪
１２…外輪間座（間座）
Ａ…組み合わせ転がり軸受
Ｂ…組み合わせ転がり軸受

Claims (4)

1. 複数並べて配置した転がり軸受の外輪間および内輪間の少なくとも一方に間座を介在させ、前記複数の転がり軸受を定位置予圧した組み合わせ転がり軸受において、
   前記間座が、焼戻しの第２段階の温度で焼戻しを行ったものであり、前記間座が、残留オーステナイトが４％未満で、表面硬度をＨＲＣ５５以上とした材質であることを特徴とする組み合わせ転がり軸受。
2. 請求項１において、前記転がり軸受がアンギュラ玉軸受である組み合わせ転がり軸受。
3. 請求項１において、前記転がり軸受が円すいころ軸受である組み合わせ転がり軸受。
4. 複数並べて配置した転がり軸受の外輪間および内輪間の少なくとも一方に間座を介在させ、前記複数の転がり軸受を定位置予圧した組み合わせ転がり軸受の製造方法において、
   前記間座は、鋼材を焼入れ焼戻し処理し、この焼戻しを第２段階の温度で行い、残留オーステナイトが４％未満で、この間座の表面硬度をＨＲＣ５５以上とした組み合わせ転がり軸受の製造方法。

Images