JP5260158B2 - Rolling bearings for machine tools - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、工作機械用転がり軸受に関し、より特定的には、βサイアロンを主成分とする焼結体からなる構成部品を備えた工作機械用転がり軸受に関するものである。 The present invention relates to a rolling bearing for machine tools, and more particularly to a rolling bearing for machine tools provided with a component made of a sintered body containing β sialon as a main component.
一般に工作機械は、先端部分に工具を取り付け可能とした主軸を、ビルトインモータなどの駆動装置により回転させる構成を有している。ここで、当該主軸は、主軸の外周面に対向するように配置されたハウジングなどの部材に対して転がり軸受により回転自在に保持される場合がある。そして、この主軸を支持する転がり軸受である工作機械用転がり軸受としては、アンギュラ玉軸受や円筒ころ軸受が採用される（たとえば特許文献１参照）。 In general, a machine tool has a configuration in which a spindle on which a tool can be attached to a tip portion is rotated by a drive device such as a built-in motor. Here, the main shaft may be rotatably held by a rolling bearing with respect to a member such as a housing arranged to face the outer peripheral surface of the main shaft. And as a rolling bearing for machine tools which is a rolling bearing which supports this main shaft, an angular ball bearing and a cylindrical roller bearing are adopted (for example, refer to patent documents 1).
ここで、近年の工作機械の性能向上に伴い、工作機械用転がり軸受においては、転動体の軽量化および耐焼付性の向上などが求められている。これに対し、工作機械用転がり軸受の転動体として、窒化珪素製の転動体が採用される場合がある。窒化珪素は、転動体の素材として一般的に採用される鋼に比べて比重が小さいため、転動体の軽量化に寄与することができる。また、窒化珪素を転動体の素材として採用することにより、鋼からなる軌道輪などの軌道部材と、玉、ころなどの転動体とが異種材料となるとともに転動体の耐摩耗性が向上するため、耐焼付性も向上する。したがって、工作機械用転がり軸受の転動体の素材として窒化珪素を採用することにより、上述の転動体の軽量化および耐焼付性の向上を達成することができる。
一方、工作機械においては、被加工物と主軸とが衝突するなどのトラブルが発生する場合がある。このような場合、工作機械用転がり軸受には衝撃的な負荷が作用する。ここで、窒化珪素は、鋼に比べてヤング率が大きく、弾性変形しにくいという特徴がある。そのため、鋼製の転動体に比べて、窒化珪素製の転動体と軌道部材との接触面積は小さくなり、接触面圧が大きくなる傾向にある。そのため、工作機械用転がり軸受の転動体として窒化珪素製の転動体が採用されている場合、上述のようなトラブルが発生すると、軌道部材に圧痕などの損傷が発生しやすくなる。軌道部材に圧痕などの損傷が発生した場合、異音や早期焼付きなどの原因となる。つまり、工作機械用転がり軸受の転動体として窒化珪素製の転動体を採用した場合、上述のようなトラブルが発生した場合の軌道部材の損傷が大きくなるという問題があった。 On the other hand, troubles such as collision between the workpiece and the spindle may occur in the machine tool. In such a case, a shocking load acts on the rolling bearing for the machine tool. Here, silicon nitride has a characteristic that it has a Young's modulus larger than that of steel and is less likely to be elastically deformed. For this reason, the contact area between the rolling element made of silicon nitride and the raceway member is smaller than the rolling element made of steel, and the contact surface pressure tends to increase. Therefore, when a rolling element made of silicon nitride is employed as a rolling element for a rolling bearing for machine tools, if the above trouble occurs, damage such as indentation is likely to occur on the raceway member. If damage such as indentation occurs on the raceway member, it may cause abnormal noise or premature seizure. That is, when a silicon nitride rolling element is used as a rolling element for a rolling bearing for machine tools, there is a problem that the raceway member is damaged when the above-described trouble occurs.
そこで、本発明の目的は、トラブル発生時における軌道部材の損傷を抑制しつつ、転動体の軽量化および耐焼付性の向上を達成することが可能な工作機械用転がり軸受を提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a rolling bearing for a machine tool capable of achieving a reduction in weight of a rolling element and an improvement in seizure resistance while suppressing damage to a raceway member when trouble occurs. .
本発明に従った工作機械用転がり軸受は、工作機械の主軸を、当該主軸に対向するように配置される部材に対して回転自在に支持する工作機械用転がり軸受である。この工作機械用転がり軸受は、軌道部材と、軌道部材に接触し、円環状の軌道上に配置される転動体とを備えている。そして、転動体は、窒化珪素からなる場合に比べて軌道部材に対する衝撃を抑制することが可能なセラミックスからなっている。より具体的には、たとえば転動体は、窒化珪素からなる場合に比べてヤング率が小さくなるセラミックスからなっている。 A rolling bearing for a machine tool according to the present invention is a rolling bearing for a machine tool that rotatably supports a main shaft of a machine tool with respect to a member disposed so as to face the main shaft. The rolling bearing for machine tool includes a race member and a rolling element that contacts the race member and is disposed on an annular raceway. And the rolling element consists of ceramics which can suppress the impact with respect to a track member compared with the case where it consists of silicon nitride. More specifically, for example, the rolling element is made of ceramics having a Young's modulus smaller than that of silicon nitride.
本発明の工作機械用転がり軸受によれば、衝撃が作用した場合でも軌道部材における損傷が抑制されるため、トラブル発生時における軌道部材の損傷を抑制しつつ、転動体の軽量化および耐焼付性の向上を達成することが可能な工作機械用転がり軸受を提供することができる。 According to the rolling bearing for a machine tool of the present invention, since damage to the race member is suppressed even when an impact is applied, the rolling element is reduced in weight and seizure resistance while suppressing damage to the race member when trouble occurs. It is possible to provide a rolling bearing for a machine tool capable of achieving the improvement.
本発明の一の局面における工作機械用転がり軸受は、工作機械の主軸を、主軸に対向するように配置される部材に対して回転自在に支持する工作機械用転がり軸受である。この工作機械用転がり軸受は、軌道部材と、軌道部材に接触し、円環状の軌道上に配置される転動体とを備えている。そして、転動体は、βサイアロンを主成分とし、残部不純物からなる焼結体から構成される。 A rolling bearing for a machine tool according to one aspect of the present invention is a rolling bearing for a machine tool that rotatably supports a main shaft of a machine tool with respect to a member disposed so as to face the main shaft. The rolling bearing for machine tool includes a race member and a rolling element that contacts the race member and is disposed on an annular raceway. And a rolling element is comprised from the sintered compact which has (beta) sialon as a main component and consists of remainder impurities.
本発明の他の局面における工作機械用転がり軸受は、工作機械の主軸を、主軸に対向するように配置される部材に対して回転自在に支持する工作機械用転がり軸受である。この工作機械用転がり軸受は、軌道部材と、軌道部材に接触し、円環状の軌道上に配置される転動体とを備えている。そして、転動体は、βサイアロンを主成分とし、残部焼結助剤および不純物からなる焼結体から構成される。 A rolling bearing for a machine tool according to another aspect of the present invention is a rolling bearing for a machine tool that rotatably supports a main shaft of a machine tool with respect to a member disposed so as to face the main shaft. The rolling bearing for machine tool includes a race member and a rolling element that contacts the race member and is disposed on an annular raceway. And a rolling element is comprised from the sintered compact which has (beta) sialon as a main component and consists of a remainder sintering auxiliary agent and an impurity.
本発明の一の局面における工作機械用転がり軸受においては、転動体にセラミックスであるβサイアロン焼結体（βサイアロンを主成分とする焼結体）が採用されている。そのため、転動体の軽量化および耐焼付性の向上が達成される。さらに、βサイアロン焼結体は、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）やアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）などの一般的なセラミックスからなる焼結体に比べてヤング率が小さい。そのため、ヤング率が高いことに起因したトラブル発生時における軌道部材の損傷を抑制することができる。以上のように、本発明の一の局面における工作機械用転がり軸受によれば、トラブル発生時における軌道部材の損傷を抑制しつつ、転動体の軽量化および耐焼付性の向上を達成することが可能な工作機械用転がり軸受を提供することができる。 In the rolling bearing for machine tools according to one aspect of the present invention, a β sialon sintered body (sintered body containing β sialon as a main component), which is ceramic, is employed as the rolling element. As a result, the rolling element is reduced in weight and seizure resistance is improved. Further, the β sialon sintered body has a Young's modulus smaller than a sintered body made of a general ceramic such as silicon nitride (Si 3 N 4 ) or alumina (Al 2 O 3 ). Therefore, it is possible to suppress damage to the race member when trouble occurs due to the high Young's modulus. As described above, according to the rolling bearing for machine tool according to one aspect of the present invention, it is possible to achieve reduction in the weight of the rolling element and improvement in seizure resistance while suppressing damage to the raceway member when trouble occurs. A possible rolling bearing for a machine tool can be provided.
また、本発明の他の局面における工作機械用転がり軸受は、基本的には上記本発明の一の局面における工作機械用転がり軸受と同様の構成を有し、同様の作用効果を奏する。しかし、本発明の他の局面における工作機械用転がり軸受では、焼結体が焼結助剤を含む点で上記本発明の一の局面における工作機械用転がり軸受とは異なっている。本発明の他の局面における工作機械用転がり軸受によれば、焼結助剤の採用により、焼結体の気孔率を低下させやすくなり、十分な耐久性を安定して確保することが可能な工作機械用転がり軸受を容易に提供することができる。 The rolling bearing for machine tool according to another aspect of the present invention basically has the same configuration as the rolling bearing for machine tool according to one aspect of the present invention, and exhibits the same operational effects. However, the rolling bearing for machine tool according to another aspect of the present invention differs from the rolling bearing for machine tool according to one aspect of the present invention in that the sintered body contains a sintering aid. According to the rolling bearing for machine tools in another aspect of the present invention, the use of the sintering aid makes it easy to lower the porosity of the sintered body, and can ensure sufficient durability stably. A rolling bearing for machine tools can be easily provided.
なお、焼結助剤としては、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、珪素（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、希土類元素の酸化物、窒化物、酸窒化物のうち少なくとも一種類以上を採用することができる。また、上記本発明の一の局面における工作機械用転がり軸受と同等の作用効果を奏するためには、焼結助剤は、焼結体のうち２０質量％以下とすることが望ましい。 As the sintering aid, at least one of magnesium (Mg), aluminum (Al), silicon (Si), titanium (Ti), rare earth element oxide, nitride, and oxynitride is employed. be able to. In addition, in order to achieve the same effect as the rolling bearing for machine tool according to one aspect of the present invention, the sintering aid is preferably 20% by mass or less in the sintered body.
上記工作機械用転がり軸受において好ましくは、上記βサイアロンは、Ｓｉ６−ＺＡｌＺＯＺＮ８−Ｚの組成式で表され、０．１≦ｚ≦３．５を満たす。 Preferably, in the rolling bearing for machine tool, the β sialon is represented by a composition formula of Si 6-Z Al Z O Z N 8-Z and satisfies 0.1 ≦ z ≦ 3.5.
本発明者は、βサイアロン焼結体からなる転動体の転動疲労寿命とβサイアロンの組成との関係を詳細に調査した。その結果、以下の知見が得られた。βサイアロンは、燃焼合成を含む製造工程を採用することにより、上記ｚの値（以下、ｚ値という）が０．１以上となる種々の組成を有するものを安価に製造することができる。そして、一般に転動疲労寿命に大きな影響を与える硬度は、製造の容易なｚ値４．０以下の範囲において、ほとんど変化しない。しかしながら、βサイアロン焼結体からなる転動体の転動疲労寿命とｚ値との関係を詳細に調査したところ、ｚ値が３．５を超えると転動体の転動疲労寿命が低下することが分かった。 The inventor has investigated in detail the relationship between the rolling fatigue life of a rolling element made of a β sialon sintered body and the composition of β sialon. As a result, the following knowledge was obtained. By adopting a production process including combustion synthesis, β sialon can be produced inexpensively with various compositions having a value of z (hereinafter referred to as z value) of 0.1 or more. In general, the hardness that greatly affects the rolling fatigue life hardly changes in the range of the z value of 4.0 or less that is easy to manufacture. However, when the relationship between the rolling fatigue life of the rolling element made of β sialon sintered body and the z value is investigated in detail, when the z value exceeds 3.5, the rolling fatigue life of the rolling element may decrease. I understood.
より具体的には、ｚ値が０．１以上３．５以下の範囲においては、転動疲労寿命はほぼ同等で、転がり軸受の運転時間が所定時間を超えると、転動体の表面に剥離が発生して破損する。これに対し、ｚ値が３．５を超えると転動体が摩耗しやすくなり、これに起因して転動疲労寿命が低下する。つまり、ｚ値が３．５となる組成を境界として、βサイアロンからなる転動体の破損モードが変化し、ｚ値が３．５を超えると転動疲労寿命が低下するという現象が明らかとなった。したがって、βサイアロン焼結体からなる転動体において、安定して十分な寿命を確保するためには、ｚ値を３．５以下とすることが好ましい。以上のように、上記βサイアロンを０．１≦ｚ≦３．５を満たすものとすることにより、安価で、かつ耐久性に優れた工作機械用転がり軸受を提供することができる。 More specifically, when the z value is in the range of 0.1 to 3.5, the rolling fatigue life is substantially the same. Occurs and breaks. On the other hand, if the z value exceeds 3.5, the rolling elements are likely to be worn, resulting in a decrease in the rolling fatigue life. That is, it becomes clear that the failure mode of the rolling element made of β sialon changes with the composition having the z value of 3.5 as a boundary, and the rolling fatigue life decreases when the z value exceeds 3.5. It was. Therefore, in the rolling element made of β sialon sintered body, the z value is preferably set to 3.5 or less in order to ensure a stable and sufficient life. As described above, by making the β sialon satisfy 0.1 ≦ z ≦ 3.5, it is possible to provide a rolling bearing for a machine tool that is inexpensive and excellent in durability.
上記工作機械用転がり軸受において好ましくは、上記βサイアロンは、Ｓｉ６−ＺＡｌＺＯＺＮ８−Ｚの組成式で表され、０．５≦ｚ≦３．０を満たす。 In the rolling bearing for machine tool, preferably, the β sialon is represented by a composition formula of Si 6-Z Al Z O Z N 8-Z and satisfies 0.5 ≦ z ≦ 3.0.
これにより、振動や衝撃が作用した場合における工作機械用転がり軸受の耐久性を一層向上させることができる。 Thereby, durability of the rolling bearing for machine tools when a vibration and an impact act can be improved further.
上記工作機械用転がり軸受において好ましくは、上記転動体のヤング率は１８０ＧＰａ以上２７０ＧＰａ以下である。 In the rolling bearing for a machine tool, the Young's modulus of the rolling element is preferably 180 GPa or more and 270 GPa or less.
転動体のヤング率が高くなると、転動体を構成する素材（βサイアロン焼結体）の強度が上昇する傾向にある。しかし、その反面、転動体のヤング率が高くなると、転動体が弾性変形しにくくなるため、軌道部材との接触面積が小さくなり、接触面圧が高くなる。その結果、軌道部材に損傷が発生し易くなる。一方、転動体のヤング率が低くなると、転動体が弾性変形しやすくなるため、軌道部材との接触面積が大きくなり、接触面圧が低くなる。しかし、その反面、転動体のヤング率が低くなると、これに伴って転動体を構成する素材の強度が低下する傾向にある。そのため、転動体のヤング率は、転動体を構成する素材の強度と軌道部材との間における接触面圧の低減とのバランスを確保可能な範囲とすることが必要である。 When the Young's modulus of the rolling element increases, the strength of the material (β sialon sintered body) constituting the rolling element tends to increase. However, when the Young's modulus of the rolling element is increased, the rolling element is less likely to be elastically deformed, so that the contact area with the raceway member is reduced and the contact surface pressure is increased. As a result, the track member is likely to be damaged. On the other hand, when the Young's modulus of the rolling element becomes low, the rolling element is easily elastically deformed, so that the contact area with the raceway member increases and the contact surface pressure decreases. However, on the other hand, when the Young's modulus of the rolling element becomes low, the strength of the material constituting the rolling element tends to decrease. For this reason, the Young's modulus of the rolling element needs to be within a range in which a balance between the strength of the material constituting the rolling element and the reduction of the contact surface pressure between the race members can be secured.
より具体的には、βサイアロン焼結体からなる転動体のヤング率が１８０ＧＰａ未満の場合、転動体を構成する素材の強度低下の影響が接触面圧の低減の効果を上回り、転動体の転動疲労寿命が低下する。また、軌道部材との接触面積が増大することに伴い、軌道部材との間に作用する摩擦力が増加して軸受トルクが上昇し、主軸の回転に対する抵抗が大きくなる問題も発生する。したがって、βサイアロン焼結体からなる転動体のヤング率は、１８０ＧＰａ以上であることが好ましく、２２０ＧＰａ以上であることがより好ましい。 More specifically, when the Young's modulus of the rolling element made of β sialon sintered body is less than 180 GPa, the influence of the strength reduction of the material constituting the rolling element exceeds the effect of reducing the contact surface pressure, and the rolling element rolling Dynamic fatigue life is reduced. Further, as the contact area with the raceway member increases, the frictional force acting between the raceway member increases, the bearing torque increases, and the resistance to rotation of the main shaft increases. Therefore, the Young's modulus of the rolling element made of the β sialon sintered body is preferably 180 GPa or more, and more preferably 220 GPa or more.
一方、βサイアロン焼結体からなる転動体のヤング率が２７０ＧＰａを超える効果を上回り、軌道部材の転走面に圧痕などの損傷が発生しやすくなる。したがって、接触面圧の増加の影響が転動体を構成する素材の強度上昇の、βサイアロン焼結体からなる転動体のヤング率は、２７０ＧＰａ以下であることが好ましく、２６０ＧＰａ以下であることがより好ましい。 On the other hand, the Young's modulus of the rolling element made of β sialon sintered body exceeds the effect of exceeding 270 GPa, and damage such as indentation is likely to occur on the rolling surface of the raceway member. Therefore, the Young's modulus of the rolling element made of a β sialon sintered body, which is an increase in strength of the material constituting the rolling element due to the increase in contact surface pressure, is preferably 270 GPa or less, more preferably 260 GPa or less. preferable.
上記工作機械用転がり軸受においては、軌道部材は鋼からなるものとすることができる。この場合、当該軌道部材の表面硬度はＨＶ６８０以上であることが好ましい。これにより、振動や衝撃が作用した場合における軌道部材の損傷を抑制することができる。 In the rolling bearing for machine tool, the raceway member may be made of steel. In this case, the surface hardness of the track member is preferably HV680 or more. Thereby, damage to the track member when vibration or impact is applied can be suppressed.
上記工作機械用転がり軸受において好ましくは、上記転動体は、軌道部材と接触する面である転走面を含む領域に、内部よりも緻密性の高い層である緻密層を有している。 In the rolling bearing for machine tool, preferably, the rolling element has a dense layer that is a layer having a higher density than the inside in a region including a rolling surface that is a surface in contact with the raceway member.
上述のβサイアロン焼結体からなる転動体においては、その緻密性が転動疲労寿命に大きく影響する。これに対し、上記構成によれば、転走面を含む領域に内部よりも緻密性の高い層である緻密層が形成されていることにより、転動疲労寿命が向上する。その結果、十分な耐久性を安定して確保することが可能な工作機械用転がり軸受を提供することができる。 In the rolling element made of the above-described β sialon sintered body, the denseness greatly affects the rolling fatigue life. On the other hand, according to the said structure, a rolling fatigue life improves because the dense layer which is a layer denser than the inside is formed in the area | region containing a rolling surface. As a result, it is possible to provide a rolling bearing for machine tools capable of stably ensuring sufficient durability.
ここで、緻密性の高い層とは、焼結体において空孔率の低い（密度の高い）層であって、たとえば以下のように調査することができる。まず、βサイアロン焼結体からなる転動体の表面に垂直な断面において転動体を切断し、当該断面を鏡面ラッピングする。その後、鏡面ラッピングされた断面を光学顕微鏡の斜光（暗視野）にて、たとえば５０〜１００倍程度で撮影し、３００ＤＰＩ（Ｄｏｔ Ｐｅｒ Ｉｎｃｈ）以上の画像として記録する。このとき、白色の領域として観察される白色領域は、空孔率の高い（密度の低い）領域に対応する。したがって、白色領域の面積率が低い領域は、当該面積率が高い領域に比べて緻密性が高い。そして、記録された画像を、画像処理装置を用いて輝度閾値により２値化処理した上で白色領域の面積率を測定し、当該面積率により、撮影された領域の緻密性を知ることができる。 Here, the high-density layer is a layer having a low porosity (high density) in the sintered body, and can be investigated as follows, for example. First, the rolling element is cut in a cross section perpendicular to the surface of the rolling element made of β sialon sintered body, and the cross section is mirror-wrapped. Thereafter, the mirror-wrapped cross section is photographed with oblique light (dark field) of an optical microscope at, for example, about 50 to 100 times and recorded as an image of 300 DPI (Dot Per Inch) or more. At this time, the white region observed as a white region corresponds to a region with high porosity (low density). Therefore, a region where the area ratio of the white region is low is denser than a region where the area ratio is high. The recorded image is binarized using a luminance threshold using an image processing apparatus, and then the area ratio of the white area is measured, and the density of the photographed area can be known from the area ratio. .
つまり、上記工作機械用転がり軸受において好ましくは、上記焼結体は、転走面を含む領域に内部よりも白色領域の面積率の低い層である緻密層が形成されている。なお、上記撮影は、ランダムに５箇所以上で行ない、上記面積率は、その平均値で評価することが好ましい。また、上記焼結体の内部における上記白色領域の面積率は、たとえば１５％以上である。また、βサイアロン焼結体からなる転動体の転動疲労寿命を一層向上させるためには、上記緻密層は１００μｍ以上の厚みを有していることが好ましい。 That is, in the rolling bearing for a machine tool, preferably, the sintered body is formed with a dense layer that is a layer having a lower area ratio in the white region than in the region including the rolling surface. In addition, it is preferable to perform the said imaging | photography at 5 or more places at random, and to evaluate the said area ratio by the average value. Moreover, the area ratio of the said white area | region inside the said sintered compact is 15% or more, for example. In order to further improve the rolling fatigue life of the rolling element made of β sialon sintered body, the dense layer preferably has a thickness of 100 μm or more.
上記工作機械用転がり軸受において好ましくは、緻密層の断面を光学顕微鏡の斜光にて観察した場合、白色の領域として観察される白色領域の面積率は７％以下である。 In the rolling bearing for machine tools, preferably, when the cross section of the dense layer is observed with oblique light of an optical microscope, the area ratio of the white region observed as a white region is 7% or less.
白色領域の面積率が７％以下となる程度に上記緻密層の緻密性を向上させることで、βサイアロン焼結体からなる転動体の転動疲労寿命がより向上する。したがって、上記構成により、本発明の工作機械用転がり軸受の耐久性を一層向上させることができる。 By improving the denseness of the dense layer to such an extent that the area ratio of the white region is 7% or less, the rolling fatigue life of the rolling element made of the β sialon sintered body is further improved. Therefore, the durability of the rolling bearing for machine tools of the present invention can be further improved by the above configuration.
上記工作機械用転がり軸受において好ましくは、緻密層の表面を含む領域には、緻密層内の他の領域よりもさらに緻密性の高い層である高緻密層が形成されている。 In the rolling bearing for machine tools, preferably, a high-density layer, which is a layer having higher density than other areas in the dense layer, is formed in the region including the surface of the dense layer.
緻密性のさらに高い高緻密層が緻密層の表面を含む領域に形成されることにより、βサイアロン焼結体からなる転動体の転動疲労に対する耐久性がより向上し、工作機械用転がり軸受の寿命を一層向上させることができる。 By forming a highly dense layer with higher density in the region including the surface of the dense layer, the durability against rolling fatigue of the rolling element made of β sialon sintered body is further improved, and the rolling bearing for machine tools is improved. The lifetime can be further improved.
上記工作機械用転がり軸受において好ましくは、高緻密層の断面を光学顕微鏡の斜光にて観察した場合、白色の領域として観察される白色領域の面積率は３．５％以下である。 In the rolling bearing for machine tools, preferably, when the cross section of the highly dense layer is observed with oblique light of an optical microscope, the area ratio of the white region observed as a white region is 3.5% or less.
白色領域の面積率が３．５％以下となる程度に上記高緻密層の緻密性を向上させることで、βサイアロン焼結体からなる転動体の転動疲労寿命がより向上する。したがって、上記構成により、本発明の工作機械用転がり軸受の耐久性を一層向上させることができる。 By improving the denseness of the highly dense layer to such an extent that the area ratio of the white region is 3.5% or less, the rolling fatigue life of the rolling element made of the β sialon sintered body is further improved. Therefore, the durability of the rolling bearing for machine tools of the present invention can be further improved by the above configuration.
以上の説明から明らかなように、本発明の工作機械用転がり軸受によれば、トラブル発生時における軌道部材の損傷を抑制しつつ、転動体の軽量化および耐焼付性の向上を達成することが可能な工作機械用転がり軸受を提供することができる。 As is apparent from the above description, according to the rolling bearing for machine tools of the present invention, it is possible to achieve reduction in the weight of the rolling element and improvement in seizure resistance while suppressing damage to the raceway member when trouble occurs. A possible rolling bearing for a machine tool can be provided.
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated.
図１は、本発明の一実施の形態における工作機械用転がり軸受としてのアンギュラ玉軸受（フロント軸受）および円筒ころ軸受（リア軸受）を備えた工作機械の主軸付近の構成を示す概略断面図である。図１を参照して、本発明の一実施の形態におけるアンギュラ玉軸受および円筒ころ軸受を備えた工作機械の構成について説明する。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a configuration in the vicinity of a spindle of a machine tool provided with an angular ball bearing (front bearing) and a cylindrical roller bearing (rear bearing) as rolling bearings for a machine tool in an embodiment of the present invention. is there. With reference to FIG. 1, the structure of the machine tool provided with the angular ball bearing and cylindrical roller bearing in one embodiment of this invention is demonstrated.
図１を参照して、本実施の形態における工作機械９０は、円筒状の形状を有する主軸９１と、主軸９１の外周面を取り囲むハウジング９２と、外輪１１および外輪２１の外周面のそれぞれがハウジングの内壁９２Ａに接触するとともに、内輪１２および内輪２２の内周面のそれぞれが主軸９１の外周面９１Ａに接触するように、主軸９１とハウジング９２との間に嵌め込まれて配置された工作機械用転がり軸受としてのアンギュラ玉軸受１（フロント軸受）および円筒ころ軸受２（リア軸受）とを備えている。これにより、主軸９１は、ハウジング９２に対して軸周りに回転自在に支持されている。 Referring to FIG. 1, machine tool 90 in the present embodiment includes a main shaft 91 having a cylindrical shape, a housing 92 that surrounds the outer peripheral surface of main shaft 91, and outer peripheral surfaces of outer ring 11 and outer ring 21. For the machine tool disposed between the main shaft 91 and the housing 92 so that each of the inner peripheral surfaces of the inner ring 12 and the inner ring 22 is in contact with the outer peripheral surface 91A of the main shaft 91. An angular ball bearing 1 (front bearing) and a cylindrical roller bearing 2 (rear bearing) are provided as rolling bearings. Thus, the main shaft 91 is supported so as to be rotatable about the axis with respect to the housing 92.
また、主軸９１には、外周面９１Ａの一部を取り囲むようにモータロータ９３Ｂが設置されており、ハウジング９２の内壁９２Ａには、モータロータ９３Ｂに対向する位置にモータステータ９３Ａが設置されている。このモータステータ９３Ａおよびモータロータ９３Ｂは、モータ９３（ビルトインモータ）を構成している。これにより、主軸９１は、モータ９３の動力によって、ハウジング９２に対して相対的に回転可能となっている。 In addition, a motor rotor 93B is installed on the main shaft 91 so as to surround a part of the outer peripheral surface 91A. A motor stator 93A is installed on the inner wall 92A of the housing 92 at a position facing the motor rotor 93B. The motor stator 93A and the motor rotor 93B constitute a motor 93 (built-in motor). Thus, the main shaft 91 can be rotated relative to the housing 92 by the power of the motor 93.
すなわち、アンギュラ玉軸受１および円筒ころ軸受２は、工作機械９０の主軸９１を、主軸９１に対向するように配置される部材であるハウジング９２に対して回転自在に支持する工作機械用転がり軸受である。 That is, the angular ball bearing 1 and the cylindrical roller bearing 2 are rolling bearings for machine tools that rotatably support the main shaft 91 of the machine tool 90 with respect to a housing 92 that is a member disposed so as to face the main shaft 91. is there.
次に、工作機械９０の動作について説明する。図１を参照して、モータ９３のモータステータ９３Ａに図示しない電源から電力が供給されることにより、モータロータ９３Ｂを軸回りに回転させる駆動力が発生する。これにより、ハウジング９２に対してアンギュラ玉軸受１および円筒ころ軸受２により回転自在に支持されている主軸９１は、モータロータ９３Ｂとともにハウジング９２に対して相対的に回転する。このように、主軸９１が回転することにより、主軸９１の先端９１Ｂに取り付けられた図示しない工具が被加工物を切削、研削等して、被加工物を加工することができる。 Next, the operation of the machine tool 90 will be described. Referring to FIG. 1, when power is supplied from a power source (not shown) to motor stator 93A of motor 93, a driving force for rotating motor rotor 93B around the axis is generated. Accordingly, the main shaft 91 rotatably supported by the angular ball bearing 1 and the cylindrical roller bearing 2 with respect to the housing 92 rotates relative to the housing 92 together with the motor rotor 93B. Thus, by rotating the main shaft 91, a tool (not shown) attached to the tip 91B of the main shaft 91 can cut and grind the workpiece, thereby processing the workpiece.
次に、上記アンギュラ玉軸受１について説明する。図２は、本実施の形態における工作機械用転がり軸受としてのアンギュラ玉軸受の構成を示す概略断面図である。また、図３は、図２の要部を拡大して示した概略部分断面図である。 Next, the angular ball bearing 1 will be described. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of an angular ball bearing as a rolling bearing for machine tools in the present embodiment. FIG. 3 is a schematic partial cross-sectional view showing an enlarged main part of FIG.
図２および図３を参照して、アンギュラ玉軸受１は、第１軌道部材としての外輪１１と、第２軌道部材としての内輪１２と、複数の転動体としての玉１３と、保持器１４とを備えている。外輪１１の内周面には、円環状の第１転走面しての外輪転走面１１Ａが形成されている。内輪１２の外周面には、外輪転走面１１Ａに対向する円環状の第２転走面としての内輪転走面１２Ａが形成されている。また、複数の玉１３には、転動体転走面としての玉転走面１３Ａ（玉１３の表面）が形成されている。そして、当該玉１３は、外輪転走面１１Ａおよび内輪転走面１２Ａの各々に玉転走面１３Ａにおいて接触し、円環状の保持器１４により周方向に所定のピッチで配置されることにより円環状の軌道上に転動自在に保持されている。これにより、外輪１１と内輪１２とは互いに相対的に回転可能となっている。 2 and 3, the angular ball bearing 1 includes an outer ring 11 as a first race member, an inner ring 12 as a second race member, balls 13 as a plurality of rolling elements, and a cage 14. It has. An outer ring rolling surface 11 </ b> A as an annular first rolling surface is formed on the inner peripheral surface of the outer ring 11. On the outer peripheral surface of the inner ring 12, an inner ring rolling surface 12A as an annular second rolling surface facing the outer ring rolling surface 11A is formed. In addition, a plurality of balls 13 is formed with a ball rolling surface 13A (the surface of the ball 13) as a rolling element rolling surface. The balls 13 are in contact with each of the outer ring rolling surface 11A and the inner ring rolling surface 12A at the ball rolling surface 13A, and are arranged at a predetermined pitch in the circumferential direction by an annular retainer 14. It is rotatably held on an annular track. Thereby, the outer ring | wheel 11 and the inner ring | wheel 12 can rotate relatively mutually.
ここで、アンギュラ玉軸受１においては、玉１３と外輪１１との接触点と、玉１３と内輪１２との接触点とを結ぶ直線は、ラジアル方向（アンギュラ玉軸受１の回転軸に垂直な方向）に対して角度をなしている。そのため、ラジアル方向の荷重だけでなく、アキシャル方向の荷重をも受けることが可能であるとともに、ラジアル方向の荷重が負荷されると、アキシャル方向（アンギュラ玉軸受１の回転軸の方向）への分力が生じる。図１を参照して、本実施の形態の工作機械９０では、前方側（主軸９１の先端９１Ｂ側）に同じ向きのアンギュラ玉軸受１を２つ配置するとともに、後方側（モータロータ９３Ｂ側）には、前方側とは逆向きのアンギュラ玉軸受１を２つ配置することにより、当該分力を相殺している。 Here, in the angular ball bearing 1, a straight line connecting the contact point between the ball 13 and the outer ring 11 and the contact point between the ball 13 and the inner ring 12 is a radial direction (a direction perpendicular to the rotation axis of the angular ball bearing 1). ). Therefore, not only the load in the radial direction but also the load in the axial direction can be received, and when the load in the radial direction is applied, the load in the axial direction (the direction of the rotating shaft of the angular ball bearing 1) is reduced. Power is generated. Referring to FIG. 1, in machine tool 90 of the present embodiment, two angular ball bearings 1 of the same orientation are arranged on the front side (tip 91B side of main shaft 91) and on the rear side (motor rotor 93B side). Is offset the component force by arranging two angular ball bearings 1 opposite to the front side.
そして、本実施の形態における転動体としての玉１３は、Ｓｉ６−ＺＡｌＺＯＺＮ８−Ｚの組成式で表され、０．１≦ｚ≦３．５を満たすβサイアロンを主成分とし、残部不純物からなる焼結体から構成され、ヤング率が１８０ＧＰａ以上２７０ＧＰａ以下となっている。 Then, balls 13 serving as rolling elements in this embodiment is represented by a composition formula of Si 6-Z Al Z O Z N 8-Z, composed mainly of β-sialon satisfying 0.1 ≦ z ≦ 3.5 And the Young's modulus is 180 GPa or more and 270 GPa or less.
さらに、図３を参照して、玉１３の転走面である玉転走面１３Ａを含む領域には、内部１３Ｃよりも緻密性の高い層である玉緻密層１３Ｂが形成されている。この玉緻密層１３Ｂの断面を光学顕微鏡の斜光にて観察した場合、白色の領域として観察される白色領域の面積率は７％以下である。そのため、本実施の形態おけるアンギュラ玉軸受１は、トラブル発生時における軌道部材の損傷を抑制しつつ、転動体の軽量化および耐焼付性の向上を達成することが可能な工作機械用転がり軸受となっている。上記不純物は、原料に由来するもの、あるいは製造工程において混入するものを含む不可避的不純物を含む。 Furthermore, with reference to FIG. 3, a ball dense layer 13 </ b> B that is a layer having a higher density than the inside 13 </ b> C is formed in a region including the ball rolling surface 13 </ b> A that is a rolling surface of the ball 13. When the cross section of the dense ball layer 13B is observed with oblique light from an optical microscope, the area ratio of the white region observed as a white region is 7% or less. Therefore, the angular ball bearing 1 according to the present embodiment is a rolling bearing for machine tools that can achieve reduction in the weight of the rolling element and improvement in seizure resistance while suppressing damage to the raceway member when trouble occurs. It has become. The impurities include inevitable impurities including those derived from raw materials or those mixed in the manufacturing process.
さらに、図３を参照して、玉緻密層１３Ｂの表面である玉転走面１３Ａを含む領域には、玉緻密層１３Ｂ内の他の領域よりもさらに緻密性の高い層である玉高緻密層１３Ｄが形成されている。玉高緻密層１３Ｄの断面を光学顕微鏡の斜光にて観察した場合、白色の領域として観察される白色領域の面積率は３．５％以下となっている。これにより、玉１３の転動疲労に対する耐久性がより向上し、アンギュラ玉軸受１の耐久性が一層向上している。 Further, referring to FIG. 3, the region including the ball rolling surface 13 </ b> A that is the surface of the ball dense layer 13 </ b> B has a high ball density that is a layer having a higher density than the other regions in the ball dense layer 13 </ b> B. Layer 13D is formed. When the cross section of the ball height dense layer 13D is observed with oblique light from an optical microscope, the area ratio of the white region observed as a white region is 3.5% or less. Thereby, the durability with respect to the rolling fatigue of the ball 13 is further improved, and the durability of the angular ball bearing 1 is further improved.
なお、上記本実施の形態においては、アンギュラ玉軸受１を構成する玉１３は、βサイアロンを主成分とし、残部焼結助剤および不純物からなる焼結体から構成されていてもよい。焼結助剤を含むことで、焼結体の気孔率を低下させやすくなり、十分な耐久性を安定して確保することが可能なアンギュラ玉軸受１を、容易に提供することができる。上記不純物は、原料に由来するもの、あるいは製造工程において混入するものを含む不可避的不純物を含む。 In the present embodiment, the balls 13 constituting the angular ball bearing 1 may be composed of a sintered body mainly composed of β sialon and composed of the remaining sintering aid and impurities. By including a sintering aid, the porosity of the sintered body can be easily lowered, and the angular ball bearing 1 capable of stably ensuring sufficient durability can be easily provided. The impurities include inevitable impurities including those derived from raw materials or those mixed in the manufacturing process.
次に、上記円筒ころ軸受２について説明する。図４は、本実施の形態における工作機械用転がり軸受としての円筒ころ軸受の構成を示す概略断面図である。また、図５は、図４の要部を拡大して示した概略部分断面図である。 Next, the cylindrical roller bearing 2 will be described. FIG. 4 is a schematic sectional view showing a configuration of a cylindrical roller bearing as a rolling bearing for machine tools in the present embodiment. FIG. 5 is a schematic partial cross-sectional view showing an enlarged main part of FIG.
図４および図５を参照して、円筒ころ軸受２は、基本的には上述のアンギュラ玉軸受１と同様の構成を備えており、同様の効果を有している。しかし、円筒ころ軸受２は、軌道輪および転動体の構成において、アンギュラ玉軸受１とは異なっている。 4 and 5, the cylindrical roller bearing 2 basically has the same configuration as the above-described angular ball bearing 1 and has the same effect. However, the cylindrical roller bearing 2 is different from the angular ball bearing 1 in the configuration of the raceway and the rolling element.
すなわち、円筒ころ軸受２は、第１軌道部材としての外輪２１と、第２軌道部材としての内輪２２と、複数の転動体としての円筒ころ２３と、保持器２４とを備えている。外輪２１の内周面には、円環状の第１転走面しての外輪転走面２１Ａが形成されている。内輪２２の外周面には、外輪転走面２１Ａに対向する円環状の第２転走面としての内輪転走面２２Ａが形成されている。また、複数の円筒ころ２３には、転動体転走面としてのころ転走面２３Ａ（円筒ころ２３の外周面）が形成されている。そして、当該円筒ころ２３は、外輪転走面２１Ａおよび内輪転走面２２Ａの各々にころ転走面２３Ａにおいて接触し、円環状の保持器２４により周方向に所定のピッチで配置されることにより円環状の軌道上に転動自在に保持されている。これにより、外輪２１と内輪２２とは互いに相対的に回転可能となっている。 That is, the cylindrical roller bearing 2 includes an outer ring 21 as a first race member, an inner ring 22 as a second race member, a cylindrical roller 23 as a plurality of rolling elements, and a cage 24. An outer ring rolling surface 21 </ b> A as an annular first rolling surface is formed on the inner peripheral surface of the outer ring 21. An inner ring rolling surface 22A as an annular second rolling surface facing the outer ring rolling surface 21A is formed on the outer peripheral surface of the inner ring 22. Further, the plurality of cylindrical rollers 23 are formed with roller rolling surfaces 23 </ b> A (outer peripheral surfaces of the cylindrical rollers 23) as rolling element rolling surfaces. The cylindrical roller 23 comes into contact with each of the outer ring rolling surface 21A and the inner ring rolling surface 22A at the roller rolling surface 23A, and is arranged at a predetermined pitch in the circumferential direction by an annular retainer 24. It is rotatably held on an annular track. Thereby, the outer ring | wheel 21 and the inner ring | wheel 22 can rotate relatively mutually.
さらに、図２〜図５を参照して、円筒ころ軸受２を構成する円筒ころ２３は、上述の玉１３に相当し、内部１３Ｃ、玉緻密層１３Ｂおよび玉高緻密層１３Ｄと同様の構成を有する内部２３Ｃ、ころ緻密層２３Ｂおよびころ高緻密層２３Ｄを有している。そのため、本実施の形態おける円筒ころ軸受２は、トラブル発生時における軌道部材の損傷を抑制しつつ、転動体の軽量化および耐焼付性の向上を達成することが可能な工作機械用転がり軸受となっている。 2-5, the cylindrical roller 23 which comprises the cylindrical roller bearing 2 is corresponded to the above-mentioned ball | bowl 13, and has the structure similar to the inside 13C, the ball dense layer 13B, and the ball high dense layer 13D. It has an inner portion 23C, a roller dense layer 23B, and a roller highly dense layer 23D. Therefore, the cylindrical roller bearing 2 according to the present embodiment is a rolling bearing for machine tools that can achieve reduction in the weight of the rolling element and improvement in seizure resistance while suppressing damage to the raceway member when trouble occurs. It has become.
次に、本実施の形態における工作機械用転がり軸受の製造方法について説明する。図６は、本発明の一実施の形態における工作機械用転がり軸受の製造方法の概略を示す図である。また、図７は、本発明の一実施の形態におけるβサイアロン焼結体からなる転動体の製造方法の概略を示す図である。 Next, the manufacturing method of the rolling bearing for machine tools in this Embodiment is demonstrated. FIG. 6 is a diagram showing an outline of a method for manufacturing a machine tool rolling bearing according to an embodiment of the present invention. Moreover, FIG. 7 is a figure which shows the outline of the manufacturing method of the rolling element which consists of (beta) sialon sintered compact in one embodiment of this invention.
図６を参照して、本実施の形態における工作機械用転がり軸受の製造方法においては、まず、軌道部材を製造する軌道部材製造工程と、転動体を製造する転動体製造工程とが実施される。具体的には、軌道部材製造工程では、外輪１１，２１、内輪１２，２２などが製造される。一方、転動体製造工程では、玉１３、円筒ころ２３などが製造される。 With reference to FIG. 6, in the manufacturing method of the rolling bearing for machine tools in this Embodiment, the track member manufacturing process which manufactures a track member, and the rolling element manufacturing process which manufactures a rolling element first are implemented. . Specifically, in the race member manufacturing process, the outer rings 11, 21 and the inner rings 12, 22 are manufactured. On the other hand, in the rolling element manufacturing process, balls 13 and cylindrical rollers 23 are manufactured.
そして、軌道部材製造工程において製造された軌道部材と、転動体製造工程において製造された転動体とを組み合わせることにより、工作機械用転がり軸受を組立てる組立工程が実施される。具体的には、たとえば外輪１１および内輪１２と、玉１３とを組み合わせることにより、アンギュラ玉軸受１が組立てられる。そして、転動体製造工程は、たとえば以下のβサイアロン焼結体からなる転動体の製造方法を用いて実施される。 And the assembly process which assembles the rolling bearing for machine tools is implemented by combining the track member manufactured in the track member manufacturing process, and the rolling element manufactured in the rolling element manufacturing process. Specifically, the angular ball bearing 1 is assembled by combining the outer ring 11 and the inner ring 12 and the ball 13, for example. And a rolling element manufacturing process is implemented using the manufacturing method of the rolling element which consists of the following (beta) sialon sintered compact, for example.
図７を参照して、本実施の形態におけるβサイアロン焼結体からなる転動体の製造方法においては、まず、βサイアロンの粉末を準備するβサイアロン粉末準備工程が実施される。βサイアロン粉末準備工程においては、たとえば燃焼合成法を採用した製造工程により、安価にβサイアロンの粉末を製造することができる。 Referring to FIG. 7, in the method for manufacturing a rolling element made of a β sialon sintered body in the present embodiment, first, a β sialon powder preparation step of preparing β sialon powder is performed. In the β sialon powder preparation step, β sialon powder can be produced at low cost by, for example, a production step employing a combustion synthesis method.
次に、βサイアロン粉末準備工程において準備されたβサイアロンの粉末に、焼結助剤を添加して混合する混合工程が実施される。この混合工程は、焼結助剤を添加しない場合、省略することができる。 Next, a mixing step is performed in which a sintering aid is added to and mixed with the β sialon powder prepared in the β sialon powder preparation step. This mixing step can be omitted if no sintering aid is added.
次に、図７を参照して、上記βサイアロンの粉末またはβサイアロンの粉末と焼結助剤との混合物を、転動体の概略形状に成形する成形工程が実施される。具体的には、上記βサイアロンの粉末またはβサイアロンの粉末と焼結助剤との混合物に、プレス成形、鋳込み成形、押し出し成形、転動造粒などの成形手法を適用することにより、玉１３、円筒ころ２３などの概略形状に成形された成形体が作製される。 Next, referring to FIG. 7, a forming step of forming the β sialon powder or a mixture of β sialon powder and a sintering aid into a schematic shape of a rolling element is performed. Specifically, by applying a molding technique such as press molding, cast molding, extrusion molding, rolling granulation, or the like to the above β sialon powder or a mixture of β sialon powder and a sintering aid, the ball 13 Then, a molded body formed into a schematic shape such as the cylindrical roller 23 is produced.
次に、上記成形体の表面が加工されることにより、当該成形体が焼結後に所望の転動体の形状により近い形状になるよう成形される焼結前加工工程が実施される。具体的には、グリーン体加工などの加工手法を適用することにより、上記成形体が焼結後に玉１３、円筒ころ２３などの形状により近い形状になるように加工される。この焼結前加工工程は、成形工程において上記成形体が成形された段階で、焼結後に所望の転動体の形状に近い形状が得られる状態である場合には省略することができる。 Next, a pre-sintering processing step is performed in which the surface of the molded body is processed so that the molded body is shaped to be closer to the shape of the desired rolling element after sintering. Specifically, by applying a processing technique such as green body processing, the molded body is processed so as to have a shape closer to the shape of the balls 13 and the cylindrical rollers 23 after sintering. This pre-sintering processing step can be omitted when a shape close to the shape of the desired rolling element is obtained after sintering at the stage where the molded body is formed in the forming step.
次に、図７を参照して、上記成形体が焼結される焼結工程が実施される。具体的には、上記成形体が、たとえば１ＭＰａ以下の圧力下でヒータ加熱、マイクロ波やミリ波による電磁波加熱などの加熱方法により加熱されて焼結されることにより、玉１３、円筒ころ２３などの概略形状を有する焼結体が作製される。焼結は、不活性ガス雰囲気中または窒素と酸素との混合ガス雰囲気中において、１５５０℃以上１８００℃以下の温度域に上記成形体が加熱されることにより実施される。不活性ガスとしては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、窒素などが採用可能であるが、製造コスト低減の観点から、窒素が採用されることが好ましい。 Next, referring to FIG. 7, a sintering step is performed in which the molded body is sintered. Specifically, the molded body is heated and sintered by a heating method such as heater heating, electromagnetic wave heating using microwaves or millimeter waves under a pressure of 1 MPa or less, for example, balls 13 and cylindrical rollers 23. A sintered body having the following general shape is produced. Sintering is performed by heating the molded body to a temperature range of 1550 ° C. or higher and 1800 ° C. or lower in an inert gas atmosphere or a mixed gas atmosphere of nitrogen and oxygen. As the inert gas, helium, neon, argon, nitrogen, or the like can be employed, but nitrogen is preferably employed from the viewpoint of reducing manufacturing costs.
次に、焼結工程において作製された焼結体の表面が加工され、当該表面を含む領域が除去される仕上げ加工が実施されることにより、転動体を完成させる仕上げ工程が実施される。具体的には、焼結工程において作製された焼結体の表面を研磨することにより、転動体としての玉１３、円筒ころ２３などを完成させる。以上の工程により、本実施の形態におけるβサイアロン焼結体からなる転動体は完成する。 Next, a finishing process for completing the rolling elements is performed by performing a finishing process in which the surface of the sintered body produced in the sintering process is processed and a region including the surface is removed. Specifically, by polishing the surface of the sintered body produced in the sintering step, the balls 13 and the cylindrical rollers 23 as the rolling elements are completed. Through the above steps, the rolling element made of the β sialon sintered body in the present embodiment is completed.
ここで、上記焼結工程における焼結により、焼結体の表面から厚み５００μｍ程度の領域には、内部よりも緻密性が高く、断面を光学顕微鏡の斜光にて観察した場合、白色の領域として観察される白色領域の面積率が７％以下である緻密層が形成される。さらに、焼結体の表面から厚み１５０μｍ程度の領域には、緻密層内の他の領域よりもさらに緻密性が高く、断面を光学顕微鏡の斜光にて観察した場合、白色の領域として観察される白色領域の面積率が３．５％以下である高緻密層が形成される。したがって、仕上げ工程においては、除去される焼結体の厚みは、特に転走面となるべき領域において１５０μｍ以下とすることが好ましい。これにより、玉転走面１３Ａやころ転走面２３Ａを含む領域に、高緻密層を残存させ、玉１３および円筒ころ２３の転動疲労寿命を向上させることができる。 Here, as a result of sintering in the above-described sintering step, a region having a thickness of about 500 μm from the surface of the sintered body is denser than the inside, and when the cross section is observed with oblique light of an optical microscope, the white region A dense layer in which the area ratio of the observed white region is 7% or less is formed. Furthermore, the region having a thickness of about 150 μm from the surface of the sintered body has a higher density than the other regions in the dense layer, and is observed as a white region when the cross section is observed with an oblique light of an optical microscope. A highly dense layer in which the area ratio of the white region is 3.5% or less is formed. Therefore, in the finishing step, it is preferable that the thickness of the sintered body to be removed is 150 μm or less particularly in a region to be a rolling surface. Thereby, a highly dense layer can remain in the region including the ball rolling surface 13A and the roller rolling surface 23A, and the rolling fatigue life of the ball 13 and the cylindrical roller 23 can be improved.
なお、上記焼結工程は、βサイアロンの分解を抑制するため、０．０１ＭＰａ以上の圧力下で行なうことが好ましく、低コスト化を考慮すると大気圧以上の圧力下で行なうことがより好ましい。また、製造コストを抑制しつつ緻密層を形成するためには、焼結工程は１ＭＰａ以下の圧力下で行なうことが好ましい。また、βサイアロン焼結体からなる転動体のヤング率を１８０ＧＰａ以上２７０ＧＰａ以下の所望の値に調整するためには、たとえばβサイアロン粉末準備工程において準備されるβサイアロン粉末のｚ値を、０．１≦ｚ≦３．５の範囲で調節すればよい。より具体的には、ｚ値を増加させることにより、βサイアロン焼結体のヤング率を低下させることができる。 The sintering step is preferably performed under a pressure of 0.01 MPa or higher in order to suppress the decomposition of β sialon, and more preferably performed under a pressure of atmospheric pressure or higher in consideration of cost reduction. Moreover, in order to form a dense layer while suppressing manufacturing costs, the sintering process is preferably performed under a pressure of 1 MPa or less. Further, in order to adjust the Young's modulus of the rolling element made of the β sialon sintered body to a desired value of 180 GPa or more and 270 GPa or less, for example, the z value of the β sialon powder prepared in the β sialon powder preparation step is set to 0. What is necessary is just to adjust in the range of 1 <= z <= 3.5. More specifically, the Young's modulus of the β sialon sintered body can be decreased by increasing the z value.
また、上記実施の形態における外輪１１，２１および内輪１２，２２の素材としては、たとえばＪＩＳ規格ＳＵＪ２などの高炭素クロム軸受鋼、ＳＣＭ４２０などの機械構造用合金鋼、Ｓ５３Ｃなどの機械構造用炭素鋼などの鋼を採用することができる。 In addition, as materials of the outer rings 11 and 21 and the inner rings 12 and 22 in the above embodiment, for example, high carbon chromium bearing steel such as JIS standard SUJ2, alloy steel for machine structure such as SCM420, carbon steel for machine structure such as S53C, and the like. Steel such as can be adopted.
上記実施の形態においては、本発明の工作機械用転がり軸受であるアンギュラ玉軸受をフロント軸受として採用し、円筒ころ軸受をリア軸受として採用する場合について説明したが、採用される軸受の形式はこれに限られず、たとえばフロント軸受として円筒ころ軸受を採用してもよい。また、本発明の工作機械用転がり軸受においては、内輪および外輪の軸方向両端部を閉じるシール部材を配置し、当該シール部材と内輪および外輪とで閉じられた空間内にウレア系増ちょう剤グリースを封入してもよい。これにより、本発明の工作機械用転がり軸受の耐久性を一層向上させることができる。さらに、上記実施の形態においては、本発明の工作機械用転がり軸受の軌道部材として、外輪および内輪が採用される場合について説明したが、軌道部材は、転動体が表面を転走するように使用される軸、ハウジングなどの部材であってもよい。すなわち、軌道部材は、転動体が転走するための転走面が形成された部材であればよい。 In the above embodiment, the case where the angular ball bearing which is a rolling bearing for a machine tool according to the present invention is employed as a front bearing and a cylindrical roller bearing is employed as a rear bearing has been described. For example, a cylindrical roller bearing may be adopted as the front bearing. In the rolling bearing for machine tools of the present invention, a seal member that closes both axial ends of the inner ring and the outer ring is disposed, and a urea-based thickener grease is placed in a space closed by the seal member, the inner ring, and the outer ring. May be enclosed. Thereby, durability of the rolling bearing for machine tools of this invention can be improved further. Further, in the above embodiment, the case where the outer ring and the inner ring are employed as the race members of the rolling bearing for machine tool of the present invention has been described. However, the race member is used so that the rolling elements roll on the surface. It may be a member such as a shaft or a housing. That is, the raceway member should just be a member in which the rolling surface for a rolling element to roll was formed.
以下、本発明の実施例１について説明する。種々のｚ値を有するβサイアロン焼結体からなる転動体を有する転がり軸受を作製し、ｚ値と転動疲労寿命（耐久性）との関係を調査する試験を行なった。試験の手順は以下のとおりである。 Embodiment 1 of the present invention will be described below. Rolling bearings having rolling elements made of β sialon sintered bodies having various z values were produced, and tests for investigating the relationship between the z value and the rolling fatigue life (durability) were conducted. The test procedure is as follows.
まず、試験の対象となる試験軸受の作製方法について説明する。はじめに、燃焼合成法でｚ値を０．１〜４の範囲で作製したβサイアロンの粉末を準備し、上記実施の形態において図７に基づいて説明した転動体の製造方法と基本的に同様の方法で、ｚ値が０．１〜４である転動体を作製した。具体的な作製方法は以下のとおりである。まず、サブミクロンに微細化されたβサイアロン粉末と、焼結助剤としての酸化アルミニウム（住友化学株式会社製、ＡＫＰ３０）および酸化イットリウム（Ｈ．Ｃ．Ｓｔａｒｃｋ社製、Ｙｔｔｒｉｕｍｏｘｉｄｅ ｇｒａｄｅ Ｃ）とをボールミルを用いて湿式混合により混合した。その後、スプレードライヤーにて造粒を実施し、造粒粉を製造した。当該造粒粉を金型で球体に成形し、さらに冷間静水圧成形（ＣＩＰ）で加圧を行ない、球状の成形体を得た。 First, a method for producing a test bearing to be tested will be described. First, β sialon powder prepared by a combustion synthesis method with a z value in the range of 0.1 to 4 is prepared, and is basically the same as the rolling element manufacturing method described in the above embodiment based on FIG. The rolling element whose z value is 0.1-4 by the method was produced. A specific manufacturing method is as follows. First, β sialon powder refined to submicron, aluminum oxide (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd., AKP30) and yttrium oxide (manufactured by HC Starck Co., Ltd., Yttrium oxide grade C) as a ball mill Were mixed by wet mixing. Then, granulation was performed with a spray dryer to produce granulated powder. The granulated powder was molded into a sphere with a mold and further pressurized by cold isostatic pressing (CIP) to obtain a spherical molded body.
引き続き当該成形体に対して１次焼結として常圧焼結を行なった後、圧力２００ＭＰａの窒素雰囲気中でＨＩＰ（Ｈｏｔ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓ；熱間静水圧焼結）処理することで、焼結球体を製造した。次に、当該焼結球体にラッピング加工を行ない、３／８インチセラミック球（ＪＩＳ等級 Ｇ５）とした。そして、別途準備した軸受鋼（ＪＩＳ規格ＳＵＪ２）製の軌道輪と組み合わせて、ＪＩＳ規格６２０６型番の軸受を作製した（実施例Ａ〜Ｊ）。また、比較のため、窒化珪素からなる転動体、すなわちｚ値が０である転動体も上記βサイアロンからなる転動体と同様の方法で作製し、同様に軸受に組立てた（比較例Ａ）。 Subsequently, after performing atmospheric pressure sintering as primary sintering for the molded body, the sintered spheres are obtained by performing HIP (Hot Isostatic Press) in a nitrogen atmosphere at a pressure of 200 MPa. Manufactured. Next, lapping was performed on the sintered spheres to obtain 3/8 inch ceramic spheres (JIS grade G5). And the bearing of the JIS standard 6206 model number was produced in combination with the bearing ring made from bearing steel (JIS standard SUJ2) prepared separately (Example AJ). For comparison, a rolling element made of silicon nitride, that is, a rolling element having a z value of 0 was also produced in the same manner as the rolling element made of β sialon, and similarly assembled to a bearing (Comparative Example A).
次に、試験条件について説明する。上述のように作製されたＪＩＳ規格６２０６型番の軸受に対し、最大接触面圧Ｐｍａｘ：３．２ＧＰａ、軸受回転数：２０００ｒｐｍ、潤滑：タービン油ＶＧ６８(清浄油)の循環給油、試験温度：室温、の条件の下で運転する疲労試験を行なった。そして、振動検出装置により運転中の軸受の振動を監視し、転動体に破損が発生して軸受の振動が所定値を超えた時点で試験を中止するとともに、運転開始から中止までの時間を当該軸受の寿命として記録した。また、試験中止後、軸受を分解して転動体の破損状態を確認した。 Next, test conditions will be described. Maximum contact surface pressure P max : 3.2 GPa, bearing rotational speed: 2000 rpm, lubrication: circulating oil supply of turbine oil VG68 (clean oil), test temperature: room temperature for the JIS standard 6206 model bearing manufactured as described above A fatigue test was performed under the conditions of The vibration of the bearing during operation is monitored by the vibration detection device, and the test is stopped when the rolling element is damaged and the vibration of the bearing exceeds a predetermined value. Recorded as bearing life. In addition, after the test was stopped, the bearing was disassembled to confirm the damaged state of the rolling elements.
表１に本実施例の試験結果を示す。表１においては、各実施例および比較例における寿命が、比較例Ａ（窒化珪素）における寿命を１とした寿命比で表されている。また、破損形態は、転動体の表面に剥離が発生した場合「剥離」、剥離が発生することなく表面が摩耗して試験が中止された場合「摩耗」と記載されている。 Table 1 shows the test results of this example. In Table 1, the life in each Example and Comparative Example is expressed as a life ratio with the life in Comparative Example A (silicon nitride) as 1. The damage form is described as “peeling” when peeling occurs on the surface of the rolling element, and “wearing” when the surface is worn without peeling and the test is stopped.
表１を参照して、ｚ値が０．１以上３．５以下となっている本発明の実施例Ａ〜Ｈでは、窒化珪素（比較例Ａ）と比較して遜色ない寿命を有している。また、破損形態も窒化珪素の場合と同様に「剥離」となっている。これに対し、ｚ値が３．５を超える実施例Ｉでは、寿命が低下するとともに、転動体に摩耗が観察される。すなわち、ｚ値が３．８である実施例Ｉでは、最終的には転動体に剥離が発生しているものの、転動体における摩耗が影響し、寿命が低下したものと考えられる。さらに、ｚ値が４である実施例Ｊにおいては、短時間に転動体の摩耗が進行し、転がり軸受の耐久性がさらに低下している。 Referring to Table 1, Examples A to H of the present invention in which the z value is 0.1 or more and 3.5 or less have a life comparable to that of silicon nitride (Comparative Example A). Yes. Further, the form of breakage is “peeling” as in the case of silicon nitride. On the other hand, in Example I in which the z value exceeds 3.5, the life is shortened and wear is observed on the rolling elements. That is, in Example I in which the z value is 3.8, it is considered that although the rolling element finally peeled off, the life of the rolling element was affected by the wear of the rolling element. Furthermore, in Example J in which the z value is 4, the wear of the rolling elements proceeds in a short time, and the durability of the rolling bearing is further reduced.
以上のように、ｚ値が０．１以上３．５以下の範囲においては、βサイアロン焼結体からなる転動体を備えた転がり軸受の耐久性は、窒化珪素の焼結体からなる転動体を備えた転がり軸受とほぼ同等である。これに対し、ｚ値が３．５を超えると転動体が摩耗しやすくなり、これに起因して転動疲労寿命が低下する。さらに、ｚ値が大きくなると、βサイアロンからなる転動体の破損原因が「剥離」から「摩耗」に変化し、転動疲労寿命が一層低下することが明らかとなった。このように、ｚ値を０．１以上３．５以下とすることにより、安価で、かつ耐久性に優れたβサイアロン焼結体からなる転動体が得られることが確認された。 As described above, when the z value is in the range of 0.1 to 3.5, the rolling bearing provided with the rolling element made of β sialon sintered body has the durability of the rolling element made of the silicon nitride sintered body. It is almost equivalent to a rolling bearing with On the other hand, if the z value exceeds 3.5, the rolling elements are likely to be worn, resulting in a decrease in the rolling fatigue life. Furthermore, it has been clarified that when the z value increases, the cause of breakage of the rolling element made of β sialon changes from “peeling” to “wear”, and the rolling fatigue life is further reduced. Thus, it was confirmed that a rolling element made of a β sialon sintered body that is inexpensive and excellent in durability can be obtained by setting the z value to 0.1 or more and 3.5 or less.
なお、表１を参照して、ｚ値が３を超える３．５の実施例Ｈにおいては、転動体には僅かな摩耗が発生しており、寿命も実施例Ａ〜Ｇに比べて低下している。このことから、十分な耐久性をより安定して確保するためには、ｚ値は３以下とすることが望ましいといえる。 In addition, with reference to Table 1, in Example H in which the z value exceeds 3.5, a slight amount of wear has occurred in the rolling elements, and the service life has also decreased compared to Examples A to G. ing. From this, it can be said that the z value is desirably 3 or less in order to ensure sufficient durability more stably.
また、上記実験結果より、窒化珪素からなる転動体と同等以上の耐久性（寿命）を得るには、ｚ値は２以下とすることが好ましく、１．５以下とすることが、より好ましい。一方、燃焼合成を採用した製造工程によるβサイアロン粉体の作製の容易性を考慮すると、十分に自己発熱による反応が期待できる０．５以上のｚ値を採用することが好ましい。 From the above experimental results, the z value is preferably 2 or less, and more preferably 1.5 or less, in order to obtain durability (life) equal to or greater than that of a rolling element made of silicon nitride. On the other hand, in view of the ease of production of β sialon powder by a production process employing combustion synthesis, it is preferable to employ a z value of 0.5 or more at which a reaction due to self-heating can be sufficiently expected.
以下、本発明の実施例２について説明する。種々のｚ値を有するβサイアロン焼結体からなる転動体を有する転がり軸受を作製し、当該転がり軸受に対して衝撃が作用する環境下におけるｚ値と転動疲労寿命との関係を調査する試験を行なった。試験の手順は以下のとおりである。 Embodiment 2 of the present invention will be described below. A test for producing a rolling bearing having rolling elements made of β-sialon sintered bodies having various z values and investigating the relationship between the z value and the rolling fatigue life in an environment in which an impact is applied to the rolling bearing. Was done. The test procedure is as follows.
まず、試験の対象となる試験軸受の作製方法について説明する。はじめに、燃焼合成法でｚ値を０．１〜３．５の範囲で作製したβサイアロンの粉末を準備し、上記実施例１と同様の方法で、ｚ値が０．１〜３．５である転動体を作製した。そして、別途準備した様々な鋼材を素材として製作した軌道輪と組み合わせて、ＪＩＳ規格６２０６型番の軸受を作製した（実施例Ａ〜Ｊ）。軌道輪を構成する鋼としては、ＪＩＳ規格ＳＵＪ２、ＳＣＭ４２０、ＳＣｒ４２０、Ｓ５３Ｃ、Ｓ４５Ｃ、Ｓ４０ＣおよびＡＩＳＩ規格Ｍ５０を採用した。また、比較のため、窒化珪素からなる転動体、すなわちｚ値が０である転動体も上記βサイアロンからなる転動体と同様の方法で作製し、同様に軸受に組立てた（比較例Ａ）。 First, a method for producing a test bearing to be tested will be described. First, β sialon powder prepared by a combustion synthesis method with a z value in the range of 0.1 to 3.5 is prepared, and the z value is 0.1 to 3.5 by the same method as in Example 1 above. A rolling element was produced. And the bearing of the JIS standard 6206 model number was produced in combination with the bearing ring produced using the various steel materials prepared separately as a raw material (Examples AJ). As steel constituting the race, JIS standards SUJ2, SCM420, SCr420, S53C, S45C, S40C and AISI standard M50 were adopted. For comparison, a rolling element made of silicon nitride, that is, a rolling element having a z value of 0 was also produced in the same manner as the rolling element made of β sialon, and similarly assembled to a bearing (Comparative Example A).
次に、試験条件について説明する。上述のように作製されたＪＩＳ規格６２０６型番の軸受に対し、最大接触面圧Ｐｍａｘ：２．５ＧＰａ、軸受回転数：５００ｒｐｍ、潤滑：タービン油ＶＧ６８循環給油、加振条件：２５００Ｎ（５０Ｈｚ）、試験温度：室温の条件の下で運転する加振衝撃疲労試験を行なった。そして、振動検出装置により運転中の軸受の振動を監視し、軸受に破損が発生して軸受の振動が所定値を超えた時点で試験を中止するとともに、運転開始から中止までの時間を当該軸受の寿命として記録した。また、試験中止後、軸受を分解して軸受の破損状態を確認した。 Next, test conditions will be described. For the bearing of the JIS standard 6206 model number manufactured as described above, the maximum contact surface pressure P max : 2.5 GPa, the bearing rotation speed: 500 rpm, lubrication: turbine oil VG68 circulating oil supply, vibration conditions: 2500 N (50 Hz), Test temperature: An excitation shock fatigue test was performed under the condition of room temperature. The vibration of the bearing during operation is monitored by the vibration detection device, and the test is stopped when the bearing is damaged and the vibration of the bearing exceeds a predetermined value. Recorded as the lifetime of. In addition, after the test was stopped, the bearing was disassembled to confirm the damaged state of the bearing.
表２に本実施例の試験結果を示す。表２においては、各欄内の上段に各実施例および比較例における寿命が、軌道輪の材質をＳＵＪ２とした場合の比較例Ａ（窒化珪素）の寿命を１とした寿命比で表されている。また、各欄内の下段には、軸受の破損部位（軌道輪または玉）が記載されている。 Table 2 shows the test results of this example. In Table 2, the life in each example and comparative example is shown in the upper part of each column as a life ratio with the life of Comparative Example A (silicon nitride) as 1 when the material of the bearing ring is SUJ2. Yes. Moreover, the damaged part (bearing ring or ball) of the bearing is described in the lower part of each column.
表２を参照して、ｚ値が０．５以上３．０以下となっている本発明の実施例Ｃ〜Ｈは、窒化珪素（比較例Ａ）と比較して明確に長寿命となっている。ここで、表２に示すように、破損部位は窒化珪素の場合と同様に軌道部材（軌道輪）となっており、破損形態は剥離であった。これに対し、ｚ値が３．０を超える実施例ＩおよびＪでは、寿命が低下するとともに、転動体（玉）の破損（剥離）が先行する。すなわち、ｚ値が３．２５である実施例Ｉでは、衝撃の影響によりβサイアロン焼結体からなる軸受部品（玉）に損傷が生じ、寿命が低下したものと考えられる。さらに、ｚ値が３．５である実施例Ｊおいては、さらに短時間に転動体の剥離が生じ、転がり軸受の耐久性が一層低下している。 Referring to Table 2, Examples C to H of the present invention having a z value of 0.5 or more and 3.0 or less clearly have a longer life than silicon nitride (Comparative Example A). Yes. Here, as shown in Table 2, the damaged part was a track member (track ring) as in the case of silicon nitride, and the damaged form was delamination. On the other hand, in Examples I and J in which the z value exceeds 3.0, the life is shortened and the rolling element (ball) is damaged (peeled) first. That is, in Example I in which the z value is 3.25, it is considered that the bearing part (ball) made of the β sialon sintered body is damaged due to the impact and the life is shortened. Furthermore, in Example J in which the z value is 3.5, the rolling elements are peeled off in a shorter time, and the durability of the rolling bearing is further reduced.
一方、ｚ値が０．５より小さい実施例ＡおよびＢでは、寿命が比較例Ａとほぼ同じ程度にまで低下するとともに、軌道部材の破損（剥離）が先行する。すなわち、ｚ値が０．２５である実施例Ｂでは、ｚ値が０（窒化珪素）である比較例Ａとの物性の差が小さくなる。そのため、βサイアロン焼結体からなる玉と、当該玉に相対する軌道部材との衝突によって、一方的に軌道部材側に損傷が生じ、窒化珪素焼結体からなる玉を採用した比較例Ａ並みにまで寿命が低下したものと考えられる。 On the other hand, in Examples A and B in which the z value is smaller than 0.5, the lifetime is reduced to substantially the same level as in Comparative Example A, and the raceway member is preceded by breakage (peeling). That is, in Example B in which the z value is 0.25, the difference in physical properties from Comparative Example A in which the z value is 0 (silicon nitride) is reduced. Therefore, the collision between the ball made of the β sialon sintered body and the race member facing the ball unilaterally causes damage on the race member side, and the same as Comparative Example A employing the ball made of the silicon nitride sintered body. It is thought that the lifetime was reduced to
さらに、表２を参照して、ｚ値が０．５以上３．０以下となっている場合であっても、相対する軌道輪の硬度（表面硬度）がＨＶ６８０未満である場合、軌道輪の硬度がＨＶ６８０以上の場合に比べて寿命が低下する傾向にある。これは、軌道輪の硬度が低い場合、βサイアロン焼結体からなる玉と、当該玉に相対する軌道部材との衝突によって、軌道部材側に損傷が生じ易くなるためであると考えられる。 Furthermore, referring to Table 2, even when the z value is 0.5 or more and 3.0 or less, when the hardness (surface hardness) of the opposite bearing ring is less than HV680, The life tends to be shorter than when the hardness is HV680 or higher. This is thought to be because when the hardness of the raceway is low, damage to the raceway member is likely to occur due to the collision between the ball made of β sialon sintered body and the raceway member facing the ball.
以上のように、ｚ値が３．０を超えるとβサイアロン焼結体からなる軸受部品自身が破損し易くなる一方、ｚ値が０．５未満では、相手部材との間の接触面圧が増加し、相手部材に損傷が発生しやすくなる。そして、ｚ値を０．５以上３．０以下とすることにより、転動体を構成する素材の強度と、軌道部材との間の接触面圧の低減とのバランスが確保される。その結果、軸受に対して衝撃が作用する環境下において、βサイアロン焼結体からなる転動体を含む転がり軸受の寿命が向上することが確認された。特に、軌道部材が鋼からなる場合、軌道部材の物性と転動体の物性とがほどよく調和して、衝撃、振動等による損傷の発生を抑制することができる。このように、転動体を構成するβサイアロンのｚ値を０．５以上３．０以下とすることにより、トラブル等により衝撃的な負荷が作用するおそれのある工作機械用転がり軸受の耐久性を向上させることができることが確認された。 As described above, when the z value exceeds 3.0, the bearing part itself made of the β sialon sintered body is easily damaged, whereas when the z value is less than 0.5, the contact surface pressure between the mating member is low. It increases, and damage to the mating member is likely to occur. And by making z value 0.5 or more and 3.0 or less, the balance of the intensity | strength of the raw material which comprises a rolling element and the reduction of the contact surface pressure between track members is ensured. As a result, it was confirmed that the life of a rolling bearing including a rolling element made of a β sialon sintered body is improved in an environment in which an impact is applied to the bearing. In particular, when the race member is made of steel, the physical properties of the race member and the physical properties of the rolling elements are well matched, and the occurrence of damage due to impact, vibration, or the like can be suppressed. Thus, by setting the z-value of β sialon constituting the rolling element to 0.5 or more and 3.0 or less, the durability of the rolling bearing for machine tools that may be subjected to an impact load due to trouble or the like is improved. It was confirmed that it can be improved.
また、軌道部材が鋼からなる場合、当該軌道部材の損傷を抑制するため、軌道部材の表面硬度はＨＶ６８０以上とすることが好ましいことが確認された。 In addition, when the race member is made of steel, it was confirmed that the surface hardness of the race member is preferably HV680 or more in order to suppress damage to the race member.
以下、本発明の実施例３について説明する。本発明の工作機械用転がり軸受を構成するβサイアロンからなる転動体の緻密層および高緻密層の形成状態を調査する試験を行なった。試験の手順は以下のとおりである。 Embodiment 3 of the present invention will be described below. A test was conducted to investigate the formation state of the dense layer and the highly dense layer of the rolling elements composed of β sialon constituting the rolling bearing for machine tool of the present invention. The test procedure is as follows.
はじめに、燃焼合成法で作製した組成がＳｉ５ＡｌＯＮ７であるβサイアロンの粉末（株式会社イスマンジェイ製、商品名メラミックス）を準備し、上記実施の形態において図７に基づいて説明した転動体の製造方法と同様の方法で、一辺が約１０ｍｍの立方体試験片を作製した。具体的な製造方法は次のとおりである。まず、サブミクロンに微細化されたβサイアロン粉末と、焼結助剤としての酸化アルミニウム（住友化学株式会社製、ＡＫＰ３０）および酸化イットリウム（Ｈ．Ｃ．Ｓｔａｒｃｋ社製、Ｙｔｔｒｉｕｍｏｘｉｄｅ ｇｒａｄｅ Ｃ）とをボールミルを用いて湿式混合により混合した。その後、スプレードライヤーにて造粒を実施し、造粒粉を製造した。当該造粒粉を金型で所定の形状に成形し、さらに冷間静水圧成形（ＣＩＰ）で加圧を行ない、成形体を得た。引き続き当該成形体を圧力０．４ＭＰａの窒素雰囲気中で１６５０℃に加熱して焼結することで（常圧焼結）、上記立方体試験片を製造した。 First, a β sialon powder (product name: Melamix, manufactured by Isman Jay Co., Ltd.) having a composition of Si 5 AlON 7 prepared by a combustion synthesis method is prepared, and the rolling element described in the above embodiment based on FIG. A cubic test piece having a side of about 10 mm was produced in the same manner as in the manufacturing method. A specific manufacturing method is as follows. First, β sialon powder refined to submicron, aluminum oxide (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd., AKP30) and yttrium oxide (manufactured by HC Starck Co., Ltd., Yttrium oxide grade C) as a ball mill Were mixed by wet mixing. Then, granulation was performed with a spray dryer to produce granulated powder. The granulated powder was molded into a predetermined shape with a mold and further pressed by cold isostatic pressing (CIP) to obtain a molded body. Subsequently, the cube test piece was manufactured by heating and sintering the molded body at 1650 ° C. in a nitrogen atmosphere having a pressure of 0.4 MPa (atmospheric pressure sintering).
その後、当該試験片を切断し、切断された面をダイヤモンドラップ盤でラッピングした後、酸化クロムラップ盤による鏡面ラッピングを実施することにより、立方体の中心を含む観察用の断面を形成した。そして、当該断面を光学顕微鏡（株式会社ニコン製、マイクロフォト−ＦＸＡ）の斜光で観察し、倍率５０倍のインスタント写真（フジフイルム株式会社製 ＦＰ−１００Ｂ）を撮影した。その後、得られた写真の画像を、スキャナーを用いて（解像度３００ＤＰＩ）パーソナルコンピューターに取り込んだ。そして、画像処理ソフト（三谷商事株式会社製 ＷｉｎＲＯＯＦ）を用いて輝度閾値による２値化処理を行なって（本実施例での２値化分離閾値：１４０）、白色領域の面積率を測定した。 Thereafter, the test piece was cut, and the cut surface was lapped with a diamond lapping machine, and then mirror lapping with a chromium oxide lapping machine was performed to form a cross section for observation including the center of the cube. And the said cross section was observed with the oblique light of the optical microscope (the Nikon Corporation make, Microphoto-FXA), and the 50-times-magnification instant photograph (Fujifilm Corporation FP-100B) was image | photographed. Thereafter, the obtained photographic image was taken into a personal computer using a scanner (resolution: 300 DPI). And the binarization process by a brightness | luminance threshold value was performed using the image processing software (Mitani Corporation WinROOF) (binarization separation threshold value in a present Example: 140), and the area ratio of the white area | region was measured.
次に、試験結果について説明する。図８は、試験片の上記観察用の断面を光学顕微鏡の斜光で撮影した写真である。また、図９は、図８の写真の画像を、画像処理ソフトを用いて輝度閾値により２値化処理した状態を示す一例である。また、図１０は、図８の写真の画像を、画像処理ソフトを用いて輝度閾値により２値化処理して白色領域の面積率を測定する際に、画像処理を行なう領域（評価領域）を示す図である。図８において、写真上側が試験片の表面側であり、上端が表面である。 Next, test results will be described. FIG. 8 is a photograph of the observation cross section of the test piece taken with an oblique light of an optical microscope. FIG. 9 is an example showing a state in which the image of the photograph of FIG. 8 is binarized by a luminance threshold using image processing software. FIG. 10 shows a region (evaluation region) where image processing is performed when the image of the photograph of FIG. 8 is binarized by a luminance threshold using image processing software and the area ratio of the white region is measured. FIG. In FIG. 8, the upper side of the photograph is the surface side of the test piece, and the upper end is the surface.
図８および図９を参照して、上記実施の形態と同様の製造方法により作製された本実施例における試験片は、表面を含む領域に内部よりも白色領域の少ない層が形成されていることがわかる。そして、図１０に示すように、撮影された写真の画像を試験片の最表面からの距離に応じて３つの領域（最表面からの距離が１５０μｍ以内の領域、１５０μｍを超え５００μｍ以内の領域、５００μｍを超え８００μｍ以内の領域）に分け、領域毎に画像解析を行なって白色領域の面積率を算出したところ、表３に示す結果が得られた。表３においては、図１０に示した各領域を１視野として、無作為に撮影された５枚の写真から得られる５視野における白色領域の面積率の、平均値と最大値とが示されている。 Referring to FIGS. 8 and 9, the test piece in this example manufactured by the same manufacturing method as that of the above embodiment has a layer with less white area than the inside in the area including the surface. I understand. And, as shown in FIG. 10, the photographed photograph image is divided into three regions according to the distance from the outermost surface of the test piece (region within 150 μm distance from the outermost surface, region within 150 μm and within 500 μm, When the area ratio of the white area was calculated by performing image analysis for each area and obtaining the area ratio of the white area, the results shown in Table 3 were obtained. Table 3 shows the average value and the maximum value of the area ratio of the white area in five fields obtained from five photographs taken at random with each field shown in FIG. 10 as one field of view. Yes.
表３を参照して、本実施例における白色領域の面積率は、内部において１８．５％であったのに対し、表面からの深さが５００μｍ以下である領域においては３．７％、表面からの深さが１５０μｍ以下の領域においては１．２％となっていた。このことから、上記実施の形態と同様の上記製造方法により作製された本実施例における試験片においては、表面を含む領域に内部よりも白色領域の少ない緻密層および高緻密層が形成されていることが確認された。 Referring to Table 3, the area ratio of the white region in the present example was 18.5% inside, whereas it was 3.7% in the region having a depth of 500 μm or less from the surface. It was 1.2% in the region where the depth from the region was 150 μm or less. From this, in the test piece in the present example produced by the above manufacturing method similar to the above embodiment, a dense layer and a highly dense layer having a white region less than the inside are formed in the region including the surface. It was confirmed.
以下、本発明の実施例４について説明する。本発明の工作機械用転がり軸受を構成するβサイアロン焼結体からなる転動体の転動疲労寿命を確認する試験を行なった。試験の手順は以下のとおりである。 Embodiment 4 of the present invention will be described below. A test was conducted to confirm the rolling fatigue life of the rolling element made of the β sialon sintered body constituting the rolling bearing for machine tool of the present invention. The test procedure is as follows.
まず、試験の対象となる試験軸受の作製方法について説明する。はじめに、燃焼合成法で作製した組成がＳｉ５ＡｌＯＮ７であるβサイアロンの粉末（株式会社イスマンジェイ製、商品名メラミックス）を準備し、上記実施の形態において図７に基づいて説明した転動体の製造方法と同様の方法で直径９．５２５ｍｍの３／８インチセラミック球を作製した。具体的な製造方法は次のとおりである。まず、サブミクロンに微細化されたβサイアロン粉末と、焼結助剤としての酸化アルミニウム（住友化学株式会社製、ＡＫＰ３０）および酸化イットリウム（Ｈ．Ｃ．Ｓｔａｒｃｋ社製、Ｙｔｔｒｉｕｍｏｘｉｄｅ ｇｒａｄｅ Ｃ）とをボールミルを用いて湿式混合により混合した。その後、スプレードライヤーにて造粒を実施し、造粒粉を製造した。当該造粒粉を金型で球体に成形し、さらに冷間静水圧成形（ＣＩＰ）で加圧を行ない球状の成形体を得た。 First, a method for producing a test bearing to be tested will be described. First, a β sialon powder (product name: Melamix, manufactured by Isman Jay Co., Ltd.) having a composition of Si 5 AlON 7 prepared by a combustion synthesis method is prepared, and the rolling element described in the above embodiment based on FIG. A 3/8 inch ceramic sphere having a diameter of 9.525 mm was produced in the same manner as the production method described above. A specific manufacturing method is as follows. First, β sialon powder refined to submicron, aluminum oxide (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd., AKP30) and yttrium oxide (manufactured by HC Starck Co., Ltd., Yttrium oxide grade C) as a ball mill Were mixed by wet mixing. Then, granulation was performed with a spray dryer to produce granulated powder. The granulated powder was molded into a sphere with a mold, and further pressurized by cold isostatic pressing (CIP) to obtain a spherical molded body.
次に、当該成形体に対して焼結後の加工代が所定の寸法となるようにグリーン体加工を行ない、引き続き当該成形体を圧力０．４ＭＰａの窒素雰囲気中で１６５０℃に加熱して焼結することで、焼結球体を製造した。次に、当該焼結球体にラッピング加工を行ない、３／８インチセラミック球（転動体；ＪＩＳ等級 Ｇ５）とした。そして、別途準備した軸受鋼（ＪＩＳ規格ＳＵＪ２）製の軌道輪と組み合わせて、ＪＩＳ規格６２０６型番の軸受を作製した。ここで、上記焼結球体に対するラッピング加工により除去される焼結球体の厚み（加工代）を８段階に変化させ、８種類の軸受を作製した（実施例Ａ〜Ｈ）。一方、比較のため、窒化珪素および焼結助剤からなる原料粉末を用いて加圧焼結法により焼結した焼結球体（日本特殊陶業株式会社製 ＥＣ１４１）に対して、上述と同様にラッピング加工を行ない、別途準備した軸受鋼（ＪＩＳ規格ＳＵＪ２）製の軌道輪と組み合わせて、ＪＩＳ規格６２０６型番の軸受を作製した（比較例Ａ）。ラッピング加工による加工代は０．２５ｍｍとした。 Next, the green body is processed so that the processing allowance after sintering becomes a predetermined dimension, and the green body is subsequently heated to 1650 ° C. in a nitrogen atmosphere at a pressure of 0.4 MPa. By sintering, sintered spheres were produced. Next, lapping was performed on the sintered spheres to obtain 3/8 inch ceramic spheres (rolling elements; JIS grade G5). And the bearing of the JIS standard 6206 model number was produced in combination with the bearing ring made from bearing steel (JIS standard SUJ2) prepared separately. Here, the thickness (processing allowance) of the sintered sphere removed by the lapping process on the sintered sphere was changed in eight stages, and eight types of bearings were produced (Examples A to H). On the other hand, for comparison, lapping is performed on sintered spheres (EC 141 manufactured by Nippon Special Ceramics Co., Ltd.) sintered by pressure sintering using raw material powders composed of silicon nitride and a sintering aid in the same manner as described above. Processing was performed, and a bearing of JIS standard 6206 model number was manufactured in combination with a bearing ring (JIS standard SUJ2) prepared separately (Comparative Example A). The machining allowance for lapping was 0.25 mm.
次に、試験条件について説明する。上述のように作製されたＪＩＳ規格６２０６型番の軸受に対し、最大接触面圧Ｐｍａｘ：３．２ＧＰａ、軸受回転数：２０００ｒｐｍ、潤滑：タービン油ＶＧ６８(清浄油)の循環給油、試験温度：室温、の条件の下で運転する疲労試験を行なった。そして、振動検出装置により運転中の軸受の振動を監視し、転動体に破損が発生して軸受の振動が所定値を超えた時点で試験を中止するとともに、運転開始から中止までの時間を当該軸受の寿命として記録した。なお、試験数は実施例、比較例ともに１５個ずつとし、そのＬ１０寿命を算出した上で、比較例Ａに対する寿命比で耐久性を評価した。 Next, test conditions will be described. Maximum contact surface pressure P max : 3.2 GPa, bearing rotational speed: 2000 rpm, lubrication: circulating oil supply of turbine oil VG68 (clean oil), test temperature: room temperature for the JIS standard 6206 model bearing manufactured as described above A fatigue test was performed under the conditions of The vibration of the bearing during operation is monitored by the vibration detection device, and the test is stopped when the rolling element is damaged and the vibration of the bearing exceeds a predetermined value. Recorded as bearing life. The number of tests was 15 in each of the examples and the comparative examples, and after calculating the L 10 life, the durability was evaluated by the life ratio with respect to Comparative Example A.
表４に本実施例の試験結果を示す。表４を参照して、実施例の軸受の寿命は、その製造コスト等を考慮するといずれも良好であるといえる。そして、加工代を０．５ｍｍ以下とすることにより転動体の表面に緻密層を残存させた実施例Ｄ〜Ｇの軸受の寿命は、比較例Ａの寿命の１．５〜２倍程度となっていた。さらに、加工代を０．１５ｍｍ以下とすることにより転動体の表面に高緻密層を残存させた実施例Ａ〜Ｃの軸受の寿命は、比較例Ａの寿命の３倍程度となっていた。このことから、本発明の工作機械用転がり軸受は、耐久性において優れていることが確認された。そして、工作機械用転がり軸受は、βサイアロン焼結体からなる転動体の加工代を０．５ｍｍ以下として、表面に緻密層を残存させることにより寿命が向上し、加工代を０．１５ｍｍ以下として、表面に高緻密層を残存させることにより寿命がさらに向上することが分かった。 Table 4 shows the test results of this example. Referring to Table 4, it can be said that the life of the bearings of the examples is all good considering the manufacturing cost and the like. The life of the bearings of Examples D to G in which the dense layer remains on the surface of the rolling element by setting the machining allowance to 0.5 mm or less is about 1.5 to 2 times the life of Comparative Example A. It was. Furthermore, the life of the bearings of Examples A to C in which the high-density layer remained on the surface of the rolling element by setting the machining allowance to 0.15 mm or less was about three times the life of Comparative Example A. From this, it was confirmed that the rolling bearing for machine tools of the present invention is excellent in durability. And the rolling bearing for machine tools has a machining life of the rolling element made of β sialon sintered body of 0.5 mm or less, and the life is improved by leaving a dense layer on the surface, and the machining allowance is 0.15 mm or less. It has been found that the lifetime is further improved by leaving a highly dense layer on the surface.
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本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。 The embodiments and examples disclosed herein are illustrative in all respects and should not be construed as being restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
本発明の工作機械用転がり軸受は、転動体の軽量化および耐焼付性の向上などが求められる工作機械用転がり軸受に、特に有利に適用され得る。 The rolling bearing for machine tool of the present invention can be particularly advantageously applied to a rolling bearing for machine tool that requires reduction in the weight of rolling elements and improvement in seizure resistance.
１ アンギュラ玉軸受、２ 円筒ころ軸受、１１，２１ 外輪、１１Ａ，２１Ａ 外輪転走面、１２，２２ 内輪、１２Ａ，２２Ａ 内輪転走面、１３ 玉、１３Ａ 玉転走面、１３Ｂ 玉緻密層、１３Ｃ，２３Ｃ 内部、１３Ｄ 玉高緻密層、１４，２４ 保持器、２３ 円筒ころ、２３Ａ ころ転走面、２３Ｂ ころ緻密層、２３Ｄ ころ高緻密層、９０ 工作機械、９１ 主軸、９１Ａ 外周面、９１Ｂ 先端、９２ ハウジング、９２Ａ 内壁、９３ モータ、９３Ａ モータステータ、９３Ｂ モータロータ。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Angular contact ball bearing, 2 Cylindrical roller bearing, 11, 21 Outer ring, 11A, 21A Outer ring rolling surface, 12, 22 Inner ring, 12A, 22A Inner ring rolling surface, 13 balls, 13A Ball rolling surface, 13B Ball dense layer, 13C, 23C inside, 13D ball high dense layer, 14, 24 cage, 23 cylindrical roller, 23A roller rolling surface, 23B roller dense layer, 23D roller high dense layer, 90 machine tool, 91 main shaft, 91A outer peripheral surface, 91B Tip, 92 housing, 92A inner wall, 93 motor, 93A motor stator, 93B motor rotor.
Claims (8)
軌道部材と、
前記軌道部材に接触し、円環状の軌道上に配置される転動体とを備え、
前記転動体は、Ｓｉ ６−Ｚ Ａｌ Ｚ Ｏ Ｚ Ｎ ８−Ｚ の組成式で表され、０．１≦ｚ≦３．５を満たすβサイアロンを主成分とし、残部不純物からなる焼結体から構成され、
前記転動体は、前記軌道部材と接触する面である転走面を含む領域に、内部よりも緻密性の高い層である緻密層を有しており、
前記緻密層の表面を含む領域には、前記緻密層内の他の領域よりもさらに緻密性の高い層である高緻密層が形成されている、工作機械用転がり軸受。 A rolling bearing for a machine tool that rotatably supports a main shaft of a machine tool with respect to a member arranged to face the main shaft,
A track member;
A rolling element that contacts the raceway member and is disposed on an annular raceway,
The rolling element is represented by a composition formula of Si 6-Z Al Z O Z N 8-Z, as a main component β-sialon satisfying 0.1 ≦ z ≦ 3.5, a sintered body consisting of the balance impurities Configured,
The rolling element has a dense layer that is a dense layer than the inside in a region including a rolling surface that is a surface that contacts the raceway member,
A rolling bearing for machine tools, wherein a high-density layer, which is a layer having a higher density than other regions in the dense layer, is formed in a region including the surface of the dense layer.
軌道部材と、
前記軌道部材に接触し、円環状の軌道上に配置される転動体とを備え、
前記転動体は、Ｓｉ ６−Ｚ Ａｌ Ｚ Ｏ Ｚ Ｎ ８−Ｚ の組成式で表され、０．１≦ｚ≦３．５を満たすβサイアロンを主成分とし、残部焼結助剤および不純物からなる焼結体から構成され、
前記転動体は、前記軌道部材と接触する面である転走面を含む領域に、内部よりも緻密性の高い層である緻密層を有しており、
前記緻密層の表面を含む領域には、前記緻密層内の他の領域よりもさらに緻密性の高い層である高緻密層が形成されている、工作機械用転がり軸受。 A rolling bearing for a machine tool that rotatably supports a main shaft of a machine tool with respect to a member arranged to face the main shaft,
A track member;
A rolling element that contacts the raceway member and is disposed on an annular raceway,
The rolling element is mainly composed of β sialon represented by a composition formula of Si 6-Z Al Z O Z N 8-Z and satisfying 0.1 ≦ z ≦ 3.5, and the remaining sintering aid and impurities. Composed of a sintered body consisting of
The rolling element has a dense layer that is a dense layer than the inside in a region including a rolling surface that is a surface that contacts the raceway member,
A rolling bearing for machine tools, wherein a high-density layer, which is a layer having a higher density than other regions in the dense layer, is formed in a region including the surface of the dense layer.
前記軌道部材の表面硬度はＨＶ６８０以上となっている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の工作機械用転がり軸受。 The track member is made of steel,
The surface hardness of the raceway member has a HV680 or more, a machine tool rolling bearing according to any one of claims 1-5.
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