JP5419392B2 - 転がり軸受装置 - Google Patents
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Description
この発明の他の目的は、高速回転性能に優れた転がり軸受装置とすることである。
この構成によると、保持器の案内方式が転動体案内方式ではなく、環状の鍔部で案内する方式であるので、保持器の振れ回りが大きくなったり、転動体との干渉で保持器ポケットが損傷するといった問題を避けることができる。
また、高速回転に起因する案内隙間量の変化も大きくなる方向であり、運転中の案内面同士(ノズル部材の鍔部の保持器案内面と保持器の内径面)の油膜が介在しない直接の接触を確実に防ぐことができる。
さらに、この場合の保持器の案内方式では、外輪案内方式と比較して案内面での滑り速度が小さいため、軸受動力損失も小さく、それだけ軸受温度も抑えられ、予圧管理の面でも有利である。
その結果、高速回転時の保持器の安定性保持と案内面同士の直接接触の防止、および保持器案内隙間での動力損失低減が可能となる。
内輪と外輪の双方を鋼で構成した転がり軸受(鋼製内輪タイプ)と、内輪を窒化けい素、外輪を鋼で構成した転がり軸受(セラミックス製内輪タイプ)とを比較する。鋼の線膨張係数は約11×10−6、窒化けい素の線膨張係数は約3.2×10−6であるから、運転時には内輪の方が外輪よりも温度が高いと想定すると、セラミックス製内輪タイプは鋼製内輪タイプと比較して、運転時における転動体と内外輪間の径方向すきま(工作機械では通常は負すきま)が大きい(負の値としての絶対値が小さい)。そのため、セラミックス製内輪タイプは、予圧過大現象を緩和することができ、高速回転性能に優れる。予圧過大現象は、転動体を径方向に過度に圧縮する現象であり、転がり軸受の高速回転性を阻害する大きな要因である。
また、鋼の密度は7.8×103kg/m3、窒化けい素の密度は3.2×103kg/m3であるから、両者の密度の差を考えると、遠心膨張による予圧過大に対しても、セラミックス製内輪タイプは鋼製内輪タイプと比較して、特に高速回転時に有利である。
さらに、鋼のヤング率は約210GPa、窒化けい素のヤング率は約314GPaであるから、セラミックス製内輪タイプは鋼製内輪タイプと比較して、軸受剛性の面でも有利である。
転動体もセラミックスで構成すれば、内輪をセラミックスで構成した場合と同様に、熱膨張や遠心膨張による予圧過大に対して高速回転時に有利であるため、さらなる軸受の高速化が図れる。その場合、製造面の便宜等を考えて、内輪と転動体とを異なる種類のセラミックスで構成することができる。
概略円筒形である内輪に熱や遠心力の影響で径方向の応力が加わる場合、内輪に生じる周方向の応力(たが応力)は、材料力学的に径方向、軸方向の応力よりも絶対値において大きくなる。一般的に、セラミックスは鋼と比較して引っ張り強度が小さいため、たが応力が引っ張り応力として作用する場合に、内輪が損傷する恐れがある。そこで、上記のように、内輪間座または繊維性部材により内輪の肩部に対して径方向の圧縮応力を付与することで、引っ張り方向に作用するたが応力を打ち消すようにした。それにより、内輪の損傷が防がれ、高速回転に対して強い構造となる。
内輪および内輪間座の内周に軸が嵌合する場合、組立時の嵌めあいにつき、内輪と軸とはしまりばめ内輪間座と軸とはすきまばめ(ケース1)、両方ともしまりばめ(ケース2)、内輪と軸とはすきまばめ内輪間座と軸とはしまりばめ(ケース3)の3通りのケースが考えられる。熱や遠心力による軸の外径面の膨張を考えると、ケース1が、内輪間座により内輪の肩部に対して径方向の圧縮応力を付与するという機能が最も発揮される点で好ましい。また、内輪軌道面の剛性を確保する上でも、ケース1が望ましい。
一般に、工作機械主軸は、内輪回転・外輪静止で運転され、外輪の外径側に設けたハウジングや外筒を強制的に冷却することでスピンドル系を冷却する構造が採用されている。この構造によると、内輪側での放熱性が低い。さらに、最近ではスピンドル内部において軸と一体化したビルトインモータ形式で軸を駆動することが多く、モータの発熱により内輪側が高温環境となりやすい傾向にある。この傾向は、高速回転時に顕著である。このような工作機械の主軸の支持に、内輪がセラミックスで構成された転がり軸受装置を用いれば、より一層の高速回転化を図ることが可能である。
また、内輪をセラミックスで構成することにより、高速回転性能に優れた転がり軸受装置とすることができる。
内輪2は、軌道面2aの両側に鍔を有する鍔付き内輪であり、図示しない主軸の外径面に嵌合する。内輪2の軌道面2aを挟んだ軸方向両側の外径面には、軌道面2a側が大径となる斜面部2bがそれぞれ設けられている。また、内輪2の各斜面部2bには、円周溝6が設けられる。
ノズル部材鍔部8aの内径面8abは、内輪斜面部2bに沿う斜面に形成され、内輪斜面部2bとの間に隙間δを形成しており、この隙間δにおいて、内輪斜面部2bに表面張力で付着した油が遠心力の斜面方向成分によって、内輪斜面部2bに沿って軸受内へと潤滑油がより円滑に導かれる。また、ノズル孔10から軸受内にエアオイルを直接噴射するものではないので、軸受回転に伴う風切り音が無く、静音性に優れ、エア流量も少なくて済む。
すなわち、この保持器案内方式では、高速回転時には、保持器5に働く遠心力の作用で前記案内隙間gは増大する。同時に、熱膨張の面で見ると、保持器5の内径面5aだけでなく、保持器案内面8aaも直径が増大するが、ノズル部材8は鉄系の材料で構成され、保持器5は樹脂や銅系の材料で構成される場合が多く、線膨張係数の違いを考えると、やはり案内隙間gは増大する方向にある。これに対して、従来例(特許文献1)の外輪案内方式では、案内隙間は高速回転時に減少する方向にある。したがって、この保持器案内方式では、高速回転時での保持器案内面8aaと保持器内径面5aとの直接の接触を確実に回避することができる。
組立時の嵌めあいにつき、内輪2Aと軸15とはしまりばめ、内輪間座13Aと軸15とはすきまばめ(図6)、両方ともしまりばめ(図7)、内輪2Aと軸15とはすきまばめ、内輪間座13Aと軸15とはしまりばめ(図8)の3通りのケースが考えられる。熱や遠心力による軸15の外径面の膨張を考えると、図6の構成が、上述の内輪間座13Aにより内輪2Aの肩部2cに対して径方向の圧縮応力を付与するという機能が最も発揮される点で好ましいのである。また、内輪軌道面2aの剛性を確保する上からも、図6の構成が望ましい。
内輪2Aと外輪3の双方を鋼で構成した転がり軸受装置(鋼製内輪タイプ)と、内輪2Aを窒化けい素、外輪3を鋼で構成した転がり軸受(セラミックス製内輪タイプ)とを比較する。鋼の線膨張係数は約11×10−6、窒化けい素の線膨張係数は約3.2×10−6であるから、運転時には内輪2Aの方が外輪3よりも温度が高いと想定すると、セラミックス製内輪タイプは鋼製内輪タイプと比較して、運転時における転動体である円筒ころ4と内外輪間2A,3の径方向すきま(工作機械では通常は負すきま)が大きい(負の値としての絶対値が小さい)。そのため、セラミックス製内輪タイプは、予圧過大現象を緩和することができ、高速回転性能に優れる。予圧過大現象は、円筒ころ4を径方向に過度に圧縮する現象であり、転がり軸受1の高速回転性を阻害する大きな要因である。
また、鋼の密度は7.8×103kg/m3、窒化けい素の密度は3.2×103kg/m3であるから、両者の密度の差を考えると、遠心膨張による予圧過大に対しても、セラミックス製内輪タイプは鋼製内輪タイプと比較して、特に高速回転時に有利である。
さらに、鋼のヤング率は約210GPa、窒化けい素のヤング率は約314GPaであるから、セラミックス製内輪タイプは鋼製内輪タイプと比較して、軸受剛性の面でも有利である。
加えて、βサイアロンを主成分とする焼結体は、低圧、例えば1MPa以下の圧力下で焼結されるため、10MPa以上の圧力下で加圧焼結する窒化けい素を主成分とする焼結体よりも低コストで製造できるという利点がある。
なお、βサイアロンについては、後段に詳細な説明を付記してある。
図6および図7のいずれの場合、組立時の内輪2Aと軸15の嵌めあい代は、内輪2Aに作用するたが応力を考慮すれば、必要以上に大きくすることは避けるべきである。例えば、工作機械主軸用に多用される内径50〜100mm程度の転がり軸受の場合、低速回転時の剛性確保も考慮して、嵌めあい代は5μm未満程度を目安とする。対して、同サイズの鋼製内輪では、dmn値が200万を超える高速回転時の熱や遠心力による膨張を見込んで、嵌めあい代が20〜30μm必要である。このように、セラミックス製内輪は、鋼製内輪よりも嵌めあい代を小さくできるので、組立時の圧入作業が容易である。
一般に、工作機械主軸は、内輪回転・外輪静止で運転され、外輪3の外径側に設けた軸受箱26に冷却することでスピンドル系を冷却する構造が採用されている。したがって、内輪側での放熱性が低い。さらに、最近ではスピンドル内部において主軸25(15)と一体化したビルトインモータ形式で主軸25を駆動することが多く、モータの発熱により内輪側が高温環境となりやすい傾向にある。この傾向は、高速回転時に顕著である。このような工作機械の主軸25の支持に、内輪2A,2B,2C,2D,2Eがセラミックスで構成された転がり軸受装置を用いれば、より一層の高速回転化を図ることが可能である。
この焼結体は、βサイアロンを主成分とし、残部不純物からなる焼結体、または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のことを言う。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。焼結助剤としては、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、けい素(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1種類以上を採用することができる。なお、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。
βサイアロン粉末準備工程S1は、βサイアロンの粉末を準備する工程である。例えば、燃焼合成法を採用することにより、安価にβサイアロンの粉末を製造することができる。
2,2A,2B,2C,2D,2E…内輪
2a…軌道面
2b…斜面部
2c…肩部
3 …外輪
3a…軌道面
4…円筒ころ(転動体)
5…保持器
5a…保持器内径面
8…ノズル部材
8a…鍔部
8aa…保持器案内面
8ab…鍔部内径面
10…ノズル孔
13A,13B,13C,13D,13E,17E…内輪間座
14A,14B,14C,14D,14E…内輪・間座組合体
15…軸
16…繊維性部材
Claims (18)
- 内輪と外輪の軌道面の間に、環状の保持器に保持された転動体を介在させた転がり軸受と、前記外輪に隣接して設けたノズル部材とを備えた転がり軸受装置において、
前記ノズル部材は、固定輪である前記外輪と共に固定状態に配置され、前記ノズル部材に、内輪と外輪間の軸受空間に挿入され潤滑剤のノズル孔を有する環状の鍔部を設け、この鍔部の外径面を保持器案内面とし、この保持器案内面で前記保持器の内径面を案内させる転がり軸受装置。 - 請求項1において、前記内輪の外径面に、軌道面側が大径となる斜面部を設け、前記ノズル部材の前記鍔部に設けられたノズル孔を、前記内輪の前記斜面部に向けて潤滑剤を吐出させるものとした転がり軸受装置。
- 請求項1において、前記ノズル部材の前記鍔部に設けられたノズル孔を、保持器の内径面に向けて潤滑剤を吐出させるものとした転がり軸受装置。
- 請求項3において、前記ノズル孔に絞り部を設けた転がり軸受装置。
- 請求項3または請求項4において、前記内輪の外径面を斜面部とし、前記鍔部の内径面を前記内輪の外径面に沿う斜面に形成した転がり軸受装置。
- 請求項1ないし請求項5のいずれか1項において、前記ノズル部材の前記鍔部における円周方向の複数箇所に前記ノズル孔を設けた転がり軸受装置。
- 請求項1ないし請求項5のいずれか1項において、前記転がり軸受が円筒ころ軸受である転がり軸受装置。
- 請求項1ないし請求項3のいずれか1項において、前記転がり軸受がアンギュラ玉軸受である転がり軸受装置。
- 請求項1ないし請求項6のいずれか1項において、前記ノズル部材の前記ノズル孔から吐出する潤滑剤がエアオイルである転がり軸受装置。
- 請求項1ないし請求項6のいずれか1項において、前記ノズル部材の前記ノズル孔から潤滑剤を吐出させる方式がジェット潤滑方式である転がり軸受装置。
- 請求項1ないし請求項10のいずれか1項において、工作機械の主軸の支持に用いられるものである転がり軸受装置。
- 請求項1ないし請求項11のいずれか1項において、前記内輪がセラミックスで構成されている転がり軸受装置。
- 請求項12において、前記セラミックスは、窒化けい素を主成分とする焼結体である転がり軸受装置。
- 請求項12において、前記セラミックスは、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する焼結体である転がり軸受装置。
- 請求項12ないし請求項14のいずれか1項において、前記転動体が、前記内輪とは種類の異なるセラミックスで構成されている転がり軸受装置。
- 請求項12ないし請求項15のいずれか1項において、前記内輪は、軌道面よりも軸方向外側に位置する肩部を有し、この肩部の外径面に内径面が嵌合する内輪間座を設け、この内輪間座により前記内輪の肩部に対して径方向の圧縮応力を付与する転がり軸受装置。
- 請求項12ないし請求項15のいずれか1項において、前記内輪は、軌道面よりも軸方向外側に位置する肩部を有し、この肩部の外周を周方向に沿う繊維からなる繊維性部材で拘束して、前記内輪の肩部に対して径方向の圧縮応力を付与する転がり軸受装置。
- 請求項16または請求項17において、前記内輪および内輪間座の内周に軸が嵌合し、内輪と軸の嵌めあいをしまりばめ、内輪間座と軸の嵌めあいをすきまばめとした転がり軸受装置。
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