JP5447605B2

JP5447605B2 - 転がり軸受

Info

Publication number: JP5447605B2
Application number: JP2012155869A
Authority: JP
Inventors: 俊一矢部
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2012-07-11
Filing date: 2012-07-11
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2028-05-26
Also published as: JP2012255552A

Description

本発明は、回転軸を支承し、且つ合成樹脂製の保持器を有する外輪案内の転がり軸受に関する。

従来、一般的に工作機械の主軸を支承する転がり軸受には、円筒ころ軸受やアンギュラ玉軸受等が使用される。これらの転がり軸受の保持器としては、綿布補強のフェノール樹脂を切削加工した保持器や、ガラス繊維や炭素繊維で強化された６６ナイロン樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、及びポリエーテルエーテルケトン樹脂等を材料とする、所謂、合成樹脂製保持器が使用される。

合成樹脂製保持器は、軽量なので回転時の遠心力が小さく、さらに自己潤滑性を有するので、高速回転に有利である。これらの合成樹脂製保持器を使用した高速回転用転がり軸受にあっては、通常、保持器が軸受外輪によって案内される外輪案内形式が採用される。また、これらの転がり軸受の潤滑方法としては、グリース潤滑、オイルエア潤滑、ジェット潤滑等が、使用条件やコストによって適宜採用されるが、一般的には、低コストでメンテナンスも容易なことから、グリース潤滑が利用されることが多い。

ここで、近年、工作機械では、切削能力を向上させて加工時間を短縮する方向にあり、それに伴い主軸の回転数を高速化する傾向が顕著である。そのため、高速回転する主軸を支承する転がり軸受に供給する潤滑油量も微量（必要最小限の量）となる傾向にある。

しかしながら、グリース潤滑のように、回転中に外部から軸受内部に潤滑油が供給されない場合には、時間の経過とともに潤滑油が一時的又は継続的に不足して、潤滑油膜が途切れがちになってしまう。このような厳しい潤滑条件では、十分な潤滑状態を維持することが困難である。そのため、保持器と転動体及び内外輪との摺動部が発熱して高温になり、場合によって焼き付く可能性があった。

このような問題は、外輪案内面と保持器との摺動部や、保持器と転動体との摺動部において生じることが多い。そして、この摺動によって、合成樹脂製保持器の摩耗が進展すると、徐々に表面にガラス繊維や炭素繊維等の強化繊維材が露出してしまい、その露出した強化繊維材によって、相手方の外輪案内面の摩耗が進むことが想定され、転がり軸受に不具合が発生する可能性があった。

本発明は、このような不都合を解消するためになされたものであり、その目的は、潤滑状態を良好に維持することができ、信頼性が高く、軸受寿命を向上することができる転がり軸受を提供することにある。

本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１）回転軸を支承し、外輪と内輪と合成樹脂製の保持器とを有する外輪案内形式の転がり軸受であって、外輪及び内輪の材質がＳＵＪ２（軸受鋼）であり、外輪の保持器を案内する案内面には、硬質化処理が施されておらず、保持器は、引張強度が２ＧＰａ以上で、且つ引張弾性率が５０ＧＰａ以上の有機繊維材を１０〜４０重量％含有する樹脂組成物により形成されており、有機繊維材は、パラ系アラミド繊維、ポリアリレート繊維、及びポリパラフェニレンベンズビスオキサザール（ＰＢＯ）繊維から選ばれる少なくとも１つであって、サイジング剤で処理され、サイジング剤が、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、及びビスマレイミド樹脂から選ばれる少なくとも１つであることを特徴とする転がり軸受。

本発明の転がり軸受によれば、保持器は、引張強度が２ＧＰａ以上で、且つ引張弾性率が５０ＧＰａ以上の有機繊維材を１０〜４０重量％含有する樹脂組成物により形成されるため、金属材料に対して傷付性がなく、且つ柔軟性を有する保持器を得ることができる。これにより、例え、保持器から強化繊維材が露出したとしても、保持器による外輪案内面の摩耗を防止することができるので、軸受の潤滑状態を良好に維持することができ、信頼性が高く、軸受寿命を向上することができる。また、ガラス繊維より低密度な有機繊維材を使用しているので、保持器の軽量化を図ることができる。さらに、軸受鋼製の外輪よりも柔軟な有機繊維材を使用しているので、外輪の案内面の硬質化処理を省略することができ、製造コストを削減することができる。

本発明に係る転がり軸受の第１実施形態を説明するための要部断面図である。図１に示す保持器を説明するための斜視図である。本発明に係る転がり軸受の第２実施形態を説明するための要部断面図である。図３に示す保持器を説明するための斜視図である。

以下、本発明に係る転がり軸受の各実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

（第１実施形態）
まず、図１及び図２を参照して、本発明に係る転がり軸受の第１実施形態について説明する。

図１に示すように、本実施形態の転がり軸受である円筒ころ軸受１１０は、内周面に外輪軌道面１１１ａを有する外輪１１１と、外周面に内輪軌道面１１２ａを有する内輪１１２と、外輪軌道面１１１ａと内輪軌道面１１２ａとの間に転動可能に配設される複数の円筒ころ（転動体）１１３と、複数の円筒ころ１１３を円周方向に略等間隔に保持する保持器１１４と、を備える。

保持器１１４は、外輪１１１の内周面によって回転案内される外輪案内形式であって、図２に示すように、軸方向に互いに同軸に離間配置される一対の円環部１１５と、一対の円環部１１５を連結すべく、円周方向に略等間隔で配置される複数の柱部１１６と、円周方向に互いに隣り合う各柱部１１６の間に形成され、円筒ころ１１３を転動可能に保持するポケット部１１７と、を有する。

そして、本実施形態では、保持器１１４は、引張強度が２ＧＰａ以上で、且つ引張弾性率が５０ＧＰａ以上の有機繊維材、例えば、表１に示すパラ系アラミド繊維、ポリアリレート繊維、及びポリパラフェニレンベンズビスオキサザール繊維等の有機繊維材を１０〜４０重量％含有する樹脂組成物により形成される。また、本実施形態では、外輪１１１は、通常の軸受鋼からなり、外輪１１１の内周面であり保持器１１４を案内する案内面１１１ｂには、案内面１１１ｂを保護するための硬質化処理等は施されていない。

パラ系アラミド繊維としては、具体的には、ポリパラフェニレンテレフタラミドと、それに第３成分としてジアミンを共重合させて延伸性等を改善したコポリパラフェニレン−３，４’−オキシジフェニレンテレフタラミドがある。ポリアリレート繊維は、二価フェノールと芳香族ジカルボン酸との重縮合物である全芳香族ポリエステル繊維のことである。ＰＢＯ繊維は、ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール（又はポリパラフェニレンベンゾビスオキサザール）繊維のことである。

引張強度が２ＧＰａ以上で、且つ引張弾性率が５０ＧＰａ以上の有機繊維材としては、表１に示すパラ系アラミド繊維、ポリアリレート繊維、及びポリパラフェニレンベンズビスオキサザール繊維以外に、超高分子量ポリエチレン繊維やＰＡＮ系炭素繊維がある。但し、超高分子量ポリエチレン繊維は、融点が１４０℃程度であるため、使用時に軟化する可能性がある。また、ＰＡＮ系炭素繊維は、繊維自体が剛直であるため、鉄系の相手材を傷付ける可能性があり、また、減衰特性も劣るため、適用は好ましくない。さらに、メタ系アラミド繊維は、強度不十分のため、適用に好ましくない。

これに対して、表１に示すパラ系アラミド繊維、ポリアリレート繊維、及びポリパラフェニレンベンズビスオキサザール繊維は、高強度でありながら柔軟性を有し、繊維自体の減衰特性に優れるため、これを有機繊維材としてベース樹脂に含有させることで、合成樹脂強化材全体の減衰特性を格段に向上させることができ、摺動音の低減が可能となる。

また、本実施形態では、表１に示すパラ系アラミド繊維、ポリアリレート繊維、及びポリパラフェニレンベンズビスオキサザール繊維は、ベース樹脂との接着性を向上させるために、繊維表面にウレタン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ビスマレイミド樹脂から選ばれる少なくとも１つのサイジング剤で処理されている。

また、有機繊維材の繊維径は、平均直径で６〜２１μｍが好ましく、より好ましくは８〜１５μｍである。有機繊維材の平均直径が６μｍ未満の場合は、繊維径が細すぎて一本あたりの強度が低くなり、安定した製造が難しく実用性が低い。一方、有機繊維材の平均直径が２１μｍを越える場合は、繊維一本あたりの強度は増加するものの、繊維が太く、また、本数が少なくなるため、保持器１１４全体の均一な樹脂強化が困難になり、好ましくない。

有機繊維材の長さは、保持器１１４内でできるだけ長い状態で存在することが強度の面では好適である。その点では、保持器１１４の射出成形に用いるペレットは、有機繊維材の１〜３ｍｍ程度の短繊維（チョップドストランド）がランダムに分散した短繊維ペレット（ペレット長：約３ｍｍ）に比べて、有機繊維材がペレットに対して平行に配向している長繊維ペレット（ペレット長が７〜１１ｍｍ）を用いた方が、射出成形によって得られる保持器１１４内において、有機繊維材をより長い状態で存在させることが可能であり、強度が高く好適であると共に、製造コストを削減可能である。

なお、表１に示す有機繊維材の一部に、鉄系材料への傷付性がなく強度が低いものの耐熱性に優れる高耐熱性有機繊維材を混在させてもよい。具体的には、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）繊維やポリイミド（ＰＩ）繊維等である。

保持器１１４を形成する樹脂組成物中の有機繊維材の含有量は、樹脂組成物全体の１０重量％以上４０重量％以下、より好ましくは１５重量％以上３０重量％以下である。有機繊維材の含有量が１０重量％未満であると、機械的強度の向上があまり得られず、保持器としての実用性が低い。一方、有機繊維材の含有量が４０重量％を超えると、溶融成形時の樹脂組成物の流動性を充分に確保することが困難となり、射出成形等で成形する場合、生産性等に影響を及ぼし、好ましくない。

また、保持器１１４を形成する樹脂組成物のベース樹脂としては、一定以上の耐熱性を有する熱可塑性樹脂を使用することができる。また、保持器１１４として要求される耐疲労性を満足するために、結晶性樹脂が好適であり、具体的には、ポリアミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂等である。

ポリアミド樹脂としては、ポリアミド６、ポリアミド６６、ポリアミド４６等の耐疲労性に優れる分子構造中にアミド結合を多く含有する脂肪族ポリアミド樹脂の他、吸水による寸法変化を抑えることを優先する場合は、より低吸水な芳香族ポリアミド樹脂、或いは分子構造中にアミド結合が少ない脂肪族ポリアミド、いわゆるハイナイロンを使用するとより好適である。ハイナイロンとしては、融点が２００℃のポリアミド６１０、ポリアミド６１２等を好適に使用することができる。芳香族ポリアミド樹脂としては、ポリアミド６Ｔ／６Ｉ等の変性ポリアミド６Ｔ、ポリアミドＭＸＤ６、ポリアミド９Ｔ、ポリアミド４Ｔ等を使用することができる。

なお、表１に示す有機繊維材の他に、樹脂の熱劣化等を防止する添加剤を別途添加してもよい。添加剤としては、アミン系酸化防止剤、フェノール系酸化防止剤、ヨウ化銅−ヨウ化カリウム系熱安定剤等を例示できる。これらの中で、アミン系酸化防止剤、ヨウ化銅−ヨウ化カリウム系熱安定剤は、耐熱性の向上効果が大きく、より好適である。

以上説明したように、本実施形態の転がり軸受１１０によれば、保持器１１４は、引張強度が２ＧＰａ以上で、且つ引張弾性率が５０ＧＰａ以上の有機繊維材を１０〜４０重量％含有する樹脂組成物により形成されるため、金属材料に対して傷付性がなく、且つ柔軟性を有する保持器１１４を得ることができる。これにより、例え、保持器１１４から強化繊維材である有機繊維材が露出したとしても、保持器１１４による外輪１１１の案内面１１１ｂの摩耗を防止することができるので、軸受１１０の潤滑状態を良好に維持することができ、信頼性が高く、軸受寿命を向上することができる。また、ガラス繊維より低密度な有機繊維材を使用しているので、保持器１１４の軽量化を図ることができる。さらに、軸受鋼製の外輪１１１よりも柔軟な有機繊維材を使用しているので、外輪１１１の案内面１１１ｂの硬質化処理を省略することができ、製造コストを削減することができる。

（第２実施形態）
次に、図３及び図４を参照して、本発明に係る転がり軸受の第２実施形態について説明する。

図３に示すように、本実施形態の転がり軸受であるアンギュラ玉軸受１２０は、内周面に外輪軌道面１２１ａを有する外輪１２１と、外周面に内輪軌道面１２２ａを有する内輪１２２と、外輪軌道面１２１ａと内輪軌道面１２２ａとの間に転動可能に配設される複数の玉（転動体）１２３と、複数の玉１２３を円周方向に略等間隔に保持する保持器１２４と、を備える。

保持器１２４は、外輪１２１の内周面によって回転案内される外輪案内形式であって、図４に示すように、板状の円環部材１２５と、この円環部材１２５に円周方向に略等間隔で形成され、玉１２３を転動可能に保持する複数のポケット部１２６と、を有する。

そして、本実施形態では、保持器１２４は、引張強度が２ＧＰａ以上で、且つ引張弾性率が５０ＧＰａ以上の有機繊維材を１０〜４０重量％含有する樹脂組成物により形成される。また、本実施形態の樹脂組成物は、上記円筒ころ軸受１１０の保持器１１４を形成する樹脂組成物と同一である。また、本実施形態では、外輪１１１は、通常の軸受鋼からなり、外輪１１１の内周面であり保持器１１４を案内する案内面１１１ｂには、案内面１１１ｂを保護するための硬質化処理等は施されていない。

以上説明したように、本実施形態の転がり軸受１２０によれば、保持器１２４は、引張強度が２ＧＰａ以上で、且つ引張弾性率が５０ＧＰａ以上の有機繊維材を１０〜４０重量％含有する樹脂組成物により形成されるため、金属材料に対して傷付性がなく、且つ柔軟性を有する保持器１２４を得ることができる。これにより、例え、保持器１２４から強化繊維材である有機繊維材が露出したとしても、保持器１２４による外輪１２１の案内面１２１ｂの摩耗を防止することができるので、軸受１２０の潤滑状態を良好に維持することができ、信頼性が高く、軸受寿命を向上することができる。また、ガラス繊維より低密度な有機繊維材を使用しているので、保持器１２４の軽量化を図ることができる。さらに、軸受鋼製の外輪１２１よりも柔軟な有機繊維材を使用しているので、外輪１２１の案内面１２１ｂの硬質化処理を省略することができ、製造コストを削減することができる。

次に、本発明の効果を確認するために、実施例１〜４及び比較例１，２の転がり軸受について回転試験を行った。なお、転がり軸受については、図３に示すアンギュラ玉軸受と同様のものを使用した。

実施例１〜４及び比較例１，２のアンギュラ玉軸受の仕様は次の通りである。
試験軸受：６５ＢＮＲ１０ＤＢＢ（内径φ６５ｍｍ、外径φ１００ｍｍ、幅１８ｍｍ、接触角１８°、４列組合せ）
内外輪材質：ＳＵＪ２（実施例１〜４、比較例１）、浸炭窒化鋼ＳＨＸ（比較例２）
保持器材質：下記表２参照。
なお、表２中の長繊維パラ系アラミド繊維とは、サイジング剤処理されたコポリパラフェニレン−３，４’−オキシジフェニレンテレフタラミド、繊維径１２μｍ／本、繊維長さ９ｍｍ（ペレット長）のことで、ポリアリレート繊維とは、サイジング剤処理されたもので、クラレ製ベクトラン高強力タイプ、繊維径約１０μｍ／本、繊維長さ１ｍｍのことである。また、比較例４，５の保持器は、炭素繊維３０％入りＬ−ＰＰＳ材（ポリプラスチックス製フォートロン２１３０Ａ１）で作成した。
転動体：Ｓｉ３Ｎ４
組込み時予圧荷重：３００Ｎ

（試験条件）
（１）試験回転数：１５０００ｍｉｎ−１
（２）回転時間：１０００ｈｒ
（３）潤滑グリース：ＭＴＥグリース（Ｂａコンプレックス−エステル油グリース）
（４）測定項目：初期トルク、１０００ｈｒ後の外輪案内面の摩耗状態
試験結果を表３に示す。

表３から明らかなように、実施例１〜４は摩耗が発生しないのに対して、比較例１は僅かに摩耗が発生していることから、保持器を本発明の有機繊維材を含有する樹脂組成物により形成することで、外輪案内面への傷付性がなくなり、外輪案内面の摩耗が防止されることがわかった。

さらに、表３から明らかなように、実施例１〜４は摩耗が発生しないのに対して、比較例２は殆ど摩耗が発生しないことから、保持器を本発明の有機繊維材を含有する樹脂組成物により形成することで、内外輪に安価な通常の軸受鋼（ＳＵＪ２）を用いたとしても、コスト高となる浸炭窒化鋼と同等の摩耗低減効果が得られることがわかった。

１１０円筒ころ軸受（転がり軸受）
１１４保持器
１２０アンギュラ玉軸受（転がり軸受）
１２４保持器

Claims

回転軸を支承し、外輪と内輪と合成樹脂製の保持器とを有する外輪案内形式の転がり軸受であって、
前記外輪及び前記内輪の材質がＳＵＪ２（軸受鋼）であり、
前記外輪の前記保持器を案内する案内面には、硬質化処理が施されておらず、
前記保持器は、引張強度が２ＧＰａ以上で、且つ引張弾性率が５０ＧＰａ以上の有機繊維材を１０〜４０重量％含有する樹脂組成物により形成されており、
前記有機繊維材は、パラ系アラミド繊維、ポリアリレート繊維、及びポリパラフェニレンベンズビスオキサザール（ＰＢＯ）繊維から選ばれる少なくとも１つであって、サイジング剤で処理され、
前記サイジング剤が、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、及びビスマレイミド樹脂から選ばれる少なくとも１つであることを特徴とする転がり軸受。