JP5644474B2 - 円筒ころ軸受及び工作機械用主軸装置 - Google Patents

Description

本発明は、円筒ころ軸受及び工作機械用主軸装置に関し、より詳細には、高速回転する工作機械の主軸や高速モータ等に用いられ、グリース潤滑が採用される円筒ころ軸受及びそれを用いた工作機械用主軸装置に関する。

例えば、マシニングセンタ、ＣＮＣ旋盤、フライス盤等の工作機械の主軸装置は、ワークの加工効率や精度を高める等の理由から高速回転で運転される傾向が顕著である。

一般に、工作機械の主軸装置において、主軸は、前側及び後側にそれぞれ配置された転がり軸受でハウジングに対して回転自在に支持され、通常、前側の転がり軸受は主軸の軸方向変位を許容しない構造とされ（固定側）、後側の転がり軸受は運転時の熱による主軸の軸方向膨張量を吸収し又は逃がすため、主軸の軸方向変位を許容できる構造とされる（自由側）。

主軸の自由側で支持する転がり軸受としては、円筒ころ軸受が使用されている。円筒ころ軸受１０１としては、例えば、図１２に示すように、外輪１０２と内輪１０３との間に配置される複数の円筒ころ１０４を保持する保持器１０５が、柱部１０５ｂの外周面よりも突出する一対のリム部１０５ａの外周面を案内部１０６として、外輪案内されている。

また、主軸装置においては、転がり軸受は、取り扱いやすく、環境面やコスト面で有利なグリース潤滑が採用される。

また、グリース等の潤滑剤では潤滑性を確保できないような高温・高圧下で使用される軸受として、潤滑材料で保持器を構成し、該保持器が軌道輪の軌道面に接触案内する案内部を有するもの（例えば、特許文献１参照。）や、保持器の外周面に形成された凹部に固体潤滑剤を配置し、固体潤滑剤を軌道面に摺接させたものが知られている（例えば、特許文献２参照。）。さらに、円弧状の複数の保持器素子を円周方向に直列に組み合わせる事により構成される分割型保持器において、柱部の一部に案内部を設けたものが開示されている（例えば、特許文献３参照。）。

特開平９−４９５２５号公報 特開２００３−２３９９９３号公報 特開２００９−９７５２５号公報

ところで、主軸を支持する転がり軸受において、軸受内部でのグリースの排出性が悪いと、軸受内部が潤滑剤過多の状態となり、攪拌熱によって異常昇温や温度の脈動が発生する。そのため、軸受温度が上昇すると、転がり軸受が破損する可能性がある。特に、円筒ころ軸受の場合、内輪軌道面及び外輪軌道面と円筒ころとの転がり接触部は線接触するため、点接触の玉軸受に比べて昇温しやすい。

さらに、円筒ころ軸受をグリース潤滑する場合、封入されたグリースを軸受内部に均等に分散させたり、或いは余剰グリースを軸受周辺部に移動させる、所謂、ならし運転が不可欠である。

このため、図１２に示すような外輪案内保持器を有する円筒ころ軸受の場合には、保持器の案内面と外輪軌道面との間のすきまが狭いため、グリースが排出されにくい傾向があり、また、グリースのならし運転に時間がかかる。

また、図１２に示すような円筒ころ軸受の場合には、保持器の案内部が円筒ころの軸方向両側近傍に位置するため、軸受が回転するとグリース溜りＧは、保持器の外側にでき、基油が円筒ころまで届きにくい。このため、油膜が切れやすく、軸受寿命が低下するとともに、潤滑寿命が短いという課題も存在する。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、グリースの排出をスムーズに行うことができ、異常昇温や温度の脈動を抑制することができ、且つ、グリースの潤滑寿命を向上することができる円筒ころ軸受、及びそれを用いた工作機械用主軸装置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） 内周面に外輪軌道面が形成される外輪と、
外周面に内輪軌道面が形成される内輪と、
前記外輪軌道面と前記内輪軌道面との間に転動自在に配置される複数の円筒ころと、
環状の一対のリム部及び該一対のリム部を軸方向に連結する複数の柱部を有し、前記複数の円筒ころを回転自在にそれぞれ保持する複数のポケットを形成する保持器と、
を備え、グリース潤滑される円筒ころ軸受であって、
前記保持器は、少なくとも３箇所の前記柱部の外周面又は内周面に、前記リム部の外周面又は内周面より径方向に突出する案内部を有し、該案内部により軌道輪案内され、
前記案内部の円周方向幅を前記案内部が形成される外周面又は内周面の円周方向幅よりも狭くすることで設けられる前記案内部と前記柱部との境界部分には、前記グリースを保持するグリース溜りが形成され、
前記案内部の案内面は、前記保持器の中心を曲率中心とする曲率を有する円弧面と、該円弧面の円周方向両側で、該円弧面の曲率より大きな他の曲率を有する他の円弧面と、を有する複数の円弧面によって形成されることを特徴とする円筒ころ軸受。
（２） 前記案内部の軸方向幅は、前記ポケットの軸方向幅以下に設定されることを特徴とする（１）に記載の円筒ころ軸受。
（３） 主軸が（１）又は（２）に記載の円筒ころ軸受により回動自在に支持されることを特徴とする工作機械用主軸装置。

本発明の円筒ころ軸受によれば、保持器は、少なくとも３箇所の柱部の外周面又は内周面に、リム部の外周面又は内周面より径方向に突出する案内部を有し、該案内部により軌道輪案内されるので、グリースの排出をスムーズに行うことができ、異常昇温や温度の脈動を抑制することができる。
また、案内部の円周方向幅を案内部が形成される外周面又は内周面の円周方向幅よりも狭くすることで設けられる案内部と柱部との境界部分には、グリースを保持するグリース溜りが形成されるので、グリース溜りが円筒ころと軌道輪との転がり接触部の近傍に位置し、軌道面との摩擦が減少して潤滑寿命を向上することができる。
さらに、案内部の案内面は、保持器の中心を曲率中心とする曲率を有する円弧面と、該円弧面の円周方向両側で、該円弧面の曲率より大きな他の曲率を有する他の円弧面と、を有する複数の円弧面によって形成されるので、軌道面に対する保持器の案内面のエッジあたりを軽減して、摩擦を減少することができる。

また、本発明の工作機械用主軸装置によれば、主軸の異常昇温や温度の脈動が抑制され、潤滑寿命を向上した本発明の円筒ころ軸受によって回動自在に支持されるので、工作機械主軸装置の加工精度を高いレベルに保つことが可能である。

本発明の第１実施形態に係る円筒ころ軸受が適用される工作機械用主軸装置を示す縦断面図である。 図１の円筒ころ軸受の断面図である。 （ａ）は、保持器の部分上面図であり、（ｂ）は、（ａ）のIII−III線に沿った断面図である。 図３の保持器に対して、案内部の軸方向幅を変更した保持器の変形例を示し、（ａ）は、保持器の部分上面図であり、（ｂ）は、（ａ）のIV−IV線に沿った断面図である。 （ａ）は、図３の保持器のポケット形状を示す断面図であり、（ｂ）は、保持器のポケット形状の変形例を示す断面図である。 図３の保持器に対して、案内部の形状を変更した保持器の変形例を示す、図４（ｂ）に対応する断面図である。 本発明の第２実施形態に係る円筒ころ軸受の保持器を示し、（ａ）は、保持器の部分上面図であり、（ｂ）は、（ａ）のVII−VII線に沿った断面図である。 図３の保持器に対して、案内部の数を変更した変形例であり、（ａ）は、保持器の部分上面図であり、（ｂ）は、（ａ）のVIII−VIII線に沿った断面図である。 図３の保持器に対して、案内部の形状を変更した更に他の変形例の断面図である。 本発明が内輪案内型の保持器が適用された円筒ころ軸受の断面図である。 （ａ）は、図２の円筒ころ軸受において内輪案内型の保持器が適用された円筒ころ軸受の断面図であり、（ｂ）は、図１０の円筒ころ軸受において外輪案内型の保持器が適用された円筒ころ軸受の断面図である。 従来の円筒ころ軸受の断面図である。

以下、本発明に係る円筒ころ軸受及びそれを用いた工作機械用主軸装置の各実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の円筒ころ軸受が適用される工作機械用主軸装置の縦断面図である。図１に示すように、主軸装置１０の主軸１１は、転がり軸受であるアンギュラ玉軸受１２及び円筒ころ軸受１によって主軸ハウジング１３内に支持されている。

主軸ハウジング１３は、ハウジング本体１４と、ハウジング本体１４の前端（図中左側）に内嵌固定された前側軸受ハウジング１５と、ハウジング本体１４の後側（図中右側）に内嵌固定された後側軸受ハウジング１６と、前側軸受ハウジング１５の端部に設けられた外輪押さえ部材１７と、後側軸受ハウジング１６の後部に設けられたカバー１９と、を備える。

主軸１１は、前側軸受ハウジング１５に内嵌する２つのアンギュラ玉軸受１２，１２と、後側軸受ハウジング１６の内側に設けられたスリーブ１８に内嵌する１つの円筒ころ軸受１に支持されることにより、主軸ハウジング１３に対して回転自在に支承されている。２つのアンギュラ玉軸受１２，１２の外輪間、及び外輪の軸方向外側には、複数の外輪間座２０が配置されており、また内輪間、及び内輪の軸方向外側には、複数の内輪間座２１が配置されている。さらに、円筒ころ軸受１の外輪２（図２参照。）の軸方向両側にも、複数の外輪間座３０，３０が配置されており、内輪３（図２参照。）の軸方向両側にも複数の内輪間座３１，３１が配置されている。

主軸１１の軸方向の略中央部には、ロータ４０が外嵌固定されている。ロータ４０の外周面側には、ステータ４１が所定距離離れて同軸配置されている。ステータ４１は、ステータ４１の外周面側に配置されたステータ固定部材４２を介してハウジング本体１４に固定されている。ハウジング本体１４とステータ固定部材４２との間には、主軸１１の周方向に沿う方向に溝４３が形成されている。この複数の溝４３内には、ステータ４１の冷却用の冷媒が流される。

同様に、ハウジング本体１４と前側軸受ハウジング１５との間であって、アンギュラ玉軸受１２の外周側にあたる部位には、ハウジング及び軸受冷却用の冷媒が流される溝４４が形成されている。

また、２つのアンギュラ玉軸受１２，１２及び円筒ころ軸受１は、グリースによって潤滑され、ハウジング本体１４、前側軸受ハウジング１５及び後側軸受ハウジング１６には、グリースを装置外に排出するためのグリース排出路４５が形成されている。なお、これらの軸受１２，１２，１は、潤滑装置を用いて軸受外部からグリースを軸受に補給するグリース補給潤滑であってもよいが、本実施形態では、予め軸受内部に封入されたグリースによって軸受１２，１２，１を潤滑するグリース潤滑が行われている。

図２に示す円筒ころ軸受１は、内周面に外輪軌道面２ａが形成される鍔無しの外輪２と、外周面に内輪軌道面３ａが形成されると共に、内輪軌道面３ａの両側に鍔部３ｂを有する内輪３と、外輪軌道面２ａと内輪軌道面３ａとの間に転動自在に配置された複数の円筒ころ４と、複数の円筒ころ４を回転自在にそれぞれ保持する複数のポケット５ｃを形成する外輪案内型の保持器５と、を備える。

図３にも示すように、保持器５は、環状の一対のリム部５ａ及び一対のリム部５ａを軸方向に連結する複数の柱部５ｂを有し、樹脂材料を射出成形することで形成される。また、保持器５は、各柱部５ｂの外周面に、リム部５ａの外周面より径方向外側に突出する複数の案内部６を有し、これら案内部６により外輪案内される。案内面６ａを構成する案内部６の外周面は、保持器５の中心を曲率中心とした円弧面に沿って形成され、外輪軌道面２ａと案内面６ａとの間の案内隙間（直径隙間）ｇを０．２０〜１．０ｍｍとしている。

案内部６の軸方向幅Ｍは、円筒ころ４の軸方向幅Ｌよりも該軸方向幅Ｌとポケット５ｃの軸方向幅Ｐとの差：ΔＰ（ΔＰ＝Ｐ−Ｌ）だけ小さくした値以下に設定される（即ち、Ｍ≦Ｌ−ΔＰ）。この場合、保持器５がポケット５ｃのすきま分だけ軸方向に移動しても、保持器５によるグリースの掻き取りがなく、円筒ころ４の近傍にグリースを保持することができる。

なお、案内部６の軸方向幅Ｍは、ポケット５ｃの軸方向幅Ｐ以下に設定されればよく（図４参照。）、保持器５の案内面６ａによって円筒ころ４近傍のグリースが掻き取られにくく、グリース溜りＧがより円筒ころ４の近傍にできるため、潤滑寿命を向上できる。ただし、軸方向幅Ｍは、図２に示すように、Ｌ−ΔＰ以下に設定されることがより好ましい。

一方、案内部６の軸方向幅Ｍは、保持器５の傾きによる案内部６の偏当りを考えると、好ましくは、円筒ころ４の軸方向幅Ｌの１／３以上、より好ましくは軸方向幅Ｌの１／２以上であることが好ましい。

また、図３（ｂ）に示すように、案内部６の円周方向幅Ｍ１は、柱部５ｂの円周方向幅Ｍ２よりも狭く設計されており、案内部６の円周方向側面と柱部５ｂの外周面との境界部分７にグリース溜りＧ１が形成される。従って、案内部６の円周方向幅Ｍ１を狭くすることで、外輪軌道面２ａとの摩擦が減少して軸受寿命を向上することができ、また、グリース溜りＧ１によって潤滑寿命を向上することができる。

さらに、ポケット５ｃの外径側の円周方向開口幅Ｗは、円筒ころ４の直径に対して０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍ程度だけ小さくしており、ある一定の圧力で円筒ころ４を挿入可能としている。この本実施形態では、円周方向開口幅Ｗを規定する、柱部５ｂの外径側の円周方向端部（口元部）５ｂ１には、案内部６が設けられていないので、金属材料や高強度の樹脂材料を保持器５に使用した場合であっても、この円周方向端部５ｂ１の強度が強すぎて、円筒ころ４が挿入できない、または、円周方向端部５ｂ１に塑性変形や欠けなどの不具合が発生することを防止することができる。

このように構成された円筒ころ軸受１では、柱部５ｂの外周面に案内部６を設けたことで、グリースの排出をスムーズに行うことができ、異常昇温を抑制することができ、安定した運転が可能となる。また、グリースをならし運転する際の時間も短縮化することができる。さらに、工作機械を長時間使用していない場合に、グリースが軸受内部に溜まっても、グリースの排出がよくなり、軸受が異常昇温により破損する可能性が少なくなる。

また、本実施形態の円筒ころ軸受１は、保持器１０５の案内部１０６が円筒ころ１０４の軸方向両側近傍に位置する、図１２に示すような円筒ころ軸受１０１に比べて、円筒ころ４の近傍にグリース溜りＧを形成することができる。グリースは、増ちょう剤の中に基油を含んだ状態なので、昇温等の作用が加わると、基油はグリース内をある程度移動することができ、グリース溜りＧが外輪軌道面２ａとつながっていると、表面張力効果や濡れ性効果も作用して、グリースを外輪軌道面２ａと円筒ころ４の転動面との転がり接触部へと導きやすく、油膜切れの発生を抑制することができる。また、本実施形態では、軸受内部にグリース溜りＧを大きく確保することができ、より多くのグリースを軸受内部に残存できる。従って、本実施形態のような封入グリースによるグリース潤滑であっても、十分な潤滑寿命を確保することができる。

さらに、工作機械用主軸装置１０の主軸１１としては内輪回転の場合が主であり、主軸１１の温度分布としては、回転側部材（内輪側）の温度が静止側部材（外輪側）の温度より高くなる。また、本実施形態のような、主軸１１の前側軸受（固定側）と後側軸受（自由側）との間にモータを設けた所謂、モータビルトイン主軸の場合、モータの発熱の影響が付加される。本実施形態の円筒ころ軸受１は、図１２に示す円筒ころ軸受１０１に比べ、外輪２に対する内輪３のスライド許容量を増加することができるので（Δr1＜Δr2）、主軸１１が温度上昇により膨張して外輪２に対して内輪３が主軸後方に移動したとしても、保持器５の案内部６が外輪軌道面２ａから外れてしまうのを防止することができる。

また、本実施形態では、案内部６と柱部５ｂとの境界部分７には、グリースを保持するグリース溜りＧ１が形成されるので、グリース溜りＧ１が円筒ころ４と外輪軌道面２ａとの転がり接触部の近傍に位置し、潤滑寿命を向上することができる。

なお、本実施形態では、外径側の円周方向端部５ｂ１を除いた柱部５ｂの円周方向側面は、図５（ａ）に示すように、円弧面５ｂ２によって形成されているが、図５（ｂ）に示すように、傾斜の異なる２つのテーパ面５ｂ３，５ｂ４によって形成されることで、２つのテーパ面５ｂ３，５ｂ４間にグリース溜りＧ３ができやすくなる。

また、本実施形態では、案内部６の案内面６ａを単一の円弧面によって形成したが、図６に示すように、２つの曲率Ｒ１，Ｒ２を有する複数の円弧面によって形成することで、外輪軌道面２ａに対する保持器５の案内面６ａのエッジあたりを軽減して、摩擦を減少することができる。なお、曲率Ｒ１は、保持器５の中心を曲率中心とするのが好ましい。この場合にも、案内部６と柱部５ｂとの境界部分７には、グリースを保持するグリース溜りＧ１が形成される。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る円筒ころ軸受について、図７を参照して説明する。なお、本実施形態は、保持器５の案内部６の形状において第１実施形態と異なるのみであるため、同一または同等部分については同一符号を付して、説明を省略或いは簡略化する。

本実施形態の保持器５の案内部６には、案内面６ａの円周方向中間部に軸方向に沿って延びる凹部６ｂが形成されている。従って、この保持器５には、案内部６と柱部５の境界部分７に形成されたグリース溜りＧ１に加えて、案内部６の凹部６ｂに他のグリース溜りＧ２が形成されるので、潤滑寿命をより向上することができる。また、案内面６ａの円周方向幅が短くなるので、外輪軌道面２ａとの接触面積もさらに減り、摩擦を減少することができる。さらに、射出成形で保持器５を製作する場合、この凹部６ｂにパーティングライン（成形型の分割型の合わせ面を言う）を設けるように成型すれば、案内面６ａにバリ等ができることを防止することができ、バリ取りのためのバレル処理等の工程を削減することができる。

なお、図７に示す実施形態では、凹部６ｂは、案内面６ａの円周方向中間部に軸方向に沿って形成されているが、図９に示すように、案内面６ａの軸方向中間部に周方向に沿って形成されてもよい。この場合にも、凹部６ｂにグリースが溜まることで、潤滑寿命を向上することができ、また、この凹部６ｂから軸方向にグリースが排出されることで、グリースのならし性を向上することができる。

なお、本発明は、前述した各実施形態に限定されるものでなく、適宜、変形、改良等が可能である。

上記実施形態では、案内部６は、全ての柱部５ｂに設けられているが、円周方向に等間隔で少なくとも３箇所の柱部５ｂに設けられればよく、例えば、図８に示すように、案内部６は、１つおきの柱部５ｂに設けられてもよい。

さらに、本発明は、内輪案内型の保持器５に適用された場合も上記実施形態と同様の効果を奏する。即ち、図１０に示すように、内周面に外輪軌道面２ａ及び鍔部２ｂが形成される外輪２と、外周面に内輪軌道面３ａが形成される鍔無しの内輪３と、を有する円筒ころ軸受１において、案内部６が、柱部５ｂの内周面にリム部５ａの内周面より径方向内側に突出するように設けられる。

また、図２や図１０に示す保持器５は、鍔無しの外輪２又は内輪３に案内される構成としたが、鍔部２ｂ，３ｂを有する外輪２又は内輪３に案内される構成としてもよい。即ち、図１１（ａ）に示すように、内輪軌道面３ａと両側の鍔部３ｂとによって形成される軌道溝内に案内部６を配置する内輪案内型の保持器５であってもよく、また、図１１（ｂ）に示すように、外輪軌道面２ａと両側の鍔部２ｂによって形成される軌道溝内に案内部６を配置する外輪案内型の保持器５であってもよい。

本発明の工作機械用主軸装置１０では、モータの前側に２つのアンギュラ玉軸受１２，１２を配置し、後側に１つの円筒ころ軸受１を配置した例を挙げたが、使用される軸受は上記の配列、個数に限定されるものではなく、任意に設定可能である。例えば、モータの前側に１つの円筒ころ軸受と２つのアンギュラ玉軸受を配置し、後側に１つの円筒ころ軸受を配置してもよく、また、前側に４つのアンギュラ玉軸受を配置し、後側に１つの円筒ころ軸受を配置してもよい。

１ 円筒ころ軸受
２ 外輪
２ａ 外輪軌道面
３ 内輪
３ａ 内輪軌道面
４ 円筒ころ
５ 保持器
５ａ リム部
５ｂ 柱部
５ｃ ポケット
６ 案内部
６ａ 案内面
６ｂ 凹部
１０ 主軸装置
１１ 主軸
Ｇ１ グリース溜り
Ｇ２ 他のグリース溜り

Claims (3)

1. 内周面に外輪軌道面が形成される外輪と、
   外周面に内輪軌道面が形成される内輪と、
   前記外輪軌道面と前記内輪軌道面との間に転動自在に配置される複数の円筒ころと、
   環状の一対のリム部及び該一対のリム部を軸方向に連結する複数の柱部を有し、前記複数の円筒ころを回転自在にそれぞれ保持する複数のポケットを形成する保持器と、
   を備え、グリース潤滑される円筒ころ軸受であって、
   前記保持器は、少なくとも３箇所の前記柱部の外周面又は内周面に、前記リム部の外周面又は内周面より径方向に突出する案内部を有し、該案内部により軌道輪案内され、
   前記案内部の円周方向幅を前記案内部が形成される外周面又は内周面の円周方向幅よりも狭くすることで設けられる前記案内部と前記柱部との境界部分には、前記グリースを保持するグリース溜りが形成され、
   前記案内部の案内面は、前記保持器の中心を曲率中心とする曲率を有する円弧面と、該円弧面の円周方向両側で、該円弧面の曲率より大きな他の曲率を有する他の円弧面と、を有する複数の円弧面によって形成されることを特徴とする円筒ころ軸受。
2. 前記案内部の軸方向幅は、前記ポケットの軸方向幅以下に設定されることを特徴とする請求項１に記載の円筒ころ軸受。
3. 主軸が請求項１又は２に記載の円筒ころ軸受により回動自在に支持されることを特徴とする工作機械用主軸装置。

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