JP5872762B2 - 転がり軸受の製造方法 - Google Patents
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また、航空機ジェットエンジンのように高速で回転する主軸を支持するために使用される高速回転用転がり軸受に用いられる保持器として、引張強度が2GPa以上で、かつ引張弾性率が50GPa以上のパラ系アラミド繊維、ポリアリレート繊維、ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール繊維等の有機繊維からなる織物と、熱硬化樹脂とを一体化した有機繊維強化プラスチックからなる保持器が知られている(特許文献2)。
さらに、有機溶媒中にフェニルエチニル末端の付加型のイミドオリゴマーが重量比で20%以上溶解しているイミドオリゴマー溶液を、リキッドモールディング法によって炭素繊維を平織した織物に含浸し、有機溶媒を揮発させた後に、イミドオリゴマーを付加反応させることによって複合材料を成形する繊維強化ポリイミド複合材料の製造方法が知られている(特許文献3)。
また、上記特許文献2で開示されているシートワインディング成形法では、保持器を製造するために、例えば片側7mm以上の厚いパイプを成形しようとすると樹脂の流動、硬化収縮などが原因でパイプの外周側に「シワ」が発生する。シワが発生するとその部位は円周上の強度や弾性率が発現されないため、保持器が設計値よりも小さい負荷荷重で破損に至るという問題がある。
さらに、炭素繊維を平織した織物を用いる場合であっても、樹脂が十分に織物内に含浸せず、高温でかつ高速回転する部分の軸受用保持器としての機械的強度や耐熱性が得られない場合があるという問題がある。
特に上記炭素繊維材は、モノフィラメントが1000本〜5000本の繊維束または該繊維束を用いた織布であることを特徴とする。
上記熱硬化性樹脂は、酸無水物硬化エポキシ樹脂、または芳香族イミド結合を分子内に含むイミド樹脂であることを特徴とする。
熱硬化性樹脂としては、硬化反応により3次元網目構造となる樹脂(a)および成形後熱処理または化学的処理により不溶不融性となる樹脂(b)を含む。樹脂(a)の一例としてはエポキシ樹脂が、樹脂(b)の一例としては芳香族ポリアミック酸から変換される芳香族ポリイミド樹脂がそれぞれ挙げられる。
酸無水物は液状の酸無水物が好ましく、2,4ジエチルグルタル酸無水物、メチルエンドメチレンテトラヒドロフタル酸無水物、メチルテトラヒドロフタル酸無水物等が挙げられる。これらの中で、2,4ジエチルグルタル酸無水物が粘度が低く含浸性に優れるためRTF法に好ましい。
また、酸無水物硬化エポキシ樹脂は後述する付加型イミド樹脂と併用して使用することができる。
ここでのガラス転移温度とは、粘弾性分析装置を用い以下の方法で求めた値とする。まず、それぞれの樹脂を最適条件で熱硬化させることで、長さ40mm、幅10mm、厚さ1mmの平板試験片を成形した。続いて、3点曲げ形態(標線間距離20mm)で評価できるよう粘弾性分析装置(SII社製DMS6110)内に設置し、空気雰囲気において−50℃から400℃まで2℃/分の昇温速度で昇温させ、0.5Hzの周波数で負荷をかけたときの温度に対する損失弾性率(E”)および貯蔵弾性率(E’)をそれぞれ求めた。損失弾性率を貯蔵弾性率で除した値(tanδ)が極大値となった時の温度をガラス転移温度とした。
ビスマレイミド樹脂としては市販各種モノマーを組み合わせるなどして使用することができ、例えば大和化成工業社製BMI−1000、BMI−2000、BMI−3000、BMI−4000、BMI−5000、BMI−7000、京セラケミカル社製イミダロイKIR−30などが挙げられる。また、ビスマレイミドを含む樹脂として、ビスマレイミドトリアジン樹脂(三菱ガス化学社製BTレジン)などが挙げられる。
芳香族ポリイミドオリゴマー樹脂としては、芳香族イミド結合を分子内に含むイミド樹脂として分子鎖が屈曲して捩れた立体構造から芳香族面が非平面となる非対称イミド樹脂が挙げられる。非対称イミド樹脂とすることにより、成形性が優れる。特に非対称芳香族ポリイミドオリゴマー樹脂が好ましい。
非対称芳香族ポリイミドオリゴマー樹脂としては、ビフェニルテトラカルボン酸無水物を含むイミド樹脂が挙げられる。例えば、2,3,3’,4’−ビフェニルテトラカルボン酸無水物などの非対称テトラカルボン酸無水物と芳香族ジアミンと末端基として4−(2−フェニルエチニル)無水フタル酸とを組み合わせることにより、粉末状の非対称芳香族ポリイミドオリゴマー樹脂が得られ、これを型内に注入後に熱硬化させることで成形体を得ることができる。このような市販品としては宇部興産社製PETI330が挙げられる。
また、非対称芳香族ポリイミドオリゴマー樹脂は、ジアミン成分として9,9−ビス(4−(4−アミノフェノキシ)フェニル)フルオレン、2−フェニル−4,4’−ジアミノジフェニルエーテル等を用いることにより、非対称芳香族ポリイミドオリゴマー樹脂を得ることができる。
他の芳香族ポリイミドオリゴマー樹脂の市販品としてはIST社製スカイボンド8000が挙げられる。
ポリアミドイミド樹脂は分子内に含むイミド結合とアミド結合とを含み、粉末状でも、またはこの粉末を溶剤に溶解した溶液でも得られる。ポリアミドイミド樹脂の市販品としてはソルベイアドバンスドポリマーズ社製トーロンが挙げられる。また、ポリアミドイミド樹脂は適切なポストキュアを実施することが好ましい。
また、ポリイミド樹脂の溶解性を向上させるために、ポリアミック酸を分子内に含むことができる。
また、熱硬化性樹脂に強化短繊維、各種ウィスカ、ナノフィラーであるカーボンナノファイバー、フラーレンなどナノ粒子を添加することができる。また、自己潤滑性を与えるため、グラファイト、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、窒化ホウ素などを単独あるいは複数添加することができる。
熱硬化性樹脂としてポリイミド樹脂アロイとする場合、上記イミド樹脂を少なくとも80質量%以上含むことが好ましい。上記イミド樹脂が80質量%未満ではイミド樹脂の特性が得られなくなる。
炭素繊維材として用いる糸は入手性を考慮するとポリアクリロニトリル(PAN)から製造される炭素繊維が好ましい。また、石油ピッチから作られる炭素繊維を用いてもよい。
使用する炭素繊維束としては繊維径4〜10μmのモノフィラメントを1束あたり1000〜5000本を集合したものとする。この範囲とすることにより、モノフィラメント間への樹脂の含浸がしやすく、ボイドなどの欠陥が少ない材料とすることができる。好ましくは、繊維としては1K(約1000本)、1.5K(約1500本)、3K(約3000本)を用いることができる。品質または製造技術的には1Kまたは1.5Kが好ましいが、材料の入手性を考慮すると工業的に入手が容易な3Kが好ましい。5000本をこえる太さの繊維束を用いるとフィラメント間への樹脂の含浸が難しく、ボイドなどの欠陥の原因となる可能性がある。
図1に示すように、保持器1は、円環状の保持器本体2に、転動体としてのボールを保持する転動体保持用ポケット3が一定間隔で複数設けられている。ポケット3の平面形状は、平円形状であるが、真円でもよい。ここで、平円形状とは、真円形状で必要とされるポケット隙間(ポケット内径とボール直径との差)量と一致させる隙間を間にして、その両側にボールの半径にほぼ近似するポケット面の半径で構成させた平円とする形状をいう。回転軸周方向のポケット隙間量を大きくして、ボールの進み遅れを吸収することにより、保持器にかかる負荷を減らすことができる平円形状であることが好ましい。
機械加工の方法としては、機械加工、レーザ加工、ウォータカットなどどのような加工手段を用いることができる。
また、転がり軸受としては、円筒ころ軸受、玉軸受に好適に用いることができる。
実施例および比較例に用いる原材料を一括して以下に示す。また、配合割合を表1、表2および表3に示す。
(A)高分子化合物
(1)EP−1:トリメチロールプロパントリグリシジルエーテル樹脂(ナガセケムテックス社製デナコールEX−321L)、酸無水物硬化剤(協和発酵ケミカル社製DEGAN)、硬化促進剤(四国化成工業社製OR−2E4MZ)
(2)PAI:ポリアミドイミド樹脂(ソルベイアドバンストポリマーズ社製トーロン4000T−LV)
(3)PI−1:ビフェニルポリイミド樹脂(宇部興産社製PETI330)
(4)EP−2:エポキシ樹脂プリプレグ(東邦テナックス社製101)
(5)BMI−1:ビスマレイミド樹脂プリプレグ(東邦テナックス社製301)
(6)PI−2:ビフェニルポリイミド樹脂プリプレグ(宇部興産社製PETI365)
(B)炭素繊維材(織布)
(1)1K:織布(三菱レイヨン社製TR1120(1K・平織))
(2)3K:織布(三菱レイヨン社製TR3110M(3K・平織))
(3)5K:織布(1Kの糸を5単位分重ね合わせたものを平織(単位重量約300g/m2)とした。)
(4)6K:織布(三菱レイヨン社製TR6120M(6K・平織))
(1)RTMまたはVaRTM法による円環成形とその評価
RTMまたはVaRTM法に用いた成形機を図3に示す。図3は成形機の断面図である。この成形機10は、円筒状シリンダー11の内部に、このシリンダー11の内径より小径のプリフォーム用マンドレル12が同心に配置されている。マンドレル12の上下には上型金型13およびゲートプレート14がシリンダー11の内径に密接して配置されている。上型金型13にはプリフォーム用マンドレル12を突き出すエジェクターピン15a、ゲートプレート14を突き出すエジェクターピン15bからなるエジェクターピン15を備えている。ゲートプレート14にはゲート16が円周縁に設けられ、このゲートに注入される樹脂を収納する樹脂収納部18がゲートプレート14の下面とエンドプレート17上面と間に形成されている。なお、シリンダー11の外周には、シリンダー内部を加熱するためのヒーター19が設けられている。
プリプレグを幅100mmに裁断し、φ50mmのマンドレルに厚さ10mmとなるように巻き付けて、外径側からポリテトラフルオロエチレンシールテープ等を巻きつけることで成形圧力を加えた。マンドレルごと一定温度に保持した恒温槽に静置し、熱硬化させた。硬化後、円環をカッター等で切断し、外周部に生じたシワの状況を確認した。シワが生じたものを「×」、不具合のなかったものを「○」と表記した。
織布を100mm×100mmに裁断後、成形厚約2±0.3mmとなるように積層し、サイドに樹脂注入ゲートのある金型にセットした。金型類一式を真空槽内で密封し、ロータリーポンプで排気しながらリングヒータで加熱して(RTM成形の場合は常圧)、溶融温度以上で樹脂を注入し加熱圧縮成形を行なった。金型を冷却して取り出し、ポストキュア後、カッター等の機械的加工で試験片を準備し、JISK7074−1998に準拠した曲げ試験(25℃および200℃)を行なった。
(4−1)ボイド率(空洞率)算出
上記(1)および(2)の円環成形方法で成形後の試験片をアルキメデス法により密度を測定した。また、その試験片のボイド率をJISK7053に従って、下記[式1]より算出した。
ボイド率(%)=100×(試験片理論密度−試験片実際の密度)/試験片の理論密度・・・[式1]
また、試験片の理論密度は下記[式2]より算出した。
試験片の理論密度=100÷[(繊維重量÷繊維密度)+(樹脂重量÷樹脂密度)]・・・[式2]
上記(3)の方法で得られた試験片について、曲げ強度が600MPa以上であり、かつ200℃での曲げ強度保持率が50%以上であるものを強度・保持率評価「◎」とした。曲げ強度が400MPa以上600MPa未満であるものを強度・保持率評価「○」とした。
同様に曲げ弾性率が40GPa以上であり、かつ200℃における曲げ弾性率保持率が50%以上であるものを弾性率・保持率評価「◎」とした。曲げ弾性率が35GPa以上40GPa未満であるものを弾性率・保持率評価「○」とした。
円環成形および機械的強度評価の全ての項目が「○」または「◎」であったものを総合評価「○」とした。
各表に示す組成、成形方法で炭素繊維複合材料を成形して試験片を製作し、上記評価方法で評価した。なお、成形品の特性は上記(3)の方法で作成した試験片を用いた。結果を表1、表2および表3に示す。ここで、実施例1〜4は参考例とする。
2 保持器本体
3 転動体保持用ポケット
4 転がり軸受
5 内輪
6 外輪
7 転動体
8 内輪の転走面
9 外輪の転走面
10 成形機
11 円筒状シリンダー
12 プリフォーム用マンドレル
13 上型金型
14 ゲートプレート
15 エジェクターピン
16 ゲート
17 エンドプレート
18 樹脂収納部
19 ヒーター
20 織布
21 樹脂
Claims (19)
- 内輪および外輪と、この内・外輪間に介在する複数の転動体と、この転動体を保持する保持器とを備えてなる転がり軸受の製造方法であって、
母材の高分子化合物を炭素繊維材で強化してなる炭素繊維複合材料を用いて、レジントランスファーモールディング法により前記保持器を成形し、
前記炭素繊維材が炭素繊維束を用いた織布であり、
前記高分子化合物が、熱硬化後のガラス転移温度が240℃以上である熱硬化性樹脂であることを特徴とする転がり軸受の製造方法。 - 前記転がり軸受は、DN値が150万以上で、かつ使用温度が200℃以上となる用途に用いられることを特徴とする請求項1記載の転がり軸受の製造方法。
- 前記炭素繊維材の前記炭素繊維束は、モノフィラメントが1000本〜5000本の繊維束であることを特徴とする請求項1または請求項2記載の転がり軸受の製造方法。
- 前記熱硬化性樹脂が、芳香族イミド結合を分子内に含むイミド樹脂であることを特徴とする請求項1記載の転がり軸受の製造方法。
- 前記イミド樹脂は、付加型イミド樹脂であることを特徴とする請求項4記載の転がり軸受の製造方法。
- 前記付加型イミド樹脂がビスマレイミド樹脂であることを特徴とする請求項5記載の転がり軸受の製造方法。
- 前記イミド樹脂は、芳香族ポリイミドオリゴマー樹脂であることを特徴とする請求項4記載の転がり軸受の製造方法。
- 前記芳香族ポリイミドオリゴマー樹脂は、分子鎖が屈曲して捩れた立体構造から芳香族面が非平面となる非対称イミド樹脂であることを特徴とする請求項7記載の転がり軸受の製造方法。
- 前記非対称イミド樹脂がビフェニルテトラカルボン酸無水物を酸無水物成分として含むイミド樹脂であることを特徴とする請求項8記載の転がり軸受の製造方法。
- 前記イミド樹脂は、芳香族イミド結合を分子内に含む溶剤可溶性樹脂であることを特徴とする請求項4記載の転がり軸受の製造方法。
- 前記溶剤可溶性樹脂がポリアミドイミド樹脂またはポリアミック酸を分子内に含むポリイミド樹脂であることを特徴とする請求項10記載の転がり軸受の製造方法。
- 前記モノフィラメントの繊維径が4〜10μmであることを特徴とする請求項3記載の転がり軸受の製造方法。
- 前記織布が平織の織布であることを特徴とする請求項1記載の転がり軸受の製造方法。
- 前記炭素繊維複合材料全体に対して、前記炭素繊維材が45体積%〜65体積%含まれていることを特徴とする請求項1または請求項2記載の転がり軸受の製造方法。
- 前記炭素繊維複合材料の25℃での曲げ強度が600MPa以上であり、かつ200℃における前記曲げ強度保持率が前記25℃での曲げ強度値の50%以上であることを特徴とする請求項14記載の転がり軸受の製造方法。
- 前記炭素繊維複合材料の25℃での弾性率が35GPa以上であり、かつ200℃における前記弾性率保持率が前記25℃での弾性率値の50%以上であることを特徴とする請求項14または請求項15記載の転がり軸受の製造方法。
- 前記転がり軸受が航空機に搭載されるジェットエンジン主軸用軸受であることを特徴とする請求項1ないし請求項16のいずれか1項記載の転がり軸受の製造方法。
- 前記転がり軸受が円筒ころ軸受であることを特徴とする請求項17記載の転がり軸受の製造方法。
- 前記転がり軸受が玉軸受であることを特徴とする請求項17記載の転がり軸受の製造方法。
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