JP6065423B2 - 転がり軸受及び工作機械用主軸装置 - Google Patents

Description

本発明は、転がり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用主軸装置、高速モータ等に用いられる転がり軸受及びそれを用いた工作機械用主軸装置に関する。

最近の工作機械の主軸においては、高効率加工のため高速化が進み、従来の歯車駆動及びベルト駆動では、歯のかみ合い部での摩擦、ベルトのスリップによる発熱など伝達効率がよくないため、カップリングによる駆動モータ直結タイプ若しくは主軸内部にモータを搭載したいわゆる、モータビルトインタイプが主流を占めている。これらの高速主軸の場合、主軸に使用される軸受のｄｍｎ値は５０万以上がほとんどである。また、軸受の転動体に比重の小さい軽量のセラミック材料（例えば、窒化けい素など）を用いて高速回転時の転動体の遠心力を抑えた軸受では、ｄｍｎ値が１００万以上を越えるケースもある。

このような高速回転用途の軸受に使用される保持器では、軽量、かつ耐摩耗性のある合成樹脂材料保持器として、例えば、フェノール、ポリアミド、ポリフェニレンサルファイド（略称：ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（略称：ＰＥＥＫ）、ポリイミドなどが使用されており、さらには強化材として、ガラス繊維・カーボン繊維・アラミド繊維などが添加されている場合がある。

保持器は、円周方向に等間隔に形成されたポケットによって、転動体を円周方向に等間隔に配置させる。当然のことながら、転動体を円滑にポケット内で自転させるには、ポケット内面と転動体間に適正なすきま（ポケットすきま）を設ける必要がある。また、内外輪間で保持器は軸受の半径方向にもすきまを設けており、保持器の半径方向動き量は、外輪内周面と保持器外周面間、または、内輪外周面と保持器内周面間のいずれか小さい方のすきま（案内すきま）で規制される。

このため、このような保持器を組み込んだ転がり軸受においては、転動体が転がって接する内輪軌道面と外輪軌道面の形状誤差、転動体自身の形状誤差、あるいは、軸受の内輪と外輪との中心軸の芯ずれや傾き等によって、転動体は、転動体ごとに微小の遅れや進みが発生し、保持器ポケットの内面と接触する。また、保持器自身も外内輪間で不規則な挙動を生じる。この結果、保持器音と呼ばれる騒音や振動が発生することがある。

保持器音等の発生を抑制する転がり軸受として、例えば特許文献１〜３の転がり軸受が知られている。

特開２００４−１９９２１号公報 特開平１１−３４４０３５号公報 特開平２０００−８１０４２号公報

しかしながら、特許文献１〜３の転がり軸受においても、保持器音等の発生を抑制するという点において改善の余地があった。

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、保持器音を抑制可能な転がり軸受及び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） 外輪と、内輪と、前記外輪及び内輪との間に転動自在に配置される複数のころと、円周方向に所定の間隔で形成され、該複数のころをそれぞれ保持する複数のポケットを有する保持器と、を備え、該保持器の案内方式が外輪案内または内輪案内である転がり軸受であって、
前記ころは、軸方向の両側をそれぞれの端部へ向けて全周に亘って徐々に縮径させてなるクラウニング部と、該クラウニング部を一定の径寸法で連続させてなるころ直線部と、
を有し、
前記ポケットには、前記ころ直線部と対向する部分に直線形状を有するポケット直線部が形成され、
前記ポケット直線部の長さが、前記ころ直線部の長さから軸方向ポケットすきまを差し引いた長さ未満であることを特徴とする転がり軸受。
（２） グリース潤滑で使用されることを特徴とする（１）に記載の転がり軸受。
（３） （１）又は（２）に記載の転がり軸受を備えたことを特徴とする工作機械用主軸装置。

上記（１）に記載の転がり軸受によれば、ポケット直線部の長さが、ころ直線部の長さから軸方向ポケットすきまを差し引いた長さ未満であるので、保持器が傾いた際にころ直線部端とポケット直線部が摺接することを抑制することができ、保持器音を抑制することができる。

また、保持器は、軸方向ポケットすきまだけ軸方向に動くことができるので、保持器のポケット直線部の長さを、ころ直線部の長さから軸方向ポケットすきまを差し引いた長さ未満とすることで、保持器が軸方向ポケットすきま分移動しても、保持器音を抑制することができる。

上記（２）に記載の転がり軸受によれば、ポケット直線部の長さが短くなったことで、ころ直線部にグリースが入り込みやすくなり、潤滑性が向上する。

上記（３）に記載の工作機械用主軸装置によれば、高速回転させた場合であっても保持器音を抑制することができる。

本発明の一実施形態の転がり軸受の断面図である。 図１の保持器の斜視図である。 図１の転がり軸受の一部を示す平面図である。 図３のＣ−Ｃ線断面図である。 （ａ）はころの平面図である、（ｂ）は保持器の平面図である。 保持器が傾いた状態における比較例の転がり軸受の一部を示す平面図である。

以下、本発明の一実施形態に係る転がり軸受について図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態の転がり軸受の断面図、図２は図１の保持器の斜視図、図３は図１の転がり軸受の一部を示す平面図、図４は図３のＣ−Ｃ線断面図、図５（ａ）はころの平面図、図５（ｂ）は保持器の平面図。

本発明の一実施形態に係る転がり軸受１は、図１に示すように、内周面に外輪軌道面２ａを有する外輪２と、外周面に内輪軌道面３ａを有する内輪３と、外輪軌道面２ａ及び内輪軌道面３ａ間に転動自在に配置される複数のころ（転動体）４と、円周方向に所定の間隔で形成され、複数のころ４をそれぞれ保持する複数のポケット１１を有する保持器１０と、を備え、グリース潤滑で使用される。

ころ４は、図５（ａ）に示すように、回転軸線Ｑ方向の両側をそれぞれの端部へ向けて全周に亘って徐々に縮径させてなるクラウニング部５、５と、これらのクラウニング部５、５を一定の径寸法で連続させてなるころ直線部６と、から構成される。なお、クラウニング部５、５及びころ直線部６の長さや、クラウニング部５、５ところ直線部６との間の傾斜角度などは、使用条件や使用目的などに応じて任意に設定すればよいため、ここでは特に限定しない。

保持器１０は、図２〜４に示すように、軸方向に並んで配置された一対のリング部１２と、両リング部１２間を繋ぐように、円周方向に所定の間隔で配置された複数の柱部１３と、を有し、一対のリング部１２と隣り合う柱部１３によってポケット１１を構成している。

柱部１３の円周方向両側の軸方向中間部には、図５（ｂ）に示すように、直線形状を有するポケット直線部１５が形成されている。このポケット直線部１５は、保持器１０の回転軸線Ｒと平行になるように形成されており、円周側壁部１６を構成している。従って、保持器１０が傾いていない状態においては、保持器１０の回転軸線Ｒところ４の回転軸線Ｑが平面視で一致するので、ポケット直線部１５（円周側壁部１６）ところ直線部６が平行となる（図３参照）。円周側壁部１６は、ころ４の転動面であるころ直線部６と対向し転動体保持面として機能する。

また、柱部１３の円周方向両側の軸方向中間部には、柱部１３の円周側壁部１６から僅かにころ４側に突出し、円筒ころ４を確実に保持するための爪部１４が柱部１３の径方向外面から突出して設けられている。

円周側壁部１６は、回転軸方向から見て平坦面をなしており、爪部１４の内面から回転軸線Ｒと回転軸線Ｑを結ぶ線分Ｘと平行に引いた線Ｙところ４との交点Ｚと、保持器１０の爪部１４の内面との間に、径方向すきまΔＤが設けられている（図４参照）。軸方向においては、ころ４とポケット１１との間に軸方向ポケットすきまΔＰ（ころ４の円周方向両側にそれぞれΔＰ／２）が設けられている（図３参照）。

また、柱部１３の円周方向両側の軸方向両端部には、円周側壁部１６から窪むようにグリース溜まり１７が設けられている。

保持器１０は、柱部１３の径方向外面よりも大径の両リング部１２の外周面１２ａが外輪軌道面２ａによって案内される外輪案内方式である。

続いて、本発明の特徴である、保持器１０のポケット直線部１５の長さＢところ４のころ直線部６の長さＡとの関係について説明する。
本発明の転がり軸受１では、図３及び図５に示すように、保持器１０のポケット直線部１５の長さＢが、ころ４のころ直線部６の長さＡ以下となるように設定される。

ここで、比較例として、図６に、保持器のポケット直線部１５の長さＢが、ころ４のころ直線部６の長さＡより大きくなるように設定された転がり軸受を示す。なお、図５は、Ｂ＝１．１×Ａの場合である。

この比較例の転がり軸受１００では、回転中に保持器１１０が傾いた場合、ころ直線部６とクラウニング部５の接続部である直線部端７が保持器１１０のポケット直線部１５から構成される円周側壁部１６に摺接し、大きな摩擦力が発生する。また、図６では、クラウニング部５は円周側壁部１６と接触していないが、実際のクラウニング部５と円周側壁部１６との距離は数μｍ程度であるので、直線部端７のみならず、クラウニング部５も円周側壁部１６と接触するおそれがあり、さらに大きな摩擦力が発生するおそれがある。このように、ころ４の直線部端７及びクラウニング部５が、円周側壁部１６と接触し大きな摩擦力が発生することで、保持器音が発生する。

これに対し、本発明の転がり軸受１では、保持器１０のポケット直線部１５の長さＢが、ころ４のころ直線部６の長さＡ以下となるように設定されているので、回転中に保持器１０が傾いても、直線部端７及びクラウニング部５が、円周側壁部１６と接触することが回避され、大きな摩擦力が発生せず、保持器音の発生が抑制される。

保持器１０のポケット直線部１５の長さＢは、ころ４のころ直線部６の長さＡ未満であることが好ましく、保持器１０は、軸方向ポケットすきまΔＰ（図３参照）だけ軸方向に動くことができるので、保持器１０のポケット直線部１５の長さＢは、ころ４のころ直線部６の長さＡから軸方向ポケットすきまΔＰを差し引いた、Ａ−ΔＰ未満であることがさらに好ましい。ただし、ポケット直線部１５の長さＢが小さすぎると、保持器１０の強度が得られないため、ポケット直線部１５の長さＢは０．５ｍｍ以上であることが好ましい。

続いて、本発明の効果を、以下に示す実施例及び比較例に基づいて検証した。
まず、呼び番号Ｎ１０１１ＫＲ（内径φ５５ｍｍ、外径φ９０ｍｍ、幅１８ｍｍ、外輪つばなし、内輪両つば、ころ径φ８ｍｍ、ころ長さ８ｍｍ）の転がり軸受を用意した。組込後のラジアルすきまを−１５μｍとし、潤滑材としてＮＢＵ８ＥＰ（ＮＯＫクリュ−バー株式会社製）を１．５ｃｃ充填した。

保持器は、カーボン繊維を含有したポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）からなる樹脂性保持器を用いて、ポケット直線部の長さＢところ直線部の長さＡとの関係を変えて、４０００〜１２０００ｒｐｍの回転数における保持器音を評価した。

表１に示すように、ポケット直線部の長さＢところ直線部の長さＡとの関係において、Ｂ＝０．３×Ａとしたものを実施例１、Ｂ＝０．６×Ａとしたものを実施例２、Ｂ＝Ａとしたものを比較例１、Ｂ＝１．５×Ａとしたものを比較例２とした。

表１には、保持器音評価の結果について３段階で示している。評価は○、△、×の３段階とした。○は、保持器音がなく、使用上全く支障がないことを示しており、△は、小さな保持器音があるものの、使用上支障がないことを示しており、×は、大きな保持器音が大きく、使用できないことを示している。

表１の結果から、保持器のポケット直線部の長さＢが、ころ直線部の長さＡより長く設定した比較例２では、回転数によらず、使用できないほどの大きな保持器音が発生する結果となった。これに対し、保持器のポケット直線部の長さＢが、ころ直線部の長さＡ−ΔＰ未満となるように設定した実施例１、２では、回転数によらず、保持器音が小さいか、又は保持器音がないに分類されており、保持器音が抑制されていることが分かる。

以上説明したように、本発明の転がり軸受１によれば、保持器１０のポケット直線部１５の長さＢがころ直線部６の長さＡ以下であるので、保持器１０が傾いた際にころ直線部端７とポケット直線部１５とが摺接することを抑制することができ、保持器音を抑制することができる。

また、本発明の転がり軸受１によれば、ポケット直線部１５の長さが短くなったことで、ころ直線部６にグリースが入り込みやすくなり、潤滑性が向上する。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものでなく、適宜、変更、改良、等が可能である。
例えば、円周側壁部１６は、平面視で直線形状となるポケット直線部１５を有する限り、回転軸方向から見てころ４の曲率に沿って円弧面をなしていてもよい。
また、上記実施形態では、保持器１０の案内方式が外輪案内である転がり軸受１について説明したが、保持器１０の案内方式が内輪案内であってもよい。

１ 転がり軸受
２ 外輪
３ 内輪
４ ころ
５ クラウニング部
６ ころ直線部
１０ 保持器
１１ ポケット
１５ ポケット直線部
Ａ ころ直線部の長さ
Ｂ ポケット直線部の長さ
ΔＰ 軸方向ポケットすきま

Claims (3)

1. 外輪と、内輪と、前記外輪及び内輪との間に転動自在に配置される複数のころと、円周方向に所定の間隔で形成され、該複数のころをそれぞれ保持する複数のポケットを有する保持器と、を備え、該保持器の案内方式が外輪案内または内輪案内である転がり軸受であって、
   前記ころは、軸方向の両側をそれぞれの端部へ向けて全周に亘って徐々に縮径させてなるクラウニング部と、該クラウニング部を一定の径寸法で連続させてなるころ直線部と、
   を有し、
   前記ポケットには、前記ころ直線部と対向する部分に直線形状を有するポケット直線部が形成され、
   前記ポケット直線部の長さが、前記ころ直線部の長さから軸方向ポケットすきまを差し引いた長さ未満であることを特徴とする転がり軸受。
2. グリース潤滑で使用されることを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受。
3. 請求項１又は２に記載の転がり軸受を備えたことを特徴とする工作機械用主軸装置。

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