TW202043638A - 斜角滾珠軸承及斜角滾珠軸承用保持器 - Google Patents

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Abstract

此斜角滾珠軸承具有夾設於內外環(1、2)間的複數滾珠(3)，並將該等滾珠(3)保持於設在圓筒形狀之保持器(4)之周向複數位置的坑穴(Pt)。保持器(4)係將「保持器(4)中之除了坑穴(Pt)以外的內周面(4a)之面積」，相對於「滾珠個數乘以滾珠(3)之表面積而得到的總滾珠表面積」的比例亦即面積比，設在0.35以上0.5以下。又，將「該滾珠(3)之直徑尺寸(Bd)」相對於「軸承寬度尺寸(H)」的比例亦即滾珠直徑比，設在0.48以上0.56以下。

Description

斜角滾珠軸承及斜角滾珠軸承用保持器
[相關申請案]
本申請案係主張2019年3月18日申請之日本特願2019-049356的優先權，並藉由參照的方式將該等的全部內容引用作為本案之一部分。
此發明例如係關於一種用於工具機主軸等的斜角滾珠軸承及斜角滾珠軸承用保持器。
以工具機主軸為代表，在高速運轉的支撐軸承中，係廣泛使用斜角滾珠軸承，就斜角滾珠軸承的保持器而言，較多係使用外環引導式保持器或是滾動體引導式保持器(例如，專利文獻1～3)。 就該保持器的潤滑而言，具有油氣潤滑或是油霧潤滑，該等潤滑可始終供給新油，並長時間保持穩定之潤滑狀態。又，具有油脂潤滑，其因不需附設設備及配管故經濟性優異，並且霧氣的產生極少，對環境友好。
無論藉由哪一種潤滑方法，在轉速乘以軸承之內環內徑的dn值超過70萬的高速領域中，為了「降低作用於滾動體的離心力」、及「藉由減少與軌道面的接觸面積而達成之溫度上升的降低」，相對於標準的滾珠尺寸，使用了小徑滾珠之高速規格的斜角滾珠軸承係被廣泛使用。藉由使用該小徑滾珠，可抑制高速運轉時的溫度上升。
當在油氣潤滑下使用內環旋轉之軸承時，為了使與壓縮空氣一起供給之潤滑劑容易遍及軸承內部，係將油氣供給至內環與保持器之間的空間。供給之潤滑油係藉由離心力遍及且暫時保持於保持器內徑面(內周面)及外環內徑面，而成為油膜。在高速運轉且停止時間較少的連續運行中，暫時保持於外環內徑面及保持器內徑面的潤滑劑，會附著於滾珠表面，並將潤滑劑搬運至內環軌道面及保持器坑穴面(與滾珠的接觸面)，藉此可在高速運轉條件下，長時間順暢地運轉。
附著於此滾珠表面之油的量，係根據使用條件而變化，在高速領域連續運轉的情況下，附著於滾珠表面之油的量會變得極少。因此，被搬運至內環軌道面及保持器坑穴面的油亦會變少。又，近年來，由於降低作業環境之霧氣及降低環境負荷之目的，有時會減少供給至軸承內的潤滑劑。為了有效地活用供給至軸承內部之微量的潤滑劑，因而具有以下技術：使設於外環隔圈的噴嘴前端，在徑向上位於接近保持器內徑的位置，並沿著鄰接之軸承的內環沉頭(counter)部的傾斜面，供給潤滑劑，藉此減少潤滑劑及壓縮空氣。(例如，專利文獻4) [先前技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：日本特開2011-117542號公報 專利文獻2：日本特開2016-145644號公報 專利文獻3：日本特開2014-095469號公報 專利文獻4：專利第4261083號公報
[發明所欲解決之問題]
在油氣潤滑的情況下，從供給孔噴射之呈噴霧狀的潤滑油，係具有「直接附著於滾珠表面的部分」、及「暫時附著於軸承內部之保持器內徑面及外環內徑面的潤滑油，藉由高速旋轉而移動，以將油供給至滾珠表面的部分」。 作為在保持器內徑面增加潤滑劑之附著量的方法，例如有擴大保持器寬度的方法。然而，若保持器超出軸承的寬度，則會產生「對周邊零件的干擾」及「軸承的操作性惡化」等問題。又，雖然亦有藉由減少滾珠數或是使滾珠直徑變小，而增加保持器內徑面的面積，以增加潤滑油之附著量的方法，但具有軸承的負荷容量變小且主軸的剛性變低，或是容許軸向負荷下降等問題。
此發明的目的係提供一種斜角滾珠軸承及斜角滾珠軸承用保持器，可在軸承內的有限空間中，確保軸承的負荷容量，並同時將更多的潤滑劑保持在保持器的內周面。 [解決問題之技術手段]
此發明的斜角滾珠軸承係包含夾設於內外環間的複數滾珠，並且該等滾珠係保持在設於圓筒形狀之保持器的周向複數位置之坑穴的斜角滾珠軸承， 該保持器係將「該保持器中之除了該坑穴以外的內周面之面積」相對於「將滾珠個數乘以該滾珠的表面積而得到的總滾珠表面積」的比例，亦即面積比設在0.35以上0.5以下。 所謂除了該坑穴以外的內周面之面積，係將該保持器中除了坑穴以外之部分的內周面，於徑向上投影至「形成該圓筒形狀之保持器之內徑的虛擬圓筒面」的投影面積。
若保持器中之除了坑穴以外的內周面之面積相對於總滾珠表面積的比例，亦即「面積比」較大，則潤滑較穩定。然而，在軸承的有限之內部空間中，若欲使保持器的內周面之面積變大，則需縮小滾珠的直徑或是減少滾珠個數，就結果而言，軸承的負荷容量會變小，而變成低剛性。 另一方面，在增大滾珠的直徑或是增加滾珠個數，以變成高負荷容量且高剛性的情況下，由於保持器的內周面之面積變小，且潤滑油的保持量減少，例如可能難以形成油膜，而導致軌道面的潤滑不良。若為了避免此情況，而增加供給油量，則從主軸排出之霧氣的飛散會成為問題。
根據此構成，藉由將保持器中之除了坑穴以外的內周面之面積(該投影面積)相對於總滾珠表面積的比例亦即面積比，設在0.35以上0.5以下，可在軸承內的有限之空間中，確保軸承的負荷容量，並同時將更多的潤滑劑保持在保持器的內周面。由於可在不使保持器寬度寬於軸承寬度的情況下，增加附著於保持器之內周面的潤滑劑之量，因此，保持器不會有與周邊零件產生干擾的疑慮，而使軸承變得易於操作。又，由於可在不使滾珠直徑小徑化或是減少滾珠個數的情況下，增加附著於保持器之內周面的潤滑劑之量，因此可確保軸承的負荷容量，並提高主軸的剛性。藉由如上述般防止潤滑不良，可實現「軸承壽命的延長」及「高負荷容量且高剛性」兩者。
此斜角滾珠軸承亦可在油氣潤滑下使用。此情況下，供給至軸承空間的潤滑油，例如係藉由因內環旋轉而產生之離心力，遍及且暫時保持於保持器的內周面及外環內周面。保持器之內周面及外環內周面的潤滑油係附著於滾珠表面，並被搬運至內環軌道面及保持器的坑穴，藉此可長時間穩定地形成油膜，並順暢地運轉。從而，即使係少量的潤滑劑，亦可有效果地實現軸承壽命之延長。
該保持器亦可為被外環內周面所引導的外環引導式保持器。此情況下，由於軸承內的潤滑劑之一部分會通過保持器中的被外環內周面所引導之引導面，因此可防止在此引導面產生過度的磨損。從而，可實現軸承的高速化。
該保持器亦可為被該滾珠亦即滾動體所引導的滾動體引導式保持器。此情況下，可擴大外環內周面與保持器的徑向之空間，並可將潤滑劑效率良好地保持在該空間。
又，亦可將該滾珠之直徑尺寸相對於軸承寬度尺寸的比例亦即滾珠直徑比，設在0.48以上0.56以下。當相對於軸承寬度尺寸的滾珠直徑比在0.48以上0.56以下的範圍，且將保持器中之除了坑穴以外的內周面之面積相對於總滾珠表面積的比例亦即面積比，設在0.35以上0.5以下時，可實現高速性及高剛性兩者，並且即使以少量的潤滑劑亦可形成油膜，對軸承壽命的延長有其效用。 在相對於軸承寬度尺寸之滾珠直徑比小於0.45的情況下，軸承的負荷容量及容許軸向負荷會變小，而變成低剛性。又，在相對於軸承寬度尺寸之滾珠直徑比大於0.55的情況下，於將轉速乘以軸承之內環內徑而得到的dn值超過120萬這樣的高速領域中，運轉時的軸承溫度會變高，而不適合使用在例如工具機之主軸軸承般欲使運轉溫度降低的用途。
此發明的斜角滾珠軸承用保持器係用於「包含夾設於內外環間的複數滾珠，並且該等滾珠係保持在設於圓筒形狀之保持器的周向複數位置之坑穴的斜角滾珠軸承」的斜角滾珠軸承用保持器， 該保持器係將「該保持器中之除了該坑穴以外的內周面之面積」相對於「將滾珠個數乘以該滾珠之表面積而得到的總滾珠表面積」的比例亦即面積比，設在0.35以上0.5以下。
根據此構成，藉由將保持器中除了坑穴以外的內周面之面積相對於總滾珠表面積的比例亦即面積比，設在0.35以上0.5以下，可在軸承內的有限之空間中，確保軸承的負荷容量，並同時將更多的潤滑劑保持在保持器的內周面。由於可在不使保持器寬度寬於軸承寬度的情況下，增加附著於保持器之內周面的潤滑劑之量，因此，保持器不會有與周邊零件產生干擾的疑慮，而使軸承變得易於操作。又，可在不使滾珠直徑小徑化或是減少滾珠個數的情況下，增加附著於保持器之內周面的潤滑劑之量，因此，可確保軸承的負荷容量，並提高主軸的剛性。透過上述般藉由潤滑劑的保持而達成之防止潤滑不良的效果，可實現「軸承壽命的延長」及「高負荷容量且高剛性」兩者。
申請專利範圍及/或說明書及/或圖式所揭露之至少兩個構成的任意組合，亦包含於本發明。特別是，申請專利範圍的各請求項之兩個以上的任意組合，亦包含於本發明。
[第一實施態樣] 與圖1至圖4一起說明依此發明之實施態樣的斜角滾珠軸承。 如圖1所示，此斜角滾珠軸承包含：內環1、外環2、夾設於該等內外環1、2間的複數滾珠3、及保持複數滾珠3的保持器4。此斜角滾珠軸承，係在例如將潤滑油與壓縮空氣一起供給至軸承空間的油氣潤滑下使用。滾珠3係由保持器4在周向上以既定間隔滾動自如地保持。
在內環外周面及外環內周面係分別形成有軌道面1a、2a，以使與滾珠3的接觸角α成為既定角度。在外環內周面中，係於軌道面2a之一側，亦即在與產生接觸角α之方向相反側部分，設有內徑越往軸方向外側越增大的沉頭孔2b。
＜保持器4等＞ 如圖1及圖2所示，保持器4係被外環內周面所引導的外環引導式保持器。保持器4例如係由「以玻璃纖維或是碳纖維等補強後之尼龍或是高熔點的聚醯胺樹脂、聚醚醚酮樹脂(簡稱：PEEK材)、酚樹脂等樹脂材料」，而形成為圓筒形狀。保持器4係如圖2(A)所示，在將此保持器4以包含軸心L(圖1)之平面切斷而進行觀察之剖面為矩形，如圖2(A)，(B)所示，在軸方向中央部中，保持滾珠3(圖1)的坑穴Pt係形成於周向複數位置。
如圖1所示，保持器4之內周面4a的徑向尺寸係以小於滾珠3之節圓直徑PCD的方式設定。保持器4的外周面係以大於該節圓直徑PCD且小於外環內周面的方式設定。 特別是，保持器4係將「保持器4中之除了坑穴Pt以外的內周面4a之面積」相對於「滾珠個數乘以滾珠3之表面積而得到的總滾珠表面積」的比例亦即面積比，設在0.35以上0.5以下。
如圖2(C)所示，所謂除了該坑穴Pt以外的內周面4a之面積，係將保持器4之除坑穴Pt以外之部分的內周面，於徑向上投影至形成該圓筒形狀之保持器4之內徑的虛擬圓筒面Km的投影面積。又，在投影面積中，係包含從徑向之外徑側投影至內徑側的投影面部分、及從內徑側投影至外徑側的投影面部分。從而，例如，在坑穴Pt之內徑側緣部形成有倒角Mt的情況下，將該倒角Mt於徑向上從外徑側往內徑側投影至圓筒面Km之部分的面積S1，亦包含於除了該坑穴Pt以外的內周面4a之面積。又如圖2(B)、(C)所示，例如，在坑穴Pt之內徑側緣部形成有保持滾珠之伸出部Tk的情況下，將該伸出部Tk於徑向上從內徑側往外徑側投影之部分的面積S2，亦包含於除了該坑穴Pt以外的內周面4a之面積。如圖2(B)所示，在坑穴Pt之內徑側緣部中的未形成有伸出部Tk之部分，並未包含於內周面4a的面積。
再者，將滾珠3的直徑尺寸Bd相對於軸承寬度尺寸H的比例亦即滾珠直徑比，設在0.48以上0.56以下。即使在後述的滾動體引導式保持器中，保持器之內周面的面積，亦係將保持器4A(圖5)之除了坑穴以外的部分之內周面，於徑向上投影至形成圓筒形狀之保持器4A(圖5)之內徑的虛擬圓筒面Km(圖5)的投影面積，並且亦將該面積比設在0.35以上0.5以下，再者，亦將滾珠直徑比設在0.48以上0.56以下。
＜比較例＞ 圖3係顯示本發明之實施態樣之斜角滾珠軸承(軸承B、C、D)與習知例之斜角滾珠軸承(軸承A、E)之比較例的圖式。 習知例的軸承A例如為斜角滾珠軸承之公稱號碼「7014」型號，且為用於高速的小徑滾珠規格。具體而言，軸承A的滾珠之直徑尺寸約為8.731mm(11/32吋)，滾珠個數為25個。 習知例的軸承E例如為斜角滾珠軸承之公稱號碼「7014」型號，且為標準滾珠規格。具體而言，軸承E的滾珠之直徑尺寸約為11.906mm(15/32吋)，滾珠個數為21個。
相對於此，本發明之實施態樣的斜角滾珠軸承中，軸承B、C、D例如為斜角滾珠軸承之公稱號碼「7014」型號，且將該面積比設在0.35以上0.5以下，再者，將該滾珠直徑比設在0.48以上0.56以下。 軸承C之滾珠3的直徑尺寸約為10.319mm(13/32吋)，滾珠個數為22個。 軸承B之滾珠3的直徑尺寸約為9.525mm(3/8吋)，滾珠個數為22個。 軸承D之滾珠3的直徑尺寸約為11.113mm(7/16吋)，滾珠個數為20個。
圖4係顯示本發明之斜角滾珠軸承相對於習知技術之定位的圖式。 以往，係以軸承E型對應低速重切削領域，以軸承A型對應高速輕切削領域。最近的工具機用主軸，係要求限制高速領域之運轉(dn值125萬以下)，並實現比以往更高的高剛性之主軸。為了對應此要求，專屬於該區域(dn值70～125萬以下)之主軸軸承B、C、D(圖3，特別是軸承C)非常符合。
針對該等軸承，進行高速性、負荷容量、容許軸向負荷及高速運轉時之耐久性的評估測試，而獲得以下表1的結果。又，不僅對斜角滾珠軸承之公稱號碼「7014」進行測試，亦對其他公稱號碼「7020」等進行了相同的測試。關於測試條件係如圖6所示，使用將四列斜角滾珠軸承Bg以背向排列而構成的主軸Sh，並將陶瓷滾珠使用於各軸承Bg的滾動體，在使用VG32之潤滑油的油氣潤滑且對軸施予安裝後的預壓負荷1400N之狀態下，以轉速18000rpm進行內環旋轉，並從運轉開始經過100h後，從其後的內部狀況進行判斷者。表1中的評估基準係如以下所述。
＜高速性＞ ◎：運轉時的外環溫度上升在20℃以下時，評估為高速性優異。 ○：運轉時的外環溫度上升超過20℃但在25℃以下時，評估為高速性沒有問題。 △：運轉時的外環溫度上升超過25℃時，評估高速性出現問題。 ＜負荷容量＞＊來自軸承之內部各元素的計算值 ◎：從軸承的內部規格所求得之值，在設想使用同軸承的綜合加工機的重切削加工上，達具有充分裕度而能以單列承受的水準，則將其評估為負荷容量優異。 ○：從軸承的內部規格所求得之值，在設想使用同軸承的綜合加工機的重切削加工上，達能以單列承受的水準，則將其評估為負荷容量沒有問題。 △：定義為從軸承的內部規格所求得之值，在設想使用同軸承的綜合加工機的重切削加工上，需要以兩列並列承受的水準。 ＜容許軸向負荷＞＊來自軸承之內部各元素的計算值 ◎：從軸承的內部規格所求得之值達具有充分裕度而能以單列承受「設想使用同軸承的綜合加工機之鬆放負荷」的水準，則將其評估為容許軸向負荷優異。 ○：從軸承的內部規格所求得之值達能以單列承受「設想使用同軸承的綜合加工機之鬆放負荷」的水準，則將其評估為容許軸向負荷沒有問題。 △：從軸承的內部規格所求得之值為需要以兩列並列承受「設想使用同軸承的綜合加工機之鬆放負荷」的水準，則將其評估為容許軸向負荷出現問題。 ＜高速運轉時的耐久性＞ ◎：運轉開始到100小時為止，並未有異常溫度上升及異常振動，且在測試後的軸承內部並無異常時，評估為耐久性優異。 ○：運轉開始到100小時為止，雖被視為有明顯的溫度上升及振動上升，但其後回到穩定繼續運轉，且在測試後的軸承內部並無異常時，評估為耐久性沒有問題。 △：運轉開始到100小時為止，被視為有明顯的溫度上升或是振動上升，且在測試後的軸承內部被視為有表面粗糙或磨損時，評估為耐久性出現問題。
【表1】
記號   A B C D E
高速性   ◎ ◎ ◎ ○ △
高速運轉時的耐久性   ◎ ◎ ◎ ○ △
負荷容量   △ ○ ◎ ◎ ◎
容許軸向負荷   △ ○ ◎ ◎ ◎
保持器周面的面積 /總滾珠表面積 7014 0.59 0.47 0.42 0.38 0.27
7020 0.56 0.47 0.44 0.41 0.25
滾珠直徑尺寸 /軸承寬度尺寸 7014 0.44 0.48 0.52 0.55 0.6
7020 0.43 0.50 0.53 0.56 0.63
＜作用效果＞ 根據以上說明之斜角滾珠軸承及斜角滾珠軸承用保持器4，係將保持器4中之除了坑穴Pt以外的內周面4a之面積相對於總滾珠表面積的比例亦即面積比，設在0.35以上0.5以下，藉此可在軸承內的有限之空間中，確保軸承的負荷容量，並同時將更多的潤滑劑保持在保持器4的內周面4a。由於可在不使保持器寬度寬於軸承寬度的情況下，增加附著於保持器4之內周面4a的潤滑劑之量，因此保持器4不會有與周邊零件產生干擾的疑慮，而使軸承變得易於操作。又，由於可在不使滾珠徑小徑化或是減少滾珠個數的情況下，增加附著於保持器4之內周面4a的潤滑劑之量，因此可確保軸承的負荷容量，並提高主軸的剛性。透過上述般藉由潤滑劑之保持而達成之防止潤滑不良之效果，可實現軸承壽命之延長、及高負荷容量且高剛性兩者。
此斜角滾珠軸承中，供給極少量之潤滑劑的油氣潤滑係藉由因內環旋轉而產生的離心力，而遍及並暫時保持於保持器4的內周面4a及外環內周面。保持器4之內周面4a及外環內周面的潤滑劑，係附著於滾珠表面，並被搬運至內環軌道面1a及保持器4的坑穴Pt，藉此可長時間順暢地運轉。 保持器4係被外環內周面所引導的外環引導式保持器。由於軸承內的潤滑劑之一部分會通過此保持器4中之被外環內周面所引導的引導面，故可防止在此引導面產生過度的磨損。從而，可實現軸承的高速化。
＜其他實施態樣＞ 如圖5所示，在此斜角滾珠軸承中，係採用被滾珠3亦即滾動體所引導的滾動體引導式保持器，而作為保持器4A。其他構成係與前述實施態樣相同的構成。根據圖5之構成，可擴大外環內周面與保持器4A的徑向之空間，而將潤滑劑效率良好地保持於該空間。
雖然未圖示，但在外環內周面中的軸方向兩端部或是軸方向一端部中，亦可設有非接觸於內環外周面的軸承油封。例如，在外環內周面形成軸承油封安裝溝，並將軸承油封之外徑側的基端部裝設於此軸承油封安裝溝。此情況下，可更加保持軸承內部的油脂。 斜角滾珠軸承並不限定於油氣潤滑或是油霧潤滑，亦可為油脂潤滑。
如以上所述，雖參照圖面說明本發明之較佳的實施例，但只要係該技術領域中具通常知識者，在閱覽本說明書後，自能在自明的範圍內容易地思及各種變更及修正。因此，上述變更及修正，亦當解釋為屬於由附加之申請專利範圍所定之本發明的範圍內。
1:內環 1a,2a:軌道面 2:外環 2b:沉頭孔 3:滾珠 4,4A:保持器 4a:內周面 Bd:滾珠3的直徑尺寸 Bg:軸承 H:軸承寬度尺寸 Km:圓筒面 Sh:主軸 S1,S2:面積 Tk:伸出部 Mt:倒角 Pt:坑穴 PCD:節圓直徑 α:接觸角
此發明從以下參考附加圖式的較佳實施態樣之說明，應可更清楚地理解。然而，實施態樣及圖式僅用於圖示及說明，並非為了限定此發明之範圍而使用。此發明之範圍係由附加之申請專利範圍界定。在附加圖式中，複數圖式中的相同元件符號係表示相同部分。 圖1係依此發明之實施態樣之斜角滾珠軸承的剖面圖。 圖2中(A)係上述斜角滾珠軸承之保持器的剖面圖，(B)係將上述保持器之內周面之一部分放大後進行觀察的圖式，(C)係將上述保持器以與軸方向垂直之平面切斷而進行觀察之部分放大剖面圖。 圖3係顯示上述斜角滾珠軸承與習知例子的斜角滾珠軸承之比較例子的圖式。 圖4係顯示本發明相對於習知技術之斜角滾珠軸承之定位的圖式。 圖5係依此發明之另一實施態樣之斜角滾珠軸承的剖面圖。 圖6係顯示高速運轉測試機之概略構成的剖面圖。
1:內環
1a,2a:軌道面
2:外環
2b:沉頭孔
3:滾珠
4:保持器
4a:內周面
Bd:滾珠3的直徑尺寸
H:軸承寬度尺寸
Pt:坑穴
PCD:節圓直徑
α:接觸角

Claims (6)

  1. 一種斜角滾珠軸承，係具有夾設於內外環間之複數滾珠，並將該等滾珠保持於設在圓筒形狀之保持器的周向複數位置的坑穴， 該保持器係將該保持器中之除了該坑穴以外的內周面之面積，相對於滾珠個數乘以該滾珠之表面積而得到的總滾珠表面積的比例亦即面積比，設在0.35以上0.5以下。
  2. 如請求項1所述之斜角滾珠軸承，係在油氣潤滑下使用。
  3. 如請求項1或2所述之斜角滾珠軸承，其中， 該保持器係被外環內周面所引導的外環引導式保持器。
  4. 如請求項1或2所述之斜角滾珠軸承，其中， 該保持器係被該滾珠亦即滾動體所引導的滾動體引導式保持器。
  5. 如請求項1至4項中任一項所述之斜角滾珠軸承，其中， 將該滾珠的直徑尺寸相對於軸承寬度尺寸的比例亦即滾珠直徑比，設在0.48以上0.56以下。
  6. 一種斜角滾珠軸承用保持器，係用於斜角滾珠軸承，該斜角滾珠軸承係具有夾設於內外環間的複數滾珠，並將該等滾珠保持於設在圓筒形狀之保持器的周向複數位置的坑穴， 該保持器係將該保持器中之除了該坑穴以外的內周面之面積，相對於滾珠個數乘以該滾珠之表面積而得到的總滾珠表面積的比例亦即面積比，設在0.35以上0.5以下。
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