TW202242272A - 斜角滾珠軸承 - Google Patents

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古山峰夫
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日商Ｎｔｎ股份有限公司
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Abstract

本發明之斜角滾珠軸承包含夾設於內環(1)及外環(2)之軌道面(1a、2a)間的複數滾珠(3)，該等滾珠(3)係被保持在呈圓筒形狀之保持器(4)的設於圓周方向上之複數位置的坑穴(Pt)。又，從鄰接之滾珠(3、3)的中心間之距離(Pc)減去滾珠(3)之直徑(Da)所得之滾珠間距離(Pd)相對於滾珠(3)之直徑(Da)的比，係在0.16以上0.35以下。再者，將內環(1)之軌道面(1a)的溝(1g)之直徑(Di)除以滾珠(3)之直徑(Da)所得之內環溝曲率(Ri)相對於將外環(2)之軌道面(2a)的溝(2g)之直徑(Do)除以滾珠(3)之直徑(Da)所得之外環溝曲率(Ro)的比，係在0.97以上0.99以下。

Description

斜角滾珠軸承
[相關申請案]
本發明係主張2021年3月15日申請之日本特願2021-041252的優先權，並將其全部內容以參照方式引用作為本案之一部分。
此發明係關於一種例如用於工具機之主軸的斜角滾珠軸承。
近年來，工具機為了因應各種產業的多樣需求，要求更進一步的性能提升。例如作為代表性的要求項目包含：為了加工難切削材料的高剛性化、為了高效率加工的步驟整合及複合化、為了加工複雜形狀的五軸化、及為了省空間化的小型化。特別是，將該等要求項目全部滿足的一次夾持全加工之要求非常強烈。此一次夾持全加工，係從主軸的在中低速旋轉範圍之重切削到在高速旋轉範圍的精加工切削為止，均由一台工具機執行加工，對於用於該工具機之主軸的滾動軸承而言，係要求以更高水準兼顧呈矛盾關係的高速旋轉性能與負荷容量。
又，在一次夾持全加工中，為了提高生產率，係將主軸及工作台的進給速度高速化。除此之外，由於加工物形狀複雜化，故容易產生安裝於主軸前端之工具與加工物的無預期碰撞，而可能對軸承施加衝擊負載。若此碰撞時的負載超過該軸承的容許界限，便會產生壓痕，並阻礙主軸的順暢且高精度之旋轉。從而，為了防止、減輕壓痕的產生，亦對主軸用軸承要求強化對於碰撞的耐受性。為此，例如，一般認為係使軸承的內徑、外徑變大而提高負荷容量，但如此一來，必須使軸承周邊的包含主軸之構造大型化，而導致主軸的生產成本增加及構造的複雜化。從而，對於主軸用軸承而言，係要求其內徑、外徑、寬度的基本尺寸和以往產品相同，同時具有更高的負荷容量。
具體而言，一般認為係採用比圖3之軸承A所示之以往高速用軸承中的滾珠直徑更大的滾珠，該情況下，由於「與軌道面的接觸面積之增加」及「伴隨滾珠重量增大的離心力之增加」，會使軸承變得容易發熱，而不利於高速旋轉。特別是，在高速旋轉並伴隨高負載的條件下，和外環相比接觸面壓較高且散熱性亦較為不利的內環，會更強烈的發熱。又，為了提高負荷容量，滾珠的個數係越多越好，但滾珠越多，發熱源亦即滾珠之間的距離會變短，而使散熱性惡化，進而增加發熱。
又，由於若使滾珠直徑變大，則相應地外環的壁厚會變得較薄，故在高負載時外環軌道面中的滾珠之接觸位置與非接觸位置上，可能導致外環外周面中的變形的差變大，並且振動變大同時加工精度降低。
因此，以往係試圖藉由組合了「專利文獻1所記載之冷卻技術」與「專利文獻2所記載之抑制振動的技術」的軸承，來實現兼顧高速旋轉性能與負荷容量。 [先前技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：日本特開2014-062617號公報 專利文獻2：日本特開2020-148220號公報
[發明所欲解決之問題]
然而，如此之藉由以往技術所製成的軸承，必須使適用之工具機主軸的構造大幅變更或複雜化，故並無法充分滿足在與以往產品相同基本尺寸下兼顧高速旋轉性能與負荷容量。
此發明的目的在於提供一種斜角滾珠軸承，可使軸承的內徑、外徑、寬度的基本尺寸與以往產品相同，並同時充分兼顧高速旋轉性能與負荷容量。 [解決問題之技術手段]
本發明的斜角滾珠軸承包含：內環、外環、夾設於該等內環及外環之軌道面間的複數滾珠、及呈圓筒形狀並以設於圓周方向上之複數位置的坑穴保持該滾珠的保持器；「從鄰接之該滾珠的中心間之距離減去該滾珠之直徑所得的滾珠間距離」相對「於該滾珠之直徑」的比係在0.16以上0.35以下；「將該內環之軌道面的溝之直徑除以該滾珠之直徑所得之內環溝曲率」相對於「將該外環之軌道面的溝之直徑除以該滾珠之直徑所得之外環溝曲率」的比係在0.97以上0.99以下。
為了抑制高速旋轉時的軸承之發熱，必須將內環溝曲率設成在外環溝曲率的0.97以上0.99以下，而將接觸面壓較容易變高的內環之接觸面壓抑制成與外環之接觸面壓相同程度，同時將滾珠間距離設成在滾珠之直徑的0.16以上，而確保散熱性。另一方面，為了藉由多數滾珠確保負荷容量，必須將滾珠間距離設成在滾珠之直徑的0.35以下。本發明的斜角滾珠軸承由於滿足此條件，因此可使軸承的內徑、外徑、寬度之基本尺寸與以往產品相同，同時抑制高速旋轉時的發熱，並確保負荷容量，以充分兼於高速旋轉性能與負荷容量。
在本發明的斜角滾珠軸承之較佳構成中，「該外環中的從該軌道面到外周面為止的壁厚之最小值亦即外環最小壁厚」相對於「該滾珠之直徑」的比係在0.39以上0.63以下，「該滾珠之直徑」相對於「從該外環之外徑減去該內環之內徑再除以2所得之軸承剖面高度」的比係在0.44以上0.56以下。
為了使外環之外周面中的變形保持在不會對工具機之加工造成影響的範圍內，較佳係將外環最小壁厚設成在滾珠直徑的0.39以上，並將滾珠直徑設成在軸承剖面高度的0.56以下，另一方面，為了藉由大直徑的滾珠而確保負荷容量，較佳係將外環最小壁厚設成在滾珠直徑的0.63以下，並將滾珠直徑設成在軸承剖面高度的0.44以上。由於該較佳構成係滿足此條件，故可抑制「高速旋轉時外環之外周面中的變形」所引起的振動，並更加確保負荷容量。
在本發明的斜角滾珠軸承中，該保持器亦可係受到外環之內周面引導的外環引導保持器。此情況下，由於軸承內的潤滑劑(潤滑油或是滑脂)的一部分會通過保持器中的受到外環之內周面引導的引導面，故可防止在此引導面產生過度的磨損。從而，可實現軸承的進一步高速化。
在本發明的斜角滾珠軸承中，該保持器亦可係受到該滾珠亦即滾動體引導的滾動體引導保持器。此情況下，可擴大外環之內周面與保持器的徑向空間，並使潤滑劑效率良好地保持在該擴大的空間。
又，在本發明的斜角滾珠軸承中，該滾珠較佳係陶瓷製。
再者，本發明的斜角滾珠軸承適合用於工具機的主軸。
申請專利範圍及/或說明書及/或圖面中所揭露的至少兩個構成的任意組合，亦包含於本發明。特別是，申請專利範圍之各請求項的兩個以上之任意組合，亦包含於本發明。
以下，針對本發明之第一實施態樣的斜角滾珠軸承，參照圖式進行明。如圖1所示，此斜角滾珠軸承包含：內環1、外環2、夾設於該等內環1及外環2之軌道面1a、2a間的複數滾珠3、及呈圓筒形狀並且以設於圓周方向上之複數位置的坑穴Pt保持滾珠3的保持器4。滾珠3較佳係陶瓷製，但亦可為鋼球。此斜角滾珠軸承係在例如將潤滑油與壓縮空氣一起供給的油氣潤滑下使用於軸承空間中，潤滑油係藉由透過內環旋轉所產生的離心力而遍及且暫時保持於保持器4的內周面4a及外環2的內周面2c。保持器4之內周面4a及外環2之內周面2c的潤滑油係附著於滾珠3的表面，並搬運至內環1的軌道面1a及保持器4的坑穴Pt，藉此可長時間地使軸承順暢地旋轉。
保持器4係受到外環2之內周面2c(圖1的情況，為軸方向左側的內周面2c)引導的外環引導保持器。在外環引導保持器中，由於軸承內的潤滑油之一部分會在保持器4中的受到外環2之內周面2c引導的引導面(圖1的情況，為軸方向左側的保持器4之外周面4b)通過，故可防止在此引導面產生過度的磨損。從而，可實現軸承的進一步高速化。
保持器4係由以玻璃纖維、碳纖維等補強後的脂肪族之聚醯胺樹脂(尼龍)、芳香族之聚醯胺樹脂、聚醚醚酮樹脂(簡稱：PEEK材料)、聚苯硫醚樹脂(簡稱：PPS材料)、酚醛樹脂等樹脂材料所形成。又，保持器4以包含軸心L之平面切斷的剖面為矩形，保持滾珠3的坑穴Pt係形成於軸方向中央部的圓周方向上之複數位置。保持器4之內周面4a的直徑係設定的比滾珠3之節圓直徑PCD小。另一方面，保持器4之外周面4b的直徑係設定得比該節圓直徑PCD大，且比外環2之內周面2c(圖1的情況，為軸方向左側的內周面2c)的直徑小。
此處，如圖2C所示，「從鄰接之滾珠3的中心間之距離Pc減去滾珠3之直徑Da後所得的滾珠間距離Pd」相對於「滾珠3之直徑Da」(圖1)的比Pd/Da係在0.16以上0.35以下，較佳係在0.18以上0.25以下。又，如圖2C中的粗線之矩形內的放大圖亦即圖2D所示，Pc＝2×(PCD/2)×sinα，α係將360度除以滾珠的個數，再進一步除以2後所得的角度。
又，「將圖2A所示之內環1的軌道面1a的溝1g之直徑Di除以滾珠3之直徑Da所得的內環溝曲率Ri(＝Di/Da)」相對於「將圖2B所示之外環2的軌道面2a的溝2g之直徑Do除以滾珠3之直徑Da(圖1)所得的外環溝曲率Ro(＝Do/Da)」的比Ri/Ro(＝Di/Do)係在0.97以上0.99以下，除此之外，較佳而言，內環溝曲率Ri係在1.04以上1.08以下，外環溝曲率Ro係在1.06以上1.10以下。
再者，如圖1所示，「外環2中的從軌道面2a到外周面2b的壁厚之最小值亦即外環最小壁厚Tomin」相對於「滾珠3之直徑Da」的比Tomin/Da係在0.39以上0.63以下，較佳係在0.46以上0.57以下。再者又，「滾珠3之直徑Da」相對於「從外環2之外徑減去內環1之內徑再除以2所得的軸承剖面高度H」的比Da/H係在0.44以上0.56以下，較佳係在0.48以上0.52以下。
圖3係顯示本實施態樣之斜角滾珠軸承(軸承B、C、D)與以往的斜角滾珠軸承(軸承A、E)之比較例的圖式。以往的軸承A例如，係斜角滾珠軸承的公稱編號「7014」之尺寸，且為用於高速旋轉的小徑滾珠規格。具體而言，軸承A的滾珠之直徑約為8.731mm(11/32吋)，滾珠的個數為25個。以往的軸承E例如，係斜角滾珠軸承的公稱編號「7014」之尺寸，且為大直徑滾珠規格。具體而言，軸承E的滾珠之直徑約為11.906mm(15/32吋)，滾珠的個數為21個。
相對於此，本實施態樣的斜角滾珠軸承(軸承B、C、D)例如，係斜角滾珠軸承的公稱編號「7014」之尺寸，且滾珠間距離Pd相對於滾珠3之直徑Da的比Pd/Da係在0.16以上0.35以下，同時，內環溝曲率Ri相對於外環溝曲率Ro的比Ri/Ro係在0.97以上0.99以下，再者，外環最小壁厚Tomin相對於滾珠3之直徑Da的比Tomin/Da係在0.39以上0.63以下，並且滾珠3之直徑Da相對於軸承剖面高度H的比Da/H係在0.44以上0.56以下。
對於該等公稱編號「7014」的軸承及同樣地設定了各條件的公稱編號「7020」之軸承，進行高速性、高速旋轉時之振動及負荷容量的評價測試，並得到以下表1的結果。如圖5所示，此評價測試係使用以背向排列構成四列斜角滾珠軸承Bg的主軸，在各軸承Bg中使用陶瓷製的滾珠，並藉由使用了VG32(ISO黏度)之潤滑油的油氣潤滑而進行。在表1中，對於高速性而言，係在組入後的預壓負載1400N、旋轉速度18000rpm、100小時連續旋轉這樣的第一條件下進行的評價，對於高速旋轉時之振動而言，係在組入後的預壓負載600N、旋轉速度0～22000rpm這樣的第二條件下進行的評價，對於負荷容量而言，係在第一及第二條件下進行的評價。表1中的評價基準係如以下所述。又，所謂dmn值，係滾珠3的節圓直徑PCD(mm)乘上旋轉速度(rpm)所得的值。
＜高速性＞ ◎：旋轉時的外環溫度上升在20℃以下時，評價為高速性優異。 ○：旋轉時的外環溫度上升超過20℃，但在25℃以下時，評價為高速性沒有問題。 △：旋轉時的外環溫度上升超過25℃時，評價為高速性有問題。 ＜高速旋轉時之振動＞ ◎：dmn值200萬以下的高速旋轉時之振動，係不會對於「假設使用同軸承的綜合加工機之加工精度」造成影響的水準。 ○：dmn值160萬以下的高速旋轉時之振動，係不會對於「假設使用同軸承的綜合加工機之加工精度」造成影響的水準。 △：dmn值140萬以下的低中速範圍的旋轉時之振動，係不會對於「假設使用同軸承的綜合加工機之加工精度」造成影響的水準。 ＜負荷容量＞＊來自軸承之內部各元素的計算值 ◎：從內部各元素所求得的值，可在假設使用同軸承的綜合加工機之重切削加工中，達具有充分的裕度並能以單列承受的水準，則將其評價為負荷容量優異。 ○：從內部各元素所求得的值，可在假設使用同軸承的綜合加工機之重切削加工中，達以單列承受的水準，則將其評價為負荷容量沒有問題。 △：定義為從內部各元素所求得的值，在假設使用同軸承的綜合加工機之重切削加工中，必須以兩列並列承受的水準。
[表1]
  公稱編號 軸承A 軸承B 軸承C 軸承D 軸承E
高速性   ◎ ◎ ◎ ○ △
高速旋轉時的振動   ◎ ◎ ◎ ○ △
負荷容量   △ ○ ◎ ◎ ◎
Pd/Da 7014 0.29 0.35 0.24 0.27 0.13
7020 0.23 0.26 0.19 0.16 0.13
Ri/Ro 7014 0.99～1.01 0.97～0.99 0.97～0.99 0.97～0.99 0.99～1.01
7020 0.99～1.01 0.97～0.99 0.97～0.99 0.97～0.99 0.99～1.01
Tomin/Da 7014 0.65 0.56 0.47 0.39 0.34
7020 0.71 0.63 0.48 0.43 0.30
Da/H 7014 0.44 0.48 0.52 0.56 0.60
7020 0.41 0.44 0.51 0.54 0.60
從表1可知，依本實施態樣的斜角滾珠軸承，可在軸承之內徑、外徑、寬度之基本尺寸與以往產品相同的情況下，抑制高速旋轉時的發熱同時確保負荷容量，而可兼顧高速旋轉性能與負荷容量，再者，可抑制高速旋轉時的軸承振動，同時更加確保負荷容量。
接著，針對本發明之第二實施態樣的斜角滾珠軸承，參照圖式進行說明。如圖4所示，在此斜角滾珠軸承中，係採用受到滾珠3引導的滾動體引導保持器作為保持器4A，而其他構成係與第一實施態樣的斜角滾珠軸承相同。依第二實施態樣的斜角滾珠軸承，可擴大外環2之內周面2c與保持器4A的徑向空間，而可將潤滑油效率良好地保持在該擴大後的空間。
又，本發明的斜角滾珠軸承並不限定於在油氣潤滑下使用，亦可在油霧潤滑、滑脂潤滑下使用。又，在本發明的斜角滾珠軸承中，亦可在外環2之內周面2c中的軸方向兩端部或是軸方向一端部中，設有對於內環1之外周面1b而言非接觸的軸承油封(未圖示)。例如，亦可在外環2的內周面2c形成有軸承油封安裝溝，並將軸承油封的外徑側之基端部裝設於此軸承油封安裝溝。此情況下，在滑脂潤滑下使用時，可更確實地保持軸承內部的滑脂。
以上，係一邊參照圖式一邊說明較佳的實施例，但只要係該技術領域中具通常知識者，在閱覽本案說明書後，自能在自明的範圍內輕易地思及各種變更及修正。從而，上述的變更及修正，亦當解釋為屬於由附加之申請專利範圍所界定之本發明的範圍內。
1:內環 1a:內環之軌道面 1b:內環之外周面 1g:內環之軌道面的溝 2:外環 2a:外環之軌道面 2b:外環之外周面 2c:外環之內周面 2g:外環之軌道面的溝 3:滾珠 4,4A:保持器 4a:保持器之內周面 4b:保持器之外周面 Bg:斜角滾珠軸承 Da:滾珠之直徑 Di:內環之軌道面的溝之直徑 Do:外環之軌道面的溝之直徑 H:軸承剖面高度 L:軸心 PCD:節圓直徑 Pc:滾珠的中心間之距離 Pd:滾珠間距離 Pt:保持器的坑穴 Ri:內環溝曲率 Ro:外環溝曲率 Tomin:外環最小壁厚
根據參考了附加圖式的以下較佳之實施態樣的說明，應可更明瞭地理解本發明。然而，實施態樣及圖式係僅用於圖示及說明，並不應利用於界定本發明之範圍。本發明之範圍係由附加之申請專利範圍所界定。在附加圖式中，複數圖式中的同一元件符號係表示同一部分。 圖1係顯示本發明之第一實施態樣之斜角滾珠軸承的縱剖面圖。 圖2A係同上之斜角滾珠軸承之內環的縱剖面圖。 圖2B係同上之斜角滾珠軸承之外環的縱剖面圖。 圖2C係同上之斜角滾珠軸承的橫剖面圖。 圖2D係圖2C的部分放大圖。 圖3係顯示同上之斜角滾珠軸承與以往的斜角滾珠軸承之比較例的圖式。 圖4係顯示本發明之第二實施態樣之斜角滾珠軸承的縱剖面圖。 圖5係顯示高速旋轉測試機之概略的縱剖面圖。
1:內環
2:外環
3:滾珠
4:保持器
Pc:滾珠的中心間之距離
Pd:滾珠間距離

Claims (6)

  1. 一種斜角滾珠軸承，包含： 內環； 外環； 複數滾珠，夾設於該等內環及外環之軌道面間；及 保持器，呈圓筒形狀，並且以設於圓周方向上之複數位置的坑穴，保持該滾珠； 從鄰接之該滾珠的中心間之距離減去該滾珠之直徑所得之滾珠間距離，相對於該滾珠之直徑的比，係在0.16以上0.35以下； 該內環之軌道面的溝之直徑除以該滾珠之直徑所得之內環溝曲率，相對於該外環之軌道面的溝之直徑除以該滾珠之直徑所得之外環溝曲率的比，係在0.97以上0.99以下。
  2. 如請求項1所述之斜角滾珠軸承，其中， 該外環中的從該軌道面到外周面為止的壁厚之最小值亦即外環最小壁厚，相對於該滾珠之直徑的比，係在0.39以上0.63以下； 該滾珠之直徑，相對於從該外環之外徑減去該內環之內徑再除以2所得之軸承剖面高度的比，係在0.44以上0.56以下。
  3. 如請求項1或2所述之斜角滾珠軸承，其中， 該保持器係受到外環之內周面引導的外環引導保持器。
  4. 如請求項1或2所述之斜角滾珠軸承，其中， 該保持器係受到該滾珠亦即滾動體引導的滾動體引導保持器。
  5. 如請求項1至4中任一項所述之斜角滾珠軸承，其中， 該滾珠為陶瓷製。
  6. 如請求項1至5中任一項所述之斜角滾珠軸承，其中， 該斜角滾珠軸承係用於工具機的主軸。
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