TWI567306B - Bevel ball bearing - Google Patents

Description

斜角滾珠軸承

本發明係關於斜角滾珠軸承。

於NC車床、銑刀盤、自動換刀數位控制機床(machining center)、複合加工機、五軸加工機等工作機械，或主軸台或安裝加工物之機座之直動輸送機構中，使用將旋轉運動轉換為直線運動之滾珠螺桿。作為旋轉支持該滾珠螺桿軸端之軸承採用斜角滾珠軸承(例如，參照專利文獻1)。

加工中產生之切削載荷、或以急加速使主軸台及機座移動時之慣性載荷係經由滾珠螺桿作為軸向載荷負荷於斜角滾珠軸承。於最近之工作機械中，存在基於高效率加工目的下因切削載荷或快速旋入(fast-forwarding)引起之慣性載荷增大，而對斜角滾珠軸承負荷較大之軸向載荷之傾向。

因此，於使用此種滾珠螺桿支撐用之斜角滾珠軸承中，為了使滾動疲勞壽命增加，必須兼具軸方向之負荷容量增加、與用以維持加工精度之高剛性。

[先前技術文獻]

[專利文獻]

專利文獻1：日本特開2000-104742號公報

為了兼具該等，增大軸承尺寸時，可應對較多之組合行數，但 若增大軸承尺寸，則導致滾珠螺桿軸端之空間增加，又，組合行數過度增多時導致成為滾珠螺桿單元部分構成為寬度較寬。結果，由於引起工作機械必要地面面積增加或高度方向尺寸增加，故對軸承之大型化或行數增加有限度。

本發明係鑑於上述情況而完成者，目的在於提供可於有限之空間中兼具軸方向之負荷容量增加與高剛性之斜角滾珠軸承。

本發明之上述目的係藉由下述之構成達成。

(1)

一種斜角滾珠軸承，其特徵在於包含：外環，其於內周面具有軌道面；內環，其於外周面具有軌道面；複數個滾珠，其等配置於上述外環及上述內環之軌道面之間；及保持器，其係滾轉自由地保持上述滾珠且係滾珠引導方式；且於上述內環之外周面中，將凹設於背面側之內環埋頭孔之外徑設為D1，凸設於正面側之內環槽肩部之外徑設為D2時，D1<D2，將上述外環內周面之凹設於正面側之外環埋頭孔之內徑設為D3，凸設於背面側之外環槽肩部之內徑設為D4時，D3>D4，上述滾珠之接觸角α係45°≦α≦65°，將上述內環槽肩部之徑方向高度除以上述滾珠直徑者設為Ai時，0.35≦Ai≦0.50，將上述外環槽肩部之徑方向高度除以上述滾珠直徑者設為Ae時，0.35≦Ae≦0.50，上述保持器係包含大致圓環狀之環部、自上述環部之正面側或背面側以特定間隔於軸方向突出之複數個柱部、及形成於鄰接之上述柱部之間之複數個凹孔部之冠型保持器， 於上述保持器中，添加有強化材，將上述滾珠節圓(pitch circle)直徑設為X，且設為△Rmax=X²×5.0×10^-6+X×1.8×10^-3+0.14，△Rmin=X²×5.5×10^-6+X×1.5×10^-3+0.02時，上述保持器之徑方向移動量△R係△Rmin≦△R≦△Rmax，將100℃之上述保持器之徑方向相對膨脹量設為△t時，△t<△Rmin。

(2)

如技術方案(1)之斜角滾珠軸承，其中上述凹孔部球面中心位置係對於上述環部之徑方向中心，偏移至徑方向。

上述凹孔部徑方向剖面形狀係任意半徑之圓。

(3)

如上述技術方案(1)或(2)之斜角滾珠軸承，其中上述保持器包含聚醯胺樹脂，上述強化材係玻璃纖維，上述保持器中上述強化材之比例係5~30重量%。

根據本發明之斜角滾珠軸承，內環埋頭孔之外徑D1小於內環槽肩部之外徑D2(D1<D2)，外環埋頭孔之內徑D3大於外環槽肩部之內徑D4(D3>D4)，滾珠之接觸角α滿足45°≦α≦65°。因此，藉由增大接觸角，可增加軸承軸方向載荷之負荷能力，且可以更大預壓載荷使用。結果，可提高軸承、進而滾珠螺桿系之剛性。

又，由於將內環槽肩部之徑方向高度除以滾珠直徑者設為Ai時0.35≦Ai≦0.50，將外環槽肩部之徑方向高度除以滾珠直徑者設為Ae時0.35≦Ae≦0.50，故防止軸承軸方向載荷之負荷能力不足，且可使內外環槽肩部之研削加工變容易。

又，將滾珠節圓直徑設為X，且設為△Rmax=X²×5.0×10^-6+X×1.8×10^-3+0.14，△Rmin=X²×5.5×10^-6+X×1.5×10^-3+0.02時，以滿足△Rmin≦△R≦△Rmax之方式設定保持器徑方向移動量△R。因此，可防止保持器徑方向移動量較保持器與內環及外環之徑方向間隙更大，且可防止保持器與內環或外環接觸之不良。

又，將100℃之保持器之徑方向相對膨脹量設為△t時，由於設定為△t<△Rmin，故即使於軸承使用溫度上限，亦可避免保持器與滾珠相抵而使用。

1‧‧‧斜角滾珠軸承

3‧‧‧滾珠

10‧‧‧外環

11‧‧‧軌道面

12‧‧‧外環槽肩部

13‧‧‧外環埋頭孔

14‧‧‧外環倒角

20‧‧‧內環

21‧‧‧軌道面

22‧‧‧內環槽肩部

23‧‧‧內環埋頭孔

24‧‧‧內環倒角

30‧‧‧保持器

31‧‧‧環部

32‧‧‧柱部

33‧‧‧凹孔部

34‧‧‧缺口部

35‧‧‧角部

A-A'‧‧‧線

D1‧‧‧外徑

D2‧‧‧外徑

D3‧‧‧內徑

D4‧‧‧內徑

Dw‧‧‧滾珠直徑

He‧‧‧外環槽肩部之徑方向高度高度

Hi‧‧‧內環槽肩部之徑方向高度高度

IX‧‧‧方向

r‧‧‧半徑

VI-VI‧‧‧線

X‧‧‧滾珠節圓直徑

α‧‧‧接觸角

△Re‧‧‧徑方向間隙

△Ri‧‧‧徑方向間隙

圖1係本發明之實施形態之斜角滾珠軸承之剖面圖。

圖2係並行組合圖1之斜角滾珠軸承之剖面圖。

圖3係保持器之側面圖。

圖4係自軸方向一側觀察保持器之圖。

圖5係自軸方向另一側觀察保持器之圖。

圖6係圖4之VI-VI剖面向視圖。

圖7係變化例之斜角滾珠軸承之剖面圖。

圖8係自軸方向一側觀察變化例之保持器之圖。

圖9(a)係保持器之側面圖，(b)係(a)之A-A'剖面之IX方向向視圖。

圖10係顯示滾珠節圓直徑與保持器徑方向移動量及徑方向相對膨脹量之關係之圖表。

圖11係顯示玻璃纖維含有率與聚醯胺66之線膨脹係數之關係之圖表。

以下，對本發明之實施形態之斜角滾珠軸承，使用圖式進行說明。

如圖1所示，本實施形態之斜角滾珠軸承1包含：外環10，其於內周面具有軌道面11；內環20，其於外周面具有軌道面21；複數個滾珠3，其等配置於外環10及內環20之軌道面11、21之間；及保持器30，其滾轉自由地保持滾珠3且係滾珠引導方式。

外環10之內周面具有：外環槽肩部12，其較軌道面11凸設於更背面側(負荷側，圖1中左側)；及外環埋頭孔13，其較軌道面11凹設於更正面側(相反負荷側，圖1中右側)。

內環20之外周面具有：內環槽肩部22，其較軌道面21凸設於更正面側(負荷側，圖1中右側)；及內環埋頭孔23，其較軌道面21凹設於更背面側(相反負荷側，圖1中左側)。

此處，將內環埋頭孔23之外徑設為D1，內環槽肩部22之外徑設為D2時，D1<D2，且將外環埋頭孔13之內徑設為D3，外環槽肩部12之內徑設為D4時，D3>D4。如此，由於增大內環槽肩部22之外徑D2，縮小外環槽肩部12之內徑D4，故可設定滾珠3之接觸角α為較大。更具體而言，藉由如上述般設定外徑D2及內徑D4，可將接觸角α設為45°≦α≦65°左右，即使考慮軸承製作時接觸角α之變動，亦可設為50°≦α≦60°左右，可增大接觸角α。

又，將內環槽肩部22之徑方向高度Hi除以滾珠3之直徑Dw者設為Ai(Ai=Hi/Dw)時，設定為滿足0.35≦Ai≦0.50；將外環槽肩部12之徑方向高度He除以滾珠3之直徑Dw者設為Ae(Ae=He/Dw)時，設定為滿足0.35≦Ae≦0.50。

假定，於0.35>Ai或0.35>Ae之情形時，由於內環槽肩部22或外環槽肩部12之徑方向高度Hi、He相對於滾珠3之直徑Dw過小，故接觸角α不滿45°，導致軸承軸方向載荷之負荷能力不足。又，於0.50<Ai或0.50<Ae之情形時，由於外環10及內環20之軌道面11、21形成為超出滾珠3之節圓直徑X，故外環槽肩部12及內環槽肩部22之研削加工 較困難，故不佳。

又，於外環槽肩部12之背面側端部，設有隨著朝向背面側，朝向徑方向外側之錐形狀之外環倒角14，於內環槽肩部22之正面側端部，設有隨著朝向正面側，朝向徑方向內側之錐形狀之內環倒角24。該等外環倒角14及內環倒角24之徑方向寬度大於外環槽肩部12及內環槽肩部22之徑方向高度He、Hi之一半，設定為比較大之值。

此種斜角滾珠軸承1係如圖2所示，可並行組合使用。由於本實施形態之斜角滾珠軸承1係將外環槽肩部12及內環槽肩部22設至滾珠3之節圓直徑dm之附近，故假定不設置外環倒角14及內環倒角24，則一個斜角滾珠軸承1之內環20與另一個斜角滾珠軸承1之外環10產生干涉，導致軸承旋轉中產生不良。又，於以油潤滑使用之情形時，假定不設置外環倒角14及內環倒角24，則油不通過各斜角滾珠軸承1之間，油行程不暢，因潤滑不良，或油大量殘留於軸承內部引起溫度上升。如此，藉由設置外環倒角14及內環倒角24，可實現防止內環20及外環10彼此之干涉，及提高油之行程性。另，無需必定設置外環倒角14及內環倒角24兩者，設置至少一者即可。

接著，參照圖3~6，對保持器30之構成進行詳述。保持器30係包含合成樹脂之滾珠引導方式之塑膠保持器，構成該保持器30之基礎樹脂係聚醯胺樹脂。另，聚醯胺樹脂之種類係並無限制者，除聚醯胺樹脂之外，亦可為聚縮醛樹脂、聚醚醚酮、聚醯亞胺等其他合成樹脂。此外，於基礎樹脂中，添加作為強化材之玻璃纖維、碳纖維、芳香族聚醯胺纖維等。又，保持器30係以注射成形或切削加工製造。

保持器30係具有配置於與內環20及外環10同軸之大致圓環狀之環部31(參照圖1)、自環部31之背面側以特定之間隔於軸方向突出之複數個柱部32、及形成於鄰接之柱部32之間之複數個凹孔部之冠型保持器。

此處，於本實施形態之斜角滾珠軸承1中，由於為了實現軸方向載荷之高負荷能力，而增大外環槽肩部12及內環槽肩部22之徑方向高度He、Hi，故軸承內部空間減少。因此，於此種軸承內部空間所配置之保持器30為冠型保持器(單側環構造)時，設為將環部31配置於外環埋頭孔13與內環槽肩部22之間，將柱部32配置於外環10及內環20之軌道面11、21之間，環部31連接至柱部32之徑方向外側端部之構造。即，設為凹孔部33之球面中心位置相對於環部31之徑方向中心偏移至徑方向內徑(徑方向一側)之構造。另，將凹孔部33之徑方向剖面形狀設為任意半徑r之圓。

又，如圖6所示，形成凹孔部33之柱部32之周方向兩側面、及環部31之背面側(柱部32側)之側面係形成為與滾珠3相似形狀之球面狀。此處，柱部32之頂端係於周方向中間設有剖面大致V字形狀之缺口部34，且分叉。藉此，以射出成形製造保持器30時，可防止因形成凹孔部33之模具構件之強制拔出引起柱部32之凹孔部33側之角部35之破損。

另，凹孔部33之球面中心位置不限定於相對於環部31之徑方向中心偏移至徑方向內側之構成，亦可如圖7及圖8所示，偏移至徑方向外側之構造。即，可為將環部31配置於外環槽肩部12與內環埋頭孔23之間，將柱部32配置於外環10及內環20之軌道面11、21間，且環部31連接至柱部32之徑方向內側端部之構造。即使於該情形時，由於柱部32之頂端於軸方向中間設有缺口部34，且分叉，故於以注射成形製造保持器30時，可防止因形成凹孔部33之模具構件之強制拔出，引起柱部32之凹孔部33側之角部35之破損。

又，保持器30材料之合成樹脂所添加之強化材之比例係較好設為5~30重量%。假定，合成樹脂成分中強化材之比例超過30重量%，則由於保持器30之柔軟性降低，故於保持器30成形時自凹孔部33強制 拔出模具時，或組裝軸承時將滾珠3壓入至凹孔部33時，會引起柱部32之角部35破損。又，由於保持器30之熱膨脹依存於基礎材料即樹脂材料之線膨脹係數，故若強化材之比例少於5重量%，則軸承旋轉中保持器30之熱膨脹相對於滾珠3之節圓直徑X之膨脹更大，導致滾珠3與保持器30之凹孔部33相抵，產生燒焦等不良。因此，藉由將合成樹脂成分中強化材之比例設為5~30重量%之範圍，可防止上述不良。

此外，如本實施形態之斜角滾珠軸承1，為了維持較大之接觸角α，而分別將外環槽肩部12及內環槽肩部22之徑方向高度He、Hi提高至滾珠3之節圓直徑X附近時，外環10與內環20間之徑方向空間變狹小，無法使位於外環10及內環20間的空間之保持器30之環部31之徑方向壁厚相對於標準軸承增厚。尤其是於冠型保持器時，由於環部31僅存在於保持器30之軸方向一側，故有因壁厚不足引起環部31之強度降低之虞。

為了彌補環部31之強度降低，將環部31之徑方向壁厚加厚至外環10及內環20附近時，「保持器30之徑方向移動量>保持器30與內環20及外環10間之徑方向間隙」，故不論是否為滾珠引導方式，均產生環部31與外環10或內環20接觸之不良。尤其是於滾珠引導方式時，不假定保持器30與外環10及內環20接觸，由於外環10之內周面及內環20之外周面之表面粗糙度或形狀精度不那麼良好，故有因與該部分接觸引起保持器30摩耗、破損之虞。

因此，必須適當正確保持環部31之壁厚，且根據保持器30與外環10及內環20之徑方向間隙，將以半徑間隙定義之保持器30之徑方向移動量△R之上限值△Rmax設為特定之值以下。

此處，滾珠引導方式之保持器30之徑方向移動量△R係如圖9所示，以凹孔部33之徑方向內側之滾珠3與凹孔部33之徑方向間隙△Ri、或徑方向外側之滾珠3與凹孔部33之徑方向間隙△Re之較小者決 定{△R=min(△Re，△Ri)}。然而，徑方向移動量△R係自保持器30之加工精度之不均而偏差至某範圍。尤其是於射出成形樹脂保持器之情形時，除了成形模具之尺寸精度以外，亦加上成形時之尺寸誤差，而有偏差度增大之傾向。

如此，本實施形態之斜角滾珠軸承1與一般之軸承不同，由於正面側或背面側之內環20與外環10之間空間較狹小，故為增大用以確保滑脂封入量之軸承內部空間，而具有保持器30形狀為單側環構造之特別構造。因此，為確保環部31之強度，儘可能加厚環部31之徑方向壁厚，且，為了不使內環20或外環10產生干涉，必須決定保持器30之徑方向間隙。又，以可防止隨著保持器30之徑方向移動量△R過剩使保持器30振動等之缺點(保持器音等)之方式決定保持器30之徑方向間隙。因此，於設定可防止保持器30與外環10或內環20之干涉之徑方向移動量△R之最大值即上限值△Rmax時，藉由各種解析及實驗驗證，設為△Rmax=X²×5.0×10^-6+X×1.8×10^-3+0.14(然而，X係滾珠3之節圓直徑)。如此，藉由使保持器30之徑方向移動量△R以滿足△R≦△Rmax之方式設定，可防止保持器30之徑方向移動量△R較保持器30與外環10或內環20之徑方向間隙更大，且可防止保持器30與外環10或內環20接觸之不良。

又，藉由各種解析及實驗驗證，徑方向移動量△R之下限值△Rmin係設定為△Rmin=X²×5.5×10^-6+X×1.5×10^-3+0.02。假定，於設為△Rmin=0之情形時，保持器30與滾珠3相抵。因此，為避免保持器30與滾珠3相抵，且為了展現作為保持器30之性能，即軸承旋轉中不發生異常發熱或轉矩不均、過大轉矩、可滾轉自由地保持並引導滾珠3之性能所必要之最小徑方向間隙係設定△Rmin。

又，較好為由聚醯胺樹脂構成保持器30，且以玻璃纖維作為強化材，將該玻璃纖維之添加量設定為5~30重量%之範圍。藉此，如圖 10所示，於滾珠節圓直徑 34mm~ 93mm之範圍中，即使軸承溫度為使用最高溫度的100℃，設為「保持器30之徑方向移動量△R之下限值△Rmin>保持器30之徑方向相對膨脹量△t」亦可防止因滾珠3與保持器30之凹孔部33之相抵引起之不良(轉矩增加．凹孔部摩耗．保持器破損．燒焦等)。此處，所謂保持器30之徑方向相對膨脹量△t係指對於外環10、內環20、滾珠3，保持器30之徑方向相對膨脹量(因材質不同產生之相對膨脹量)，且以半徑間隙定義。

另，於圖10中，隨著玻璃纖維添加量增加，保持器30之徑方向相對膨脹量△t減少。此係因隨著該成分中玻璃纖維比例之增加，線膨脹係數變小之聚醯胺之性質之故。

又，於本實施形態中，將保持器30設為聚醯胺樹脂，將玻璃纖維之添加量設定為5~30重量%之範圍，滿足「保持器30之徑方向移動量△R之下限值△Rmin>保持器30之徑方向相對膨脹量△t」之關係，但若為滿足該關係式之材料，則亦可應用聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚醯亞胺等樹脂代替聚醯胺，作為強化材，亦可使用適量添加碳纖維、芳香族聚醯胺等之合成樹脂。

接著，保持器30之材料使用聚醯胺66，添加玻璃纖維作為強化材時之聚醯胺66中玻璃纖維含有率之下限，使用實施例進行顯示。於圖11中，顯示玻璃纖維含有率與聚醯胺66之線膨脹係數之關係。如此，聚醯胺66具有隨著其成分中玻璃纖維含有率增加，線膨脹係數變小之性質。

(實施例1)

於軸承內徑(d) 30mm、軸承外徑(D) 62mm、滾珠節圓直徑(W) 47mm之斜角滾珠軸承1中，由於△Rmax≒0.24mm，△Rmin≒0.10mm，故以圖9所示之保持器30之徑方向移動量△R{△R=min(△Re，△Ri)}係設定為0.10mm≦△R≦0.24mm。

假定，徑方向移動量△R超過上限值的0.24mm時，保持器30之徑方向移動量△R增大，會有使保持器30與內外環接觸之不良。若使保持器30之環部31之壁厚變薄，則不易接觸，但保持器30之環部31之強度下降，有使用中破斷之虞。

又，於將本發明之斜角滾珠軸承1使用於工作機械或電動射出成形機等用途時，由於軸承溫度上限係100℃，故室溫設為20℃時溫度差△T為80℃。將使用溫度100℃下之保持器30之徑方向相對膨脹量△t與玻璃纖維含有率之關係顯示於表1。

自表1，可知玻璃纖維含有率為5重量%以上，「保持器30之徑方向移動量△R之下限值△Rmin>保持器30之徑方向相對膨脹量△t」時，即使於軸承使用溫度上限100℃中，亦可避免保持器30與滾珠3相抵而使用。因此，於如斜角滾珠軸承1為增大接觸角α，而將外環槽肩部12及內環槽肩部22增大至滾珠3之節圓直徑X附近時，鑑於保持器30之強度，強化材添加量比例亦為不可欠缺之構成。

(實施例2)

於軸承內徑(d) 60mm、軸承外徑(D) 120mm、滾珠節圓直徑(W) 93mm之斜角滾珠軸承1中，由於△Rmax≒0.36mm，△Rmin≒ 0.21mm，故將以圖9所示之保持器30之徑方向移動量△R設定為0.21mm≦△R≦0.36mm。與實施例1相同，將使用溫度100℃下之保持器30之徑方向相對膨脹量△t與玻璃纖維含有率之關係顯示於表2。

自表2，可知玻璃纖維含有率為5重量百分比以上，「保持器30之徑方向移動量△R之下限值△Rmin>保持器30之徑方向相對膨脹量△t」時，即使於軸承使用溫度上限100℃中，亦可避免保持器30與滾珠3相抵而使用。

如以上般，可了解較好為將保持器30材料之合成樹脂中強化纖維含有率之下限設為5重量%。

又，本發明係並非限定於上述實施形態者，可進行適當變更、改良等。

又，本申請案係基於2014年2月27日申請之日本專利申請案第2014-037087者，該內容以引用之方式併入此。

1‧‧‧斜角滾珠軸承

3‧‧‧滾珠

10‧‧‧外環

11‧‧‧軌道面

12‧‧‧外環槽肩部

13‧‧‧外環埋頭孔

14‧‧‧外環倒角

20‧‧‧內環

21‧‧‧軌道面

22‧‧‧內環槽肩部

23‧‧‧內環埋頭孔

24‧‧‧內環倒角

30‧‧‧保持器

31‧‧‧環部

32‧‧‧柱部

33‧‧‧凹孔部

D1‧‧‧外徑

D2‧‧‧外徑

D3‧‧‧內徑

D4‧‧‧內徑

Dw‧‧‧滾珠直徑

He‧‧‧外環槽肩部之徑方向高度高度

Hi‧‧‧內環槽肩部之徑方向高度高度

r‧‧‧半徑

X‧‧‧滾珠節圓直徑

α‧‧‧接觸角

Claims (3)

1. 一種斜角滾珠軸承，其特徵在於包含：外環，其於內周面具有軌道面；內環，其於外周面具有軌道面；複數個滾珠，其等配置於上述外環及上述內環之軌道面之間；及保持器，其滾轉自由地保持上述滾珠且係滾珠引導方式；且於上述內環之外周面中，將凹設於背面側之內環埋頭孔之外徑設為D1，凸設於正面側之內環槽肩部之外徑設為D2時，D1<D2；將上述外環內周面之凹設於正面側之外環埋頭孔之內徑設為D3，凸設於背面側之外環槽肩部之內徑設為D4時，D3>D4；上述滾珠之接觸角α係45°≦α≦65°；將上述內環槽肩部之徑方向高度除以上述滾珠直徑者設為Ai時，0.35≦Ai≦0.50；將上述外環槽肩部之徑方向高度除以上述滾珠直徑者設為Ae時，0.35≦Ae≦0.50；上述保持器係包含大致圓環狀之環部、自上述環部之正面側或背面側以特定間隔於軸方向突出之複數個柱部、及形成於鄰接之上述柱部之間之複數個凹孔部之冠型保持器；於上述保持器中，添加有強化材；將上述滾珠節圓直徑設為X，且設為△Rmax=X²×5.0×10^-6+X×1.8×10^-3+0.14，△Rmin=X²×5.5×10^-6+X×1.5×10^-3+0.02時，上述保持器之徑方向移動量△R係△Rmin≦△R≦△Rmax；將100℃之上述保持器之徑方向相對膨脹量設為△t時，△t< △Rmin。
2. 如請求項1之斜角滾珠軸承，其中上述凹孔部之球面中心位置係相對於上述環部之徑方向中心，偏移至徑方向，上述凹孔部徑方向剖面形狀係任意半徑之圓。
3. 如請求項1或2之斜角滾珠軸承，其中上述保持器包含聚醯胺樹脂，上述強化材係玻璃纖維，上述保持器中上述強化材之比例係5~30重量%。