TWI603011B - Rolling bearings - Google Patents

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TWI603011B
TWI603011B TW105103191A TW105103191A TWI603011B TW I603011 B TWI603011 B TW I603011B TW 105103191 A TW105103191 A TW 105103191A TW 105103191 A TW105103191 A TW 105103191A TW I603011 B TWI603011 B TW I603011B
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kyohei Matsunaga
Yoshiaki Katsuno
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Description

滾動軸承
本發明係關於一種滾動軸承，更詳細而言，係關於一種外圈供油型之滾動軸承。
近年來，工具機用主軸為了切削效率之提高，而高速化之要求逐漸提高。又，對於該主軸，最近為了生產之高效化而亦出現對無需使用複數台工具機、且可無需換階地加工複雜形狀之被加工物之5軸加工機之相應需求。於5軸加工機中，由於主軸或工作台旋轉，故就旋轉半徑之縮短化帶來之省空間化、或旋轉時之慣性減輕或輕量化帶來之省電力期望等要求而言，要求主軸之軸向長度之縮短。
作為工具機主軸用大多採用之潤滑方法，可列舉滑脂潤滑、油氣潤滑、油霧潤滑等。一般而言，於高速旋轉(dmn100萬以上)之範圍中採用油氣潤滑。作為先前之油氣潤滑，已知有一種方式：其係使用配置於圖8(a)所示之軸承100之側方之供油用噴嘴陀螺101、或插入於配置於圖8(b)所示之軸承100之側方之外圈間隔件102之徑向貫通孔102a之供油用噴嘴陀螺101，自軸承側面向軸承內部供給高壓空氣及細微之油粒。
於該方式中，由於必須另行設置噴嘴陀螺101等供油用零件，而主軸之零件件數變多，故導致主軸整體之成本上升或管理時間增加。又，由於使用噴嘴陀螺101而外圈間隔件之形狀或殼體之構造變複雜，從而主軸之設計、加工之時間增加。進而，為了於軸承之軸向側 面側設置噴嘴陀螺101，而必須某一程度之間隔件長度，從而主軸之軸向長度變長。因此，工具機本身之尺寸變大，而主軸重量變重軸向長度增加之量，從而主軸之臨界轉速(臨界轉速係根據主軸具有之固有振動數算出之旋轉速度，若以該臨界轉速段使主軸旋轉，則振動變大。)變低。又，因伴隨高速旋轉化產生之氣簾(氣簾係因空氣與高速旋轉之內圈外徑表面之摩擦而產生之圓周方向之高速空氣流之壁)，而阻礙來自供油用噴嘴之油粒之供給，其結果，無法確實地向軸承內部供給潤滑油而導致燒結。進而，為了藉由高壓空氣跨過氣簾將油粒供給至滾珠，而亦有於高壓空氣碰撞於滾珠時產生風噪音之問題。如此般先前之油氣潤滑於其構造上帶有各種問題。
又，作為其他油氣潤滑方式，已知有如圖9所示般，使用於外圈111之外周面之周向形成油槽112，且於與油槽112相同軸向位置，形成朝向徑向之油孔113之外圈供油型軸承110之方式(例如、參照專利文獻1)。於此種外圈供油型軸承中，即使於將軸承於高速旋轉使用之情形時，亦不會因氣簾而阻礙油粒之供給。因此，即使於高速旋轉亦可實現穩定之主軸之使用。
圖10表示使用噴嘴陀螺101之油氣潤滑與外圈供油樣式之油氣潤滑之各者之情形之主軸之概略圖。圖10之上半部分係外圈供油樣式之油氣潤滑之主軸120，下半部分係使用噴嘴陀螺101之油氣潤滑之主軸120A。另，圖10中，符號121係旋轉軸，符號122係嵌合於旋轉軸之馬達之轉子。如此，於使用噴嘴陀螺101之油氣潤滑之情形時，為了自軸承100之側面供給潤滑油而必須一定以上之軸向長度之間隔件。相對於此，於外圈供油樣式之情形，由於無需供油用之間隔件，故可進行噴嘴陀螺之削減或將間隔件之構造簡化，從而可將間隔件123之軸向長度與使用噴嘴陀螺之樣式相比更縮短。藉此，於外圈供油樣式中，主軸、供油用之零件之設計、加工或零件之管理變簡單，而於工 具機之設計、製造、管理中可實現整體之成本降低。此外，藉由可縮短軸向長度，亦可促進工具機尺寸之小型化或主軸臨界轉速之提高。
又，於使用專利文獻1記載之外圈供油型軸承110之軸承裝置中，亦記載有可將形成於殼體之潤滑油導入孔、與外圈111之油孔113之圓周方向位置設為不同，而設為經由油槽112，從而降低於油孔113之出口之空氣流速，謀求高速旋轉時之噪音值之下降。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2013-79711號公報
然而，於外圈供油樣式之油氣潤滑中，於軸承旋轉中，於滾動體通過油孔之上時，產生振動及噪音。該振動係因週期性重複於滾動體堵塞油孔時空氣之流動一瞬被阻擋，而且於滾動體通過後流動再次開始之現象而產生之空氣振動，並根據旋轉數而成為刺耳之噪音。有滾動體一次通過油孔之上之個數越多則該振動越大之傾向，且若振動變大，則導致主軸之加工精度下降。又，噪音亦變大故而不佳。尤其是於旋轉數為10000min-1以上之情形時，變成數千Hz之高頻噪音。進而，於因滾動體而同時堵塞複數個油孔之情形時，若重複潤滑油之供給量顯著變少，而且於滾動體通過後潤滑油之供給量急劇增加之狀態，則軸承溫度之變動變大，而成為燒結或無法進行精密之加工之原因。
又，於專利文獻1記載之軸承裝置中，雖將形成於殼體之潤滑油導入孔、與外圈111之油孔113之圓周方向位置設為不同，而謀求噪音值之下降，但並非解決上述問題者，於高速旋轉時，滾動體同時堵塞複數個油孔之情形，有產生振動或噪音之虞。
本發明係鑒於上述之問題而成者，其目的在於，提供一種即使於高速旋轉中亦可抑制振動及噪音之滾動軸承。
本發明之上述目的係藉由下述之構成達成。
(1)一種滾動軸承，其特徵在於包含：內圈，其於外周面具有內圈軌道面；外圈，其於內周面具有外圈軌道面；及複數個滾動體，其等滾動自如地配置於上述內圈軌道面與上述外圈軌道面之間；且上述外圈包含複數個油孔，其等各自於軸向位於相同位置，且於周向隔開，並於徑向貫通；上述複數個油孔之圓周方向相位設為，於軸承旋轉中，自軸向觀看上述滾動軸承時，於上述滾動體之中心通過上述複數個油孔之任一個之中心線時，最接近其餘之上述油孔之上述滾動體位於與上述油孔之中心線相交之位置，且自軸向觀看上述滾動軸承時，將與通過最接近上述油孔之上述滾動體之中心且通過上述滾動軸承之中心之直線垂直之直線、與上述油孔之中心線與上述滾動體之接點處之切線所成之角度設為θ時，θ≧45°。
(2)如(1)之滾動軸承，其中上述油孔之直徑為0.5~1.0mm。
(3)如(1)或(2)之滾動軸承，其中上述油孔之軌道面側開口部與外周面側開口部相比開口面積較大。
(4)如技術方案1~3中任1項之滾動軸承，其中於上述外圈之外周面，沿周向形成與上述油孔連通之凹狀槽。
(5)如(4)之滾動軸承，其中於上述外圈之外周面，於夾隔上述凹狀槽之軸向兩側沿周向形成環狀槽，且於上述各環狀槽，分別配置有環狀之密封構件。
(6)如(1)~(5)中任1項之滾動軸承，其係工具機主軸用軸承。
根據本發明之軸承裝置，外圈包含複數個油孔，其等各者於軸向位於相同位置、且於周向隔開、並於徑向貫通；且複數個油孔之圓周方向相位設為，於軸承旋轉中，自軸向觀看滾動軸承時，滾動體之中心通過複數個油孔之任一個之中心線時，最接近其餘之油孔之滾動體位於與油孔之中心線相交之位置，且自軸向觀看上述滾動軸承時，於將與通過最接近上述油孔之滾動體之中心且通過上述滾動軸承之中心之直線垂直之直線、與上述油孔之中心線與上述滾動體之接點處之切線所成之角度設為θ時，θ≧45°。藉此，因防止複數個油孔同時被滾動體堵塞，且碰撞於最接近油孔之滾動體而彈回之潤滑油或空氣流於軸承空間內於圓周方向擴散，故不會妨礙新的潤滑空氣之滲入，而使空氣振動不易產生，從而即使於高速旋轉中亦可抑制振動及噪音。又，因於圓周方向擴散之油附著於鄰接之滾動體，故可提高潤滑性。
10‧‧‧角接觸滾珠軸承(滾動軸承)
10a~10h‧‧‧角接觸滾珠軸承(滾動軸承)
11‧‧‧內圈
11a‧‧‧內圈軌道面
12‧‧‧外圈
12a‧‧‧外圈軌道面
12b‧‧‧埋頭孔
12c‧‧‧環狀槽
13‧‧‧滾珠
14‧‧‧保持器
15‧‧‧油孔
15a‧‧‧油孔
15b‧‧‧油孔
15c‧‧‧軌道面側之部分
16‧‧‧凹狀槽
17‧‧‧密封構件
100‧‧‧軸承
101‧‧‧供油用噴嘴陀螺
102‧‧‧外圈間隔件
102a‧‧‧徑向貫通孔
110‧‧‧外圈供油型軸承
111‧‧‧外圈
112‧‧‧油槽
113‧‧‧油孔
120‧‧‧主軸
120A‧‧‧主軸
121‧‧‧旋轉軸
122‧‧‧轉子
123‧‧‧間隔件
A‧‧‧中心(滾珠13之中心)
B‧‧‧接點
C‧‧‧圓
I-I‧‧‧線
II-II‧‧‧線
III‧‧‧部分
III'‧‧‧部分
L‧‧‧直線
L1‧‧‧中心線(油孔15a)
L2‧‧‧中心線(油孔15b)
LA‧‧‧直線(自軸向觀看滾動軸承時，與通過最接近油孔之滾動體之中心且通過滾動軸承之中心之直線垂直之直線)
LB‧‧‧切線(自軸向觀看滾動軸承時，油孔之中心線與滾動體之接點處之切線)
O‧‧‧原點
P‧‧‧中心(滾動軸承之中心)
Q‧‧‧延長線
r‧‧‧半徑(滾珠13之半徑)
X‧‧‧座標軸
Y‧‧‧座標軸
α‧‧‧接觸角
θ‧‧‧LA與LB所成之角度
θ1‧‧‧LA與LB所成之角度
θ2‧‧‧LA與LB所成之角度
圖1係表示本發明之一實施形態之滾動軸承之、沿著圖2之I-I線之剖視圖。
圖2係沿著圖1之II-II線之剖視圖。
圖3(a)係表示圖2之III部分之滾動體與外圈之相位關係之放大圖，(b)係表示圖2之III'部分之滾動體與外圈之相位關係之放大圖。
圖4(a)係表示於圖3所示之θ為45°之狀態下之、油及潤滑空氣之前進方向與滾動體表面之關係之模式圖，(b)係表示於圖3所示之θ為30°之狀態下之、油及潤滑空氣之前進方向與滾動體表面之關係之模式圖。
圖5(a)~(c)分別係第1~第3變化例之滾動軸承之剖視圖。
圖6(a)~(d)分別係變更油孔之形狀之第4~第7變化例之滾動軸承之剖視圖。
圖7係變更油孔之形狀之第8變化例之滾動軸承之剖視圖。
圖8(a)及(b)係表示使用噴嘴陀螺之先前之油氣潤滑之剖視圖。
圖9係外圈供油樣式之油氣潤滑之滾動軸承之剖視圖。
圖10係上半部分為外圈供油樣式之油氣潤滑之主軸、及下半部分為使用噴嘴陀螺之油氣潤滑之主軸之各剖視圖。
以下，對本發明之一實施形態之滾動軸承，基於圖式進行詳細說明。
如圖1及圖2所示，可應用於圖10之上半部分所示之工具機用主軸裝置之本實施形態之角接觸滾珠軸承10具備：內圈11，其於外周面具有內圈軌道面11a；外圈12，其於內周面具有外圈軌道面12a；及複數個滾珠(滾動體)13，其等為保持器14所保持，而以特定之接觸角α滾動自如地配置於內圈軌道面11a與外圈軌道面12a之間。於外圈12之軸向一側之內周面，設置有埋頭孔12b。
又，外圈12具備複數個(於本實施形態中為2個)油孔15(15a、15b)，其等各者於軸向位於相同位置、且於周向離開、並於徑向貫通。又，於外圈12之外周面，沿周向形成有與油孔15連通之凹狀槽16。藉此，於角接觸滾珠軸承10中，自未圖示之殼體之供油路徑供給之油粒及潤滑空氣經由外圈12之凹狀槽16及油孔15，直接供給至滾珠13，進行油氣潤滑。
於本實施形態中，將油孔15之直徑設定為0.5~1.0mm。
油孔15之軌道面側開口部係至少一部分、較佳為開口部整體於軸向以與滾珠13重疊之方式形成即可，且更佳為至少一部分形成於外圈軌道面12a內即可。
又，油孔15係一方面為了提高高速旋轉時之可靠性(使潤滑油無不均而均勻地遍及軌道面整體)而必須設置複數個，另一方面，於軸承旋轉中，滾珠13同時通過複數個油孔15a、15b(即，後述之油孔15 之中心線L1、L2與滾珠13之中心A之圓周方向相位一致)之情形時，因如上述般，振動或噪音變大，故必須以滾珠13不會同時通過複數個油孔15a、15b之方式設計。
因此，於本實施形態中，複數個油孔15a、15b之圓周方向相位係如圖2及圖3所示般設計。圖3(a)及(b)表示半徑r之滾珠13、外圈軌道面12a及油孔15a、15b之軸向投影圖。又，圖3中，將滾珠13與外圈軌道面12a之接點設為點O(X座標、Y座標之原點)，將滾珠13之中心設為點A，又，將油孔15b之中心線L2與表示滾珠13之表面之圓C之交點(即，油孔15b之中心線L2與滾珠13之接點)設為點B。實際上，點O、點A、點B並非存在於同一徑向剖面上，但因圖3係將外圈軌道面12a、滾珠13、油孔15b投影於平行於徑向剖面之面上者，故上述3點(O、A、B)存在於同一面上。又，將與通過點A且通過角接觸滾珠軸承10之中心P之直線L垂直之直線LA、與點B之滾珠13之切線LB所成之角度設為θ。
此處，以如下方式設計：於軸承旋轉中，任一個滾珠13之中心A通過任一個油孔15a之中心線L1時，最接近其他油孔15b之滾珠13位於與油孔15b之中心線L2相交之位置，且自軸向觀看角接觸滾珠軸承10時，將與通過最接近油孔15b之滾珠13之中心A且通過角接觸滾珠軸承10之中心P之直線L垂直之直線LA、與油孔15b之中心線L2與滾珠13之接點B之切線LB所成之角度設為θ時，θ≧45°。
即，於潤滑時，自油孔15進入軸承內部之空氣碰撞到滾珠13後，其行進方向改變。與該滾珠13碰撞後，根據空氣之方向，會有因碰撞後之空氣妨礙潤滑之可能性。圖4表示潤滑空氣與滾動體表面之關係之模式圖。圖4中，直角三角形之斜邊表示通過圖3(b)中之點B之切線LB，圖4中之θ1、θ2對應於圖3(b)中之θ。又，圖4中，箭頭表示空氣之流動。
如圖4(a)所示，於θ1=45°時，通過油孔15而進入至軸承內部之潤滑空氣於碰撞到滾珠13之時，其行進方向相對於進入方向改變90°。相對於此，於θ未達45°、例如於如圖4(b)所示般為θ2=30°時，潤滑空氣於碰撞到滾珠13時，其行進方向相對於進入方向改變120°。如此，θ越小，潤滑空氣碰撞到滾珠13之後之行進方向變化越大，因此產生碰撞後之空氣阻礙新的潤滑空氣向軸承內部之進入之現象，而變成與油孔15被滾珠13堵塞相同之狀態。
因此，為了防止因碰撞後之空氣引起之潤滑空氣之進入障礙，圖3(b)中之θ較佳為45°以上。因此，為了防止上述之振動、噪音、及軸承溫度變動大之產生，而於任1個滾珠13、與設置於外圈12之油孔15中之任一個油孔15a之周向相位一致時(圖3(a)之狀態)，其他所有油孔15b與滾珠13之位置關係必須滿足圖3(b)所示之θ≧45°。進而，若θ超出45°則碰撞於滾珠13而彈回之油與空氣流不會碰撞於外圈軌道面12a而於圓周方向空間擴散，故使空氣振動不易產生。並且，因油附著於鄰接之滾珠13，而就潤滑性之點亦較佳。
又，因θ越大，油粒對滾珠之碰撞角度越小(相對於切線，平行地靠近)，故油粒不會被彈回，而容易藉由油之黏性(潤濕性)附著於滾珠表面，故就潤滑性提高之點較為理想。且，因空氣引起之空氣之彈回亦變少，而順利地沿滾珠表面流動，故不易產生空氣振動，而亦可減小噪音。因一個油孔成為圖3(a)之瞬間，被阻斷之空氣向其他徑向油孔流動，故上述效果被進一步擴大。
又，若θ超過90°，則一個油孔15a變成圖3(a)之狀態之瞬間，於其他油孔15b之周向相位，位有保持器14之柱部，而非滾珠13，從而不可對滾珠13直接供給油粒。於該狀態下，藉由空氣按壓保持器14，而保持器14於徑向移動。由於此種現象於複數個油孔15之任一個與任一個滾珠13變成圖3(a)之狀態之瞬間產生，故於軸承使用中，保持器 14之徑向移動於各種方向反覆產生而保持器14異常振動，從而容易產生保持器噪音等不良狀況。因此，θ≦90°較佳。
如以上說明般，根據本實施形態之角接觸滾珠軸承10，外圈12具備複數個油孔15，其等各者於軸向位於相同位置、且於周向隔開、並於徑向貫通；且複數個油孔15之圓周方向相位係設為，於軸承旋轉中，自軸向觀看角接觸滾珠軸承10時，於滾珠13之中心A通過任一個油孔15a之中心線L1時，最接近其餘之油孔15b之滾珠13位於與油孔15b之中心線L2相交之位置，且自軸向觀看角接觸滾珠軸承10時，於將通過最接近油孔15b之滾珠13之中心A、且與角接觸滾珠軸承10之徑向垂直之直線LA、與油孔15b之中心線L2與滾珠13之接點B處之表示滾動體表面之圓C之切線LB所成之角度設為θ時，θ≧45°。藉此，因防止複數個油孔15同時被滾珠13堵塞，且碰撞於最接近油孔15之滾珠13而彈回之油或空氣流於軸承空間內於圓周方向擴散，故不會妨礙新的潤滑空氣之滲入，而使空氣振動不易產生，從而即使於高速旋轉中亦可抑制振動及噪音。又，因於圓周方向擴散之油附著於鄰接之滾珠13，故可提高潤滑性。
又，因將油孔15之直徑設定為0.5~1.0mm，故可容易地確保可通過該油孔15對滾珠13直接供給潤滑油之供給氣壓。
再者，本發明並非限定於上述之實施形態者，可適當進行變化、改良等。
(第1變化例)
例如，如圖5(a)所示之第1變化例之角接觸滾珠軸承10a，外圈12亦可為不具有凹狀槽之構成。
(第2變化例)
又，如圖5(b)所示之第2變化例之角接觸滾珠軸承10b，外圈12之油孔15及凹狀槽16亦可相對於接觸角之延長線Q，形成於埋頭孔反側 之外圈軌道面12a。
(第3變化例)
又，如圖5(c)所示之第3變化例之角接觸滾珠軸承10c，亦可於外圈12之外周面，於夾隔凹狀槽16之軸向兩側沿周向形成環狀槽12c，且於各環狀槽12c，為了防止使用中之漏油而分別配置有環狀之密封構件17。
(第4~第7變化例)
進而，如圖6(a)~(d)所示之第4~第7變化例之角接觸滾珠軸承10d~10g，油孔15之軌道面側開口部亦可與外周面側開口部相比將開口面積更擴大。即，於外圈供油型之滾動軸承中，因通過該油孔15對滾珠13直接供給潤滑油，故即使於軌道面側開口部附近降低供給氣壓，亦可將潤滑油供給至滾珠13。因此，使軌道面側開口部之氣壓下降，可抑制高壓空氣碰撞於滾珠13，而減少軸承旋轉中之噪音。
即，油孔15之軌道面側開口部亦可藉由將軌道面側之部分15c形成為圖6(a)所示之半球狀、圖6(b)所示之圓錐狀、圖6(c)所示之大徑圓筒狀，而擴大開口面積。或者，如圖6(d)所示，油孔15之軌道面側開口部亦可藉由遍及徑向整體朝向內徑側圓錐狀地擴徑，而擴大開口面積。
(第8變化例)
又，如圖7所示之第8變化例之角接觸滾珠軸承10h，油孔15亦可於軌道面側之部分15c中，朝向滾珠13彎曲。藉此，可對滾珠13之球面之靠近中心之部分供給潤滑油。
又，於本實施形態中，雖就外圈12具有2個油孔15a、15b之情形加以說明，但亦可為具有3個以上之油孔15者，於該情形，只要為於任1個滾珠13、與任一個油孔15之周向相位一致時，最接近其餘之各油孔15之各滾珠13滿足上述之角度θ≧45°之構成即可。
又，於本實施形態中，作為滾動軸承，雖以角接觸滾珠軸承10為例進行說明，但亦可應用於深槽滾珠軸承、具有圓柱滾子作為滾動體之圓柱滾子軸承、具有圓錐滾子作為滾動體之圓錐滾子軸承等其他任意形式之滾動軸承。
進而，本發明之滾動軸承並非限定於應用於工具機用主軸裝置者，亦可作為一般產業機械用滾動軸承、或馬達用滾動軸承等高速旋轉之裝置之滾動軸承應用。
本申請案係以2015年2月4日提出申請之日本專利申請案2015-020738號為基礎，其全部內容以引用之方式併入本文中。
12‧‧‧外圈
12a‧‧‧外圈軌道面
13‧‧‧滾珠
15a‧‧‧油孔
15b‧‧‧油孔
A‧‧‧中心(滾珠13之中心)
B‧‧‧接點
C‧‧‧圓
L‧‧‧直線
L1‧‧‧中心線(油孔15a)
L2‧‧‧中心線(油孔15b)
LA‧‧‧直線(自軸向觀看滾動軸承時，與通過最接近油孔之滾動體之中心且通過滾動軸承之中心之直線垂直之直線)
LB‧‧‧切線(自軸向觀看滾動軸承時，油孔之中心線與滾動體之接點處之切線)
O‧‧‧原點
P‧‧‧中心(滾動軸承之中心)
r‧‧‧半徑(滾珠13之半徑)
X‧‧‧座標軸
Y‧‧‧座標軸
θ‧‧‧LA與LB所成之角度
θ1‧‧‧LA與LB所成之角度
θ2‧‧‧LA與LB所成之角度

Claims (6)

  1. 一種滾動軸承，其特徵在於包含：內圈，其於外周面具有內圈軌道面；外圈，其於內周面具有外圈軌道面；及複數個滾動體，其等滾動自如地配置於上述內圈軌道面與上述外圈軌道面之間；且上述外圈包含複數個油孔，其等各自於軸向位於相同位置，且於周向隔開，並於徑向貫通；上述複數個油孔之圓周方向相位設為，於軸承旋轉中，自軸向觀看上述滾動軸承時，於上述滾動體之中心通過上述複數個油孔之任一個之中心線時，最接近其餘之上述油孔之上述滾動體位於與上述油孔之中心線相交之位置，且自軸向觀看上述滾動軸承時，將與通過最接近上述油孔之上述滾動體之中心且通過上述滾動軸承之中心之直線垂直之直線、與上述油孔之中心線與上述滾動體之接點處之切線所成之角度設為θ時，θ≧45°。
  2. 如請求項1之滾動軸承，其中上述油孔之直徑為0.5~1.0mm。
  3. 如請求項1或2之滾動軸承，其中上述油孔之軌道面側開口部與外周面側開口部相比開口面積較大。
  4. 如請求項1或2之滾動軸承，其中於上述外圈之外周面，沿周向形成與上述油孔連通之凹狀槽。
  5. 如請求項4之滾動軸承，其中於上述外圈之外周面，於夾隔上述凹狀槽之軸向兩側沿周向形成環狀槽，且於上述各環狀槽，分別配置有環狀之密封構件。
  6. 如請求項1或2之滾動軸承，其係工具機主軸用軸承。
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