WO2016076143A1 - 転がり軸受 - Google Patents

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WO2016076143A1
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真人 吉野
裕士 恩田
岡本　直也
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Ntn株式会社
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    • F16N7/32—Mist lubrication

Definitions

  • This invention relates to a rolling bearing used for supporting a spindle of a machine tool, for example.
  • ⁇ Heat generation during bearing rotation increases the contact surface pressure between the race and rolling elements, increasing the risk of bearing damage. For this reason, considering higher speed and higher accuracy of the spindle, we would like to suppress the temperature rise of the bearing due to heat generation as much as possible.
  • a means for suppressing the temperature rise of the bearing there is a method of cooling by injecting a cooling fluid consisting of a mixture of air and oil or only air to the bearing in operation.
  • the bearing can be operated at a higher speed.
  • an air curtain composed of a swirling flow around the axis is generated in the vicinity of the revolving rolling element, and a collision sound is generated when a large amount of cooling fluid is injected toward the air curtain.
  • the impact sound causes noise. Therefore, noise is reduced by inclining the direction of the nozzle for injecting the cooling fluid toward the front in the rotation direction of the main shaft (for example, Patent Documents 1 and 2).
  • the bearing devices of Patent Documents 1 and 2 are configured to inject a cooling fluid into a bearing from a nozzle provided in the outer ring spacer, and use a rolling bearing in combination with the outer ring spacer. For this reason, for example, when the spindle of a machine tool is supported by a rolling bearing, it may be advantageous not to use a spacer, or to shorten the spacer as much as possible and arrange a pair of rolling bearings side by side. Such a support structure could not be employed.
  • An object of the present invention is to use a spacer with a spacer as short as possible without using a spacer, which can be cooled efficiently and from a swirling flow generated in the vicinity of a rolling element. It is providing the rolling bearing which can suppress the collision sound of the air curtain and cooling fluid which become.
  • a rolling bearing according to the present invention includes an inner ring and an outer ring that are raceways, a plurality of rolling elements that are freely rollable between raceway surfaces of the raceways, and a cage that holds the plurality of rolling elements.
  • a nozzle that injects a cooling fluid toward the rolling element is fixed to the stationary ring of the inner ring and the outer ring, and a discharge port side of the nozzle is disposed forward of the revolution direction of the rolling element. It is provided for
  • the cooling fluid is jetted from the nozzle provided on the stationary raceway toward the rolling element, the rolling element that is a heat generation source during the bearing operation is directly cooled by the cooling fluid. Can be efficiently cooled. Since the nozzle is provided with the discharge port side of the nozzle facing forward in the revolution direction of the rolling element, a cooling fluid sprayed from the discharge port of the nozzle and an air curtain composed of a swirling flow generated by the revolution of the rolling element The difference in flow velocity is reduced, and the collision noise between the air curtain and the cooling fluid can be suppressed. Since the nozzle for injecting the cooling fluid is provided on the fixed-side raceway, the spacer can be used without using the spacer or with the spacer as short as possible.
  • the cooling fluid may be a mixture of compressed air and oil.
  • the bearing can be lubricated simultaneously with the cooling of the bearing.
  • the rolling bearing according to the present invention has the above-described functions and effects, it is suitable for supporting the spindle of a machine tool.
  • the inner ring When used for supporting the spindle of a machine tool, the inner ring is fitted to the spindle and the outer ring is installed in the housing. Since it is possible to use a rolling bearing alone without a spacer, a pair of rolling bearings can be arranged side by side. For this reason, it is possible to improve the rigidity of the main shaft by concentrating and arranging the rolling bearings in front of the main shaft.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a spindle device of a machine tool using the rolling bearing shown in FIGS. 1 to 3.
  • this rolling bearing 1 is, for example, an angular ball bearing, and is interposed between an inner ring 2 and an outer ring 3 that are race rings and raceway surfaces 2 a and 3 a of these inner rings and outer rings 2 and 3.
  • a plurality of rolling elements 4 and a cage 5 that holds the plurality of rolling elements 4 in a circumferentially equidistant manner.
  • the rolling bearing 1 of this embodiment is used in a state where the outer ring 3 is fixed and the inner ring 2 rotates. In this case, the outer ring 3 is installed in the housing 6 with a clearance fit, and the inner ring 2 is fitted into the rotary shaft 7 with an interference fit.
  • a plurality of nozzles 10 for injecting the cooling fluid R toward the rolling elements 4 are provided in the outer ring 3 which is a fixed-side raceway ring in a circumferential direction.
  • Each nozzle 10 communicates the bottom portion of the annular groove 11 formed on the outer peripheral surface of the outer ring 3 and the position slightly on the front side (right side in FIG. 1) of the inner peripheral surface of the outer ring 3 with respect to the raceway surface 3a.
  • each nozzle 10 is linear, and is inclined so that the discharge port 10 a side faces the front in the revolution direction of the rolling element 4.
  • FIG. 1 shows a cross section passing through the center of the nozzle 10 instead of a plane cross section passing through the bearing central axis.
  • exhaust notches 12 that connect the inner peripheral side and the outer peripheral side of the outer ring 3 are respectively provided at a plurality of positions in the circumferential direction on both end faces of the outer ring 3.
  • annular sealing grooves 13 are provided on both sides in the axial direction of the annular groove 11 on the outer peripheral surface of the outer ring 3, and an O-ring 14 is fitted in the sealing groove 13.
  • cooling fluid R for example, compressed air is used.
  • the cooling fluid R is supplied from a cooling fluid supply device (not shown) to the annular groove 11 of the rolling bearing 1 through the cooling fluid supply path 15 provided in the housing 6.
  • the supplied cooling fluid R is jetted from each nozzle 10 toward the rolling element 4 to directly cool the rolling element 4 as a heat source during the bearing operation. Thereby, the rolling bearing 1 can be cooled efficiently. Since the discharge port 10a side of the nozzle 10 faces forward in the revolution direction of the rolling element 4, the flow velocity difference between the cooling fluid R ejected from the nozzle 10 and the air curtain formed by the swirling flow generated by the revolution of the rolling element 4 The impact noise between the air curtain and the cooling fluid R can be suppressed.
  • the cooling fluid R may be a mixture of compressed air and oil.
  • the air oil which conveys liquid oil with compressed air may be sufficient, and the oil mist which conveys mist-like oil with compressed air may be sufficient.
  • the rolling bearing 1 can be lubricated simultaneously with the cooling of the rolling bearing 1.
  • rolling bearing 1 shown in FIGS. 1 to 3 is an angular ball bearing
  • the present invention can also be applied to other ball bearings such as deep groove ball bearings, or roller bearings such as cylindrical roller bearings and tapered roller shafts.
  • the noise level was measured and compared.
  • As the test bearings A and B those having the inner ring inner diameter of 80 mm, the outer ring outer diameter of 125 mm, the width of 22 mm, and the nozzles 10 having the hole diameter of 1.2 mm provided at two locations on the circumference were used.
  • the amount of air during the test was 20 NL / min (normal liter / min).
  • FIG. 5 is a graph showing the test results, and it can be seen from this graph that the noise value of the test bearing A is lower than that of the test bearing B at any rotational speed.
  • FIG. 6 shows a state in which the rolling bearing according to the present invention is used to support the spindle of a machine tool.
  • the main shaft in the figure is a so-called built-in motor driven main shaft in which a motor is built in a housing.
  • the rotor 21 of the motor 20 is attached to the rotary shaft 7 as the main shaft, and the stator 22 of the motor 20 is attached to the motor housing 23.
  • the rotor 21 is made of a permanent magnet or the like, and the stator 22 is made of a coil, a core, or the like.
  • the front end side of the rotating shaft 7 is supported by one cylindrical roller bearing BR1 and two angular ball bearings BR2 combined with the back surface, and the rear end side of the rotating shaft 7 is supported by one cylindrical roller bearing BR1.
  • Both the cylindrical roller bearing BR1 and the angular ball bearing BR2 are rolling bearings to which the present invention is applied.
  • the inner ring 2 is fitted to the outer peripheral surface of the rotary shaft 7 and the outer ring 3 is fitted to the inner peripheral surface of the housing 6.
  • These inner rings and outer rings 2 and 3 are fixed to the rotary shaft 7 and the housing 6 by inner ring retainers 24 and outer ring retainers 25, respectively.
  • the housing 6 is provided with the cooling fluid supply path 15, and both ends of the cooling fluid supply path 15 are the cooling fluid supply device (not shown) and the rolling bearing 1 (FIG. 1) that is the bearings BR 1 and BR 2. Each communicates with the annular groove 11 (FIG. 1).
  • the housing 6 is provided with an exhaust path 26 that communicates with the exhaust notch 12 (FIG. 1) of the rolling bearing 1.
  • the cooling fluid R injected from the nozzle 10 into the bearing is exhausted from the exhaust notch 12 through the exhaust path 26 to the outside of the housing 6.
  • the rolling bearing 1 of the present invention can be efficiently cooled by the cooling fluid R and suppresses the collision noise between the air curtain and the cooling fluid R generated near the rolling elements 4. Therefore, it is suitable for supporting the spindle of the machine tool.
  • the nozzle 10 for injecting the cooling fluid R is provided in the outer ring 3 which is a stationary raceway, the rolling bearing 1 can be used alone without a spacer.
  • a pair of rolling bearing 1 which is an angular ball bearing can be arranged side by side adjacently. For this reason, the bearings BR1 and BR2 can be concentrated on the front side of the main shaft to improve the rigidity of the main shaft.
  • the present invention can also be applied to a rolling bearing 1 in which the inner ring 2 is fixed and the outer ring 3 rotates.
  • the nozzle 10 which injects the cooling fluid R toward the rolling element 4 is provided in the inner ring 2 which is a fixed-side raceway ring.

Abstract

　転がり軸受（１）は、軌道輪である内輪（２）および外輪（３）と、これら軌道輪の各軌道面（２ａ，３ａ）間に転動自在に介在する複数の転動体（４）と、これら複数の転動体（４）を保持する保持器とを備える。内輪（２）および外輪（３）のうちの固定側の軌道輪に、転動体（４）に向けて冷却用流体（Ｒ）を噴射するノズル（１０）を、このノズル（１０）の吐出口（１０ａ）側を転動体（４）の公転方向の前方に向けて設ける。

Description

転がり軸受 関連出願
　本出願は、２０１４年１１月１３日出願の特願２０１４－２３０３９５の優先権を主張するものであり、それらの全体を参照により本願の一部をなすものとして引用する。
　この発明は、例えば工作機械の主軸の支持に用いられる転がり軸受に関する。
　工作機械の主軸装置では、加工精度を確保するために、装置の温度上昇は小さく抑える必要がある。しかしながら最近の工作機械では、加工能率を向上させるため高速化の傾向にあり、主軸を支持する軸受からの発熱も高速化と共に大きくなってきている。また、装置内部に駆動用のモータを組込んだいわゆるモータビルトインタイプが多くなってきており、装置の発熱要因ともなってきている。
　軸受回転中の発熱は、軌道輪と転動体の接触面圧の増加を招き、軸受損傷のリスクを大きくする。このため、主軸の高速化、高精度化を考えると、発熱による軸受の温度上昇を極力抑えたい。軸受の温度上昇を抑えるための手段として、エアと油の混合物、またはエアのみからなる冷却用流体を運転中の軸受に噴射して冷却する方法がある。
　運転中の軸受に冷却用流体を噴射して軸受冷却効果を向上させれば、より高速で運転することができる。しかし、公転する転動体付近には軸回りの旋回流からなるエアカーテンが発生し、このエアカーテンに向かって大量の冷却用流体を噴射すると衝突音が発生する。衝突音は騒音の原因となる。そこで、冷却用流体を噴射するノズルの向きを主軸の回転方向の前方に向けて傾斜させることで、騒音を軽減させることが行われている（例えば、特許文献１、２）。
特開２０１４－０６２６１６号公報 特開２０１４－０６２６１８号公報
　特許文献１、２の軸受装置は、外輪間座に設けたノズルから冷却用流体を軸受に噴射する構成であり、転がり軸受を外輪間座と組み合わせて使用する。このため、例えば、転がり軸受で工作機械の主軸を支持する場合、間座を用いずに、あるいは、間座を可能な限り短くし一対の転がり軸受を隣り合わせに並べて配置すると有利な場合があるが、そのような支持構造を採用することができなかった。
　この発明の目的は、間座を用いずに、あるいは、間座を可能な限り短くして使用することが可能であって、効率良く冷却することができ、転動体付近に発生する旋回流からなるエアカーテンと冷却用流体との衝突音を抑制することができる転がり軸受を提供することである。
　この発明の転がり軸受は、軌道輪である内輪および外輪と、これら軌道輪の各軌道面間に転動自在に介在する複数の転動体と、これら複数の転動体を保持する保持器とを備えた転がり軸受において、前記内輪および前記外輪のうちの固定側の軌道輪に、前記転動体に向けて冷却用流体を噴射するノズルを、このノズルの吐出口側を前記転動体の公転方向の前方に向けて設けたことを特徴とする。
　この構成によると、固定側の軌道輪に設けたノズルから冷却用流体を転動体に向けて噴射することで、軸受運転時の発熱源である転動体を冷却用流体で直接冷却するため、軸受を効率良く冷却することができる。ノズルを、このノズルの吐出口側を転動体の公転方向の前方に向けて設けたため、ノズルの吐出口から噴射される冷却用流体と、転動体の公転により生じる旋回流からなるエアカーテンとの流速差が小さくなり、エアカーテンと冷却用流体との衝突音を抑制することができる。冷却用流体を噴射するノズルを固定側の軌道輪に設けたため、間座を用いずに、あるいは、間座を可能な限り短くして使用することが可能である。
　この発明において、前記冷却用流体は圧縮エアと油の混合物であってもよい。この場合、軸受の冷却と同時に軸受の潤滑も行うことができる。
　この発明の転がり軸受は、上記作用・効果を有するので、工作機械の主軸の支持に好適である。工作機械の主軸の支持に使用する場合、前記内輪が前記主軸に嵌合し、前記外輪がハウジングに設置される。間座無しで転がり軸受を単独で使用することが可能であるため、一対の転がり軸受を隣り合わせに並べて配置することができる。このため、主軸前方に転がり軸受を集中して配置して、主軸の剛性を向上させることができる。
　請求の範囲および／または明細書および／または図面に開示された少なくとも２つの構成のどのような組合せも、本発明に含まれる。特に、請求の範囲の各請求項の２つ以上のどのような組合せも、本発明に含まれる。
　この発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施形態の説明からより明瞭に理解されるであろう。しかしながら、実施形態および図面は単なる図示および説明のためのものであり、この発明の範囲を定めるために利用されるべきでない。この発明の範囲は添付の請求の範囲によって定まる。添付図面において、複数の図面における同一の部品番号は、同一部分を示す。
この発明の一実施形態に係る転がり軸受の断面図である。 図１のII矢視図である。 図１のIII矢視図である。 比較例である転がり軸受の断面図である。 図４ＡのIVＢ矢視図である。 図４ＡのIVＣ矢視図である。 図１ないし図３に示す転がり軸受と図４Ａないし図４Ｃに示す転がり軸受の騒音値の試験結果を示すグラフである。 図１ないし図３に示す転がり軸受を用いた工作機械の主軸装置の断面図である。
　この発明の実施形態を図面と共に説明する。
　図１～図３はこの発明の一実施形態を示す。図１において、この転がり軸受１は、例えばアンギュラ玉軸受であって、軌道輪である内輪２および外輪３と、これら内輪および外輪２，３の各軌道面２ａ，３ａ間に転動自在に介在する複数の転動体４と、これら複数の転動体４を円周方向等配に保持する保持器５とを備える。この実施形態の転がり軸受１は、外輪３が固定で、内輪２が回転する状態で使用される。この場合、外輪３はハウジング６にすきま嵌めで設置され、内輪２は回転軸７に締まり嵌めで嵌合される。
　固定側の軌道輪である外輪３には、転動体４に向けて冷却用流体Ｒを噴射するノズル１０が円周方向に等配で複数設けられている。各ノズル１０は、外輪３の外周面に形成された環状溝１１の底部と、外輪３の内周面における軌道面３ａよりも若干正面側（図１では右側）の位置とを連通している。図２および図３に示すように、各ノズル１０は直線状であって、その吐出口１０ａ側が転動体４の公転方向の前方に向くように、傾斜している。なお、図１は、軸受中心軸を通る平面の断面ではなく、ノズル１０の中心を通る断面で表わしている。
　また、外輪３の両端面における円周方向の複数箇所には、外輪３の内周側と外周側とを連通する排気用切欠き部１２がそれぞれ設けられている。さらに、外輪３の外周面における前記環状溝１１の軸方向両側に環状のシール用溝１３が設けられ、このシール用溝１３にＯリング１４が嵌められている。
　冷却用流体Ｒとしては、例えば圧縮エアが使用される。冷却用流体Ｒは、図示外の冷却用流体供給装置から、ハウジング６に設けられた冷却用流体供給経路１５を通って、転がり軸受１の環状溝１１に供給される。この供給された冷却用流体Ｒは、各ノズル１０から転動体４に向けて噴射されて、軸受運転時の発熱源である転動体４を直接冷却する。これにより、転がり軸受１を効率良く冷却することができる。ノズル１０の吐出口１０ａ側が転動体４の公転方向の前方を向いているため、ノズル１０から噴射される冷却用流体Ｒと、転動体４の公転により生じる旋回流からなるエアカーテンとの流速差が小さく、エアカーテンと冷却用流体Ｒとの衝突音を抑制することができる。
　冷却用流体Ｒは圧縮エアと油の混合物であってもよい。例えば、圧縮エアで液状の油を搬送するエアオイルであってもよく、圧縮エアで霧状の油を搬送するオイルミストであってもよい。これらの場合、転がり軸受１の冷却と同時に転がり軸受１の潤滑も行うことができる。
　図１～図３に示す転がり軸受１はアンギュラ玉軸受であるが、この発明は、深溝玉軸受等の他の玉軸受、または円筒ころ軸受、円すいころ軸等のころ軸受にも適用できる。
　径方向から傾斜させたノズル１０を持つ試験軸受Ａ（図１～図３に示す転がり軸受）、および径方向に沿うノズル１０を持つ試験軸受Ｂ（図４Ａ～図４Ｃに示す転がり軸受）の各騒音値を測定し、比較した。試験軸受Ａ，Ｂとしては、サイズが内輪内径８０ｍｍ、外輪外径１２５ｍｍ、幅２２ｍｍで、孔径１．２ｍｍのノズル１０が円周上の２箇所に設けられたものを用いた。また、試験時のエア量は、２０ＮＬ／ｍｉｎ（ノルマル・リットル／分）とした。図５は試験結果を示すグラフであり、このグラフから、いずれの回転速度でも試験軸受Ａの方が試験軸受Ｂよりも騒音値が低いこと分かる。
　図６は、この発明に係る転がり軸受を工作機械の主軸の支持に用いた状態を示す。図の主軸は、モータをハウジング内に内蔵した、いわゆるビルトインモータ駆動式の主軸である。主軸としての回転軸７にモータ２０のロータ２１が取り付けられ、モータハウジング２３にモータ２０のステータ２２が取り付けられている。ロータ２１は永久磁石等からなり、ステータ２２はコイルおよびコア等からなる。回転軸７の前端側が１個の円筒ころ軸受ＢＲ１および背面組合せした２個のアンギュラ玉軸受ＢＲ２で支持され、回転軸７の後端側が１個の円筒ころ軸受ＢＲ１で支持されている。円筒ころ軸受ＢＲ１およびアンギュラ玉軸受ＢＲ２は共に、この発明が適用された転がり軸受からなる。
　各軸受ＢＲ１，ＢＲ２は、内輪２が回転軸７の外周面に嵌合し、外輪３がハウジング６の内周面に嵌合している。これら内輪および外輪２，３は内輪押え２４および外輪押え２５等により回転軸７およびハウジング６にそれぞれ固定されている。ハウジング６には前記冷却用流体供給経路１５が設けられ、この冷却用流体供給経路１５の両端が、図示外の冷却用流体供給装置および軸受ＢＲ１，ＢＲ２である転がり軸受１（図１）の前記環状溝１１（図１）にそれぞれ連通している。また、ハウジング６には、冷却用流体供給経路１５とは別に、転がり軸受１の前記排気用切欠き部１２（図１）に連通した排気経路２６が設けられている。ノズル１０から軸受内部に噴射されて冷却用流体Ｒは、排気用切欠き部１２から排気経路２６を通ってハウジング６の外部に排気される。
　この発明の転がり軸受１は、先に説明したように、冷却用流体Ｒで効率良く冷却することができ、かつ転動体４付近に発生するエアカーテンと冷却用流体Ｒとの衝突音を抑制することができるので、工作機械の主軸の支持に好適である。また、冷却用流体Ｒを噴射するノズル１０を固定側の軌道輪である外輪３に設けたため、転がり軸受１を間座無しで単独で使用することが可能である。これにより、図６の例のように、アンギュラ玉軸受である一対の転がり軸受１を隣り合わせに並べて配置することができる。このため、主軸前方に軸受ＢＲ１，ＢＲ２を集中して配置して、主軸の剛性を向上させることができる。
　この発明は、内輪２が固定で外輪３が回転する転がり軸受１にも適用できる。その場合、固定側の軌道輪である内輪２に、転動体４に向けて冷却用流体Ｒを噴射するノズル１０が設けられる。
　以上のとおり、図面を参照しながら好適な実施例を説明したが、当業者であれば、本件明細書を見て、自明な範囲内で種々の変更および修正を容易に想定するであろう。したがって、そのような変更および修正は、添付の請求の範囲から定まるこの発明の範囲内のものと解釈される。
１…転がり軸受
２…内輪
２ａ…軌道面
３…外輪
３ａ…軌道面
４…転動体
５…保持器
６…ハウジング
７…回転軸（主軸）
１０…ノズル
１０ａ…吐出口
Ｒ…冷却用流体

Claims (3)

  1. 　軌道輪である内輪および外輪と、これら軌道輪の各軌道面間に転動自在に介在する複数の転動体と、これら複数の転動体を保持する保持器とを備えた転がり軸受において、前記内輪および前記外輪のうちの固定側の軌道輪に、前記転動体に向けて冷却用流体を噴射するノズルを、このノズルの吐出口側を前記転動体の公転方向の前方に向けて設けた転がり軸受。
  2. 　請求項１に記載の転がり軸受において、前記冷却用流体は圧縮エアと油の混合物である転がり軸受。
  3. 　請求項１または請求項２に記載の転がり軸受において、工作機械の主軸の支持に用いられ、前記内輪が前記主軸に嵌合し、前記外輪がハウジングに設置された転がり軸受。
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