JP2006329265A

JP2006329265A - 転がり軸受

Info

Publication number: JP2006329265A
Application number: JP2005151400A
Authority: JP
Inventors: Sumio Sugita; 澄雄杉田; Atsushi Mizukami; 敦司水上; Yukio Oura; 大浦　　行雄
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2005-05-24
Filing date: 2005-05-24
Publication date: 2006-12-07

Abstract

【課題】高速回転で使用しても発熱が生じにくく且つ優れた耐圧痕性を有する転がり軸受を提供する。
【解決手段】アンギュラ玉軸受は、外周面に軌道面１ａを有する内輪１と、内周面に軌道面２ａを有する外輪２と、両軌道面１ａ，２ａの間に転動自在に配された複数の転動体３と、を備えており、工作機械の主軸を回転自在に支持する用途に使用される。内輪１及び外輪２は軸受用鋼で構成され、少なくとも軌道面１ａ，２ａには表面硬化処理による硬化層が形成されていて、表面硬さがＨｖ９００以上Ｈｖ１５００以下とされている。また、転動体３はセラミックで構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械主軸用の転がり軸受に関する。

工作機械主軸用の転がり軸受に要求される重要な性能としては、低発熱性と耐圧痕性があげられ、工作機械主軸用の転がり軸受の耐圧痕性を改良する技術としては、例えば特許文献１に記載のものがある。
工作機械においては、熱変位、グリース潤滑の場合の寿命低下、及び許容回転速度の低下を抑えるため、低発熱性の転がり軸受、すなわち回転時の温度上昇が小さい転がり軸受が望まれる。そのため、セラミック（例えば窒化ケイ素）製の転動体が使用されることが多い。
特開２００５−７６６７９号公報実開平５−８６０２６号公報特許第３２４１４９１号公報特開２００１−２００３７号公報

しかしながら、近年の工作機械の高速化により、転動体をセラミック製としただけでは低発熱性が不十分となってきた。また、セラミックはヤング率が高く転がり接触部の面圧が高くなるので、耐圧痕性が不十分であるという問題点も有していた。よって、ＮＣプログラムミス等により工作機械の主軸をワーク等に衝突させてしまった場合等に、工作機械主軸用の転がり軸受が破損してしまう事例が多くあった。
そこで、本発明は前述のような従来技術が有する問題点を解決し、高速回転で使用しても発熱が生じにくく且つ優れた耐圧痕性を有する転がり軸受を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明に係る請求項１の転がり軸受は、内輪と、外輪と、前記内輪及び前記外輪の間に転動自在に配された複数の転動体と、を備え、工作機械の主軸を回転自在に支持する転がり軸受において、前記内輪及び前記外輪の少なくとも一方は、表面硬化処理により形成された硬化層を備え、表面硬さがＨｖ９００以上Ｈｖ１５００以下とされており、前記転動体はセラミックで構成されていることを特徴とする。

転がり軸受の発熱は、材料の弾性ヒステリシス損，油膜による転がり摩擦，滑りによる摩擦，保持器の抵抗等が要因となって発生すると考えられている。工作機械主軸用の転がり軸受はｄｍＮ値が１００万を超えるような高速で回転するので、セラミック製玉軸受が採用され、且つ、オイルエア潤滑のような微量の潤滑油又はグリースにより潤滑される。このような条件下では、油膜による転がり摩擦モーメントや転がり接触部の滑り（スピン滑り，ジャイロ滑り等）は非常に小さく抑えられるので、その結果、発熱のうち弾性ヒステリシス損が要因である分の割合が大きくなる。なお、弾性ヒステリシスによる転がり摩擦モーメントＭｒは、一般に以下の式により表される。
Ｍｒ＝３／８・α・ｂ・Ｑ
ここで、αは弾性ヒステリシス定数、ｂは接触楕円半径（転がり方向の半径）、Ｑは転動体荷重である。

本発明者らは、表面硬さがＨｖ９００以上の硬い鋼は、弾性ヒステリシス定数が小さいことに着目し、このような鋼で内輪及び外輪を構成した転がり軸受であれば、高速回転で使用しても発熱が生じにくく、工作機械主軸用として好適であることを見出した。
一方、鋼のビッカース硬さと降伏応力とはほぼ比例関係にあるので、表面硬さを高めることによって耐圧痕性を向上させることができる。セラミック製の転動体はヤング率が高いため、鋼製の転動体を用いた転がり軸受と比較して、同じ荷重でも面圧が高くなってしまうが、表面硬さをＨｖ９００以上とすることにより、鋼製の転動体を用いた場合よりも優れた耐圧痕性を確保することができる。なお、鋼の表面硬さをＨｖ１５００超過とすることは、実用上は困難である。

本発明の転がり軸受は、高速回転で使用しても発熱が生じにくく且つ優れた耐圧痕性を有する。

本発明に係る転がり軸受の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明に係る転がり軸受の一実施形態であるアンギュラ玉軸受の構造を示す部分縦断面図である。図１のアンギュラ玉軸受は、外周面に軌道面１ａを有する内輪１と、内周面に軌道面２ａを有する外輪２と、両軌道面１ａ，２ａの間に転動自在に配された複数の転動体（玉）３と、を備えている。

内輪１及び外輪２は軸受用鋼で構成され、少なくとも軌道面１ａ，２ａには表面硬化処理による硬化層（図示せず）が形成されていて、表面硬さがＨｖ９００以上Ｈｖ１５００以下とされている。また、転動体３はセラミックで構成されている。
内輪１及び外輪２に使用される軸受用鋼としては、例えば、炭素を０．２質量％以上２．３質量％以下、クロムを２質量％以上７質量％以下、ケイ素を１質量％以下、マンガンを１質量％以下、モリブデンを１０質量％以下、タングステンを１．９７質量％以上２２質量％以下、バナジウムを０．５質量％以上６質量％以下、コバルトを１８質量％以下含有し、残部が鉄及び不可避の不純物である鋼や、炭素を０．２質量％以上０．７質量％以下、クロムを０．５質量％以上３．０質量％以下、ケイ素を０．４質量％以上２．０質量％以下、モリブデンを０．５質量％以上３．０質量％以下、酸素を１０ｐｐｍ以下含有し、残部が鉄及び不可避の不純物である鋼があげられる。

また、表面硬化処理としては、例えば、浸炭窒化処理，窒化処理，ショットピーニング加工があげられる。窒化処理の具体例としては、例えば、塩浴窒化処理，ガス窒化処理，イオン窒化処理等があげられる。ショットピーニング加工の具体例としては、例えば、ＷＰＣ（ＷｏｎｄｅｒＰｒｏｃｅｓｓＣｒａｆｔ）処理（株式会社不二製作所及び株式会社不二機販から提供されるショットピーニング加工処理）があげられる。

浸炭窒化処理や窒化処理により形成される硬化層の深さは、接触応力の最大剪断応力深さまで硬化されていることが好ましいことから、０．１〜０．３ｍｍとすることが好ましい。
浸炭窒化処理や窒化処理によって窒素濃度の高い窒化層を表面に形成することにより、摩擦係数を低減することができる。また、ショットピーニング加工によって圧縮残留応力を付与して、見かけの弾性限を上昇させることができる。なお、浸炭窒化処理，窒化処理とショットピーニング加工とを併用してもよい。

このようなアンギュラ玉軸受は、工作機械の主軸を回転自在に支持する転がり軸受として好適である。以下に、本実施形態のアンギュラ玉軸受を組み込んだ工作機械である、ビルトインモータ駆動方式のスピンドルについて説明する。
図２のスピンドルにおいては、ハウジング１１の両端内側にそれぞれ設けられた一対のアンギュラ玉軸受１３，１３，１５，１５によって回転軸１８が軸支されている。一対のアンギュラ玉軸受１３，１３，１５，１５の各中間位置には、間座２１，２３が設けられている。

また、ハウジングの内側中央に位置する回転軸１８には、ロータ２４が取り付けられており、ロータ２４と対向するステータ２６がハウジング１１の内側に設けられている。さらに、ステータ２６と向かい合うハウジング１１の内壁には、冷却水用の溝１１ａが形成されている。また、ロータ２４の前後の回転軸１８には、バランスリング２７が設けられている。
さらに、ハウジング１１の両端から突出する回転軸１８の各部分には、内輪締付ナット３１，３３が取り付けられている。

図２中右側のハウジング１１の端部には、案内ボール３８を介して予圧スリーブ３９が挿入されており、予圧スリーブ３９は予圧ばね４２によって図中右方向に付勢されるとともに、まわり止め４３によって回転しないようにされている。予圧スリーブ３９の先端部３９ａはアンギュラ玉軸受１５の外輪１５ａを係止するように屈曲しており、予圧スリーブ３９と外輪締付ナット３６との間に挟まれた一対のアンギュラ玉軸受１５，１５の外輪１５ａ，１５ａは外輪締付ナット３６によって予圧スリーブ３９に固定されている。

このようなスピンドルに使用されるアンギュラ玉軸受１３，１５は、高速回転するため、前述のように内輪，外輪が鋼製で転動体がセラミック製である。
アンギュラ玉軸受が高速スピンドルに使用される場合は、遠心力による転動体と外輪との接触力の増大が問題となるので、転動体の材質としては、密度が小さい炭化ケイ素，サイアロン，窒化ケイ素，ジルコニア等のセラミックが好適である。

また、ビルトインモータ駆動方式のスピンドルが搭載されるマシニングセンタ（Ｍ／Ｃ）では、回転速度の立ち上がり（すなわち、回転速度が０から最高点に至るまでの時間）及び立ち下がり（すなわち、回転速度が最高点から０になるまでの時間）の時間短縮が重要であり、ますます衝撃的運動が要求される。そのため、転動体の材質には破壊靭性が大きいことが望まれるが、サイアロンや窒化ケイ素の破壊靭性は比較的大きい。さらに、転動体の材質には、熱衝撃抵抗が大きいことが望まれるが、サイアロンや窒化ケイ素の熱衝撃抵抗は比較的大きい。

さらに、スピンドルに組み込まれる転がり軸受には、温度上昇に対してすきま変化（本実施形態のアンギュラ玉軸受の場合は、接触角の変化）が小さいことが望まれるので、内輪及び外輪の熱膨張係数の差は小さいことが好ましい。また、スピンドルのハウジングの外部へ熱を逃がすためには、外輪の熱伝導率が大きいことが望ましいが、炭化ケイ素の熱伝導率（熱伝導度）は大きい。

〔実施例〕
以下に、実施例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。図１のアンギュラ玉軸受（内輪及び外輪が鋼製で、転動体がセラミック製）と同様の構成の試験軸受（実施例１とする）を用意した。このアンギュラ玉軸受の内径は７０ｍｍ、外径は１００ｍｍ、幅は２０ｍｍ、玉のＰＣＤは９０ｍｍ、接触角は１８°、玉の直径は８．７３ｍｍ、玉の個数は２５個である。また、内輪及び外輪の軌道面には、表面硬化処理による硬化層が形成されていて、表面硬さがＨｖ１０００とされている。さらに、このアンギュラ玉軸受はグリースにより潤滑されている。

このようなアンギュラ玉軸受にアキシアル荷重１０００Ｎを負荷して、回転速度５０００〜２００００ｍｉｎ^-1で回転させ、その際の動トルクを測定した。また、硬化層の表面硬さがＨｖ７５０であることを除いては実施例１と同様の構成を有する比較例１の軸受を用意して、前述と同様にして動トルクを測定し、実施例１と比較した。結果を図３のグラフに示す。なお、動トルクに回転速度を乗じて得た数値が発熱量を示すので、動トルクが低いと発熱量が少ないと判断できる。

図３のグラフから、実施例１のアンギュラ玉軸受の発熱量は、比較例１のアンギュラ玉軸受よりも２５％程度少ないことが分かる。特に、回転速度が１００００ｍｉｎ^-1（ｄｍＮ値は９０万）を超える高速領域において、低発熱化の効果が高いことが分かる。発熱量が少なければ、グリースの劣化が抑制されて、アンギュラ玉軸受が長寿命となる。

次に、アンギュラ玉軸受の耐圧痕性を評価した。評価したアンギュラ玉軸受は、上記の実施例１及び比較例１のアンギュラ玉軸受と、軌道面に形成された硬化層の表面硬さをＨｖ９００としたことを除いては実施例１と同様の構成を有するアンギュラ玉軸受（実施例２）と、転動体をＳＵＪ２製としたことを除いては比較例１と同様の構成を有するアンギュラ玉軸受（比較例２）との４種である。

鋼のビッカース硬さと降伏応力とはほぼ比例関係にあり、一般には転がり接触部の最大面圧（ｋｇｆ／ｍｍ²）がビッカース硬さＨｖの１／２となると、工作機械にとって有害な圧痕が発生する。このことに基づいてアンギュラ玉軸受の許容荷重を計算したところ、表１に示すような結果となった。なお、各アンギュラ玉軸受の軌道輪を構成する鋼及び転動体を構成するＳＵＪ２のヤング率は２１０ＧＰａ、転動体を構成するセラミックスのヤング率は３２０ＧＰａとして計算した。

表１に示す結果から、硬化層の表面硬さがＨｖ９００以上であると、セラミック製の転動体を使用した場合でも、ＳＵＪ２製の転動体を使用した従来のアンギュラ玉軸受よりも耐圧痕性が優れていることが分かる。
なお、本実施形態においては転がり軸受の例としてアンギュラ玉軸受をあげて説明したが、本発明は高速回転可能な円筒ころ軸受にも好適である。また、本発明は、他の種類の様々な転がり軸受に対して適用することができる。例えば、深溝玉軸受，自動調心玉軸受，円すいころ軸受，針状ころ軸受，自動調心ころ軸受等のラジアル形の転がり軸受や、スラスト玉軸受，スラストころ軸受等のスラスト形の転がり軸受である。

本発明に係る転がり軸受の一実施形態であるアンギュラ玉軸受の構造を示す部分縦断面図である。アンギュラ玉軸受を組み込んだスピンドルの構造を示す断面図である。アンギュラ玉軸受の回転速度と動トルクとの相関を示すグラフである。

符号の説明

１内輪
１ａ軌道面
２外輪
２ａ軌道面
３転動体

Claims

内輪と、外輪と、前記内輪及び前記外輪の間に転動自在に配された複数の転動体と、を備え、工作機械の主軸を回転自在に支持する転がり軸受において、前記内輪及び前記外輪の少なくとも一方は、表面硬化処理により形成された硬化層を備え、表面硬さがＨｖ９００以上Ｈｖ１５００以下とされており、前記転動体はセラミックで構成されていることを特徴とする転がり軸受。