(57)【要約】【課題】従来よりも柔軟性及び強度が高く、耐久性に優れ、更に保持器が摩耗した場合でも露出した補強繊維による保持器案内面の摩耗を抑えた転がり軸受用保持器を製造する。【解決手段】筒状芯棒に、引張強度が２ＧＰａ以上で、かつ引張弾性率が５０ＧＰａ以上の有機繊維からなるフィラメント束を、液状熱硬化性樹脂を含浸させながら所定角度で巻き付け、熱硬化させた後、前記筒状芯棒を抜き取り、得られた筒状体を保持器形状に加工して保持器を製造する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高速回転する主軸を支承し、保持器を備える高速回転用転がり軸受の前記保持器の製造方法であって、
筒状芯棒に、引張強度が２ＧＰａ以上で、かつ引張弾性率が５０ＧＰａ以上の有機繊維からなるフィラメント束を、液状熱硬化性樹脂を含浸させながら所定角度で巻き付け、熱硬化させた後、前記筒状芯棒を抜き取り、得られた筒状体を保持器形状に加工することを特徴とする高速回転用転がり軸受用保持器の製造方法。
【請求項２】
前記有機繊維が、パラ系アラミド繊維、ポリアリレート繊維及びポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール繊維から選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項１記載の高速回転用転がり軸受用保持器の製造方法。
【請求項３】
前記熱硬化性樹脂が、エポキシ樹脂、ビスマレイミド樹脂、ポリアミノアミド樹脂及びフェノール樹脂の少なくとも１種であることを特徴とする請求項１または２記載の高速回転用転がり軸受用保持器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作機械や航空機ジェットエンジン等のように高速で回転する主軸を支持するために使用される高速回転用転がり軸受に組み込まれる保持器の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に工作機械主軸用軸受には、円筒ころ軸受やアンギュラ玉軸受等が使用されている。これらの軸受の保持器としては、綿布補強のフェノール樹脂を切削加工した保持器や、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維等の補強繊維で強化したポリアミド６６やポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン等を材料とする合成樹脂製保持器が使用されている（例えば、特許文献１、２参照）。合成樹脂製保持器は、軽量のため回転時の遠心力が小さく、さらに自己潤滑性を有するという特徴を備えているため、高速回転に有利である。
【０００３】
また、航空機ジェットエンジン用の転がり軸受には、炭素繊維の織物を積層し樹脂で固めた材料を切削加工で仕上げた合成樹脂製保持器が使用されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−６８４２０号公報
【特許文献２】特開２００４−３１６８１３号公報
【特許文献３】特開２０００−１５４８２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、工作機械では、切削能力を向上させて加工時間を短縮する方向にあり、それに伴い主軸の回転数を高速化する傾向が顕著である。そのため、主軸を支承する軸受に供給する潤滑油量も微量（必要最小限の量）となる傾向にある。しかしながら、グリース潤滑のように、回転中に外部から軸受内部に潤滑油が供給されない場合には、時間の経過とともに潤滑油が一時的あるいは継続的に不足して、潤滑油膜が途切れがちになるため、上記のような厳しい潤滑条件では、十分な潤滑を得ることが困難である。そのため、保持器と転動体（外輪・内輪）との摺動部が発熱して高温になり、場合によっては焼き付いて回転停止に到ることもある。
【０００６】
このような問題は、特に、保持器の案内面と外輪内径面との摺接部、あるいは、保持器と転動体との摺接部において生じることが多い。そのため、補強繊維を含有する合成樹脂製保持器では、摩耗が進展すると、徐々に保持器表面に補強繊維が露出するようになり、露出した補強繊維により相手材である軌道輪案内面の摩耗が進むことが想定され、軸受の不具合が発生することが考えられる。
【０００７】
傷付性の無い綿布で強化された保持器では、摩耗が進むことは無いものの、綿糸の強度が低いため保持器全体としての強度が不足しており、高温になる超高速回転時の耐久信頼性が十分ではない。
【０００８】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、従来よりも柔軟性及び強度が高く、耐久性に優れ、更に保持器が摩耗した場合でも露出した補強繊維による保持器案内面の摩耗を抑えた保持器を製造することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明は下記の高速回転用転がり軸受用保持器の製造方法を提供する。
（１）高速回転する主軸を支承し、保持器を備える高速回転用転がり軸受の前記保持器の製造方法であって、筒状芯棒に、引張強度が２ＧＰａ以上で、かつ引張弾性率が５０ＧＰａ以上の有機繊維からなるフィラメント束を、液状熱硬化性樹脂を含浸させながら所定角度で巻き付け、熱硬化させた後、前記筒状芯棒を抜き取り、得られた筒状体を保持器形状に加工することを特徴とする高速回転用転がり軸受用保持器の製造方法。
（２）前記有機繊維が、パラ系アラミド繊維、ポリアリレート繊維及びポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール繊維から選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする上記（１）記載の高速回転用転がり軸受用保持器の製造方法。
（３）前記熱硬化性樹脂が、エポキシ樹脂、ビスマレイミド樹脂、ポリアミノアミド樹脂及びフェノール樹脂の少なくとも１種であることを特徴とする上記（１）または（２）記載の高速回転用転がり軸受用保持器の製造方法。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、簡便な操作で、柔軟性及び強度が高く、耐久性に優れ、更に保持器が摩耗した場合でも露出した補強繊維による保持器案内面の摩耗を抑える保持器が得られる。また、炭素繊維の積層体で用いていたプリプレグを積層して製造する方法（シートワインディング法）ではプリプレグの厚さと巻数で外径制御を行っているが、本発明ではフィラメント径と巻数で外径制御をするため、外径精度を細かくコントロールできるため、低コスト化が可能である。更に、切削加工でポケット等を仕上げてもシートワインディグ法で見られるようなプリプレグ間で見られる場合がある層間剥離等が起こり難く、信頼性を向上させることも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００１２】
ここでは、高速回転用転がり軸受として広く使用されているアンギュラ玉軸受用の保持器を例にして説明する。アンギュラ玉軸受は、図１に断面図で示されるように、外輪２と内輪４との間に、複数の玉３を保持器１で保持したものであり、潤滑のために例えばグリース（図示せず）が封入されている。保持器１は、図２に斜視図にて示すように、その外周面が案内面１Ａとなり、玉３を保持するためにポケット１Ｃが等間隔で開口しており、各ポケット１Ｃの摺接面１Ｂと玉３の表面とが摺接する。
【００１３】
本発明は、上記保持器１の製造方法に関する。以下に、その手順を説明する。
【００１４】
先ず、図３に示すように、筒状芯棒（マンドリル）４０に有機繊維からなるフィラメント束５０を、液状熱硬化性樹脂（図示せず）を含浸させながら巻き付ける。フィラメント束５０の巻き付け方は、図３（Ａ）に示すように、芯金４０の軸線に対して好ましくは３０〜６０°の角度θで交差するように巻き付けるヘリカル巻き、図３（Ｂ）に示すように芯金４０の軸線に対して略直角、好ましくは８０〜８８°の角度θで巻き付けるパラレル巻きの何れでもよいが、ヘリカル巻きとパラレル巻きとを数巻ずつ交互に巻き付けることが好ましい。液状熱硬化性樹脂を含浸させながらフィラメント束５０を巻き付けるには、例えば、液状熱硬化性樹脂を貯蔵した槽にフィラメント束５０を浸漬した後、液状熱硬化性樹脂を付着させたフィラメント束５０を筒状芯棒４０に巻き付ける方法が簡便で効率的である。
【００１５】
次いで、熱硬化性樹脂の硬化温度にて加熱して、熱硬化性樹脂を硬化させる。これにより、フィラメント束（図示せず）同士が熱硬化性樹脂で結着される。
【００１６】
次いで、筒状芯棒４０を引き抜き、フィラメント束同士が熱硬化性樹脂で結着された筒状体を得る。筒状芯棒４０の引き抜きを円滑に行うために、筒状芯棒４０の外表面には、ワックスを塗布したり、ＰＥＴフィルム等を巻き付けておき、上記のようにフィラメント束を巻き付ける。
【００１７】
そして、得られた筒状体を輪切りにし、ポケット１Ｃを開口することにより図２に示すような保持器１が得られる。
【００１８】
有機繊維は、引張強度が２ＧＰａ以上で、かつ引張弾性率が５０ＧＰａ以上であれば制限はないが、パラ系アラミド繊維、ポリアリレート繊維、ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール（ＰＢＯ）繊維、超高分子量ポリエチレン繊維、ＰＡＮ系炭素繊維等を好適に挙げることができる。表１に、これら繊維の引張強度及び引張弾性率を示す。これらは単独で使用してもよいし、複数種を組み合わせて使用してもよい。但し、超高分子量ポリエチレン繊維は、融点が１４０℃程度であるため単独での使用には向かない。また、ＰＡＮ系炭素繊維は引張強度が高く（２．０〜７．１ＧＰａ）好ましいが、鉄系材料への傷付性があるため、鉄系材料からなる保持器案内面に熱処理等の硬化処理を施す必要があり、コスト増を招く。そのため、これら有機繊維の中では、パラ系アラミド繊維、ポリアリレート繊維及びＰＢＯ繊維が、高強度でありながらも柔軟性を有し、鉄系材料への傷付性がなく保持器案内面の熱硬化処理も不要であり、摺動特性にも優れることなどから、好ましい。中でも、ＰＡＮ系炭素繊維に近い引張強度を有するＰＢＯ繊維が特に好ましい。
【００１９】
【表１】
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【００２０】
尚、上記パラ系アラミド繊維は、ポリパラフェニレンテレフタラミドに、ジアミンを共重合させて延伸性等を改善したコポリパラフェニレン−３，４´−オキシジフェニレンテレフタラミドである。また、ポリアリレート繊維は、二価フェノールと芳香族ジカルボン酸との重縮合物である全芳香族ポリエステル繊維である。
【００２１】
有機繊維は、平均直径で６〜２１μｍであることが好ましく、より好ましくは８〜１５μｍである。平均直径が６μｍ未満では細すぎて、一本当りの強度が低いため安定した製造が難しく、大幅なコスト増となるため、実用性が低い。一方、平均直径が２１μｍを超えると一本当りの強度は増加するものの、フィラメント束を平坦に巻き付けるのが難しくなる。
【００２２】
また、有機繊維は、液状熱硬化性樹脂との接着性を向上させるために、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ビスマレイミド樹脂等から選ばれるサイジング剤で表面をコーティングされていることが好ましい。
【００２３】
更に、上記有機繊維の一部を、強度に劣るものの、鉄への傷付性がなく、耐熱性に優れるメタ系アラミド繊維、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）繊維、ポリイミド（ＰＩ）繊維等で代替してもよい。また、最表層に配置されないのであれば、ＰＡＮ系炭素繊維を用いることもできる。
【００２４】
一方、熱硬化性樹脂としては、硬化性に優れることから、エポキシ樹脂、ピスマレイミド樹脂、ポリアミノアミド樹脂、フェノール樹脂等が好適であり、それぞれ単独または組み合わせて使用される。中でも、エポキシ樹脂が好ましい。また、ポリアミノアミド樹脂はエポキシ樹脂の硬化剤としても使用可能である。
【００２５】
また、液状熱硬化性樹脂の含有量、即ち液状熱硬化性樹脂を含浸させたフィラメント束を巻き付けた層における液状熱硬化性樹脂の重量は、２０〜４５質量％が好ましく、より好ましくは２５〜４０質量％である。熱硬化性樹脂の含有量が２０質量％未満では、樹脂分が少なすぎてフィラメント束同士の接着強度が不足し、安定した筒状体を製造することが困難になり好ましくない。更には、得られる保持器において有機繊維が露出し、弾性が低くなることから折れ易くなり好ましくない。これに対し熱硬化性樹脂の含有量が４５質量％を超えると、保持器としての柔軟性が高まるものの、相対的に有機繊維の含有量が少なくなり、円環強度が低下して好ましくない。
【実施例】
【００２６】
以下に実施例を挙げて本発明を更に説明するが、本発明はこれにより何ら制限されるものではない。
【００２７】
（実施例１）
繊維直径１２μｍのパラ系アラミド繊維（サイジング剤処理済みコポリパラフェニレン−３，４´−オキシジフェニレンテレフタラミド：帝人テクノプロダクツ製「テクノーラ」）からなるフィラメント束（引張強度３．４３ＧＰａ、引張弾性率７２．５ＧＰａ、伸度４．６％）を液状のエポキシ樹脂を貯蔵した槽に浸漬した後、外径１０１ｍｍ、内径６４ｍｍの筒状芯棒に張力を加えながら巻き付けた。尚、筒状芯棒には、外表面にワックスを塗布し、更にその上にＰＥＴフィルムを巻き付けてある。その際、ヘリカル巻き（角度θ＝４５°）にて厚さ２ｍｍで巻き付けた上に、パラレル巻き（角度θ＝８５°）にて厚さ１ｍｍで巻き付けることを１サイクルとし、４サイクル繰り返した後、ヘリカル巻き（角度θ＝４５°）にて厚さ２．５ｍｍで巻き付けた。エポキシ樹脂の含有量は２５質量％である。
【００２８】
次いで、全体を１５０℃で２時間加熱してエポキシ樹脂を硬化させ、筒状芯棒を抜き取って筒状体とした。そして、日本精工（株）製アンギュラ玉軸受「６５ＢＮＲ１０ＢＢ（内径６５ｍｍ、外径１００ｍｍ、幅１８ｍｍ、接触角１８°、４列組み合わせ）」用保持器とするために、筒状体を幅１８ｍｍに輪切りにし、更にポケットを形成して保持器を作製した（図２参照）。また、保持器を日本精工（株）製アンギュラ玉軸受「６５ＢＮＲ１０ＢＢ」に組み込み、試験軸受とした。尚、内輪及び外輪をＳＵＪ２製とし、潤滑のためにＭＴＥグリース（Ｂａコンプレックス−エステル油グリース）を封入した。
【００２９】
（実施例２）
繊維直径１０μｍのポリアリレート繊維（サイジング剤処理済み：クラレ製「ベクトラン高強力タイプ」）からなるフィラメント束（引張強度３．２３ＧＭＰａ、引張弾性率７４．６ＧＰａ、伸度３．８％）を用い、実施例１と同様にして保持器及び試験軸受を作製した。エポキシ樹脂の含有量も同じく２５質量％である。
【００３０】
（実施例３）
繊維直径１２μｍのＰＢＯ繊維（サイジング剤処理済み：東洋紡製「ザイロンＨＭ高弾性率タイプ」）からなるフィラメント束（引張強度５．８０ＧＭＰａ、引張弾性率２７０ＧＰａ、伸度２．５％）を用い、実施例１と同様にして保持器及び試験軸受を作製した。エポキシ樹脂の含有量も同じく２５質量％である。
【００３１】
（比較例１）
炭素繊維チョップドストランドを３０質量％含有するＬ−ＰＰＳ材（ポリプラスチックス製「フォートロン２１３０Ａ１」）を用いて、実施例１と同形状の保持器を作製した。また、保持器を組み込み同様の試験軸受を作製した。
【００３２】
（比較例２）
綿不織布の積層体にフェノール樹脂を３０質量％となるように含浸させたものを用い、実施例１と同形状の保持器を作製した。また、保持器を組み込み同様の試験軸受を作製した。
【００３３】
（比較例３）
比較例１と同じ保持器を用い、内輪及び外輪を浸炭窒化鋼ＳＨＸ製としたこと以外は実施例１と同様にして試験保持器を作製した。
【００３４】
（円環強度試験）
実施例及び比較例で作製した各保持器について、円環強度を測定した。結果を表２に、比較例１に対する相対値で示す。
【００３５】
（耐摩耗性試験）
実施例及び比較例で作製した試験軸受を、予圧荷重３００Ｎ、回転速度１５０００ｍｉｎ−１にて１０００時間連続回転させた後、分解して外輪案内面の摩耗状態を観察した。結果を表３に示す。
【００３６】
【表２】
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【００３７】
【表３】
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【００３８】
表２に示すように、本発明に従う各実施例の保持器は、従来の炭素繊維チョップドストランドを混入した保持器や、綿不織布に熱硬化性樹脂を含浸させた保持器に比べて高強度である。また、表３に示すように、外輪案内面の摩耗も少ないことことから、安価なＳＵＪ２材を用いて、コスト高となる浸炭窒化鋼と同等の摩耗低減効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】アンギュラ玉軸受の一例を示す縦断面図である。
【図２】図１に示すアンギュラ玉軸受用保持器の斜視図である。
【図３】フィラメント束の巻き付け方法を示す図であり、（Ａ）はヘリカル巻き、（Ｂ）はパラレル巻きを示す。
【符号の説明】
【００４０】
１    保持器
１Ａ  案内面
１Ｂ  玉との摺接面
１Ｃ  ポケット
２    外輪
３    玉
４    内輪
４０  筒状芯棒
５０  フィラメント束
【図１】
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【図２】
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【図３】
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