(57)【要約】【課題】軸受の耐久性を延長すると共に、低トルク化や低温度上昇特性を実現すること。【解決手段】外周面に内輪軌道１２ａを有する内輪１２と、内周面に外輪軌道１４ａを有する外輪１４と、内輪軌道面１２ａと外輪軌道面１４ａとの間に転動自在に配設された複数の転動体１６と、各転動体１６を保持する保持器１８とを備え、内輪１２、外輪１４、各転動体１６および保持器１８のいずれかの部材の母材表面層のうち、少なくとも１つの母材表面層にディンプルが形成され、このディンプルは、０．０１〜５μｍの深さで形成され、このディンプルが形成された表面層は、面積率で７５％以上が固体潤滑剤で被覆されている。【選択図】図１
2006308080.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周面に内輪軌道を有する内輪と、内周面に外輪軌道を有する外輪と、前記内輪軌道と前記外輪軌道との間に転動自在に配設された複数の転動体と、前記複数の転動体を保持する保持器とを備えた転がり軸受けにおいて、前記内輪と、前記外輪と、前記各転動体及び前記保持器のいずれかの部材の母材表面層のうち、少なくとも１つの母材表面層にディンプルを形成し、前記ディンプルの深さを０．０１〜５μｍとしてなることを特徴とする転がり軸受。
【請求項２】
前記ディンプルが形成された母材表面層は、面積率で７５％以上が固体潤滑剤で被覆されていることを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受。
【請求項３】
前記ディンプルが形成された母材表面層は、面積率で７５％以上、９５％以下が固体潤滑剤で被覆されていることを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受。
【請求項４】
前記固体潤滑剤による被覆膜の厚さは、０．１〜８．０μｍであることを特徴とする請求項２または３に記載の転がり軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作機械の主軸軸受等の高速回転用途に使用される転がり軸受に係り、特に、転がり接触部や保持器案内面の耐摩耗性や耐焼付け性を向上させ、軸受の耐久性を延長することができる転がり軸受に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
旋盤・フライス盤や研削盤等の工作機械は、近年、高効率加工を達成するために高速加工が要望されている。この種工作機械の主軸に使用される軸受では、工作機械の高速化に伴って、グリース潤滑の場合、軸受のｄｍｎ値（ｄｍ：転がり軸受の転動体ピッチ円直径（ｍｍ）、ｎ：回転数（ｍｉｎ-1）が１５０万を越える高速回転が要求されつつある。
【０００３】
また、工作機械の主軸に使用される軸受では、オイルエア潤滑やオイルミスト潤滑の場合、軸受のｄｍｎ値が３００万を越える高速回転が要求されている。
【０００４】
このような高速回転条件下で主軸軸受を回転するに際しては、軸受の転がり接触部での転がり摩擦が大きい状態で、軸受の発生トルクを極力小さくするために、微量潤滑方式を採用しているので、焼付きや磨耗が発生し易い。
【０００５】
また、このような高速回転条件下では、保持器の案内面（例えば、外輪内径面と保持器外径面、あるいは内輪外径面と保持器内径面）や転動体と保持器ポケット面においても、すべり摩擦が大きくなるので、磨耗が発生し易い。
【０００６】
このため、このような過酷な高速回転条件下では、軸受として、転動体に耐焼付け性・耐摩耗性に優れた軽量のセラミック材料（例えば、窒化ケイ素：Ｓｉ3Ｎ4）を採用したアンギュラ玉軸受を使用し、軸受の耐久性の向上や低発熱化を図るようにしている。
【０００７】
また、内外輪の円弧状の溝の曲率半径を最適な数値に設定することで、転がり接触部の低発熱化を図ったものも提案されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１１−２７０５６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、特許文献１に記載された玉軸受は、内輪の溝の曲率半径を外輪の溝の曲率半径より大きくしているが、内輪の溝の曲率半径を余り大きくすると、逆に接触面圧が増加し、軸受外部から衝撃荷重が負荷した際、玉と内外輪の溝との接触点で圧痕が発生し易くなることが懸念される。
【０００９】
また、工作機械主軸の場合、主軸に装着された加工用の刃物や主軸の一部を誤って、加工物やその他の周辺部品に衝突させる不具合が発生することがあり、低発熱化・耐磨耗特性・耐焼付け性に加え、これらの機能を実現させるための方策として、内外輪の溝の曲率半径を大きくすることに加えて、軸受内外輪の軌道面や玉表面の圧痕防止対策も必要であった。
【００１０】
本発明は、前記従来技術の課題に鑑みて為されたものであり、その目的は、軸受の構成要素の耐摩耗性や耐焼付け性を向上させて、軸受の耐久性を延長することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記目的を達成するために、本発明は、外周面に内輪軌道を有する内輪と、内周面に外輪軌道を有する外輪と、前記内輪軌道と前記外輪軌道との間に転動自在に配設された複数の転動体と、前記複数の転動体を保持する保持器とを備えた転がり軸受けにおいて、前記内輪と、前記外輪と、前記各転動体及び前記保持器のいずれかの部材の母材表面層のうち、少なくとも１つの母材表面層にディンプルを形成し、前記ディンプルの深さを０．０１〜５μｍとしてなることを特徴とする転がり軸受を構成したものである。
【００１２】
前記した手段によれば、内輪と、外輪と、各転動体及び保持器のいずれかの部材の母材表面層、例えば、内輪外周面の内輪軌道面、外輪内周面の外輪軌道面、各転動体の転動面、保持器の案内面、保持器のポケット面のうち、少なくとも１つの母材表面層にディンプルを形成し、ディンプルの深さを０．０１〜５μｍとしたため、ディンプルが形成された母材の表面硬度が向上し、軸受の耐久性を延長することができるとともに、転動体と転動面の接触楕円が縮小し、耐衝撃性と耐圧痕特性の向上に寄与することができる。また、ディンプルの凹部の部分に油が入り込んで油膜形成が良くなることから、潤滑性が向上し、長寿命化への効果がある。
【００１３】
ディンプルの深さを測定する方法は、以下の通りである。三次元非接触表面形状計測システムにより、転動体の転動面を１００倍の倍率で３０視野観察し、得られた画像を断面プロファイルに変換した。そして、Ｘ方向及びＹ方向それぞれの５つの断面において、ディンプルの深さを測定し、その結果を平均した。
【００１４】
前記転がり軸受を構成するに際しては、以下の要素を付加することができる。
【００１５】
（１）ディンプルが形成された母材表面層は、面積率で７５％以上が固体潤滑剤で被覆されている。
（２）ディンプルが形成された母材表面層は、面積率で７５％以上、９５％以下が固体潤滑剤で被覆されている。
（３）固体潤滑剤による被覆膜の厚さは、０．１〜８．０μｍである。
【００１６】
ディンプルが形成された母材表面層を固体潤滑剤で被覆すると、母材に形成されたディンプルには潤滑剤が保持されるので、油膜切れを防止し、耐焼付け性の向上を図ることができる。さらに、流体抵抗が減少するため、転動体のドラッグ損失が減少し、軸受の低トルク化に寄与することができる。
【００１７】
固体潤滑剤による被覆膜（潤滑皮膜）の面積率を測定する方法は、以下の通りである。電子線マイクロアナライザーにより、転動体の転動面を２０００倍の倍率で３０視野観察した。一辺２００μｍの正方形部分を１０００倍に拡大して錫の特性Ｘ線強度を５ヵ所測定し、全１５０ヵ所の平均値を算出した。そして、前記平均値の１０分の１以上の特性Ｘ線強度が検出された領域に潤滑皮膜が被覆されていると判定した。３０視野についてその結果を画像解析し、潤滑皮膜の面積率の平均値を算出した。
【００１８】
また、潤滑皮膜の厚さを測定する方法は、以下の通りである。転動体を切断し、その断面をバフ研磨で鏡面仕上げした。電子顕微鏡（ＳＥＭ）により、鏡面仕上げした断面を５０００倍の倍率で３０視野観察した。各視野において潤滑皮膜の厚さを５点測定し、合計１５０点の平均値を潤滑皮膜の厚さとした。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、軸受の耐久性を延長することができるとともに、耐衝撃性と耐圧痕特性の向上に寄与することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の第１実施例を示すアンギュラ玉軸受の要部断面図、図２は、本発明の第２実施例を示す深溝玉軸受の要部断面図、図３は、本発明の第３実施例を示す円筒ころ軸受の要部断面図、図４は、本発明の第４実施例を示す円錐ころ軸受の要部断面図である。
【００２１】
図１において、アンギュラ玉軸受１０は、転がり軸受として、円環状に形成されて、外周面に内輪軌道を有する内輪１２と、円環状に形成されて、内周面に外輪軌道を有する外輪１４と、内輪１２の内輪軌道面１２ａと外輪１４の外輪軌道面１４ａとの間に転動自在に配設された複数の転動体（玉）１６と、各転動体１６を保持する保持器１８とを備えて構成されている。
【００２２】
深溝玉軸受２０は、図２に示すように、転がり軸受として、円環状に形成されて、外周面に内輪軌道を有する内輪２２と、円環状に形成されて、内周面に外輪軌道を有する外輪２４と、内輪２２の内輪軌道面２２ａと外輪２４の外輪軌道面２４ａとの間に転動自在に配設された複数の転動体（玉）２６と、各転動体２６を保持する保持器２８とを備えて構成されている。
【００２３】
円筒ころ軸受３０は、図３に示すように、転がり軸受として、円環状に形成されて、外周面に内輪軌道を有する内輪３２と、円環状に形成されて、内周面に外輪軌道を有する外輪３４と、内輪３２の内輪軌道面３２ａと外輪３４の外輪軌道面３４ａとの間に転動自在に配設された転動体としての複数の円筒ころ３６と、各円筒ころ３６を保持する保持器３８とを備えて構成されている。
【００２４】
円錐ころ軸受４０は、図４に示すように、転がり軸受として、円環状に形成されて、外周面に内輪軌道を有する内輪４２と、円環状に形成されて、内周面に外輪軌道を有する外輪４４と、内輪４２の内輪軌道面４２ａと外輪４４の外輪軌道面（円錐面）４４ａとの間に転動自在に配設された転動体としての複数の円錐ころ４６と、各円錐ころ４６を保持する保持器４８とを備えて構成されている。
【００２５】
アンギュラ玉軸受１０、深溝玉軸受２０、円筒ころ軸受３０および円錐ころ軸受４０においては、内輪１２、２２、３２、４２と、外輪１４、２４、３４、４４と、各転動体１６、２６、各円筒ころ３６、各円錐ころ４６および保持器１８、２８、３８、４８のいずれかの部材の母材表面層、例えば、内輪軌道面１２ａ、２２ａ、３２ａ、４２ａ、外輪軌道面１４ａ、２４ａ、３４ａ、４４ａ、各転動体１６、２６、各円筒ころ３６、各円錐ころ４６の各転動面、保持器１８、２８、３８、４８の案内面（例えば、外輪内径面と保持器外径面、あるいは内輪外径面と保持器内径面）とポケット面のうち、少なくとも１つの母材表面層にディンプル（図示せず）が形成されており、このディンプルは、微細な窪みとして、０．０１〜５μｍの深さで形成されている。
【００２６】
このディンプルが形成された母材表面層は、面積率で７５％以上、９５％以下が固体潤滑剤で被覆されている。この固体潤滑剤による被覆膜の厚さは、０．１〜８．０μｍである。
【００２７】
固体潤滑被膜の形成方法としては、ショットピーニング装置を用い、固体潤滑剤被膜を形成した。具体的な方法としては、ショットピーニング装置を用い、固体潤滑剤として、ＪＩＳＲ６００１による平均粒径４５μｍの錫粉末および３μｍのＭｏＳ2粉末を噴射圧力２．０〜９．０ｋｇ／ｃｍ2、噴射時間１０〜２０ｍｉｎで転動体表面に噴射した。１回の処理に供する転動体の重量は１〜６ｋｇｆとした。
【００２８】
本実施例においては、一例として、固体潤滑剤として錫やＭｏＳ2（二硫化モリブデン）を用いたが、同様な効果が得られれば、固体潤滑剤の種類は特に何ら限定されるものではない。転動装置の転動部品の表面被覆として用いられた場合に必要な強度を有し、且つ、転動部品の素材である鋼と密着性がよいものであればよい。他の固体潤滑剤としては、例えば、ポリエチレン、フッ素樹脂、ナイロン、ポリアセタール、ポリオレフィン、ポリエステル、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、金属石鹸、ＷＳ2（二硫化タングステン）、ＢＮ（窒化ホウ素）、黒鉛、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、フッ化カーバイド、スズ、錫合金、亜鉛、ニッケル、銅合金、純鉄、純銅、純クロム等が挙げられる。
【００２９】
固体潤滑剤のショット後に微小硬度計を用いた硬さ試験に供することにより、固体潤滑剤被膜で覆われた母材の最表面から２〜１５μｍの深さの硬さが勾配をもち、勾配の最高位の硬さが処理前の母材硬さと比べて５〜２０％増大することを確認している。
【００３０】
前処理としてのディンプルの形成方法は、具体的には、ショットピーニング装置を用いた。ショットピーニングに関しては、ＪＩＳＲ６００１による平均粒径４５μｍの鋼球、ＳｉＣ、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ガラスビーズ等のショット材を用いて、前記ショットピーニングの条件と同等の条件で行った。
【００３１】
図６に示すように、母材の表面硬度が向上すると、耐圧痕性を保持しつつ、溝Ｒ比を大きくすることできる。一方、溝Ｒ比を大きくすれば、図５に示すように、発熱量を低下させることができる。例えば、表面硬度が２０％向上すると、溝Ｒ比を６０％にしても、従来の溝Ｒ比５４％の軸受と同等の耐圧痕性を持つことができる。溝Ｒ比を５４％から６０％にすれば、およそ８％発熱量を低下でき、軸受温度の低下、低トルク化に寄与することができる。
【００３２】
本実施例によれば、母材表面層には、０．０１〜５μｍの深さのディンプルが形成され、このディンプルが形成された母材表面層は、面積率で７５％以上、９５％以下が固体潤滑剤で被覆されているので、母材の表面硬度の向上に伴って転動体と転動面の接触楕円が縮小し、転がり摩擦が低下するため、軸受の低トルク化を図ることができる。また、母材表面の硬度が向上するため、耐衝撃性が向上し、耐圧痕特性の向上に寄与することができる。
【００３３】
また、本実施例によれば、母材に形成されたディンプルには潤滑剤が保持されるので、油膜切れを防止し、耐焼付け性の向上を図ることができる。さらに、流体抵抗が減少するため、転動体のドラッグ損失が減少し、軸受の低トルク化に寄与することができる。
【００３４】
本実施例においては、前処理として、ショットピーニングを用いたが、バレルで行う方法、あるいは、バレルとショットピーニングの２種類で行う方法でも構わない。バレルに関しては、種々のメディアや添加剤を配合して表面に大きな凹凸を付ける粗加工と、プラトー部の粗さを整える仕上げ加工を行うことができる。
【００３５】
図７に示すスピンドルにディンプル形状を形成した軸受を用い、耐久試験を行なった。フロント側に内径が７０ｍｍで転動体がセラミック、リングがＳＵＪ２のアンギュラ玉軸受、リア側に内径が５５ｍｍで転動体とリングがＳＵＪ２の円筒ころ軸受を採用した。保持器にはいずれの軸受もＰＥＥＫ樹脂にカーボン繊維を３０％配合した樹脂保持器を用い、案内方式は外輪案内とした。
【００３６】
軸受内輪の外周面、軸受外輪の内周面に本発明に係る表面処理をした軸受と未処理の軸受を２００００ｒｐｍで連続運転し比較することで、耐久性を評価した。潤滑方式は、グリース潤滑で、ハウジングを冷却した。表面処理の条件は、４５μｍのセラミック球を噴射圧力４ｋｇｆ／ｃｍ2で処理することにより表面のディンプル深さを０．２μｍとした。被膜は用いていない。
【００３７】
表面処理した軸受を用いたスピンドルは、１９５０時間経過後、フロント側の軸受に焼付きが発生した。未処理の軸受を用いたスピンドルでは、２００時間経過後、フロント側の軸受に焼き付きが発生した。
以上のことから、軸受についてディンプルを形成する処理をすることによる潤滑性の向上により、軸受の長寿命化を実現できることを確認した。
【００３８】
図８に表面処理をしていない円筒ころ軸受の２００時間経過後の外輪内径面（保持器案内面）の形状を示す。外輪内径面は、図１０に示すように、内径面を軸方向（矢印の方向）に測定した。ここでは、およそ１０μｍの深さの磨耗が確認できる。円筒ころ軸受では、カーボン繊維を含む樹脂保持器を用いた場合、保持器外径面（カーボン繊維）と外輪内径面（ＳＵＪ２）の高周速すべりによって、このように案内面（ＳＵＪ２側）に磨耗が見られることがある。
【００３９】
同様に、図９に表面処理した軸受の１９５０時間経過後の案内面の形状を示すが、表面処理した軸受では、磨耗が発生していない。これより、表面処理による耐磨耗性の向上による軸受のリング案内面の磨耗の防止効果が確認できた。
【００４０】
以上より、表面処理の潤滑性の向上による長寿命化、耐磨耗性の向上による軸受リング案内面の磨耗低減の効果が確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の第１実施例を示すアンギュラ玉軸受の要部断面図である。
【図２】本発明の第２実施例を示す深溝玉軸受の要部断面図である。
【図３】本発明の第３実施例を示す円筒ころ軸受の要部断面図である。
【図４】本発明の第４実施例を示す円錐ころ軸受の要部断面図である。
【図５】外輪溝Ｒ比をパラメータとしたときの内輪溝Ｒ比と発熱比率との関係を示す特性図である。
【図６】内輪溝Ｒ比と表面硬度との関係を示す特性図である。
【図７】耐久試験用スピンドルを示す断面図である。
【図８】耐久試験２００時間経過後の表面未処理の軸受の案内面を示す図である。
【図９】耐久試験１９５０時間経過後の本発明に係る表面未処理をした軸受の案内面を示す図である。
【図１０】円筒ころ軸受外輪内径面の形状測定のための説明図である。
【符号の説明】
【００４２】
１０  アンギュラ玉軸受
１２、２２、３２、４４  内輪
１２ａ、２４ａ、３４ａ、４４ａ  内輪軌道面
４４  外輪
１４ａ、２４ａ、３４ａ、４４ａ  外輪軌道面
１６、２６  転動体（玉）
１８、２８、３８、４８  保持器
３０  円筒ころ軸受
３６  円筒ころ
４０  円錐ころ軸受
４６  円錐ころ
【図１】
2006308080.tif 000003
【図２】
2006308080.tif 000004
【図３】
2006308080.tif 000005
【図４】
2006308080.tif 000006
【図５】
2006308080.tif 000007
【図６】
2006308080.tif 000008
【図７】
2006308080.tif 000009
【図８】
2006308080.tif 000010
【図９】
2006308080.tif 000011
【図１０】
2006308080.tif 000012