(57)【要約】【課題】  摩耗や自励振動に伴う異常音の発生を防止し、長寿命化を達成すること。【解決手段】  内輪１１と外輪１２との間に転動自在に配設された複数の玉１３を保持する保持器１４の母材の表面層に面積率で７５％以上、９５％以下の固体潤滑材を被覆してなる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内方部材と外方部材との間に転動自在に配設された複数の転動体を保持する保持器において、前記保持器の母材の表面層は、面積率で７５％以上の固体潤滑材が被覆されてなることを特徴とする保持器。
【請求項２】
内方部材と外方部材との間に転動自在に配設された複数の転動体を保持する保持器において、前記保持器の母材の表面層は、面積率で７５％以上、９５％以の固体潤滑材が被覆されてなることを特徴とする保持器。
【請求項３】
前記固体潤滑材の被膜厚さは、０．０５μｍ以上、８．０μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の保持器。
【請求項４】
前記保持器の母材には、前処理として、ディンプルが形成され、前記ディンプルの深さは０．１〜８μｍであることを特徴とする請求項１、２または３のうちいずれか1項に記載の保持器。
【請求項５】
前記保持器の母材は金属材料で構成されてなることを特徴とする請求項１、２、３または４のうちいずれか１項に記載の保持器。
【請求項６】
外方部材と、内方部材と、前記外方部材と前記内方部材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てなる転動装置において、前記保持器として、請求項１、２、３、４または５のうちいずれか1項に記載のものを用いてなることを特徴とする転動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、油及びグリース潤滑される転がり軸受等の樹脂材料製転動装置用保持器に関し、転動装置用保持器の磨耗、保持器の自励振動が増大したことによる異常音、焼付きの防止技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
各種機械装置の回転部を支持するために、転動装置として、特に、転がり軸受が多く使われている。この種の転がり軸受においては、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を同心状に配置し、内輪軌道と外輪軌道との間に複数個の転動体を転動自在に配置し、各転動体を保持器で保持する構成が採用されている。この転がり軸受は、転動体の種類によって玉軸受ところ軸受に分けられ、これらがさらに形状や用途によっていくつかの種類に分類される。
【０００３】
また、工作機械には、アンギュラ玉軸受が多く採用されている。このアンギュラ玉軸受は、内輪と外輪との間に複数個の玉が転動自在に配置され、各玉が保持器によって保持されるようになっている。
【０００４】
転がり軸受などで使用される保持器としては、高速回転、自己潤滑性、低摩擦特性、軽量、耐蝕性、低騒音などが要求される環境下では、樹脂製の保持器が好んで使用され、高温並びに強度が必要な環境下では、金属製のもみ抜き保持器やプレス保持器が好んで使用されている。
【０００５】
樹脂製保持器の中には、樹脂組成物を所定形状に成形したプラスチック保持器があり、樹脂組成物としては、材料コストと性能のバランスが良いことから、ガラス繊維を配合したポリアミド６（ナイロン６）やポリアミド６６（ナイロン６６）をベース樹脂とした樹脂組成物が多用されている。
【０００６】
また、転がり軸受の使用条件（温度や回転速度）によっては、より耐熱性に優れるポリアミド４６樹脂、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂、ポリイミド（ＰＩ）樹脂をベース樹脂とした樹脂組成物も用いられている。
【０００７】
一方、転動装置のうち転がり軸受、特に、ラジアルニードル軸受に用いられる保持器は、トランスミッションなどに幅広く使用されているプラネタリーギアを軸支するプラネタリーギア用軸受では、外方部材に当たるプラネタリーギアからの力の伝達が滑らかに行われるように、一般に、はすば歯車が使用されるため、力関係から、内方部材に当たるプラネタリーシャフトの走行跡がねじれ形となる。
【０００８】
さらに、この軸受は、１００００ｍｉｎ−1を超える回転数で使用されるので、プラネタリーギアとプラネタリーシャフトとの間にあるニードルローラを保持する保持器に関しては、ねじれ、遠心力が働くようになっている。このため、外方部材と保持器とが摺接するに伴う摩耗が著しく、最終的には軸受自体の不具合となる。
【０００９】
この対策としては、上述したように、保持器自体の軽量化の意味で樹脂製保持器を用いることが考えられるが、ラジアルニードル軸受は高速回転に使用されるため、摩耗が激しく、樹脂製保持器を使用することは困難であり、通常は、金属製の保持器が使用されている。
【００１０】
また、他の問題点として、ＣＯ2排出規制に伴う燃費向上の観点から、高速回転時の回転効率を高めるための潤滑油の低粘土化にあいまって、益々、高速回転時の耐焼付け性、あるいは希薄潤滑化における耐久性の向上が求められるようになってきている。
【００１１】
次に、転動装置の一例として、工作機械用の主軸用スピンドルなどを支持するアンギュラ玉軸受においては、従来からジェット潤滑、オイルミスト、オイルエアーなどの油潤滑やグリース潤滑が採用されている。ところが、近年、スピンドルの高速化に伴い、微量な潤滑油を高速で間欠的に転がり軸受の軌道面や転動面に付着させるリーン潤滑や、グリースを間欠的に転がり軸受の空間内に補給する潤滑法が開発され、ｄｍＮ１００万以上（ｄｍ：転がり軸受のピッチ円直径（ｍｍ）、Ｎ：回転速度（ｍｉｎ−1））の高速化に対する性能が向上している。
【００１２】
このような環境で使用されるアンギュラ玉軸受は、高速回転時のグリース切れが起こりやすくなり、それに伴い、保持器の自励振動が増大し、異常音が発生することがある。さらに、摩擦による発熱が起こり、温度上昇を引き起こし、保持器の破損につながる恐れがある。
【００１３】
そこで、前述した問題点を防止するために、例えば、平均粒子径約１μｍ〜約２０μｍの二硫化モリブデンを約９５重量％以上含有した二硫化モリブデン投射用材料をショットピーニング装置を用いて投射速度１００ｍ／ｓ以上で投射するようにしたもの（特許文献１参照）、あるいは、ボールとねじ溝のうち両者の摺接部分に二硫化モリブデンの微粒子を噴射して衝突させ、摺接面に膜厚が０．５μｍ以下の潤滑材被膜を形成するようにしたもの（特許文献２参照）が提案されている。
【特許文献１】特開２００２−３３９０８３号公報
【特許文献２】特開２００４−６０７４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上記プラネタリー軸受などにおいては、近年、トランスミッションの小型化により、プラネタリーギア（外方部材）の最高回転数についてさらなる高速化の要求があり、それに伴い、保持器にはさらなる遠心力がかかるため、それにより内方部材、あるいは外方部材との間で発生する保持器音、摩耗が懸念される。また、主軸用スピンドルなどを支持するアンギュラ玉軸受の高速化が予想され、転動体を保持する保持器の軽量化を維持しつつ、強度を損なわずに小型化、さらには保持器の自励振動が増大したことによる異常音を防止することが望まれている。
【００１５】
そこで、本発明は、前記従来の課題に鑑みて為されたものであり、摩耗や自励振動に伴う異常音の発生を防止し、長寿命化を達成することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前記課題を解決するために、本発明は、内方部材と外方部材との間に転動自在に配設された複数の転動体を保持する保持器において、前記保持器の母材の表面層は、面積率で７５％以上の固体潤滑材が被覆されてなることを特徴とする保持器を構成したものである。
【００１７】
前記した手段によれば、保持器の母材の表面層に、面積率で７５％以上の固体潤滑材が被覆されているため、摩耗などの発生を遅延させて、長寿命化を図ることができる。
【００１８】
また、本発明は、内方部材と外方部材との間に転動自在に配設された複数の転動体を保持する保持器において、前記保持器の母材の表面層は、面積率で７５％以上、９５％以の固体潤滑材が被覆されてなることを特徴とする保持器を構成したものである。
【００１９】
前記した手段によれば、保持器の母材の表面層に、面積率で７５％以上、９５％以下の固体潤滑材が被服されているため、摩耗などの発生を遅延させることができ、長寿命化を図ることができる。
【００２０】
前記保持器を構成するに際しては、固体潤滑材の被膜厚さを、０．０５μｍ以上、８．０μｍ以下にすることが望ましい。固体潤滑材の被膜厚さを０．０５μｍ以上とすることにより、良好な潤滑性を保つことができ、厚さを０．８μｍ以下とすることにより、十分な強度の固体潤滑材被膜が得られ、長寿命化が図れる。
【００２１】
また、保持器の母材に、前処理として、ディンプル（凹部）を形成し、このディンプルの深さを０．１〜８μｍとすることで、固体潤滑材被膜と母材との結合を良好にすることができ、さらに長寿命化を図ることができる。また保持器の母材は金属材料で構成することが望ましい。
【００２２】
また、本発明は、外方部材と、内方部材と、前記外方部材と前記内方部材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てなる転動装置において、前記保持器として、前記いずれかのものを用いてなる転動装置を構成したものである。
【００２３】
前記課題を解決するに際しては、保持器の母材の表面に被覆される固体潤滑材の面積率並びにその膜厚と前処理の深さの効果などに着眼してなされたものである。すなわち、本発明者らは、保持器の母材の表面に被覆される固体潤滑材の被膜の最適な面積率並びに固体潤滑材被膜の最適な膜厚、さらに、前処理としての形状に関して鋭意研究を重ねた。
【００２４】
その結果、母材の表面層に所定量の固体潤滑材被膜を形成することにより、表面での金属間接触が抑えられ、保持器の自励振動の増大に伴う異常音の発生を防止する。また、摩擦等が低減され、さらには金属接触の低減による発熱を防止できる固体潤滑材被膜の最適な面積率を見出し、さらには最適な膜厚をも見出した。
【００２５】
そして、さらに長寿命化を図るために、前処理を施すことが有効であり、前処理としての形状を見出した。この前処理としては、射出成形時の金型にショットピーニングなどで凹凸を形成しておけば、打ち抜き時に必然的に保持器表面に凹凸が形成され、表面の凹部で固体潤滑材被膜をトラップして転動中も固体潤滑材被膜の効果を持続させ、さらなる表面損傷の防止を図ることができる。
【００２６】
また、他の方法としては、保持器にショットピーニングによりディンプル（窪み）を付けて表面形状を所定の粗さとすれば、同様に長寿命化が図れる。また外周面並びにポケット部での金属接触を防止することで、保持器の自励振動が増大したことによる異常音の発生、発熱を防止し、さらなる高速化、小型化も実現することを見出した。
【００２７】
次に、本発明に係る保持器の臨界的意義等について以下に説明する。
【００２８】
[固体潤滑材の被膜面積率が７５％以上]
金属接触による摩擦、保持器の自励振動が増大したことによる異常音、並びに温度上昇が起こる環境下において、保持器の母材の表面層に、固体潤滑材を被覆すると、被覆しないときに比べて、格段に長寿命傾向が得られる。この効果は、固体潤滑材の被膜面積率が最低でも７５％でないと得られない。
【００２９】
[固体潤滑材の被覆面積率が７５％以上、９５％以下]
金属接触による摩擦、保持器の自励振動が増大したことによる異常音、並びに温度上昇が起こる環境下において、保持器の母材の表面層に固体潤滑材を被覆すると、被覆しないときに比較して、格段に長寿命傾向が得られる。この効果は、最低でも固体潤滑材の被膜面積率が７５％以上でないと得られない。一方、固体潤滑材の被膜面積率が９５％以上であると、この効果が飽和するだけでなく、被膜が脱落しやすくなり、固体潤滑材が脱落した場合には、異物となり、音響不良並びに振動の上昇を引き起こすため、９５％とした。
【００３０】
[凹部の深さが０．１〜８μｍ]
保持器の母材の表面層に固体潤滑材を被覆する際に、凹部があれば固体潤滑材を充填することができるため、母材の表面層に凹部がなく被覆される場合と比較して格段に長寿命傾向を示す。この効果は、最低でも、凹部の深さが０．１μｍ以上でないと得られない。一方、凹部の深さが８μｍを超えると、この効果が飽和するため、８μｍ以下とした。また上記効果を確実なものにするために、さらに好ましい範囲は、０．５〜５．０μｍである。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、異常音の発生を防止できるとともに、長寿命化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。図１は本発明に係る転がり軸受の縦断面図、図２は保持器の斜視図である。図１及び図２において、転がり軸受１０は、転動装置の一要素として、円環状の内輪（内方部材）１１と、円環状の外輪（外方部材）１２とを備えており、内輪１１と外輪１２との間には保持器１４が配設されている。保持器１４の各ポケット部１４ａには転動体としての玉１３が転動自在に配置され、各玉１３は保持器１４に保持されている。玉１３と保持器１４との間などにはグリースなどの潤滑剤が封入されており、玉１３の周囲は内輪１１、外輪１２及びシール１５によって覆われ、封入されたグリースが外部に漏洩するのがシール１５によって防止されるようになっているとともに、外部からの異物が侵入するのをシール１５が防止するようになっている。
【００３３】
一方、工作機械に用いられるアンギュラ玉軸受２０は、図３及び図４に示すように、円環状の内輪２１と円環状の外輪２２とが同心状に配置されており、内輪２１と外輪２２との間に円環状の保持器２４が配設されている。保持器２４の各ポケット部２４ａには転動体としての玉２３が転動自在に挿入されており、各玉２３は保持器２４によって保持されるようになっている。
【００３４】
また、ラジアルニードル軸受３０は、図５に示すように、複数のころ３０ａと、各ころ３０ａを等間隔に保持するケージ型の保持器３０ｂとを備えており、保持器３０ｂは、一対のリング状部３０ｃ、３０ｃと、これらを連結する柱部３０ｄとから構成されている。柱部３０ｄは、中央領域が半径方向内方にシフトした構成となっており、リング状部３０ｃ、３０ｃの外周面及びこれに接続する柱部３０ｄの両端部外周面が、レース軌道面３１ａに近接して配置されている。
【００３５】
前記各実施例における保持器１４、２４、３０ｂのうち例えば、保持器３０ｂの母材の表面層には面積率で７５％以上、９５％以下の固体潤滑材が被覆され、この固体潤滑材の被膜厚さは０．０５μｍ以上、８．０μ以下になっており、各保持器の母材には、前処理として、ディンプル（窪み）が形成され、ディンプルの深さは０．１〜８μｍになっている。
【００３６】
保持器３０ｂの母材に固体潤滑材を被膜するときの形成方法としてはショットピーニング装置を用い、固体潤滑材被膜を形成した。具体的な方法としては、ショットピーニング装置を用い、固体潤滑材として、例えば、錫（高純度化学研究所製：ＳＮ１０１０４）を噴射圧力２．０〜９．０ｋｇ／ｃｍ2、噴射時間１０〜２０ｍｉｎとした。樹脂製保持器は強度が低いため、噴射速度７５ｍ／ｓ以下とし、保持器表面に噴射した。なお、保持器の重量を０．２〜１．０ｋｇｆとした。
【００３７】
保持器３０ｂの母材の表面層に形成された固体潤滑材の被膜の面積率を算出する方法としては、転動体の転動表面をＥＰＭＡにより観察（倍率×２０００、３０視野）し、被膜を施した表面の２００μｍ四方を１０００倍に拡大した際に、被膜前の元素特性が、Ｘ線強度の１０倍以上の強度を有する領域に被膜が形成されているとし、その結果を画像解析して被膜後の被膜面積率を導出し、その平均値として求めた。結果はいずれも請求項に記載した面積率の範囲内にあることを確認している。
【００３８】
また、膜厚の算出方法としては、保持器を切断し、バフ研磨で鏡面仕上げし、電子顕微鏡で観察（倍率×５０００、３０視野）した。さらに詳細に説明すると、それぞれの１視野について、横方向に被覆面が横断するように観察し、縦方向に６分割を行い、この５点の平均値を求め、それを１視野当たりの膜厚とし、さらに３０視野において平均膜厚とした。
【００３９】
本実施例においては一例として、固体潤滑材として錫を用いたが、同様な効果が得られれば、特に限定されるものではなく、他の固体潤滑材としては、二硫化モリブデン、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、金属石鹸、ＭｏＳ2、ＷＳ2、ＢＮ、黒煙、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、錫合金が挙げられる。保持器の母材に固体潤滑材を被膜する前処理としてのディンプルの形成方法としては、ショットピーニング装置を用い、保持器を作製するときに用いられる射出成形の金型にショットピーニングを行った。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、ガラスビーズなどのショット材を用いて、ショットピーニングの条件と同等の条件で行った。
【００４０】
本実施例においては、前処理として、金型にショットピーニングに用いたが、保持器自体にショットピーニングを行う方法、あるいは、金型並びに保持器自体にバレルとショットピーニングを行う方法でも構わない。
【００４１】
得られたディンプルの深さを測定する方法としては、三次元非接触表面形状計測システムにより観察（倍率×１００、３０視野）し、得られた画像を断面プロファイルに変換し、Ｘ方向、Ｙ方向をそれぞれ５断面測定し、その結果を平均値として求めた。結果はいずれも請求項に記載したディンプルの深さの範囲であることを確認している。
【００４２】
本実施例に関し、ラジアルニードル軸受３０の各部位（ころ３０ａ、保持器３０ｂ、柱部３０ｃ）はＳＵＪ２から作製し、８４０℃でＲＸガス＋エンリッチガス＋アンモニアガスの雰囲気で３時間浸炭窒化後、油焼き入れして焼戻しを行い、表面層の残留オーステナイト量を１５〜４０容量％とし、且つ表面硬度をＨＲＣ６２〜６７（Ｈｖ７４６〜９００）に調整したものを用いた。そして、保持器に関しては、ナイロン６６から作製したものを使用したが、材質については何ら限定されるものではなく、ポリアミド４６樹脂、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂などの樹脂材料でもよい。
【００４３】
本実施例に関しては、上記条件でＳＵＪ２に浸炭窒化を行ったものを用いたが、ＳＵＪ２に浸炭窒化を行わないもの、すなわち、ズブ焼き、並びにＳＣＭ４２０、ＳＣｒ４２０などに浸炭窒化、浸炭を行いって表面硬化させたものでもよい。
【００４４】
以下、寿命試験条件を示す。
【００４５】
供試軸受サイズ（内径×外形×高さ）：ｆ３９×ｆ４６×４４（ｍｍ）
ころ寸法：ｆ３．５×３４．８（ｍｍ）
外輪回転速度：１２０００ｍｉｎ−1
荷重：動定格荷重の１５％（Ｐ／Ｃ＝０．１５）
潤滑油：鉱油ＶＧ１０
周囲温度：室温（約２８℃）
軸受温度：内輪（軸）１００〜１１０℃
試験個数：１０個
なお、試験終了条件は、初期振動数の５倍並びに、内輪が１５０℃となった段階で試験を停止した。初期振動数の５倍になったときは、実体顕微鏡において損傷の有無を確認した。内輪が１５０℃となった場合においては、焼き付けによる損傷と判断し、破損とした。
【００４６】
次の表１と図６に実施例並びに比較例を示す。表１と図６に示す寿命比は、比較例１の寿命時間を基準（１．０）とし、これに対する比で表した。なお、比較例１は、従来技術であり、何も処理していない金型に射出成形により得られたナイロン６６を用いた保持器である。
【００４７】
【表１】
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表１中の実施例１〜２４は本発明によりショットピーニングで保持器の母材表面に固体潤滑材を面積率で７５％以上、あるいは７５％以上、９５％以下被覆してものであり、これらは、従来技術である比較例１と比較して格段に長寿命傾向を示し、５．２倍以上であった。
【００４８】
実施例１〜８は母材の表面層に前処理として微細なディンプルを形成させないものであり、実施例７〜１６は母材の表面に前処理として微細なディンプルを形成させたものである。好ましくは母材の表面層に前処理として微細なディンプルを形成させることが有効であり、さらに好ましくは、実施例２１〜２４のように、微細なディンプルの深さを０．１〜８．０μｍとすることが好ましいことが分かる。
【００４９】
同様に、実施例１７〜２０により、被膜厚さを０．１〜８．０μｍとすることが好ましいことが分かる。
【００５０】
比較例２〜５は平均被膜厚さが０．１〜５．０μｍのものであるが、被膜面積率が推奨範囲から外れたものである。比較例２は実施例２と被膜面積率が異なるだけである。以下同様に、比較例３は実施例１３、比較例６は実施例５、比較例７は実施例１０と被膜面積率が異なるだけである。
【００５１】
このように、表１と図６の試験結果から分かるように、面積率が最も有効な因子であり、従来のように、ただ単に膜厚を規定しただけでは有効な手段とはなりえず、表１と図６からその結果は明確に分かる。
【００５２】
なお、本実施例においては、ラジアルニードル軸受３０を用いた実験について述べたが、ラジアルニードル軸受３０に限定されるものではなく、転動装置に用いる保持器として、深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受、自動調心玉軸受、スラスト玉軸受などの玉軸受、円筒ころ軸受、自動調心ころ軸受、スラストころ軸受、針状ころ軸受などのころ軸受、ボールねじ、リニアガイド、直動ベアリングなどの直動装置、トロイダル無段変速機などの樹脂製保持器においても有効な作用効果が得られる。
【００５３】
以上のように、本実施例によれば、保持器３０ｂの母材の表面層に、面積率で７５％以上あるいは７５％以上、９５％以下の固体潤滑材を被覆するようにしたため、摩耗を防止し、長寿命化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の一実施例を示す転がり軸受の縦断面図である。
【図２】保持器の斜視図。
【図３】アンギュラ玉軸受の要部縦断面図。
【図４】アンギュラ玉軸受用保持器の斜視図。
【図５】ラジアルニードル軸受の要部断面図。
【図６】実施例と比較例についての被膜面積率と寿命比との関係を示す図。
【符号の説明】
【００５５】
１０  転がり軸受
１１  内輪
１２  外輪
１３  玉
１４  保持器
２０  アンギュラ玉軸受
２１  内輪
２２  外輪
２３  玉
２４  保持器
３０  ラジアルニードル軸受
３０ａ  ころ
３０ｂ  保持器
【図１】
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【図２】
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【図３】
2006250324.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６】
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