(57)【要約】【課題】  高速回転条件下又は高荷重条件下において使用されても長寿命な転動装置を提供する。【解決手段】  アンギュラ玉軸受の玉３を、窒化ケイ素で構成した。この玉３の圧砕荷重は、下記式で表されるＷｃ以上である。                      Ｗｃ＝０．１５×Ｄａ1.75  ここで、Ｗｃの単位はｋＮである。また、Ｄａは玉の直径であり、その単位はｍｍである。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転運動可能又は直線運動可能な可動子と、該可動子を回転運動可能又は直線運動可能に支持する支持体と、前記可動子と前記支持体との間に転動自在に配された複数の転動体と、を備える転動装置において、
前記転動体は、窒化ケイ素を主成分とするセラミックスで構成されるとともに、その圧砕荷重が下記式で表されるＷｃ以上であることを特徴とする転動装置。
Ｗｃ＝０．１５×［転動体の直径］1.75
ここで、Ｗｃの単位はｋＮであり、転動体の直径の単位はｍｍである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、転がり軸受，リニアガイド装置，ボールねじ等の転動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の転がり軸受においては、ほとんどの場合は、内輪と外輪とが同種の材料で構成されている。例えば、ＳＵＪ２等の高炭素クロム軸受鋼やＳＵＳ４４０Ｃ等のステンレス鋼があげられる。
工作機械や各種スピンドルは、工作精度や加工効率の向上等の目的により、近年においてはますます高速回転化する傾向にあり、前記工作機械等の回転部を支持する転がり軸受にも、高精度で且つ過酷な使用条件下（高速回転条件，高荷重条件，衝撃荷重が作用する条件）で良好に作動することが求められている。
【０００３】
転がり軸受を高速回転させるためには、転がり軸受の回転トルクを低減する必要があり、その手段の一つとして、潤滑油の撹拌抵抗を小さくする方法がある。そして、潤滑油の撹拌抵抗を小さくする方法としては、潤滑油の給油量を少なくする方法や、潤滑油を霧状にして供給する方法等が用いられている。
また、高速回転で使用される転がり軸受として、特許文献１〜３に、窒化ケイ素製の転動体を備えた転がり軸受が開示されている。転動体を窒化ケイ素で構成すれば、上記のような潤滑油の量等が制限された状況下においても、内輪及び外輪を構成する金属材料との焼付きが生じにくい。また、窒化ケイ素は熱膨張係数が金属材料よりも小さいので、発熱等により高温となった場合でも、軸受の内部隙間を確保できる。さらに、窒化ケイ素は金属材料に比べて密度が小さいため、転がり軸受が高速で回転した場合でも、転動体に発生する遠心力が小さい。よって、転がり軸受が高速回転しても、転動体と外輪軌道面との接触面圧の増加が小さいので、転がり軸受の回転寿命が短くなったり、軌道面の損傷が助長される可能性が低い。
【０００４】
このように、工作機械の主軸に使用される転がり軸受のような高速で回転する転がり軸受には、高速回転で使用されても安定した回転特性を得られるような様々な工夫がなされている。
【特許文献１】特開昭６２−２４０２５号公報
【特許文献２】特開平１０−３７９５１号公報
【特許文献３】特開２０００−７４０６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述したように、工作機械等の回転部を支持する転がり軸受は、より過酷な使用条件下（高速回転条件，高荷重条件，衝撃荷重が作用する条件，厳しい潤滑条件）で良好に作動することが求められている。しかしながら、特許文献１〜３に記載の転がり軸受のように転動体が窒化ケイ素で構成されていると、窒化ケイ素は強度や破壊靱性が十分ではない場合があるため、転動体の表面や内部の欠陥を起点とする微小クラックが発生，伝播しやすい。そうすると、摩耗粉が多量に発生したり、割れが生じたりして、転がり軸受が短寿命となる場合がある。
【０００６】
特に、高速回転で使用される場合は、遠心力により回転輪に作用するフープ応力のために、表面又は全体に比較的容易にクラックが伝播して剥離や割れが生じ、転がり軸受が極端に短寿命となる場合がある。
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、高速回転条件下又は高荷重条件下において使用されても長寿命な転動装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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、本発明の転動装置は、回転運動可能又は直線運動可能な可動子と、該可動子を回転運動可能又は直線運動可能に支持する支持体と、前記可動子と前記支持体との間に転動自在に配された複数の転動体と、を備える転動装置において、前記転動体は、窒化ケイ素を主成分とするセラミックスで構成されるとともに、その圧砕荷重が下記式で表されるＷｃ以上であることを特徴とする。
【０００８】
Ｗｃ＝０．１５×［転動体の直径］1.75
ここで、Ｗｃの単位はｋＮであり、転動体の直径の単位はｍｍである。
このような構成であれば、高速回転条件下又は高荷重条件下において使用されても長寿命である。
転動体の圧砕荷重が上記Ｗｃ未満であると、高速回転条件下，高荷重条件下，及び衝撃荷重が作用するような条件下において、転動体に表面や内部の欠陥を起点としたクラックが発生，伝播しやすくなって、多量の摩耗粉，剥離，凝着等が生じ、転動装置が短寿命となる場合がある。このような不都合がより生じにくくするためには、転動体の圧砕荷重は下記式で表されるＷｃ’以上であることがより好ましい。
【０００９】
Ｗｃ’＝０．１６×［転動体の直径］1.85
ここで、Ｗｃ’の単位はｋＮであり、転動体の直径の単位はｍｍである。
なお、本発明は種々の転動装置に適用することができる。例えば、転がり軸受，ボールねじ，リニアガイド装置，直動ベアリング等である。本発明における前記可動子とは、転動装置が転がり軸受の場合には回転輪、同じくボールねじの場合には通常はナット、同じくリニアガイド装置の場合には通常はスライダ、同じく直動ベアリングの場合には通常は外筒をそれぞれ意味する。また、前記支持体とは、転動装置が転がり軸受の場合には固定輪、同じくボールねじの場合には通常はねじ軸、同じくリニアガイド装置の場合には通常は案内レール、同じく直動ベアリングの場合には通常は軸をそれぞれ意味する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の転動装置は、高速回転条件下又は高荷重条件下において使用されても長寿命である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明に係る転動装置の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明に係る転動装置の一実施形態である転がり軸受の構造を示す部分縦断面図である。この転がり軸受は、接触角１５°のアンギュラ玉軸受（内径４０ｍｍ，外径６８ｍｍ，幅１８ｍｍ，玉の直径７．９３８ｍｍ）であり、外周面に軌道面１ａを有する内輪１と、軌道面１ａに対向する軌道面２ａを内周面に有する外輪２と、両軌道面１ａ，２ａ間に転動自在に配された複数の玉３と、内輪１と外輪２との間に複数の玉３を保持する保持器４と、を備えている。なお、本実施形態においては、回転輪である内輪１が本発明の構成要件である可動子に相当し、固定輪である外輪２が本発明の構成要件である支持体に相当する。
【００１２】
内輪１及び外輪２はＳＵＪ２，ＳＵＳ４４０Ｃ等の鋼で構成されており、玉３は窒化ケイ素を主成分とするセラミックスで構成されている。そして、この玉３は、圧砕荷重が下記式で表されるＷｃ以上である。
Ｗｃ＝０．１５×［転動体の直径］1.75
ここで、Ｗｃの単位はｋＮであり、転動体の直径の単位はｍｍである。前述のように玉の直径は７．９３８ｍｍであるから、Ｗｃは５．６３ｋＮである。
【００１３】
このような本実施形態の転がり軸受は、高速回転条件下又は高荷重条件下において使用されても、玉３に損傷が生じにくく長寿命である。
なお、本実施形態は本発明の一例を示したものであって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。例えば、本実施形態においては内輪１及び外輪２を鋼で構成したが、玉３と同様に窒化ケイ素を主成分とするセラミックスで構成してもよい。
【００１４】
また、窒化ケイ素を主成分とするセラミックスには、破壊靱性，縦弾性係数，硬さ，機械的強度等を向上させるために、繊維状充填材を配合してもよい。繊維状充填材の種類は特に限定されるものではないが、炭化ケイ素ウィスカー，窒化ケイ素ウィスカー, アルミナウィスカー，窒化アルミニウムウィスカー等を例示できる。
さらに、転動体は、縦弾性係数（ＧＰａ）と密度（ｇ／ｃｍ3 ）との比である比剛性が０．９０×１０8 ｍｍ以上であることが好ましい。そうすれば、転動体に生じる遠心力及びジャイロモーメントを効果的に軽減でき、転動体の荷重及び滑りを効果的に低減できる。よって、発熱が少なくなるとともに、予圧の増加が抑制されるため、焼付きが生じにくくなり、より高速な回転条件下で長寿命となる。さらに、高荷重下における転動体の弾性変形量が低減し、転動装置の剛性が向上する。このため、例えば工作機械の主軸を回転支持する転がり軸受に本発明を適用すれば、主軸の剛性が向上し、被加工物の寸法精度をより高めることができる。
【００１５】
さらに、本実施形態においては、転動装置の例としてアンギュラ玉軸受をあげて説明したが、転がり軸受の種類はアンギュラ玉軸受に限定されるものではなく、本発明は様々な種類の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，円筒ころ軸受，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。さらに、本発明は、転がり軸受に限らず、他の種類の様々な転動装置に対して適用することができる。例えば、ボールねじ，リニアガイド装置，直動ベアリング等である。
【００１６】
〔実施例〕
以下に、さらに具体的な実施例を示して、本発明を説明する。前述したアンギュラ玉軸受とほぼ同様の構成の転がり軸受において、内輪，外輪，及び玉を構成する素材を、表１に示すように種々変更したものを用意して、回転試験によって高速回転性及び耐久性（寿命）を評価した。なお、いずれのアンギュラ玉軸受の場合も、保持器はポリアミド樹脂製である。
【００１７】
ここで、表１に記載の玉の圧砕荷重は、以下のような圧砕試験により測定したものである。すなわち、角度１２０°の円錐座を有する２個の治具を用いて、同一の呼び直径の玉（本実施形態では直径７．９３８ｍｍ）２個を上下に重ねて荷重を負荷し、少なくとも一方の玉に損傷が生じる荷重を圧砕荷重とした。
【００１８】
【表１】
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【００１９】
表１に記載の素材のうち窒化ケイ素１は、１０００気圧以上の加圧焼結法であるＨＩＰ法（熱間静水圧焼結法）で得られた高強度窒化ケイ素であり、窒化ケイ素１製の玉の圧砕荷重は１１ｋＮで本発明における好適な範囲内である。窒化ケイ素２は、１００気圧程度の加圧焼結法で得られた窒化ケイ素であり、窒化ケイ素２製の玉の圧砕荷重は９ｋＮで本発明における好適な範囲内である。窒化ケイ素３は、１０気圧以下の焼結法で得られた窒化ケイ素であり、窒化ケイ素３製の玉の圧砕荷重は７ｋＮで本発明における好適な範囲内である。
【００２０】
また、窒化ケイ素４は、窒化ケイ素１と同様の高強度窒化ケイ素であるが、玉の表面に長さ２００μｍを超えるクラックが存在するため、窒化ケイ素４製の玉の圧砕荷重は３ｋＮで本発明における好適な範囲から外れている。窒化ケイ素５は、窒化ケイ素３と同様に１０気圧以下の焼結法で得られた窒化ケイ素であるが、内部の組織が不均一で、幅が３μｍ以上に粗大化した窒化ケイ素結晶粒を有するため、強度が低く、窒化ケイ素５製の玉の圧砕荷重は２ｋＮで本発明における好適な範囲から外れている。窒化ケイ素６は、大気圧下の常圧焼結法で得られたものであり、窒化ケイ素６製の玉の圧砕荷重は１ｋＮで本発明における好適な範囲から外れている。
【００２１】
これらのアンギュラ玉軸受を、図２に示すような日本精工株式会社製の軸受回転試験機に装着し回転試験を行い、アンギュラ玉軸受の高速回転性を評価した。
この軸受回転試験機は、円筒形のハウジング１１と、ハウジング１１に挿通された主軸１２と、を備えている。ハウジング１１の両端近傍には、ハウジング１１と主軸１２との間に複列ころ軸受２１，２１が介在されており、両複列ころ軸受２１，２１によって主軸１２がハウジング１１に回転可能に支持されている。そして、両複列ころ軸受２１，２１の間の位置には、試験軸受であるアンギュラ玉軸受２２，２２が背面配列で装着されており、６００Ｎの予圧が付与されている。
【００２２】
常温、大気中において、主軸１２を回転速度１０００ｒｐｍで回転させた。そして、回転速度を１０分毎に１０００ｒｐｍずつ増加させていき、温度測定装置３１で測定されるアンギュラ玉軸受２２，２２の外輪の温度が急激に上昇した時点の回転速度を限界回転速度とし、この限界回転速度によってアンギュラ玉軸受の高速回転性を評価した。なお、軸受の潤滑はオイルエア潤滑により行った。潤滑油には新日本石油株式会社製のスーパーハイランド２２（ＩＳＯ粘度グレードはＩＳＯ  ＶＧ２２）を用い、軸受への供給量は０．２２５ｍｌ／ｈとした。
【００２３】
試験結果を表１にまとめて示す。表１の限界回転速度は、比較例１のアンギュラ玉軸受の限界回転速度を１とした場合の相対値で示してある。表１から分かるように、実施例１〜５のアンギュラ玉軸受は、比較例１〜３のアンギュラ玉軸受と比べて限界回転速度が高く、高速回転性が優れていた。
次に、上記の軸受回転試験機を用いて回転試験を行い、アンギュラ玉軸受の耐久性を評価した。回転速度が１０００ｒｐｍで一定である点を除いては、回転試験の方法及び条件は前述と同様である。そして、回転中のアンギュラ玉軸受に生じる振動を測定し、振動値が試験開始時の５倍となるまでの時間をアンギュラ玉軸受の寿命とした。結果を表１にまとめて示す。なお、表１に記載した寿命は、比較例１のアンギュラ玉軸受の寿命を１とした場合の相対値で示してある。表１から分かるように、実施例１〜５のアンギュラ玉軸受は、比較例１〜３のアンギュラ玉軸受と比べて長寿命であった。
【００２４】
次に、玉の直径及び圧砕荷重を種々変更したアンギュラ玉軸受を用意して、前述の回転試験の場合と同様の方法で、高速回転性を評価した。このアンギュラ玉軸受の構成は、玉の直径及び圧砕荷重を変更するために、玉を構成する窒化ケイ素の種類及びアンギュラ玉軸受の大きさを変更した以外は、前述の回転試験に用いたものとほぼ同様の構成である。なお、内輪及び外輪はＳＵＪ２製である。
【００２５】
結果を、図３のグラフに示す。このグラフにおいては、前述の比較例１のアンギュラ玉軸受の限界回転速度を１とした場合の相対値で各アンギュラ玉軸受の限界回転速度を示してあり、限界回転速度が１以下の場合は×印、１超過３未満の場合は○印、３以上の場合は◎印をプロットしてある。
グラフから分かるように、玉の圧砕荷重が直径（Ｄａ）から算出されるＷｃ以上である場合（Ｗｃ＝０．１５×Ｄａ1.75のラインよりも上方にプロットされている場合）は、アンギュラ玉軸受の高速回転性が優れており、Ｗｃ未満である場合（Ｗｃ＝０．１５×Ｄａ1.75のラインよりも下方にプロットされている場合）は、アンギュラ玉軸受の高速回転性が不十分であった。また、玉の圧砕荷重が直径（Ｄａ）から算出されるＷｃ’以上である場合（Ｗｃ’＝０．１６×Ｄａ1.85のラインよりも上方にプロットされている場合）は、アンギュラ玉軸受の高速回転性がより優れていた。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明の転動装置は、高速回転条件下又は高荷重条件下においても好適に使用可能である。例えば、工作機械，各種スピンドル，スクリューコンプレッサ，各種過給機（例えばターボチャージャー），クリーナモータ，ジェットエンジン，ガスタービン，及び各種ポンプ（例えばドライ真空ポンプ）等の回転支持部を構成する転動装置や、部品装着機等のヘッド部を支持する転動装置として好適である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に係る転動装置の一実施形態である転がり軸受の構造を示す部分縦断面図である。
【図２】軸受回転試験機の構造を示す断面図である。
【図３】転動体の圧砕荷重とアンギュラ玉軸受の高速回転性との相関を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２８】
１      内輪
２      外輪
３      玉
２２      アンギュラ玉軸受
【図１】
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【図２】
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【図３】
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