(57)【要約】【課題】  ｄｍｎ１４０万以上という高速回転条件下においても充分に長寿命を示す工作機械主軸用転がり軸受を提供する。【解決手段】  内輪と外輪との間に、複数の転動体を保持器により転動自在に保持してなり、かつ平均粒径が２μｍ以下の無機化合物からなる微粒子をグリース全量に対して０．１〜７質量％含み、かつ、４０℃における動粘度が１５〜４０ｍｍ2／ｓの潤滑油を基油とするグリースを封入したことを特徴とする工作機械主軸用転がり軸受。【選択図】  図１
2005163893.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内輪と外輪との間に、複数の転動体を保持器により転動自在に保持してなり、かつ平均粒径が２μｍ以下の無機化合物からなる微粒子をグリース全量に対して０．１〜７質量％含み、かつ、４０℃における動粘度が１５〜４０ｍｍ2／ｓの潤滑油を基油とするグリースを封入したことを特徴とする工作機械主軸用転がり軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば旋盤、ボール盤、中ぐり盤、フライス盤、研削盤、ホーニング盤、超仕上盤、ラップ盤等で代表される、高速で摺動、回転する工作機械の主軸支持部等に好適に組み込まれる工作機械主軸用転がり軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
上記に挙げたような工作機械のスピンドルには、主軸支持用に通常転がり軸受が組み込まれており、一般にアンギュラ玉軸受や円筒ころ軸受等が組み合わされて使用されている。工作機械の加工精度や生産性は主軸の回転速度に依存するところが大きく、生産性を高めるためには主軸の回転速度の高速化を図らなければならない。しかし、転がり軸受を高速回転下で使用すると、軸受の発熱が顕著化したり、遠心力により転動体と内外輪との間の接触面圧が増大したりするため、スピンドルの使用条件は著しく悪化し、結果として、摩耗や焼付き等に代表される軸受損傷の危険性が高まる。また、高速回転により発熱も大きくなることから、工作機械の熱変形が起こる危険性もあり、加工精度への影響もある。
【０００３】
このような軸受システムに致命的な事態を発生させないため、また工作機械全体の熱変形による加工精度の低下を避けるためにも、高速回転下においては適切な潤滑方式を選択して主軸支持用転がり軸受における発熱を極力抑えなければならない。従来では、高速回転する工作機械の主軸支持用転がり軸受の潤滑には、潤滑油供給に伴う冷却効果が得られることから、オイルエア潤滑法、ノズルジェット潤滑法、アンダーレース潤滑法が採用されている。しかし、これらの潤滑方式では、潤滑油供給装置の導入が不可欠であるため、必然的にそのための設置面積が確保されなければならず、工作機械全体のコンパクト化を妨げてしまう。また、これらの潤滑方式では、潤滑油を継続的に消費し、しかも潤滑油供給装置の運転経費も必要であるため、工作機械全体としての運転経費が大きくなる。運転経費の削減のために種々の対策が講じられているが、ほぼ限界に達している状況にある。
【０００４】
軸受の潤滑方式としてグリースを封入する方式も一般的であるが、グリースの剪断に起因する軸受発熱が大きく、上記オイルエア潤滑法等に比べて軸受耐久性に対する信頼性も低いことから、高速回転を伴う工作機械の主軸支持用転がり軸受には本質的に不向きの潤滑方式である。しかしながら、グリース潤滑が実現できれば、潤滑油を継続供給する上記各潤滑方式では対応できない工作機械のコンパクト化や運転経費の削減等のメリットを享受することができる。また、グリース潤滑は、オイルエア潤滑方式等と異なり、多量に潤滑油を消費しないため、環境保全に寄与するという利点も有する。
【０００５】
このような背景から、本出願人は先に、ピュアダイヤモンドと、ダイヤモンドライクカーボンと、アモルファスカーボンとからなる微粒子（クラスターダイヤモンド）を含有するグリースを封入することにより、摺動面である金属表面同士が直接接触することを抑制し、軸受の耐焼付け性や耐摩耗性を向上させることを提案している（特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２８１７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
工作機械の高性能化に対する要求は強く、軸受にも例えばｄｍｎが１４０万を超えるような高速回転に十分に耐え得ることが要求されている。上記特許文献１に記載のグリースは、クラスターダイヤモンドの作用により耐焼付き性や耐摩耗性の向上を図っているが、このような高速回転化に充分に対応できない可能性がある。また、クラスターダイヤモンドは高価であり、コスト面でも不利がある。
【０００８】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、封入グリースを改良することによって、例えばｄｍｎ１４０万以上という高速回転条件下においても充分に長寿命を示す工作機械主軸用転がり軸受を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る上記目的は、内輪と外輪との間に、複数の転動体を保持器により転動自在に保持してなり、かつ平均粒径が２μｍ以下の無機化合物からなる微粒子をグリース全量に対して０．１〜７質量％含み、かつ、４０℃における動粘度が１５〜４０ｍｍ2／ｓの潤滑油を基油とするグリースを封入したことを特徴とする工作機械主軸用転がり軸受により達成される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の工作機械主軸用転がり軸受は、低粘度の基油を含み、更に特定粒径の無機化合物からなる微粒子を含有するグリースを封入することにより、金属表面同士の直接接触を効率よく抑制でき、焼付き防止効果や摩耗防止効果がより一層良好となる。また、オイルエア潤滑法等のように潤滑油を連続して供給する方式と異なり、グリースを封入して使用できるため、運転コストの削減、省スペース化も可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明に関して詳細に説明する。
【００１２】
本発明の工作機械主軸用転がり軸受は、構造的には特に制限されるものではなく、例えば図１に示されるアンギュラ玉軸受１０を例示することができる。図示されるアンギュラ玉軸受１０は、内輪１１と外輪１２との間に、複数の玉１３を保持器１４により転動自在に保持して構成される。また、玉１３は、窒化珪素や炭化珪素等のセラミック製とすることもできる。そして、本発明においては、内輪１１、外輪１２及び玉１３で形成される軸受空間には、下記に示す特定のグリースが封入される。
【００１３】
封入グリースにおいて、基油は、４０℃における動粘度が１５〜４０ｍｍ2／ｓであれば、種類は特に制限されない。４０℃における動粘度が４０ｍｍ2／ｓを超える基油を用いると、温度上昇が大きくなり、焼付きの問題が出てくる。また、この軸受温度上昇の観点からは基油の動粘度は低いほど好適ではあるが、動粘度が低すぎると摺動部に形成される油膜が薄くなり、軸受耐久性が低下するようになるため、本発明では４０℃における動粘度が１５ｍｍ2／ｓ以上の基油を用いる。
【００１４】
尚、基油の種類としては、例えば鉱油系や合成油系の各潤滑油等が挙げられる。鉱油系潤滑油としては、鉱油を減圧蒸留、油剤脱れき、溶剤抽出、水素化分解、溶剤脱ろう、硫酸洗浄、白土精製、水素化精製等を、適宜組み合わせて精製したものを用いることができる。前記合成油系潤滑基油としては、炭化水素系油、芳香族基油、エステル系油、エーテル系油等が挙げられる。前記炭化水素系油としては、ノルマルパラフィン、イソパラフィン、ポリブテン、ポリイソブチレン、１−デセンオリゴマー、１−デセンとエチレンコオリゴマー等のポリ−α−オレフィン等が挙げられる。前記芳香族系油としては、モノアルキルナフタレン、ジアルキルナフタレン、ポリアルキルナフタレン等のアルキルナフタレン油等が挙げられる。前記エステル系油としては、ジブチルセバケート、ジ−２−エチルヘキシルセバケート、ジオクチルアジペート、ジイソデシルアジペート、ジトリデシルアジペート、ジトリデシルタレート、メチル・アセチルシノレート等のジエステル油、トリオクチルトリメリテート、トリデシルトリメリテート、テトラオクチルピロメリテート等の芳香族エステル油、トリメチロールプロパンカプリレート、トリメチロールプロパンベラルゴネート、ペンタエリスリトール−２−エチルヘキサノエート、ペンタエリスリトールベラルゴネート等のポリオールエステル油、炭酸エステル油等が挙げられる。前記エーテル系油としては、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリエチレングリコールモノエーテル、ポリプロピレングリコールモノエーテル等のポリグリコール、あるいはモノアルキルトリフェニルエーテル、アルキルジフェニルエーテル、ジアルキルジフェニルエーテル、ペンタフェニルエーテル、テトラフェニルエーテル、モノアルキルテトラフェニルエーテル、ジアルキルテトラフェニルエーテル等のフェニルエーテル油等が挙げられる。これらの基油は、単独または混合物として用いることができる。
【００１５】
増ちょう剤は、上記の基油とともにグリースを形成し、維持できるものであれば特に制限されず、例えば、Ｌｉ、Ｎａ、Ｂａ、Ｃａ、Ａｌ等を金属種とする金属石けんまたは複合金属石けん、ベントン、シリカゲル、ウレア化合物、ウレア・ウレタン化合物、ウレタン化合物等の非石けん類を適宜選択して使用できる。但し、グリースの耐熱性を考慮するとウレア化合物、ウレア・ウレタン化合物、ウレタン化合物または、これらの混合物が好ましい。耐熱性能や音響特性を考慮すると、ジウレア化合物が特に好ましい。また、高速回転用途としては、バリウム複合石けんが特に望ましく、グリースを形成するのに必要な増ちょう剤の量が他の種類のものに比べ比較的多い（グリース全量の約３０質量％）ため基油の保持性能が良く、高速回転下においても適度の離油特性を持つ。そのため、回転中に離油した油で軸受外輪部に付着したグリースを洗い流がしてしまうこともなく、軸受内部に多くのグリースを留めておくことができる。また、増ちょう剤の量は、上記基油との間でグリースを形成し得る量であれば特に制限はなく、グリース全量の１０〜３０質量％が一般的である。
【００１６】
グリースには、平均粒径が２μm以下である無機化合物からなる微粒子がグリース全量に対して０．１〜７質量％、好ましくは０．１〜５質量％添加される。この無機化合物からなる微粒子は、摩擦部の凹凸部に入り込み摩擦面を平滑化して表面硬度を上昇させ、かつ、摺動部材が互いに直接接触することを防止することによって軸受の寿命を延ばすと考えられる。但し、添加量が７質量％を超えると微粒子の２次凝集が起こり易くなり、グリース中での分散性が低下して耐摩耗性の改善効果が少なくなる。
【００１７】
無機化合物からなる微粒子としては具体的に、ＳｉＯ2、Ａｌ2 Ｏ3、ＭｇＯ、ＴｉＯ2、ＰＺＴ、ＺｎＯ等の金属酸化物、Ｓｉ3 Ｎ4、ＺｒＮ、ＣｒＮ、ＴｉＡｌＮ等の金属窒化物、ＳｉＣ、ＴｉＣ、ＷＣ等の金属炭化物、ベントナイト、スメクタイト、雲母等の（合成）粘土鉱物、ダイヤモンド等を挙げることができる。また、グラファイト、ＢＮ、ＷＳ2等の固体潤滑剤を挙げることができる。更に、これらは基油やウレア系増ちょう剤との親和性を改善するため、表面を親油性に改質したものを用いても良い。これら無機化合物の中でも、それ自身増ちょう作用を備える金属酸化物や粘土鉱物が好ましい。
【００１８】
無機化合物からなる微粒子の粒径としては、上述したように摺動面の微小な凹凸に入り込む必要があることから、より小径であることが望ましく、本発明においては、平均粒径として２μｍ以下であると概ね良好な焼付き防止効果が発現する。平均粒径が２μｍよりも大きくなると、異物（ゴミ）として作用する粒子が多くなり、摺動面の摩耗を促進して軸受の早期故障の原因となる。また、平均粒子は小さいほど好ましく、１μｍ以下がより好ましい。更に、摺動部の潤滑寿命を考慮すれば、実使用上における油膜厚さは約０．２μｍであるため、平均粒径はこれより小さく、特に０．１μｍ以下が好ましい。尚、微粒子の形状は球形に近いほど好ましいが、上記の平均粒径内であれば、多面体（立方体や直方体等）や極端には針状でも構わない。
【００１９】
上記グリースには、必要に応じて酸化防止剤、防錆剤、油性剤、極圧剤等を添加してもよい。これらは何れも公知のもので構わない。これらの添加剤の含有量は、個別にはグリース全量の０．０５質量％以上、合計量でグリース全量の０．１５〜１０質量％の範囲となることが好ましい。特に、合計量で１０質量％を越える場合は、含有量の増加に見合う効果が期待できないばかりか、相対的に他の成分の含有量が少なくなり、またグリース中でこれら添加剤が凝集し、トルク上昇等の好ましくない現象を招くこともある。
【実施例】
【００２０】
以下、試験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。
【００２１】
（試験−１：軸受耐久寿命試験）
工作機械用アンギュラ玉軸受（内径６５ｍｍ、外径１００ｍｍ、幅１８ｍｍ、窒化珪素球）に、グリースを２．３ｇ（軸受空間容積の１５％占有）封入して試験軸受を作製した。尚、グリースは、４０℃における動粘度が２０ｍｍ2／ｓのエステル油に、バリウム複合石けんを３０質量％の割合で配合したベースグリース、並びにこのベースグリースに添加量を変えてMgO（平均粒径０．３μｍ）を配合して調製したものを使用した。また、何れのグリースも、混和ちょう度が２８０となるように増ちょう剤量を調整した。
【００２２】
そして、各試験軸受について、図２に示す試験装置を用い、軸受耐久試験を行った。図示される試験装置は、背面組み合わせに配設した２つの試験軸受２０で主軸６を支承し、主軸６が図示しないモータ及び変速機を介して回転駆動されるスピンドル構造となっている。また、試験装置本体２４の軸方向の略中央部であって両試験軸受２０の中間位置には、半径方向の潤滑剤供給のための貫通孔が設けられており、これにオイルエアノズル２１が挿入されている、このオイルエアノズル２１は、グリースニップルと置き換え可能な構造となっている。また、試験装置本体２４には、軸受２０の設定空間内の空気を排気するための排気路２３が設けられている。更に、試験装置本体２４には、熱電対２５が、その検知部を試験軸受２０の外輪２０ａと当接させて設置されている。
【００２３】
試験は、雰囲気温度２５℃、予圧９８Ｎ、ｄｍｎ１５０万の条件にて、軸受が焼き付きに至るまでの時間を測定し、軸受耐久寿命を評価した。結果を図３に、MgO無添加のベースグリースを封入した試験軸受の寿命に対する相対値で示すが、MgOを０．１質量％以上含有させることにより、耐久寿命の改善に効果が現れることがわかる。特に、０．１〜５質量％の範囲が最も効果的である。また、含有量が３質量％を超えると、耐久寿命の改善効果が徐々に弱まる傾向にあり、７質量％を超えると耐久寿命の改善効果がほとんど発現しなくなる。このことから、本発明においては、無機化合物からなる微粒子のグリース中の含有量は０．１〜７質量％、好ましくは０．１〜５質量％であることがわかる。
【００２４】
（試験−２軸受外輪温度上昇比較）
上記試験−１と同様にして、MgO（平均粒径０．３μｍ）の含有量を０．５質量％とし，基油動粘度を種々変化させて調製したグリースを試験軸受に封入し、ｄｍｎ１５０万で回転させたときの軸受外輪の雰囲気温度からの上昇を測定した。試験は図２に示す試験装置を用いて行い、雰囲気温度２５℃、予圧９８Ｎの条件でスピンドルの回転速度を５００ｒｐｍずつ段階的に上昇させ、ｄｍｎ１５０万に達した後５時間放置した後に軸受外輪温度を測定した。結果を図４に、４０℃における基油動粘度が２５ｍｍ2／ｓのグリースを封入した試験軸受の軸受外輪温度上昇に対する相対値で示すが、基油動粘度が低い程軸受外輪温度上昇は低く、４０℃における基油動粘度が４０ｍｍ2／ｓを超えると急激に温度が上昇している。このことから、本発明において、基油の動粘度の上限は４０ｍｍ2／ｓであることがわかる。
【００２５】
（試験−３：MgO粒径の検証）
工作機械用アンギュラ玉軸受（内径６５ｍｍ、外径１００ｍｍ、幅１８ｍｍ、窒化珪素球）に、グリースを２．３ｇ（軸受空間容積の１５％占有）封入して試験軸受を作製した。尚、グリースは、４０℃における動粘度が２０ｍｍ2／ｓのエステル油に、バリウム複合石けんを３０質量％の割合で配合したベースグリース、並びにこのベースグリースに平均粒径の異なるMgOを３質量％の割合で配合して調製したものを使用した。また、何れのグリースも、混和ちょう度が２８０となるように増ちょう剤量を調整した。
【００２６】
そして、図２に示す試験装置を用いて、雰囲気温度２０℃、予圧９８Ｎ、ｄｍｎ１５０万の条件にて試験軸受を回転させた。１万時間経過後に回転を停止し、軸受を試験装置から取り外して内輪軌道面の形状を表面粗さ形状測定器（テーラーホブソン（株）製  フォームタリサーフPGI  Plus）を利用して観察した。軸受内輪の転送面についたV字型の摩耗傷の深さを摩耗の指標とした。結果を図５に、MgO無添加のベースグリースを封入した試験軸受の摩耗深さに対する相対値で示すが、MgOの平均粒径が２μｍ以下であれば摩耗低減の効果が発現し、１μｍ以下がより好ましく、０．２μｍ以下が特に好ましいことがわかる。また、平均粒径が０．１５μm以下で摩耗深さ比が不連続的に急低下しているが、この現象は、平均粒径を極度に減少させたことによってMgO微粒子群からアブレシブ摩耗を引き起こす要因が完全に取り除かれたことを示唆していると思われる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の工作機械主軸用転がり軸受の一例を示す断面図である。
【図２】実施例の各試験で用いた試験装置を示す断面図である。
【図３】試験−１で得られた酸化マグネシウムの含有量と焼付き寿命比との関係を示すグラフである。
【図４】試験−２で得られた基油動粘度と外輪温度上昇比との関係を示すグラフである。
【図５】試験−３で得られた酸化マグネシウムの平均粒径と摩耗深さ比との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２８】
１０  アンギュラ玉軸受
１１  内輪
１２  外輪
１３  玉
１４  保持器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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