(57)【要約】アンギュラコンタクト軸受（Ｄ）は、高圧及び高温に耐える浸炭又は浸炭窒化により肌焼された鋼、好ましくはステンレス鋼から形成されたレース（２、４）を有する。該軸受は熱の生成を減らすため、比較的低い接触率を有するが、加えられる半径方向荷重及び高速運転において発生する遠心力に耐えることができるものである。【選択図】図２
2004505219.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸を中心とする回転を容易にするための高速軸受であって、前記軸受は、断面がアーチ形であり前記軸から離れる方向を向くように設けられた軌道を有する内側レースと、前記内側レースを囲み、断面がアーチ形であり前記内側レースの軌道と面するように設けられた軌道を有する外側レースと、前記レースの間で１列に配列され前記レースの前記軌道に接触する玉と、を具備し、前記玉と少なくとも一方の前記レースの前記軌道間の接触率が約０．９３以下であり、前記レースは、重量で約０．０５％〜０．５０％の炭素と、約１０．０％〜２０．０％のクロムとを含むステンレス鋼から形成され、前記レースは、浸炭または浸炭窒化の肌焼によって形成された硬化表面を有する軸受。
【請求項２】
前記玉は、前記玉が前記外側レースの軌道に接触する領域から軸方向にずれた領域で前記内側レースの軌道に接触する、請求項１に記載の軸受。
【請求項３】
前記軸受の接触角度は１５度〜３０度である、請求項２に記載の軸受。
【請求項４】
前記玉は、重量で約０．０５％〜０．５０％の炭素と、約１０．０％〜２０．０％のクロムとを含むステンレス鋼から形成される、請求項１に記載の軸受。
【請求項５】
前記玉は、窒化ケイ素から形成される請求項１に記載の軸受。
【請求項６】
前記玉と前記内側レースの軌道との間の接触率は約０．８９以下であり、前記玉と前記外側レースの軌道との間の接触率は約０．９３以下である、請求項１に記載の軸受。
【請求項７】
少なくとも一方の前記レースのステンレス鋼は、ＣＳＳ−４２Ｌ鋼とパイロウェア（ＰＹＲＯＷＥＡＲ）６７５鋼とＡＩＳＩ４２０鋼とからなる群から選択されたものである請求項１に記載の軸受。
【請求項８】
工作機械において、ハウジングと、前記ハウジング内に位置するスピンドルと、前記ハウジング内で回転軸を中心とする前記スピンドルの高い角速度での回転を容易にするために前記スピンドルと前記ハウジングとの間に位置する複数のアンギュラコンタクト玉軸受と、を具備する組み合わせであって、前記軸受が前記スピンドルと前記ハウジングとの間の両方の軸方向に半径方向荷重およびスラスト荷重を移すように前記軸受の一方は前記軸受の他方に対向して配列され、各軸受は、前記スピンドルのまわりに位置し、断面がアーチ形であり前記軸から離れる方向を向くように設けられた軌道を有する内側レースと、前記ハウジング内に位置し、断面がアーチ形であり前記内側レースの軌道に面するように設けられた軌道を有する外側レースと、前記内側レースと前記外側レースとの間で円形列に配列され前記レースの軌道に接触する玉と、を含み、前記玉と少なくとも一方の前記レースの回転要素との間の接触率は約０．９３以下の組み合わせ。
【請求項９】
前記玉と前記内側レースの軌道との間の接触率は約０．８９以下であり、前記玉と前記外側レースの軌道との間の接触率は約０．９３以下である、請求項８に記載の組み合わせ。
【請求項１０】
前記軸受の前記レースは、重量で約０．０５％〜０．５０％の炭素と、約１０．０％〜２０．０％のクロムとを含む鋼から形成され、前記レースは、浸炭または浸炭窒化によって形成された硬化表面を有する、請求項８に記載の組み合わせ。
【請求項１１】
前記玉は、窒化ケイ素から形成される請求項１０に記載の組み合わせ。
【請求項１２】
各軸受用の接触角度は、約１５度〜３０度の範囲である、請求項８に記載の組み合わせ。
【請求項１３】
前記軸受は、予荷重の状態にある請求項８に記載の組み合わせ。
【請求項１４】
工作機械において、ハウジングと、前記ハウジング内に位置するスピンドルと、前記ハウジング内で回転軸を中心とする前記スピンドルの高い角速度での回転を容易にするために前記スピンドルと前記ハウジングとの間に位置する複数のアンギュラコンタクト玉軸受と、を具備する組み合わせであって、前記軸受が前記スピンドルと前記ハウジングとの間の両方の軸方向に半径方向荷重およびスラスト荷重を移すように、前記軸受の一方は前記軸受の他方に対向して配列され、各軸受は、前記スピンドルのまわりに位置し、断面がアーチ形であり前記軸から離れる方向を向くように設けられた軌道を有する内側レースと、前記ハウジング内に位置し、断面がアーチ形であり前記内側レースの軌道に面するように設けられた軌道を有する外側レースと、前記内側レースと前記外側レースとの間で円形列に配列され前記レースの軌道に接触する玉と、を含み、前記軸受の前記レースは、重量で約０．５０％以下の炭素と、約１０．０％以上のクロムとを含むステンレス鋼から形成され、前記レースは、浸炭または浸炭窒化によって形成された硬化表面を有する組み合わせ。
【請求項１５】
前記軌道は、前記玉の列に対して横方向に湾曲し、軸受の前記軌道の横方向曲率は、前記軸受の前記玉の曲率を超える、請求項１４に記載の組み合わせ。
【請求項１６】
前記玉と前記内側レースの軌道との間の接触率は０．８９以下である、請求項１４に記載の組み合わせ。
【請求項１７】
各軸受用の接触角度は、１５度〜３０度の範囲である請求項１４に記載の組み合わせ。
【請求項１８】
前記軸受は、予荷重の状態にある請求項１４に記載の組み合わせ。
【請求項１９】
前記レースのステンレス鋼は、ＣＳＳ−４２Ｌ鋼とパイロウェア（ＰＹＲＯＷＥＡＲ）６７５鋼とＡＩＳＩ４２０鋼とからなる群から選択されたものである請求項１４に記載の組み合わせ。
【請求項２０】
工作機械において、ハウジングと、前記ハウジング内に位置するスピンドルと、前記スピンドルの回転軸を中心とする回転を容易にするために前記スピンドルと前記ハウジングとの間に位置するアンギュラコンタクト玉軸受と、を具備する組み合わせであって、前記軸受は、締まり嵌めで前記スピンドルのまわりに嵌まり、断面がアーチ形であり前記軸から離れる方向を向くように設けられた軌道を有する内側レースと、前記ハウジング内に位置し、断面がアーチ形であり前記内側レースの軌道に面するように設けられた軌道を有する外側レースと、前記内側レースと前記外側レースとの間で円形列に配列され前記レースの軌道に接触する玉と、を含み、前記軸受の前記内側レースは、少なくとも当初は圧縮の状態で存在する硬化表面を形成するために浸炭または浸炭窒化によって肌焼される鋼からなる組み合わせ。
【請求項２１】
前記スピンドルが静止しているときに前記内側レースと前記スピンドルとの間の締め代は、少なくとも約０．００１０インチである請求項２０に記載の組み合わせ。
【請求項２２】
前記内側レースは、遠心力発生下で破壊せずに少なくとも１０６ＤＮで回転する能力を有する、請求項２０に記載の組み合わせ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、一般に減摩軸受に関し、より詳細には、高速アンギュラコンタクト玉軸受に関する。
【０００２】
（発明の背景）
切削工具技術は、長年にわたり改良してきており、それとともに金属を除去する能力も、かつてない速さで改良されている。したがって、工作機械は、切削工具技術の改良を活かすために、より高速で運転することが求められているが、この点に関しては大幅に失敗している。次世代の工作機械スピンドルはより高速で回転しなければならないだけではなく、中心として回転する軸が固定されたままであるという意味で、剛性または剛度を有さなければならない。言い換えると、スピンドル用の軸受は、スピンドルが回転することを可能にしながら、半径方向または軸方向の自由運動を有してはいけない。複数のアンギュラコンタクト玉軸受が、他方に対向して装着されているものもあり、これらの必要性に最良にこたえるものであると思えるが、この種類の軸受配列は依然として、現代の切削工具が運転することができる速度には適応することができない。
【０００３】
典型的なアンギュラコンタクト玉軸受は、対向する軌道を備えた内側レース（内側軌道輪）および外側レース（外側軌道輪）と、レース（軌道輪）の間に位置し、軸受が運転されるときに軌道に沿って回転する玉の列と、を有する。断面において、軌道はアーチ形であるが、一方の軌道に沿った接触の領域は、他方の軌道に沿った接触の領域から軸方向にずれており、そのため、これらの接触の領域を通って引かれた線は、軸受の軸に対して斜めである。この傾斜接触によって軸受は、半径方向荷重と同様に軸方向荷重を取ることができる。工作機械スピンドルのように、２つまたはそれ以上のこれらの軸受が対向して装着されるときには、複数の軸受が両軸方向でスラスト荷重に適応する。剛性を高めるために、通常対向した軸受は、通常、予荷重と称される備わった軸方向荷重を有する。
【０００４】
ある意味では、高速工作機械スピンドルを支持するのに使用される典型的なアンギュラコンタクト玉軸受は、いくつかのの妥協を表す。恐らく、最も重要なものは、接触率、すなわち、玉の経路に対して横方向に取られた軌道の曲率半径に対する玉の半径の比率である。この比率が高い（軌道がより厳密に玉に一致する）ときには、比率が低いときよりも、軸受はより高い荷重を取ることができるが、軸受は、より高い接触率ではより多くの熱を発し、これは特に高速ではやっかいである。
【０００５】
一般的に、高速スピンドルを支持するアンギュラコンタクト玉軸受は、ハウジング内に含まれ、ハウジングのノーズポジションおよびテールポジションを占める。ハウジングは、通常、らせん状の冷却剤溝を有し、これを通って冷却剤が循環し、軸受によって発生した熱を放散する。ハウジングでは良好な伝熱は有効であるが、これは、軸受に支持されるスピンドルには当てはまらない。これは、ハウジングよりも高い温度で運転され、結果として、ハウジングよりもより大きな軸方向膨張および半径方向膨張を受ける傾向がある。半径方向膨張は、軸受の予荷重を増大する可能性がある。軸方向膨張は、予荷重を分散さえする可能性があり、これに適応するために、取り付け台によってはテールポジションの軸受が浮動することが可能なものがある。これは、ハウジングと、テールポジションの軸受の外側レースとの間に隙間嵌めを必要とし、隙間嵌めは、時がたつにつれて、フレッティング腐食を導く。フレッティング腐食は、浮動する外側レースを最終的にはハウジング内に捉えさせる原因となり、これは今度は、軸受に過度の予荷重の危険を受けさせる。結局、スピンドルを支持するのに使用される典型的な軸受のレースは、ステンレスではない軸受鋼から形成される。この鋼の耐腐食性は、通常の鋼と同様であり、したがってフレッティング腐食を受ける。また、スピンドルの高速のために不均衡な状態によって引き起こされる高振動力が生じることがある。
【０００６】
フレッティングは、腐食の唯一の原因ではない。シールは、軸受を保護するものであるが、熱生成を避けるためにスピンドルが受けやすい汚染物質を排除するラビリンスに依存しなければならない。したがって、このシールは実際に磨耗表面に接触するシールよりも効果的ではない。切削液等の汚染物質が、軸受に入り腐食を起こす可能性が大きい。
【０００７】
最後に、高速運転は、軸受に非常に大きな遠心力を生成し、玉から生じるそれらの力は主に外側レースによって抵抗される。鋼玉のサイズおよびこのようにその質量を減じることによって、遠心力は小さくなるが、これは、軸受の荷重担持能力も削減する。最適な玉サイズを得るためには妥協が必要である。
【０００８】
高速運転中に生じた遠心力は、重い周期的な荷重を軸受の外側レースに課しながら、内側レースを膨張させる。したがって、隙間嵌めは軸の剛性を崩壊するだけではなく、軸受の内側レースとスピンドルとの間にフレッティング腐食を発生させるため、各軸受の内側レースは、膨張が残っているにもかかわらず、締まり嵌めでスピンドル上に設置されなければならない。例えば、スピンドルがその運転速度に到達するときまでに、内側レース用の内腔の直径が、スピンドルよりも０．００１４インチ膨張する場合、内側レースは、少なくとも０．００１４インチ、好ましくはそれ以上の締まり嵌めで設置されなければならない。これは、許容差が原因ではなく、そのため、実際的な問題として、締まり嵌めは幾分大きくなるべきである。実際、許容差を考慮するときには、締まり嵌めおよび遠心力によって内側レースに生じた応力は、これらの応力に耐える従来の５２１００鋼の能力を超える可能性がある。その鋼は、スピンドル軸受のレースに使用されるときには、無心焼入れされた状態で存在する。しかし、無心焼入れされたレースは、脆いため、より延性がある低炭素鋼よりも低い応力で割れる。理論的代替例は、適切な位置で内側レースを非常にきつくクランプするか、または、スピンドルおよび軸受をより厳密な許容差で整合されたセットに作るかであるが、これらの代替例は、スピンドルおよび軸受のコストを上げる。
【０００９】
したがって、低い振動率で比較的高速に耐えることができるように改良された熱生成の少ない、延性のある玉軸受アセンブリが必要である。
【００１０】
（発明の開示）
本発明は、肌焼された鋼から形成され、玉と、玉が沿って回転する軌道との間の接触率が低い高速アンギュラコンタクト玉軸受に属し、上記鋼はステンレス鋼であることが好ましい。本発明は、また対向して装着されたそのような軸受でハウジング内に支持された高速スピンドルを含む取り付け台にも属する。
【００１１】
（発明を実施するためのベストモード）
次に図面を参照すると、工作機械用の主軸台Ａ（図１）の形態の取り付け台は、スピンドルＢと、その中でスピンドルＢが軸Ｘを中心として回転するハウジングＣと、を含む。スピンドルＢは、２つの単一列アンギュラコンタクト玉軸受Ｄに支持され、これはまた主軸台Ａの一部を形成し、一方の軸受Ｄ１はノーズポジションにあり、他方の軸受Ｄ２はテールポジションにある。軸受Ｄの両方は、同一の軸Ｘを共有する。スピンドルＢは、ノーズポジションで軸受Ｄ１を越えて延在し、そこで切削工具または工作物を支持する。このスピンドルＢは、テールポジションで軸受Ｄ２も越えて延在し、そこで、スピンドルＢを高速度で回転させるための駆動装置に連結される。実際、軸受ＤによってスピンドルＢは、少なくとも１００万ＤＮ（ただし、Ｄ＝内側軸受レースの直径（ｍｍ）、および、Ｎ＝速度（回転／分））の速度及び２００万ＤＮまたはそれ以上の速度ででさえ回転することができる。
【００１２】
各軸受Ｄ（図２〜４）は、内側レース２と、内側レース２のまわりに位置する外側レース４と、レース２と４との間に位置する玉６の形態の回転要素と、を含む。各々は、ケージまたは保持器８も含み、これも同様にレース２と４との間に位置し、一般的に玉６の間の間隔を均一に維持する。実際に、玉６は、それぞれ、軌道１０および１２に沿ってレース２および４に接触し、それぞれ断面がアーチ形で凹形状であり、すなわち、軌道１０および１４によって形成される環状経路に対して横方向にある。軸受Ｄが運転中にセットされるときには、玉６は軌道１０および１２に沿って回転し、スピンドルＢとハウジングＣとの間の摩擦を最小限度へ減少する。玉６と軌道１０との間の接触領域は、玉６と軌道１２との間の接触領域から軸方向に変位されるため、ある意味では、軌道１０と１２は、軸方向にわずかにずれている。したがって、接触の各領域の中心を通ってのばした線は、斜角で軸Ｘに交差し、同様に、軸Ｘに垂直である平面に対して斜角θで存在する（図４）。角度θは、接触角度と称される。軌道１０および１２の斜め配向の結果として、軸受Ｄは、半径方向荷重を取るだけではなく、玉６を軌道１０および１２に対してよりしっかりと設置するようにする方向に、スラスト荷重または軸方向荷重も取る。これは、アンギュラコンタクト玉軸受の特徴である。
【００１３】
スピンドルＢ（図１）は、切削工具または工作物を保持するチャックを受け取る内腔２０を含む。スピンドルＢはまた、ショルダ２４まで達する円筒形表面２２も有し、ショルダを越えたところにスピンドルＢにはラビリンス２６が設けられる。軸受Ｄ１の内側レース２は、ノーズポジションにあり、締まり嵌めで円筒形表面２２上に設置され、これは、レース２を表面２２上に押すか、または、レース２を熱で膨張させ次いで表面２２上に前進させることによって達成される。いずれにせよ、軸受Ｄ１の内側レース２は、円筒形表面２２の端でショルダ２４に対して圧迫する。残りの軸受Ｄ２の内側レース２も、締まり嵌めで円筒形表面２２のまわりに嵌まり、テールポジションにあるため、ノーズポジションにある軸受Ｄ１のレース２から間隔をとっておかれる。軸受Ｄ１およびＤ２の内側レース２は、スピンドルＢの円筒形表面２２のまわりに嵌まるスリーブ状スペーサー２８によって分離される。軸受Ｄ１の内側レース２は、ショルダ２４とスリーブ２８との間に捉えられ、一方、軸受Ｄ２の内側レース２は、スペーサー２８と、スピンドルＢの端上へねじ込むナット３０との間に捉えられる。
【００１４】
内側レース２とスピンドルＢの円筒形表面２２との間の締まり嵌めは、高速運転中に生じる遠心力にもかかわらず、レース２をスピンドルＢにきつく嵌まったままに保つ。例えば、円筒形表面２２が２．７５インチ（７０ｍｍ）の直径を有する場合、各内側レース２は、３００００回転／分（２．２ＤＮ）で約０．００１６インチ膨張する。他方、スピンドルＢは、固体であると仮定して、０．０００２インチ膨張する。したがって、中で生じた遠心力のためにレース２がこれらの角速度で確実にゆるくならないようにするために、各内側レース２は少なくとも０．００１４インチの最小締まり嵌めを有するべきである。内側レース２は、０．００１４インチ以上の締まり嵌めに耐えることができるのに対して、無心焼入れ鋼から形成された従来のレースは、約０．００１０インチのみの締まり嵌めを受け入れることができるだけである。それを超えると、従来のレースは破壊する。このように、内側レース２は、きつい締まり嵌めに耐え、極度に高い角速度で締まったままであり、この間ずっと標準許容差に適応している。
【００１５】
ハウジングＣ（図１）は、ハウジングＣのノーズエンドから内側へ延在しショルダ３８で終端する内腔３６を有する。また、テールエンドからその中へ延在しショルダ４２で終端する別の内腔４０も有する。軸受Ｄ１の外側レース４は、内腔３６内へ押すことによってなされる締まり嵌めで内腔３６内に嵌まる。そのように嵌まったときには、軸受Ｄ１用の外側レース４は、ショルダ３８に対して圧迫する。他方の軸受Ｄ２の外側レース４は、締まり嵌めでハウジングＣのテールエンドから開口する内腔４０内に嵌まり、そこでショルダ４２に対して圧迫する。
【００１６】
軸受Ｄ１およびＤ２の内側レース２を分離するスリーブ２８の長さは、軸受Ｄを予荷重の状態に置くものであり、予荷重はスピンドルＢおよび軸受Ｄの運転中残存する。
【００１７】
スピンドルＢのラビリンス２６に噛み合うラビリンス４４は、ハウジングＣの端に対して嵌まるので、その２つが、主軸台ＡのノーズエンドでスピンドルＢとハウジングＣとの間の流体バリアをもたらす。ラビリンス２６と４４との間の分離はわずかであるが、ラビリンス２６と４４とは互いに接触しない。
【００１８】
ハウジングＣはその外部表面（図１）に、そのまわりを円周的に延在するらせん状の溝を有する。溝５０は、円筒形のジャケット５２で囲まれ、そのようにして環状らせん経路を形成し、それを通って液体冷却剤が循環する。
【００１９】
軸受Ｄの各々において、玉６と内側レース２および外側レース４の軌道１０および１２との間の接触角度θは、それぞれ、一般に１５度〜１８度の範囲であり、スピンドルＢの予定された用途によって変動する。これによって軸受Ｄは、軸受Ｄの運転中の予荷重を含むスラスト荷重を担持することができる。また、軸受けＤは、玉６が内側レース２のまわりを速く周回するときに玉６によって生じる遠心力を含む重い半径方向荷重を取ることができる。
【００２０】
玉６のいずれか１つが軌道１０または１２の一方に接触する領域の接触率は、玉６の半径を軌道１０または１２の断面半径で割ったもの、すなわち、玉６が軌道１０または１２に沿って動く方向に対して横方向に測定された半径を表す。一般に、より小さい接触率を有する軸受は、熱生成が少ないが、荷重を担持する能力も低くなる。高速スピンドルを支持するのに使用される従来のアンギュラ玉軸受の接触率は、０．９４３〜０．９６２の範囲である。軸受Ｄは、荷重能力を失うことなく、接触率がより低い。玉６と軸受Ｄのいずれかの内側レース２の軌道１０との間の接触率は、０．７２〜０．８９の間の範囲であるべきであり、用途によって変動する。玉６と軸受Ｄのいずれかの外側レース４の軌道１２との間の接触率は、０．７２〜０．９３の間の範囲であるべきであり、用途によって変動する。
【００２１】
より低い接触率および他の利点もまた、レース２および４に使用される改良された鋼、および、これらのレース２および４が受ける肌焼浸炭および熱処理から、得られる。これらの鋼は、肌焼き前の炭素含有量が重量で０．０５％〜０．５０％、クロム含有量が重量で１０．０％〜２０．０％であるステンレス鋼として特徴づけることができる。この鋼は、熱処理が後に続く浸炭および浸炭窒化の肌焼によって形成された硬化表面を受け入れ、これに適応する能力を持つべきである。適切な鋼として、商標ＣＳＳ−４２Ｌ、商標パイロウェア（ＰＹＲＯＷＥＡＲ）６７５およびＡＩＳＩ４２０で販売されているものが挙げられる。これらの高合金鋼の組成範囲は、下記表に見られる。
【００２２】
【表１】
2004505219.tif 000003
ペンシルバニア州ラトローブ（Ｌａｔｒｏｂｅ、Ｐｅｎｎｓｙｌｖａｎｉａ）のラトローブスティール社（Ｌａｔｒｏｂｅ　Ｓｔｅｅｌ　Ｃｏｍｐａｎｙ）がＣＳＳ−４２Ｌ鋼を販売しており、この鋼は、１９９９年６月１３日に付与された米国特許第５，４２４，０２８号のテーマを形成する。ペンシルバニア州レディング（Ｒｅａｄｉｎｇ、Ｐｅｎｎｓｙｌｖａｎｉａ）のカーペンターテクノロジー社（Ｃａｒｐｅｎｔｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏｍｐａｎｙ）がパイロウェア６７５鋼を販売しており、これが、１９９１年３月２６日に付与された米国特許第５，００２，７２９号のテーマを形成する。この２つの特許は、参照してここに組み込まれる。
【００２３】
ＣＳＳ−４２Ｌ鋼は、工作機械スピンドル軸受からは、かけ離れた目的のために開発されたが、肌焼浸炭され且つ７００°Ｆもの高温の持続した操作温度に耐えることができるステンレス鋼合金である。これは、肌焼浸炭され熱処理されたときに高表面硬度を達成しこれを維持することができ、コアの延性および強度を維持しながら、高破壊靱性、熱硬度、金属対金属磨耗耐性および腐食耐性を併せ持つ。ＣＳＳ−４２Ｌ合金鋼は、特に、ヘリコプターの変速装置の歯車およびシャフト等の高温の腐食環境で使用する目的で開発された。その予定された用途は、高温で且つ腐食環境で運転されるカム、シャフト、歯車およびボルト等の他の機械構成要素を含む。ＣＳＳ−４２Ｌ合金鋼の回転接触疲労試験は、この材料が、これらの競合材料の試験寿命をはるかに上回る試験寿命を呈することを示した。
【００２４】
内側レース２および外側レース４は、両方とも鍛造されるかまたはさもなければ適切な高合金鋼から形成される。そのように製造された形状は、次いで、レースに必要な構成に機械加工され、その後、下記に記載される手順にしたがって、浸炭または浸炭窒化により肌焼され、熱処理される。これによって、レース２および４には、硬い外部肌およびより延性のあるコアが残る。実際、適切な熱処理の後に、軌道１０および１２に沿ったレース２および４はそれぞれ、および他の外部表面も、６８〜８０ロックウェルＣ程度の硬度を獲得する。浸炭または浸炭窒化も、肌を圧縮の状態のままにする。
【００２５】
簡単に言うと、高合金化されたクロム含有合金鉄の新規の肌硬度、微細構造および残留応力特性を達成するため、且つ、浸炭から冷却時の肌の割れを排除するために、ステンレス鋼は、比較的高い炭素含有量、すなわち、作業面すなわち軌道１０および１２において重量で１．５以上のレベルで、浸炭されるかまたは浸炭窒化されなければならない。浸炭または浸炭窒化は、炉内で起こり、レース２および４は炭素が豊富な化合物内に詰められるか、または、炭素が豊富な気体にさらされる。浸炭は、１９９８年１２月２２日に付与された米国特許第５，８５１，３１３号に開示されたようなプラズマプロセスで達成されてもよい。
【００２６】
新規微細構造を製造する後浸炭肌焼は、真空炉の使用によってもっとも効果的に実施されるが、従来の炉でも満足のいく結果が得られる。浸炭が真空炉で行われる場合、温度は、１６００°〜１８８０°Ｆ（８７０°〜９８５°Ｃ）の浸炭温度から、直接、２０００°〜２０５０°Ｆ（１０９０°〜１１２０°Ｃ）のオーステナイト化温度へ上げることができ、次に油焼入れを行う。二重焼入れを必要とする部分（例えば気体浸炭が使用されるとき等）は、１４５０°Ｆ（７９０°Ｃ）へ予め加熱し、次いで、２０００°〜２０５０°Ｆ（１０９０°〜１１２０°Ｃ）でオーステナイト化し、次に、約１５０°Ｆ（６６°Ｃ）へ窒素で気体ファン焼入れが行われ、室温へ空気冷却されることにより、硬化することができる。Ｈ．Ｂｕｒｒｉｅｒ、Ｄ．Ｍｉｌａｍ、Ｊ．ＭａｌｏｎｅｙおよびＣ．Ｔｏｍａｓｅｌｌｏの発明のために、「高温使用のための高性能浸炭ステンレス鋼（Ｈｉｇｈ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　Ｃａｒｂｕｒｉｚｉｎｇ　Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ　Ｓｔｅｅｌ　ｆｏｒ　Ｈｉｇｈ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｕｓｅ）」という発明の名称で２０００年３月１４日に出願された米国特許出願第０９／５２４，９３８号には、肌硬化手順が記載されている。この特許出願は、参照してここに組み込まれる。
【００２７】
玉６も同様に、肌焼浸炭されたＣＳＳ−４２Ｌ鋼から形成されてもよく、または、無心焼入れされたステンレス鋼から形成されてもよい。他方、玉６は、とりわけ、コネチカット州イーストグランビィ（Ｅａｓｔ　Ｇｒａｎｂｙ、Ｃｏｎｎｅｔｉｃｕｔ）のノートンアドバンストセラミクス（Ｎｏｒｔｏｎ　Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｃｅｒａｍｉｃｓ）がセルベック（ＣＥＲＢＥＣ）という商標で販売しているセラミック材料である窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）から形成されてもよい。窒化ケイ素は、優れた圧縮強さを有し、且つ、セラミックであるため、強度を失うことなく極度の高温に耐える。これを傷つける腐食材料はほとんどない。これは、鋼の密度の４２％の密度を有し、このような高速操作状態下で慣性効果が少なく、玉６の寿命を延ばすのと同様に、結果としてレース２および４の寿命を延ばす。その熱膨張係数は、鋼の熱膨張係数の４分の１である。最後に、これは、きわめて硬く、鋼よりも５０％大きい弾性率を有する。これは、軸受Ｄの静的剛性および動的剛性を増加させる。
【００２８】
いずれにせよ、軸受Ｄのレース２および４は、玉６が鋼から形成されるか窒化ケイ素から形成されるかに関係なく、玉６によって課せられた荷重且つ玉６を通って伝えられた荷重を担持し、これは、低い接触率でさえ、有効である。低い接触率のおかげで、軸受Ｄの温度は低いままであり、通常は１３０°Ｆ（５５°Ｃ）未満であり、１１０°Ｆ（４３°Ｃ）未満がより適している。確かに、ＣＳＳ−４２Ｌ鋼が耐えられる温度範囲内、すなわち７００°Ｆ（３７０°Ｃ）までである。軸受Ｄの重要な構成要素はステンレス鋼から形成されるため、工作物の切削液が軸受Ｄ内に入った場合、腐食を発生させない。ハウジングＣの温度変化とは異なる温度変化でスピンドルＢが軸方向に膨張し収縮するので、軸受Ｄ２用の外側レース４が浮動しないときには、テールポジションに対向して（二重に）装着された２つの軸受Ｄを有する取り付け台には、これらの軸受の外側レース４が浮動できるものもある。そのような浮動によって生じるいずれのフレッティング腐食も、容認可能なレベル内のままである。
【００２９】
軸受Ｄの低い接触率の結果として、熱生成が少なくなるだけではなく、軸受Ｄはより強い保持器８を有することもできる。これに関して、保持器８は、軸受Ｄが運転されるであろう高温に耐えることができるポリマーから成形されることが好ましい。密度が低いため、ポリマーは、鋼よりも慣性効果が低い。ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）のような、機械加工された繊維強化フェノール樹脂が、保持器８に適している。ニュージャージー州ウェイン（Ｗａｙｎｅ、Ｎｅｗ　Ｊｅｒｓｅｙ）のセントゴバインパフォーマンスプラスチクス（Ｓａｉｎｔ　Ｇｏｂａｉｎ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　Ｐｌａｓｔｉｃｓ）（元フロン社（Ｆｕｒｏｎ　Ｃｏｍｐａｎｙ））が、メルディン（ＭＥＬＤＩＮ）２００１という商標で販売している材料も同様である。各軸受Ｄの接触率が低い結果として、内側レース２が外側レース４内を回転するときに接触角度の変化が少なくなり、そのため、玉６の速度の変化が小さくなる。各回転中に玉６がスピードアップしスローダウンするのが少なくなり、且つ、互いに対する角度位置の変化が少なくなるため、保持器８内で玉６を受け取るポケットは、従来のスピンドル軸受の保持器用のポケットよりも小さく作られてもよく、実際に、小さく作られている。ポケットが小さくなると、保持器８の強度が増加する。さらに、保持器８上の玉６の加速および減速の衝撃を減じることによって吸収されるエネルギーが少なくなり、これは、軸受Ｄ内での熱の生成をさらに減じる。
【００３０】
肌焼浸炭は、コアよりもマルテンサイトの割合が多く、肌がコア上で膨張しようとするため、軌道１０および１２に沿ったレース２および４に、残留応力、本来は圧縮応力を与える。内側レース２は、延性コアおよび浸炭された肌が圧縮の高い状態であり、無心焼入れ鋼から形成された従来のレースよりも、スピンドルＢ上でよりきつい締まり嵌めに耐えることができる。浸炭で肌焼されたステンレス鋼から形成された内側レース２は、従来の無心焼入れ鋼よりも、きつい締まり嵌め下で割れる傾向が少ない。よりきつい締まり嵌めは、内側レース２が遠心力下で緩みを生じる点まで膨張する可能性を少なくする。また、よりきつい締まり嵌めによって、円筒形表面２２でスピンドルＢ及びその内腔で内側レース２が、無心焼入れされたレースを使用する取り付け台よりも、より広い許容差で製造することができる。実際、ステンレス鋼としては分類することができないＳＡＥ８６２０等の従来の低炭素鋼から形成された内側レース２を有する軸受Ｄにでさえ、これは有効である。
【００３１】
各軸受Ｄの２つのレース２および４の浸炭された肌および頑丈なコアによって、レース２および４は潤滑剤をそれぞれの軌道１０および１２に導入するための小さな半径方向穴を適応することができ、レース２および４の穴から割れが広がる重大な危険は全くない。これは、割れやすく且つレースに形成された穴で割れが広がりやすい無心焼入れレースとは対照的である。
【００３２】
一般に、浸炭または浸炭窒化によって肌焼された高合金ステンレス鋼から形成されたレース２および４と、同一の鋼または窒化ケイ素から形成された玉６を有する軸受Ｄは、無心焼入れ鋼から形成されたレースを有する従来の軸受と比較すると、非常に長い寿命を有し、低い熱生成でかなり高速度で操作されることができる。
【００３３】
主軸台Ａが２つの軸受ＤのみでスピンドルＢを支持する一方、他の主軸台は、ノーズポジションおよびテールポジションの両方において複数の軸受Ｄでスピンドルを支持する。この種類の配列のいくつかでは、テールポジションの軸受Ｄは、二重にされると、浮動することがある。
【００３４】
本発明の範囲から逸脱することなく上記構造物に様々な変更を行うことができるため、上記説明に含まれるか、または添付の図面に示されるすべての事項は、例示的なものであると解釈され限定的な意味はないと判断されることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にしたがって製造され且つ本発明を体現する２つのアンギュラコンタクト玉軸受上でスピンドルが回転するハウジングの断面図である。
【図２】一方の軸受の横方向断面図である。
【図３】図２の線３−３に沿って取られた軸受の断面図である。
【図４】軸受の拡大切欠断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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