(57)【要約】【課題】ボールねじ支持用軸受の転がり疲労寿命の向上【解決手段】内輪１２、外輪１３、及びボール１４は、重量％で、Ｃ０．４〜０．８％、Ｓｉ０．４〜０．９％、Ｍｎ０．７〜１．３％、Ｃｒ０．５％以下、好ましくはＣｒ０．３％以下と、残部にＦｅ及び不可避的不純物とを含有する鋼で形成され、これら部品の表面に、残留オーステナイト量２０〜４０％、ロックウエル硬さＨＲＣ５８以上の浸炭窒化層Ｓが形成されている。【選択図】  図１
2007277725.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボールねじのねじ軸をハウジングに対して回転自在に支持するボールねじ支持用転がり軸受において、
少なくとも軌道輪が、重量％で、Ｃ０．４〜０．８％、Ｓｉ０．４〜０．９％、Ｍｎ０．７〜１．３％、Ｃｒ０．５％以下と、残部にＦｅ及び不可避的不純物とを含有する鋼で形成され、少なくとも該軌道輪の表面に浸炭窒化層を有し、かつ、該浸炭窒化層の残留オーステナイト量が２０〜４０％であるボールねじ支持用転がり軸受。
【請求項２】
上記浸炭窒化層の硬さがＨＲＣ５８以上で、芯部の硬さがＨＲＣ５８未満である請求項１記載のボールねじ支持用転がり軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作機械の送り駆動部等に使用されるボールねじを支持する転がり軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
ボールねじは回転運動を直線運動に変換する機能を有し、各種の往復駆動機構に採用されている。例えば、図３に示すテーブル駆動機構では、ボールねじのねじ軸１の両端を固定側サポートユニット２及び支持側サポートユニット３を介してベース４上に支持すると共に、ボールナット５をブラケット６を介してテーブル７に連結している。そして、ねじ軸１を図示されていないカップリングを介してモータに連結し、ねじ軸１を回転させることによってボールナット５と伴にテーブル７を軸方向に移動させる。
【０００３】
ねじ軸１の回転は、サポートユニットの転がり軸受によって回転自在に支持されるが、ねじ軸１にはラジアル荷重のみならず、テーブル７の軸方向移動に伴うスラスト荷重が作用するので、固定側サポートユニット２にスラストアンギュラ玉軸受１１を使用して、スラスト荷重を支持可能にしている。支持側サポートユニット３には、通常、深溝玉軸受１０を使用している。
【特許文献１】特開平１０−９２５５号公報
【特許文献２】特開平８−４７７４号公報
【特許文献３】特開昭６３−３０３２２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
例えば、工作機械の送り駆動部に使用されるボールねじは、近年の送り速度の高速化により支持用軸受に加わる荷重が大きくなり、また、ボールねじ自体の発熱による熱膨張をより小さくして高精度の位置決めを達成するために、ボールねじに付与する予圧量を大きくする傾向にある。これらの事情により、ボールねじの支持用軸受の負荷が増大し、その転がり疲労寿命が短くなる傾向にある。
【０００５】
上記の問題は支持用軸受の負荷容量をアップすることによって解決することができ、そのための手段として、軸受サイズのアップ、軸受内部の仕様変更、軸受使用個数の増加が考えられる。
【０００６】
しかし、軸受サイズのアップは機械本体の構造変更を伴うので経済的でなく、また、補修品との互換性がなくなるのでメインテナンス作業の煩雑化につながる。さらに、一般に転動体径が大きくなるので、軸受内部発熱や軸受トルクが増大するという問題もある。
【０００７】
また、軸受内部の仕様変更は、機械本体の構造変更や部品の互換性の問題はないが、一般に転動体径を大きくすることで負荷容量アップを達成するので、軸受内部発熱や軸受回転トルクが増大するという問題がある。
【０００８】
また、軸受使用個数の増加は、軸受配置スペースの増大、それによる機械本体の構造変更、部品点数の増大になるので経済的でない。
【０００９】
本発明は、ボールねじ支持用軸受のサイズアップ、内部仕様変更、使用個数増加を伴うことなく、その転がり疲労寿命を高め、近年の高速化、高精度化の要求への対応を可能にしようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明は、ボールねじのねじ軸をハウジングに対して回転自在に支持するボールねじ支持用転がり軸受において、少なくとも軌道輪が、重量％で、Ｃ０．４〜０．８％、Ｓｉ０．４〜０．９％、Ｍｎ０．７〜１．３％、Ｃｒ０．５％以下と、残部にＦｅ及び不可避的不純物とを含有する鋼で形成され、少なくとも該軌道輪の表面に浸炭窒化層を有し、かつ、該浸炭窒化層の残留オーステナイト量が２０〜４０％である構成を提供する。
【００１１】
上記表面に浸炭窒化層を形成したのは次の理由による。通常の浸炭により得られる浸炭層の残留オーステナイトは、き裂の発生や進展を抑え、また使用中に加工硬化（強化）するので、これを適度に含むことで強靱な材質にすることができるが、熱に対しては不安定である。これに対し、適切な条件での窒素を複合させると、窒素の侵入により残留オーステナイトや基地（マトリックス）のマルテンサイトが熱に対して安定となり、変化しにくい材質になると共に、適当量の炭化物が析出し、割れ強度を下げることなく、疲労強度を高めることができる。浸炭窒化層は、内輪と外輪の何れか一方に形成し、あるいは双方に形成し、さらには転動体に形成しても良い。
【００１２】
浸炭窒化層を形成する軸受部品は、軸受鋼（ＳＵＪ１、ＳＵＪ２、ＳＵＪ３、ＳＵＪ４、ＳＵＪ５）で形成しても良いが、重量％で、Ｃ０．４〜０．８％、Ｓｉ０．４〜０．９％、Ｍｎ０．７〜１．３％、Ｃｒ０．５％以下と、残部にＦｅ及び不可避的不純物とを含有する鋼で形成し、かつ、浸炭窒化層の残留オーステナイト量を２０〜４０％とする。
【００１３】
例えば、軌道輪を上記組成の鋼を用いて冷間加工（冷間鍛造や冷間ローリング等）により所定形状に成形し、次いで、浸炭窒化処理による浸炭窒化層を形成しながら、その最後に焼入れして浸炭窒化層を、基地がマルテンサイト組織でかつ適度の残留オーステナイトを含む表面硬化層とし、その後低温で焼戻しをして、浸炭窒化層の残留オーステナイト量を２０〜４０％の範囲に調整する。
【００１４】
０．４〜０．８％Ｃの範囲としたのは次の理由による。すなわち、Ｃ含有量が０．８％Ｃを超えると、焼きならし材が硬くて、軌道輪成形時の冷間加工性を阻害し、冷間鍛造等の場合は充分な加工量が得られない。特に、Ｃ含有量を０．６％Ｃ以下とするのが冷間加工性の点から好ましい。一方、Ｃ含有量が０．４％Ｃ未満であると、所要の表面硬さと残留オーステナイト量を確保するのに長時間の浸炭処理を要する。
【００１５】
鋼中のＣｒは、製鋼原料及び製鋼法により決まる程度の不純物として含まれるが、添加する場合でも０．５％Ｃｒ以下の含有量とする。Ｃｒ含有量を０．５％Ｃｒ以下とするのは、Ｃｒ炭窒化物の生成に消費されるＮ含有量を低減し、表面硬化層の残留オーステナイトの生成に要する浸炭窒化温度での基地中の固溶Ｎ量を、短時間の浸炭窒化処理で高めるためであり、さらに、Ｃｒ添加量の低減による材料コスト低減を図るためである。Ｃｒ含有量は好ましくは０．３％Ｃｒ以下が良く、特に製鋼原料から混入するＣｒ量を考慮し、０．０２〜０．３％Ｃｒの含有量とするのが良い。
【００１６】
鋼中のＭｎの含有量は、０．７〜１．３％Ｍｎの範囲とする。Ｍｎの添加により浸炭窒化層と芯部の焼入れ硬化能を確保するためで、０．７％Ｍｎ未満では、Ｃｒ含有量を低減したことによる焼入れ性向上効果が減少し、１．３％Ｍｎを超えると、冷間加工性を阻害し、Ｍｎがオーステナイトを安定化させて芯部の残留オーステナイト量が増加するので、寸法安定性に好ましくない影響を与える。
【００１７】
鋼中のＳｉの含有量を０．４〜０．９％Ｓｉの範囲とするのは、Ｓｉが耐焼戻し軟化抵抗性を上げて耐熱性を確保し、転がり疲労寿命を改善するからである。０．４％Ｓｉ未満では、寿命改善の効果が期待できず、０．９％Ｓｉを超えると、焼ならし材を硬くして冷間加工性を阻害する。
【００１８】
その他の不純物として、Ｐ、Ｓ、Ｏの含有量は極力低くするが、特に酸化物系介在物を低減して、浸炭窒化層の介在物回りの応力集中に伴う寿命への影響をなくすために、Ｏ含有量は１５ｐｐｍ以下に低減する必要がある。
【００１９】
上記組成の鋼で軌道輪を形成して浸炭窒化すると、表面にＣおよびＮの含有量の高い浸炭窒化層が形成される。Ｃｒ含有量が低減されているので、浸炭窒化過程で、Ｃと特にＮの表面への拡散濃縮は速やかに進行し、浸炭窒化処理時間の短縮に有効である。この濃化したＮは、焼入れ過程のＭｓ点を低下させて、オーステナイトを安定させるので、焼入れ後には浸炭窒化層の焼入れ組織中に多量のオーステナイトが残留する。これを２００°Ｃ以下の低温で焼戻して、表面硬さＨＲＣ５８以上、好ましくはＨＲＣ６０以上の表面硬化層とし、最終的にその残留オーステナイト量を２０〜４０％にする。ここで、「ＨＲＣ」はロックウェル硬さのＣスケールを表している。
【００２０】
浸炭窒化層中に分散する残留オーステナイトのオーステナイト粒が、圧痕形成等の応力に対して容易に塑性変形して表面硬化層での応力集中を緩和し、き裂伝播を遅延させ、転がり疲労寿命を改善する。残留オーステナイト量が２０％未満では、転がり疲労寿命の改善が充分になされず、４０％を超えると、浸炭窒化層の硬さが低下して耐摩耗性が低下するので適当でない。
【００２１】
一方、芯部の硬度は材料の適度な靱性を確保すると共に、表面層に圧縮応力を形成するために、ＨＲＣ５８未満、好ましくはＨＲＣ４０〜５８未満とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、ボールねじ支持用軸受のサイズアップ、内部仕様変更、使用個数増加を伴うことなく、その転がり疲労寿命を高め、近年の高速化、高精度化の要求への対応を可能にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００２４】
図２は、図３に示すテーブル駆動機構の固定側サポートユニット２の周辺部を示している。このサポートユニット２は、正面組み合わせで配置された一対のスラストアンギュラ玉軸受１１を備えている。各玉軸受１１の内輪１２はねじ軸１に嵌合され、スリーブ２１を介してロックナット２２で軸方向に締付けて固定される。外輪１３はハウジング２３に嵌合され、側蓋２４により固定される。尚、符号２５はシールを示している。
【００２５】
図１は、固定側サポートユニット２に組み込まれるスラストアンギュラ玉軸受１１を例示している。この玉軸受１１は、ねじ軸１に固定される内輪１２と、ハウジング２３に固定される外輪１３と、内輪１２の軌道面と外輪１３の軌道面との間に転動自在に配され、両軌道面とそれぞれアンギュラコンタクトする複数のボール１４と、ボール１４を円周所定間隔に保持する保持器１５とを備えている。内輪１２の一端側および外輪１３の他端側には、それぞれカウンタボアが設けられている。
【００２６】
内輪１２、外輪１３、及びボール１４は、重量％で、Ｃ０．４〜０．８％、好ましくはＣ０．４〜０．６％、Ｓｉ０．４〜０．９％、Ｍｎ０．７〜１．３％、Ｃｒ０．５％以下、好ましくはＣｒ０．３％以下と、残部にＦｅ及び不可避的不純物とを含有する鋼で形成され、これら部品の表面に、残留オーステナイト量２０〜４０％、ロックウエル硬さＨＲＣ５８以上、好ましくはＨＲＣ６０以上の浸炭窒化層Ｓが形成されている（図２鎖線円内）。
【００２７】
浸炭窒化層Ｓの深さは、ボール１４の直径に対して０．０２以上とし、また、芯部Ｔの硬さは、材料の適度な靱性を確保すると共に、表面層Ｓに圧縮応力を形成するために、ロックウェル硬さＨＲＣ５８未満、好ましくはＨＲＣ４０〜５８未満としている。尚、浸炭窒化層Ｓは、少なくとも内輪１２又は外輪１３の軌道面に形成すれば良い。また、支持側サポートユニット３の深溝玉軸受１０について、上述した構成を適用しても良い。
【実施例１】
【００２８】
表１に示す化学組成の鋼種Ａ〜Ｅ用いて内輪、外輪、ボールを冷間加工により成形し、下記の熱処理を行って、図１に示す形態の実施例軸受を製作した。
【００２９】
浸炭窒化処理：８８０°Ｃ×４０ｍｉｎの浸炭窒化の後、
１００°Ｃ油中焼入れ。
【００３０】
上記の浸炭窒化処理の後、１８０°Ｃ×２ｈ焼戻し。
【００３１】
【表１】
2007277725.tif 000003
【００３２】
そして、各実施例軸受を試験機にセットし、ラジアル荷重を負荷し、ＶＧ５６タービン油（清浄油）の循環給油の下で回転させて１０％寿命を求めた。また、ＳＵＳＪ２鋼の焼入れ・焼戻し処理をした従来軸受についても同様の条件で１０％寿命を求めた。表１には、上記従来軸受の１０％寿命を１として、各実施例軸受の１０％寿命を比率で示してある。
【００３３】
表１に示すように、実施例軸受は従来軸受に比べて１．５倍以上の長寿命を示し、特に鋼種Ａ、Ｂ、Ｃを用いた場合では２倍以上の長寿命を示した。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】実施例に係る玉軸受を示す断面図である。
【図２】図３のテーブル駆動機構における固定側サポートユニットの周辺部を示す断面図である。
【図３】ボールねじを用いたテーブル駆動機構を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３５】
１    ねじ軸
１０    玉軸受
１１    玉軸受
Ｓ    浸炭窒化層
【図１】
2007277725.tif 000004
【図２】
2007277725.tif 000005
【図３】
2007277725.tif 000006