(57)【要約】【課題】高速回転条件下で使用されても損傷が生じにくく長寿命な工作機械主軸用転がり軸受を提供する。【解決手段】アンギュラ玉軸受は、内輪１と、外輪２と、内輪１及び外輪２の間に転動自在に配されたセラミックス製の転動体３と、内輪１及び外輪２の間に複数の転動体３を保持する保持器４と、を備えており、転動体３の表面には直線状の転位組織が均一に分布している。セラミックスは窒化ケイ素が好ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内輪と、外輪と、前記内輪及び前記外輪の間に転動自在に配された複数の転動体と、を備え、工作機械の主軸を回転自在に支持する転がり軸受において、
前記転動体がセラミックスで構成され、その表面には直線状の転位組織が均一に分布している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，ラップ盤のような高速で摺動，回転する工作機械の主軸を回転自在に支持する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】
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る必要がある。しかしながら、転がり軸受は高速回転条件下で使用されると、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。工作機械主軸用転がり軸受はｄｍｎ値１４０万以上という高速回転条件下で使用されるので、主軸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が生じる危険性が高まる。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】
軸受システムに上記のような致命的な事態を発生させないために、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、高速回転する研削スピンドルやマシニングセンター主軸スピンドル等には、窒化ケイ素製の転動体を備える転がり軸受が使用される場合がある。窒化ケイ素製の転動体を用いることにより、転動体の比重を小さくして遠心力を軽減し且つ耐熱性を高めて、高速回転時の焼付きを防止している。しかしながら、ｄｍｎ値１４０万以上という高速回転条件下で使用される場合には、窒化ケイ素製の転動体を用いたとしても、転がり軸受の潤滑を適切に行う必要がある。
【０００４】
従来、工作機械主軸用転がり軸受の潤滑には、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。しかしながら、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。
【０００５】
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、オイルエア潤滑法等に比べて軸受の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主軸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、グリース潤滑法が実現できれば、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、グリース潤滑法は、オイルエア潤滑法等と異なり、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。
【特許文献１】特開２００３−２８１７４号公報
【特許文献２】特開２００５−１６３８９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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値が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。特許文献１には、クラスターダイヤモンドを含有させることにより耐焼付き性や耐摩耗性を向上させたグリースが記載されているが、上記のような高速回転化に十分に対応できないおそれがある。
そこで、本発明は上記のような従来技術が有する問題点を解決し、高速回転条件下で使用されても損傷が生じにくく長寿命な工作機械主軸用転がり軸受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、本発明に係る請求項１の工作機械主軸用転がり軸受は、内輪と、外輪と、前記内輪及び前記外輪の間に転動自在に配された複数の転動体と、を備え、工作機械の主軸を回転自在に支持する転がり軸受において、前記転動体がセラミックスで構成され、その表面には直線状の転位組織が均一に分布していることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の工作機械主軸用転がり軸受は、高速回転条件下で使用されても損傷が生じにくく長寿命である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明に係る工作機械主軸用転がり軸受の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明に係る工作機械主軸用転がり軸受の一実施形態であるアンギュラ玉軸受の構造を示す部分縦断面図である。このアンギュラ玉軸受は、内輪１と、外輪２と、内輪１及び外輪２の間に転動自在に配されたセラミックス製の転動体３と、内輪１及び外輪２の間に複数の転動体３を保持する保持器４と、を備えており、転動体３の表面には直線状の転位組織が均一に分布している。
【００１０】
直線状の転位組織が形成されることによりセラミックスが強靱化されているので、このアンギュラ玉軸受は、例えばｄｍｎ値１４０万を超えるような高速回転条件下で使用されても摩耗や焼付き等の損傷が生じにくく長寿命である。よって、このアンギュラ玉軸受は、工作機械の主軸を回転自在に支持する用途に好適に使用可能である。
また、このアンギュラ玉軸受は、摩耗や焼付き等の損傷が生じにくいので、オイルエア潤滑方式等のように潤滑油を継続的に供給する必要がなく、グリース潤滑法を採用可能である。よって、工作機械のコンパクト化や運転経費の削減等が実現可能であるとともに、多量の潤滑油を消費しないため環境保全に寄与する。
【００１１】
セラミックスの種類は特に限定されるものではなく、窒化ケイ素，ジルコニア，炭化ケイ素，アルミナ等が採用可能である。また、セラミックスの表面に直線状の転位組織を均一に形成させる方法は特に限定されるものではないが、例えば塑性加工があげられ、塑性加工の中では、表面に噴射材を噴射するショットブラスト処理（特開２００４−１３６３７２号公報を参照）が好ましい。処理時の環境温度は常温であることが好ましく、噴射材としては、被処理物であるセラミックスよりも硬さが低く、且つ、表面が凸曲面でエッジを有していない微粒子が好ましい。
【００１２】
また、転位組織の転位密度は、１×１０4 ｃｍ-2以上９×１０13ｃｍ-2以下であることが好ましい。転位組織の転位密度が１×１０4 ｃｍ-2未満であると、セラミックスの靱性や硬さが不十分である場合がある。一方、９×１０13ｃｍ-2超過であると、チッピングが生じやすくなる。
さらに、ショットブラスト処理前後の被処理物の表面粗さＲａの変化が、０．０２μｍ未満であることが好ましい。表面粗さＲａの変化が０．０２μｍ以上となると、ショットブラスト処理の効果が不十分となるおそれがある。表面粗さＲａの変化が０．０２μｍ未満となるようにするためには、ショットブラスト処理の条件を以下のように設定することが好ましい。
噴射材の平均粒径：５０μｍ以上１００μｍ以下
噴射圧          ：０．１ＭＰａ以上０．６ＭＰａ以下（より好ましくは０．２ＭＰａ以上０．５ＭＰａ以下）
噴射速度        ：３０ｍ／ｓ以上９０ｍ／ｓ以下
噴射量          ：２００ｇ／ｍｉｎ以上８００ｇ／ｍｉｎ以下
【００１３】
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、転がり軸受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，針状ころ軸受，円筒ころ軸受，円すいころ軸受，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。また、本実施形態においては転がり軸受は保持器を備えていたが、保持器を備えていなくてもよい。
【００１４】
〔実施例〕
以下に実施例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。前述のようなショットブラスト処理により直線状の転位組織を表面に均一に形成して強靱化した窒化ケイ素製のサンプルを用意して、その耐焼付き性及び耐摩耗性を評価した。
〔耐焼付き性の評価方法について〕
耐焼付き性は、ＡＳＴＭ  Ｄ  ２５９６に規定された高速四球試験機に類似の試験機を用いて評価した。すなわち、３個の試験球（直径９／３２インチ）を相互に接するように正三角形状に配置して固定し、その中心に形成された凹部に１個の試験球を載置した。そして、下部の試験球の表面のうち載置した試験球との接触点に、潤滑油（ＩＳＯ粘度グレードがＩＳＯ  ＶＧ２２である潤滑油）を塗布した後、荷重（面圧２．２ＧＰａ）を負荷した状態で、載置した試験球を一定の速度（滑り速度１．１５ｍ／ｓ）で焼付きが生じるまで回転させた。なお、雰囲気温度は常温であり、ＰＶ値は２．５３ＧＰａ・ｍ／ｓである。
図２のグラフから分かるように、前述の強靱化が施されていない通常の窒化ケイ素製の試験球の場合は、約３２０秒で焼付きが生じたのに対し、強靱化した窒化ケイ素製の試験球の場合は約２３８００秒で焼付きが生じ、寿命は約７４倍であった。
【００１５】
〔耐摩耗性の評価方法について〕
窒化ケイ素製の板状試験片の上にサーメット製の円筒体（直径４０ｍｍ）を載置し、最大面圧が２００ＭＰａとなるように垂直荷重を負荷した上で、回転速度４０００ｒｐｍで円筒体を１０分間回転させた。そして、板状試験片の摩耗量を測定した。
図３のグラフから分かるように、前述の強靱化が施されていない通常の窒化ケイ素製の板状試験片の摩耗量を１とした場合に、強靱化した窒化ケイ素製の板状試験片の摩耗量は約０．０５であり、１／１０以下であった。
このように、ショットブラスト処理により直線状の転位組織を表面に均一に形成して強靱化した窒化ケイ素は、未処理の窒化ケイ素と比べて、耐焼付き性及び耐摩耗性が格段に優れていた。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る工作機械主軸用転がり軸受の一実施形態であるアンギュラ玉軸受の構造を示す部分縦断面図である。
【図２】耐焼付き性の評価結果を示すグラフである。
【図３】耐摩耗性の評価結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００１７】
１      内輪
２      外輪
３      転動体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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