(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｄｍｎが１３０万以上で使用され、グリース潤滑が採用される工作機械装置の主軸用転がり軸受において、
上記転がり軸受内に封入されるグリースは、基油の１０重量％以上１００重量％以下が炭酸エステルであり、かつ、その基油の動粘度が４０℃で５０×１０−６（ｍ２ ／ｓ）を越えかつ２００×１０−６（ｍ２ ／ｓ）以下であり、グリース封入量が軸受空間容積の１０体積％以上５０体積％以下であることを特徴とする転がり軸受。
【請求項２】
転がり軸受がアンギュラ玉軸受であることを特徴とする請求項１に記載した転がり軸受。
【請求項３】
基油の３０重量％以上１００重量％以下が炭酸エステルであり、その基油の動粘度が４０℃で５０×１０−６（ｍ２ ／ｓ）を越え且つ１３０×１０−６（ｍ２ ／ｓ）以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載した転がり軸受。
【請求項４】
グリース封入量が軸受空間容積の１５体積％以上であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載した転がり軸受。
【請求項５】
基油の動粘度が４０℃で５０×１０−６（ｍ２ ／ｓ）を越えかつ１３０×１０−６（ｍ２ ／ｓ）以下であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載した転がり軸受。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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、ラップ盤などに代表される工作機械装置の主軸用軸受に好適な転がり軸受に係るものであり、特に、高速切削もしくは高速研削において軸受寿命の改善を図ることが可能な転がり軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】
工作機械装置の主軸は、一般にアンギュラ玉軸受、円筒ころ軸受、及びこれらの転がり軸受の組み合わせのいずれかの転がり軸受で支承された状態で回転する。その工作機械装置の主軸は、加工精度と生産性の向上を図るために回転の高速化が望まれているが、主軸を支承する転がり軸受を高速回転下で使用するほど、発熱及び予荷重の増大によって、焼付の発生や、軸受損傷の危険性が著しく高まる。
【０００３】
このような事態を防止するためにも、また工作機械全体が熱変形を起こし加工精度が低下しないためにも、適切な潤滑方式を選択して、主軸を支承する軸受の発熱を極力抑えなければならない。
このため、従来にあっては、高速回転する工作機械主軸を支承する転がり軸受の潤滑は、冷却効果がある、オイルエア潤滑法、ノズルジェット潤滑法、若しくはアンダーレース潤滑法（下側から軌道面へ潤滑する方法）が採用されてきた。
【０００４】
ここで、上記高速回転する主軸を支承する転がり軸受の潤滑方式には、一般に油潤滑が用いられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の潤滑方式では、いずれも軸受内に潤滑油を供給する潤滑装置の導入が不可欠である。このため、潤滑装置の付帯設備の占有面積を確保することが必要なばかりでなく、運転コストの削減の点からも不利なものとなっている。
このため、工作機械装置のコンパクト化及び運転コスト削減が期待できるグリース潤滑を採用した転がり軸受を使用することによる、工作機械装置主軸の高速化が強く望まれるが、グリース潤滑はグリースのせん断による発熱が顕著なため、従来、回転の高速化に不適当な潤滑方式とされている。
【０００６】
本発明は、上記のような点に着目してなされたもので、グリース潤滑を採用しても回転の高速化が達成できる、高速回転下でも発熱の少ないグリースを封入した転がり軸受を提供することを課題とするものである。具体的には、グリース潤滑で且つｄｍｎ値が１３０万以上でも使用可能な転がり軸受を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、ｄｍｎが１３０万以上で使用され、グリース潤滑が採用される工作機械装置の主軸用転がり軸受において、上記転がり軸受内に封入されるグリースは、基油の１０重量％以上１００重量％以下が炭酸エステルであり、かつ、その基油の動粘度が４０℃で５０×１０−６（ｍ２ ／ｓ）を越えかつ２００×１０−６（ｍ２ ／ｓ）以下であり、グリース封入量が軸受空間容積の１０体積％以上５０体積％以下であることを特徴とするものである。
【０００８】
本発明は、発明者らの試験・研究によって、上記基油に炭酸エステルを利用した潤滑グリースが、高速せん断下において発熱が少なく、軸受の長寿命化、さらには、工作機械の加工精度の向上をもたらすことを発見したことによるものである（図３参照）。
また、基油の１０重量％以上１００重量％以下を炭酸エステルとしているのは次の理由による。
【０００９】
基油中の炭酸エステルの配分量が多いほど発熱低減効果がある。そして、基油全量に対する炭酸エステルの量が１０重量％未満だと十分な発熱低減効果が期待できない（図４参照）。このため、下限値を１０重量％としている。
特に、基油全量に対する炭酸エステルの量が３０重量％以上となると、炭酸エステルの増加に伴う発熱低減効果が小さくなくなり、また軸受外輪温度も５０℃以下に抑えることが可能となる。従って、基油全量に対する炭酸エステルの量を３０重量％以上１００重量％以下とすることが好ましい（図４参照）。
【００１０】
また、基油の動粘度を４０℃で１０×１０-6〜２００×１０-6（ｍ2 ／ｓ）としているのは、次の理由による。
４０℃での基油動粘度が２００×１０-6（ｍ2 ／ｓ）より大きくなると、高速回転時の粘度増大によって発熱が急に大きくなり、それに起因して、軸受の焼付寿命が急激に短くなる。このため、上限値を２００×１０-6（ｍ2 ／ｓ）とした（図５参照）。
【００１１】
一方、４０℃での基油動粘度が１０×１０-6（ｍ2 ／ｓ）より小さくなると、軸受回転中に形成される潤滑油膜の厚さが必要最低限度を下回り、十分な荷重支持能力を保持し得ず、焼付寿命が短くなる（図５参照）。このため、下限値を１０×１０-6（ｍ2 ／ｓ）とした。
そして、基油の動粘度を４０℃で１０×１０-6〜２００×１０-6（ｍ2 ／ｓ）とすることで、軸受の長期耐久性能を確保可能となる。
【００１２】
特に、グリースの４０℃での基油動粘度が１０×１０-6（ｍ2 ／ｓ）以上１３０×１０-6（ｍ2 ／ｓ）以下とすれば、軸受外輪温度を５０℃以下に抑えられ、軸受寿命が最も良好となる。すなわち、４０℃での基油動粘度を１０×１０-6（ｍ2 ／ｓ）以上１３０×１０-6（ｍ2 ／ｓ）以下とすることが、より好ましい。
ここで、封入するグリース量は、軸受空間容積に対し、１０体積％以上５０体積％以下とすることが、高速回転下における昇温防止に有効である（図６参照）。
【００１３】
なお、軸受空間容積とは、内輪と外輪との間に形成される空間の容積である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。
本実施形態は、高速回転する工作機械の主軸を支承するのに好適なアンギュラ玉軸受を例にとって説明する。
図１は、その玉軸受の要部断面図である。すなわち、本実施形態の玉軸受１は、同軸に配置された内輪２と外輪３との間に複数の玉４（転動体）が介装されて構成され、上記内輪２の内径面側が主軸６に一体的となるように固定される。図１中、符号５は保持器を示す。
【００１５】
そして、上記内外輪３間の空間にグリースが封入されている。
上記グリースは、基油全量に対し炭酸エステルが１０〜１００重量％含まれ、かつ、その基油の動粘度が４０℃で１０×１０-6〜２００×１０-6（ｍ2 ／ｓ）に設定されている。
ここで、グリースの増ちょう剤は特に限定されない。例えば、リチウム石鹸、リチウムコンプレックス石鹸、バリウム石鹸、バリウムコンプレックス石鹸、アルミニウム石鹸、アルミニウムコンプレックス石鹸、ナトリウム石鹸、ウレア化合物、カルシウムスルフォネート、また混合石鹸であるナトリウム−カルシウム石鹸、リチウム−カルシウム石鹸、ナトリウム−アルミニウム石鹸などが使用できる。また、グリースに添加される酸化防止剤としては、フェニル−α−ナフチルアミンなどのアミン系化合物、ジーｔ−ブチル−Ｐ−クレゾールなどのフェノール類、フェノチアジンなどのチオアミン類、ジアルキルジチオリン酸塩類、ジアルキルジチオカルバミン酸塩類などが例示できる。
【００１６】
上記構成の転がり軸受１を使用すると、グリース潤滑であるので、軸受潤滑装置の導入が不要となり、当該転がり軸受１を組み込む工作機械を、その分、小型化することが出来ると共に、工作機械の運転コストの削減が期待できる。
また、グリース潤滑にも関わらず、主軸６をｄｍｎ値１３０万以上で高速回転しても軸受１の発熱が５５℃以下に抑えることができるので、主軸６を高速回転させても、工作機械全体の熱変形が抑えられて加工精度の低下が防止される。
【００１７】
【実施例】
本発明に基づく転がり軸受について軸受１高速回転発熱評価を行った。
軸受としては、アンギュラ玉軸受１４０ＢＮＣ１０ＴＰ４を使用し、その軸受内に１．０ｇのグリースを封入したものを使用した。上記グリース封入量は、軸受空間容積の１５体積％に相当する。
【００１８】
上記使用するグリースは、増ちょう剤としてリチウム石鹸が使用され、その増長剤の量を、グリース全量に対し１５重量％となるように統一した。また、基油としては、全て４０℃での動粘度が約３０×１０-6（ｍ2 ／ｓ）の油を使用した。そして、上記封入するグリースの基油として、炭酸エステル、エステル、合成炭化水素、及び鉱油をそれぞれ１００重量％使用した４種類の転がり軸受２０を用意して試験を行った。
【００１９】
すなわち、上記各種類の転がり軸受１についてそれぞれ供試軸受１を２個ずつ用意し、図２に示すような試験機を用いて評価を行った。
上記試験機は、背面組合せに配設した２つの供試軸受２０で主軸６を支承し、その主軸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、試験機本体２４の軸方向の略中央部であって上記２個の供試軸受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、軸受２０の設定空間内の空気を排気するために排気路２３が設けられている。
【００２０】
更に軸受外輪２０ａの温度上昇を測定するべく熱電対２５が設置されている。なお、軸受２０の予圧（アキシアルすきま）は間座等で一定値（６０ｋｇ）に調整して、予圧の差による温度上昇が影響されないようにした。
そして、主軸６の回転が所定回転数に達した後に約２時間放置して発熱温度を飽和させてから、軸受外輪２０ａの温度を測定した。上記所定回転数を種々に変更して上記試験を繰り返した。
【００２１】
図３がその結果である。この図３は、各試作グリースの発熱特性のｄｍｎ値への依存性についてまとめたものである。
図３から分かるように、炭酸エステルを基油としたグリースを潤滑剤として使用すると、他のグリースを潤滑剤として使用する場合に比べて、高速回転下で使用しても軸受２０が低発熱であることがわかる。これは、炭酸エステルを使用した基油は、粘度が低く、しかも、軸受２０の軌道面及び転動体、保持器などの金属面である転動面や摺動面との密着性が良く、他の基油に比べてぬれ性に優れているためであり、軌道面などに薄膜を速やかに形成して耐摩耗性や耐衝撃を高める効果もある。また、発熱が低いことから、低トルクでの油膜形成能にも優れる。また、耐熱性にも優れる。
【００２２】
そして、グリース寿命の観点から、軸受２０の回転中の発熱は少なければ少ないほど好都合である。具体的には、軸受外輪温度が５５℃以下であると長寿命を期待できる。そして、図３のように、炭酸エステルを基油としたグリースを潤滑剤として使用することで、ｄｍｎ値が１３０万以上となる高速回転で主軸６を回転しても軸受外輪温度が５５℃未満に抑えることができることが分かる。
【００２３】
ここで、同様の試験を、グリースの増ちょう剤としてバリウムコンプレックス石鹸及びカルシウムスルフォネートに変えて実施してみたが、同様の傾向が認められた、つまり、増ちょう剤に影響することなく、炭酸エステルを使用した基油の優位性が確認された。
次に、４０℃での動粘度が３０×１０-6（ｍ2 ／ｓ）の炭酸エステルと、同じく４０℃での動粘度が３０×１０-6（ｍ2 ／ｓ）の鉱油との混合油を基油に用いたグリースを使用し、上記と同じ試験機を使用して試験を行い軸受外輪温度について求めてみた。
【００２４】
ここで、増ちょう剤としてはリチウム石鹸を採用し、その量はグリース全量に対して１５重量％とした。グリース封入量は軸受２０空間容積の１５体積％である。
回転試験はｄｍｎ値１３０万、予圧荷重を６０ｋｇとして行った。
そして、上記基油となる混合油の配合比率を変えたグリースを使用して、軸受外輪温度について求めてみた。なお、測定した温度は、ｄｍｎ値１３０万となる高速回転状態でそれぞれ約２時間放置させて温度を飽和させたものである。
【００２５】
図４がその結果である。
図４から分かるように、基油全体に対する炭酸エステルの配合比率が１０重量％以上となると、軸受外輪温度を５５℃以下に抑えることが可能となり、厳しい運転条件が緩和される。
特に、基油全体に対する炭酸エステルの配合比率を３０重量％以上のグリースを使用すると、軸受外輪温度を５０℃以下に抑えることができる。また、基油全体に対する炭酸エステルの比率を３０重量％より多くしても、軸受外輪温度の低減効果は逓減し、軸受外輪温度は大きく変化しない。
【００２６】
一方、基油全量に対して炭酸エステルの配合比率を１０重量％よりも少ないグリースを使用した場合には、軸受外輪温度の減少の効果は得られないことが分かる。
すなわち、基油全体に対する炭酸エステルの配合比率を１０重量％以上、好ましくは３０重量％以上に設定することで、軸受２０の発熱を有効に抑えることができることが分かる。
【００２７】
次に、炭酸エステルを基油とした場合における基油の動粘度と軸受焼付寿命の関係及び、同動粘度と回転中の軸受外輪温度の関係について上記試験機を使用し同様な条件で試験を行った。
すなわち、試験条件は、増ちょう剤としてのリチウム石鹸をグリース全量中の１５重量％含有するグリースを使用し、軸受２０内へのグリース封入量は軸受空間容積の１５％に設定してある。回転試験はｄｍｎ１３０万、予圧荷重を６０ｋｇとして行った。
【００２８】
そして、上記封入するグリースの４０℃での基油動粘度を変えた複数の軸受２０について試験を行ったところ図５に示す結果を得た。なお、各軸受２０について、目標の回転速度となった状態で約２時間放置して発熱温度の飽和を図っている。
ここで、図５における横軸に示す炭酸エステルの基油の濃度は、炭酸ジメチル、炭酸ジエチルなどのアルキル鎖長が１と２の炭酸エステルに加え、Ｃ4 〜Ｃ10くらいの炭素鎖長を有する炭酸エステルを混合し種々の基油（４０℃における）の粘度を作り、上記試験に供した。なお、これは基油粘度を変化させる一例である。
【００２９】
図５から分かるように、４０℃の基油動粘度が２００×１０-6（ｍ2 ／ｓ）より大きくなると、粘度増大による発熱が急上昇し、それに起因して、軸受２０の焼付寿命が急激に短くなる。
一方、４０℃での基油動粘度が１０×１０-6（ｍ2 ／ｓ）より小さくなると、軸受２０回転中に形成される潤滑油膜の厚さが必要最低限度を下まわり、十分な荷重支持能力を保持し得ず、焼付寿命が短くなる。
【００３０】
以上のように、グリースの４０℃での基油動粘度を１０×１０-6（ｍ2 ／ｓ）以上２００×１０-6（ｍ2 ／ｓ）以下に設定することで、軸受２０の長期耐久性能を達成し得ることが分かる。
特に、グリースの４０℃での基油動粘度が１０×１０-6（ｍ2 ／ｓ）以上１３０×１０-6（ｍ2 ／ｓ）以下とすれば、軸受外輪温度を５０℃以下に抑えられ、軸受寿命が最も良好となる。すなわち、４０℃での基油動粘度が１０×１０-6（ｍ2 ／ｓ）以上１３０×１０-6（ｍ2 ／ｓ）以下がより好ましい範囲となる。
【００３１】
次に、封入するグリース量と、回転中の軸受外輪温度及び一定時間回転後（２０時間後）のグリース残存量との関係について上記試験機を使用して求めてみた。
使用したグリース（潤滑剤）は、基油として炭酸エステルを使用し、その基油の４０℃での動粘度を３０×１０-6（ｍ2 ／ｓ）とし、増ちょう剤としてリチウム石鹸（グリース全量に対して１５重量％使用）を用いたものである。そして、回転試験はｄｍｎ１３０万、予圧荷重を６０ｋｇとして行った。
【００３２】
図６にその結果を示す。
ここで、グリース残存量は、目標の回転速度となってから２０時間経過に回転を停止し試験機を分解して軸受２０の質量を測定することによって求めた。また、初期グリース封入量及びグリース残存量は軸受空間容積に占める割合により評価した。
【００３３】
図６から分かるように、初期グリース封入量が軸受空間容積の１０体積％未満になると潤滑不足に陥り、異常昇温することがわかる。
一方、初期封入量を多くするほど、軸受２０内の残存グリース量も僅かづつ増えて耐久性に有利であるが、５０体積％を越えると、潤滑剤の攪拌抵抗による異常昇温が起こってしまう。したがって、封入するグリース量としては軸受空間容積の１０体積％以上５０体積％以下が望ましい。
【００３４】
以上の各試験結果をまとめると、図７に示すようになる。すなわち、本発明に基づく転がり軸受２０は、グリース潤滑を採用しているにも関わらず、高速回転で使用されても発熱が抑えられる良好な軸受２０となることが分かる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したきたように、本発明を採用すると、回転速度がｄｍｎ値が１３０万以上の回転状態で使用しても発熱が抑えることができるグリース潤滑方式の転がり軸受を提供可能となる。
また、グリース潤滑方式であるので、当該転がり軸受を組み込んだ装置のコンパクト化及び運転コストに低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づく実施形態に係る転がり軸受を示す断面図である。
【図２】実施例で使用する試験機を示す断面図である。
【図３】実施例におけるｄｍｎ値と軸受外輪温度との関係を示す図である。
【図４】基油中の炭酸エステルの濃度と軸受外輪温度との関係を示す図である。
【図５】基油動粘度と軸受外輪温度及び軸受焼付寿命との関係を示す図である。
【図６】初期グリース封入量と軸受外輪温度及びグリース残存量との関係を示す図である。
【図７】実施例の全試験結果をまとめた図である。
【符号の説明】
１    玉軸受
２    内輪
３    外輪
４    玉
６    主軸
２０  供試軸受
２０ａ  外輪
２５  熱電対
【図１】
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【図２】
0003978998.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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