(57)【要約】【課題】  軸受剛性を確保しつつ、高速運転した場合に生じるころ端部での応力集中を緩和させて高速運転を可能にし、かつ軸受寿命を満足させられて、工作機械主軸用として適した軸受・軸受箱組立体を提供する。【解決手段】  ころ軸受・軸受箱組立体は、内輪２と、外輪３と、これら内外輪２，３間に介在する複数個のころ４とを備えたころ軸受１と、このころ軸受１の外輪３の外径面３ｂに内径面６ａが嵌合する軸受箱６とでなる。前記外輪外径面３ｂの前記軸受箱内径面６ａに対するしめしろを、軸受中心軸の方向である軸方向の中央部３ｂａで大きく両端部３ｂｂで小さくする。【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、これら内外輪間に介在する複数個のころとを備えたころ軸受と、このころ軸受の外輪の外径面に内径面が嵌合する軸受箱とでなるころ軸受・軸受箱組立体であって、前記外輪外径面の前記軸受箱内径面に対するしめしろを、軸受中心軸の方向である軸方向の中央部で大きく両端部で小さくしたことを特徴とするころ軸受・軸受箱組立体。
【請求項２】
請求項１において、前記外輪の外径寸法は、前記軸方向の中央部が大きく両端部が小さいころ軸受・軸受箱組立体。
【請求項３】
請求項１において、前記軸受箱の内径寸法は、前記外輪が嵌合する軸方向範囲内で、前記軸方向の中央部が小さく両端部が大きいころ軸受・軸受箱組立体。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記外輪外径面と前記軸受箱内径面とが嵌合している部分の前記軸方向の長さが、前記ころの前記軸方向の長さよりも小さいころ軸受・軸受箱組立体。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記軸受箱を強制的に冷却する冷却手段を設けたころ軸受・軸受箱組立体。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか１項において、前記ころが円筒ころであるころ軸受・軸受箱組立体。
【請求項７】
請求項１ないし請求項５のいずれか１項において、前記ころが円すいころであるころ軸受・軸受箱組立体。
【請求項８】
内輪と、外輪と、これら内外輪間に介在する複数個のころとを備えたころ軸受であって、前記外輪の外径寸法は、前記軸方向の中央部が大きく両端部が小さいことを特徴とするころ軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、航空機、工作機械等の高速回転部の支持に使用されるころ軸受と、このころ軸受の外輪の外周に嵌合する軸受箱とからなるころ軸受・軸受箱組立体に関する。
【背景技術】
【０００２】
図７は工作機械用スピンドル装置の一例を示している。この例では、主軸２１の軸方向の前側（加工側）端部が円筒ころ軸受１により、後側端部が一対のアンギュラ玉軸受２２によりそれぞれ支持されている。一対のアンギュラ玉軸受２２は、加工時のアキシアル荷重を受けるために背面組合せで設けられている。
【０００３】
従来、この種の工作機械主軸に使用される円筒ころ軸受１は、加工精度と加工能率を向上させるため、剛性を重視して負のラジアルすきまで使用されることが多い。しかし、円筒ころ軸受１を高速で使用すると、内輪２の温度上昇と遠心力とによる内輪２の軌道面径の膨張のため、負のラジアルすきまが増大してしまう。その結果、ころ４と内外輪２，３の軌道面間の接触力が大きくなり、ころ端部で応力集中（エッジロード）が生じて、温度上昇がますます進み、さらには軸受寿命を低下させる等の不具合を発生させる恐れがあった。
【０００４】
円筒ころ軸受を高速運転したときに生じるこのような不具合を緩和させる技術が、特許文献１に提案されている。それは、円筒ころ軸受の軌道輪である内輪および外輪のうち少なくとも一方の軌道輪の軌道面と相反する面、つまり内輪内径面または外輪外径面にころの長さ以上の幅を持つ逃げ溝を周方向に設け、かつこの逃げ溝を設けた軌道輪の端面にノッチを設けるというものである。
【０００５】
同文献によると、円筒ころ軸受を上記構成とすることで、次の作用効果が得られるとされている。すなわち、軌道輪の逃げ溝を設けた部分、および逃げ溝両端側の軸方向剛性を低下させることができる。その結果、軸受の温度上昇による負のラジアルすきま増大に対して、逃げ溝を設けたことで軌道輪が変形し易くなり、ころの荷重増加を緩和させることができる。また、軌道輪端面にノッチを設けることで、軌道面における軸方向中央部と端部とで剛性の差が小さくなって、ころの軸方向の応力分布を均一化できエッジロードが軽減されるため、軸受寿命の向上を図ることができる。
【特許文献１】特開２００６−３０００７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述したように、工作機械主軸には、軸系の剛性を高くすることが望まれている。そのためには、軸、および軸を支持する軸受の剛性向上が必要不可欠である。ところが、特許文献１に記載の技術は、軸受の内・外軌道輪の軸または軸受箱との嵌合面に溝を設けるとともに、端面にノッチを設けて、軸受の剛性を犠牲にすることで成り立っている。このため、工作機械主軸用軸受には適さないと考えられる。
【０００７】
この発明の目的は、軸受剛性を確保しつつ、高速運転した場合に生じるころ端部での応力集中を緩和させて高速運転を可能にし、かつ軸受寿命を満足させられて、工作機械主軸用として適した軸受・軸受箱組立体を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明のころ軸受・軸受箱組立体は、内輪と、外輪と、これら内外輪間に介在する複数個のころとを備えたころ軸受と、このころ軸受の外輪の外径面に内径面が嵌合する軸受箱とでなるころ軸受・軸受箱組立体であって、前記外輪外径面の前記軸受箱内径面に対するしめしろを、軸受中心軸の方向である軸方向の中央部で大きく両端部で小さくしたことを特徴とする。
【０００９】
ころ軸受を運転すると、ころ軸受の摩擦のため内輪および外輪が温度上昇して膨張する。外輪外径面の軸方向中央部は、しめしろを持って軸受箱内径面に嵌合しているため、剛性の高い軸受箱により熱膨張が拘束される。一般に軸受箱は外輪よりも温度が低いため、外輪の膨張量は軸受箱によって抑制され小さくなる。対して、外輪外径面の軸方向両端部は、軸受箱内径面に対するしめしろが小さいため、軸受箱による拘束を受けることが少なく、外輪の軸方向端部が外径側に変形する。その結果、外輪軌道面は軸方向の中央部が内径側に凸となる形状になる。これは、クラウニングを施したのと同様の形状である。これにより、外径軌道面ところとの接触面圧分布において、ころ端部での応力集中が緩和され均一化が図れる。また、軸受寿命の延長を図れる。外輪の軸方向中央部で軸受箱に支持されるため、軸受剛性を大きく低下させずにすむ。
【００１０】
この発明において、前記外輪の外径寸法を、前記軸方向の中央部が大きく両端部が小さくすることができる。あるいは、前記軸受箱の内径寸法を、前記外輪が嵌合する軸方向範囲内で、前記軸方向の中央部が小さく両端部が大きくすることができる。
いずれの場合も、外輪外径面の軸受箱内径面に対するしめしろが、軸受中心軸の方向である軸方向の中央部で大きく両端部で小さくなる。
【００１１】
前記外輪外径面と前記軸受箱内径面とが嵌合している部分の前記軸方向の長さが、前記ころの前記軸方向の長さよりも小さいのが好ましい。ここで言う軸方向長さは、軸受中心軸の方向の長さのことである。
外輪外径面と軸受箱内径面の嵌合部分の軸方向の長さがころの軸方向長さよりも小さいと、軸受運転時の外輪軌道面の形状を適正なクラウニング形状にできる。
【００１２】
また、前記軸受箱を強制的に冷却する冷却手段を設けるのが好ましい。
軸受箱の冷却手段が設けられていると、軸受箱と接する外輪外径面の軸方向中央部の温度上昇が抑えられるのと、軸受箱による拘束を大きくすることができる。
【００１３】
前記ころは円筒ころ、または円すいころとすることができる。つまり、この発明の構成は、ころ軸受が円筒ころ軸受である場合、および円すいころ軸受である場合のいずれにも適用できる。
【００１４】
この発明のころ軸受は、内輪と、外輪と、これら内外輪間に介在する複数個のころとを備えたころ軸受であって、前記外輪の外径寸法は、前記軸方向の中央部が大きく両端部が小さいことを特徴とする。
ころ軸受が上記構成であると、外輪外径面の軸受箱内径面に対するしめしろが、軸受中心軸の方向である軸方向の中央部で大きく両端部で小さくなる。そのため、前述したように、ころ軸受の運転時に、外輪の軸方向端部が外径側に変形して、外輪軌道面がクラウニング形状になる。これにより、外径軌道面ところとの接触面圧分布において、ころ端部での応力集中が緩和され均一化が図れる。また、軸受寿命の延長を図れる。
【発明の効果】
【００１５】
この発明のころ軸受・軸受箱組立体は、内輪と、外輪と、これら内外輪間に介在する複数個のころとを備えたころ軸受と、このころ軸受の外輪の外径面に内径面が嵌合する軸受箱とでなるころ軸受・軸受箱組立体であって、前記外輪外径面の前記軸受箱内径面に対するしめしろを、軸受中心軸の方向である軸方向の中央部で大きく両端部で小さくしたため、軸受剛性を確保しつつ、高速運転した場合に生じるころ端部での応力集中を緩和させて高速運転を可能にし、かつ軸受寿命を満足させられる。そのため、工作機械主軸用として適する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
この発明の実施形態を図１および図２と共に説明する。このころ軸受・軸受箱組立体は、ころ軸受１と軸受箱６とでなる。ころ軸受１は円筒ころ軸受であって、内輪２と、外輪３と、これら内外輪２，３間に介在する複数個の略円柱状のころ４とを備えている。内輪２は、外周に円柱面からなる軌道面２ａが形成されたものであり、軌道面２ａの両側に鍔部２ｂを有する。外輪３は、内周に内輪２の軌道面２ａに対向する軌道面３ａが形成されたものであり、鍔無しとされている。外輪内周面における軌道面３ａの軸方向外側部分３ａ´は、外側にいくほど大径となるテーパ状に形成されている。ころ４は、外周が転動面４ａとして形成され、上記両軌道面２ａ，３ａ間で転動自在となっている。ころ４の両端部には面取り４ｂが施されている。各ころ４は、保持器５のポケット内に入れられ、円周方向に所定の間隔を隔てて保持されている。内輪２の内周には図示しない軸が嵌合させられ、外輪３の外周には軸受箱６が嵌合している。
【００１７】
外輪３の外径面３ｂは、軸受箱６の内径面６ａに対して少なくともその一部が、負のすきま、すなわちしまりばめで嵌合している。この実施形態の場合、外輪外径面３ｂの軸方向中央部３ｂａが他よりも外径側に突出しており、この軸方向中央部３ｂａで軸受箱内径面６ａに嵌合している。上記軸方向中央部３ｂａの軸方向長さｂ１は、ころ４の軸方向長さｂ２よりも短くしてある。ころの軸方向長さｂ２は、外周に転動面４ａが形成されている部分の長さのことであり、面取り４ｂの部分を除く。外輪外径面３ｂの軸方向両端部３ｂｂは、軸受箱内径面６ａとの間に若干のすきまが開くように、軸方向中央部３ｂａよりも外径寸法を小さくしてある。外輪外径面３ｂの軸方向中央部３ｂａおよび軸方向両端部３ｂｂはそれぞれ外径寸法が一定であり、両部３ｂａ，３ｂｂは段差部３ｂｃ（段差ｈ）を介して繋がっている。
【００１８】
この実施形態のように、外輪外径面３ｂの軸方向中央部３ｂａと軸方向両端部３ｂｂとが段差部３ｂｃを介して繋がる構成に代えて、両部３ｂａ，３ｂｂの境界部分の外径寸法を連続的に変化させてもよい。図３（Ａ）は、軸方向中央部３ｂａと軸方向両端部３ｂｂの境界部分３ｂｄをテーパ状にした例である。同図（Ｂ），（Ｃ）は同境界部分３ｂｄを曲面状にした例である。また、同図（Ｄ）のように、軸方向中央部３ｂａと軸方向両端部３ｂｂの境界部分は設けずに、軸方向両端部３ｂｂが軸方向外側にいくほど小径になる形状としてもよい。
さらに、必ずしも外輪外径面３ｂの軸方向両端部３ｂｂと軸受箱内径面６ａとの間にすきまを開ける必要はなく、両者３ｂｂ，６ａが負のすきまで嵌合する構成としてもよい。その場合、外輪外径面３ｂの軸受箱内径面６ａに対するしめしろは、軸方向の中央部で大きく両端部で小さいものとする。
【００１９】
図４は、図１および図２に示したころ軸受・軸受箱組立体を備えた高速スピンドル装置の一例を示す。このスピンドル装置２０は工作機械に応用されるものであり、主軸２１の端部に工具またはワークのチャックが取付けられる。主軸２１は、軸方向の前側（加工側）端部がころ軸受１により、後側端部が一対のアンギュラ玉軸受２２によりそれぞれ支持されている。一対のアンギュラ玉軸受２２は、加工時のアキシアル荷重を受けるために背面組合せで設けられている。各軸受１，２２の内輪２，２２ａは、内輪間座２３，２４，２５により軸方向の位置決めがされ、固定ナット２６により主軸２１に締め付け固定されている。また、外輪３，２２ｂは、軸受箱６の段部６ｂ，６ｃと、軸受箱６の蓋２７，２８とで挟み付けることで、軸方向の位置決めがされている。なお、蓋２７，２８は図示しないボルトにより軸受箱６に固定されている。
【００２０】
このスピンドル装置２０には、軸受箱６を強制的に冷却する冷却手段３０が設けられている。冷却手段３０は、軸受箱６および蓋２７，２８の円周方向複数箇所に軸方向に貫通する冷却油流通孔３１を設け、この冷却油流通孔３１を含む閉経路に、冷却油供給装置３２から供給される冷却油を循環させるようにしたものである。冷却油供給装置３２から冷却油流通孔３１の入口部に至る経路中には、油ろ過器３３および圧力調整弁３４が設けられている。
【００２１】
主軸２１が回転すると、ころ軸受１の内輪２および外輪３は、摩擦による発熱のため温度上昇し、軸方向および径方向に膨張する。しかし、外輪外径面３ｂの軸方向中央部３ｂａはしまりばめで軸受箱内径面６ａに嵌合しているため、剛性の高い軸受箱６により熱膨張が拘束される。通常、軸受箱６は外輪３よりも温度が低いため、外輪外径面３ｂの軸方向中央部３ｂａでは、径方向熱膨張量が軸受箱６に高速されて小さくなる。特に、図４のように、軸受箱６が冷却手段３０により強制的に冷却されている場合は、外輪外径面３ｂの軸方向中央部３ｂａの膨張が一層抑えられる。
【００２２】
対して、外輪外径面３ｂの軸方向両端部３ｂｂは、軸受箱内径面６ａに対してすきまが設けられているため、軸受箱６による拘束を受けない。そのため、図２（Ａ）に示すように、外輪３の端部が熱膨張で外径側に容易に変形する。外輪外径面３ｂの軸方向中央部３ｂａの軸方向長さｂ１がころ４の軸方向長さｂ２よりも短いため、上記外輪３の端部の変形に伴い外輪軌道面３ａが変形し、図２（Ｂ）のように軸方向の中央部が内径側に凸となる形状になる。図２（Ｂ）の外輪軌道面３ａの形状は、クラウニングを施したのと同様の形状である。これにより、外径軌道面３ａところ転動面４ａとの接触面圧分布において、ころ端部での応力集中が緩和され均一化が図れる。また、軸受寿命の延長を図れる。
【００２３】
外輪外径面３ｂの軸方向中央部３ｂａの軸方向長さｂ１がころ４の軸方向長さｂ２よりもある程度短い方が外輪軌道面３ａのクラウニング形状を得やすいが、短すぎると、軸受剛性が低下するのと、外輪３からの放熱が悪くなる。したがって、上記軸方向長さｂ１は、外輪３の変形程度と応力集中の程度とを考慮した上で、適正な長さを決定するのがよい。軸方向長さｂ１がころ４の軸方向長さｂ２よりも少し短い程度であれば、外輪３の軸方向中央部３ｂａで軸受箱６に十分支持されるため、軸受剛性を大きく低下させない。
【００２４】
また、この実施形態のように、外輪外径面３ｂの軸方向両端部３ｂｂと軸受箱内径面６ａとの間にすきまを開けずに、両者３ｂｂ，６ａが負のすきまで嵌合する場合でも、外輪外径面３ｂの軸受箱内径面６ａに対するしめしろが軸方向の中央部で大きく両端部で小さくすることによって、軸受運転時に外輪３の軸方向端部を外径側に変形させることができる。
【００２５】
図５はこの発明の異なる実施形態を示す。このころ軸受・軸受組立体が前記実施形態と異なる点は、ころ軸受１の外輪外径面３ｂが軸方向の全域にわたって同径寸法とされていることと、軸受箱６の内径面６ａが、軸方向中央部６ａａで内径寸法が小さく、軸方向両端部６ａｂで内径寸法が大きい形状とされていることである。軸受箱内径面６ａの軸方向中央部６ａａの軸方向長さｂ３は、ころ４の軸方向長さｂ２よりも短くしてある。この構成としても、前記実施形態と同様、外輪外径面３ｂの軸方向中央部が軸受箱内径面６ａに嵌合し、外輪外径面３ｂの軸方向両端部と軸受箱内径面６ａとの間に若干のすきまが開いたものとなっている。そのため、主軸２１の回転に伴い外輪３の端部が熱膨張で外径側に変形し、外輪軌道面３ａがクラウニング形状となる。これにより、外径軌道面３ａところ転動面４ａとの接触面圧分布において、ころ端部での応力集中が緩和され均一化が図れるとともに、軸受寿命の延長を図れる。他は前記実施形態と同じ構成である。
【００２６】
図６はさらに異なる実施形態を示す。この実施形態は、ころ軸受１１が円すいころ軸受であるころ軸受・軸受組立体に本発明を適用したものである。円すいころ軸受１１は、内輪１２と、外輪１３と、これら内外輪１２，１３間に介在する複数個の円すいころ１４とを備えている。内輪１２は、外周に円すい面からなる軌道面１２ａが形成されたものであり、軌道面１２ａの大径側および小径側に大鍔部１２ｂおよび小鍔部１２ｃをそれぞれ有する。外輪１３は、内周に内輪１２の軌道面１２ａに対向する軌道面１３ａが形成されたものであり、鍔無しとされている。円すいころ１４は、外周が転動面１４ａとして形成され、上記両軌道面１２ａ，１３ａ間で転動自在となっている。各円すいころ１４は、保持器１５のポケット内に入れられ、円周方向に所定の間隔を隔てて保持されている。内輪１２の内周には図示しない軸が嵌合させられ、外輪１３の外周には軸受箱１６が嵌合している。
【００２７】
外輪外径面１３ｂの軸方向中央部１３ｂａが他よりも外径側に突出しており、この軸方向中央部１３ｂａで軸受箱内径面１６ａに嵌合している。上記軸方向中央部１３ｂａの軸方向長さｂ４は、円すいころ１４の軸方向長さｂ５よりも短くしてある。円すいころ１４の軸方向長さｂ５は、軸受中心軸の方向の長さである。外輪外径面１３ｂの軸方向両端部１３ｂｂは、軸受箱内径面１６ａとの間に若干のすきまが開くように、軸方向中央部１３ｂａよりも外径寸法を小さくしてある。外輪外径面１３ｂの軸方向中央部１３ｂａおよび軸方向両端部１３ｂｂはそれぞれ外径寸法が一定であり、両部１３ｂａ，１３ｂｂは段差部１３ｂｃを介して繋がっている。
【００２８】
この実施形態も、図１および図２の実施形態と同様に作用する。すなわち、軸受の運転により、円すいころ軸受１１の内輪１２および外輪１３は、摩擦による発熱のため温度上昇して、軸方向および径方向に膨張する。しかし、外輪外径面１３ｂの軸方向中央部１３ｂａは軸受箱１６により熱膨張が拘束されているため、外輪１３の端部のみが外径側に変形して、外輪軌道面１３ａがクラウニング形状となる。これにより、外径軌道面１３ａところ転動面１４ａとの接触面圧分布において、ころ端部での応力集中が緩和され均一化が図れるとともに、軸受寿命の延長を図れる。
【００２９】
図示は省略するが、ころ軸受が円すいころ軸受であるころ軸受・軸受組立体の場合も、ころ軸受が円筒ころ軸受であるころ軸受・軸受組立体における図４に示す構成と同様に、円すいころ軸受の外輪外径面を軸方向の全域にわたって同径寸法とし、軸受箱の内径面を、軸方向中央部の内径寸法が小さく、軸方向両端部の内径寸法が大きい形状とすることができる。
また、図４および図７に示す各スピンドル装置は、主軸２１の軸方向の前側（加工側）端部をころ軸受１で、後側端部を一対のアンギュラ玉軸受２２で支持しているが、ころ軸受１とアンギュラ玉軸受２２の配置を前後逆にしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】この発明の実施形態にかかるころ軸受・軸受箱組立体の断面図である。
【図２】（Ａ）は同軸受・軸受箱組立体の運転時の状態を示す断面図、（Ｂ）はその一部拡大図である。
【図３】（Ａ）〜（Ｄ）は外輪外径面の異なる形状の例を示す説明図である。
【図４】同軸受・軸受箱組立体を備えたスピンドル装置の断面図と冷却手段の構成を示すブロック図とを組み合わせた図である。
【図５】この発明の異なる実施形態にかかるころ軸受・軸受箱組立体の断面図である。
【図６】この発明のさらに異なる実施形態にかかるころ軸受・軸受箱組立体の断面図である。
【図７】従来のころ軸受を備えたスピンドル装置の断面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１，１１…ころ軸受
２，１２…内輪
３，１３…外輪
３ａ，１３ａ…外輪軌道面
３ｂ，１３ｂ…外輪外径面
３ｂａ，１３ｂａ…外輪外径面の軸方向中央部
３ｂｂ，１３ｂｂ…外輪外径面に軸方向端部
４，１４…ころ
６，１６…軸受箱
６ａ，１６ａ…軸受箱内径面
【図１】
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【図２】
2009008211.tif 000004
【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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