JP2012132508A - 円筒ころ軸受及び工作機械用主軸装置 - Google Patents

Abstract

【課題】潤滑剤の排出をスムーズに行うことができ、異常昇温や温度の脈動を抑制することができ、且つ、保持器の寸法管理を容易に行うことができる円筒ころ軸受、及びそれを用いた工作機械用主軸装置を提供する。
【解決手段】円筒ころ軸受は、外輪と、内輪と、円筒ころと、環状の一対のリム部５ａ及び一対のリム部５ａを軸方向に連結する複数の柱部５ｂを有し、複数の円筒ころを回転自在に保持する複数のポケット５ｃを形成する保持器５と、を備える。保持器５は、偶数個の柱部５ｂによって偶数個のポケット５ｃを形成し、偶数個の柱部５ｂのうち、点対称に位置する少なくとも４箇所の柱部５ｂの外周面又は内周面に、リム部５ａの外周面又は内周面より径方向に突出する案内部６を有し、該案内部６により軌道輪案内される。各案内部６の案内面６ａは、保持器５の中心Ｏを曲率中心とした同一半径Ｒ１の円弧面をそれぞれ有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、円筒ころ軸受及び工作機械用主軸装置に関し、より詳細には、高速回転する工作機械の主軸や高速モータ等に用いられる円筒ころ軸受及びそれを用いた工作機械用主軸装置に関する。

例えば、マシニングセンタ、ＣＮＣ旋盤、フライス盤等の工作機械の主軸装置は、ワークの加工効率や精度を高める等の理由から高速回転で運転される傾向が顕著である。

一般に、工作機械の主軸装置において、主軸は、前側及び後側にそれぞれ配置された転がり軸受でハウジングに対して回転自在に支持され、通常、前側の転がり軸受は主軸の軸方向変位を許容しない構造とされ（固定側）、後側の転がり軸受は運転時の熱による主軸の軸方向膨張量を吸収し又は逃がすため、主軸の軸方向変位を許容できる構造とされる（自由側）。

主軸の自由側で支持する転がり軸受としては、円筒ころ軸受が使用されている。円筒ころ軸受１０１としては、例えば、図１０に示すように、外輪１０２と内輪１０３との間に配置される複数の円筒ころ１０４を保持する保持器１０５が、柱部１０５ｂの外周面よりも突出する一対のリム部１０５ａの外周面を案内部１０６として、外輪案内されている。また、このような保持器１０５では、案内部１０６の寸法管理が重要であり、ノギス等を用いて案内面の寸法が測定されている。

また、主軸装置においては、転がり軸受は、使用条件等に応じて、オイルミスト潤滑、オイルエア潤滑、直噴潤滑、ジェット潤滑、グリース潤滑などの潤滑方式によって潤滑される。

また、グリース等の潤滑剤では潤滑性を確保できないような高温・高圧下で使用される軸受として、潤滑材料で保持器を構成し、該保持器が軌道輪の軌道面に接触案内する案内部を有するもの（例えば、特許文献１参照。）や、保持器の外周面に形成された凹部に固体潤滑剤を配置し、固体潤滑剤を軌道面に摺接させたものが知られている（例えば、特許文献２参照。）。さらに、円弧状の複数の保持器素子を円周方向に直列に組み合わせる事により構成される分割型保持器において、柱部の一部に案内部を設けたものが開示されている（例えば、特許文献３参照。）。

特開平９−４９５２５号公報 特開２００３−２３９９９３号公報 特開２００９−９７５２５号公報

ところで、主軸を支持する転がり軸受において、軸受内部でのグリースの排出性が悪いと、軸受内部が潤滑剤過多の状態となり、攪拌熱によって異常昇温や温度の脈動が発生する。そのため、軸受温度が上昇すると、転がり軸受が破損する可能性がある。特に、円筒ころ軸受の場合、内輪軌道面及び外輪軌道面と円筒ころとの転がり接触部は線接触するため、点接触の玉軸受に比べて昇温しやすい。

さらに、円筒ころ軸受をグリース潤滑する場合、封入されたグリースを軸受内部に均等に分散させたり、或いは余剰グリースを軸受周辺部に移動させる、所謂、ならし運転が不可欠である。

このため、図１０に示すような外輪案内保持器を有する円筒ころ軸受の場合には、保持器の案内面と外輪軌道面との間のすきまが狭いため、グリースが排出されにくい傾向があり、また、グリースのならし運転に時間がかかる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、潤滑剤の排出をスムーズに行うことができ、異常昇温や温度の脈動を抑制することができ、且つ、保持器の寸法管理を容易に行うことができる円筒ころ軸受、及びそれを用いた工作機械用主軸装置を提供することにある。

本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１） 内周面に外輪軌道面が形成される外輪と、
外周面に内輪軌道面が形成される内輪と、
前記外輪軌道面と前記内輪軌道面との間に転動自在に配置される複数の円筒ころと、
環状の一対のリム部及び該一対のリム部を軸方向に連結する複数の柱部を有し、前記複数の円筒ころを回転自在にそれぞれ保持する複数のポケットを形成する保持器と、
を備える円筒ころ軸受であって、
前記保持器は、偶数個の前記柱部によって偶数個の前記ポケットを形成し、
前記保持器は、前記偶数個の柱部のうち、点対称に位置する少なくとも４箇所の前記柱部の外周面又は内周面に、前記リム部の外周面又は内周面より径方向に突出する案内部を有し、該案内部により軌道輪案内され、
前記各案内部の案内面は、前記保持器の中心を曲率中心とした同一半径の円弧面をそれぞれ有することを特徴とする円筒ころ軸受。
（２） 前記案内部の軸方向幅は、前記ポケットの軸方向幅以下に設定されることを特徴とする（１）に記載の円筒ころ軸受。
（３） 主軸が（１）または（２）に記載の円筒ころ軸受により回動自在に支持されることを特徴とする工作機械用主軸装置。

本発明の円筒ころ軸受によれば、保持器は、偶数個の柱部によって偶数個のポケットを形成し、保持器は、偶数個の柱部のうち、点対称に位置する少なくとも４箇所の柱部の外周面又は内周面に、リム部の外周面又は内周面より径方向に突出する案内部を有し、該案内部により軌道輪案内されるので、潤滑剤の排出をスムーズに行うことができ、異常昇温や温度の脈動を抑制することができる。
また、複数個の柱部のうち、各柱部に形成された各案内部の案内面は、保持器の中心を曲率中心とした同一半径の円弧面を有するので、ノギス等を用いて案内面の寸法を測定することができ、保持器の寸法管理を容易に行うことができる。

また、本発明の工作機械用主軸装置によれば、主軸の異常昇温や温度の脈動が抑制され、潤滑寿命を向上した本発明の円筒ころ軸受によって回動自在に支持されるので、工作機械主軸装置の加工精度を高いレベルに保つことが可能である。

本発明の第１実施形態に係る円筒ころ軸受が適用される工作機械用主軸装置を示す縦断面図である。 図１の円筒ころ軸受の断面図である。 （ａ）は、保持器の部分上面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。 図３の保持器に対して、案内部の形状を変更した保持器の変形例を示す、図３（ｂ）に対応する断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、案内部を４箇所に配置した場合を説明するための保持器の断面図である。 図３の保持器に対して、案内部の数を変更した変形例であり、（ａ）は、保持器の部分上面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図である。 図３の保持器に対して、案内部の形状を変更した他の変形例の断面図である。 本発明が内輪案内型の保持器が適用された円筒ころ軸受の断面図である。 （ａ）は、図２の円筒ころ軸受において内輪案内型の保持器が適用された円筒ころ軸受の断面図であり、（ｂ）は、図８の円筒ころ軸受において外輪案内型の保持器が適用された円筒ころ軸受の断面図である。 従来の円筒ころ軸受の断面図である。

以下、本発明に係る円筒ころ軸受及びそれを用いた工作機械用主軸装置の各実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の円筒ころ軸受が適用される工作機械用主軸装置の縦断面図である。図１に示すように、主軸装置１０の主軸１１は、転がり軸受であるアンギュラ玉軸受１２及び円筒ころ軸受１によって主軸ハウジング１３内に支持されている。

主軸ハウジング１３は、ハウジング本体１４と、ハウジング本体１４の前端（図中左側）に内嵌固定された前側軸受ハウジング１５と、ハウジング本体１４の後側（図中右側）に内嵌固定された後側軸受ハウジング１６と、前側軸受ハウジング１５の端部に設けられた外輪押さえ部材１７と、後側軸受ハウジング１６の後部に設けられたカバー１９と、を備える。

主軸１１は、前側軸受ハウジング１５に内嵌する２つのアンギュラ玉軸受１２，１２と、後側軸受ハウジング１６の内側に設けられたスリーブ１８に内嵌する１つの円筒ころ軸受１に支持されることにより、主軸ハウジング１３に対して回転自在に支承されている。２つのアンギュラ玉軸受１２，１２の外輪間、及び外輪の軸方向外側には、複数の外輪間座２０が配置されており、また内輪間、及び内輪の軸方向外側には、複数の内輪間座２１が配置されている。さらに、円筒ころ軸受１の外輪２（図２参照。）の軸方向両側にも、複数の外輪間座３０，３０が配置されており、内輪３（図２参照。）の軸方向両側にも複数の内輪間座３１，３１が配置されている。

主軸１１の軸方向の略中央部には、ロータ４０が外嵌固定されている。ロータ４０の外周面側には、ステータ４１が所定距離離れて同軸配置されている。ステータ４１は、ステータ４１の外周面側に配置されたステータ固定部材４２を介してハウジング本体１４に固定されている。ハウジング本体１４とステータ固定部材４２との間には、主軸１１の周方向に沿う方向に溝４３が形成されている。この複数の溝４３内には、ステータ４１の冷却用の冷媒が流される。

同様に、ハウジング本体１４と前側軸受ハウジング１５との間であって、アンギュラ玉軸受１２の外周側にあたる部位には、ハウジング及び軸受冷却用の冷媒が流される溝４４が形成されている。

また、２つのアンギュラ玉軸受１２，１２及び円筒ころ軸受１は、グリースによって潤滑され、ハウジング本体１４、前側軸受ハウジング１５及び後側軸受ハウジング１６には、グリースを装置外に排出するためのグリース排出路４５が形成されている。なお、これらの軸受１２，１２，１は、潤滑装置を用いて軸受外部からグリースを軸受に補給するグリース補給潤滑であってもよいが、本実施形態では、予め軸受内部に封入されたグリースによって軸受１２，１２，１を潤滑するグリース潤滑が行われている。

図２に示す円筒ころ軸受１は、内周面に外輪軌道面２ａが形成される鍔無しの外輪２と、外周面に内輪軌道面３ａが形成されると共に、内輪軌道面３ａの両側に鍔部３ｂを有する内輪３と、外輪軌道面２ａと内輪軌道面３ａとの間に転動自在に配置された複数の円筒ころ４と、複数の円筒ころ４を回転自在にそれぞれ保持する複数のポケット５ｃを形成する外輪案内型の保持器５と、を備える。

図３にも示すように、保持器５は、環状の一対のリム部５ａ及び一対のリム部５ａを軸方向に連結する複数の柱部５ｂを有し、樹脂材料を射出成形することで形成される。柱部５ｂの個数は偶数個であり、保持器５は、偶数個の円筒ころ４を保持する偶数個のポケット５ｃを形成する。また、保持器５は、各柱部５ｂの外周面に、リム部５ａの外周面より径方向外側に突出する複数の案内部６を有し、これら案内部６により外輪案内される。各案内面６ａを構成する複数の案内部６の外周面は、単一の仮想円上に形成され、即ち、保持器５の中心を曲率中心とした同一半径Ｒ１の円弧面によってそれぞれ形成される。また、外輪軌道面２ａと案内面６ａとの間の案内隙間（直径隙間）ｇは、０．２０〜１．０ｍｍに設定される。

案内部６の軸方向幅Ｍは、円筒ころ４の軸方向幅Ｌよりも該軸方向幅Ｌとポケット５ｃの軸方向幅Ｐとの差：ΔＰ（ΔＰ＝Ｐ−Ｌ）だけ小さくした値以下に設定される（即ち、Ｍ≦Ｌ−ΔＰ）。この場合、保持器５がポケット５ｃのすきま分だけ軸方向に移動しても、保持器５によるグリースの掻き取りがなく、円筒ころ４の近傍にグリースを保持することができる。

なお、案内部６の軸方向幅Ｍは、ポケット５ｃの軸方向幅Ｐ以下に設定されればよく、保持器５の案内面６ａによって円筒ころ４近傍のグリースが掻き取られにくく、グリース溜りＧがより円筒ころ４の近傍にできるため、潤滑寿命を向上できる。ただし、軸方向幅Ｍは、図２に示すように、Ｌ−ΔＰ以下に設定されることがより好ましい。

一方、案内部６の軸方向幅Ｍは、保持器５の傾きによる案内部６の偏当りを考えると、好ましくは、円筒ころ４の軸方向幅Ｌの１／３以上、より好ましくは軸方向幅Ｌの１／２以上であることが好ましい。

このように構成された円筒ころ軸受１では、柱部５ｂの外周面に案内部６を設けたことで、グリースの排出をスムーズに行うことができ、異常昇温を抑制することができ、安定した運転が可能となる。また、グリースをならし運転する際の時間も短縮化することができる。さらに、工作機械を長時間使用していない場合に、グリースが軸受内部に溜まっても、グリースの排出がよくなり、軸受が異常昇温により破損する可能性が少なくなる。

また、本実施形態の円筒ころ軸受１は、保持器１０５の案内部１０６が円筒ころ１０４の軸方向両側近傍に位置する、図９に示すような円筒ころ軸受１０１に比べて、円筒ころ４の近傍にグリース溜りＧを形成することができる。グリースは、増ちょう剤の中に基油を含んだ状態なので、昇温等の作用が加わると、基油はグリース内をある程度移動することができ、グリース溜りＧが外輪軌道面２ａとつながっていると、表面張力効果や濡れ性効果も作用して、グリースを外輪軌道面２ａと円筒ころ４の転動面との転がり接触部へと導きやすく、油膜切れの発生を抑制することができる。また、本実施形態では、軸受内部にグリース溜りＧを大きく確保することができ、より多くのグリースを軸受内部に残存できる。従って、本実施形態のような封入グリースによるグリース潤滑であっても、十分な潤滑寿命を確保することができる。

さらに、工作機械用主軸装置１０の主軸１１としては内輪回転の場合が主であり、主軸１１の温度分布としては、回転側部材（内輪側）の温度が静止側部材（外輪側）の温度より高くなる。また、本実施形態のような、主軸１１の前側軸受（固定側）と後側軸受（自由側）との間にモータを設けた所謂、モータビルトイン主軸の場合、モータの発熱の影響が付加される。本実施形態の円筒ころ軸受１は、図１０に示す円筒ころ軸受１０１に比べ、外輪２に対する内輪３のスライド許容量を増加することができるので（Δr1＜Δr2）、主軸１１が温度上昇により膨張して外輪２に対して内輪３が主軸後方に移動したとしても、保持器５の案内部６が外輪軌道面２ａから外れてしまうのを防止することができる。

また、本実施形態では、保持器５は、偶数個の柱部５ｂが設けられており、点対称に位置する各柱部５ｂに形成された案内部６の案内面６ａは、保持器５の中心０を曲率中心とした同一半径Ｒ１の円弧面を有するので、点対称に位置する２つの柱部５ｂの案内面６ａをノギス等を用いて測定することができ、保持器５の寸法管理を容易に行うことができる。

なお、本実施形態では、案内部６の案内面６ａを単一の円弧面によって形成したが、図４に示すように、２つの曲率半径Ｒ１，Ｒ２を有する複数の円弧面によって形成することで、外輪軌道面２ａに対する保持器５の案内面６ａのエッジあたりを軽減して、摩擦を減少することができる。

なお、本発明は、前述した各実施形態に限定されるものでなく、適宜、変形、改良等が可能である。

上記実施形態では、案内部６は、全ての柱部５ｂに設けられているが、ノギスで挟持することができる点対称な位置の柱部５ｂに設けられるように、円周方向に少なくとも４箇所の柱部５ｂに設けられれば、寸法管理は可能である。なお、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、案内部６を４箇所の柱部５ｂに設けた場合、案内部６の配置は、運転時の保持器５の動き量が小さくなることが好ましく、３６０°／４等配に近い位置に案内部６が形成される図５（ｂ）の方が、半径方向の動き量が均一となり、より好ましい。また、例えば、図６に示すように、案内部６は、１つおきの柱部５ｂに設けられてもよい。

また、図７に示すように、案内部６は、軸方向中間部に円周方向に沿って形成され、グリース溜りを構成する凹部６ｂを有してもよい。この凹部６ｂにグリースが溜まることで、潤滑寿命を向上することができ、また、この凹部６ｂから軸方向にグリースが排出されることで、グリースのならし性を向上することができる。

さらに、本発明は、内輪案内型の保持器５に適用された場合も上記実施形態と同様の効果を奏する。即ち、図８に示すように、内周面に外輪軌道面２ａ及び鍔部２ｂが形成される外輪２と、外周面に内輪軌道面３ａが形成される鍔無しの内輪３と、を有する円筒ころ軸受１において、案内部６が、柱部５ｂの内周面にリム部５ａの内周面より径方向内側に突出するように設けられる。この場合の保持器５も偶数個の柱部５ｂを有し、点対称に位置する柱部５ｂに設けられた案内部６の案内面６ａが、保持器５の中心Ｏを曲率中心とした円弧面を有する。

また、図２や図８に示す保持器５は、鍔無しの外輪２又は内輪３に案内される構成としたが、鍔部２ｂ，３ｂを有する外輪２又は内輪３に案内される構成としてもよい。即ち、図９（ａ）に示すように、内輪軌道面３ａと両側の鍔部３ｂとによって形成される軌道溝内に案内部６を配置する内輪案内型の保持器５であってもよく、また、図９（ｂ）に示すように、外輪軌道面２ａと両側の鍔部２ｂによって形成される軌道溝内に案内部６を配置する外輪案内型の保持器５であってもよい。

本発明の工作機械用主軸装置１０では、モータの前側に２つのアンギュラ玉軸受１２，１２を配置し、後側に１つの円筒ころ軸受１を配置した例を挙げたが、使用される軸受は上記の配列、個数に限定されるものではなく、任意に設定可能である。例えば、モータの前側に１つの円筒ころ軸受と２つのアンギュラ玉軸受を配置し、後側に１つの円筒ころ軸受を配置してもよく、また、前側に４つのアンギュラ玉軸受を配置し、後側に１つの円筒ころ軸受を配置してもよい。

また、アンギュラ玉軸受１２，１２及び円筒ころ軸受１を潤滑する潤滑剤としては、本実施形態のようなグリースに限定されるものでなく、潤滑油であってもよい。

１ 円筒ころ軸受
２ 外輪
２ａ 外輪軌道面
３ 内輪
３ａ 内輪軌道面
４ 円筒ころ
５ 保持器
５ａ リム部
５ｂ 柱部
５ｃ ポケット
６ 案内部
６ａ 案内面
６ｂ 凹部
１０ 主軸装置
１１ 主軸

Claims (3)

1. 内周面に外輪軌道面が形成される外輪と、
   外周面に内輪軌道面が形成される内輪と、
   前記外輪軌道面と前記内輪軌道面との間に転動自在に配置される複数の円筒ころと、
   環状の一対のリム部及び該一対のリム部を軸方向に連結する複数の柱部を有し、前記複数の円筒ころを回転自在にそれぞれ保持する複数のポケットを形成する保持器と、
   を備える円筒ころ軸受であって、
   前記保持器は、偶数個の前記柱部によって偶数個の前記ポケットを形成し、
   前記保持器は、前記偶数個の柱部のうち、点対称に位置する少なくとも４箇所の前記柱部の外周面又は内周面に、前記リム部の外周面又は内周面より径方向に突出する案内部を有し、該案内部により軌道輪案内され、
   前記各案内部の案内面は、前記保持器の中心を曲率中心とした同一半径の円弧面をそれぞれ有することを特徴とする円筒ころ軸受。
2. 前記案内部の軸方向幅は、前記ポケットの軸方向幅以下に設定されることを特徴とする請求項１に記載の円筒ころ軸受。
3. 主軸が請求項１または２に記載の円筒ころ軸受により回動自在に支持されることを特徴とする工作機械用主軸装置。
   
   

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