玉軸受および工作機械のスピンドル装置
【課題】 構造が簡単で、高速回転時においても予圧を適正に確保でき、発熱や損傷を生じさせることなく運転できる玉軸受を提供する。特に、工作機械の主軸のリア側部分の支持に効果的に用いられる。
【解決手段】 この玉軸受５では、内輪７および外輪８の軌道面のうちいずれか一方の軌道面を溝状とすると共に、いずれか他方の軌道面を円すい面、または断面の輪郭が凹状曲線の曲面とする。この玉軸受５を工作機械のスピンドル装置１における主軸３のリア側部分の支持に用いる場合、円すい面または曲面とした軌道面はリア側に向けて拡径させる。
【解決手段】 この玉軸受５では、内輪７および外輪８の軌道面のうちいずれか一方の軌道面を溝状とすると共に、いずれか他方の軌道面を円すい面、または断面の輪郭が凹状曲線の曲面とする。この玉軸受５を工作機械のスピンドル装置１における主軸３のリア側部分の支持に用いる場合、円すい面または曲面とした軌道面はリア側に向けて拡径させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、工作機械主軸のリア側支持などに用いられる玉軸受、およびこの玉軸受を用いた工作機械のスピンドル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
マシニングセンタなどの工作機械における高速主軸を持つスピンドル装置には、ビルトインモータ型のものが用いられることが多い。この場合、主軸を支持する軸受として、モータを挟んでフロント側およびリア側の両方に転がり軸受が設けられる。通常、フロント側では加工時の剛性を確保するため、その転がり軸受として２〜４列のアンギュラ玉軸受、もしくは複列のアンギュラ玉軸受と円筒ころ軸受の組み合わせが用られ、これに適切な予圧が負荷される。一方、リア側軸受の主たる使用目的は主軸の振れ止めであり、その転がり軸受として背面合わせとした複列のアンギュラ玉軸受や単列の円筒ころ軸受が用いられる（非特許文献１）。
【０００３】
ところで、上記スピンドル装置における主軸は、運転中に軸受およびモータの発熱により昇温し熱膨張が生じる。この場合、主軸のフロント側を支持する軸受は、剛性確保のためハウジングに対して剛性を持つように取り付けられているため、熱膨張による主軸の軸方向への伸びはリア側に向かうことになる。この伸びを許容するため、リア側軸受としてアンギュラ玉軸受を用いた場合は、ハウジングと外輪の間にボールブッシュや予圧ばねを取り付けたり（例えば特許文献１）、軸方向の拘束を除いて軸受を取り付ける（例えば特許文献２）などの工夫がなされている。
【０００４】
また、リア側軸受として円筒ころ軸受を用いる場合、通常、外輪につばを有しないＮ型のものを用いることによって、運転中に容易に軸方向に移動可能としている。あるいは、リア側軸受として、内輪もしくは外輪の軌道面をストレートとした深溝玉軸受を用いるものも提案されており（例えば特許文献３）、この場合も軸方向に容易に移動できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−１７５１０２号公報
【特許文献２】特開２００６−７７９２５号公報
【特許文献３】特開２０００−１２０７０３号公報
【特許文献４】特開２００８−１１０４２６号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】ＮＴＮカタログ 精密転がり軸受Ｎ２２６０／Ｊ，ｐｐ．２２−２３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記スピンドル装置における主軸の熱膨張は軸方向だけでなく、半径方向にも生じる。この半径方向への熱膨張は、上記した各熱膨張対策では、主に軌道輪と転動体の弾性変形として吸収される。そのため、軸受において接触荷重の増加を招き、トルク損失の増大や過大な発熱の原因となる。特許文献１に開示の熱膨張対策であれば、リア側軸受に発生する予圧の増大を緩和することは可能であるが、構造が複雑になる。
【０００８】
他の熱膨張対策として、リア側軸受に円すいころ軸受を用い、その接触角を利用して軸方向の膨張と半径方向の膨張を相殺する方法も提案されている（例えば特許文献４）。しかし、主軸に必要な剛性から選定される軸受の接触角と、熱膨張による予圧増大の緩和に必要な接触角とが一致するとは限らない。また、円すいころ軸受は、軸受単体の回転精度や軸受トルクの観点から、高速主軸用途には必ずしも適当ではない。
【０００９】
この発明の目的は、構造が簡単で、高速回転時においても予圧を適正に確保でき、発熱や損傷を生じさせることなく運転できる玉軸受を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明の玉軸受は、内輪と外輪の軌道面間に複数の玉が介在する玉軸受であって、内輪および外輪の軌道面のうちいずれか一方の軌道面を溝状とすると共に、他方の軌道面を円すい面、または断面の輪郭が凹状曲線の曲面としたことを特徴とする。
この玉軸受を例えば工作機械のスピンドル装置における主軸のリア側部分の支持に用いる場合、円すい面とした軌道面がリア側に拡径するように配置し、あるいは断面の輪郭が凹状曲線の曲面とした軌道面をリア側に拡径するように形成する。これにより、主軸の高速回転時の熱膨張によって玉軸受の予圧が増大することが、次のようにして抑えられる。 主軸のフロント側を支持する軸受は、剛性確保のためハウジングに対して剛性を持つように取り付けられるので、熱膨張による主軸の軸方向への伸びはリア側に向かうことになる。主軸の温度上昇をΔＴ、主軸の材料の線膨張係数をαとすると、リア側の玉軸受における玉と例えば円すい面とした軌道面との接点は、フロント側軸受を基準にして、軸方向にＬΔＴα、半径方向にＲΔＴαだけ移動する。すなわち、上昇温度や主軸の材料の線膨張係数αに左右されることなく、玉と軌道面との接点は前記円すい面の勾配で変位する。したがって、高速回転による温度上昇で主軸が熱膨張してもリア側軸受である玉軸受の予圧は増減しない。軌道面を、断面の輪郭が凹状曲線の曲面とした場合も同様である。
これにより、簡単な構造の玉軸受でありながら、リア側軸受として用いた場合に、主軸の高速回転時においてもリア側軸受の予圧を適正に保つことができ、発熱や損傷を生じさせることなく運転することができる。
【００１１】
前記玉軸受が工作機械のスピンドル装置における主軸のリア側部分を支持する工作機械用玉軸受である場合に、前記内輪の軌道面を溝状とし、前記外輪の軌道面を円すい面として、その円すい面の勾配ａを、
ａ＝Ｒ／Ｌ
とし、
前記玉の接触角θを、
θ＝ｔａｎ-1（Ｌ／Ｒ）
ただし、Ｌ：外輪の玉との接点の軸方向位置から、前記主軸のフロント側部分を支持する軸受列の軸方向中央位置までの距離
Ｒ：前記接点から軸中心までの距離
としても良い。
なお、前記主軸のフロント側部分を支持する軸受列は、転動体列が複列であっても、単列であっても良く、また単列軸受、複列軸受のいずれで構成されていても良いが、主軸の熱膨張があっても軸方向中央位置が変化しない配列の軸受列であることが好ましい。
【００１２】
前記玉軸受が工作機械のスピンドル装置における主軸のリア側部分を支持する工作機械用玉軸受である場合に、前記内輪の軌道面を溝状とし、前記外輪の軌道面を曲面として、その曲面を、前記玉の前記外輪の軌道面への接点から玉の中心を通る線分が軸中心と交わる点を中心とし、その中心から前記接点までの距離を半径とする球面とし、
前記玉の接触角θを、
θ＝ｔａｎ-1（Ｌ／Ｒ）
ただし、Ｌ：外輪の玉との接点の軸方向位置から、前記主軸のフロント側部分を支持する軸受列の軸方向中央位置までの距離
Ｒ：前記接点から軸中心までの距離
としても良い。
外輪軌道面が円すい面である場合、玉と外輪軌道面の接触面は転動方向に長軸を有する楕円形となる。このとき、接触面は潤滑油膜で分離されているが、接触面内の潤滑油は転がりと直交する方向に漏れやすくなり、油膜が薄くなる。これに対して、外輪軌道面を球面としたこの構成の場合には、接触面が真円形となるので、前記潤滑油の漏れを低減することができる。また、外輪と玉の接触面圧を、外輪軌道面を円すい面としたものと比較した場合、外輪軌道面を球面としたこの構成の場合の方が低面圧となり、それだけ転動疲労寿命が長くなる。
玉軸受の外輪軌道面は、予圧増加防止の観点からは円すい面とするのが最適であるが、最適な円すい面に近い形状であれば同様の予圧増加防止効果が期待でき、この構成のように球面としてもその効果が著しく損なわれることはない。
【００１３】
前記玉軸受が工作機械のスピンドル装置における主軸のリア側部分を支持する工作機械用玉軸受である場合に、前記外輪の軌道面を溝状とし、前記内輪の軌道面を円すい面として、その円すい面の勾配ｂを、
ｂ＝Ｒ／Ｌ
とし、
前記玉の接触角θを、
θ＝ｔａｎ-1（Ｌ／Ｒ）
ただし、Ｌ：内輪の玉との接点の軸方向位置から、前記主軸のフロント側部分を支持する軸受列の軸方向中央位置までの距離
Ｒ：前記接点から軸中心までの距離
としても良い。
この構成の場合にも、高速回転による温度上昇で主軸が熱膨張してもリア側軸受である玉軸受の予圧を適正に保つことができ、発熱や損傷を生じさせることなく運転することができる。
【００１４】
前記玉軸受が工作機械のスピンドル装置における主軸のリア側部分を支持する工作機械用玉軸受である場合に、前記外輪の軌道面を溝状とし、前記内輪の軌道面を曲面として、その曲面の断面の輪郭を、前記玉の前記内輪の軌道面への接点から玉の中心を通る線分上の任意の位置を中心とし、その中心から前記接点までの距離を半径とする円弧状とし、
前記玉の接触角θを、
θ＝ｔａｎ-1（Ｌ／Ｒ）
ただし、Ｌ：内輪の玉との接点の軸方向位置から、前記主軸のフロント側部分を支持する軸受列の軸方向中央位置までの距離
Ｒ：前記接点から軸中心までの距離
としても良い。
この構成の場合にも、高速回転による温度上昇で主軸が熱膨張してもリア側軸受である玉軸受の予圧を適正に保つことができ、発熱や損傷を生じさせることなく運転することができる。
内輪軌道面が円すい面である場合、玉と内輪軌道面の接触面は転動方向に長軸を有する楕円形となるが、内輪軌道面を断面の輪郭が円弧状となった曲面としたこの構成の場合には、接触面が楕円比の大きな楕円となり、より潤滑性が向上する。また、内輪と玉の接触面圧を、内輪軌道面を円すい面としたものと比較した場合、内輪軌道面を断面の輪郭が円弧状となった曲面としたこの構成の場合の方が低面圧となり、それだけ転動疲労寿命が長くなる。
【００１５】
この発明において、前記円すい面または曲面とした軌道面に周方向に延びる微細溝を設けても良い。軌道面に微細溝を設けた場合、軌道面での潤滑油の漏れが低減され、軌道面での潤滑油の保持性が向上する。
【００１６】
前記微細溝は、仕上げ加工での砥石の加工目であっても良い。また、微細溝は、レーザ加工により、あるいはエッチング加工により、あるいはブラスト加工により付与しても良い。
【００１７】
この発明において、前記外輪および内輪のいずれか一方または両方に隣接して、軸方向位置調整用の間座を設けても良い。この構成の場合、軸方向位置調整用の間座の幅寸法を選択設定することにより、玉軸受に付与する予圧を簡単に調整できる。
【００１８】
前記玉軸受が工作機械のスピンドル装置における主軸のリア側部分を支持する工作機械用玉軸受である場合に、前記内輪の内径面をフロント側に向けて拡径する円すい面とすると共に、この内輪に嵌合する軸外径面を前記円すい面に沿う円すい面としても良い。この構成の場合、内輪をフロント側へ押し込むことで得られる内輪の半径方向への膨張によって、予圧調整を容易に行うことができる。
【００１９】
この発明において、前記玉をセラミックス製としても良い。
玉軸受における玉の遠心力による予圧の増加は、予圧適正化効果を損なう要因となるので、その玉には密度の小さい材料を用いるのが望ましい。この観点から、玉の材料としては、セラミックス、とくに窒化けい素やβサイアロンが好適である。
【００２０】
この発明において、玉軸受の潤滑方式をグリース潤滑としても良い。
この玉軸受の潤滑には、エアオイル潤滑、オイルミスト潤滑、グリース潤滑などの潤滑方式を適用することが可能であるが、例えばスピンドル装置のリア側軸受として用いる場合、スピンドル装置の主軸構造を簡素化するという観点から、付属部品や付帯設備の不要なグリース潤滑の採用が最も好ましい。
【００２１】
この発明において、前記外輪に非接触シールを設けても良い。
例えばスピンドル装置のリア側軸受として玉軸受を用い、その潤滑方式としてグリース潤滑を採用する場合、固定側軌道輪となる外輪に非接触型のシールを設けることにより、グリースの飛散を防止することができる。
【００２２】
この発明の工作機械のスピンドル装置は、この発明の上記いずれかの構成の玉軸受を、主軸のリア側部分の支持に用いたことを特徴とする。
この発明の玉軸受をリア側軸受として用いたスピンドル装置では、高速回転時においても発熱や損傷を生じさせることなく運転でき、その主軸構造を簡素なものとすることができる。
【発明の効果】
【００２３】
この発明の玉軸受は、内輪および外輪の軌道面のうちいずれか一方の軌道面を溝状とすると共に、他方の軌道面を円すい面、または断面の輪郭が凹状曲線の曲面としたため、構造が簡単で、高速回転時においても予圧を適正に確保でき、発熱や損傷を生じさせることなく運転できる。
この発明の工作機械のスピンドル装置は、この発明の玉軸受を主軸のリア側部分の支持に用いたため、高速回転時においても発熱や損傷を生じさせることなく運転でき、その主軸構造を簡素なものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】この発明の第１の実施形態にかかる玉軸受を用いたスピンドル装置の断面図である。
【図２】同玉軸受の一部の断面図である。
【図３】この発明の他の実施形態にかかる玉軸受の一部の断面図である。
【図４】この発明のさらに他の実施形態にかかる玉軸受を用いたスピンドル装置の断面図である。
【図５】同玉軸受の一部の断面図である。
【図６】この発明のさらに他の実施形態にかかる玉軸受の一部の断面図である。
【図７】図２の実施形態の玉軸受に間座を隣接して配置した例を示す断面図である。
【図８】この発明のさらに他の実施形態にかかる玉軸受をスピンドル装置に用いた例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
この発明の第１の実施形態を図１および図２と共に説明する。図１は、この実施形態の玉軸受を用いた工作機械用スピンドル装置の断面図を示す。このスピンドル装置１は高速回転用のものであり、ハウジング２内において、主軸３のフロント側（同図の左側）が軸受列４で、主軸３のリア側（同図の右側）が、この実施形態に係る単列の玉軸受５で回転自在に支持されている。主軸３のフロント側端部に、工具またはワークのチャックが取り付けられる。主軸３の中間部には、ビルトインモータ６が設けられ、このビルトインモータ６により主軸３が回転駆動される。ビルトインモータ６は、主軸３の外周に固定されたロータ１２と、このロータ１２に対向してハウジング２の内周に設けられたステータ１３とでなる。
【００２６】
フロント側の軸受列４は、剛性確保のために予圧付与状態で、複数の単列の転がり軸受４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄを軸方向に配列したものであり、ここではアンギュラ玉軸受からなる２列１組の転がり軸受４Ａ，４Ｂと他の２列１組の転がり軸受４Ｃ，４Ｄが、互いに背面合わせとなるＤＴＢＴ配列とされている。ハウジング２は、外周に油溝１４の形成された内周ハウジング２Ａおよび外周ハウジング２Ｂを有する二重構造とされている。なお、軸受列４は複列軸受や、複列軸受と単列軸受の組み合わせで構成してもよく、また１個の軸受からなるものとしても良い。
【００２７】
リア側軸受となる玉軸受５は、図２に拡大断面図で示すように、内輪７と外輪８の軌道面７ａ，８ａ間に複数の玉９を介在させたものである。このリア側の玉軸受５は、内輪７が内輪固定ナット１５（図１）により主軸３に締め付け固定され、外輪８はハウジング２のリア側部材２Ｃ内に固定されている。内輪７の軌道面７ａは、従来の深溝玉軸受またはアンギュラ玉軸受と同様の、断面円弧状または断面ゴシックアーチ状の溝状に形成されている。これに対して、外輪８の軌道面８ａはリア側に向けて拡径する円すい面とされている。
【００２８】
この場合、図１のように、外輪８の軌道面８ａに玉９が接する接点の軸方向位置から、常温時におけるフロント側の軸受列４の軸方向中央位置Ｏまでの距離をＬとし、前記接点から主軸３の軸心までの距離をＲとしたとき、円すい面とした外輪８の軌道面８ａの傾斜勾配ａは、
ａ＝Ｒ／Ｌ …………（１）
とされている。
このときの玉９の接触角θは、
θ＝ｔａｎ-1（Ｌ／Ｒ） …………（２）
となる。
【００２９】
また、主軸３の回転時の振れ回りを防止するため、リア側軸受である玉軸受５にはわずかに初期予圧が与えられている。この予圧はフロント側の軸受列４の各転がり軸受４Ａ〜４Ｄに反力として作用し、これらの軸受４Ａ〜４Ｄの予圧を変化させるが、フロント側の軸受列４には剛性確保のための予圧が与えられており、リア側の玉軸受５に与えられる予圧はフロント側の軸受列４の予圧に比して十分小さいので、フロント側の軸受列４への影響は無視しうる。
【００３０】
リア側軸受としてこのような構成の玉軸受５を用いた上記スピンドル装置１において、主軸３が熱膨張したとき、フロント側の軸受列４では、工具側の２列の転がり軸受４Ａ，４Ｂとモータ側の２列の転がり軸受４Ｃ，４Ｄとに大きさが同じで向きの異なる力が加わり釣り合う。したがって、ハウジング２に対してはフロント側の軸受列４の軸方向中央位置Ｏが固定されることになる。
【００３１】
また、主軸３の温度上昇をΔＴ、主軸３の材料の線膨張係数をαとすると、リア側の玉軸受５における玉９と外輪軌道面８ａとの接点は、フロント側の軸受列４の軸方向中央位置Ｏを基準にして、軸方向にＬΔＴα、半径方向にＲΔＴαだけ移動する。すなわち、上昇温度や主軸３の材料の線膨張係数αに左右されることなく、玉９と外輪軌道面８ａとの接点はＲ／Ｌの勾配で変位する。したがって、外輪軌道面８ａを勾配Ｒ／Ｌの円すい面とした玉軸受５をリア側軸受として用いた上記スピンドル装置１では、高速回転による温度上昇で主軸３が熱膨張してもリア側軸受である玉軸受５の予圧は増減しない。これにより、きわめて簡単な構造の玉軸受５でありながら、これをリア側軸受として用いることにより、主軸３の高速回転時においてもリア側軸受の予圧を適正に保つことができ、発熱や損傷を生じさせることなく運転することができる。この玉軸受５をリア側軸受として用いたスピンドル装置１も、その主軸構造を簡素なものとして上記効果を得ることができる。
【００３２】
玉軸受５における玉９の遠心力による予圧の増加は、上記した予圧適正化効果を損なう要因となるので、その玉９には密度の小さい材料を用いるのが望ましい。この観点から、玉９の材料としては、例えばセラミックス、とくに窒化けい素やβサイアロン（Ｓｉ6-Z ＡｌZ ＯZ Ｎ8-Z ）が好適である。
【００３３】
この玉軸受５の潤滑方式としては、エアオイル潤滑、オイルミスト潤滑、グリース潤滑などの潤滑方式を適用することが可能であるが、スピンドル装置１の主軸構造を簡素化するという観点からは、付属部品や付帯設備の不要なグリース潤滑の採用が最も好ましい。グリース潤滑を採用する場合、グリースの飛散を防止するために、固定側軌道輪となる外輪８に非接触型のシール（図示せず）を設けても良い。
【００３４】
図３はこの発明の他の実施形態を示す。この実施形態の玉軸受５は、図２の実施形態における外輪８の軌道面８ａを、円すい面に替えて断面の輪郭が凹状曲線の曲面としたものである。すなわち、前記凹状曲線の回転体形状の軌道面８ａとされている。この場合にもその軌道面８ａはリア側に向けて拡径するように形成される。軌道面８ａの断面の輪郭となる凹状曲線は、この例では円弧または円弧状の曲線としているが、変曲点を有しない凹状曲線であれば良い。
この場合の外輪軌道面８ａの曲面は、具体的には、静止状態での玉９の外輪軌道面８ａへの接点から玉９の中心を通る線分Ｐが主軸３の軸心と交わる点Ｏ’を中心とし、その中心Ｏ’から前記接点までの距離ｒを半径とする球面としている。この場合の玉９の接触角θは、先の実施形態の場合と同様にｔａｎ-1（Ｌ／Ｒ）に設定される。その他の構成は先の実施形態の場合と同様である。
【００３５】
図２の実施形態のように外輪軌道面８ａが円すい面である場合、玉９と外輪軌道面８ａの接触面は転動方向に長軸を有する楕円形となる。このとき、接触面は潤滑油膜で分離されているが、接触面内の潤滑油は転がりと直交する方向に漏れやすくなり、油膜が薄くなる。これに対して、外輪軌道面８ａを球面としたこの実施形態（図３の実施形態）では、接触面が真円形となるので、前記潤滑油の漏れを低減することができる。また、外輪８と玉９の接触面圧を、外輪軌道面８ａを円すい面とした図２の実施形態の場合と比較した場合、外輪軌道面８ａを球面としたこの実施形態の方が低面圧となり、それだけ転動疲労寿命が長くなる。
【００３６】
玉軸受５の外輪軌道面８ａは、予圧増加防止の観点からは図２に示す実施形態のように円すい面とするのが最適であるが、最適な円すい面に近い形状であれば同様の予圧増加防止効果が期待でき、この実施形態のように球面としてもその効果が著しく損なわれることはない。
【００３７】
また、この実施形態では、外輪軌道面８ａを主軸３の軸心上に中心Ｏ’を持つ球面としたが、曲率半径の中心がハウジング２側ではなく主軸３の軸心側にあるような曲面、つまり断面の輪郭が凹状曲線となるような曲面であれば、その他の曲面であっても同様の効果を上げることができる。
【００３８】
図４はさらに他の実施形態の玉軸受を用いた工作機械用スピンドル装置の断面図を示し、図５はその玉軸受の一部の断面図を示す。この実施形態の玉軸受５は、図１および図２の実施形態において、外輪８の軌道面８ａが、従来の深溝玉軸受あるいはアンギュラ玉軸受と同様の、断面円弧状または断面ゴシックアーチ状の溝状に形成され、内輪７の軌道面７ａがリア側に向けて拡径する円すい面とされている。
【００３９】
この場合、図４のように、内輪軌道面７ａの玉９が接する接点の軸方向位置から、常温時におけるフロント側の軸受列４の軸方向中央位置Ｏまでの距離をＬとし、前記接点から主軸３の軸心までの距離をＲとしたとき、円すい面からなる内輪軌道面７ａの傾斜勾配ｂは、
ｂ＝Ｒ／Ｌ …………（３）
とされている。
このときの玉９の接触角θは、
θ＝ｔａｎ-1（Ｌ／Ｒ） …………（４）
となる。
【００４０】
この実施形態の場合にも、外輪軌道面８ａを円すい面とした図１および図２に示す実施形態の場合と同様の効果を上げることができる。すなわち、きわめて簡単な構造の玉軸受５でありながら、これをリア側軸受として用いることにより、主軸３の高速回転時においてもリア側軸受の予圧を適正に保つことができ、発熱や損傷を生じさせることなく運転することができる。
【００４１】
図６はこの発明のさらに他の実施形態を示す。この実施形態の玉軸受５は、図５の実施形態における内輪７の軌道面７ａを、円すい面に替えて断面の輪郭が凹状曲線となった曲面としたものである。この場合にもその軌道面７ａはリア側に向けて拡径するように形成される。
この場合の内輪軌道面７ａの曲面は、具体的には、その断面の輪郭を、静止状態での玉９の内輪軌道面７ａへの接点から玉９の中心を通る線分Ｑ上の任意の位置Ｏ”を中心とし、その中心Ｏ”から前記接点までの距離ｒを半径とする円弧状としたものである。この場合の玉９の接触角θは、図５の実施形態の場合と同様にｔａｎ-1（Ｌ／Ｒ）に設定される。その他の構成は図５の実施形態の場合と同様である。なお、軌道面７ａの断面の輪郭となる凹状曲線は、上記のように円弧状の曲線としているが、変曲点を有しない凹状曲線であれば良い。
【００４２】
図５の実施形態のように内輪軌道面７ａが円すい面である場合、玉９と内輪軌道面８ａの接触面は転動方向に長軸を有する楕円形となるが、内輪軌道面７ａを断面の輪郭が円弧状となった曲面としたこの実施形態では、接触面が楕円比の大きな楕円となり、より潤滑性が向上する。また、内輪７と玉９の接触面圧を、内輪軌道面７ａを円すい面とした図５の実施形態の場合と比較した場合、内輪軌道面７ａを断面の輪郭が円弧状となった曲面としたこの実施形態の方が低面圧となり、それだけ転動疲労寿命が長くなる。
【００４３】
上記した各実施形態の玉軸受５における内輪軌道面７ａや外輪軌道面８ａでの潤滑油の漏れは、軌道面７ａ，８ａに周方向に延びる微細な溝（図示せず）を設けることによっても低減することができる。この微細溝は仕上げ加工時の砥石の加工目によって与えても良いし、レーザやエッチング、ブラストなどによって与えても良い。
【００４４】
また、上記した各実施形態において、リア側軸受となる玉軸受５への予圧付与では、例えば図７に示すように、その玉軸受５の内輪７に隣接して、軸方向位置調整用の間座１０を設け、その間座１０の幅寸法を選択設定することにより予圧調整を行っても良い。図７では、内輪７に隣接して軸方向位置調整用の間座１０を設けたが、外輪８に隣接して同様の間座を設けても良い。
【００４５】
また、他の予圧調整方法として、例えば図８に示すように、玉軸受５の内輪７の内径面をフロント側に向けて拡径する円すい面とすると共に、この内輪７に嵌合する主軸３の外径面を内輪７の内径面に沿う円すい面として、内輪固定ナット１５で内輪７をフロント側へ押し込むことで得られる内輪７の半径方向への膨張によって予圧調整を行うようにしても良い。
【符号の説明】
【００４６】
１…スピンドル装置
３…主軸
４…軸受列
４Ａ〜４Ｄ…転がり軸受
５…玉軸受
７…内輪
８…外輪
７ａ，８ａ…軌道面
９…玉
１０…間座
【技術分野】
【０００１】
この発明は、工作機械主軸のリア側支持などに用いられる玉軸受、およびこの玉軸受を用いた工作機械のスピンドル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
マシニングセンタなどの工作機械における高速主軸を持つスピンドル装置には、ビルトインモータ型のものが用いられることが多い。この場合、主軸を支持する軸受として、モータを挟んでフロント側およびリア側の両方に転がり軸受が設けられる。通常、フロント側では加工時の剛性を確保するため、その転がり軸受として２〜４列のアンギュラ玉軸受、もしくは複列のアンギュラ玉軸受と円筒ころ軸受の組み合わせが用られ、これに適切な予圧が負荷される。一方、リア側軸受の主たる使用目的は主軸の振れ止めであり、その転がり軸受として背面合わせとした複列のアンギュラ玉軸受や単列の円筒ころ軸受が用いられる（非特許文献１）。
【０００３】
ところで、上記スピンドル装置における主軸は、運転中に軸受およびモータの発熱により昇温し熱膨張が生じる。この場合、主軸のフロント側を支持する軸受は、剛性確保のためハウジングに対して剛性を持つように取り付けられているため、熱膨張による主軸の軸方向への伸びはリア側に向かうことになる。この伸びを許容するため、リア側軸受としてアンギュラ玉軸受を用いた場合は、ハウジングと外輪の間にボールブッシュや予圧ばねを取り付けたり（例えば特許文献１）、軸方向の拘束を除いて軸受を取り付ける（例えば特許文献２）などの工夫がなされている。
【０００４】
また、リア側軸受として円筒ころ軸受を用いる場合、通常、外輪につばを有しないＮ型のものを用いることによって、運転中に容易に軸方向に移動可能としている。あるいは、リア側軸受として、内輪もしくは外輪の軌道面をストレートとした深溝玉軸受を用いるものも提案されており（例えば特許文献３）、この場合も軸方向に容易に移動できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−１７５１０２号公報
【特許文献２】特開２００６−７７９２５号公報
【特許文献３】特開２０００−１２０７０３号公報
【特許文献４】特開２００８−１１０４２６号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】ＮＴＮカタログ 精密転がり軸受Ｎ２２６０／Ｊ，ｐｐ．２２−２３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記スピンドル装置における主軸の熱膨張は軸方向だけでなく、半径方向にも生じる。この半径方向への熱膨張は、上記した各熱膨張対策では、主に軌道輪と転動体の弾性変形として吸収される。そのため、軸受において接触荷重の増加を招き、トルク損失の増大や過大な発熱の原因となる。特許文献１に開示の熱膨張対策であれば、リア側軸受に発生する予圧の増大を緩和することは可能であるが、構造が複雑になる。
【０００８】
他の熱膨張対策として、リア側軸受に円すいころ軸受を用い、その接触角を利用して軸方向の膨張と半径方向の膨張を相殺する方法も提案されている（例えば特許文献４）。しかし、主軸に必要な剛性から選定される軸受の接触角と、熱膨張による予圧増大の緩和に必要な接触角とが一致するとは限らない。また、円すいころ軸受は、軸受単体の回転精度や軸受トルクの観点から、高速主軸用途には必ずしも適当ではない。
【０００９】
この発明の目的は、構造が簡単で、高速回転時においても予圧を適正に確保でき、発熱や損傷を生じさせることなく運転できる玉軸受を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明の玉軸受は、内輪と外輪の軌道面間に複数の玉が介在する玉軸受であって、内輪および外輪の軌道面のうちいずれか一方の軌道面を溝状とすると共に、他方の軌道面を円すい面、または断面の輪郭が凹状曲線の曲面としたことを特徴とする。
この玉軸受を例えば工作機械のスピンドル装置における主軸のリア側部分の支持に用いる場合、円すい面とした軌道面がリア側に拡径するように配置し、あるいは断面の輪郭が凹状曲線の曲面とした軌道面をリア側に拡径するように形成する。これにより、主軸の高速回転時の熱膨張によって玉軸受の予圧が増大することが、次のようにして抑えられる。 主軸のフロント側を支持する軸受は、剛性確保のためハウジングに対して剛性を持つように取り付けられるので、熱膨張による主軸の軸方向への伸びはリア側に向かうことになる。主軸の温度上昇をΔＴ、主軸の材料の線膨張係数をαとすると、リア側の玉軸受における玉と例えば円すい面とした軌道面との接点は、フロント側軸受を基準にして、軸方向にＬΔＴα、半径方向にＲΔＴαだけ移動する。すなわち、上昇温度や主軸の材料の線膨張係数αに左右されることなく、玉と軌道面との接点は前記円すい面の勾配で変位する。したがって、高速回転による温度上昇で主軸が熱膨張してもリア側軸受である玉軸受の予圧は増減しない。軌道面を、断面の輪郭が凹状曲線の曲面とした場合も同様である。
これにより、簡単な構造の玉軸受でありながら、リア側軸受として用いた場合に、主軸の高速回転時においてもリア側軸受の予圧を適正に保つことができ、発熱や損傷を生じさせることなく運転することができる。
【００１１】
前記玉軸受が工作機械のスピンドル装置における主軸のリア側部分を支持する工作機械用玉軸受である場合に、前記内輪の軌道面を溝状とし、前記外輪の軌道面を円すい面として、その円すい面の勾配ａを、
ａ＝Ｒ／Ｌ
とし、
前記玉の接触角θを、
θ＝ｔａｎ-1（Ｌ／Ｒ）
ただし、Ｌ：外輪の玉との接点の軸方向位置から、前記主軸のフロント側部分を支持する軸受列の軸方向中央位置までの距離
Ｒ：前記接点から軸中心までの距離
としても良い。
なお、前記主軸のフロント側部分を支持する軸受列は、転動体列が複列であっても、単列であっても良く、また単列軸受、複列軸受のいずれで構成されていても良いが、主軸の熱膨張があっても軸方向中央位置が変化しない配列の軸受列であることが好ましい。
【００１２】
前記玉軸受が工作機械のスピンドル装置における主軸のリア側部分を支持する工作機械用玉軸受である場合に、前記内輪の軌道面を溝状とし、前記外輪の軌道面を曲面として、その曲面を、前記玉の前記外輪の軌道面への接点から玉の中心を通る線分が軸中心と交わる点を中心とし、その中心から前記接点までの距離を半径とする球面とし、
前記玉の接触角θを、
θ＝ｔａｎ-1（Ｌ／Ｒ）
ただし、Ｌ：外輪の玉との接点の軸方向位置から、前記主軸のフロント側部分を支持する軸受列の軸方向中央位置までの距離
Ｒ：前記接点から軸中心までの距離
としても良い。
外輪軌道面が円すい面である場合、玉と外輪軌道面の接触面は転動方向に長軸を有する楕円形となる。このとき、接触面は潤滑油膜で分離されているが、接触面内の潤滑油は転がりと直交する方向に漏れやすくなり、油膜が薄くなる。これに対して、外輪軌道面を球面としたこの構成の場合には、接触面が真円形となるので、前記潤滑油の漏れを低減することができる。また、外輪と玉の接触面圧を、外輪軌道面を円すい面としたものと比較した場合、外輪軌道面を球面としたこの構成の場合の方が低面圧となり、それだけ転動疲労寿命が長くなる。
玉軸受の外輪軌道面は、予圧増加防止の観点からは円すい面とするのが最適であるが、最適な円すい面に近い形状であれば同様の予圧増加防止効果が期待でき、この構成のように球面としてもその効果が著しく損なわれることはない。
【００１３】
前記玉軸受が工作機械のスピンドル装置における主軸のリア側部分を支持する工作機械用玉軸受である場合に、前記外輪の軌道面を溝状とし、前記内輪の軌道面を円すい面として、その円すい面の勾配ｂを、
ｂ＝Ｒ／Ｌ
とし、
前記玉の接触角θを、
θ＝ｔａｎ-1（Ｌ／Ｒ）
ただし、Ｌ：内輪の玉との接点の軸方向位置から、前記主軸のフロント側部分を支持する軸受列の軸方向中央位置までの距離
Ｒ：前記接点から軸中心までの距離
としても良い。
この構成の場合にも、高速回転による温度上昇で主軸が熱膨張してもリア側軸受である玉軸受の予圧を適正に保つことができ、発熱や損傷を生じさせることなく運転することができる。
【００１４】
前記玉軸受が工作機械のスピンドル装置における主軸のリア側部分を支持する工作機械用玉軸受である場合に、前記外輪の軌道面を溝状とし、前記内輪の軌道面を曲面として、その曲面の断面の輪郭を、前記玉の前記内輪の軌道面への接点から玉の中心を通る線分上の任意の位置を中心とし、その中心から前記接点までの距離を半径とする円弧状とし、
前記玉の接触角θを、
θ＝ｔａｎ-1（Ｌ／Ｒ）
ただし、Ｌ：内輪の玉との接点の軸方向位置から、前記主軸のフロント側部分を支持する軸受列の軸方向中央位置までの距離
Ｒ：前記接点から軸中心までの距離
としても良い。
この構成の場合にも、高速回転による温度上昇で主軸が熱膨張してもリア側軸受である玉軸受の予圧を適正に保つことができ、発熱や損傷を生じさせることなく運転することができる。
内輪軌道面が円すい面である場合、玉と内輪軌道面の接触面は転動方向に長軸を有する楕円形となるが、内輪軌道面を断面の輪郭が円弧状となった曲面としたこの構成の場合には、接触面が楕円比の大きな楕円となり、より潤滑性が向上する。また、内輪と玉の接触面圧を、内輪軌道面を円すい面としたものと比較した場合、内輪軌道面を断面の輪郭が円弧状となった曲面としたこの構成の場合の方が低面圧となり、それだけ転動疲労寿命が長くなる。
【００１５】
この発明において、前記円すい面または曲面とした軌道面に周方向に延びる微細溝を設けても良い。軌道面に微細溝を設けた場合、軌道面での潤滑油の漏れが低減され、軌道面での潤滑油の保持性が向上する。
【００１６】
前記微細溝は、仕上げ加工での砥石の加工目であっても良い。また、微細溝は、レーザ加工により、あるいはエッチング加工により、あるいはブラスト加工により付与しても良い。
【００１７】
この発明において、前記外輪および内輪のいずれか一方または両方に隣接して、軸方向位置調整用の間座を設けても良い。この構成の場合、軸方向位置調整用の間座の幅寸法を選択設定することにより、玉軸受に付与する予圧を簡単に調整できる。
【００１８】
前記玉軸受が工作機械のスピンドル装置における主軸のリア側部分を支持する工作機械用玉軸受である場合に、前記内輪の内径面をフロント側に向けて拡径する円すい面とすると共に、この内輪に嵌合する軸外径面を前記円すい面に沿う円すい面としても良い。この構成の場合、内輪をフロント側へ押し込むことで得られる内輪の半径方向への膨張によって、予圧調整を容易に行うことができる。
【００１９】
この発明において、前記玉をセラミックス製としても良い。
玉軸受における玉の遠心力による予圧の増加は、予圧適正化効果を損なう要因となるので、その玉には密度の小さい材料を用いるのが望ましい。この観点から、玉の材料としては、セラミックス、とくに窒化けい素やβサイアロンが好適である。
【００２０】
この発明において、玉軸受の潤滑方式をグリース潤滑としても良い。
この玉軸受の潤滑には、エアオイル潤滑、オイルミスト潤滑、グリース潤滑などの潤滑方式を適用することが可能であるが、例えばスピンドル装置のリア側軸受として用いる場合、スピンドル装置の主軸構造を簡素化するという観点から、付属部品や付帯設備の不要なグリース潤滑の採用が最も好ましい。
【００２１】
この発明において、前記外輪に非接触シールを設けても良い。
例えばスピンドル装置のリア側軸受として玉軸受を用い、その潤滑方式としてグリース潤滑を採用する場合、固定側軌道輪となる外輪に非接触型のシールを設けることにより、グリースの飛散を防止することができる。
【００２２】
この発明の工作機械のスピンドル装置は、この発明の上記いずれかの構成の玉軸受を、主軸のリア側部分の支持に用いたことを特徴とする。
この発明の玉軸受をリア側軸受として用いたスピンドル装置では、高速回転時においても発熱や損傷を生じさせることなく運転でき、その主軸構造を簡素なものとすることができる。
【発明の効果】
【００２３】
この発明の玉軸受は、内輪および外輪の軌道面のうちいずれか一方の軌道面を溝状とすると共に、他方の軌道面を円すい面、または断面の輪郭が凹状曲線の曲面としたため、構造が簡単で、高速回転時においても予圧を適正に確保でき、発熱や損傷を生じさせることなく運転できる。
この発明の工作機械のスピンドル装置は、この発明の玉軸受を主軸のリア側部分の支持に用いたため、高速回転時においても発熱や損傷を生じさせることなく運転でき、その主軸構造を簡素なものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】この発明の第１の実施形態にかかる玉軸受を用いたスピンドル装置の断面図である。
【図２】同玉軸受の一部の断面図である。
【図３】この発明の他の実施形態にかかる玉軸受の一部の断面図である。
【図４】この発明のさらに他の実施形態にかかる玉軸受を用いたスピンドル装置の断面図である。
【図５】同玉軸受の一部の断面図である。
【図６】この発明のさらに他の実施形態にかかる玉軸受の一部の断面図である。
【図７】図２の実施形態の玉軸受に間座を隣接して配置した例を示す断面図である。
【図８】この発明のさらに他の実施形態にかかる玉軸受をスピンドル装置に用いた例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
この発明の第１の実施形態を図１および図２と共に説明する。図１は、この実施形態の玉軸受を用いた工作機械用スピンドル装置の断面図を示す。このスピンドル装置１は高速回転用のものであり、ハウジング２内において、主軸３のフロント側（同図の左側）が軸受列４で、主軸３のリア側（同図の右側）が、この実施形態に係る単列の玉軸受５で回転自在に支持されている。主軸３のフロント側端部に、工具またはワークのチャックが取り付けられる。主軸３の中間部には、ビルトインモータ６が設けられ、このビルトインモータ６により主軸３が回転駆動される。ビルトインモータ６は、主軸３の外周に固定されたロータ１２と、このロータ１２に対向してハウジング２の内周に設けられたステータ１３とでなる。
【００２６】
フロント側の軸受列４は、剛性確保のために予圧付与状態で、複数の単列の転がり軸受４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄを軸方向に配列したものであり、ここではアンギュラ玉軸受からなる２列１組の転がり軸受４Ａ，４Ｂと他の２列１組の転がり軸受４Ｃ，４Ｄが、互いに背面合わせとなるＤＴＢＴ配列とされている。ハウジング２は、外周に油溝１４の形成された内周ハウジング２Ａおよび外周ハウジング２Ｂを有する二重構造とされている。なお、軸受列４は複列軸受や、複列軸受と単列軸受の組み合わせで構成してもよく、また１個の軸受からなるものとしても良い。
【００２７】
リア側軸受となる玉軸受５は、図２に拡大断面図で示すように、内輪７と外輪８の軌道面７ａ，８ａ間に複数の玉９を介在させたものである。このリア側の玉軸受５は、内輪７が内輪固定ナット１５（図１）により主軸３に締め付け固定され、外輪８はハウジング２のリア側部材２Ｃ内に固定されている。内輪７の軌道面７ａは、従来の深溝玉軸受またはアンギュラ玉軸受と同様の、断面円弧状または断面ゴシックアーチ状の溝状に形成されている。これに対して、外輪８の軌道面８ａはリア側に向けて拡径する円すい面とされている。
【００２８】
この場合、図１のように、外輪８の軌道面８ａに玉９が接する接点の軸方向位置から、常温時におけるフロント側の軸受列４の軸方向中央位置Ｏまでの距離をＬとし、前記接点から主軸３の軸心までの距離をＲとしたとき、円すい面とした外輪８の軌道面８ａの傾斜勾配ａは、
ａ＝Ｒ／Ｌ …………（１）
とされている。
このときの玉９の接触角θは、
θ＝ｔａｎ-1（Ｌ／Ｒ） …………（２）
となる。
【００２９】
また、主軸３の回転時の振れ回りを防止するため、リア側軸受である玉軸受５にはわずかに初期予圧が与えられている。この予圧はフロント側の軸受列４の各転がり軸受４Ａ〜４Ｄに反力として作用し、これらの軸受４Ａ〜４Ｄの予圧を変化させるが、フロント側の軸受列４には剛性確保のための予圧が与えられており、リア側の玉軸受５に与えられる予圧はフロント側の軸受列４の予圧に比して十分小さいので、フロント側の軸受列４への影響は無視しうる。
【００３０】
リア側軸受としてこのような構成の玉軸受５を用いた上記スピンドル装置１において、主軸３が熱膨張したとき、フロント側の軸受列４では、工具側の２列の転がり軸受４Ａ，４Ｂとモータ側の２列の転がり軸受４Ｃ，４Ｄとに大きさが同じで向きの異なる力が加わり釣り合う。したがって、ハウジング２に対してはフロント側の軸受列４の軸方向中央位置Ｏが固定されることになる。
【００３１】
また、主軸３の温度上昇をΔＴ、主軸３の材料の線膨張係数をαとすると、リア側の玉軸受５における玉９と外輪軌道面８ａとの接点は、フロント側の軸受列４の軸方向中央位置Ｏを基準にして、軸方向にＬΔＴα、半径方向にＲΔＴαだけ移動する。すなわち、上昇温度や主軸３の材料の線膨張係数αに左右されることなく、玉９と外輪軌道面８ａとの接点はＲ／Ｌの勾配で変位する。したがって、外輪軌道面８ａを勾配Ｒ／Ｌの円すい面とした玉軸受５をリア側軸受として用いた上記スピンドル装置１では、高速回転による温度上昇で主軸３が熱膨張してもリア側軸受である玉軸受５の予圧は増減しない。これにより、きわめて簡単な構造の玉軸受５でありながら、これをリア側軸受として用いることにより、主軸３の高速回転時においてもリア側軸受の予圧を適正に保つことができ、発熱や損傷を生じさせることなく運転することができる。この玉軸受５をリア側軸受として用いたスピンドル装置１も、その主軸構造を簡素なものとして上記効果を得ることができる。
【００３２】
玉軸受５における玉９の遠心力による予圧の増加は、上記した予圧適正化効果を損なう要因となるので、その玉９には密度の小さい材料を用いるのが望ましい。この観点から、玉９の材料としては、例えばセラミックス、とくに窒化けい素やβサイアロン（Ｓｉ6-Z ＡｌZ ＯZ Ｎ8-Z ）が好適である。
【００３３】
この玉軸受５の潤滑方式としては、エアオイル潤滑、オイルミスト潤滑、グリース潤滑などの潤滑方式を適用することが可能であるが、スピンドル装置１の主軸構造を簡素化するという観点からは、付属部品や付帯設備の不要なグリース潤滑の採用が最も好ましい。グリース潤滑を採用する場合、グリースの飛散を防止するために、固定側軌道輪となる外輪８に非接触型のシール（図示せず）を設けても良い。
【００３４】
図３はこの発明の他の実施形態を示す。この実施形態の玉軸受５は、図２の実施形態における外輪８の軌道面８ａを、円すい面に替えて断面の輪郭が凹状曲線の曲面としたものである。すなわち、前記凹状曲線の回転体形状の軌道面８ａとされている。この場合にもその軌道面８ａはリア側に向けて拡径するように形成される。軌道面８ａの断面の輪郭となる凹状曲線は、この例では円弧または円弧状の曲線としているが、変曲点を有しない凹状曲線であれば良い。
この場合の外輪軌道面８ａの曲面は、具体的には、静止状態での玉９の外輪軌道面８ａへの接点から玉９の中心を通る線分Ｐが主軸３の軸心と交わる点Ｏ’を中心とし、その中心Ｏ’から前記接点までの距離ｒを半径とする球面としている。この場合の玉９の接触角θは、先の実施形態の場合と同様にｔａｎ-1（Ｌ／Ｒ）に設定される。その他の構成は先の実施形態の場合と同様である。
【００３５】
図２の実施形態のように外輪軌道面８ａが円すい面である場合、玉９と外輪軌道面８ａの接触面は転動方向に長軸を有する楕円形となる。このとき、接触面は潤滑油膜で分離されているが、接触面内の潤滑油は転がりと直交する方向に漏れやすくなり、油膜が薄くなる。これに対して、外輪軌道面８ａを球面としたこの実施形態（図３の実施形態）では、接触面が真円形となるので、前記潤滑油の漏れを低減することができる。また、外輪８と玉９の接触面圧を、外輪軌道面８ａを円すい面とした図２の実施形態の場合と比較した場合、外輪軌道面８ａを球面としたこの実施形態の方が低面圧となり、それだけ転動疲労寿命が長くなる。
【００３６】
玉軸受５の外輪軌道面８ａは、予圧増加防止の観点からは図２に示す実施形態のように円すい面とするのが最適であるが、最適な円すい面に近い形状であれば同様の予圧増加防止効果が期待でき、この実施形態のように球面としてもその効果が著しく損なわれることはない。
【００３７】
また、この実施形態では、外輪軌道面８ａを主軸３の軸心上に中心Ｏ’を持つ球面としたが、曲率半径の中心がハウジング２側ではなく主軸３の軸心側にあるような曲面、つまり断面の輪郭が凹状曲線となるような曲面であれば、その他の曲面であっても同様の効果を上げることができる。
【００３８】
図４はさらに他の実施形態の玉軸受を用いた工作機械用スピンドル装置の断面図を示し、図５はその玉軸受の一部の断面図を示す。この実施形態の玉軸受５は、図１および図２の実施形態において、外輪８の軌道面８ａが、従来の深溝玉軸受あるいはアンギュラ玉軸受と同様の、断面円弧状または断面ゴシックアーチ状の溝状に形成され、内輪７の軌道面７ａがリア側に向けて拡径する円すい面とされている。
【００３９】
この場合、図４のように、内輪軌道面７ａの玉９が接する接点の軸方向位置から、常温時におけるフロント側の軸受列４の軸方向中央位置Ｏまでの距離をＬとし、前記接点から主軸３の軸心までの距離をＲとしたとき、円すい面からなる内輪軌道面７ａの傾斜勾配ｂは、
ｂ＝Ｒ／Ｌ …………（３）
とされている。
このときの玉９の接触角θは、
θ＝ｔａｎ-1（Ｌ／Ｒ） …………（４）
となる。
【００４０】
この実施形態の場合にも、外輪軌道面８ａを円すい面とした図１および図２に示す実施形態の場合と同様の効果を上げることができる。すなわち、きわめて簡単な構造の玉軸受５でありながら、これをリア側軸受として用いることにより、主軸３の高速回転時においてもリア側軸受の予圧を適正に保つことができ、発熱や損傷を生じさせることなく運転することができる。
【００４１】
図６はこの発明のさらに他の実施形態を示す。この実施形態の玉軸受５は、図５の実施形態における内輪７の軌道面７ａを、円すい面に替えて断面の輪郭が凹状曲線となった曲面としたものである。この場合にもその軌道面７ａはリア側に向けて拡径するように形成される。
この場合の内輪軌道面７ａの曲面は、具体的には、その断面の輪郭を、静止状態での玉９の内輪軌道面７ａへの接点から玉９の中心を通る線分Ｑ上の任意の位置Ｏ”を中心とし、その中心Ｏ”から前記接点までの距離ｒを半径とする円弧状としたものである。この場合の玉９の接触角θは、図５の実施形態の場合と同様にｔａｎ-1（Ｌ／Ｒ）に設定される。その他の構成は図５の実施形態の場合と同様である。なお、軌道面７ａの断面の輪郭となる凹状曲線は、上記のように円弧状の曲線としているが、変曲点を有しない凹状曲線であれば良い。
【００４２】
図５の実施形態のように内輪軌道面７ａが円すい面である場合、玉９と内輪軌道面８ａの接触面は転動方向に長軸を有する楕円形となるが、内輪軌道面７ａを断面の輪郭が円弧状となった曲面としたこの実施形態では、接触面が楕円比の大きな楕円となり、より潤滑性が向上する。また、内輪７と玉９の接触面圧を、内輪軌道面７ａを円すい面とした図５の実施形態の場合と比較した場合、内輪軌道面７ａを断面の輪郭が円弧状となった曲面としたこの実施形態の方が低面圧となり、それだけ転動疲労寿命が長くなる。
【００４３】
上記した各実施形態の玉軸受５における内輪軌道面７ａや外輪軌道面８ａでの潤滑油の漏れは、軌道面７ａ，８ａに周方向に延びる微細な溝（図示せず）を設けることによっても低減することができる。この微細溝は仕上げ加工時の砥石の加工目によって与えても良いし、レーザやエッチング、ブラストなどによって与えても良い。
【００４４】
また、上記した各実施形態において、リア側軸受となる玉軸受５への予圧付与では、例えば図７に示すように、その玉軸受５の内輪７に隣接して、軸方向位置調整用の間座１０を設け、その間座１０の幅寸法を選択設定することにより予圧調整を行っても良い。図７では、内輪７に隣接して軸方向位置調整用の間座１０を設けたが、外輪８に隣接して同様の間座を設けても良い。
【００４５】
また、他の予圧調整方法として、例えば図８に示すように、玉軸受５の内輪７の内径面をフロント側に向けて拡径する円すい面とすると共に、この内輪７に嵌合する主軸３の外径面を内輪７の内径面に沿う円すい面として、内輪固定ナット１５で内輪７をフロント側へ押し込むことで得られる内輪７の半径方向への膨張によって予圧調整を行うようにしても良い。
【符号の説明】
【００４６】
１…スピンドル装置
３…主軸
４…軸受列
４Ａ〜４Ｄ…転がり軸受
５…玉軸受
７…内輪
８…外輪
７ａ，８ａ…軌道面
９…玉
１０…間座
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内輪と外輪の軌道面間に複数の玉が介在する玉軸受であって、内輪および外輪の軌道面のうちいずれか一方の軌道面を溝状とすると共に、他方の軌道面を円すい面、または断面の輪郭が凹状曲線の曲面としたことを特徴とする玉軸受。
【請求項２】
請求項１において、玉軸受が工作機械のスピンドル装置における主軸のリア側部分を支持する工作機械用玉軸受であって、前記円すい面または曲面とした軌道面がリア側に向けて拡径する玉軸受。
【請求項３】
請求項２において、前記内輪の軌道面を溝状とし、前記外輪の軌道面を円すい面とし、この円すい面の勾配ａを、
ａ＝Ｒ／Ｌ
とし、
前記玉の接触角θを、
θ＝ｔａｎ-1（Ｌ／Ｒ）
ただし、Ｌ：外輪の玉との接点の軸方向位置から、前記主軸のフロント側部分を支持する軸受列の軸方向中央位置までの距離
Ｒ：前記接点から軸中心までの距離
とした玉軸受。
【請求項４】
請求項２において、前記内輪の軌道面を溝状とし、前記外輪の軌道面を曲面とし、この曲面を、前記玉の前記外輪の軌道面への接点から玉の中心を通る線分が軸中心と交わる点を中心とし、その中心から前記接点までの距離を半径とする球面とし、
前記玉の接触角θを、
θ＝ｔａｎ-1（Ｌ／Ｒ）
ただし、Ｌ：外輪の玉との接点の軸方向位置から、前記主軸のフロント側部分を支持する軸受列の軸方向中央位置までの距離
Ｒ：前記接点から軸中心までの距離
とした玉軸受。
【請求項５】
請求項２において、前記外輪の軌道面を溝状とし、前記内輪の軌道面を円すい面とし、この円すい面の勾配ｂを、
ｂ＝Ｒ／Ｌ
とし、
前記玉の接触角θを、
θ＝ｔａｎ-1（Ｌ／Ｒ）
ただし、Ｌ：内輪の玉との接点の軸方向位置から、前記主軸のフロント側部分を支持する軸受列の軸方向中央位置までの距離
Ｒ：前記接点から軸中心までの距離
とした玉軸受。
【請求項６】
請求項２において、前記外輪の軌道面を溝状とし、前記内輪の軌道面を曲面として、その曲面の断面の輪郭を、前記玉の前記内輪の軌道面への接点から玉の中心を通る線分上の任意の位置を中心とし、その中心から前記接点までの距離を半径とする円弧状とし、 前記玉の接触角θを、
θ＝ｔａｎ-1（Ｌ／Ｒ）
ただし、Ｌ：内輪の玉との接点の軸方向位置から、前記主軸のフロント側部分を支持する軸受列の軸方向中央位置までの距離
Ｒ：前記接点から軸中心までの距離
とした玉軸受。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項において、前記円すい面または曲面とした軌道面に周方向に延びる微細溝を設けた玉軸受。
【請求項８】
請求項７において、前記微細溝が、仕上げ加工での砥石の加工目である玉軸受。
【請求項９】
請求項７において、前記微細溝を、レーザ加工により付与した玉軸受。
【請求項１０】
請求項７において、前記微細溝を、エッチング加工により付与した玉軸受。
【請求項１１】
請求項７において、前記微細溝を、ブラスト加工により付与した玉軸受。
【請求項１２】
請求項２ないし請求項１１のいずれか１項において、前記外輪および内輪のいずれか一方または両方に隣接して、軸方向位置調整用の間座を設けた玉軸受。
【請求項１３】
請求項２ないし請求項１１のいずれか１項において、前記内輪の内径面をフロント側に向けて拡径する円すい面とすると共に、この内輪に嵌合する軸外径面を前記円すい面に沿う円すい面とした玉軸受。
【請求項１４】
請求項１ないし請求項１３のいずれか１項において、前記玉をセラミックス製とした玉軸受。
【請求項１５】
請求項１４において、前記玉が窒化けい素からなる玉軸受。
【請求項１６】
請求項１４において、前記玉がβサイアロンからなる玉軸受。
【請求項１７】
請求項１ないし請求項１５のいずれか１項において、玉軸受の潤滑方式がグリース潤滑である玉軸受。
【請求項１８】
請求項１ないし請求項１７のいずれか１項において、前記外輪に非接触シールを設けた玉軸受。
【請求項１９】
請求項１ないし請求項１８のいずれか１項に記載の玉軸受を、主軸のリア側部分の支持に用いたことを特徴とする工作機械のスピンドル装置。
【請求項１】
内輪と外輪の軌道面間に複数の玉が介在する玉軸受であって、内輪および外輪の軌道面のうちいずれか一方の軌道面を溝状とすると共に、他方の軌道面を円すい面、または断面の輪郭が凹状曲線の曲面としたことを特徴とする玉軸受。
【請求項２】
請求項１において、玉軸受が工作機械のスピンドル装置における主軸のリア側部分を支持する工作機械用玉軸受であって、前記円すい面または曲面とした軌道面がリア側に向けて拡径する玉軸受。
【請求項３】
請求項２において、前記内輪の軌道面を溝状とし、前記外輪の軌道面を円すい面とし、この円すい面の勾配ａを、
ａ＝Ｒ／Ｌ
とし、
前記玉の接触角θを、
θ＝ｔａｎ-1（Ｌ／Ｒ）
ただし、Ｌ：外輪の玉との接点の軸方向位置から、前記主軸のフロント側部分を支持する軸受列の軸方向中央位置までの距離
Ｒ：前記接点から軸中心までの距離
とした玉軸受。
【請求項４】
請求項２において、前記内輪の軌道面を溝状とし、前記外輪の軌道面を曲面とし、この曲面を、前記玉の前記外輪の軌道面への接点から玉の中心を通る線分が軸中心と交わる点を中心とし、その中心から前記接点までの距離を半径とする球面とし、
前記玉の接触角θを、
θ＝ｔａｎ-1（Ｌ／Ｒ）
ただし、Ｌ：外輪の玉との接点の軸方向位置から、前記主軸のフロント側部分を支持する軸受列の軸方向中央位置までの距離
Ｒ：前記接点から軸中心までの距離
とした玉軸受。
【請求項５】
請求項２において、前記外輪の軌道面を溝状とし、前記内輪の軌道面を円すい面とし、この円すい面の勾配ｂを、
ｂ＝Ｒ／Ｌ
とし、
前記玉の接触角θを、
θ＝ｔａｎ-1（Ｌ／Ｒ）
ただし、Ｌ：内輪の玉との接点の軸方向位置から、前記主軸のフロント側部分を支持する軸受列の軸方向中央位置までの距離
Ｒ：前記接点から軸中心までの距離
とした玉軸受。
【請求項６】
請求項２において、前記外輪の軌道面を溝状とし、前記内輪の軌道面を曲面として、その曲面の断面の輪郭を、前記玉の前記内輪の軌道面への接点から玉の中心を通る線分上の任意の位置を中心とし、その中心から前記接点までの距離を半径とする円弧状とし、 前記玉の接触角θを、
θ＝ｔａｎ-1（Ｌ／Ｒ）
ただし、Ｌ：内輪の玉との接点の軸方向位置から、前記主軸のフロント側部分を支持する軸受列の軸方向中央位置までの距離
Ｒ：前記接点から軸中心までの距離
とした玉軸受。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項において、前記円すい面または曲面とした軌道面に周方向に延びる微細溝を設けた玉軸受。
【請求項８】
請求項７において、前記微細溝が、仕上げ加工での砥石の加工目である玉軸受。
【請求項９】
請求項７において、前記微細溝を、レーザ加工により付与した玉軸受。
【請求項１０】
請求項７において、前記微細溝を、エッチング加工により付与した玉軸受。
【請求項１１】
請求項７において、前記微細溝を、ブラスト加工により付与した玉軸受。
【請求項１２】
請求項２ないし請求項１１のいずれか１項において、前記外輪および内輪のいずれか一方または両方に隣接して、軸方向位置調整用の間座を設けた玉軸受。
【請求項１３】
請求項２ないし請求項１１のいずれか１項において、前記内輪の内径面をフロント側に向けて拡径する円すい面とすると共に、この内輪に嵌合する軸外径面を前記円すい面に沿う円すい面とした玉軸受。
【請求項１４】
請求項１ないし請求項１３のいずれか１項において、前記玉をセラミックス製とした玉軸受。
【請求項１５】
請求項１４において、前記玉が窒化けい素からなる玉軸受。
【請求項１６】
請求項１４において、前記玉がβサイアロンからなる玉軸受。
【請求項１７】
請求項１ないし請求項１５のいずれか１項において、玉軸受の潤滑方式がグリース潤滑である玉軸受。
【請求項１８】
請求項１ないし請求項１７のいずれか１項において、前記外輪に非接触シールを設けた玉軸受。
【請求項１９】
請求項１ないし請求項１８のいずれか１項に記載の玉軸受を、主軸のリア側部分の支持に用いたことを特徴とする工作機械のスピンドル装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−１３２９９８（Ｐ２０１１−１３２９９８Ａ）
【公開日】平成２３年７月７日（２０１１．７．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２９１５８８（Ｐ２００９−２９１５８８）
【出願日】平成２１年１２月２３日（２００９．１２．２３）
【出願人】（０００１０２６９２）ＮＴＮ株式会社 (9,006)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年７月７日（２０１１．７．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月２３日（２００９．１２．２３）
【出願人】（０００１０２６９２）ＮＴＮ株式会社 (9,006)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]