JP2000104742A - ボールねじ支持用転がり軸受 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ボールねじ支持用軸受の転がり疲労寿命の向
上 【解決手段】 内輪１２、外輪１３、及びボール１４
は、重量％で、Ｃ０．４〜０．８％、ＳｉＯ０．４〜
０．９％、Ｍｎ０．７〜１．３％、Ｃｒ０．５％以下、
好ましくはＣｒ０．３％以下と、残部にＦｅ及び不可避
的不純物とを含有する鋼で形成され、これら部品の表面
に、残留オーステナイト量２０〜４０％、ロックウエル
硬さＨＲＣ５８以上の浸炭窒化層Ｓが形成されている

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、工作機械の送り駆
動部等に使用されるボールねじを支持する転がり軸受に
関する。

【０００２】

【従来の技術】ボールねじは回転運動を直線運動に変換
する機能を有し、各種の往復駆動機構に採用されてい
る。例えば、図３に示すテーブル駆動機構では、ボール
ねじのねじ軸１の両端を固定側サポートユニット２及び
支持側サポートユニット３を介してベース４上に支持す
ると共に、ボールナット５をブラケット６を介してテー
ブル７に連結している。そして、ねじ軸１を図示されて
いないカップリングを介してモータに連結し、ねじ軸１
を回転させることによってボールナット５と伴にテーブ
ル７を軸方向に移動させる。

【０００３】ねじ軸１の回転は、サポートユニットの転
がり軸受によって回転自在に支持されるが、ねじ軸１に
はラジアル荷重のみならず、テーブル７の軸方向移動に
伴うスラスト荷重が作用するので、固定側サポートユニ
ット２にスラストアンギュラ玉軸受１１を使用して、ス
ラスト荷重を支持可能にしている。支持側サポートユニ
ット３には、通常、深溝玉軸受１０を使用している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】例えば、工作機械の送
り駆動部に使用されるボールねじは、近年の送り速度の
高速化により支持用軸受に加わる荷重が大きくなり、ま
た、ボールねじ自体の発熱による熱膨張をより小さくし
て高精度の位置決めを達成するために、ボールねじに付
与する予圧量を大きくする傾向にある。これらの事情に
より、ボールねじの支持用軸受の負荷が増大し、その転
がり疲労寿命が短くなる傾向にある。

【０００５】上記の問題は支持用軸受の負荷容量をアッ
プすることによって解決することができ、そのための手
段として、軸受サイズのアップ、軸受内部の仕様変更、
軸受使用個数の増加が考えられる。

【０００６】しかし、軸受サイズのアップは機械本体の
構造変更を伴うので経済的でなく、また、補修品との互
換性がなくなるのでメインテナンス作業の煩雑化につな
がる。さらに、一般に転動体径が大きくなるので、軸受
内部発熱や軸受トルクが増大するという問題もある。

【０００７】また、軸受内部の仕様変更は、機械本体の
構造変更や部品の互換性の問題はないが、一般に転動体
径を大きくすることで負荷容量アップを達成するので、
軸受内部発熱や軸受回転トルクが増大するという問題が
ある。

【０００８】また、軸受使用個数の増加は、軸受配置ス
ペースの増大、それによる機械本体の構造変更、部品点
数の増大になるので経済的でない。

【０００９】本発明は、ボールねじ支持用軸受のサイズ
アップ、内部仕様変更、使用個数増加を伴うことなく、
その転がり疲労寿命を高め、近年の高速化、高精度化の
要求への対応を可能にしようとするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、ボールねじのねじ軸をハウジングに対し
て回転自在に支持するボールねじ支持用転がり軸受にお
いて、少なくとも軌道輪の表面に浸炭窒化層を有する構
成を提供する。

【００１１】上記表面に浸炭窒化層を形成したのは次の
理由による。通常の浸炭により得られる浸炭層の残留オ
ーステナイトは、き裂の発生や進展を抑え、また使用中
に加工硬化（強化）するので、これを適度に含むことで
強靭な材質にすることができるが、熱に対しては不安定
である。これに対し、適切な条件での窒素を複合させる
と、窒素の侵入により残留オーステナイトや基地（マト
リックス）のマルテンサイトが熱に対して安定となり、
変化しにくい材質になると共に、適当量の炭化物が析出
し、割れ強度を下げることなく、疲労強度を高めること
ができる。浸炭窒化層は、内輪と外輪の何れか一方に形
成し、あるいは双方に形成し、さらには転動体に形成し
ても良い。

【００１２】浸炭窒化層を形成する軸受部品は、軸受鋼
（ＳＵＪ１、ＳＵＪ２、ＳＵＪ３、ＳＵＪ４、ＳＵＪ
５）で形成しても良いが、重量％で、Ｃ０．４〜０．８
％、ＳｉＯ０．４〜０．９％、Ｍｎ０．７〜１．３％、
Ｃｒ０．５％以下と、残部にＦｅ及び不可避的不純物と
を含有する鋼で形成し、かつ、浸炭窒化層の残留オース
テナイト量を２０〜４０％とするのが好ましい。

【００１３】例えば、軌道輪を上記組成の鋼を用いて冷
間加工（冷間鍛造や冷間ローリング等）により所定形状
に成形し、次いで、浸炭窒化処理による浸炭窒化層を形
成しながら、その最後に焼入れして浸炭窒化層を、基地
がマルテンサイト組織でかつ適度の残留オーステナイト
を含む表面硬化層とし、その後低温で焼戻しをして、浸
炭窒化層の残留オーステナイト量を２０〜４０％の範囲
に調整する。

【００１４】０．４〜０．８％Ｃの範囲としたのは次の
理由による。すなわち、Ｃ含有量が０．８％Ｃを超える
と、焼きならし材が硬くて、軌道輪成形時の冷間加工性
を阻害し、冷間鍛造等の場合は充分な加工量が得られな
い。特に、Ｃ含有量を０．６％Ｃ以下とするのが冷間加
工性の点から好ましい。一方、Ｃ含有量が０．４％Ｃ未
満であると、所要の表面硬さと残留オーステナイト量を
確保するのに長時間の浸炭処理を要する。

【００１５】鋼中のＣｒは、製鋼原料及び製鋼法により
決まる程度の不純物として含まれるが、添加する場合で
も０．５％Ｃｒ以下の含有量とする。Ｃｒ含有量を０．
５％Ｃｒ以下とするのは、Ｃｒ炭窒化物の生成に消費さ
れるＮ含有量を低減し、表面硬化層の残留オーステナイ
トの生成に要する浸炭窒化温度での基地中の固溶Ｎ量
を、短時間の浸炭窒化処理で高めるためであり、さら
に、Ｃｒ添加量の低減による材料コスト低減を図るため
である。Ｃｒ含有量は好ましくは０．３％Ｃｒ以下が良
く、特に製鋼原料から混入するＣｒ量を考慮し、０．０
２〜０．３％Ｃｒの含有量とするのが良い。

【００１６】鋼中のＭｎの含有量は、０．７〜１．３％
Ｍｎの範囲とする。Ｍｎの添加により浸炭窒化層と芯部
の焼入れ硬化能を確保するためで、０．７％Ｍｎ未満で
は、Ｃｒ含有量を低減したことによる焼入れ性向上効果
が減少し、１．３％Ｍｎを超えると、冷間加工性を阻害
し、Ｍｎがオーステナイトを安定化させて芯部の残留オ
ーステナイト量が増加するので、寸法安定性に好ましく
ない影響を与える。

【００１７】鋼中のＳｉの含有量を０．４〜０．９％Ｓ
ｉの範囲とするのは、Ｓｉが耐焼戻し軟化抵抗性を上げ
て耐熱性を確保し、転がり疲労寿命を改善するからであ
る。０．４％Ｓｉ未満では、寿命改善の効果が期待でき
ず、０．９％Ｓｉを超えると、焼ならし材を硬くして冷
間加工性を阻害する。

【００１８】その他の不純物として、Ｐ、Ｓ、Ｏの含有
量は極力低くするが、特に酸化物系介在物を低減して、
浸炭窒化層の介在物回りの応力集中に伴う寿命への影響
をなくすために、Ｏ含有量は１５ｐｐｍ以下に低減する
必要がある。

【００１９】上記組成の鋼で軌道輪を形成して浸炭窒化
すると、表面にＣおよびＮの含有量の高い浸炭窒化層が
形成される。Ｃｒ含有量が低減されているので、浸炭窒
化過程で、Ｃと特にＮの表面への拡散濃縮は速やかに進
行し、浸炭窒化処理時間の短縮に有効である。この濃化
したＮは、焼入れ過程のＭｓ点を低下させて、オーステ
ナイトを安定させるので、焼入れ後には浸炭窒化層の焼
入れ組織中に多量のオーステナイトが残留する。これを
２００°Ｃ以下の低温で焼戻して、表面硬さＨＲＣ５８
以上、好ましくはＨＲＣ６０以上の表面硬化層とし、最
終的にその残留オーステナイト量を２０〜４０％にす
る。ここで、「ＨＲＣ」はロックウェル硬さのＣスケー
ルを表している。

【００２０】浸炭窒化層中に分散する残留オーステナイ
トのオーステナイト粒が、圧痕形成等の応力に対して容
易に塑性変形して表面硬化層での応力集中を緩和し、き
裂伝播を遅延させ、転がり疲労寿命を改善する。残留オ
ーステナイト量が２０％未満では、転がり疲労寿命の改
善が充分になされず、４０％を超えると、浸炭窒化層の
硬さが低下して耐摩耗性が低下するので適当でない。

【００２１】一方、芯部の硬度は材料の適度な靭性を確
保すると共に、表面層に圧縮応力を形成するために、Ｈ
ＲＣ５８未満、好ましくはＨＲＣ４０〜５８未満とす
る。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
説明する。

【００２３】図２は、図３に示すテーブル駆動機構の固
定側サポートユニット２の周辺部を示している。このサ
ポートユニット２は、正面組み合わせで配置された一対
のスラストアンギュラ玉軸受１１を備えている。各玉軸
受１１の内輪１２はねじ軸１に嵌合され、スリーブ２１
を介してロックナット２２で軸方向に締付けて固定され
る。外輪１３はハウジング２３に嵌合され、側蓋２４に
より固定される。尚、符号２５はシールを示している。

【００２４】図１は、固定側サポートユニット２に組み
込まれるスラストアンギュラ玉軸受１１を例示してい
る。この玉軸受１１は、ねじ軸１に固定される内輪１２
と、ハウジング２３に固定される外輪１３と、内輪１２
の軌道面と外輪１３の軌道面との間に転動自在に配さ
れ、両軌道面とそれぞれアンギュラコンタクトする複数
のボール１４と、ボール１４を円周所定間隔に保持する
保持器１５とを備えている。内輪１２の一端側および外
輪１３の他端側には、それぞれカウンタボアが設けられ
ている。

【００２５】内輪１２、外輪１３、及びボール１４は、
重量％で、Ｃ０．４〜０．８％、好ましくはＣ０．４〜
０．６％、ＳｉＯ０．４〜０．９％、Ｍｎ０．７〜１．
３％、Ｃｒ０．５％以下、好ましくはＣｒ０．３％以下
と、残部にＦｅ及び不可避的不純物とを含有する鋼で形
成され、これら部品の表面に、残留オーステナイト量２
０〜４０％、ロックウエル硬さＨＲＣ５８以上、好まし
くはＨＲＣ６０以上の浸炭窒化層Ｓが形成されている
（図２鎖線円内）。

【００２６】浸炭窒化層Ｓの深さは、ボール１４の直径
に対して０．０２以上とし、また、芯部Ｔの硬さは、材
料の適度な靭性を確保すると共に、表面層Ｓに圧縮応力
を形成するために、ロックウェル硬さＨＲＣ５８未満、
好ましくはＨＲＣ４０〜５８未満としている。尚、浸炭
窒化層Ｓは、少なくとも内輪１２又は外輪１３の軌道面
に形成すれば良い。また、支持側サポートユニット３の
深溝玉軸受１０について、上述した構成を適用しても良
い。

【００２７】

【実施例】表１に示す化学組成の鋼種Ａ〜Ｅ用いて内
輪、外輪、ボールを冷間加工により成形し、下記の熱処
理を行って、図１に示す形態の実施例軸受を製作した。

【００２８】浸炭窒化処理：８８０°Ｃ×４０ｍｉｎの
浸炭窒化の後、１００°Ｃ油中焼入れ。

【００２９】上記の浸炭窒化処理の後、１８０°Ｃ×２
ｈ焼戻し。

【００３０】

【表１】

【００３１】そして、各実施例軸受を試験機にセット
し、ラジアル荷重を負荷し、ＶＧ５６タービン油（清浄
油）の循環給油の下で回転させて１０％寿命を求めた。
また、ＳＵＳＪ２鋼の焼入れ・焼戻し処理をした従来軸
受についても同様の条件で１０％寿命を求めた。表１に
は、上記従来軸受の１０％寿命を１として、各実施例軸
受の１０％寿命を比率で示してある。

【００３２】表１に示すように、実施例軸受は従来軸受
に比べて１．５倍以上の長寿命を示し、特に鋼種Ａ、
Ｂ、Ｃを用いた場合では２倍以上の長寿命を示した。

【００３３】

【発明の効果】本発明によれば、ボールねじ支持用軸受
のサイズアップ、内部仕様変更、使用個数増加を伴うこ
となく、その転がり疲労寿命を高め、近年の高速化、高
精度化の要求への対応を可能にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例に係わる玉軸受を示す断面図である。

【図２】図３のテーブル駆動機構における固定側サポー
トユニットの周辺部を示す断面図である。

【図３】ボールねじを用いたテーブル駆動機構を示す断
面図である。

【符号の説明】

１ ねじ軸 １０ 玉軸受 １１ 玉軸受 Ｓ 浸炭窒化層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3J101 AA02 AA42 AA54 AA62 BA10 BA70 DA02 EA02 FA31 GA31 GA60 4K028 AA03 AB01 AB06

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ボールねじのねじ軸をハウジングに対し
   て回転自在に支持するボールねじ支持用転がり軸受にお
   いて、 少なくとも軌道輪の表面に浸炭窒化層を有するボールね
   じ支持用転がり軸受。
2. 【請求項２】 少なくとも上記軌道輪が、重量％で、Ｃ
   ０．４〜０．８％、ＳｉＯ０．４〜０．９％、Ｍｎ０．
   ７〜１．３％、Ｃｒ０．５％以下と、残部にＦｅ及び不
   可避的不純物とを含有する鋼で形成され、かつ、上記浸
   炭窒化層の残留オーステナイト量が２０〜４０％である
   請求項１記載のボールねじ支持用転がり軸受。
3. 【請求項３】 上記浸炭窒化層の硬さがＨＲＣ５８以上
   で、芯部の硬さがＨＲＣ５８未満である請求項２記載の
   ボールねじ支持用転がり軸受。