JP2001510539A - レーザー溶接されたベアリング及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 このバイメタルのスリーブ状ベアリング（１０）は、レーザーで溶接された軸芯方向の継ぎ目（１７）を備えているために、スリーブの軟質の内層（１４）と硬質の外層（１２）の双方ともに、内部或いは表面の亀裂が無く、連続的で均質である。２本の継ぎ目（１６）は、外層の内面中に軸芯方向の溝（２９）を形成するように、切断され、突き合わされている。レーザー溶接の操作中には、融けた材料が内層から溝（２９）に流れ、亀裂の無いベアリング（１０）用のライニングが形成される。

Description

【発明の詳細な説明】 レーザー溶接されたベアリング及びその製造方法 発明の背景 発明の分野 本発明は、レーザーで溶接されたスリーブ状ベアリングに関し、具体的には、 カムシャフト用ベアリングとして適用しうる、外側の鋼製補強層と内側の軟質金 属製負荷ベアリング層を備えるバイメタルのスリーブ状ベアリングに関する。従来技術の説明 スリーブ状ベアリング及びブッシングは、通常、比較的硬い外側の支持層と、 内側の柔軟な負荷ベアリング層とで形成されている。外層は一般に鋼で形成され る。内層は、アルミニウム、スズ、鉛、銅、ケイ素、および他の合金用元素を含 む、種々の合金で形成することができる。内層に使用される合金は、形状適合性 、親油性、耐捕獲性、耐磨耗性、および疲労抵抗などの、種々の好ましい特性を 発揮するものである。 通常、これらのスリーブ状ベアリングを形成するには、先ず、熱と圧力、或い は急冷鋳造法を用いて、２枚の平坦な帯状片同士を結合して、バイメタルの帯状 材料を作る。次に、バイメタルの帯状片を筒状に湾曲させた後、筒の軸芯方向の 出合ったエッジ同士を溶接して、スリーブ状ベアリングを形成する。 米国特許第４，７５１，７７７号明細書は、スリーブ状ベアリング及びブッシ ングを形成するためのプロセスを開示しており、ここでは、スリーブ状ベアリン グを形成するために、軸芯方向の出合ったエッジ同士を溶接している。ベアリン グ面が溶接操作によって損なわれることのないように、外側の鋼鉄の層のみがレ ーザーで溶融されるように、レーザー溶接が用いられている。 米国特許第４，７５１，７７７号明細書に記載されたプロセスでは、内側のベ アリング面にベアリングの全長に延びる軸芯方向の亀裂がある。このような亀裂 は、異物を収集する可能性があり、ベアリングの欠陥を招くおそれがある。 また、溶接された接合部で出合っているエッジ同士が正確に揃っていない場合 、前述の亀裂により、小さな出っ張りが形成される可能性がある。このような出 っ張りにより、ベアリングに早期に磨耗し易いスポットが形成されることがある 。 さらに、施工業者やエンドユーザーは、一般に、ベアリング面に亀裂が存在する ことは望ましくないと考えている。 米国特許第４，０４４，４４１号明細書は、２個の半円筒形部分を、１８０度 だけ離間した２本の溶接線、すなわち、スリーブの軸芯に沿って延びる径方向の 面上の２本の溶接線に沿って溶接して形成したバイメタルのスリーブ状ベアリン グを示している。しかしこの構成によると、軸芯方向に延びる２本の亀裂がベア リング面に形成され、米国特許第４，７５１，７７７号の構成が有するのと同じ 不都合が生じる。 発明の要約 本発明の目標は、連続しており亀裂と表面欠陥の無いベアリング面が得られる ように、単一の湾曲したバイメタルの帯状片から形成されたバイメタルのスリー ブ状ベアリングを得ることにある。亀裂の無いベアリング面は、前述したスリー ブ状ベアリングに付随する問題を排除する。 本発明のベアリングは、ベアリングスリーブの周方向の寸法に応じた長さで切 断された、単一のバイメタルの帯状片から形成される。帯状片を切断する操作は 、切断ブレードにより先ずベアリング層をスライスし、次に鋼鉄層に達するよう にする。切り取られる帯状片のエッジ領域は、ブレードの動きによって移動させ られるため、軟質のベアリング層のエッジは、面取り部を有し、鋼鉄層のエッジ は、突出したフランジまたはバリを有する。 切り取られたバイメタルの帯状片を円筒状の筒形状に曲げた後、帯状片の隣接 し合うエッジ同士をレーザーで溶接して、スリーブ状ベアリングが形成される。 溶接の操作中は、帯状片の互いに出合った面取りされたエッジ上の軟質金属材 料は、鋼製の帯状片の面取りされたエッジ領域に沿って形成された狭い溝内に融 けて流れ込む。この作用は、さもなければベアリングのベアリング面上に形成さ れると思われる軸芯方向の亀裂を、除去または防止する。ベアリングの内面は殆 ど連続的で亀裂が無い。 スリーブ状ベアリングの内面と外面は、特に溶接線または接合部に沿って、円 滑な表面形状が提供されるように機械加工される。 本発明の目標は、単一のバイメタルの帯状片から形成された、スリーブの内面 と外面に沿って目に見える軸芯方向の亀裂が存在しないバイメタルのスリーブ状 ベアリングを得ることにある。本発明の具体的な特徴と利点は、添付された図面 と、本発明について解説した実施形態の記載によって明らかであろう。 前述した本発明の目標、特徴および利点は、下記の本発明に関するより詳細な 説明と、この説明に不可欠な添付図面とに詳細に示され、また明白となると思う 。 図面の簡単な説明 図１は、本発明に基いて設計されたバイメタルのスリーブ状ベアリングの斜視 図である。 図２は、帯状片切断操作中における切断ブレードとバイメタルの帯状片の部分 断面図である。切り取られた帯状片は、本発明におけるスリーブ状ベアリングを 形成するために使用できる。 図３は、切り取られた複数のバイメタルの帯状片を、筒状のスリーブ形状に湾 曲した状態を示す図である。 図４〜図６は、帯状片が図３の筒状の形状である時に、バイメタルの帯状片の 端部同士を付き合わせることによって形成されたジョイントまたは接合部の部分 拡大図である。 図４は、レーザー溶接前のジョイントを示す。 図５は、溶接操作後のジョイントを示す。 図６は、筒またはスリーブの内面と外面が機械加工された後のジョイントを示 す。 図７は、図１のスリーブ状ベアリングの側面図であり、レーザー溶接操作中に レーザービームガンがスリーブの長手方向の継ぎ目上を辿った経路を示す。 各図中、類似した符号は類似する部品を示す。 好適実施形態の詳細な説明 図１を参照すると、ここには、外側の環状鋼鉄層１２と、内側の環状負荷ベア リング層またはライニング１４とを含むバイメタルのスリーブ状ベアリングまた はブッシング１０が示されている。ベアリングは、１枚のバイメタルの帯状片を 円筒形に曲げて形成されており、帯状片の軸芯方向のエッジ１６同士は隣接し、 ベアリングの軸芯方向の全長に延びる軸芯方向の継ぎ目１７を形成している。エ ッジ１６同士は、レーザーで溶接されて前記継ぎ目を形成している。 本発明は、特に継ぎ目１７に沿ってスリーブ状ベアリングの内面と外面が連続 的で、目に見える亀裂または不連続性が無いように溶接された継ぎ目１７を形成 し処理するための構成に関している。 図２は、スリーブ状ベアリングの形成に使用可能な平坦なバイメタルの帯状片 ２０を示す。図に示されているように、帯状片は、比較的厚い第１鋼鉄層１２と 、より薄い比較的軟質のベアリング層１４とを含む。負荷ベアリング層は、アル ミニウム、スズ、鉛、銅、および他の合金用元素を含む種々の合金で形成するこ とができる。すなわち、負荷ベアリング層は、鋼の融点よりも実質的に低い融点 を持った公知のバビット材料であるのが良い。 例えば米国特許第３，０７８，５６３号または第２，７６３，０５８号明細書 に記載されているような、種々の異なった手法を用いて、鋼鉄層１２とベアリン グ層１４をラミネートすることができる。 図２は、バイメタルの帯状片によって形成されるスリーブ状ベアリングの周方 向の寸法２１と同一の長さを有するバイメタルの帯状の断片２０を作るために、 下向きに動くブレード２４によって、横方向に切断されつつある、平坦なバイメ タルの帯状片を示す。 まず、ブレード２４がベアリング層１４を、次に鋼鉄層１２を下向きにスライ スする時、ブレードはバイメタルに対して剪断力を発揮するので、ベアリング層 １４の各エッジには面取り部２５が形成され、鋼鉄層１２の各エッジには下方に 突出するフランジ２７が形成される。 ブレード２４の側面は、切断作用によって形成された各エッジに対して加圧さ れた摩擦力を発揮し、これによって、バイメタルのエッジ領域が移動して、面取 り部２５とエッジのフランジ２７が形成される。 バイメタルの帯状断片２０は、図３に示すように、円筒形状に曲げられる。曲 げられた帯状片の隣接し合ったエッジ同士は、図４に示すように、Ｖ字形の溝２ ９を形成している。このＶ字形の溝２９の径方向の深さ寸法は、同溝の幅寸法の 数倍、例えば幅寸法の３倍または４倍である。図４では、溝の深さ寸法は、垂直 または径方向を向いており、溝の幅寸法は、水平、周方向または深さ寸法のと 直交する方向を向いている。 溝２９は、鋼鉄層１２上の面取り部３０によって形成された、外向きに開く開 口部を有する。ブレード２４の切断作用の結果（図２を参照）、ベアリング層１ ４のエッジ領域同士は、面取り部３０と直接接触している。 バイメタルの帯状片を筒状に形成すると、図１および図３に示すように、バイ メタルの帯状片の隣接したエッジによって形成された継ぎ目１７を、レーザー溶 接する。図４では、レーザービームは符号３２で示してある。レーザービームは 、通常、幅または直径３３を有する光エネルギーの円柱形のビームである。 レーザービームが、鋼鉄層１２とベアリング層またはライニング１４を斜めに 下向きに通過すると、ビームによって横断された材料は溶融される。したがって 、鋼鉄層１２の隣接エッジ同士は一緒に融け合って、亀裂または中断の無い、連 続した均一な鋼製層を形成する。また、レーザービームの経路内では、レーザー の熱がライニング１４の材料を揮発または沸騰させる。レーザービームの経路に 接するライニング材料は、融けて、揮発した材料が占めていた空間内に流れ込む 。融けたライニング材料の一部は毛細管作用によってＶ字形の溝２９内に流れ込 む。 図５は、レーザー溶接操作後の継ぎ目１７の状態を示す。ライニング材料１４ は、融けて固まって溝２９を実質的に満たす径方向の突起を有する。ライニング 材料の溝２９内への上向きの流れにより、層１４の露出面内に窪み３５が形成さ れる。 継ぎ目の全長にわたって、図５に示された形状に合わせて均等に溶接されるよ うに、レーザー溶接操作には、継ぎ目１７に沿った長手方向に連続的に移動する ように構成された連続レーザー源を使用しても良い。連続ウエーブのレーザーは 、継ぎ目１７の長さに沿った連続的な溶接を作り出す。この構成の第１の利点は 、均一性と亀裂の無い連続性である。 溶接操作が完了した後、外側の鋼鉄層１２と内層１４の露出面は、図６に示す 状態となるように機械加工される。図６に示すように、鋼鉄層１２の外側の周面 ３７は、軸芯方向に平坦で、周方向には円形であり、ライニング１４の内面３９ は、軸芯方向にほぼ平坦である。実際の機械加工された面３７と３９は、円筒径 で同心状である。 面３７と３９を形成する機械加工は、筒状ベアリングのための固定具を変えず に実施するのが好ましい。各機械加工の間、同じ回転中心を維持することにより 、機械加工された面３７と３９の真の同心性を達成できる。 図６の機械加工されたスリーブ状ベアリングは、種々の寸法と壁面厚さを有す ることができる。 一つの実施形態では、外側鋼鉄層１２は、約２ｍｍ（０．０８インチ）の径方 向の壁面厚さを有し、内側ベアリング層１４は、約０．５ｍｍ（０．０２インチ ）の径方向の壁面厚さを有する。Ｖ字形の溝２９の径方向の深さは、約０．７６ （０．０３インチ）または１ｍｍ（０．０４インチ）、すなわち、鋼鉄層１２の 厚さの約４０または５０％とすることができる。 図７に示すように、レーザービーム３２は、軸芯方向（図４では垂直）に対し て傾斜し、ベアリングの中心軸を向いている。通常、傾斜角度は、ブッシングの 表面および継ぎ目１７の長さ方向に対して約７５度である。レーザービームを傾 斜させる目的は、ビームが融けた鋼鉄材料またはベアリング材料を、継ぎ目から 吹き飛ばすのを防ぐことにある。ビームは、鋼鉄層の双方のエッジを横断するよ うに向けられているので、溶接された材料を消耗することなく、継ぎ目材料の完 全な溶融が達成される。 レーザービームの焦点スポット３３は約６００ミクロンで良い。ビームの強度 は、完全な溶接または溶融が達成されるように、すなわち、外側鋼鉄層１２と内 側ベアリング層１４を貫通するように選択される。 この溶接操作は、米国特許第４，７５１，７７７号及び第４，０４４，４４１ 号明細書に記された構造の特徴である軸芯方向の亀裂を除去するように設計され ている。’７７７号と’４４１号の米国特許の双方において、溶接操作は、ベア リングの外側鋼鉄層のみが融けるように制御される。内側のベアリング層は、そ のまま残されているので、溶接操作後のベアリングの内面には、少なくとも１本 の軸芯方向の亀裂が残る。 本発明は、図６に記された、亀裂の無い、バイメタルのスリーブ状ベアリング 構造を得ることを目標にしている。図６に示されたＶ字形の溝は、融かされたラ イニング材料１４のための貯蔵手段を提供するので、ライニング材料は、より効 果的に継ぎ目１７を接ぐ。溶接されたバイメタルのスリーブの表面が、３７およ び３９のように旋盤などによって機械加工された後は、スリーブは、鋼鉄層１２ 内および負荷ベアリング面３９上に亀裂の無い、スリーブ状ベアリングとして機 能することができる。 上記の教示に照らして、本発明の種々の修正および変形が可能であることは明 らかである。したがって、添付された請求の範囲内において、上記した具体的な 記載以外の方法で、本発明を実施することが可能である。

───────────────────────────────────────────────────── 【要約の続き】

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．外側の環状の比較的硬質の鋼鉄製支持層（１２）、および前記鋼鉄層（１ ２）に結合された内側の環状の比較的軟質の金属製ベアリング層（１４）を備え 、 前記鋼鉄層（１２）は、円筒状の内面を有し、前記円筒状の内面は、ベアリン グ（１０）の軸芯に沿って延びる溝（２９）を有し、 前記内側層（１４）は、前記鋼鉄層（１２）の内面に適合する外面を有し、前記 内側層（１４）は、前記溝（２９）を実質的に満たす径方向の突起（２５）を備 える、バイメタルのスリーブ状ベアリング（１０）。 ２．前記内側のベアリング層（１４）は、連続的で、亀裂または表面不連続性 の無い内側円筒状面（３９）を有する請求項１記載のベアリング（１０）。 ３．前記溝（２９）は、ｖ字形である請求項１記載のベアリング（１０）。 ４．前記ｖ字形の溝（２９）は、前記鋼鉄層（１２）の径方向の厚さの約４０ ％に当たる径方向の深さ寸法を有する請求項３記載のベアリング（１０）。 ５．前記鋼鉄層（１２）は、ベアリング（１０）の全周にわたって実質的に連 続的で中断されていない請求項１記載のベアリング（１０）。 ６．前記内側層（１４）は、ベアリング（１０）の全周にわたって実質的に連 続的で中断されていない請求項５記載のベアリング（１０）。 ７．前記内側のベアリング層（１４）は、負荷ベアリング面（３９）を形成す るために機械加工された円筒状の内面を有し、前記負荷ベアリング面（３９）は 、連続的で亀裂または表面不連続性が無い請求項１記載のベアリング（１０）。 ８．前記鋼鉄層（１２）は、円筒状の外面（３７）を有する請求項１記載のベ アリング（１０）。 ９．前記鋼鉄層（１２）の外面（３７）は、機械加工されている請求項８記載 のベアリング（１０）。 １０．前記溝（２９）の深さ寸法は、幅寸法よりも大きい請求項１記載のベア リング（１０）。 １１．前記溝（２９）は、外側に開いた口（３０）を有する請求項１０記載の ベアリング（１０）。 １２．前記溝（２９）の深さ寸法は、前記溝（２９）の幅寸法の少なくとも３ 倍である請求項１１記載のベアリング（１０）。