JP2005068461A - 接触部材およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 軸受の潤滑性能を向上させるとともに、軸受寿命を向上させる。
【解決手段】 内輪や外輪に機械加工により多数の突起を備える接触面を形成する（ステップＳ３１〜Ｓ３５）。この接触面の突起は油膜を破断する尖端を備えるため、リン酸塩処理によって突起の尖端を浸蝕除去する（ステップＳ３６）。そして、リン酸塩処理に伴って生成された皮膜をクロム酸溶液によって溶解除去する（ステップＳ３７）。これにより、接触面には、先端がなだらかな突起と、突起相互間の油溜まりとが形成されるため、接触面上に安定した油膜を形成することができ、潤滑性能を向上させることができる。しかも、予め皮膜を除去しておくため、剥離した皮膜粉によって軸受寿命を低下させることもない。
【選択図】 図２

Description

本発明は、転動体や軌道輪などの接触部材およびその製造方法に関し、特に、接触面の潤滑性能を高める際に適用して有効な技術に関する。

たとえば、回転軸を備える装置にあっては、転がり接触によって回転軸を支える転がり軸受や、滑り接触によって回転軸を支える滑り軸受が組み込まれている。転がり軸受は、接触部材である軌道輪と転動体とを備えており、大小２つの軌道輪間に複数の転動体が組み込まれることによって２つの軌道輪は相対回転自在となっている。このような転がり軸受には、転動体としてボールを用いた玉軸受や、転動体としてローラを用いたころ軸受などがある。一方、滑り軸受は接触部材である円筒状の軸受メタルを備えており、この軸受メタルの内周面によって接触部材である軸を摺動自在に支持している。

このような軸受に設けられる接触面は、潤滑油による油膜によって保護されている。つまり、接触部材間に形成される油膜により、接触部材同士の直接接触を抑制することによって、接触部材を焼き付きなどから保護している。このように、転がり軸受や滑り軸受の焼き付きを回避するためには、接触面上に油膜が形成され易いとともに破断し難いという潤滑性能が重要となっている。また、転動体や軌道輪の接触面に発生する剥離現象つまりフレーキングを抑制するためにも、接触面における潤滑性能が重要となっている。

このような接触部材の接触面における潤滑性能を向上させるため、精密仕上げ加工を施した接触面を荒らすことなく、モリブデンやタングステンの酸化物を含む皮膜を接触面上に形成するようにした皮膜技術が開発されている（たとえば、特許文献１参照）。また、歯車における歯面の潤滑性能を向上させるため、歯面研削加工を行った後に、研削加工に伴う突起部を除去することによって歯面強度を向上させるとともに、保油性の高い皮膜を歯面上に形成するようにした皮膜技術が開発されている（たとえば、特許文献２参照）。
特開２００１−７３１６７号公報（第２−３頁） 特開平７−２９３６６８号公報（第３−５頁）

しかしながら、接触面に皮膜を形成して潤滑性能を向上させようとすると、使用時には皮膜が剥離して不純物つまり皮膜粉が生成されるおそれがある。このため、転がり軸受や滑り軸受にこれらの皮膜技術を適用すると、剥離した皮膜粉によって、接触面の摩耗や油膜の破断が助長されるため、軸受の焼き付きやフレーキングを引き起こし易くなり、軸受寿命を低下させてしまうおそれがある。

また、軸受以外に皮膜技術の適用を考えた場合、たとえば、トロイダルＣＶＴの接触部材であるディスクや変速ローラに皮膜技術を適用した場合であっても、皮膜粉によって耐久性低下を引き起こすおそれがあるだけでなく、作動油に混入する皮膜粉によって油圧制御系に不調をきたすおそれがある。

このように、潤滑性能を向上させるために皮膜を形成するという技術は、皮膜粉による影響を考慮すると、必ずしも全ての接触部材に適用できるものではなかった。

本発明の目的は、接触部材の潤滑性能を向上させるとともに、接触部材の耐久性を向上させることにある。

本発明の接触部材は、機械加工され多数の突起を備える機械加工面から、化成処理により前記突起の尖端を浸蝕除去し、化成処理に伴い生成された皮膜を除去して形成され、多数の油溜まりを備える皮膜除去面を有することを特徴とする。

本発明の接触部材は、リン酸塩溶液により前記尖端が浸蝕除去されることを特徴とする。また、強酸性溶液または強アルカリ性溶液により前記皮膜が除去されることを特徴とする。

本発明の接触部材は、前記皮膜除去面は転がり軸受の転動体または軌道輪に形成される接触面であることを特徴とする。また、前記皮膜除去面は滑り軸受またはこれに支持される軸に形成される接触面であることを特徴とする。また、前記皮膜除去面はトラクションドライブ式無段変速機の入力ディスク、出力ディスクまたは変速ローラに形成される接触面であることを特徴とする。

本発明の接触部材の製造方法は、多数の突起を備える機械加工面を加工する機械加工工程と、化成処理により前記機械加工面から前記突起の尖端を浸蝕除去する化成処理工程と、化成処理に伴い生成された皮膜を前記機械加工面から除去し、多数の油溜まりを備える皮膜除去面に加工する皮膜除去工程とを有することを特徴とする。

本発明の接触部材の製造方法は、リン酸塩溶液により前記尖端を浸蝕除去することを特徴とする。また、強酸性溶液または強アルカリ性溶液により前記皮膜を除去することを特徴とする。

本発明の接触部材の製造方法は、前記接触部材は転がり軸受の転動体または軌道輪であることを特徴とする。また、前記接触部材は滑り軸受またはこれに支持される軸であることを特徴とする。また、前記接触部材はトラクションドライブ式無段変速機の入力ディスク、出力ディスクまたは変速ローラであることを特徴とする。

本発明によれば、多数の突起を備える機械加工面から、化成処理により突起の尖端を浸蝕除去し、化成処理に伴い生成された皮膜を除去するようにしたので、多数の油溜まりを備える皮膜除去面を形成することができる。これにより、皮膜除去面上に安定した油膜を形成することができ、接触部材の潤滑性能を高めることができる。

しかも、化成処理に伴う皮膜を除去するため、皮膜が剥離して皮膜粉を発生させることがなく、皮膜粉による潤滑性能の低下を回避することができる。これにより、接触部材の耐久性を向上させることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１（Ａ）は円錐ころ軸受１０を示す断面図であり、図１（Ｂ）は玉軸受２０を示す断面図である。まず、図１（Ａ）に示すように、複列型の円錐ころ軸受１０は、軌道輪としての内輪１１と外輪１２とを備えており、内輪１１と外輪１２との間には転動体である複数のローラ１３が２列になって組み込まれている。

組み込まれたローラ１３はテーパ形状を備えており、内輪１１の外周面１１ａに沿って所定の間隔で並んだ複数のローラ１３は保持器１４によって位置決めされている。また、内輪１１の外周面１１ａにはローラ１３を収容する軌道溝１５が形成されており、軌道溝１５の側壁はローラ１３の端面１３ａに対する突き当て面１５ａとなっている。この突き当て面１５ａを備える軌道溝１５を形成することにより、ローラ１３の内輪１１に対する軸方向移動が規制されている。

このように、ローラ１３に形成される外周面１３ｂは、外輪１２に形成される内周面１２ａと、内輪１１の軌道溝１５に形成される底面１５ｂとに転がり接触する一方、ローラ１３に形成される端面１３ａは、軌道溝１５に形成される突き当て面１５ａに滑り接触することになる。つまり、これらの端面１３ａ、外周面１３ｂ、内周面１２ａ、突き当て面１５ａおよび底面１５ｂは、それぞれに接触面となっている。

続いて、図１（Ｂ）に示すように、玉軸受２０は、軌道輪である内輪２１と外輪２２とを備えており、内輪２１と外輪２２との間には転動体である複数のボール２３が組み込まれている。内輪２１の外周面２１ａに沿って所定の間隔で並んだ複数のボール２３は保持器２４によって位置決めされている。また、内輪２１の外周面２１ａと外輪２２の内周面２２ａとには、ボール２３の形状に対応した軌道溝２５，２６が形成されており、ボール２３に形成される接触面としての表面２３ａは、軌道溝２５，２６に形成される接触面つまり湾曲面２５ａ，２６ａに転がり接触することになる。

図２は図１（Ａ）および（Ｂ）に示す軸受１０，２０の製造過程を示す工程図である。図２に示すように、軸受１０，２０を構成する内輪１１，２１、外輪１２，２２、転動体１３，２３、保持器１４，２４をそれぞれ加工した後に、これらの各部品を組み立てることによって軸受１０，２０は製造される。

まず、転動体であるローラ１３やボール２３は、軸受鋼の線材を鍛造加工することによって球形や円錐台形に粗加工される（ステップＳ１１）。続いて、表面に所定の硬化層を形成するため、熱処理である浸炭焼入れ焼戻し処理が施され（ステップＳ１２）、鍛造加工時の余肉部などを除去するためバレル加工が施される（ステップＳ１３）。次いで、熱処理による歪みを改善するために粗研削加工および仕上げ研削加工が施され（ステップＳ１４，Ｓ１５）、更に形状精度を向上させるために超仕上げ加工であるラッピング加工が施される（ステップＳ１６）。

また、ローラ１３やボール２３を所定間隔毎に保持するための保持器１４，２４は、鋼板から環状の素材を打ち抜いた後に、これをプレス成型することによってローラ１３やボール２３を保持する形状に形成される（ステップＳ２１）。そして、ショットバレル加工によりプレス成型時の余肉部が除去される（ステップＳ２２）。

続いて、内輪１１，２１や外輪１２，２２を製造する際に適用される本発明の一実施の形態である製造方法について説明する。軌道輪である内輪１１，２１や外輪１２，２２は、切り出された軸受鋼を鍛造加工することによって環状に粗加工される（ステップＳ３１）。続いて、旋盤などの旋削機械により表面が旋削加工され（ステップＳ３２）、表面に所定の硬化層を形成するために熱処理である浸炭焼入れ焼戻し処理が施される（ステップＳ３３）。次いで、熱処理による歪みを改善するために砥石を用いた仕上げ研削加工が施され（ステップＳ３４）、更に形状精度を向上させるため、仕上げ研削加工よりも粒度の細かい砥石を用いた超仕上げ加工が施される（ステップＳ３５）。このように、ステップＳ３１〜Ｓ３５に示される工程は機械加工工程となっている。

続いて、仕上げられた内輪１１，２１と外輪１２，２２との接触面の潤滑性能を更に向上させるため、続く化成処理工程においては、脱脂剤等を用いて清浄された内輪１１，２１や外輪１２，２２がリン酸塩溶液中に漬け込まれ、化成処理であるリン酸塩処理が施される（ステップＳ３６）。ここで、図３は化成処理による加工状態を示す説明図である。図３に示すように、化成処理であるリン酸塩処理を施すと、内輪１１，２１や外輪１２，２２の表面は、リン酸塩溶液によって浸蝕されるとともに、リン酸塩結晶からなる皮膜によって覆われることになる。このとき形成されるリン酸塩結晶の厚みをｔとすると、リン酸塩溶液によって浸蝕される浸蝕深さは２／３ｔとなる。なお、内輪１１や外輪１２を加工する際のリン酸塩処理としては、リン酸亜鉛処理やリン酸マンガン処理が好適である。このようなリン酸塩処理が施された後には、図２に示すように、続く皮膜除去工程において、内輪１１や外輪１２をクロム酸溶液中に漬け込む皮膜除去処理が施され、リン酸塩結晶の皮膜３２はクロム酸溶液によって溶解除去される（ステップＳ３７）。

次いで、前述の工程を経て製造される内輪１１，２１と外輪１２，２２との接触面１２ａ，１５ａ，１５ｂ，２５ａ，２６ａについて説明する。図４は接触面の断面形状を概略的に示す説明図であり、（Ａ）は超仕上げ加工後の断面形状を示し、（Ｂ）は化成処理後の断面形状を示し、（Ｃ）は皮膜除去後の断面形状を示している。

まず、機械加工工程（ステップＳ３１〜Ｓ３５）においては、図４（Ａ）に示すように、各種加工時に使用される切削刃や砥粒によって、接触面１２ａ，１５ａ，１５ｂ，２５ａ，２６ａは、多数の微少な突起３０を備える機械加工面に加工される。これら突起３０は鋭い尖端３０ａを備えており、突起３０相互間には多数の溝３１が形成されることになる。このような機械加工面は溝３１に多くの潤滑油を保持できるが、油膜が突起３０の尖端３０ａによって破断されてしまうため、焼き付きやフレーキングを引き起こしてしまうおそれがある。

そこで、化成処理工程（ステップＳ３６）において、内輪１１，２１や外輪１２，２２をリン酸塩溶液に漬け込むことにより、図４（Ｂ）に示すように、突起３０の尖端３０ａは浸蝕によって除去され、突起３０の先端はなだらかに形成される。また、リン酸塩処理に伴って接触面にはリン酸塩結晶からなる皮膜３２が生成されるため、リン酸塩処理によって接触面の表面形状を整えた後には、内輪１１や外輪１２をクロム酸溶液に漬け込むことによってリン酸塩結晶の皮膜３２が除去される。そして、皮膜３２を除去した後には、図４（Ｃ）に示すように、接触面１２ａ，１５ａ，１５ｂ，２５ａ，２６ａは、突起３０相互間に形成される多数の油溜まり３３と、突起３０の先端になだらかに形成される油膜支持部３０ｂとを備える皮膜除去面に加工されることになる。なお、内輪１１，２１と外輪１２，２２との表面を覆う皮膜３２を形成するリン酸塩結晶は、強酸性溶液や強アルカリ性溶液に溶け込む両性物質であるため、化成処理後の内輪１１，２１と外輪１２，２２とを強酸性溶液であるクロム酸溶液中に漬け込むことによってリン酸塩結晶を除去することができる。ここで、リン酸塩結晶を除去する際に用いられる強酸性溶液や強アルカリ性溶液としては、ｐＨ５以下の酸性溶液やｐＨ１２以上のアルカリ性溶液が好適であるが、これらの水素イオン指数は皮膜構造に応じて適宜変更することができる。

このように、油溜まり３３と油膜支持部３０ｂとを備える接触面を形成すると、接触面の潤滑性能を高めることができる。多数の油溜まり３３には潤滑油が保持されるため、接触面上に油膜が形成され易くなり、油膜支持部３０ｂによって面圧の過度な上昇を抑制できるため、油膜の破断を防止することができる。つまり、内輪１１，２１および外輪１２，２２と転動体１３，２３との間に、安定した油膜を形成することができ、潤滑状態を良好に保つことができる。

また、良好な潤滑状態により、金属同士の接触を回避することができ、摩擦熱による温度上昇も回避することができる。このため、滑り接触や転がり接触する接触面の焼き付きやフレーキングを抑制することができ、軸受１０，２０の軸受寿命を延ばすことができる。さらに、良好な潤滑状態により、内輪１１，２１、外輪１２，２２および転動体１３，２３の摩耗量を低減して、経年変化による軸受隙間の増大を抑制することができるため、軸受１０，２０に加えられる初期予圧を軽減することができ、軸受１０，２０の回転抵抗を軽減することができる。

このように、軸受１０，２０の接触面１２ａ，１５ａ，１５ｂ，２５ａ，２６ａを図４（Ｃ）に示す断面形状に形成することによって、潤滑性能の高い軸受１０，２０を得ることができる。しかも、このような製造方法を用いると、化成処理としてのリン酸塩処理によって、容易かつ低コストに尖端３０ａを浸蝕して除去することができる。そして、クロム酸溶液に漬けることによって、リン酸塩処理に伴う皮膜３２を予め除去しておくようにしたので、軸受１０，２０に不純物つまり剥離した皮膜粉を排出して軸受寿命を低下させることもない。

このように、化成処理によって突起３０の尖端３０ａを取り除き、化成処理に伴う皮膜３２を除去して形成される皮膜除去面の表面形状は、内輪１１，２１や外輪１２，２２の接触面に限られることはなく、ローラ１３やボール２３の接触面１３ａ，１３ｂ，２３ａに適用しても良い。また、転がり軸受１０，２０に限られることはなく、図５に示すような滑り軸受３４の接触面である内周面３４ａや、これに支持される軸３５の接触面である外周面３５ａに化成処理と皮膜除去処理とを施しても良い。なお、滑り軸受としては、軸を回転自在に支持する滑り軸受であっても良く、軸を往復動自在に支持する滑り軸受であっても良い。

さらに、転がり軸受や滑り軸受に限られることはなく、潤滑油によって潤滑されるとともに高面圧下で使用される接触部材であっても良く、たとえば、トラクションドライブ式無段変速機のディスクやパワーローラであっても、本発明を有効に適用することができる。

ここで、図６はトラクションドライブ式無段変速機３６を示す概略図である。図６に示すように、トラクションドライブ式無段変速機つまりトロイダルＣＶＴ３６は、エンジン３７に連結される入力ディスク３８と、図示しない駆動輪に連結される出力ディスク３９とを備えており、入力ディスク３８と出力ディスク３９とは傾動自在に設けられる変速ローラつまりパワーローラ４０を介して連結されている。このパワーローラ４０を傾動させてディスク３８，３９の接触半径を変化させることにより、入力ディスク３８の回転を変速させて出力ディスク３９に伝達している。

このような、入力ディスク３８、出力ディスク３９、パワーローラ４０の接触面３８ａ〜４０ａに、仕上げ研削加工や超仕上げ加工などを施して突起３０を形成した後に、化成処理によって突起３０の尖端３０ａを除去し、化成処理に伴う皮膜３２を強酸性溶液や強アルカリ性溶液によって除去することにより、図４（Ｃ）に示すような、断面形状を形成することができる。これにより、ディスク３８，３９とパワーローラ４０との間の潤滑状態を良好に保つことができ、焼き付きなどを回避することができる。また、化成処理に伴う皮膜３２を予め除去するようにしたので、油圧回路に不純物が入り込むことはなく、油圧制御系に不調をきたすこともない。

本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。たとえば、旋削加工や超仕上げ加工などを複合的に施して機械加工面を加工しているが、切削加工、研削加工、ラッピング加工などによって加工しても良く、様々な加工を施すことなく単一の加工を施すようにしても良い。

また、突起３０の尖端３０ａを除去するため、リン酸亜鉛処理やリン酸マンガン処理などのリン酸塩処理を施しているが、これらに限られることはなく、他の化成処理であっても良い。さらに、化成処理に伴って形成される皮膜３２を除去するため、クロム酸溶液を用いているが、他の強酸性溶液や強アルカリ性溶液であっても良いことはいうまでもない。

さらに、接触部材としては、軸受１０，２０などに限られることはなく、湿式クラッチ機構に組み込まれるクラッチプレートにも、本発明を有効に適用することができる。クラッチプレートに適用することにより、クラッチプレートの耐焼き付き性能や耐摩耗性能を向上させることができる。

さらに、ディファレンシャル装置に組み込まれるピニオンギヤの球面座に本発明を適用しても良く、マニュアルトランスミッションに組み込まれスラスト力を受ける摺動部に本発明を適用しても良い。これにより、摩擦係数低減によるフリクションロスの低減を達成するとともに、接触部強度、耐摩耗性能および耐焼き付き性能を向上させることができる。なお、ディファレンシャル装置のピニオンギヤは、２つのサイドギヤに噛み合って差動回転を行うギヤであり、ピニオンギヤの球面座は、ピニオンギヤの背面側に球面状に形成されディファレンシャルケースの内周面に摺動接触する接触面である。また、マニュアルトランスミッションの摺動部としては、シンクロメッシュ機構のシンクロリングやコーン部などがある。

なお、図１（Ａ）に円錐ころ軸受１０を示し、図１（Ｂ）に玉軸受２０を示しているが、転がり軸受としてはこれらに限られることはなく、たとえば、円筒ころ軸受、針状ころ軸受、球面ころ軸受、アンギュラ玉軸受に本発明の製造方法を適用することができる。また、ラジアル軸受に限られることはなく、スラスト軸受に本発明の製造方法を適用しても良いことはいうまでもない。

（Ａ）は円錐ころ軸受を示す断面図であり、（Ｂ）は玉軸受を示す断面図である。 軸受の製造過程を示す工程図である。 化成処理による加工状態を示す説明図である。 接触面の断面形状を概略的に示す説明図であり、（Ａ）は超仕上げ加工後の断面形状を示し、（Ｂ）は化成処理後の断面形状を示し、（Ｃ）は皮膜除去後の断面形状を示している。 滑り軸受を示す断面図である。 トラクションドライブ式無段変速機を示す概略図である。

符号の説明

１１ 内輪（接触部材，軌道輪）
１２ 外輪（接触部材，軌道輪）
１２ａ 内周面（接触面，機械加工面，皮膜除去面）
１３ ローラ（接触部材，転動体）
１３ａ 端面（接触面，機械加工面，皮膜除去面）
１３ｂ 外周面（接触面，機械加工面，皮膜除去面）
１５ａ 突き当て面（接触面，機械加工面，皮膜除去面）
１５ｂ 底面（接触面，機械加工面，皮膜除去面）
２１ 内輪（接触部材，軌道輪）
２２ 外輪（接触部材，軌道輪）
２３ ボール（接触部材，転動体）
２３ａ 表面（接触面，機械加工面，皮膜除去面）
２５ａ，２６ａ 湾曲面（接触面，機械加工面，皮膜除去面）
３０ 突起
３０ａ 尖端
３０ｂ 油膜支持部
３１ 溝
３２ 皮膜
３３ 油溜まり
３４ 滑り軸受（接触部材）
３４ａ 内周面（接触面，機械加工面，皮膜除去面）
３５ 軸（接触部材）
３５ａ 外周面（接触面，機械加工面，皮膜除去面）
３６ トロイダルＣＶＴ（トラクションドライブ式無段変速機）
３８ 入力ディスク（接触部材）
３８ａ 接触面（機械加工面，皮膜除去面）
３９ 出力ディスク（接触部材）
３９ａ 接触面（機械加工面，皮膜除去面）
４０ パワーローラ（接触部材，変速ローラ）
４０ａ 接触面（機械加工面，皮膜除去面）

Claims (12)

1. 機械加工され多数の突起を備える機械加工面から、化成処理により前記突起の尖端を浸蝕除去し、化成処理に伴い生成された皮膜を除去して形成され、多数の油溜まりを備える皮膜除去面を有することを特徴とする接触部材。
2. 請求項１記載の接触部材において、リン酸塩溶液により前記尖端が浸蝕除去されることを特徴とする接触部材。
3. 請求項１または２記載の接触部材において、強酸性溶液または強アルカリ性溶液により前記皮膜が除去されることを特徴とする接触部材。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の接触部材において、前記皮膜除去面は転がり軸受の転動体または軌道輪に形成される接触面であることを特徴とする接触部材。
5. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の接触部材において、前記皮膜除去面は滑り軸受またはこれに支持される軸に形成される接触面であることを特徴とする接触部材。
6. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の接触部材において、前記皮膜除去面はトラクションドライブ式無段変速機の入力ディスク、出力ディスクまたは変速ローラに形成される接触面であることを特徴とする接触部材。
7. 多数の突起を備える機械加工面を加工する機械加工工程と、
   化成処理により前記機械加工面から前記突起の尖端を浸蝕除去する化成処理工程と、
   化成処理に伴い生成された皮膜を前記機械加工面から除去し、多数の油溜まりを備える皮膜除去面に加工する皮膜除去工程とを有することを特徴とする接触部材の製造方法。
8. 請求項７記載の接触部材の製造方法において、リン酸塩溶液により前記尖端を浸蝕除去することを特徴とする接触部材の製造方法。
9. 請求項７または８記載の接触部材の製造方法において、強酸性溶液または強アルカリ性溶液により前記皮膜を除去することを特徴とする接触部材の製造方法。
10. 請求項７〜９のいずれか１項に記載の接触部材の製造方法において、前記接触部材は転がり軸受の転動体または軌道輪であることを特徴とする接触部材の製造方法。
11. 請求項７〜９のいずれか１項に記載の接触部材の製造方法において、前記接触部材は滑り軸受またはこれに支持される軸であることを特徴とする接触部材の製造方法。
12. 請求項７〜９のいずれか１項に記載の接触部材の製造方法において、前記接触部材はトラクションドライブ式無段変速機の入力ディスク、出力ディスクまたは変速ローラであることを特徴とする接触部材の製造方法。
    
    

Images