JP2005291291A

JP2005291291A - 転動装置の製造方法、転動装置の製造装置及び転がり軸受

Info

Publication number: JP2005291291A
Application number: JP2004104859A
Authority: JP
Inventors: Keizo Hori; 恵造堀
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2005-10-20

Abstract

【課題】機械加工等の後処理を施すことなく、しかも転動装置の製造時間を増加させることなく、軌道輪に所定値以上の残留圧縮応力を付与して当該軌道輪を組み込んだ転動装置寿命の向上を図る。
【解決手段】軌道輪１１よりも熱膨張係数の小さな型１２で軌道輪１１の外径面を拘束した状態で軌道輪１１の軌道面を研削し、該研削で発生する熱で軌道輪１１に研削と同時に焼入れを施し、その後の冷却で該軌道輪１１に円周方向に均一な残留圧縮応力を付与する。
【選択図】図２

Description

本発明は、外方軌道輪と内方軌道輪との間に転動体を介して、外方軌道輪と内方軌道輪が相対的に回転する転動装置の製造方法、転動装置の製造装置及び転がり軸受に関し、特に、転がり軸受等の転動装置の寿命向上を図るために、残留応力を付与した軸受軌道輪を製造するための転動装置の製造方法、転動装置の製造装置及び転がり軸受に関するものである。

従来の一般的な転がり軸受の軌道輪の製造工程は、図４に示したように、切削によって大まかな形状にリングを加工する旋削工程(ステップＳ２)と、熱処理炉によって軌道輪に所望の硬さとねばさ(靱性)を与える焼入れ(ステップＳ３)及び焼戻し(ステップＳ４)を施す熱処理工程と、リングの基本的形状、精度を与える粗研削工程(ステップＳ５)と、仕上研削によって最終的な形状と表面粗さに加工する仕上研削工程(ステップＳ６)とから成り、軌道輪はこれらの各工程(ステップＳ２〜ステップＳ６)を順番に経て作られる。尚、場合によっては、前記旋削工程(ステップＳ２)の前に、素材の棒材やチューブ材を鍛造して原形を成形する鍛造工程(ステップＳ１)が加わる。

ところで、転がり軸受の寿命は軌道輪の損傷によるものがほとんどである。軌道輪の損傷(疲労)の形態は、大きく２種類に分類できる。一つは、軌道面表面のキズや圧痕から発生する疲労亀裂の進展によって剥離を起こす表面起点型、もう一つは軌道面直下の介在物等が疲労亀裂の起点となる内部起点型である。そして、軌道輪の破損は、前者の表面起点型によるものが大多数である。

従って、転がり軸受の寿命を延ばすには、表面起点型の疲労亀裂起点となるキズ等が付きにくくするか、疲労亀裂の発生を防止するか、或いは、発生した疲労亀裂の進展を抑える等の対策が必要となる。疲労亀裂発生起点となるキズを付きにくくするためには、軌道面の硬さを高くすればよく、疲労亀裂の発生や進展を防止するためには、亀裂を開口させないか、もし開口しても閉口させ続けられるよう、圧縮応力を付与すればよい。

又、焼戻しを終えた軌道輪の表面には、５０ＭＰａ程度の引張応力が残留しており、この残留引張応力が軸受寿命を延長しようとすると好ましくなかった。そこで、従来から軸受寿命を向上させる目的で、軌道輪に残留圧縮応力を付与する後処理が施されている。

その従来に於ける残留圧縮応力の付与方法としては、焼入れ・焼戻しを施した後の軸受の軌道輪に対して、切削、旋削、ショットピーニング等の機械加工を施すものや(例えば、特許文献１参照)、焼入れした軌道輪の外径面を型によって拘束した状態で加熱(焼戻し)するものがある(例えば、特許文献２参照)。

又、他の従来技術としては、重研削によって、研削と同時に焼入れをする技術(研削焼入れ)が公知である(例えば、非特許文献１)。
特開平５−１６３５２６号公報特開平１１−３５００３６号公報 E.Brinksmeir他「Annals of CIRP」45，1(1996),283

しかしながら、熱処理を施した軸受の軌道輪は非常に硬い表面を有しているため、特許文献１に開示されている方法では、研削や旋削では加工条件が厳しくなり、研削焼けや工具寿命の面で不具合が生じる。又、ショットピーニング等の表面加工処理は、処理に長い時間を要するため、表面に圧縮加工応力を付与する加工としては、効率に問題があった。
又、特許文献２に開示されている方法では、製造工程に応力付与工程が新たに加わってしまう。

更に、非特許文献１に開示されている研削焼入れでは、表面近傍には大きな圧縮応力が付与されるが、軌道面下の深さ方向では著しく減少してしまい、仕上研削後の表面では十分な圧縮応力が得られないという問題があった。

そこで、本発明は、上記のような問題点に着目してなされたもので、機械加工等の後処理を施すことなく、しかも転動装置の製造時間を増加させることなく、軌道輪に所定値以上の残留圧縮応力を付与して、該軌道輪を組み込んだ転動装置寿命の向上を図ることができる転動装置の製造方法、転動装置の製造装置及び転がり軸受を提供することを目的とする。

本発明に係る転動装置の製造方法は、外方軌道輪と内方軌道輪との間に転動体を介して、前記外方軌道輪と前記内方軌道輪が相対的に回転する転動装置の製造方法において、前記外方軌道輪よりも熱膨張係数の小さな型で前記外方軌道輪の外径面を拘束した状態で該外方軌道輪の軌道面を研削するとともに、同時に焼入れを施すことを特徴とする。

前記転動装置の製造方法によれば、型に拘束された外方軌道輪を研削するとともに、同時に焼入れを施す。又、このとき生じる外方軌道輪の熱膨張は外径面を拘束している型で阻止され、続く冷却で外方軌道輪が収縮し、該軌道輪に円周方向に均一な残留圧縮応力が付与される。

本発明に係る転動装置の製造装置は、外方軌道輪と内方軌道輪との間に転動体を介して、前記外方軌道輪と前記内方軌道輪が相対的に回転する転動装置の製造装置において、前記外方軌道輪よりも熱膨張係数が小さく、且つ内部に前記外方軌道輪の外径面を拘束した状態で受け入れる着脱可能な型と、該型を前記軌道輪と共に回転させ、前記外方軌道輪の軌道面に接触させて該軌道面を研削する研削部材と、前記研削と同時に焼入れを施す熱処理装置と、を備えていることを特徴とする。

前記構成の転動装置の製造装置によれば、外方軌道輪を圧入させた型をセットすると、該型が外方軌道輪と共に回転され、且つ型に拘束された外方軌道輪の軌道面に研削部材が接触して研削が行われるとともに、該研削と同時に外方軌道輪の軌道面に焼入れが施される。このとき生じる外方軌道輪の熱膨張は型で阻止され、続く冷却で外方軌道輪が収縮し、該軌道輪に円周方向に均一な残留圧縮応力が付与される。

本発明に係る転動装置の製造方法、転動装置の製造装置及びがり軸受によれば、外方軌道輪への研削と焼入れが同時に行われ、続く冷却で該軌道輪に円周方向に均一な残留圧縮応力が付与されるので、残留圧縮応力を付与するための後処理として機械加工を施さなくても済む。これにより、工程間の搬送や、各工程のサイクルタイムの違いから生じる仕掛品が減り、全行程での総加工時間が短縮できる。この結果、短い総加工時間で、軸受の疲労寿命を向上させることができる。

以下、本発明の一実施の形態について図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の一実施の形態として示す軸受軌道輪の製造工程図である。
図１に示すように製造工程は、切削によって大まかな形状にリングを加工する旋削工程(ステップＳ１２)と、外方軌道輪（以下、単に軌道輪と言う。）の外径を型によって拘束し、この型拘束状態で旋削及び加熱・冷却することで、軌道輪に残留圧縮応力を付与する研削熱処理工程(ステップＳ１３)と、焼戻し工程(ステップＳ１４)と、仕上研削によって最終的な形状と表面粗さに加工する仕上研削工程(ステップＳ１５)とから成り、軌道輪はこれらの各工程(ステップＳ１１〜ステップＳ１５)を順に経て作られる。尚、場合によっては、前記旋削工程(ステップＳ１２)の前に、素材の棒材やチューブ材を鍛造して原形を成形する転造工程(ステップＳ１１)が加わる。

即ち、本発明の実施の形態に於ける製造工程を図４に示した従来の製造工程と比較すると、本実施の形態の製造工程に於けるステップＳ１１，１２の工程と従来の製造工程に於けるステップＳ１及びステップＳ２とは同じである。しかし、本実施の形態のステップＳ１３（研削熱処理工程）では、従来の製造工程に於ける焼入れ工程(ステップＳ３)と粗研削工程(ステップＳ５)に相当する内容を同時に行い、その後、従来の製造工程に於けるステップＳ４の焼戻し工程をステップＳ１４で行い、最後に本実施の形態及び従来の製造工程共に、仕上研削工程(ステップＳ６，Ｓ１５)を行っている点が異なる。尚、本実施の形態に於けるステップＳ１４の焼戻しは、従来の製造工程のステップＳ４に於ける焼戻しと同様に、熱処理炉内で行っても良いが、誘導加熱等による短時間焼戻しでも良い。

図２は本実施の形態に於ける研削熱処理工程で使用される研削熱処理装置を模式的に示した斜視図である。
図２に示すように、研削熱処理装置１０は、軸受の軌道輪１１を嵌合させて、該軌道輪１１の外径を拘束する円筒状の型１２と、該型１２の内側に配置されて軌道輪１１の軌道面を研削しつつ加熱する旋削部材としての砥石１３とを備えている。

前記型１２は、誘導加熱され難く、且つ軌道輪１１の素材材質よりも熱膨張率が小さな材質、例えばセラミックスで円筒形に形成され、又その内径及び収納空間の大きさは、円筒形の凹所内部に軌道輪１１の外径面を拘束して軌道輪全体を軽く圧入収納できる程度に設定されている。

次に、このように構成された研削熱処理装置１０の動作を説明する。尚、本実施の形態で使用する軌道輪１１は、外径が６０ｍｍ、内径が５２．４ｍｍ、幅が１６ｍｍの場合を一例とする。一方、使用する型１２は、窒化珪素(Ｓｉ₃Ｎ_４）製で、外径が９０．０ｍｍ、内径が６０ｍｍ、幅が１８ｍｍのものを用い、内径面の両端部をテーパー状に加工し、被削物(軌道輪１１)の着脱を行い易いようにしてある。又、砥石１３は、レジノイドボンド砥石を用いている。

研削に先立って、型１２の内部(内径)に軌道輪１１を軽く圧入して、軌道輪１１の外径面が型１２で拘束された、型１２と軌道輪１１を一体化した被削物ユニット１４を形成する。続いて、この被削物ユニット１４を研削熱処理装置１０内に装着セットし、旋削条件を調整して研削を開始する。被削物ユニット１４は、中心軸を中心にして回転し、それと同じ回転方向で砥石１３も回転する。ここで被削物ユニット１４の回転数は、砥石１３の回転数よりも小さい。

又、軌道輪１１及び砥石１３が回転している状態で、砥石１３の中心軸が移動して偏心し、砥石１３と軌道輪１１の軌道面(被削面)とが接触して研削が行われる。この時、同時に軌道輪１１の焼入れが行われる。研削終了後、砥石１３は元の位置に戻る。これにより、被削物ユニット１４、即ち、型１２と軌道輪１１を研削熱処理装置１０から一体に取り外すことができる。研削熱処理装置１０から取り除かれた型１２と軌道輪１１は、共に冷却液、或いは高圧空気等の気体によって冷却される。ここで冷却された軌道輪１１は収縮し、内部には円周方向に均一な残留圧縮応力が付与され、又型１２から取り外すことができ、取り外すと作業が終了する。

このように構成された研削熱処理装置１０を使用しての加工では、型１２内に軽く嵌め込まれて、該型１２で外径面が拘束されている軌道輪１１を砥石１３で研削すると、この研削で発生する熱により軌道輪１１が加熱され、軌道輪１１が熱膨張しようとするが、この熱膨張が型１２で阻止され、続く冷却で収縮することにより、円周方向に均一な残留圧縮応力が付与されることになる。その軌道輪１１の収縮量は、研削焼入れの加工条件を調整することで設定することが可能で、研削加工条件が厳しい(加熱温度が高い)ほど、収縮量を大きく設定できる。又、型１２の内径寸法は、収縮前の軌道輪１１の外径寸法と等しく設定した場合には、型１２の内径寸法は収縮前の軌道輪１１の外径寸法と等しくなる。ここで、残留圧縮応力を付与して軸受寿命を向上させるという観点からは、軌道輪の収縮量は大きいほど良い。しかし、製品としての軌道輪１１の寸法や、硬さ等の焼入れ本来の目的から焼入れ温度の上限(研削焼入れ加工条件)、つまり収縮量の上限が制限される。

従って、本実施の形態による研削熱処理装置１０を用いて製造することにより、同じ装置内で研削及び焼入れ処理を同時に行い、残留圧縮応力を付与することができるので、従来、残留圧縮応力を付与するために行っていた機械加工による後処理を施さなくても済む。これにより、工程間の搬送や、各工程のサイクルタイムの違いから生じる仕掛品が減り、全行程での総加工時間が短縮できる。この結果、短い総加工時間で、軸受の疲労寿命を向上させる軌道輪１１が得られることになる。

尚、上述したように、本実施の形態では、重研削によって研削面(軌道面)近傍を焼入れすることにより硬さを与え、研削面で発生する熱が熱伝導によって軌道輪１１全体を加熱することによる熱膨張を利用しているので、軌道輪１１の肉厚や幅が小さい時には、型１２への熱の流出が大きいため、研削による加熱後に焼入冷却剤(焼入油等)を軌道輪１１にかけて確実に焼が入るようにしなければならない。

図３に砥石周速＝３０m/s、軌道面周速＝０．５m/min、切り込み量＝０．１ｍｍの乾式で製造した軌道輪１１の表面からの深さに対する硬さと残留応力との関係を示す。図３に於いて、横軸が軌道輪の表面からの深さ方向の距離［ｍｍ］、左縦軸が硬さ(ビッカース硬度)［ＨＶ］、右縦軸が残留応力［ＭＰａ］を各々示しており、図中の記号は○が残留応力、●が硬さを示している。

硬さは、深さが０．４ｍｍまでは約ＨＶ８００以上を示しており、仕上研削によっていくらか表面部が取り除かれても、なお十分な硬さをキープすることができる。一方、残留応力は、表面下では４００ＭＰａの圧縮応力が付与されており、疲労寿命の向上に十分な効果が期待できる。

一般に、軸受には、ＨＶ７００以上の表面硬さが必要である。実施例では、表面の硬さはＨＶ８００以上であり、１６０〜１８０℃の焼戻しを施しても、なおＨＶ７００を上回ることは確実で、軸受としての使用に十分耐えられる。

尚、本実施形態は本発明の一例を示すものであって、本発明は本実施の形態に限定されるものではなく、軌道輪１１の材料としては、軸受鋼にとどまらず、他の鋼や金属材料についても適用することができるものである。更に、本実施の形態に於いては、軸受として玉軸受を例示して説明したが、本発明は他の種類の転動装置に対して適用可能であることは言うまでもない。具体的には、円筒ころ軸受、円錐ころ軸受、針状ころ軸受、自動調芯ころ軸受等のラジアル型の転動装置である。

本発明の実施の形態に係る工程図である。本発明の実施の形態に係る圧縮応力付与工程で使用される装置の模式図である。実施例に於ける軌道面表面からの深さに対する硬さと残留応力との関係を示す図である。従来の工程図である。

符号の説明

１０研削熱処理装置
１１軌道輪
１２型
１３砥石
１４被削物ユニット

Claims

外方軌道輪と内方軌道輪との間に転動体を介して、前記外方軌道輪と前記内方軌道輪が相対的に回転する転動装置の製造方法において、
前記外方軌道輪よりも熱膨張係数の小さな型で前記外方軌道輪の外径面を拘束した状態で該外方軌道輪の軌道面を研削するとともに、同時に焼入れを施すことを特徴とする転動装置の製造方法。
外方軌道輪と内方軌道輪との間に転動体を介して、前記外方軌道輪と前記内方軌道輪が相対的に回転する転動装置の製造装置において、
前記外方軌道輪よりも熱膨張係数が小さく、且つ内部に前記外方軌道輪の外径面を拘束した状態で受け入れる着脱可能な型と、
該型を前記軌道輪と共に回転させ、前記外方軌道輪の軌道面に接触させて該軌道面を研削する研削部材と、前記研削と同時に焼入れを施す熱処理装置と、を備えていることを特徴とする転動装置の製造装置。
前記請求項１に記載の製造方法または前記請求項２に記載の製造装置により製造された転がり軸受。