JP2007332411A

JP2007332411A - 転がり軸受軌道輪の製造方法

Info

Publication number: JP2007332411A
Application number: JP2006163799A
Authority: JP
Inventors: Yukari Katayama; 裕加里片山; Yuji Miyamoto; 祐司宮本
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2006-06-13
Filing date: 2006-06-13
Publication date: 2007-12-27

Abstract

【課題】焼入れ時に不完全焼入れ層がなく、且つ変形や焼き割れの生じにくい転がり軸受軌道輪の製造方法を提供する。
【解決手段】例えば高周波誘導加熱コイル１に、焼入れ冷却ガスの流路７、当該流路７内のガスをワークＷの外周側に向けて吐出する吐出口８を形成し、且つ焼入れ冷却ガス供給装置４を接続すると共に、ワークＷの内周側をガスで冷却可能な冷却ジャケット１５を備えた高周波焼入れ装置を用い、加熱コイル１に対してワークＷを１００ｍｉｎ^-1以上の速度で回転しながら加熱し、加熱後は、ワークＷを１００ｍｉｎ^-1以上の速度で回転しながら加熱コイル１及び冷却ジャケット１５からワークＷへ０．２ＭＰａ以上の圧力でガスを吐出することで、ワークＷの全周にわたって均等に急冷して焼入れする。
【選択図】図１

Description

本発明は転がり軸受軌道輪の製造方法に関するものであり、特に焼入れ時の加熱を高周波誘導加熱により行う軌道輪の高周波焼入れ工程に関するものである。

リング状のワークの焼入れに際して当該ワークを加熱する方法として、高周波焼入れ装置による高周波誘導加熱がある。しかしながら、量産の転がり軸受軌道輪は、雰囲気炉で全体焼入れされるのが一般的である。軸受における高周波焼入れは、例えば車軸用軸受の軌道面のみの焼入れのように、局部的に焼入れを施す場合に採用されているが、例えば下記特許文献１に記載される高周波誘導加熱では、ワーク全体を均一加熱している。
特開２００５−３２５４０９号公報

量産の転がり軸受軌道輪の全体焼入れを行う場合の加熱は、前述のように雰囲気炉内で行うのが一般的であるが、多品種少量生産の場合には、炉の熱処理能力に対して半端な個数となって効率が悪いこともある。また、必要時の要求に対応するために在庫を抱える必要がある。また、炉による過熱は、位置によって加熱温度がばらつくことがある。
このため、転がり軸受軌道輪の焼入れを、１個ずつ高周波焼入れで行うことを試みた。高周波焼入れでは、必要個数だけを処理することができ、処理品間のばらつきの小さい均一な熱処理が可能となる。

しかしながら、一般的な高周波焼入れでは変形や焼き割れが生じることがある。特に、転がり軸受軌道輪は、性能確保のために寸法や形状の精度が厳しく求められ、熱処理に伴う歪みの発生は、できるだけ避ける必要がある。また、焼入れの際、特に軌道面の不完全焼入れ層が発生すると、著しく転がり寿命が低下するため、その発生を抑制する必要がある。
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あり、焼入れ時に不完全焼入れ層がなく、且つ変形や焼き割れの生じにくい転がり軸受軌道輪の製造方法を提供することを目的とするものである。

本発明の転がり軸受軌道輪の製造方法で使用される高周波焼入れ装置は、転がり軸受軌道輪からなるワークを誘導加熱する高周波加熱コイルに、焼入れ冷却用のガスの流路と、この流路内のガスを当該ワークに向けて吐出するための吐出口とを設け、前記流路に焼入れ冷却ガスを供給する焼入れ冷却ガス供給装置を接続する。また、転がり軸受軌道輪からなるワークの加熱コイルを挟んだ反対側、つまり加熱コイルをワークの外周側に配設した場合には内周側に、加熱コイルをワークの内周側に配設した場合には外周側に、夫々、冷却ジャケットを配設する。なお、焼入れ冷却用のガスとしては、非酸化性ガスを用いることが好ましく、そのようにすれば、焼入れ処理時の冷却媒体によるワーク表面の酸化防止効果も合わせて得ることができる。
転がり軸受軌道輪からなるワークの有効肉厚を５．０ｍｍ以下とする。有効肉厚ｔの計算には、下記１式を用いる。
ｔ＝ｔ₁−（ｔ₁−ｔ₂）／４ ……… (1)
ｔ：有効肉厚
ｔ₁：最大肉厚
ｔ₂：最小肉厚

この高周波焼入れ装置を用いると、加熱コイルで誘導加熱された転がり軸受軌道輪からなるワークは、当該加熱コイル及び冷却ジャケットから吐出されるガスで急冷されて焼入れされる。ガス冷却では、水などの冷却液で冷却する場合に比べて、緩やかに冷却されることになり、そのため、変形や焼き割れが生じにくく、またリング状のワークの内周側と外周側とから冷却されることにより均一に焼入れを行うことができる。一般の鋼材では、冷却時間が長くなると焼入れを行うことができないが、有効肉厚５ｍｍ以下の薄肉のワークでは、冷却時間を短くすることができる。また、ワークの肉厚が薄い場合は、焼入れ冷却液で冷却すると変形や焼き割れが生じやすく、ガス冷却を行うことで、冷却速度むらによる変形や焼き割れ防止に優れた効果が得られる。

焼入れ冷却用のガスとしては、不活性ガスである窒素ガスなどの非酸化性ガスを用いることが好ましく、これにより転がり軸受軌道輪からなるワーク表面が酸化してスラッジが生じるのを防止する。このように、非酸化性ガスによるガス冷却とすることで、ワークの変形、焼き割れの防止、焼入れの均一化と共に、ワーク表面の酸化防止効果も得られる。

この発明では、前記高周波加熱コイルが単巻のものであり、前記ワークが転がり軸受軌道輪であり、このワークを支持して、高周波加熱コイルに対して回転させ、必要に応じて上下に移動するワーク支持手段を設ける。リング状の転がり軸受軌道輪からなるワークの内周又は外周に高周波加熱コイルを配設し、ワークを１００ｍｉｎ^-1以上の速度で回転させることで、全周にわたり均等な加熱、及びその後の焼入れのための冷却を行うことができる。１００ｍｉｎ^-1より遅い回転では、不均一な加熱・冷却となり、ワークの変形が大きくなる。また、ガス冷却の際のガス圧は０．３ＭＰａ以上とする。０．３ＭＰａより低いガス圧では冷却速度が低くなり、臨界冷却速度に到達しないため、不完全焼入れとなる。１００ｍｉｎ^-1以上の速度でワークを回転させ、０．３ＭＰａ以上のガス圧で冷却ガスを吹付けることにより、焼入れ品質が全周に均等なものとなる。

ワークである転がり軸受軌道輪は、形状、寸法、材質共に厳しい精度、品質が求められる。そのため、ガス冷却が可能な材質の軌道輪の場合は、前述のようにガス冷却とし、また回転させながら加熱・冷却を行うことにより形状・寸法、材質などの精度、品質上の利点が効果的に発揮される。
而して、本発明のうち請求項１に係る転がり軸受軌道輪の製造方法は、冷却用のガスの流路が形成され、且つこの流路内のガスを転がり軸受軌道輪であるワークの外周側又は内周側の何れか一方に向けて吐出する吐出口が形成され、且つ前記流路に冷却用ガスを供給する冷却ガス供給装置が接続された高周波加熱コイルと、ワークの外周側又は内周側の何れか他方をガスで冷却可能な冷却ジャケットとを備えた高周波焼入れ装置を用いる転がり軸受軌道輪の製造方法において、有効肉厚５ｍｍ以下の前記ワークを１００ｍｉｎ^-1以上の速度で回転し、前記加熱コイルの吐出口からワークへ吐出されるガスの圧力を０．３ＭＰａ以上とすることを特徴とするものである。

また、本発明のうち請求項２に係る転がり軸受軌道輪の製造方法は、転がり軸受軌道輪であるワークの外周側又は内周側の何れか一方を加熱する高周波加熱コイルと、ワークの外周側をガスで冷却可能な外周側冷却ジャケットと、ワークの内周側をガスで冷却可能な内周側冷却ジャケットとを備えた高周波焼入れ装置を用いる転がり軸受軌道輪の製造方法において、有効肉厚５ｍｍ以下の前記ワークを１００ｍｉｎ^-1以上の速度で回転し、前記外周側冷却ジャケット及び内周側冷却ジャケットからワークへ吐出されるガスの圧力を０．３ＭＰａ以上とすることを特徴とするものである。

以上より、本発明のうち請求項１に係る転がり軸受軌道輪の製造方法によれば、冷却用のガスの流路が形成され、且つこの流路内のガスを転がり軸受軌道輪であるワークの外周側又は内周側の何れか一方に向けて吐出する吐出口が形成され、且つ流路に冷却用ガスを供給する冷却ガス供給装置が接続された高周波加熱コイルと、ワークの外周側又は内周側の何れか他方をガスで冷却可能な冷却ジャケットとを備えた高周波焼入れ装置を用いる転がり軸受軌道輪の製造方法において、有効肉厚５ｍｍ以下の前記ワークを１００ｍｉｎ^-1以上の速度で回転し、加熱コイルの吐出口からワークへ吐出されるガスの圧力を０．３ＭＰａ以上とすることとしたため、全周にわたり均等な加熱、及びその後の焼入れのための冷却を行うことができ、焼入れ品質が全周に均等なものとなるので、不完全焼入れ層がなく、且つ変形や焼き割れも生じにくい。

また、本発明のうち請求項２に係る転がり軸受軌道輪の製造方法によれば、転がり軸受軌道輪であるワークの外周側又は内周側の何れか一方を加熱する高周波加熱コイルと、ワークの外周側をガスで冷却可能な外周側冷却ジャケットと、ワークの内周側をガスで冷却可能な内周側冷却ジャケットとを備えた高周波焼入れ装置を用いる転がり軸受軌道輪の製造方法において、有効肉厚５ｍｍ以下の前記ワークを１００ｍｉｎ^-1以上の速度で回転し、外周側冷却ジャケット及び内周側冷却ジャケットからワークへ吐出されるガスの圧力を０．３ＭＰａ以上とすることとしたため、全周にわたり均等な加熱、及びその後の焼入れのための冷却を行うことができ、焼入れ品質が全周に均等なものとなるので、不完全焼入れ層がなく、且つ変形や焼き割れも生じにくい。

次に、本発明の転がり軸受軌道輪の製造方法の第１実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態の転がり軸受軌道輪の製造方法に用いられる高周波焼入れ装置の概略構成図であり、図２は、その高周波焼入れ装置の加熱コイルの斜視図である。この高周波焼入れ装置は、転がり軸受軌道輪からなるワークＷの外周側に配設された加熱コイル１と、この加熱コイル１に高周波電流を供給する高周波電源２と、転がり軸受軌道輪からなるワークＷを支持するワーク支持装置３と、焼入れ冷却ガス供給装置４とを備える。転がり軸受軌道輪からなるワークＷは、周知のようにリング状であり、図１は断面を示している。なお、本実施形態のワークＷは深溝玉軸受の外輪であり、ワークＷの材質はＳＵＪ２である。

高周波電源２は、交流商用電源などから電源盤６を介して得た電流を、所定周波数の高周波電流に変換して加熱コイル１に供給するものであり、サイリスタインバータ式やトランジスタインバータ式などのものが使用される。高周波電源２と加熱コイル１との間には図示しない電源変換器を介装する。
加熱コイル１は円筒形の単巻のものであり、内部には焼入れ冷却ガスのための、加熱コイル１に沿った円環状の流路７を有し、転がり軸受軌道輪であるワーク１の外周側に焼入れ冷却ガスを吐出するための吐出口８が流路７の内周側に多数形成されている。加熱コイル１の断面形状は、図１に示すように、長方形乃至正方形状とされる。また、円筒形の加熱コイル１の外周面には、周方向の複数箇所に、焼入れ冷却ガスを供給するためのパイプ状の接続口９が設けられており、この接続口９に焼入れ冷却ガス供給装置４が接続され、所定のタイミングで焼入れ冷却ガスが供給される。焼入れ冷却ガスには、非酸化性ガス、例えば窒素ガスなどの不活性ガスが用いられる。

なお、加熱コイル１は、図２の斜視図に示すように、円筒形の一部が分割されており、その分割部分の両端に一対の端子板１０を夫々接続し、二枚の端子板１０の間に絶縁板１１が挟み込まれている。この二枚の端子板１０に、前記電源変換器を介して高周波電源２が接続されている。
ワーク支持装置３は、転がり軸受軌道輪であるワークＷを載せる突部１２と、突部１２の基板となる円板状の支持部材１３とを備え、支持部材１３をモータなどの駆動源１４で回転させることにより、ワークＷを加熱コイル１に対して回転させることができる。支持部材１３は、円筒形の加熱コイル１と同心に配設されており、図示しない昇降装置によって昇降される。突部１２は、転がり軸受軌道輪であるワークＷとの接触面積をできるだけ小さくするために、球形又は半球形としてあり、円板状の支持部材１３の外周部の縁周方向の複数箇所（例えば３カ所）に等配されている。この突部１２の材質はセラミックスなどからなる。

ワーク支持装置３の上方、且つ転がり軸受軌道輪であるワークＷの内周には、当該ワークＷの内周側に焼入れ冷却ガスを吐出して冷却する円筒状の冷却ジャケット１５が配設されている。この冷却ジャケット１５の内部には、冷却ジャケット１５の形状に沿った円環状の流路１６が形成され、転がり軸受軌道輪であるワーク１の内周側に焼入れ冷却ガスを吐出するための吐出口１７が流路１６の外周側に多数形成されている。冷却ジャケット１５の断面形状は、図１に示すように、長方形乃至正方形状とされる。また、円筒形の冷却ジャケット１５の外周面には、周方向の複数箇所に、焼入れ冷却ガスを供給するためのパイプ状の接続口１８が設けられており、この接続口９に焼入れ冷却ガス供給装置４が接続され、所定のタイミングで焼入れ冷却ガスが供給される。

この高周波焼入れ装置による熱処理過程を説明する。まず、ワーク支持装置３の突部１２上に転がり軸受軌道輪からなるワークＷを載置し、それを加熱コイル１内にセットする。その状態で、駆動源１４によりワーク支持装置３を回転し、支持部材１３上のワークＷを回転させながら、加熱コイル１に高周波電源２から高周波電流を供給する。加熱コイル１に高周波電流が供給されると、交番磁力が発生し、転がり軸受軌道輪からなるワークＷが誘導加熱される。即ち、ワークＷを通る磁束の変化によって過電流損やヒステリシス損などが生じ、それらにより発熱現象が生じる。

転がり軸受軌道輪からなるワークＷの温度が焼入れ前加熱最高温度、つまりオーステナイト化温度まで昇温したら、その温度を一定時間維持した後、加熱コイル１及び冷却ジャケット１５内に焼入れ冷却ガスを供給して、加熱コイル１の吐出口８から当該ワークＷの外周側に焼入れ冷却ガスを吐出すると共に、冷却ジャケット１５の吐出口１から当該ワークＷの内周側に焼入れ冷却ガスを吐出する。これにより、転がり軸受軌道輪からなるワークＷが急冷されて焼入れされる。

この急冷はガス冷却であるため、液冷却に比べて冷却速度が遅く、そのため焼入れ後の変形が少なく、焼き割れも生じにくく、且つ全体に均等な焼入れが行われる。一般の鋼材では冷却時間を長くすると焼入れできないが、ワークの材質によっては、冷却時間を長くしても焼入れ可能なものがある。このように冷却時間が長くても焼入れ可能なワークは、冷却時間を長くすることで変形や焼き割れが生じにくくなり、また均等な焼入れを行うことができ、そのような緩やかな冷却は、ガスを用いて行うことが好ましい。また、ワークＷの肉厚が薄い場合は、焼入れ冷却液で冷却すると変形や焼き割れが生じやすく、ガス冷却を行うことで、冷却速度が速くなりすぎることにより変形や焼き割れを防止することが可能となる。なお、前述した有効肉厚ｔの算出にあたり、深溝玉軸受の内外輪の最大肉厚ｔ₁、最小肉厚ｔ₂は図３の通りである。

この実施形態では、単巻の加熱コイル１を用い、その内側で、ワーク支持装置３でワークＷを回転させながら誘導加熱し、加熱コイル１及び冷却ジャケット１５を用いてガス冷却により急冷して焼入れを行うため、薄肉リング状のワークＷ全周にわたって均一に加熱、冷却でき、このため焼入れ品質が全周に均等なものとなる。従って、ワークＷが、形状、寸歩奥、材質など、厳しい精度、品質が求められる転がり軸受軌道輪である場合は、この実施形態の高周波焼入れ装置による精度、品質上の利点が効果的に発揮される。また、焼入れ冷却ガスとして非酸化性ガスを用いることにより、焼入れ処理時の冷却媒体によるワーク表面の酸化防止効果も合わせて得ることができる。

なお、この実施形態では、加熱コイル１を転がり軸受軌道輪からなるワークＷの外周に、冷却ジャケット１５をワークＷの内周に配設したが、加熱コイル１及び冷却ジャケット１５のレイアウトは、その逆でもよい。図４には、転がり軸受軌道輪からなるワークＷの内周に配設される加熱コイル１の一例を示す。このように、転がり軸受軌道輪からなるワークＷの内周に加熱コイル１を配設する場合には、端子板を加熱コイル１の内側に配設する必要がある。

下記表１に、本実施形態の転がり軸受軌道輪の製造方法における鋼の焼入れ方法による焼入れ実施結果を示す。ワークは、実施例、比較例共に、ＪＩＳＳＵＪ２鋼製の外径５０ｍｍの深溝玉軸受の外輪である。比較例１〜３はガス冷却焼入れ、比較例３は油焼入れのみの結果である。なお表１には、軌道面硬さ、転動疲労寿命及び熱処理変形量を示す。転動疲労試験は、潤滑油としてタービンオイル＃６８を用い、接触応力５．８ｋＮ／ｍｍ２、回転数３２００ｍｉｎ−１の条件で行った。また、軌道面硬さは、表面から５０μｍの位置をマイクロビッカースで測定した。変形量は、テーブル回転式真円度測定器タリロンドを用いて、焼入れ前後の真円度を測定し求め、サンプル数ｎ＝３０の最大変形量を求めた。これらの結果から明らかなように、本発明の実施例のものは、高い硬さ、優れた疲労寿命、並びに良好な熱処理変形量を示していることが分かる。

次に、本発明の転がり軸受軌道輪の製造方法の第２実施形態について、図５を用いて説明する。この実施形態は、第１実施形態における高周波焼入れ装置の加熱コイル１のワーク外周側冷却機能が、外周側冷却ジャケット２０として別体化されたものであり、同等の機能の構成には第１実施形態と同等の符号を附して、その詳細な説明を省略する。なお、図には、高周波電源、焼入れ冷却ガス供給装置、配電盤、モータなどの駆動源を省略している。また、冷却ジャケット１５は、内周側冷却ジャケット１５とも記す。内周側冷却ジャケット１５は外周側冷却ジャケット２０の内側に配設されている。

この高周波焼入れ装置による熱処理では、まずワーク支持装置３で、転がり軸受軌道輪からなるワークＷを支持し、当該ワークＷを加熱コイル１の内部にセットし、当該ワークＷを１００ｍｉｎ^-1以上の速度で回転しながら加熱コイル１で当該ワークＷの外周側から加熱することで当該ワークＷの全周にわたって均等に加熱する。次いで、ワーク支持装置３を上昇して転がり軸受軌道輪からなるワークＷを外周側冷却ジャケット２０と内周側冷却ジャケット１５の間にセットする。その状態で、ワーク支持装置３により転がり軸受軌道輪からなるワークＷを１００ｍｉｎ^-1以上の速度で回転しながら、外周側冷却ジャケット２０から当該ワークＷの外周側に向けて焼入れ冷却ガスを０．２ＭＰａ以上の圧力で吐出すると共に、内周側冷却ジャケット１５から当該ワークＷの内周側に向けて焼入れ冷却ガスを０．２ＭＰａ以上の圧力で吐出し、当該ワークＷを急冷して焼入れする。

この場合も、前記第１実施形態と同様の効果が得られるほか、既存の加熱コイル１を使用することができ、発明を実施化しやすい。
なお、転がり軸受軌道輪からなるワークは深溝玉軸受の外輪に限らず、円錐ころ軸受などの軸受リングも同様に適用可能であり、特に薄肉の軸受リングに対して高い効果が得られる。

本発明の転がり軸受軌道輪の製造方法の第１実施形態を示す高周波焼入れ装置の概略構成図である。図１の加熱コイルの斜視図である。深溝玉軸受の軌道輪における最大肉厚、最小肉厚の説明図である。加熱コイルのほかの例を示す斜視図である。本発明の転がり軸受軌道輪の製造方法の第２実施形態を示す高周波焼入れ装置の概略構成図である。

符号の説明

１は加熱コイル）
２は高周波電源
３はワーク支持装置
４は焼入れ冷却ガス供給装置
６は配電盤
７は流路
８は吐出口
９は接続口
１２は突部
１３は支持部材
１４は駆動源
１５は冷却ジャケット（内周側冷却ジャケット）
１６は流路
１７は吐出口
１８は接続口
２０は外周側冷却ジャケット

Claims

冷却用のガスの流路が形成され、且つこの流路内のガスを転がり軸受軌道輪であるワークの外周側又は内周側の何れか一方に向けて吐出する吐出口が形成され、且つ前記流路に冷却用ガスを供給する冷却ガス供給装置が接続された高周波加熱コイルと、ワークの外周側又は内周側の何れか他方をガスで冷却可能な冷却ジャケットとを備えた高周波焼入れ装置を用いる転がり軸受軌道輪の製造方法において、有効肉厚５ｍｍ以下の前記ワークを１００ｍｉｎ^-1以上の速度で回転し、前記加熱コイルの吐出口からワークへ吐出されるガスの圧力を０．３ＭＰａ以上とすることを特徴とする転がり軸受軌道輪の製造方法。
転がり軸受軌道輪であるワークの外周側又は内周側の何れか一方を加熱する高周波加熱コイルと、ワークの外周側をガスで冷却可能な外周側冷却ジャケットと、ワークの内周側をガスで冷却可能な内周側冷却ジャケットとを備えた高周波焼入れ装置を用いる転がり軸受軌道輪の製造方法において、有効肉厚５ｍｍ以下の前記ワークを１００ｍｉｎ^-1以上の速度で回転し、前記外周側冷却ジャケット及び内周側冷却ジャケットからワークへ吐出されるガスの圧力を０．３ＭＰａ以上とすることを特徴とする転がり軸受軌道輪の製造方法。