JP2008151235A - Rolling device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、転がり軸受,リニアガイド装置,ボールねじ,直動ベアリング等のような転動装置に関する。 The present invention relates to a rolling device such as a rolling bearing, a linear guide device, a ball screw, a linear motion bearing and the like.
一般に、転がり軸受等の転動装置においては、転動装置を構成する内方部材,外方部材と転動体との間で転がり運動が行われ、内方部材,外方部材の軌道面及び転動体の転動面は高面圧下で剪断応力を繰り返し受ける。そのため、内方部材,外方部材,転動体を構成する材料には、硬い、転がり疲労寿命が長い等の性質が要求される。
そこで、これらの部材を構成する材料には、SUJ2等の高炭素クロム軸受鋼や、SCr420,SCM420,SAE4320H等の肌焼鋼がよく使用される。そして、これらの材料は、転がり疲労寿命等の必要とされる性質を得るために、軸受鋼であれば焼入れ,焼戻しが施され、硬さがHRC58以上64以下とされている。また、肌焼鋼であれば浸炭処理又は浸炭窒化処理の後に焼入れ,焼戻しが施されて、表面硬さがHRC58以上64以下、芯部硬さがHRC30以上48以下とされている。
Generally, in a rolling device such as a rolling bearing, a rolling motion is performed between an inner member, an outer member, and a rolling element constituting the rolling device, and the inner member, the raceway surface of the outer member, and the rolling member. The rolling surface of the moving body is repeatedly subjected to shear stress under high surface pressure. Therefore, the materials constituting the inner member, the outer member, and the rolling element are required to have properties such as being hard and having a long rolling fatigue life.
Therefore, high carbon chrome bearing steel such as SUJ2 and case-hardened steel such as SCr420, SCM420, and SAE4320H are often used as materials constituting these members. In order to obtain the required properties such as rolling fatigue life, these materials are hardened and tempered if they are bearing steel, and the hardness is set to HRC 58 or more and 64 or less. In case of case-hardened steel, quenching and tempering are performed after carburizing or carbonitriding, and the surface hardness is HRC 58 or more and 64 or less, and the core hardness is HRC 30 or more and 48 or less.
しかしながら、近年においては、転動装置のメンテナンスフリー化や、転動装置を備えた自動車の低燃費化が求められているため、転動装置の使用条件が過酷なものとなっている。このため、転動装置を潤滑する潤滑剤中に混入する異物や転動装置の潤滑不良による軌道面や転動面の損傷及び剥離が問題となっており、上記のような厳しい使用条件下における転動装置の長寿命化に対する要求が高まっている。 However, in recent years, there has been a demand for maintenance-free rolling devices and reduction in fuel consumption of automobiles equipped with rolling devices, and the use conditions of the rolling devices have become severe. For this reason, the foreign matter mixed in the lubricant for lubricating the rolling device and the damage and peeling of the raceway surface and the rolling surface due to poor lubrication of the rolling device have become a problem. There is an increasing demand for extending the life of rolling devices.
このような要求に対して、転がり疲労寿命の向上に効果のある圧縮残留応力に着目して転動装置を長寿命化する方法が、特許文献1〜3に提案されている。
特許文献1には、ショットブラストの後にバレル仕上げすることにより、転がり面に油溜まりとなる微小くぼみを多数形成した転がり部品が記載されている。そして、この転がり面の表面から深さ100μmまでの表層部における圧縮残留応力の最小値は、90MPa以上とされている。
In response to such demands,
また、特許文献2には、ショットピーニングを施すことにより、軌道輪の軌道面の最表面部における最大圧縮残留応力を100kgf/mm2 以上とするとともに、表面下300μmの位置における圧縮残留応力を40kgf/mm2 以上とした転がり軸受が記載されている。
さらに、特許文献3には、ショットピーニングを施すことにより、表層部における最大圧縮残留応力を50〜110kgf/mm2 とするとともに、表面粗さの平均波長を25μm以下とした転がり摺動部品が記載されている。
Furthermore,
しかしながら、特許文献1に記載の転がり部品においては、ショットブラストの後にバレル仕上げを施して転がり面を仕上げるため、被加工物をカゴの中で回転させるというバレル仕上げの特性上、転がり部品がカムフォロアの外輪等の小径なものに限定されてしまうおそれがある。そのため、例えば内径が80mmを超えるような大径の転がり軸受には適用することが困難である。その上、バレル仕上げ時には被加工物同士が衝突して打痕が生じるという問題があるため、玉軸受の軌道輪には適用することが困難である。
However, in the rolling component described in
また、特許文献2に記載の転がり軸受においては、軌道輪の軌道面の表面粗さは規定されていないが、ショットピーニングでは汎用の大きな粒径のショット材(例えば、平均粒径0.72mmの鋼球)が使用されることが多いため、ショットピーニング後の表面粗さは必然的に大きくなる。よって、軌道面の表面粗さを転がり軸受として使用可能なレベルとするためには、ショットピーニング後に研磨加工を行って表面を仕上げる必要がある。ところが、特に大径で研磨取代の大きな転がり軸受では、圧縮応力が付与された表面層が取代分取り除かれてしまうという問題があり、適用が困難である。
Further, in the rolling bearing described in
さらに、特許文献3に記載の転がり摺動部品においては、カムフォロアの外輪等のように、摺動する相手面が比較的粗い面であることを想定しているため、所謂なじみ性を向上させるために、表面粗さを広い範囲で規定している。このため、玉軸受の軌道輪のように、摺動する相手面が鏡面である場合には、逆に相手面に損傷を与えてしまうおそれがあり、適用が困難である。
そこで、本発明は上記のような従来技術が有する問題点を解決し、軌道面の損傷が生じにくく長寿命な転動装置を提供することを課題とする。
Furthermore, in the rolling and sliding component described in
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to provide a rolling device that solves the above-described problems of the prior art and is less likely to damage the raceway surface and has a long life.
前記課題を解決するため、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明に係る請求項1の転動装置は、外面に軌道面を有する内方部材と、該内方部材の軌道面に対向する軌道面を有し前記内方部材の外方に配された外方部材と、前記両軌道面間に転動自在に配された複数の転動体と、を備える転動装置において、前記両軌道面の少なくとも一方は、平均粒径200μm以下の略球状のセラミック粒子を投射した後に、平均粒径3μm以下の研磨材を含有するゴムで構成された平均粒径1.5mm以下のゴム粒子を投射することにより仕上げ加工が施されており、表面粗さRaが0.01μm以上0.07μm以下、表面残留応力が−1400MPa以上−900MPa以下とされていることを特徴とする。 セラミック粒子の投射により軌道面の表面残留応力が好適な値となっているため、転動装置が長寿命である。また、ゴム粒子の投射により仕上げ加工が施されているため、軌道面が極めて平滑に仕上げられている。よって、例えば玉軸受の軌道輪のように、摺動する相手面が鏡面である場合でも、相手面に損傷を与えるおそれがほとんどない。さらに、微粒子の投射という比較的単純な処理であるため、処理の対象となる内方部材,外方部材の形状及び大きさが制限されることがなく、ほぼ全ての種類の転動装置に対して本発明を適用することが可能である。
In order to solve the above problems, the present invention has the following configuration. That is, the rolling device according to
セラミック粒子の平均粒径が200μm超過であると、セラミック粒子を投射した後の軌道面の表面粗さが過大となるので、その後のゴム粒子の投射で表面粗さを十分に小さくすることができず、軌道面の仕上げが不十分となる。また、セラミック粒子の形状が、滑らかな曲面である球状や略球状ではなく角部を持った形状であると、セラミック粒子を投射した後の軌道面の表面粗さが過大となるおそれがある。さらに、投射材の材質が例えば錫のように軟質であると、投射エネルギーが投射材自身の変形に費やされてしまい、軌道面に表面残留応力を十分に付与できなくなるため、投射材は硬質なセラミックである必要がある。 If the average particle size of the ceramic particles exceeds 200 μm, the surface roughness of the raceway surface after projecting the ceramic particles becomes excessive, so that the surface roughness can be sufficiently reduced by the subsequent projection of the rubber particles. Therefore, the raceway surface is not sufficiently finished. Further, when the shape of the ceramic particles is not a spherical shape or a substantially spherical shape which is a smooth curved surface but a shape having corners, the surface roughness of the raceway surface after the ceramic particles are projected may be excessive. Furthermore, if the material of the projection material is soft, such as tin, the projection energy is expended on the deformation of the projection material itself, and the surface residual stress cannot be sufficiently applied to the raceway surface. Must be a good ceramic.
さらに、研磨材の平均粒径が3μm超過であると、軌道面の表面粗さを十分に小さくすることができないおそれがある。さらに、ゴム粒子の平均粒径が1.5mm超過であると、研磨効率が低くなるおそれがある。
さらに、転動装置(特に、高精度が要求される玉軸受)として必要な機能(例えば寿命や音響性能)を損なわないためには、仕上げ加工が施された後の軌道面の表面粗さRaは0.07μm以下である必要がある。ただし、0.01μm未満とするためには長時間の仕上げ加工が必要となり効率的でないため、軌道面の表面粗さRaは0.01μm以上である必要がある。
Furthermore, if the average particle size of the abrasive is more than 3 μm, the surface roughness of the raceway surface may not be sufficiently reduced. Furthermore, when the average particle diameter of the rubber particles is more than 1.5 mm, the polishing efficiency may be lowered.
Furthermore, in order not to impair the functions (for example, life and acoustic performance) required for the rolling device (particularly, a ball bearing that requires high accuracy), the surface roughness Ra of the raceway surface after finishing is performed. Needs to be 0.07 μm or less. However, in order to make it less than 0.01 μm, a long-time finishing process is required and it is not efficient. Therefore, the surface roughness Ra of the raceway surface needs to be 0.01 μm or more.
さらに、軌道面の表面残留応力が−900MPa以下であると、すなわち表面の圧縮残留応力が900MPa以上であると、軌道面へのクラックの発生が抑制され、転動装置が長寿命となる。ただし、表面残留応力が−1400MPa未満であると、すなわち表面の圧縮残留応力が1400MPa超過であると、軌道面がオーバーピーニングの状態となるため、逆にクラックの発生源となって短寿命となるおそれがある。 Further, if the surface residual stress of the raceway surface is −900 MPa or less, that is, if the surface compressive residual stress is 900 MPa or more, the occurrence of cracks on the raceway surface is suppressed, and the rolling device has a long life. However, if the surface residual stress is less than −1400 MPa, that is, if the surface compressive residual stress is more than 1400 MPa, the raceway surface is overpeened, and on the contrary, it becomes a source of cracks and has a short life. There is a fear.
また、本発明に係る請求項2の転動装置は、請求項1に記載の転動装置において、前記仕上げ加工が施された軌道面の表面から深さ20μmまでの部分は、残留オーステナイトを含有しており、その含有量は13質量%以上25質量%以下であることを特徴とする。 軌道面に圧縮残留応力とともに残留オーステナイトを確保することは、転動装置の長寿命化に対して重要である。残留オーステナイト量が13質量%未満であると、転動装置の寿命が不十分となるおそれがある。ただし、残留オーステナイト量と圧縮残留応力とは二律背反の関係にあるため、残留オーステナイト量を25質量%超過とすると圧縮残留応力を前述の値とすることが困難となる。
The rolling device according to
なお、本発明は種々の転動装置に適用することができる。例えば、転がり軸受,ボールねじ,リニアガイド装置,直動ベアリング等である。また、本発明における内方部材とは、転動装置が転がり軸受の場合には内輪、同じくボールねじの場合にはねじ軸、同じくリニアガイド装置の場合には案内レール、同じく直動ベアリングの場合には軸をそれぞれ意味する。また、外方部材とは、転動装置が転がり軸受の場合には外輪、同じくボールねじの場合にはナット、同じくリニアガイド装置の場合にはスライダ、同じく直動ベアリングの場合には外筒をそれぞれ意味する。 The present invention can be applied to various rolling devices. For example, a rolling bearing, a ball screw, a linear guide device, a linear motion bearing, and the like. Further, the inner member in the present invention means an inner ring when the rolling device is a rolling bearing, a screw shaft when the ball screw is also used, a guide rail when the linear guide device is used, and a linear motion bearing. Means each axis. The outer member is the outer ring when the rolling device is a rolling bearing, the nut when it is a ball screw, the slider when it is a linear guide device, and the outer cylinder when it is also a linear bearing. Each means.
本発明の転動装置は、軌道面に損傷が生じにくく長寿命である。 The rolling device of the present invention has a long life with little damage to the raceway surface.
本発明に係る転動装置の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図1は、本発明に係る転動装置の一実施形態である玉軸受の構造を示す縦断面図である。
この玉軸受は、外周面に軌道面1aを有する内輪1(内方部材)と、内輪1の軌道面1aに対向する軌道面2aを内周面に有する外輪2(外方部材)と、両軌道面1a,2a間に転動自在に配された複数の玉(転動体)3と、内輪1と外輪2との間に玉3を保持する保持器4と、を備えている。
An embodiment of a rolling device according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a structure of a ball bearing which is an embodiment of a rolling device according to the present invention.
This ball bearing includes an inner ring 1 (inner member) having a
内輪1,外輪2,及び玉3の材質は特に限定されるものではなく、例えばSUJ2製で浸炭窒化処理が施されたものでもよいし、SUJ2製でズブ焼き入れ又は高周波焼入れが施されたものでもよいし、SCM420又はSCr420製で浸炭窒化処理又は浸炭処理が施されたものでもよい。また、保持器4の材質も特に限定されるものではなく、例えばプラスチックや鋼があげられる。さらに、内輪1と外輪2との間に形成される空間に、潤滑剤を封入してもよい。
The material of the
この玉軸受の両軌道面1a,2aには、超仕上げ加工と2種類のショットピーニングとが施されている。まず、超仕上げ加工が施された軌道面1a,2aに、平均粒径200μm以下の略球状のセラミック粒子を投射するショットピーニング(以降は第一工程と記すこともある)を施す。第一工程のショットピーニングには汎用のショットピーニング装置を用い、噴射圧力は0.196〜0.588MPa、噴射時間は10〜20minとした。また、1回の処理に用いる内輪,外輪の質量は、それぞれ1〜20kgとした。
Both
続いて、軌道面1a,2aに、平均粒径1.5mm以下の略球状のゴム粒子を乾式で投射するショットピーニング(以降は第二工程と記すこともある)を施す。このゴム粒子は、平均粒径3μm以下の研磨材を分散させたゴムで構成されている。第二工程のショットピーニングにはインペラー式のショットピーニング装置を用い、噴射速度は30m/s以上、噴射時間は10〜20minとした。なお、ショットピーニング装置はインペラー式に限らず、エアー式でもよい。 Subsequently, shot peening (hereinafter sometimes referred to as a second step) in which substantially spherical rubber particles having an average particle diameter of 1.5 mm or less are projected in a dry manner is applied to the raceway surfaces 1a and 2a. The rubber particles are made of rubber in which an abrasive having an average particle size of 3 μm or less is dispersed. An impeller-type shot peening apparatus was used for the shot peening in the second step, the injection speed was 30 m / s or more, and the injection time was 10 to 20 minutes. The shot peening apparatus is not limited to the impeller type but may be an air type.
これらの処理が施された軌道面1a,2aの表面粗さRaは、0.01μm以上0.07μm以下となっている。また、軌道面1a,2aの表面残留応力は、−1400MPa以上−900MPa以下となっている。さらに、軌道面1a,2aの表面から深さ20μmまでの部分は、残留オーステナイトを含有しており、その含有量は13質量%以上25質量%以下となっている。 The surface roughness Ra of the raceway surfaces 1a and 2a subjected to these treatments is 0.01 μm or more and 0.07 μm or less. Moreover, the surface residual stress of the raceway surfaces 1a and 2a is -1400 MPa or more and -900 MPa or less. Furthermore, the part from the surface of the raceway surfaces 1a and 2a to the depth of 20 μm contains retained austenite, and the content thereof is 13% by mass or more and 25% by mass or less.
このような内輪1,外輪2を玉3及び保持器4とともに組み立てて得られた玉軸受は、軌道面1a,2aに損傷が生じにくく長寿命である。
なお、本実施形態においては、転動装置の例として深溝玉軸受をあげて説明したが、転がり軸受の種類は深溝玉軸受に限定されるものではなく、本発明は様々な種類の転がり軸受に対して適用することができる。例えば、アンギュラ玉軸受,自動調心玉軸受,自動調心ころ軸受,針状ころ軸受,円筒ころ軸受,円すいころ軸受等のラジアル形の転がり軸受や、スラスト玉軸受,スラストころ軸受等のスラスト形の転がり軸受である。さらに、本発明は、転がり軸受に限らず、他の種類の様々な転動装置に対して適用することができる。例えば、ボールねじ,リニアガイド装置,直動ベアリング等である。
The ball bearing obtained by assembling the
In the present embodiment, the deep groove ball bearing has been described as an example of the rolling device, but the type of the rolling bearing is not limited to the deep groove ball bearing, and the present invention is applicable to various types of rolling bearings. It can be applied to. For example, radial type rolling bearings such as angular contact ball bearings, self-aligning ball bearings, self-aligning roller bearings, needle roller bearings, cylindrical roller bearings, tapered roller bearings, and thrust types such as thrust ball bearings and thrust roller bearings This is a rolling bearing. Furthermore, the present invention can be applied not only to rolling bearings but also to various types of various rolling devices. For example, a ball screw, a linear guide device, a linear motion bearing, or the like.
以下に実施例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。前述した図1の深溝玉軸受とほぼ同様の構成の軸受において、第一工程及び第二工程のショットピーニングの条件を種々変更することにより、内輪及び外輪の軌道面の表面残留応力、表面粗さ、及び残留オーステナイト量が種々異なる試験軸受を用意して(表1,2を参照)、その寿命を評価した。すなわち、第一工程のショットピーニングにおいては、用いたセラミック粒子の種類(材質、形状)及び平均粒径を種々変更した。ガラス製のセラミック粒子の場合は、その形状は略球状であり、炭化ケイ素(SiC)製のセラミック粒子の場合は、その形状は角部を持った形状である。また、第二工程のショットピーニングにおいては、ゴム粒子の平均粒径及びゴム粒子を構成するゴムに分散された研磨材の平均粒径を種々変更した。 The present invention will be described more specifically with reference to the following examples. In the bearing having substantially the same structure as the deep groove ball bearing shown in FIG. 1 described above, the surface residual stress and surface roughness of the raceways of the inner ring and the outer ring can be changed by variously changing the conditions of the shot peening in the first process and the second process. Test bearings with different amounts of retained austenite were prepared (see Tables 1 and 2), and their life was evaluated. That is, in the shot peening of the first step, the type (material, shape) and average particle size of the ceramic particles used were variously changed. In the case of glass ceramic particles, the shape is substantially spherical. In the case of silicon carbide (SiC) ceramic particles, the shape is a shape having corners. In the shot peening in the second step, the average particle diameter of the rubber particles and the average particle diameter of the abrasive dispersed in the rubber constituting the rubber particles were variously changed.
なお、この深溝玉軸受は呼び番号6206の軸受であり、内径は30mm、外径は62mm、幅は16mm、玉の直径は9.525mmである。また、表1,2中の残留オーステナイト量は、内輪及び外輪の軌道面の表面から深さ20μmまでの部分に存在する残留オーステナイトの量である。この残留オーステナイト量はX線による測定値であり、測定値5個の平均値である。 This deep groove ball bearing is a bearing having a nominal number 6206, and has an inner diameter of 30 mm, an outer diameter of 62 mm, a width of 16 mm, and a ball diameter of 9.525 mm. Further, the amount of retained austenite in Tables 1 and 2 is the amount of retained austenite present in the portion from the surface of the raceway surface of the inner ring and outer ring to a depth of 20 μm. This amount of retained austenite is a measured value by X-ray, and is an average value of five measured values.
このような試験軸受を下記のような条件で回転させ、軌道面にフレーキングが発生したら、それまでの回転数を寿命とした。そして、ワイブル分布関数に基づくL10寿命を算出した。結果を表1,2に示す。なお、表1,2のL10寿命の数値は、第一工程及び第二工程のショットピーニングをいずれも施していない比較例1のL10寿命を1とした場合の相対値で示してある。 When such a test bearing was rotated under the following conditions and flaking occurred on the raceway surface, the number of rotations up to that time was regarded as the life. Then, the L 10 life based on the Weibull distribution function was calculated. The results are shown in Tables 1 and 2. The numerical values of the L 10 life of Tables 1 and 2 is shown as a relative value when the first and second steps of the shot peening of Comparative Example 1 not both subjected L 10 life and 1.
荷重 :6223N
回転速度:3000min-1
潤滑油 :ISO粘度グレードがISO VG68であるタービン油
ただし、潤滑油には、異物としてステンレス鋼粉を300ppm混入してある。ステンレス鋼粉の硬さはHRC52であり、粒径は74〜147μmである。
Load: 6223N
Rotational speed: 3000min -1
Lubricating oil: Turbine oil whose ISO viscosity grade is ISO VG68 However, the lubricating oil contains 300 ppm of stainless steel powder as a foreign matter. The hardness of the stainless steel powder is HRC52, and the particle size is 74 to 147 μm.
第一工程及び第二工程のショットピーニングが施され表面残留応力の値が好適な値となっている実施例1〜10は、比較例1よりも長寿命であり、比較例1の5倍以上の寿命を有していた。
比較例2は、第一工程に使用するセラミック粒子の形状の影響で表面粗さが大きすぎるため、短寿命であった。また、比較例3は、第一工程に使用するセラミック粒子の平均粒径が大きいことにより、圧縮残留応力が過大となったため、微小なクラックが発生して短寿命となった。さらに、比較例4は、第二工程に使用する研磨材の平均粒径が大きいことにより、表面粗さが十分に小さくならなかったため、短寿命であった。
Examples 1 to 10 in which the values of the surface residual stress are given by the shot peening of the first step and the second step are longer than those of Comparative Example 1, and are five times or more that of Comparative Example 1. Had a lifetime of.
Comparative Example 2 had a short life because the surface roughness was too large due to the influence of the shape of the ceramic particles used in the first step. Moreover, in Comparative Example 3, since the compressive residual stress was excessive due to the large average particle size of the ceramic particles used in the first step, minute cracks were generated and the life was shortened. Furthermore, Comparative Example 4 had a short life because the surface roughness was not sufficiently reduced due to the large average particle size of the abrasive used in the second step.
さらに、比較例5は、圧縮残留応力が小さすぎるため短寿命であった。さらに、比較例6は、圧縮残留応力が過大となったため、オーバーピーニングにより微小なクラックが発生して短寿命となった。さらに、比較例7は、表面粗さが過大であるため、短寿命であった。さらに、比較例8は、第二工程のショットピーニングが施されていないため、表面粗さが過大となり短寿命となった。 Furthermore, Comparative Example 5 had a short life because the compressive residual stress was too small. Further, in Comparative Example 6, since the compressive residual stress was excessive, a minute crack was generated due to overpeening and the life was shortened. Furthermore, Comparative Example 7 had a short life because the surface roughness was excessive. Furthermore, since the shot peening of the second step was not performed in Comparative Example 8, the surface roughness was excessive and the life was shortened.
1 内輪
1a 軌道面
2 外輪
2a 軌道面
3 玉
1
Claims (2)
前記両軌道面の少なくとも一方は、平均粒径200μm以下の略球状のセラミック粒子を投射した後に、平均粒径3μm以下の研磨材を含有するゴムで構成された平均粒径1.5mm以下のゴム粒子を投射することにより仕上げ加工が施されており、表面粗さRaが0.01μm以上0.07μm以下、表面残留応力が−1400MPa以上−900MPa以下とされていることを特徴とする転動装置。 An inner member having a raceway surface on the outer surface, an outer member having a raceway surface opposite to the raceway surface of the inner member, and arranged on the outer side of the inner member, and rolling between the both raceway surfaces In a rolling device comprising a plurality of freely arranged rolling elements,
At least one of the raceway surfaces is a rubber having an average particle size of 1.5 mm or less, which is made of rubber containing an abrasive having an average particle size of 3 μm or less after projecting substantially spherical ceramic particles having an average particle size of 200 μm or less. A rolling device characterized in that finishing is performed by projecting particles, surface roughness Ra is 0.01 μm or more and 0.07 μm or less, and surface residual stress is −1400 MPa or more and −900 MPa or less. .
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