JP2011163441A - ころ軸受およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ころ軸受のトルクを低減する。
【解決手段】円錐ころ3の表面に、直径100μm以下の真球状のシリカ微粒子を投射して凹凸を形成した後、研磨粒子を投射して凸部を除去した。研磨粒子は、直径1mmのゴム粒子の表面に、平均粒径が10μmのダイヤモンド砥粒を5質量%の割合で接着されたものである。これにより、円錐ころ3の表面に、直径50μm以下の円形の開口部を有する多数のくぼみを、200μm以下の間隔で形成する。
【選択図】図1
【解決手段】円錐ころ3の表面に、直径100μm以下の真球状のシリカ微粒子を投射して凹凸を形成した後、研磨粒子を投射して凸部を除去した。研磨粒子は、直径1mmのゴム粒子の表面に、平均粒径が10μmのダイヤモンド砥粒を5質量%の割合で接着されたものである。これにより、円錐ころ3の表面に、直径50μm以下の円形の開口部を有する多数のくぼみを、200μm以下の間隔で形成する。
【選択図】図1
Description
この発明は、ころ軸受とその製造方法に関する。
自動車のデファレンシャルギアで使用される円錐ころ軸受には、特に低速側でトルクを低くすることが求められている。ころ軸受のトルクを低減するためには、ころの表面に常に油膜が十分に形成されていることが有効である。
下記の特許文献1〜3には、ころの端面とその案内面を有する鍔部のいずれかの表面状態を、両者の間に十分な油膜が形成されるようにすることが記載されている。特許文献1では、鍔部のころ案内面に微小凹部をショットブラストにより形成している。特許文献2には、粒度の異なる砥粒を装着した砥石などによる加工で、平滑面に谷部がランダムに形成された仕上げ面とすることが記載されている。
下記の特許文献1〜3には、ころの端面とその案内面を有する鍔部のいずれかの表面状態を、両者の間に十分な油膜が形成されるようにすることが記載されている。特許文献1では、鍔部のころ案内面に微小凹部をショットブラストにより形成している。特許文献2には、粒度の異なる砥粒を装着した砥石などによる加工で、平滑面に谷部がランダムに形成された仕上げ面とすることが記載されている。
特許文献3には、表面粗さを規定して、所定の平滑面に所定深さの谷が散在する表面状態にすることが記載されている。その方法として、円盤状砥石を被研磨面へ接触させることと被研磨面から退避させることを、短時間毎に繰り返す方法が記載されている。
下記の特許文献4〜6には、ころの転動面、ころの端面、軌道輪の軌道面のいずれかの表面に微小凹形状のくぼみをランダムに無数に設け、その表面粗さを特定の範囲に規定することで、優れた油膜形成作用を得ることが記載されている。このくぼみはバレル研磨やショット等を用いた方法で加工できると記載されている。
下記の特許文献4〜6には、ころの転動面、ころの端面、軌道輪の軌道面のいずれかの表面に微小凹形状のくぼみをランダムに無数に設け、その表面粗さを特定の範囲に規定することで、優れた油膜形成作用を得ることが記載されている。このくぼみはバレル研磨やショット等を用いた方法で加工できると記載されている。
下記の特許文献7には、純度が99%以上のシリカからなる略球状の投射粒子を、アルミ合金製摺動部材の摺動面に投射することで、摺動面にシリカが転写された転写層を形成することが記載されている。この方法では、シリカ粒子を投射する前に、研削加工により摺動面の表面粗さをRa0.3μm程度に仕上げている。
下記の特許文献8には、被研磨物の表面を仕上げ研磨する方法として、ゴム、熱可塑性エラストマなどの弾性材からなり、かつ♯2000以上の砥粒を含有する研磨粒子を、被研磨物に90°以下の角度で投射することが記載されている。これにより、研削による加工で被研磨物に突き刺さって残存する砥粒が除去されると同時に、研削目や研削スジも良好に除去されて清浄で粗さの良い表面が得られる。この方法でころの転動面を仕上げ研磨することで、ころ軸受の焼きつき寿命等の向上が期待できる。
下記の特許文献8には、被研磨物の表面を仕上げ研磨する方法として、ゴム、熱可塑性エラストマなどの弾性材からなり、かつ♯2000以上の砥粒を含有する研磨粒子を、被研磨物に90°以下の角度で投射することが記載されている。これにより、研削による加工で被研磨物に突き刺さって残存する砥粒が除去されると同時に、研削目や研削スジも良好に除去されて清浄で粗さの良い表面が得られる。この方法でころの転動面を仕上げ研磨することで、ころ軸受の焼きつき寿命等の向上が期待できる。
しかしながら、特許文献1〜8の方法には、ころ軸受のトルク低減という点で改善の余地がある。
この発明の課題は、潤滑油供給量が少ない場合でも使用時のトルクが低いころ軸受を提供することである。
この発明の課題は、潤滑油供給量が少ない場合でも使用時のトルクが低いころ軸受を提供することである。
上記課題を解決するために、この発明のころ軸受は、内輪軌道面を有する内輪と、外輪軌道面を有する外輪と、前記両軌道面間に転動自在に配置されたころを備えたころ軸受であって、前記内輪軌道面、外輪軌道面、ころの転動面、ころの端面、およびころの端面と接触する鍔面の少なくともいずれかに、直径10μm以上50μm以下の円形の開口部を有する多数のくぼみが10μm以上200μm以下の間隔で形成されていることを特徴とする。
前記くぼみは、開口部が円形であるため、開口部が線形や楕円形のくぼみと比較して、油溜まりとしての効果が高い。開口部が線形や楕円形のくぼみは、接触面積が小さい部分では油を排除しやすくなる。また、くぼみの開口部円の直径が10μm以上50μm以下であり、くぼみの設置間隔が10μm以上200μm以下であると、適度な油溜まりとなるため、前記くぼみが形成されている面は優れた油膜形成能力を有する。
前記くぼみが形成されている面は、くぼみの開口部の割合が面積率で5〜20%となっていることが好ましい。また、前記くぼみが形成されている面は、くぼみの開口部の直径方向に沿ったラインにおいて、くぼみの合計直径が5〜50%の割合となっていることが好ましい。くぼみの面積率が20%を超えると、くぼみ以外の面(平滑面)による荷重を支える作用および油膜形成作用が不十分となる。くぼみの合計直径割合が50%を超えると、くぼみの周縁部の圧力が小さくなって油膜が形成されにくくなる。
前記くぼみの深さは、1μm未満であると、初期摩耗によってくぼみでなくなる恐れが高く、5μmを超えると、くぼみに溜まった油が平滑面に移動して油膜を形成する能力が小さくなる。したがって、前記くぼみの深さは、最も浅い部分で1μm以上となっていて、最も深い部分で5μm以下となっていることが好ましい。
前記構成のくぼみは、くぼみの形成面(被処理面)に対してガラスビーズを投射することで凹凸を形成するショットブラスト工程と、ショットブラスト工程で生じた凸部(処理前の面より突出した部分)を除去する凸部除去工程と、を有する方法で形成することができる。
前記構成のくぼみは、くぼみの形成面(被処理面)に対してガラスビーズを投射することで凹凸を形成するショットブラスト工程と、ショットブラスト工程で生じた凸部(処理前の面より突出した部分)を除去する凸部除去工程と、を有する方法で形成することができる。
前記凸部除去工程は、研磨加工で行うこともできるが、弾性体と砥粒で形成された研磨粒子を前記ショットブラスト工程後の被処理面に衝突させて行うことが好ましい。
ガラスビーズを投射するショットブラスト工程と前記研磨粒子の衝突による凸部除去工程を採用することで、被処理面が大きい場合や、被処理面の形状が複雑な場合でも、開口部が円形で大きさや深さ、設置間隔などが制御されたくぼみを簡単に形成することができる。
ガラスビーズを投射するショットブラスト工程と前記研磨粒子の衝突による凸部除去工程を採用することで、被処理面が大きい場合や、被処理面の形状が複雑な場合でも、開口部が円形で大きさや深さ、設置間隔などが制御されたくぼみを簡単に形成することができる。
前記ショットブラスト工程は、前記ガラスビーズとして、直径が10μm以上100μm以下の真球状で、モース硬度が6以上で、純度が99%以上であるシリカ微粒子を用いて行うことができる。
高炭素クロム軸受鋼二種(SUJ2)からなる素材に対して一般的な熱処理が施された内輪、外輪、ころの場合、前記シリカ粒子を用いた投射を圧力1470kPa以下、処理時間20分以下で行った後に、前記研磨粒子の衝突による凸部除去工程を行うことで、前記構成のくぼみを形成することができる。また、この場合、凸部除去工程前の被処理面の表面粗さは、算術平均粗さ(Ra)で0.1以下、粗さ曲線の歪み度を示すSkで−1.6以下にすることができる。そして、前記凸部除去工程により、最大粗さ高さ(Rz)を0.4〜2.0μmにすることができる。
高炭素クロム軸受鋼二種(SUJ2)からなる素材に対して一般的な熱処理が施された内輪、外輪、ころの場合、前記シリカ粒子を用いた投射を圧力1470kPa以下、処理時間20分以下で行った後に、前記研磨粒子の衝突による凸部除去工程を行うことで、前記構成のくぼみを形成することができる。また、この場合、凸部除去工程前の被処理面の表面粗さは、算術平均粗さ(Ra)で0.1以下、粗さ曲線の歪み度を示すSkで−1.6以下にすることができる。そして、前記凸部除去工程により、最大粗さ高さ(Rz)を0.4〜2.0μmにすることができる。
この発明のころ軸受は、ころの表面またはころと接触する面に特定のくぼみが形成されていることで、ころの表面に対する油膜形成能力が高いため、潤滑油供給量が少ない場合でも使用時のトルクを低減することができる。
以下、この発明の実施形態について説明する。
図1の円錐ころ軸受10は、内輪軌道面1aを有する内輪1と、外輪軌道面2aを有する外輪2と、両軌道面1a,2a間に転動自在に配置された複数の円錐ころ3と、保持器4で構成されている。内輪1には、軸方向両端部に鍔部11,12を設けることにより、ころ3の端面と接触する鍔面11a,12aが形成されている。
図1の円錐ころ軸受10は、内輪軌道面1aを有する内輪1と、外輪軌道面2aを有する外輪2と、両軌道面1a,2a間に転動自在に配置された複数の円錐ころ3と、保持器4で構成されている。内輪1には、軸方向両端部に鍔部11,12を設けることにより、ころ3の端面と接触する鍔面11a,12aが形成されている。
内輪1、外輪2、円錐ころ3は、以下のようにして作製した。先ず、SUJ2からなる素材を各形状に加工した後、840℃の混合ガス雰囲気(Rxガス+エンリッチガス+アンモニアガス)で3時間浸炭窒化処理した。次いで、油焼入れと焼戻しを行った。これにより、内輪1、外輪2、円錐ころ3の各表層部(表面から250μmの深さまでの部分)を、残留オーステナイト量が15〜40体積%の範囲となり、硬さがHRC62〜67(Hv746〜900)の範囲となるようにした。
次に、円錐ころ3に対してガラスビーズを投射するショットブラスト工程を、以下の方法で行った。ショットブラスト装置としては、製品をかご状の容器に入れて、この容器を回転させながら、容器内にノズルからガラスビーズを投射するものを用いた。容器の入口が大きく開けてあり、この入口に投射ノズルの先端が配置されている。
ガラスビーズとしては、溶融法により真球状に製造された、平均粒径が40μmで、モース硬度が6以上で、純度99%以上のシリカ(SiO2 )粒子を用いた。溶融法は、原料粉末を入れた耐熱容器を2500℃程度のバーナーで加熱することにより、容器内の原料粉末を1100℃まで加熱して溶融させて、球状化する方法である。
ショットブラスト工程の条件としては、容器の回転速度を5rpmとし、円錐ころ3に対する投射圧力が600kPaとなる速度で投射し、投射時間を10分間とした。
ガラスビーズとしては、溶融法により真球状に製造された、平均粒径が40μmで、モース硬度が6以上で、純度99%以上のシリカ(SiO2 )粒子を用いた。溶融法は、原料粉末を入れた耐熱容器を2500℃程度のバーナーで加熱することにより、容器内の原料粉末を1100℃まで加熱して溶融させて、球状化する方法である。
ショットブラスト工程の条件としては、容器の回転速度を5rpmとし、円錐ころ3に対する投射圧力が600kPaとなる速度で投射し、投射時間を10分間とした。
次に、この円錐ころ3に対する凸部除去工程を以下の方法で行った。研磨粒子として、直径1mmのゴム(アクリロブタジエンゴム)粒子の表面に、平均粒径が10μmのダイヤモンド砥粒が接着されているものを用意した。この研磨粒子のダイヤモンド砥粒の含有率は5質量%である。
この研磨粒子を、エアー式ブラスト装置を用い、ショットブラスト工程後の円錐ころ3の各面に対して斜め(10〜60度)に衝突させた。エアブラスト条件としては、エアー圧力を0.4MPaとし、ノズルとワークとの間隔を150mmとした。また、処理時間は、サンプル毎に3〜12分の間で変化させた。
サンプルNo. 1〜4については、前述の方法でショットブラスト工程と凸部除去工程を行った後に、円錐ころ3の表面状態を測定し、最大粗さ高さ(RZ )と、くぼみの開口部の寸法と、くぼみの間隔を調べた。
この研磨粒子を、エアー式ブラスト装置を用い、ショットブラスト工程後の円錐ころ3の各面に対して斜め(10〜60度)に衝突させた。エアブラスト条件としては、エアー圧力を0.4MPaとし、ノズルとワークとの間隔を150mmとした。また、処理時間は、サンプル毎に3〜12分の間で変化させた。
サンプルNo. 1〜4については、前述の方法でショットブラスト工程と凸部除去工程を行った後に、円錐ころ3の表面状態を測定し、最大粗さ高さ(RZ )と、くぼみの開口部の寸法と、くぼみの間隔を調べた。
また、ショットブラスト工程と凸部除去工程を行わず、バレル工程を行った円錐ころ3(サンプルNo. 5)と、ショットブラスト工程、凸部除去工程、バレル工程のいずれの工程も行わない円錐ころ3(サンプルNo. 6)も用意し、これらについても最大粗さ高さ(RZ )と、くぼみの開口部の寸法と、くぼみの間隔を調べた。なお、サンプルNo. 5のバレル工程は通常の条件で行った。
上述のようにして得られた内輪1、外輪2、およびNo. 1〜6の各円錐ころ3と、SPCC製のかご形保持器4を用いて、No. 1〜6の円錐ころ軸受を組み立て、図2に示す装置を用いて回転試験を行った。
上述のようにして得られた内輪1、外輪2、およびNo. 1〜6の各円錐ころ3と、SPCC製のかご形保持器4を用いて、No. 1〜6の円錐ころ軸受を組み立て、図2に示す装置を用いて回転試験を行った。
図2の装置は、縦型内輪回転式試験機であり、主軸21と、支持軸受22と、本体部23と、静圧軸受24とからなる。支持軸受22は、主軸21の軸方向一端部21aに設けてある。静圧軸受24は、本体部23の軸方向上端面に設けてある。この試験機は、試験軸受である円錐ころ軸受10の内輪1を主軸21に外嵌させ、外輪2を本体部23に内嵌させて使用される。
静圧軸受24の上方からアキシャル荷重Faが付与できる。本体部23の側面に棒材25を介してロードセル26が接続されている。このロードセル26で本体部23に加わる動摩擦トルクが検出できる。本体部23には、試験軸受10に潤滑油Jを供給する通路27が形成されている。この通路27は、本体部23の側面に開口している。試験軸受10の温度を測定する熱電対28も備えている。
この装置に試験軸受10を取り付けて、タービン油(ISOVG32)を、通常の供給量(300ml/min)より少ない200ml/minで供給しながら、Fa=9.8kN、回転速度1500min-1の条件で内輪1を24時間回転させた後のトルクを測定した。また、No. 1〜5の円錐ころ軸受のトルク測定値から、No. 6の円錐ころ軸受のトルクを「1」としたトルク比を算出した。
その結果を下記の表1に示す。
その結果を下記の表1に示す。
No. 1〜4の円錐ころは、シリカ粒子投射後に行う研磨粒子の投射時間が異なることでくぼみの最大深さに差が生じている。くぼみの最大深さが1.0μmであるNo. 2の円錐ころを用いたころ軸受が、最もトルクが小さく、No. 6の半分であった。No. 1〜4の円錐ころの表面に形成されたくぼみは、開口部が円形で、開口部の直径は10〜50μmであった。また、くぼみの間隔は10〜200μmであった。
No. 3とNo. 5では、円錐ころのくぼみの最大深さが同じであるが、シリカ粒子投射後に研磨粒子投射を行ったNo. 3の方が、バレル加工を行ったNo. 5よりもトルク比が小さかった。バレル加工された円錐ころの表面に形成されたくぼみは、開口部が円形でなく、線状であった。
なお、この実施形態では円錐ころ軸受の円錐ころ3の表面にのみ、シリカ粒子投射後に研磨粒子投射を行うことで、開口部が円形の微細なくぼみを設けているが、このくぼみを円錐ころ3、内輪軌道面1a、外輪軌道面2a、鍔面11a,12aの全てあるいは一部に設けてもよい。また、この発明は、円錐ころ軸受以外のころ軸受でも同様の効果が得られる。
なお、この実施形態では円錐ころ軸受の円錐ころ3の表面にのみ、シリカ粒子投射後に研磨粒子投射を行うことで、開口部が円形の微細なくぼみを設けているが、このくぼみを円錐ころ3、内輪軌道面1a、外輪軌道面2a、鍔面11a,12aの全てあるいは一部に設けてもよい。また、この発明は、円錐ころ軸受以外のころ軸受でも同様の効果が得られる。
1 内輪
1a 内輪軌道面
2 外輪
2a 外輪軌道面
3 円錐ころ
4 保持器
11,12 鍔部
11a,12a 鍔面
1a 内輪軌道面
2 外輪
2a 外輪軌道面
3 円錐ころ
4 保持器
11,12 鍔部
11a,12a 鍔面
Claims (4)
- 内輪軌道面を有する内輪と、外輪軌道面を有する外輪と、前記両軌道面間に転動自在に配置されたころを備えたころ軸受であって、
前記内輪軌道面、外輪軌道面、ころの転動面、ころの端面、およびころの端面と接触する鍔面の少なくともいずれかに、直径10μm以上50μm以下の円形の開口部を有する多数のくぼみが10μm以上200μm以下の間隔で形成されていることを特徴とするころ軸受。 - 内輪軌道面を有する内輪と、外輪軌道面を有する外輪と、前記両軌道面間に転動自在に配置されたころを備えたころ軸受の、前記内輪軌道面、外輪軌道面、ころの転動面、ころの端面、およびころの端面と接触する鍔面の少なくともいずれかからなる被処理面に対する表面処理工程を含むころ軸受の製造方法であって、
前記表面処理工程は、前記被処理面に対してガラスビーズを投射することで凹凸を形成するショットブラスト工程と、ショットブラスト工程で生じた凸部を除去する凸部除去工程と、を有することを特徴とするころ軸受の製造方法。 - 前記凸部除去工程は、弾性体と砥粒で形成された研磨粒子を前記ショットブラスト工程後の被処理面に衝突させて行う請求項2記載のころ軸受の製造方法。
- 前記ショットブラスト工程は、前記ガラスビーズとして、直径が10μm以上100μm以下の真球状で、モース硬度が6以上で、純度が99%以上であるシリカ微粒子を用いて行う請求項2または3記載のころ軸受の製造方法。
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JP2010026652A JP2011163441A (ja) | 2010-02-09 | 2010-02-09 | ころ軸受およびその製造方法 |
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