JP2011208751A - ころ軸受、ころの製造方法およびころの加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】優れた耐表面損傷性能と潤滑性能とを両立させることが可能なころ軸受、ころの製造方法およびころの加工装置を提供する。
【解決手段】円筒ころ軸受１は、鋼からなり、転走面１１Ａ，１２Ａを有する軌道部材である外輪１１および内輪１２と、転走面１１Ａ，１２Ａに接触し、転走面１１Ａ，１２Ａ上を転動可能に配置された鋼からなる円筒ころ１３とを備えている。円筒ころ１３は、外周面である接触面１３Ａにおいて転走面１１Ａ，１２Ａに接触する。そして、接触面１３Ａは、焼入硬化処理後に塑性加工が施されており、転走面１１Ａ，１２Ａよりも２ＨＲＣ以上高い硬度を有している。
【選択図】図１

Description

本発明はころ軸受、ころの製造方法およびころの加工装置に関し、より特定的には、耐表面損傷性能と潤滑性能とを向上させることが可能なころ軸受、ころの製造方法およびころの加工装置に関するものである。

転がり軸受の軌道部材と転動体との間に十分な厚みの油膜が形成されない厳しい潤滑条件下においては、軌道部材および転動体の表面における突起の高さの合計が油膜厚さより大きくなる場合がある。より具体的には、油膜厚さをｈ、軌道部材および転動体の表面の合成粗さをσとした場合、Λ＝ｈ／σで表わさせる油膜パラメータΛが１以下となる場合がある。このような場合、軌道部材と転動体との間の直接接触（金属接触）が発生する。そして、軌道部材と転動体との接触部においては、応力集中により微視的応力が高くなるため、軸受の寿命が短くなる。また、上記接触部では、摩擦による表面損傷が発生するため、当該表面損傷を起点とした表面起点型のはく離が早期に発生する場合がある。このような問題に対応するため、油膜パラメータΛが１以下となるような条件で使用された場合でも寿命の低下が抑制された転がり軸受が求められている。

従来、油膜パラメータΛが１以下となるような条件において軸受寿命を延長させる技術としては、（１）耐表面損傷性能の向上、および（２）潤滑性能の向上、の２つの観点から検討がなされてきた。耐表面損傷性能の向上の観点から軸受寿命を向上させる技術として、軌道部材や転動体の表面を窒化する技術が一般的に利用されている。窒化処理により得られる表層の窒素富化層は、表面硬度を高めるとともに焼戻軟化抵抗を高めるため、摩擦による表面損傷に対する耐久性が向上する。しかし、窒化処理は通常の焼入処理よりも処理時間が長くなるため、製造コストが高くなる。また、窒化処理を行なった場合、熱処理変形が生じるため、後加工での取り代が大きくなるという問題もある。

また、耐表面損傷性能を向上させる他の方策として、ショットピーニングやバレル加工なども知られている。これらの処理により、表層に硬度の高い硬化層を形成しつつ圧縮残留応力を生成させることができ、これによって耐表面損傷性能が向上する。ショットピーニングによれば、加工条件によっては表面から０．５ｍｍ近い深さまでの領域に高い硬度を付与しつつ圧縮残留応力を生成させることが可能である。具体的には、たとえば転がり摺動部品において、表面からの深さが０〜５０μｍの範囲を表層部とした場合に、この表層部の最大圧縮残留応力が５０〜１１０ｋｇｆ／ｍｍ^２であり、かつ表層部の硬度がＨｖ８３０〜Ｈｖ９６０であり、表面粗さの平均波長が２５μｍ以下であり、かつ上記表層部の残留オーステナイトの割合が７容量％を越えることを特徴とする転がり摺動部品の製造方法において、当該摺動部品にショットピーニングを実施する方法が提案されている（特許文献１参照）。しかし、ショットピーニングにおいては、微小なメディアをランダムに処理対象物の表面に高速で衝突させるため、当該表面に不連続なクレーター状の凹凸が生成される。このような表面の突起部や荒れは剥離の起点となり得るため、後加工によりこれらを除去する必要がある。

また、転動体の表面に６００〜１２００ＭＰａの圧縮残留応力を形成することで表面損傷に強い転動体を製造する方法において、当該転動体にバレル加工を実施する方法も提案されている（特許文献２参照）。しかし、バレル加工においても上記ショットピーニングと同様に表面の荒れが発生するため、後加工によりこれを除去する必要がある。

このように、窒化処理、ショットピーニングあるいはバレル加工を転動体に実施した場合、転がり軸受に求められる高い寸法精度を確保する観点から、後加工としての仕上げ加工が必要になる。そのため、このような対策では工数の増加を避けられず、製造コストが上昇するという問題がある。また、後加工の取り代によっては、有効な硬化層の大部分を失う可能性もある。また、上記対策では、硬化層の深さを大きくしようとすると、熱処理変形や表面の荒れが大きくなるため、後加工における取り代がさらに大きくなるという問題もある。

一方、後加工を必要とせず、表面粗さと表面硬度との両方を向上させる加工方法として、ローラ（ボール）バニシング加工がある。このローラバニシング加工を、軸受の軌道輪の加工に適用することが提案されている（特許文献３参照）。しかし、軌道輪の加工にバニシング加工を実施するためには、複雑な装置や制御が必要となり、量産工程への適用に不向きであるという問題がある。

さらに、潤滑性能の向上の観点から軸受寿命を向上させる技術として、表面に微小ディンプルを無数に形成させ油溜り効果により潤滑性能を向上させる技術が提案されている（特許文献４参照）。しかし、このような対策では、転動体の滑り速度が増大し、油膜が途切れて金属接触が発生する様な場合には、優れた性能を発揮できない場合もある。厳しい潤滑条件下で使用される転がり軸受においては、優れた耐表面損傷性能と潤滑性能とが両立することが望ましい。

特開平５−２８８２５７号公報 国際公開第００／５０７８１号パンフレット 特開２００４−１１６５６９号公報 特開平７−２２９５１８号公報

上述のように、従来の技術においては、優れた耐表面損傷性能と潤滑性能とを両立することが困難であった。そこで、本発明の目的は、優れた耐表面損傷性能と潤滑性能とを両立させることが可能なころ軸受、ころの製造方法およびころの加工装置を提供することである。

本発明に従ったころ軸受は、鋼からなり、転走面を有する軌道部材と、軌道部材の転走面に接触し、転走面上を転動可能に配置された鋼からなるころとを備えている。そして、転走面に接触するころの外周面である接触面は、焼入硬化処理後に塑性加工が施されており、転走面よりも２ＨＲＣ以上高い硬度を有している。

発明者は、優れた耐表面損傷性能と潤滑性能とを両立させることが可能なころ軸受について詳細な検討を行なった結果、以下のような知見を得て、本発明に想到した。すなわち、ころ軸受においては、軌道部材の転走面上をころが転走する。このとき、ころの接触面の硬度を軌道部材の転走面の硬度に比べて２ＨＲＣ以上高くしておくことにより、ころの接触面の摩耗が抑制されつつ軌道部材の転走面の微小な突起が押し潰されて、転走面の粗さが小さくなる。そのため、上述のような転走面と接触面との硬度の関係を確保しておくことにより、ころ軸受の運転開始後早期に上記接触面と転走面との間に接触面および転走面の粗さに対して十分な厚みの油膜が形成され、優れた潤滑性能を確保することができる。また、ころに上記機能を果たさせることにより、複数の軌道部材（たとえば内輪と外輪）の転走面の粗さを同時に小さくできる。なお、ころの接触面の硬度を軌道部材の転走面の硬度に比べて３ＨＲＣ以上高くしておくことにより、一層確実にころに上記機能を果たさせることができる。

また、接触面が焼入硬化処理後に塑性加工されていることにより、接触面を含む表層部における硬度を上昇させつつ、表層部に圧縮残留応力を生成させることができる。ここで、表層部の硬度が上昇することにより、当該表層部の損傷に対する抵抗が上昇する。また、表層部に圧縮残留応力が生成することにより、表層部に割れが発生した場合の当該割れの進展が抑制される。その結果、優れた耐表面損傷性能を実現することができる。さらに、ころの接触面に対する塑性加工は、当該接触面の母線（ころの軸を含む断面における接触面）の形状が直線であるため、たとえば溝状の形状の中に形成された転走面に対する塑性加工に比べて容易であり、量産工程への適用に適している。

以上のように、本発明のころ軸受によれば、優れた耐表面損傷性能と潤滑性能とを両立させることが可能なころ軸受を提供することができる。

ここで、本願において、「軌道部材」とは、転がり軸受の軌道輪、軌道盤のほか、軸、壁面を有する部材などであって、ころが転走するための転走面が形成されている部材をいう。

上記ころ軸受においては、上記接触面は６４ＨＲＣ以上の硬度を有していてもよい。これにより、ころの耐表面損傷性能をより確実に向上させることができる。また、６４ＨＲＣ以上の硬度は、上記接触面から深さ５０μｍ以内の領域において達成されていることが好ましい。これにより、ころの耐表面損傷性能を一層確実に向上させることができる。

上記ころ軸受においては、上記接触面には、１２００ＭＰａ以上の圧縮応力が残留していてもよい。これにより、ころの表層部に割れが発生した場合の当該割れの進展がより確実に抑制される。また、１２００ＭＰａ以上の圧縮応力は、上記接触面から深さ５０μｍ以内の領域において残留していることが好ましい。これにより、ころの表層部に割れが発生した場合の当該割れの進展を、一層確実に抑制することができる。

上記ころ軸受においては、ころの接触面は、塑性加工によってころの端面よりも２ＨＲＣ以上高い硬度を有している。このようにころの接触面を塑性加工して硬度を上昇させることにより、ころの接触面に必要な硬度を容易に付与することができる。

上記ころ軸受においては、上記塑性加工はバニシング加工であってもよい。バニシング加工は、ころに対して負荷荷重を直接的に加えることができるため、ショットピーニングなどの他の塑性加工方法に比べてエネルギー効率の高い塑性加工の実施が可能である。そのため、塑性加工の手法としてバニシング加工を採用することにより、他の塑性加工に比べて表面からの深さがより大きい領域まで硬度を上昇させ、かつ圧縮残留応力を付与することができる。

上記ころ軸受においては、上記接触面には、平面形状の外接円の平均径が５μｍ以上５０μｍ以下のピットが全域にわたって形成されていてもよい。これにより、ころの接触面に潤滑油などの潤滑剤が保持され易くなり、潤滑性能を一層向上させることができる。

上記ころ軸受は、油膜パラメータΛが１以下となる潤滑条件下において使用されるものであってもよい。上述のように本発明のころ軸受は優れた耐表面損傷性能と潤滑性能とを両立させることが可能であるため、このような厳しい潤滑条件の下での使用に適している。

本発明に従ったころの製造方法は、ころ軸受において転動体として使用されるころの製造方法である。このころの製造方法は、鋼からなり、ころの形状に成形加工された成形体を準備する工程と、成形体を焼入硬化する工程と、焼入硬化された成形体の外周面の硬度が端面の硬度よりも２ＨＲＣ以上高くなるように、外周面に対して塑性加工を施す工程とを備えている。このようにすることにより、上記本発明のころ軸受を構成するころを製造することができる。

上記ころの製造方法においては、外周面に対して塑性加工を施す工程では、ころを周方向に回転させるとともに、圧子がころの外周面に接触しつつころの軸方向にころに対して相対的に移動することによりころの外周面がバニシング加工されてもよい。これにより、外周面の塑性加工を効率よく実施することができる。

上記ころの製造方法においては、外周面に対して塑性加工を施す工程では、ころの周方向における１回転あたりの、ころの軸方向における圧子の移動距離が、ころの軸方向における圧子ところとの接触長さよりも小さいことにより、ころの外周面が隙間なくバニシング加工されてもよい。これにより、ころの接触面を均一に加工し、表面粗さを低減するとともに軸に垂直な断面における真円度を向上させることができる。その結果、バニシング加工後の仕上げ加工（後加工）等を省略、あるいは簡略化することができ、生産効率の向上に寄与することができる。また、当該後加工を省略、あるいは簡略化することにより、後加工による取り代を省略あるいは低減できるため、バニシング加工によって硬度が上昇し圧縮残留応力が生成した領域をより確実に残存させることができる。

上記ころの製造方法においては、外周面に対して塑性加工を施す工程では、圧子がころの軸方向において、ころに対して相対的に往復しつつ前進するように移動してもよい。これにより、ころの接触面を一層均一に加工することができる。

上記ころの製造方法においては、塑性加工されたころの外周面に対して、超仕上げ加工によりクラウニングを形成する工程をさらに備えていてもよい。これにより、エッジロードが生じることを回避し、ころの寿命を向上させることができる。

本発明に従ったころの加工装置は、ころ軸受において転動体として使用されるころの外周面をバニシング加工するためのころの加工装置である。この加工装置は、ころを保持する一対のロールと、ロールの外周面に対向し、ころの外周面に接触可能に配置された圧子部を有する加工ヘッドとを備えている。そして、一対のロールが周方向に回転することにより、ころが周方向に回転するとともに、加工ヘッドの圧子部がころの外周面に接触しつつころの軸方向に相対的に移動することにより、ころの外周面がバニシング加工される。このような構造を採用することにより、本発明のころの加工装置によれば、上記本発明のころの製造方法におけるころの外周面（接触面）のバニシング加工を容易に実施することができる。

上記ころの加工装置においては、圧子部においてころに接触すべき表面はダイヤモンドからなっていてもよい。また、上記ころの加工装置においては、圧子部においてころに接触すべき表面はＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）からなっていてもよい。ダイヤモンドやＤＬＣは、鋼に対する耐溶着性が高い。そのため、このような圧子部を採用することにより、バニシング加工による転写精度が向上し、加工後のころの表面粗さを低減することができる。加工後のころの表面粗さを低減する観点からは、圧子部においてころに接触すべき表面はダイヤモンドからなっていることが、特に好ましい。

上記ころの加工装置においては、上記加工ヘッドは、ロールの軸に沿った方向に複数並べて配置されていてもよい。これにより、ころの外周面（接触面）を精度よく加工することができる。

上記ころの加工装置においては、ロールの外周面に対向して配置され、加工ヘッドにより外周面がバニシングされたころの外周面に対して超仕上げ加工を実施するための砥石をさらに備えていてもよい。これにより、ころの外周面に対するバニシング加工の後、続けて超仕上げ加工を実施することが可能となるため、ころの生産効率を向上させることができる。

以上の説明から明らかなように、本発明のころ軸受、ころの製造方法およびころの加工装置によれば、優れた耐表面損傷性能と潤滑性能とを両立させることが可能なころ軸受、ころの製造方法およびころの加工装置を提供することができる。

円筒ころ軸受の構造を示す概略断面図である。 円筒ころ軸受が備えるころの表面を拡大して示す概略図である。 スラストニードルころ軸受の構造を示す概略断面図である。 ころの製造方法の概略を示すフローチャートである。 ころの加工装置の構造を示す概略図である。 ころの加工状態を説明するための概略図である。 ころの加工装置の構造の変形例を示す概略図である。 表面付近の硬度分布を示す図である。 最大加工面圧と硬度の上昇値との関係を示す図である。 送り量が０．０５ｍｍ／ｒｅｖである場合の表面状態を示す図である。 送り量が０．１０ｍｍ／ｒｅｖである場合の表面状態を示す図である。 送り量が０．２０ｍｍ／ｒｅｖである場合の表面状態を示す図である。 ２円筒試験機の構造を示す概略図である。 金属接触率の経時変化を示す図である。 金属接触率の経時変化を示す図である。 金属接触率の経時変化を示す図である。 金属接触率の経時変化を示す図である。 金属接触率の経時変化を示す図である。 表面付近における残留応力値および残留オーステナイト量の分布を示す図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。

まず、本実施の形態におけるころ軸受について説明する。図１を参照して、本実施の形態におけるころ軸受である円筒ころ軸受１は、第１軌道部材としての外輪１１と、第２軌道部材としての内輪１２と、複数の転動体としての円筒ころ１３と、保持器１４とを備えている。外輪１１の内周面には、円環状の第１転走面しての外輪転走面１１Ａが形成されている。内輪１２の外周面には、外輪転走面１１Ａに対向する円環状の第２転走面としての内輪転走面１２Ａが形成されている。また、複数の円筒ころ１３には、接触面１３Ａ（円筒ころ１３の外周面）が形成されている。そして、当該円筒ころ１３は、外輪転走面１１Ａおよび内輪転走面１２Ａの各々に外周面である接触面１３Ａにおいて接触し、円環状の保持器１４により周方向に所定のピッチで配置されることにより円環状の軌道上に転動自在に保持されている。これにより、外輪１１と内輪１２とは互いに相対的に回転可能となっている。

ここで、上記外輪１１、内輪１２および円筒ころ１３は、たとえばＪＩＳ規格に規定された高炭素クロム軸受鋼であるＳＵＪ２からなっている。なお、上記外輪１１、内輪１２および円筒ころ１３を構成する鋼は高炭素クロム軸受鋼に限られず、ＪＩＳ規格に規定された機械構造用炭素鋼、機械構造用合金鋼など他の鋼であってもよい。ただし、熱処理変形を抑制し、後述する塑性加工の後の仕上げ加工における取り代を抑制あるいは省略する観点から、円筒ころ１３を構成する鋼はずぶ焼入により転動体として使用可能な硬度を達成できる程度の炭素量、たとえば０．５質量％以上の炭素を含む鋼であることが好ましい。

そして、円筒ころ１３の接触面１３Ａは、焼入硬化処理後に塑性加工が施されており、外輪転走面１１Ａおよび内輪転走面１２Ａよりも２ＨＲＣ以上高い硬度を有している。

本実施の形態における円筒ころ軸受１においては、円筒ころ１３の接触面１３Ａの硬度が外輪転走面１１Ａおよび内輪転走面１２Ａの硬度に比べて２ＨＲＣ以上高くなっている。これにより、円筒ころ１３が外輪転走面１１Ａおよび内輪転走面１２Ａ上を転走する際、円筒ころ１３の接触面１３Ａの摩耗が抑制されつつ外輪転走面１１Ａおよび内輪転走面１２Ａの微小な突起が押し潰されて、外輪転走面１１Ａおよび内輪転走面１２Ａの粗さが小さくなる。そのため、円筒ころ軸受１の運転開始後早期に上記接触面１３Ａと外輪転走面１１Ａおよび内輪転走面１２Ａとの間にこれらの表面粗さに対して十分な厚みの油膜が形成され、優れた潤滑性能を確保することができる。また、円筒ころ１３に上記機能を果たさせることにより、外輪転走面１１Ａおよび内輪転走面１２Ａの粗さを同時に小さくできる。

また、本実施の形態における円筒ころ軸受１においては、接触面１３Ａが焼入硬化処理後に塑性加工されている。これにより、接触面１３Ａを含む表層部における硬度が上昇しつつ、表層部に圧縮残留応力が生成している。その結果、表層部の損傷に対する抵抗が上昇するとともに、表層部に割れが発生した場合の当該割れの進展が抑制され、優れた耐表面損傷性能が実現されている。

このように、本実施の形態における円筒ころ軸受１によれば、優れた耐表面損傷性能と潤滑性能とが両立されている。

ここで、上記接触面１３Ａは６４ＨＲＣ以上の硬度を有していることが好ましい。これにより、円筒ころ１３の耐表面損傷性能をより確実に向上させることができる。また、６４ＨＲＣ以上の硬度を、接触面１３Ａから深さ５０μｍ以内の領域において達成することにより、円筒ころ１３の耐表面損傷性能を一層確実に向上させることができる。

さらに、上記接触面１３Ａには、１２００ＭＰａ以上の圧縮応力が残留していることが好ましい。これにより、円筒ころ１３の表層部に割れが発生した場合の当該割れの進展がより確実に抑制される。また、１２００ＭＰａ以上の圧縮応力を、上記接触面１３Ａから深さ５０μｍ以内の領域において残留させることにより、円筒ころ１３の表層部に割れが発生した場合の当該割れの進展を、一層確実に抑制することができる。

さらに、上記接触面１３Ａは、塑性加工によって円筒ころ１３の端面１３Ｂよりも２ＨＲＣ以上高い硬度を有していることが好ましい。このように円筒ころ１３の接触面１３Ａを塑性加工して硬度を上昇させることにより、円筒ころ１３の接触面１３Ａに必要な硬度を容易に付与することができる。

さらに、上記塑性加工はバニシング加工であることが好ましい。これにより、他の塑性加工に比べて表面（接触面１３Ａ）からの深さがより大きい領域まで硬度を上昇させ、かつ圧縮残留応力を付与することができる。

さらに、上記接触面１３Ａには、図２に示すように、平面形状の外接円の平均径が５μｍ以上５０μｍ以下のピット１３Ｃが全域にわたって形成されていることが好ましい。これにより、円筒ころ１３の接触面１３Ａに潤滑油などの潤滑剤が保持され易くなり、潤滑性能を一層向上させることができる。ピット１３Ｃは、たとえばショットブラストにより形成することができる。

そして、本実施の形態における円筒ころ軸受１は、優れた耐表面損傷性能と潤滑性能とを両立させることが可能であるため、油膜パラメータΛが１以下となるような厳しい潤滑条件下での使用に適したころ軸受となっている。

次に、本実施の形態の変形例におけるころ軸受について図３を参照して説明する。図３を参照して、本実施の形態の変形例であるスラストニードルころ軸受２は、基本的には上記円筒ころ軸受１と同様の構成を有し、同様の効果を奏する。しかし、スラストニードルころ軸受２は、軌道部材および転動体の形状において、上記円筒ころ軸受１とは異なっている。

すなわち、スラストニードルころ軸受２は、円盤状の形状を有し、互いに一方の主面が対向するように配置された軌道部材としての一対の軌道輪２１と、複数のニードルころ２３と、円環状の保持器２４とを備えている。複数のニードルころ２３は、ニードルころ２３の外周面である接触面２３Ａにおいて、一対の軌道輪２１の互いに対向する一方の主面に形成された軌道輪転走面２１Ａに接触し、かつ保持器２４により周方向に所定のピッチで配置されることにより円環状の軌道上に転動自在に保持されている。以上の構成により、スラストニードルころ軸受２の一対の軌道輪２１は、互いに相対的に回転可能となっている。

そして、軌道輪２１は外輪１１および内輪１２に、ニードルころ２３は円筒ころ１３にそれぞれ対応し、同様の構造を有している。その結果、スラストニードルころ軸受２は、上記円筒ころ軸受１と同様の効果を奏するころ軸受となっている。

次に、ころ（円筒ころ１３およびニードルころ２３）の製造方法について図４〜図６を参照して説明する。まず、図４に示すように、本実施の形態における円筒ころ１３およびニードルころ２３の製造方法においては、工程（Ｓ１０）として成形体準備工程が実施される。この工程（Ｓ１０）では、鋼からなり、ころの形状に成形加工された成形体が準備される。具体的には、たとえばＪＩＳ規格ＳＵＪ２からなる鋼材から、鍛造、切削などの加工工程を経て、所望の形状を有する成形体が作製される。

次に、図４に示すように工程（Ｓ２０）として焼入硬化工程が実施される。この工程（Ｓ２０）では、上記成形体が焼入硬化されることにより、当該成形体に転動体として使用可能な程度の硬度が付与される。具体的には、上記工程（Ｓ１０）において準備された成形体が、当該成形体を構成する鋼のＡ_１変態点を超える温度に加熱された後、Ｍ_Ｓ点以下の温度に急冷されることにより、成形体が焼入硬化される。

次に、図４に示すように工程（Ｓ３０）として、焼戻工程が実施される。この工程（Ｓ３０）では、工程（Ｓ３０）において焼入硬化された成形体がＡ_１変態点未満の温度に加熱されて焼戻処理される。

次に、図４に示すように工程（Ｓ４０）として研磨工程が実施される。この工程（Ｓ４０）では、工程（Ｓ２０）および（Ｓ３０）における熱処理が終了した成形体に対して研磨が実施される。

次に、図４に示すように工程（Ｓ５０）として外周面塑性加工工程が実施される。この工程（Ｓ５０）では、成形体の外周面の硬度が端面の硬度よりも２ＨＲＣ以上高くなるように、外周面に対して塑性加工が実施される。以下、工程（Ｓ５０）の手順について詳細に説明する。

まず、工程（Ｓ５０）において使用されるころの加工装置について説明する。図５を参照して、加工装置５０は、ころ（成形体９１）を保持する一対のフィードロール５１と、フィードロール５１の外周面に対向し、成形体９１の外周面９１Ａに接触可能に配置された圧子部５２と圧子部５２を保持する保持部５３とを有する加工ヘッド５４と、フィードロール５１の外周面に対向して配置された砥石５５と砥石５５を保持する保持部５６とを有する仕上げ加工部５７とを備えている。仕上げ加工部５７は、本発明のころの加工装置において必須の構成ではないが、これを備えることにより、ころの生産効率を向上させることができる。また、加工装置５０はスルーフィード方式の外周面加工装置であって、以下に説明するように複数のころ（成形体９１）を連続的に加工することができるため、量産性に優れた加工装置となっている。

次に、この加工装置５０を用いたころ（成形体９１）の外周面９１Ａの加工方法について説明する。まず、外周面９１Ａが一対のフィードロール５１の外周面に接触するように、複数の成形体９１が軸方向に並べて供給される。一方、一対のフィードロール５１は、矢印αに示す向きに回転する。このとき、一対のフィードロール５１は、その軸（回転軸）が互いに平行な位置関係から僅かにずれた位置関係を有するように配置されている。そのため、一対のフィードロール５１に保持された成形体９１は、矢印βの向き、すなわち成形体９１の軸方向に沿って周方向（矢印εの向き）に回転しつつ移動する（図５および図６参照）。

一方、加工ヘッド５４の圧子部５２は、矢印γに沿って成形体９１の外周面９１Ａに押し付けられる。加工ヘッド５４は、たとえば油圧、空気圧などにより成形体９１に対して荷重を負荷することができる。その結果、図６を参照して、成形体９１の外周面９１Ａには、圧子部５２との接触部９１Ｂが形成される。そして、この接触部９１Ｂは、成形体９１が矢印εにそって回転しつつ圧子部５２に対して相対的に矢印βの向きに移動するため、成形体９１の外周面を螺旋状（矢印δの向き）に移動する。その結果、成形体９１の外周面９１Ａに対するバニシング加工が螺旋状に進行する。

ここで、図６に示すように、成形体９１の周方向（矢印εの方向）における１回転あたりの、成形体９１の軸方向（矢印βの方向）における圧子部５２の移動距離は、成形体９１の軸方向における圧子部５２と成形体９１との接触長さ（接触部９１Ｂの矢印βに沿った方向における長さ）よりも小さいことが好ましい。これにより、成形体９１の外周面９１Ａが隙間なくバニシング加工されるため、外周面９１Ａ（ころの接触面）を均一に加工し、表面粗さを低減するとともに軸に垂直な断面における真円度を向上させることができる。

また、圧子部５２は、成形体９１の軸方向（矢印βの方向）において、成形体９１に対して相対的に往復しつつ前進するように移動してもよい。これにより、成形体９１の外周面９１Ａ（円筒ころ１３の接触面１３Ａ、ニードルころ２３の接触面２３Ａ）を一層均一に加工することができる。

さらに、たとえば焼入硬化されることにより表面硬度が６０〜６２ＨＲＣ程度に硬化された成形体９１の外周面９１Ａを端面よりも２ＨＲＣ以上硬化させるためには、圧子部５２による成形体９１に対する加工面圧を６．５ＧＰａ以上とする必要があるため、成形体９１と圧子部５２との融着や圧子部５２の摩耗の発生が問題となり得る。そのため、上記加工装置５０の圧子部５２において成形体９１に接触すべき表面は、たとえばダイヤモンドからなっていることが好ましい。鋼に対する耐溶着性が高いダイヤモンドを採用することにより、加工後のころ（成形体９１）の表面粗さを低減することができる。また、ダイヤモンドと同様に鋼に対する耐溶着性が高いＤＬＣのほか、耐摩耗性の高いＣＢＮ（立方晶窒化硼素；Ｃｕｂｉｃ Ｂｏｒｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ）やＳｉＣ（炭化珪素）を採用してもよい。また、圧子部５２において成形体９１に接触すべき表面は、たとえば球面形状を有している。圧子部５２は、成形体９１の外周面９１Ａ上を転動可能に保持されていてもよいが、圧子部５２において成形体９１に接触すべき表面を上述のような硬度の高い素材からなるものとすることにより、転動できない状態で保持されていても実用上十分なレベルに圧子部５２の摩耗を抑制することができる。

次に、工程（Ｓ６０）として超仕上げ工程が実施される。この工程（Ｓ６０）では、工程（Ｓ５０）において塑性加工されたころ（成形体９１）の外周面９１Ａに対して、超仕上げ加工によりクラウニングが形成される。この工程は、本発明のころの製造方法において必須の工程ではないが、これを実施しておくことにより、エッジロードが生じることを回避し、円筒ころ１３やニードルころ２３などのころの寿命を向上させることができる。この超仕上げ加工は、図５を参照して、軸周りに回転しつつ軸方向に進行する成形体９１の外周面９１Ａに対して、砥石５５を接触させることにより実施することができる。

以上の工程により、本実施の形態における円筒ころ１３やニードルころ２３などを製造することができる。そして、得られた円筒ころ１３やニードルころ２３と、別途準備された外輪１１、内輪１２、軌道輪２１、保持器１４，２４などとが組み合わされて、ころ軸受である円筒ころ軸受１、スラストニードルころ軸受２などを製造することができる。

次に、本実施の形態におけるころの製造方法および製造装置の変形例について説明する。本変形例におけるころの製造方法および製造装置は、基本的には上記本実施の形態と同様である。しかし、本変形例は、複数の加工ヘッド５４が用いられる点において上記実施の形態とは異なっている。

すなわち、本変形例におけるころの製造方法では、まず工程（Ｓ１０）〜（Ｓ４０）が上記実施の形態と同様に実施される。その後、工程（Ｓ５０）では、図７に示す加工装置５０が用いられる。具体的には、図７に示すように、本変形例における加工装置５０では、加工ヘッド５４が、フィードロール５１の軸に沿った方向に複数（図７では２個）並べて配置されている。そのため、工程（Ｓ５０）では、各成形体９１に対するバニシング加工が２回ずつ実施される。これにより、ころ（成形体９１）の外周面９１Ａがより精度よく加工される。

以下、本発明の実施例１について説明する。ころの外周面に対して異なった方法により塑性加工を施した場合の表層部における硬度分布を調査する実験を行なった。

まず、ＪＩＳ規格ＳＵＪ２からなる直径φ１２ｍｍの円筒ころを準備し、焼入硬化により硬度を６２ＨＲＣとした。次に、この円筒ころに対して、レーザーショックピーニング（ＬＳＰ）を実施した試験片と、外周面にバニシング加工を実施した試験片とを作製した。ＬＳＰは、ショットピーニングの中でも比較的深くまで硬化層を形成できる方法であって、水中に設置した円筒ころの表面にパルスレーザーを照射し、材料表面に生じる金属プラズマが膨張する際の強い衝撃波を利用して実施するピーニング処理である。ＬＳＰの加工条件は、レーザー出力１７０ｍＪ、レーザー径φ０．６ｍｍ、パルス数１２０ｐｌｓ／ｍｍ^２とした。一方、バニシング加工は、加工面圧７．５ＧＰａの条件で実施した。そして、試験片を切断し、深さ方向における硬度分布を調査した。調査結果を図８に示す。図８において、横軸は表面からの深さ、縦軸は硬度を示している。

図８を参照して、ＬＳＰを実施した場合でも、硬化層の深さは０．３ｍｍ程度であった。これに対し、バニシング加工を実施することにより、ＬＳＰに比較して表面硬度を上昇させるとともに、硬化層の深さも大きくできることが分かった。このことから、本発明においてころの外周面（接触面）に対して実施される塑性加工は、バニシング加工であることが好ましいといえる。

図５に基づいて説明した上記実施の形態の加工装置を用いて円筒ころの外周面をバニシング加工し、最大加工面圧とバニシング加工による硬度上昇値との関係を調査する実験を行なった。

まず、ＪＩＳ規格ＳＵＪ２からなる直径φ１２ｍｍの円筒ころを準備し、焼入硬化により硬度を６２ＨＲＣとした。次に、上記実施の形態において説明した外周面塑性加工工程（Ｓ５０）と同様の手順で円筒ころの外周面をバニシング加工した。このとき、加工ヘッドの圧子部の半径Ｒと圧子部の押し付け荷重とを変化させ、得られた円筒ころの硬度上昇値を測定した。圧子部の半径Ｒは、４ｍｍ（Ｒ４ｍｍ）、５ｍｍ（Ｒ５ｍｍ）、８ｍｍ（Ｒ８ｍｍ）の３水準とした。また、圧子は天然ダイヤモンド製とした。調査結果を図９に示す。図９において、横軸は最大加工面圧、縦軸は加工前後における硬度の差である硬度上昇値を示している。

図９を参照して、圧子部の半径Ｒに関係なく、最大加工面圧と硬度上昇値とは直線的な関係にあり、最大加工面圧が上昇するに従って硬度上昇値が大きくなることが分かった。

バニシング加工における圧子の移動速度ところの表面状態との関係を調査する実験を行なった。

まず、焼入硬化した直径φ１１ｍｍの円筒ころを準備した。そして、図５に基づいて説明した上記実施の形態の加工装置を用いて外周面をバニシング加工した。このとき、表面が半径Ｒ１．５ｍｍの球面形状を有する圧子を用い、最大加工面圧は６．５ＧＰａとした。この場合、圧子と円筒ころとの接触部である接触楕円のころの軸方向における長さは約０．１２ｍｍとなる。そして、ころの周方向における１回転あたりのころの軸方向における圧子の移動距離を０．０５、０．１０および０．２０ｍｍ／ｒｅｖの３水準とし、バニシング加工後のころの軸方向における表面状態を調査した。図１０、図１１および図１２に、それぞれ圧子の移動速度が０．０５、０．１０および０．２０ｍｍ／ｒｅｖである場合の測定結果を示す。図１０〜図１２において横軸はころの軸方向における位置を示しており、縦軸は表面の高さを示している。

図１０〜図１２を参照して、ころの周方向における１回転あたりの、ころの軸方向における圧子の移動距離が、ころの軸方向における圧子ところとの接触長さ以下である図１０および図１１においては、良好な表面粗さが得られている。このような表面状態が得られれば、後加工の省略あるいは後加工の時間の短縮を実現することができる。一方、ころの周方向における１回転あたりの、ころの軸方向における圧子の移動距離が、ころの軸方向における圧子ところとの接触長さよりも大きい図１２においては、上記回転あたりの移動距離に対応する間隔で深い溝が形成されている。以上の結果より、ころの周方向における１回転あたりの、ころの軸方向における圧子の移動距離は、ころの軸方向における圧子ところとの接触長さよりも小さくすることが好ましいといえる。

円筒形状を有する試験片と相手部材とを互いに外周面において接触させつつ軸周りに回転させる試験（２円筒試験）を実施し、試験片の外周面をバニシング加工により硬化させること、および外周面に多数のピットを形成することの効果を確認する実験を行なった。実験の手順は以下の通りである。

まず、２円筒試験を実施するための装置について説明する。図１３を参照して、２円筒試験機６０には、第１軸６３まわりに回転可能なように円盤状（円筒状）の相手部材６１がセットされるとともに、第２軸６４まわりに回転可能なように円盤状（円筒状）の試験片６２がセットされる。第１軸６３と第２軸６４とは平行に配置されており、相手部材６１と試験片６２とは互いに外周面が接触するように、第１軸６３および第２軸６４のそれぞれの一方の端部にセットされる。また、第１軸６３および第２軸６４の他方の端部には、いずれも回転速度計６５とスリップリング６６とが配置されている。

そして、フェルトパッド給油により相手部材６１と試験片６２との間に潤滑油が供給されつつ、駆動軸としての第１軸６３が回転する。これにより、相手部材６１が回転するとともに、試験片６２が相手部材６１と接触しつつ、相手部材６１に従動して回転する。以上のように２円筒試験機６０を運転し、所定の時間が経過したところで第１軸６３の回転を停止する。

試験条件を表１に示す。表１の条件で、試験開始時の油膜パラメータΛは約０．２０となる。表１を参照して、試験片および相手部材はともにＳＵＪ２を素材として、焼入硬化することにより作製した。そして、試験片の外周面に対しては、表２に示す加工面圧にてバニシング加工を実施した。その結果、外周面の硬度（表面硬度）は表２に示す通りとなった。また、試験片の外周面に多数のピット（平面形状の外接円の平均径が５μｍ以上５０μｍ以下のピット）を形成した試験片も同様に作製した。そして、上記２円筒試験機を用いて試験を実施し、試験終了後の試験片表面に生じている表面損傷部の面積率を画像解析により測定した（耐表面損傷試験）。なお、表２に示す表面損傷部の面積率（表面損傷率）は、試験片の外周面全体のうち損傷が最も進行した部位を５箇所選び、その面積率の平均値を算出した結果を示している。

次に、耐表面損傷試験の試験結果について説明する。表２を参照して、相手部材との硬度差が大きくなるに従って、表面損傷の面積率が小さくなっていることが分かる。そして、硬度差が２ＨＲＣ以上となると、表面損傷の面積率が、硬度差が２ＨＲＣ未満である場合の４０％以下となっている。また、硬度差が３ＨＲＣを超えると、表面損傷の面積率が１％未満となり、耐表面損傷性能が著しく向上している。

また、試験片と相手部材との接触面を一定電流で通電した時に発生する電位を測定し、その電位から金属接触率（面積率）を算出することにより潤滑性能を評価した（潤滑性能試験）。実験条件は表１に示すとおりであって、上記耐表面損傷試験と基本的に同様である。ただし、試験時間のみ変更し、１０時間とした。実験結果を図１４〜図１８に示す。図１４〜図１８において、横軸は試験の経過時間、縦軸は金属接触率である。ここで、金属接触は試験片および相手部材の合成粗さが油膜厚さを超える場合に発生するため、金属接触の面積率が小さいほど、潤滑性能が優れていることを意味する。また、金属接触率が０％である状態とは、油膜が完全に形成されている良好な潤滑状態を意味している。

図１４を参照して、試験片にバニシング加工による硬化処理を実施しなかった場合でも、時間の経過とともに金属接触率が低下していく。そして、図１５を参照して、試験片の外周面にバニシングを実施して相手部材との硬度差を１．６ＨＲＣとした場合、金属接触率の低下が図１４の場合よりも早期に実現されている。また、図１６を参照して、相手部材との硬度差を２．２ＨＲＣとした場合、全体として金属接触率がさらに低くなっている。そして、図１７を参照して、相手部材との硬度差を３．３ＨＲＣとした場合、金属接触率の低下がさらに早期に実現され、金属接触率が０％に近い状態が達成された。また、図１７に対応する試験片には、１０時間経過後においても、表面損傷はほとんど観察されなかった。このように、硬度差が大きくなるに従って、潤滑性能は向上することが分かる。特に、硬度差が２ＨＲＣを超えると潤滑性能が明確に向上し、当該硬度差が３ＨＲＣを超えると、潤滑性能が著しく向上するといえる。

一方、図１８を参照して、試験片の外周面に平面形状の外接円の平均径が５μｍ以上５０μｍ以下、深さ１〜２μｍ程度の微細ピットを多量（面積率２０％）に形成した場合、当初の金属接触率は高いものの、最終的に金属接触率が０％近くまで低下し、ほぼ安定して油膜が形成されているといえる。このことから、上記ピットの形成は、潤滑性能の向上に有効であることが確認される。なお、図１８の試験開始時における金属接触率は、図１４〜図１７の場合に比べて大きくなっている。これは、ピットの形成によって試験片の表面粗さが大きくなっていることに起因するものである。

以上の結果より、耐表面損傷性能および潤滑性能を向上させるためには、上記硬度差を２ＨＲＣ以上とすることが好ましく、３ＨＲＣ以上とすることがより好ましいといえる。これは、上記硬度差が大きくなることにより、相手部材の表面における微小な突起が押し潰されて、相手部材の表面粗さが小さくなり、十分な油膜が形成されるからであると推測される。また、上記ピットの形成も、潤滑性能の向上に有効であることが確認された。つまり、上記実験結果から、ころの接触面が転動部材の転走面よりも２ＨＲＣ以上高い硬度を有している本発明のころ軸受によれば、軸受の運転初期における表面損傷が抑制されるとともに、十分に優れた潤滑性能が得られるといえる。さらに、接触面の硬度を転走面よりも３ＨＲＣ以上高くすることで、より高い耐表面損傷性能および潤滑性能が得られる。さらに、ころの表面（接触面）に微小ピットを多数形成することにより、当該ピットが油溜まりとしての機能を発揮し、上記硬度差との相乗効果により、潤滑性能を一層向上させることが期待される。

本発明のころ軸受を構成するころを想定して、ころの外周面にバニシング加工を施した場合の表層部の残留応力値および残留オーステナイト量を測定する実験を行なった。具体的には、焼入硬化処理したＪＩＳ規格ＳＵＪ２製のころ（寸法：直径φ１２ｍｍ、幅１２ｍｍ）の外周面（接触面）に対して６．５ＧＰａの加工面圧にてバニシング処理を施した試験片を準備した。そして、当該試験片の深さ方向（直径方向）における残留応力値および残留オーステナイト量の分布を測定した。実験結果を図１９に示す。図１９において、横軸は表面からの深さ（外周面からの距離）、縦軸は残留応力値および残留オーステナイト（残留γ）量を示している。なお、残留応力値は引張応力を＋（プラス）、圧縮応力を−（マイナス）で表わしている。

図１９を参照して、圧縮の残留応力値の増大と残留オーステナイト量の低下との間には相関があることが分かる。このことから、圧縮残留応力の生成には加工ひずみだけではなく、残留オーステナイトのマルテンサイトへの変態（加工誘起変態）も影響していると推測される。一方、残留オーステナイト量が低下している領域の深さ（変態深さ）は、バニシング加工による硬化層深さ（図示しない）に比べて浅い傾向にある。このことから、バニシング加工による硬度上昇は、ひずみ硬化が主な要因であると考えられる。ここで、上述のように、ころの表層部に圧縮応力を生成させることにより、当該表層部における割れに対する耐性を向上させる効果が期待される。本発明のころ軸受を構成するころは、焼入硬化後の外周面（接触面）に塑性加工が施されているため、当該接触面には圧縮残留応力が生成し、表面損傷に対する耐性が向上している。

上記実施の形態においては、本発明のころ軸受の一例として、ラジアル円筒ころ軸受およびスラストニードルころ軸受について説明したが、本発明のころ軸受はこれらに限られず、たとえばラジアルニードルころ軸受、スラスト円筒ころ軸受など、種々のころ軸受に適用することができる。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明のころ軸受、ころの製造方法およびころの加工装置は、耐表面損傷性能と潤滑性能とを向上させることが求められるころ軸受、ころの製造方法およびころの加工装置に、特に有利に適用され得る。

１ 円筒ころ軸受、２ スラストニードルころ軸受、１１ 外輪、１１Ａ 外輪転走面、１２ 内輪、１２Ａ 内輪転走面、１３ 円筒ころ、１３Ａ 接触面、１３Ｂ 端面、１４，２４ 保持器、２１ 軌道輪、２１Ａ 軌道輪転走面、２３ ニードルころ、２３Ａ 接触面、５０ 加工装置、５１ フィードロール、５２ 圧子部、５３ 保持部、５４ 加工ヘッド、５５ 砥石、５６ 保持部、５７ 仕上げ加工部、６０ ２円筒試験機、６１ 相手部材、６２ 試験片、６３ 第１軸、６４ 第２軸、６５ 回転速度計、６６ スリップリング、９１ 成形体、９１Ａ 外周面、９１Ｂ 接触部。

Claims (17)

1. 鋼からなり、転走面を有する軌道部材と、
   前記軌道部材の前記転走面に接触し、前記転走面上を転動可能に配置された鋼からなるころとを備え、
   前記転走面に接触する前記ころの外周面である接触面は、焼入硬化処理後に塑性加工が施されており、前記転走面よりも２ＨＲＣ以上高い硬度を有している、ころ軸受。
2. 前記接触面は６４ＨＲＣ以上の硬度を有している、請求項１に記載のころ軸受。
3. 前記接触面には、１２００ＭＰａ以上の圧縮応力が残留している、請求項１または２に記載のころ軸受。
4. 前記ころの前記接触面は、前記塑性加工によって前記ころの端面よりも２ＨＲＣ以上高い硬度を有している、請求項１〜３のいずれか１項に記載のころ軸受。
5. 前記塑性加工はバニシング加工である、請求項１〜４のいずれか１項に記載のころ軸受。
6. 前記接触面には、平面形状の外接円の平均径が５μｍ以上５０μｍ以下のピットが全域にわたって形成されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載のころ軸受。
7. 油膜パラメータΛが１以下となる潤滑条件下において使用される、請求項１〜６のいずれか１項に記載のころ軸受。
8. ころ軸受において転動体として使用されるころの製造方法であって、
   鋼からなり、ころの形状に成形加工された成形体を準備する工程と、
   前記成形体を焼入硬化する工程と、
   焼入硬化された前記成形体の外周面の硬度が端面の硬度よりも２ＨＲＣ以上高くなるように、前記外周面に対して塑性加工を施す工程とを備えた、ころの製造方法。
9. 前記外周面に対して塑性加工を施す工程では、前記ころを周方向に回転させるとともに、圧子が前記ころの外周面に接触しつつ前記ころの軸方向に前記ころに対して相対的に移動することにより前記ころの外周面がバニシング加工される、請求項８に記載のころの製造方法。
10. 前記外周面に対して塑性加工を施す工程では、前記ころの周方向における１回転あたりの、前記ころの軸方向における前記圧子の移動距離が、前記ころの軸方向における前記圧子と前記ころとの接触長さよりも小さいことにより、前記ころの前記外周面が隙間なくバニシング加工される、請求項９に記載のころの製造方法。
11. 前記外周面に対して塑性加工を施す工程では、前記圧子が前記ころの軸方向において、前記ころに対して相対的に往復しつつ前進するように移動する、請求項９または１０に記載のころの製造方法。
12. 塑性加工された前記ころの外周面に対して、超仕上げ加工によりクラウニングを形成する工程をさらに備えた、請求項８〜１１のいずれか１項に記載のころの製造方法。
13. ころ軸受において転動体として使用されるころの外周面をバニシング加工するためのころの加工装置であって、
    前記ころを保持する一対のロールと、
    前記ロールの外周面に対向し、前記ころの外周面に接触可能に配置された圧子部を有する加工ヘッドとを備え、
    前記一対のロールが周方向に回転することにより、前記ころが周方向に回転するとともに、前記加工ヘッドの前記圧子部が前記ころの外周面に接触しつつ前記ころの軸方向に相対的に移動することにより、前記ころの外周面がバニシング加工される、ころの加工装置。
14. 前記圧子部において前記ころに接触すべき表面はダイヤモンドからなっている、請求項１３に記載のころの加工装置。
15. 前記圧子部において前記ころに接触すべき表面はＤＬＣからなっている、請求項１３に記載のころの加工装置。
16. 前記加工ヘッドは、前記ロールの軸に沿った方向に複数並べて配置されている、請求項１３〜１５のいずれか１項に記載のころの加工装置。
17. 前記ロールの外周面に対向して配置され、前記加工ヘッドにより外周面がバニシングされた前記ころの外周面に対して超仕上げ加工を実施するための砥石をさらに備えた、請求項１３〜１６のいずれか１項に記載のころの加工装置。

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