JP2013056366A - 軸受用内外輪の製造方法、軸受用内外輪、及び転がり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】仕上げ工程において、仕上げ精度を確保しつつ、その工程を簡略化してコスト削減をすることが可能な軸受用内外輪の製造方法を提供する。
【解決手段】熱処理されたリング状素材の仕上げ工程において、リング状素材に冷間ローリング成形を施す。このように、熱処理後にリング状素材を再度成形することで、熱処理によるリング状素材の変形を矯正して、真円度の矯正及び面粗度の向上を同時に達成することができて仕上げ精度が確保可能であるとともに、従来仕上げ工程で行われていた研削、研磨、超仕上げを省略することができコスト削減が可能となる。
【選択図】図２

Description

本発明は、軸受用内外輪の製造方法、軸受用内外輪、及び転がり軸受に関する。

通常、軸受用の内外輪は図９に示すように、素材を「前工程（鍛造、チューブ材切削等）→旋削→熱処理→仕上げ」という工程で加工することによって製造されている。より具体的には、鍛造等により素材をリング状に加工し、このリング状素材に旋削加工を施して軌道溝やシール溝の形成、面取り等を行い、次いで熱処理を施してから、軌道溝や内外径の研削仕上げ、及び研磨あるいは超仕上げ等を行っていた。

また、特許文献１では、前工程の技術として軸受軌道輪用の環状素材の製造方法が記載されている。より具体的には、鍛造によって鋼製の棒材から外輪用の大径円筒部と内輪用の小径円筒部とを、軸方向において一部を重ね合わせて互いに連結した状態で形成し、小径円筒部を大径円筒部の内部に押し込むと同時に、両円筒部の連結部をその一部を残してせん断した後、両円筒部の端面を同時に研磨する。両円筒部を軸方向に相対的に移動させて互いに分離した後、大径円筒部を冷間ローリング加工にて拡径する。このように、環状素材を製造することで、材料歩留まり及び生産性を高めることを図っていた。

特開２００２−７９３４７号公報

ところで、上述した仕上げ工程において、熱処理後のリング素材は熱変形によって真円度が低下しているため、ある程度の取り代を設けた上で真円に加工する仕上げ１（研削）と、研削後に最終的な精度出し及び面粗度確保のための仕上げ２（研磨又は超仕上げ）と、を行う。このように、仕上げ工程は複数工程を経て実施されており、軸受用内外輪の製造コストにおいてかなりの比重を占めていた。

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、仕上げ工程において、仕上げ精度を確保しつつ、その工程を簡略化してコスト削減をすることが可能な軸受用内外輪の製造方法、軸受用内外輪、及び転がり軸受を提供することにある。

本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１） リング状素材を成形する前工程と、
前記リング状素材を所望の形状に旋削加工する旋削工程と、
前記リング状素材を熱処理する熱処理工程と、
熱処理された前記リング状素材を仕上げる仕上げ工程と、
を備える軸受用内外輪の製造方法であって、
前記仕上げ工程において、前記リング状素材に冷間ローリング成形を施す
ことを特徴とする軸受用内外輪の製造方法。
（２） 前記仕上げ工程において、前記リング状素材に、研削、研磨、超仕上げのうち全て又は一部を施さず、前記冷間ローリング成形を施す
ことを特徴とする（１）に記載の軸受用内外輪の製造方法。
（３） 前記冷間ローリング成形において、
前記リング状素材の少なくとも一部が、該リング状素材の内周側で回転可能な回転部材と、該リング状素材の外周側で回転可能な回転金型と、に挟持され、
前記回転部材又は前記回転金型は、前記リング状素材の軸受用内外輪の軌道面に対応する部分と当接する当接部が、鏡面仕上げされる
ことを特徴とする（１）又は（２）に記載の軸受用内外輪の製造方法。
（４） 前記回転部材又は前記回転金型の前記当接部は、その表面粗さがＲａ＝０．０４μｍ以下となるように鏡面仕上げされる
ことを特徴とする（３）に記載の軸受用内外輪の製造方法。
（５） 前記リング状素材の外周面の一部又は全周を、前記回転金型によって拘束された状態で、前記冷間ローリング成形が施される
ことを特徴とする（３）又は（４）に記載の軸受用内外輪の製造方法。
（６） 前記仕上げ工程において、前記リング状素材に、前記冷間ローリング成形に加え、バレル研磨を施す
ことを特徴とする（１）〜（５）の何れか１つに記載の軸受用内外輪の製造方法。
（７） 前記リング状素材の内径をＲ、
前記回転部材の内径をｒ、
前記冷間ローリング成形後の、前記リング状素材の変形部分の円弧の長さを２ｒφ、
前記冷間ローリング成形前の、前記リング状素材の前記変形部分の円弧の長さを２Ｒθ、
前記リング状素材一回転当たりに該リング状素材が前記回転部材によって外周側に押し込まれる量をｆ、
としたとき、

及び

及び

を満たすことを特徴とする（１）〜（６）の何れか１つに記載の軸受用内外輪の製造方法。
（８） （１）〜（７）の何れか１つに記載の製造方法によって製造された軸受用内外輪。
（９） （８）に記載の軸受用内外輪を有することを特徴とする転がり軸受。

本発明の軸受用内外輪の製造方法によれば、熱処理されたリング状素材を仕上る仕上げ工程において、リング状素材に冷間ローリング成形を施している。したがって、熱処理後にリング状素材を再度成形することで、熱処理によるリング状素材の変形を矯正して、真円度の矯正及び面粗度の向上を同時に達成することができて仕上げ精度が確保可能であるとともに、研削、研磨、超仕上げ工程の省略ができコスト削減が可能となる。
また、研削工程を省略する場合、従来のように、リング状素材に研削のための取り代を設ける必要がないため、歩留まりの向上が可能である。
また、リング状素材には冷間ローリング成形時に圧縮応力が負荷されるので、残留引張応力を除去することができ、軸受内外輪の寿命向上が可能である。

第１実施形態に係る軸受用内外輪の製造方法により製造された軸受用内外輪を有する転がり軸受を示す部分断面図である。 第１実施形態に係る軸受用内外輪の製造方法の工程を示す図である。 （ａ）は前工程で成形されたリング状素材を示す断面図であり、（ｂ）は切削加工されたリング状素材を示す断面図である。 冷間ローリング成形が施されるリング状素材を示す断面図である。 （ａ）は冷間ローリング成形においてリング状素材にマンドレルを押し込んだときの模式図であり、（ｂ）は各パラメータの関係を求めるための三角形を示す図である。 変形例に係る冷間ローリング成形が施されるリング状素材を示す断面図である。 第２実施形態に係る軸受用内外輪の製造方法の工程を示す図である。 第３実施形態に係る軸受用内外輪の製造方法の工程を示す図である。 従来の軸受用内外輪の製造方法の工程を示す図である。

以下、本発明に係る軸受用内外輪の製造方法、軸受用内外輪、及び転がり軸受の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

（第１実施形態）
先ず、図１に、本発明の第１実施形態に係る軸受用内外輪の製造方法により製造された内輪３及び外輪５を有する転がり軸受１を示す。転がり軸受１は開放型の深溝玉軸受であり、外周面３ａの軸方向中央に凹設された略円弧形状の内輪軌道面３ｂを有する内輪３と、内周面５ａの軸方向中央に凹設された略円弧形状の外輪軌道面５ｂを有する外輪５と、内輪軌道面３ｂ及び外輪軌道面５ｂに転動自在に挟持された複数の玉７と、複数の玉７を周方向に所定の間隔で保持する保持器９と、を備える。

以降、本発明の軸受用内外輪の製造方法によって外輪５を製造する過程を説明する。外輪５は、概説すると図２に示すように「前工程→旋削→熱処理→仕上げ（冷間ローリング）」という工程によって製造される。

より具体的に、前工程では、外輪５と軸方向幅及び内外径が略等しくなるように、チューブ材切削や、熱間鍛造及び冷間ローリング等、公知の技術によってリング状素材１０を成形する（図３（ａ）参照。）。

次に、旋削工程において、リング状素材１０に外輪５の形状に対応するように旋削加工を施し、リング状素材１０の内周面１０ａの軸方向中央部に、外輪５の内周面５ａの外輪軌道面５ｂに対応する軌道面１０ｂを凹設するとともに、角部の面取りを行う（図３（ｂ）参照）。なお、転がり軸受１にシールを設ける場合には、旋削工程においてリング状素材１０にシール溝が形成される。

このように、所望の形状に加工されたリング状素材１０は、周知の方法によって加熱炉等を用いて熱処理される（熱処理工程）。

次に、仕上げ工程において、リング状素材１０に冷間ローリング成形を施す。以下、当該冷間ローリング成形について説明する。
図４に示すように、リング状素材１０は、その一部が、リング状素材１０の内周側で回転可能な円柱形状のマンドレル２３（回転部材）と、リング状素材１０の外周側で回転可能なリング状の金型であるリングダイス２１（回転金型）と、によって挟持される。

マンドレル２３の外径は、リング状素材１０の内径よりも小さくなるように設定されており、マンドレル２３の外周面２３ａには、軸方向中央部にリング状素材１０の軌道面１０ｂ（外輪５の外輪軌道面５ｂ）の形状に近似し、リング状素材１０の軌道面１０ｂと当接するリング状凸部２３ｂ（当接部）が形成されている。リング状凸部２３ｂは、鏡面仕上げされており、その表面粗さがＲａ＝０．０４μｍ以下とされている。

リングダイス２１の内径は、リング状素材１０の外径と略等しくなるように設定される。したがって、リングダイス２１に内嵌したリング状素材１０は、その外周面１０ｃの全周がリングダイス２１の内周面２１ａに拘束され、径方向への変位が規制される。また、リングダイス２１の外周面２１ｂは、リングダイス２１及びマンドレル２３と互いに並行且つ相対回転自在に支持された補助ロール２２に当接してバックアップされている。

このように、リング状素材１０の内周面１０ａをマンドレル２３に緩く外嵌させ、リング状素材１０の外周面１０ｃの全周をリングダイス２１によって拘束した状態で、マンドレル２３をリングダイス２１を介して補助ロール２２に押圧しながら回転させると、リング状素材１０、リングダイス２１、補助ロール２２が連れ周り回転し、リング状素材１０は再度成形される。

図５（ａ）には、冷間ローリング成形において、リング状素材１０に内周側からマンドレル２３を押し込んだときの模式図が示されている。リング状素材１０は、内側からマンドレル２３によって押圧されたことにより、その内周面１０ａの一部（以下、変形部分と呼ぶ。図５（ａ）中、点線で表されている。）が、マンドレル２３の外周面２３ａの形状と略等しくなるように、外周側に向かって変形する。

ここで、リング状素材１０の内径をＲ、マンドレルの内径をｒ、冷間ローリング成形後のリング状素材１０の変形部分の円弧の長さを２ｒφ、冷間ローリング成形前のリング状素材１０の変形部分の円弧の長さを２Ｒθ、リング状素材１０一回転当たりに当該リング状素材１０がマンドレル２３によって外周側に押し込まれる量（径方向幅）をｆとする。熱処理後のリング状素材１０の延びは０．５％程度であるので、割れを生じることなく上述の冷間ローリング成形を実施するためには、リング状素材１０一回転当たりに冷間ローリングにより生じるひずみを０．５％未満にする必要がある。したがって、下に示す関係式を満たすように、θ及びφの値を設定すればよい。

ただし、θ及びφは、それぞれ以下のようにリング状素材１０の内径Ｒ、マンドレルの内径ｒ、リング状素材１０一回転当たりのマンドレルの押し込み量ｆ、の関数として表される。

図５（ｂ）に示すように、斜線で示した三角形において三平方の定理より、φは以下のように求められる。

また、θは以下のように求められる。

以上の関係式を満たすように各々のパラメータθ、φ、Ｒ、ｒ、ｆを設定するようにしたので、熱処理後のリング状素材１０であっても割れを生じることなく冷間ローリング成形を施すことが可能である。

以上、説明したように、本実施形態の軸受用内外輪の製造方法によれば、熱処理されたリング状素材１０の仕上げ工程において、リング状素材１０に冷間ローリング成形を施している。したがって、熱処理後にリング状素材１０を再度成形することで、熱処理によるリング状素材１０の変形を矯正して、真円度の矯正及び面粗度の向上を同時に達成することができて仕上げ精度が確保可能であるとともに、従来仕上げ工程で行われていた研削、研磨、超仕上げを省略することができコスト削減が可能となる。

特に、本実施形態では、リング状素材１０の外周面１０ｃの全周がリングダイス２１の内周面２１ａに拘束された状態で冷間ローリングが施されるので、リング状素材１０の真円度の更なる向上が可能である。

また、冷間ローリング成形において、マンドレル２３は、リング状素材１０の外輪５の外輪軌道面５ｂに対応する軌道面１０ｂと当接するリング状凸部２３ｂ（当接部）が、鏡面仕上げされてその表面粗さがＲａ＝０．０４μｍ以下とされている。したがって、リング状素材１０の軌道面１０ｂ（外輪５の外輪軌道面５ｂ）の表面粗さには、マンドレル２３のリング状凸部２３ｂの表面粗さがほぼそのまま転写され、面粗度が向上して軸受の要求機能を満たすことが可能であるとともに、研磨や超仕上げ工程の省略、簡略化ができコスト削減が可能である。

また、従来のようにリング状素材１０に研削工程のための取り代を設ける必要がないため、歩留まりの向上が可能である。

また、リング状素材１０には冷間ローリング成形時に、マンドレル２３及びリングダイス２１によって圧縮応力が負荷されるので、残留引張応力を除去することができ、外輪５の寿命向上が可能である。

また、リング状素材１０の内径をＲ、マンドレルの内径をｒ、冷間ローリング成形後のリング状素材１０の変形部分の円弧の長さを２ｒφ、冷間ローリング成形前のリング状素材１０の変形部分の円弧の長さを２Ｒθ、リング状素材１０一回転当たりに当該リング状素材１０がマンドレル２３によって外周側に押し込まれる量（径方向幅）をｆとしたとき、

及び

及び

を満たすようにしたので、熱処理後のリング状素材１０であっても割れを生じることなく冷間ローリング成形することが可能である。

また、冷間ローリング成形のコストをＣＲとすると、従来仕上げ工程において行われていた研削、研磨、超仕上げ、バレル研磨それぞれのコストは、概ね「研削：３ＣＲ、研磨：５ＣＲ、超仕上げ：５ＣＲ、バレル研磨：ＣＲ」である。これに基づき、従来の仕上げ工程（図９参照。）におけるコストは「研削＋研磨あるいは超仕上げ＝３ＣＲ＋５ＣＲ＝８ＣＲ」であるのに対し、本実施形態の仕上げ工程（図２参照。）におけるコストは「冷間ローリング成形＝ＣＲ」であり８７．５％の仕上げコスト低減が可能となる。

（変形例）
なお、本実施形態の冷間ローリング成形は、リング状素材１０の外周面１０ｃの全周がリングダイス２１（回転金型）に拘束される構成に限定されず、図６に示すようにリング状素材１０の外周面１０ｃの一部が成形ロール２５（回転金型）に拘束されるように構成してもよい。

この場合、リング状素材１０は、その一部が、リング状素材１０の内周側で回転可能な円柱形状のマンドレル２３と、マンドレル２３と並行配置され、リング状素材１０の外周側で回転可能なリング状の金型である成形ロール２５と、によって挟持される。

成形ロール２５は、外周面２５ａの軸方向中央にリング状素材１０と略等しい軸方向幅を有する矩形溝２５ｂが設けられており、この矩形溝２５ｂにリング状素材１０を外嵌した状態で、成形ロール２５の外周面２５ａとマンドレル２３の外周面２３ａを当接させることによって、成形ロール２５とマンドレル２３との間にリング状素材１０が回転可能に挟持される。

このように、リング状素材１０の内周面１０ａをマンドレル２３に緩く外嵌させ、リング状素材１０の外周面１０ｃの一部を成形ロール２５によって拘束した状態で、マンドレル２３を成形ロール２５に押圧しながら回転させると、リング状素材１０、成形ロール２５が連れ周り回転し、リング状素材１０が再度成形される。
このように冷間ローリング成形をした場合であっても、上述の効果と同様の効果を奏することが可能である。

なお、本実施形態においては外輪５を製造する過程を説明したが、内輪３を製造する過程も基本的に同様である。但し、内輪３は外周面３ａに内輪軌道面３ｂが形成されるため、リング状素材１０はその外周面１０ｃに内輪軌道面３ｂに対応する軌道面（不図示）が形成される。また、リングダイス２１の内周面２１ａ（変形例の場合、成形ロール２５の外周面２５ａ）には、リング状素材１０の軌道面と当接する当接部（不図示）が形成され、この当接部はその表面粗さがＲａ＝０．０４μｍ以下とされる。したがって、内輪３を製造する場合であっても、リングダイス２１の内周面２１ａ（成形ロール２５の外周面２５ａ）の当接部の表面粗さがほぼそのまま転写され、軌道面の面粗度が向上するとともに、研磨や超仕上げ工程の省略、簡略化ができコスト削減が可能である。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る軸受用内外輪の製造方法について説明する。
第２実施形態の軸受用内外輪の製造方法では、図７に示すように、熱処理工程後の仕上げ工程において、冷間ローリング成形を実施し、その後バレル研磨を実施する。このような工程とした場合であっても、通常熱処理工程後に続く研削、研磨あるいは超仕上げ工程を省略することが可能である。

本実施形態の仕上げ工程のコストは、「冷間ローリング成形＋バレル研磨＝ＣＲ＋ＣＲ＝２ＣＲ」であり、上述した従来の仕上げ工程におけるコスト８ＣＲに比べ、７５％のコスト低減が可能である。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係る軸受用内外輪の製造方法について説明する。
第３実施形態の軸受用内外輪の製造方法では、図８に示すように、熱処理工程後の仕上げ工程において、研削を実施し、その後冷間ローリング成形を実施する。このような工程とした場合であっても、通常熱処理工程後に続く研磨あるいは超仕上げ工程を省略することが可能となる。

本実施形態の仕上げ工程のコストは、「研削＋冷間ローリング成形＝３ＣＲ＋ＣＲ＝４ＣＲ」となり、上述した従来の仕上げ工程におけるコスト８ＣＲに比べ、５０％のコスト低減が可能である。

なお、本実施形態においては、研削工程を冷間ローリング成形と置換することによって省略し、当該冷間ローリング成形後に、研磨あるいは超仕上げを実施してもよい。

尚、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良等が可能である。
例えば、本発明の製造方法によって製造された軸受用内外輪が適用される転がり軸受は、深溝玉軸受に限られず、アンギュラ玉軸受、円筒ころ軸受、円錐ころ軸受、など様々な種類の転がり軸受に適用可能である。

１ 転がり軸受（転がり軸受）
３ 内輪（軸受用内輪）
３ａ 外周面
３ｂ 内輪軌道面（軌道面）
５ 外輪（軸受用外輪）
５ａ 内周面
５ｂ 外輪軌道面（軌道面）
７ 玉
９ 保持器
１０ リング状素材
１０ａ 内周面
１０ｂ 軌道面
１０ｃ 外周面
２１ リングダイス（回転金型）
２１ａ 内周面
２１ｂ 外周面
２２ 補助ロール
２３ マンドレル（回転部材）
２３ａ 外周面
２３ｂ リング状凸部（当接部）
２５ 成形ロール（回転金型）
２５ａ 外周面
２５ｂ 矩形溝
Ｒ 内径
ｒ 内径

Claims (9)

1. リング状素材を成形する前工程と、
   前記リング状素材を所望の形状に旋削加工する旋削工程と、
   前記リング状素材を熱処理する熱処理工程と、
   熱処理された前記リング状素材を仕上げる仕上げ工程と、
   を備える軸受用内外輪の製造方法であって、
   前記仕上げ工程において、前記リング状素材に冷間ローリング成形を施す
   ことを特徴とする軸受用内外輪の製造方法。
2. 前記仕上げ工程において、前記リング状素材に、研削、研磨、超仕上げのうち全て又は一部を施さず、前記冷間ローリング成形を施す
   ことを特徴とする請求項１に記載の軸受用内外輪の製造方法。
3. 前記冷間ローリング成形において、
   前記リング状素材の少なくとも一部が、該リング状素材の内周側で回転可能な回転部材と、該リング状素材の外周側で回転可能な回転金型と、に挟持され、
   前記回転部材又は前記回転金型は、前記リング状素材の軸受用内外輪の軌道面に対応する部分と当接する当接部が、鏡面仕上げされる
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の軸受用内外輪の製造方法。
4. 前記回転部材又は前記回転金型の前記当接部は、その表面粗さがＲａ＝０．０４μｍ以下となるように鏡面仕上げされる
   ことを特徴とする請求項３に記載の軸受用内外輪の製造方法。
5. 前記リング状素材の外周面の一部又は全周を、前記回転金型によって拘束された状態で、前記冷間ローリング成形が施される
   ことを特徴とする請求項３又は４に記載の軸受用内外輪の製造方法。
6. 前記仕上げ工程において、前記リング状素材に、前記冷間ローリング成形に加え、バレル研磨を施す
   ことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の軸受用内外輪の製造方法。
7. 前記リング状素材の内径をＲ、
   前記回転部材の内径をｒ、
   前記冷間ローリング成形後の、前記リング状素材の変形部分の円弧の長さを２ｒφ、
   前記冷間ローリング成形前の、前記リング状素材の前記変形部分の円弧の長さを２Ｒθ、
   前記リング状素材一回転当たりに該リング状素材が前記回転部材によって外周側に押し込まれる量をｆ、
   としたとき、
   

   

   
   及び
   

   

   
   及び
   

   

   
   を満たすことを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の軸受用内外輪の製造方法。
8. 請求項１〜７の何れか１項に記載の製造方法によって製造された軸受用内外輪。
9. 請求項８に記載の軸受用内外輪を有することを特徴とする転がり軸受。

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