JP2013167027A - 車輪用転がり軸受装置の熱処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】軌道面を熱処理した後のワークをさらに旋削加工等したり、焼入れのムラを生じさせたりせずに、要求される寸法精度を有する外輪２を形成し、前記外輪２を転動体４等と組み合わせて車輪用転がり軸受装置１を製造できる軌道面の熱処理方法を提供する。
【解決手段】熱処理方法は、外輪２の軌道面５、６を、前記外輪２の外周面全体に水２７を噴きつけて冷却しながら熱処理する。
【選択図】図２

Description

本発明は、自動車等の懸架装置に車輪を回転自在に支持するための、車輪用転がり軸受装置の、軌道面に対する熱処理方法に関するものである。

図１は、近年普及しつつある車輪用転がり軸受装置１の一例を示す断面図である。図１を参照して、この例の車輪用転がり軸受装置１は、筒状の外輪２と、前記筒に挿通されて外輪２と同軸に配置された内軸３と、前記外輪２と内軸３との間に介在された複数個の転動体４とを備えている。
外輪２の筒の内周には、転動体４を転動可能に支持する複列（図では２列）の軌道面５、６が形成されている。また筒の外周には、その周方向の複数箇所（図では１箇所のみ記載している）から筒の径方向外方へ向けて突設された、懸架装置への取り付けのための複数個の突出部７を有するフランジ８が、前記筒と一体に形成されている。

内軸３の外周面には、軌道面５と対向し、前記軌道面５との間に転動体４を転動可能に支持する軌道面１３が形成されている。内軸３の外周の、軌道面６と対向する位置には軌道輪１４が嵌め合わされており、前記軌道輪１４の外周に、軌道面６と対向し、前記軌道面６との間に転動体４を転動可能に支持する軌道面１５が形成されている。
内軸３には、前記内軸３の径方向外方へ向けて突設された、車輪やブレーキディスク等を取り付けるためのフランジ１９が一体に形成されている。またフランジ１９の、軌道面１３が形成された側と反対側の側面には、前記側面から内軸３の軸方向に突設させて、ブレーキディスクを嵌め合わせるための筒状のいんろう部２１が一体に形成されている。

前記外輪２は、例えば軸受鋼、機械構造用炭素鋼等の鋼材を熱間鍛造加工等してそのもとになる前駆体（ワーク）を形成し、前記ワークの軌道面５、６を熱処理して、前記軌道面５、６を含む領域に所定の厚みを有する硬化層を形成した後、必要に応じて表面を研磨して製造される。熱処理としては、例えば大気中で、高周波コイルによる誘導加熱によって前記軌道面５、６を局所的に加熱したのち冷却する、いわゆる高周波焼入れが広く採用される。

しかしワークは、肉厚１０ｍｍ以下程度の薄肉筒状で、しかもその内周に軌道面５、６、外周にフランジ８を有する等、筒の軸方向の肉厚が一定でない上、先に説明したようにフランジの、周方向の複数箇所に突出部７を有し、筒の周方向の肉厚も一定でない。そのため、前記軌道面５、６を熱処理すると、前記筒の真円度が低下する等、ワークの全体に大きな歪みを生じるおそれがある。

すなわち熱処理の熱が、ワークの非加熱領域に、前記肉厚の違い等に基づいて不均一に伝導されるため、ワーク内で不均一な膨張を生じて内部応力が発生する。また加熱したワークは、多数の水吐出口から水をシャワー状に噴きつけて冷却するのが一般的であるが、このような冷却方法では、ワークの形状に基づいて、水の到達時間や到達量等に差を生じて、前記ワークの全体を同時に、均一に冷却することができない。そのため、内部応力が生じている上に不均一な冷却がされるためワークが異状変形して、全体に大きな歪みを生じるおそれがある。

そこで従来は、外輪２に要求される寸法精度を出すために、熱処理後、研磨前のワークを旋削して歪みを修正することが行われる。しかしこの方法では、前記旋削工程を必要とする分、工程数が増加するため、外輪２の、ひいては車輪用転がり軸受装置１の生産性が低下するという問題がある。また熱処理後の旋削分を考慮すると共に、熱処理によって歪みが発生するのをできるだけ抑制するために、ワークを厚めに形成する必要があり、外輪２の製造に要する鋼材の量、輸送に要するエネルギー、保管に要するスペース等が嵩むという問題もある。

また、熱処理の熱がワークの非加熱領域に不均一に伝導されたり、ワークが不均一に冷却されたりすると、焼入れのムラが発生するおそれもある。すなわち、熱処理によって形成される硬化層の、深さ方向の厚みや面方向の拡がりがばらついたり、特に外輪２では前記硬化層が筒の外周面まで達して、前記外周面を不均一に変色させたりする場合がある。
外輪の筒の開口に嵌め合わされる嵌め合い部を有するコンセントリングを２つ用意し、それぞれのコンセントリングの嵌め合い部を、外輪の筒の両側の開口に嵌め合わせた状態で熱処理をして、ワークの歪みを抑制することが提案されている（例えば特許文献１参照）。

特開昭５９−２２６１１８号公報

しかし、コンセントリングによる変形防止の効果は未だ十分でなく、依然としてワークは、熱処理によって変形を生じやすいため、前記ワークを旋削して歪みを是正する工程を全く省略してしまうまでには至っていない。また冷却は、従来同様にワークに水を噴きつける等して行われるため、焼入れのムラが発生するのを抑制することもできない。

本発明は、かかる背景のもとでなされたもので、熱処理後のワークをさらに旋削加工等したり、焼入れのムラを生じさせたりせずに、要求される寸法精度を有する外輪を形成できる車輪用転がり軸受装置の熱処理方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、筒状をし、その内周に軌道面（５）（６）が形成された外輪（２）と、
軌道面を有する外周面および車輪を取り付けるフランジが一体に形成され、前記外輪と同軸に配置される内軸とを備える車輪用転がり軸受装置（１）の、前記外輪の軌道面に対する熱処理方法であって、
前記軌道面を加熱して硬化層を形成するべく、誘導加熱のための高周波コイル（２８）を前記筒状の外輪内に挿入して、内周の軌道面に対向させた状態で、前記外輪を筒の軸（Ａ）を中心として前記高周波コイルに対して周方向に相対回転させると共に、前記外輪の外周面全体に水（２７）を噴きつけて冷却しながら、前記高周波コイルに通電して前記軌道面を加熱し、加熱終了後も前記水の噴きつけを続けて一定時間冷却し続けることを特徴とする車輪用転がり軸受装置の熱処理方法を提供するものである（請求項１）。なお、カッコ内の英数字は、後述の実施の形態における対応構成要素等を表す。

本発明によれば、外輪の外周面全体に水を噴きつけて冷却しながら軌道面を誘導加熱すると共に、加熱終了後も前記水の噴きつけを続けて一定時間冷却し続けることによって、前記熱処理の熱が非加熱領域に不均一に伝導して外輪に内部応力が発生するのを抑制できる。また加熱を停止するだけで、外輪の全体を同時に、均一に冷却できる。
そのため、外輪が熱処理によって異状変形して全体に大きな歪みを生じるのを防止でき、熱処理後の外輪をさらに旋削して歪みを是正する工程を省略しても、前記外輪に要求される寸法精度を出すことが可能となる。

したがって、旋削の工程を省略できる分、外輪の、ひいては車輪用転がり軸受装置の生産性を向上できる。また外輪のもとになるワークを、熱処理後の旋削分等を考慮して少し大きめに形成する必要もなくなるため、前記外輪の製造に要する鋼材の量、輸送に要するエネルギー、保管に要するスペース等を、いずれも低減できる。
しかも焼入れのムラが発生するのを抑制して、前記熱処理によって形成される硬化層の厚みや拡がりを均一にできる上、特に外輪では硬化層が部分的に筒の外周面まで達して、前記外周面を不均一に変色させたりするのを防止することもできる。

本発明によれば、熱処理後のワークをさらに旋削加工等したり、焼入れのムラを生じさせたりせずに、要求される寸法精度を有する外輪を形成できる車輪用転がり軸受装置の熱処理方法を提供できる。

本発明の熱処理方法を経て製造される車輪用転がり軸受装置の一例を示す断面図である。 本発明の熱処理方法による、外輪の熱処理の工程の一例を示す断面図である。

以下には、図面を参照して、この発明の実施形態について具体的に説明する。
図１は、先に説明したように車輪用転がり軸受装置１の一例を示す断面図である。図１を参照して、この例の車輪用転がり軸受装置１は、筒状の外輪２と、前記筒に挿通されて外輪２と軸Ａを中心として同軸に配置された内軸３と、前記外輪２と内軸３との間に介在された複数個の転動体４とを備えている。

外輪２の筒の内周には、転動体４を転動可能に支持する複列（図では２列）の軌道面５、６が形成されている。また筒の外周には、その周方向の複数箇所（図では１箇所のみ記載している）から筒の径方向外方へ向けて突設された、懸架装置への取り付けのための複数個の突出部７を有するフランジ８が、前記筒と一体に形成されている。フランジ８には、前記懸架装置への取り付けのための図示しないボルトが螺合されるネジ穴９が、筒の軸方向に貫通させて形成されている。

内軸３は、軸Ａ方向の一端側（図において左側）から他端側（右側）に向けて順に同軸となるように一体に形成された外径の大きい大径部１０、前記大径部１０より外径の小さい中径部１１、および前記中径部１１より外径の小さい小径部１２を備えており、前記大径部１０と中径部１１との段差部分に、軌道面５に対向する軌道面１３が形成されている。また小径部１２には軌道輪１４が嵌め合わされており、前記軌道輪１４の外周に、軌道面６に対向する軌道面１５が形成されている。

軌道輪１４は、内径が小径部１２の外径と一致する筒状で、かつ軸Ａ方向の一端側から他端側に向けて順に同軸となるように一体に形成された外径の小さい小径部１６、および前記小径部１６より外径の大きい大径部１７を備えており、前記小径部１６と大径部１７との段差部分に、前記軌道面１３と向かい合わせて軌道面１５が形成されている。
内軸３の小径部１２の端部１８は、車輪用転がり軸受装置１の組み立て前には、図中に破線で示すように小径部１２と同径の筒状に形成されている。

車輪用転がり軸受装置１を組み立てるには、軌道面５と軌道面１３との間、および軌道面６と軌道面１５との間に、それぞれ所定個の転動体４を保持させた状態で、小径部１２に軌道輪１４を嵌め合わせて、その一端側を中径部１１と小径部１２との段差に当接させる。
次いで図中に実線で示すように端部１８をかしめることで、軌道輪１４を内軸３に固定して車輪用転がり軸受装置１を組み立てると、前記転動体４、軌道面５、６および軌道面１３、１５によって複列スラストアンギュラ玉軸受が構成されて、内軸３が外輪２に対して、軸Ａを中心として回転自在に支持される。

内軸３の、大径部１０の一端側の外周には、前記外周から径方向外方へ向けて突設させて、車輪やブレーキディスク等を固定するためのフランジ１９が一体に形成されている。フランジ１９の、周方向の複数箇所（図では１箇所のみ記載している）には、図示しない車輪やブレーキディスクを取り付けるボルト２０が設けられている。またフランジ１９の一端側の側面には、前記側面から一端側に突設させて、ブレーキディスクを嵌め合わせるための筒状のいんろう部２１が一体に形成されている。

前記各部のうち外輪２は、従来同様に、例えば軸受鋼、機械構造用炭素鋼等の鋼材を熱間鍛造加工等して図１に示す形状に形成し、次いで軌道面５、６を熱処理して、前記軌道面５、６を含む領域に所定の厚みを有する硬化層を形成した後、必要に応じて表面を研磨して製造される。
また内軸３は、やはり従来同様に、前記鋼材を熱間鍛造加工等して図１に示す形状に形成し、次いで軌道面１３を熱処理して、前記軌道面１３を含む領域に所定の厚みを有する硬化層を形成した後、必要に応じて表面を研磨して製造される。

この際、本発明の車輪用転がり軸受装置の熱処理方法では、前記外輪２の熱処理に際し、加熱している軌道面５、６の近傍領域を、加熱中から加熱後までの所定時間に亘って水で冷却し続ける点が、従来と相違している。
図２は、前記本発明の車輪用転がり軸受装置の熱処理方法による、外輪２の熱処理の工程の一例を示す断面図である。図２を参照して、この例では、前記外輪２を保持して回転するターンテーブル２２を用意する。

ターンテーブル２２は、前記外輪２の他端側（図では下側）の端面に当接される台板２３と、前記台板２３の周縁に一体に形成され、外輪２の他端側の外周に嵌め合わされて、前記台板２３と共に他端側の開口２４を閉じる筒状の突出部２５と、前記台板２３の下面に取り付けられた回転軸２６とを備えている。突出部２５および回転軸２６は、前記突出部２５を外輪２の他端側に嵌め合わせた状態で、外輪２の筒の軸Ａが回転軸２６の中心軸と一致するように同軸に設けられている。

次に、前記突出部２５を嵌め合わせると共に台板２３の上面に端面を当接させてターンテーブル２２に保持させた外輪２の筒内に誘導加熱のための高周波コイル２８を挿入する。高周波コイル２８としては、巻き径が、外輪２の筒内に挿入可能で、かつ軌道面５、６にできるだけ近接可能な径に設定されていると共に、軸Ａ方向の巻き数が、軌道面５、６の列数（２列）に合わせて２重巻きとされ、巻き間隔が、軌道面５、６の形成間隔と一致されたものを用いる。前記高周波コイル２８は、図示しない高周波電源に接続される。

高周波コイル２８は、前記２重巻きの部分を軌道面５、６と対向させた状態で、外輪２の一端側（図では上側）の開口２９に被せられて、前記開口２９を閉じる蓋体３０を備えている。これにより、前記ターンテーブル２２と蓋体３０とで、外輪２の他端側および一端側の開口２４、２９が閉じられて、前記外輪２の筒内の空間に水２７が浸入するのが防止される。

次に、高周波コイル２８が軸Ａを中心として回転したり、上下方向に移動したりしないように固定した状態で、図示しない外周ジャケット等から、外輪２の外周面全体に、図中に破線の矢印で示すように水２７を噴きつけると共に、ターンテーブル２２を、図中に実線の矢印で示すように一方向に回転させながら、高周波コイル２８に高周波電流を入力する。そうすると、ターンテーブル２２上に保持された外輪２のうち、高周波コイル２８が対向する軌道面５、６とその近傍の領域が誘導加熱される。

水２７には、必要に応じて水溶性高分子等の添加剤を添加してもよい。
誘導加熱の温度は、周知のように外輪２の前記領域を形成する鋼材がオーステナイト相を呈する温度に設定し、前記温度に達して一定時間経過した後に冷却すると、前記領域を形成する鋼材がマルテンサイト変態して焼入れされる。
この際、本発明では、外輪２の外周面全体を、熱処理の間、水２７を噴きつけて継続的に冷却しているため、前記熱が非加熱領域に不均一に伝導して外輪２に内部応力が発生するのを抑制できる。また加熱を停止した後も一定時間の間、水２７を噴きつけ続けることで、外輪２の全体を同時に、均一に冷却できる。

そのため、外輪２が熱処理によって異状変形して全体に大きな歪みを生じるのを防止でき、熱処理後の外輪２をさらに旋削して歪みを是正する工程を省略しても、前記外輪２に要求される寸法精度を出すことが可能となる。したがって、前記工程を省略できる分、外輪２の、ひいては車輪用転がり軸受装置１の生産性を向上できる。また外輪２のもとになるワークを、熱処理後の旋削分等を考慮して少し大きめに形成する必要もなくなるため、外輪２の製造に要する鋼材の量、輸送に要するエネルギー、保管に要するスペース等を、いずれも低減できる。

しかも焼入れのムラが発生するのを抑制して、前記熱処理によって形成される硬化層の厚みや拡がりを均一にできる上、前記硬化層が部分的に筒の外周面まで達して、前記外周面を不均一に変色させたりするのを防止することもできる。
熱処理後は外輪２を必要に応じて乾燥させた後、先に説明した手順で転動体４、内軸３、および軌道輪１４と組み合わせて組み立てると、図１に示す車輪用転がり軸受装置１が製造される。

本発明は、以上の実施の形態に限定されるものではなく、請求項記載の範囲内において種々の変更が可能である。例えば図２では、高周波コイル２８を固定し、外輪２を回転させて熱処理をしていたが、逆に外輪２を固定し、高周波コイル２８を回転させて熱処理をしてもよいし、外輪２と高周波コイル２８を共に回転させて熱処理をしてもよい。後者の場合には外輪２と高周波コイル２８が相対的に回転するように、両者の回転方向や回転速度を違えればよい。

また、本発明によって製造される車輪用転がり軸受装置は、図１のものには限定されず、従来の、２列の軌道面が共に、内軸３とは別体の軌道輪に形成されたものであってもよいし、現在、開発が進められている、２列の軌道面が共に、内軸３の外周面に直接に形成されたものであってもよい。前記軌道面の配置に合わせて軌道面を任意の配置とした外輪を水に浸漬した状態で、前記軌道面を熱処理することができる。

１：軸受装置、２：外輪、３：内軸、５、６：軌道面、１３：軌道面、１９：フランジ、２７：水、２８：高周波コイル、Ａ：軸

Claims (1)

1. 筒状をし、その内周に軌道面が形成された外輪と、
   軌道面を有する外周面および車輪を取り付けるフランジが一体に形成され、前記外輪と同軸に配置される内軸とを備える車輪用転がり軸受装置の、前記外輪の軌道面に対する熱処理方法であって、
   前記軌道面を加熱して硬化層を形成するべく、誘導加熱のための高周波コイルを前記筒状の外輪内に挿入して、内周の軌道面に対向させた状態で、前記外輪を筒の軸を中心として前記高周波コイルに対して周方向に相対回転させると共に、前記外輪の外周面全体に水を噴きつけて冷却しながら、前記高周波コイルに通電して前記軌道面を加熱し、加熱終了後も前記水の噴きつけを続けて一定時間冷却し続けることを特徴とする車輪用転がり軸受装置の熱処理方法。

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