JP2020122569A - 筒状回転部品 - Google Patents
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Abstract
Description
シームレス鋼管の素材となる特殊鋼の丸棒にはAl2O3やMnS、TiN等の介在物が偏在しており、その存在量は中心に向かうにつれて増加して中心部で最大となる。シームレス鋼管は、丸棒の中心部をマンネスマン穿孔により拡げて成形されるため、介在物の存在は鋼管内周部で最も多く、外周に向かうほど減少する。
介在物は疲労破壊の起点となることから、摺動部品表層又は表層付近に介在物の存在量が増えると疲労特性、回転体であれば転動疲労特性が著しく低下することが知られている(特許文献2参照)。そのため、シームレス鋼管を素材として用いて筒状回転部品を製造する場合に、所望の疲労特性を得るためには、介在物の影響が低くなる程度まで内周から外周に向けて切削する等、機械加工による除去が必要となり、材料歩留まりが低下してしまう。
前述の介在物の存在量は鋼板の板厚中心に向うにつれて増加して中心部で最大となるため、鋼板を素材として筒状回転部品を製造する場合には、シームレス鋼管を素材とする場合のように介在物を除去するための内周側の切削が不要となり、材料歩留まりを向上させることができる。
図1は、本実施形態に係る筒状回転部品の製造方法の各工程を説明するための図であり、所定の内径D1及び外径D2、板厚Hを有し中心部分に穴が形成されたドーナツ形状の金属円板100を穴拡げ絞り加工により成形する。本実施形態の穴拡げ絞り加工は、中央部に穴が形成された金属板の外周部において縮みフランジ変形、同時に金属板の内周部において伸びフランジ変形により筒状回転部品を得る成形加工である。
金属円板100の形状は、最終形状である所望の筒状回転部品100Bの体積から、内径D1、外径D2及び板厚Hを決定すればよい。
金属円板100の素材としては、圧延鋼板等の金属板を用いることができる。圧延鋼板は、板厚中心に向かうにつれて介在物が多く偏在するため、絞り加工を施して圧延鋼板の表面が負荷のかかる面となるように成形することで、高い転動疲労特性を得ることができる。よって、清浄度を高めた鋼板を用いなくとも、十分な転動疲労特性が得られる。
また、パンチ10A及びダイス20Aのθp及びθdを25度以上とすることで、割れの発生を抑えて中間成形品100Aを製造することができ、また、θp及びθdを30度以上とすることで、微小シワの発生を抑えて中間成形品100Aを製造することができる。
尚、本明細書において、「中間成形工程」とは、金属円板又は中間成形品の両面全体をテーパ面同士で押圧しつつ穴拡げ絞り加工を施すことを示す。また、「最終成形工程」とは、中間成形品の両面全体をテーパ面で押圧せずに穴拡げ絞り加工を施す工程を示す。
穴拡げ絞り加工前である金属円板100の内径D1と最終成形工程で得られた筒状回転部品の内径D1´から伸びフランジ率λは、λ(%)=(D1´−D1)D1×100と表され、加工前の内径D1に対して最終成形工程で得られた内径D1´が大きすぎると、割れが発生するおそれがあるため、伸びフランジ率λが90%以下となるように金属円板100の形状を設定することが好ましい。
次に、本実施形態の変形例について、図2を参照して説明する。変形例では、中間成形工程においてパンチ及びダイスのテーパ面と加工方向との成す角の角度を変えて、複数回に分けて穴拡げ絞り加工を施す点が、図1に示した実施形態と異なる。このように中間成形工程を複数回に分けることでより良好に穴拡げ絞り加工を施すことができる。
また、図1に示す金型で製造した筒状回転部品として、実施例1−1’〜実施例1−3’、実施例2−1’〜実施例2−3’の筒状回転部品を製造した。実施例1−1’〜実施例1−3’は、それぞれ実施例1−1〜実施例1−3に対応する実施例であり、実施例2−1’〜実施例2−3’は、それぞれ実施例2−1〜実施例2−3に対応する実施例である。
また、図4に実施例1−1の筒状回転部品の外観写真を示し、図7に比較例1の筒状回転部品の外観写真を示した。
また、従来の製造方法と比較するため、図8に示す特許文献1に記載の金型により製造した筒状回転部品を比較例2とし、図9に示す特許文献2に記載の金型により製造した筒状回転部品を比較例3とした。
実施例及び比較例で用いた金属円板100の形状を表2に示す。また、これらの絞り加工試験結果をまとめた結果を表3に示す。
また、中間成形工程における1回目の穴拡げ絞り加工のテーパ面の角度θp1、θd1が25度以上であれば、最終成形工程後に微小シワが発生するものの良好に絞り加工できることが確認された。また、1回目の穴拡げ絞り加工のテーパ面の角度θp1、θd1が30度以上であれば、微小シワを発生させずに絞り加工できることが確認された。尚、この微小シワは、後に行う切削加工により取り除くことができ、最終製品形状や強度には影響しない程度のシワである。
また、1回の中間成形工程の後に最終成形工程を行う実施例1−1’〜実施例1−3’、実施例2−1’〜実施例2−3’においても、穴拡げ絞り加工のテーパ面の角度θp1、θd1が25度以上であれば、最終成形工程後に微小シワが発生するものの良好に絞り加工できることが確認された。また、穴拡げ絞り加工のテーパ面の角度θp1、θd1が40度以上であれば、微小シワを発生させずに穴拡げ絞り加工できることが確認された。
図10に、穴拡げ絞り加工後の筒状回転部品100Bを筒状形状における軸方向から見た模式図を示す。絞り加工後の板厚をtm、板厚中心(肉厚中心)までの厚さをtmc =tm/2、絞り加工後の内径をD1´、絞り加工後の外径をD2´、切削加工後の内径:D1c´、切削加工後の外径:D2cとすると、内径削り厚さはtmc1=(D1c´−D1´)/2、外径削り厚さはtmc2=(D2´−D2c´)/2で表せる、よって、切削加工後の内径肉厚は、:t1= tmc−tmc1、切削加工後の外径肉厚は、t2=tmc −tmc2
となり、内径肉厚の残存比はt1/tmc、外径肉厚の残存比はt2/tmcで求めることができる。
介在物には、金属円板の素材が鋼である場合、一般に加工によって粘性変形したA系介在物、加工方向に集団で不連続的に粒状に並んだB系介在物、また、粘性変形をしないで不規則に分散したC系介在物の3種類がある。それぞれ代表的な非金属介在物として、A系介在物としては細長状で硫化物のMnS、けい酸塩のSiO2等、B系介在物としてはAl2O3等、C系介在物としては粒状酸化物が知られている。
これら非金属介在物は、JIS G0555「鋼の非金属介在物の顕微鏡試験方法」に準拠して、顕微鏡観察により数を数えることができる。例えば、試験片を切断採取し、その面を研磨仕上げによって鏡面とし、エッチングは行わずに倍率400倍の光学顕微鏡により観察して、介在物の数を数えることができる。
光学顕微鏡により、試験片の表面に現れた介在物の個数を数え、1mm2当たりの個数に換算する。介在物の個数は、各試験片の外側面側の表面のみ、又は内側面側の表面のみを対象として数える。また、数えた介在物の個数は、試験片の面積である2mm×12mmで除して1mm2当たりの個数に換算した。本実施形態では、各試験片の外側面側の表面の介在物の数を数えた。
図13の結果から、実施例3では、板厚中心付近において介在物が多く存在するが、内側面に向かうにつれて、及び外側面に向かうにつれて介在物の存在量は減少している。つまり、筒状回転部品の板厚内部における介在物の存在量の分布が、内径表層における存在量をd(内径)、板厚中心における存在量をd(板厚中心)としたとき、d(板厚中心)>d(内径)の関係を満たしており、また、外径表層における存在量をd(外径)としたとき、d(板厚中心)>d(外径)の関係を満たしている。一方、比較例3のシームレス鋼管を素材とするものでは、内側面側ほど介在物の存在量が多く、外側面に向かうにつれて介在物の存在量が減少することが確認された。
図14A及び図14Bを参照して、転動疲労試験機について説明する。
図14Aに示す内側面の転動疲労試験では、筒状回転部品の試験体の外側面にシャフトS1を当接させ、試験体の内側面と鋼球Bとを当接させる(図14A(a)参照)。鋼球Bは、シャフトS2に埋まるように配置されており(図14A(b)参照)、シャフトS1を図14Aに示す方向に回転させながら荷重をかけて試験体に当接させることにより、試験体が回転し、内側面に当接する鋼球Bが転動するように構成される。
図14Bに示す外側面の転動疲労試験では、筒状回転部品の試験体の内側面にシャフトS4を当接させ、試験体の外側面と鋼球Bとを当接させる(図14B(a)参照)。鋼球Bは、シャフトS3に埋まるように配置されており(図14B(b)参照)、シャフトS4を図14Bに示す方向に回転させながら、シャフトS3で荷重をかけて試験体に当接させることにより、試験体が回転し、外側面に当接する鋼球Bが転動するように構成される。
また、これらの実施例及び比較例について、表5に示す試験条件で転動疲労試験を行った。内径肉厚の残存比と転動疲労特性の関係を表6に、外径肉厚の残存比と転動疲労特性の関係を表7に示す。表7において、実施例及び比較例の筒状回転部品の高さは、いずれも12mmである。
尚、転動疲労試験結果については、表5の条件においてn=16の試験における累積破損確率を求め、シームレス鋼管を素材とする筒状回転部品と同等以上の特性を有する場合を○、同等未満の特性を有する場合を×とした。
比較例6の筒状回転部品は、まず、マンネスマン穿孔法による外径22mm、内径10mm、肉厚6mmのSUJ2シームレス鋼管を素材とし、これに引き抜き加工を行って、外径21.5mm、内径9.8mmの形状とした。続いて、実施例4−1や実施例5−1と同様に熱処理と仕上げ加工を行って、外径20mm、内径12mmの形状とした。すなわち、比較例6の内径肉厚残存比は実施例4−1と同じであり、外径肉厚残存比は実施例5−1と同じである。
実施例4−1及び実施例5−1の筒状回転部品は、内側面においては、比較例6のシームレス鋼管よりも転動疲労特性が高く、外側面においては、比較例6のシームレス鋼管と同等の転動疲労特性を示した。
よって、シームレス鋼管を素材として筒状回転部品を製造する場合に比べて、本発明の製造方法によれば、内側面を大幅に切削する必要がないので、材料歩留まりを向上させ、切削にかかる時間を少なくできるので生産性を向上させることができる。また、内側面及び外側面の転動疲労特性の差がほとんどないので、ラジアル軸受の内輪及び外輪に好適に用いることができる。
例えば、上述の実施例では中間成形工程において2回又は1回の穴拡げ絞り加工を施す一例を示したが、これに限らない。必要に応じて更に多くの回数に分けて穴拡げ絞り加工を行ってもよい。
20A、20A1、20A2、20B ダイス
100 金属円板
100A、100A1、100A2 中間成形品
100B 筒状回転部品
Claims (2)
- 筒状回転部品の板厚内部における介在物の存在量の分布が、内径表層における存在量をd(内径)、板厚中心における存在量をd(板厚中心)としたとき、
d(板厚中心)>d(内径)
の関係を満たす分布を示す筒状回転部品。 - 前記介在物は、MnS、SiO2、Al2O3、TiNの群の中から選ばれる少なくとも1種以上を含む、請求項1に記載の筒状回転部品。
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