JP3610598B2

JP3610598B2 - 転がり軸受用軌道輪の製造方法

Info

Publication number: JP3610598B2
Application number: JP17890094A
Authority: JP
Inventors: 保夫村上
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1994-07-29
Filing date: 1994-07-29
Publication date: 2005-01-12
Anticipated expiration: 2020-01-12
Also published as: JPH0842576A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、自動車、農業機械、建設機械及び鉄鋼機械等に使用される転がり軸受の軌道輪を製造する方法に係り、特に、ロールネック軸受用に求められる長寿命の転がり軸受用軌道輪を製造する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、転がり軸受の寿命とメタルフローとの関係について多くの研究がなされている。例えば、日本金属学会会報，第２３巻第１号（１９８４）ｐ５０に記載の技術資料「軸受用鋼の転動疲労寿命の向上」（以下、引例１という）には、軸方向に圧延された直径６５ｍｍの鋼棒材から直径１２ｍｍ、長さ１２ｍｍの円筒片を軸に対し種々に角度を変えて採取したもの（円筒片の外径面に対するメタルフローの方向を採取角度に応じて平行から直交の範囲で種々に変えたもの）を試験片とし、線接触型転動疲労試験機を用いて転がり軸受の構成要素の寿命とメタルフローとの関係を求めた結果が述べられている。
【０００３】
当該試験の結果によれば、軸受軌道輪の軌道面に対する材料のメタルフローの方向が軸受寿命に重要な影響を及ぼすことが明らかで、図５に示すように軸受の軌道輪１のメタルフローＭ_ｆと軸受回転軸Ｘとのなす角度αが０に近い程、すなわちメタルフローの方向が回転軸Ｘと平行に近い程転動疲労寿命（以下、単に疲労ともいう）が長くなることが示されており、その理由として非金属介在物の並び方が関係していることが考えられるとしている。
【０００４】
また、本出願人の先の出願に係る特開平３−２７１３４３号公報（以下、引例２という）では、メタルフローの回転軸に対する角度を規制して転動部材の長寿命化を図ることが提案されている。このものは、図６に示すように、長円筒状の鋼棒材５をその軸方向に冷間鍛造して得た円板６をリング状に研削して転がり軸受の要素部材である軌道輪１を形成するに当たり、その塑性加工により図７のように形成されるメタルフローＭ_ｆの角度α_１又はα_２（メタルフロー角度）が回転軸Ｘに対し１０°以上傾斜する程度に塑性加工する。これにより、素材内に存在する非金属介在物の緻密化と素材組織の均質化を達成し、耐摩耗性，耐衝撃性を向上せしめて、自動車エンジンのジャンピング現象が生じる程の高回転領域での軸受の長寿命化を図っている。すなわち、転がり軸受要素部材の疲労破壊が、最大せん断応力位置にある非金属介在物が原因となって発生したクラックに起因することから、特に最大せん断応力位置での加工度をメタルフローＭ_ｆをファクタとして高め、介在物の微細化，緻密化を図ったものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、引例１及び引例２の上記従来例は、いずれも軸受部材の回転軸ＸとメタルフローＭ_ｆとの関係に着目してなされたものであり、対象とする軸受も一般的な環境又はせいぜいエンジンシリンダヘッド等のような高速回転下で使用されるものである。したがって、本出願が対象とする転がり軸受、特にロールネック軸受の外輪のように、ハウジングの剛性が弱くて使用時に曲げ応力が発生して軌道輪が変形したり、かつまた、圧延水の侵入により潤滑油膜が切れて軌道面に接線力が作用するといったような苛酷な条件下で使用される転がり軸受に対する寿命の延長効果という点では十分ではないという問題点がある。
【０００６】
更に詳細に述べると、従来例の軌道輪におけるメタルフローＭ_ｆと転動体の公転方向との関係は図８のように模式的に示される。すなわち、軌道輪１の軌道面２の転動体公転方向を矢符号Ｙで表すと、メタルフローＭ_ｆは転動体公転方向Ｙと直交する軌道輪幅方向の流れであり、エンドフローＥ_ｆは軌道輪側面側になる図８の場合に、非金属介在物３がメタルフローＭ_ｆ沿いに軌道輪１の軌道面２に露出していると、先に述べたような苛酷な使用条件により軌道輪１に曲げ応力７や接線力８が作用すると、非金属介在物３を起点に欠陥が開口し、軌道面２の早期フレーキングの原因となって軸受の寿命を劣化させることになる。つまり、非金属介在物の存在が早期フレーキングの原因となるのは、図８のように軌道輪１の軌道面２の非金属介在物３が転動体の公転方向Ｙに対して直交する方向のメタルフローＭ_ｆの場合である。
【０００７】
これに対して、図９に示すように、メタルフローＭ_ｆを転動体公転方向Ｙと直交する軌道輪１の厚み方向の流れとした場合には、非金属介在物３も軌道輪厚み方向に沿って縦に存在する。したがって、非金属介在物３に曲げ応力７や接線力８が作用してもその影響は少ないと考えられる。しかしながら、この場合はメタルフローＭ_ｆと荷重方向が一致するために軸受部材の圧壊強度が大きく低下してしまう。さらに引例１で述べられているように、せん断応力起因の転がり疲労寿命が低下してしまうなどの不具合を生じる。そのため、図９のような軌道輪１の厚み方向のメタルフローＭ_ｆは、実際には採用することができない。
【０００８】
そこで、本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、曲げ応力や接線力が作用しても非金属介在物の欠陥が開口しないように、メタルフローを転動体公転方向（すなわち接線方向）に平行に設定することにより、例えばロールネック軸受の外輪のような極めて過酷な使用条件の下でも長寿命の軌道輪を得ることのできる転がり軸受用軌道輪の製造方法を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、請求項１の発明に係る転がり軸受用軌道輪の製造方法は、転がり軸受の軌道輪を製造する方法であって、棒状に圧延加工された鋼材を切断してメタルフローが軸方向に平行な円柱状の軌道輪素材を形成する第１工程と、前記軌道輪素材を円柱形状から偏平形状に鍛造成形した後、前記軌道輪素材の中央部にセンター穴を穴明け加工する第２工程と、前記センター穴を拡径することによりメタルフローが転動体の公転方向に対して±１５°以内の円環状の軌道輪粗部材を形成する第３工程と、を含むことを特徴とするものである。
請求項２の発明に係る転がり軸受用軌道輪の製造方法は、請求項１記載の転がり軸受用軌道輪の製造方法において、前記センター穴の拡径前の穴径をｄ、前記センター穴の拡径後の穴径をＤ、前記円柱形状から偏平形状に鍛造成形された前記軌道輪素材の板幅をＴ ₀ 、前記軌道輪粗部材の肉厚をＴ _f としたとき、
（Ｄ／ｄ）× 100 ＝ 300 〜 900 、
（Ｔ _m ／Ｔ _f ）× 100 ＝ 500 〜 1500 、但し、Ｔ _m ＝（Ｔ ₀ −ｄ）／２
としたことを特徴とするものである。
【００１０】
【作用】
転がり軸受の寿命を延長するには、軸受材料の清浄度を良くすることが有効であることは明らかであるが、しかし酸化物系や硫化物系の非金属介在物を零にすることはできない。したがって、大なり小なり鋼素材内に存在するそれらの非金属介在物がメタルフローに沿って軌道面に露出することは避けられない。先にも図８を援用して述べたように、非金属介在物３がメタルフローＭ_ｆ沿いに軌道輪１の軌道面２に露出している場合に、苛酷な使用条件により軌道輪１に曲げ応力７や接線力８が作用すると、非金属介在物３を起点に欠陥が開口し、軌道面２の早期フレーキングの原因となって軸受の寿命を劣化させることになる。
【００１１】
本発明の場合は、軌道輪のような軸受部材のメタルフローＭ_ｆの方向（メタルフロー角θ）は回転軸Ｘに対する角度ではない。図１に示すように、転動体公転方向Ｙに対する角度である。そして、当該メタルフロー角θの大きさとしては±１５°以内である。
このメタルフローＭ_ｆに沿って軌道面２に現れる酸化物系や硫化物系の非金属介在物３の方向も、同じく転動体公転方向Ｙに対して±１５°以内とほぼ平行する方向になり、曲げ応力７や接線力８が軌道面２に作用するような苛酷な使用条件下においても、欠陥が開口しない。したがって非金属介在物の存在は早期フレーキングの原因にならない。
【００１２】
本発明の転がり軸受の構成要素は、外輪，内輪，転動体であり、本発明の適用は、そのうちの内輪，外輪の一方または両方に対してなされる。
本発明において、上記軸受要素のメタルフローを転動体の公転方向に対し±１５°以内とした理由は、メタルフローが１５°を越えると、接線力が非金属介在物の欠陥を開口させるように作用する力となり、その結果軌道面に早期フレーキングが生じやすくなって軸受寿命の低下をもたらすからである。
【００１３】
本発明に規定するメタルフローを有する転がり軸受の軌道輪を得るには、その加工方法が関与し、なかでも、加工に際しての圧延率及び拡径率（いずれも後述）の関与が重要である。
図２に、本発明の転がり軸受の軌道輪の加工工程を模式的に示す。
（イ）は、温度７００〜８００℃の範囲で加熱して圧延加工された直径Ｔｍｍの棒鋼を切断して、軸方向のメタルフローＭ_ｆを有する長さＬの軌道輪素材１０を形成する工程である。
【００１４】
（ロ）は、上記軌道輪素材１０を半径方向に熱間鍛造して、直径Ｔの丸棒を短径ｔのほぼ長円断面形に鍛伸して第１の中間素材１１を形成する工程である。
（ハ）は、上記の厚さｔに鍛伸された第１の中間素材１１の中央部に、軌道輪の内径孔の下穴となるセンター穴１２を穴開け加工して、第２の中間素材１３を形成する工程である。この穴開け加工は、室温でドリル加工しても良く、又は第１の中間素材１１を加熱してピアシング加工しても良い。
【００１５】
この穴開け加工の寸法は、穴直径ｄ、穴内径面から素材長径面までの距離（長径方向肉厚）Ｔ_ｍとする。
（ニ）は、第２の中間素材１３のセンター穴１２をローリング鍛造にて拡径加工し、内径Ｄ、肉厚Ｔ_ｆの軌道輪粗部材１５を形成すると共に、メタルフローＭ_ｆを円周方向に沿って揃える工程である。拡径加工法は、第２の中間素材１３をバックアップロール１６で押圧しつつ、センター穴１２内に入れたマンドレル１７を回転させるものであるが、Ｄリングを用いて穴拡径加工を行っても良い。
【００１６】
このときの、製品（軌道輪粗部材１５）内径Ｄと下穴径ｄとの比〔（Ｄ／ｄ）×１００〕を拡径率と定義する。
また、前記第２の中間素材１３における長径方向肉厚Ｔ_ｍとその加工製品である軌道輪粗部材１５の肉厚（製品肉厚）Ｔ_ｆとの比〔（Ｔ_ｍ／Ｔ_ｆ）×１００〕を圧延率と定義する。
【００１７】
このような工程を経ることにより、本発明に規定するメタルフローＭ_ｆを有する軌道輪粗部材１５が得られるので、得られた軌道輪粗部材１５に常法通りの熱処理，機械加工を施して、転動体の公転方向に対して±１５°以内のメタルフローを有する軌道輪を形成する。
本発明者は、上記の加工工程における圧延率及び拡径率と軸受寿命との関係について検討を加え、その結果、それらの間に有意な相関関係を見出した。
【００１８】
具体的には、本発明の転がり軸受にあっては、上記で定義した圧延率の値を
３００〜９００％の範囲と規定する。３００％未満では非金属介在物の微細化が不十分で転がり軸受の寿命が低下する。一方、圧延率が９００％を越えると、非金属介在物の微細化は一層促進されるのであるが、焼鈍，加熱圧延の工程が重ねて必要になりコストが上昇する。
【００１９】
また、上記で定義した拡径率の値は５００〜１５００％の範囲と規定する。拡径率５００％未満では圧延率と同様、非金属介在物の微細化が不十分であると共にメタルフローが円周方向に十分揃わない。一方、拡径率は多い方が良いのであるが、１５００％を越えると焼鈍，加熱圧延の工程が重ねて必要になりコストが上昇する。
【００２０】
以上説明したように、本発明は、軌道輪のメタルフローを転動体の公転方向に対して±１５°以下となる方向にして（同一拡径率，圧延率において）寿命向上を果たす。
本発明は更に、軌道輪を大きな拡径率，圧延率で加工して非金属介在物を微細化し、且つメタルフローを転動体の公転方向に対して±１５°以下となる方向にして、更なる寿命の向上を果たすものである。
【００２１】
【実施例】
次ぎに本発明の実施例を説明する。
ＳＵＪ−２材を用い、先に述べた工程を経て軌道輪（内輪及び外輪）を製造し、それを用いて小形円すいころ軸受（型式Ｌ４４６４９／６１０）を試作して、内輪回転で寿命試験を行った。
【００２２】
試験装置の概要を図３に示す。図３において２０は被検体のころ軸受で、ハウジング２１に装着され軸２２の回転で内輪２３を回転駆動する。ハウジング２１には、外輪２４の下部の位置に切り欠き２５が設けられている。この切り欠き２５によりハウジング２１の軸受支持剛性を弱め、軸２２には試験荷重Ｗを断続的に負荷して被検体の外輪２４の軌道面に交番の曲げ応力を加えながら転がり疲れ寿命Ｌ_１０を測定した。
【００２３】
また、油に水を混入してパイプ２７から被検体のグリースを充填したころ軸受２０に振りかけ、潤滑油膜が切れて軌道面に接線力が作用する状況を設定して試験した。
Ｆａ＝３６０ｋｇｆ
Ｆｒ＝１２００ｋｇ
回転数Ｎ＝４０００ｒｐｍ
計算寿命は７２時間である。
【００２４】
なお、メタルフローの角度については、被検体を水：濃塩酸＝１：１の処理液に入れて煮沸し、これを複数回繰り返した後、走査型原子顕微鏡で観察し、顕微鏡像の写真から転動体の公転方向とメタルフローとのなす角度±θを求めた。
試験の結果を表１に示す。
【００２５】
【表１】

【００２６】
表中の下線は、本発明の範囲外であることを表す。
比較例５，比較例６は、メタルフローの角度θは本発明の範囲を満たすが、本発明の拡径率と圧延率とのいずれか一方を満たしていない。
また、比較例７は、拡径率と圧延率は本発明の範囲を満たすが、メタルフローの角度θが本発明の範囲を満たしていない。
【００２７】
剥離は、曲げ応力が発生する外輪にのみ発生した。
表１から明らかなように、実施例は軌道面での剥離が認められたものも、剥離部位の数は比較例より大幅に少なく、高水準の寿命を示している。
Ｌ_１０寿命とメタルフロー角度θとの関係を図４に示す。
以上の結果からわかるように、本発明の転がり軸受は、曲げ応力が発生したり、潤滑油膜が切れて軌道面に接線力が生じるようは苛酷な条件下においても長寿命であることが確認できた。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、転がり軸受の軌道輪の少なくとも一方のメタルフローを転動体の公転方向に対して±１５°以内としたため、非金属介在物が微細化されて組織が緻密，均一になり軸受の寿命が延びるのみならず、曲げ応力が発生して軌道輪が変形したり、潤滑油膜が切れて軌道面に接線力が作用するといったような苛酷な条件下で使用される転がり軸受に対しても、軌道面の非金属介在物を起点に欠陥が開口して軌道面の早期フレーキングの原因となることが防止できて、その結果、苛酷使用条件下においても軸受寿命が延長されるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の転がり軸受の軌道輪におけるメタルフローと転動体の公転方向との関係を模式的に表した斜視図である。
【図２】本発明の転がり軸受の軌道輪の製造工程を説明する図である。
【図３】転がり軸受の苛酷条件下での寿命試験装置の概要を示す斜視図である。
【図４】転がり軸受の寿命とメタルフロー角度との関係を、比較例と比べて表したグラフである。
【図５】従来の転がり軸受の軌道輪のメタルフローの態様を説明する断面図である。
【図６】従来の転がり軸受の軌道輪の加工説明図である。
【図７】図６の加工法で形成した軌道輪のメタルフローの状態を示す半断面図である。
【図８】従来の転がり軸受の軌道輪におけるメタルフローと転動体の公転方向との関係を模式的に表した斜視図である。
【図９】転がり軸受の軌道輪におけるメタルフローと転動体の公転方向との関係を模式的に表した斜視図である。
【符号の説明】
１軌道輪
２軌道面
Ｙ転動体の公転方向

Claims

転がり軸受の軌道輪を製造する方法であって、棒状に圧延加工された鋼材を切断してメタルフローが軸方向に平行な円柱状の軌道輪素材を形成する第１工程と、前記軌道輪素材を円柱形状から偏平形状に鍛造成形した後、前記軌道輪素材の中央部にセンター穴を穴明け加工する第２工程と、前記センター穴を拡径することによりメタルフローが転動体の公転方向に対して±１５°以内の円環状の軌道輪粗部材を形成する第３工程と、を含むことを特徴とする転がり軸受用軌道輪の製造方法。
前記センター穴の拡径前の穴径をｄ、前記センター穴の拡径後の穴径をＤ、前記円柱形状から偏平形状に鍛造成形された前記軌道輪素材の板幅をＴ ₀ 、前記軌道輪粗部材の肉厚をＴ _f としたとき、
（Ｄ／ｄ）× 100 ＝ 300 〜 900 、
（Ｔ _m ／Ｔ _f ）× 100 ＝ 500 〜 1500 、但し、Ｔ _m ＝（Ｔ ₀ −ｄ）／２
としたことを特徴とする請求項１記載の転がり軸受用軌道輪の製造方法。