JP5637472B2 - 両頭円すいころ軸受用の両頭円すいころの製造方法 - Google Patents

Description

本発明はスクロール式の圧縮、膨張機の耐久性と省エネに関する。

近時空調用の冷媒は、温暖化係数の低い、自然冷媒のアンモニア、炭酸ガス、炭化水素、新合成化学冷媒などへの変更が余儀なくされ、それに省エネ化で圧縮機は、従来のフロン時に比べて、高圧、貧潤と、小型、高効率、高速化が求められる。圧縮機構の中でもスクロール式は、小型で弁機構がなく、圧縮が連続的で、他のレシプロ式、ロータリ、ベーン、等に比べて、トルク変動や脈動が少なく、高速と小型化に向くので、近年ヒートポンプに広く普及した。

上記のスクロールは、渦巻き状羽根を高速旋回させて外周から冷媒を吸い込み、中心部に向けて圧縮して行くもので、そこに使用されるスラスト軸受は、ＣＯ２冷媒の場合、１０ＭＰもの高圧ガスの反力を支えるとともに、スクロール羽根の先端のシールの摺接隙間を最適値に保ってガス漏れを防ぐ機能を担う。実施例では、外径が約φ１００ほどのサイズでは、摺接面からの漏れ損失を減らすために毎分１万回転もの高速で旋回し、冷媒の反力で１トンもの偏心スラスト荷重を負荷し、シールの摺接面の隙間と摩擦を初期設定の最小値で維持し、且つスクロールの圧縮駆動トルクを伝達する接ぎ手の機能をも合わせ持ち、磨耗、耐久強度の寿命も２千時間以上を担保し、更に圧縮機の組み立て作業においても、前記シールの初期摺接圧を容易に設定できるように、誤差が０．０１ｍｍ以下の組幅精度が求められる。この軸受が劣化すると、圧縮しないし、摩擦が大きければ、焼け付き、摩擦損失を招く、従って圧縮機の成否を決めるキーパーツである。

その軸受には、古くは油膜で支持する動圧流体軸受と、転動体に鋼球を用いた玉軸受と、近時発明された本出願人による特許第３６３２１９５、の両頭円すいころ軸受と、同じく当出願人による、Ｘ，Ｙ向きの直動形のローラを積層した特願Ｈ１１−１９３５２５、同、特願２００５−２３７９８１、の四種類がある。

上記の内、油膜の動圧軸受では、圧力での受圧面の不規則な変形と、５〜６ミリの小さい旋回径で、且つ高荷重のため油膜形成能力を欠き、実測では、シールと軸受の摺接摩擦が大きく、全損失の４０％を占め、磨耗、焼け付き事故で信頼性を欠く課題がある。一方前記玉軸受では、相手側軌道に、転動体毎に専用の公転径１０ミリ以下の曲率溝を円周上に多数個設ける必要があり、個々の溝の深さの相互差と、熱処理歪などで、ボールの位置のばらつきが大きく、転動体毎に面圧が変動し、公転時も玉の差動すべりによる摩擦損失、騒音、寿命低下を招き、組み立てる際にも軌道輪の反りひずみで面が振れて寸法が揃わず、スクロールのシールの初期の設定圧がばらつく、その上駆動トルクを負荷する際は、玉がＲ溝のエッジ斜面に乗り上げて、不規則な点当たりとなり、剛性が低下する、同時に面圧が高く、特にＣＯ２冷媒では、旋回径が５〜６ミリに小さくなり、溝径が小さすぎて設計上も成立しない。 そほか、針状ころを積層した、前記の特開Ｈ１１−１９３５２５、では、軌道輪３枚の間にＸ向きとＹ向きの直動ローラを積層するもので、部品点数が多く軸受の高さが増すので、軌道輪の歪による高さの変動も大きくなり、前記シールの初期設定圧の調節に手間取る。

以上に対して前述の特許 ３６３２１９５の両頭円すいころは図１に示す符号５２可塑性球体を平板で向きを変えずに押えながら旋回すると差動すべりが排除されて右側に示す最も合理的な転動形態の両頭の円すい体になる。この形は旋回運動下では潤滑油の粘性抵抗も小さくなり摩擦係数が滑り軸受の百分の一のμ値の０．０００３以下になることが実測されている。これを使ったスラスト軸受は転動体を平坦な二枚の薄い鋼板ワッシャで挟むだけなのでその組み立て後の平坦度、平行度、組巾精度も所望値を充足ししかも駆動トルクを従来のオリダムキーに代わって全転動体の両頭円すいころが外周と保持板のポケット穴周壁との間でトロコイドを描いて摺接する転がりキーとなって伝えるので、高い剛性で摩擦抵抗が小さく、転動体の一個当たりの受圧能力も高くころの収容数を増減するだけで如何なる圧力の用途にも適応出来ることから、特に高圧の超臨界炭酸ガス冷媒使用には好適である。このため前記特許３６３２１９５が公開された直後に一斉に複数業者から１１件にわたる集中的に特許出願がなされた。しかしその後１４年を経るも両頭円すいころ転動体自体の製造コストが高く実施困難とされている。

そのコスト高の理由は両頭円すいころの形状的特徴によるもので姿勢維持が極めて不安定な形状をしている上、加工時に掴むスペースが無いことから、加工方法が限定される。加工法の例として特許文献２、４の如く転動体を一個ごとに冷間鍛造で成型後に熱処理を経た後、研削加工でＶ溝砥石に転動体を押し付けてラッピングするか、円盤状の板にポケット穴を設け、その穴に転動体を嵌めて露出している外周面を平面研削盤で研削する方法が採られる。更にはＶ溝付き砥石車の芯無し研削盤で、インフィード式の研削加工が採られる。研削加工では粗、仕上げの研削を行い、その後にバレル研磨、完了後の寸法検査では ２ミクロン単位に仕分けして相互差２μ単位でグループに層別する。外観検査、更に組み立てにおいても全ての作業工程毎に転動体を一個づつ方向を整列して加工機に投入する。そのため膨大な工数がかかりコスト高になった。

前記の両頭円すいころ軸受の発明特許３６３２１９５、（出願人による）がある。 特開１０−０７６４５０、前記３６３２１９５、の後に第三者による研削加工方法当両頭円すいころを一個毎にキャリヤ円盤の穴に挿入して、キャリヤの表裏から露出したワークの２面を、２枚の円盤砥石で挟み両頭平面研削盤で研削する方法。 特開２０００−４６０４８、部品の簡素化コスト対策 特開２０００−０４２８７９、線材を切断して小片を作り、これを一個毎に、鍛造で球または両円すいの形状に冷間で押しつぶして成形して、熱処理、を経て、センタレス研削盤の溝付き砥石で一個単位にインフィード研削する方法が発明された。 特開２０００−０８７９６２ スクロール用スラスト玉軸受 ［特開２００９−０７４４７７］同スラスト軸受の耐磨耗性処理に関する。 ［特開２００８−１４４６７８］同スラスト受け面の負荷による受け面の歪対応策 ［特開２００８−１０１４８３］同スラスト滑り軸受の焼け付き対策 ［特開２００８−２８６１４８］同スラスト滑り軸受の焼け付き対策

安価に転動ローラを造り、これを自動で組み込み易くして、転動体の使用数を増やして高圧に耐える軸受を得る。そのために、両頭円すいころの製造コストを、現在市場に流通の標準軸受に使用されている例えば鋼球のコストと同等にする。ところが当該両頭円すいころ、は形状的に水平に置いても、僅かな傾斜、振動があると途端に姿勢が乱れ、平坦面に置いたときに向きが逆でも投影図では同じ楕円になり、逆向きが混入して組み立てられることもある。研削加工する場合、通常のセンタレス研削盤とか円筒研削では加工できず、素材を型に入れて押さえ込まない限り、研削抵抗と回転とで、ワークが飛び跳ねてビビリ共振で精度がばらついて、通常の転がり軸受の転動体並みの円筒度、平行度、真円度、表面粗さ、直角度、二つの円すいの角度の中心（コーンセンタ）の精度、円すいの二面の平行度、整一度、面のビレ、粗さが２ミクロン以下を得ることは困難であった。

従来考え出された手段は、特開２０００−４２８７９、および特開１０−７６４５０で開示の製法で、現在のＩＳＯ世界標準の全ての転がり軸受に使用される転動体の、鋼球、円筒ころ、針状ころ、球面ころ、円すいころ、と同様の従来の製法プロセスを踏襲したものであって、その主な内容は、線材、バー材をヘッダー叉は旋削でローラ単位に成形し、その粗形材を、硬化のため熱処理で焼き入れ焼き戻しし、その後に一個毎に研磨加工、バレル研磨、外観検査、寸法選別、２μ単位の層別管理、といった製法であった。本発明と類似の形状の鋼球の製法は、砥石に円弧の溝を設け、砥石に球を挟んで溝内を転がすようにしてラッピング加工する。他の形式の円筒ころ、円すいころ、球面ころでは、研磨を、粗加工、仕上げ加工に分けそれぞれ、Ｖ溝の付いたホイール状の砥石と、同じく溝の付いた調製車でワークを挟むとともに下から受け面（ブレード）で支えて、ワークを調整車の摩擦抵抗で自転させながら砥石を接近させて切り込む、といった芯無し研削盤を主体にした方法である。何れも都度振動式パーツフィーダーで方向整列をして投入する。 又 工程間の搬送には小サイズ品は、容器に数千個単位に纏めて収容して、次工程に送られ、加工機の入り口で再度パーツフィーダーで方向を整列して機械に投入される。 仕上がったワークの寸法、外観検査も、完成品に組み付ける場合も都度厳格な方向整列を要する。特に他の転動体と形状の異なる点は、当該両頭円すいころには基準面となる平坦部も平行面も円筒部もないため自重のみで軸心の向きを揃えた姿勢の維持が困難であって、炭酸ガス冷媒の高圧（１０ ＭＰａ）に対応する場合、定格荷重の増大からころの使用量が ３０個にも及ぶ、これを平坦な軌道上に並べた場合、一個でも姿勢が乱れると組付が不可能になるといった課題で特開１０−７６４５０、特開２０００−４２８７９、を実したら、コストが同サイズの円筒ころ軸受に比べて１０倍になった。

当発明は前述の両頭円すいころの姿勢の不安定さ、加工時に掴めない、真円度１ミクロン、相互さ２ミクロン層別、各工程ごと、各検査ごとに方向整列する煩雑性を解決する手段であって両頭円すいころが複数個連なる棒であれば足る、長さは重要でない。
その手段を各工程ごとの順番を付けて第一の（イ）（ロ）第二、第三、第四に分けて説明する。第一、第二は、両円すいころが連なった棒を塑性変形の転造成形する工程で、第三は軸受転動体として要する真円度１ミクロン、相互差２ミクロン、鏡面にする精密研削する工程である。第四は両円すいころが連なった棒から一個ごと切り離す最終工程である。
第一の（イ）（ロ）は外径サイズが大きい場合に適用する製法で、軸受鋼 ＳＵＪ−２相当の丸棒線材を図３のカムスライド式成型機（通称フォーミングマシン）を用いて図３の編心カム４０，４１，４２，４３が回転することで軸方向に往復するスライドのロッドに固定の４個の 転造ローラー３０，３２，３３，３４が四方向から図４、のように中心点に向かって動き、中心で自転する丸棒線材を４方向から押し付けてる。前記転造ローラは自在継ぎ手４５、で駆動モーター４６で駆動し中心の線材２８、を図４に示すように、手前と奥からも６８，６９で支えて据え込み成型する。線材の素材は送りロールで自転させながら上記の転造ロールの真下に送られる。ロールの圧下位置の精度は図３の左端に記載の加工完了品の５０．を凹凸の溝の付いた回転位置決めロール３５，３６をカム４９、で押さえて、長さ方向の位置を固定し転造の凹凸の加工位置の精度を担保する。成型の形状は外径の頂点および溝底の頂角が略 ９０度で断面が正方形でその対角線が棒の軸心になることとし、溝底の最小径は搬送中の張力で破断しない程度の強度の約 φ１ミリ程度を残して、図３の符号５０、に示す長尺の棒状の円すいころが連なった凹凸素材を成形する。
第一の製法（ロ）は小ロット生産、試作時の手段で、Ｖ波形の凹凸が連なった板状の一対の金型を対抗させて配置し、その間に焼鈍した丸棒線材を挟み金型をプレスで徐々に加圧しながら線材を揉み潰す様に揺動転動させると転がりながら少しずつ圧力の低い側に塑性流動を生じて図 ３に示すＶ形の凹凸の連なった棒材５０、が出来る、全長が金型の幅で制限される。（図省略）

以上の第一の（イ）（ロ）は大きな変形を与えるため加工硬化と残留応力で誤差が大きく蛇行し不揃いになる。そこで一旦焼鈍し（図省略）応力を除去した後に誤差を第二の手段で修正する。図５、のＶ波形の矯正ロール５４，５５で誤差と蛇行を整え、次に曲がりをロー ラーレベラー５７、５９、ほかの複数で修正する。但し前記のロール５４，５５のＶ溝６４，６５とワークの円すい斜面とに幾何学的整合性を要するので以下に詳述する。ワークに送りをかけるためロールにはリード角７０、の螺旋のＶ溝を設けてそのオーバーピン径を結ぶ母線の符号７１を双曲線の鼓形にする。ロールの回転軸心をワークの軸心に対して相互に前記リード角と同じだけ角度の符号７０の交角で傾斜させるとワークのＶ溝とロールのＶ溝の向きが一致するとともにＶ溝のリード角度７０、でもってワークに送りがかかる。ロールが転造成形するためにはＶ溝の斜面と成形される側のワークの円すい斜面とを正しく線接触させる必要がある。ところがワークに対してロールの斜面は符号７０の角度だけ傾いて接触するのでロールのＶ溝の斜面が直線だとワークの円すい斜面の中央が凹んで成形されてしまう。その対策にロール側のＶ溝の斜面を凹面の一葉双曲線にする。レベラーのロールも同様でリード角が設けてあり送りがかかる。

以上は材料の歩留まりの最良の転造成形の実施例であるが、基本的には両頭円すいころの外径が小さな場合、変形量が小さく第一の工程を省略して第二の図５の矯正ロールだけでもよい。
外径が更に小さい場合は第一、第二を省略して、第三の図６の研削で成形する、それには二つの方法があり、その一つは熱処理硬化前の線材に図６の芯なし研削盤を用いて略９０度の鋭角の砥石１２で深いＶ溝を等間隔で研削する方法である。（図省略）
もう一つの方法は焼入れ硬化した断面が円の線材を第三の図６の研削加工のみで両頭が連なった棒材を成形する。
請求項１の実施において、上記のいずれの手段かは材料の歩留まり、 加工の難易度、加工時間、設備の都合で適宜選択する。

成形した棒材を軸受転動体として機能させるための必要な硬度 ＨＲＣ６５に熱処理で硬化する場合、炉内で棒が重力で曲がりを防ぐため棒材を垂直にハンガーに吊るしその姿勢でソルトバスで加熱冷却して焼き入れする。若しくは高周波で転造成形した棒材を長尺のまま連続して加熱し金型で押さえて冷却、焼き戻しを行う。（図省略）かくして棒材の曲がりの熱処理歪は最小に抑制される。 更にその棒材の真直度を矯正のため長尺の穴の内径に挿入してプレステンパーを施すか、曲がり修正の歪取りを施す。（図省略）かかる工程を経た後、棒材を同じく第三の手段、図６の凹凸の溝を設けた砥石１２、でインフィード形（送りをかけずに半径方向に切り込 む方式）の芯無し研削盤で棒の凹凸溝の円すい表面と同時にＶ溝の底寸法を次工程の各種計測検査のための搬送に要する連結強度上の最小径に研削する。研削では両頭円すいころの母線形状を図９の２、に示すゆるい曲率Ｒで形成し軸受に使用時の受圧によるエッジの応力集中を防ぐところの通称クラウニングを施す。 棒態の両頭円すいの間隔が、熱処理による伸縮で誤差があると円すいの片側だけが研削されもう一方の面は研削されない不具合を生ずる。そこで砥石はＶ溝毎に薄い円盤状の砥石で構成して間に弾性ばね材を挟み僅かに変位させて誤差を吸収するとともに、粗研削と仕上げ研削に砥石を分けて研削しろを調節する。芯無し研削盤（センタレ研削）以外の方法では、長方形、又は円盤状の砥石にＶ溝を設けた成形砥石に両頭円すいころが連なった棒材を挟んで転がしてラッピングする方法でも良い。（図省略）

次に第四の手段の、図６を説明する。ワークの棒材１１、に示す真直度の良い回転するチューブ状の穴に挿入して凸部外径を穴の内径で拘束し穴の片方の出口側から一個毎に円すい面を露出させ、露出した凸部外周を図７の回動する溝付き部材９、で挟むと同時に溝底に砥石の外周が９０度以下の鋭角の切断砥石を当てて切断し棒から切り離して最終目的の、両頭円すいころ転動体、にする。切り離された両頭円すいころは外周を前記溝付き部材９、で挟んで次工程に搬送し両頭円すいころの頂点の切断時の残痕を図８のラッピング用の円盤砥石７、に当てて除去する。

本発明は、省エネ効果の大きい、動的摩擦係数のμ値を、１万分の３以下（０．０００３）まで下げる技術史上にない、両頭円すいころ軸受であって、材料投時の序列のまま、順番に組み立てられて製品化されるので、完成品に組まれた一セット内のころの相互差は、砥石から出た１０〜３０個の範囲内の相互差内に収まるので、自動的に２μ以下に入る。従来の各工程で要した、方向整列も、寸法選別も層別管理の工数が一切不要で、品質の履歴の追跡管理にも有効である。加工には、切粉も端材も生じない効率のよい材料歩留まりの省エネ製法で、且つ最小の歪で、転動体一個の単位に切り離した後も、一度ワークを掴むだけで、最終の組み立てまで一貫した自動化、無人化が可能で、製造コストを格段に下げる。

特に、近時の自然冷媒の炭酸ガス使用時の高圧スクロールの代表的なサイズの約 φ１００ミリ径の実施例では、転動体がφ６ミリ程度で、多量に要するため安価の効果は大きい。軌道輪には薄い帯鋼板プレス打ち抜き品で済み、製品の組み立て幅は、平行度が十ミクロン以下に収まる。 結果、従来難題のスクロールの羽根の先端旋回摺接面のシールの高さ精度のばらつきが０．０１ｍｍ以下に保たれる。当然磨耗、焼け付きなどへの信頼性も増す。

両頭円すいころの形状の合理性の説明図 両頭円すいころの特許３６３２１９５の略視図 線材【を転造成型する機構の全体外観略視図 図３の拡大図 歪取り矯正ロール、真直度修正レベラーの実施外観図 研削加工の実施外観略視図 切断後、搬送治具の実施図 両頭円すいころの研削痕の除去実施図 両頭円すいころの軌道輪への組み付け外観略視図

軸受鋼ＳＵＪ−２でなる断面が円形の線材、叉はバー材を、図３の如く、通称カムスライド式フォーミングマシンで、左端から線材をスリップロール２９に挟んで、回転を与えて、４個の転造ロール３０，３２，３３，３４、の圧下位置４７に送る。前記の転造ロールは、図３、のモータ４６で自在接手４５、で全ロールが駆動され、カムスライドのカム４０，４１，４２，４３で、中心に向けて約１トンの圧力で押されて図４の拡大外観略視図の４７の如く、転造ですえ込み成型される。成型された線材は、前記送りのスリップロール２９で左に送られ、位置決めロール３５，３６が、カム４９に押されて、成型したＶ溝内に嵌って成型の位置が固定される。 転造で生じた誤差、蛇行は、次工程の図５、の符号５４，５５のＶ溝付き矯正ロールで加圧し形状を整える。次にレベラーのローラ５８，５９、 ほか複数で曲がりを修正する。

各ロールの圧下量は、ねじ５７、で調整し、歯車６０、６１、６２，６３、とオルダム接ぎ手６７、で全ロールが連結されて駆動される。成型された線材は、大きな外径のドラムに巻き取りコイル状にして保管し、次工程は、コイルから撒き戻して、直線状態にして、熱処理は高周波でも良いし、もしくは一定の長さに切断した棒状の成型素材をハンガーに吊るし重力による変形を防いで投入し、焼き入れでＨＲＣ６５に硬化し、その後棒状のまま歪取り用筒に入れてプレステンパーを施す。

歪取り後、図６の１０のガイド穴に通してロータリドレスでＶ山の先端が鋭利に成型された砥石１２を備えたセンタレス研削盤でインフィード研削を施す。６ミリ以下の小径の場合は焼き入れ硬化済みの線材を図６の砥石１２で深いＶ溝が等間隔で連なった棒状にする。Ｖ溝は粗加工と仕上げ加工とで砥石を使い分けて研削する。切り離す際の切断砥石、図６の８、は汎用の板厚が０．２ｍｍの砥石でも良い。

当工程で製造された両頭円すいころの相手側軌道輪の図９、の１７，１８、は、板厚１．０ｍｍ程度で平行度が０．００２ｍｍ、以下に仕上がったＳＫ材の冷延鋼板をワッシャ状に打ち抜きＨＶ７５０の硬さに焼入れ硬化してバレル研磨を経てプレステンパーする。図９、の保持器材符号１５、１６も同じ手法で製造し両頭円すいころ１４はポケット穴の内周と摺接してトルクが伝達される。

請求項１の代表的実施例の第一の（イ）は図３、４の通称カムスライド式フォーミングマシンによる据え込み転造で、図５で精度を整え、熱処理を施して図６の１２に示すＶ溝を成型した砥石で棒材のＶ溝の斜面を所望の精度に仕上げ研削をして、次に棒から切り離して、図７に示すように掴んで図８の両端の切断時のバリを二枚のラッピング砥石で除去する。
実施例の第三の手段の内で、ワークが小径の場合は焼き入れ硬化した丸棒線材を刃こぼれのしにくい結合強度の強い砥石を用いてＶ山を鋭利にして、斜面と溝底を同時に精密研削で成形して最後に切り離す。

ヒートポンプ、膨張機、等の高圧スクロール圧縮機の、スクロールの旋回駆動力の伝達と、高圧冷媒ガスの機密性を保つ旋回接手部材。

１ 軌道ワッシャの組み立て移動方向
２ 両頭円すいころの外周面クラウニング曲面Ｒ
８ 切断砥石
９ 搬送治具
１０，１１ 案内チューブ
１２ 研削砥石
１４ 両頭円すいころ
１６ 保持部材
１７ 軌道輪ワッシャ
２８ 丸棒線材
２９ 送りロール
３０、３２、３３、３４ 転造ロール
３５，３６ 位置決めロール
３９ 両頭円すいころが連なった棒の溝底
４０、４１、４２、４３ 偏心カムロール
４５ 接ぎ手
４６ 転造ロール駆動モータ
４７ 転造成型状態
４９ 位置決めロール押さえカム
５０ 転造完了線材
５２ 軌道溝曲率Ｒ
５４、５５ 矯正ロール
５６、５７ 圧下送りネジ
５８、５９ レベラーロール

Claims (1)

1. 両頭円すいころを用いた軸受用の両頭円すいころの製造方法において、両頭円すいころが連なった棒の状態で加工し、これを切り離して両頭円すいころにする両頭円すいころ転動体の製造方法。

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