JP5929246B2

JP5929246B2 - ピンタイプ保持器の製造方法

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Publication number: JP5929246B2
Application number: JP2012017826A
Authority: JP
Inventors: 大高　一彦; 一彦大高; 良基河野; 正和土山
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2012-01-31
Filing date: 2012-01-31
Publication date: 2016-06-01
Anticipated expiration: 2032-01-31
Also published as: CN103225652A; JP2013155819A

Description

本発明は、ピンタイプ保持器の製造方法に関し、特に、鉄鋼設備、建設機械、粉砕ローラミル、および風力発電用等の高い強度、衝撃に対する耐久性、および安全性を必要とする重要な装置の軸受に使用されるピンタイプ保持器の製造方法に関する。

従来より、一般的に用いられている、かご形保持器に対して、ころの間隔を小さくして大荷重や耐衝撃性に優れたピンタイプ保持器が存在している。ピンタイプ保持器は、ころの中心に設けた貫通穴に丸棒状のピンを挿通させてころを回転自在に保持し、丸棒状ピンの一方の先端にテーパねじを切削加工して円環状の第一の側板にねじで固定し、他方の先端を円環状の第二の側板に溶接固定することで、隣接するころ同士の間隔を保ちながら複数のころをピンタイプ保持器に一体化させて保持している。

ピンタイプ保持器付きころ軸受は、大荷重や衝撃を受ける装置に適用されるため、ピンタイプ保持器のピンの溶接部には、極めて大きな荷重や衝撃、振動により大きな応力が負荷されるため、ピンタイプ保持器の更なる強度向上が求められていた。

溶接部の強度を向上させるために、第二の側板に形成された円錐状の貫通穴の内周面と丸棒状ピンの他方の先端の外周面との間に、円錐面状の外周面を有する環状のブッシュを圧入した後、丸棒状ピンの他方の先端と第二の側板とを溶接して、第二の側板にピンの他方の先端を固定し、圧入したブッシュによってピンタイプ保持器に加わる負荷が溶接部に集中することを避けるようにしたピンタイプ保持器がある（例えば、特許文献１参照）。

また、特許文献１などの様な溶接に代わり、ピンの一方の先端と第二の側板の接続を簡単にするために、ピンの一方の先端に凹溝を設けて第二の側板に設けた貫通孔に嵌めた後、凹溝にボール等を詰めて凹溝および貫通孔の略中央部を共に塑性変形させて固定を強固にしたピンタイプ保持器もある（例えば、特許文献２参照）。

実開昭５６−１１１３１８号公報特開２００９−４１６８２号公報

しかしながら、従来のピンタイプ保持器及び特許文献１、２の様に、ピンの一端に溶接や圧入固定、他端にねじ固定を採用した従来型のピンタイプ保持器においては、繰り返しの大荷重や衝撃、振動などで、ピンの一方の先端のねじ部において第一の側板に形成した雌ねじと雄ねじのねじ山部分で磨耗が促進され、ねじ部に隙間が形成されることで、第一の側板近傍のピンが動き易い状況になる。こうなると、第一の側板近傍のピンの応力は緩和されるが、他方の先端にある第二の側板近傍の溶接部にモーメントが発生し、応力が集中するため、溶接部または圧入部の更なる強度向上が求められていた。

ピンタイプ保持器のピンは、圧延して成形した線材を加工しているため、ピンの形状に沿って金属のメタルフローが流れており、衝撃に強く粘り強い。そのため破壊を起こし難く強度的に優れた強靭な性質を有し、反復曲げ応力に強い性質も有するが、ピンの先端のテーパねじは切削加工により形成されている。

図８は、従来のピンタイプ保持器のピンに切削加工により成形されるねじ山の断面図であり、図８（ａ）は切削加工により成形されるねじ山の断面を示す写真、図８（ｂ）は、切削加工により成形されるねじ山の断面のメタルフローの流れを示す図である。図８に示すように、切削加工によってねじ山を成形している雌ねじの表面に形成されたメタルフローがねじ山毎に切断されている。そのため、従来のピンタイプ保持器のピンはねじ山の部分で反復曲げ応力が弱く、ねじ山の摩耗が進みやすくなる可能性があった。

また、特許文献１のピンタイプ保持器については、ピンタイプ保持器に加わる大荷重がブッシュの圧入によって第二の側板の溶接部に集中することは避けられるが、第一の側板の雄ねじ部の摩耗によりねじ部に隙間が発生すると、前記溶接部において前記ブッシュによる応力緩和効果が得られ難くなる問題を有していた。

特許文献２では、ピンの先端に凹溝を設け、ボール等を詰め塑性変形させて第二の側板側を固定しているため、ピンを固定する為の部品点数が増え、また精密な組付け作業を要する為、作業性が悪化する問題を有していた。また、特許文献１と同様に、第一の側板の雄ねじ部の摩耗によりねじ部に隙間が発生すると、前記第二の側板とピンとの間で応力が集中するため、更なる強化方法が必要になる問題を有していた。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ねじによって固定される第一の側板側のピン強度を向上させることに加え、ピンタイプ保持器の強度と耐久性の向上を図ることにある。

前記課題を解決する本発明は、軸方向に対向する一対のリング状側板と、前記リング状側板間の周方向に一定間隔をおいて配置される複数のピンからなり、前記ピンのピン端部に形成された雄ねじが前記リング状側板の一方に設けられた雌ねじによって固定されるピンタイプ保持器の製造方法において、
前記ピン端部にねじ加工冶具を押圧して塑性変形によってねじ山を成形する転造加工工程と、
前記ねじ山の成形後に前記ピンの前記ねじ山以外の本体部分に焼入れを施す工程と、
を実施することを特徴とする。

本発明によれば、ねじによって固定される第一の側板側の強度を増強することでピンタイプ保持器の強度と耐久性の向上を図ることができる。

本発明の実施形態のピンタイプ保持器を有する円錐ころ軸受を示す図（ａ）ピンタイプ保持器を有する円錐ころ軸受の全体像を示す斜視図（ｂ）ピンタイプ保持器の部分を示す拡大図本発明の実施形態のピンタイプ保持器の構造の一部を示す斜視図本発明の実施形態のピンタイプ保持器のピンの断面図本発明の実施形態のピンタイプ保持器のピンにねじ山を形成する転造ユニットを示す斜視図（ａ）転造ユニット全体を示す斜視図（ｂ）２ロールインフィードの転造機を示す斜視図（ｃ）３ロールインフィードの転造機を示す斜視図本発明の実施形態のピンタイプ保持器のピンに転造加工により成形されるねじ山の断面を示す図（ａ）転造加工により成形されるねじ山の断面を示す写真（ｂ）転造加工により成形されるねじ山の断面のメタルフローの流れを示す図本発明の実施形態のピンタイプ保持器のピンと従来のピンを用いてねじ山の硬さを測定した結果を示す図（ａ）ねじ谷底部からの距離と硬さの測定結果を示す図（ｂ）ねじ山頂点からの距離と硬さの測定結果を示す図金属技研疲労データシート資料従来のピンタイプ保持器のピンに切削加工により成形されるねじ山の断面図（ａ）切削加工により成形されるねじ山の断面を示す写真（ｂ）切削加工により成形されるねじ山の断面のメタルフローの流れを示す図

以下、図面に基づき、本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の実施形態のピンタイプ保持器を有する円錐ころ軸受を示す図であり、図１（ａ）は、ピンタイプ保持器を有する円錐ころ軸受の全体像を示す斜視図であり、図１（ｂ）は、ピンタイプ保持器の部分を示す拡大図である。図１に示すように、円錐ころ軸受１１は、外輪１２の円錐内周面１３と、内輪１４の円錐外周面１５との間に、周方向に間隔をおいてピンタイプ保持器１６によって保持された複数の転動体である円錐ころ１７を備えている。

円錐ころ１７の中心軸上にはピンタイプ保持器１６の棒状のピン１８を挿通させるための貫通穴１９が設けられる。棒状のピン１８の一方の先端は、ピンタイプ保持器１６のリング状の第一の側板２０に固定され、棒状のピン１８の他方の先端部は、ピンタイプ保持器１６のリング状の第二の側板２１に固定される。円錐ころ１７の中心軸に設けられた貫通穴１９にピン１８を挿通させることによって、ピンタイプ保持器１６と、複数の円錐ころ１７とが一体化される。

図２は、本発明の実施形態のピンタイプ保持器の構造の一部を示す斜視図である。図２に示すように、ピンタイプ保持器１６には、円錐ころ軸受１１と中心軸を同一とし軸方向に間隔をおいてリング状の第一の側板２０と、内周面の内径が第一の側板２０より大きく形成されたリング状の第二の側板２１とが配置される。

第一の側板２０と第二の側板２１の間の周方向に隣接する円錐ころ１７が互いに接触しないように、第一の側板２０の周方向に一定間隔をおいて棒状のピン１８の一方の先端に設けられたねじ２２を螺合させる複数のねじ穴２３が設けられ、第二の側板２１の周方向に一定間隔をおいて棒状のピン１８の他方の先端を嵌め合わせる嵌合孔２４が設けられ、複数の棒状のピン１８が円錐ころ１７の中心軸に設けられた貫通穴１９に挿通された状態で配置される。

図３は、本発明の実施形態のピンタイプ保持器の棒状のピンを示す断面図である。図３に示すように、棒状のピン１８の一方の先端の外周面には、第一の側板２０のねじ穴２３に形成される雌ねじ３１に適合する形状の雄ねじ３２が形成されて、第一の側板２０のねじ穴２３にねじ合わされて固定される。棒状のピン１８の他方の先端は、第二の側板２１形成された嵌合孔２４に挿入されて溶接部３３によって溶接固定されている。棒状のピン１８の他方の先端は、先細りテーパ状部分を有しており、その先端には、棒状のピン１８を第一の側板２０にねじ固定するための係合部３４が形成されている。

棒状のピン１８の一方の先端に形成された雄ねじ３２は、棒状のピン１８の一方の先端を例えば、転造ユニットのようなねじ加工冶具等を用いて塑性変形させてねじ山を成形する。

図４は、本発明の実施形態の本発明の実施形態のピンタイプ保持器のピンにねじ山を形成する転造ユニットを示す斜視図であり、図４（ａ）は、転造ユニット全体を示す斜視図、図４（ｂ）は、２ロールインフィードの転造機を示す斜視図、図４（ｃ）は、３ロールインフィードの転造機を示す斜視図である。

図４に示すように、転造ユニット４１は、棒状のピン１８の一方の先端を外周がねじの形をした２個または３個の円筒形状の転造ダイス４２により挟み込み、棒状のピン１８の中心方向へ転造ダイス４２によって棒状のピン１８の降伏点を超える圧力をかけながら棒状のピン１８の一方の先端を回転させることにより、塑性変形させて棒状のピン１８の一方の先端に雄ねじ３２のねじ山を転造加工によって成形する。

加工後の素材の表面形状は転造ダイス（転造ロール）４２の表面形状に依存し、棒状のピン１８の一方の先端は転造ダイス４２とは逆回転させつつ、ピン１８は定位置で転造ダイス４２がピン１８に近づいて転造成形される。転造加工では、常温で成形加工が行われ、加工中素材の組織は移動し、ねじ形成に祭し切削されないため、切屑が出ない。

塑性変形によって、雄ねじ３２のねじ山表面には、圧縮残留応力が生じている。その後棒状のピン１８の雄ねじ３２以外の本体部分に高周波焼入れを施して高硬度材とする場合もあるが、その場合は、雄ねじ３２部分については、塑性変形によって生じた圧縮残留応力を維持するために熱処理を施さない。

図５は、本発明の実施形態のピンタイプ保持器のピンに転造加工により成形されるねじ山の断面を示す図であり、図５（ａ）は、転造加工により成形されるねじ山の断面を示す写真、図５（ｂ）は、（ｂ）転造加工により成形されるねじ山の断面のメタルフローの流れを示す図である。図５に示すように、ねじ山を転造加工によって成形しているので、ねじの組織が転位してねじの表面に形成されたメタルフローがねじ山の形状に沿って連続して形成され、ねじ山毎に切断されることはない。

図６は、本発明の実施形態のピンタイプ保持器のピンと従来のピンを用いてねじ山の硬さを測定した結果を示す図であり、図６（ａ）は、ねじ谷底部からの距離と硬さの測定結果を示す図、図６（ｂ）は、ねじ山頂点からの距離と硬さの測定結果を示す図である。図６は、材料表面の押込み硬さを測定するために、圧子を取り去ったあとの永久窪みの量を顕微鏡で測定した結果を直線で表したグラフである。

図６（ａ）は、横軸雄ねじ谷底部からの距離μｍ、縦軸をビッカース硬さＨＶとして、測定位置の距離を変えて測定したグラフであり、図６（ｂ）は、横軸雄ねじ山頂点からの距離μｍ、縦軸をビッカース硬さＨＶとするグラフである。図６に示すように、ねじ谷底部およびねじ山頂点のいずれにおいても切削加工に比較すると転造加工することで、ねじ表面の硬さが５０ＨＶ程度上昇していることが判る。転造加工によってねじ山を形成する金属の組織が転位してねじ山表面に加工硬化が生じてねじ部の硬さが上昇し、ねじ山およびねじ底に、反復曲げ応力が作用しても耐力が高くなり、引張強さが増す。

図７は、金属材料技術研究所発行のＪＩＳ機械構造用鋼の基準的疲労特性を示す金材技研疲労データシート資料である。図７によると、ビッカース硬さが増加すると、回転曲げ疲労強度、引っ張り圧縮疲労強度、およびねじり疲労強度も上昇することが判る。従って、ねじ部の表面硬さが上昇することで、回転曲げ疲労強度、引っ張り圧縮疲労強度、およびねじり疲労強度も上昇するので、繰り返し作用する大荷重に対して、ねじ部の強度が上昇し、寿命向上が期待できる。

一般的に磨耗量は、Ｋを摩耗係数、Ｗを荷重、Ｌを滑り距離、Ｈを硬さとすると、
Ｖ＝Ｋ×（Ｗ×Ｌ／Ｈ）・・・（１）
で表される。

式（１）に示されることから、一般的に硬さＨが増すと磨耗量は減少するので、硬さＨの上昇はねじ部の磨耗量の低減にも効果がある。主に振動に由来するとされるフレッチング磨耗については、表面層に圧縮残留応力を付与することが磨耗対策として効果があるとされているが、転造加工することによりねじ表面で加工硬化が生じてねじ表面の圧縮残留応力が大きくなることから、フレッチング磨耗に効果がある。

また、転造加工によりテーパねじ加工することで、切削加工時の切り粉発生がなくなるため、作業がクリーンになり、切り粉のバイト絡み付きによる切削不良の発生もなくなり、加工時間が８０％に短縮され作業性が向上する効果がある。

以上、詳細に説明したように、実施形態によれば、第一の側板２０に固定される棒状のピン１８の一方の先端の雄ねじ３２のねじ山を転造加工によって塑性変形させて成形したので、雄ねじ３２のねじ山のメタルフローが切断されることなく連続したねじ山表面に加工硬化が生じて、ねじ部の硬さが上昇するので、ねじ山およびねじ底に、反復曲げ応力が作用しても耐力が高くなり、引張強さが増し、ピンタイプ保持器の強度を向上することができる。

実施形態によれば、第一の側板２０に固定される棒状のピン１８の一方の先端の雄ねじ３２のねじ山を転造加工によって塑性変形させて成形したので、雄ねじ３２のねじ山のメタルフローが切断されることなく連続するため、棒状のピン１８の先端の雄ねじ３２のねじ山の硬さが増すことで、回転曲げ疲労強度、引っ張り圧縮疲労強度、およびねじり疲労強度も上昇するので、繰り返し作用する大荷重に対して、ねじ部の強度が上昇し、ピンタイプ保持器の耐久性を向上することができる。

実施形態によれば、第一の側板２０に固定される棒状のピン１８の一方の先端の雄ねじ３２のねじ山を転造加工によって塑性変形させて成形したので、雄ねじ３２のねじ山のメタルフローが切断されることなく連続して形成されるため、雄ねじの圧縮残留応力が大きくなり、ねじ山の硬さが増すことで、ねじの磨耗量を抑制できるため、フレッチング磨耗の抑制に効果がある。

実施形態によれば、第一の側板２０に固定される棒状のピン１８の一方の先端の雄ねじ３２のねじ山を転造加工によって塑性変形させて成形したので、切削加工時の切り粉発生がなくなり、作業がクリーンになり、切り粉のバイト絡み付きによる切削不良の発生もなくなり、加工時間が８０％に短縮され、組立作業性も向上する。

１１・・・円錐ころ軸受
１２・・・外輪
１３・・・外輪の円錐内周面
１４・・・内輪
１５・・・内輪の円錐外周面
１６・・・ピンタイプ保持器
１７・・・円錐ころ
１８・・・棒状のピン
１９・・・棒状のピンの中心軸に設けられた貫通穴
２０・・・第一の側板
２１・・・第二の側板
２２・・・棒状のピンの一方の先端に設けられたねじ
２３・・・第一の側板の周方向に設けられたねじ穴
２４・・・第二の側板の周方向に設けられた嵌合孔
３１・・・第一の側板のねじ穴に形成される雌ねじ
３２・・・棒状のピンに形成される雄ねじ
３３・・・溶接部
４１・・・転造ユニット
４２・・・ダイス

Claims

軸方向に対向する一対のリング状側板と、前記リング状側板間の周方向に一定間隔をおいて配置される複数のピンからなり、前記ピンのピン端部に形成された雄ねじが前記リング状側板の一方に設けられた雌ねじによって固定されるピンタイプ保持器の製造方法において、
前記ピン端部にねじ加工冶具を押圧して塑性変形によってねじ山を成形する転造加工工程と、
前記ねじ山の成形後に前記ピンの前記ねじ山以外の本体部分に焼入れを施す工程と、
を実施することを特徴とするピンタイプ保持器の製造方法。