JP6389013B2 - 軸受の構成要素を形成する方法 - Google Patents

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Description

[0001]本願は、２０１５年４月２３日出願の米国仮特許出願第６２／１５１，７０５号の恩典を主張し、同仮特許出願の内容全体をこれにより参考文献として援用する。
[0002]本発明は、軸受に関するものであり、より厳密には軸受の構成要素のための表面強化技法に関する。
[0003]金属中の包含物や気孔は軸受の構成要素（例えば軸受の軌道）の様な高圧力の掛かる構成要素の性能に弊害をもたらす。粉末冶金の場合、粉末金属（「ＰＭ」）の構成要素は本質的に気孔を多く含むため、結果的に強度が引き下げられ、高圧力の掛かる様々な用途には不適格となる。ＰＭ材料の強度は気孔率を小さくすることで増加する。気孔率を小さくしＰＭ構成要素の強度を改善するために、二重プレス、二重焼結、粉末鍛造、その他、の様な技法が使用されてきた。加えて、構成要素の表面及び表面付近の選択的緻密化が、突固め成形され焼結された材料の転がり接触及び滑り接触の疲労挙動を改善する。
[0004]機械的構成要素を粉末冶金プロセスを使用して形成することには、機械加工動作を殆ど又は一切加えること無しに最終正味寸法に近い複雑な幾何学形状を有する部品を作製することができる、という様な多くの利点がある。典型的な粉末冶金製造プロセスは、選択された粉末混合物を高圧力下にプレフォームとして知られる形状へ突固め成形する段階を含むのが典型的である。プレフォームは、次いで、粉末粒子を一体に融合させる焼結として知られるプロセスによって熱的に処理される。ＰＭ部品の強度はその密度に直接関係付けられる。プレスされ焼結された製品の密度は、それらが突固め成形される際の圧力に依存する。突固め成形圧力は突固め成形型の強度によって制限されるので、焼結部品に対しその密度を高めるために場合によっては複数回の圧縮動作（例えば二重プレス）が行われる。１００％密度を実現するために、焼結されたＰＭ部品は更に熱間鍛造される。これらの動作全てを遂行するとなると製造費用が著しく高騰し、軸受の構成要素の場合はＰＭの魅力を失わせてしまうことになる。
[0005]以上に掻い摘んで述べられている様に、緻密化が１００％に満たない構成要素の表面は、機械的圧力の印加による緻密化を介して選択的に強化させることができる。これは、例えば、表面に亘って硬質ローラーを転がすこと（即ち、バニシング加工）及び／又は局所化されたハンマー鍛造（即ち、ピーニング加工）によって実現することができる。バニシング加工及びピーニング加工は、周期的な疲労条件下での構成要素の作動寿命を引き延ばすのに役立つ。これまでのところ、これらのプロセスは大抵が０．５ｍｍ未満の深度までの緻密化しか達成できておらず、一部のプロセスは最大で表面下１ｍｍまでしか緻密化することができなかった。更に、気孔のうち一部は典型的なバニシング加工技法及びピーニング加工技法を用いても有効に閉じることができず、転がり接触疲労条件下でのより低い性能がもたらされる結果になることもある。
米国特許出願公開第２００５／０１５５２０３号明細書
[0006]以上より、ＰＭ及び非ＰＭの軸受の構成要素を１．０ｍｍを超える深度までの表面緻密化により強化するための改善された方法が切に所望される。本発明は、そのような方法を提供する。当該の進歩的なプロセスは、表面緻密化が所望される他の非軸受関連の構成要素についても使用することができる。
[0007]１つの態様では、本発明は、構成要素を形成する方法であって、構成要素を摂氏２６０度（華氏５００度）より上のバニシング加工の温度へ加熱する段階と、構成要素がバニシング加工の温度にある間に構成要素の表面をバニシング加工して表面を緻密化する段階と、を含んでいる方法を提供する。
[0008]別の態様では、本発明は、軸受の構成要素を粉末金属から形成する方法を提供する。方法は、粉末金属をプレスする段階と、粉末金属を焼結温度で焼結して軸受の構成要素を形成する段階と、軸受の構成要素を焼結温度から摂氏４８２．２度から摂氏７０４．４度（華氏９００度から華氏１３００度）の範囲のバニシング加工の温度へ冷却する段階と、軸受の構成要素がバニシング加工の温度にある間に軸受の構成要素の表面をバニシング加工して表面を緻密化する段階と、を含んでいる。一部の実施形態では、表面は１ｍｍ乃至２ｍｍの深度まで緻密化される。更に別の態様では、軸受の構成要素は、次いで、軸受の構成要素を熱処理温度へ加熱して、軸受の構成要素を焼入れする、軸受の構成要素を焼戻しする、軸受の構成要素を室温へ冷却する、そして研削仕上げ加工動作又は超仕上げ加工動作の一方を使用して軸受の構成要素を仕上げ加工することができる。更なる態様では、浸炭段階を含むこともできる。
[0009]別の態様では、本発明は、軸受の構成要素を粉末金属から形成する方法を提供する。方法は、粉末金属をプレスする段階と、粉末金属を焼結温度で焼結して軸受の構成要素を形成する段階と、軸受の構成要素をバニシング加工の温度より下の温度へ冷ます段階と、を含んでいる。方法は、更に、軸受の構成要素を摂氏４８２．２度から摂氏７０４．４度（華氏９００度から華氏１３００度）の範囲のバニシング加工の温度へ再加熱する段階と、軸受の構成要素がバニシング加工の温度にある間に軸受の構成要素の表面をバニシング加工して表面を緻密化する段階と、を含んでいる。一部の実施形態では、表面は１ｍｍ乃至２ｍｍの深度まで緻密化される。更に別の態様では、方法は、更に、軸受の構成要素を熱処理温度へ加熱して、軸受の構成要素を焼入れする段階と、軸受の構成要素を焼戻しする段階と、軸受の構成要素を室温へ冷却する段階と、研削仕上げ加工動作又は超仕上げ加工動作の一方を使用して軸受の構成要素を仕上げ加工する段階と、を含むことができる。更なる態様では、浸炭段階を含むこともできる。
[0010]本発明の他の態様は詳細な説明及び添付図面を考察することによって明らかとなるであろう。
[0011]本発明の或る態様による方法を使用して形成された円錐ころ軸受組立体の部分破断斜視図である。 [0012]本発明の或る態様による方法を使用して形成された円筒ころ軸受組立体の部分破断斜視図である。 [0013]本発明の或る態様による方法を使用して形成された球面ころ軸受組立体の部分破断斜視図である。 [0014]本発明の或る態様による方法を使用して形成された円錐球面ころ軸受組立体の部分分解斜視図である。 [0015]本発明の或る態様による方法を使用して形成された玉軸受組立体の部分破断斜視図である。 [0016]或る改善された軸受の製造プロセスの一部を示す線図である。 [0017]或る改善された軸受の製造プロセスの一部を示す線図である。 [0018]同じく、或る改善された軸受の製造プロセスを示す線図である。 [0019]同じく、或る改善された軸受の製造プロセスを示す線図である。 [0020]バニシング加工深度を示す、機械的構成要素の断面図である。 [0021]様々な性能試験の結果を示す表である。 [0022]図２から図５に線図で示されている方法で使用される様々なバニシング加工工具の１つを描いている。 [0022]図２から図５に線図で示されている方法で使用される様々なバニシング加工工具の１つを描いている。 [0022]図２から図５に線図で示されている方法で使用される様々なバニシング加工工具の１つを描いている。 [0022]図２から図５に線図で示されている方法で使用される様々なバニシング加工工具の１つを描いている。 [0022]図２から図５に線図で示されている方法で使用される様々なバニシング加工工具の１つを描いている。 [0022]図２から図５に線図で示されている方法で使用される様々なバニシング加工工具の１つを描いている。 [0022]図２から図５に線図で示されている方法で使用される様々なバニシング加工工具の１つを描いている。 [0022]図２から図５に線図で示されている方法で使用される様々なバニシング加工工具の１つを描いている。 [0022]図２から図５に線図で示されている方法で使用される様々なバニシング加工工具の１つを描いている。
[0023]本発明の何れかの実施形態を詳細に解説する前に、理解しておきたいこととして、本発明は、その用途において、次の説明の中に述べられ又は添付図面に描かれている構築の詳細事項及び構成要素の配列に限定されない。本発明は他の実施形態の余地があり様々なやり方で実践又は実施することができる。
[0024]図１Ａは、様々な軸受の用途におけるシャフトを、シャフトが回転して力を伝達するべく動作可能であるように支持するのに使用できる典型的な軸受組立体１０を描いている。軸受組立体１０は、内側の軌道の輪（インナーレースリング）すなわち内輪１４、外側の軌道の輪（アウターレースリング）すなわち外輪１８、及び内輪１４と外輪１８の間に配置されている複数の転動要素又は玉２２、を含んでいる。複数の転動要素２２は保持器又はケージ２６によって互いから隔てられているか又は所望の配置向きに保持されていてもよい。他の実施形態では、完全に補完された軸受を提供するのにケージを使用する必要がない。図１Ａの軸受組立体１０は、転動要素２２として円錐ころを有する円錐ころ軸受として描かれているが、様々な他の転動要素（例えば、円筒ころ（図１Ｂ）、球面ころ（図１Ｃ）、円錐球面ころ（図１Ｄ）、玉（図１Ｅ）、など）を有する異なる型式の軸受も使用され得るものと理解しておきたい。
[0025]内輪１４は内側の軌道３０を画定し、外輪１８は外側の軌道３２を画定していて、その上を複数の転動要素２２が転動する。軸受組立体１０は、粉末冶金プロセスを使用して又は従来式の軸受の製造プロセスを使用して作成することができる。次いで、軌道３０、３２は、より優れた性能特性を有する強化された軸受面を提供するために、以下に詳細に説明されている改善された表面緻密化プロセスを使用して緻密化される。次に続く説明は、粉末金属（「ＰＭ」）軸受の軌道を緻密化することに関連して提供されているが、改善された表面緻密化プロセスは同様に歯車、カム、シャフト、ブッシング、などの様な他の機械的構成要素に対し使用することもできるものと理解されたい。
[0026]図２から図５は、上述のＰＭ軸受１０を形成し、軌道３０、３２を緻密化するためのプロセスを示している。プロセスは、粉末金属混合物を選択する工程（Ｓ１）によって始まり、粉末金属混合物を高圧力下に軸受のプレフォームへと突固め成形する工程（Ｓ２）が続く。次いでプレフォームを凡そ摂氏１０３８−１１４９度（華氏１９００−２１００度）の焼結温度で焼結し（Ｓ３）、粉末粒子を一体に融合させると、軸受１０の内輪１４又は外輪１８の様な粉末金属部品ができ上る（Ｓ４）。次いでＰＭ部品を摂氏２６０度（華氏５００度）より上のバニシング加工の温度へ至らせる（Ｓ５）。一部の実施形態では、バニシング加工の温度は約摂氏４２６．７度（華氏８００度）より上である。他の実施形態では、バニシング加工の温度は摂氏４８２．２−７０４．４度（華氏９００−１３００度）の範囲にある。
[0027]１つの実施形態では、ＰＭ軸受の構成要素は、焼結プロセス後直ちに焼結温度からバニシング加工の温度へ構成要素を冷却することによってバニシング加工の温度へ至らせられる。別の実施形態では、軸受の構成要素は焼結プロセス後に完全に冷まされる。その後、構成要素は、例えば誘導加熱技法又は炉加熱技法を使用して、バニシング加工の温度へ加熱される。従って、軸受の製造者は、未処理の粉末金属部品の製造（Ｓ１−Ｓ４）を外部委託し、そうして後日、図３に示されている高温での改善されたバニシング加工の方法（Ｓ５−Ｓ６）を遂行するようにしてもよい。高温のバニシング加工の温度にある間、例えば鋼の降伏強さは概算で室温でのそれの０．５倍乃至０．３倍になるので塑性変形させ易くなる。摂氏７０４．４度（華氏１３００度）を超える温度でのバニシング加工も改善された緻密化を示してはいるが、これはプロセスの複雑性を高じさせ、ＰＭ軸受の構成要素の気孔に酸化物が作成されるリスクを高める。
[0028]軸受の構成要素がバニシング加工の温度へ至り次第、軸受面（例えば、一方の軌道３０、３２）は以下に詳細に説明されているバニシング加工工具５０によってバニシング加工される（Ｓ６）。高温のバニシング加工の温度でのバニシング加工によって、軸受１０の表面は０．５ｍｍを超えるバニシング加工深度Ｄ（図６）まで緻密化されることになる。他の実施形態では、バニシング加工深度Ｄは、１ｍｍを超える、又は１ｍｍから２ｍｍの範囲にある、又は２ｍｍをも超える。
[0029]図４及び図５を参照して、ＰＭ軸受の構成要素は、更に、バニシング加工工程（Ｓ６）後に構成要素を冷却して室温へ戻すこと無しに、バニシング加工工程後に標準的な熱処理プロセスを使用して熱処理（Ｓ７）されてもよい。ＰＭ軸受の構成要素が炭素を含んでいる場合、熱処理プロセス（Ｓ７）は従来式の焼入れプロセス及び焼戻しプロセス（図４）を含むことができる。ＰＭ軌道輪１４、１８が適度な炭素を有していないなら、熱処理プロセス（Ｓ７）は、浸炭、焼入れ、及び焼戻し（図５）を含むことができる。熱処理の後、次いで軸受の構成要素は冷却され、例えば研削仕上げ加工動作又は超仕上げ加工動作を使用して仕上げ加工される（Ｓ８）。同様に、最終仕上げ加工動作（Ｓ８）もまた他の適した機械的、電気的、光学的／レーザー支援式、又は化学的なプロセスによって遂行されてもよいものと理解されたい。一例として、最終仕上げ加工動作は機械的タンブリングプロセスによって化学的に支援されてもよい。軸受の構成要素を上述の様に形成し熱処理する方法は、バッチ式プロセスより効率的とされる連続インラインプロセスとして遂行されてもよい。
[0030]図７を参照して、表面を劇的に緻密化するための改善された方法は、軸受の性能寿命を向上させる。幾つかの試験事例として、上述の進歩的な緻密化プロセス無しに製造された標準的な軸受のカップ（ｃｕｐ）と、上述の進歩的なプロセスを使用して緻密化されたＰＭ軸受のカップに性能試験を受けさせてそれぞれの作動寿命を判定した。試験中、軸受のカップを、潤滑条件と温度条件を固定して一定した半径方向荷重を掛けながら等しい回転速度に曝した。試験は、本発明により緻密化されたＰＭ軸受のカップは故障まで平均して凡そ５４８百万回転を耐えたことを示している。この平均値は、開発段階早期の不完全な製造プロセスの結果だと見られるたった１回ではあるが軸受のカップが２．２百万回転で故障するという試験事例さえも含んだうえのことである。また、ＰＭ軸受のカップのうち２つは少なくとも７５０百万回転を働きぬいた。一方の試験は７５６百万回転で冶金評価を中止したが、他方は転動要素の１つが疲労のせいで故障する時まで１０億回転を超えて働いた。表面を緻密化された軌道輪はこの軸受において故障することはなかったことに注目されたい。他方、非ＰＭ材料で作られた標準的な軸受のカップは、凡そ１５４百万回転という平均値で故障した。これらの結果から、ＰＭ軸受のカップは標準事例の浸炭されたカップに大差（即ち、凡そ３．５倍長寿）を付けて性能的に勝ったことが明白である。また、ＰＭ軸受のカップの動的荷重担持容量は標準事例の浸炭されたカップのそれに少なくとも匹敵した。これらの力強い結果は、その様な結果が既知の低温バニシング加工技法（即ち、バニシング加工技法は室温で遂行される）を使用して実現されないことを知っていた発明者らにとって予想外であったことは確かである。バニシング加工を高温のバニシング加工の温度で行うというここに説明されている方法を使用することによって、これからは粉末金属を効率的に利用してより強靭でより長持ちする信頼性の高い軸受の構成要素を作成することができるようになる。
[0031]また、それらの結果は、同様の緻密化プロセスを非ＰＭ構成要素に対して遂行すればその性能が著しく向上するはずであることを示唆している様に見える。例えば、低い等級（低品位）の鋼で作られた軸受の構成要素を、以上に説明されている進歩的な方法を使用して緻密化すれば、これまでは高い等級（高品位）の軸受鋼でしか見られなかった結果が実現されるかもしれない。加えて、高い等級の軸受鋼を緻密化して、これまで当該進歩的な緻密化プロセス無しに見られた以上の良好な結果を実現させることもできる。
[0032]加えて、緻密化による影響の及ばないＰＭ軸受の構成要素の心部分は、概算で完全緻密鍛練材料の６０％乃至８５％の弾性率を有する比較的多孔質の部分である。従って、軌道３０、３２は適用荷重下にいっそう撓むものと予想される。これは軌道の外形の両縁に沿った応力増加を生じさせることになる。より低い弾性率を補償するために、軌道外形を、完全緻密鍛練材料で使用されている典型的な軌道のクラウンの高さに比較して５０％−１００％だけクラウンの高さを増加させることによって修正することができる。
[0033]機械的バニシング加工動作を高温のバニシング加工の温度で遂行している間、大量の熱が熱いＰＭ軸受の構成要素からバニシング加工工具５０側へ、特に何れかのバニシング加工用ローラー５４（図８）へ伝導される。それ故、バニシング加工工具５０は、当該バニシング加工工具５０への熱伝導を最小限に抑えるために冷却機構及び／又は絶縁を含むようにしてもよい。例えば、図８に示されている様に、冷却導管又は急冷スピンドル５８が、バニシング加工工具５０に冷たい物質（例えば水など）を冷却目的で噴霧するために当該工具５０のキャビティ６２内に受け入れ可能になっていてもよい。また、バニシング加工用ローラー５４を形成するのに高温高強度鋼（例えば、Ｈ１３、Ｍ５０）又はセラミック（例えば、窒化ケイ素）を使用することができる。これは様々な工具用構成要素の寿命改善にも役立つ。
[0034]バニシング加工工具５０の作動時、バニシング加工用ローラー５４は対応する軸受の構成要素（図９−図１６に１１０として表示）と接触させられる。ローラー５４はローラー軸１１４周りに回転され、その間、軸受の構成要素１１０は静止しているか又は軸受の構成要素の軸１１８の周りに工具５０とは逆方向に回転する。工具５０とローラー５４と軸受の構成要素１１０の間の回転速度は速度Ｓに設定されており、その間、工具５０をバニシング加工の温度Ｔにある軸受面に対して位置Ｐへ動かすことによって力Ｆを印加する。パラメータ（即ち、速度Ｓ、力Ｆ、位置Ｐ、及びバニシング加工の温度Ｔ）は所望の表面緻密化Ｄをもたらすように制御され及び／又は監視される。完全バニシング加工サイクルは３つの実施形態を有し得る。サイクル１は、工具５０及びローラー５４が第１段の時計回り回転と続く第２段の反時計回り回転で動作する段階を含んでいる。サイクル２は時計回り回転のみを含んでいる。サイクル３は反時計回り回転のみを含んでいる。完全バニシング加工サイクルは、所与の用途にとって所望される材料の性質に依存して選択される。
[0035]バニシング加工工具５０の様々な実施形態（図９−図１６）では、工具５０及び／又はローラー５４の構成は、円錐ころ軸受（図９及び図１０）、円筒ころ軸受（図１１及び図１２）、玉軸受（図１３−図１４）、スラスト球面ころ軸受(図１５)、スラスト円錐ころ軸受（図１６）、など、の様な他の型式の軸受の軌道を緻密化するのに工具５０を使用できるように改変されている。
[0036]本発明の様々な特徴及び利点は付随の特許請求の範囲に示されている。
１０ 軸受組立体
１４ 内輪
１８ 外輪
２２ 複数の転動要素又は玉
２６ 保持器又はケージ
３０ 内側の軌道
３２ 外側の軌道
５０ バニシング加工工具
５４ バニシング加工用ローラー
５８ 冷却導管又は急冷スピンドル
６２ キャビティ
１１０ 軸受の構成要素
１１４ ローラー軸
１１８ 軸受の構成要素の軸
Ｄ バニシング加工深度
Ｔ バニシング加工の温度
Ｆ 力
Ｐ 位置
Ｓ 速度

Claims (15)

  1. 軸受の構成要素を軸受鋼の粉末金属から形成する方法であって、
    前記粉末金属をプレスする段階と、
    前記粉末金属を焼結して前記構成要素を形成する段階と、
    前記構成要素を摂氏４８２．２度から摂氏７０４．４度（華氏９００度から華氏１３００度）の範囲のバニシング加工の温度へ加熱する段階と、
    前記構成要素が前記バニシング加工の温度にある間に当該構成要素の表面をバニシング加工して前記表面を緻密化する、バニシング加工する段階と、
    を備えている方法。
  2. 前記構成要素を加熱する段階は、前記構成要素を前記バニシング加工の温度より上の焼結温度で焼結する段階と、前記構成要素を焼結する段階の後に前記構成要素を前記バニシング加工の温度へ冷却する段階と、を含んでいる、請求項１に記載の方法。
  3. 前記構成要素を焼結する段階は、前記構成要素を前記バニシング加工の温度より下の温度へ冷却する段階を含んでおり、前記構成要素を加熱する段階は、前記焼結プロセスに続いて前記構成要素が冷却された後に遂行される、請求項１に記載の方法。
  4. 前記バニシング加工する段階は、冷却機構又は絶縁又はそれら両方を備えるバニシング加工工具を使用する段階を含んでいる、請求項１から請求項３の何れか一項に記載の方法。
  5. 前記バニシング加工する段階は、バニシング加工工具を使用する段階を含んでいて、前記バニシング加工道具を第１の方向及び前記第１の方向とは逆の第２の方向に動作させる段階を更に備え、各方向への速度を制御する段階を更に備えている、請求項１から請求項４の何れか一項に記載の方法。
  6. 前記バニシング加工する段階は、バニシング加工工具を使用する段階を含んでいて、前記バニシング加工工具によって前記構成要素へ印加される力を制御する段階を更に備えている、請求項１から請求項５の何れか一項に記載の方法。
  7. 前記バニシング加工する段階は、バニシング加工工具を使用する段階を含んでいて、前記バニシング工具の前記構成要素に対する最終位置を制御する段階を更に備えている、請求項１から請求項６の何れか一項に記載の方法。
  8. 前記軸受の構成要素は、玉軸受の軌道、円錐ころ軸受の軌道、球面ころ軸受の軌道、円錐球面ころ軸受の軌道、又は円筒ころ軸受の軌道、のうちの１つを含んでいる、請求項１から請求項７の何れか一項に記載の方法。
  9. 前記構成要素を熱処理する段階と、
    前記構成要素を仕上げ加工する段階と、
    を更に備えている請求項１から請求項８の何れか一項に記載の方法。
  10. 前記構成要素を熱処理する段階は、前記構成要素の前記表面をバニシング加工する段階に続いて、前記構成要素を前記バニシング加工の温度を超える熱処理温度へ継続加熱する段階を更に含んでいる、請求項９に記載の方法。
  11. 前記構成要素を仕上げ加工する段階は、研削仕上げ加工動作又は超仕上げ加工動作又はそれら両方を使用する段階を含んでいる、請求項９又は請求項１０に記載の方法。
  12. 前記軸受の構成要素を焼入れする段階と、
    前記軸受の構成要素を焼戻しする段階と、
    前記軸受の構成要素を室温へ冷却する段階と、
    研削仕上げ加工動作又は超仕上げ加工動作の一方を使用して前記軸受の構成要素を仕上げ加工する段階と、
    を更に備えている請求項９に記載の方法。
  13. 前記表面は１ｍｍ以上の深度まで緻密化される、請求項１から請求項１２の何れか一項に記載の方法。
  14. 前記表面は１ｍｍを超え最大２ｍｍの深度まで緻密化される、請求項１から請求項１２の何れか一項に記載の方法。
  15. 前記表面は０．５ｍｍから２ｍｍの範囲の深度まで緻密化される、請求項１から請求項１２の何れか一項に記載の方法。
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