JP6969712B1 - 転がり軸受の耐圧痕性の予測方法、機械加工条件の選定方法、軸受材料品質の選定方法、バニシング加工条件の選定方法及び軸受製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
特にバニシング加工は、ショットピーニングのような表面性状の悪化が抑えられ、後工程で必要に応じて実施する仕上げ加工時の取り代を抑制できる。
そして、例えば、機械加工としてバニシング加工を施す場合、当該予測に際し、バニシングツール先端に装着するバニシングボールのサイズ及びそのバニシングボールを構成する材質、並びにバニシング荷重などを考慮することで、最適な加工条件を選定することができる。
前記軌道面に機械加工が施される前の状態における、転がり軸受の形成材料の前記軌道面の深さ方向の降伏せん断応力を示す第1の曲線と、
前記軌道面に機械加工が施されている状態における、前記軌道面の深さ方向の静的せん断応力を示す第2の曲線と、
前記軌道面に前記転動体が接触して静的荷重が負荷された状態における、前記軌道面の深さ方向の静的せん断応力を示す第3の曲線と、を求めるとともに、
前記第1の曲線と前記第2の曲線を上回り、かつ前記第3の曲線を下回ることにより囲まれる領域を面積Aとして、前記面積Aと前記軌道輪の圧痕深さとの相関関係を求め、当該相関関係に基づいて、軌道輪の耐圧痕性を予測することを特徴とする、転がり軸受の耐圧痕性の予測方法。
(2) 機械加工を施した軌道面を有する軌道輪の間に、複数の転動体を転動自在に保持してなる転がり軸受の機械加工条件の選定方法であって、
前記軌道面に機械加工が施される前の状態における、転がり軸受の形成材料の前記軌道面の深さ方向の降伏せん断応力を示す第1の曲線と、
前記軌道面に機械加工が施されている状態における、前記軌道面の深さ方向の静的せん断応力を示す第2の曲線と、
前記軌道面に前記転動体が接触して静的荷重が負荷された状態における、前記軌道面の深さ方向の静的せん断応力を示す第3の曲線と、を求めるとともに、
前記第1の曲線と前記第2の曲線を上回り、かつ前記第3の曲線を下回ることにより囲まれる領域を面積Aとして、前記面積Aと前記軌道輪の圧痕深さとの相関関係を求め、当該相関関係に基づいて、
前記軌道輪の耐圧痕性が任意の大きさになるように前記面積Aを求め、また、前記面積Aになるように前記第2の曲線を求め、その後前記第2の曲線になるような機械加工条件を決定することを特徴とする、機械加工条件の選定方法。
(3) 機械加工を施した軌道面を有する軌道輪の間に、複数の転動体を転動自在に保持してなる転がり軸受の軸受材料品質の選定方法であって、
前記軌道面に機械加工が施される前の状態における、転がり軸受の形成材料の前記軌道面の深さ方向の降伏せん断応力を示す第1の曲線と、
前記軌道面に機械加工が施されている状態における、前記軌道面の深さ方向の静的せん断応力を示す第2の曲線と、
前記軌道面に前記転動体が接触して静的荷重が負荷された状態における、前記軌道面の深さ方向の静的せん断応力を示す第3の曲線と、を求めるとともに、
前記第1の曲線と前記第2の曲線を上回り、かつ前記第3の曲線を下回ることにより囲まれる領域を面積Aとして、前記面積Aと前記軌道輪の圧痕深さとの相関関係を求め、当該相関関係に基づいて、
前記軌道輪の耐圧痕性が任意の大きさになるように前記面積Aを求め、また、前記面積Aになるように前記第1の曲線を求め、その後前記第1の曲線になるような熱処理後の軸受材料品質を決定することを特徴とする、軸受材料品質の選定方法。
(4) 上記(1)に記載の転がり軸受の耐圧痕性の予測方法、上記(2)に記載の機械加工条件の選定方法、及び上記(3)に記載の軸受材料品質の選定方法のうち少なくとも1つの工程を含むことを特徴とする、軸受製造方法。
前記軌道面に前記バニシング加工が施される前の状態における、前記軸受軌道輪の形成材料の前記軌道面の深さ方向の降伏せん断応力を示す第1の曲線と、
前記軌道面に前記バニシング加工が施されている状態における、前記軌道面の深さ方向の静的せん断応力を示す第2の曲線と、
前記軌道面に転動体が接触して静的荷重が負荷された状態における、前記軌道面の深さ方向の静的せん断応力を示す第3の曲線と、を求めるとともに、
前記第1の曲線と前記第2の曲線を上回り、かつ前記第3の曲線を下回ることにより囲まれる領域を面積Aとし、
前記第1の曲線を上回り、かつ前記第3の曲線を下回ることにより囲まれる領域を面積Sとするとき、
前記面積A<前記面積S、を満足する加工条件を選定することを特徴とする、バニシング加工条件の選定方法。
(6) 上記(5)に記載のバニシング加工条件の選定方法であって、
前記バニシング加工が、先端にバニシングボールを装着したバニシングツールを用いて行われるものであり、
前記バニシングボールの半径を前記軸受軌道輪の溝半径で除した値を、バニシングボール選定指数Bとするとき、
B≦1であることを特徴とする、バニシング加工条件の選定方法。
(7) 上記(6)に記載のバニシング加工条件の選定方法であって、
(前記面積S−前記面積A)/前記面積S、で表されるバニシング耐圧痕性指数αと、前記バニシングボール選定指数Bとの相関を求めることを特徴とする、バニシング加工条件の選定方法。
(8) 上記(7)に記載のバニシング加工条件の選定方法であって、
前記バニシング耐圧痕性指数αと前記バニシングボール選定指数Bとの相関関係から、前記バニシング耐圧痕性指数αが最大になるような、前記バニシングボールのサイズ及び材質、並びにバニシング荷重を決定することを特徴とする、バニシング加工条件の選定方法。
(9) 上記(6)〜(8)のいずれか1つに記載のバニシング加工条件の選定方法であって、
前記バニシングボールとして、200GPa以上のヤング率を有する材料を選択することを特徴とする、バニシング加工条件の選定方法。
また、上記「第2発明群」に係る本発明によれば、試験片の作製作業や試験作業を要することなく計算に基づいた検証により、外輪軌道面や内輪軌道面などの軸受軌道輪の軌道面をバニシング加工により硬化させる場合の、耐圧痕性を高めるために最適な加工条件の選定方法及び軸受製造方法を提供することができる。
なお、以下に示す実施形態においては、上記「第1発明群」に係る本発明を説明するための実施形態を「第1実施形態」と称し、上記「第2発明群」に係る本発明を説明するための実施形態を「第2実施形態」と称する。
まず、第1実施形態について説明する。
なお、図3において「曲線a」は、便宜上、単なる直線で示しているが、実際には略直線状の曲線である。また、以下で説明する図4における「曲線a」も同様である。
なお、線接触の場合は、例えばSmithの弾性理論解(Smith,J.O., Liu,C.K.and Ill U.,“Stress Due to Tangential and Normal Loads on an Elastic Solid With Application to Some Contact Stress Problems“,Transaction of the ASME,Journal of Applied Mechanics,Vol.20(1953),pp.157−166)、又は、田中の計算式(田中直行,“楕円接触の内部応力の計算について”,日本機械学会論文集C編,61巻660号(2001),pp.265−269)を用いて計算することができる。
以下、実施例及び比較例を挙げて、第1発明群に係る本発明の効果を具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。上記で説明したようにして求められる面積Aは、下記に示すように、軌道面の圧痕深さとの間に高い相関を有することが判明した。
転がり軸受の軌道輪を模擬した平板形状の試験片に鋼球を押し付け、試験片の表面に発生した圧痕の深さを測定した。試験片はいずれも軸受鋼(SUJ2鋼)を素材とし、焼入れ焼戻しを施した。実施例1は840℃焼入れ180℃焼戻しを施し、また実施例2は840℃焼入れ300℃焼戻しを施した。そして、平面仕上げ加工後、実施例1、2ではバニシング加工を施した。比較例1は840℃焼入れ180℃焼戻し、比較例2は840℃焼入れ300℃焼戻しを施した。その後、比較例1、2ではバニシング加工を施さず、平面仕上げ加工のみ施した。なお、バニシング加工条件は、バニシングツールの先端形状をφ3mm、すべり率を100%、周速を100m/min、ツールの送り速度を0.05mm/rev、ツールの押し込み量を0.3mmとした。また、加工時は、ろ過された工作液を使用し、バニシング荷重は、弾性変形のみが生じると仮定して最大接触面圧を算出し、9.2GPaとした。
圧痕試験では、転がり軸受の軌道輪を模擬した平板形状の試験片と同様、軸受鋼で作製し、焼入れ焼戻しされた3/8インチの鋼球を用いて、試験片の最大接触面圧が5.0GPa、5.5GPa、6.0GPaとなるように荷重を負荷した後、テーラーホブソン社製の3次元表面性状測定機(CCI)を用いて、試験片の表面に発生した圧痕の深さを測定した。表1に、圧痕試験の結果及び面積Aの算出結果を示す。実施例1と比較例1、実施例2と比較例2の結果を比較し、バニシング加工を施すことで、圧痕深さが低減していることが確認できた。
続いて、第2実施形態について説明する。
具体的には、鉄(ヤング率200GPa)のヤング率以上のヤング率を有する材料を選択することが好ましく、例えば、窒化ケイ素(ヤング率320GPa)が好ましく、炭化タングステン(ヤング率550GPa)等の超硬合金と呼ばれるものや、ダイヤモンド(ヤング率786GPa)等が更に好ましい。
バニシング加工の加工条件の選定(ツール選定)が、軸受軌道輪の耐圧痕性に及ぼす影響を計算に基づき検証した。なお以下、検証例を挙げて、第2発明群に係る本発明の効果を具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
2 外輪軌道面
3 外輪
4 内輪軌道面
5 内輪
6 玉
7 保持器
Claims (10)
- 機械加工を施した軌道面を有する軌道輪の間に、複数の転動体を転動自在に保持してなる転がり軸受の耐圧痕性の予測方法であって、
前記軌道面に機械加工が施される前の状態における、転がり軸受の形成材料の前記軌道面の深さ方向の降伏せん断応力を示す第1の曲線と、
前記軌道面に機械加工が施されている状態における、前記軌道面の深さ方向の静的せん断応力を示す第2の曲線と、
前記軌道面に前記転動体が接触して静的荷重が負荷された状態における、前記軌道面の深さ方向の静的せん断応力を示す第3の曲線と、を求めるとともに、
前記第1の曲線と前記第2の曲線を上回り、かつ前記第3の曲線を下回ることにより囲まれる領域を面積Aとして、前記面積Aと前記軌道輪の圧痕深さとの相関関係を求め、当該相関関係に基づいて、軌道輪の耐圧痕性を予測することを特徴とする、転がり軸受の耐圧痕性の予測方法。 - 機械加工を施した軌道面を有する軌道輪の間に、複数の転動体を転動自在に保持してなる転がり軸受の機械加工条件の選定方法であって、
前記軌道面に機械加工が施される前の状態における、転がり軸受の形成材料の前記軌道面の深さ方向の降伏せん断応力を示す第1の曲線と、
前記軌道面に機械加工が施されている状態における、前記軌道面の深さ方向の静的せん断応力を示す第2の曲線と、
前記軌道面に前記転動体が接触して静的荷重が負荷された状態における、前記軌道面の深さ方向の静的せん断応力を示す第3の曲線と、を求めるとともに、
前記第1の曲線と前記第2の曲線を上回り、かつ前記第3の曲線を下回ることにより囲まれる領域を面積Aとして、前記面積Aと前記軌道輪の圧痕深さとの相関関係を求め、当該相関関係に基づいて、
前記軌道輪の耐圧痕性が任意の大きさになるように前記面積Aを求め、また、前記面積Aになるように前記第2の曲線を求め、その後前記第2の曲線になるような機械加工条件を決定することを特徴とする、機械加工条件の選定方法。 - 機械加工を施した軌道面を有する軌道輪の間に、複数の転動体を転動自在に保持してなる転がり軸受の軸受材料品質の選定方法であって、
前記軌道面に機械加工が施される前の状態における、転がり軸受の形成材料の前記軌道面の深さ方向の降伏せん断応力を示す第1の曲線と、
前記軌道面に機械加工が施されている状態における、前記軌道面の深さ方向の静的せん断応力を示す第2の曲線と、
前記軌道面に前記転動体が接触して静的荷重が負荷された状態における、前記軌道面の深さ方向の静的せん断応力を示す第3の曲線と、を求めるとともに、
前記第1の曲線と前記第2の曲線を上回り、かつ前記第3の曲線を下回ることにより囲まれる領域を面積Aとして、前記面積Aと前記軌道輪の圧痕深さとの相関関係を求め、当該相関関係に基づいて、
前記軌道輪の耐圧痕性が任意の大きさになるように前記面積Aを求め、また、前記面積Aになるように前記第1の曲線を求め、その後前記第1の曲線になるような熱処理後の軸受材料品質を決定することを特徴とする、軸受材料品質の選定方法。 - 請求項1に記載の転がり軸受の耐圧痕性の予測方法、請求項2に記載の機械加工条件の選定方法、及び請求項3に記載の軸受材料品質の選定方法のうち少なくとも1つの工程を含むことを特徴とする、軸受製造方法。
- 軸受軌道輪の軌道面に施すバニシング加工の加工条件を選定する方法であって、
前記軌道面に前記バニシング加工が施される前の状態における、前記軸受軌道輪の形成材料の前記軌道面の深さ方向の降伏せん断応力を示す第1の曲線と、
前記軌道面に前記バニシング加工が施されている状態における、前記軌道面の深さ方向の静的せん断応力を示す第2の曲線と、
前記軌道面に転動体が接触して静的荷重が負荷された状態における、前記軌道面の深さ方向の静的せん断応力を示す第3の曲線と、を求めるとともに、
前記第1の曲線と前記第2の曲線を上回り、かつ前記第3の曲線を下回ることにより囲まれる領域を面積Aとし、
前記第1の曲線を上回り、かつ前記第3の曲線を下回ることにより囲まれる領域を面積Sとするとき、
前記面積A<前記面積S、を満足する加工条件を選定することを特徴とする、バニシング加工条件の選定方法。 - 請求項5に記載のバニシング加工条件の選定方法であって、
前記バニシング加工が、先端にバニシングボールを装着したバニシングツールを用いて行われるものであり、
前記バニシングボールの半径を前記軸受軌道輪の溝半径で除した値を、バニシングボール選定指数Bとするとき、
B≦1であることを特徴とする、バニシング加工条件の選定方法。 - 請求項6に記載のバニシング加工条件の選定方法であって、
(前記面積S−前記面積A)/前記面積S、で表されるバニシング耐圧痕性指数αと、前記バニシングボール選定指数Bとの相関を求めることを特徴とする、バニシング加工条件の選定方法。 - 請求項7に記載のバニシング加工条件の選定方法であって、
前記バニシング耐圧痕性指数αと前記バニシングボール選定指数Bとの相関関係から、前記バニシング耐圧痕性指数αが最大になるような、前記バニシングボールのサイズ及び材質、並びにバニシング荷重を決定することを特徴とする、バニシング加工条件の選定方法。 - 請求項6〜8のいずれか1項に記載のバニシング加工条件の選定方法であって、
前記バニシングボールとして、200GPa以上のヤング率を有する材料を選択することを特徴とする、バニシング加工条件の選定方法。 - 請求項5〜9のいずれか1項に記載のバニシング加工条件の選定方法により選定したバニシング加工条件を用いるバニシング加工工程を含むことを特徴とする、軸受製造方法。
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