JPH11513938A - 部品の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 使用中の負荷条件による使用応力が加わる部品（１０）を製造するための方法である。本方法は一般的には、部品の耐用年数を制限する１つ以上の主要な応力を実質的に相殺する残留応力を部品（１０）内に誘発させるように部品（１０）を製造する。本方法は、部品（１０）のモデルを開発し、次いで部品上への使用中の応力を決定するためにモデルに使用中の負荷条件を加える。次に、少なくとも一つの使用中の応力が限界的（臨界的）なものであると識別される。最後に、識別された限界応力を相殺するために部品内に必要な残留応力が生じるように部品（１０）を製作する。

Description

【発明の詳細な説明】 部品の製造方法 発明の背景 １．発明の分野 本発明は部品の製造において採用される方法およびプロセス（処理工程）に関 するものである。より詳しくは、本発明は、最適な処理条件を選択することによ り、部品上に加わる実働応力を相殺するために部品内に十分なレベルで残留応力 を生成し、部品に対する最適な耐用年数を達成するようにした製造方法に関する 。 ２．従来技術の説明 硬化（焼入れ）した、高精度の部品の製造における主要な非効率性は、部品を 仕上げるために多数のプロセスないしステップが必要なことである。一例として 、現在のベアリングの軌道輪の表面の製造方法には、成形、焼きなまし、荒旋削 、硬化、いくつかのタイプの研削、および最終的に、図１に示した研摩材ベース の超仕上げなどを含んでいる。この場合、各プロセスにおいて別のセットアップ が必要であり、プロセス間に不定期の検査が必要となる。よって、１つのプロセ スあるいは工作機械の能力を拡張して生産過程内の他のプロセスを削減すること ができ、これによりセットアップ時間および製造スケジュールの複雑さを軽減し 、また適応性およびシステム効率を著しく高めることができる技術に対する経済 的な要求が大きい。 上記の利益を達成する際の困難さは、部品の使用要件により複雑なものとなる 。ベアリングの軌道輪のような部品は過酷な使用応力を受け、これが部品の早発 の破壊の原因となる。部品の耐用年数を決定する主要な要因は表面の一貫性であ り、部品の製造中に表面層内に生成される変化の結果として産業界において規定 され ており、またこれが使用中の部品の材料特性および性能に影響を与える。一般的 には、表面の一貫性には３つの要因、つまり表面仕上げ、ミクロ組織および残留 応力が考慮される。従来技術では、研摩仕上げあるいは超仕上げを必要とする部 品に対して１６Ｒａ以下の表面仕上げを容易に達成するために、仕上げ研削、ホ ーニング仕上げ、ラップ研摩、研摩、電解研摩および研摩剤の超仕上げなどの各 技術を使用することにより、強度、疲労および摩耗のような設計要求事項に合致 するための表面仕上げおよび物理的な材料特性について多くの配慮がなされてい る。しかしながら、仕上げ研削や他の仕上げ技術において使用される研摩剤粒子 の形状および向きを制御できないため、このような技術による材料除去も同様に 、表面内の残留応力のような、特定の表面の一貫性を予測して制御可能に変える 方法で制御することができない。この結果、従来技術では一般的に、部品内の残 留応力を改善するために、ショットピーニングのような追加の処理ステップを用 いる必要があった。 最近、特に表面の一貫性に対する研究、特に特定の製作方法が部品のミクロ組 織および残留応力に影響を与えることが関心事になっている。しかしながら、１ つの表面の一貫性の改良は一般的には他の犠牲により達成できる。従来技術は、 ミクロ組織上への影響を最小限にして表面の一貫性を高めることができる機械加 工した表面を生成し、また残留応力に影響を与える特定の機械加工のパラメータ を識別することに成功した。しかしながら、このような努力は３２マイクロイン チ（０.８１マイクロメートル）Ｒａの最小の表面仕上げに限定されており、こ れではベアリングの軌道輪のような多くの用途には不十分である。さらに、従来 技術は、特定の使用環境に基づく部品の耐用年数を特に高めることができる処理 変数を識別および選択できていない。 よって、部品の表面の一貫性および仕上げにおける改善を含み、所望の実働荷 重に基づき製作パラメータを最適化することにより、部品の耐用年数を改善する ための方法を提供することが望まれている。理想的には、このような方法はまた 、 部品を仕上げるために必要な処理ステップの数を減じ、よってセットアップ時間 および処理の複雑さを低減することによっても達成される。 発明の要約 本発明の目的は、その所望の用途に対する部品の表面の一貫性を高めることが できる部品を製作するための方法を提供することにある。 本発明の別の目的は、部品の耐用年数を制限する使用中の応力を識別し、次い で使用中の応力を相殺することで部品内の残留応力を部品の耐用年数を実質的に 最適化するために適切なレベルまで誘導することができる。 本発明のさらに別の目的は、荒旋削、研削、超仕上げのような部品の製造手順 の従来のステップを削減あるいは代替えして、セットアップ時間および処理時間 並びに部品コストを減少させることが可能な方法を提供することにある。 本発明の別の目的は、仕上げ研削、ホーニング仕上げ、ラップ研摩、研摩、電 解研摩および超仕上げのような従来の仕上げプロセスで達成できる表面仕上げを することができる方法を提供することにある。 本発明の好ましい実施形態によれば、これらおよび他の目的および特徴は次の ように達成できる。 本発明によれば、使用中の負荷条件により使用中に応力が加えられた部品を製 造するための方法が提供される。本方法は、一般的には、部品の最大の耐用年数 を制限する１つ以上の使用中の応力を実質的に相殺するように部品内に残留応力 を誘発させて部品を製作する。より詳しくは、残留応力は、部品に対して決定さ れる使用中の応力を実質的に相殺するために十分な大きさで部品の作業表面の十 分下に延在するように、製作の間に部品内で誘発される。必要な残留応力が適切 かつ確実に達成されるために、本発明の方法は部品のモデルを開発し、次いでこ のモデルに使用中の負荷を加えて部品上の使用中の応力を決定することを含んで いる。その後、少なくとも１つの使用中の負荷が限界的なもの、つまり部品の最 大の耐用年数を確立するものとして識別される。最後に、識別された限界応力を 相殺するために、必要な残留応力が内部に誘発され分配されるように部品が製作 される。 本発明によれば、特定の表面仕上げおよび所定の部品内に分配された必要とさ れる残留応力を達成することができる製作パラメータは、別々の決定可能な相互 関係に基づくものである。本発明は、それ自体で、異なる製作パラメータを使用 した多数の試験片を作製するステップを介して所定のパラメータの組合わせの下 で作製された部品に対する表面仕上げおよび残留応力分布を正確に予測し、試験 片の表面仕上げおよび残留応力分布を決定し、また次いで製作パラメータと表面 仕上げおよび残留応力の間の実験的な相互関係を派生させるものである。製作ス テップは、金属、プラスチック、粉末冶金および複合材料を含む種々の材料を使 用した機械加工あるいは成形操作である。本明細書において、機械加工操作は、 面削り、フライス削り、中ぐり、ブローチ削り、穴あけおよび同様なタイプの操 作を含んでおり、これは３２マイクロインチＲａ以下の表面仕上げを達成するた めの仕上げ操作として従来より採用されている研摩、超仕上げおよび他の伝統的 な仕上げ操作とは対照的である。 潜在的に許容可能な機械加工のパラメータは広範囲には次の通りである。約１ ００から約１０００面フィート/分（sfpm）（約３０.５から約３０５メートル／ 分）の切削速度、約０.０１５インチ／回転（ipr）（約０.３８ミリメートル／ 回転）までの送り速度およびＣＢＮ（立方晶窒化ホウ素）、ダイアモンド又はセ ラミック切削工具上で約０.８ミリメートル（約０.０３１５インチ）の最小工具 ノーズ半径。ここで、機械加工パラメータを上記範囲内とすることで３２マイク ロインチＲａ以下の表面仕上げを達成することができる。さらに、これらの機械 加工パラメータは、Ｒｅ３５以上のように、予め硬化された材料で好結果が得ら れ、本発明の方法はまた、従来技術における硬化前の部品の荒仕上げの必要性を 除くことができる。本発明は、それ自体で、部品を成形し、部品を硬化させ、 また次いで部品を機械加工するステップを製造手順から減じることができる。こ の結果得られる部品は、従来の研摩および超仕上げ技術で達成できるものに匹敵 する表面仕上げであるが、表面の下に延在する最適な残留応力の存在により表面 下で研摩および超仕上げ以上の、つまり０.００１インチ(約２５マイクロメート ル)以上の表面仕上げを行うことができる。 本発明の他の目的および特徴は以下の説明から明らかになる。 図面の簡単な説明 本発明の上記および他の特徴は添付図面を参照した以下の説明からより明らか になる。 図１は従来技術における回転ベアリングの軌道輪のための製造手順を示した説 明図である。 図２は本発明の好ましい実施形態による回転ベアリングの軌道輪のための製造 手順を示した説明図である。 図３は図２の方法により製造することができる回転ベアリングの軌道輪を示し た説明図である。 図４ａから図４ｄは本発明の方法において使用されるタイプの工具インサート （工具挿入物）である。 図５ａおよび図５ｂは、本発明の製造方法によりベアリングの軌道輪をハード 旋削したときの残留応力分布に対する切削深さの影響をグラフ的に比較した説明 図である。 図６ａから図６ｄは、本発明の製造方法によりベアリングの軌道輪をハード旋 削したときの残留応力分布に対する工具ノーズ半径および送り速度の影響をグラ フ的に比較した説明図である。 好ましい実施形態の詳細な説明 使用中の負荷条件による使用中の応力を受ける部品を製造するための方法が提 供される。図２は本発明により可能となる製造プロセスを示したものであり、ま た図３は本発明の特徴から利益を得るのに特によく適合したベアリングの軌道輪 １０を示したものである。本発明では、使用中の負荷により部品が受ける応力を 相殺するために製造の間に部品に最適にプレストレス（予圧）を与えるようにし ている。加えて、本発明は、部品内に所望のプレストレス、ないし残留応力を生 じるための最適な製作パラメータを決定するための方法を伴い、また重要なこと には、部品の表面の一貫性を著しく高めるためにこのような残留応力を部品の表 面の十分に下で適切なレベルで誘発させている。本発明は異なる製造方法および 材料に適用可能であるが、焼き入れ鋼から作られるベアリングの軌道輪１０の製 造を特に参照して説明する。 本方法は一般的には、図３のベアリングの軌道輪１０のような、部品を製作す る際に必要なものであり、所望の残留応力の分布が意図的で制御可能に、部品の 表面の所望の深さの下において部品内に誘発され、その程度は残留応力が１つ以 上の「限界（臨界）」的な使用中の応力、つまり部品内で破壊を最初に生じ、こ れにより部品の最大耐用年数を直接的に制限するような応力を実質的に相殺する ことができる程度である。一例としてベアリングの軌道輪１０をあげると、軌道 輪１０のベアリング表面の動的負荷により限界応力が誘発され、軌道輪の材料の 疲労亀裂の原因となる。本発明によれば、所望の残留応力は、部品の作業面つま り軌道輪１０のベアリング表面の下に、切削深さの約５０％までの最適な深さま で延在する、圧縮性の残留応力である。曲げ応力が優勢であるような異なる条件 下では、所望の残留応力は引張りおよび／または剪断応力である。本発明の部品 の表面の十分下に残留する圧縮的な、引張り的なおよび／または剪断的な応力を 誘発する能力は、図３のベアリングの軌道輪１０のような高負荷の部品の表面で なくて下側に存在する使用中の応力に対して重要である。 これらの残留応力が誘発される方法は限界（臨界）的なものであるが、残留応 力がそれ自体で部品の早発的な破壊を引き起こさないように、所定の部品内の残 留応力の適切なレベルを達成することは同様に重要である。換言すれば、本発明 は、部品の使用中の応力を相殺するが、過度に補償しない程度に、部品内に残留 応力を誘発するようにしたものである。この目的のため、本発明の方法は部品の モデルを開発し、次いで部品の使用中の応力のレベルおよび位置を決定するため にモデルに使用中負荷条件を与えることを含んでいる。本発明によれば、モデル はコンピュータモデルあるいは物理的な試験片である。当業分野において現在利 用可能な既知の技術によれば、コンピュータモデルに使用中の負荷条件を分析的 に加えることは可能であり、また限界応力および疲労寿命の分析を物理的な試験 片に対する所望の残留応力を定量化するために採用することができる。本発明に より採用される製作およびモデル化の技術は既知であるが、部品の表面の下の特 定の深さにおいて使用中の応力を相殺する所望の残留応力を決定するためにモデ ルを使用し、次いで部品内の所望の残留応力のレベルおよび分布を達成するため に特定の製作パラメータを決定することの組合わせは、従来技術において既知で も示唆されてもいない。 使用中の応力が決定されたならば、少なくとも１つが限界（臨界）的なものと して、つまりそのレベルおよび部品内での位置が部品内の破壊の可能性のある第 １の原因として決定される応力を部品内に生じる応力として識別される。他の可 能性のある破壊の態様もありうるが、このような応力は、軌道輪１０について上 記したように、疲労による破壊をしばしば誘発する。最後に、部品は、識別され た限界応力を相殺するために、残留応力の必要なレベルおよび深さが部品内に誘 発されるように製作される。本発明によれば、製作ステップは、金属、プラスチ ック、粉末冶金および複合材を含む種々の材料を使用した機械加工あるいは成形 操作である。成形操作について、残留応力は、第１の材料が射出成形され冷却さ れて部品の表面を形成し、次いで第２の材料を第１の材料の下に射出して、冷却 により第２の材料が第１の材料内に残留的な圧縮応力を誘発する、マルチショッ ト射出成形技術を採用することでインモールドすることができる。 機械加工により残留応力を誘発する製作技術は特定の機械加工操作に対する材 料の除去パラメータに依存している。本発明によれば、適切な残留応力は、約６ ０Ｒｃ以上に硬化（焼き入れ）した軌道輪１０のような、予め硬化させた部品を 機械加工するときに達成される。特に、機械加工が硬化させた表面上に直接的に 行われた場合には、部品の表面の下には著しく深くより好ましい一定の残留応力 が生成される。この決定の第２の利点は、研摩剤をベースとした超仕上げ技術、 つまり約１６マイクロインチ（約０.４１マイクロメートル）Ｒａ、一般的には ８マイクロインチ（約０.２０マイクロメートル）Ｒａ以下に匹敵する表面仕上 げが達成され、仕上げ研摩および超仕上げが不要なことである。さらに別の利点 は、このような残留応力が硬化した表面のミクロ組織を変えることなく達成でき 、表面を硬化させたことによる機械的特性および摩耗特性が機械加工の間に喪失 しないことである。 本発明によれば、硬化した表面上に直接的に行ったときに上記の利点を達成で きる機械加工のパラメータは次の通りである。約１００から約１０００面フィー ト／分（sfpm）（約３０.５から約３０５メートル／分）の切削速度、約０.０１ ５インチ／回転（ipr）（約０.３８ミリメートル）までの送り速度およびＣＢＮ （立方晶窒化ホウ素）、ダイアモンドあるいはセラミック切削工具上で約０.８ ミリメートル（約０.０３１５インチ）の最小工具ノーズ半径。約８マイクロイ ンチＲａ以下の表面仕上げを達成するためには、より好ましい範囲は、約２００ から約７００sfpm（約６１から約２１３.５メートル／分）の切削速度、約０.０ ００５から約０.００８ipr（約０.０１から約０.２０ミリメートル）までの送り 速度および約０.０３０インチ（約０.７６ミリメートル）以下の切削深さである 。これらの範囲内で適切な機械加工のパラメータを決定し、このパラメータを使 用して多数の試験片の製作をし、次いで表面の仕上げおよび一貫性に対 して別の式でパラメータの相互関係をモデル化する。本発明によれば、表面仕上 げの相互関係は以下の式に基づいている。 式Ａ Ｒ_a＝ＫＶ^mＤⁿＦ^pＲ_n ^q 上式において、Ｒ_aは平均表面仕上げ、Ｖは切削速度、Ｆは送り速度、Ｄは切削 深さ、Ｒ_nは工具のノイズ半径、およびＫ、ｎ、ｍ、ｐおよびｑは機械加工され た試験片から実験的に決定される定数である。上式による機械加工のパラメータ はＲｃ３５以上の硬化された材料上で１６マイクロインチＲａ以下の表面仕上げ を達成できるので、本発明の方法は従来における硬化前の部品の荒い機械加工の 必要性をなくすことができる。本発明の方法は、図２に示したように、それ自体 で、部品を形成するステップ、部品を硬化するステップ、および次いで部品を機 械加工するステップまで製造手順を軽減できる。なお、上記した式により機械加 工できる材料には、硬化した中間物および高炭素鋼、軸受鋼や高速度鋼のような 合金鋼、ステンレス鋼、チタンベース合金および他の硬化材料を含まれる。 本発明により製造される部品は、研摩や超仕上げ技術により可能な範囲を十分 越えた、その表面の少なくとも約０.００１インチ（約２５マイクロメートル） 下に延在する最適な残留応力の存在により特徴付けされる。本発明は、大きさお よび深さの両方において、広範囲な残留応力分布を実現しており、これはハード 旋削する間に異なる切削受験を使用することで生成できる。表面仕上げについて は、特定の部品内に必要な残留応力分布を達成するために適切な機械加工パラメ ータの決定は、機械加工パラメータの種々の組合わせを使用して多数の試験片を 製作を含み、Ｘ線回析のような方法で残留応力分布を決定すること、および次い で結果としての残留応力と機械加工パラメータとの相互関係を分析的にモデル化 することを含む方法を伴っている。したがって、本発明によれば、切削パラメー タの関数としての残留応力分布を予測できる以下の式が開発される。 式Ｂ（１） ln(RS_c)＝(k₁+m₁v+n₁f+p₁d+q₁df+r₁vf+s₁vd) +(t₁R_n+u₁R_nv+w₁R_nf+x₁R_nd) +(k₂+m₂v+n₂f+p₂d+q₂df+r₂vf+s₂vd) +(t₂R_n+u₂R_nv+w₂R_nf+x₂R_nd)ln(Z) +(k₃+m₃v+n₃f+p₃d+q₃df+r₃vf+s₃vd) +(t₃R_n+u₃R_nv+w₃R_nf+x₃R_nd)ln(z)² +(k₄+m₄v+n₄f+p₄d+q₄df+r₄vf+s₄vd) +(t₄R_n+u₄R_nv+w₄R_nf+x₄R_nd)ln(z)³ +(k₅+m₅v+n₅f+p₅d+q₅df+r₅vf+s₅vd) +(t₅R_n+u₅R_nv+w₅R_nf+x₅R_nd)ln(z)⁴ +(k₆+m₆v+n₆f+p₆d+q₆df+r₆vf+s₆vd) +(t₆R_n+u₆R_nv+w₆R_nf+x₆R_nd)ln(z)⁵ 式Ｂ（２） ln(RS_r)＝(k₇+m₇v+n₇f+p₇d+q₇df+r₇vf+s₇vd) +(t₇R_n+u₇R_nv+w₇R_nf+x₇R_nd) +(k₈+m₈v+n₈f+p₈d+q₈df+r₈vf+s₈vd) +(t₈R_n+u₈R_nv+w₈R_nf+x₈R_nd)ln(z) +(k₉+m₉v+n₉f+p₉d+q₉df+r₉vf+s₉vd) +(t₉R_n+u₉R_nv+w₉R_nf+x₉R_nd)ln(z)² +(k₁₀+m₁₀v+n₁₀f+p₁₀d+q₁₀df+r₁₀vf+s₁₀vd) +(t₁₀R_n+u₁₀R_nv+w₁₀R_nf+x₁₀R_nd)ln(z)³ +(k₁₁+m₁₁v+n₁₁f+p₁₁d+q₁₁df+r₁₁vf+s₁₁vd) +(t₁₁R_n+u₁₁R_nv+w₁₁R_nf+x₁₁R_nd)ln(z)⁴ +(k₁₂+m₁₂v+n₁₂f+p₁₂d+q₁₂df+r₁₂vf+s₁₂vd) +(t₁₂R_n+u₁₂R_nv+w₁₂R_nf+x₁₂R_nd)ln(z)⁵ 上式において、ＲＳ_cは周方向（切削工具が機械加工された表面を横切って行 く方向）における残留応力のレベルであり、 ＲＳ_rは径方向（送り）方向における残留応力のレベルであり、 ｚは１０００分の１インチ（０.０００１インチ）での表面の下の深さであり 、 ｖ＝１＋２(ln(V)−ln(V_max))／(In(V_max)−ln(V_min))であり、 ｆ＝１＋２(ln(F)−ln(F_max))／(ln(F_max)−ln(F_min))であり、 ｄ＝１＋２(ln(D)−ln(D_max))／(ln(D_max)−ln(D_min))であり、 Ｒ_n＝１＋２(ln(N)−ln(N_max))／(ln(N_max)−ln(N_min))であり、 Ｒ_nは工具ノーズ半径であり、 Ｖ、Ｆ、ＤおよびＮはそれぞれ切削速度、送り速度、切削深さおよび工具ノー ズ半径であり、 Ｖ_max、Ｆ_max、Ｄ_maxおよびＮ_maxは、それぞれ上式を展開するために採用され る、最大切削速度、最大送り速度、最大切削深さおよび最大工具ノーズ半径であ り、 Ｖ_min、Ｆ_min、Ｄ_minおよびＮ_minは、それぞれ上式を展開するために採用され る、最小切削速度、最小送り速度、最小切削深さおよび最小工具ノーズ半径であ り、および ｋ_x、ｍ_x、ｎ_x、ｐ_x、ｑ_x、ｒ_x、ｓ_x、ｔ_x、ｕ_x、ｗ_xおよびｘ_xは上式を展開 するために解かれる定数である。 本発明によれば、機械加工パラメータの異なる組合わせが同じ表面仕上げ（式 Ａに従って）を有する部品を生成できることが決定されるが、部品は広範囲に異 なる残留応力分布により特徴付けられ、１つの部品は他のものよりもずっと長い 疲労寿命を示す。特別な例として、２つの同一のベアリングの軌道輪が以下の旋 削パラメータを使用してＡＩＳＩ５２１００軸受鋼から生成された。 両方の軌道輪に対する機械加工パラメータは多数の試験片の機械加工に基づい くものであり、軌道輪ＡおよびＢの表面仕上げに対するモデルを予測するために これらの試験片の結果としての表面仕上げが式Ａに適用された。軌道輪Ａおよび Ｂはほとんど同一の表面仕上げを有しているが、使用中の同一の負荷下でＡの疲 労寿命は軌道輪Ｂよりも４.８８倍（４８８パーセント）大きかった。所定の機 械加工パラメータからの結果としての残留応力分布を正確に予測するために式Ｂ （１）およびＢ（２）を使用して部品のモデルを開発することの重要性が判る。 これを行うことで、カムシャフト、歯車、伝動軸、および回転接触、滑り接触お よび他のモードの使用中の負荷のような広範囲の負荷部品における疲労寿命を改 善することができる。 本発明による機械加工のパラメータの使用により生成される残留応力分布は図 ５ａおよび図５ｂに示した通りであり、これらの図は図３に示した軌道輪１０と 類似した硬化した（６４Ｒｃ）ＡＩＳＩ５２１００軸受鋼の軌道輪において生成 された径方向および周方向の残留応力を例示したものである。軌道輪のベアリン グ表面は、各図に示したように、約０.０３１５インチ（約０.８ミリメートル） のノーズ半径を有するＣＢＮ工具を採用し、約０.０００５ipr（約０.０１ミリ メートル／回転）の送り速度、約６５０sfpm（約１９８メートル／分）の切削速 度、および約０.００５インチ（約０.１３ミリメートル）あるいは約０.０２０ インチ（約０.５１ミリメートル）のいずれかの切削深さを使用した旋削操作に より機械加工されている。これらのパラメータは先に説明した範囲内であり、式 Ａのモデルに基づいて、８マイクロインチＲａ以下の表面仕上げを生成する。本 発明によれば、ベアリングの軌道輪１０上の径方向および周方向の残留応力の相 対的な衝撃は、当業者には理解できるように、軌道輪１０上に加えられる特定の 使用応力に依存している。重要なことは、残留的な圧縮応力レベルおよび深さで あり、機械加工条件（つまり、「０.００５インチおよび０.０２０インチの切削 深さ）の両方のセットの結果は従来技術の研摩および仕上げにより可能なものよ りも良好である。また、本発明は、残留的な圧縮応力の深さおよびレベルが、軌 道輪上に加わる使用中の応力を、適切に相殺するが、著しく過補償しないことを 確保するために、式Ｂ（１）およびＢ（２）に基づいてベアリングの軌道輪のた めのモデルを開発することを伴うものである。よって、図５ａおよび図５ｂに示 されたベアリングは異なる使用中の負荷条件に対して最適化されており、これは 本発明の方法を使用することで正確に行うことができる。 本発明の好ましい実施形態は、その一例を図４ａから図４ｄに示したように、 工具インサート１２に対してＣＢＮ、ダイアモンドあるいはセラミック材料を使 用して軌道輪を機械加工することである。好ましいインサートの材料はＢＺＮ８ １００の名称で General Electric 社から入手できる超研摩材料に匹敵するもの である。工具インサート１２の他の好ましい点は、工具形状がすくい面１４上で 面取りを欠いていることである。つまり、従来技術ではインサートの強度を高め るために工具インサートのすくい面に面取り（図４ｄにおいて破線で示した）を 使用している。しかしながら、本発明においては、面取りは面の焼付を助長し、 また硬化した表面の焼戻しを助長すると考えられており、不必要な軟化したミク ロ組織の生成あるいは相変化を引き起こしてしまう。硬化した部品表面の焼付を さらに回避するため、冷却媒体、特に好ましくは液化二酸化炭素あるいは液体窒 素のような低温用の冷却媒体が、機械加工の間に部品に注がれる。 本発明の驚くべき点は、図６ａから図６ｄに示した結果により立証されるよう に、残留応力の深さおよび大きさが工具ノーズ半径「Ｂ」の関数であることであ る。特に、図６ａには、切削方向において、約０.２５インチ（約６.３５ミリメ ートル）のノーズ半径を有する工具により発生される最大の残留応力が、約０. ０６３２インチ（約１.６ミリメートル）のノーズ半径を有する工具での約３乃 至５倍であり、一方、図６ｂには、送り方向において０.２５インチの工具によ り発生される残留応力は、０.０６３２インチの工具により発生される応力の約 ２.５倍であることが示されている。約０.００４ipr（約０.１０ミリメートル） であるより早い送り速度を使用したときの同様な結果は図６ｃおよび図６ｄ に示されている。ここで、硬い機械加工のための従来方法は、安定性および工具 の寿命を助長するために、できる限り小さいノーズ半径を有する工具を使用する ことである。 図２に示したように、本発明は上記のことを、図３のベアリングの軌道輪１０ の製造ステップのように、荒い柔らかい機械加工、研削および超仕上げを省きな がら達成することができる。本発明の方法は、それ自体で、軌道輪１０の製造手 順を、軌道輪１０を形成するステップ、軌道輪１０を、約６０Ｒｃ以上のように 所望の硬さに硬化（焼入れ）するステップ、また次いで、機械加工パラメータを 選択するための上記の各式にしたがって旋削操作などで軌道輪１０を機械加工す るステップに減じることができる。結果としてのベアリングの軌道輪１０は、１ ６ミクロンＲａ、一般的には８マイクロインチＲａ以下の表面仕上げを有するよ うに、軌道輪の材料のミクロ組織を変えることなく、研削や超仕上げで可能な範 囲を十分越えたベアリング表面に誘発された残留応力を有するように、機械加工 することができる。これらの有利な特性は、軌道輪１０を焼きなまし、荒旋削、 研削および超仕上げすることなしに達成され、セットアップ時間および製造のス ケジューリングの複雑さを著しく軽減することができ、一方、汎用性およびシス テム効率における著しい利益が得られる。 なお、本発明の方法に関連した特徴を、旋削操作を使用して機械加工されるベ アリングの軌道輪を特に参照して説明したが、本発明の教示を、面削り、フライ ス削り、中ぐり、ブローチ削り、穴あけおよび材料除去のための他の関連する技 術のような他の機械加工に適用することは当業者には自明の範囲である。さらに 、疲労における改善について説明したが、同じ手順を使用することで摩耗におけ る改善も同様に達成できる。最後に、本発明の方法により、平面状、円筒状、複 合およびモールド、ダイス、カム、軸、親ねじ、原子炉用部品、エンジン部品面 のような部品を３次元面を持たない広い範囲の種々の形状を有するように作るこ とができる。 また、本発明を好ましい実施形態について説明したが、当業者には他の形態も 適用できることは自明である。したがって、本発明の範囲は以下の請求の範囲に よって規定される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．使用中の負荷条件による使用応力が加わる部品を製造するための方法にお いて、 部品のモデルを用意するステップ、 部品上の使用応力を決定するためにモデルに使用中の負荷条件を加えるステッ プ、 部品の最大の耐用年数を確立する限界応力として使用応力の少なくとも１つを 識別するステップ、および次いで 残留応力が、限界応力を実質的に相殺するために十分なレベルで誘発され部品 の表面の下で十分な深さで延在するように、部品を製作するステップを含んでな ることを特徴とする部品の製造方法。 ２．部品内で誘発される残留応力が圧縮性の残留応力である請求の範囲１に記 載の方法。 ３．モデルがコンピュータモデルである請求の範囲１に記載の方法。 ４．モデルが物理的な試験片である請求の範囲１に記載の方法。 ５．製作ステップが機械加工操作を含んでいる請求の範囲１に記載の方法。 ６．機械加工操作が、約１００から約１０００面フィート／分の切削速度であ り、約０.０１５インチ／回転までの送り速度、また約０.０３１５インチの最小 工具ノーズ半径である請求の範囲５に記載の方法。 ７．さらに、機械加工操作が式 Ｒ_a＝ＫＶ^mＤⁿＦ^pＲ_n ^q により規定されるパラメータを有し、Ｒ_aは平均表面仕上げ、Ｖは切削速度、Ｆ は送り速度、Ｄは切削深さ、Ｒ_nは工具のノイズ半径、およびＫ、ｎ、ｍ、ｐお よびｑは定数であり、 機械加工操作の前に行われるステップであって、切削速度、送り速度および切 削深さの異なる組み合わせを使用して複数の試験片を機械加工するステップ、お よび試験片の平均的な表面仕上げに基づいてＫ、ｍ、ｎ、ｐおよびｑを決定する ステップを含む請求の範囲５に記載の方法。 ８．製作ステップが３２マイクロインチＲａ以下の部品上の表面仕上げを行う 請求の範囲５に記載の方法。 ９．製作ステップが、 部品を形成するステップ、 部品を硬化させるステップ、および次いで 部品を機械加工するステップを含む請求の範囲１に記載の方法。 １０．請求の範囲１に記載の方法により製作される部品。 １１．使用中の負荷条件による使用応力が加わる部品を製造するための方法に おいて、 部品のモデルを用意するステップ、 部品上の使用応力の位置およびレベルを決定するためにモデル上に使用中の負 荷条件を加えるステップ、 部品の最大の耐用年数を確立する限界応力としての少なくとも１つの使用応力 を識別するステップ、 切削速度、送り速度および切削深さの異なる組み合わせを使用して複数の部品 の試験片を機械加工するステップであって、切削速度は約１００から約１０００ 面フィート／分であり、送り速度が約０.０１５インチ／回転までであり、 切削速度、送り速度および試験片上に作製された切削深さおよび表面仕上げと の間の第１の相互関係を決定するステップ、および切削速度、送り速度および試 験片内に作製された切削深さと残留応力分布との間の第２の相互関係を決定する ステップ、および次いで 限界応力を実質的に相殺する圧縮性の残留応力が内部に生成されるように部品 を製作するステップであって、圧縮性の残留応力が限界応力を相殺するために十 分なレベルで且つ部品の表面の十分下で延在するように生成され、製作ステップ が 部品を形成するステップ、 少なくともＲＣ３５に部品を硬化するステップ、および次いで 圧縮性の残留応力が生成されるように第１および第２の相互関係に基づいて部 品を機械加工するステップを含んでなる請求の範囲１に記載の方法。 １２．機械加工ステップが面取りなしで工具挿入物により行われる請求の範囲 １１に記載の方法。 １３．第１の相互関係が式 Ｒ_a＝ＫＶ^mＤⁿＦ^pＲ_n ^q により特徴付けられ、Ｒ_aは平均表面仕上げ、Ｖは切削速度、Ｆは送り速度、Ｄ は切削深さ、Ｒ_nは工具ノイズ半径、およびＫ、ｎ、ｍ、ｐおよびｑは定数であ り、試験片の平均的な表面仕上げに基づいてＫ、ｍ、ｎ、ｐおよびｑを決定する ステップをさらに含んでいる請求の範囲１１に記載の方法。 １４．Ｒａが最大で１６マイクロインチである請求の範囲１３に記載の方法。 １５．Ｒｎが最小で０.０３１５インチである請求の範囲１３に記載の方法。 １６．第２の相互関係が次式により特徴付けされ、 ln(RS_c)＝(k₁+m₁v+n₁f+p₁d+q₁df+r₁vf+s₁vd) +(t₁R_n+u₁R_nv+W₁R_nf+x₁R_nd) +(k₂+m₂v+n₂f+p₂d+q₂df+r₂vf+s₂vd) +(t₂R_n+u₂R_nv+W₂R_nf+x₂R_nd)ln(z) +(k₃+m₃v+n₃f+p₃d+q₃df+r₃vf+s₃vd) +(t₃R_n+u₃R_nv+W₃R_nf+x₃R_nd)ln(z)² +(k₄+m₄v+n₄f+p₄d+q₄df+r₄vf+s₄vd) +(t₄R_n+u₄R_nv+W₄R_nf+x₄R_nd)ln(z)³ +(k₅+m₅v+n₅f+p₅d+q₅df+r₅vf+s₅vd) +(t₅R_n+u₅R_nv+W₅R_nf+x₅R_nd)ln(z)⁴ +(k₆+m₆v+n₆f+p₆d+q₆df+r₆vf+s₆vd) +(t₆R_n+u₆R_nv+W₆R_nf+x₆R_nd)ln(z)⁵ ln(RS_r)＝(k₇+m₇v+n₇f+p₇d+q₇df+r₇vf+s₇vd) +(t₇R_n+u₇R_nv+W₇R_nf+x₇R_nd) +(k₈+m₈v+n₈f+p₈d+q₈df+r₈vf+s₈vd) +(t₈R_n+u₈R_nv+W₈R_nf+x₈R_nd)ln(z) +(k₉+m₉v+n₉f+p₉d+q₉df+r₉vf+s₉vd) +(t₉R_n+u₉R_nv+W₉R_nf+x₉R_nd)ln(z)² +(k₁₀+m₁₀v+n₁₀f+p₁₀d+q₁₀df+r₁₀vf+s₁₀vd) +(t₁₀R_n+u₁₀R_nv+W₁₀R_nf+x₁₀R_nd)ln(z)³ +(k₁₁+m₁₁v+n₁₁f+p₁₁d+q₁₁df+r₁₁vf+s₁₁vd) +(t₁₁R_n+u₁₁R_nv+W₁₁R_nf+X₁₁R_nd)ln(z)⁴ +(k₁₂+m₁₂v+n₁₂f+p₁₂d+q₁₂df+r₁₂vf+s₁₂vd) +(t₁₂R_n+u₁₂R_nv+W₁₂R_nf+X₁₂R_nd)ln(z)⁵ 上式において、ＲＳ_cは周方向における残留応力のレベルあり、 ＲＳ_rは径方向における残留応力のレベルであり、 ｚは１０００分の１インチでの表面の下の深さであり、 ｖ＝１＋２(ln(V)−ln(V_max))／(In(V_max)−ln(V_min))であり、 ｆ＝１＋２(ln(F)−ln(F_max))／(ln(F_max)−ln(F_min))であり、 ｄ＝１＋２(ln(D)−ln(D_max))／(ln(D_max)−ln(D_min))であり、 Ｒ_n＝１＋２(ln(N)−ln(N_max))／(ln(N_max)−ln(N_min))であり、 Ｒ_nは工具ノーズ半径であり、 Ｖ、Ｆ、ＤおよびＮはそれぞれ切削速度、送り速度、切削深さおよび工具 ノーズ半径であり、 Ｖ_max、Ｆ_max、Ｄ_maxおよびＮ_maxは、それぞれ上式を展開するために採用 される、最大切削速度、最大送り速度、最大切削深さおよび最大工具ノーズ半径 であり、 Ｖ_min、Ｆ_min、Ｄ_minおよびＮ_minは、それぞれ上式を展開するために採用 される、最小切削速度、最小送り速度、最小切削深さおよび最小工具ノーズ半径 であり、および ｋ、ｍ、ｎ、ｐ、ｑ、ｒ、ｓ、ｔ、ｕ、ｗおよびｘは定数であり、 さらに、試験片内に存在する残留応力分布に基づいてｋ、ｍ、ｎ、ｐ、ｑ、ｒ 、ｓ、ｔ、ｕ、ｗおよびｘを決定するステップを含む請求の範囲１１に記載の方 法。 １７．請求の範囲１１に記載の方法により製作される部品。 １８．使用応力が加わるベアリングの軌道輪を製造するための方法において、 ベアリングの軌道輪のモデルを用意し、 ベアリングの軌道輪上の使用応力の位置およびレベルを決定するためにモデル 上に使用中の負荷条件を加え、 ベアリングの軌道輪の最大耐用年数を確立する限界応力として少なくとも１つ の使用応力を識別し、 切削速度、送り速度および切削深さの異なる組み合わせを使用して複数のベア リングの軌道輪の試験片を機械加工し、切削速度は約２００から７００面フィー ト／分、送り速度は約０.０００５から約０.００８インチ／回転であり、 切削速度、送り速度および切削深さと試験片上で生成された表面仕上げとの間 の第１の相互関係を決定し、また切削速度、送り速度および切削深さと試験片内 に生成された残留応力分布との間の第２の相互関係を決定し、および次いで 残留的な圧縮応力がベアリングの軌道輪内で限界応力を実質的に相殺するよう にベアリングの軌道輪を製作し、残留的な圧縮応力は限界応力を相殺するように ベアリングの軌道輪のベアリング表面の下で十分なレベルで十分な深さで生成さ れるステップを含んでなり、製作ステップが ベアリングの軌道輪を形成し、 少なくともＲＣ６０にベアリングの軌道輪を硬化し、次いで ベアリングの軌道輪のベアリング表面上に１６マイクロインチＲａ以下の表面 仕上げが付与されるようにベアリングの軌道輪を機械加工するステップを含む部 品を製造する方法。 １９．機械加工ステップが、少なくとも約０．２５インチの工具ノーズ半径を 有する面取りのない工具挿入物で行われる請求の範囲１８に記載の方法。 ２０．請求の範囲１８に記載の方法により製作されるベアリング。