KR101965093B1 - 볼 베어링 및 볼 베어링의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

고부하 시에, 끼움 지지체에 있어서 면압이 국소적으로 높아지는 개소를 존재시키지 않고, 균열의 발생을 억제하고, 나아가 장수명화를 실현한, 볼 베어링을 제공한다. 한 쌍의 끼움 지지체(12, 14)와, 한 쌍의 끼움 지지체 사이에서 이동 가능하게 끼움 지지된 적어도 하나의 전동체(16)를 구비한다. 한 쌍의 끼움 지지체 각각의, 전동체와 접촉하는 부분의 단면 프로파일 라인(14a)은, 한 쌍의 끼움 지지체가 대향하는 제1 방향(D1)으로 가장 돌출되는 위치(P)에서 곡률 반경이 가장 작다. 단면 프로파일 라인은, 단면 내에 있어서의 제1 방향(D1)에 수직인 제2 방향(D2)에 있어서, 위치(P)로부터 이격됨에 따라 곡률 반경이 커진다. 단면 프로파일 라인은, 단일 함수로 이루어진다. 상기 프로파일 라인의 제2 방향에 있어서의 중점을 원점으로 하고, 상기 제2 방향으로 연장되는 축을 X축으로 함과 함께 상기 제1 방향으로 연장되는 축을 Y축으로 하고, 상기 전동체의 반경을 (R)로 한 경우에, 상기 단면 프로파일 라인이 (1)식을 만족시킨다.

Description

볼 베어링 및 볼 베어링의 제조 방법

본 발명은, 균열의 발생을 억제하고, 나아가 장수명화를 실현한, 볼 베어링 및 볼 베어링의 제조 방법에 관한 것이다.

철강, 제지, 풍력 발전 및 광산 등의 각 분야에서 사용되는 각종 기계, 및 자동차 및 철도 차량에는, 각종 볼 베어링이 이용되고 있다. 이들 볼 베어링은, 고부하가 걸리는 가혹한 조건하에서 사용되기 때문에, 국소적으로 균열이 발생할 우려가 있다.

볼 베어링은, 예를 들어 JIS-B1518에 규정되어 있다. 이 규정에서는, 레이디얼 볼 베어링의 경우는, 내륜측(외륜측)의 끼움 지지체(전동 볼이 이동하는 궤도를 구획 형성하는, 볼 베어링의 구성 요소)의 단면 프로파일 라인이 전동 볼 직경의 52％ 이하(53％ 이하)의 홈 곡률 반경을 갖는 것이 권장되고 있다. 한편, 스러스트 볼 베어링의 경우는, 상륜측 및 하륜측의 끼움 지지체의 단면 프로파일 라인이, 모두 전동 볼 직경의 54％ 이하의 홈 곡률 반경을 갖는 것이 권장되고 있다. 그러나, 동 규정에 의한 볼 베어링에 있어서는, 끼움 지지체의 단면 프로파일 라인이 단일의 곡률 반경을 갖는 원호인 점에서, 부하 시의 전동 볼과 끼움 지지체의 접촉 면적이 충분히 확보되지 않는다. 이 때문에, 특히 고부하 시에는, 끼움 지지체의 전동 볼과 접촉하는 부분에 고압이 가해져, 당해 부분에 균열이 발생할 우려가 있었다.

따라서, 최근에는, 끼움 지지체에 가해지는 압력을 더 작게 하여 균열 발생을 억제한 볼 베어링(일본 특허 공개 제2009-174691호 공보: 특허문헌 1)이나, 부하 용량을 비약적으로 향상시켜 균열 발생을 억제한 구름 기계 요소(일본 특허 제3608163호 공보: 특허문헌 2)가 개시되어 있다.

특허문헌 1에는, 전동 볼의 반경과 동일 반경의 원호부와, 당해 원호부를 연장한 접선부로 구성되는 단면 프로파일 라인을 갖는 끼움 지지체가 개시되어 있다. 특허문헌 1에 의하면, 하중에 대해 원호부의 주위 길이를 적절하게 선택함으로써, 차동 슬립을 억제함과 함께, 전동 볼과 원호부의 접촉 면적을 충분히 확보하여 끼움 지지체에 가해지는 면압을 억제하는 것이 가능하다고 되어 있다.

또한, 특허문헌 2에는, 곡률 반경이 상이한 복수의 원호를 매끄럽게 연속시킨 복수의 원호이며, 폭 방향 중앙의 곡률 반경이 비교적 작고, 폭 방향 양측의 곡률 반경이 비교적 큰 복합 원호로 이루어지는 단면 프로파일 라인을 갖는 끼움 지지체가 개시되어 있다. 특허문헌 2에 의하면, 상기 구성을 채용함으로써, 끼움 지지체에 가해지는 압력을 작게 할 수 있어, 이 압력 저감이 끼움 지지체의 표면의 구름 피로에도, 또한 견부 올라탐에도 유리하게 작용하고, 차동 슬립도 작게 할 수 있다고 되어 있다.

또한, 특허문헌 1, 2 외에도, 전동 볼의 궤도 형상을 2차 곡선 등으로 하는 기술(일본 특허 공고 소40-7608호 공보: 특허문헌 3)이나, 전동 볼의 궤도 곡면의 곡률 반경이 홈 저부로부터 견부로 감에 따라 변화되는 기술(일본 특허 공개 소53-139047호 공보: 특허문헌 4)이 개시되어 있다.

그러나, 특허문헌 1(특허문헌 2)과 같이, 전동체가 접촉하는 끼움 지지체의 단면 프로파일 라인이 원호와 접선(복수의 원호)에 의해 구성되는 경우에는, 고부하 시에, 원호와 접선의 경계(원호끼리의 경계)에 압력이 과도하게 가해지고, 나아가 균열이 발생하여 볼 베어링의 장수명화가 도모되지 않을 우려가 있다. 또한, 특허문헌 3(특허문헌 4)과 같이 전동 볼의 궤도 형상의 특정이 추상적이면, 끼움 지지체에 가해지는 압력의 억제를 확실하게 행할 수 있을지 여부가 불명이다.

본 발명은, 상기 사정에 비추어 이루어진 것이며, 고부하 시에, 끼움 지지체에 가해지는 압력이 국소적으로 높아지는 것을 억제하여 균열의 발생을 억제하고, 나아가 장수명화를 실현한, 볼 베어링 및 볼 베어링의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명자들은, 특히 전동체가 이동하는 궤도를 구획 형성하여 전동체와 접촉하는 끼움 지지체의 면압이 국소적으로 높아지는 일이 없는, 볼 베어링에 대해 검토하였다. 그 결과, 끼움 지지체의, 전동체와 접촉하는 부분의 단면 프로파일 라인을, 곡선과 곡선, 혹은 곡선과 직선과 같이, 복수의 함수로 구성하지 않으면, 즉, 당해 프로파일 라인을 특정한 단일 함수에 의해 구성하면, 전동체에 있어서 국소적으로 면압이 높아지는 일이 없고, 그 결과 볼 베어링에 균열이 발생하는 것이 억제되고, 나아가 볼 베어링의 장수명화를 도모할 수 있다는 지견을 얻었다.

또한, 본 발명자들은, 상기 볼 베어링의 제조 방법에 대해서도 아울러 검토하였다. 그 결과, 상기 볼 베어링은, 냉간 압입에 의해서도, 혹은 절삭에 의해서도 얻을 수 있고, 특히 냉간 압입의 경우에는, 특정한 원호 형상 금형을 사용하는 것이 적합하다는 지견을 얻었다.

이상의 지견에 기초하여, 본 발명자들은 발명을 완성하였다. 그 요지는 이하와 같다.

[1] 한 쌍의 끼움 지지체와, 상기 한 쌍의 끼움 지지체 사이에서 이동 가능하게 끼움 지지된 적어도 하나의 전동체를 구비하는 볼 베어링에 있어서,

상기 한 쌍의 끼움 지지체 각각의, 상기 전동체와 접촉하는 부분의 단면 프로파일 라인은, 상기 한 쌍의 끼움 지지체가 대향하는 제1 방향으로 가장 돌출되는 위치에서 곡률 반경이 가장 작고,

상기 단면 프로파일 라인은, 상기 단면 내에 있어서의 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향에 있어서, 상기 위치로부터 이격됨에 따라 곡률 반경이 커지고,

상기 단면 프로파일 라인은, 단일 함수로 이루어지고,

상기 프로파일 라인의 제2 방향에 있어서의 중점을 원점으로 하고, 상기 제2 방향으로 연장되는 축을 X축으로 함과 함께 상기 제1 방향으로 연장되는 축을 Y축으로 하고, 상기 전동체의 반경을 R로 한 경우에,

상기 단면 프로파일 라인이, (1)식을 만족시키는 것을 특징으로 하는 볼 베어링.

[2] 한 쌍의 끼움 지지체와, 상기 한 쌍의 끼움 지지체 사이에서 이동 가능하게 끼움 지지된 적어도 하나의 전동체를 구비하는 볼 베어링의 제조 방법이며,

상기 전동체의 반경을 R로 함과 함께,

상기 볼 베어링의 단면에서 보아, 상기 한 쌍의 끼움 지지체가 대향하는 제1 방향으로 연장되는 축을 X축으로 하고, 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 연장되는 축을 Y축으로 하고,

상기 제1 방향에 있어서의, 상기 끼움 지지체에 형성되는 오목부의 깊이를 d로 한 경우에,

끼움 지지체 재료에 대해, 접촉면의 단면 형상이 (2)식을 만족시키는 곡률 반경 r의 원호 형상 금형을 냉간 압입하는 냉간 압입 공정을 포함함으로써,

(3)식을 만족시키는 프로파일 라인을 갖는 오목부를 형성하는 것을 특징으로 하는 볼 베어링의 제조 방법.

[3] 한 쌍의 끼움 지지체와, 상기 한 쌍의 끼움 지지체 사이에서 이동 가능하게 끼움 지지된 적어도 하나의 전동체를 구비하는 볼 베어링의 제조 방법이며,

상기 전동체의 반경을 R로 함과 함께,

상기 볼 베어링의 단면에서 보아, 상기 한 쌍의 끼움 지지체가 대향하는 제1 방향으로 연장되는 축을 X축으로 하고, 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 연장되는 축을 Y축으로 한 경우에,

끼움 지지체 재료를 절삭하는 절삭 공정을 포함함으로써,

(4)식을 만족시키는 프로파일 라인을 갖고, 깊이 d의 오목부를 형성하는 것을 특징으로 하는 볼 베어링의 제조 방법.

[4] 상기 냉간 압입 공정 또는 상기 절삭 공정에 의해, 상기 끼움 지지체 재료를 가공하고, 상기 깊이 d와 (5)식을 만족시키는 a의 차(d－a)를 상기 제1 방향에 있어서의 오목부 깊이로 하는 중간체를 형성하고,

이어서, 상기 중간체에 ?칭, 템퍼링을 실시하는 열처리 공정과,

열처리 후의 중간체에 상기 [2]에 기재된 원호 형상 금형을 냉간 압입하는 냉간 압입 공정을

순차 행하는, 상기 [2] 또는 [3]에 기재된 볼 베어링의 제조 방법.

본 발명에 관한 볼 베어링에서는, 전동 볼이 이동하는 궤도를 구획 형성하는 끼움 지지체의, 전동체와 접촉하는 부분의 단면 프로파일 라인에 대해 개량을 행하고 있다. 그 결과, 본 발명에 관한 볼 베어링에 의하면, 고부하 시에, 당해 끼움 지지체에 있어서 면압이 국소적으로 높아지는 것을 회피하여 균열의 발생을 억제하고, 나아가 볼 베어링의 장수명화를 도모할 수 있다. 또한, 본 발명에 관한 볼 베어링의 제조 방법에 의하면, 상기 성능을 갖는 볼 베어링을 적합하게 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명에 관한 레이디얼 볼 베어링을 도시하는 평면도이다.
도 2는 도 1에 도시한 볼 베어링의 일부 단면 사시도이다.
도 3은 도 2의 둥근 포위 부분 X를 나타내는 확대도이다.
도 4는 본 발명에 관한 볼 베어링을 구성하는 끼움 지지체의 단면 프로파일 라인에 관하여, 곡률 반경의 도출 방법을 도시하는 도면이다.
도 5는 본 발명에 관한 스러스트 볼 베어링을 도시하는 분해 사시도이다.
도 6은 도 5에 도시한 볼 베어링의 일부 단면 사시도이다.
도 7은 볼 베어링을 구성하는 끼움 지지체의 단면 프로파일 라인에 대해 제작한 FEM 모델을 도시하는 도면이며, (a)는 종래의 형상의 경우이고, (b)는 본원 소정의 형상의 경우이다.
도 8은 실시한 2개의 해석의 초기 상태를 나타내는 모델도이며, (a)는 단순 압입 해석 모델을 나타내고, (b)는 전동 해석 모델을 나타낸다.
도 9는 10스텝 간격에서의(1스텝마다 18.33N을 가한 경우의) 접촉 면압의 변화를 조사한 결과를 나타내는 그래프이며, (a)는 도 7의 (a)에 나타낸 종래의 타입에 관한 결과를 나타내고, (b)는 도 7의 (b)에 나타낸 본원 소정의 타입에 관한 결과를 나타낸다.
도 10은 도 7에 나타낸 2 타입의 FEM 모델의 각 경우에 있어서, 최대 하중 1833N이 가해졌을 때의 면압 분포를 나타내는 그래프이다.
도 11은 도 7에 나타낸 2 타입의 FEM 모델의 각 경우에 있어서, 최대 면압과 1볼당 하중의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 볼 베어링의 재료의 제조 과정을 나타내는 흐름도이다.
도 13은 표 2에 나타내는 끼움 지지체에 대한, 홈 단면 형상을 도시하는 도면이며, (a)는 표 2의 시료 No. 4를 나타내고, (b)는 표 2의 시료 No. 13을 나타낸다.
도 14는 SA재 및 QT재 각각에 대해, 상부 금형의 볼록부의 곡률 반경을 변화시킨 경우의, 홈 저부 곡률 반경과 홈 깊이의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 15는 상부 금형의 볼록부의 곡률 반경 r을 5.1㎜로 하여, QT재의 냉간 압입을 행한 경우의, 홈 깊이와 압입량의 관계를 나타내는 그래프이고, ×표는 파손된 압입량을 나타낸다.
도 16은 도 15에 나타낸 끼움 지지체에 대해 FEM 응력 해석을 행하였을 때의 결과를 나타내는 도면이다.

이하에, 본 발명에 관한 볼 베어링의 실시 형태를 상세하게 설명한다. 또한, 이하의 실시 형태는, 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 상기 실시 형태의 구성 요소에는, 당업자가 치환 가능하고 또한 용이한 것, 혹은 실질적으로 동일한 것이 포함된다. 또한, 상기 실시 형태에 포함되는 각종 형태는, 당업자가 자명한 범위 내에서 임의로 조합할 수 있다.

<볼 베어링>

[본 발명자들의 지견]

볼 베어링의 장수명화를 도모하기 위해서는, 먼저, 전동체가 이동하는 궤도를 구획 형성하는 한 쌍의 끼움 지지체에 가해지는 최대 압력(이하, 「최대 면압」이라고 칭하는 경우가 있음)을 작게 하는 것이 유효하다. 최대 면압은, 통상 끼움 지지체의 접촉 중심에서의 면압이 된다. 여기서, 끼움 지지체의 접촉 중심이라 함은, 단면에서 보아, 끼움 지지체와 전동체의 접촉 부분 중, 당해 접촉 부분을 따라 측정한, 당해 접촉 부분의 양 단부점으로부터 등거리에 있는 위치를 말한다.

이 최대 면압은 하중에 비례하고, 상기 접촉 중심에 있어서의 끼움 지지체의 단면 프로파일 라인의 곡률 반경에 의존한다. 구체적으로는, 접촉 중심에 있어서의 곡률 반경이 작을수록 최대 면압은 작아진다. 단, 접촉 중심에 있어서의 끼움 지지체의 단면 프로파일 라인의 곡률 반경이 전동 볼의 곡률 반경 미만인 경우는, 무부하 시에 접촉 중심에서 전동체와 끼움 지지체가 접촉하지 않고, 하중을 크게 해 감에 따라서 홈(구체적으로는 접촉 중심 주변)을 넓히는 응력이 작용하기 때문에, 접촉 중심에서의 상기 단면 프로파일 라인의 곡률 반경은 전동체의 곡률 반경 이상인 것이 전제가 된다.

이와 같이 최대 면압을 적절하게 제어하는 것을 전제로 하여, 볼 베어링의 장수명화를 높은 레벨로 도모하기 위해서는, 특히 끼움 지지체의 단면 프로파일 라인을 복수의 함수를 조합하여 구성하는 것이 아니라, 특정한 단일 함수로 구성하는 것이 유효하다. 이것은, 당해 프로파일 라인을 복수의 함수에 의해 구성한 경우에는, 함수끼리의 경계점에서 다른 점에 비해 면압이 높아지고, 나아가 균열의 발생을 유발하기 때문이다.

이상에 의해, 끼움 지지체의 단면 프로파일 라인을, 접촉 중심(통상은, 홈 저부)에서 곡률 반경이 가장 작고 홈 저부로부터 이격됨에 따라 곡률 반경이 커지는 특정한 단일 함수로 하면, 최대 면압을 작게 할 수 있는 것을 전제로, 함수끼리의 경계가 없기 때문에 고면압 개소의 발생을 억제할 수 있다. 이에 의해, 볼 베어링의 구성 요소인 한 쌍의 끼움 지지체에 균열이 발생하는 것을 높은 레벨로 억제할 수 있고, 나아가 볼 베어링의 장수명화를 도모할 수 있다. 본 발명자들은, 이러한 지견을 얻어, 이하에 나타내는 발명을 완성시켰다.

[제1 실시 형태(레이디얼 볼 베어링)]

도 1은, 본 발명에 관한 레이디얼 볼 베어링을 도시하는 평면도이다. 도 1에 도시한 레이디얼 볼 베어링(10)은, 한 쌍의 끼움 지지체(내륜부(12), 외륜부(14))와, 한 쌍의 끼움 지지체(12, 14) 사이에서 이동 가능하게 끼움 지지된 적어도 하나의(도면에 나타낸 예에서는 8개의) 전동체(전동 볼(16a, 16b, 16c, 16d, 16e, 16f, 16g, 16h))를 구비한다.

도 1에 도시한 레이디얼 볼 베어링(10)은, 상기 구성하에서, 예를 들어 내륜부(12)에 축 A를 감합시킴과 함께, 외륜부(14)를 고정한 상태에서, 전동 볼(16a∼16h)이 이동함으로써, 내륜부(12)가 회전한다.

구체적으로는, 내륜부(12)의 회전 시에, 도 1에 있어서 전동 볼(16a∼16h)이 자전하면서 시계 방향 혹은 반시계 방향으로 전동(축 A의 주위를 공전)하고, 이들 전동 볼(16a∼16h)과 접촉하는 내륜부(12)가 전동 볼(16a∼16h)의 공전 방향과 동일 방향으로 회전한다.

도 2는, 도 1에 도시한 볼 베어링의 일부 단면 사시도이고, 도 3은 도 2의 둥근 포위 부분 X를 나타내는 확대도이다. 즉, 도 3은 도 1에 도시한 끼움 지지체 중 한쪽인 외륜부(14)의 단면 프로파일 라인(14a)을 도시하는 도면이다. 도 3에 의하면, 단면 프로파일 라인(14a)은, 한 쌍의 끼움 지지체(12, 14)가 대향하는 제1 방향(D1)으로 가장 돌출되는 위치(우측 단부점 P1)에서 곡률 반경이 가장 작고, 당해 단면 내에 있어서의 제1 방향(D1)에 수직인 제2 방향(D2)에 있어서, 상기 위치 P1로부터 이격됨에 따라 곡률 반경이 커지고, 단일 함수로 이루어진다.

또한, 도 3에서는, 단면 프로파일 라인(14a)이 절반밖에 나타나 있지 않지만, 실제로는, 도 3의 점 P1의 우측에도, 점 P1에 대해 대칭으로, 단면 프로파일 라인(14a)은 연장된다. 또한, 도 3에서는, 끼움 지지체 중 한쪽인 외륜부(14)의 단면 프로파일 라인(14a)에 대해 도시하였지만, 본 실시 형태에서는 끼움 지지체 중 다른 쪽이며 도시하지 않은 내륜부(12)의 단면 프로파일 라인에 대해서도 마찬가지의 구조를 갖는다.

이러한 전제하에서, 본 실시 형태에 관한 단일 함수는, 구체적으로는 이하와 같다.

도 4는, 본 발명에 관한 볼 베어링을 구성하는 끼움 지지체의 단면 프로파일 라인에 관하여, 곡률 반경의 도출 방법을 나타내는 도면이다. 도 4에 나타낸 바와 같이 홈 저부에 접촉하는 전동체(전동 볼)의 곡률 반경을 R로 하면, R은 피타고라스의 정리를 사용하여 (6)식으로 나타낼 수 있다.

(6)식을 R로 정리하면, (7)식이 얻어진다.

접촉 중심(홈 저부)에서 곡률 반경이 가장 작고, 또한 홈 저부로부터 이격됨에 따라 전동 볼의 곡률 반경이 커지는 곡선으로서, 타원, 2차 곡선 등이 생각된다. 본 명세서에서는, (6)식 중의 f(x)가 (8)식의 2차 함수로 된다.

(8)식을 (7)식에 대입하면, (9)식이 얻어진다.

홈 저부에서의 곡률 반경 R´이 전동 볼의 곡률 반경 R과 동등할 때, 홈을 넓히는 응력이 작용하지 않고, 또한 접촉 면압이 최소가 된다. 홈 저부는, 도 4에 있어서 X₁＝0이므로, 홈 저부에서의 곡률 반경 R´은, (9)식에 있어서 X₁＝0으로 하여, R´＝1/2a로 된다. 이 때문에, a＝1/2R이 되어, 이것을 (8)식에 대입함으로써, (10)식이 얻어진다.

또한, (10)식에서 얻어지는 끼움 지지체의 단면 프로파일 라인의 형상은 목표값이다. 이 때문에, 가공 정밀도를 고려하는 것이 긴요한 점에서, (11)식과 같이 전동 볼의 곡률 반경 R에는, ±5％의 오차를 가미한다. 또한, 상기 오차는, 0％ 내지 5％인 것이 바람직하다.

본 실시 형태에 있어서는, 단면 프로파일 라인(14a)이, 제1 방향(D1)에 있어서 가장 돌출되는 위치 P1에서 곡률 반경이 가장 작고, 위치 P1로부터, 제2 방향(D2)을 향해 이격됨에 따라 곡률 반경이 크게 되어 있다. 통상, 끼움 지지체(12, 14)의 최대 면압은, 끼움 지지체(12, 14)의 접촉 중심 P1에 가해지고, 접촉 중심 P1에 있어서의 상기 곡률 반경이 작을수록 최대 면압은 작아지는 바, 상기 구성을 채용함으로써, 끼움 지지체(12, 14)에 가해지는 최대 면압을 작게 할 수 있다(작용 1).

또한, 본 실시 형태에 있어서는, 단면 프로파일 라인(14a)이 특정한 단일 함수로 되는 점에서, 단면 프로파일 라인(14a)은 매끄럽게 연장된다. 이 때문에, 단면 프로파일 라인(14a) 상의 점 중에서, 다른 점에 비해 면압이 현저하게 높아지는 점은 존재하지 않는다(작용 2).

이상에 의해, 본 실시 형태에 관한 레이디얼 볼 베어링에 의하면, 작용 1(최대 면압의 억제 작용) 및 작용 2(과도하게 면압이 가해지는 개소의 부존재 작용)가 합쳐져, 전동 볼(16)의 내륜부(12) 및 외륜부(14) 각각에의 부하 시에는, 끼움 지지체(내륜부(12) 및 외륜부(14))에 있어서의 균열의 발생이 높은 레벨로 억제되고, 나아가 볼 베어링의 장수명화를 실현할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에 있어서, 가공 정밀도에 대해, 상술한 바와 같이, ±5％의 오차를 허용하고 있는 이유는, 이하와 같다. 즉, 오차가 마이너스인 경우는 전동 볼의 반경보다 홈 저부의 곡률 반경이 작아져, 무부하 시에는 홈 저부에서 전동 볼과 접하지 않게 된다. 이 때문에, 전동 볼과 전동 홈은 2점에서 접촉하고, 부하 시에는 전동 홈을 넓히는 방향의 응력이 증가한다. 이러한 상황하에서는, 부하 시에 접촉 면적 증가에 의해 최대 면압이 감소하고, 차동 슬립이 증가한다. 따라서, 최대 면압 감소와 차동 슬립 증가를 고려하여, 마이너스의 오차의 허용 범위를 -5％ 미만으로 하였다. 단, 오차가 마이너스로 되는 경우는, 전동 폭을 넓히는 응력이 증가하기 때문에, 가능하면 마이너스의 오차는 피하는 쪽이 좋다. 한편, 오차가 플러스인 경우는, 전동 볼의 반경보다 홈 저부의 곡률 반경이 커져, 무부하 상태에서는 전동 볼은 홈 저부 1점에서 접촉하게 된다. 이 때문에, 전동 폭을 넓히는 응력은 증가하지 않는다. 그러나, 오차가 커지면 최대 면압이 증가하기 때문에, 그 상한을 원호 홈의 최대 응력과 동등해지는 +5％ 미만으로 하였다.

[제2 실시 형태(스러스트 볼 베어링)]

도 5는 본 발명에 관한 스러스트 볼 베어링을 도시하는 분해 사시도이다. 도 5에 도시한 스러스트 볼 베어링(20)은, 한 쌍의 끼움 지지체(상륜부(22), 하륜부(24))와, 한 쌍의 끼움 지지체(22, 24) 사이에서 이동 가능하게 끼움 지지된 적어도 하나의 (도면에 나타낸 예에서는 복수의) 전동체(전동 볼(26a) 등)를 구비한다.

도 5에 도시한 스러스트 볼 베어링(20)은, 상기 구성하에서, 예를 들어 상륜부(22), 전동체(26) 및 하륜부(24)를 조합한 상태에서, 축(도시하지 않음)을 볼 베어링(20)에 감합시킴과 함께, 예를 들어 하륜부(24)를 고정한 상태에서, 전동 볼(26a) 등을 이동시킴으로써, 상륜부(22)가 회전한다.

구체적으로는, 상륜부(22)의 회전 시에, 도 5에 있어서 전동 볼(26a) 등이 자전하면서 시계 방향 혹은 반시계 방향으로 전동(축의 주위를 공전)하고, 이들 전동 볼(16a) 등과 접촉하는 상륜부(22)가 전동 볼(26a) 등의 전동 방향과 동일 방향으로 회전한다.

도 6은, 도 5에 도시한 볼 베어링의 일부 단면 사시도이다. 또한, 도 6 중의 둥근 포위 부분 Y는, 도 5에 도시한 끼움 지지체 중 한쪽인 하륜부(24)의 단면 프로파일 라인을 포함하는 부분이다. 둥근 포위 부분 Y에 포함되는 하륜부(24)의 단면 프로파일 라인은, 상술한 레이디얼 베어링(제1 실시 형태)의 내륜부(12)의 단면 프로파일 라인(14a)(도 3)과 동일 형상이다. 이 때문에, 도 6에 도시한 하륜부(24)의 단면 프로파일 라인은, 한 쌍의 끼움 지지체(22, 24)가 대향하는 제1 방향(D3)으로 가장 돌출되는 위치에서 곡률 반경이 가장 작고, 당해 단면 내에 있어서의 제1 방향(D3)에 수직인 제2 방향(D4)에 있어서, 상기한 위치로부터 이격됨에 따라 곡률 반경이 커지고, 게다가 특정 단일 함수로 이루어진다.

또한, 도 6에 있어서는, 끼움 지지체 중 한쪽인 하륜부(24)의 프로파일 라인 뿐만 아니라, 끼움 지지체 중 다른 쪽인 상륜부(22)의 프로파일 라인에 대해서도 마찬가지의 구조를 갖는 것이다.

본 실시 형태에 있어서도, 한 쌍의 끼움 지지체(22, 24)의 단면 프로파일 라인이, 제1 방향(D3)에 있어서 가장 돌출되는 위치에서 곡률 반경이 가장 작고, 이 위치로부터, 제2 방향(D4)을 향해 이격됨에 따라 곡률 반경이 크게 되어 있다. 이 때문에, 끼움 지지체(22, 24)에 가해지는 최대 면압을 작게 할 수 있다(작용 3).

또한, 본 실시 형태에 있어서도, 단면 프로파일 라인이 특정한 단일 함수로 이루어지는 점에서, 단면 프로파일 라인은 매끄럽게 연장된다. 이 때문에, 단면 프로파일 라인 상의 점 중에서, 다른 점에 비해 면압이 현저하게 높아지는 점은 존재하지 않는다(작용 4).

이상에 의해, 본 실시 형태에 관한 스러스트 볼 베어링에 대해서도, 상술한 레이디얼 볼 베어링의 경우와 마찬가지로, 작용 3(최대 면압의 억제 작용) 및 작용 4(과도하게 면압이 가해지는 개소의 부존재)가 합쳐져, 전동 볼(26a) 등의 상륜부(22) 및 하륜부(24) 각각에의 부하 시에는, 끼움 지지체(상륜부(22) 및 하륜부(24))에 있어서의 균열의 발생이 높은 레벨로 억제되고, 나아가 볼 베어링의 장수명화를 실현할 수 있다.

<볼 베어링의 제조 방법>

[본 발명자들의 지견]

상술한 볼 베어링(레이디얼 볼 베어링 및 스러스트 볼 베어링)은 당업자에게 있어서 널리 제조되는 것, 즉 다종 다양한 방법으로 제조할 수 있는 것이 바람직하다. 이러한 관점에서, 본 발명자들은, 식(12)를 만족시키는 단면 프로파일 라인의 오목부를 갖는 끼움 지지체를 구비하는 볼 베어링의 제조 방법에 대해 검토하였다.

그 결과, 발명자들은, 이러한 볼 베어링이, 적어도 1회의 냉간 압입(냉간 단조)에 의해서도, 절삭에 의해서도, 나아가 절삭과 냉간 압입의 조합에 의해서도 제조할 수 있다는 지견을 얻었다.

구체적으로는, 본 발명자들은, 상술한 볼 베어링을 적어도 1회의 냉간 압입에 의해 제조하는 경우에는, 특정한 원호 형상 금형(상형 펀치)을 사용함으로써 식(12)를 만족시키는 단면 프로파일 라인의 오목부를 갖는 끼움 지지체를 얻을 수 있다는 지견을 얻었다. 또한, 본 발명자들은, 상술한 볼 베어링을 절삭에 의해 제조하는 경우에는, 공지의 어떠한 기술에 의해서도, 식(12)를 만족시키는 단면 프로파일 라인의 오목부를 갖는 끼움 지지체를 얻을 수 있다는 지견을 얻었다.

또한, 본 발명자들은, 오목부의 형성을 다단계로(예를 들어, 복수 회의 냉간 압입에 의해, 혹은 적어도 1회의 절삭과 적어도 1회의 냉간 압입에 의해) 행한 경우에는, 오목부의 단면 프로파일 라인을 고정밀도로 형성할 수 있다는 지견을 얻었다. 또한, 본 발명자들은, 상기한 바와 같이, 오목부의 형성을, QT 처리를 사이에 넣은 다단계 공정에서 행한 경우에는, 오목부의 표면에 균열 등이 발생하지 않아 원하는 오목부를 형성할 수 있고, 특히 최종 형태인 끼움 지지체가 비교적 경질인 경우라도, 균열 등의 발생을 효율적으로 억제할 수 있다는 지견도 얻었다. 본 발명자들은, 이러한 지견을 얻어, 이하에 나타내는 발명을 완성시켰다.

[제3 실시 형태(냉간 압입을 포함하는 볼 베어링의 제조 방법)]

본 실시 형태는, 냉간 압입을 적어도 1회 포함하는, 볼 베어링의 제조 방법이다. 당해 제조 방법은, 예를 들어 도 1에 도시한 바와 같이, 한 쌍의 끼움 지지체(12, 14)와, 한 쌍의 끼움 지지체(12, 14) 사이에서 이동 가능하게 끼움 지지된 적어도 하나의 전동체(16(16a∼16h))를 구비하는 볼 베어링(10)의 제조 방법이다.

냉간 압입(냉간 단조)에 의해 형성되는 홈의 홈 저부 곡률 반경은, 원호 형상 금형(상형 펀치)의 볼록부의 곡률 반경과 압입량에 의존한다. 상기 볼록부의 곡률 반경이 작을수록, 또한 압입량이 클수록, 홈 저부의 곡률 반경은 작아진다. 이것은, 워크(끼움 지지체 재료)가 탄소성체인 것에 기인한다.

또한, 워크에 형성되는 홈 깊이는 압입량과 재질에 의존한다. 즉, 압입량이 클수록 깊은 홈이 형성되고, 동일한 압입량이라도 경재질인 경우의 쪽이 형성되는 홈은 얕아진다.

형성되는 홈 깊이 d, 원호 형상 금형의 볼록부의 곡률 반경 r, 및 형성되는 홈 저부의 곡률 반경 R´의 관계는 (13)식으로 표기할 수 있다.

냉간 압입에 의해 전동 홈을 형성할 때에는, 전동 볼의 반경을 R, 홈 깊이를 d, 홈 저부의 곡률 반경을 R´로 하면, 탈륜 방지를 위해 d≥0.1R, 최대 면압을 낮게 억제하기 위해 1.05R≥R´≥R인 것이 바람직하다.

다음으로, 이러한 관계를 만족시키는, 원호 형상 금형의 볼록부의 곡률 반경 r을 취할 수 있는 범위에 대해 검토하면, r의 오차가 ±5％ 이상이 되면, 끼움 지지체에 대해, 식(12)를 만족시키는 프로파일 라인의 오목부를 높은 정밀도를 갖고 형성하는 것이 곤란해진다. 또한, 상기 프로파일 라인의 오목부를 더 높은 정밀도를 갖고 형성하기 위해서는, r의 오차를 0％ 내지 5％로 하는 것이 바람직하다.

따라서, 원호 형상 금형의 볼록부의 곡률 반경 r은 (14)식과 같이 된다.

이상에 의해, 본 실시 형태에 관한 볼 베어링의 제조 방법은, 전동체(16)의 반경을 R로 함과 함께, 볼 베어링(10)의 단면에서 보아(예를 들어, 도 1에 도시한 경우), 한 쌍의 끼움 지지체(12, 14)가 대향하는 제1 방향으로 연장되는 축을 Y축으로 하고, 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 연장되는 축을 X축으로 하고, 제1 방향에 있어서의, 끼움 지지체(12, 14)에 형성되는 오목부의 깊이를 d로 한 경우에, 끼움 지지체 재료에 대해, 접촉면의 단면 형상이 (14)식을 만족시키는 곡률 반경 r의 원호 형상 금형을 냉간 압입하는 냉간 압입 공정을 포함한다.

이러한 냉간 압입 공정을 거침으로써, 끼움 지지체(12, 14)에, 상기 (12)식을 만족시키는 프로파일 라인을 갖는 오목부를 형성할 수 있다.

[제4 실시 형태(절삭을 포함하는 볼 베어링의 제조 방법)]

본 실시 형태는, 절삭 공정을 포함하는, 볼 베어링의 제조 방법이다. 본 실시 형태의 제조 방법도, 제3 실시 형태에 관한 볼 베어링의 제조 방법과 마찬가지로, 예를 들어 도 1에 도시한 볼 베어링(10(끼움 지지체(12, 14)를 포함함))의 제조 방법이다. 본 실시 형태에서는, 절삭 공정으로서, 공지의 절삭 방법 모두 채용할 수 있다. 본 실시 형태에 따르면, 당해 절삭 공정을 거침으로써, 끼움 지지체(12, 14)에, 상기 (12)식을 만족시키는 프로파일 라인을 갖는 오목부를 형성할 수 있다.

[제5 실시 형태(다단계로 오목부를 형성하는 볼 베어링의 제조 방법)]

본 실시 형태는, 끼움 지지체에의 오목부의 형성을 다단계로 행하는, 볼 베어링의 제조 방법이다. 예를 들어, 끼움 지지체 재료에 대해, 제3 실시 형태의 냉간 압입 또는 제4 실시 형태에 있어서의 절삭을 실시하여 중간체를 얻은 후에, 당해 중간체에 ?칭, 템퍼링을 실시하는 열처리를 실시하고, 이어서 열처리 후의 중간체에 대해, 제3 실시 형태에 있어서 사용한 원호 형상 금형을 냉간 압입한다.

특히, 끼움 지지체 재료에 대해 2단계로 오목부를 형성하는 경우에는, 1회째의 냉간 압입, 또는 절삭에 의해 형성되는 오목부의 깊이를 d₁로 하고, 2회째 또는 후단의 냉간 압입에 의해 형성되는 오목부의 추가적인 깊이를 d₂로 하면, 상기 (13)식은 (15)식과 같이 다시 쓸 수 있다.

또한, 끼움 지지체 재료에 대해 1단계로 오목부를 형성하는 경우에는, 1회째의 냉간 압입 또는 절삭에 의해 형성되는 오목부의 깊이를 d₁로 하고, 그때의 홈 저부의 곡률 반경을 R₁´로 하면, 상기 (15)식은 (16)식과 같이 다시 쓸 수 있다.

여기서, 끼움 지지체 재료에 대해 2단계로 오목부를 형성할 때, 원호 형상 금형의 볼록부의 곡률 반경 r을 취할 수 있는 범위에 대해 검토하면, 상술한 곡률 반경 r의 오차 Δ％는 식(17)과 같이 표기할 수 있다.

R₂: 제1 단계 종료 시(예를 들어, 절삭 공정 종료 시)의 오목부의 홈 저부에 있어서의 곡률 반경

r: 원호 형상 금형의 볼록부의 곡률 반경

예를 들어, (17)식에 있어서, r: 5.1㎜, d₁: 0.4㎜, d₂: 0.2㎜로 하면, (16)식에 의해 제1 단계(냉간 압입) 종료 시의 홈 저부의 곡률 반경 R₁은 5.86㎜로 된다. 여기서, 제1 단계로서 냉간 압입 대신에 절삭을 사용하여, +7.92％의 오차를 갖는 곡률 반경 R₂: 6.33㎜의 오목부를 얻었다고 하자. 이에 대해, 제2 단계(냉간 압입)를 실시하면, (17)식에 의해 목표값 r보다 4.99％ 곡률 반경이 커지지만, 목표 곡률 반경 r의 ± 5.0％ 이내에 들어가 본 특허의 범위가 된다. 또한, 제1 단계, 제2 단계에 있어서의 원호 형상 금형의 곡률을 바꾼 경우라도, 상기한 방법으로, 제2 단계 후에 있어서의 홈 저부의 곡률을 어림할 수 있다.

또한, 이상에 나타낸 제3 실시 형태 내지 제5 실시 형태에 관한, 볼 베어링의 제조 방법에서는, 제1 단계의 전후의 적어도 어느 한쪽에, ?칭, 템퍼링(QT), 구상화 어닐링(SA) 및 연마 중 적어도 1종을 행하는 것이, 끼움 지지체의 표면 성상을 조정할 수 있기 때문에 바람직하다. 단, QT를 실시하여 끼움 지지체가 경화된 후에 본원의 냉간 압입을 행하는 경우에는, 균열 등의 발생을 억제하는 관점에서, QT 후의 끼움 지지체에 형성하는 오목부의 깊이의 증분은 0.2㎜ 이하로 하는 것이 바람직하다.

즉, 끼움 지지체에 대해 오목부를 2단계로 형성하는 경우이며, 특히 1단계째 종료 후에 QT를 실시하는 경우는, 끼움 지지체가 경화되기 전인 1단계째에 있어서는 오목부의 홈 깊이를 비교적 크게 설정하는 한편, 끼움 지지체가 경화된 후인 2단계째에 있어서는 오목부의 홈 깊이를 비교적 작게 설정하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 2단계째 종료 시에 있어서 끼움 지지체의 오목부의 홈 저부 및 그 근방에 균열이 발생하는 것을 효율적으로 억제할 수 있다.

이상에 의해, 본 발명에 관한 볼 베어링의 제조 방법에 의하면, 2차 함수 단면의 프로파일 라인의 오목부를 갖는 끼움 지지체를 유리하게 형성할 수 있고, 단면에서 보았을 때의, 오목부 홈 저부의 곡률 반경을 전동 볼 반경에 근접시킬 수 있고, 나아가 볼 베어링의 피로 수명을 증대시킬 수 있다.

실시예

<볼 베어링>

먼저, 볼 베어링에 관한 실시예를 설명한다.

도 7은, 볼 베어링을 구성하는 끼움 지지체의 단면 프로파일 라인에 대해 제작한 FEM 모델을 나타내는 도면이며, (a)는 종래의 형상의 경우이고, (b)는 본원 소정의 형상의 경우이다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 볼 베어링을 구성하는 끼움 지지체의 단면 프로파일 라인에 대해서, 종래의 형상(곡률 반경이 일정한 원)의 경우(도 7의 (a))와, 본원 소정의 형상(일례로서의, 2차 곡선(Y＝aX²(a는 상수)))의 경우(도 7의 (b))에 대해, FEM(유한 요소법) 모델을 제작하였다. 또한, 이들 2 타입의 모델을 제작하는 데 있어서, 홈 폭(5.0㎜) 및 홈 깊이(0.656㎜)를 동일하게 하였다. 또한, 도 7 중, 부호 32는 전동 볼을 나타내고, 부호 34, 36은 끼움 지지체를 나타낸다. 또한, 도 7의 (b)에 있어서, 홈 저부의 곡률 반경을, 전동 볼의 곡률 반경(4.7625㎜)과 동일하게 하였다. 이 경우, 2차 곡선의 상기 상수 a는, 0.105였다. 또한, 전동 볼의 곡률 반경이 4.7625㎜인 경우의, 상기 식(12)에 있어서의 좌변 및 우변의 2차 함수에 곱해지는 상수는, 각각 약 0.0999875, 약 0.1105125이기 때문에, 상기 상수 a(0.105)를 채용한 2차 곡선은 상기 식(12)를 만족시킨다.

그런데, 도 7의 (a)에 나타낸 원호 홈의 곡률 반경 R´은, 홈 깊이 D, 1/2 홈 폭 W를 사용하여 (18)식과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, 1/2 홈 폭 W＝2.5㎜, 홈 깊이 D＝0.656㎜를 대입하면, 곡률 반경 R´＝5.091㎜를 얻는다. 본원 소정의 형상과 홈 폭(5.0㎜) 및 홈 깊이(0.656㎜)를 동일하게 한 종래 형상의 FEM 모델은, 단일 곡률 원호 홈의 곡률 반경을 5.091㎜로 하였다.

도 7의 (a), (b)에 나타낸 각 FEM 모델의 형상으로부터 명백한 바와 같이, 종래의 형상(도 7의 (a))에 있어서의 전동 볼(32)과 끼움 지지체(34) 사이의 간극에 비해, 본원 소정의 형상(도 7의 (b))에 있어서의 전동 볼(32)과 끼움 지지체(36) 사이의 간극은 작다. 이에 의해, 도 7의 (b)의 타입의 쪽이, 전동 볼(32)과 끼움 지지체(36)의 접촉 면적이 커, 바꾸어 말하면 접촉 면압이 낮을 것이 예상된다.

이러한 전제하에서, 도 7에 나타낸 FEM 모델을 사용하여, 발생하는 면압의 차이를 밝히는 것을 목적으로 한 단순 압입 해석 및 전동 해석의 2종류의 해석을 행하였다. 이들 해석은 모두 탄성 해석이다. 해석 조건의 공통 항목으로서, 질화규소(Si₃N₄)로 이루어지는 전동 볼(탄성률: 300㎬, 포와송비: 0.28)을 사용함과 함께, 시험체(탄성률: 190㎬, 포와송비: 0.3)를 사용하였다. 전동 볼과 시험체의 쿨롬 마찰 계수가 0.05이고, 사용한 솔버는 Marc ver. 2012r1이었다.

도 8은, 실시한 2개의 해석의 초기 상태를 나타내는 모델도이며, (a)는 단순 압입 해석 모델을 나타내고, (b)는 전동 해석 모델을 나타낸다. 단순 압입 해석에서는, 시험체 중심과 전동 볼 중심의 메쉬를 미세하게 자른 부분끼리를 접촉시켜, 100스텝으로 최대 하중 1833N을 가하는 해석을 행하였다. 이에 비해, 전동 해석에서는, 초기에 전동 볼을 시험체의 중심으로부터 2㎜ 이격된 곳에 기울여 배치하고, 100스텝으로 최대 하중 1833N을 가하고, 그 후 전동 볼의 움직임을 제어하는 강체를, 홈을 따른 방향으로 400스텝으로 4㎜ 이동함으로써 전동을 모의하였다. 또한, 전동 볼이 2㎜ 구른 시점에서 시험체와 전동 볼의 미세 메쉬부끼리가 접촉하도록 하였다.

도 9는, 어떠한 하중 영역에 있어서도, 본원 소정의 타입(2차 곡선 홈 등)의 최대 면압이 종래의 타입(단일 원호 홈)의 최대 면압에 비해 낮은 것을 밝히는 것을 목적으로 한, 도 8의 (a)에 나타낸 단순 압입 해석의 결과를 나타내는 그래프이며, 도 7에 나타낸 2 타입의 FEM 모델의 각 경우에 있어서, 10스텝 간격에서의 (1스텝마다 18.33N을 가한 경우의) 접촉 면압의 변화를 조사한 결과를 나타내는 그래프이며, (a)는 종래의 타입에 관한 결과를 나타내고, (b)는 본원 소정의 타입에 관한 결과를 나타낸다. 또한, 도 9의 (a), (b) 중, 종축은 면압(음의 값은 압축을 의미함)을 나타내고, 횡축은 접촉 중심으로부터 홈 폭 방향의 위치를 나타내고 있다. 도 9의 (a), (b)로부터 명백한 바와 같이, 단일 원호 홈보다 2차 곡선 홈의 쪽이, 동일 하중에 있어서의 접촉 길이가 커지고, 결과적으로 접촉 면적이 증가함으로써, 면압이 작은 것을 알 수 있다. 따라서, 이 결과에 기초하여, 최대 면압에 대해서도 단일 원호 홈보다 2차 곡선 홈의 쪽이 낮다고 생각된다.

도 10은, 도 8의 (b)에 나타낸 전동 해석의 결과를 나타내는 그래프이며, 도 7에 나타낸 2 타입의 FEM 모델의 각 경우에 있어서, 최대 하중 1833N이 가해졌을 때의 면압 분포를 나타내는 그래프이다. 도 10으로부터 명백한 바와 같이, 볼 베어링을 구성하는 끼움 지지체의 단면 프로파일 라인이 2차 곡선인 경우는, 당해 단면 프로파일 라인이 단일 원호인 경우에 비해, 홈 폭 중심으로부터의 거리에 따른 면압의 변화가 작고, 특히 홈 폭 중심으로부터 대략 1㎜ 미만의 범위에서는, 면압이 더 작은 것을 알 수 있다.

도 11은, 도 7에 나타낸 2 타입의 FEM 모델의 각 경우에 있어서, 최대 면압과 1볼당 하중의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 11로부터 명백한 바와 같이, 볼 베어링의 끼움 지지체의 단면 프로파일 라인이 2차 곡선인 경우는, 당해 단면 프로파일 라인이 단일 원호인 경우에 비해, 면압을 저하시키는 데 있어서 유효한 것을 알 수 있다. 이것은, 균열의 발생을 억제하는 데 있어서 중요하다. 따라서, 이 결과에 기초해도, 최대 면압에 관하여, 단일 원호 홈보다 2차 곡선 홈의 쪽이 낮다고 할 수 있다.

이상의 결과에 의해, 본원 소정의 타입의 형상의 볼 베어링에 의하면, 최대 면압의 억제 작용이 실증되었다.

또한, 본원 소정의 볼 베어링에서는, 끼움 지지체의 단면 프로파일 라인이 특정한 단일 함수(2차 곡선)로 이루어지는 점에서, 단면 프로파일 라인에 매끄럽게 연장되지 않는 점 등이 존재하지 않으므로, 단면 프로파일 라인 상의 점 중에서, 다른 점에 비해 면압이 현저하게 높아지는 점은 존재하지 않는다. 따라서, 본원 소정의 볼 베어링에 의하면, 과도하게 면압이 가해지는 개소가 없는 것(과도하게 면압이 가해지는 개소의 부존재 작용)도 당연히 발휘된다.

따라서, 본원 소정의 볼 베어링에 의하면, 최대 면압의 억제 작용과, 과도하게 면압이 가해지는 개소의 부존재 작용이 합쳐져, 전동 볼 등의 각 끼움 지지체에의 부하 시에는, 각 끼움 지지체에 있어서의 균열의 발생이 높은 레벨로 억제되고, 나아가 볼 베어링의 장수명화를 실현할 수 있다고 할 수 있다.

<볼 베어링의 제조 방법>

다음으로, 볼 베어링의 제조 방법에 관한 실시예를 설명한다.

[홈 깊이와 홈 저부 곡률 반경의 관계에 관한 실시예]

표 1에 나타내는 조성의 φ90의 SUJ2 환봉으로부터, 도 12(단위는 질량％)에 나타낸 각 열처리 공정을 거친 2종류의 냉간 압입용 시험편(볼 베어링의 끼움 지지체 재료에 상당)을 제작하였다.

즉, 도 12에 나타낸 바와 같이, 표 1에 나타낸 조성의 강재를, 1200℃, 히트 수 1, φ90㎜로부터 φ60㎜로 코깅하고, 60φ㎜×300㎜로 절단하고, 구상화 어닐링(SA)을 행한 후, 조가공(외경 52.5㎜×내경 27.0㎜×길이 6.0㎜)을 실시하였다. 이어서, 조가공재를, 그대로 마무리 가공 SA재(외경 52.5㎜×내경 27.2㎜×길이 5.5㎜)로 함과 함께, ?칭, 템퍼링(QT)을 행하여 마무리 가공 QT재(외경 52.0㎜×내경 27.2㎜×길이 5.5㎜)를 얻었다.

다음으로, 상술한 바와 같이 하여 얻은 마무리 가공 SA재(이하, 「SA재」라고 칭하는 경우가 있음) 및 마무리 가공 QT재(이하, 「QT재」라고 칭하는 경우가 있음)의 각각에 대해 냉간 압입(냉간 단조)을 실시하였다. 당해 냉간 압입에는, 일반적인 냉간 단조기(부하 능력 6000kN의 냉간 단조 시험기)를 사용하였다. 또한, 곡률 반경 5.1㎜, 4.0㎜, 3.0㎜의 3종류의 원호 단면이고, 또한 환상의 볼록부를 갖는 초경(재질: RF06)의 상부 금형을 사용함과 함께, 평판의 하부 금형을 사용하였다. 그리고, 압입량을 변화시켜, 끼움 지지체 재료(SA재 및 QT재)에, 전동 홈을 형성하고, 끼움 지지체를 얻었다.

각 끼움 지지체 재료에의 전동 홈의 형성 후, 전동 홈의 형상 등을 측정하였다. 형상 측정은, 일반적으로, 광학식, 레이저식 또는 촉침식의 형상 측정기로, 측정 폭 8㎜ 이상, 높이 분해능 1㎛ 이상 및 수평 분해능 5㎛ 이상의 조건에서 행할 수 있다. 본 측정에 있어서는, 키엔스사의 형상 측정기(VK-X150)를 사용하여, 전동 홈의 형상 및 전동 홈의 깊이를 측정하였다. 이들 결과를 표 2에 나타낸다.

표 2에 나타내는 시료 No. 1∼13의 각 끼움 지지체는, 단면에서 보았을 때의 홈 형상을 조사한 바, 모두 2차 함수로 근사할 수 있는 것이 판명되었다. 대표예로서, 시료 No.4와 시료 No.13의 각 끼움 지지체에 대한 홈 단면 형상을 도 13의 (a), (b)에 각각 나타낸다.

또한, 도 14는, 홈 저부 곡률 반경과 홈 깊이의 관계를 나타내는 그래프이다. 또한, 도 14의 프레임 밖의 각 표기(예를 들어, SA 5.1)는 끼움 지지체 재료의 재질과 상부 금형의 곡률(㎜)을 나타낸다.

도 14의 결과로부터, 끼움 지지체의 재질, 나아가 변형 저항이 상이한 경우라도, 홈 저부 곡률 반경 R´은, 상부 금형의 볼록부의 곡률 반경 r 및 홈 깊이 d를 사용하여 식(19)로 표기할 수 있는 것이 증명되었다.

이상에 의해, 끼움 지지체의 재질에 상관없이, 원호 단면의 상부 금형을 평판 상의 끼움 지지체 재료에 압입하면, 오목부의 단면 형상은 모두 2차 곡선의 프로파일 형상을 나타내는 것, 및 홈 저부의 곡률 반경과 홈 깊이는 단일의 관계식으로 표기되는 것이 증명되었다.

[끼움 지지체에 2단계로 오목부를 형성하는 경우의 효과에 관한 실시예]

다음으로, 상기한 『홈 깊이와 홈 저부 곡률 반경의 관계에 관한 실시예』에 있어서, 상부 금형의 볼록부의 곡률 반경 r을 5.1㎜로 하여, QT재의 냉간 압입을 행한 경우의, 홈 깊이와 압입량의 관계를 도 15에 나타낸다. 도 15에 따르면, 압입량이 2.3㎜일 때에 파손되는 것을 알 수 있다.

도 16은, 도 15에 나타낸 끼움 지지체에 대해 FEM 응력 해석을 행하였을 때의 결과를 나타내는 도면이다. 도 16에 나타내는 해석 결과로부터, 끼움 지지체와 상부 금형의 볼록부의 접촉 단부에는, 2500㎫ 초과의 인장 응력이 발생하고 있고, 이 응력에 의해 끼움 지지체가 파손되었다고 생각된다. 도 15의 결과로부터, 상부 금형의 볼록부의 곡률 반경을 작게 하면, 발생하는 인장 응력은 작아지지만, 안전을 위해 QT재로 이루어지는 끼움 지지체 재료에 형성하는 최대 홈 깊이는 0.2㎜ 이하로 하는 것이 바람직하다.

이 때문에, 예를 들어 오목부의 홈 깊이를 최종적으로 0.6㎜로 하고자 하는 경우에는, 먼저 QT를 행하고 있지 않은 끼움 지지체 재료에 대해 냉간 압입에 의해 깊이 0.4㎜ 정도의 홈 깊이의 오목부를 형성해 두고, 이어서 QT 처리를 행한 후, 다시 냉간 압입에 의해 0.2㎜ 정도의 홈 깊이의 오목부를 더 형성하는 것이 바람직하다.

이상에 의해, 본 발명의 볼 베어링의 제조 방법 중, 다단계에 의한 끼움 지지체의 제조 방법은, 비교적 연질의 재료에 어느 정도의 홈 깊이의 오목부를 미리 형성해 두고, 이어서 QT 처리를 실시한 후에 냉간 압입을 실시함으로써, 경질의 끼움 지지체라도, 고정밀도로 원하는 단면 프로파일 라인을 갖는 끼움 지지체를 형성할 수 있고, 나아가 볼 베어링의 장수명화를 도모할 수 있는 점에서 유리하다.

10 : 레이디얼 볼 베어링
12 : 내륜부
14 : 외륜부
14a : 궤도의 단면 프로파일 라인
16, 26, 32 : 전동 볼
20 : 스러스트 볼 베어링
22 : 상륜부
24 : 하륜부
34, 36 : 끼움 지지체
D : 홈 깊이
D1, D3 : 제1 방향
D2, D4 : 제2 방향
L : 끼움 지지체 방향 거리
P1, P2 : 점
W : 1/2 홈 폭

Claims (4)

1. 한 쌍의 끼움 지지체를 구비하고, 이들 끼움 지지체 사이에서 전동체를 이동 가능하게 끼움 지지하는 볼 베어링용 끼움 지지체의 제조 방법이며,
   상기 전동체의 반경을 R로 함과 함께,
   상기 한 쌍의 끼움 지지체의 단면에서 보아, 상기 한 쌍의 끼움 지지체가 대향하는 제1 방향으로 연장되는 축을 Y축으로 하고, 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 연장되는 축을 X축으로 하고,
   상기 제1 방향에 있어서의, 상기 끼움 지지체에 형성되는 오목부의 깊이를 d로 한 경우에,
   끼움 지지체 재료에 대해, 접촉면의 단면 형상이 (2)식을 만족시키는 곡률 반경 r의 원호 형상 금형을 냉간 압입하는 냉간 압입 공정을 포함함으로써,
   (3)식을 만족시키는 프로파일 라인을 갖는 오목부를 형성하는 것을 특징으로 하는, 볼 베어링용 끼움 지지체의 제조 방법.
   [수학식 2]
   

   

   
   [수학식 3]
   

   
2. 한 쌍의 끼움 지지체를 구비하고, 이들 끼움 지지체 사이에서 전동체를 이동 가능하게 끼움 지지하는 볼 베어링용 끼움 지지체의 제조 방법이며,
   상기 전동체의 반경을 R로 함과 함께,
   상기 한 쌍의 끼움 지지체의 단면에서 보아, 상기 한 쌍의 끼움 지지체가 대향하는 제1 방향으로 연장되는 축을 Y축으로 하고, 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 연장되는 축을 X축으로 한 경우에,
   끼움 지지체 재료를 절삭하는 절삭 공정을 포함함으로써,
   (4)식을 만족시키는 프로파일 라인을 갖고, 깊이 d의 오목부를 형성하고,
   상기 절삭 공정에 의해, 상기 끼움 지지체 재료를 가공하고, 상기 깊이 d와 (5)식을 만족시키는 a의 차(d－a)를 상기 제1 방향에 있어서의 오목부 깊이로 하는 중간체를 형성하고,
   이어서, 상기 중간체에 ?칭, 템퍼링을 실시하는 열처리 공정과,
   열처리 후의 중간체에 접촉면의 단면 형상이 (2)식을 만족시키는 원호 형상 금형을 냉간 압입하는 냉간 압입 공정을
   순차 행하는 것을 특징으로 하는, 볼 베어링용 끼움 지지체의 제조 방법.
   [수학식 2]
   

   

   
   [수학식 4]
   

   

   
   [수학식 5]
   

   
3. 제1항에 있어서,
   상기 냉간 압입 공정에 의해, 상기 끼움 지지체 재료를 가공하고, 상기 깊이 d와 (5)식을 만족시키는 a의 차(d－a)를 상기 제1 방향에 있어서의 오목부 깊이로 하는 중간체를 형성하고,
   이어서, 상기 중간체에 ?칭, 템퍼링을 실시하는 열처리 공정과,
   열처리 후의 중간체에 접촉면의 단면 형상이 상기 (2)식을 만족시키는 원호 형상 금형을 냉간 압입하는 냉간 압입 공정을
   순차 행하는, 볼 베어링용 끼움 지지체의 제조 방법.
   [수학식 5]
   

   
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 제조 방법에 의해 제조된 볼 베어링용 끼움 지지체와, 상기 한 쌍의 끼움 지지체의 사이에 이동 가능하게 끼움 지지된 적어도 하나의 전동체를 구비하는 볼 베어링의 제조 방법.

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