WO2011155434A1 - 転がり軸受軌道輪用リング部材および転がり軸受 - Google Patents

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松原幸生
田中広政
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    • F16C2360/00—Engines or pumps
    • F16C2360/31—Wind motors

Definitions

  • the present invention relates to a ring member for a rolling bearing bearing ring, a rolling bearing bearing ring and a rolling bearing using the ring member, and a method for manufacturing the ring member and the rolling bearing bearing ring. Further, the present invention relates to a ring member or the like in which a rod-shaped member rolled to have a cross-sectional area is formed into a ring shape and both ends are joined.
  • the material of ultra-large bearing rings such as large, small-lot rolling bearings, especially rolling bearings for wind turbine main shafts, is made into a ring by hot rolling forging after rounding the ingot-cast steel. It is manufactured by a step of forming, or a step of forming ingot-cast steel into a square by rolling, forming a round by hot forging, and forming into a ring shape by hot rolling forging.
  • a method of manufacturing a ring member for small parts such as a starter ring gear for automobiles
  • a method of rounding a rod-shaped material and joining both ends to form a ring member has been proposed (for example, Patent Document 2).
  • the rod-shaped material is, for example, an extruded product.
  • ⁇ Ingot casting solidifies sequentially from outside to inside. Since the volume shrinks as it solidifies, a nest is formed inside the ingot. They are crushed and forged by subsequent hot working (rolling, forging), but due to ingot size limitations, if they cannot be fully tempered, un-joined parts may remain. It is not preferable that the unbonded portion remains. It is clear that sufficient training improves the quality. In the process of forging the rounds in the axial direction and flattening, and punching out the central part, the central part of the round material with inferior internal quality is removed, but there are cases where it cannot be completely removed. is there. Further, since the punched center portion becomes scrap, there is a problem that the yield is poor.
  • the ring member for a rolling bearing bearing ring is a steel ring member that is a material before machining in a bearing ring of a rolling bearing, and is a rod-shaped member that is rolled into a cross-sectional shape of the ring member Is formed into a ring shape, and end faces at both ends are joined to each other. It is preferable to use the rod-shaped member rolled so as to have a necessary forging ratio.
  • the rod-shaped member rolled into the cross-sectional shape of the ring member is formed into a ring shape, high quality can be obtained by performing sufficient training and forging the nest, and in the conventional forging process The center punching process and diameter expansion process are omitted, leading to cost reduction by reducing processes, energy saving, and resource saving by improving yield.
  • a high quality bearing ring can be obtained by forging a nest by sufficient training.
  • this invention aims at quality improvement by giving sufficient training as mentioned above and forging a nest, and the idea differs from the starter ring gear for motor vehicles etc. which were disclosed by prior art document 2. Is.
  • the rod-shaped member is molded into a ring shape in a soft high temperature state such as warm or hot.
  • the joining is performed by liquid phase joining, for example, welding.
  • the cross-sectional shape of the ring member may be a simple rectangular shape or the like, but preferably has an annular groove processed into a raceway groove of a rolling bearing. In that case, since the rod-shaped member is rolled into the cross-sectional shape of the ring member, the rod-shaped member also has a cross-sectional shape having grooves. By forming the groove at the stage of the ring member formed by plastic working, it is possible to reduce the machining allowance, improve the yield, and shorten the working time.
  • the ring member is provided with a mark for discriminating a joint portion in a circumferential direction portion having a joint portion obtained by joining the end faces of both ends. Since there is a concern that the strength of the joint will be lower than other parts, it is convenient to use such as using the joint so that it becomes a non-load area by putting a mark for discrimination, Processing for strengthening the joints described later is facilitated.
  • the joint portion joining the end faces of both ends spans at least the axial range that becomes the raceway surface, and the raceway surface and It may be subjected to a treatment for strengthening the bonding within a depth range in which high stress acts by rolling contact from the surrounding surface.
  • the “depth range in which high stress acts by rolling contact from the circumferential surface serving as the raceway surface” is, for example, a depth that is four times the depth at which the maximum alternating shear stress is maximized.
  • the safety design is acceptable at least up to a maximum contact surface pressure of 3 GPa.
  • the bonding reinforcement depth may be about 5 mm, and 10 mm is sufficient.
  • the rolling bearing race of the present invention is obtained by turning, heat treating, and grinding the ring member for a rolling bearing race of any of the above-described configurations in the present invention. As described above, when processed into a rolling bearing race, the effect of improving the quality by forging the nest by sufficient training is effectively exhibited.
  • This rolling bearing bearing ring is preferably provided with a mark for discriminating the joint portion at a joint portion which is a circumferential portion where the end faces of both ends having a nominal diameter of 1 m or more are joined.
  • this mark is present, as described above, it is possible to employ a suitable usage form in which a large load is not applied to the joint.
  • the rolling bearing according to the present invention includes an inner ring, an outer ring, a plurality of rolling elements, and a cage, and the rolling bearing raceway having the above-described configuration according to the present invention is used for one or both of the inner ring and the outer ring. It was.
  • This rolling bearing may be a large rolling bearing. For example, it may be a bearing that supports the main shaft of the windmill. The diameter of the bearing for the wind turbine main shaft is very large, up to several meters. In the case of such a bearing, the quality improvement effect by using the ring member of the present invention is more effectively exhibited. .
  • the rolling bearing of the present invention uses a rolling bearing bearing ring on which the above-mentioned mark of the present invention is applied to a stationary side wheel of the inner ring and the outer ring, and a circumferential portion with a mark for distinguishing the joint portion, It is good to arrange in the non-load zone of the stationary side wheel. There is concern about insufficient strength at the joints at both ends, but by applying to the stationary side wheel and placing the joint in a non-load zone, a large load may not act on the joint, resulting in insufficient strength. Avoided. In that case, if there is a mark for identifying the joint, the assembling work for arranging the joint in the non-load zone is simplified.
  • a method of manufacturing a ring member for a rolling bearing race of the present invention is a method of manufacturing a steel ring member that is a material before machining in a bearing ring of a rolling bearing, and a cross section of the ring member.
  • a rod-shaped member rolled into a shape is formed into a ring shape, and end faces at both ends are joined to each other.
  • the method of manufacturing a rolling bearing raceway ring according to the present invention is a method of producing a raceway ring having raceway grooves of a rolling bearing, the steel having an annular groove processed into the raceway groove and serving as a material for the raceway ring.
  • (A) is a fragmentary sectional view which shows an example of the rolling bearing which used the ring member as a raw material
  • (B) is an expanded sectional view of the state before turning of the outer ring
  • test piece for the test of friction stir welding which is an example of the reinforcement processing of the ring member. It is explanatory drawing of the test piece for axial load fatigue strength tests among the tests. It is explanatory drawing of the test piece for the torsional fatigue strength test among the tests. It is explanatory drawing of the testing machine of the test. It is a graph which shows the result of the axial load fatigue strength test among the tests. It is a graph which shows the result of the torsional fatigue strength test among the tests.
  • the ring member 1 shown in FIG. 1 (B) is a steel linear rod-like member W rolled so as to have a forging ratio and a cross-sectional shape required for the ring member 1 (FIG. 1 (A)). As shown to a), it winds around the outer periphery of the cylindrical shaping
  • the rod-shaped member W is rolled into the same cross-sectional shape as the ring member 1 and has a circumferential length of the ring member 1. Strictly speaking, the cross-sectional shape is slightly changed by being formed into a ring shape. However, the same cross-sectional shape referred to here ignores the change in the cross-sectional shape due to the above-described ring shape. Say the same. Further, as another ring manufacturing method, ring forming by three-point bending with three rolls as support points is also possible.
  • the rod-shaped member W can be formed into a ring shape by cold working. However, when the height or width of the rod-shaped member W exceeds 50 mm, it is preferably performed in a soft high temperature state. For example, the rod-shaped member W is heated to be warm forming or hot forming. Instead of heating, the rod-shaped member W may be formed into a ring shape after the rod-shaped member W is rolled and before the rod-shaped member W is cooled.
  • the joining of both end faces Wa, Wa of the rod-shaped member W is performed by liquid phase joining, for example, welding.
  • a mark 4 for discriminating the joint 1a is applied to the joint 1a, which is a circumferential portion where the end faces Wa of both ends of the ring member 1 are joined.
  • the mark 4 can be visually observed, and may be a stamp, a part in which a line or a symbol is drawn, a colored part, or the like.
  • the mark 4 may be provided on the side surface of the ring member 1 or on the inner peripheral surface or the outer peripheral surface.
  • the mark 4 is given for the purpose of making it possible to discriminate the joint, for example, for the joint strengthening process described later. Therefore, it is preferable to apply the mark 4 by selecting a place to be applied and a form of the mark 4 so that the mark 4 does not disappear in a process such as turning until the joint strengthening process is performed.
  • the cross-sectional shape of the ring member 1 shown in FIG. 1B (a) may be a simple shape such as a rectangle as shown in FIG. 1B, but a rolling bearing having raceway grooves.
  • the ring When applied to the raceway, as shown in (c) of FIG. 5B, the ring has a shape having an annular groove 3 that is processed into a raceway groove.
  • the rod-shaped member W is also rolled into a rectangular shape shown in FIG. 1A (b) or a cross-sectional shape having the same groove 3 of the ring member 1 shown in FIG.
  • the ring member 1 has an annular groove 3 and is formed into a shape before turning, which is a shape close to the shape after turning, the turning allowance can be reduced, further reducing cost, energy saving, and resource saving.
  • FIG. 2A shows an example of a rolling bearing using the ring member 1.
  • the rolling bearing 10 is a deep groove ball bearing, and includes an inner ring 11, an outer ring 12, a plurality of rolling elements 13, and a cage 14, and is used as a material before turning for one or both of the inner ring 11 and the outer ring 12.
  • the ring member 1 shown in FIG. The inner ring 11 and the outer ring 12 have raceway grooves 11a and 12a that serve as raceway surfaces, respectively.
  • FIG. 2B shows a cross-sectional shape of the ring member 1 when the ring member 1 is used for the outer ring 12 of the rolling bearing 10 of FIG.
  • the solid line indicates the shape of the ring member 1 that is the material before turning
  • the broken line indicates the finished shape of the turning. For the turning, for example, rough turning and finishing turning are performed.
  • the ring member 1 By producing the ring member 1 in this way, high quality can be obtained by performing sufficient training and forging the nest, and omitting the center punching process and the diameter expansion process in the conventional forging process. Can reduce costs, save energy, and save resources by improving yield.
  • a method of manufacturing a ring-shaped element of an automobile starter ring gear a method of forming a ring member from a rod-shaped material has been proposed in Patent Document 2, but the method disclosed in Patent Document 2 is a rolled rod-shaped material.
  • the diameter of a large-sized rolling bearing to be used in this embodiment, for example, for a wind turbine main shaft is an extremely large size of several meters, and the method disclosed in Patent Document 1 is not used.
  • the scale of the rod-shaped member W to be performed is different, the technology and equipment necessary to realize it are also different, and both have different ideas.
  • cross-sectional shape of the ring member 1 is not a simple shape such as a rectangle, but is formed in the shape before turning of the rolling bearing raceway as shown in FIG. This can lead to further cost reduction, energy saving, and resource saving.
  • the joint 1a of the ring member 1 may be insufficient in strength when used as a rolling bearing raceway only by the liquid phase joining described above. Therefore, after rough turning of the ring member 1, the bonding is strengthened at least in the depth range where high stress acts on the rolling contact surface from the circumferential surface which becomes the raceway surface over the axial direction range which becomes the raceway grooves 11 a and 12 a. Apply the process. For example, the process which improves the intensity
  • the joint strengthening portion 1aa subjected to the above (an example is shown by cross hatching in FIG. 2B). Note that the depth at which high stress acts on the rolling contact is at most about 5 mm even if the diameter is several meters, but in FIG. 2B, the bonding strengthening portion 1aa is emphasized so that the drawing can be easily seen. Widely illustrated.
  • the depth at which high stress acts on the rolling contact is, for example, four times the depth at which the maximum alternating shear stress is maximized, as described above.
  • the safety design is acceptable at least up to a maximum contact surface pressure of 3 GPa.
  • the depth at which the maximum alternating shear stress is maximized is about 1 mm. Therefore, the bonding reinforcement depth may be about 5 mm, and 10 mm is sufficient.
  • the strength improving method cold solid phase bonding, for example, friction stir welding is performed. Thereby, as shown in a test example described later, the strength of the joint 1a can be sufficiently secured.
  • friction stir welding is a method in which a cylindrical tool is pressed with a strong force while rotating, so that it penetrates into the joint part of the members (base materials) to be joined together, thereby generating frictional heat and the base material.
  • a joining method in which a plurality of members are integrated by softening and kneading the periphery of the joint plastically with the rotational force of the tool.
  • the joint 1a of the ring member 1 can ensure the required strength, but is slightly inferior to the non-joint. Therefore, it is desirable to arrange the joint 1a or the joint strengthening part 1aa at a position where it does not receive a large load.
  • the joint 1a or the joint strengthening part 1aa at a position where it does not receive a large load.
  • the joint portion 1 a and the joint strengthening portion 1 aa are arranged in the non-load zone A.
  • the mark 4 attached to the circumferential position where the joint 1a is located is effective.
  • the non-load zone A of the outer ring 12 is, for example, a circumferential range of the upper half.
  • the load W acting on the inner ring 11 does not act on the circumferential direction range of the upper half of the outer ring 12, so that the range becomes a non-load zone.
  • JIS-SNCM8105 which is a carburizing steel
  • JIS-SNCM8105 which is a carburizing steel
  • a rolling bearing steel used for a rolling bearing for a wind turbine main shaft.
  • windmills have been installed offshore.
  • rolling bearings for tidal power generation will be required.
  • the amount of water mixed into the rolling bearing 10 is considered to increase.
  • water becomes a hydrogen generation source, and it is considered that the possibility of early separation due to the generation of hydrogen increases.
  • the said embodiment showed the example which used the ring member 1 of FIG.1 (B) for the raw material of the outer ring
  • the ring member 1 of FIG. 1 (B) can be used as a raw material for the bearing rings and the race rings that serve as the inner ring 11 and the outer ring 12 in various rolling bearings such as the double-row tapered roller bearing shown in FIG.
  • the cross-sectional shape of the ring member 1 and the rod-shaped member W is a shape having the grooves 3 processed into the raceway grooves 11a and 12a of the raceway to be applied.
  • the raceway surface 12a ' is a flat conical surface that is not a raceway groove, like the outer ring 12 in the double-row tapered roller bearing of FIG. 5, the cross-sectional shapes of the ring member 1 and the rod-like member W are as follows: A cross-sectional shape having a peripheral surface portion along the raceway surface 12a ′ is formed so that the raceway surface 12a ′ is processed with a small machining allowance.
  • FIG. 6 shows an example of a wind power generator apparatus using the rolling bearing 10 according to this embodiment.
  • a casing 59a of the nacelle 59 is installed on the support base 50 through a swivel bearing 58 so as to be horizontally swivelable.
  • the main shaft 51 is rotatably installed via a plurality of main shaft support bearings 57 installed in the bearing housing 53, respectively.
  • a blade 52 is attached.
  • the other end of the main shaft 51 is connected to the speed increaser 54, and the output shaft of the speed increaser 54 is coupled to the rotor shaft 55 of the generator 56.
  • two main shaft support bearings 57 are arranged side by side, but may be one.
  • the rolling bearing 10 according to any one of the above-described embodiments shown in FIG. 3, FIG. 4, FIG.
  • FIG. 7 a method and result of a strength test of friction stir welding applied to the joint strengthening portion 1aa (FIG. 2B) will be described.
  • a pair of S53C plates (hardness 210HV) 20 having a thickness of 20 mm were butted and friction stir welding was performed along the butted portion to a depth of 10 mm.
  • the rotary tool 21 for performing friction stir welding is a ceramic column having a diameter of 15 mm. The rotation speed was 500 min -1 and the feed speed was 200 mm / min.
  • Fig. 10 shows a schematic diagram of an ultrasonic fatigue testing machine. These test machines are attached to the tip of the amplitude expansion horn 32 with a male screw portion (not shown) provided at one end of the test pieces 30 and 30A, and the vibration generated by the converter 31 is amplified by the amplitude expansion horn 32 and tested. The information is transmitted to the pieces 30 and 30A.
  • the converter 31, the amplitude expanding horn 32, and the test pieces 30 and 30A are all designed to resonate at 20 kHz, and a large stress is repeatedly applied to the nodes 30a and 30Aa at 20 kHz.
  • the other ends of the test pieces 30 and 30A are in an unconstrained state.
  • the converter 31 is driven by the output of the amplifier 34 under the control of the personal computer 33.
  • the difference between the axial load and torsion is whether the converter 31 vibrates longitudinally or torsionally.
  • FIGS. 10 and 11 show the results of ultrasonic fatigue tests for axial load fatigue and torsional fatigue, respectively.
  • the friction stir welded product slightly decreased in strength compared to the non-friction stir welded product. Since the rolling bearings for wind turbine spindles are used for a long time, the maximum contact surface pressure that acts during normal operation is 1.5 GPa or less, and even if a large wind blows once every 20 years, the safety design does not exceed 2 GPa. ing.

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Abstract

　十分な鍛錬を施して巣を鍛着させることによる高品質化、中心部打ち抜き工程等の不要化による低コスト化、省エネルギー化、歩留り向上による省資源化につながる転がり軸受軌道輪用リング部材および転がり軸受を提供する。鋼からなるリング部材(1)であって、このリング部材１の断面形状に圧延された棒状部材(W)をリング状に成形し、両端の端面を相互に接合したものとする。この接合は、溶接等の液相接合とする。リング部材(1)は、転がり軸受の軌道輪における機械加工が施される前の素材とする。その場合に、リング部材(1)は、転がり軸受の軌道溝に加工される環状の溝(3)を有するものとする。接合部(1a)は、リング部材(1)を軸受軌道輪の断面形状に近づける粗旋削加工を行った後、摩擦攪拌接合による強化処理を施す。

Description

転がり軸受軌道輪用リング部材および転がり軸受 関連出願
　本出願は、２０１０年６月９日出願の特願２０１０－１３１６２１の優先権を主張するものであり、その全体を参照により本願の一部をなすものとして引用する。
　この発明は、転がり軸受軌道輪用リング部材、このリング部材を用いた転がり軸受軌道輪および転がり軸受、並びにそのリング部材および転がり軸受軌道輪の製造方法に関し、より詳しくは、必要とする鍛錬成形比，断面積を有すように圧延した棒状部材をリング状に成形し、両端を接合するリング部材等に関する。
　従来、大型で小ロットの転がり軸受、特に風車主軸用の転がり軸受のように超大型のものの軌道輪の素材は、インゴット鋳造した鋼を鍛造で丸材とした後、熱間ローリング鍛造でリング状に成形する工程、もしくはインゴット鋳造した鋼を圧延で角材とした後、熱間鍛造で丸材とし、熱間ローリング鍛造でリング状に成形する工程で製作されている。
　なお、自動車用スターターリングギヤ等の小物部品のリング部材を製造する方法としては、棒状素材を丸めて両端を接合し、リング部材とする方法が提案されている（例えば、特許文献２）。棒状素材は、例えば押し出し加工品とされる。
特表２００１－５１９８５３号公報 特公平１－１６５７８号公報
　インゴット鋳造では，外側から内側に向かって順次凝固する。凝固に伴って体積収縮するため、インゴット内部には巣ができる。それらは、その後の熱間加工( 圧延，鍛造) でつぶされて鍛着するが、インゴットサイズの制約から，十分な鍛錬が施せない場合、未鍛着部が残存することがある。この未鍛着部の残存は好ましくない。十分な鍛錬を施すことが内質を向上させることは明らかである。鍛造で丸材を軸方向に据え込んで平らにし、中心部を打ち抜く工程において、内質が劣る丸材の中心部は除去するようにはしているが、除去しきれない場合があるのが現状である。また、打ち抜いた中心部はスクラップとなるため、歩留まりが悪いという問題もある。
　上記のように、従来の技術では，大型の転がり軸受の軌道輪の素形材は、鍛錬不足で内質が劣り、また鍛造の中心部打ち抜き工程で歩留まりが悪くなるという問題がある。
　この発明の目的は、十分な鍛錬を施して巣を鍛着させることによる高品質化、中心部打ち抜き工程や拡径工程の不要化による歩留り向上、低コスト化、省エネルギー化、省資源化につながる転がり軸受軌道輪用リング部材および転がり軸受軌道輪、並びにその製造方法を提供することである。この発明の他の目的は、この発明の転がり軸受軌道輪の利点を効果的に発揮させることのできる転がり軸受を提供することである。
　この発明の転がり軸受軌道輪用リング部材は、転がり軸受の軌道輪における機械加工が施される前の素材である鋼製のリング部材であって、このリング部材の断面形状に圧延された棒状部材をリング状に成形し、両端の端面を相互に接合したものである。前記棒状部材は、必要な鍛練成形比を有するように圧延されたものを用いることが好ましい。
　この構成によると、リング部材の断面形状に圧延された棒状部材をリング状に成形するため、十分な鍛錬を施して巣を鍛着させることによる高品質化が得られ、また従来の鍛造工程における中心部打ち抜き工程や拡径工程が省略されて、工程削減による低コスト化，省エネルギー化、および歩留り向上による省資源化につながる。このリング部材を用いて転がり軸受の軌道輪を製造することにより、その十分な鍛錬による巣を鍛着させることによる高品質な軌道輪が得られる。なお、この発明は、上記のように十分な鍛錬を施して巣を鍛着させることによる高品質化を図るものであり、先行技術文献２で開示した自動車用スターターリングギヤ等とは、発想が異なるものである。
　前記棒状部材のリング状への成形は、温間または熱間等の軟らかい高温状態で行うことが好ましい。また前記接合は、液相接合、例えば溶接によって行う。
　リング部材の断面形状は、単純な矩形形状等であっても良いが、転がり軸受の軌道溝に加工される環状の溝を有するものとすることが好ましい。その場合、棒状部材はリング部材の断面形状に圧延されたものであるため、棒状部材も溝を有する断面形状とされる。塑性加工で形成されるリング部材の段階で溝を形成しておくことにより、旋削の取代が少なくて済み、歩留りの向上、加工時間の短縮が図れる。
　リング部材には、前記両端の端面を接合した接合部のある円周方向部分に、接合部の判別用の印を施すのが良い。接合部は他の部分よりも強度が低くなることが懸念されるため、判別用の印を施しておくことで、接合部が非負荷域となるように使用する等の使用上の便利や、後述の接合部強化のための処理が容易となる。
　この発明において、断面形状を転がり軸受の軌道輪の断面形状に近づける旋削加工を行った後、前記両端の端面を接合した接合部に、少なくとも軌道面となる軸方向範囲に渡り、かつ軌道面となる周面から転がり接触で高い応力が作用する深さ範囲で、接合を強化する処理を施したものであっても良い。なお、「軌道面となる周面から転がり接触で高い応力が作用する深さ範囲」とは、例えば、最大交番せん断応力が最大になる深さの４倍の深さである。この場合、少なくとも最大接触面圧３ＧＰａまでは許容できる安全設計となる。設計における最大接触面圧が１．５ＧＰａ程度の直径２～４ｍの軸受軌道輪の場合、最大交番せん断応力が最大になる深さは１ｍｍ程度である。したがって、接合強化深さは５ｍｍ程度あればよく、１０ｍｍもあれば十分である。
　上記の液相接合のみでは、転がり軸受軌道輪として用いる場合に強度不足が懸念されるため、リング部材を旋削加工した後、転がり軸受軌道輪の少なくとも転がり負荷を受ける軌道面となる箇所の接合部に対し、転がり接触で高い応力が作用する深さまで接合部の強度を向上させるのが良い。その方法としては固相接合、例えば摩擦攪拌接合を施す。なお、接合部を強化した後、接合強化部が判別できるように、その後の工程で消滅しないような印を再度付すのが良い。
　この発明の転がり軸受軌道輪は、この発明における上記のいずれかの構成の転がり軸受軌道輪用リング部材に、旋削、熱処理、および研削を施したものである。上記のように、転がり軸受軌道輪に加工した場合に、その十分な鍛錬による巣を鍛着させることによる高品質化の効果が、効果的に発揮される。
　この転がり軸受軌道輪は、呼び径が直径１ｍ以上等の前記両端の端面を接合した円周方向部分である接合部に、この接合部の判別用の印を施すのが良い。この印があると、前述のように、接合部に大きな負荷がかからない好適な使用形態が採用できる。
　この発明の転がり軸受は、内輪、外輪、複数の転動体、および保持器を有し、前記内輪および外輪のいずれか一方または両方に、この発明の上記いずれかの構成の転がり軸受軌道輪を用いたものである。この転がり軸受は、大型の転がり軸受であっても良い。例えば、風車の主軸を支持する軸受であっても良い。風車主軸用の軸受の直径は数ｍに及ぶ超大型のものがあるが、このような軸受の場合に、この発明のリング部材を用いたことによる品質向上の効果がより効果的に発揮される。
　この発明の転がり軸受は、前記内輪および外輪のうち、静止側輪に、この発明の上記印が施された転がり軸受軌道輪を用い、前記接合部の判別用の印のある周方向部分を、前記静止側輪の非負荷圏に配置するのが良い。両端の接合部は、強度不足が懸念されるが、静止側輪に適用してその接合部を非負荷圏に配置することにより、接合部に大きな荷重が作用せず、強度不足になることが回避される。その場合に、前記接合部の判別用の印のあると、接合部を非負荷圏に配置する組立作業が簡単となる。
　この発明の転がり軸受軌道輪用リング部材の製造方法は、転がり軸受の軌道輪における機械加工が施される前の素材である鋼製のリング部材を製造する方法であって、このリング部材の断面形状に圧延された棒状部材をリング状に成形し、両端の端面を相互に接合することを特徴とする。この製造方法によると、この発明の転がり軸受軌道輪用リング部材につき述べた上記の十分な鍛錬を施して巣を鍛着させることによる高品質化が得られ、また従来の鍛造工程における中心部打ち抜き工程や拡径工程が省略されて、工程削減による低コスト化，省エネルギー化、および歩留り向上による省資源化につながる。
　この発明の転がり軸受軌道輪の製造方法は、転がり軸受の軌道溝を有する軌道輪を製造する方法であって、前記軌道溝に加工される環状の溝を有し前記軌道輪の素材となる鋼製のリング部材を、前記製造方法によって製造する素材製造過程と、前記リング部材に旋削、熱処理、および研削を施す素材加工過程とを備えている。この製造方法によると、この発明の転がり軸受軌道輪について前述したように、十分な鍛錬を施して巣を鍛着させることによる高品質化、中心部打ち抜き工程や拡径工程の不要化による低コスト化、省エネルギー化、歩留り向上による省資源化につながる。
　請求の範囲および／または明細書および／または図面に開示された少なくとも２つの構成のどのような組合せも、本発明に含まれる。特に、請求の範囲の各請求項の２つ以上のどのような組合せも、本発明に含まれる。
　この発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施形態の説明から、より明瞭に理解されるであろう。しかしながら、実施形態および図面は単なる図示および説明のためのものであり、この発明の範囲を定めるために利用されるべきものではない。この発明の範囲は添付の請求の範囲によって定まる。添付図面において、複数の図面における同一の符号は、同一または相当する部分を示す。
（Ａ）はこの発明の一実施形態に係る転がり軸受軌道輪用リング部材の製造方法を説明する説明図、（Ｂ）は同製造方法で製造されたリング部材の正面図および各種断面形状例を示す図である。 （Ａ）は同リング部材を素材として用いた転がり軸受の一例を示す部分断面図、（Ｂ）は同軸受の外輪の旋削加工前の状態の拡大断面図である。 同軸受の非負荷圏を示す説明図である。 同リング部材を素材として用いた転がり軸受の他の例を示す部分縦断面図である。 同リング部材を素材として用いた転がり軸受のさらに他の例を示す部分縦断面図である。 同軸受を用いた風力発電装置の構成説明図である。 同リング部材の強化処理の一例である摩擦攪拌接合の試験のための、試験片を形成する素材の一例の斜視図である。 同試験のうちの軸荷重疲労強度試験用の試験片の説明図である。 同試験のうちの捩じり疲労強度試験用の試験片の説明図である。 同試験の試験機の説明図である。 同試験のうちの軸荷重疲労強度試験の結果を示すグラフである。 同試験のうちの捩じり疲労強度試験の結果を示すグラフである。
　この発明の一実施形態に係る転がり軸受軌道輪用リング部材、軸受軌道輪、およびその製造方法を、図１（Ａ），（Ｂ）ないし図３と共に説明する。図１（Ｂ）に示すリング部材１は、このリング部材１として必要とする鍛錬成形比，断面形状を有するように圧延した鋼製の直線状の棒状部材Ｗを、図１（Ａ）の（ａ）に示すように、円筒状の成形型２の外周に巻き付けてリング状に成形し、両端の端面Ｗａ，Ｗａを相互に接合したものである。棒状部材Ｗは、リング部材１の断面形状と同じ断面形状に圧延されたものとし、かつリング部材１の円周長さのものとする。なお、厳密には、リング状に成形されることで断面形状も若干の変化が生じるが、ここで言う同じ断面形状とは、上記のリング状に成形されることによる断面形状の変化を無視して同じであることを言う。また、他のリング製造方法として、３本のロールを支持点とした３点曲げによるリング成形も可能である。
　棒状部材Ｗのリング状への成形は冷間加工も可能であるが、棒状部材Ｗの高さや幅が５０ｍｍを超えるような場合は軟らかい高温状態で行うことが望ましい。例えば、棒状部材Ｗを加熱して温間成形または熱間成形とする。加熱する代わりに、棒状部材Ｗの圧延に続き、棒状部材Ｗが冷えてしまうまでの間に、棒状部材Ｗのリング状への成形を行うようにしてもよい。棒状部材Ｗの両端面Ｗａ，Ｗａの接合は、液相接合、例えば溶接によって施す。リング部材１の両端の端面Ｗａを接合した円周方向部分である接合部１ａには、この接合部１ａの判別用の印４を施しておく。印４は、目視が可能なものであり、刻印であっても、また線や記号を描いた部分や、着色部分等であっても良い。印４は、リング部材１の側面に施しても、内周または外周の周面に施しても良い。印４は、例えば、後述の接合部強化処理のために，接合部が判別できるようする目的で施される。そのため、印４は、接合部強化処理を行うまでの旋削等の工程で消滅しないように、施す箇所や印４の形態を選んで施すことが好ましい。
　図１（Ｂ）の（ａ）に示すリング部材１の断面形状は、同図（Ｂ）の（ｂ）に示すような長方形などの単純形状であっても良いが、軌道溝を有する転がり軸受軌道輪に適用する場合は、同図（Ｂ）の（ｃ）に示すように、軌道溝に加工される環状の溝３を有する形状とする。その場合、棒状部材Ｗも、図１（Ａ）の（ｂ）に示す長方形、または（ｃ）に示すリング部材１の同様の溝３を有する断面形状に圧延されたものとする。このようにリング部材１が、環状の溝３を有する、旋削後形状に近い形状である旋削前形状に成形されていれば、旋削取り代が削減でき、さらなる低コスト化、省エネルギー化、省資源化につながる。
　図２（Ａ）は、このリング部材１を用いた転がり軸受の一例を示す。この転がり軸受１０は、深溝玉軸受であって、内輪１１、外輪１２、複数の転動体１３、および保持器１４を有し、前記内輪１１および外輪１２のいずれか一方または両方の旋削前素材として、図１（Ｂ）のリング部材１を用いる。内輪１１および外輪１２は、それぞれ軌道面となる軌道溝１１ａ，１２ａを有している。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）の転がり軸受１０の外輪１２に、前記リング部材１を用いる場合のリング部材１の断面形状を示す。同図において、実線は旋削前素材であるリング部材１の形状を示し、破線は旋削仕上がり形状を示す。旋削は、例えば粗旋削と仕上げ旋削とを行う。
　このようにしてリング部材１を製造することで、十分な鍛錬を施して巣を鍛着させることによる高品質化が得られ、従来の鍛造工程における中心部打ち抜き工程、拡径工程を省略することによる低コスト化、省エネルギー化、歩留り向上による省資源化が得られる。なお、従来、自動車用スターターリングギヤのリング状素形材の製造方法として、棒状素材からリング部材を形成する方法が特許文献２に提案されているが、特許文献２に開示の方法は圧延した棒状部材を用いるものではなく、また、この実施形態で対象とする大型の転がり軸受、例えば風車主軸用のものの直径は数ｍに及ぶ超大型であり、特許文献１に開示された方法とは、使用する棒状部材Ｗも規模が異なり、それを実現するために必要な技術や設備も異なっていて、両者は発想が異なる。
　リング部材１の断面形状が，長方形などの単純形状ではなく、図１（Ｂ）の（ｃ）に示すもののように、転がり軸受軌道輪の旋削前形状に成形されていれば、旋削取り代が削減でき，さらなる低コスト化、省エネルギー化、省資源化につながる。
　リング部材１の接合部１ａは、上記の液相接合のみでは，転がり軸受軌道輪として用いる場合に強度不足が懸念される。そのため、リング部材１を粗旋削加工した後、少なくとも軌道溝１１ａ，１２ａとなる軸方向範囲に渡り、かつ軌道面となる周面から転がり接触で高い応力が作用する深さ範囲で、接合を強化する処理を施す。例えば、接合部１ａのうち、転がり軸受軌道輪の少なくとも転がり負荷を受ける軌道面１１ａ，１２ａとなる軸方向範囲に対し、転がり接触で高い応力が作用する深さまで接合部１ａの強度を向上させる処理を施した接合強化部１ａａ（図２（Ｂ）に交差斜線で一例を示す）とする。なお、転がり接触で高い応力が作用する深さは、直径が数ｍのものでも、せいぜい５mm程度であるが、図２（Ｂ）では、図が見やすいように、接合強化部１ａａを強調して広く図示してある。
　「転がり接触で高い応力が作用する深さ」とは、前述のように、例えば、最大交番せん断応力が最大になる深さの４倍の深さである。この場合、少なくとも最大接触面圧３ＧＰａまでは許容できる安全設計となる。設計における最大接触面圧が１．５ＧＰａ程度の直径２～４ｍの軸受軌道輪の場合、最大交番せん断応力が最大になる深さは１ｍｍ程度である。したがって、接合強化深さは５ｍｍ程度あればよく、１０ｍｍもあれば十分である。その強度向上処理の方法としては、冷間での固相接合、例えば摩擦攪拌接合を施す。これにより、後述の試験例で示すように、接合部１ａの強度が十分に確保できる。接合部１ａを強化した後、接合強化部１ａａが判別できるように、その後の工程で消滅しないような印４Ａ（図３）を付すことが好ましい。なお、摩擦攪拌接合とは、ある円筒状の工具を回転させながら強い力で押し付けることで、相互に接合させる部材（母材）の接合部に貫入させ、これによって摩擦熱を発生させて母材を軟化させるとともに、工具の回転力によって接合部周辺を塑性流動させて練り混ぜることで複数の部材を一体化させる接合法を言う。
　リング部材１の接合部１ａは、必要な強度は確保できるが、非接合部よりは若干強度が劣る。そのため、接合部１ａまたは接合強化部１ａａは、大きな負荷を受けない位置に配置することが望ましい。例えば、図３のように、内輪１１が回転する転がり軸受の外輪１２の場合、接合部１ａ，接合強化部１ａａは、非負荷圏Ａに配置するようにする。この際、接合部１ａのある周方向位置に付した印４が有効になる。外輪１２の非負荷圏Ａは、転がり軸受１０を横軸で配置した場合、例えば上半分の円周方向範囲である。横軸で配置すると、内輪１１に作用する荷重Ｗが、外輪１２の上半分の円周方向範囲には作用しないため、その範囲が非負荷圏となる。
　風車主軸用の転がり軸受に使用する転がり軸受用鋼としては、例えば浸炭用鋼であるJIS-SNCM815 があり、この鋼を用いる。最近、風車は洋上に設置されるようになってきている。また、今後は潮力発電用の転がり軸受も必要になると思われる。そういう環境では、転がり軸受１０内への水混入量が多くなると考えられる。転がり軸受と水との接触下において、水は水素の発生源になり、水素の発生に起因する早期はく離が起きる可能性が高まると考えられる。この実施形態の製造方法によれば、従来では扱えなかった耐水素性を有する鋼、例えばステンレス鋼のリング部材を得ることも可能になると考えられる。
　なお、上記実施形態は、深溝玉軸受からなる転がり軸受１０の外輪１２の素材に、図１（Ｂ）のリング部材１を用いた例を示したが、図４に示す複列自動調心転がり軸受や、図５に示す複列円すいころ軸受等の各種の転がり軸受における、内輪１１や外輪１２となる軌道輪に、図１（Ｂ）のリング部材１を素材として用いることができる。ただし、その場合、リング部材１および棒状部材Ｗの断面形状は、適用する軌道輪の軌道溝１１ａ，１２ａに加工される溝３を有する形状とする。また、図５の複列円すいころ軸受における外輪１２のように、軌道面１２ａ′が軌道溝とはされない平坦な円すい状面等である場合は、リング部材１および棒状部材Ｗの断面形状は、その軌道面１２ａ′に、少ない削り代で加工されるように、軌道面１２ａ′に沿う周面部分を有する断面形状とする。
　図６は、この実施形態に係る転がり軸受１０を用いる風力発電機装置の一例を示す。支持台５０上に旋回座軸受５８を介してナセル５９のケーシング５９ａが水平旋回自在に設置されている。ナセル５９のケーシング５９ａ内には、それぞれ軸受ハウジング５３に設置された複数の主軸支持軸受５７を介して主軸５１が回転自在に設置され、主軸５１のケーシング５９ａ外に突出した部分に、旋回翼となるブレード５２が取付けられている。主軸５１の他端は、増速機５４に接続され、増速機５４の出力軸が発電機５６のロータ軸５５に結合されている。主軸支持軸受５７は、図示の例では２個並べて設置してあるが、１個であっても良い。上記主軸支持軸受５７に、図３，図４，図５等で示した上記実施形態のいずれかの転がり軸受１０が用いられる。
　次に、接合強化部１ａａ（図２（Ｂ））に適用する摩擦攪拌接合の強度試験の方法および結果につき説明する。図７のように、厚さ２０mmのS53C製の一対の板材（硬さ210HV ）２０を突き合わせ、深さ１０mmまで突き合わせ部に沿って摩擦攪拌接合する実験を行った。摩擦攪拌接合を行う回転型のツール２１は、直径15mmのセラミック製の円柱状である。回転速度500min-1，送り速度は200mm/min とした。
　図７の摩擦攪拌接合品から、摩擦攪拌接合部２２をそれぞれ節部３０ａ，３０Ａａとした軸荷重疲労試験片３０（図８）と、ねじり疲労試験片３０Ａ（図９）を製作した（摩擦攪拌接合品）。これらと共に、上記板材２０と同じ材質の板材から採取した軸荷重疲労試験片とねじり疲労試験片（非摩擦攪拌接合品）を、摩擦攪拌接合品と同じ形状寸法で製作した。試験片３０，３０Ａの各部の寸法は、図中に示す。各試験片は、図示の形状に旋削した後、高周波焼入を施し、研削仕上げした。高周波焼入においては、節部は内部まで均一に硬化させ、旧オーステナイト結晶粒度は♯９とした。軸荷重、ねじりは、共に超音波疲労試験（完全両振り，加振周波数20kHz ）で評価した。
　図１０に超音波疲労試験機の模式図を示す。これらの試験機は、振幅拡大ホーン３２の先端に試験片３０，３０Ａの一端に設けた雄ねじ部（図示省略）で取付け、コンバータ３１で発生させた振動を、振幅拡大ホーン３２で増幅して試験片３０，３０Ａに伝えるものである。コンバータ３１、振幅拡大ホーン３２、試験片３０，３０Ａはすべて２０ｋＨｚで共振するように設計されており、節部３０ａ，３０Ａａに２０ｋＨｚで大きな応力が繰り返し作用する。試験片３０，３０Ａの他端は非拘束状態である。コンバータ３１は、パーソナルコンピュータ３３の制御により、アンプ３４の出力で駆動させる。軸荷重、ねじりの違いは、コンバータ３１が縦振動するかねじり振動するかである
　超音波疲労試験に先立ち、節部３０ａ，３０Ａａにエメリー研磨(♯500 ，♯2000)とダイヤモンドラッピング（粒径１μｍ）を施した。超音波疲労試験は高速加振のため、連続加振すると発熱するため、110msec の負荷と1100msecの休止を繰り返す間欠負荷を行った。１０８回の負荷回数まで破断しなければ、試験を打ち切った。
　図１０，図１１に、軸荷重疲労およびねじり疲労の超音波疲労試験結果をそれぞれ示す。軸荷重、ねじり共に、摩擦攪拌接合品は非摩擦攪拌接合品に対して若干強度低下した。風車主軸用の転がり軸受は長期使用されるため、通常運転時に作用する最大接触面圧は1.5GPa以下であり、２０年に１度といわれる大風が吹いても２GPa を超えない安全設計になっている。最大接触面圧１．５GPaでは、転がり摩擦係数をμ＝０．０５と大きく見積も
っても、完全両振りでの軸荷重疲労限度が500MPa以上あれば、接触表面周方向に繰り返し作用する垂直応力振幅によってき裂が生成することはない。図１１に示す試験結果から、１０８回における軸荷重疲労強度は約700MPaであることから、表面起点型損傷は起きないといえる。ISO2007 において、転がり軸受の疲労限最大接触面圧は１．５GPaとされており、その場合に表層内部に作用する最大交番せん断応力振幅は、τ0＝375MPaである。図１２に示す試験結果から、１０８回におけるねじり疲労強度は約650MPaであることから、内部起点型損傷は起きないといえる。
　以上のとおり、図面を参照しながら好適な実施形態を説明したが、当業者であれば、本件明細書を見て、自明な範囲内で種々の変更および修正を容易に想定するであろう。したがって、そのような変更および修正は、請求の範囲から定まる発明の範囲内のものと解釈される。
１…リング部材
１ａ…接合部
１ａａ…接合強化部
２…成形型
３…溝
４…印
４Ａ…印
１０…転がり軸受
１１…内輪
１２…外輪
１３…転動体
１４…保持器
Ａ…負荷域
Ｗ…棒状部材
Ｗａ…端面

Claims (12)

  1. 　転がり軸受の軌道輪における機械加工が施される前の素材である鋼製のリング部材であって、このリング部材の断面形状に圧延された棒状部材をリング状に成形し、両端の端面を相互に接合した転がり軸受軌道輪用リング部材。
  2. 　請求項１において、前記接合が液相接合である転がり軸受軌道輪用リング部材。
  3. 　請求項１において、転がり軸受の軌道溝に加工される環状の溝を有する転がり軸受軌道輪用リング部材。
  4. 　請求項１において、前記両端の端面を接合した接合部のある円周方向部分に、接合部の判別用の印を施した転がり軸受軌道輪用リング部材。
  5. 　請求項１において、断面形状を転がり軸受の軌道輪の断面形状に近づける旋削加工を行った後、前記接合部に、少なくとも軌道面となる軸方向範囲に渡り、かつ軌道面となる周面から転がり接触で高い応力が作用する深さ範囲で、接合を強化する処理を施した転がり軸受軌道輪用リング部材。
  6. 　請求項１に記載の転がり軸受軌道輪用リング部材に、旋削、熱処理、および研削を施した転がり軸受軌道輪。
  7. 　請求項６において、前記両端の端面を接合した円周方向部分である接合部に、この接合部の判別用の印を施した転がり軸受軌道輪。
  8. 　内輪、外輪、複数の転動体、および保持器を有し、前記内輪および外輪のいずれか一方または両方に、請求項６に記載の転がり軸受軌道輪を用いた転がり軸受。
  9. 　請求項８において、風車の主軸を支持する軸受である転がり軸受。
  10. 　請求項８に記載の転がり軸受であって、前記内輪および外輪のうち、静止側輪に請求項８に記載の転がり軸受軌道輪を用い、前記接合部の判別用の印のある周方向部分を、前記静止側輪の非負荷圏に配置した転がり軸受。
  11. 　転がり軸受の軌道輪における機械加工が施される前の素材である鋼製のリング部材を製造する方法であって、このリング部材の断面形状に圧延された棒状部材をリング状に成形し、両端の端面を相互に接合する転がり軸受軌道輪用リング部材の製造方法。
  12. 　転がり軸受の軌道溝を有する軌道輪を製造する方法であって、前記軌道溝に加工される環状の溝を有し前記軌道輪の素材となる鋼製のリング部材を、請求項１１に記載の製造方法によって製造する素材製造過程と、前記リング部材に旋削、熱処理、および研削を施す素材加工過程とを備えた転がり軸受軌道輪の製造方法。
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