JP2007170447A - スラストころ軸受の軌道輪の製造方法およびスラストころ軸受の軌道輪の製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】転動疲労寿命を長くしたスラストころ軸受の軌道輪の製造方法を提供する。
【解決手段】スラストころ軸受の軌道輪の製造方法は、軌道面にクラウニング形状を形成するクラウニング形成工程（図１（Ｄ））と、軌道輪を加熱処理した後に、軌道輪を金型内に拘束した状態で、軌道輪を冷却して焼入れ処理を行う焼入れ工程（図１（Ｅ））とを含む。このような製造方法で製造されたスラストころ軸受の軌道輪は、軌道面にクラウニング形状を有し、そりやうねりが低減されているため、ころの片当たりを防止することができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、スラストころ軸受の軌道輪の製造方法およびスラストころ軸受の軌道輪の製造装置に関する。

カーエアコン用コンプレッサやオートマチックトランスミッション等において、スラスト荷重が発生する箇所に使用されるころ軸受には、スラストころ軸受が使用される。スラストころ軸受は、針状ころに代表される複数のころと、ころを転動させる軌道面を有する軌道輪と、保持器とからなる。

図２２および図２３は、従来のスラストころ軸受の要部を示す断面図である。図２２を参照して、スラストころ軸受１１１は、軌道輪としてのスラスト内輪１１２ａおよびスラスト外輪１１２ｂと、複数のころ１１３と、複数のころ１１３を保持する保持器１１４とを備える。スラスト内輪１１２ａおよびスラスト外輪１１２ｂは、ころ１１３が転走する軌道面１１６ａ、１１６ｂを有する。また、スラスト内輪１１２ａの径方向中央部は、バーリング加工により開口されており、開口孔の縁側には、軸方向に延びた鍔部１１５ａが設けられている。同様に、スラスト外輪１１２ｂの径方向中央部も開口されており、その外径側には、軸方向に折り曲げられた鍔部１１５ｂが設けられている。

スラスト内輪１１２ａとスラスト外輪１１２ｂは、軌道面１１６ａ、１１６ｂが対面するように配置される。複数のころ１１３は、その間に配置され、軌道面１１６ａ、１１６ｂを転走する。なお、ころ１１３が転走する軌道面１１６ａ、１１６ｂには、サイジングやプレステンパーなどのそり直し工程およびバレル研磨処理がなされており、そりやうねりはほとんどなく、平らな形状となっている。

また、図２２で示す鍔部１１５ａ、１１５ｂを有する軌道輪を備えるスラストころ軸受１１１の他に、図２３で示すように、スラストころ軸受１１１と同様の構成で、鍔部１１５ａ、１１５ｂを有さず、軌道輪１１７ａ、１１７ｂの形状が平板状であるスラストころ軸受１１８も存在する。

次に、上記した従来のスラストころ軸受１１１に備えられる軌道輪であるスラスト内輪１１２ａの製造方法の一例について、簡単に説明する。図２４は、スラスト内輪１１２ａの製造方法の概略を示すフローチャートである。図２４を参照して、まず、スラスト内輪１１２ａの素材となる平板状の鋼板を用意する（図２４（Ａ））。ここで、スラスト内輪１１２ａ等の材質としては、ＳＰＣ材、ＳＣＭ材、ＳＫ材等が利用される。次に、打ち抜き刃を有する打ち抜きプレスによって外径を打ち抜き（図２４（Ｂ））、バーリング加工を行って、スラスト内輪１１２ａの径方向中央部を開口し、鍔部１１５ａを設ける（図２４（Ｃ））。

その後、スラスト内輪１１２ａの硬度向上のため、連続炉において、浸炭焼入焼戻処理や、光輝熱処理等の熱処理が行われる（図２４（Ｄ）、（Ｅ））。なお、ここで、誘導コイル等による加熱を利用し、金型プレスを焼入れ媒体として軌道輪をプレスしながら冷却して焼入れを行う技術が、特開２００５−１１３１８６号公報（特許文献１）に開示されている。熱処理後、スラスト内輪１１２ａの軌道面１１６ａに発生しているそりやうねりをサイジングやプレステンパーなどのそり直し工程において除去し（図２４（Ｆ））、バレル研磨処理を施して平滑に仕上げ（図２４（Ｇ））、洗浄を行った後（図２４（Ｈ））、所望のスラスト内輪１１２ａを得る。

なお、このようにして得られたスラスト内輪１１２ａと、同様の工程で得られたスラスト外輪１１２ｂと、ころと、保持器とを組み込んで、上記したスラストころ軸受が製造される。

ここで、スラスト内輪の軌道面にクラウニング形状を施し、ころのエッジロードの発生等を防止して軸受寿命を延ばした技術が、特許３６２８０３３号（特許文献２）に開示されている。特許文献２によると、スラスト内輪等の軌道面の径方向中央部に、軸方向に凸状のクラウニング形状を設けている。軌道面にクラウニング形状を設けることにより、ころの転走時におけるころの転動面と軌道面との片当たりを低減し、ころのエッジロードの発生等を防止している。こうすることにより、軌道輪の転動疲労寿命を長くし、ひいては、このような軌道輪を備えるスラストころ軸受の寿命を延ばしている。
特開２００５−１１３１８６号公報（段落番号００３４〜００３６） 特許３６２８０３３号（段落番号００１５〜００２１、図１等）

昨今、製造時におけるコストダウンの観点から、そりやうねりを除去するサイジングやプレステンパーなどのそり直し工程は省略される傾向にある。その結果、軌道輪には、浸炭焼入焼戻処理や、光輝熱処理等の熱処理工程において発生したそりやうねりが残存することになる。そうすると、特許文献２のように、軌道面にクラウニング形状を設けていても、軌道輪にそりやうねりが残存するため、ころが片当たりするおそれがある。ころが片当たりすると、ころのエッジロードが軌道輪に発生し、軌道輪の転動疲労寿命が短くなるおそれがある。

特に、カーエアコン用コンプレッサ等に使用されるスラストころ軸受については、スラスト荷重が軸に対して非対称に加わり、偏荷重がかかるため、片当たりが発生しやすい。さらに、小型化や軽量化が望まれる方向性においては、より高荷重を受ける必要があり、さらにころのエッジロードが発生するおそれが高くなる。

この場合、特許文献１に開示されるように、金型プレスを焼入れ媒体として軌道輪をプレスしながら冷却して焼入れを行うと、そりやうねりの発生を低減することができる。

しかし、平板状の軌道輪を金型プレスでプレスして焼入れを行う特許文献１に開示の技術では、クラウニング形状を設けた軌道輪に対し、クラウニング形状が損なわれることになるため、そのまま適用することはできない。

この発明の目的は、転動疲労寿命を長くしたスラストころ軸受の軌道輪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、転動疲労寿命を長くしたスラストころ軸受の軌道輪を、容易に製造することができるスラストころ軸受の軌道輪の製造装置を提供することである。

この発明に係るスラストころ軸受の軌道輪の製造方法は、ころを転動させる軌道面を持つスラストころ軸受の軌道輪の製造方法である、ここで、スラストころ軸受の軌道輪の製造方法は、軌道面にクラウニング形状を形成するクラウニング形成工程と、軌道輪を加熱処理した後に、軌道輪を金型内に拘束した状態で、軌道輪を冷却して焼入れ処理を行う焼入れ工程とを含む。

このように構成することにより、焼入れ工程において、軌道輪を拘束した状態で冷却しているため、軌道輪のそりやうねりを低減することができる。そうすると、ころの転走時において、そりやうねりが低減された軌道輪の軌道面に形成されたクラウニング部ところの転動面が接触することになるため、そり直し工程を行わなくとも、ころの片当たりが抑制される。その結果、ころのエッジロードが発生するおそれは減少し、軌道輪の転動疲労寿命を長くすることができる。

好ましくは、クラウニング形成工程と焼入れ工程を同じ金型で行う。こうすることにより、精度よくクラウニング形状を設けた軌道輪を製造することができる。また、軌道輪の製造工程を短縮することができるため、製造時間の短縮や製造設備の簡易化等を図ることができ、生産性を向上することができる。

より好ましくは、焼入れ工程は、金型を冷却することにより、軌道輪を冷却して焼入れを行う。溶液やエアーやガス等の冷却媒体のみを用いた場合には、局部的な冷却により、硬度が不均一となり、結果として、軌道輪の破損を招くことになる。しかし、軌道輪を拘束している金型を冷却することにより軌道輪を冷却すれば、そりやうねりを発生することなく、かつ、軌道輪を均一に冷却することができるため、軌道輪の硬度を均一にすることができる。

さらに好ましくは、焼入れ工程は、金型内に拘束された軌道輪に対して、冷却媒体を接触させることにより行う。こうすることにより、冷却能力を向上させることができ、より効率的に焼入れを行うことができる。

さらに好ましくは、加熱処理は、誘導加熱により行われる。軌道輪を構成する上記した材料は、一旦、所定の温度まで加熱した後、これを冷却して焼入れすることにより、硬度を得ている。ここで、このような加熱処理を行うことにより、短時間で温度を上昇することができる。そうすると、後の焼入れ工程との相乗効果で、軌道輪の組織構造に関して、内部層において、オーステナイトの結晶進行化を抑制し、表面層において、粒界酸化層をほとんど形成させることはなくなる。したがって、内部層および表面層において、軌道輪の硬度を向上することができ、亀裂等が発生するおそれが少なくなる。その結果、軌道輪の破損を防ぐことができる。なお、製造時間も短縮することができる。ここで、粒界酸化層とは、軌道輪の最表面から、酸化物が形成されている領域の最も深い部分までを含む層をいう。

この発明の他の局面においては、スラストころ軸受の軌道輪の製造装置は、ころを転動させる軌道面を持つスラストころ軸受の軌道輪の製造装置である。ここで、スラストころ軸受の軌道輪の製造装置は、軌道面にクラウニングを形成するクラウニング形成部と、軌道輪を加熱する加熱部と、軌道輪を拘束した状態で、軌道輪を冷却して焼入れを行う金型を含む。

このようなスラストころ軸受の軌道輪の製造装置を使用すると、軌道面にクラウニングが形成された軌道輪を、拘束した状態で冷却する焼入れを行うことができる。したがって、軌道面にクラウニング形状を有し、そりやうねりが低減されたスラストころ軸受の軌道輪を、容易に製造することができる。

この発明に係るスラストころ軸受の軌道輪の製造方法を使用すると、焼入れ工程において、軌道輪を拘束した状態で冷却しているため、軌道輪のそりやうねりを低減することができる。そうすると、ころの転走時において、そりやうねりが低減された軌道輪の軌道面に設けられたクラウニング部ところの転動面が接触することになるため、そり直し工程を行わなくとも、ころの片当たりが抑制される。その結果、ころのエッジロードが発生するおそれは減少し、軌道輪の転動疲労寿命を長くすることができる。

また、この発明に係るスラストころ軸受の軌道輪の製造装置を使用すると、軌道面にクラウニングが形成された軌道輪を、拘束した状態で冷却する焼入れを行うことができる。したがって、軌道面にクラウニング形状を有し、そりやうねりが低減されたスラストころ軸受の軌道輪を、容易に製造することができる。

以下、この発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図２は、この発明の一実施形態に係るスラストころ軸受の軌道輪の製造方法で製造されたスラスト内輪の要部を示す断面図である。図２を参照して、スラスト内輪１２ａは、ころが転走する軌道面１６ａを有する。スラスト内輪１２ａの径方向中央部は、バーリング加工により開口され、開口孔の縁側には、鍔部１５ａが設けられている。軌道面１６ａの径方向中央部には、軸方向に凸状のクラウニング部１７ａが形成されている。軌道面１６ａの反対側に位置する面１９の径方向の中央部２０は、凸状のクラウニング部１７ａの形状に対応するように、凹状となっているが、これは、後述する製造方法においてプレス加工により成型されているためである。なお、クラウニング部１７ａが形成される径方向の寸法Ｌは、転走するころの軌道面に接触する長さよりも長く構成する。クラウニング部１７ａの高さＳについては、後述する。

図３は、同様の方法で製造されたスラスト外輪の要部を示す断面図である。図３を参照して、スラスト外輪１２ｂは、径方向中央部が開口され、ころが転走する軌道面１６ｂを有し、外径側には、軸に垂直な方向に折り曲げられた鍔部１５ｂが設けられている。また、上記したスラスト内輪１２ａと同様に、軌道面１６ｂの径方向中央部には、軸方向に凸状のクラウニング部１７ｂが形成されている。

なお、上記したスラスト内輪１２ａおよびスラスト外輪１２ｂの材質としては、炭素含有率が、０．４重量％以上であり、１．２重量％以下である炭素鋼を使用する。０．４重量％よりも含有炭素量が少ないと、後述する焼入れ処理工程において、軸受寿命を満足するのに十分な硬度を得ることができないためである。また、１．２重量％よりも含有炭素量が多いと、焼入れ後において、マルテンサイト化せずにオーステナイトとして残る残留オーステナイト量が多くなり、結果として、この場合も硬度が低下するためである。このような条件を満たす炭素鋼の材質として、ＳＡＥ１０７０等がある。

次に、上記したスラスト内輪１２ａおよびスラスト外輪１２ｂを備えるスラストころ軸受の構成について説明する。図４は、図２に示すスラスト内輪１２ａおよび図３に示すスラスト外輪１２ｂを備えるスラストころ軸受の要部を示す断面図である。図４を参照して、スラストころ軸受１１は、軌道輪としてのスラスト内輪１２ａおよびスラスト外輪１２ｂと、複数のころ１３と、複数のころ１３を保持する保持器１４とを備える。

スラスト内輪１２ａおよびスラスト外輪１２ｂは、軌道面１６ａ、１６ｂが対面するように配置される。複数のころ１３は、その間に配置され、軌道面１６ａ、１６ｂに設けられたクラウニング部１７ａ、１７ｂを転走する。すなわち、ころ１３が転走する際には、ころ１３の転動面１８とスラスト内輪１２ａおよびスラスト外輪１２ｂのクラウニング部１７ａ、１７ｂとが当接することになる。

次に、上記したスラスト内輪１２ａの製造方法の一例について説明する。図１は、スラスト内輪１２ａの製造方法の概略を示すフローチャートである。図１および図２を参照して、上記したスラスト内輪１２ａの製造方法について、説明する。まず、一連の製造方法を簡単に説明すると、始めに、スラスト内輪１２ａの素材となる上記した材質の平板状の鋼板を用意し（図１（Ａ））、打ち抜き刃を有するプレスによって外径を打ち抜く（図１（Ｂ））。その後、バーリング加工によって、スラスト内輪１２ａの径方向中央部を開口するとともに、内径側に鍔部１５ａを設ける（図１（Ｃ））。次に、スラスト内輪１２ａの軌道面１６ａに、後述するクラウニング形成装置を用いてクラウニング部１７ａを形成する（図１（Ｄ））。その後、クラウニング部１７ａが形成されたスラスト内輪１２ａを加熱処理した後、後述する焼入れプレス装置を用いて焼入れ処理を施し（図１（Ｅ））、焼戻しを施す（図１（Ｆ））。スケール落としを施した後（図１（Ｇ））、最後に、このようにして得られたスラスト内輪１２ａを洗浄し（図１（Ｈ））、所望のスラスト内輪１２ａを得る。なお、スラスト外輪１２ｂについても、同様の製造工程で製造される。

次に、上記した製造工程のうち、図１（Ｄ）に示すクラウニング形成工程、図１（Ｅ）に示す焼入れ工程について、詳細に説明する。

まず、図１（Ｄ）に示すクラウニング形成工程について説明する。図５は、上記したクラウニング形成工程において使用されるクラウニング形成装置を示す概略断面図である。まず、図５を参照して、クラウニング形成装置２１の構成について説明すると、クラウニング形成装置２１は、上側に位置する凸状プレス冶具２２と、下側に位置する凹状プレス冶具２３とを備える。凸状プレス冶具２２は、スラスト内輪１２ａと位置決めを行う固定部２４と、凹状プレス冶具２３との位置決めを行う係合部２５と、軌道面１６ａの反対側の面１９からスラスト内輪１２ａを押す凸状クラウニング成型部２６とを備える。凹状プレス冶具２３は、スラスト内輪１２ａを固定し位置決めを行う固定孔２７と、凸状プレス冶具２２との位置決めを行う係合部２８と、軌道面１６ａに形成されるクラウニング部１７ａの形状に沿う凹状クラウニング形成部２９とを備える。なお、図５において、係合部２５は凹状であり、係合部２８は凸状であるが、凹凸形状は、いずれに設けられていても構わず、互いに係合することにより、凸状プレス冶具２２と凹状プレス冶具２３との位置決めができればよい。

次に、スラスト内輪１２ａの軌道面１６ａに、クラウニング部１７ａを形成する方法について説明する。まず、内径側に鍔部１５ａを有するスラスト内輪１２ａを、凹状プレス冶具２３の固定孔２７に、鍔部１５ａが固定孔２７の内径面にはめあうように取り付ける。次に、凸状プレス冶具２２を、図５中の矢印Ｂの方向に移動させる。そうすると、凸状クラウニング形成部２６が、スラスト内輪１２ａの軌道面１６ａの径方向中央部における反対側の面１９を押し込んでいく。そうすると、凹状クラウニング形成部２９に沿うような形状で、スラスト内輪１２ａの軌道面１６ａの径方向中央部に、クラウニング部１７ａが形成される。この場合、係合部２５、係合部２８により、クラウニング部１７ａが形成される径方向の位置は、大きくずれることはない。

なお、軌道面１６ａに設けられるクラウニング部１７ａの形状について、精度を求めない場合には、図６で示すようなクラウニング形成装置３１によって、スラスト内輪１２ａの軌道面１６ａに、クラウニング部１７ａを形成することにしてもよい。図６は、図５に示すクラウニング形成装置２１の他の態様であるクラウニング形成装置３１を示す概略断面図である。図５および図６を参照して、クラウニング形成装置３１と図５に示したクラウニング形成装置２１との相違は、凹状プレス冶具３３に、凹状クラウニング形成部２９の代わりに、逃げ部３５が設けられている点である。このような構成とすることにより、凸状プレス冶具３２に備えられた凸状クラウニング形成部３４を軌道面１６ａの反対側の面１９に押し当てて、クラウニング部１７ａを形成した場合、凸状クラウニング形成部３４の形状のみに沿って、クラウニング部１７ａが形成されることになる。この場合、軌道面１６ａ側に形成されるクラウニング部１７ａの形状は、フリーな状態で形成されるため、クラウニング部１７ａの形状の精度を確保することは困難であるが、容易に、クラウニング部１７ａを形成することができる。

次に、図１（Ｅ）に示す焼入れ工程で使用する焼入れプレス装置について説明する。図７は、焼入れ工程で使用される焼入れプレス装置３６を示す概略断面図である。まず、図７を参照して、焼入れプレス装置３６の構成について説明すると、焼入れプレス装置３６は、金型の上型に該当する上型焼入れプレス冶具３７と、金型の下型に該当する下型焼入れプレス冶具３８とを備える。上型焼入れプレス冶具３７は、上記したクラウニング形成装置２１、３１における凸状プレス冶具２２、３２と同様に、スラスト内輪１２ａの径方向の位置決めおよび固定を行う固定部と、係合部とを備える。また、下型焼入れプレス冶具３８も、クラウニング形成装置２１、３１に含まれる凹状プレス冶具２３、３３と同様に、スラスト内輪１２ａの位置決めおよび固定を行う固定孔と、係合部とを備える。上型焼入れプレス冶具３７および下型焼入れプレス冶具３８には、その内部において周方向に連結する冷却孔３９、４０が設けられている。また、下型焼入れプレス冶具３８には、スラスト内輪１２ａが取り付けられた際に、軌道面１６ａに設けられたクラウニング部１７ａと干渉しないように、逃げ部４１が設けられている。このような逃げ部４１を設けることにより、クラウニング形成工程で形成したクラウニング部１７ａの形状を損なうことはない。また、逃げ部４１には、外部から焼入れ液体または焼入れ気体等の冷却媒体を送り込むため、下型焼入れプレス冶具３８の内部を通って外部と通じる注入孔４２が設けられている。

次に、上記した焼入れプレス装置３６を用いて、スラスト内輪１２ａに焼入れ（加熱処理および焼入れ処理）を行う方法について説明する。まず、軌道面１６ａにクラウニング部１７ａが形成されたスラスト内輪１２ａを、所定の温度まで加熱する。ここで、スラスト内輪１２ａの加熱は、誘導コイル等を利用して、これに通電を行うことにより昇温する誘導加熱を行う。こうすることにより、極めて短時間で、所定の温度までスラスト内輪１２ａを昇温することができる。特に、スラスト内輪１２ａは、薄板状であるため、このような加熱方法においても、数秒程度で昇温することができる。

次に、加熱したスラスト内輪１２ａを、下型焼入れプレス冶具３８にセットする。その後、上型焼入れプレス冶具３７を下方向に移動させて、上型焼入れプレス冶具３７および下型焼入れプレス冶具３８によりスラスト内輪１２ａを拘束した状態で、冷却し焼入れする。この時、冷却孔３９、４０に水等の液体や冷却用の気体を流して、上型焼入れプレス冶具３７および下型焼入れプレス冶具３８を冷却することにより、両焼入れプレス冶具３７、３８の温度を加熱することなく一定温度にしながら、スラスト内輪１２ａを安定して焼入れを行うことができる。

このように焼入れ処理を行うことにより、クラウニング部１７ａの形状を損なうことはない。また、スラスト内輪１２ａを拘束した状態で冷却して焼入れを行っているため、スラスト内輪１２ａのそりやうねりを低減することができる。したがって、後の工程において、サイジングやプレステンパーなどのそり直し加工を施す必要はない。さらに、上型焼入れプレス冶具３７および下型焼入れプレス冶具３８といった金型を、冷却媒体として焼入れを行うことができるため、均一にスラスト内輪１２ａを焼入れすることができる。そうすると、スラスト内輪１２ａを均一な硬度分布とすることができ、転動疲労寿命等の点において有利な結晶組織の構造を、スラスト内輪１２ａの内部層および表面層に形成することができる。結晶構造の詳細については、後述する。

ここで、この発明の一実施形態にかかるスラストころ軸受の軌道輪の製造装置は、凸状クラウニング成型部２６等を備えるクラウニング形成装置２１等と、誘導加熱を行う加熱部と、上型焼入れプレス冶具３７および下型焼入れプレス冶具３８といった金型を備える焼入れプレス装置３６等とを含む。

なお、注入孔４２を通じて、外部側から逃げ部４１に、冷却媒体を送り込み、スラスト内輪１２ａに直接、冷却媒体を接触されるようにしてもよい。こうすることにより、スラスト内輪１２ａに対して、冷却を促進することができる。この場合、上型焼入れプレス冶具３７および下型焼入れプレス冶具３８内によって、スラスト内輪１２ａは拘束されているため、そりやうねりが発生するおそれはない。なお、注入孔４２は、複数設けてもよく、また、上型焼入れプレス冶具３７側に設けてもよい。

また、冷却孔３９、４０を上型焼入れプレス冶具３７等に設けられない場合や、加熱量が大きく、冷却孔３９等を利用した冷却のみでは十分ではない場合、図８に示すように、焼入れプレス装置４３の上型焼入れプレス冶具４４および下型焼入れプレス冶具４５の側面に、放熱用の冷却フィン４６、４７を設けてもよい。このように構成された焼入れプレス装置４３を用いると、冷却性能がより向上する。

なお、上記した同様の工程で、スラスト外輪１２ｂを製造することもできる。図９は、クラウニング形成工程の際に使用されるクラウニング形成装置５１の概略断面図である。図９を参照して、クラウニング形成装置５１は、凸状プレス冶具５２と、凹状プレス冶具５３とを備え、凸状プレス冶具５２は、固定部５４と、係合部５５と、凸状クラウニング形成部５６とを有する。また、凹状プレス冶具５３は、固定孔５７と、係合部５８と、凹状クラウニング形成部５９とを備える。

次に、スラスト外輪１２ｂにクラウニング部を形成する方法について説明すると、まず、凹状プレス冶具５３にスラスト外輪１２ｂを取り付ける。次に、上方に位置する凸状プレス冶具５２を下方向に移動させ、スラスト外輪１２ｂの軌道面１６ｂの反対側の面から凸状クラウニング形成部５６を押し当てると、スラスト外輪１２ｂの軌道面１６ｂに、凸状のクラウニング部１７ｂが形成される。

このようにして、スラスト外輪１２ｂに、クラウニング部１７ｂを形成し、スラスト内輪１２ａと同様に加熱および焼入れを行って、スラスト外輪１２ｂを製造する。

また、上記の実施の形態については、クラウニング形成工程を行った後に、焼入れ工程を行うことにしたが、これに限らず、クラウニング形成工程および焼入れ工程を、同じ金型を用いて行うことにしてもよい。

図１０は、クラウニング形成工程と焼入れ工程を同じ金型を用いて行う場合に使用するクラウニング形成兼焼入れプレス装置を示す断面図である。図１０を参照して、まず、クラウニング形成兼焼入れプレス装置６１の構成について説明する。クラウニング形成兼焼入れプレス装置６１は、凸状焼入れプレス冶具６２と、凹状焼入れプレス冶具６３とを備える。凸状焼入れプレス冶具６２は、上記したクラウニング形成装置２１に備えられた凸状プレス冶具２２と同様に、固定部６４と、係合部６５と、凸状クラウニング形成部６６とを有する。また、焼入れプレス装置３６に備えられた上型焼入れプレス冶具３７と同様に、冷却孔６７を有する。凹状焼入れプレス冶具６３についても、上記したクラウニング形成装置２１に備えられた凹状プレス冶具２３と同様に、固定孔６８と、係合部６９と、凹状クラウニング形成部７０とを有する。また、焼入れプレス装置３６に備えられた下型焼入れプレス冶具３８と同様に、冷却孔７１を有する。

次に、クラウニング形成工程と焼入れ工程を同じ金型を用いて行う方法について、図１０を参照して説明する。まず、クラウニング形状が形成されていないスラスト内輪１２ａを、誘導コイル等で加熱する。その後、クラウニング形成兼焼入れプレス装置６１の凹状焼入れプレス冶具６３に取り付ける。次に、凸状焼入れプレス冶具６２を下方向に移動させ、スラスト内輪１２ａを加圧する。そうすると、凸状焼入れプレス冶具６２に設けられた凸状クラウニング形成部６６および凹状焼入れプレス冶具６３に設けられた凹状クラウニング形成部７０により、スラスト内輪１２ａの径方向中央部に、凹状クラウニング形成部７０の形状に沿ったクラウニング部１７ａが形成される。

ここで、凸状焼入れプレス冶具６２および凹状焼入れプレス冶具６３によって、スラスト内輪１２ａは拘束される。この状態で、冷却孔６７、７１に冷却媒体を送り込み、凸状焼入れプレス冶具６２および凹状焼入れプレス冶具６３を冷却して両プレス冶具６２、６３の温度を安定させて、スラスト内輪１２ａを冷却し、焼入れを行う。

こうすることに、クラウニング形成工程および焼入れ工程を同時に行うことができる。そうすると、焼入れ工程において使用される焼入れプレス６２、６３を使用し、同じ金型で軌道輪の軌道面にクラウニング形状を形成することができる。その結果、上記した効果、すなわち、均一な硬度分布、転動疲労寿命等の点における有利な結晶構造、スラスト内輪１２ａのそり、うねりの低減に加え、クラウニング形成工程におけるクラウニング形成装置を省略することができ、製造工程および製造設備の削減を図ることができる。特に、クラウニング部１７ａの形状に沿って、凸状焼入れプレス冶具６２および凹状焼入れプレス冶具６３がスラスト内輪１２ａを拘束して焼入れを行っているため、精度よくクラウニング部１７ａを形成することができる。

なお、この場合においても、冷却孔６７、７１の冷却能力だけでは不十分である場合には、図１１で示すように、クラウニング形成兼焼入れプレス装置７２の凸状焼入れプレス冶具７３および凹状焼入れプレス冶具７４に冷却フィン７５、７６を設けることにより、冷却性能を向上させることにしてもよい。

また、上記した図８に示す焼入れプレス装置４３と同様に、クラウニング部の形状について、精度を要求しない場合には、図１２に示すように、クラウニング形成兼焼入れプレス装置７７の凹状焼入れプレス冶具７８に、逃げ部７９を設けるだけでもよい。なお、逃げ部７９と外部に通じる注入孔８０を設け、この注入孔８０を利用して、冷却媒体を流し込むことにしてもよい。

スラスト外輪１２ｂを製造する際も同様に、クラウニング形成工程および焼入れ工程を同時に行うことができる。図１３は、この場合に使用されるクラウニング形成兼焼入れプレス装置を表す概略断面図である。図１３を参照して、クラウニング形成兼焼入れプレス装置８１は、凸状焼入れプレス冶具８２と、凹状焼入れプレス冶具８３とを備える。凸状焼入れプレス冶具８２は、上記と同様、固定部８４と、係合部８５と、凸状クラウニング形成部８６とを有し、かつ、冷却孔８７および冷却能力の向上のための冷却フィン８８を有する。凹状焼入れプレス冶具８３についても同様に、固定孔８９と、係合部９０と、凹状クラウニング形成部９１とを有し、かつ、冷却孔９２および冷却能力の向上のための冷却フィン９３とを有する。スラスト外輪１２ｂを誘導コイル等によって加熱し、凹状焼入れプレス冶具８３に取り付け、凸状焼入れプレス冶具８２を下方向に移動して、クラウニング部１７ｂを形成する。また、これと同時に冷却孔８７、９２に冷却媒体を流し、焼入れを行う。

次に、このようにして得られたスラスト内輪１２ａ等の軌道輪の内部層および表面層の組織構造について説明する。

また、図１４に、焼入れ処理とクラウニング形成処理を同じ金型で行う製造方法の概略フローチャートを示す。

上記したように、軌道輪には、図１（Ｅ）および図１（Ｆ）の工程において、誘導加熱による加熱処理および金型プレスを焼入れ媒体とした焼入れ処理が施されている。そうすると、軌道輪の内部層における旧オーステナイト結晶粒界は、非常に少なくなる。旧オーステナイト結晶粒界とは、軌道輪の鋼組織が焼入れ工程においてオーステナイト化した際に形成される結晶粒界であって、鋼組織を腐食液により腐食させた場合、優先的に腐食されて出現する境界線をいう。旧オーステナイト結晶粒界で閉じられた領域が多くなるにつれ、内部起点型の亀裂等が発生しやすくなる。

ここで、軌道輪の内部におけるオーステナイト層の観察方法について説明すると、まず、軌道輪の軌道面に垂直な方向に、軌道輪を切断する。次に、切断された断面を鏡面研磨し、ピクリン酸飽和水溶液に界面活性剤を加えた液、たとえば、ピクリン酸飽和水溶液に界面活性剤を加えたもの（ＪＩＳ Ｇ ０５５１ 付属書１）に浸漬する。そして、鏡面研磨した面を腐食させた後、光学顕微鏡で４００倍に拡大し、その組織を観察する。

このようにして観察された軌道輪の内部層の結晶組織の顕微鏡写真を、図１５（Ａ）、（Ｂ）に示す。ここで、図１５（Ａ）は、この発明の一実施形態に係る製造方法で製造された軌道輪の内部層の結晶組織を示す顕微鏡写真であり、図１５（Ｂ）は、従来の熱処理方法として光輝熱処理を施した軌道輪の内部層の結晶組織を示す顕微鏡写真である。なお、従来の熱処理としては、光輝熱処理炉において８５０℃で４０分間保持した後、油冷することにより焼入れを行っている。また、図１５（Ａ）を元に描いた旧オーステナイト結晶粒界の模式図を、図１６（Ａ）に、図１５（Ｂ）を元に描いた旧オーステナイト結晶粒界の模式図を、図１６（Ｂ）に示す。ここで、旧オーステナイト結晶粒界の存在比率を測定する際には、実サイズにおいて、２２５μｍ×１７５μｍの四角形状で仕切られた領域内の存在比率を測定することにしてもよい。

図１５（Ａ）、（Ｂ）および図１６（Ａ）、（Ｂ）を参照して、まず、図１５（Ａ）および図１６（Ａ）において、内部層の結晶組織における旧オーステナイト結晶粒界は、ほとんど進行しておらず、全体の視野に比較して、１０％以下である。これは、上記した誘導加熱において、極めて短時間で昇温し、その後金型プレスを焼入れ媒体として焼入れしたことにより、オーステナイトの結晶化が進行せず、オーステナイト結晶粒界を生じさせなかったことによるものである。

これに対し、図１５（Ｂ）および図１６（Ｂ）においては、内部層の結晶組織における旧オーステナイト結晶粒界の進行は進んでおり、ほとんどすべての視野に対し、旧オーステナイト結晶粒界が存在し、全体の視野に比較して、９０％以上である。これは、熱処理工程において、オーステナイトの結晶化が進行し、オーステナイト結晶粒界を生じさせたことによるものである。

このような旧オーステナイト結晶粒界は、周辺組織と異なった組織構造であるため、内部起点型の亀裂が促進するおそれがある。したがって、このような加熱処理および焼入れ処理を行うことにより、旧オーステナイト結晶粒界を低減することができ、具体的には、全体視野の１０％以下とすることにより、内部起点型の亀裂の発生を抑制することができる。そうすると、軌道面の転動疲労寿命を長くすることができる。

一方、軌道輪の表面層には、浸炭熱処理等により、鋼中のＣｒ、Ｍｎ等の合金元素と雰囲気ガス中に存在する酸素とが反応して、酸化物が形成される。ここで、最表面から酸化物が形成されている領域の最も深い部分までを含む粒界酸化層においては、周辺組織と異なった組織構造を有するため、この場合も硬度が低くなり、表面起点型の亀裂等が発生しやすくなる。

軌道輪の表面層における旧オーステナイト層の観察方法について説明する。まず、軌道輪を、軌道面に垂直な方向に切断する。次に、切断した面を鏡面研磨した後、研磨面を室温で３％ナイタルに浸漬して腐食させた。なお、腐食は、数秒程度で進行するが、軌道輪に使用される鋼種によって、腐食の進行状態は異なるので、腐食度合いを確認しながら浸漬する。

このようにして得られた表面層の断面を、光学顕微鏡により観察した。このときの顕微鏡写真を、図１７（Ａ）、（Ｂ）に示す。図１７（Ａ）は、この発明の一実施形態に係る製造方法で製造した軌道輪の表面層の結晶組織を示す顕微鏡写真であり、図１７（Ｂ）は、従来の熱処理方法として光輝熱処理を施した軌道輪の表面層の結晶組織を示す顕微鏡写真である。図１７（Ａ）および（Ｂ）を参照して、図１７（Ａ）においては、粒界酸化層はほとんど観察されず、最表面から少なくとも１μｍ以下である。これは、上記した誘導加熱において、極めて短時間で昇温し、その後焼入れしたことにより、表面層の酸化反応がほとんど進行しなかったことによるものである。一方、図１７（Ｂ）においては、最表面から６μｍ程度の位置まで、粒界酸化層が観察される。したがって、この発明に係る焼入れ工程を行うことにより、粒界酸化層をほとんど形成することはないため、表層起点型の亀裂の発生を抑制することができる。そうすると、軌道輪の転動疲労寿命を長くすることができる。

このように、この発明に係る焼入れ工程を行うことにより、内部起点型および表層起点型の亀裂の発生を抑制することができるので、軌道輪の破損を防止することができ、転動疲労寿命を長くすることができる。

ここで、上記したこの発明の一実施形態に係るスラストころ軸受の軌道輪の製造方法で製造された軌道輪および従来の製造方法で製造された軌道輪について、その軌道面のそり、うねりを測定した。この測定結果を表１に示す。図１８（Ａ）は、スラスト内輪１２ａを軸方向からみた図、図１８（Ｂ）は、スラスト内輪１２ａの断面図である。表１において、そり、うねりを測定した箇所は、図１８（Ａ）の点線で示すように、軌道面１６ａの軌道径の中央部である。測定器は、真円度測定器（タリロンド２６５：テーラーホブソン社製）を使用した。なお、この部分の母線形状曲線の例を、図１９に示す。

表１を参照して、現行品である平板状のスラスト軌道輪のそり、うねりの平均値は、０．０７４ｍｍであるのに対し、この発明におけるスラストころ軸受の軌道輪の製造方法で製造されたクラウニング付平板状スラスト軌道輪のそり、うねりの平均値は、０．０２４ｍｍである。したがって、そり、うねりの平均値は、現行品と比較して、約１／３に低減されている。

また、軌道輪の硬度は、転動疲労寿命を考慮すると、一般的には、浸炭焼入焼戻処理または光輝熱処理等を行って得られる最低限の硬度であるＨＶ６５３以上が必要である。現行品の軌道輪が、ＨＶ７２０であるのに対し、この発明における製造方法で製造された軌道輪は、ＨＶ７８０であり、硬度においても、現行品よりも優れているとともに、ＨＶ６５３以上であり、転動疲労寿命を低下させることはない。

次に、このような軌道輪を備えるスラストころ軸受の寿命を比較するための試験を行った。試験条件を表２に、試験結果を表３に示す。なお、寿命は、現行品に対する比である寿命比で算出した。

表３を参照して、現行における浸炭焼入れ処理をした平板状のスラスト軌道輪に対して、この発明に係る製造方法で製造したクラウニング付平板状スラスト軌道輪を含むスラストころ軸受は、寿命が３．８倍である。また、製造時において、クラウニング形状を設けず、焼入れプレスによる焼入れ処理を行った平板状スラスト軌道輪を含むスラストころ軸受は、現行品に対して、寿命が２．９倍程度であるため、これに対しても、より長寿命となっている。

また、ここで、上記したこの発明に係る製造方法で製造したスラスト内輪のクラウニング高さＳと、このようなスラスト内輪を含むスラストころ軸受の寿命との関係を試験した。なお、クラウニング高さＳとは、基準となる軌道面１６ａに対して、クラウニング部１７ａの最大高さを表し、図２における寸法Ｓで示される。図２０は、上記したこの発明に係る製造方法で製造したスラスト軌道輪のクラウニング高さＳと、このスラスト軌道輪を含むスラストころ軸受の寿命比との関係を表すグラフである。なお、ここで、寿命比とは、実際に寿命試験を行ったときに測定された寿命と、形状から算出した計算寿命との比であり、この寿命比の値が１から大きくなるほど、実寿命が長く、好ましい。また、この場合において、クラウニング高さＳがマイナスとは、図２１に示すように、たとえば、スラスト内輪９６の軌道面９７に形成されたクラウニング部９８が、軌道面９７よりも下方向に凹んでいる状態を示す。

図２０を参照して、クラウニング高さＳは、０．００１〜０．０１３ｍｍであれば、１よりも大きいため、長寿命を図ることができる。したがって、上記したこの発明における製造方法におけるクラウニング形成工程において、クラウニング部１７ａ等を形成する際には、スラスト内輪１２ａ等の材質、大きさ等を考慮して、クラウニング高さＳを０．００１〜０．０１３ｍｍとなるようにするとよい。

以上より、この発明に係るスラストころ軸受の軌道輪の製造方法を使用すると、焼入れ工程において、軌道輪を拘束した状態で冷却しているため、軌道輪のそりやうねりを低減することができる。そうすると、ころの転走時において、そりやうねりが低減された軌道輪の軌道面に設けられたクラウニング部ところの転動面が接触することになるため、そり直し工程を行わなくとも、ころの片当たりが抑制される。その結果、ころのエッジロードが発生するおそれは減少し、軌道輪の転動疲労寿命を長くすることができる。

また、この発明に係るスラストころ軸受の軌道輪の製造装置を使用すると、軌道面にクラウニングが形成された軌道輪を、拘束した状態で冷却する焼入れを行うことができる。したがって、軌道面にクラウニング形状を有し、そりやうねりが低減されたスラストころ軸受の軌道輪を、容易に製造することができる。

なお、上記の実施の形態においては、軌道輪を加熱処理する工程として、誘導加熱を行ったが、これに限らず、他の加熱方法により、軌道輪を加熱することにしてもよい。

また、上記したスラストころ軸受に含まれるころには、針状ころや棒状ころ、円筒ころ等が含まれる。また、上記した実施の形態において、スラストころ軸受は、複数のころの間隔を保持する保持器を有することとしたが、これに限らず、保持器を有しないスラストころ軸受についても、適用される。なお、上記の実施の形態においては、鍔部を有する軌道輪について説明したが、これに限らず、鍔部を有しない軌道輪についても適用される。

以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示した実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。

この発明に係るスラストころ軸受の軌道輪の製造方法およびスラストころ軸受の軌道輪の製造装置は、転動疲労寿命を長くした軌道輪を製造することができるため、長寿命が要求されるカーエアコン用コンプレッサやトランスミッション等に使用されるスラストころ軸受に含まれるスラストころ軸受の軌道輪を製造する際に、有効に利用できる。

この発明の一実施形態に係るスラスト内輪の製造方法の概略を示すフローチャートである。 スラストころ軸受の軌道輪であるスラスト内輪の要部を示す断面図である。 スラストころ軸受の軌道輪であるスラスト外輪の要部を示す断面図である。 図２に示すスラスト内輪および図３に示すスラスト外輪を備えるスラストころ軸受の要部を示す断面図である。 スラスト内輪を製造する際に使用されるクラウニング形成装置の概略断面図である。 図５に示すクラウニング形成装置の他の実施形態である。 スラスト内輪を製造する際に使用される焼入れプレス装置の概略断面図である。 図７に示す焼入れプレス装置の他の実施形態である。 図５に示すクラウニング形成装置のさらに他の実施形態である。 スラスト内輪を製造する際に使用されるクラウニング形成兼焼入れプレス装置の概略断面図である。 図１０に示すクラウニング形成兼焼入れプレス装置の他の実施形態である。 図１０に示すクラウニング形成兼焼入れプレス装置のさらに他の実施形態である。 図１０に示すクラウニング形成兼焼入れプレス装置のさらに他の実施形態である。 この発明の他の実施形態に係るスラスト内輪の製造方法の概略を示すフローチャートである。 スラスト内輪の内部層の結晶組織の観察写真であり、（Ａ）従来における光輝熱処理による熱処理を施した軌道輪、（Ｂ）この発明に係る焼入れ処理を施した軌道輪を示す。 図１５（Ａ）、（Ｂ）に表された内部組織の模式図である。 スラスト内輪の表面層の結晶組織の観察写真であり、（Ａ）従来における光輝熱処理による熱処理を施した軌道輪、（Ｂ）この発明に係る焼入れ処理を施した軌道輪を示す。 スラスト軌道輪のそり、うねりを測定する箇所を示す図であり、（Ａ）スラスト軌道輪を軸方向からみた図、（Ｂ）スラスト軌道輪の断面図である。 軌道面のそり、うねりの母線形状曲線の一例を示すグラフである。 スラスト軌道輪のクラウニング高さＳと、スラスト軌道輪を含むスラストころ軸受の寿命比との関係を表すグラフである。 クラウニング部がマイナスの値を示すスラスト内輪の要部を示す断面図である。 従来における鍔付スラストころ軸受の要部を示す断面図である。 従来における平板状のスラストころ軸受の要部を示す断面図である。 従来におけるスラストころ軸受の軌道輪の製造方法の概略を示すフローチャートである。

符号の説明

１１ スラストころ軸受、１２ａ，９６ スラスト内輪、１２ｂ スラスト外輪、１３ ころ、１４ 保持器、１５ａ，１５ｂ 鍔部、１６ａ，１６ｂ，９７ 軌道面、１７ａ，１７ｂ，９８ クラウニング部、１８ 転動面、１９ 面、２０ 中央部、２１，３１，５１ クラウニング形成装置、２２，３２，５２ 凸状プレス冶具、２３，３３，５３ 凹状プレス冶具、２４，５４，６４，８４ 固定部、２５，２８，５５，５８，６５，６９，８５，９０ 係合部、２６，３４，５６，６６，８６ 凸状クラウニング形成部、２７，５７，６８，８９ 固定孔、２９，５９，７０，９１ 凹状クラウニング形成部、３５，４１，７９ 逃げ部、３６，４３ 焼入れプレス装置、３７，４４ 上型焼入れプレス冶具、３８，４５ 下型焼入れプレス冶具、３９，４０，６７，７１，８７，９２ 冷却孔、４２，８０ 注入孔、４６，４７，７５，７６，８８，９３ 冷却フィン、６１，７２，７７，８１ クラウニング形成兼焼入れプレス装置、６２，７３，８２ 凸状焼入れプレス冶具、６３，７４，７８，８３ 凹状焼入れプレス冶具。

Claims (6)

1. ころを転動させる軌道面を持つスラストころ軸受の軌道輪の製造方法であって、
   軌道面にクラウニング形状を形成するクラウニング形成工程と、
   軌道輪を加熱処理した後に、前記軌道輪を金型内に拘束した状態で、前記軌道輪を冷却して焼入れ処理を行う焼入れ工程とを含む、スラストころ軸受の軌道輪の製造方法。
2. 前記クラウニング形成工程と前記焼入れ工程を同じ金型で行う、請求項１に記載のスラストころ軸受の軌道輪の製造方法。
3. 前記焼入れ工程は、前記金型を冷却することにより、前記軌道輪を冷却して焼入れを行う、請求項１または２に記載のスラストころ軸受の軌道輪の製造方法。
4. 前記焼入れ工程は、前記金型内に拘束された前記軌道輪に対して、冷却媒体を接触させることにより行う、請求項１〜３のいずれかに記載のスラストころ軸受の軌道輪の製造方法。
5. 前記加熱処理は、誘導加熱により行われる、請求項１〜４のいずれかに記載のスラストころ軸受の軌道輪の製造方法。
6. ころを転動させる軌道面を持つスラストころ軸受の軌道輪の製造装置であって、
   軌道面にクラウニングを形成するクラウニング形成部と、
   軌道輪を加熱する加熱部と、
   前記軌道輪を拘束した状態で、前記軌道輪を冷却して焼入れを行う金型とを含む、スラストころ軸受の軌道輪の製造装置。