JP2008002494A - 転がり軸受用保持器およびこれを用いた転がり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】製造コストが安価で、かつ耐摩耗性や耐焼き付き性に優れた新規な転がり軸受用保持器およびこれを用いた転がり軸受の提供。
【解決手段】 転がり軸受用の転動体３を保持するための保持器４において、材料を金属とし、少なくとも前記転動体３との摺動部表面５にショットピーニング処理を施し、その表面の最大粗さが２．５μｍ以下であることを特徴とする。これによって製造コストが安価で、かつ耐摩耗性や耐焼き付き性に優れた転がり軸受が得られる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、転動体や内輪および外輪に摺動接触する部材の摺動面に耐摩耗処理および低摩耗抵抗処理を施した転がり軸受用保持器およびこれを用いた転がり軸受に関するものである。

従来より産業機械や自動車などの部品として不可欠な転がり軸受は、回転する軸体側に支持される内輪と、静止体側に支持される外輪およびその間に設けられる複数の転動体などは、それぞれ鋼にて構成され、それら各転動体を保持する保持器は、黄銅などの金属にて構成されているのが一般的である。また、このような転がり軸受は、その内輪と外輪との間に常時油やグリース等の潤滑剤が供給されるようになっており、これによって転動体などの摺動摩擦を低減して軸体の回転を一層円滑にしている。

しかしながら、例えばターボチャージャーやガスタービンのシャフトなどのように超高速で回転する軸体にこの種の転がり軸受を適用した場合、摺動摩擦によってその部分が異常に高温となって焼き付きが発生することがある。すなわち、軸体の高速回転に伴い、その軸受の転動体、内輪、外輪および保持器が互いに擦れあって摩耗するだけでなく、その摩擦熱によってグリース等の潤滑剤の流動性が低下したり、摩擦粉が各部材に絡み付いたりしてさらに摩耗が促進される。そして、この摩耗の進行により転動体や保持器が破損すると軸体側の回転が急に悪化すると共に振動が激しくなって焼き付きが発生することになる。

このため、例えばこの転動体を耐熱性に優れたセラミック材料で構成することによって焼き付きの発生を抑制することが行われている。すなわち、セラミック材料は、鋼に比べて軽量であるため、転動体に加わる遠心力や転動体の自転に対する回転エネルギが小さく、従って転動体と外輪との間に加わる力が小さい。また、セラミック材料は耐摩耗性にも優れている。

ところがこのように転動体をセラミック材料にて構成した場合でも保持器が外輪と擦れあって摩耗したり、そのときに発生する摩擦熱や摩耗粉によって各部材の摩耗が促進されたりすることがあり、焼き付きの発生を充分に抑制することは困難である。
そのため、例えば以下の特許文献１などでは、この転動体をセラミック材料で構成するだけでなく、さらにこのセラミック転動体を保持するための保持器をポリイミド樹脂などの軽量な合成樹脂で構成することで転動体や保持器の材質などに起因する焼き付きの発生を防止するようにしている。

一方、以下の特許文献２では、密封装置を備えた密封型転がり軸受が開示されていると共に、その転がり軸受のシール溝に、特許文献３に開示されているようなショットピーニング加工を施すことで異物の混入を防ぐと共にそのシール溝部分の潤滑状況を長期間に亘って良好に維持するようにした技術が開示されている。
特開平０６−１７３９５６号公報 特開２００５−６９４０４号公報 特許第３３５７６６１号公報

ところで、前記特許文献１に開示されている転がり軸受のように、転動体をセラミックで構成したり、保持器をポリイミド樹脂などの合成樹脂で構成すると、従来の金属で構成したものに比べて製造コストが大幅に上昇してしまうといった問題がある。
そこで、本発明はこのような課題を解決するために案出されたものであり、その目的は、製造コストが安価で、かつ耐摩耗性や耐焼き付き性に優れた新規な転がり軸受用保持器およびこれを用いた転がり軸受を提供するものである。

前記課題を解決するために請求項１の発明は、
転がり軸受用の転動体を保持するための保持器において、材料を金属とし、少なくとも前記転動体との摺動部表面にショットピーニング処理を施し、その表面の最大粗さが２．５μｍ以下であることを特徴とする転がり軸受用保持器である。
このように本発明の転がり軸受用保持器は、その摺動部表面がショットピーニング処理されることによりその摺動部表面は微細な凹凸が均一に分散した表面組織が形成された状態となっている。このため、その表面組織の凹部に潤滑剤が保持されてその表面が常に流体膜で覆われた状態となって油膜切れが発生し難くなり、良好な潤滑状況を長期間に亘って維持することができる。

また、このようなショットピーニング処理を施すことによってその摺動部表面に微細な凹凸組織が形成されるだけでなく、その摺動部表面の圧縮残留応力も増加するため、その摺動部表面の摩耗や発熱を低減することができる。
この結果、耐摩耗性や潤滑性が大幅に向上して焼き付きを防止できると共に、従来と同様に鋼や黄銅などの金属材料をそのまま用いることができるため、製造コストの大幅な上昇を回避することができる。

また、このショットピーニング処理は、旋削工程およびプレス固定におけるバリや旋削加工目、熱処理工程におけるスケールや溶着物などを除去することができるため、清浄度向上にも効果があり、転動体との接触状態が改善される。なお、このショットピーニング処理は、摺動部表面のみならず、その全体に施しても良い。
ここで、その摺動表面の最大粗さを「２．５μｍ」以下と規定したのは、「２．５」μｍを超えるとその表面が不均一となり、却って摩擦抵抗が増大してしまうからである。なお、この摺動表面の最大粗さは、小さい方が望ましいが、前述したようにその凹部による良好な油膜保持機能を発揮するためには少なくとも「０．５μｍ」以上必要であり、より好ましくは「１．０μｍ」以上である。

また、本発明でいう「ショットピーニング処理」としては、所定粒径のショット（粒子）を高圧ガスによって摺動部表面に高速で吹き付けるものであれば特に限定されるものではないが、例えばＷＰＣ（Ｗｏｎｄｅｒ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｃｒａｆｔ）処理（株式会社不二製作所および株式会社不二機販から提供されるショットピーニング加工処理（登録商標））を用いることが効果的である。

一例を挙げると、粒径が４０〜２００μｍで硬度がその保持器の硬度と同等以上（例えば、その保持器と同じ金属材料またはＳｉＯ_２など）の粉末を噴射粒体として用い、これを噴射速度１００ｍ／ｓｅｃ以上で保持器の表面に数秒間から数十秒間程度噴射することにより、その保持器の表面が鉄系材料の場合ではＡ３変態点以上の温度域での急熱・急冷が瞬時に繰り返され、熱処理効果、鍛錬効果を有する加工が行われることになる。
これによって、金属表面層の残留オーステナイトのマルテンサイト化や再結晶、微細化が行われ、緻密な高硬度で靱性に富む組織が得られる。また、表面の内部残留圧縮応力も高めることができる。

また、硬度がＨｖ８００以上で粒径が２０〜２００μｍのＳｉＯ_２粉体などを噴射粒体として用い、これを噴射速度５０ｍ／ｓｅｃ以上でその保持器の表面に噴射してその表面付近の温度を鉄系材料の場合はＡ３変態点以上に、もしくは非鉄系材料の場合は再結晶温度以上に上昇させると共に、その表面に微小な断面円弧状を成す無数の凹部からなる油溜まりを形成することにより、潤滑剤切れによる摩耗を防止することができる。

次に、請求項２の発明は、
請求項１に記載の転がり軸受用保持器において、前記ショットピーニング処理が施された表面の硬さがＨｖ８００以上であることを特徴とする転がり軸受用保持器である。
これにより、保持器と軌道輪及び転動体との摺接面に異物が混入してもその摺接面が傷ついたり摩耗したりすることはなく、安定した性能を確保できる。
また、請求項３の発明は、
請求項１または２に記載の転がり軸受用保持器において、前記ショットピーニング処理が施された表面に潤滑剤が分散された被膜が形成されていることを特徴とする転がり軸受用保持器である。
これにより、保持器と軌道輪及び転動体との摺接面の金属接触をより確実に防止できる。特に、潤滑剤切れや無潤滑環境下で優れた効果を発揮することができる。

ここで、本発明のようにショットピーニング層の表面に固体潤滑剤が分散された被膜を形成する方法としては、例えば前記特許文献３に提案されているように、ショットピーニング処理に用いる噴射粉体として、二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）や二硫化タングステン（ＷＳ_２）、窒化ホウ素（ＢＮ）、フッ素樹脂（例えば、ＰＴＦＥ）などの固体潤滑剤の粒体とを混合したものを用いれば、通常通りにショットピーニング処理を実施するだけで、この摺動部表面にこれらの固体潤滑剤が均一に分散された被膜を容易に形成することが可能である。

また、請求項４の発明は、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の転がり軸受用保持器を組み込んだことを特徴とする転がり軸受である。
これによって、従来の転がり軸受において保持器のみを交換すれば、保持器の摺動部表面の摩擦を低減できるため、製造コストを大幅に上昇させることなく、高速回転下や高荷重下で使用される転がり軸受の寿命を向上できる。

本発明によれば、金属からなる摺動部表面にショットピーニング処理が施されていることから、その摺動部表面の耐摩耗性や潤滑性が向上する。
これによって摩擦による発熱が抑制されて焼き付きなどが発生し難くなるめ、ターボチャージャーやガスタービンのシャフトなどのように超高速回転下で使用される転がり軸受の寿命を長くすることができる。
また、従来と同様に鋼や黄銅などの金属材料をそのまま用いることができるため、製造コストの大幅な上昇を回避することが可能となる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、本発明に係る転がり軸受１０の１つである深溝玉軸受の一例を示す一部破断斜視図である。
図示するようにこの深溝玉軸受１０は、外周面に軌道溝１ａを有する内輪１と、内周面に前記内輪１の軌道溝１ａに対向する軌道溝２ａを有する外輪２と、これら軌道溝１ａ，２ａ間に転動自在に配置される複数の玉（転動体）３、３…と、を備えた構造となっている。

また、この深溝玉軸受１０の各玉３、３…は、リング状に加工された金属製の保持器４によって各玉３毎に独立して転動自在に保持されている。
この保持器４は、図２に示すようにリング状をした一対の鋼製金属板４ａ、４ａを波形に加工すると共に、これら金属板４ａ、４ａを対向するようにリベット４ｂなどによって結合してなるものであり、各空間部４ｃ、４ｃ…に各玉３、３…を収容して部分的に囲むと共に、これら各玉３、３…と共に軌道溝１ａ，２ａに沿って動くようになっている。

そして、このような構成をした本発明に係る深溝玉軸受１０にあっては、この保持器４の摺動部表面５、すなわち、各玉３、３…を部分的に囲む面５には、前述したようなＷＰＣ（登録商標）などのショットピーニング処理が施されている。
そして、このショットピーニング処理が施された摺動部表面５は、その表面の最大粗さが２．５μｍ以下であってその表面は微小な凹凸が均一に分散した表面組織となっているため、この凹凸部の凹部に潤滑剤が保持されて流体膜が常に形成される状態となる。
従って、良好な潤滑性を長期に亘って維持できると共に、ショットピーニングによる圧縮残留応力の増加により、その摺動部表面５の摩耗を防止することができる。

＜第２実施形態＞
図３は、本発明に係る転がり軸受１０の１つであるアンギュラ玉軸受の一例を示す一部破断斜視図である。
図示するようにこのアンギュラ玉軸受１０は、深溝玉軸受１０と同様に、外周面に軌道溝１ａを有する内輪１と、内周面に前記内輪１の軌道溝１ａに対向する軌道溝２ａを有する外輪２と、これら軌道溝１ａ，２ａ間に転動自在に配置される複数の玉（転動体）３、３…と、を備えた構造となっている。
また、この深溝玉軸受１０の各玉３、３…は、円環状に加工された金属製の保持器４によって各玉３毎に独立して転動自在に保持されている。

この保持器４は、断面Ｌ字形状の金属製のリング体４ｄに円形の収容穴４ｅを所定の間隔を隔てて打ち抜き加工すると共に、これら各収容穴４ｅ、４ｅ…に各玉３、３…を収容して部分的に囲むと共に、これら各玉３、３…と共に軌道溝１ａ，２ａに沿って動くようにしたものである。
そして、このような構成をした本発明に係る深溝玉軸受１０にあっては、この保持器４の摺動部表面５、すなわち、各収容穴４ｅ、４ｅ…の表面５には、前記第１実施の形態と同様なショットピーニング処理が施されている。

従って、前記第１実施の形態と同様に、その摺動部表面５は良好な潤滑性を長期に亘って維持できると共に、ショットピーニングによる圧縮残留応力の増加により、その摺動部表面５の摩耗を防止することができる。
また、高速アンギュラ玉軸受などでは、図４に示すような黄銅などの銅合金からなる、いわゆるもみ抜き保持器４が採用されているが、このようなもみ抜き保持器４の場合でも、その各収容穴４ｅ、４ｅ…の表面５に対して前記と同様なショットピーニング処理を施すことにより同様な効果を得ることができる。

ただし、黄銅などの銅合金からなる保持器４の場合は、鋼製の保持器４のようなＨｖ８００以上という硬さを得ることはできないが、ショットピーニング処理を施すことにより確実に硬さが上昇すると共に、粗さの制御による潤滑剤保持効果は、前記各実施例の場合と同様に得られる。
なお、この保持器４が内輪１もしくは外輪２によって案内（接触）される場合は、その接触する部分に前述したようなショットピーニング処理を施しておけば、その部分における摩耗や発熱を防止することができるので、なお良い。
また、この点は、本実施の形態のようにアンギュラ玉軸受などの玉軸受に限らず、円筒ころ軸受や自動調心ころ軸受などのころ軸受にもそのまま適用することができる。

＜第３実施形態＞
図５は、本発明に係る転がり軸受１０の１つである複列円筒ころ軸受の一例を示す断面図である。
図示するようにこの複列円筒ころ軸受１０は、外周面に複列の軌道面１ｂ、１ｂを有する内輪１と、内周面に前記内輪１の軌道面１ｂ、１ｂに対向する軌道面２ｂを有する外輪２と、これら軌道面１ｂ，２ｂ間に転動自在に配置される複数のころ（転動体）６、６…と、を備えた構造となっている。
また、この複列円筒ころ軸受１０の各ころ６、６…は、くし型に加工された金属製の保持器４によって各ころ６毎に独立して転動自在に保持されている。

この保持器４は、図６に示すようにリング状をした金属製の保持器本体４ｆから左右にくし歯体４ｇを所定の間隔を隔てて複数突出させてポケット４ｈを複数形成すると共に、これら各ポケット４ｈ、４ｈ…に各ころ６，６…を収容して部分的に囲むと共に、これら各ころ６，６…と共に軌道面１ｂ，２ｂに沿って動くようにしたものである。
そして、このような構成をした本発明に係る複列円筒ころ軸受１０にあっては、この保持器４の摺動部表面５、すなわち、各ポケット４ｈ、４ｈ…の表面５には、前記第１および第２実施の形態と同様なショットピーニング処理が施されている。

従って、前記第１および第２実施の形態と同様に、その摺動部表面５は良好な潤滑性を長期に亘って維持できると共に、ショットピーニングによる圧縮残留応力の増加により、その摺動部表面５の摩耗を防止することができる。
また、前記実施の形態と同様にこの保持器４が黄銅などの銅合金からなる場合は、鋼製の保持器４のようなＨｖ８００以上という硬さを得ることはできないが、ショットピーニング処理を施すことにより確実に硬さが上昇すると共に、粗さの制御による潤滑剤保持効果は、前記各実施例の場合と同様に得られる。

また、この保持器４が内輪１もしくは外輪２によって案内される場合は、その案内面となって接触する部分に前述したようなショットピーニング処理を施しておけば、その部分における摩耗や発熱を防止することができるので、なお良い。
また、この点は、本実施の形態のように複列円筒ころ軸受に限らず、自動調心ころ軸受などのころ軸受にもそのまま適用することができる。また、かご型保持器のころ端面と保持器の摺動部および保持器ポケットの摺動部に適用した場合にも前記と同様な効果を得ることができる。

本発明に係る転がり軸受１０の１つである深溝玉軸受の一例を示す一部破断斜視図である。 深溝玉軸受で用いられる保持器の一例を示す部分側面図である。 本発明に係る転がり軸受１０の１つであるアンギュラ玉軸受の一例を示す一部破断斜視図である。 アンギュラ玉軸受で用いられるもみ抜き保持器の一例を示す斜視図である。 本発明に係る転がり軸受１０の１つである複列円筒ころ軸受の一例を示す断面図である。 複列円筒ころ軸受で用いられるくし型保持器の一例を示す部分平面図である。

符号の説明

１…内輪
２…外輪
３…玉（転動体）
４…保持器
４ａ…金属板
４ｂ…リベット
４ｃ…空間部
４ｄ…リング体
４ｅ…収容穴
４ｆ…保持器本体
４ｇ…くし歯体
４ｈ…ポケット
５…摺動部表面（ショットピーニング処理）
６…ころ（転動体）
１０…転がり軸受

Claims (4)

1. 転がり軸受用の転動体を保持するための保持器において、材料を金属とし、少なくとも前記転動体との摺動部表面にショットピーニング処理を施し、その表面の最大粗さが２．５μｍ以下であることを特徴とする転がり軸受用保持器。
2. 請求項１に記載の転がり軸受用保持器において、前記ショットピーニング処理が施された表面の硬さがＨｖ８００以上であることを特徴とする転がり軸受用保持器。
3. 請求項１または２に記載の転がり軸受用保持器において、前記ショットピーニング処理が施された表面に潤滑剤が分散された被膜が形成されていることを特徴とする転がり軸受用保持器。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の転がり軸受用保持器を組み込んだことを特徴とする転がり軸受。

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