JP2017062177A - Quality assurance method and device for machine element material - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、転がり軸受の軌道輪等の転動により疲労する機械要素の材料の転動疲労寿命が一定の水準に達していることを保証する機械要素材料の品質保証方法および装置に関する。 The present invention relates to a quality assurance method and apparatus for machine element material that guarantees that the rolling fatigue life of a material of a machine element that fatigues due to rolling of a bearing or the like of a rolling bearing has reached a certain level.
軸受の軌道面表面および軌道面直下の非金属介在物が、転がり軸受の転動疲労寿命に影響を及ぼすことがよく知られている。例えば、非特許文献１に記載の論文「軸受鋼の転動疲労寿命における非金属介在物の大きさの影響」では、同じ材質、硬さにおけるＬ１０寿命は、介在物の種類によらず転動面直下の危険体積中に存在する最大の介在物の大きさに支配されるとしている。近年、鋼中の酸素濃度の低減などにより、転動疲労寿命に影響を及ぼす巨大な非金属介在物の存在確率は減少してきてはいるものの、全く零にすることはできない。そのような軌道面近傍の不可避に含まれる巨大な非金属介在物を検出し、寿命を保証する方法が提案されている。例えば、特許文献１では、超音波探査法を用いて軌道面における非金属介在物を長さ５００μm 未満、好ましくは１００μm 未満に規制することにより、安定的な転動疲労寿命を保証できるとしている。 It is well known that the bearing surface of the bearing and non-metallic inclusions directly under the raceway affect the rolling fatigue life of the rolling bearing. For example, in the paper “Non-Patent Document 1” “Effect of Non-Metallic Inclusion Size on Rolling Fatigue Life of Bearing Steel”, the L10 life of the same material and hardness depends on the type of inclusion. It is said that it is governed by the size of the largest inclusion existing in the dangerous volume directly below the surface. In recent years, the existence probability of huge non-metallic inclusions affecting the rolling fatigue life has been reduced by reducing the oxygen concentration in steel, but it cannot be made zero at all. There has been proposed a method for detecting the enormous non-metallic inclusions inevitable in the vicinity of the raceway surface and guaranteeing the lifetime. For example, in Patent Document 1, a stable rolling fatigue life can be guaranteed by regulating the non-metallic inclusions on the raceway surface to a length of less than 500 μm, preferably less than 100 μm, using an ultrasonic exploration method.
また、製鋼、鍛造工程において導入されるファイバーフローの方向についても転動疲労寿命に影響を及ぼすことが報告されている。特許文献２では、鋼中の合金成分量、具体的にはＣｕとＡＬ量を閾値以下に規定することにより、寿命に対するファイバーフローの影響を取り除くことができるとしている。特許文献３のように、鍛造の方法を工夫することによりファイバーフローの影響を是正する技術も開示されている。
It has also been reported that the direction of fiber flow introduced in steelmaking and forging processes also affects the rolling fatigue life.
特許文献４では、超音波探査法を用いて軌道面における非金属介在物を長さ３００μm 未満、かつ軌道面に対するファイバーフローを１５°未満に規制することで、長寿命化を図ることができるとしている。
According to
上述した超音波探傷法は、軸受軌道面全体を検査できるという利点はあるものの、不感帯ができるため、表面近傍の検出に難がある。周波数の高い超音波探傷を実施することにより数十μm サイズの非金属介在物の検出も可能ではあるが、工業的な利用を考えた場合、１００μm 未満のサイズの検出は困難である。非特許文献２では、実験から求めたＪＩＳ−ＳＵＪ２のモード・下限界応力拡大係数ΔＫth 条件におけるき裂が進展する円盤状き裂の臨界直径の計算結果を提示している。これによると、最大面圧が２．５ＧＰａ の場合、き裂の臨界直径は５０μm であり、特許文献１の規制値である１００μm 未満は、転動疲労寿命を充分に確保できるとは言えない。
Although the ultrasonic flaw detection method described above has an advantage that the entire bearing raceway surface can be inspected, a dead zone is formed, so that it is difficult to detect the vicinity of the surface. Although it is possible to detect non-metallic inclusions with a size of several tens of μm by performing ultrasonic flaw detection with a high frequency, it is difficult to detect a size of less than 100 μm when considering industrial use. Non-Patent
また、製品の複雑形状化や製造工程上、鍛造による軌道面に対するファイバーフロー方向の制御が困難である場合がある。併せて、鋼材の多様化、グローバル調達化が進む中、閾値以上の合金成分量の鋼材を使用する場合もあることから、新たな転動疲労寿命を確保する手法が必要である。 Further, it may be difficult to control the fiber flow direction with respect to the raceway surface by forging due to the complicated shape of the product and the manufacturing process. Along with the diversification of steel materials and global procurement, steel materials with alloy component amounts that exceed the threshold may be used, so a new method for ensuring a rolling fatigue life is required.
この発明の目的は、鋼材の状態で介在物検査を行うことで、機械要素として製品化された場合における、軌道面から一定深さに位置する、き裂が進展し得る介在物の存在確率を所定値以下に保証し、転動疲労寿命が一定の水準に達しているかの判定が行える機械要素材料の品質保証方法および装置を提供することである。 The object of the present invention is to perform the inclusion inspection in the state of the steel material, and to determine the existence probability of the inclusion that can be cracked and located at a certain depth from the raceway surface when it is commercialized as a machine element. It is intended to provide a quality assurance method and apparatus for a machine element material that guarantees a predetermined value or less and can determine whether or not the rolling fatigue life has reached a certain level.
この発明の機械要素材料の品質保証方法は、転動面を有する機械要素の材料である鋼材が、鍛造を経て前記機械要素に製品化された場合に、転動疲労寿命が一定の水準に達しているか否かの判定を行う機械要素材料の品質保証方法であって、
前記鋼材の介在物に係る情報を取得する介在物検査過程（ステップＳ１）と、
前記鋼材を前記機械要素の形状に加工する鍛造のシミュレーションを行って前記鍛造の後のファイバーフロ−の方向の情報を取得する鍛造シミュレーション過程（ステップＳ２）と、
前記介在物検査過程で得た介在物に係る情報と前記鍛造シミュレーション過程で得たファイバーフロ−の方向の情報とから、前記鋼材が前記機械要素に製品化された状態における前記転動面の表面から一定の深さに位置する前記介在物の分布状態を調べる分布状態シミュレーション過程（ステップＳ３）と、
前記転動面で転動が行われた場合に前記機械要素にき裂が進展し得る介在物に係るデータベースの蓄積情報、および前記分布状態シミュレーション（ステップＳ３）で得られた介在物の分布状態から、前記製品の軌道面から一定深さに位置する、き裂が進展し得る介在物の存在確率を求めるき裂進展介在物存在確率推定過程（ステップＳ６）と、
この求められた存在確率が一定値以下であるか否かを判定する転動疲労寿命確保過程（ステップ８）とを含む。
According to the quality assurance method for machine element material of the present invention, when a steel material, which is a material of a machine element having a rolling surface, is commercialized into the machine element through forging, the rolling fatigue life reaches a certain level. A quality assurance method for machine element material for determining whether or not
Inclusion inspection process (step S1) for acquiring information related to inclusions in the steel material;
A forging simulation process (step S2) for obtaining information on the direction of fiber flow after the forging by performing a forging simulation for processing the steel material into the shape of the machine element;
From the information on the inclusions obtained in the inclusion inspection process and the information on the direction of the fiber flow obtained in the forging simulation process, the surface of the rolling surface in a state where the steel material is commercialized into the machine element. A distribution state simulation process (step S3) for examining the distribution state of the inclusions located at a certain depth from
Accumulated information of inclusions related to inclusions that can crack in the machine element when rolling is performed on the rolling surface, and the distribution state of inclusions obtained in the distribution state simulation (step S3) From the crack propagation inclusion existence probability estimation process (step S6) for obtaining the existence probability of an inclusion that is located at a certain depth from the raceway surface of the product and that can propagate a crack;
And a rolling fatigue life securing step (step 8) for judging whether or not the obtained existence probability is a predetermined value or less.
この方法によると、まず鋼材の介在物検査を実施し（ステップ１）、鍛造シミュレーション（ステップ２）を介して製品形状における非金属介在物の分布状態を模擬する（ステップ３）。さらに、例えば有限要素法により求めデータベース化したき裂の進展し得る介在物サイズとの比較により、軌道面からの一定深さに位置するき裂が進展し得る介在物の存在確率を求める（ステップ６）。なお、鋼材がどのように鍛造されて製品形状の機械要素とされるかにつき、鍛造時の素材である鋼材の寸法形状およびファイバーフロ−の方向は常に定まっているとする。
このように、鋼材の介在物検査を実施することにより、製品の軌道面からの一定深さに位置するき裂が進展し得る非金属介在物の存在確率を一定値以下に保証することにより、安定的な転動疲労寿命を確保することができる。
According to this method, first, an inclusion inspection of a steel material is performed (step 1), and a distribution state of nonmetallic inclusions in a product shape is simulated through a forging simulation (step 2) (step 3). Furthermore, for example, the existence probability of inclusions where a crack located at a fixed depth from the raceway surface can be determined by comparing with the inclusion size that can be propagated by a crack obtained by a finite element method and database (step) 6). It is assumed that the dimensional shape and the direction of fiber flow of the steel material, which is the material at the time of forging, are always determined according to how the steel material is forged into a product-shaped machine element.
In this way, by performing the inclusion inclusion inspection of the steel material, by assuring the existence probability of the nonmetallic inclusion that the crack located at a certain depth from the raceway surface of the product can propagate to a certain value or less, A stable rolling fatigue life can be secured.
なお、前記介在物は、例えば非金属介在物である。また、この明細書において、「一定の」とは、任意に定められる値であり、設計やシミュレーション、試験等の結果に基づき、任意に定めれば良い。 In addition, the said inclusion is a nonmetallic inclusion, for example. Further, in this specification, “constant” is a value that is arbitrarily determined, and may be arbitrarily determined based on results of design, simulation, test, and the like.
この発明方法において、前記分布状態シミュレーション過程（ステップ３）では、乱数を用いた複数回の試行により、前記転動面の表面から一定の深さに位置する前記介在物の分布状態を定めるようにしても良い。
これにより、き裂が進展し得る介在物の存在確率を、より一層精度良く求め、転動疲労寿命の推定の精度を高めることができる。
In the method of the present invention, in the distribution state simulation process (step 3), the distribution state of the inclusions located at a certain depth from the surface of the rolling surface is determined by a plurality of trials using random numbers. May be.
As a result, the existence probability of inclusions through which cracks can propagate can be determined with higher accuracy, and the accuracy of estimating the rolling fatigue life can be increased.
この発明方法において、前記データベースの構築については、任意の使用条件における、任意の緒元の介在物周りの応力拡大係数振幅を有限要素法により算出し、算出された応力拡大係数振幅と、既知の下限界応力拡大係数との比較により、前記応力拡大係数振幅が大きい場合に、転動によりき裂が進展し得る介在物であると判断し、この検討を、使用条件、介在物緒元毎に実施し、き裂が進展し得る介在物の前記データベースを構築しても良い。
この方法の場合、き裂が進展し得る介在物の前記データベースを、使用条件、介在物緒元毎に検索可能に構築でき、き裂が進展し得る介在物の存在確率、しいては転動疲労寿命を、さらに一層精度良く求めることができる。
In the method of the present invention, regarding the construction of the database, the stress intensity factor amplitude around an arbitrary inclusion is calculated by a finite element method under an arbitrary use condition, and the calculated stress intensity factor amplitude and a known By comparison with the lower limit stress intensity factor, when the stress intensity factor amplitude is large, it is determined that the inclusion can be cracked by rolling. It is possible to construct the database of inclusions that can be implemented and cracks can propagate.
In the case of this method, the database of inclusions through which cracks can propagate can be constructed so as to be searchable according to usage conditions and specifications of the inclusions, the existence probability of inclusions through which cracks can propagate, and rolling The fatigue life can be determined with higher accuracy.
この発明方法において、転動疲労寿命試験の実施によって、き裂が進展し得る介在物の存在確率と転動疲労寿命との関係のデータベースを構築し、このデータベースと、前記き裂進展介在物存在確率推定過程で求めた前記き裂が進展し得る介在物の存在確率とを照合することにより、転動疲労寿命が一定水準に達しているかを判定する過程を含むようにしても良い。
この場合、任意の鋼材を用いて任意の製品を加工した場合の転動疲労寿命が一定水準に達しているかを判定することができるため、安定的な転動疲労寿命を確保することができる。
In the method of the present invention, by performing a rolling fatigue life test, a database of the relationship between the existence probability of inclusions that can propagate cracks and the rolling fatigue life is constructed, and this database and the existence of the crack propagation inclusions You may make it include the process of determining whether the rolling fatigue life has reached a fixed level by collating with the existence probability of the inclusion which the crack can progress calculated | required in the probability estimation process.
In this case, since it is possible to determine whether the rolling fatigue life has reached a certain level when an arbitrary product is processed using an arbitrary steel material, a stable rolling fatigue life can be ensured.
この発明方法において、前記機械要素が転がり軸受の軌道輪または転動体であっても良い。
この発明方法は、転動面を有する機械要素の材料であれば適用することができ、軸受部品の他に、等速ジョイントの継手部材等にも適用できるが、前記機械要素が転がり軸受の軌道輪または転動体である場合に、転動疲労寿命を推定することが強く求められ、その要求に良好に対応することができる。
In the method of the present invention, the mechanical element may be a bearing ring or a rolling element of a rolling bearing.
The method of the present invention can be applied as long as it is a material of a machine element having a rolling surface, and can be applied to a joint member of a constant velocity joint in addition to a bearing component. In the case of a wheel or a rolling element, it is strongly required to estimate the rolling fatigue life, and the request can be satisfactorily met.
この発明の機械要素材料の品質保証装置２０は、転動面を有する機械要素の材料である鋼材が、鍛造を経て前記機械要素に製品化された場合に、転動疲労寿命が一定の水準に達しているか否かの判定を行う機械要素材料の品質保証装置であって、
前記鋼材の介在物に係る情報を記憶する介在物検査情報記憶手段２１と、
前記鋼材を前記機械要素の形状に加工する鍛造のシミュレーションを行って前記鍛造の後のファイバーフロ−の方向の情報を取得する鍛造シミュレーション手段２２と、
前記介在物検査情報記憶手段２１に記憶された介在物に係る情報と前記鍛造シミュレーション手段２２で得たファイバーフロ−の方向の情報とから、前記鋼材が前記機械要素に製品化された状態における前記転動面の表面から一定の深さに位置する前記介在物の分布状態を調べる分布状態シミュレーション手段２３と、
前記転動面で転動が行われた場合に前記機械要素にき裂が進展し得る介在物に係るデータベース２５の蓄積情報、および前記分布状態シミュレーションで得られた介在物の分布状態から、前記製品の軌道面から一定深さに位置する、き裂が進展し得る介在物の存在確率を求めるき裂進展介在物存在確率推定手段２６と、
この求められた存在確率が一定値以下であるか否かを判定する転動疲労寿命確保手段２８、とを含む。
In the machine element material
Inclusion inspection information storage means 21 for storing information relating to the inclusions of the steel material;
Forging simulation means 22 for performing simulation of forging for processing the steel material into the shape of the machine element to obtain information on the direction of fiber flow after the forging;
From the information on the inclusions stored in the inclusion inspection information storage means 21 and the information on the direction of the fiber flow obtained by the forging simulation means 22, the steel material in the state of being commercialized into the machine element. A distribution state simulation means 23 for examining the distribution state of the inclusions located at a certain depth from the surface of the rolling surface;
From the accumulated information of the
Rolling fatigue life securing means 28 for judging whether or not the obtained existence probability is a certain value or less.
この構成の機械要素材料の品質保証装置によると、この発明の機械要素材料の品質保証方法につき前述したと同様に、鋼材状態で介在物検査を行うことで、機械要素として製品化された場合における、軌道面から一定深さに位置する、き裂が進展し得る介在物の存在確率を所定値以下に保証し、転動疲労寿命が一定の水準に達しているかの判定が行える。 According to the machine element material quality assurance apparatus of this configuration, as described above with respect to the machine element material quality assurance method of the present invention, the inclusion inspection is performed in the steel material state, so that the machine element material is commercialized as a machine element. In addition, it is possible to guarantee that the existence probability of inclusions, which are located at a certain depth from the raceway surface, and in which cracks can propagate, is below a predetermined value, and to determine whether the rolling fatigue life has reached a certain level.
この発明の機械要素材料の品質保証方法は、転動面を有する機械要素の材料である鋼材が、鍛造を経て前記機械要素に製品化された場合に、転動疲労寿命が一定の水準に達しているか否かの判定を行う機械要素材料の品質保証方法であって、前記鋼材の介在物に係る情報を取得する介在物検査過程と、前記鋼材を前記機械要素の形状に加工する鍛造のシミュレーションを行って前記鍛造の後のファイバーフロ−の方向の情報を取得する鍛造シミュレーション過程と、前記介在物検査過程で得た介在物に係る情報と前記鍛造シミュレーション過程で得たファイバーフロ−の方向の情報とから、前記鋼材が前記機械要素に製品化された状態における前記転動面の表面から一定の深さに位置する前記介在物の分布状態を調べる分布状態シミュレーション過程と、前記転動面で転動が行われた場合に前記機械要素にき裂が進展し得る介在物に係るデータベースの蓄積情報、および前記分布状態シミュレーションで得られた介在物の分布状態から、前記製品の軌道面から一定深さに位置する、き裂が進展し得る介在物の存在確率を求めるき裂進展介在物存在確率推定過程と、この求められた存在確率が一定値以下であるか否かを判定する転動疲労寿命確保過程とを含むため、鋼材状態で介在物検査を行うことで、機械要素として製品化された場合における、軌道面から一定深さに位置する、き裂が進展し得る介在物の存在確率を所定値以下に保証し、転動疲労寿命が一定の水準に達しているかの判定が行える。 According to the quality assurance method for machine element material of the present invention, when a steel material, which is a material of a machine element having a rolling surface, is commercialized into the machine element through forging, the rolling fatigue life reaches a certain level. It is a quality assurance method for machine element material to determine whether or not it is an inclusion inspection process for obtaining information on inclusions in the steel material, and forging simulation for processing the steel material into the shape of the machine element Forging simulation process for obtaining information on the direction of fiber flow after forging, information on inclusions obtained in the inclusion inspection process, and information on the direction of fiber flow obtained in the forging simulation process. From the information, a distribution state simulation for examining a distribution state of the inclusions located at a certain depth from the surface of the rolling surface in a state where the steel material is commercialized into the machine element. Process, accumulated information in a database relating to inclusions that can crack in the machine element when rolling occurs on the rolling surface, and the distribution state of inclusions obtained by the distribution state simulation From the crack propagation inclusion existence probability estimation process for obtaining the existence probability of an inclusion that can be propagated by a crack located at a certain depth from the raceway surface of the product, and the obtained existence probability is less than a certain value. The rolling fatigue life ensuring process to determine whether or not there is, the inclusion is inspected in the steel material state, and when it is commercialized as a machine element, it is located at a certain depth from the raceway surface. It is possible to guarantee that the existence probability of inclusions that can develop cracks is below a predetermined value, and to determine whether the rolling fatigue life has reached a certain level.
この発明の機械要素材料の品質保証装置は、転動面を有する機械要素の材料である鋼材が、鍛造を経て前記機械要素に製品化された場合に、転動疲労寿命が一定の水準に達しているか否かの判定を行う機械要素材料の品質保証装置であって、前記鋼材の介在物に係る情報を記憶する介在物検査情報記憶手段と、前記鋼材を前記機械要素の形状に加工する鍛造のシミュレーションを行って前記鍛造の後のファイバーフロ−の方向の情報を取得する鍛造シミュレーション手段と、前記介在物検査情報記憶手段に記憶された介在物に係る情報と前記鍛造シミュレーション手段で得たファイバーフロ−の方向の情報とから、前記鋼材が前記機械要素に製品化された状態における前記転動面の表面から一定の深さに位置する前記介在物の分布状態を調べる分布状態シミュレーション手段と、前記転動面で転動が行われた場合に前記機械要素にき裂が進展し得る介在物に係るデータベースの蓄積情報、および前記分布状態シミュレーションで得られた介在物の分布状態から、前記製品の軌道面から一定深さに位置する、き裂が進展し得る介在物の存在確率を求めるき裂進展介在物存在確率推定手段と、この求められた存在確率が一定値以下であるか否かを判定する転動疲労寿命確保手段とを備えるため、鋼材状態で介在物検査を行うことで、機械要素として製品化された場合における、軌道面から一定深さに位置する、き裂が進展し得る介在物の存在確率を所定値以下に保証し、転動疲労寿命が一定の水準に達しているかの判定が行える。 In the machine element material quality assurance device according to the present invention, when a steel material, which is a material of a machine element having a rolling surface, is commercialized into the machine element through forging, the rolling fatigue life reaches a certain level. A machine element material quality assurance device for determining whether or not a steel element includes inclusion inspection information storage means for storing information relating to the inclusion of the steel material, and forging that processes the steel material into the shape of the machine element. Forging simulation means for obtaining information on the direction of fiber flow after forging by performing simulation of the above, information on inclusions stored in the inclusion inspection information storage means, and fiber obtained by the forging simulation means From the information on the flow direction, the distribution state of the inclusions located at a certain depth from the surface of the rolling surface in a state where the steel material is commercialized into the machine element is examined. Distribution state simulation means, stored information in a database relating to inclusions that can crack in the machine element when rolling is performed on the rolling surface, and inclusions obtained in the distribution state simulation A crack propagation inclusion existence probability estimating means for obtaining an existence probability of an inclusion which can be propagated from a distribution state and located at a certain depth from the raceway surface of the product, and the obtained existence probability is a constant value. It is located at a certain depth from the raceway surface when it is commercialized as a machine element by conducting inclusions inspection in the steel material state, because it is provided with rolling fatigue life securing means for judging whether or not In addition, the existence probability of inclusions that can develop cracks is guaranteed to be a predetermined value or less, and it can be determined whether the rolling fatigue life has reached a certain level.
この発明の一実施形態を図面と共に説明する。この品質保証方法は、転動面を有する機械要素の材料である鋼材が、鍛造を経て前記機械要素に製品化された場合に、転動疲労寿命が一定の水準に達しているか否かの判定を、鋼材の状態で行う機械要素材料の品質保証方法であって、図１にその各過程の流れ図を示す。前記転動面を有する機械要素は、例えば、転がり軸受の軌道輪もしくは転動体、または等速ジョイントの一対の継手部材もしくはトルク伝達ボール等の転がり接触を行う機械要素であり、この実施形態では転がり軸受の軌道輪を対象としている。 An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. This quality assurance method determines whether or not the rolling fatigue life has reached a certain level when a steel material, which is a material of a machine element having a rolling surface, is commercialized into the machine element through forging. Is a quality assurance method for machine element material in the state of a steel material, and FIG. 1 shows a flowchart of each process. The machine element having the rolling surface is, for example, a machine element that makes rolling contact with a bearing ring or rolling element of a rolling bearing, a pair of joint members of a constant velocity joint, or a torque transmission ball. In this embodiment, the rolling element is a rolling element. It is intended for bearing rings.
図１と共に、同図の各ステップ毎の処理を説明する。
「鋼材の介在物検査過程」（ステップＳ１）分布介在物情報の取得
前記鋼材の介在物に係る情報を取得する過程である。この過程では、検査対象の鋼材を、検査面が鋼材軸方向に対して平行、すなわちファイバーフロー方向と平行になるように切断して、試料を作製する。試料の硬度を確保するために、焼入を実施する。検査面を研磨および琢磨工程により、観察可能な鏡面に仕上げる。光学顕微鏡もしくはＳＥＭ−ＥＤＸ（走査電子顕微鏡）を用いて、試料検査面を観察し、任意検査面積における種類、大きさ、アスペクト比、分布密度などの介在物情報を取得する。光学顕微鏡を用いた際の介在物の種類の決定は、介在物の色味による識別で実施する。一方、ＳＥＭ−ＥＤＸを用いた際は、ＥＤＸによる元素分析を実施し識別する。
The process for each step in FIG. 1 will be described with FIG.
“Steel Inclusion Inspection Process” (Step S1) Acquisition of Distributed Inclusion Information This is a process of acquiring information relating to the inclusion of steel. In this process, the steel material to be inspected is cut so that the inspection surface is parallel to the steel material axial direction, that is, parallel to the fiber flow direction, to prepare a sample. Quenching is performed to ensure the hardness of the sample. The inspection surface is finished to an observable mirror surface by polishing and polishing processes. The specimen inspection surface is observed using an optical microscope or SEM-EDX (scanning electron microscope), and inclusion information such as the type, size, aspect ratio, distribution density, etc. in an arbitrary inspection area is acquired. Determination of the type of inclusions when using an optical microscope is carried out by identification based on the color of the inclusions. On the other hand, when SEM-EDX is used, elemental analysis using EDX is performed for identification.
「鍛造シミュレーション過程」（ステップＳ２）製品形状におけるファイバーフロー方向情報の取得
前記鋼材を前記機械要素の形状に加工する鍛造のシミュレーションを行って前記鍛造の後のファイバーフロ−の方向の情報を取得する過程である。
鋼材状態から鍛造を経て、製品形状におけるファイバーフローがどのように変化するかを、ＤＥＦＯＲＭ（総合加工シミュレーションシステム）をはじめとするＣＡＥ（computer aided engineering）ソフトを用いてシミュレーションを実施する。シミュレーション結果から軌道面直下のファイバーフロー方向情報を取得する。図２に鍛造シミュレーション結果の一例を示す。同図は、車輪用軸受における外輪を鍛造する場合の例であり、製品状態で突出している箇所は、外輪の外周のフランジとなる部分である。鍛造シミュレーションが困難な場合は、鋼材ではなく、鍛造後の製品形状の介在物検査を実施することにより得られる介在物の角度情報を代替情報として採用する。
"Forging simulation process" (step S2) Acquisition of fiber flow direction information in product shape Performs forging simulation for processing the steel material into the shape of the machine element to acquire information on the direction of fiber flow after forging It is a process.
A simulation is carried out using CAE (computer aided engineering) software such as DEFORM (Comprehensive Processing Simulation System) to see how the fiber flow in the product shape changes after forging from the steel material state. Obtain fiber flow direction information just below the raceway surface from the simulation results. FIG. 2 shows an example of the forging simulation result. The figure is an example in the case of forging the outer ring in the wheel bearing, and the part protruding in the product state is a part that becomes the outer peripheral flange of the outer ring. When forging simulation is difficult, the angle information of the inclusions obtained by carrying out the inclusion inspection of the product shape after forging rather than the steel material is adopted as alternative information.
「軌道面直下の介在物の分布状態のシミュレーション過程」（ステップＳ３）
鋼材の介在物検査から得られた種類、大きさ、アスペクト比、分布密度と、鍛造シミュレーションから得られたファイバーフロー方向の情報とを用いて、前記鋼材が機械要素に製品化された状態における、軌道面直下の一定の深さに位置する介在物の分布状態のシミュレーションを実施する。
介在物の分布状態シミュレーションとして、モンテカルロ法を用いた乱数シミュレーションなどがあげられる。この場合、乱数を用いた複数回の試行により、前記転動面の表面から一定の深さに位置する前記介在物の分布状態を定める。続けて、機械要素の製品形状において介在物検査を実施することにより、鋼材状態の介在物情報から得られた介在物の分布状態のシミュレーション結果の精度を確認することも可能である。
“Simulation process of the distribution of inclusions directly under the raceway” (step S3)
Using the type, size, aspect ratio, distribution density obtained from the inclusion inspection of the steel material, and information on the fiber flow direction obtained from the forging simulation, the steel material has been commercialized into a machine element. A simulation of the distribution of inclusions located at a certain depth just below the raceway surface is performed.
Examples of inclusion distribution state simulation include random number simulation using the Monte Carlo method. In this case, the distribution state of the inclusions located at a certain depth from the surface of the rolling surface is determined by a plurality of trials using random numbers. Subsequently, by performing the inclusion inspection on the product shape of the machine element, it is also possible to confirm the accuracy of the simulation result of the inclusion distribution state obtained from the inclusion information in the steel material state.
「介在物からのき裂進展有無の検討過程」（ステップＳ４，Ｓ５）
任意の使用条件（荷重や摩擦係数など) における、任意の緒元の介在物周りの応力拡大係数振幅を有限要素法により算出する。算出された応力拡大係数振幅と、論文などで報告されている既知の下限界応力拡大係数の比較により、き裂の進展の有無を判断する。例えばモードIIの場合、非特許文献２で報告されている実験から求めたＪＩＳ−ＳＵＪ２のモードII下限界応力拡大係数（ΔＫth＝３ＭＰａ√ｍ）と比較して、算出された応力拡大係数振幅が大きい場合に、転動によりき裂が進展し得る介在物であると判断する。
この検討を、使用条件、介在物緒元毎に実施し、この使用条件、介在物緒元毎に、き裂が進展し得る介在物のデータベースを構築する。（ステップＳ５）
"Examination process of crack growth from inclusions" (Steps S4 and S5)
Calculates the stress intensity factor amplitude around the inclusion of any given specification under any use condition (load, friction coefficient, etc.) by the finite element method. The presence or absence of crack growth is determined by comparing the calculated stress intensity factor amplitude with the known lower stress intensity factor reported in the paper. For example, in the case of mode II, compared with the JIS-SUJ2 mode II lower limit stress intensity factor (ΔKth = 3 MPa√m) obtained from the experiment reported in
This examination is carried out for each use condition and inclusion specification, and a database of inclusions in which cracks can develop is constructed for each use condition and inclusion specification. (Step S5)
「き裂が進展し得る介在物の存在確率」（ステップ６）
軌道面直下の介在物の分布状態のシミュレーション結果と、き裂が進展し得る介在物のデータベースを練成、つまり照合して検討することにより、き裂が進展し得る介在物の存在確率を導出することができる。そのため、軌道面からの一定深さに位置するき裂が進展し得る介在物の存在確率を保証することができる。
“Existence probability of inclusion that can crack” (Step 6)
Deriving the probability of existence of inclusions where cracks can be developed by studying the results of simulation of the distribution of inclusions directly under the raceway and the database of inclusions where cracks can propagate can do. Therefore, it is possible to guarantee the existence probability of inclusions in which a crack located at a certain depth from the raceway surface can propagate.
「寿命試験結果」（ステップＳ７，Ｓ８）
荷重などの試験条件や鍛流線方向をパラメータとして、転動疲労寿命試験を実施し、き裂が進展し得る介在物の存在確率と転動疲労寿命との関係のデータベースを構築する。（ステップＳ７）
そのデータベースと照合することにより、任意の鋼材を用いて任意の製品を加工した場合の転動疲労寿命が一定水準に達しているかを判定することができるため、安定的な転動疲労寿命を確保することができる。（ステップＳ８）
"Life test result" (steps S7, S8)
A rolling fatigue life test is conducted using the test conditions such as load and the direction of the forging line as parameters, and a database of the relationship between the existence probability of inclusions that can propagate cracks and the rolling fatigue life is constructed. (Step S7)
By collating with the database, it is possible to determine whether the rolling fatigue life has reached a certain level when processing any product using any steel material, ensuring a stable rolling fatigue life can do. (Step S8)
このように、この実施形態の機械要素材料の品質保証方法を用いれば、鋼材状態で介在物検査を実施することにより、製品形状における軌道面から一定深さに位置する、転動によりき裂が進展し得る介在物の存在確率を求めることができ、介在物の存在確率を一定値以下に保証することにより、転動疲労寿命が一定の水準に達しているかの判定ができる。 As described above, if the quality assurance method for machine element material according to this embodiment is used, by performing inclusion inspection in the steel material state, a crack is caused by rolling, which is located at a certain depth from the raceway surface in the product shape. The existence probability of inclusions that can progress can be obtained, and it can be determined whether or not the rolling fatigue life has reached a certain level by guaranteeing the existence probability of inclusions to a certain value or less.
図３は、上記実施形態に係る機械要素材料の品質保証方法を実施する機械要素材料の品質保証装置の概念構成を示すブロック図である。
この機械要素材料の品質保証装置２０は、転動面を有する機械要素の材料である鋼材が、鍛造を経て前記機械要素に製品化された場合に、転動疲労寿命が一定の水準に達しているか否かの判定を行う装置であって、介在物検査情報記憶手段２１、鍛造シミュレーション手段２２、分布状態シミュレーション手段２３、データベース２５、き裂進展介在物存在確率推定手段２６、寿命試験結果記憶手段２７、および転動疲労寿命確保手段２８を備える。
FIG. 3 is a block diagram showing a conceptual configuration of a machine element material quality assurance apparatus for performing the machine element material quality assurance method according to the embodiment.
This machine element material
前記品質保証装置２０は、鋼材の介在物に係る情報を記憶する手段であり、図１のステップＳ１で行った介在物検査の結果を記憶する。
前記鍛造シミュレーション手段２２は、前記鋼材を前記機械要素の形状に加工する鍛造のシミュレーションを行って前記鍛造の後のファイバーフロ−の方向の情報を取得する手段であり、図１のステップＳ２の処理を行う。
The
The forging simulation means 22 is means for obtaining information on the direction of fiber flow after the forging by performing a forging simulation for processing the steel material into the shape of the machine element, and the process of step S2 in FIG. I do.
前記分布状態シミュレーション手段２３は、前記介在物検査情報記憶手段２１に記憶された介在物に係る情報と前記鍛造シミュレーション手段２２で得たファイバーフロ−の方向の情報とから、前記鋼材が前記機械要素に製品化された状態における前記転動面の表面から一定の深さに位置する前記介在物の分布状態を調べる手段である。この分布状態シミュレーション手段２３は、図１のステップＳ３の処理を行う。 The distribution state simulation means 23 uses the information on the inclusions stored in the inclusion inspection information storage means 21 and the information on the fiber flow direction obtained by the forging simulation means 22 to make the steel material the machine element. Means for examining the distribution of the inclusions located at a certain depth from the surface of the rolling surface in the state of being commercialized. The distribution state simulation means 23 performs the process of step S3 in FIG.
前記データベース２５は、機械要素の使用条件、介在物緒元毎に、前記転動面で転動が行われた場合にき裂が進展し得る介在物の情報を記憶した手段であり、例えば図１のステップＳ４で行った検討結果の情報が記憶される。
The
前記き裂進展介在物存在確率推定手段２６は、前記データベース２５の蓄積情報である前記転動面で転動が行われた場合に前記機械要素にき裂が進展し得る介在物に係る情報、および前記分布状態シミュレーション手段２３で得られた介在物の分布状態から、前記製品の軌道面から一定深さに位置する、き裂が進展し得る介在物の存在確率を求める手段である。このき裂進展介在物存在確率推定手段２６は、図１のステップＳ６の処理を行う。
The crack propagation inclusion existence probability estimation means 26 is information related to inclusions in which a crack can propagate to the machine element when rolling is performed on the rolling surface, which is stored information in the
寿命試験結果記憶手段２７は、き裂が進展し得る介在物の存在確率と転動疲労寿命との関係の情報を記憶したデータベースであり、荷重などの試験条件や鍛流線方向をパラメータとして実施された転動疲労寿命試験の情報を記憶している。すなわち、図１のステップＳ７で行った寿命試験の結果を記憶させてある。 The life test result storage means 27 is a database that stores information on the relationship between the existence probability of inclusions through which cracks can propagate and the rolling fatigue life, and is implemented using test conditions such as load and forging line direction as parameters. Information on the rolling fatigue life test performed is stored. That is, the result of the life test performed in step S7 in FIG. 1 is stored.
前記転動疲労寿命確保手段２８は、前記き裂進展介在物存在確率推定手段２６で求められた存在確率が一定値以下であるか否かを判定する手段である。 The rolling fatigue life securing means 28 is means for determining whether or not the existence probability obtained by the crack propagation inclusion existence probability estimating means 26 is equal to or less than a certain value.
前記機械要素材料の品質保証装置２０は、上記各手段の他に、入力処理手段２９および出力処理手段３０を備える。入力処理手段２９は、キーボードやマウス等の入力機器３１からオペレータの操作入力を受け付けたり、機外の記憶装置や他のコンピュータから入力を受け付けたりして記憶する。前記各手段で必要な入力は、この入力処理手段２９を介して行われる。出力処理手段３０は、液晶表示装置等の画像表示装置やプリンタ等の出力機器３２に対して出力を行う手段であり、前記各手段で得た事項は出力処理手段３０を介して出力機器３２に表示される。
なお、この機械要素材料の品質保証装置２０は、１台のパーソナルコンピュータ等のコンピュータで構成されていても、互いにネットワークで接続された複数台のコンピュータで構成されていても良い。
The machine element material
The machine element material
この構成の機械要素材料の品質保証装置２０によると、鋼材状態で介在物検査を行うことで、機械要素として製品化された場合における、軌道面から一定深さに位置する、き裂が進展し得る介在物の存在確率を所定値以下に保証し、転動疲労寿命が一定の水準に達しているかの判定が行える。
According to the
次に、この機械要素材料の品質保証方法および装置を適用する機械要素の具体例を図４ないし図６と共に説明する。図４は、内輪回転型の車輪用軸受装置の断面図である。この車輪用軸受装置は、ハブ輪１およびそのインボード側端の外周に嵌合した内輪２からなる内方部材３と、外方部材４とを備え、車体に対して車輪を回転自在に支持する。上記外方部材４が、上記実施形態における品質保証対象の機械要素となる。
Next, specific examples of machine elements to which the machine element material quality assurance method and apparatus are applied will be described with reference to FIGS. FIG. 4 is a cross-sectional view of an inner ring rotating type wheel bearing device. This wheel bearing device includes an
ハブ輪１は、アウトボード側端に車輪取付用のフランジ５を有しており、フランジ５の周方向複数箇所に形成されたボルト挿通孔７に、車輪取付用のボルト８が圧入されている。ハブ輪１は、中央孔１ａが貫通した筒状の部材とされている。中央孔１ａには、図示しない等速自在継手の外側継手部材の軸部が嵌合している。上記ハブ輪１および内輪２に、複列の転動面１０，１１の片方ずつが設けられている。転動面１０，１１は、軌道面または転走面と呼ばれることもある。外方部材４は、単独の外輪からなり、外周に車体への取付用のフランジ６を有している。このフランジ６の周方向複数箇所にボルト挿通孔９が形成されている。外方部材４は、ハブ輪１および内輪２の転動面１０，１１に対向する複列の転動面１２，１３を有し、両列の対向する転動面１０，１２間、および転動面１１，１３間に転動体１４が介在している。転動体１４は鋼球等のボールである。これら転動体１４は、各列毎に保持器２９により保持されている。内方部材３と外方部材４との間の軸受空間における両端は、密封装置１５，１６により密封されている。
The hub wheel 1 has a wheel mounting flange 5 at an end on the outboard side, and
ハブ輪１および外方部材４は、いずれも鍛造後に旋削加工して製造される。ハブ輪１および外方部材４の材質は、例えば軸受鋼、または浸炭鋼、または炭素含有量が０．４〜０．８％の炭素鋼とされる。鍛造工程では、外方部材４は、図６に示すように、上記材質の鋼材であるバー材Ｗを所定寸法に切断し、１１００℃前後に加熱して、据え込み、荒成形、仕上成形、および内径抜きを行う。このような鍛造工程により、外方部材４は図５に示す形状に加工される。同図において、外方部材４の旋削後の仕上げ形状を破線で示した。また、ファイバーフローＦを示す曲線を同図の断面中に示した。同図中の符号Ａ，Ｂで示す箇所は、転動面を構成する箇所である。
Both the hub wheel 1 and the
ファイバーフローＦを調べるには、例えば、外方部材４を軸方向に沿って切断し、その切断した試料を、加熱した塩酸溶液に浸漬させることで切断面に析出させればよい。
In order to examine the fiber flow F, for example, the
なお、上記実施形態では機械要素が車輪用軸受装置の外方部材である場合につき説明したが、この発明は、品質保証の対象となる機械要素が転がり軸受の軌道輪である場合に限らず、転動体であっても良く、またその他、転がり接触を行う機械要素一般にこの発明を適用することができる。 In the above embodiment, the case where the mechanical element is an outer member of the wheel bearing device has been described.However, the present invention is not limited to the case where the mechanical element targeted for quality assurance is a bearing ring of a rolling bearing, The present invention can be applied to a machine element that performs rolling contact.
以上、実施形態に基づいてこの発明を実施するための形態を説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 As mentioned above, although the form for implementing this invention based on embodiment was demonstrated, embodiment disclosed this time is an illustration and restrictive at no points. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
４…外方部材（機械要素）
２０…機械要素材料の品質保証装置
２１…介在物検査情報記憶手段
２２…鍛造シミュレーション手段
２３…分布状態シミュレーション手段
２５…データベース
２６…き裂進展介在物存在確率推定手段
２７…寿命試験結果記憶手段
２８…転動疲労寿命確保手段
Ｆ…ファイバーフロ−
4 ... Outer member (machine element)
20 ... Machine element material
Claims (6)
前記鋼材の介在物に係る情報を取得する介在物検査過程と、
前記鋼材を前記機械要素の形状に加工する鍛造のシミュレーションを行って前記鍛造の後のファイバーフロ−の方向の情報を取得する鍛造シミュレーション過程と、
前記介在物検査過程で得た介在物に係る情報と前記鍛造シミュレーション過程で得たファイバーフロ−の方向の情報とから、前記鋼材が前記機械要素に製品化された状態における前記転動面の表面から一定の深さに位置する前記介在物の分布状態を調べる分布状態シミュレーション過程と、
前記転動面で転動が行われた場合に前記機械要素にき裂が進展し得る介在物に係るデータベースの蓄積情報、および前記分布状態シミュレーションで得られた介在物の分布状態から、前記製品の軌道面から一定深さに位置する、き裂が進展し得る介在物の存在確率を求めるき裂進展介在物存在確率推定過程と、
この求められた存在確率が一定値以下であるか否かを判定する転動疲労寿命確保過程、 とを含む機械要素材料の品質保証方法。 When a steel material, which is a material of a machine element having a rolling surface, is commercialized into the machine element through forging, it is determined whether or not the rolling fatigue life has reached a certain level. A quality assurance method,
Inclusion inspection process for obtaining information on inclusions in the steel material;
A forging simulation process of obtaining information on the direction of fiber flow after the forging by performing a forging simulation for processing the steel material into the shape of the machine element;
From the information on the inclusions obtained in the inclusion inspection process and the information on the direction of the fiber flow obtained in the forging simulation process, the surface of the rolling surface in a state where the steel material is commercialized into the machine element. A distribution state simulation process for examining the distribution state of the inclusion located at a certain depth from
From the accumulated information in the database related to inclusions that can crack in the machine element when rolling is performed on the rolling surface, and the distribution state of inclusions obtained by the distribution state simulation, the product A crack propagation inclusion existence probability estimation process for determining the existence probability of an inclusion that can propagate a crack, located at a certain depth from the orbital plane of
A quality assurance method for a machine element material, comprising: a rolling fatigue life securing process for determining whether or not the obtained existence probability is a predetermined value or less.
前記鋼材の介在物に係る情報を記憶する介在物検査情報記憶手段と、
前記鋼材を前記機械要素の形状に加工する鍛造のシミュレーションを行って前記鍛造の後のファイバーフロ−の方向の情報を取得する鍛造シミュレーション手段と、
前記介在物検査情報記憶手段に記憶された介在物に係る情報と前記鍛造シミュレーション手段で得たファイバーフロ−の方向の情報とから、前記鋼材が前記機械要素に製品化された状態における前記転動面の表面から一定の深さに位置する前記介在物の分布状態を調べる分布状態シミュレーション手段と、
前記転動面で転動が行われた場合に前記機械要素にき裂が進展し得る介在物に係るデータベースの蓄積情報、および前記分布状態シミュレーションで得られた介在物の分布状態から、前記製品の軌道面から一定深さに位置する、き裂が進展し得る介在物の存在確率を求めるき裂進展介在物存在確率推定手段と、
この求められた存在確率が一定値以下であるか否かを判定する転動疲労寿命確保手段、 とを備える機械要素材料の品質保証装置。 When a steel material, which is a material of a machine element having a rolling surface, is commercialized into the machine element through forging, it is determined whether or not the rolling fatigue life has reached a certain level. A quality assurance device,
Inclusion inspection information storage means for storing information relating to inclusions in the steel material;
Forging simulation means for obtaining information on the direction of fiber flow after the forging by performing a forging simulation for processing the steel material into the shape of the machine element;
The rolling in a state in which the steel material is commercialized into the machine element from the information related to the inclusion stored in the inclusion inspection information storage means and the information on the direction of the fiber flow obtained by the forging simulation means. A distribution state simulation means for examining the distribution state of the inclusions located at a certain depth from the surface of the surface;
From the accumulated information in the database related to inclusions that can crack in the machine element when rolling is performed on the rolling surface, and the distribution state of inclusions obtained by the distribution state simulation, the product A crack propagation inclusion existence probability estimating means for obtaining the existence probability of an inclusion that can be propagated by a crack located at a certain depth from the orbital plane of
A rolling element fatigue life securing means for judging whether or not the obtained existence probability is a predetermined value or less, and a quality assurance device for machine element material.
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