JP2021146374A

JP2021146374A - 筒状部材の加工方法、加工装置、及び加工プログラム

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Publication number: JP2021146374A
Application number: JP2020049476A
Authority: JP
Inventors: 健晃石代; Takeaki Ishidai; 真弘三輪; Masahiro Miwa; 拓志手塚; Takushi Tezuka
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2020-03-19
Filing date: 2020-03-19
Publication date: 2021-09-27
Also published as: WO2021187013A1

Abstract

【課題】筒状部材の円周方向に沿って複数の貫通穴をレーザ光により形成するに際し、各貫通穴の位置や形状のバラつきを抑える。【解決手段】筒状部材（ケージ素材１８）の円周方向に沿って複数の貫通穴（ポケット９）をレーザ光により形成するにあたり、各ポケット９を形成する際のレーザ光の照射位置を、そのときのケージ素材１８の熱膨張量に基づいて補正する。【選択図】図４

Description

本発明は、等速自在継手のケージ等の筒状部材の加工方法、加工装置、及び加工プログラムに関する。

等速自在継手は、自動車や各種産業機械の動力伝達系において、駆動側の回転軸と従動側の回転軸を連結して等角速度でトルクを伝達するものである。等速自在継手は、外輪、内輪、ボール（トルク伝達要素）およびケージを主要な構成要素として成り立っている。外輪の内周面には軸方向に延びる複数のトラック溝が円周方向に沿って形成され、また、内輪の外周面にも軸方向に延びる複数のトラック溝が円周方向に沿って形成されている。外輪の各トラック溝と内輪の各トラック溝とが対をなしてボールトラックを形成し、各ボールトラックにボールが組み込んである。これらボールは、ケージに形成されたポケット内に収容されて転動自在に保持されている。

等速自在継手が作動角をとった状態でトルクを伝達するとき、ボールは、常に外輪の回転軸と内輪の回転軸とがなす角を二等分する平面内に位置するようにケージによって規制され、これにより、継手の等速性が確保される。このように等速自在継手の一つの構成部品であるケージは、外輪と内輪の間に組み込まれ、大きな負荷に耐えてボールを等速二等分面上に保持する重要な部品の一つである。

従来のケージは、一般的に浸炭鋼が使用され、樽状のケージ素材を形成した後、窓抜き加工によりポケットを形成した上で、浸炭焼入れ後、外球面、内球面、及びポケットの周壁面（ボールとの接触面）を仕上げ加工していた。

このケージの窓抜き加工は、例えば安価なプレスにより行うことができるが、中炭素鋼などの材料硬度が高い場合に加工が困難となる。また、窓抜き加工をミーリングにより行うこともできるが、加工時間が長くなりコスト高を招く。そこで、材料硬度に左右されず、加工時間も比較的短いレーザ光による窓抜き加工がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−２０８９３７号公報

しかし、レーザ光による切断加工は溶断加工であるため、１つのワークに対して加工を繰り返していくと、熱の影響でワークもしくはワークを保持する保持機構が熱膨張し、ワークの寸法が徐々に変動することが懸念される。

具体的には、図５の左図に示すように、樽形（図では円筒形で示す）のケージ素材１００の円周方向に沿って複数のポケット１０１を形成する際、基準面（図示例では、左側の端面）から所定の軸方向距離δ’の位置に、レーザ光により一箇所目のポケット１０１を形成する。次に、ケージ素材１００を所定角度だけ回転させ、同じく基準面から所定の軸方向距離δ’の位置に、レーザ光により二箇所目のポケット１０１を形成する。この手順を繰り返すことで、ケージ素材１００に、円周方向に沿って複数（例えば８個）のポケット１０１が形成される。

このとき、各ポケット１０１を加工する度に、ケージ素材１００が熱膨張するため、各ポケット１０１は、それ以前のポケット１０１の加工により熱膨張したケージ素材１００の所定位置（基準面から軸方向距離δ’の位置）に形成される。このため、全てのポケット１０１を加工した後、ケージ素材１００が常温に戻って収縮すると、図５の右図に示すように、ケージ素材１００に形成された各ポケット１０１間に軸方向の位置ズレδ１’，δ２’が生じてしまう。尚、図５では、ケージ素材１００の熱膨張量やポケット１０１の位置ズレ量δ１’，δ２’を誇張して示している。

そこで、本発明は、筒状部材の円周方向に沿って複数の貫通穴をレーザ光により形成するに際し、各貫通穴の位置や形状のバラつきを抑えることを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明は、筒状部材の円周方向に沿って複数の貫通穴をレーザ光により形成する加工方法であって、
各貫通穴を形成する際の前記レーザ光の照射位置を、そのときの前記筒状部材の熱膨張量に基づいて補正することを特徴とする筒状部材の加工方法を提供する。

また、前記課題を解決するために、本発明は、筒状部材の円周方向に沿って複数の貫通穴をレーザ光により形成する加工装置であって、
前記レーザ光の照射位置を制御する制御部を備え、
前記制御部が、各貫通穴を形成する際の前記レーザ光の照射位置を、そのときの前記筒状部材の熱膨張量に基づいて補正することを特徴とする筒状部材の加工装置を提供する。

また、前記課題を解決するために、本発明は、筒状部材の円周方向に沿って複数の貫通穴をレーザ光により形成するに際し、前記レーザ光の照射位置を制御する制御部に組み込まれるプログラムであって、
各貫通穴を形成する際の前記レーザ光の照射位置を、そのときの前記筒状部材の熱膨張量に基づいて補正することを特徴とする筒状部材の加工プログラムを提供する。

このように、各貫通穴を形成する際の前記レーザ光の照射位置を、そのときの前記筒状部材の熱膨張量に基づいて補正することにより、筒状部材が常温に戻って収縮したときの各貫通穴の位置や形状のバラつきを抑えることができる。

等速自在継手の断面図である。（Ａ）はケージの軸直交方向の断面図であり、（Ｂ）は同側面図である。ケージ素材にポケットを形成するためのレーザ加工装置を示す断面図である。本発明の加工方法を示す図であり、左図は、ケージ素材にポケットを順次形成する様子を示す断面図、右図は、常温に戻ったケージ素材のポケットの位置を示す断面図である。従来の加工方法を示す図であり、左図は、ケージ素材にポケットを順次形成する様子を示す断面図、右図は、常温に戻ったケージ素材のポケットの位置を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１に示す等速自在継手は、外側継手部材としての外輪３と、内側継手部材としての内輪６と、外輪３と内輪６との間でトルクを伝達する複数のボール７と、複数のボール７を保持するケージ８とを備える。外輪３の内球面１には、軸方向に延びる複数のトラック溝２が円周方向等間隔に形成されている。内輪６の外球面４には、外輪３のトラック溝２と対をなして軸方向に延びる複数のトラック溝５が円周方向等間隔に形成されている。ボール７は、外輪３のトラック溝２と内輪６のトラック溝５との間に介在し、且つ、ケージ８に形成されたポケット９に収容されて、円周方向等間隔に配置されている。ケージ８は、外輪３の内球面１と摺接する外球面８ａと、内輪６の外球面４と摺接する内球面８ｂとを有する。この等速自在継手は、トラック溝２，５の軸方向断面が単一の円弧面形状を有するバーフィールド型等速自在継手（ＢＪ）である。

内輪６の中心孔（内径孔）１２にシャフト１１を挿入してスプライン嵌合させ、そのスプライン嵌合により両者間でトルク伝達可能としている。シャフト１１は止め輪１３により内輪６に対して抜け止めされている。

外輪３のトラック溝２の曲率中心Ｏ１および内輪６のトラック溝５の曲率中心Ｏ２は、全てのボール７の中心Ｏ３を含む平面と軸線との交点である継手中心Ｏに対して、等距離ｆだけ軸方向で逆向きにオフセットされている（トラックオフセット）。なお、外輪３の内球面１（ケージ８の外球面８ａ）の曲率中心および内輪６の外球面４（ケージ８の内球面８ｂ）の曲率中心は前述の継手中心Ｏと一致している。このように、トラックオフセットを設けることにより、一対のトラック溝２，５でもって外輪３の奥側から開口側に向けて径方向間隔が徐々に増加する楔状のボールトラックが形成される。

ケージ８は、図２（Ａ）（Ｂ）に示すように、軸方向両端を開口した筒状を成し、円周方向に沿って所定ピッチで複数の貫通穴としてのポケット９が設けられる。図示例では、８個のポケット９が４５°ピッチで設けられる。各ポケット９の周壁面９ａは、各ポケット９の周方向中央部におけるケージ８の半径方向と平行な面である。その結果、隣接するポケット９の周方向間に設けられた柱部８ｃは、半径方向内方に行くにつれて周方向幅が徐々に狭まった断面楔形状を成している。

ケージ８は、本発明の一実施形態に係る加工方法により、以下の手順で製作される。

まず、筒状部材としてのケージ素材１８（図３参照）を形成する。具体的には、短円筒状の素形材の外面及び内面を旋削して、外球面及び内球面を有する樽形のケージ素材１８を形成する（図３及び図４では、ケージ素材１８を簡略化して円筒で示している）。このケージ素材１８は、例えば炭素量（質量％濃度）が０．２５〜０．６％である中炭素鋼、具体的には炭素量が０．４％〜０．５５％である機械構造用炭素鋼（ＪＩＳＧ４０５１）で形成される。尚、ケージ素材１８を、炭素量が０．２５％以下の低炭素鋼で形成し、後述する熱処理として浸炭焼入れを施すことにより、硬度を高めてもよい。

次に、このケージ素材１８に対して熱処理（表面硬化処理）を施す。本実施形態では、熱処理として、高周波焼き入れを施す。これにより、ケージ素材１８の全表面、つまり、内球面、外球面、及び両軸方向端面に硬化層が形成される。尚、熱処理としては、高周波焼き入れの他、浸炭焼入れ等を採用することもできる。

その後、図３に示すレーザ加工装置により、ケージ素材１８にポケット９を形成する。レーザ加工装置は、レーザ発振器（図示省略）と、このレーザ発振器からのレーザ光をケージ素材１８に向けて照射するトーチ２０と、トーチ２０を動かす駆動部（図示省略）と、ケージ素材１８を保持する保持機構３０と、レーザ発振器、駆動部、及び保持機構３０を制御する制御部（図示省略）とを備える。

保持機構３０は、本体３１と、本体３１の端面に設けられたチャック爪３２を有する。チャック爪３２は、複数（好ましくは３個以上）設けられる。各チャック爪３２は、ケージ素材１８の軸方向に延びる軸方向部３２ａと、同半径方向に延びる半径方向部３２ｂとを有する。各チャック爪３２は、本体３１に対してケージ素材１８の半径方向に移動可能とされる。

この保持機構３０の各チャック爪３２の半径方向部３２ｂにケージ素材１８の軸方向一方（図中左側）の端面１８ｄを当接させた状態で、ケージ素材１８の内周に配された各チャック爪３２の軸方向部３２ａを半径方向外方に移動させて、複数（３個以上）のチャック爪３２の軸方向部３２ａでケージ素材１８の内周面１８ａの軸方向一方の端部を内周からチャックする。これにより、ケージ素材１８が、保持機構３０により、軸方向及び半径方向で位置決めされた状態で保持される。図示例では、ケージ素材１８の軸方向を水平方向とした状態で、ケージ素材１８が保持機構３０で保持される。このとき、チャック爪３２の半径方向部３２ｂと当接するケージ素材１８の軸方向一方の端面１８ｄが、ポケット９の軸方向位置を設定する際の基準面となる。尚、ケージ素材１８の軸方向の位置決めを、チャック爪３２の半径方向部３２ｂで行うのではなく、本体３１あるいはこれに固定された部材で行ってもよい。

こうして、保持機構３０でケージ素材１８を保持した状態で、制御部に組み込まれたプログラムに従って駆動部でトーチ２０を動かしながら、トーチ２０からケージ素材１８のポケット形成予定部分にレーザ光を照射することによって窓抜き加工を行う。

このとき、各ポケット９を形成する度に、トーチ２０の位置（すなわち、レーザ光の照射位置）を補正する。具体的には、図４に示すように、一箇所目のポケット９を形成する際には、ケージ素材１８が略常温であるため、基準面からポケット９までの距離δ及びポケット９の大きさ（周方向幅及び軸方向幅）が、完成品のケージ８と同様に設定される（図４の左図上段参照）。そして、駆動部によりトーチ２０を環状に動かしながら、トーチ２０からレーザ光を照射することにより、一箇所目のポケット９を形成する。ポケット９が形成されると同時に、切断片Ｓが下方に落下する（図３参照）。

次に、保持機構３０によりケージ素材１８を所定角度（本実施形態では４５°）回転させた後、二箇所目のポケット９を形成する（図４の左図中段参照）。このとき、一箇所目のポケット９を形成する際のレーザ光の照射により、ケージ素材１８に熱膨張が生じている。このときのケージ素材１８の熱膨張量に基づいて、二箇所目のポケット９を形成する際のトーチ２１の位置が補正される。具体的に、例えば、ケージ素材１８の軸方向の熱膨張量に基づいて、トーチ２１の基準面からの軸方向距離を（δ＋δ１）とする。また、必要に応じて、ポケット９の大きさ（周方向幅及び軸方向幅）も補正する。これにより、熱膨張したケージ素材１８において、一箇所目のポケット９と二箇所目のポケット９とが同じ軸方向位置に同じ形状で形成される。尚、図４では、ケージ素材１８の熱膨張量やポケット９の位置の補正量δ１，δ２を誇張して示している。

その後、上記と同様の手順で、三箇所目以降のポケット９を順次形成する。このとき、各ポケット９を形成する度に、そのときのケージ素材１８の熱膨張量に基づいてトーチ２０の位置を補正する。以上により、ケージ素材１８の円周方向に沿って等ピッチで８個のポケット９が形成される。

各ポケット９を形成する際のトーチ２０の位置及び形状の補正量は、例えば以下のように設定される。まず、予め、上記のケージ素材１８と同じ材料及び同じ形状からなるダミーの筒状部材を形成する。そして、上記のレーザ加工装置を用いて、ダミーの筒状部材に対し、同じ軸方向位置に同じ形状の複数（８個）のポケットを円周方向等ピッチで形成する。そして、ダミーの筒状部材が常温に戻ったら、ダミーの筒状部材に形成された各ポケットの位置及び形状のズレ量（各ポケット間の相対的なズレ量、あるいは、基準面及び基準形状からのズレ量）を測定する。このズレ量に基づいて、各ポケット９を形成する際の位置及び形状の補正量が設定され、この補正量が、制御部に組み込まれるプログラムに反映される。

以上のように、ケージ素材１８の熱膨張量を考慮して、各ポケット９の位置及び形状を補正しながら、各ポケット９をレーザ加工により形成することで、全てのポケット９が形成されたケージ素材１８が常温に戻って収縮した際、各ポケット９の位置及び形状のズレを抑えることができる（図４の右図参照）。

その後、ケージ素材１８の内球面及び外球面に研削加工を施すと共に、ポケット９の内面（特に、軸方向で対向する一対の側面）に切削加工（仕上げ加工）を施す。以上により、ケージ８が完成する。

本発明は上記の実施形態に限られない。例えば、ダミーではなく、製品となるケージ素材１８に対して各ポケット９を形成した後、そのときのケージ素材１８の熱膨張量を測定し、この熱膨張量に基づいてポケット９の位置及び形状を補正してもよい。

また、上記の実施形態では、旋削→熱処理→窓抜き→研削の工程順でケージ８を製造した場合を示したが、これに限らず、例えば、旋削→窓抜き→熱処理→研削の工程順でケージ８を製造してもよい。特に、ケージ８を浸炭鋼（浸炭焼入れを施した低炭素鋼）で形成する場合、熱処理工程の前に窓抜きを施すことが好ましい。

また、上記の実施形態では、８個のボールを収容するケージを加工する場合を示しているが、これに限らず、本発明は、６個のボールを収容するケージの加工に適用することもできる。また、上記の実施形態では、バーフィールド型等速自在継手（ＢＪ）のケージを加工する場合を示しているが、軸方向と平行なストレート底を有するトラック溝を持つ外輪および内輪を具備したアンダーカットフリー型（ＵＪ）等の他の等速自在継手のケージの加工に本発明を適用することもできる。

また、上記の実施形態では、筒状部材として、等速自在継手のケージを形成する場合を示したが、本発明は、筒状部材の円周方向に沿って複数の貫通穴をレーザ加工により形成する場合であれば、ケージに限らず適用可能である。

３外輪
６内輪
７ボール
８ケージ
９ポケット
１８ケージ素材
２１トーチ
２２駆動部
２３制御部
３０保持機構
３１本体
３２チャック爪

Claims

筒状部材の円周方向に沿って複数の貫通穴をレーザ光により形成する加工方法であって、
各貫通穴を形成する際の前記レーザ光の照射位置を、そのときの前記筒状部材の熱膨張量に基づいて補正することを特徴とする筒状部材の加工方法。
筒状部材の円周方向に沿って複数の貫通穴をレーザ光により形成する加工装置であって、
前記レーザ光の照射位置を制御する制御部を備え、
前記制御部が、各貫通穴を形成する際の前記レーザ光の照射位置を、そのときの前記筒状部材の熱膨張量に基づいて補正することを特徴とする筒状部材の加工装置。
筒状部材の円周方向に沿って複数の貫通穴をレーザ光により形成するに際し、前記レーザ光の照射位置を制御する制御部に組み込まれるプログラムであって、
各貫通穴を形成する際の前記レーザ光の照射位置を、そのときの前記筒状部材の熱膨張量に基づいて補正することを特徴とする筒状部材の加工プログラム。