JP5130707B2

JP5130707B2 - 転動装置

Info

Publication number: JP5130707B2
Application number: JP2006338726A
Authority: JP
Inventors: 啓之内田
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2006-12-15
Filing date: 2006-12-15
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2026-12-15
Also published as: JP2008151235A

Description

本発明は、転がり軸受，リニアガイド装置，ボールねじ，直動ベアリング等のような転動装置に関する。

一般に、転がり軸受等の転動装置においては、転動装置を構成する内方部材，外方部材と転動体との間で転がり運動が行われ、内方部材，外方部材の軌道面及び転動体の転動面は高面圧下で剪断応力を繰り返し受ける。そのため、内方部材，外方部材，転動体を構成する材料には、硬い、転がり疲労寿命が長い等の性質が要求される。
そこで、これらの部材を構成する材料には、ＳＵＪ２等の高炭素クロム軸受鋼や、ＳＣｒ４２０，ＳＣＭ４２０，ＳＡＥ４３２０Ｈ等の肌焼鋼がよく使用される。そして、これらの材料は、転がり疲労寿命等の必要とされる性質を得るために、軸受鋼であれば焼入れ，焼戻しが施され、硬さがＨＲＣ５８以上６４以下とされている。また、肌焼鋼であれば浸炭処理又は浸炭窒化処理の後に焼入れ，焼戻しが施されて、表面硬さがＨＲＣ５８以上６４以下、芯部硬さがＨＲＣ３０以上４８以下とされている。

しかしながら、近年においては、転動装置のメンテナンスフリー化や、転動装置を備えた自動車の低燃費化が求められているため、転動装置の使用条件が過酷なものとなっている。このため、転動装置を潤滑する潤滑剤中に混入する異物や転動装置の潤滑不良による軌道面や転動面の損傷及び剥離が問題となっており、上記のような厳しい使用条件下における転動装置の長寿命化に対する要求が高まっている。

このような要求に対して、転がり疲労寿命の向上に効果のある圧縮残留応力に着目して転動装置を長寿命化する方法が、特許文献１〜３に提案されている。
特許文献１には、ショットブラストの後にバレル仕上げすることにより、転がり面に油溜まりとなる微小くぼみを多数形成した転がり部品が記載されている。そして、この転がり面の表面から深さ１００μｍまでの表層部における圧縮残留応力の最小値は、９０ＭＰａ以上とされている。

また、特許文献２には、ショットピーニングを施すことにより、軌道輪の軌道面の最表面部における最大圧縮残留応力を１００ｋｇｆ／ｍｍ²以上とするとともに、表面下３００μｍの位置における圧縮残留応力を４０ｋｇｆ／ｍｍ²以上とした転がり軸受が記載されている。
さらに、特許文献３には、ショットピーニングを施すことにより、表層部における最大圧縮残留応力を５０〜１１０ｋｇｆ／ｍｍ²とするとともに、表面粗さの平均波長を２５μｍ以下とした転がり摺動部品が記載されている。
特願平７−４３２３９号明細書特許第２９４９７９４号公報特許第３１２５４３４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の転がり部品においては、ショットブラストの後にバレル仕上げを施して転がり面を仕上げるため、被加工物をカゴの中で回転させるというバレル仕上げの特性上、転がり部品がカムフォロアの外輪等の小径なものに限定されてしまうおそれがある。そのため、例えば内径が８０ｍｍを超えるような大径の転がり軸受には適用することが困難である。その上、バレル仕上げ時には被加工物同士が衝突して打痕が生じるという問題があるため、玉軸受の軌道輪には適用することが困難である。

また、特許文献２に記載の転がり軸受においては、軌道輪の軌道面の表面粗さは規定されていないが、ショットピーニングでは汎用の大きな粒径のショット材（例えば、平均粒径０．７２ｍｍの鋼球）が使用されることが多いため、ショットピーニング後の表面粗さは必然的に大きくなる。よって、軌道面の表面粗さを転がり軸受として使用可能なレベルとするためには、ショットピーニング後に研磨加工を行って表面を仕上げる必要がある。ところが、特に大径で研磨取代の大きな転がり軸受では、圧縮応力が付与された表面層が取代分取り除かれてしまうという問題があり、適用が困難である。

さらに、特許文献３に記載の転がり摺動部品においては、カムフォロアの外輪等のように、摺動する相手面が比較的粗い面であることを想定しているため、所謂なじみ性を向上させるために、表面粗さを広い範囲で規定している。このため、玉軸受の軌道輪のように、摺動する相手面が鏡面である場合には、逆に相手面に損傷を与えてしまうおそれがあり、適用が困難である。
そこで、本発明は上記のような従来技術が有する問題点を解決し、軌道面の損傷が生じにくく長寿命な転動装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明に係る請求項１の転動装置は、外面に軌道面を有する内方部材と、該内方部材の軌道面に対向する軌道面を有し前記内方部材の外方に配された外方部材と、前記両軌道面間に転動自在に配された複数の転動体と、を備える転動装置において、前記両軌道面の少なくとも一方は、平均粒径２００μｍ以下の略球状のガラス製のセラミック粒子を投射するショットピーニングをした後に、平均粒径３μｍ以下の研磨材を含有するゴムで構成された平均粒径１．５ｍｍ以下のゴム粒子を投射するショットピーニングをすることにより仕上げ加工が施されており、表面粗さＲａが０．０１μｍ以上０．０７μｍ以下、表面残留応力が−１４００ＭＰａ以上−９００ＭＰａ以下とされていることを特徴とする。
セラミック粒子の投射により軌道面の表面残留応力が好適な値となっているため、転動装置が長寿命である。また、ゴム粒子の投射により仕上げ加工が施されているため、軌道面が極めて平滑に仕上げられている。よって、例えば玉軸受の軌道輪のように、摺動する相手面が鏡面である場合でも、相手面に損傷を与えるおそれがほとんどない。さらに、微粒子の投射という比較的単純な処理であるため、処理の対象となる内方部材，外方部材の形状及び大きさが制限されることがなく、ほぼ全ての種類の転動装置に対して本発明を適用することが可能である。

セラミック粒子の平均粒径が２００μｍ超過であると、セラミック粒子を投射した後の軌道面の表面粗さが過大となるので、その後のゴム粒子の投射で表面粗さを十分に小さくすることができず、軌道面の仕上げが不十分となる。また、セラミック粒子の形状が、滑らかな曲面である球状や略球状ではなく角部を持った形状であると、セラミック粒子を投射した後の軌道面の表面粗さが過大となるおそれがある。さらに、投射材の材質が例えば錫のように軟質であると、投射エネルギーが投射材自身の変形に費やされてしまい、軌道面に表面残留応力を十分に付与できなくなるため、投射材は硬質なセラミックである必要がある。

さらに、研磨材の平均粒径が３μｍ超過であると、軌道面の表面粗さを十分に小さくすることができないおそれがある。さらに、ゴム粒子の平均粒径が１．５ｍｍ超過であると、研磨効率が低くなるおそれがある。
さらに、転動装置（特に、高精度が要求される玉軸受）として必要な機能（例えば寿命や音響性能）を損なわないためには、仕上げ加工が施された後の軌道面の表面粗さＲａは０．０７μｍ以下である必要がある。ただし、０．０１μｍ未満とするためには長時間の仕上げ加工が必要となり効率的でないため、軌道面の表面粗さＲａは０．０１μｍ以上である必要がある。

さらに、軌道面の表面残留応力が−９００ＭＰａ以下であると、すなわち表面の圧縮残留応力が９００ＭＰａ以上であると、軌道面へのクラックの発生が抑制され、転動装置が長寿命となる。ただし、表面残留応力が−１４００ＭＰａ未満であると、すなわち表面の圧縮残留応力が１４００ＭＰａ超過であると、軌道面がオーバーピーニングの状態となるため、逆にクラックの発生源となって短寿命となるおそれがある。

また、本発明に係る請求項２の転動装置は、請求項１に記載の転動装置において、前記仕上げ加工が施された軌道面の表面から深さ２０μｍまでの部分は、残留オーステナイトを含有しており、その含有量は１３質量％以上２５質量％以下であることを特徴とする。軌道面に圧縮残留応力とともに残留オーステナイトを確保することは、転動装置の長寿命化に対して重要である。残留オーステナイト量が１３質量％未満であると、転動装置の寿命が不十分となるおそれがある。ただし、残留オーステナイト量と圧縮残留応力とは二律背反の関係にあるため、残留オーステナイト量を２５質量％超過とすると圧縮残留応力を前述の値とすることが困難となる。

なお、本発明は種々の転動装置に適用することができる。例えば、転がり軸受，ボールねじ，リニアガイド装置，直動ベアリング等である。また、本発明における内方部材とは、転動装置が転がり軸受の場合には内輪、同じくボールねじの場合にはねじ軸、同じくリニアガイド装置の場合には案内レール、同じく直動ベアリングの場合には軸をそれぞれ意味する。また、外方部材とは、転動装置が転がり軸受の場合には外輪、同じくボールねじの場合にはナット、同じくリニアガイド装置の場合にはスライダ、同じく直動ベアリングの場合には外筒をそれぞれ意味する。

本発明の転動装置は、軌道面に損傷が生じにくく長寿命である。

本発明に係る転動装置の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明に係る転動装置の一実施形態である玉軸受の構造を示す縦断面図である。
この玉軸受は、外周面に軌道面１ａを有する内輪１（内方部材）と、内輪１の軌道面１ａに対向する軌道面２ａを内周面に有する外輪２（外方部材）と、両軌道面１ａ，２ａ間に転動自在に配された複数の玉（転動体）３と、内輪１と外輪２との間に玉３を保持する保持器４と、を備えている。

内輪１，外輪２，及び玉３の材質は特に限定されるものではなく、例えばＳＵＪ２製で浸炭窒化処理が施されたものでもよいし、ＳＵＪ２製でズブ焼き入れ又は高周波焼入れが施されたものでもよいし、ＳＣＭ４２０又はＳＣｒ４２０製で浸炭窒化処理又は浸炭処理が施されたものでもよい。また、保持器４の材質も特に限定されるものではなく、例えばプラスチックや鋼があげられる。さらに、内輪１と外輪２との間に形成される空間に、潤滑剤を封入してもよい。

この玉軸受の両軌道面１ａ，２ａには、超仕上げ加工と２種類のショットピーニングとが施されている。まず、超仕上げ加工が施された軌道面１ａ，２ａに、平均粒径２００μｍ以下の略球状のセラミック粒子を投射するショットピーニング（以降は第一工程と記すこともある）を施す。第一工程のショットピーニングには汎用のショットピーニング装置を用い、噴射圧力は０．１９６〜０．５８８ＭＰａ、噴射時間は１０〜２０ｍｉｎとした。また、１回の処理に用いる内輪，外輪の質量は、それぞれ１〜２０ｋｇとした。

続いて、軌道面１ａ，２ａに、平均粒径１．５ｍｍ以下の略球状のゴム粒子を乾式で投射するショットピーニング（以降は第二工程と記すこともある）を施す。このゴム粒子は、平均粒径３μｍ以下の研磨材を分散させたゴムで構成されている。第二工程のショットピーニングにはインペラー式のショットピーニング装置を用い、噴射速度は３０ｍ／ｓ以上、噴射時間は１０〜２０ｍｉｎとした。なお、ショットピーニング装置はインペラー式に限らず、エアー式でもよい。

これらの処理が施された軌道面１ａ，２ａの表面粗さＲａは、０．０１μｍ以上０．０７μｍ以下となっている。また、軌道面１ａ，２ａの表面残留応力は、−１４００ＭＰａ以上−９００ＭＰａ以下となっている。さらに、軌道面１ａ，２ａの表面から深さ２０μｍまでの部分は、残留オーステナイトを含有しており、その含有量は１３質量％以上２５質量％以下となっている。

このような内輪１，外輪２を玉３及び保持器４とともに組み立てて得られた玉軸受は、軌道面１ａ，２ａに損傷が生じにくく長寿命である。
なお、本実施形態においては、転動装置の例として深溝玉軸受をあげて説明したが、転がり軸受の種類は深溝玉軸受に限定されるものではなく、本発明は様々な種類の転がり軸受に対して適用することができる。例えば、アンギュラ玉軸受，自動調心玉軸受，自動調心ころ軸受，針状ころ軸受，円筒ころ軸受，円すいころ軸受等のラジアル形の転がり軸受や、スラスト玉軸受，スラストころ軸受等のスラスト形の転がり軸受である。さらに、本発明は、転がり軸受に限らず、他の種類の様々な転動装置に対して適用することができる。例えば、ボールねじ，リニアガイド装置，直動ベアリング等である。

以下に実施例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。前述した図１の深溝玉軸受とほぼ同様の構成の軸受において、第一工程及び第二工程のショットピーニングの条件を種々変更することにより、内輪及び外輪の軌道面の表面残留応力、表面粗さ、及び残留オーステナイト量が種々異なる試験軸受を用意して（表１，２を参照）、その寿命を評価した。すなわち、第一工程のショットピーニングにおいては、用いたセラミック粒子の種類（材質、形状）及び平均粒径を種々変更した。ガラス製のセラミック粒子の場合は、その形状は略球状であり、炭化ケイ素（ＳｉＣ）製のセラミック粒子の場合は、その形状は角部を持った形状である。また、第二工程のショットピーニングにおいては、ゴム粒子の平均粒径及びゴム粒子を構成するゴムに分散された研磨材の平均粒径を種々変更した。

なお、この深溝玉軸受は呼び番号６２０６の軸受であり、内径は３０ｍｍ、外径は６２ｍｍ、幅は１６ｍｍ、玉の直径は９．５２５ｍｍである。また、表１，２中の残留オーステナイト量は、内輪及び外輪の軌道面の表面から深さ２０μｍまでの部分に存在する残留オーステナイトの量である。この残留オーステナイト量はＸ線による測定値であり、測定値５個の平均値である。

このような試験軸受を下記のような条件で回転させ、軌道面にフレーキングが発生したら、それまでの回転数を寿命とした。そして、ワイブル分布関数に基づくＬ₁₀寿命を算出した。結果を表１，２に示す。なお、表１，２のＬ₁₀寿命の数値は、第一工程及び第二工程のショットピーニングをいずれも施していない比較例１のＬ₁₀寿命を１とした場合の相対値で示してある。

荷重：６２２３Ｎ
回転速度：３０００ｍｉｎ^-1
潤滑油：ＩＳＯ粘度グレードがＩＳＯＶＧ６８であるタービン油
ただし、潤滑油には、異物としてステンレス鋼粉を３００ｐｐｍ混入してある。ステンレス鋼粉の硬さはＨＲＣ５２であり、粒径は７４〜１４７μｍである。

第一工程及び第二工程のショットピーニングが施され表面残留応力の値が好適な値となっている実施例１〜１０は、比較例１よりも長寿命であり、比較例１の５倍以上の寿命を有していた。
比較例２は、第一工程に使用するセラミック粒子の形状の影響で表面粗さが大きすぎるため、短寿命であった。また、比較例３は、第一工程に使用するセラミック粒子の平均粒径が大きいことにより、圧縮残留応力が過大となったため、微小なクラックが発生して短寿命となった。さらに、比較例４は、第二工程に使用する研磨材の平均粒径が大きいことにより、表面粗さが十分に小さくならなかったため、短寿命であった。

さらに、比較例５は、圧縮残留応力が小さすぎるため短寿命であった。さらに、比較例６は、圧縮残留応力が過大となったため、オーバーピーニングにより微小なクラックが発生して短寿命となった。さらに、比較例７は、表面粗さが過大であるため、短寿命であった。さらに、比較例８は、第二工程のショットピーニングが施されていないため、表面粗さが過大となり短寿命となった。

本発明に係る転動装置の一実施形態である深溝玉軸受の構造を示す縦断面図である。

符号の説明

１内輪
１ａ軌道面
２外輪
２ａ軌道面
３玉

Claims

外面に軌道面を有する内方部材と、該内方部材の軌道面に対向する軌道面を有し前記内方部材の外方に配された外方部材と、前記両軌道面間に転動自在に配された複数の転動体と、を備える転動装置において、
前記両軌道面の少なくとも一方は、平均粒径２００μｍ以下の略球状のガラス製のセラミック粒子を投射するショットピーニングをした後に、平均粒径３μｍ以下の研磨材を含有するゴムで構成された平均粒径１．５ｍｍ以下のゴム粒子を投射するショットピーニングをすることにより仕上げ加工が施されており、表面粗さＲａが０．０１μｍ以上０．０７μｍ以下、表面残留応力が−１４００ＭＰａ以上−９００ＭＰａ以下とされていることを特徴とする転動装置。
前記仕上げ加工が施された軌道面の表面から深さ２０μｍまでの部分は、残留オーステナイトを含有しており、その含有量は１３質量％以上２５質量％以下であることを特徴とする請求項１に記載の転動装置。