(57)【要約】【課題】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。【解決手段】円すいころ軸受の内輪１の軌道面１ａ及び外輪２の軌道面２ａの少なくとも一方には、平均粒径２００μｍ以下の略球状のセラミック粒子を投射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０．０４μｍ以上０．２５μｍ以下、表面残留応力が−１４００ＭＰａ以上−９００ＭＰａ以下とされている。セラミック粒子の投射の後に、固体状二酸化炭素の粉末を投射してもよい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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以下の略球状のセラミック粒子を投射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０．０４μｍ以上０．２５μｍ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。
【請求項２】
前記セラミック粒子の投射の後に固体状二酸化炭素の粉末が投射されていることを特徴とする請求項１に記載の転動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【特許文献１】特開平８−２３２９６４号公報
【特許文献２】特許第２９４９７９４号公報
【特許文献３】特許第３１２５４３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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以下の略球状のセラミック粒子を投射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０．０４μｍ以上０．２５μｍ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。
【００１０】
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、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、投射による仕上げ加工の後に研磨加工を行って表面を仕上げる必要がない。また、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。
【００１１】
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、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。
【００１２】
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０．２５μｍ以下である必要がある。ただし、０．０４μｍ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０．０４μｍ以上である必要がある。
【００１３】
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。
【００１４】
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、前記セラミック粒子の投射の後に固体状二酸化炭素の粉末が投射されていることを特徴とする。
セラミック粒子を投射した後には、軌道面にセラミック成分が若干残留している場合があるが、固体状二酸化炭素の粉末を投射することにより、残留したセラミック成分を軌道面から完全に除去することができる。その結果、軌道面の摩耗が極めて生じにくくなるとともに、音響性能が大幅に向上するので、優れた耐摩耗性や音響性能が要求されるような用途に好適となる。
【００１５】
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。
【発明の効果】
【００１６】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明に係る転動装置の実施の形態を、図面を参照しつつ詳細に説明する。図１は、本発明に係る転動装置の一実施形態である円すいころ軸受の構造を示す縦断面図である。
図１の円すいころ軸受は、回転軸６の一端の軸受座６ａに嵌合された内輪１（内方部材）と、ハウジング７の外輪嵌合部材８に嵌合された外輪２（外方部材）と、内輪１の軌道面１ａと外輪２の軌道面２ａとの間に転動自在に配された複数の転動体（円すいころ）３と、複数の転動体３を両輪１，２の間に保持する保持器４と、を備えている。
【００１８】
また、外輪嵌合部材８の端面には、給水路９を備えるリング状の蓋体１０が取り付けられており、その給水路９の出口には、円すいころ３の大端面３ａに対向させて噴霧装置１１が取り付けられている。さらに、図示しないラジアル荷重負荷手段を用いて回転軸６にラジアル荷重Ｆｒを加えることにより、円すいころ軸受にラジアル荷重が負荷されるようになっている。また、図示しない油圧シリンダを用いて外輪嵌合部材８にアキシャル荷重Ｆｓを加えることにより、円すいころ軸受にアキシャル荷重が負荷されるようになっている。
【００１９】
この円すいころ軸受の両軌道面１ａ，２ａの少なくとも一方は、平均粒径２００μｍ以下の略球状のセラミック粒子（例えばガラスビーズ）を投射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０．０４μｍ以上０．２５μｍ以下、表面残留応力が−１４００ＭＰａ以上−９００ＭＰａ以下とされている。なお、両軌道面１ａ，２ａには、セラミック粒子の投射の前に、超仕上げ加工を施してもよい。また、セラミック粒子の投射の後に、固体状二酸化炭素の粉末を投射してもよい。
【００２０】
セラミック粒子の投射には、汎用のショットピーニング装置を用いることができ、噴射圧力は０．１９６〜０．５８８ＭＰａ、噴射時間は１０〜２０ｍｉｎが好ましい。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が好ましい。
固体状二酸化炭素の粉末の投射を行う場合には、図２のようなショットピーニング装置を用いるとよい。すなわち、このショットピーニング装置は、固体状二酸化炭素の粉末を供給する固体状二酸化炭素供給装置と、固体状二酸化炭素供給装置から供給された固体状二酸化炭素の粉末を収容するタンクと、圧縮空気を供給するコンプレッサーと、コンプレッサーから供給された圧縮空気を乾燥するエアードライヤーと、混合された固体状二酸化炭素の粉末と圧縮空気とを噴出するノズルと、投射が施されるワークを収容するショット部と、を備えている。
【００２１】
タンクからノズルへと向かう固体状二酸化炭素の粉末に、エアードライヤーにより乾燥された圧縮空気が混合され、ノズルからワークに吹き付けられる。噴射圧力は０．１９６〜０．５８８ＭＰａ、噴射時間は１０〜２０ｍｉｎが好ましい。また、１回の処理に用いるワーク（内輪，外輪）の質量は、それぞれ１〜２０ｋｇが好ましい。なお、固体状二酸化炭素の粉末の代わりに、固体状二酸化炭素のペレット状物を用いてもよい。
【００２２】
これらの処理が施された軌道面１ａ，２ａの表面粗さＲａは、０．０４μｍ以上０．２５μｍ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。
このような内輪１，外輪２を転動体３及び保持器４とともに組み立てて得られた円すいころ軸受は、軌道面１ａ，２ａに損傷が生じにくく長寿命である。
【００２３】
なお、内輪１，外輪２，及び転動体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。
【００２４】
さらに、本実施形態においては、転動装置の例として円すいころ軸受をあげて説明したが、転がり軸受の種類は円すいころ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、深溝玉軸受，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。
【実施例】
【００２５】
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の円すいころ軸受とほぼ同様の構成の軸受において、投射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及び表面粗さが種々異なる試験軸受を用意して（表１を参照）、その寿命を評価した。
すなわち、セラミック粒子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、セラミック粒子のショットピーニングの後に、固体状二酸化炭素の粉末のショットピーニングを行った場合と行わなかった場合とについても試験を行った。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
なお、この円すいころ軸受は呼び番号ＨＲ３２０１７ＸＪの軸受であり、内径は８５ｍｍ、外径は１３０ｍｍ、幅は２９ｍｍである。また、基本動定格荷重は１４３０００Ｎである。さらに、内輪及び外輪はＳＵＪ２鋼で構成されており、表面硬さはＨＲＣ５８〜６４、表面の残留オーステナイト量は３〜１０体積％である。こ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り、Ｘ線による測定値である。
なお、本実施例においては、内輪，外輪，及び転動体には浸炭窒化処理が施されているが、浸炭窒化処理は施さずにズブ焼入れ及び高周波焼入れ処理を施したものでもよい。また、ＳＵＪ２鋼に代えて、ＳＣＭ４２０，ＳＣｒ４２０に浸炭処理又は浸炭窒化処理を施したものを用いてもよい。
【００２８】
このような試験軸受を下記のような条件で回転させ、振動値が初期値の５倍となった時点で回転を停止した。そして、実体顕微鏡を用いて剥離，摩耗等の損傷の有無を確認し、軌道面に損傷がある場合は寿命とし、損傷がない場合は回転試験を続行した。結果を表１に示す。なお、表１の寿命の数値は、セラミック粒子のショットピーニングを施していない比較例１の寿命を１とした場合の相対値で示してある。
ラジアル荷重  ：３５７５０Ｎ
アキシャル荷重：１５６８０Ｎ
内輪回転速度  ：１５００ｒｐｍ
潤滑剤        ：純グリース潤滑（グリース量６０ｇ）
ただし、潤滑剤には、異物としてステンレス鋼粉を０．０５ｇ混入してある。ステンレス鋼粉の硬さはＨＲＣ６４であり、粒径は７０〜１４０μｍである。
【００２９】
表１から分かるように、実施例１〜６は、比較例１よりも格段に長寿命であり、比較例１の５．７倍以上の寿命を有していた。特に、固体状二酸化炭素の粉末のショットピーニングを行った実施例１〜３は、摩耗が生じにくくより長寿命であった。
比較例２は、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、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、圧縮残留応力が小さすぎるため短寿命であった。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に係る転動装置の一実施形態である円すいころ軸受の構造を示す縦断面図である。
【図２】固体状二酸化炭素の粉末の投射を行う場合に使用するショットピーニング装置を説明する図である。
【符号の説明】
【００３１】
１      内輪
１ａ    軌道面
２      外輪
２ａ    軌道面
３      転動体
【図１】
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【図２】
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