(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素繊維と熱可塑性樹脂とを含む複合材料板を可塑化する可塑化工程と、可塑化した複合材料板をプレスし、保持器を成形するプレス工程とを有し、前記プレス工程において、前記保持器の外形をトリミングするための外形トリミング線部、及び、転動体用の窓を抜くための転動体用窓抜き線部において、板厚を０．０１ｍｍ以上０．３０ｍｍ以下に圧縮する成形方法。
【請求項２】
前記プレス工程において、前記外形トリミング線部及び前記転動体用窓抜き線部の少なくとも一方を、カム機構で形成する請求項１に記載の成形方法。
【請求項３】
プレス加工によって成形される、炭素繊維と熱可塑性樹脂とを含む複合材料からなる保持器であって、
プレス加工と、切断する二次工程とにより切断された端面において、炭素繊維が端部にプレス圧縮され、この端部以外の領域が前記熱可塑性樹脂に覆われている保持器。
【請求項４】
切断された一部の端面において、パンチがプレス成形後の金型開きにおいて成形物と干渉せずに離型できるように、離型方向に対して平行な斜面を有する請求項３に記載の保持器。
【請求項５】
前記複合材料に含まれる炭素繊維は、炭素繊維織布である請求項３又は４に記載の保持器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、転動軸受け転動体の保持器の材質、形状と、プレス成形装置及び成形方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１では、直径０．２μｍ以下の炭素繊維と樹脂とを含有する樹脂組成物で作る保持器を成形する方法が開示されている。
例えば、特許文献２では、炭素繊維からなる芯材をインサート成形した樹脂製転がり軸受保持器を成形する方法が開示されている。
例えば、特許文献３では、炭素繊維充填樹脂を射出成形する際、ウエルドマークを発生させないで成形する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１９０８０７号公報
【特許文献２】特開２０１２−２１１６２２号公報
【特許文献３】特開２０１３−２２４７３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、軽量かつ剛性の高い保持器を成形することができる成形方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る成形方法は、炭素繊維と熱可塑性樹脂とを含む複合材料板を可塑化する可塑化工程と、可塑化した複合材料板をプレスし、保持器を成形するプレス工程とを有し、前記プレス工程において、前記保持器の外形をトリミングするための外形トリミング線部、及び、転動体用の窓を抜くための転動体用窓抜き線部において、板厚を０．０１ｍｍ以上に圧縮する。これにより、例えば、上型と下型の直接の接触を無くし、金型凸部の摩耗や欠けを抑制できる。なお、複合材料板に含まれる炭素繊維は、炭素繊維織布に限定されるものではなく、炭素繊維の不織布や、短い炭素繊維（フィラー）を含む。保持器の強度の面からは、炭素繊維織布であることが好ましい。
【０００６】
また、前記プレス工程において、前記外形トリミング線部及び前記転体用窓抜き線部の少なくとも一方を、カム機構で形成してもよい。
【０００７】
本発明に係る保持器は、プレス加工によって成形される、炭素繊維と熱可塑性樹脂とを含む複合材料からなる保持器であって、切断された少なくとも一部の端面において、炭素繊維が端部にプレス圧縮され、この端面の他の領域が前記熱可塑性樹脂に覆われている。なお、複合材料に含まれる炭素繊維は、炭素繊維織布に限定されるものではなく、炭素繊維の不織布や、短い炭素繊維（フィラー）を含む。
【０００８】
また、保持器は、切断された一部の端面において、パンチがプレス成形後の金型開きにおいて成形物と干渉せずに離型できるように、離型方向に対して平行な斜面を有してもよい。
また、前記複合材料に含まれる炭素繊維は、炭素繊維織布であってもよい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、炭素繊維強化熱可塑性プラスチックを効率的に加工し、軽量かつ剛性の高い保持器を成形することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１の実施形態に係る製造方法の概要を説明する模式図である。
【図２】第１の実施形態に係る保持器とプレス金型との関係を説明する模式図である。
【図３】第１の実施形態に係る保持器７を例示する図である。
【図４】二次工程前後の成形物を例示する図である。
【図５】第１の実施形態に係るプレス成形装置１を例示する図である。
【図６】第１の実施形態に係るプレス成形装置１の金型近傍をより詳細に説明する図である。
【図７】保持器７の円錐斜面角度と成形物の関係を説明する図である。
【図８】第２の実施形態に係るプレス成形装置１の成形加工完了時の型の状態を例示する図である。
【図９】図８のプレス成形装置１の金型近傍Ｆをより詳細に説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
［背景］
まず、本発明がなされた背景を説明する。
軸受けは自動車、産業機械、船舶、発電機、電動機などあらゆる分野で回転する軸を支承する装置で、毎分当たりの回転数は１００，０００回転を超えるものもある。
【００１２】
軸受けは一般的に外輪、内輪、転動体、保持器、封止材から構成され、転動体は用途によってボール、ローラー、ニードルが使われ、ローラーは用途条件によって円筒コロ状、テーパー状、スフェリカル状などが使われ、転動体は鋼で製作される。
【００１３】
転動体は外輪と内輪の間に保持器によって複数個等間隔に配置され軸を支承する。また、転動体は外輪と内輪の間で自転し、軸に対して公転しながら回転する。
したがって、軸回転時に転動体には遠心力が働き、回転数が高まるほど遠心力は回転数増加比の二乗で大きくなる。
【００１４】
当然、保持器には大きな遠心力が作用すると共に、転動体が正しい間隔で公転させ続ける機能も果たさなければならない。また、転動体の振動を抑える役目もある。そのため、従来の保持器は強度上、比重７．８の薄鋼板製が多く用いられている。
【００１５】
高速回転する保持器は寸法精度、幾何公差精度が少しでも悪いと回転バランスがくずれ、保持器自体が回転時に振動する。
遠心力は保持器の質量に直接関係するから、比重の重い鋼は回転バランスがくずれ振動が大きい。
遠心力は回転数と保持器及び転動体の質量で決まるから、保持器の遠心力を小さくするには低比重材料を使うと良いが、比重の小さいアルミニウムやプラスチックでは強度が不足し、低負荷軸受け用保持器にしか使えなかった。
【００１６】
炭素繊維は軽量で強度が大きい素材であるが単体では保持器形状にできず、樹脂と複合することが試みられている。炭素繊維の高強度を活用するには保持器内の炭素繊維が長いまま樹脂と複合され、公転方向の転動体保持及び遠心方向の強度を得るようにしなければならないが、従来は達成できていない。
【００１７】
［発明の概要］
次に、本発明に係る実施形態の概要を簡単に説明する。
本実施形態の製造方法は、繊維強化プラスチックをプレス加工するプレス工程と、プレス加工した繊維強化プラスチックの一部を切断する二次工程とを含む。二次工程で切断する領域は、プレス加工によって、近傍領域よりも板厚が薄くなった部分（例えば、図１（Ａ）の外形トリミング線部又は図１（Ｂ）窓抜き線部）である。より具体的には、切断する領域は、図１（Ｃ）に例示するように、繊維強化プラスチック内の繊維組織の厚み程度であり、例えば、０．０１ｍｍ以上０．３０ｍｍ以下が最適である。
パンチ２２の凸部２２０の先端部２２１は、例えば、半径０．２ｍｍ程度の円弧、あるいは、先端の幅０．２ｍｍ程度の平坦とするとよい。
【００１８】
このような外形トリミング線部８０又は窓抜き線部８２では、プレス加工によって、樹脂が近傍領域に流出している。加えて、炭素繊維やガラス繊維などは引っ張りに強いが曲げに弱い。したがって、樹脂流出が少なく、かつ、プレスされて繊維が密になった外形トリミング線部８０又は窓抜き線部８２は、切断しやすい。
炭素繊維は引っ張り強度が鋼の５倍以上、硬さも焼き入れ鋼より硬いから、切断パンチ及びダイの切刃の摩耗が激しく、鋼のプレス抜き型ほどの寿命は得られない。したがって、炭素繊維を直接切断しない方法が必要である。外形をトリミングする領域や窓抜きする領域のプレス加工で、薄く厚みを残すことによって、上型と下型の直接の接触を無くし、金型凸部の摩耗や欠けを抑制できる。さらに、外形トリミング線部８０又は窓抜き線部８２の近傍では、金型による押圧力によって、繊維強化プラスチック内の繊維組織が切断線方向に揃うことが期待できる。
【００１９】
ここで、本実施形態では、被成形物の一例として、樹脂を用いた繊維強化複合材料を成形する。具体的には、繊維強化熱硬化性プラスチック、又は、繊維強化熱可塑性プラスチックを成形する。
本実施形態では、樹脂に熱可塑性樹脂を採用する。また、繊維素材には、例えば、天然繊維、ガラス繊維、化学繊維、及び、炭素繊維が含まれ、本実施形態では、繊維素材に炭素繊維を採用する。従って、炭素繊維強化熱可塑性プラスチックを成形素材として説明する。
成形法には、射出成形法、バルク圧縮成形法、シート圧縮成形法などがあるが、本願は、シート状複合材料のプレス圧縮成形法である。プレスは、加圧成形方向が上から下に、離形は下から上に向けて、一方向往復で行われる。
【００２０】
また、本実施形態の保持器７は、図２（Ｂ）に例示するように、保持器の窓抜き線部８２において、プレス加工する金型が離型できるような形状となっている。すなわち、保持器７の凹曲面側において、図２（Ａ）に例示するように、単に窓（ポット）を設けようとした場合に、成形物が離型できなくなる。
そこで、本例の保持器７は、図２（Ｂ）に例示するように、窓（ポット）の内壁面を、外形面に対して垂直な面ではなく、離型方向と平行になる斜面として構成した。
【００２１】
［実施形態１］
以下、本実施形態を詳細に説明する。
本実施形態では、炭素繊維織布強化熱可塑性プラスチック（以下ＣＦＲＴＰ）を用いて、強い遠心力に耐え、高速回転においても正確に転動体を保持する保持器の形状、プレス加工で生産性良く加工できる形状およびその成形方法を提供することを目的としている。
【００２２】
本実施形態に係る保持器７は、転動体を外転動輪（アウターレース）と内転動輪（インナーレース）との間に等間隔に転動体を配置維持する保持器である。転動体は、テーパーローラーもしくは円筒ローラー又はボールの何れであっても良い。
本例では、図３に例示する保持器７を具体例として説明する。保持器７は、第１のリング状部材７２と、第２のリング状部材７４と、複数の柱７６とを有する。第１のリング状部材７２は、第２のリング状部材７４に平行に配置され、複数の柱７６によりこれらが連結されている。第１のリング状部材７２、第２のリング状部材７４、及び、隣接する１組の柱７６によって、ポッド７００が形成される。本例の保持器７は、これらの構成が一体的に構成されている。
【００２３】
本実施形態に係る成形方法は、ＣＦＲＴＰの板材を加熱して可塑化する可塑化工程と、可塑化したＣＦＲＴＰ板材をプレス金型によって圧縮成形するプレス工程と、プレス加工されたＣＦＲＴＰ板材の一部を切断する二次工程とを有する成形方法である。なお、プレス工程と二次工程は、同時・同所で実施することもできる。
具体的には、プレス工程によって、図４（Ａ）に例示するように、第１のリング状部材領域９２（第１のリング状部材７２になる領域）、窓スクラップ９００、柱領域９６（柱７６になる領域）、第２のリング状部材領域９４（第２のリング状部材７４になる領域）、及び、円板状領域９０２（第２のリング状部材７４に囲まれた開口となる領域）が窓抜き線部８２で連結されたような成形物が成形される。これに対して、二次工程によって、窓抜き線部８２を切断することにより、図４（Ｂ）に例示する保持器７が成形される。
【００２４】
本実施形態に係る成形方法は、数千本の炭素繊維をまとめた糸を使って織り上げた織布と熱可塑性樹脂とを複合して板材状としたＣＦＲＴＰ板材をプレス加工して保持器を得る成形方法に関するものである。ＣＦＲＴＰ板材は、例えば、厚さ２ｍｍ〜３ｍｍの板状である。それ以下でも、それ以上でも保持器によって板厚は変わることもある。
【００２５】
軸受けの保持器７には、図３に例示するように、等間隔で複数個の窓（ポット）７００を設け、ポット内側寸法は転動体を回転並びに僅かな移動が可能な隙間が形成され、ポット７００の内形状は装填される転動体の形状に、例えばテーパー形状転動体の場合は、図３に例示するように、台形のポット７００が開けられる。
【００２６】
ポット７００とポット７００の間には細いが強度の有る柱を設け、この柱が転動体を１個１個仕切る働きをすると共に、柱は保持器７の形状維持と転動体保持の強度を持たなければならない。また、軸中心線に直角方向の遠心力と、保持器７の円周方向に転動体による引張力と圧縮力が作用するから、保持器全体及び柱は全ての方向に必要な強度と形状維持の剛性を有する必要がある。
【００２７】
保持器７並びに柱７６の強度と剛性を高めるにはポット数を少なくするのが簡単であるが、ポット数減は転動体数の減と同じとなり、軸受けの機械的能力を大幅に低下させるから、転動体数増すなわちポット数増は保持器材質の強度が高くなければ実現できないし、ポット数減は保持器の質量増となり遠心力が増加するから、軸受けの最高回転数を下げなければならなくなり、市場要求に応えられず軸受け価値は無い。
【００２８】
炭素繊維樹脂複合材料を使った保持器の場合も前記要求に耐える機械的性質が無ければならず、特に、柱に求められる強度と剛性を得るには保持器に作用する外力方向に炭素繊維が配向されことが望ましく、その場合も、外力の方向に長い繊維長を有しなければならない。
【００２９】
ポット７００の柱には遠心方向の外力（張力）と回転方向に加わる転動体による圧縮力が作用するから、特に遠心方向には繊維の長い炭素繊維が配置されるのが望ましく、圧縮方向には柱の幅以内に相当する短い炭素繊維が配置されるのが望ましい。
さらにいえば、柱の長手方向に対して直角方向に配置されるのがより好ましい。
【００３０】
前記の通りポット内形状は転動体の形状に相似させるから、柱の形状は多様であり寸法も多種であるが、理想的にいえば外力の作用方向に見合った炭素繊維を最適配置することであるが、形状、寸法が多様で大量生産される保持器に炭素繊維を前記の通り最適に配置するには炭素繊維織布と樹脂の複合材料を用いて保持器７を成形することが、最も炭素繊維効果の大きな保持器を得ることができる。
【００３１】
したがって、炭素繊維織布複合材料であるＣＦＲＴＰをプレス加工することによって、炭素繊維の配置を最大公約数的に望ましくすることができる。
【００３２】
複合する樹脂を機械的性質の高い熱可塑性樹脂にすることによって、プレス加工化が可能となり、成形時間が射出成形あるいはバルクモールド成形よりはるかに短く、１成形当たり６０秒以内、製品厚さや大きさなどの条件さえ良ければ３０秒以内で成形できるようになり、出願人においては実際に３０秒以内に成形できている。
【００３３】
実例に挙げた保持器７は、現在生産されている鋼板製テーパーベアリング保持器と同じ形状であるが、ＣＦＲＴＰ板材をプレス加工するためにポット形状及び柱の断面を変えてある。
ポット上部面（すなわち、第１のリング状部材７２の下面７２０）及びポット下部面（すなわち、第２のリング状部材７４の上面７４２）、柱７６の右側面７６６及び柱７６の左側面７６８が転動体と接触する箇所である。
柱７６の長手方向を ｍとすると、軸受けの回転時には ｍ方向に遠心力が作用する。
【００３４】
転動体と接触するポット７００のポット上部面（すなわち、第１のリング状部材７２の下面７２０）及びポット下部面（すなわち、第２のリング状部材７４の上面７４２）、柱７６の右側面７６６及び柱７６の左側面７６８に、硬く強度の有る炭素繊維の繊維端面が露出していると転動体と高速で接触することになり、特殊鋼を焼入れした転動体であっても長時間この状態に晒されれば転動体の摩耗を招くことになるから、転動体と接触する箇所の樹脂面から炭素繊維端面が露出するのは避けなければならない。
【００３５】
炭素繊維短繊維フィラー入樹脂の射出成形及びバルク圧縮成形ではフィラーの向き配置を制御出来ない。
ＣＦＲＴＰ材プレス成形においても同じことが求められるから、転動体と接触する樹脂面から炭素繊維端面が露出しないプレス加工が必要である。本例では、図１（Ｃ）に例示するように、切断される端面において、炭素繊維が端部にプレス圧縮され、他の領域が樹脂に覆われることになるため、炭素繊維端面の露出が抑制される。
【００３６】
［プレス成形装置］
図５は、本実施形態に係るプレス成形装置１の構成を例示する図である。
図５に例示するように、プレス成形装置１は、上型１ａ、及び、下型１ｂを有する。
上型１ａは、ダイ３、ダイホルダ４、上部ノックアウト５、及び、上部ダイプレート６を有する。
ダイ３は、プレス成形後のＣＦＲＴＰ板材９の形状、及び、寸法を定める成形用凹型金型である。ダイ３は、凹部、及び、平面部のプレス面を有する。本例では、ダイ３は、保持器７の形状に応じた凹部形状を有する。
ダイ３は、ダイホルダ４に設置される。具体的には、ダイ３は、凹部分を下型１ｂに対向するように設置される。より具体的には、ダイ３は、パンチ２２により凹部分を加圧されるように鉛直上方の位置に設置される。
【００３７】
ダイホルダ４は、ダイ３を支持する。また、ダイホルダ４は、ダイ３と上部ダイプレート６とに挟み込まれるように設置される。
上部ノックアウト５は、ダイ３から被成形物を離型させるブロックである。
上部ダイプレート６は、例えば、ダイホルダ４を支持する。
【００３８】
下型１ｂは、パンチ２２、パンチホルダ２３、離型ブロック２４ａ〜２４ｂ、下部ダイプレート２６、及び、リフトピン２８を有する。
パンチ２２は、ダイ３の凹部に対応する先端形状を有する。本例では、パンチ２２は、図６に例示するように、保持器７の凹曲面側の形状に対応した形状を有すると共に、外形トリミング線部８０及び窓抜き線部８２に対応する凸部２２０を有する。
パンチ２２は、被成形物の必要形状に応じて適宜に形状を変更することができる。  
【００３９】
パンチホルダ２３は、パンチ２２を支持する。下部ダイプレート２６は、パンチホルダ２３等を支持する。
離形ブロック２４ａ〜２４ｂは、プレス後に、リフトピン２８によって上方に押し上げられ、被成形物を離型させる。
【００４０】
［効果］
本成形方法のように、ＣＦＲＴＰ板材に対してプレス加工工程と二次工程とを同時に実施して保持器を成形することによって、保持器成形後に繊維端を除去するなどの工程を追加することなく、転動体と接触する樹脂面から炭素繊維端面が露出していない軸受けの保持器７を得ることができる。
また、転動体と接触しない部位においても炭素繊維端の露出が極めて少ない保持器７を得ることができる。
この部分の露出は、炭素繊維端が樹脂面より突出するような露出ではないから、露出部であっても転動体と直接接触することはない。
以上、本発明に係る実施形態について説明したが、これらに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、追加等が可能である。
【００４１】
［実施形態２］
上記実施形態では、図７（Ａ）に例示するように、円錐斜面角度θが比較的小さい保持器を成形する場合を具体例として説明したが、図７（Ｂ）に例示するように、保持器の円錐斜面角度θが大きい場合に、成形物を離型できるように、保持器のポットの内壁面を、離型方向に平行な斜面で構成すると、保持器の一部が他の部分よりも肉薄になってしまう。また、面直角なトリミングができない。
そこで、実施形態２のプレス成形装置１は、図８に例示するように、カム機構を採用して、外形トリミング線部８０及び窓抜き線部８２を形成する。具体的には、本実施形態のパンチ２２は、図９に例示するように、カムドライバ３０、カムスライダ３２、及び絞りパンチ３４を含む。カムドライバ３０は、絞りパンチ３４の内側において、加圧方向にのみ進退自在に保持されている。また、カムスライダ３２は、絞りパンチ３４の内側において、図９に例示するように、斜め方向にのみ進退自在に保持されている。カムスライダ３２は、カムドライバ３０の斜面を下方に滑りながら斜面に対して直角方向外側に向けて移動し、斜め方向（すなわち、保持器の外側の内壁面に対して垂直方向）に押し出されて、プレスする。
これにより、外形トリミング位置や窓抜き位置は面直角となり、かつ、保持器の肉厚も均一にできる。なお、カムドライバ３０は、下型側に設けられているが、これに限定されるものではなく、上型側に設けられてもよい。
なお、図８及び図９において、図５又は図６に表された構成と実質的に同一のものには同一の符号が付されている。
【符号の説明】
【００４２】
１      プレス成形装置
１ａ    上型
１ｂ    下型
２２    パンチ
２２０  凸部
３      ダイ
３０    カムドライバ
３２    カムスライダ
７      保持器
８０    外形トリミング線部
８２    窓抜き線部
【図１】
0006695547.tif 000002
【図２】
0006695547.tif 000003
【図３】
0006695547.tif 000004
【図４】
0006695547.tif 000005
【図５】
0006695547.tif 000006
【図６】
0006695547.tif 000007
【図７】
0006695547.tif 000008
【図８】
0006695547.tif 000009
【図９】
0006695547.tif 000010