(57)【要約】【課題】従来の方法よりも真円度が良好で、且つ、反りの発生を防止または抑制し得る環状部材の変形矯正方法を提供する。【解決手段】この環状部材の変形矯正方法は、環状部材を第一の外径矯正型内に装入した状態でその全面がオーステナイト組織になるまで内径側から加熱し、その後、環状部材を焼入温度に保持し、その後、環状部材を第一の外径矯正型の内径よりも内径の小さい第二の外径矯正型内に装入した状態で焼入れする。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
円環状に加工された鋼製の環状部材を熱処理する際に、該環状部材に生じる変形を矯正する方法であって、
前記環状部材を第一の外径矯正型内に装入した状態でその全面がオーステナイト組織になるまで加熱する第一の工程と、その第一の工程の後に、前記環状部材を焼入温度に保持する第二の工程と、その第二の工程の後に、前記環状部材を前記第一の外径矯正型の内径よりも内径の小さい第二の外径矯正型内に装入した状態で焼入れする第三の工程と、を含むことを特徴とする環状部材の変形矯正方法。
【請求項２】
請求項１において、
前記第一の工程での加熱は、前記環状部材の内径側からの誘導加熱であることを特徴とする環状部材の変形矯正方法。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記環状部材は、転がり軸受の軌道輪であることを特徴とする環状部材の変形矯正方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、円環状に加工された鋼製の環状部材を熱処理する際に、その環状部材に生じる変形を矯正する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の環状部材としては、例えば転がり軸受の軌道輪を例示することができる。
ところで、近年、転がり軸受は薄肉化が進んでいるが、肉厚が薄い軸受では、その軌道輪の熱処理時における変形が大きい。このような熱処理時における変形が大きい（真円度が悪い）と、例えば熱処理後の研削工程において黒皮残りがでる。そのため、研削工程を２回、３回と繰り返し行う必要が生じれば、転がり軸受の生産性が低下する。また、熱処理時の変形が非常に大きな場合には、研削を繰り返し行っても、所望の真円度にすることができずに不良品となってしまう。
【０００３】
ここで、環状部材の熱処理後の真円度や平面度を良好にする手段として、例えば特許文献１あるいは特許文献２に記載の技術のように、所定の加熱温度に保持した後に、矯正型と接触させながら冷却する矯正焼入れが知られている。これら文献に記載の技術は、オーステナイト域、あるいはマルテンサイト変態中に矯正型を挿入し、マルテンサイト変態時の塑性を利用するものである。
【特許文献１】特許第３８１７７６４号公報
【特許文献２】特許第１１９９８７２号公報
【特許文献３】特開平１１−０４３７１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、矯正前の環状部材の精度が極端に悪い場合には、上記文献に記載の技術を用いても、マルテンサイト変態時の塑性を利用しているため、変形抵抗が比較的に大きい。そのため、矯正できる程度には限度があり、熱処理後の真円度および平面度を良好に仕上げる上で未だ検討の余地が残されている。
これに対し、例えば特許文献３に開示されるように、リングを外径拘束サイジング装置でサイジングすることによって、加工応力を除去するなどの方法もあるものの、Ａ１変態点以下での加熱のみでは、一次焼入れで悪化してしまった精度を、改めて矯正するほどの能力が得られない。また、Ａ１変態点以上まで加熱しても、その後の冷却段階で変形が生じてしまうだけでなく、昇温の際にも再度変形してしまうという問題もある。
そこで、本発明は、このような問題点に着目してなされたものであって、熱処理時の変形を防止または抑制するための変形矯正方法において、上記例示したような従来の方法よりも真円度が良好で、且つ、反りの発生を防止または抑制し得る環状部材の変形矯正方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明は、円環状に加工された鋼製の環状部材を熱処理する際に、該環状部材に生じる変形を矯正する方法であって、前記環状部材を第一の外径矯正型内に装入した状態でその全面がオーステナイト組織になるまで加熱する第一の工程と、その第一の工程の後に、前記環状部材を焼入温度に保持する第二の工程と、その第二の工程の後に、前記環状部材を前記第一の外径矯正型の内径よりも内径の小さい第二の外径矯正型内に装入した状態で焼入れする第三の工程と、を含むことを特徴としている。
本発明に係る環状部材の変形矯正方法によれば、加熱膨張を用いて変形を矯正しており、加熱膨張は、変態膨張に比べて膨張量が大きいため、熱処理前の変形が大きい場合であっても、容易に真円形に矯正加工することができる。
【０００６】
すなわち、まず、例えば鍛造や旋削加工等によって粗成形された環状部材、あるいは浸炭窒化などの一次熱処理を完了した環状部材などの、円環状に加工された環状部材を昇温させる段階において、第一の工程において、第一の外径矯正型で矯正しながら加熱すれば、加熱によって熱膨張した環状部材が、温度が上昇するにつれて第一の外径矯正型内に張り付かせることによって良好な真円度にすることができる。この際、環状部材は、その全面がオーステナイト組織になるまで加熱されなければならない。つまり、環状部材の全面がオーステナイト組織になるまで加熱すれば、環状部材の素材の延性が高くなって変形抵抗が低くなる。
【０００７】
そして、このようにして矯正された環状部材を第一の外径矯正型から取り外し、続く第二の工程において、オーステナイト組織を保った状態のままで、環状部材を焼入温度に保持し、続く第三の工程において、焼入水や焼入油等による冷却段階で、第一の外径矯正型の内径よりも内径の小さい第二の外径矯正型、換言すれば、第一の外径矯正型よりも精度の良い第二の外径矯正型内に環状部材を装入した状態のまま焼入れを行えば、二段階の二つの外径矯正型を用いた変形矯正方法によって、焼入後の環状部材の精度を良好に仕上げることができる。したがって、上記例示したような従来の方法よりも真円度が良好で、且つ、反りの発生を防止または抑制することができる。
【０００８】
なお、本発明に係る環状部材の変形矯正方法において、矯正効果を向上させるためには、第一の外径矯正型の内径の真円度は、直径不同で１００μｍ以内であることが好ましく、さらに５０μｍ以内であればより好ましい。また、第一の工程で加熱される環状部材の温度は、第二の工程で保持される環状部材の温度よりも低いことが好ましい。
ここで、本発明に係る環状部材の変形矯正方法において、前記第一の工程での加熱は、前記環状部材の内径側からの誘導加熱であることが好ましい。このような構成であれば、環状部材の内径側から誘導加熱すれば、第一の外径矯正型を鋼製とした場合であっても（セラミック製等にしなくても）、環状部材を内側から加熱し、その加熱の熱膨張によって矯正することができる。
【０００９】
なお、第一の外径矯正型内では、環状部材の全面が均一な温度になることが望ましいが、第一の工程において環状部材の表面と芯部との温度に若干のバラツキがあっても、本発明に係る環状部材の変形矯正方法によれば、第二の工程で、オーステナイト組織を保った状態のまま環状部材を焼入温度に保持するので、円周方向に均一な温度分布が得られるようにする上で好適である。
【００１０】
また、本発明に係る環状部材の変形矯正方法において、前記環状部材が、転がり軸受の軌道輪であることは好ましい。環状部材が転がり軸受の軌道輪であれば、転がり軸受の軸受部品となる軌道輪の熱処理後の真円度を向上させ、且つ、反りの発生を防止または抑制可能である。そのため、上述したような、近年の薄肉化が進む転がり軸受に好適であり、その軌道輪の熱処理時における変形を防止または抑制し、ひいては、例えば転がり軸受の製造ラインのサイクルアップを図る上で好適である。
【発明の効果】
【００１１】
上述のように、本発明に係る環状部材の変形矯正方法によれば、従来の方法よりも真円度が良好で、且つ、反りの発生を防止または抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の一実施形態について、図面を適宜参照しつつ説明する。なお、図１〜図３は、本発明に係る環状部材の変形矯正方法を用いる、転がり軸受の熱処理工程部の一実施形態を示す概念図である。
図１〜図３に示すように、この熱処理工程部は、第一工程部１、第二工程部２および第三工程部３を備えて構成されており、図１〜図３に示す各工程部１，２，３それぞれは、第一の工程から第三の工程の３つの工程を行い、上記環状部材に所定の熱処理を施すものである。
【００１３】
ここで、本発明に係る環状部材の変形矯正方法は、円環状に加工された環状部材として、例えば転がり軸受（玉軸受）の内外輪やその軌道面、複雑形状を有する円錐ころ軸受の内外輪などの軸受部品に好適に適用することができる。なお、本実施形態の例は、環状部材として転がり軸受の軌道輪に適用した例である。そして、この環状部材（本実施形態の例では軌道輪）は、鋼製であり、その周方向に沿った断面形状は略矩形状をなす例である。
【００１４】
詳しくは、上記第一工程部１は、図１に示すように、円環状に加工された環状部材Ｍの外径に嵌め込まれてその外径を拘束する円環状の第一の外径拘束型１０を用いる。ここで、この第一の外径拘束型１０は鋼製であり、その内径は真円になっている。この第一の外径拘束型１０の真円度、すなわち、内径の最長径と最短径との差は、１００μｍ以下、より好ましくは５０μｍ以下となっている。
【００１５】
そして、この第一の外径拘束型１０の内側に嵌め込まれる環状部材Ｍの更に内側には、誘導加熱コイル３０が周方向に沿って一定の隙間を隔てて設けられている。この誘導加熱コイル３０には、図示しない制御回路が付設されており、この制御回路は、任意のタイミングで誘導加熱コイル３０を制御し、第一の外径拘束型１０の内側に配置された環状部材Ｍを、少なくともＡｃ１変態点以上の温度に誘導加熱（高周波加熱）できるようになっている。これにより、第一の工程では、上記環状部材Ｍが、この誘導加熱コイル３０での誘導加熱時において、第一の外径拘束型１０の内側に嵌め込まれた状態で加熱されることで、環状部材Ｍ自身の加熱膨張により、その外径が拘束され、その外径の矯正がなされるようになっている。
【００１６】
また、上記第二工程部２は、図２に示すように、上記第一工程部１で加熱後の環状部材Ｍを載置しつつ搬送する搬送コンベア４０と、その搬送コンベア４０上の環状部材Ｍを焼入温度に保持する加熱装置５０とを有して構成されている。なお、上記第一工程部１には、不図示の押出し装置が付設されており、この押出し装置は、第一の外径拘束型１０内の環状部材Ｍを軸方向に押し出して、第二工程部２の搬送コンベア４０上に載置させるようになっている。そして、この搬送コンベア４０は、載置された加熱後の環状部材Ｍを、次工程の第三工程部３に搬送するようになっている。
【００１７】
また、上記第三工程部３は、図３に示すように、第二の外径拘束型２０を用いる。そして、この第二の外径拘束型２０で拘束する環状部材Ｍを冷却可能な不図示の冷却装置を有して構成されている。ここで、この第二の外径拘束型２０も上記第一の外径拘束型１０同様に鋼製であり、その内径は真円になっている。そして、この第二の外径拘束型２０は、矯正効果を得るために、その内径は、上記第一工程部１で加熱時に用いる第一の外径拘束型１０の内径よりも小さく（精度が良く）形成されており、環状部材Ｍの外径を拘束した状態のままで環状部材Ｍを冷却するようになっている。なお、この第三工程部３には、不図示の圧入装置が更に付設されている。この圧入装置は、上記第二工程部２から搬入された環状部材Ｍを軸方向に押圧して、搬入された環状部材Ｍがオーステナイト状態のうちに、第二の外径拘束型２０内に速やかに圧入するようになっている。これにより、焼入れ時の変形をより確実に防止している。なお、このように第二の外径拘束型２０を用いれば、例えば冷却方法として油中への浸漬焼入れなどを用いることも可能となる。また、環状部材Ｍを回転させながら冷却すれば、より均一で早い冷却が可能となる。
【００１８】
次に、上述した熱処理工程部での環状部材の変形矯正方法の作用および効果について詳しく説明する。
この熱処理工程部（第一工程部１〜第三工程部３）では、円環状に加工された環状部材Ｍ（ワーク）に、所定の熱処理が施される。
すなわち、この熱処理工程部での熱処理工程では、図１に示すように、焼入れのための加熱時に、熱処理対象となる環状部材Ｍを、その外径を拘束するように第一の外径拘束型１０に装入して取り付けた後、誘導加熱コイル３０に通電して環状部材Ｍをその内径側から誘導加熱する（第一の工程）。これにより、環状部材Ｍの素材温度が上昇し始め、その昇温に伴ってその全体が径方向外方および軸方向に熱膨張する。しかし、環状部材Ｍの周囲は、第一の外径拘束型１０によって拘束されているため、環状部材Ｍが外径方向に向かって膨張する力とその外径を拘束する第一の外径拘束型１０による抗力とによって、環状部材Ｍの加熱前の歪みや変形が取り除かれて環状部材Ｍが真円形に近い形状に矯正される。
【００１９】
つまり、熱処理前の環状部材Ｍは、加工による歪みや浸炭処理などによって既定値通りの真円形ではなく、ある程度歪んだ（変形した）状態となっている。そのため、これを第一の外径拘束型１０に装入してその外面を拘束するように取り付けた状態では、その環状部材Ｍの外面が第一の外径拘束型１０の内面に完全に密着している状態ではなく、所々または全周に隙間が生じている状態となっている。その後、この第一工程部１での誘導加熱による熱膨張によって、環状部材Ｍの外面が第一の外径拘束型１０の内面に完全に密着するとともに、その過程で内在する歪みや変形が全て取り除かれ、環状部材Ｍの外径は、第一の外径拘束型１０の内径と同じ、ほぼ真円形に近い形状に矯正されることになる。
【００２０】
そして、このような加熱膨張は、変態膨張に比べて膨張量が大きい。そのため、熱処理前の変形が大きい場合であっても、容易に真円形に矯正加工することができる。また、この加熱温度としては、少なくとも環状部材Ｍを構成する鋼素材のＡｃ１変態点（約７３０℃）以上の温度に加熱する。また、より好ましくは環状部材Ｍの全面がオーステナイト組織（固溶体になる温度）まで加熱する。すなわち、Ｆｅ−Ｃ系平行状態図などからも明らかなように、鋼は炭素含有量によってオーステナイト組織化温度が異なってくる。そのため、環状部材Ｍの全面をオーステナイト組織にするには、少なくとも約８００℃以上、より好ましくは８５０℃以上の温度まで昇温加熱することが望ましいからである。
【００２１】
また、この環状部材Ｍを、少なくとも環状部材Ｍを構成する鋼素材のＡｃ１変態点（約７３０℃）以上の温度に加熱することによって、その後の焼入れ処理が可能になる。さらに、環状部材Ｍの全面がオーステナイト組織になるまで加熱すれば、環状部材Ｍの素材の延性が高くなって変形抵抗が低くなる。そのため、より確実に真円形に近い状態に矯正することが可能となる。なおまた、環状部材Ｍ、および第一の外径拘束型１０を一体で回転させながら誘導加熱を行えば、一層均一な加熱が可能になる。
【００２２】
次に、上述の第一工程部１での第一の工程で、環状部材Ｍを焼入れ可能な状態まで誘導加熱し、これにより、その外径形状を真円形に矯正したならば、直ちに外径拘束型２０に拘束された環状部材Ｍを押し出して、図２に示す、第二工程部２の搬送コンベア４０上に環状部材Ｍを取り外し、さらに、第二工程部２が有する加熱装置５０によって環状部材Ｍを焼入温度に保持しつつ、搬送コンベア４０上で次工程に搬送する（第二の工程）。これにより、この第二の工程で、オーステナイト組織を保った状態のまま環状部材Ｍを焼入温度に保持するので、円周方向に均一な温度分布が得られる。
【００２３】
次に、続く第三工程部３では、冷却可能な第二の外径拘束型２０内に環状部材Ｍを圧入して位置させる。そして、第二の外径拘束型２０内に保持した状態で、第三工程部３に付設される冷却装置のノズル（不図示）から冷却剤を噴射して環状部材Ｍの表面に吹き付け、環状部材Ｍを臨界冷却速度以上の速度で冷却する。これによって、上述した誘導加熱段階で真円形に近い形状に矯正後の環状部材Ｍを均一に冷却し、矯正された真円形状を維持したままで焼入れすることができる（第三の工程）。
このように、この第三の工程では、冷却段階で、第一の外径矯正型１０よりも精度の良い第二の外径矯正型内に環状部材を装入した状態のまま焼入れを行うので、二段階の二つの外径矯正型１０，２０を用いた変形矯正方法により、焼入後の環状部材Ｍの精度を良好に仕上げることができる。
【００２４】
特に、この熱処理工程部での熱処理工程では、３００℃以下の過冷オーステナイトからマルテンサイト変態完了を利用した矯正に比べて、８００℃を超えるようなオーステナイト域での加工は変形抵抗が小さいため、矯正効果が大きい。そのため、以上のような所定の熱処理を行った環状部材Ｍは、加熱前の歪みや変形がすべて取り除かれて真円形に近い形状になる。そして、このように加熱段階で環状部材Ｍを真円形に矯正し、その後に上述した第三の工程でこの環状部材Ｍを均一に冷却するので、その真円形を維持したまま焼入れ処理を行うことができる。したがって、真円度を一層向上させることが可能となり、後の研削工程での研削の取り代を最小に抑えることができる。
【００２５】
このように、この熱処理工程では、従来のマルテンサイト変態膨張を利用した冷却矯正方法に対し、加熱膨張を利用した矯正方法を採用したことにより、膨張量を多く稼ぐことができる。したがって、上記例示したような従来の方法よりも真円度が良好で、且つ、反りの発生を防止または抑制することができる。また、処理前の歪みや変形が大きくても、これを容易に除去して真円形に矯正することができる。
【００２６】
なお、本発明に係る環状部材の変形矯正方法は、上記実施形態に例示した転がり軸受の熱処理工程に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しなければ種々の変形が可能である。
例えば、処理対象となる環状部材Ｍは、上述したように転がり軸受（玉軸受）の内外輪やその軌道面、軌道を有する軸、複雑形状を有する円錐ころ軸受の内外輪などに加え、あらゆる機械部品などに適用することができる。
【００２７】
また、例えば処理対象となる環状部材Ｍのサイズは、特に限定されるものではないが、肉厚（径方向）と幅（軸方向）との関係は、肉厚／幅が「１．０」以下であることが好ましい。
また、誘導加熱コイル３０を環状部材Ｍの端面や内面側に設け、その設けた方向から環状部材Ｍを加熱するようにしても良い。しかし、上記実施形態のように、環状部材Ｍの内径側から誘導加熱すれば、第一の外径矯正型１０を鋼製とした場合であっても（セラミック製等にしなくても）、環状部材Ｍを加熱し、その加熱の熱膨張によって矯正する上で好適である。
【００２８】
つまり、誘導加熱は、交流磁界中に導電性の物体を置き、電磁誘導作用により、導電性の物体内に起電力を発生させて誘導電流を流し、ジュール熱によって物体を加熱するものである。そのため、上記第一の外径矯正型を鋼製とした場合、鋼製の矯正型も、環状部材同様に誘導加熱され易い特性を有することになる。しかし、環状部材の内径側からの誘導加熱であれば、誘導加熱コイルが環状部材の内径側に配置されることになるため、環状部材をその内径表面から加熱して、内径側からの伝熱によって熱膨張させれば、高価なセラミック等を使用せずに鋼製の矯正型を使用することができる。
また、上記実施形態では、第三の工程での冷却時に外径を拘束する例で説明したが、冷却時に、環状部材Ｍの内径を拘束する内径拘束型を併せて用いてもよい。
【００２９】
[実施例]
以下、本発明に係る環状部材の変形矯正方法の効果を確認するために、転がり軸受の軌道輪に、上記実施形態に例示した転がり軸受の熱処理工程を適用した実施例について説明する。
この実施例では、環状部材として、外径１９５ｍｍ、内径１７５ｍｍ、幅１３ｍｍの軸受鋼（ＳＵＪ２）、およびＳＣＲ４２０，４４０鋼からなり、前処理として、浸炭鋼については９５０℃で６時間（浸炭鋼）、また、軸受鋼については８５０℃で３時間の浸炭窒化処理を行った転がり軸受の外輪を用いた。
そして、表１に示す実施例１〜７、および比較例１，２の各試料として、Ｎ＝１００個をそれぞれ用意した。そして、各試料それぞれに対し、表１に示す条件で熱処理を施し、１８０℃で２時間の焼戻しを行った後、各試料の真円度を調べた。
【００３０】
【表１】
2009197312.tif 000002
【００３１】
ここで、同表に示す真円度は、熱処理の前後における直径の最大値と最小値との差（直径不同）であり、比較例１の真円度の平均値を基準（１．０）とした真円度比を求めている。なお、誘導加熱による矯正加熱温度は、環状部材の内径表面の幅７．５ｍｍ位置を放射温度計によって測定した。
同表に示す結果から判るように、本発明に係る環状部材の変形矯正方法を採用（上記実施形態に例示した転がり軸受の熱処理工程を適用）した実施例１〜７は、矯正をしていない比較例１に対し、いずれも真円度比が０．３であり、真円度を良好にすることができることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係る環状部材の変形矯正方法を行う、熱処理工程部（第一工程部）の一実施形態を示す概念図である。
【図２】本発明に係る環状部材の変形矯正方法を行う、熱処理工程部（第二工程部）の一実施形態を示す概念図である。
【図３】本発明に係る環状部材の変形矯正方法を行う、熱処理工程部（第三工程部）の一実施形態を示す概念図である。
【符号の説明】
【００３３】
１    第一工程部
２    第二工程部
３    第三工程部
１０    第一の外径拘束型
２０    第二の外径拘束型
３０    誘導加熱コイル
４０    搬送コンベア
５０    加熱装置
Ｍ    環状部材
【図１】
2009197312.tif 000003
【図２】
2009197312.tif 000004
【図３】
2009197312.tif 000005