(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼からなる転がり軸受用環状体の焼入れ変形矯正を用いた環状体の製造方法であって、
前記環状体の焼入れにおける冷却過程において、環状体の組織がオーステナイト状態のうちに当該環状体を金型に圧入して塑性加工による変形矯正を行い、
前記環状体を外径から塑性加工する場合は環状体の外径より小さい内径の金型を用いて加工率０．０５〜１．０％とし、前記環状体を内径から塑性加工する場合は環状体の内径より大きな外径の金型を用いて加工率０．５〜３．０％とし、前記環状体を外径からと内径からとの少なくともいずれか一つから選び前記塑性加工することを特徴とする環状体の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の加工の後に、前記環状体の焼入れ硬化を行うことを特徴とする環状体の製造方法。
【請求項３】
鋼からなる転がり軸受用環状体を請求項１の製造方法にて焼入れ変形矯正を行うための焼入れ変形矯正装置であって、
環状体を、オーステナイト温度領域にまで加熱して当該環状体をオーステナイト組織状態とする加熱装置と、
環状体の外径面若しくは内径面の少なくとも一方を拘束して塑性加工するための金型であって、環状体の外径面を拘束して塑性加工する場合は、内径寸法が環状体の外径寸法より加工率で０．０５〜１．０％小さい内径寸法を有し、環状体の内径面を拘束して塑性加工する場合は、外径寸法が環状体の内径寸法より加工率で０．５〜３．０％大きい外径寸法を有する矯正型と、
前記加熱装置で加熱された環状体の温度がＭｓ点より高い温度のときに作動して、当該環状体を当該環状体の組織がオーステナイト状態のうちに前記矯正型に圧入する加圧装置と、
上記環状体に焼入れを行うための焼入れ冷却剤を満たした焼入れ槽とを有することを特徴とする環状体の焼入れ変形矯正装置。
【請求項４】
前記加圧装置は、前記環状体を焼入れ槽の中で前記矯正型で塑性加工しつつ焼入れることを特徴とする請求項３に記載した環状体の焼入れ変形矯正装置。
【請求項５】
前記加圧装置は、前記環状体を、前記矯正型で塑性加工を加えた後、焼入れ槽中で焼入れることを特徴とする請求項３に記載した環状体の焼入れ変形矯正装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば転がり軸受の軌道輪などに使用される鋼製の転がり軸受用環状体の製造方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
マルテンサイト変態を伴う鋼からなる環状体は、熱処理時に変形が発生し、製造の品質やコストに大きく影響する。変形が発生する原因には次のようなものがある。
（１）焼入れ前の状態で素材が有している変形。例えば旋削，冷間鍛造などの前処理加工による加工歪や、浸炭等の熱処理による残留歪などの如く既に素材に発生し、残留している歪が、焼入れ冷却前の加熱時に解放されて変形が発生する。
【０００３】
（２）焼入れ冷却時に発生する熱歪と変態歪によるもの。不均一加熱や不均一冷却によって変形量は増加する。例えば油焼入れ時の蒸気膜段階において、どこか先にこの蒸気膜が切れて断熱効果が途切れ、その結果早く冷却が始まる所と、蒸気膜がなかなか切れず冷却が遅くなる所とが生じると、冷却が不均一になって変形が発生する。
【０００４】
（３）焼入れ時に（２）に示すように変態応力と熱応力の不均一により変形とともに内部に歪が残留する。特にマルテンサイト変態中に変形矯正を行う場合は、さらに変態に伴う外力が加わることで内部の歪が増加する。この歪は、変形矯正完了後の冷却過程や、その後の洗浄工程及び焼戻し工程などで残留オーステナイトが歪を解放する方向に変態膨張する。つまり変形力が増加する。
【０００５】
一般には、（２）が焼入れ変形の主原因とされているが、変形量ばらつきの要因として（１），（３）の変形も十分影響してくる。
従来、この種の環状体の焼入れ変形、特に前記（１）及び（２）が原因で発生する変形を矯正するのに、焼入れ冷却時の収縮現象及びマルテンサイト変態による膨張現象を利用している。図１にマルテンサイト変態を伴う炭素鋼の加熱・冷却時の寸法変化を示す。図の場合、鋼を常温から加熱するとＡから次第に膨張し、変態点でＢからＣへの収縮がおこってオーステナイトになる。さらに温度ａまで加熱すればＣＤと膨張する。そのオーステナイ領域から焼入れして急速冷却すると収縮するが、冷却途中にＭｓ点を通過するとオーステナイトからマルテンサイトに変態し膨張する。温度降下による収縮に対して変態による膨張が勝る点Ｇで再び膨張に転ずる。さらに温度降下とともに変態膨張が進み寸法が増大しつづけて、常温に冷やされたときには加熱開始前よりＡＨ相当分寸法が増大している。一般的な変形矯正方法では、図１中に示される型寸法に対する焼入れ冷却時の収縮或いは膨張現象を利用して金型で環状体の真円度の矯正を行う。すなわち、環状体の内径を矯正する場合は、Ｍｓ点より高い温度ｂに冷却されたとき金型による内径拘束が開始され、以後のＭｓ点まで収縮する過程で内径の変形矯正が行われる。Ｍｓ点通過後は膨張に転じ、常温まで冷却されると型寸法より大きくなり型から自然に抜ける。一方、外径拘束では、Ｍｓ点を通過して膨張に転じた後の温度ｃにおいて金型による外径拘束が開始される。より低い温度まで外径拘束は続き、型からの取り出しは無理抜きする。
【０００６】
このような従来技術としては、例えば特開平３−４４４２１号，特開昭６２−３７３１５号，特公昭５８−３１３６９号及び実公昭５５−１３４０５号の各公報に開示されたものが知られている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記各公報に開示されている従来例で、金型を焼入れの時に例えば環状体の内径に挿入して、焼入れ開始から焼入れ完了まで矯正し続ける場合は、通常の連続焼入れ法に比べて大幅に生産効率が低下してしまうし、また、マルテンサイト変態による膨張時の型との食いつきが生じて拘束爪の跡が残り、その後の仕上げ加工などに影響するという問題点がある。
【０００８】
一方、焼入れ直後、Ｍｓ点以下のまだ温度があるうちに矯正する場合もあるが、それでは焼入れ前の環状体寸法（旋盤寸法または浸炭及び浸炭窒化処理後の寸法）のバラツキによって矯正力が不足したり、逆に矯正に必要な荷重が著しく高くなる場合が出てくる。このため焼入れ前の環状体に研削工程を追加する場合が生じて、生産効率およびコストの点で不利になるという問題がある。
【０００９】
前記両従来例は、マルテンサイト変態前から変態中に矯正するものであるが、変態した部分では著しく強度が向上して弾性力が出てくるので、かなりの力で矯正しなければならない。つまり、変態を完了しマルテンサイトになった部分は強力な変形矯正によって弾性変形させられてしまい、又残留オーステナイトは矯正応力方向に変態して塑性変形していく。そのため、弾性変形と塑性変形とが混合した歪が多く残った状態となってしまうという問題もある。
【００１０】
また、変態中に矯正する場合に、既にある楕円のワークを真円の金型で矯正しても、真円に近づくだけで完全な矯正は難しく、焼入れ前の環状体の楕円量によってはあまり矯正されないものも出てくる。結局、マルテンサイト変態中の矯正では精度の高い真円度が得にくいという問題がある。
更に、熱処理後に研削加工される転がり軸受の場合には、熱処理変形による加工能率の低下の他に、研削取りしろ量の変動による加工能率の変動（バラツキ）という問題がある。つまり、マルテンサイト変態前後の収縮，膨張を利用する変形矯正によって変形量を減らしても、変形矯正後の環状体の絶対寸法に幅がある場合には、研削加工工程での取りしろを大幅に削減することはできない。
【００１１】
例えば、同一品番の軸受を大量に研削処理する場合、変形量を減らしても、変形矯正後の環状体の絶対寸法にバラツキがある場合には、大幅に研削取り代を減らすことはできない。
一方、環状体の絶対寸法のバラツキの多くは前工程の旋盤加工の精度に依存する場合が多く、寸法をそろえるために前記したように、前工程に研削加工を追加するか、又は特公平６−８３８７２号に示される冷間ローリング加工法が知られている。研削加工を追加する場合は前記したとおり、生産効率およびコストの点で不利になる。また、冷間ローリング加工を行う場合は、冷間で強加工を行うため素材に歪みが多く残留するため、その後の熱処理工程で寸法が変化したり、大きな変形が発生する問題がある。
【００１２】
そこで、本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、前処理加工や浸炭等の熱処理が原因で発生する焼入れ加熱時の環状体の変形を、当該環状体より若干小さい金型にオーステナイト状態で圧入して塑性加工することにより矯正して、歪や変形がない真円のかつ寸法がそろった環状体を高い生産効率をもって得ることを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
１）上記の目的を達成するため、本発明は、鋼からなる転がり軸受用環状体の焼入れ変形矯正を用いた環状体の製造方法であって、前記環状体の焼入れにおける冷却過程において、環状体の組織がオーステナイト状態のうちに当該環状体を金型に圧入して塑性加工による変形矯正を行い、前記環状体を外径から塑性加工する場合は環状体の外径より小さい内径の金型を用いて加工率０．０５〜１．０％とし、前記環状体を内径から塑性加工する場合は環状体の内径より大きな外径の金型を用いて加工率０．５〜３．０％とし、前記環状体を外径からと内径からとの少なくともいずれか一つから選び前記塑性加工することを特徴とする。
【００１４】
さらに、
２）鋼からなる環状体の焼入れ変形矯正方法であって、焼入れ冷却開始直前において、加工率０．０５〜１．０％で環状体を外径から加工矯正し、その後焼入れ冷却することを特徴とするものとすることができる。
また、
３）鋼からなる環状体の焼入れ矯正装置として、オーステナイト域に加熱されてある環状体と、該環状体の外径寸法より加工率にして０．０５〜１．０％となる内径寸法を有する金型と、該金型に前記オーステナイト組織状態の環状体を圧入し、同時もしくは圧入後のいずれか一つの状態で焼入媒体中で前記環状体をＭｓ点以下に焼入れる挿入装置を有するものとすることができる。
【００１５】
本願発明者らは、焼入れ時にワークを金型等で強制的に拘束して矯正加工するいわゆるプレスクエンチに関して、拘束の方法やタイミング、加圧方法など種々の実験を行った結果、以下のことを見い出した。
▲１▼マルテンサイト変態が開始した後で、特にワークである環状体が熱収縮からマルテンサイト変態により膨張に転ずる現象のみを利用して変形を矯正した場合は、矯正後に歪が残り、その後の自然冷却や洗浄工程，焼戻し工程およびその後の仕上げ加工などで歪が解放されたときに変形が再発する。
【００１６】
▲２▼焼入れ時に、例えば炭素量，焼入れ温度，焼入れ媒体（水か、油か）など、鋼種や焼入れ条件によって環状体の膨張収縮量は変化するが、変形矯正後の環状体の絶対寸法は矯正前の寸法に依存する。つまり、矯正前の環状体寸法のバラツキの大小は矯正後もそのまま維持され、絶対寸法は変化してもバラツキの大小の関係は変わらない。
【００１７】
そこで、こうした知見に基づき、前記従来技術の課題を解決する環状体の焼入れ変形矯正方法を鋭意検討した結果、全く新規な本発明の変形矯正方法を用いた環状体の製造方法及び装置を完成させるに至ったものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
先ず、本発明の環状体の焼入れ変形矯正方法の原理，数値限定の臨界的意義等を詳しく説明する。
本発明の鋼からなる環状体の焼入れ変形矯正方法では、鋼の組織がオーステナイト状態において、環状体とは若干異なる寸法の金型にワークを圧入して塑性加工による変形矯正を行い、歪や変形のない真円の環状体を作り出す。これは、鋼はオーステナイト状態では、熱間鍛造などで知られるように硬さや引張り強さが低下し一方伸びや絞りは上昇するので、塑性加工が容易になるためである。
【００１９】
塑性加工による変形矯正では、その加工率によって矯正能力が変わってくる。図２に、本発明のオーステナイト状態における環状体の焼入れ変形矯正法における加工率と変形率との関係を示す。同図（ａ）は環状体の外径からの加工の場合（外径拘束）、同図（ｂ）は内径からの加工の場合（内径拘束）、同図（ｃ）は外径拘束で、矯正温度を変化させて行った結果を併せて示したものである。
【００２０】
ここで、加工率の測定方法について述べると、
外径拘束の場合の加工率は、環状体の外径寸法Ｄに対する金型内径寸法ｉの差を環状体の外径寸法で割った値であり：次の式（１）で表される。
外径拘束加工率＝〔（Ｄ−ｉ）／Ｄ〕×１００（％）  …………  （１）
内径拘束の場合の加工率は、環状体の内径寸法ｄに対する金型外径寸法Ｉの差を環状体の内径寸法で割った値であり：次の式（２）で表される。
【００２１】
内径拘束加工率＝〔（Ｉ−ｄ）／ｄ〕×１００（％）  …………  （２）
上記加工率の測定における各寸法は、常温（２０〜３０℃）で測定するものとする。環状体の加工矯正時の実寸法は熱膨張で大きくなり、オーステナイト状態における加工率は、外径拘束する場合は上記計算値より高くなり、内径から拘束する場合は上記計算値より低くなる。
すなわち、外径拘束の場合では、常温（２０〜３０℃）で測定された外径寸法を（１）式に適用して求められる加工率の値に、次式（３）で表される補正値を加えたものを外径拘束率として用いた。但し、Ｔ（単位：℃）は矯正温度である。
【００２２】
矯正値＝（Ｔ−３００）／５００（％）                …………（３）
内径拘束の場合では、常温で（２）式により求めた値から（３）式で表される補正値を引いたものを内径拘束加工率とする。
次に、変形率の測定方法について述べると、
外径を基準とする場合、環状体の外径寸法Ｄに対してその最大径ＤMAX と最小径ＤMIN とを測定し、その差（ＤMAX −ＤMIN ）を真円度とする。そして、この真円度（ｍｍ）を最小の外径寸法ＤMIN で割った値を％で表し、環状体試料６０個を測定して求めた平均値を変形率（％）とした。
【００２３】
変形率＝〔（ＤMAX −ＤMIN ）〕／ＤMIN ×１００（％）  ……  （４）
上記変形率の測定は焼入れ焼戻し後の環状体で測定する。
図２から、外径拘束の場合は加工率０．０５％から１．０％の範囲内で、一方内径拘束の場合は加工率０．５％から３．０％の範囲内で、それぞれ変形率が安定していることがわかる。
【００２４】
これに対して加工率が、外径拘束で０．０５％未満、内径拘束で０．５％未満では、いずれも変形率が高くなり加工矯正効果が現れていない。そのため、本発明の加工率の下限を外径拘束の場合は０．０５％、内径拘束の場合は０．５％とする。
一方、加工率を大きくすることは一種のエネルギーを被加工物である環状体に与えることになり、加工誘起によるマルテンサイト変態が促進されて剛性が出てくる結果、次第に変形矯正能力が低下して変形率が不安定になる。また、より大きな加圧力が必要となるので、環状体の大きさや肉厚によっては通常のプレスクエンチ設備では矯正作業が困難になってくる。そのため、本発明の加工率の上限を外径拘束の場合は１．０％、内径拘束の場合は３．０％とする。
【００２５】
但し、外径拘束の場合、高い加工率で矯正すると加工矯正される面が荒れてその後の加工に影響する場合があるので、望ましくは０．７％以下とする。
本発明の環状体の焼入れ変形矯正方法にあっては、マルテンサイト変態が始まる前に加工矯正を完了させることを原則とする。
一方、従来の方法、すなわちマルテンサイト変態により、膨張に転ずる現象のみを利用して変形を矯正した場合は、矯正後に歪が残り、その後の冷却過程や洗浄工程，焼戻し工程及びその後の仕上げ加工などで歪が解放されると変形が再発する場合がある。
【００２６】
これは、矯正過程で変態によって強度が著しく向上し、マルテンサイト変態中に起こる超塑性現象（トリップ現象）だけでは塑性変形しきれず、塑性変形せずに弾性変形する部分と、その他の塑性変形する部分とが混在した状態になり、矯正後に内部歪が残留するからである。
本発明では、組織がオーステナイト状態でマルテンサイト変態する前に、変形矯正することで短時間に真円度を作り出すことが可能であり、焼入れ後の内部残留歪は殆どなくなる。このため、前記（３）が原因で発生する変形はほとんどない。
【００２７】
表１に焼入れ後の変形率と焼戻し後の変形率を示す。本発明法では焼入れ直後から焼戻し後までの変化量が少ないことが分かる。
【００２８】
【表１】
0003817764.tif 000002
もっとも、本発明の環状体の焼入れ変形矯正方法にあっては、矯正加工終了後のマルテンサイト変態中は、もはや矯正することなく均一に冷却することが望ましいが、本発明はオーステナイト状態でマルテンサイト変態する前に変形矯正を行うが必ずしもマルテンサイト変態する前に変形矯正を完了させなくてもよい。例えば変形矯正開始から３秒後に矯正を完了することが多く（特に小物の環状体では）、マルテンサイト変態前に変形矯正を完了するという意味ではなく、原理的にオーステナイト域で変形矯正を行うものである。そして望ましくは、マルテンサイト変態前に変形矯正を完了するという意味である。
【００２９】
したがって、本発明の環状体の焼入れ変形矯正方法にあっては、マルテンサイト変態が始まる前に加工矯正を必ずしも完了させなくてもよく、オーステナイト状態で一度加工矯正してしまえば、その後にマルテンサイト変態が始まっても大きな加工矯正は行われず、マルテンサイト変態中に起こる超塑性現象（トリップ現象）を利用して微細な矯正を行うこともでき、残留歪みが少なく、変形のない真円の環状体が得られるのでこれを利用しても良い。
【００３０】
通常、環状体は、大量に焼入れを行う連続炉で、ベルト搬送式の加熱炉から油槽内にランダムに落下させて焼入れされる。いわゆる『落下焼入れ法』である。このため、落下の状態や量及び環状体の形状いかんでは、不均一冷却が発生し易く、変形が大きくなる傾向がある。これに対して、焼入れ時にバスケット等を用いてワークの姿勢を一定に保ったまま焼入れする『姿勢制御法』では不均一焼入れは発生しにくいのであるが、焼入れ前の残留歪に起因して発生する変形とか、あるいは焼入れ後の冷却工程や洗浄工程，焼戻し工程等で進行する変態に起因する変形などのような不均一冷却以外の原因で発生する変形は防止できない。従来の矯正焼入れであるプレスクエンチの場合は、殆どが上記姿勢制御法を採用している。しかし、自然落下法にしても、姿勢制御法にしても、従来はマルテンサイト変態を利用するものであってオーステナイト領域での加工はなされない。
【００３１】
本発明の焼入れ変形矯正方法に使用する矯正焼入れ装置は、矯正治具を使用することで冷却能力が低下することがないように冷却方法や治具に工夫がなされている。具体的には、内径側の治具には冷却剤の通り穴があいていて、環状体に冷却剤のジェットを吹き付けて冷却する〔図７（３）参照〕。そして、外径側で拘束する前に外側から冷却剤のジェットで冷却し、その後すぐに外径治具で矯正し〔同図（４）〕、その外径治具を取り外し、再びジェット冷却をする〔同図（５）〕。これにより不均一冷却の発生とその他の変形とを同時に減少させることができる。
【００３２】
表２及び図３に、従来の各種の焼入れ法による変形率及びその最大値と最少とを本発明方法の場合と比較して示してある。
【００３３】
【表２】
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本発明方法によるものものは均一冷却はもとより、加熱時の変形や洗浄，焼戻し工程での変形をも最小限に抑えることで、従来の矯正法より良好な変形率を確保でき、変形の少ない安定した環状体の焼入れが可能である。
本発明の環状体の焼入れ変形矯正方法は、特に、熱処理後に研削加工される転がり軸受に適用した場合、研削時間を大幅に削減することができる。
【００３４】
すなわち、熱処理後に研削加工することを必要とする転がり軸受の場合は、高い研削コストを削減するために、軸受サイズや種類によっては変形矯正を行うことで研削取りしろを少なくする方法が採用されている。しかしながら、従来のマルテンサイト変態を利用した変形矯正方法では、変形量を減らすことはできるが変形矯正後の転がり軸受の環状体の絶対寸法を一定に揃えることはできない。
【００３５】
図４に、転がり軸受の環状体に対する従来の変形矯正法による矯正前後の寸法変化の一例を示す。マルテンサイト変態開始後に（マルテンサイト変態による膨張のみを利用して）矯正を施すことにより変形を矯正する程度の塑性変形は起こるのであるが、絶対寸法を変える程の塑性変形は起こらないので、矯正前の寸法の違い（バラツキ）を矯正後に持ち越す。このように塑性変形の程度が小さい理由は、マルテンサイト変態のみを利用するものは弾性限が高くなり、同じ歪を与えても塑性変形しにくく弾性回復してしまうことにあると解される。かくして、転がり軸受の軌道輪の矯正面真円度などの変形矯正はできるが、前工程における旋削精度や鍛造精度に起因する内外径などの寸法のバラツキは変形矯正後もそのままバラツキとして残ってしまう。つまり、変形矯正前に前記寸法のバラツキがあると、そのバラツキは矯正後に持ち越される。そのため、矯正により変形が減少して真円度は向上しても、研削加工の取りしろを大幅に削減することにはならないのである。
【００３６】
これに対して、本発明の環状体の焼入れ変形矯正方法によれば、弾性が少ないオーステナイト状態で矯正変形を行うので、小さな力で絶対寸法を変え得る完全な塑性変形が可能である。図４に、転がり軸受の外径に対する本発明の変形矯正法による矯正前後の寸法変化の一例を、従来と対比して示している。このように、本発明の方法によれば、矯正前の外径寸法に幅（バラツキ）があっても矯正後はほぼ一定寸法が得られる。
【００３７】
かくして、本発明の方法により、変形量（変形率）を従来の変形矯正の場合より減らし、且つ矯正後の変形率のバラツキも小さくでき、さらに旋盤精度や旋盤チャージ毎の寸法のバラツキを修正して外径寸法を一定にすることができ、その結果研削加工の取りしろを大幅に削減することが可能になった。
一方、環状体の絶対寸法のバラツキをなくすため、旋削加工後に研削加工を追加する方法があるが、前記したように、研削加工費の追加や連続生産性の低下などコストの点で不利になる。しかし近年では、旋削加工に代わる低コストな環状体の加工法として、冷間ローリング加工法（以下、ＣＲＦ加工という）が知られている。ＣＲＦ加工は、加工後に仕上げ旋削加工を行う場合と、仕上げ形状までＣＲＦ加工で行うものがある。前者の場合は仕上げ旋削加工を行うことで絶対寸法のバラツキについては従来法と大差はない。後者の場合、加工後の環状体の絶対寸法や、肉厚の精度は旋削加工に比べかなり良いものが得られ、さらに加工コストも低減できる。しかしながら、ＣＲＦ加工は冷間加工のため環状体に旋削加工より大きな歪みが残留し、矯正なしの焼入れでは、より大きな変形が発生する。また、ＣＲＦ加工は、その加工率によって熱処理時に環状体が異常膨張する場合も出てくる。
【００３８】
つまり、ＣＲＦ加工を行ない旋削コストを削減しても、熱処理変形が大きくなるため逆にトータルコストが上がってしまう。
ＣＲＦ加工した環状体に本発明法による変形矯正を行うことで、良好な真円が得られるほか、更に仕上形状までのＣＲＦ加工した環状体は、その機構上特に肉厚精度が高いので、直接矯正されていない内径側の真円度も良好なものが得られ、その結果研削加工の取り代を大幅に削減することが可能となる。
【００３９】
表３に従来旋削品と仕上げ形状までＣＲＦ加工した環状体を焼入れした場合の内外径の変形率を示す。
【００４０】
【表３】
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ＣＲＦ加工した環状体は、自然落下法や姿勢制御法では旋削加工した環状体より内外径共に変形率が高くなってしまう。また、従来矯正法でも、ＣＲＦ加工した環状体は加熱時の変形が大きいため矯正能力が低下して外径の変形率が高くなってしまう。本発明法では、ＣＲＦ加工した環状体でも十分に矯正されて外径の変形率は旋削加工した環状体と同様良好である。また、旋削加工した環状体の内径側の変形率は若干高くなる。これは外径を加工矯正することで、旋削時の偏肉や寸法誤差等が全て内径側にしわよせされるためである。一方、ＣＲＦ加工した環状体では肉厚精度が高いので、外径を加工矯正すれば内径も同様に良好な真円が得られる。
【００４１】
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本発明の環状体の焼入れ変形矯正方法にあっては、また、環状体の生産効率を従来に比して大幅に向上させることができる。
【００４２】
一般的には、変形矯正焼入れ法は熱処理コストが上昇する。矯正のための設備や環状体のサイズ毎に金型治具が必要である。さらに、焼入れ変形矯正方法では焼入れ開始から完了まで矯正しているので、環状体の一個一個が単品処理となり、連続処理ができずに生産効率が著しく低下してしまう。しかしながら、環状体が熱処理後に研削加工などの仕上げ加工される転がり軸受の軌道輪などの場合は、変形矯正した方が研削加工の取りしろ減少によってトータル的にコストが下がる場合もある。
【００４３】
本発明の環状体の焼入れ変形矯正方法では、鋼がオーステナイト状態のうちに塑性加工による変形矯正を行い、その完了後にはもはや矯正する必要はないので、矯正に要する時間は極めて短くなる。図５は、本発明方法による場合の矯正時間と変形率との関係を示したもので、矯正時間３秒未満では矯正不足により変形率が上がっているが、３秒以上ではそれ以上長く矯正しても変形率は変化しないことがわかる。すなわち、矯正に必要な最短処理時間は僅か３秒である。このことは矯正温度を変えた場合でも同様である（同図（ｂ））。
【００４４】
図６は従来の環状体の焼入れ変形矯正方法における矯正サイクルと本発明のそれとを比較して示した概念図である。同図（ａ）の従来の矯正方法では、矯正所要時間が長いため環状体１の連続的な処理はできない。環状体１は加熱炉２内を一個づつロールコンベア３で搬送されながら加熱された後、炉出口側の焼入れ冷却槽４で焼入れされるが、その焼入れの間中、変形矯正装置５によって時間をかけて矯正される。したがって、その後ベルトコンベア６で搬出されるまでの矯正サイクルが長く生産効率が低い。これに対して同図（ｂ）の本発明の焼入れ変形矯正方法では、矯正所要時間が極めて短く、連続的処理が可能である。環状体１は加熱炉２内を連続的につながってロールコンベア３で搬送されながら加熱された後、焼入れ冷却槽４に投入される。そして冷却開始直後の鋼がオーステナイト状態のうちに変形矯正装置５によって３秒間程の矯正を行った後は矯正を解除して冷却槽４内を移動しつつ冷却を続ける。続いて次の環状体１の変形矯正が行われる。焼入れを終了したものは順に冷却槽４から取り出してベルトコンベア６で搬出する。したがって、従来の環状体の焼入れ変形矯正方法に対して生産効率を大幅に上げることができる。
【００４５】
（実施例）
以下、この発明の実施例を図面を参照して説明する。
この実施例の環状体は、円筒ころ軸受及び球面ころ軸受の外輪に相当するものである。
初めに、本実施例の環状体の焼入れ変形矯正装置について、図７を参照して説明する。
【００４６】
図示の環状体の焼入れ変形矯正装置５は、架台１８上に設置された焼入れ槽１７と、焼入れ槽１７の上方に配設され且つ図示しないフレームに固定された加圧シリンダ１０と、加圧シリンダ１０のピストンロッド１３に移動可能に配設された外径拘束冶具１４と、ピストンロッド１３の下端に固定された平面押さえ治具１５とを有して構成されている。外径拘束治具１４の内径は、矯正直前の環状体１の外径より若干小さく、環状体１を圧入することで変形矯正（外径拘束）を行い得る大きさに仕上げられている。
【００４７】
焼入れ槽１７は、その上部の中央に着脱可能な環状体載置部２４を備えている。この環状体載置部２４には、形状矯正が行われる環状体１が載置される。本実施例においては、焼入れ冷却剤としては焼入れ油が使用されている。環状体載置部２４の中央部には、図示されない冷却剤吹き出し穴が開口されており、その穴に下方から伸びる焼入れ油配管２０が連通している。なお、焼入れ油配管２０には、図示しない焼入れ油供給装置が接続されており、ここから焼入れ油配管に焼入れ油が供給されて、必要な時にのみ、環状体載置部２４の穴から焼入れ油を放出するようにコントロールされている。
【００４８】
焼入れ油配管２０の下方には、焼入れ油配管昇降用シリンダ装置２１が設置され、そのピストンロッド２２に接続された焼入れ油配管２０を環状体載置部２４と共に昇降させるようになっている。
また、焼入れ槽１７には、図示しない焼入れ油供給装置から供給される焼入れ油を槽内に供給するための焼入れ油噴出口３０が複数設けられている。１９は焼入れ油である。
【００４９】
加圧シリンダ１０は、メインシリンダ１１と、その下方に配設されたサブシリンダ１２とを備えている。この加圧シリンダ１０のピストンロッド１３は、メインシリンダ１１とサブシリンダ１２とに共通であり、サブシリンダ１２はピストンロッド１３に対して独立及び一体的に上下動可能に構成されている。
外径拘束冶具１４および平面押さえ治具１５の形状は、環状体１の形状に応じて決定すればよい。
【００５０】
以上の構成を備えた環状体の焼入れ変形矯正装置５は次のように作動する。
先ず、図７（１）では、環状体載置部２４に、加熱炉で加熱された環状体１（ここでは、円筒ころ軸受の外輪）を載置する。この時、シリンダ装置２１は作動状態であって、環状体載置部２４は最上部すなわち焼入れ槽１７の上部に位置し、焼入れ油１９の油面より上にある。
【００５１】
次に、図７（２）では、メインシリンダ１１の作動でピストンロッド１３を下降させ、環状体１を載せた環状体載置部２４に平面押さえ治具１５を押し当てて下方に押圧する。この時、ピストンロッド１３の下降に伴って、サブシリンダ１２および外径拘束冶具１４も同時に下降する。
引き続いて図７（３）では、下方のシリンダ装置２１は上昇方向に作動状態を保ってはいるが、メインシリンダ１１の下向きの力の方がより強いため、平面押さえ治具１５で押圧されたまま環状体載置部２４はピストンロッド２２および焼入れ油供給配管２０と共に下降を続ける。そして、環状体載置部２４は焼入れ槽１７の底面に到達して停止し、これに載置された環状体１が焼入れ槽１７内の焼入れ油１９に浸漬される。このとき、焼入れ油供給配管２０及び焼入れ油噴出口１８から焼入れ油を噴出させて環状体１の内外周面に吹き付け急速に強制冷却させる。
【００５２】
続いて図７（４）では、サブシリンダ１２を作動させて外径拘束冶具１４を下降させ、環状体１の外径面に外径拘束冶具１４をセットし外径拘束を開始する。（１）〜（４）の工程は１０秒程度で行われ、（４）の外径拘束は、環状体１がオーステナイト状態にあるうちに３〜５秒という短時間で行い変形矯正を終了させる。
【００５３】
その後、図７（５）のように、サブシリンダ１２を逆作動させて外径拘束冶具１４を引き上げ、環状体１の外径拘束を解放する。次いで、メインシリンダ１１の逆作動でピストンロッド１３を上昇させてサブシリンダ１２および外径拘束冶具１４も同時に上方に引き上げサイクルを終了する。
その後、焼入れが完了するまで、環状体１は焼入れ槽１７内の焼入れ油１９に浸漬されるが、その場で冷却する必要はなく、移動しながら行うことで場所を空けて、次サイクルの環状体の矯正が可能になる。
【００５４】
なお、環状体の焼入れ変形矯正装置５において、平面押さえ治具１５の代わりに内径拘束治具を装着することにより、内径拘束による焼入れ変形矯正が可能となる。
次に、上述の環状体の焼入れ変形矯正装置５を使用して行った環状体の焼入れ変形矯正実験について説明する。
【００５５】
実験に用いた環状体の材料及び熱処理条件は次の通りである。
材  料        ：ＳＵＪ２
熱処理        ：８５０℃にて３０分
焼入れ油の温度：８０℃
焼戻し条件    ：１７０℃にて２時間
環状体        ：円筒ころ軸受ＮＵ３１２の外輪
（リングＴＰ）（外径公称寸法＝１３０ｍｍ、公称幅寸法＝３１ｍｍ）
表４，５，６に、加工率及び矯正時間および矯正開始温度を変化させて外径拘束で加工した場合の変形率を示す。
【００５６】
【表４】
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表４は焼入れ冷却中に矯正する場合の実施例で、矯正温度が比較的安定する３００℃で行ったものである。比較例８，９である加工率が負のものは矯正時に大きな変形がないかぎり、ほとんど矯正効果はない。また、加工率が０．０５％未満のものは若干の加工矯正を受けるが、矯正後の変形率は高く、矯正能力がないことがわかる。一方、加工率が１．０％を越える比較例１３，１４は強加工の影響で変形率が上昇してくる。
【００５７】
矯正時間は３秒は必要である。それ以上は変形率に大きく影響はないが、３秒未満の比較例１５の場合は変形率が高くなり矯正能力が低下している。
【００５８】
【表５】
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【００５９】
【表６】
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表５，表６は早いタイミングで矯正を行うことで、矯正温度を高く設定した場合の実施例を示す。３００℃で行った場合と同様に加工率が０．０５％未満の場合や、１．０％を越える場合は変形率が高くなる。また同様に矯正時間が３秒未満の場合は変形率が高くなる。
【００６０】
なお、矯正温度とは矯正を開始する温度を意味するもので、以下同様である。矯正温度は、予め冷却時間と焼入れする環状体の温度との関係を求めておくことにより、管理するものである。
図２（ｃ）に、前述の図２（ａ），表４，表５，表６のデータを併せた結果を示す。矯正温度が上がっても、同様の傾向を示すことがわかる。
【００６１】
表７に、試料環状体に対して外径拘束により焼入れ変形矯正を施した時の焼入れ矯正前後の寸法変化を、従来の焼入れ変形矯正方法と本発明の焼入れ変形矯正方法との比較で示した。
【００６２】
【表７】
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ここで金型寸法とは、環状体の焼入れ変形矯正装置５の外径拘束治具１４の内径寸法である。また、表中の数字は、試料環状体の外径寸法である。
表７の結果から、マルテンサイト変態を利用する従来矯正法では、同じ歪を与えても塑性変形しにくく弾性回復してしまうことから、前工程での外径寸法のバラツキは変形矯正後も持ち越されることがわかる。一方、オーステナイト状態で矯正変形を行う本発明の矯正法では、完全な塑性変形が生じるため、矯正前の外径寸法にバラツキがあっても矯正後はほぼ一定寸法が得られている。
【００６３】
次に、試料環状体に対して内径拘束により焼入れ変形矯正を施す実験を行った。
この実験に使用した焼入れ変形矯正装置５における内径拘束治具（内径金型）４０と平面押さえ４１を、図８に示す。この場合の試料環状体１Ａは円筒ころ軸受である。
【００６４】
この時の、加工率，矯正時間，変形率の結果を、実施例と比較例について表８に示した。
【００６５】
【表８】
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熱処理条件は先の外径拘束実験の場合と同様である。但し、実験に用いた環状体は円筒ころ軸受ＮＵ２１８の内輪で、その内径公称寸法は９０ｍｍである。また、これに対して使用した金型（内径拘束治具）の外径公称寸法は８９．７ｍｍである。
【００６６】
表８から、内径拘束の場合は加工率０．５％から３．０％の範囲内にある実施例２１〜２７のものでは、変形率が非常に安定している。これに対して、内径拘束の加工率が０．５％未満及び３．０％を越えた比較例２８〜３２のものでは、変形率が高く加工矯正効果が認められなかった。
続いて、試料環状体の鋼材質を種々に変えて、外径拘束により本発明の焼入れ変形矯正を施す実験を行った。
【００６７】
この実験の材料種別および熱処理条件は次の通りである。
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表９に、加工率を変化させて（矯正時間一定）外径拘束で加工した場合の変形率を示す。
【００６８】
【表９】
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変形矯正開始前にマルテンサイト変態が始まると矯正効果が著しく低下してしまう。心部の炭素含有量が低い材料のもの、特に浸炭鋼では、心部のマルテンサイト変態が開始される温度（Ｍｓ点）が高くなるので、矯正タイミング次第では矯正前にマルテンサイト変態が始まる場合もあり得る。つまり、低炭素の浸炭鋼（表９の比較例４５〜４７）では、矯正開始温度に対して、心部のＭｓ点が高くなってしまう場合があり、矯正前にマルテンサイト変態が始まってしまい矯正能力が低下するおそれがある。素材がＳ１７Ｃからなる比較例４５〜４７では変形率が明らかに大きく、矯正効果が認められない。
【００６９】
これに対して、実施例３３〜４４のものは素材のＭｓ点がいずれも４５０℃以下であって顕著な矯正効果が認められる。
ここで、実施例４８〜５０では、矯正開始温度を高くすることで、Ｓ１７Ｃ材のような素材のＭｓ点が高い材料でも、十分矯正が可能となる。但し、焼入れ冷却中に高温で矯正を開始する場合は、後述の図１２に示すように環状体の温度が急激に変化している状態なので加工率の調整が難しく、矯正効果の安定性が低下するおそれがある。
【００７０】
〔Ｍｓ点は合金元素から換算したもので、換算式は「鉄鋼材料」１１１〜１１２頁，コロナ社，１９６３年４月発行の（２）式を使用した。〕
図９及び図１０に本発明の他の実施例を示す。
【００７１】
前記各実施例では、すべてワークの環状体を焼入れ油（冷却剤）に浸漬して焼入れしつつ変形矯正を行っているのに対して、この実施例の場合は、焼入れ直前に矯正しその後ただちに焼入れを行う点が異なっている。
具体的には、図９に示すように、焼入れ槽１７の最上部に位置している環状体載置部２４に加熱炉２から出た直後の環状体１を載置し、そのままの状態で、つまり焼入れ槽１７の外部で変形矯正装置の環状体押さえ治具１５Ａで押さえながら外径拘束治具１４Ａで変形矯正加工を行う。この加工時の雰囲気は窒素ガスなどの酸化防止雰囲気とする方がよりよい。内径拘束治具を用いた場合も同様に行う。
【００７２】
上述のようにＭｓ点の高い材料の場合、焼入れ冷却中に矯正する図６，７の装置による方法でも可能であるが、安定した効果を得るのにやや困難を伴うのに対し、この実施例の変形矯正方法によれば、Ｍｓ点が高い材料を使用した環状体であっても容易に変形矯正効果を出すことができる。
次に、焼入れ冷却開始直前で環状体を加工矯正し、その後は油槽で冷却する方法で、図９による方法にさらに改良を加えたものを図１０に示す。高温域で安定した矯正効果が得られるのは勿論図９の場合と同様である。
【００７３】
具体的には、図１０に示すように、焼入れ槽１７の最上部に位置している環状体搭載部２４は外径矯正治具１４Ａの内径より若干小さく、加熱炉２から出た直後の環状体１を搭載し、そのままの状態で、つまり焼入れ槽１７の外部で変形矯正装置の環状体抑え治具１５Ａで上から荷重をかけて押さえることで、矯正時の環状体寸法より若干小さい寸法の１４Ａ内径に圧入され加工矯正される。この時、載置部２４がガイド役となるため、金型１４Ａに斜めに入ってかじりを起こしたりしないような機構になっている。環状体１は外径矯正治具１４Ａを通過することで加工矯正され、通過時間が矯正時間となる。環状体１が外径矯正治具１４Ａを完全に通過した後は、環状体抑え治具１５Ａは元の位置に上昇し、環状体搭載部２４は環状体１を搭載したまま、焼入れ槽１７の底まで静かに下降する。
【００７４】
それから、環状体１は焼入れ槽１７内を冷却されながら静かに移動し、環状体搭載部２４は元の位置に上昇し、次の環状体を搭載する。
次に、上述の図１０の装置を用いた矯正効果を確認するために行った実験について述べる。
この実験の材料鋼種及び熱処理条件は次のとおりである。
【００７５】
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【００７６】
焼入れ油温  ：８０℃
焼戻し条件  ：１７０℃にて２時間
環  状  体  ：円筒ころ軸受ＮＵ３１２の外輪
（リングＴＰ）（外径公称寸法＝１３０ｍｍ、公称幅寸法＝３１ｍｍ）
表１０及び図１１に、（１），（３）式で求めた加工率を変化させて（矯正時間一定，３〜５秒）外径拘束で加工した場合の変形率を示す。
【００７７】
【表１０】
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本発明実施例の場合も、加工率が０．０５％以上１．０％以下の範囲のものは変形率が低く、更にいずれの鋼種でも安定した変形率が得られる。ただし、加工率が０．０５％未満の場合や、１．０％を越える場合は変形率が高くなる。
ここでの矯正時間は環状体が金型１４Ａを通過する時間で３秒以上であれば矯正は十分である。また、軸受のサイズによっては、長い通過時間で環状体の温度が下がり過ぎ、焼入れが不十分になるおそれがあるので、通常５秒程度で通過させる。
【００７８】
また、浸炭鋼を含めた心部のＭｓ点が高い材料は、当然Ｍｓ点より高い温度で矯正を行うため、前述の焼入れ冷却中に矯正を行う場合は、かなり早いタイミングで矯正を行う必要がでてくる。先の表５，表６の実施例で示したように、高温での矯正は可能である。しかし高温の矯正では環状体の温度が急激に変化する。図１２に環状体の焼入れ冷却過程の温度変化の一例を示す。３００℃前後までは急激に変化しているのがわかる。一方、焼入れ直前に矯正する本装置では、環状体が加熱炉から搬出されて金型１４Ａで矯正されるまでの温度管理を、冷却剤中での環状体の温度管理に比べて格段に安定して行うことができる。
【００７９】
つまり、高い温度で矯正する場合、特にＭｓ点が高い材料を矯正する場合等には、焼入れ直前に矯正する本装置で行うことで、残留歪みが少なく変形のない真円の環状体が、高い安定性のもと高い生産性で得られる。
また、冷却剤に溶融塩を用い、塩浴焼入れを応用して、環状体（浸炭鋼で作られた場合はその心部で）のＭｓ点直上またはそれ以上の温度で保持された塩浴槽にて焼入れ温度から一旦冷却し、すぐに本装置で焼入れ矯正を行う（いわゆるマルクエンチ）ことで、同様にＭｓ点の高い素材でマルテンサイト変態前に加工矯正を行い矯正効果を安定して出すことができる。
【００８０】
次に、本発明の環状体の焼入れ変形矯正方法に係る矯正治具について述べる。本発明の方法を有効に実施するには、環状体の焼入れ直前の寸法に対して、若干小さい内径寸法を持つ一体金型の矯正治具を用いる。
従来のマルテンサイト変態による寸法膨張のみを利用する外形からの矯正方法では、一般に割型やコレットチャックのように外形寸法が変化できる金型を用いている。この場合、図１に示すように、金型寸法に対して環状体寸法が小さくなる時間帯が短く、変形量によってはその時間帯がさらに短くなるため、金型寸法を大きい寸法に広げてから早めに環状体にセットし、矯正は行わず環状体の収縮に合わせて金型を調整し、環状体が膨張してきた時点で矯正を開始する。したがって、これらの一般的な治具ではオーステナイト域での矯正は困難である。
【００８１】
また、変態膨張してから矯正する場合は、前記したように真円度の矯正はある程度できても、環状体の寸法までは変化しないので、一定の寸法に加工矯正することはできない。
図１３に本発明矯正治具の一例を示す。
図１３ａ，１３ｂは焼入れ直前で矯正する方法で使用する金型１４Ａの一例であり、図１３ｃ，１３ｄは冷却冷却中に矯正する方法で使用する金型の一例である。いずれも金型の矯正部分が一体化した円筒形になっているのが特徴である。環状体はオーステナイト状態での加工でのみ、前記本発明の加工率範囲であれば、短時間に容易に圧入が可能である。そのため、図１３ａ，１３ｂに示すように、矯正加工する部分が肉薄でコンパクトな金型が可能となる。マルテンサイト変態後の加工では前記本発明の加工率範囲で行うことは殆ど不可能に近く、仮に行う場合は、環状体の熱処理前寸法を精密に管理し、さらに肉厚が十分な金型に大規模な装置のもと莫大な荷重で圧入することが必要となることは、簡単に予想できる。  また、従来の割型タイプの金型で矯正を行う場合、矯正条件によっては、割型の形状が環状体矯正面に花びら型のような模様をつけてしまい、その後の加工に大きな影響を与える可能性が大きい。一体金型では加工後の矯正面に凹凸はなく、更に、矯正された外輪の寸法は一定となるので、その後の加工にとっても良好である。
【００８２】
また、治具が軽量でコンパクトなことで、当然、装置も単純化し、矯正時間も３〜５秒程度でも可能なので、矯正焼入れとしては非常に高い連続性が確保される。
なお、一般に鋼の加工と熱処理を併用する加工熱処理として、加工してから焼入れを行う加工焼入れ処理や、焼入れ過程で加工を行うオースフォーミング処理などが知られている（「鋼の熱処理」，７２頁、日本鉄鋼協会編、昭和４４年１０月１日発行）。しかしこれらの加工熱処理法は、主に鋼の焼入れ後の機械的性質（強度，靭性等）を向上させることが目的であって、その加工度も３０％前後から高いものでは９５％程度まで及び、本発明の焼入れ変形矯正方法とは目的も方法も大きく異なるものである。
【００８３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の環状体の焼入れ変形矯正方法及び装置によれば、環状体の鋼組織がオーステナイト状態のうちに、当該環状体を金型に圧入して所定の加工率で矯正加工するため、硬さや引張り強さが低下し伸びや絞りは上昇する状態下での塑性変形により容易に変形加工することができて、その結果、歪や変形のない真円の且つ寸法がそろった環状体が短時間で得られるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】マルテンサイト変態を伴う炭素鋼の加熱・冷却時の寸法変化を示すグラフである。
【図２】本発明の環状体の焼入れ変形矯正法における加工率と変形率との関係を示すグラフで、（ａ）は環状体の外径からの加工の場合（外径拘束）、（ｂ）は内径からの加工の場合（内径拘束）、（ｃ）は外径拘束で矯正温度を変化させて行った結果を併せて示したものである。
【図３】各種の焼入れ法による変形率及びその最大値と最少とを本発明方法の場合と比較して示すグラフである。
【図４】転がり軸受の環状体に対する変形矯正法による矯正前後の寸法変化を、従来および本発明の場合について示すグラフである。
【図５】本発明方法による場合の矯正時間と変形率との関係を示したグラフである。
【図６】環状体の焼入れ変形矯正方法における矯正サイクルを説明する概念図で、（ａ）は従来の場合、（ｂ）は本発明の場合である。
【図７】本発明の実施例にかかる環状体の焼入れ変形矯正装置の作動を説明する断面図である。
【図８】本発明の実施例にかかる内径拘束による環状体の焼入れ変形矯正装置の部分拡大図である。
【図９】本発明の他の実施例にかかる環状体の焼入れ変形矯正方法を説明する部分拡大断面図である。
【図１０】本発明のその他の実施例に係る環状体の焼入れ変形矯正方法を示す断面図である。
【図１１】図１０の方法により焼入れ直前で矯正した実施例における、加工率と変形率との関係を示すグラフである。
【図１２】環状体の焼入れ冷却過程の温度変化の一例を示す図である。
【図１３】本発明の実施例に係る環状体の焼入れ変形矯正装置で使用される矯正用の治具で、（ａ）は焼入れ直前で矯正する場合の治具の平面図、（ｂ）はそのＢ−Ｂ線断面図、（ｃ）は焼入れ冷却中に矯正する場合の治具の断面図、（ｄ）はその環状体矯正中の断面図を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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