JP2014531010A - 軸受けアセンブリの軌道エレメントの製造方法および軌道エレメント - Google Patents

Abstract

軸受けアセンブリの軌道エレメントの製造方法および軌道エレメント。軸受けアセンブリの軌道エレメントの製造方法は、以下の方法ステップを有している。すなわち軌道を有する軌道エレメントを提供するステップ、軌道エレメントを少なくとも部分的に加熱することによって軌道を硬化するステップ、第１のロールボディで軌道をディープローリング加工するステップおよび第２のロールボディで軌道をディープローリング加工するステップ。この場合、第２のロールボディは、第１のロールボディに比べて、少なくとも別の寸法を有している。

Description

本発明は、軸受けアセンブリの軌道エレメントの製造方法および軸受けアセンブリの軌道エレメントに関する。

転がり軸受けの使用時には、転がり軸受けの寿命に不都合に影響を与え得る種々の損傷メカニズムがある。転動体が絶え間なく転動する結果としてミクロもしくはマクロのヘルツ接触で周期的に荷重がかけられることに基づいて、転がり軸受けの軌道における、もしくは軌道の下方における材料疲労により、たとえば組織変化および亀裂が発生することがある。この組織変更および亀裂は、続いて転がり軸受けの故障をもたらし得る。これに加えて転動接触における混合摩擦（Mischreibung）の影響下では、たとえばへき開破壊（spaltbruch）に類似する脆い強制破壊亀裂（Gewaltbruchanrisse）が軌道面において開始され得る。強制破壊亀裂は、たとえば侵入し劣化を起こす潤滑剤の作用下で腐食疲労（Schwingungsrisskorrosion）によって促進されて材料の奥へと成長し、表面に向かう亀裂戻りならびに亀裂縁部における材料分離によって最終的に軌道剥離を引き起こし得る。最後に述べた腐食疲労のメカニズムだけでも、定格Ｌ１０寿命（９０％の残存確率）に達するよりもかなり前に、転がり軸受けの早期故障をもたらす。たとえばハードターニング（Hartdrehen）および別の表層もしくは縁層硬化法のような公知の方法を用いて、軌道の表面かつ表面の下方において圧縮残留応力を形成することによって、このような亀裂の形成および伝播を阻止することが可能である。

本発明の課題は、公知の転がり軸受けアセンブリに比べて高められた寿命を有する、転がり軸受けアセンブリの軌道エレメントと、該軌道エレメントの製造方法とを提供することである。

上記課題は、請求項１に記載の特徴を有する、軸受けアセンブリの軌道エレメントの製造方法もしくは請求項８に記載の特徴を有する軸受けアセンブリの軌道エレメントにより解決される。本発明の有利な態様は各従属請求項の対象である。

請求項１によれば、軸受けアセンブリの軌道エレメントの製造方法は、以下の方法ステップ、すなわち：
軌道を備える軌道エレメントを準備するステップと、
軌道エレメントを少なくとも部分的に加熱することによって軌道を硬化するステップと、
第１のローラボディにより軌道をディープローリング加工するステップと、
第２のローラボディにより軌道をディープローリング加工するステップと、を有し、
第２のローラボディは、第１のローラボディと比較して、少なくとも異なる寸法を有している。

本発明の観点は主に、互いに異なるように寸法設計された少なくとも２つのローラボディによるディープローリング加工法（Festwalzen）によって、軌道エレメントの表面および表面の近傍における残留応力状態および微細構造の特に有利な変化が達成され得る、という認識に基づいている。残留応力という概念で、本明細書において通常は、第１種の残留応力（巨視的残留応力）が示される。ディープローリング加工により、金属の表面の下方で圧縮残留応力が形成され、材料が加工硬化される。この場合、一般的に、フォン・ミーゼスによる参照応力に従って、直接に表面において圧縮残留応力がある程度まで形成される。この圧縮残留応力の度合いは、深さが増大するにつれて最大値にまで強くされる。さらに深さが増すにつれて、圧縮残留応力の値は再び減少する。典型的には、硬化された鋼内部では圧縮残留応力が、かなりの大きさで数１００μｍの深さ範囲にまで形成され得る。しかし、ディープローリング加工の公知の方法では、圧縮残留応力の値の最大値と、表面もしくは約１０μｍもしくは数１０μｍの浅い深さにおける圧縮残留応力の値との間で比較的大きな差が生じる。したがって、ローラボディとのヘルツ（マクロ）接触のための、最も高いフォン・ミーゼス参照応力の箇所における圧縮残留応力の最大値に向かって、圧縮残留応力の値は、表面から比較的強く増大する。ディープローリング加工時に、表面および数１０μｍの典型的な深さまでの表面の極めて近傍においても、典型的には数１００μｍの比較的大きな深さにおいても、圧縮残留応力の十分な値を形成することができるように、有利には互いに異なる直径のローラボディで作業することが可能である。軌道を互いに異なる大きさの２つ以上のローラボディで相次いでディープローリング加工することにより、最適な残留応力分布が表面と複数の最大値もしくは圧縮残留応力の合成された最大値との間で意図的に調節され得る。これによって、たとえば１００μｍまでの浅い深さにおいて既に、最大値に十分に近似する圧縮残留応力が形成され得る。塑性変形および圧縮残留応力の形成は、ディープローリング加工時に使用されるローラボディの幾何学形状に大幅に依存する。圧縮残留応力の形成の他にも、塑性変形中の転位滑りが、エネルギ的に有利な転位構造の形成をもたらす（たとえば転位マルチポール）。このことは材料の微細構造を安定化させる。

本発明の好適な態様では、両ローラボディが、球状または円筒状の形状を有し、かつ互いに異なる直径を有している。択一的には、互いに異なる直径を有する円筒状または球状のローラボディを併せて使用することも可能である。

有利には、第２のローラボディを用いたディープローリング加工後に、材料を除去する方法ステップが導入され得る。この材料を除去する方法ステップでは、軌道エレメントの表面が、軌道の領域で部分的に取り除かれる。このことは特に、ディープローリング加工ステップにより表面粗さが高められ、転動接触時の良好な軸受け運転のための品質がもはや十分でない場合に利点となる。この場合、特にホーニング加工または表面を整える研磨工程、たとえば５０μｍよりも浅い部分の材料を表面から取り除くバレル仕上げ（Gleitschleifen）が有利である。これにより、形成された圧縮残留応力の深さ範囲を十分に維持することができる。

同様に有利には、軌道エレメントの少なくとも軌道に対する熱による後処理が、マルテンサイト硬化もしくはベイナイト硬化の際の焼戻し温度または変換温度よりも低い温度で行われる。この後加熱は、材料の機械的に影響を受ける表層における微細構造の安定化のために働き、空気または化学的に不活性な環境（たとえば真空、保護ガス、塩浴）において行われ得る。微細構造の安定化は、たとえばＸ線写真の線幅の減少により証明可能である。選択された温度範囲によって、熱による後処理の、約１時間である典型的な期間では、硬度の損失は阻止される。

本発明による別の利点および形態は、以下の本発明の実施の形態から添付の図面につき明らかになる。

円錐ころ軸受けアセンブリを示す図である。 図１に示した円錐ころ軸受けの軌道エレメントにおける典型的な圧縮残留応力線の延びを示す概略的なグラフである。

本発明に係る軌道エレメントは、たとえば風力発電用途または別の産業駆動装置または船舶駆動部で使用されるような、特に高い荷重をかけられる円錐ころ軸受けアセンブリもしくは円筒ころ軸受けアセンブリにおいて使用され得る。図１は、本発明の実施の形態として、原理図の形式で円錐ころ軸受けを示している。この場合、円錐ころ軸受けは、外側の軌道エレメント２０および内側の軌道エレメント１０を有している。外側の軌道エレメント２０と内側の軌道エレメント１０との間には、複数の円錐台部材として形成された転動体３０が配置されている。この構成では、転動体３０は、ケージ（図示せず）内に配置されていてよく、両軌道エレメント１０，２０の間には転動体３０を含む室のシールのために相応するシールが設けられていてよい。この場合に、転動体３０は、軌道エレメント１０，２０に加工された転動軌道１２，２２で転動するために設けられている。別の実施の形態では、当然ながら、複列の転がり軸受けおよび／または円筒ころ軸受け、玉軸受け、球面ころ軸受け、自動調心ころ軸受けおよびあらゆる別の軸受けタイプであってもよい。

本発明の実施の形態では、表面から深部における圧縮残留応力最大値の範囲に至るまでの圧縮残留応力線の延びが、ショットピーニング、ハードターニングまたは従来のディープローリング加工プロセスのような公知の方法において可能であるよりも一様に、つまりより小さな勾配で形成されるので有利である。このことは特に軌道エレメントの軌道を硬化した後に、互いに異なるローラボディを用いた２つのディープローリング加工ステップが実施されることにより達成される。この場合、たとえば互いに異なる直径の２つのセラミックまたは硬質合金球を用いて連続して軌道がローリング加工される。これにより、圧縮残留応力が形成される。ローラボディの幾何学形状に応じて、圧縮残留応力が有利には種々の深さにおいて上昇させられる。この場合、深さプロファイルは、フォン・ミーゼス参照応力の分布に従う。この場合、繰り返される転動により、既に形成されている圧縮残留応力との重畳が行われる。全体的に、２回以上の別個のディープローリング加工プロセスによって、重畳した圧縮残留応力線の延びが生じる。この重畳した圧縮残留応力線の延びでは、既に浅い深さにおいて最大値に比較的近い圧縮残留応力が生じる。これに対して、ショットピーニング、唯１つの転動体を用いたディープローリング加工またはハードターニング加工では、圧縮残留応力の値が、浅い深さにおいて、既に比較的大きく増大する。利用された方法により異なる、たとえば５０μｍまたは１００μｍまでの浅い深さ範囲内における圧縮残留応力の大幅な増大は、特に表面で導入された垂直応力により進行する（たとえば摩擦引張応力（Reibzugspannungen）による）亀裂形成時に軌道エレメントの寿命に不都合に作用する。互いに異なる大きさの２つのローラボディを用いた軌道のディープローリング加工により、最大値に至るまでの圧縮残留応力線の延びは、公知の方法に比べて、深さが増しても圧縮残留応力が一定である理想的な延びに近づくことができる。

転がり軸受けアセンブリの軌道エレメントは、有利には軌道の表面の下側で少なくとも２００μｍの深さに至るまで、少なくとも４００ＭＰａの圧縮残留応力を有している。しかし、圧縮残留応力の最大値は、５００ＭＰａ〜８００ＭＰａの間であり、できるだけ１０００ＭＰａを大幅に超えないと有利である。しかし圧縮残留応力は、１００μｍの深さまでは、少なくとも圧縮残留応力の最大値の４０％の値である。これにより、表層硬化もしくは加工硬化の公知の方法に比べて、深さが増しても比較的に一様である、つまり小さな勾配の残留応力状態が達成される。このことはさらに、上述の運転もしくは荷重条件において、軌道エレメントの高められた寿命、ひいては転がり軸受けアセンブリの延長された寿命をもたらす。図２には、例示的に軌道エレメントの圧縮残留応力線の有利な延びが、軌道に関連する深さに関して示されている。残留応力の延びは、互いに異なって寸法設計された２つのローラボディを用いたディープローリング加工による本発明による実施の形態による方法により形成される。軌道の下方の極めて浅い深さで既に、約５００ＭＰａの残留応力が形成されていて、この残留応力線は、ほぼ線形に、約２５０μｍの深さにおける約８００ＭＰａの最大値にまで線図上で降下する、つまり残留応力が増大する。

球状および／または円筒状のローラボディを使用すると有利であるが、別の幾何学形状も使用され得る。さらに、両ローリング加工ステップが互いに異なる基本形状のローラボディで行われてもよい。好適には、円筒形のローラボディの場合、大小異なるローラボディのうちの小さなローラボディの直径は１〜３ｍｍであり、大きなローラボディの直径は６ｍｍ〜９ｍｍ、特に有利には７ｍｍ〜８ｍｍである。

本発明の実施の形態による方法は、好適には、全ての公知の軸受けタイプ、つまり円錐ころ軸受けの他に、円筒ころ軸受け、玉軸受け、自動調心ころ軸受けにも使用される。この場合、圧縮残留応力線の延びに対する要求は、転がり軸受けの使用分野に応じて互いに異なるものとなり得る。しかし、公知の方法に比べて明らかに意図的な要求に応じた圧縮残留応力線の延びを生ぜしめることができる。

１０，２０ 軌道エレメント
１２，２２ 転動軌道
３０ 転動体

Claims (10)

1. 軸受けアセンブリの軌道エレメントの製造方法であって、該製造方法は、以下の方法ステップ、すなわち：
   軌道を有する軌道エレメントを準備するステップと、
   軌道エレメントを少なくとも部分的に加熱することにより軌道を硬化するステップと、
   第１のローラボディを用いて軌道をディープローリング加工するステップと、
   第２のローラボディを用いて軌道をディープローリング加工するステップと、
   を有し、
   前記第２のローラボディは、前記第１のローラボディに比べて少なくとも別の寸法を有していることを特徴とする、軸受けアセンブリの軌道エレメントの製造方法。
2. 前記ローラボディのうちの少なくとも一方のローラボディは、球状の形状を有している、請求項１記載の方法。
3. 両ローラボディは、球状または円筒状の形状を有し、かつ互いに異なる直径を有している、請求項１記載の方法。
4. 第２のローラボディを用いたディープローリング加工後に、材料を除去する方法ステップを実施し、該方法ステップにおいて軌道エレメントの表面が軌道の領域において部分的に取り除かれる、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 材料を除去する前記方法ステップにおいて、表面の５０μｍよりも浅い部分の材料を取り除く、請求項４記載の方法。
6. ディープローリング加工、ホーニング加工または研磨工程後に、熱による後処理を実施する、請求項４または５記載の方法。
7. 前記熱による後処理を、硬化の焼戻し温度または変換温度よりも低い温度で実施する、請求項６記載の方法。
8. 転がり軸受けアセンブリの軌道エレメントであって、
   該転がり軸受けアセンブリの転動体が転動するために設けられた少なくとも１つの軌道が設けられており、
   軌道の表面の下方で、少なくとも２００μｍの深さまで、少なくとも４００ＭＰａの圧縮残留応力が形成されており、
   １００μｍの深さまでに、圧縮残留応力の値は最大で５００ＭＰａだけ変化していることを特徴とする、転がり軸受けの軌道エレメント。
9. 圧縮残留応力の最大値は、５００〜１０００ＭＰａである、請求項８記載の軌道エレメント。
10. ２００μｍの深さまで、圧縮残留応力の最大値は４００〜５００ＭＰａである、請求項８または９記載の軌道エレメント。

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