二つ割りリング状部材の機械割り製造方法
【課題】 機械加工によって二分割し、その後に熱処理して製作する場合に、熱処理変形量を軽減できる熱処理条件を設定できるようにする二つ割りリング状部材の機械割り製造方法を提供する。
【解決手段】 旋盤工程により素材からリング状部材１を得て、このリング状部材１を機械割工程で機械加工により半円状部材１ａに２分割分し、熱処理工程で半円状部材１ａの熱処理を行うことで、リング状部材１は機械割り工程中に熱処理による残留応力が存在せず、また生材であって破壊靱性値が高いため、途中破断が生じることがない。
【解決手段】 旋盤工程により素材からリング状部材１を得て、このリング状部材１を機械割工程で機械加工により半円状部材１ａに２分割分し、熱処理工程で半円状部材１ａの熱処理を行うことで、リング状部材１は機械割り工程中に熱処理による残留応力が存在せず、また生材であって破壊靱性値が高いため、途中破断が生じることがない。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、二つ割りの軸受軌道輪等となる二つ割りリング状部材の機械割り製造方法に関し、特にその機械割り工程の改善、および機械割り加工条件等の設定に関する。
【背景技術】
【０００２】
二つ割り軸受は、取付を容易にするため、両軌道輪および保持器を、２つの部分に分割した軸受である。転炉のトラニオン軸やクランク軸のセンタ部など、通常の軌道輪では、取付け、取外しができない箇所に使用される。二分割する方法は、従来から、焼入、焼戻された部材のノッチ部分に、くさびの打込み等で集中応力を発生させ、破断させることによって分割する自然割り方法と、ワイヤーカット等により切断する機械割りという方法がある。機械割り方法では、図２０に示すように、旋盤工程でリング状部材を製作し、熱処理工程で焼入，焼戻し、この熱処理により硬化されたリング状部材を機械割工程で２分割する。その後に後工程を施す。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、これらの方法で分割する場合、機械割り工程品では工程中に材料内部の応力状態のバランスが崩れ、不慮に亀裂が発生し、急速に成長して、切断方向とずれた方向に途中破断が起きるという不具合が生じることがある。二つ割り軸受は大型軸受であることが多いため、途中破断を防がなくてはならない。また、自然割りの場合、大きな軸受では設備が大掛かりになるという問題や、機械割りと同様に割り断面をうまくコントロールできず、設計通りに破面ができない問題があった。これらの課題は、軸受に限らず、他の二つ割りリング状部材の場合にも生じる。
【０００４】
この発明の目的は、機械割り時に内部の応力バランスが崩れて切断方向とずれた途中破断が生じることを防止することのできる二つ割りリング状部材の機械割り製造方法を提供することである。
この発明の他の目的は、機械加工によって二分割し、その後に熱処理して製作する場合に、熱処理変形量を軽減できる熱処理条件を設定できるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明の製造方法は、いずれもリング状部材を機械加工により半円状部材に２分割した熱処理硬化品からなる二つ割りリング状部材を製造する方法である。このうち、この発明における第１の発明の製造方法は、熱処理後に２分割する方法の改良であり、第２の発明の製造方法は、リング状部材の熱処理工程よりも前に機械割り工程を行う方法である。
【０００６】
この発明における第１の発明の機械割り製造方法は、熱処理により硬化されたリング状部材を機械加工により半円状部材に２分割する二つ割りリング状部材の機械割り製造方法において、
リング状部材のモデルの解析を行うことにより、リング状部材の切断面先端の応力拡大係数（ＫＩ）を求める過程と、この求められた切断面先端の応力拡大係数（ＫＩ）がリング状部材の上記切断面先端に対応する各部分の破壊靱性値（ＫＩＣ）を超えないように管理しながら切断を行う過程とを含む方法である。前記モデルの解析としては、熱伝導解析および熱応力解析を行う。
応力拡大係数（ＫＩ）は、次のように定義できる。亀裂の存在する材料が応力を受ける場合、亀裂先端の応力は亀裂先端からの距離ｒの平方根√ｒに反比例する特異性を持つことが知られている。この特異性を示す応力場の強さの程度を表すものが応力拡大係数である。破壊力学によれば、この応力拡大係数（ＫＩ）が材料の破壊靱性値（ＫＩＣ）を超えた時に急速に破断が生じる。したがって、リング状部材の切断面先端の応力拡大係数（ＫＩ）が、リング状部材の上記切断面先端に対応する各部分の破壊靱性値（ＫＩＣ）を超えないように管理しながら切断を行うことにより、機械割り時に内部の応力バランスが崩れて切断方向とずれた途中破断が生じることが防止される。
【０００７】
このような管理を実現するためには、切断面先端の応力拡大係数（ＫＩ）を求める必要がある。この発明は、その求め方として、新規に開発した方法を採用した。この求め方として、まずリング状部材をモデル化し、そのモデルに対して熱伝導解析および熱応力解析を行う。熱伝導解析は、焼入時等の部材熱処理時における冷却開始から完了までの部材内温度分布を時刻歴で計算する解析である。熱応力解析は、その温度分布履歴から部材の変形や応力を計算する解析である。この解析結果を用いることにより、応力拡大係数（ＫＩ）を求めることができる。
例えば、上記モデルに対して熱伝導解析および熱応力解析を行うことにより、熱処理残留応力を再現させる。次に、応力解析によって機械割り工程時の切断面先端の応力拡大係数を求める。すなわち、熱処理残留応力をモデル内に保持させた状態を得る。この状態から、機械割り工程中に切断が進行する切断面先端の応力拡大係数（ＫＩ）を計算する。機械割り工程の切断の進行は、予め変位拘束されていた節点の拘束を解除することによって表現できる。
材料の破壊靱性値（ＫＩＣ）は、硬度と対応しているため、ＨＲＣ硬度を求めることによって算出可能である。ＨＲＣ硬度は、リング状部材と同形状、同寸法のテストピースを準備して実測するか、もしくは熱伝導解析により硬度分布予測をしてその値を用いることが可能である。
このようにして求められる切断面先端の応力拡大係数を、材料の破壊靱性値と比較し、破壊靱性値を超えないように管理することにより、機械割り工程中の途中切断が防止される。
【０００８】
第１の発明において、前記の管理しながら切断を行う過程は、切断面先端の応力拡大係数（ＫＩ）が、リング状部材の切断面先端に対応する各部分の破壊靱性値（ＫＩＣ）の最小値を超えないように、切断方向および切断深さを設定し、この設定された切断方向および切断深さで切断を行うようにしても良い。この明細書で言う切断方向は、向きが正逆異なる場合は、異なる方向とする。
切断面先端の応力拡大係数（ＫＩ）が材料の破壊靱性値（ＫＩＣ）を超えないように切断方向および切断深さを設定すれば、急速破断は生じない。
【０００９】
第１の発明において、リング状部材は半径方向に切断しても良い。また、リング状部材を軸方向または軸方向に近い角度で切断しても良い。
【００１０】
この発明の機械割り条件設定方法は、この発明における第１の発明の二つ割りリング状部材の機械割り製造方法等に用いられる条件設定方法である。すなわち、この発明の二つ割りリング状部材の機械割り条件設定方法は、熱処理により硬化されたリング状部材を機械加工により半円状部材に２分割するときの切断深さおよび切断方向を設定する方法において、リング状部材のモデルの熱伝導解析および熱応力解析を行うことにより、リング状部材の切断面先端の応力拡大係数（ＫＩ）を求め、この切断面先端の応力拡大係数（ＫＩ）がリング状部材の上記切断面先端に対応する各部分の破壊靱性値（ＫＩＣ）を超えないように前記切断深さおよび切断方向を設定する方法である。
【００１１】
この発明における第２の発明の機械割り製造方法は、リング状部材を機械加工により半円状部材に２分割した熱処理硬化品からなる二つ割りリング状部材を製造する方法において、熱処理が未処理のリング状部材を機械加工により半円状部材に２分割する工程と、この２分割された半円状部材を熱処理する工程とを含む方法である。
このように、リング状部材の熱処理工程よりも前に機械割り工程を行うと、リング状部材は機械割り工程中に熱処理による残留応力が存在せず、また生材であって破壊靱性値が高いため、途中破断が生じることがない。
【００１２】
しかし、第２の発明方法では、熱処理時の部材形状が半円形状であるために、周方向の拘束量が少なく、熱処理変形が大きくなる可能性がある。この熱処理変形は、次のように抑制できる。
例えば、上記半円状部材を熱処理した部材のモデルについて、有限要素法を用いた熱伝導解析および熱応力解析によって、熱処理条件と熱処理変形量の関係を計算し、この計算された関係によって、前記熱処理の工程における熱処理条件を、熱処理変形が抑制されるように設定する。これにより、熱処理変形の抑制が実現できる。
【００１３】
また、第２の発明において、上記熱処理の工程で、加熱後に冷却するときに、半円状部材の内径側の冷却速度を外径側の冷却速度よりも速めるようにしても良い。このように内径側の冷却速度を速めることにより、熱処理変形量が抑制される。この内径側の冷却速度を速める方法において、どの程度の冷却速度が適切であるかは、上記の有限要素法を用いた熱伝導解析および熱応力解析の結果から計算することができる。
【００１４】
この発明の二つ割りリング状部材の機械割り製造方法は、リング状部材が軸受の軌道輪である場合に適用することができる。例えば、上記リング状部材は、転がり軸受における内輪や外輪等の軌道輪や、球面滑り軸受における外輪であっても良い。
【００１５】
この発明における転がり軸受の軌道輪は、この発明における上記のいずれかの二つ割りリング状部材の機械割り製造方法によって製造されたものである。
この発明における球面滑り軸受の外輪は、この発明における上記のいずれかの二つ割りリング状部材の機械割り製造方法によって製造されたものである。
【発明の効果】
【００１６】
この発明における第１の発明の二つ割りリング状部材の機械割り製造方法は、熱処理により硬化されたリング状部材を機械加工により半円状部材に２分割する二つ割りリング状部材の機械割り製造方法において、リング状部材のモデルの熱伝導解析および熱応力解析を行うことにより、リング状部材の切断面先端の応力拡大係数（ＫＩ）を求める過程と、この求められた切断面先端の応力拡大係数（ＫＩ）がリング状部材の上記切断面先端に対応する各部分の破壊靱性値（ＫＩＣ）を超えないように管理しながら切断を行う過程とを含む方法であるため、機械割り時に内部の応力バランスが崩れて切断方向とずれた途中破断が生じることが防止できる。
特に、上記管理の方法として、切断方向および切断深さを設定する場合は、簡単な制御で途中破断が防止できる。
この発明における第２の発明の二つ割りリング状部材の機械割り製造方法は、リング状部材の熱処理工程よりも前に機械割り工程を行う方法であるため、機械割り時に内部の応力バランスが崩れて切断方向とずれた途中破断が生じることが防止できる。
第２の発明において、上記半円状部材を熱処理したモデルについて、有限要素法を用いた熱伝導解析および熱応力解析によって、熱処理条件と熱処理変形量の関係を計算し、この計算された関係によって、前記熱処理の工程における熱処理条件を、熱処理変形が抑制されるように設定した場合は、熱処理変形量を軽減できる熱処理条件を設定することができる。
また、第２の発明において、上記熱処理の工程で、加熱後に冷却するときに、半円状部材の内径側の冷却速度を外径側の冷却速度よりも速めるようにした場合は、熱処理変形量を軽減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
この発明の一実施形態を図面と共に説明する。まず、第１の発明に対応する実施形態を説明する。図１に示すように、この機械割り製造方法は、熱処理により硬化されたリング状部材１を、機械加工により半円状部材１ａに２分割する二つ割りリング状部材の機械割り製造方法において、応力拡大係数（ＫＩ）を求める過程（Ｓ１）と、応力拡大係数（ＫＩ）が破壊靱性値（ＫＩＣ）を超えないように管理しながら切断を行う過程（Ｓ３）とを含む。この他に破壊靱性値（ＫＩＣ）を求める過程（Ｓ２）を含む。切断過程（Ｓ３）は、加工条件を設定する過程（Ｓ３ａ）と、実加工を行う過程（Ｓ３ｂ）とに分けられる。
【００１８】
リング状部材１は、軸受の軌道輪等となる部材であり、例えば鋼製の円筒状の部材である。リング状部材１は、簡明のために円筒形状で図示しているが、軸受の軌道面を形成する軌道溝等を有する横断面形状であっても良い。
２分割する機械加工は、例えばワイヤ２を用いたワイヤカット法により行う。すなわちワイヤカット放電加工機により行う。２分割するときの切断方向Ｐは、リング状部材１に対して、図４（Ａ）のように半径方向であっても、また図４（Ｂ）のように軸方向、または軸方向に近い角度となる方向であっても良い。切断方向Ｐが半径方向である場合、外径側から内径側へ進む方向であっても、内径側から外径側に進む方向であっても良く、また内外のいずれか片側から途中まで切断し、残りをもう片側から切断するようにしても良い。軸方向等に切断する場合も、正逆いずれの方向に切断加工が進むようにして良く、正逆いずれか片側から切断を途中まで行い、残りをもう片側から切断するようにしても良い。
【００１９】
図２は、ワイヤカット放電加工機の一例の概念図である。この加工機は、電極となるワイヤ２を、張力を与えた状態で走らせながら、工作物であるリング状部材１との間に放電を起こさせ、その放電エネルギで加工するものである。ワイヤ２とリング状部材１との間に所要の相対運動を与えて切断加工を行う。リング状部材１はテーブル３上に設置され、駆動装置４，５によってテーブル３と共に移動させられる。テーブル３は、この例では２軸（ｘ軸，ｙ軸）方向に移動可能としてあるが、１軸方向にのみ移動可能なものであっても良い。ワイヤ２は、テーブル３を上下に貫通して、上下のワイヤガイド６，７で案内され、下方のワイヤ供給プーリ８から上方のワイヤ巻取プーリ９へ送られる。
【００２０】
図１において、応力拡大係数（ＫＩ）を求める過程（Ｓ１）では、概略を説明すると、リング状部材１をモデル化し、そのモデルの熱伝導解析および熱応力解析を行うことにより、リング状部材の切断面先端の応力拡大係数（ＫＩ）を求める。
破壊靱性値（ＫＩＣ）を求める過程では、硬度の実測、または熱伝導解析による硬度分布の予測を行った値から、材料の持つ破壊靱性値（ＫＩＣ）を求める。
切断過程（Ｓ３）における加工条件を設定する過程では、求められた切断面先端の応力拡大係数（ＫＩ）が、リング状部材１の切断面先端に対応する各部分の破壊靱性値（ＫＩＣ）を超えないように管理するための加工条件を設定する。この加工条件として、切断深さＨと、切断方向Ｐとを設定する。
【００２１】
つぎに、この機械割り製造方法の詳細を説明する。この方法は、有限要素法を用いたシミュレーションにより、切断面先端の応力拡大係数（ＫＩ）を求める方法を開発し、その求められた応力拡大係数（ＫＩ）を用いることにより、切断深さＨ、および切断方向Ｐを制御し、途中破断を発生させないようにした方法である。
【００２２】
応力拡大係数（ＫＩ）を説明する。亀裂の存在する材料が応力を受ける場合、亀裂先端の応力は亀裂先端からの距離ｒの平方根√ｒに反比例する特異性を持つことが知られている。この特異性を示す応力場の強さの程度を表すものが応力拡大係数である。図３に示すように、遠方でＹ方向に一様応力σ0 を受ける広い板にＸ方向の長さ２ａの亀裂が存在するとき、亀裂先端付近の応力分布を規定する応力拡大係数ＫＩは、次（１）式のようになる。
ＫＩ＝σ0 √（πａ） …… （１）式
破壊力学によれば、この応力拡大係数（ＫＩ）が材料の破壊靱性値（ＫＩＣ）を超えた時に急速に破断が生じる。
また、このように求められる応力拡大係数（ＫＩ）と破壊靱性値（ＫＩＣ）の関係を用いることよって、切断深さＨ、切断方向Ｐを制御し、不慮の亀裂発生を抑え、途中破断を生じさせない機械割りが行える。
【００２３】
応力拡大係数（ＫＩ）の算出方法を説明する。例として、円筒形状の軸受軌道輪となるリング状部材１を、外径側より切断していく場合を挙げる。対象部材１の概略形状を図４（Ａ）に示した。これを有限要素法としてモデル化したものを図５に示した。同図はモデルの半分のみを示している。このモデルは、二次元平面応力モデルであり、リング状部材１を正面側から見て、四角形四節点要素に分解したものである。各要素は、複数の同心円状に並ぶ円周方向の直線と、放射状に並ぶ半径方向の直線とで仕切られている。要素数は１７９０、節点数は１９４０である。対象のリング状部材１の寸法は、内径φ１４００、外径φ１６０４、幅４７０（単位はmm）である。
【００２４】
まず、このモデルに対して熱伝導解析と熱応力解析を行い、熱残留応力を再現させる（図６参照）。熱伝導解析は、焼入時等の部材熱処理時における冷却開始から完了までの部材内温度分布を時刻歴で計算する解析であり、熱応力解析は、その温度分布履歴から部材の変形や応力を計算する解析である。なお、これらの解析に用いた材料物性値（熱伝導率、比熱、線膨張係数、比重、ポアソン比、初期降伏応力、加工硬化係数、弾性係数）は、実測値を用いている。また、リング状部材１の冷え方を決定する熱伝達係数は、実際の冷却速度に合うように設定した。
【００２５】
次に、応力解析によって機械割り工程時の切断面先端の応力拡大係数（ＫＩ）を求める。この解析は、機械割り工程中の切断面先端の応力拡大係数（ＫＩ）を計算するものである（熱処理残留応力をモデル内に保持させた状態から計算する）。機械割り工程の切断の進行は、予め変位拘束されていた節点の拘束を解除することによって表現した。その模式図を図７に示した。
【００２６】
材料の破壊靱性値は、硬度と対応しているため、ＨＲＣ硬度を求めることによって算出可能である。ＨＲＣ硬度は、リング状部材１と同形状、同寸法のテストピースを準備して実測するか、もしくは熱伝導解析により硬度分布予測をしてその値を用いることが可能である。熱伝導解析による硬度分布の予測方法については、後で述べることにする。なお、今回用いたＨＲＣ硬度の値は実測値である。
【００２７】
このようにして求めた切断面先端の応力拡大係数（ＫＩ）を、材料の破壊靱性値（ＫＩＣ）と比較することで、機械割り工程中に途中破断が生じるか否かを判断することが可能になるというのが、この発明の骨子である。今回の対象リング状部材１における結果を図１０に示した。
【００２８】
図１０では、切断初期には負の値の応力拡大係数（ＫＩ）が生じているが、切断が進行するにつれて正の値のＫＩに移行する。そして、約７０mm深さにおいてＫＩは材料の破壊靱性値（ＫＩＣ）を超えることが分かる。実際にこの軸受軌道輪となるリング状部材１を外径側より切断した場合、７０mm深さで途中破壊が起きることを確認した。
【００２９】
熱伝導解析による硬度分布予測方法を説明する。
熱伝導解析は、冷却開始から部材内温度分布を時刻歴で計算する方法であり、ある時刻における部材内温度分布や、部材内のある位置における冷却曲線を求めることが出来る。これを部材を構成する材料に固有のＣＣＴ線図（continuous cooling transformation ）と比較すれば、部材内の硬度分布を予測することが可能である。具体例として、今回の対象リング状部材１の硬度分布予測を行った（図９参照）。計算値を実測値と比較すると、内部硬度に若干の差異が見られるものの、良く合致している。
【００３０】
途中破壊を生じさせない機械割り工程を説明する。
切断面先端の応力拡大係数（ＫＩ）が材料の破壊靱性値（ＫＩＣ）を超えないように切断距離Ｈ、切断方向Ｐを設定すれば、急速破断は生じない。これを実証する例を示す。対象リング状部材１（図４（Ａ）のもの）を、外径側から５０mm切断し、残りを内径側から切断した例を示す。なお、外径からの切断距離は対象とするリング状部材１の持つ最小の破壊靱性値を超えないように決定した。
【００３１】
まず、上述した方法と同様に、熱応力解析の後に機械割り工程の応力解析を行って、切断面先端での応力拡大係数（ＫＩ）を計算した。その結果を図１１に示す。外径側と内径側における切断面先端の応力拡大係数（ＫＩ）は、どの位置においても破壊靱性値（ＫＩＣ）を超えることはなかった。
これを実証すべく、実際の対象リング状部材１を外径側から５０mm、残りを内径側から切断して、機械割りを行った。この時、途中破断は生じなかった。
【００３２】
なお、上記実施形態では、リング状部材１を半径方向に切断する場合につき説明したが、この発明は、リング状部材１のあらゆる方向の切断に適用することができる。
【００３３】
つぎに、この発明における第２の発明と対応する実施形態を、図１２〜図１５と共に説明する。この二つ割りリング状部材の機械割り製造方法は、図１２に示すように、リング状部材１について、熱処理工程前に機械割りを施し、リング状部材１を半円状部材１ａに分割した状態で熱処理を行う方法である。すなわち、旋盤工程により素材からリング状部材１を得て、このリング状部材１を機械割工程で機械加工により半円状部材１ａに２分割分し、熱処理工程で半円状部材１ａの熱処理を行い、その後に後工程を施す。なお、この熱処理工程では、焼入および焼戻しを行う。リング状部材１は、前記実施形態と同じく、軸受の軌道輪等となる部材である。２分割を行う機械加工は、例えばワイヤーカット法が採用でき、図２と共に説明したワイヤカット放電加工機を用いることができる。
【００３４】
この方法によると、機械割り工程中のリング状部材１内に熱処理残留応力が存在していないこと、生材であること（破壊靱性値が高い）に起因して、途中破断が生じることは無かった。
【００３５】
しかし、この加工工程では、熱処理時の部材１ａの形状が半円形状であるために周方向の拘束量が少なく、熱処理変形が大きくなる可能性がある。実際に標準的な熱処理条件で熱処理を行ったところ、割り口部分の変形量は非常に大きくなった。
【００３６】
そこで、この実施形態では、半円状部材１ａをモデル化し、有限要素法を用いた熱伝導解析、熱応力解析によって熱処理条件と熱量変形量の関係を計算し（解析モデルは図１３参照）、変形量の抑制を図った。図１３の解析モデルは、詳しくは図５と共に前述したモデル（ただし半円分）である。熱伝導解析は、焼入時等の部材熱処理時における冷却開始から完了までの部材内温度分布を時刻歴で計算する解析であり、熱応力解析はその温度分布履歴から、部材の変形や応力を計算する解析である。なお、これらの解析に用いた材料物性値（熱伝導率、比熱、線膨張係数、比重、ポアソン比、初期降伏応力、加工硬化係数、弾性係数）は、実測値を用いている。
【００３７】
この実施形態における解析は、半円状部材１ａの内径側の冷却速度に着目して条件を決定した。その解析条件を表１に示した。表1における従来の加工工程における熱処理条件は、次のとおりである。予熱後、高炭素クロム軸受鋼２種（ＳＵＪ２）は８００〜８４０℃、高炭素クロム軸受鋼３種（ＳＵＪ３）は７９０〜８３０℃に加熱し、焼入れ油（６０℃）中に入れる。油中冷却速度は、槽内の噴射ノズルによる油の噴射強弱によってコントロールする。これにより、表１記載の冷却条件が達成される。
【００３８】
【表１】
【００３９】
図１４に、各解析条件における熱処理後の変形を示した。また、図１４におけるＡ，Ｂ間距離とＣＤ間距離の差を用いて、
（変形量）＝（ＡＢ間距離）−（２×ＣＤ間距離）
として変形量の定量化を行い、その結果を図１５に示した。
実測値、解析条件１の解析結果（従来の熱処理条件）は、共に熱処理後に割り口部分が開くという変形が生じており、定性的にシミュレーションは実際と良く合致している。半円状部材１ａの内径側の冷却速度を従来条件よりも速めた場合（解析結果３）は、熱処理変形量が抑制されることが分かった。
【００４０】
この解析結果を実証すべく、軸受軌道輪となるリング状部材１を機械割りした半円状部材１ａについて、部材内径側の冷却速度を高めた熱処理を行った。そのた結果、熱処理変形量は従来の熱処理変形量に比較して大幅に抑制された。
【００４１】
なお、実験を行った例は、この発明の例示であり、この発明は〔課題を解決するための手段〕の欄で説明した方法に広く適用できる。
【００４２】
図１６，図１７は、転がり軸受からなる二つ割り型転がり軸受の一例を示す。この例は、自動調心ころ軸受に適用した例である。軌道輪である内輪２１と外輪２２との間に、複列のころ２３が介在され、各列のころ２３は保持器２４に保持されている。内輪２１は、軌道面となる複数の軌道溝２１ａが形成され、外輪２２は内径面が球面状の軌道面２２ａに形成されている。ころ２３は、外輪２２の内径面に応じた曲率の樽形とされている。内輪２１、外輪２２、および保持器２４は、いずれも半円状部材に２分割されている。内輪２１は、軸２５の外径に嵌合し、両側部で外径側から締め付け輪２６により軸２５の外径面に締め付けられている。締め付け輪２６も２分割されている。外輪２２は、ハウジング２７の内径面に嵌合し、ハウジング２７の軸方向の片方に設けられた鍔部２７ａともう片方に取付けられた蓋部材２８との間に設置されている。ハウジング２７は、上部ハウジング２７と下部ハウジング２７Ｂとに分割され、互いにボルト（図示せず）で締め付け状態に結合される。この軸受は、例えば転炉のトラニオン軸の支持に用いられる。
この軸受における軌道輪である内輪２１および外輪２２は、この発明の機械割り製造方法により製造されたものであり、この明細書における前記の〔課題を解決するための手段〕の欄、および実施形態で説明したいずれの二つ割りリング状部材の機械割り製造方法によって製造されたものであっても良い。
【００４３】
図１８，１９は、球面滑り軸受の一例を示す。内輪３１は、球面状の外周面が外輪３２の球面状の内周面に摺動自在に嵌合している。外輪３２は、半円状部材３２Ａに２分割されており、ハウジング３３の内径面に設置されている。
この軸受における外輪２２は、この発明の機械割り製造方法により製造されたものであり、この明細書における前記の〔課題を解決するための手段〕の欄、および実施形態で説明したいずれの二つ割りリング状部材の機械割り製造方法によって製造されたものであっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】この発明の一実施形態における二つ割りリング状部材の機械割り製造方法を示す工程説明図である。
【図２】その機械割りを行うワイヤカット放電加工機の斜視図である。
【図３】２次元亀裂の概念を示す説明図である。
【図４】リング状部材とその切断方向の各例とを示す斜視図である。
【図５】リング状部材のモデルを示す説明図である。
【図６】熱残留応力の発生状態を示す説明図である。
【図７】リング状部材の境界条件による切断の表現を示す説明図である。
【図８】リング状部材の温度分布の説明図である。
【図９】リング状部材の内部温度分布と予測した硬度分布の関係を示すグラフである。
【図１０】外径からの切断深さと応力拡大係数（ＫＩ）の関係および破壊靱性値（ＫＩＣ）を示すグラフである。
【図１１】同実施形態にかかる機械割り製造方法における切断深さと応力拡大係数（ＫＩ）の関係および破壊靱性値（ＫＩＣ）を示すグラフである。
【図１２】この発明の他の実施形態の工程説明図およびその各工程におけるリング状部材または半円状部材の形態を示す説明図である。
【図１３】半円状部材とそのモデルの関係を示す説明図である。
【図１４】各熱処理条件で熱処理した半円状部材の変形状態を示す説明図である。
【図１５】各熱処理条件で熱処理した半円状部材の変形量を比較するグラフである。
【図１６】この発明方法で製造した軌道輪を有する転がり軸受の断面図である。
【図１７】同転がり軸受を模式的に示す破断側面図である。
【図１８】この発明方法で製造した外輪を有する球面滑り軸受の縦断面図である。
【図１９】同球面滑り軸受の縮小横断面図である。
【図２０】従来の機械割り製造方法の工程説明図である。
【符号の説明】
【００４５】
１…リング状部材
１ａ…半円状部材
２…ワイヤ
２１…内輪（軌道輪）
２２…外輪（軌道輪）
３２…外輪
Ｓ１…応力拡大係数を求める過程
Ｓ３…切断過程
Ｓ３ａ…加工条件を設定する過程
Ｈ…切断深さ
Ｐ…切断方向
【技術分野】
【０００１】
この発明は、二つ割りの軸受軌道輪等となる二つ割りリング状部材の機械割り製造方法に関し、特にその機械割り工程の改善、および機械割り加工条件等の設定に関する。
【背景技術】
【０００２】
二つ割り軸受は、取付を容易にするため、両軌道輪および保持器を、２つの部分に分割した軸受である。転炉のトラニオン軸やクランク軸のセンタ部など、通常の軌道輪では、取付け、取外しができない箇所に使用される。二分割する方法は、従来から、焼入、焼戻された部材のノッチ部分に、くさびの打込み等で集中応力を発生させ、破断させることによって分割する自然割り方法と、ワイヤーカット等により切断する機械割りという方法がある。機械割り方法では、図２０に示すように、旋盤工程でリング状部材を製作し、熱処理工程で焼入，焼戻し、この熱処理により硬化されたリング状部材を機械割工程で２分割する。その後に後工程を施す。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、これらの方法で分割する場合、機械割り工程品では工程中に材料内部の応力状態のバランスが崩れ、不慮に亀裂が発生し、急速に成長して、切断方向とずれた方向に途中破断が起きるという不具合が生じることがある。二つ割り軸受は大型軸受であることが多いため、途中破断を防がなくてはならない。また、自然割りの場合、大きな軸受では設備が大掛かりになるという問題や、機械割りと同様に割り断面をうまくコントロールできず、設計通りに破面ができない問題があった。これらの課題は、軸受に限らず、他の二つ割りリング状部材の場合にも生じる。
【０００４】
この発明の目的は、機械割り時に内部の応力バランスが崩れて切断方向とずれた途中破断が生じることを防止することのできる二つ割りリング状部材の機械割り製造方法を提供することである。
この発明の他の目的は、機械加工によって二分割し、その後に熱処理して製作する場合に、熱処理変形量を軽減できる熱処理条件を設定できるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明の製造方法は、いずれもリング状部材を機械加工により半円状部材に２分割した熱処理硬化品からなる二つ割りリング状部材を製造する方法である。このうち、この発明における第１の発明の製造方法は、熱処理後に２分割する方法の改良であり、第２の発明の製造方法は、リング状部材の熱処理工程よりも前に機械割り工程を行う方法である。
【０００６】
この発明における第１の発明の機械割り製造方法は、熱処理により硬化されたリング状部材を機械加工により半円状部材に２分割する二つ割りリング状部材の機械割り製造方法において、
リング状部材のモデルの解析を行うことにより、リング状部材の切断面先端の応力拡大係数（ＫＩ）を求める過程と、この求められた切断面先端の応力拡大係数（ＫＩ）がリング状部材の上記切断面先端に対応する各部分の破壊靱性値（ＫＩＣ）を超えないように管理しながら切断を行う過程とを含む方法である。前記モデルの解析としては、熱伝導解析および熱応力解析を行う。
応力拡大係数（ＫＩ）は、次のように定義できる。亀裂の存在する材料が応力を受ける場合、亀裂先端の応力は亀裂先端からの距離ｒの平方根√ｒに反比例する特異性を持つことが知られている。この特異性を示す応力場の強さの程度を表すものが応力拡大係数である。破壊力学によれば、この応力拡大係数（ＫＩ）が材料の破壊靱性値（ＫＩＣ）を超えた時に急速に破断が生じる。したがって、リング状部材の切断面先端の応力拡大係数（ＫＩ）が、リング状部材の上記切断面先端に対応する各部分の破壊靱性値（ＫＩＣ）を超えないように管理しながら切断を行うことにより、機械割り時に内部の応力バランスが崩れて切断方向とずれた途中破断が生じることが防止される。
【０００７】
このような管理を実現するためには、切断面先端の応力拡大係数（ＫＩ）を求める必要がある。この発明は、その求め方として、新規に開発した方法を採用した。この求め方として、まずリング状部材をモデル化し、そのモデルに対して熱伝導解析および熱応力解析を行う。熱伝導解析は、焼入時等の部材熱処理時における冷却開始から完了までの部材内温度分布を時刻歴で計算する解析である。熱応力解析は、その温度分布履歴から部材の変形や応力を計算する解析である。この解析結果を用いることにより、応力拡大係数（ＫＩ）を求めることができる。
例えば、上記モデルに対して熱伝導解析および熱応力解析を行うことにより、熱処理残留応力を再現させる。次に、応力解析によって機械割り工程時の切断面先端の応力拡大係数を求める。すなわち、熱処理残留応力をモデル内に保持させた状態を得る。この状態から、機械割り工程中に切断が進行する切断面先端の応力拡大係数（ＫＩ）を計算する。機械割り工程の切断の進行は、予め変位拘束されていた節点の拘束を解除することによって表現できる。
材料の破壊靱性値（ＫＩＣ）は、硬度と対応しているため、ＨＲＣ硬度を求めることによって算出可能である。ＨＲＣ硬度は、リング状部材と同形状、同寸法のテストピースを準備して実測するか、もしくは熱伝導解析により硬度分布予測をしてその値を用いることが可能である。
このようにして求められる切断面先端の応力拡大係数を、材料の破壊靱性値と比較し、破壊靱性値を超えないように管理することにより、機械割り工程中の途中切断が防止される。
【０００８】
第１の発明において、前記の管理しながら切断を行う過程は、切断面先端の応力拡大係数（ＫＩ）が、リング状部材の切断面先端に対応する各部分の破壊靱性値（ＫＩＣ）の最小値を超えないように、切断方向および切断深さを設定し、この設定された切断方向および切断深さで切断を行うようにしても良い。この明細書で言う切断方向は、向きが正逆異なる場合は、異なる方向とする。
切断面先端の応力拡大係数（ＫＩ）が材料の破壊靱性値（ＫＩＣ）を超えないように切断方向および切断深さを設定すれば、急速破断は生じない。
【０００９】
第１の発明において、リング状部材は半径方向に切断しても良い。また、リング状部材を軸方向または軸方向に近い角度で切断しても良い。
【００１０】
この発明の機械割り条件設定方法は、この発明における第１の発明の二つ割りリング状部材の機械割り製造方法等に用いられる条件設定方法である。すなわち、この発明の二つ割りリング状部材の機械割り条件設定方法は、熱処理により硬化されたリング状部材を機械加工により半円状部材に２分割するときの切断深さおよび切断方向を設定する方法において、リング状部材のモデルの熱伝導解析および熱応力解析を行うことにより、リング状部材の切断面先端の応力拡大係数（ＫＩ）を求め、この切断面先端の応力拡大係数（ＫＩ）がリング状部材の上記切断面先端に対応する各部分の破壊靱性値（ＫＩＣ）を超えないように前記切断深さおよび切断方向を設定する方法である。
【００１１】
この発明における第２の発明の機械割り製造方法は、リング状部材を機械加工により半円状部材に２分割した熱処理硬化品からなる二つ割りリング状部材を製造する方法において、熱処理が未処理のリング状部材を機械加工により半円状部材に２分割する工程と、この２分割された半円状部材を熱処理する工程とを含む方法である。
このように、リング状部材の熱処理工程よりも前に機械割り工程を行うと、リング状部材は機械割り工程中に熱処理による残留応力が存在せず、また生材であって破壊靱性値が高いため、途中破断が生じることがない。
【００１２】
しかし、第２の発明方法では、熱処理時の部材形状が半円形状であるために、周方向の拘束量が少なく、熱処理変形が大きくなる可能性がある。この熱処理変形は、次のように抑制できる。
例えば、上記半円状部材を熱処理した部材のモデルについて、有限要素法を用いた熱伝導解析および熱応力解析によって、熱処理条件と熱処理変形量の関係を計算し、この計算された関係によって、前記熱処理の工程における熱処理条件を、熱処理変形が抑制されるように設定する。これにより、熱処理変形の抑制が実現できる。
【００１３】
また、第２の発明において、上記熱処理の工程で、加熱後に冷却するときに、半円状部材の内径側の冷却速度を外径側の冷却速度よりも速めるようにしても良い。このように内径側の冷却速度を速めることにより、熱処理変形量が抑制される。この内径側の冷却速度を速める方法において、どの程度の冷却速度が適切であるかは、上記の有限要素法を用いた熱伝導解析および熱応力解析の結果から計算することができる。
【００１４】
この発明の二つ割りリング状部材の機械割り製造方法は、リング状部材が軸受の軌道輪である場合に適用することができる。例えば、上記リング状部材は、転がり軸受における内輪や外輪等の軌道輪や、球面滑り軸受における外輪であっても良い。
【００１５】
この発明における転がり軸受の軌道輪は、この発明における上記のいずれかの二つ割りリング状部材の機械割り製造方法によって製造されたものである。
この発明における球面滑り軸受の外輪は、この発明における上記のいずれかの二つ割りリング状部材の機械割り製造方法によって製造されたものである。
【発明の効果】
【００１６】
この発明における第１の発明の二つ割りリング状部材の機械割り製造方法は、熱処理により硬化されたリング状部材を機械加工により半円状部材に２分割する二つ割りリング状部材の機械割り製造方法において、リング状部材のモデルの熱伝導解析および熱応力解析を行うことにより、リング状部材の切断面先端の応力拡大係数（ＫＩ）を求める過程と、この求められた切断面先端の応力拡大係数（ＫＩ）がリング状部材の上記切断面先端に対応する各部分の破壊靱性値（ＫＩＣ）を超えないように管理しながら切断を行う過程とを含む方法であるため、機械割り時に内部の応力バランスが崩れて切断方向とずれた途中破断が生じることが防止できる。
特に、上記管理の方法として、切断方向および切断深さを設定する場合は、簡単な制御で途中破断が防止できる。
この発明における第２の発明の二つ割りリング状部材の機械割り製造方法は、リング状部材の熱処理工程よりも前に機械割り工程を行う方法であるため、機械割り時に内部の応力バランスが崩れて切断方向とずれた途中破断が生じることが防止できる。
第２の発明において、上記半円状部材を熱処理したモデルについて、有限要素法を用いた熱伝導解析および熱応力解析によって、熱処理条件と熱処理変形量の関係を計算し、この計算された関係によって、前記熱処理の工程における熱処理条件を、熱処理変形が抑制されるように設定した場合は、熱処理変形量を軽減できる熱処理条件を設定することができる。
また、第２の発明において、上記熱処理の工程で、加熱後に冷却するときに、半円状部材の内径側の冷却速度を外径側の冷却速度よりも速めるようにした場合は、熱処理変形量を軽減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
この発明の一実施形態を図面と共に説明する。まず、第１の発明に対応する実施形態を説明する。図１に示すように、この機械割り製造方法は、熱処理により硬化されたリング状部材１を、機械加工により半円状部材１ａに２分割する二つ割りリング状部材の機械割り製造方法において、応力拡大係数（ＫＩ）を求める過程（Ｓ１）と、応力拡大係数（ＫＩ）が破壊靱性値（ＫＩＣ）を超えないように管理しながら切断を行う過程（Ｓ３）とを含む。この他に破壊靱性値（ＫＩＣ）を求める過程（Ｓ２）を含む。切断過程（Ｓ３）は、加工条件を設定する過程（Ｓ３ａ）と、実加工を行う過程（Ｓ３ｂ）とに分けられる。
【００１８】
リング状部材１は、軸受の軌道輪等となる部材であり、例えば鋼製の円筒状の部材である。リング状部材１は、簡明のために円筒形状で図示しているが、軸受の軌道面を形成する軌道溝等を有する横断面形状であっても良い。
２分割する機械加工は、例えばワイヤ２を用いたワイヤカット法により行う。すなわちワイヤカット放電加工機により行う。２分割するときの切断方向Ｐは、リング状部材１に対して、図４（Ａ）のように半径方向であっても、また図４（Ｂ）のように軸方向、または軸方向に近い角度となる方向であっても良い。切断方向Ｐが半径方向である場合、外径側から内径側へ進む方向であっても、内径側から外径側に進む方向であっても良く、また内外のいずれか片側から途中まで切断し、残りをもう片側から切断するようにしても良い。軸方向等に切断する場合も、正逆いずれの方向に切断加工が進むようにして良く、正逆いずれか片側から切断を途中まで行い、残りをもう片側から切断するようにしても良い。
【００１９】
図２は、ワイヤカット放電加工機の一例の概念図である。この加工機は、電極となるワイヤ２を、張力を与えた状態で走らせながら、工作物であるリング状部材１との間に放電を起こさせ、その放電エネルギで加工するものである。ワイヤ２とリング状部材１との間に所要の相対運動を与えて切断加工を行う。リング状部材１はテーブル３上に設置され、駆動装置４，５によってテーブル３と共に移動させられる。テーブル３は、この例では２軸（ｘ軸，ｙ軸）方向に移動可能としてあるが、１軸方向にのみ移動可能なものであっても良い。ワイヤ２は、テーブル３を上下に貫通して、上下のワイヤガイド６，７で案内され、下方のワイヤ供給プーリ８から上方のワイヤ巻取プーリ９へ送られる。
【００２０】
図１において、応力拡大係数（ＫＩ）を求める過程（Ｓ１）では、概略を説明すると、リング状部材１をモデル化し、そのモデルの熱伝導解析および熱応力解析を行うことにより、リング状部材の切断面先端の応力拡大係数（ＫＩ）を求める。
破壊靱性値（ＫＩＣ）を求める過程では、硬度の実測、または熱伝導解析による硬度分布の予測を行った値から、材料の持つ破壊靱性値（ＫＩＣ）を求める。
切断過程（Ｓ３）における加工条件を設定する過程では、求められた切断面先端の応力拡大係数（ＫＩ）が、リング状部材１の切断面先端に対応する各部分の破壊靱性値（ＫＩＣ）を超えないように管理するための加工条件を設定する。この加工条件として、切断深さＨと、切断方向Ｐとを設定する。
【００２１】
つぎに、この機械割り製造方法の詳細を説明する。この方法は、有限要素法を用いたシミュレーションにより、切断面先端の応力拡大係数（ＫＩ）を求める方法を開発し、その求められた応力拡大係数（ＫＩ）を用いることにより、切断深さＨ、および切断方向Ｐを制御し、途中破断を発生させないようにした方法である。
【００２２】
応力拡大係数（ＫＩ）を説明する。亀裂の存在する材料が応力を受ける場合、亀裂先端の応力は亀裂先端からの距離ｒの平方根√ｒに反比例する特異性を持つことが知られている。この特異性を示す応力場の強さの程度を表すものが応力拡大係数である。図３に示すように、遠方でＹ方向に一様応力σ0 を受ける広い板にＸ方向の長さ２ａの亀裂が存在するとき、亀裂先端付近の応力分布を規定する応力拡大係数ＫＩは、次（１）式のようになる。
ＫＩ＝σ0 √（πａ） …… （１）式
破壊力学によれば、この応力拡大係数（ＫＩ）が材料の破壊靱性値（ＫＩＣ）を超えた時に急速に破断が生じる。
また、このように求められる応力拡大係数（ＫＩ）と破壊靱性値（ＫＩＣ）の関係を用いることよって、切断深さＨ、切断方向Ｐを制御し、不慮の亀裂発生を抑え、途中破断を生じさせない機械割りが行える。
【００２３】
応力拡大係数（ＫＩ）の算出方法を説明する。例として、円筒形状の軸受軌道輪となるリング状部材１を、外径側より切断していく場合を挙げる。対象部材１の概略形状を図４（Ａ）に示した。これを有限要素法としてモデル化したものを図５に示した。同図はモデルの半分のみを示している。このモデルは、二次元平面応力モデルであり、リング状部材１を正面側から見て、四角形四節点要素に分解したものである。各要素は、複数の同心円状に並ぶ円周方向の直線と、放射状に並ぶ半径方向の直線とで仕切られている。要素数は１７９０、節点数は１９４０である。対象のリング状部材１の寸法は、内径φ１４００、外径φ１６０４、幅４７０（単位はmm）である。
【００２４】
まず、このモデルに対して熱伝導解析と熱応力解析を行い、熱残留応力を再現させる（図６参照）。熱伝導解析は、焼入時等の部材熱処理時における冷却開始から完了までの部材内温度分布を時刻歴で計算する解析であり、熱応力解析は、その温度分布履歴から部材の変形や応力を計算する解析である。なお、これらの解析に用いた材料物性値（熱伝導率、比熱、線膨張係数、比重、ポアソン比、初期降伏応力、加工硬化係数、弾性係数）は、実測値を用いている。また、リング状部材１の冷え方を決定する熱伝達係数は、実際の冷却速度に合うように設定した。
【００２５】
次に、応力解析によって機械割り工程時の切断面先端の応力拡大係数（ＫＩ）を求める。この解析は、機械割り工程中の切断面先端の応力拡大係数（ＫＩ）を計算するものである（熱処理残留応力をモデル内に保持させた状態から計算する）。機械割り工程の切断の進行は、予め変位拘束されていた節点の拘束を解除することによって表現した。その模式図を図７に示した。
【００２６】
材料の破壊靱性値は、硬度と対応しているため、ＨＲＣ硬度を求めることによって算出可能である。ＨＲＣ硬度は、リング状部材１と同形状、同寸法のテストピースを準備して実測するか、もしくは熱伝導解析により硬度分布予測をしてその値を用いることが可能である。熱伝導解析による硬度分布の予測方法については、後で述べることにする。なお、今回用いたＨＲＣ硬度の値は実測値である。
【００２７】
このようにして求めた切断面先端の応力拡大係数（ＫＩ）を、材料の破壊靱性値（ＫＩＣ）と比較することで、機械割り工程中に途中破断が生じるか否かを判断することが可能になるというのが、この発明の骨子である。今回の対象リング状部材１における結果を図１０に示した。
【００２８】
図１０では、切断初期には負の値の応力拡大係数（ＫＩ）が生じているが、切断が進行するにつれて正の値のＫＩに移行する。そして、約７０mm深さにおいてＫＩは材料の破壊靱性値（ＫＩＣ）を超えることが分かる。実際にこの軸受軌道輪となるリング状部材１を外径側より切断した場合、７０mm深さで途中破壊が起きることを確認した。
【００２９】
熱伝導解析による硬度分布予測方法を説明する。
熱伝導解析は、冷却開始から部材内温度分布を時刻歴で計算する方法であり、ある時刻における部材内温度分布や、部材内のある位置における冷却曲線を求めることが出来る。これを部材を構成する材料に固有のＣＣＴ線図（continuous cooling transformation ）と比較すれば、部材内の硬度分布を予測することが可能である。具体例として、今回の対象リング状部材１の硬度分布予測を行った（図９参照）。計算値を実測値と比較すると、内部硬度に若干の差異が見られるものの、良く合致している。
【００３０】
途中破壊を生じさせない機械割り工程を説明する。
切断面先端の応力拡大係数（ＫＩ）が材料の破壊靱性値（ＫＩＣ）を超えないように切断距離Ｈ、切断方向Ｐを設定すれば、急速破断は生じない。これを実証する例を示す。対象リング状部材１（図４（Ａ）のもの）を、外径側から５０mm切断し、残りを内径側から切断した例を示す。なお、外径からの切断距離は対象とするリング状部材１の持つ最小の破壊靱性値を超えないように決定した。
【００３１】
まず、上述した方法と同様に、熱応力解析の後に機械割り工程の応力解析を行って、切断面先端での応力拡大係数（ＫＩ）を計算した。その結果を図１１に示す。外径側と内径側における切断面先端の応力拡大係数（ＫＩ）は、どの位置においても破壊靱性値（ＫＩＣ）を超えることはなかった。
これを実証すべく、実際の対象リング状部材１を外径側から５０mm、残りを内径側から切断して、機械割りを行った。この時、途中破断は生じなかった。
【００３２】
なお、上記実施形態では、リング状部材１を半径方向に切断する場合につき説明したが、この発明は、リング状部材１のあらゆる方向の切断に適用することができる。
【００３３】
つぎに、この発明における第２の発明と対応する実施形態を、図１２〜図１５と共に説明する。この二つ割りリング状部材の機械割り製造方法は、図１２に示すように、リング状部材１について、熱処理工程前に機械割りを施し、リング状部材１を半円状部材１ａに分割した状態で熱処理を行う方法である。すなわち、旋盤工程により素材からリング状部材１を得て、このリング状部材１を機械割工程で機械加工により半円状部材１ａに２分割分し、熱処理工程で半円状部材１ａの熱処理を行い、その後に後工程を施す。なお、この熱処理工程では、焼入および焼戻しを行う。リング状部材１は、前記実施形態と同じく、軸受の軌道輪等となる部材である。２分割を行う機械加工は、例えばワイヤーカット法が採用でき、図２と共に説明したワイヤカット放電加工機を用いることができる。
【００３４】
この方法によると、機械割り工程中のリング状部材１内に熱処理残留応力が存在していないこと、生材であること（破壊靱性値が高い）に起因して、途中破断が生じることは無かった。
【００３５】
しかし、この加工工程では、熱処理時の部材１ａの形状が半円形状であるために周方向の拘束量が少なく、熱処理変形が大きくなる可能性がある。実際に標準的な熱処理条件で熱処理を行ったところ、割り口部分の変形量は非常に大きくなった。
【００３６】
そこで、この実施形態では、半円状部材１ａをモデル化し、有限要素法を用いた熱伝導解析、熱応力解析によって熱処理条件と熱量変形量の関係を計算し（解析モデルは図１３参照）、変形量の抑制を図った。図１３の解析モデルは、詳しくは図５と共に前述したモデル（ただし半円分）である。熱伝導解析は、焼入時等の部材熱処理時における冷却開始から完了までの部材内温度分布を時刻歴で計算する解析であり、熱応力解析はその温度分布履歴から、部材の変形や応力を計算する解析である。なお、これらの解析に用いた材料物性値（熱伝導率、比熱、線膨張係数、比重、ポアソン比、初期降伏応力、加工硬化係数、弾性係数）は、実測値を用いている。
【００３７】
この実施形態における解析は、半円状部材１ａの内径側の冷却速度に着目して条件を決定した。その解析条件を表１に示した。表1における従来の加工工程における熱処理条件は、次のとおりである。予熱後、高炭素クロム軸受鋼２種（ＳＵＪ２）は８００〜８４０℃、高炭素クロム軸受鋼３種（ＳＵＪ３）は７９０〜８３０℃に加熱し、焼入れ油（６０℃）中に入れる。油中冷却速度は、槽内の噴射ノズルによる油の噴射強弱によってコントロールする。これにより、表１記載の冷却条件が達成される。
【００３８】
【表１】
【００３９】
図１４に、各解析条件における熱処理後の変形を示した。また、図１４におけるＡ，Ｂ間距離とＣＤ間距離の差を用いて、
（変形量）＝（ＡＢ間距離）−（２×ＣＤ間距離）
として変形量の定量化を行い、その結果を図１５に示した。
実測値、解析条件１の解析結果（従来の熱処理条件）は、共に熱処理後に割り口部分が開くという変形が生じており、定性的にシミュレーションは実際と良く合致している。半円状部材１ａの内径側の冷却速度を従来条件よりも速めた場合（解析結果３）は、熱処理変形量が抑制されることが分かった。
【００４０】
この解析結果を実証すべく、軸受軌道輪となるリング状部材１を機械割りした半円状部材１ａについて、部材内径側の冷却速度を高めた熱処理を行った。そのた結果、熱処理変形量は従来の熱処理変形量に比較して大幅に抑制された。
【００４１】
なお、実験を行った例は、この発明の例示であり、この発明は〔課題を解決するための手段〕の欄で説明した方法に広く適用できる。
【００４２】
図１６，図１７は、転がり軸受からなる二つ割り型転がり軸受の一例を示す。この例は、自動調心ころ軸受に適用した例である。軌道輪である内輪２１と外輪２２との間に、複列のころ２３が介在され、各列のころ２３は保持器２４に保持されている。内輪２１は、軌道面となる複数の軌道溝２１ａが形成され、外輪２２は内径面が球面状の軌道面２２ａに形成されている。ころ２３は、外輪２２の内径面に応じた曲率の樽形とされている。内輪２１、外輪２２、および保持器２４は、いずれも半円状部材に２分割されている。内輪２１は、軸２５の外径に嵌合し、両側部で外径側から締め付け輪２６により軸２５の外径面に締め付けられている。締め付け輪２６も２分割されている。外輪２２は、ハウジング２７の内径面に嵌合し、ハウジング２７の軸方向の片方に設けられた鍔部２７ａともう片方に取付けられた蓋部材２８との間に設置されている。ハウジング２７は、上部ハウジング２７と下部ハウジング２７Ｂとに分割され、互いにボルト（図示せず）で締め付け状態に結合される。この軸受は、例えば転炉のトラニオン軸の支持に用いられる。
この軸受における軌道輪である内輪２１および外輪２２は、この発明の機械割り製造方法により製造されたものであり、この明細書における前記の〔課題を解決するための手段〕の欄、および実施形態で説明したいずれの二つ割りリング状部材の機械割り製造方法によって製造されたものであっても良い。
【００４３】
図１８，１９は、球面滑り軸受の一例を示す。内輪３１は、球面状の外周面が外輪３２の球面状の内周面に摺動自在に嵌合している。外輪３２は、半円状部材３２Ａに２分割されており、ハウジング３３の内径面に設置されている。
この軸受における外輪２２は、この発明の機械割り製造方法により製造されたものであり、この明細書における前記の〔課題を解決するための手段〕の欄、および実施形態で説明したいずれの二つ割りリング状部材の機械割り製造方法によって製造されたものであっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】この発明の一実施形態における二つ割りリング状部材の機械割り製造方法を示す工程説明図である。
【図２】その機械割りを行うワイヤカット放電加工機の斜視図である。
【図３】２次元亀裂の概念を示す説明図である。
【図４】リング状部材とその切断方向の各例とを示す斜視図である。
【図５】リング状部材のモデルを示す説明図である。
【図６】熱残留応力の発生状態を示す説明図である。
【図７】リング状部材の境界条件による切断の表現を示す説明図である。
【図８】リング状部材の温度分布の説明図である。
【図９】リング状部材の内部温度分布と予測した硬度分布の関係を示すグラフである。
【図１０】外径からの切断深さと応力拡大係数（ＫＩ）の関係および破壊靱性値（ＫＩＣ）を示すグラフである。
【図１１】同実施形態にかかる機械割り製造方法における切断深さと応力拡大係数（ＫＩ）の関係および破壊靱性値（ＫＩＣ）を示すグラフである。
【図１２】この発明の他の実施形態の工程説明図およびその各工程におけるリング状部材または半円状部材の形態を示す説明図である。
【図１３】半円状部材とそのモデルの関係を示す説明図である。
【図１４】各熱処理条件で熱処理した半円状部材の変形状態を示す説明図である。
【図１５】各熱処理条件で熱処理した半円状部材の変形量を比較するグラフである。
【図１６】この発明方法で製造した軌道輪を有する転がり軸受の断面図である。
【図１７】同転がり軸受を模式的に示す破断側面図である。
【図１８】この発明方法で製造した外輪を有する球面滑り軸受の縦断面図である。
【図１９】同球面滑り軸受の縮小横断面図である。
【図２０】従来の機械割り製造方法の工程説明図である。
【符号の説明】
【００４５】
１…リング状部材
１ａ…半円状部材
２…ワイヤ
２１…内輪（軌道輪）
２２…外輪（軌道輪）
３２…外輪
Ｓ１…応力拡大係数を求める過程
Ｓ３…切断過程
Ｓ３ａ…加工条件を設定する過程
Ｈ…切断深さ
Ｐ…切断方向
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リング状部材を機械加工により半円状部材に２分割した熱処理硬化品からなる二つ割りリング状部材を製造する方法において、
熱処理が未処理のリング状部材を機械加工により半円状部材に２分割する工程と、この２分割された半円状部材を熱処理する工程とを含む二つ割りリング状部材の機械割り製造方法。
【請求項２】
上記半円状部材を熱処理した部材のモデルについて、有限要素法を用いた熱伝導解析および熱応力解析によって、熱処理条件と熱処理変形量の関係を計算し、この計算された関係によって、前記熱処理の工程における熱処理条件を、熱処理変形が抑制されるように設定する請求項１に記載の二つ割りリング状部材の機械割り製造方法。
【請求項３】
上記熱処理の工程で、加熱後に冷却するときに、半円状部材の内径側の冷却速度を外径側の冷却速度よりも速めるようにした請求項１または請求項２に記載の二つ割りリング状部材の機械割り製造方法。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の二つ割りリング状部材の機械割り製造方法によって製造された転がり軸受の軌道輪。
【請求項５】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の二つ割りリング状部材の機械割り製造方法によって製造された球面滑り軸受の外輪。
【請求項１】
リング状部材を機械加工により半円状部材に２分割した熱処理硬化品からなる二つ割りリング状部材を製造する方法において、
熱処理が未処理のリング状部材を機械加工により半円状部材に２分割する工程と、この２分割された半円状部材を熱処理する工程とを含む二つ割りリング状部材の機械割り製造方法。
【請求項２】
上記半円状部材を熱処理した部材のモデルについて、有限要素法を用いた熱伝導解析および熱応力解析によって、熱処理条件と熱処理変形量の関係を計算し、この計算された関係によって、前記熱処理の工程における熱処理条件を、熱処理変形が抑制されるように設定する請求項１に記載の二つ割りリング状部材の機械割り製造方法。
【請求項３】
上記熱処理の工程で、加熱後に冷却するときに、半円状部材の内径側の冷却速度を外径側の冷却速度よりも速めるようにした請求項１または請求項２に記載の二つ割りリング状部材の機械割り製造方法。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の二つ割りリング状部材の機械割り製造方法によって製造された転がり軸受の軌道輪。
【請求項５】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の二つ割りリング状部材の機械割り製造方法によって製造された球面滑り軸受の外輪。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２００８−２２１４５８（Ｐ２００８−２２１４５８Ａ）
【公開日】平成２０年９月２５日（２００８．９．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５６９２８（Ｐ２００８−５６９２８）
【出願日】平成２０年３月６日（２００８．３．６）
【分割の表示】特願２００１−７９３６１（Ｐ２００１−７９３６１）の分割
【原出願日】平成１３年３月１９日（２００１．３．１９）
【出願人】（０００１０２６９２）ＮＴＮ株式会社 (9,006)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年９月２５日（２００８．９．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月６日（２００８．３．６）
【分割の表示】特願２００１−７９３６１（Ｐ２００１−７９３６１）の分割
【原出願日】平成１３年３月１９日（２００１．３．１９）
【出願人】（０００１０２６９２）ＮＴＮ株式会社 (9,006)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]