軸受用鋼球の転動疲労評価方法およびスラスト型転動疲労試験機。
【課題】本発明は、玉軸受に使用される軸受用鋼球の転動疲労強度の評価方法を提供する。
【解決手段】回転する上下の板面で、同心円状に等間隔に配置した複数の鋼球、好ましくは３球以上を挟持しつつ加圧して、前記鋼球を転動する際、上下の板面の一方を平面とし、他方を半径方向に一定の角度、好ましくは２度以上を有する斜面とする。複数の鋼球を転動可能なように同心円状に保持する保持板と、前記保持板の上下に配置され、前記鋼球を挟持する板材を有し、前記板材は上下方向から前記鋼球を加圧しつつ、回転可能で、前記保持板と前記板材が同軸状に配置し、上下の板材の鋼球を挟持する板面の一方が平面で、他方が径方向に一定の角度を有する斜面とするスラスト型転動疲労試験機。
【解決手段】回転する上下の板面で、同心円状に等間隔に配置した複数の鋼球、好ましくは３球以上を挟持しつつ加圧して、前記鋼球を転動する際、上下の板面の一方を平面とし、他方を半径方向に一定の角度、好ましくは２度以上を有する斜面とする。複数の鋼球を転動可能なように同心円状に保持する保持板と、前記保持板の上下に配置され、前記鋼球を挟持する板材を有し、前記板材は上下方向から前記鋼球を加圧しつつ、回転可能で、前記保持板と前記板材が同軸状に配置し、上下の板材の鋼球を挟持する板面の一方が平面で、他方が径方向に一定の角度を有する斜面とするスラスト型転動疲労試験機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、玉軸受に使用される軸受用鋼球の転動疲労強度の評価方法およびスラスト型転動疲労試験機に関し、特に短時間での評価に好適なものに関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素鋼や軸受用鋼の転動疲労強度の評価は、ラッピング研磨した平板材を試験片とし、研磨面上において数個の球を、垂直方向から荷重をかけながら、同じ軌道上で転送させて行う。球と試験片は特定の微小領域（ヘルツの応力円）で接触しており、球には環状の走行跡が形成されるが、転動する軌道が固定されてしまい、実際に使用されている玉軸受球のように、あらゆる方向に自由に運動している状態を模擬していることにならず、実機における転動疲労強度を評価できない。破壊は主に表面剥離の形で板材に発生し、破壊までの回転数によって転動疲労強度が評価される。
【０００３】
一方、軸受用球の寿命評価は実際に玉軸受に組み上げて、荷重をかけながら高速回転させる試験方法により行われている。
【０００４】
特許文献１は軸受用球の寿命評価方法に関し、球の欠陥を走行跡内に留めるため、被試験球の表面の一箇所に球の中心に向かう穴をあけ、自転軸を固定したアンバランス球を用いることを提案している。
【特許文献１】特許第３３１９４８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１記載の方法では、実際に使用されている玉軸受球のように、あらゆる方向に自由に運動している状態を模擬していることにならず、実機における動転疲労強度を評価できない。
【０００６】
また、軸受用球の穴加工は容易でなく、軸受用球の寿命評価に用いる試験機も極めて特殊で軸受けメーカーが各様の方法により製作しているのが実体であり、汎用的な試験方法とは言い難い。
【０００７】
そこで、本発明は、転動疲労試験に良く利用されているスラスト型転動疲労試験機を用いて、球の転送面が固定されずに転送面幅を有し、球の転動疲労強度の評価が可能な試験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】
【０００８】
発明の課題は以下の手段により達成できる。
1．回転する上下の板面で、同心円状に等間隔に配置した複数の鋼球を挟持しつつ加圧して、前記鋼球を転動するスラスト型転動疲労試験方法において、上下の板面の一方が平面で、他方が半径方向に一定の角度を有する斜面であることを特徴とするスラスト型の転動疲労試験方法。
２．鋼球が３球以上であることを特徴とする１記載の軸受用鋼球の転動疲労評価方法。
３．斜面の傾斜角度が２度以上であることを特徴とする１または２記載の軸受用鋼球の転動疲労評価方法。
４．複数の鋼球を転動可能なように同心円状に保持する保持板と、前記保持板の上下に配置され、前記鋼球を挟持する板材を有し、前記板材は上下方向から前記鋼球を加圧しつつ、回転可能で、前記保持板と前記板材が同軸状に配置されているスラスト型転動疲労試験装置において、上下の板材の鋼球を挟持する板面の一方が平面で、他方が径方向に一定の角度を有する斜面であることを特徴とするスラスト型転動疲労試験機。
５．鋼球が３球以上であることを特徴とする４記載のスラスト型転動疲労試験機。
６．斜面の傾斜角度が２度以上であることを特徴とする４または５記載のスラスト型転動疲労試験機。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ラボ型転動疲労試験において、鋼球の転送幅を大きくすることが可能で、実機における鋼球の転動疲労強度が正確に予測でき産業上極めて有用である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明は、鋼球が接触する板面を斜面として鋼球の転送面の幅を拡大すること特徴とする。
【００１１】
図１に本発明の一実施例に係るスラスト型転動疲労試験機の概略構造を示す。図において１は鋼球、２は鋼球１を下方から支持する下板材、３は鋼球１を保持する保持板、４は鋼球１を上方から支持する上板材、５は上板材４を回転させる回転軸、６は回転軸５の回転方向を示す矢印、７は下板材に加圧される荷重を示す矢印、２１は下板材２で鋼球１に接触する板面、４１は上板材４で鋼球１に接触する板面を示す。
【００１２】
図示した試験装置では、鋼球１は３球又は６球で１セットで保持板３で同心円状に等間隔で保持する。鋼球１は上下に配置された上板材４と下板材２の２枚の板材によって挟持される。
【００１３】
下板材２には、半径方向に一定の角度θを有する斜面が加工される。斜面の径方向の傾きは正負いずれでも良く、本発明では特に規定しない。例えば、下板材２の回転軸心を頂点とした円錐状を凹凸のいずれかとなるように加工する。
【００１４】
上板材４には回転軸５が取り付けられ、下板材２は荷重７が加圧され、その状態で回転可能な機構を有するため、上板材４が回転方向６で回転すると、保持板３も同方向に回転する。回転軸５は回転と停止とを交互に繰り返し可能で、下板材２は、回転しない機構とする。
【００１５】
保持板３は、上板材４の回転軸５と同軸状に鋼球１を保持し、鋼球１は保持板３にそれぞれが回転可能なように保持されるので、上板材４が回転すると、複数の鋼球１もそれぞれが回転する。鋼球１が回転すると、その表面に走行跡が形成される。
【００１６】
図２は保持板３の構造を示す横断面図で、鋼球１を保持するための穴部を有する。穴部は鋼球１を回転可能に嵌合できれば良く、特に形状を規定しないが、その下面に鋼球１の径より若干大きい径（例えば鋼球１の径の１０５〜１１０％）ｄ１の穴加工、その上面に鋼球１の径の８０〜８５％となる穴径ｄ２の穴加工を施すことが好ましい。尚、鋼球の数は実機を再現するため３球以上とすることが好ましい。
【００１７】
図３は、鋼球１に、環状に巻着される走行跡１１を模式的に示す図で、図において鋼球１の転動による転送軌道の幅はＷで定義される。
【００１８】
本発明によれば、上板材４が回転軸５によって回転すると、それにつれて鋼球１も回転するが、下板材２には傾斜がついているので、常に斜面に沿って転がり落ちようとする力が作用する。
【００１９】
一方、鋼球１には回転の際、遠心力が働き、外側に向かって押し付けられる。回転軸５は回転と停止とを交互に繰り返すと、回転が停止する、あるいは十分遅い回転速度まで回転を遅くなると、斜面に沿って転がる力が、鋼球１が斜面に沿って転がり落ちようとする力が遠心力よりも大きくなり転送方向（鋼球１の回転方向）とは違う向き、すなわち、回転軸５の回転中心に向かって運動する。
【００２０】
次に回転を再開し、十分早い回転速度とすると、遠心力が斜面を転がり落ちようとする力よりも大きくなり、回転軸５の回転中心から遠ざかるように運動する。これを繰り返すことによって鋼球の転送面（転送軌道の幅ｗ）は拡大し、鋼球の試験対象面積が増加する。
【００２１】
尚、上板材４で鋼球と接する板面４１、下板材２の鋼球と接する板面２１はラッピングによって研磨仕上げを施すことが好ましく、荷重７は下方から上方へ押し付けるようにして載荷することが好ましい。
【実施例】
【００２２】
以下、実施例に従って説明する。転動疲労試験機として代表的なスラスト型疲労試験機を利用した。
【００２３】
供試材は、軸受鋼（JIS SUJ2）による市販軸受用鋼球でサイス゛は3/8インチ（９．５２５ｍｍ）径のものである。これを３個を１セットとして試験を実施した。
【００２４】
保持板は外径６０mm、厚さ４ｍｍの真鍮製円盤で作成した。前記円板上に、鋼球の転送軌道と同じ大きさの円内で１２０度間隔で穴をあけて、穴内に鋼球が入ることで、等間隔に保持できるようにした。
【００２５】
上板材はＳＵＪ２を用いて、外径φ60ｍｍ×厚さ5ｍｍの円板を切り出し、焼入れ焼き戻しを施して、硬さはＨＲｃで６５とした。この板の片側の面をラッピング研磨までおこない、仕上げ面粗さＲmax≦0.2μｍとした。
【００２６】
下板材はＳＵＪ２を用いて、外形φ60ｍｍ×厚さ5ｍｍの円板に切り出し、その後円中心に向かって傾斜をつけるようにＮＣ旋盤で加工した。傾斜角度θは１、２、３、４、５、６度を作成した。その後焼入れ焼き戻しをおこない硬さを上板材と同じとし、傾斜の付いている面のラッピング研磨をおこなった。仕上げ面粗さは上板材と同じにした。
【００２７】
試験機の運転条件は、回転数1200rpm、荷重はヘルツ応力が5.3Gpaとなるように与え、潤滑油はタービン油を用いて、室温環境下で運転した。また３ｈおきに回転を止めて、再度運転する間歇運転を実施した。鋼球が転送軌道を１回転すればｎ＝１をカウントする。
【００２８】
板が剥離した場合は板を交換する。交換の場合には鋼球の転送面が変わらないように保持板に固定して抜き出し、板を交換した。いずれかの玉が剥離した時点で運転は終了し、剥離に至らない場合でもｎ＝３００００で終了した。
【００２９】
図４に試験後の鋼球の転送面を観察し、転送面の幅（転送軌道の幅ｗ）を測定した結果を示す。傾斜が付与されると転送面の幅（転送軌道の幅ｗ）は拡大し、特に傾斜角度が３度以上になると急激に拡大することが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施例を示す図。
【図２】本発明の一実施例を示す図。
【図３】本発明の一実施例を示す図。
【図４】本発明の一実施例を示す図。
【符号の説明】
【００３１】
１ 鋼球
２ 下板材
３ 保持板
４ 上板材
５ 回転軸
６ 回転方向
７ 荷重方向
２１ 板面（下板材）
４１ 板面（上板材）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、玉軸受に使用される軸受用鋼球の転動疲労強度の評価方法およびスラスト型転動疲労試験機に関し、特に短時間での評価に好適なものに関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素鋼や軸受用鋼の転動疲労強度の評価は、ラッピング研磨した平板材を試験片とし、研磨面上において数個の球を、垂直方向から荷重をかけながら、同じ軌道上で転送させて行う。球と試験片は特定の微小領域（ヘルツの応力円）で接触しており、球には環状の走行跡が形成されるが、転動する軌道が固定されてしまい、実際に使用されている玉軸受球のように、あらゆる方向に自由に運動している状態を模擬していることにならず、実機における転動疲労強度を評価できない。破壊は主に表面剥離の形で板材に発生し、破壊までの回転数によって転動疲労強度が評価される。
【０００３】
一方、軸受用球の寿命評価は実際に玉軸受に組み上げて、荷重をかけながら高速回転させる試験方法により行われている。
【０００４】
特許文献１は軸受用球の寿命評価方法に関し、球の欠陥を走行跡内に留めるため、被試験球の表面の一箇所に球の中心に向かう穴をあけ、自転軸を固定したアンバランス球を用いることを提案している。
【特許文献１】特許第３３１９４８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１記載の方法では、実際に使用されている玉軸受球のように、あらゆる方向に自由に運動している状態を模擬していることにならず、実機における動転疲労強度を評価できない。
【０００６】
また、軸受用球の穴加工は容易でなく、軸受用球の寿命評価に用いる試験機も極めて特殊で軸受けメーカーが各様の方法により製作しているのが実体であり、汎用的な試験方法とは言い難い。
【０００７】
そこで、本発明は、転動疲労試験に良く利用されているスラスト型転動疲労試験機を用いて、球の転送面が固定されずに転送面幅を有し、球の転動疲労強度の評価が可能な試験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】
【０００８】
発明の課題は以下の手段により達成できる。
1．回転する上下の板面で、同心円状に等間隔に配置した複数の鋼球を挟持しつつ加圧して、前記鋼球を転動するスラスト型転動疲労試験方法において、上下の板面の一方が平面で、他方が半径方向に一定の角度を有する斜面であることを特徴とするスラスト型の転動疲労試験方法。
２．鋼球が３球以上であることを特徴とする１記載の軸受用鋼球の転動疲労評価方法。
３．斜面の傾斜角度が２度以上であることを特徴とする１または２記載の軸受用鋼球の転動疲労評価方法。
４．複数の鋼球を転動可能なように同心円状に保持する保持板と、前記保持板の上下に配置され、前記鋼球を挟持する板材を有し、前記板材は上下方向から前記鋼球を加圧しつつ、回転可能で、前記保持板と前記板材が同軸状に配置されているスラスト型転動疲労試験装置において、上下の板材の鋼球を挟持する板面の一方が平面で、他方が径方向に一定の角度を有する斜面であることを特徴とするスラスト型転動疲労試験機。
５．鋼球が３球以上であることを特徴とする４記載のスラスト型転動疲労試験機。
６．斜面の傾斜角度が２度以上であることを特徴とする４または５記載のスラスト型転動疲労試験機。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ラボ型転動疲労試験において、鋼球の転送幅を大きくすることが可能で、実機における鋼球の転動疲労強度が正確に予測でき産業上極めて有用である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明は、鋼球が接触する板面を斜面として鋼球の転送面の幅を拡大すること特徴とする。
【００１１】
図１に本発明の一実施例に係るスラスト型転動疲労試験機の概略構造を示す。図において１は鋼球、２は鋼球１を下方から支持する下板材、３は鋼球１を保持する保持板、４は鋼球１を上方から支持する上板材、５は上板材４を回転させる回転軸、６は回転軸５の回転方向を示す矢印、７は下板材に加圧される荷重を示す矢印、２１は下板材２で鋼球１に接触する板面、４１は上板材４で鋼球１に接触する板面を示す。
【００１２】
図示した試験装置では、鋼球１は３球又は６球で１セットで保持板３で同心円状に等間隔で保持する。鋼球１は上下に配置された上板材４と下板材２の２枚の板材によって挟持される。
【００１３】
下板材２には、半径方向に一定の角度θを有する斜面が加工される。斜面の径方向の傾きは正負いずれでも良く、本発明では特に規定しない。例えば、下板材２の回転軸心を頂点とした円錐状を凹凸のいずれかとなるように加工する。
【００１４】
上板材４には回転軸５が取り付けられ、下板材２は荷重７が加圧され、その状態で回転可能な機構を有するため、上板材４が回転方向６で回転すると、保持板３も同方向に回転する。回転軸５は回転と停止とを交互に繰り返し可能で、下板材２は、回転しない機構とする。
【００１５】
保持板３は、上板材４の回転軸５と同軸状に鋼球１を保持し、鋼球１は保持板３にそれぞれが回転可能なように保持されるので、上板材４が回転すると、複数の鋼球１もそれぞれが回転する。鋼球１が回転すると、その表面に走行跡が形成される。
【００１６】
図２は保持板３の構造を示す横断面図で、鋼球１を保持するための穴部を有する。穴部は鋼球１を回転可能に嵌合できれば良く、特に形状を規定しないが、その下面に鋼球１の径より若干大きい径（例えば鋼球１の径の１０５〜１１０％）ｄ１の穴加工、その上面に鋼球１の径の８０〜８５％となる穴径ｄ２の穴加工を施すことが好ましい。尚、鋼球の数は実機を再現するため３球以上とすることが好ましい。
【００１７】
図３は、鋼球１に、環状に巻着される走行跡１１を模式的に示す図で、図において鋼球１の転動による転送軌道の幅はＷで定義される。
【００１８】
本発明によれば、上板材４が回転軸５によって回転すると、それにつれて鋼球１も回転するが、下板材２には傾斜がついているので、常に斜面に沿って転がり落ちようとする力が作用する。
【００１９】
一方、鋼球１には回転の際、遠心力が働き、外側に向かって押し付けられる。回転軸５は回転と停止とを交互に繰り返すと、回転が停止する、あるいは十分遅い回転速度まで回転を遅くなると、斜面に沿って転がる力が、鋼球１が斜面に沿って転がり落ちようとする力が遠心力よりも大きくなり転送方向（鋼球１の回転方向）とは違う向き、すなわち、回転軸５の回転中心に向かって運動する。
【００２０】
次に回転を再開し、十分早い回転速度とすると、遠心力が斜面を転がり落ちようとする力よりも大きくなり、回転軸５の回転中心から遠ざかるように運動する。これを繰り返すことによって鋼球の転送面（転送軌道の幅ｗ）は拡大し、鋼球の試験対象面積が増加する。
【００２１】
尚、上板材４で鋼球と接する板面４１、下板材２の鋼球と接する板面２１はラッピングによって研磨仕上げを施すことが好ましく、荷重７は下方から上方へ押し付けるようにして載荷することが好ましい。
【実施例】
【００２２】
以下、実施例に従って説明する。転動疲労試験機として代表的なスラスト型疲労試験機を利用した。
【００２３】
供試材は、軸受鋼（JIS SUJ2）による市販軸受用鋼球でサイス゛は3/8インチ（９．５２５ｍｍ）径のものである。これを３個を１セットとして試験を実施した。
【００２４】
保持板は外径６０mm、厚さ４ｍｍの真鍮製円盤で作成した。前記円板上に、鋼球の転送軌道と同じ大きさの円内で１２０度間隔で穴をあけて、穴内に鋼球が入ることで、等間隔に保持できるようにした。
【００２５】
上板材はＳＵＪ２を用いて、外径φ60ｍｍ×厚さ5ｍｍの円板を切り出し、焼入れ焼き戻しを施して、硬さはＨＲｃで６５とした。この板の片側の面をラッピング研磨までおこない、仕上げ面粗さＲmax≦0.2μｍとした。
【００２６】
下板材はＳＵＪ２を用いて、外形φ60ｍｍ×厚さ5ｍｍの円板に切り出し、その後円中心に向かって傾斜をつけるようにＮＣ旋盤で加工した。傾斜角度θは１、２、３、４、５、６度を作成した。その後焼入れ焼き戻しをおこない硬さを上板材と同じとし、傾斜の付いている面のラッピング研磨をおこなった。仕上げ面粗さは上板材と同じにした。
【００２７】
試験機の運転条件は、回転数1200rpm、荷重はヘルツ応力が5.3Gpaとなるように与え、潤滑油はタービン油を用いて、室温環境下で運転した。また３ｈおきに回転を止めて、再度運転する間歇運転を実施した。鋼球が転送軌道を１回転すればｎ＝１をカウントする。
【００２８】
板が剥離した場合は板を交換する。交換の場合には鋼球の転送面が変わらないように保持板に固定して抜き出し、板を交換した。いずれかの玉が剥離した時点で運転は終了し、剥離に至らない場合でもｎ＝３００００で終了した。
【００２９】
図４に試験後の鋼球の転送面を観察し、転送面の幅（転送軌道の幅ｗ）を測定した結果を示す。傾斜が付与されると転送面の幅（転送軌道の幅ｗ）は拡大し、特に傾斜角度が３度以上になると急激に拡大することが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施例を示す図。
【図２】本発明の一実施例を示す図。
【図３】本発明の一実施例を示す図。
【図４】本発明の一実施例を示す図。
【符号の説明】
【００３１】
１ 鋼球
２ 下板材
３ 保持板
４ 上板材
５ 回転軸
６ 回転方向
７ 荷重方向
２１ 板面（下板材）
４１ 板面（上板材）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転する上下の板面で、同心円状に等間隔に配置した複数の鋼球を挟持しつつ加圧して、前記鋼球を転動するスラスト型転動疲労試験方法において、上下の板面の一方が平面で、他方が半径方向に一定の角度を有する斜面であることを特徴とするスラスト型の転動疲労試験方法。
【請求項２】
鋼球が３球以上であることを特徴とする請求項１記載の軸受用鋼球の転動疲労評価方法。
【請求項３】
斜面の傾斜角度が２度以上であることを特徴とする請求項１または２記載の軸受用鋼球の転動疲労評価方法。
【請求項４】
複数の鋼球を転動可能なように同心円状に保持する保持板と、前記保持板の上下に配置され、前記鋼球を挟持する板材を有し、前記板材は上下方向から前記鋼球を加圧しつつ、回転可能で、前記保持板と前記板材が同軸状に配置されているスラスト型転動疲労試験装置において、上下の板材の鋼球を挟持する板面の一方が平面で、他方が径方向に一定の角度を有する斜面であることを特徴とするスラスト型転動疲労試験機。
【請求項５】
鋼球が３球以上であることを特徴とする請求項４記載のスラスト型転動疲労試験機。
【請求項６】
斜面の傾斜角度が２度以上であることを特徴とする請求項４または５記載のスラスト型転動疲労試験機。
【請求項１】
回転する上下の板面で、同心円状に等間隔に配置した複数の鋼球を挟持しつつ加圧して、前記鋼球を転動するスラスト型転動疲労試験方法において、上下の板面の一方が平面で、他方が半径方向に一定の角度を有する斜面であることを特徴とするスラスト型の転動疲労試験方法。
【請求項２】
鋼球が３球以上であることを特徴とする請求項１記載の軸受用鋼球の転動疲労評価方法。
【請求項３】
斜面の傾斜角度が２度以上であることを特徴とする請求項１または２記載の軸受用鋼球の転動疲労評価方法。
【請求項４】
複数の鋼球を転動可能なように同心円状に保持する保持板と、前記保持板の上下に配置され、前記鋼球を挟持する板材を有し、前記板材は上下方向から前記鋼球を加圧しつつ、回転可能で、前記保持板と前記板材が同軸状に配置されているスラスト型転動疲労試験装置において、上下の板材の鋼球を挟持する板面の一方が平面で、他方が径方向に一定の角度を有する斜面であることを特徴とするスラスト型転動疲労試験機。
【請求項５】
鋼球が３球以上であることを特徴とする請求項４記載のスラスト型転動疲労試験機。
【請求項６】
斜面の傾斜角度が２度以上であることを特徴とする請求項４または５記載のスラスト型転動疲労試験機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００６−１８４１６９（Ｐ２００６−１８４１６９Ａ）
【公開日】平成１８年７月１３日（２００６．７．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３７９３８６（Ｐ２００４−３７９３８６）
【出願日】平成１６年１２月２８日（２００４．１２．２８）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年７月１３日（２００６．７．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１２月２８日（２００４．１２．２８）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
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