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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023155253
(43)【公開日】2023-10-20
(54)【発明の名称】筒状回転部品
(51)【国際特許分類】
F16C 33/64 20060101AFI20231013BHJP
【ＦＩ】
F16C33/64
【審査請求】有
【請求項の数】2
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023126813
(22)【出願日】2023-08-03
(62)【分割の表示】P 2019165734の分割
【原出願日】2019-01-30
(71)【出願人】
【識別番号】000006655
【氏名又は名称】日本製鉄株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100120891
【弁理士】
【氏名又は名称】林 一好
(74)【代理人】
【識別番号】100182925
【弁理士】
【氏名又は名称】北村 明弘
(72)【発明者】
【氏名】須釜 淳史
(72)【発明者】
【氏名】木寅 孝次
(57)【要約】
【課題】ドーナツ形状の金属円板から筒状回転部品を得る製造方法において、絞り加工によるシワや割れの発生を抑える製造方法で製造され、絞り加工によるシワや割れの発生が抑えられた筒状回転部品を提供する。
【解決手段】本発明は、胴部からなる一重の筒状回転部品であって、筒状回転部品１００Ｂの板厚内部における介在物の存在量の分布が、内径表層における存在量をｄ（内径）、板厚中心における存在量をｄ（板厚中心）としたとき、ｄ（板厚中心）＞ｄ（内径）の関係を満たす分布を示す筒状回転部品１００Ｂである。
【選択図】図１
【解決手段】本発明は、胴部からなる一重の筒状回転部品であって、筒状回転部品１００Ｂの板厚内部における介在物の存在量の分布が、内径表層における存在量をｄ（内径）、板厚中心における存在量をｄ（板厚中心）としたとき、ｄ（板厚中心）＞ｄ（内径）の関係を満たす分布を示す筒状回転部品１００Ｂである。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
胴部からなる一重の筒状回転部品であって、
筒状回転部品の板厚内部における介在物の存在量の分布が、内径表層における存在量をｄ（内径）、板厚中心における存在量をｄ（板厚中心）としたとき、
ｄ（板厚中心）＞ｄ（内径）
の関係を満たす分布を示す筒状回転部品。
筒状回転部品の板厚内部における介在物の存在量の分布が、内径表層における存在量をｄ（内径）、板厚中心における存在量をｄ（板厚中心）としたとき、
ｄ（板厚中心）＞ｄ（内径）
の関係を満たす分布を示す筒状回転部品。
【請求項2】
前記介在物は、ＭｎＳ、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＮの群の中から選ばれる少なくとも１種以上を含む、請求項１に記載の筒状回転部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は金属板を素材として作製される筒状回転部品に関する。特に、圧延鋼板を素材として作製される転がり軸受や回転ころ等の軌道輪や歯車部品等として用いられる筒状回転部品に関する。
【背景技術】
【0002】
現在、転がり軸受けや回転ころ、歯車部品等筒状形状を有する回転部品には特殊鋼の丸棒から製造されるシームレス鋼管が多く使用されている（特許文献１参照）。
シームレス鋼管の素材となる特殊鋼の丸棒にはＡｌ２Ｏ３やＭｎＳ、ＴｉＮ等の介在物が偏在しており、その存在量は中心に向かうにつれて増加して中心部で最大となる。シームレス鋼管は、丸棒の中心部をマンネスマン穿孔により拡げて成形されるため、介在物の存在は鋼管内周部で最も多く、外周に向かうほど減少する。
介在物は疲労破壊の起点となることから、摺動部品表層又は表層付近に介在物の存在量が増えると疲労特性、回転体であれば転動疲労特性が著しく低下することが知られている（特許文献２参照）。そのため、シームレス鋼管を素材として用いて筒状回転部品を製造する場合に、所望の疲労特性を得るためには、介在物の影響が低くなる程度まで内周から外周に向けて切削する等、機械加工による除去が必要となり、材料歩留まりが低下してしまう。
シームレス鋼管の素材となる特殊鋼の丸棒にはＡｌ２Ｏ３やＭｎＳ、ＴｉＮ等の介在物が偏在しており、その存在量は中心に向かうにつれて増加して中心部で最大となる。シームレス鋼管は、丸棒の中心部をマンネスマン穿孔により拡げて成形されるため、介在物の存在は鋼管内周部で最も多く、外周に向かうほど減少する。
介在物は疲労破壊の起点となることから、摺動部品表層又は表層付近に介在物の存在量が増えると疲労特性、回転体であれば転動疲労特性が著しく低下することが知られている（特許文献２参照）。そのため、シームレス鋼管を素材として用いて筒状回転部品を製造する場合に、所望の疲労特性を得るためには、介在物の影響が低くなる程度まで内周から外周に向けて切削する等、機械加工による除去が必要となり、材料歩留まりが低下してしまう。
【0003】
そこで、材料歩留まりよく筒状回転部品を製造する方法として、鋼板を素材とし中心部分に穴のあいたドーナツ形状の円板に絞り加工を施して筒状回転部品を成形する方法が知られている（特許文献３、特許文献４参照）。
前述の介在物の存在量は鋼板の板厚中心に向うにつれて増加して中心部で最大となるため、鋼板を素材として筒状回転部品を製造する場合には、シームレス鋼管を素材とする場合のように介在物を除去するための内周側の切削が不要となり、材料歩留まりを向上させることができる。
前述の介在物の存在量は鋼板の板厚中心に向うにつれて増加して中心部で最大となるため、鋼板を素材として筒状回転部品を製造する場合には、シームレス鋼管を素材とする場合のように介在物を除去するための内周側の切削が不要となり、材料歩留まりを向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２００７－１３０６７３号公報
【特許文献2】特開２０１２－２１４８９２号公報
【特許文献3】特開平７－１５５８７７号公報
【特許文献4】特開２００９－２２６４２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
特許文献３に記載の筒状構造体の製造方法は、図１６Ａに示すように、押え板によりドーナツ形状の板材の縁を押さえて、パンチにより板材の穴広げを行うものである。そのため、図１６Ｂ（ａ）に示すように押え板によってパンチ駆動方向への板材の流動が阻害されることにより、引張りの力が発生し割れにいたる（図１６（ｂ）参照）。また、図１６Ｃ（ａ）に示すように、ダイスの肩部に曲げ加工が付与されるため、ダイス肩部近傍の板材の外周線ｌ（曲げ加工後に線長が伸びる）と中立軸線ｌ０（曲げ加工前後で線長変化しない）との線長差Δｌ－ｌ０により割れが発生する場合があり（図１６Ｃ（ｂ）参照）、その傾向は板厚が厚くなるほど顕著となる。
【0006】
そこで、押え板を用いない特許文献４に記載の筒状構造体の製造方法（図１７Ａ参照）を適用すると、図１７Ｂに示すように、金属円板にシワが発生し、金型に引っかかりを生じることで引張り力を生じ割れにいたる場合が存在する。
【0007】
従って、本発明は、ドーナツ形状の金属円板から筒状回転部品を得る製造方法において、絞り加工によるシワや割れの発生を抑える製造方法、金型及び筒状回転部品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】
本発明は、胴部からなる一重の筒状回転部品であって、筒状回転部品の板厚内部における介在物の存在量の分布が、内径表層における存在量をｄ（内径）、板厚中心における存在量をｄ（板厚中心）としたとき、ｄ（板厚中心）＞ｄ（内径）の関係を満たす分布を示す筒状回転部品に関する。
【0009】
また、前記介在物は、ＭｎＳ、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＮの群の中から選ばれる少なくとも１種以上を含んでいてもよい。
【発明の効果】
【0010】
本発明の製造方法は、中間成形工程においてパンチ及びダイスのテーパ面同士で金属円板の両面全体を押圧して絞り加工するので、シワや割れの発生を抑えることができ、最終成形工程において更に絞り加工を施して所望の形状の筒状回転部品を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】本発明の実施形態に係る製造方法の各工程を示す図である。
【図2】本発明の実施形態の変形例に係る製造方法の各工程を示す図である。
【図3】本発明の実施例１の説明図である。
【図4】本発明の実施例１－１で得られた筒状回転部品の外観写真を示す。
【図5】本発明の実施例２の説明図である。
【図6】本発明の比較例１の説明図である。
【図7】本発明の比較例１で得られた筒状回転部品の外観写真を示す。
【図8】特許文献１に記載の金型を使用した比較例２－１の説明図である。
【図9】特許文献２に記載の金型を使用した比較例２－２の説明図である。
【図10】内径肉厚及び外径肉厚の残存比の説明図である。
【図11】介在物の一例を示す光学顕微鏡写真である。
【図12】介在物の存在量の調査方法の説明図である。
【図13】介在物の存在量を測定した結果を示す図である。
【図14A】内側面の転動疲労試験機の概略構成を示す図である。
【図14B】外側面の転動疲労試験機の概略構成を示す図である。
【図15A】実施例４－１と比較例６（シームレスパイプを素材とする筒状回転部品）の内側面の転動疲労試験結果を示す。
【図15B】実施例５－１と比較例６（シームレスパイプを素材とする筒状回転部品）の外側面の転動疲労試験結果を示す。
【図16A】特許文献１に記載の製造方法の説明図である。
【図17A】特許文献２に記載の製造方法の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、本発明の筒状回転部品の製造方法及び製造装置の好ましい実施形態について、図面を参照しながら説明する。本発明の筒状回転部品は、転がり軸受や回転ころ等の軌道輪や歯車部品等に用いられるものであり、高い転動疲労特性が求められる。
【0013】
＜実施形態＞
図１は、本実施形態に係る筒状回転部品の製造方法の各工程を説明するための図であり、所定の内径Ｄ１及び外径Ｄ２、板厚Ｈを有し中心部分に穴が形成されたドーナツ形状の金属円板１００を穴拡げ絞り加工により成形する。本実施形態の穴拡げ絞り加工は、中央部に穴が形成された金属板の外周部において縮みフランジ変形、同時に金属板の内周部において伸びフランジ変形により筒状回転部品を得る成形加工である。
金属円板１００の形状は、最終形状である所望の筒状回転部品１００Ｂの体積から、内径Ｄ１、外径Ｄ２及び板厚Ｈを決定すればよい。
金属円板１００の素材としては、圧延鋼板等の金属板を用いることができる。圧延鋼板は、板厚中心に向かうにつれて介在物が多く偏在するため、絞り加工を施して圧延鋼板の表面が負荷のかかる面となるように成形することで、高い転動疲労特性を得ることができる。よって、清浄度を高めた鋼板を用いなくとも、十分な転動疲労特性が得られる。
図１は、本実施形態に係る筒状回転部品の製造方法の各工程を説明するための図であり、所定の内径Ｄ１及び外径Ｄ２、板厚Ｈを有し中心部分に穴が形成されたドーナツ形状の金属円板１００を穴拡げ絞り加工により成形する。本実施形態の穴拡げ絞り加工は、中央部に穴が形成された金属板の外周部において縮みフランジ変形、同時に金属板の内周部において伸びフランジ変形により筒状回転部品を得る成形加工である。
金属円板１００の形状は、最終形状である所望の筒状回転部品１００Ｂの体積から、内径Ｄ１、外径Ｄ２及び板厚Ｈを決定すればよい。
金属円板１００の素材としては、圧延鋼板等の金属板を用いることができる。圧延鋼板は、板厚中心に向かうにつれて介在物が多く偏在するため、絞り加工を施して圧延鋼板の表面が負荷のかかる面となるように成形することで、高い転動疲労特性を得ることができる。よって、清浄度を高めた鋼板を用いなくとも、十分な転動疲労特性が得られる。
【0014】
本実施形態の製造方法は、図１に示すように、大きく分けて（ａ）中間成形工程と（ｂ）最終成形工程とに分かれる。従来では、金属円板を所望の形状に成形するための１種類の金型のみで穴拡げ絞り加工が施されていたが（図１６Ａ及び図１７Ａ参照）、本実施形態の製造方法では、２種類の金型を用いて、中間成形工程において所望の最終形状とは異なる円錐台形状の中間成形品１００Ａを成形し、その後、最終成形工程にて、更に穴拡げ絞り加工を施して所望の形状の筒状回転部品を成形する。
【0015】
図１（ａ）に示すように、中間成形工程では、所定のテーパが付与された中間成形工程用パンチ１０Ａ及びダイス２０Ａの金型で金属円板１００の両面全体を押圧して穴拡げ絞り加工を施して、中間成形品１００Ａを得る。このように、パンチ１０Ａ及びダイス２０Ａのテーパ面同士で金属円板１００の両面全体を挟み込むので、従来の金属円板の縁を押え板で押さえて絞り加工する場合（図１６Ｂ参照）に比べて、引張りや曲げによる割れの発生を低減できる。また、従来の金属円板の縁を押え板で押さえないで絞り加工する場合（図１７Ｂ）に比べて、シワの発生を低減でき、それに伴う割れの発生も低減できる。
【0016】
パンチ１０Ａ及びダイス２０Ａのテーパ面は、加工方向との成す角の角度がそれぞれθｐ及びθｄであり、本実施形態では、肉厚が一定の筒状回転部品を得るため、θｐ＝θｄとした。
また、パンチ１０Ａ及びダイス２０Ａのθｐ及びθｄを２５度以上とすることで、割れの発生を抑えて中間成形品１００Ａを製造することができ、また、θｐ及びθｄを３０度以上とすることで、微小シワの発生を抑えて中間成形品１００Ａを製造することができる。
また、パンチ１０Ａ及びダイス２０Ａのθｐ及びθｄを２５度以上とすることで、割れの発生を抑えて中間成形品１００Ａを製造することができ、また、θｐ及びθｄを３０度以上とすることで、微小シワの発生を抑えて中間成形品１００Ａを製造することができる。
【0017】
図１（ｂ）に示すように、最終成形工程では、所望の形状の筒状回転部品を成形できる最終成形工程用パンチ１０Ｂ及びダイス２０Ｂの金型で、中間成形品１００Ａに対して更に絞り加工を施して、筒状回転部品１００Ｂを得る。パンチ１０Ｂ及びダイス２０Ｂとしては、中間形成工程に用いられるパンチ及びダイスよりもテーパ角度（θｐ及びθｄ）の小さいものが用いられる。本実施形態では、内径がＤ１´、外径がＤ２´の筒状回転部品を得るため、パンチ１０Ｂは外径がＤ１´の円柱形状を備え、ダイス２０Ｂは、内径がＤ２´の環状形状を備えるように構成した（θｐ及びθｄはいずれも０度）。
尚、本明細書において、「中間成形工程」とは、金属円板又は中間成形品の両面全体をテーパ面同士で押圧しつつ穴拡げ絞り加工を施すことを示す。また、「最終成形工程」とは、中間成形品の両面全体をテーパ面で押圧せずに穴拡げ絞り加工を施す工程を示す。
尚、本明細書において、「中間成形工程」とは、金属円板又は中間成形品の両面全体をテーパ面同士で押圧しつつ穴拡げ絞り加工を施すことを示す。また、「最終成形工程」とは、中間成形品の両面全体をテーパ面で押圧せずに穴拡げ絞り加工を施す工程を示す。
【0018】
次に、金属円板１００から筒状回転部品１００Ｂに成形される際の伸びフランジ率λについて説明する。
穴拡げ絞り加工前である金属円板１００の内径Ｄ１と最終成形工程で得られた筒状回転部品の内径Ｄ１´から伸びフランジ率λは、λ（％）＝（Ｄ１´－Ｄ１）Ｄ１×１００と表され、加工前の内径Ｄ１に対して最終成形工程で得られた内径Ｄ１´が大きすぎると、割れが発生するおそれがあるため、伸びフランジ率λが９０％以下となるように金属円板１００の形状を設定することが好ましい。
穴拡げ絞り加工前である金属円板１００の内径Ｄ１と最終成形工程で得られた筒状回転部品の内径Ｄ１´から伸びフランジ率λは、λ（％）＝（Ｄ１´－Ｄ１）Ｄ１×１００と表され、加工前の内径Ｄ１に対して最終成形工程で得られた内径Ｄ１´が大きすぎると、割れが発生するおそれがあるため、伸びフランジ率λが９０％以下となるように金属円板１００の形状を設定することが好ましい。
【0019】
以上説明した本実施形態の筒状回転部品の製造方法によれば、以下のような効果を奏する。
【0020】
（１）所定の内径Ｄ１及び外径Ｄ２を有するドーナツ形状の金属円板１００から筒状回転部品１００Ｂを得る製造方法を、所定のテーパが付与されたパンチ１０Ａ及びダイス２０Ａのテーパ面同士で金属円板１００の両面全体を押圧して穴拡げ絞り加工を施すことにより円錐台形状の中間成形品１００Ａを得る中間成形工程と、所望の形状パンチ１０Ｂ及びダイス２０Ｂで、中間成形品１００Ａを押圧して更に穴拡げ絞り加工を施すことにより筒状回転部品１００Ｂを得る最終成形工程と、を含むものとした。これにより、穴拡げ絞り加工途中の割れやシワの発生を抑えて金属円板１００から筒状回転部品１００Ｂを成形することができる。また、金属円板の素材として鋼板を用いた場合は、十分な転動疲労特性を有する筒状回転部品１００Ｂとすることができる。
【0021】
（２）本発明の製造方法を、金属円板１００の加工前の内径をＤ１とし、最終成形工程で得られた筒状回転部品１００Ｂの内径をＤ１´とする場合に、λ＝（Ｄ１´－Ｄ１）／Ｄ１×１００で表される伸びフランジ率λが９０％以下となる条件で加工を行うものとした。これにより、割れの発生を抑えて筒状回転部品１００Ｂを製造することができる。
【0022】
（３）中間成形工程のパンチ１０Ａ及びダイス２０Ａのテーパ面と加工方向との成す角の角度θｐ、θｄを３０度以上とするものとした。これにより、微小シワの発生を抑えて筒状回転部品１００Ｂを製造することができる。
【0023】
＜変形例＞
次に、本実施形態の変形例について、図２を参照して説明する。変形例では、中間成形工程においてパンチ及びダイスのテーパ面と加工方向との成す角の角度を変えて、複数回に分けて穴拡げ絞り加工を施す点が、図１に示した実施形態と異なる。このように中間成形工程を複数回に分けることでより良好に穴拡げ絞り加工を施すことができる。
次に、本実施形態の変形例について、図２を参照して説明する。変形例では、中間成形工程においてパンチ及びダイスのテーパ面と加工方向との成す角の角度を変えて、複数回に分けて穴拡げ絞り加工を施す点が、図１に示した実施形態と異なる。このように中間成形工程を複数回に分けることでより良好に穴拡げ絞り加工を施すことができる。
【0024】
図２（ａ）に示すように、中間成形工程における１回目の穴拡げ絞り加工では、所定のテーパが付与されたパンチ１０Ａ１及びダイス２０Ａ１の金型で金属円板１００の両面全体を押圧して穴拡げ絞り加工を施して、中間成形品１００Ａ１を得る。
【0025】
パンチ１０Ａ１及びダイス２０Ａ１のテーパ面は、加工方向との成す角の角度がそれぞれθｐ１及びθｄ１であり、本変形例では、肉厚が一定の筒状回転部品を得るため、θｐ１＝θｄ１とした。
【0026】
図２（ｂ）に示すように、中間成形工程における２回目の穴拡げ絞り加工では、所定のテーパが付与されたパンチ１０Ａ２及びダイス２０Ａ２の金型で中間成形品１００Ａ１の両側面全体を押圧して穴拡げ絞り加工を施して、中間成形品１００Ａ２を得る。
【0027】
パンチ１０Ａ２及びダイス２０Ａ２のテーパ面は、加工方向との成す角の角度がそれぞれθｐ２及びθｄ２であり、本変形例では、肉厚が一定の筒状回転部品を得るため、θｐ２＝θｄ２とした。２回目の穴拡げ絞り加工に用いるパンチ１０Ａ２及びダイス２０Ａ２におけるテーパ面の加工方向との成す角度θｐ２及びθｄ２は、１回目の穴拡げ絞り加工に用いるパンチ１０Ａ１及びダイス２０Ａ１のテーパ面の加工方向との成す角度θｐ１及びθｄ１よりも小さく設定される。
【0028】
図２（ｃ）に示すように、最終成形工程では、所望の形状の筒状回転部品を成形できるパンチ１０Ｂ及びダイス２０Ｂの金型で、中間成形品１００Ａ２に対して更に穴拡げ絞り加工を施して、筒状回転部品１００Ｂを得る。本実施形態では、内径がＤ１´、外径がＤ２´の筒状回転部品を得るため、パンチ１０Ｂは外径がＤ１´の円柱形状を備え、ダイス２０Ｂは、内径がＤ２´の環状形状を備えるように構成した。
【0029】
以上説明した変形例の筒状回転部品の製造方法によれば、以下のような効果を奏する。
【0030】
（４）中間成形工程において、パンチ及びダイスのテーパ面と加工方向との成す角の角度を変えて、複数回の穴拡げ絞り加工を施すものとした。これにより、中間成形工程を１回で行う場合に比べてより良好に絞り加工を行うことができる。
【実施例0031】
【0032】
金属円板１００の素材としては、板厚が６ｍｍのＳＵＪ２鋼板を用いた。表１に示す絞り加工条件で、中間成形工程及び最終成形工程の穴拡げ絞り加工を行った。
【0033】
【表1】
【0034】
伸びフランジ率λの値を変えて、実施例及び比較例の筒状回転部品を製造した。図３に示す金型で製造した筒状回転部品の実施例１－１～実施例１－３は、λ＝０％の条件であり、図５に示す金型で製造した筒状回転部品の実施例２－１～実施例２－３は、λ＝８５％の条件であり、図６に示す比較例１は、λ＝１００％の条件である。
また、図１に示す金型で製造した筒状回転部品として、実施例１－１’～実施例１－３’、実施例２－１’～実施例２－３’の筒状回転部品を製造した。実施例１－１’～実施例１－３’は、それぞれ実施例１－１～実施例１－３に対応する実施例であり、実施例２－１’～実施例２－３’は、それぞれ実施例２－１～実施例２－３に対応する実施例である。
また、図４に実施例１－１の筒状回転部品の外観写真を示し、図７に比較例１の筒状回転部品の外観写真を示した。
また、従来の製造方法と比較するため、図８に示す特許文献１に記載の金型により製造した筒状回転部品を比較例２とし、図９に示す特許文献２に記載の金型により製造した筒状回転部品を比較例３とした。
実施例及び比較例で用いた金属円板１００の形状を表２に示す。また、これらの絞り加工試験結果をまとめた結果を表３に示す。
また、図１に示す金型で製造した筒状回転部品として、実施例１－１’～実施例１－３’、実施例２－１’～実施例２－３’の筒状回転部品を製造した。実施例１－１’～実施例１－３’は、それぞれ実施例１－１～実施例１－３に対応する実施例であり、実施例２－１’～実施例２－３’は、それぞれ実施例２－１～実施例２－３に対応する実施例である。
また、図４に実施例１－１の筒状回転部品の外観写真を示し、図７に比較例１の筒状回転部品の外観写真を示した。
また、従来の製造方法と比較するため、図８に示す特許文献１に記載の金型により製造した筒状回転部品を比較例２とし、図９に示す特許文献２に記載の金型により製造した筒状回転部品を比較例３とした。
実施例及び比較例で用いた金属円板１００の形状を表２に示す。また、これらの絞り加工試験結果をまとめた結果を表３に示す。
【0035】
【表2】
【0036】
【表3】
【0037】
表３に示すように、実施例１－１～実施例２－３と比較例１における伸びフランジを比較すると、伸びフランジ率λが９０％以下の実施例１－１～実施例２－３によれば、図４に示すように割れずに穴拡げ絞り加工できることが確認された。また、伸びフランジ率λが１００％の比較例１では、最終成形工程において、図７に示すように割れが発生した。
また、中間成形工程における１回目の穴拡げ絞り加工のテーパ面の角度θｐ１、θｄ１が２５度以上であれば、最終成形工程後に微小シワが発生するものの良好に絞り加工できることが確認された。また、１回目の穴拡げ絞り加工のテーパ面の角度θｐ１、θｄ１が３０度以上であれば、微小シワを発生させずに絞り加工できることが確認された。尚、この微小シワは、後に行う切削加工により取り除くことができ、最終製品形状や強度には影響しない程度のシワである。
また、１回の中間成形工程の後に最終成形工程を行う実施例１－１’～実施例１－３’、実施例２－１’～実施例２－３’においても、穴拡げ絞り加工のテーパ面の角度θｐ１、θｄ１が２５度以上であれば、最終成形工程後に微小シワが発生するものの良好に絞り加工できることが確認された。また、穴拡げ絞り加工のテーパ面の角度θｐ１、θｄ１が４０度以上であれば、微小シワを発生させずに穴拡げ絞り加工できることが確認された。
また、中間成形工程における１回目の穴拡げ絞り加工のテーパ面の角度θｐ１、θｄ１が２５度以上であれば、最終成形工程後に微小シワが発生するものの良好に絞り加工できることが確認された。また、１回目の穴拡げ絞り加工のテーパ面の角度θｐ１、θｄ１が３０度以上であれば、微小シワを発生させずに絞り加工できることが確認された。尚、この微小シワは、後に行う切削加工により取り除くことができ、最終製品形状や強度には影響しない程度のシワである。
また、１回の中間成形工程の後に最終成形工程を行う実施例１－１’～実施例１－３’、実施例２－１’～実施例２－３’においても、穴拡げ絞り加工のテーパ面の角度θｐ１、θｄ１が２５度以上であれば、最終成形工程後に微小シワが発生するものの良好に絞り加工できることが確認された。また、穴拡げ絞り加工のテーパ面の角度θｐ１、θｄ１が４０度以上であれば、微小シワを発生させずに穴拡げ絞り加工できることが確認された。
【0038】
また、実施例２－１～実施例２－３と同じ条件の金属円板１００を用いて、つまり、同じ伸びフランジ率λ＝８５％の条件で、従来の金型で中間成形工程を経ずに最終成形工程のみで穴拡げ絞り加工を行った比較例２－１及び比較例２－２では、割れが発生して筒状回転部品を製造することはできなかった。
【0039】
次に、穴拡げ絞り加工により得られた筒状回転部品を切削加工する場合に、その切削量が転動疲労特性に与える影響について説明する。
【0040】
図１０を参照して、筒状回転部品の内側面及び外側面の切削量を表す指標である内径肉厚及び外径肉厚の残存比について説明する。
図１０に、穴拡げ絞り加工後の筒状回転部品１００Ｂを筒状形状における軸方向から見た模式図を示す。絞り加工後の板厚をｔｍ、板厚中心（肉厚中心）までの厚さをｔｍｃ ＝ｔｍ／２、絞り加工後の内径をＤ１´、絞り加工後の外径をＤ２´、切削加工後の内径：Ｄ１ｃ´、切削加工後の外径：Ｄ２ｃとすると、内径削り厚さはｔｍｃ１＝（Ｄ１ｃ´－Ｄ１´）／２、外径削り厚さはｔｍｃ２＝（Ｄ２´－Ｄ２ｃ´）／２で表せる、よって、切削加工後の内径肉厚は、：ｔ１＝ ｔｍｃ－ｔｍｃ１、切削加工後の外径肉厚は、ｔ２＝ｔｍｃ －ｔｍｃ２
となり、内径肉厚の残存比はｔ１／ｔｍｃ、外径肉厚の残存比はｔ２／ｔｍｃで求めることができる。
図１０に、穴拡げ絞り加工後の筒状回転部品１００Ｂを筒状形状における軸方向から見た模式図を示す。絞り加工後の板厚をｔｍ、板厚中心（肉厚中心）までの厚さをｔｍｃ ＝ｔｍ／２、絞り加工後の内径をＤ１´、絞り加工後の外径をＤ２´、切削加工後の内径：Ｄ１ｃ´、切削加工後の外径：Ｄ２ｃとすると、内径削り厚さはｔｍｃ１＝（Ｄ１ｃ´－Ｄ１´）／２、外径削り厚さはｔｍｃ２＝（Ｄ２´－Ｄ２ｃ´）／２で表せる、よって、切削加工後の内径肉厚は、：ｔ１＝ ｔｍｃ－ｔｍｃ１、切削加工後の外径肉厚は、ｔ２＝ｔｍｃ －ｔｍｃ２
となり、内径肉厚の残存比はｔ１／ｔｍｃ、外径肉厚の残存比はｔ２／ｔｍｃで求めることができる。
【0041】
図１１に金属円板１００の素材として用いられる鋼板内に見られる介在物を光学顕微鏡により観察した一例を示す。図１１において黒っぽく見える粒子がＡｌ２Ｏ３やＭｎＳ、ＴｉＮ等の介在物である。
介在物には、金属円板の素材が鋼である場合、一般に加工によって粘性変形したＡ系介在物、加工方向に集団で不連続的に粒状に並んだＢ系介在物、また、粘性変形をしないで不規則に分散したＣ系介在物の３種類がある。それぞれ代表的な非金属介在物として、Ａ系介在物としては細長状で硫化物のＭｎＳ、けい酸塩のＳｉＯ２等、Ｂ系介在物としてはＡｌ２Ｏ３等、Ｃ系介在物としては粒状酸化物が知られている。
これら非金属介在物は、ＪＩＳ Ｇ０５５５「鋼の非金属介在物の顕微鏡試験方法」に準拠して、顕微鏡観察により数を数えることができる。例えば、試験片を切断採取し、その面を研磨仕上げによって鏡面とし、エッチングは行わずに倍率４００倍の光学顕微鏡により観察して、介在物の数を数えることができる。
介在物には、金属円板の素材が鋼である場合、一般に加工によって粘性変形したＡ系介在物、加工方向に集団で不連続的に粒状に並んだＢ系介在物、また、粘性変形をしないで不規則に分散したＣ系介在物の３種類がある。それぞれ代表的な非金属介在物として、Ａ系介在物としては細長状で硫化物のＭｎＳ、けい酸塩のＳｉＯ２等、Ｂ系介在物としてはＡｌ２Ｏ３等、Ｃ系介在物としては粒状酸化物が知られている。
これら非金属介在物は、ＪＩＳ Ｇ０５５５「鋼の非金属介在物の顕微鏡試験方法」に準拠して、顕微鏡観察により数を数えることができる。例えば、試験片を切断採取し、その面を研磨仕上げによって鏡面とし、エッチングは行わずに倍率４００倍の光学顕微鏡により観察して、介在物の数を数えることができる。
【0042】
次に、図１２を参照して、筒状回転部品に存在する介在物の存在量を調査する方法について説明する。図１２（ａ）に示すように、筒状回転部品から２ｍｍ×１２ｍｍ×３ｍｍの直方体を切り出し、更に図１２（ｂ）に示すように、６つに切り分けて２ｍｍ×１２ｍｍ×０．５ｍｍの直方体の試験片を６つ作成する。この際、３つ目と４つ目の試験片の間が板厚中心（肉厚中心）となるように試験片を切り出し、測定位置は、板厚中心を０ｍｍとし、そこから内側面側を負の値で表し、外側面側を正の値で表すものとする。
光学顕微鏡により、試験片の表面に現れた介在物の個数を数え、１ｍｍ２当たりの個数に換算する。介在物の個数は、各試験片の外側面側の表面のみ、又は内側面側の表面のみを対象として数える。また、数えた介在物の個数は、試験片の面積である２ｍｍ×１２ｍｍで除して１ｍｍ２当たりの個数に換算した。本実施形態では、各試験片の外側面側の表面の介在物の数を数えた。
光学顕微鏡により、試験片の表面に現れた介在物の個数を数え、１ｍｍ２当たりの個数に換算する。介在物の個数は、各試験片の外側面側の表面のみ、又は内側面側の表面のみを対象として数える。また、数えた介在物の個数は、試験片の面積である２ｍｍ×１２ｍｍで除して１ｍｍ２当たりの個数に換算した。本実施形態では、各試験片の外側面側の表面の介在物の数を数えた。
【0043】
このような方法で、介在物の存在量を測定した結果を図１３に示す。本発明の製造方法により得られた筒状回転部品を実施例３とし、マンネスマン穿孔法によるＳＵＪ２シームレス鋼管（内径１０ｍｍ、外径２２ｍｍ、肉厚６ｍｍ）を、シームレス鋼管の管軸方向に沿って１３ｍｍの長さで切断して得られた筒状回転部品を比較例３とした。実施例３の筒状回転部品は、表３に示す実施例１－１により製造された筒状回転部品に相当する。実施例３及び比較例３の筒状回転部品は、いずれも内径１１．９ｍｍ、外径２０．１ｍｍ、高さ１２．１ｍｍとなるように切削加工が施されたものである。
図１３の結果から、実施例３では、板厚中心付近において介在物が多く存在するが、内側面に向かうにつれて、及び外側面に向かうにつれて介在物の存在量は減少している。つまり、筒状回転部品の板厚内部における介在物の存在量の分布が、内径表層における存在量をｄ（内径）、板厚中心における存在量をｄ（板厚中心）としたとき、ｄ（板厚中心）＞ｄ（内径）の関係を満たしており、また、外径表層における存在量をｄ（外径）としたとき、ｄ（板厚中心）＞ｄ（外径）の関係を満たしている。一方、比較例３のシームレス鋼管を素材とするものでは、内側面側ほど介在物の存在量が多く、外側面に向かうにつれて介在物の存在量が減少することが確認された。
図１３の結果から、実施例３では、板厚中心付近において介在物が多く存在するが、内側面に向かうにつれて、及び外側面に向かうにつれて介在物の存在量は減少している。つまり、筒状回転部品の板厚内部における介在物の存在量の分布が、内径表層における存在量をｄ（内径）、板厚中心における存在量をｄ（板厚中心）としたとき、ｄ（板厚中心）＞ｄ（内径）の関係を満たしており、また、外径表層における存在量をｄ（外径）としたとき、ｄ（板厚中心）＞ｄ（外径）の関係を満たしている。一方、比較例３のシームレス鋼管を素材とするものでは、内側面側ほど介在物の存在量が多く、外側面に向かうにつれて介在物の存在量が減少することが確認された。
【0044】
次に、内外径肉厚の残存比が転動疲労特性に与える影響を調べるため、内外径肉厚の残存比を変えて転動疲労の試験体を作製した。
図１４Ａ及び図１４Ｂを参照して、転動疲労試験機について説明する。
図１４Ａに示す内側面の転動疲労試験では、筒状回転部品の試験体の外側面にシャフトＳ１を当接させ、試験体の内側面と鋼球Ｂとを当接させる（図１４Ａ（ａ）参照）。鋼球Ｂは、シャフトＳ２に埋まるように配置されており（図１４Ａ（ｂ）参照）、シャフトＳ１を図１４Ａに示す方向に回転させながら荷重をかけて試験体に当接させることにより、試験体が回転し、内側面に当接する鋼球Ｂが転動するように構成される。
図１４Ｂに示す外側面の転動疲労試験では、筒状回転部品の試験体の内側面にシャフトＳ４を当接させ、試験体の外側面と鋼球Ｂとを当接させる（図１４Ｂ（ａ）参照）。鋼球Ｂは、シャフトＳ３に埋まるように配置されており（図１４Ｂ（ｂ）参照）、シャフトＳ４を図１４Ｂに示す方向に回転させながら、シャフトＳ３で荷重をかけて試験体に当接させることにより、試験体が回転し、外側面に当接する鋼球Ｂが転動するように構成される。
図１４Ａ及び図１４Ｂを参照して、転動疲労試験機について説明する。
図１４Ａに示す内側面の転動疲労試験では、筒状回転部品の試験体の外側面にシャフトＳ１を当接させ、試験体の内側面と鋼球Ｂとを当接させる（図１４Ａ（ａ）参照）。鋼球Ｂは、シャフトＳ２に埋まるように配置されており（図１４Ａ（ｂ）参照）、シャフトＳ１を図１４Ａに示す方向に回転させながら荷重をかけて試験体に当接させることにより、試験体が回転し、内側面に当接する鋼球Ｂが転動するように構成される。
図１４Ｂに示す外側面の転動疲労試験では、筒状回転部品の試験体の内側面にシャフトＳ４を当接させ、試験体の外側面と鋼球Ｂとを当接させる（図１４Ｂ（ａ）参照）。鋼球Ｂは、シャフトＳ３に埋まるように配置されており（図１４Ｂ（ｂ）参照）、シャフトＳ４を図１４Ｂに示す方向に回転させながら、シャフトＳ３で荷重をかけて試験体に当接させることにより、試験体が回転し、外側面に当接する鋼球Ｂが転動するように構成される。
【0045】
内径肉厚及び外径肉厚の残存比を変えて実施例及び比較例の筒状回転部品を製造し、表４に示す熱処理条件で熱処理を施し、精密仕上げ加工を施して、実施例４－１～実施例４－３及び比較例４（内径肉厚の存在比変更）、実施例５－１～実施例５－３及び比較例５－１及び比較例５－２（外径肉厚の存在比変更）とした。尚、穴拡げ絞り加工後の切削加工では、所望の形状に０．１ｍｍの仕上げ代を残して切削を行い、熱処理後の精密仕上げ加工にて０．１ｍｍ程度の研削を行い所望の形状とした。
また、これらの実施例及び比較例について、表５に示す試験条件で転動疲労試験を行った。内径肉厚の残存比と転動疲労特性の関係を表６に、外径肉厚の残存比と転動疲労特性の関係を表７に示す。表７において、実施例及び比較例の筒状回転部品の高さは、いずれも１２ｍｍである。
尚、転動疲労試験結果については、表５の条件においてｎ＝１６の試験における累積破損確率を求め、シームレス鋼管を素材とする筒状回転部品と同等以上の特性を有する場合を○、同等未満の特性を有する場合を×とした。
また、これらの実施例及び比較例について、表５に示す試験条件で転動疲労試験を行った。内径肉厚の残存比と転動疲労特性の関係を表６に、外径肉厚の残存比と転動疲労特性の関係を表７に示す。表７において、実施例及び比較例の筒状回転部品の高さは、いずれも１２ｍｍである。
尚、転動疲労試験結果については、表５の条件においてｎ＝１６の試験における累積破損確率を求め、シームレス鋼管を素材とする筒状回転部品と同等以上の特性を有する場合を○、同等未満の特性を有する場合を×とした。
【0046】
【表4】
【0047】
【表5】
【0048】
【表6】
【0049】
【表7】
【0050】
表６に示すように、筒状回転部品の製造方法が切削加工工程を含む場合には、内径肉厚の残存比が０．３７以上においては、良好な転動疲労特性が得られた。また、表７に示すように、外径肉厚の残存比が０．４９以上においては、良好な転動疲労特性が得られた。
【0051】
次に、筒状回転部品の内径側を切削加工した実施例４－１（表６）と、外径側を切削加工した実施例５－１（表７）と、シームレス鋼管を素材とする筒状回転部品の比較例６について、転動疲労試験を行った。
比較例６の筒状回転部品は、まず、マンネスマン穿孔法による外径２２ｍｍ、内径１０ｍｍ、肉厚６ｍｍのＳＵＪ２シームレス鋼管を素材とし、これに引き抜き加工を行って、外径２１．５ｍｍ、内径９．８ｍｍの形状とした。続いて、実施例４－１や実施例５－１と同様に熱処理と仕上げ加工を行って、外径２０ｍｍ、内径１２ｍｍの形状とした。すなわち、比較例６の内径肉厚残存比は実施例４－１と同じであり、外径肉厚残存比は実施例５－１と同じである。
比較例６の筒状回転部品は、まず、マンネスマン穿孔法による外径２２ｍｍ、内径１０ｍｍ、肉厚６ｍｍのＳＵＪ２シームレス鋼管を素材とし、これに引き抜き加工を行って、外径２１．５ｍｍ、内径９．８ｍｍの形状とした。続いて、実施例４－１や実施例５－１と同様に熱処理と仕上げ加工を行って、外径２０ｍｍ、内径１２ｍｍの形状とした。すなわち、比較例６の内径肉厚残存比は実施例４－１と同じであり、外径肉厚残存比は実施例５－１と同じである。
【0052】
転動疲労試験の結果のうち、内側面についての試験結果を図１５Ａに、外側面についての試験結果を図１５Ｂに示す。
実施例４－１及び実施例５－１の筒状回転部品は、内側面においては、比較例６のシームレス鋼管よりも転動疲労特性が高く、外側面においては、比較例６のシームレス鋼管と同等の転動疲労特性を示した。
よって、シームレス鋼管を素材として筒状回転部品を製造する場合に比べて、本発明の製造方法によれば、内側面を大幅に切削する必要がないので、材料歩留まりを向上させ、切削にかかる時間を少なくできるので生産性を向上させることができる。また、内側面及び外側面の転動疲労特性の差がほとんどないので、ラジアル軸受の内輪及び外輪に好適に用いることができる。
実施例４－１及び実施例５－１の筒状回転部品は、内側面においては、比較例６のシームレス鋼管よりも転動疲労特性が高く、外側面においては、比較例６のシームレス鋼管と同等の転動疲労特性を示した。
よって、シームレス鋼管を素材として筒状回転部品を製造する場合に比べて、本発明の製造方法によれば、内側面を大幅に切削する必要がないので、材料歩留まりを向上させ、切削にかかる時間を少なくできるので生産性を向上させることができる。また、内側面及び外側面の転動疲労特性の差がほとんどないので、ラジアル軸受の内輪及び外輪に好適に用いることができる。
【0053】
以上、本発明の筒状回転部品の製造方法の実施形態、変形例及び実施例について説明したが、本発明は、上述した実施形態、変形例及び実施例に制限されるものではなく、適宜変更が可能である。
例えば、上述の実施例では中間成形工程において２回又は１回の穴拡げ絞り加工を施す一例を示したが、これに限らない。必要に応じて更に多くの回数に分けて穴拡げ絞り加工を行ってもよい。
例えば、上述の実施例では中間成形工程において２回又は１回の穴拡げ絞り加工を施す一例を示したが、これに限らない。必要に応じて更に多くの回数に分けて穴拡げ絞り加工を行ってもよい。
【符号の説明】
【0054】
１０Ａ、１０Ａ１、１０Ａ２、１０Ｂ パンチ
２０Ａ、２０Ａ１、２０Ａ２、２０Ｂ ダイス
１００ 金属円板
１００Ａ、１００Ａ１、１００Ａ２ 中間成形品
１００Ｂ 筒状回転部品
２０Ａ、２０Ａ１、２０Ａ２、２０Ｂ ダイス
１００ 金属円板
１００Ａ、１００Ａ１、１００Ａ２ 中間成形品
１００Ｂ 筒状回転部品
【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14A】
【図14B】
【図15A】
【図15B】
【図16A】
【図16B】
【図16C】
【図17A】
【図17B】