ボールベアリングはどのように作られるのでしょうか?深溝玉軸受ガイド

ボールベアリングはどのように作られるのでしょうか?直接的な答え

ボール ベアリングは、正確な多段階のプロセスを経て製造されます。 鋼線または鋼棒は粗いボールに冷間成形され、次に研削され、ほぼ完全な真球になるまでラッピングされ、硬度を高めるために熱処理され、最後に内輪、外輪、保持器、場合によってはシールドまたはシールと組み立てられます。 未加工の鋼からベアリングの完成までの一連の作業は、精度等級とベアリングのサイズに応じて、数時間から数日かかる場合があります。

深溝玉軸受 世界で最も広く使用されている軸受タイプ (DGBB) も、これと同じ中心プロセスに従っていますが、軌道溝の形状に特に厳しい公差が必要です。製造工程を詳細に理解すると、高品質ベアリングにプレミアムが付く理由と、どの段階でもわずかな偏差でも早期故障を引き起こす理由が明らかになります。

原材料: ボールベアリングに使用される鋼は何ですか?

ほとんどのボールベアリングの出発材料は次のとおりです。 AISI 52100 クロム鋼 (100Cr6 または GCr15 としても知られる)、高炭素クロム合金軸受鋼。その典型的な組成には約 0.95 ～ 1.10% の炭素と 1.30 ～ 1.60% のクロムが含まれており、ベアリングに要求される高硬度 (熱処理後は通常 58 ～ 65 HRC)、耐摩耗性、および疲労寿命の組み合わせを実現します。

要求の厳しい環境では、代替材料が使用されます。

• ステンレス鋼 (AISI 440C): 腐食性または湿った環境で使用されます。硬度はわずかに低くなりますが（〜58 HRC）、優れた防錆性を備えています。
• 窒化ケイ素 (Si₃N₄) セラミック: 高速または電気絶縁用途のハイブリッドベアリングに使用されます。密度はスチールよりも約 40% 低く、高 RPM での遠心力が大幅に減少します。
• 肌焼き鋼: 貫通硬化が現実的ではない大型の軌道輪に使用されます。

溶鋼の清浄度は非常に重要です。鋼中に捕捉された小さな非金属粒子である介在物は、疲労亀裂の発生場所として機能します。高級軸受鋼は、真空脱ガスまたはエレクトロスラグ再溶解 (ESR) によって製造され、介在物含有量を以下に低減します。 超音波検査では100 mm²あたり1個の粒子 .

ボールの製造: ワイヤーから完全な球体まで

ボールの製造プロセスは、金属加工の中で最も幾何学的に要求が厳しいプロセスの 1 つです。標準的な深溝玉軸受の完成した玉は、通常、次の範囲内でなければなりません。 0.25 μm (0.00001 インチ) の真円度 グレード 10 (ABEC-5 相当) ボールの場合。

ステップ 1 – 冷間圧造 (冷間成形)

適切な直径の鋼線が冷間圧造機に供給されます。金型はワイヤーの各スラグを打ち抜いて粗いボールの形に絞り、パーティング ラインまたは「リング フラッシュ」と呼ばれる特徴的な赤道上の「フラッシュ」または中央の周りのリングを形成します。このフラッシュは後で削除する必要があります。冷間圧造は非常に高速です。 最新の機械は毎分 300 ～ 600 個のラフボールを製造できます .

ステップ 2 – バリ除去 (ソフト研磨)

粗いボールは、溝のある 2 枚の鋳鉄プレートの間に配置されます。プレートが相互に回転すると、ボールが 8 の字軌道を描いて転がり、フラッシュ リングが徐々に外れます。このステップでボールは約内側に移動します 最終サイズ 100 ～ 200 µm .

ステップ 3 – 熱処理

ボールは約 100 ℃でオーステナイト化されます。 845°C (1550°F) その後、油中で焼き入れしてマルテンサイトにし、約 150 ～ 175°C で焼き戻しして、60 ～ 66 HRC の目標硬度を達成します。適切な熱処理により微細構造が安定し、焼入れ応力が緩和されます。

ステップ 4 – ハードグラインディング

硬化したボールは、研磨剤 (酸化アルミニウムまたは炭化ケイ素) を塗布した鋳鉄板の間で研磨されます。複数回のパスにより、ボールはターゲット直径の数マイクロメートル以内に縮小され、真円度が大幅に向上します。

ステップ5 – ラッピング

ラッピングは最終的なサイジング作業であり、徐々に細かい研磨剤（場合によっては 0.25 µm のダイヤモンド ペーストまで）を使用します。最終的な寸法と鏡面仕上げの両方を実現します（精密グレードの場合、Ra < 0.025 μm）。 表面粗さは転動疲労寿命に直接影響します - ボール表面が粗くなると、ベアリング L10 の寿命が 30 ～ 50% 減少する可能性があります。

リングの製造: 内輪および外輪の製造

深溝玉軸受のリング（レース）は、軸受の耐荷重と精度を決める部品です。深溝玉軸受の場合、両方のリングに連続した途切れのない溝があり、充填ノッチがありません。これにより、ラジアル荷重とアキシアル荷重の両方を支えることができます。

鍛造と旋削

リングは通常、鋼管または棒材から製造されます。小型ベアリングの場合、冷間成形されたリングブランクは「スラグアンドチューブ」プロセスで打ち抜かれます。より大きなベアリングの場合、リングは熱間鍛造されます。次に、ブランクを CNC 旋盤で大まかな寸法に加工し、 研削材 0.1 ～ 0.5 mm すべての重要な表面に。

リングの熱処理

ボールと同様に、リングも完全硬化 (52100 鋼) または表面硬化 (大きいサイズの場合) され、その後焼き戻しされます。その後の研削中の寸法安定性が重要です。 残留オーステナイトが約 15% を超えると、使用中にサイズが変化する可能性があります 、そのため、これを最小限に抑えるために極低温処理 (-70 ～ -196 °C でのサブゼロ焼入れ) が使用されることがあります。

軌道面の研削

軌道研削は最も重要な機械加工ステップです。 DGBB 軌道の溝半径は通常、 ボール直径の51.5～53% （適合率0.515～0.530）。適合性が強すぎると、摩擦と熱が増加します。緩すぎると耐荷重が低下します。インプロセスゲージを備えた CNC 研削盤は、精密グレードのベアリングの軌道半径公差を ±2 µm に保ちます。

超仕上げ（ホーニング）

研削後、振動砥石を使用して軌道面を超仕上げし、以下の Ra 値を達成します。 0.05μm 。この工程により、研削によって生じた微細なうねりも修正されます。十分に超仕上げされた軌道は、研磨のみの表面と比較して、ベアリングの疲労寿命を 2 ～ 4 倍に延長できます。

ケージ: ボールを等間隔に保つ

ケージ (リテイナーとも呼ばれる) は、ボール間の均一な間隔を維持し、ボール間の接触を防ぎ、負荷ゾーンを通過するようにボールをガイドします。ケージの設計は、高速および高温の性能に大きな影響を与えます。

打ち抜き鋼製ケージは、鋼板から順送金型打ち抜きによって作られ、その後リベットで固定されます。射出成形ポリマーケージ (PA66 または PEEK) は、剛性を高めるためにガラス繊維補強が施された従来の射出成形装置で製造されます。

深溝玉軸受の組立工程

深溝玉軸受の組み立ては精密な作業です。 DGBB には充填スロットがないため、特定の偏心挿入方法を使用してボールを充填する必要があります。

1. リング検査: 内輪と外輪は、組み立て前に穴、外径、幅、軌道の寸法が 100% 測定されます。
2. 偏心荷重: 内側のリングは外側のリング内でオフセットされ、三日月形の開口部を形成します。この開口部を通過できる最大数のボールが挿入されます。これは常に最終カウントよりも少ないボールです。
3. ボールのセンタリング: リングは同心の位置に戻され、ボールが軌道の周りに均等に分配されます。
4. ケージの挿入: ボールの周囲にケージをスナップまたはリベットで固定して、間隔を維持します。スナップ タイプのナイロン ケージの場合、2 つの半分がカチッとはまり込みます。リベット留めされたスチールケージの場合、各リベットは個別にプレスされます。
5. グリスアップ： 測定された量のグリース (通常は内部の自由空間の 25 ～ 35%) が注入されます。グリースが少なすぎると飢餓が発生します。多すぎると撹拌や過熱の原因になります。
6. シールまたはシールド: 外輪溝に非接触シールド（ZZ形）または接触ゴムシール（2RS形）を圧入または圧着します。
7. 最終検査とマーキング: 完成したベアリングは、レーザーまたはインクでマーキングされる前に、内部クリアランス、騒音レベル (振動に敏感なスピンドルでテスト)、および表面の欠陥が測定されます。

精密等級: ABEC および ISO 公差は何を意味しますか?

軸受の精度は公差等級によって分類されます。公差が厳しくなるほど、より多くの製造工程が必要となり、コストが高くなります。

ほとんどの工業用深溝玉軸受 (ユビキタス 6200 または 6300 シリーズなど) の場合、 ABEC 1 / P0グレードが標準 。 ABEC 1 から ABEC 5 に移行すると、通常、軸受コストが 20 ～ 50% 増加します。 ABEC 7 に移行すると、2 倍または 3 倍になる可能性があります。

プロセス全体にわたる品質管理

最新のベアリング生産ラインでは、工程内とライン終了時の両方の品質検査が行われています。主な検査方法は次のとおりです。

• 寸法測定: 空気圧または電子エアゲージは、自動ラインで毎分 100 部を超える速度でサブミクロンの精度でボアと外径を測定します。
• 真円度 (真円度) テスト: Talyrond または CMM 機器は、リングとボールの両方の形状の偏差をチェックします。
• 騒音・振動試験（アンデロンメーター）： 組み立てられたベアリングは、校正されたスピンドル上で回転します。振動レベルは 3 つの周波数帯域で測定されます。 C3 (高周波) アンデロン値が 0.8 を超えると、通常ベアリングが拒否されます。 低騒音グレードで。
• 硬度試験: ロックウェル C スケール。熱処理ロットに基づいたサンプル。
• 磁性粒子・染料浸透探傷検査： 特に研削後の表面亀裂の検出用 (研削焼けの危険性)。
• 内部すきま測定： ラジアル内部すきま (RIC) がチェックされ、アプリケーションの予圧要件に合わせてすきまクラス (C2、CN/標準、C3、C4) に分類されます。

深溝玉軸受が世界の生産を独占している理由

深溝玉軸受が代表する 世界中で生産されるすべてのボールおよびローラー ベアリング ユニットの約 30 ～ 35% 、最も一般的なベアリングのタイプとなっています。世界のベアリング市場は 2023 年に 450 億ドルを超え、DGBB が大きなシェアを占めています。

その優位性は、次の 3 つの製造および設計上の利点によってもたらされます。

• 充填ノッチは必要ありません: 軌道溝が深いため、ノッチ付きリングを弱めることなく十分な数のボールを搭載でき、リングの加工工程が簡素化されます。
• 多彩な荷重処理: ラジアル荷重とアキシアル (スラスト) 荷重の両方を変更せずに両方向に伝達します。これは、多くの用途でアンギュラ コンタクト ベアリングをペアにする必要がなくなる設計上の利点です。
• 標準化されたサイズ: ISO 15 は、標準化されたボア/外径/幅の組み合わせ (6000、6200、6300、6400 シリーズ) の完全な範囲を定義し、グローバルな互換性と大量生産効率を可能にします。

たとえば、単一の 6205 深溝玉軸受 (内径 25mm) は、次の静ラジアル荷重に耐えることができます。 6.55 kN および動ラジアル荷重 14.8 kN 、グリース潤滑により最大 13,000 RPM の速度で動作し、中程度の負荷で 1,000 時間を超える L10 寿命を達成します。これらすべてが、商品ボリュームで 3 米ドル未満の単価で実現されます。

一般的な製造上の欠陥とその原因

ベアリングの製造で何が問題になる可能性があるかを理解することは、エンジニアがサプライヤーの品質を評価し、現場での故障を診断するのに役立ちます。

• 研削焼け: 過剰な研削熱が原因で発生します。軌道面に白色 (再硬化) または暗色 (焼き戻し) の層が生成されます。研削焼けにより疲労寿命が短縮されます。 80%まで バルクハウゼンノイズまたはナイタルエッチング検査によって検出可能です。
• ボール径のバリエーション： ボール セット間で直径が 1 μm 広がっているだけでも、負荷分散の不均衡が生じます。1 つまたは 2 つのボールが不釣り合いに高い負荷を担っており、予測よりも早く剥離が始まります。
• 軌道うねり： 軌道面の周期的なうねり（粗さとは異なります）により、特定の周波数（ボール通過周波数）で振動が発生します。超仕上げ加工が不十分であることが一般的な原因です。
• 残留オーステナイト： 熱処理が不十分であると、微細構造に不安定なオーステナイトが残ります。負荷と温度サイクルが加わると、これがマルテンサイトに変化し、寸法の成長と軌道の歪みを引き起こします。
• 不適切なグリース充填: グリースを過剰に注入したり、グリースを注入しすぎたりすると、ベアリングの寿命が短くなります。最適な塗りつぶしはアプリケーションによって異なります。生涯密閉型 DGBB は通常、 25 ～ 35% の空隙充填 工場で。