ボールベアリングはどのように作られるのでしょうか?深溝ガイド

ボールベアリングは、高品質の鋼棒または鋼管のストックから始まり、許容差が非常に厳しいまで研削されたコンポーネントで終わる、精密な多段階の製造プロセスを通じて製造されます。 ±0.001mm 。このプロセスには、成形、熱処理、研削、超仕上げ、組立、検査が含まれます。各段階は、ベアリングが提供する必要のある負荷容量、回転精度、耐用年数を達成するために重要です。

深溝玉軸受 世界で最も広く製造されているベアリング タイプは、これと同じプロセスに従い、ラジアル荷重とアキシアル荷重の両方を同時に処理できるようにする深い軌道溝の精度要件が追加されています。 ステンレス鋼製深溝玉軸受 同じ手順に従いますが、変更された熱処理パラメータを必要とする耐食鋼グレードを使用します。この記事では、各段階について詳しく説明します。

原材料: ボールベアリングに使用される鋼材

ボールベアリングの材料の選択により、硬度、疲労寿命から耐食性、最大動作温度に至るまですべてが決まります。ほとんどの標準的な深溝玉軸受は以下から作られています。 AISI 52100 クロム鋼 (欧州規格の 100Cr6 に相当)、表面硬度 100 を達成した高炭素クロム合金軸受鋼 58–65 HRC 熱処理後 - 数億回の応力サイクルにわたる接触疲労に耐えるのに十分な硬さ。

標準クロム鋼 (AISI 52100 / 100Cr6)

この鋼には約 1.0% カーボンおよび 1.5% クロム 優れた焼入性と耐疲労性を備えています。貫通硬化されており、表面だけでなく断面全体が均一な硬度を実現します。 AISI 52100 は、標準深溝玉軸受の内輪、外輪、およびボールの世界的なデフォルト材料です。

耐食軸受用ステンレス鋼

ステンレス鋼深溝玉軸受は、最も一般的にマルテンサイト系ステンレス鋼グレードを使用します。 AISI 440C (高炭素バージョン) または AISI 440B。 AISI 440C には約 1.0% カーボンと 17% クロム 不動態酸化クロム表面層を形成し、湿気、弱酸、塩水噴霧に対する優れた耐性を提供します。熱処理後、AISI 440C に達します 58–62 HRC — 52100 よりわずかに柔らかく、約 20 ～ 30% 低い定格負荷 同等のクロム鋼ベアリングと比較して。

汚染リスクによりこのトレードオフが価値のある食品加工、海洋、製薬、化学用途では、ステンレス鋼製深溝玉軸受が標準仕様です。一部のメーカーも提供しています AISI 316 ステンレス ただし、このオーステナイトグレードは硬化できないため、補償するためにセラミックボールが必要です。

ケージとシールの材質

• ケージ: プレス加工された低炭素鋼 (最も一般的)、プレス加工された真鍮、機械加工されたポリアミド (PA66)、または高温用途向けの PEEK
• シールド (ZZ 接尾辞): 鋼板 — 内輪に接触することなく、潤滑剤の侵入を防ぎ、粗大な汚染を防ぎます。
• シール (接尾辞 2RS): 標準用途にはニトリルゴム (NBR)。化学または高温サービス用のフルオロカーボン (FKM/バイトン)。非接触低摩擦タイプの PTFE

ステップ 1 — 内側リングと外側リングの形成

リングの製造は、化学組成と内部の清浄度が検証された鋼棒ストックまたはシームレスチューブから始まります。鋼中の介在物や微小空隙は軸受の早期疲労の主な原因であるため、材料の認定は任意ではありません。

冷間または熱間鍛造

より大きなベアリング（ボア直径が約 30 mm 以上）の場合は、鋼ビレットが使用されます。 熱間鍛造 900～1,100℃の温度で粗いリングブランクに加工します。鍛造により、リングの円周に沿って鋼の結晶粒構造が整列します。これは、リングが使用中に受けるフープ応力に耐えられるように最も強い結晶粒方向を方向付けるため、これが重要な利点となります。小型深溝玉軸受の場合、 冷間成形 チューブストックの使用が一般的であるため、材料の無駄が少なく、その後の機械加工の必要性も少なくなります。

旋削（マシニング）

鍛造後、リングブランクは CNC 旋盤で回転され、外径、内径、幅、軌道溝の初期形状などの基本寸法が形成されます。この段階で寸法は次のようにカットされます。 0.1 ～ 0.5 mm のオーバーサイズ 次の研削のためにストックを残しておきます。深溝プロファイル (ボールと接触する半円形のチャネル) は、ここで予備的な形状に形成され、複数の研削作業を通じて洗練されます。

回転されたリングは洗浄され、寸法が検査され、熱処理の準備が整います。この段階で検出された表面欠陥 (亀裂、ラップ、継ぎ目) は、熱処理によって既存の欠陥が固定されるため、不合格の原因となります。

ステップ 2 — 熱処理: ベアリングの硬度を達成する

熱処理は、ボール ベアリングの製造において冶金学的に最も重要なステップです。これにより、柔らかくて機械加工可能なスチールリングが、硬くて疲労に強いベアリングコンポーネントに変わります。不適切な熱処理（間違った温度、間違った焼き入れ速度、または不十分な焼き戻し）により、ベアリングは数年ではなく数時間以内に使用不能になります。

AISI 52100 の完全硬化プロセス

1. オーステナイト化: リングは次のように加熱されます。 820～860℃ 雰囲気制御された炉内で（表面の脱炭を防ぐため）、完全にオーステナイト化するまでその温度に保持されます（断面の厚さに応じて通常は 20 ～ 60 分）。
2. 焼き入れ： リングは、油への浸漬 (最も一般的) または強制ガス焼き入れによって急速に冷却されます。急速冷却により、オーステナイトはマルテンサイトに変化します。マルテンサイトは、軸受鋼に硬度を与える硬い体心正方晶構造です。焼入れ速度は、より柔らかいパーライト相またはベイナイト相の形成を防ぐために十分に速くなければなりません。
3. 極低温処理 (オプションですが、一般的になりつつあります): 液体窒素に浸漬 -196℃ 4 ～ 24 時間放置すると、残留オーステナイト (より柔らかい準安定相) がマルテンサイトに変換され、寸法安定性と疲労寿命が最大 20% 向上します。
4. テンパリング： リングは再加熱されます 150～180℃ 1 ～ 4 時間保持して、硬度を維持しながら焼入れ応力を緩和します。焼き戻し後の最終硬度: 60–64 HRC 。焼き戻し温度を高くすると、脆性はさらに低下しますが、ある程度の硬度が犠牲になります。

ステンレス鋼深溝玉軸受の熱処理 (AISI 440C)

AISI 440C では、より高い温度でのオーステナイト化が必要です。 1,010～1,065℃ 油焼入れまたは空気焼入れを行った後、次の温度で焼き戻しを行います。 150～175℃ 。このグレードに存在する炭化クロムを溶解するには、より高いオーステナイト化温度が必要です。最終硬度到達 58–62 HRC 。重要なのは、400°C を超える焼き戻しは避けなければならないことです。400 °C を超える焼き戻しでは、粒界にクロム炭化物が析出し、鋭敏化と呼ばれるプロセスで耐食性が大幅に低下します。

ステップ3 — リングを最終寸法に研磨する

熱処理後のリングは硬すぎるため、従来の工具では切断できません。必要な寸法精度と表面仕上げを達成するには、砥石車で研削する必要があります。研削はマルチパスプロセスであり、各操作は特定の表面をターゲットにし、公差を段階的に厳しくします。

深溝玉軸受リングの研削シーケンス

1. 正面研削： 両側面は±0.005 mm 以上の公差で平坦かつ平行に研削され、後続のすべての操作の基準データを確立します。
2. 外径（OD）研削： 外輪の外径と内輪の内径は指定された直径に研磨されます。標準 P0 (標準) 公差クラスのベアリングの場合、穴の公差は通常 0/-0.012mm 20mmボア用。
3. 軌道溝研削： 最も重要な操作。整形された砥石車は、指定された半径まで深い半円溝プロファイルを切削します。通常、 ボール直径の51.5～53% 深溝玉軸受用。溝半径はボールの接触角、荷重分布、走行騒音に直接影響するため、厳密に管理されています。
4. 軌道面の超仕上げ（ホーニング）： 振動する砥石により、ホイールによって残された方向性のある研削痕が除去され、Ra 値が 100 のプラトー表面仕上げが生成されます。 0.02～0.1μm 。この鏡面に近い仕上げは、接触応力を最小限に抑え、摩擦を軽減し、潤滑膜を保持するブリネルパターンを実現するために不可欠です。

精密クラスのベアリング (ISO 492 に基づく P6、P5、P4) では、各研削段階で徐々に厳しい公差が必要になります。 P4 クラスのベアリングの寸法公差は約 4倍のタイトさ 標準の P0 ベアリングよりも優れており、工作機械のスピンドル、医療用画像機器、精密機器などに使用されています。

ステップ 4 — ボールの製造

転動体、つまりボール自体は、ベアリングのサプライチェーン全体の中でおそらく最も要求の厳しい、完全に別個のプロセスを通じて製造されます。ボールの真円度、表面仕上げ、直径の一貫性は、ベアリングの騒音、振動、疲労寿命に直接影響します。

1. 冷間圧造： 鋼線は冷間圧造機に供給され、小さなスラグが切断され、2 つのダイの間で冷間成形されて、特徴的な赤道「フラッシュ」リングを備えた粗い球体になります。フラッシュ リングは、ダイ間で絞り出された余分な材料であり、次の段階で除去する必要があります。
2. フラッシュ除去（フラッシュ除去）： 原石は 2 枚の鋳鉄板の間の溝の中で転がり、フラッシュ リングが壊れ、より球形に近づきます。この段階では、ボールはまだ約 0.1 ～ 0.3 mm のオーバーサイズ 表面粗さはRa0.8～1.6μm。
3. 熱処理： ボールにはリングと同じ硬化プロセスが施され、オーステナイト化、焼入れ、焼き戻しが行われます。 62–66 HRC 。ボールはベアリング内で最も高いヘルツ接触応力を受けるため、通常、リングよりもわずかに高い値に硬化されます。
4. ハード研削: 硬化したボールは、研磨剤を使用して回転する鋳鉄プレートの間で研磨され、最終的なサイズに近くなり、真球度が向上します。研磨剤を徐々に細かくして複数回パスすることで、過剰在庫が約 5～25μm .
5. ラッピングと超仕上げ: 精密プレート間の最終研磨により、真球度誤差（真球からの偏差）が 0.1～0.25μm 標準の深溝玉軸受で使用されるグレード 10 ～ 25 のボール用。精密グレード 3 ボール - 高精度ベアリングに使用 - 内部での真球度を実現 0.08μm 表面粗さは Ra 0.012 μm 以下。
6. 直径のソート: 完成したボールは、公差が以下の直径グループに分類されます。 ±0.25μm グループごとに。 1 つのベアリングで使用されるすべてのボールは、補体内のすべてのボール間で均等な荷重共有を確保するために、同じ直径グループのものである必要があります。

ステップ 5 — ケージの製造

保持器（保持器）はボール間の円周方向の間隔を等しく保ち、ボール同士の接触を防ぎ、潤滑剤を接触領域に導きます。リングやボールほど機械的要求が低いにもかかわらず、それ自体が精密部品です。

• 型抜き鋼製保持器: 鋼板を打ち抜いて成形し、穴を開けて 2 つのハーフケージを作成し、ボールの周囲にリベットで固定します。これは、低コストで中程度の速度まで適切な性能を発揮できるため、標準の深溝玉軸受で最も一般的な保持器タイプです。
• 真鍮製の機械加工保持器: フライス加工またはブローチ加工されたポケットを備えた真鍮チューブから CNC 旋盤で加工されています。鋼製保持器では疲労が生じる高速、高温、高振動の用途に使用されます。黄銅は石油潤滑剤との適合性に優れており、かじりの危険性が低いです。
• 射出成形ポリアミドケージ: ガラス繊維強化 PA66 ケージは一体成形で射出成形されています。これらは金属製保持器よりも軽く、ある程度自己潤滑性があり、多くの設計で鋼製保持器よりも高い許容速度が可能です。およそ以下の動作温度に適しています 120℃ 継続的に。

ステップ 6 — 深溝玉軸受の組み立て

深溝ボール ベアリング アセンブリでは、ベアリングの形状を利用する特別な技術が使用されています。つまり、外輪内で内輪をオフセットすることにより、ボールの完全な補体を挿入するのに十分な大きさの三日月形の隙間が片側に開きます。これは、 偏心変位法 — 従来のように保持されたアセンブリの開いた側から挿入した場合に収まるよりも多くのボールを装填できるようになります。

1. リングのクリーニング： 内輪と外輪は組み立て前に超音波洗浄され、研削残留物、金属粒子、汚染物質がすべて除去されます。組み立て中にベアリング内に単一の金属粒子が閉じ込められると、早期の軌道面の孔食が発生します。
2. ボールの装填: 内輪を外輪の片側にずらし、三日月状の隙間に最大限のボールを投入します。次に、内側のリングが中心に配置され、ボールが円周上に均等に分配されます。
3. ケージの取り付け: ボールを等間隔に保持するために、ケージはボール補体の周りにスナップまたはリベットで固定されます。打ち抜き鋼製ケージの場合、2 つの半ケージが一緒にプレスされ、事前に形成されたボスを通してリベット留めされます。
4. 内部すきま測定： 組み立てられたベアリングは、内輪と外輪の間のラジアル遊びの合計であるラジアル内部すきま (RIC) が測定されます。標準 C3 クリアランス (締まりばめ用途の場合、通常よりも大きい) が以下の範囲内に収まることが確認されています。 ISO 5753 に基づいて指定された制限 .
5. 潤滑： 適切な量とグレードのグリースが軸受スペースに注入されます (通常は充填されます)。 空きボリュームの 25 ～ 35% シールドベアリング用。過剰充填すると動作温度が上昇し、撹拌損失が増加します。充填不足はグリースの寿命を縮めます。
6. シールドまたはシールの取り付け: メタルシールド（ZZ）は内輪に非接触で外輪の溝に圧入されています。ゴムシール (2RS) も同様に、内輪表面のシール溝に対して制御された締りばめで取り付けられます。

ステップ 7 — 品質検査とテスト

完成した深溝玉軸受はすべて、梱包前に一連の自動検査を受けます。検査の厳密さは精度クラスによって異なりますが、標準の P0 ベアリングであっても、以下の重要なパラメータについてはサンプリングではなく 100% 検査されます。

高精度ベアリング (P5 および P4 クラス) は、軸振れ試験、精度の高い真円度試験機を使用したリングとボールの真円度測定も行われます。 0.01μm 、場合によっては騒音グレード (V1、V2、V3) による自動分類による 100% 振動テスト。

クロム鋼とステンレス鋼の深溝玉軸受: 製造上の違い

製造手順は同じですが、ステンレス鋼製深溝玉軸受は、標準のクロム鋼ユニットと比較して、いくつかの重要なプロセス変更が必要です。

耐性クラスとその実際の意味

深溝玉軸受は、ISO 492 および ABMA 規格によって定義された国際標準化された公差クラスに従って製造されています。このクラスは、完成したベアリングの寸法精度と回転精度を決定し、コストと製造の複雑さに直接影響します。

• P0 (通常 / ABMA ABEC-1): 標準的な商用グレード。ポンプ、モーター、コンベア、ギアボックス、家庭用電化製品など、ほとんどのアプリケーションをカバーします。ベアリングの部品番号に特別な指定は必要ありません。
• P6 (ABEC-3): より厳しいボア、外径、振れ公差。工作機械、精密ポンプ、中速電動機などに使用されます。およそ 2倍のタイトさ P0よりも。
• P5 (ABEC-5): 高精度。工作機械のスピンドル、精密測定機器、および 15,000 RPM を超える高速アプリケーションに必要です。およそ 4倍のタイトさ P0よりも。
• P4 (ABEC-7): 超精密。 CNC 研削スピンドル、ジャイロスコープ、航空宇宙用途で使用されます。 20mmベアリングの穴振れ公差は、 わずか2.5μm — 人間の髪の毛の幅の約 1/40。
• P2 (ABEC-9): 業務用最高精度クラス。主に精密医療画像機器、半導体製造、科学機器などで使用されます。

ステンレス鋼の深溝玉軸受は、P0 および P6 の公差クラスに合わせて製造されるのが最も一般的です。より高精度のクラスも利用可能ですが、AISI 440C の研削難易度がさらに高いため、かなり高価であり、通常、耐食性と精度の両方が同時に必要とされる特殊なクリーンルームまたは医療用途向けに予約されています。