JP2005265135A - 球面軸受の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
ホルダに包持された鋼球に対してシャンクをプロジェクション溶接してボールシャンクを形成する際に、かかる鋼球の球面に溶接電極に対応した酸化皮膜が形成されるのを防止し、もってホルダに対するボールシャンクの円滑な揺動運動又は回転運動を得ることが可能な球面軸受の製造方法を提供する。
【解決手段】
先端に金属ボール部を有するボールシャンクと、このボールシャンクのボール部を包持するボール受部を有して該ボールシャンクと相対的に揺動あるいは回転運動自在に連結するホルダとを備えた球面軸受の製造方法であって、前記ボールシャンクのボール部となる鋼球をコアとして型内にインサートした鋳造により、かかる鋼球を覆うホルダを成形し、前記鋼球にシャンクを圧接させると共に、これらシャンク及び鋼球に電極を接続し、鋼球と電極との接触部位を無酸素雰囲気中においた状態で、シャンクと鋼球とをプロジェクション溶接した。
【選択図】 図６

Description

本発明は、リンク機構の揺動中心となるボール部を備えたボールシャンクとこれを包持するホルダとが揺動あるいは回転運動自在に連結され、主に自動車のサスペンションアーム部やステアリング部、コンバインの切刃駆動部等のリンクモーション機構等に用いられる球面軸受の製造方法に関する。

特開昭５７−７９３２０号公報 実開昭６３−１８８２３０号公報 特開平５−２６２２５号公報 特開平７−１９００６６号公報 特開昭６２−２８８７１６号公報

一般的に、この種の球面軸受としては、先端にボール部を有するボールシャンクと、このボールシャンクのボール部を包持して該ボールシャンクと相対的に揺動あるいは回転運動自在に連結するホルダとを備えたものが知られている。前記ホルダはボールシャンクに対して荷重が作用した場合であっても、かかる荷重に抗してボール部を離脱不能に包持するものでなくてはならない。このため、球面軸受においては、如何なる構造を用いて前記ボール部をホルダの内部に封じ込め、且つ、ボールシャンクとホルダとの自由な揺動及び回転運動を確保するかが問題となる。

従来より採用されている球面軸受の構造の一つとしては、ボール部の直径よりも大きな凹所を有するホルダとしての金属製ケーシングを準備し、自己潤滑性を有する樹脂シートによって包まれたボールシャンクのボール部をこのケーシング内に圧入したものが知られている（特開昭５７−７９３２０号公報、実開昭６３−１８８２３０号公報、特開平５−２６２２５号公報、特開平７−１９００６６号公報等）。この球面軸受では、ボール部を包み込む樹脂シートが該ボール部とケーシングとの間で押し潰されて弾性変形を生じるので、これによってボール部と樹脂シートとの隙間が排除され、かかるボール部をケーシング内でガタつきなく回転させることが可能である。また、ボール部は樹脂シートにのみ摺接していることから、長期にわたってこの球面軸受を使用しても、ボール部が偏摩耗を生じる等のトラブルが発生することもない。

その反面、このように樹脂シートをボール部とケーシングとの間に挟み込むタイプのホルダでは、かかる樹脂シートが圧縮された状態でボール部に接していることから、ボール部の動きが若干重くなり、この球面軸受を用いてリンク機構を構成した場合に、滑らかな軽い動きを得にくくなるといった問題点がある。また、樹脂シートによって包まれたボール部をケーシング内に圧入していることから、樹脂シートとボール部の球面との間の面圧が不均一になり易く、経時的な使用によって樹脂シートの部分摩耗が発生し、かかる摩耗の進行によってホルダとボール部との間にガタつきが発生し易くなるといった問題点もある。更に、大きな荷重が作用すると樹脂シートが弾性変形することから、そのような荷重がこの球面軸受に作用した場合にはボール部がホルダから離脱し易いといった問題点もある。

一方、その他の球面軸受の構造としては、ボール部を中子としてホルダを鋳造することにより、かかるボール部をホルダ内に直接封じ込めた構造が知られている（特開昭６２−２８８７１６号公報）。この球面軸受ではボール部となる鋼球を型内にインサートしてホルダのダイカスト鋳造を行っており、かかる鋳造後には鋼球がホルダから離脱不能となっている。そして、このホルダから露呈した鋼球の球面に対してシャンクをプロジェクション溶接し、ホルダの形成後にボールシャンクを完成させている。この球面軸受では、ボール部の凸状球面の形状が鋳造されたホルダにそのまま転写されることから、樹脂シートを用いずとも、鋳造された金属製のホルダとボール部との隙間を最小限に抑えることができ、ボール部とホルダとの間に僅かな給油を行うのみで、かかるボール部をホルダの内部でガタつきなく回転させることが可能である。また、ホルダとボール部との間に微少な隙間が形成され、かかる隙間を油膜潤滑していることから、前述の如く樹脂シートがボールを締め付けている従来のホルダの構造と比較してボール部の動きが軽く滑らかになるといった利点がある。

シャンクを鋼球に対してプロジェクション溶接する具体的な方法としては、かかる鋼球の球面に対してシャンクの端面を押し付けると共に、シャンクと電極との間に鋼球を挟み込んで加圧し、この状態でシャンクと電極との間に溶接電流を通電する方法が採られており、鋼球とシャンクとの当接部とが電気抵抗によって発熱し、それによってシャンクと鋼球とを溶接し得るようになっている。また、鋼球と電極との接触部に大きな電気抵抗が発生しないよう、かかる鋼球に接する電極の先端には該鋼球の球面に合致した凹面座が形成されており、鋼球と電極とが緊密に面接触するように構成されている。

しかし、このように電極が鋼球に対して緊密に面接触しても、両者の間における通電抵抗を完全に排除することはできないことから、電極の当接部位における鋼球の温度は上昇してしまい、鋼球の表面には電極の外縁に沿って酸化皮膜が形成されてしまう傾向にある。前述の如く、鋼球をコアとしてホルダをダイカスト鋳造した場合には、ホルダと鋼球との間に殆ど隙間が存在しないことから、鋼球（ボール部）の表面に酸化皮膜が局部的に形成されてしまうと、ボール部とホルダとの滑らかな摺接が損なわれ易いという問題がある。特に、ホルダとボール部の間に耐摩耗性に優れた樹脂ライナを介装させる場合には、ボール部と接する樹脂ライナの摺動面の摩耗が促進されてしまう。

本発明はこのような問題点に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、ホルダに包持された鋼球に対してシャンクをプロジェクション溶接してボールシャンクを形成する際に、かかる鋼球の球面に溶接電極に対応した酸化皮膜が形成されるのを防止し、もってホルダに対するボールシャンクの円滑な揺動運動又は回転運動を得ることが可能な球面軸受の製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の球面軸受の製造方法は、ボールシャンクのボール部となる鋼球をコアとして型内にインサートした鋳造により、かかる鋼球を覆うホルダを成形した後、前記鋼球にシャンクを圧接させると共に、これらシャンク及び鋼球に電極を接続し、鋼球と電極との接触部位を無酸素雰囲気中においた状態で、シャンクと鋼球とをプロジェクション溶接して前記ボールシャンクを形成するようにしたものである。

このような本発明方法によれば、ホルダに封じ込められた鋼球に対してシャンクをプロジェクション溶接してボールシャンクを形成する際に、譬え鋼球が電極との接触部位で発熱したとしても、かかる鋼球の表面、すなわちボールシャンクのボール部の表面に酸化皮膜が形成されてしまうことはなく、ボール部の表面を凹凸のない平滑な状態に保つことができるものである。これにより、ホルダに対するボールシャンクの円滑な揺動運動又は回転運動を得ることが可能となる。

このような技術的手段において、前記ホルダは鋼球をコアとして用いた鋳造により成形されるものであれば良く、かかる鋳造方法としては、高圧鋳造、ダイカスト鋳造等を適宜選択することが可能である。また、鋳造に用いる金属材料としては、製作する球面軸受の用途等に応じ、アルミニウム合金、亜鉛合金、マグネシウム合金、チタン合金等、各種金属材料を選択することが可能である。

一方、前記ホルダはボールシャンクのボール部を直接覆うものであっても差し支えないが、耐摩耗性に優れた樹脂ライナを介してボール部を覆うようにしても良い。この場合、ホルダの鋳造の際には、予め樹脂ライナを被せた鋼球をコアとして金型内にインサートすることが必要となる。このため、かかる樹脂ライナとしては、ホルダ鋳造時の高温下においても鋼球との接触面が良好な性状に維持されることが必要である。かかる樹脂ライナに使用し得る材質としては、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルケトンケトン、ポリケトン、ポリエーテルサルフォン、液晶ポリマー、ポリアリルエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイド、フッ素樹脂、ポリアミド等を使用することができる。

また、ホルダとボール部との間に樹脂ライナを介装する場合、樹脂ライナのみがボール部と摺接し、鋳造されたホルダがボール部と直接接触しない構造としても良いし、鋳造されたホルダが樹脂ライナを完全に覆い、樹脂ライナと金属製ホルダの双方がボール部と摺接する構造としても良い。

また、このような樹脂ライナを設けず、ボールシャンクのボール部と鋳造されたホルダとが直接接触している場合、ボールシャンクをホルダに対して自由に動かすためには、シャンクをボール部に溶接した後に、ボールシャンクの軸方向へ衝撃力を加え、それによってホルダとボール部との間に僅かな隙間を形成することが必要である。

以上説明してきたように、本発明の球面軸受の製造方法によれば、ホルダに封じ込められた鋼球に対してシャンクをプロジェクション溶接してボールシャンクを形成するに当たり、鋼球と電極との接触部位を無酸素雰囲気中においているので、鋼球の発熱に伴いって該鋼球の表面、すなわちボールシャンクのボール部の表面に酸化皮膜が形成されてしまうのを防止することができ、ホルダに対するボールシャンクの円滑な揺動運動又は回転運動を達成することが可能となる。

以下、添付図面を用いながら本発明の球面軸受の製造方法を詳細に説明する。
図１は本発明を適用した球面軸受の実施例を示すものである。この球面軸受は、先端にボール部を備えたボールシャンクとしてのボールシャンク１と、このボールシャンク１のボール部１０を包持するボール受部２０を有するホルダとしてのホルダ２とから構成され、前記ボールシャンク１及びホルダ２が揺動又は回転運動自在に連結している。

前記ボールシャンク１はボール部１０となる真球度の高いベアリング用鋼球に対して棒状のシャンク１１を溶接して形成されており、このシャンク１１の根元にはリンク等の被取付体を固定するための六角座面１２が形成されている。また、このシャンク１１の先端には雄ねじ１３が形成されており、この雄ねじ１３にナットを螺合させることで、被取付体を前記六角座面１２との間で挟持固定し得るようになっている。

一方、前記ホルダ２は、ボールシャンク１のボール部１０を包持するボール受部２０と、かかるボール受部２０をリンクに結合するための固定部２１とを備え、これらボール受部２０と固定部２１とがアルミニウム合金又は亜鉛合金のダイカスト鋳造により一体に成形されている。前記ボール受部２０にはボール部１０の球面を包持するようにして環状の樹脂ライナ３が埋め込まれており、ボールシャンク１のボール部１０はこの樹脂ライナ３とのみ接している。樹脂ライナ３は厚さ１ｍｍ程度であり、ボール部１０が離脱することがないよう、かかるボール部１０の赤道を含む略２／３程度の球面を覆っており、この樹脂ライナ３の内側にはボール部１０の球面に略合致した凹球面状の摺接面３０が形成されている。これにより、ボールシャンク１はボール部１０を揺動中心とし、ホルダ２に対して自在に揺動又は回転運動をなし得るようになっている。尚、図１中では省略してあるが、前記固定部２１には雌ねじが形成されており、例えばリンクを構成するロッド等の先端に形成された雄ねじを結合できるようになっている。

また、かかるホルダ２のボール受部２０にはボール部１０を露出させる一対の開口部２２，２３が相反する方向に向かって形成されており、一方の開口部２２を介して前記シャンク１１がボール部１０と接合される一方、他方の開口部２３には蓋部材２４が取り付けられ、この蓋部材２４の内側が油溜まり２５となっている。これら開口部２２，２３の周縁とボール部１０との間には前記樹脂ライナ３の一部が露呈しており、ボール受部２０を構成する合金はボール部１０に対して直接接触していない。また、各開口部２２，２３の周縁は樹脂ライナ３の端面に被さっており、ボール受部２０が樹脂ライナ３を強固に抱え込む構造となっている。

ホルダ２のボール受部２０に形成された各開口部２２，２３の内径は、ボールシャンク１のボール部１０のに直径よりも僅かに小さく形成されている。前述の如く、樹脂ライナ３がボール部１０の赤道を含む略２／３程度の球面を覆うと共に、かかる樹脂ライナ３はボール受部２０によって抱え込まれていることから、本来、ボール部１０がホルダ２のボール受部２０から離脱してしまうことは無いはずである。しかし、ボールシャンク１に対して軸方向の荷重が過大に作用した場合に、樹脂ライナ３を押し潰すようにしてボール部１０がボール受部２０から離脱してしまうトラブルも想定される。このため、譬え樹脂ライナ３が押し潰されてもボール部１０がボール受部２０から離脱することがないよう、各開口部２２，２３の内径をボール部１０の直径よりも僅かに小さく形成してある。

更に、前記ホルダ２の外周縁とボールシャンク１のシャンク１１との間にはブーツシール４が取り付けられており、ボールシャンク１のボール部１０とホルダ２のボール受部２０との隙間に対して埃やごみ等が侵入するのを防止している他、グリース等の潤滑剤を収容するシールポケット４０を形成している。ここで、前記ブーツシール４のボールシャンク１側の端部４１はその弾性によってシャンク１１に密着する一方、ホルダ２側の端部４２は係止リングによってホルダ２の外周縁との間に挟み込まれており、ボールシャンク１の揺動あるいは回転運動によっても外れることがないようになっている。

次に、この実施例の球面軸受の具体的製造方法について説明する。
この実施例の球面軸受のホルダ２はボールシャンク１のボール部１０を中子として鋳造金型内にインサートしたダイカスト鋳造により製造される。このため、樹脂ライナ３をボール受部２０に埋め込むに当たっては、先ず、かかる樹脂ライナ３をボール部１０となるベアリング用鋼球に対して装着する必要がある。図２は鋼球に対して樹脂ライナ３を装着した状態を示す正面図である。この樹脂ライナ３はボール部１０の外径に適合する内径を具備したリング状に成形され、ボール部１０の赤道を覆うように該ボール部１０に対して装着されている。この樹脂ライナ３にはガラス転移点１４３℃、融点３３４℃のポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）が用いられており、厚さ約１．０ｍｍに形成されている。

このような樹脂ライナ３はボール部１０をコアとして型内にインサートした射出成形によって製作され、そのままボール部に装着される。すなわち、ボール部１０となる鋼球を金型内にインサートした状態で合成樹脂の射出成形を行い、樹脂ライナ３の成形とボール部１０への装着を一つの工程で行うのである。このように樹脂ライナ３の成形を行えば、ボール部１０への装着手間が省略される他、樹脂ライナ３の内周面がボール部１０の球面に略合致したものとなり、かかる樹脂ライナ３をボール部１０に対して確実に装着してやることができる。

次に、前記ホルダ２をダイカスト鋳造する。このダイカスト鋳造に際しては、図３に示すように、上下に分割された一対の鋳造金型５，６内に対して前工程で樹脂ライナ３を装着したボール部１０を中子としてインサートし、この状態でアルミニウム合金又は亜鉛合金の溶湯を金型内のキャビティ７に圧入する。このとき、インサートされたボール部１０は金型５，６に形成された円柱状の支持座５０，６０によって挟持され、金型内における位置ずれが防止される。また、支持座５０，６０はボール部１０だけでなく樹脂ライナ３も上下から挟み込んでおり、これによって樹脂ライナ３はボール部１０に装着された状態でキャビティ７内に固定され、ボール部１０と接触する内周面を残して前記キャビティ７内に注入された合金に覆われる。

これにより、図４に示すように、ボール部１０を前記合金でくるんだホルダ２が鋳造される。鋳造されたホルダ２には金型５，６の支持座５０，６０に対応した部位に開口部２２，２３が形成され、ボール部１０はこれら開口部２２，２３からのみ露呈している。また、ボール部１０に装着されていた樹脂ライナ３は鋳造されたボール受部２０に埋め込まれた状態となり、かかるボール受部２０に強固に固定される。金型５，６の支持座５０，６０が樹脂ライナを上下から挟み込んでいたので、ダイカスト鋳造されたボール受部２０はボール部１０に接触していない。更に、ダイカスト鋳造されたボール受部２０は樹脂ライナ３の端面の一部に被さっており、かかるボール受部２０は樹脂ライナ３を抱え込んでいる。これにより、樹脂ライナ３はボール受部２０と強固に一体化されている。

ホルダ２の材質として亜鉛合金を用いた場合の鋳造温度は４００℃以上であり、また、アルミニウム合金を用いた場合の鋳造温度は６００℃以上であることから、かかる鋳造温度は樹脂ライナ３の耐熱温度を遥かに上回っており、本来であれば、約１ｍｍと極めて薄く形成された樹脂ライナ３はホルダ２の鋳造の際に炭化してしまうと考えられる。しかし、このようなダイカスト鋳造を用いた製造工程では、ボール部１０が樹脂ライナ３に比べて極めて大きな熱容量を有していることから、ボール部１０が鋳造合金の溶湯から樹脂ライナ３に流入した熱エネルギを奪い取る役割を果たし、かかる樹脂ライナ３の炭化が防止される。従って、樹脂ライナ３はボール受部２０と接する外周面側は該ボール受部２０に対して焼きついてしまうが、ボール部１０と接する内周面側は炭化することなく残存し、ボール部１０との摺接面を形成する。また、ダイカスト鋳造は鋳造合金の溶湯を高圧で素早くキャビティ８内に注入するものであり、溶湯の注入からホルダ２の取り出し迄のサイクルタイムが５〜１０秒と極めて短い。従って、この点においてもホルダ２の鋳造時における樹脂ライナ５の炭化が防止されているものと考えられる。もっとも、樹脂ライナ３のボール部１０に対する摺接面３０を確実に保護するという観点からすれば、ダイカスト鋳造後に金型５，６から取り出したホルダ２を直ちに水冷し、鋳造後のホルダ２が有している残留熱を除去することが好ましい。

次に、ホルダ２のボール受部２０に包持されたボール部１０に対してシャンク１１を溶接する。かかる溶接にはプロジェクション溶接が用いられ、図５に示すように、ボール受部２０の開口部２２を介してから露呈するボール部１０の球面に対してシャンク１１の端面を所定の力Ｆで圧接させる一方、開口部２３を介して露呈するボール部１０の球面に対して電極８を当接させ、これらシャンク１１及び電極８に溶接電流を通電して行われる。電極８とボール部１０との間に大きな通電抵抗が存在すると、ボール部１０の電極当接箇所が溶融してしまうので、かかる電極８にはボール部１０の球面に沿った凹面座８０が形成され、ボール部１０の球面に対して緊密に面接触を生じるようになっている。

一方、このように電極８がボール部１０に対して緊密に面接触しても、両者の間における通電抵抗を完全に排除することはできないことから、電極８の当接部位におけるボール部１０の温度は上昇してしまい、ボール部１０の表面には電極８の外縁に沿って酸化皮膜が形成されてしまう傾向にある。本実施例の球面軸受ではボール部１０と樹脂ライナ３との間に殆ど隙間が存在しないことから、ボール部１０の表面に酸化皮膜が局部的に形成されてしまうと、樹脂ライナ３に対するボール部１０の滑らかな摺接が損なわれ易いという問題がある。

このため、本実施例の電極８には真空ポンプが接続されており、かかる電極８が挿入されるホルダ２の開口部２３の周囲を無酸素状態に保ちながら、ボール部１０と電極８とを接触させると共に該電極８への通電を行い得るようになっている。図６はボール部１０と電極８との接触状態を詳細に示す断面図である。電極８の先端にはホルダ２の開口部２２に挿入される円柱状の接触端８１が突設されており、この接触端８１の先端に前記凹面座８０が形成されている。前記接触端８１の周囲にはＯリング８２が設けられており、電極８の凹面座８０がボール部１０に接触すると、かかるＯリング８２が開口部２３の周縁でホルダ２に圧接し、接触端８１の周囲に周辺雰囲気から密閉された空間が作り出されるようになっている。また、電極８には前記密閉空間と連通する吸引孔８３が開設されており、かかる吸引孔８３はホース８４によって図示外の真空ポンプに接続されている。

従って、電極８の接触端８１をボール部１０に接触させた後に前記真空ポンプを動作させ、接触端８１の周囲に形成された密閉空間内を減圧すれば、かかる接触端は無酸素雰囲気中でボール部に接触し、譬え電極の接触部位でボール部が発熱したとしても、かかるボール部の表面に酸化皮膜が形成されてしまうのを防止することができる。

尚、電極８とボール部１０との接触部位は無酸素状態に保つことができれば、必ずしも真空状態に保つ必要はなく、電極８の周囲に不活性ガスを満たすように構成することも可能である。

そして、このようにしてプロジェクション溶接が終了すると、図７に示すように、ボール部１０がホルダ２のボール受部２０に包持されたボールシャンク１が完成する。ボールシャンクが完成したならば、最後にシャンク１０とホルダ２の外周縁との間に前述したブーツシール３を取付け、このブーツシール３が形成するシールポケット３０にグリース等の潤滑剤を充填することにより、本実施例の球面軸受は完成する。

本発明が適用される球面軸受の実施例を示す正面断面図である。 実施例に係る球面軸受の製造方法において、ボール部に樹脂ライナを装着した状態を示す正面図である。 実施例に係る球面軸受の製造方法において、ボール部を中子としてホルダを鋳造する様子を示す断面図である。 実施例に係る球面軸受の製造方法において、鋳造されたホルダを示す正面断面図である。 実施例に係る球面軸受の製造方法において、ホルダに包持されたボール部に対してシャンクを溶接する様子を示す正面断面図である。 溶接時におけるボール部と電極との接触状態を示す断面図である。 実施例に係る球面軸受の製造方法において、ボール部に対してシャンクを溶接した後の状態を示す正面断面図である。

符号の説明

１…ボールシャンク（ボールシャンク）、２…ホルダ（ホルダ）、３…樹脂ライナ、８…電極、１０…ボール部、２０…ボール受部

Claims (3)

1. 先端に金属ボール部を有するボールシャンクと、このボールシャンクのボール部を包持するボール受部を有して該ボールシャンクと相対的に揺動あるいは回転運動自在に連結するホルダとを備えた球面軸受の製造方法であって、
   前記ボールシャンクのボール部となる鋼球をコアとして型内にインサートした鋳造により、かかる鋼球を覆うホルダを成形し、
   前記鋼球にシャンクを圧接させると共に、これらシャンク及び鋼球に電極を接続し、鋼球と電極との接触部位を無酸素雰囲気中においた状態で、シャンクと鋼球とをプロジェクション溶接して前記ボールシャンクを形成したことを特徴とする球面軸受の製造方法。
2. 前記シャンクと鋼球とを溶接した後、前記ボールシャンクに対して外力を加え、前記ボールシャンクのボール部と前記ホルダのボール受部との間に隙間を形成することを特徴とする請求項１記載の球面軸受の製造方法。
3. 前記ボール部となる鋼球を型内にインサートした状態で合成樹脂の射出成形を行い、かかる鋼球を覆う樹脂ライナを成形した後、鋼球及び樹脂ライナをコアとして金型内にインサートしたダイカスト鋳造により、前記樹脂ライナを介して鋼球を覆うホルダを成形したことを特徴とする請求項１記載の球面軸受の製造方法。

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