今年2月17日，愛知縣新開幕的中部國際機場。目標放在能夠24小時起降的機場，飛航路線擁有這樣靈活對應的特性。另一方面，從以往一直到現今、飛機製造廠彼此之間競爭激烈。就中、大形的飛機製造廠家來看，世界有兩大飛機製造廠，針對降低環保負荷，壓低航空運輸費用之目的，不斷的開發新機種投入市場。就噴射引擎的製造廠家動向來看，也是朝著新式引擎開發方向邁進。

　　NTN公司也是接受著噴射引擎製造廠的要求規格，來設計、製造符合的噴射引擎用軸承。就其技術要求來看，針對回轉軸承而言，火箭引擎用的軸承與工具上使用的軸承同樣屬於高精密的情況。

　　這篇文章主要的重點是針對噴射引擎用的軸承概略敘述，以及其所追求的加工方法與製造技術加以敘述。此外、在這些技術中也包含了許多客戶的機密，因此有的部分無法詳細說明，僅能略列說明。

1. 噴射引擎的樣式

　　　關於噴射引擎主軸用軸承在敘述之前，先就噴射引擎的基本結構做簡單的說明。

　　就飛機用的渦輪引擎而言，基本上分成渦輪噴射氣流(TURBOJET)、渦輪噴射風扇(TURBOFAN)、渦輪螺旋槳(TURBOPROP)、渦輪軸式(TURBOSHAFT)這4種樣式，通常前面兩者稱為噴射引擎。擁有高效率，低噪音的特長，尤其TURBOFAN引擎更是近年市場的主流。

　　TURBOFAN引擎的基本結構圖，是從引擎的最前端，利用風扇吸入空氣，再利用壓縮機進行壓縮，再將這個壓縮空氣送進燃燒室，與燃料混合後，進行燃燒，最後利用排出之氣體推動渦輪發動機。渦輪發動機有兩種系統來推動，一是壓縮機方式，另一種是風扇方式。渦輪風扇引擎的推力，幾乎是透過風扇來獲得空氣推力。

2. 噴射引擎主軸用軸承的樣式

　　一般情況下，噴射引擎的軸承系統擁有高速的壓縮機/渦輪，以及低速的風扇/渦輪，兩種軸承系統，軸承是擔任了這兩個軸承系統的支撐重任。

　　　噴射引擎主軸用軸承的樣式，主要是這兩種形式。三點接觸式的球軸承是由兩個內輸，再加上多數珠子，以及保持器這4種零件所構成的。在引擎的軸方向以及直徑方向做支持點，關於軸方向荷重來看，也支持這兩個方向負重。此外，為了使軸承荷重負荷向上提升，裝入的鋼珠盡可能的增多，為了確保軸承的壽命，將內輸分割為2的形式。

　　圓筒軸承是由內輪、外輪、多數的滾珠、保持器等零件所構成。這個軸承伴隨著直徑方向荷重的支持外，透過引擎的作動/停止，擔當了主軸長方向的膨脹/收縮之吸收責任。此外、內輪寬幅比外輸來的寬一些。

　　這些軸承使用於美國波音公司747客機上，導入於美國GEAE公司的CF6-80C2型號的引擎上。該引擎應用於世界多數旅客機上，屬於信賴性非常高的引擎。

　　此外NTN軸承是日本唯一獲得美國GEAE公司確定的軸承供應商。

3. 噴射引擎主軸用軸承所追求的機能

　　一般而言，軸承追求最基本的機能是一邊對主軸系統荷重的支援，一邊進行回轉滑動。然後再依客戶的追加要求，而增加各種功能。

　　例如：若是汽車用途需具備長壽命、低摩擦損失、輕量等，若是工具機上用途時，必須具備高速、高剛性、低發熱性等。

　　就噴射引擎主軸用軸承追求的主要特性，列舉出來有如下4點。

1. 適合高速回轉的情況。
2. 能夠在高溫下動作的情況。
3. 擁有很高的信賴性。
4. 擁有很高追蹤性(TRACEABILITY)。

　　3.1 高速性

　　一般評價軸承高速性時，是Dn值。所謂的Dn值是軸承內輪內徑(MM)*內輪回轉速度(RPM)Dn值。

　　近年工具機上應用的軸承，其Dn值超過1.8X1的高速回轉。達到了超高速化的境界，就新幹線上使用的軸承來看，其DN值是0.4X1。應用於噴射引擎上的軸承，基本結構與其相同，一般而言，氣體渦輪引擎的主軸用軸承，其Dn值是1.4~2.0X1為主流。目前噴射引擎主軸用軸承，正朝著DN值2.4X1的高速軸承之實用化方向發展。此外根據最新的研究，目前實驗室研究階段的是在開發DN值3.5X1超高速用軸承。

　　軸承為了要達到高速化而做的各種考量，其重點之一是材料與精度。而關於材料與精度將於這篇文章後面加以敘述。此外就軸承樣式來看，雖然有深溝球軸承、圓錐柱軸承、自動調心軸承等，但在選擇上仍然是以擁有優異高速特性的3點接觸球軸承，以及圓筒軸承較適用的情況。

　　3.2 高溫特性

　　噴射引擎以及氣體渦輪主軸用軸承，在運轉時屬於約200℃的高溫環境中。此外運轉時暴露於高溫中的渦輪葉片，在引擎停止後，熱量仍然累積在引擎中無法散去，此時引擎中的結構零件，主軸、軸承等溫度會超過300℃以上。這種現象稱為餘熱殘留(SALKBACK)，在汽車上安裝TURBO CHARGER也是同樣有這種現象，因此一般常識是引擎不要立即停止，讓引擎稍微空轉(IDLING)冷卻一下。

　　就噴射引擎而言，與其他的應用軸承有很大的不同點，通常不是使用軸承鋼，而是使用特殊的耐熱材料。關於材料後面會有所敘述。

　　3.3 信賴性

　　由於飛機被要求絕對安全的條件下，因此軸承也追求很高的信賴性。在製造時，各工程結束後，都必須對外觀、尺寸等做嚴格的檢查。

　　原材料是否有材料上的缺陷，可利用超音波進行探傷檢查來確認。軸承在製造時，是否有研磨燒著現象是以蝕刻方式來檢查，刮痕或傷痕的有無是以磁粉探傷，螢光浸透探傷，渦流探傷等的方法來檢查，各項零件全部檢查。這些檢查反復不斷的實施，確認製造過程中是否有不適當的地方，這是為了維持高信賴性而做的處置。

　　反觀汽車上使用的軸承也必須通過各項的檢查，但並不是每個零件都檢查，而是從一批中抽取幾個來檢查的方式。

　　3.4 追蹤性

　　就飛機引擎而言，萬一軸承受損時，為了徹底追查原因，從廣泛的原因中去尋找真正的原因，為了全面管制這些不良原因，必須保留從材料、鍛造、車削、熱處理、研磨表面處理，非破壞檢查等的在軸承製造之各工程的每一項軸承資料，要求都要保留作為日後追蹤用。

4. 噴射引擎主軸用軸承的材料

　　噴射引擎主軸用軸承的材料，在高溫下主要追求的特性是(1)長壽命，(2)尺寸要定性，(3)高強度，(4)耐摩耗性等。

　　針對軸承的內輪、外輪、鋼珠、滾柱等零件，採用MO系列的AISI M50或者是W系列的T1等的高速工具鋼來對應的場合較多。ALSIM50在美國使用的較多。而T1在英國使用的

較多。M50的高速工具鋼在300度的高溫下，仍然能夠維持60HRC的硬度，屬於安定性非常高的材料。

　　在高速化條件使用時，軸承內輪受到離心力的作用，在內輪的圓周方向產生很大的拉伸應力(Hoop應力)。這是使得高速回轉中內輪表面容易產生損傷的情況。

　　由於M50工具鋼適用於噴射引擎上的軸承材料，一般看法是其Dn值的極限可達到2.4X1左右。

　　M5，NiL工具鋼材料適用於高速回轉用途，其破壞鋼性度相當高。在M50工具鋼中，添加Ni的低炭素耐熱浸炭鋼，適用於Dn值3.0X1以上的超高速回轉之使用條件。

　　保持器一般使用SAE4340工具鋼，硬化程度達到30HRC左右狀態來使用的場合較多。

　　此外，通常航太用途軸承的材料，必須是機身的製造廠，或引擎的製造廠所認定的供應商處購入的，這些被認定的供應商是登陸於飛機製造廠的，就NTN公司而言，也必須從飛機製造廠認定的材料供應商處購入這些材料。

5. 噴射引擎用軸承的製造技術

　　噴射引擎用軸承的製造工程在鍛造、車削、熱處理、研磨、檢查上，與一般軸承的製造工程上沒有太大的區別。

　　噴射引擎用軸承與一般用途最大的不同點是信賴性的確保，每一個軸承在製造過程都要經過一關一關的檢查，並且資料都要保存起來。

　　此外，在航太產業界，有所謂的重要工程(SPECIAL PROGNIFICATN PROCESS)與特殊工程(SPECIAL PROCESS)的概念，就這些製品製造的各項工程場合來看，必須提出讓客戶看詳細記錄製造前的工程，也必須獲得客戶的承認。

　　或者有義務提出客戶認定的設備來製造，透過顧客登錄的非破壞檢查人員來執行檢查任務。因此在這些工程管理上，需要較多的工時情況。

　　5.1 鍛造

　　鍛造屬於重要的工程，並不是基於客戶的品質要求上的觀點，而是從為了獲得完美軸承性能的觀點來考量的，是非常重要的工程。

　　例如就較大的軸承之內輪、外輪的鍛造品來看，在其軌道面被要求沿著並行纖維流動形狀(FIBRE FLOW)樣子。軌道面若是沒有沿著並行纖維流動形狀的話，可以斷定軸承長期回轉後，疲勞壽命降低。

　　為了達到並行纖維流動形狀的軸承之軌道面，採取的是流動(ROLLING)鍛造。

　　圓椎滾柱軸承的內輪纖維流動，針點軌道面，可以瞭解的是擁有纖維流動的形狀樣子。加熱方式的滾動環(RING ROLLING)鍛造製造工程。

　　因此，在噴射引擎用軸承的內輪、外輪的鍛造品製造時，事前要一邊對纖維流動形狀做預測，一邊對鍛造工程做設計是相當困難的。

　　5.2 熱處理

　　熱處理也是一項重要的工程，軸承材料透過熱處理，使得軸承獲得基本的功能。故經過淬火處理，讓軸承獲得必要的硬度，經由退火處理，讓軸承附加上安定的金屬組織與韌性。

　　例如：M50工具鋼，其合金元素較多的情況下，其淬火溫度比一般材料來得高。因此，在高溫下為了減少尺寸變形，必須實施高溫退火，以及SUBZERO處理。故比一般軸承熱處理時，花費較多的時間。

　　此外從軌道輪、運動體(鋼珠、滾柱)的表面所產生的殘留壓縮應力的要求，有必要站在熱處理工程的觀點上去下工夫。

　　5.3 車削與研磨

　　由於M50等高速工具鋼所含合金成份較多，因此，炭化物也比較多的情況下，與一般軸承鋼SUJ2(高炭鉻鋼)做比較時，被切削性與被研磨性都不好。

　　因此，在研磨加工時，為了不引起加工傷痕或燒著現象，有必要對砂輪、加工條件做適當的設定。

　　此外，噴射引擎用軸承屬於高速回轉，因此，比一般的軸承之真圓度等的精度要求高。相當於JIS規格精度等級5以上要求。

6. 其他航太用軸承

　　NTN公司設計、製造的航太用軸承，除了噴射引擎用途外，尚用於直升機、火箭引擎、人工衛星等方面。

　　特別是火箭引擎有軸承，由於噴射引擎用軸承，使用於嚴苛的環境，在此做簡單的說明。

　　去年2月26日，HTA火箭7號發射成功。這個火箭可以說應用的是日本國產技術，NTN公司從1970年代開始就有參加火箭引擎用軸承的開發。

　　H-TA型火箭用引擎，使用液態淡氮氣、液態氧氣做為燃料，利用TURBO PUMP將這些燃料做壓縮後，大量的送進燃燒器中燃燒。

　　就支持這個PUMP軸系的回轉軸承來看，必須在極低溫的液態氮氣(-253度)，液態氧氣(-183度)中做每分鐘43,000 RPM的超高速回轉。

　　由於在極低溫情況下，潤滑油會凍結故不能使用，因此幾乎都是在無潤滑狀態下作動的情況，在保持器上使用固體潤滑劑，在鋼珠或軌道面上使用PURBO PUMP用的軸承，可以說是擁有世界最高的性能，被要求達到高速化。其中使用的是陶瓷珠，故適用高速化領域。

　　與上述的TURBO PUMP用軸承同樣的是噴射引擎主軸用軸承都是被要求高速化。為了要達到這個要求，針對其中一項要素技術，是使用陶瓷珠，以及陶瓷滾柱。
現今陶瓷珠，以及陶瓷滾柱，正朝著工具機用軸承的適用方面發展，期望透過導入這種軸承應用於機器上來大幅提升性能。

　　然而，就陶瓷珠，以及陶瓷滾柱軸承應用於噴射引擎上，尚殘留著確保信賴性。眾所周知、陶瓷材料以往並不適用於非破壞檢查的方式。當然尚有其他的超音波、MICIOFOCES X射線的方式來檢查，多少也可以應用於陶瓷材料方面的檢查，這些都是增加成本的要因。此外，這些方式目前並沒有受到航太產業界的認可。

　　然而就使用於噴射引擎的陶瓷珠，以及滾柱而言，能夠大幅提升性能，使得噴射引擎的效率向上提升，並且減輕環境負荷。

　　從而確立開發出信賴性很高，且能夠在短時間內完成陶瓷材料的非破壞檢查方式。