(57)【要約】【課題】摩擦損失の低減に適した微細凹部を短時間で確定し加工することができる微細凹部加工システムを提供する。【解決手段】微細凹部加工システム１０は、ワークの摺動面に加工する微細凹部の許容条件の設定入力、及びワークの摺動面と微小隙間を介した部材とワークとの間に摺動時に発生する非定常的な摩擦値の要望範囲の入力を受け付ける入力部２１と、演算結果の摩擦値が要望範囲を満すまで、設定入力された微細凹部の許容条件内で摩擦係数を演算する演算部２２と、摩擦係数の要望範囲を満した微細凹部を加工する際の加工指令を作成する加工指令作成部２３と、加工指令に基づきワークの摺動面に微細凹部を加工する加工部３２とを備える。【選択図】  図１
2010227953.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークの摺動面に微細凹部を加工する微細凹部加工システムであって、
前記微細凹部の許容条件の設定入力、及び前記ワークの摺動面と微小隙間を介した部材と当該ワークとの間に摺動時に発生する非定常的な摩擦値の要望範囲の入力を受け付ける入力部と、
演算結果の摩擦値が前記要望範囲を満すまで、前記設定入力された微細凹部の許容条件内で摩擦値を演算する演算部と、
前記摩擦値の要望範囲を満した前記微細凹部を加工する際の加工指令を作成する加工指令作成部と、
前記加工指令に基づき前記ワークの摺動面に微細凹部を加工する加工部とを備えることを特徴とする微細凹部加工システム。
【請求項２】
ワークの摺動面に微細凹部を加工する微細凹部加工方法であって、
前記微細凹部の許容条件の設定入力を受け付ける工程と、
前記ワークの摺動面と微小隙間を介した部材と当該ワークとの間に摺動時に発生する非定常的な摩擦値の要望範囲の入力を受け付ける工程と、
演算結果の摩擦値が前記要望範囲を満すまで、前記設定入力された微細凹部の許容条件内で摩擦値を演算する工程と、
前記摩擦値の要望範囲を満した前記微細凹部を加工する際の加工指令を作成する工程と、
前記加工指令に基づき前記ワークの摺動面に微細凹部を加工する工程とを備えることを特徴とする微細凹部加工方法。
【請求項３】
微細凹部加工用プログラムであって、
ワークの摺動面に加工する微細凹部の許容条件の設定入力を受け付ける処理と、
前記ワークの摺動面と微小隙間を介した部材と当該ワークとの間に摺動時に発生する非定常的な摩擦値の要望範囲の入力を受け付ける処理と、
演算結果の摩擦値が前記要望範囲を満すまで、前記設定入力された微細凹部の許容条件内で摩擦値を演算する処理と、
前記摩擦値の要望範囲を満した前記微細凹部を示すデータを出力する処理とをコンピュータに実行させることを特徴とする微細凹部用加工プログラム。
【請求項４】
微細凹部加工用プログラムであって、
ワークの摺動面に加工する微細凹部の許容条件の設定入力を受け付ける処理と、
前記ワークの摺動面と微小隙間を介した部材と当該ワークとの間に摺動時に発生する非定常的な摩擦値の要望範囲の入力を受け付ける処理と、
演算結果の摩擦値が前記要望範囲を満すまで、前記設定入力された微細凹部の許容条件内で摩擦値を演算する処理と、
前記摩擦値の要望範囲を満した前記微細凹部を加工する際の加工指令を作成し出力する処理とをコンピュータに実行させることを特徴とする微細凹部加工用プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワークの摺動面に微細凹部を加工する微細凹部加工システム、微細凹部加工方法、及びワークの摺動面に加工する微細凹部を確定する処理をコンピュータに行わせる微細凹部加工用プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の摺動部品における摩擦損失を低減するために、例えば、シリンダブロックの摺動面に微細凹部を加工することが知られている。例えば、特許文献１には、紫外線レーザを用いて微細凹部を加工することが開示されている。また、これ以外にも、様々な加工方法によって様々な形状の微小凹部を摺動面に加工することが検討、実現されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２０５３８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、種々の形状やパターンの微細凹部を摺動面に実際に加工し、その後の実験、解析を経て、摩擦損失の低減に適した微細凹部が見い出される。そのため、微細凹部を確定するまで長時間を要するという問題があった。また、定常状態の単純なモデルを用いた数値解析が行われることもあるが、実際の非定常状態とは乖離しており、摩擦損失の低減に適した微細凹部を得ることができなかった。
【０００５】
本発明は、以上の点に鑑み、摩擦損失の低減に適した微細凹部を短時間で確定し加工することができる微細凹部加工システム及び微細凹部加工方法を提供することを目的とする。また、摩擦損失の低減に適した微細凹部を短時間で確定する処理をコンピュータに行わせることができる微細凹部加工用プログラム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】
【０００６】
第１発明は、ワークの摺動面に微細凹部を加工する微細凹部加工システムであって、前記微細凹部の許容条件の設定入力、及び前記ワークの摺動面と微小隙間を介した部材と当該ワークとの間に摺動時に発生する非定常的な摩擦値の要望範囲の入力を受け付ける入力部と、演算結果の摩擦値が前記要望範囲を満すまで、前記設定入力された微細凹部の許容条件内で摩擦値を演算する演算部と、前記摩擦値の要望範囲を満した前記微細凹部を加工する際の加工指令を作成する加工指令作成部と、前記加工指令に基づき前記ワークの摺動面に微細凹部を加工する加工部とを備えることを特徴とする。なお、摩擦値は、摩擦係数又は摩擦力の値を意味する。
【０００７】
第１発明によれば、入力部で入力を受け付けた要望範囲内にある摩擦値を満す微細凹部の確定、及びこの確定した微細凹部の加工を、自動的に行うことができる。よって、従来に比べて、摩擦損失の低減に適した微細凹部を確定し加工するまでの期間を短縮化することができる。
【０００８】
第２発明は、ワークの摺動面に微細凹部を加工する微細凹部加工方法であって、前記微細凹部の許容条件の設定入力を受け付ける工程と、前記ワークの摺動面と微小隙間を介した部材と当該ワークとの間に摺動時に発生する非定常的な摩擦値の要望範囲の入力を受け付ける工程と、演算結果の摩擦値が前記要望範囲を満すまで、前記設定入力された微細凹部の許容条件内で摩擦値を演算する工程と、前記摩擦値の要望範囲を満した前記微細凹部を加工する際の加工指令を作成する工程と、前記加工指令に基づき前記ワークの摺動面に微細凹部を加工する工程とを備えることを特徴とする。
【０００９】
第２発明によれば、入力を受け付けた要望範囲内にある摩擦値を満す微細凹部の確定、、及びこの確定した微細凹部の加工を、自動的に行うことができる。よって、従来に比べて、摩擦損失の低減に適した微細凹部を確定し加工するまでの期間を短縮化することができる。
【００１０】
第３発明は、微細凹部加工用プログラムであって、ワークの摺動面に加工する微細凹部の許容条件の設定入力を受け付ける処理と、前記ワークの摺動面と微小隙間を介した部材と当該ワークとの間に摺動時に発生する非定常的な摩擦値の要望範囲の入力を受け付ける処理と、演算結果の摩擦値が前記要望範囲を満すまで、前記設定入力された微細凹部の許容条件内で摩擦値を演算する処理と、前記摩擦値の要望範囲を満した前記微細凹部を示すデータを出力する処理とをコンピュータに実行させることを特徴とする。
【００１１】
第３発明によれば、コンピュータが、入力を受け付けた要望範囲内にある摩擦値を満す微細凹部を示すデータを出力することができる。よって、従来に比べて、摩擦損失の低減に適した微細凹部を確定するまでの期間を短縮化することができる。
【００１２】
第４発明は、微細凹部加工用プログラムであって、ワークの摺動面に加工する微細凹部の許容条件の設定入力を受け付ける処理と、前記ワークの摺動面と微小隙間を介した部材と当該ワークとの間に摺動時に発生する非定常的な摩擦値の要望範囲の入力を受け付ける処理と、演算結果の摩擦値が前記要望範囲を満すまで、前記設定入力された微細凹部の許容条件内で摩擦値を演算する処理と、前記摩擦値の要望範囲を満した前記微細凹部を加工する際の加工指令を作成し出力する処理とをコンピュータに実行させることを特徴とする。
【００１３】
第４発明によれば、コンピュータが、入力を受け付けた要望範囲内にある摩擦値を満す微細凹部を加工する際の加工指令を作成し出力することができる。よって、従来に比べて、摩擦損失の低減に適した微細凹部を加工するまでの期間を短縮化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態に係る微細凹部加工システムを示すブロック図。
【図２】微細凹部加工システムの作動を示すフローチャート。
【図３】ワークとピストンとの隙間を拡大した部分断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の微細凹部加工システム、微細凹部加工方法、及び微細凹部加工プログラムの実施形態について図面を用いて説明する。
【００１６】
図１を参照して、本発明の実施形態に係る微細凹部加工システム１０は、コントロールユニット装置２０と加工装置３０とを備えている。微細凹部加工システム１０の作動が、本発明の微細凹部加工方法に係る実施形態である。
【００１７】
以下、微細凹部加工システム１０が、ワークＷの例として内燃機関のシリンダブロックのボア表面に微細凹部を加工する場合について説明する。ボア表面は、シリンダブロックに対して摺動するピストンＰとの摺動面となっている。ワークＷとピストンＰとの間には、潤滑油で満された微小なクリアランス（隙間）ｃが存在する（図３参照）。このクリアランスｃは、非定常的であり、ピストンＰの摺動により時間変化する。
【００１８】
コントロールユニット装置２０は、入力部２１と演算部２２と加工指令作成部２３とを備えている。なお、コントロールユニット装置２０は、図示しないが、ＣＲＴモニタ、液晶パネル等の表示部や、加工装置３０とデータの送受信を行うＩ／Ｆ部も備えている。
【００１９】
入力部２１は、例えば、キーボード、テンキー、マウスなどから構成されており、微細凹部の許容条件の設定入力、及びシリンダ・ピストン間に発生する非定常的な摩擦係数ｋの要望範囲の入力等を受け付ける。入力部２１は、演算部２２に接続されており、演算部２２に対して、操作指示、動作指示、データ入力等を行うことができる。
【００２０】
演算部２２及び加工指令作成部２３は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，Ｉ／Ｏ等により構成されるハードウェアとしてのコンピュータと、メモリに格納され、当該コンピュータに諸機能を付与するソフトウェアとしての本発明の実施形態に係る「微細凹部用加工プログラム」とから構成されている。なお、微細凹部加工用プログラムは最初からコンピュータのメモリ（ＲＯＭ）に格納されていてもよいが、ＣＤ−ＲＯＭ等の記憶媒体に格納され、記憶媒体ドライブから読み取られ、メモリ（ＲＡＭ）等に格納されてもよい。
【００２１】
演算部２２は、演算結果の摩擦係数ｋが入力部２１から入力された要望範囲を満すまで、入力部２１から設定入力された微細凹部の許容条件内で摩擦係数ｋを演算する。
【００２２】
加工指令作成部２３は、摩擦係数ｋの要望範囲を満した微細凹部を加工装置３０で加工する際の加工指令を作成する。加工指令作成部２３は、メモリ等に格納された微細凹部の加工形状と加工指令とを対応させたマップ等を参照して、加工指令を作成する。
【００２３】
加工装置３０は、制御部３１と加工部３２とを備えている。なお、加工装置３０は、図示しないが、コントロールユニット装置２０とデータの送受信を行うＩ／Ｆ部も備えている。
【００２４】
制御部３１は、加工指令作成部２３が作成した加工指令を受信し、該加工指令に基づき加工部３２の駆動を制御する。
【００２５】
加工部３２は、制御部３１の制御により、ワークＷの摺動面に微細凹部を加工する。加工部３２は、例えば、ＫｒＦ（フッ化クリプトン）光源を有するレーザ発振機から発振されたエキシマレーザ光を、ホモジェナイザで均一化し、反射板で方向変換し、マスクを通過して、投影レンズで収束した後、ステージ上の被加工物であるワークＷの摺動面に照射して加工する。なお、加工部３２の構成や加工方法は限定されず、例えば、ＡｒＦ（フッ化アルゴン）光源を光源とするエキシマレーザやフェムト秒レーザ等のレーザを用いた加工方法や、チップ、ドリルなどを用いた機械的な加工法や、ローラ・バニシングツールを用いた塑性加工による加工方法などであってもよい。
【００２６】
なお、加工指令作成部２３が作成する加工指令は、加工部３２での加工方法に応じて異なる。例えば、加工部３２でレーザ加工を行う場合、加工指令作成部２３はレーザ出力、パルス周期、光学系走査条件などを含む加工指令を作成する。
【００２７】
次に、図２に示すフローチャートに従って、微細凹部加工システム１０の作動について説明する。
【００２８】
まず、利用者から微細凹部の許容条件（加工パターン範囲）の設定入力を受け付ける微細凹部許容条件設定入力工程を行う（Ｓ１）。この工程では、ワークＷのシリンダボア表面に形成する微細凹部の形状（テクスチャ）の許容可能範囲を、利用者が入力部２１から設定入力する。
【００２９】
微細凹部の許容形状条件は、例えば、加工装置３０の加工条件等から制限される半球・円錐・円柱・角錐・角柱などの微細凹部の形状、強度等から制限される微細凹部の大きさの範囲、微細凹部の深さの範囲、微細凹部加工を施すシリンダボアの全面積に対する実際に加工が施される面積の比（以下、単に「面積比」という）の範囲である。微細凹部の形状は、例えば、半球・円錐・円柱・角錐・角柱である。微細凹部の大きさは、例えば、微細凹部が半球・円錐・円柱の場合は半径であり、微細凹部が角錐・角柱の場合は角数及び１辺の長さである。
【００３０】
次に、利用者から使用環境の設定入力を受け付ける使用環境設定入力工程を行う（Ｓ２）。この工程では、ワークＷであるシリンダブロックを使用する環境に関するデータを、利用者が入力部２１から設定入力する。例えば、使用する潤滑油種や添加剤種、ピストンリング質量ｍ、ピストンの摺動速度Ｕ、垂直抗力Ｆｅ、ピストン・シリンダボア間の静的クリアランス、環境温度などを、入力部２１から設定入力する。
【００３１】
次に、利用者から演算終了条件の設定入力を受け付ける演算終了条件設定入力工程を行う（Ｓ３）。この工程では、１サイクル間におけるピストン・シリンダボア間の摩擦係数ｋの要望範囲を、利用者が入力部２１から設定入力する。ここで、利用者は、摩擦損失を低減させた摩擦係数ｋの要望範囲を設定入力することができる。なお、摩擦係数ｋの要望範囲は、上限のみであってもよい。また、摩擦係数ｋの要望範囲の他に、演算を行うワークＷの面積の限定等も演算終了条件として設定入力することができる。
【００３２】
次に、Ｓ１〜Ｓ３で設定された条件を基に、１サイクル間におけるピストン・シリンダボア間の摩擦係数ｋを演算する演算工程を行う（Ｓ４）。
【００３３】
演算工程では、まず、計算条件の指定を行う（Ｓ５）。例えば、有限要素法を用いた演算時における微小区域（メッシュ）を分割する際の分割幅又は分割数、収束などを判定するための閾値、無限ループに陥ることを防ぐための計算回数上限値等の計算条件を指定する。計算条件は、利用者が入力部２１から入力するものであっても、演算部２２がメモリから所得すること等により設定するものであってもよい。
【００３４】
次に、Ｓ１〜Ｓ３で設定された条件を基に、演算時の初期条件・境界条件の指定を行う（Ｓ６）。例えば、演算開始時の微細凹部の形状、大きさ、深さ、面積比や、潤滑油粘度μの初期値などを初期条件として指定する。また、例えば、微細凹部と平坦部との連続性等を境界条件として指定する。
【００３５】
次に、Ｓ５、Ｓ６で指定された条件を基に、１サイクル間におけるピストン・シリンダボア間の摩擦係数ｋを演算する（Ｓ７）。ここでは、微細凹部の形状が半球である場合について説明する。なお、以下の演算は、ピストンＰが上死点から一度下死点に達し、再度上死点に戻るまでの１サイクル分について、一般的な有限要素法を用いて行う。ただし、簡略化のため、ピストンＰが上死点から下死点に達するまで、あるいはピストンＰが下死点から上死点に達するまでの半サイクル分のみについて、演算を行ってもよい。
【００３６】
ピストンＰとシリンダボアＷとが潤滑油を介して接触することから、レイノルズ方程式は次式（１）のようになる。
2010227953.tif 000003
【００３７】
ここで、ｈは微細凹部におけるクリアランス（図３参照）であり、ｘ、ｚ、ｔの関数である。ｐは圧力であり、ｘ、ｚ、ｔの関数である。また、μは潤滑油粘度、Ｕは摺動速度である。なお、ｈの初期値は、潤滑油の有する静的な油膜厚さとする。
【００３８】
式（１）からｐ、即ち圧力分布が得られ、ピストン・シリンダボア間に生じる力Ｆｈは、次式（２）から得られる。
2010227953.tif 000004
【００３９】
ここで、Ａはピストン・シリンダボア間の接触面積である。
【００４０】
力Ｆｈとピストン・シリンダボア間のクリアランスｃに関する微分方程式は次式（３）のようになる。
2010227953.tif 000005
【００４１】
ここで、Ｆｅは垂直抗力であり、既知である。なお、クリアランスｃはｘ、ｚ、ｔの関数である。
【００４２】
そして、微細凹部の正味クリアランスｈは、クリアランスｃを用いた時間関数である次式（４）から得られる。
2010227953.tif 000006
【００４３】
ここで、ｈｐは微細凹部の深さであり（図３参照）、ｒｐは微細凹部の半径である。ζ，ηは微細凹部の面積比を定義するための位置パラメータである。σ１、σ２は面粗さ関数であり、ｘ、ｚの関数である。シリンダボア表面は平滑でなく粗さがあるため、面粗さ関数σ１、σ２によりこれを加味している。面粗さ関数σ１、σ２は、例えば、断面方向の凹凸（高さ）をランダム関数によって近似したものを用いる。シリンダボア表面の面粗さは、シリンダブロックの材質、加工方法、加工条件等に依存するものであり、平坦部の面粗さを表現する面粗さ関数σ１と、微細凹部の面粗さを表現する面粗さ関数σ２とに分けている。
【００４４】
そして、ピストン・シリンダボア間に生じる摩擦力Ｆｆは、次式（５）から得られる。
2010227953.tif 000007
【００４５】
摩擦係数ｋは、この摩擦力Ｆｆを垂直抗力Ｆｅにより除する次式（６）から得られる。
2010227953.tif 000008
【００４６】
次に、求めた摩擦係数ｋがＳ３で設定入力された摩擦係数ｋの要望範囲内であるか否かを判定する（Ｓ８）。求めた摩擦係数ｋが要望範囲内にないとき（Ｓ８：ＮＯ）、演算時の初期条件の指定を変更して（Ｓ６）、再度演算を行う（Ｓ７)。なお、この場合、前回求めた摩擦係数ｋ等を参照して、一般的な探索手法を用いて、演算時の初期条件を指定することが好ましい。
【００４７】
一方、求めた摩擦係数ｋが要望範囲内にあるとき（Ｓ８：ＹＥＳ）、Ｓ６で初期条件として指定した微細凹部の形状、大きさ、深さ、面積比を、加工装置３０で加工する微細凹部の仕様として確定し（Ｓ９）、演算工程（Ｓ４）を終了する。
【００４８】
次に、加工装置３０における加工指令を作成する加工指令作成工程を行う（Ｓ１０）。この工程では、Ｓ９で確定した微細凹部を加工部３２が加工するよう、微細凹部の形状、大きさ、深さ、面積比からなる仕様を加工部３２での加工作動を指令する加工指令に変換する。
【００４９】
最後に、加工装置３０は、加工指令に基づいてワークに微細凹部を加工する加工工程を行う（Ｓ１１）。
【００５０】
以上のように、利用者が入力した摩擦係数ｋの要望範囲を満す微細凹部を確定し、この確定した微細凹部をワークＷの摺動面に自動的に加工することができる。従って、従来に比べて、微細凹部の設計から加工までの工程に要する時間を短縮化することができる。
【００５１】
また、微細凹部の許容条件を設定入力することにより、探索範囲が狭くなり、演算時間が短縮し、プロセスを効率化することができる。
【００５２】
なお、本発明は、上述したものに限定されない。例えば、実施形態では、微細凹部許容条件設定入力工程（Ｓ１）、使用環境設定入力工程（Ｓ２）、演算終了条件設定入力工程（Ｓ３）が、この順序である場合について説明した。しかし、これらの工程の順序は任意である。
【００５３】
また、実施形態では、コントロールユニット装置２０が加工指令部２３を備えるものについて説明した。しかし、加工装置３０が加工指令部２３を備えるものであってもよい。また、Ｓ９で確定した微細凹部の仕様をプリンタやＣＲＴモニタ、液晶パネル等の表示部等に出力して、この出力結果に基づいて、利用者が加工指令を作成し、作成した加工指令を加工装置３０に入力してもよい。
【００５４】
また、実施形態では、要望範囲を満す摩擦係数ｋが得られる微細凹部をワークＷの摺動面に加工する場合について説明した。しかし、利用者が入力部２１から摩擦力Ｆｆの要望範囲を入力し、要望範囲を満す摩擦力Ｆｆが得られる微細凹部をワークＷの摺動面に加工してもよい。
【００５５】
また、実施形態では、微細凹部を加工するワークＷがシリンダブロックである場合について説明した。しかし、微細凹部を加工するワークＷは、シリンダブロックに限定されず、例えば、カムに対する摺動面を有するピペットや、金型、ドリル等に用いられる摺動部品であってもよい。また、ワークＷは、摺動部品であっても被摺動部品であってもよい。
【符号の説明】
【００５６】
１０…微細凹部加工システム、  ２０…コントロールユニット装置、  ２１…入力部、  ２２…演算部、  ２３…加工指令作成部、  ３０…加工装置、  ３１…制御部、  ３２…加工部、  Ｐ…ピストン（部材）、  Ｗ…ワーク、シリンダブロック。
【図１】
2010227953.tif 000009
【図２】
2010227953.tif 000010
【図３】
2010227953.tif 000011