(57)【要約】【課題】熱処理により硬化した被加工物の表面にも、工具を損傷することなく微細凹部を安定に形成することができる微細凹部加工方法と共に、この方法によって形成された微細凹部を備えた摺動部品を提供する。【解決手段】熱処理によって硬化している被加工物に研削加工を施すことによって、硬化した被加工物の表層部に白層と焼戻し層を形成し、研削加工の最終段階におけるスパークアウト、あるいは超仕上加工やマイクロフィニッシュ加工などによる後加工によって白層部分を除去した上で、軟化層である焼戻し層に微細凹部を形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱処理によって硬化している被加工物表面に微細凹部を形成するに際して、
上記被加工物に研削加工を施して、硬化した被加工物の表層部に軟化層を形成させ、軟化させた被加工物表面に微細凹部を形成することを特徴とする微細凹部加工方法。
【請求項２】
研削加工によって上記被加工物の表層部に白層と焼戻し層を形成させ、スパークアウトにより白層部分を除去した上で微細凹部を形成することを特徴とする請求項１に記載の微細凹部加工方法。
【請求項３】
研削加工によって上記被加工物の表層部に白層と焼戻し層を形成させ、後加工により白層部分を除去した上で微細凹部を形成することを特徴とする請求項１に記載の微細凹部加工方法。
【請求項４】
上記後加工が砥石を用いた超仕上加工であることを特徴とする請求項３に記載の微細凹部加工方法。
【請求項５】
上記後加工が研摩フィルムを用いた研摩加工であることを特徴とする請求項３に記載の微細凹部加工方法。
【請求項６】
上記後加工がマイクロフィニッシュ加工であることを特徴とする請求項３に記載の微細凹部加工方法。
【請求項７】
上記微細凹部を塑性加工により形成することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つの項に記載の微細凹部加工方法。
【請求項８】
上記塑性加工がマイクロロールフォーミングであることを特徴とする請求項７に記載の微細凹部加工方法。
【請求項９】
上記塑性加工が圧子を用いた押込み加工であることを特徴とする請求項７に記載の微細凹部加工方法。
【請求項１０】
上記塑性加工が型を用いた転写加工であることを特徴とする請求項７に記載の微細凹部加工方法。
【請求項１１】
上記微細凹部を切削加工により形成することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つの項に記載の微細凹部加工方法。
【請求項１２】
微細凹部の形成時に発生した盛り上がりを除去することを特徴とする請求項７〜１０のいずれか１つの項に記載の微細凹部加工方法。
【請求項１３】
上記盛り上がりを砥石を用いた超仕上加工により除去することを特徴とする請求項１２に記載の微細凹部加工方法。
【請求項１４】
上記盛り上がりを研摩フィルムを用いた研摩加工により除去することを特徴とする請求項１２に記載の微細凹部加工方法。
【請求項１５】
上記盛り上がりをマイクロフィニッシュ加工により除去することを特徴とする請求項１２に記載の微細凹部加工方法。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれか１つの項に記載の方法により微細凹部加工された摺動面を備えていることを特徴とする摺動部品。
【請求項１７】
クランクシャフトであることを特徴とする請求項１６に記載の摺動部品。
【請求項１８】
カムシャフトであることを特徴とする請求項１６に記載の摺動部品。
【請求項１９】
バランサシャフトであることを特徴とする請求項１６に記載の摺動部品。
【請求項２０】
ピストンピンであることを特徴とする請求項１６に記載の摺動部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、自動車用エンジンにおけるクランクシャフトやカムシャフトのジャーナル部など、摺動接触を伴う部材の外周面などに、低フリクション化を実現するために、油だまりとして機能する微細凹部を形成する方法に係わり、特に高周波焼入れなどの熱処理を施すことによって硬化した被加工物の表面に、工具を損傷することなく微細凹部加工を施すための方法と、このような方法によって形成された微細凹部を備えた摺動部品に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、被加工物の表面に微細な凹部を形成する方法としては、ショットブラストによるものがあった（例えば、特許文献１参照）。
この方法は、例えば自動車用エンジンのシリンダブロックのボア内周面に対して、セラミックス等から成るブラスト材を噴射して、蒸気内周面に微細な凹部を形成するものであるが、このような方法では、形成された微細凹部の形状がランダムであって、凹部の幅や深さを規則的に配置することが困難であると共に、連続的な凹部（溝状）を形成することはほとんど不可能である。
【特許文献１】特開２００２−３０７３１０号公報
【０００３】
そこで、特許文献２には、回転自在の加工ローラと、被加工物に対して加工ローラを加圧する圧縮コイルばねと、圧縮コイルばねによって加工ローラにかかる荷重を検出するロードセルを備えた装置を用いて、所定の荷重で被加工物を加工ローラで加圧しながら加工ローラを転動させることによって、被加工物の表面に微細な凹部を形成することが提案されている。
【特許文献２】特開２００４−２２３５７０号公報
【０００４】
そして、クランクシャフトのジャーナル部やクランクピン部分に微細凹部を形成するには、鍛造後、研削加工されたシャフト素材の被加工面をラッピング加工し、上記のような加工ローラを被加工面に押し付けることによって、微細凹部を形成したのち、凹部の周縁部に生じた盛上がり部を、例えば超仕上加工等によって除去するようにしていた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記したクランクシャフトやカムシャフトにおいては、例えばＳ４５Ｃなどに代表される炭素鋼から成る素材に対する高周波焼入れや、肌焼鋼素材に対する浸炭焼入れなどの表面硬化処理を施したものがある。
一方、上記した微細凹部加工方法においては、エッジ形状あるいは微小な曲率を有する鋭利な先端部を備えた加工ローラを被加工材に押し付けるようにしていることから、上記のような高硬度材に微小凹部を形成するには、高い押し付け荷重が必要となり、加工ローラ先端のエッジ部分に応力が集中する結果、ローラ先端部が極めて欠け易く、加工ローラの工具寿命が短くなるという問題点があった。
【０００６】
本発明は、従来の微細凹部加工、特に熱処理によって硬化した被加工物の表面に対する微細凹部加工における上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、熱処理により硬化した被加工面にも、工具を損傷することなく微細凹部を形成することができる微細凹部加工方法と、この方法によって形成された微細凹部を備えた摺動部品を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を行った結果、硬化した被加工物の表層部に研削加工によって軟化層を形成させ、軟化層表面に微細凹部を形成するようになすことによって、加工ローラなどの微細凹部加工工具の押付け荷重を低減できることを見出し、本発明を完成するに到った。
【０００８】
本発明は上記知見に基づくものであって、本発明の微細凹部加工方法は、熱処理によって硬化している被加工物表面に微細凹部を形成するためのものであって、被加工物に研削加工を施すことによって、硬化した被加工物の表層部に軟化層を形成し、軟化させた被加工物の表面に微細凹部を形成することを特徴としている。
【０００９】
また、本発明の摺動部品は、例えばクランクシャフトやカムシャフト、バランサシャフト、ピストンピン等であって、上記した方法によって加工された微細凹部を相手部材との摺動面に備えていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、熱処理によって硬化した被加工面に研削加工を施し、これによって軟化した表層面に微細凹部を形成するようにしているので、被加工物のごく表層部のみを軟化させることができ、被加工物の剛性を保持することができる。
そして、微細凹部加工における加工ローラなどの工具の押し付け荷重を低減することができることから、工具先端部にかかる応力が小さくなって工具の欠けや折損が防止され、工具の耐用寿命を延ばしつつ、熱処理により硬化させた摺動面にも微細凹部を安定に形成して、低摩擦低摩耗特性を発揮させることができるという極めて優れた効果がもたらされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の微細凹部加工方法の実施形態について、詳細且つ具体的に説明する。
【００１２】
本発明の微細凹部加工方法は、熱処理によって硬化した被加工物に研削加工を施すことによって、当該被加工物の表層部、すなわち表面から３０μｍ以内の部位に軟化層を形成し、軟化させた被加工物の表面に微細凹部を形成するようになすものであるが、具体的には、硬化した被加工物の表層部に研削加工によって白層と焼き戻し層を形成させ、当該研削加工の最終段階で工具の送りを停止するスパークアウトを実施することによって上記白層部分を除去したのち、被加工物の最表面に出てきた焼戻し層に微細凹部加工を施すことができる。
【００１３】
また、硬化した被加工物の表層部に研削加工によって白層と焼戻し層を形成させたのち、白層部分を後加工、例えば砥石を用いた超仕上加工や、研摩フィルムを用いた研摩加工（ラッピング加工）、あるいはマイクロフィニッシュ加工などによって除去し、最表面に出てきた焼戻し層に上記同様に微細凹部を形成するようになすことができる。
【００１４】
この場合、スパークアウトによる上記方法に対して、表面に残る焼戻し層の量のコントロールが可能になる。
また、被加工物の表面粗さを向上させながら、被加工物の表面に発生した白層を除去することができ、製品の摺動抵抗を低減することができると共に、このような後加工によって、圧縮残留応力を付与することができ、製品の疲労強度を向上させることができる。
【００１５】
なお、超仕上加工とは、細かい砥粒から成り、結合度の比較的低い砥石を用い、低い圧力で被加工物表面に押し付け、被加工物を回転あるいは直線運動をさせながら、砥石を振動させて仕上る加工方法である。
【００１６】
ラッピング加工とは、研摩フィルムを柔らかいウレタンゴムでバックアップして被加工物に適当な圧力で押し付けた状態で、互いに摺動させる加工方法であって、一般の研削よりも良好な仕上面性状が得られるものである。
そして、マイクロフィニッシュ加工とは、非圧縮性のポリッシングフィルムをソリッドのストーンでバックアップして、被加工物に適当な圧力で押し付けた状態で、被工作物を低速回転で少量高速オシレーションするといった仕上げ加工方法を意味し、ラッピング加工が表面粗さ向上のみを期待されているのに対し、マイクロフィニッシュ加工は、表面粗さと同時に真円度などの形状修正が行なえるという特徴がある。
【００１７】
一方、軟化させた被加工物の表面に微細凹部を形成するに際しては、マイクロロールフォーミングや押込み加工（インデント加工）、あるいは転写加工等といった塑性加工を適用することができる。
【００１８】
ここで、マイクロロールフォーミングとは、所望の微細凹部の形状に対応した突起を外周に配置したロールを回転させながら被加工面に押し付けることによって微細凹部を形成するものであり、押込み加工においては、所望の微細凹部の形状に対応した突起形状の圧子を、転写加工においては、所望の微細凹部の形状に対応した突起を備えた雄型を被加工面に押し付けることによって微細凹部を形成するものであって、このような塑性加工を採用することによって、所望の形状の微細凹部を低コストのもとに、簡単且つ高精度に形成することができる。
【００１９】
なお、微細凹部を上記のような塑性加工によって形成した場合には、微細凹部の周縁部に、加工による盛り上がりが生じることが多い。そこで、このような場合には、後加工によって盛り上がり部分を除去することが望ましい。
そして、当該後加工方法としては、上記のような超仕上加工や、研摩加工、マイクロフィニッシュ加工、さらにはラッピング加工などを適用することができ、これによって、微細凹部加工によって生じた盛り上がりを除去しながら、表面粗さを向上させることができる。
【００２０】
また、微細凹部を形成するには、上記のような塑性加工の他に、プレーナ加工、フライカット加工、エンドミル加工などの切削加工を採用することもでき、これによって高精度で自由度の高い微細凹部を形成することができる。
【００２１】
本発明の微細凹部加工方法は、熱処理を施した状態で使用される種々の摺動部品、例えばクランクシャフトやカムシャフト、バランサシャフト、ピストンピン等に適用することができ、これら部品の相手部材との摺動面、例えばクランクシャフトやカムシャフト、バランサシャフトにおけるジャーナル部、クランクピン部、カムロブ部、ピストンピンのピストンボア及びコンロッドとの摺接部に微細凹部を形成して、油だまりとして機能させることによって、これら部品の摩擦・摩耗特性が改善され、耐用寿命が向上すると共に、エンジン性能の向上が実現することになる。
【００２２】
なお、本発明において、微細凹部とは、数百μｍ以下、好ましくは数十μｍ以下の深さと、５０〜５００μｍの幅を備えた連続又は断続した溝状のもの、あるいは上記深さ及び幅を備えた円形又は楕円形のものを意味し、このような寸法、形状の凹部が規則的に配列されていることによって、上記のような油だまりとして機能し、摩擦係数や摩耗量の低減に寄与するものである。
【実施例】
【００２３】
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明は、これら実施例によって何ら制限されるものではない。
【００２４】
（１）高周波焼入れ
ＪＩＳ  Ｇ  ４０５１に規定される機械構造用炭素鋼Ｓ４５Ｃを用いて、該鋼材から径４０ｍｍ、幅１５ｍｍの試験片部に表面硬さが約５５〜６０ＨＲＣ、有効硬化層深さが約１〜４ｍｍとなるような条件で高周波焼入れを施した。
【００２５】
（２）研削
高周波焼入れを施した上記試験片に対して、研削ホイールとして＃１２０ビトリファイドボンドＣＢＮホイールを用いて円筒プランジ研削を施した。このとき、砥石周速度及び研削能率をそれぞれ２００ｍ／ｓ及び６．３ｍｍ３／ｍｍ・ｓと一定にする一方、被加工物の周速度と、クーラントの供給方法（供給圧）を変化させて、白層及び焼戻し層の厚さに及ぼす影響を調査した。その結果を表１に示す。また、これらの断面ミクロ組織の写真を図１〜３に示す。
なお、クーラントとしては水溶性クーラント（ソリュブルタイプ）を使用すると共に、研削最終段階におけるスパークアウトは行なわなかった。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
表１及び図１〜３に示した結果から明らかなように、被加工物の周速度を３．３ｍ／ｓから１．０ｍ／ｓと遅くすることによって、白層及び焼戻し層の厚さが２μｍ及び１０μｍ程度から、それぞれ１０μｍ及び２０μｍ程度に増加し、クーラントの供給圧を減じて被工作物の冷却速度を遅くすることによっても、それぞれ８μｍ及び１５μｍ程度に増加することが確認され、これらの研削条件の調整によって白層及び焼戻し層の大きさを制御できることが判明した。
【００２８】
なお、上記した被加工物周速度やクーラント供給圧以外の条件を調整することによっても白層及び焼戻し層の大きさを制御できることが確認されている。
【００２９】
例えば、研削能率を高めることによって白層及び焼戻し層を大きくすることができる。また、砥石のドレッシング条件によっても調整することができ、例えばドレッシングリードを小さくとることによって、あるいは砥石周速度／ドレッサ周速度の比を小さくすることによっても白層及び焼戻し層の大きさを増すことができる。
さらには、研削加工の最終段階で工具の送りを停止するスパークアウトを行なうことによって、最表面の白層を減じることができ、この時間を長くとることによって、白層を完全に除去することができるようになる。
【００３０】
（３）白層除去
図４（ａ）に示すように、高周波焼入れ層Ｈの上に約１０μｍの厚さの焼戻し層Ｔと、約２μｍの厚さの白層Ｗが形成された試験片Ａ（表１参照）の表面に、ダイヤモンド、ＣＢＮ、ＧＣ、ＷＡ等の砥石を用いて超仕上加工を施こすことによって、図４（ｂ）に示すように、白層Ｗを除去し、焼戻し層Ｔを露出させた。
なお、上記焼戻し層Ｔの表面硬さは、約４５〜５０ＨＲＣであった。
【００３１】
また、ここでは、超仕上加工によって白層を除去する例を示したが、超仕上加工のみならず、ラッピングやマイクロフィニッシュ加工、研摩フィルムのよる研摩加工などによっても、白層を同様に除去できることは言うまでもない。
また、（２）の研削工程において、スパークアウトを行なうことによって、研削に引き続いて白層Ｗを除去することができ、約２μｍの白層Ｗを備えた上記試験片Ａの場合、スパークアウト時間を数秒とすることによって、白層Ｗの完全除去が可能であることを確認している。
【００３２】
（４）微細凹部加工
次に、白層Ｗを除去することよって現れた焼戻し層Ｔの表面に、所望の微細凹部の形状に対応した突起を外周に配置した加工ローラを用いたマイクロロールフォーミングによって微細凹部加工を施し、図４（ｃ）に示すように、焼戻し層Ｔの表面に深さ２〜５μｍ、幅５０〜１００μｍの溝状微細凹部Ｄを形成した。
このとき、高周波焼入れ層Ｈに研削加工を施すことなく、ラッピング加工の後、直接微細凹部を形成する場合には、少なくとも１５０Ｎの押付け荷重を加工ローラにかける必要があったのに対し、研削加工によって軟化層を形成させた当該実施例においては、１００Ｎ程度の押付け荷重でも十分な微細凹部加工が可能であることが確認され、工具寿命の延長につながるものと考えられる。
【００３３】
工具寿命の試験結果を図５に示す。
図５において、近似式が寿命の予測値を示すものであり、母材硬度が高いほど押付け荷重を大きくしないといけないため、繰返し数（工具寿命）が少なくなっていることを示している。
【００３４】
上記微細凹部加工は、上記ロールフォーミングの他、押込み加工や型による転写加工、さらには切削加工によっても可能であるが、上記のような塑性加工によって形成した場合には、図４（ｃ）に示したように、微細凹部Ｄの周囲に盛り上がりＰが発生するので、この盛り上がりＰを超仕上加工により除去することによって、図４（ｄ）に示すように微細凹部加工が終了する。
なお、上記盛り上がりＰの除去加工は、研摩フィルムによる研摩加工やマイクロフィニッシュ加工、ラッピング加工を適用しても差し支えない。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】研削加工によって焼戻し層と白層を形成させた高周波焼入れ層のミクロ組織を示す顕微鏡写真である。
【図２】研削加工における被加工物の周速度を遅くすることによって焼戻し層及び白層の厚さを大きくした高周波焼入れ層のミクロ組織を示す顕微鏡写真である。
【図３】研削加工におけるクーラントの供給圧を低くすることによって焼戻し層及び白層の厚さを大きくした高周波焼入れ層のミクロ組織を示す顕微鏡写真である。
【図４】（ａ）〜（ｄ）は高周波焼入れ層に微細凹部を形成する工程を順次示す工程図である。
【図５】ローラ耐久における工具寿命の試験結果を示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
Ｔ    焼戻し層（軟化層）
Ｗ    白層
Ｄ    微細凹部
Ｐ    盛り上がり
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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