(57)【要約】【課題】耐摩耗性が高く、摺動抵抗が低い、優れた摺動特性を示す摺動部品及びその製造方法を提供する。【解決手段】外周に曲面の摺動面を有する摺動部品１０において、摺動面１１は、切削工具に超音波を重畳させて旋盤切削加工した加工面により構成されている。摺動面１１には、螺旋状に連続する帯状の切削加工痕が形成され、この切削加工痕には、円周方向、すなわち切削方向に凹凸が繰り返し形成されている。超音波旋盤切削法によれば、耐摩耗性は高いが硬く加工が難しい材料であっても、比較的容易に高精度に加工することができるので、後処理による表面硬化処理が不要になり、且つ加工と同時に摺動抵抗低減のための油溜まりとなるテクスチャーを制御性高く形成することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周に曲面の摺動面を有する摺動部品であって、
前記摺動面は、切削工具に超音波を重畳させて旋盤切削加工した加工面であることを特徴とする摺動部品。
【請求項２】
前記摺動面は、螺旋状に連続する帯状の切削加工痕を有し、この切削加工痕には、円周方向に凹凸が繰り返し形成されていることを特徴とする請求項１記載の摺動部品。
【請求項３】
外周に曲面の摺動面を有する摺動部品の製造方法であって、
前記摺動面を、切削工具に超音波を重畳させて旋盤切削加工により加工することを特徴とする揺動部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、油圧バルブのような摺動機構を有する機械製品において、超音波を重畳した切削加工方法により、所望の形状に加工すると同時に、加工面に超音波加工特有の微細な規則性のあるテクスチャーを形成し、このテクスチャーが油潜まりを形成し、摺動部の摩擦力を低減し耐摩耗性を向上させた、摺動部品並びにその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
摺動部品の摩擦力低減や摩耗を防止するために、一般的には摺動面を硬くし、且つ摺動面に潤滑油を供給し、摺動部品が油膜を介して接触するようにする方法がとられている。表面を硬くする方法としては、焼入れ、浸炭、窒化等の熱処理方法が多用される。一方、油膜が切れると、一気に摩擦力や摩耗が増加するため、摺動面に常に油膜を形成しておくことが肝要であり、そのため、摺動面に凹凸の油溜まりを形成する方法がいろいろ試みられてきた。
【０００３】
例えば、旋盤、フライス盤等の工作機械による切削、研削、研磨等の機械加工を施して金属成品の表面粗さを向上させる方法、摺動部の表面を少量ずつ削り取るきさげ加工方法、金属加工面にサンドブラストやショットピーニングなどの処理をして表面に凹面のディンプルを形成する方法（例えば、特許文献１参照）、パルス状のＹＡＧレーザーを照射し制御されたディンプルを形成する方法（例えば、特許文献２参照）、などが代表的な例である。
【０００４】
一方、研削時にマイクロ波を重畳させる研削加工法が検討されている（例えば、非特許文献１参照）。振動を重畳させることで、研削砥石に埋め速まれた砥粒により加工面に凹凸のテクスチャーが形成され、このテクスチャーに油溜まりの効果が期待されている。研削の場合は砥石を使用するが、砥石にはＣＢＮ（立方晶窒化ホウ素）やダイヤモンド粒などの砥粒が埋め込まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３２１２４３３号公報
【特許文献２】特許第３８９０４９５号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】平成２２〜２４年度戦略的基盤技術高度化支援事業「マイクロ超音波・電解ハイブリッド内面加工装置の開発」研究開発成果報告書（平成２５年３月）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、耐摩耗性の高い硬い材料は加工が難しい。また、加工しやすい材料で所望の形状に加工してから、後処理で表面を硬化し、さらに後加工で潤滑油の油溜まりとなる凹凸を形成するのは、加工工程が増え生産性が極端に低下してしまう。
また、サンドブラストやショットピーニングなどの処理の場合、形状や分布を制御された凹みディンプルの形成は困難である。
研削の場合は、ＣＢＮ（立方晶窒化ホウ素）やダイヤモンド粒などの砥粒埋め込み砥石を使用するが、形状やサイズにも分布がある砥粒が不規則に埋め込まれており、テクスチャーの形状や分布を制御するのは難しい。摺動特性は、摺動面のテクスチャー形状や分布に大きく依存するため、摺動部材や摺動機構に即した制御性の高いテクスチャー形成技術が求められる。
【０００８】
本発明は、このような問題に基づきなされたものであり、耐摩耗性が高く、摺動抵抗が低い、優れた摺動特性を示す摺動部品及びその製造方法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】
【０００９】
本発明の摺動部品は、外周に曲面の摺動面を有するものであって、摺動面は、切削工具に超音波を重畳させて旋盤切削加工した加工面であるものである。
【００１０】
本発明の摺動部品の製造方法は、外周に曲面の摺動面を有する摺動部品を製造するものであって、摺動面を、切削工具に超音波を重畳させて旋盤切削加工により加工するものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、摺動面を切削工具に超音波を重畳して旋盤切削加工するようにしたので、耐摩耗性は高いが硬く加工が難しい材料であっても、比較的容易に高精度に加工することができる。よって、油溜まりとなるテクスチャーを制御性高く形成することができ、耐摩耗性が高く、摺動抵抗が低い、優れた摺動特性を示す摺動部品を容易に得ることができる。また、後処理による表面硬化処理が不要になり、且つ加工と同時に摺動抵抗低減のための油溜まりとなるテクスチャーを制御性高く形成することができるので、生産性を大幅に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施の形態に係る摺動部品の構成を表す図である。
【図２】慣行の切削法と超音波切削法で加工した摺動面の光学顕微鏡写真である。
【図３】慣行の切削法と超音波切削法で加工した摺動面の切削方向における表面粗さの測定結果を表す特性図である。
【図４】摩擦力の測定原理を説明する図である。
【図５】試験時間が５５秒〜７５秒までの摩擦係数の測定データを示す特性図である。
【図６】試験時間が４７０秒〜４９０秒までの摩擦係数の測定データを示す特性図である。
【図７】往復摺動回数における摩擦係数の変化を表す特性図である。
【図８】往復摺動回数における摩擦係数の変動率を表す特性図である。
【図９】往復摺動回数における摩擦係数の標準偏差を表す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本発明の一実施の形態に係る摺動部品の構成を表すものである。この摺動部品１０は、外周に曲面の摺動面１１を有するものであり、この摺動面１１は、切削工具に超音波を重畳させて旋盤切削加工した加工面により構成されている。摺動面１１は、例えば、円柱面であり、直径の異なる複数の円柱面を有していてもよい。また、円錐面や円錐台の側面のように少なくとも一部がテーパー状となっていてもよい。
【００１５】
このように、切削加工の際に、加工工具に超音波を重畳させる加工方法は、超音波切削加工法として知られている。超音波切削加工法では、加工刃を超音波振動させ、加工刃が被切削物に周期的に作用することで加工がなされる。そのため、常時刃先が被切削物に接触したまま加工が進む慣行の切削方法に比較し、加工部位の発熱が抑制され切削工具への負荷も軽減され、また切削時の応力が刃先に集中し被切削物へのダメージも低いという優れた特徴があり、硬度の高い難削材の加工に適している。
【００１６】
しかし、超音波切削加工法では、切削速度を３０ｍ／ｍｉｎ程度に遅くした場合には、上述したように優れた効果を得ることができるが、汎用旋盤加工の一般的切削速度、例えば１５０ｍ／ｍｉｎ〜２５０ｍ／ｍｉｎｄと速くすると、加工刃が被切削物から離れないので、常時刃先が被削物に接触したまま加工が進む慣行の切削方法と変わらなくなり、超音波を重畳する効果は発揮されないと言われてきた。そのため、超音波切削加工法は切削速度を速くすることができず、生産効率が悪く、数多く加工するような生産には利用されていなかった。
【００１７】
ところが、発明者等の研究成果（原圭祐，磯部浩已，佐藤拓郎，佐藤守穂「超音波振動援用高速切削に関する研究（第４報）−電磁ステンレス鋼の高速振動切削−」２０１４年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集  ｐ．６２５−６２６（２０１４））によれば、外周に曲面の摺動面１１を有する摺動部品１０について、摺動面１１を切削工具に超音波を重畳させて旋盤切削加工する場合に、切削速度を例えば１５０ｍ／ｍｉｎ〜２５０ｍ／ｍｉｎと速くし、加工刃が被切削物から離れないと言われていた切削速度にしても超音波振動力を高めることにより、低い切削速度で超音波を重畳した場合と同様の効果を得ることができる。このように、超音波切削方法によれば、切削速度に関わらず、切削工具が被切削物に超音波振動により周期的に作用するため、加工面には、周期的なテクスチャーが必然的に形成されることが分かった。
【００１８】
図２に、ＳＵＳ３０４、直径１１ｍｍの円柱状部材について、超音波を重畳しない慣行の旋盤切削法で切削した時の加工面の顕微鏡写真と、同じ材料を、超音波旋盤切削法で切削した時の加工面の顕微鏡写真を比較して示す。また、図３に、この加工面の切削加工方向の凹凸を測定した結果を示す。図２に示したように、慣行法ではほぼ平坦な連続した切削痕が続いているが、超音波旋盤切削法では、形状とピッチが制御された綺麗なテクスチャーが形成されている。具体的には、超音波旋盤切削法による摺動面１１には、螺旋状に連続する帯状の切削加工痕が形成され、この切削加工痕には、円周方向、すなわち切削方向に凹凸が繰り返し形成されている。
【００１９】
このテクスチャーは、超音波旋盤切削法で加工すれば、加工と同時に形成される。また、この超音波旋盤切削法により形成されたテクスチャーは、油溜まりとして作用すると考えられ、これにより摺動面１１の摩擦係数が小さくなり、耐摩耗性が向上する。テクスチャーの高さや深さは振幅と切込量を変えることで、ピッチは超音波振動数と切削速度の組み合わせで、それぞれ最適の値に容易に制御形成できる。このようにして形成したテクスチャー面を油潤滑摺動面とした場合、テクチャーが良好な油溜まりとして機能し、摩擦力低減に大きく寄与する。なお、摩擦力は、例えば、次のようにして測定できる。
【００２０】
摩擦力は、例えば、図４に示した装置により測定することができる。具体的には、例えば、ステージ２１が配設された測定容器２２に潤滑油２３を満たし、ステージに摺動部品１０を固定して、測定子２４を摺動面１１に当てて測定子２４に垂直静荷重（Ｎ）を加え、この状態で摺動部品１０が固定されていえるステージ２１を往復運動させ、ロードセルにより摩擦力（Ｆ）を求める。なお、摩擦の大きさを表す、摩擦係数（μ）は垂直静荷重（Ｎ）及び摩擦力（Ｆ）から下記式１で求められる。
（式１）    μ＝F÷N
【００２１】
摺動部品１０は、例えば、金属材料により構成され、耐摩耗性の高い硬い材料により構成されることが好ましい。例えば、ソレノイドバルブの芯材等の摺動部品１０では、耐摩耗性の高い硬い材料として、鉄コバルト系の電磁ステンレス鋼ＫＭ−３８、ＫＭ−４５（東北特殊鋼（株））等が使用される。硬い材料は加工が難しいが、超音波旋盤切削法によれば、比較的容易に所望の形状に加工をすることができる。
【００２２】
超音波旋盤切削法で摺動部品を加工する効果を纏めると以下のようになる。
（１）耐摩耗性の高い難削材が使えるので、表面硬化のための後処理が不要となる。
（２）形状加工と同時に油溜まりの役割をする、テクスチャーが形成できる。
（３）油溜まりとなるテクスチャーを規則的に形成でき、摺動抵抗低減効果が大きい。
（４）テクスチャーのピッチ、高さや深さを容易に最適の値に制御できる。
このように、本実施の形態によれば、高精度加工、高耐摩耗性、低摺動抵抗の、高性能の摺動部品を生産性高く提供できるようになる。よって、摺動部品となる材料を超音波旋盤切削法で所望の形状に加工すれば、そのまま摺動特性に優れた摺動部品として実用に供することができる。
【実施例】
【００２３】
ＳＵＳ３０４、直径１１ｍｍの円柱状部材を用意し、超音波を重畳しない通常慣用切削法と超音波旋盤切削法とでそれぞれ切削加工を行い、摺動部品１０を得た。各切削法における条件を表１に示す。
【００２４】
【表１】
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【００２５】
得られた摺動部品１０の摺動面１１の光学顕微鏡写真は図２に示した通りであり、摺動面１１の切削方向における表面粗さの測定結果は図３に示した通りである。図２及び図３に示したように、超音波旋盤切削法により加工した摺動面１１には、特有の規則性の高いテクスチャーが形成されていた。
【００２６】
また、得られた摺動部品１０について、図４に示したようにして摩擦力を測定した。測定装置には、トライボマスターＴｙｐｅμＶ１０００を使用し、摺動部品１０を横にして潤滑油２３に浸漬し、両端をステージ２１に固定し、測定子２４には、端面を研磨したＳＵＳ３０３よりなる直径４ｍｍの円柱状棒を用い、端面を摺動面１１に当てて垂直に立て、垂直静荷重４．９Ｎを加え、ステージを１０ｍｍ／ｓｅｃの速度で往復運動をさせた。摩擦力はステージ移動時の力をロードセルにより求めた。また、垂直荷重と得られた摩擦力から摩擦係数を求めた。
【００２７】
図５から図９に得られた結果を示す。図５は、試験時間が５５秒〜７５秒までの摩擦係数の測定データを示すものであり、図６は、試験時間が４７０秒〜４９０秒までの摩擦係数の測定データを示すものである。なお、摩擦係数の正負は、往復すべり運動における摩擦力の作用方向に対応している。図７は、往復摺動回数における摩擦係数の変化を示すものであり、図８は、往復摺動回数における摩擦係数の変動率を示すものであり、図９は、往復摺動回数における摩擦係数の標準偏差を示すものである。なお、図７に示した摩擦係数は、各回摺動時の平均摩擦係数である。
【００２８】
図５及び図６を見れば分かるように、超音波旋盤切削法により加工した摺動部品１０によれば、通常慣用切削法に比べて、すべり運動中の摩擦係数の変動が小さく、かつ、摩擦係数平均値も小さかった。また、超音波旋盤切削法により加工した摺動部品１０の方が、通常慣用切削法に比べて、摩擦係数が５０％以上小さかった。
【００２９】
更に、図７に示したように、超音波旋盤切削法により加工した摺動部品１０によれば、２００回までの往復摺動回数において、摩擦係数は安定して０．１５以下と非常に小さい値であった。これに対して、通常慣用切削法では、往復摺動回数が増えると摩擦係数は大きくなり、往復摺動回数が３０回を過ぎたあたりで摩擦係数は０．２を超え、更に往復摺動回数が増えると、摩擦係数は更に大きくなった後、小さくなる傾向が見られたが、０．２よりも大きな値であった。
【００３０】
加えて、図８に示したように、超音波旋盤切削法により加工した摺動部品１０によれば、２００回までの往復摺動回数において、摩擦係数の変動は小さく、いずれも５０％以下であったのに対して、通常慣用切削法では、全体的に６０％を超える場合が多く、１００％を超える場合もあった。更にまた、図９に示したように、超音波旋盤切削法により加工した摺動部品１０によれば、２００回までの往復摺動回数において、摩擦係数の標準偏差は小さく、いずれも０．０１１程度であったのに対して、通常慣用切削法では、０．０３を超える場合が多く、０．０５を超える場合もあった。
【００３１】
以上の結果より、超音波旋盤切削法よれば、摩擦係数を安定して小さくすることができることが分かった。すなわち、超音波旋盤切削法よれば、耐摩耗性が高く、摺動抵抗が低い、優れた摺動特性を得ることができることが分かった。
【００３２】
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
回転運動や直線運動をする摺動部品に用いることができる。
【符号の説明】
【００３４】
１０…摺動部品、１１…摺動面、２１…ステージ、２２…測定容器、２３…潤滑油、２４…測定子
【図１】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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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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【図６】
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