JP2007520665A - 作業面とその製造システム - Google Patents

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Abstract

本発明の機械要素は、液体に接触する第１の作業面を有するワークピースを有し、前記第１の作業面は少なくとも１つの液体排斥領域を有し、前記液体排斥領域は、液体と相互作用し、前記液体排斥領域の無次元数の特性である「ぬれ係数」が０．９５以下である。

Description

本発明は、作業面を有するワークピースに関し、特に、作業面とこの作業面を生成するシステムに関する。
機械的に相互作用する表面の摩擦と摩耗とを減らすために、潤滑剤が相互作用する領域に導入される。図１Ａに示すように、理想的な潤滑状態においては、対向する表面３２と３４の間の潤滑フィルム２０は、相対速度Ｖで移動するが、可動表面が潤滑剤と相互作用できるような無接触層を形成する。このような状態においては、表面３２と３４との間の接触は全く起こらず、潤滑層が対向する表面の間に存在する負荷Ｐを担持すると言われている。潤滑剤の供給が不十分であると、潤滑の効率が下がり、これにより表面間の相互作用が発生する。
図１Ｂに示すように、潤滑剤の供給が、あるレベル以下になると、相対移動する対向する表面３２と３４との距離が、負荷Ｐのために減少し、その結果表面の凹凸（即ち表面から突出した表面材料のピーク）が相互作用するようになる。かくして、例えばラップ盤３４の凹凸部３６は、作業面３２の凹凸部３８と物理的に接触し、相互作用することになる。極端な状態においては、表面３２，３４の凹凸が、相互作用する表面の間に存在する負荷の全てを担持する。この状態においては、時に境界潤滑状態と称するが、潤滑剤は効かず、摩擦と摩耗が激しい。
M.Levitin and B.Shamshidov in "A Disc on Flat Wear Test Under Starved L.ubrication", Tribotest Journal 4-2, December,(4), 159,
研削（Grinding）とラッピング（lapping ）は、表面の品質（例、表面仕上げ）を改善し、中でも様々な摩耗のアプリケーションにおける作業面を生成する従来の方法である。図１Ｃ(i)-(ii)は、従来のラッピングプロセスで調整され（条件付けられ）た作業面を示す。図１Ｃ(i)においては、ワークピース３１の作業面３２は、ラップ盤３４の接触面３５と向かい合う。研削材（abrasive）粒子を含む研削材ペーストが、その一部を研削材粒子３６として示すが、作業面３２と接触面３５との間に配置される。ラップ盤３４の接触面３５は、作業面３２に比較して軟らかい材料で形成されている。研削材粒子の組成とサイズの分布は、設計に従って例えば所定の最終仕上げを達成するために、表面の粗さを減らすために、作業面３２を容易に摩耗させるよう選択される。
負荷が、作業面３２と接触面３５の法線方向にかけられ、これにより研削材粒子３６が作業面３２と接触面３５に食い込み、圧力Ｐが作業面３２内に食い込まれた研削材粒子３６の断面にかかる。研削材粒子３６が作業面３２内に食い込む深さをha1とし、研削材粒子３６が接触面３５内に食い込む深さをhb1とする。一般的に研削材粒子３６がラップ盤３４内に組み込む量hb1は、ワークピース３１への食い込み量ha1よりも大きい、即ちhb1>ha1である。
図１Ｃ(ii)において、ワークピース３１とラップ盤３４とは、相対速度Ｖで移動する。ワークピース３１とラップ盤３４との間の相対速度Ｖと圧力Ｐは、研削材粒子３６が、ナイフのように機能して、ワークピース３１から表面材料のチップを削り取るような大きさである。
低速の相対速度においては、研削材粒子３６は事実上停止している。しかし図１Ｃ(ii)に示すように、相対速度Ｖの選択は、速度に応じて生成される剪断力Ｑが圧力Ｐに対し十分大きく、その結果、研削材粒子３６にかかる合成力ベクトルＦの方向に、研削材粒子３６が回転するように行われる。研削材粒子３６に接触しているラップ盤３４の材料は、研削材ペースト内の粒子に比較し、堅い（即ち低弾性の）ために、これらの粒子は通常急速に削られ、その結果研削材ペーストは、頻繁に供給しなければならない。
公知の技術においては、研削（grinding）、ラッピング（lapping）、研磨（polishing）、切削（cutting）は、例えば金属、セラミック、ガラス、プラスッチック、木材等の材料に対し行われ、結合された研削材、例えば砥石車、コーティングされた研削材、非固定／浮遊研削材、研削材・切削工具等を用いて行なわれる。研削材粒子は、ラッピング・プロセスの切削手段でもあるが、天然材か人工（合成）材のいずれかであるが、被切削材料よりも遙かに硬い材料である。結合、塗布、浮遊の研削材・アプリケーションで最も一般的に用いられる研削材は、ガーネット、アルファアルミナ、シリコンカーバイト、ボロンカーバイト、立方晶ボロンナイトライド、ダイアモンドである。これらの材料の相対硬度を以下の表に示す。
材料 Knoop硬さ番号
ガーネット 1360
アルファアルミナ 2100
シリコンカーバイト 2480
ボロンカーバイト 2750
立方晶ボロンナイトライド 4500
ダイアモンド（単結晶） 7000
研削材の選択は、通常経済性、必要とされる最終仕上げ、被研削材料に支配される。上記の研削材のリストは硬さが大きくなる順であるが、同時に値段の高い順でもある。ガーネットが最も安くダイアモンドが最も高い。
一般的に軟らかい研削材は軟らかな材料を削るために、硬い研削材は硬い材料を削るために選択されるが、これは、様々な研削材のコストの観点から決められる。当然のことながら例外もある。例えば硬い材料を実際に効率的に切削できる非常に粘着性の高い材料もある。更に、研削材粒子が硬くなるにつれて、研削材の単位体積あるいは単位重量あたり、研削材が除去できる量も増える。超研削材は、ダイアモンドと立方晶ボロンナイトライドを含み、両者は共に様々なアプリケーションで用いられる。
公知のラッピングの方法とシステムは、幾つかの下記のような欠点がある。
（１） ラップ盤の接触面は、最終的に研削材により消耗され取り替える必要がある。ある一般的なアプリケーションにおいては、ラップ盤の接触面は、約５０個のワークピースを処理した後、取り替えられる。
（２） 研削材ペーストの特性（ペーストの形成を含む）と、研削材粒子の硬さと、研削材粒子の粒子サイズ分布（Particle Size Distribution）に影響される。
（３） ラッピングプロセスにおける様々な処理パラメータに影響される。
（４） ラッピングプロセスは一般的に数回のラッピング段で行なわれ、各段で様々な物理的特性を有する研削材ペーストが用いられる。
それ故に、作業面を改善したワークピースを有する必要がある。更に公知のラッピング技術の明白な欠点を解決し改善した作業面を提供する必要がある。
本発明は、改善した作業面とこのような作業面を生成するシステムである。
本発明によれば、本発明の機械要素は、（ａ）液体に接触する第１の作業面を有するワークピースを有し、前記第１の作業面は少なくとも１つの液体排斥領域を有し、前記液体排斥領域は、液体と相互作用し、前記液体排斥領域は、無次元数の特性であるぬれ係数（characteristic dimentionless wetting coefficient）が０．９５以下である。
本発明の更なる特徴によれば、前記液体排斥領域のぬれ係数が、０．８以下であることを特徴とする。
本発明の更なる特徴によれば、前記液体排斥領域のぬれ係数が、０．６以下であることを特徴とする。
本発明の更なる特徴によれば、前記液体排斥領域のぬれ係数が、０．３以下であることを特徴とする。
本発明の更なる特徴によれば、前記液体排斥領域のぬれ係数が、０．２以下であることを特徴とする。
本発明の更なる特徴によれば、前記液体排斥領域のぬれ係数が、０．１以下であることを特徴とする。
本発明の更なる特徴によれば、（ｂ）金属製の前記第１作業面に対向して配置された第２表面と、（ｃ）前記第１作業面と前記第２表面との間に配置された液体とを更に有し、前記第１作業面と前記第２表面の少なくとも一方が、負荷を担持することを特徴とする。
本発明の更なる特徴によれば、前記液体は、潤滑剤であることを特徴とする。
本発明の更なる特徴によれば、金属製の前記第１作業面は、スチール（鋼）製作業面を有することを特徴とする。
本発明の更なる特徴によれば、金属製の前記第１作業面は、ブロンズ（青銅）製あるいは他の材料製の作業面を有することを特徴とする。
本発明の更なる特徴によれば、金属製の前記第１作業面は、前記液体排斥領域の間に挿入された少なくとも１つの液体滞留領域を有することを特徴とする。
本発明の更なる特徴によれば、金属製の前記第１作業面は、前記液体排斥領域の間に挿入された少なくとも１つの凹部を有することを特徴とする。
本発明の更なる特徴によれば、前記少なくとも１つの凹部は、複数の溝を有し、その溝の最大深さは、５−３０ミクロンの範囲内にあり、その幅は、１００−１０００ミクロンの範囲内にあることを特徴とする。
本発明の更なる特徴によれば、前記液体排斥領域の表面エネルギーは、前記液体の表面エネルギーよりも小さいことを特徴とする。
本発明の更なる特徴によれば、前記第２表面は、少なくとも１つの液体滞留領域を含むことを特徴とする。
本発明の更なる特徴によれば、（ａ） 作業面に対し相対的に移動する接触面を有し、前記接触面は、複数の研削材粒子との弾性的相互作用を少なくとも部分的に提供し、前記研削材粒子は、前記接触面と前記作業面との間に配置され、前記接触面のBrinell硬度は、２−１０kg/mm2の範囲内にあり、前記接触面の衝撃抵抗は、３０−７０kg-m/cm2の範囲内にあることを特徴とする。
本発明の更なる特徴によれば、（ｂ） 前記作業面は、前記接触面に対向して配置され、（ｃ） 前記研削材粒子は、前記接触面と前記作業面の間に配置されることを特徴とする。
本発明の更なる特徴によれば、前記接触面のBrinell硬度は、２−７kg/mm2の範囲内にあることを特徴とする。
本発明の更なる特徴によれば、前記接触面のBrinell硬度は、２．５−５kg/mm2の範囲内にあることを特徴とする。
本発明の更なる特徴によれば、前記接触面のBrinell硬度は、３．０−４．５kg/mm2の範囲内にあることを特徴とする。
本発明の更なる特徴によれば、前記接触面の衝撃抵抗は、４０−６０kg-m/cm2の範囲内にあることを特徴とする。
本発明の更なる特徴によれば、前記接触面の衝撃抵抗は、４５−５５kg-m/cm2の範囲内にあることを特徴とする。
本発明の更なる特徴によれば、前記接触面のBrinell硬度は、２．５−５kg/mm2の範囲内にあり、前記接触面の衝撃抵抗は、４０−６０kg-m/cm2の範囲内にあることを特徴とする。
本発明の更なる特徴によれば、前記接触面は、ラップ盤の上に配置される
ことを特徴とする。
本発明の更なる特徴によれば、前記研削材粒子は、アルミナ粒子を含むことを特徴とする。
本発明の更なる特徴によれば、前記接触面の組成は、ポリウレタンを含むことを特徴とする。
本発明の更なる特徴によれば、前記接触面の組成は、エポキシ材料を含むことを特徴とする。
本発明の更なる特徴によれば、前記接触面の組成は、ポリウレタンとエポキシ材料とを含むことを特徴とする。
本発明の更なる特徴によれば、前記接触面の組成は、ポリウレタンとエポキシ材料とを含み、その比率は重量比で９０対１０から７０対３０の範囲内であることを特徴とする。
本発明によれば相対的な滑り動作を行なう潤滑状態の表面を処理して、相互作用の間、摩耗と摩擦を減らす。最も一般的には、本発明の方法は、作業面を２つの領域に変える。一方の領域は高度に潤滑剤を排斥し、他方の領域は潤滑剤を滞留させる。この２つの領域は、以下に記載するように交互に配置される。
一方の領域は、作業面上に、潤滑剤をより多く滞留させる／吸引する構造が十分に分布する。本発明の概念を図２を参照して以下説明する。作業面は、これらの領域の組み合わせから構成される。「Ａ」で示された領域は潤滑剤を滞留／吸引させ、「Ｒ」で示された領域は潤滑剤を排斥／排除する。
本発明の好ましい実施例においては、潤滑剤を滞留させる／吸引する点に関する領域の差は、構造上の差が関与している。本発明のこの実施例のシステムの構造的態様を、図３Ａ−Ｂを参照して説明する。
図３Ａにおいて、シリンダ５０の表面構造は、１つあるいは複数の溝（谷部、凹部）、例えば螺旋溝５２がその表面に刻まれている。通常このような溝の最大深さは５−３０ミクロンの範囲で、幅は１００−１０００ミクロンの範囲である。元の表面に残った部分は１つあるいは複数の「うね」（山部、凸部）であり、この実施例においては「螺旋うね」５４である。かくしてシリンダ５０の外側は２つの領域を含む。即ち「うね」を含む凸部（皮相）領域と、溝を含む凹部領域である。
図３Ｂにおいて、金属スラブ６０が本発明に従って処理される。作業面は、他の要素（図示せず）との摩擦的相互作用が行われると、溝６２を有し、凹部領域を構成し、別の「うね」６４は、金属スラブ６０の作業面の皮相（凸部）領域を形成する。
領域パターン
上記したように、本発明の一実施例は、潤滑剤滞留／吸引領域としての「凹部」と，潤滑剤排斥領域としての皮相「うね」である「凸部」とを有する。図４Ａ−Ｆには、「凹部」例えば微細溝の代表的なパターンが示されている。これは本発明の実施例の構造態様に適したものである。図４Ａ、４Ｂは様々な密度の正弦波パターンを示す。図４Ｃは重なり合った正弦波を含むパターンを示す。図４Ｄは孔のパターンを示す。図４Ｅは菱形孔のパターンを示す。図４Ｆは螺旋パターンを示す。これらの選択的事項としてのパターンの種類は非常に多く、ここに示した例は代表例の一部を示すに過ぎない。
作業面の処理
本発明による処理は、潤滑剤排斥領域を有する表面を形成することに関係する。本発明の実施例において、表面は、潤滑剤滞留（親潤滑剤）領域と潤滑剤排斥（撥潤滑剤）領域の両方を有する複合表面である。潤滑剤排斥領域は、作業面の凸部（皮相）領域である。この領域は、作業面を機械的に処理すること、あるいは皮相領域を潤滑剤を排斥する（寄せ付けない、即ち撥水処理する）コーティング材料でコーティングすることのいずれかで形成できる。
ある実施例においては、特定の摩擦特性を具備させるための作業面の機械的処理は、作業面のレリーフ（起伏）の変化を必要とする。図５に示す作業面を条件付ける好ましいプロセスにおいては、凹部領域を形成し凸部領域をコンディショニングするプロセスは、次の順に行なわれる。ステップ９０において、作業面をアブレージングすることと／又はラッピングすることにより機械加工して高レベルの平坦さと最終表面を得る。ステップ９２において、凹部領域を形成する。ステップ９４において、皮相（凸部）領域のコンディショニング（条件付け）が行なわれる。
ラッピングは、皮相（凸部）領域のコンディショニングに適した好ましい技術である。ラッピングは、非常に良好な平坦さと非常に良好な最終仕上げを達成する。このラッピング技術は、自由に移動する／浮遊する研削材を使用し、固定研削材を用いるグラインド技術とは対照的である。
図６Ａは、相互作用表面１００を示し、相互作用表面１００の作業面１０２が、本発明の実施例により処理される。この表面の断面図を図６Ｂに示し、その部分拡大部を図７Ａ−Ｄに示す。図７Ａに、加工前の表面（加工前表面）１０６が示されている。図７Ｂに、平らになった機械加工後表面が示されている。図７Ｃに、微細溝１０８が形成された後の表面が示されている。次のステップにおいて、図７Ｄに示すように、作業面は、潤滑剤排斥／排除特性を皮相領域１０９に付与／形成するために、変質される。新たな層１１０が、皮相領域１０９内に形成される。ラッピングステップを微細溝生成ステップの後に実行する理由は、表面上に凹状の微細構造を形成すると、突起部が表れるからである。このような突起部は、構造上の変化をレーザ加工で行なった場合でも、表れる。これを図８Ａ−Ｂに示す。図８Ａにおいて、作業面の断面がライン１２０で示されている。図８Ｂにおいて、微細溝１２１が形成されるが、この際突起１２２が伴う（形成される）。図８Ｃにおいて、皮相領域が、ラッピングと突起部の水平除去化ステップと塑性変形層１２４を生成するステップにより処理される。この領域は潤滑剤排斥領域である。微細レリーフ形成ステップが皮相領域の形状と特性に影響を及ぼさない場合には、このマイクロレリーフ形成（微細溝生成）ステップを最後に行なってもよい。
上記したように、ラッピングは、本発明による、機械要素の作業面の特性を得る好ましい機械的最終仕上げ方法である。ラッピングはラップ盤を使用して行われ、ラップ盤の表面は、処理された機械部分の作業面よりも軟らかい。砥粒（abrasive grit）は、ラップ盤の表面よりも遙かに硬くなければならず、かつ処理された作業面よりも硬くなければならない。砥粒は硬すぎても脆すぎてもいけない。ダイアモンド粒は発明のラッピング技術には適当なものではない。酸化アルミが、本発明によれば、様々なラッピング表面と作業面に対する適した研削材であることが見出された。
図９Ａ−Ｂは本発明のラッピングプロセスの進行中のステップを表わし、これにより作業面のコンディショニングが促進される。初期状態は図９Ａの顕微鏡写真レベルで示される。（ワークピース１３１上の）作業面１３２の不規則形状が、ラップ盤１３４に向かい合っており、それらの間の距離は不規則である。研削材粒子１３６と他の物質は、ラップ盤１３４内に一部食い込んでおり、かつそれよりは少ない量だけ作業面１３２にも食い込んでいる。作業面１３２とラップ盤１３４は、矢印１３８で示されるよう相対移動する。この動きは、瞬間速度Ｖを有する。
図９Ｂにおいて、ある程度のラッピング動作が行なわれと作業面１３２の不規則性が減る。表面間の相対的運動の結果として、研削材粒子１３９が、ある程度丸められ、表面に対して「こする作業」の間に、鋭いエッジの一部が失われる。
最初は、研削材粒子１３６が作業面１３２内に入り込み、プロセスが継続するにつれて、材料をそこから削り取り、研削材粒子１３９は丸みを帯び、処理済みの部分からは更に材料は取り除かれない。代わりに、ラッピング動作がワークピース１３１の作業面１３２の弾性変形を引き起こし、その結果作業面１３２の微細硬度（micro-hardness）を増加させる。作業面１３２上の硬くなった層が、潤滑剤に対する排斥特性に特に関与する。
図９Ｃ(i)-(iii)は、本発明のラッピングプロセスとシステムにより、コンディショニングされた作業面を表わす。図９Ｃ(i)において、ワークピース１３１の作業面１３２は、ラップ盤１３４の接触面１３５に向かい合う。図示されたような一般的な研削材粒子１３６を有する研削材ペーストが、作業面１３２と接触面１３５との間に配置される。従来のラッピング技術と同様に、ラップ盤１３４の接触面１３５は、作業面１３２よりも大きな耐摩耗性と低い硬度とを有する材料から形成される。研削材粒子の組成とサイズの分布は、意図した通り作業面１３２を容易に摩耗させるよう、例えば所定の粗さ（凹凸）程度まで表面の凹凸を減らすように、選択される。
負荷が、作業面１３２と接触面１３５の法線方向にかけられ、これにより研削材粒子１３６が作業面１３２と接触面１３５に食い込み、圧力Ｐが作業面１３２内に食い込まれた研削材粒子１３６の断面にかかる。研削材粒子１３６が作業面１３２内に食い込む深さをha2とし、研削材粒子１３６が接触面１３５内に食い込む深さをhb2とする。一般的に研削材粒子３６がラップ盤３４内に組み込む量hb2は、ワークピース３１への食い込み量ha1よりもはるかに大きい、hb2>>ha2である。重要なことは、本発明の接触面１３５の変形は弾性特性を有するため、研削材粒子１３６の接触面１３５への食い込み量は、同一の研削材粒子が従来技術の接触面（同一の圧力Ｐの基で）への食い込み量よりも遙かに大きい。即ちhb2>hb1,である。ここで、hb1は図１Ｃ(i)で定義されている。研削材粒子１３６の作業面１３２へ内での食い込み量ha2は、従来技術のha1よりも遙かに小さい。ha2<ha1である。
図９Ｃ(ii)において、ワークピース１３１とラップ盤１３４は相対速度Ｖで移動するものとする。ワークピース１３１とラップ盤１３４との間の相対速度Ｖと圧力Ｐとは、研削材粒子１３６が、ナイフのように機能して、ワークピース１３１から表面材料のチップを削り取るような大きさである。このチップは、通常従来技術のラッピング技術により作業面から削り取られるチップよりも遙かに小さい。
図９Ｃ(ii)-(iii)において、相対速度Ｖは、速度に対応する剪断力Ｑが圧力Ｐに対し十分大きく、その結果研削材粒子１３６上の合成力ベクトルＦの方向により、研削材粒子１３６が回転するような大きさである。この回転の間、ラップ盤１３４と接触面１３５の弾性により、従来技術に比較して、研削材粒子１３６内の内部歪みは小さくなる。その結果通常の研削材粒子１３６は粉砕あるいは破壊せず、表面の角は丸みを帯びる。この丸くなった現象の理想的状態を図９(iii)に示す。
本発明の作業面は、表面の様々な微細特性に影響を及ぼす固有の微細構造を有する。本発明のラッピングシステムは、作業面の微細構造を改善するために、作業面に弾性変形を引き起こす（必ずしもこの理論に拘こだわるものではないが）と考えられる。
改善された微細構造の顕著の点は、微細硬度が大幅に増加した点である。他の顕著な点は、図１０Ｂ−１と図１０Ｂ−２に示す本発明の表面のぬれ特性(characteristic wetting property)である。基準（参考）表面のぬれ特性を、比較のために、図１０Ａ−１と図１０Ａ−２に示す。
参考表面の試験片と本発明の表面の試験片の両方は、アニールしたＳＡＥ４３４０スチール（ＨＲＣ＝５４）で製造された。一滴のＣ２２オイルが、各試験片の表面全体に散布され、その結果カバレッジあるいはウエッティング（濡れ性）は、ほぼ１００％であった（即ち表面の１００％が濡れた）。その後濡れた領域は、時間の経過とともにモニターされた。図１０Ａ−１は、油滴が散布されてから５秒後の参考作業面を示し、図１０Ａ１−２は、油滴が散布されてから６０秒後の同一の作業面を示す。予想通り、参考表面の試験片は、オイルの層に完全にカバーされ、テスト期間中（２４時間）に渡って完全にカバーされ続けた。
図１０Ｂ−１、１０Ｂ−２は、最初にオイルでカバーされた本発明の作業面のウエットパターンを表わす写真である。図１０Ｂ−１は、オイル滴の散布後５秒後の本発明の作業面を表わす。図１０Ｂ−２は、オイル滴の散布後６０秒後の同一の作業面を表わす。参考試験片とは対照的に、濡れた表面は、秒単位で急速に減少している。
この無次元数の特性である「ぬれ係数」は次式で定義される。A(t)／A0である。ここでA(t)は、時間の関数としての作業面の公称ぬれ表面積を表わし、A0は、作業面の公称表面積である。前記の比率は、ｔ＝０の時１であるが、僅か５秒後には０．８５である。１分後には、ぬれ係数は０．２５以下となる。上記に議論したように、本発明の作業面の液体排斥品質は、摩擦と摩耗の減少と、焼き付けリスクの減少と、このような表面を組み込んだ機械要素の動作寿命の延長に関与している。
ラップ盤の接触面に対する機械的基準
ラップ盤を薄い（例、０．０５−０．４ｍｍ）幾分弾性的な層でコーティングすると、コンディショニングされた作業面の微細硬度と潤滑剤排斥の両方を促進する。このような層が満たすべき機械的基準は以下である。
（１）ラッピングプロセスを用いられる研削材ペーストに対する耐摩耗性。
（２）個々の研削材粒子が層内に入り保持されるような弾性変形。個々の研削材粒子が作業面と接触している間回転すると、弾性変形により、粒子と作業面との間にかかる様々な圧力に従って、様々な深さの層内に粒子が食い込む。従って、研削材粒子は、作業面に対し回転し、時間と共により丸みを帯びるが、粉砕される（より微細な粉末に砕かれる）ことはない。
（３）層の硬さは、層が研削粉末を破損したり細かくしないように選択される。
（４）層のラップ盤ベースへの強い接着力。
例としてエポキシ・セメントとポリウレタンとの混合物の比率は、重量で１０対９０から３０対７０の範囲内で、これはラップ盤の接触面を形成するのに適したものである。エポキシ・セメント／ポリウレタンの混合物においては、エポキシが、硬度とラップ盤のベースへの接着力を提供し、ポリウレタンが必要な弾性と耐摩耗性を与える。
本発明の接触面（ラッピング表面）は、以下の物理的特性と機械的特性の組み合わせを有する。
（１）Brinell硬さが2−10Kg/mm2の範囲内。
（２）耐衝撃性が30−70kg-m/cm2の範囲内。
（３）ラップ盤ベースを用いたこれらのアプリケーションに対する、ラップ盤ベースへの十分な接着力。
様々な材料及び材料の組み合わせは、当業者はこれらの物理的特性と機械的特性を満足するよう開発可能である。
本発明の他の実施例においては、プラスッチック・コーティングが、皮相領域を機械的にコンディショニングする代わりに、作業面の上に形成される。作業面は、上記の機械的特性を有するプラスッチック・コーティングでコーティングされる。作業面をコーティングする手順は、最初に作業面をコーティング剤のプリカーサでカバーする。本発明の実施例により作業面のプロセスのメインの段階は、図１１Ａ−Ｃに示す。図１１Ａにおいて、作業面は作業面１５０で示される。図１１Ｂにおいて、プラスティック・コーティング１５２が作業面１５０の上に形成される。プラスティック・コーティング１５２が形成された後、プラスティック・コーティング１５２の一部が、例えば作業面１５０とプラスティック・コーティング１５２に微細溝加工を施すことにより、取り除かれる（図１１Ｃ）。凹部である微細溝１５４が、プラスティック・コーティング１５２を貫通し、作業面１５０内に入る。この実施例においては、「うね」１５３は、プラスティック・コーティング１５２からなる表面を有し皮相領域を構成する。微細溝１５４が凹部領域を形成する。この凹部領域は、皮相領域よりも作業面に潤滑剤をより滞留させる。
本発明の他の実施例においては、作業面を研削で予め処理する。その後、この表面を孔を有する潤滑剤排斥テープの層でコーティングする。この手順の結果を図１２に示す。作業面１６０は、プラスティック多孔性シート１６２によりカバーされ、プラスティック多孔性シート１６２は、孔１６４のような孔が開けられており、その後コーティングされる。
凹部領域の形成
凹部領域を形成するために、作業面は、複数の凹部を得るために、マイクロ構造化される。これは、従来公知の様々な方法、例えば機械的切削、レーザー溝形成作業、化学エッチングにより行なわれる。機械的部品内に一定のマイクロレリーフを形成する方法は非特許文献１に開示されている。
実験例１
実験装置を図１３に示す。交換可能な直径３０ｍｍのカーボンスチール製のディスクの組を、例えば軸の周囲を回転可能なディスク１８６の交換可能な組を、平坦なカウンター・プレート１９２に対し回転させて摩耗を測定する。このディスク１８６は、カーボンスチール製のグレード１０４５で２７−３０のＨＲＣを有する。電気モータ１９０が、回転トルクを与える。カウンター・プレート１９２は、銅合金（ＵＮＳ Ｃ９３７００（ＨＲＣ＝２２−２４））製で、平均粗さ（Ｒａ）が０．４マイクロ・メータまで研削される。カウンター・プレート１９２は、サポート１９４を有する。このサポート１９４は、ディスク１８６にかかる力を制御するため、調整可能な高さを有する。
制御ディスクは、従来のグラインド仕上げ（Ｒａ＝０．４マイクロメータ）を有し、一方テスト用ディスクは、ディスクの微細溝面１９６により更に処理され、その後本発明によりラッピングされた。実験中１００Ｎの永続負荷が、カウンター・プレート１９２の方向にディスクに加えられる。Amoco Industrial Oil ３２（ＡＳＴＭ１５０Turbine Oilと等価）の一滴が、乾燥した摩擦表面上に散布された。その後モータを駆動して一定の回転速度２５０ｒｐｍを達成した。焼き付け（停止）時間、回転の開始時から動きが焼き付けにより停止するまでの累積時間が測定された。
１６−１８分後に全ての制御ディスクが焼き付けで停止した。対照的に、本発明により、マイクロ微細溝を形成しラッピング処理されたディスクは、停止せずに４０時間以上回転し続けたが、その時点で実験を終了した。処理されたディスクの焼き付けは起こらなかった。
実験においては、ディスクは１８０ｒｐｍで回転させた。制御ディスクの群は、研削により最終処理が施された。第２群のディスクには微細加工溝が形成された。第３群のディスクには、本発明により微細加工溝が形成され、ラッピングが施された。一滴を垂らしたテスト結果を表１に示す。焼き付けまでのディスクのパス（走行距離）と、摩擦係数と、摩耗強度（カウンタープレート上に形成されたピークの深さをディスクの摩擦結果として測定した）とが計算された。
表１：カウンタープレートに対し回転するディスクの実験結果
ディスクの 焼き付け迄の 摩擦係数 摩耗強度
表面処理 計算パス（Km） mm 3 /Km
Ｇ 1.5 0.1−0.2 0.2
Ｇ＋Ｍ 8.7 0.08−0.12 0.02
Ｇ＋Ｍ＋Ｌ （少なくとも ）297 0.03−0.04 0.001
Ｇ：研削
Ｍ：微細溝加工
Ｌ：ラッピング
本発明の作業面は、摩擦力に関係する様々な機械要素内に組み込まれ、摩擦と摩耗と焼き付けのリスクを低減し、この要素の動作寿命の長期化が得られる。孔空きのアプリケーションにおいては、作業面の品質が改善され、最大３０％の電力消費が観測された。
内燃機関においては、本発明の作業面とそれを生成する本発明のシステムが、１２０ｍｍのスリーブで１０８ｍｍの直径のシリンダのディーゼルエンジン（オートバイ用）に適用された。テスト結果は、所定の性能レベルに対しては、本発明の作業面を有するスリーブの使用は、従来のスリーブに比較して、燃料消費を低減させた。更に、本発明の作業面を有するスリーブは、特に長い寿命とオイル消費の減少が得られた。
本明細書及び特許請求の範囲に使用される、用語「液体滞留領域」は、作業面へオイルを散布しその６０分後に、無次元の特性であるぬれ係数が０．９５、特に、０．９８以上の作業面の領域を意味する。
明細書と特許請求の範囲で使用される、無次元の特性であるぬれ係数は、A(t)／A0 で示される。ここでA(t)は、時間の経過とともに作業面が濡れている面積であり、A0は、作業面の公称表面積である。A(t)を決定するのに使用された液体は、ＮＯ．２２の工業用オイルである。
明細書と特許請求の範囲で使用される、ＮＯ．２２の工業用オイル、「Ｃ２２の工業用オイル」とは、機械的アプリケーション用の、４０℃において〜２２センチストロークの粘度を有する標準の工業用オイルを意味する。
明細書と特許請求の範囲で使用される、作業面に対する公称表面積等は微細構造にかかわらず平面寸法に基づいた表面の表面積を意味する。例えば四角形４ｃｍ×４ｃｍの作業面の公称表面積は、１６cm2である。
実験例２
ブロックトリボテスター(block tribo-tester)上のローラを用いて本発明により処理されたワンドロップテストでのローラの摩擦特性を評価した。テストリングは図１４に示す。回転ローラ２をある負荷Ｐで固定ブロック３に接触させ、非常に少量の潤滑剤（ワンドロップ）が接触面に塗布された。力伝達機４を用いて摩擦力Ｆを測定し、近接プローブ９でギャップの変動を測定した。かくして回転ローラ２と力伝達機３の全摩耗量が得られる。摩擦と摩耗の両方は、時間の経過と共に連続的にモニターされ記録された。テストは次の３つ事象のいずれかが発生したときに停止した。（ａ）摩擦係数Ｆ／Ｐが０．３の値に達したとき、（ｂ）焼き付けがローラとブロックの間で開始したとき（突然鋭い摩擦の増加とそれに対応したノイズの増加により特徴づけられる）、（ｃ）摩擦が最大値に達しその後減少を開始した時点。テスト継続時間は、テストの開始時から上記の事象（ａ）又は（ｂ）のいずれかが発生したことによりテストの終了時までの経過した時間、あるいは事象（ｃ）の場合には、最大摩擦に対応する時間までとして定義した。この特殊なケース（ｃ）の場合には、テストは完全に停止するまでテスト持続時間を２０分超えるまで継続された。各新たなテストに対しては、力伝達機３はホルダ６内を水平方向に移動して新しい接触点を提供した。
テストが、６個のスチール製のローラ試験片に対し、カウンター表面としてブロンズ（青銅）製ブロックを用いて、行なわれた。ローラ＃１とローラ＃６は、以下の表２に示すように、参考用ローラである。ローラ＃２−５に、本発明により様々なマイクロレリーフと様々な溝パターンと溝領域が形成された。室温におけるＳＥＡ４０を潤滑剤として用いた。オイルの一滴が、回転ローラ２上に落とされ、その後ブロンズ（青銅）製ブロック３と軽く接触（１８Ｎ負荷）させ、手動で円周全体に渡ってオイルを拡散するよう、２回転させた。ブロックに加えられた過剰なオイルの量は、クリーンなペーパータオルで拭い取られ、ローラのみが潤滑状態にある。負荷をＰ＝１５０Ｎレベルまで増加させ、テストは、１０５±５ｒｐｍのローラ速度で開始した。
表２は、各ローラの分単位のテスト持続時間を表わし、テストの停止の原因となった事象の種類を示した。図１５は、各ローラに対するテストの停止点における摩擦係数を示す。
参考用ローラ＃１は、非常に短い６分後に摩擦係数０．２３で焼き付けで停止した。ローラ＃６は、連続的に増加する摩擦を示し、テストは２１分後に摩擦係数は０．３で停止し、焼き付けが発生した。本発明により処理された全てのローラ（＃２−＃５）は、ある最大値までは摩擦が増加し、その後摩擦が減少した。この４個のローラの最大摩擦係数は、最大０．１８である。ローラ＃５は、０．１１の摩擦係数を有し、これは６個のローラの内の最低摩擦係数であった。
摩擦長さ（Ｌ）の関数として、摩擦係数（μ）と摩耗（ｈ）のグラフを、図１６に示す。
表２
ローラ# 1（参考用） 2 3 4 5 6（参考用）
ローラ材料 SAE4340 SAE4340 SAE4340 SAE4340 SAE4340 SAE4340
ローラ準備 研削表面 CMR表面 CMR表面 CMR表面 CMR表面 無突起微細凹凸
Ra=0.2μ Ra=0.2μ Ra=0.2μ Ra=0.2μ Ra=0.2μ Ra=0.2μ
熱処理 HRC 52-54 HRC 52-54 HRC 52-54 HRC 52-54 HRC 52-54 HRC 52-54
試験期間（分） 6 52 53 25 37 21
停止原因 B C C C C A&B
注：ＳＡＥ４３４０は、スチール製ＳＡＥ４３４０である。
ＣＭＲ表面は、本発明のＣＭＲ表面である。
以上の説明は、本発明の一実施例に関するもので、この技術分野の当業者であれば、本発明の種々の変形例を考え得るが、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。特許請求の範囲の構成要素の後に記載した括弧内の番号は、図面の部品番号に対応し、発明の容易なる理解の為に付したものであり、発明を限定的に解釈するために用いてはならない。また、同一番号でも明細書と特許請求の範囲の部品名は必ずしも同一ではない。これは上記した理由による。
間に配置された潤滑層を有する機械的相互作用する表面の断面図（従来技術）。 相互作用する凹凸を有する機械的相互作用する表面の拡大断面図（従来技術）。 (i)-(ii)従来のラッピングプロセスで調整された作業面を表わす図。 本発明の一態様を一般化した技術概念を表わす図。 本発明による溝付きシリンダーの側面図。 本発明による溝附き作業面と金属プレートを表わす図。 本発明の一実施例による高密度正弦波形状溝のパターンを表わす図。 本発明の一実施例による正弦波形状溝のパターンを表わす図。 本発明による重なり合った正弦波を有する溝のパターンを表わす図 本発明による溝の孔付きパターンを表わす図。 本発明の一実施例による菱形の溝のパターンを表わす図。 本発明の一実施例による螺旋溝のパターンを表わす図。 凹部領域を採用した本発明の一実施例による作業面を調整するプロセスを表わすフローチャート図。 本発明の相互作用する表面を表わす図。 図６Ａの相互作用表面の側面図。 機械加工する前の表面の断面図 水平になった表面の断面図 微細溝を形成した後の水平表面の断面図 調整されたうね（凸部）を有する溝付き表面の断面図 処理前の本発明の作業面の断面図 ***部により包囲された微細溝が形成された後の作業面の断面図 ラッピングした後の水平状態になった微細溝付き表面の断面図 本発明によるラッピングする前のラップ盤−作業面の断面図 本発明によるラッピング後のラップ盤−作業面の断面図 (i)-(iii)本発明のラッピングプロセスにより調整（条件）された作業面の更なる断面を表わす図 最初はオイルでカバーされた基準（参考）となる作業面のウエットパターンを表わす写真であり、オイル滴の散布から５秒後の従来技術の作業面を表わす。 最初はオイルでカバーされた基準となる作業面のウエットパターンを表わす写真であり、オイル滴の散布から６０秒後の同一の作業面を表わす。 最初はオイルでカバーされた本発明の作業面のウエットパターンを表わす写真であり、オイル滴の散布から５秒後の本発明の作業面を表わす。 最初はオイルでカバーされた本発明の作業面のウエットパターンを表わす写真であり、オイル滴の散布から６０秒後の同一の作業面を表わす。 コーティング前の表面の断面図 図１０Ａのコーティングした表面の断面図 本発明の他の実施例による図１０Ｂの微細溝の表面の断面図 本発明の他の実施例による孔付きプラスティックカバーによりカバーされた作業面の断面図 本発明により調整されたテスト用ディスクを実験的に設定する装置の斜視図 本発明により処理されたローラの摩擦特性を「一滴」テストで評価したテストリングを表わす図 各ローラに対するテストの停止時の摩擦係数を表わす図で、横軸が「ローラ番号」を、縦軸が「摩擦係数」を、図中が「焼き付け」表す。 摩擦長さＬと、摩擦係数μと、摩耗ｈを表わす図（図中が、「焼き付け」を表す）
符号の説明
２ 回転ローラ
３ 固定ブロック
４ 力伝達機
６ ホルダ
９ 近接プローブ
２０ 潤滑フィルム
３１ ワークピース
３２，３４ 表面
３２ 作業面
３４ ラップ盤
３５ 接触面
３６ 研削材粒子
３８ 凹凸
５０ シリンダ
５２ らせん溝
５４ らせんうね
６０ 金属スラブ
６２ 溝
６４ うね
９０ 作業面を機械加工する
９２ 凹部相を形成する
９４ 皮相面を調整する（条件付ける）
１００ 作用表面
１０２ 作業面
１０６ 加工前表面
１０８ 微細溝
１０９ 皮相領域
１１０ 新たな層
１２０ 微細溝
１２２ 突起
１２４ 塑性変形層
１３１ ワークピース
１３２ 作業面
１３４ ラップ盤
１３５ 接触面
１３６ 研削材
１３９ 研削材
１５０ 作業面
１５２ プラスティック・コーティング
１５４ 微細溝
１６０ 作業面
１６２ プラスティック多孔性シート
１６４ 孔
１８６ ディスク
１９０ 電気モータ
１９２ カウンター・プレート
１９４ サポート
１９６ 微細溝面
図中英文の翻訳
図１Ａ、１Ｂ： 従来技術
図１Ｃ： 従来技術
図５ ９０ 作業面を機械加工する
９２ 凹部相を形成する
９４ 皮相面を調整する（条件付ける）
図９Ａ、９Ｂ： 作業面、ラップ盤
図１５： 摩擦係数、ローラ番号、焼き付け
図１６： 焼き付け

Claims (28)

  1. （ａ） 液体に接触する第１の作業面を有するワークピースを有し
    前記第１の作業面は、少なくとも１つの液体排斥領域を有し
    前記液体排斥領域は、液体と相互作用し
    前記液体排斥領域の無次元数の特性であるぬれ係数が、０．９５以下である
    ことを特徴とする機械要素。
  2. 前記液体排斥領域のぬれ係数が、０．８以下である
    ことを特徴とする請求項１記載の機械要素。
  3. 前記液体排斥領域のぬれ係数が、０．６以下である
    ことを特徴とする請求項１記載の機械要素。
  4. 前記液体排斥領域のぬれ係数が、０．３以下である
    ことを特徴とする請求項１記載の機械要素。
  5. 前記液体排斥領域のぬれ係数が、０．２以下である
    ことを特徴とする請求項１記載の機械要素。
  6. 前記液体排斥領域のぬれ係数が、０．１以下である
    ことを特徴とする請求項１記載の機械要素。
  7. （ｂ） 金属製の前記第１作業面に対向して配置された第２表面と、
    （ｃ） 前記第１作業面と前記第２表面との間に配置された液体と
    を更に有し
    前記第１作業面と前記第２表面の少なくとも一方が、負荷を担持する
    ことを特徴とする請求項１記載の機械要素。
  8. 前記液体は、潤滑剤である
    ことを特徴とする請求項１記載の機械要素。
  9. 前記第１作業面は、スチール製作業面を有する
    ことを特徴とする請求項１記載の機械要素。
  10. 金属製の前記第１作業面は、前記液体排斥領域の間に挿入された少なくとも１つの液体滞留領域を有する
    ことを特徴とする請求項１記載の機械要素。
  11. 金属製の前記第１作業面は、前記液体排斥領域の間に挿入された少なくとも１つの凹部を有する
    ことを特徴とする請求項１記載の機械要素。
  12. 前記少なくとも１つの凹部は、複数の溝を有し、
    その最大深さは、５−３０ミクロンの範囲内にあり、
    ぞの幅は、１００−１０００ミクロンの範囲内にある
    ことを特徴とする請求項１記載の機械要素。
  13. 前記液体排斥領域の表面エネルギーは、前記液体の表面エネルギーよりも小さい
    ことを特徴とする請求項１記載の機械要素。
  14. 前記第２表面は、少なくとも１つの液体滞留領域を含む
    ことを特徴とする機械要素。
  15. （ａ） 作業面に対し相対的に移動する接触面を有し
    前記接触面は、複数の研削材粒子との弾性的相互作用を少なくとも一部提供し、
    前記アブレーシブ粒子は、前記接触面と前記作業面との間に配置され
    前記接触面のBrinell硬度は、２−１０kg/mm2の範囲内にある
    前記接触面の衝撃抵抗は、３０−７０kg-m/cm2の範囲内にある
    ことを特徴とする機械要素。
  16. （ｂ） 前記作業面は、前記接触面に対向して配置され
    （ｃ） 前記研削材粒子は、前記接触面と前記作業面の間に配置される
    ことを特徴とする請求項１５記載の機械要素。
  17. 前記接触面のBrinell硬度は、２−７kg/mm2の範囲内にある
    ことを特徴とする請求項１５記載の機械要素。
  18. 前記接触面のBrinell硬度は、２．５−５kg/mm2の範囲内にある
    ことを特徴とする請求項１５記載の機械要素。
  19. 前記接触面のBrinell硬度は、３．０−４．５kg/mm2の範囲内にある
    ことを特徴とする請求項１５記載の機械要素。
  20. 前記接触面の衝撃抵抗は、４０−６０kg-m/cm2の範囲内にある
    ことを特徴とする請求項１５記載の機械要素。
  21. 前記接触面の衝撃抵抗は、４５−５５kg-m/cm2の範囲内にある
    ことを特徴とする請求項１５記載の機械要素。
  22. 前記接触面のBrinell硬度は、２．５−５kg/mm2の範囲内にあり
    前記接触面の衝撃抵抗は、４０−６０kg-m/cm2の範囲内にある
    ことを特徴とする請求項１５記載の機械要素。
  23. 前記接触面は、ラップ盤の上に配置される
    ことを特徴とする請求項１５記載の機械要素。
  24. 前記研削材粒子は、アルミナ粒子を含む
    ことを特徴とする請求項１６記載の機械要素。
  25. 前記接触面の組成は、ポリウレタンを含む
    ことを特徴とする請求項１５記載の機械要素。
  26. 前記接触面の組成は、エポキシ材料を含む
    ことを特徴とする請求項１５記載の機械要素。
  27. 前記接触面の組成は、ポリウレタンとエポキシ材とを含む
    ことを特徴とする請求項１５記載の機械要素。
  28. 前記接触面の組成は、ポリウレタンとエポキシ材とを含み
    その比率は重量比で９０対１０から７０対３０の範囲内である
    ことを特徴とする請求項１５記載の機械要素。
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