JP2016140868A - 摺動部材のテクスチャ加工方法並びに摺動部材 - Google Patents

Abstract

【課題】新規な手法によって形状精度に優れたテクスチャパターンを形成することができるテクスチャ加工方法を提供する。
【解決手段】外周稜線に沿って刃先が形成されたスクライビングホイール１１を使用し、被加工物となる摺動部材３の摺動面に対してスクライビングホイール１１の刃先を押し付けながら転動させることにより、ローラバニシングによる塑性変形を生じさせて微細な溝１０、１０’、１０”の転動痕跡を摺動面に形成してテクスチャパターンを加工する。
【選択図】図４

Description

本発明は、摺動部材の摺動面のテクスチャ加工方法並びに摺動部材に関する。一般的に、「テクスチャ」とは物質の表面の質感や手触りなどを指す概念を言う。本発明において、物質の表面形状の制御をテクスチャリングと称し、また、テクスチャリングによって制御された表面形状をテクスチャパターンと称する。そして、摺動面等に溝、窪み（ディンプル）、凹凸などの表面形状の加工を行うための加工をテクスチャ加工と言う。

機械部品を構成する要素としては、ピストン、シリンダ、バルブガイド、クランクシャフトジャーナル部のように摩擦低減が要求される箇所と、ブレーキ、クラッチのように鋼摩擦が要求される箇所がある。これらに共通していることは、摩擦の急増に伴う焼付きと摺動の抑制が求められることである。

摺動を低減して安定化させる方法の一つとして、オイル溜まりとして機能する微細な溝や窪みなどのテクスチャパターンを摺動面に形成するテクスチャリングが有効であることが知られており、古くから行われている。このテクスチャリングとして、例えば特許文献１に示されるような切削による機械的な加工方法、特許文献２で示されるようなエッチングによる化学的な加工方法、あるいは特許文献３に示されるようなレーザの照射による光学的な加工方法が知られている。また、摩擦を高く安定化させる場合にも、市販のブレーキディスクに見られるような穴や溝といったテクスチャを付与することが有効である。

上記したテクスチャリングの加工方法のうち、切削による加工は、微細な溝や窪みに対して精度の高い加工を行うには限界がある。また、切削加工では切屑が生じることになり、切屑が削り出された部分に生じるケバの除去も必要となるため、切削加工後の研磨処理工程を追加する必要がある。このような後処理工程はレーザ加工においても同様である。また、エッチング加工では、腐食液に部品を浸漬するため、後工程で洗浄を十分に実施する必要がある。

特開２００６−９８４６号公報 特開２０１２−２３３５９３号公報 特許第４１１１０４５号公報

さらに、エッチング加工ではマスク等を用いたパターニング処理（前処理）やパターニング後の後処理が必要となるため手間がかかるとともに、エッチング専用のドラフトや廃液の処理設備等が必要となる。

そのため、これまでは微細なテクスチャリングを行うには、レーザ加工を用いることが最も適した方法であると考えられていた。しかしレーザ加工では、金属母材の摺動面にレーザを照射して微細な溝や窪みを形成する際に、レーザによって蒸発した金属蒸気や溶融した金属が溝や窪みのエッジ近傍で冷却され、図９（ａ）に示すように、溝や窪み１６の周辺付近に再付着して固まり、所謂デブリ１７を形成するという問題がある。このデブリ１７は母材表面に付着するため、摺動性に悪影響を及ぼすという弊害がある。

したがって、発生したデブリは研磨によって除去しなければならず、そのため、レーザ照射工程に加えて、デブリの研磨除去工程や、研磨によって発生する金属粉末の洗浄工程が新たに必要となり、工程数が増加してしまうことになる。また、研磨工程でデブリを除去する際にテクスチャパターンの一部を損傷するおそれがある。

このようなレーザ照射時のデブリの発生を抑えるために、特許文献３では、金属母材表面にレーザ透過性を有する潤滑油を流しながらレーザ加工を行う方法が開示されている。この方法では、金属母材の表面に潤滑油を流しながらレーザ照射を行うため、発生する金属蒸気は瞬時に冷却され、潤滑油中に固化して流されてしまい、図９（ｂ）に示すように溝や窪み１６の近傍にデブリが形成されるのを図９（ａ）に比べて抑制することができる（図９（ａ）、（ｂ）はともに特許文献３の図４（Ｂ）、図５（Ｂ）を引用した）。

しかしながらこの方法では、潤滑油を流しながらレーザ加工を行うため、装置が複雑になるとともに、直接レーザ照射を行う場合と比較してレーザ光への干渉が生じ、形成される溝や窪みの形状精度が低下するといった問題点があるだけでなく、使用後の潤滑油の処理が必要になる。

よって、エッチング加工やレーザ加工でも、加工される溝や窪みの寸法精度や再現性、加工コスト、加工工数などの問題があり、テクスチャ加工方法として確立されているとは言えない状況である。

そこで本発明の目的は、従来の手法とは全く異なる新規な手法によって、形状精度が優れたテクスチャパターンを摺動部材に形成することができるテクスチャ加工方法並びに摺動部材を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明では次のような技術的手段を講じた。すなわち本発明に係る摺動部材のテクスチャ加工方法は、外周稜線に沿って刃先が形成されたスクライビングホイールを使用し、被加工物となる摺動部材の摺動面に対し前記スクライビングホイールの刃先を押し付けながら転動させて前記摺動面にローラバニシングによる塑性変形を生じさせ、微細な溝の転動痕跡を前記摺動面に形成することによりテクスチャパターンを加工するようにした。
ここで、「ローラバニシングによる塑性変形」とは、（金属等の）被加工物にローラを押し付けて転動させることで、被加工物の材料自体が有する展性及び延性を利用して表面を押しならし、切粉や切屑を発生させることなく塑性変形を生じさせることを言う。本発明ではローラとして、鋭利な刃先を有するスクライビングホイールを用いることでバニシング加工とともに溝の形成を行うようにしている。
なお、例えば前記特許文献１の「切削加工による塑性変形」によっても溝は形成できるが、切削加工による場合は被加工物の一部が切粉や切屑として剥離しながら塑性変形が行われる点で、「ローラバニシングによる塑性変形」とは異なる。ローラバニシングによる押しならしによって形成される溝は、切削により形成される溝と比べて形成された溝の縁に形成される盛り上がりの高さが格段に小さく、また、この盛り上がりを一定高さとすることができ、摺動面に形成される溝として理想的な形状の溝にすることができる。また、バニシングにより表面を硬化させる作用も生じる。

一般に、外周稜線に沿って鋭利な刃先が形成されたスクライビングホイールは、ガラス基板等の脆性材料基板を分断する際に、亀裂の進行方向を規定するためのスクライブラインを予め刻んでおくために使用されるものである。このように亀裂の進行によって基板を分断する加工は脆性材料に特有の加工技術である。したがって、亀裂進行によって分断することのない金属の分断加工においては、これまでスクライビングホイールは使用されていなかった。また、金属を平滑な表面に仕上げることを目的とするバニシング加工では、本来は被加工物との接触面を滑らかに仕上げたバニシング工具で押圧する加工方法であって、鋭利な刃先を有するスクライビングホイールがバニシング加工の工具に使用されることはなかった。
本発明では、脆性材料のスクライブに用いられていたスクライビングホイールを、展性及び延性を示す金属等の被加工物に利用するという新規な方法でテクスチャ加工を行うものである。なお、摺動部材となる被加工物は、金属以外には焼結前のＬＴＣＣ基板等の（押圧により変形可能なグリーンシート状態の）脆性材料であってもよい。

前記したスクライビングホイールの転動によって形成される溝は、溝深さが１〜６μｍ、溝幅が０．１〜０．４ｍｍの範囲とするのがよい。また、スクライビングホイールの摺動面に対する押圧力が０．１〜１０Ｎであり、転動速度が０．１〜２ｍ／ｓとするのがよい。これらの数値は加工対象となる摺動部材の種類や材料に応じて適宜選択される。また、押し付け荷重とホイールの形状を調整することで任意の形状のテクスチャが付与できる。

前記のスクライビングホイールは、被加工物である摺動部材の材料より硬い材料（例えば超硬合金や焼結ダイヤモンド）で形成され、直径が１．０〜３．０ｍｍ、厚みが０．４〜１．２ｍｍ、刃先角度が９０〜１５０°であって、刃先先端に丸味を持たせて形成するのがよい。これにより、連続した線の溝を転動痕跡として形成することができる。

また、刃先となる稜線部全周に凹部と凸部とが連続して形成されている溝付きスクライビングホイールを使用することによって、摺動面に断続した線または点の溝を転動痕跡として形成するようにしてもよい。この溝付きスクライビングホイールは、前記凹部の長さが５０〜１００μｍであり、凸部の長さが３０〜１００μｍであり、刃先角度が９０〜１５０°、好ましくは１００〜１５０°であって、刃先先端に丸味を持たせて形成するのがよい。

本発明によれば、スクライビングホイールを摺動部材の摺動面に押し付けながら転動させることにより、ローラバニシングによる塑性変形を生じさせて、連続した線または断続した線や点の溝が転動痕跡として形成される。したがって、マイクロメートルサイズの溝幅や溝ピッチが極めて精度よくしかも容易に形成することが可能となる。また、形成された溝表面にはバニシングによる硬化作用が得られるとともに、表面仕上げを施したような滑らかな面にすることができ、形状精度の優れたテクスチャパターンを摺動面に加工することができる。
また、従来のエッチング加工やレーザ加工のように複雑な付帯設備を必要とせず、スクライビングホイールを摺動面に押し付けながら相対的に移動させるだけでよいから、簡単な装置で済むとともにトータルコスト及びランニングコストを低減できる。また、加工対象となる摺動部材の材料は、スクライビングホイールの押し付けによってバニシングによる塑性変形が可能な材料であれば加工することができるので、多様な金属材料や焼結前のグリーンシート状態のセラミック等に適用することができ、被加工材料の制約を大幅に緩和することができるといった多くの効果がある。

本発明に係る加工対象の一例として示す軸受部材の分解斜視図。 図１に示す軸受部材の回転軸支持状態の断面図。 本発明で使用されるスクライビングホイールの正面図。 スクライビングホイールを保持するスクライブヘッド部分の正面図。 溝加工治具を用いた加工方法の一例を示す図。 溝加工された摺動面の拡大断面図。 摺動面の溝加工の別実施例を示す平面図。 溝付きスクライビングホイールの正面図及び一部拡大図。 レーザ照射により加工された溝の拡大断面図。 本発明の他の実施形態であるスクライビングホイールの刃先先端形状を示す顕微鏡写真。 図１０のスクライビングホイールによって形成された打痕を示す顕微鏡写真。

以下において、本発明のテクスチャ加工方法について図に基づいて詳細に説明する。ここでは、エンジンのクランクシャフトの回転軸を受けるすべり軸受の摺動面にテクスチャ加工を施す場合を例に説明する。

図１は本発明の加工対象となるすべり軸受を内装する軸受部材の概略的な分解斜視図であり、図２は回転軸を支持した状態の断面図である。本実施形態で示す軸受部材１は、回転軸２を受ける摺動部材となるすべり軸受３が軸受保持体４で保持されている。

軸受保持体４は、上部保持体４ａと下部保持体４ｂで形成され、連結ボルト５で結合されている。上部保持体４ａ並びに下部保持体４ｂの相対する内面には、略半円筒形状の凹曲面で形成された軸受装着面６が設けられている。これら軸受装着面６、６に回転軸２を受けるすべり軸受３が装着される。

すべり軸受３は、２分割された半円筒形状の上下一対の軸受メタル３ａ、３ｂで構成される。軸受メタル３ａ、３ｂは、少なくとも回転軸２を受ける軸受面、すなわち摺動面の層がアルミニウム合金などの金属材で形成されている。また、摺動面には潤滑油供給孔７が設けられ、軸受保持体４の軸受装着面６に形成した潤滑油供給溝８に連通されている。潤滑油供給溝８には軸受保持体４に形成した潤滑油供給路９を介して外部から潤滑油が供給され、潤滑油供給孔７から軸受メタル３ａ、３ｂの摺動面に流れるようになっている。
また、軸受メタル３ａ、３ｂの軸受面の略全域には、回転軸２の周方向に沿った微細な溝１０が平行して多数形成されている。この微細な溝１０の領域が油溜まりとして機能するテクスチャパターンである。以下に本発明によるテクスチャ加工方法を説明する。

本発明のテクスチャ加工方法では、図３に示すように、外周稜線部に刃先を有するスクライビングホイール１１が使用される。このスクライビングホイール１１は、超硬合金などの硬質金属材料、もしくは焼結ダイヤモンドなどの炭素系材料で形成され、直径Ｄが１．０〜３．０ｍｍ、厚みＷが０．４〜１．２ｍｍ、刃先角度αが９０〜１５０°で形成されている。また、刃先先端は丸味を持たせて形成するのが好ましい。

スクライビングホイール１１は、図４に示すように、ホルダ１２に回転自在に保持され、ホルダ１２は直線状のガイド１３に沿って移動可能に取り付けられたスクライブヘッド１４によって上下に移動できるように組み付けられている。ホルダ１２の上下移動はスクライブヘッド１４に組み込まれた流体シリンダ（図示外）によって行われるようになっており、これによりスクライビングホイール１１を設定した押圧力で軸受メタル３ａ、３ｂの摺動面に押し付けることができるようにしてある。

本発明では、このスクライビングホイール１１を軸受メタル３ａ、３ｂの摺動面に押し付けながら相対的に移動させることにより、摺動面にバニシングによる塑性変形を生じさせて微細な溝の転動痕跡を形成し、これによりテクスチャパターンを形成するようにした。すなわち、加工部分から切粉や切屑を発生させず（非切削加工により）、材料自体の展性を利用した塑性変形を生じさせてテクスチャパターンを形成するようにした。
ここで、図５は溝を加工する際に治具を用いた加工方法の一例を示す図である。軸受メタル３ａ（または３ｂ）を保持して軸受メタル３ａの凹曲した摺動面の円弧中心Ｃを支点として反復円弧揺動する治具１５を用意する。そして図５（ａ）に示すように、スクライビングホイール１１を摺動面の端に押し付けた状態で治具１５を図５（ｂ）の位置まで反時計方向に揺動させることにより、摺動面に円弧の周方向に沿った溝１０がスクライビングホイール１１の転動痕跡として形成される。次いで、図５（ｂ）の位置でスクライビングホイール１１を１ピッチ分だけ溝幅方向に移動させて治具１５を時計方向に揺動させ、先に加工した溝と平行な溝を加工する。以下、同様の工程を繰り返すことにより軸受メタル３ａ、３ｂの摺動面に図１に示すような多数の微細な溝１０によるテクスチャパターンを形成する。

軸受メタル３ａ、３ｂの摺動面に形成される溝１０は、図６に示すように、その深さＨが１〜６μｍであり、溝幅Ｌが０．１〜０．４ｍｍとするのがよい。また、溝ピッチＰは０．１〜０．５ｍｍとするのが好ましい。また、スクライビングホイール１１の摺動面に対する押圧力が０．１〜１０Ｎであって、転動速度が０．５〜２ｍ／ｓとするのがよい。なお、これらの数値は、加工対象となる摺動部材の種類や材料に応じて適宜選択される。
溝１０の深さＨは、主にスクライビングホイール１１の刃先形状や押圧力を変えることにより、容易に所望の数値に調整することができる。また、溝幅Ｌは、主に使用するスクライビングホイール１１のサイズや刃先角度を変えることによって調整することが可能である。
本実施例の場合、直径Ｄが１．５ｍｍ、厚みＷが１ｍｍ、刃先角度αが１５０°のスクライビングホイール１１を使用し、押圧力５Ｎかつ１ｍ／ｓの転動速度により、アルミニウム合金製の摺動面に加工を行った結果、溝深さＨが３μｍ、溝幅Ｌが０．２μｍの溝を加工することができた。このようにして形成された溝１０は、油溜まりとしての機能を十分に発揮することができた。

上記のごとくスクライビングホイール１１を摺動面に押し付けながら転動させることにより、微細な溝１０が転動痕跡として形成される。したがって、溝幅Ｌや溝ピッチＰが極めて微細なマイクロメートルサイズの溝加工であっても容易に形成することができる。しかも、形成される溝表面が従来のバニシングツール（被加工物の表面をローラ等の押し付け部材でこすりつけて鏡面仕上げするための工具）による加工のような滑らかな面にすることができて、形状精度の優れたテクスチャパターンを加工することができる。この場合、スクライビングホイール１１の刃先先端に少し丸味を持たせて形成することによって、上記のバニシングツール効果を高めることができる。また、従来のエッチング加工やレーザ加工のように複雑な付帯設備を必要とせず、スクライビングホイール１１を摺動面に押し付けながら相対的に移動させるだけでよいから、簡単な装置で加工でき、加工コストを抑えることができる。また、加工対象となる摺動部材の材料が、スクライビングホイール１１の押し付けによって塑性変形が可能な材料であれば加工することができるので、多様な金属材料に適用することができて被加工材料の制約を大幅に緩和することができる。
なお、すべり軸受（摺動部材）３の材料がセラミックの場合は、焼結前のセラミック材料（グリーンシート状態）に上記手法で加工するようにすればよい。これにより、脆性材料で硬度の高いセラミックであっても、溝１０を非切削による塑性変形によって容易に形成することができる。

上記実施例では、スクライビングホイール１１の転動によって形成される溝１０を連続した線状としたが、図７（ａ）に示すような断続した線状の溝１０’や図７（ｂ）に示すような点状の溝１０”として加工することもできる。この場合、溝１０’や溝１０”を加工するためのスクライビングホイールとして、図８に示すように、刃先稜線全周に一定のピッチで切欠きを設けることによって連続した凹部１８と実質的な刃先となる凸部１９が形成された溝付きスクライビングホイール１１’が用いられる。このような溝付きスクライビングホイール１１’として、例えばガラス分断用に使用されている三星ダイヤモンド株式会社製のスクライビングホイール「ペネット」（登録商標）を用いることができる。

この溝付きスクライビングホイール１１’は、上記のスクライビングホイール１１と同様に、超硬合金もしくは焼結ダイヤモンドを材料とし、直径１．０〜３．０ｍｍで、刃先角度αが９０〜１５０°であり、刃先先端に丸味を持たせて形成されている。また、凹部１８の長さＳ１は５０〜１００μｍ、凸部１９の長さＳ２は３０〜１００μｍで形成するのがよい。
したがって、この溝付きスクライビングホイール１１’の転動痕跡として形成される摺動面の断続した線または点の溝１０’や１０”は、上記した溝付きスクライビングホイール１１’の凹部１８の長さに相当する間隔をあけて形成され、形状も凸部１９のサイズに相当する大きさで形成される。このように断続してそれぞれ独立した線または点とすることで、油溜まりとしての機能をさらに高めることができる。

上記のごとく加工された摺動部材の摺動面は、バニシングによる硬化作用が得られるとともに、表面仕上げを施したような滑らかな面にすることができ、しかも、油溜まりとして機能する断続した線または点の溝によって円滑な摺動が可能となって、優れた摺動部材を得ることができる。

また、図１０は本発明の実施に適した構造の溝付きスクライビングホイールの刃先先端部分の顕微鏡写真である。図８に示したガラス分断用の溝付きスクライビングホイール１１’に比べて凸部のエッジを丸くし、凸部と凹部とが滑らかに連続するようにしてある。図１１はこのスクライビングホイールを用いてガラス板上を転動させたときの打痕を示す顕微鏡写真である。この場合は、図７に示したスクライビングホイールによる打痕よりも丸い打痕が形成されるようになる。

以上、本発明の代表的な実施例について説明したが、本発明は必ずしも上記の実施形態に特定されるものでない。例えば、上記した実施例では、溝１０、１０’、１０”を加工するのにスクライビングホイール１１、１１’に対して被加工物である軸受メタル３ａ、３ｂを移動させたが、スクライビングホイール１１、１１’を軸受メタル３ａ、３ｂの摺動面に沿って移動させるようにしてもよい。また、本発明の加工対象となる摺動部材は上記した軸受部材に限らず、エンジンのピストンやシリンダ、バルブリフタのような往復摺動部材の摺動面のテクスチャ加工にも適用することができる。その他本発明では、その目的を達成し、請求の範囲を逸脱しない範囲内で適宜修正、変更することが可能である。

本発明は、ピストンやシリンダ、バルブリフタのような往復摺動部材や、クランクシャフトなどの回転軸を受ける軸受部材の摺動面のテクスチャ加工に適用することができる。

α 刃先角度
１ 軸受部材
３ すべり軸受（摺動部材）
１０ 溝
１０’ 断続した線状の溝
１０” 断続した点状の溝
１１ スクライビングホイール
１１’ 溝付きスクライビングホイール
１２ ホルダ
１３ ガイド
１４ スクライブヘッド
１８ 凹部
１９ 凸部

Claims (11)

1. 外周稜線に沿って刃先が形成されたスクライビングホイールを使用し、
   被加工物となる摺動部材の摺動面に対し前記スクライビングホイールの刃先を押し付けながら転動させて前記摺動面にローラバニシングによる塑性変形を生じさせ、微細な溝の転動痕跡を前記摺動面に形成することによりテクスチャパターンを加工するようにした摺動部材のテクスチャ加工方法。
2. 前記スクライビングホイールの転動によって形成される溝が、連続した線で形成されている請求項１に記載の摺動部材のテクスチャ加工方法。
3. 前記スクライビングホイールの転動によって形成される溝が、断続した点で形成されている請求項１に記載の摺動部材のテクスチャ加工方法。
4. 前記スクライビングホイールの転動によって形成される溝が、断続した点で形成されている請求項１に記載の摺動部材のテクスチャ加工方法。
5. 前記スクライビングホイールの転動によって形成される溝の深さが１〜６μｍであり、溝幅が０．１〜０．４ｍｍである請求項１〜請求項４のいずれかに記載の摺動部材のテクスチャ加工方法。
6. 前記連続した線の溝を形成するスクライビングホイールが、超硬合金もしくは焼結ダイヤモンドで形成され、直径が１．０〜３．０ｍｍで形成されており、刃先角度が９０〜１５０°であって、刃先先端が丸味を持たせて形成されている請求項２に記載の摺動部材のテクスチャ加工方法。
7. 前記断続した線もしくは点の溝を形成するスクライビングホイールが、超硬合金もしくは焼結ダイヤモンドで形成され、直径が１．０〜３．０ｍｍであって、刃先となる稜線部全周に凹部と凸部とが連続して形成されている溝付きスクライビングホイールである請求項３または請求項４に記載の摺動部材のテクスチャ加工方法。
8. 前記溝付きスクライビングホイールは、前記凹部の長さが５０〜１００μｍであり、凸部の長さが３０〜１００μｍであり、刃先角度が９０〜１５０°であって、刃先先端が丸味を持たせて形成されている請求項７に記載の摺動部材のテクスチャ加工方法。
9. 摺動面を備えた摺動部材であって、刃先となる外周稜線の全周に凹部と凸部を設けた溝付きスクライビングホイールを前記摺動面に押し付けながら転動させることにより、塑性変形による多数の断続した線または点の溝が前記摺動面に形成されており、前記溝が潤滑剤を保持することが可能な深さで形成されている摺動部材。
10. 前記摺動部材の摺動面の材料が金属である請求項９に記載の摺動部材。
11. 前記摺動部材の摺動面の材料が焼結前のセラミックである請求項９に記載の摺動部材。