JP4876740B2 - 微細形状加工装置、微細形状加工方法及び摺動部材 - Google Patents

Description

本発明は、微細形状加工装置、微細形状加工方法及び摺動部材に係り、更に詳細には、例えば、自動車用エンジンにおけるシリンダブロックのシリンダボアの内周面やカムシャフトのジャーナル部の外周面、トラクションドライブ式変速機の転動体の表面などのように摺動接触を伴う被加工物の表面に、低フリクション化を実現するための微細凹部（油だまり）を形成するのに用いられる微細形状加工装置、微細形状加工方法及び摺動部材に関する。

従来から、マイクロロールフォーミング（ＭＲＦ）による微細加工は、スプリングなどを介してローラをワークに押し付けることにより行われており、常にほぼ一定の荷重がワークにかかるようになっていた。
例えば、外周面に凹凸のあるローラを被加工物に所定の荷重で押込み、被加工物を回転させ、被加工物表面に微細な凹凸を形成する加工装置及び加工方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。
特開２００２−３６１３５１号公報

かかる微細加工では、図１に示すように、微細な凹凸を有するフォームローラを被加工物に押付け、フォームローラの微細な凹凸を転写し、被加工物表面を塑性変形させて微細な形状を加工しているので、加工した微細形状周辺部に盛上がりが生じ、微細形状を加工した後に、この盛上がりを除去する工程が必要となり、加工時間及びコストが増加するという問題点があった。
また、かかる微細加工では、工具がすべり、凹凸パターンが乱れるという問題点があった。

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、加工した微細形状周辺部の盛上がりを抑制し、高精度に微細形状を加工することのできる微細形状加工装置、微細形状加工方法及び摺動部材を提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、フォームローラ（微細凹部形成筒部）と一体又は別体で研磨材となる微細な粒子を含んだ弾性体を設置し、微細凹部を加工するとともに、その周辺部の盛上がりを除去することにより、上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。

本発明に係る微細形状加工装置は、微細な凹部を形成する微細凹部形成筒部と、微細な粒子からなる研磨材を含む弾性体を有する弾性体付筒部とを近設させた円筒状工具部材を備え、この円筒状工具部材を被加工物の表面に押し付けて微細な凹部を加工するものであり、弾性変形させて被加工面に押し付けられている部位の周速度と押し付けられていない部位の周速度で速度差を生じさせて被加工面を研磨するように、上記弾性体付筒部の外径を微細凹部形成筒部の外径よりも大きくしたことを特徴としている。

また、本発明の微細形状加工方法は、上記微細形状加工装置を使用して被加工物表面に微細な凹凸を加工するに当たり、
以下の１〜３工程
１．被加工物表面を弾性体で研磨する被加工面研磨工程、
２．微細凹部形成筒部によって被加工物表面に微細な凹凸を加工する微細凹凸加工工程、
３．微細凹凸形状周辺の盛上がりを研磨ローラで研磨する凸部研磨工程、
より選ばれた少なくとも２つの工程を行うことを特徴とする。

更に、本発明の摺動部材は、上記微細形状加工方法を用いて微細な凹凸を加工したことを特徴とする。

本発明によれば、フォームローラ（微細凹部形成筒部）と一体又は別体で微細な粒子からなる研磨材を含む弾性体を設置し、微細凹部を加工するとともに、その周辺部の盛上がりを除去することとしたため、加工した微細形状周辺部の盛上がりを抑制し、高精度に微細形状を加工することができる。
押し付けられている部位の周速度と押付けられていない部位の周速度で速度差が発生し、この速度差によって凸部の全体又は一部を除去できる。

以下、本発明の微細形状加工装置について詳細に説明する。なお、本明細書及び特許請求の範囲において、濃度、含有量、充填量などについての「％」は、特記しない限り質量百分率を表すものとする。

上述の如く、本発明の第１の微細形状加工装置は、外周面に高硬度な微細凹凸を有する円筒状の工具部材を備え、該円筒状工具部材を被加工物の表面に押付け、微細な凹部を加工しうる。また、上記円筒状工具部材は、微細な凹部を形成する筒部と微細な粒子を含む弾性体を有する筒部とが近設されて成り、該弾性体付筒部の外周を該微細凹部形成筒部の外周より大きくする。

このように、上記円筒状工具部材は、微細凹部形成筒部と微細な粒子を含む弾性体付筒部とが双方の機能を発揮させながら回転する構成である。即ち、被加工物表面に微細形状を加工しながらその周辺の研磨も行うので、盛上がりを抑制又はその大きさを低減することができる。よって、微細形状加工工程の後工程での盛上がり除去加工時間を短縮できる。
また、円筒状工具部材のすべりが低減されるので、微細形状のパターンを高精度に加工できる。

また、かかる効果をより向上させる観点からは、上記微細凹部形成筒部と上記弾性体付筒部とが一体で構成され、これらは同一の回転軸により回転することが好適である。

更に、上記微細凹部形成筒部と上記弾性体付筒部とを別体で構成し、これらを同一の回転軸により回転させ、該弾性体付筒部の回転軸の摩擦が該微細凹部形成筒部の回転軸の摩擦より大きくなるようにすることが好適である。
このときは、被加工物と、弾性体の間に大きなすべりを生じさせることができるので、微細な粒子を含んだ弾性体による研磨効果を増大できる。

更にまた、同様の観点から、上記微細凹部形成筒部と上記弾性体付筒部とを別体で構成するときは、これらを異なる駆動力により回転させ、該微細凹部形成筒部と該弾性体付筒部とを任意の回転速度で回転できるようにすることも好適である。

また、本発明の微細形状加工装置において、上記弾性体付筒部は、上記微細凹部形成筒部に対して、加工時の送り方向の前進側、後進側のいずれか一方又は双方に配設することが好適である。
このときは、弾性体付筒部を前進側に配設することで、微細な粒子を含んだ弾性体が、高硬度な凹凸を有する微細凹部形成筒部が加工する直前の被加工面を研磨することとなるので、前加工面を高精度に調整することができ、微細形状の精度を向上できる。また、弾性体付筒部を前進側に配設することで、微細凹部形成筒部が加工した直後の被加工面を弾性体付筒部が研磨するので、微細形状を加工しながら盛上がりの大きさを抑制することができ、微細形状加工工程の後工程での盛上がり除去加工時間を短縮できる。

更に、上記弾性体付筒部は複数配設することが好適である。
このときは、１回の加工で微細な粒子を含んだ弾性体の研磨効果が複数回得られるので有効である。また、個々の弾性体に含まれる微細粒子の粒度を変えることで、粗加工、仕上げ加工を行うことも可能である。

更にまた、上記弾性体付筒部に含まれる微細粒子は、均一に分散したり、規則的に配列することが好適である。
これにより、弾性体内に微細粒子を均一分散するときは、被加工物と工具（高硬度な凹凸を有する微細凹部形成筒部）の摩擦が大きくなりすべりを更に低減できる。また、弾性体に微細粒子を規則的に配列することで、微細粒子を含んだ弾性体による研磨効果が大きくなりうる。
例えば、微細粒子の大きさは３０〜０．１μｍ程度で用いることができる。

また、上記弾性体付筒部は、外周面に微細な粒子の大きさよりも大きな凹凸を有しており、その凹凸面に微細な粒子が配設されていることが好適である。このときは、微細な粒子を含む弾性体の研磨効果が更に大きくなりうる。
更に、同様の観点から、上記弾性体付筒部に含まれる微細粒子は、例えば、セラミックス、ダイヤモンドのいずれか一方又は双方を用いることが好適である。
更にまた、上記弾性体付筒部に繊維状の物質が含まれていることが好適である。このときは、微細な粒子を含む弾性体の強度が向上しうる。上記繊維状の物質としては、例えば、カーボンファイバー，カーボンナノチューブ，カーボンナノファイバー，ガラスファイバーなどを使用できる。

次に、本発明の第２の微細形状加工装置について説明する。
かかる微細形状加工装置は、上記第１の微細形状加工装置と同様に、外周面に高硬度な微細凹凸を有する円筒状の工具部材を備え、該円筒状工具部材を被加工物の表面に押付け、微細な凹部を加工しうるが、以下の点が異なる。
即ち、上記円筒状工具部材は、外周面に凹凸部が形成され、その凸部表面の全面又は一部に微細な粒子が配設されて成る。
このときは、高硬度な凹凸を有する円筒状工具部材の外周に微細な粒子が配設されるので、該円筒状工具部材と被加工物のすべりが低減され、高精度なパターンの微細形状が加工できる。

次に、本発明の第３の微細形状加工装置について説明する。
かかる微細形状加工装置は、上記第１の微細形状加工装置と同様に、外周面に高硬度な微細凹凸を有する円筒状の工具部材を備え、該円筒状工具部材を被加工物の表面に押付け、微細な凹部を加工しうるが、以下の点が異なる。
即ち、上記円筒状工具部材の外周面に凹凸部が形成され、その凸部表面の全面又は一部に微細な粒子を含有する弾性体が配設されて成る。
このときは、高硬度な凹凸を有する円筒状工具部材の外周に微細な粒子を含んだ弾性体が配設されるので、該円筒状工具部材の強度を向上できる

次に、本発明の微細形状加工方法について説明する。
本発明は、上述した第１〜３の微細形状加工装置を使用して被加工物表面に微細な凹凸を加工するに当たり、
以下の１〜３工程
１．被加工物表面を弾性体で研磨する被加工面研磨工程、
２．微細凹部形成筒部によって被加工物表面に微細な凹凸を加工する微細凹凸加工工程、
３．微細凹凸形状周辺の盛上がりを研磨ローラで研磨する凸部研磨工程、
より選ばれた少なくとも２つの工程を行う微細形状加工方法である。

このような工程を行うことにより、簡単な構成で被加工物と、微細な粒子を含んだ弾性体との間により大きなすべりを生じさせることができ、該弾性体による研磨効果が大きくなる。

次に、本発明の摺動部材について説明する。
本発明の摺動部材は、上述の微細形状加工方法を用いて微細な凹凸を加工して成ることを特徴とする。
これにより、加工した微細形状は潤滑油溜まりとして利用でき、また潤滑油の流れを効率的に制御できるので、摺動部材の摩擦を低減することができる。

代表的には、例えば、微細な凹凸を加工したジャーナル、ピンのいずれか一方又は双方を備えたクランクシャフトや、微細な凹凸を加工したジャーナル、カムロブのいずれか一方又は双方を備えたカムシャフトや、微細な凹凸を加工したジャーナルを備えたバランサシャフトや、微細な凹凸を加工したピストンピンや、微細な凹凸を加工したシリンダボアなどを挙げることができる。

ここで、図２に、本発明の一実施形態である微細形状加工装置を用いて摺動部材を加工する際の概略を示す。
この微細形状加工装置は、被加工物１を保持するチャック２と、チャック２を回転させる主軸３と、外周面に微細な凸部を有する円盤状又は円筒状のフォームローラ部４（微細凹部形成筒部）と、フォームローラ部４の外径よりも大きく、フォームローラ部４と一体となり同軸で回転できる研磨ローラ部５（弾性体付筒部）とを有する。また、研磨ローラ部５は、フォームローラ部４の左右に設置され、微細な粒子を含んだ弾性体で構成される（５Ａ及び５Ｂ）。

また、この微細形状加工装置は、フォームローラ部４及び研磨ローラ部５を回転可能に保持できるアーム６と、フォームローラ部４及び研磨ローラ部５に所定の荷重をかけることができるバネなどの弾性部材で構成される荷重発生部７と、荷重発生部７によって、フォームローラ部４及び研磨ローラ部５にかかっている荷重を測定する荷重測定部８と、アーム６及び荷重発生部７及び荷重測定部８を保持し、図中のＸ方向、Ｚ方向に移動可能なボディ９とを有する。

この微細形状加工装置を用いた加工方法について説明する。
まず、被加工物１をチャック２に取り付け、回転可能な状態で保持させる。
次いで、フォームローラ部４が加工開始位置の真上になるようにボディ９を移動させる。
その後、ボディ９をＺ方向に移動させ、フォームローラ部４及び研磨ローラ部５を被加工物１に所定の荷重で押付ける。続いて、被加工物１の回転と、フォームローラ部４及び研磨ローラ部５の被加工物回転軸方向の移動を開始させ、加工を開始する。

加工の際は、まず図３に示すように、研磨ローラ部５Ａが被加工面と接触しながら移動する。このとき、研磨ローラ部５Ａはフォームローラ部４の外径よりも大きいため、弾性変形した状態で被加工物１に押付けられているので、押付けられている部位の周速度Ｖｗと押付けられていない部位の周速度Ｖｅで速度差が発生し、この速度差によって被加工面を研磨する。

次いで、フォームローラ部４が被加工物１に押付けれられることによって、被加工物に微細な凹部と、その周辺に凸部Ｘが形成される。そして、その直後に、フォームローラ部４の移動方向で後進側に位置する研磨ローラ５Ｂが、被加工物１に押付けられながら凸部Ｘを通過する。研磨ローラ部５Ｂもフォームローラ部４の外径よりも大きいため、被加工部では弾性変形した状態で被加工物１に押付けられているので、押付けられている部位の周速度Ｖｗと押付けられていない部位の周速度Ｖｅで速度差が発生し、この速度差によって凸部Ｘの全体又は一部を除去する。

ここで、図４に示すように、フォームローラ部４と研磨ローラ部５が別体で回転でき、研磨ローラ部５の回転軸の摩擦が、フォームローラ部４の回転軸の摩擦よりも大きい構造とすることもできる。このときは、研磨ローラ５と被加工物１のすべりが更に大きくなり、凸部Ｘの除去量が大きくなる。

また、図５に示すように、フォームローラ部４の回転を遊星ギヤなどの回転反転部３０を用いて、反転させ、研磨ローラ部５の回転とすることもできる。このときは、被加工物１と研磨ローラ部５のすべりを大幅に増加することができ、更に凸部Ｘの除去量が大きくなる。

更に、図６に示すように、フォームローラ部４と研磨ローラ部５を別体で回転できる構造とし、研磨ローラ部を外部の駆動装置１０からベルト３１などを介して回転させることもできる。このときは、研磨ローラ部５と被加工物１のすべりを更に大きくすることができ、凸部Ｘの除去量が大きくなる。

また、研磨ローラ５に含まれる微細な粒子は、均一に分散されていても良いが、図７に示すように、規則的に配置したり、研磨ローラの外周部に粒子の大きさよりも大きな凹凸を形成し、その表面に配置したりすることで、研磨効果をより大きくすることができる。
この微細な粒子はセラミックスやダイヤモンドなどの高硬度な材料であると更に研磨効果が大きくなる。

この加工を被加工面全面に行うことによって、被加工面全面に微細な凹部を形成すると同時に、その周辺部に発生する凸部の大きさを低減又は除去することができる。また、研磨ローラ部５と被加工物１との摩擦が大きくなるので、フォームローラ部４と被加工物１とのすべりが低減され、加工される微細な形状のパターンの精度も向上する。

ここで、フォームローラ部４の外周面は、図８に示すように、微細な粒子を配置することもできる。このときは、フォームローラ部４と被加工物１のすべりを更に低減することができ、加工される微細な形状のパターンの精度が更に向上する。
更に、フォームローラ部４の外周部の一部又は全面に弾性体１０を設置することで、フォームローラ部４の破損を低減することもできる。
なお、本実施形態では、研磨ローラ部５が２個の例を示したが、研磨ローラ部は２個以上あってもよい。

次に、図９及び図１０に、本発明の微細形状加工装置の他の実施形態を用いて摺動部材を加工している概略を示す。
この微細形状加工装置は、研磨ローラ減速部２０を備える以外は、上述の微細形状加工装置（図２、図３）と同様の構成を有する。

即ち、まず、図９に示すように、フォームローラ部４を所定の荷重で被加工物１に押付け、被加工面全面に微細な凹凸を加工する。その後、図１０に示すように、フォームローラ部４が被加工物１から離間し、研磨ローラ部５のみが被加工物に接触するような押付け荷重とする。その状態で研磨ローラ減速部２０を作動させ、研磨ローラ５の回転を減速させ、被加工物１とのすべりを発生させ、被加工面全面を加工することで、被加工面の凸部Ｘの全体又は一部を除去することができる。また、研磨ローラ５を研磨ローラ減速部２０によって固定するとさらに研磨効果は大きくなる。更に、このときに、研磨ローラの移動速度を遅くしたり、被加工面を移動させる回数を多くしたりすることで、凸部Ｘの除去量を多くすることができる。

以上、本発明の微細形状加工装置を２つの実施形態を参照して説明したが、本発明では、円筒形状の外周面に加工するのみならず、円筒状の被加工物の内面に微細形状を加工する場合においても、同様の効果を得ることができる。
また、本発明の微細形状加工装置を用いて微細な凹凸を加工した摺動部材は、例えば、自動車用のクランクやカム、バランサなどの摺動部に適用することができ、加工された微細な形状が潤滑油溜りとして機能したり、潤滑油の流れを制御したりすることができ、その摩擦を低減することができる。

従来の微細加工装置の一例を示す概略図である。 本発明の微細形状加工装置の一実施形態を示す概略図である。 凸部Ｘが除去される様子を示す概略図である。 フォームローラ部及び研磨ローラ部の一例を示す概略図である。 フォームローラ部及び研磨ローラ部の他の例を示す概略図である。 フォームローラ部及び研磨ローラ部の更に他の例を示す概略図である。 フォームローラ部構造の一例を示す概略図である。 フォームローラ部構造の他の例を示す概略図である。 本発明の微細形状加工装置の他の実施形態を示す概略図である。 本発明の微細形状加工装置の更に他の実施形態を示す概略図である。

符号の説明

１ 被加工物
２ チャック
３ 主軸
４ フォームローラ部
５、５Ａ、５Ｂ 研磨ローラ部
６ アーム
７ 荷重発生部
８ 荷重計測部
９ ボディ
１０ 駆動装置
２０ 研磨ローラ減速部
３０ 回転反転部

Claims (20)

1. 微細な凹部を形成する微細凹部形成筒部と、微細な粒子からなる研磨材を含む弾性体を有する弾性体付筒部とを近設させた円筒状工具部材を備え、この円筒状工具部材を被加工物の表面に押し付けて微細な凹部を加工する微細形状加工装置において、
   弾性変形させて被加工面に押し付けられている部位の周速度と押し付けられていない部位の周速度で速度差を生じさせて被加工面を研磨するように、上記弾性体付筒部の外径を微細凹部形成筒部の外径よりも大きくしたことを特徴とする微細形状加工装置。
2. 上記微細凹部形成筒部と上記弾性体付筒部とが一体で構成され、これらは同一の回転軸により回転することを特徴とする請求項１に記載の微細形状加工装置。
3. 上記微細凹部形成筒部と上記弾性体付筒部とが別体で構成され、これらは同一の回転軸により回転し、該弾性体付筒部の回転軸の摩擦が該微細凹部形成筒部の回転軸の摩擦よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の微細形状加工装置。
4. 上記微細凹部形成筒部と上記弾性体付筒部とが別体で構成され、これらは異なる駆動力により回転し、該微細凹部形成筒部と該弾性体付筒部とが任意の回転速度で回転できることを特徴とする請求項１に記載の微細形状加工装置。
5. 上記弾性体付筒部が上記微細凹部形成筒部に対して、加工時の送り方向の前進側及び／又は後進側に配設されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の微細形状加工装置。
6. 上記弾性体付筒部が複数配設されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の微細形状加工装置。
7. 上記弾性体付筒部に含まれている微細な粒子が均一に分散されてい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形状加工装置。
8. 上記弾性体付筒部に含まれている微細な粒子からなる研磨材が規則的に配列されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つの項に記載の微細形状加工装置。
9. 上記弾性体付筒部は、外周面に微細な粒子の大きさよりも大きな凹凸を有しており、その凹凸面に当該研磨材が配設されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つの項に記載の微細形状加工装置。
10. 上記弾性体付筒部に含まれている微細な粒子がセラミックス及び／又はダイヤモンドであることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つの項に記載の微細形状加工装置。
11. 上記弾性体付筒部に繊維状の物質が含まれていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１つの項に記載の微細形状加工装置。
12. 外周面に高硬度な微細凹凸を有する円筒状の工具部材を備え、該円筒状工具部材を被加工物の表面に押し付け、微細な凹部を加工しうる微細形状加工装置において、
    上記円筒状工具部材は、外周面に粒子の大きさよりも大きな凹凸部が形成され、その凸部表面の全面又は一部に研磨材となる微細な粒子を配設していることを特徴とする微細形状加工装置。
13. 微細な凹部を形成する微細凹部形成筒部と、外周面に凹凸部が形成され、その凸部表面の全面又は一部に微細な粒子からなる研磨材を含有する弾性体を有する弾性体付筒部とを近設させた円筒状工具部材を備え、この円筒状工具部材を被加工物の表面に押し付けて微細な凹部を加工する微細形状加工装置において、
    弾性変形させて被加工面に押し付けられている部位の周速度と押し付けられていない部位の周速度で速度差を生じさせて被加工面を研磨するように、上記弾性体付筒部の外径を微細凹部形成筒部の外径よりも大きくしたことを特徴とする微細形状加工装置。
14. 請求項１〜１３のいずれか１つの項に記載の微細形状加工装置を使用して被加工物表面に微細な凹凸を加工するに当たり、
    以下の１〜３工程
    １．被加工物表面を弾性体で研磨する被加工面研磨工程、
    ２．微細凹部形成筒部によって被加工物表面に微細な凹凸を加工する微細凹凸加工工程、
    ３．微細凹凸形状周辺の盛上がりを弾性体で研磨する凸部研磨工程、
    より選ばれた少なくとも２つの工程を行うことを特徴とする微細形状加工方法。
15. 請求項１４に記載の微細形状加工方法を用いて微細な凹凸を加工したことを特徴とする摺動部材。
16. 微細な凹凸を加工したジャーナル及び／又はピンを備えたクランクシャフトであることを特徴とする請求項１５に記載の摺動部材。
17. 微細な凹凸を加工したジャーナル及び／又はカムロブを備えたカムシャフトであることを特徴とする請求項１５に記載の摺動部材。
18. 微細な凹凸を加工したジャーナルを備えたバランサシャフトであることを特徴とする請求項１５に記載の摺動部材。
19. 微細な凹凸を加工したピストンピンであることを特徴とする請求項１５に記載の摺動部材。
20. 微細な凹凸を加工したシリンダボアであることを特徴とする請求項１５に記載の摺動部材。

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