JP5593842B2 - エアースライド装置 - Google Patents
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Description
ガイドレール12fは鋼等の金属材料からなり、断面形状が矩形状に形成されている。可動体14fはガイドレール12fの上面部121と対向する矩形状のパッド取付面141(図8参照)を有しており、このパッド取付面141には、円形状に形成された複数の静圧気体軸受パッド16が埋設されている。
れている。また、静圧気体軸受パッド16はガイドレール12fの上面部121に向けて圧縮空気等の気体を噴出する気体噴出面161(図9参照)を有しており、従って、可動体14fは、静圧気体軸受パッド16の気体噴出面161から噴出する気体によりスライド可能に支持されるようになっている。
このようなエアースライド装置10fでは、気体噴出パッド16の気体噴出面161が可動体14fのパッド取付面141と面一になるように、気体噴出パッド16を可動体14fのパッド取付面141に埋設している。
そして、従来よりガイドレール12fと可動体14fとの間に焼付きが発生するという課題があったので、特許文献1では、可動体14fのパッド取付面141の軸方向両端部に逃げ面18(図9参照)を設け解決している。
本発明はこのような状況に着目してなされたものであり、エアースライド装置のガイドレール及び/又は可動体の大部分を炭素繊維プリプレグの積層体からなる炭素繊維強化プラスチック(CFRP)とし、強度を確保しつつ軽量化を達成したエアースライド装置を提供することを目的とする。
請求項3の発明は、請求項1又は2に記載のエアースライド装置において、前記複合部材の前記鉄系部材と前記炭素繊維強化プラスチック部材との密着性を高めるため、前記鉄系部材に、さらに、シランカップリング処理が施されることを特徴とする。
(第1の実施形態)
図1〜図3は、本発明の第1の実施形態によるエアースライド装置10を示しており、従来技術と同一部材については同一の符号を用いて説明している。
本発明の第1の実施形態によるエアースライド装置10のガイドレール12及び可動体14は、炭素繊維プリプレグの積層体からなる炭素繊維強化プラスチック(CFRP)からなる。本発明で使用する炭素繊維プリプレグは、炭素繊維に熱硬化性樹脂を含浸させたシート状の成形用中間材料である。この炭素繊維プリプレグは、積層して加圧しながら、含有する熱硬化性樹脂の硬化温度以上の温度で加熱することで、所定の形状に成形可能である。炭素繊維プリプレグとしては、炭素繊維を一方向に揃えた一方向炭素繊維プリプレグと、炭素繊維を平織りにした平織り炭素繊維プリプレグがあるが、各部材の内部は、各種方向への強度を確保するために、プリプレグの繊維配向角度をずらして積層することが好ましい。また、各部材の最表層部、特にねじの取付穴(図示せず)などの加工を行う部分は、外観上、及び加工後、炭素繊維がバラバラになるのを防止するために、平織り炭素繊維プリプレグが用いられている。
以上説明した炭素繊維プリプレグは、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂分が20〜40重量%、より好ましくは24〜33重量%含有された状態で用いることが好適である。熱硬化性樹脂分の含有率が20重量%未満の場合は、含有率が少なすぎて炭素繊維プリプレグ同士の安定した接着接合が難しく、安定した成形体を製造することが困難になり好ましくない。それに対して、熱硬化性樹脂分の含有率が40重量%を越える場合は、成形体状態での柔軟性は向上するものの、炭素繊維の絶対量が少なすぎるために、鉄鋼材料に近い引張強度を達成することが難しくなり、好ましくない。
次に、第2の実施形態について説明する。第2の実施形態におけるエアースライド装置は、機械的構造については第1の実施形態(図1〜図3)と同様であるので図示は省略している。第1の実施形態との差異は、炭素繊維強化プラスチックからなるガイドレール12及び/又は移動体14の少なくとも停止時に互いに接触する部位の表面に、硬質炭素(ダイヤモンドライクカーボン、DLC;図示せず)皮膜が形成されており、それによって、耐摩耗性が向上しており、停止時において表層部に摩耗が発生するのを効果的に防止している。
硬質炭素皮膜を形成する方法としては、スパッタリングによるPVD法、炭化水素ガスをパルス的(断続的)に発生させたプラズマで分解して成膜するプラズマCVD法、炭素又は炭化水素イオンを用いるイオンビーム蒸着法、プラズマイオン注入法等を挙げることができる。
次に、第3の実施形態について説明する。第3の実施形態におけるエアースライド装置も、機械的構造については第1の実施形態(図1〜図3)と同様であるので図示は省略している。第1の実施形態との差異は、炭素繊維強化プラスチックからなるガイドレール12及び/又は移動体14の少なくとも停止時に互いに接触する部位の最表層部が、平織りのアラミド繊維プリプレグに置換されている。このように、炭素繊維より摩擦摩耗特性に優れるアラミド繊維強化プラスチックで表層部が形成されることによって耐摩耗性が向上しており、停止時において表層部に摩耗が発生するのを効果的に防止している。
次に、図4を参照して第4の実施形態について説明する。第1の実施形態との差異は、炭素繊維強化プラスチックからなるガイドレール12の可動体14に停止時に接触する可能性がある部分(図4のコ字状部分)が鉄系材料からなる鉄系部材17で形成されている点である。鉄系部材17は、複数の部材を組み合わせてもよいが一体のものを用いてもよい。
また、この鉄系部材17の、少なくとも炭素繊維強化プラスチック部材との接合表面171は、粗面化処理が施されている。粗面化処理としては、ショットブラスト(エアーブラスト)加工のような物理的粗面化処理の他、エッチングを伴う化学的粗面化処理の適用が可能である。この化学的粗面化処理は、穴の内部が穴の入り口部分より広くなる蟻溝構造とすることができ、高い接合強度の達成が可能であり、より好適である。
なお、本実施形態では、ガイドレール12側に鉄系部材17を設けた例を示したが、同様に移動体14側のガイドレール12に接触する可能性がある部分に鉄系部材を設けてもよい。
以下、本発明の第4の実施形態における、鉄系材料の部材表面に施される化学エッチング処理を伴う粗面化処理について詳細に説明する。
鉄系材料が、SUS420、SUS430等のステンレス鋼の場合は、粗面化処理は、以下の工程で行われる。
第一の工程では、鉄系材料部材の表面をアルカリ脱脂剤にて清浄した後、常温の希塩酸等中に数分間浸漬して酸洗後、少なくともシュウ酸イオンとフッ素化合物イオンを含有するシュウ酸鉄処理液に数分間浸漬して、表面にシュウ酸鉄皮膜が形成される。
第二の工程では、このシュウ酸鉄皮膜が形成されたステンレス鋼の鉄系材料部材を、常温で硝酸−フッ化水素酸混酸の水溶液などに数分間浸漬し、下地のステンレス鋼が侵されないレベルまで、シュウ酸鉄皮膜の大部分が除去され、鉄系材料部材表面に化学エッチングされた凹凸が形成される。この凹凸は化学的に形成されるので、ショットブラスト法などによる機械的凹凸に比べて、形状依存性がなく、全表面に均一に形成され、部分的に凹部の内側空間が広くなったようなシャープな(角のある)窪み状の凹凸となる。それによって、この鉄系材料部材と炭素繊維プリプレグの積層体を金型中で圧力をかけながら成形することで、この凹部に炭素繊維プリプレグのバインダーである熱硬化性樹脂が主に入り込み、機械的に接合される。
鉄系部材の炭素繊維強化プラスチックとの接合部には、凹凸処理が施されることで、両部材の接合強度が格段に向上している。
以下、本発明のエアースライド装置の製造方法について詳細に説明する。
2分割の金型を用いて、最終形状に近い形状の金型内部空間に、ガイドレールの鉄系材料部材(第4の実施形態のみ)と、炭素繊維プリプレグを積層した状態で配置(第3の実施形態は、最表層部の平織りアラミド繊維プリプレグも設置)し、上型を乗せた時点で、締め代が若干発生するようにする。その後、熱間プレス等で、炭素繊維プリプレグ(第3の実施形態のアラミド繊維プリプレグも含む)に含有される熱硬化性樹脂の硬化温度以上で、一定時間、加圧する。このようにして、それぞれの形態(CFRPのみ、CFRP+AFRP、鉄系材料部材と炭素繊維プリプレグの積層体であるCFRPが一体接合)で、最終形状に近い形状に成形する。鉄系材料部材(ガイドレール)は、あらかじめ、取付ネジ用穴の粗加工を行った後、熱処理を行い、表面硬度を向上させている。更に、鉄系材料部材(ガイドレール)は、接合部以外はマスキングして、接合部のみについて化学エッチング処理を伴う粗面化処理を施してある。また、取付ネジ用穴は、金型中で接合処理を行う際、離型剤等を塗布して後から脱着できるようにした穴埋め部材を挿入した状態とし、炭素繊維プリプレグとの接合が均一に行えるようにする。第4の実施形態で試作した鉄系材料部材(ガイドレール)は、熱処理で硬化が可能なマルテンサイト系ステンレス鋼であるSUS440Cとし、化学エッチング処理を伴う粗面化処理は、上記で説明したシュウ酸鉄を用いるものとする(Ra:1.5)。
「テナックス・織物プリプレグW−3101/Q−112J」
プリプレグ仕様:CF重さ200g/m2,総重量333g/m2,
樹脂(エポキシ樹脂,硬化温度130℃)含有率40wt%,成形厚み0.221mm,
使用している炭素繊維フィラメント:引張強度3.92GPa,引張弾性率235GPa,直径7.0μm
・一方向炭素繊維プリプレグ:東邦テナックス製炭素繊維一方向プリプレグ
「テナックス・UDプリプレグ」
プリプレグ仕様:CF重さ100g/m2,総重量133g/m2,
樹脂(エポキシ樹脂,硬化温度130℃)含有率25wt%,成形厚み0.084mm,
使用している炭素繊維フィラメント:引張強度5.79GPa,引張弾性率285GPa,直径5.0μm
尚、第2の実施形態では、第1の実施形態で得られた炭素繊維強化プラスチックのガイドレールに、スパッタリングによるPVD法でDLC皮膜を3μm形成する。
第3の実施形態では、金型成形時に、同様の硬化温度のエポキシ樹脂が40重量%含有された平織りアラミド繊維プリプレグを一緒に入れて成形する。
さらに、カーボングラファイト(黒鉛)等の多孔質材から形成された静圧気体軸受パッドが複数、可動体のガイドレールとの接触面側に固定されている。この固定は、金型内での成形時に接着接合、更にネジ止め等を併用してもよい。
更に、停止時に接触する可能性のある部分を鉄系材料としたり、表面部に硬質炭素(ダイヤモンドライクカーボン、DLC)皮膜を施したり、あるいは表層部をアラミド繊維強化プラスチック(AFRP)とすることで、良好な摺動特性も得ることが可能である。
また、炭素繊維強化プラスチックの最表層を平織り炭素繊維プリプレグで形成することで、取付ネジ用穴加工後に、表層の炭素繊維がばらけて、表面状態が悪くなるのが防止されている。更に、炭素繊維強化プラスチックの内部に積層される一方向炭素繊維プリプレグを角度を変えて積層することで、様々な方向の強度が確保されている。
Claims (3)
- ガイドレールと、このガイドレールの上面部と対向するパッド取付面を有する可動体と、この可動体の前記パッド取付面に埋設された複数の静圧気体軸受パッドとを備え、前記ガイドレールの上面部に向けて前記静圧気体軸受パッドの気体噴出面から噴出する気体により前記可動体をスライド可能に支持するエアースライド装置において、
前記ガイドレール及び可動体の一方は、炭素繊維プリプレグの積層体からなる炭素繊維強化プラスチック部材で形成され、
前記ガイドレール及び可動体の他方は、前記可動体の停止時に該可動体と前記ガイドレールとが接触する接触部分に配置された鉄系部材と、炭素繊維プリプレグの積層体からなる炭素繊維強化プラスチック部材とが接合された複合部材で形成され、
前記鉄系部材の前記炭素繊維強化プラスチック部材との接合面に、前記鉄系部材と前記炭素繊維強化プラスチック部材とが互いに分離しないように、穴の内部が穴の入り口部分より広い蟻溝構造の穴が形成されており、
前記蟻溝構造の穴は、シュウ酸鉄皮膜が形成されたステンレス鋼の前記鉄系部材を、常温で硝酸−フッ化水素酸混酸の水溶液に数分間浸漬し、下地のステンレス鋼が侵されないレベルまで、シュウ酸鉄皮膜の大部分が除去され、前記鉄系部材の表面に化学エッチング処理することにより形成されることを特徴とするエアースライド装置。 - 請求項1に記載のエアースライド装置において、前記ガイドレール及び可動体の前記一方を形成する前記炭素繊維強化プラスチック部材が、前記接触部分にアラミド繊維強化プラスチックの表層部を有することを特徴とするエアースライド装置。
- 請求項1又は2に記載のエアースライド装置において、前記複合部材の前記鉄系部材と前記炭素繊維強化プラスチック部材との密着性を高めるため、前記鉄系部材に、さらに、シランカップリング処理が施されることを特徴とするエアースライド装置。
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