JP6572203B2 - 摺動部品 - Google Patents
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Description
摺動面に離散的に形成された複数の周期構造のそれぞれを鏡面部分で区分けし、各周期構造のグレーティング状凹凸の凹部両端を鏡面部分で堰き止めることで、各周期構造における油膜保持能力を増大し、往復摺動特性や回転摺動特性を向上させるようにした技術が知られている(例えば、特許文献1参照。以下、「従来技術」という。)。
しかしながら、相対摺動する摺動部品の摺動面に動圧発生溝を形成して正圧を発生させ、摺動面の間隔を広げて摺動面の潤滑性を向上させたり、あるいは、摺動面の低圧側に負圧発生溝を形成して負圧を発生させ、漏れを低減させるたりする場合においては、動圧発生溝あるいは負圧発生溝の底面はできるだけ平坦であることが望ましい。また、動圧発生溝あるいは負圧発生溝をレーザ加工により形成する場合、摺動面にレーザ加工に伴うデブリ(アブレーションにより材料表面から飛散した物質)が付着しないことが望まれる。
この特徴によれば、正圧発生溝、負圧発生溝または流体連通路兼正圧発生溝の加工面である底面をきわめて平坦に形成できると共に、これら溝の加工際にデブリによる盛り上がりのない高精度な摺動面を得ることができる。また、加工に伴う熱の影響が少ないため、摺動面にうねりが発生するなどの弊害を防止できる。さらに、加工時間も短く、加工後において摺動面のデブリ除去などの作業を行う必要がないため、作業効率もよい。
この特徴によれば、摺動部品の材質、及び、加工部である溝の大きさや深さに応じたエネルギーフルエンスに設定することができる。
この特徴によれば、パルスの重ね数が多い場合でも加工時間を適度な値に設定可能である。
この特徴によれば、1つのパルスによる熱の発生を少なくすることができる。
この特徴によれば、ガルバノスキャナーの高速走査性を利用して加工を効率よく行うことができる。
この特徴によれば、摺動面間の流体膜を増加させ、潤滑性能を向上させるようにした摺動部品において、精度のよい正圧発生溝により所定の動圧を発生させることができ、また、加工時における熱の影響が少ないため摺動面にうねりがなく、デブリによる盛り上がりもないことから、密封性のよい摺動面を備えた摺動部品を提供することができる。
この特徴によれば、低圧流体側に漏れようとする流体を負圧発生溝を介して高圧流体側に戻すようにした摺動部品において、精度のよい負圧発生溝により所定の負圧を発生させることができ、更に一層、密封性のよい摺動面を備えた摺動部品を提供することができる。
この特徴によれば、摺動面の潤滑性が向上されると共に、流体に含まれる不純物が高圧流体側に排出され、摺動面を損傷することはなく、かつ、不純物が摺動面に堆積して摺動面の間隔を広げることもないようにした摺動部品において、精度のよい流体連通路兼正圧発生溝により所定の動圧を発生させることができ、また、加工時における熱の影響が少ないため摺動面にうねりがなく、デブリによる盛り上がりもないことから、密封性のよい摺動面を備えた摺動部品を提供することができる。
この特徴によれば、低圧流体側に漏れようとする流体を負圧発生溝を介して高圧流体側に戻すようにした摺動部品において、精度のよい負圧発生溝により所定の負圧を発生させることができ、更に一層、密封性のよい摺動面を備えた摺動部品を提供することができる。
(1)加工工程において用いられる前記超短パルスレーザのエネルギーフルエンスは、0.5J/(cm2.pulse)〜7J/(cm2.pulse)であることにより、正圧発生溝、負圧発生溝または流体連通路兼正圧発生溝の加工面である底面をきわめて平坦に形成できると共に、これら溝の加工際にデブリによる盛り上がりのない高精度な摺動面を得ることができる。また、加工に伴う熱の影響が少ないため、摺動面にうねりが発生するなどの弊害を防止できる。さらに、加工時間も短く、加工後において摺動面のデブリ除去などの作業を行う必要がないため、作業効率もよい。
なお、本実施例においては、摺動部品の一例であるメカニカルシールを例にして説明する。また、メカニカルシールを構成する摺動部品の外周側を高圧流体側(被密封流体側)、内周側を低圧流体側(大気側)として説明するが、本発明はこれに限定されることなく、高圧流体側と低圧流体側とが逆の場合も適用可能である。
なお、回転環3の摺動面に流体循環溝が形成される場合も基本的には同様であるが、その場合、流体循環溝は被密封流体側に連通すればよいため、摺動面の外周側まで設けられる必要はない。
固定環5の摺動面には、高圧流体側に連通されると共に低圧流体側とは摺動面の平滑部R(本発明においては、「ランド部」ということがある。)により隔離された流体循環溝10が周方向に複数設けられている。
なお、流体循環溝の形状は、図2に示すような略V字形、あるいは、略U字形のものなど種々の形態を取り得るが、本明細書においては原則として、「高圧流体側から入る入口部」とは流体循環溝の内径方向に向かう部分を、「高圧流体側に抜ける出口部」とは流体循環溝の外径方向に向かう部分を指すものとして説明する。したがって、「入口部と出口部とを連通する連通部」は、きわめて短い場合から相当程度の長さを有する場合がある。
なお、流体循環溝10の平面視における形状において、半径線rを基準にして必ずしも左右対称の形状である必要はなく、入口部10aの交角α1を出口部10bの交角α2より大きくしてもよく、また、その逆であってもよい。
本明細書において、左右略対称という場合、α1=α2±5゜の範囲を意味する。
さらに、流体循環溝10の平面視における形状において、直線部分のない、全体として曲線状(円弧状など)にしてもよい。
また、流体循環溝10の幅及び深さは、被密封流体の圧力、種類(粘性)などに応じて最適なものに設定されればよい。
正圧発生溝11aは流体循環溝10の入口部に連通し、出口部10b及び高圧流体側とはランド部Rにより隔離されている。
本例では、正圧発生機構11は、流体循環溝10の入口部10aに連通する正圧発生溝11a及びレイリーステップ11bを備えたレイリーステップ機構から構成されるが、これに限定されることなく、例えば、ダム付きフェムト溝で構成してもよく、要は、正圧を発生する機構であればよい。
なお、レイリーステップ機構及び逆レイリーステップ機構については、後に、詳しく説明する。
なお、図3は、本発明の摺動部品の摺動面の加工工程において用いられる加工装置20の概略構成を示す模式図である。
まず、制御部24を用いて照射すべき超短パルスレーザ光の基本パラメータを設定する。基本パラメータの設定は、例えば制御部24に設けられた入力装置を用いて入力すればよい。入力する基本パラメータとしては、例えばフルエンス、パルス幅、ショット数などであるが、これら基本パラメータは、制御部24内に設けられたアプリケーションプログラムが自動で算出してもよい。得られた基本パラメータに基づき制御部24は超短パルスレーザ発振器21に駆動信号を出力する。
また、超短パルスレーザの波長が515nmの場合、加工面の状態は、フルエンスが0.5、1、2、3、5、7において粗さRaが加工深さの1/10以下であった。また、加工部の際の盛り上がりの状態は、フルエンスが0.1、0.2、0.4、0.5、1、2、3、5、7、8、9において盛り上がりが0.01μm未満であった。
以上の結果から、加工工程において用いられる超短パルスレーザのエネルギーフルエンスは、0.5J/(cm2.pulse)〜7J/(cm2.pulse)の範囲において好適であることが判明した。
図7(b)から、加工面(正圧発生溝及び負圧発生溝の底面をいう。以下、同じ)の深さは1.025μmであって加工面の粗さRaは約0.03μmであり、加工面の面粗さRaは、加工深さの約3/100であり、加工深さの1/10より十分小さいものであった。また、加工部の際(正圧発生溝及び負圧発生溝の際)のデブリによる盛り上がりは0.01μmときわめて小さいものであった。
図8(b)から、加工面(正圧発生溝及び負圧発生溝の底面)の粗さRaは約0.75μmである。また、加工部の際(正圧発生溝及び負圧発生溝の際)のデブリによる盛り上がりは約0.784μmである。
図9において、固定環5の摺動面の外周側が高圧流体側(被密封流体側)であり、また、内周側が低圧流体側、例えば大気側であり、相手摺動面は反時計方向に回転するものとする。
さらに、低圧流体側に設けられる密封面31の高圧流体側に負圧発生機構40が設けられているので、摺動面及び流体連通路兼正圧発生溝32から低圧流体側に漏洩しようとする流体は負圧発生機構40に流入し、流体連通路兼正圧発生溝32を介して高圧流体側に排出されるので、流体の漏洩を低減できる。
このように、ランド部30の輪郭がU字形の場合、動圧発生部が径方向に長く存在するため、潤滑性が向上され、低摩擦となる。また、径方向の流体連通路兼正圧発生溝32aと周方向の流体連通路兼正圧発生溝32bとが円弧状に滑らかに連通されるため、流体に含まれる不純物は途中で停滞することなく排出され、不純物の堆積を防止できる。この結果、摺動面が損傷されることもないので、摺動面の腐食を防止できる。
エネルギーフルエンスが8J/(cm2.pulse)以上では、1回のショットのパルスエネルギーが大きすぎるため、加工面が荒れて粗さRaが大きくなる。
さらに、波長が1030nmにおいては、エネルギーフルエンスが50J/(cm2.pulse)以上では、また、波長が515nmにおいては、エネルギーフルエンスが10J/(cm2.pulse)以上では、デブリが発生し、加工部の際が盛り上がる。
図10(a)において、相対する摺動部品である回転環3、及び、固定環5が矢印で示すように相対摺動する。例えば、固定環5の摺動面には、相対的移動方向と垂直かつ上流側に面してレイリーステップ11bが形成され、該レイリーステップ11bの上流側には正圧発生溝であるグルーブ部11aが形成されている。相対する回転環3及び固定環5の摺動面は平坦である。
回転環3及び固定環5が矢印で示す方向に相対移動すると、回転環3及び固定環5の摺動面間に介在する流体が、その粘性によって、回転環3または固定環5の移動方向に追随移動しようとするため、その際、レイリーステップ11bの存在によって破線で示すような正圧(動圧)を発生する。
なお、10a、10bは、それぞれ、流体循環溝の入口部、出口部を、また、Rはランド部を示す。
回転環3及び固定環5が矢印で示す方向に相対移動すると、回転環3及び固定環5の摺動面間に介在する流体が、その粘性によって、回転環3または固定環5の移動方向に追随移動しようとするため、その際、逆レイリーステップ15bの存在によって破線で示すような負圧(動圧)を発生する。
なお、10a、10bは、それぞれ、流体循環溝の入口部、出口部を、さらに、Rはランド部を示す。
2 スリーブ
3 回転環
4 ハウジング
5 固定環
6 コイルドウェーブスプリング
7 ベローズ
10 流体連通路
11 正圧発生機構
11a 正圧発生溝
11b レイリーステップ
15 負圧発生機構
15a 負圧発生溝
15b 逆レイリーステップ
20 加工装置
21 超短パルスレーザ発振器
22 走査光学系
23 ガルバノスキャナー
24 制御部
25 XYZステージ
26 架台
27 昇降部材
28 シャフト
30 ランド部
31 密封面
32 流体連通路兼正圧発生溝
40 負圧発生機構
40a グルーブ(負圧発生溝)
40b 逆レイリーステップ
R ランド部
Claims (4)
- 一対の摺動部品の互いに相対摺動する一方側の摺動面には、高圧流体側から入る入口部、高圧流体側に抜ける出口部、及び、前記入口部及び前記出口部とを連通する連通部から構成される流体循環溝が設けられ、前記流体循環溝は低圧流体側とはランド部により隔離されており、前記流体循環溝と高圧流体側とで囲まれる部分に前記流体循環溝より浅い正圧発生溝を有する正圧発生機構が設けられ、前記正圧発生溝は前記入口部に連通され、前記出口部及び前記高圧流体側とはランド部により隔離されており、前記正圧発生溝は超短パルスレーザの照射により形成され、深さは0.05μm〜5μmの範囲の浅い溝であって、加工の際のデブリによる盛り上がりが0.01μm未満であることを特徴とする摺動部品。
- 前記一方側の摺動面の前記流体循環溝と高圧流体側とで囲まれる部分の外側には、前記流体循環溝より浅い負圧発生溝からなる負圧発生機構が設けられ、前記負圧発生溝は前記入口部に連通され、前記出口部及び前記低圧流体側とはランド部により隔離されており、前記負圧発生溝は超短パルスレーザの照射により形成され、深さは0.05μm〜5μmの範囲の浅い溝であって、加工の際のデブリによる盛り上がりが0.01μm未満であることを特徴とする請求項1記載の摺動部品。
- 一対の摺動部品の互いに相対摺動する一方側の摺動面には、高圧流体側から入る入口部、高圧流体側に抜ける出口部、及び、前記入口部及び前記出口部とを連通する連通部から構成される流体循環溝が設けられ、前記流体循環溝は低圧流体側とはランド部により隔離されており、前記流体循環溝と高圧流体側とで囲まれる部分に前記流体循環溝より浅い正圧発生溝を有する正圧発生機構が設けられ、前記正圧発生溝は前記入口部に連通され、前記出口部及び前記高圧流体側とはランド部により隔離されており、前記正圧発生溝は超短パルスレーザの照射により形成され、深さは0.05μm〜5μmの範囲の浅い溝であって、前記正圧発生溝の底面の粗さRaは加工深さの1/10以下であり、加工の際のデブリによる盛り上がりが0.01μm未満であることを特徴とする摺動部品。
- 前記一方側の摺動面の前記流体循環溝と高圧流体側とで囲まれる部分の外側には、前記流体循環溝より浅い負圧発生溝からなる負圧発生機構が設けられ、前記負圧発生溝は前記入口部に連通され、前記出口部及び前記低圧流体側とはランド部により隔離されており、前記負圧発生溝は超短パルスレーザの照射により形成され、深さは0.05μm〜5μmの範囲の浅い溝であって、前記負圧発生溝の底面の粗さRaは加工深さの1/10以下であり、加工の際のデブリによる盛り上がりが0.01μm未満であることを特徴とする請求項3記載の摺動部品。
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