CN111989501B - 带凹部的工件及凹部的加工方法 - Google Patents

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Abstract

在工件1的加工表面(2)上形成多个凹部(3)。对于凹部(3)，在纵向方向上的竖向长度(3b)和在与纵向方向正交的横向方向上的横向长度(3c)的纵横比为5.0至50.0。

Description

带凹部的工件及凹部的加工方法
技术领域
本发明涉及在表面上具有多个凹部的工件以及用于在工件的表面中形成多个凹部的加工方法。
背景技术
通过所谓的刮擦可以在工件诸如铝、铜合金、其铸件、钢材或树脂的表面中形成多个微小凹陷形式的凹部。例如，使用在工件表面上的多个凹部可以形成缎纹图案。这是因为可以通过在工件上形成凹部来减小与工件接触的配副材料和工件之间可能生成的摩擦阻力。原理是，例如当工件和配副材料接触时可能会产生磨屑，使得磨屑可能被捕捉在工件和配副材料之间，从而增加摩擦阻力。通过允许将磨屑捕捉在凹部中，可以防止由于磨屑引起的增加的摩擦阻力。可替代地，可以在工件和配副材料之间注入油，使得油可以填充凹部。当配副材料通过凹部附近时，油可以被从凹部中挤出并在高压下进入配副材料和工件之间的空间中(挤压效应)。该压力可以使配副材料难以与工件接触。所以，可以减小配副材料与工件之间的摩擦阻力。
因此，可以在管状构件诸如用于发动机的缸体、涡轮增压器等的内壁或人造关节的接合表面中形成凹部。日本早期公开专利公报No.H10-052998公开一种使用旋转切削工具诸如铣刀或立铣刀来装饰工件表面的方法。在该方法中，在旋转切削工具旋转的同时，可以使旋转切削工具的切削边缘轻轻抵接工件的表面。以此方式，可以在工件的表面上以波尔卡点图案形成具有例如圆形形状或椭圆形形状的多个凹部。凹部因此被形成为例如与旋转切削工具的轴向方向平行，并且在与轴向方向正交的进给方向上以相等的间隔形成。
发明内容
本发明要解决的问题
当在工件和配副材料之间填充油并且工件和配副材料相对彼此移动时，在工件和配副材料之间生成油压和剪切力，从而引起油流。例如当凹部是圆形时，油流在凹部中引起涡旋状湍流(例如，气蚀)。油流的涡旋状湍流可能促使油膜的压力降低。期望的是抑制凹部中油流的湍流的生成，以便有效地表现出通过形成凹部增加油膜压力的效果。因此，需要一种具有多个凹部的工件，该多个凹部能够防止凹部中油流的湍流。还需要一种用于在工件中形成这样的凹部的加工方法。
解决问题的手段
本公开内容的一个方面涉及一种为了增加油膜的压力而设置有多个凹部的带凹部的工件。多个凹部中的每个凹部具有大于或等于5.0且小于或等于50.0的纵横比，该纵横比为在纵向方向上的竖向长度和在与纵向方向正交的横向方向上的横向长度之比。
因此，凹部在纵向方向上具有伸长的形状。凹部可以具有例如纺锤形状、椭圆形状、矩形形状或菱形形状。在具有大于或等于5.0的纵横比的伸长的凹部中，可以抑制油流生成涡旋状湍流。此外，凹部中的油流在凹部的纵向方向上将具有较少的湍流的流动。因此，可以抑制由于凹部中油流的湍流引起的油膜压力的降低。通过凹部从而可以有效地增加油膜的压力。
根据本公开内容的另一方面，多个凹部可以包括彼此平行的多个第一凹部和彼此平行的多个第二凹部。多个第一凹部和多个第二凹部可以被布置成使得多个第一凹部的纵向方向和多个第二凹部的纵向方向成角度地相交。
因此，油可以更容易地在第一凹部周围沿第一凹部的纵向方向流动。油可以更容易地在第二凹部周围沿第二凹部的纵向方向流动。第一凹部的纵向方向和第二凹部的纵向方向成角度地相交。因此，第一凹部周围的油流和第二凹部周围的油流可以会聚。由于油流的会聚，被捕捉在工件和配副材料之间的油将不太可能从这些部件之间流出，并且因此可以将油保持在它们之间。
根据本公开内容的另一方面，多个凹部中的每一个凹部的深度可以是10.0μm或以下。每个凹部在纵向方向上的端部边缘在深度方向上相对于工件表面可以具有10°或以下的倾斜角度。因此，多个凹部可以形成有浅底，并且特别地在纵向方向上的端部边缘可以形成为与工件的表面平滑地接续。因此，还可以防止由于在凹部的深度方向上的凹部中的油流所生成的涡旋。此外，沿凹部的纵向方向的油流的湍流较小。因此，可以进一步抑制由于凹部中的油流的湍流所引起的油膜压力的降低。因此，通过凹部可以有效地增加油膜的压力。
本公开内容的另一方面涉及一种用于使用旋转切削工具在工件中形成凹部的凹部加工方法。旋转切削工具可以绕轴线旋转，该旋转切削工具包括绕轴线被可旋转地支撑的工具主体和设置在该工具主体的外周缘上以在与该轴线延伸的方向相交的方向上突出的切削边缘。旋转切削工具可以在旋转的同时沿工件的加工表面进给，以便使用切削边缘在加工表面中形成凹部。每个凹部具有大于或等于5.0且小于或等于50.0的纵横比，该纵横比为在纵向方向上的竖向长度和在与纵向方向正交的横向方向上的横向长度之比。
因此，可以容易地在工件的表面中形成具有大于或等于5.0的相对大的纵横比的多个凹部。例如，可以相对容易地在工件相对于配副材料移动的方向上形成平行布置的多个凹部。可替代地，可以相对容易地形成多个凹部，其中多个凹部在与一个方向相交的另一方向上以相等的间隔布置。
附图说明
图1是用于形成纺锤状凹部的旋转切削工具的局部侧视图和工件的局部部段的侧视图。
图2是形成有纺锤状凹部的工件的放大正视图。
图3是沿图2中的线III-III截取的截面图。
图4是用于形成椭圆状凹部的旋转切削工具的局部侧视图和工件的局部部段的侧视图。
图5是形成有椭圆状凹部的工件的放大正视图。
图6是沿图5中的线VI-VI截取的截面图。
图7是曲柄轴的正视图和用于在曲柄轴的曲柄销上形成凹部的旋转切削工具的截面图。
图8是例示了曲柄轴的曲柄销的局部截面图的平面图和旋转切削工具的局部平面图。
图9是形成有凹部的曲柄销的放大正视图。
图10是沿图9中的线X-X截取的截面图。
图11是形成有多个第一凹部和多个第二凹部的工件的放大正视图，多个第一凹部和多个第二凹部各自使相应的纵向方向成角度地相交。
图12是图7中的部分XII的放大侧视图。
图13是旋转切削工具的放大侧视图，该旋转切削工具具有用于形成纺锤状凹部的切削边缘，以代替图12中的切削边缘。
图14是工件和用于同时形成多排凹部的旋转切削工具的立体图。
图15是筒状工件的一部分和用于在工件的内部周向表面中形成凹部的旋转切削工具的截面图。
图16是筒状工件的局部部段和用于在工件的内部周向表面中形成凹部的旋转切削工具的局部部段的侧视图。
图17是形成有纺锤状凹部的工件的放大正视图。
图18是工件和用于形成凹部的钻头的正视图。
图19是对于不同形状的凹部的荷载与摩擦系数之间的关系图。
图20是凹部的纵横比与摩擦系数之间的关系图。
图21是速度/荷载与摩擦系数之间的关系图。
图22是形成有圆形凹部的工件的放大正视图。
图23是形成有纺锤状凹部的工件的放大正视图。
图24是形成有多个第一凹部和多个第二凹部的工件的放大正视图，该多个第一凹部和多个第二凹部的纵向方向成角度地相交。
图25是对于不同形状和大小的凹部的荷载与摩擦系数之间的关系图。
具体实施方式
在下文中，将参照图1至图3描述本发明的一个实施方式。如图1所示，金属工件1可以具有被配置为与配副材料接触的加工表面2。使用旋转切削工具10在加工表面2处形成彼此分隔开的多个凹部3。工件1可以由钢材诸如例如碳钢、用于一般结构的轧制钢、铬钼钢、不锈钢、铸铁等制成。可替代地，工件1可以由例如非铁金属诸如例如铝、铝合金、铜或铜合金，或者树脂材料制成。旋转切削工具10可以具有在轴线11a方向上延伸的工具主体11和从工具主体11的周缘11b的一部分径向突出的切削边缘12。工具主体11可以具有绕轴线11a的柱状形状、锥形形状或其他可旋转体的形状。工具主体11可以具有一个或更多个切削边缘12。如果应设置多个切削边缘12，可以沿周向方向和/或轴向方向将这些切削边缘间隔地布置在工具主体11的周缘11b上，例如，沿周向方向和/或轴向方向布置在周缘11b上的等距位置处。
如图1所示，切削边缘12可以具有第一底部边缘12a和第二底部边缘12b。第一底部边缘12a可以具有大致平坦的表面，该表面相对于工具主体11的径向方向和轴向方向以预定角度倾斜。第二底部边缘12b可以具有大致平坦的表面，该表面相对于工具主体11的径向方向和轴向方向以预定角度倾斜并且与第一底部边缘12a以一角度相交。第一底部边缘12a和第二底部边缘12b相交以形成V形前端12c。具体地，切削边缘12具有大致三角形的前刀面。切削边缘12的前刀面被定向为大致在工具主体11的周向方向上。
切削边缘12可以由与旋转切削工具10的工具主体11相同的材料形成，或者由不同的材料形成。切削边缘12和工具主体11可以由例如工具钢、高速钢(高速工具钢)或硬质合金制成。可替代地，工具主体11可以由例如碳钢、不锈钢、工具钢、高速钢或硬质合金制成，而切削边缘12由例如多晶金刚石(PCD)、立方氮化硼(CBN)或陶瓷形成。切削边缘12可以被接合到工具主体11。可替代地，切削边缘12可以由与工具主体11的材料相同或不同的材料形成，并且切削边缘12的对应区域可以经受表面处理诸如涂覆等。表面处理例如通过化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)执行。钛基涂层诸如TiAlN、TiAlCrN、TiAlCrSiN涂层，或者其他涂层诸如CVD金刚石或类金刚石碳(DLC)可以用作切削边缘12。
参照图1和图2，例示了通过使用旋转切削工具10刮擦来形成凹部3的过程。旋转切削工具10以使工具主体11的径向方向与加工表面2相交的姿势绕轴线11a被可旋转地支撑。旋转切削工具10到加工表面2的距离基于凹部3的最大深度3a进行设定。旋转切削工具10被布置为距加工表面2一定距离，使得最大深度3a为3至7μm，例如为5μm。绕轴线11a旋转的旋转切削工具10在切削边缘12的切削方向上相对于加工表面2移位。以此方式，在纵向方向上连续形成多个凹部3并且多个凹部彼此分隔开。
如图2和图3所示，在加工表面2上形成的凹部3可以具有所谓的纺锤形状。凹部3的最大深度3a可以为3至7μm，例如为5μm。凹部3在纵向方向上的竖向长度3b可以为0.10至1.00mm，例如为0.20mm。凹部3的与纵向方向正交的横向长度3c可以为例如0.010mm。横向长度3c可以被选择成使得纵横比(竖向长度3b与横向长度3c之比)将为大于或等于5.0且小于或等于50.0。凹部3的纵向端部边缘在深度方向上相对于加工表面2具有10.0°或以下的平缓倾斜角度。凹部3的纵向端部边缘在平面图中具有60.0°或以下的角度的三角形状。多个凹部3可以在纵向方向上以预定间隔例如0.30mm分隔开。纵向方向上的间隔比例如竖向长度3b长。
如图2所示，可以在工件1上形成多个凹部3以提高油膜的压力。凹部3具有的在纵向方向上的竖向长度3b和在与纵向方向正交的横向长度3c之间的纵横比为大于或等于5.0且小于或等于50.0。凹部3具有在纵向方向上伸长的纺锤形状。
因此，在凹部3中，可以抑制生成油流的涡旋状湍流。此外，凹部3中的油流将是在凹部3的纵向方向上有较少湍流的流动。因此，可以抑制由于凹部3中的油流的湍流所引起的油膜压力的降低。此外，在加工表面2上形成多个凹部3，使得这些凹部的纵向方向彼此平行并且彼此分隔开。凹部3中的油流主要对应于凹部3的纵向方向。因此，特别地当工件1相对于配副材料的移动方向是沿着凹部3的纵向方向时，有效地增加了工件1和配副材料之间的油膜压力。凹部3因此允许工件1和配副材料之间的油膜压力有效地增加。
如图1和图3所示，凹部3可以具有10μm或以下的最大深度3a。凹部3的纵向端部边缘在深度方向上相对于加工表面2可以具有10.0°或以下的倾斜角度θ。因此，凹部3被形成为具有浅底，并且特别地，纵向端部边缘与加工表面2平滑地接续。因此，在凹部3的深度方向上也抑制了由于凹部3中的油流所引起的涡旋。此外，沿着凹部3的纵向方向的油流受到较少干扰。因此，进一步抑制了由于凹部3中的油流的湍流所引起的油膜压力的降低。因此，通过凹部3可以有效地增加油膜的压力。
参照图1和图2，当在加工表面2上形成凹部3时，旋转切削工具10绕轴线11a旋转，该旋转切削工具具有绕轴线11a可旋转地支撑的工具主体11和设置在工具主体11的周缘11b上的切削边缘12。旋转切削工具10在旋转的同时沿加工表面2进给，以便利用切削边缘12在加工表面2上形成凹部3。凹部3具有大于或等于5.0且小于或等于50.0的纵横比，该纵横比为在纵向方向上的竖向长度3b和在与纵向方向正交的横向方向上的横向长度3c之比。因此，可以在加工表面2中容易地形成具有大于或等于5.0的相对较大的纵横比的多个凹部3。例如，可以相对容易地在工件1将相对于配副材料移动的方向上形成平行布置的多个凹部3。
在下文中，将参照图4至图6描述另一实施方式。在该实施方式中，使用图4所示的旋转切削工具20代替图1所示的旋转切削工具10来形成凹部4。旋转切削工具20包括图4所示的切削边缘22，来代替图1所示的切削边缘12。切削边缘22包括底部边缘22a。
如图4所示，底部边缘22a被形成为具有在工具主体21的径向方向上突出的圆弧形状。底部边缘22a在旋转切削工具20的径向方向上最凸出的位置是切削边缘22的前端22b。底部边缘22a的曲率半径R2可以为大于或等于0.40mm，例如为0.50mm。R2的最大值为例如2mm。从轴线21a到前端22b的长度R3为大于或等于10.0mm，例如为12.5mm。R3的最大值可以为例如30mm。长度R3与曲率半径R2之比被设定为25.0倍或以上。切削边缘22的前刀面大致为半圆形，并且被定向为大体上在工具主体21的周向方向上。
如图5和图6所示，由旋转切削工具20在加工表面2上形成的凹部4具有椭圆形状。凹部4的最大深度4a可以为3至7μm，例如为5μm。凹部4在纵向方向上的竖向长度4b可以在0.10至1.00mm的范围内，例如为0.20mm。与凹部4的纵向方向正交的横向长度4c可以为例如0.010mm，以使纵横比(竖向长度4b与横向长度4c之比)可以为大于或等于5.0且小于或等于50.0。凹部4的纵向端部边缘在深度方向上相对于加工表面2具有10.0°或以下的平缓倾斜角度θ。多个凹部4中的每个凹部布置在纵向方向上并以预定间隔布置。在多个凹部4的纵向方向上的间隔可以为例如0.30mm，并且比竖向长度4b长。
如图5所示，在工件1上形成多个凹部4以提高油膜的压力。凹部4具有大于或等于5.0且小于或等于50.0的纵横比，该纵横比为在纵向方向上的竖向长度4b和在与纵向方向正交的方向上的横向长度4c之比。凹部4具有在纵向方向上伸长的椭圆形状。因此，凹部4可以表现出与凹部3类似的效果。例如，可以防止在凹部4中的油流中生成涡旋状湍流。
在下文中，将参照图7至图10和图12描述另一实施方式。在该实施方式中，使用图7所示的旋转切削工具30代替图1所示的旋转切削工具10。在该实施方式中，在柱状形状构件的周向表面中形成凹部。例如，在曲柄轴33的曲柄销34的周向表面34a上形成多个椭圆状凹部5。
如图7、图8、图12所示，旋转切削工具30包括以轴线31a为中心的盘状工具主体31和从工具主体31的周缘31b径向地向外突出的多个切削边缘。切削边缘32具有圆弧形底部边缘32a，该圆弧形底部边缘从工具主体31的外周的一部分径向突出。工具主体31可以具有例如320.0mm的直径和4.0mm的厚度。底部边缘32a的圆弧形状可以具有例如在厚度方向上具有160°的角度范围的扇形形状。底部边缘32a的圆弧形曲率半径R4可以为例如23.5mm。
如图7和图8所示，工具主体31的半径R5与曲率半径R4之比为25.0或以上。工具主体31具有一个或更多个切削边缘32。如果应设置多个切削边缘32，多个切削边缘可以间隔地被布置在工具主体31的周缘31b上，例如布置在周缘31b上的等距位置处。切削边缘32的前刀面32b被定向为大致在工具主体31的周向方向上。
参照图7和图8，例示了使用旋转切削工具30形成凹部5的过程。曲柄轴33包括曲柄轴颈35、曲柄销34和曲柄臂36。曲柄销34具有柱状形状，该柱状形状具有与曲柄轴颈35的轴线35a平行的中心轴线。一对曲柄臂36从曲柄轴颈35径向地延伸，并且曲柄销34位于该曲柄臂的前端处。因此，曲柄销34的轴线与曲柄轴颈35的轴线35a在径向方向上分隔开。曲柄轴33被支撑以便能够绕轴线35a旋转。当曲柄轴33旋转时，曲柄销34的轴线在圆形轨迹38上移动。
参照图7和图8，旋转切削工具30被绕与曲柄轴33的轴线35a平行的轴线31a可旋转地支撑。旋转切削工具30被支撑，使得轴线35a在圆形轨迹39上绕工具公转轴37移动。当曲柄轴33绕轴线35a旋转时，曲柄销34绕轴线35a公转。旋转切削工具30绕工具公转轴37在圆形轨迹39上公转，以便被同步为与曲柄销34的公转类似地平行。
参照图7和图8，可以基于凹部5的最大深度5a(见图10)来设定旋转切削工具30到周向表面34a的距离。从周向表面34a到旋转切削工具30的距离可以被设定为具有的最大深度5a为3至7μm，例如为5μm。在切削期间，旋转切削工具30绕轴线31a旋转，并且轴线31a根据在圆形轨迹38上移动的曲柄销34在圆形轨迹39上移动。此外，旋转切削工具30在轴线31a的延伸方向上相对于周向表面34a移动。从而，多个凹部5被形成为在周向表面34a的周向方向上纵向地排列，并且在周向表面34a的周向方向和轴向方向上彼此分隔开。
如图9和图10所示，在周向表面34a上形成的凹部5具有椭圆形状。凹部5的最大深度5a可以为3至7μm，例如为5μm。凹部5在纵向方向上的竖向长度5b可以为例如0.970mm。凹部5的与纵向方向正交的横向长度5c可以为例如0.0569mm，以使凹部5具有大于或等于5.0且小于或等于50.0的纵横比(竖向长度5b与横向长度5c之比)。凹部5的纵向端部边缘在深度方向上相对于周向表面34a具有10.0°或以下的平缓倾斜角度θ。多个凹部5之间的纵向间隔可以为例如1.50mm，该纵向间隔比竖向长度5b长或与该竖向长度基本相同。
如图9所示，在曲柄销34的周向表面34a上形成多个凹部5以提高油膜的压力。凹部5具有大于或等于5.0且小于或等于50.0的纵横比，该纵横比为在纵向方向上的竖向长度5b和在与纵向方向正交的方向上的横向长度5c之比。凹部5具有在纵向方向上伸长的椭圆形状。因此，凹部5可以表现出与凹部3相同的效果。例如，可以防止在凹部5中的油流中生成涡旋状湍流。凹部5中的油流主要对应凹部5的纵向方向。因此，可以有效地增加曲柄销34与连接杆之间的油膜压力，尤其是凹部5的纵向方向沿着曲柄销34相对于连接杆的移动方向(在周向表面34a的周向方向上)延伸之后。
在下文中，将参照图13描述另一实施方式。在该实施方式中，在工具主体31的周缘31b上设置有图13所示的切削边缘42，以代替图12所示的切削边缘32。如图13所示，切削边缘42可以具有第一底部边缘42a和第二底部边缘42b。第一底部边缘42a可以具有大致平坦的表面，其相对于工具主体31的径向方向和轴向方向以预定角度倾斜。第二底部边缘42b可以具有大致平坦的表面，其相对于工具主体31的径向方向和轴向方向以预定角度倾斜并且与第一底部边缘42a以预定角度相交。第一底部边缘42a和第二底部边缘42b相交以形成V形前端42c。具体地，切削边缘42具有大致三角形的前刀面。切削边缘42的前刀面被定向为大致上在工具主体31的周向方向。切削边缘42在前刀面的相反侧上具有齿面。
使用图13所示的切削边缘42在图7所示的曲柄轴33的曲柄销34的周向表面34a上形成图2和图3所示的纺锤状凹部。在图7所示的周向表面34a上形成的凹部的最大深度可以为3至7μm，例如5μm。凹部在纵向方向上的竖向长度可以为例如0.970mm。凹部的与纵向方向正交的横向长度可以为例如0.020mm，以使凹部可以具有大于或等于5.0且小于或等于50.0的纵横比(竖向长度与横向长度之比)。凹部的纵向端部边缘在深度方向上相对于周向表面34a具有10.0°或以下的平缓倾斜角度。多个凹部在纵向方向上的间隔可以为例如1.50mm，该间隔大于或大致等于竖向长度。
使用图13所示的切削边缘42在图7所示的曲柄轴33的曲柄销34的周向表面34a上形成纺锤状凹部。在纵向方向上的竖向长度和在与纵向方向正交的横向长度的纵横比为大于或等于5.0且小于或等于50.0。凹部4具有在纵向方向上伸长的纺锤形状。因此，由切削边缘42所形成的凹部表现出与凹部5相同的效果。因此，可以有效地增加曲柄销34与连接杆之间的油膜的压力，尤其是凹部的纵向方向沿着曲柄销34相对于配副材料(连接杆)的移动方向(在周向表面34a的周向方向上)延伸之后。
在下文中，将参照图11描述另一实施方式。在该实施方式中，在工件1的加工表面2上形成图11所示的凹部6，以代替图1所示的凹部3。可以例如使用图1所示的旋转切削工具10或图4所示的旋转切削工具20形成凹部6。凹部6包括多个第一凹部6a和多个第二凹部6b。如图11所示，第一凹部6a和第二凹部6b具有纺锤形状。可替代地，第一凹部6a和第二凹部6b可以具有椭圆形状。形成有第一凹部6a的区域和形成有第二凹部6b的区域大致不彼此重叠。
如图11所示，第一凹部6a和第二凹部6b的最大深度可以为3至7μm，例如5μm。第一凹部6a在纵向方向上的竖向长度6c和第二凹部6b在纵向方向上的竖向长度6e可以为0.10至1.00mm，例如0.20mm。第一凹部6a的与纵向方向正交的横向长度6d和第二凹部6b的横向长度6f可以为例如0.010mm，以使凹部6具有大于或等于5.0且小于或等于50.0的纵横比(竖向长度6c、6e与横向长度6d、6f之比)。第一凹部6a和第二凹部6b的纵向端部边缘在深度方向上相对于加工表面2具有10.0°或以下的平缓倾斜角度。
如图11所示，多个第一凹部6a的纵向方向彼此平行。多个第二凹部6b的纵向方向彼此平行。第一凹部6a和第二凹部6b可以被布置为使得第一凹部和第二凹部的纵向方向以角度A1彼此相交。角度A1可以为例如90°。一个第一凹部6a与相邻的第一凹部6a分隔开。一个第二凹部6b与相邻的第二凹部6b分隔开。
如图11所示，在工件1上形成多个凹部6以增加油膜的压力。多个凹部6包括多个第一凹部6a和多个第二凹部6b。第一凹部6a具有大于或等于5.0且小于或等于50.0的纵横比，该纵横比为在纵向方向上的竖向长度6c和在与纵向方向正交的方向上的横向长度6d之比。第二凹部6b具有大于或等于5.0且小于或等于50.0的纵横比，该纵横比为在纵向方向上的竖向长度6e和在与纵向方向正交的方向上的横向长度6f之比。凹部6具有在纵向方向上伸长的纺锤形状或椭圆形状。因此，可以防止在凹部6中的油流中生成涡旋状湍流。此外，在凹部6中的油流是在凹部6的纵向方向上有较少湍流的流动。因此，可以抑制由于凹部6中的油流的湍流所引起的油膜压力的降低。
如图11所示，凹部6包括彼此平行的多个第一凹部6a和彼此平行的多个第二凹部6b。多个第一凹部6a和多个第二凹部6b可以被布置为使得多个第一凹部6a的纵向方向和多个第二凹部6b的纵向方向成角度地相交。因此，油可以较容易地在第一凹部6a周围沿第一凹部6a的纵向方向流动。油可以较容易地在第二凹部6b周围沿第二凹部6b的纵向方向流动。因此，第一凹部6a周围的油流和第二凹部6b周围的流可以会聚。由于油流的会聚，被捕捉在工件1与配副材料之间的油将难以从这些部件之间流出，并且可以将油保持在它们之间。与使用单个凹部方向的情况相比，会聚部分处的压力增加得较多。
在下文中，将参照图14描述另一实施方式。在该实施方式中，使用图14所示的旋转切削工具50代替图7所示的旋转切削工具30。使用旋转切削工具50在工件1的加工表面2上形成凹部7。旋转切削工具50包括沿轴线51a的柱状工具主体51和从工具主体51的周缘51b的一部分径向突出的多个切削边缘52。多个切削边缘52被布置成在工具主体51的轴线51a的方向上分隔开并且在周向方向上绕周缘51b分隔开。例如，多个切削边缘52以与切削边缘52在轴向51a方向上的长度大致相等的长度，在轴向51a方向上间隔地布置。此外，多个切削边缘52在周向方向上彼此分隔例如180°。
图14所示的切削边缘52可以具有例如与图12所示的切削边缘32类似的形状或者与图13所示的切削边缘42类似的形状。从加工表面2到旋转切削工具50的距离被设定为使得凹部7的最大深度可以为3至7μm，例如5μm。绕轴线51a旋转的旋转切削工具50在切削边缘52的切削方向上相对于加工表面2移动。这允许在加工表面2上的多个凹部7被布置为在纵向方向上彼此平行且彼此分隔开。由切削边缘52形成的凹部7可以具有例如椭圆形状或纺锤形状。
如图14所示，凹部7的最大深度可以为8至12μm，例如10μm。凹部7在纵向方向上的竖向长度可以为例如4.0mm。凹部7的与纵向方向正交的横向长度可以为例如0.50mm，以使凹部7具有大于或等于5.0且小于或等于50.0的纵横比(竖向长度与横向长度之比)。凹部7的纵向端部边缘在深度方向上相对于加工表面2具有10.0°或以下的平缓倾斜角度。
如图14所示，在工件1上形成多个凹部7以增加油膜的压力。凹部7具有大于或等于5.0且小于或等于50.0的纵横比，该纵横比为在纵向方向上的竖向长度和在与纵向方向正交的方向上的横向长度之比。凹部7具有在纵向方向上伸长的椭圆形状或纺锤形状，并且被布置为在纵向方向上彼此平行。因此，凹部7可以显示与凹部3相同的效果。例如，可以防止在凹部6中的油流中生成涡旋状湍流。旋转切削工具50可以同时形成在轴线51a的方向上彼此分隔开的多排凹部7。
在下文中，将参照图15至图17描述另一实施方式。在该实施方式中，使用图15和图16所示的旋转切削工具60，代替图1所示的旋转切削工具10。使用旋转切削工具60在筒状工件63的内部周向表面63a上形成凹部8。旋转切削工具60具有绕轴线61a的工具主体61和从工具主体61的周缘61b的一部分径向突出的一个或更多个切削边缘62。如果应设置多个切削边缘62，这些切削边缘可以沿周向方向被间隔地布置在工具主体61的周缘61b上，例如，在周缘61b上布置在沿周向方向的等距位置处。可代替地或附加地，这些切削边缘可以沿轴向方向以预定间隔布置。
如图16所示，切削边缘62可以具有第一底部边缘62a和第二底部边缘62b。第一底部边缘62a是具有大致平坦端部的边缘，其相对于工具主体61的径向方向和轴向方向以预定角度倾斜。第二底部边缘62b是相对于工具主体61的径向方向和轴向方向以预定角度倾斜并且与第一底部边缘62a以预定角度相交的边缘。第一底部边缘62a和第二底部边缘62b相交以形成V形前端62c。具体地，切削边缘62具有大致三角形的前刀面。切削边缘62的前刀面被定向为大致在工具主体61的周向方向上。
如图15和图16所示，旋转切削工具60在沿内部周向表面63a移动的同时绕轴线61a旋转。由此，切削边缘62切削内部周向表面63a以形成多个纺锤状凹部8。凹部8沿内部周向表面63a的周向方向彼此分隔开。凹部8的纵向方向与内部周向表面63a的周向方向是相同的方向。此外，凹部8被布置为在工件63的轴向方向上彼此分隔开并且彼此平行。这是通过使旋转切削工具60沿轴线61a的方向移动来达成的。
如图16和图17所示，凹部8的最大深度8a可以为3至7μm，例如5μm。凹部8在纵向方向上的竖向长度8b可以为例如0.557mm。凹部8的与纵向方向正交的横向长度8c可以为例如0.020mm，以使凹部8可以具有大于或等于5.0且小于或等于50.0的纵横比(竖向长度8b与横向长度8c之比)。凹部8的纵向端部边缘在深度方向上相对于内部周向表面63a具有10.0°或以下的平缓倾斜角度。当旋转切削工具60具有例如如图4所示的圆弧形状的切削边缘来代替切削边缘62时，可以在内部周向表面63a上形成椭圆状凹部，类似于凹部8。
如图15至图17所示，在工件1上形成多个凹部8以增加油膜的压力。凹部8可以具有为大于或等于5.0且小于或等于50.0的纵横比，该纵横比为在纵向方向上的竖向长度8b和在与纵向方向正交的方向上的横向长度8c之比。凹部8可以具有在纵向方向上伸长的椭圆形状或纺锤形状，并且可以被布置为在纵向方向上彼此平行。因此，凹部8可以显示与凹部3相同的效果。例如，可以防止在凹部8中的油流中生成涡旋状湍流。
在下文中，将参照图18描述另一实施方式。在该实施方式中，使用图18所示的钻头70代替图1所示的旋转切削工具10，来对具有大致柱状形状、大致锥形形状或其他可旋转本体形状的工件73的加工表面73b上形成凹部。钻头70包括杆状的工具主体71和设置在工具主体71的前端上的切削边缘72。切削边缘72具有前刀面72a和齿面72b。
如图18所示，工件73绕轴线73a被可旋转地支撑。通过使切削边缘72的前端72c抵接在绕轴线73a旋转的工件73的加工表面73b上来切削加工表面73b。当钻头70在工件73的径向方向上往复移动时，切削边缘72的前端72c重复地抵接在加工表面73b上并从该加工表面移开。因此，通过切削边缘72可以在加工表面73b上形成多个凹部。多个凹部被布置为使得纵向方向沿加工表面73b的周向方向布置并且彼此分隔开。钻头70在朝向轴线73a的方向上相对于工件73移动。这允许多个凹部被布置为与轴线73a方向平行并且彼此分隔开。
在图18所示的加工表面73b上形成的凹部的最大深度可以为3至7μm，例如5μm。凹部在纵向方向上的竖向长度可以为0.10至1.00mm，例如0.20mm。凹部的与纵向方向正交的横向长度可以为例如0.010mm，以使凹部具有大于或等于5.0且小于或等于50.0的纵横比(竖向长度与横向长度之比)。凹部的纵向端部边缘在深度方向上相对于加工表面2具有10.0°或以下的平缓倾斜角度。
如图18所示，在工件73的加工表面73b上形成多个凹部以增加油膜的压力。每个凹部具有大于或等于5.0且小于或等于50.0的纵横比，该纵横比为在纵向方向上的竖向长度和与纵向方向正交的横向长度之比。凹部被布置为在纵向方向上彼此分隔开并且彼此平行。因此，在加工表面73b上形成的凹部表现出与凹部3类似的效果。例如，可以防止在凹部中的油流中生成涡旋状湍流。
在下文中，将展现作为用于限定凹部形状的基础的实验及其结果。作为实验之一，通过三球盘式摩擦测试装置评价工件的加工表面的摩擦特性。所使用的工件是具有44mm的外直径、20mm的内直径和8mm的厚度的用于铸造的盘状铝合金(AC8A-T6)。将具有6.35mm的直径的铬轴承钢(SUJ2)球用作摩擦配副材料。配副材料被抛光以使与工件的接触表面具有2.5mm的直径，并且被镜面研磨以使接触表面的表面粗糙度(算术平均粗糙度)为0.01μm或以下。
三个配副材料沿周向方向被放置在在距工件中心17mm的位置处的相应的三等分位置处。将在40℃下为10cst的聚α-烯烃的合成润滑油(PAO)施加在工件和配副材料之间的接触表面上。从与接触表面相反的一侧对三个配副材料施加荷载。对三个配副材料所施加的总荷载以25N的增量从50N增加到450N。在对配副材料施加荷载时，使工件绕轴线中心旋转，以使滑动速度为2.0m/sec。通过使用对配副材料所施加的荷载以及旋转工件所需的扭矩来计算以获得工件和配副材料之间的摩擦系数。
准备以下测试件。测试件100是在其上没有形成凹部的工件。图22中所示的测试件110是在加工表面111上形成有圆形凹部112的工件。图23中所示的测试件120是在加工表面121上形成有纺锤状凹部122的工件。图24所示的测试件130是在加工表面131上形成有纺锤状凹部132的工件。凹部132具有平行布置的多个第一凹部132a和平行布置的多个第二凹部132b。第一凹部132a和第二凹部132b被布置为使得它们的纵向方向以约25°的角度彼此相交。凹部132被布置为使得配副材料相对于测试件130的移动方向对应于第一凹部132a和第二凹部132b相交且会聚的方向。例如，在图24中，从顶部到底部的方向是配副材料相对于测试件130的移动方向。测试件110、120、130中的每个测试件的凹部数量和间隔被设定为使得凹部在滑动表面上所占据的面积比等于15％。
如图19所示，在其中没有形成凹部的测试件100的情况下，摩擦系数从约0.01变化为约0.13。当荷载达到125N时发生咬粘。在测试件110的情况下，摩擦系数大于测试件100的摩擦系数。这发生在200N或以下的低荷载下。不过，随着荷载的增加，摩擦系数逐渐地变化，约0.03至0.05，直到荷载阻力为375N。可以认为，在测试件110中摩擦系数稳定是因为凹部112作为可以使磨屑和油积聚的点起作用。可以认为，在低荷载下摩擦系数增加是因为在凹部112中生成了油流的湍流并且油膜的压力降低。
如图19所示，在测试件120的情况下，荷载阻力增加到450N。与测试件110的情况相比，在相同荷载下摩擦系数减小约0.01至0.04。在测试件130的情况下，与测试件120相比，摩擦系数减小约0.02，特别是在100至300N的低荷载下。这种减小可能是因油膜厚度的增加所引起的，因为凹部132a和凹部132b被布置为在它们的纵向方向上彼此相交，从而使油的会聚增强。因此，测试件130与球之间的接触频率降低。当配副材料相对于测试件130的移动方向为反向时，摩擦系数增加到大于测试件100的摩擦系数。即，配副材料相对于测试件130的移动方向是图24中从底部指向顶部的。
图20示出受实验结果支持的、在恒定荷载下凹部的纵横比Ar与摩擦系数之间的关系。纵横比Ar被定义为在纵向方向上的竖向长度和在与纵向方向正交的方向上的横向长度之比。如图20所示，当纵横比Ar为1至3时，在高荷载下摩擦系数增加。当纵横比Ar为大于或等于5.0时，在高荷载和低荷载两者下摩擦系数均很小。
当两个相对滑动的物体——例如筒状轴承和轴承孔中的柱状轴——滑动时，由于不配合会引起荷载变化。通过在两个物体中的一个或两个上形成凹部，使摩擦系数减小。如图20所示，通过将凹部的纵横比Ar设定为大于或等于5.0，可以将摩擦系数保持为较小，而与荷载的变化无关。因此，两个物体的相对移动变得更稳定。
如果使凹部在纵向方向上的竖向长度保持大致恒定的同时增加纵横比Ar，则凹部的面积减小。为了将整个加工表面上的凹部面积比维持在一定比例，例如15％或以上的覆盖率，如果增加纵横比Ar，则必须形成更多数量的凹部。因此，优选地，纵横比Ar具有50.0的上限。
图25示出了对于工件——诸如设置有圆形凹部的工件和两个设置有纺锤状凹部的工件——的荷载与摩擦系数之间的关系。在工件中的两个工件上形成的纺锤状凹部具有大于或等于5.0的纵横比。两个工件的纺锤状凹部在纵向方向上具有不同的竖向长度。首先，比较纺锤状凹部和圆形凹部之间的摩擦系数。不管荷载水平如何，纺锤状凹部的摩擦系数都比圆形凹部的摩擦系数小约0.01至约0.02。接下来，比较两个具有纺锤状凹部的工件。在50至200N的低至中荷载下，尽管凹部在纵向方向上的竖向长度存在差异，但摩擦系数几乎没有差异。在具有短凹部——在纵向方向上具有0.216mm的竖向长度——的工件中，在400N的高荷载下的摩擦系数几乎与在低至中荷载下的摩擦系数相同。在具有长凹部——凹部在纵向方向上具有0.538mm的竖向长度——的工件中，在400N的高荷载下的摩擦系数大于在低至中荷载下的摩擦系数。
图21是实验结果的曲线图，其中水平轴线表示滑动速度/荷载(m/(N·s))并且竖向轴线表示摩擦系数。滑动速度/荷载是工件和配副材料之间的油膜厚度的指标。实验结果的曲线图在混合润滑范围内。当纵横比Ar为5.0时，摩擦系数相对于速度变化的波动小于当纵横比Ar为1.0时的波动。例如，当工件相对于配副材料以大致恒定的速度滑动时，通常在混合润滑范围内使用工件。例如，当使用具有大速度变化的活塞的缸体作为工件时，在从混合润滑区域到边界润滑区域的宽范围内使用该工件。即使在这些情况下，也已经示出具有纵横比Ar为5.0的凹部的工件表现出摩擦系数变化很小并且表现出稳定的性能。
可以对根据上述实施方式中的每个实施方式的工件进行不同的修改。例如，只要纵横比Ar为大于或等于5.0且小于或等于50.0，则可以在工件的加工表面中形成具有矩形形状或菱形形状的凹部。具有切削边缘的旋转切削工具可以具有锥形形状的前端诸如图1所示的旋转切削工具10的前端，或者大致柱状形状的前端诸如图16所示的旋转切削工具60的前端。可以适当地选择旋转切削工具的旋转方向和工件的移动方向。换句话说，凹部处理可以是向上切或者向下切的。例如，关于在纵向方向和横切方向上平行布置的多个凹部，以及关于工件相对于配副材料的滑动方向，凹部可以被形成为使得凹部的纵向方向与滑动方向正交地相交。凹部加工方法不仅可以应用于金属工件，还可以应用于非金属工件。
参照附图详细地在上面描述的不同实施方式是本发明的代表性实施例，但不应限制本发明。详细描述教导本领域技术人员利用、使用和/或实践本教导的不同方面，并且不意在限制本发明的范围。另外，上面描述的每个附加特征和教导可以与其他特征和教导分开应用或使用，和/或与其他特征和教导一起应用或使用，以提供改进的带凹部的工件和/或制造和使用该带凹部的工件的方法。

Claims (4)

1.一种带凹部的工件，包括：
形成在工件中的多个凹部，所述多个凹部被配置为增加油膜的压力，其中：
所述多个凹部中的每个凹部具有大于或等于5.0且小于或等于50.0的纵横比，并且所述纵横比是所述凹部在纵向方向上的竖向长度和所述凹部在与所述纵向方向正交的横向方向上的横向长度之比，
所述多个凹部中的每个凹部具有纺锤形状，其中，所述纺锤形状具有在所述纵向方向上带有锐角的边缘；以及
所述多个凹部中的每个凹部具有的宽度在沿所述纵向方向的中心处最大并且沿所述纵向方向在整个长度上变窄。
2.根据权利要求1所述的带凹部的工件，其中：
所述多个凹部包括彼此平行的多个第一凹部和彼此平行的多个第二凹部，以及
所述多个第一凹部和所述多个第二凹部被布置为使得所述多个第一凹部的纵向方向与所述多个第二凹部的纵向方向成角度地相交。
3.根据权利要求1或2所述的带凹部的工件，其中：
所述多个凹部中的每个凹部的深度为10.0μm或以下，以及
所述多个凹部中的每个凹部在纵向方向上的端部边缘在深度方向上相对于所述工件的表面具有10.0°或以下的倾斜角度。
4.一种用于使用旋转切削工具在工件上形成凹部的凹部加工方法，包括下述步骤：
使旋转切削工具绕轴线旋转，所述旋转切削工具包括：
绕所述轴线被可旋转地支撑的工具主体；以及
在所述工具主体的外周缘上设置的、处于与所述轴线延伸的方向相交的方向上的切削边缘；以及
使所述旋转切削工具沿加工表面进给，以便使用所述切削边缘在所述加工表面中形成凹部，其中：
所述凹部中的每个凹部具有大于或等于5.0且小于或等于50.0的纵横比，
所述纵横比是在纵向方向上的竖向长度和在横向方向上的横向长度之比，
所述凹部中的每个凹部具有纺锤形状，其中，所述纺锤形状具有在所述纵向方向上带有锐角的边缘；以及
所述凹部中的每个凹部具有的宽度在沿所述纵向方向的中心处最大并且沿所述纵向方向在整个长度上变窄。
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