JP2003205380A - 摺動面加工方法及び摺動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高速摺動域における流体潤滑性能を損なうこ
となく境界潤滑性能を確保でき、特にエンジン部品の摺
動面の延命を図ることの可能な摺動面加工方法及び摺動
装置を提供する。 【解決手段】 エンジン部品である被加工物(20)の摺動
面(22)に紫外光レーザによって多孔加工するようにし
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、摺動面加工方法及
び摺動装置に係り、詳しくは、エンジン部品等の摺動面
の潤滑状態を改善する技術に関する。

【０００２】

【関連する背景技術】一般に、物体の接触状態は、その
物体の輪郭に応じて面接触と集中接触とに大別される。
実際には、物体の摺動面は表面粗さを持つため、広い面
同士が全面的に直接接触することはなく、接触状態は通
常は集中接触が分散して存在する分散接触である。

【０００３】そして、従来より、相対する２面間、即ち
分散接触する摺動部間のフリクションを低減させること
を目的として、当該２面間に潤滑剤を適用し、摩擦係数
を小さく抑えることが行われている。しかしながら、分
散接触のもとでは摺動と潤滑との関係は常に一定である
わけではなく、図７に示すように、互いに接触する２面
間には部分的に固体接触が生じている。それ故、当該２
面間の潤滑状態は、摩擦がその材料の性質や潤滑剤或い
は潤滑油の化学的性質に支配される境界潤滑と、２面間
に潤滑膜が形成されて圧力が発生し、摩擦が潤滑剤の物
理的性質、即ち粘度によって決定される流体潤滑とに大
別される。

【０００４】なお、外接的接触状態にある歯車、転がり
軸受、カム−タペット、トラクションドライブの場合に
は、通常は点接触、線接触等で代表される集中接触状態
（ヘルツ接触）にあり、極めてせまい接触面積に高い荷
重が集中することから接触圧力が高く弾性変形の影響を
伴っており、この潤滑状態は特に弾性流体潤滑（ＥＨ
Ｌ）と呼ばれる。

【０００５】そして、流体潤滑に関していえば、流体潤
滑の状態を確保すること、即ち潤滑膜を確保することが
潤滑上の理想であり、当該潤滑膜を確保するためには、
潤滑剤の選定、運転条件、２面の幾何学的形状等が重要
な条件となる。この潤滑膜には許容最小膜厚が存在して
おり、摩擦面が完全に平滑であれば理論上は単分子厚さ
で連続潤滑膜が形成されることになる一方、通常は摩擦
面には粗さが存在するため、潤滑膜厚さと表面の突起高
さとが同程度になると、突起間の接触が生じるようにな
る。従って、実際には、境界潤滑と流体潤滑とが混在し
た潤滑状態、即ち混合潤滑と呼ばれる潤滑状態が存在し
ている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】図８を参照すると、摩
擦特性に及ぼす表面粗さの影響を示したモデル図（スト
ライベック線図）が示されており、同図より、表面粗さ
が大きいほど軸受特性数｛（粘性係数）×（速度）／
（荷重）｝が大きく、境界潤滑での摩擦係数は表面粗さ
が小さいほど大きくなることが分かる。これは、平滑面
よりも粗面の方が全面接触の危険性が少なく、粗さ谷部
にトラップされた潤滑油の潤滑効果が発揮されるためと
考えられる。

【０００７】これより、高速摺動域での流体潤滑に重き
を置いた場合、表面にラッピング等の超仕上げを採用す
ると、始動時・低速アイドリング時、即ち境界潤滑域に
おいては過酷な状況となることが分かる。そこで、流体
潤滑に重きを置きながら境界潤滑域でのフリクションを
低減すべく、ホーニング、ショットピーニング（ＷＰ
Ｃ）或いは溝入れといった工法により接触面に潤滑油用
の油溜まりを形成することが考えられている。

【０００８】しかしながら、ホーニングによる表面粗度
改善及びハッチングマーク谷部への油溜まりの形成は、
フリクション低減に非常に有効な工法である一方、自生
発刃作用に頼る等、制御面での信頼性が低く、ホーニン
グ単体で得られる面粗度はＲmax２．８〜１．２μm位で
あって絶対的な平滑面を得にくいという問題がある。ま
た、粗さ山頂部にバリが発生し易く、ブラッシングやポ
リッシング等の余計な工数が必要となる。

【０００９】ショットピーニング（ＷＰＣ）によるディ
ンプル加工は、ユニークな方法ではある一方、射出角度
合わせ、射出量等の制御面での信頼性が低いという問題
がある。また、粉塵災害対策、玉回収、フィルイング、
マスキング等の作業が発生して工程が煩雑となる。溝入
れ加工は、溝入れ部分で連続して平滑面が損なわれるた
め、面圧上昇に伴う軸受特性数の増大により高速域には
適さないという問題がある。

【００１０】本発明はこのような問題点を解決するため
になされたもので、その目的とするところは、高速摺動
域における流体潤滑性能を損なうことなく境界潤滑性能
を確保でき、特にエンジン部品の摺動面の延命を図るこ
との可能な摺動面加工方法及び摺動装置を提供すること
にある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、請求項１の発明では、被加工物の摺動面を紫外
光レーザによって多孔加工することを特徴としている。
即ち、紫外光レーザ（エキシマレーザ等）は、赤外光レ
ーザ（ＣＯ₂レーザ、ＹＡＧ生レーザ等）と違い光子（p
hoton）エネルギを主体とし、被加工物に対し低温（常
温）で解離・分解（ablation）による微細加工が可能で
あるため、被加工物の原子間結合エネルギよりも高い光
子エネルギを持つ紫外光レーザを用いることでその原子
間結合を熱拡散や金属組織の変態なく容易に切断できる
という利点を有しており、故に、紫外光レーザによって
被加工物の摺動面に多孔加工することにより、平滑面に
所望の開口寸法の小孔をバリを生じることなく自由な配
列パターンで複数個正確且つ自在に穿設でき、摺動面の
潤滑状態を人為的に混合潤滑に近い状態に安定的に制御
し、高速摺動域における流体潤滑性能を損なうことなく
摺動面の境界潤滑性能を十分に確保可能である。

【００１２】また、請求項２の発明では、エンジン部品
の摺動装置において、紫外光レーザによって多孔加工さ
れた摺動面を備えたことを特徴としている。従って、エ
ンジン部品の摺動面、例えばカム面、タペット面、ステ
ムガイド面、シリンダライナ面、クランクジャーナル面
等に紫外光レーザによる多孔加工を適用することによ
り、これらエンジン部品の摺動面において高速摺動域に
おける流体潤滑性能を損なうことなく境界潤滑性能を十
分に確保可能となり、エンジン部品の摺動面ひいてはエ
ンジン部品の延命化が図られる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を添付図
面に基づいて説明する。図１を参照すると本発明の摺動
面加工方法及び摺動装置に係る紫外光レーザ装置が示さ
れており、以下同図に基づき紫外光レーザ装置の構成を
説明する。紫外光レーザ装置は、紫外光レーザ発振機１
０で発振された紫外光レーザが多重反射ミラー１２、高
効率光学チャンバ１４、高反射テンプレートマスク１
６、結像レンズ１８を経てワーク（被加工物）２０の摺
動面２２に到達するよう構成されている。

【００１４】紫外光レーザ発振機１０としては、ここで
はエキシマレーザ発振機が使用される。なお、紫外光レ
ーザ発振機１０、多重反射ミラー１２、高効率光学チャ
ンバ１４は公知のものであるため、ここではこれらの詳
細な構成については説明を省略する。高反射テンプレー
トマスク１６には、図２に示すように、摺動面２２に形
成する所定形状の複数の独立孔に対応するようにして、
複数の孔１７が所定数だけ所定の配列パターンで穿設さ
れている。詳しくは、高反射テンプレートマスク１６に
は、摺動面２２に形成する所定形状、所定数及び所定の
配列パターンの複数の独立孔を所定比率で相似投影し拡
大した状態の複数の孔１７が穿設されている。

【００１５】なお、図２では、高反射テンプレートマス
ク１６に所定孔径の円形の孔１７を一定のピッチで配列
した例を示したが、孔１７の形状や配列パターンは摺動
面２２に形成する複数の独立孔に対応して自由に変える
ことができ、例えば、図３に示すように孔１７の形状を
矩形にしてもよく、図４に示すように摺動面２２の摺動
状況に応じて孔１７の孔径を変えたり配列パターンを変
則的な配列パターンにしてもよい。

【００１６】結像レンズ１８は、上記高反射テンプレー
トマスク１６に穿設された複数の孔１７を通過した紫外
光レーザを摺動面２２の大きさに合わせて上記所定比率
で縮小するための光学レンズである。ワーク２０として
は、カム、ロッカアーム、バルブステム、シリンダライ
ナ等の金属製（鉄製、アルミ製等）のエンジン部品が適
用され、摺動面２２としては、例えばカム面、タペット
面、ステムガイド面、シリンダライナ面、クランクジャ
ーナル面等のエンジン部品の各種摺動面が該当する。

【００１７】以下、このように構成された紫外光レーザ
装置を用いた本発明の摺動面加工方法及び当該摺動面加
工方法により加工された摺動面の作用について説明す
る。当該摺動面加工方法では、先ず、ワーク２０の摺動
面２２に切削加工機を用いて荒切削加工を施す。次に、
摺動面２２を研削し、研磨機を用いて表面の面粗度がＲ
max１．０μm程度となるよう摺動面２２の超仕上げを行
う。

【００１８】そして、このように超仕上げを行った摺動
面２２に、上記紫外光レーザ装置によってワーク２０の
原子間結合エネルギよりも高い光子エネルギを持つ紫外
光レーザを所定時間に亘り照射する。なお、当該紫外光
レーザ装置は光子エネルギの強度や所定時間を自由に設
定可能に構成されており、これら光子エネルギの強度や
所定時間を設定することで摺動面２２に形成する独立孔
の深さが可変制御される。

【００１９】これにより、高反射テンプレートマスク１
６及び結像レンズ１８を介して摺動面２２に所定形状
（摺動状態によって異なり、例えば、孔径１０〜１００
μmの円形孔）且つ所定深さ（摺動状態によって異な
り、例えば、２〜１０μm）の複数の独立孔が所定の配
列パターン（摺動状態によって異なり、例えば、面積比
で１〜１０％）で均一的、画一的に形成される。

【００２０】図５を参照すると、紫外光レーザによる加
工原理図が示されているが、このように、紫外光レーザ
が高反射テンプレートマスク１６に穿設された孔１７を
通過し結像レンズ１８により縮小されてワーク２０の摺
動面２２に照射されると、照射された摺動面２２の範囲
の原子間結合が熱拡散や金属組織の変態なく深さ方向に
順次連続的に解離・分解（ablation）され、当該解離・
分解された原子が飛散蒸発して除去され、これにより摺
動面２２に所定形状且つ所定深さの独立孔が形成され
る。

【００２１】そして、図６を参照すると、同一部材に同
一形状の孔を赤外光レーザであるＣＯ₂レーザ（ａ）、
ＹＡＧ生レーザ（ｂ）及び紫外光レーザであるエキシマ
レーザ（ｃ）を用いてそれぞれ加工した結果が図で比較
して示されているが、同図に示すように、赤外光レーザ
であるＣＯ₂レーザ（ａ）やＹＡＧ生レーザ（ｂ）で加
工を行った場合には、孔の外縁の輪郭が熱拡散や金属組
織の変態によってぼやけたり孔が縦断面で見て断面弧状
になってしまう一方、紫外光レーザであるエキシマレー
ザ（ｃ）で加工した場合には、加工精度が高く、孔の外
縁の輪郭が熱拡散や金属組織の変態もなくまたバリの発
生もなくはっきりと現れ、孔が縦断面で見てくっきりと
断面「コの字」状となる。

【００２２】このように、超仕上げした摺動面２２に輪
郭のはっきりした断面「コの字」状の独立孔が所定の配
列パターンでばらつきなく精度よく形成されると、小孔
ながら孔の中に潤滑油が十分に溜まり、摺動時において
摺動面２２の潤滑状態が人為的に混合潤滑に近い状態に
安定的に制御されることになる。従って、摺動面２２の
摺動速度が速いときには、孔が計画的に配列された複数
の独立孔であること及びバリのない平滑面が確保される
ことにより潤滑油の潤滑膜のせん断が小さく抑えられて
流体潤滑性能が十分に確保され、摺動面２２の摺動速度
が遅いときには、孔の中に溜まった潤滑油により良好に
潤滑膜が形成されてフリクションが低減され、十分な境
界潤滑性能が確保される。

【００２３】これにより、ワーク２０の一定の性能及び
品質を維持しながら、高速摺動域であっても、また始動
時や低速アイドリング時等の低速摺動域であっても、焼
付き等なく常に良好な潤滑が得られることになり、摺動
面２２の延命、即ちエンジン部品等のワーク２０の延命
を図ることができる。以上で説明を終えるが、本発明の
実施形態は上記実施形態に限定されるものではない。

【００２４】例えば、上記実施形態では、紫外光レーザ
としてエキシマレーザを用い、紫外光レーザ発振機１０
から紫外光レーザを直接照射するようにしたが、本来赤
外光レーザであるＹＡＧレーザを用いるようにし、紫外
光レーザ発振機１０から照射したＹＡＧレーザを高反射
テンプレートマスク１６の直前で短波長に変調させて紫
外光レーザに変更するようにしてもよい。ＹＡＧレーザ
の場合、エキシマレーザよりも高出力且つ光子による光
学系ダメージが少ないという利点があり、ＹＡＧレーザ
を用いるようにすることで量産性をも確保可能である。

【００２５】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明の請
求項１の摺動面加工方法によれば、被加工物の摺動面を
紫外光レーザによって多孔加工するので、平滑面に所望
の開口寸法の小孔をバリを生じることなく自由な配列パ
ターンで複数個正確且つ自在に穿設でき、摺動面の潤滑
状態を人為的に混合潤滑に近い状態に安定的に制御して
高速摺動域における流体潤滑性能を損なうことなく摺動
面の境界潤滑性能を十分に確保することができる。これ
により、被加工物の一定の性能及び品質を維持しながら
被加工物の摺動面ひいては被加工物の延命を図ることが
できる。

【００２６】また、請求項２の摺動装置によれば、エン
ジン部品の摺動面、例えばカム面、タペット面、ステム
ガイド面、シリンダライナ面、クランクジャーナル面等
のエンジン部品の摺動面に紫外光レーザによる多孔加工
を適用することにより、これらエンジン部品の摺動面に
ついて高速摺動域における流体潤滑性能を損なうことな
く境界潤滑性能を十分に確保するようにでき、エンジン
の一定の性能及び品質を維持しながらエンジン部品の摺
動面ひいてはエンジン部品の延命を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の摺動面加工方法に係る紫外光レーザ装
置を示す図である。

【図２】円形の孔を有した高反射テンプレートマスクを
示す図である。

【図３】矩形の孔を有した高反射テンプレートマスクを
示す図である。

【図４】変則的な配列パターンで孔を配列した高反射テ
ンプレートマスクを示す図である。

【図５】紫外光レーザによる加工原理を示す図である。

【図６】同一部材に同一形状の孔を赤外光レーザである
ＣＯ₂レーザ（ａ）、ＹＡＧ生レーザ（ｂ）及び紫外光
レーザであるエキシマレーザ（ｃ）を用いてそれぞれ加
工した結果を比較して示す図である。

【図７】２面間の潤滑状態を示す図である。

【図８】摩擦特性に及ぼす表面粗さの影響を示したモデ
ル図（ストライベック線図）である。

【符号の説明】

１０ 紫外光レーザ発振機 １２ 多重反射ミラー １４ 高効率光学チャンバ １６ 高反射テンプレートマスク １７ 孔 １８ 結像レンズ ２０ ワーク（被加工物） ２２ 摺動面

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被加工物の摺動面を紫外光レーザによっ
   て多孔加工することを特徴とする摺動面加工方法。
2. 【請求項２】 紫外光レーザによって多孔加工された摺
   動面を備えたことを特徴とするエンジン部品の摺動装
   置。