JP2004530040A - 化学的機械加工および表面仕上げ - Google Patents
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Abstract
本明細書に記載の発明は、化学的機械加工および表面仕上げプロセスを開示する。ワークピースの表面上に化成皮膜を形成し、工具との相対運動を介してそれを除去し、それによってワークピースを露出させて活性化学物質とさらに反応させる。ワークピースの塑性変形、剪断強度、引張り強度、および／または熱劣化温度を超えないように、小さい機械的力を使用する。化学的機械加工および表面仕上げプロセスでは、化成皮膜の除去に接触の力および／または速度がほとんど必要ないので、機器の大きさ、複雑さ、およびコストが大幅に低減／削減され、同時に機械加工精度・確度が向上する。本発明は、高度に制御された速度での金属除去に適しており、ワークピースを単純に表面仕上げすることができ、あるいは望むなら、形削りおよび／またはサイジングプロセスと同時にワークピースを表面仕上げすることができる。
Description
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化学的機械加工および表面仕上げプロセスに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の機械加工は、きわめてアグレッシブなプロセスである。どれほど注意・用心しても、このプロセスでは、きわめて集中的な力がかかり、それに付随して局所的な高温スパイクが生じるので、微視的レベルだけでもほぼ常に金属損傷が引き起こされる。このような損傷には、マイクロクラック、応力上昇原因の誘導、酸化、相変化、ならびに有益な残留圧縮応力および微小硬度の低下を含めることができる。例えば、研削プロセスは、硬化したワークピースの表面を焼戻しするのに十分な熱を発生することがあり、これはしばしば研削焼け（ｇｒｉｎｄｉｎｇ ｂｕｒｎ）と呼ばれ、ワークピースの磨耗および接触疲労特性を低下させる。さらに、従来の機械加工は、常にバリおよび加工筋（ｍａｃｈｉｎｅ ｌｉｎｅｓ）を生じる。このような残留するバリおよび加工筋は、磨耗、摩擦、運転温度、スカッフィング、接触疲労故障（ピッチング）、および／または、曲げ疲労、ねじり疲労、軸疲労などの様々な動的疲労故障を低減するために臨界面から取り除かなければならない応力上昇原因である。
【０００３】
ワークピースへの金属損傷に加えて、従来の機械加工操作には、きわめて高い寸法精度・確度でワークピースを生産する際に固有の制限事項がある。前述のように、機械加工は、高速かつ／または大きな力で動く工具によってワークピースから金属をアグレッシブに剪断するものである。したがって、工具の磨耗は、プロセスに固有のものである。しかし、ワークピースごとの寸法精度・確度の維持は、工具の寸法安定性を維持する能力に頼っている。ワークピースの硬度がＨＲＣ４０以上に増加すると、工具の磨耗が重大な問題になる。例えばギアおよびベアリングは、通常ＨＲＣ５５〜６５以上まで硬化される。
【０００４】
切断工具を案内する機械には、高い精度および確度を妨げる、それぞれに固有の一連の制限事項がある。工具を運動させる機械装置の制限事項の一部には、いくつか例を挙げれば、幾何的誤差、送り速度誤差、駆動磨耗、振動、およびヒステリシスが含まれる。機械は、普通、特に硬質のワークピースから金属を除去するのに要する大きい力を精確に加えるために必要な剛性が維持されるように、巨大なサイズを有している。また、切断負荷が引き起こす著しい熱的ひずみおよび構造的たわみは、特に繊細なワークピースで問題になることがある。
【０００５】
加工筋に加えて、工具のアグレッシブな切断動作を起こすために加えられる力がまた振動を発生させ、それがびびり（ｃｈａｔｔｅｒ）を引き起こす。びびりおよび加工筋は、通常、多ステッププロセスによって軽減される。例えば、高品質ギアの場合、機械加工によって生じたびびりおよび加工筋を軽減するために、ギアを研削し、次いでホーニング加工しなければならない。特別な注意を払わなければ、研削およびホーニングプロセスがワークピースの臨界接触面に深刻な金属損傷を引き起こすことがある。ワークピースの品質は、コストのかかる全数検査でしか保証することができない。
【０００６】
平滑に表面仕上げすることの重要性は、特に、いくつか例を挙げれば、ギア、ベアリング、スプライン、クランクシャフト、カムシャフトなど、金属間で接触するワークピースではあまり強調することができず、これらには除去が非常に困難な加工／研削筋または他の表面瑕疵があることが多い。これらのワークピースでは、表面の凹凸が、摩擦、騒音、振動、磨耗、スカッフィング、ピッチング、スポーリング、運転温度を増加させ、潤滑性を損なうことがある。荷重を受ける物品では、表面上の加工筋が、変動する応力および歪みに曝されるワークピースの疲労破壊の開始点を与えることがある。したがって、従来の加工筋によって引き起こされた応力上昇原因を取り除く重大な必要がある。
【０００７】
そのようなワークピースを表面仕上げする一方法は、従来の多ステップである連続的な微細研削、ホーニング、およびラッピングによって表面を機械加工することである。Ｒａが０．０５マイクロメートル（２マイクロインチ）未満の研削表面を得るには、時間、多数のステップ、および最先端技術が必要である。複雑な表面幾何形状には、高価で高性能の機械類、高価な工作工具、および時間のかかるメンテナンスが必要である。コストに加えて、このプロセスでは、方向性のある筋、ならびに、熱処理表面の完全性を損なう焼戻しおよびマイクロクラックの可能性が生じる。前述のように、高品質のワークピースを得るには、研削し、ナイタルエッチングなどの技術で硬化させた表面の、コストのかかる全数検査が必要である。この手法の他の欠点は、研磨剤粒子が表面に浸入し、それが応力上昇原因、潤滑剤の残屑、および／または磨耗をまねく可能性があることである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本明細書に記載する発明では、化学的機械加工および表面仕上げプロセスを開示する。活性化学物質をワークピースの表面と反応させて、ワークピースの表面上に柔らかい化成皮膜（ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｃｏａｔｉｎｇ）を形成する。化成皮膜は、ワークピースの素地金属がそれ以上活性化学物質と化学反応しないように保護するという点で、活性化学物質に不溶性である。化成皮膜が接触工具との相対運動を介してワークピースから除去されると、未反応の金属が露出して活性化学物質とさらに反応し、ワークピース上に化成皮膜が再形成される。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
ワークピースから化成皮膜を除去するのに使用される機械的な力は、小さいものであり、ワークピースの素地金属の塑性変形、剪断強度、引張り強度、および／または熱劣化温度を超えない。したがってこの化学的機械プロセスでは、従来の機械加工に関係する、焼戻し、マイクロクラックの発生、応力上昇原因、および他の金属損傷の可能性がなくなる。化学的機械加工および表面仕上げプロセスは、化成皮膜を除去するのに接触の力および／または速度をほとんど必要としないので、機械加工精度・確度を向上させた上で、従来の機械加工機器に比べ、機器の大きさ、複雑さ、およびコストを大幅に低減／削減することができる。また、切断力、速度、および運転温度を低減させて操作できるので、工具磨耗が最小限に抑えられ、あるいはなくなる。このように低減／削減されるので、工具をワークピースの素地金属よりも柔らかい非研磨性または弱研磨性の材料から作製することができる。工具を剛性または可撓性にして、ワークピースの表面と共形になるようにすることができる。
【００１０】
ある応用例では、機械加工機器を完全に排除することができ、この場合、相対運動する対合（ｍａｔｉｎｇ）ワークピースと荷重とが、その対向する接触表面から化成皮膜を除去する工具の働きをする。本発明は、高度に制御された速度での金属除去に適しており、ワークピースを単純に表面仕上げすることができ、あるいは望むなら、ワークピースの形削りおよび／またはサイジングと同時にワークピースを表面仕上げすることもできる。本明細書で使用する「表面仕上げ」とは、ワークピースの表面から金属を除去して、粗さ、うねり、表面起伏（ｌａｙ）、および欠陥を低減しようとするものである。「サイジング」とは、ワークピースの表面から金属を均一に除去して、ワークピースを適正な寸法にしようとするものである。「形削り」とは、ワークピースから区別をつけて金属を除去して、ワークピースを適正な幾何形状にしようとするものである。「形削り」には、ドリル穿孔、鋸引き、中ぐり、切断、フライス削り、旋削、研削、平削りなどが含まれる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
従来の冷却潤滑剤の代わりに、ここで開示する化学的機械加工および表面仕上げプロセスは、金属のワークピースの表面と反応できる水ベースまたは有機物ベースの活性化学物質を使用する。金属は、一般に、鉄、チタン、ニッケル、クロム、コバルト、タングステン、ウラニウム、およびこれらの合金である。初めに、活性化学物質を、ワークピースの素地金属と反応して柔らかい化成皮膜を形成するように、形削り、サイジング、および／または表面仕上げ機械に導入する。化成皮膜は、ワークピースの素地金属がそれ以上活性化学物質と化学反応しないように保護するという点で、活性化学物質に不溶性である。化成皮膜は、例えば、金属酸化物、金属リン酸塩、金属シュウ酸塩、金属硫酸塩、金属スルファミン酸塩、または金属クロム酸塩を含むことができる。
【００１２】
化成皮膜の形成後、工具とワークピースとを相対運動させながら適切な工作工具と接触させる。相対運動は、固定されたワークピースを横切って工具を運動させることによって、または固定された工具を横切ってワークピースを運動させることによって、あるいは工具とワークピースの両方を運動させることによって生み出すことができる。化成皮膜が工具によって擦り落とされると、ワークピース上に未反応の金属が露出して、露出した金属上に化成皮膜が再形成される。金属の除去速度は、活性化学物質と金属とが反応して化成皮膜を形成する速度に比例する。この反応速度は、温度を上昇させ、化学的促進剤を使用することによって増加させることができる。反応速度が増加すると、金属の除去速度は、化成皮膜の除去速度に支配される。この擦り取り・再形成プロセスは、所望の表面仕上げおよび／または形削りおよび／またはサイジングが達成されるまで繰り返される。金属損傷は起こらない。機械加工工具は、化成皮膜を除去するのに力をほとんど必要としないので、機械加工精度・確度を向上させた上で、従来の機械加工に比べ、機械の大きさ、複雑さ、およびコストを大幅に低減／削減することができる。
【００１３】
本発明の実施形態では、ワークピース上で熱劣化温度が生じないように、工具とワークピースとの相対運動および接触力は、ワークピースの塑性変形、剪断強度、および／または引張り強度よりも小さい。一部の実施形態では、工具とワークピースとの接触によって、理論分解能０．０２５マイクロメートル（１．０マイクロインチ）でワークピースから金属が除去される。工具からワークピースに加わる力が小さいので、工具磨耗が最小限に抑えられ、かつ／またはなくなる。この化学的機械プロセスは、高度に制御された速度での金属除去に適しており、形削りおよび／またはサイジングプロセスと同時にワークピースを表面仕上げすることができる。
【００１４】
この化学的機械加工および表面仕上げプロセスを使用すると、ワークピースの表面上に、ワークピースの素地金属よりも柔らかい化成皮膜が形成される。ワークピースの表面上にこのような化学的化成皮膜を形成できるいずれの活性化学物質も、本発明で企図される範囲内にある。本プロセスをうまく実行するには、素地金属上に生成される化成皮膜が示す特性が重要であるが、活性化学物質の配合は重要でない。そのような化成皮膜の一例が、ＲＥＭ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ，Ｉｎｃ．に譲渡された米国特許第４，８１８，３３３号に記載されており、その内容を参照によりここに援用する。
【００１５】
活性化学物質が、運転条件下で素地金属の柔らかい化成皮膜を急速かつ効率的に生成できることが好ましい。金属が確実に、溶解ではなく主に擦り取りおよび再形成によって除去されるように、化成皮膜は、さらに、活性化学物質に実質的に不溶性でなければならず、素地金属がそれ以上反応しないように保護しなければならない。
【００１６】
また活性化学物質には、活性剤、促進剤、酸化剤、ならびに場合によっては阻害物質および／または湿潤剤を含めることもできる。添加される成分の量が、悪影響を及ぼさずに溶解限度を超えることがあることに留意すべきである。不溶性のものが少量存在すると、活性成分の供給維持の観点から、操作工程時の活性化学物質の補充に有益なことがある。
【００１７】
より具体的に言えば、活性化学物質は、通常、関わっている金属基質に応じて、リン酸塩またはリン酸、シュウ酸塩またはシュウ酸、スルファミン酸塩またはスルファミン酸、硫酸塩または硫酸、クロム酸塩またはクロム酸、あるいはこれらの混合物を含む。さらに、知られている活性剤または促進剤を、これだけに限るものではないが、セレン、亜鉛、銅、マンガン、マグネシウム、および鉄のリン酸塩などの活性化学物質、ならびに、これだけに限るものではないが、過硫酸塩、過酸化物、メタニトロベンゼン、塩素酸塩、亜塩素酸塩、硝酸塩、亜硝酸塩などの無機および有機酸化剤に加えることができる。
【００１８】
本発明で使用する活性化学物質は、希釈または分散させることができる。希釈剤または分散剤は、最も一般的には水であるが、これだけに限るものではないが、パラフィン油、有機液体、シリコーン油、合成油、他の油、グリース、潤滑剤など、水以外の物質にすることもできる。またある条件下では、水が非常に微量な構成成分である、硫酸、メタンスルホン酸、リン酸など、高濃度の酸で化成皮膜を形成することが好ましい可能性があると予想される。さらに、望むなら、油または潤滑剤を希釈剤または分散剤として使用することができる。これは、例えば硫酸を鉱油と併せて使用するときに望ましい。硫酸は、あまり鉱油に溶解しないが、溶解する代わりに硫酸が鉱油全体にわたって分散するので、鉱油が分散剤の働きをする。
【００１９】
柔らかい化成皮膜を除去して、ワークピース上で熱劣化温度が生じないようにワークピースの塑性変形、剪断強度、および／または引張り強度を超えずに未反応の金属を露出させることができる前述のいずれの工具も、本発明で企図される範囲内にある。化成皮膜の除去をうまく実行するには、工具の特性が重要であるが、工具の設計は重要でない。ある場合には、工具をワークピースの対合表面またはそれらの複製にすることができる。例えば、ワークピースがギアを含み、工具が対合ギアまたはそれらの複製を含むことができる。他の例では、ワークピースがベアリングレースを含み、工具が複数の対合ベアリングボールまたはローラ、あるいはそれらの複製を含むことができる。
【００２０】
本発明によれば、工具を剛性または可撓性にすることができる。例えば、ワークピースがギアのルートフィレットである場合、加工筋および／または研削筋、および／またはショットピーニングの跡を取り除くために、工具を所望の陥凹領域すべてに接触するようなサイズの剛性・弱研磨性シリンダにすることができる。他の例では、ワークピースがパイプまたはチューブの内表面である場合、ワークピースと共形の可撓性かつ／または拡張可能な工具を使用して、形成筋または溶接シームを取り除くことによって表面仕上げを改善することができる。
【００２１】
一実施形態では、工具は、化学的に誘導される化成皮膜が工具上に形成されないという点で、活性化学物質と反応しない。工具を作製できる、企図される非反応性材料は、木材、紙、布、セラミック、プラスチック、ポリマー、エラストマー、および金属であるが、活性化学物質と反応しないいずれの材料も使用することができる。例えば、ワークピースがギアである場合、工具は、反応性のワークピースと噛み合って動作しながら必要な形削りおよび／または表面仕上げ特性を与えるように設計された非反応性の対合ギアにすることができる。
【００２２】
この化学的機械加工および表面仕上げプロセスには、いくつかの利点がある。このプロセスでは、高い寸法精度・確度でワークピースを生産できる、十分に制御された金属除去速度が達成される。金属は、約０．０２５マイクロメートル（１．０マイクロインチ）の分解能で除去することができる。またこのプロセスは、形削りおよび／またはサイジングおよび／または表面仕上げを同時に実施できるので、プロセス処理ステップの総数が削減される。金属を除去するために与える必要のある力が小さいので、工具を案内するのに、小型で、あまり複雑でなく、あまり高価でない機械を使用することができる。また工具の速度は、従来の機械加工で必要なよりもはるかに小さく、工具のコストおよび磨耗が著しく低減される。
【００２３】
さらに、はるかに大きい機械加工表面領域を、１回で形削りかつ／またはサイジングかつ／または表面仕上げすることができる。またこのプロセスでは、事実上、ワークピース上のバリ、加工筋、びびり、塑性変形、および他の表面変形がなくなる。本プロセスの他の利点は、焼けが起こらない低温機械加工プロセスであるということであり、酸化、相変化、応力上昇原因、硬度変化など、応力または金属損傷がほとんどまたは全く生じない。このプロセスは、普通、金属の熱劣化温度以下で実施される。また温度が低いことも、繊細なワークピースの熱変形をなくすのに役立たせることができる。さらに、低い工具圧力では、構造的たわみが最小限に抑えられる。これは、特に繊細なワークピースの場合に重要であり、構造的ひずみおよび同様の変形が最小限に抑えられ、かつ／またはなくなる。最後に、機械加工プロセスの精度および確度が劇的に向上する。
【００２４】
本発明の他の実施形態では、金属間接触する表面の定位置（ｉｎ−ｓｉｔｕ）形削りおよび／またはサイジングおよび／または表面仕上げを実現することができる。これは、ワークピースと工具の両方の個々の反応性金属表面上に化成皮膜が形成されるように、微細な研磨剤を含むかまたは含まない活性化学物質を、組み立てられた器械に加えることによって達成される。初めは器械を小さい負荷で動作させ、徐々に完全な負荷条件まで増加させることができる。化成皮膜は、擦り取り、転がし、滑りなどによって未反応の金属が露出してさらに反応する臨界接触面だけで除去される。化学的機械加工および表面仕上げは、臨界接触面だけで起こり、表面の凹凸が取り除かれて、最終的には筋のない表面あるいはほぼ筋のない表面が得られる。望むなら、プロセスを継続して、対合ワークピースの超仕上げ表面を得ることができ、かつ／または対合ワークピースを最終的に形削りかつ／またはサイジングして理想幾何形状にすることができる。したがって、各対合表面が理想的な対合接触表面領域を有することになる。定位置プロセスでは、活性化学物質の特性、プロセス処理の時間および温度、接触負荷、および接触速度を調節することによって、対合コンポーネントの寸法または幾何形状の微小な誤差を高度に制御された精度で補正することができる。
【００２５】
また、定位置表面仕上げまたは超仕上げには、変速機などのアセンブリ全体の臨界接触面すべてを仕上げることができるなどの他の利点もあり、個々のワークピースそれぞれを仕上げるコストが大幅に削減される。プロセスが最適化された後は、表面仕上げがきわめて再現性のあるものになり、工場の環境で容易に達成できるので最終全数検査の必要がなくなる。プロセスは、ハウジングの内部または外側で実施でき、対合コンポーネントの寸法／幾何形状の微小な誤差を取り除くことによって、組み立てられた機械装置の最終的な形削りおよび／またはサイジングを同時に実施することができる。例えば、ギアおよびベアリングの応用例では、このプロセスによって、ならし運転時間（ｂｒｅａｋ−ｉｎ ｐｅｒｉｏｄｓ）、磨耗、スカッフィング、運転温度、摩擦、振動、および騒音が低減される。
【００２６】
この定位置プロセスの一実施形態が、２つの対合ギアである。活性化学物質を第１対合ギア上に導入して、第１対合ギア上に化成皮膜を形成させ、同時に第２対合ギア上に化成皮膜を形成させることができる。２つの対合ギアが互いに対して相対運動して接触すると、２つの対合ギアから同時に化成皮膜が除去される。したがって、表面仕上げ、形削り、サイジング、これらの組合せなど、両方のギアの所望の表面特性が得られるまで化成皮膜がギア上で再形成・除去されるように、両方のギアを露出させて活性化学物質とさらに反応させる。一実施形態では、ギアが変速機またはギアボックス内に配置されており、変速機またはギアボックスの動作時にギア間の接触が起こる。
【００２７】
他の実施形態では、ベアリングレースおよび複数の対合回転要素が提供される。活性化学物質をベアリングレース上に導入すると、同時にベアリングレースおよび回転要素上に化成皮膜が形成される。ベアリングレースおよび対合回転要素が互いに対して相対運動して接触すると、同時にベアリングレースおよび対合回転要素から化成皮膜が除去される。したがって、表面仕上げ、形削り、サイジング、これらの組合せなど、ベアリングレースおよび対合回転要素の所望の表面特性が得られるまで化成皮膜が再形成・除去されるように、ベアリングレースと対合回転要素の両方を露出させて活性化学物質とさらに反応させる。
【実施例１】
【００２８】
定位置（ｉｎ−ｓｉｔｕ）表面仕上げ
公称サイズ７６ミリメートル×２５ミリメートル×１３ミリメートル（３インチ×１インチ×ｌ／２インチ）、ＨＲＣ４３〜４５の、同様の２片のＳＡＥ４１４０炭素鋼を試験試料として使用した。各試験試料の１３ミリメートル×７６ミリメートル（ｌ／２インチ×３インチ）の一方の表面を、長手軸方向に１８０グリット炭化ケイ素湿式／乾式紙で従来式に機械研磨した。試験片１の開始時のＲａおよびＲｍａｘは、それぞれ０．２５４マイクロメートル（１０．０マイクロインチ）および２．４９９マイクロメートル（９８．４マイクロインチ）であった。試験片２の開始時のＲａおよびＲｍａｘは、それぞれ０．４４７マイクロメートル（１７．６マイクロインチ）および４．２４マイクロメートル（１６７マイクロインチ）であった。
【００２９】
試験片２を、従来式に機械研磨した面を上方に向けて６０ｇ／Ｌのシュウ酸および２０ｇ／Ｌのメタニトロベンゼンスルホン酸ナトリウムの溶液中に置いた。次いで、試験片１の従来式に機械研磨した表面を、試験片２の従来式に機械研磨した表面に垂直に接触させて置いた。試験片２を固定位置で保持し、試験片１を手で前後および円形に動かして臨界接触面の滑り運動を模した。加えた圧力は、非常に軽度のものにすぎない。これを約１０分間続けた。試験片１の金属間接触表面での最終ＲａおよびＲｍａｘは、それぞれ０．０４３４マイクロメートル（１．７１マイクロインチ）および０．７０１マイクロメートル（２７．６マイクロインチ）であった。試験片２の金属間接触表面での最終ＲａおよびＲｍａｘは、それぞれ０．０４９５マイクロメートル（１．９５マイクロインチ）および１．１５マイクロメートル（４５．４マイクロインチ）であった。
【００３０】
実施例１は、硬化金属製の２片の対合ワークピースを合わせて軽く擦りながら適切な活性化学物質で表面を濡らすことによって、表面仕上げ、さらには超仕上げ、かつ／または、サイジングかつ／または形削りできることを示している。本発明のこの実施形態では、研磨剤、高温、または高圧は、不要である。表面の金属間接触する場所だけが、形削りかつ／またはサイジング、かつ／または表面仕上げされる。
【００３１】
２つ以上のギアがギアボックス内で噛み合っているときには、それらのフランクを実施例１で実証したのと同様に形削りかつ／または表面仕上げすることができる。これは、例えば、出力シャフトに軽い負荷をかけながらギアボックスの入力シャフトを回動させることによって達成することができる。ギア歯の接触領域を適切な活性化学物質で濡らすことは、ギア面全体にわたって連続的に新しい活性化学物質を流すことによって、あるいは活性化学物質を１回分（ｂａｔｃｈ）としてギアボックスに添加し、その場所でギアを活性化学物質で濡らすことによって達成される。時間が経つにつれて、歯の接触表面が滑らかになり、歯の外形が形削りされて理想的なギアの幾何形状になる。
【００３２】
同様に、ベアリングは、非常に小さい負荷をかけて動作させながらワークピースに活性化学物質を加えることによって、形削り、サイジング、かつ／または表面仕上げすることができる。従来の機械加工のような、局所的な高温を発生させる研磨剤または力を使用し、それが応力上昇原因または焼戻しを引き起こし、結果として摩擦、磨耗、スカッフィング、接触疲労、および動的疲労によってワークピースを過早に故障させることになる金属損傷は発生しない。
【００３３】
本発明は、ベアリングまたはギアだけに限るものではなく、表面仕上げおよび／またはサイジングおよび／または形削りの利益が得られるいずれの硬質金属間接触部にも適用することができる。一ステップで形削りかつ／またはサイジングかつ／または表面仕上げできるので、様々なワークピースについて製造効率が向上する。
【実施例２】
【００３４】
弱研磨性工具を用いる従来式の機械加工ベースライン
Ｆａｌｅｘ ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎのＦＬＣ Ｌｕｂｒｉｃｉｔｙ Ｔｅｓｔ Ｒｉｎｇ、ＳＡＥ５２１００鋼、ＨＲＣ５７〜６３（部品番号００１−５０２−００１Ｐ）を、弱研磨性（６００グリット）炭化ケイ素湿式／乾式紙と、冷却潤滑剤としてＳＡＥ３０重量の洗剤を含まないモータオイルとを使用して、従来式に機械加工する。
【００３５】
外側リング表面の硬質プラスチックモールド（Ｆａｃｓｉｍｉｌｅ（登録商標））で、それに当てられた６００グリット炭化ケイ素湿式／乾式試験片を保持しながら、Ｆａｌｅｘ ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎのＦＬＣ Ｌｕｂｒｉｃｉｔｙ Ｔｅｓｔｅｒを使用して設定回転数（ＲＰＭ）でリングを回転させる。重力が作用している、Ｆａｌｅｘ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ販売の０〜２１ｋｇｍ（０〜１５０フィートポンド）Ｓｅａｒｓ Ｃｒａｆｔｓｍａｎトルクレンチだけが、従来式の機械研削プロセスに加わる唯一の負荷である。リングは、試験の間中、ＳＡＥ３０重量の洗剤を含まないモータオイルのリザーバ内に部分的に浸される。図１は、試験器械を示す。
【００３６】
プロセス処理の前後に、試験リングを洗浄し、乾燥させ、化学天秤で重量を計測して、金属除去量を求める。
【００３７】
プロセス処理前の試験リングの重量は、２２．０９５１グラムである。４６０ＲＰＭで１．０時間プロセス処理した後の重量は、２２．０９３４グラムである。これは、１時間当り０．００１７グラムの損失であり、計算すると０．２３マイクロメートル（８．９マイクロインチ）の寸法変化になる。
【実施例３】
【００３８】
弱研磨性工具を用いる化学的機械加工
Ｆａｌｅｘ ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎのＦＬＣ Ｌｕｂｒｉｃｉｔｙ Ｔｅｓｔ Ｒｉｎｇ、ＳＡＥ５２１００鋼、ＨＲＣ５７〜６３（部品番号００１−５０２−００１Ｐ）を、弱研磨性（６００グリット）炭化ケイ素湿式／乾式紙と、化成皮膜を生成するための活性化学物質として６．２５体積％で維持されたＦＥＲＲＯＭＩＬ（登録商標）ＦＭＬ−５７５ＩＦＰとを使用して、化学的機械加工する。
【００３９】
外側リング表面の硬質プラスチックモールド（Ｆａｃｓｉｍｉｌｅ（登録商標））で、それに当てられた６００グリット炭化ケイ素湿式／乾式試験片を保持しながら、Ｆａｌｅｘ ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎのＦＬＣ Ｌｕｂｒｉｃｉｔｙ Ｔｅｓｔｅｒを使用して設定回転数（ＲＰＭ）でリングを回転させる。重力が作用している、Ｆａｌｅｘ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ販売の０〜２１ｋｇｍ（０〜１５０フィートポンド）Ｓｅａｒｓ Ｃｒａｆｔｓｍａｎトルクレンチだけが、化学的機械プロセスに加わる唯一の負荷である。リングは、周囲室温で、６．５ミリリットル／分でリザーバ内を流れるＦＥＲＲＯＭＩＬ（登録商標）ＦＭＬ−５７５ＩＦＰ内に部分的に浸される。試験器械の形態については、図１を参照されたい。
【００４０】
プロセス処理の前後に、試験リングを洗浄し、乾燥させ、化学天秤で重量を計測して、金属除去量を求める。
【００４１】
プロセス処理前の試験リングの重量は、２２．１８２７グラムである。４６０ＲＰＭで１．０時間プロセス処理した後の重量は、２２．１５５０グラムである。これは、１時間当り０．０２７７グラムの損失であり、計算すると３．６９８マイクロメートル（１４５．６マイクロインチ）の寸法変化になる。これらの結果から、金属除去速度が実施例２の速度の１６倍であることが示される。
【００４２】
実施例２および３は、硬質ワークピースを化学的機械加工すると、金属除去速度が劇的に増加することを実証している。したがって、弱研磨性工具と活性化学物質とを併せて使用して、硬化金属ワークピースを形削りかつ／またはサイジングかつ／または表面仕上げすることができる。活性化学物質が表面と反応していれば、ワークピースの硬度は、重要ではない。実際、金属除去速度は、金属の硬度がどれほど高くなってもほぼ同一のままである。対照的に、従来の機械加工（例えば、研削、ホーニング、研磨など）では、ワークピースの硬度がＨＲＣ６０以上に増加すると、工具の磨耗が増大し金属除去速度が低下する。
【００４３】
本発明の実施例２および３の実施形態は、弱研磨性工具を使用して、きわめて硬質の金属表面を形削りかつ／またはサイジングかつ／または表面仕上げできることを実証している。これは、例えば、ギア歯の外形を形削りかつ／または表面仕上げするのに使用することができる。この場合、例えば、少量の研磨剤を含む小型の回転および／または振動工具を、適切な活性化学物質で連続的に濡らされるギアのギアフランクに接触させて設置する。これが加工筋および／または研削筋を取り除く。また、歯を形削りして理想的なギアの幾何形状にするためにこれを使用することができる。このことがギアの騒音を低減し、運転の出力密度を増加させた上で、曲げ疲労、スカッフィング、および他の故障が起こるギアの耐用年数を著しく延長させる。
【００４４】
本発明はギアだけに限るものではなく、形削りおよび／またはサイジングおよび／または表面仕上げの利益が得られるいずれの硬質金属表面にも適用することができる。一ステップで形削りかつ表面仕上げできるので、様々なワークピースの製造効率が向上する。
【実施例４】
【００４５】
非研磨性プラスチック工具を用いる従来式の機械研削ベースライン
Ｆａｌｅｘ ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎのＦＬＣ Ｌｕｂｒｉｃｉｔｙ Ｔｅｓｔ Ｒｉｎｇ、ＳＡＥ４６２０鋼、ＨＲＣ５８〜６３（部品番号Ｓ−２５）を、ＲＥＭ（登録商標）ＦＢＣ−５０（工具の錆バリ（ｆｌａｓｈ ｒｕｓｔｉｎｇ）および熱劣化を防ぐ石鹸混合物。ただし化成皮膜を生成することはできない）を使用して仕上げる。
【００４６】
固定されたＦＥＲＲＯＭＩＬ（登録商標）Ｍｅｄｉａ＃ＮＡ（研磨剤粒子を含まない純粋なプラスチック（ポリエステル樹脂））片を外側リングに接触させながら、Ｆａｌｅｘ ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎのＦＬＣ Ｌｕｂｒｉｃｉｔｙ Ｔｅｓｔｅｒを使用して設定回転数（ＲＰＭ）でリングを回転させる。十分に表面接触するように、プラスチック媒体を形削りしてリングの輪郭にした。重力が作用している、Ｆａｌｅｘ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ販売の０〜２１ｋｇｍ（０〜１５０フィートポンド）Ｓｅａｒｓ Ｃｒａｆｔｓｍａｎトルクレンチだけが、従来式の機械プロセスに加わる唯一の負荷である。リングは、６．５ミリリットル／分でリザーバ内を流れる１体積％のＲＥＭ（登録商標）ＦＢＣ−５０内に部分的に浸される。試験器械の形態については、図２を参照されたい。
【００４７】
プロセス処理の前後に、試験リングを洗浄し、乾燥させ、化学天秤で重量を計測して、金属除去量を求める。
【００４８】
プロセス処理前の試験リングの重量は、２２．３１２５グラムである。４６０ＲＰＭで３．０時間処理後の重量は、２２．３１２０グラムである。これは、合計０．０００５グラム、または１時間当り０．０００１７グラムの損失である。計算すると、これが１時間当り０．０２マイクロメートル（０．９マイクロインチ）の寸法変化になることが示される。
【００４９】
この実施例は、活性化学物質を使用しないときには、硬化鋼表面上の非研磨性プラスチックによって除去される金属の量が微々たるものであることを示している。
【実施例５】
【００５０】
非研磨性プラスチック工具を用いる化学的機械加工
Ｆａｌｅｘ ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎのＦＬＣ Ｌｕｂｒｉｃｉｔｙ Ｔｅｓｔ Ｒｉｎｇ、ＳＡＥ４６２０鋼、ＨＲＣ５８〜６３（部品番号Ｓ−２５）を、ＦＥＲＲＯＭＩＬ（登録商標）ＶＩＩ Ａｅｒｏ−７００を使用して仕上げる。
【００５１】
固定されたＦＥＲＲＯＭＩＬ（登録商標）Ｍｅｄｉａ＃ＮＡ（研磨剤粒子を含まない純粋なプラスチック（ポリエステル樹脂））片を外側リングに接触させながら、Ｆａｌｅｘ ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎのＦＬＣ Ｌｕｂｒｉｃｉｔｙ Ｔｅｓｔｅｒを使用して設定回転数（ＲＰＭ）でリングを回転させる。十分な表面接触が提供されるように、プラスチック媒体を形削りしてリングの輪郭にした。重力が作用している、Ｆａｌｅｘ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ販売の０〜２１ｋｇｍ（０〜１５０フィートポンド）Ｓｅａｒｓ Ｃｒａｆｔｓｍａｎトルクレンチだけが、化学的機械加工プロセスに加わる唯一の負荷である。リングは、６．５ミリリットル／分でリザーバ内を流れる１２．５体積％のＦＥＲＲＯＭＩＬ（登録商標）ＶＩＩ Ａｅｒｏ−７００内に部分的に浸される。試験器械の形態については図２を参照されたい。
【００５２】
プロセス処理の前後に、試験リングを洗浄し、乾燥させ、化学天秤で重量を計測して、金属除去量を求める。
【００５３】
プロセス処理前の試験リングの重量は、２２．１０５９グラムである。４６０ＲＰＭで３．０時間処理後の重量は、２２．０８０８グラムである。これは、合計０．０２５１グラム、または１時間当り０．００８３７グラムの損失である。計算すると、これが１時間当り１．１２マイクロメートル（４４．０マイクロインチ）の寸法変化になることが示される。これは、素地金属よりも柔らかい、したがって素地金属の塑性変形、剪断強度、または引張り強度を超えることができない非研磨性工具を使用する実施例４の金属除去の４９倍を大幅に上回るものと言い換えられる。
【００５４】
実施例４および５は、非研磨性プラスチックを使用しても硬化鋼からかなりの量の金属を除去できることを実証している。したがって、活性化学物質を使用するときには、硬化鋼表面の形削りかつ／またはサイジングかつ／または表面仕上げにプラスチック製の工具を使用することができる。したがって、大きい力を加える必要がなく、あるいは局所的に高温にならないので、より硬質な材料製の工具の寿命が大きく延長されることが理にかなっている。柔らかい化成皮膜を除去するのに必要な力だけを加えることによって金属を除去できるので、工具が長持ちする。
【００５５】
さらに、これら二例は、加える必要のある力が小さいので、従来の機械加工で使用されるよりも小さい機械で、非常に硬質な表面から金属を除去できることを示している。低い工具圧力下では、構造的たわみが最小限に抑えられ、温度が低くなり、それが特に繊細なワークピースの場合に構造的変形を最小限に抑えかつ／またはなくし、機械加工の確度および精度を向上させる。金属除去速度が１時間当り１．１２マイクロメートル（４４．０マイクロインチ）であるので、機械加工の金属除去分解能を０．０２５マイクロメートル（１．０マイクロインチ）単位のきわめて高いものにできることが明らかである。
【実施例６】
【００５６】
化学的機械表面仕上げ
ギア歯のルートフィレット領域を化学的機械表面仕上げして、軸方向の研削筋を取り除いた。工具は、６００グリット湿式／乾式炭化ケイ素紙が巻き付けられた直径１．７ミリメートル（０．０６７インチ）の高速鋼ワイヤの切片を用いて形成した。工具は、約８０ＲＰＭで回転させた。工具は、非常に低い圧力で、ギア歯（Ｗｅｂｓｔｅｒ、ＡＩＳＩ８６２０浸炭鋼、１７歯ギア、直径ピッチ８、圧力角２５°、フィレット半径約１．１９ミリメートル（０．０４６９インチ））のルートフィレット領域に当てて保持した。６０ｇ／Ｌのシュウ酸および２０ｇ／Ｌのメタニトロベンゼンスルホン酸ナトリウムの溶液を滴下して接触表面に導入した（１０秒間に１〜２滴）。これを１５分間実施した。炭化ケイ素紙は、１０分間の表面仕上げ後に１回交換した。
【００５７】
表面仕上げしたワークピースを１０倍の倍率で検査すると、表面の大部分には筋がなく平滑かつ平坦であり、１本または２本の軸方向の研削筋が残っていることが明らかになった。これは、非常に厳しい寸法公差を維持した上で、化学的機械表面仕上げを用いて、陥凹した臨界面に表面仕上げを実施できることを示している。さらに、ギアのルートフィット領域上の加工筋および／または研削筋は、比較的単純な化学的機械表面仕上げによって取り除くことができる。軽量な研磨性工具を用いて形成された筋は、いずれも軸方向の研削筋に直交する。したがって、歯の曲げ疲労が軽減されるので、ギアの寿命が著しく延長される。
【００５８】
本発明は、ギアだけに限るものではなく、動的疲労を起こすいずれの硬質金属表面にも適用することができる。一ステップで形削りかつ表面仕上げできるので、様々なワークピースの製造効率が向上する。
【００５９】
本発明の器械および方法について好ましい実施形態の観点から記載したが、本発明の概念および範囲から逸脱することなく、本明細書に記載のプロセスに変更を加えられることが当業者には明らかである。このような当業者に明らかな同様の置換えおよび修正は、すべて特許請求の範囲で述べる本発明の範囲および概念内にあると見なされる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】実施例２および３で使用されるＦａｌｅｘ ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎのＦＬＣ Ｌｕｂｒｉｃｉｔｙ Ｔｅｓｔｅｒの一例を示す図である。
【００６１】
【図２】実施例４および５で使用されるＦａｌｅｘ ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎのＦＬＣ Ｌｕｂｒｉｃｉｔｙ Ｔｅｓｔｅｒの他の例を示す図である。
【０００１】
本発明は、化学的機械加工および表面仕上げプロセスに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の機械加工は、きわめてアグレッシブなプロセスである。どれほど注意・用心しても、このプロセスでは、きわめて集中的な力がかかり、それに付随して局所的な高温スパイクが生じるので、微視的レベルだけでもほぼ常に金属損傷が引き起こされる。このような損傷には、マイクロクラック、応力上昇原因の誘導、酸化、相変化、ならびに有益な残留圧縮応力および微小硬度の低下を含めることができる。例えば、研削プロセスは、硬化したワークピースの表面を焼戻しするのに十分な熱を発生することがあり、これはしばしば研削焼け（ｇｒｉｎｄｉｎｇ ｂｕｒｎ）と呼ばれ、ワークピースの磨耗および接触疲労特性を低下させる。さらに、従来の機械加工は、常にバリおよび加工筋（ｍａｃｈｉｎｅ ｌｉｎｅｓ）を生じる。このような残留するバリおよび加工筋は、磨耗、摩擦、運転温度、スカッフィング、接触疲労故障（ピッチング）、および／または、曲げ疲労、ねじり疲労、軸疲労などの様々な動的疲労故障を低減するために臨界面から取り除かなければならない応力上昇原因である。
【０００３】
ワークピースへの金属損傷に加えて、従来の機械加工操作には、きわめて高い寸法精度・確度でワークピースを生産する際に固有の制限事項がある。前述のように、機械加工は、高速かつ／または大きな力で動く工具によってワークピースから金属をアグレッシブに剪断するものである。したがって、工具の磨耗は、プロセスに固有のものである。しかし、ワークピースごとの寸法精度・確度の維持は、工具の寸法安定性を維持する能力に頼っている。ワークピースの硬度がＨＲＣ４０以上に増加すると、工具の磨耗が重大な問題になる。例えばギアおよびベアリングは、通常ＨＲＣ５５〜６５以上まで硬化される。
【０００４】
切断工具を案内する機械には、高い精度および確度を妨げる、それぞれに固有の一連の制限事項がある。工具を運動させる機械装置の制限事項の一部には、いくつか例を挙げれば、幾何的誤差、送り速度誤差、駆動磨耗、振動、およびヒステリシスが含まれる。機械は、普通、特に硬質のワークピースから金属を除去するのに要する大きい力を精確に加えるために必要な剛性が維持されるように、巨大なサイズを有している。また、切断負荷が引き起こす著しい熱的ひずみおよび構造的たわみは、特に繊細なワークピースで問題になることがある。
【０００５】
加工筋に加えて、工具のアグレッシブな切断動作を起こすために加えられる力がまた振動を発生させ、それがびびり（ｃｈａｔｔｅｒ）を引き起こす。びびりおよび加工筋は、通常、多ステッププロセスによって軽減される。例えば、高品質ギアの場合、機械加工によって生じたびびりおよび加工筋を軽減するために、ギアを研削し、次いでホーニング加工しなければならない。特別な注意を払わなければ、研削およびホーニングプロセスがワークピースの臨界接触面に深刻な金属損傷を引き起こすことがある。ワークピースの品質は、コストのかかる全数検査でしか保証することができない。
【０００６】
平滑に表面仕上げすることの重要性は、特に、いくつか例を挙げれば、ギア、ベアリング、スプライン、クランクシャフト、カムシャフトなど、金属間で接触するワークピースではあまり強調することができず、これらには除去が非常に困難な加工／研削筋または他の表面瑕疵があることが多い。これらのワークピースでは、表面の凹凸が、摩擦、騒音、振動、磨耗、スカッフィング、ピッチング、スポーリング、運転温度を増加させ、潤滑性を損なうことがある。荷重を受ける物品では、表面上の加工筋が、変動する応力および歪みに曝されるワークピースの疲労破壊の開始点を与えることがある。したがって、従来の加工筋によって引き起こされた応力上昇原因を取り除く重大な必要がある。
【０００７】
そのようなワークピースを表面仕上げする一方法は、従来の多ステップである連続的な微細研削、ホーニング、およびラッピングによって表面を機械加工することである。Ｒａが０．０５マイクロメートル（２マイクロインチ）未満の研削表面を得るには、時間、多数のステップ、および最先端技術が必要である。複雑な表面幾何形状には、高価で高性能の機械類、高価な工作工具、および時間のかかるメンテナンスが必要である。コストに加えて、このプロセスでは、方向性のある筋、ならびに、熱処理表面の完全性を損なう焼戻しおよびマイクロクラックの可能性が生じる。前述のように、高品質のワークピースを得るには、研削し、ナイタルエッチングなどの技術で硬化させた表面の、コストのかかる全数検査が必要である。この手法の他の欠点は、研磨剤粒子が表面に浸入し、それが応力上昇原因、潤滑剤の残屑、および／または磨耗をまねく可能性があることである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本明細書に記載する発明では、化学的機械加工および表面仕上げプロセスを開示する。活性化学物質をワークピースの表面と反応させて、ワークピースの表面上に柔らかい化成皮膜（ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｃｏａｔｉｎｇ）を形成する。化成皮膜は、ワークピースの素地金属がそれ以上活性化学物質と化学反応しないように保護するという点で、活性化学物質に不溶性である。化成皮膜が接触工具との相対運動を介してワークピースから除去されると、未反応の金属が露出して活性化学物質とさらに反応し、ワークピース上に化成皮膜が再形成される。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
ワークピースから化成皮膜を除去するのに使用される機械的な力は、小さいものであり、ワークピースの素地金属の塑性変形、剪断強度、引張り強度、および／または熱劣化温度を超えない。したがってこの化学的機械プロセスでは、従来の機械加工に関係する、焼戻し、マイクロクラックの発生、応力上昇原因、および他の金属損傷の可能性がなくなる。化学的機械加工および表面仕上げプロセスは、化成皮膜を除去するのに接触の力および／または速度をほとんど必要としないので、機械加工精度・確度を向上させた上で、従来の機械加工機器に比べ、機器の大きさ、複雑さ、およびコストを大幅に低減／削減することができる。また、切断力、速度、および運転温度を低減させて操作できるので、工具磨耗が最小限に抑えられ、あるいはなくなる。このように低減／削減されるので、工具をワークピースの素地金属よりも柔らかい非研磨性または弱研磨性の材料から作製することができる。工具を剛性または可撓性にして、ワークピースの表面と共形になるようにすることができる。
【００１０】
ある応用例では、機械加工機器を完全に排除することができ、この場合、相対運動する対合（ｍａｔｉｎｇ）ワークピースと荷重とが、その対向する接触表面から化成皮膜を除去する工具の働きをする。本発明は、高度に制御された速度での金属除去に適しており、ワークピースを単純に表面仕上げすることができ、あるいは望むなら、ワークピースの形削りおよび／またはサイジングと同時にワークピースを表面仕上げすることもできる。本明細書で使用する「表面仕上げ」とは、ワークピースの表面から金属を除去して、粗さ、うねり、表面起伏（ｌａｙ）、および欠陥を低減しようとするものである。「サイジング」とは、ワークピースの表面から金属を均一に除去して、ワークピースを適正な寸法にしようとするものである。「形削り」とは、ワークピースから区別をつけて金属を除去して、ワークピースを適正な幾何形状にしようとするものである。「形削り」には、ドリル穿孔、鋸引き、中ぐり、切断、フライス削り、旋削、研削、平削りなどが含まれる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
従来の冷却潤滑剤の代わりに、ここで開示する化学的機械加工および表面仕上げプロセスは、金属のワークピースの表面と反応できる水ベースまたは有機物ベースの活性化学物質を使用する。金属は、一般に、鉄、チタン、ニッケル、クロム、コバルト、タングステン、ウラニウム、およびこれらの合金である。初めに、活性化学物質を、ワークピースの素地金属と反応して柔らかい化成皮膜を形成するように、形削り、サイジング、および／または表面仕上げ機械に導入する。化成皮膜は、ワークピースの素地金属がそれ以上活性化学物質と化学反応しないように保護するという点で、活性化学物質に不溶性である。化成皮膜は、例えば、金属酸化物、金属リン酸塩、金属シュウ酸塩、金属硫酸塩、金属スルファミン酸塩、または金属クロム酸塩を含むことができる。
【００１２】
化成皮膜の形成後、工具とワークピースとを相対運動させながら適切な工作工具と接触させる。相対運動は、固定されたワークピースを横切って工具を運動させることによって、または固定された工具を横切ってワークピースを運動させることによって、あるいは工具とワークピースの両方を運動させることによって生み出すことができる。化成皮膜が工具によって擦り落とされると、ワークピース上に未反応の金属が露出して、露出した金属上に化成皮膜が再形成される。金属の除去速度は、活性化学物質と金属とが反応して化成皮膜を形成する速度に比例する。この反応速度は、温度を上昇させ、化学的促進剤を使用することによって増加させることができる。反応速度が増加すると、金属の除去速度は、化成皮膜の除去速度に支配される。この擦り取り・再形成プロセスは、所望の表面仕上げおよび／または形削りおよび／またはサイジングが達成されるまで繰り返される。金属損傷は起こらない。機械加工工具は、化成皮膜を除去するのに力をほとんど必要としないので、機械加工精度・確度を向上させた上で、従来の機械加工に比べ、機械の大きさ、複雑さ、およびコストを大幅に低減／削減することができる。
【００１３】
本発明の実施形態では、ワークピース上で熱劣化温度が生じないように、工具とワークピースとの相対運動および接触力は、ワークピースの塑性変形、剪断強度、および／または引張り強度よりも小さい。一部の実施形態では、工具とワークピースとの接触によって、理論分解能０．０２５マイクロメートル（１．０マイクロインチ）でワークピースから金属が除去される。工具からワークピースに加わる力が小さいので、工具磨耗が最小限に抑えられ、かつ／またはなくなる。この化学的機械プロセスは、高度に制御された速度での金属除去に適しており、形削りおよび／またはサイジングプロセスと同時にワークピースを表面仕上げすることができる。
【００１４】
この化学的機械加工および表面仕上げプロセスを使用すると、ワークピースの表面上に、ワークピースの素地金属よりも柔らかい化成皮膜が形成される。ワークピースの表面上にこのような化学的化成皮膜を形成できるいずれの活性化学物質も、本発明で企図される範囲内にある。本プロセスをうまく実行するには、素地金属上に生成される化成皮膜が示す特性が重要であるが、活性化学物質の配合は重要でない。そのような化成皮膜の一例が、ＲＥＭ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ，Ｉｎｃ．に譲渡された米国特許第４，８１８，３３３号に記載されており、その内容を参照によりここに援用する。
【００１５】
活性化学物質が、運転条件下で素地金属の柔らかい化成皮膜を急速かつ効率的に生成できることが好ましい。金属が確実に、溶解ではなく主に擦り取りおよび再形成によって除去されるように、化成皮膜は、さらに、活性化学物質に実質的に不溶性でなければならず、素地金属がそれ以上反応しないように保護しなければならない。
【００１６】
また活性化学物質には、活性剤、促進剤、酸化剤、ならびに場合によっては阻害物質および／または湿潤剤を含めることもできる。添加される成分の量が、悪影響を及ぼさずに溶解限度を超えることがあることに留意すべきである。不溶性のものが少量存在すると、活性成分の供給維持の観点から、操作工程時の活性化学物質の補充に有益なことがある。
【００１７】
より具体的に言えば、活性化学物質は、通常、関わっている金属基質に応じて、リン酸塩またはリン酸、シュウ酸塩またはシュウ酸、スルファミン酸塩またはスルファミン酸、硫酸塩または硫酸、クロム酸塩またはクロム酸、あるいはこれらの混合物を含む。さらに、知られている活性剤または促進剤を、これだけに限るものではないが、セレン、亜鉛、銅、マンガン、マグネシウム、および鉄のリン酸塩などの活性化学物質、ならびに、これだけに限るものではないが、過硫酸塩、過酸化物、メタニトロベンゼン、塩素酸塩、亜塩素酸塩、硝酸塩、亜硝酸塩などの無機および有機酸化剤に加えることができる。
【００１８】
本発明で使用する活性化学物質は、希釈または分散させることができる。希釈剤または分散剤は、最も一般的には水であるが、これだけに限るものではないが、パラフィン油、有機液体、シリコーン油、合成油、他の油、グリース、潤滑剤など、水以外の物質にすることもできる。またある条件下では、水が非常に微量な構成成分である、硫酸、メタンスルホン酸、リン酸など、高濃度の酸で化成皮膜を形成することが好ましい可能性があると予想される。さらに、望むなら、油または潤滑剤を希釈剤または分散剤として使用することができる。これは、例えば硫酸を鉱油と併せて使用するときに望ましい。硫酸は、あまり鉱油に溶解しないが、溶解する代わりに硫酸が鉱油全体にわたって分散するので、鉱油が分散剤の働きをする。
【００１９】
柔らかい化成皮膜を除去して、ワークピース上で熱劣化温度が生じないようにワークピースの塑性変形、剪断強度、および／または引張り強度を超えずに未反応の金属を露出させることができる前述のいずれの工具も、本発明で企図される範囲内にある。化成皮膜の除去をうまく実行するには、工具の特性が重要であるが、工具の設計は重要でない。ある場合には、工具をワークピースの対合表面またはそれらの複製にすることができる。例えば、ワークピースがギアを含み、工具が対合ギアまたはそれらの複製を含むことができる。他の例では、ワークピースがベアリングレースを含み、工具が複数の対合ベアリングボールまたはローラ、あるいはそれらの複製を含むことができる。
【００２０】
本発明によれば、工具を剛性または可撓性にすることができる。例えば、ワークピースがギアのルートフィレットである場合、加工筋および／または研削筋、および／またはショットピーニングの跡を取り除くために、工具を所望の陥凹領域すべてに接触するようなサイズの剛性・弱研磨性シリンダにすることができる。他の例では、ワークピースがパイプまたはチューブの内表面である場合、ワークピースと共形の可撓性かつ／または拡張可能な工具を使用して、形成筋または溶接シームを取り除くことによって表面仕上げを改善することができる。
【００２１】
一実施形態では、工具は、化学的に誘導される化成皮膜が工具上に形成されないという点で、活性化学物質と反応しない。工具を作製できる、企図される非反応性材料は、木材、紙、布、セラミック、プラスチック、ポリマー、エラストマー、および金属であるが、活性化学物質と反応しないいずれの材料も使用することができる。例えば、ワークピースがギアである場合、工具は、反応性のワークピースと噛み合って動作しながら必要な形削りおよび／または表面仕上げ特性を与えるように設計された非反応性の対合ギアにすることができる。
【００２２】
この化学的機械加工および表面仕上げプロセスには、いくつかの利点がある。このプロセスでは、高い寸法精度・確度でワークピースを生産できる、十分に制御された金属除去速度が達成される。金属は、約０．０２５マイクロメートル（１．０マイクロインチ）の分解能で除去することができる。またこのプロセスは、形削りおよび／またはサイジングおよび／または表面仕上げを同時に実施できるので、プロセス処理ステップの総数が削減される。金属を除去するために与える必要のある力が小さいので、工具を案内するのに、小型で、あまり複雑でなく、あまり高価でない機械を使用することができる。また工具の速度は、従来の機械加工で必要なよりもはるかに小さく、工具のコストおよび磨耗が著しく低減される。
【００２３】
さらに、はるかに大きい機械加工表面領域を、１回で形削りかつ／またはサイジングかつ／または表面仕上げすることができる。またこのプロセスでは、事実上、ワークピース上のバリ、加工筋、びびり、塑性変形、および他の表面変形がなくなる。本プロセスの他の利点は、焼けが起こらない低温機械加工プロセスであるということであり、酸化、相変化、応力上昇原因、硬度変化など、応力または金属損傷がほとんどまたは全く生じない。このプロセスは、普通、金属の熱劣化温度以下で実施される。また温度が低いことも、繊細なワークピースの熱変形をなくすのに役立たせることができる。さらに、低い工具圧力では、構造的たわみが最小限に抑えられる。これは、特に繊細なワークピースの場合に重要であり、構造的ひずみおよび同様の変形が最小限に抑えられ、かつ／またはなくなる。最後に、機械加工プロセスの精度および確度が劇的に向上する。
【００２４】
本発明の他の実施形態では、金属間接触する表面の定位置（ｉｎ−ｓｉｔｕ）形削りおよび／またはサイジングおよび／または表面仕上げを実現することができる。これは、ワークピースと工具の両方の個々の反応性金属表面上に化成皮膜が形成されるように、微細な研磨剤を含むかまたは含まない活性化学物質を、組み立てられた器械に加えることによって達成される。初めは器械を小さい負荷で動作させ、徐々に完全な負荷条件まで増加させることができる。化成皮膜は、擦り取り、転がし、滑りなどによって未反応の金属が露出してさらに反応する臨界接触面だけで除去される。化学的機械加工および表面仕上げは、臨界接触面だけで起こり、表面の凹凸が取り除かれて、最終的には筋のない表面あるいはほぼ筋のない表面が得られる。望むなら、プロセスを継続して、対合ワークピースの超仕上げ表面を得ることができ、かつ／または対合ワークピースを最終的に形削りかつ／またはサイジングして理想幾何形状にすることができる。したがって、各対合表面が理想的な対合接触表面領域を有することになる。定位置プロセスでは、活性化学物質の特性、プロセス処理の時間および温度、接触負荷、および接触速度を調節することによって、対合コンポーネントの寸法または幾何形状の微小な誤差を高度に制御された精度で補正することができる。
【００２５】
また、定位置表面仕上げまたは超仕上げには、変速機などのアセンブリ全体の臨界接触面すべてを仕上げることができるなどの他の利点もあり、個々のワークピースそれぞれを仕上げるコストが大幅に削減される。プロセスが最適化された後は、表面仕上げがきわめて再現性のあるものになり、工場の環境で容易に達成できるので最終全数検査の必要がなくなる。プロセスは、ハウジングの内部または外側で実施でき、対合コンポーネントの寸法／幾何形状の微小な誤差を取り除くことによって、組み立てられた機械装置の最終的な形削りおよび／またはサイジングを同時に実施することができる。例えば、ギアおよびベアリングの応用例では、このプロセスによって、ならし運転時間（ｂｒｅａｋ−ｉｎ ｐｅｒｉｏｄｓ）、磨耗、スカッフィング、運転温度、摩擦、振動、および騒音が低減される。
【００２６】
この定位置プロセスの一実施形態が、２つの対合ギアである。活性化学物質を第１対合ギア上に導入して、第１対合ギア上に化成皮膜を形成させ、同時に第２対合ギア上に化成皮膜を形成させることができる。２つの対合ギアが互いに対して相対運動して接触すると、２つの対合ギアから同時に化成皮膜が除去される。したがって、表面仕上げ、形削り、サイジング、これらの組合せなど、両方のギアの所望の表面特性が得られるまで化成皮膜がギア上で再形成・除去されるように、両方のギアを露出させて活性化学物質とさらに反応させる。一実施形態では、ギアが変速機またはギアボックス内に配置されており、変速機またはギアボックスの動作時にギア間の接触が起こる。
【００２７】
他の実施形態では、ベアリングレースおよび複数の対合回転要素が提供される。活性化学物質をベアリングレース上に導入すると、同時にベアリングレースおよび回転要素上に化成皮膜が形成される。ベアリングレースおよび対合回転要素が互いに対して相対運動して接触すると、同時にベアリングレースおよび対合回転要素から化成皮膜が除去される。したがって、表面仕上げ、形削り、サイジング、これらの組合せなど、ベアリングレースおよび対合回転要素の所望の表面特性が得られるまで化成皮膜が再形成・除去されるように、ベアリングレースと対合回転要素の両方を露出させて活性化学物質とさらに反応させる。
【実施例１】
【００２８】
定位置（ｉｎ−ｓｉｔｕ）表面仕上げ
公称サイズ７６ミリメートル×２５ミリメートル×１３ミリメートル（３インチ×１インチ×ｌ／２インチ）、ＨＲＣ４３〜４５の、同様の２片のＳＡＥ４１４０炭素鋼を試験試料として使用した。各試験試料の１３ミリメートル×７６ミリメートル（ｌ／２インチ×３インチ）の一方の表面を、長手軸方向に１８０グリット炭化ケイ素湿式／乾式紙で従来式に機械研磨した。試験片１の開始時のＲａおよびＲｍａｘは、それぞれ０．２５４マイクロメートル（１０．０マイクロインチ）および２．４９９マイクロメートル（９８．４マイクロインチ）であった。試験片２の開始時のＲａおよびＲｍａｘは、それぞれ０．４４７マイクロメートル（１７．６マイクロインチ）および４．２４マイクロメートル（１６７マイクロインチ）であった。
【００２９】
試験片２を、従来式に機械研磨した面を上方に向けて６０ｇ／Ｌのシュウ酸および２０ｇ／Ｌのメタニトロベンゼンスルホン酸ナトリウムの溶液中に置いた。次いで、試験片１の従来式に機械研磨した表面を、試験片２の従来式に機械研磨した表面に垂直に接触させて置いた。試験片２を固定位置で保持し、試験片１を手で前後および円形に動かして臨界接触面の滑り運動を模した。加えた圧力は、非常に軽度のものにすぎない。これを約１０分間続けた。試験片１の金属間接触表面での最終ＲａおよびＲｍａｘは、それぞれ０．０４３４マイクロメートル（１．７１マイクロインチ）および０．７０１マイクロメートル（２７．６マイクロインチ）であった。試験片２の金属間接触表面での最終ＲａおよびＲｍａｘは、それぞれ０．０４９５マイクロメートル（１．９５マイクロインチ）および１．１５マイクロメートル（４５．４マイクロインチ）であった。
【００３０】
実施例１は、硬化金属製の２片の対合ワークピースを合わせて軽く擦りながら適切な活性化学物質で表面を濡らすことによって、表面仕上げ、さらには超仕上げ、かつ／または、サイジングかつ／または形削りできることを示している。本発明のこの実施形態では、研磨剤、高温、または高圧は、不要である。表面の金属間接触する場所だけが、形削りかつ／またはサイジング、かつ／または表面仕上げされる。
【００３１】
２つ以上のギアがギアボックス内で噛み合っているときには、それらのフランクを実施例１で実証したのと同様に形削りかつ／または表面仕上げすることができる。これは、例えば、出力シャフトに軽い負荷をかけながらギアボックスの入力シャフトを回動させることによって達成することができる。ギア歯の接触領域を適切な活性化学物質で濡らすことは、ギア面全体にわたって連続的に新しい活性化学物質を流すことによって、あるいは活性化学物質を１回分（ｂａｔｃｈ）としてギアボックスに添加し、その場所でギアを活性化学物質で濡らすことによって達成される。時間が経つにつれて、歯の接触表面が滑らかになり、歯の外形が形削りされて理想的なギアの幾何形状になる。
【００３２】
同様に、ベアリングは、非常に小さい負荷をかけて動作させながらワークピースに活性化学物質を加えることによって、形削り、サイジング、かつ／または表面仕上げすることができる。従来の機械加工のような、局所的な高温を発生させる研磨剤または力を使用し、それが応力上昇原因または焼戻しを引き起こし、結果として摩擦、磨耗、スカッフィング、接触疲労、および動的疲労によってワークピースを過早に故障させることになる金属損傷は発生しない。
【００３３】
本発明は、ベアリングまたはギアだけに限るものではなく、表面仕上げおよび／またはサイジングおよび／または形削りの利益が得られるいずれの硬質金属間接触部にも適用することができる。一ステップで形削りかつ／またはサイジングかつ／または表面仕上げできるので、様々なワークピースについて製造効率が向上する。
【実施例２】
【００３４】
弱研磨性工具を用いる従来式の機械加工ベースライン
Ｆａｌｅｘ ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎのＦＬＣ Ｌｕｂｒｉｃｉｔｙ Ｔｅｓｔ Ｒｉｎｇ、ＳＡＥ５２１００鋼、ＨＲＣ５７〜６３（部品番号００１−５０２−００１Ｐ）を、弱研磨性（６００グリット）炭化ケイ素湿式／乾式紙と、冷却潤滑剤としてＳＡＥ３０重量の洗剤を含まないモータオイルとを使用して、従来式に機械加工する。
【００３５】
外側リング表面の硬質プラスチックモールド（Ｆａｃｓｉｍｉｌｅ（登録商標））で、それに当てられた６００グリット炭化ケイ素湿式／乾式試験片を保持しながら、Ｆａｌｅｘ ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎのＦＬＣ Ｌｕｂｒｉｃｉｔｙ Ｔｅｓｔｅｒを使用して設定回転数（ＲＰＭ）でリングを回転させる。重力が作用している、Ｆａｌｅｘ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ販売の０〜２１ｋｇｍ（０〜１５０フィートポンド）Ｓｅａｒｓ Ｃｒａｆｔｓｍａｎトルクレンチだけが、従来式の機械研削プロセスに加わる唯一の負荷である。リングは、試験の間中、ＳＡＥ３０重量の洗剤を含まないモータオイルのリザーバ内に部分的に浸される。図１は、試験器械を示す。
【００３６】
プロセス処理の前後に、試験リングを洗浄し、乾燥させ、化学天秤で重量を計測して、金属除去量を求める。
【００３７】
プロセス処理前の試験リングの重量は、２２．０９５１グラムである。４６０ＲＰＭで１．０時間プロセス処理した後の重量は、２２．０９３４グラムである。これは、１時間当り０．００１７グラムの損失であり、計算すると０．２３マイクロメートル（８．９マイクロインチ）の寸法変化になる。
【実施例３】
【００３８】
弱研磨性工具を用いる化学的機械加工
Ｆａｌｅｘ ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎのＦＬＣ Ｌｕｂｒｉｃｉｔｙ Ｔｅｓｔ Ｒｉｎｇ、ＳＡＥ５２１００鋼、ＨＲＣ５７〜６３（部品番号００１−５０２−００１Ｐ）を、弱研磨性（６００グリット）炭化ケイ素湿式／乾式紙と、化成皮膜を生成するための活性化学物質として６．２５体積％で維持されたＦＥＲＲＯＭＩＬ（登録商標）ＦＭＬ−５７５ＩＦＰとを使用して、化学的機械加工する。
【００３９】
外側リング表面の硬質プラスチックモールド（Ｆａｃｓｉｍｉｌｅ（登録商標））で、それに当てられた６００グリット炭化ケイ素湿式／乾式試験片を保持しながら、Ｆａｌｅｘ ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎのＦＬＣ Ｌｕｂｒｉｃｉｔｙ Ｔｅｓｔｅｒを使用して設定回転数（ＲＰＭ）でリングを回転させる。重力が作用している、Ｆａｌｅｘ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ販売の０〜２１ｋｇｍ（０〜１５０フィートポンド）Ｓｅａｒｓ Ｃｒａｆｔｓｍａｎトルクレンチだけが、化学的機械プロセスに加わる唯一の負荷である。リングは、周囲室温で、６．５ミリリットル／分でリザーバ内を流れるＦＥＲＲＯＭＩＬ（登録商標）ＦＭＬ−５７５ＩＦＰ内に部分的に浸される。試験器械の形態については、図１を参照されたい。
【００４０】
プロセス処理の前後に、試験リングを洗浄し、乾燥させ、化学天秤で重量を計測して、金属除去量を求める。
【００４１】
プロセス処理前の試験リングの重量は、２２．１８２７グラムである。４６０ＲＰＭで１．０時間プロセス処理した後の重量は、２２．１５５０グラムである。これは、１時間当り０．０２７７グラムの損失であり、計算すると３．６９８マイクロメートル（１４５．６マイクロインチ）の寸法変化になる。これらの結果から、金属除去速度が実施例２の速度の１６倍であることが示される。
【００４２】
実施例２および３は、硬質ワークピースを化学的機械加工すると、金属除去速度が劇的に増加することを実証している。したがって、弱研磨性工具と活性化学物質とを併せて使用して、硬化金属ワークピースを形削りかつ／またはサイジングかつ／または表面仕上げすることができる。活性化学物質が表面と反応していれば、ワークピースの硬度は、重要ではない。実際、金属除去速度は、金属の硬度がどれほど高くなってもほぼ同一のままである。対照的に、従来の機械加工（例えば、研削、ホーニング、研磨など）では、ワークピースの硬度がＨＲＣ６０以上に増加すると、工具の磨耗が増大し金属除去速度が低下する。
【００４３】
本発明の実施例２および３の実施形態は、弱研磨性工具を使用して、きわめて硬質の金属表面を形削りかつ／またはサイジングかつ／または表面仕上げできることを実証している。これは、例えば、ギア歯の外形を形削りかつ／または表面仕上げするのに使用することができる。この場合、例えば、少量の研磨剤を含む小型の回転および／または振動工具を、適切な活性化学物質で連続的に濡らされるギアのギアフランクに接触させて設置する。これが加工筋および／または研削筋を取り除く。また、歯を形削りして理想的なギアの幾何形状にするためにこれを使用することができる。このことがギアの騒音を低減し、運転の出力密度を増加させた上で、曲げ疲労、スカッフィング、および他の故障が起こるギアの耐用年数を著しく延長させる。
【００４４】
本発明はギアだけに限るものではなく、形削りおよび／またはサイジングおよび／または表面仕上げの利益が得られるいずれの硬質金属表面にも適用することができる。一ステップで形削りかつ表面仕上げできるので、様々なワークピースの製造効率が向上する。
【実施例４】
【００４５】
非研磨性プラスチック工具を用いる従来式の機械研削ベースライン
Ｆａｌｅｘ ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎのＦＬＣ Ｌｕｂｒｉｃｉｔｙ Ｔｅｓｔ Ｒｉｎｇ、ＳＡＥ４６２０鋼、ＨＲＣ５８〜６３（部品番号Ｓ−２５）を、ＲＥＭ（登録商標）ＦＢＣ−５０（工具の錆バリ（ｆｌａｓｈ ｒｕｓｔｉｎｇ）および熱劣化を防ぐ石鹸混合物。ただし化成皮膜を生成することはできない）を使用して仕上げる。
【００４６】
固定されたＦＥＲＲＯＭＩＬ（登録商標）Ｍｅｄｉａ＃ＮＡ（研磨剤粒子を含まない純粋なプラスチック（ポリエステル樹脂））片を外側リングに接触させながら、Ｆａｌｅｘ ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎのＦＬＣ Ｌｕｂｒｉｃｉｔｙ Ｔｅｓｔｅｒを使用して設定回転数（ＲＰＭ）でリングを回転させる。十分に表面接触するように、プラスチック媒体を形削りしてリングの輪郭にした。重力が作用している、Ｆａｌｅｘ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ販売の０〜２１ｋｇｍ（０〜１５０フィートポンド）Ｓｅａｒｓ Ｃｒａｆｔｓｍａｎトルクレンチだけが、従来式の機械プロセスに加わる唯一の負荷である。リングは、６．５ミリリットル／分でリザーバ内を流れる１体積％のＲＥＭ（登録商標）ＦＢＣ−５０内に部分的に浸される。試験器械の形態については、図２を参照されたい。
【００４７】
プロセス処理の前後に、試験リングを洗浄し、乾燥させ、化学天秤で重量を計測して、金属除去量を求める。
【００４８】
プロセス処理前の試験リングの重量は、２２．３１２５グラムである。４６０ＲＰＭで３．０時間処理後の重量は、２２．３１２０グラムである。これは、合計０．０００５グラム、または１時間当り０．０００１７グラムの損失である。計算すると、これが１時間当り０．０２マイクロメートル（０．９マイクロインチ）の寸法変化になることが示される。
【００４９】
この実施例は、活性化学物質を使用しないときには、硬化鋼表面上の非研磨性プラスチックによって除去される金属の量が微々たるものであることを示している。
【実施例５】
【００５０】
非研磨性プラスチック工具を用いる化学的機械加工
Ｆａｌｅｘ ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎのＦＬＣ Ｌｕｂｒｉｃｉｔｙ Ｔｅｓｔ Ｒｉｎｇ、ＳＡＥ４６２０鋼、ＨＲＣ５８〜６３（部品番号Ｓ−２５）を、ＦＥＲＲＯＭＩＬ（登録商標）ＶＩＩ Ａｅｒｏ−７００を使用して仕上げる。
【００５１】
固定されたＦＥＲＲＯＭＩＬ（登録商標）Ｍｅｄｉａ＃ＮＡ（研磨剤粒子を含まない純粋なプラスチック（ポリエステル樹脂））片を外側リングに接触させながら、Ｆａｌｅｘ ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎのＦＬＣ Ｌｕｂｒｉｃｉｔｙ Ｔｅｓｔｅｒを使用して設定回転数（ＲＰＭ）でリングを回転させる。十分な表面接触が提供されるように、プラスチック媒体を形削りしてリングの輪郭にした。重力が作用している、Ｆａｌｅｘ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ販売の０〜２１ｋｇｍ（０〜１５０フィートポンド）Ｓｅａｒｓ Ｃｒａｆｔｓｍａｎトルクレンチだけが、化学的機械加工プロセスに加わる唯一の負荷である。リングは、６．５ミリリットル／分でリザーバ内を流れる１２．５体積％のＦＥＲＲＯＭＩＬ（登録商標）ＶＩＩ Ａｅｒｏ−７００内に部分的に浸される。試験器械の形態については図２を参照されたい。
【００５２】
プロセス処理の前後に、試験リングを洗浄し、乾燥させ、化学天秤で重量を計測して、金属除去量を求める。
【００５３】
プロセス処理前の試験リングの重量は、２２．１０５９グラムである。４６０ＲＰＭで３．０時間処理後の重量は、２２．０８０８グラムである。これは、合計０．０２５１グラム、または１時間当り０．００８３７グラムの損失である。計算すると、これが１時間当り１．１２マイクロメートル（４４．０マイクロインチ）の寸法変化になることが示される。これは、素地金属よりも柔らかい、したがって素地金属の塑性変形、剪断強度、または引張り強度を超えることができない非研磨性工具を使用する実施例４の金属除去の４９倍を大幅に上回るものと言い換えられる。
【００５４】
実施例４および５は、非研磨性プラスチックを使用しても硬化鋼からかなりの量の金属を除去できることを実証している。したがって、活性化学物質を使用するときには、硬化鋼表面の形削りかつ／またはサイジングかつ／または表面仕上げにプラスチック製の工具を使用することができる。したがって、大きい力を加える必要がなく、あるいは局所的に高温にならないので、より硬質な材料製の工具の寿命が大きく延長されることが理にかなっている。柔らかい化成皮膜を除去するのに必要な力だけを加えることによって金属を除去できるので、工具が長持ちする。
【００５５】
さらに、これら二例は、加える必要のある力が小さいので、従来の機械加工で使用されるよりも小さい機械で、非常に硬質な表面から金属を除去できることを示している。低い工具圧力下では、構造的たわみが最小限に抑えられ、温度が低くなり、それが特に繊細なワークピースの場合に構造的変形を最小限に抑えかつ／またはなくし、機械加工の確度および精度を向上させる。金属除去速度が１時間当り１．１２マイクロメートル（４４．０マイクロインチ）であるので、機械加工の金属除去分解能を０．０２５マイクロメートル（１．０マイクロインチ）単位のきわめて高いものにできることが明らかである。
【実施例６】
【００５６】
化学的機械表面仕上げ
ギア歯のルートフィレット領域を化学的機械表面仕上げして、軸方向の研削筋を取り除いた。工具は、６００グリット湿式／乾式炭化ケイ素紙が巻き付けられた直径１．７ミリメートル（０．０６７インチ）の高速鋼ワイヤの切片を用いて形成した。工具は、約８０ＲＰＭで回転させた。工具は、非常に低い圧力で、ギア歯（Ｗｅｂｓｔｅｒ、ＡＩＳＩ８６２０浸炭鋼、１７歯ギア、直径ピッチ８、圧力角２５°、フィレット半径約１．１９ミリメートル（０．０４６９インチ））のルートフィレット領域に当てて保持した。６０ｇ／Ｌのシュウ酸および２０ｇ／Ｌのメタニトロベンゼンスルホン酸ナトリウムの溶液を滴下して接触表面に導入した（１０秒間に１〜２滴）。これを１５分間実施した。炭化ケイ素紙は、１０分間の表面仕上げ後に１回交換した。
【００５７】
表面仕上げしたワークピースを１０倍の倍率で検査すると、表面の大部分には筋がなく平滑かつ平坦であり、１本または２本の軸方向の研削筋が残っていることが明らかになった。これは、非常に厳しい寸法公差を維持した上で、化学的機械表面仕上げを用いて、陥凹した臨界面に表面仕上げを実施できることを示している。さらに、ギアのルートフィット領域上の加工筋および／または研削筋は、比較的単純な化学的機械表面仕上げによって取り除くことができる。軽量な研磨性工具を用いて形成された筋は、いずれも軸方向の研削筋に直交する。したがって、歯の曲げ疲労が軽減されるので、ギアの寿命が著しく延長される。
【００５８】
本発明は、ギアだけに限るものではなく、動的疲労を起こすいずれの硬質金属表面にも適用することができる。一ステップで形削りかつ表面仕上げできるので、様々なワークピースの製造効率が向上する。
【００５９】
本発明の器械および方法について好ましい実施形態の観点から記載したが、本発明の概念および範囲から逸脱することなく、本明細書に記載のプロセスに変更を加えられることが当業者には明らかである。このような当業者に明らかな同様の置換えおよび修正は、すべて特許請求の範囲で述べる本発明の範囲および概念内にあると見なされる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】実施例２および３で使用されるＦａｌｅｘ ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎのＦＬＣ Ｌｕｂｒｉｃｉｔｙ Ｔｅｓｔｅｒの一例を示す図である。
【００６１】
【図２】実施例４および５で使用されるＦａｌｅｘ ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎのＦＬＣ Ｌｕｂｒｉｃｉｔｙ Ｔｅｓｔｅｒの他の例を示す図である。
Claims (46)
- ａ．工具を提供するステップと、
ｂ．活性化学物質をワークピース上に導入するステップであって、前記活性化学物質が前記ワークピースと反応してワークピース上に化成皮膜を形成でき、前記化成皮膜が、ワークピースのそれ以上の反応を防ぐように活性化学物質に不溶性であるステップと、
ｃ．前記ワークピースの所望の表面特性が得られるまで、前記工具とワークピースとを相対運動によって接触させるステップとを含み、工具とワークピースとの間の接触がワークピースから前記化成皮膜を除去し、それによってワークピースを露出させて活性化学物質とさらに反応させてワークピース上に化成皮膜が再形成されるようにするプロセス。 - 前記ワークピースの表面特性が、表面仕上げ、形削り、サイジング、およびこれらの組合せから成る群から選択される請求項１に記載のプロセス。
- 前記活性化学物質が水ベースまたは有機物ベースである請求項１に記載のプロセス。
- 前記活性化学物質が、リン酸塩、リン酸、シュウ酸塩、シュウ酸、スルファミン酸塩、スルファミン酸、硫酸塩、硫酸、クロム酸塩、またはクロム酸、ならびにこれらの混合物から成る群から選択される請求項１に記載のプロセス。
- 前記活性化学物質が濃縮された酸である請求項１に記載のプロセス。
- 前記濃縮された酸が、硫酸、メタンスルホン酸、またはリン酸である請求項５に記載のプロセス。
- 前記活性化学物質が、セレン、亜鉛、銅、マンガン、マグネシウム、および鉄のリン酸塩から成る群から選択される活性剤または促進剤を含む請求項１に記載のプロセス。
- 前記活性化学物質が、過硫酸塩、過酸化物、メタニトロベンゼン、塩素酸塩、亜塩素酸塩、硝酸塩、および亜硝酸塩、ならびにこれらの化合物から成る群から選択される無機または有機酸化剤を含む請求項１に記載のプロセス。
- 前記活性化学物質が希釈剤または分散剤と共にワークピース上に導入される請求項１に記載のプロセス。
- 前記希釈剤または分散剤が、水、有機液体、パラフィン油、シリコーン油、合成油、他の油、潤滑剤、グリース、およびこれらの組合せから成る群から選択される請求項９に記載のプロセス。
- 前記ワークピースが金属から形成される請求項１に記載のプロセス。
- 前記化成皮膜が、金属の酸化物、金属のリン酸塩、金属のシュウ酸塩、金属の硫酸塩、金属のスルファミン酸塩、および金属のクロム酸塩から成る群から選択される化合物を含む請求項１１に記載のプロセス。
- 前記金属が、鉄、チタン、ニッケル、クロム、コバルト、タングステン、ウラニウム、およびこれらの合金から成る群から選択される請求項１１に記載のプロセス。
- 前記ワークピースと前記工具との間の相対運動が、固定されたワークピースを横切って工具を運動させることによって引き起こされる請求項１に記載のプロセス。
- 前記ワークピースと前記工具との間の相対運動が、固定された工具を横切ってワークピースを運動させることによって引き起こされる請求項１に記載のプロセス。
- 前記ワークピースと前記工具との間の相対運動が、工具とワークピースの両方を同時に運動させることによって引き起こされ、工具もワークピースも固定されていない請求項１に記載のプロセス。
- 前記工具が非研磨性である請求項１に記載のプロセス。
- 前記工具が低研磨性である請求項１に記載のプロセス。
- 前記工具が剛性である請求項１に記載のプロセス。
- 前記工具がワークピースと共形になるように可撓性である請求項１に記載のプロセス。
- 前記工具がワークピースの対合表面またはそれらの複製である請求項１に記載のプロセス。
- 前記化成皮膜が工具上に形成されないように、前記工具が非反応性材料から形成される請求項２１に記載のプロセス。
- 前記非反応性材料が、木材、紙、布、セラミック、プラスチック、ポリマー、エラストマー、および金属から成る群から選択される請求項２２に記載のプロセス。
- 第２化成皮膜が工具上に形成されるように、前記工具が前記活性化学物質に反応性がある請求項２１に記載のプロセス。
- 前記工具の所望の表面特性が得られるまで前記プロセスを継続するステップをさらに含む請求項２４に記載のプロセス。
- 前記工具の表面特性が、表面仕上げ、形削り、サイジング、およびこれらの組合せから成る群から選択される請求項２５に記載のプロセス。
- 前記ワークピースがギアのルートフィレットを含み、前記工具がギアのルートフィレットから表面変形を取り除き、前記表面変形が、加工筋、研削筋、ショットピーニングの跡、およびこれらの組合せから成る群から選択される請求項１に記載のプロセス。
- 前記ワークピースがギアを含み、前記工具が対合ギアまたはそれらの複製を含む請求項１に記載のプロセス。
- 第２化成皮膜が工具上に形成されるように、前記工具が前記活性化学物質に反応性がある請求項２８に記載のプロセス。
- 前記工具の所望の表面特性が得られるまで前記プロセスを継続するステップをさらに含む請求項２９に記載のプロセス。
- 前記工具の表面特性が、表面仕上げ、形削り、サイジング、およびこれらの組合せから成る群から選択される請求項３０に記載のプロセス。
- 前記ワークピースがベアリングレースを含み、前記工具が複数の対合ベアリングボールまたはローラあるいはそれらの複製を含む請求項１に記載のプロセス。
- 第２化成皮膜が工具上に形成されるように、前記工具が前記活性化学物質に反応性がある請求項３２に記載のプロセス。
- 前記工具の所望の表面特性が得られるまで前記プロセスを継続するステップをさらに含む請求項３３に記載のプロセス。
- 前記工具の表面特性が、表面仕上げ、形削り、サイジング、およびこれらの組合せから成る群から選択される請求項３４に記載のプロセス。
- 前記ワークピースおよび前記工具がハウジング内で組み立てられる請求項１に記載のプロセス。
- 前記ワークピースの熱劣化温度未満の温度で実施される請求項１に記載のプロセス。
- 前記工具が非研磨性で、前記ワークピースの塑性変形未満の力でワークピースに接触する請求項１に記載のプロセス。
- 前記工具が非研磨性で、前記ワークピースの剪断強度未満の力でワークピースに接触する請求項１に記載のプロセス。
- 前記工具が非研磨性で、前記ワークピースの引張り強度未満の力でワークピースに接触する請求項１に記載のプロセス。
- 前記工具と前記ワークピースとの間の接触が、理論分解能０．０２５マイクロメートル（１．０マイクロインチ）でワークピースから材料を除去する請求項１に記載のプロセス。
- ａ．第１対合ギアを提供するステップと、
ｂ．活性化学物質を前記第１対合ギア上に導入するステップであって、前記活性化学物質が前記第１対合ギアと反応して第１対合ギア上に第１化成皮膜を形成でき、前記第１化成皮膜が、第１対合ギアのそれ以上の反応を防ぐように活性化学物質に不溶性であるステップと、
ｃ．第２対合ギアを提供するステップであって、前記活性化学物質が前記第２対合ギアと反応して第２対合ギア上に第２化成皮膜を形成でき、前記第２化成皮膜が、第２対合ギアのそれ以上の反応を防ぐように活性化学物質に不溶性であるステップと、
ｄ．前記第１対合ギアと前記第２対合ギアの両方の所望の表面特性が得られるまで、第１対合ギアと第２対合ギアとを相対運動によって接触させるステップとを含み、第１対合ギアと第２対合ギアとの間の接触が同時に第１および第２対合ギアからそれぞれ前記第１および第２化成皮膜を除去し、それによって第１および第２対合ギアを露出させて活性化学物質とさらに反応させて第１および第２対合ギア上にそれぞれ第１および第２化成皮膜が再形成されるようにするプロセス。 - 前記第１対合ギアおよび前記第２対合ギアの表面特性が、表面仕上げ、形削り、サイジング、およびこれらの組合せから成る群から選択される請求項４２に記載のプロセス。
- 前記第１対合ギアおよび前記第２対合ギアが変速機またはギアボックス内に配置されており、前記変速機またはギアボックスの動作時に第１対合ギアと第２対合ギアとの間の接触が起こる請求項４２に記載のプロセス。
- ａ．対合ベアリングレースを提供するステップと、
ｂ．活性化学物質を前記対合ベアリングレース上に導入するステップであって、前記活性化学物質が前記対合ベアリングレースと反応して対合ベアリングレース上に第１化成皮膜を形成でき、前記第１化成皮膜が、対合ベアリングレースのそれ以上の反応を防ぐように活性化学物質に不溶性であるステップと、
ｃ．複数の対合回転要素を提供するステップであって、前記活性化学物質が前記対合回転要素と反応して対合回転要素の第２化成皮膜を形成でき、前記第２化成皮膜が、対合回転要素のそれ以上の反応を防ぐように活性化学物質に不溶性であるステップと、
ｄ．前記対合ベアリングレースと複数の対合回転要素の両方の所望の表面特性が得られるまで、対合ベアリングレースと前記対合回転要素とを相対運動によって接触させるステップとを含み、対合ベアリングレースと複数の対合回転要素との間の接触が同時に対合ベアリングレースおよび複数の対合回転要素からそれぞれ前記第１および第２化成皮膜を除去し、それによって対合ベアリングレースおよび複数の対合回転要素を露出させて活性化学物質とさらに反応させて対合ベアリングレースおよび複数の対合回転要素上に第１および第２化成皮膜が再形成されるようにするプロセス。 - 前記対合ベアリングレースおよび対合する前記複数の対合回転要素の表面特性が、表面仕上げ、形削り、サイジング、およびこれらの組合せから成る群から選択される請求項４５に記載のプロセス。
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