JP3887449B2

JP3887449B2 - 回転機械の動圧発生溝付軸受構造の加工方法。

Info

Publication number: JP3887449B2
Application number: JP09423497A
Authority: JP
Inventors: 昌樹弘川; 章弘大場
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 1997-04-11
Filing date: 1997-04-11
Publication date: 2007-02-28
Anticipated expiration: 2017-04-11
Also published as: JPH10288222A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械、ターボ圧縮機、膨張タービン等で軸受部に負荷される荷重を、高速回転する回転軸を回転によって発生せしめる動圧で支持して、軸受部で噛じること無く滑らかに回転するようにした滑り軸受の動圧発生溝付軸受構造の加工方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高速回転するターボ圧縮機や、膨張タービン等の回転機械の軸受機構特に滑り軸受において、回転軸の径方向に負荷される荷重を支持するための軸受（ラジアル軸受）や回転軸の軸に沿って負荷される荷重を支持するための軸受（スラスト軸受）では、これらの荷重で回転軸と軸受とが相互に噛み合うことなく、滑らかに回転するように荷重が負荷される軸受部での受け面に、回転軸の回転によって動圧を発生させてこれによって回転軸の負荷荷重を支持する構造が採用されている。
【０００３】
即ち、図４はラジアル軸受５１の例を説明するもので、（ａ）はラジアル軸受５１の概略説明図であり、回転軸５２はラジアル軸受５１で軸受されて回転する。このとき軸受部５３では、これに支持される回転軸５２の軸と直角方向（重力方向）に荷重Ｗが負荷されて、回転軸５２が軸受部５３の下面５３Ａで接触し滑らかなる回転を損なうこととなる。そこでこの回転軸５２の荷重Ｗの負荷を支持するため、軸受部５３に潤滑剤として供給した油又は気体を回転軸の回転により圧縮して、動圧Ｐを発生させてこの動圧Ｐで荷重Ｗを支持し回転軸５２を軸受部５３の面より浮かせて滑らかに回転するようにしている。
【０００４】
そして前記動圧Ｐを効率よく発生させるために、回転軸５２の周面あるいは軸受部５３の周面に沿って動圧発生溝５４を設けている。図４の（ｂ）、（ｃ）はラジアル軸受５１の動圧発生溝５４の典型的な模様形状を示すものである。（ｂ）は回転軸５２の周面に沿って軸方向に平行な凹部溝５５Ａ、凸部５５Ｂよりなるステップ状溝５５を複数設けたものであり、（ｃ）は同様に回転軸の周面に沿って回転軸５２の軸に対して所定の角度を有するへリングボーン状模様５６に凹部溝５６Ａ、凸部５６Ｂを複数設けたものである。
【０００５】
図５は回転軸の軸に沿った方向に負荷される荷重Ｗを支持するスラスト軸受６１を説明するもので、（ａ）はその軸受の構造の概略を示すものである。回転軸６２はその軸を軸受部６３に支持されて回転する。そしてこの場合回転軸６２に沿った方向で重力方向に荷重Ｗが負荷され、軸受部６３がこれを支持する必要がある。このため回転軸６２に該回転軸６２と軸心を一致して回転する円盤６５の面を軸心に沿う方向に向けて配置して固定して設けて、この円盤６５を軸受部６３内に回転軸６２とともに回転するように受け面６３Ａで受けて支持している。そして軸方向に負荷される荷重Ｗを支持して回転軸６２の回転を噛むことなく滑らかに駆動するように、前記回転軸６２に固定した円盤６５の下面に、回転軸６２の回転によって潤滑剤として供給される油や気体を圧縮して動圧Ｐを発生させ、この発生した動圧Ｐによって円盤６５を下方より支持し、更に荷重Ｗを克服して受け面より浮上せしめて円盤６５と受け面６３Ａとの接触を回避し滑らかな回転を可能にしている。
【０００６】
そして前記動圧Ｐを効率よく発生させるために、回転軸に設けた円盤６５の下面、あるい円盤６５の下面と相対する軸受部６３の受け面６３Ａの表面に動圧発生溝６４を設けている。図５の（ｂ）、（ｃ）はスラスト軸受６１の動圧発生溝６４の典型的な模様形状を示すものである。（ｂ）は回転軸６２を中心にした螺旋状溝６６を形成する凹部溝６６Ａ、凸部６６Ｂを複数設けたものであり、（ｃ）は同様に回転軸６２を中心にして放射状溝６７を形成する凹部溝６７Ａ、凸部６７Ｂを動圧発生溝６４としたものである。
【０００７】
しかるに、上記動圧発生溝５４及び６４は回転中に作動し効果を発揮するもので、停止時及び起動時には、ラジアル軸受５１では回転軸５１と軸受部５３とが固体接触し、またスラスト軸受６１では回転軸６２に設けた円盤６５とこれを受けて支持する軸受部６３とで固体接触する。それ故これらの接触による摩耗を防ぐために回転軸や軸受部の表面に超硬質複合材料をコーテイングするか、又はセラミックなどの硬質材料を使用している。
【０００８】
図６は上記ラジアル軸受５１やスラスト軸受６１に配設した動圧発生溝５４、６４の従来の構造の模型断面図を示すもので、図６（ａ）で示す如く凹部溝７１を形成する凸部７２の上表面７２Ａに超硬質複合材料Ｕの皮膜をコーテイングしている。即ち凹部溝７１を設ける回転軸や軸受部等の部品７０をアルミ合金や銅合金、ステンレス鋼、軸受鋼等の金属材料Ｍを使用して形に合わせて製造し、この表面に上記した所定の模様形状の凹部溝７１を、エッチング加工や放電加工により数ミクロン〜数十ミクロンの深さに削溝し、そしてこれによって形成された凸部７２の上表面７２Ａにチタンカーバイド（ＴiＣ）やチタンナイトライド（ＴiＮ）、更にはタングステンカーバイド（ＷＣ）等の超硬質複合材料Ｕをイオンプレーテイングやスパッターリングによってコーテイングして表面の耐摩耗性を高めている。
【０００９】
また他の構造として図６（ｂ）に示す如く凹部溝７１を設ける回転軸や軸受部等の部品７０を耐摩耗性の極めて優れたセラミック材Ｓを用いて製造し、その表面に上記した如き所定の模様形状の凹部溝７１をレーザー加工等によって深さ数ミクロン〜数十ミクロンに刻設している。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記図６（ａ）の如き凸部７２の上表面７２Ａに超硬質複合材料Ｕをコーテイングするものにおいては、コーテイングされるチタンカーバイド、チタンナイトライド、そしてタングステンカーバイド等の超硬質複合材料Ｕの皮膜は、厚さを厚く形成するには作業が煩雑で手間がかかり、価格が高価となるため、せいぜいその厚さは３μｍ程度が限界であり、極めて薄く使用可能寿命が短かった。またこの超硬質複合材料Ｕの皮膜を上記凸部上表面７２Ａにコーテイングにより形成するには、密着強度を高くしてコーテイングする必要があり、このためには皮膜を形成する表面を超精密仕上げ加工することが要求されるばかりでなく、脱脂洗浄等の処理の繊細な配慮を必要とした。
【００１１】
このような超硬質複合材料Ｕのコーテイングによる皮膜の形成の不都合を避けるため、前記図６（ｂ）の如き回転軸又は軸受部等の部品７０の材料をセラミック材Ｓとしてその表面に凹部溝７１を加工したものが提案された。しかるに、これはセラミック材が超硬質であるという利点を利用したものであるので、その反面このセラミック材に複数の溝を加工することは極めて困難であり、レーザー加工でも溝の深さはせいぜい１０〜２０μｍ程度であって、それ以上の深さの加工は価格的に高価となる。また形成する複数の溝の深さをすべて均一にすることも極めて困難であるばかりでなく、加工に時間を要し、形状が大きいターボ圧縮機や膨張タービン用のものにおいては、その加工に長時間を要する等々の不都合があった。
本発明は、上記従来の不都合に鑑みなされたもので、動圧発生溝を形成しかつ停止時、起動時に固体接触する凸部を超硬質なセラミック材で形成して使用寿命を高めるとともに、凹部溝の加工工程を簡略化して加工を容易にして加工生産効率を高め、しかも溝の深さを深くかつ複数の溝の深さを均一に形成することを可能にし、その上該溝の深さを適宜調整可能にした製作費が安価な動圧発生溝付軸受の加工方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記従来の不都合を解決するため、請求項１に係わる発明は、回転機械の滑り軸受の回転軸または軸受の表面に、複数の動圧発生溝を加工するにあたって、動圧発生溝を形成すべき金属からなる部位を所望する模様形状に従った溝を形成した後、該溝内にセラミック材料をセラミック成膜手段により埋め込み、ついで表面を平滑に研磨した後にエッチング処理して金属部分を上記溝の底よりも浅く腐食溶解して凹部となし、セラミック材料部を凸部となして所望する模様形状の動圧発生溝を形成加工することを特徴とする回転機械の動圧発生溝付軸受構造の加工方法である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の加工方法によって得られた動圧発生溝を配設した軸受の構造の実施の形態について図１、図２により説明する。図１はラジアル軸受の実施の形態を示すもので、回転軸２に直角方向に負荷される荷重Ｗを、回転軸２の回転で軸受部３に動圧Ｐを発生させて、この動圧Ｐで支持する。そしてこのラジアル軸受１は、動圧発生溝４として図１（ａ）に示す如く回転軸２の周部に沿って軸方向に平行に凹部溝５Ａと凸部５Ｂを交互に複数形成したステップ状溝５からなる構造、及び図１（ｂ）に示す如く回転軸２に対して所定の角度αを有して複数削溝される凹部溝６Ａとこれを形成する凸部６Ｂからなるへリングボーン状溝６の構造よりなっている。
【００１５】
そしてこれらの動圧発生溝４の凹部溝５Ａ（ステップ状溝５の）、６Ａ（へリングボーン状溝６の）とこれを形成している凸部５Ｂ（ステップ状溝５の）、６Ｂ（へリングボーン状溝６の）は図１（ｃ）に図示した如き構造となっている。即ち図１（ｃ）は上記ラジアル軸受１の回転軸２の径方向に沿って切断した断面図であり、回転軸２の周に沿って軸方向に走る動圧発生溝４の凹部溝５Ａや６Ａは凸部５Ｂの狭間や凸部６Ｂの狭間によって形成されている。そしてこの凸部５Ｂ、６Ｂは超硬質であるセラミック材Ｓでなり、これを上記図１（ａ）のステップ状溝５及び図１（ｂ）のへリングボーン状溝６等の所望の模様形状になるように回転軸２に埋め込んで固設したものである。この結果動圧発生溝４の凹部溝５Ａ及び６Ａの底部は回転軸２を構成している金属材料Ｍよりなっている。そしてこの金属材料Ｍとしては、アルミ合金や銅合金、ステンレス鋼、軸受鋼等の一般に使用されている材料が用いられる。また凸部５Ｂ、及び６Ｂを構成するセラミック材Ｓとしては、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、酸化クロム（Ｃr₂Ｏ₃）、炭化珪素（ＳiＣ）及び窒化珪素（Ｓi₃Ｎ₄）等が好適に使用される。
なお上記の実施の形態では動圧発生溝４を回転軸２の周面に設けた例を説明したが、これに限定されるものではなく、回転軸２を受ける軸受部３の周壁に沿って設けても良いことは勿論である。
【００１６】
つぎに別の実施に形態として回転軸２に沿った方向に負荷される荷重Ｗを支持するスラスト軸受１１の場合について図２により説明する。図２（ａ）は上記スラスト軸受１１の概略を説明するもので、回転軸１２には該回転軸１２と軸心を一致して回転軸１２とともに回転する円盤１５を盤面が軸心に沿う方向に向けて固定されている。そしてこの円盤１５を含む回転軸１２は、軸受部１３で回転可能でかつ前記円盤１５の盤面を受け面１３Ａで受けて支持されている。そこで回転軸１２に沿って負荷される荷重Ｗを、軸受部１３で回転軸１２とともに回転する円盤１５と軸受部１３の受け面１３Ａとの間に動圧Ｐを発生させて、この動圧Ｐで前記荷重Ｗを支持している。そしてこの動圧Ｐを効果的に発生させるために、軸受部１３の円盤１５の受け面１３Ａや、あるいはこの受け面１３Ａに対面する円盤１５の下面に凹部溝と凸部を交互に配した動圧発生溝４を設けている。
【００１７】
そしてその動圧発生溝４は動圧Ｐの効果的な発生を意図して図２（ｂ）に図示する回転軸を中心にした螺旋状の凹部溝１６Ａと凸部１６Ｂとからなる螺旋状溝１６および図２（ｃ）に図示する如く回転軸を中心に放射状に凹部溝１７Ａと凸部１７Ｂ交互に配した放射状溝１７からなるものである。このような模様形状の本発明の動圧発生溝４の凹部溝１６Ａ、又は１７Ａは、図２（ｄ）の断面図に図示する如く、交互に配された凸部１６Ｂ、又は１７Ｂの狭間で形成され、そしてこれらの凸部１６Ｂ、又は１７Ｂは前記ラジアル軸受１と同様にセラミック材Ｓで構成されている。即ち、該セラミック材Ｓの凸部１６Ｂ、又は１７Ｂが軸受部１３の受け面１３Ａ、あるいは円盤１５の下面の金属材料Ｍに所定の模様形状に従って埋め込まれて固定している。なお、これら軸受部１３や円盤１５に使用される金属材料Ｍはアルミ合金や銅合金、ステンレス鋼、軸受鋼等であり、セラミック材料Ｓとしてはアルミナ、酸化クロム、炭化珪素、及び窒化珪素等が使用される。
【００１８】
このように、これらの実施形態の回転機の動圧発生溝付軸受構造では、種々模様形状の動圧発生溝である凹部溝を形成せしめる両側の凸部を超硬質のセラミック材で形成したので、回転の停止時や起動時の固体接触による摩耗が低減され、しかも凸部全体をこの材料で構成しているので長期にわたって使用可能となり、作業効果か向上する。また該セラミック材よりなる凸部は従来より使用されている軸受部の金属材に埋め込んで配設したので、安価でかつその溝深さを適宜調整することができる等の効果を奏する。
【００１９】
つぎに本発明の動圧発生溝付軸受構造の加工方法の実施の形態について図３により説明する。なお、図３で前記図１及び図２と共通する部分は同一符号を付し詳細な説明は省略する。
▲１▼先ず動圧発生溝４を加工すべき回転軸２や１２及び軸受部３や１３等の部品２０、即ちラジアル軸受１では回転軸２又は軸受部３（図１参照）、またスラスト軸受１１では回転軸１２に固設される円盤１５又はこの円盤１５を受ける軸受部１３の受け面１３Ａ（図２参照）をそれぞれの機能に適合した形状に軸受鋼、アルミ合金や銅合金、ステンレス鋼等の金属材料Ｍで形成する［図３（ａ）］。
▲２▼ついで前記回転軸２や１２及び軸受部３や１３等の部品２０のそれぞれ何れかに、動圧発生溝４としてラジアル軸受１ではステップ状溝５あるいはへリングボーン状溝６の模様形状の溝、またスラスト軸受１１では螺旋状溝１６あるいは放射状溝１７の模様形状の溝等を適宜所望する模様形状に合わせて前記金属材料Ｍをエッチング加工又は放電加工により溝２１を削溝する。なお、この溝２１の深さは最終的に溝となる所望する深さより深く形成する［図３（ｂ）］。
【００２０】
次に前記溝２１にアルミナ、酸化クロム、炭化珪素、及び窒化珪素等のセラミック材Ｓを溶射加工等によって埋め込む。この際埋め込んだセラミック材Ｓは回転軸２や１２及び軸受部３や１３等の部品２０を形成する金属材料Ｍの上表面を被覆する程度にまで溶射加工すると、後工程での加工作業で均一な面加工ができる［図３（ｃ）］。
ついで回転軸２や１２及び軸受部３や１３等の部品２０を形成する金属材料Ｍの上表面を研削加工して前工程で上表面に被覆されたセラミック材Ｓを剥離するとともに、複数の溝２１に埋め込んだセラミック材Ｓの上表面を均一な平滑面に仕上げる［図３（ｄ）］。
次に前記溝２１に埋め込んだセラミック材Ｓの平滑加工した上表面を、該上表面に残る気孔を塞ぐため、エポキシ系、フェノール系、あるいはアクリル系等の樹脂でエッチング液に腐食されないシーリング樹脂Ｒで被覆する。なおこの工程は必要に応じてなされるものであって、適宜これを省略することもできる。
そして最後にエッチング液Ｅによりエッチング処理してセラミック材Ｓに挟まれた金属材料Ｍ部を腐食して除去する［図３（ｅ）］。この際、金属材料Ｍ部の腐食深さは、先に形成した溝の底よりも浅くされ、セラミックス材Ｓの下部が金属材料Ｍ部に埋め込まれた状態とする。
そして前記被覆に使用したシーリング樹脂Ｒをサンドペーパー等の剥離手段により取り除き、図３（ｆ）に図示する如く、セラミック材Ｓで形成された凸部Ｂの狭間に、底部が金属材料Ｍである所望模様形状の凹部溝Ａよりなる動圧発生溝４を有する所望の軸受構造の回転軸２や１２及び軸受部３や１３等の部品２０を得る。
なお、上記溶射手段に代えて、スパッタリング、ＣＶＤ、及びレーザ蒸着等の成膜手段を用いてセラミック層を形成しても良い。
【００２１】
【実施例】
次に本発明の動圧発生溝付軸受構造の加工方法の実施例を説明する。
［実施例１］：この実施例１では図１（ｂ）に図示したラジアル軸受１のヘリングボーン状溝６の動圧発生溝４を回転軸２に設けた軸受を加工した。回転軸の外径：４０ｍｍ、軸受部の軸の長さ：４０ｍｍ、回転軸の金属材料：ステンレス鋼、このような回転軸２の周面に沿って回転軸２の軸受部の両端にそれぞれ軸線と４５度と１３５度の左右対称角度を有するヘリングボーン状溝を２４本を軸受部の両端からそれぞれ中心に向けて１２ｍｍにわたって、深さ２８μｍの凹部溝６Ａをセラミック材Ｓよりなる凸部６Ｂの狭間にして形成した。その加工工程は前記図３に従って行い、図３（ｂ）でのセラミック材Ｓを埋め込む溝２１の幅は２．６ｍｍとし、深さは４０μｍとして放電加工により行った。また図３（ｃ）の工程での溝２１に埋め込むセラミック材Ｓは酸化クロムを用いた。また図３（ｅ）のエッチング液Ｅは硝酸水溶液（約１５容量％）を使用し、浸漬方法で行い約１４分浸し、深さ２８μｍ、幅２．６ｍｍの酸化クロムのセラミック材Ｓよりなる凸部Ｂで挟まれた凹部溝Ａを有する、前記所望するヘリングボーン状溝６でなる動圧発生溝付ラジアル軸受１を精密に加工し得た。
【００２２】
［実施例２］：この実施例２では図２（ｂ）に図示したスラスト軸受１１の螺旋状溝１６を動圧発生溝４として回転軸１２の軸受部に固設した円盤１５の下面の面に設けた軸受構造を、前記図３に図示した製法により以下の通り加工した。
回転軸１２の諸元：外径４０ｍｍ、金属材料Ｍとして軸受鋼を使用。
円盤１５の諸元：直径１００ｍｍ、厚さ１４ｍｍ、金属材料Ｍとして銅合金を使用。
螺旋状溝１６の諸元：溝の深さ６０μｍ、溝の幅外周側を６．５ｍｍ、内周側を４．３ｍｍの凹部溝１６Ａを２４本外周より内側に１７．５ｍｍの位置まで、２４本のアルミナよりなるセラミック材Ｓの凸部１６Ｂの狭間に形成。
なお、図３における製法での工程（ｂ）のセラミック材の埋め込み溝２１はエッチングで形成し、その深さを７５μｍとした。またこの工程（ｂ）及び（ｅ）で使用したエッチング液Ｅは硝酸水溶液（約１８容量％）で、エッチング時間として約１７分費やした。
以上のようにして螺旋状溝１６の動圧発生溝４を設けたスラスト軸受１１用円盤１５が得られこれを回転軸１２に固設して使用した結果、極めて効果的に活用し得、特に凹部溝１６Ａを形成する凸部１６全体がセラミック材で形成されているので、固体接触での耐摩耗性において従来のセラミック材の成膜によるものよるものより数倍の寿命が得られた。しかもその製造加工も極めて容易で、従来より深い６０μｍの深さの溝が短時間で形成し得た。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明にあっては、回転機械の動圧発生溝付軸受構造の動圧発生溝を形成する凸部全体を耐摩耗性に優れたセラミック材料としたので、固体接触による摩耗が低減し、かつ摩耗による使用寿命が従来の該種軸受に較べて長期にわたって延命し、軸受構造として極めて優れた性能を発揮する。また摩耗して溝の深さが浅くなって動圧発生が減じても、凸部全体がセラミック材料であるので溝部の底部の金属材料をエッチング処理して深くしたり、また深さが深くなり過ぎた場合には凸部のセラミック材表面を研削加工する等、深さの調整が極めて容易である。
【００２４】
しかもその製造にあたっても凸部を形成するセラミック材を軸受部を構成する金属材料に溶射等により埋め込む方法であり、従来の皮膜形成の如く皮膜厚さの均一性保持のための配慮と精巧な加工処理や、皮膜形成する金属材料との密着強度を高めるための超精密仕上げ等の煩雑な作業を必要とせず、形成した凸部表面を研削加工仕上げすることで充分所望の溝を極めて容易に加工し得る。その上本発明では凹部溝を軸受金属材料に溶射により埋め込んだセラミック材の凸部の狭間に形成したので、その深さは凹部溝の底部の軸受金属材料をエッチング処理や放電加工により削除すれば良く極めて容易に調整し得る。それ故従来セラミック皮膜の形成による方法での皮膜厚さの限界やセラミック材そのものに溝加工する深さの限界があったが、本発明では極めて容易に数十〜数百μｍの深さの深い溝を短時間で加工することができる。従って、耐摩耗性のセラミック材料の凸部の狭間に適宜所望する深さに調整し得るの凹部溝よりなる動圧発生溝を有する軸受構造を生産効率よく極めて安価に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における動圧発生溝付軸受構造の一例のラジアル軸受の説明図である。
【図２】本発明における動圧発生溝付軸受構造の別の例のスラスト軸受の説明図である。
【図３】本発明の動圧発生溝付軸受構造の加工方法の工程図である。
【図４】動圧発生溝付ラジアル軸受を説明する図面である。
【図５】動圧発生溝付スラスト軸受を説明する図面である。
【図６】従来の動圧発生溝の構造の模型断面図である。
【符号の説明】
２、１２、５２、６２回転軸、３、１３、５３、６３軸受部、４、５４、６４動圧発生溝、５、５５ステップ状溝、６、５６ヘリングボーン状溝、１３Ａ、６３Ａ軸受の円盤受け面１５、６５回転円盤、１６、６６螺旋状溝、１７、６７放射状溝２０、７０回転軸や軸受部等の部品、２１溝、Ａ、７１凹部溝、Ｂ、７２凸部、Ｗ荷重、Ｐ動圧、Ｍ金属材料、Ｓセラミック材、Ｕ超硬質複合材料、Ｅエッチング液

Claims

回転機械の滑り軸受の回転軸または軸受の表面に、複数の動圧発生溝を加工するにあたって、動圧発生溝を形成すべき金属からなる部位を所望する模様形状に従った溝を形成した後、該溝内にセラミック材料をセラミック成膜手段により埋め込み、ついで表面を平滑に研磨した後にエッチング処理して金属部分を上記溝の底よりも浅く腐食溶解して凹部とし、セラミック材料部を凸部として所望する模様形状の動圧発生溝を形成加工することを特徴とする回転機械の動圧発生溝付軸受構造の加工方法。