JP3932138B2 - 摺動部材の製造方法。 - Google Patents

Description

本発明は摺動部材の製造方法に関し、より詳しくは、例えば斜板式コンプレッサのシューを製造する場合に好適な摺動部材の製造方法に関する。

従来、斜板とそれに摺動する半球状のシューとを備えた斜板式コンプレッサは知られている（例えば特許文献１、特許文献２）。
上記半球状のシューは、上記斜板と摺動する摺動面と、半球状に形成される半球状凸面とから構成されており、上記摺動面は、外周側に比べて中央部側が僅か数μｍ程度盛り上がるような中高形状に形成されている。
このように、従来ではシューの摺動面を中高形状とする事により、斜板とシューの摺動面との間に僅かな隙間を生じさせ、そこに潤滑油を導入させて油膜を発生させるようにしている。これにより、斜板とシューの摺動面との摩擦を低減させるようにしている。
特開平１０−１５３１６９号公報 特開２００２−３１７７５７号公報

ところで、上述した従来の斜板式コンプレッサは、最近では高速で高荷重の条件下で、しかも潤滑油量が少ない条件において使用されるようになっている。このように、最近では斜板式コンプレッサの作動条件が益々苛酷なものとなっており、そのために摺動部材としての斜板やシューの摩耗が激しくなり、しかもそれらの焼付きが生じやすいという問題が生じている。
さらに、従来からシューの摺動特性を向上させるために、シューの摺動面に表面処理を施したり、改質したりといった処理を行っているが、このような処理を行うことによりシューの製造コストが高くなるという欠点があった。
そこで、本願の発明者が研究したところ、斜板とシューの摺動面との潤滑性を向上させるためには、シューの摺動面に微小な凹凸を形成して、そこに潤滑油を導入するのが有効であることが判明した。
このような微小な凹凸を摺動面に作成するための従来の加工方法としては、例えばエッチング、切削加工、転造、マイクロショット、放電加工が知られている。しかしながら、このような従来一般に知られている加工方法によって、シューの摺動面に微小な凹凸を作成すると次のような欠点が生じる。すなわち、従来の加工方法においては、摺動面に均一で滑らかな数μｍ未満の凹凸を形成することは困難であり、凹凸の表面の粗さが大きくなる。しかも、製造コストが高くなる。また、上述したように摺動面に凹凸を形成してから摺動面に後加工を施すと、上記凹凸が消失するという欠点がある。

上述した事情に鑑み、本発明は、所定のピッチＰで離隔させた多数の平行線または同心円を描くように摺動部材の摺動面にレーザ又は電子ビームを照射して、それらを照射する際に所定の焼入れ幅で上記摺動面に焼入れ処理を施すとともに該摺動面の表面に硬度が異なる箇所を生じさせて上記摺動面に微小な凹凸を形成し、その後、上記摺動面の表面をラップ加工によって削除して一旦平滑な面として、その後に該平滑な面にバフ加工を施して該摺動面に微小な凹凸を形成するようにした摺動部材の製造方法であって、
上記レーザ又は電子ビームを摺動面に１回照射した際に、該照射部分とその周辺が焼入れ部となり、該焼入れ部の上記ピッチＰ方向の幅を焼入れ幅Ｂとした時に、
上記ピッチＰに対する焼入れ幅Ｂの比率であるＰ／Ｂは、次のように設定されていることを特徴とする摺動部材の製造方法を提供するものである。
０．４≦Ｐ／Ｂ≦４．０
但し、Ｐ／Ｂ＝１およびＰ／Ｂ＝０．５を除く。

上述した製造方法によれば、摺動部材の摺動面に微小な凹凸を確実に形成することができる。そして、上記ピッチＰと焼入れ幅Ｂとの関係を上述した比率に設定することで、後述する試験の結果で示すように、耐焼付性に優れた摺動部材を提供できる。

以下図示実施例について本発明を説明すると、図１において、摺動装置１は斜板式コンプレッサのハウジング内に設けられている。この摺動装置１は、上記ハウジング内に軸支した回転軸２に傾斜させて取り付けた斜板３と、この斜板３と摺動する複数のシュー４とから構成されている。
斜板３は円板状に形成されており、この斜板３における両方の端面は、シュー４と摺動する平坦な摺動面３Ａ、３Ａとなっている。
一方、摺動部材としてのシュー４は全体として半球状に形成されており、上記斜板３の摺動面３Ａと摺動する摺動面４Ａと、半球状をした半球状凸面４Ｂとから構成されている。
上記斜板式コンプレッサのハウジング内には、回転軸２と平行に、かつそれを囲繞して複数のピストン５を配置している。各ピストン５の一端に形成した円弧状の切欠き部５Ａ内に２個１組のシュー４を摺動自在に保持してあり、その状態の切欠き部５Ａを上記斜板３の外周部を包み込むように配置すると同時に、各組のシュー４の摺動面４Ａを斜板３の摺動面３Ａに当接させている。
そして、上記回転軸２が回転されると斜板３が回転して、斜板３の両端面である摺動面３Ａと各組のシュー４の摺動面４Ａとが摺動するとともに、切欠き部５Ａと各組のシュー４の半球状凸面４Ｂとが摺動し、それに伴って各組のシュー４を介して各ピストン５が軸方向に進退動されるようになっている。
上述した構成は従来公知の摺動装置のものと変わるところはない。

しかして、本実施例のシュー４は鉄系材料であるＳＵＪ２からなり、端面からなる概略平坦な摺動面４Ａは、その中心側が外周縁よりも僅かに（２μｍ程度）盛り上がった中高形状となっている。これにより、摺動面４Ａが上記斜板３の摺接面３Ａと摺動する際には、両摺動面４Ａ、３Ａとの間に潤滑油が引き込まれやすい形状となっている。
そして、本実施例においては、摺動部材としてのシュー４の摺動面４Ａの全域にわたってレーザ焼入れを施してから後加工を施すことにより、摺動面４Ａの耐焼付性を向上させている。
すなわち、本実施例におけるシュー４の製造工程を説明すると、先ず、ＳＵＪ２により半球状をした母材としてのシュー４を製造する。次に、図２および図４に示すように、母材としてのシュー４の端面である摺動面４Ａの表面全域に対して、所定の同一ピッチＰで多数の平行線Ａを描くようにＹＡＧレーザを照射する。本実施例においては、上記ピッチＰは０．１〜１ｍｍに設定している。
上記摺動面４Ａに照射するＹＡＧレーザの出力は５０Ｗであり、これを摺動面４Ａの表面に対して２ｍｍの深さとなる位置でＹＡＧレーザの焦点が結ばれるように集光レンズを調整して、したがって摺動面４Ａの表面に対してはデフォーカスした状態で上記平行線Ａを描くようにＹＡＧレーザを照射するようにしている。

このようにレーザが照射された摺動面４Ａの表面における各平行線Ａの箇所は図４に示すように膨出して、断面が略円弧状の膨出部６となり、これら隣り合う膨出部６の間に直線状の溝となる凹部７が形成されている。つまり、上述したようにレーザを摺動面４Ａに照射することで、該摺動面４Ａの表面に多数の直線状の膨出部６と凹部７とによって微小な凹凸が形成されるようになっている。上記膨出部６の高さ（凹部７の深さ）は概ね０．１〜１μｍ程度となっている。
このように、摺動面４Ａにレーザが照射されることで、該摺動面４Ａの表面全域が焼入れされるようになっている。図４に示すように、上述した摺動面４Ａにレーザを照射することによって焼入れされる範囲は、レーザの照射位置（各平行線Ａ）である表面を中心として断面半円形状となり、レーザの照射位置とその両側および内方側の箇所が焼入れされることになる。

つまり、膨出部６とその深さ方向の内方側（図４における円弧状の破線８よりも上方側となる深さ約７０μｍまでの領域）は直接焼入れされた１回焼入れ部１１となっている。
上記各平行線Ａの位置にレーザを照射することによる１回焼入れ部１１の焼入れ幅Ｂは０．２５ｍｍに設定してあり、膨出部６の両側に位置する凹部７の位置まで直接焼入れがなされている。
本実施例においては、隣り合う平行線Ａが隔てたピッチＰを０．１〜１ｍｍに設定してあり、焼入れ幅Ｂを０．２５ｍｍに設定しているので、順次隣り合う平行線Ａの箇所にレーザが照射されて焼入れ処理が行われることに伴って、上記凹部７となる箇所が二度にわたって焼入れされることになる。そのため、凹部７の内方側の箇所は、断面が逆三角形をした二重焼入れ部１２となっている。
また、上記１回焼入れ部１１および二重焼入れ部１２よりも深さ方向の内方側の所定領域（波型の破線１３と上記破線８との間の領域）は、厚さ約５０μｍ程度の内部焼入れ層１４となっている。つまり、上記１回焼入れ部１１、二重焼入れ部１２およびそれらの隣接内方側となる内部焼入れ層１４に対してレーザ焼入れがなされている。
そして、本実施例においては、１回焼入れ部１１の硬度をＨ１、二重焼入れ部１２の硬度をＨ２、内部焼入れ層１４の硬度をＨ３とし、シュー４の母材の硬度をＨとした時に、それらの硬度が異なるようになっており、それらの硬度の関係は次のようになる。
Ｈ１＞Ｈ２＞Ｈ＞Ｈ３
つまり、レーザ焼入れ後の摺動面４Ａを表面側から見ると、膨出部６と凹部７とが交互に隣接して形成されるとともに、それらの箇所は表面側及び深さ方向においてレーザ焼入れによる硬さの違いが生じている。
因みに、発明者が行った試験では、例えば上記ピッチＰを０．２ｍｍとし、上記焼入れの幅Ｂを０．２５ｍｍとした場合には、Ｈ１＝Ｈｖ８５０、Ｈ２＝Ｈｖ８００、Ｈ＝Ｈｖ７５０、Ｈ３＜Ｈｖ７５０ の硬さとなっていた。
本実施例においては、シュー４の摺動面４Ａに対して上述したピッチＰで多数の平行線Ａを描くようにレーザを照射して摺動面４Ａの表面全域に対して焼入れを行うとともに、それによって摺動面４Ａの表面および深さ方向において硬度の違いを生じさせるようにしている。
また、本実施例においては、上記隣り合う平行線Ａが隔てたピッチＰに対する焼入れ幅Ｂの比率Ｐ／Ｂは、０．４〜４．０の範囲となるように設定している。

さらに、本実施例においては、上述したように摺動面４Ａにレーザを照射して焼入れ処理を施したら、摺動面４Ａの表面に対して図４に想像線１５で示す位置までラップ加工を施して、上記膨出部６と凹部７とからなる凹凸を削除する。
このように摺動面４Ａの表面をラップ加工によって削り取る深さは、膨出部６が完全に削除されるとともに凹部７の内方側にいたる深さに設定してあり、したがって、図５に簡略化した断面図として示すように、ラップ加工後の摺動面４Ａは平滑な面となって１回焼入れ部１１とそれよりも硬度が低い二重焼入れ部１２とが露出した状態となる。なお、上記ラップ加工によって摺動面４Ａの表面を削除する深さは微小であるため、摺動面４Ａにレーザを照射した際の焼入れ幅Ｂとラップ加工後の焼入れ幅は実質的に同じである。そこで、図５においてもラップ加工後の焼入れ幅もＢと表示している。
次に、本実施例においては、上述したラップ加工の後に、上記シュー４の摺動面の全域に対してバフ加工を施して加工が終了する。
このようにして加工が終了した後には、図３および図６に示すように、シュー４の摺動面４Ａの全域に上記１回焼入れ部１１の箇所（上記膨出部６の内方側）に上記膨出部６と同様の膨出部６’が形成されるとともに、二重焼入れ部１２の箇所（上記凹部７の内方側）に上記凹部７と同様の凹部７’が形成される。これにより、加工後のシュー４の摺動面４Ａには微小な多数の凹凸が均一に形成されるようになっている。
このように加工後に微小な凹凸が生じるのは、上述したラップ加工後に摺動面４Ａに硬度が異なる箇所が露出した状態となっており、その状態において摺動面４Ａに対してバフ加工がなされるので、硬度が低い二重焼入れ部１２が１回焼入れ部１１よりも深さ方向に多量に除去されるためである。
加工終了後における上記膨出部６’と凹部７’の高低差（深さ）は、約０．１〜０．８μｍとなっており、凹部７’は潤滑油が導入される貯溜部および潤滑油通路として機能するようになっている。

以上のように、本実施例においては、レーザによってシュー４の摺動面４Ａに焼入れ処理を行うとともに、摺動面４Ａの表面及び深さ方向において硬度の違う箇所を生じさせるようにしてあり、その後のラップ加工とバフ加工とによってシュー４の製造を完了するようにしている。そして、上記ピッチＰに対する焼入れ幅Ｂの比率Ｐ／Ｂを０．４〜４．０の範囲に設定している。
そして、製造後のシュー４の摺動面４Ａには、上記多数の膨出部６’と凹部７’とによって微小な凹凸が形成されており、凹部７’内に潤滑油が貯溜されるようになっている。これにより、上記摺動面４Ａの全域にわたって潤滑油の油膜が維持されるようになっている。そのため、本実施例の製造方法によれば、耐焼付性に優れたシュー４を提供することができる。また、シュー４の摺動面４Ａの負荷容量を向上させることができ、ひいては耐摩耗性にも優れたシュー４を提供することができる。

図７および図８は、上記本実施例のシュー４の焼付き性能についての試験結果を示したものである。なお、試験条件は以下のとおりである。
（試験条件）
斜板回転数：１０００ｒｐｍずつ１分ごとに９ステップ増加：最大回転数９０００ｒｐｍ（周速３８ｍ／ｓ）
面圧：予荷重２．７ＭＰａで２．７ＭＰａずつ１分毎に増加：焼付きに至るまで
オイルミスト量：０．０５ｇ／ｍｉｎ ノズル位置固定
オイル：冷凍機油
焼付き条件：軸トルク４．０Ｎ・ｍオーバー
上述したように、本実施例では、ピッチＰを０．１〜１ｍｍに設定し、このピッチＰとレーザ照射による焼入れの幅Ｂ（０．２５ｍｍ）との関係Ｐ／Ｂは０．４〜４．０の範囲内に設定している。図７に白丸で示したように、ピッチＰが０．２ｍｍ、０．４ｍｍ、０．５ｍｍ、約０．８ｍｍの場合（Ｐ／Ｂが０．８〜３．０の範囲）では、焼付性能は全て２５ＭＰａ以上となっており、優れた耐焼付性を備えている。また、ピッチＰが０．１ｍｍ、１．０ｍｍの場合には、１５ＭＰａ程度になっており、良好な耐焼付性を備えている。これに対して、ピッチＰが零であるとき、つまり従来技術と同等のものでは５ＭＰａとなっている。このように、上記本実施例のシュー４は、良好な耐焼付性を備えている。
さらに、図８はピッチＰを０．２ｍｍとし、焼入れの幅Ｂを０．２５ｍｍに設定して、バフ加工による膨出部６’と凹部７’の高低差（凹部７’の深さ）に違いを持たせてシュー４を製造し、それらのシュー４に関して焼付性能を調べたものである。
摺動面４Ａの凹部７’の深さが０．２〜０．４μｍとなるものでは、焼付性能は２５ＭＰａ以上となっており、優れた耐焼付性を備えている。一方、凹部７’が零の場合、つまり従来技術と同等のものにおいては５ＭＰａとなっている。また、凹部７’の深さが０．５μｍから１．０μｍとなるものにおいても、従来と比較すると良好な耐焼付性を備えている。

ところで、図９に示すように、上記実施例においてレーザの照射ピッチＰを焼入れ幅Ｂの半分に設定した場合（Ｐ／Ｂ＝０．５の場合）には、良好な耐焼付性を得られなかった。
この場合には、レーザ照射のピッチＰが焼入れの幅Ｂの半分であるために、レーザの照射箇所である平行線Ａの箇所だけが三重に焼入れされる三重焼入れ部１７となり、その三重焼入れ部１７の隣接両側が全て二重焼入れ部１２となる。
三重焼入れ部１７は、二重焼入れ部１２と比較して硬度が低くなるが、三重焼入れ部１７は、上記レーザが照射される平行線Ａの箇所だけに直線状に形成される。そのため、この図９に示したように、摺動面４Ａにラップ加工を施して平滑にした状態からその後に摺動面４Ａにバフ加工を施しても、実質的に摺動面４Ａの略全域となる同じ硬度の二重焼入れ部１２を研磨する結果となる。したがって、この場合には、バフ加工後の摺動面４Ａには数μｍ未満の均一で微小な凹凸は形成されず、耐焼付性は不良である。

さらに、図１０に示すように、上記実施例においてレーザの照射ピッチＰとレーザ照射による焼入れ幅Ｂとを同一（Ｐ／Ｂ＝１）にしてシュー４を製造した場合にも良好な耐焼付性は得られなかった。
この図１０に示す場合においては、摺動面４Ａの表面の略全域が１回焼入れ部１１となり、隣り合う１回焼入れ部１１の境界部分だけに直線状に二重焼入れ部部１２が形成されることになる。そのため、この図１０に示すようにラップ加工によって一旦摺動面４Ａの表面を平滑にした後に、摺動面４Ａにバフ加工を施しても、摺動面４Ａの表面は平滑なままに維持され、微小な凹凸を形成することができない。この場合における耐焼付性の試験結果は、図７にXで示したとおり２ＭＰａであり、耐焼付性は不良である。

なお、上述した本実施例においては、シュー４の摺動面４Ａに対して多数の平行線を描くようにレーザを照射して焼入れを行っていたが、図１１に示すように摺動面４Ａに対して格子状にレーザを照射して焼入れを行うようにしても良い。
また、図１２に示すように、隣接する大小の円が同一ピッチＰで離隔するような多数の同心円を描くように摺動面４にレーザを照射して焼入れを行うようにしても良い。
また、上述した実施例は、摺動部材としてのシュー４の製造に対して本発明の製造方法を適用した場合を説明したが、上記斜板３を製造するための製造方法として本発明を適用しても良いし、その他に２つの摺動部材が摺動する機械装置における摺動部材の製造方法として本発明を適用することも可能である。
さらに、上記本実施例における半球状のシュー４としては、半球状凸面４Ｂが軸方向に押しつぶされた全体として扁平な形状のシューをも含むものである。
また、上記実施例においてはシュー４の摺動面４ＡにＹＡＧレーザを照射して焼入れ処理を行っているが、ＹＡＧレーザの代わりに炭酸ガスレーザなどの他のレーザを用いても良いし、レーザの代わりに電子ビームを用いても良い。

本発明の一実施例を示す摺動装置の断面図。 図１に示したシューを製造する際の摺動面４Ａの正面図。 図１に示したシューの拡大図。 図２のＩＶ―ＩＶ線に沿う要部の拡大断面図。 図４の後の製造工程を示す簡略化した断面図。 図３のＶＩ―ＶＩ線に沿う要部の拡大断面図。 図１に示した実施例のシューおよび比較例についての焼付性能を示す図。 図１に示した実施例のシューおよび比較例についての焼付性能を示す図。 本発明の実施例に対する比較例としてのシューの製造工程を示す簡略化した断面図。 本発明の実施例に対する比較例としてのシューの製造工程を示す簡略化した断面図。 本発明の他の実施例である製造工程のシューの正面図。 本発明の他の実施例である製造工程のシューの正面図。

符号の説明

４…シュー（摺動部材） ４Ａ…摺動面
６’…膨出部（凹凸） ７’…凹部（凹凸）
Ａ…平行線 Ｂ…焼入れ幅
Ｐ…ピッチ

Claims (4)

1. 所定のピッチＰで離隔させた多数の平行線または同心円を描くように摺動部材の摺動面にレーザ又は電子ビームを照射して、それらを照射する際に所定の焼入れ幅で上記摺動面に焼入れ処理を施すとともに該摺動面の表面に硬度が異なる箇所を生じさせて上記摺動面に微小な凹凸を形成し、その後、上記摺動面の表面をラップ加工によって削除して一旦平滑な面として、その後に該平滑な面にバフ加工を施して該摺動面に微小な凹凸を形成するようにした摺動部材の製造方法であって、
   上記レーザ又は電子ビームを摺動面に１回照射した際に、該照射部分とその周辺が焼入れ部となり、該焼入れ部の上記ピッチＰ方向の幅を焼入れ幅Ｂとした時に、
   上記ピッチＰに対する焼入れ幅Ｂの比率であるＰ／Ｂは、次のように設定されていることを特徴とする摺動部材の製造方法。
   ０．４≦Ｐ／Ｂ≦４．０
   但し、Ｐ／Ｂ＝１およびＰ／Ｂ＝０．５を除く。
2. 上記摺動面にレーザ又は電子ビームが照射される平行線または同心円の箇所は上記焼入れ幅の１回焼入れ部となっており、また隣り合う１回焼入れ部の間となる箇所は二重焼入れ部となっており、上記１回焼入れ部は二重焼入れ部よりも硬度が高くなっていることを特徴とする請求項１に記載の摺動部材の製造方法。
3. 上記ピッチＰは０．１〜１ｍｍに設定されるとともに、上記焼入れ幅Ｂは０．２５ｍｍに設定されていることを特徴とする請求項２に記載の摺動部材の製造方法。
4. 上記摺動部材は半球状をしたシューであって、上記ピッチＰは０．２ｍｍに設定されており、上記バフ加工後の上記凹凸の高低差（深さ）は０．１〜０．８μｍとなっていることを特徴とする請求項３に記載の摺動部材の製造方法。

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