JP4218831B2 - 工作機械ガイド装置およびそのコーティング方法 - Google Patents

Description

この発明は、工作機械の移動軸のガイド装置およびそのガイド装置のコーティング方法に関する。

工作機械の移動軸のガイド装置はガイドレールなどの固定体の面上に移動体が載置され、固定体の面と移動体の面とが当接してすべり面を形成し、移動体がこのすべり面に沿って二次元方向に移動することで水平方向の移動を行っていた。

移動軸の移動速度の高速化に伴って、すべり面の磨耗が大きく、従来のガイド装置では寿命が短くなる。そこで、ガイド装置として、転がりガイドを採用したガイド装置や、従来のすべりガイドを採用したガイド装置の固定体面から移動体を浮上させるエアーを供給するガイド装置などが使用されている。

転がりガイドを工作機械のガイド装置に採用すると、加工の際にいわゆるびびり振動が発生しやすく加工精度に影響を与えたり、また、移動軸の移動時の騒音が高いという問題がある。

一方、エアーを供給するガイド装置の場合には、エアーで浮上させる重量に限界があるため負荷容量に限界があり、また装置全体のコストが高くなる問題がある。

さらに、円弧上の加工を行う場合には、移動軸は、二次元方向のそれぞれについて往復運動を行うことになる。移動軸の移動のために与えなければならない負荷は、通常、その移動体の慣性力を予め計算して、その分だけ多い負荷を与えた値となる。この慣性力による負荷を含めることにより正確な移動を実現している。

しかし、往復運動の場合には、慣性力のみでは不十分となる。往復運動の場合には、移動中にはすべり面は動摩擦状態に有る一方、方向転換を行う点において一旦停止し、方向転換する際には静摩擦状態に変化し、方向転換後にはまた動摩擦状態に戻ることになる。従って、慣性力のみならず、摩擦力に対応する余分な負荷を与えなければ、移動体の正確な移動は不可能である。この場合、動摩擦状態および静摩擦状態のそれぞれにおける摩擦力は予測できるものの、動摩擦状態から静摩擦状態へ、または静摩擦状態から動摩擦状態へ変化するタイミングは予測できず、この状態が変化する際に生じる移動軌跡に乱れが生じる。この乱れは、加工形状に影響を及ぼし、象限突起と呼ばれる、加工物の加工誤差となって現れる。

これを防止するために、高速移動および高負荷容量を実現した上で、動摩擦係数と静摩擦係数の差が小さいすべり面を有するガイド装置が必要となる。

固定体の面と移動軸を支える移動体の面とが互いに当接するすべり面を有するガイドを備える工作機械であって、該固定体の面は焼入および研磨された面であって、該移動体の面はその基材は鋼材であって、該鋼材の表面上に窒化物の膜がコーティングされ、該窒化物の膜上にＤＬＣの膜をコーティングしたことを特徴とする工作機械により実現する。

さらに、固定体の面と工作機械の移動軸を支える移動体の面とが互いに当接するすべり面を備えるガイド装置であって、該固定体の面は焼入および研磨された面であって、該移動体の面はその基材は鋼材であって、ラジカル窒化法により該鋼材の表面に形成された窒素拡散層上にＤＬＣをコーティングしたことを特徴とする工作機械により実現する。

さらに、工作機械の移動軸を支え、鋼材を基材とする移動体の面とが互いに当接するすべり面を備えるガイド装置の該移動体の面にＤＬＣ膜をコーティングする方法であって、該鋼材の表面上に窒化物の膜をコーティングする工程と、該窒化物の膜上にＤＬＣの膜をコーティングする工程とを備えることを特徴とする方法によりガイドを実現する。

工作機械の移動軸を支え、鋼材を基材とする移動体の面とが互いに当接するすべり面を備えるガイド装置の該移動体の面にＤＬＣ膜をコーティングする方法であって、
ラジカル窒化法により該鋼材の表面に窒素拡散層を形成する工程と、
該窒素拡散層上にＤＬＣをコーティングする工程とを備えることを特徴とする方法により実現する。

上記の構成により、摩擦力が小さい一方、動摩擦と静摩擦とにほぼ差が無いすべりガイドによるガイド装置が実現できる。

（第一の実施の形態）
図１は本願発明が適用される例としての工作機械を示している。工作機械は工作機械のガイド装置１は、ガイドレールなどの固定体２と往復台などの移動体３とからなる。この工作機械では主軸台２０のチャック２１に加工物２２を固定し、刃物が取り付けられた加工台などが載置される往復台たる移動体３が固定体に対して移動して加工物２２を加工するものである。
ここで、固定体２の固定体面２ａは、高い平面度を有する水平面である。移動体３は固定体面２ａと対応するように高い平面度を有する面３ａを備えていて、移動体３の面３ａが固定体面２ａに当接するような状態で移動体３が固定体２上に載置される。

固定体面２ａは、鋼材が使用されることが好ましい。予め焼入れし、そして焼戻しの工程による熱処理を行う。たとえば、ほぼ摂氏８５０度で加熱した後に、油冷し、その後摂氏５５０度で加熱して焼戻しを行う。これにより、日本工業規格（JIS）Ｚ２２４５のロックウェル硬さ（Ｈ_ＲＣ）が５０乃至５５となるようにすることができる。焼戻後、再研磨を行い、面精度を確保する。

移動体３の面３ａには、たとえば中炭素モリブデン鋼（ＳＣＭ４４０）の鋼材が基材１０として使用されることが好ましい。この移動体３の面３ａ（基材１０）の残留応力を除去するため予め応力除去焼鈍しを行う。すなわち、基材１０を摂氏５００度から６００度に加熱して、その後に冷却する。切削加工を行って、キサゲ作業にて固定体の固定面と均一に接触するようにする。

図２Ａは移動体３の面３ａを拡大した概念図である。キサゲ作業後の該鋼材の移動体３の面３ａ（基材１０）には、図２Ａに示すように、ほぼ２μｍからほぼ４μｍの厚さの窒化物の膜１１がコーティングされる。窒化物としては、たとえば窒化クロムなどが最適である。コーティングの方法としては、物理的蒸着法（以下、ＰＶＤ法）スパッタリングによって、コーティングすることが考えられる。

窒化物の膜１１がコーティングされた移動体３の面３ａの上には、さらにダイヤモンド状カーボン（以下、ＤＬＣとよぶ）の膜１２が、膜厚ほぼ２μｍからほぼ４μｍの厚さでコーティングされる。ＤＬＣの膜１２のコーティングは、たとえば、アンバランスドマグネトロンスパッタ方式やプラズマＣＶＤ法によりコーティングを行う工程とすることが考えられる。

ＤＬＣの膜１２がコーティングされた移動体３の面３ａと、固定体面２との間の最摩擦力と動摩擦力がどの程度の差を有しているかを測定した。 ここで、摩擦力を測定する方法は、以下のとおりである。まず、平滑な金属表面に薄く潤滑油を塗布し、この上にウェイトを載せた１００ｍｍ角、厚さ１５ｍｍの金属板を置く。この平滑な金属面に接する金属板１００ｍｍ角の面にはＤＬＣの膜１２のコーティングを行っている。その上で、このウェイトの重量を変化させながら、静摩擦時の引っ張り力と動摩擦時の引っ張り力を測定した。
また、対比するために、ガイド装置のすべり面に従来から使用されるポリテトラフルオロエチレン系プラスチックを金属板の面に貼り付けて、同じ測定を行った。
ＤＬＣの膜１２のコーティングの場合の静摩擦時の引っ張り力と動摩擦時の引っ張り力を測定結果を図３Ａに、一方、ポリテトラフルオロエチレン系プラスチックの場合の静摩擦時の引っ張り力と動摩擦時の引っ張り力を測定結果を図３Ｂに示す。このように、ＤＬＣコーティングを使用すると、ポリテトラフルオロエチレン系プラスチックの場合には静摩擦力と動摩擦力との差が大きいのに対し、ＤＬＣの膜１２のコーティングの場合には静摩擦力と動摩擦力との差が小さくなる。すなわち、往復運動のように、移動体の方向転換を行うために動摩擦状態と静摩擦状態との間の遷移がある場合にも摩擦力の差が生じないため、予め補正する負荷が正確に把握できる。また、図３Ａおよび図３Ｂからわかるように、特にウェイト重量が大きい場合に特に高い効果を得ることができることがわかる。

上記実施の形態により、高い硬度をもった固定体面２に、ＤＬＣの膜１２がコーティングされた移動体３の面３ａが当接するように載置されて、すべり面を構成するガイド装置とそれを用いた工作機械が得られる。これにより、静摩擦係数と動摩擦係数の差が小さいガイド装置を得ることができる。
さらに、鋼材の基材の上に、窒化物の膜１１を介して、ＤＬＣの膜のコーティングをおこなっているので、ＤＬＣの膜１２の密着強度は高く剥離強度が高い。従って、長寿命のガイド装置を得ることができる。

（第二の実施の形態）
続いて、第二の実施の形態について説明する。ほとんど構成は第一の実施の形態と同じなので、ここでは異なる部分についてのみ図２Ｂを参照して説明する。図２Ｂは本実施の形態における移動体３の面３ａを拡大した概念図である。
第一の実施の形態では、移動体３の面３ａ（基材１０）上にＰＶＤ法により窒化物の膜１１を形成させたが、第二の実施の形態では、ＰＶＤ法により窒化物の膜１１の代わりに、ラジカル窒化法により窒素拡散層１３を形成する点が異なっている。
応力除去焼鈍しからキサゲ作業の工程についてまでは同じである。キサゲ作業の工程の後に、加熱温度摂氏４００度から５６０度で、真空度１から１０（Ｔｏｒｒ）、直流電圧４００Ｖから６００Ｖで、電流０．０５Ａから０．３Ａの処理条件で、ラジカル窒化法で厚さ５０μｍから１５０μｍの厚さの窒素拡散層１３を形成する工程を行う。たとえば、一窒化四鉄（Ｆｅ_４Ｎ）などが添加された窒素拡散層１３である。
その後、窒素拡散層１３が形成された後に、窒素拡散層１３の上に第一の実施の形態と同じようにＤＬＣをコーティングする工程を行う。
これにより、さらに、ＤＬＣコーティングの耐久性が増すことになる。なお、ＤＬＣのコーティングの静摩擦力と動摩擦力の差の効果については、第一の実施の形態と同じである。

（第三の実施の形態）
続いて、第三の実施の形態について説明する。ほとんど構成は第一の実施の形態と同じなので、ここでは異なる部分についてのみ図２Ｃを参照して説明する。図２Ｃは本実施の形態における移動体３の面３ａを拡大した概念図である。
第一の実施の形態では、移動体３の面３ａ（基材１０）上にＰＶＤ法により窒化物の膜１１を形成させたが、第三の実施の形態では、第二の実施の形態のラジカル窒化法により窒素拡散層１３を形成した後に第一の形態のＰＶＤ法による窒化物の膜１１を形成させる点が異なっている。
応力除去焼鈍しからキサゲ作業までの工程については第一の形態と同じである。キサゲ作業の工程の後に、加熱温度摂氏４００度から５６０度で、真空度１から１０（Ｔｏｒｒ）、直流電圧４００Ｖから６００Ｖで、電流０．０５Ａから０．３Ａの処理条件で、ラジカル窒化法で厚さ５０μｍから１５０μｍの厚さの窒素拡散層１３を形成する工程を行う。たとえば、一窒化四鉄（Ｆｅ_４Ｎ）などが添加された窒素拡散層１３である。
その後、窒素拡散層１３が形成された後に、窒素拡散層１３の上に第一の実施の形態と同じようにＰＶＤ法により窒化物の膜１１をコーティングする工程を実施し、その窒化物の膜１１の上にＤＬＣをコーティングする工程を行う。
これにより、さらに、ＤＬＣコーティングの耐久性が増すことになる。なお、ＤＬＣのコーティングの静摩擦力と動摩擦力の差の効果については、第一の実施の形態と同じである。

本願発明が適用されるガイド装置を有する工作機械の概略図である。 第一の実施の形態の移動体表面を拡大した概略図である。 第二の実施の形態の移動体表面を拡大した概略図である。 第三の実施の形態の移動体表面を拡大した概略図である。 ＤＬＣコーティングの場合の静摩擦力と動摩擦力の差を荷重に対して比較した表である。 ポリテトラフルオロエチレン系プラスチックの場合の静摩擦力と動摩擦力の差を荷重に対して比較した表である。

符号の説明

１ ガイド装置
２ 固定体面
３ 移動体
３ａ 面
１０ 基材
１１ 窒化物の膜
１２ ＤＬＣの膜
１３ 窒素拡散層

Claims (6)

1. 固定体の面と、移動軸を支える移動体の面とが互いに当接するすべり面を有する工作機械のガイド装置であって、
   該移動体の面は、クロムモリブデン鋼からなっており、
   該クロムモリブデン鋼の表面上にラジカル窒化法により窒素拡散層を形成し、
   ＰＶＤ法スパッタリングにより該窒素拡散層の上に形成された窒化物の膜の上にＤＬＣがコーティングされていることを特徴とするガイド装置。
2. 請求項１に記載のガイド装置であって、該窒化物の膜は窒化クロムであることを特徴とするガイド装置。
3. 請求項１乃至２に記載のガイド装置であって、該固定体の面は焼入の後に研磨された面であることを特徴とするガイド装置。
4. 請求項１に記載されたガイド装置を備える工作機械。
5. 請求項４に記載の工作機械であって、該窒化物の膜は窒化クロムであることを特徴とする工作機械。
6. 請求項４乃至５に記載の工作機械であって、該固定体の面は焼入の後に研磨された面であることを特徴とする工作機械。

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