JP4263185B2 - Low friction sliding surface - Google Patents
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Description
本発明は、固体材料表面にレーザー照射で微細な凹凸を周期的に形成して成る低摩擦しゅう動面に関する。 The present invention relates to a low-friction sliding surface formed by the fine irregularities in the laser irradiation periodically formed on the solid material surface.
近年、地球規模での温暖化、環境破壊が大きな問題となっている。なかでも自動車や産業機器におけるしゅう動部の摩擦損失を低減することが重要な課題になっている。そこで、しゅう動部品の表面に溝やディンプルなどの微細な凹凸を形成することで摩擦力の低減や耐焼き付き性の向上を図る研究が行われている。一方、加工閾値近傍のフルエンスで直線偏光のフェムト秒レーザでしゅう動部品表面を走査すると、サブミクロンの周期ピッチと振幅(高低差)を持つグレーティング状の周期構造を自己組織的に形成することができる(例えば、非特許文献1参照)。この加工法を用いると難加工材に対しても容易に微細な周期構造を形成できる上、偏光方向を変化させるだけで周期構造の方向を任意に設定できる。連続回転するしゅう動面に放射状やスパイラル状の周期構造を形成することで、摩擦係数を大きく低減できる(例えば、非特許文献2参照)。 In recent years, global warming and environmental destruction have become major problems. In particular, reducing friction loss of sliding parts in automobiles and industrial equipment has become an important issue. In view of this, research has been conducted to reduce frictional force and improve seizure resistance by forming fine irregularities such as grooves and dimples on the surface of sliding parts. On the other hand, when the surface of a sliding part is scanned with a linearly polarized femtosecond laser at a fluence near the processing threshold, a grating-like periodic structure having a submicron periodic pitch and amplitude (level difference) can be formed in a self-organized manner. (For example, refer nonpatent literature 1). When this processing method is used, a fine periodic structure can be easily formed even on difficult-to-process materials, and the direction of the periodic structure can be arbitrarily set only by changing the polarization direction. By forming a radial or spiral periodic structure on the sliding surface that rotates continuously, the friction coefficient can be greatly reduced (see, for example, Non-Patent Document 2).
図10は、周期構造作成装置の模式図である。レーザ発生装置31からフェムト秒レーザ1をX−Y−θステージ35上の固体材料2の鏡面研磨された表面に照射する。レーザエネルギーは、1/2波長板32と偏光ビームスプリッタ33を用いて調整可能であり、レンズ34で集光されて固体材料2の表面に照射される。
FIG. 10 is a schematic diagram of the periodic structure creation device. The
図11は、周期構造形成メカニズムの概略斜視図である。同図において、1ショット1パルスのパルスレーザを固体材料2の表面に照射すると、入射光のp偏光成分と、表面散乱光のp偏光成分との干渉が起こり定在波が生じる。入射光のフルエンスがレーザの閾値近傍の場合、入射光のp偏光成分と表面に沿った散乱光のp偏光成分の干渉部分がアブレーションされる。一旦アブレーションが始まり表面粗さが増加すると、次の1ショットのレーザ照射時には表面散乱光の強度が増加し、さらにアブレーションが進むと共に、1波長λ離れた位置でも干渉が起こる。入射光が直線偏光の場合、レーザ照射を繰り返すと、それによって入射光の波長λとほぼ同じ間隔で干渉が生じることにより、周期構造が自己組織的に作成される。この周期構造の凹凸は、レーザ照射の繰り返しによって波長オーダーまで成長するが、それ以上パルスレーザを照射すると、凹凸が不明瞭になる。したがって、同位置に照射されるショット数を制御し、パルスレーザをオーバーラップさせながら走査させることで、周期構造を固体材料2の表面に広範囲に拡張することができる。
FIG. 11 is a schematic perspective view of the periodic structure forming mechanism. In the figure, when a pulse laser of one shot and one pulse is irradiated on the surface of the
このように形成された周期構造は、サブミクロンオーダの周期ピッチと凹凸高低差の振幅を持ち、しゅう動部の摩擦損失の低減に大きく寄与する。例えば、偏光角により周期方向を制御した周期構造を、超硬合金の静止試験片に設け、リングオンディスク試験で摩擦係数の変化を調べた結果、周期構造の形成によって摩擦係数が低減することや、周期方向の制御により、流体潤滑領域や負荷能力・摩擦係数などのトライボロジー特性を、用途に応じて調整できる(例えば、非特許文献2参照)。
しゅう動部品表面に形成した周期構造は、しゅう動部品表面を低摩擦しゅう動面にして自動車や産業機器のしゅう動部の摩擦損失を低減させる優れた効果を有する。しかし、このような効果は、定方向に連続回転する回転体のような連続しゅう動面において発揮できるが、定方向にしゅう動し、一旦停止してから逆方向にしゅう動する動作を繰り返す往復しゅう動面においては、上記効果を発揮させることが難しい。すなわち、しゅう動面の全面にしゅう動方向を横切るように凹凸の周期構造を形成している場合、凹凸の凸部に正対する部分では、しゅう動する2面間の隙間が小さくなり、いわゆるくさび効果による負荷能力が生じ、油膜が形成されるために、しゅう動面の摩擦損失を低減できる。しかし、しゅう動面が往復しゅう動面の場合、凹凸の凹部が両端開口の溝構造であることから、しゅう動が一旦停止したときに凹部の開口端から油膜が流出するといった側方漏れが発生し、周期構造上での油膜保持能力が低減して油膜が減少し、再起動時のしゅう動部の摩擦損失を増大させる。このことは、次の具体的な往復しゅう動試験から明白である。 The periodic structure formed on the sliding part surface has an excellent effect of reducing the friction loss of the sliding part of an automobile or industrial equipment by making the sliding part surface a low friction sliding surface. However, such an effect can be exerted on a continuous sliding surface such as a rotating body that continuously rotates in a fixed direction, but it reciprocates repeatedly moving in a fixed direction, stopping once and then moving in the reverse direction. On the sliding surface, it is difficult to exert the above effect. That is, when the concave and convex periodic structure is formed so as to cross the sliding direction on the entire sliding surface, the gap between the two sliding surfaces becomes small at the portion facing the convex and concave portions, so-called wedges. Since the load capacity due to the effect is generated and the oil film is formed, the friction loss of the sliding surface can be reduced. However, when the sliding surface is a reciprocating sliding surface, the concave / convex recess has a groove structure with openings at both ends, and therefore, side leakage occurs such that the oil film flows out from the opening end of the recess once the sliding stops. However, the oil film holding capacity on the periodic structure is reduced, the oil film is reduced, and the friction loss of the sliding portion at the time of restart is increased. This is evident from the following specific reciprocating sliding test.
図12(A)は、周期構造を形成しない鏡面のみの静止側試験片3aを示す。図13(A)は全面パターンで周期構造4を形成した静止側試験片3bを示す。各静止側試験片3a、3bにはφ20mm(しゅう動方向は2面幅18mmに面取り)の超硬合金を用い、周期構造形成前の表面はRa0.05μm以下とした。図示しない駆動側試験片には50mm×30mmの超硬合金を用い、しゅう動面粗さはRa0.05μm以下とした。しゅう動試験時の荷重は30Nとし、しゅう動面に75mgのタービンオイル(VG32)を供給し、しゅう動長10mm、しゅう動速度1mm/s、しゅう動端停留時間1sで摩擦係数が定常な状態になるまでなじみ運転し、24時間停止後、上記条件で再起動させた際の摩擦係数の変化を調べた。
FIG. 12A shows a mirror-side
図12(B)に周期構造を形成しない鏡面の試験片3aにおける再起動後1往復目の摩擦係数の変化を定常状態の値と共に示す。鏡面の試験片3aでは、定常時はしゅう動時間に関わらず一定の摩擦係数を示し、しゅう動端での1sの停留では油膜にほとんど影響を与えていない。しかし、再起動直後の摩擦係数低減の応答が悪く、しゅう動2s後(しゅう動距離2mm)での摩擦係数は最大摩擦係数の60%あり、しゅう動8s後(しゅう動距離8mm)以降は摩擦係数の低下傾向が消失している。摩擦係数が0.01になるまでには10往復以上必要である。このような鏡面の試験片3aでは、意図しない試験片のうねりや弾性変形等しか油膜形成に寄与しないため、摩擦係数低減の応答が悪いものと考えられる。
FIG. 12B shows the change of the friction coefficient at the first reciprocation after the restart in the mirror
図13(B)に全面パターンで周期構造4を形成した試験片3bにおける再起動後1往復目の摩擦係数の変化を定常状態の値と共に示す。全面パターンでは定常状態においても鏡面の試験片3aのように一定の摩擦係数を示すことはなく、駆動が掛かった直後には高い摩擦係数を示し、しゅう動時間の増加と共に摩擦係数が低減する。全面パターンはしゅう動時にはくさび効果により負荷能力が生じ、油膜が形成されるが、周期構造4の凹凸における凹部(溝)が側面に開放されているため、停止時の油膜保持能力が低くなり、1sの停留時間を挟むと油膜切れを起こし、10往復しても高い摩擦係数を示す。このような全面パターンの周期構造4は連続的にしゅう動する回転体では優れた特性を示すが、往復しゅう動では致命的な欠陥となる。しかも、側方漏れを起こすため、しゅう動時の摩擦係数低減の応答も悪い。
FIG. 13B shows the change of the friction coefficient at the first reciprocation after the restart in the
本発明の目的とするところは、停止を伴う往復しゅう動特性にも優れるしゅう動面構造を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a sliding surface structure that is also excellent in reciprocating sliding characteristics with stopping.
本発明は上記目的を達成するため、固体材料表面を成す鏡面部分の離散的な複数の領域のいずれの領域も全周が前記鏡面部分で囲まれて区分けされ、前記鏡面部分は連続した一面である、前記複数の領域にグレーティング状の周期構造を形成したことを特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention achieves the above object by dividing any region of the plurality of discrete regions of the mirror surface portion forming the solid material surface by being surrounded by the mirror surface portion, and the mirror surface portion is a continuous surface. A grating-like periodic structure is formed in the plurality of regions .
ここで、固体材料表面は超硬合金などの鏡面で、周期構造が形成される離散的な複数の領域と区別するため鏡面部分と称する。周期構造が形成される離散的な複数の領域のおのおのは鏡面部分で区分けされる。離散的とは、複数の領域のいずれもが鏡面部分を介し互いに離隔し、分散していることを意味する。周期構造が形成される複数の領域のおのおのの形状、面積、周期構造の方向は、しゅう動面の形状、面積、用途に対応させて様々に設定される。複数の領域のいずれの領域も鏡面部分で区分けされているため、領域内に形成した周期構造のグレーティング状凹凸の凹部(溝)の端は鏡面部分との境界部分に位置して、溝端の開口が鏡面部分で堰き止められた状態となり、油膜の側方漏れが抑制され、油膜保持能力が高く維持される。 Here, the surface of the solid material is a mirror surface of a cemented carbide or the like, and is referred to as a mirror surface portion so as to be distinguished from a plurality of discrete regions where a periodic structure is formed. Each of the plurality of discrete regions in which the periodic structure is formed is divided by a mirror surface portion. The term “discrete” means that all of the plurality of regions are separated from each other via the mirror surface portion and dispersed. The shape, area, and direction of the periodic structure in each of the plurality of regions in which the periodic structure is formed are variously set according to the shape, area, and application of the sliding surface. Since any of the plurality of regions is divided by the mirror surface portion, the end of the grating-shaped concave / convex concave portion (groove) of the periodic structure formed in the region is located at the boundary portion with the mirror surface portion, and the opening of the groove end Becomes a state of being dammed by the mirror surface portion, side leakage of the oil film is suppressed, and the oil film holding ability is maintained high.
本発明においては、複数の領域のそれぞれが略同一形状、略同一面積であり、各領域の全面に周期構造を形成することができる。ここで、略同一とは、巨視的にみれば同一であるが、微視的にみると許容範囲内で微小な相違があることを意味する。離散パターンで分散する複数の各領域の形状は矩形や扇形、円形などが選択できる。複数の領域の形状、面積を略同一にすることで、各領域での周期構造の形成が容易になり、しゅう動面全体のしゅう動特性を均一にすることができる。 In the present invention, each of the plurality of regions has substantially the same shape and substantially the same area, and a periodic structure can be formed on the entire surface of each region. Here, “substantially the same” means that they are the same when viewed macroscopically, but there are minute differences within an allowable range when viewed microscopically. A rectangular shape, a sector shape, a circular shape, or the like can be selected as the shape of each of the plurality of regions dispersed in a discrete pattern. By making the shape and area of the plurality of regions substantially the same, it is easy to form a periodic structure in each region, and the sliding characteristics of the entire sliding surface can be made uniform.
また、本発明においては、複数の領域に形成される周期構造をしゅう動方向と略平行な方向に揃えることができる。周期構造の方向は、グレーティング状凹凸方向と直交する凸部方向または凹部方向で、この方向がしゅう動方向と平行になるよう周期構造を形成する。このようにすると、周期構造の凹部端からの油膜側方漏れがより確実性よく抑制でき、油膜保持能力に優れたものとなる。 In the present invention, the periodic structures formed in the plurality of regions can be aligned in a direction substantially parallel to the sliding direction. The direction of the periodic structure is a convex portion direction or a concave portion direction orthogonal to the grating-like uneven direction, and the periodic structure is formed so that this direction is parallel to the sliding direction. If it does in this way, the oil film side leakage from the recessed part edge of a periodic structure can be controlled more reliably, and it will become what was excellent in oil film retention capability.
また、本発明においては、周期構造のグレーティング状凹凸の振幅と、グレーティング状凹凸の凹部の鏡面部分からの深さを略同一とし、かつ、グレーティング状凹凸の最大凸部の高さを鏡面部分と面一な高さ以下にする。さらに、本発明においては、周期構造のグレーティング状凹凸の振幅を1μm以下にする。また、周期構造のグレーティング状凹凸の周期ピッチを10μm以下にする。 In the present invention, the amplitude of the grating-like irregularities of the periodic structure and the depth of the concave portions of the grating-like irregularities from the mirror surface portion are substantially the same, and the height of the maximum convex portions of the grating-like irregularities is the mirror surface portion. Keep the level below the level. Furthermore, in the present invention, the amplitude of the grating-like irregularities of the periodic structure is set to 1 μm or less. Further, the periodic pitch of the grating-like irregularities of the periodic structure is made 10 μm or less.
このようなグレーティング状凹凸のいずれかの寸法規制を実施することで、または、全ての寸法規制を実施することで、しゅう動面における周期構造と鏡面部分の協働によるしゅう動性能をより良好で、より安定したものにすることができる。 By implementing any dimensional regulation of such grating-like irregularities, or by implementing all dimensional restrictions, the sliding performance by the cooperation of the periodic structure and the mirror surface portion on the sliding surface can be improved. , Can be more stable.
また、固体材料表面を成す鏡面部分の離散的な複数の領域にグレーティング状の周期構造を形成する方法で、固体材料表面に加工閾値近傍のフルエンスで直線偏光のレーザを照射し、その照射部分をオーバーラップさせながら走査して自己組織的に周期構造を形成すると共に、レーザ照射を間欠的に行うようにして離散的な複数の領域のみに方向の揃った周期構造を形成する。 Further, in a method of forming a grating-like periodic structure into discrete plurality of regions of the mirror portion forming a solid material surface is irradiated with laser linearly polarized light fluence of processing threshold near the solid material surface, irradiated portion thereof the scans while overlapping to form a self-organizing manner periodic structure, that form a periodic structure having a uniform direction only discrete plurality of regions so as to intermittently perform laser irradiation.
ここでの間欠的なレーザ照射は、例えばレーザ発生装置からのレーザ発振のオン/オフ制御で行う、或いは、レーザ発生装置から発振されるレーザの光路に配置した遮光板による遮光制御で行うことができる。このようにレーザ照射を間欠的に行って離散的な複数の領域のみに周期構造を形成することで、各領域に方向の揃った周期構造の形成が容易になる。 The intermittent laser irradiation here is performed, for example, by on / off control of laser oscillation from the laser generator, or by light shielding control by a light shielding plate arranged in the optical path of the laser oscillated from the laser generator. it can. In this way, by periodically performing laser irradiation to form a periodic structure only in a plurality of discrete regions, it is easy to form a periodic structure having a uniform direction in each region.
本発明によれば、しゅう動面に離散的に形成された複数の周期構造のそれぞれが鏡面部分で区分けされているため、各周期構造のグレーティング状凹凸の凹部両端が鏡面部分で堰き止められた形となり、各周期構造における油膜保持能力が増大して、しゅう動後の摩擦係数低下の応答が良くなり、往復しゅう動特性や回転しゅう動特性を一段と向上させることができる。特に、周期構造をしゅう動方向と平行にすることで、しゅう動特性を安定させ、尚一層に向上させることができる。 According to the present invention, since each of the plurality of periodic structures discretely formed on the sliding surface is divided by the mirror surface portion, both ends of the concave portions of the grating-like irregularities of each periodic structure are blocked by the mirror surface portion. As a result, the oil film holding capacity in each periodic structure is increased, the response of the decrease in the coefficient of friction after sliding is improved, and the reciprocating sliding characteristics and rotational sliding characteristics can be further improved. In particular, by making the periodic structure parallel to the sliding direction, the sliding characteristics can be stabilized and further improved.
以下、本発明の実施の形態を、図1〜図4を参照して説明する。また、各種の実施の形態におけるしゅう動面のしゅう動試験結果を図5〜図9を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. Moreover, the sliding test result of the sliding surface in various embodiment is demonstrated with reference to FIGS.
図1(A)に示す円形のしゅう動面10aは、格子状パターンの鏡面部分11aと、鏡面部分11aで全周が囲まれた離散的な複数の矩形領域12aに形成した周期構造13aで構成される。1つの矩形領域12aは、例えば0.3mm×1.0mmの長方形で、この領域全面に周期構造13aがしゅう動面10aのしゅう動方向Xと平行な方向で形成される。隣接する周期構造13aが例えば0.3mm幅の鏡面部分11aで区画される。鏡面部分11aは、縦横格子状に連続した一面である。このような鏡面部分11aの幅やパターン、周期構造13aの領域サイズや形状は特に限定されるものではない。周期構造13aを形成する前のしゅう動面10aの全面が平坦な鏡面であり、この鏡面の離散した複数の矩形領域12aに加工閾値近傍のフルエンスで直線偏光のレーザを照射し、その照射部分をオーバーラップさせながら走査して自己組織的に周期構造13aを形成する。この周期構造13aの形成は、図10の装置を使って行えばよい。この場合、例えば図10装置のレーザ発生装置31からレーザ発振をオン/オフ制御することで、離散的な複数の矩形領域12aのみに周期構造13aを同じ方向性で形成する。以下、図1のしゅう動面10aを、他の実施の形態と区別するために必要に応じて平行間欠のしゅう動面10aと称する。
A circular sliding
図1(B)は、鏡面部分11aと周期構造13aの部分拡大断面図である。周期構造13aは、グレーティング状凹凸を形成する凸部14と凹部15を有する。グレーティング状凹凸の平均的な振幅hを1μmを超えない大きさにし、凹部15の鏡面部分11aからの深さiと振幅hがほぼ同じになるようにしてある。また、グレーティング状凹凸の最大の凸部14の高さを鏡面部分11aと面一な高さ以下にして、凸部14の頂点が鏡面部分11aより低い位置にあり、鏡面部分11aより上に突出しないようにしてある。さらに、周期構造13aのグレーティング状凹凸の周期ピッチpを10μmを超えない大きさにする。このような寸法規制の理由は、後述のしゅう動試験のところで説明する。なお、前述の寸法規制は、図2〜図4の他の実施の形態においても同様に適用される。
FIG. 1B is a partially enlarged sectional view of the mirror surface portion 11a and the
図2に示す円形のしゅう動面10bは、格子状パターンの鏡面部分11bと、鏡面部分11bで全周が囲まれた離散的な複数の矩形領域12bに形成した周期構造13bで構成される。1つの矩形領域12bは、0.3mm×1.0mmの長方形で、この領域全面に周期構造13bがしゅう動面10bのしゅう動方向Xと直交する方向で形成される。隣接する周期構造13bが0.3mm幅の鏡面部分11bで区画される。この図2のしゅう動面10bは、図1のしゅう動面10aを90°回転させたものに相当し、以下、必要に応じて図2のしゅう動面10bを直交間欠のしゅう動面10bと称する。
A circular sliding
図3に示す円形のしゅう動面10cは、縞状パターンの鏡面部分11cと、隣接する鏡面部分11cの間に形成された縞状パターンの離散的な複数の領域12cに形成した周期構造13cで構成される。鏡面部分11cの幅は約1mmであり、縞状領域12cの幅は約1mmである。この領域全面に周期構造13cがしゅう動面10cのしゅう動方向Xと直交する方向で形成される。以下、必要に応じて図3のしゅう動面10cを直交縞状のしゅう動面10cと称する。
The circular sliding
以上の図1〜図2の各実施の形態は、停止を伴う往復しゅう動に適する。図4に示す実施の形態の円形しゅう動面10dは、回転しゅう動に適する。この図4のしゅう動面10dは、円形のリング形状をなし、リング状に離散する複数の領域12dにグレーティング状凹凸の周期構造13dを形成している。領域12dは、0.3mm×0.4mmの扇形的な矩形領域で、周囲に0.1mm幅の鏡面部分11dが存在する。このしゅう動面10dのしゅう動方向X’はしゅう動面10dの中心を中心とする周方向で、このしゅう動方向X’に各周期構造13dの方向が揃えてある。
Each embodiment of the above FIGS. 1-2 is suitable for the reciprocating sliding accompanied by a stop. The circular sliding
次に、図1〜図2の各実施の形態の往復しゅう動試験を順に説明し、最後に図4の実施の形態による回転しゅう動試験を説明する。なお、往復しゅう動試験は図12と図13で説明した試験と同様に、加重は30Nとし、しゅう動面に75mgのタービンオイル(VG32)を供給し、しゅう動長10mm、しゅう動速度1mm/s、しゅう動端停留時間1sで摩擦係数が定常な状態になるまでなじみ運転し、24時間停止後、上記の条件で再起動させた際の摩擦係数の変化を調べた。 Next, the reciprocating sliding test of each embodiment of FIGS. 1-2 will be described in order, and finally the rotating sliding test according to the embodiment of FIG. 4 will be described. As in the tests described in FIGS. 12 and 13, the reciprocating sliding test is performed with a load of 30 N, 75 mg of turbine oil (VG32) supplied to the sliding surface, a sliding length of 10 mm, and a sliding speed of 1 mm / s, familiar operation was performed until the friction coefficient reached a steady state at the sliding end stop time of 1 s, and after 24 hours of stoppage, the change of the friction coefficient when restarted under the above conditions was examined.
・[平行間欠しゅう動面10aの往復しゅう動試験]
図5に、平行間欠パターンで周期構造13aを形成したしゅう動面10aを有する試験片における再起動後1往復目の摩擦係数の変化を定常状態の値と共に示す。平行間欠パターンでは周期構造13aの凹部15の端が鏡面部分11aで堰き止められた形になっているため、全面パターンとは異なり、しゅう動端での停留でも油膜が切れにくい。従って、しゅう動端での1sの停留では油膜にほとんど影響を受けず、定常状態では鏡面の試験片と同様に、しゅう動時間に関わらず一定の摩擦係数を示した。また、しゅう動時には周期構造の凹部15に沿って流れる潤滑油が鏡面部分11aで堰き止められ、凹部15と鏡面部分11aの境界部分で大きな圧力が生じることから、しゅう動方向に平行な周期構造でありながらも負荷能力が生じる。さらも幅方向にサブミクロンの間隔で凸部14により仕切られているため、側方漏れがほとんど発生せず効率的に負荷能力が生じることから、再起動後の摩擦係数の応答が極めて早く、しゅう動2s後(しゅう動距離2mm)での摩擦係数は0.02以下まで低減され、しゅう動6s後(しゅう動距離6mm)での摩擦係数はほぼ定常状態と同じになる。2回目以降のしゅう動始めの摩擦係数は0.01と低くなり、10回目となると定常状態と変わらない摩擦係数変化を示す。周期構造13aの凸部14は鏡面部分11aに対し突出させず、かつ、周期構造13aを鏡面部分11aで完全に仕切られた区画に形成することで、停止後の再起動時など油膜が極めて薄い場合には、周期構造13aを形成した区画全体が油溜まりとして作用し、起動直後から負荷能力を生じる機能を併せ持つことになる。
・ [Reciprocating sliding test of parallel intermittent sliding
FIG. 5 shows the change in the friction coefficient at the first reciprocation after the restart in the test piece having the sliding
また、起動や停止時には、鏡面部分11aでしゅう動相手側をしゅう動させることになり、周期構造13aと相手側の間には油膜が介在するのみとなるので、周期構造13aとしゅう動相手側の摩耗が極力抑制される。周期構造13aの凸部14が鏡面部分11aに対し少しでも突出すれば、この突出凸部がしゅう動相手側に当接して油膜保持能力を低下させ、両者間で摩耗が発生し易くなる。また、周期構造13aの凹凸に応じてしゅう動時に形成される油膜の厚さが決まる。油膜が厚くなると剛性の低下や、停止時と起動時の油膜厚変動が大きくなり、しゅう動精度の低下をもたらすため、グレーティング状凹凸の平均的な振幅hを1μmを超えない大きさにする。また、側方漏れを極力低減するためには周期ピッチpが小さい方が望ましく、しゅう動材の意図しないうねりの影響を受けないように、周期ピッチpを10μmを超えない大きさにする。凹部15の鏡面部分11aからの深さiを振幅hの2倍、3倍以上と大きくして、鏡面部分11aから深いところに周期構造13aを形成すると、保持できる油膜量が増大するが、しゅう動時に周期構造13aによる側方漏れ防止効果が低下するため、凹部15の鏡面部分11aからの深さiが振幅hの1〜2倍の範囲となるようにする。
Further, at the time of starting and stopping, the sliding counterpart side is slid by the mirror surface portion 11a, and only an oil film is interposed between the
・[直交間欠しゅう動面10bの往復しゅう動試験]
図6に、直交間欠パターンを形成したしゅう動面10bにおける再起動後1往復目の摩擦係数の変化を定常状態の値と共に示す。直交間欠パターンでは、幅方向に0.3mm毎に鏡面部分11bで仕切られているため、側方漏れが全面パターンと比較すると大きく低減され、再起動後の摩擦係数低減の応答は平行間欠パターンに次いで早く、しゅう動2s後(しゅう動距離2mm)での摩擦係数は最大摩擦係数の1/3まで低減され、しゅう動端付近では摩擦係数は0.01まで低下した。この場合も、10回目となると定常状態と変わらない摩擦係数変化を示す。
・ [Reciprocal sliding test of orthogonal intermittent sliding
FIG. 6 shows the change of the friction coefficient at the first reciprocation after the restart on the sliding
・[直交縞状しゅう動面10cの往復しゅう動試験]
図7に縞状パターンを形成したしゅう動面10cにおける再起動後1往復目の摩擦係数の変化を定常状態の値と共に示す。縞状パターンでは1mm毎に残る鏡面部分11cにより側方漏れが低減されるため、しゅう動端での1sの停留では油膜切れを起こすことなく、定常状態では鏡面の試験片と同様に、しゅう動時間に関わらず一定の摩擦係数を示した。また、しゅう動時には周期構造13cによる負荷能力も生じるため、再起動後の摩擦係数はしゅう動時間と共に減少し、しゅう動端付近では摩擦係数は0.015まで低下し、10往復目で摩擦係数は定常状態とほぼ同一になる。縞状パターンの場合は、平行間欠パターンや直交間欠パターンほど摩擦係数低減の応答性は高くないが、簡便に形成できる利点がある。
・ [Reciprocating sliding test of orthogonal
FIG. 7 shows the change in the friction coefficient at the first reciprocation after the restart on the sliding
・[図4しゅう動面10dの回転しゅう動試験]
本発明は往復しゅう動に限らず、回転しゅう動にも有効である。図4のしゅう動面10dの回転しゅう動試験は、鏡面およびグレーティング状の周期構造を離散的に形成した10mm、外径16mmのリング形状のしゅう動面10dに対してリング・オン・ディスクしゅう動試験で行った。しゅう動面10dにおいては、周期構造13dが0.3mm×0.4mmの矩形領域で、その周囲に0.1mmの鏡面部分11dが残るように配置している。荷重は10Nで一定とし、純水中でしゅう動速度を1.2m/sから0.15m/sまで1分毎に階段的に減速させた。このときのしゅう動速度の変更パターンを図8に示す。
[Fig. 4 Rotating sliding test of sliding
The present invention is effective not only for reciprocal sliding but also for rotational sliding. In the rotational sliding test of the sliding
離散的に周期構造13dを形成したしゅう動面10dにおいては、図9(A)に示すようにしゅう動速度低下に伴い摩擦係数が減少する流体潤滑領域に特徴的な現象を全領域(1.2m/s〜0.15m/s)で示した。なお、鏡面の試験片を用いた実験では図9(B)に示すように、速度が低下するに従い摩擦係数が増加していく。また、周期構造を離散的にせず全面に形成した場合には、最も広い範囲で流体潤滑を示した放射状の周期構造でも0.35m/s未満では混合潤滑となったことから(非特許文献2参照)、しゅう動面10dのように離散的に周期構造13dを形成することで、しゅう動特性の向上が可能であることが確認された。
In the sliding
2 固体材料
10a〜10d 低摩擦しゅう動面
11a〜11d 鏡面部分
12a〜12d 離散的な複数の領域
13a〜13d 周期構造
14 凸部
15 凹部
31 レーザ発生装置
32 波長板
33 偏光ビームスプリッタ
34 レンズ
2
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