JP4362612B2

JP4362612B2 - すべり案内装置

Info

Publication number: JP4362612B2
Application number: JP2005193415A
Authority: JP
Inventors: 文雄小幡; 一剛上原; 謙一井上
Original assignee: Hitachi Metals Ltd; Tottori University
Current assignee: Hitachi Metals Ltd; Tottori University
Priority date: 2005-07-01
Filing date: 2005-07-01
Publication date: 2009-11-11
Anticipated expiration: 2025-07-01
Also published as: JP2007007807A

Description

本発明は、摺動速度に依存しない摺動摩擦係数を有する工作機械のすべり案内装置に関するものである。

工作機械に搭載される直動案内はころがり案内とすべり案内に大別されるが、難削材の切削や重切削を行う工作機械に用いられる直動案内には剛性や振動減衰性の優れたすべり案内が適している。工作機械の直動案内は広い摺動速度範囲で利用されるため、摺動摩擦係数は摺動速度によらず一定で、その値が小さいことが望ましいが、従来の鋳鉄製摺動面にきさげ加工を施したすべり案内では、摺動摩擦係数は摺動速度によって変化するうえ、その値はころがり案内に比べて高く、難削切削加工の高精度・高能率化を実現するための妨げとなっている。

すべり案内装置の摺動摩擦係数を低減させる方法の一つとして、相対する摺動面の一方に摺動摩擦係数の小さい材料を接着する方法が公知であり、最近の工作機械の多くにはこの方法を採用したすべり案内装置が搭載されている。この場合、銅などの金属が接着されることもあるが、一般的にはターカイトやルーロン（商品名）など樹脂系材料が用いられる（例えば、非特許文献1参照）。しかし、こういった樹脂系材料は圧縮強さが小さいた
めに工作機械の剛性を低下させる懸念があることと、樹脂系材料に切りくずが付着して摺動面へ侵入するといった実用上の問題があることから、その改善が求められている。

また、鏡面加工した高硬度摺動面のすべり案内と高粘度潤滑液を使用することよって、すべり案内装置の摺動摩擦係数を低減する方法も本件発明者等によって提案されている（特願２００４−１２０７９３号）。

しかし、上記のいずれの方法においても、極低摺動速度域における摺動摩擦係数の低減は望めない。例えば、図１に示すように、すべり案内装置の摺動摩擦係数は極低摺動速度域で急激に増大することがある。このような極低摺動速度域での摺動摩擦係数の増大は、すべり案内装置の位置決め精度に影響を与えるため、工作機械の設計上、特に重要な問題となっている。また、極低摺動速度域で摺動速度の増大とともに摺動摩擦係数が減少する現象もみられるが、これはスティックスリップによる振動を発生させる懸念がある。以上のことから、すべり案内装置の高性能化を達成するには、この極低摺動速度域における摺動摩擦特性を改善する必要がある。

極低摺動速度域における摺動摩擦係数の増大は、摺動面に十分な厚さの潤滑油膜が形成されないことによる摺動面同士の凝着が原因とされており、その防止方法の一つとして、潤滑油中に油性向上剤を添加する方法が広く知られている（例えば、非特許文献２参照）。油性向上剤は、摩擦面に物理吸着または化学吸着による潤滑膜を形成することによって摺動面同士の直接接触を抑制し、摺動摩擦抵抗の低減を図るものであるが、潤滑液の温度が高い条件では、油性効果は低く、高速運転するすべり案内に対しては確実性に乏しいといった問題があった。さらに、油性向上剤の添加による環境負荷の増大は、近年の機械産業における地球環境への配慮の観点から好ましいとはいえない。

一方で、すべり案内ところがり案内のそれぞれの利点を取り込んだハイブリッド式のすべり案内も提案されている（例えば、特許文型１、２参照）。これらは、すべり案内と鋼球やローラを利用したころがり案内を組み合わせた直動案内であるが、振動減衰性や剛性を付与するために付加的にすべり案内を装着することを特徴としている。特許文献２では
、工作機械の仕様に応じてすべり案内と転がり案内の各案内に作用する負荷の分担を調整できることも特徴としている。しかし、これらの公開されているハイブリッド型の直動案内は、ころがり案内とすべり案内の両方が摺動面に常時接触するように設置されて効果を発揮するため、すべり案内ところがり案内の位置決め調整が複雑で、すべり案内のみに比べて機構が複雑になるという欠点があった。
社団法人日本工作機械工業会発行「工作機械の設計学（応用編）−マザーマシン設計のための基礎知識−」２００３年、ｐｐ．１４１〜１４４．加藤孝久・益子正文共著社団法人日本工作機械工業会発行「トライボロジーの基礎」２００４年、ｐｐ．１６７〜１６８．特開２００２−３７３３２６号公報特開平７−３１３４５２号公報

高精度・高能率加工を実現するためには、工作機械の案内装置は高剛性で、かつ高い振動減衰性を有する必要がある。ころがり案内は摩擦係数が小さいため、高速対応の工作機械や軽切削加工用の工作機械に広く用いられているが、難削材料を高能率で加工するためには剛性や振動減衰性が十分でなく、最近の重切削用工作機械の直動案内には、摺動面同士が面接触するすべり案内が採用される傾向にある。

本発明が解決しようとする課題は、重切削に対応した工作機械に用いられるすべり案内装置の摺動摩擦係数が、ころがり案内に比べて高く、かつ摺動速度に対して変化することである。工作機械にすべり案内を搭載する場合、その摺動摩擦係数はその位置決め精度に大きく影響するため、高精度な位置決めを実現するには、摺動面の摺動摩擦抵係数が小さいことが望ましい。また、摺動摩擦係数の摺動速度依存性があることによって、すべり案内にはスティックスリップによる振動が発生しやすくなり、高精度加工の妨げの一因となっている。

本発明は、重切削に対応できる工作機械のすべり案内装置に関するものであって、簡便な方法で、摺動摩擦係数が小さく、かつ摺動摩擦係数の摺動速度依存性が小さいすべり案内を提供しようとするものである。

上記の課題を解決するため、本発明請求項１に記載の発明は、基台および移動体の摺動面が潤滑液を介した状態で互いに対向して摺動するすべり案内装置において、摺動面間に供給する潤滑液中にころがり要素体を添加するとともに、当該ころがり要素体の径の大きさを前記基台および前記移動体の摺動面の表面粗さの最大高さの和より大としたことを特徴とするすべり案内装置を提供する。このような構成により、すべり案内装置の摺動時の摺動摩擦係数とその摺動速度依存性、特に極低摺動速度域における同依存性を小さくすることができた。潤滑液中にころがり要素体を添加することは、摺動面同士の凝着を阻止することになり、そのころがり要素体の径の大きさの上記特定は、その阻止効果をさらに確実にするものである。

請求項２に記載の発明は、基台および移動体の摺動面が潤滑液を介した状態で互いに対向して摺動するすべり案内装置において、摺動面間に供給する潤滑液中にころがり要素体を添加するとともに、当該ころがり要素体の径の大きさを前記基台および前記移動体の摺動面の表面粗さの最大高さの和より大とし、さらに当該ころがり要素体の硬度を前記基台および前記移動体の摺動面の硬度のいずれよりも大としたことを特徴とするすべり案内装置を提供する。このように構成すること、つまり請求項１の構成に加え、ころがり要素体の硬度を特定することにより、本発明の所期の目的達成にさらに寄与した。

請求項3に記載の発明は、鋼製の基台および鋼製の移動体の摺動面が潤滑液を介した状態で互いに対向して摺動するすべり案内装置において、摺動面間に供給する潤滑液中にころがり要素体を添加するとともに、当該ころがり要素体の径の大きさを前記基台および前記移動体の摺動面の表面粗さの最大高さの和より大とし、さらに当該ころがり要素体の硬度を前記基台および前記移動体の摺動面の硬度のいずれよりも大としたことを特徴とするすべり案内装置を提供する。

本発明は、難削材を効率よく切削加工することができる工作機械のすべり案内を提供するものである。本発明のすべり案内は、従来のすべり案内の境界潤滑領域に相当する摺動速度では、潤滑液中に添加する微小でかつ高硬度なころがり要素体に荷重を分担させることによって、低摺動速度時のすべり案内の摺動摩擦係数を低減させることができるとともに、摺動摩擦係数に及ぼす摺動速度の影響を小さくできる。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図２は、すべり案内の概略図を示し、図中、１は移動体、２は基台、３は潤滑液を示す。移動体と基台の摺動摩擦係数の測定には、新東科学株式会社製の表面性測定機トライボギア（商品記号はＴｙｐｅ１４ＦＷ）を使用した。図３は、その摺動摩擦試験機の概略図を示す。この測定機は、摺動面に対して垂直な荷重Ｐ（３９．２４Ｎ）を分銅４により負荷した状態で、基台７と移動体６を１〜６０００ｍｍ／ｍｉｎで摺動させ、基台７と移動体６の摺動に伴って発生する摩擦力Ｆを検出することにより、ＦをＰで除算した摺動摩擦係数を測定する装置である。尚、５は支点、８はテーブル、９はコンピュータ、１０はＡ／Ｄ変換器、１１は荷重変換器（ロードセル）、１２はバランサーを示す。

本実施例では、基台７と接触する移動体６の摺動面の大きさは２０ｍｍ×２０ｍｍであり、移動体と基台の接触面に作用する単位面積当りの荷重（面圧）は、（３９．２４Ｎ）／（２０ｍｍ×２０ｍｍ）≒０．１ＭＰａである。この面圧は、従来の工作機械の案内面に作用する面圧が約０．１ＭＰａであることを参考にして決めた。実験は、基台７および移動体６を試験機のテーブル８および平面圧子に固定し、潤滑液を基台の摺動面に塗布した状態で移動体６と基台７を接触させた後、表面性測定機のテーブル移動の指令を与えて行った。また、いずれの実験も雰囲気温度下（２１℃〜２４℃）で測定を行った。

以下に示す実施例で使用した基台および移動体は、日立金属株式会社の冷間ダイス鋼ＳＫＤ１１に熱処理を施したものであり、熱処理後、基台および移動体を研削加工するとともに、ラッピング加工して所定の表面粗さに仕上げた。基台および移動体のいずれの摺動面も、その表面硬度は約６９４ＨＶ（６０ＨＲＣ）であった。

図４は、表面粗さの最大高さが０．５１μmの移動体の摺動面と、表面粗さの最大高さが０．４４μmの基台の摺動面の組み合わせのすべり案内に、直径が５μｍのニッケル球状粒子を４．２重量％で添加した潤滑液を供給した場合の摺動摩擦係数の測定結果と、表面粗さの最大高さが０．５０μmの移動体の摺動面と、表面粗さの最大高さが０．４４μmの基台の摺動面の組み合わせのすべり案内に、微小粒子を添加しない潤滑液を供給した場合の摺動摩擦係数の測定結果を示す。潤滑液にはインフィニティ株式会社製の摺動用潤滑液ＷＡＹ６８（４０℃での動粘度が約２１５ｍｍ^２／ｓ）を使用した。図４中に示す４００ＨＶは添加した粒子の硬度を示し、図４中のＳＫＤ１１／ＳＫＤ１１（０．５０／０．４４）は、移動体として表面粗さの最大高さが０．５０μｍのＳＫＤ１１、基台として表面粗さの最大高さが０．４４μｍのＳＫＤ１１を使用したことを示す。いずれの測定においても、測定した摺動摩擦係数の値にばらつきがあるため、一つの摺動速度に対して実験を３〜５回繰り返し、各測定で得られた摺動摩擦係数の値を図４中の白丸又は三角印で示した。図中の線は、各すべり速度におけるそれらの摺動摩擦係数の測定値の平均値を滑らかな曲線で結んだものである。

図４に示した結果から、微小粒子を添加しない場合、摺動速度が約１０ｍｍ／ｍｉｎ以
下の摺動速度域で摺動摩擦係数は急激に増大するが、５μｍの微小粒子を潤滑液中に添加した場合は摺動速度が１０ｍｍ／ｍｉｎ以下といった極低摺動速度域でも摺動摩擦係数の増大は見られないことがわかる。これらのことから、微小なころがり要素を潤滑液中に添加することによって、すべり案内装置の摺動摩擦係数の摺動速度依存性を小さくできることが判る。

図５は、表面粗さの最大高さが０．５１μmの移動体の摺動面と、表面粗さの最大高さが０．３７μmの基台の摺動面の組み合わせのすべり案内に、直径が０．３μｍの銅粒子を２．３重量％で添加した潤滑液を供給した場合の摺動摩擦係数の測定結果と、表面粗さの最大高さが０．５８μmの移動体の摺動面と表面粗さの最大高さが０．３７μmの基台の摺動面の組み合わせのすべり案内に、微小粒子を添加しない潤滑液を供給した場合の摺動摩擦係数の測定結果を示す。潤滑液には住鉱潤滑剤株式会社の摺動用潤滑液Ｓ１０−４（４０℃での動粘度が約６９．８２ｍｍ^２／ｓ）を使用した。

この場合、微小粒子の添加の有無かかわらず、摺動速度が１０ｍｍ／ｍｉｎ以下の極低摺動速度域では、すべり案内の摺動摩擦係数は急激に増大した。これは、摺動面の表面粗さの最大高さの和が、添加した微小粒子の直径より大きいためであり、こういった条件では、微小粒子を添加しても摺動摩擦係数の摺動速度依存性を緩和する効果は小さいといえる。

図６は、表面粗さの最大高さが０．５１μmの移動体の摺動面と、表面粗さの最大高さが０．４４μmの基台の摺動面の組み合わせのすべり案内に、４００ＨＶの硬度を有する直径５μｍのニッケル球状粒子を４．２重量％で添加した潤滑液を供給した場合の摺動摩擦係数の測定結果と、表面粗さの最大高さが０．６４μmの移動体の摺動面と、表面粗さの最大高さが０．３７μmの基台の摺動面の組み合わせのすべり案内に、８００ＨＶの硬度を有する直径５μｍのニッケル球状粒子を３．９重量％で添加した潤滑液を供給した場合の摺動摩擦係数の測定結果を示す。潤滑液にはインフィニティ株式会社のＷＡＹ６８（４０℃での動粘度が約２１５ｍｍ^２／ｓ）を使用した。

本実施例では、摺動摩擦係数に及ぼす微小球状粒子の硬度の影響を調べた。いずれの硬度の粒子を添加した場合でも摺動摩擦係数の速度依存性は小さいが、８００ＨＶの硬度の粒子を添加した場合は、４００ＨＶの粒子を添加した場合に比べて摺動摩擦係数は小さかった。本実験で使用した摺動面の表面硬度が約６９４ＨＶであったことから、摺動摩擦係数が小さく、かつ摺動摩擦係数の摺動速度依存性が小さいすべり案内を提供するためには、摺動面の表面硬度より高硬度の微小粒子を使用したほうがよいといえる。

鏡面すべり案内装置の摺動摩擦特性の一例を示す図である。すべり案内装置の概略を示す図である。摺動摩擦試験機の概略を示す図である。５μｍの微小粒子を添加した場合と添加しない場合の摺動摩擦特性の比較を示す図である。０．３μｍの微小粒子を添加した場合と添加しない場合の摺動摩擦特性の比較を示す図である。微小粒子を添加したすべり案内装置の摺動摩擦係数に及ぼす微小粒子の硬度の影響を示す図である。

符号の説明

１移動体
２基台
３潤滑液
４分銅
５支点
６移動体
７基台
８テーブル
９コンピュータ
１０Ａ／Ｄ変換器
１１荷重変換器
１２バランサー

Claims

基台および移動体の摺動面が潤滑液を介した状態で互いに対向して摺動するすべり案内装置において、摺動面間に供給する潤滑液中にころがり要素体を添加するとともに、当該ころがり要素体の径の大きさを前記基台および前記移動体の摺動面の表面粗さの最大高さの和より大としたことを特徴とするすべり案内装置。
基台および移動体の摺動面が潤滑液を介した状態で互いに対向して摺動するすべり案内装置において、摺動面間に供給する潤滑液中にころがり要素体を添加するとともに、当該ころがり要素体の径の大きさを前記基台および前記移動体の摺動面の表面粗さの最大高さの和より大とし、さらに当該ころがり要素体の硬度を前記基台および前記移動体の摺動面の硬度のいずれよりも大としたことを特徴とするすべり案内装置。
鋼製の基台および鋼製の移動体の摺動面が潤滑液を介した状態で互いに対向して摺動するすべり案内装置において、摺動面間に供給する潤滑液中にころがり要素体を添加するとともに、当該ころがり要素体の径の大きさを前記基台および前記移動体の摺動面の表面粗さの最大高さの和より大とし、さらに当該ころがり要素体の硬度を前記基台および前記移動体の摺動面の硬度のいずれよりも大としたことを特徴とするすべり案内装置。