JP4460981B2 - ディンプル加工方法およびディンプル加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、キャビテーション泡の崩壊時に発生する衝撃波を利用して、被加工物の表面に微細な凹部を形成するディンプル加工方法およびディンプル加工装置に関する。

例えば車両の動力伝達用コネクティングロッドの軸受のように、軸受面圧が高い軸受装置においては、摺動面の狭い空間に対し、いかに潤滑油を効果的に保持するかが重要なポイントとなっている。

従来では、きさげ仕上げなどによって軸受摺動面に微細な窪み（凹部）を多数加工し、その窪みに潤滑油を保持させ、軸と軸受摺動面との摩擦抵抗を少なくする工夫がなされてきた。

しかし、これらの加工は、人間の手作業によるところが多く、また、熟練作業者のカンに頼るところが大きいため、一部の機械の適用に留まっている。

一方、近年においては、機械的手段によって被加工物の表面に凹部を形成するディンプル加工方法が種々開発されており、例えばサンドブラスト、あるいは鋼球やセラミックス球を用いたショットピーニングによって、軸受摺動部材の表面にディンプル加工を施す方法が提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。また、同様の加工をレーザパルスの照射によって行う方法も提案されている（例えば、特許文献４参照）。
特開２００３−１８４８８３号公報 特開２００３−４２１５３号公報 特開２００１−２０５３９４号公報 特開２００２−１０３０６４号公報

上述したサンドブラスト、あるいは鋼球やセラミックス球を用いたショットピーニングによるディンプル加工においては、鋼球やセラミックス球等の加工素材を多量に必要とし、その材料コストが必要となるだけでなく、鋼球やセラミックス球を準備するための前処理工程に多くの手間を必要とする。しかも、加工後においては仕上げ処理を必要とするほか、鋼球やセラミックス球等の材料廃棄等の後処理工程にも多くの手間を要するうえ、一旦使用した鋼球やセラミックス球等の加工素材は再使用できず、不経済である等の難点もある。

また、レーザパルスの照射によるディンプル加工方法では、極めて高いエネルギ源を必要とし、さらに加工範囲の制約等を受けたり、作業に高度の技術を要する等の難点がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、鋼球やセラミックス球を用いたショットピーニングのような前処理や後処理を必要とすることなく、またレーザパルスの照射によるディンプル加工方法のような高エネルギ源も必要とすることなく、極めて簡易な装置構成によって、高能率かつ高精度のディンプル加工を行うことができるディンプル加工方法およびディンプル加工装置を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するため、請求項１に係る発明では、金属または非金属からなる物質により構成された被加工物の表面に液体を介在させて振動体として横向き半円柱状のコマを近接配置し、前記コマを高周波振動させることにより前記液体中に微細なキャビテーション泡を発生させ、このキャビテーション泡の崩壊時における衝撃波の作用により、前記被加工物の表面に塑性変形による多数の凹部を形成することを特徴とするディンプル加工方法を提供する。

請求項２に係る発明では、前記振動体を超音波領域にて振動させるディンプル加工方法を提供する。

請求項３に係る発明では、前記コマと前記被加工物の表面との間に介在させる液体として、水もしくは水溶液を使用するディンプル加工方法を提供する。

請求項４に係る発明では、被加工物の表面とコマとの間隔を１０ｍｍ以下とするディンプル加工方法を提供する。

請求項５に係る発明では、前記被加工物を固定し、前記コマを複数の方向から加振させるディンプル加工方法を提供する。

請求項６に係る発明では、前記被加工物を振動可能な台に固定し、前記コマと前記台とを高周波で加振させるディンプル加工方法を提供する。

請求項７に係る発明では、高周波振動を発生させる高周波振動発生装置と、この高周波振動発生装置に連結して高周波振動する横向き半円柱状のコマと、前記高周波振動発生装置および前記コマを支持し、前記コマの一面を前記被加工物の表面に間隙を有して対向する位置に配置させる支持装置と、少なくとも前記コマと前記被加工物との隙間に液体を介在させる液体保持装置とを備えたディンプル加工装置を提供する。

請求項８に係る発明では、前記高周波振動発生装置は、超磁歪材料または圧電型セラミックス材料を用いて構成した振動部を有するディンプル加工装置を提供する。

請求項９に係る発明では、前記コマは、キャビテーション泡にて壊食されにくい高硬度材料により構成されているディンプル加工装置を提供する。

本発明によれば、金属または非金属からなる物質により構成された被加工物の表面に液体を介在させて振動体を近接配置し、この振動体を多次元で高周波振動させることによりキャビテーション作用を行わせ、被加工物の表面に多数の凹部を形成するので、鋼球やセラミックス球を用いたショットピーニングのような前処理や後処理を必要とすることなく、またレーザパルスの照射によるディンプル加工方法のような高エネルギ源も必要とすることなく、極めて簡易な装置構成によって、高能率かつ高精度のディンプル加工を行うことができる。

以下、本発明に係るディンプル加工方法およびディンプル加工装置の実施形態について、図面を参照して説明する。

［第１実施形態］（図１〜図４）
図１は、本発明の第１実施形態によるディンプル加工装置を示す構成図であり、図２は、ディンプル加工装置の作用部の説明図である。図３は、キャビテーションによるディンプル加工作用を示す説明図であり、図４は、ディンプル加工による施工面の状態を示す説明図である。

まず、図１により本実施形態のディンプル加工装置１の構成を概略的に説明する。このディンプル加工装置１は、例えば縦方向（ｙ軸方向）の高周波振動を発生させる第１の高周波振動発生装置２と、横方向（ｘ軸方向）の高周波振動を発生させる第２の高周波振動発生装置４とを備えている。

これら第１、第２の高周波振動発生装置２，４は、それぞれ高周波コイル２ａ，４ａと、超磁歪材料または圧電型セラミックス材料を用いて構成した振動部としての振動子２ｂ、４ｂとを有し、高周波電源装置３から電線３ａ，３ｂを介して供給される高周波電流によって高周波振動する構成とされている。

第１、第２の高周波振動発生装置２，４には、それぞれ縦方向（ｙ軸方向）の軸２ｃおよび横方向（ｘ軸方向）の軸４ｃがそれぞれ設けられ、これらの軸２ｃ，４ｃは連結ピン２ｅを有する連結部２ｄにより互に連結され、これにより多次元動作、例えば縦横方向（ｘ、ｙ方向）の合成された振動を出力できるようになっている。

また、第１、第２の高周波振動発生装置２，４には、それぞれ縦方向の軸２ｃおよび横方向の軸４ｃを介して連結されて高周波振動する振動体としてコマ５が備えられている。このコマ５は、後述するキャビテーション泡にて壊食されにくい高硬度材料により構成されている。そして、コマ５は被加工物７の表面形状に対応する平坦面、もしくは被加工物７の表面の曲率と同程度の曲率をもつ曲面を有している。

さらに、高周波振動発生装置１，４およびコマ５を支持し、コマ５の一面を被加工物７の表面に間隙を有して対向する位置に配置させる支持装置１４、１５と、少なくともコマ５と被加工物７との隙間に液体である清水９を介在させる液体保持装置としての水槽８とが備えられている。

以下、詳述する。第１の高周波振動発生装置２には、高周波コイル２ａと振動子２ｂとが内包されており、高周波コイル２ａには高周波電源装置３から高周波電流が供給される。高周波コイル２ａに供給された高周波電流は高周波コイル２ａにて高周波の交番磁界に変換され、振動子２ｂに交番磁界が付与され、振動子２ｂを高周波にて上下方向（ｙ方向）に伸縮運動させるようになっている。振動子２ｂには、垂直下方に伸びる縦軸２ｃが固接されており、振動子２ｂの交番振動が直接縦軸２ｃに伝達される。

第２の高周波振動発生装置４には、高周波コイル４ａと振動子４ｂとが内包されており、高周波コイル４ａには高周波電源装置３から高周波電流が供給される。高周波コイル４ａに供給された高周波電流は高周波コイル４ａにて高周波の交番磁界に変換され、振動子４ｂに交番磁界が付与され、振動子４ｂを高周波にて横方向（ｘ方向）に伸縮運動させるようになっている。振動子４ｂには、横方向に伸びる横軸４ｃが固接されており、振動子４ｂの交番振動が直接横軸４ｃに伝達される。この横軸４ｃの先端が、縦軸２ｃの中間に設けられた連結部２ｄにおいて、連結ピン２ｅを介して回転自在に連結されている。

縦軸２ｃの先端部（下端部）には、コマ５が強固に固接されている。コマ５は、例えば上半が直方体状で、かつ下半が横向き半円柱状とされている。このコマ５に対し、第１の高周波振動発生装置２は上下方向の振動を印加し、第２の高周波振動発生装置４は、水平方向の振動を印加する。すなわち、コマ５は、両高周波振動発生装置２，４により、多次元振動を行う。

コマ５は清水９を満たした水槽８に浸漬されている。そして、上下振動と水平振動を付与されたコマ５は、隙間を有して設置・固定された被加工物７に対して上下振動と水平振動を行う。これに対し、被加工物７は、例えばコマ５の下面に対応する形状、すなわち半円筒状のものであり、支持装置１６により水槽８内に凹面側を上向きとして支持されるとともに、上端縁部が保持部材１７により、下方に向って押圧保持されている。なお、保持部材１７は、図示省略の保持機構により、被加工物７を強固に、かつ着脱可能に保持することができる。

このような状態で、第１、第２の高周波振動発生装置２、４により発生する高周波振動によってコマ５がｘ、ｙ方向に振動すると、被加工物７の上向き内面側の凹状をなす施工面７ａと、コマ５の下端面との空間部において、キャビテーション泡が発生および崩壊を繰り返して行われ、泡の崩壊時に大きな衝撃波を発生させる。この作用を、図２に示したキャビテーション泡の発生部の拡大図を参照して説明する。

図２において、キャビテーション泡６は、コマ５と被加工物７の施工面７ａとの間に設けられた狭隘な空間部に発生する。上下方向（ｙ方向）の振動の振幅と、水平方向（ｘ方向）の振幅と位相を適当な値に調整することにより、コマ５のキャビテーション発生面５ａは施工面７ａに対して垂直に高周波にて振動することができる。施工面７ａに対してキャビテーション発生面を垂直に振動させることにより、微細なキャビテーション泡６を狭隘な空間部に多量に発生させることができる。

なお、キャビテーション泡６の崩壊時における衝撃波の圧力は数百ＭＰａにも達する。そこで、施工面７ａ以外でキャビテーション泡６による壊食を防止するため、コマ５の上側部である非キャビテーション発生部であるコマ外周部５ｂ，５ｄにはキャビテーション泡６が発生しにくい弾力性のあるゴムなどによる被覆が施されている。また、コマ５には、被加工物７に対する非施工面である箇所には大きな空間部５ｃが設けられ、キャビテーション泡６が発生しにくい非キャビテーション発生部とされている。次に、図３により、キャビテーション泡６とその衝撃波の作用原理について説明する。

図３において、コマ５のキャビテーション発生部５ａと被加工物７の施工面７ａが清水９により満たされ、ギャップａの距離を保って狭隘な空間部が形成されている。今、ギャップａが１０ｍｍ以下の微少な間隙を保った状態でキャビテーション発生部５ａが上方に瞬時に移動すると、キャビテーション発生部５ａの表面は瞬間的に負圧となり、清水９の飽和蒸気圧以下の圧力場が形成され、キャビテーション泡６としての微細な泡が発生する。

次に、キャビテーション発生部５ａが下方に瞬時に移動すると、発生していたキャビテーション泡６が圧力により崩壊する。この時、数百ＭＰａに達する衝撃波６ａが発生する。このとき、発生する衝撃波６ａは距離が大きくなるに従って拡散、減衰されるため、数十ｍｍ離れた施工面に対しては、ほとんど衝撃波としての作用を及ぼさないが、ギャップａを１０ｍｍから数百μｍの値にすると、キャビテーション泡６の崩壊によって生じた衝撃波６ａは他のキャビテーション泡と相互に作用しながら衝撃波を発生し、その一部はキャビテーション発生面５ａと施工面７ａの間を反射を繰り返す。すなわち、本実施形態では、コマ５と被加工物７の表面との問に発生する衝撃波６ａを、コマ５と被加工物７の表面との聞にて反射させる。

キャビテーション泡６を狭い空間で高密度に発生させると、この傾向は顕著に表れる。これにより、キャビテーション泡６にて生じた衝撃波６ａを施工面７ａの表面に作用させることにより、施工面７ａの表面を衝撃波により塑性変形させ、施工面７ａの表面に微細な凹凸を多数生じさせる。被加工物７の材質や硬さと所要の硬化深さにより、第１の高周波振動発生装置２と第２の高周波振動発生装置４との振動数と、ストロークおよび位相を適度な値に調整することにより、狭隘な空間部にキャビテーション泡６を高密度に発生させ、所要の微細な凹部７ｂの加工を行わせることができる。このキャビテーションによって加工された施工面７ａの表面状態の構成を図４に示している。

図４において、キャビテーション泡の崩壊によって生じた衝撃波により、凹部７ｂが施工面７ａに多数形成されている。施工面７ａへの衝撃波の作用時間、ギャップ、周波数、ストロークなどを適宜制御することにより、所要の大きさの凹部７ｂの施工条件を予め試験により求めておき、求められた施工条件により施工することにより、所定の大きさと深さを有した凹部７ｂを施工することができる。

本実施形態によれば、曲面が複雑に変化する被加工物においても、その被加工物の表面形状に沿って振動子としてのコマ５を倣い加工と同じように一定のギャップ値を保って振動させることが可能となり、複雑な曲面に対しても、キャビテーション泡６を面状に高密度に発生させることが可能となる。そして、キャビテーション泡６の崩壊時の衝撃波６ａを利用して微細な凹部７ｂの形状を施工面７ａに高い密度で表面に得ることができる。

すなわち、本実施形態では、以上のディンプル加工方法により、金属または非金属からなる物質により構成された被加工物７の表面に液体としての清水９を介在させて振動体としてのコマ５を近接配置し、このコマ５を高周波振動させることにより清水９中に微細なキャビテーション泡６を発生させ、このキャビテーション泡６の崩壊時における衝撃波６ａの作用により、被加工物７の表面に塑性変形による多数の凹部７ｂを形成することにより、ウォータージェットによるピーニングのような高圧水による反力が発生せず、かつ一度の施工によって被加工物７の表面に高密度の微細な凹部７ｂを加工することができるため、ウォータージェットのように細いジェット流を施工面にトラバースして施工するトラバース装置も不要となる等多くの利点がある。

しかも、本実施形態によれば、鋼球やセラミックス球を用いたショットピーニングのような前処理や後処理を必要とすることなく、またレーザパルスの照射によるディンプル加工方法のような高エネルギ源も必要とすることなく、極めて簡易な装置構成によって、高能率かつ高精度のディンプル加工を行うことができる。

なお、本実施形態において、振動体としてのコマ５の振動数については、上述した高周波振動（例えば５００Ｈｚ以上）、望ましくは超音波領域（２０ｋＨｚ〜８０ｋＨｚ）とする。

また、上記の例では、振動体としてのコマ５を，下面凸形状としたが、下面凹形状とし、上面凸形の被加工物へのディンプル加工を行うようにしてもよい。

また、上記の例では、コマ５と被加工物７の表面との間に介在させる液体として、清水９を適用したが、それ以外の水もしくは水溶液を使用することも可能である。

［第２実施形態］（図５）
図５は、本発明の第２実施形態によるディンプル加工装置を示す構成図である。

図５に示すように、本実施形態が第１実施形態と異なる点は、コマ５を高周波振動させるための高周波振動発生装置を、上下方向（ｙ方向）振動用の第１の高周波振動発生装置２のみとし、被加工物７の支持装置１６を例えば車輪１８により横方向（ｘ方向）に往復動可能な移動式構成とし、この支持装置１６を横方向（ｘ方向）振動用の第２の高周波振動発生装置４によって振動させるようにした点にある。被加工物７は移動用の車輪１８を有する支持装置１６の台車部１６ａに保持具１７等によって振動などでゆるみを生じないように強固に固定される。

すなわち、第１実施形態では、被加工物７を固定し、コマ５を複数の方向から加振させるディンプル加工技術について説明したが、本実施形態では、被加工物７を振動可能な台としての支持装置１６に固定し、コマ５と支持装置１６とを高周波で加振させることにより多次元に振動させるディンプル加工方法を実施するものである。

その他の内容については、第１実施形態と略同様であるから、図５に図１と同一の符号を付して、重複する説明を省略する。

このようなディンプル装置の構成およびディンプル方法によっても、第１実施形態と同様に、予め試験により求めておき、求められた施工条件により施工することにより、所定の大きさと深さを有した凹部７ｂを施工することができる。

そして、曲面が複雑に変化する被加工物７においても、被加工物７の表面形状に沿ってコマ５を倣い加工と同じように一定のギャップ値を保って振動させることが可能となり、複雑な曲面に対しても、前述したキャビテーション泡６を面状に高密度に発生させることができ、キャビテーション泡６の崩壊時の衝撃波６ａを利用して、微細な凹凸形状を施工面に高い密度で得ることができる。

［第３実施形態］（図６）
図６は、本発明の第３実施形態によるディンプル加工装置を示す構成図である。

図６に示すように、本実施形態が第１実施形態と異なる点は、被加工物７を清水９に満たされた水槽８の中に浸漬した状態で、この被加工物７を揺動可能な状態に回転ローラ２０を介して支持装置１６に回動可能に支持させた点にある。

そして、このような状態にて回転ローラ２０に支持されている被加工物７に対し、コマ５を高周波で振動させながら被加工物７を揺動させることにより、施工面７ａに上述したキャビテーション泡６の崩壊時に発生する衝撃波６ａにより、凹部７ｂを形成させるものである。

他の内容については、第１実施形態または第２実施形態と略同様であるから、図５に図１と同一の符号を付して、重複する説明を省略する。

本実施形態によると、被加工物７が揺動可能な湾曲した形状の場合には、高周波振動発生装置が１台にて済む効果があり、大きな軸受メタル等に施工する場合には高額な大型の高周波振動発生装置が少なくできるので、大きな経済的利点が得られる。

［第４実施形態］（図７）
図７は、本発明の第４実施形態として、被加工物７の具体例を示した構成図である。

この図７に示すように、本実施形態の被加工物７は、例えば車両用エンジンなどに使用されるコネクティングロッド２１として実施したものである。

コネクティングロッド２１には軸受部２２が設けられており、軸受メタル２３が上部軸受メタル２３ａと下部軸受メタル２３ｂに分割されている。このような軸受メタル２３を取付けているケース２４のボルト２５をはずし、ケース２４から軸受メタル２３（２３ａ，２３ｂ）を取り出して上述の方法により、軸受摺動面に微細な凹部を多数施工することにより、凹部に潤滑油を多く保持することが可能となり、高負荷荷重下での軸受けの焼き付け防止が有効に図れるようになる。

本発明の第１実施形態のディンプル加工装置を示す構成図。 本発明の第１実施形態のディンプル加工装置の作用部構成を示す拡大図。 本発明の第１実施形態のキャビテーション作用によるディンプル加工の状態を示す作用説明図。 本発明の第１実施形態のディンプル加工による施工面の状態を示す拡大図。 本発明の第２実施形態のディンプル加工装置を示す構成図。 本発明の第３実施形態のディンプル加工装置を示す構成図。 本発明の第４実施形態のディンプル加工品の例を示す構成図。

符号の説明

１ ディンプル加工装置
２ 第１の高周波振動発生装置
２ａ 高周波コイル
２ｂ 振動子
２ｃ 縦軸
２ｄ 連結部
２ｅ 連結ピン
３ 高周波電源装置
４ 第２の高周波振動発生装置
４ａ 高周波コイル
４ｂ 振動子
４ｃ 横軸
５ コマ
５ａ キャビテーション発生面
５ｂ コマ外周部
５ｃ 非キャビテーション発生部
５ｄ 非キャビテーション発生部
６ キャビテーション泡
６ａ 衝撃波
６ｂ 反射波
７ 被加工物
７ａ 施工面
７ｂ 凹部
８ 水槽
９ 清水
１４ 支持装置
１５ 支持装置
１６ 支持装置
１７ 保持装置
１８ 車輪
２０ 回転ローラ
２１ コネクティングロッド
２２ 軸受部
２３ 軸受メタル
２４ ケース
２５ ボルト

Claims (9)

1. 金属または非金属からなる物質により構成された被加工物の表面に液体を介在させて振動体として横向き半円柱状のコマを近接配置し、前記コマを高周波振動させることにより前記液体中に微細なキャビテーション泡を発生させ、このキャビテーション泡の崩壊時における衝撃波の作用により、前記被加工物の表面に塑性変形による多数の凹部を形成することを特徴とするディンプル加工方法。
2. 前記振動体を超音波領域にて振動させる請求項１記載のディンプル加工方法。
3. 前記コマと前記被加工物の表面との間に介在させる液体として、水もしくは水溶液を使用する請求項１または２のいずれかに記載のディンプル加工方法。
4. 被加工物の表面とコマとの間隔を１０ｍｍ以下とする請求項１から３までのいずれかに記載のディンプル加工方法。
5. 前記被加工物を固定し、前記コマを複数の方向から加振させる請求項１から４までのいずれかに記載のディンプル加工方法。
6. 前記被加工物を振動可能な台に固定し、前記コマと前記台とを高周波で加振させる請求項１から５までのいずれかに記載のディンプル加工方法。
7. 請求項１から６までのいずれかに記載の方法を実施するためのディンプル加工装置であって、高周波振動を発生させる高周波振動発生装置と、この高周波振動発生装置に連結して高周波振動する横向き半円柱状のコマと、前記高周波振動発生装置および前記コマを支持し、前記コマの一面を前記被加工物の表面に間隙を有して対向する位置に配置させる支持装置と、少なくとも前記コマと前記被加工物との隙間に液体を介在させる液体保持装置とを備えたことを特徴とするディンプル加工装置。
8. 前記高周波振動発生装置は、超磁歪材料または圧電型セラミックス材料を用いて構成した振動部を有する請求項７記載のディンプル加工装置。
9. 前記コマは、キャビテーション泡にて壊食されにくい高硬度材料により構成されている請求項７または請求項８記載のディンプル加工装置。

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