JP5084546B2 - 動圧形流体軸受用スリーブの製造方法および動圧形流体軸受用スリーブ - Google Patents
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Description
本発明は、回転軸を支承する軸受面に動圧溝が形成された動圧形流体軸受用スリーブの製造方法とその製造方法により製造された動圧形流体軸受用スリーブに関する。
動圧軸受用スリーブは、内周面に動圧発生用の動圧溝が形成され、このスリーブに挿入されたシャフトが回転すると、動圧溝がシャフトとスリーブとの間の流体に動圧を発生させて、スリーブに対してシャフトをラジアル方向に支持するようにしたものである。
このスリーブの内面に動圧溝を形成する方法としては、粉末材料を圧縮成形することにより円筒状の圧縮成形体を成形すると同時に、動圧溝を有するコアロッドにより内周面に転写式に動圧溝を形成する方法が知られている（特許文献１）。
また、軸受面における動圧溝の成形方法としては、軸受素材よりも硬質の複数個のボールを円周等間隔に配列保持した軸状の治具を軸受素材の内周面に挿入し、治具の回転と送りによってボールに螺旋運動を与えながら、ボールを素材内周面に加圧して動圧溝の形成領域を塑性加工する方法が知られている（特許文献２）。
しかしながら、特許文献１に記載された方法では、次のような問題点が生じる。
すなわち、動圧溝を有するコアロッドを抜く方法として、素材のスプリングバックを利用しているため、成形できる溝の深さはスプリングバック量に依存し、数十μｍと小さく、φ１０ｍｍ以下程度の小径軸受にしか適用できず、ミシンに適用されるような大径軸受には不適であった。
また、特許文献２に記載された方法によると、動圧溝は螺旋形状の組み合わせだけであり、自由で理想的な動圧溝を実現させることができない。また、ボールを押し当てて動圧溝を形成すると溝の両側にポアソン変形による盛上りが発生するため、これを旋盤やリーマで除去加工する必要があり、またこの二次加工により発生する二次バリの除去にさらなる工数が発生する問題があった。
本発明は、そのような問題点に鑑み、寸法に制限が無く、形状も自由な三次元形状の動圧面の成形加工を、金属射出成形法を、用いて少ない工数で、かつ、精度良く行うことができる動圧形流体軸受用スリーブの製造方法および動圧形流体軸受用スリーブを提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の動圧形流体軸受用スリーブの製造方法は、動圧溝を転写形成するための凸状部を円筒外周に有する円筒状の樹脂製中子を、動圧軸受スリーブ形状のキャビティを有する金型内部に入れ、鋼材粉末とバインダを混練して作った成形材料を射出成形して成形体を形成する成形体形成工程、前記成形体から前記バインダの一成分であるワックス成分のみを取り除き、予備的な脱脂を行って脱脂体を形成する予備脱脂工程、前記脱脂体を焼結炉の中にいれて加熱し、前記バインダの残りの成分を熱分解させるとともに前記樹脂製中子も熱分解させて消滅させる本脱脂工程、その後さらに加熱して前記成形体の鋼材粉末を焼結させる焼結工程、を順に経ることを特徴とする。
この工程を順に経ることで、寸法に制限が無く、形状も自由な三次元形状の動圧溝を内面に有する軸受用スリーブを形成することができる。さらに、寸法精度を確保するため、サイジングなどの二次加工を実施することができる。
また、本発明の動圧形流体軸受用スリーブの製造方法は、前記樹脂製中子として、中空に形成された樹脂製中子を用いることを特徴とする。
このように、中空とされた樹脂製中子を用いることで、中子に対する不活性ガスの対流を効率的に行ない、焼結前の熱分解を容易にすることができる。
なお、本発明の動圧形流体軸受用スリーブの製造方法は、具体的には、前記鋼材粉末として金属粉末あるいはセラミック粉末を用い、それぞれ金属射出成形法あるいはセラミック射出成形法によることで前記成形体を形成することができる。
このように、本発明の動圧形流体軸受用スリーブの製造方法によれば、三次元の動圧溝の形状や寸法を自由に設計することができ、簡単かつ少ない工程で、軸受スリーブの内径に、動圧の作用を有する複雑な溝形状や寸法を精度良く形成することができる。
また、本発明の動圧形流体軸受用スリーブは、前記請求項１乃至３のいずれかに記載の動圧形流体軸受用スリーブの製造方法により製造されたことを特徴とする。
本発明の動圧形流体軸受用スリーブによれば、自由設計された複雑な溝形状に形成された動圧溝を有していても、軸受面の成形精度が高いので、シャフトとスリーブとの間の適切な潤滑油（グリス）の循環を確保し、良好かつ安定した軸受機能と高い耐久性を有するものとなる。
図１は本発明の製造方法によって製造される動圧形流体軸受スリーブ１（以下、単に「軸受スリーブ１」と称する）の一実施形態を示している。
この軸受スリーブ１の内径には、従来工法の金型成形では成形不可能あるいは困難であった、軸方向に対して傾斜したラインの組み合わせからなるヘリンボーン形状の動圧溝２がアンダーカット形成されている。なお、前記動圧溝２は、スリーブ１に挿入されるシャフトが回転することによりスリーブ１とシャフト間に介在する潤滑油（グリス）を溝形状に沿って先鋭部に集め、スリーブ１とシャフトとを非接触状態として摩擦力を低下させるように作用する。
以下、本発明の動圧形流体軸受スリーブ１の製造方法について、図２のフローチャートに従って説明する。
先ず、図３に示す、ヘリンボーン形の動圧溝２を転写形成するための凸状部が円筒外周に形成されたポリマの中子４をプラスチック射出成形により成形する（Ｓ１）。中子４を形成する樹脂としては、ポリアセタール（ＰＯＭ）などの熱可塑化樹脂成形材料、あるいはフェノール樹脂、エポキシ樹脂、ジアリルフタレート樹脂などをベースとする熱硬化性樹脂成形材料を使用することができる。本実施形態において、中子４は後述するステップＳ１５の焼結前の熱分解を容易にするため、軸方向に貫通する空洞部５が形成された中空構造とする。
一方、前記中子４を用いて軸受スリーブ１を金属射出成形（ＭＩＭ:Metal Injection Molding）をするべく、鋼材粉末である金属の微粉末と、高分子化合物（ポリマ）であるプラスチックのペレットとワックス成分とからなるバインダを加熱しつつ混練し（Ｓ１１）、さらに、造粒機を用いて造粒して金属射出成形用の原材料を用意する（Ｓ１２）。
続いて、前記中子４の空洞部５に芯金６を挿入した後、図４に示す、軸受スリーブ１形状のキャビティ７を有する金属射出成形用の金型８の内部に挿入し、金属粉末とバインダを混練した材料Ｍを１５０℃〜１８０℃で射出ノズル９からキャビティ７内に注入して射出成形する。そして、瞬時に冷却した後、取り出し、芯金６を抜き取り、必要に応じてゲートカットやバリの除去を行って、図５に示す、グリーンと通称される金属成形体１０を形成する（Ｓ１３：成形体成形工程）。
そして、前記金属成形体１０からバインダの一部の成分を取り除いた後、前記金属成形体１０を焼結炉の中にいれて加熱し、バインダの残りの成分を熱分解させるとともに前記樹脂製の中子も熱分解させて消滅させる。具体的には、前記金属成形体１０を加熱脱脂あるいはノルマルへキサン等の溶媒脱脂にて、バインダの一成分であるワックス成分のみを除去し、定形性を保てる程度の予備的な脱脂を行なって、ブラウンと通称される脱脂体を得る（Ｓ１４Ａ：予備脱脂工程）。加熱脱脂による場合の予備脱脂工程は、ワックス成分の熱分解温度以上且つポリマの熱分解温度以下とする。
続いて、この脱脂体を不図示の焼結炉内に入れ、窒素やアルゴンガス等の不活性ガスや、水素等の還元性ガスを流しながらポリマの熱分解温度以上の温度（例えば６５０℃）に加熱し、バインダの残りの成分であるポリマを熱分解させると同時に、樹脂製（ポリマ）の中子４も熱分解させ、完全にガス化させて焼結炉外に真空ポンプを通して排出する（Ｓ１４Ｂ：本脱脂工程）。この本脱脂工程と前記予備脱脂工程とにより脱脂工程（Ｓ１４）を構成する。
次に、鋼材粉末成分が焼結する温度にまで加熱して本格的な脱脂である焼結を行ない、シルバーと通称される焼結体を得る（Ｓ１５：焼結工程）。
そして、必要に応じて、表面処理やさらなる熱処理等で細部のサイジングを行い、所望の形状の高密度の動圧軸受スリーブ１を形成する（Ｓ１６）。
例えば、前記鋼材粉末としてＳＣＭ材（クロム・モリブデン鋼）、ＳＮＣＭ（ニッケル・クロム・モリブデン鋼）材、ＳＵＳ材（ステンレス鋼）などの鉄系金属粉末を用いる場合であれば、９００℃から金属粉末同士がネッキングをおこして結合を開始し、１０００℃〜１４００℃まで温度を上げて焼結させることで、密度が８０〜１００％の軸受スリーブ１を形成することができる。また、前記鋼材粉末として銅系合金を用いる場合や、金属粉末に代えてセラミック粉末を用いることができ、その場合でも同様にして高密度の動圧形流体軸受スリーブ１を形成することができる。なお、セラミック粉末を用いて成形体を形成する際には、セラミック射出成型法による。
そして、本実施形態のように軸受スリーブ１の焼結開始前に消滅する中子４を用いることで、焼結体としての軸受スリーブ１から中子４を抜くことを考慮する必要がなく、三次元の動圧溝２の形状や寸法を自由に設計することができ、複雑な溝形状や寸法の動圧溝２を軸受スリーブ１の内径に簡単に形成することができる。
また、前記実施形態ではヘリンボーン形状の動圧溝２を有する軸受スリーブ１の製造方法について説明したが、動圧溝２はヘリンボーン形状に限らず、例えば、軸受スリーブ１の同一内周円上の３箇所に、油供給穴１１から供給されるグリスを溜める楔部が形成された三円弧動圧軸受スリーブ１Ａ（図６参照：符号１３はシャフト）も、本実施形態の製造方法によって、簡単に、寸法精度も良く、製造することができる。
さらに、焼結と同時あるいは焼結前に消滅する中子４を用いることで、寸法精度を極めて良好に製造することができるので、従来例のような、二次加工により発生する二次バリの除去にさらなる工数が必要となる等の問題の発生を回避でき、後処理が簡便となり、他の従来工法と比較しても少ない工程で形成することができ、製造にかかるコストも削減することが可能となる。
そして、本実施形態のように形成された軸受スリーブ１は、軸受面の成形精度が高いので、シャフトとスリーブとの間の適切な潤滑油（グリス）の循環を確保し、良好かつ安定した軸受機能と高い耐久性を有するものとなる。
なお、本発明は、前述した実施の形態に限定されるものではなく、必要に応じて種々の変更が可能である。
本発明の動圧形流体軸受スリーブの製造方法は、たとえば工業用ミシンなどの比較的大型の機械の軸受として利用することができる動圧形流体軸受スリーブの製造方法として極めて有効であり、製造結果物としての動圧形流体軸受スリーブは、従来のメタル軸受より高速化および低音化が可能な製品となる。
１ 軸受スリーブ
２ 動圧溝
３ 凸状部
４ 中子
５ 空洞部
６ 芯金
７ キャビティ
８ 金型
９ 射出ノズル
１０ 金属成形体
１１ 油供給穴
１２ 楔部
１３ シャフト
M 材料
２ 動圧溝
３ 凸状部
４ 中子
５ 空洞部
６ 芯金
７ キャビティ
８ 金型
９ 射出ノズル
１０ 金属成形体
１１ 油供給穴
１２ 楔部
１３ シャフト
M 材料
Claims (4)
- 動圧溝を転写形成するための凸状部を円筒外周に有する円筒状の樹脂製中子を、動圧軸受スリーブ形状のキャビティを有する金型内部に入れ、鋼材粉末とバインダを混練して作った成形材料を射出成形して成形体を形成する成形体形成工程、
前記成形体から前記バインダの一成分であるワックス成分のみを取り除き、予備的な脱脂を行って脱脂体を形成する予備脱脂工程、
前記脱脂体を焼結炉の中にいれて加熱し、前記バインダの残りの成分を熱分解させるとともに前記樹脂製中子も熱分解させて消滅させる本脱脂工程、
その後さらに加熱して前記成形体の鋼材粉末を焼結させる焼結工程、
を順に経ることを特徴とする動圧形流体軸受用スリーブの製造方法。 - 前記樹脂製中子として、中空に形成された樹脂製中子を用いることを特徴とする請求項１に記載の動圧形流体軸受用スリーブの製造方法。
- 前記鋼材粉末として金属粉末あるいはセラミック粉末を用い、それぞれ金属射出成形法あるいはセラミック射出成形法により、前記成形体を形成することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の動圧形流体軸受用スリーブの製造方法。
- 前記請求項１乃至３に記載のいずれかの動圧形流体軸受用スリーブの製造方法により製造されたことを特徴とする動圧形流体軸受用スリーブ。
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