JP5251279B2 - 表面処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、ワークにおける狭小幅の周溝の壁面に環状の被膜をコーティングする表面処理方法に関する。

回転機械の一つである過給機は、タービン側から高温ガスの流入を抑えるシール機構を備えており、このシール機構は、過給機における回転軸の外周面に形成されたシールリング溝（狭小幅の周溝の一つ）と、このシールリング溝に嵌入した状態で装着されたシールリングとからなっている。また、過給機の運転中に、シールリング溝の壁面にシールリングの側面との摺動によって摩耗が生じ易く、ＰＶＤ法、ＣＶＤ法、溶射法、めっき法、高周波焼入れ、又は窒化硬化等による表面処理によってシールリング溝の壁面に対して耐摩耗性のある環状の硬質被膜がコーティングされることがある。

なお、本発明に関連する先行技術として特許文献１、特許文献２、特許文献３、及び特許文献４に示すものがある。
特開平７−３４９２ 特許第３９０２４２１号 特許第３７４２４６２号 特許第３２９４７０３号

ところで、ＰＶＤ法等による表面処理は、シールリング溝の壁面に対してピンポイントで硬質被膜をコーティングすることができず、回転軸におけるコーティング不要な部位にマスキング処理を施さなければならない。そのため、環状の硬質被膜のコーティングに必要な一連の作業が煩雑化して、回転軸のシールリング溝の壁面に対する表面処理の作業性（生産性）を十分に向上させることが容易でないという問題がある。

なお、前述の問題は、シールリング溝の壁面に硬質被膜をコーティングする表面処理だけでなく、広く、ワークにおける狭小幅の周溝の壁面に被膜をコーティングする表面処理においても同様に生じるものである。

そこで、本発明は、前述の問題を解決することができる、新規な構成のコーティング方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の手段は、ワークにおける狭小幅の周溝の壁面に環状の被膜をコーティングする表面処理方法において、金属の粉末、金属の化合物の粉末、セラミックスの粉末、又はこれらの混合粉末から成形されてあって、一側に前記周溝の溝底形状に対応する半円形状のノッチが形成されかつ前記周溝の幅（溝幅）よりも薄い板状の放電電極を用い、前記放電電極の前記ノッチの縁部を前記周溝の壁面の半分側に近接するように対向させて、前記放電電極の前記ノッチの縁部と前記周溝の壁面の半分側との間にパルス状の放電を発生させることにより、その放電エネルギーによって前記放電電極の電極材料を前記周溝の壁面の半分側に付着させて、半環状の被膜をコーティングする第１コーティング工程と、前記第１コーティング工程の終了後に、前記放電電極の前記ノッチの縁部を前記周溝の壁面の残り半分側に近接するように対向させて、前記放電電極の前記ノッチの縁部と前記周溝の壁面の残り半分側との間にパルス状の放電を発生させることにより、その放電エネルギーによって前記放電電極の電極材料を前記周溝の壁面の残り半分側に付着させて、半環状の被膜をコーティングする第２コーティング工程と、を備えたことを要旨とする。

なお、本願の特許請求の範囲及び明細書中において、「狭小幅」とは、１０ｍｍ以下の幅のことをいい、前記放電電極の電極材料とは、電極材料の反応物質を含む意である。

第１の特徴によると、前記放電電極の前記ノッチの縁部を前記周溝の壁面に近接するように対向させた状態で、放電エネルギーによって前記放電電極の電極材料を前記周溝の壁面に付着させているため、前記ワークにおけるコーティング不要な部位にマスキング処理を施すことなく、前記周溝の壁面にピンポイントで被膜をコーティングすることができる。

また、一側に前記周溝の溝底形状に対応する半円形状のノッチが形成された棒状の前記放電電極を用い、前記放電電極の前記ノッチの縁部と前記周溝の壁面の半分側との間にパルス状の放電を発生させて、前記周溝の壁面に半環状の被膜を一度にコーティングすることができるため、環状の被膜のコーティング時間を短くすることができる。

本発明の第２の手段は、ワークにおける狭小幅の周溝の両壁面に環状の被膜をそれぞれコーティングする表面処理方法において、金属の粉末、金属の化合物の粉末、セラミックスの粉末、又はこれらの混合粉末から成形されてあって、一側に前記周溝の溝底形状に対応する半円形状のノッチが形成されかつ前記周溝の幅（溝幅）よりも薄い板状の放電電極を用い、前記放電電極の前記ノッチの縁部を前記周溝の一壁面の半分側に近接するように対向させて、前記放電電極の前記ノッチの縁部と前記周溝の一壁面の半分側との間にパルス状の放電を発生させることにより、その放電エネルギーによって前記放電電極の電極材料を前記周溝の一壁面の半分側に付着させて、半環状の被膜をコーティングする第１コーティング工程と、前記第１コーティング工程の終了後に、前記放電電極の前記ノッチの縁部を前記周溝の一壁面の残り半分側に近接するように対向させて、前記放電電極の前記ノッチの縁部と前記周溝の一壁面の残り半分側との間にパルス状の放電を発生させることにより、その放電エネルギーによって前記放電電極の電極材料を前記周溝の一壁面の残り半分側に付着させて、半環状の被膜をコーティングする第２コーティング工程と、前記第１コーティング工程の終了後に、前記放電電極の前記ノッチの縁部を前記周溝の他壁面の半分側に近接するように対向させて、前記放電電極の前記ノッチの縁部と前記周溝の他壁面の半分側との間にパルス状の放電を発生させることにより、その放電エネルギーによって前記放電電極の電極材料を前記周溝の他壁面の半分側に付着させて、被膜をコーティングする第３コーティング工程と、前記第３コーティング工程の終了後に、前記放電電極の前記ノッチの縁部を前記周溝の他壁面の残り半分側に近接するように対向させて、前記放電電極の前記ノッチの縁部と前記周溝の他壁面の残り半分側との間にパルス状の放電を発生させることにより、その放電エネルギーによって前記放電電極の電極材料を前記周溝の他壁面の残り半分側に付着させて、半環状の被膜をコーティングする第４コーティング工程と、を備えたことを要旨とする。

なお、前記第３コーティング工程は、前記第１コーティング工程の終了後であれば、前記第２コーティング工程の開始前又は終了後のいずれに開始するようにしても構わない。

第２の特徴によると、前記放電電極の前記ノッチの縁部を前記周溝の壁面に近接するように対向させた状態で、放電エネルギーによって前記放電電極の電極材料を前記周溝の壁面に付着させているため、前記ワークにおけるコーティング不要な部位にマスキング処理を施すことなく、前記周溝の壁面にピンポイントで被膜をコーティングすることができる。

また、一側に前記周溝の溝底形状に対応する半円形状のノッチが形成された棒状の前記放電電極を用い、前記放電電極の前記ノッチの縁部と前記周溝の壁面の半分側（残り半分側を含む）との間にパルス状の放電を発生させて、前記周溝の壁面に半環状の被膜を一度にコーティングすることができるため、環状の被膜のコーティング時間を短くすることができる。

本発明によれば、前記ワークにおけるコーティング不要な部位にマスキング処理を施すことなく、前記周溝の壁面にピンポイントで被膜をコーティングすることができると共に、環状の被膜のコーティング時間を短くすることができるため、環状の被膜のコーティングに必要な一連の処理作業の煩雑化を抑えつつ、前記ワークの前記周溝の壁面に対する表面処理の作業性（生産性）を飛躍的に向上させることができる。

以下、図１から図６を参照して、本発明の実施形態に係る表面処理方法の実施に直接使用する放電表面処理装置、本発明の実施形態に係る表面処理方法について順次説明する。ここで、図１から図４は、本発明の実施形態に係る表面処理方法を説明する図、図５（ａ）は、舶用過給機における回転軸を示す図、図５（ｂ）は、本発明の実施形態に係る放電電極のノッチとシーリング溝との関係を示す図、図６は、本発明の実施形態に係る表面処理方法の実施に直接使用する放電表面処理装置の模式的な正面図である。

図６に示すように、本発明の実施形態に係る表面処理方法の実施に直接使用する放電表面処理装置１は、本体フレーム３を備えており、この本体フレーム３は、Ｘ軸方向（換言すれば、左右方向）及びＹ軸方向（換言すれば、前後方向）へ延びたベッド５、このベッド５に設けられかつＺ軸方向（換言すれば、上下方向）へ延びたコラム７等からなっている。また、ベッド５には、可動テーブル９が設けられてあって、この可動テーブル９は、Ｘ軸サーボモータ１１の駆動によってＸ軸方向へ移動可能であって、Ｙ軸サーボモータ１３の駆動によってＹ軸方向へ移動可能である。

可動テーブル９には、電気的に絶縁性のある加工液を貯留する加工槽１５が設けられている。また、加工槽１５内には、ワークＷの軸心をＸ軸方向に平行に保ちつつワークＷを支持するワーク治具１７が設けられており、このワーク治具１７は、Ｘ軸サーボモータ１１及びＹ軸サーボモータ１３の駆動によって可動テーブル９と一体的にＸ軸方向及びＹ軸方向へ移動可能である。

ここで、本発明の実施形態にあっては、放電表面処理の対象であるワークＷは、舶用過給機における回転軸（タービン軸）であって、回転軸Ｗの外周面には、シールリングＲを嵌入可能なシールリング溝Ｇ（周溝の１つ）が形成されている（図５（ａ）参照）。また、本発明の実施形態にあっては、シールリング溝Ｇの幅（溝幅）は、
である。

コラム７には、加工ヘッド１９が設けられており、この加工ヘッド１９は、Ｚ軸サーボモータ２１の駆動によってＺ軸方向へ移動可能である。また、加工ヘッド１９には、板状の放電電極２３を保持する電極ホルダ２５が設けられており、この電極ホルダ２５は、Ｘ軸サーボモータ１１及びＹ軸サーボモータ１３の駆動によってワーク治具１７に対して相対的にＸ軸方向及びＹ軸方向へ移動可能であって、Ｚ軸サーボモータ２１の駆動によって加工ヘッド１９と一体的にＺ軸方向へ移動可能である。

ここで、放電電極２３は、ＴｉＣの粉末、ステライト金属の粉末、又はこれらの混合粉末から圧縮成形又は射出成形されたものであって、放電電極の一側（先端側）には、シールリング溝の溝底形状に対応する半円形状のノッチ２７が形成されている（図５（ｂ）参照）。また、放電電極２３は、シールリング溝Ｇの溝幅よりも薄くなっており、本発明の実施形態にあっては、放電電極２３の厚さをｔ、シールリング溝Ｇの幅をｂとすると、ｔ≧０．５ｍｍ、及びｂ−ｔ≧０．５ｍｍの関係が成立するようになっている。

ワーク治具１７と電極ホルダ２５の間には、放電電源２９が電気的に接続されており、この放電電源２９は、放電電極２３のノッチ２７の縁部とシールリング溝Ｇの壁面との間にパルス状の放電を発生させるものである。また、放電電源２９は、例えば特開２００５−２１３５５４号公報（図４、図５、及び図７等）に示すような公知の放電電源であって、コンデンサ、スイッチング素子、抵抗器等を備えている。

続いて、本発明の実施形態に係る表面処理方法について説明する。

本発明の実施形態に係る表面処理方法は、回転軸Ｗのシールリング溝Ｇの両壁面に耐摩耗性ある環状の硬質被膜Ｃをそれぞれコーティングする方法であって、第１コーティング工程、第２コーティング工程、第３コーティング工程、及び第４コーティング工程を備えている。そして、各コーティング工程の具体的な内容は、以下のようになる。

(i)第１コーティング工程
回転軸Ｗの軸心ＳをＸ軸方向に平行に保った状態で、回転軸Ｗをワーク治具１７にセットする。次に、Ｘ軸サーボモータ１１、Ｙ軸サーボモータ１３、及びＺ軸サーボモータ２１の駆動により電極ホルダ２５をワーク治具１７に対して相対的にＸ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向へ移動させて、図１（ａ）に示すように、放電電極２３のノッチ２７の縁部をシールリング溝Ｇの一壁面の半分側に近接するように対向させる。そして、放電電源２９により放電電極２３のノッチ２７の縁部とシールリング溝Ｇの一壁面の半分側との間にパルス状の放電を発生させることにより、その放電エネルギーによってシールリング溝Ｇの一壁面の半分側を局所的に溶融させつつ、放電電極２３の電極材料をシールリング溝Ｇの一壁面の半分側に付着させる。これにより、図１（ｂ）に示すように、シールリング溝Ｇの一壁面の半分側に半環状の硬質被膜Ｃをコーティングすることができる。

(ii)第２コーティング工程
第１コーティング工程の終了後に、Ｚ軸サーボモータ２１の駆動により電極ホルダ２５をＺ軸方向へ移動させて、一旦ワーク治具１７に対して離隔させる。次に、回転軸Ｗを軸心Ｓ周りに半回転させて、回転軸Ｗをワーク治具１７に再セットする。更に、Ｘ軸サーボモータ１１及びＺ軸サーボモータ２１の駆動により電極ホルダ２５をワーク治具１７に対して相対的にＸ軸方向及びＺ軸方向へ移動させて、図２（ａ）に示すように、放電電極２３のノッチ２７の縁部をシールリング溝Ｇの一壁面の残り半分側に近接するように対向させる。そして、放電電源２９により放電電極２３のノッチ２７の縁部とシールリング溝Ｇの一壁面の残り半分側との間にパルス状の放電を発生させることにより、その放電エネルギーによってシールリング溝Ｇの一壁面の残り半分側を局所的に溶融させつつ、放電電極の電極材料をシールリング溝Ｇの一壁面の残り半分側に付着させる。これにより、図２（ｂ）に示すように、シールリング溝Ｇの一壁面の残り半分側に半環状の硬質被膜Ｃをコーティングすることができ、換言すれば、シールリング溝Ｇの一壁面に環状の硬質被膜Ｃをコーティングすることができる。

(iii)第３コーティング工程
第２コーティング工程の終了後に、Ｘ軸サーボモータ１１の駆動により電極ホルダ２５をワーク治具１７に対して相対的にＸ軸方向へ移動させて、図３（ａ）に示すように、放電電極２３のノッチ２７の縁部をシールリング溝Ｇの他壁面の半分側に近接するように対向させる。そして、放電電源２９により放電電極２３のノッチ２７の縁部とシールリング溝Ｇの他壁面の半分側との間にパルス状の放電を発生させることにより、その放電エネルギーによってシールリング溝Ｇの他壁面の半分側を局所的に溶融させつつ、放電電極２３の電極材料をシールリング溝の他壁面の半分側に付着させる。これにより、図３（ｂ）に示すように、シールリング溝Ｇの他壁面の半分側に半環状の硬質被膜Ｃをコーティングすることができる。

(iv)第４コーティング工程
第３コーティング工程の終了後に、Ｚ軸サーボモータ２１の駆動により電極ホルダ２５をＺ軸方向へ移動させて、一旦ワーク治具１７に対して離隔させる。次に、回転軸Ｗを軸心Ｓ周りに半回転させて、回転軸Ｗをワーク治具１７に再セットする。更に、Ｘ軸サーボモータ１１及びＺ軸サーボモータ２１の駆動により電極ホルダ２５をワーク治具１７に対して相対的にＸ軸方向及びＺ軸方向へ移動させて、図４（ａ）に示すように、放電電極２３のノッチ２７の縁部をシールリング溝Ｇの他壁面の残り半分側に近接するように対向させる。そして、放電電源２９により放電電極２３のノッチ２７の縁部とシールリング溝Ｇの他壁面の残り半分側との間にパルス状の放電を発生させることにより、その放電エネルギーによってシールリング溝Ｇの他壁面の残り半分側を局所的に溶融させつつ、放電電極２３の電極材料をシールリング溝Ｇの他壁面の残り半分側に付着させる。これにより、図４（ｂ）に示すように、シールリング溝Ｇの他壁面の残り半分側に半環状の硬質被膜Ｃをコーティングすることができ、換言すれば、シールリング溝Ｇの他壁面に環状の硬質被膜Ｃをコーティングすることができる。

以上により、回転軸Ｗのシールリング溝Ｇの両壁面に対するコーティングが終了する。

なお、第３コーティング工程は、第１コーティング工程の終了後であれば、第２コーティング工程の開始前に開始するようにしても構わない。また、各コーティング工程において、シールリング溝Ｇの底面に硬質被膜をコーティングしても構わない。

続いて、本発明の実施形態の作用及び効果について説明する。

放電電極２３のノッチ２７の縁部をシールリング溝Ｇの壁面に近接するように対向させた状態で、放電エネルギーによって放電電極２３の電極材料をシールリング溝Ｇの壁面に付着させているため、回転軸Ｗにおけるコーティング不要な部位にマスキング処理を施すことなく、シールリング溝Ｇの壁面にピンポイントで硬質被膜Ｃをコーティングすることができる。

また、一側にシールリング溝Ｇの溝底形状に対応する半円形状のノッチ２７が形成された棒状の放電電極２３を用い、放電電極２３のノッチ２７の縁部とシールリング溝Ｇの壁面の半分側（残り半分側を含む）との間にパルス状の放電を発生させて、シールリング溝Ｇの壁面に半環状の硬質被膜Ｃを一度にコーティングすることができるため、環状の硬質被膜Ｃのコーティング時間を短くすることができる。

従って、本発明の実施形態によれば、回転軸Ｗにおけるコーティング不要な部位にマスキング処理を施すことなく、シールリング溝Ｇの壁面にピンポイントで硬質被膜Ｃをコーティングすることができると共に、環状の硬質被膜Ｃのコーティング時間を短くすることができるため、環状の硬質被膜Ｃのコーティングに必要な一連の処理作業の煩雑化を抑えつつ、回転軸Ｗのシールリング溝Ｇの壁面に対する表面処理の作業性（生産性）を飛躍的に向上させることができる。

なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限られるものではなく、その他、種々の態様で実施可能である。また、本発明に包含される権利範囲は、これらの実施形態に限定されないものである。

図１（ａ）は、本発明の実施形態に係る表面処理方法の第１コーティング工程を説明する図、図１（ｂ）は、シールリング溝の一壁面の半分側に硬質被膜がコーティングされた状態を示す図である。 図２（ａ）は、本発明の実施形態に係る表面処理方法の第２コーティング工程を説明する図、図２（ｂ）は、シールリング溝の一壁面の残り半分側に硬質被膜がコーティングされた状態を示す図である。 図３（ａ）は、本発明の実施形態に係る表面処理方法の第３コーティング工程を説明する図、図３（ｂ）は、シールリング溝の他壁面の半分側に硬質被膜がコーティングされた状態を示す図である。 図４（ａ）は、本発明の実施形態に係る表面処理方法の第４コーティング工程を説明する図、図４（ｂ）は、シールリング溝の他壁面の残り半分側に硬質被膜がコーティングされた状態を示す図である。 図５（ａ）は、舶用過給機における回転軸を示す図、図５（ｂ）は、本発明の実施形態に係る放電電極のノッチとシーリング溝との関係を示す図である。 本発明の実施形態に係る表面処理方法の実施に直接使用する放電表面処理装置の模式的な正面図である。

符号の説明

Ｃ 硬質被膜
Ｇ シールリング溝
Ｒ シールリング
Ｗ 回転軸（ワーク）
１ 放電表面処理装置
９ 可動テーブル
１１ Ｘ軸サーボモータ
１３ Ｙ軸サーボモータ
１７ ワーク治具
１９ 加工ヘッド
２１ Ｚ軸サーボモータ
２３ 放電電極
２５ 電極ホルダ
２７ ノッチ
２９ 放電電源

Claims (3)

1. ワークにおける狭小幅の周溝の壁面に環状の被膜をコーティングする表面処理方法において、
   金属の粉末、金属の化合物の粉末、セラミックスの粉末、又はこれらの混合粉末から成形されてあって、一側に前記周溝の溝底形状に対応する半円形状のノッチが形成されかつ前記周溝の幅よりも薄い板状の放電電極を用い、前記放電電極の前記ノッチの縁部を前記周溝の壁面の半分側に近接するように対向させて、前記放電電極の前記ノッチの縁部と前記周溝の壁面の半分側との間にパルス状の放電を発生させることにより、その放電エネルギーによって前記放電電極の電極材料を前記周溝の壁面の半分側に付着させて、半環状の被膜をコーティングする第１コーティング工程と、
   前記第１コーティング工程の終了後に、前記放電電極の前記ノッチの縁部を前記周溝の壁面の残り半分側に近接するように対向させて、前記放電電極の前記ノッチの縁部と前記周溝の壁面の残り半分側との間にパルス状の放電を発生させることにより、その放電エネルギーによって前記放電電極の電極材料を前記周溝の壁面の残り半分側に付着させて、半環状の被膜をコーティングする第２コーティング工程と、を備えたことを特徴とする表面処理方法。
2. ワークにおける狭小幅の周溝の両壁面に環状の被膜をそれぞれコーティングする表面処理方法において、
   金属の粉末、金属の化合物の粉末、セラミックスの粉末、又はこれらの混合粉末から成形されてあって、一側に前記周溝の溝底形状に対応する半円形状のノッチが形成されかつ前記周溝の幅よりも薄い板状の放電電極を用い、前記放電電極の前記ノッチの縁部を前記周溝の一壁面の半分側に近接するように対向させて、前記放電電極の前記ノッチの縁部と前記周溝の一壁面の半分側との間にパルス状の放電を発生させることにより、その放電エネルギーによって前記放電電極の電極材料を前記周溝の一壁面の半分側に付着させて、半環状の被膜をコーティングする第１コーティング工程と、
   前記第１コーティング工程の終了後に、前記放電電極の前記ノッチの縁部を前記周溝の一壁面の残り半分側に近接するように対向させて、前記放電電極の前記ノッチの縁部と前記周溝の一壁面の残り半分側との間にパルス状の放電を発生させることにより、その放電エネルギーによって前記放電電極の電極材料を前記周溝の一壁面の残り半分側に付着させて、半環状の被膜をコーティングする第２コーティング工程と、
   前記第１コーティング工程の終了後に、前記放電電極の前記ノッチの縁部を前記周溝の他壁面の半分側に近接するように対向させて、前記放電電極の前記ノッチの縁部と前記周溝の他壁面の半分側との間にパルス状の放電を発生させることにより、その放電エネルギーによって前記放電電極の電極材料を前記周溝の他壁面の半分側に付着させて、被膜をコーティングする第３コーティング工程と、
   前記第３コーティング工程の終了後に、前記放電電極の前記ノッチの縁部を前記周溝の他壁面の残り半分側に近接するように対向させて、前記放電電極の前記ノッチの縁部と前記周溝の他壁面の残り半分側との間にパルス状の放電を発生させることにより、その放電エネルギーによって前記放電電極の電極材料を前記周溝の他壁面の残り半分側に付着させて、半環状の被膜をコーティングする第４コーティング工程と、を備えたことを特徴とする表面処理方法。
3. 前記ワークの前記周溝は、回転機械における回転軸の外周面に形成されかつシールリングを嵌入可能なシールリング溝であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の表面処理方法。