JP5354016B2 - 穴を閉塞する方法 - Google Patents

Description

本発明は、放電を利用して皮膜を成長させ、かかる皮膜により対象物の穴を閉塞する方法に関する。

耐摩耗性、耐熱性あるいは耐食性等の種々の特性を向上する目的で、放電を利用して皮膜を成長せしめる種々の技術が提案されている。これらの技術は平坦な表面上に皮膜を成長させることにつき、満足すべき結果を与え得るが、対象物が相当程度の寸法の穴を有する場合には困難に直面する。なぜなら放電は穴のごとき凹所を避けて発生する傾向があるために、皮膜もまた穴の内部やその直上には成長し難く、従って皮膜によって穴を閉塞することは困難だからである。それ故皮膜の成長に先立ち、機械加工を施したり、穴に何らかの物質を充填する等の前処理によって、穴の無い対象面を得ておく工夫がしばしば行なわれている。日本国特許出願公開２００５−２１１１５６号は関連する技術を開示している。

上述のごとき特別な前処理なしに穴が閉塞できれば、生産性の向上の観点、また皮膜の信頼性の向上の観点から、それは極めて好ましいことである。また特別な状況においては、皮膜によって閉塞されながら、皮膜直下に穴が残されていることが必要である場合がありうる。本発明は特別な前処理なしに皮膜により穴を閉塞する方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の局面によれば、対象物の穴を閉塞する方法は、放電加工機に前記対象物をワークピースとして取り付け、導電性物質を含む粉末よりなる電極を、前記穴に重なるように前記対象物に近接せしめ、放電を生ずるべく前記電極と前記対象物との間に前記放電加工機により繰り返し電圧を印加して、前記穴を閉塞する皮膜を前記穴の周囲から成長させ、前記電圧を印加する段階より以前に前記穴の縁に、または、前記電圧を印加する段階の間に前記穴の縁に沿って前記皮膜に、斜面を与えるべく機械加工を行うことよりなる。

本発明の第２の局面によれば、対象物の穴を閉塞する方法は、放電加工機に前記対象物をワークピースとして取り付け、導電性物質を含む粉末よりなり前記穴の内部に挿入しうるべく寸法づけられた突起を有する電極を、前記突起が前記穴の前記内部と対向するように前記対象物に近接せしめ、放電を生ずるべく前記電極と前記対象物との間に前記放電加工機により繰り返し電圧を印加して、前記穴を閉塞する皮膜を前記穴の周囲から成長させる、ことよりなる。

図１は、本発明の第１の実施形態を説明する断面図であって、（ａ）最初の皮膜を成長させた段階、および（ｂ）皮膜に斜面を与えた段階、を表す。 図２は、図１に示した段階に続き、（ａ）さらに皮膜を成長させた段階、および（ｂ）皮膜を成長させて穴を閉塞する段階、を表す断面図である。 図３は、図２に示した段階に続き、（ａ）さらに皮膜を成長させた段階、および（ｂ）その表面を研削した段階、を表す断面図である。 図４は、第１の実施形態の変形例を説明する断面図である。 図５は、第１の実施形態の第２の変形例を説明する断面図である。 図６は、本発明の第２の実施形態を説明する断面図である。 図７は、本発明の第３の実施形態を説明する（ａ）平面断面図、（ｂ）立面断面図、および（ｃ）皮膜を形成した後の立面断面図である。 図８は、本発明の第６の実施形態を説明する（ａ）平面断面図、および（ｂ）立面断面図である。 図９は、本発明の各実施形態において利用される放電加工機の模式的な立面図である。 図１０は、本発明を適用して穴を閉塞した機械部品の例を表す断面図である。 図１１は、図１０の機械部品の平面図である。

本発明のいくつかの実施形態を添付の図面を参照して以下に説明する。

本発明の各実施形態において、放電加工機を利用して皮膜の成長が為される。放電加工機としては図９に示したごとき公知の装置が適用できる。

放電加工機１は、台３上に固定的に据えられたベッド５と、ベッド５上に水平方向に移動可能に備えられたテーブル９と、テーブル９と一体的に移動する支持具１７と、加工液（ないし加工気体）Ｆを貯留する加工槽１５と、を備える。ワークピースＷは、加工槽１５内であって支持具１７上に装着される。放電加工機１は、さらに、ベッド５に対向するように、コラム７と、垂直方向に移動可能にコラム７の下端に装着されたヘッド１９とを備える。ヘッド１９は、その下端に電極２３（または２５，２７）を脱着可能に支持できるホルダ２９を有する。放電加工機１は、さらに、電源３１を備えて、テーブル９と電極２３との間に電圧を印加できるようになっている。テーブル９には、Ｘ軸サーボモータ１１とＹ軸サーボモータ１３とがこれを駆動するように連結されており、テーブル９をＸ軸とＹ軸の方向に沿って（すなわち水平方向に）制御可能に駆動することができるようになっている。またヘッド１９には、Ｚ軸サーボモータ２１がこれを駆動するように連結されており、ヘッド１９をＺ軸方向すなわち垂直方向に制御可能に駆動することができるようになっている。

通常の放電加工においては、非消耗性電極を利用するが、本発明の各実施形態においては電極２３は消耗性電極である。消耗性電極は、放電によってワークピースよりも優先して消耗する性質を有する電極であって、例えば粉末をプレスによる圧縮によって成形した成形体よりなり、消耗を可能とするよう比較的に粗な構造を有するものが利用できる。あるいは、圧縮による成形体の代わりに、圧縮による成形の後に少なくとも部分的に焼結されるべく加熱処理した電極や、泥漿、ＭＩＭ（Metal Injection Molding）、溶射等によって成形したものも消耗性電極として利用できる。

電極の素材としては、金属または合金等の導電性物質の粉末が利用でき、皮膜に要求される特性に応じて適宜に選択することができる。また粉末中に、ｃＢＮ、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＢ_２、ＷＣ，ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ｃｒ_３Ｃ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２−Ｙ、ＺｒＣ、ＶＣ、Ｂ_４Ｃ等のセラミックの何れか一以上を含ませることもできる。あるいは他の非導電性物質を含ませてもよい。加工液Ｆが鉱物油等の有機物の場合は、炭化物を生成しにくい素材を選択することが好ましい。あるいは、積極的に炭化物を生成せしめて、炭化物セラミックよりなる皮膜を成長させることもできる。導電性物質と非導電性物質とを混合する場合、経験的には、導電性物質の比率が６０％以上であると皮膜の成長が容易であるが、必ずしもこれに限られない。

電源３１には、公知の放電加工機用の電源、例えば並列に接続された複数のスイッチング素子によってパルス状の電圧を出力しつつ電流値を動的に制御できる電源が利用できる。

通常の放電加工においては、非消耗電極とワークピースとの間に断続的な放電が発生され、かかる放電によってワークピースの表面が徐々に損耗し、以ってワークピースの加工が為される。本発明の各実施形態においては、放電はワークピースを加工する代わりに消耗性電極２３を消耗せしめ、以って前記電極２３の素材、ないし前記電極２３の素材と加工液（ないし加工気体）Ｆとの反応生成物が、ワークピースＷ上に皮膜として堆積する。

図９に加えて図１乃至５を参照して本発明の第１の実施形態を以下に説明する。

皮膜を付与する対象物Ｗは機械部品等であって、金属等の導電性を有する素材よりなることが必要である。あるいは、導電性を付与するべく、表面に金属をフラッシュめっきしてもよい。対象物Ｗは閉塞の対象である穴Ｗｈを有する。穴Ｗｈは典型的には円形だが、他のいかなる形状であってもよい。

対象物Ｗを支持具１７に放電加工機のワークピースとして取り付け、鉱物油よりなる加工液Ｆ中に没する。鉱物油に代えて非導電性の適宜の液体、あるいは気体であってもよい。上述のごとき導電性物質を含む粉末よりなる電極２３をホルダ２９に取り付け、サーボモータ１１，１３を適宜に作動させることにより、電極２３が穴Ｗｈに重なるように対象物Ｗを位置せしめる。さらにＺ軸サーボモータ２１を適宜に作動させることにより電極２３を対象物Ｗに近接せしめる。

次いで電源３１より電圧を印加し、電極２３と対象物Ｗとの間で放電を発生させる。上述のごとく電圧はパルス状であるので、放電もまたパルス状に断続的である。電圧は数十〜数百Ｖであって、電極２３と対象物Ｗとの間の距離や対向する面積、加工液Ｆの絶縁耐力等に応じて適宜に定める。放電を開始する段階において電圧を高め、放電を維持する段階において電圧を低める動的な制御を行ってもよい。投入する電力は、必要な皮膜の溶融の程度や対象物Ｗへの熱影響の程度に応じて適宜に定めるべきだが、通常は定常状態において数十〜数百Ｗの程度である。

放電により電極２３の表面が消耗し、電極２３の素材が対象物Ｗ上に堆積して皮膜３３を形成する。かかる過程において、皮膜３３と対象物Ｗとの間、及び／又は皮膜３３中の粒子相互に、放電のエネルギの一部によって拡散や溶着が起こされ、皮膜の付着力が向上する。図１（ａ）に示されるごとく、対象物Ｗにおいて電極２３に対向する部位に限定して、皮膜３３が形成される。穴Ｗｈの内部に皮膜は形成されず、穴Ｗｈの周縁から僅かに内方に張り出した部位３３ｈが生ずるに留まる。電極２３の先端面は消耗により図中上方に後退するが、穴Ｗｈの直上では放電が起こりにくいので消耗がより小さく、結果的に突起を生ずる。

図１（ｂ）を参照するに、皮膜３３において部位３３ｈに機械加工を行って、穴Ｗｈに沿って皮膜３３に斜面３３ｍを与える。かかる加工は、電極２３を非消耗性電極に代えて放電加工を行うことによってもよい。斜面３３ｍの角度θは、下記の効果を得る観点から、好ましくは２０°乃至７０°である。

機械加工の後、再び電極２３を穴Ｗｈに重なるように対象物Ｗに近接せしめる。上述のごとく電極２３の先端面は後退しているので、後退分を補償するべく適宜に電極２３と対象物Ｗとを近接せしめる。すると、電極２３の突起は皮膜の穴３３ｈ中にやや入り込み、斜面３３ｍと対向するように位置する。かかる状態で電源３１より電圧を印加して放電を発生させ、皮膜３３を成長せしめる。この時、図２（ａ）に示されるごとく、皮膜３３はその図中上面から上方に成長するのみならず、電極２３の突起が斜面３３ｍに対向しているので、斜面３３ｍからこれに直交した斜め上方にも成長する。従って皮膜３３は穴の内方に向かって成長する。電極２３はより成長した突起２３ｐを有するようになり、突起２３ｐは斜面３３ｍと対向する関係を維持するように成長するので、皮膜３３はさらに穴の内方に向かって成長する。

皮膜３３の成長の過程で適宜放電を中断し、斜面３３ｍを与える機械加工を再度実施する。放電と機械加工とは、交互に繰り返して実施する。あるいは、図４（第１の変形例）に示すごとく、放電を中断せずに継続的に繰り返してもよい。この間、皮膜３３の成長に伴い電極２３の先端面は後退するので、後退分を補償するべく適宜に電極２３を下降せしめる。

あるいはまた、電源３１より電圧を印加する段階の以前に、図５（第２の変形例）に示すごとく、予め対象物Ｗに対して機械加工を行って斜面Ｗｍを与えておいてもよい。放電を発生させる段階の当初において穴Ｗｈおよび斜面Ｗｍに皮膜３３は生じ難いが、電極２３がある程度消耗して突起２３ｐを生ずるようになると、突起２３ｐと斜面Ｗｍとは対向し且つ接近するので、皮膜３３は斜面Ｗｍからこれに直交した斜め上方に成長しうる。この場合でも皮膜３３の成長の過程で放電を中断し、斜面３３ｍを与える機械加工を実施してもよい。さらに放電と機械加工とを交互に繰り返して実施してもよい。

上述のごとき段階を経過することにより、遂には図２（ｂ）に示すごとく皮膜３３は穴Ｗｈを閉塞する。さらに適宜に皮膜を成長させ、図３（ａ）に示すごとく穴Ｗｈが十分に閉塞されたと判断されたら、皮膜３３の成長を終了する。対象物Ｗを放電加工機１より取り出し、必要に応じて図３（ｂ）のごとく仕上げ加工を行って、目標厚さｔを有する皮膜３３を得る。

上述の方法によれば、放電を利用して成長させた皮膜により、特別な前処理なしに対象物の穴を閉塞することができる。放電は電極と接近した部位に発生する傾向があるために、穴のごとき凹所においては放電が発生しにくく、従って皮膜は穴の内部やその直上には成長し難い。上述の方法のごとく穴に沿って斜面を与えるべく機械加工することは、該当部位を電極から遠ざけて放電をさらに生じにくくするので、穴はより閉塞され難くなることが予想された。しかしながらかかる予想に反して、斜面を与えることにより穴を閉塞するべく皮膜を成長せしめることに成功している。すなわち上述の方法は本技術分野における常識に反して為されたものである。かかる効果を生ずる原因は未だ十分に解明されていないものの、斜面が電極の突起を適切に維持する作用を奏し、以って斜面への皮膜の堆積が促されることによると、発明者らは推定している。

機械加工により斜面を与える方法に代えて、あるいはかかる方法と組み合わせて、図６に示す第２の実施形態が可能である。上述の第１の実施形態においては、電極２３は斜面と対向することにより突起２３ｐを維持するが、本実施形態においては、電極２３は予め穴Ｗｈの内部に挿入しうる突起２３ｐを備えている。かかる突起２３ｐは穴Ｗｈの周縁との間で放電を生じ、周縁から穴Ｗｈの内方へ斜めに成長する皮膜の成長を促す。従って第１の実施形態と同様に、かかる方法は皮膜３３によって穴Ｗｈを閉塞することができる。第１の実施形態と同様に、電圧を印加する段階より以前に穴Ｗｈの周縁に斜面Ｗｍを与えるべく機械加工を行ってもよい。または、電圧を印加する段階の間に穴Ｗｈの周縁に沿って皮膜３３に斜面３３ｍを与えるべく機械加工を行ってもよい。さらに電圧を印加する段階と機械加工を行う段階とを交互に行ってもよい。

上述の方法に代えて、あるいは組み合わせて、図７に示す第３の実施形態が可能である。電極２５は穴Ｗｈの内部に挿入しうるべく細長い円筒状に形成されている。図７（ａ），（ｂ）より理解されるように、電極２５と穴Ｗｈの内面との間に僅かな隙間が残される。電極２５を穴Ｗｈに挿入し、かつその中心に位置せしめ、電源３１より電圧を印加して放電を発生させると、穴Ｗｈの内面に皮膜３５が均一に成長する。電極を交換しつつ繰り返しかかる工程を繰り返すと、皮膜によって穴Ｗｈを閉塞することができる。あるいは、ある程度まで穴を小さくした後、上述の何れかの実施形態による方法により穴を閉塞してもよい。穴Ｗｈは円形に限らず、矩形またはその他の形状であってもよい。その場合、電源２５は穴Ｗｈの形状に適合した形状であることが好ましい。かかる方法によれば、穴Ｗｈを閉塞できるだけでなく、その内部に皮膜を充填することができる。

第３の実施形態に代えて、あるいは組み合わせて、図８に示す第４の実施形態が可能である。電極２７は穴Ｗｈの径に対してある程度小さな径を有している。電極２７は穴Ｗｈの内部に挿入され、その中心よりも何れかの方向に偏っている。かかる状態からサーボモータ１１，１３を協調的に駆動することにより、穴Ｗｈの中心の周りに電極２７を回転せしめる。回転させながら電源３１より電圧を印加して放電を発生させると、穴Ｗｈの内面に皮膜３５が均一に成長する。電極を交換しつつ繰り返しかかる工程を繰り返すと、皮膜によって穴Ｗｈを閉塞することができる。ある程度まで穴を小さくした後、上述の何れかの実施形態による方法を実施してもよい。穴Ｗｈは円形に限らず、矩形またはその他の形状であってもよい。その場合、電極２７は回転運動ではなく、矩形またはその他の形状の運動をさせる。

上述の各実施形態による方法は、種々の機械部品等の種々の穴を閉塞することに適用できる。図１０および１１はレシプロエンジン用のポペットバルブ３７の穴を閉塞する例を示している。バルブ３７のステムは、矩形に抉られた凹所３７ｇを有しており、凹所３７ｇの底には穴３７ｈが空けられてステムの内部と連通している。熱電対３９がステムの内部を通って凹所３７ｇに引き出されている。熱電対に代わり、他の適宜のセンサでもよい。かかる状態で上述の何れかの実施形態による方法を適用すると、皮膜３３が熱電対３９の先端を巻き込んで凹所３７ｇに充填される。このとき、穴３７ｈは皮膜３３により閉塞されるが、穴３７ｈ自体は充填されることなく空洞として残されている。穴３７ｈが空洞として残されることを利用して、穴３７ｈに他のセンサ等を設置することもできる。熱電対３９がステムに固定される一方、穴３７ｈは閉塞されているので、ステム内部は外部の環境に曝露されることがない。すなわち、皮膜３３中に固定された熱電対３９は、バルブ３７のステムの表面温度を計測するごとき用途に適用することができる。

好適な実施形態により本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上記開示内容に基づき、当該技術分野の通常の技術を有する者が、実施形態の修正ないし変形により本発明を実施することが可能である。

皮膜により穴を閉塞することができる方法が提供される。

Claims (6)

1. 対象物の穴を閉塞する方法であって、
   放電加工機に前記対象物をワークピースとして取り付け、
   導電性物質を含む粉末よりなる電極を、前記穴に重なるように前記対象物に近接せしめ、
   放電を生ずるべく前記電極と前記対象物との間に前記放電加工機により繰り返し電圧を印加して、前記穴を閉塞する皮膜を前記穴の周囲から成長させ、
   前記電圧を印加する段階より以前に前記穴の縁に、または、前記電圧を印加する段階の間に前記穴の縁に沿って前記皮膜に、斜面を与えるべく機械加工を行う、
   ことよりなる方法。
2. 請求項１の方法であって、前記電圧を印加する段階と前記機械加工を行う段階とを交互に行う、
   ことをさらに含む方法。
3. 請求項１の方法であって、前記電極は前記穴の内部に挿入しうるべく寸法づけられた突起を有し、前記電圧を印加する段階において、前記突起が前記穴の前記内部と対向するように前記電極を位置せしめる、
   ことをさらに含む方法。
4. 対象物の穴を閉塞する方法であって、
   放電加工機に前記対象物をワークピースとして取り付け、
   導電性物質を含む粉末よりなり前記穴の内部に挿入しうるべく寸法づけられた突起を有する電極を、前記突起が前記穴の前記内部と対向するように前記対象物に近接せしめ、
   放電を生ずるべく前記電極と前記対象物との間に前記放電加工機により繰り返し電圧を印加して、前記穴を閉塞する皮膜を前記穴の周囲から成長させる、
   ことよりなる方法。
5. 請求項４の方法であって、前記電圧を印加する段階より以前に前記穴の縁に、または、前記電圧を印加する段階の間に前記穴の縁に沿って前記皮膜に、斜面を与えるべく機械加工を行う、
   ことをさらに含む方法。
6. 請求項５の方法であって、前記電圧を印加する段階と前記機械加工を行う段階とを交互に行う、
   ことをさらに含む方法。

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