JP6822779B2 - 工作機械用シール部材 - Google Patents
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Description
工作機械用シール部材は、通常、支持部材と支持部材に一体化された弾性部材とからなり、弾性部材を工作機械の所定の位置に押し当てて使用する。
このとき、工作機械の工作機械用シール部材が当接する面は様々な形状を有しており、工作機械側の当接面の形状に合わせて隙間が生じないように工作機械用シール部材を取り付ける必要がある。
そのため、直線状の工作機械用シール部材のみで対応することが困難な複雑な形状を有する当接面をシールするために、平面視形状がC字状やZ字状の工作機械用シール部材が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
このような工作機械用シール部材は、工作機械内の当接面の形状に応じた形状を有しているため、シール性には優れている。
この点について、特許文献1に記載の発明は、金型の共通化を図ることで金型点数の低減を図っているものの、金型を必要とすると点では変わりが無く、上記の問題点を根本的に解決するものではなかった。
上記弾性部材の厚さは、0.8〜4.5mmであり、
上記板状の弾性部材の側面で相手部材と摺接し、
上記相手部材と摺接する側面は、上記支持部材から突出しており、
上記相手部材と摺接する側面の前記支持部材の外縁からの突出長さは、1.5〜10mmであり、かつ、上記支持部材に対向する側の面の突出長さと、上記支持部材に対向する側と反対側の面の突出長さとの差が、0.55mm以下であることを特徴とする。
また、上記工作機械用シール部材は、金型を用いることなく製造することができるため、工作機械用シール部材の設計変更や、多品種少量品の製造にも好適に対応することができ、製造コストを低減することもできる。
(第1実施形態)
図1(a)は、本実施形態に係る工作機械用シール部材を示す平面図であり、(b)は(a)のA―A線端面図である。図2は、図1に示した工作機械用シール部材を構成する支持部材と弾性部材とを別々に示す平面図である。図3は、図1に示した工作機械用シール部材を工作機械に取り付けた状態を示す断面図である。図4は、図1に示した工作機械用シール部材の要部拡大断面図である。
弾性部材12は、図1(b)における側面12A等の相手部材と摺接する側面(以下、摺接側面ともいう)が、支持部材11の外縁11Aから突出するように支持部材11に固定されている。
上記突出長さL1が10.0mmを超えると、工作機械内の相手部材との摺動時に相手部材の摺動面との間に隙間が発生し、シール性が損なわれる。一方、上記L1が1.5mm未満では、相手部材との摺動抵抗が大きくなりすぎてしまう。その結果、摺動時にビビリ音が発生したり、工作機械用シール部材を移動(摺動)させるモーターの負荷が大きくなり、消費電力の増加に繋がったりする等の不具合が生じることがある。
上記突出長さL1は、3.5〜7.5mmが好ましい。
上記厚さL2が4.5mmを超えると、相手部材との摺動抵抗が大きくなりすぎてしまう。その結果、摺動時にビビリ音が発生したり、消費電力が増加したりする等の不具合が生じるおそれがある。一方、上記厚さL2が0.8mm未満では、相手部材との摺動時に相手部材の摺動面との間に隙間が発生し、シール性が損なわれる。
上記厚さL2は、1.2〜2.5mmが好ましい。
この範囲であれば、優れたシール性を確保しつつ、相手部材との摺動抵抗が高くなりすぎることを回避することができる。
このとき、工作機械用シール部材10は、弾性部材12が相手部材2の摺動面2aに対して垂直に押し当てられるように取り付ける。これにより、弾性部材12は、摺接側面12A全体が相手部材2の摺動面2aと接触した状態で摺動するため、優れたシール性を確保することができる。
つまり、図4に示すように、弾性部材12の表(おもて)面(支持部材11と反対側の面)12Bの支持部材11の外縁11Aからの突出長さL1aと、弾性部材12の裏面(支持部材11側の面)11Cの支持部材11の外縁11Aからの突出長さL1bとは異なっていてもよい。
このような上記突出長さL1aとL1bとが異なる弾性部材12は、摺接側面12Aを相手部材2の摺動面2aに押し当てて摺動させた場合に、摺動抵抗の増大を回避しつつ、シール性を確保するのに効果的である。
上記L3は、相手部材2との摺動抵抗を低くしつつ、シール性を確保する点からは、0.08〜3.0mmが好ましい。
上記突出長さL1aとL1bとが異なる場合、両者の長さはどちらが長くてもよい。
また、上記突出長さL1aとL1bとが異なる場合、上記摺接側面12Aは平面であってもよいし、曲面であってもよいし、両者が組み合わさっていてもよい。
本発明の実施形態に係る工作機械用シール部材において、上記弾性部材は、当該弾性部材の摺動抵抗を低下させるための無機成分からなる添加剤(以下、低μ化剤ともいう)を含有していてもよい。上記弾性部材は、上記低μ化剤を含有することにより相手部材との摺動抵抗を低くすることができる。
上記低μ化剤としては、例えば、酸化セリウム、酸化亜鉛、酸化鉄、シリカ等の金属酸化物や、銅、ニッケル、鉄、アルミ等の金属等からなる粒子;ガラスバルーンやフライアッシュバルーン等のシリカを主成分とする中空粒子;アルミニウム、ステンレス、鉄等の金属製の短繊維や、ポリアミド等の樹脂製の短繊維などが挙げられる。
上記低μ化剤としては、ゴム成分(エラストマー成分)となじみやすく化学的安定であることから、金属酸化物粒子が好ましく、酸化セリウム粒子がより好ましい。
上記弾性部材が低μ化剤を面方向全体に分散した状態で含有する場合、上記低μ化剤の配合量はゴム成分(エラストマー成分)100重量部に対して1.8〜15重量部が好ましい。
上記低μ化剤の配合量が1.8重量部未満では、低μ化剤を含有させる効果(摺動抵抗の低減効果)があまり得られない。一方、15重量部を超えると、摺動時に弾性部材から低μ化剤が脱落しやすくなり、その結果、耐久性が低下することがある。
上記低μ化剤のより好ましい配合量は、ゴム成分(エラストマー成分)100重量部に対して1.8〜9.5重量部である。
本発明の技術的特徴の1つに、平面視形状が直線形状やL字形状等の規格された形状以外の任意の形状(異形状)を容易に採用しえることがある。つまり、本発明の工作機械用シール部材によれば、相手部材の摺動面の形状に応じた種々の形状の工作機械用シール部材を低コストで製造することができ、かつ優れたシール性を確保することができるのである。
(支持部材)
上記支持部材は、上記弾性部材を支持しつつ、上記工作機械用シール部材を工作機械に確実に取り付けるための板状の部材である。
上記支持部材の材質としては、耐久性や強度の点から一般にスチールやアルミニウム等の金属材料が適当であるが、セラミックや剛性プラスチック等であってもよい。
上記支持部材には、表面無処理の鋼板、リン酸亜鉛処理やクロメート処理や錆止め樹脂処理等の表面処理の施された鋼板、りん青銅やばね鋼などの弾性金属板等も使用することができる。
上記支持部材は、上記弾性部材との間に介在させる接着剤層とのなじみ性を向上させるために、プライマーによる表面処理等が施されていてもよい。
また、上記支持部材の表面(特に接着剤層を介して弾性部材と接する領域)には、アンカー効果によって密着性を向上させるべく粗面化処理が施されていてもよい。
上記弾性部材は、工作機械用シールの使用時に、工作機械内の摺動面と摺接する板状の部材であり、その摺接側面で工作機械内の摺動面と接触する。
上記弾性部材の材質としては、その使用対象が工作機械であり、耐油性が求められることから、例えば、NBR(ニトリルブタジエンゴム)、ウレタンエラストマー、フッ素ゴム、シリコーンゴム、EPDM(エチレンプロピレンジエンゴム)等が挙げられる。
これらのなかでは、ウレタンエラストマーが好ましい。耐久性(耐摩耗性)に優れるため、長期間に渡って所望の性能を維持することができるからである。
上記ポリオールは、数平均分子量が1000〜3000であることが好ましい。上記範囲内のポリオールを用いることにより、使用時に切り粉やクーラント等の侵入をより確実に防止することができる。
上記数平均分子量は、GPC(ゲルパーミエーションクロマトグラフ)測定によるポリスチレン換算の測定値である。
上記ポリエーテルポリオールとしては、例えば、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリテトラメチレングリコール等が挙げられる。
上記ポリカプロラクトンポリオールとしては、例えば、触媒の存在下で低分子量グリコールを開始剤としてε−カプロラクトンを開環付加させることにより得られるものが挙げられる。
上記熱硬化性ウレタン組成物は、上記ポリオール成分がポリエチレンアジペートエステルポリオール(PEA)である熱硬化性ウレタン組成物が特に好ましい。
ポリオール成分がPEAである熱硬化性ウレタン組成物の硬化物からなる弾性部材を備えた工作機械用シール部材は、クーラントによる膨潤や溶出が発生しにくい。そのため、クーラントを使用する工作機械に使用した際に、クーラントに晒されたとしても長期間に渡って、その要求特性を満足することができる。
上記PEAの数平均分子量は、使用時に切り粉やクーラント等の侵入をより確実に防止することができる点から、1000〜3000であることが好ましい。
上記イソシアネート成分としては特に限定されず、例えば、脂肪族イソシアネート、脂環族イソシアネート、芳香族イソシアネート等が挙げられる。
上記脂環族イソシアネートとしては、例えば、イソホロンジイソシアネート(IPDI)、4,4′−ジシクロヘキシルメタンジイソシアネート、1,4−シクロヘキサンジイソシアネート、ノルボルナンジイソシアネート(NBDI)等の脂環族ジイソシアネート等が挙げられる。
これらのイソシアネート成分は、単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
上記イソシアネート成分としては、MDIやNDIが好ましい。芳香族イソシアネートの中でも特に良好な耐摩耗性を発現するからである。
これらのなかでは、適切なゴム硬度、ゴム剛性を発現させやすいことから、1,4−ブタンジオール、TMP、BHEBが好ましい。また、1,4−ブタンジオール、TMP、BHEBを含む熱硬化性ウレタン組成物は、ポットライフが比較的長く、手注型でも成形することができる。
上記架橋剤は、単独で用いても良いし、2種以上併用してもよい。
上記イソシアネート基濃度(重量%)とは、イソシアネート成分、ポリオール成分、及び、架橋剤の合計量中に含まれるイソシアネート基の重量割合をいう。
また、上記条件で硬化処理を行い、金型等から脱型した後、例えば、100〜160℃で3〜48時間の条件で後硬化を行ってもよい。
なお、上記熱硬化性ウレタン組成物に含まれるイソシアネート成分及びポリオール成分は、上記熱硬化性ウレタン組成物を所定の条件で硬化させる前に、予め反応させてプレポリマーとしておいてもよい。
これらのなかでは、遠心成形、連続回転成形が好ましい。
また、遠心成形等で弾性部材を成形する場合には、熱硬化性ウレタン組成物等の原料組成物を複数回に分けて投入してもよい。
特に、上記低μ化剤を含有する弾性部材を作製する場合には、成形時に低μ化剤が遠心力や自重により片面側に偏在するおそれがあるが、複数回に分けて原料組成物を投入することにより、低μ化剤が偏在することを緩和することができる。
上記弾性部材の硬度が55°未満では、摺動時に変形してしまい、切り粉等の侵入を充分に防止することができないことがあり、一方、90°を超えると弾性部材が硬すぎるため、摺動時に破損してしまうことがある。より好ましい弾性部材の硬度は、60〜75°である。
上記JIS A 硬度は、JIS K 7312に準じて、スプリング式タイプA硬さ試験機により測定される値である。
上記接着剤層としては特に限定されず、各部材の材質を考慮して適宜選択すればよい。
上記接着剤層としては、例えば、EVA系、ポリアミド系又はポリウレタン系のホットメルト接着剤や、硬化型接着剤等により形成されたもの、更には両面テープにより形成されたもの等が挙げられる。
上記接着剤層の厚さは特に限定されないが、50〜500μmが好ましい。
上記工作機械用シール部材は、図2に示したような支持部材11と弾性部材12とを別々に作製した後、接着剤層13を介して両者を所定の位置関係で張り合わせることにより製造することができる。
支持部材11は、鋼板等を所定に形状に裁断することにより作製することができる。
弾性部材12は、熱硬化性ポリウレタン等からなるシート状物を所定に形状に裁断することにより作製することができる。
上記工作機械用シール部材は、このような方法で製造することができるため、弾性部材に低μ化剤を分散させる場合には、上述したように弾性部材(シート状物)の面方向全体に低μ化剤を分散させることが好ましい。シート状物を所定の形状に裁断した際に、常に摺接側面に低μ化剤が存在することになるからである。
本発明の実施形態に係る工作機械用シール部材は、特にスライドシールとして好適である。
支持部材の作製
厚さ0.8mmの鋼板((株)神戸製鋼所製、グリーンコートGX−K2)をタレットパンチで裁断し、図1に示した形状の支持部材を作製した。
下記の方法により、ウレタンシートA1〜A7及びB1〜B7並びにNBRシートC1〜C8を作製した。その後、各シートを所定の寸法形状に裁断して弾性部材を作製した。ここでは、後述する実施例1〜26及び比較例1〜8に応じて、支持部材からの突出長さ及び支持部材からの突出長さの差が表1〜3に示した寸法となるように弾性部材を裁断した。なお、各シートの裁断は、突出長さの差が無い弾性部材(実施例1〜9及び15〜26/比較例1〜6)を作製する場合はウォータージェットで行い、突出長さに差がある弾性部材(実施例10〜14/比較例7〜8)を作製する場合はトムソン刃で行った。
110℃に加温したMDI−PEAプレポリマー(三洋化成工業社製、商品名「サンプレンP−6814」)100.00重量部に、1,4−BD(三菱化学社製)6.36重量部と、TMP(三菱ガス社製)0.20重量部と、黒色顔料マスターバッチ(大日精化工業社製、商品名「VT BD1008」)10.00を加えて撹拌混合してウレタン組成物Aを調製した。
次に、得られたウレタン組成物Aを遠心成形機に投入し、金型温度150℃、回転数900rpm、架橋時間60分間の条件で架橋させ、厚さ1.6mmで円筒状の硬化物を成型した後、脱型した。その後、円筒状の硬化物の一か所を切断して板形に展開し、送風オーブン内にて110℃、24時間の条件で後架橋を行い、ウレタンシートA1を作製した。
ウレタン組成物Aの投入量を変更した以外は、ウレタンシートA1の作製と同様にして、厚さ0.8mmのウレタンシートA2を作製した。
ウレタン組成物Aの投入量を変更した以外は、ウレタンシートA1の作製と同様にして、厚さの異なるウレタンシートA3〜A7を作製した。ウレタンシートA3〜A7の厚さは、以下の通りである。
ウレタンシートA3:1.2mm
ウレタンシートA4:2.5mm
ウレタンシートA5:4.5mm
ウレタンシートA6:0.6mm
ウレタンシートA7:5.0mm
110℃に加温したMDI−PEAプレポリマー(三洋化成工業社製、商品名「サンプレンP−6814」)100.00重量部に、1,4−BD(三菱化学社製)6.36重量部と、TMP(三菱ガス社製)0.20重量部と、黒色顔料マスターバッチ(大日精化工業社製、商品名「VT BD1008」)10.00と、酸化セリウム粉末(太陽鉱工社製、セリコCH−BS302)7.0重量部とを加えて撹拌混合してウレタン組成物Bを調製した。
次に、得られたウレタン組成物Bを遠心成形機に投入し、金型温度150℃、回転数900rpm、架橋時間50分間の条件で架橋させ、厚さ1.6mmで円筒状の硬化物を成型した後、脱型した。その後、円筒状の硬化物の一か所を切断して板形に展開し、送風オーブン内にて110℃、24時間の条件で後架橋を行い、ウレタンシートB1を作製した。
ウレタン組成物Bを3回に分けて遠心成形機に投入し、下記の条件で遠心成形した以外は、ウレタンシートB1の作製と同様にして、厚さ1.6mmのウレタンシートB2を作製した。
ウレタン組成物Bの投入量は、厚さ0.5mmとなる量(1回目及び3回目)、並びに、厚さ0.6mmとなる量(2回目)とした。また、成形条件は、各回ともに、金型温度150℃、回転数900rpm、架橋時間50分間とし、ウレタン組成物Bの投入間隔は10分間とした。
ウレタン組成物Bを平板状の注型用金型に流し込み、金型温度150℃、架橋時間50分間の条件で成形し、その後、ウレタンシートB1の作製と同様の条件で後架橋を行い、厚さ1.6mmのウレタンシートB3を作製した。
ウレタン組成物Bのおける酸化セリウム粉末を下記の通り変更したウレタン組成物Ba〜ウレタン組成物Bdを使用した以外は、ウレタンシートB1の作製と同様にしてウレタンシートB4〜B7を作製した。
ウレタンシートB4:酸化セリウム粉末の配合量を2.0重量部としたウレタン組成物Baを使用して作製した。
ウレタンシートB5:酸化セリウム粉末の配合量を4.0重量部としたウレタン組成物Bbを使用して作製した。
ウレタンシートB6:酸化セリウム粉末の配合量を10.0重量部としたウレタン組成物Bcを使用して作製した。
ウレタンシートB7:酸化セリウム粉末の配合量を15.0重量部としたウレタン組成物Bdを使用して作製した。
NBR(日本ゼオン社製、商品名「ニッポール1031」)100.00重量部、フタル酸ビス(2−エチルへキシル)(三菱化学社製)5.00重量部、カーボンブラック(東海カーボン社製、商品名「ISAF」)84.00重量部、及び、硫黄(細井化学工業社製、商品名「オイルサルファー」)0.40重量部をゴム混練機にて混練してゴム組成物Cを調整した。
次に、得られたゴム組成物Cを金型内でプレス成型し、厚さ2.0mmのNBRシートC1を作製した。このとき、成型条件は、金型温度150℃、成型時間15分間、プレス圧力2.94N/mm2とした。
金型のキャビティー寸法を変更した以外は、NBRシートC1の作製と同様にして、厚さ1.0mmのNBRシートC2を作製した。
金型のキャビティー寸法を変更した以外は、NBRシートC1の作製と同様にして、厚さ3.0mmのNBRシートC2を作製した。
NBR(日本ゼオン社製、商品名「ニッポール1031」)100.00重量部、フタル酸ビス(2−エチルへキシル)(三菱化学社製)5.00重量部、カーボンブラック(東海カーボン社製、商品名「ISAF」)84.00重量部、酸化セリウム粉末(セリコCH−BS302)7.0重量部、及び、硫黄(細井化学工業社製、商品名「オイルサルファー」)0.40重量部をゴム混練機にて混練してゴム組成物Caを調整した。
次に、得られたゴム組成物Caを金型内でプレス成型し、厚さ1.5mmのNBRシートC4を作製した。このとき、成型条件は、NBRシートC1の作製と同条件を採用した。
酸化セリウム粉末(セリコCH−BS302)の配合量を4.0重量部とした以外は、NBRシートC4の作製と同様にしてNBRシートC5を作製した。
金型のキャビティー寸法を変更した以外は、NBRシートC1の作製と同様にして、厚さ1.6mmのNBRシートC6を作製した。
金型のキャビティー寸法を変更した以外は、NBRシートC1の作製と同様にして、厚さ5.5mmのNBRシートC7を作製した。
上述した方法で作製した支持部材と各種弾性部材とを、表1〜3に示した突出長さL1及び突出長さの差L3を満足するように互いに位置合わせしながら、5mm幅の両面テープ(日東電工社製、No.500)を用いて張り合わせた。その後、複数のボルト穴を形成し、図1に示した形状を有する工作機械用シール部材を完成した。
実施例1〜26及び比較例1〜8の工作機械用シール部材について、下記の評価を行った。
(1)摺動抵抗の評価
図5に示した試験機を用いて、工作機械用シール部材の摺動抵抗を評価した。評価は室温で行った。図5は、実施例及び比較例で作製した工作機械用シール部材の摺動抵抗を評価する方法を説明するための断面図である。
図5に示すように、サドル101の側面に工作機械用シール部材10を固定した後、サドル101を摺動ベッド103に向かって下降させ、弾性部材12の摺接側面が摺動ベッド103に接触したところからサドル101(工作機械用シール部材10)を更に0.5mm摺動ベッド103側に押し込んだ。
次に、この状態で摺動ベッド103を矢印の方向(図中、左側へ向かう方向)に移動速度100m/minで移動させ、その時にサドル101に働く水平方向の力をばねばかりで測定し、その時の測定値を基準に工作機械用シール部材の摺動抵抗を評価した。
ここでは、ばねばかりでの測定値が500g未満のものを「◎」、500g以上1000g未満のものを「○」、1000g以上1500g未満のものを「△」、1500g以上2000g未満のものを「×」と評価した。
なお、摺動ベッド103の表面(工作機械用シール部材10が摺動する面)には、予めクーラント(モレスコ社製、ネオクール Bio−60E)を塗布しておいた。測定結果を表1〜3に示した。
図6に示した試験機を用いて、工作機械用シール部材の性能を評価した。なお、評価は室温で行った。図6は、実施例及び比較例で作製した工作機械用シール部材の性能を評価する方法を説明するための断面図である。
図6に示すように、サドル111の両側面のそれぞれに、同一高さで2個の工作機械用シール部材10を弾性部材12同士が対向する向きに固定した後、サドル111を摺動ベッド113に向かって下降させ、弾性部材12の摺接側面が摺動ベッド113に接触したところからサドル111(工作機械用シール部材10)を更に0.5mm摺動ベッド113側に押し込んだ。この時、2つの工作機械用シール部材10の間には、予め100gのアルミ合金(A2017)の切り粉114を封入しておくとともに、摺動ベッド113の表面(工作機械用シール部材10が摺動する面)には、予めクーラント(モレスコ社製、ネオクール Bio−60E)を塗布しておいた。
次に、この状態で摺動ベッド113を矢印の方向(図中、左右方向)に移動速度100m/min、摺動ストローク(片道)1mで往復移動させて、工作機械用シール部材を相対的に3km走行させた。その後に切り粉のスリ抜け量を基準に工作機械用シール部材のシール性を評価した。結果を表1〜3に示した。
ここでは、工作機械用シール部材をすり抜けて外側に漏れ出た切り粉の数を計測し、漏れ出た切り粉が無かった場合を「◎」、切り粉の数が1個以上6個未満の場合を「○」、切り粉の数が6個以上21個未満の場合を「△」、切り粉の数が21個以上の場合を「×」と評価した。
上記(2)のシール性の評価と同様にして、工作機械用シール部材を相対的に300km走行させた後、弾性部材の摺接側面の状態を観察した。その観察結果に基づき、工作機械用シール部材の耐久性を評価した。結果を表1〜3に示した。
ここでは、摺動ヘッド113と摺動した弾性部材の摺接側面において、摺接痕が確認されないか、又は弱い摺接痕が観察された場合を「◎」、摩耗による減少量が0.10mm未満の場合を「○」、摩耗による減少量が0.10mm以上0.20mm未満の場合を「△」、摩耗による減少量が0.20mm以上の場合を「×」と評価した。
更に、観察後の工作機械用シール部材について、上記(1)摺動抵抗の評価と同様にして摺動抵抗を評価した。結果を表1〜3に示した。
2 相手部材
10 工作機械用シール部材
11 支持部材
12 弾性部材
12A 摺接側面
13 接着剤層
L1 弾性部材の突出長さ
L2 弾性部材の厚さ
Claims (3)
- 板状の支持部材と、前記支持部材に接着剤層を介して固定された板状の弾性部材とを備える工作機械用シール部材であって、
前記板状の弾性部材は、自然状態の形態のまま前記支持部材に固定されており、
前記弾性部材の厚さは、0.8〜4.5mmであり、
前記板状の弾性部材の側面で相手部材と摺接し、
前記相手部材と摺接する側面は、前記支持部材から突出しており、
前記相手部材と摺接する側面の前記支持部材の外縁からの突出長さは、1.5〜10mmであり、かつ、前記支持部材に対向する側の面の突出長さと、前記支持部材に対向する側と反対側の面の突出長さとの差が、0.55mm以下であり、
前記相手部材と摺接する側面は、当該側面の全体が前記相手部材と接触した状態で前記相手部材と摺接する
ことを特徴とする工作機械用シール部材。 - 前記弾性部材は、低μ化剤を含有する請求項1に記載の工作機械用シール部材。
- 前記弾性部材は、熱硬化性ポリウレタンからなる請求項1又は2に記載の工作機械用シール部材。
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