JPH10195631A - 耐フレッチング性に優れた機械部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 フレッチング摩耗の低減に十分な効果を発揮
する厚さのＦｅ−Ａｌ合金層を、工作機械の主軸テーパ
部のような機械部材の内径部の内周面にも形成する。 【解決手段】 機械部材１の内径部２に密着して嵌合す
る治具４の嵌合部５の表面にアルミニウムを溶射するこ
とによりアルミニウム層８をあらかじめ形成し、内径部
２に治具４を挿着した当該機械部材１を真空炉中に入れ
て、アルミニウムの融点以上の温度で所定時間加熱し、
母材中にアルミニウムを拡散させ前記内径部２の接触面
にＦｅ−Ａｌ合金被覆層を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、耐フレッチング性
に優れた機械部材の製造方法に係り、特に、主軸のテー
パ部内周面のようにフレッチング摩耗の生じ易い機械部
材の耐フレッチング性を向上させる技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】機械部品の摩擦面の摩耗には、アブレシ
ブ摩耗や、凝着摩耗などの一般的に見られる摩耗のほ
か、特殊な条件下で発生するものとして、フレッチング
がある。このフレッチングは、機械のはめ合い部のよう
に微少振幅の振動や変動応力を受ける部分に接触面があ
る場合に、二面間に何がしかの相対運動が生じるとほぼ
間違いなく起こる摩耗である。例えば、玉軸受のレース
の部分、軸継手と軸、スプライン軸、工作機械の主軸と
工具脱着部、焼バメ部やプレスバメ部、キー溝部など、
多くの部材にフレッチング摩耗が発生している。

【０００３】機械部材の中でフレッチングが特に大きな
問題となっているのは、工作機械の主軸に工具を装着す
る部分である。工作機械、とりわけマシニングセンタで
ラフィングカッタ、エンドミルカッタを使って重切削の
荒削り加工を行うと、工具ホルダと主軸の接触面で凝着
が発生して赤錆を伴うフレッチング現象が発生する。こ
のフレッチングが発生した部分では、疲労強度が著しく
低下するため、その防止対策を講じることが重要とな
る。

【０００４】従来から行われてきた主な対策としては、
設計による改善、潤滑剤を塗布する方法、摩擦面を表面
処理する方法が知られている。このうち、設計による改
善では、焼バメ部やプレスバメ部でのフレッチング防止
にフィレットをつけ、フレッチング発生部の振動を減少
させる方法などが比較的有効とされているが、機械部材
の用途、性能などに応じて個別的に対処するためにこれ
といった決め手はなく自ずと限界がある。また、潤滑剤
を塗布する方法では、一般に、フレッチング発生部には
潤滑剤の供給が困難な部分が多く、その利用は少ない。
このため、一般的には、Ｍｏ溶射、鋼材の表面にバナジ
ウム（Ｖ）を拡散させて鋼材中の炭素（Ｃ）との化合物
であるＶＣを形成させるＶＣ処理などの表面処理法がフ
レッチング防止に採用されている。

【０００５】Ｍｏ溶射法により接触面に被覆層を形成す
ることによってフレッチングを防止する従来技術の場
合、接触面の凝着を低減する効果はあるものの、被覆層
自体の強度が小さいという根本的な問題があり、被覆層
の剥離、割れといった損傷が短時間で発生することが多
いという問題がある。とりわけ、工作機械の主軸の工具
脱着部のように、強度的に負荷が苛酷でありかつ微小振
動に不断にさらされてフレッチングの発生しやすい条件
におかれる機械部材での有効なフレッチング防止が課題
とされている。

【０００６】本出願人は、先に、フレッチング摩耗の防
止には、相対運動の生じる接触面にＦｅ−Ａｌ合金層を
形成しておくことが有効であることを見い出し、これを
提案している（特願平８−５５４３４号）。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】機械部材の接触面にＦ
ｅ−Ａｌ合金層を形成する方法には、機械部材を溶融ア
ルミニウム中に数時間浸漬する浸漬法や、溶射法により
アルミニウムを機械部材の表面に蒸着してから、加熱す
ることによってアルミニウムを母材に拡散させる方法な
どがある。

【０００８】浸漬法によってＦｅ−Ａｌ合金層を形成す
る場合には、機械部材の特定部分にＦｅ−Ａｌ合金層を
形成するのが難しく、また、機械部材の基材を７００℃
ものＡｌ浴に浸漬する過程で基材に変形が生じるという
問題がある。さらに、その層厚も３０μｍ程度のごく薄
いＦｅ−Ａｌ合金層を形成するのがせいぜいであるた
め、仕上加工の加工代を確保できない場合もあり、とり
わけ工作機械の主軸のような長物の機械部品では、実用
上十分な厚さのＦｅ−Ａｌ合金層を確保できないという
問題があった。

【０００９】一方、溶射法によってＦｅ−Ａｌ合金層を
形成する場合には、本来的に溶射法は内径部の施工には
適さないため、機械部材の内径部の内周面にフレッチン
グ摩耗に対して十分な厚さのＦｅ−Ａｌ合金層を形成す
るのが困難であった。

【００１０】そこで、本発明の目的は、前記従来技術の
有する問題点を解消し、フレッチング摩耗の低減に十分
な効果を発揮する厚さのＦｅ−Ａｌ合金層を、工作機械
の主軸テーパ部のような機械部材の内径部の内周面にも
形成することのできる耐フレッチング性に優れた機械部
材の製造方法を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、本発明は、他の機械部材が密着嵌合的に接触する
接触面を内径部に有し鋼を母材とする機械部材を製造す
る方法であって、前記機械部材の内径部に密着して嵌合
する治具の嵌合部の表面にアルミニウムを溶射すること
によりアルミニウム層をあらかじめ形成し、前記内径部
に前記治具を挿着した当該機械部材を真空炉中に入れ
て、アルミニウムの融点以上の温度で所定時間加熱し、
母材中にアルミニウムを拡散させ前記内径部の接触面に
Ｆｅ−Ａｌ合金被覆層を形成することを特徴とするもの
である。

【００１２】機械部材のテーパ部のような内径部に密着
嵌合する部分にあらかじめアルミニウム層が形成されて
いる治具を用いて加熱することにより、機械部材の母材
中に拡散させるアルミニウムを、従来の浸漬法による場
合に較べて十分な量で確保することができ、しかも、溶
射法の適さない内径部に厚いＦｅ−Ａｌ合金層を形成す
ることができる。

【００１３】こうして機械部材の内径部の接触面表層に
形成されるＦｅ−Ａｌ合金は、強度的に強固な被覆層を
形成し、剥離、割れなどの機械的損傷が発生しにくい。
そして、接触面に他の機械部材との相対運動が生じてフ
レッチングの発生し易い状況下では、摩擦熱によりＦｅ
−Ａｌ合金層の表面にフレッチング摩耗に対して耐性の
ある酸化アルミニウムが生成されて、この酸化アルミニ
ウムがフレッチング摩耗の防止効果を発揮する。

【００１４】本発明では、前記治具の嵌合部の表面にア
ルミニウムに対して不活性な離型剤層を形成し、前記離
型剤層の上に前記アルミニウム層を形成することが好ま
しい。このように離型剤層を介在させることにより、ア
ルミニウムを拡散させた後での治具の取り外しを容易に
行なうことができる。

【００１５】また、本発明では、前記治具に形成したア
ルミニウム層の層厚を少なくとも２００μｍ確保する手
段を介して前記治具を前記機械部材の内径部に挿着する
ことを特徴とする。

【００１６】これによれば、真空炉での加熱の間、治具
は自重によって溶け出したアルミニウムを押し出そうと
するが、治具と内径部の接触面との間に適当な間隔を保
つことを可能とし、アルミニウム層の厚さが薄くなり拡
散が不十分となることを未然に防止できる。

【００１７】本発明の好適な実施形態によれば、前記ア
ルミニウム層の層厚を確保する手段は、前記機械部材の
内径部に配置され、前記治具を下から支持し、かつ、そ
の支持位置を調整可能な支持棒から構成される。また、
確保するアルミニウム層の層厚に対応した厚さを有し、
アルミニウムよりも高い融点のニッケルのような金属材
料の中間層を前記離型剤層の上層または当該治具の嵌合
部の表面に部分的に形成し、この中間層により、治具を
支えるようにしてもよい。

【００１８】本発明を適用可能な機械部材には、フレッ
チング防止対策が重要な部材、例えば、工具ホルダが脱
着される工作機械の主軸のテーパスリーブが代表的なも
のであるが、その他、種々の内径部のフレッチングが問
題となる機械構成要素に適用することができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明による耐フレッチン
グ性に優れた機械部材の製造方法の一実施形態について
添付の図面を参照して説明する。この図１に示す実施の
形態は、本発明を工作機械の主軸の製造に適用した例で
ある。

【００２０】１は主軸であり、窒化鋼を材質としてい
る。この主軸１の内径部には、テーパ部２と軸孔３が加
工されている。テーパ部２には、工具ホルダのシャンク
部が高精度のはめ合い精度で嵌合するようになってい
る。切削加工中は、振動や応力の変動に不断にさらされ
る結果、主軸１のテーパ部２と工具ホルダのシャンク部
の互いに接触し合うテーパ面同士の間で微小な相対運動
が生じ、これがフレッチング摩耗の原因となる。そこ
で、主軸１のテーパ部２に治具を挿着し、テーパ部２の
内周面をＦｅ−Ａｌ合金層で被覆する。

【００２１】図２は、主軸１のテーパ部２に嵌合させる
治具４を示す。この治具４は、炭素鋼、例えばＳ４８Ｃ
を材料にちょうど主軸１のテーパ部２と凹凸が逆になっ
た形状の嵌合部５が精密に加工されている治具で、嵌合
部５のテーパ面６は、主軸１のテーパ部２の内周面に密
着するようになっている。

【００２２】治具４のテーパ面６には、離型剤としてジ
ルコニアが溶射されて、薄い離型剤層７が全面に形成さ
れている。この離型剤としては、アルミニウムと反応し
ないセラミックスからなる離型剤が用いられ、好適なも
のとしては、例えば、ジルコニアを挙げることができ
る。離型剤層７の上には、さらに、アルミニウムが溶射
されてアルミニウム層８が形成されている。このアルミ
ニウム層８は、溶射した後に、約２００μｍ程度の均一
の厚さに仕上げ加工される。

【００２３】こうして、あらかじめ離型剤層７とアルミ
ニウム層８が重畳して形成されている治具４を、図２に
示すように、主軸１のテーパ部２に挿着する。

【００２４】この実施の形態は、アルミニウム層８が溶
融したときに、治具４の自重によりアルミニウムが押し
出されて薄くならないように、層厚を確保する手段とし
て支持棒１０を用いる例である。この支持棒１０は、主
軸１の軸孔３に挿入され、末端部に取り付けてある雄ね
じ１１が軸孔３に切られている雌めじに螺合するように
なっている。また、雄ねじ部１１の頭には、レンチが嵌
合する六角穴１２が形成されており、レンチを用いて支
持棒１０全体を回すことで、支持棒１０の先端の高さを
微調整することができる。

【００２５】真空炉に入れる前に、治具４を主軸１のテ
ーパ部２に挿着し、その時、支持棒１０の高さを適宜調
整して、アルミニウム層８の表面とテーパ部２の内周面
との間に隙間が生じないようにして下から支持してお
く。

【００２６】次に、治具４を取り付けたままの主軸１を
真空炉に入れ、アルミニウムの融点以上の温度を保って
数時間加熱する。この真空中での加熱により溶融したア
ルミニウムが主軸１の母材中に拡散し、テーパ部２の内
周面全面がＦｅ−Ａｌ合金層で被覆される。

【００２７】この加熱の間、治具４は支持棒１０によっ
て支持されているので、溶け出したアルミニウムが押出
されてアルミニウム層８の厚さが薄くなり拡散が不十分
となることを未然に防止できる。

【００２８】こうして、Ｆｅ−Ａｌ合金層を形成した
後、冷却してから主軸１を電気炉から取り出す。主軸１
から治具４を外す場合、離型剤層７があるため円滑な取
り外しが可能である。

【００２９】最後に、主軸１のテーパ部２を仕上げ加工
し、内周面に形成されたＦｅ−Ａｌ合金層を一定の厚さ
に研削して、耐フレッチング性に優れた主軸１を得るこ
とができる。

【００３０】次に、本発明の他の実施形態について、図
３を参照して説明する。 この図３の実施の形態は、治
具４におけるアルミニウム層８の層厚を確保する手段と
して、第１実施形態の支持棒１０の代りに、離型剤層７
の上層にアルミニウム層８とほぼ同じ厚さのニッケルか
らなる中間層２０を部分的に形成しておき、このニッケ
ル中間層２０に治具４を支持する機能を担わせたもので
ある。その他の工程は、第１実施形態と同様である。

【００３１】図３（ａ）に示すように、治具４のテーパ
面６にジルコニアを溶射して形成した離型剤層７の上端
縁および下端縁にそれぞれニッケルを溶射して周回する
ニッケル中間層２０を形成する。そのあとで、アルミニ
ウムを離型剤層７およびニッケル中間層２０を覆うよう
に溶射してアルミニウム層８を形成する。

【００３２】次に、図３（ｂ）に示すように、アルミニ
ウム層８、ニッケル中間層２０の表面を研削し、アルミ
ニウム層８、ニッケル中間層２０がともに厚さがほぼ均
等に２００μｍになるように仕上げる。

【００３３】真空炉に入れる前に、図３（ｃ）に示すよ
うに、治具４を主軸１のテーパ部２に挿着しておき、そ
の後の真空炉での加熱工程、および真空炉から取り出し
た後の仕上げ加工工程は、前述した第１実施形態と同様
である。

【００３４】真空炉で加熱する間、治具４は、ニッケル
中間層２０、２０によって支持されており、溶融したア
ルミニウムは、上下のニッケル中間層２０、２０の間で
治具４の自重で押し出されないように保持されるので、
主軸１の母材中への拡散が十分に行なわれる。

【００３５】なお、図３の実施の形態では、治具４を支
持する中間層２０をニッケルの溶射により形成したが、
材料はニッケル以外でも、アルミニウムよりも融点が高
い金属で、真空炉での加熱の間変形せずに治具を支持で
きる材料であればよい。また、中間層２０を形成する方
法としては、離型剤層７の上に溶射する以外にも、治具
４のテーパ面６の上端縁と下端縁に基材自体を機械加工
することにより、あらかじめ中間層２０に相当する厚さ
分だけ高くしておくようにしてもよい。

【００３６】

【実施例】次に、実施例を挙げて前記実施形態をより詳
細に説明する。図１の実施形態に基づき、まず、治具４
について離型剤としてジルコニアを約０．１mmの厚さに
溶射し、さらに、その上にアルミニウムを０．３mmの厚
さに溶射した後で、アルミニウム層８を厚さ約２００μ
ｍに仕上げ加工をした。他方、主軸１は、窒化鋼（ＳＡ
ＣＭ６４５）を材質とする主軸で、治具４を挿着してか
ら、真空炉では６６０℃の温度で２時間加熱した。

【００３７】冷却後、主軸１から治具４を取り外してか
ら、テーパ部２の断面を観察したところ、母材の表層に
約２００μｍの厚さでＦｅ−Ａｌ合金層が形成されてい
た。このＦｅ−Ａｌ合金層には、Ｆｅ₂ Ａｌ₅ 、ＦｅＡ
ｌ₂ 、ＦｅＡｌ₃ などのＦｅ−Ａｌ化合物が生成されて
いた。このように形成されたＦｅ−Ａｌ合金層の厚さ
は、仕上げ加工を経ても１００μｍは十分に確保できる
厚さである。

【００３８】このようして得られた主軸１のテーパ部２
に、窒化鋼を窒化処理した工具ホルダを嵌め込み、マシ
ニングセンタに取り付け、２０時間連続運転したとこ
ろ、主軸１のテーパ部２には、ほとんどフレッチング摩
耗が生じなかった。

【００３９】図４は、前記の連続運転したときの各種主
軸におけるテーパ部の摩耗量をグラフに示したものであ
る。この図４で、（ｃ）が前記実施例での摩耗量であ
る。

【００４０】この図４で、（ａ）（ｂ）は比較例であ
り、（ａ）は、テーパ部を浸炭焼入れ処理をした主軸に
窒化処理した工具ホルダを組み合わせた結果を示し、
（ｂ）は、テーパ部を窒化処理した主軸に浸炭焼入れ処
理をした工具ホルダを組み合わせた結果である。（ｄ）
は、前記実施例での工具ホルダ側の摩耗量を示す。
（ｅ）は、前記実施例の主軸に対し、同様に表面にアル
ミニウムを拡散させてＦｅ−Ａｌ合金層を形成した工具
ホルダを組み合わせたものである。

【００４１】この試験結果にはっきりと示めされている
ように、本発明の実施例では、主軸のテーパ部の耐フレ
ッチング性を著しく強化できることがわかった。

【００４２】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、強度的に強固で剥離、割れなどの機械的損傷
が発生しにくい十分な厚さのあるＦｅ−Ａｌ合金被覆層
を機械部材の内径部の接触面に形成することができる。
このため、他の機械部材との間の相対運動の際に生じる
熱により接触面の表面にフレッチング摩耗に対して耐性
のある酸化アルミニウムが十分に生成するので、従来加
工上の困難性からフレッチング摩耗に弱かった機械部材
の耐フレッチング性を著しく強化できる。

【００４３】また、請求項３に記載の本発明によれば、
自重によって溶け出したアルミニウムを押し出そうとす
る治具と内径部の接触面との間に適当な間隔を保つこと
を可能とし、アルミニウム層の厚さが薄くなり拡散が不
十分となることを未然に防止できるので、仕上げ加工で
の加工代をも確保した十分な厚さのＦｅ−Ａｌ合金層を
形成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用して製造する工作機械の主軸と、
使用する治具を示す断面図。

【図２】本発明の一実施形態を説明する図で、主軸に治
具を挿着した状態を示す図。

【図３】本発明の他の実施形態の説明図。

【図４】本発明により製造した主軸および比較例の摩耗
試験結果を示すグラフ。

【符号の説明】

１ 主軸 ２ テーパ部 ３ 軸孔 ４ 治具 ５ 嵌合部 ６ テーパ面 ７ 離型剤層 ８ アルミニウム層 １０ 支持棒 １１ 雄ねじ部 ２０ 中間層

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】他の機械部材が密着嵌合的に接触する接触
   面を内径部に有し鋼を母材とする機械部材を製造する方
   法であって、 前記機械部材の内径部に密着して嵌合する治具の嵌合部
   の表面にアルミニウムを溶射することによりアルミニウ
   ム層をあらかじめ形成し、 前記内径部に前記治具を挿着した当該機械部材を真空炉
   中に入れて、アルミニウムの融点以上の温度で所定時間
   加熱し、母材中にアルミニウムを拡散させ前記内径部の
   接触面にＦｅ−Ａｌ合金被覆層を形成することを特徴と
   する耐フレッチング性に優れた機械部材の製造方法。
2. 【請求項２】前記治具の嵌合部の表面にアルミニウムに
   対して不活性な離型剤層を形成し、前記離型剤層の上に
   前記アルミニウム層を形成することを特徴とする請求項
   １に記載の耐フレッチング性に優れた機械部材の製造方
   法。
3. 【請求項３】前記治具に形成したアルミニウム層の層厚
   を少なくとも２００μｍ確保する手段を介して前記治具
   を前記機械部材の内径部に挿着することを特徴とする請
   求項１または２に記載の耐フレッチング性に優れた機械
   部材の製造方法。
4. 【請求項４】前記アルミニウム層の層厚を確保する手段
   は、前記機械部材の内径部に配置され、前記治具を下か
   ら支持し、かつ、その支持位置を調整可能な支持棒から
   なることを特徴とする請求項３に記載の耐フレッチング
   性に優れた機械部材の製造方法。
5. 【請求項５】前記アルミニウム層の層厚を確保する手段
   は、確保するアルミニウム層の層厚に対応した厚さを有
   し、アルミニウムよりも高い融点の金属材料からなる中
   間層を前記離型剤層の上層または当該治具の嵌合部の表
   面に部分的に形成してなることを特徴とする請求項３に
   記載の耐フレッチング性に優れた機械部材の製造方法。
6. 【請求項６】前記機械部材は、先端にテーパ部を有する
   工作機械の主軸であることを特徴とする請求項１乃至５
   のいずれかの項に記載の耐フレッチング性に優れた機械
   部材の製造方法。