JPWO2019202911A1 - ディンプル付き被加工物及びディンプル加工方法 - Google Patents

ディンプル付き被加工物及びディンプル加工方法 Download PDF

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Abstract

被加工物１の加工面（２）に複数のディンプル（３）が形成される。ディンプル（３）は、長手方向の縦長さ（３ｂ）と、長手方向に直交する横方向の横長さ（３ｃ）のアスペクト比が５．０以上でかつ５０．０以下である。

Description

本発明は、表面に複数のディンプルが施された被加工物、及び被加工物の表面に複数のディンプルを施す加工方法に関する。
アルミ、銅合金、それらの鋳造品、鉄鋼材料や樹脂などの被加工物の表面にいわゆるきさげ加工を施して多数の微小な凹みであるディンプルを形成する場合がある。例えば複数のディンプルによって梨地模様を被加工物の表面に形成する場合がある。被加工物にディンプルを形成することで、被加工物に接触する相手材と被加工物の間に生じる摩擦抵抗を小さくすることができるためである。その原理は、例えば被加工物と相手材が接触することで摩耗粉が生じ、摩耗粉が被加工物と相手材との間に挟まって摩擦抵抗を大きくする場合がある。この摩耗粉をディンプル内に収容させることで、摩耗粉によって摩擦抵抗が大きくなることを抑制できる。あるいは被加工物と相手材との間に油が注入され、油がディンプルに充填される場合がある。相手材がディンプルの近傍を通過すると、油がディンプルから高い圧力で相手材と被加工物の間に排出される（スクイーズ効果）。この圧力によって相手材が被加工物に対して接触し難くなり、これにより相手材と被加工物の間の摩擦抵抗が小さくなる。
そのためエンジンのシリンダやターボチャージャー等の筒状部材の内壁や人工関節の接合面等にディンプルを形成する場合がある。特開平１０−０５２９９８号公報では、フライス、エンドミル等の回転切削工具を利用して被加工物の表面を加飾する方法が開示されている。この方法では、回転切削工具を回転させつつ被加工物の表面にわずかに回転切削工具の切れ刃部を当てる。これにより被加工物の表面に例えば円形や楕円形を有する複数のディンプルを水玉模様状に形成できる。そしてディンプルは、例えば回転切削工具の軸方向に並設するように形成され、かつ軸方向に直交する送り方向にも等間隔に形成される。
被加工物と相手材の間に油が充填され、被加工物と相手材が相対的に移動すると、これらの間で油の圧力やせん断力が生じて油に流れが生じる。油の流れは、例えばディンプルが円形の場合にディンプル内での渦状の乱れ（例えば、キャビテーション）を生じる。油の流れの渦状の乱れは油膜の圧力を小さくすることに寄与する場合がある。ディンプルを形成することによる油膜の圧力を増加させる効果を効率良く発揮させるためには、ディンプル内の油の流れに乱れが生じることを抑制することが望ましい。したがってディンプル内の油の流れの乱れを抑制可能な複数のディンプル付き被加工物が必要とされている。またはそのディンプルを被加工物に施す加工方法が必要とされている。
本開示の１つの特徴は、油膜の圧力を増加させるための複数のディンプルが施されたディンプル付き被加工物に関する。複数の各ディンプルは、長手方向の縦長さと、前記長手方向に直交する横方向の横長さのアスペクト比が５．０以上でかつ５０．０以下である。
したがってディンプルは、長手方向に細長い形状を有する。ディンプルは、例えば紡錘形や楕円形や矩形や菱形の形状を有する。アスペクト比が５．０以上の細長く延びるディンプル内では、油の流れに渦状の乱れが発生することが抑制される。また、ディンプル内の油の流れは、ディンプルの長手方向に沿った乱れの小さい流れとなる。そのためディンプル内の油の流れの乱れによる油膜の圧力の減少が抑制される。かくしてディンプルによって油膜の圧力を効果的に増加させることができる。
本開示の他の特徴によると複数のディンプルは、相互に平行である複数の第１ディンプルと、相互に平行である複数の第２ディンプルを有する。複数の第１ディンプルの長手方向と複数の第２ディンプルの長手方向が角度を有して交わるように、複数の第１ディンプルと複数の第２ディンプルが配列される。
したがって第１のディンプルの周りでは、第１のディンプルの長手方向に沿って油が流れやすい。第２のディンプルの周りでは、第２のディンプルの長手方向に沿って油が流れやすい。第１のディンプルの長手方向と第２のディンプルの長手方向は角度を有して交差している。そのため第１のディンプルの周りの油の流れと、第２のディンプルの周りの流れが収束する。油の流れが収束することで被加工物と相手材の間に収容された油がこれらの間から流出しにくくなり、これらの間に油を保持し得る。
本開示の他の特徴によると、複数の各ディンプルは、深さが１０．０μｍ以下である。各ディンプルの長手方向の端縁部は、深さ方向に被加工物の表面に対して１０．０°以下の傾斜角度を有する。したがって複数のディンプルは、底が浅く形成され、かつ特に長手方向の端縁部が被加工物の表面と滑らかに連なって形成される。そのためディンプルの深さ方向についても、ディンプル内の油の流れで渦が発生することが抑制される。しかも油の流れは、ディンプルの長手方向に沿った乱れも小さい。そのためディンプル内の油の流れの乱れによる油膜の圧力の減少がより抑制される。かくしてディンプルによって油膜の圧力を効果的に増加させることができる。
本開示の他の特徴は、回転切削工具を用いて被加工物にディンプルを形成するディンプル加工方法に関する。軸心回りに回転可能に支持される工具本体と、工具本体の外周縁に軸心の延びる方向と交差する方向に張り出して設けられた切れ刃部とを具備する回転切削工具を軸心回りに回転させる。回転切削工具を回転させつつ被加工物の加工面に沿って相対的に送り、切れ刃部によって加工面にディンプルを形成する。ディンプルは、長手方向の縦長さと、長手方向に直交する横方向の横長さのアスペクト比が５．０以上でかつ５０．０以下である。
したがってアスペクト比が比較的大きい５．０以上の複数のディンプルを、被加工物の表面上に容易に形成することができる。例えば被加工物が相手材に対して相対的に移動する一方向に並列する複数のディンプルを比較的容易に形成することができる。あるいは当該一方向と交差する他方向に複数のディンプルを等間隔に配置させる複数のディンプルを比較的容易に形成することができる。
紡錘形状のディンプルを形成する回転切削工具の一部側面と被加工物の一部断面の側面図である。 紡錘形状のディンプルが形成された被加工物の拡大正面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面矢視図である。 楕円形状のディンプルを形成する回転切削工具の一部側面と被加工物の一部断面の側面図である。 楕円形状のディンプルが形成された被加工物の拡大正面図である。 図５のＶＩ−ＶＩ線断面矢視図である。 クランクシャフトの正面とクランクシャフトのクランクピンにディンプルを形成する回転切削工具の断面を示す図である。 クランクシャフトのクランクピンの一部断面と回転切削工具の一部平面を示す平面図である。 ディンプルが形成されたクランクピンの拡大正面図である。 図９のＸ−Ｘ線断面矢視図である。 長手方向が角度を有して交差する複数の第１のディンプルと複数の第２のディンプルが形成された被加工物の拡大正面図である。 図７のＸＩＩ部分の拡大側面図である。 図１２の切れ刃部に代えて紡錘形状のディンプルを形成する切れ刃部を有する回転切削工具の拡大側面図である。 複数列のディンプルを同時に形成する回転切削工具と被加工物の斜視図である。 円筒形状の被加工物の一部と被加工物の内周面にディンプルを形成する回転切削工具の断面図である。 円筒形状の被加工物の一部断面と被加工物の内周面にディンプルを形成する回転切削工具の一部側面の側面図である。 紡錘形状のディンプルが形成された被加工物の拡大正面図である。 ディンプルを形成するバイトと被加工物の正面図である。 ディンプル形状の違いによる荷重と摩擦係数の関係図である。 ディンプルのアスペクト比と摩擦係数の関係図である。 速度／荷重と摩擦係数の関係図である。 円形状のディンプルが形成された被加工物の拡大正面図である。 紡錘形状のディンプルが形成された被加工物の拡大正面図である。 長手方向が角度を有して交差する複数の第１のディンプルと複数の第２のディンプルが形成された被加工物の拡大正面図である。 ディンプルの形状及び大きさの違いによる荷重と摩擦係数の関係図である。
次に、本発明の１つの実施形態を図１〜３に基づいて説明する。図１に示すように金属製の被加工物１は、相手材と接触する加工面２を有する。加工面２には、回転切削工具１０を用いることで互いに離間した複数のディンプル３が形成される。被加工物１は、例えば炭素鋼、一般構造圧延鋼、クロムモリブデン鋼、ステンレス鋼、鋳鉄等の鉄鋼材料で構成される。あるいは被加工物１は、例えばアルミ及びアルミ合金、銅及び銅合金等の非鉄金属や樹脂材料で構成される。回転切削工具１０は、軸心１１ａ方向に延びる工具本体１１と、工具本体１１の周縁１１ｂの一部から径方向に突出する切れ刃部１２を有する。工具本体１１は、軸心１１ａを中心とする円柱形状または円錐形状あるいはその他の回転体形状を有する。工具本体１１は１個または複数個の切れ刃部１２を有する。複数個の場合の切れ刃部１２は、工具本体１１の周縁１１ｂの周方向にまたは軸方向に間隔をおいて、例えば周縁１１ｂの周方向または軸方向等分位置に配置される。
図１に示すように切れ刃部１２は、第１底刃１２ａと第２底刃１２ｂを有する。第１底刃１２ａは、工具本体１１の径方向及び軸方向に対して所定の角度を有して傾斜した略平面を有する。第２底刃１２ｂは、工具本体１１の径方向及び軸方向に対して所定の角度を有して傾斜しかつ第１底刃１２ａと角度を有して交差する略平面を有する。第１底刃１２ａと第２底刃１２ｂは、交差してＶ字状の先端１２ｃを形成する。すなわち切れ刃部１２は、略三角形のすくい面を有する。切れ刃部１２のすくい面は、概ね工具本体１１の周方向を向く。
切れ刃部１２は、回転切削工具１０の工具本体１１と同一の材質から形成、あるいは異なる材質から形成される。例えば、切れ刃部１２と工具本体１１が、工具鋼、高速度鋼（高速度工具鋼）、超硬合金から形成される。あるいは工具本体１１が、炭素鋼、ステンレス鋼、工具鋼、高速度鋼、超硬合金から形成され、切れ刃部１２が多結晶ダイヤ（ＰＣＤ）、立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）、セラミックスから形成され、切れ刃部１２が工具本体１１に接合される。あるいは切れ刃部１２が工具本体１１と同一または異なる材料で形成され、切れ刃部１２に対応する領域にコーティング等の表面処理が施される。表面処理は、例えば化学気相蒸着法（ＣＶＤ）や物理蒸着法（ＰＶＤ）等によって施され、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＣｒＮ、ＴｉＡｌＣｒＳｉＮなどのＴｉ系、ＣＶＤダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）等のコーティング層が切れ刃部１２として用いられる。
図１，２を参照して回転切削工具１０を用いたきさげ加工によるディンプル３の形成過程を示す。回転切削工具１０は、工具本体１１の径方向が加工面２と交差する姿勢で、軸心１１ａを中心として回転可能に支持される。加工面２からの回転切削工具１０の距離はディンプル３の最大深さ３ａを基に設定される。回転切削工具１０は、最大深さ３ａが３〜７μｍ、例えば５μｍとなるように加工面２から距離をとって配置される。軸心１１ａを中心に回転する回転切削工具１０を、加工面２に対して切れ刃部１２の切削方向に相対的に移動させる。これにより加工面２には、複数のディンプル３がその長手方向に直列してかつ互いに離間して形成される。
図２，３に示すように加工面２に形成されるディンプル３は、いわゆる紡錘形状を有する。ディンプル３の最大深さ３ａは、３〜７μｍであり、例えば５μｍである。ディンプル３の長手方向の縦長さ３ｂは、０．１０〜１．００ｍｍであり、例えば０．２０ｍｍである。ディンプル３の長手方向と直交する横長さ３ｃは、アスペクト比（縦長さ３ｂと横長さ３ｃの比）が５．０以上かつ５０．０以下となるように、例えば０．０１０ｍｍである。ディンプル３の長手方向の端縁部は、深さ方向に加工面２に対して１０．０°以下の緩やかな傾斜角度を有する。ディンプル３の長手方向の端縁部は、平面上において６０．０°以下の三角形状である。複数のディンプル３はその長手方向に所定間隔例えば０．３０ｍｍで離間している。長手方向の離間距離は、例えば縦長さ３ｂより長い。
図２に示すように油膜の圧力を増加させるために被加工物１に複数のディンプル３が形成される。ディンプル３は、長手方向の縦長さ３ｂと長手方向に直交する横長さ３ｃとのアスペクト比が５．０以上でかつ５０．０以下である。ディンプル３は、長手方向に細長い紡錘形状を有する。
したがってディンプル３内では、油の流れに渦状の乱れが発生することが抑制される。また、ディンプル３内の油の流れは、ディンプル３の長手方向に沿った乱れの小さい流れとなる。そのためディンプル３内の油の流れの乱れによる油膜の圧力の低減が抑制される。さらに、複数のディンプル３は、それぞれの長手方向が平行となるようにかつ互いに離間して加工面２に形成される。ディンプル３内の油の流れは、主としてディンプル３の長手方向となる。そのため特に相手材に対する被加工物１の移動方向がディンプル３の長手方向に沿う場合において、被加工物１と相手材との間の油膜の圧力が効果的に増加される。かくしてディンプル３によって被加工物１と相手材との間の油膜の圧力を効果的に増加させることができる。
図１，３に示すようにディンプル３は、最大深さ３ａが１０μｍ以下である。ディンプル３の長手方向の端縁部は、深さ方向に加工面２に対して１０．０°以下の傾斜角度θを有する。したがってディンプル３は、底が浅く形成され、かつ特に長手方向の端縁部が加工面２と滑らかに連なっている。そのためディンプル３の深さ方向についても、ディンプル３内の油の流れで渦が発生することが抑制される。しかも油の流れは、ディンプル３の長手方向に沿った乱れも小さい。そのためディンプル３内の油の流れの乱れによる油膜の圧力の低減がより抑制される。かくしてディンプル３によって油膜の圧力を効果的に増加させることができる。
図１，２を参照するようにディンプル３を加工面２に形成する時、軸心１１ａ回りに回転可能に支持される工具本体１１と、工具本体１１の周縁１１ｂに設けられた切れ刃部１２とを具備する回転切削工具１０を軸心１１ａ回りに回転させる。回転切削工具１０を回転させつつ加工面２に沿って相対的に送り、切れ刃部１２によって加工面２にディンプル３を形成する。ディンプル３は、長手方向の縦長さ３ｂと、長手方向に直交する横方向の横長さ３ｃのアスペクト比が５．０以上でかつ５０．０以下である。したがってアスペクト比が比較的大きい５．０以上の複数のディンプル３を加工面２に容易に形成することができる。例えば被加工物１が相手材に対して相対的に移動する一方向に並列する複数のディンプル３を比較的容易に形成することができる。
次に、他の実施形態を図４〜６に基づいて説明する。この実施形態では、図１に示す回転切削工具１０に代えて図４に示す回転切削工具２０を用いてディンプル４を形成する。回転切削工具２０は、図１に示す切れ刃部１２に代えて図４に示す切れ刃部２２を有する。切れ刃部２２は、底刃２２ａを有する。
図４に示すように底刃２２ａは、工具本体２１の径方向に張り出した円弧形状に形成される。底刃２２ａが回転切削工具２０の径方向に最も突出した位置が、切れ刃部２２の先端２２ｂとなる。底刃２２ａの曲率半径Ｒ２は、０．４０ｍｍ以上であり、例えば０．５０ｍｍである。Ｒ２の最大は、例えば２ｍｍである。軸心２１ａから先端２２ｂまでの長さＲ３は１０．０ｍｍ以上であり、例えば１２．５ｍｍである。Ｒ３の最大は、例えば３０ｍｍである。長さＲ３と曲率半径Ｒ２との比は、２５．０倍以上に設定される。切れ刃部２２のすくい面は、略半円状であって概ね工具本体２１の周方向を向いている。
図５，６に示すように回転切削工具２０によって加工面２に形成されるディンプル４は、楕円形状を有する。ディンプル４の最大深さ４ａは、３〜７μｍであり、例えば５μｍである。ディンプル４の長手方向の縦長さ４ｂは、０．１０〜１．００ｍｍの範囲であり、例えば０．２０ｍｍである。ディンプル４の長手方向と直交する横長さ４ｃは、アスペクト比（縦長さ４ｂと横長さ４ｃの比）が５．０以上かつ５０．０以下となるように、例えば０．０１０ｍｍである。ディンプル４の長手方向の端縁部は、深さ方向に加工面２に対して１０．０°以下の緩やかな傾斜角度θを有する。複数のディンプル４は、長手方向に並びかつそれぞれ所定の間隔で配置される。複数のディンプル４の長手方向の間隔は、例えば０．３０ｍｍであり、縦長さ４ｂより長い。
図５に示すように油膜の圧力を増加させるために被加工物１に複数のディンプル４が形成される。ディンプル４は、長手方向の縦長さ４ｂと長手方向に直交する横長さ４ｃとのアスペクト比が５．０以上でかつ５０．０以下である。ディンプル４は、長手方向に細長い楕円形状を有する。したがってディンプル４は、ディンプル３と同様の効果を奏する。例えば、ディンプル４内では、油の流れに渦状の乱れが発生することが抑制される。
次に、他の実施形態を図７〜１０，１２に基づいて説明する。この実施形態では図１に示す回転切削工具１０に代えて図７に示す回転切削工具３０を用いる。この実施形態では、円柱形状部材の周面にディンプルを形成し、例えばクランクシャフト３３のクランクピン３４の周面３４ａに複数の楕円形状のディンプル５を形成する。
図７，８，１２に示すように回転切削工具３０は、軸心３１ａを中心とする円盤形状の工具本体３１と、工具本体３１の周縁３１ｂから径方向外方に突出する複数の切れ刃部３２を有する。切れ刃部３２は、工具本体３１の外周の一部から径方向に張り出す円弧形状の底刃３２ａを有する。工具本体３１は、例えば直径が３２０．０ｍｍ、厚さが４．０ｍｍである。底刃３２ａの円弧形状は、例えば厚み方向に１６０°の角度範囲の扇状である。底刃３２ａの円弧形状の曲率半径Ｒ４は、例えば２３．５ｍｍである。
図７，８に示すように工具本体３１の半径Ｒ５と曲率半径Ｒ４との比は、２５．０倍以上である。工具本体３１は１個または複数個の切れ刃部３２を有する。複数個の場合の切れ刃部３２は、工具本体３１の周縁３１ｂに間隔をおいて、例えば周縁３１ｂの周方向等分位置に配置される。切れ刃部３２のすくい面３２ｂは、概ね工具本体３１の周方向を向く。
図７，８を参照して回転切削工具３０によるディンプル５の形成過程を示す。クランクシャフト３３は、クランクジャーナル３５とクランクピン３４とクランクアーム３６を有する。クランクピン３４は、クランクジャーナル３５の軸心３５ａと平行の軸中心とする円柱形状である。一対のクランクアーム３６は、クランクジャーナル３５から径方向に延出し、その先端にクランクピン３４が位置する。これによりクランクピン３４の軸心がクランクジャーナル３５の軸心３５ａから径方向に離れる。クランクシャフト３３は、軸心３５ａを中心に回転可能に支持される。クランクシャフト３３の回転によって、クランクピン３４の軸心が円形の軌道３８上を移動する。
図７，８を参照するように回転切削工具３０は、クランクシャフト３３の軸心３５ａと平行な軸心３１ａを中心として回転可能に支持される。回転切削工具３０は、軸心３５ａが工具公転軸３７を中心に円形の軌道３９上を移動するように支持される。クランクシャフト３３が軸心３５ａを中心に回転することで、クランクピン３４が軸心３５ａを中心に公転する。クランクピン３４の公転と同じ平行な円軌道で同期するように回転切削工具３０が工具公転軸３７を中心に公転する。
図７，８を参照するように周面３４ａからの回転切削工具３０の距離はディンプル５の最大深さ５ａ（図１０参照）を基に設定される。回転切削工具３０は、最大深さ５ａが３〜７μｍ、例えば５μｍとなるように周面３４ａからの距離が設定される。切削時において回転切削工具３０は、軸心３１ａを中心に回転し、かつ軌道３８上を移動するクランクピン３４にあわせて、軸心３１ａが軌道３９上で移動する。さらに回転切削工具３０は、周面３４ａに対して軸心３１ａの延びる方向に相対移動する。これにより複数のディンプル５が、周面３４ａの周方向に長手方向を有して並び、かつ周面３４ａの周方向と軸方向に互いに離間して形成される。
図９，１０に示すように周面３４ａに形成されるディンプル５は、楕円形状である。ディンプル５の最大深さ５ａは、３〜７μｍで、例えば５μｍである。ディンプル５の長手方向の縦長さ５ｂは、例えば０．９７０ｍｍである。ディンプル５の長手方向と直交する横長さ５ｃは、アスペクト比（縦長さ５ｂと横長さ５ｃの比）が５．０以上かつ５０．０以下となるように、例えば０．０５６９ｍｍである。ディンプル５の長手方向の端縁部は、深さ方向に周面３４ａに対して１０．０°以下の緩やかな傾斜角度θを有する。複数のディンプル５の長手方向の間隔は、例えば１．５０ｍｍであり、縦長さ５ｂより長い、あるいは略同じである。
図９に示すように油膜の圧力を増加させるためにクランクピン３４の周面３４ａに複数のディンプル５が形成される。ディンプル５は、長手方向の縦長さ５ｂと長手方向に直交する横長さ５ｃとのアスペクト比が５．０以上でかつ５０．０以下である。ディンプル５は、長手方向に細長い楕円形状を有する。したがってディンプル５は、ディンプル３と同様の効果を奏する。例えば、ディンプル５内では、油の流れに渦状の乱れが発生することが抑制される。ディンプル５内の油の流れは、主としてディンプル５の長手方向となる。そのため特にディンプル５の長手方向が相手材（コネクティングロッド）に対するクランクピン３４の相対移動方向（周面３４ａの周方向）に沿う場合、クランクピン３４とコネクティングロッドとの間の油膜の圧力が効果的に増加される。
次に、他の実施形態を図１３に基づいて説明する。この実施形態では図１２に示す切れ刃部３２に代えて図１３に示す切れ刃部４２を工具本体３１の周縁３１ｂに設ける。図１３に示すように切れ刃部４２は、第１底刃４２ａと第２底刃４２ｂを有する。第１底刃４２ａは、工具本体３１の径方向及び軸方向に対して所定の角度を有して傾斜した略平面を有する。第２底刃４２ｂは、工具本体３１の径方向及び軸方向に対して所定の角度を有して傾斜しかつ第１底刃４２ａと角度を有して交差する略平面を有する。第１底刃４２ａと第２底刃４２ｂは、交差してＶ字状の先端４２ｃを形成する。すなわち切れ刃部４２は、略三角形のすくい面を有する。切れ刃部４２のすくい面は、概ね工具本体３１の周方向を向く。切れ刃部４２は、すくい面の反対側に逃げ面を有する。
図１３に示す切れ刃部４２によって、図７に示すクランクシャフト３３のクランクピン３４の周面３４ａに図２，３に示すような紡錘形状のディンプルが形成される。図７に示す周面３４ａに形成されるディンプルの最大深さは、３〜７μｍで、例えば５μｍである。ディンプルの長手方向の縦長さは、例えば０．９７０ｍｍである。ディンプルの長手方向と直交する横長さは、アスペクト比（縦長さと横長さの比）が５．０以上かつ５０．０以下となるように、例えば０．０２０ｍｍである。ディンプルの長手方向の端縁部は、深さ方向に周面３４ａに対して１０．０°以下の緩やかな傾斜角度を有する。複数のディンプルの長手方向の間隔は、例えば１．５０ｍｍであり、縦長さより長い、あるいは略同じである。
図１３に示す切れ刃部４２によって図７に示すクランクシャフト３３のクランクピン３４の周面３４ａに紡錘形状のディンプルが形成される。ディンプルは、長手方向の縦長さと長手方向に直交する横長さとのアスペクト比が５．０以上でかつ５０．０以下である。ディンプル４は、長手方向に細長い紡錘形状を有する。したがって切れ刃部４２によって形成されるディンプルは、ディンプル５と同様の効果を奏する。例えば、特にディンプルの長手方向が相手材（コネクティングロッド）に対するクランクピン３４の相対移動方向（周面３４ａの周方向）に沿う場合、クランクピン３４とコネクティングロッドとの間の油膜の圧力が効果的に増加される。
次に、他の実施形態を図１１に基づいて説明する。この実施形態では図１に示すディンプル３に代えて図１１に示すディンプル６を被加工物１の加工面２に形成する。ディンプル６は、例えば図１に示す回転切削工具１０または図４に示す回転切削工具２０で形成される。ディンプル６には、複数の第１のディンプル６ａと、複数の第２のディンプル６ｂを有する。図１１に示すように第１のディンプル６ａ及び第２のディンプル６ｂは紡錘形状である。あるいは、第１のディンプル６ａ及び第２のディンプル６ｂは楕円形状である。第１のディンプル６ａが形成される領域と第２のディンプル６ｂが形成される領域は、互いにほぼ重ならない。
図１１に示すように第１のディンプル６ａ及び第２のディンプル６ｂの最大深さは、３〜７μｍであり、例えば５μｍである。第１のディンプル６ａの長手方向の縦長さ６ｃ及び第２のディンプル６ｂの長手方向の縦長さ６ｅは、０．１０〜１．００ｍｍであり、例えば０．２０ｍｍである。第１のディンプル６ａの長手方向と直交する横長さ６ｄ及び第２のディンプル６ｂの横長さ６ｆは、アスペクト比（縦長さ６ｃ，６ｅと横長さ６ｄ，６ｆとの比）が５．０以上かつ５０．０以下となるように、例えば０．０１０ｍｍである。第１のディンプル６ａ及び第２のディンプル６ｂの長手方向の端縁部は、深さ方向に加工面２に対して１０．０°以下の緩やかな傾斜角度を有する。
図１１に示すように複数の第１のディンプル６ａは、長手方向が相互に平行である。複数の第２のディンプル６ｂは、長手方向が相互に平行である。第１のディンプル６ａ及び第２のディンプル６ｂは、互いの長手方向が角度Ａ１を有して交わるように配列される。角度Ａ１は例えば９０°である。第１のディンプル６ａは、隣り合う第１のディンプル６ａに対して離間している。第２のディンプル６ｂは、隣り合う第２のディンプル６ｂに対して離間している。
図１１に示すように油膜の圧力を増加させるために被加工物１に複数のディンプル６が形成される。複数のディンプル６は、複数の第１のディンプル６ａと複数の第２のディンプル６ｂを有する。第１のディンプル６ａは、長手方向の縦長さ６ｃと長手方向に直交する横長さ６ｄとのアスペクト比が５．０以上でかつ５０．０以下である。第２のディンプル６ｂは、長手方向の縦長さ６ｅと長手方向に直交する横長さ６ｆとのアスペクト比が５．０以上でかつ５０．０以下である。ディンプル６は、長手方向に細長い紡錘形状あるいは楕円形状である。したがってディンプル６内では、油の流れに渦状の乱れが発生することが抑制される。また、ディンプル６内の油の流れは、ディンプル６の長手方向に沿った乱れの小さい流れとなる。そのためディンプル６内の油の流れの乱れによる油膜の圧力の減少が抑制される。
図１１に示すようにディンプル６は、相互に平行である複数の第１のディンプル６ａと、相互に平行である複数の第２のディンプル６ｂを有する。複数の第１のディンプル６ａの長手方向と複数の第２のディンプル６ｂの長手方向が角度を有して交わるように、複数の第１のディンプル６ａと複数の第２のディンプル６ｂが配列される。したがって第１のディンプル６ａの周りでは、第１のディンプル６ａの長手方向に沿って油が流れやすい。第２のディンプル６ｂの周りでは、第２のディンプル６ｂの長手方向に沿って油が流れやすい。そのため第１のディンプル６ａの周りの油の流れと、第２のディンプル６ｂの周りの流れが収束する。油の流れが収束することで被加工物１と相手材の間に収容された油がこれらの間から流出しにくくなり、これらの間に油を保持し得る。収束部の圧力は１つのディンプルの場合より一段と増加する。
次に、他の実施形態を図１４に基づいて説明する。この実施形態では図７に示す回転切削工具３０に代えて図１４に示す回転切削工具５０を用いる。回転切削工具５０によって被加工物１の加工面２にディンプル７が形成される。回転切削工具５０は、軸心５１ａを中心とする円柱形状の工具本体５１と、工具本体５１の周縁５１ｂの一部から径方向に突出する複数個の切れ刃部５２を有する。複数個の切れ刃部５２は、工具本体５１の軸心５１ａ方向に間隔を置き、かつ周縁５１ｂの周方向に間隔をおいて配置される。例えば複数個の切れ刃部５２は、切れ刃部５２の軸心５１ａ方向の長さと略同じ長さだけ軸心５１ａ方向に間隔を置いて配置される。さらに複数の切れ刃部５２は、例えば周方向に１８０°互いに離間して配置される。
図１４に示す切れ刃部５２は、例えば図１２に示す切れ刃部３２の形状または図１３に示す切れ刃部４２の形状である。回転切削工具５０は、ディンプル７の最大深さが３〜７μｍ、例えば５μｍとなるように加工面２から距離をとって配置される。軸心５１ａを中心に回転する回転切削工具５０を、加工面２に対して切れ刃部５２の切削方向に相対的に移動させる。これにより加工面２には、複数のディンプル７がその長手方向に平行に並びかつ互いに離間して形成される。切れ刃部５２によって形成されるディンプル７は、例えば楕円形状あるいは紡錘形状である。
図１４に示すようにディンプル７の最大深さは、８〜１２μｍであり、例えば１０μｍである。ディンプル７の長手方向の縦長さは、例えば４．０ｍｍである。ディンプル７の長手方向と直交する横長さは、アスペクト比（縦長さと横長さとの比）が５．０以上かつ５０．０以下となるように、例えば０．５０ｍｍである。ディンプル７の長手方向の端縁部は、深さ方向に加工面２に対して１０．０°以下の緩やかな傾斜角度を有する。
図１４に示すように油膜の圧力を増加させるために被加工物１に複数のディンプル７が形成される。ディンプル７は、長手方向の縦長さと長手方向に直交する横長さとのアスペクト比が５．０以上でかつ５０．０以下である。ディンプル７は、長手方向に細長い楕円形状または紡錘形状であり、長手方向に平行に配置される。したがってディンプル７は、ディンプル３と同様の効果を奏する。例えば、ディンプル７内では、油の流れに渦状の乱れが発生することが抑制される。回転切削工具５０によって、軸心５１ａ方向に離間した複数列のディンプル７を同時に形成することができる。
次に、他の実施形態を図１５〜１７に基づいて説明する。この実施形態では図１に示す回転切削工具１０に代えて図１５，１６に示す回転切削工具６０を用いる。回転切削工具６０によって円筒形状の被加工物６３の内周面６３ａにディンプル８が形成される。回転切削工具６０は、軸心６１ａを中心とする工具本体６１と、工具本体６１の周縁６１ｂの一部から径方向に突出する１個または複数個の切れ刃部６２を有する。複数個の場合の切れ刃部６２は、工具本体６１の周縁６１ｂの周方向に間隔をおいて、例えば周縁６１ｂの周方向等分位置に配置される。およびまたは軸方向に所定間隔で配置される。
図１６に示すように切れ刃部６２は、第１底刃６２ａと第２底刃６２ｂを有する。第１底刃６２ａは、工具本体６１の径方向及び軸方向に対して所定の角度を有して傾斜した略平面の端のエッジである。第２底刃６２ｂは、工具本体６１の径方向及び軸方向に対して所定の角度を有して傾斜しかつ第１底刃６２ａと角度を有して交差するエッジである。第１底刃６２ａと第２底刃６２ｂは、交差してＶ字状の先端６２ｃを形成する。すなわち切れ刃部６２は、略三角形のすくい面を有する。切れ刃部６２のすくい面は、概ね工具本体６１の周方向を向く。
図１５，１６に示すように回転切削工具６０を、内周面６３ａに沿うように移動させつつ軸心６１ａを中心に回転させる。これにより切れ刃部６２が内周面６３ａを切削して複数の紡錘形状のディンプル８が形成される。ディンプル８は、内周面６３ａの周方向に沿って互いに離間して配置される。ディンプル８の長手方向は内周面６３ａの周方向と同じ方向になる。さらに回転切削工具６０を軸心６１ａ方向に移動させることにより、ディンプル８は、被加工物６３の軸方向に離間しかつ平行に並んで配置される。
図１６，１７に示すようにディンプル８の最大深さ８ａは、３〜７μｍであり、例えば５μｍである。ディンプル８の長手方向の縦長さ８ｂは、例えば０．５５７ｍｍである。ディンプル８の長手方向と直交する横長さ８ｃは、アスペクト比（縦長さ８ｂと横長さ８ｃとの比）が５．０以上かつ５０．０以下となるように、例えば０．０２０ｍｍである。ディンプル８の長手方向の端縁部は、深さ方向に内周面６３ａに対して１０．０°以下の緩やかな傾斜角度を有する。回転切削工具６０は、切れ刃部６２に代えて例えば図４に示すような円弧形状の切れ刃部を有することにより、楕円形状のディンプルをディンプル８と同様に内周面６３ａに形成することができる。
図１５〜１７に示すように油膜の圧力を増加させるために被加工物１に複数のディンプル８が形成される。ディンプル８は、長手方向の縦長さ８ｂと長手方向に直交する横長さ８ｃとのアスペクト比が５．０以上でかつ５０．０以下である。ディンプル８は、長手方向に細長い楕円形状または紡錘形状であり、長手方向に平行に配置される。したがってディンプル８は、ディンプル３と同様の効果を奏する。例えば、ディンプル８内では、油の流れに渦状の乱れが発生することが抑制される。
次に、他の実施形態を図１８に基づいて説明する。この実施形態では図１に示す回転切削工具１０に代えて図１８に示すバイト７０を用いて、略円柱形状または略円錐形状あるいはその他の回転体形状を有する被加工物７３の加工面７３ｂにディンプルを形成する。バイト７０は、棒形状の工具本体７１と、工具本体７１の先端に設けられた切れ刃部７２を有する。切れ刃部７２は、すくい面７２ａと逃げ面７２ｂを有する。
図１８に示すように被加工物７３は、軸心７３ａを中心に回転可能に支持される。軸心７３ａ回りに回転する被加工物７３の加工面７３ｂに切れ刃部７２の先端７２ｃを当てることで加工面７３ｂが切削される。バイト７０を被加工物７３の径方向に往復動させることで、切れ刃部７２の先端７２ｃは加工面７３ｂに対する当接と離間を繰り返す。かくして切れ刃部７２により加工面７３ｂに複数のディンプルを形成することができる。複数のディンプルは、長手方向が加工面７３ｂの周方向に沿ってかつ互いに離間して配置される。バイト７０を被加工物７３に対して軸心７３ａ方向に相対移動させる。これにより複数のディンプルは、軸心７３ａ方向について平行に並びかつ互いに離間して配置される。
図１８に示す加工面７３ｂに形成されるディンプルの最大深さは、３〜７μｍであり、例えば５μｍである。ディンプルの長手方向の縦長さは、０．１０〜１．００ｍｍであり、例えば０．２０ｍｍである。ディンプルの長手方向と直交する横長さは、アスペクト比（縦長さと横長さとの比）が５．０以上かつ５０．０以下となるように、例えば０．０１０ｍｍである。ディンプルの長手方向の端縁部は、深さ方向に加工面２に対して１０．０°以下の緩やかな傾斜角度を有する。
図１８に示すように油膜の圧力を増加させるために被加工物７３の加工面７３ｂに複数のディンプルが形成される。ディンプルは、長手方向の縦長さと長手方向に直交する横長さとのアスペクト比が５．０以上でかつ５０．０以下である。ディンプルは、長手方向に互いに離間してかつ平行に配置される。したがって加工面７３ｂに形成されるディンプルは、ディンプル３と同様の効果を奏する。例えば、ディンプル内では、油の流れに渦状の乱れが発生することが抑制される。
次に、ディンプル形状を規定する根拠となる実験とその結果を示す。実験の一つとして、３ボールオンディスク式の摩擦試験装置によって被加工物の加工面における摩擦特性を評価した。被加工物は、外径４４ｍｍ×内径２０ｍｍ×厚さ８ｍｍのディスク形状の鋳造用アルミニウム合金（ＡＣ８Ａ−Ｔ６）を用いた。摩擦の相手材は直径６．３５ｍｍのクロム軸受鋼（ＳＵＪ２）球を用いた。相手材は、被加工物との接触面が直径２．５ｍｍになるように研磨し、接触面の表面粗さ（算術平均粗さ）が０．０１μｍ以下となるように鏡面仕上げを施した。
３つの相手材は、被加工物の中心から１７ｍｍの位置で、周方向三等分の各位置に配置された。被加工物と相手材の接触面には、４０℃で１０ｃｓｔとなるポリ−α−オレフィン系合成潤滑油（ＰＡＯ）を塗布した。３つの相手材には、接触面の反対側から荷重を加えた。３つの相手材に加える合計荷重は、５０Ｎから２５Ｎ刻みで４５０Ｎまで増加させた。相手材に荷重を加えた状態で、被加工物を摺動速度２．０ｍ毎秒となるように軸中心回りに回転させた。相手材に加える荷重と被加工物を回転させるのに必要なトルクから被加工物と相手材との摩擦係数を計算して得た。
以下の試験片を準備した。試験片１００は、ディンプルが形成されていない被加工物である。図２２に示す試験片１１０は、加工面１１１に円形のディンプル１１２が形成された被加工物である。図２３に示す試験片１２０は、加工面１２１に紡錘形のディンプル１２２が形成された被加工物である。図２４に示す試験片１３０は、加工面１３１に紡錘形のディンプル１３２が形成された被加工物である。ディンプル１３２は、平行に並ぶ複数の第１のディンプル１３２ａと、平行に並ぶ複数の第２のディンプル１３２ｂを有する。第１のディンプル１３２ａと第２のディンプル１３２ｂは、互いの長手方向が約２５°で交差するように配置される。ディンプル１３２は、試験片１３０に対する相手材の移動方向が、第１のディンプル１３２ａと第２のディンプル１３２ｂが交差して収束する方向となるように配置される。例えば図２４では、上から下に向かう方向が試験片１３０に対する相手材の移動方向である。各試験片１１０，１２０，１３０は、摺動面でディンプルの占める面積比率が１５％と同じになるようにディンプルの個数、間隔が設定されている。
図１９に示すようにディンプルを施していない試験片１００の場合、摩擦係数が０．０１から０．１３程度まで変化し、荷重が１２５Ｎの時に焼付きが生じた。試験片１１０の場合、２００Ｎ以下の低荷重においては試験片１００より摩擦係数が大きい。しかしながら、摩擦係数は０．０３から０．０５程度と、荷重の増加に伴う変化が緩やかであり、耐荷重が３７５Ｎであった。試験片１１０で摩擦係数が安定したのは、ディンプル１１２が摩耗粉や油の溜まる箇所として機能したためであると考えられる。低荷重において摩擦係数が大きくなったのは、ディンプル１１２内の油の流れに乱れが生じて油膜の圧力が減少したためであると考えられる。
図１９に示すように試験片１２０の場合、耐荷重は４５０Ｎまで増加し、同じ荷重下での摩擦係数が試験片１１０の場合よりも概ね０．０１から０．０４程度小さくなった。試験片１３０の場合、特に１００〜３００Ｎの低荷重において、試験片１２０より摩擦係数が０．０２程度小さくなった。これは、ディンプル１３２ａとディンプル１３２ｂがそれぞれ長手方向が交差するように配置されているために、油が収束して油膜の厚さが大きくなった。そのため試験片１３０とボールとの接触頻度が減少したためと考えられる。試験片１３０に対する相手材の移動方向を反対にした場合は、すなわち図２４において試験片１３０に対する相手材の移動方向を下から上に向かう場合には、試験片１００よりも摩擦係数が大きくなった。
図２０は実験結果を基に、一定荷重下におけるディンプルのアスペクト比Ａｒと摩擦係数の関係を示す。アスペクト比Ａｒは、長手方向の縦長さと、長手方向と直交する方向の横長さとの比で規定する。図２０に示すようにアスペクト比Ａｒが１〜３の場合、高荷重において摩擦係数が大きくなった。アスペクト比Ａｒが５．０以上の場合、高荷重と低荷重の両方において摩擦係数が小さくなった。
相対的に摺動する２物品、例えば円筒状の軸受と、軸受の孔内の円柱状の軸は、摺動する際にガタついて荷重が変化する。２物品の一方または両方にディンプルを形成することで、摩擦係数が小さくなる。図２０に示すようにディンプルのアスペクト比Ａｒを５．０以上にすることで、荷重の変化に関わらず、摩擦係数を小さい状態に保持できる。かくして２物品の相対移動が安定になる。
ディンプルの長手方向の縦長さを略一定とした状態でアスペクト比Ａｒを大きくすると、１つのディンプルの面積が小さくなる。加工面全体におけるディンプルの面積率を一定率以上、例えば１５％以上を維持するためには、アスペクト比Ａｒを大きくするほど多数のディンプルを形成する必要がある。そのため、アスペクト比Ａｒは５０．０を上限とすることが好ましい。
図２５は、円形状のディンプルが施された被加工物と、紡錘形状のディンプルが施された２つの被加工物について、荷重と摩擦係数の関係を示す。２つの被加工物に施された紡錘形状のディンプルは、アスペクト比が５．０以上かつ長手方向の縦長さが互いに異なる。まず紡錘形状のディンプルと円形状のディンプルで摩擦係数を比較した。荷重の大きさにかかわらず、紡錘形状のディンプルの方が円形状のディンプルよりも摩擦係数が小さく０．０１〜０．０２程度であった。次に紡錘形状のディンプルが施された２つの被加工物で比較した。５０〜２００Ｎの低中荷重では、ディンプルの長手方向の縦長さの違いによる摩擦係数の差はほとんどなかった。長手方向の縦長さが０．２１６ｍｍと短いディンプルが施された被加工物では、４００Ｎの高荷重の場合と低中荷重の場合で摩擦係数がほぼ同じであった。長手方向の縦長さが０．５３８ｍｍと長いディンプルが施された被加工物では、４００Ｎの高荷重の場合は低中荷重の場合よりも摩擦係数が大きくなった。
図２１は、横軸に摺動速度／荷重（ｍ／（Ｎ・ｓ））をとり縦軸に摩擦係数をとった実験結果のプロットである。摺動速度／荷重は、被加工物と相手材との油膜の厚さの指標となる。実験結果のプロットは、混合潤滑域内に収まっている。アスペクト比Ａｒが５．０の場合、アスペクト比Ａｒが１．０の場合よりも速度変化に対する摩擦係数の変動は小さくなった。例えば略一定速度で被加工物が相手材に対して摺動する場合、被加工物は概ね混合潤滑域内で使用される。例えば速度変化の大きいピストンのシリンダを被加工物とする場合、被加工物は混合潤滑域から境界潤滑域までの広い領域で使用される。これらの場合においても、アスペクト比Ａｒが５．０のディンプルを施した被加工物は、摩擦係数の変化が小さく挙動が安定すると考えられる。
以上説明した各実施形態の被加工物には様々な変更を加えることができる。例えばアスペクト比Ａｒが５．０以上かつ５０．０以下であれば、矩形状や菱形形状等のディンプルを被加工物の加工面に形成しても良い。切れ刃部を設ける回転切削工具について、例えば図１に示す回転切削工具１０の先端部のように先細り形状であっても良いし、図１６に示す回転切削工具６０の先端部のように略円柱形状であっても良い。回転切削工具の回転方向と被加工物の移動方向について適宜選択することができる。換言するとディンプルの加工は、アップカットであって良いしダウンカットであっても良い。例えば長手方向及び短手方向に平行に並んだ複数のディンプルと、被加工物の相手材に対する摺動方向について、摺動方向がディンプルの長手方向が摺動方向と直交するようにディンプルを形成しても良い。金属製の被加工物に限らず、非金属製の被加工物にディンプル加工方法を適用しても良い。
添付の図面を参照して詳細に上述した種々の実施例は、本発明の代表例であって本発明を限定するものではありません。詳細な説明は、本教示の様々な態様を作成、使用および／または実施するために、当業者に教示するものであって、本発明の範囲を限定するものではありません。更に、上述した各付加的な特徴および教示は、改良されたディンプル付き被加工物および／またはその製造方法と使用方法を提供するため、別々にまたは他の特徴および教示と一緒に適用および／または使用され得るものです。

Claims (4)

  1. 油膜の圧力を増加させるための複数のディンプルが施されたディンプル付き被加工物であって、
    前記複数の各ディンプルは、長手方向の縦長さと、前記長手方向に直交する横方向の横長さのアスペクト比が５．０以上でかつ５０．０以下であるディンプル付き被加工物。
  2. 請求項１に記載のディンプル付き被加工物であって、
    前記複数のディンプルは、相互に平行である複数の第１ディンプルと、相互に平行である複数の第２ディンプルを有し、
    前記複数の第１ディンプルの長手方向と前記複数の第２ディンプルの長手方向が角度を有して交わるように前記複数の第１ディンプルと前記複数の第２ディンプルが配列されているディンプル付き被加工物。
  3. 請求項１または２に記載のディンプル付き被加工物であって、
    前記複数の各ディンプルは、深さが１０．０μｍ以下であり、
    前記各ディンプルの長手方向の端縁部は、深さ方向に前記被加工物の表面に対して１０．０°以下の傾斜角度を有するディンプル付き被加工物。
  4. 回転切削工具を用いて被加工物にディンプルを形成するディンプル加工方法であって、
    軸心回りに回転可能に支持される工具本体と前記工具本体の外周縁に前記軸心の延びる方向と交差する方向に張り出して設けられた切れ刃部とを具備する前記回転切削工具を前記軸心回りに回転させかつ前記被加工物の加工面に沿って相対的に送ることで前記切れ刃部によって前記加工面に前記ディンプルを形成し、
    前記ディンプルは、長手方向の縦長さと、前記長手方向に直交する横方向の横長さのアスペクト比が５．０以上でかつ５０．０以下であるディンプル加工方法。
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