JPH0353494B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

［産業上の利用分野］ 本発明は、超精密工作機械、超高速加工機、高
剛性工作機械などの工作機械の回転主軸として利
用するのに適した高速回転部品に関するものであ
る。 ［従来の技術］ 工作機械の基本機能は、所要の幾何学的形状を
有する加工物をできるだけ精密に、かつ高能率に
生産することであり、そのためには工作機械構造
の中でも特にスピンドルその他の高速回転部品の
静剛性・動剛性・熱特性を改善することが基本的
に重要になる。 現在、例えば、工作機械のスピンドルには、炭
素鋼やNi―Cr―Mo鋼に代表される金属系材料が
用いられているが、これらの金属系材料では密度
および線膨張係数が大きく、かつ弾性係数が小で
あるために、切削抵抗、遠心力、加工熱などによ
る変形量が大きく、また高速切削においては固有
振動数が低く、びびり振動の発生が避けられな
い。 そのような理由から、現状のスピンドル材料で
は、高性能の工作機械を実現するのに限界があ
る。スピンドル以外の高速回転部品についても同
様なことが言える。 ところで、従来の金属系材料に代えて、高速回
転部品用の材料として好適なカーボン／カーボ
ン・コンポジツト（以下、Ｃ／Ｃコンポジツトと
略記する。）を用い、静的・動的・熱的特性を改
善すると共に、高剛性、軽量化、高減衰性、低熱
変形化を実現することが考えられるが、Ｃ／Ｃコ
ンポジツトが加工性に難があつて、その切削や研
削が困難であるばかりでなく、使用にあたつて特
に他の部材と接触する部分については、表面付近
の空孔を埋めて表面の平滑化及びかたさの改善を
図る必要がある。 ［発明が解決しようとする問題点］ 本発明の目的は、高速回転部品の材料として、
それに好適な特性を有するＣ／Ｃコンポジツトを
使用可能にすることにあり、特にその加工性の問
題を解決すると共に表面の平滑化及び硬さの改善
を図ることにある。 ［問題点を解決するための手段］ 上記目的を達成するため、本発明の高速回転部
品は、Ｃ／Ｃコンポジツトからなる部材表面の少
なくとも他の部材と接触する部分に、それと弾性
係数、線膨張係数がほぼ等しい高硬度の表面形成
材を、接合強度を高めるための中間材を介してコ
ーテイングし、そのコーテイング層に、切削、研
削または研磨加工を施すことにより所要形状に形
成される。 ［作 用］ 素材として用いるＣ／Ｃコンポジツトは、比剛
性、比強度、振動減衰率が高く、線膨張係数、密
度が低い複合材料である。したがつて、高速回転
においても遠心力、その他の外力による変形が極
めて小さく寸法安定性に優れ、振動減衰能も大で
あるために、高剛性の高速回転部品が実現でき
る。加工熱、軸受発熱による熱変形も生じにく
い。また、Ｃ／Ｃコンポジツトにコーテイングし
た中間材は、そのＣ／Ｃコンポジツトの表面の空
孔を埋めると同時に表面形成材の接合強度を強化
する。表面形成材は、切削、研削または研磨加工
により、その表面を容易に平滑化でき、表面のか
たさも改善される。 ［発明による効果］ 上述した本発明の高速回転部品によれば、以下
に列挙するような効果を期待することができる。 (1) 素材として用いたＣ／Ｃコンポジツトは、線
膨張係数が鉄系材料の1/20以下であるため、熱
変形が極めて小さい。 (2) 上記Ｃ／Ｃコンポジツトは密度が鉄系材料の
１／４以下で非常に小さく、また弾性係数が1.5倍
以上で大きいため、遠心力による変形が小さ
く、危険速度も高いため高速回転が可能であ
る。 (3) Ｃ／Ｃコンポジツトは優れた耐疲労性、耐食
性、耐熱性を有し、熱衝撃に強く、高温での使
用にも耐えることができる。 (4) Ｃ／Ｃコンポジツトは内部減衰率が高いた
め、振動減衰能が高く、びびり振動の発生しに
くい高速回転部品を実現できる。 (5) Ｃ／Ｃコンポジツトにコーテイングした中間
材を介して強固に固定された表面形成材は、
Ｃ／Ｃコンポジツトに比べて比較的容易に加工
できるため、実質的にＣ／Ｃコンポジツトで形
成し且つ所要形状に加工した高速回転部品を得
ることができる。 (6) 中間材によつてＣ／Ｃコンポジツトの空孔を
埋めると同時に表面形成材の接合強度を高め、
その表面形成材の加工により表面を平滑化する
と共にかたさを改善することができる。 ［実施例］ 第１図は本発明を工作機械用スピンドルに適用
した場合の実施例を示す。その一部を拡大して示
す第２図において、１はＣ／Ｃコンポジツトで構
成されるスピンドル素材で、クロス積層材、また
はフイラメント・ワインデイング成形、三次元構
造材等のＣ／Ｃコンポジツトが用いられる。 上記スピンドル素材１の表面は、プラズマ溶射
またはレーザ溶射、反応拡散法などにより、
Mo，ＷやNbを数十μm程度の厚さにコーテイン
グして、中間材２を形成し、この中間材２上に同
様な手段で表面形成材３がコーテイングされる。 上記スピンドル素材１は、スピンドルにかかる
切削抵抗、遠心力を考慮して繊維方向の配向を決
定することが変形防止の上で有効である。また、
中間材２は、スピンドル素材１の表面の空孔を埋
めると共に、スピンドル素材１と表面形成材３と
を高強度に接合させる作用をするものである。 上記表面形成材３としては、素材１を形成する
Ｃ／Ｃコンポジツトと、弾性係数、線膨張係数が
ほぼ等しく、しかも高硬度の材料、例えば、WC
―Coサーメツト等を用い、それを数百μmの厚さ
にコーテイングし、第２図中に鎖線Ａで示すよう
に、その表面を超精密切削や研削、研磨加工によ
り所要の形状および平滑さに仕上げられる。 上述したコーテイングや加工は、スピンドルに
おける表面全体に施こす必要はなく、少なくとも
他の部材と接触する部分に施こせばよい。 なお、図中、４はころがり軸受を示している
が、上記スピンドルは、ころがり軸受ばかりでな
く、すべり軸受、空気軸受などで支持することが
できる。 第１表は、上記Ｃ／Ｃコンポジツトの物性を従
来から使用されてきた鉄系材料のそれとの比較に
おいて示したものである。 第１表から、Ｃ／Ｃコンポジツトは鉄系材料と
の比較において弾性係数が大きく、かつ密度およ
び線膨張係数が小さいことが明らかである。した
がつて、上記Ｃ／Ｃコンポジツトを用いたスピン
ドルにおいては、切削抵抗や遠心力、その他の外
力の作用下においても変形量が極めて小さく、ま
た熱変形量も少なくなる。

【表】 次に、本発明者らによる工作機械用スピンドル
の試作例について説明する。 スピンドルの試作に際し、第１図に示すような
段付部を有する中空円筒材を製作した。スピンド
ル素材１を構成するＣ／Ｃコンポジツトとして
は、0°／90°／45°の構成で成形した素材を用いた。
その上に中間材２としてMoをプラズマ溶射によ
つて50μm程度コーテイングし、さらにその上に、
表面形成材３としてWC―Coサーメツトを低圧プ
ラズマ溶射により700μmの厚さにコーテイングし
た。 その後、ダイヤモンド・ホイールにより、超精
密円筒研削を行い、表面形成材３の表面を仕上げ
て軸受けはめ合い部とした。 以上においては、工作機械用スピンドルについ
て説明したが、本発明はその他の高速回転部品に
適用することができ、その場合に、Ｃ／Ｃコンポ
ジツトの繊維配向を変化させれば、より合目的的
な高速回転部品の製作が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施の一例を示す断面図、第
２図はその一部拡大断面図である。 １…スピンドル素材、２…中間材、３…表面形
成材。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ カーボン／カーボン・コンポジツトからなる
   部材表面の少なくとも他の部材と接触する部分
   に、それと弾性係数、線膨張係数がほぼ等しい高
   硬度の表面形成材を、接合強度を高めるための中
   間材を介してコーテイングし、そのコーテイング
   層に、切削、研削または研磨加工を施すことによ
   り所要形状に形成したことを特徴とする高速回転
   部品。