JP2012526665A - 金属部品の高スループット仕上げ - Google Patents

Abstract

金属部品の表面を仕上げる方法は、大量の耐摩耗性媒体を収容するレセプタクル内で実行される。部品は媒体中に少なくとも部分的に浸漬され、大量の活性仕上げ化学薬品が供給される。化学薬品は、表面上に比較的軟性の化成被覆を形成する。表面と媒体との間に高エネルギー相対運動を誘発することにより、被覆は連続的に除去されることが可能である。方法は、ドラッグ仕上げ機械において実行されてもよい。

Description

本発明は、主に金属部品の仕上げ手順に関し、より具体的には、短時間で非常に滑らかな表面仕上げを形成することが可能な、高速仕上げ手順に関する。

金属製部品上に滑らかな表面仕上げを形成する手順は、一般的によく知られている。このような手順は、バレルタンブリング、振動研磨仕上げ、研削、ホーニング、砥粒加工、およびラップ仕上げを含む。これらの手順を使用して仕上げられる機械部品の例としては、スプライン、クランク軸、カム軸、軸受、歯車、等速（ＣＶ）ジョイント、継ぎ手、および軸頚が挙げられる。関連する機構における摩耗、摩擦、雑音、振動、接触疲労、曲げ疲労、および動作温度の減少を含む様々な利点が、このような仕上げによって実現され得る。これが実現され得るすべての機構が理解されるわけではないものの、表面粗さおよび損傷金属の減少は、関連する金属間接触または非接触動的応力表面において、摩擦を低減し、毛羽立ち、摩損、付着摩耗、ブリネリング、フレッチング、および接触疲労および／または曲げ疲労を防止すると考えられている。あるいは、審美的理由または耐腐食性理由による仕上げを目的としてもよい。これらの効果の実現における仕上げの実際の有効性は、最終的な平滑度のみならず、それが実現される方法にも依存し得る。

仕上げプロセスのタイプは、仕上げが達成された方法を特徴づける顕微鏡レベルの凹凸による役割を果たすと考えられている。これは、研磨機構、使用される化学薬品、局所的温度効果、等方性または異方性、およびその他の多くの要因に依存することができる。

初期の振動仕上げ技術は、その中で部品が自由浮遊し、研磨媒体の存在下で撹拌できる、モーター駆動式振動ボウルまたは液槽を使用した。自由浮遊とは、大量の媒体の運動によって部品が容器の周りで担持され得ることを意味する。仕上げの度合いおよび流量は第一に、大量の媒体内で使用される研磨砥粒の粗さ、量、および／または補充によって制御される。このようなプロセスは、たとえば、所望の仕上げ度合いを実現するためにさらに細かい研磨媒体が使用される、ステンレス鋼工具の柄を研磨するために使用される、大量仕上げ技術に基づいている。しかしながら、航空宇宙または自動車部門で見られる歯車または軸受などの金属部品は、通常は５０ＨＲＣ以上の硬度まで高周波焼き入れ、浸炭焼き入れ、または無心焼き入れされる。従来の研磨技術は、所望の平滑度を実現するために、１２時間以上の許容不可能なほど長い処理時間を要する場合がある。別のプロセスでは、仕上げ能力および媒体の作用を強化するために、適切な化学薬品が、大量仕上げ容器に導入されてきた。米国特許第３，５１６，２０３号明細書および米国特許第３，５６６，５５２号明細書は、このような手順の例である。その内容全体が参照により本明細書に組み込まれる、ＭｃＥｎｅｎｙの米国特許第６，２６１，１５４号明細書によれば、仕上げ媒体の流れに対して固定された位置でその軸を中心に被加工物を回転させることによって、付加的な力が誘発される可能性がある。

比較的静止している媒体に部品を通すことによって、より高いレベルの機械的エネルギーが部品に付与される、さらなる手順が開発された。このような手順の１つは、ドラッグ仕上げとして知られており、その内容全体が参照により本明細書に組み込まれる、コバヤシの米国特許第４，４４６，６５６号明細書に記載されている。このような手順によれば、仕上げは単に研磨プロセスである。しかしながら、高レベルのエネルギーおよび研磨流量は、歯車または軸受などの金属部品の形状公差に悪影響を及ぼす可能性がある。これは特に、部品に対する媒体衝突の方向および場所が被処理面にわたって均一ではない場合に、該当する。均一性を向上する目的で、複雑な運動幾何学が、複数の軸を中心とする回転を伴う部品に付与される。このようなドラッグ仕上げ機械の１つは、その内容全体が参照により本明細書に組み込まれる、Ｂｏｅｈｍの米国特許第６，９１８，８１８号明細書に記載されている。この装置において、個々の部品は、仕上げのために駆動スピンドルに固定されてもよい。部品の総スループットは、処理時間、および部品をドラッグスピンドルに接続および取り外しするための固定時間によって、決定される。

超平滑スーパー仕上げ表面を実現することが可能な手順の１つは、化学的高速振動仕上げ（ＣＡＶＦ）である。化学的高速振動仕上げ技術は、ＲＥＭ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ，Ｉｎｃ．によって開発、同社による多数の刊行物に記載されてきた。この技術は、金属部品を平滑および光沢表面に磨き上げるために使用されてもよく、長年にわたって工業用に使用されてきた。その内容全体が参照により本明細書に組み込まれる、Ｍｉｃｈａｕｄの米国特許第４，８１８，３３３号明細書およびＨｏｌｌａｎｄの米国特許第７，００５，０８０号明細書は、この改良型仕上げ技術を開示している。この技術と研磨媒体ベースのプロセスとの明白な違いは、化学的高速仕上げプロセスでは、媒体は金属表面を著しく摩耗しないことである。媒体と、対象とする大量仕上げ機器によって付与される機械的エネルギーとの組み合わせは、加速された化学的作用を伴わずに部品の表面から材料を効率的に除去することができない。混合プロセスもまた提案されてきた。

ＣＡＶＦによって形成された表面の別の重要な特徴は、これらが平坦化されていることである。これは、仕上げ前の起伏のある表面が、いかなるくぼみまたは谷の形状もほとんど変化させることなく、上方に突出している粗さの除去によって、より平滑にされることを意味している。理論によって拘束されることは望まないが、結果的に得られる表面は、平坦な台地を特徴とし、油保持を容易にする割れ目によって分離される、良好な負荷担持特性を有すると理解される。これらの平坦化された表面はまた、さもなければ潤滑層を貫通して相手側表面による損傷を生じるであろうピークが実質的に存在しないという利点を有すると考えられている。０．５ミクロンＲａ未満の化学的高速振動仕上げは、先に論じられた性能利点のいくつかまたはすべてを呈する傾向がある。

ＣＡＶＦの使用における重要な要素は、使用される化学物質の量および濃度である。化学薬品は酸性であり、および過剰な化学物質および／または濃度または上昇温度は、仕上げ対象の部品の表面のエッチングを発生させる可能性があり、および／または金属のその他の冶金的劣化を生じる可能性がある。高硬度の部品はまた、ＣＡＶＦで一般的に使用される化学薬品からの、エッチングなどの化学的攻撃の影響を受けやすい場合が多い。通常、エッチングが発生すると、歯車または軸受などの部品は廃棄される可能性が高い。このような損傷を回避するために、化学物質の量およびタイプならびにプロセスの温度は、媒体の量および仕上げ対象部品の表面領域に注意深く適合させられる。一般的に、貫流処理が利用される。貫流処理において、振動容器は室温の開放空気環境で動作し、表面研磨プロセスの間、周囲室温で、加速する液体化学物質が、容器内に向かって連続的に計量される化学物質給送システムとともに提供される。同時に、容器内の下部にある開放排液口は、動作中にパドリングが発生しないように、過剰な液体を連続的に排出する。エッチングを回避して効率的に動作するために、貫流化学物質の量は、媒体および部品のすべてを濡らすのにちょうど足りるべきであり、仕上げ対象の金属部品の表面積の量に反応するのにちょうど足りる濃度であるべきである。このため、エッチングを回避するために、容器内の液体容積の蓄積を防止するように、液体の過剰流入が回避される。同様に、振動容器内の化学物質の蓄積を引き起こす排液口の遮断は、すべての部品のエッチングおよびそれに続く廃棄を招く可能性がある。振動容器内の周囲室温を超える温度は、容器内の液体の量に関係なく、このような部品のエッチングおよび廃棄の可能性を増加させるおそれがある。

ＣＡＶＦに最適な条件を決定するために、試験が行われた。「Ｂａｓｉｃ Ｓｔｕｄｉｅｓ Ｃｏｎｃｅｒｎｉｎｇ Ｃｈｅｍｉｃａｌｌｙ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄ Ｖｉｂｒａｔｏｒｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｆｉｎｉｓｈｉｎｇ」と題される、Ｊｕｅｒｇｅｎ ＦｉｓｃｈｅｒによるＴｒｉ−Ｓｅｒｖｉｃｅｓ Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ２００７における論文では、少ない化学物質滞留を用いて高い仕上げ流量を実現するであろうこと、およびこのプロセスが観察された範囲において目に見える温度依存を示さなかったことが、結論づけられている。

ボウルまたは液槽での振動仕上げの利点は、一度のバッチで多くの個別部品が仕上げられることである。しかしながら、このようなバッチ仕上げは、アイテム別（ジャストインタイム）生産ライン環境において、または部品が個別に識別または組み合わせられなければならない場合に、便利ではない場合がある。特に歯車アセンブリに関して、たとえばラップ仕上げプロセスによって２つ以上の部品が組み合わせられる場合に、しばしば該当する。その後、組み合わせ部品は、その後の作業の間、まとめておかれることが望ましい。このような部品には、バッチ（大量）仕上げは一般的に適していない。大量仕上げはまた、振動プロセスにおいて繊細な部品が互いにぶつかり合ってはならない場合にも、不適切であろう。その他の多くの仕上げプロセスが提案および開発されてきたが、いずれも、特殊な扱いを必要とする多数の部品の高スループットの、ライン内の、大量仕上げ（振動ボウル、液槽、またはタンブリングバレルなど）に適しているとは証明されていない。

米国特許第３，５１６，２０３号明細書 米国特許第３，５６６，５５２号明細書 米国特許第６，２６１，１５４号明細書 米国特許第４，４４６，６５６号明細書 米国特許第６，９１８，８１８号明細書 米国特許第４，８１８，３３３号明細書 米国特許第７，００５，０８０号明細書

Ｂａｓｉｃ Ｓｔｕｄｉｅｓ Ｃｏｎｃｅｒｎｉｎｇ Ｃｈｅｍｉｃａｌｌｙ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄ Ｖｉｂｒａｔｏｒｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｆｉｎｉｓｈｉｎｇ、Ｊｕｅｒｇｅｎ Ｆｉｓｃｈｅｒ、Ｔｒｉ−Ｓｅｒｖｉｃｅｓ Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ２００７

これらの問題のうち少なくともいくつかを克服できる装置および手順の、特定の需要が存在する。

本発明は、金属部品の表面を仕上げる方法を提供することによってこれらの問題を解決し、方法は：表面が位置する部品の一部を実質的に浸漬するのに十分な量の耐摩耗性媒体を収容するレセプタクルを提供するステップと；表面上に比較的軟性の化成被覆を形成することが可能な量の仕上げ化学薬品を提供するステップと；部品を少なくとも部分的に媒体に浸漬するステップと；表面が化学薬品に事実上浸漬されるように、過剰な化学薬品でレセプタクルをフラッドさせるステップと；化成被覆を連続的に除去するために、表面と媒体との間の高エネルギー相対運動を誘発するステップと、を含む。高エネルギー相対運動と組み合わせて過剰な化学薬品でレセプタクルをフラッドさせることによって、許容可能なレベルの仕上げが、著しく短縮された時間において実現され得る。標準的なＣＡＶＦプロセスの６０分以上から、フラッド高エネルギープロセスの２分までの時間短縮が、実現された。以下において、「表面」とは、具体的に仕上げされるべき表面を指すと理解される。部品のその他の部分は、処理を回避するためにマスキングされてもよく、化学薬品のレベルよりも上に保持されるか、または部分的に処理されてもよい（すなわち、それによって仕上げの度合いは重要ではない場合がある）。

本発明の関連において、「フラッド」という用語は、化学薬品中の完全な浸漬に等しい流量で連続的に化成被覆を形成するのに十分な量の化学薬品の存在を示すように意図される。このように過剰な化学薬品を保持するために、様々な変形例が利用可能であろう。これは、たとえばレセプタクル内に所定のレベルの化学薬品を保持して文字通り部品を化学薬品に浸漬することによって、または部品を「効率的に」浸漬するのに十分な高速で化学薬品を連続的に供給することによって、実現されてもよい。

部品が文字通り浸漬される場合、好ましくは、仕上げされる表面の少なくとも半分が、仕上げ化学薬品に浸漬される。部品の形状および動作によっては、化学薬品による表面全体の十分なフラッシングを実現するために、媒体および化学薬品を撹拌するには部分的浸漬で十分である場合がある。しかしながらより好ましくは、表面全体が、１サイクル全体にわたって化学薬品のレベルより下で浸漬される。一旦部品が媒体および化学薬品を撹拌し始めると、化学薬品の正確なレベルを定義することは難しい場合がある。このため、浸漬の基準は、レセプタクル内の化学薬品の静止時レベルに対する位置を参照するように意図されている。

あるいは、有効な浸漬は、媒体１リットルあたり１時間に少なくとも０．１リットルの流量で、最も好ましくはたとえば１リットルあたり１時間に０．５リットル超の非常に速い流量で、仕上げ化学薬品をレセプタクルに供給することによって、実現され得る。これは、十分な排液を保証することによって、レセプタクル内に著しい滞留を伴うことなく実現される。貫流条件で行われる従来のＣＡＶＦプロセスは、かつては化学薬品の一定供給の下で行われてきた。この供給は通常、部品の望ましくないエッチングを防止するために、比較的低い値に制限されていた。正確な流量は、媒体を「ちょうど濡れる」状態に維持するように計算され、このため使用されている媒体の量に応じて決定されていた。この量は一般的に、媒体１リットルあたり１時間に０．０４リットル以下であった。

いずれの場合も、方法は、新しい仕上げ化学薬品をレセプタクルに連続的に供給するステップを含んでもよい。化学薬品は、貫流プロセスにおいてレセプタクルに供給されてもよく、レセプタクル内の選択された温度の維持を支援するために利用されることも可能である。化学薬品は、循環して、再利用および／または補給されてもよい。循環流は、フィルタ、熱交換器などを含んでもよい。文字通り浸漬される実施形態において、仕上げ化学薬品の所定レベルは、レセプタクルからのフラッド口によって決定されてもよい。このレベルを超える化学薬品は、自動的にフラッドして、再循環されてもよい。

プロセスは、表面の表面粗さＲａが０．５ミクロン未満、好ましくは０．３５ミクロン未満、もしくは０．１ミクロンの低さに下がるまで、継続される。仕上げの正確な度合いは、意図される用途に依存する。仕上げはまた、平坦化されて好ましくは等方性であり、すなわちラインの方向的パターンは存在しない。しかしながらこれは、少なくとも部分的に、表面と媒体との間に高エネルギーが付与される方法に依存する。しかしながら、表面がしばしば化成被覆で覆われたままになり、そのため必ずしも鏡面状に見えるとは限らないことは、注目すべきである。

本発明の重要な態様によれば、プロセスは、４０℃（１０４°Ｆ）より高い、好ましくは５０℃（１２２°Ｆ）より高い、もしくは７０℃（１５８°Ｆ）より高い温度で、実行されてもよい。先行技術によるＣＡＶＦプロセスは、周囲温度で行われ、具体的には１８℃から３５℃（６５〜９５°Ｆ）の温度が推奨されてきた。以前は、４０℃（１０４°Ｆ）前後の上昇温度は手順に悪影響を与え、部品のエッチングを発生させる可能性があると理解されていた。本発明の高エネルギー手順によれば、上昇温度は、エッチングの悪影響を伴わずに完成までの時間をさらに短縮するのに望ましいことが見いだされている。上昇温度は、コイルまたは素子を加熱すること、加熱される化学薬品などによって、実現されてもよい。高エネルギープロセス自体が相当のエネルギーを発生するので、レセプタクルの絶縁のみでも上昇温度を発生するのに十分であり、特定の状況下では、過剰な上昇を防止することを前提とすべきである。温度はまた、仕上げ流量を調整するため、またはその他のプロセスパラメータに適応するために、調節可能であってもよい。

本発明のさらなる実施形態によれば、仕上げ化学薬品の所定レベルは調節可能である。これは、ある程度迅速に部品を仕上げるために、または異なるサイズの部品に適合するために、プロセスパラメータを調整するのに便利である場合がある。

好適な一実施形態によれば、レセプタクルはドラッグ仕上げボウルであり、相対運動は、部品を媒体に通すことによって発生する。この関連において、ドラッグ仕上げは、大量の比較的静止している媒体中に部品が通されるシステムを意味すると理解される。特定の移動方向は必要とされず、この用語は引っ張り動作のみに限定されるようには意図されない。このようなシステムは、比較的大きい力が部品に印加されてもよく、それによって表面と媒体との間に必要とされる高エネルギー相対運動を誘発するという利点を有する。当業者は、化成被覆の除去の有効性が、表面と媒体との運動の相対流量、ならびに媒体によって表面上に加えられる圧力に、少なくとも部分的に依存することを、理解するだろう。正確な動力学は複雑であり、粒状物質の流動力学によって支配されることになる。しかしながら、ドラッグ仕上げシステムは、被処理面におけるエネルギー移動の最大化において非常に有効であることが示されている。ドラッグ仕上げ、円心ディスク仕上げ、および振動仕上げ機械において研磨媒体を使用して、比較試験が実行された。研磨媒体のみを使用すると、材料除去は、表面に伝えられるエネルギーと密接に関連している。このような試験によれば、正しく設定されたドラッグ仕上げ装置は、振動プロセスの１００倍のエネルギーを表面に付与することが示されている。遠心ディスク機械は、振動機械の３０倍のエネルギーを付与するが、それでもドラッグ仕上げ機械の３分の１である。

従来のドラッグ仕上げにおいて、媒体が比較的静止している間に部品が動くことも、注目されてもよい。このため、媒体内で作用する内力による媒体のエネルギー浪費および摩耗は、低減される。このため一般的に、媒体の振動撹拌を伴わないドラッグ仕上げが好まれる。このような振動は、媒体を「流体化」することによって、表面上の媒体圧力を低減することもできる。しかしながら、特定の状況下において、たとえばこのような低圧が望ましい場合に、振動が使用されてもよい。たとえば上記の米国特許第６，２６１，１５４号明細書に開示されている回転ボウルまたは装置などの、静止部品に対して媒体が運動するシステムを含む、高エネルギー相対運動を発生させる代替え装置も、使用されてもよい。

好ましくは、高エネルギー相対運動は、少なくとも０．５ｍ／秒、より好ましくは少なくとも１．０ｍ／秒の相対流量で発生する。正確な流量測定は判定が困難であろうこと、および上記の値が表面を横断する媒体の平均流速を表すことは、理解される。

仕上げシステムの最も好適な形態において、部品は治具によって担持され、治具は少なくとも１つの回転軸の周りで部品を回転させるように駆動される。所望の運動を実現するのに有効であると証明された装置は、米国特許第６，９１８，８１８号明細書に記載されているようなドラッグ仕上げ装置である。このような装置は、中央タレット上に多数のスピンドルを含む。スピンドルは、タレットの周り、ならびに自身の軸の周りで、パンまたはケーキミキサーのように、回転する。各スピンドルは、部品を保持するための治具を担持する。タレットは、約６から６０ｒｐｍの速度で回転してもよく、これは直径１．０ｍの円に沿った運動において、およそ０．２５から２．５ｍ／秒の、媒体を通る部品の線速度となる。

本発明のプロセスは、自動車またはトラック部品の、最も好ましくは、たとえば自動車またはトラックのリアアクスルまたはトランスアクスル用の、リングまたはピニオンギアの表面処理に、特に適している。このような自動車部品は、大量生産されて広く使用されている。したがって、有効で費用効果の高い仕上げ手順の使用は、増加する市場の受け入れにおいてきわめて有益となり、最終的な車両において上昇したエネルギー効率およびその他の利点をもたらすことが可能である。

本発明の特に有利な実施形態において、部品は少なくとも２つの組み合わせ部品を含み、組み合わせ部品は一緒に仕上げられる。組み合わせ部品は、一緒にラッピングされたリアアクスルまたはトランスアクスル用のハイポイドリングおよびピニオンギアを含んでもよい。両方の部品をレセプタクル内に固定することによって、両方の部品は、同じ仕上げ手順を、同じ時間だけ受けてもよい。

本発明の方法によれば、化学薬品は、部品の表面上に比較的軟性の化成被覆を効果的に形成および再形成することができるべきである。この関連において、比較的軟性とは、部品の材料そのものよりも柔らかいことを意味すると理解される。化学薬品はまた、好ましくは、一旦化成被覆が形成されると、さらなる化学的攻撃から下層の金属を保護するという意味において、自己保護性であるべきでもある。これにより、このような自己保護効果は特定の反応条件に依存することがわかる。化学薬品はまた、有害な副作用を伴わずに表面改良が生じるような、本発明の高エネルギー処理環境および動作条件での使用にも適しているべきである。これは、以前利用可能だったよりも幅広い化学薬品の選択の自由を提供する。ＣＡＶＦの分野における当業者は、リン酸塩またはシュウ酸塩ベースの混合物を含んでもよいがこれらに限定されない、このような化学薬品を想起し得る。好ましくは、化学薬品は、７．０未満、好ましくは６．０未満のｐＨを有する、酸性である。具体的には、化学薬品は、リン酸またはリン酸塩、スルファミン酸、シュウ酸またはシュウ酸塩、硫酸または硫酸塩、クロム酸またはクロム酸塩、重炭酸塩、脂肪酸または脂肪酸塩、あるいはこれらの物質の混合物を含んでもよい。溶液はまた、亜鉛、セレニウム、銅、マグネシウム、リン酸鉄などの活性剤または促進剤、ならびに過酸化物、メタニトロベンゼン、塩素酸塩、亜塩素酸塩、過硫酸塩、過ホウ酸塩、硝酸塩、および亜硝酸塩化合物などの無機または有機酸化剤も、含有してもよい。最も好ましいのは、リン酸、シュウ酸、およびそれらの塩である。これらの化学薬品は、従来のＣＡＶＦ技術において証明されており、高エネルギー条件下でも効果的に作用することが見いだされている。このような化学薬品の好適な濃度は、従来の貫流ＣＡＶＦ技術で使用される濃度よりも高くてもよい。シュウ酸塩ラジカルの活性成分の好適な濃度値は、１リットルあたり約０．１２５から０．６５グラムである。化学薬品はさらに、または代替え的に、１リットルあたり約０．０５から０．１５グラムモルのリン酸塩ラジカル、１リットルあたり少なくとも約０．００４グラムモルの硝酸塩ラジカル、および１リットルあたり約０．００１から０．０５グラムモルのペルオキシ基を含んでもよい。シュウ酸塩ラジカル、硝酸塩ラジカル、およびペルオキシ基はそれぞれ、シュウ酸、硝酸ナトリウム、および過酸化水素または過硫酸ナトリウムのいずれかによって、提供されてもよい。高エネルギー環境のさらに有用な結果として、ＣＡＶＦにおいて従来使用されていたものよりも固い化成被覆を形成する化学薬品が、使用されてもよい。

本発明は、多くの異なる金属および合金で作られた部品に適用可能であると考えられるが、好ましくは大量のニッケル、コバルト、またはニッケル鉄を有する、合金鋼、炭素鋼、工具鋼、ステンレス鋼、チタン、コバルトクロム、炭化タングステン、アルミニウム、真ちゅう、亜鉛および超合金の表面を仕上げるのに、特に適している。最も好ましくは、本発明は、仕上げが最低限の費用で効果的に形成されなければならない、量産鋼部品に適用可能である。このような部品は、たとえば高周波焼き入れ、浸炭焼き入れ、または無心焼き入れなどで硬化されてもよく、３８ＨＲＣより高い、もしくは５４ＨＲＣよりも高い硬度値を有してもよい。当業者は、部品の性質に応じて材料が選択されること、および上記の化学薬品の選択肢は仕上げ対象表面の材料にも依存することを、理解するだろう。

本発明の方法は、化成被覆化学薬品を収容するレセプタクルから部品を取り出すステップと、艶出しまたは被覆溶液を収容するさらなるレセプタクルにこれを浸漬するか、または別途被覆プロセスを実行するステップと、をさらに含んでもよい。このような追加プロセスは、同じレセプタクル内で実行されてもよいが、手順効率の観点から、通常は、さらなる部品の処理が開始されてもよいように、第一レセプタクルから部品（または複数の部品）を取り出すことが、好ましい。取り外された部品のさらなる処理はその後、必要であれば、ラインから離れて行われてもよい。タレットによるドラッグ仕上げ装置では、固定部品を備えるタレットが持ち上がり、それによって、ステップの間に部品を取り外す必要なく、さらなる処理ステップのために、さらなる容器がタレットの下方位置に移動させられてもよいことは、有利である。あるいは、タレットは、１つのレセプタクルから別のレセプタクルに移動してもよい。

特定の化学薬品に関する本発明の重要な態様によれば、仕上げサイクルの最後に、プロセスは、表面上に実質的な化成被覆を成長させるために、実質的に相対運動を伴わずに、滞留時間の間、化成被覆化学薬品中に部品を放置するステップを、さらに含んでもよい。このような化成被覆は、最終または中間製品に関する様々な目的について、非常に有益である場合がある。このような利点は、さび防止、さび防止剤の保持、塗装前層としての機能、または一旦始動したあとの部品の慣らし（ｂｒｅａｋｉｎｇ−ｉｎ）の支援を含む。当業者は、この性質の化成被覆を提供することによって達成される効果および利点を想起し、対応する適切な化学薬品を選択することができるだろう。仕上げプロセスで単一ステップにおいてこのような被覆プロセスを実行することによって、追加被覆プロセスが必要とされることはなく、さらなる効率をもたらす。滞留時間、温度、およびその他のパラメータを調整することによって、被覆の厚みおよび性質が調整されてもよい。

媒体は、従来の大量仕上げ用途に見られる、市販のセラミック、金属、またはプラスチック媒体を含んでもよい。媒体の重要な特徴は、本質的に耐摩耗性であるべきこと、すなわち媒体は個別の研磨粒子を有しておらず、本発明の高エネルギー処理環境において操作されるときに、仕上げ対象部品の表面から材料を効率的に研磨することができないことである。これはまた、仕上げ対象部品に適切な形状およびサイズで製造されるべきでもある。好適な一実施形態において、媒体は、１立方センチメートルあたり少なくとも約２．７５グラム（ｇ／ｃｃ）の密度、１立方センチメートルあたり少なくとも約１．７０グラム（ｇ／ｃｃ）のバルク密度、および好ましくは少なくとも約８４５の平均ダイヤモンドピラミッド硬度（ＤＰＨ）値を有する、耐摩耗性セラミック媒体である。媒体に好適な一形状は、仕上げ対象表面のすべての部分に接触するのに適したサイズの三角柱である。

本発明はまた、金属部品の表面の高速仕上げのためのドラッグ仕上げ機械にも関し、機械は：表面が位置する部品の一部を実質的に浸漬するのに十分な量の耐摩耗性媒体を収容するレセプタクルと；レセプタクル内の所定レベルの仕上げ化学薬品を供給および維持するための化学薬品供給装置と；レセプタクルの内部を周囲温度より高く維持するための加熱装置と；レセプタクル内で部品と媒体との間の高エネルギー相対運動を誘発するための、部品用取り付け装置を含む駆動部と、を含む。ドラッグ仕上げ機械には、上述のような方法を実行するために機械を制御するようになっている制御装置が設けられ、それによって個別に固定された部品の短縮された処理時間が実現されてもよい。具体的には、制御装置は、１５分未満、好ましくは１０分未満、最も好ましくは５分未満のサイクル時間にわたって、機械を動作させるようになっている。

好ましくは、化学薬品供給装置は、所定レベルに配置された１つ以上のフラッド口を、さらに含む。レセプタクルに送達される化学薬品は、余剰分をフラッド口から排出しながら、所定レベルまで満たすことができる。化学薬品は、連続的に循環され、レセプタクルに戻ってきてもよい。出口には、媒体の排出を防止して粒状物質を捕捉するための、適切なフィルタが設けられてもよい。

機械の好適な実施形態において、加熱装置は、内容物を所望の処理温度に保つために、レセプタクルの内部または周囲に、加熱素子を含む。上述のように、様々な加熱方法が想定されてもよく、加熱素子は、たとえばレセプタクルの壁の中、またはその外周のまわりの、電気または流体ベースの加熱素子であってもよい。絶縁体も設けられてもよい。

あるいは、温度制御は、化学物質の添加および／または濾過も実行されることが可能な、外部溶液リザーバ装置内の循環化学薬品の加熱／冷却を通じて実現されることも可能である。

機械の好適な形態は、駆動部が、複数の軸の周りで部品を回転させるように配置されたタレットを含むタイプのものである。タレットは、第一軸の周りを回転してもよく、やはりそれ自体の軸の周りで回転するスピンドルを担持してもよい。部品自体もまた、それ自体の軸の周りで回転するように実装されてもよく、駆動されるかまたは自由回転してもよい。軸は、平行または傾斜していてもよい。タレットはまた、動作中に、媒体に出入りするように往復してもよい。当業者は、媒体と表面との間に十分なエネルギーを誘発する一次元、二次元、または三次元運動のその他の形態もまた適切であることを、理解するだろう。

機械は好ましくは、部品を解放可能に取り付けるためのクイックリリーズ治具を含む。この関連において、クイックリリーズとは、ネジ留めなどの漸増締め付け動作を伴わずに取り付けおよび解放されることが可能な治具を指すと理解される。クイックリリーズ機構は、磁石、電磁石、バイオネット締め具、カムなどを含んでもよいが、これらに限定されるものではない。

本発明の特定の実施形態において、レセプタクルは、ステンレス鋼内面またはその他の適切な化学的耐性金属（たとえば、コバルトクロム）を有してもよい。ドラッグ仕上げ用の従来のボウルは、特にウレタンを用いて、ゴムまたはプラスチックで裏打ちされている場合が多い。このような裏打ちは、レセプタクルの摩耗を抑制するのに役立つが、容易に加熱することはできず、場合によっては高温動作には適していない。ステンレス鋼またはその他の適切な金属裏打ちが、上昇温度における動作により適していることが見いだされている。

本発明の特徴および利点は、以下の図面を参照することで理解される。

本発明によるドラッグ仕上げ機械の模式図である。 本発明のさらなる態様によるドラッグ仕上げ機械の平面図である。 実施例３のリングギアの表面粗さトレースを示す図である。

以下は、単なる例示として、図面を参照して与えられる、リングおよびピニオンギアの仕上げに使用される、本発明の特定の実施形態の説明である。

図１を参照すると、ドラッグ仕上げ機械１０が模式的に示されている。機械１０は、Ｒｏｓｌｅｒ Ｍｅｔａｌ Ｆｉｎｉｓｈｉｎｇ，ＵＳＡ ＬＬＣより入手可能なＭｉｎｉ Ｄｒａｇ Ｆｉｎｉｓｈｅｒである。しかしながら、当業者は、類似の能力を有するその他の多くの機械が本発明による操作に適している可能性があることを、理解するだろう。

機械１０は、環状ボウル１２の形態のレセプタクルを含む。スピンドル１４は、処理対象の部品１６を担持する。スピンドル１４は、軸Ｘの周りを回転するように駆動される。この例において、軸Ｘは、垂直に対しておよそ１５°傾斜している。スピンドル１４は、軸Ｙの周りを回転するタレット２２に実装されている。軸ＸおよびＹは、互いに約５０ｃｍの距離だけずれており、それによってスピンドル１４は直径およそ１．０ｍの円を描く。

ボウル１２は、所定レベルＬまで耐摩耗性媒体１８で満たされる。試験中に使用される媒体は、１立方センチメートルあたり約２．７５グラム（ｇ／ｃｃ）の密度、および約８４５の平均ダイヤモンドピラミッド硬度（ＤＰＨ）値を有する、耐摩耗性セラミック媒体であった。媒体は、１立方センチメートルあたり約１．７０グラムのバルク密度を有していた。媒体形状は、三角形の辺に沿って３ｍｍ、矩形面の別の辺に沿って５ｍｍのサイズの三角柱となるように選択された。媒体のサイズおよび形状は、つかえることなくリングおよびピニオンギアの歯の根元に完全に十分に適合するように、選択された。

以下の実施例にさらに指定されているように、大量の化学薬品２０がボウルに供給された。使用された化学薬品は、ドラッグ仕上げ環境において鋼部品上で使用されたときに適切な化成被覆を形成するリン酸塩ベースの化学的高速化学薬品である、テキサス州ブレナムのＲＥＭ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ Ｉｎｃより入手可能なＦＥＲＲＯＭＩＬ（Ｒ）ＦＭＬ ７８００であった。同様に使用されてもよい類似の化学薬品は、ペンシルベニア州バレーフォージのＨｏｕｇｈｔｏｎ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌより入手可能なＭｉｃｒｏｓｕｒｆａｃｅ ５１３２（ＴＭ）、コネチカット州ウォーターベリーのＨｕｂｂａｒｄ−Ｈａｌｌより入手可能なＡｑｕａｍｉｌ（Ｒ）ＯＸＰ、ミシガン州カラマズーのＨａｍｍｏｎｄ Ｒｏｔｏ−ｆｉｎｉｓｈより入手可能なＱｕｉｃｋ Ｃｕｔ ＩＩ（Ｒ）ＣＳＡ ５５０（ＣＦ）、およびペンシルベニア州セラーズヴィルのＰｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｆｉｎｉｓｈｉｎｇ Ｉｎｃより入手可能なＣｈｅｍｔｒｏｌ（Ｒ）を含む。

試験が実行されたリングおよびピニオンギアの組は、自動車用軽量アクスルリングおよびピニオンであった。歯車のサイズは、およそ１８ｃｍおよび２３ｃｍのリングギアおよび対になるピニオンであった。歯車は、標準的な自動車製造プロセスにしたがって製造された。

機械１０の動作は、以下の実施例にしたがって実行された。

（実施例１）
第一の実施例において、ボウル１２は、およそ４０６ｍｍの深さのレベルまで媒体１８で満たされた。媒体は、耐摩耗性３×５ＳＣＴ（ストレートカット三角形）を含んでいた。３５容積％に希釈されて予備加熱された、７６リットルの量のＦＥＲＲＯＭＩＬ（Ｒ）ＦＭＬ−７８００タイプの化学薬品が、ボウルに加えられた。媒体は撹拌され、次に媒体を濡らしておよそ４３℃の温度にしたまま、化学薬品が排出された（すべての温度は赤外線熱センサ銃を使用して媒体の上部で読み取り測定された）。直径２３ｃｍのリアアクスルハイポイドリングギアが、スピンドル１４に取り付けられて、リングギアの底部がボウルの底部からおよそ１６０ｍｍとなる深さまで、ボウルに沈められた。歯車は、１．２〜１．７ミクロンの初期表面仕上げを有していた。タレット２２は、約３１ｒｐｍで１０分間駆動され、スピンドルは約４０ｒｐｍで回転した。１０分後、リングギアが取り外されて検査された。１０分間の処理後の表面粗さは、０．３７〜０．５ミクロンと判定された。すべての表面粗さ測定は、凹面および凸面の両方における５または６カ所の歯の接触面積の測定に基づく、平均Ｒａとして与えられる。Ｒａ範囲を決定するために、上限値および下限値が取られた。測定は、２ミクロンの触針先端半径を有するＴ１０００ Ｈｏｍｍｅｌ測定器を使用して行われた。

（実施例２）
対照として、実施例１と似たタイプのリングギアが、Ｓｗｅｃｏの３００リットルのボウルで従来の振動仕上げを使用して、仕上げられた。ボウルは、４．５ｍｍの振幅および６５°のリード角で操作された。媒体は、実施例１のように、３×５ＳＣＴを含んでいた。使用された化学薬品は、２０容積％の濃度のＦＥＲＲＯＭＩＬ（Ｒ）ＦＭＬ−７８００であり（実施例１の化学薬品は、エッチングを生じるため、本実施例では不可能だったであろう）、周囲温度で１時間あたり１１リットルの流量に基づく貫流で送達された。リングギアは、１．２５〜１．７５ミクロンの初期表面粗さを有していた。０．１５〜０．２ミクロンの表面粗さを達成するために、６０分の処理時間を要した。

（実施例３）
ボウルを空にする代わりにおよそ２００ｍｍのレベルまで７６リットルの化学薬品で満たされたことを除いて、実施例１の手順が繰り返された。リングギアをボウル内に沈める際に、リングギアは実質的に化学薬品中に浸漬された。１０分間の処理の後、部品は０．１２〜０．２ミクロンの表面粗さを有していた。処理の前後に得られた例示的トレースは、図３として示されている。

（実施例４）
ボウル内のおよそ３００ｍｍのレベルまで到達する１１４リットルの化学薬品を用いて、実施例３の手順が繰り返された。この場合、処理の間、リングギアは化学薬品中に深く浸漬された。１０分後、リングギアが測定され、０．０５〜０．１ミクロンの表面粗さを有することがわかった。

（実施例５）
ボウルの底部からおよそ１１０ｍｍの距離までボウル内により深く浸漬されているスピンドルおよびリングギアを用いて、実施例３の手順が繰り返された。１０分後、リングギアが測定され、０．０７〜０．１２５ミクロンの表面粗さを有することがわかった。

（実施例６）
２４℃の温度で実施例３の手順が繰り返された。１０分後、リングギアが測定され、０．７５〜０．８７ミクロンの表面粗さを有することがわかった。

（実施例７）
媒体内の温度を４９℃に保ったまま、実施例３の手順が繰り返された。１０分後、リングギアが測定され、０．１２〜０．２ミクロンの表面粗さを有することがわかった。

（実施例８）
５７℃の温度で実施例３の手順が繰り返された。１０分後、リングギアが測定され、０．０２〜０．０７ミクロンの表面粗さを有することがわかった。

（実施例９）
約２０ｒｐｍの低下したタレット速度で、実施例３の手順が繰り返された。１０分後、リングギアが測定され、０．１２〜０．２ミクロンの表面粗さを有することがわかった。この速度での動作は、高速仕上げに必要とされるエネルギーを付与するのに十分であると結論づけられた。

（実施例１０）
約６ｒｐｍの低下したタレット速度で、実施例３の手順が繰り返された。１０分後、リングギアが測定され、０．１７〜０．３ミクロンの表面粗さを有することがわかった。比較的低速であっても、媒体を通じてリングギアを駆動することで、短時間で被加工物を適切に仕上げるのに十分な反応を引き起こした。

（実施例１１）
タレット回転を伴わずに、実施例３の手順が繰り返された。スピンドル回転は、約４０ｒｐｍに維持された。１０分後、リングギアが測定され、１．０〜１．１ミクロンの表面粗さを有することがわかった。相対的に非常に高い回転速度にもかかわらず、スピンドルのみの作用では、化成被覆を除去するためのエネルギーを表面に付与するには不十分であった。理論によって拘束されることは望まないが、比較的安定したリングギアの回転は、歯車表面に対して媒体粒子の著しい影響を与えることなく、媒体上で効果的に「平坦化」させると考えられる。

（実施例１２）
部品の化学薬品への文字通りの浸漬を伴わずに、実施例３の手順が繰り返された。代わりに、化学薬品は、１分あたり６．９リットルの流量でスピンドル経路上に供給され、過剰な化学薬品が保持されないことを保証するために、ボウルからの排液路が開放された。１０分後、リングギアが測定され、０．０５〜０．１ミクロンの表面粗さを有することがわかった。これは、部品を事実上浸漬させる過剰な化学薬品が、実施例３と同様に有効であることを示している。

（実施例１３）
スピンドル経路上に１分あたり０．６３リットルの流量で、実施例１１の手順が繰り返された。１０分後、リングギアが測定され、０．５０〜０．７６ミクロンの表面粗さを有することがわかった。この送達流量は、ＣＡＶＦプロセスにおいて従来使用されていた流量の２倍以上であるが、仕上げ流量においては著しい降下を示している。

実施例１から１３の結果は、以下の表１に示されている。実施例３のリングギアの表面粗さトレースは、図３に示されている。上昇温度、高エネルギー相対運動、および過剰な化学薬品の効果の組み合わせは、実施例２の従来のＣＡＶＦプロセスよりも著しく短縮された時間内で適切に平坦化されて仕上げられた表面を生じることが、わかる。

このように、本発明は、先に論じられた特定の実施形態を参照して記載されてきた。これらの実施形態は、当業者にとって公知の様々な変形例および代替え形態の影響を受けやすいことが、認識されるだろう。具体的には、当業者は、上記の例が等しく、スプライン、クランク軸、カム軸、軸受、歯車、継ぎ手、軸頚、および医療用インプラントにも同様に適用することを、理解するだろう。

上述のものに加えて、さらなる変更が、本発明の精神および範囲を逸脱することなく、本明細書に記載の構造および技術に対してなされてもよい。したがって、特定の実施形態が記載されてきたが、これらは単なる例示にすぎず、本発明の範囲を制限するものではない。

Claims (22)

1. 金属部品の表面を仕上げる方法であって、
   表面が位置する部品の一部を実質的に浸漬するのに十分な量の耐摩耗性媒体を収容するレセプタクルを提供するステップと、
   表面上に比較的軟性の化成被覆を形成することが可能な量の仕上げ化学薬品を提供するステップと、
   部品を少なくとも部分的に媒体に浸漬するステップと、
   表面が化学薬品に事実上浸漬されるように、過剰な化学薬品でレセプタクルをフラッドさせるステップと、
   化成被覆を連続的に除去するために、表面と媒体との間の高エネルギー相対運動を誘発するステップと、を含む方法。
2. 表面の少なくとも半分が仕上げ化学薬品中に浸漬される、請求項１に記載の方法。
3. 表面の表面粗さＲａが０．５ミクロン未満、好ましくは０．３５ミクロン未満になるまでプロセスが継続される、請求項１または２に記載の方法。
4. ４０℃より高い、好ましくは５０℃より高い、もしくは７０℃より高い温度でプロセスが実行される、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 媒体１リットルあたり１時間に少なくとも０．１リットル、好ましくは媒体１リットルあたり０．５リットル超の流量で、レセプタクルに仕上げ化学薬品を連続的に供給するステップをさらに含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 仕上げ化学薬品の所定レベルが、レセプタクルからのフラッド口によって決定される、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 仕上げ化学薬品の所定レベルが調整可能である、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 相対運動が、媒体に部品を通すことによって発生する、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
9. 相対運動が、少なくとも０．３ｍ／秒、好ましくは少なくとも０．８ｍ／秒、より好ましくは１．５ｍ／秒超で発生する、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
10. 部品が治具によって担持され、治具は部品を回転軸の周りで回転させるように駆動される、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
11. 部品が、自動車またはトラックのリアアクスルまたはトランスアクスル用のリングまたはピニオンギアである、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 部品が少なくとも２つの組み合わせ部品であり、組み合わせ部品が一緒に仕上げられる、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 化学薬品が酸性であり、好ましくはリン酸またはシュウ酸ラジカルを含む、請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 部品をレセプタクルから取り出すステップ、および艶出しまたは被覆溶液を含むさらなるレセプタクルにこれを浸漬するステップをさらに含む、請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法。
15. プロセスが、表面上に化成被覆を成長させるために、実質的に相対運動を伴わずに部品を化学薬品中に放置するステップをさらに含む、請求項１から１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 金属部品の表面の高速仕上げのためのドラッグ仕上げ機械であって、
    表面が位置する部品の一部を実質的に浸漬するのに十分な量の耐摩耗性媒体を収容するレセプタクルと、
    大量の仕上げ化学薬品でレセプタクルをフラッドさせるための化学薬品供給装置と、
    レセプタクル内で部品と媒体との間の高エネルギー相対運動を誘発するための、部品用の取り付け装置を含む駆動部と、
    １５分未満、好ましくは１０分未満、最も好ましくは５分未満の継続時間を有する動作サイクルを実行するように機械を制御するようになっている、制御装置と、を含む機械。
17. 化学薬品供給装置が、所定レベルに配置された１つ以上のフラッド口を含む、請求項１６に記載の機械。
18. レセプタクルの内部を上記周囲温度に維持するための加熱装置をさらに含む、請求項１６または１７に記載の機械。
19. 加熱装置が、レセプタクルの内部または周囲に、あるいは再循環仕上げ化学薬品リザーバ内に、加熱素子を含む、請求項１８に記載の機械。
20. 駆動部が、複数の軸の周りで部品を回転させるように配置されたスピンドルを含む、請求項１６から１９のいずれか一項に記載の機械。
21. 駆動部が、部品を取り外し可能に取り付けるためのクイックリリーズ治具を含む、請求項１６から２０のいずれか一項に記載の機械。
22. レセプタクルが、ステンレス鋼などの耐腐食性金属で形成された内面裏打ちを含む、請求項１６から２１のいずれか一項に記載の機械。

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