JP2005199411A - 研削装置および研削方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回転軸に対し偏心した位置に偏心部材が設けられた軸状工作物を研削により、高精度で高度に平滑な面に仕上げることができる研削装置および研削方法を提供する。
【解決手段】ピン部３が設けられたクランクシャフト１の両端を保持部２０，２１および支持手段１１で支持し、クランクシャフト１をピン部３の中心軸Ｒ_２が回転中心となるように回転し、支持手段１１に設けられた回転バランス修正部材３０によりクランクシャフト１のアンバランスを回転中に修正するようにしたので、簡単に回転バランスをとることができ、クランクシャフト１を高速で回転させ、高度に平滑な面に仕上げることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、回転軸に対し偏心した位置に偏心部材が設けられた軸状工作物を研削する研削装置および研削方法に関する。

例えば、カムシャフトのカムロブ部あるいはクランクシャフトのピン部等は、高度に平滑な仕上げ面が要求されるために、研削加工後にラッピング加工されている。このように研削加工からラッピング加工へと、加工工程が変われば、その度に異なる加工設備に工作物を移し替えなければならず、加工時間が長くなり、工程および加工設備も多く、必然的に加工コストも高くなる。したがって、高度に平滑な仕上げ面が得られるのであれば、研削加工のみによって加工が完了することが好ましい。

研削加工のみで高度に平滑な面に仕上げるには、工作物を高速で回転させることになるが、回転軸に対し偏心した位置に偏心部材が設けられているクランクシャフトのような軸状工作物は、回転軸を中心として高速で回転させると、大きな偏心荷重が加わり、しかも、個々のクランクシャフト毎に回転バランスを修正することも困難なため、高速回転させることができない。

そこで、クランクシャフトを偏心して保持し、ピン部の中心軸を中心として回転駆動した状態で、ピン部を研削加工する装置もある。この装置は、クランクシャフトを低速で回転させる場合には、チャックと一体になっているカウンターウェイトによりある程度バランスされているため、高精度に加工することができる。

また、最近では、クランクシャフトを支持する主軸を所定角度位置で停止し、ピン部を中心軸中心に回転させる場合、ピン部と直交するように振れ止め装置を位置させ、研削加工を行うものも提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。

しかし、前記いずれの方法も、平滑な仕上げ面が得られても、研削による取り代の偏りが問題となる。最近のクランクシャフト製造工程においては、クランクピン研削工程の前工程において、ピンミラーカッターによりピン部を加工することがある。このピンミラーカッターは、多数のスルーアウェイチップが環状に設けられたもので、このカッターをピン部の周囲に配置し回転しつつピン部の外周面を切削加工するものである。この切削加工は、研削加工のように高精度な加工ではないため、後に研削する場合には、ピン部の研削取り代の偏りが大きくなり、研削前のバランス中心と研削後のバランス中心が異なることがある。このため、クランクシャフトを高速で回転させて加工する場合、アンバランス量が大きくなり、高精度に加工することができない。
特開平５−３２９７５６号公報 （段落番号〔０００９〕、図１、図６参照）

本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、回転軸に対し偏心した位置に偏心部材が設けられた軸状工作物を研削により、高精度で高度に平滑な面に仕上げることができる研削装置および研削方法を提供することを目的とする。

かかる目的を達成する第１の発明は、回転軸に対し偏心した位置に偏心部材が設けられた軸状工作物を、前記偏心部材の中心軸を中心として回転しつつ当該偏心部材の外周面を研削用工具により研削加工する研削装置であって、前記偏心部材の中心軸が回転中心となるように前記軸状工作物の両端を偏心して保持する一対の保持部と、当該保持部を回転可能に支持する支持手段と、前記保持部を含む前記軸状工作物のアンバランスを修正する回転バランス修正部材と、前記支持手段の振動を検出する振動検出器と、前記保持部の回転位置を検出する位相検出器と、を有し、前記回転バランス修正部材により前記保持部を含む軸状工作物のアンバランスを軸状工作物の回転中に修正することを特徴とする研削装置である。

第２の発明は、両端が保持部により保持され、回転軸に対し偏心した位置に偏心部材が設けられた軸状工作物を、前記偏心部材の中心軸を中心として回転しつつ当該偏心部材の外周面を研削用工具により研削加工する研削方法であって、前記研削用工具の切込み量が大きい粗研削工程と、前記研削用工具を前記軸状工作物から離間させた状態で、前記保持部を含む前記軸状工作物のアンバランス量を計測するアンバランス計測工程と、当該計測されたアンバランス量を修正するアンバランス修正工程と、前記研削用工具の切込み量が小さい仕上げ研削工程と、を有することを特徴とする研削方法である。

第１および第２の発明によれば、回転軸に対し偏心した位置に偏心部材が設けられた軸状工作物を、前記偏心部材の中心軸が回転中心となるように保持部で保持し、さらに当該保持部を支持手段により回転可能に支持し、前記保持部を含む軸状工作物のアンバランス量を計測し、回転バランス修正部材により軸状工作物の回転中にアンバランスを修正するようにしたので、簡単に回転バランスをとりつつ軸状工作物を高速で回転させることができ、軸状工作物を高精度で高度に平滑な面に仕上げることができる。

特に、軸状工作物の回転中に回転バランスを修正すると、研削中の軸状工作物の振動も抑制でき、軸状工作物を高速で回転させることができ、軸状工作物を高精度で高能率に研削することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。

図１は本発明の実施形態に係るクランクシャフト研削装置の概略断面図である。

図１に示す研削装置１０は、クランクシャフト１（軸状工作物）のジャーナル部２の回転軸Ｒ_１に対し偏心した位置に中心軸Ｒ_２を有するピン部３（偏心部材）を研削加工するものである。

この研削装置１０は、概して、前記ピン部３の中心軸Ｒ_２が回転中心となるようにクランクシャフト１の両端を偏心して保持する一対の保持部２０，２１と、当該保持部２０，２１を回転可能に支持する支持手段１１と、前記保持部２０，２１を含むクランクシャフト１のアンバランスを修正する回転バランス修正部材３０と、前記支持手段１１の振動を検出する振動検出器４０と、前記支持手段１１の位相を検出する位相検出器４１とを有し、クランクシャフト１の回転中にアンバランスを修正しつつ、砥石（研削用工具）Ｇにより研削するものである。

さらに詳述すると、前記支持手段１１は、基台１２上に設けられた一対の主軸頭１３，１４と、各主軸頭１３，１４に設けられ、前記保持部２０，２１を回転可能に支持する軸受１５とから構成されている。

前記一対の保持部２０，２１は、前記軸受１５に支持された主軸２２，２３と、これら各主軸２２，２３の内端部に固定され、当該主軸２２，２３の回転軸線に対し偏心した位置でクランクシャフト１の端部を保持する把持部２４ａ，２５ａを有するチャック２４，２５と、から構成されている。

前記各主軸２２，２３には、図外の制御装置により同期回転制御されるモータＭ_１がそれぞれ連結され、このモータＭ_１が回転すると、各主軸２２，２３を介して各チャック２４，２５に伝達され、クランクシャフト１が回転される。

本実施形態の各チャック２４，２５では、偏心した位置に把持部２４ａ，２５ａが設けられ、この把持部２４ａ，２５ａでクランクシャフト１を保持し、ピン部３の中心軸Ｒ_２を中心に回転し、砥石Ｇにより研削する。つまり、各チャック２４，２５の把持部２４ａ，２５ａに保持されたクランクシャフト１は、図外の位置決め手段などによりピン部３の中心軸Ｒ_２が主軸２２，２３の回転軸Ｒ_１に一致するように取付けられ、ピン部３の中心軸Ｒ_２を中心として回転する。

図２は回転バランス修正部材およびその周辺を示す概略断面図である。前記回転バランス修正部材３０は、前記各主軸２２，２３の内部に設けられているが、いずれも同じ構成であるため、主軸２３側のものについて説明する。

図２に示すように、回転バランス修正部材３０は、アンバランス修正用の重り体３１および、該重り体３１を移動する第１移動手段３３ａから構成された第１修正部材３０Ａと、アンバランス修正用の重り体３２および、該重り体３２を移動する第２移動手段３３ｂから構成された第２修正部材３０Ｂと、から構成されている。

第１修正部材３０Ａは、前記各主軸２２，２３の内部に形成されたキャビティ３４の外端部に、第１移動手段３３ａとしてのモータＭ_２が固定され、このモータＭ_２の回転軸にアンバランス修正用の重り体３１のカップ状部材３１ａを取付け、このカップ状部材３１ａの先端にフランジ部３１ｂを設け、前記キャビティ３４内で重り体３１を回転する。

第２修正部材３０Ｂは、前記カップ状をした重り体３１の外端部に、第２移動手段３３ｂとしてのモータＭ_３が固定され、このモータＭ_３の回転軸に円柱状部材３２ａを取付け、この円柱状部材３２ａの先端に円盤状部材３２ｂを設け、前記重り体３１内でこれらを回転する。

ただし、第１修正部材３０Ａの重り体３１には、たとえば、図４（Ａ）に示すように、フランジ部３１ｂの一部に基材より比重の大きい円柱状の第１重り３５が設けられ、第２修正部材３０Ｂの重り体３２には、図４（Ｂ）に示すように、円盤状部材３２ｂに基材より比重の大きい円柱状の第２重り３６が設けられている。なお、これら重り３５，３６は、必ずしも基材より比重の大きいものを設けることにより形成するのみでなく、適当な切抜き部などにより形成してもよい。

このように回転バランス修正部材３０は、第１修正部材３０Ａと第２修正部材３０Ｂを同軸的に設け、前記移動手段３３の内の第２移動手段が各重り体３１，３２相互の位相を調整し、第１移動手段３３ａが複数の重り体３１，３２の位相を同時に調整することになるので、これら移動手段３３、重り体３１，３２、主軸２２，２３、チャック２４，２５およびクランクシャフト１を含むもののバランス修正を行なうことになる。したがって、２つの重り３５，３６の位相をそれぞれの移動手段３３により制御して回転バランスの修正を行なうことから、構成が極めて簡略化でき、研削装置のコストも低減できる。

さらに、静的アンバランスと釣り合わせ重り体の関係を図により説明する。図３は回転バランス修正部材の静的アンバランスと釣り合わせ重り体の関係を示す概略説明図である。クランクシャフト１を回転させると、静的アンバランス量がどの角度位置に生じるか分かるが、たとえば、図３に示すように、位相角θの位置にアンバランス量「Ｗ_０」が生じたとする。

このアンバランスを修正するには、本来的には、アンバランスが生じた位置の反対位置、つまり、位相角θに１８０度を加えた位置に同量の重り「Ｗ」を設ければよい。しかし、アンバランス量は、加工するクランクシャフト１毎に異なるので、単一の重りを設けてもアンバランス量を修正することはできない。

このため、本実施形態では、既知の仮想バランス重り「Ｗ」を、「Ｗ_１」と「Ｗ_２」に２分し、それぞれを仮想バランス重りの設置位置を中心に振り分け、所定の中心角θ_１となるようにしている。このように２つの重りに分け、各重りの位相を制御することで、静的アンバランスの大きさと位相の変化に対応できる。つまり、各重り「Ｗ_１」と「Ｗ_２」が回転時に作る合成ベクトルが、仮想バランス重り「Ｗ」のものと一致するようにすれば、簡単な幾何計算を行なうのみで、所定位置に所望の重りを設けることができ、回転時に生じるアンバランスを修正することができることになる。

さらに具体的に述べれば、まず、クランクシャフト１を回転させ、静的アンバランス量がどの角度位置に生じるかの判断は、前記支持手段１１の振動を検出するため、前記主軸頭１３，１４に設けられた振動センサー４０と、主軸２２，２３に設けられた回転センサー４１により検知した値により行なう。主軸頭１３，１４の振動を測定すると、クランクシャフト１およびチャック１７，１８の静的アンバランス、即ち、質量一次モーメントの回転による振動を検知でき、その振幅が偏心量として表れる。また、主軸２２，２３の回転を測定すると、その回転位置により偏心している位相角が分かる。したがって、振動センサー４０からの信号と、回転センサー４１からの信号を、図外の制御装置に入力し、演算すれば、偏位量と偏位位置を検知でき、正確にアンバランスを修正し、回転バランスを向上させることができる。

次に、作用を説明する。

＜取付け工程＞
まず、クランクシャフト１の端部を各チャック１７，１８に保持し、図外の位置決め手段によりピン部３の中心軸Ｒ_２が主軸１５，１６の回転軸線に一致するようにセットした状態で、研削時の回転数でクランクシャフト１を回転する。

＜アンバランス計測工程＞
この回転中に、振動センサー４０と回転センサー４１の検知信号によりクランクシャフト１およびチャック２４，２５の静的アンバランス量および位相を演算処理により求める。

＜アンバランス修正工程＞
この演算処理により静的アンバランス量Ｗ_０の大きさおよび位相角θが判明すると、回転バランス修正部材３０により回転バランス修正を行なう。まず、第２修正部材３０ＢのモータＭ_３を駆動し、第１重り体３１と第２重り体３２の位相を所定角θ_１になるように調整する。

次に、第１修正部材３０ＡのモータＭ_２を駆動し、第１重り体３１と第２重り体３２が所定角θ_１の位相を保った状態で、仮想バランス重りＷの位相角が、θ＋１８０度になるように調整する。なお、仮想バランス重りＷの大きさと位相角θ＋１８０度は、予め分かっているので、モータＭ_３とモータＭ_２を同時に駆動してもよい。

この結果、クランクシャフト１は、次に行なう機械加工および粗研削加工前にアンバランス量を小さくでき、粗研削加工時のクランクシャフト１をさらに高速に回転させることができ、高能率に研削することができる。

＜機械加工および粗研削工程＞
このバランス状態で回転するクランクシャフト１のピン部３は、ピンミラーカッターにより機械加工が施されたのち、砥石により粗研削加工が行なわれる。ここにおいて、粗研削加工とは、研削代が大きく、切込み量Ｄ_１も大きい。

しかし、このピンミラーカッターによる機械加工は、図５に示すように、ピン部３の中心に対して偏心することがあり、粗研削加工する場合の研削代が不均一になる虞がある。

＜第２回目のアンバランス計測工程＞
したがって、粗研削加工後に、砥石Ｇをクランクシャフト１から離間した状態で、クランクシャフト１を回転し、この回転中に、再度、振動センサー４０と回転センサー４１によりクランクシャフト１およびチャック１７，１８の振動状態や偏心位置を検知し、静的アンバランス量および位相を演算処理して求める。

＜第２回目のアンバランス修正工程＞
この演算処理により静的アンバランス量Ｗ_０の大きさおよび位相角θが判明すると、回転バランス修正部材３０により、前記アンバランス修正工程と同様に回転バランス修正を行なう。

この結果、クランクシャフト１は、次に行なう仕上げ研削加工前にアンバランス量を小さくでき、仕上げ研削加工時のクランクシャフト１をさらに高速に回転させることができ、高能率に仕上げ研削することができる。

＜仕上げ研削工程＞
仕上げ研削は、図６に示すように、研削代も少ないが、砥石の切込み量Ｄ_２も小さく、砥石による単位時間当たりの削り量も少ない。しかし、本実施形態では、クランクシャフト１のアンバランス量が修正されているので、クランクシャフト１のピン部３を高速回転することができ、工作物１回転あたりの切込み量を小さくても、砥石周速度の高速化により高能率な条件で仕上げ研削することができる。この結果、発生する研削熱を大幅に抑制することができ、加工変質層の少ない高平滑な面を高能率で得ることができ、ピン部３を高精度に加工できる。

上記実施形態では、取付け工程とアンバランス修正工程を行なった後に、機械加工および粗研削工程、アンバランス修正工程、仕上げ研削工程を行なっているが、工作物によっては、一部工程を省略してもよい。

図７は本実施形態の研削加工サイクルを示す概略図である。たとえば、クランクシャフト１を研削装置１０に取付けた後、図７に示すように、直ちに切り込み量Ｄ_１、加工時間ｔ_１で粗研削工程を行い、アンバランス計測および修正工程を時間ｔ_２だけ行い、切り込み量Ｄ_２、加工時間ｔ_３で仕上げ研削工程を行なってもよい。

なお、粗研削および仕上げ研削に実際としては、４気筒内燃機関用のクランクシャフト１の場合、クランクシャフト１は５００ｒｐｍで回転され、砥石の周速は、２００ｍ／ｓｅｃ程度である。

上述した実施形態のクランクシャフト研削装置１０によれば、ピン部３が設けられたクランクシャフト１の両端を、ピン部３の中心軸Ｒ_２が回転中心となるように保持部２０，２１および支持手段１１で支持し、この支持手段１１に設けられた回転バランス修正部材３０によりクランクシャフト１のアンバランスを回転中に修正するようにしたので、簡単に回転バランスをとることができ、クランクシャフト１を高速で回転させ、高度に平滑な面に仕上げることができる。

特に、クランクシャフト１の回転中に回転バランスを修正すると、研削中のクランクシャフト１の振動も抑制でき、クランクシャフト１を高速で回転させることができるので、クランクシャフト１を高精度で高能率に研削することができる。この結果、従来のように加工が変わる度に設備が異なることはなく、研削加工のみで、高度に平滑な仕上げ面が得られ、異なる加工設備に工作物を移し替える必要もなく、短い時間で、コスト的にも有利な加工となる。

前記回転バランス修正部材３０は、ピン部３の中心軸Ｒ_２を中心として回転する少なくとも２つの重り体３１，３２を有し、これらの重り体３１，３２の位相を制御することにより静的アンバランスの大きさと位相の変化に対応できる。

前記回転バランス修正部材３０の移動手段３３は、研削装置の主軸２２，２３内に、１つの重り体３１と、当該重り体３１の位相を調整する第１移動手段３３ａとを設け、当該重り体３１内に他の重り体３２と、当該他の重り体３２の位相を調整する第２移動手段３３ｂとを設けたので、簡略な回転バランス修正手段とすることができ、研削装置の低コストで製作できる。

回転バランス修正部材３０、振動センサー４０および回転センサー４１を、前記軸状工作物が支持される両端部にそれぞれ設けると、左右両側から偏位の修正を行うことになるので、より正確にアンバランスを修正し、回転バランスを向上させることができる。

本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変することができる。例えば、前記実施形態では、クランクシャフトのピン部における偏位量と偏位位置を検知しているが、これのみに限定されるものでもなく、例えば、カムシャフトのカムロブ部等のような偏心部材が設けられた軸状工作物にも広く適用できる。

また、回転センサー４１は、チャック部２４に設けているが、回転部分の位置を検出できる位置であれば、どこに設けてもよい。

本発明にかかる研削装置および研削方法は、偏心部材が設けられた軸状工作物の研削を円滑にし、短時間に所望の精度を得ることができ、自動車用エンジンのクランクシャフトやカムシャフトなどの研削加工に適している。

本発明の実施形態に係るクランクシャフト研削装置を示す概略構成図である。 回転バランス修正部材などを示す概略断面図である。 回転バランス修正部材の静的アンバランスと釣り合わせ重り体の関係を示す概略説明図である。 （Ａ）（Ｂ）は本実施形態の回転バランス修正部材を示す断面図である。 粗研削時の状態を示す説明図である。 仕上げ研削時の状態を示す説明図である。 本実施形態の研削加工サイクルを示す概略図である。

符号の説明

１…クランクシャフト（軸状工作物）、
３…ピン部（偏心部材）、
１１…支持手段、
２０，２１…保持部、
３０…回転バランス修正部材、
３１，３２…重り体、
３３…移動手段、
３３ａ…第１移動手段、
３３ｂ…第２移動手段、
３５，３６…重り、
４０…振動検出器、
４１…位相検出器、
Ｇ…砥石（研削用工具）、
Ｒ_１…クランクシャフトの回転軸、
Ｒ_２…ピン部の中心軸。

Claims (7)

1. 回転軸に対し偏心した位置に偏心部材が設けられた軸状工作物を、前記偏心部材の中心軸を中心として回転しつつ当該偏心部材の外周面を研削用工具により研削加工する研削装置であって、
   前記偏心部材の中心軸が回転中心となるように前記軸状工作物の両端を偏心して保持する一対の保持部と、
   当該保持部を回転可能に支持する支持手段と、
   前記保持部を含む前記軸状工作物のアンバランスを修正する回転バランス修正部材と、
   前記支持手段の振動を検出する振動検出器と、
   前記保持部の回転位置を検出する位相検出器と、
   を有し、
   前記回転バランス修正部材により前記保持部を含む軸状工作物のアンバランスを軸状工作物の回転中に修正することを特徴とする研削装置。
2. 前記回転バランス修正部材は、前記保持部の内部にアンバランス修正用の重り体と、該重り体を移動する移動手段と、を有することを特徴とする請求項１に記載の研削装置。
3. 前記重り体は、前記軸状工作物の回転軸と同軸に設けられ、それぞれが偏心位置に重りを有する少なくとも２つの重り体からなる請求項２に記載の研削装置。
4. 前記移動手段は、前記各重り体相互の位相を調整する第２移動手段と、複数の重り体の位相を同時に調整する第１移動手段と、を有することを特徴とする請求項２に記載の研削装置。
5. 前記回転バランス修正部材、振動検出器および位相検出器は、前記軸状工作物が支持される両端部にそれぞれ設けたことを特徴とする請求項１に記載の研削装置。
6. 両端が保持部により保持され、回転軸に対し偏心した位置に偏心部材が設けられた軸状工作物を、前記偏心部材の中心軸を中心として回転しつつ当該偏心部材の外周面を研削用工具により研削加工する研削方法であって、
   前記研削用工具の切込み量が大きい粗研削工程と、
   前記研削用工具を前記軸状工作物から離間させた状態で、前記保持部を含む前記軸状工作物のアンバランス量を計測するアンバランス計測工程と、
   当該計測されたアンバランス量を修正するアンバランス修正工程と、
   前記研削用工具の切込み量が小さい仕上げ研削工程と、
   を有することを特徴とする研削方法。
7. 前記研削方法は、
   前記粗研削工程の前に、前記軸状工作物を回転させて前記保持部を含む前記軸状工作物のアンバランス量を計測するアンバランス工程と、
   当該計測されたアンバランス量を修正する修正工程と、
   を有することを特徴とする請求項６に記載の研削方法。

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