JP2005342864A

JP2005342864A - 微細凹部加工装置及び微細凹部加工方法

Info

Publication number: JP2005342864A
Application number: JP2004167892A
Authority: JP
Inventors: Tatsuomi Nakayama; 達臣中山; Hidenori Watanabe; 秀徳渡辺; Mamoru Saito; 衛斉藤; Kazuhiko Takashima; 和彦高嶋; Minoru Ota; 稔太田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-06-07
Filing date: 2004-06-07
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2024-06-07
Also published as: JP4587026B2

Abstract

【課題】熱処理条件などによって被加工物個々の表面硬さが異なっていたり、被加工物が異種材から成っていたりした場合においても、被加工物の表面に一定深さの微細凹部を形成することが可能である微細凹部加工装置及び微細凹部加工方法を提供する。
【解決手段】外周面９ａに微細な凹凸９ｂを有する加工ローラ９と、この加工ローラ９の外周面９ａを円筒部材Ｗに押し付けて微細凹部Ｗｂを形成するステッピングモータ２，ボールねじ３，スライダ４，ハウジング５及びコイルスプリング６から成るローラ押圧機構としての弾性体押圧機構と、この弾性体押圧機構による加工ローラ９の押圧力を検出する荷重検出手段１０と、加工ローラ９の外周面９ａを円筒部材Ｗに押し付けて微細凹部Ｗｂを形成している間に荷重検出手段１０からの荷重検出信号を受けて弾性体押圧機構による加工ローラ９の押圧力をコントロールする制御手段１１を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、被加工物の表面、例えば、自動車のエンジンを構成するクランクピンやジャーナルやカムジャーナルなどの可動部品の外周面に、作動効率を高めたりフリクションを低減させたりするための微細凹部（油だまり）を形成するのに用いられる微細凹部加工装置及び微細凹部加工方法に関するものである。

従来、上記したような被加工物の表面に微細凹部を形成する方法としては、例えば、精密ショットピーニング法があったが、この方法では、マスクの貼り付け及び取り外しの作業が必須であることから、生産性の向上を期待できないという問題があった。

そこで、近年においては、外周面に微細な凹凸を有する加工ローラをほぼ一定荷重で被加工物に押し付けて微細凹部を形成する構成の微細凹部加工装置が研究されている。
特開２０００−２２７１１９号公報特開２００２−４６００１号公報

しかしながら、上記した従来の微細凹部加工装置おいて、加工ローラをほぼ一定荷重で被加工物に押し付けるようにしている都合上、熱処理の範囲や条件などによって被加工物個々の表面硬さが異なっている場合には、被加工物に形成される微細凹部の深さが被加工物毎に変わってしまうという問題があり、この問題を解決することが従来の課題となっていた。

本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたものであり、熱処理条件などによって被加工物個々の表面硬さが異なっていたり、被加工物が異種材（数種類の材種が貼り合わされた物や数種類の材質が混在した物）から成っていたりした場合においても、被加工物の表面に一定深さの微細凹部を形成することが可能である微細凹部加工装置及び微細凹部加工方法を提供することを目的としている。

本発明の微細凹部加工装置は、外周面に微細な凹凸を有する加工ローラと、この加工ローラの外周面を被加工物に押し付けて微細凹部を形成するローラ押圧機構と、このローラ押圧機構による加工ローラの押圧力を検出する荷重検出手段と、上記加工ローラの外周面を被加工物に押し付けて微細凹部を形成している間に上記荷重検出手段からの荷重検出信号を受けて上記ローラ押圧機構による加工ローラの押圧力をコントロールする制御手段を備えた構成としたことを特徴としており、この微細凹部加工装置の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。

一方、本発明の微細凹部加工方法は、上記した本発明の微細凹部加工装置を用いて被加工物に微細凹部を形成するに際して、ローラ押圧機構により加工ローラの外周面を被加工物に押し付けると共に、上記被加工物を回転又は直線的に移動させるのに伴って加工ローラを連れ回りさせて微細凹部の加工を開始し、この微細凹部の加工を行っている間に、制御手段において、荷重検出手段からの荷重検出信号に基づいて上記ローラ押圧機構による加工ローラの押圧力をコントロールする構成としたことを特徴としており、この微細凹部加工方法の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。

本発明によれば、上記した構成としているので、熱処理条件などによって被加工物個々の表面硬さが異なっている場合や、被加工物が数種類の材種を貼り合わせて成っていたり数種類の材質を混在させて成っていたりした場合であったとしても、ほぼ一定深さの微細凹部を被加工物の表面に形成することが可能であり、加えて、被加工物の表面に微細凹部を形成する際に、加工ローラの押圧力を変化させれば、深さが変化する微細凹部を形成することができるという非常に優れた効果がもたらされる。

本発明の微細凹部加工装置において、被加工物の表面硬度を測定する表面硬度測定手段を備えた構成を採用することができ、この場合には、表面硬度が既知でない被加工物に対して、一定深さの微細凹部を形成し得ることとなる。この際、表面硬度測定手段は、加工ローラを支持して一体で移動するローラ支持部に設けることが望ましく、その場合には、加工ローラによる微細凹部の形成と同時に表面硬さを測定することが可能であるため、生産効率が向上することとなる。

また、本発明の微細凹部加工装置において、制御手段は、被加工物の表面加工位置における表面硬さ分布情報と、表面硬さ及び加工ローラの押圧力の大きさに対応して形成される微細凹部の深さ情報とを記憶して、表面硬さ分布情報及び微細凹部の深さ情報に基づいて、上記加工ローラの押圧力を被加工物の表面硬さに対応させるべくコントロールする構成を採用することができ、この構成を採用すると、熱処理条件などによって被加工物個々の表面硬さが異なっている場合や、被加工物が異種材から成っている場合でも、被加工物の表面に一定深さの微細凹部を形成し得ることとなる。

さらに、本発明の微細凹部加工装置において、ＮＣ工作機械に搭載可能とし、制御手段を上記ＮＣ工作機械の制御部する構成を採用することが可能であり、この構成を採用することで、同じ被加工物に微細凹部を形成する際に、連続的な自動加工を行い得ることとなる。

さらにまた、本発明の微細凹部加工装置において、流体圧を用いて加工ローラの外周面を被加工物に押し付ける流体圧押圧機構をローラ押圧機構とする構成を採用することが可能であり、この場合には、ポンプやバルブの制御によって加工ローラの押圧力を変化させることができるため、複数の微細凹部加工装置に配管を施すようになせば、数ヶ所の被加工物に対して同時に同じ押圧力で加工ローラを押し付け得ることとなる。

さらにまた、本発明の微細凹部加工装置において、弾性体を用いて加工ローラの外周面を被加工物に押し付ける弾性体押圧機構をローラ押圧機構とする構成を採用することが可能であり、この場合には、配管などが不要であって簡単な構成とすることができるため、装置のコンパクト化が図られ、これにより、装置の取りまわしが良くなって、旋盤やフライス盤やマシニングセンタなどのあらゆる既存の工作機械に容易に取付け得ることとなり、その結果、多くの被加工物の加工が可能となるうえ、設備費が少なくて済むこととなる。

さらにまた、本発明の微細凹部加工装置において、弾性体を支持する弾性体支持部を備え、この弾性体支持部を被加工物に接近離間させることで加工ローラの押圧力を変化させる構成を採用することも可能であり、この場合には、制御手段からの指令によって加工ローラの押圧力を連続的に変化させることができる。また、弾性体を、例えば、スプリングとした場合、このスプリングを交換することにより、適正なばね定数を選択可能となる。つまり、精密な位置制御を行わなくても微小な加圧力の変化を与えることができる。流体圧を用いた場合、加圧力そのものの細かな制御が必要であるのに対し、上記した構成を採用すれば、例えば、ばね定数が１０Ｎ／ｍｍであるとすると、０．１ｍｍ単位の弾性体支持部の移動によって、１Ｎ単位の加圧力の変化を簡単に行い得ることとなる。

一方、本発明の微細凹部加工方法において、表面硬度測定手段を備えた微細凹部加工装置を用いて被加工物に微細凹部を形成するに際して、ローラ押圧機構により加工ローラの外周面を被加工物に押し付けると共に、上記被加工物を回転又は直線的に移動させるのに伴って加工ローラを連れ回りさせて微細凹部の加工を開始し、この微細凹部の加工を行っている間に、制御手段において、表面硬度測定手段により被加工物の表面硬度を測定して得た表面硬さ分布情報及び荷重検出手段からの荷重検出信号に基づいて上記ローラ押圧機構による加工ローラの押圧力をコントロールする構成を採用することができ、この際、被加工物の表面加工位置における表面硬さ分布情報と、表面硬さ及び加工ローラの押圧力の大きさに対応して形成される微細凹部の深さ情報とを制御手段にあらかじめ記憶させておき、この制御手段では、表面硬さ分布情報及び微細凹部の深さ情報に基づいて、上記加工ローラの押圧力を被加工物の表面硬さに対応させるべくコントロールする構成とすることが望ましい。

以下、本発明を実施例により更に詳細に説明する。この実施例では、被加工物が円筒部材である場合を示す。

［実施例１］
図１に示すように、この微細凹部加工装置１は、ステッピングモータ２と、このステッピングモータ２の作動によりボールねじ３とともにＸ軸方向に移動して円筒部材Ｗに対して進退するスライダ４と、このスライダ４に固定した弾性体支持部としてのハウジング５と、このハウジング５内に設けたコイルスプリング６と、このコイルスプリング６に上端を連結すると共に下端にアーム８を連結したシャフト７と、外周面９ａに微細な凹凸９ｂ（図２参照）を具備してアーム８に回転自在に支持された加工ローラ９と、ハウジング５内に設けられてコイルスプリング６による加工ローラ９の円筒部材Ｗに対する押圧力を検出する荷重検出手段１０と、この荷重検出手段１０及びステッピングモータ２に電気的に接続する制御手段１１を備えており、ステッピングモータ２，ボールねじ３，スライダ４，ハウジング５及びコイルスプリング６でローラ押圧機構としての弾性体押圧機構を構成していると共に、ＮＣ工作機械の制御部を制御手段１１としている。

この場合、微細凹部加工装置１のステッピングモータ２は、ＮＣ工作機械の図示しないヘッド部に取り付けられるようになっており、制御手段１１としてのＮＣ工作機械の制御部では、加工ローラ９の外周面９ａを円筒部材Ｗに押し付けて微細凹部を形成している間に、荷重検出手段１０からの荷重検出信号に基づいて加工ローラ９の押圧力を所定値とするべくステッピングモータ２に制御指令を出力するようになっている。一方、円筒部材Ｗは、その端部をＮＣ工作機械の主軸台Ａ上に配置された主軸Ｂのチャッキング部Ｃに把持させることで、主軸Ｂとともに回転するようになっている。

次に、上記微細凹部加工装置１を用いて円筒部材Ｗに微細凹部を形成する要領を説明する。

まず、ＮＣ工作機械の主軸台Ａ又はこの微細凹部加工装置１のステッピングモータ２が取り付けられたヘッド部を図示Ｚ軸方向へ移動させて、図３（ａ）に示すように、加工ローラ９を円筒部材Ｗの被加工面Ｗａに対向する部位に位置させる。

次に、図３（ｂ）に示すように、ステッピングモータ２を動作させてボールねじ３を回転させ、ハウジング５を固定したスライダ４を図示X軸方向に沿って降下させることによって、加工ローラ９の先端を円筒部材Ｗの被加工面Ｗａに接触させる。

これに続いて、スライダ４及びハウジング５をさらに降下させ、図３（ｃ）に示すように、ハウジング５内に内蔵したコイルスプリング６を縮ませつつシャフト７をハウジング５に対して上方に移動させることによって、押圧力（荷重）を円筒部材Ｗの被加工面Ｗａに付与する。

このとき、ハウジング５内に設けた荷重検出手段１０が上記押圧力を検出して、この検出した信号をＮＣ工作機械の制御部である制御手段１１へ伝達する。これを受けて、制御手段１１は指令を発してあらかじめ設定した荷重となるまでステッピングモータ２を動作させてハウジング５を降下させた後、図３（ｄ）に示すように、主軸Ｂの回転を開始させると同時に、主軸台Ａ又はスライダ４が取り付けられたヘッド部のZ軸方向への移動を開始させる。

この際、例えば、図４のグラフに示すように、加工ローラ９の押圧力に対する円筒部材Ｗの被加工面Ｗａの表面硬さと、円筒部材Ｗの被加工面Ｗａに形成する微細凹部の深さとの関係をＮＣ工作機械の制御部である制御手段１１に記憶させておくと共に、被加工面ＷａのＺ軸方向位置と表面硬さとの関係も制御手段１１に記憶させておき、これらのデータに基づいて、図３（ｅ）及び（ｆ）に示すように、加工ローラ９と円筒部材ＷとをＺ軸方向に相対移動させながら、ステッピングモータ２を動作させてスライダ４とともにハウジング５をＸ軸方向に移動させることにより、被加工面Ｗａの表面硬さの変化に合わせて押圧力を変化させることができる。その結果、円筒部材Ｗの被加工面Ｗａには、一定深さの微細凹部が連続的に形成されることとなる。

上記した実施例では、微細凹部加工装置１の弾性体押圧機構によるハウジング５の位置制御を行って加工ローラ９の押圧力を変化させることで、円筒部材Ｗの被加工面Ｗａに、図６（ａ）に示すように、一定深さの微細凹部Ｗｂを形成する場合を示したが、上記と同様な要領で加工ローラ９の押圧力を変化させることによって、円筒部材Ｗの被加工面Ｗａに、図６（ｂ）に示すように、深さが変化する微細凹部Ｗｂを形成することができる。

また、上記した実施例において、ハウジング５に内蔵したコイルスプリング６のばね定数を１０Ｎ／ｍｍとすれば、例えば、ステッピングモータ２を動作させてハウジング５を０．１ｍｍ単位で上下方向に移動させることによって、数μｍないしはそれ以下のレベルで微細凹部Ｗｂの深さをコントロールすることが可能である。つまり、数μｍないしはそれ以下のレベルでの微細凹部加工装置１全体の位置制御が不要になるという優れた特性を有することとなる。

［実施例２］
図７は、本発明の微細凹部加工装置の他の実施例を示しており、この実施例では、ステッピングモータ２を取り付ける図示しないヘッド部に、アダプタ１３を介して表面硬度測定手段としての表面硬度検出器１２を取り付けるようにしている。

この表面硬度検出器１２は、渦電流型の被接触式検出器であって、図７に示すように、プローブ１２ａを円筒部材Ｗの被加工面Ｗａに接近させた後、主軸Ｂに取り付けた円筒部材Ｗを回転させつつこのプローブ１２ａを回転軸方向に相対的に移動させて円筒部材Ｗの表面硬度を計測し、円筒部材Ｗの被加工面Ｗａの位置と硬度との関係をＮＣ工作機械の制御部である制御手段１１に出力して記憶させる。

すなわち、表面硬度が既知でない場合においても、押圧力を変化させることによって、一定深さの微細凹部Ｗｂの加工を行い得ることとなる。

［実施例３］
図８は、本発明の微細凹部加工装置のさらに他の実施例を示しており、図８に示すように、この実施例の微細凹部加工装置２１は、加工ローラ９を支持して一体で移動するローラ支持部としてのアーム２８に、先の実施例の表面硬度検出器１２を取り付けている。

この実施例の微細凹部加工装置２１では、加工ローラ９を円筒部材Ｗの被加工面Ｗａに押し付けた状態において、円筒部材Ｗの被加工面Ｗａと表面硬度検出器１２のプローブ１２ａとの距離をほぼ一定に保つことができ、加えて、微細凹部加工装置２１を円筒部材Ｗの回転軸方向に相対的に移動させることによって、加工ローラ９で押圧する直前の円筒部材Ｗの表面硬度を同時に測定可能である。

すなわち、あらかじめ円筒部材Ｗの被加工面Ｗａの位置と硬度との関係をＮＣ工作機械の制御部である制御手段１１に記録することが可能であるうえ、表面硬度の測定と微細凹部加工とを同時に行うことができるので、効率が良い分だけサイクルタイムの短縮を実現し得ることとなる。

上記した実施例では、被加工物が円筒形状を成している場合を例に挙げて示したが、これに限定されるものではなく、例えば、被加工物が平板状を成している場合であったとしても、その表面に対して上記と同様の微細凹部Ｗｂを形成することができる。

また、上記した実施例では、ステッピングモータ２，ボールねじ３，スライダ４，ハウジング５及びこのハウジング５内に設けたコイルスプリング６とで弾性体押圧機構（ローラ押圧機構）を構成するようにしているが、流体圧を用いて加工ローラ９を被加工物に押し付ける流体圧押圧機構をローラ押圧機構としてもよい。

そして、上記した微細凹部加工装置１を用いて円筒部材Ｗに微細凹部Ｗｂを形成すると、円筒部材Ｗの低コスト化が図られ、また、上記した微細凹部加工装置１を用いて自動車用部品、例えば、クランクシャフトやカムシャフトに微細凹部Ｗｂを形成すると、部品の低コスト化が図られるのに加えて、回転時のフリクションの低減及びエンジン性能の向上を実現し得る。

本発明の微細凹部加工装置の一実施例を示す正面説明図（ａ）及び側面説明図（ｂ）である。（実施例１）図１に示した微細凹部加工装置の加工ローラの側面説明図（ａ）及び部分拡大側面説明図である。図１に示した微細凹部加工装置を用いて円筒部材に微細凹部を形成する場合の動作説明図（ａ）〜（ｆ）である。図１に示した微細凹部加工装置の加工ローラの押圧力に対する被加工物の表面硬さと微細凹部の深さとの関係を示すグラフである。被加工物の表面硬さの分布を示すグラフである。図１に示した微細凹部加工装置により深さが一定の微細凹部が形成された被加工物の部分拡大断面説明図（ａ）及び深さが変化する微細凹部が形成された被加工物の部分拡大断面説明図（ｂ）である。本発明の微細凹部加工装置の他の実施例を部分的に示す正面説明図である。（実施例２）本発明の微細凹部加工装置のさらに他の実施例を示す正面説明図である。（実施例３）

符号の説明

１，２１微細凹部加工装置
２ステッピングモータ（弾性体押圧機構）
３ボールねじ（弾性体押圧機構）
４スライダ（弾性体押圧機構）
５ハウジング（弾性体支持部；弾性体押圧機構）
６コイルスプリング（弾性体押圧機構）
９加工ローラ
９ａ外周面
９ｂ微細な凹凸
１０荷重検出手段
１１制御手段
１２表面硬度検出器（表面硬度測定手段）
２８アーム（ローラ支持部）
Ｗ円筒部材
Ｗａ円筒部材の外周面
Ｗｂ微細凹部

Claims

外周面に微細な凹凸を有する加工ローラと、この加工ローラの外周面を被加工物に押し付けて微細凹部を形成するローラ押圧機構と、このローラ押圧機構による加工ローラの押圧力を検出する荷重検出手段と、上記加工ローラの外周面を被加工物に押し付けて微細凹部を形成している間に上記荷重検出手段からの荷重検出信号を受けて上記ローラ押圧機構による加工ローラの押圧力をコントロールする制御手段を備えたことを特徴とする微細凹部加工装置。
被加工物の表面硬度を測定する表面硬度測定手段を備えている請求項１に記載の微細凹部加工装置。
加工ローラを支持して一体で移動するローラ支持部に表面硬度測定手段を設けた請求項２に記載の微細凹部加工装置。
制御手段は、被加工物の表面加工位置における表面硬さ分布情報と、表面硬さ及び加工ローラの押圧力の大きさに対応して形成される微細凹部の深さ情報とを記憶して、表面硬さ分布情報及び微細凹部の深さ情報に基づいて、上記加工ローラの押圧力を被加工物の表面硬さに対応させるべくコントロールする請求項１〜３のいずれか一つの項に記載の微細凹部加工装置。
ＮＣ工作機械に搭載可能とし、制御手段を上記ＮＣ工作機械の制御部とした請求項１〜４のいずれか一つの項に記載の微細凹部加工装置。
流体圧を用いて加工ローラの外周面を被加工物に押し付ける流体圧押圧機構をローラ押圧機構とした請求項１〜５のいずれか一つの項に記載の微細凹部加工装置。
弾性体を用いて加工ローラの外周面を被加工物に押し付ける弾性体押圧機構をローラ押圧機構とした請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の微細凹部加工装置。
弾性体を支持する弾性体支持部を備え、この弾性体支持部を被加工物に接近離間させることで加工ローラの押圧力を変化させる請求項７に記載の微細凹部加工装置。
請求項１に記載の微細凹部加工装置を用いて被加工物に微細凹部を形成するに際して、ローラ押圧機構により加工ローラの外周面を被加工物に押し付けると共に、上記被加工物を回転又は直線的に移動させるのに伴って加工ローラを連れ回りさせて微細凹部の加工を開始し、この微細凹部の加工を行っている間に、制御手段において、荷重検出手段からの荷重検出信号に基づいて上記ローラ押圧機構による加工ローラの押圧力をコントロールすることを特徴とする微細凹部加工方法。
請求項２に記載の微細凹部加工装置を用いて被加工物に微細凹部を形成するに際して、ローラ押圧機構により加工ローラの外周面を被加工物に押し付けると共に、上記被加工物を回転又は直線的に移動させるのに伴って加工ローラを連れ回りさせて微細凹部の加工を開始し、この微細凹部の加工を行っている間に、制御手段において、表面硬度測定手段により被加工物の表面硬度を測定して得た表面硬さ分布情報及び荷重検出手段からの荷重検出信号に基づいて上記ローラ押圧機構による加工ローラの押圧力をコントロールすることを特徴とする微細凹部加工方法。
被加工物の表面加工位置における表面硬さ分布情報と、表面硬さ及び加工ローラの押圧力の大きさに対応して形成される微細凹部の深さ情報とを制御手段にあらかじめ記憶させておき、この制御手段では、表面硬さ分布情報及び微細凹部の深さ情報に基づいて、上記加工ローラの押圧力を被加工物の表面硬さに対応させるべくコントロールする請求項１０に記載の微細凹部加工方法。