JP2006068829A - 穴部内面のマイクロフォーミング加工装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 コストを低減できるマイクロフォーミング加工装置および方法を提供する。
【解決手段】 被加工部材１に形成された穴部２の内面に微細な凹凸を形成するマイクロフォーミング加工装置および方法であって、前記被加工部材１を保持する被加工部材保持部３と、外側表面に前記被加工部材１の穴部２内面よりも高硬度の微細な多数の凸部を有する弾性体工具７と、前記弾性体工具７を前記穴部２に対し挿脱可能に保持する工具保持部４と、前記弾性体工具７の内部に加圧流体を供給し排出する加圧源９と、を有し、前記加圧流体によって弾性体工具７を膨張させ前記凸部で穴部２内面を押圧し、前記凹凸を形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、穴部内面、特にエンジンのシリンダボア内面に、微細な凹凸を形成するマイクロフォーミング加工装置および方法に関する。

エンジンのシリンダとピストンの焼き付き防止や摩擦を低減する方法として、シリンダボアに微細な凹凸を形成する方法が知られており、その加工法の１つとして、たとえば特許文献１の方法がある。特許文献１の方法は、シリンダボアの内面に、部分的に被加工面と隙間ができるようにマスクを貼り付け、全面をブラスト処理することで、部分的に表面粗度の異なる表面を形成している。
特開２００２−３０７３１０号公報

しかし、このようなブラスト処理による加工方法は加工工程が多く、一般的には、中ぐり工程、ホーニング、マスク取り付け、ブラスト加工、マスク取り外し、洗浄、およびホーニングからなる。そのため、総加工時間、設備費および設備占有床面積が大きくなり、コストがかかるという問題点がある。

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、コストを低減できる穴部内面のマイクロフォーミング加工装置および方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明は、被加工部材に形成された穴部の内面に微細な凹凸を形成するマイクロフォーミング加工装置であって、前記被加工部材を保持する被加工部材保持部と、外側表面に前記被加工部材の穴部内面よりも高硬度の微細な多数の凸部を有する弾性体工具と、前記弾性体工具を前記穴部に対し挿脱可能に保持する工具保持部と、前記弾性体工具の内部に加圧流体を供給し排出する加圧源と、を有し、前記加圧流体によって弾性体工具を膨張させ前記凸部で穴部内面を押圧し、前記凹凸を形成することを特徴とするマイクロフォーミング加工装置である。

上記のように構成した本発明は、弾性体工具の外側表面の凸部を被加工部材の穴部内面に押圧して加工できるため、ブラスト処理のようにマスクの取り付けや取り外し、洗浄などの工程が必要なく、総加工時間、設備費および設備占有床面積を小さくすることができ、コストを削減することが可能である。

＜第１の実施形態＞
本発明の第１の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。

図１は第１の実施形態に係るマイクロフォーミング加工装置を示す側面図、図２は同実施形態に係る弾性体工具の外表面の一部を示す拡大斜視図である。

第１の実施形態は、例えばエンジンのシリンダボア等の穴部内面に、複数の微細な孔を形成し、摺動面の摩擦を低減して焼き付きを防止するためのマイクロフォーミング加工装置である。

図１のように、マイクロフォーミング加工装置は、略水平に固定的に設置されている台座１８上に、被加工部材１を上面に保持する被加工部材保持部３を有しており、この被加工部材保持部３は、台座１８上に略水平面で直交する２方向へ移動可能に設置されている。被加工部材１は、たとえばシリンダブロック１であり、シリンダブロック１のシリンダボア２（穴部）を上にして被加工部材保持部３に保持されている。

被加工部材保持部３の上方には、台座１８から鉛直方向へ伸延する本体１０に対して、数値制御により鉛直方向、および鉛直軸を中心とする回転方向へ移動可能な工具保持部４が取り付けられている。工具保持部４の下部には、シリンダボア２へ挿入可能な袋状の弾性体工具７が取り付けられている。

弾性体工具７は、シリンダボア２の内面を加工するためのものであって、本実施形態においては、たとえば２つの袋状の弾性体工具７が工具保持部４の回転軸を中心として周方向に対称に工具保持部４へ設置されており、それぞれの弾性体工具７は工具保持部４によって回りを囲うよう仕切られて設けられている。なお、弾性体工具７が１つ、または３つ以上設けられていてもよい。

弾性体工具７は、複数のゴム系の材料または高分子材料等により袋状に形成されており、外側表面に部分的に、たとえばダイヤモンドや超硬合金などのように被加工部材よりも高硬度で微細な凸部８が多数取り付けられている（図２参照）。

また、本実施形態は、シリンダボア２に挿入可能であってシリンダボア２表面を部分的に覆うことができる加工防止部材５を有している。この加工防止部材５は、加工防止部材５をシリンダボア２に挿入できる機構を備えた加工防止部材保持手段６により保持されており、この加工防止部材保持手段６は台座１８に設置されている。

弾性体工具７の内部には、本体１０および工具保持部４の内部に設けられる第１流路１１を通じて、台座１８に設置されている加圧源９からたとえば空気、水または油などの加圧流体が流入出可能となっており、任意の圧力の流体が任意の時刻に流入または排出されて、弾性体工具７が膨張または縮小される。

加工防止部材５は、シリンダボア２と弾性体工具７の間に挿入されて、シリンダボア２と弾性体工具７の接触を妨げることにより、シリンダボア２の内面の加工を部分的に防止するためのものであり、シリンダボア２に加工を施す凸部８と同等またはより高硬度の材料により形成されている。

次に、第１の実施形態による加工方法を説明する。

図３は第１の実施形態に係る弾性体工具の部分縦断面図、図４は図３のＩＶ−ＩＶ線に沿う部分横断面図、図５は第１の実施形態に係る弾性体工具内部の加圧力と加工穴深さの関係を示すグラフである。

まず、被加工部材であるシリンダブロック１を被加工部材保持部３に保持し、工具保持部４の真下にシリンダボア２が配置されるように工具保持部４を水平方向に移動させる。次に、工具保持部４により弾性体工具７を下降および回転させ、弾性体工具７をシリンダボア２内の所定位置に挿入して保持する。このとき、弾性体工具７の外周面の凸部８が、シリンダボア２の内面と対面している。この状態で、図３の矢印のように、加圧源９から第１流路１１を通して各弾性体工具７内部に加圧流体を流入させ、圧力を加えて各弾性体工具７を膨張させるとともに、弾性体工具７の外周面に配置されている微細な凸部８をシリンダボア２の内面に一定の圧力で押圧する。このとき、弾性体工具７が、図４のように鉛直軸を中心として周方向に対称に設けられているため、シリンダボア２内面へ作用する力が周方向に釣り合い、高精度な加工が可能となる。また、工具保持部４の回りにそれぞれの弾性体工具７が仕切られて設けられているため、弾性体工具は外側方向のみへ膨張し、効率よくシリンダボア２内面を加工できる。

押圧される凸部８は、シリンダボア２内面よりも高硬度であるので、シリンダボア２内面に凸形状が転写され、微細な凹凸が形成される。この微細な凹凸の形状の深さは、図５に示すように弾性体工具７の内部に加えられる圧力に比例して増加する。従って、凸部８の形状を所望の形状に変化させることで、加工部に所望の形状の微細な凹凸を形成することができ、また各弾性体工具７の内部に任意の圧力を加えることで、部位によって異なる深さの微細な凹凸をシリンダボア２内面に形成することもできる。たとえば、周方向の各弾性体工具７の内部に異なる圧力を加えると、周方向に異なる深さの微細な凹凸がシリンダボア２内面に一度に形成される。

この後、各弾性体工具７の内部に加えられている圧力を解除、または負圧にし、全ての弾性体工具７を初期のサイズよりも小さくなるように収縮させ、凸部８をシリンダボア２内面から取り外す。続いて工具保持部４を鉛直方向へ移動、または鉛直方向を中心に回転させて所望の位置に弾性体工具７を移動させ、再び弾性体工具７内部に圧力を加えることで、別の所望の位置に微細な凹凸を形成することができる。このとき、初めの微細な凹凸形成時と異なる圧力を加えることで、部位毎に深さの異なる微細な凹凸を形成することもできる。

このように、工具保持部４の移動と微細な凹凸の形成を繰り返し行い、被加工部全体にわたって、所望の形状で、所望の深さの微細な凹凸形状を形成することができる。また、工具保持部４の鉛直方向、および鉛直軸を中心とする回転方向の移動が数値制御されているため、弾性体工具７の位置制御を容易に行うことができる。

次に、前記弾性体工具７によるマイクロフォーミング加工を部分的に防止する加工防止部材５を用いた加工方法を説明する。

図６は第１の実施形態に加工防止部材を適用したシリンダブロック内の部分縦断面図、図７は図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う部分横断面図である。

加工防止部材５を用いる場合には、弾性体工具７をシリンダボア２内に挿入する前に、加工防止部材保持手段６により加工防止部材５をシリンダボア２内に挿入してシリンダボア２の加工面に当接するように保持し、その後弾性体工具７をシリンダボア２内に挿入して、前述の加工防止部材５を使用しない加工と同様の加工を行う。この場合、図６，７に示すように、各弾性体工具７の外周面に配置される凸部８とシリンダボア２内面の間に加工防止部材５が部分的に配置されるため、加工防止部材５がシリンダボア２の加工面を覆っている部位には、微細な凹凸が形成されない。また、加工防止部材５は凸部８よりも硬度が高いため、凸部８により加工されない。

このようにして、加工防止部材５の大きさや位置を任意に設定することで、部分的に微細な凹凸が形成されていないシリンダボア２内面を形成することができる。

従来のようにブラスト加工を用いてシリンダ等を加工する場合、通常、１）中ぐり加工、２）ホーニング（２工程）、３）マスク取り付け、４）ブラスト加工、５）マスク取り外し、６）洗浄、７）盛り上がり部除去のためのホーニング、が必要である。しかし、第１の実施形態を用いて加工する場合、１）中ぐり加工、２）仕上げ中ぐり加工、３）マイクロフォーミング加工、４）盛り上がり部除去のためのホーニングまたは中ぐり加工、により加工することができ、加工工程を減少させることができる。このため、総加工時間、設備費および設備占有床面積を小さくすることができ、コストの削減が可能となる。
＜第２の実施形態＞
次に、第２の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。

図８は第２の実施形態に係るマイクロフォーミング加工装置を示す側面図、図９は同実施形態に係るシリンダブロック内部の部分縦断面図である。なお、第１の実施形態と同様の機能を有する部材については、同一の符号を使用し、重複を避けるため、その説明を省略する。

第２の実施形態は、第１の実施形態に係るマイクロフォーミング加工装置に加えて、さらに、複数の袋状の弾性体である弾性体１２が変形防止治具保持部１３に保持されて設けられている。この弾性体１２は、加工時に弾性体工具７から受ける力により生じる被加工部材１の変形を低減させるためのものである。

弾性体１２は、弾性体工具７と同様に複数のゴム系の材料または高分子材料等により袋状に形成されており、第２流路１５を通って加圧流体が流入出可能なように加圧源９と連結されている。

変形防止治具保持部１３は、弾性体１２を鉛直方向に移動可能であり、シリンダブロック１のシリンダボア２の外周部に配置されており、シリンダボア２の設けられている側に開口しているエンジン冷却用の冷却用溝部１４（溝部）の内部に、弾性体１２が挿入可能となっている。

第２の実施形態による加工方法を説明する。

第１の実施形態と同様に工具保持部４に弾性体工具７を挿入するとともに、変形防止治具保持部１３により弾性体１２を冷却用溝部１４の内部に挿入する。続いて、弾性体工具７の内部に圧力を加えると同時に、弾性体１２の内部にも同程度の圧力を加える。つまり、シリンダブロック１のシリンダボア２外壁の両面から同程度の力が加えられることになり、シリンダボア２の外壁の変形を低減しながら、シリンダボア２の内面に微細な凹凸を形成することができ、これにより、高精度な加工が可能となる。このように、冷却用溝部１４が部分的に開口しているセミクローズド構造であっても、高精度に加工することができる。また、特に、弾性体１２内の圧力を弾性体工具７内の圧力と同一とすることで、シリンダボア２の外壁の変形をより小さくすることができ、より高精度な加工が可能となる。

図１０は第２の実施形態に係るマイクロフォーミング加工装置の変形例を示すシリンダ内部の部分縦断面図である。

図１０に示すように、本変形例は、冷却用溝部１４を密閉する密閉手段１９を有し、密閉された冷却用溝部１４に加圧流体が流入出可能なように、加圧源９と冷却用溝部１４が第３流路１６により連結されている。

第１の実施形態と同様に工具保持部４に弾性体工具７を挿入し、弾性体工具７の内部に圧力を加えると同時に、密閉された冷却用溝部１４の内部にも弾性体工具７と同程度、または同一の圧力を加える。なお、効果は前述の第２の実施形態と同様である。

上述した第１の実施形態および第２の実施形態により、袋状の弾性体工具７の外側表面に配置される高硬度で微細な凸部８の形状を、弾性体工具７の任意の部位毎に変えてシリンダボア２の内面のマイクロフォーミング加工を行うことで、シリンダボア２の各部の摺動条件に合わせた微細な凹凸の断面形状の加工が可能である。この微細な凹凸は、潤滑油溜りとなってエンジンのシリンダボアとピストン間の摩擦損失を低減させ、さらに焼き付きを防止する効果がある。

図１１は本発明に係るマイクロフォーミング加工装置により加工されたシリンダブロックを示す図であり、（Ａ）はシリンダブロックの縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）で示すＢ部の部分拡大断面図である。

図１２は同シリンダブロックを示す図であり、（Ａ）はシリンダブロックの上部平面図、（Ｂ）は（Ａ）で示すＢ部の部分拡大断面図である。

図１１（Ａ），（Ｂ）のように、シリンダボア２の内面の軸方向で、ピストンの上死点Ｈ１および下死点Ｈ３付近の潤滑油の油膜厚さが薄い部位に、上死点Ｈ１と下死点Ｈ３の工程間のＨ２よりも深さの深い微細な凹凸を形成することで、厳しい摺動条件においても焼付きを防止することができるシリンダボア２を作製することができる。

また、図１２（Ａ），（Ｂ）のように、シリンダボア２の内面の円周方向で、ピストンスカート（不図示）が当接する部位Ｒ１に、それ以外の部位Ｒ２よりも深さの深い微細な凹凸が形成することで、ピストンスカートとシリンダボア２の直接接触を低減することができる。

なお、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、本実施形態では袋状の弾性体工具が円柱状穴の軸方向に１つのみであるが、２つ以上の袋状の弾性体工具を円柱の軸方向に複数個配置することができ、この場合、円柱の軸方向で異なる深さ、および異なる形状の微細な凹凸を同時に加工することができる。また、第２の実施形態に加工防止部材を適用することもできる。また、本発明はシリンダブロックの加工に限定されず、穴部を有する部材全般に適用することができる。

第１の実施形態に係るマイクロフォーミング加工装置を示す側面図である。 同実施形態に係る弾性体工具の外表面の一部を示す拡大斜視図である。 同実施形態に係るシリンダブロック内の弾性体工具の部分縦断面図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線に沿う部分横断面図である。 第１の実施形態に係る弾性体工具内の加圧力と加工穴深さの関係を示すグラフである。 第１の実施形態に加工防止部材を適用したシリンダブロック内の部分縦断面図である。 図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う部分横断面図である。 第２の実施形態に係るマイクロフォーミング加工装置を示す側面図である。 同実施形態に係るシリンダブロック内部の部分縦断面図である。 同実施形態に係るマイクロフォーミング加工装置の変形例を示すシリンダブロック内部の部分縦断面図である。 本発明に係るマイクロフォーミング加工装置により加工されたシリンダブロックを示す図であり、（Ａ）はシリンダブロックの縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）で示すＢ部の部分拡大断面図である。 同シリンダブロックを示す図であり、（Ａ）はシリンダブロックの上部平面図、（Ｂ）は（Ａ）で示すＢ部の部分拡大断面図である。

符号の説明

１ シリンダブロック（被加工部材）、
２ シリンダボア（穴部）、
３ 被加工部材保持部、
４ 工具保持部、
５ 加工防止部材、
６ 加工防止部材保持手段、
７ 弾性体工具、
８ 凸部、
９ 加圧源、
１２ 弾性体、
１３ 変形防止治具保持部、
１４ 冷却用溝部（溝部）。

Claims (17)

1. 被加工部材に形成された穴部の内面に微細な凹凸を形成するマイクロフォーミング加工装置であって、
   前記被加工部材を保持する被加工部材保持部と、
   外側表面に前記被加工部材の穴部内面よりも高硬度の微細な多数の凸部を有する弾性体工具と、
   前記弾性体工具を前記穴部に対し挿脱可能に保持する工具保持部と、
   前記弾性体工具の内部に加圧流体を供給し排出する加圧源と、を有し、
   前記加圧流体によって弾性体工具を膨張させ前記凸部で穴部内面を押圧し、前記凹凸を形成することを特徴とするマイクロフォーミング加工装置。
2. 前記弾性体工具は、前記被加工部材の穴部の軸方向と周方向の少なくとも一方に複数個配置されていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロフォーミング加工装置。
3. 前記弾性体工具は、前記被加工部材の略円柱状をした穴部の内面に中心に対して回転対称に配置され、前記工具保持部により保持されていることを特徴とする請求項１または２に記載のマイクロフォーミング加工装置。
4. 前記工具保持部は、前記弾性体工具を数値制御により前記被加工部材の穴部内面に対し相対的に移動することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のマイクロフォーミング加工装置。
5. 前記被加工部材の穴部に挿入された前記弾性体工具と穴部内面の間に、部分的に、当該弾性体工具の凸部よりも高硬度な加工防止部材が加工防止部材保持手段により保持されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のマイクロフォーミング加工装置。
6. シリンダブロックに形成されたシリンダボアの内面に微細な凹凸を形成するマイクロフォーミング加工方法であって、
   前記シリンダブロックを保持する工程と、
   外側表面に前記シリンダボア内面よりも高硬度の微細な凸部を多数有する袋状の弾性体工具を、当該弾性体工具を保持する工具保持部に保持し、前記シリンダブロックに対し相対的に移動し前記シリンダボアに挿入する挿入工程と、
   前記弾性体工具の内部に加圧流体を供給し前記シリンダボア内面に弾性体工具を加圧し、前記凹凸を形成する加圧工程と、
   を有することを特徴とするシリンダボア内面のマイクロフォーミング加工方法。
7. 前記弾性体工具を、前記シリンダボア内面に対し軸方向と周方向の少なくとも一方に複数個配置したことを特徴とする請求項６に記載のマイクロフォーミング加工方法。
8. 前記弾性体工具を、前記シリンダボア内面に回転対称に配置したことを特徴とする請求項６または７に記載のマイクロフォーミング加工方法。
9. 前記挿入工程は、前記工具保持部または前記シリンダブロックの少なくとも一方を数値制御して移動し、前記弾性体工具を前記シリンダボアに挿入することを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載のマイクロフォーミング加工方法。
10. 前記加圧工程は、前記弾性体工具により前記シリンダボア内面を部分的に加圧することを特徴とする請求項６〜９のいずれかに記載のマイクロフォーミング加工方法。
11. 前記加圧工程は、前記シリンダボア内面と前記弾性体工具との間に、当該弾性体工具の凸部よりも高硬度な加工防止部材を設け、前記シリンダボア内面を部分的に加圧することを特徴とする請求項１０に記載のマイクロフォーミング加工方法。
12. 前記加圧工程は、前記シリンダボアの外周部に形成された溝部の内部に袋状の弾性体を設け、当該弾性体を膨張させることにより前記溝部の内壁を変形防止しつつ加圧することを特徴とする請求項６〜１１のいずれかに記載のマイクロフォーミング加工方法。
13. 前記加圧工程は、前記シリンダボアの外周部に形成された溝部を密閉し、当該溝部の内部空間に加圧流体を供給した加圧状態下で、前記溝部の内壁を変形防止しつつ行なうことを特徴とする請求項６〜１１のいずれかに記載のマイクロフォーミング加工方法。
14. 前記溝部の内部を加圧する圧力は、前記弾性体工具の内部を加圧する圧力と同一であることを特徴とする請求項１２または請求項１３に記載のマイクロフォーミング加工方法。
15. 前記弾性体工具は、部位によって形状の異なる前記微細な凸部を有することを特徴とする請求項６〜１４のいずれかに記載のマイクロフォーミング加工方法。
16. 前記微細な凹凸は、ピストンの上死点及び下死点の近傍に対応するシリンダボア内面と、その中間部とでは深さが異なることを特徴とする請求項６〜１５のいずれかに記載のマイクロフォーミング加工方法。
17. 前記微細な凹凸は、ピストンのスカート部が当接するシリンダボア内面と、他の部位とでは深さの異なることを特徴とする請求項６〜１６のいずれかに記載のマイクロフォーミング加工方法。

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