JP2006102855A - ホーニングヘッドとホーニングヘッド本体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 スリット内を摺動する砥石台の砥石搭載面に弾力を付与した柔構造のホーニングヘッドを提供する。
【解決手段】 複数個のスリット２２をヘッド本体２１の内面から外面に貫通して設け、各スリット内に砥石付き砥石台２を挿入すると共に、砥石台４をスリット内壁に沿い摺動せしめる移動手段を内臓したホーニングヘッドに於いて、
砥石台４の砥石搭載面５寄りにすり割り６，８を入れ、砥石台４に支点７，９で支える梁１０，１１を形成し、両梁を重ねて砥石台４に二重の梁構造を形成し、弾力を付与した砥石付き砥石台をホーニングヘッドに使用して柔構造を実現した。
【選択図】 図４

Description

本発明は、円筒状の孔もしくは穴の内面を研削するホーニングヘッドに関する。

金属でできた物体に円筒状の孔もしくは穴が必要な場合、鋳造で物本体と孔もしくは穴を一体化するか無垢の材料をドリルやバイト等の切削工具を使用して加工し成形する。然し、切削工具で提供し得る加工精度は高くはなく、精密な嵌合や接触摺動が必要な場合、より高い精度の仕上がりが孔もしくは穴に要求される。この要求には、ホーニングヘッドと呼ぶ砥石を装着した研削工具を使用して対応する。通常、研削工具は孔もしくは穴の径毎に用意される専用品で、一つの工具が加工できる範囲は他の工具に較べると小さい。

ホーニングヘッドと呼ぶ研削工具は、円筒の中心から外周面に貫通する複数個のスリットを設け砥石付き砥石台を挿入する。砥石台底面と円筒中心を摺動する円錐付き調整軸を接触させ、その軸の動きを半径方向の動きに変えて砥石に伝え相手を研削する。砥石台には、研削時に不必要な動きや砥石が被研削物から離れた時に起る脱落を防止する手段を設ける。［特許文献１］はＯリングやばねリングを用いて砥石台に求心力を付勢する手段、［特許文献２］は砥石台と円錐付き軸の間にあり溝を設ける拘束手段を開示する。
特開昭５４−１１９１９２号 実開昭５８−４４１６０号

特許文献１の図１に示すホーニングヘッドの構造は、複数の砥石付き砥石台の両端にリング状の引張ばねを掛けて、中心方向に向う力を付勢して拘束する。本構造は、砥石台両端を引張ばねで占拠するので砥石の有効長を減ずる他、先端に引張ばねの位置が穴底等の隅の研削加工にとり邪魔になる。特許文献２は図５，６に示ように、砥石台と角錐の間にあり溝を設けて抜け止めとした構造であるが、本構造はスリットと砥石台及び角錐の各形状に加工精度が絡むので製作時の組立調整に手間がかかる。

両文献共、調整軸の動きを砥石台の斜面を介して砥石に伝えるが、全砥石台の半径方向の移動量が同じになる構造が採られている。この構造は表面の粗さ精度が小数点以上のμレベルでは支障が起こり難いが、少数点以下のμレベルが要求されると、砥石の動きに弾力性を伴わない剛構造のホーニングヘッドでは要求精度の実現が難しくなるという問題が提起される。この原因は、被研削対象物の切削した円柱状の孔もしくは穴が真円でないことが関係する。

本発明の図１のように、バイトやドリルで切削した孔もしくは穴と縦断面を模型的に描くと直径がＸ軸＝Ｄ、Ｙ軸＝Ｄ′（Ｄ＞Ｄ′）の楕円として表現できる。この状態を、砥石外径ｄなる剛構造のホーニングヘッドを使用してＸ軸方向を研削代δだけ研削すると、縦方向断面を模型的に描いた図２（Ａ，Ｂ）のように、直径ＤとＤ′の切削時の表面高さ（粗さ）ＨのＸＹ各軸の研削代はδとδ′となり、斜線で示すように谷部分の面積に差が生ずる。この状態を、エンジンのシリンダボアー壁面に適用すると保油状態に差を生じ、シリンダとピストン間の潤滑にとり好ましいことではない。

真円でない孔もしくは穴を剛構造のホーニングヘッドで研削すると、大きな許容公差範囲の中では、公差内に収まる研削後の多数の加工物は、公差の範囲を区切ることにより加工物のグループ化が可能になる。グループ化した加工物は相手と嵌合する際に、組合せの
選択肢を拡げる利点があるため、該処置は嵌合を要する部品の組合せに広く利用されているが、コストの面からは好ましいことではない。従って、許容公差範囲を狭く厳しくして嵌合の選択肢を狭めて、組立を進める手段が試みられているが、研削工具の構造問題が絡み実現が難しい。

本出願人は、ホーニングヘッドに於ける砥石台の動きを検討した結果、調整軸から伝わる半径方向の動きとは別に、個々の砥石台が独自に変形できるように、砥石台に弾力を付与する構造を開発し、被研削物の表面状態に合わせ動く柔機能を砥石台に付与することに成功した。また、ヘッド本体のスリット加工を容易にし、砥石先端の有効利用を計った結果、砥石自体の持つ弾力との相乗効果も向上し、既述の諸問題を解決した高精度研削が可能な柔構造のホーニングヘッドの提供に成功した。

本発明は、少なくとも一個のスリットをヘッド本体の内面から外面に貫通して設け、該スリット内に砥石付き砥石台を挿入すると共に、砥石台をスリット内壁に沿い摺動せしめる移動手段を内臓したホーニングヘッドに於いて、
砥石台の砥石搭載面寄りにすり割りを入れ、少なくとも支点で支える一本の梁を砥石台に形成したホーニングヘッドであり、
円筒材の中心に段付き孔を開け、該円筒材の一端から軸心方向に沿い所要長さを切り込んで円筒材にフォークを形成した後、フォークの先端面にリングを固着して、フォークとリングでスリットを形成するホーニングヘッド本体の製造方法である。

本発明のホーニングヘッドから得た効果を列記する。
1)弾力付き砥石台は被研削物の表面状態に対応して変形し無理な研削が行われない。複数個の砥石台を使用する場合、個々の砥石台が被研削物の表面状態に対応して変形し、好ましい研削結果を与える。
2)弾力付き砥石台は剛構造の従来型砥石台に較べ、被研削物表面の粗さ精度を小数点以下のμレベルに引き上げることを可能にした。
3)弾力に富む砥石と弾力付き砥石台を組み合わすと、研削（研磨）にとり好ましい相乗効果が得られる。
4)ヘッド本体のスリットを、加工したフォークとリングとで形成する本願方法は、従来の半径方向から開口する手間を要する加工方法に較べ、加工が容易に成る他に所要精度の確保が容易になり、ホーニングヘッドの製作コストの引き下げに貢献した。
5)Ｏリングによる砥石台前端の結束を、砥石の全長と先端の有効利用を損なうことなく、組立に支障を来さない位置で行える構造とした。

ホーニング加工が必要な代表的被研削物の一つとして、既述のエンジンシリンダボアーを挙げることができる。従来、シリンダボアーに必要な表面粗さ精度は小数点以上のミクロンレベルであったが、技術開発の進歩が小数点以下のミクロンレベルを要求するようになり始めたため、本発明では剛構造の砥石台に代えて、弾力を保有する柔構造の砥石台をホーニングヘッドに使用して要求に応えた。

砥石台に必要な弾力は、砥石が被研削物表面に接触した時、被研削物表面から砥石に伝わる接触圧力の強弱に反応し変形することである。そして、望ましくは砥石の全長に渡り同程度の弾力を示すことである。この目的のため、砥石台にすり割りを設け、少なくとも一本の片持ち梁を砥石台に形成して弾力を付与し、二本以上の片持ち梁を使用する時、各片持ち梁の動きが相乗効果を生むように配置した。

片持ち梁の撓みは荷重と使用材の弾性係数と支点からの長さ及び断面積で決まり、荷重
の位置と大きさで梁の撓み量も異なる。然し、砥石台では砥石全長で均一に近い弾力と撓みが得られるのが望ましい。従って、二本の片持ち梁を重ねて二段にすると、双方の梁の動きが互いに影響を及ぼし合い、微細な面圧変化にも反応する構造が得られる。組合せは片持ち梁と両持ち梁でもよく、積層構造も二重に限らない。すり割りの入れ方は、砥石台の端から砥石搭載面に沿い、他端に達する手前で止め、残された部分を支点にすると片持ち梁となり、砥石搭載面の後方を縦に切込み同搭載面に沿い逆Ｌ字を描くと逆向きの片持ち梁になる。

砥石台のすり割り寸法は下記の数値範囲から選択した。長さは、最初のすり割りの横方向総長さを０．６０〜０．９５の範囲、好ましくは０．７０〜０．９５の範囲、より好ましくは０．８０〜０．９５の範囲から選択した数値に砥石長さを乗じた数値とする。二段目以降のすり割りも横方向の総長さを前記の範囲から選択する。数値は被研削物と弾力を必要とする砥石長さを考慮して決める。方向は砥石に平行か微小角度付きとし、幅は梁の弾力を考慮する。

ヘツド本体に設けるスリットは、軸心に直角な円筒端面から他端に向け所要長さ切り込んでフォークを形成し、フォークによる開放端にリングを挿入固定して形成した。この加工は円筒表面から半径方向の中心に向けて切削開口するスリットに較べて、スリットの一辺がオープンになるため切削工具の種類とサイズの選択肢を拡げ、製作速度が速まり精度確保も易しいと言う効果が得られる。

Ｏリングもしくはリング状のコイルばねで、ヘッド本体に砥石台を固定する位置は、砥石の有効長さを減らさず砥石先端の活用を妨げず、ホーニングヘッドの組立作業に支障を及ぼさないことを考慮した。このため、砥石台の一部をスリットの一辺を形成するリング外側に迫り出すと共に、砥石台前端のＯリングもしくはリング状のコイルばねの装着位置をリング内側に設定した。

図１はホーニング対象の切削孔（穴を含む）と剛構造のホーニングヘッドの関係を示す模型図である。図２（Ａ，Ｂ）は図１のＤ，Ｄ′点の表面状態を示す孔断面の模型図である。図３（Ａ，Ｂ）はホーニングヘッドの正面図と図３（Ａ）のａ−ａ線に沿う一部断面を含む側面図である。図４は図３の分解斜視図である。図５（Ａ，Ｂ，Ｃ）は片持ち梁を二段配置した砥石台の正面図と側面図及び平面図である。図６はリングを嵌めたヘッド本体の斜視図である。図７（Ａ，Ｂ）は砥石付き砥石台の弾力作用図である。

前［０００６］項で図１と図２（Ａ，Ｂ，Ｃ）を説明したように、真円に加工された円筒状の孔もしくは穴はない。この円筒状の孔もしくは穴を剛構造のホーニングヘッドで一様な表面粗さに仕上げようとするのは難しく、研削の表面粗さ精度が高かめられると一段と難しくなる。この解決には、従来とは異なる発想に基づく柔構造のホーニングヘッドが必要になる。本実施例は、砥石台にすり割りを入れて柔軟な動き（弾力）を付加し、課題を解決したホーニングヘッドを説明する。

図３（Ａ，Ｂ）と図４及び図５（Ａ，Ｂ，Ｃ）のように、ホーニングヘッドはヘッド本体２１の中心を摺動する調整軸２９の斜面３０が砥石付き砥石台２を半径方向に動かす。この構造自体は従来と同じであるが、本発明では砥石台に幅０．３ｍｍの直線状のすり割り６と逆Ｌ字状のすり割り８を配置し、すり割りの端に造られた支点７，９の回りに動く二本の片持ち梁１０，１１を砥石台に形成し弾力を付与した。最初の片持ち梁を二本目の片持ち梁が支えることで、両者の動きに柔軟性が加味される構造とした。

この砥石台４に砥石３を付け、ヘッド本体２１の外周面を等分割して半径方向に配置し
た６個のスリット２２に挿入する。砥石台がスリット内に完全に収まると最初の片持ち梁の先端１２が、スリットの一辺を形成する後述のリング２８の外周面２９上に載るようにした。砥石台とヘッド本体の係合手段は、砥石台前端面の下寄りに前側のＯリング溝１３を砥石搭載面５の後端寄りに後側のＯリング溝１４を設け、各溝にＯリング１９，２０を挿入し、砥石付き砥石台に求心力を付勢した。

図６はヘッド本体２１の完成図である。スリット２２には円筒状のヘッド本体に調整軸２９用孔２３と前端面にリング取付座２４を加工し、前端面から軸心方向の他端に向けてスリットの形成に必要な長さ切り込み、肉厚のフオーク２５を形成する。フオークの開放端のリング取付け座にリング２６を圧入する手順で、フオーク三辺とリング一辺でスリットを形成する。従って、円筒外周面から半径方向に開口する手段に較べ、フォークを成形した後にリングで閉じる手段は、加工工具の種類とサイズの選択肢を拡げ加工し易く精度を出し易い。

図７（Ａ，Ｂ）の二本のすり割り６，８を上下に設けた砥石付き砥石台２の働きを、図１を併用して説明する。真円でない円筒状の孔もしくは穴を研削する際に、切削面の高さ（粗さ）Ｈを剛構造のホーニングヘッドで研削すると、ＸＹ各軸の研削代δとδ′を等しくすることが難しいが、本発明の弾力付き砥石台を使用すると、研削過程でＹ軸の砥石面に過大な面圧が働くと、砥石台が変形もしくは後退するので研削量が抑えられ、Ｘ軸では通常の研削が行なわれる。従って、ＸＹ各軸の研削代は限りなく近づく。

この働きは、二段構造の片持ち梁１０，１１を砥石台４に形成したことにある。この構造は、砥石台左端１５もしくは同右端１６に同じ外力Ｐが作用したとき、両者には点線で示すような撓みと弾力が提供される。外力の作用点が端から内側に移動すると、二本の片持ち梁の動きは相互関連の度合いを増し相乗効果が得られる。この様な柔軟な動きをするホーニングヘッドで研削すると、真円でない円筒状の孔もしくは穴の表面の研削代をδに集約し、表面粗さ精度を細かく均一に仕上げることができる。

ヘッド本体２１に中心を摺動する調整軸２９には押し棒３１を固定した後、押し棒を先にしてヘッド本体の孔２３に挿入し、挿入後にコイルスプリング２９を嵌め、同コイルスプリングを圧縮し押し棒後部にカラー３３を嵌め止め輪３４をする。本ホーニングヘッド１を研削機（図示せず）と接続すると、押し棒に軸方向の動きとヘッド本体に回転が伝えられる。ヘッド本体の後半の構成は従来と変りないので、上記以上の説明は省略する。

図８は、砥石台３７の砥石搭載面３８に沿い、上段にすり割り３９，４０を入れ、共通の支点４１を持つ片持ち梁４２，４３を背中合わせに配置し、下段中央にすり割り４４を入れ、砥石台両端に支点４５を持つ両持ち梁４６を配置することにより、二重構造とした砥石付き砥石台３５である。本構造も、砥石３６に外力が作用すると全長に渡り撓みと弾力を発揮し、上下段の梁の働きも相乗効果を生むので全体が柔軟な動きを提供する。この動きの強弱が梁の材質と寸法に関係することも、弾力とすり割り幅の関係も実施例１と同じである。

ホーニングの切削孔（穴を含む）と剛構造のホーニングヘッドの関係を示す模型図である。 （Ａ，Ｂ）は図１のＤ，Ｄ′点の孔断面の研削状態を示す模型図である。 （Ａ，Ｂ）はホーニングヘッドの正面図と図３（Ａ）のａ−ａ線に沿う一部断面を含む側面図である。（実施例１） 図３の分解斜視図である。 （Ａ，Ｂ，Ｃ）は片持ち梁を二段配置した砥石台の正面図と側面図及び平面図である。 リングを嵌めたヘッド本体の斜視図である。 （Ａ，Ｂ）は砥石付き砥石台の弾力作用図である。（実施例２） 砥石台の上段に二本の片持ち梁を背中合わせに配置し、下段に両持ち梁を配置した二重構造である。

符号の説明

１ ホーニングヘッド
２，３５ 砥石付き砥石台
３，３６ 砥石
４，３７ 砥石台
５，３８ 砥石搭載面
６，８，３９，４０，４４ すり割り
７，９，４１，４５ 支点
１０，１１，４２，４３ 片持ち梁
１２ 先端
１３，１４ Ｏリング溝
１５，１６ 左端，右端
１７，３０ 斜面
１９，２０ Ｏリング
２１ ヘッド本体
２２ スリット
２４ リング取付座
２５ フォーク
２６ リング
２９ 調整軸
３１ 押し棒
４６ 両持ち梁

Claims (8)

1. 少なくとも一個のスリット（２２）をヘッド本体（２１）の内面から外面に貫通して設け、該スリット内に砥石付き砥石台（２，３５）を挿入すると共に、砥石台（４，３７）をスリット内壁に沿い摺動せしめる移動手段を内臓したホーニングヘッドに於いて、
   砥石台（４，３７）の砥石搭載面（５，３８）寄りにすり割り（６，８，３９，４０，４４）を入れ、少なくとも支点（７，９，４１，４５）で支える一本の梁（１０，１１，４２，４３，４６）を砥石台（４，３７）に形成したホーニングヘッド。
2. 砥石台（４，３７）にすり割り（６，８，３９，４０，４４）を入れ、支点（７，９，４１，４５）回りに動く複数の梁（１０，１１，４２，４３，４６）を形成し該梁を重ね合わせ、少なくとも二段構造の梁を砥石台（４，３７）に形成した請求項１に記載のホーニングヘッド。
3. 砥石台（４）に形成した梁（１０）が、砥石搭載面（５）に沿い単線状に入れたすり割り（６）により、砥石台（４）の端に支点（７）を置いた片持ち梁状である請求項１か２に記載のホーニングヘッド。
4. 砥石台（４）に形成した梁（１１）が、砥石搭載面（５）の後端を始点に、砥石搭載面（５）に直角な方向を経て、前記搭載面に沿い逆Ｌ字状に入れたすり割り（８）により、前記始点とは逆方向の前端寄りに支点（９）を置いた片持ち梁状である請求項１か２に記載のホーニングヘッド。
5. 砥石台（３７）に形成した梁（４２，４３）が、砥石搭載面（３８）に沿い単線状に入れたすり割り（３９，４０）により、砥石台（３７）の中間に共通支点（４１）を置いた片持ち梁状である請求項１か２に記載のホーニングヘッド。
6. 砥石台（３７）に形成した梁（４６）が、砥石搭載面（３８）に沿い単線状に入れたすり割り（４４）により、砥石台（３７）の両端（４５）を支点とする両持ち梁状である請求項１か２に記載のホーニングヘッド。
7. ヘッド本体（２１）に形成したフォーク（２５）の先端面にリング（２６）を固着し、スリット（２２）の三辺をフォーク（２５）、一辺をリング（２６）で形成した請求項１から６の何れかに記載のホーニングヘッド。
8. 円筒材の中心に段（２４）付き孔（２３）を開け、該円筒材の一端から軸心方向に沿い所要長さを切り込んで円筒材にフォーク（２５）を形成した後、フォーク（２５）の先端面にリング（２６）を固着して、フォーク（２５）とリング（２６）でスリット（２２）を形成するホーニングヘッド本体の製造方法。