JP2006159388A - 粗面化加工方法および切削工具ならびに円筒状部材 - Google Patents

Abstract

【課題】 ねじ状に切削加工して粗面化した円筒状部材の表面に対する他の部材の密着力の向上を図る。
【解決手段】 シリンダボア部３に対し、その軸線方向に切削工具７を送りつつ、その円周方向に沿って切削工具７を移動させるよう回転移動させて、シリンダボア内面５をねじ状に切削加工して粗面化する。切削工具７の切刃７ａは、工具送り方向前方側に、シリンダボア内面５の法線Ｍと一致する水平面７ｃと、工具送り方向後方側に位置する傾斜面７ｂとを有し、ねじ状部分の山部１９と山部１９との間の谷部２３の形状を、その両側の斜面２３ａ相互がなす角度θの中心線Ｌが、シリンダボア内面５の法線Ｍ方向に対して傾斜した状態となるように切削加工を行う。
【選択図】 図７

Description

本発明は、円筒状部材に対し、その軸線方向に切削工具を相対的に送りつつ、その円周方向に沿って切削工具を相対的に移動させて、円筒状部材の表面をねじ状に切削加工して粗面化する粗面化加工方法および、この粗面化加工方法に用いる切削工具、ならびに粗面化されて他の材料への密着機能を有した円筒状部材に関する。

自動車用エンジンの重量低減および排気処理対応に効果のあるライナレスアルミシリンダブロックのシリンダボア内面に対して溶射皮膜を形成する際に、その前工程として、溶射皮膜の密着性を高める目的でシリンダボア内面を粗面に形成する必要がある。

例えば、下記特許文献１には、シリンダボア内面に対し、ボーリング加工を行ってねじ状の凹凸部を形成するとともに、このとき発生する切削片によって、ねじ状部分の凸部に対応する山部を除去して微細凹凸部となる破断面を形成している。
特開２００２−１５５３５０号公報

しかしながら、上記した従来の粗面化加工方法では、ねじ状部分の山部と山部との間の谷部の形状が、円筒状部材の表面の法線方向に対して対称的となっているために、谷部の両側の斜面がともに比較的緩やかに形成されることになり、例えば、粗面化加工後にその表面に形成する溶射皮膜の谷部への侵入部分が剥離しやすく、また上記粗面化した表面を有する部材、例えばシリンダライナを、他の部材であるシリンダブロックに鋳込む際の部材同士の密着力の低下を招く。

そこで、本発明は、ねじ状に切削加工して粗面化した円筒状部材の表面に対する他の部材の密着力の向上を図ることを目的としている。

本発明は、円筒状部材に対し、その軸線方向に切削工具を相対的に送りつつ、その円周方向に沿って前記切削工具を相対的に移動させて、前記円筒状部材の表面をねじ状に切削加工して粗面化する粗面化加工方法において、前記切削工具の送り方向後方側の前記円筒状部材の表面に残るねじ状部分の山部と山部との間の谷部の両側における斜面相互がなす角度の中心線が、前記円筒状部材の表面の法線方向に対して傾斜した状態となるよう切削加工を行うことを最も主要な特徴とする。

本発明によれば、切削工具の送り方向後方側の円筒状部材の表面に残るねじ状部分の山部と山部との間の谷部の両側における斜面相互がなす角度の中心線が、円筒状部材の表面の法線方向に対して傾斜した状態となるよう切削加工を行うようにしたので、谷部の両側の斜面相互がなす角度の中心線が、円筒状部材の表面の法線方向に一致している場合に比較して、谷部の両側の斜面のうち一方側を、前記法線方向により接近させた状態とすることができ、これにより、粗面化加工部分に形成する溶射皮膜の谷部への侵入部分が剥離しにくくなって溶射皮膜の密着力を高めることができ、また上記粗面化加工部分を外周面に有する部材、例えばシリンダライナを、他の部材であるシリンダブロックに鋳込む際の部材同士の密着力を高めることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係わる粗面化加工方法を示すエンジンのシリンダブロック１の断面図である。シリンダブロック１は、粗面化加工する円筒状部材としてシリンダボア部３を有し、その円筒状部材の表面となるシリンダボア内面５に対して粗面化加工を行う。

上記したシリンダブロック１は、アルミ合金（ＡＤＣ１２材）からなるダイカスト製であり、シリンダボア内面５は、一定の精度で加工してある。このシリンダボア内面５を後述する方法で粗面に加工した後、鉄系材料からなる溶射用材料をシリンダボア内面５に溶射して溶射皮膜を形成する。

上記したシリンダボア内面５を粗面化する際に、図２に拡大して示すような切削工具７を備えたボーリングバー９を使用する。図３は図２の右側面図、図４は図２の底面図である。ボーリングバー９は、工具本体１１の図２中で下部側の先端部側面に、凹曲面となる切り込み１３を形成してあり、切り込み１３から外れた部分の工具本体１１の端部に、前記した切削工具７をボルト１５を用いて締結固定している。

図５は、上記図２に示した切削工具７の拡大した正面図で、図６は図５の平面図である。この切削工具７は、図６に示すように、円周方向等間隔に３つの切刃７ａを備え、切刃７ａは、工具本体１１の側面１１ａから外方に突出している。

そして、図１に示すように、ボーリングバー９が、シリンダボア部３の軸線方向（図１中で矢印Ａ方向）に移動しつつ、軸線を中心として図４中で矢印Ｂ方向に回転することで、上記図５，図６に示した切刃７ａにより、シリンダボア内面５をねじ状に切削加工する。

切刃７ａは、図５に示すように、図５中で上部側の面が、先端側が基端側に比べて図５中で下部側となる傾斜面７ｂに形成し、同下部側の面を水平面７ｃに形成している。また、傾斜面７ｂの先端側のすくい面７ｄ近傍には突起７ｅを設けている。

このような３つの切刃７ａは、加工に使用している１つが摩耗したときに、工具本体１１から取り外し、図４の状態から１２０度回転させた状態で再度工具本体１１に取り付けることで、他の切刃７ａを使用することができる。

図７は、図５のＣ部を拡大した切刃７ａによって切削加工を行っている状態を示す断面図である。なお、図７中で符号１７は切刃７ａの切削により発生する切り屑であり、切削工具７は、図７中で紙面裏側から同表側に向かって移動（回転）するものとする。

上記した切削加工時、すなわち図１に示すように、ボーリングバー９をシリンダボア内に回転させつつ挿入することで、シリンダボア内面５をねじ状に切削加工する際に、凹凸形状となるねじ状部分の山部１９を、切刃７ａの傾斜面７ｂまたは切削によって発生する切り屑１７により破断し、破断面２１を形成する。

また、傾斜面７ｂの先端側に設けた突起７ｅにより、互いに隣接する破断面２１相互間に残る谷部２３の工具送り方向後方側の斜面２３ａに凹部２５を形成する。

このような切刃７ａは、切削工具７の送り方向後方側のシリンダボア内面５に残るねじ状部分の山部１９と山部１９との間の谷部２３の両側における斜面２３ａ相互がなす角度θの中心線Ｌが、シリンダボア内面５の法線Ｍ方向に対して傾斜した状態となるよう切削加工する。

また、言い換えれば、切刃７ａは、切削工具７の送り方向後方側のシリンダボア内面５に残るねじ状部分の山部１９と山部１９との間の谷部２３の両側における斜面２３ａの形状が、シリンダボア内面５の法線Ｍ方向に対して非対称となるよう切削加工する。

したがって、切刃７ａは、例えば図８に示すように、図７の水平面７ｃに代えて、切刃７ａの先端の角度θがより鋭角的となる下部傾斜面７ｃｓとしてもよく、また図９に示すように、図７の水平面７ｃに代えて、切刃７ａの先端の角度θがより鈍角的となる下部傾斜面７ｃｔとしてもよい。

このように、上記した第１の実施形態によれば、切削工具７の送り方向後方側のシリンダボア内面５に残るねじ状部分の山部１９と山部１９との間の谷部２３の両側における斜面２３ａ相互がなす角度θの中心線Ｌが、シリンダボア内面５の法線Ｍ方向に対して傾斜した状態となるよう切削加工を行うようにしている。これにより、谷部２３の両側の斜面２３ａのうち一方側（図７〜９中で下部側）が、シリンダボア内面５の法線Ｍ方向と一致し（図７）、あるいは法線Ｍ方向により近い状態（図８，図９）となる。

このため、図１０の比較例に示すような谷部２３０の形状、すなわち谷部２３０両側の斜面２３０ａ相互がなす角度θが、シリンダボア内面５０の法線Ｍ方向に対して対称的となっている場合に比較して、本実施形態における谷部２３の斜面２３ａの一方側（図７〜図９中で下部側）を、法線Ｍ方向により接近させた状態とすることができ、粗面化加工部分に形成する溶射皮膜の谷部２３への侵入部分が剥離しにくくなる。なお、図１０中で符号７０は切削工具、符号７０ａは切削工具７０の切刃である。

ところで、エンジン燃焼時に、図示しないピストンが燃料圧力を受けてシリンダボア内面５に対し、特に図１中で下方に向けて摺接しつつ移動する際に、シリンダボア内面５に形成する溶射皮膜を剥離しようとする力が作用する。

ところが、本実施形態では、上記した谷部２３における図７〜図９中で下部側に位置する一方の斜面２３ａが、上部側に位置する他方の斜面２３ａに対してピストン下死点側に位置しており、この一方の斜面２３ａがシリンダボア内面５の法線Ｍ方向により近い状態となっているので、前記したピストンが下方に摺接移動する際に溶射皮膜を剥離しようとする力が働いても、溶射皮膜の剥離を防止することができる。これは特に、図８の例ように、工具送り方向前方側に位置する一方の斜面２３ａが、法線Ｍよりも工具送り方向後方側に位置する他方の斜面２３ａに近づくように、法線Ｍに対して傾斜している場合に有効である。

このようなことからも、谷部２３の両側の斜面２３ａのうち図７〜９中で下部側の斜面２３ａが、シリンダボア内面５の法線Ｍ方向と一致し、あるいは法線Ｍ方向により近い状態としている第１の実施形態においては、粗面化加工後に形成する溶射皮膜の谷部２３への侵入部分が剥離しにくくなり、溶射皮膜のシリンダボア内面５に対する密着力を高めることができ、信頼性の高いシリンダボア内面５とすることができる。

また、切刃７ａの傾斜面７ｂ上に設けた突起７ｅにより、谷部２３の図７中で上部側の斜面２３ａには凹部２５が形成されるので、この凹部２５に溶射皮膜が入り込み、シリンダボア内面５に対する密着力をより一層高めることができる。

なお、シリンダボア内面５を切削加工する際には、ボーリングバー９を固定状態とし、シリンダブロック１側を軸方向移動および回転移動させるようにしてもよい。

また、前記図８に示すように、図７の水平面７ｃに代えて、切刃７ａの先端角度θがより鋭角的となる下部傾斜面７ｃｓとした場合には、図１１に示すように、シリンダボア内面５に対して軸方向全体に切削加工を行わず、図１１中で下端部に非加工部分Ｄを残す。

これにより、非加工部分Ｄより上部の切削加工部分における最下端部の谷部２３が、シリンダボア内面５の下端開口部分に開口せず、閉じた状態となり、しかも最下端の谷部２３の下部側の斜面２３ａｕが、図１１中で右上がりとなっているので、この谷部２３に入り込んだ溶射被膜が極めて剥離しにくくなり、溶射被膜全体としてシリンダボア内面５に対する密着力が向上する。

図１２は、前記したシリンダブロック１のシリンダボア内面５に対して粗面化加工した後に溶射皮膜を形成するための溶射装置の概略を示す全体構成図である。この溶射装置は、シリンダボア内の中心に、ガス溶線式の溶射ガン３１を挿入し、その溶射口３１ａから溶射用材料として溶融した鉄系金属材料を溶滴３３として溶射してシリンダボア内面５に溶射皮膜３２を形成する。

溶射ガン３１は、溶線送給機３５から溶射用材料として鉄系金属材料の溶線３７の送給を受けるとともに、アセチレンまたはプロパンあるいはエチレンなどの燃料を貯蔵した燃料ガスボンベ３９および酸素を貯蔵した酸素ボンベ４１から、配管４３および４５を介して燃料ガスおよび酸素の供給をそれぞれ受ける。

上記した溶線３７は、溶射ガン３１に対し、中央部の上下に貫通する溶線送給孔４７の上端から下方に向けて送給する。また、燃料および酸素は、溶線送給孔４７の外側の円筒部４９に、上下方向に貫通して形成してあるガス案内流路５１に供給する。この供給した燃料および酸素の混合ガスは、ガス案内流路５１の図１２中で下端開口部５１ａから流出し、点火されることで燃焼炎５３が形成される。

前記円筒部４９の外周側には、アトマイズエア流路５５を設けてあり、さらにその外周側には、いずれも円筒形状の隔壁５７と外壁５９との間に形成したアクセラレータエア流路６１を設けてある。

アトマイズエア流路５５を流れるアトマイズエアは、燃焼炎５３の熱を前方（図１２中で下方）へ送って周辺部に対する冷却を行うとともに、溶融した溶線３７を同前方へ送る。一方、アクセラレータエア流路６１を流れるアクセラレータエアは、上記前方へ送られ溶融した溶線３７を、この送り方向と交差するように前記シリンダボア内面３に向けて溶滴３３として送り、シリンダボア内面５に溶射皮膜３２を形成する。

アトマイズエア流路５５には、アトマイズエア供給源６７から、減圧弁６９を備えたエア供給管７１を通してアトマイズエアを供給する。一方、アクセラレータエア流路６１には、アクセラレータエア供給源７３から、減圧弁７５およびマイクロミストフィルタ７７をそれぞれ備えたエア供給管７９を通してアクセラレータエアを供給する。

アトマイズエア流路５５とアクセラレータエア流路６１との間の隔壁５７は、図１２中で下部側の先端部に、外壁５９に対しベアリング８１を介して回転可能となる回転筒部８３を備えている。この回転筒部８３の上部外周に、アクセラレータエア流路６１に位置する回転翼８５を設けてある。回転翼８５に、アクセラレータエア流路６１を流れるアクセラレータエアが作用することで、回転筒部８３が回転する。

回転筒部８３の先端（下端）面８３ａには、回転筒部８３と一体となって回転する先端部材８７を固定してある。先端部材８７の周縁の一部には、前記したアクセラレータエア流路６１にベアリング８１を通して連通する噴出流路８９を備えた突出部９１を設けてあり、噴出流路８９の先端に、溶滴３３を噴出させる前記した溶射口３１ａを設けている。

溶射口３１ａを備える先端部材８７が回転筒部８３と一体となって回転しつつ溶射ガン３１をシリンダボアの軸方向に移動させることで、シリンダボア内面５のほぼ全域に溶射皮膜３２を形成する。

以上説明した第１の実施形態は、シリンダボア内面５などの円筒状部材の表面を粗面化するものであるが、以下に説明する第２の実施形態は、図１３に示すように、例えばアルミニウム合金製のシリンダブロック１０１に、円筒状部材としての鋳鉄製のシリンダライナ１０３を鋳込む際に、前記した第１の実施形態におけるシリンダボア内面５に対してと同様な方法で、円筒状部材の表面となるシリンダライナ１０３の外周面１０３ａを粗面化加工することで、シリンダライナ１０３のシリンダブロック１０１に対する接合強度を高めようとするものである。

図１４（ａ）は、シリンダライナ１０３の正面図、図１４（ｂ）は図１４（ａ）の平面図である。シリンダライナ１０３の外周面１０３ａを、前記図５，図６に示したような切削工具７を備えたボーリングバー９を用い、その切刃７ａによりねじ状に切削加工するとともに、切削加工によって発生する前記図７に示したような山部１９を、切刃７ａまたは切屑１７により破断して前記図７に示したような破断面２１を形成する。これにより、図１４（ａ）に示すような外周面１０３ａが粗面化されたシリンダライナ１０３を得ることができる。

外周面１０３ａを粗面化した円筒形のシリンダライナ１０３は、例えば図１５に示すような鋳造用金型にてシリンダブロック１０１を鋳造成形する際に鋳込んで一体成形する。鋳造用金型は、ボトムダイ１０５と、アッパダイ１０７と、左右のサイドダイ１０９，１１１と、前後のサイドダイ１１３，１１５と、アッパダイ１０７の上部に設置されるエジェクタプレート１１７とを、それぞれ備えている。

アッパダイ１０７のボトムダイ１０５に対向する側には、シリンダブロック１０１のシリンダボア１０１ａを成形するためのボアコア１０７ａを設けてあり、このボアコア１０７ａに前記図１４にしたシリンダライナ１０３を保持させた状態で、シリンダブロック１０１を鋳造成形する。

これにより、前記図１３に示したように、シリンダライナ１０３を鋳込んだシリンダブロック１０１を得ることができる。そして、このとき、シリンダライナ１０３は、外周面１０３ａを、前記したシリンダボア内面５に対してと同様な方法で粗面化加工しているので、シリンダライナ１０３のシリンダブロック１０１に対する接合強度を高めることができ、高品質なシリンダブロック１０１を得ることができる。

本発明の第１の実施形態に係わる粗面化加工方法を示すシリンダブロックの断面図である。 図１の粗面化加工方法で使用する切削工具を備えたボーリングバーの正面図である。 図２の右側面図である。 図２の底面図である。 図２の切削工具の拡大した正面図である。 図５の平面図である。 図５のＣ部を拡大した切刃によって切削加工を行っている状態を示す断面図である。 第１の実施形態に対して他の例の切刃により切削加工を行っている状態を示す断面図である。 第１の実施形態に対してさらに他の例の切刃によって切削加工を行っている状態を示す断面図である。 第１の実施形態に対する比較例を示す、図７に相当する断面図である。 第１の実施形態の切刃によってシリンダボア内面に対して非加工部分を残す例を示す、図７に相当する断面図である。 粗面化加工したシリンダボア内面に溶射皮膜を形成するための溶射装置の概略を示す全体構成図である。 第２の実施形態に係わる鋳鉄製シリンダライナを一体成形したアルミニウム合金製シリンダブロックの断面図である。 （ａ）は、図１３のシリンダライナの正面図、（ｂ）は（ａ）の平面図である。 図１３のシリンダブロックを鋳造成形するための鋳造用金型の分解斜視図である。

符号の説明

１，１０１ シリンダブロック
３ シリンダボア部（円筒状部材）
５ シリンダボア内面（円筒状部材の表面）
７ 切削工具
７ａ 切刃
１９ ねじ状部分の山部
２１ 山部を破断して形成した破断面
２３ ねじ状部分の谷部
２３ａ 谷部の斜面
１０３ シリンダライナ（円筒状部材）
１０３ａ シリンダライナの外周面（円筒状部材の表面）
θ 谷部の斜面相互がなす角度
Ｌ 谷部の斜面相互がなす角度の中心線
Ｍ シリンダボア内面の法線

Claims (14)

1. 円筒状部材に対し、その軸線方向に切削工具を相対的に送りつつ、その円周方向に沿って前記切削工具を相対的に移動させて、前記円筒状部材の表面をねじ状に切削加工して粗面化する粗面化加工方法において、前記切削工具の送り方向後方側の前記円筒状部材の表面に残るねじ状部分の山部と山部との間の谷部の両側における斜面相互がなす角度の中心線が、前記円筒状部材の表面の法線方向に対して傾斜した状態となるよう切削加工を行うことを特徴とする粗面化加工方法。
2. 円筒状部材に対し、その軸線方向に切削工具を相対的に送りつつ、その円周方向に沿って前記切削工具を相対的に移動させて、前記円筒状部材の表面をねじ状に切削加工して粗面化する粗面化加工方法において、前記切削工具の送り方向後方側の前記円筒状部材の表面に残るねじ状部分の山部と山部との間の谷部の両側における斜面の形状が、前記円筒状部材の表面の法線方向に対して非対称となるように切削加工を行うことを特徴とする粗面化加工方法。
3. 前記切削加工により、前記ねじ状部分の山部を除去して破断面を形成することを特徴とする請求項１または２に記載の粗面化加工方法。
4. 前記ねじ状部分の谷部に凹部を形成しつつ切削加工を行うことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の粗面化加工方法。
5. 円筒状部材に対し、その軸線方向に相対的に送りつつ、その円周方向に沿って相対的に移動させて、前記円筒状部材の表面をねじ状に切削加工して粗面化する切削工具において、前記切削工具の送り方向後方側の前記円筒状部材の表面に残るねじ状部分の山部と山部との間の谷部の両側における斜面相互がなす角度の中心線が、前記円筒状部材の表面の法線方向に対して傾斜した状態となるよう切削加工する切刃を有することを特徴とする切削工具。
6. 円筒状部材に対し、その軸線方向に相対的に送りつつ、その円周方向に沿って相対的に移動させて、前記円筒状部材の表面をねじ状に切削加工して粗面化する切削工具において、前記切削工具の送り方向後方側の前記円筒状部材の表面に残るねじ状部分の山部と山部との間の谷部の両側における斜面の形状が、前記円筒状部材の表面の法線方向に対して非対称となるよう切削加工する切刃を有することを特徴とする切削工具。
7. 前記切削加工により、前記ねじ状部分の山部を除去して破断面を形成することを特徴とする請求項５または６に記載の切削工具。
8. 前記切削加工により、前記ねじ状部分の谷部に凹部を形成することを特徴とする請求項５ないし７のいずれか１項に記載の切削工具。
9. 表面がねじ状に粗面化されて、他の材料への密着機能を有した円筒状部材において、前記ねじ状部分の山部と山部との間の谷部の両側における斜面相互がなす角度の中心線が、前記表面の法線方向に対して傾斜していることを特徴とする円筒状部材。
10. 表面がねじ状に粗面化されて、他の材料への密着機能を有した円筒状部材において、前記ねじ状部分の山部と山部との間の谷部の両側における斜面の形状を、前記表面の法線方向に対して非対称となるようにしたことを特徴とする円筒状部材。
11. 前記ねじ状部分の山部に破断面が形成されていることを特徴とする請求項９または１０に記載の円筒状部材。
12. 前記ねじ状部分の谷部に凹部が形成されていることを特徴とする請求項９ないし１１のいずれか１項に記載の円筒状部材。
13. 前記円筒状部材は、エンジンのシリンダブロックに形成したシリンダボア部であり、そのシリンダボア内面が、前記ねじ状に粗面化されて、この粗面化された部位に溶射皮膜が形成されていることを特徴とする請求項９ないし１２のいずれか１項に記載の円筒状部材。
14. 前記円筒状部材は、エンジンのシリンダブロックに鋳込まれたシリンダライナであり、このシリンダライナの前記シリンダブロックに接合された外周面が、前記ねじ状に粗面化されていることを特徴とする請求項９ないし１２のいずれか１項に記載の円筒状部材。

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