JP2006289475A - 微細凹部の加工装置及び加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被加工物の円周面に対して精度良好に且つ部分的に深さを変えて微細凹部を形成することができると共に、加工コストの低減を実現する微細凹部の加工装置及び加工方法を提供すること。
【解決手段】凹部形成用のフォームローラ１１と、フォームローラ１１を回転自在に支持するローラ支持部材１２と、円周面の中心軸とフォームローラ１１の回転軸とが平行となる状態にローラ支持部材を保持する工具ホルダ１０と、ローラ支持部材に対して荷重を付与してフォームローラを円周面に圧接させる圧縮コイルばね２０と、円周面に対するフォームローラ１１の圧接荷重を変化させるアダプタ１０Ｃと、被加工物と工具ホルダとを円周面の中心軸回りに相対的に回転させる主軸３と、主軸の位相を検出するロータリエンコーダ１６を備えている微細凹部加工装置１。
【選択図】図１

Description

本発明は、微細凹部の加工装置及び加工方法に係り、更に詳細には、例えば、自動車用エンジンにおけるシリンダブロックのシリンダボアの内周面や、カムシャフトのジャーナル部やピストンの外周面などのように摺動接触を伴う被加工物の内周面や外周面などの円周面に、低フリクション化を実現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の加工装置及び加工方法に関する。

従来、被加工物の円周面に微細凹部を形成する場合には、ショットブラストが多く採用されていた。このショットブラストでは、円周面に所定形状の透孔を有するマスキングシートを貼り付けた後、セラミックス等の小径粒子を円周面に向けて圧縮空気とともに投射することで、円周面の透孔を通して露出している部分に微細凹部を形成するようにしている。

そして、微細凹部を形成した後は、マスキングシートを取り外して洗浄するのに続いて、再びホーニングを行うことにより、上記ショットブラスト加工で微細凹部の周囲に生じた盛上り部分を除去するようにしている（特許文献１参照。）。
特開２００２−３０７３１０号公報

しかしながら、上記したようなショットブラストによる微細凹部の形成にあっては、微細凹部を規則的に配置することが困難であり、加えて、円周面に対するマスキングシートの貼り付け工程及び取り外し工程、並びに洗浄工程が不可欠であって、このような作業が多い分だけ加工コストが嵩むという問題があり、これら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、上記従来技術の有する課題に着目して成されたものであって、その目的とするところは、被加工物の円周面に対して精度良好に、且つ部分的に深さを変えて微細凹部を形成することができると共に、加工コストの低減を実現することが可能である微細凹部の加工装置及び加工方法を提供することにある。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、凹部形成用の凸部を有するフォームローラと、フォームローラを回転自在に支持するローラ支持部材と、円周面の中心軸とフォームローラの回転軸とが平行となる状態にローラ支持部材を保持する工具ホルダと、ローラ支持部材に対して荷重を付与してフォームローラを円周面に圧接させる荷重付与手段と、円周面に対するフォームローラの圧接荷重を変化させる荷重変更手段と、被加工物と工具ホルダとを円周面の中心軸回りに相対的に回転させる回転駆動手段と、円周面の周方向におけるフォームローラの位置を検出する位相検出手段と、を備えた被加工物の円周面に微細凹部を形成する微細凹部加工装置を用いることなどによって、上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明の微細凹部加工装置は、被加工物の円周面に微細凹部を形成する微細凹部加工装置であって、凹部形成用の凸部を有するフォームローラと、フォームローラを回転自在に支持するローラ支持部材と、円周面の中心軸とフォームローラの回転軸とが平行となる状態にローラ支持部材を保持する工具ホルダと、ローラ支持部材に対して荷重を付与してフォームローラを円周面に圧接させる荷重付与手段と、円周面に対するフォームローラの圧接荷重を変化させる荷重変更手段と、被加工物と工具ホルダとを円周面の中心軸回りに相対的に回転させる回転駆動手段と、主軸の位相を検出する位相検出手段と、を備えたことを特徴としている。

また、本発明の微細凹部の加工方法は、上記本発明の微細凹部加工装置を用い、被加工物の円周面に微細凹部を形成する加工方法であって、荷重付与手段によりローラ支持部材に荷重を付与してフォームローラの凸部を被加工物の円周面に圧接させ、次いで、回転駆動手段により被加工物と工具ホルダとを円周面の中心軸回りに相対的に回転させて、被加工物の円周面に圧接させたフォームローラを円周面に沿って転動させることにより、同円周面に微細凹部を形成し、この際円周面の周方向におけるフォームローラの位相に対応して荷重変更手段により圧接荷重を変化させながら微細凹部を形成することを特徴としている。

更に、本発明のシリンダブロックは、上記本発明の微細凹部加工装置を用いてシリンダボアの内周面に微細凹部を形成したことを特徴としている。

本発明によれば、本発明の微細凹部加工装置は、従来のような使い捨てのマスキングシートを用いずにフォームローラによる機械加工を行うことから、被加工物の円周面に高精度の微細凹部を高効率で形成することができると共に、生産性の向上や製造コストの低減を実現することができ、特に、円周面に対するフォームローラの圧接荷重を変化させる荷重変更手段と、円周面の周方向におけるフォームローラの位置を検出する位相検出手段を採用したことから、円周面に対して微細凹部の更なる高精度化を実現することができると共に、部分的に深さを変えて微細凹部を形成することができる。

以下、本発明の微細凹部加工装置について詳細に説明する。
上述の如く、本発明の微細凹部加工装置は、被加工物の円周面に微細凹部を形成する微細凹部加工装置であって、凹部形成用の凸部を有するフォームローラと、フォームローラを回転自在に支持するローラ支持部材と、円周面の中心軸とフォームローラの回転軸とが平行となる状態にローラ支持部材を保持する工具ホルダと、ローラ支持部材に対して荷重を付与してフォームローラを円周面に圧接させる荷重付与手段と、円周面に対するフォームローラの圧接荷重を変化させる荷重変更手段と、被加工物と工具ホルダとを円周面の中心軸回りに相対的に回転させる回転駆動手段と、主軸の位相を検出する位相検出手段と、を備えたことを特徴とするものである。

このような構成とすることにより、円周面の周方向におけるフォームローラの位置（位相）に対応して、円周面に対するフォームローラの圧接荷重を変化させることができるため、周方向において深さの異なった微細凹部を形成することができる。
ここで、「被加工物の円周面」とは、被加工物が円形穴を有する場合には、その円形穴の内周面を意味し、被加工物が円柱部を有する場合には、その円柱部の外周面を意味する。また、「円周面の中心軸」とは、被加工物が円形穴を有する場合には、その円形穴の中心軸を意味し、被加工物が円柱部を有する場合には、その円柱部の中心軸を意味する。

また、本発明の微細凹部加工装置は、位相検出手段として、特に限定されるものではないが、例えばロータリエンコーダを用いることができる。

更に、本発明の微細凹部加工装置は、被加工物と工具ホルダを円周面に対してフォームローラが近接離間する方向に相対的に移動させる径方向駆動手段を備えてもよい。このような径方向駆動手段により、荷重発生手段のストローク量の調整ができ、また異なる内径の円形穴や異なる外径の円柱部を有する被加工物に対応することができる。

また、本発明の微細凹部加工装置は、特に限定されるものではないが、例えば荷重付与手段がばねであり、径方向駆動手段が荷重変更手段であるようにしてもよい。このような構成とすることにより、装置の構造が簡略化できる。

更に、本発明の微細凹部加工装置は、特に限定されるものではないが、例えば荷重付与手段が、アクチュエータであるようにしてもよい。このような構成とすることにより、圧接荷重を自由に変更することができる。かかるアクチュエータとしては、例えば空圧や油圧のものなどを挙げることができる。

また、本発明の微細凹部加工装置は、上記のように例えば荷重付与手段をアクチュエータとする場合には、かかる荷重付与手段が荷重変更手段を兼ねることができる。このような構成とすることにより、圧接荷重を自由に変更することができると共に、装置の構造が簡略化できる。

更に、本発明の微細凹部加工装置は、荷重付与手段により付与した圧接荷重を検出する荷重検出手段を備えてもよい。圧接荷重をモニタリングして圧接荷重を調整することにより、より高精度な加工を施すことができる。

更にまた、本発明の微細凹部加工装置は、荷重検出手段が例えばロードセルであるようにしてもよいが、これに限定されるものではない。

また、本発明の微細凹部加工装置は、被加工物とフォームローラを円周面の中心軸に沿う方向に相対的に移動させる送り駆動手段を備えてもよい。このような構成とすることにより、円周面の広範囲に微細凹部を形成することができる。

更に、本発明の微細凹部加工装置は、送り駆動手段により相対的に移動させた被加工物とフォームローラの相対位置を検出する位置検出手段を備えてもよい。このような構成とするこにより、円周面の中心軸に沿う方向の位置を検出することができ、円周面の周方向だけでなく、円周面の中心軸に沿う方向においても深さの異なった微細凹部を形成することができる。

次に、本発明の微細凹部の加工方法について詳細に説明する。
上述の如く、本発明の微細凹部の加工方法は、上記本発明の微細凹部加工装置を用い、被加工物の円周面に微細凹部を形成する加工方法であって、荷重付与手段によりローラ支持部材に荷重を付与してフォームローラの凸部を被加工物の円周面に圧接させ、次いで、回転駆動手段により被加工物と工具ホルダとを円周面の中心軸回りに相対的に回転させて、被加工物の円周面に圧接させたフォームローラを円周面に沿って転動させることにより、同円周面に微細凹部を形成し、この際、円周面の周方向におけるフォームローラの位相に対応して荷重変更手段により圧接荷重を変化させながら微細凹部を形成することを特徴とするものである。
このように位相によりフォームローラの圧接荷重を変化させることによって、円周面の周方向において深さの異なった微細凹部を形成することができる。

また、本発明の微細凹部の加工方法においては、被加工物とフォームローラを被加工物の円周面の中心軸に沿う方向に相対的に移動させながら微細凹部を形成してもよい。このように軸方向に相対的に移動させながら微細凹部を形成することによって、円周面の広範囲において微細凹部を形成することができると共に、円周面の周方向及び円周面の中心軸に沿う方向において、深さの異なった所望の微細凹部を形成することができる。

次に、本発明のシリンダブロックについて詳細に説明する。
上述の如く、本発明のシリンダブロックは、上記本発明の微細凹部加工装置を用いてシリンダボアの内周面に微細凹部を形成したことを特徴とするものである。
このようなシリンダブロックは、一体型のものであってもシリンダライナが別体の別体型のものであってもよく、微細凹部により油膜のコントロールが容易であるため、フリクション低減が図れる。

以下、図面に基づいて、本発明を実施例により更に詳細に説明する。

（実施例１）
図２に示す微細凹部加工装置１は、自動車用エンジンのシリンダブロックを被加工物とし、円形穴であるシリンダボアの内周面に微細な凹部を形成するＮＣ工作機械であって、鉛直方向に移動可能な送り駆動手段としての主軸ヘッド２と、主軸ヘッド２に下向きに突出した状態で支持される回転駆動手段としての主軸３と、主軸ヘッド２の下側において水平面内で互いに直交する二軸方向に移動可能な被加工物載置用のテーブル４と、主軸３に同軸に装着されて一体で回転する工具ホルダ１０を備えており、図示しない自動工具交換装置により、主軸３に対して工具ホルダ１０の着脱を行うようになっている。

また、主軸３は、位相検出手段としてのロータリエンコーダ１６を具備しており（図１参照）、主軸３の位相を検出することにより、内周面の周方向におけるフォームローラの位置を検出することができる。更に、主軸ヘッド２の移動部には図示しないスケールを具備しており、主軸ヘッド２の位置を検出できるようになっている。

工具ホルダ１０は、図１に示すように、主軸３に装着する部位であるシャンク部１０Ａと、その下側に連続するボディ部１０Ｂを有しており、ボディ部１０Ｂの下側には、アダプタ１０Ｃを介して、外周部に微細な凹凸を有するフォームローラ１１と、フォームローラ１１を回転自在に支持するローラ支持部材１２と、ローラ支持部材１２を保持するハウジング１３を備えている。

フォームローラ１１は、シリンダボアＢの直径よりも小さい直径を有する。このフォームローラ１１は、材料が特に限定されるものではないが、例えば、超硬、超硬以外の硬質金属やアルミナ、窒化珪素等のセラミックスなどから成るものであって、高い強度と靭性を有しており、被加工物が焼入れ鋼などの高強度材料であっても微細な凹部を形成することができる。

ローラ支持部材１２は、その下部に、組合せアンギュラ玉軸受１５を介して支持軸１４を回転自在に備えており、支持軸１４の下部にフォームローラ１１が固定してある。このとき、主軸３による工具ホルダ１０の回転軸Ｌ１と、支持軸１４によるフォームローラ１２のローラ軸Ｌ２とは互いに平行である。

ハウジング１３は、ボディ部１０Ｂにアダプタ１０Ｃを介して連結した中空ブロック状を成すものであって、下端側中空部分には、軸線方向を水平にしたスプラインナット１７が嵌合固定してあり、このスプラインナット１７と、ローラ支持部材１２に連結したスプラインシャフト１８とを互いにスプライン結合することで、ローラ支持部材１２を主軸３と直交する方向に移動可能にしている。

ローラ支持部材１２と、ハウジング１３の上端側中空部分に嵌合したキャップ１９との間には、荷重付与手段としての圧縮コイルばね２０が介装してあり、ローラ支持部材１２に対して主軸３と直交する方向の荷重を付与することで、シリンダボアＢの内周面Ｂａにフォームローラ１１の外周部を圧接させる。この場合、キャップ１９と圧縮コイルばね２０との間には、荷重検出手段としての圧電型のロードセル２１が設けてある。

また、スプラインシャフト１８には、ローラ支持部材１２と反対側の端部に、スプラインシャフト１８の直径よりも大径の止め具２２が固定してあり、この止め具２２は、圧縮コイルばね２０の伸びを抑えると共に、この圧縮コイルばね２０が伸びきった際の衝撃を緩和し、そして、ハウジング１３からローラ支持部材１２が脱落するのを阻止する。

更に、圧縮コイルばね２０とロードセル２１の間には、圧縮コイルばね２０に予圧を与える調整駒２３が設けてあり、この調整駒２３の長さ（圧縮コイルばね２０の伸縮方向の長さ）を選択することで、予圧力を調整することができる。なお、ロードセル２１は、調整駒２３との接触部２１ａを球面状の突部としており、これにより、圧縮コイルばね２０の伸縮方向に対する倒れを吸収することができる。

ハウジング１３と連結したアダプタ１０Ｃは、図示しないステッピングモータを具備した移動機構を内蔵しており、径方向駆動手段として機能し、この移動機構の作動により、ハウジング１３に保持したフォームローラ１１をシリンダボアＢの内周面Ｂａに対して近接離間させることができるようになっている。なお、本例においては、アダプタ１０Ｃが荷重変更手段の機能を兼ねている。

上記の微細凹部加工装置１は、シリンダボア（円形穴）Ｂと同軸方向に配置して回転駆動手段としての主軸３により回転駆動される工具ホルダ１０に、その回転軸Ｌ１に直交する方向に移動可能なローラ支持部材１２と、ローラ支持部材１２に対して工具ホルダ１０の回転軸Ｌ１と平行なローラ軸Ｌ２回りに回転自在に設けた凹部形成用のフォームローラ１１と、ローラ支持部材１２に荷重を付与してフォームローラ１１をシリンダボア（円形穴）Ｂの内周面Ｂａに圧接させる荷重付与手段（圧縮コイルばね２０）を備え、更に主軸３に位相検出手段としてのロータリエンコーダ１６を備えたものとなっている。

上記の微細凹部加工装置において、シリンダボアＢの内周面Ｂａに微細凹部を形成するに際しては、まず、工具ホルダ１０の回転軸Ｌ１とシリンダボアＢの中心軸とを一致させるように位置決めをして、主軸３とともに工具ホルダ１０を下降させ、シリンダボアＢ内にフォームローラ１１を挿入する。

次に、アダプタ１０Ｃ内の移動機構を作動させて、シリンダボアＢの内周面Ｂａに対してフォームローラ１１を接触させ、ロードセル２１により検出した荷重が予め設定した値になるまでアダプタ１０Ｃ内の移動機構の作動を継続させる。

つまり、シリンダボアＢの内周面Ｂａにフォームローラ１１が接触した後、アダプタ１０Ｃ内の移動機構の作動を継続させると、ローラ支持部材１２とハウジング１３との間で圧縮コイルばね２０が圧縮され、その反発力が荷重としてフォームローラ１１に付与されると共に、ロードセル２１によりこの荷重が検出されることから、このロードセル２１の検出荷重が設定値になるまでアダプタ１０Ｃ内の移動機構の作動を継続させれば、フォームローラ１１がシリンダボアＢの内周面Ｂａに所定値で圧接することとなる。

そして、上記のように、荷重の設定値を検出した段階において、アダプタ１０Ｃ内の移動機構の作動を停止し、主軸３により工具ホルダ１０を回転駆動すると、シリンダボアＢの内周面Ｂａに圧接しているフォームローラ１１が連れ回りし、このフォームローラ１１の転動によってシリンダボアＢの内周面Ｂａに微細な凹部が形成される。
この際、主軸３の位相により要求される凹部深さに必要な荷重を計算し、アダプタ１０Ｃ内の移動機構を作動させて圧接荷重を変化させることにより、内周面Ｂａの周方向に深さの異なる微細凹部を形成することができる。

また、このとき、主軸３の回転と主軸３の移動を同期させると、シリンダボアＢの内周面Ｂａの広い領域に微細な凹部を形成することができる。

図３は、内燃機関用４気筒ガソリンエンジンのシリンダブロックのシリンダボアＢの平面説明図である。シリンダボアＢの内周面Ｂａにおける微細な凹部の深さを同図中の矢印ａで示す方向に対して矢印ｂで示す方向においてより深くすることでエンジンフリクションを低減することができる。
また、図示しないがシリンダボアの内周面における微細凹部の深さをピストン往復運動工程における工程中央部において深く、上死点・下死点付近において浅くすることでもエンジンフリクションを低減することができる。

このように、この実施例による微細凹部加工装置１では、シリンダボアＢの内周面Ｂａに微細な凹部を高精度で形成することができ、これにより同内周面Ｂａに施す前加工を省略することが可能となり、工程数の削減及び低コスト化を実現し得る。

以上、本発明を若干の実施例により詳細に説明したが、本発明は上記の実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲で種々の変形が可能である。
例えば、上記実施例では、本発明の微細凹部加工装置の被加工物として円形穴（シリンダボア）を有するシリンダブロックを例にとって説明したが、本発明の微細凹部加工装置の被加工物はこれに限定されるものではなくて、本発明の微細凹部加工装置は、被加工物として円柱部を有するカムシャフトのジャーナル部やピストン等にも適用することができる。この場合には、例えば工具ホルダを回転させずに圧接させ、被加工物の円柱部を中心軸回りに回転させればよい。

本発明の微細凹部加工装置の一実施例を説明する要部の断面図である。 微細凹部加工装置の全体を示す斜視図である。 内燃機関用４気筒ガソリンエンジンのシリンダブロックのシリンダボアの平面説明図である。

符号の説明

Ｂ シリンダボア（円形穴）
Ｂａ 内周面
Ｌ１ 工具ホルダの回転軸
Ｌ２ ローラ回転軸
３ 主軸
１０ 工具ホルダ
１１ フォームローラ
１２ ローラ支持部材
１６ ロータリエンコーダ
２０ 圧縮コイルばね

Claims (13)

1. 被加工物の円周面に微細凹部を形成する微細凹部加工装置であって、
   凹部形成用の凸部を有するフォームローラと、
   フォームローラを回転自在に支持するローラ支持部材と、
   円周面の中心軸とフォームローラの回転軸とが平行となる状態にローラ支持部材を保持する工具ホルダと、
   ローラ支持部材に対して荷重を付与してフォームローラを円周面に圧接させる荷重付与手段と、
   円周面に対するフォームローラの圧接荷重を変化させる荷重変更手段と、
   被加工物と工具ホルダとを円周面の中心軸回りに相対的に回転させる回転駆動手段と、
   主軸の位相を検出する位相検出手段と、
   を備えたことを特徴とする微細凹部加工装置。
2. 位相検出手段が、ロータリエンコーダを備えたことを特徴とする請求項１に記載の微細凹部加工装置。
3. 被加工物と工具ホルダを円周面に対してフォームローラが近接離間する方向に相対的に移動させる径方向駆動手段を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の微細凹部加工装置。
4. 荷重付与手段がばねであり、径方向駆動手段が荷重変更手段であることを特徴とする請求項３に記載の微細凹部加工装置。
5. 荷重付与手段が、アクチュエータであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の微細凹部加工装置。
6. 荷重付与手段が荷重変更手段を兼ねていることを特徴とする請求項５に記載の微細凹部加工装置。
7. 荷重付与手段により付与した圧接荷重を検出する荷重検出手段を備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つの項に記載の微細凹部加工装置。
8. 荷重検出手段がロードセルであることを特徴とする請求項７に記載の微細凹部加工装置。
9. 被加工物とフォームローラを円周面の中心軸に沿う方向に相対的に移動させる送り駆動手段を備えたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つの項に記載の微細凹部加工装置。
10. 送り駆動手段により相対的に移動させた被加工物とフォームローラの相対位置を検出する位置検出手段を備えたことを特徴とする請求項９に記載の微細凹部加工装置。
11. 請求項１〜１０のいずれか１つの項に記載の微細凹部加工装置を用い、被加工物の円周面に微細凹部を形成する加工方法であって、
    荷重付与手段によりローラ支持部材に荷重を付与してフォームローラの凸部を被加工物の円周面に圧接させ、次いで、回転駆動手段により被加工物と工具ホルダとを円周面の中心軸回りに相対的に回転させて、被加工物の円周面に圧接させたフォームローラを円周面に沿って転動させることにより、同円周面に微細凹部を形成し、この際、円周面の周方向におけるフォームローラの位相に対応して荷重変更手段により圧接荷重を変化させながら微細凹部を形成することを特徴とする微細凹部の加工方法。
12. 被加工物とフォームローラを被加工物の円周面の中心軸に沿う方向に相対的に移動させながら微細凹部を形成することを特徴とする請求項１１に記載の微細凹部の加工方法。
13. 請求項１〜１０のいずれか１つの項に記載の微細凹部加工装置を用いてシリンダボアの内周面に微細凹部を形成したことを特徴とするシリンダブロック。
    

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