JP2009248276A - ワークの加工方法および加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ワークを掴み替えることなく、１回のチャックで段階的にワークプロフィール部と細部の加工を精度よく滑らかに加工でき、生産効率を高めることができるワークの加工方法および加工装置を提供する。
【解決手段】カムロブ１３の外周面に凹部１５を有するカムシャフト１０を製造する装置であって、凹部１５を含むカムロブ１３の外部輪郭１４に対応する形状の切刃部２１を有するブローチ工具２０にワークＷを押し込み、ブローチ加工により成形することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ワークの加工方法および加工装置に係り、詳しくはカムシャフトのカムロブの加工に適したワークの加工方法および加工装置に関する。

内燃機関の動弁装置（バルブ）の開閉には、１本のシャフト（軸）に各気筒に対応したカムロブを配置したカムシャフトが用いられている。このようなカムシャフトの加工技術としては、複数の砥石車（マルチ砥石）を備えた砥石軸ユニットと工作物（ワーク）を支持したテーブルとを工作物軸線方向に相対的にインデックスして工作物を研削加工するインデックス型マルチ砥石研削盤が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、予めジャーナルに研削加工を施したカムシャフトを準備し、カムシャフトのカムに対し、相対的に粗い面粗度の研削部材により研削加工を施すと同時に、ジャーナルに対し、相対的に細かい面粗度の研磨部材によりラッピング加工を施すカムシャフトの加工方法および装置も提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００７−１９８３０２号公報 特開２００６−１５４３２号公報

近年、動弁装置の動弁リアクションを低減するため、カムシャフトのカムロブに接触するカムフロア側には、転がり軸受を利用し、ロッカーアーム（揺動アーム）の先端部にローラを支持したローラロッカー構造が用いられることが多い。通常、各カムロブの断面形状は、卵形をしているが、立ち上がりのレスポンスを向上させるため、カムプロフィール部（外部輪郭）に円弧状の凹部を設けることがある。

ところが、従来のカムシャフトの加工装置では、このような溝部を有する複雑な形状のカムロブを大型の円盤砥石で研削加工しようとすると、砥石径が大きいため、前記凹部のような細部加工ができない。このため、大きさや形状の異なる複数の砥石を組み合わせて使用したり、左右両側の前記凹部を形成するためにワークを脱着しなければならず、個別的かつ断続的な加工となり、生産効率が低下するという問題がある。

また、ワークの位置決め誤差等が原因となって、前記溝部から他の部分への移行が円滑でなく、いわゆるつなぎ目が生じるという問題もある。

そこで、本発明は、上記の事情に鑑みて創案されたものであり、ワークを脱着することなく、１回のチャッキングで段階的にワークプロフィール部と細部の加工を精度よく滑らかに加工することができ、生産効率の高いワークの加工方法および加工装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するワークの加工方法は、軸部より軸直角方向に突出する被加工部を有するワークの、前記被加工部の外周面に前記軸部の軸線方向に沿って凹部を形成するワークの加工方法であって、前記凹部を含む被加工部の外部輪郭に対応する形状の切刃部を有するブローチ工具を準備する工程と、当該ブローチ工具の切刃部に前記ワークを押し込み、前記ブローチ工具と前記ワークとを相対的に移動させ、前記切刃部の形状に前記被加工部の外周面を成形するブローチ加工工程と、を有することを特徴とする。

上記目的を達成するワークの加工装置は、軸部より軸直角方向に突出する被加工部を有するワークの、前記被加工部の外周面に前記軸部の軸線方向に沿って凹部を形成するワークの加工装置であって、前記凹部を含む被加工部の外部輪郭に対応する形状の切刃部を有するブローチ工具と、当該ブローチ工具の切刃部に前記ワークを押し込み、前記ブローチ工具と前記ワークとを相対的に移動させる駆動装置と、を有することを特徴とする。

請求項１及び３に記載の発明によれば、予め凹部を含む被加工部の外部輪郭に対応する形状の切刃部を有するブローチ工具を準備しておき、このブローチ工具の切刃部にワークを押し込んで、ブローチ工具とワークとを相対的に移動させて、ワークの外部輪郭と凹部とを段階的に加工するので、ワークを脱着することなく、１回のチャックで段階的にワークプロフィール部と細部の加工を精度よく滑らかに加工することができ、生産効率を高めることができるという優れた効果を奏する。

請求項２及び４に記載の発明によれば、徐々に縮径された複数の切刃部により被加工部の外周面を段階的に成形するので、粗加工から仕上げ加工まで一括して行うことができ、高精度の加工を効率的に行うことができる。

請求項５に記載の発明のように、切刃部の逃げ角が刃先における軸部の軸線に沿う面に対し０度〜３度とすれば、ポジティブな方向では切削抵抗が少なくなり、ネガティブな方向では加工面を工具の逃げ面で加圧成形、いわゆるバニシングすることができ、さらに面粗度や真直度を高めることができる。

請求項６に記載の発明のように、切刃部のすくい角が刃先に立てた軸部の軸線に直交する面に対し０度〜５度とすれば、ポジティブな方向では切削抵抗が少なくなり、ネガティブな方向では切刃部のすくい面で加圧成形、いわゆるバニシングすることができ、さらに面粗度や真直度を高めることができる。

請求項７に記載の発明によれば、軸線方向に相互に離間して設けられた複数のワークの被加工部を、軸線を中心に回転し、ブローチ工具による加工位置に位置させる割り出し機構を有するので、多数の被加工部を有するカムシャフトのようなものであっても、自動化でき、円滑な加工が可能となる。

請求項８に記載の発明によれば、ワークの被加工部を軸線方向に移動する速度と、割り出し機構を制御すれば、きわめて高精度の自動的な加工が可能となる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。

図１は本発明に係るワークの加工装置を模式的に示す概略構成図、図２はカムシャフトの概略斜視図、図３は本実施形態のカムロブを示す正面図、図４は本実施形態の加工装置の要部の構造を示す概略構成図および拡大図、図５は切刃部の断面構造を示す要部拡大図、図６は駆動装置の制御系を示すブロック図である。

まず、図２および図３を参照して、本実施形態の加工装置１のワーク１０について説明する。本実施形態の加工装置１のワークＷは、図２に示すようなカムシャフトであり、軸部１１より軸直角方向に突出する複数のカムロブ１３（被加工部）が、軸線方向に相互に離間して設けられている。本実施形態のカムシャフト１０は、ローラロッカー構造（図示せず）使用されるものであるため、各カムロブ１３には、図３に示すように、略卵形のカムプロフィール部（外部輪郭）１４の左右両側において、ベース部１３Ｂからカムトップ部１３Ｔに移行する縮径開始部に円弧状の凹部１５が形成されている。

本実施形態の加工装置１は、図１および図４に示すように、ワークＷのカムロブ１３の外周面に軸線方向に沿って凹部１５を形成する装置であり、凹部１５を含むカムロブ１３の外部輪郭１４に対応する形状の切刃部２１を有するブローチ工具２０と、ブローチ工具２０の切刃部２１にワークＷを押し込み、ブローチ工具２０とワークＷとを相対的に移動させる駆動装置３０（図６参照）と、を備えている。

具体的には、本実施形態の加工装置１は、カムシャフト１０のカムプロフィール部１４と、カムプロフィール部１４の左右両側の円弧状凹部１５とを同時に形成する装置である。したがって、ブローチ工具２０の切刃部２１は、凹部１５を含むカムプロフィール部１４の外形形状に対応した開口部２２を有し、その開口縁部が切刃部２１となっている。

ブローチ工具２０は、駆動装置３０によるカムシャフト１０の送り方向Ｆに沿って複数の切刃部２１を多段に有している。本実施形態では、例えば、カムシャフト１０の送り方向Ｆの上流側から順に、粗加工、中仕上げ加工および仕上げ加工の３段階の切刃部２１Ａ、２１Ｂおよび２１Ｃを備えている。各切刃部２１Ａ、２１Ｂおよび２１Ｃの開口部２２は、段階的に小さくなっている。図４中、２２Ａ、２２Ｂおよび２２Ｃは、各切刃部２１Ａ、２１Ｂおよび２１Ｃの取り代を示している。このように多段に切刃部２１を配置し、徐々に加工することにより、一挙に行う加工では困難なワークプロフィール精度や面精度を確保することができる。

切刃部２１は、図５に示すように、カムシャフト１０を切刃部２１に押し込む側から引き抜く側に向かって徐々に縮径される逃げ面２１ａを有している。この逃げ面２１ａと、刃先におけるカムシャフト１０の軸線に沿う面との間の逃げ角θ１は、例えば、切削抵抗の少ない、いわゆるポジティブな方向に０度〜３度の設定となっている。また、すくい角θ２も、刃先に立てたジャーナル１１の軸線に直交する面に対し、切削抵抗の少ない、いわゆるポジティブな方向に０度〜５度の設定となっている。

このような逃げ角θ１やすくい角θ２は、これのみに限定されるものではなく、図５中に破線で示すように、切削抵抗が大きくなるネガティブな方向に設定しても良い。このようにすれば、カムロブ１２の加工面を工具逃げ面２１ａやすくい面２１ｂにてバニシング加工（加圧成形）し、更なる面粗度や真直度の向上を図ることができる。また、逃げ角θ１とすくい角θ２のいずれか一方をネガティブな方向に設定し、他方をポジティブな方向に設定しても良い。

さらに、本実施形態の加工装置１では、ブローチ加工時にカムロブ１３の全周を同時に加工することになるが、この場合、カムトップ部１３Ｔは、ベース部１３Ｂと比較して、軸線Ｌから遠い位置にあるため、加工時に、ベース部１３Ｂと比較して、カムトップ部１３Ｔは大きな力のモーメントが掛かることになり、カムトップ部１３Ｔが曲がる虞がある。

このため、本実施形態では、カムトップ１３Ａを加工する切刃部２１のカムトップ加工部２１Ｔのみは、すくい角θ２をポジティブにすることが好ましい。この結果、カムトップの加工では、切削抵抗を減少させることができ、モーメントを全周にわたり均一にすることができ、ブローチ加工時のカムシャフト１３の同軸度を確保できる。つまりカムシャフト１３の曲がりを防止することができる。

駆動装置３０は、図４に示すように、カムシャフト１０のジャーナル１１の両端部を掴むチャック３１を備え、軸部１１の軸線Ｌを中心に回転可能となっている。また、駆動装置３０は、図６に示すように、チャック３１で掴んだカムシャフト１０を軸線方向に移動するシャフト送り装置３２を備えている。シャフト送り装置３２としては、例えば、ボールネジ、ラック・アンド・ピニオンおよびシリンダ装置等が挙げられる。

また、シャフト送り装置３２は、軸部１１の軸線方向に相互に離間して設けられた複数のカムロブ１３を、ブローチ工具２０による加工位置に位置させる割り出し機構３３を有している。割り出し機構３３は、カム位相（回転方向のずれ角度）の割り出しが可能な機構であり、例えば、インデックス機構が挙げられる。

特に、駆動装置３０は、シャフト送り装置３２の移動する速度と、割り出し機構３３を制御する制御部３４を有している。このようにカムロブ１３を軸線方向に移動させる速度と割り出し機構を制御すれば、装置の自動化が可能になるのみでなく、きわめて高精度な加工が可能となる。カムシャフト１０は、図２に示すように、カムロブ１３毎に位相がずれているが、シャフト送り装置３２にカム位相を割り出す割り出し機構３３を備えれば、１台のブローチ工具２０にて全てのカムロブ１３のブローチ加工が可能となる。他方、ブローチ工具２０をカム位相分だけ複数設置して、各ブローチ工具２０の切刃部２１をカム位相に合わせて傾斜させてセットすれば、全てのカムロブ１３を同時に加工することができ、大幅に生産効率を向上させることもできる。

なお、本実施形態では、シャフト送り装置３２でカムシャフト１０をブローチ工具２０へ向けて送っているが、これとは逆に、ブローチ工具２０に送り手段を備えても良く、カムシャフト１０とブローチ工具２０とは相対的な移動であればよい。

次に、図１から図４を参照して、本実施形態の加工装置１を用いて実施する本発明に係る加工方法を説明する。

まず、本実施形態の加工装置１によるワークＷのブローチ加工に際して、ワークＷの凹部１５を含むカムロブ１３の外部輪郭１４に対応する形状の切刃部２１を有するブローチ工具２０を準備する。カムロブ１３の形状に応じた開口部２２を有し、その開口縁部に切刃部２１を有するブローチ工具２０を、ワークＷの送り方向Ｆに沿って順に、粗加工、中仕上げ加工および仕上げ加工の切刃部２１Ａ、２１Ｂおよび２１Ｃを段階的に配置する。

このようなブローチ工具２０を準備した後、上記駆動装置３０のチャック３１でカムシャフト１０として成形するワークＷの軸線方向の両端部を掴む。

次に、駆動装置３０のシャフト送り装置３２を作動させ、ワークＷをブローチ工具２０へ向けて送り、ブローチ工具２０の切刃部２１にワークＷを押し込み、カムロブ１３の外周面にブローチ加工を施す。ブローチ加工は、多段の切刃部２１Ａ、２１Ｂおよび２１Ｃで被加工部１０Ｂの外周面に段階的に施される。

ここにおいて、図７から図９に示す既存のカムシャフト１０の加工方法と比較検証する。図７は既存の加工装置において、大型の円盤砥石の回転軸とワークＷの回転軸とが平行な場合の加工状況を示す概略図、図８は既存の加工装置において、大型の円盤砥石の回転軸とワークＷの回転軸とが直交する場合の加工状況を示す概略図、図９は既存の加工装置において、小径の砥石でワークＷの凹部１５を形成する場合の加工状況を示す概略図である。

図７に示すように、既存の加工装置において、大型の円盤砥石５０の回転軸（図示せず）とワークＷの回転軸１０Ｃとを平行に配置した場合は、砥石５０の径が大きいため、凹部１５に砥石５０が入らず、加工が困難であることから、カムプロフィール部１４に、凹部１５を形成する方法として、次の２つの方法が挙げられる。

まず、大型の円盤砥石５０でワークＷの凹部１５を加工する場合は、図８に示すように、円盤砥石５０の周面５１の形状を凹部１５に合わせた形状とし、砥石５０の回転軸５０ＣとワークＷの回転軸１０Ｃとが直交するように配置して、砥石５０の周面５１の形状をワークＷに転写する加工方法がある。この加工方法では、外周のカムプロフィール部１４と凹部１５とを別工程で加工したとき、ワーク位置決め誤差等が生じて、カムプロフィール部１４と凹部１５とのつなぎ目を精度よくつなぐことが難しい。

他方、図９に示すように、小径の砥石６０を使用する場合は、砥石断面形状が凹部１５よりも小さい径の砥石６０を用い、砥石６０の回転軸６０ＣとワークＷの回転軸１０Ｃとが平行になるように配置して、カムプロフィール部１４を一周して加工する加工方法が考えられる。この場合、砥石６０またはワークＷのいずれを動かしてもよい。この加工方法では、砥石６０の径が小さいので、砥石６０とカムプロフィール部１４は点接触となり、面粗度が悪くなる。また、砥石径が小さいので、輪郭加工（コンタリング）における加工時間が長くなり、砥石周速が上げられないので研削効率が悪くなり、砥石寿命が短くなって砥石交換が頻繁に発生する。面粗度を良くするには、砥石送りを小さくする必要があり、加工時間が大幅に延びてしまう。さらに、砥石軸６１が細くなり、砥石６０の撓み精度がでず、高負荷研削が行えない。

したがって、既存の加工装置を用いて凹部１５を含む複雑な形状のカムロブ１３を成形しようとすると、大きさや形状の異なる複数の砥石５０、６０を組み合わせて使用したり、両側の凹部１５を成形するためにワークＷを掴み替える必要も生じ、個別的かつ断続的な加工となり、生産効率が低下する。また、ワークＷの位置決め誤差等により各加工部のつなぎ目が生じて、加工精度が低下する。

これに対し、上述した本実施形態の加工装置１および加工方法では、予め凹部１５を含むカムロブ１３のカムプロフィール部１４に対応する形状の切刃部２１を有するブローチ工具２０を準備しておき、このブローチ工具２０の切刃部２１にワークＷを押し込んで、ブローチ工具２０とワークＷとを相対的に移動させて、ワークＷのカムプロフィール部１４と凹部１５とを段階的に加工するので、ワークＷを掴み替えるという面倒な作業が不要となり、１回のチャックで段階的にカムプロフィール部１４と凹部１５との加工を精度よく滑らかに加工することができ、生産効率も極めて高いものとなる。

本発明は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の技術的思想内において当業者により種々変更が可能である。例えば、前述した実施形態は、カムシャフトをワークとしているが、場合によってはクランクシャフトの一部に凹部を形成する場合にも使用することができ、必ずしもカムシャフトのみに限定されるものではない。

本発明は、カムロブに凹部を有するカムシャフトを簡単に精度よく製造する場合に利用できる。

本発明に係るワークの加工装置を模式的に示す概略構成図である。 本実施形態におけるカムシャフトの外観を示す斜視図である。 本実施形態におけるカムロブの形状を示す概略図である。 本実施形態の加工装置の要部の構造を示す概略構成図および拡大図である。 切刃部の断面構造を示す要部拡大図である。 駆動装置の制御系を示すブロック図である。 既存の加工装置において、大型の円盤砥石の回転軸とワークの回転軸とが平行な場合の加工状況を示す概略図である。 既存の加工装置において、大型の円盤砥石の回転軸とワークの回転軸とが直交する場合の加工状況を示す概略図である。 既存の加工装置において、小径の砥石でワークの凹部を形成する場合の加工状況を示す概略図である。

符号の説明

１…加工装置、
１０…カムシャフト、
１１…軸部（ジャーナル）、
１３…カムロブ、
１４…外部輪郭（カムプロフィール）、
１５…凹部、
２０…ブローチ工具、
２１…切刃部、
３０…駆動装置、
３２…シャフト送り装置、
３３…割り出し機構、
３４…制御部、
Ｗ…ワーク。

Claims (8)

1. 軸部より軸直角方向に突出する被加工部を有するワークの、前記被加工部の外周面に前記軸部の軸線方向に沿って凹部を形成するワークの加工方法であって、
   前記凹部を含む被加工部の外部輪郭に対応する形状の切刃部を有するブローチ工具を準備する工程と、
   当該ブローチ工具の切刃部に前記ワークを押し込み、前記ブローチ工具と前記ワークとを相対的に移動させ、前記切刃部の形状に前記被加工部の外周面を成形するブローチ加工工程と、
   を有することを特徴とするワークの加工方法。
2. 前記ブローチ加工工程は、前記ワークを前記切刃部に押し込む側から引き抜く側に向かって徐々に縮径された複数の前記切刃部により前記被加工部の外周面を段階的に成形することを特徴とする請求項１に記載のワークの加工方法。
3. 軸部より軸直角方向に突出する被加工部を有するワークの、前記被加工部の外周面に前記軸部の軸線方向に沿って凹部を形成するワークの加工装置であって、
   前記凹部を含む被加工部の外部輪郭に対応する形状の切刃部を有するブローチ工具と、
   当該ブローチ工具の切刃部に前記ワークを押し込み、前記ブローチ工具と前記ワークとを相対的に移動させる駆動装置と、
   を有することを特徴とするワークの加工装置。
4. 前記ブローチ工具は、前記ワークを前記切刃部に押し込む側から引き抜く側に向かって段階的に縮径された複数の前記切刃部を有することを特徴とする請求項３に記載のワークの加工装置。
5. 前記切刃部は、逃げ角を、刃先における前記軸部の軸線に沿う面に対し０度〜３度としたことを特徴とする請求項３又は４に記載のワークの加工装置。
6. 前記切刃部は、すくい角を、刃先に立てた前記軸部の軸線に直交する面に対し０度〜５度としたことを特徴とする請求項３又は４に記載のワークの加工装置。
7. 前記駆動装置は、軸線方向に相互に離間して設けられた複数の前記ワークの被加工部を、前記軸線を中心に回転し、前記ブローチ工具による加工位置に位置させる割り出し機構を有することを特徴とする請求項３に記載のワークの加工装置。
8. 前記駆動装置は、前記ワークの被加工部を軸線方向に移動する速度と、前記割り出し機構を制御する制御部を有することを特徴とする請求項３又は７に記載のワークの加工装置。

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