JP2009285742A - ピストン加工装置及びピストン加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ピストン素材の外周面を三次元形状に高精度に加工でき、これにより燃費の向上、省エネになるピストンを加工する。
【解決手段】ピストン素材４０を着脱できるワークヘッド部１３と、ワーク回転手段１４と、研削砥石２５と、砥石回転手段と、研削砥石２５をＸ軸方向及びＺ軸方向に移動する第１移動手段及び第２移動手段と、ワークヘッド部１３の回転角度を検知する回転角度検知手段と、ピストン素材４０の回転軸中心から研削砥石２５の研削面２５ａまでの距離を検知する第１移動位置検知手段と、ピストン素材４０の回転軸方向に対する研削砥石２５の研削面２５ａの位置を検知する第２移動位置検知手段と、ピストン素材４０の外周面４０ａの各位置における、ピストン素材４０の回転軸中心から研削砥石４０の研削面４０ａまでの目標距離情報に基づいて研削砥石４０の研削を制御する制御部とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、ピストンの外周面を加工するピストン加工装置及びピストン加工方法に関する。

内燃機関のシリンダ室を移動するピストンは、その外周面の形状が燃焼時の熱膨張等の影響を配慮してシリンダ室の内面との隙間が全ての領域で均一になるよう設定することが望ましい。そのため、ピストン素材の外周面の形状を三次元的（基準楕円周面や基円周面に対して変化を有する形状）に加工する必要があり、従来では、旋盤や切削加工機を用いて行われていた（特許文献１、２参照）。
ＵＳ６，６６６，１１８Ｂ２号公報 特開平５−８４６０２号公報

しかしながら、旋盤による加工では、ピストン素材の外周面をバイトで削るため、高精度な三次元加工が出来ない。しかも、外周面の表面粗度が荒いという問題があった。

また、切削加工機による加工も、ピストン素材の外周面を刃具で削るため、高精度な三次元加工が出来ず、外周面の表面粗度も荒くなるという問題があった。

そこで、本発明は、ピストン素材の外周面を三次元形状に高精度に加工でき、これにより燃費の向上、省エネになるピストンを加工できるピストン加工装置及びピストン加工方法を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、ワーク側基台に設けられ、ピストン素材を着脱できるワークヘッド部と、ワークヘッド部を回転駆動できるワーク回転手段と、砥石側基台に設けられた研削砥石と、研削砥石を回転駆動できる砥石回転手段と、ワークヘッド部と研削砥石の少なくともいずれか一方を近接・離間方向に移動し、ピストン素材の回転軸中心から研削砥石の研削面までの距離を可変できる第１移動手段と、ワークヘッド部と研削砥石の少なくともいずれか一方を第１移動手段の移動方向の直交方向に移動し、ピストン素材の回転軸方向に対する研削砥石の研削面の位置を可変できる第２移動手段と、ワークヘッド部の回転角度を検知する回転角度検知手段と、ピストン素材の回転軸中心から研削砥石の研削面までの距離を検知する第１移動位置検知手段と、ピストン素材の回転軸方向に対する研削砥石の研削面の位置を検知する第２移動位置検知手段と、ピストン素材の外周面の各位置における、ピストン素材の回転軸中心から研削砥石の研削面までの目標距離情報を持ち、この目標距離情報となるようピストン素材の外周面の全域を研削砥石によって研削するよう制御する制御部とを備えたことを特徴とするピストン加工装置である。

請求項２の発明は、請求項１に記載のピストン加工装置であって、ピストン素材の外周面に対する研削砥石の接触領域が可変するよう揺動できる砥石揺動手段と、砥石揺動手段による揺動位置を検知する揺動位置検知手段とを備え、研削砥石がピストンの外周面に接触する領域を可変できることを特徴とするピストン加工装置である。

請求項３の発明は、ワーク側基台に設けられ、ピストン素材を着脱できるワークヘッド部と、ワークヘッド部を回転駆動できるワーク回転手段と、砥石側基台に設けられた研削砥石と、研削砥石を回転駆動できる砥石回転手段と、ワークヘッド部と研削砥石の少なくともいずれか一方を近接・離間方向に移動し、ピストン素材の回転軸中心から前記研削砥石の研削面までの距離を可変できる第１移動手段と、ワークヘッド部と研削砥石の少なくともいずれか一方を第１移動手段の移動方向の直交方向に移動し、ピストン素材の回転軸方向に対する研削砥石の研削面の位置を可変できる第２移動手段と、ワークヘッド部の回転角度を検知する回転角度検知手段と、ピストン素材の回転軸中心から研削砥石の研削面までの距離を検知する第１移動位置検知手段と、ピストン素材の回転軸方向に対する研削砥石の研削面の位置を検知する第２移動位置検知手段と、回転角度検知手段、第１移動位置検知手段及び第２移動位置検知手段の各検知情報を取得し、ワーク回転手段、砥石回転手段、第１移動手段及び第２移動手段の駆動を制御する制御部とを備え、制御部は、ピストン素材の外周面の各位置における、ピストン素材の回転軸中心から研削砥石の研削面までの目標距離情報を持ち、この目標距離情報となるようピストン素材の外周面の全域を研削砥石によって研削するよう制御することを特徴とするピストン加工方法である。

請求項４の発明は、請求項３に記載のピストン加工方法であって、ピストン素材の外周面に対する研削砥石の接触領域が可変するよう揺動できる砥石揺動手段と、砥石揺動手段による揺動位置を検知する揺動位置検知手段とを備え、制御部は、荒削り加工と仕上げ加工では、研削砥石の研削面がピストンの外周面に対して異なる領域で接触するよう砥石揺動手段の駆動を制御したことを特徴とするピストン加工方法である。

請求項１及び請求項３の発明によれば、第２移動位置検知手段及び回転角度検知手段の検知情報より研削砥石の研削面に対向するピストン素材の全ての外周面の位置情報を得ることができ、これら位置情報における第１移動方向の目標情報に基づいて第１移動手段を制御することによってピストン素材の外周面を三次元形状（基準楕円周面や基準円周面に対して変化を有する形状）に加工できる。ピストン素材の外周面は研削砥石で研削され、研削砥石による研削加工は高精度で、且つ、表面粗度が細かい。従って、ピストン素材の外周面を三次元形状に高精度に加工でき、これにより燃費の向上、省エネになるピストンを加工できる。

請求項２及び請求項４の発明によれば、研削砥石の研削面を荒削り加工領域と仕上げ加工領域に区分けし、先ず荒削り加工領域で荒削りを施し、その後に仕上げ加工領域で仕上げ加工をすれば、仕上げ加工を荒削りでダメージを受けてない領域で行うことにより、ピストン素材の外周面を更に高精度で、しかも、表面粗度の細かいものに加工できる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明の一実施形態を示し、図１はピストン加工装置の概略平面図、図２はピストン加工装置の概略回路ブロック図、図３（ａ）は研削砥石の要部拡大図、図３（ｂ）は荒削り加工時の研削砥石とピストン素材の外周面間の接触位置を示す図、図３（ｃ）は仕上げ加工時の研削砥石とピストン素材の外周面間の接触位置を示す図である。

図１及び図２に示すように、ピストン加工装置１は、ワーク側基台１０と砥石側基台２０とを備えている。ワーク側基台１０上にはヘッド支持台１１と位置測定部１２が設けられている。ヘッド支持台１１にはワークヘッド部１３が回転自在に支持されている。ワークヘッド部１３は、ピストン素材４０を着脱自在に構成されている。ピストン素材４０は、アルミニューム合金製であり、その外周面の中心軸がワークヘッド部１３の回転中心に一致する状態で装着される。ワークヘッド部１３は、ワーク回転手段１４によってＣ軸方向に回転駆動される。ワークヘッド部１３の回転駆動によってピストン素材４０が回転し、ワークヘッド部１３の回転角度、ひいては、ピストン素材４０の回転角度が変化する。ワークヘッド部１３の回転角度は、回転角度検知手段３０によって検知される。

砥石側基台２０には回転軸２１を揺動支点として回転部２２が揺動自在に支持されており、この回転部２２には砥石装着ヘッド部２３が固定されている。回転部２２及び砥石装着ヘッド部２３は砥石揺動手段２４によってＢ軸方向に揺動される。砥石装着ヘッド部２３、ひいては研削砥石２５の揺動位置は、揺動位置検知手段３１によって検知される。又、砥石装着ヘッド部２３には、研削砥石２５が回転自在に支持されている。この研削砥石２５は、円板状の回転中心を支点として砥石回転手段２６によって回転駆動される。研削砥石２５は、円板状であり、その外周面が研削面２５ａである。研削面２５ａは、図３（ａ）に詳しく示すように、円弧面に形成されている。これにより、研削砥石２５の揺動移動によって異なる領域でピストン素材４０の外周面４０ａに接触できるようになっている。この実施形態では、研削面２５ａの中央領域を仕上げ領域として、研削面２５ａの両側領域を荒削り領域として利用する（図３（ａ）参照）。

又、砥石側基台２０は、ワークヘッド部１３に対し近接したり、離間したりする近接・離間方向（Ｘ軸方向）に第１移動手段２７によって移動できる構成されている。これにより、研削砥石２５は、ピストン素材４０の回転軸中心（Ｃ軸方向）から研削砥石２５の研削面２５ａまでの距離を可変できる。第１移動手段２７によって研削砥石２５の研削面２５ａがＸ軸方向に変移し、このＸ軸方向の位置は第１移動位置検知手段３２によって検知される。砥石側基台２０は、第１移動手段２７の移動方向の直交方向（Ｚ軸方向）に第２移動手段２８によって移動できるよう構成されている。これにより、研削砥石２５は、ピストン素材４０の回転軸方向（Ｚ軸方向）に対する位置を可変できる。第２移動手段２８によって研削砥石２５の研削面２５ａがＺ軸に変移し、このＺ軸方向の位置は第２移動位置検知手段３３によって検知される。

次に、ピストン加工装置１の概略回路系を説明する。第１移動位置検知手段３２、第２移動位置検知手段３３、回転角度検知手段３０及び揺動位置検知手段３１の各検知情報は制御部３５に入力される。制御部３５は、図示しない内蔵メモリを有する。この内蔵メモリには、ピストン素材４０の外周面４０ａの全域の位置情報（Ｚ軸位置，Ｃ軸位置）と、これら位置に対応するピストン素材４０の回転軸中心から研削砥石２５の研削面２５ａまでの目標距離情報（Ｘ軸位置）が格納されている。つまり、ピストン素材４０の外周面４０ａの三次元加工情報である。制御部３５は、この目標距離情報となるようピストン素材４０の外周面４０ａの全域を研削砥石２５によって研削するべく、第１移動手段２７、第２移動手段２８、ワーク回転手段１４、砥石回転手段２６及び砥石揺動手段２４の駆動を制御する。この制御内容については、下記の加工作業の箇所で説明する。

次に、ピストン加工装置１による加工作業の一例を簡単に説明する。先ず、例えば鋳造によって作製されたピストン素材４０をワークヘッド部１３に装着する。次に、ワーク回転手段１４によってピストン素材４０を回転し、砥石回転手段２６によって研削砥石２５を回転する。図３（ｂ）に示すように、研削砥石２５の研削面２５ａの荒削り領域がピストン素材４０の外周面４０ａに接触するよう砥石揺動手段２４によって揺動角を調整する。

次に、第２移動手段２８の駆動によって研削砥石２５の研削面２５ａがピストン素材４０の外周面４０ａの全域に順次対向配置するよう移動させる。この第２移動手段２８の駆動過程にあって、第１移動位置検知手段３３及び回転角度家位置手段３０の検知情報よりピストン素材４０の外周面４０ａの位置座標（Ｚ軸，Ｃ軸）を認識し、この位置座標に対応する目標距離情報（Ｘ軸）に基づき第１移動手段２７を移動する。これにより、研削砥石２５によりピストン素材４０の外周面４０ａが研削される。このような制御をピストン素材４０の外周面４０ａの全域について行い、ピストン素材４０の外周面４０ａの全域について荒削りを行う。

次に、図３（ｃ）に示すように、研削砥石２５の研削面２５ａの仕上げ領域がピストン素材４０の外周面４０ａに接触するよう砥石揺動手段２４によって揺動角を調整する。そして、上記荒削り加工と同様の動作によってピストン素材４０の外周面４０ａの全域を仕上げ加工する。

ピストン加工装置１による加工が終了すると、ピストン素材４０の表面にダイヤモンドライクコーテング（ＤＬＣ）処理等を行う。尚、ダイヤモンドライクコーテング（ＤＬＣ）処理等は、行ない場合もある。

以上説明したように、ピストン素材４０を装着するワークヘッド部１３と、これを回転するワーク回転手段１４と、研削砥石２５と、これを回転する砥石回転手段２６と、ピストン素材４０の回転軸中心から研削砥石の研削面までの距離を可変できる第１移動手段２７と、ピストン素材４０の回転軸方向に対する研削砥石２５の研削面２５ａの位置を可変できる第２移動手段２８と、ワークヘッド部１３の回転角度を検知する回転角度検知手段３０と、ピストン素材４０の回転軸中心から研削砥石２５の研削面２５ａまでの距離を検知する第１移動位置検知手段３２と、ピストン素材４０の回転軸方向に対する研削砥石２５の研削面２５ａの位置を検知する第２移動位置検知手段３３と、これらを制御等する制御部３５とを備えている。従って、第２移動位置検知手段３３及び回転角度検知手段３０の検知情報より研削砥石２５の研削面２５ａに対向するピストン素材４０の全ての外周面４０ａの位置情報を得ることができ、これら位置情報におけるＸ軸方向の目標距離情報に基づいて第１移動手段２７を制御することによってピストン素材４０の外周面４０ａを三次元形状（基準楕円周面や基準円周面に対して変化を有する形状）に加工できる。ピストン素材４０の外周面４０ａは研削砥石２５で研削され、研削砥石２５による研削加工は高精度で、且つ、表面粗度を細かくできる。従って、ピストン素材４０の外周面４０ａを三次元形状に高精度に加工でき、これにより燃費の向上、省エネになるピストンを加工できる。

この実施形態では、ピストン素材４０の外周面４０ａに対する研削砥石２５の接触領域が可変するよう揺動できる砥石揺動手段２４と、砥石揺動手段２４による揺動位置を検知する揺動位置検知手段３１とを備え、研削砥石２５がピストン素材４０の外周面４０ａに接触する領域を可変できる。そして、研削砥石２５の研削面２５ａを荒削り加工と仕上げ加工に区分けし、先ず荒削り加工領域で荒削り加工を施し、その後に仕上げ加工領域で仕上げ加工をするため、仕上げ加工を荒削りでダメージを受けてない領域で行うことから、ピストン素材４０の外周面４０ａを更に高精度で、しかも、表面粗度の細かいものに加工できる。

尚、前記実施形態によれば、第１移動手段２７は、砥石側基台２０、つまり、研削砥石２５側を移動するよう構成されているが、ワークヘッド部１３側のみを移動しても、又、ワークヘッド部１３側と研削砥石２５側の双方を近接・離間方向（Ｘ軸方向）に移動するよう構成しても良い。

尚前記実施形態によれば、第２移動手段２８は、砥石側基台２０、つまり、研削砥石２５側を移動するよう構成されているが、ワークヘッド部１３側のみを移動しても、又、ワークヘッド部１３側と研削砥石２５の双方をピストン素材４０の回転軸方向（Ｚ軸方向）に移動するよう構成しても良い。

本発明の一実施形態を示し、ピストン加工装置の概略平面図である。 本発明の一実施形態を示し、ピストン加工装置の概略回路ブロック図である。 本発明の一実施形態を示し、（ａ）は研削砥石の要部拡大図、（ｂ）は荒削り加工時の研削砥石とピストン素材の外周面間の接触位置を示す図、（ｃ）は仕上げ加工時の研削砥石とピストン素材の外周面間の接触位置を示す図である。

符号の説明

１ ピストン加工装置
１０ ワーク側基台
１３ ワークヘッド部
１４ ワーク回転手段
２０ 砥石側基台
２４ 砥石揺動手段
２５ 砥石
２５ａ 研削面
２６ 砥石回転手段
２７ 第１移動手段
２８ 第２移動手段
３０ 回転角度検知手段
３１ 揺動位置検知手段
３２ 第１移動位置検知手段
３３ 第２移動位置検知手段
３５ 制御部
４０ ピストン素材
４０ａ 外周面

Claims (4)

1. ワーク側基台に設けられ、ピストン素材を着脱できるワークヘッド部と、
   前記ワークヘッド部を回転駆動できるワーク回転手段と、
   砥石側基台に設けられた研削砥石と、
   前記研削砥石を回転駆動できる砥石回転手段と、
   前記ワークヘッド部と前記研削砥石の少なくともいずれか一方を近接・離間方向に移動し、前記ピストン素材の回転軸中心から前記研削砥石の研削面までの距離を可変できる第１移動手段と、
   前記ワークヘッド部と前記研削砥石の少なくともいずれか一方を前記第１移動手段の移動方向の直交方向に移動し、前記ピストン素材の回転軸方向に対する前記研削砥石の研削面の位置を可変できる第２移動手段と、
   前記ワークヘッド部の回転角度を検知する回転角度検知手段と、
   前記ピストン素材の回転軸中心から前記研削砥石の研削面までの距離を検知する第１移動位置検知手段と、
   前記ピストン素材の回転軸方向に対する前記研削砥石の研削面の位置を検知する第２移動位置検知手段と、
   前記ピストン素材の外周面の各位置における、前記ピストン素材の回転軸中心から前記研削砥石の研削面までの目標距離情報を持ち、この目標距離情報となるよう前記ピストン素材の外周面の全域を前記研削砥石によって研削するよう制御する制御部とを備えたことを特徴とするピストン加工装置。
2. 請求項１に記載のピストン加工装置であって、
   前記ピストン素材の外周面に対する前記研削砥石の接触領域が可変するよう揺動できる砥石揺動手段と、
   前記砥石揺動手段による揺動位置を検知する揺動位置検知手段とを備え、
   前記研削砥石が前記ピストンの外周面に接触する領域を可変できることを特徴とするピストン加工装置。
3. ワーク側基台に設けられ、ピストン素材を着脱できるワークヘッド部と、
   前記ワークヘッド部を回転駆動できるワーク回転手段と、
   砥石側基台に設けられた研削砥石と、
   前記研削砥石を回転駆動できる砥石回転手段と、
   前記ワークヘッド部と前記研削砥石の少なくともいずれか一方を近接・離間方向に移動し、前記ピストン素材の回転軸中心から前記研削砥石の研削面までの距離を可変できる第１移動手段と、
   前記ワークヘッド部と前記研削砥石の少なくともいずれか一方を前記第１移動手段の移動方向の直交方向に移動し、前記ピストン素材の回転軸方向に対する前記研削砥石の研削面の位置を可変できる第２移動手段と、
   前記ワークヘッド部の回転角度を検知する回転角度検知手段と、
   前記ピストン素材の回転軸中心から前記研削砥石の研削面までの距離を検知する第１移動位置検知手段と、
   前記ピストン素材の回転軸方向に対する前記研削砥石の研削面の位置を検知する第２移動位置検知手段と、
   前記回転角度検知手段、前記第１移動位置検知手段及び前記第２移動位置検知手段の各検知情報を取得し、前記ワーク回転手段、前記砥石回転手段、前記第１移動手段及び前記第２移動手段の駆動を制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、前記ピストン素材の外周面の各位置における、前記ピストン素材の回転軸中心から前記研削砥石の研削面までの目標距離情報を持ち、この目標距離情報となるよう前記ピストン素材の外周面の全域を前記研削砥石によって研削するよう制御することを特徴とするピストン加工方法。
4. 請求項３に記載のピストン加工方法であって、
   前記ピストン素材の外周面に対する前記研削砥石の接触領域が可変するよう揺動できる砥石揺動手段と、
   前記砥石揺動手段による揺動位置を検知する揺動位置検知手段とを備え、
   前記制御部は、荒削り加工と仕上げ加工では、前記研削砥石の研削面が前記ピストンの外周面に対して異なる領域で接触するよう前記砥石揺動手段の駆動を制御したことを特徴とするピストン加工方法。

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