JP2009297803A

JP2009297803A - 穴加工工具

Info

Publication number: JP2009297803A
Application number: JP2008152123A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Nareta; 建一馴田; Mitsuhiro Mitamura; 実浩御田村
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp; Mitsubishi Materials Tools Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp; Mitsubishi Materials Tools Corp
Priority date: 2008-06-10
Filing date: 2008-06-10
Publication date: 2009-12-24

Abstract

【課題】ステムガイド穴の仕上げ加工をするに際し、加工穴の仕上げ面の面粗度を、潤滑油を確保するのに最適な範囲に制御し、ステムガイド穴の焼き付きを防止することが可能な穴加工工具を提供する。
【解決手段】被切削材に予め形成された下穴に挿入されて、該下穴の内壁面を切削して加工穴を形成するリーマにおいて、切刃３１と３つのベアリング部２６を周方向に等間隔に形成し、各ベアリング部２６の表面粗さをＲｚ値にて１．１〜１．４μｍの範囲内に設定するとともに、複数のベアリング部２６の工具周方向の幅の和Ｗ２６を、切刃３１の外径Ｄに対して０．１５×Ｄ〜０．４５×Ｄｍｍの範囲内に設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、被切削材に予め形成された下穴に挿入されて、下穴の内壁面を切削加工する際に用いられる穴加工工具に関する。

この種の穴加工工具としては、軸線回りに回転される長尺円柱状の工具本体の先端部に切刃が備えられたリーマが一般的に知られている。このリーマが、軸線回りに回転されるとともに軸線方向に送りを与えられ、被切削材に予め形成された下穴に挿入されて、該下穴の内壁面を刃先部に形成された切刃によって切削することによって、例えばエンジンにおけるバルブの軸部が摺動する際にガイドされるステムガイド穴が所定の内径に加工される。

このようなリーマは仕上げ加工として使用されるため、従来は加工穴の仕上げ面の面粗さについては、より精度を高くすることのみが求められていた。そこでこのような要求に応える高精度のリーマとして、例えば特許文献１に示すものが提案されている。

特許文献１のリーマは、図４に示すように、円柱形状をなす工具本体１の先端に刃部２が設けられており、この刃部２の外周に工具本体１の軸線Ｏ方向に沿って切屑排出溝３が形成され、この切屑排出溝３の工具回転方向を向く面に工具径方向外側に向けて切刃４が備えられている。
一方、刃部２の外周には、切屑排出溝３の工具回転方向後方側に連なるようにしてマージン部５が形成されているとともに、該マージン部５の工具回転方向後方側の外周には工具周方向に幅広のベアリング部６が形成されている。また、ベアリング部６のさらに工具回転方向後方側の外周面には、切屑排出溝３の工具回転方向側に連なるようにしてパット部７が形成されている。

このような高精度リーマを用いた切削加工においては、マージン部５、ベアリング部６及びパット部７が、切刃４により切削加工された加工穴の内周面に摺接することになる。これにより、いわゆるバニシング効果によって平滑な仕上げ面が得られるとともに、刃部２が軸線Ｏに沿って案内されることによって工具本体１の直進性が確保される。また、この高精度リーマにおいては、ベアリング部６の位置、マージン部５及びパット部７の工具周方向の幅の大きさの最適化が施されており、これによって、特に仕上げ面の面粗度においては２〜４μｍといった極めて高い精度を実現することが可能となっている。
特開平８−５２６１７号公報

ところで、上記のような高精度リーマでこのステムガイド穴の仕上げ加工をした場合には、却ってバルブのステムがステムガイド穴に焼き付きを生じてしまうことがあった。
一方、一般的なリーマを用いて仕上げ加工をした場合には、加工穴の仕上げ面が必要以上に粗くなってやはり焼き付きを生じてしまい、ステムガイド穴の仕上げ加工として好ましくない。

この発明はこのような事情に基づいてなされたものであって、エンジン稼動時におけるステムガイド穴の焼き付きを防止することが可能な穴加工工具を提供することを目的とする。

ここで、本発明の発明者らがこのようなステムガイド穴について鋭意研究を重ねたところ、ステムガイド穴の焼き付きを防止するためには、該ステムガイド穴の内周面に潤滑油を保持するための微細な凹凸を形成する必要があり、リーマによる仕上げ加工において、一定範囲に制御された面粗度、即ち、４μｍを超え８μｍ以下の範囲内の面粗度を付与する必要があるという知見を得るに至った。

そこで、前記課題を解決するため、この発明は上記知見に基づき以下の手段を提案している。
即ち、本発明に係る穴加工工具は、軸線回りに回転される工具本体を有し、この工具本体の先端に設けられた加工部に、工具後端側に向けて延びる切屑排出溝が形成され、この切屑排出溝の工具回転方向を向く壁面の先端外周側に切刃を備え、被切削材に予め形成された下穴に挿入されて、該下穴の内壁面を切削して加工穴を形成する穴加工工具であって、前記加工部の外周面に前記軸線方向に延びる複数のベアリング部が形成され、これらベアリング部は前記切刃と略等しい外径で前記軸線を中心とした断面円弧状をなすとともに、工具周方向に間隔を空けて配置されており、各前記ベアリング部の表面粗さがＲｚ値にて１．１〜１．４μｍの範囲内に設定されているとともに、複数の前記ベアリング部の工具周方向の幅の和が、前記切刃の外径Ｄに対して０．１５×Ｄ〜０．４５×Ｄｍｍの範囲内に設定されていることを特徴としている。

このような特徴の穴加工工具によれば、仕上げ加工の際に被切削材の下穴はベアリング部によるバニシング効果の寄与を受けることになるが、当該ベアリング部の表面粗さが上記範囲内に設定されていることから、加工穴が平滑になり過ぎるのを回避することができる。さらに、複数のベアリング部の工具周方向の幅の和が上記範囲内に設定されていることから、加工穴とベアリング部との接触度合いを一定範囲に抑えることができ、ベアリング部によって加工穴の面粗さが必要以上に大きくなるのを抑制することが可能になる。
これにより、加工穴の仕上げ面の面粗度を、十分な量の潤滑油を保持するために最適な４μｍを超え８μｍ以下の範囲内に制御することが可能となる。

また、本発明に係る切削工具においては、前記切刃と前記ベアリングとが、工具周方向に等間隔に配置されていることを特徴としている。
これによって、加工穴の円筒度を維持しながら仕上げ面の面粗度を確実に４μｍを超え８μｍ以下の範囲内に制御することができる。

本発明に係る穴加工工具によれば、ベアリング部の表面粗さ及び周方向の幅の和を一定範囲内に設定することにより、加工穴の仕上げ面の面粗度をステムガイド穴が潤滑油を確保するのに最適な範囲に制御して、エンジン稼動時にステムガイド穴が焼き付くのを防止することができる。

以下、本発明の穴加工工具の実施の形態であるリーマについて、図１及び図２を用いて詳細に説明する。図１は本発明の実施形態であるリーマの側面図であり、図２は本発明の実施形態であるリーマの正面図である。

本実施形態のリーマは、図１に示すように、軸線Ｏを中心とする長尺円柱状をなすとともに軸線Ｏ回りに工具回転方向Ｔに回転される工具本体１０を有しており、この工具本体１０の後端側（図１において上側）がシャンク部１１とされ、工具本体１０の先端側（図１において下側）が加工部２０とされている。

シャンク部１１は、鋼材等で構成されており、その先端面には中央部分がシャンク部１１の後端側に向けてＶ字型に凹んだＶ字溝１２が、その溝底部を軸線Ｏに直交させてＶ字の二等分線が軸線Ｏ上に位置するように形成されている。
さらに、シャンク部１２の後端面１３から先端側に向かって軸線Ｏに沿って貫通するようにしてクーラント供給孔１４が穿設されており、該クーラント供給孔１４は先端側においてＶ字溝１２に開口している。

加工部２０は、超硬合金で構成された軸線Ｏを中心とする略円柱状をなしており、後端面には、シャンク部１１先端面に形成されたＶ字溝１２に嵌合可能な断面凸Ｖ字状の凸状部２１が、そのＶ字の稜線をやはり軸線Ｏに直交させてＶ字の二等分線が軸線Ｏ上に位置するように形成されている。この凸状部２１とＶ字溝１２とがろう付けされることによって加工部２０とシャンク部１１とが固定一体化されている。

加工部２０の外周には、軸線Ｏに直交する断面において、加工部２０の外周を工具径方向外側に向けて略Ｌ字状に切り開いた形状の切屑排出溝２２が、加工部２０の先端から後端側に向かって延びるように設けられている。

また、加工部２０には、軸線Ｏに沿って延びるように穿設されて、後端部において凸状部２１に開口して、シャンク部１１のクーラント供給孔１４に連通される連通路２４が設けられている。
さらに、この連通路２４からそれぞれ径方向外側に向けて延びて、切屑排出溝２２の工具回転方向Ｔ後方側を向く面に開口する１つの切刃用クーラント排出孔２５ａと、後述する外周逃げ面２０ａのうち工具回転方向Ｔ後方側に位置する２つの外周逃げ面２０ａに開口する２つの外周用クーラント排出孔２５ｂとが穿設されている。

この切屑排出溝２２の先端部は切刃部３０とされており、切屑排出溝２２の工具回転方向Ｔの前方側を向く壁面の先端外周側の辺稜部に切刃３１が設けられている。即ち、切刃３１は加工部２０に一体成形されており、これにより切刃３１も加工部２０と同様に超硬合金によって形成されている。

加工部２０の外周には、軸線Ｏを中心とする断面円弧状をなして軸線Ｏに略平行に延びるベアリング部２６が、切屑排出溝２２の工具回転方向Ｔ前方側を向く面を基準として工具周方向に９０°の間隔を空けて３つ設けられている。
このベアリング部２６は、当該ベアリング部２６が形成されている部分を残して加工部２０の外周を面取りした上で、軸線Ｏを中心とした円筒研磨を加工部２０に施すことにより形成されている。なお、この面取りによってベアリング部２６から径方向内側に一段凹んだ部分は外周逃げ面２７とされている。

ここで、軸線Ｏに直交する断面において、ベアリング部２６の外周面と軸線Ｏとの距離は、切刃３１と軸線Ｏの距離と略同一に設定されている。また、各ベアリング部２６の工具周方向の幅Ｗ２６は全て等しい幅に形成されており、本実施形態においては、各切刃３１の幅Ｗ２６の和は外径Ｄに対して０．１５×Ｄ〜０．４５×Ｄの範囲内、より好ましくは０．２７３×Ｄとなるように設定されている。

さらに、各ベアリング部２６の外周表面には、所定のメッシュ（粒度）の砥粒を用いた砥石による研磨加工が施されることによってある程度の面粗さが付与されている。当該砥石加工に際しては、例えば粒度２００メッシュ、３２５メッシュ等の砥石が用いられ、これによりベアリング部２６の表面粗さは、ＪＩＳＢ０６０１：２００１における最大高さ粗さＲｚ値にて１．１μｍ〜１．４μｍの範囲内、より好ましくは１．１７９μｍ〜１．３８９μｍの範囲内に設定されている。

また、加工部２０の外周面における切屑排出溝２２に接する工具回転方向Ｔ後方側に連なる縁部には、外周面が切刃３１よりも僅かに小さな外径で軸線Ｏを中心とした断面円弧状をなすマージン部２８が該切屑排出溝２２の工具回転方向Ｔ前方側を向く面の外周側稜線部に交差するように設けられている。
従って、マージン部２８は、工具周方向に９０°の間隔で配置された３つのベアリング部２６のうち工具周方向両端の２つのベアリング部２６とそれぞれ９０°の間隔で配置されることになり、即ち本実施形態においては、マージン部２８と各ベアリング部２６とが加工部２０の外周を均等に４分割するように配置されている。

以下、本発明の穴加工工具の実施の形態であるリーマを用いた切削加工について説明する。本実施形態のリーマは、先端部外周に切削インサートが配備された切削工具の先端に装着される。そしてこの切削工具が工作機械の主軸端に取り付けられて、軸線Ｏ回りに回転されるとともに軸線Ｏ先端方向に向けて送られて、リーマの工具本体１０がステムガイド穴（被切削材に形成された下穴）に挿入される。

この際、切削油剤が工作機械からパイプを通じてシャンク部１０のクーラント供給孔１４に供給されて加工部２０の連通路を介して切刃用クーラント排出孔２５ａ及び外周用クーラント排出孔２５ｂから排出される。
そして、切刃３１が下穴の内周面を切削して加工孔を形成していくとともに、３つのベアリング部２６が加工穴に摺動することによるいわゆるバニシング効果によって仕上げ面をが形成されていく。

ところで、このリーマの切削対象となるステムガイド穴は、稼動時のバルブの軸部の摺動による焼きつきを防止するために、内周面に潤滑油を保持しなければならない。従って、内周面の微細な凹凸によって潤滑油を保持すべく、仕上げ加工においてある程度の面粗さを確保することが要求される。

本実施形態のリーマにおいては、被切削材の下穴は上記のように各ベアリング部２６によるバニシング効果の寄与を受けることになるが、当該ベアリング部２６の表面は、Ｒｚ値にて１．１μｍ〜１．４μｍの範囲内、より好ましくは１．１７９μｍ〜１．３８９μｍの範囲内といったある程度高い表面粗さを有しているため、これと摺動接触するすることにより形成される加工穴が平滑になり過ぎるとを避けることができる。
さらに、各ベアリング部２６の周方向の幅Ｗ２６の和は工具全体として０．１５×Ｄ〜０．４５×Ｄの範囲内、より好ましくは０．２７３×Ｄとなるように設定されている。これにより、ベアリング部２６と被切削材の加工穴との接触度合いを制御され、当該ベアリング部２６の摺動接触によって必要以上に加工穴の面粗さが大きくなるのを抑制することができる。

したがって、本実施形態のリーマを用いての仕上げ加工によれば、上記のようにベアリング部２６の表面粗さと周方向の幅Ｗ２６の和を一定範囲内に設定することで、加工穴の仕上げ面の面粗度を十分な量の潤滑油を保持するために最適な４μｍを超え８μｍ以下の範囲内に制御することできる。これにより、ステムガイド穴は、その内周面にある程度の面粗さが付与されてこれによる凹凸によって潤滑油を保持することができるため、焼き付きを起こすことなくして円滑なエンジンの稼動を行うことが可能となる。

また、上記ベアリング部２６が、工具周方向に９０°の間隔で等間隔に配設されていることで、工具回転時の重心バランスを維持することができ、効果的に振れの発生を防止して加工穴の円筒度を高いものとすることができる。

以上、本発明の実施の形態であるリーマについて説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、本実施形態においては、外周用クーラント排出孔２５ｂは２つが形成されているが、３つ以上形成されたものであってもよい。
また、ベアリング部２６が３つ形成されたものに限られず、複数のベアリング部２６の周方向の幅の和が０．１５×Ｄ〜０．４５×Ｄの範囲内、より好ましくは０．２７３×Ｄとされている限り、４つ以上形成されたものであってもよい。

焼結合金より成る被切削物にリーマを用いて穴加工を施す場合におけるベアリング部の表面粗さ（Ｒｚ値）についての対照試験を行った。本試験に用いたリーマはいずれも直径５．５ｍｍの一枚刃のリーマであって、その外周面には周方向の幅が等しい３つのベアリング部が設けられている。
本対照試験においては、実施例１のリーマとして、各ベアリング部の周方向の幅を５ｍｍとするとともに該ベアリング部の表面に粒度３２５メッシュの砥石で砥石加工を施すことで表面粗さをＲｚ値にて１．１７９μｍとしたものを、実施例２のリーマとして、各ベアリング部の周方向の幅を５ｍｍとするとともにベアリング部の表面に粒度２００メッシュの砥石で砥石加工を施すことで表面粗さをＲｚ値にて１．３８９μｍとしたものを、それぞれ用意した。なお、これら実施例１、２のリーマでは、ベアリング部の周方向の幅の和は、切刃外径Ｄに対して０．２７３×Ｄに設定されている。
また、比較対照例として、表１に示すように、それぞれベアリング部の表面粗さや周方向の幅の大きさを実施例１、２のリーマとは異なるものとした実施例１〜１０のリーマを用意した。
このようなリーマを用いて、それぞれ切削速度を３３ｍ／ｍｉｎ（回転速度０．１６ｍｍ／ｒｅｖ）として計３回の切削試験を行い、これら切削試験後の加工穴の仕上げ面の面粗度を測定した。その結果を図３に示す。

図３に示す測定結果から、比較例１〜４及び比較例６のリーマにおいては、ほぼ全ての切削試験において加工穴の仕上面の面粗度が８μｍを超えている。この場合、仕上面が必要以上に粗くなり焼き付きを生じてしまうため、ステムガイド穴の仕上げ加工を行うには好ましくない。

また、比較例５及び比較例７〜１０のリーマにおいては、ほとんどの切削試験において加工穴の仕上面の面粗度が４μｍ未満となっており、これでは、仕上面が滑らか過ぎて潤滑油を保持することができず、やはり焼き付きを生じてしまうため、ステムガイド穴の仕上げ加工を行うには好ましくない。

一方、実施例１、２のリーマについては、いずれの切削試験においても、加工穴の面粗度は４μｍを超えた値を確保しつつも８μｍ未満の値に抑えられており、即ち、当該面粗度は４μｍ〜８μｍの範囲に制御されたものとなっている。
従って、本実施形態のリーマを適用した実施例１、２のように、各ベアリング部の表面粗さをＲｚ値にて１．１７９μｍ〜１．３８９μｍの範囲に設定し、さらに、これらベアリング部の周方向の幅の和を切刃外径Ｄに対して０．２７３×Ｄに設定することで、加工穴の仕上げ面の面粗度を潤滑油を確保するのに最低な範囲に制御することができることがわかった。

なお、ベアリング部の表面粗さについては、上記のように厳密に１．１７９μｍ〜１．３８９μｍの範囲とせずとも、１．１μｍ〜１．４μｍ程度の範囲内に設定することで上記同様の効果を奏するものと推認される。

また、ベアリング部の周方向の幅については、それらの和を切刃外径Ｄに対して０．２７３×Ｄとすることが有効であることが証明されたが、比較例１〜１０の結果を鑑みるに、これら比較例の各ベアリング部の幅０．２ｍｍ及び０．９ｍｍの間、即ち、例えば０．３ｍｍ〜０．８ｍｍ程の範囲内に各ベアリング部の幅を設定しても同様の効果を奏するものと予測される。従って、各ベアリング部の幅が０．３ｍｍ〜０．８ｍｍ程度、即ち、各ベアリング部の周方向の幅の和が切刃外径Ｄに対して０．１５×Ｄ〜０．４５×Ｄの範囲内に設定することでも、加工穴の仕上げ面の面粗度を潤滑油を確保するのに最低な範囲に制御できることが推認される。

本発明の実施形態であるリーマの側面図である。本発明の実施形態であるリーマの正面図である。実施例１、２及び比較例１〜１０により切削試験を行った際の面粗度の測定値である。従来の高精度リーマの正面図である。

符号の説明

１０工具本体
２０加工部
２２切屑排出溝
２６ベアリング部
３１切刃
Ｗ２６ベアリング部の工具周方向の幅
Ｏ軸線

Claims

軸線回りに回転される工具本体を有し、この工具本体の先端に設けられた加工部に、工具後端側に向けて延びる切屑排出溝が形成され、この切屑排出溝の工具回転方向を向く壁面の先端外周側に切刃を備え、被切削材に予め形成された下穴に挿入されて、該下穴の内壁面を切削して加工穴を形成する穴加工工具であって、
前記加工部の外周面に前記軸線方向に延びる複数のベアリング部が形成され、
これらベアリング部は前記切刃と略等しい外径で前記軸線を中心とした断面円弧状をなすとともに、工具周方向に間隔を空けて配置されており、
各前記ベアリング部の表面粗さがＲｚ値にて１．１〜１．４μｍの範囲内に設定されているとともに、複数の前記ベアリング部の工具周方向の幅の和が、前記切刃の外径Ｄに対して０．１５×Ｄ〜０．４５×Ｄｍｍの範囲内に設定されていることを特徴とする穴加工工具。
前記切刃と前記ベアリングとが、工具周方向に等間隔に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の穴加工工具。