JP2013233582A - 微細凹部加工装置及び微細凹部加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被加工物の表面硬さが部分的に異なる場合でも微細凹部を均一に形成する機能を備えたうえで、設備費の低減や加工時間の短縮を実現することができる微細凹部加工装置及微細凹部加工方法を提供する。
【解決手段】微細凹部形成用の凹凸を有する加工ローラ１を被加工物Ｗに押付けて微細凹部を形成するローラ押圧機構２と、ローラ押圧機構２による加工ローラ１の押圧力を検出する荷重検出手段４と、被加工物Ｗに予め付与した表面硬さ判定用の情報Ｍを検出する情報検出手段５と、荷重検出手段４及び情報検出手段５の各検出信号に基づいてローラ押圧機構２による加工ローラ１の押圧力を制御する制御手段６を備えた。
【選択図】図９

Description

本発明は、例えば、自動車用エンジンを構成するカムシャフトやクランクシャフトなどの各種摺動部品の表面に、油溜まりとして機能する微細凹部を形成するのに用いられる微細凹部加工装置及び微細凹部加工方法に関するものである。

この種の微細凹部加工装置としては、例えば特許文献１に記載されたものがある。特許文献１に記載の微細凹部加工装置は、外周部に微細な凹凸を有する加工ローラを備え、この加工ローラを被加工物に押付けて転動させることにより、被加工物に多数の微細凹部を形成するものである。上記の微細凹部加工装置は、被加工物の表面硬さ分布を測定する渦電流式の非接触式検出器を備えており、この検出器で測定した表面硬さ分布情報などに基づいて、被加工物に対する加工ローラの押圧力をコントロールする。これにより、被加工物の熱処理条件などによって表面硬さが部分的に異なっている場合でも、微細凹部を均一に形成することができる。

特許第４５８７０２６号公報

ところが、上記したような従来の微細凹部加工装置にあっては、被加工物の表面硬さを測定するために渦電流式の非接触式検出器を用いていたため、装置が高価になると共に、表面硬さ測定に時間がかかるので加工時間全体が長くなるという問題点があり、このような問題点を解決することが課題であった。

本発明は、上記従来の課題に着目して成されたものであって、被加工物の表面硬さが部分的に異なる場合でも微細凹部を均一に形成する機能を備えたうえで、設備費の低減や加工時間の短縮を実現することができる微細凹部加工装置及微細凹部加工方法を提供することを目的としている。

本発明に係る微細凹部加工装置は、微細凹部形成用の凹凸を有する加工ローラを被加工物に押付けて微細凹部を形成するローラ押圧機構と、ローラ押圧機構による加工ローラの押圧力を検出する荷重検出手段を備えている。そして、微細凹部加工装置は、被加工物に予め付与した表面硬さ判定用の情報を検出する情報検出手段と、荷重検出手段及び情報検出手段の各検出信号に基づいてローラ押圧機構による加工ローラの押圧力を制御する制御手段を備えた構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。

また、本発明に係る微細凹部加工方法は、被加工物に微細凹部を形成するに際し、被加工物に表面硬さ判定用の情報を付与する工程と、被加工物に付与した情報に基づいて被加工物に微細凹部を形成する工程を備えたことを特徴としている。

本発明に係る微細凹部加工装置及び微細凹部加工方法によれば、被加工物の表面硬さが部分的に異なる場合でも微細凹部を均一に形成する機能を備えたうえで、設備費の低減や加工時間の短縮を実現することができる。

本発明に係る微細凹部加工装置の一実施形態を説明する側面図（Ａ）及び正面図（Ｂ）である。 情報付与手段の一例を示す正面図（Ａ）及び情報検出手段の一例を示す正面図（Ｂ）である。 加工ローラを説明する拡大図付の側面図である。 被加工物の表面硬さの分布を示す正面図（Ａ）及びグラフ（Ｂ）である。 被加工物に形成した情報である線状痕を説明する正面図である。 本発明の微細凹部加工方法の基本構成を説明するフローチャートである。 図１に示す微細凹部加工装置を用いて被加工物に微細凹部を形成する場合の動作説明図（Ａ）〜（Ｆ）である。 加工ローラの押圧力に対する被加工物の表面硬さと微細凹部の深さとの関係を示すグラフである。 本発明に係る微細凹部加工装置の他の実施形態を説明する側面図（Ａ）及び正面図（Ｂ）である。

以下、図面に基づいて、本発明の微細凹部加工装置及び微細凹部加工方法の一実施形態を説明する。この実施形態では、被加工物Ｗが概略円柱状の部材であって、その外周面に多数の微細凹部を形成する。

図１及び図２に示す微細凹部加工装置は、概略として、外周部に微細凹部形成用の凹凸を有する加工ローラ１と、加工ローラ１の外周部を被加工物Ｗに押付けて微細凹部を形成するローラ押圧機構２と、被加工物Ｗを回転可能に保持するワーク保持手段３を備えている。

また、微細凹部加工装置は、ローラ押圧機構２による加工ローラ１の押圧力を検出する荷重検出手段４と、被加工物Ｗに予め形成した表面硬さ判定用の情報（Ｍ）を検出する情報検出手段５と、荷重検出手段４及び情報検出手段５の各検出信号に基づいてローラ押圧機構２による加工ローラ１の押圧力を制御する制御手段６を備えている。さらに、微細凹部加工装置は、より好ましい実施形態として、被加工物Ｗに表面硬さ判定用の情報（Ｍ）を付与する情報付与手段７を備えている。

加工ローラ１は、図３にも示すように、扁平なローラであって、その外周部に微細凹部形成用の凹凸を有している。この凹凸は、微細凹部の反転形状を有する微細凸部を円周方向に所定間隔で配列したものである。

ローラ押圧機構２は、ステッピングモータ１１と、ステッピングモータ１１で回転駆動されるボールねじ１２により垂直方向（Ｘ方向）に移動するスライダ１３と、スライダ１３に固定したハウジング１４を備えている。また、ローラ押圧機構２は、ハウジング１４に収容したコイルスプリング１５と、コイルスプリング１５に上端を連結し且つ下端をハウジング１４の下側に突出させたシャフト１６と、シャフト１６の下端に連結したアーム１７を備えている。アーム１７には、回転軸１８を介して前記加工ローラ１が回転自在に装着してある。このアーム１７は、加工ローラ１と一体で移動するローラ支持部である。

さらに、ローラ押圧機構２は、ハウジング１４内におけるコイルスプリング１５の上部に、加工ローラ１の押圧力を検出する荷重検出手段４が設けてある。この荷重検出手段４は、例えばロードセルであって、コイルスプリング１５の反発力を加工ローラ１の押圧力として検出する。

ワーク保持手段３は、モータを内蔵した主軸台３Ａと、回転駆動される主軸３Ｂ及びチャッキング部３Ｃを備えている。このワーク保持手段３は、チャッキング部３Ｃにより被加工物Ｗの端部を把持して、同被加工物Ｗをその軸線が水平になる状態に保持し、主軸３Ｂととも被加工物Ｗを軸線回りに回転させる。

本発明の微細凹部加工装置は、周知のＮＣ工作機械を応用することができる。この場合、微細凹部加工装置は、ＮＣ工作機械の昇降ヘッドに前記ローラ押圧機構２を装着すると共に、ＮＣ工作機械のテーブルにワーク保持手段３を配置する。このとき、ローラ押圧機構２及びワーク保持手段３は、加工ローラ１の回転軸１８と、加工ローラ１の下側で保持された被加工物Ｗの軸線とが、互いに平行になるように配置してある。

上記のＮＣ工作機械において、ローラ押圧機構２は、昇降ヘッドとともに上下方向（Ｘ方向）に移動可能である。また、ワーク保持手段３は、テーブルとともに少なくとも被加工物Ｗの軸線方向（Ｚ方向）に移動可能である。これにより、加工ローラ１と被加工物Ｗは、上下方向（Ｘ方向）及び水平方向（Ｚ方向）に相対的に移動することができる。なお、ＮＣ工作機械においては、昇降ヘッドをステッピングモータ２の代わりにすることも可能である。

さらに、微細凹部加工装置は、ＮＣ工作機械の制御部を制御手段６として用いることが可能である。制御手段６は、荷重検出手段４、ステッピングモータ１１及び主軸台３Ａとの間で信号の出入力を行い、データの記憶や演算を行って、ステッピングモータ１１及び主軸台３Ａに指令を出力する。

ここで、本発明の微細凹部加工装置は、例えば、自動車用エンジンを構成するカムシャフトやクランクシャフトなどの摺動部品の表面に微細凹部を形成する。一般的に、この種の部品には高周波焼入れが施されており、高周波焼入れ後には研削又は旋削加工により表面が仕上げられている。

具体的には、上記摺動部品である被加工物Ｗは、図４（Ａ）に示すように、外周面の中央部分（図中の網掛け部分）のみに焼入れが施されている。このため、被加工物Ｗの表面硬さの分布は、図４に示すように、焼入れ部の表面硬さに比べて、焼入れ部以外である未焼入れ部の表面硬さが極端に低くなっている。このような表面硬さ分布を有する被加工物Ｗに対し、加工ローラ１の押圧力を一定にして微細凹部を形成すると、微細凹部の形状や深さにばらつきが生じる。

そこで、本発明の微細凹部加工装置は、情報付与手段７により、被加工物Ｗに表面硬さ判定用の情報（Ｍ）を予め付与する。この実施形態の情報付与手段７は、図２（Ａ）に示すように、アダプタ７Ａに保持された針状の工具７Ｂを備えている。アダプタ７Ａは、先のＮＣ工作機械の昇降ヘッドに装着することができる。工具７Ｂは、被加工物Ｗの焼入れ部の硬さよりも低く且つ未焼入れ部の硬さよりも高い硬度の材料から成るものである。

上記の情報付与手段７は、工具７Ｂで被加工物Ｗを軸線方向に引っかくようにして、被加工物Ｗに情報としての線状痕Ｍを形成する。この際、主軸３Ｂの回転位置を検出することにより、被加工物Ｗのどの回転位相に線状痕Ｍを形成したかを判断し得る。

上記の線状痕Ｍは、焼入れ部と未焼入れ部の中間硬さに対応した工具７Ｂによるものなので、図５に示すように、焼入れ部よりも低硬度の未焼入れ部のみに形成される。若しくは、線状痕Ｍは、高硬度の焼入れ部で不鮮明となり、低硬度の未焼入れ部で鮮明となる。なお、線状痕Ｍは、一箇所だけでなく、被加工物Ｗの円周方向に所定間隔で形成することも可能であるし、軸線方向だけでなく円周方向に形成することも可能である。

さらに、微細凹部加工装置は、情報検出手段５により、被加工物Ｗに形成した表面硬さ判定用の線状痕Ｍを検出する。情報検出手段５は、入力部及び処理部を含むもので、上述の如く情報が可視化された線状痕Ｍであるから、入力部には可視光の撮像手段が使用可能であり、例えば、比較的安価で小型軽量であるＣＣＤカメラを採用し得る。ＣＣＤカメラの画像を処理する処理部の機能は、制御手段６で実行することも可能である。この情報検出手段５は、情報付与手段７と同様に、先のＮＣ工作機械の昇降ヘッドに装着することができる。

なお、この実施形態では、加工ローラ１及びローラ押圧機構２、情報検出手段５、情報付与手段７が個別になっている。この場合には、例えばＮＣ工作機械のツールチェンジャーによりローラ押圧機構２及び各手段５，７を選択的に使用したり、工程順に配置したりすることができる。また、情報付与手段５は、当該微細凹部加工装置に含まれていない場合もあり、例えば焼入れ及び表面仕上げの後工程に配置しても構わない。

上記のようにして被加工物Ｗに表面硬さ判定用の線状痕Ｍを形成し、この線状痕Ｍの有無や鮮明度を検出することで、被加工物Ｗにおける焼入れ部及び未焼入れ部の範囲を知ることができる。すなわち、線状痕Ｍが有る範囲若しくは鮮明な範囲が未焼入れ部であり、線状痕Ｍが無い範囲若しくは不鮮明な範囲が焼入れ部である。なお、これらの範囲は、線状痕Ｍを形成する際と同様に、主軸３Ｂの回転位置を検出することで、被加工物Ｗにおける回転位相を特定することができる。

そして、上記の微細凹部加工装置は、制御手段６により、荷重検出手段４及び情報検出手段５の各検出信号に基づいてローラ押圧機構２による加工ローラ１の押圧力を制御する。より詳しくは、制御手段６は、線状痕Ｍが有る範囲若しくは線状痕Ｍが鮮明である範囲に対する加工ローラ１の押圧力よりも、線状痕Ｍが無い範囲若しくは線状痕Ｍが不鮮明である範囲に対する加工ローラ１の押圧力の方が大きくなるように制御する。具体的な動作としては、加工ローラ１の押圧力すなわち荷重検出手段４の検出値が所定の値となるようにステッピングモータ１１を駆動する。

次に、上記微細凹部加工装置の動作とともに微細凹部加工方法を説明する。
本発明の微細凹部加工方法は、図６に基本構成を示すように、被加工物Ｗに微細凹部を形成するに際し、被加工物Ｗに表面硬さ判定用の情報である線状痕Ｍを付与する工程（ステップＳ１）と、被加工物Ｗに付与した情報である線状痕Ｍに基づいて被加工物Ｗに微細凹部を形成する工程（ステップＳ２）を備えている。なお、被加工物Ｗに予め付与する情報の種類によっては、情報を付与する工程（Ｓ１）の前に、被加工物Ｗの表面硬さを測定する工程（ステップＳ０）を備えた構成にすることができる。

上記の微細凹部加工装置は、まず、図示しないＮＣ工作機械の昇降ヘッドを下降させると共に、テーブルを水平方向に適宜移動させて、図７（Ａ）に示すように、加工ローラ１が被加工物Ｗの外周面Ｗａの一端に対向するように位置決めする。

続いて、図７（Ｂ）に示すように、ステッピングモータ１１によりボールねじ１２を回転させ、これによりスライダ１３とともにハウジング１４を降下させて、加工ローラ１の先端を被加工物Ｗの外周面Ｗａに接触させる。

その後、図７（Ｃ）に示すように、スライダ１３をさらに降下させることにより、ハウジング１４に内蔵したコイルスプリング１５を圧縮し、その反発力を加工ローラ１の押圧力（荷重）として被加工物Ｗの被加工面Ｗａに付与する。

この際、ハウジング１４内に設けた荷重検出手段４が上記の押圧力を検出し、この検出信号をＮＣ工作機械の制御部である制御手段６へ伝達する。これを受けた制御手段６は、荷重検出手段４の検出値が予め設定した値になるまでステッピングモータ１１を動作させる。つまり、ハウジング１４を降下させて加工ローラ１の押圧力を増大させる。

こののち、図７（Ｄ）に示すように、主軸３Ｂを回転させると共に、図示しないＮＣ工作機械のテーブルにより主軸台３Ａを水平方向（Ｚ方向）へ移動させる。これにより、被加工物Ｗが軸線回りに回転すると共に、この被加工物Ｗに接触している加工ローラ１が連れ回り（転動）し、同時に、加工ローラ１と被加工物Ｗとが水平方向に相対移動しているので、被加工物Ｗの外周面Ｗａに螺旋状の軌跡で微細凹部を形成する。

ここで、図８には、加工ローラ１の押圧力に対する被加工物Ｗの表面硬さと、被加工物Ｗに形成する微細凹部の深さとの関係を示す。例えば、被加工物Ｗに深さ８μｍの微細凹部を加工するには、図４（Ｂ）に示すように両端の未焼入れ部の硬さがＨＲＣ１５程度で、焼入れ部の硬さがＨＲＣ４２程度である場合、未焼入れ部は押圧力４０Ｎ、焼入れ部は押圧力２００Ｎで加工する必要がある。

そこで、微細凹部加工装置及び微細凹部加工方法では、微細凹部の加工中において、図４（Ｂ）及び図８に示す各データや、線状痕Ｍの有無（若しくは鮮明度）で焼入れ範囲を判定したデータに基づいて、図７（Ｅ）及び（Ｆ）に示すように、ステッピングモータ１１によりスライダ１３及びハウジング１４を上下方向（Ｘ方向）に移動させ、外周面Ｗａの焼入れ部及び未焼入れ部に合わせて加工ローラ１の押圧力を変化させる。具体的には、高硬度の焼入れ部では加工ローラ１の押圧力を大きくし、低硬度の未焼入れ部では加工ローラ１の押圧力を小さくする。その結果、被加工物Ｗの外周面Ｗａには、一定形状で一定深さの微細凹部が連続的に形成されることとなる。

上記の微細凹部加工装置及び微細凹部加工方法によれば、被加工物Ｗの表面硬さが部分的に異なる場合でも微細凹部を均一に形成することができる。しかも、加工ローラ１の押圧力の制御において、被加工物Ｗに形成した表面硬さ判定用の線状痕Ｍを用いるので、表面硬さの異なる範囲が可視化され、ＣＣＤカメラ等の簡単な装置を用いて線状痕Ｍの検出を速やかに行うことができる。これにより、微細凹部を均一に形成する機能を備えたうえで、設備費の低減や加工時間の短縮を実現することができる。

また、微細凹部加工装置は、情報付与手段７を備えたものとすることで、線状痕（情報）Ｍの形成、線状痕（情報）Ｍの検出、及び微細凹部の加工を一つの装置で連続的に行うことができ、設備費のさらなる低減や加工時間のさらなる短縮を実現する。

さらに、微細凹部加工装置は、被加工物Ｗが焼入れを施したものであり、焼入れ部と未焼入れ部の中間硬度の工具により情報である線状痕Ｍを形成するので、焼入れ部と未焼入れ部を可視化して、その検出を容易にすることができる。つまり、被加工物Ｗを切断して断面を顕微鏡で確認するような検査を行うことなく、焼入れ範囲を容易に評価することができる。

さらに、微細凹部加工装置及び微細凹部加工方法により製造された被加工物Ｗは、例えば、自動車用エンジンを構成するカムシャフトやクランクシャフトなどの摺動部品であって、その摺動面に情報である線状痕Ｍと微細凹部を有している。これにより、表面硬さの部分的な相違に応じて微細凹部が均一に形成された高品質の摺動部品であることが容易に判る。このような摺動部品は、カムシャフトやクランクシャフトである場合には、自動車用エンジンの性能向上に貢献することができる。

図９は、本発明の微細凹部加工装置の他の実施形態を説明する図である。先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図示の微細凹部加工装置は、加工ローラ１を支持して一体で移動するローラ支持部を備えると共に、このローラ支持部に情報検出手段５が設けてある。ローラ支持部は、先の実施形態で説明したように、ローラ押圧機構２を構成するアーム１７である。情報検出手段５は、ＣＣＤカメラであって、被加工物Ｗに向けた状態にしてブラケット５Ａによりアーム１７に取付けてある。このとき、情報検出手段５は、加工ローラ１による加工前の位置で線状痕（情報）Ｍの有無若しくは鮮明度を検出する。

上記の微細凹部加工装置及びこれを用いた微細凹部加工方法は、加工ローラ１による微細凹部の加工開始と共に、予め形成した表面硬さ判定用の線状痕Ｍを検出して、焼入れ部と未焼入れ部の各範囲を判定し、その判定結果に基づいて加工ローラ１の押圧力を制御する。

つまり、先の実施形態では、線状痕Ｍを検出した後、そのデータに基づいて加工ローラ１の押圧力を制御して微細凹部を形成する。これに対して、この実施形態では、微細凹部の加工中すなわちインプロセスで線状痕Ｍの検出を行いながら、加工ローラ１の押圧力を制御して微細凹部を形成する。

上記の微細凹部加工装置及び微細凹部加工方法によれば、先の実施形態と同様に、被加工物Ｗの表面硬さが部分的に異なる場合でも微細凹部を均一に形成することができる。また、微細凹部の加工前に線状痕Ｍを検出する工程や、焼入れ範囲のデータを保存するメモリ類が不要になるので、設備費のさらなる低減を実現すると共に、加工時間をさらに短縮することができ、生産性のさらなる向上などに貢献することができる。

本発明の微細凹部加工装置及び微細凹部加工方法は、その構成が上記各実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成の細部を適宜変更することが可能である。例えば、被加工物に予め付与する情報としては、線状痕のほかに、電磁的に印加したデータ、除去可能な着色剤、タグ、ＩＣチップ及びバーコードなどの各種情報があり、その情報に応じた情報付与手段や情報検出手段を採用する。また、当該加工装置及び加工方法により微細凹部が形成される被加工物は、自動車用エンジンを構成する摺動部品のほか、潤滑油を介して摺動接触する各種の摺動部品が対象となる。

Ｍ 線状痕（情報）
１ 加工ローラ
２ ローラ押圧機構
４ 荷重検出手段
５ 情報検出手段
６ 制御手段
７ 情報付与手段
１１ ステッピングモータ（ローラ押圧機構）
１２ ボールねじ（ローラ押圧機構）
１３ スライダ（ローラ押圧機構）
１４ ハウジング（ローラ押圧機構）
１５ コイルスプリング（ローラ押圧機構）
１６ シャフト（ローラ押圧機構）
１７ アーム（ローラ押圧機構・ローラ支持部）

Claims (9)

1. 微細凹部形成用の凹凸を有する加工ローラを被加工物に押付けて微細凹部を形成するローラ押圧機構と、
   ローラ押圧機構による加工ローラの押圧力を検出する荷重検出手段と、
   被加工物に予め付与した表面硬さ判定用の情報を検出する情報検出手段と、
   荷重検出手段及び情報検出手段の各検出信号に基づいてローラ押圧機構による加工ローラの押圧力を制御する制御手段を備えたことを特徴とする微細凹部加工装置。
2. 被加工物に表面硬さ判定用の情報を付与する情報付与手段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. 被加工物が、微細凹部の加工前に焼入れを施したものであって、
   情報付与手段が、被加工物の焼入れ部の硬さよりも低く且つ未焼入れ部の硬さよりも高い硬度の工具を備えており、
   表面硬さ判定用の情報が、前記工具により形成した線状痕であることを特徴とする請求項２に記載の微細凹部加工装置。
4. 前記制御手段が、線状痕が有る範囲若しくは線状痕が鮮明である範囲に対する加工ローラの押圧力よりも、表面硬さ判定用の線状痕が無い範囲若しくは線状痕が不鮮明である範囲に対する加工ローラの押圧力の方が大きくなるように制御す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. 前記加工ローラを支持して一体で移動するローラ支持部を備えると共に、このローラ支持部に情報検出手段が設けてあることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の微細凹部加工装置。
6. 被加工物に微細凹部を形成するに際し、
   被加工物に表面硬さ判定用の情報を付与する工程と、
   被加工物に付与した情報に基づいて被加工物に微細凹部を形成する工程を備えたことを特徴とする微細凹部加工方法。
7. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の微細凹部加工装置を用いて被加工物に微細凹部を形成するに際し、
   被加工物に予め付与した表面硬さ判定用の情報を検出し、
   加工ローラを被加工物に押付けた後、
   加工ローラの押圧力を検出しつつ被加工物の表面に沿って加工ローラを転動させると共に、前記情報に基づいて加工ローラの押圧力を変化させて微細凹部を形成することを特徴とする微細凹部加工方法。
8. 請求項５に記載の微細凹部加工装置を用いて被加工物に微細凹部を形成するに際し、
   加工ローラを被加工物に押付けた後、
   被加工物に予め付与した表面硬さ判定用の情報を検出しながら、加工ローラの押圧力を検出しつつ被加工物の表面に沿って加工ローラを転動させると共に、前情報に基づいて加工ローラの押圧力を変化させて微細凹部を形成することを特徴とする微細凹部加工方法。
9. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の微細凹部加工装置、又は請求項６〜８のいずれか１項に記載の微細凹部加工方法により製造された摺動部品であって、表面に多数の微細凹部と表面硬さ判定用の情報を有することを特徴とする摺動部品。

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