JP3745829B2 - テーパ面研削方法およびテーパ面研削装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、テーパ面を有する部品または製品のテーパ面を研削する研削方法および研削装置に関するもので、特に量産に適した研削方法および研削装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、内燃機関（以下、「内燃機関」をエンジンという）の燃料噴射弁のニードル弁先端におけるテーパ状の当接面およびこの当接面と当接するバルブボディのテーパ状のシート面を研削する方法として、特開昭６０−２４２９５６号公報、特開平３−３７６９号公報および特開平３−７３２５８号公報に開示されているものが知られている。
【０００３】
特開昭６０−２４２９５６号公報に開示されているものでは、バルブボディのシート面とニードル弁先端の当接面との間にラップ材を介在させ両者を擢合わせることによりニードル弁とバルブボディを同時に研削している。また、特開平３−３７６９号公報に開示されているものでは、ニードル弁の当接面とバルブボディのシート面との間に研磨材を介在させ高周波振動を付与しながらニードル弁とバルブボディとを擢合わせることによりニードル弁の当接面とバルブボディのシート面とを研削している。
【０００４】
特開昭６０−２４２９５６号公報および特開平３−３７６９号公報に開示されている研削方法では、ニードル弁の当接面およびバルブボディのシート面とがお互いに全周に渡って拘束される状態で研削されるため、外部からの振動の影響を受けにくく互いの凸部同士がすり減る。したがって真円度が向上するのでニードル弁とバルブボディ間のシール性が向上する。しかしながら、同一テーパ角で研削されることによりニードル弁の当接面とバルブボディのシート面との密着性が良くなりすぎるため、開弁時にニードル弁がバルブボディから離座する際に時間遅れが生じたり、ニードル弁およびバルブボディの擢合わせ部に円周方向の溝ができ噴霧形状に異常が生じるという問題がある。
【０００５】
このような問題を解決するためには、ニードル弁の研削とバルブボディとの研削を異なる角度を有する砥石で行う必要がある。特開平３−７３２５８号公報に開示されるものでは、ニードル弁およびバルブボディの研削面全周にそれぞれ凹状または凸状の円錐形状テーパ面を有する砥石を接触させ研削面全周を拘束しながら研削する押し当て研削方法により真円度を向上させている。
【０００６】
しかしながら、特開平３−７３２５８号公報に開示されているものでは、ニードル弁およびバルブボディのテーパ面と砥石の研削面とを接触させた状態で擢合わせる必要があるため砥石に往復運動を付与することができない。したがって砥石によるテーパ面の研削量がごく微量となるので、粗研削した後の真円度を仕上げの押し当て研削により向上させることが困難であるという問題がある。また所要の真円度を得るためには数十回もの押し当て研削を要するので、研削時間が長くなるとともに製造コストが上昇するという問題がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
以下、ニードル弁とバルブボディとを別々に研削する研削方法において要求される研削精度について述べる。
地球環境保護意識の高まりにより、車両から排出されるＨＣ量の要求値が年々厳しく規制されてきている。排ガス中に含まれるＨＣ量は、燃料噴射弁からエンジン内に洩れる燃料により増大するので、燃料噴射弁からの燃料洩れ量を低減することが要求されている。対米法規制では、ＨＣ量は従来の０．１２５g/mil から１９９７年にはＬＥＶ（Low Emission Vehicle) 対応により０．０７５g/mil になるため、燃料噴射弁１本あたりの燃料洩れ量を０．８mm³/min 以下に制限する必要がある。つまり、従来の５倍以上の油密精度が要求されるので燃料噴射弁のシート部の形状精度の向上が今後ますます重要となってくる。
【０００８】
燃料噴射弁の油密性を左右する要因は、図９に示すワークとしてのニードル弁１００とバルブボディ１０２とのシート部の隙間を構成するＲ：面粗さ、Ｒns：真円度、△θ：シート角度差であることが判っている。このうち△θは燃料噴射弁の性能上の問題により所定値から変更することができない。他の要因である面粗さＲおよび真円度Ｒnsの必要精度について検討した結果、従来の押し当て研削方法を用いてＬＥＶの要求値である燃料洩れ量０．８mm³/min 以下を満たすための必要精度を満たさない要因はニードル弁の当接面における真円度であることが判明した。燃料洩れ量０．８mm³/min 以下を満たすためにはニードル弁の当接面の真円度を０．３μｍ以下にする必要がある。
【０００９】
ニードル弁の当接面を研削する従来の工程は粗研削と粗研削後に行う仕上げの押し当て研削との二工程からなる。ニードル弁の当接面の真円度向上を達成させるには二つの方法が考えられる。一つの方法は粗研削における真円度を向上させることであり、他の方法は仕上げの押し当て研削における研削除去量を増加させることである。前者の方法の場合、粗研削の段階で真円度０．３μｍ以下を満足させることは従来の研削方法ではコスト高となるため採用が難しい。従来の研削方法における粗研削の真円度は最大１．５μｍ程度までのばらつきがある。したがって、仕上げの押し当て研削において１．５μｍ以上の研削除去量を満足すればニードル弁の当接面においてＬＥＶの基準を満足する仕上げ研削真円度０．３μｍ以下を満たすことができる。
【００１０】
図１０に従来の押し当て研削方法を示す。ワーク１００はニードル弁のことであり、テーパ面１０１はニードル弁の当接面のことである。ワーク１００と砥石１０４とは一定の力で押付けられており、砥石１０４が回転することによりワーク１００のテーパ面１０１が研削される。図１１に示すように、砥石１０４によるテーパ面１０１の研削は砥石１０４の研削面に存在する砥粒１０５がテーパ面１０１を削り取ることにより行われる。しかしながら図１２に示すように、鈍角な切刃角をもつ砥粒１０５は食い込み量ｔが増すに従って急激にテーパ面１０１との接触面積Ｓを増大させる。その結果図１３に示すように、押付力Ｆが一定であれば食い込み量ｔが増すに従いテーパ面１０１に押付けられる圧力Ｆ／Ｓが小さくなるのでテーパ面１０１に食い込みにくくなる。つまり、砥粒１０５が毎周同じ軌跡を通過するので一定時間が経過するとテーパ面１０１に対して砥石１０４が回転するのみで研削が行われない状態に達する。この状態を回避するためには、砥粒１０５により形成された溝目１０１ａから砥粒１０５の位置をずらし、新たにテーパ面１０１を研削すれば良いのであるが、一定の押付力でワーク１００と砥石１０４とを押付ける研削方法では、溝目１０１ａから砥粒１０５をずらして新たにテーパ面１０１を研削することができない。
【００１１】
一定の押付力でも砥粒の研削軌跡をずらす方法として、ワークと砥石とを一旦離してから再び押し当てることが考えられる。しかし、除去量１．５μｍを満たすためには押し当て回数が２０回、研削時間が３０秒程度必要である。これでは、従来の研削時間を遙に越えてしまい、量産に用いる研削方法としては採用できない。
【００１２】
上記は、ニードル弁の真円度向上に関して説明したが、ニードル弁と当接する相手側であるバルブボディに対しても同様の課題がある。
なお、本発明で提供する研削方法および研削装置は、以上に示した燃料噴射弁のニードル弁、バルブボディ以外にも気体または液体の流れを制御する部材であるいわゆる弁、バルブ等の弁密を向上させるなどの課題に対し、これら弁、バルブ等の真円度を向上させる技術として適用できる。
【００１３】
本発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、テーパ面の真円度を向上させる量産に適したテーパ面研削方法および研削装置を提供することを目的とする。
本発明の他の目的は、テーパ面の真円度を向上したニードル弁を提供することにある。
【００１４】
本発明のまた他の目的は、閉弁時における燃料洩れを減少させた燃料噴射弁を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１から５記載のテーパ面研削方法によると、簡単に真円度を向上させた加工を可能にすることができる。
また、被研削面であるテーパ面に対する砥石の押付力が時間経過に伴い強弱を変動することにより、砥粒とテーパ面との接触位置が時間経過に伴い回転方向以外にずれる。したがって、テーパ面の研削量が増大するのでテーパ面の真円度が向上する。
【００１６】
また、テーパ面に対する砥石の押付力が所定周波数及び所定振幅で変動することによりテーパ面を均一に研削することができるので、真円度がさらに向上し、面粗さを低下させることができる。
【００１７】
本発明の請求項６から１０記載のテーパ面研削装置によると、簡単に真円度を向上させた加工を可能にすることができる。
また、被研削面であるテーパ面に対する砥石の押付力が時間経過に伴い強弱を変動することにより、砥粒とテーパ面との接触位置が時間経過に伴い回転方向以外にずれる。したがって、テーパ面の研削量が増大するのでテーパ面の真円度が向上する。
また、テーパ面に対する砥石の押付力が所定周波数及び所定振幅で変動することによりテーパ面を均一に研削することができるので、真円度がさらに向上し、面粗さを低下させることができる。
本発明の請求項１１記載のニードル弁によると、着座時にバルブボディのシート面と当接するニードル弁のテーパ面の真円度を向上させることができる。したがって、ニードル弁のテーパ面を相手側部品との間に洩れのない良好な当接面とすることができる。
本発明の請求項１２記載の燃料噴射弁によると、ニードル弁がバルブボディに着座した状態において燃料噴射弁からの燃料洩れを減少することができる。したがって、排ガス中に含まれる有害物質を減少することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を示す実施例を図面に基づいて説明する。
本発明のテーパ面研削方法を燃料噴射弁のニードル弁における当接面の研削に用いた一実施例を図１に示す。
砥石２０は、砥石スピンドル１１に取り付けられており砥石スピンドル１１とともに回転する。砥石スピンドル１１の下方にはＰＺＴ（圧電素子）１２が直結されており、ＰＺＴ１２に加える駆動電力を変化させることにより回転運動に加え軸方向の往復振動を砥石スピンドル１１を介して砥石２０に与えることができる。
【００１９】
ワーク３０の上方にはおもり１３が配設されており所定力で砥石２０の砥石面２１にワーク３０のテーパ面３１を押付けている。本実施例では、ワーク３０は被研削物としてのニードル弁のことであり、テーパ面３１はニードル弁の着座面としての当接面のことである。
ここでワーク３０に砥石２０を押付ける力Ｆは、おもり１３の質量をＭ、重力加速度をｇ、ＰＺＴ１２が砥石スピンドル１１を介して砥石２０に付与する振動の振幅および周波数をそれぞれａ、ｆとすると、図２に示すようにＭｇを中心とした正弦波として与えられる。この正弦波を次式(1) に示す。
【００２０】
Ｆ＝Ｍｇ＋Ｍａ（２πｆ）²Sin（２πｆｔ） ・・・(1)
図２に示すような正弦波の押付力Ｆによりワーク３０と砥石２０とを接触させ、一つの砥粒に着目してテーパ面３１の研削軌跡を調べた結果を図３に示す。一つの砥粒２２によるテーパ面３１の研削軌跡は押付力Ｆと同様に正弦波となることが確かめられた。式(1) の正弦波の位相は研削軌跡が毎週重ならないように調整されている。
【００２１】
次に、本実施例においてＰＺＴ１２が砥石２０に付与する最適振動条件を検討する。本実施例では、被研削物としてのワーク３０は重力加速度により砥石２０に押付けられているので、砥石２０が上下振動を行うと砥石面２１がテーパ面３１から離れようとする状態が発生する。したがって、砥石２０の最大加速度ａ（２πｆ）² とワーク３０に加わる重力加速度ｇとの関係に応じ、図４の（Ａ）および（Ｂ）に示す二つの状態が存在する。図４の（Ａ）は砥石２０の下方の最大加速度ａ（２πｆ）² が重力加速度ｇよりも大きい場合であり、図４の（Ｂ）は砥石２０の下方の最大加速度ａ（２πｆ）² が重力加速度ｇよりも小さい場合を示している。図４の（Ａ）に示すように砥石２０の最大加速度ａ（２πｆ）² が重力加速度ｇよりも大きい場合、砥石面２１とテーパ面３１が離れることがある。図４の（Ａ）および（Ｂ）のいずれの場合においても砥石２０が軸方向に振動するので、砥粒２２の研削軌跡をずらすという狙いは満たしている。
【００２２】
次に、ａ（２πｆ）² ＝ｇを基準として研削テストにより最適な振動条件を求めることにする。図５に示す曲線５０はａ（２πｆ）² ＝ｇを満たしている。振幅ａを例えば０．０２mmとすると周波数ｆは１５８Hzになる。そこで研削テストの評価水準として１５８Hzを境としてワーク３０と砥石２０とが離れない方向に９０、１２０、１５０Hzの３水準、離れる方向に１７０、２００Hzの２水準で研削テスト評価を行った。
【００２３】
まず周波数と除去量の関係を図６に示す。周波数ｆが増加するに従い除去量が増加することが判る。これは、式(1) に示したように、周波数ｆは押付力Ｆに対し２乗の関係で働くため、周波数ｆが増加するに従い押付力Ｆも増加しそれにつれて除去量も増加するためと考えることができる。また周波数１５８Hzを境に除去量が急激に変化することも判る。これは周波数１５８Hzを超えるとワーク３０と砥石２０とが離れる状態が生じワーク３０と砥石２０とが再び接触するときの衝撃力が押付力Ｆに加わるためと考えることができる。
【００２４】
次に周波数ｆと真円度との関係を図７に示す。周波数ｆが増加するにしたがい真円度は上昇するが、１５８Hzを超えると急激に悪化することがわかる。これはワーク３０と砥石２０とが離れ再び接触するという現象が６ms以下という短い周期で発生するためテーパ面３１の全面が砥石２０の砥石面２１に着座する前に離れてしまい、円周全面を拘束して被研削面の凸部を除去していくという押し当て研削本来の真円度創生メカニズムが崩れるためと推測することができる。以上の結果より、最適振動条件としてはワーク３０と砥石２０とが離れる変化点直前にあるということが判明した。つまり振幅ａは０．０２mm、周波数ｆは変化点である１５８Hz直前の１５０Hzを最適振動条件とする。
【００２５】
上記最適振動条件における研削結果を図８に示す。研削条件は、振幅ａ＝０．０２mm、周波数ｆ＝１５０Hz、研削時間＝３sec 、おもりの質量Ｍ＝０．８Kgとして測定した。
この結果、除去量は１．５μｍを上回ることができた。その結果、図８に示すように、粗研削後の真円度が１．５μｍ付近のものでも本実施例では仕上げの押し当て研削後の真円度を０．３μｍ以下にすることができる。したがって、燃料洩れ量を０．８mm³/min 以下にすることができ、ＬＥＶの燃料洩れ量の基準を満足する結果となっている。
【００２６】
以上説明した本実施例では、砥石２０に所定周波数の振動を付与するＰＺＴ１２を従来の押し当て研削装置に加えるという低コストの設備投資により、ニードル弁の真円度を向上させ燃料噴射弁からの燃料洩れ量を低減することができる。なお、本研削方法を達成する装置に採用する周波数として１５０Hzが最適であるとしたが、振幅ａを適切に選び周波数を５００Hz程度以下に抑えることにより、例えば装置の回転駆動部における摺動部の摩耗を低減し装置の耐久性を向上することができる。
【００２７】
また、本実施例では砥石２０に所定周波数の振動を付与したが、ワーク側に所定周波数の振動を付与することも可能である。
さらにまた本実施例では、ニードル弁の凸状の当接面を研削する目的に本発明のテーパ面研削方法および研削装置を適用したが、燃料噴射弁のバルブボディの凹状のシート面を研削する目的で本発明のテーパ面研削方法を用いることも可能である。また燃料噴射弁のニードル弁およびバルブボディに限らず、テーパ面の真円度を向上させる目的であればどのようなテーパ面にも本発明のテーパ面研削方法およびテーパ面研削装置を用いることは可能である。
【００２８】
上記の実施例では、請求項３に記載した時間経過に伴いテーパ面に対する砥石の押付力の強弱を変動させる手段や請求項４に記載したテーパ面に対する砥石の押付力を所定周波数で変動させる手段としてＰＺＴを採用したが、本発明の課題を解決する手段としては、その他の振動を提供する手段、例えば、超磁歪素子、モータ、リニアモータ、電磁ソレノイド、スピーカ等、あるいはカム、油圧機構、エアシリンダ等の機械的手段によっても実現できる。
【００２９】
また、上記実施例中で、砥石２０にワーク３０を押付ける力Ｆに重力Ｍｇが含まれているが、この他の加圧手段による力Ｆ’を用い、
Ｆ＝Ｆ’＋Ｍａ（２πｆ）²Sin（２πｆｔ） ・・・(2)
としてもよい。ここでその他の加圧手段による力Ｆ’としては、ばね、油圧、エアシリンダ等の手段を選択してもよい。また、ワークと砥石との位置関係は上下の垂直な関係に限らず、水平またはその中間である垂直と一定の角度をなす位置関係でもよい。また、Ｆ’として重力Ｍｇを採用する実施例でも、ワークと砥石との上下の位置関係は、今回図１に示したものに限らず、ワークを下にし砥石を上にするなど自在であり、その場合にも今回の課題を達成できることは自明である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例によるテーパ面研削装置を示す模式的構成図である。
【図２】ワークに対する砥石の押付力の変化を示す特性図である。
【図３】当接面における砥粒の研削軌跡を示す模式的説明図である。
【図４】ワークと砥石との研削状態を示す模式的説明図であり、（Ａ）はワークと砥石とが離れる状態を示し、（Ｂ）はワークと砥石とが常に当接している状態を示している。
【図５】振幅と周波数との関係とを示す特性図である。
【図６】周波数と除去量との関係を示す特性図である。
【図７】周波数と真円度との関係を示す特性図である。
【図８】粗研削真円度と仕上げ研削真円度との関係を示す分布図である。
【図９】（Ａ）はニードル弁とバルブボディとの当接状態を示す模式的説明図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＢ線部分の拡大図である。
【図１０】従来のワークと砥石との研削状態を示す模式的説明図である。
【図１１】従来のワークと砥石との研削状態を示す詳細説明図である。
【図１２】従来の砥粒食い込み量とワークと砥粒接触面積との関係を示す特性図である。
【図１３】従来の砥粒食い込み量と単砥粒当たり食い込み圧との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
１１ 砥石スピンドル
１２ ＰＺＴ（圧電素子）
１３ おもり
２０ 砥石
２１ 砥石面
３０ ワーク（ニードル弁）
３１ 当接面（テーパ面）
Ｆ 押付力

Claims (12)

1. 軸方向に対して傾斜するテーパ面に対し砥石を接触させて研削するテーパ面研削方法であって、
   前記砥石は回転しながら前記テーパ面の全周に軸方向に同時に押付けられ、前記テーパ面に対する前記砥石の押付力は、前記テーパ面または前記砥石の一方に所定周波数及び所定振幅の振動が付与されることにより、前記砥石と前記テーパ面とが離れない程度の前記所定周波数及び前記所定振幅で時間経過に伴い強弱を変動することを特徴とするテーパ面研削方法。
2. 前記テーパ面は凸面または凹面であることを特徴とする請求項１記載のテーパ面研削方法。
3. 前記押付力は正弦波として与えられ、前記正弦波の位相は、前記砥石の砥粒による前記テーパ面の研削軌跡が毎周異なるように設定されていることを特徴とすることを特徴とする請求項１または２記載のテーパ面研削方法。
4. 前記砥石の最大加速度は重力加速度よりも小さいことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載のテーパ面研削方法。
5. 前記所定周波数は５００Ｈｚ以下であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載のテーパ面研削方法。
6. 軸方向に対して傾斜するテーパ面に対し砥石を接触させて研削するテーパ面研削装置であって、
   前記砥石は回転しながら前記テーパ面の全周に軸方向に同時に押付けられ、前記テーパ面に対する前記砥石の押付力は、前記テーパ面または前記砥石の一方に所定周波数及び所定振幅の振動が付与されることにより、前記砥石と前記テーパ面とが離れない程度の前記所定周波数及び前記所定振幅で時間経過に伴い強弱を変動することを特徴とするテーパ面研削装置。
7. 前記テーパ面は凸面または凹面であることを特徴とする請求項６記載のテーパ面研削装置。
8. 前記押付力は正弦波として与えられ、前記正弦波の位相は、前記砥石の砥粒による前記テーパ面の研削軌跡が毎周異なるように設定されていることを特徴とする請求項６または７記載のテーパ面研削装置。
9. 前記砥石の最大加速度は重力加速度よりも小さいことを特徴とする請求項６から８のいずれか一項記載のテーパ面研削装置。
10. 前記所定周波数は５００Ｈｚ以下であることを特徴とする請求項６から９のいずれか一項記載のテーパ面研削装置。
11. 請求項１から１０のいずれか一項記載のテーパ面研削方法またはテーパ面研削装置で製造されることを特徴とするニードル弁。
12. 請求項１１記載のニードル弁を有することを特徴とする燃料噴射弁。

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