JP3985700B2

JP3985700B2 - ローラバニッシュ加工方法

Info

Publication number: JP3985700B2
Application number: JP2003066592A
Authority: JP
Inventors: 正博小又; 雅彦飯泉; 清長谷川; 崇荻野; 智浩近藤; 和夫武田; 孝文渡辺; 義之千田; 靖志松下
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-03-12
Filing date: 2003-03-12
Publication date: 2007-10-03
Anticipated expiration: 2023-03-12
Also published as: JP2004276121A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンのクランクシャフト等を超仕上げするローラバニッシュ加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、自動車用エンジンのクランクシャフトのジャーナル部若しくはピン部は、ラッピング加工後、ローラバニッシュによる仕上げ加工が施され、表面を良好な面粗度に仕上げている。
【０００３】
最近のラッピング加工は、一面に砥粒が設けられたラッピングフィルムでワークの表面を覆い、ラッピングフィルム外面をシューにより押圧して、ラッピングフィルムの砥粒面側をワークの加工面に押付け、この状態でワークを回転することにより砥粒面でワークの表面を研磨することにより行なう（下記特許文献１等参照）。
【０００４】
しかし、このようなラッピング加工のみでは、ワークの表面粗さが不十分なこともあるので、ローラをワークの表面に押し当て、ワーク表面の凹凸を潰し、さらにワークの表面粗さを小さくし、ワークの面性状の向上を図っている（下記特許文献２等参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−２３７１１６号公報（図１、図２参照）
【特許文献２】
特開平６−１９０７１８号公報（段落番号［０００２］、図１１参照）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来のバニッシュ仕上げは、加工が面倒で、工具自体も高価なものとなる等の問題がある。
【０００７】
例えば、クランクシャフトのピン部をローラバニッシュ加工する場合には、クランクシャフトの軸端をヘッドストックとテールストックで支持し、軸直角方向から一対の支持ローラを当て、支持ローラの反対側からバニッシュローラにより加圧する。
【０００８】
このようなローラバニッシュ加工においては、クランクシャフトのピン部の軸方向端部に工具逃し用のフィレット部が形成されているので、このフィレット部近傍の端部がバニッシュローラの加圧により押し潰され、フィレット部側に入り込む状態、いわゆるダレを生じ、良好な真直度で仕上げることができない。
【０００９】
したがって、従来のバニッシュ仕上げは、このようなダレを生じさせないように、バニッシュローラを加圧する油圧シリンダの加圧力をフィレット部近傍と、中央部とで異なるように制御するか、あるいはバニッシュローラ自体の硬度を、ワークの中央部に当る部分よりフィレット部の近傍に当る部分で異ならしめ、この相違がワークに転写されるようにしている。
【００１０】
しかし、バニッシュローラの加圧力を調節することは、面倒な制御操作が必要となり、ワークの生産性が低下する虞があり、また、バニッシュローラ自体の硬度を位置により異ならしめると、ローラの成形が面倒で、高価なものとなる。
【００１１】
また、このローラバニッシュ加工は、クランクシャフトの軸部表面全面に対しバニッシュローラを加圧し面粗度を高めるものであるが、この加工により軸部の面粗度が良好になり過ぎ、軸部の表面粗さが著しく小さくなると、前記摺動面に必要かつ十分な油溜りが形成されず、適切な潤滑油の供給ができず、油膜切れ、焼き付き、かじりを起す虞もある。
【００１２】
本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、ワーク側の
形状をローラバニッシュ加工し易い中凹の形状とし、凸部に対し通常のバニッシュローラを用いてローラバニッシュ加工を施すことにより所望の面粗度とし、中凹部分を油溜りとして利用して適切な潤滑油の供給を可能とし、これにより耐久性、作動性を高めることができるローラバニッシュ加工方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、下記する手段により達成される。
【００１４】
（１）断面円弧状加工面を有するワークにバニッシングローラを押付けて仕上げ加工するローラバニッシュ加工方法において、前記ワークの加工面をラッピング加工により中凹状に加工した後、両端部の凸部を前記バニッシングローラによりバニッシング加工するローラバニッシュ加工方法。
【００１５】
（２）前記バニッシング加工は、前記凸部の表面粗さ断面曲線おける突起部を平滑にすることを特徴とする前記(1)のローラバニッシュ加工方法。
【００１６】
（３）前記ワークは、両端にフィレット部を有するクランクシャフトのジャーナル部若しくはピン部である前記(1)又は(2)のローラバニッシュ加工方法。
【００２０】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、ラッピング加工によりワークの加工面を中凹状に加工し、両端部の凸部をバニッシング加工するので、相手部材が当る両端部の当り面に加圧力が加わっても、いわゆる初期摩耗を起すこともなく、加工時の状態を長期にわたって保持でき、耐久性が向上する。
【００２１】
また、両端部の凸部をバニッシング加工するので、前記ダレを生じることもなく、良好な真直度で仕上げることができ、しかも、相手部材が当る両端部に圧縮残留応力を付与することもできるので、製品の強度が向上し、不必要な大径化あるいは大型化の必要がなく、小型化、軽量化を図ることもできる。
【００２２】
さらに、バニッシング加工する部分が両端部のみであるため、バニッシング加工の加工代も少なく、加工も短時間で行なうことができ、コスト的にはきわめて有利となる。
【００２３】
請求項２の発明によれば、凸部の表面粗さ断面曲線おける突起部をバニッシング加工するので、所定領域を意図した深さで圧縮残留応力を付与でき、この結果、製品の強度を向上させ、小型化、軽量化を図ることができ、しかも、相手部材が当る両端部に油溜りを形成できるので、耐久性も向上する。特に、突起部のバニッシング加工であるため、極めて大きな加圧力でなくてもバニッシング加工でき、前記ダレの発生を確実に防止し、良好な真直度で仕上げることができる。
【００２４】
請求項３の発明によれば、両端にフィレット部を有するクランクシャフトのジャーナル部若しくはピン部がワークであれば、相手部材である軸受あるいはコネクチングロッドを取付けた場合、前述のダレの防止、強度の向上、小型化、軽量化及び加工の面での優位性が一層助長されるのみでなく、凹状の中央部分が油溜りになり、ここから両端部に油が供給され、潤滑性、耐久性が著しく向上する。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。
【００２６】
図１は本発明の実施形態に係るローラバニッシュ加工装置を示す概略構成図、図２は図１の側面図であるが、ピン部の外形線は多少誇張して記載している。
【００２７】
本実施形態は、クランクシャフトの断面円弧状加工面であるピン部をワークＷとしてラッピング加工し、中凹状に仕上げた後、両端部に生じた凸部おける表面粗さ断面曲線の突起部を前記バニッシングローラによりバニッシング加工する。
【００２８】
ここに、本明細書では、「凸部」とはワークＷの表面に生じた中凹部分に対し突出した部分をいい、「突起部」とはジグザグ状をした表面粗さ断面曲線における突出した部分をいう。
【００２９】
このローラバニッシュ加工装置１は、図１，２に示すように、ラッピング加工した後のクランクシャフトの軸端を、図外のヘッドストックとテールストックにより支持し、軸直角方向から一対の支持ローラ２をクランクシャフトのピン部Ｗに当て、この支持ローラ２の反対側からバニッシュローラ３により加圧する。バニッシュローラ３は、ブラケット４に支持され、ホルダー５を介して流体圧あるいはモータ等の加圧源６と連結されているが、軸方向長さＬは、前記ピン部両端部の凸部（図５参照）の長さｌと同程度としている。
【００３０】
ただし、バニッシュローラ３は、前記ピン部の両端部の凸部Ｗｂを一度にバニッシング加工できるように、図中一点鎖線で示すバニッシュローラ３’も設け、両者を同時に加圧源６で作動できるようにしても良く、あるいは、ワークであるクランクシャフトのピン部Ｗは、後に詳述するように中凹状部分Ｗａの両端部に凸部Ｗｂが形成されたものであるため、バニッシュローラ３は、ピン部Ｗと略同長の長尺なものにしても良い。このようにすれば、中凹状部分Ｗａ部分には当らず両凸部Ｗｂのみが一度にバニッシング加工されることになる。いずれのバニッシュローラ３を使用しても、凸部Ｗｂを加圧するので、ダレが生じフィレット部Ｗｆに入り込むことはない。
【００３１】
なお、支持ローラ２は、位置固定のサポート部材７に支持されている。
【００３２】
図３はラッピング加工装置を示す概略構成図、図４は図３の４−４線に沿う断面図である。前記ワークＷは、バニッシング加工の前にラッピング加工されているが、このラッピング加工に使用される装置について概説する。
【００３３】
ラッピング加工装置は、図３，４に示すように、非伸縮性でかつ変形可能な薄肉基材の一面に砥粒が設けられたラッピングフィルム１０と、ラッピングフィルム１０の背面側に配置されたシュー１１と、シュー１１を押付けてラッピングフィルム１０の砥粒面をクランクシャフトのピン部Ｗに押付けるシュー押付手段１２と、クランクシャフトを回転駆動する回転駆動手段１３と、クランクシャフトおよびラッピングフィルム１０のうちの少なくとも一方に軸線方向のオシレーションを付与するオシレーション手段１４とを有している。
【００３４】
図３中、符号「Ｍ」はモータ、「１５」は加工中のワークＷの回転位置を検出するロータリエンコーダ、「１６」は偏心回転体、「１７」はバネ等の弾発手段、「１８」はＸ方向に沿ってスライド移動自在なテーブル、「１９」はＹ方向に沿ってスライド移動自在なテーブル、「Ｃ」は制御部である。
【００３５】
図４において、ラッピングフィルム１０は、巻取りリール２０をモータＭにより回転し牽引することにより、供給リール２１から引出され、多数のフィルムローラＲ₁〜Ｒ₉にガイドされ、巻取りリール２０に巻き取られる。供給リール２１と巻取りリール２０の近傍にはロック装置（図示せず）が設けられ、これによりフィルム全体に所定のテンションが付与される。
【００３６】
押圧アーム２２，２３は、流体圧シリンダ２４により支持ピン２５を中心に回動自在に設けられ、閉動すると、ラッピングフィルム１０も一緒に作動しつつクランクシャフトのピン部Ｗを覆い、シュー１１がラッピングフィルム１０を介してのピン部Ｗの加工面と接触する。
【００３７】
次に、加工方法を説明する。
【００３８】
＜ラッピング加工＞
一般に、自動車用エンジンのクランクシャフトは、機械加工、熱処理、研削されるが、単に研削を施したのみでは良好な面粗度が得られないので、ラッピング加工される。
【００３９】
このラッピング加工は、一面に砥粒が設けられたラッピングフィルム１０が使用されるが、このラッピングフィルム１０は、基材が非伸縮性の高い材料、例えば、板厚ｔが２５μｍ〜１３０μｍ程度のポリエステルなどから構成され、この基材の一面には、数μｍ〜２００μｍ程度の粒径を有する多数の砥粒（具体的には、酸化アルミニウム、シリコンカーバイド、ダイアモンド等からなる）が接着剤により取付けられているので、良好な面粗度に仕上がる。
【００４０】
図４において、まず、両押圧アーム１１，１２が開の状態で、供給リール２１近傍に設けられたロック装置を解除し、モータＭを作動し巻取りリール２０を回転すると、ラッピングフィルム１０は、所定量移動し、新規な砥粒面がワークＷの加工面上にセットされる。
【００４１】
そして、巻取りリール２０近傍のロック装置をロックすると、テンションが付与され弛みのないぴんと張った状態のラッピングフィルム１０となる。
【００４２】
この状態で、図３に示すように、ヘッドストック２６とテールストック２７との間にクランクシャフトをセットする。このセット後、図４に示す流体圧シリンダ２４を作動すると、両押圧アーム２２，２３は閉じ回動し、ラッピングフィルム１０は、クランクシャフトのピン部Ｗの加工面上にセットされる。また、この時点でシュー押付手段１２が作用し、両シュー１１を所定の押付け力でピン部Ｗの加工面に押付ける。クランクシャフトのピン部Ｗのように加工面が複数箇所あれば、ラッピングフィルム１０は、個々のピン部Ｗにそれぞれセットされる。
【００４３】
クランクシャフトをモータＭにより軸中心に回転すると共にオシレーション手段１４を動作すると、ピン部Ｗは、加工面がラッピングフィルム１の砥粒面によりラッピング加工される。ピン部Ｗによっては偏心回転するものもあるが、通常の手法により両押圧アーム２２，２３もこれに追随して揺動し、同様にラッピング加工される。
【００４４】
一方、オシレーション手段１４は、偏心回転体１６をモータＭにより弾発手段１７の弾発力に抗して回転駆動し、テーブル１８をＸ方向にオシレーションさせてクランクシャフトをオシレーションさせる。
【００４５】
このオシレーションによりクランクシャフトのピン部Ｗは、砥粒と接する距離が長くなり、単位時間あたりの作用砥粒数が増大し、加工時間が短縮され、加工効率が向上する。
【００４６】
ラッピング加工中、ピン部Ｗの加工面やラッピングフィルム１０には、加工屑が生じるが、この加工屑は潤滑手段３０（図４参照）から吐出される潤滑液により速やかに除去される。
【００４７】
図５はラッピング加工後のワークの表面形状を示す図、図６はラッピング加工した後のピン部の表面粗さを示す図であるが、これら図においてもピン部の外形形状は多少誇張して示している。
【００４８】
このラッピング加工においては、帯状のラッピングフィルム１０がピン部Ｗを覆った状態で加工しているので、図５に示すように、ピン部Ｗの中央部が他の部分より多く削り取られ、寸法ｍで示す中凹状部分Ｗａが形成されることが判明した。
【００４９】
これは、ラッピングフィルム１０でピン部Ｗを覆った状態で加工すると、外部から潤滑液が加工ポイントまで入りにくく、ラッピングフィルム１０から脱落した砥粒あるいは切り屑が円滑に排出されず、中央部分に集まり、これらによって加工されることによるものと考えられる。
【００５０】
ただし、このような中凹状に形成された場合、外部に軸受やコネクチングロッド等の相手部材を設けられると、前記中凹状部分Ｗａは油溜りとして利用でき、しかもこの中凹状部分Ｗａの表面粗さをラッピング加工時の状態とすれば、良好な油保持能力も有することになる。
【００５１】
一方、中凹状部分Ｗａを有するピン部Ｗに作用する荷重が均一な分布となるようにするには、ピン部Ｗの径を大きくして剛性を高める必要があるが、このようにすれば、ピン部Ｗ、つまり部品の小型化や細軸化による部品の軽量化を図りにくい。しかし、この均一な荷重分布に関しては、ピン部Ｗの加工面における両端部に形成された凸部Ｗｂを加圧し、ここに圧縮残留応力を付与すると、強度を高めることができ、不必要に部品を大径化することもない。
【００５２】
特に、最終工程がラッピング加工であれば、摺動面となるピン部Ｗの表面粗さ断面曲線は、図６に示すように、突起部Ｔと凹部Ｒが略均等に存在する表面性状であるため、ピン部Ｗの摺動面に相手部材により大きな面圧が作用すると、前記突起部Ｔは変形したり、摩耗することになり、初期変形量や初期摩耗量も多く、適切なクリアランスを維持できなかったり、耐久性が低下する虞がある。しかし、前述のように凸部Ｗａを加圧し、ここの突起部Ｔを滑らかにすると、強度の向上により部品を大径化が防止できるのみでなく、耐久性も向上することになる。
【００５３】
＜バニッシング加工＞
したがって、本実施形態では、この凸部Ｗｂに対しバニッシング加工を施している。ラッピング加工した後のクランクシャフトの軸端を、図外のヘッドストックとテールストックにより支持し、軸直角方向から一対の支持ローラ２をクランクシャフトのピン部Ｗに当て、加圧源６を動作して反対側からバニッシュローラ３によりピン部Ｗの凸部Ｗｂを加圧すると、この凸部Ｗａの突起部Ｔが押し潰される。この場合、凸部Ｗａの突起部Ｔを押し潰すので、前述したダレが発生することはなく、良好な真直度で仕上げることができる、
また、突起部Ｔを押し潰すので、滑らかな面性状となるが、ここには油溜りを有するものとなる。したがって、この端部において相手部材が当接しても、十分給油することができ、耐久性が向上することになる。
【００５４】
さらに、相手部材が当る両端部の突起部Ｔを押し潰すので、ここに圧縮残留応力を付与することができ、ピン部Ｗの強度も向上することになる。したがって、クランクシャフトを不必要に大径化あるいは大型化する必要はなく、小型化、軽量化を図ることもできる。
【００５５】
このようなバニッシング加工は、ピン部Ｗ全体をの加工ではなく、両端の凸部Ｗｂのみであるため、加工代は、ｌのみとなり、少なくでき、短時間で加工処理できる。
【００５６】
しかし、この凸部Ｗｂの面の表面粗さをバニッシングにより著しく小さくすると、この部分で必要かつ十分な油溜りを形成できない虞があることから、前記表面粗さの断面曲線の突起部Ｔのみを押し潰す程度とすることが好ましい。
【００５７】
＜実施例＞
ローラバニッシュ工具として、市販のＥｃｏｒｏｌｌ社製の液圧式ボールポイント工具を使用した。クランクシャフトを旋盤のヘッドストックとテールストックとの間に設け回転した。まず、クランクシャフトを研削により０．６３μｍＲａ以下に仕上げた。次に、第１段目のラッピング工程（粗ラップ工程）として、砥粒が３０μｍ程度のラッピングフィルムを用いて０.２μｍＲａ以下に加工した。中凹状部分Ｗａの寸法ｍは、２μｍ程度となった。そして、第２段目のラッピング工程（仕上げラップ工程）として、砥粒が１５μｍ程度のラッピングフィルムを用い、０.１μｍＲａ以下に加工した。
【００５８】
これに対してローラバニッシュを行なった所、平滑化することは難しかった。算術平均粗さ（Ｒａ）が０.１μｍということは、表面粗さは約１μｍ程度であり、かなり良好な面粗度で、表面粗さの断面曲線の突起部も小さく、密に分布しているためと考えられる。
【００５９】
そこで、第２段目のラッピング工程を廃止し、第１段目のラッピング工程の加工面に対し、ローラバニッシュを行なった所、表面粗さ断面曲線の突起部Ｔを平滑化することができ、良好な結果が得られた。
【００６０】
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、種々変更できる。例えば、前述した実施形態では、主としてクランクシャフトのピン部を加工する場合について述べたが、これのみでなく、ジャーナル部等のような断面非真円状の円弧状加工面を有するものあるいは円弧状加工面でないワークに対しても適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示す概略構成図である。
【図２】図１の側面図である。
【図３】ラッピング加工装置を示す概略構成図である。
【図４】図３の４−４線に沿う断面図である。
【図５】ラッピング加工後のピン部の表面形状を示す図である。
【図６】ラッピング加工した後のピン部の表面粗さを示す図である。
【符号の説明】
２…支持ローラ、
３…バニッシングローラ、
６…加圧源、
１０…ラッピングフィルム、
１１…シュー、
Ｔ…突起部、
Ｗ…ワーク（ピン部）、
Ｗａ…中凹状部分、
Ｗｂ…凸部、
Ｗｆ…フィレット部。

Claims

断面円弧状加工面を有するワークにバニッシングローラを押付けて仕上げ加工するローラバニッシュ加工方法において、
前記ワークの加工面をラッピング加工により中凹状に加工した後、両端部の凸部を前記バニッシングローラによりバニッシング加工するローラバニッシュ加工方法。
前記バニッシング加工は、前記凸部の表面粗さ断面曲線おける突起部を平滑にすることを特徴とする請求項１に記載のローラバニッシュ加工方法。
前記ワークは、両端にフィレット部を有するクランクシャフトのジャーナル部若しくはピン部である請求項１又は２に記載のローラバニッシュ加工方法。