JP3990121B2

JP3990121B2 - ボア内表面の溝加工方法

Info

Publication number: JP3990121B2
Application number: JP2001211233A
Authority: JP
Inventors: 眞司西野; 佳典伊澤
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-07-11
Filing date: 2001-07-11
Publication date: 2007-10-10
Anticipated expiration: 2021-07-11
Also published as: JP2003025079A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンシリンダブロックのボア内表面に潤滑油を保持するための微細な溝を形成するボア内表面の溝加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ワークとしての例えばシリンダブロックには、当該ワークを実際に使用するときに要求される条件として、ピストンの焼き付きを防止すること、という条件がある。この条件に適合するため、シリンダブロックのボア内表面には、油溜まりの窪みが形成されている。
【０００３】
油溜まりを形成する加工法として、ホーニング砥石により微小な網目状の油溜まりを形成するホーニング加工が知られているが、ホーニング砥石を回転および昇降させながらボア内表面の全領域を加工するため、潤滑油を積極的に保持させる必要がある一部の領域の窪みのみを深く形成することは難しい。
【０００４】
そこで、ボア内表面のうち潤滑油を積極的に保持させる必要がある一部の領域にレーザ光を照射し、当該領域に油溜まりの窪みを形成するようにしたレーザ加工も提案されている。レーザ光による溝加工方法によれば、所望形状の溝を必要な領域にだけ形成することができる。レーザ光による溝加工方法は，例えば、特開平７−４００６８号公報に示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ピストンの焼き付きを防止する観点からすれば、油溜まりの窪みの深さを大きくして潤滑油を保持する機能を高める方がよいが、窪みの深さが必要以上に大きいと潤滑油の消費量が増えてしまう。また、窪みの形状に応じて保持される潤滑油の量が違ってくるため、窪みの形状は、ピストンとの間の摩擦係数に影響を与え、エンジンの動力性能に大きな影響を与える。
【０００６】
したがって、レーザ加工に際しては、潤滑油の消費量の低減を図りつつ、焼き付きの防止と、動力性能の向上とを図り得るように、油溜まりの窪みを適正な形状に形成する必要がある。
【０００７】
本発明は、このような背景の下になされたものであり、エンジンシリンダブロックを実際に使用するときに要求される条件に適合した適正な形状の溝をボア内表面に形成し得るボア内表面の溝加工方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【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。
【０００９】
（１）エンジンシリンダブロックのボア内表面に潤滑油を保持するための微細な連続溝を形成するボア内表面の溝加工方法において、
前記ボア内表面にレーザ光を照射し、連続した連続溝と、当該連続溝の周囲で前記ボア内表面から盛り上がる盛り上がり部とを形成するに際して、前記ボア内表面を基準とした深さが、前記盛り上がり部の前記ボア内表面を基準とした高さ以上である連続溝を形成する条件にて溝加工を行う工程と、
形成された連続溝にレーザ光を再度照射し、先の工程により生じた前記盛り上がり部の高さよりも小さい高さの盛り上がり部が生じる連続溝を形成する条件にて溝加工を行う工程と、
レーザ光により前記ボア内表面に溝加工を行った後、ホーニング加工により前記盛り上がり部を除去する工程と、を有し、
レーザ光による前記ボア内表面への溝加工は、複数段階のいずれも、レーザ光を所定のパルス周波数で照射しつつ所定の移動速度で移動させることにより、点状の窪みが前記移動方向に沿って連続してなる微細な連続溝を形成するものであり、かつ、「移動速度／パルス周波数」により定義され、パルス間の距離として表されるバイトサイズを５．６μｍ〜２８μｍに設定して行われ、
レーザ光の平均出力は、１０Ｗ〜５０Ｗの範囲であり、
さらに、前記バイトサイズの範囲のうち１回目のバイトサイズよりも大きいバイトサイズに設定して、１回目の溝加工により形成された前記連続溝にレーザ光を再度照射することによって、１回目の溝加工により生じた盛り上がり部の高さを減少させてなるボア内表面の溝加工方法。
【００１３】
（２）レーザ光を再度照射する際のバイトサイズは、２８μｍ近傍であることを特徴とする上記（１）に記載のボア内表面の溝加工方法。
【００１６】
【発明の効果】
上記のように構成した本発明は以下の効果を奏する。
【００１７】
本発明によれば、複数段階のレーザ加工を行うことにより、盛り上がり部の高さを減少させつつ、深い溝を形成できる。その後、ホーニング加工により盛り上がり部を除去しても、ワーク表面には所定の深さの溝が残る。したがって、潤滑油を保持する機能が高く、油溜りの窪みとして好適な溝をボア内表面に形成することができる。しかも、盛り上がり部の高さが減少することにより、その後のホーニング加工による除去量が減少するため、ホーニング加工が容易になる。したがって、ホーニング加工に要する時間が短くなるため、生産効率の向上にも寄与し得る。
【００２２】
【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。
【００２３】
（第１の実施形態）
図１は、レーザ加工装置１０からボア内表面３１にレーザ光を照射して微細な溝を形成している状況を示す図、図２は、ボア内表面３１のうちレーザ加工が施される領域を示す斜視図である。なお、図２おいて、レーザ加工が施される領域は二点鎖線にて表される。
【００２４】
図１に示すように、レーザ加工装置１０は、レーザ発振器１１と、照射ミラー１２と、集光レンズ１３が内蔵された集光部１４と、集光部１４の図中下端に設けられた伝達ミラー１５と、集光部１４を軸線回りに回転および軸線方向に昇降駆動する駆動装置１６と、を有する。レーザ発振器１１から出力されたレーザ光２０は、照射ミラー１２により集光部１４に向けて折り返され、集光レンズ１３で集光され、伝達ミラー１５により折り返され、エンジンシリンダブロック３０のボア内表面３１（ワーク表面に相当する）に照射される。ボア内表面３１にレーザ光２０を所定パルス周波数で照射しつつ集光部１４を所定速度で移動させることにより、移動方向に連続した微細な溝がボア内表面３１に形成される。
【００２５】
図２に示すように、レーザ光２０による溝加工は、シリンダヘッド側開口端から所定寸法の領域に対して施される。この領域は、ピストンの上死点近傍に相当するため熱衝撃が大きく、焼き付きをもっとも防止しなければならない領域である。
【００２６】
レーザ光２０による溝加工を行うと、加熱による膨張や蒸発によって、溝の周囲には、盛り上がり部（「デブリ」と称される）が必然的に形成されてしまう。このような盛り上がり部がボア内表面３１に残ったままでは、ピストンの円滑な摺動が阻害される。そこで、レーザ加工の後に、ボア内表面３１に形成された盛り上がり部を、ホーニング加工などにより完全に除去し、ボア内表面３１を平滑に形成する。このホーニング加工は、従来の公知の装置および方法によって実施される。
【００２７】
これにより、ボア内表面３１の所定領域に油溜りの窪みを形成する一連の加工が完了する。
【００２８】
次に、レーザ光２０による溝加工におけるレーザ加工条件について考察する。
【００２９】
（レーザ加工条件の仕様１）
図３は、レーザ加工条件の仕様１におけるレーザ光２０の照射の繰り返し数と加工形状との関係を示す図である。加工形状は、図６（Ａ）に示すように、符号ａで示される溝３２の溝幅（μｍ）、符号ｂで示されるボア内表面３１を基準とした溝３２の深さ（μｍ）および符号ｃで示されるボア内表面３１を基準とした盛り上がり部３３の高さ（μｍ）を測定した。図３中の三角形は溝幅（μｍ）の測定値を示し、丸は溝３２の深さ（μｍ）の測定値を示し、四角は盛り上がり部３３の高さ（μｍ）の測定値を、それぞれ示している。
【００３０】
レーザ加工条件の仕様１は、平均出力が５０Ｗ、加工速度が１５ｍ／ｍｉｎである。この条件で、レーザ光２０の照射の繰り返し数（パルス周波数）を１ｋＨｚから９０ｋＨｚまで変化させた。
【００３１】
繰り返し数を１ｋＨから９０ｋＨｚまで変化させた場合の加工形状は、図示するように、不連続つまり点状に窪みが形成されるパターン▲１▼、表面が連続した窪みとなるパターン▲２▼、窪みにならず表面に盛り上がりが出るパターン▲３▼、表面が連続した浅い窪みとなるパターン▲４▼と変化する。
【００３２】
パターン▲３▼では、ボア内表面３１を基準とした溝３２の深さｂは、盛り上がり部３３の高さｃよりも小さい（ｂ＜ｃ）。このため、レーザ加工後に行うホーニング加工によって盛り上がり部３３を除去すると、潤滑油を保持する機能が著しく低い溝３２となり、油溜りの窪みとして適さないものとなる。
【００３３】
一方、パターン▲２▼では、ボア内表面３１を基準とした溝３２の深さｂは、盛り上がり部３３の高さｃ以上である（ｂ≧ｃ）。このため、レーザ加工後に盛り上がり部３３を除去しても、潤滑油を保持する機能が高い溝３２となり、油溜りの窪みとして好適なものとなる。つまり、ワークとしてのシリンダボアを実際に使用するときに要求される条件に適合した適正な形状の溝３２となる。
【００３４】
したがって、パターン▲２▼の周波数帯域である約９ｋＨｚから約４５ｋＨｚにおいて加工を行うことにより、連続した溝３２と、当該溝３２の周囲でボア内表面３１から盛り上がる盛り上がり部３３とが形成され、さらに、ボア内表面３１を基準とした溝３２の深さｂが、盛り上がり部３３の高さｃ以上の寸法であり、潤滑油を保持する機能が高い、焼き付き防止の油溜りの窪みを形成できることがわかった。
【００３５】
（レーザ加工条件の仕様２）
図４は、レーザ加工条件の仕様２におけるレーザ光２０の照射の繰り返し数と加工形状との関係を示す図である。
【００３６】
レーザ加工条件の仕様２は、平均出力が１０Ｗ、加工速度が１５ｍ／ｍｉｎである。この条件で、繰り返し数を１ｋＨから９０ｋＨｚまで変化させた。
【００３７】
繰り返し数を１ｋＨから９０ｋＨｚまで変化させた場合の加工形状は、図示するように、不連続つまり点状に窪みが形成されるパターン▲１▼、表面が連続した窪みとなるパターン▲２▼、窪みにならず表面に盛り上がりが出るパターン▲３▼と変化する。
【００３８】
仕様１と同様に、パターン▲２▼では、ボア内表面３１を基準とした溝３２の深さｂは、盛り上がり部３３の高さｃ以上である（ｂ≧ｃ）。パターン▲３▼では、ボア内表面３１を基準とした溝３２の深さｂは、盛り上がり部３３の高さｃよりも小さい（ｂ＜ｃ）。
【００３９】
したがって、パターン▲２▼の周波数帯域である約９ｋＨｚから約４０ｋＨｚにおいて加工を行うことにより、連続した溝３２と、当該溝３２の周囲でボア内表面３１から盛り上がる盛り上がり部３３とが形成され、さらに、ボア内表面３１を基準とした溝３２の深さｂが、盛り上がり部３３の高さｃ以上の寸法であり、潤滑油を保持する機能が高い、焼き付き防止の油溜りの窪みを形成できることがわかった。
【００４０】
（レーザ加工条件の仕様３）
図５は、レーザ加工条件の仕様３におけるレーザ光２０の照射の繰り返し数と加工形状との関係を示す図である。
【００４１】
レーザ加工条件の仕様３は、平均出力が１０Ｗ、加工速度が５ｍ／ｍｉｎである。この条件で、繰り返し数を１ｋＨから９０ｋＨｚまで変化させた。
【００４２】
繰り返し数を１ｋＨから９０ｋＨｚまで変化させた場合の加工形状は、図示するように、不連続つまり点状に窪みが形成されるパターン▲１▼、表面が連続した窪みとなるパターン▲２▼、窪みにならず表面に盛り上がりが出るパターン▲３▼と変化する。
【００４３】
仕様１と同様に、パターン▲２▼では、ボア内表面３１を基準とした溝３２の深さｂは、盛り上がり部３３の高さｃ以上である（ｂ≧ｃ）。パターン▲３▼では、ボア内表面３１を基準とした溝３２の深さｂは、盛り上がり部３３の高さｃよりも小さい（ｂ＜ｃ）。また、この仕様３では、溝３２が形成されないこともある（ｂ＝０）。
【００４４】
したがって、パターン▲２▼の周波数帯域である約３ｋＨｚから約１２ｋＨｚにおいて加工を行うことにより、連続した溝３２と、当該溝３２の周囲でボア内表面３１から盛り上がる盛り上がり部３３とが形成され、さらに、ボア内表面３１を基準とした溝３２の深さｂが、盛り上がり部３３の高さｃ以上の寸法であり、潤滑油を保持する機能が高い、焼き付き防止の油溜りの窪みを形成できることがわかった。
【００４５】
（バイトサイズに関する考察）
図６（Ｂ）に示すように、パルス間の距離で表されるバイトサイズＳ（μｍ）は、加工速度と繰り返し数とに基づいて、「加工速度／パルス周波数」により定義される。レーザ加工条件の仕様１と仕様２とは、加工速度が同じで、レーザ平均出力が異なっている。また、レーザ加工条件の仕様２と仕様３とは、レーザ平均出力が同じで、加工速度が異なっている。
【００４６】
図３〜図５には、上記の定義より求めたバイトサイズＳがあわせて示される。例えば、図３を参照して、平面視で連続溝が形成されなかったパターン▲１▼と連続溝が形成されたパターン▲２▼との境界である繰り返し数９ｋＨｚの場合には、
１５［ｍ／ｍｉｎ］／６０［ｓｅｃ］／（９×１０００）［Ｈｚ］
より、バイトサイズＳは、約２８μｍとなる。また、パターン▲２▼とパターン▲３▼との境界である繰り返し数４５ｋＨｚの場合には、
１５［ｍ／ｍｉｎ］／６０［ｓｅｃ］／（４５×１０００）［Ｈｚ］
より、バイトサイズＳは、約５．６μｍとなる。
【００４７】
レーザ加工条件の仕様１〜仕様３において、連続溝であり、かつ、ボア内表面３１を基準とした溝３２の深さｂが盛り上がり部３３の高さｃ以上（ｂ≧ｃ）であるパターン▲２▼の境界におけるバイトサイズＳの下限値および上限値は、

である。
【００４８】
ここに、バイトサイズＳの下限値に関しては、各仕様でばらつきがあるが、レーザ平均出力が同じであれば同程度になるはずであり、仕様２と仕様３との間のズレは、計測誤差および図上にプロットした位置のズレによるもので、大きな違いはない。
【００４９】
また、仕様１におけるレーザ平均出力（５０Ｗ）は、仕様２および仕様３におけるレーザ平均出力（１０Ｗ）の５００％であり、エネルギー量が相当異なるものの、パターン特性はほぼ同じであり、加工速度が同じ仕様１と仕様２との間では、バイトサイズＳの下限値のズレは、仕様２に対して１１％程度にすぎず、エネルギー量の大きな違い（５００％）に比べればきわめて小さく、大きな違いはないと考えられる。
【００５０】
これより、レーザ平均出力が１０Ｗ〜５０Ｗの範囲では、加工速度が変化した場合でも、バイトサイズＳの下限値５．６μｍから上限値２８μｍの範囲となるようにパルス周波数を設定することにより、パターン▲２▼の溝形状、すなわち、連続溝であり、かつ、ボア内表面３１を基準とした溝３２の深さｂが盛り上がり部３３の高さｃ以上（ｂ≧ｃ）である焼き付き防止の油溜りの窪みを形成できることがわかった。
【００５１】
上記のバイトサイズＳの範囲５．６μｍ〜２８μｍのうち、８μｍ〜１２μｍの範囲が溝３２の深さｂが深いので、潤滑油を保持する機能が高い油溜りの窪みを形成する場合に適用してより好適なバイトサイズＳとなる。
【００５２】
加工速度が５ｍ／ｍｉｎ（仕様３）および１５ｍ／ｍｉｎ（仕様１および仕様２）の場合を実験したが、その理由は次のとおりである。つまり、加工速度が５ｍ／ｍｉｎよりも小さいと、従来の加工時間に対して遅くなるので、生産効率（単位時間当たりの加工数）がきわめて低くなる。また、加工速度が１５ｍ／ｍｉｎよりも大きいと、パルス周波数をより大きくする必要があるが、パルス周波数が大きすぎると、レーザ加工装置１０の消耗が激しく、装置寿命が短くなる。以上のことから、実際の生産時に採用し得る加工速度の下限値および上限値を考慮して、加工速度が５ｍ／ｍｉｎ（仕様３）および１５ｍ／ｍｉｎ（仕様１および仕様２）の場合について実験を行った。
【００５３】
さらに、レーザ平均出力が５０Ｗ（仕様１）および１０Ｗ（仕様２および仕様３）の場合を実験したが、その理由は次のとおりである。つまり、レーザ平均出力が１０Ｗよりも小さいと、油溜りの窪みとして機能させるのに十分な深さの溝３２を形成することができない。また、レーザ平均出力が５０Ｗよりも大きいとき、例えば１００Ｗのときには、レーザ光２０の無効成分が大きくなり、使用できるのはせいぜい５０Ｗ程度である。また、現状の生産時には、レーザ平均出力の範囲として１０Ｗ〜５０Ｗの範囲が、通常、使用されている。以上のことから、さらには省エネルギーについても考慮して、レーザ平均出力が５０Ｗ（仕様１）および１０Ｗ（仕様２および仕様３）の場合について実験を行った。
【００５４】
上述したように、十分な油溜まりの機能を有する窪みが形成されるか否かは、「加工速度／パルス周波数」により定義されるバイトサイズＳに基づいて判断することができ、加工速度を変更する場合でも、バイトサイズＳが５．６μｍ〜２８μｍとなるパルス周波数帯域で加工することにより、試行錯誤を行うことなく容易に、レーザ光２０による溝加工を実施ができる。
【００５５】
第１の実施形態は、レーザ光２０による溝加工を２回繰り返して行っている。
【００５６】
つまり、まず、前記バイトサイズの範囲（５．６μｍ〜２８μｍ）のうちの所定のバイトサイズＳに設定してレーザ加工し、ボア内表面３１に、連続した溝３２と、その周囲の盛り上がり部３３とを形成する。ボア内表面３１を基準とした溝３２の深さｂは、盛り上がり部３３の高さｃ以上である。
【００５７】
その後、前記バイトサイズの範囲（５．６μｍ〜２８μｍ）のうち１回目のバイトサイズよりも大きいバイトサイズに設定して、１回目の加工により形成された溝３２と同じ箇所にレーザ光を再度照射し、レーザ加工する。
【００５８】
ここに、一回目のレーザ加工は、盛り上がり部３３の高さが大きくても深い連続溝３２を形成し得るバイトサイズＳ（パターン（２）の略中間に相当するサイズ）に設定して行う。二回目のレーザ加工は、盛り上がり部３３の高さが小さく（連続溝３２の深さも小さくなる）、かつ、連続溝３２を加工可能なバイトサイズＳ（パターン（２）内でパターン（１）側に近い側に相当するサイズ）に設定して行う。レーザ光２０を再度照射する際のバイトサイズＳは、２８μｍ近傍が好ましい。
【００５９】
かかる２段階のレーザ加工を行うことにより、一回目のレーザ加工により生じた盛り上がり部３３の高さが減少することがわかった。
【００６０】
盛り上がり部３３の高さが減少することにより、その後のホーニング加工による除去量が減少するため、ホーニング加工が容易になる。しかも、ホーニング加工に要する時間が短くなるため、生産効率の向上にも寄与し得る。
【００６１】
なお、２段階以上のレーザ加工を行うこともできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】レーザ加工装置からボア内表面にレーザ光を照射して微細な溝を形成している状況を示す図である。
【図２】ボア内表面のうちレーザ加工が施される領域を示す斜視図である。
【図３】レーザ加工条件の仕様１におけるレーザ光の照射の繰り返し数と加工形状との関係を示す図である。
【図４】レーザ加工条件の仕様２におけるレーザ光の照射の繰り返し数と加工形状との関係を示す図である。
【図５】レーザ加工条件の仕様３におけるレーザ光の照射の繰り返し数と加工形状との関係を示す図である。
【図６】図６（Ａ）は、溝の加工形状を拡大して示す図、図６（Ｂ）は、「加工（移動）速度／パルス周波数」により定義されるバイトサイズの説明に供する図である。
【符号の説明】
１０…レーザ加工装置
２０…レーザ光
３０…エンジンシリンダブロック
３１…ボア内表面
３２…溝
３３…盛り上がり部
ｂ…溝の深さ
ｃ…盛り上がり部の高さ
Ｓ…バイトサイズ

Claims

エンジンシリンダブロックのボア内表面に潤滑油を保持するための微細な連続溝を形成するボア内表面の溝加工方法において、
前記ボア内表面にレーザ光を照射し、連続した連続溝と、当該連続溝の周囲で前記ボア内表面から盛り上がる盛り上がり部とを形成するに際して、前記ボア内表面を基準とした深さが、前記盛り上がり部の前記ボア内表面を基準とした高さ以上である連続溝を形成する条件にて溝加工を行う工程と、
形成された連続溝にレーザ光を再度照射し、先の工程により生じた前記盛り上がり部の高さよりも小さい高さの盛り上がり部が生じる連続溝を形成する条件にて溝加工を行う工程と、
レーザ光により前記ボア内表面に溝加工を行った後、ホーニング加工により前記盛り上がり部を除去する工程と、を有し、
レーザ光による前記ボア内表面への溝加工は、複数段階のいずれも、レーザ光を所定のパルス周波数で照射しつつ所定の移動速度で移動させることにより、点状の窪みが前記移動方向に沿って連続してなる微細な連続溝を形成するものであり、かつ、「移動速度／パルス周波数」により定義され、パルス間の距離として表されるバイトサイズを５．６μｍ〜２８μｍに設定して行われ、
レーザ光の平均出力は、１０Ｗ〜５０Ｗの範囲であり、
さらに、前記バイトサイズの範囲のうち１回目のバイトサイズよりも大きいバイトサイズに設定して、１回目の溝加工により形成された前記連続溝にレーザ光を再度照射することによって、１回目の溝加工により生じた盛り上がり部の高さを減少させてなるボア内表面の溝加工方法。
レーザ光を再度照射する際のバイトサイズは、２８μｍ近傍であることを特徴とする請求項１に記載のボア内表面の溝加工方法。