JP4019533B2 - シリンダボア加工装置およびこれを用いた加工方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車等に用いられる内燃機関のシリンダボア内面の加工装置およびこれを用いた加工方法に関する。さらに詳しくは、コスト低減、加工時間の短縮を図ったシリンダボア内面の加工装置およびこれを用いた加工方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば鋳鉄製のシリンダライナを有するシリンダブロックのシリンダボア内周面の加工方法としては、先ず、切削工具を取り付けた回転工具によりボーリング加工を行ない、その後仕上げホーニングを行なう。このホーニング加工によりボア形状精度および面精度を向上させるのと同時に、シリンダの内周面に油溝を形成しピストンリングとの潤滑性を向上させようとするものである。また、ボーリング工具にホーニング砥石を付属させて、仕上げボーリングからホーニングまでを１台の機械で兼ねた装置もある。
【０００３】
また、近年では、図６に示すように、ボア加工後の加工面にレーザ光線を照射して油溝を形成する方法も用いられている。この方法は、図６（ａ）に示すように、ボーリング工具２の先端にチップ１を設置し、ボーリング工具２を回転させながらシリンダ３の内周面を回転方向に移動させて、シリンダボア内面の仕上げ加工を行なう。次いで、図６（ｂ）に示すように、ボーリング工具２をシリンダボアより取り出した後、レーザ光照射装置４を設置する。レーザ発振機５より照射されたレーザ光が照射ミラー６を介してボア加工面に照射される。このとき、ボーリング工具２はボア内周で軸方向に移動しながら回転しボア内面に油溝を形成する。レーザが照射された部位は、断面Ａ−Ａに示すように、油溝の周囲が溶融金属で盛り上がった形状となる。そこで、シリンダボアよりレーザ光照射装置４を取り出して、図６（ｃ）に示すように、再度ホーニング砥石７の付いたホーニング工具を設置し、内周面の仕上げ加工を行なう。この仕上げ加工により、油溝は、断面Ｂ−Ｂに示すように、周囲の盛り上がった部分が削り取られて平滑な面が得られる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来のシリンダボアの加工方法にあっては、ボーリング加工、油溝形成および仕上げ加工を行なうに当たり、それぞれ異なった加工機をシリンダボアに順番に出し入れさせて加工を行なうため、その都度段取りが必要となり工具軸合わせに多大な時間が必要であった。また、仕上げボーリング加工の精度が悪い場合には、レーザ加工により盛り上がった部分のみならず、油溝までも削り取ってしまうことがあり、シリンダ内面の表面性状を一定に保つことが困難である、という問題点があった。また、このような従来の異なった加工機を用いてレーザ加工による油溝を形成する方法では、加工部位の周辺に溶融した金属が残り付着する場合があり、ピストンとシリンダとの円滑な動きを阻害するだけでなく、溶融金属がエンジンオイル等に混入して各種摺動部分にダメージを与える可能性もあった。そこで、仕上げ加工のため、さらに別の手段を用いて完全に除去する方法も考えられるが、これ以上に段取り時間が必要となり、また、さらにボーリング精度にも影響を与えるようになる。
【０００５】
そこで、シリンダボアの加工に当たり、加工時間の短縮を図り、シリンダ内周面の表面性状を一定の状態とするようなシリンダボアの加工装置およびこれを用いた加工方法を得ることが課題となっていた。
【０００６】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたもので、レーザ等によりシリンダ内面の油溝加工を行なう装置および工法において、ボア加工工具と油溝加工を行なう装置および仕上げ加工装置とを一体にし、一段取りでシリンダボア内周面加工を終了できるようにすることにより、従来の課題を解決することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上述の課題を解決するために、ボーリング工具を回転させて内燃機関のシリンダボアのボーリング加工を行なうボーリング加工装置において、シリンダボア内周面のボーリングを行なう少なくとも１つ以上の切れ刃と、ボーリング加工後に油溝を形成する油溝形成手段と、次いで前記シリンダボア内周面の仕上げ加工を行なう仕上げ加工手段が、ボーリング工具に一体に具備されていることを特徴とするシリンダボア加工装置およびこれを用いた加工方法とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるシリンダボア加工装置およびこれを用いた加工方法の実施の形態を添付図面を参照して詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明によるシリンダボア加工装置およびこれを用いた加工方法の第１の実施の形態を示す図である。
まず、構成を説明すると、ボーリング工具２の先端にチップ１が取り付けられている。また、レーザ伝達光学系８が、ボーリング工具２内部に内蔵されている。照射ミラー６には、レーザ発振機５から伝達ミラー６ａを介してレーザが伝達される。レーザ発振機５、レーザ制御装置９は、工作機械制御装置１０と連動してレーザ発振機５を制御している。ボーリング工具２は、工具の摩耗等で刃先位置が変化したときのために、回転軸から偏芯機構１１を有している。
【０００９】
第１の実施の形態では、シリンダブロックを加工する際には、始めに、偏芯機構１１によりボーリングヘッドが予め設定された位置に移動して、チップ１でボーリング加工を行なう。ボーリング加工取り代が大きい場合には、粗加工、仕上げ加工の２工程に分けて実施してもよい。
【００１０】
ボーリング加工が行なわれた後に、レーザ光照射による油溝加工工程に移行する。ボーリング工具２は、制御信号に基づいて、所定の回転数、送り速度で回転し、該制御信号に連動してレーザ制御装置９がレーザ発振機５に信号を送り、レーザ光を照射する。ここで、レーザ光は断続的に照射され、ボーリング工具２の回転ならびに軸方向の動きを伴い、任意の角度、長さおよび深さの油溝をシリンダ３内周面に形成する。
【００１１】
次いで、油溝の加工が終了した後、偏芯機構１１が動作してボーリング工具２の先端を移動させ、チップ１をわずかに切り込む位置まで移動させ、レーザ加工により発生した溶着金属を除去して加工を行なう。
【００１２】
第１の実施の形態では、ボーリング後のシリンダ３内面にレーザを用いて油溝を形成するレーザ加工装置とボーリング工具２を一体化することにより、一回の段取りでシリンダボアの加工が可能となり、さらに、レーザによる加工周辺の溶着金属等の付着物をボア精度を低下させることなく除去可能である。また、従来のホーニング加工に使用されていた大量の研削油剤を用いずに、極微量の切削油あるいは切削油を用いずに加工が可能である。
【００１３】
（第２の実施の形態）
図２は、本発明によるシリンダボア加工装置およびこれを用いた加工方法の第２の実施の形態を示す図である。
まず、構成を説明すると、回転するボーリング工具２の内部に円周方向に移動可能なように取り付けられた切削切れ刃１２と、その後部で切削切れ刃１２の突き出し制御用圧電素子１３と、さらにその軸線上に取り付けられた切削切れ刃１２への負荷検出用圧電素子１４と、ボーリング加工に使用するチップ１から構成されている。
【００１４】
始めに、チップ１を用いてボア内面のボーリング加工を行ない、内周面を仕上げる。
【００１５】
次いで、図示しないボーリング工具２の偏芯機構１１によりボーリング工具２を偏芯させて、切削切れ刃１２を内周面に近づける。切削切れ刃１２が近づいたところで、工作機械制御装置１０の指令に基づいて駆動電圧発生装置１５が切削切れ刃１２の突き出し制御用圧電素子１３に電圧信号を送り、突き出し制御用圧電素子１３の伸び縮みにより切削切れ刃１２を移動させて油溝加工を行なう。
【００１６】
駆動電圧発生装置１５は、伸び側と縮み側を交互に繰り返す信号を送り、最終的に仕上げたい油溝パターンに合わせて信号を送信する。負荷検出用圧電素子１４は、加工中の反力を検出して、工作機械制御装置１０に信号を伝達し、常に最適な接触圧となるようにフィードバック制御している。
【００１７】
第２の実施の形態では、上記のようにして油溝を形成することにより、熱影響の少ない状態で形成することが可能となり、表面の性状を一定に保ち易いというメリットがある。
【００１８】
（第３の実施の形態）
図３は、本発明によるシリンダボア加工装置およびこれを用いた加工方法の第３の実施の形態を示す図である。
まず、構成を説明すると、ボーリング加工に使用するチップ１を備えたボーリング工具２に、先端が円錐形状になったセンターシャフト１６が取り付けられており、その先端部には回転半径方向に移動可能なように、先端に硬質素材ピン１７が取り付けられている。この硬質素材ピン１７は、スプリング１８でボーリング工具２に付勢される方向に力が作用している。センターシャフト１６には、リニアモータ１９が取り付けられており、センターシャフト１６を上下に移動可能としている。
【００１９】
第３の実施の形態では、従来技術と同様に、チップ１でボーリング加工を行ない、内周面を仕上げた後に、ボーリング工具２が回転させながら、センターシャフト１６がリニアモータ１９で上下に移動する。センターシャフト１６が上下移動することにより、円錐面に接触している硬質素材ピン１７は、半径方向に移動してボア内周面に押し付けられて打痕が付けられる。この一連の動作を繰り返すことにより、所定の油溝パターンが得られる。
【００２０】
第３の実施の形態のように、シリンダボア内周面を塑性変形させて油溝を形成すると、打痕周辺部に盛り上がりを生じるため、これを除去するため、再度チップ１を用いて仕上げボーリング加工を行なう。
【００２１】
第３の実施の形態も、第２の実施の形態と同様、熱的影響を受けないため、均質なシリンダボア内周面を形成することが可能である。
【００２２】
（第４の実施の形態）
図４は、本発明によるシリンダボア加工装置およびこれを用いた加工方法の第４の実施の形態を示す図である。
まず、構成を説明すると、ボーリング加工に使用するチップ１を備えたボーリング工具２を有するボーリング加工装置において、ボーリングヘッドを駆動するＮＣ装置により蛇行円軌跡２０を設定して、ボーリングヘッドの回転軸を半径方向に、２次元的にＸ−Ｙ方向に移動可能としたものである。
【００２３】
第４の実施の形態では、まず、ボーリング工具２に取り付けられたチップ１によりシリンダボア内周面を加工した後、ボーリングヘッドを駆動するＮＣ装置により蛇行円軌跡２０を設定して、ボーリング軸をＸ−Ｙ方向に移動させて、チップ１の刃先をボーリング加工時の円軌跡上を蛇行しながら移動させて、ボア内周面に油溝を形成する。油溝の形状、長さおよび深さ等は、ＮＣ装置で設定する蛇行円軌跡２０の大きさ、パターン等により決定される。
【００２４】
（第５の実施の形態）
図５は、本発明によるシリンダボア加工装置およびこれを用いた加工方法の第５の実施の形態を示す図である。
第５の実施の形態は、第１の実施の形態の装置と全く同様の装置を用い、ボーリング工具２の先端にブラシ２１を取り付けたものである。
【００２５】
第５の実施の形態では、レーザ光照射により油溝を形成した後、偏芯機構１１により回転軸が移動して、ブラシ２１がボア内周面に押し付けられ、ボア内周面に付着した異物や油溝加工部周辺の盛り上がり部分等を除去し、仕上げ加工を行なうものである。
【００２６】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、その構成を、ボーリング工具を回転させて内燃機関のシリンダボアのボーリング加工を行なうボーリング加工装置において、シリンダボア内周面のボーリングを行なう少なくとも１つ以上の切れ刃と、ボーリング加工後に油溝を形成する油溝形成手段と、次いで前記シリンダボア内周面の仕上げ加工を行なう仕上げ加工手段が、ボーリング工具に一体に具備されているシリンダボア加工装置としたため、段取り替えを行なわずに、一つのボーリング装置により、ボーリング加工、油溝形成および仕上げ加工まで行なえるため、同軸精度が大幅に向上し、シリンダ内周面の表面性状が整えられる、という優れた効果を得ることができる。
【００２７】
また、１台の加工装置で一貫して加工が可能となるため、コストおよび加工時間の短縮を図ることができる。
【００２８】
さらに、従来使用されてきた大量の研削油剤を用いずに、切削油を全く用いないかまたは極微量の使用での加工が可能となるため、作業環境および地球環境の改善に大いに役立つと共に、コスト低減についても優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるシリンダボア加工装置およびこれを用いた加工方法の第１の実施の形態を説明する図である。
【図２】第２の実施の形態を説明する図である。
【図３】第３の実施の形態を説明する図である。
【図４】第４の実施の形態を説明する図である。
【図５】第５の実施の形態を説明する図である。
【図６】従来技術によるシリンダボア加工装置およびこれを用いた加工方法を説明する図である。
【符号の説明】
１ チップ
２ ボーリング工具
３ シリンダ
４ レーザ光照射装置
５ レーザ発振機
６ 照射ミラー
６ａ 伝達ミラー
８ レーザ伝達光学系
９ レーザ制御装置
１０ 工作機械制御装置
１１ 偏芯機構
１２ 切削切れ刃
１３ 突き出し制御用圧電素子
１４ 負荷検出用圧電素子
１５ 駆動電圧発生装置
１６ センターシャフト
１７ 硬質素材ピン
１８ スプリング
１９ リニアモータ
２０ ＮＣ装置による蛇行円軌跡
２１ ブラシ

Claims (12)

1. ボーリング工具を回転させて内燃機関のシリンダボアのボーリング加工を行なうボーリング加工装置において、
   シリンダボア内周面のボーリングを行なう少なくとも１つ以上の切れ刃と、ボーリング加工後に油溝を形成する油溝形成手段と、次いで前記シリンダボア内周面の仕上げ加工を行なう仕上げ加工手段が、ボーリング工具に一体に具備されていることを特徴とするシリンダボア加工装置。
2. 請求項１に記載のシリンダボア加工装置において、
   ボーリング加工後に油溝を形成する前記油溝形成手段が、レーザ光線の照射により形成することを特徴とするシリンダボア加工装置。
3. 請求項１に記載のシリンダボア加工装置において、
   ボーリング加工後に油溝を形成する前記油溝形成手段が、ボーリング工具の半径方向に移動可能な切削工具と、該切削工具を半径方向に移動させるアクチュエータと、該アクチュエータを駆動する回路および前記切削工具の切削中の負荷を検出する検出手段であることを特徴とするシリンダボア加工装置。
4. 請求項３に記載のシリンダボア加工装置において、
   前記アクチュエータが圧電素子であることを特徴とするシリンダボア加工装置。
5. 請求項１に記載のシリンダボア加工装置において、
   ボーリング加工後に油溝を形成する前記油溝形成手段が、リニアモータによりボーリング工具の軸方向に移動可能なセンターシャフトの円錐形状先端部が、油溝形成用ピンの斜面状後端部に接触付勢して、前記ピンを前記ボーリング工具の回転半径方向に突き出させてシリンダボア内周面に打痕を付ける油溝形成用ピンであることを特徴とするシリンダボア加工装置。
6. 請求項１に記載のシリンダボア加工装置において、
   ボーリング加工後に油溝を形成する前記油溝形成手段が、ボーリング軸をＸ−Ｙ方向に移動可能で、チップ刃先がボーリング加工時の円軌跡上を蛇行して油溝を形成するＮＣ装置であることを特徴とするシリンダボア加工装置。
7. 請求項１に記載のシリンダボア加工装置において、
   シリンダボア内周面の前記仕上げ加工手段が、ボーリング工具の先端に取り付けたブラシであることを特徴とするシリンダボア加工装置。
8. 請求項１または２に記載のシリンダボア加工装置において、
   ボーリング工具に具備されたチップによりシリンダボアの内周面のボーリング加工を行ない、次いでボーリング工具と一体化したレーザ発振機により所定の回転数、送り速度で回転しながらレーザを照射して油溝を形成し、その後に前記ボーリング工具に具備されたチップによりシリンダボアの内周面の仕上げ加工を行なうことを特徴とするシリンダボア加工方法。
9. 請求項３または４に記載のシリンダボア加工装置において、
   ボーリング工具に具備されたチップによりシリンダボアの内周面のボーリング加工を行なった後、ボーリング工具を回転させながら、ボーリング工具と一体化した切削切れ刃を工作機械制御装置の指令に基づいて圧電素子に電圧信号を送り、素子の伸び縮みにより切削切れ刃を移動させてシリンダボア内周面に油溝を形成することを特徴とするシリンダボア加工方法。
10. 請求項５に記載のシリンダボア加工装置において、
    ボーリング工具に具備されたチップによりシリンダボアの内周面のボーリング加工を行なった後、ボーリング工具を回転させながら、ボーリング工具に取り付けられ先端が円錐形状のセンターシャフトをリニアモータによりボーリング工具の軸方向の上下に移動させて、前記センターシャフト端部の円錐面に接触するピンをボーリング工具の半径方向に移動させて、シリンダボア内周面に押し付けて打痕状の油溝を形成することを特徴とするシリンダボア加工方法。
11. 請求項６に記載のシリンダボア加工装置において、
    ボーリング工具に具備されたチップによりシリンダボアの内周面のボーリング加工を行なった後、ボーリングヘッドを駆動するＮＣ装置により、ボーリングヘッドの回転軸を半径方向に２次元のＸ−Ｙ方向に移動させ、チップ刃先がボーリング加工時の円軌跡上を蛇行移動させて、シリンダボア内周面に油溝を形成することを特徴とするシリンダボア加工方法。
12. 請求項１乃至７のいずれかに記載のシリンダボア加工装置において、
    ボーリング工具に具備されたチップによりシリンダボアの内周面のボーリング加工を行なった後、所定の手段により油溝を形成し、次いでボーリング工具先端に取り付けたブラシによりシリンダボア内周面の仕上げ加工を行なうことを特徴とするシリンダボア加工方法。

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