JP4134645B2 - 摺動面の加工方法およびシリンダブロック - Google Patents
摺動面の加工方法およびシリンダブロック Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ワークにおける円周面をなす摺動面にレーザ光を照射することにより油溜まりとして機能する微細な窪み部を形成する摺動面の加工方法および摺動面としてのボア内周面にレーザ光を照射することにより油溜まりとして機能する微細な窪み部が形成されたシリンダブロックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ワークにおける円周面をなす摺動面、例えば、シリンダブロックのボア内周面は、ピストンの焼き付きを防止する耐焼き付き性が良好であることが要求されるため、油溜まりとして機能する微細な窪み部が形成されている。
【０００３】
油溜まりを形成する加工方法として、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周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、ボア内周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て微細な窪み部を形成するレーザ微細加工による摺動面の加工方法も提案されている。レーザ微細加工によれば、所望形状の窪み部を必要な領域にだけ簡単に形成することができる。レーザ微細加工による摺動面の加工方法は、例えば、特開平７−４００６８号公報、特開平６−８１０３０号公報、特開２００１−２７９４２１号公報に示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−４００６８号公報
【特許文献２】
特開平６−８１０３０号公報
【特許文献３】
特開２００１−２７９４２１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
レーザ微細加工を行うと、当該レーザ微細加工を行った部分（以下、「レーザ加工部」という）の両側に、盛り上がり部位が生じる。この盛り上がり部位を除去するとともに面粗度を向上させるために、レーザ微細加工の後には、ボア内周面の仕上げ加工が行われている。仕上げ加工は、一般に、ホーニング砥石を用いた研削加工により行われている。
【０００７】
しかしながら、研削加工を行うと、レーザ加工部に比べて、レーザ微細加工を行っていない部分（以下、「レーザ未加工部」という）が優先的に研磨されてしまい、研削加工が完了した後に、ボア内周面は、レーザ加工部が凸形状に、レーザ未加工部が凹形状になり、全体的にうねった凹凸形状になることがある。うねりの発生原因としては、主として、レーザ加工部の周辺に発生する数ミクロン厚さの硬化された部分とレーザ未加工部の硬化されていない部分との間の硬度差によって砥石の磨耗が不均一になるため、および、砥石の目詰まりが不均一になるためであると考えられる。ボア内周面が全体的にうねった凹凸形状になると、凸形状になった部分の面圧が不均一に高くなる。これにより、摺動面のフリクション特性が悪影響を受け、耐焼き付き性が低下する。
【０００８】
したがって、摺動面のフリクション特性を悪化させず、耐焼き付き性の向上を図るためには、円周面をなす摺動面が研削加工後にうねった凹凸形状となることを抑制しつつ、油溜まりとして機能する微細な窪み部を形成する必要がある。
【０００９】
本発明は、このような背景の下になされたものであり、円周面をなす摺動面が研削加工後にうねった凹凸形状となることを抑制しつつ、油溜まりとして機能する微細な窪み部を形成でき、もって、摺動面のフリクション特性を悪化させず、耐焼き付き性の向上を図り得る摺動面の加工方法およびシリンダブロックを提供することを目的とする。
【００１０】
【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。
【００１１】
本発明は、ワークにおける円周面をなす摺動面にレーザ光を照射することにより油溜まりとして機能する微細な窪み部を形成する摺動面の加工方法において、レーザ光を照射して微細な窪み部を形成するレーザ微細加工を行った後に、レーザ微細加工を行った部分とレーザ微細加工を行っていない部分との硬度差を吸収するレーザ焼き入れを行い、その後に、研削加工により前記摺動面を仕上げ加工することを特徴とする摺動面の加工方法である。
【００１２】
また、本発明は、摺動面としてのボア内周面にレーザ光を照射することにより油溜まりとして機能する微細な窪み部が形成されたシリンダブロックにおいて、レーザ光を照射して微細な窪み部を形成するレーザ微細加工を行った部分と当該レーザ微細加工を行っていない部分との硬度差を吸収するレーザ焼き入れが施されていることを特徴とするシリンダブロックである。
【００１３】
【発明の効果】
本発明によれば、円周面をなす摺動面が研削加工後にうねった凹凸形状となることを抑制しつつ、油溜まりとして機能する微細な窪み部を形成でき、もって、摺動面のフリクション特性を悪化させず、耐焼き付き性の向上を図り得る。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、参考例および本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。第１の実施形態が参考例に係る実施形態、第２の実施形態が本発明に係る実施形態である。
【００１５】
（第１の実施形態）
図１は、レーザ加工装置１０からボア内周面３１にレーザ光を照射して微細な窪み部３２を形成している状況を示す図、図２は、ボア内周面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。図３は、図２の３−３線に沿う断面図であり、図３（Ａ）は、レーザ加工後のボア内周面３１を示す断面図、図３（Ｂ）は、研削加工後のボア内周面３１を示す断面図である。
【００１６】
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、伝達ミラー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折り返しミラー１５と、集光部１４を軸心Ｏを中心に回転するとともに軸心Ｏに沿う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、伝達ミラー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、折り返しミラー１５により折り返され、シリンダブロック３０におけるシリンダボアのボア内周面３１（ワークにおける円周面をなす摺動面に相当する）に照射される。レーザ光２０を所定パルス周波数（レーザ光２０の照射の繰り返し数）で照射しつつ駆動装置１６により集光部１４を回転させることにより、油溜まりとして機能する複数の窪み部３２がシリンダボアの円周方向に沿ってボア内周面３１に形成される。その後、駆動装置１６により集光部１４を軸心方向に移動し、その位置において、再び、レーザ光２０を所定パルス周波数で照射しつつ集光部１４を回転させることにより、複数の窪み部３２が円周方向に沿ってボア内周面３１に形成される。
【００１７】
図２に示すように、レーザ光２０による微細な窪み部３２の加工は、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、耐焼き付き性をもっとも向上させなければならない領域である。
【００１８】
図３（Ａ）に示すように、レーザ微細加工を行うと、加熱による膨張や蒸発によって、レーザ加工部の両側に、盛り上がり部位３３（「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位３３がボア内周面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。
【００１９】
そこで、図３（Ｂ）に示すように、レーザ微細加工の後に、盛り上がり部位３３（同図に破線で示される）を除去し、さらに、レーザ加工部以外の平滑部での面粗度を高めるために、仕上げ加工が行われている。仕上げ加工は、例えば、ホーニング砥石を用いた研削加工により行われる。ホーニング砥石は、回転駆動される円筒状の工具に、径方向外方に拡張自在に取り付けられている。
【００２０】
図４は、シリンダボアの軸心方向に沿って隣り合う円周方向に沿う窪み部３２の位相を同位相とした対比例の場合および窪み部３２の位相をずらした第１の実施形態の場合のそれぞれにおける、窪み部３２の配置状況、レーザ微細加工後のボア内周面３１を示す断面図、研削加工後のボア内周面３１を示す断面図である。符号４０は、ホーニング砥石を示している。研削加工時には、ホーニング砥石４０は、円筒状の工具とともに回転されながら、シリンダボアの軸心方向に進退移動される。矢印４１は、ボア内周面３１の円周方向に沿うホーニング砥石４０の相対的な移動方向を示し、矢印４２は、シリンダボアの軸心方向に沿うホーニング砥石４０の相対的な移動方向を示している。
【００２１】
図４に示すように、対比例の場合には、研削加工において、レーザ加工部５０に比べてレーザ未加工部５１が優先的に研磨されてしまう。このため、研削加工が完了した後に、ボア内周面３１は、レーザ加工部５０が凸形状に、レーザ未加工部５１が凹形状になり、全体的にうねった凹凸形状になる。うねりの発生原因としては、前述したように、レーザ加工部５０の周辺に発生する硬化された部分とレーザ未加工部５１の硬化されていない部分との間の硬度差によって砥石４０の磨耗が不均一になるため、および、砥石４０の目詰まりが不均一になるためであると考えられる。ボア内周面３１が全体的にうねった凹凸形状になると、凸形状になった部分の面圧が不均一に高くなり、摺動面のフリクション特性が悪影響を受け、耐焼き付き性が低下する。
【００２２】
これに対して、第１の実施形態の場合には、研削加工が完了した後に、ボア内周面３１は全体的にうねった凹凸形状にならない。うねりを抑制できたのは、矢印４１、４２で示される砥石４０の移動方向に沿って位置する窪み部３２の分布が砥石４０の移動方向に沿ってほぼ均一になって砥石４０の磨耗が研削面の全面にわたってほぼ均一になるため、および、砥石４０の目詰まりが研削面の全面にわたってほぼ均一になるためであると考えられる。ボア内周面３１が研削加工後にうねった凹凸形状となることを抑制しつつ、油溜まりとして機能する微細な窪み部３２を形成できるため、面圧が周方向に均一になり、摺動面のフリクション特性を悪化させず、耐焼き付き性の向上を図ることができる。
【００２３】
第１の実施形態におけるボア内周面３１の加工手順を説明する。
【００２４】
まず、レーザ光２０を所定パルス周波数で照射しつつ駆動装置１６により集光部１４を回転し、油溜まりとして機能する複数の窪み部３２を円周方向に沿ってボア内周面３１に形成する。
【００２５】
次いで、駆動装置１６により集光部１４をシリンダボアの軸心方向に所定距離だけ移動する。その位置において、再び、レーザ光２０を所定パルス周波数で照射しつつ集光部１４を回転し、複数の窪み部３２を円周方向に沿ってボア内周面３１に形成する。
【００２６】
複数の窪み部３２を円周方向に沿って形成した後にシリンダボアの軸心方向に移動した位置において複数の窪み部３２を円周方向に沿って形成するときには、シリンダボアの軸心方向に沿って隣り合う円周方向に沿う窪み部３２の位相がずれるようにレーザ光を照射する。窪み部３２の位相をずらすために、レーザ発振器１１からのレーザ光２０の出力タイミングをずらす制御が行われる。
【００２７】
上述した集光部１４の軸心方向への移動と、その位置での円周方向に沿う複数の窪み部３２の形成とを繰り返し、図２に二点鎖線で示される領域に対してレーザ微細加工を施す。レーザ光の平均出力、加工速度は適宜選択できるが、一例を挙げれば、レーザ平均出力は１０Ｗ〜５０Ｗ、加工速度は５ｍ／ｍｉｎ〜１５ｍ／ｍｉｎである。
【００２８】
レーザ平均出力が１０Ｗよりも小さいと、油溜まりの窪みとして機能させるのに十分な深さの窪み部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、レーザ光の発振効率が低くなり、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、レーザ平均出力は１０Ｗ〜５０Ｗが好ましい。
【００２９】
また、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、加工速度は５ｍ／ｍｉｎ〜１５ｍ／ｍｉｎが好ましい。
【００３０】
レーザ微細加工が終了したシリンダブロック３０は、軸心方向に沿う複数の位置で、複数の窪み部３２が円周方向に沿って形成され、さらに、軸心方向に沿って隣り合う円周方向に沿う窪み部３２の位相がずれている。図４に示される窪み部３２は、半球凹部のような点形状を有している。窪み部３２の円周方向のピッチは約０．６ｍｍ、軸心方向のピッチは約０．３ｍｍである。
【００３１】
レーザ微細加工が完了した後、ホーニング砥石４０を用いた研削加工により、ボア内周面３１を仕上げ加工する。研削加工時には、ホーニング砥石４０は、円筒状の工具とともに回転されながら、シリンダボアの軸心方向に進退移動される。さらに、ホーニング砥石４０は、径方向外方に向けて拡張され、ボア内周面３１に押圧される。ホーニング砥石４０は、比較的高速で回転される一方、比較的低速で進退移動される。
【００３２】
研削加工が完了すると、レーザ微細加工により生じた盛り上がり部位３３が除去され、ボア内周面３１は、所定の面粗度を有する平滑面に仕上げられる。
【００３３】
ここで、シリンダボアの軸心方向に沿って隣り合う円周方向に沿う窪み部３２の位相をずらしたため、レーザ未加工部５１が優先的に研削されることがなくなり、ボア内周面３１が研削加工後にうねった凹凸形状となることを抑制しつつ、油溜まりとして機能する微細な窪み部３２を形成できる。このように、油溜まりの機能を有する窪み部３２と平滑面とを合わせ持つボア内周面３１によれば、面圧が周方向に均一になり、摺動面のフリクション特性を悪化させず、耐焼き付き性の向上を図ることができる。
【００３４】
以上説明したように、第１の実施形態における摺動面の加工方法によれば、複数の窪み部３２を円周方向に沿って形成した後にシリンダボアの軸心方向に移動した位置において複数の窪み部３２を円周方向に沿って形成するときに、シリンダボアの軸心方向に沿って隣り合う円周方向に沿う窪み部３２の位相がずれるようにレーザ光２０を照射し、その後に、研削加工により摺動面を仕上げ加工している。このため、円周面をなす摺動面が研削加工後にうねった凹凸形状となることを抑制しつつ、油溜まりとして機能する微細な窪み部３２を形成でき、もって、摺動面のフリクション特性を悪化させず、耐焼き付き性の向上を図ることが可能となる。
【００３５】
摺動面として、シリンダブロック３０におけるシリンダボアの内周面の場合には、ボア内周面３１のフリクション特性を悪化させず、耐焼き付き性の向上を図ることが可能となる。
【００３６】
また、第１の実施形態におけるシリンダブロック３０は、軸心方向に沿う複数の位置で、複数の窪み部３２が円周方向に沿って形成され、さらに、軸心方向に沿って隣り合う円周方向に沿う窪み部３２の位相がずれている。このため、円周面をなす摺動面としてのボア内周面３１が研削加工後にうねった凹凸形状となることを抑制しつつ、油溜まりとして機能する微細な窪み部３２を形成でき、もって、ボア内周面３１のフリクション特性を悪化させず、耐焼き付き性の向上を図ることが可能となる。
【００３７】
なお、窪み部３２は、図４に示した点形状に限られものではなく、油溜まりとして機能し得る限りにおいて、適宜の形状を選択できる。例えば、図５に示すように、窪み部３２は、長溝のような線形状を有するものでもよい。また、窪み部３２は、楕円のような線形状であってもよい。
【００３８】
線形状の窪み部３２の場合、当該窪み部３２の長手方向（円周方向）の範囲内に溜められた潤滑油が流動ないし移動する。これに対して、点形状の窪み部３２における油溜まりは、線形状の窪み部３２に比べて潤滑油の流動が少ない。このため、ボア内周面３１の単位面積当たりにおける窪み部３２の面積が同じ場合には、点形状の窪み部３２は、線形状の窪み部３２に比べて、油溜まりの途切れる領域が少なくなる。したがって、点形状の窪み部３２は、線形状の窪み部３２に比べて、焼き付きが生じる焼き付き面圧が高くなり、より効率よく焼き付きを防止することができる。
【００３９】
なお、本明細書において、「円周方向に沿う窪み部３２」とは、複数の窪み部３２がワークの軸心に対して直交する方向に配置される場合のみならず、複数の窪み部３２がワークの軸心に対して傾斜する方向に配置される場合をも含む概念である。
【００４０】
（第２の実施形態）
第２の実施形態は、ボア内周面３１のフリクション特性を悪化させず、耐焼き付き性の向上を図り得る摺動面の加工方法およびシリンダブロック３０を提供する点において、上述した第１の実施形態と同じである。但し、第２の実施形態は、レーザ光２０を照射して微細な窪み部３２を形成するレーザ微細加工を行った後に、レーザ微細加工を行った部分５０とレーザ微細加工を行っていない部分５１との硬度差を吸収するレーザ焼き入れを行うことにより、ボア内周面３１が研削加工後にうねった凹凸形状となることを抑制している。この点で、シリンダボアの軸心方向に沿って隣り合う円周方向に沿う窪み部３２の位相をずらすことにより、ボア内周面３１が研削加工後にうねった凹凸形状となることを抑制した第１の実施形態と相違している。
【００４１】
第２の実施形態では、図１に示したレーザ加工装置１０を使用して、図２に二点鎖線で示された領域に対してレーザ光を照射し、油溜まりとして機能する微細な窪み部３２を形成する。このレーザ微細加工を行った後に、レーザ微細加工を行ったレーザ加工部５０とレーザ微細加工を行っていないレーザ未加工部５１との硬度差を吸収するレーザ焼き入れが行われる。
【００４２】
レーザ微細加工により発生する盛り上がり部位３３は硬化されているので、この盛り上がり部位３３にレーザ焼き入れをさらに施すと、前記硬度差を吸収することができなくなる。このため、レーザ焼き入れは、前記硬度差を吸収するという目的に合致した領域、具体的には、レーザ微細加工を行った部分５０以外の部分５１に対して行う。ここで、「レーザ微細加工を行った部分５０」には、窪み部３２と、当該窪み部３２周辺の盛り上がり部位３３とが含まれている。
【００４３】
レーザ焼き入れにより前記硬度差を吸収した後に、第１の実施形態と同様に、研削加工によりボア内周面３１が仕上げ加工される。
【００４４】
レーザ焼き入れは、専用の機械を用いてもよいが、図１に示したレーザ加工装置１０を使用して行うこともできる。つまり、レーザ加工装置１０から照射されるレーザ光２０のパワー密度がほぼ同じでも、レーザ光２０の焦点がボア内周面３１から離れるように駆動装置１６により集光部１４を移動することにより、ボア内周面３１を溶融することなくレーザ焼き入れを行うことができる。図６には、レーザ光の照射によって、微細加工、焼き入れ、衝撃硬化および溶接のそれぞれを行うときに設定されるレーザ光の照射時間とパワー密度との関係の一例が概略で示される。
【００４５】
図７は、研削加工による仕上げ加工の前にレーザ焼き入れを行わない対比例の場合とレーザ焼き入れを行う第２の実施形態の場合のそれぞれにおける、窪み部３２の配置状況、レーザ微細加工後のボア内周面３１を示す断面図、第２の実施形態の場合のレーザ焼き入れ後のボア内周面３１を示す断面図、研削加工後のボア内周面３１を示す断面図である。図示するように、シリンダボアの軸心方向に沿って隣り合う円周方向に沿う窪み部３２の位相は、対比例および第２の実施形態ともに同位相である。
【００４６】
図７に示すように、対比例の場合には、研削加工において、レーザ加工部５０に比べてレーザ未加工部５１が優先的に研磨されてしまう。このため、研削加工が完了した後に、ボア内周面３１は、レーザ加工部５０が凸形状に、レーザ未加工部５１が凹形状になり、全体的にうねった凹凸形状になる。うねりの発生原因としては、前述したように、レーザ加工部５０の周辺に発生する硬化された部分とレーザ未加工部５１の硬化されていない部分との間の硬度差によって砥石４０の磨耗が不均一になるため、および、砥石４０の目詰まりが不均一になるためであると考えられる。ボア内周面３１が全体的にうねった凹凸形状になると、凸形状になった部分の面圧が不均一に高くなり、摺動面のフリクション特性が悪影響を受け、耐焼き付き性が低下する。
【００４７】
これに対して、第２の実施形態の場合には、研削加工が完了した後に、ボア内周面３１は全体的にうねった凹凸形状にならない。うねりを抑制できたのは、レーザ焼き入れによりレーザ未加工部５１が硬化されて前記硬度差が吸収され、砥石４０の磨耗が研削面の全面にわたってほぼ均一になるため、および、砥石４０の目詰まりが研削面の全面にわたってほぼ均一になるためであると考えられる。ボア内周面３１が研削加工後にうねった凹凸形状となることを抑制しつつ、油溜まりとして機能する微細な窪み部３２を形成できるため、面圧が周方向に均一になり、摺動面のフリクション特性を悪化させず、耐焼き付き性の向上を図ることができる。
【００４８】
第２の実施形態におけるボア内周面３１の加工手順を説明する。
【００４９】
まず、レーザ光２０を所定パルス周波数で照射しつつ駆動装置１６により集光部１４を回転し、油溜まりとして機能する複数の窪み部３２を円周方向に沿ってボア内周面３１に形成する。
【００５０】
次いで、駆動装置１６により集光部１４をシリンダボアの軸心方向に所定距離だけ移動する。その位置において、再び、レーザ光２０を所定パルス周波数で照射しつつ集光部１４を回転し、複数の窪み部３２を円周方向に沿ってボア内周面３１に形成する。
【００５１】
上述した集光部１４の軸心方向への移動と、その位置での円周方向に沿う複数の窪み部３２の形成とを繰り返し、図２に二点鎖線で示される領域に対してレーザ加工を施す。レーザ光の平均出力、加工速度は適宜選択できるが、一例を挙げれば、レーザ平均出力は１０Ｗ〜５０Ｗ、加工速度は５ｍ／ｍｉｎ〜１５ｍ／ｍｉｎである。
【００５２】
レーザ微細加工を行った後、レーザ加工部５０（微細な窪み部３２と、盛り上がり部位３３との両者が含まれる）以外のレーザ未加工部５１に対してレーザ焼き入れを行う。このとき、レーザ加工装置１０は、レーザ光２０の平均出力を一定にしたまま、レーザ光２０の焦点がボア内周面３１から離れるように集光部１４が移動される。また、レーザ未加工部５１の領域にレーザ焼き入れを行うように、レーザ発振器１１の作動および集光部１４の移動が制御される。
【００５３】
レーザ焼き入れが完了した後、第１の実施形態と同様に、ホーニング砥石４０を用いた研削加工により、ボア内周面３１を仕上げ加工する。
【００５４】
研削加工が完了すると、レーザ微細加工により生じた盛り上がり部位３３が除去され、ボア内周面３１は、所定の面粗度を有する平滑面に仕上げられる。
【００５５】
ここで、研削加工による仕上げ加工の前にレーザ焼き入れを行ったため、レーザ未加工部５１が優先的に研削されることがなくなり、ボア内周面３１が研削加工後にうねった凹凸形状となることを抑制しつつ、油溜まりとして機能する微細な窪み部３２を形成できる。このように、油溜まりの機能を有する窪み部３２と平滑面とを合わせ持つボア内周面３１によれば、面圧が周方向に均一になり、摺動面のフリクション特性を悪化させず、耐焼き付き性の向上を図ることができる。
【００５６】
以上説明したように、第２の実施形態における摺動面の加工方法によれば、レーザ光２０を照射して微細な窪み部３２を形成するレーザ微細加工を行った後に、レーザ微細加工を行った部分５０とレーザ微細加工を行っていない部分５１との硬度差を吸収するレーザ焼き入れを行い、その後に、研削加工により摺動面を仕上げ加工している。このため、円周面をなす摺動面が研削加工後にうねった凹凸形状となることを抑制しつつ、油溜まりとして機能する微細な窪み部３２を形成でき、もって、摺動面のフリクション特性を悪化させず、耐焼き付き性の向上を図ることが可能となる。
【００５７】
レーザ焼き入れを、レーザ微細加工を行った部分５０以外の部分５１に対して行ったため、前記硬度差を吸収するという目的に合致した領域に対してレーザ焼き入れが行われる。このため、円周面をなす摺動面が研削加工後にうねった凹凸形状となることを確実に抑制しつつ、油溜まりとして機能する微細な窪み部３２を形成でき、もって、摺動面のフリクション特性を悪化させず、耐焼き付き性の向上を図ることが可能となる。
【００５８】
レーザ微細加工を行った部分５０には、窪み部３２と、当該窪み部３２周辺の盛り上がり部位３３とが含まれており、盛り上がり部位３３にレーザ焼き入れを施さないようにしている。このため、レーザ微細加工により硬化された盛り上がり部位３３の硬度がさらに高められることはなく、前記硬度差を吸収して、円周面をなす摺動面が研削加工後にうねった凹凸形状となることを確実に抑制できる。
【００５９】
摺動面として、シリンダブロック３０におけるシリンダボアの内周面の場合には、ボア内周面３１のフリクション特性を悪化させず、耐焼き付き性の向上を図ることが可能となる。
【００６０】
また、第２の実施形態におけるシリンダブロック３０は、レーザ光を照射して微細な窪み部３２を形成するレーザ微細加工を行った部分５０と当該レーザ微細加工を行っていない部分５１との硬度差を吸収するレーザ焼き入れが施されている。このため、円周面をなす摺動面としてのボア内周面３１が研削加工後にうねった凹凸形状となることを抑制しつつ、油溜まりとして機能する微細な窪み部３２を形成でき、もって、ボア内周面３１のフリクション特性を悪化させず、耐焼き付き性の向上を図ることが可能となる。
【００６１】
なお、窪み部３２は、半球凹部のような点形状の場合を示したが、図５に示した線形状、または、楕円のような線形状であってもよい。点形状の窪み部３２は、線形状の窪み部３２に比べてより効率よく焼き付きを防止することが可能である
さらに、第１の実施形態と第２の実施形態とを組み合わせた形態とすることもできる。つまり、シリンダボアの軸心方向に沿って隣り合う円周方向に沿う窪み部３２の位相をずらし、かつ、レーザ微細加工を行った部分５０とレーザ微細加工を行っていない部分５１との硬度差を吸収するレーザ焼き入れを研削加工の前に行ってもよい。かかる形態によれば、円周面をなす摺動面が研削加工後にうねった凹凸形状となることを一層確実に抑制しつつ、油溜まりとして機能する微細な窪み部３２を形成でき、もって、摺動面のフリクション特性を悪化させず、耐焼き付き性のさらなる向上を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 レーザ加工装置からボア内周面にレーザ光を照射して微細な窪み部を形成している状況を示す図である。
【図２】 ボア内周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】 図３（Ａ）は、レーザ加工後のボア内周面を示す断面図、図３（Ｂ）は、研削加工後のボア内周面を示す断面図である。
【図４】 シリンダボアの軸心方向に沿って隣り合う円周方向に沿う窪み部の位相を同位相とした対比例の場合および窪み部の位相をずらした第１の実施形態の場合のそれぞれにおける、窪み部の配置状況、レーザ微細加工後のボア内周面を示す断面図、研削加工後のボア内周面を示す断面図である。
【図５】 点形状の窪み部を示す図である。
【図６】 レーザ光の照射によって、微細加工、焼き入れ、衝撃硬化および溶接のそれぞれを行うときに設定されるレーザ光の照射時間とパワー密度との関係の一例を示す概略図。
【図７】 研削加工による仕上げ加工の前にレーザ焼き入れを行わない対比例の場合とレーザ焼き入れを行う第２の実施形態の場合のそれぞれにおける、窪み部の配置状況、レーザ微細加工後のボア内周面を示す断面図、第２の実施形態の場合のレーザ焼き入れ後のボア内周面を示す断面図、研削加工後のボア内周面を示す断面図である。
【符号の説明】
１０…レーザ加工装置
２０…レーザ光
３０…シリンダブロック（ワーク）
３１…ボア内周面（円周面をなす摺動面）
３２…窪み部
３３…盛り上がり部位
４０…砥石
５０…レーザ加工部５０（レーザ微細加工を行った部分、窪み部３２と盛り上がり部位３３とを含む）
５１…レーザ未加工部５１（レーザ微細加工を行っていない部分）
【発明の属する技術分野】
本発明は、ワークにおける円周面をなす摺動面にレーザ光を照射することにより油溜まりとして機能する微細な窪み部を形成する摺動面の加工方法および摺動面としてのボア内周面にレーザ光を照射することにより油溜まりとして機能する微細な窪み部が形成されたシリンダブロックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ワークにおける円周面をなす摺動面、例えば、シリンダブロックのボア内周面は、ピストンの焼き付きを防止する耐焼き付き性が良好であることが要求されるため、油溜まりとして機能する微細な窪み部が形成されている。
【０００３】
油溜まりを形成する加工方法として、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周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、ボア内周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て微細な窪み部を形成するレーザ微細加工による摺動面の加工方法も提案されている。レーザ微細加工によれば、所望形状の窪み部を必要な領域にだけ簡単に形成することができる。レーザ微細加工による摺動面の加工方法は、例えば、特開平７−４００６８号公報、特開平６−８１０３０号公報、特開２００１−２７９４２１号公報に示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−４００６８号公報
【特許文献２】
特開平６−８１０３０号公報
【特許文献３】
特開２００１−２７９４２１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
レーザ微細加工を行うと、当該レーザ微細加工を行った部分（以下、「レーザ加工部」という）の両側に、盛り上がり部位が生じる。この盛り上がり部位を除去するとともに面粗度を向上させるために、レーザ微細加工の後には、ボア内周面の仕上げ加工が行われている。仕上げ加工は、一般に、ホーニング砥石を用いた研削加工により行われている。
【０００７】
しかしながら、研削加工を行うと、レーザ加工部に比べて、レーザ微細加工を行っていない部分（以下、「レーザ未加工部」という）が優先的に研磨されてしまい、研削加工が完了した後に、ボア内周面は、レーザ加工部が凸形状に、レーザ未加工部が凹形状になり、全体的にうねった凹凸形状になることがある。うねりの発生原因としては、主として、レーザ加工部の周辺に発生する数ミクロン厚さの硬化された部分とレーザ未加工部の硬化されていない部分との間の硬度差によって砥石の磨耗が不均一になるため、および、砥石の目詰まりが不均一になるためであると考えられる。ボア内周面が全体的にうねった凹凸形状になると、凸形状になった部分の面圧が不均一に高くなる。これにより、摺動面のフリクション特性が悪影響を受け、耐焼き付き性が低下する。
【０００８】
したがって、摺動面のフリクション特性を悪化させず、耐焼き付き性の向上を図るためには、円周面をなす摺動面が研削加工後にうねった凹凸形状となることを抑制しつつ、油溜まりとして機能する微細な窪み部を形成する必要がある。
【０００９】
本発明は、このような背景の下になされたものであり、円周面をなす摺動面が研削加工後にうねった凹凸形状となることを抑制しつつ、油溜まりとして機能する微細な窪み部を形成でき、もって、摺動面のフリクション特性を悪化させず、耐焼き付き性の向上を図り得る摺動面の加工方法およびシリンダブロックを提供することを目的とする。
【００１０】
【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。
【００１１】
本発明は、ワークにおける円周面をなす摺動面にレーザ光を照射することにより油溜まりとして機能する微細な窪み部を形成する摺動面の加工方法において、レーザ光を照射して微細な窪み部を形成するレーザ微細加工を行った後に、レーザ微細加工を行った部分とレーザ微細加工を行っていない部分との硬度差を吸収するレーザ焼き入れを行い、その後に、研削加工により前記摺動面を仕上げ加工することを特徴とする摺動面の加工方法である。
【００１２】
また、本発明は、摺動面としてのボア内周面にレーザ光を照射することにより油溜まりとして機能する微細な窪み部が形成されたシリンダブロックにおいて、レーザ光を照射して微細な窪み部を形成するレーザ微細加工を行った部分と当該レーザ微細加工を行っていない部分との硬度差を吸収するレーザ焼き入れが施されていることを特徴とするシリンダブロックである。
【００１３】
【発明の効果】
本発明によれば、円周面をなす摺動面が研削加工後にうねった凹凸形状となることを抑制しつつ、油溜まりとして機能する微細な窪み部を形成でき、もって、摺動面のフリクション特性を悪化させず、耐焼き付き性の向上を図り得る。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、参考例および本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。第１の実施形態が参考例に係る実施形態、第２の実施形態が本発明に係る実施形態である。
【００１５】
（第１の実施形態）
図１は、レーザ加工装置１０からボア内周面３１にレーザ光を照射して微細な窪み部３２を形成している状況を示す図、図２は、ボア内周面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。図３は、図２の３−３線に沿う断面図であり、図３（Ａ）は、レーザ加工後のボア内周面３１を示す断面図、図３（Ｂ）は、研削加工後のボア内周面３１を示す断面図である。
【００１６】
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、伝達ミラー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折り返しミラー１５と、集光部１４を軸心Ｏを中心に回転するとともに軸心Ｏに沿う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、伝達ミラー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、折り返しミラー１５により折り返され、シリンダブロック３０におけるシリンダボアのボア内周面３１（ワークにおける円周面をなす摺動面に相当する）に照射される。レーザ光２０を所定パルス周波数（レーザ光２０の照射の繰り返し数）で照射しつつ駆動装置１６により集光部１４を回転させることにより、油溜まりとして機能する複数の窪み部３２がシリンダボアの円周方向に沿ってボア内周面３１に形成される。その後、駆動装置１６により集光部１４を軸心方向に移動し、その位置において、再び、レーザ光２０を所定パルス周波数で照射しつつ集光部１４を回転させることにより、複数の窪み部３２が円周方向に沿ってボア内周面３１に形成される。
【００１７】
図２に示すように、レーザ光２０による微細な窪み部３２の加工は、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、耐焼き付き性をもっとも向上させなければならない領域である。
【００１８】
図３（Ａ）に示すように、レーザ微細加工を行うと、加熱による膨張や蒸発によって、レーザ加工部の両側に、盛り上がり部位３３（「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位３３がボア内周面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。
【００１９】
そこで、図３（Ｂ）に示すように、レーザ微細加工の後に、盛り上がり部位３３（同図に破線で示される）を除去し、さらに、レーザ加工部以外の平滑部での面粗度を高めるために、仕上げ加工が行われている。仕上げ加工は、例えば、ホーニング砥石を用いた研削加工により行われる。ホーニング砥石は、回転駆動される円筒状の工具に、径方向外方に拡張自在に取り付けられている。
【００２０】
図４は、シリンダボアの軸心方向に沿って隣り合う円周方向に沿う窪み部３２の位相を同位相とした対比例の場合および窪み部３２の位相をずらした第１の実施形態の場合のそれぞれにおける、窪み部３２の配置状況、レーザ微細加工後のボア内周面３１を示す断面図、研削加工後のボア内周面３１を示す断面図である。符号４０は、ホーニング砥石を示している。研削加工時には、ホーニング砥石４０は、円筒状の工具とともに回転されながら、シリンダボアの軸心方向に進退移動される。矢印４１は、ボア内周面３１の円周方向に沿うホーニング砥石４０の相対的な移動方向を示し、矢印４２は、シリンダボアの軸心方向に沿うホーニング砥石４０の相対的な移動方向を示している。
【００２１】
図４に示すように、対比例の場合には、研削加工において、レーザ加工部５０に比べてレーザ未加工部５１が優先的に研磨されてしまう。このため、研削加工が完了した後に、ボア内周面３１は、レーザ加工部５０が凸形状に、レーザ未加工部５１が凹形状になり、全体的にうねった凹凸形状になる。うねりの発生原因としては、前述したように、レーザ加工部５０の周辺に発生する硬化された部分とレーザ未加工部５１の硬化されていない部分との間の硬度差によって砥石４０の磨耗が不均一になるため、および、砥石４０の目詰まりが不均一になるためであると考えられる。ボア内周面３１が全体的にうねった凹凸形状になると、凸形状になった部分の面圧が不均一に高くなり、摺動面のフリクション特性が悪影響を受け、耐焼き付き性が低下する。
【００２２】
これに対して、第１の実施形態の場合には、研削加工が完了した後に、ボア内周面３１は全体的にうねった凹凸形状にならない。うねりを抑制できたのは、矢印４１、４２で示される砥石４０の移動方向に沿って位置する窪み部３２の分布が砥石４０の移動方向に沿ってほぼ均一になって砥石４０の磨耗が研削面の全面にわたってほぼ均一になるため、および、砥石４０の目詰まりが研削面の全面にわたってほぼ均一になるためであると考えられる。ボア内周面３１が研削加工後にうねった凹凸形状となることを抑制しつつ、油溜まりとして機能する微細な窪み部３２を形成できるため、面圧が周方向に均一になり、摺動面のフリクション特性を悪化させず、耐焼き付き性の向上を図ることができる。
【００２３】
第１の実施形態におけるボア内周面３１の加工手順を説明する。
【００２４】
まず、レーザ光２０を所定パルス周波数で照射しつつ駆動装置１６により集光部１４を回転し、油溜まりとして機能する複数の窪み部３２を円周方向に沿ってボア内周面３１に形成する。
【００２５】
次いで、駆動装置１６により集光部１４をシリンダボアの軸心方向に所定距離だけ移動する。その位置において、再び、レーザ光２０を所定パルス周波数で照射しつつ集光部１４を回転し、複数の窪み部３２を円周方向に沿ってボア内周面３１に形成する。
【００２６】
複数の窪み部３２を円周方向に沿って形成した後にシリンダボアの軸心方向に移動した位置において複数の窪み部３２を円周方向に沿って形成するときには、シリンダボアの軸心方向に沿って隣り合う円周方向に沿う窪み部３２の位相がずれるようにレーザ光を照射する。窪み部３２の位相をずらすために、レーザ発振器１１からのレーザ光２０の出力タイミングをずらす制御が行われる。
【００２７】
上述した集光部１４の軸心方向への移動と、その位置での円周方向に沿う複数の窪み部３２の形成とを繰り返し、図２に二点鎖線で示される領域に対してレーザ微細加工を施す。レーザ光の平均出力、加工速度は適宜選択できるが、一例を挙げれば、レーザ平均出力は１０Ｗ〜５０Ｗ、加工速度は５ｍ／ｍｉｎ〜１５ｍ／ｍｉｎである。
【００２８】
レーザ平均出力が１０Ｗよりも小さいと、油溜まりの窪みとして機能させるのに十分な深さの窪み部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、レーザ光の発振効率が低くなり、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、レーザ平均出力は１０Ｗ〜５０Ｗが好ましい。
【００２９】
また、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、加工速度は５ｍ／ｍｉｎ〜１５ｍ／ｍｉｎが好ましい。
【００３０】
レーザ微細加工が終了したシリンダブロック３０は、軸心方向に沿う複数の位置で、複数の窪み部３２が円周方向に沿って形成され、さらに、軸心方向に沿って隣り合う円周方向に沿う窪み部３２の位相がずれている。図４に示される窪み部３２は、半球凹部のような点形状を有している。窪み部３２の円周方向のピッチは約０．６ｍｍ、軸心方向のピッチは約０．３ｍｍである。
【００３１】
レーザ微細加工が完了した後、ホーニング砥石４０を用いた研削加工により、ボア内周面３１を仕上げ加工する。研削加工時には、ホーニング砥石４０は、円筒状の工具とともに回転されながら、シリンダボアの軸心方向に進退移動される。さらに、ホーニング砥石４０は、径方向外方に向けて拡張され、ボア内周面３１に押圧される。ホーニング砥石４０は、比較的高速で回転される一方、比較的低速で進退移動される。
【００３２】
研削加工が完了すると、レーザ微細加工により生じた盛り上がり部位３３が除去され、ボア内周面３１は、所定の面粗度を有する平滑面に仕上げられる。
【００３３】
ここで、シリンダボアの軸心方向に沿って隣り合う円周方向に沿う窪み部３２の位相をずらしたため、レーザ未加工部５１が優先的に研削されることがなくなり、ボア内周面３１が研削加工後にうねった凹凸形状となることを抑制しつつ、油溜まりとして機能する微細な窪み部３２を形成できる。このように、油溜まりの機能を有する窪み部３２と平滑面とを合わせ持つボア内周面３１によれば、面圧が周方向に均一になり、摺動面のフリクション特性を悪化させず、耐焼き付き性の向上を図ることができる。
【００３４】
以上説明したように、第１の実施形態における摺動面の加工方法によれば、複数の窪み部３２を円周方向に沿って形成した後にシリンダボアの軸心方向に移動した位置において複数の窪み部３２を円周方向に沿って形成するときに、シリンダボアの軸心方向に沿って隣り合う円周方向に沿う窪み部３２の位相がずれるようにレーザ光２０を照射し、その後に、研削加工により摺動面を仕上げ加工している。このため、円周面をなす摺動面が研削加工後にうねった凹凸形状となることを抑制しつつ、油溜まりとして機能する微細な窪み部３２を形成でき、もって、摺動面のフリクション特性を悪化させず、耐焼き付き性の向上を図ることが可能となる。
【００３５】
摺動面として、シリンダブロック３０におけるシリンダボアの内周面の場合には、ボア内周面３１のフリクション特性を悪化させず、耐焼き付き性の向上を図ることが可能となる。
【００３６】
また、第１の実施形態におけるシリンダブロック３０は、軸心方向に沿う複数の位置で、複数の窪み部３２が円周方向に沿って形成され、さらに、軸心方向に沿って隣り合う円周方向に沿う窪み部３２の位相がずれている。このため、円周面をなす摺動面としてのボア内周面３１が研削加工後にうねった凹凸形状となることを抑制しつつ、油溜まりとして機能する微細な窪み部３２を形成でき、もって、ボア内周面３１のフリクション特性を悪化させず、耐焼き付き性の向上を図ることが可能となる。
【００３７】
なお、窪み部３２は、図４に示した点形状に限られものではなく、油溜まりとして機能し得る限りにおいて、適宜の形状を選択できる。例えば、図５に示すように、窪み部３２は、長溝のような線形状を有するものでもよい。また、窪み部３２は、楕円のような線形状であってもよい。
【００３８】
線形状の窪み部３２の場合、当該窪み部３２の長手方向（円周方向）の範囲内に溜められた潤滑油が流動ないし移動する。これに対して、点形状の窪み部３２における油溜まりは、線形状の窪み部３２に比べて潤滑油の流動が少ない。このため、ボア内周面３１の単位面積当たりにおける窪み部３２の面積が同じ場合には、点形状の窪み部３２は、線形状の窪み部３２に比べて、油溜まりの途切れる領域が少なくなる。したがって、点形状の窪み部３２は、線形状の窪み部３２に比べて、焼き付きが生じる焼き付き面圧が高くなり、より効率よく焼き付きを防止することができる。
【００３９】
なお、本明細書において、「円周方向に沿う窪み部３２」とは、複数の窪み部３２がワークの軸心に対して直交する方向に配置される場合のみならず、複数の窪み部３２がワークの軸心に対して傾斜する方向に配置される場合をも含む概念である。
【００４０】
（第２の実施形態）
第２の実施形態は、ボア内周面３１のフリクション特性を悪化させず、耐焼き付き性の向上を図り得る摺動面の加工方法およびシリンダブロック３０を提供する点において、上述した第１の実施形態と同じである。但し、第２の実施形態は、レーザ光２０を照射して微細な窪み部３２を形成するレーザ微細加工を行った後に、レーザ微細加工を行った部分５０とレーザ微細加工を行っていない部分５１との硬度差を吸収するレーザ焼き入れを行うことにより、ボア内周面３１が研削加工後にうねった凹凸形状となることを抑制している。この点で、シリンダボアの軸心方向に沿って隣り合う円周方向に沿う窪み部３２の位相をずらすことにより、ボア内周面３１が研削加工後にうねった凹凸形状となることを抑制した第１の実施形態と相違している。
【００４１】
第２の実施形態では、図１に示したレーザ加工装置１０を使用して、図２に二点鎖線で示された領域に対してレーザ光を照射し、油溜まりとして機能する微細な窪み部３２を形成する。このレーザ微細加工を行った後に、レーザ微細加工を行ったレーザ加工部５０とレーザ微細加工を行っていないレーザ未加工部５１との硬度差を吸収するレーザ焼き入れが行われる。
【００４２】
レーザ微細加工により発生する盛り上がり部位３３は硬化されているので、この盛り上がり部位３３にレーザ焼き入れをさらに施すと、前記硬度差を吸収することができなくなる。このため、レーザ焼き入れは、前記硬度差を吸収するという目的に合致した領域、具体的には、レーザ微細加工を行った部分５０以外の部分５１に対して行う。ここで、「レーザ微細加工を行った部分５０」には、窪み部３２と、当該窪み部３２周辺の盛り上がり部位３３とが含まれている。
【００４３】
レーザ焼き入れにより前記硬度差を吸収した後に、第１の実施形態と同様に、研削加工によりボア内周面３１が仕上げ加工される。
【００４４】
レーザ焼き入れは、専用の機械を用いてもよいが、図１に示したレーザ加工装置１０を使用して行うこともできる。つまり、レーザ加工装置１０から照射されるレーザ光２０のパワー密度がほぼ同じでも、レーザ光２０の焦点がボア内周面３１から離れるように駆動装置１６により集光部１４を移動することにより、ボア内周面３１を溶融することなくレーザ焼き入れを行うことができる。図６には、レーザ光の照射によって、微細加工、焼き入れ、衝撃硬化および溶接のそれぞれを行うときに設定されるレーザ光の照射時間とパワー密度との関係の一例が概略で示される。
【００４５】
図７は、研削加工による仕上げ加工の前にレーザ焼き入れを行わない対比例の場合とレーザ焼き入れを行う第２の実施形態の場合のそれぞれにおける、窪み部３２の配置状況、レーザ微細加工後のボア内周面３１を示す断面図、第２の実施形態の場合のレーザ焼き入れ後のボア内周面３１を示す断面図、研削加工後のボア内周面３１を示す断面図である。図示するように、シリンダボアの軸心方向に沿って隣り合う円周方向に沿う窪み部３２の位相は、対比例および第２の実施形態ともに同位相である。
【００４６】
図７に示すように、対比例の場合には、研削加工において、レーザ加工部５０に比べてレーザ未加工部５１が優先的に研磨されてしまう。このため、研削加工が完了した後に、ボア内周面３１は、レーザ加工部５０が凸形状に、レーザ未加工部５１が凹形状になり、全体的にうねった凹凸形状になる。うねりの発生原因としては、前述したように、レーザ加工部５０の周辺に発生する硬化された部分とレーザ未加工部５１の硬化されていない部分との間の硬度差によって砥石４０の磨耗が不均一になるため、および、砥石４０の目詰まりが不均一になるためであると考えられる。ボア内周面３１が全体的にうねった凹凸形状になると、凸形状になった部分の面圧が不均一に高くなり、摺動面のフリクション特性が悪影響を受け、耐焼き付き性が低下する。
【００４７】
これに対して、第２の実施形態の場合には、研削加工が完了した後に、ボア内周面３１は全体的にうねった凹凸形状にならない。うねりを抑制できたのは、レーザ焼き入れによりレーザ未加工部５１が硬化されて前記硬度差が吸収され、砥石４０の磨耗が研削面の全面にわたってほぼ均一になるため、および、砥石４０の目詰まりが研削面の全面にわたってほぼ均一になるためであると考えられる。ボア内周面３１が研削加工後にうねった凹凸形状となることを抑制しつつ、油溜まりとして機能する微細な窪み部３２を形成できるため、面圧が周方向に均一になり、摺動面のフリクション特性を悪化させず、耐焼き付き性の向上を図ることができる。
【００４８】
第２の実施形態におけるボア内周面３１の加工手順を説明する。
【００４９】
まず、レーザ光２０を所定パルス周波数で照射しつつ駆動装置１６により集光部１４を回転し、油溜まりとして機能する複数の窪み部３２を円周方向に沿ってボア内周面３１に形成する。
【００５０】
次いで、駆動装置１６により集光部１４をシリンダボアの軸心方向に所定距離だけ移動する。その位置において、再び、レーザ光２０を所定パルス周波数で照射しつつ集光部１４を回転し、複数の窪み部３２を円周方向に沿ってボア内周面３１に形成する。
【００５１】
上述した集光部１４の軸心方向への移動と、その位置での円周方向に沿う複数の窪み部３２の形成とを繰り返し、図２に二点鎖線で示される領域に対してレーザ加工を施す。レーザ光の平均出力、加工速度は適宜選択できるが、一例を挙げれば、レーザ平均出力は１０Ｗ〜５０Ｗ、加工速度は５ｍ／ｍｉｎ〜１５ｍ／ｍｉｎである。
【００５２】
レーザ微細加工を行った後、レーザ加工部５０（微細な窪み部３２と、盛り上がり部位３３との両者が含まれる）以外のレーザ未加工部５１に対してレーザ焼き入れを行う。このとき、レーザ加工装置１０は、レーザ光２０の平均出力を一定にしたまま、レーザ光２０の焦点がボア内周面３１から離れるように集光部１４が移動される。また、レーザ未加工部５１の領域にレーザ焼き入れを行うように、レーザ発振器１１の作動および集光部１４の移動が制御される。
【００５３】
レーザ焼き入れが完了した後、第１の実施形態と同様に、ホーニング砥石４０を用いた研削加工により、ボア内周面３１を仕上げ加工する。
【００５４】
研削加工が完了すると、レーザ微細加工により生じた盛り上がり部位３３が除去され、ボア内周面３１は、所定の面粗度を有する平滑面に仕上げられる。
【００５５】
ここで、研削加工による仕上げ加工の前にレーザ焼き入れを行ったため、レーザ未加工部５１が優先的に研削されることがなくなり、ボア内周面３１が研削加工後にうねった凹凸形状となることを抑制しつつ、油溜まりとして機能する微細な窪み部３２を形成できる。このように、油溜まりの機能を有する窪み部３２と平滑面とを合わせ持つボア内周面３１によれば、面圧が周方向に均一になり、摺動面のフリクション特性を悪化させず、耐焼き付き性の向上を図ることができる。
【００５６】
以上説明したように、第２の実施形態における摺動面の加工方法によれば、レーザ光２０を照射して微細な窪み部３２を形成するレーザ微細加工を行った後に、レーザ微細加工を行った部分５０とレーザ微細加工を行っていない部分５１との硬度差を吸収するレーザ焼き入れを行い、その後に、研削加工により摺動面を仕上げ加工している。このため、円周面をなす摺動面が研削加工後にうねった凹凸形状となることを抑制しつつ、油溜まりとして機能する微細な窪み部３２を形成でき、もって、摺動面のフリクション特性を悪化させず、耐焼き付き性の向上を図ることが可能となる。
【００５７】
レーザ焼き入れを、レーザ微細加工を行った部分５０以外の部分５１に対して行ったため、前記硬度差を吸収するという目的に合致した領域に対してレーザ焼き入れが行われる。このため、円周面をなす摺動面が研削加工後にうねった凹凸形状となることを確実に抑制しつつ、油溜まりとして機能する微細な窪み部３２を形成でき、もって、摺動面のフリクション特性を悪化させず、耐焼き付き性の向上を図ることが可能となる。
【００５８】
レーザ微細加工を行った部分５０には、窪み部３２と、当該窪み部３２周辺の盛り上がり部位３３とが含まれており、盛り上がり部位３３にレーザ焼き入れを施さないようにしている。このため、レーザ微細加工により硬化された盛り上がり部位３３の硬度がさらに高められることはなく、前記硬度差を吸収して、円周面をなす摺動面が研削加工後にうねった凹凸形状となることを確実に抑制できる。
【００５９】
摺動面として、シリンダブロック３０におけるシリンダボアの内周面の場合には、ボア内周面３１のフリクション特性を悪化させず、耐焼き付き性の向上を図ることが可能となる。
【００６０】
また、第２の実施形態におけるシリンダブロック３０は、レーザ光を照射して微細な窪み部３２を形成するレーザ微細加工を行った部分５０と当該レーザ微細加工を行っていない部分５１との硬度差を吸収するレーザ焼き入れが施されている。このため、円周面をなす摺動面としてのボア内周面３１が研削加工後にうねった凹凸形状となることを抑制しつつ、油溜まりとして機能する微細な窪み部３２を形成でき、もって、ボア内周面３１のフリクション特性を悪化させず、耐焼き付き性の向上を図ることが可能となる。
【００６１】
なお、窪み部３２は、半球凹部のような点形状の場合を示したが、図５に示した線形状、または、楕円のような線形状であってもよい。点形状の窪み部３２は、線形状の窪み部３２に比べてより効率よく焼き付きを防止することが可能である
さらに、第１の実施形態と第２の実施形態とを組み合わせた形態とすることもできる。つまり、シリンダボアの軸心方向に沿って隣り合う円周方向に沿う窪み部３２の位相をずらし、かつ、レーザ微細加工を行った部分５０とレーザ微細加工を行っていない部分５１との硬度差を吸収するレーザ焼き入れを研削加工の前に行ってもよい。かかる形態によれば、円周面をなす摺動面が研削加工後にうねった凹凸形状となることを一層確実に抑制しつつ、油溜まりとして機能する微細な窪み部３２を形成でき、もって、摺動面のフリクション特性を悪化させず、耐焼き付き性のさらなる向上を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 レーザ加工装置からボア内周面にレーザ光を照射して微細な窪み部を形成している状況を示す図である。
【図２】 ボア内周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】 図３（Ａ）は、レーザ加工後のボア内周面を示す断面図、図３（Ｂ）は、研削加工後のボア内周面を示す断面図である。
【図４】 シリンダボアの軸心方向に沿って隣り合う円周方向に沿う窪み部の位相を同位相とした対比例の場合および窪み部の位相をずらした第１の実施形態の場合のそれぞれにおける、窪み部の配置状況、レーザ微細加工後のボア内周面を示す断面図、研削加工後のボア内周面を示す断面図である。
【図５】 点形状の窪み部を示す図である。
【図６】 レーザ光の照射によって、微細加工、焼き入れ、衝撃硬化および溶接のそれぞれを行うときに設定されるレーザ光の照射時間とパワー密度との関係の一例を示す概略図。
【図７】 研削加工による仕上げ加工の前にレーザ焼き入れを行わない対比例の場合とレーザ焼き入れを行う第２の実施形態の場合のそれぞれにおける、窪み部の配置状況、レーザ微細加工後のボア内周面を示す断面図、第２の実施形態の場合のレーザ焼き入れ後のボア内周面を示す断面図、研削加工後のボア内周面を示す断面図である。
【符号の説明】
１０…レーザ加工装置
２０…レーザ光
３０…シリンダブロック（ワーク）
３１…ボア内周面（円周面をなす摺動面）
３２…窪み部
３３…盛り上がり部位
４０…砥石
５０…レーザ加工部５０（レーザ微細加工を行った部分、窪み部３２と盛り上がり部位３３とを含む）
５１…レーザ未加工部５１（レーザ微細加工を行っていない部分）
Claims (7)
- ワークにおける円周面をなす摺動面にレーザ光を照射することにより油溜まりとして機能する微細な窪み部を形成する摺動面の加工方法において、
レーザ光を照射して微細な窪み部を形成するレーザ微細加工を行った後に、レーザ微細加工を行った部分とレーザ微細加工を行っていない部分との硬度差を吸収するレーザ焼き入れを行い、
その後に、研削加工により前記摺動面を仕上げ加工することを特徴とする摺動面の加工方法。 - 前記レーザ焼き入れは、レーザ微細加工を行った部分以外の部分に対して行うことを特徴とする請求項１に記載の摺動面の加工方法。
- 前記レーザ微細加工を行った部分には、窪み部と、当該窪み部周辺の盛り上がり部位とが含まれていることを特徴とする請求項２に記載の摺動面の加工方法。
- 複数の窪み部は、点形状または線形状であることを特徴とする請求項１に記載の摺動面の加工方法。
- 前記摺動面は、シリンダブロックのボア内周面であることを特徴とする請求項１に記載の摺動面の加工方法。
- 摺動面としてのボア内周面にレーザ光を照射することにより油溜まりとして機能する微細な窪み部が形成されたシリンダブロックにおいて、
レーザ光を照射して微細な窪み部を形成するレーザ微細加工を行った部分と当該レーザ微細加工を行っていない部分との硬度差を吸収するレーザ焼き入れが施されていることを特徴とするシリンダブロック。 - 複数の窪み部は、点形状または線形状であることを特徴とする請求項６に記載のシリンダブロック。
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