JP4274926B2

JP4274926B2 - ホーニング加工用砥石

Info

Publication number: JP4274926B2
Application number: JP2003420966A
Authority: JP
Inventors: 哲也野々下
Original assignee: Noritake Co Ltd; Noritake Super Abrasive Co Ltd
Current assignee: Noritake Co Ltd; Noritake Super Abrasive Co Ltd
Priority date: 2003-12-18
Filing date: 2003-12-18
Publication date: 2009-06-10
Anticipated expiration: 2023-12-18
Also published as: JP2005177911A

Description

本発明は、円形孔の内面をホーニング加工するのに好適なホーニング加工用砥石、とくに砥石を交換することなく粗研削と仕上げ研削を同時に行うことのできるホーニング加工用砥石に関する。

円形孔の内面を精密に仕上げるのに、ホーニング加工が行われている。このホーニング加工を行うための装置としては、一般に、本体外周の円周方向複数箇所に取り付けられた砥石と、本体内部に上下動可能に挿入されたテーパコーンと、テーパコーンの下降によって砥石をシリンダーボア内面に向けて押圧するシューとを備えたホーニングヘッドと、このホーニングヘッドを回転および軸方向移動させる駆動機構を有する装置が使用される。

このようなホーニング装置に使用される砥石には、通常、縦長の台金に砥粒を固着した砥石が用いられ、加工過程において、砥石が取り付けられたホーニングヘッドが回転および上下動することによって、孔の内面が研削される。従来このホーニング加工は、ホーニングヘッドに粗研削用の砥石を装着して行う粗研削工程と、仕上げ研削用の砥石を装着して行う仕上げ研削の二工程で行われていたが、加工能率を高めるために、粗研削用砥石を取り付けた１組のシューと仕上げ研削用砥石を取り付けた１組のシュー、および２組のシューをそれぞれ拡張させる２組のテーパコーンをホーニングヘッドに備え、砥石を装着し直すことなく、粗研削と仕上げ研削を連続して行うようにしたホーニング加工装置が提案されている（特許文献１、特許文献２参照）。

また、シリンダーボア内面のプラトー加工では、従来、粗加工用砥石で粗い凹凸を形成した後に、仕上げ加工用砥石で粗い凹凸の先端を研削して微細な凹凸を形成するという二工程で行われていたが、これも加工能率を高めるために、一つの砥石に粗加工用の粗い砥粒と仕上げ加工用の細かい砥粒を混在させた砥石（特許文献３参照）や、ホーニングヘッドの回転方向に対して、前方に超砥粒を固着した砥粒層部を有し、後方にＷＡ砥粒またはＧＣ砥粒を固着した砥粒層部を有する砥石（特許文献４参照）を使用して、一工程でプラトー加工を行う技術が提案されている。
実開昭５８−１２６１６０号公報特開平７−７５９６２号公報特開平７−８８７５７号公報特開平９−４７９５７号公報

上記の特許文献１〜４に記載のホーニング加工装置あるいは砥石を使用すれば、従来ホーニングヘッドまたは砥石を交換して行っていた粗研削と仕上げ研削を、ホーニングヘッドまたは砥石を交換することなく行うことができ、加工能率の向上に寄与することができる。しかしながら、上記の装置あるいは砥石は、以下のような難点を有している。

特許文献１および２に記載のホーニング加工装置は、粗研削用と仕上げ研削用のそれぞれ専用の砥石を使用するので加工精度は良好であるが、砥石の交換の必要がないとはいえ研削工程は依然として二工程必要であり、また、砥石付きの２組のシューおよび２組のシューをそれぞれ拡張させる２組のテーパコーンをホーニングヘッドに備えた構成であるので、ホーニングヘッドの構造が複雑で高価なものとなる。

特許文献３に記載の砥石は、一つの砥石に粗加工用の粗い砥粒と仕上げ加工用の細かい砥粒を混在させた砥石であるが、粗い砥粒と細かい砥粒を単に混在させただけでは、個々の砥石内および複数個の砥石間での砥粒配設条件のばらつきが大きく、砥石の摩耗も不均一となって、加工後の真円度や均一な面粗さを確保することが困難である。また特許文献４に記載の砥石は、超砥粒を固着した砥粒層部とＷＡ砥粒またはＧＣ砥粒を固着した砥粒層部とを接合して一つの砥石としたものであるが、二つの砥粒層部を接合するという手間がかかるうえに、特許文献３に記載の砥石の場合と同じく、複数個の砥石間での砥粒配設条件のばらつきが大きく、砥石の摩耗も不均一となって、加工後の真円度や均一な面粗さを確保することが困難である。

本発明の目的は、円形孔のホーニング加工における粗研削と仕上げ研削を同時に行うにあたり、ホーニングヘッドの構造を複雑化することなく、加工能率と加工精度をともに向上させるホーニング加工用砥石を提供することにある。

本発明者は、円形孔のホーニング加工において、砥石を交換することなく一つの砥石で粗研削と仕上げ研削を同時に行うことができる砥石として、砥粒層を粗研削用領域と仕上げ研削用領域とに分け、それぞれに適した条件で砥粒を配設することを前提として、加工後の円形孔の真円度を向上させる砥粒配設条件について鋭意検討した結果、ホーニングヘッドに取り付けられる複数個の砥石それぞれについて、ホーニングヘッドの上下動および回転の際の砥石の進行方向前方側に向かって減厚する傾斜部を台金に形成することが、砥粒にかかる負荷を均一にするのに有効であり、また、複数個の砥石にわたって砥粒面積率を揃えることが、加工後の真円度と均一な面粗さを向上させるのに有効であるとの知見を得て、本発明を完成するに至った。

すなわち本発明のホーニング加工用砥石は、ホーニング加工装置のホーニングヘッドの円周方向複数箇所に取り付けられて円形孔の内面をホーニング加工するのに使用される砥石であって、縦長の台金には、台金の回転方向前方側に側方に向かって減厚する傾斜部が形成されているとともに、台金の上端部に上方に向かって減厚する傾斜部が形成され、台金の下端部に下方に向かって減厚する傾斜部が形成されており、同台金の上端部および下端部に対して粗研削に適した条件で砥粒が配設されて粗研削用砥粒層が形成され、同台金の中央部に対して仕上げ研削に適した条件で砥粒が配設されて仕上げ研削用砥粒層が形成されていることを特徴とする。
ここで、ホーニングヘッドに取り付けられる複数個のホーニング加工用砥石については、前記粗研削用砥粒層の砥粒先端累積面積と前記仕上げ研削用砥粒層の砥粒先端累積面積とが、それぞれ複数個の砥石にわたってほぼ同一に揃えられていることが望ましい。

本発明のホーニング加工用砥石は、砥粒層が粗研削用領域と仕上げ研削用領域とに分けられ、それぞれに適した条件で砥粒が配設されているので、一つの砥石で粗研削と仕上げ研削の両方の加工を同時に行うことができる。この場合、台金の回転方向前方側に側方に向かって減厚する傾斜部が形成され、台金の上下端部には上方または下方に向かって減厚する傾斜部が形成されているので、ホーニングヘッドが回転しながら下降または上昇するときに、回転方向前方側および下端部または上端部の砥粒層の砥粒に過大な負担がかかることがなく、砥粒の損傷や脱落が少なくてすむ。さらに、ホーニングヘッドに取り付けられる複数個の砥石の粗研削用砥粒層どうし、および仕上げ研削用砥粒層どうしの砥粒先端累積面積がほぼ同一に揃えられているので、砥石と被加工面との接触面積が複数個の砥石の全部にわたってほぼ同一となるので、被加工面が全体にわたって均一に研削され、加工後の円形孔の真円度および面粗さが向上する。

本発明のホーニング加工用砥石は、従来公知のホーニング加工装置に装着して使用することができる。砥石の寸法形状はホーニング加工装置によって異なるが、どのような寸法形状の砥石であっても、本発明に従った砥粒の配設条件とすることで、粗研削と仕上げ研削を同時に行い、かつ加工後の円形孔の真円度と面粗さを向上させることができる。

粗研削と仕上げ研削のそれぞれに適した砥粒配設条件とは、粗研削用領域については、砥粒の粒径を大きくすること、および、砥粒の配設間隔を大きくすることを単独にまたは組み合わせて設定することであり、仕上げ研削用領域については、砥粒の粒径を小さくすること、および、砥粒の配設間隔を小さくすることを単独にまたは組み合わせて設定することである。

粗研削性能を高めるためには、被加工面への食い込みを大きくすることが有効であり、このためには、粗研削用領域の砥粒の粒径を大きく、かつ砥粒の配設間隔を大きくするのがよい。たとえば、砥粒の粒径を０．３〜０．６ｍｍの範囲とし、砥粒の配設間隔を砥粒粒径の２〜４倍の範囲とする。一方、仕上げ研削後の加工面は面粗さの小さいことが要求されるので、仕上げ研削用領域は細粒の砥粒を密に配設するのがよい。たとえば、砥粒の粒径を０．１５〜０．３ｍｍの範囲とし、砥粒の配設間隔を砥粒粒径の２〜４倍の範囲とする。また、粗研削用領域、仕上げ研削用領域とも、個々の砥粒先端が被加工面に対して一様に接触するように、台金の基準面から砥粒先端までの高さを一様に揃えることが望ましい。高さ揃えはツルーイングを施すことによって得られる。

砥石の台金の回転方向前方側および上下端部に形成する傾斜部の傾斜角は２〜５度の範囲内とするのが望ましい。砥石の台金は、全体として縦長の概略長方形状をしており、砥粒層を形成する表面は、被加工面である円形孔に対応した円弧面を有している。しかし、１個の砥石の幅は被加工面である円形孔の内周長に比べると小さく、円弧の長さに比して円弧の曲率半径は大きいので、この円弧面はほとんど平面に近い形状をしている。したがって、回転方向前方側の傾斜部は厳密には曲面をなしているのであるが、本明細書では便宜的に円弧を直線と近似し、曲面を平面と近似して説明する。前記の回転方向前方側の傾斜部の傾斜角２〜５度とは、曲面を平面と近似したときの傾斜角である。台金の回転方向前方側および上下端部に形成する傾斜部の傾斜角が小さすぎると、ホーニングヘッドが回転しながら下降または上昇するときに、回転方向前方側および下端部または上端部の砥粒層の砥粒にかかる負担が大きくなり、傾斜角が大きすぎると、研削に作用する砥粒の数が少なくなって加工面の面粗さが悪くなる。

本発明のホーニング加工用砥石においては、従来の砥石において使用されている砥粒を使用することができる。たとえば、一般砥粒としてのＷＡ砥粒やＧＣ砥粒、超砥粒としてのダイヤモンド砥粒やｃＢＮ砥粒を使用することができる。砥粒の配設条件は、前述したように、まず第１に、粗研削用領域と仕上げ研削用領域とで、それぞれ適切な砥粒粒径と配設間隔を設定することである。砥粒の配置は必ずしも規則的配置に限定されるものではないが、後述するように、複数個の砥石どうしの砥粒先端累積面積を揃えるようにするためには、規則的に配置するほうが好ましい。

砥粒配設条件の第２は、複数個の砥石の粗研削用砥粒層どうし、および仕上げ研削用砥粒層どうしの砥粒先端累積面積をほぼ同一に揃えることである。本発明でいう砥粒先端累積面積とは、砥石の使用前の状態において、砥石の粗研削用砥粒層または仕上げ研削用砥粒層における個々の砥粒の先端の面積を全部の砥粒について合計したもの、すなわち研削加工時に砥粒と被加工面とが接触する総面積を指す。この砥粒先端累積面積は、画像処理計測装置により砥粒先端の平坦部面積を計算することにより測定することができる。個々の砥粒は、粒径がほぼ同じであっても形状は微妙に相違するので、同じ数の砥粒を配置したとしても砥粒先端累積面積を厳密に揃えることは難しく、加工精度との兼ね合いで１０％程度の相違は許容される。

図１は本発明の実施例におけるホーニング加工装置のホーニングヘッドの横断面の構造を示す図である。ホーニング装置およびホーニングヘッド自体は公知であり、図１に示すように、駆動機構（図示せず）により回転自在かつ上下動自在なホーニングヘッド本体１の内部にテーパコーン２が上下動可能に挿入され、テーパコーン２の外周部には円周方向９０度毎に砥石３ａ〜３ｄを備えたシュー４ａ〜４ｄが係合されている。テーパコーン２の下降によってシュー４ａ〜４ｄを介して砥石３ａ〜３ｄは被加工面であるシリンダーボア内面Ｓに向けて押圧される構造になっている。

シリンダーボア内面Ｓのホーニング加工を行うときは、ホーニングヘッドをシリンダーボア内に挿入し、ホーニングヘッドを回転させるとともに上下動させる。テーパコーン２を下降させて砥石３ａ〜３ｄをシリンダーボア内面Ｓに押圧することにより、シリンダーボア内面Ｓは砥石３ａ〜３ｄによって研削される。

図２は本実施例における砥石の砥粒配置状態を示す模式図であり、４個の砥石を展開した状態で示している。図３の（ａ）は砥石の横断面を示す模式図であり、（ｂ）は砥石の縦断面を示す図である。図２および図３に示すように、砥石３（３ａ〜３ｄ）の台金３１（３１ａ〜３１ｄ）表面の砥粒層は、上部の粗研削用砥粒層３２（３２ａ〜３２ｄ）と下部の粗研削用砥粒層３３（３３ａ〜３３ｄ）および中央部の仕上げ研削用砥粒層３４（３４ａ〜３４ｄ）に分割されている。粗研削用砥粒層３２（３２ａ〜３２ｄ）、３３（３３ａ〜３３ｄ）には粒径の大きい砥粒Ｄｒが比較的大きい間隔で配設され、仕上げ研削用砥粒層３４（３４ａ〜３４ｄ）には粒径の小さい砥粒Ｄｆが小さい間隔で配設されている。

砥石３の台金３１は、全体として縦長の概略長方形状をしており、砥粒層を形成する表面は、図３の（ａ）に示すように、回転方向（図中、矢印Ａで示す）の前方側が後方側に対して厚さが漸次減少するような傾斜部となっている。ただし、図３の（ａ）において直線で示している平坦部と傾斜部の両方とも、実際には円弧面をなしている。また同図（ｂ）に示すように、上部および下部が中央部に対して厚さが漸次減少するような傾斜部となっており、この上部と下部が粗研削用領域で、中央部が仕上げ研削用領域となっている。傾斜部の傾斜の程度は、平坦部に対する回転方向前方端および上下端の厚さ減少量Δｔが実際のホーニング加工時における砥石の切り込み量と同じ程度になるようにする。これにより、ホーニング加工時に、ホーニングヘッドが回転しながら下降または上昇するときに、回転方向前方側および下端部または上端部の砥粒層の砥粒に過大な負担がかかることがなく、まず粗研削用砥粒層３３または３２により被加工面の粗研削が行われ、次いで仕上げ研削用砥粒層３４により仕上げ研削が行われる。

また、砥石３ａ〜３ｄの粗研削用砥粒層３２ａ〜３２ｄおよび３３ａ〜３３ｄの砥粒Ｄｒの先端累積面積を、４個の砥石についてほぼ同一に揃え、さらに仕上げ研削用砥粒層３４ａ〜３４ｄの砥粒Ｄｆの先端累積面積を、４個の砥石についてほぼ同一に揃えている。これにより、砥石３ａ〜３ｄとシリンダーボア内面Ｓとの接触面積が４個の砥石の全部にわたってほぼ同一となるので、シリンダーボア内面Ｓが全体にわたって均一に研削され、加工後のシリンダーボアの真円度および面粗さが向上する。
〔試験例〕

本発明の効果を確認するために、図２および図３に示した砥石を使用して一工程でホーニング加工を行った場合（本発明例）と、粗研削用砥石と仕上げ研削用砥石による二工程でホーニング加工を行った場合（従来例）とについて、加工能率および加工精度を測定した。
（試験条件）
加工機械：ホーニングマシン
被加工体：ガソリンエンジンのシリンダーボア、内径８０ｍｍ、長さ１５０ｍｍ
砥石表面寸法：縦８０ｍｍ、横５ｍｍ
粗研削用砥粒：ダイヤモンド砥粒、粒径３００〜３５０μｍ（平均３２０μｍ）、砥粒間隔０．９ｍｍ
仕上げ研削用砥粒：ダイヤモンド砥粒、粒径２５０〜３００μｍ（平均２７０μｍ）、砥粒間隔０．８ｍｍ

試験結果を表１に示す。

表１からわかるように、発明品の砥石を使用したホーニング加工では、粗研削用と仕上げ研削用の専用砥石を使用した従来のホーニング加工の場合と同等以上の加工精度を維持したうえで、加工所要時間を大幅に短縮することができた。従来の砥石を使用したホーニング加工では、所定の加工精度を得るのにホーニングヘッドの上下動として合計１０往復の加工が必要であったが、発明品の砥石を使用したホーニング加工では１往復で所定の加工精度を得ることができた。

以上、本発明のホーニング加工用砥石をエンジンのシリンダーボア内面のホーニング加工を例にとって説明したが、本発明に係る砥石は、エンジンのシリンダーボアに限らず、ギヤ，コンロッドなどの円形孔のホーニング加工に好適に使用することができる。

本発明の実施例におけるホーニング加工装置のホーニングヘッドの横断面の構造を示す図である。本発明の実施例における砥石の砥粒配置状態を示す模式図である。図２の砥石の断面を示す模式図である。

符号の説明

１ホーニングヘッド本体
２テーパコーン
３，３ａ〜３ｄ砥石
３１，３１ａ〜３１ｄ台金
３２，３２ａ〜３２ｄ，３３，３３ａ〜３３ｄ粗研削用砥粒層
３４，３４ａ〜３４ｄ仕上げ研削用砥粒層
４ａ〜４ｄシュー
Ｄｒ粗研削用砥粒
Ｄｆ仕上げ研削用砥粒
Ｓシリンダーボア内面

Claims

ホーニング加工装置のホーニングヘッドの円周方向複数箇所に取り付けられて円形孔の内面をホーニング加工するのに使用される砥石であって、縦長の台金には、台金の回転方向前方側に側方に向かって減厚する傾斜部が形成されているとともに、台金の上端部に上方に向かって減厚する傾斜部が形成され、台金の下端部に下方に向かって減厚する傾斜部が形成されており、同台金の上端部および下端部に対して粗研削に適した条件で砥粒が配設されて粗研削用砥粒層が形成され、同台金の中央部に対して仕上げ研削に適した条件で砥粒が配設されて仕上げ研削用砥粒層が形成されているホーニング加工用砥石。
ホーニングヘッドに取り付けられるホーニング加工用砥石の、前記粗研削用砥粒層の砥粒先端累積面積と前記仕上げ研削用砥粒層の砥粒先端累積面積とが、それぞれ複数個の砥石にわたってほぼ同一に揃えられている請求項１記載のホーニング加工用砥石。