JP4324780B2 - 円筒内部表面を微細機械加工する方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１に記載の円筒内部表面を微細機械加工する方法に関する。

円筒表面の微細機械加工、特に、シリンダクランクケースの円筒摺動面の微細機械加工は、一般にホーニング加工によって実現される。これに関して、例えば、ホーニング加工された表面の高精密な仕上げ寸法を達成できる方法を記載している特許文献１のような、多数の刊行物がある。

特許文献２は、シリンダ摺動面が、ピストンの上死点と下死点とにおいて、これらの領域においてより大きな摩耗条件に耐えるように処理される方法を記載している。

但し、公知の先行技術は、同じ表面材料を全体的に有する表面の微細機械加工に限定されている。しかし、シリンダ摺動面に異なる様々な材料が採用される場合もある。これは、シリンダクランクケースの鋳込材料で形成される軟質エリアと、シリンダライナに採用される硬質エリアと、の形態をとる。

このタイプの場合、微細機械加工、特にホーニング加工は、使用される機械加工手段、例えばホーニング砥石が軟質材料により目詰まりする状態となり、その研磨効果を失うので、特に難しい。

独国特許出願公開第４４ ３２ ５１４ Ａ１号明細書 独国特許発明第１９６ ０５ ５８８ Ｃ２号明細書

本発明の目的は、機械加工手段の耐用年数が著しく改善されるような、異なる材料を有する円筒内部表面を微細機械加工する方法を提供することである。

請求項１に記載の方法は、本発明の目的を達成する解決策を提供する。

請求項１に記載の本発明による方法は、軸方向に少なくとも１つの軟質エリアと少なくとも１つの硬質エリアとを有する円筒内部表面を、最初に予備旋削することを特徴とする。予備旋削は、この場合では恐らく多数の旋盤バイト、および送り速度又は回転速度のような旋盤パラメータを伴う多数の作業ステップを含む。予備旋削には、微細旋削と称されるものも含まれる。

少なくとも１つの軟質エリアは、この場合、より大きな直径に予備旋削される。この後に、ホーニング加工による微細機械加工を伴う。ホーニング加工は、硬質エリア内で行われる。ホーニング加工は、好適な制御により、軟質エリアが予備旋削されている直径で停止される。これによって、ホーニング砥石を大切に取り扱うことができる。ホーニング砥石の目詰まりの増大が生じない。

一定の品質要求の下で、全表面、すなわち軟質エリアと硬質エリアとを、一緒に仕上げ寸法までホーニング加工しなければならない。この場合、全表面は、仕上げの状態までホーニング加工され、好ましくは１０μｍ未満、特に好ましくは２μｍ未満が軟質エリア内の直径から除去される。ホーニング加工によって生じる除去は、通常では３０μｍである。表面の軟質エリア内の除去を低減することで、ホーニング砥石の目詰まりは最小限のレベルにまで保つことができる。

ホーニング砥石の目詰まりをさらに減少させるため、軟質エリアと硬質エリアとに、異なるホーニング砥石を使用することが可能である。これは、例えば二重拡張可能なホーニング工具で実現されても良い。

本発明による方法で得られる他の利点は、軟質エリア内の旋削溝に関するものであり、それらは予備旋削によってもたらされ、仕上げのホーニング加工後に少なくとも部分的に残る。このような旋削溝を、内燃機関の運転中に、潤滑油ポケット（潤滑油用のリザーバ）として、または、汚れ若しくは研磨材を蓄積若しくは除去させるために、使用することができる。

軟質エリアをより深く予備旋削する加工において、軟質エリアと硬質エリアとの間の移行部に正確に達することは、技術的にほとんど不可能であるので、硬質エリアの小さな移行エリアをより深く予備旋削すると、好都合である。この手法は、重要な材料の除去が、ホーニング加工によって軟質エリア内で不注意に起こるのを防ぐ。

多くの場合、例えば水酸化ナトリウム溶液でのエッチングによる、化学的後処理が、ホーニング加工後に必要となる。これは、好ましくは硬質エリア内でのみ行われるので、化学的処理剤は、その使用が控えられ、より長持ちする。

本発明による方法は、シリンダ摺動面の微細機械加工のため使用されることが好ましい。この場合、硬質エリアは、通常では、高シリコン含有量のアルミニウム合金、鋳鉄合金、又はセラミック強化若しくはシリコン強化アルミニウム合金からなる、シリンダライナで形成される。軟質エリアは、この場合、シリンダクランクケースの鋳込材料で、例えばアルミニウム合金ＡｌＳｉ_９Ｃｕ_３で形成される。

本発明の好ましい実施形態を以下で詳細に説明する。

本発明による方法を、図１〜３を参照して概略的に説明する。図１は、機械加工する円筒内部表面の細部を示す。この円筒内部表面は、シリンダクランクケースのシリンダ摺動面２である。シリンダ摺動面２は、シリンダライナ１０で形成される硬質エリア４と、シリンダクランクケースの鋳込材料１２で形成される軟質エリア６とを具備する。

シリンダライナ１０は、シリコン含有量が約２５％の過共晶アルミニウムシリコン合金からなる。このシリンダライナ内の高シリコン含有量は、高硬度をもたらす。この原因は、巨視的に、従来のアルミニウム合金よりもより高い硬度値（ブリネル硬度）につながるシリコン結晶子にある。クランクケース自体には、合金ＡｌＳｉ_９Ｃｕ_３が採用される。

シリンダ摺動面２を機械加工するための、図１による最初の作業ステップにおいて、シリンダ摺動面２は、旋盤バイト１４で予備旋削される。この場合、軟質エリア６は、ほぼ所望の仕上げ寸法８まで予備旋削される。但し、正の公差があり、それゆえに予備旋削は仕上げ寸法８を超えてはならない。実際には、予備旋削は、仕上げ寸法８のほぼ２μｍ手前で停止される。これは、予備旋削によって生成されかつほぼ２０μｍ〜５０μｍの山−谷間の高さを有する旋削溝１８が、部分的に仕上げ寸法８を超えて延在していることを意味する。硬質エリア４内の機械加工の公差は、ほぼ３０μｍである。

図２に示されるように、硬質エリア４が、軟質エリア６と同じようにほとんど仕上げ寸法８まで予備旋削される、移行エリア１６がある。その移行エリア１６は、軸方向に約１ｍｍである。

次の作業ステップにおいて、硬質エリア４は、ここでは詳細には示されないホーニング砥石を包含するホーニングツール１５によりほぼ仕上げ寸法（図３）までホーニング加工される。次に、シリンダ摺動面２の全体が、仕上げ寸法８までホーニングツール１５により機械加工（仕上げホーニング加工）される。このステップにおいて、ホーニングツール１５はまた、軟質エリア６上にも移動する。但し、これは、材料の除去がごく僅かであるので、ホーニング砥石を損なわせない。仕上げホーニング加工中の材料の除去は、ほぼ２μｍから１０μｍの間である。実質的には、旋削溝１８の上縁部しか軟質エリア６内で除去されないので、このことは、エリア６内の材料の除去がさらに低減されることを意味する。

上記旋削溝は、仕上げホーニング加工中に除去される材料粒子を運び出すチャネルとして好都合に働く。予備旋削中、ホーニング砥石の材料に依存して−生成された材料粒子を運び出すために、上記旋削溝は、確実に好適な深さにされなければならない。その運び出しは、ホーニング砥石間でホーニングツールから放出されるホーニングオイルの助けにより、その都度行われる。このように、上記旋削溝は、ホーニング砥石の早期の目詰まりの防止に寄与する。

ホーニング砥石の目詰まり、及びホーニング加工された表面の品質は、表面の材料とホーニング砥石の材料との組合せに大いに依存する。ホーニング砥石の耐用年数は、それぞれの表面と一致するようにした、異なる様々なホーニング砥石が使用される場合、さらに延ばすことができる。これは、例えば二重拡張可能なホーニングツールとして公知のものによって実現される。このようなホーニングツールを使用すると、特定のホーニング砥石を所望の位置において半径方向に進めることが可能となる。ゆえに、他の残りのホーニング砥石は、もはや機械加工される表面と接触しない。

軟質エリア６には、ダイアモンドをベースにしたホーニング砥石を使用すると好都合である。他方、シリコンカーバイドをベースにしたホーニング砥石が、硬質エリア４に対し優先的に使用される。ホーニング砥石の他の特徴は、それらの（粒子を吸着する）多孔質、粒度、及び粒子密度にある。

微細機械加工の後、表面は、水酸化ナトリウム溶液を用いて硬質エリア４内で処理される。その結果、表面上のアルミニウムは、硬質シリコン結晶子を残留させたまま、溶解される。このように生成された窪みは、動作中、潤滑油ポケットとして働く。軟質エリア６は、水酸化ナトリウム溶液で処理されないので、この水酸化ナトリウム溶液は、大量生産で長持ちする。

軟質エリア６は、微細機械加工の後の硬質エリア４より粗い表面を有する。但し、軟質エリア６は、好ましくはピストンリングの下死点の下にあり、ゆえに表面の条件に対して硬質エリア４と同じ要求を受けない。残りの旋削溝も同様に、オイルチャンバからシリンダ摺動面に達する汚染粒子を追加的に濾過する潤滑油ポケットとして働く。

基本的に、本発明による方法は、強化された局部材料を有し、特に高品質表面を要する全ての構成要素に使用できる。これは、特に、高負荷を受ける、特に内燃機関の技術分野に適用される。言及され得るこの例は、シリンダ摺動面、クランクシャフト、カムシャフトの軸受けなど、又はトランスミッションケースなどの摩擦表面である。

機械加工前の硬質エリア及び軟質エリアを有する円筒状内部表面の細部を旋盤バイトと共に示す図である。 ホーニング加工中の、予備旋削の後の図１の細部を示す図である。 仕上げホーニング加工中の図１の拡大細部を示す図である。

Claims (7)

1. 軸方向に、異なる硬度の材料を有する、円筒内部表面を微細機械加工する方法であって、
   前記円筒内部表面を予備旋削するステップと、
   上記予備旋削では、前記円筒内部表面の少なくとも１つの軟質エリア（６）が、少なくとも１つの硬質エリア（４）よりも大きな直径に予備旋削され、
   少なくとも前記硬質エリア（４）を、前記軟質エリア（６）の直径レベルまでホーニング加工するステップと、を含む方法。
2. 前記硬質エリア（４）および前記軟質エリア（６）は、仕上げ寸法（８）まで仕上げホーニング加工されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記仕上げホーニング加工による材料の半径方向の除去は、１０μｍ未満であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記硬質エリア（４）および前記軟質エリア（６）は、異なるホーニング砥石によって仕上げホーニング加工されることを特徴とする請求項２あるいは３に記載の方法。
5. 前記硬質エリアの前記ホーニング加工後、旋削溝（１８）又はホーニング溝が、前記軟質エリア（６）内に残ることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記軟質エリア（６）と前記硬質エリア（４）との間の移行エリア（１６）において、前記硬質エリア（４）は、前記軟質エリア（６）の直径まで予備旋削されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記円筒内部表面のその後の化学的処理は、前記硬質エリア（４）内でのみ行われることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。

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