JP4563000B2 - バルブシートを金属切削加工するための工具 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、請求項１の前文に係る内燃機関のシリンダヘッド内のバルブシートを切削加工するための工具および請求項１７の前文に係る内燃機関のシリンダヘッド内のバルブシートを切削加工するための方法に関する。
【０００２】
ここで言及される種類の工具および方法は公知である。工具は幾何学的に限定された少なくとも１つの切刃を含む刃物板を有し、固定された加工物に対して工具を回転させるにしろ、固定された工具に対して加工物を回転させるにしろ、切刃を利用してバルブシートから切屑を除去することができる。ふつう２つの場合のうちで、前者が実行される。バルブシートが第１環状面を有し、この環状面は環状面の想定中心軸とで例えば約４５°の第１傾斜角度を成す。この第１環状面がバルブのガス気密性を実質的に決定する。この環状面に一方で傾斜角度約１５°の第２環状面、他方で傾斜角度約７５°の第３環状面が続く。バルブシートの加工時に工具は環状面の共通する中心軸に沿って軸方向で変位され、刃物板がバルブシートに食い込んで例えば第１環状面を加工することになる。したがってこの加工は環状面の中心軸に一致するバルブ軸の方向で工具を動かすことによって行われる。この加工はバルブ穴加工と称される。好ましくは、バルブシートもバルブガイドも加工することのできる工具、つまりバルブシートを加工するための刃物板とバルブガイドを加工するためのリーマとを有する工具が利用される。これにより、バルブシートの中心軸とバルブガイドの中心軸との同軸度が極めて精確となり、そのことがバルブの良好な密封に寄与する。
【０００３】
内燃機関のシリンダヘッド内のバルブシートはふつう、きわめて硬い耐摩耗性焼結材料からなるバルブシートリングによって実現され、加工はきわめて手間がかかり、ふつう、きわめて高価な立方晶窒化硼素（ＣＢＮ）を利用しなければならない。さらに、いわゆるガス気密性を保証するために品質要求がきわめて厳しい。切刃の僅かな摩耗がすでに許容差の超過をもたらす。特に、バルブシートの加工費がきわめて高いことからもわかる。
【０００４】
そこで本発明の課題は、これらの欠点を有していない冒頭に指摘した種類の工具を提供することである。
【０００５】
この課題を解決するために、請求項１に指摘された特徴を有する工具が提案される。この工具は、２つの支持領域が、角度αの角で、且つ、該角度αの二等分線が前記バルブシートから切屑を除去する活性切刃に対して実質的に垂直にとなるように配置され、刃物板は、前記２つの支持領域に当接されることを特徴としている。支持面の配置によって、いわば刃物板に対してＶ形ガイドが達成され、刃物板はごく安定的に工具本体内に受容される。すなわち、バルブシートの加工時に刃物板の振動が事実上発生しないように刃物板は工具に固定される。振動する場合には、切刃の摩耗がかなり顕著に促進し、その逆に刃物板を少ない振動で固定する場合には、活性切刃、つまりバルブシートから切屑を除去する切刃の摩耗は著しく減らすことができることが判明した。
【０００６】
前記欠点を有していない方法を示すことも本発明の課題である。
【０００７】
この課題を解決するために、請求項１７に指摘された特徴を有する方法が提案される。この方法は、切刃の摩耗時に工具刃物板の再調整および／または調整が不要であることを特徴としている。そのことが本方法の本質的簡素化をもたらし、それとともに安価な解決策ももたらす。
【０００８】
その他の構成は従属請求項から明らかとなる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明が詳しく説明される。
【００１０】
図１の図はバルブシート加工工具、つまり内燃機関のシリンダヘッド内のバルブシートを加工するのに役立つ工具１を示す。工具の左側に見られる固着柄部３が環状端面５によって取り囲まれている。固着柄部３は工具１を工作機械に連結するのに役立ち、端面５によって工具１の精確な配置が保証される。工具１と工作機械との連結は別の仕方でも行うことができる。
【００１１】
工具１の固着柄部３とは、反対の側に見ることのできる刃物板７は、幾何学的に限定された切刃９を有する。この切刃でバルブシート１１から切屑が除去され、このバルブシートは内燃機関のここには図示しないシリンダヘッドに嵌挿されるバルブシートリング１３の一部である。
【００１２】
刃物板７は、締付爪１５によって工具１の本体１７に固着される。刃物板７の刃胸とも称される前面２３上に締付リップ２１が重なるように締付爪１５は締付ねじ１９でしっかり締付けられる。
【００１３】
工具１の固着柄部３とは反対側の末端２５に分離部を設けておくことができ、バルブガイドを加工するための工具、特にリーマをこの分離部に取付けることができる。
【００１４】
刃物板７が工具１の本体１７に取り付けてある領域が図２に拡大して示してある。
【００１５】
同じ部材には同じ符号が付けてあり、図１についての説明を参照するように指示することができる。刃物板７を平面図で示す図２の拡大図から第１支持領域２７と第２支持領域２９を認めることができ、これらの支持領域に刃物板７は当接するだけではない。刃物板はむしろ締付爪１５によって支持領域２７、２９に押し付けられる。
【００１６】
締付爪１５の締付リップ２１の保持力を改善するために刃物板７の前面２３に締付切欠き３１が設けられており、この締付切欠きが‐横断面で見て‐Ｖ形に構成されており、こうして締付リップ２１は刃物板７を支持領域２７、２９に押し付けるだけでなく、ここには見られない接触面にも押し付ける。
【００１７】
支持領域２７、２９は角度αに配置され、しかも、バルブシート１１から切屑を除去する活性切刃９に対して角の二等分線３３が実質的に垂直となるような形状で配置される。
【００１８】
ここに示した実施例において刃物板７は、転回板として構成されている。この刃物板は、刃物板７の前面２３に垂直な想定軸の周りを回転することができ、活性切刃９が摩耗すると刃物板７の他の切刃９がバルブシート１１の加工に利用可能となる。刃物板７が、ここでは六角形体として構成されている。つまり、刃物板７は、切刃は面取りされたコーナー３５によって隣接する切刃９から分かれた６つの切刃９を有する。切刃９は、刃物板７の２つの隣接するコーナー３５の間にある外稜領域によってそれぞれ形成される。
【００１９】
工具１の刃物板７は、きわめて精確に研削されていなければならず、絶対的に真っ直ぐな切刃９を有しなければならない。
【００２０】
つまり、ここに示す実施例では、刃物板７を六回回し、こうして６つの切刃９をバルブシートの加工に利用可能とすることが可能である。それに応じて３つの締付切欠き３１が設けられており、締付切欠きは、刃物板７の前面２３に星形に配置されている。切刃に各１つの切屑案内面３７が続き、この切屑案内面は、切刃から距離を置いて配置されるチップブレーカ３９によって制限され、切刃９によって除去された切屑がチップブレーカに衝突して砕かれる。ここに示したような刃物板７の構成は基本的に公知である。しかしここでは、加工物の切削加工時にコーナー３５ではなく、それらの間に配置された領域がまさに切刃として利用される点で相違している。それに応じて図２には、コーナー３５の間にある領域で切刃９が、バルブシート１１を加工していることも示してある。その際、活性切刃９は、刃物板７のコーナー３５の間にある外稜ほど長くはない。
【００２１】
図３は、図１と図２にも示したような刃物板７を取付位置において示すが、締付爪は取外してある。同じ部材には同じ符号が付けてあり、その限りで先行する説明を参照するように指示する。
【００２２】
刃物板７は、少なくとも２つの側面で支持領域２７、２９に当接するように工具１の本体１７に嵌挿されていることが図３から明らかとなる。刃物板７および締付爪１５を受容する凹部４３の底面４１の領域に隙間部４５が設けられており、これらの隙間部４５が、刃物板７のコーナー３５の領域に配置されていることも明らかとなる。こうして、刃物板７の前面２３とは反対側の裏面が底面４１に平らに接触することが確保される。底面４１を貫通する穴４７が本体１７に設けられ、ここには図示しない締付ねじ１９がこの穴に係合し、この締付ねじで締付爪１５が本体１７に固定されることが、図３の図示から明らかとなる。
【００２３】
明確にするために図４は工具１の図３に示した部分を刃物板７なしで示しており、当接面２７、２９と底面４１を明確に認めることができる。
【００２４】
底面４１がなお１つの段差４２を有することができ、つまり締付爪１５が重なる領域は、刃物板７用の直接的接触面Ａよりも多少高いことが図４から明らかとなる。
【００２５】
図５は図３に書き込まれたＶ‐Ｖ線に沿った横断面図である。刃物板７は底面４１上に配置され、つまり工具１の本体１７の凹部４３の接触領域Ａ内にはっきり認めることができる。刃物板７の前面２３に設けられた締付切欠き３１も認めることができ、締付爪１５のここには図示しない締付リップ２１が、この締付切欠き内に係合する。
【００２６】
この断面図は第２支持領域２９も示しており、これに刃物板７が当接する。この刃物板はいわば台形状に構成されている。台形の底面は、刃物板７の前面２３によって形成され、上面は刃物板７の前面２３とは反対側の裏面４９によって形成される。裏面４９が底面４１に接触する。刃物板７の側面は刃物板７の逃げ面によって形成される。
【００２７】
図５には上側に刃９、反対側には刃９’が示してある。これに続く第１逃げ面領域５１は、前面２３に対して特定の傾斜角度＜９０°を有する。第１逃げ面領域５１が、第２逃げ面領域５３に移行し、後者は支持領域に対して、つまりここでは第２支持領域２９に対して精確に平行に延びている。
【００２８】
第１逃げ面領域５１の傾斜角度は、第２逃げ面領域５３の傾斜角度よりも大きくしておくことができ、第１逃げ面領域５１が支持領域２９に当接することはなく、支持領域に当接する切刃、この場合切刃９’が破損することはない。
【００２９】
刃物板７が、支持領域２９に限定的に当接するのを保証するために、底面４１の近傍にいわゆる隙間部５５が設けられ、つまり凹部４３の側面５７と刃物板７の側面５９との間に隙間が設けられている。凹部４３の側面５７を刃物板７から離して底面４１の方向に延ばすことによって、または刃物板７を隙間部５５の領域で多少除去することによって、隙間は実現することができる。
【００３０】
決定的なことは、刃物板７の側面５９が支持領域２９内で工具１の本体１７に当接することである。
【００３１】
ここで図５に示した実施例において第２支持領域２９は、工具１の本体１７によって直接形成される。
【００３２】
図６は、工具１の変更された実施例を、再び、図３に示したＶ‐Ｖ線に沿った断面図で示す。同じ部材には同じ符号が付けてあり、先行する図についての説明を参照するように指示する。図５に示す工具１との唯一の違いは、支持領域２７、２９を形成する挿入材６１が本体１７に挿入され、少なくともここに設けられていることにある。その際、多かれ少なかれ矩形に構成された挿入材を設けることが可能であり、あるいは、支持領域の領域内にそれぞれ設けられて刃物板７を支持するように用いたピンを本体１７に挿入することも可能である。
【００３３】
挿入材の材料は、好ましくは本体１７の材料よりも硬い。超硬合金および／またはセラミックスおよび／またはＣＢＮからなる挿入材６１が特別好ましい。
【００３４】
刃物板７が、立方晶窒化硼素（ＣＢＮ）からなる１層Ｓを備えており、層の厚さは好ましくは、この層が支持領域２７、２９に接触しないように選定されていることが、図５と図６に破線で示唆されている。刃物板７の本体は好ましくは超硬合金からなる。
【００３５】
図７は、締付爪１５によってしっかり保持された刃物板７と改良された実施形態の締付爪２１とを再度示す。
【００３６】
ここで言及した種類の工具は、ふつう冷却剤／潤滑剤供給部を装備しており、この供給部を利用して活性刃９、すなわちバルブシート１１から切屑をちょうど除去する刃は、過度に高い刃温度を防止するために、特に、可能な限り均一な切刃温度を保証するために、冷却剤／潤滑剤を吹付けられる。
【００３７】
図７に示す実施例において締付爪１５、より精確にはその締付リップ２１が冷却剤出口６３を有し、この出口から冷却剤が活性刃９の方向に流出する。冷却剤出口６３はこの場合縦長、特に矩形であり、好ましくは活性刃９と平行に延びている。冷却剤出口６３の長さは、活性刃９が全幅にわたって冷却剤／潤滑剤を吹付けられるように選定されている。
【００３８】
バルブシートの加工時に、発生する各力が図７に詳しく示してある。その際、切削力ＦＳが第１矢印で示してあり、支持領域２７、２９から加えられる両方の支持力は符号Ｆ１、Ｆ２とした矢印で示してある。
【００３９】
図８は、バルブ６５を有するバルブシート１１の原理図である。バルブシートは、バルブシートリング１３の領域に実現されている。バルブシートは、バルブガイド６９の中心軸でもある想定中心軸６７と同心で延びる３つの環状領域をその内面に有する。バルブガイドは円筒形挿入材７１を包囲することができ、この挿入材は硬化された耐摩耗性材料からなり、バルブシートリングと同様に内燃機関のシリンダヘッド内に嵌挿されている。バルブは、バルブシートの領域で、シリンダヘッド７３を含む内燃機関の入口または出口７５を閉鎖する。
【００４０】
中心軸６７の左右に示唆した３本の線でバルブシートの３つの環状領域が示唆される。第１環状領域は中心軸６７とで例えば約４５°の角度を成し、そのことが第１線Ｌ１で示唆される。第１環状領域の上方に第２環状領域があり、後者が有する壁は下から上へと円錐状に先細となり、中心軸６７とで約７５°の角度を成し、そのことが線Ｌ２で示唆されている。第１環状領域の下方にある第３環状領域は下から上へと円錐状に先細となり、またその壁は中心軸６７とで１５°の角度を成す。この角度によって特徴付けられるこの第３環状領域は線Ｌ３で示唆される。
【００４１】
ここに述べたバルブシートで肝要なことは、特に、バルブ６５の下方にある燃焼室のガス気密性が保証されていることである。これにより、内燃機関の消費量および出力は特別強く影響される。
【００４２】
図８に示唆したように、バルブシート１１は好ましくはバルブシートリング１３によって形成され、このバルブシートリングはシリンダヘッド７３に圧入または焼嵌めされ、きわめて硬い耐摩耗性材料からなる。
【００４３】
図８に断面を示したバルブシートリングは、この場合、中心軸６７に関して角度が異なる３つの周方向環状面を有する。中心軸６７に対して４５°の角度で延びる第１環状面は実質的にガス気密性用に指定されており、その際当然に、バルブシートと協働する下側領域におけるバルブの当該輪郭、つまりバルブディスクの輪郭が、やはり大切である。
【００４４】
バルブシート１１の密封面に対する、つまりこの場合実質的に第１環状面に対する品質要求は、表面品質と平坦性とに関してきわめて厳しい。さらに、中心軸６７に関して線Ｌ１で示唆された角度は極めて狭い公差内で仕上げられねばならない。そのことから、刃物板７の刃９は極めて精確に研削されて絶対的に真っ直ぐな切刃を有していなければならないと結論付けることができる。さらに、バルブシートに対して刃物板及び活性刃の精確な配置を保証するために、刃物板はきわめて精確で安定した板嵌合いで受容されていなければならない。このことは、きわめて硬い材料が加工されねばならず、またその際例えば多結晶立方晶窒化硼素が刃用材料として使用される場合特に、決定的に重要なことである。特に、こうした脆性材料の場合、振動は決して発生してはならないであろう。というのも、さもないと刃の寿命が劣るからである。
【００４５】
バルブシートの加工時、つまりバルブシート穴加工時、図８には図示しない工具が中心軸６７に沿って動かされ、刃物板がバルブシート１１およびバルブシートリング１３に食い込むことになる。もちろん、傾斜角度の異なる環状領域を製造するために、さまざまな角度で傾斜した刃を有する工具が使用される。バルブシートの加工時、バルブシートリング１３の内部に工具を嵌挿できるようにバルブ６５は当然に取り外されている。
【００４６】
図１の工具では、すでに述べたように末端２５にリーマを嵌挿することができ、このリーマはバルブガイド６９の内面を加工しかつ工具を案内する。バルブガイド６９を加工する間に、工具が中心軸６７に沿って変位されると最終的に刃物板７がバルブシート１１に食い込むことになり、この場合環状面の１つが加工される。バルブシートとバルブガイドが１つの工具で加工される場合、バルブシートリングの中心軸とバルブガイドの中心軸とのきわめて高い同軸度を達成することができ、これはバルブのきわめて良好な密封に寄与する。
【００４７】
工具の機能について以下のことを確認することができる。
【００４８】
ふつうバルブシートリング１３の一部であるバルブシート１１を加工するために工具１が回転させられ、バルブシートの穴に導入され、つまり環状バルブシートの中心軸方向で軸方向に変位され、刃物板７がバルブシート１１から切屑を除去することになる。この加工過程はバルブシート穴加工とも称される。加工すべきバルブシートもしくはバルブシートリングはきわめて硬い焼結材料からなり、相応に硬い刃物板７、好ましくは立方晶窒化硼素（ＣＢＮ）からなる１層Ｓを含む刃物板を利用しなければならない。この材料は、振動に対してきわめて敏感であるという性質を有する。バルブシート１１の加工時に振動が発生すると、その結果として、摩耗は極めて顕著となる。これは、刃物板が交換されるので、またはここに述べる工具の場合のように、転回板として構成された刃物板の新たな刃をバルブシートに食い込ませるために少なくとも回されねばならないので、加工過程の中断を生じる。
【００４９】
ここに述べる工具１の場合には、刃物板７はきわめて確実に工具１の本体１７内で固定することができる。なぜならば、相互に角度αに配置される２つの支持領域２７、２９で刃物板が支持され、しかも支持領域は、加工すべきバルブシート１１もしくは活性刃９に対して該角度の二等分線３３が事実上垂直になる形状であるからである。
【００５０】
刃物板７は一方で締付爪１５によって、他方で図７に示した切削力ＦＳによって、支持領域２７、２９に押し付けられる。角度αに配置される支持領域２７、２９が支持力Ｆ１、Ｆ２を提供し、いわば刃物板７のＶ形ガイドが達成される。
【００５１】
支持領域２７、２９に対する刃物板７の押付力は、工具１の本体１７の材料よりも硬い材料からなる挿入材６１が支持領域内に設けられている場合には、特に、きわめて高くしなければならない。好ましくは超硬合金および／またはセラミックスおよび／またはＣＢＮからなる挿入材６１が使用され、支持領域２７、２９内に何らかの変形を生じることなく、したがって刃物板７の配置による誤差を生じることなく、きわめて高い押付力が実現可能である。つまり、刃物板は、Ｖ形ガイドによってきわめて精確に、予め決定可能な角度で工具１の本体１７内で保持されしっかり締付けられる。
【００５２】
つまり、ここに示した工具１では、転回板として構成された刃物板７のゆえに、また支持面２７、２９による刃物板７の精確な位置決めのゆえに、工具１を弱めることのある再調整または調整装置が何ら必要でないことが明らかとなる。得られた空間によって、締付爪１５に関連してかなり大きな締付ねじも使用することができ、こうして締付力も高めることができる。
【００５３】
活性刃９の摩耗時に刃物板７を回す必要があるだけであるので、摩耗時に刃物板７を再調整するための調整装置を必要としないことは、工具１にとって決して欠点ではない。特に図７がはっきり示すように、刃物板が切削力ＦＳによって工具１の本体１７内で安定化され、つまり支持領域２７、２９に押し付けられるように刃物板のＶ形ガイドは構成されている。
【００５４】
支持領域２７、２９が挿入材６１を備えている場合には、図６から難なく明らかとなるように、挿入材は実質的に矩形に構成しておくことができる。しかし、工具１の本体１７内にピンを挿入して、このピンで刃物板７を支持することもできる。しかし、その場合一層高い押付力を捕捉できることから、平面的構成が優先される。
【００５５】
図５と図６から明らかなように、刃物板７の１つの層がＣＢＮからなり、かつ、好ましくは、該層が第１逃げ面領域５１にわたって延びているだけとなるように選定される。こうして、きわめて脆い材料が横向きの力を受けて破損を生じることを回避している。刃物板７の本体が好ましくは超硬合金からなるので、支持領域２７、２９内にきわめて高い支持力を発生することができ、そのことで刃物板７に何らかの不利な変形を生じさせないようにしている。
【００５６】
形状についての前記説明から明らかなように、点状もしくは線状負荷を避けるために、危険な領域に隙間部が設けられている。こうして、一方で刃物板７のコーナー３５の領域に隙間部４５が設けられ、他方で刃物板７の側面５９とその裏面４９との間の移行領域に隙間部５５が設けられている。最後に記したこの隙間部５５は、上に述べたように、さまざまな仕方で、特に、刃物板７の側面５９、または刃物板７を収容した凹部４３の側面５７を後退（オフセット）させることによって、実現することができる。
【００５７】
最後に、特にＣＢＮからなる１つの層Ｓを有する刃物板の場合、適切な冷却剤／潤滑剤供給が有利であることが見出されている。刃材料のＣＢＮは熱衝撃に敏感であり、切刃９の異なる温度に対して敏感である。締付爪１５内を通した特殊な冷却剤／潤滑剤供給に基づいて、加工されたバルブシート１１の領域で活性刃９に冷却剤が吹付けられるように縦長に構成された冷却剤出口６３が締付爪１５内に設けられている場合には特に、バルブシート１１から切屑を除去する活性刃９のきわめて効果的な冷却を達成することができる。つまり、冷却剤噴流を刃の幅に適合させ、また冷却剤出口６３が活性刃９と平行に延びることによって均一な冷却を保証することが可能である。
【００５８】
工具についての解説から、幾何学的に限定された少なくとも１つの刃を有する刃物板を含む１つの工具で内燃機関シリンダヘッド内のバルブシートを加工するための方法において、活性刃の摩耗時に工具の調整を省くことができることによって、このような方法の簡素化が達成できることが明らかとなる。刃物板の交換時にバルブシートの希望する寸法が与えられているような場合に、精確に刃物板が支持領域によって配置させられ、またこれが、１つの刃の摩耗時に転回し、つまり加工すべきバルブシートに新たな刃が食い込むように回される複数の切刃を備えた刃物板を使用することによっても実現可能であることが判明した。
【図面の簡単な説明】
【図１】工具の側面図である。
【図２】図１の工具で使用される刃物板の拡大平面図である。
【図３】締付爪を取り外したときの刃物板の平面図である。
【図４】刃物板なしの工具部分領域の平面図である。
【図５】図３に書き込まれたＶ‐Ｖ線に沿った工具の横断面図である。
【図６】冷却剤／潤滑剤供給部を有する工具の細部図である。
【図７】変更された工具を図５と同様に示す横断面図である。
【図８】バルブを有するバルブシートの原理図である。
【符号の説明】
７ 刃物板
９ 切刃
１１ バルブシート
１５ 締付爪
１７ 本体
２７ 支持領域
２９ 支持領域
５５ 隙間部
６１ 挿入材

Claims (2)

1. 幾何学的に限定された少なくとも１つの切刃を有する刃物板（７）を備え、内燃機関のシリンダヘッド内のバルブシートを金属切削加工するための工具であって、
   ２つの支持領域（２７、２９）は、角度αの角で対峙し、該角度αの二等分線（３３）が前記バルブシート（１１）から切屑を除去する活性切刃（９）に対して実質的に垂直となるように配置され、前記刃物板（７）は、前記２つの支持領域（２７、２９）に当接されており、
   前記支持領域（２７，２９）は、前記刃物板（７）に対してＶ型ガイドとなるように配置されており、前記刃物板（７）の前記活性切刃（９）に伝わる切削力（ＦＳ）が、前記支持領域（２７，２９）で受けられるようになっていて、前記活性切刃（９）は、前記刃物板の面取りされたコーナー（３５）の間にあって、その長さが前記刃物板の前記コーナー（３５，３５）の間にある外稜ほど長くないものであり、
   前記刃物板（７）は、ＣＢＮを有する１層（Ｓ）を備え、かつ、
   前記刃物板（７）を押し付ける締付爪（１５）は、該締付爪を通じて供給される冷却剤又は潤滑剤の噴流が前記活性切刃（９）の幅方向に沿って均一な冷却を行うように、前記活性切刃（９）に対して実質的に平行に延びると共に前記活性切刃の幅に適合した縦長の出口（６３）を備えることを特徴とする工具。
2. 前記刃物板（７）は、異なる傾斜を有した領域を含む逃げ面を有することを特徴とする、請求項１に記載の工具。

Images