JP4725772B2

JP4725772B2 - 微細凹部の加工装置

Info

Publication number: JP4725772B2
Application number: JP2004368628A
Authority: JP
Inventors: 和彦 ▲高▼嶋; 稔太田; 義貴上原
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-12-21
Filing date: 2004-12-21
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2024-12-21
Also published as: JP2006175449A

Description

本発明は、例えば、自動車用エンジンのシリンダブロックにおけるシリンダボアの内周面に、低フリクション化を実現するための微細凹部（油溜り）を形成するのに用いられる微細凹部の加工装置に関するものである。

従来において、例えばシリンダブロックのシリンダボアの内周面に微細凹部を形成するには、ショットブラストが多く採用されている。このショットブラストでは、円形穴の内周面に、所定形状の透孔を有するマスキングシートを貼り付けた後、同内周面に、圧縮空気とともにセラミックス等の小径粒子を投射することにより、透孔により露出している内周面に微細凹部を形成する。

そして、微細凹部を形成した後には、マスキングシートを取り外し、洗浄工程を経た後、ホーニングを行うことにより、ショットブラストを行った際に微細凹部の周囲に生じた盛上り部分を除去するようにしていた。
特開２００２−３０７３１０号公報

しかしながら、上記したようなショットブラストを用いた微細凹部の形成にあっては、微細凹部を規則的に配置することが困難であり、加えて、円形穴の内周面に対するマスキングシートの貼り付け工程及び取り外し工程、並びに洗浄工程が不可欠であることから、このような作業が生産性の向上を阻む原因になっていると共に、マスキングシートが使い捨てであるために、マスキングシートの材料、透孔等の加工及び接着剤などによってマスキングに費用がかかり、これが製造コストを増大させているという問題点があった。

本発明は、上記従来の課題を解決するために成されたものであって、被加工物の円形穴の内周面に微細凹部を形成するに際し、内周面に対して微細凹部を規則的に且つ高精度に形成することができると共に、生産性の向上や製造コストの低減を実現することができる微細凹部の加工装置を提供することを目的としている。

本発明の微細凹部の加工装置は、被加工物における円形穴の内周面に、微細凹部を形成する加工装置であって、外周部に微細凹部形成用の凸部を有する加工ローラと、同軸状態に装着した加工ローラを円形穴の中心線に対して偏心した位置で回転駆動するローラ駆動体と、被加工物とローラ駆動体を円形穴の中心線に沿って相対移動させる進退駆動手段と、加工ローラを円形穴の内周面に押し付けた状態において被加工物及びローラ駆動体の少なくとも一方を円形穴の中心線回りに回転駆動する回転駆動手段と、ローラ駆動体における加工ローラの回転角を検出する第１の回転検出手段と、回転駆動手段の回転角を検出する第２の回転検出手段と、第１及び第２の回転検出手段からの検出信号に基づいて、ローラ駆動体による加工ローラの回転駆動と回転駆動手段の回転駆動を同期させる制御を行う制御装置を備えている。

被加工物は、例えば装置本体側の支持体に支持されている。一方、ローラ駆動体は、例えば装置本体側の保持体に設けてあり、この保持体において、円形穴の中心線に対して偏心した位置で保持されている。そして、進退駆動手段により、被加工物とローラ駆動体を円形穴の中心線に沿って相対移動させることで、円形穴の内部に少なくとも加工ローラを入り込ませた状態にする。

その後、円形穴の内周面に加工ローラを所定量押し付けた状態にし、回転駆動手段により、例えば支持体及び保持体の少なくとも一方を回転駆動して、被加工物及びローラ駆動体の少なくとも一方を円形穴の中心線回りに回転駆動する。これにより、円形穴の内周面に沿って加工ローラが転動し、この際、加工ローラはローラ駆動体で回転駆動されつつ転動して同内周面に微細凹部を形成する。

また、上記の加工装置では、第１及び第２の回転検出手段により、ローラ駆動体における加工ローラの回転角、及び回転駆動手段の回転角を検出すると共に、制御装置により、第１及び第２の回転検出手段からの検出信号に基づいて、ローラ駆動体による加工ローラの回転駆動と回転駆動手段の回転駆動を同期させることにより、円形穴の内周面に沿って加工ローラを転動させ、この際、加工ローラをローラ駆動体で回転駆動しつつ転動させて同内周面に微細凹部を形成する。

本発明の微細凹部の加工装置によれば、従来のような使い捨てのマスキングシートを用いずに加工ローラによる機械加工を行うことから、円形穴の内周面に対して微細凹部を規則的に且つ高精度に形成することができると共に、生産性の大幅な向上や製造コストの大幅な低減を実現することができる。

また、回転駆動手段により被加工物及びローラ駆動体の少なくとも一方を円形穴の中心線回りに回転駆動すると共に、ローラ駆動体により加工ローラを回転駆動することから、被加工物の材質や形成する微細凹部の深さが異なる場合であっても、円形穴の内周面と加工ローラとの間の滑りを防止しつつ微細凹部を高精度に形成することができる。

さらに、装置構成がシンプルであるとともに製作費も安価であるという利点があると共に、被加工物とローラ駆動体との相対的な回転に加えて、進退駆動手段を動作させることにより、円形穴の中心線に沿う方向にも微細凹部を規則的に且つ高精度に形成することができる。

以下、図面に基づいて、本発明の微細凹部の加工装置及び加工方法の一実施例を説明する。図１に一部を示す被加工物Ｗ１は、自動車用エンジンのシリンダブロックであって、円形穴であるシリンダボアＢ１の内周面に微細凹部の形成が行われる。

図示の加工装置は、例えばＮＣ工作機械に適用し得るものであって、シリンダボアＢ１の中心線Ｃａが垂直方向（Ｚ方向）となるように被加工物Ｗ１を位置決めし、その内周面に微細凹部を形成する。

加工装置は、外周部に微細凹部形成用の凸部１ａを有する加工ローラ１と、同軸状態に装着した加工ローラ１をシリンダボアＢ１の中心線Ｃａに対して偏心した位置で回転駆動するローラ駆動体２と、被加工物Ｗ１とローラ駆動体２をシリンダボアＢ１の中心線Ｃａに沿って相対移動させる進退駆動手段３と、加工ローラ１をシリンダボアＢ１の内周面に押し付けた状態において被加工物Ｗ１及びローラ駆動体２の少なくとも一方をシリンダボアＢ１の中心線Ｃａ回りに回転駆動する回転駆動手段を備えている。

この実施例の回転駆動手段は、図示しない駆動源を含み、この駆動源により回転駆動される円柱状の保持体４である。保持体４は、その回転軸ＣｂがシリンダボアＢ１の中心線Ｃａに一致する状態において、同回転軸Ｃｂに対して偏心した位置でローラ駆動体２を保持している。このとき、シリンダボアＢ１の中心線Ｃａ、回転駆動手段の回転軸Ｃｂ、及びこれらに対して偏心した加工ローラ１の回転軸Ｃｃは、互いに平行である。

加工ローラ１は、材料がとくに限定されるものではないが、例えば、超硬、超硬以外の硬質金属やアルミナ、窒化珪素等のセラミックス等から成るものであり、シリンダボアＢ１の直径よりも充分に小さい直径を有している。この実施例の加工ローラ１は、複数の凸部１ａを円周方向に所定間隔で設けたものであり、シリンダボアＢ１の内周面にディンプル状の微細凹部を所定間隔で形成する。なお、円周方向に連続する鍔状の凸部を設けたものにすれば、溝状の微細凹部を連続形成することができる。

ローラ駆動体２は、モータを内蔵した本体部２ａの下側に、回転駆動される軸部２ｂを同軸状に備えており、軸部２ｂの下端部に加工ローラ１を装着する。軸部２ｂには、凸部形態や直径が異なる複数種の加工ローラを選択的に着脱することが可能である。このローラ駆動体２は、本体部２ａの上端部に、加工ローラ１の回転角を検出する第１の回転検出手段Ｒ１が設けてあり、ジョイント５及びローラ移動手段６を介して保持体４に保持されている。

上記のローラ移動手段６は、モータ等の駆動源及び動力伝達機構を含むと共に、保持体４の下面において、同保持体４の直径方向に移動可能なジョイント５を備えており、このジョイント５に強固に装着したローラ駆動体２とともに加工ローラ１をシリンダボアＢ１の半径方向ｒに移動させる。

進退駆動手段３は、先述の如く、被加工物Ｗ１とローラ駆動体２をシリンダボアＢ１の中心線Ｃａに沿って相対移動させるものであるが、この実施例では、保持体４を垂直方向（Ｚ方向）に移動させることにより、被加工物Ｗ１に対してローラ駆動体２及び加工ローラ１を進退動作させるものとなっている。

また、保持体４には、当該保持体（回転駆動手段）４の回転角を検出する第２の回転検出手段Ｒ２が設けてある。なお、第１及び第２の回転検出手段Ｒ１，Ｒ２には、より好ましい実施形態としてロータリーエンコーダが用いられ、これにより装置構成のさらなる簡略化や検出精度の向上を図ることができる。

さらに、加工装置は、保持体４とともにローラ駆動体２や加工ローラ１などを水平方向（Ｘ及びＹ方向）に移動させる水平移動手段７と、制御装置８を備えている。制御装置８は、水平移動手段７、進退駆動手段３、保持体４、ローラ移動手段６及びローラ駆動体２の動作制御を行うと共に、第１及び第２の回転検出手段Ｒ１，Ｒ２からの検出信号を入力し、その検出信号に基づいて各動作部位のフィードバック制御を行うことが可能である。

上記構成を備えた加工装置は、シリンダボアＢ１の内周面に微細凹部を形成するに際し、まず水平移動手段７により保持体４を水平移動させて、保持体４の回転軸ＣｂとシリンダボアＢ１の中心線Ｃａとが一致するように位置決めをし、続いて、進退駆動手段３により保持体４を前進（下降）させて、加工ローラ１をシリンダボアＢ１内に進入させる。

次に、加工装置は、ローラ移動手段６によりローラ駆動体４を水平方向に移動させて、加工ローラ１をシリンダボアＢ１の内周面に所定量押し込む。このとき、加工ローラ１の回転軸Ｃｃは、シリンダボアＢ１の中心線Ｃａ及び保持体４の回転軸Ｃｂに対してオフセットされた位置である。

その後、加工装置は、保持体４によってローラ駆動体２をシリンダボアＢ１の中心線Ｃａ回りに回転駆動し、これに同期して、ローラ駆動体２によって加工ローラ１を回転駆動する。このとき、当該加工装置では、図２に示すように、ローラ駆動体２及び加工ローラ１の回転軸ＣｃがシリンダボアＢ１の中心線Ｃａ回り（図中矢印Ａ１回り）に移動するのと同時に、加工ローラ１をその回転軸Ｃｃの移動方向とは逆回り（図中矢印Ａ２回り）に回転駆動することで、加工ローラ１をシリンダボアＢの内周面に沿って転動させ、このように二軸を回転駆動することにより、シリンダボアＢの内周面と加工ローラ１との間での滑りを防止しつつ同内周面に微細凹部を形成する。

また、加工装置は、上記の動作に加えて、進退駆動手段３によって保持体４を徐々に下降させ、加工ローラ１の進入を継続すると、シリンダボアＢ１の内周面に対して螺旋状の軌跡で微細凹部を連続的に形成し、シリンダボアＢ１の中心線Ｃａに沿う方向の所定範囲にわたって微細凹部を形成することができる。

ここで、例えば、加工ローラ１の外径をφ３０ｍｍ、凸部１ａの数を１００、シリンダボアＢ１の内径をφ６０ｍｍとすると、加工ローラ１がシリンダボアＢ１の内周面を滑りなく転動した場合、シリンダボアＢ１の内周面における一周あたりの微細凹部の数は２００である。また、加工ローラ１は、（シリンダボア内径）／（加工ローラ外径）＝６０／３０であるから、ローラ駆動体２がシリンダボアＢ１の中心線Ｃａ回りに一回転する間（保持体４が一回転する間）に二回転することになる。

すなわち、保持体４が自己の回転軸Ｃｂ回りに一回転する間に、加工ローラ１が自己の回転軸Ｃｃ回りに二回転すれば、加工ローラ４がシリンダボアＢ１の内周面を滑りなく転動したことになり、双方の回転角で表せば、加工ローラ１を１度回転させるのに対して、保持体４を０．５度回転させればよいことになる。

このようにして、加工装置では、保持体４の回転駆動と、ローラ駆動体２による加工ローラ１の回転駆動と、ローラ駆動体２及び加工ローラ１の下降を同期させることにより、シリンダボアＢ１の内周面の広い領域に対して、図３（ａ）に示すように、縦横に規則的にパターニングされた微細凹部Ｄを高精度に且つ効率良く形成することができる。

また、例えば、シリンダボアＢ１の内周面一周あたりの微細凹部の数が２００．５になるようにした場合、加工ローラ１における凸部１ａ一つあたりの回転角度は、３６０（度）／１００（歯）＝３．６（度）であるため、保持体４が一回転する間に、加工ローラ１を一回転＋３．６度／二回転させれば良い。このとき、加工ローラ１の回転角１度に対して、保持体４の回転角は、３６０／（７２０＋３．６／２）＝０．４９９度である。

このようにして、保持体４の回転駆動と、ローラ駆動体２による加工ローラ１の回転駆動と、ローラ駆動体２及び加工ローラ１の下降を同期させることにより、シリンダボアＢ１の内周面の広い領域に対して、図３（ｂ）に示すように、一周毎にずれた状態にパターニングされた微細凹部Ｄを高精度に且つ効率良く形成することができる。

以上のように、上記実施例で説明した微細凹部の加工装置及び加工方法では、装置構成が比較的シンプルであって、安価に製作することが可能であり、とくに、各駆動部位が加工ローラ１側に集約されているので、被加工物Ｗ１側の位置決め手段をよりシンプルなものにすることができ、順次搬入される被加工物Ｗ１に対して微細凹部を形成する場合にもより好適である。

そして、当該加工装置及び加工方法では、従来のような使い捨てのマスキングシートを用いずに加工ローラによる機械加工を行うので、シリンダボアＢ１の内周面に対して微細凹部を規則的に且つ高精度に形成し得るものとなり、生産性の大幅な向上や製造コストの大幅な低減を実現する。

また、回転駆動手段である保持体２によりローラ駆動体２をシリンダボアＢ１の中心線回りに回転駆動すると共に、ローラ駆動体２により加工ローラ１を回転駆動するので、被加工物Ｗ１の材質や形成する微細凹部の深さが異なる場合であっても、シリンダボアＢ１の内周面と加工ローラ１との間の滑りを防止しつつ微細凹部を高精度に形成する。

さらに、回転検出手段Ｒ１，Ｒ２の採用により、シリンダボアＢ１の内周面と加工ローラ１との間の滑りを監視しつつ微細凹部を形成することが可能であって、微細凹部のさらなる高精度化に貢献し得るものとなり、さらには、ローラ移動手段６を採用したことから、直径の異なるシリンダボア（円形穴）Ｂ１、材質の異なる被加工物Ｗ１及び微細凹部の深さの変更などに容易に対処することができる。

図４は、本発明の微細凹部の加工装置及び加工方法の他の実施例を説明する図である。なお、この実施例における被加工物Ｗ２は円筒部材である。また、先の実施例と同一の部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

この実施例の加工装置は、回転駆動手段として、被加工物Ｗ２を支持して回転駆動される支持体１４を備えている。この支持体１４は、図示しない駆動源を含み、回転軸Ｃｂが被加工物Ｗ２における円形穴Ｂ２の中心線Ｃａに一致する状態で同被加工物Ｗ２を支持すると共に、水平移動手段７によって被加工物Ｗ２を水平方向（Ｘ及びＹ方向）に移動させることができる。

また、回転駆動手段が支持体１４であることから、第２の回転検出手段Ｒ２は、支持体１４の回転角を検出する。進退駆動手段３は、この実施例では、ローラ移動手段６を垂直方向（Ｚ方向）に移動させることにより、被加工物Ｗ２に対してローラ駆動体２及び加工ローラ１を進退動作させるものとなっている。

上記構成を備えた加工装置は、先の実施例では、ローラ駆動体２をシリンダボアＢ１の中心線Ｃａ回りに回転すなわち保持体（図１中の符号４）を回転駆動しながら、シリンダボアＢ１の内周面に沿って加工ローラ１を回転駆動しつつ転動させたのに対して、被加工物Ｗを円形穴Ｂ２の中心線Ｃａ回りに回転駆動しながら、加工ローラ１を回転駆動しつつ転動させて円形穴Ｂ２の内周面に微細凹部を形成する。

上記の加工装置及び加工方法によっても、先の実施例と同様の作用及び効果を得ることができるうえに、例えば既存のＮＣ工作機械に適用した場合には、進退駆動手段３には昇降する主軸ヘッドを利用し、また、水平移動手段７には水平移動するワークテーブルを利用することができるので、新設する装置構成をよりシンプルにすることができる。

なお、本発明の微細凹部の加工装置及び加工方法は、その構成の細部が上記各実施例のみに限定されるものではなく、シリンダブロックや円筒部材といった被加工物以外の円形穴にも当然適用可能である。また、加工ローラにあっては、上記実施例では凸部を単列に備えたものとしたが、凸部を複列に備えたものでも良い。

さらに、図１に示す実施例では、回転駆動手段としてローラ駆動体２を回転させる保持体を備えたものとし、図４に示す実施例では、回転駆動手段として被加工物を回転させる支持体を備えたものとしたが、とくに、回転駆動手段、進退駆動手段及び水平移動手段については、被加工物と加工ローラを相対的に移動させる手段であれば良いので、被加工物側及び加工ローラ側の一方あるいは両方に設けることができる。

本発明の加工装置の一実施例を示す斜視説明図である。微細凹部形成時における加工ローラの動作を示す平面説明図である。形成した微細凹部のパターンを示す各々説明図（ａ）（ｂ）である。本発明の加工装置の他の実施例を示す斜視説明図である。

符号の説明

１加工ローラ
１ａ凸部
２ローラ駆動体
３進退駆動手段
４保持体（回転駆動手段）
６ローラ移動手段
１４支持体（回転駆動手段）
Ｂ１シリンダボア（円形穴）
Ｂ２円形穴
Ｃａシリンダボアの中心線
Ｃｂ保持体の回転軸
Ｃｃ加工ローラの回転軸
Ｄ微細凹部
Ｒ１第１の回転検出手段
Ｒ２第２の回転検出手段
Ｗ１被加工物
Ｗ２被加工物

Claims

被加工物における円形穴の内周面に、微細凹部を形成する加工装置であって、
外周部に微細凹部形成用の凸部を有する加工ローラと、
同軸状態に装着した加工ローラを円形穴の中心線に対して偏心した位置で回転駆動するローラ駆動体と、
被加工物とローラ駆動体を円形穴の中心線に沿って相対移動させる進退駆動手段と、
加工ローラを円形穴の内周面に押し付けた状態において被加工物及びローラ駆動体の少なくとも一方を円形穴の中心線回りに回転駆動する回転駆動手段と、
ローラ駆動体における加工ローラの回転角を検出する第１の回転検出手段と、
回転駆動手段の回転角を検出する第２の回転検出手段と、
第１及び第２の回転検出手段からの検出信号に基づいて、ローラ駆動体による加工ローラの回転駆動と回転駆動手段の回転駆動を同期させる制御を行う制御装置
を備えたことを特徴とする微細凹部の加工装置。
回転検出手段がロータリエンコーダであることを特徴とする請求項１に記載の微細凹部の加工装置。
回転駆動手段が、ローラ駆動体を保持して回転駆動される保持体を備えており、この保持体は、回転軸が円形穴の中心線に一致する状態において、その回転軸に対して偏心した位置でローラ駆動体を保持することを特徴とする請求項１又は２に記載の微細凹部の加工装置。
回転駆動手段が、被加工物を支持して回転駆動される支持体を備えており、この支持体は、回転軸が円形穴の中心線に一致する状態で被加工物を支持することを特徴とする請求項１又は２に記載の微細凹部の加工装置。
ローラ駆動体とともに加工ローラを円形穴の半径方向に移動させるローラ移動手段を備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の微細凹部の加工装置。
制御手段が、第１及び第２の回転検出手段からの検出信号に基づいて、ローラ駆動体による加工ローラの回転駆動と回転駆動手段の保持体の回転駆動を同期させる制御を行うことを特徴とする請求項３に記載の微細凹部の加工装置。
制御手段が、第１及び第２の回転検出手段からの検出信号に基づいて、ローラ駆動体による加工ローラの回転駆動と回転駆動手段の支持体の回転駆動を同期させる制御を行うことを特徴とする請求項３に記載の微細凹部の加工装置。
制御手段が、ローラ駆動体による加工ローラの回転駆動と回転駆動手段の回転駆動を同期させるのに加えて、被加工物とローラ駆動体を円形穴の中心線に沿う方向に相対的に移動させる制御を行うことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の微細凹部の加工装置。