JP4790749B2

JP4790749B2 - 非円形穴開け加工装置

Info

Publication number: JP4790749B2
Application number: JP2008103214A
Authority: JP
Inventors: 正夫久米; 仁福光; 直也松永; 啓介高橋
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2008-04-11
Filing date: 2008-04-11
Publication date: 2011-10-12
Anticipated expiration: 2028-04-11
Also published as: JP2009248292A

Description

本発明は、非円形穴開け加工装置に関する。詳しくは、ワークを切削加工する非円形穴開け加工装置に関する。

従来より、自動車の製造工程では、エンジンのシリンダブロックのボアを切削加工し、その後、シリンダヘッドやクランクケース等をシリンダブロックに組み付けることが行われる。
ここで、ボアに収容されるピストンは断面真円形状であるため、ボアの断面形状が真円に近い状態になるように切削加工している。

ところが、シリンダブロックのボアを断面真円形状に加工したとしても、シリンダヘッドやクランクケース等が組み付けられると、ボアの形状が変形してしまう。このようにボアが変形すると、エンジンの使用時におけるボアとピストンとの摺動抵抗が増加する要因になり、エンジンが所望の性能を発揮できないおそれがある。

そこで、シリンダブロックのボアを加工する際、シリンダヘッドを模したダミーヘッドを取り付けてボアの加工を行い、ボアの加工が終了すると、ダミーヘッドを取り外していた。
しかしながら、シリンダブロックのボア加工の都度、ダミーヘッド等の取り付け、取り外しを行うと、生産性が大幅に低下する、という問題がある。

この問題を解決するため、以下のような手法が提案されている（特許文献１参照）。
すなわち、まず、ダミーヘッドをシリンダブロックに装着して、工作機械によりボアを断面真円形状に加工する。

次に、シリンダブロックからダミーヘッドを取り外す。すると、ダミーヘッドの組付けによる応力が解消されるので、ボアの形状が変形して断面非円形となる。このダミーヘッドを取り外した後のボアの全体形状を測定して、ＮＣデータを生成しておく。
その後、生成したＮＣデータに基づいて、ダミーヘッドを装着せずに、シリンダブロックのボーリング加工を行う。このようにすれば、シリンダブロックにダミーヘッドを取り付けずにボアを加工しても、シリンダヘッドを装着すると、ボアが真円形状となる。

また、特許文献１では、上述のように断面形状が非円形のボアを形成するために、以下のような工作機械の加工ヘッドが提案されている。
すなわち、加工ヘッドは、円筒形状のスピンドル軸と、このスピンドル軸の内部に軸方向に進退自在に収納されたシャフトと、スピンドル軸の先端に遠心方向に突没可能に設けられたボーリング用バイトとを備える。シャフトの先端には、バイトおよび砥石の基端側に当接するテーパ部が設けられている。

この工作機械によれば、シャフトを進退させることにより、テーパ部でバイトおよび砥石の基端側を押圧して、これらバイトの突出量を調整できる。よって、スピンドル軸を回転させながらバイトおよび砥石の突出量を調整することにより、ボアを所望の断面形状に加工できる。
特開２００７−３１３６１９号公報

ところで、サイクルタイムを短縮するため、上述のように断面非円形のボアを高速で加工することが要請されている。
そこで、特許文献１に示された工作機械を用いて、断面非円形のボアを高速で加工しようとすると、シャフトを高速で進退させる必要がある。しかしながら、シャフトを高速で進退させるためには、リニアモータを用いて、リニアガイドやロータリージョイントなどを設ける必要があり、工作機械の構造が複雑となる。

本発明は、簡易な構成で、ワークを所望の断面形状に高速加工できる非円形穴開け加工装置を提供することを目的とする。

本発明の非円形穴開け加工装置（例えば、後述の非円形穴開け加工装置１）は、円筒形状の第１回転軸（例えば、後述のアーバ１１、２１）と、当該第１回転軸の内部に収納された第２回転軸（例えば、後述のシャフト１２、２２）と、前記第１回転軸の外周面に突没可能に設けられた加工工具（例えば、後述の切削用バイト１３、ホーニング用砥石１４Ａ、１４Ｂ）と、前記第２回転軸に設けられ、前記加工工具を突出方向に押圧するカム（例えば、後述のカム１２１〜１２５）と、前記第１回転軸の回転角および回転量を検出する第１検出手段（例えば、後述の第１ロータリエンコーダ２５２）と、前記第２回転軸の回転角および回転量を検出する第２検出手段（例えば、後述の第２ロータリエンコーダ２４１）と、前記第１回転軸を回転駆動する第１駆動手段（例えば、後述のアーバモータ２３）と、前記第２回転軸を回転駆動する第２駆動手段（例えば、後述のシャフトモータ２４）と、前記第１検出手段および第２検出手段で検出した回転角および回転量に基づいて、前記第１駆動手段および第２駆動手段を制御する制御手段（例えば、後述の制御装置４０）と、を備え、当該制御手段は、前記第１回転軸および前記第２回転軸を同期して回転させつつ、前記第１回転軸の回転角の位相に対して前記第２回転軸の回転角の位相を進角化または遅角化させることで、前記加工工具の基端側を前記カムで押圧して、前記加工工具の突出寸法を調整することを特徴とする。

この場合、前記加工工具は、切削用バイトであることが好ましい。

この発明によれば、第１回転軸の回転角の位相に対して第２回転軸の回転角の位相を進角化または遅角化させて、位相差を生じさせ、この位相差に応じてカムの加工工具に対する押圧量を変化させて、加工工具の突出寸法を調整した。
よって、カムを形成するだけでよいので、従来のようにシャフトを進退させないため、簡易な構成で、ワークを所望の断面形状に高速加工できる。

本発明によれば、カムを形成するだけでよいので、従来のようにシャフトを進退させないため、簡易な構成で、ワークを所望の断面形状に高速加工できる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る非円形穴開け加工装置１の概略構成図である。
非円形穴開け加工装置１は、ワーク（例えば、自動車エンジンのシリンダブロックのボア）に加工ヘッド１０を挿入し、ボーリング加工やホーニング加工を行う。
この非円形穴開け加工装置１は、加工ヘッド１０を回転させる回転駆動機構２０と、この回転駆動機構２０を進退させる進退機構３０と、これらを制御する制御手段としての制御装置４０と、を備える。

回転駆動機構２０は、円筒形状の第１回転軸としてのアーバ２１と、アーバ２１の内部に収納された第２回転軸としてのシャフト２２と、アーバ２１を回転駆動する第１駆動手段としてのアーバモータ２３と、シャフト２２を回転駆動する第２駆動手段としてのシャフトモータ２４と、アーバモータ２３を収容するハウジング２５と、を備える。
ここで、アーバ２１の回転軸とシャフト２２の回転軸とは、同軸である。

ハウジング２５には、アーバモータ２３のほか、アーバ２１を回転可能に保持するベアリング２５１と、アーバ２１の回転角および回転量を検出する第１検出手段としての第１ロータリエンコーダ２５２と、が設けられている。

シャフトモータ２４には、シャフト２２の回転角および回転量を検出する第２検出手段としての第２ロータリエンコーダ２４１が設けられている。

進退機構３０は、送りねじ機構であり、ねじが刻設された軸部３１と、この軸部３１を回転駆動する進退モータ３２と、軸部３１の回転量を検出する第３ロータリエンコーダ３３と、を備える。軸部３１は、回転駆動機構２０のハウジング２５に螺合されている。
この進退機構３０によれば、進退モータ３２を駆動することにより軸部３１が回転し、回転駆動機構２０を進退させることができる。

加工ヘッド１０は、アーバ２１に一体に連結される円筒形状の第１回転軸としてのアーバ１１と、アーバ１１の内部に収納されてシャフト２２に一体に連結される第２回転軸としてのシャフト１２と、アーバ１１の外周面に突没可能に設けられた加工工具としての切削用バイト１３およびホーニング用砥石１４Ａ、１４Ｂと、を備える。

アーバ１１の先端側には、貫通孔１１１が形成され、アーバ１１の貫通孔１１１よりも基端側には、一対の貫通孔１１２、１１３が形成されている。さらに、アーバ１１の一対の貫通孔１１２、１１３の反対側には、貫通孔１１４、１１５が形成されている。
これら貫通孔１１１〜１１５は、アーバ１１の回転軸に交差する方向に延びている。

切削用バイト１３は、棒状であり、貫通孔１１１に挿入されて、図示しない付勢手段により、シャフト１２に向かって付勢されている。

ホーニング用砥石１４Ａ、１４Ｂは、それぞれ、アーバ１１の回転軸に沿って延びる砥石部１４１と、この砥石部１４１に設けられた棒状の一対の首部１４２と、を備える。ホーニング用砥石１４Ａ、１４Ｂの一対の首部１４２は、貫通孔１１２〜１１５に挿入されて、図示しない付勢手段により、シャフト１２に向かって付勢されている。

シャフト１２には、切削用バイト１３を突出する方向に押圧するカム１２１と、ホーニング用砥石１４Ａを突出する方向に押圧するカム１２２、１２３と、ホーニング用砥石１４Ｂを突出する方向に押圧するカム１２４、１２５と、が設けられている。

カム１２１〜１２５は、図２（ａ）に示す円形状であり、シャフト１２は、この円形の中心からずれた位置を通っている。これにより、シャフト１２からカム１２１〜１２５の周縁までの距離は、連続的に変化する。例えば、図２（ａ）に示すように、角度をδ_１だけ回転させると、シャフト１２からカム１２１〜１２５の周縁までの距離は、ｔ_１だけ変化する。

なお、本実施形態では、カム１２１〜１２５を図２（ａ）に示す形状としたが、これに限らず、図２（ｂ）に示す形状としてもよい。
すなわち、シャフト１２の位置よりも下側の部分を半円形状とし、シャフト１２の位置よりも上側の部分を、楕円形を半分にした形状としてもよい。これにより、シャフト１２の位置よりも上側の部分では、シャフト１２からカム１２１〜１２５の周縁までの距離は、連続的に変化する。例えば、図２（ｂ）に示すように、角度をδ_２だけ回転させると、シャフト１２からカム１２１〜１２５の周縁までの距離は、ｔ_２だけ変化する。

以上のカム１２１〜１２５のうち、ホーニング用砥石１４Ａを押圧するカム１２２およびカム１２３は、同位相となっている。また、ホーニング用砥石１４Ｂを押圧するカム１２４およびカム１２５も、同位相となっている。
これらカム１２１〜１２５の周縁には、切削用バイト１３の基端縁およびホーニング用砥石１４Ａ、１４Ｂの首部１４２の基端縁が当接する。
したがって、アーバ１１に対するシャフト１２角度を変化させることで、カム１２１〜１２５の周縁のうち切削用バイト１３およびホーニング用砥石１４Ａ、１４Ｂの首部１４２に当接する部分が変化し、切削用バイト１３およびホーニング用砥石１４Ａ、１４Ｂのアーバ１１の外周面からの突出量が変化する。

図１に戻って、制御装置４０は、主制御装置４１、同期コントローラ４２、第１サーボアンプ４３、第２サーボアンプ４４、および第３サーボアンプ４５を備える。

主制御装置４１は、第１サーボアンプ４３および第３サーボアンプ４５を介して、アーバモータ２３および進退モータ３２を駆動し、ワークに対する切削用バイト１３およびホーニング用砥石１４Ａ、１４Ｂの相対位置を制御する。また、この相対位置に応じて、同期コントローラ４２および第２サーボアンプ４４を介して、シャフトモータ２４を駆動し、切削用バイト１３およびホーニング用砥石１４Ａ、１４Ｂの突出寸法を調整する。

同期コントローラ４２は、シャフトモータ２４の動作を、アーバモータ２３および進退モータ３２の動作に同期させるものである。すなわち、同期コントローラ４２は、第１ロータリエンコーダ２５２で検出したアーバ２１の回転角および回転量、ならびに、第３ロータリエンコーダで検出した軸部３１の回転量に基づいて、第２サーボアンプ４４を介して、シャフトモータ２４を駆動する。このとき、第２サーボアンプ４４により、第２ロータリエンコーダ２４１で検出したシャフト２２の回転角に応じて、シャフトモータ２４をフィードバック制御する。

以上の制御装置４０は、アーバ２１およびシャフト２２を同期して回転させつつ、アーバ２１の回転角の位相に対してシャフト２２の回転角の位相を進角化または遅角化することにより、切削用バイト１３およびホーニング用砥石１４Ａ、１４Ｂのアーバ１１の外周面からの突出量を調整する。

以下、非円形穴開け加工装置１によりワークを断面略四角形状に加工する場合について、図３および図４を参照しながら説明する。
図３は、切削位置と切削用バイト１３の突出量との関係を示す図である。
図３中、実線は、ワークを断面略四角形状に加工する場合のワークの内壁面であり、破線は、ワークを断面円形状に加工する場合の内壁面である。
図３に示すように、ワークの略四角形状を構成する各辺の中央に相当する部分では、バイトの突出量を小さくする。一方、略四角形状の角部となる部分では、バイトの突出量を大きくする。

すなわち、切削位置を基準位置からの回転角で表すと、回転角が０°から４５°に向かうに従って、バイトの突出量を増加させ、回転角が４５°から９０°に向かうに従って、バイトの突出量を減少させる。
次に、回転角が９０°から１３５°に向かうに従って、バイトの突出量を増加させ、回転角が１３５°から１８０°に向かうに従って、バイトの突出量を減少させる。

次に、回転角が１８０°から２２５°に向かうに従って、バイトの突出量を増加させ、回転角が２２５°から２７０°に向かうに従って、バイトの突出量を減少させる。
次に、回転角が２７０°から３１５°に向かうに従って、バイトの突出量を増加させ、回転角が３１５°から３６０°に向かうに従って、バイトの突出量を減少させる。

以上の０°から３６０°までの回転角に対応して切削位置（ａ）〜（ｐ）を想定すると、各切削位置での切削用バイト１３とカム１２１との相対位置は、図４（ａ）〜（ｃ）に示すようになる。
なお、図４（ａ）〜（ｃ）中、カム１２１について、シャフト１２と、カム１２１の周縁のうちシャフト１２から最も遠い部分と、を通る直線を、カムの基準線Ｐとする。一方、切削用バイトの中心軸を通る直線を、切削用バイトの基準線Ｑとする。

切削位置（ａ）、（ｅ）、（ｉ）、（ｍ）では、図４（ａ）に示すように、カムの基準線Ｐと切削用バイトの基準線Ｑとの成す角度を鈍角とする。
切削位置（ｂ）、（ｄ）、（ｆ）、（ｈ）、（ｊ）、（ｌ）、（ｎ）、（ｐ）、では、図４（ｂ）に示すように、カムの基準線Ｐと切削用バイトの基準線Ｑとの成す角度を略直角とする。
切削位置（ｃ）、（ｇ）、（ｋ）、（ｏ）では、図４（ｃ）に示すように、カムの基準線Ｐと切削用バイトの基準線Ｑとの成す角度を鋭角とする。

なお、図３および図４（ａ）〜（ｃ）では、理解を容易にするため、カムの基準線Ｐと切削用バイトの基準線Ｑとの成す角度を、大きく誇張して示したが、実際は、カムの基準線Ｐと切削用バイトの基準線Ｑとの成す角度は、０°から５°程度の範囲内で変動する。

次に、以上のように構成される非円形穴開け加工装置１を用いて、ワークとしての自動車エンジンのシリンダブロックのボアをボーリング加工する手順について、図５のフローチャートを参照して説明する。

まず、ステップＳ１において、図６（ａ）に示すように、シリンダブロック素材であるシリンダブロック１０２ａに、ダミーヘッド１０４をボルト１０４ａにより装着する。ダミーヘッド１０４は、製品シリンダヘッドを模した形状及び材質からなり、シリンダブロック１０２ａのボア１０３よりも大径な孔部１０４ｂが形成されている。

次に、ステップＳ２において、シリンダブロック１０２ａを定の位置に配置し、制御装置４０の制御下に、非円形穴開け加工装置１により、ボア１０３を、切削用バイト１３により所望の真円度（形状）に加工する。

次に、ステップＳ３において、シリンダブロック１０２ａから、ダミーヘッド１０４を取り外す。すると、図６（ｂ）に示すように、シリンダブロック１０２ａのボア１０３の内径が、図６（ａ）の状態から多少変形することになる。これは、ダミーヘッド１０４の組付けによる応力が解除されるからである。

そこで、ステップＳ４において、ダミーヘッド１０４を取り外した後のシリンダブロック１０２ａの軸線位置毎のシリンダ内径（ボア径）を、ステップＳ３と同様に測定する。この測定データは、内径データとして、例えば、同期コントローラ４２に記録される。

ステップＳ５において、内径データに基づいて、ＮＣデータを作成する。このように作成されたＮＣデータは、ダミーヘッド１０４を装着せずにシリンダブロック素材のボーリング加工を行った後、ダミーヘッド１０４を装着した場合に、シリンダ内径（ボア径）が所望の真円度となるように作成されたデータである。

次に、ステップＳ６において、作成したＮＣデータを非円形穴開け加工装置１の制御装置４０に入力する。

そして、ステップＳ７において、先ず、既にボーリング加工を行ったシリンダブロック１０２ａとは別の、新たなシリンダブロック素材であるシリンダブロック１０２ｂを所定の位置に配置する。次いで、制御装置４０の制御下に、入力されたＮＣデータに則したボーリング加工をシリンダブロック１０２ｂに施す。

すなわち、非円形穴開け加工装置１により、図７に示すように、２点鎖線に沿って切削用バイトを移動させることで、ＮＣデータに則して、ワークの上端からｄ１〜ｄ４だけ下降した位置のボア１０３の断面形状を図７の（ａ）〜（ｄ）に示すような形状とする。

ステップＳ８において、ダミーヘッド１０４と異なり、実際の製品として用いられる製品シリンダヘッド１０６を用意し、図６（ｃ）に示すように、ボーリング加工が施された新たなシリンダブロック１０２ｂに、製品シリンダヘッド１０６をボルト１０６ａにより装着する。すると、シリンダブロック１０２ｂのシリンダ内径（ボア径）は、所望の真円度となる。

本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）アーバ１１の回転角の位相に対してシャフト１２の回転角の位相を進角化または遅角化させて、位相差を生じさせ、この位相差に応じてカム１２１の切削用バイト１３に対する押圧量を変化させて、切削用バイト１３の突出寸法を調整した。よって、カム１２１を形成するだけでよいので、従来のようにシャフトを進退させないため、簡易な構成でワークを所望の断面形状に高速加工できる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。

本発明の一実施形態に係る非円形穴開け加工装置の概略構成図である。前記実施形態に係る非円形穴開け加工装置のカムの形状を示す図である。前記実施形態に係る非円形穴開け加工装置の切削位置と切削用バイトの突出量との関係を示す図である。前記実施形態に係る非円形穴開け加工装置の切削位置での切削用バイトとカムとの相対位置関係を示す図である。前記実施形態に係る非円形穴開け加工装置を用いてシリンダブロックのボアをボーリング加工する手順を示すフローチャートである。前記実施形態に係る非円形穴開け加工装置を用いてボーリング加工されるシリンダブロックを示す断面図である。前記実施形態に係る非円形穴開け加工装置を用いてボーリング加工されたシリンダブロックのボアを示す斜視図である。

符号の説明

１非円形穴開け加工装置
１１、２１アーバ（第１回転軸）
１２、２２シャフト（第２回転軸）
１３切削用バイト（加工工具）
２３アーバモータ（第１駆動手段）
２４シャフトモータ（第２駆動手段）
４０制御装置（制御手段）
１２１〜１２５カム
２４１第２ロータリエンコーダ（第２検出手段）
２５２第１ロータリエンコーダ（第１検出手段）

Claims

円筒形状の第１回転軸と、
当該第１回転軸の内部に収納された第２回転軸と、
前記第１回転軸の外周面に突没可能に設けられた加工工具と、
前記第２回転軸に設けられ、前記加工工具を突出方向に押圧するカムと、
前記第１回転軸の回転角および回転量を検出する第１検出手段と、
前記第２回転軸の回転角および回転量を検出する第２検出手段と、
前記第１回転軸を回転駆動する第１駆動手段と、
前記第２回転軸を回転駆動する第２駆動手段と、
前記第１検出手段および第２検出手段で検出した回転角および回転量に基づいて、前記第１駆動手段および第２駆動手段を制御する制御手段と、を備え、
当該制御手段は、前記第１回転軸および前記第２回転軸を同期して回転させつつ、前記第１回転軸の回転角の位相に対して前記第２回転軸の回転角の位相を進角化または遅角化させることで、前記加工工具の基端側を前記カムで押圧して、前記加工工具の突出寸法を調整することを特徴とする非円形穴開け加工装置。
請求項１に記載の非円形穴開け加工装置において、
前記加工工具は、切削用バイトであることを特徴とする非円形穴開け加工装置。