JP5604800B2 - 微細凹部加工工具及び微細凹部加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、摺動部材が往復移動する摺動面に微細な凹部を形成する微細凹部加工工具及び微細凹部加工方法に関する。

例えば自動車用エンジンにおけるピストン（ピストンリング）とシリンダブロックのような相対的に往復運動するような２つの摺動部品の間には、摩擦抵抗を低減させるためにシリンダのボア内壁に微細な凹部（油だまり）を形成することが行われている。

微細な凹部を形成する方法としては、加工部以外の部分をマスキングしてブラスト加工を行うマスクブラスト法、レーザ光を照射して加工実施するレーザ加工法、所望の形状を工具刃先にもつ回転体により転造加工を行うマイクロロールフォーミング法（下記特許文献１参照）がある。

特開２００６−２６６７６号公報

ところで、上記した微細な凹部には、様々な形状が考えられるが、マスクブラスト法やレーザ加工法にて形成されるような底面が曲面状となる形状が一般的である。

しかしながら、摩擦抵抗（μ）に関しては、底面が曲面状となる一般的な凹部に比較して、一方向摺動の場合は三角形状、往復摺動の場合はＷ型形状の方が、摺動方向に対向する面を凹部内に形成できることからより多くの油を保持できて摩擦抵抗をより低減することができる。

このような摩擦抵抗に関して有利なＷ型形状の凹部を加工する際には、マスクブラスト法やレーザ加工法では、Ｖ型形状のものを２個別々に形成してＷ型形状とする必要が生じ、加工時間が長くなって加工コストの上昇を招く。なお、レーザ加工法では、レーザ光を２つ同時に照射することで、Ｗ型形状とすることが可能であるが、この場合にはレーザ加工装置が複雑化してやはりコスト上昇を招く。

そこで、本発明は、微細な凹部をＷ型形状として摺動面に加工する際の加工コスト上昇を抑えることを目的としている。

本発明は、摺動面に形成する微細な凹部が、往復摺動方向両端側の摺動方向に対して直角となる両端壁面と、これら各両端壁面相互間に山部を形成するようにして各両端壁面の下端に一端が連続するとともに、他端同士が前記山部先端側で互いに連続する一対の中央傾斜部と、前記往復摺動方向と直交する方向の両端側の両側壁と、を備え、この凹部の形状に対応して工具刃先が先端に凹み部を備え、かつ、工具刃先は、凹部が前記往復摺動方向に対して直交する方向の断面形状がほぼＷ型形状となるように、凹部の形状に対応して先端に凹み部を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、工具刃先が、凹部の形状、すなわち、往復摺動方向両端側の摺動方向に対して直角となる両端壁面と、これら各両端壁面相互間に山部を形成するようにして各両端壁面の下端に一端が連続するとともに、他端同士が前記山部先端側で互いに連続する一対の中央傾斜部と、往復摺動方向と直交する方向の両端側の両側壁と、を備える形状に対応して先端に凹み部を備えているので、該工具刃先を備える微細凹部加工工具によって転造加工することで、微細な凹部を、単に工具刃先を摺動面に押し付けるだけで容易に加工することができ、加工コスト上昇を抑えることができる。
また、このような形状の凹部は、摺動方向に対向する面を、両端壁面として備え、かつこの両端壁面は、摺動面に対する摺動部材の摺動方向に対して直角となっているので、より多くの油を保持できて摩擦抵抗をより低減することができる。
さらに、上記した凹部は、摺動方向に対して直交する方向の断面形状がほぼＷ型形状となっているので、さらにより多くの油を保持できて摩擦抵抗をより一層低減することができる。

本発明の第１の実施形態に係わる微細凹部加工工具によりシリンダボア内面に微細凹部を加工している状態を示す断面図である。 （ａ）は図１の微細凹部加工工具の平面図、（ｂ）は（ａ）のＣ部の拡大図である。 （ａ）は図２（ｂ）の拡大したＤ−Ｄ断面図、（ｂ）は微細凹部加工工具における工具刃先の先端の凸部の斜視図、（ｃ）は凸部の他の例を示す斜視図である。 （ａ）は図１のＥ部における凹部を拡大して示す断面図、（ｂ）は凹部の正面図である。 本発明の第２の実施形態に係わる微細凹部加工工具によりシリンダボア内面に微細凹部を加工している状態を示す断面図である。 図３（ｂ）に対応する凸部の斜視図である。 図３（ｃ）に対応する凸部の斜視図である。 （ａ）は、本発明の第３の実施形態に係わる微細凹部加工工具の図２（ｂ）に対応する拡大した側面図、（ｂ）は（ａ）のＨ矢視図、(ｃ)は（ａ）のＩ矢視図、（ｄ）は凸部の斜視図である。 図８（ｄ）の凸部の変形例を示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係わる微細凹部加工工具１によって、摺動部材であるエンジンのシリンダブロック３の摺動面となるシリンダボア５のボア内面５ａに対し微細凹部を加工する状態を示している。

微細凹部加工工具１は、その中心部を回転支持軸７によって支持され、モータなどを備える駆動機構９によって回転支持軸７を中心として矢印Ａのように回転するとともに、矢印Ｂのように軸方向に移動して、外周部に形成してある工具刃先１１によってボア内面５ａに微細凹部を形成する。この際、微細凹部加工工具１の外径は、円形の孔であるシリンダボア５の直径より小さく、したがって加工する際には、回転支持軸７をシリンダボア５の中心軸線に対して偏心回転させることになる。

上記した微細凹部加工工具１は、その平面図である図２（ａ）に示すように、全体として円板形状を呈する回転体として円板部１３を備えており、円板部１３の円形の外周面には、図２（ａ）のＣ部を拡大した図２（ｂ）に示すように、円周方向に沿って歯車形状の凹凸部を形成してある。

図３（ａ）は、図２（ｂ）の拡大したＤ−Ｄ断面図であって、上記歯車形状の凹凸部における山型形状の凸部１５を示しており、図３（ｂ）は凸部１５の斜視図である。この凸部１５は、回転支持軸７の軸方向両側（図３（ａ）中で左右両側）に位置して互いに平行なほぼ四角形状の外側面１５ａと、これら両外側面１５ａ相互間に位置し、外周部に凹み部１５ｂを形成するように回転支持軸７の軸方向に対して傾斜する四角形状の傾斜面１５ｃと、回転方向両側の端面１５ｄと、を備えている。

したがって、上記した凸部１５は、ほぼ四角形状の両外側面１５ａに対応する位置から凹み部１５ｂの中心側（凸部１５の図３（ａ）中で左右方向中央部）に向うに従って断面ほぼ四角形状が徐々に小さくなる。

このような微細凹部加工工具１を用い、その工具刃先１１をボア内面５ａに押し付けつつ微細加工を行うと、ボア内面５ａには、図１のＥ部を拡大して示す図４（ａ）のように、断面がほぼＷ型形状の凹部１７が形成される。この加工時には、微細凹部加工工具１を回転させつつ軸方向に移動させることで、ボア内面５ａに複数の凹部１７を螺旋状に形成する。あるいは、軸方向の移動を停止させた状態でボア内面５ａに対して円周方向に３６０度回転させて、１周分の凹部１７を連続して加工した後、微細凹部加工工具１を、ボア内面５ａから一旦離反させた後、軸方向に適宜移動させて再度ボア内面５ａに対して円周方向に３６０度回転させる作業を繰り返し行うようにしてもよい。

図４（ｂ）は、この微細な凹部１７を形成した後のボア内面５ａの一部を示す正面図である。なお、このとき、微細凹部加工工具１は、その工具刃先１１をボア内面５ａに押し付けて転造加工を実施するが、その際工具刃先１１は、図４に示すように、図３（ａ）に示す凹み部１５ｂの最深部１５ｂ１がボア内面５ａ内に入り込むまで押し込むものとする。すなわち、工具刃先１１の凸部１５は、先端部の長さＬよりも長い量がボア内面５ａ内に入りむよう押し込む。これにより、凹部１７の正面視の形状が上記図４（ｂ）のように２つの四角形状が向かい合うような形となる。

このような凹部１７は、図４に示すように、図示しない摺動部材であるピストンのシリンダボア５に対する往復摺動方向両端側の両端壁面１７ａと、これら各両端壁面１７ａ相互間に山部１７ｂを形成するようにして各両端壁面１７ａの下端に一端が連続するとともに、他端同士が前記山部先端側で互いに連続する一対の中央傾斜部としての中央傾斜面１７ｃとを備えて断面形状が前述したほぼＷ型形状を呈している。

このようなほぼＷ型形状の凹部１７は、図４（ａ）の上下方向に対応する摺動方向に対向する面を、両端壁面１７ａとして備え、かつこの両端壁面１７ａは、ボア内面５ａに対する図示しないピストンの摺動方向に対してほぼ直角となっているので、より多くの油を保持できて摩擦抵抗をより低減することができる。

この際、本実施形態では、１つのＷ型形状の凹部１７を形成するにあたり、微細凹部加工工具１をその先端の工具刃先１１の凸部１５をボア内面５ａに１度押し付けるだけで容易に加工することができるので、短時間に行え、加工コスト上昇を抑えることができる。

また、本実施形態では、工具刃先１１は、往復摺動方向を軸芯とする回転体である円板部１３の外周部に設けているので、工具刃先１１をボア内面５ａに接触させた状態で円板部１３を単に回転させればよく、極めて簡素化した加工作業といえる。

図３（ｃ）は、上記した凸部１５に代わる他の例となる凸部１６を示している。この凸部１６は、両外側面１６ａが、台形状を呈していて、その先端側が互いに接近する方向に位置するように傾斜するとともに、回転方向両側の端面１６ｄについても先端側が互いに接近する方向に位置するよう傾斜している。なお、１６ｂは凹み部、１６ｃは傾斜面である。

したがって、特に両外側面１６ａが傾斜する形状の凸部１６によってボア内面５ａに凹部１７を形成する場合には、図４（ａ）における凹部１７の上下一対の両端壁面１７ａが、凹部１７の開口側（図４（ａ）中で右側）ほど互いに離れるようにボア内面５ａに対して傾斜するものとなる。

上記図３（ｃ）のような先細となる形状の凸部１６は、図３（ｂ）の凸部１５に比較して強度が向上して耐久性が高いものとなる。

図５は、本発明の第２の実施形態に係わる微細凹部加工工具１Ａによって、第１の実施形態と同様に、シリンダブロック３のボア内面５ａに対し微細凹部を加工する状態を示している。

この実施形態による微細凹部加工工具１Ａは、転動体としての円板部１９の外周部に、工具刃先２１として前記図３（ｂ）の凸部１５と同様な凸部２３を、円周方向に沿って等間隔に複数備えている。円板部１９は、シリンダボア５の中心軸線に直交する方向に延びる回転支持軸２５に回転可能に支持されている。

回転支持軸２５は、軸方向両端が図５中で上下方向に延びる一対の支持アーム２７に支持され、工具刃先２１をボア内面５ａに押し付けつつ、支持アーム２７をシリンダボア５の中心軸線に沿って矢印Ｆ方向に移動させることで、前記図４と同様なほぼＷ型形状の凹部１７をボア内面５ａに転造加工する。

すなわち、上記した工具刃先２１は、図示しないピストンの往復摺動方向に沿って摺動面であるボア内面５ａ上を矢印Ｇ方向に回転しながら移動する転動体である円板部１９の外周部に設けられている。

図６は工具刃先２１の１つの凸部２９を示す斜視図である。すなわち、この凸部２９の１つの全体形状は前記図３（ｂ）に示した凸部１５と同様であるが、凸部２９の円板部１９に対する向きが、凸部１５の円板部１３に対する向きと異なっている。つまり、本実施形態の凸部２９は、円板部１９の外周円に対する接線方向両側に位置して互いに平行な四角状の外側面２９ａと、これら両外側面２９ａ相互間に位置し、外周部に凹み部２９ｂを形成するように上記接線方向に対して傾斜する傾斜面２９ｃと、回転支持軸２５に直交して互いに平行な両側面２９ｄと、を備えている。

第２の実施形態では、図５に示すように、工具刃先２１をボア内面５ａに押し付けつつ支持アーム２７をシリンダボア５の中心軸線に沿って矢印Ｆ方向に移動させることで、微細凹部加工工具１Ａが、シリンダボア５の中心軸線に沿って移動しつつボア内面５ａ上を回転しながら移動する。これにより、前記図４に示したものと同様なほぼＷ型形状の凹部１７を、シリンダボア５の中心軸線に沿って直線状に等間隔に複数形成することができる。

上記凹部１７をボア内面５ａに直線状に１列形成した後は、微細凹部加工工具１Ａをボア内面５ａの円周方向に沿って適宜移動させることで、ボア内面５ａの別の面に対して上記と同様にして微細凹部加工工具１Ａをシリンダボア５の中心軸線に沿って移動させ、さらにこの動作を繰り返し行うことで、ボア内面５ａの必要とする領域の全域に微細な凹部１７を形成することができる。

このように、第２の実施形態では、工具刃先２１は、図示しないピストンの往復摺動方向に沿って摺動面であるボア内面５ａ上を矢印Ｇ方向に回転しながら移動する転動体である円板部１９の外周部に設けられている。このため、第１の実施形態と同様に、工具刃先２１をボア内面５ａに接触させた状態で円板部１９を単に回転させればよく、極めて簡素化した加工作業といえる。

図７は、上記図６の凸部２９に代えて、前記図３（ｃ）の凸部１６と同様な先細の凸部２３とした例を示している。すなわち、この凸部２３は、両外側面２３ａ及び両側面２３ｄがともに傾斜している。なお、２３ｂは凹み部、２３ｃは傾斜面である。

図８（ａ）は、本発明の第３の実施形態に係わる微細凹部加工工具１Ｂの前記第１の実施形態における図２（ｂ）に対応する一部を示す側面図、図８（ｂ）は図８（ａ）のＨ矢視図、図８(ｃ)は図８（ａ）のＩ矢視図である。この実施形態の微細凹部加工工具１Ｂは、工具刃先３１となる凸部３３が、図８（ｃ）のように正面視で正方形を呈していて、図８（ａ）で示す回転支持軸７の軸方向から見た形状と、図８（ｂ）に示す回転支持軸７と直交する方向から見た形状とがほぼ同等となっている。

すなわち、この凸部３３の形状は、図８（ｄ）の斜視図で示すように、図３（ｂ）の両外側面１５ａに対応する両外側面３３ａに対し、微細凹部加工工具１Ｂの回転方向両側にも外側面部３３ｄを備えていて、これら４つの外側面３３ａ，３３ｄに対応してＶ字形状の凹み部３３ｂを形成するように三角形状の傾斜面３３ｃ１，３３ｃ２を設けている。

上記した互いに隣接する傾斜面３３ｃ１，３３ｃ２相互間の稜線３３ｅは、外側端部が凸部３３としての突出高さが最も高く、４本の稜線３３ｅの内側端部が互いに交差する中心側の端部が最も低くなるよう傾斜している。また、互いに隣接する傾斜面３３ｃ１，３３ｃ１相互間の境界線３３ｆは、上記した４本の稜線３３ｅの中心側の端部と高さが同じであって、各境界線３３ｆの凸部３３としての突出高さは一定である。

なお、各境界線３３ｆの内側の端部を同外側の端部よりも高さを低くして、各境界線３３ｆを、４本の稜線３３ｅと同様に傾斜させてもよい。

上記図８に示す第３の実施形態による微細凹部加工工具１Ｂを用いた場合には、該微細凹部加工工具１Ｂが、図３（ｂ）の外側面１５ａ，１５ａに対応する外側面３３ａ，３３ａ及び、傾斜面１５ｃ，１５ｃに対応する互いに隣接する一対の傾斜面３３ｃ２，３３ｃ２を備えることで、前記図４（ａ）に示した凹部１７とほぼ同様な、断面形状がほぼＷ型形状となる凹部を形成することができる。

但し、この場合には、外側面３３ａと傾斜面３３ｃ２との間に傾斜面３３ｃ１が存在するので、Ｗ型形状の凹部の底部に傾斜面３３ｃ１に対応する底面が形成されることになる。

さらに、上記微細凹部加工工具１Ｂは、外側面３３ａと直交する外側面３３ｄ及び、互いに隣接する一対の傾斜面３３ｃ１，３３ｃ１を備えているので、前記往復摺動方向と直交するボア内面５ａの円周方向についても、外側面３３ｄ，３３ｄと傾斜面３３ｃ１，３３ｃ１とで上記と同様にしてほぼＷ型形状の凹部を形成することができる。

このように、第３の実施形態におけるほぼＷ型形状の凹部は、摺動方向に対向する壁面がボア内面５ａに対してほぼ直角となっている上、上記往復摺動方向と直交するボア内面５ａの円周方向両端側の壁面もボア内面５ａに対してほぼ直角となっている。これにより、第３の実施形態の凹部は、さらにより多くの油を保持できて摩擦抵抗をより一層低減することができる。

この際、本実施形態においても、１つのＷ型形状の凹部を形成するに当たり、微細凹部加工工具１Ｂをその先端の工具刃先３１の凸部３３をボア内面５ａに１度押し付けるだけで容易に加工することができるので、加工コスト上昇を抑えることができる。

図９は、図８の変形例で、図８（ｄ）に示してある互いに隣接する一対の傾斜面３３ｃ１，３３ｃ１を１つの傾斜面３３ｃ４とし、同一対の傾斜面３３ｃ２，３３ｃ２を１つの傾斜面３３ｃ５となるようにしている。

上記図９に示す凸部３３の形状としても、ボア内面５ａには、図８（ｄ）に示した凸部３３と同様に、互いに直交する方向についての断面形状がほぼＷ型形状となる凹部を形成することができる。

１，１Ａ，１Ｂ 微細凹部加工工具
３ エンジンのシリンダブロック（摺動部材）
５ａ ボア内面（摺動面）
１１，２１，３１ 工具刃先
１３ 円板部（回転体）
１７ Ｗ型形状の凹部
１７ａ 凹部の両端壁面
１７ｂ 凹部の山部
１７ｃ 凹部の中央傾斜稜線（中央傾斜部）
１９ 円板部（転動体）
１５ｂ，１６ｂ，２３ｂ，２９ｂ，３３ｂ 工具刃先の凹み部

Claims (3)

1. 摺動部材相互が相対的に往復移動する摺動面に、工具刃先を押し付けて転造により微細な凹部を形成する微細凹部加工工具であって、前記凹部は、前記往復摺動方向両端側の摺動方向に対して直角となる両端壁面と、これら各両端壁面相互間に山部を形成するようにして各両端壁面の下端に一端が連続するとともに、他端同士が前記山部先端側で互いに連続する一対の中央傾斜部と、前記往復摺動方向と直交する方向の両端側の両側壁と、を備え、前記工具刃先は、前記凹部の形状に対応して先端に凹み部を備え、
   かつ、前記工具刃先は、前記凹部が前記往復摺動方向に対して直交する方向の断面形状がほぼＷ型形状となるように、前記凹部の形状に対応して先端に凹み部を備えていることを特徴とする微細凹部加工工具。
2. 前記工具刃先は、前記往復摺動方向を軸芯とする回転体の外周部に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の微細凹部加工工具。
3. 摺動部材相互が相対的に往復移動する摺動面に、工具刃先を押し付けて転造により微細な凹部を形成する微細凹部加工方法であって、前記工具刃先を前記摺動面に押し付けることで、前記往復摺動方向両端側の摺動方向に対して直角となる両端壁面と、これら各両端壁面相互間に山部を形成するようにして各両端壁面の下端に一端が連続するとともに、他端同士が前記山部先端側で互いに連続する一対の中央傾斜面と、前記往復摺動方向と直交する方向の両端側の両側壁と、を備え、かつ、前記往復摺動方向に対して直交する方向の断面形状がほぼＷ型形状となる微細な凹部を形成することを特徴とする微細凹部加工方法。

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