JP6345275B2 - ボアの精密加工のためのホーニング加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前提部に記載された加工物のボアの内面の仕上げのためのホーニング加工方法に関する。

好ましい利用分野は、エンジン構造体用のコンポーネントに実質的に円筒形の滑り支承面を機械加工する分野、特にエンジンブロックのシリンダ滑り面の機械加工分野又はシリンダロッド内のシリンダ‐ロッドアイの機械加工分野である。

典型的なホーニング加工は、多刃ホーニングツールが、２つの成分から成っていて機械加工された内面の特徴的な表面構造をもたらす切削運動を実施する幾何学的には定められていない切れ刃を用いる切削方法である。十字形機械加工跡（クロスハッチ）を備えた表面のついた表面構造を加工対象とするのが通例であるが、いつでもそうとは限らない。加工物内におけるホーニングツールの作業運動は、一般に、軸方向前後往復運動と、この往復運動に重ね合わされる回転運動とから成る。ホーニング加工を用いると、寸法及び形状の公差に関し且つ表面構造に関し極めて高い要件を満足させる仕上げ面を作ることができる。したがって、エンジン構造体では、例えば、シリンダ滑り面、即ちエンジンブロック又はエンジンブロック内に嵌め込まれるべきシリンダライナ内のシリンダボアの内面で、シャフトのための支承面及び連接ロッドアイ内の円筒形内面は、ホーニング加工プロセスを受ける。

諸公差に鑑みてボアが加工物に関連付けられた座標系において或る特定の位置を有することが必要である。「位置」という用語は、この場合、ボアの三次元位置、即ち、加工物の座標系におけるボアの配設位置とボアの角度位置又はボアの向きの両方を意味している。ボアの位置を例えばボア軸線の位置によって表すことができる。

ホーニング加工に先行するプロセスのうちの幾つかは、一般に、標的位置と一致していない位置を持つボアを生じさせる。次の機械加工作業の目的は、この場合、ボアの位置を標的位置に向かって修正することである。

機械加工されるべき加工物をホーニング加工に備えて準備するため、ホーニング加工に先立って精密穴あけ（精密旋削又は精密スピンドリング（spindling）とも呼ばれている）、即ち、幾何学的に定められている切れ刃を用いた切りくず除去機械加工法が行われる場合が多い。精密穴あけは、ボアの標的位置を定める位置修正又は位置決定精密穴あけ作業として設計されている場合がある。その結果、カルダン方式で又は他の何らかの仕方で限定された程度まで可動的に取り付けられたホーニングツールを用いる次のホーニング加工作業において、精密穴あけ作業によって定められたボア軸線を位置の何らかのそれ以上の変更なしにたどることが可能である。この場合、ホーニング加工作業の必須の役目は、所要の表面粗さ、シリンダ形態及び直径を生じさせることである。

また、ホーニング加工によってボアの位置を変位させ、それによりこの位置を設定する提案が出されている。独国特許第１０３４８４１９（Ｃ５）号明細書は、ホーニング砥石（honing sticks）が浮動状態で取り付けられた作業スピンドルに設けられている状態でホーニングツールによる部分的切削によってボアの円周方向表面を大まかにホーニング加工するホーニング加工方法を開示している。「大まかにホーニング加工する」という表現は、本明細書においては、比較的多量の材料の除去を含むホーニング機械加工プロセスを意味している。ホーニングツールは、その長手方向軸線がボアの標的位置に位置した状態で配置され、そしてホーニングツールは、ボアの標的位置に対してボア内の中央に挿入される。したがって、ホーニング加工前にボアの長手方向軸線に関してオフセットが存在する場合、作業スピンドルの長手方向軸線は、ボアに対して偏心的に位置する。ホーニング加工作業中、ボア内の材料の除去は、ボアの長手方向軸線の変位が起こるような仕方で実施され、ついには、生じた偏向があったとしてもこれがなくされ、完成状態のボアの長手方向軸線は、作業スピンドル長手方向軸線と同軸関係をなす。その後、長手方向軸線の同軸位置では、円周方向表面は、大まかなホーニング加工により全周切削で一様にホーニング加工される。装置の剛性を高めるため、作業スピンドルを用いたプロセスの或る特定の期間の間、キャリッジユニットが作業スピンドルの長手方向に制止され、ホーニングツールの往復運動がキャリッジユニットによって行われ、その結果、作業スピンドルがその長手方向軸線に対して交互にキャリッジユニットによって動かされるようになる。

ボア軸線の位置のずれは、この場合、ホーニング盤、スピンドル及びホーニングツールの幾分剛性の又は堅固な設計によってもたらされる。所望の標的位置は、正確に動かされ、ホーニング盤、作業スピンドル及びホーニングツールのスチフネスは、機械加工作業中、ボアの位置がツールの位置に近づき、その結果、標的位置に近づく作用効果を生じさせる。

独国特許出願公開第１０２０１００１０９０１（Ａ１）号明細書は、クランクシャフト支承ボアのホーニング機械加工のためのホーニング機械加工方法を記載している。この場合、多量の材料の除去を含むホーニング加工作業は、軸方向位置修正ホーニング加工作業として実施され、標的位置の方向におけるボア軸線の変位がホーニング加工作業によって行われるようになる。この目的のため、ホーニングツールは、作業スピンドルに対して結合箇所から半径方向に或る距離を置いたところに支持され、ホーニングツールの切削群は、駆動ロッドに対して支持箇所と結合箇所との間に配置される。

ホーニング加工によってボアの位置を修正する上述した従来方法は、工作機械（machine tool）及びホーニングツール（honing tool）をホーニング加工中に生じる横力に対して十分に安定した状態にするためには工作機械及び／又はホーニングツールの構造設計において相当な技術的労力を必要とする。加工物は、機械加工中、相当大きな力を受ける場合がある。

独国特許第１０３４８４１９（Ｃ５）号明細書 独国特許出願公開第１０２０１００１０９０１（Ａ１）号明細書

本発明は、加工物に設けられたボアの内面を仕上げるためのホーニング加工方法であって、工作機械及び／又はホーニングツールの構造設計における設計上の労力を比較的少なくした状態で、必要ならばボアの位置の修正をホーニング加工によって達成することができるような仕方でボアを機械加工することができるホーニング加工方法を提供するという課題に取り組んでいる。特に、比較的不安定な加工物の位置修正機械加工が加工物の永久ひずみなしで可能にされるべきである。

この課題及び他の課題を解決するため、本発明は、請求項１の特徴を備えたホーニング加工方法を提供する。有利な実施形態が独立形式の請求項に特定されている。請求項の全ての用語の意味については、本明細書の内容を参照されたい。なお、特許請求の範囲及び明細書においては、「切削」の文言は、厳密な意味での切削だけでなく、「研削」を含む広い概念を意味するものとする。

ホーニング加工方法は、ホーニング加工作業を含み、このホーニング加工作業では、スピンドルから見て遠くに位置するツール本体の端部領域にツール本体の周囲に沿って分布して配置された多数の切削材料要素を含む拡張可能な環状切削群を有する拡張可能なホーニングツールが用いられ、切削材料要素の軸方向長さは、切削材料要素が完全に引っ込められた状態では切削群の有効外径よりも短い。かかるホーニングツールは、本明細書では、「リングツール」とも呼ばれている。

ホーニングツールを工作機械の作業スピンドルに合成的に結合し、かかる結合は、直接又は剛性の駆動ロッドを介在させることによって行うことが可能である。結合は、この場合、ツール軸線（長手方向中心軸線、回転軸線）が作業スピンドルのスピンドル軸線に対して同軸に延びるように実施される。剛結は、横力がホーニングツールに作用した場合であってもこの向きが保持されるという作用効果を有する。

ホーニングツール及びボアは、ホーニングツールのツール軸線がボアのボア軸線の標的位置と同軸に位置するように互いに対して位置決めされる。これは、作業スピンドルをスピンドル軸線に垂直な平面内で横方向に移動させると共に／或いはボアを備えた加工物をボア軸線に垂直な平面内で横方向に移動させることによって行われるのが良い。

挿入作業では、ホーニングツールを切削材料要素が部分的に又は完全に引っ込められた状態でボア中に挿入され、ついには、ホーニングツールが最初の挿入位置に位置し、この最終挿入位置では、切削群は、入口から見て遠くに位置するボアの機械加工されるべき長さの端部領域に配置される。切削材料要素は、この場合、これら切削材料要素が挿入中のどの時点においてもボアの内壁に触れることができないような程度まで引っ込められている。その結果、ボアに対するホーニングツールの相対的位置決めは、挿入作業の前又は後の時点で、或いは部分的に同時に実施できる。

挿入作業の終わりに、軸方向に比較的幅の狭い環状切削群が入口から見て遠くに位置する端部領域に配置され、この入口は、例えば、止まり穴型ボアの場合、ボアの底部の付近に直接位置し又はほんの僅かな軸方向距離離れたところに位置するのが良い。

次の拡張作業では、ホーニングツールをそのツール軸線回りに回転させ、それと同時に、環状切削群を拡張し、その結果、その有効外径が次第に増大するようにする。拡張は、切削材料要素が第１の半径方向位置に達するまで続けられ、ボア軸線の標的位置に対して実質的に心出しされたボアの円筒形拡大部が切削材料要素をボアの端部領域のボアの内側部に材料除去可能に係合させることによって作られるようにする。ツールの回転の及びそれと同時に行われる切削群の拡張（直径の増大）の結果として、切削材料要素が機械加工されるべきボアの周囲の少なくとも一部にわたってボアの壁に食い込み、その結果、円筒形拡大部が作られるようになる。拡張作業中、ホーニングツールがボア軸線の標的位置の存在場所のところに位置するツール軸線に対して同軸に回転するので、ボアの円筒形拡大部は、その中心がボア軸線の標的位置に一致するように作られる。

拡張作業（その間に円筒形拡大部が作られる）の完了後、ボアからのホーニングツールの抜き出しは、引き抜き作業で（それと同時に、ホーニングツールの回転が行われている）で行われ、拡大部からボアが入口側の方向に連続的に拡大されるようにする。これは、ボアからのホーニングツールの完全抜き出し後において、ボアがボア軸線に対して心出しされ、即ち、所望の標的位置が得られるという作用効果を達成する。

この手順により、結果的に、場合によっては心出しされず、正確に差し向けられず、しかも／或いは円筒形に形作られないホーニング加工作業の開始前にボアの形態で始まり、ボア軸線が正確にボア軸線の標的位置のところに位置すると共に所望の角度位置を有する円筒形ボアを作ることが可能である。その結果、ホーニング加工作業により、ボアの位置を変更すると共に標的位置の方向に修正することができる。

ホーニング加工作業の開始前のボアの位置のずれの程度に応じて、比較的強い横力（ツール軸線に垂直な成分を含む力）がこの場合、ホーニングツールと加工物又はボアの壁との間に発生することができ、ホーニングツールの周囲全体にわたって材料を不均一に除去することが必要な場合がある。これら横力は、ボアからのホーニングツールの抜き出し中、比較的強い真っ直ぐにする力によって打ち消され、かかる真っ直ぐにする力は、引張荷重により、ホーニングツールの標的位置の方向に働き、その結果、ホーニングツールは、引き抜き作業中それ自体心出しする傾向を有する。その結果、ボアの心出しにおける精度を向上させることができる。さらに、ホーニング盤のスチフネスの度合いが小さい設計が、材料の除去を入口側から行うボア修正ホーニング加工作業の場合、最適には位置決めされていないボア中にホーニングツールを挿入する場合よりも必要とされる。さらに、心出しされたボアを作るプロセスは、円筒形拡大部の付近で、即ち、入口から見て遠くに位置する機械加工されるべきボアの領域の終わりのところで始まる。この領域では、ボアは、加工物の残りの材料に接合される場合が多く、従って、この領域におけるボア又は加工物の材料は、加工物構造体が不安定な状態であっても円筒形拡大部を作製している間に離れていくことができないようになり、加工物の永久ひずみを回避することができる。

切削群の軸方向に幅の狭い形態、即ち、外周部に対してその短い軸方向広がりは又、比較的小さい側方の偏向力だけが生じるのに寄与し、しかも、比較的短い距離にわたってのみ又は僅かな軸方向距離にわたってのみ寄与する。環状切削群を備えた形態は又、高い切削性能を比較的小さい加圧力で達成でき、しかも、除去された材料、即ち研磨物を運び去る距離が比較的短いという作用効果を有する。その結果、切削要素の研磨切削面が切削物で詰まるのを回避することができ、切削要素は、これらの切削特性を永続的に保つ。構成が短い形式のものであることは又、長いホーニング砥石の場合よりも冷却用潤滑剤の良好な供給が可能であり、それにより比較的高い回転速度で材料の除去を行うことができるようホーニングツールを動作させることができ、その結果、小さい切削力で多量の除去を達成することができることを意味している。

従来型ホーニング砥石と比較して、環状切削群の１つの際だった観点は、切削材料要素と環状切削群によって覆われている軸方向部分におけるボアの内面との接触面積が比較的幅の狭いホーニング砥石を備えた従来型ホーニングツールの比較的幅の狭い軸方向部分の接触面積よりも著しく大きいということにある。幾つかの実施形態の場合では、環状切削群上の周囲の６０％超、特に切削群の周囲の７０％超又は８０％超が切削手段で覆われる。

切削材料要素の軸方向長さは、例えば、ホーニングツールの有効外径の３０％未満、特にこの外径の１０％〜２０％であるのが良い。乗用車又はトラック用のエンジンブロックに典型的なシリンダボアを機械加工するためのホーニングツールの場合、軸方向距離は、例えば、５ｍｍから２０ｍｍまでの範囲内にあるのが良い。機械加工されるべきボアのボア長さに関し、軸方向長さは、例えば、このボア長さの１０％未満であるのが良い。

切削材料要素が円周方向に広幅であり且つ軸方向に細幅であるホーニングセグメントとして構成されたホーニングツールが好ましくは用いられ、ホーニングセグメントの軸方向長さは、軸方向に測定して、円周方向に測定した幅よりも小さい。ホーニングセグメントは、一般的に本質的に剛性であり、従って、ホーニングセグメント全体が調節中、全体として動かされるようになる。ホーニングセグメントは、中断されていない切削面を定めることができるが、切削面は、場合によっては、１度又は２度以上中断されても良い。

少なくとも３つのホーニングセグメントが提供される場合、機械加工力を拡張の結果として利用できるホーニングツールの有効外径全体にわたって切削群の周囲全体にわたって良好に且つ比較的一様に分布させることができる。例えば、同一の円周方向幅又は互いに異なる円周方向幅を持つ正確に３つ、正確に４つ、正確に５つ又は正確に６つのホーニングセグメントを切削郡中に設けることができる。切削群に７個以上のホーニングセグメントを含めることができるが、これにより、構造設計が複雑になるので、これは一般的には必要ではない。幾つかの場合、ホーニングツールがホーニングセグメントを２つしか有していないとしても十分であると言える可能性がある。

ホーニングツールは、好ましくは、切削材料要素を半径方向に調節することができるよう構造的に設計されており、従って、例えば切削材料要素を切削群の拡張中、半径方向に（ツール軸線に垂直に）調節することができるようになっている。半径方向調節性、即ち、調節中における半径方向のホーニングセグメントの変位により、切削材料要素とボアの内面との係合条件が設定されている直径とは無関係に事実上一定のままであることができるという作用効果を達成することができる。半径方向調節中における切削材料要素の傾動を回避することは、不均一な摩耗を回避することができるということを意味している。

幾つかの実施形態の場合、切削材料要素は、くさび形切削面（wedge-shaped cutting surface）を形成し、スピンドルの近くの側の切削面の円周方向幅、スピンドルから見て遠くに位置する側の円周方向幅よりも広い。したがって、切削材料要素は、最初にホーニングツールの抜き出し中に除去されるべき材料に係合する側の幅が広くされ、それにより、必要な場合、不均一な摩耗を或る程度まで抑えることができる。

ホーニング加工方法の位置修正効果に関し、円筒形拡大部の形成後であって引き抜き作業の開始前にボアのこの円筒形拡大部とこれに隣接した拡大されていない（まだ拡大されていない）部分との直径の差が少なくとも１００μｍであるように拡大部を作れば、これが一般的に推奨できる。直径の差は、好ましくは、少なくとも２００μｍであり、例えば、この差を２００μｍ〜５００μｍとすることが可能である。したがって、引き抜き作業の際、１ミリメートルの十分の１又は数十分の１の範囲にある相当多くの量（直径に対して）を上方ストローク、即ち、入口開口部の方向におけるストロークの際に除去することができる。場合によっては、ボアの大きな位置の誤差も又修正することができる。

主として外部からの横力が全くない状態で引き抜き作業の開始前にホーニングツールがボアの標的位置に対してそれ自体心出しすることができるようにするため、幾つかの実施形態の場合、円筒形拡大部の形成後、抜き出しの開始前に、レリービング作業（relieving operation）がホーニングツールを逃がす（relieve）ために実施される。レリービング作業において、切削材料要素は、好ましくは、第１の半径方向位置から第２の半径方向位置に戻り量だけ戻され、戻り量は、例えば、１０μｍ〜１５μｍであることが可能である。この場合、切削材料要素の半径方向外側に位置する切削面は、場合によっては、円筒形拡大部の内側側部との直接的な係合から離脱する場合があり、駆動側（作業スピンドル、場合によっては駆動ロッド）の考えられる残留弾力性の結果として、ホーニングツールは、次の引き抜き作業が始まる起点としての中央位置にそれ自体動くことができる。代替的に又は追加的に、ホーニングツールが更に数マイクロメートル軸方向に挿入されることによって逃がしを達成することもできる。

本方法の幾つかの変形例の場合、拡張作業中、ホーニングツールを単に拡張させ、そして切削群は、軸方向に動かされることなく最終挿入位置に位置したままである。本方法の別の変形例の場合、拡大部を形成するための切削群の拡張中、ショートストローク軸方向揺動運動が少なくとも或る特定の段階においてホーニングツールの回転に重ね合わされる。これにより、材料の除去を更に増加することができる。短いストロークの長さ、例えば２ｍｍから３ｍｍまでの範囲にあるストローク長さがこのためには一般的に十分である。

円筒形広がりの形成をもたらす拡張作業の際、作業は、一般に、数百ｒｐｍの比較的高いツール速度で、特に５００ｒｐｍ以上の速度、例えば５００ｒｐｍから２０００ｒｐｍまでの範囲にある速度で実施される。高い速度は、比較的小さい切削力にもかかわらず、単位時間当たりの高い材料除去速度を達成する上で一般的には有益である。

ホーニングツールの抜き出しの際、プロセスのサイクル時間を過度に長くしないで材料の十分な除去を達成するためには、でホーニングツールの抜き出し中、０．１ｍ／ｓから２ｍ／ｓの範囲内、特に０．３ｍ／ｓから０．７ｍ／ｓまでの範囲内にあるストローク速度を利用することが有利であることが判明した。これらの範囲内にある最適の値は、材料、切削手段及び場合によっては他のパラメータに応じて、数回の試行錯誤によって決定できる。幾つかの材料を用いると、低いストローク速度が必要である場合があり、又は高いストローク速度が可能である場合がある。

本方法の大抵の変形例の場合、切削材料要素が５０μｍから２５０μｍまでの範囲にある平均粒度を持つ砥粒（abrasive grains）を有するホーニングツールが用いられる。粒度がこの範囲にある場合、十分に有効な材料除去が一般的に可能であり、それと同時に、ホーニングツールの抜き出し後に結果として生じる表面構造は、特にホーニング加工による次の機械加工段階が材料の僅かな除去を行うだけで良いように最適化される。

本方法の幾つかの変形例の場合、比較的大きなホーニング砥石を用いると共に長さが円周方向において幅よりも非常に大きな拡張可能なホーニングツールが位置修正ホーニング加工作業に続く次のホーニング加工作業において用いられる。これは、従来型の長ストロークホーニングツールであっても良い。ホーニング砥石の長さは、例えば、ボアの長さの３０％を超え又は４０％を超えるのが良い。その結果、位置修正後、ボアの円筒形状を必要ならばホーニング加工によって更に向上させることができる。

工作機械は、特にホーニング加工方法向きに設計されたホーニング盤であるのが良いが、場合によっては、他の何らかの適当に装備された工作機械、例えばマシニングセンタ又は研削盤であっても良い。機械加工されるべき加工物は、工作機械の加工物保持装置によって取り上げられて保持される。

ホーニング加工作業のためにホーニングツールをその作業運動において開始させるため、作業スピンドルを回転駆動装置によって関連のスピンドル軸線回りに回転させる。回転に重ね合わされる機械加工済み加工物に対する軸方向往復運動を種々の仕方で生じさせることができる。多くの場合、加工物は、機械加工中、軸方向には動かず、他方、回転運動及び往復運動は、工作機械の作業スピンドルの対応の回転及び往復運動によって生じ、かかる回転運動及び往復運動は、ホーニングツール（加工物が軸方向に休息状態にある）に伝えられる。また、作業スピンドルが軸方向に休息位置にある状態で加工物の並進運動によって又は加工物及び作業スピンドルの軸方向の協調された組み合わせによって往復運動を生じさせることも可能である。このために、工作機械は、スピンドル軸線に閉酷な作業スピンドル及び／又は加工物保持装置の軸方向往復運動を生じさせる往復駆動装置を有する。

本明細書において説明するホーニングツール及び説明が行われるこのホーニングツールの変形例は、それ自体特許可能であると言って良く、即ち、本方法とは別個独立に特許可能であると言える。

本発明の別の利点及び別の観点は、請求の範囲の記載及び本発明の好ましい例示の実施形態の以下の説明によって提供され、かかる好ましい例示の実施形態について図面に基づき以下に説明する。

ホーニング加工方法の実施形態を実施する際のホーニング盤の形態をした多軸工作機械の一部の略図である。 環状切削群を備えたホーニングツールの実施形態の軸方向断面図（図２Ａ）及び横断面図（図２Ｂ）、 位置修正ホーニング加工作業の種々の段階を示す図（Ａ〜Ｆ）である。

図１には、ホーニング盤１００の形態をした数値制御多軸工作機械１００の一部の略図が機械座標系ＭＫＳのｘ方向に平行な方向で示されている。ホーニング盤は、多数のホーニングユニットを有し、これらホーニングユニットは、ｘ方向に互いに隣接して配置されており、これらホーニングユニットを同時に作動させることができる。図１には、ホーニングユニット１１０のコンポーネントのうちの幾つかが示されている。制御装置１１５がホーニング盤の可動コンポーネントの作業運動を制御する。

ホーニング盤は、内燃エンジン用のシリンダブロックの製造の際にシリンダ滑り面をホーニング加工するために設計されている。現時点において機械加工されるべき加工物１２０が加工物保持装置１２５にしっかりとクランプされている。加工物保持装置上の加工物の位置は、割送り要素１２６によってあらかじめ定められており、従って、加工物座標系ＷＫＳと機械座標系ＭＫＳとの間には定められた基準が存在する。加工物保持装置は、水平方向に動くことができるキャリッジ１２７を有し、このキャリッジを駆動装置１２８によって機械座標系ＭＫＳのｙ方向に平行に動かすことができ、駆動装置１２８は、制御装置１１５によって作動可能である。

この実施例の場合、加工物は、４つの軸方向に平行なシリンダボアを備えた４気筒直列形エンジンのシリンダクランクケースである。次に機械加工されるべきボア１２２が見え、他のボアは、ｘ方向にオフセットした状態で位置している。

ホーニングユニット１１０は、ホーニング盤の機械ベッドに取り付けられた垂直キャリヤ構造体１０５の前側部に取り付けられている。ホーニングユニットは、主軸台１３５を含み、この主軸台は、作業スピンドル１３０のための取り付け部としての役目を果たし、また作業スピンドル１３０は、主軸台内で垂直スピンドル軸線１３２に沿って案内される。スピンドル軸線回りの作業スピンドルの回転は、主軸台に取り付けられて例えばチェーン駆動装置によって作業スピンドルに作用する回転駆動装置（図示せず）によって生じる。構造的に主軸台に連結されている往復動駆動装置は、機械加工されるべきボア中への後で説明するホーニングツール２００の挿入の際、又はこのボアからのホーニングツールの抜き出しの際にスピンドル軸線１３２に平行に延びる作業スピンドルの垂直運動を生じさせる。さらに、ホーニング機械加工プロセス中、往復動駆動装置をホーニングツールが加工物のボア内で所望のホーニングパラメータに対応した垂直の前後運動を行うよう制御装置１１５によって作動させることができる。

この実施例の場合、ホーニングツール２００は、作業スピンドル１３０の自由端部に剛性的に結合されている。作業スピンドルとホーニングツールとの間の剛性ではあるが、開示可能な連結を確立するため、例えば中空シャンクテーパ（ＨＳＫ）と対応して固定された例えば差し込み型連結部、ねじ連結部、フランジ連結部又はコーン連結部を提供できる。作業スピンドル中にもホーニングツール中にも継手は提供されない。負荷がかけられていない状態では、即ち、ホーニングツールに作用する横力が存在しない場合、ホーニングツールの中心ツール軸線２１２は、主軸台内のその取り付け部の付近ではスピンドル軸線１３２と同軸に延びている。

垂直作業スピンドル１３０が納められたホーニングユニット１１０は、全体として、機械座標系ＭＫＳのｘ軸に平行な方向に、即ち、横方向におけるスピンドル軸線に垂直に全体として直線的に動くことができる。これにより、とりわけ、加工物を変位させないで、最初に、第１のボアを加工物に機械加工し、次に作業スピンドルを抜き出し、ホーニングユニットを全体としてｘ方向に平行な横方向運動の状態で動かし、そしてこれをその後に機械加工されるべき第２のボアに関してほぼ同軸に位置決めすることが可能であり、その目的は、同じホーニングユニットを用いて第２のボアを機械加工することにある。ｘ方向における水平横方向運動は又、ホーニングユニットを横方向運動と一線をなして配置されたツールチェンジャまで動かすために利用されるのが良い。水平横方向運動を可能にするため、主軸台は、水平に動くことができるキャリッジ１１４に取り付けられており、このキャリッジは、主軸台に向いているキャリヤ構造体１０５の前側に設けられた２本の水平案内レール上で直線的に案内される。横方向運動は、位置決め駆動装置１１８によって生じ、位置決め駆動装置１１８は、キャリヤ構造体とキャリッジ１１４との間に配置されている。

以下に詳細に説明するホーニング加工作業では、本明細書においては「リングツール」ともいう特定の構造設計のホーニングツール２００が用いられる（これについては図２も又比較参照されたい）。ホーニングツールは、切削群２２０を有し、切削群２２０は、ツール本体２１０に環状に取り付けられていて、かかる切削群は、ツール本体の周囲に沿って分布して配置されると共に割り当てられた調節システムによって半径方向に調節可能であると共に引っ込み可能である切削材料要素２２０‐１〜２２０‐３を含む。切削材料要素は、ホーニングセグメントとして構成され、円周方向におけるこれらホーニングセグメントの幅は、軸方向における長さよりも明らかに大きい。加工物からの材料の除去の役割を担うことができる研磨切削材料要素は、軸方向に比較的幅の狭いゾーン（環状切削群）内に集中しており、そしてホーニングツールの周囲の比較的大部分を占めている。

図２は、部分図２Ａにおいて、単一の環状切削群２２０及び単一の拡大部を備えたリングツール２００の実施形態の縦断面図を示している。図２Ｂは、切削群の横断面図である。リングツール２００は、ツール軸線２１２を備えたツール本体２１０を有し、このツール軸線は、同時に、ホーニング機械加工プロセス中におけるリングツールの回転軸線である。リングツールのスピンドル側の端部には（図２Ａの頂部のところ）、リングツールをホーニング盤又は作業スピンドルを備えた他の何らかの工作機械の駆動ロッド又は作業スピンドルに剛結するための結合構造体（具体的には示されていない）が設けられ、作業スピンドルは、スピンドル軸線回りに回転可能であると共にスピンドル軸線に平行な揺動方式で前後に動くことができる。

ツール本体のスピンドルから見て遠くに位置する端部には（図２Ａの底部には）、多数の（実施例では、３つの）切削材料本体２２０‐１，２２０‐２，２２０‐３を含む環状切削群２２０が設けられており、これら切削材料本体は、ツール本体の周囲に沿って一様に分布して配置されており、切削材料要素の研磨的に作用する外側部、即ち切削面を規定された加圧力で機械加工されるべきボアの内面に押し付けるためにこれら切削材料本体を切削材料要素調節システムによりツール軸線２１２に対して半径方向外方に調節することができる。３つの弧状に湾曲した切削材料要素の各々は、ホーニングセグメントとして構成され、ホーニングセグメントは、円周方向において極めて幅が広く、これとは対照的に、軸方向において幅が狭く、そしてホーニングセグメントは、１１５°〜１２０°の円周方向角度領域に及んでいる。ホーニングセグメントは、ツール本体から切り離されてツール軸線２１２に対して半径方向にツール本体に対して変位可能である。ホーニングセグメントにより形成されるリングは、ツール本体と面一をなしているスピンドルから見て遠くに位置する側で終端しており、その結果、リングは、リングツールのスピンドルから見て遠くに位置する端のところでツール本体のスピンドルから見て遠くに位置する半部内に完全に嵌まり込んでいる。

ツール本体の下端部と面一をなして仕上げすることが望ましいが、絶対に必要であるというわけではない。一般的に言って、リングは、ツール本体のスピンドルから見て遠くに位置する１／３又はスピンドルから見て遠くに位置する１／４内に納まるべきであり、ツール本体の端部フェースから僅かな距離を置くのが良い。

ホーニングセグメントの軸方向長さＬＨＳは、ボア長さＬの１５％未満であり、特に１０％未満である。ホーニングセグメントは、高さが（軸方向において）約４ｍｍ〜３５ｍｍ、特に約１０ｍｍであり、この高さは、この実施例の場合、切削材料要素が最大まで内方に引っ込められた状態では切削部の有効外径の５％〜３０％、特に１０％〜２０％に相当している。ホーニングツールは、この１つの環状切削群だけを有する。したがって、軸方向長さＬＨＳは、同時に、ホーニングツールの切削領域全体の軸方向長さに一致している。

各切削材料要素は、ろう付けによって、割り当てられた鋼担持ストリップ２２４‐１，２２４‐２の外側部に締結されている。変形例として、切削材料要素は、接着によって又はねじ止めによって締結されても良く、それにより、切削材料要素を交換するのが容易に可能である。各担持ストリップは、その内側部上に、斜めの表面を有し、この斜めの表面は、軸方向に変位可能な調節コーン２３２の円錐形外面と相互作用し、切削材料要素を支持した担持ストリップは、調節コーンが機械側の調節装置によって復元ばね２３４，２２６，２２８の力に抗してリングツールのスピンドルから見て遠くに位置する端の方向に押されたときに半径方向外方に調節されるようになっている。逆の調節運動の際、ホーニングセグメントを備えた担持ストリップは、周辺復元ばね２２６，２２８により半径方向内方に戻される。切削材料要素の半径方向位置は、それにより、調節コーン２３２の軸方向位置に基づいて遊びのない仕方で制御される。

ホーニングセグメントは、図示のように、その外側部上に連続した途切れていない切削面を有するのが良い。この目的のため、切削被膜は、単一部品としての切削手段から成るのが良い。また、多数の（例えば、２つ、３つ、４つ、５つ、６つ又は７つ以上）のそれぞれの比較的幅の狭い切削材料要素がこれらの間に間隔を置いた状態で又はこれら相互間に間隔がない状態で互いに近接した状態で共通のキャリヤ要素の弧状に湾曲した外側部上に設けられる。この場合、切削面は、途切れている場合があり、このことは、冷却用潤滑剤を供給する上で場合によっては望ましい場合がある。

比較的幅の広いホーニングセグメントを環状切削群に用いることは、とりわけ、ボアを機械加工する際に望ましい場合があり、かかるボアは、例えばガス交換目的でボアの機械加工されるべき内面上に開口した横方向ボアを含む。幅の広い本質的に剛性のホーニングセグメントは、これらが開口する領域を橋渡しすることができ、従って、ホーニングツールは、「動かなくなる」ことが起こらないようになっている。ほんの僅かの（例えば３つの）幅の広いホーニングセグメントが設けられる場合、ツール本体状に僅かな半径方向隙間が設けられなければならず、従って、向上した機械的安定性が得られ、この向上した機械的安定性は、横力に耐えるために特に位置修正機械加工の場合に望ましい。

この機械及びツール概念は、ホーニング加工によってボアの位置を公差の範囲内でその標的位置に至らせるためにボアの内面の位置修正材料除去機械加工を可能にする。

図３に基づいて適当な方法の実施形態について詳細に説明する。図３は、この目的のため、位置修正ホーニング加工作業の種々の段階又は種々の部分作業を示している。図１に概略的に示されているように、先の機械加工ステップ後、ボア１２２は、依然としてその所望の標的位置にはなく、この所望の標的位置は、実施例の場合、ボア軸線の標的位置ＳＢによって表されている。これとは異なり、ボア１２２は、依然として、標的位置に対して側方オフセットを有し、ボアの実際の位置（現在のボア軸線ＩＢによって特徴付けられている）は、標的位置の横に位置した状態で公差の範囲外にある。さらに、ボアの内面は、意図した使用のためにこれが有するべき表面構造を備えておらず、この表面構造は、同様に、依然としてホーニング加工によって作られるべきである。

最初に、位置決め作業では、ホーニングツールをツール軸線２１２がボアの標的位置ＳＢに対して同軸に位置するようボアに対して位置決めする。この目的のため、必要ならば、ツールキャリヤ１２７を機械の座標系のｙ方向に平行に水平に動かすと共に／或いは主軸台又は作業スピンドルを機械座標系のｘ方向に平行に水平に動かす。位置決め作業によって設定された同軸位置が図１及び図３Ａに概略的に示されている。

位置決め前に、位置決め後に、又は位置決めと同時に、切削材料要素調節システムの調節ロッドを上方に動かし、ついには、切削材料要素が最大まで内方に引っ込められたこれらの位置を占め、それにより、環状切削群の外径は、その最も小さな値を取る。垂直に動かされると、ホーニングツールは、次に、ボアの壁に触れないでボア内に嵌まり込む。

その後、作業スピンドルの往復駆動装置を作動させることによって、ホーニングツールをボア１２２中に挿入し、そしてホーニングツールが最終の挿入位置に達するまで下降させ、この最終挿入位置では、環状切削群２２０は、入口から見て遠くに位置するボア１２２の端部領域１２３内に位置する（図３Ｂ）。ボア１２４の入口から見て遠くに位置する端部領域は、ボアの内側部の機械加工されるべき長さ全体の下端部又は遠隔端部を定める。図示の環状ツールの場合、切削群２２０は、ツール本体のスピンドルから見て遠くに位置する端部フェースと面一をなしているので、リングツールを事実上真上に動かしてボアの底部に当てることができ、或いは、貫通ボアの場合、真上に動かして加工物マウントの上側部に当てることができる。しかしながら、実際には、数ミリメートル、例えば１〜２ｍｍの僅かな距離が維持されるのが一般的である。作業スピンドルは、挿入作業中、ゆっくりと回されるのが良いが、これは、絶対に必要であるというわけではない。

ホーニングツールが最終挿入位置にあるとき、次の部分的作業、特に拡張作業が開始可能である。拡張作業（図３Ｃ）では、ホーニングツールをそのツール軸線回りに回転させると同時に切削材料要素調節システムを作動させることによって切削群をゆっくりと拡張し、その結果、切削群の有効外径が次第に増大するようにする。入口から見て遠くに位置する端部領域のボアがボア軸線の標的位置に対してまだ心出しされておらず、拡張作業の特定の段階において円形の断面を有している場合、一方の側での材料の係合、即ち、ボア軸線の標的位置の半径方向最も近くに位置するボアの内面の領域の部分的切削による研磨機械加工が最初に行われる。切削群の有効外径の増大により、部分的切削は、次に、次第に全周切削になり、この場合、材料は、切削群の周囲全体にわたって除去される。

切断材料要素の半径方向外方の調節は、切削材料要素があらかじめ定められた第１の半径方向位置（図３Ｃ）に達するまで続けられる。その後、制御装置によってそれ以上の調節を停止させる。切削群の周囲全体にわたる材料の除去は、半径方向調節と一緒になって、拡張作業においてボア軸線の標的位置に対して公差の範囲内で全体として正確に心出しされている円筒形拡大部１２１をボアの内側部に対する切削材料要素の材料除去係合によってボアの端部領域１２３に作る。正確には位置決めされていないボアの場合、円筒形拡大部は依然として、現在のボア軸線に対して心出しされていない状態にある。ボア入口に隣接して位置するボアの部分に対する拡大部の過大寸法は、一般に、直径に対して少なくとも１００μｍである。通常、かかる値は、大きく、例えば２００μｍ以上であり又は４００μｍ以上である。

試行錯誤によって４００ｒｍｐから１０００ｒｐｍまでの範囲にあるホーニングツールの回転速度は、一般に、拡張作業において良好な結果をもたらすことが判明した。１つの場合では、冷却用潤滑剤として油を用いて作業を約５００ｒｐｍで実施した。

本方法の一変形例の場合、ホーニングツールは、拡張作業中、設定された軸方向位置に留まり、従って、往復運動が重ね合わされることがない。本方法の別の変形例の場合、拡張作業中、作業スピンドルの往復駆動装置を少なくとも或る特定の段階で作動させて、半径方向拡張中、軸方向に短ストロークの揺動運動をホーニングツールの回転運動上に重ね合わせる。その結果、場合によっては、望ましい材料除去条件を達成することができる。作られた円筒形拡大部の軸方向長さは、次に、往復運動の重ね合わせが行われない場合の単に半径方向拡張の場合よりも僅かに大きくなることが分かる。

本方法の一変形例の場合、拡張作業の完了後、即ち、切削材料要素が最初の半径方向位置に達したとき、切削材料要素を或る特定の戻し量だけ、例えば１０〜１５μｍだけ第２の半径方向位置に戻すことによりレリービング作業でホーニングツールを逃がす。その結果、ホーニングセグメントの外面とボアの内壁との触れた状態での接触が終わり、その結果、ホーニングツールは、場合によっては、作業スピンドルからの弾性力の影響を受けてスピンドル軸線に対してそれ自体更に良好に心出しすることができる。このステップも又省くことができる。

拡張作業の完了後、場合によっては、レリービング作業後、引き抜き作業（図３Ｄ）を開始し、この引き抜き作業では、回転駆動されるホーニングツールは、ボア入口の方向にボアから適当なストローク速度でゆっくりと抜き出される。これは、ボアの底部からボア軸線の標的位置に対して心出しされている円筒形拡大部の漸次拡張を生じさせ、その結果として、円筒形拡大部がボアの底から始まっているときにボアにボア軸線の標的位置に対して心出しされたその円筒形ボア形状が与えられるようになるという作用効果を有する。ボアからのホーニングツールの完全抜き出し後（図３Ｅ）、ボアをボア軸線の標的位置に対して全長にわたって心出しする。ボアの直角度も又正確に設定し、その結果、ボア軸線が例えば頂面に対して垂直に差し向けられるようにする。

ホーニングツールを抜き出す部分的作業に関し（それと同時に、円筒形拡大部を軸方向に増大させる）、ストローク速度は、代表的には、０．３ｍ／ｓから０．７ｍ／ｓまでの範囲にあるが、これらの速度は又、小さくても良く、例えば、０．１ｍ／ｓ未満であっても良く、或いは大きくても良く、最高１ｍ／ｓを超えても良く、例えば最高約２ｍ／ｓまでであっても良い。

幾つかの場合、これらホーニング作業（ホーニングツールの挿入、円筒形拡大部を作るための拡張、抜き出しを含む）を１度でのみ実施することが適当な場合がある。しかしながら、これら作業ステップを１回又は２回以上繰り返すことも又可能であり、これは、特に第１の機械加工プロセスの前のボアの位置に関する誤差が比較的高い場合にはいつでも且つ／或いは各場合において引き抜き作業中、最終的に必要な除去よりも僅かな材料の除去を生じさせることが望ましい場合に好ましい場合がある。

位置修正ホーニング加工作業後、それ以上の機械加工作業が続く場合がある。本方法の幾つかの変形例の場合、次に、少なくとも１つの別のホーニング加工作業を従来型の拡張可能なホーニングツール３００の助けにより実施し、このホーニングツール３００は、１回又は多数回の関節連結方式で作業スピンドルに結合されており、比較的長いホーニング砥石３２０を有し、この砥石の長さは、例えば、ボアの長さの３０％を超える場合がある（図３Ｆ）。これにより、シリンダ形状の場合によっては依然として存在する誤差及び／又は依然として存在する他の形状の誤差を修正することができる。

図示のように、本方法を垂直軸方向で実施することができる。水平機械加工も又可能である。図示のように、ボアは、被覆されていない状態であっても良く、従って、加工物の基礎材料が直接除去される。被覆状態のボアの機械加工が同様に可能であり、被膜の材料は、この場合、除去される。

リングツールは、場合によっては、スピンドルから見て遠くに位置するリングに加えて、切削材料要素を備えた別個に調節可能な別のリングを有しても良い。

類似の材料除去且つ位置修正仕上げ方法の場合、ホーニング加工のために構成されたリングツールに代えて、端がスピンドルから見て遠くに位置する端に取り付けられている幾何学的に定められた切れ刃（幾何学的に定められていない切れ刃を備えた環状切削群ではなく）を備えた少なくとも１つの作動可能な切削要素を有する仕上げツールを用いることも又可能な場合がある。場合によっては、互いに直径方向反対側に位置する少なくとも１つの対をなす作動可能な切削要素が設けられても良い。本方法のステップ、即ち、仕上げツールを挿入するステップ、切削要素を拡張すると共に抜き出し、それと同時に円筒形拡大部を作るための回転を行うステップ、切削要素を延長した状態で抜き出すと同時に回転を行うステップを上述した手順に類似した仕方で実施することができる。

Claims (17)

1. 少なくとも１回のホーニング加工作業で加工物（１２０）のボア（１２２）の内面を機械加工するホーニング加工方法であって、
   ホーニング加工作業時に、スピンドルから見て遠くに位置するツール本体の端部領域において前記ツール本体の周囲に分布して配置された多数の切削材料要素を含む拡張可能な環状切削群（２２０）を有する拡張可能なホーニングツール（２００）が用いられ、前記切削材料要素の軸方向長さは、前記切削材料要素が完全に引っ込められた状態では前記切削群の有効外径よりも短い、ホーニング加工方法において、
   前記ホーニングツールを工作機械の作業スピンドルに剛性的に結合するステップを含み、
   前記ホーニングツールのツール軸線（２１２）が前記ボアのボア軸線の標的位置（ＳＢ）と同軸であるように前記ホーニングツールと前記ボアとを相対的に位置決めするステップを含み、
   前記切削材料要素が引っ込められた状態で前記ホーニングツールを前記ボア中に挿入し、ついには前記ホーニングツールが最終の挿入位置に位置するようにするステップを含み、前記最終挿入位置では、前記切削群は、入口から見て遠くに位置する前記ボアの機械加工されるべき長さの端部領域（１２３）内に配置され、
   前記ホーニングツールを回転させると同時に前記最終挿入位置のところの又は当該最終挿入位置の付近にある前記切削群を拡張させて該切削群を前記切削材料要素の第１の半径方向位置に至らせ、前記ボア軸線の前記標的位置に対して実質的に心出しされた前記ボアの円筒形拡大部（１２１）を、前記切削材料要素が前記ボアの前記端部領域の前記ボアの内側部に材料を除去する仕方で係合することによって作るようにするステップを含み、
   前記ホーニングツールを前記ボアから抜き出すと同時に前記ホーニングツールを回転させて、前記円筒形拡大部から前記ボアが入口側の方向に連続的に拡大されるようにするステップを含み、
   前記拡大部（１２１）は、前記ボアの前記拡大部とこれに隣接した拡大されていない部分との直径の差が少なくとも１００μｍであるように作られる、ホーニング加工方法。
2. 往復ピストンエンジン用のシリンダブロック又はシリンダライナの製作においてシリンダ滑り面をホーニング加工するために、前記少なくとも１回のホーニング加工作業で前記加工物（１２０）の前記ボア（１２２）の内面を機械加工する、請求項１記載のホーニング加工方法。
3. 以下の特徴、即ち、
   （ｉ）前記環状切削群（２２０）上の周囲の６０％超が切削手段で覆われているという特徴、
   （ｉｉ）前記切削材料要素の軸方向長さ（ＬＨＳ）が、前記切削群の有効外径の３０％未満であるという特徴、
   （ｉｉｉ）前記切削材料要素の前記軸方向長さ（ＬＨＳ）が５ｍｍから２０ｍｍまでの範囲にあるという特徴、
   （ｉｖ）前記切削材料要素の前記軸方向長さ（ＬＨＳ）が前記ボアのボア長さの１０％未満であるという特徴、のうちの少なくとも１つを有するホーニングツールが用いられる、請求項１又は２記載のホーニング加工方法。
4. 前記切削材料要素は、円周方向に沿った長さが長く且つ軸方向に幅が狭いホーニングセグメント（２２０‐１，２２０‐２，２２０‐３）として構成され、軸方向に測定した前記ホーニングセグメントの軸方向長さは、前記円周方向に測定した長さよりも小さい、請求項１〜３のうちいずれか一に記載のホーニング加工方法。
5. 前記切削群は、同一の円周方向に沿った長さ又は互いに異なる円周方向に沿った長さを有する少なくとも３つのホーニングセグメント（２２０‐１，２２０‐２，２２０‐３）を備える、請求項１〜４のうちいずれか一に記載のホーニング加工方法。
6. 前記切削材料要素が円錐台状の切削面を形成するホーニングツールが用いられ、前記スピンドルの近くの側の前記切削面の円周方向に沿った長さは、前記スピンドルから見て遠くに位置する側の円周方向に沿った長さよりも長い、請求項１〜５のうちいずれか一に記載のホーニング加工方法。
7. 前記切削材料要素が５０μｍから２５０μｍまでの範囲にある平均粒度を持つ砥粒を有するホーニングツールが用いられる、請求項１〜６のうちいずれか一に記載のホーニング加工方法。
8. 前記切削材料要素は、前記切削群（２２０）の径方向における大きさの拡張中、半径方向の位置が調節される、請求項１〜７のうちいずれか一に記載のホーニング加工方法。
9. 前記拡大部（１２１）は、前記ボアの前記拡大部とこれに隣接した拡大されていない部分との直径の差が２００μｍ以上であるように作られる、請求項１〜８のうちいずれか一に記載のホーニング加工方法。
10. 前記円筒形拡大部（１２１）の形成後、前記抜き出しの開始前に、前記ホーニングツールを逃がすためにレリービング作業が実施される、請求項１〜９のうちいずれか一に記載のホーニング加工方法。
11. 前記レリービング作業において、前記切削材料要素は、前記第１の半径方向位置から第２の半径方向位置に戻り量だけ戻される、請求項１０記載のホーニング加工方法。
12. 前記戻り量は１０μｍ〜１５μｍである、請求項１１記載のホーニング加工方法。
13. 前記ホーニングツールの前記抜き出しは、０．１ｍ／ｓから２ｍ／ｓまでの範囲にあるストローク速度で行われる、請求項１〜１２のうちいずれか一に記載のホーニング加工方法。
14. 前記拡大部（１２１）を形成するための前記切削群の前記拡張中、ショートストローク軸方向揺動運動が少なくとも或る特定の段階において前記ホーニングツールの回転に重ね合わされる、請求項１〜１３のうちいずれか一に記載のホーニング加工方法。
15. 軸方向におけるストロークは２ｍｍから３ｍｍまでの範囲にある、請求項１４記載のホーニング加工方法。
16. 長さが円周方向における幅よりも大きいホーニング砥石（３２０）を備えた拡張可能なホーニングツール（３００）が、位置修正ホーニング作業に続く次のホーニング作業で用いられる、請求項１〜１５のうちいずれか一に記載のホーニング加工方法。
17. 前記軸方向長さは前記ボアの長さの３０％を超える、請求項１６記載のホーニング加工方法。

Images