JP6409101B2 - 加工工具、特に、ロール工具、および、円筒形の摺動面を加工する方法 - Google Patents

Description

本発明は、ワークピースの表面、特に、ワークピース内の孔の湾曲した内面を加工するための加工工具、特に、ロール形成工具に関する。前記工具は、工具軸を規定する工具本体と、工具本体により担持される少なくとも１つの第１の転動体とを有する。第１の転動体は、第１の転動体軸周りに回転可能であるとともに、前記ワークピース表面と転がり接触する少なくとも１つの加工区域において、粗面構造を有する第１の外面を有する。

本発明はまた、このような加工工具の対応する使用に関する。

さらに、本発明はまた、内燃エンジンのシリンダの摺動面を、対応する加工工具で加工する方法に関する。加工工具は、工具軸周りに回転させられ、前記工具軸に沿う進行方向で移動させられる。加工工具には、円筒形の摺動面が設けられ、その摺動面において溝を有するシリンダボアに配置される。

包括的な特許文献１は、一般的な種類の技術の記載を含んでおり、ロール加圧作業が実行され、ワークピースの湾曲されたワークピース表面を加工するための加工方法を開示している。この方法では、加工される湾曲したワークピースの表面領域に、加圧圧力の下で加工工具の転動体を回転させる。転造要素の外面が、ワークピース表面と転がり接触する少なくとも１つの加工区域において、粗面構造を有する。加圧圧力は、ロール工程において、ワークピース表面の被加工領域において、材料なしで、ワークピース材料の局所的な変形により、粗いロール加圧構造体が製作されるように調節される。

加工技術は、例えば、ワークピース内の孔の内面を加工するために、特に、被覆の前に、ワークピース表面を粗面化するために、用いることができる。対応する加工工具が、この特許出願に記載されている。ワークピースの加工例は、低摩擦抵抗を有する被覆を適用する前に、内燃エンジンのシリンダの内部摺動面を準備するように作用する。

加工工具での加工は、シリンダ内面の被覆が安定した形で保持された表面構造を提供するように作用する。このような加工工具の使用の前に、慣例的な溝がシリンダの内面に形成される。溝の形成は、例えば、特許文献２に記載されているような機械加工もしくは鋸引きによるもの、または、レーザー光線による処理によるものである。

特許文献１に記載されている粗面構造を伴う加工区域は、典型的には、より柔らかい材料の母材に配置される硬質材料の粒を有する。大きな加圧圧力が用いられるとき、過剰な力が生じ、それにより硬質材料の粒が母材構造から放出される。

国際公開第２０１２／０８４６１２（Ａ１）号パンフレット 国際公開第２０１５／００３７９０（Ａ１）号パンフレット 欧州特許出願公開第２８７１０２２号明細書

本発明の目的は、硬質材料の粒の除去の危険性と、対応する加工工具の転動体の加工区域の粗面構造の塑性変形の危険性とが最小限にされる加工工具、加工工具の使用および、内燃エンジンの円筒形の摺動面を加工する方法とを考案することである。

目的は、ワークピースの表面、特に、ワークピース内の孔の湾曲した内面を加工する加工工具、特に、ロール工具により達成される。前記工具は、工具軸を規定する工具本体と、工具本体により担持される少なくとも１つの第１の転動体とを有する。第１の転動体は、第１の転動体軸周りに回転可能であるとともに、第１の外面を有する。第１の外面は、ワークピースと転がり接触するよう、少なくとも１つの加工区域において粗面構造を有する。前記工具は、工具本体により担持され、第２の転動体軸の周りに回転可能であるとともに、第２の外面を有する少なくとも１つの第２の転動体が設けられる。第２の外面は、ワークピース表面と転がり接触される少なくとも１つの加工区域において、工具軸への第１の転動体の加工区域の距離より短い、工具軸への距離を有する。

好ましくは、第１の転動体の第１の外面の加工区域における未加工表面構造は、径方向において突出する硬質材料の粒により形成される、または、その硬質材料の粒から成る。好ましい硬質材料の粒は、１５ミクロン超の平均粒子寸法、好ましくは、３０ミクロンから２００ミクロンの間の平均粒子寸法を有する。径方向距離、またはそれぞれ、第１の転動体の第１の外面から工具軸への距離は、具体的には、硬質材料の粒の外面から工具軸への平均距離であると理解され、具体的には、径方向距離が意味される。具体的には、意図されているのは、第１の転動体の加工区域から工具軸までの平均距離であり、またはそれぞれ、ワークピース表面から突出する硬質材料の粒から工具軸までの平均距離、または、第１の転動体の加工領域から突出する硬質材料の粒からの平均距離である。

本発明による加工工具を用いることで、第２の転動体の第２の外面の加工区域は、ワークピースまたは、それぞれのワークピース表面があらかじめ加圧され、次に、第１の転動体の加工区域により、粗面構造を用いて、またはそれぞれ、粗面構造を規定する硬質材料の粒により、粗面構造がワークピースに生成されるように、ワークの分割を提供できる。第１の転動体と第２の転動体との両方が、あらかじめ規定された加圧圧力で、ワークピースの表面に押し付けられることが好ましい。

第２の転動体の加工区域は滑らかであることが好ましい。具体的には、第２の転動体の加工区域は、鋼鉄から成ることが好ましく、硬化鋼から成ることが好ましい。

第１の転動体の加工区域は、硬質金属、ダイヤモンド、コランダム、または立方晶窒化ホウ素などの硬質材料から成り、外向きに突出する高度を有することが好ましい。硬質材料の粒は、上記のような平均粒子寸法を伴う上記の種類のものであることが好ましい。これらの硬質材料の粒は、例えば銅および錫から成り、半田母材に配置されることが好ましい。この構成であれば、硬質材料の粒は、半田母材から径方向外向きに突出する。

第１の転動体の加工区域は、工具軸に沿う加工工具の進行方向に対して、軸方向において第２の転動体の加工区域の後方に配置されることが好ましい。この構成であれば、先ず、ワークピース表面は、あらかじめ加圧されるか、またはそれぞれ塑性変形され、ワークピース表面が粗面化される。

第１の転動体の加工区域は、加工工具の上記進行方向と反対である進行方向において、工具軸に沿う加工工具の進行方向に対して、軸方向において第２の転動体の加工区域の後方に同じく配置されることが好ましい。この構成であれば、表面がひとたび粗面化されると、第２の転動体に続く加工区域により後に滑らかにされることがない。この好ましい実施形態は、具体的には、第１の転動体が軸方向において変位可能であるように搭載される場合に達成される。

好ましくは、転動体の回転軸は工具軸と平行に配向されることが好ましい。

ケージ式受部が、少なくとも１つの第１の転動体用に設けられるとともに、ケージ式受部が、少なくとも１つの第２の転動体用にも設けられ、第１の転動体のあらかじめ規定可能な軸方向の変位をもたらすように、軸方向における少なくとも１つの第１の転造要素用のケージ式受部の長さは、少なくとも１つの第１の転動体の長手方向の長さより大きい。

好ましくは、少なくとも１つの第１の転動体用のケージ式受部は、加工作業の途中において、軸方向における進行方向での加工工具の移動で、少なくとも１つの第１の転動体が後端に当接して支持されるように構成される。

この目的のために、少なくとも１つの第１の転動体用のケージ式受部は、後部停止手段を有する。好ましくは、前記後部停止手段は、軸方向における進行方向で、少なくとも１つの第２の転動体用の後部停止手段の後方に配置される。

好ましくは、少なくとも１つの第２の転動体用のケージ式受部は、軸方向において第２の転動体を固定するように作用する軸方向長さを有する。したがって、第２の転動体は、軸方向において、変位可能ではないか、またはそれぞれが本質的に変位可能ではなく、むしろその軸方向位置は固定されている。

好ましくは、ケージ式受部は、工具軸に対して同じ高さにある軸方向中心位置を有する。この方法では、径方向における高さ、またはそれぞれ工具軸に対して垂直な平面における高さが、同じである。

好ましくは、ケージ式受部は、転動体の材料と異なる材料から製作される。

好ましくは、複数の第１の転動体と複数の第２の転動体とが提供される。好ましくは、第１の転動体と第２の転動体とは、加工工具の周囲方向において交互となる。

本発明の目的は、内燃エンジンのシリンダの、溝が設けられる摺動面のローリングまたはホーニング用に用いられる、本発明の加工工具の使用によりさらに達成される。

また、本発明の目的は、本発明の加工工具を用いて内燃エンジンのシリンダの摺動面を加工する方法であって、加工工具は、工具軸の周りに回転させられ、シリンダボアへと挿入され、溝が円筒形の摺動面に設けられ、前記工具は、工具軸に沿って進行方向で移動可能である方法により達成される。その方法は、少なくとも１つの第１の転動体および少なくとも１つの第２の転動体が、円筒形の摺動面と接触して回転させられ、少なくとも１つの第２の転動体の加工区域が、溝を包囲する隆条部においてアンダカット構成を生じさせるように、円筒形の摺動面の材料を圧縮するように作用し、少なくとも１つの第１の転動体の加工区域が、圧縮された隆条部の内面を粗面化するように作用する。

発明の方法は、ワークピース表面の非常に信頼性の高い加工を可能にする。具体的には、第１の転動体の加工区域の粗面構造を担う材料が放出されない。具体的には、前記粗面構造は、第１の転動体から径方向に、具体的には第１の転動体の加工区域から径方向に突出する硬質材料の粒により形成される。

好ましくは、少なくとも１つの第１の転動体の加工区域は、進行方向において、少なくとも１つの第２の転動体の加工区域の後方に配置される。

好ましくは、また、進行方向が反転される場合も、少なくとも１つの第１の転動体の加工区域は、少なくとも１つの第２の転動体の加工区域の後方に配置される。これにより、ワークピース表面を非常にきれいで正確に加工することができる。

本発明の追加の特徴は、請求項および添付の図面と共に、本発明の実施形態の記載から明らかとなる。本発明の実施形態は、個別の特徴から、または、個別の特徴の組合せから実現される。

本発明は、ここで例示の実施形態を参照し、添付の図面の支援と共に、全体的発明の概念の範囲を限定することなく、以下において記述されており、図面との関連で、本文で明示的に記述されていない任意の構成部品を考慮する図面に、明確な符号が行われている。

本発明の加工工具の部品の概略的な部分断面図である。 第１の進行方向における本発明の加工工具の概略図である。 反対の進行方向における、図２による本発明の加工工具の概略図である。

図面では、同一または同様の要素および／または構成部品は同じ符号で提供されており、前記要素および部品は、各々の例において繰り返し記述されていない。

図１は本発明の加工工具１０の概略図であり、加工工具１０は、「転造工具」として記述されてもよい。加工工具１０は、工具軸１３を有する工具本体１２を有する。加工工具は、工具軸１３の周りに回転で駆動される。例えば、進行方向において、軸方向にも移動される。

転動体２１および３１が、加工工具１０の外周に設けられている。それら要素は「転動ローラ」としてもよい。図１は、加工工具の周囲方向において一方が他方の後方に配置されている２つの異なる転動体、つまり、第１の転動体２１と第２の転動体３１とを同時に示している。これは、２つの転動体２１と３１との間の波線により概略的に指示されている。

加工工具１０は、溝５０と隆条部５１とを有する円筒形の表面１１を機械加工するように作用する。溝５０は、例えば、表面が鋸刃で先に切られていることによる。溝を作る代替の手段は、例えば、レーザー加工またはフライス加工である。

加工工具１０は、円筒形の摺動面１１の内面５３において、一方でアンダカット５２を生じさせるよう加圧され、他方で内面５３が粗面化するように作用する。先行技術では、例えば、特許文献１または特許文献３によれば、この結果は、一方で表面を圧縮させ、他方で表面を粗面化させる硬質材料の粒が導入される転動体の場合、加工区域を有するローラ工具を用いて成し遂げられる。

本発明によれば、転動体軸２２またはそれぞれ３２の周りで回転において駆動される２つの異なる転動体、つまり、第１の転動体２１および第２の転動体３１が提供される。進行方向４０において、第１の転動体の前方に配置される第２の転動体は、アンダカット５２が生成される方法で隆条部５１を圧縮するように作用する。これを可能にするために、加工区域３４が提供されており、加工区域３４の表面は、硬質材料の粒２６の距離ｒ１よりいくらか短い工具軸１３からの距離ｒ２に存在する。硬質材料の粒２６は、第１の転動体２１の加工区域２４に設けられる。この目的のために、例えばダイヤモンドの粒などの硬質材料の粒２６は、例えば銅および錫から成る半田母材２７に埋め込まれる。これにより、半田母材２７を上回って延びる高度２５になり、表面５３は、第２の転動体３１の加工区域３４により最初に圧縮された後、表面加工される。この結果、第１の転動体２１の硬質材料の粒２６に加えられる力は、先行技術のものより小さくなり、結果として、これらの硬質材料の粒の放出が回避される。

本発明によれば、好ましくは、正確には同じ現象が、第２の転動体３１による加圧が、第１の転動体２１を介して粗面化が施される状態で、反対の方向で起こる。図２および図３における本発明の加工工具１０の図で概略的にうまく示されているように、これは、第１の転動体２１の長手方向の長さより大きい長手方向の長さを有するケージ式受部４１が第１の転動体２１用に設けられることで、成し遂げられる。結果として、第１の転動体２１は、長手の軸方向において、軸方向に変位される。第２の転動体３１のケージ式受部４１’は前記第２の転動体３１の長さに正確に適合されるため、第２の転動体３１は、長手の軸方向において変位しない。

図２では、進行方向４０における加工ステップが示されている。第１の転動体２１がケージ式受部４１における後部停止部４２に圧し掛かっているのが確認される。進行方向において前方には、空間がケージ式受部４１に設けられている。図２には、複数の転動体が設けられていることも示されており、第１の転動体２１と第２の転動体３１とが加工工具の周囲方向において交互になっている。第１の転動体２１の加工区域２４と第２の転動体３１の加工区域とが同じく示されている。加工される内面５３を有するワークピース１５が、概略的に示されている。

好ましくは、本発明の加工工具１０により加工されているワークピースは、内燃エンジンのシリンダの円筒形の摺動面である。

図３に示した反対の進行方向４０’では、第１の転動体２１の各々は、それぞれのケージ式受部４１の他方の後端４２’に、またはそれぞれ、進行方向４０においてそれぞれのケージ式受部４１の前端に、圧し掛かる。

ケージ式受部４１および４１’は、例えば、黄銅のケージとして提供され、好ましくは鋼鉄から成る転動体が、ケージ式受部において固着されない。

ここに記述した例示の実施形態では、転動体は円筒の形を有する。しかしながら、転動体は、特許文献３に図示されているように、円錐であってもよい。

限定されることはないが、図面のみにおいて開示された特徴、および、他の特徴との組合せで開示されている特徴を含む、開示されている特徴のすべてが、個別にまたは組合せにより、本発明に必須であると考えられるべきである。本発明による実施形態は、個別の特徴または複数の特徴の組合せにより実現できる。本発明の範囲において、「具体的には」または「好ましい」と記述されている特徴は、任意選択の特徴として理解される。

１０ 加工工具
１１ 円筒形の摺動面
１２ 工具本体
１３ 工具軸
１５ ワークピース
２１ 第１の転動体
２２ 第１の転動体の軸
２３ 第１の外面
２４ 加工区域
２５ 高度
２６ 硬質材料の粒
２７ 半田母材
３１ 第２の転動体
３２ 第２の転動体の軸
３３ 第２の外面
３４ 加工区域
４０ 進行方向
４０’ 反対の進行方向
４１ ケージ式受部
４１’ ケージ式受部
４２ 後端
４２’ 後端
５０ 溝
５１ 隆条部
５２ アンダカット特徴部
５３ 内面
ｒ１ （距離）
ｒ２ （距離）

Claims (11)

1. ワークピースの表面（１１）、特に、ワークピース内の孔の湾曲した内面を加工する加工工具（１０）、特に、ロール形成工具であって、
   前記工具は、工具軸（１３）を規定する工具本体（１２）と、前記工具本体（１２）により担持される少なくとも１つの第１の転動体（２１）とを有し、
   前記第１の転動体（２１）は、第１の転動体軸（２２）周りに回転可能であるとともに、第１の外面（２３）を有し、
   前記第１の外面（２３）は、前記ワークピース（１１）の表面と転がり接触する少なくとも１つの加工区域（２４）において粗面構造を有し、
   前記工具本体（１２）により担持され、第２の転動体軸（３２）周りに回転可能な第２の外面（３３）を有する少なくとも１つの第２の転動体（３１）が設けられ、
   前記第２の外面（３３）は、前記ワークピースの表面（１１）と転がり接触される少なくとも１つの加工区域（３４）において、前記工具軸（１３）への前記第１の転動体（２１）の前記加工区域（２４）の距離（ｒ１）より短い、前記工具軸（１３）への距離（ｒ２）を有し、
   ケージ式受部（４１）が前記少なくとも１つの第１の転動体（２１）用に設けられるとともに、ケージ式受部（４１’）が前記少なくとも１つの第２の転動体（３１）用に設けられ、
   前記第１の転動体（２１）のあらかじめ設定可能な軸方向の変位をもたらすように、軸方向における前記少なくとも１つの第１の転動体（２１）用の前記ケージ式受部（４１）は、前記少なくとも１つの第１の転動体（２１）の長手方向の長さより大きくされている、加工工具（１０）。
2. 前記第２の転動体（３１）の前記加工区域（３４）は滑らかである、請求項１に記載の加工工具（１０）。
3. 前記第１の転動体（２１）の前記加工区域（２４）は、硬質金属、ダイヤモンド、コランダム、または立方晶窒化ホウ素などの硬質材料（２６）から成り、外向きに突出する高度（２５）を有する、請求項１または２に記載の加工工具（１０）。
4. 前記第１の転動体（２１）の前記加工区域（２４）は、前記工具軸（１３）に沿う前記加工工具（１０）の進行方向（４０）に対して、軸方向において前記第２の転動体（３１）の前記加工区域（３４）の後方に配置される、請求項１から３のいずれか一項に記載の加工工具（１０）。
5. 前記第１の転動体（２１）の前記加工区域（２４）は、前記進行方向（４０）と反対である進行方向（４０’）に対して、軸方向において前記第２の転動体（３１）の前記加工区域（３４）の後方にも配置される、請求項４に記載の加工工具（１０）。
6. 前記少なくとも１つの第１の転動体（２１）用の前記ケージ式受部（４１）は、加工作業の途中において、前記軸方向における進行方向（４０）での前記加工工具（１０）の移動で、前記少なくとも１つの第１の転動体（２１）が後端（４２）に当接して支持されるように構成される、請求項１から５のいずれか一項に記載の加工工具（１０）。
7. 前記少なくとも１つの第２の転動体（３１）用の前記ケージ式受部（４１’）は、軸方向において前記第２の転動体（３１）を固定するように作用する軸方向長さを有する、請求項１から６のいずれか一項に記載の加工工具（１０）。
8. 前記ケージ式受部（４１、４１’）は、前記工具軸（１３）に対して同じ高さを有する軸方向中心位置を有する、請求項１から７のいずれか一項に記載の加工工具（１０）。
9. 内燃エンジンのシリンダの、溝が設けられた摺動面のローリングまたはホーニング用に用いられる、請求項１から８のいずれか一項に記載の加工工具（１０）の使用。
10. 請求項１から８のいずれか一項に記載の加工工具（１０）を用いて、内燃エンジンのシリンダの摺動面（１１）を加工する方法であって、
    前記加工工具（１０）は、前記工具軸（１３）の周りに回転させられ、シリンダボアへと回転可能に挿入され、
    溝（５０）が前記円筒形の摺動面（１１）に設けられ、
    前記工具は、前記工具軸（１３）に沿って進行方向（４０）に移動可能であり、
    前記少なくとも１つの第１の転動体（２１）および前記少なくとも１つの第２の転動体（３１）は、前記円筒形の摺動面（１１）と接触して回転させられ、
    前記少なくとも１つの第２の転動体（３１）の前記加工区域（３４）は、前記溝（５０）を包囲する隆条部（５１）においてアンダカット構成（５２）を生じさせるように、前記円筒形の摺動面（１１）の材料を圧縮するように作用し、前記少なくとも１つの第１の転動体（２１）の前記加工区域（２４）は、前記圧縮された隆条部（５１）の内面（５３）を粗面化するように作用し、
    前記少なくとも１つの第１の転動体（２１）の前記加工区域（２４）は、前記進行方向（４０）において、前記少なくとも１つの第２の転動体（３１）の前記加工区域（３４）の後方に配置される方法。
11. 前記進行方向（４０）と反対の方向（４０’）における移動の場合でも、前記少なくとも１つの第１の転動体（２１）の前記加工区域（２４）は、前記少なくとも１つの第２の転動体（３１）の前記加工区域（３４）の後ろに配置される、請求項１０に記載の方法。

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