JP6647664B1 - バニシング加工装置およびバニシング加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ホーニング加工のような複数段階の仕上げ工程を要せず、さらに、工具交換によるランニングコストの増加を伴わないバニシング装置を提供する。【解決手段】加工部品４０の円筒状加工穴４２の内径表面４４をバニシング加工するためのバニシング装置は、円柱状のバニシング工具１０と、バニシング工具１０を固定し、回転させながら下降移動および上昇移動させる駆動部３０と、加工部品４０を固定するためのダイス６０と、下降移動開始前のバニシング工具１０の先端と加工部品４０の上端との間に配置されたストリッパー５０とを備える。バニシング工具１０は、円柱状のマンドレル１２と、その外周に装着されたリング状のチップ２０、２１を備え、チップ２０、２１の周囲面の上に、縦断面が円弧状でかつ最外周径が加工穴の内径以上である突起部が一周に渡って形成されている。【選択図】図３

Description

本発明は、ピニオンギア等の高硬度部品の加工穴の内径表面を高精度で加工するための装置、および加工方法に関する。

例えば自動車のトランスミッションで用いられる、ピニオンギア等の部品の加工穴の内径は、その精度が悪いと力の伝達能力が低下することにより自動車の燃費等の性能に直接影響を及ぼす。そのため、内径面の表面粗さを高精度で仕上げる必要がある。自動車用ギア等の部品には高い耐久性、即ち高硬度が要求されるため、主に鍛造で作製した後、焼入れ処理を行って作製している。そのため、作製時は加工穴の内径のサイズは設計値からずれており、また加工穴の立体形状も歪んだ形状となっている。これを設計当初の形状、精度とするため、従来からホーニング加工により加工穴の内径面を再加工することが行われている。

ホーニング加工は、例えば特許文献１に示されているように、工具先端部の周囲表面に砥石を固定した円柱状のホーニング工具を回転させながら、成形する加工穴の内面に接触させて研磨し、所望の形状、精度に仕上げる方法である。一般的な工程としては、図１に示すように異なる粒度の砥石を固着したホーニング工具を用いて、加工部品５の加工穴の内径面の粗加工、中仕上げ加工、仕上げ加工を順次行い、最終的に高精密仕上げを行う。

特開２００９−８３０３４号公報 特開２００６−１８７８４３号公報

ホーニング加工のこのような工程の改良により以前よりも表面粗さは低減されてきている。しかしながら、ホーニング工具が新しい状態では、加工穴の断面の仕上り形状は図２の（Ａ）に模式的に示すような対向面が平行な形状（ストレート形状）となるが、ホーニング工具が摩耗してくると、加工穴のホーニング工具の入口側が次第に広がってラッパ状（Ｄ）になり、かつ表面粗さも劣化してくる。このような断面形状になるとギアとしての力の伝達能力は低下する。図２には典型的な加工穴の断面形状が示されているが、加工穴の理想的な形状は（Ａ）のストレート形状、あるいは（Ｂ）の逆クラウン形状であり、（Ｃ）のクラウン形状、あるいは（Ｄ）のラッパ形状の場合には製品としては不適合となる。

さらに、ホーニング加工では、砥石の摩耗とともに、加工穴の表面から出る微粉により砥石が目詰まりを起し、工具の交換頻度が増え、その結果工具費が上昇するという問題も生じる。また前述のように、表面粗さに応じて、粗加工、中仕上げ加工、仕上げ加工の３段階の加工を行うため、それぞれ、砥石１、ＣＢＮ（Cubic Boron Nitride）砥石２、ダイヤモンド砥石３が固着された工具を用意する必要があり、その分工具費が上昇し、結果として製造コストが増加するという問題もある。

本発明による加工穴内径面の精密加工は、従来のホーニング加工による表面の微小な凸部を研磨して除去する方法ではなく、凸部を押し潰して平坦化するバニシング加工により行う。そのため、従来、バニシング加工は主に低硬度の部品に対して適用されてきた。加工部品の加工穴の内面をバニシング加工により精密加工する技術として、例えば特許文献２には、円柱状のバニシング工具の先端部に工具から突出したローラ部を設け、ローラ部の外径よりも大きな内径を有する加工穴の内面にバニシング工具のローラ部を押し付けると、バニシング工具の回転により加工部品自体が自然に回転するため、バニシング工具自体の水平位置を移動させることなく、加工穴の内面全体にバニシング加工が行える技術が記載されている。

本発明によるバニシング加工装置は、加工穴の内径以上の外径を有するリング状チップ（ローラ部に相当）を備えたバニシング工具を備え、これを加圧して下降移動させ、固定された加工部品の加工穴にチップを押し込み、さらに下降させて完全にチップを通過させた後、今度はバニシング工具を上昇移動させ、再度チップを加工部品の加工穴を完全に通過させてバニシング加工の工程を完了する。本工程のバニシング加工により、図２の（Ａ）、（Ｂ）に示した理想的な断面穴形状と、極めて小さい表面粗さの内径面を有する加工部品が得られる。

本発明による上記バニシング工具のチップは、回転工具（マンドレル）に嵌め込まれ、取外し可能なリング状のチップであり、例えば２個のチップを用いる場合、スペーサをそれらの間に装着することにより、加工部品の厚さに応じてチップの間隔を変えることも容易にできる。この２個のチップは、下部チップが下降時に主に内径表面のバニシングを行い、上部チップがさらに内径を成形して内径の寸法出しを行う役割を果たしている。

本発明によるバニシング工具のチップは、超鋼を基材とし、その表面をラジカル窒化処理した後、ＤＬＣ（Diamond-Like Carbon）の薄い膜で表面コーティングしたものである。従って非常に高い硬度（Ｈｖ＞２５００）を有しているため、トランスミッションのピニオンギア等で用いられる、焼入れ処理を行ったクロム鋼鋼材（Ｓｃｒ４２０Ｈ）で作製した高硬度（Ｈｖ：８５０）の加工部品であってもバニシング加工することが可能となる。

本発明によるバニシング加工装置を用いたバニシング加工法により、従来のホーニング加工のように複数の段階の仕上げ工程を行う必要がなく１回の工程で加工を行うことができるため、ランニングコストを低減することができる。さらに、従来のホーニング加工で問題となってきた砥石の消耗による加工部品の加工穴形状の劣化、砥石の目詰まりによる工具の交換に起因する工具費の上昇という問題も解消することができる。

従来のホーニング加工による加工穴の成形工程を模式的に示す図である。 加工部品の加工穴の代表的な断面形状を模式的に示す図である。 本発明のバニシング加工装置による加工穴のバニシング加工法を模式的に示す図である。 本発明のバニシング工具に装着するチップの平面、断面の形状を示す図である。 バニシング加工前（Ａ）とバニシング加工後（Ｂ）の、加工部品の加工穴内径面の面粗さを示す図である。 本発明のバニシング加工前の加工穴の立体形状を示す図である。 本発明のバニシング加工後の加工穴の立体形状を示す図である。 本発明のバニシング加工を行った加工部品（ピニオンギア）の四角で囲まれた部分（Ａ）の断面を拡大した写真（Ｂ）である。

本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら以下に説明する。

（バニシング加工装置と加工方法）
本発明のバニシング加工装置の模式図、およびこれを用いたバニシング加工法を図３に示す。初期状態では、本発明のバニシング加工装置は（Ａ）の状態にある。バニシング工具１０は、取外し可能な２個のリング状のチップ２０、２１がスペーサ１４を介してマンドレル１２に嵌め込まれた構成となっている。バニシング工具１０はその上部を駆動部３０に固定されており、駆動部３０により昇降動作が可能になっている。この駆動部３０はサーボプレスとすることが好ましいが、他の方法でもよい。バニシング工具１０の下方には、開口５５を有してバニシング工具１０を通過させる板状のストリッパー５０が配置されている。このストリッパー５０は、バニシング工具１０が下降移動してチップ２０、２１が加工穴４２を貫通した結果、上方のチップ２１の上側に移動した加工部品４０を、バニシング工具１０の上昇移動時に、加工部品４０の上端を開口５５で引っ掛けてバニシング工具１０から取り外す役割を果たす。さらにストリッパー５０の下方には、加工部品４０の加工穴４２の中心位置をバニシング工具１０の回転中心に合わせて保持するためのダイス６０が備わっている。

バニシング加工が開始されると、（Ｂ）に示すようにバニシング工具１０を下降移動させ、下側のチップ２０が加工部品４０に接触する直前に減速または停止させ、（Ｃ）に示すように加圧しながら回転させて下側のチップ２０を部品の加工穴４２に貫通させる。その過程で加工穴４２の内径表面４４の微小な凸部が押し潰され、バニシング加工が行われる。上側のチップ２１は下側のチップ２０の通過後に加工穴４２を通過する。これにより、下側のチップ２０の通過後に内径表面４４の内部応力等により部分的に復元された表面形状を再度押し戻して所定の内径に近づけることができる。この効果を高めるために上側のチップ２１を２個以上重ねて装着してもよい。

上側のチップ２０が貫通したらバニシング工具１０の下降移動を停止し、今度は（Ｄ）に示すようにバニシング工具１０を上昇移動させる。その際、加工部品４０は上側のチップ２１の上側に引っ掛ったままダイス６０から離れてバニシング工具１０と共に上昇移動するが、ストリッパー５０の開口５５の内径は、チップ２０、２１の外径よりも大きく、加工部品４０の外径よりも小さく設計されているので、加工部品４０の外径がストリッパー５０の開口５５で引っ掛り、上側のチップ２１および下側のチップ２０が順次加工部品４０の加工穴４２を再度貫通してバニシング工具１０は加工部品４０から抜ける。この上昇移動時の２度のチップの貫通により、内径はさらに所定の寸法に近づく。バニシング工具１０は開口５５を通過して初期の位置（Ａ）に戻る。一方、バニシング工具１０から離れた加工部品４０はダイス６０の元の位置に戻り、取り出されて完成品となる。

後述するように、本発明によるバニシング工程では、（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）、（Ａ）の１サイクルで十分平坦な内径表面が得られるが、このサイクルを２回以上繰り返してより内径寸法精度を高めてもよい。また、本実施例ではチップ２０が２個の例を示したが、加工穴４２の内径、長さ、材質に応じてチップ２０、２１のそれぞれの数、それらの間隔を変化させてもよい。さらに、チップの外径は加工部品の内径に依存して以下に説明するように決定される。

（チップ）
本発明のバニシングでは、マンドレル１２に装着するチップの断面形状が重要となる。図４に本発明のバニシング加工に用いるチップ２０の平面図、断面図、および断面の拡大図を示す。全体の平面形状は、マンドレル１２の軸に通すために中心に装着穴２４のあるリング状であり、周囲の角部２７はＲ形状に面取りを行って、加工穴４２への挿入時の衝撃を緩和している。さらに、周囲面２５の中央付近に、Ｒを有する突起部２６をさらに設けている。この突起部２６により加工穴の内面４４を良好にバニシングすることが可能となる。予備試験の結果、この突起のＲの値がバニシング特性に大きく影響を及ぼすことが分かった。以下に詳細に述べる。

加工部品として、焼入れ処理を行ったクロム鋼鋼材（Ｓｃｒ４２０Ｈ）による内径が１６．９７ｍｍのピニオンギアを用いた。バニシング加工前の内径面の面粗さを図５（Ａ）に示す（縦方向の倍率が２０００倍、横方向の倍率が２００倍）。内径表面は超鋼リーマによりＮＣ加工したため、それによる７μｍ程度の凸部（Ｒｚ〜７μｍ）が０．１ｍｍ周期で形成されている（Ａ）。従って、バニシング加工によりこの凸部を押し潰して面粗さ（Ｒｚ）を良くするためには、チップの突起部の外径φは１６．９７+０．００７×２＝１６．９８４ｍｍ以上とする必要がある。そこでφを変化させて作製した試作チップにより加工試験を行った結果、φが１７．０６ｍｍ程度の場合に良好な結果（Ｒｚ）が得られることが分かった。そこで次にφを１７．０６ｍｍ一定とし、突起部のＲを変化させたチップを作製しバニシング加工試験を行った。その結果、Ｒ１．０ｍｍの場合にＲｚ＝０．８μｍという非常に良好な面粗さが得られた。Ｒを１．０ｍｍより大きくするとＲｚは増加する傾向が見られた。一方、Ｒを例えば０．３ｍｍと小さくすると、ＲｚはＲ１．０ｍｍの場合と同程度であったが、切粉が多数発生した。Ｒを小さくすることにより凸部を横方向へ押す力が大きくなり、凸部を根元から切断する効果が生じたためと考えられる。このように、凸部の周期に応じて最適な突起部２６のＲの範囲があることが分かった。また最適なＲの値は凸部の大きさにも依存すると考えられる。従ってＲの値は、加工部品の内径表面のこれらの要素を考慮して決定する必要がある。

図５（Ｂ）は、上記ピニオンギアの加工穴のバニシング加工後の断面曲線を示す図である。加工前の断面曲線（Ａ）には、ＮＣ加工により形成された周期的な凸部が見られた（Ｒｚ＝６．９μｍ）のに対して、加工後はこの凸部が平坦化されて、Ｒｚは０．６２μｍとなり、加工前よりも１桁小さい値を示し、非常に良好な平滑度が得られることが分かった。

チップは超鋼を基材とし、その表面をラジカル窒化処理した後、ＤＬＣ膜で表面コーティングしたものである。ラジカル窒化処理により超鋼とＤＬＣ膜との密着性が大きく改善され、高耐磨耗性、長寿命のチップを得ることができる。またこれにより、チップ表面が高硬度と低摩擦性を併せ持ち、高硬度の加工部品の加工穴表面であってもバニシングにより成形することが可能となる。

図６Ａ、６Ｂは、三次元座標測定器（Ｃａｌｙｐｓｏ（登録商標））により測定した、上記ピニオンギアの加工穴の立体形状の一例を示す。なお、Ｘ−Ｙ方向は拡大されて表示されている。バニシング加工前（図６Ａ）は、内径表面に同心円状の機械加工による周期的な凸部が見られ、さらに加工穴の立体形状は設計された円筒状ではなく円錐状であることが分かる。また、同時に測定された真円度は０．０２３８であった。一方、バニシング加工後（図６Ｂ）は周期的な凸部がほぼ消えており、また形状も円筒状であることが分かる。同時に測定された真円度は０．００５２であり、加工前と比較して大きく改善されている。このように、本発明のバニシング加工により、高硬度の部品の加工穴の良好な内径面加工が実現できることが分かった。

図７は、上記ピニオンギアの（Ａ）に示す四角で囲った部分の縦断面と横断面の、バニシング加工前と加工後の拡大写真（Ｂ）を示す。加工後であっても、ピニオンギアの内面は加工前と同様に滑らかであり、加工痕や残渣は全く見られなかった。本発明によるチップを装着したバニシング工具を用いたバニシング加工により、切粉等が発生することなく凸部がよく押し潰され、理想的な内径表面成形が行われたことが分かる。

なお、上記記載は実施例についてなされたが、本発明はそれに限定されず、本発明の精神と添付の請求の範囲の範囲内で種々の変更、及び修正をすることができることは当業者に明らかである。

１ 粗加工
２ 中仕上げ加工
３ 仕上げ加工
５ 加工部品
１０ バニシング工具
１２ マンドレル
１４ スペーサ
２０ （下側）チップ
２１ （上側）チップ
２４ 装着穴
２５ 周囲面
２６ 突起部
２７ 角部
３０ 駆動部
４０ 加工部品
４２ 加工穴
４４ 内径表面
５０ ストリッパー
５５ 開口
６０ ダイス

Claims (5)

1. 円筒状の加工穴を有する加工部品の前記加工穴の内径面をバニシング加工するためのバニシング装置であって、バニシング装置は
   円柱状のバニシング工具と、
   該バニシング工具を固定し、前記バニシング工具を回転させながら下降移動および上昇移動させる駆動部と、
   前記加工部品の前記加工穴の中心軸が、前記バニシング工具の回転中心軸と一致するように前記加工部品を固定するためのダイスと、
   下降移動開始前の前記バニシング工具の先端の位置と、前記ダイスに固定された前記加工部品の上端との間の位置に、前記回転中心軸に垂直に配置され、前記バニシング工具の先端部分が通過可能な開口を備えた板状のストリッパーとを備え、
   前記バニシング工具は、円柱状のマンドレルと、その外周に装着されたリング状のチップを備え、
   該チップの周囲面の上に一周に渡ってリング状の突起部が設けられ、前記突起部の縦断面は円弧状でありかつ最外周径は前記加工穴の内径以上であり、
   前記ストリッパーの前記開口の内径は、前記チップの前記最外周径よりも大きく、前記加工部品の外径よりも小さい
   バニシング装置。
2. 前記チップは、超鋼を基材とし、その表面をラジカル窒化処理した後、少なくとも前記突起部がＤＬＣで表面コーティングされて形成されている、請求項１に記載のバニシング装置。
3. 前記マンドレルの外周に、２個以上の前記チップが、それらの間の少なくとも１箇所の間隔をあけて装着されている、請求項１または２に記載のバニシング装置。
4. 前記駆動部がサーボプレスである、請求項１〜３いずれか一項に記載のバニシング装置。
5. 外周にリング状のチップが装着された円柱状のバニシング工具であって、前記チップの周囲面の上にリング状の突起部が形成されており、前記突起部の縦断面が円弧状でかつ最外周径は加工部品の加工穴の内径以上であるバニシング工具と、前記バニシング工具を固定し、前記バニシング工具を回転させながら下降移動および上昇移動させる駆動部と、前記加工穴の中心が、前記バニシング工具の回転中心軸と一致するように前記加工部品を固定するためのダイスと、下降移動開始前の前記バニシング工具の先端の位置と前記ダイスに固定された前記加工部品の上端との間に前記回転中心軸に垂直に配置された、前記チップの前記最大外径よりも大きく前記加工部品の外径よりも小さい内径の開口を有する板状のストリッパーとを備えたバニシング装置を用い、
   前記バニシング工具を下降移動させて前記開口を通過させた後、加圧しながら前記チップを前記加工部品の前記加工穴を貫通させてバニシング加工を行う工程と、
   前記バニシング工具を、前記加工部品を前記チップが貫通して前記バニシング工具に保持した状態で上昇移動させる工程と、
   前記上昇移動時に前記加工部品の外径が前記ストリッパーの前記開口で引っ掛り、さらに上昇移動して前記チップが前記加工穴を再度通過して前記加工部品が前記バニシング工具から抜け、前記バニシング工具だけ前記開口を通過させて初期の位置へ戻す工程と
   を含むバニシング加工法。