JP6686866B2

JP6686866B2 - ホーニング装置

Info

Publication number: JP6686866B2
Application number: JP2016247725A
Authority: JP
Inventors: 重美塩谷; 博樹野中; 崇寺西
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-12-21
Filing date: 2016-12-21
Publication date: 2020-04-22
Anticipated expiration: 2036-12-21
Also published as: JP2018099762A

Description

本発明は、円筒部材の内周面をホーニング加工するホーニングヘッドを備えるホーニング装置に関する。

従来より、シリンダ等の円筒部材の内周面の仕上げ加工として、ホーニング加工が幅広く利用されている。ホーニング加工では、ホーニングヘッドの外周に設けた砥石を円筒部材の内周面に当接させ、ホーニングヘッドを軸方向を中心に回転させることで、円筒部材の内周面を研削する。

ホーニング加工の関連技術として、例えば、特許文献１には、ホーニングヘッドの外周に４つの砥石を周方向に等配に設け、４つの砥石の各々を弾性体で拡径方向（径方向の外向き。以下、同じ）に押圧支持することで、加工量を均一化する技術が開示されている。

特開２０１２−１２１０７８号公報

ところで、特許文献１に開示されたホーニングヘッドで円筒部材の非真円形状の内周面をホーニング加工する場合、加工面は凸部及び凹部を有するが、４つの砥石の各々は弾性体の押圧力を受けて、加工面に当接する。

しかし、４つの砥石への押圧力は、加工面の凹凸に応じて不均一になり、特に砥石が凸部に当接した時の押圧力が大きくなるため、凸部が先に削られてしまい、加工面の研削量が変わってしまう。その結果、円筒部材の内周面は、非真円形状を維持することができず、真円化してしまうという問題があった。

本発明は、上記を鑑みなされたものであって、円筒部材の非真円形状の内周面をホーニング加工する場合にも、非真円形状を維持することができるホーニング装置を提供するものである。

本発明の一態様に係るホーニング装置は、
円筒部材の非真円形状の内周面をホーニング加工するホーニングヘッドを備えるホーニング装置であって、
前記ホーニングヘッドは、前記ホーニングヘッドの外周に周方向に等間隔に、かつ、前記ホーニングヘッドの回転軸芯から等距離の位置に３つの砥石を備え、
前記３つの砥石の各々は、長さ及びばね定数が同じ３つの弾性体の各々により前記ホーニングヘッドに対して拡径方向へ押圧支持されており、
前記円筒部材の内周面が形成する非真円は、前記３つの砥石の各々を押圧支持する前記３つの弾性体が自然長である場合における前記３つの砥石の先端が外接する外接円よりも小さく、かつ、前記３つの弾性体が最大限に圧縮された場合における前記３つの砥石の先端が外接する外接円よりも大きく、
前記ホーニングヘッドの回転軸芯は、径方向に移動可能に前記ホーニング装置の回転機構と連結されており、
前記ホーニングヘッドは、回転時には、常時、前記３つの砥石の各々と前記円筒部材の内周面との３つの当接箇所から前記弾性体の反力を受けながら、前記ホーニングヘッドの回転軸芯が前記３つの砥石から等距離の位置に自動調芯された状態で、前記３つの砥石により前記円筒部材の内周面をホーニング加工する。

上述した本発明の態様によれば、円筒部材の非真円形状のボアの内周面をホーニング加工する場合にも、非真円形状を維持することができるホーニング装置を提供することができる。

関連技術に係るホーニングヘッドの砥石配置を示す上面断面図である。関連技術に係るホーニングヘッドの砥石配置を示す上面断面図である。関連技術に係るホーニングヘッドの砥石配置を示す上面断面図である。実施の形態に係るホーニングヘッドの砥石配置を示す上面断面図である。関連技術に係るホーニングヘッドによるホーニング加工を時系列的に示す上面断面図である。実施の形態に係るホーニングヘッドによるホーニング加工を時系列的に示す上面断面図である。実施の形態に係るホーニング装置を示す正面断面図である。実施の形態に係るホーニングヘッドを示す上面断面図である。実施の形態に係るホーニングヘッドの砥石付近を示す拡大正面断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、以下では、ホーニング加工の加工面となる円筒部材の内周面が、シリンダに形成されるシリンダボアの内周面であるものとして説明する。
＜本実施の形態に係る砥石配置＞
まず、本実施の形態に係るホーニングヘッドの砥石配置について、関連技術と対比して説明する。
特許文献１に開示されたホーニングヘッドのように、ホーニングヘッドの外周に周方向に等配に砥石を設け、各砥石を弾性体で拡径方向に押圧支持する構成の場合、砥石の数によっては、シリンダボアの非真円形状の内周面をホーニング加工する際に、各砥石への押圧力が不均一となり、シリンダボアの内周面が真円化してしまうという問題があった。以下、ホーニングヘッドの砥石配置について、図１〜図４を参照して説明する。

図１〜図３は、関連技術に係るホーニングヘッド１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃの砥石配置を示す上面断面図、図４は、本実施の形態に係るホーニングヘッド１０の砥石配置を示す上面断面図である。なお、図１〜図４は、シリンダボア９０の内周面の非真円形状の一例として楕円形状を示している。また、図１〜図４では、楕円の短軸方向が縦向き、長軸方向が横向きであるものとして説明を行う。

図１に示される関連技術に係るホーニングヘッド１００Ａのヘッド本体１１０Ａの外周には、４つの砥石１２０Ａが周方向に等配に設けられている。しかし、ホーニングヘッド１００Ａの回転軸芯は、４つの砥石１２０Ａの各々から等距離の位置に調芯されていない。そのため、縦向きになった砥石１２０Ａは、砥石１２０Ａを押圧支持する弾性体１３０Ａの長さが短くなっており、弾性体１３０Ａによる押圧力が高くなっている。一方、横向きになった砥石１２０Ａは、砥石１２０Ａを押圧支持する弾性体１３０Ａの長さが長くなっており、弾性体１３０Ａによる押圧力が低くなっている。このように、４つの砥石１２０Ａの各々への押圧力は、不均一になってしまっている。

また、図２に示される関連技術に係るホーニングヘッド１００Ｂのヘッド本体１１０Ｂの外周には、５つの砥石１２０Ｂが周方向に等配に設けられている。しかし、ホーニングヘッド１００Ｂの回転軸芯は、５つの砥石１２０Ｂの各々から等距離の位置に調芯されていない。そのため、縦向き又は略縦向きになった砥石１２０Ｂは、砥石１２０Ｂを押圧支持する弾性体１３０Ｂの長さが短くなっており、弾性体１３０Ｂによる押圧力が高くなっている。一方、略横向きになった砥石１２０Ｂは、砥石１２０Ｂを押圧支持する弾性体１３０Ｂの長さが長くなっており、弾性体１３０Ｂによる押圧力が低くなっている。このように、５つの砥石１２０Ｂの各々への押圧力は、不均一になってしまっている。

また、図３に示される関連技術に係るホーニングヘッド１００Ｃのヘッド本体１１０Ｃの外周には、６つの砥石１２０Ｃが周方向に等配に設けられている。しかし、ホーニングヘッド１００Ｃの回転軸芯は、６つの砥石１２０Ｃの各々から等距離の位置に調芯されていない。そのため、縦向きになった砥石１２０Ｃは、砥石１２０Ｃを押圧支持する弾性体１３０Ｃの長さが短くなっており、弾性体１３０Ｃによる押圧力が高くなっている。一方、略横向きになった砥石１２０Ｃは、砥石１２０Ｃを押圧支持する弾性体１３０Ｃの長さが長くなっており、弾性体１３０Ｃによる押圧力が低くなっている。このように、６つの砥石１２０Ｃの各々への押圧力は、不均一になってしまっている。

このように、ヘッド本体の外周に４つ以上の砥石を周方向に等配に設ける場合、ホーニングヘッドの回転軸芯は各砥石から等距離の位置に調芯されず、各砥石への押圧力が不均一になってしまっている。

これに対して、図４に示される本実施の形態に係るホーニングヘッド１０のヘッド本体１１の外周には、３つの砥石１２が周方向に等配に設けられている。ここで、ホーニングヘッド１０の回転軸芯は、３つの砥石１２の各々から等距離の位置に調芯されており、この調芯は自動的に行われる。そのため、３つの砥石１２は、３つの砥石１２をそれぞれ押圧支持する３つの弾性体１３の長さが略同一となっており、弾性体１３による押圧力が略均一となっている。

＜本実施の形態に係るホーニング加工＞
続いて、本実施の形態に係るホーニングヘッドによるホーニング加工について、関連技術と対比して説明する。
図５は、関連技術に係るホーニングヘッド１００Ｄによるホーニング加工を時系列的に示す上面断面図、図６は、本実施の形態に係るホーニングヘッド１０によるホーニング加工を時系列的に示す上面断面図である。

図５に示される関連技術に係るホーニングヘッド１００Ｄは、ヘッド本体１１０Ｄの外周に６つの砥石１２０Ｄを周方向に等配に設け、６つの砥石１２０Ｄの各々を、拡張コーン１４０Ｄでホーニングヘッド１００Ｄの外周から拡径方向に張り出させており、弾性体は使用していない。また、ホーニングヘッド１００Ｄの回転軸芯は、径方向の位置が一定位置になるように構成されている。

ホーニングヘッド１００Ｄでシリンダボア９０の非真円形状の内周面をホーニング加工する場合、６つの砥石１２０Ｄをホーニングヘッド１００Ｄの外周から拡径方向に張り出した状態で、ホーニングヘッド１００Ｄを回転軸芯を中心に回転させながら（図中では時計回りに回転）、６つの砥石１２０Ｄによりシリンダボア９０の内周面を研削する。このとき、ホーニングヘッド１００Ｄの回転軸芯は、径方向の位置がほぼ一定位置に維持される。

そのため、砥石１２０Ｄは、シリンダボア９０の内周面の凸部に最初に当接し、凸部を先に削ってしまうため、シリンダボア９０の内周面は、非真円形状を維持することができず、真円化してしまう。

これに対して、図６に示される本実施の形態に係るホーニングヘッド１０は、ヘッド本体１１の外周に３つの砥石１２を周方向に等配に設け、３つの砥石１２の各々を弾性体１３で拡径方向に押圧支持する。そのため、ホーニングヘッド１０の回転軸芯は、３つの砥石１２の各々から等距離の位置に自動調芯される。また、ホーニングヘッド１０は、回転軸芯が径方向に移動可能に構成されている。

ホーニングヘッド１０でシリンダボア９０の非真円形状の内周面をホーニング加工する場合、ホーニングヘッド１０を、回転軸芯を中心に回転させつつ（図中では時計回りに回転）、シリンダボア９０の内周面に沿って移動させながら（図中では時計回りに移動）、３つの砥石１２によりシリンダボア９０の内周面を研削する。

そのため、ホーニング加工の間は、ホーニングヘッド１０は、常時、３つの砥石１２の各々とシリンダボア９０の内周面との３つの当接箇所から弾性体１３の反力を受けることになる。そのため、ホーニングヘッド１０の回転軸芯は、３つの当接箇所からの反力が平衡した位置に移動し、３つの弾性体１３に発生する圧縮力は略均一化される。この３点平衡状態は、シリンダボア９０の内周面の凹凸に対応して受動的に発生する。このようなメカニズムにより、ホーニングヘッド１０は、ホーニング加工の間は、回転軸芯を中心に回転しつつ、シリンダボア９０の内周面に沿って移動しながら、常時、回転軸芯が３つの砥石１２の各々から等距離の位置に自動調芯されることになる。その結果、３つの砥石１２は、常時、略同一の押圧力を受けることになるため、シリンダボア９０の内周面の凸部を先に削ってしまうことがなく、加工面の研削量が略均一化される。これにより、シリンダボア９０の内周面の非真円形状を維持することができる。

なお、図４及び図６は、説明を簡略化するため、本実施の形態に係るホーニングヘッド１０を模式的に示したものとなっている。例えば、図４及び図６では、ヘッド本体１１の断面形状は、三角形状になっているが、３つの砥石１２を周方向に等配に設けていれば、ヘッド本体１１の断面形状は、三角形状以外の断面形状（例えば、円形状や六角形状）でも構わない。

＜本実施の形態に係る具体的構成＞
続いて、本実施の形態に係るホーニング装置の具体的な構成について説明する。図７は、本実施の形態に係るホーニング装置の正面断面図、図８は、本実施の形態に係るホーニングヘッド１０の上面断面図、図９は、本実施の形態に係るホーニングヘッド１０の砥石１２付近の拡大正面断面図である。

図７〜図９に示されるように、本実施の形態に係るホーニングヘッド１０のヘッド本体１１には、ホーニングヘッド１０の外周に周方向に等間隔に、かつ、ホーニングヘッド１０の回転軸芯Ｐから等距離の位置に３つの砥石１２が設けられている。

３つの砥石１２の各々は、砥石ホルダー１４に保持される。砥石１２及び砥石ホルダー１４は、固定ピン１８によりシュー１５に取り付けられると共に、弾性体１３により拡径方向へ押圧支持される。これにより、砥石１２及び砥石ホルダー１４は、径方向及び軸方向に移動可能とされている。なお、３つの砥石１２の各々を押圧支持する３つの弾性体１３は、長さ及びばね定数が互いに同じである。

ヘッド本体１１の内部には、軸方向に移動可能な拡張コーン１６が設けられている。拡張コーン１６には、円筒形状の下部部分を下方に向けて縮径方向（径方向の内向き。以下、同じ）に傾斜させた形状の上部側円筒斜面１６１及び下部側円筒斜面１６２が上下に２段形成されている。シュー１５には、下方に向けて縮径方向に傾斜する上部側斜面１５１及び下部側斜面１５２が上下に２段形成されており、上部側斜面１５１には上部側円筒斜面１６１当接し、下部側斜面１５２には下部側円筒斜面１６２が当接する。

拡張コーン１６を軸方向下方に移動させると、拡張コーン１６の上部側円筒斜面１６１及び下部側円筒斜面１６２により、シュー１５の上部側斜面１５１及び下部側斜面１５２が拡径方向に押し広げられ、それにより、３つの砥石１２が拡径方向に押し出される。一方、拡張コーン１６を軸方向上方に移動させると、リバースドウナッツばね１７の収縮力により、シュー１５の上部側斜面１５１及び下部側斜面１５２が縮径方向に引き込まれ、それにより、３つの砥石１２が縮径方向に引き込まれる。

ホーニングヘッド１０は、シリンダボア９０の内部に挿入されて、シリンダボア９０の非真円形状の内周面のホーニング加工するものである。シリンダボア９０にホーニングヘッド１０を挿入する時は、ホーニングヘッド１０の外径をシリンダボア９０の内径よりも小さくする必要があるため、拡張コーン１６を軸方向上方に移動させて、３つの砥石１２を縮径方向に引き込んだ状態で、シリンダボア９０にホーニングヘッド１０を挿入する。そして、シリンダボア９０の内周面のホーニング加工を開始する時は、拡張コーン１６を軸方向下方に移動させて、３つの砥石１２を拡径方向に押し出し、その状態でホーニング加工を開始する。

なお、シリンダボア９０の内周面が形成する非真円は、３つの砥石１２の各々を押圧支持する３つの弾性体１３が自然長である場合における３つの砥石１２の先端が外接する外接円よりも小さく（すなわち、シリンダボア９０の内周面が外接円の内部に包含される）、かつ、３つの弾性体１３が最大限に圧縮された場合における３つの砥石１２の先端が外接する外接円よりも大きい（すなわち、シリンダボア９０の内周面が外接円を包含する）ものであるとする。

ホーニングヘッド１０の回転軸芯Ｐは、径方向に移動可能にホーニング装置の回転機構（不図示）にユニバーサルジョイント（自在継手）２０を介して連結されており、回転機構の回転に応じて径方向に移動する。なお、図７は、ユニバーサルジョイント２０の一例として、フックスジョイントを示しているが、これには限定されない。

ホーニングヘッド１０の回転軸芯Ｐは、径方向に移動可能に構成されている。また、砥石１２は、固定ピン１８及び弾性体１３により、径方向及び軸方向に移動可能に構成されている。そのため、砥石１２は、搖動して傾き、砥石１２のエッジがシリンダボア９０の内周面にあたることによる噛み込みが生じるおそれがある。そこで、シュー１５に、砥石ホルダー１４の外周面を囲むように、隙間１５４を介在させて、搖動抑制壁１５３を設けており、これにより、砥石１２が軸方向には隙間１５４分しか移動できないようにして、砥石１２が傾くことを抑制している。また、砥石１２におけるシリンダボア９０の内周面との当接面側のエッジ１２１を面取りしている。これにより、噛み込みが抑制される。

本実施の形態に係るホーニング装置でシリンダボア９０の非真円形状の内周面をホーニング加工する場合、まず、拡張コーン１６を軸方向上方に移動させて、３つの砥石１２を縮径方向に引き込んだ状態で、シリンダボア９０にホーニングヘッド１０を挿入する。続いて、拡張コーン１６を軸方向下方に移動させて、３つの砥石１２を拡径方向に押し出す。続いて、ホーニングヘッド１０を回転軸芯Ｐを中心に回転させつつ、シリンダボア９０の内周面に沿って移動させながら、３つの砥石１２によりシリンダボア９０の内周面を研削する。

ここで、ホーニング加工の間は、ホーニングヘッド１０は、常時、３つの砥石１２の各々とシリンダボア９０の内周面との３つの当接箇所から弾性体１３の反力を受ける。そのため、ホーニングヘッド１０は、常時、回転軸芯Ｐが３つの砥石１２の各々から等距離の位置に自動調芯されることになる。

従って、３つの砥石１２は、ホーニング加工の間は、常時、略同一の押圧力を受けることになるため、シリンダボア９０の内周面の凸部を先に削ってしまうことがなく、加工面の研削量が略均一化される。これにより、シリンダボア９０の内周面の非真円形状を維持することができる。

ところで、シリンダボア９０の内周面にホーニング加工でクロスハッチを形成する場合、ホーニングヘッド１０を回転軸芯Ｐを中心に回転させつつ、軸方向に往復にスクロール移動させて、ホーニング加工を行う。その場合、シリンダボア９０の内周面の形状の軸方向の変化の大きさに応じて、３つの砥石１２の軸方向の長さを選択することが望ましい。これにより、シリンダボア９０の内周面の形状が軸方向で異なる場合（例えば、シリンダボア９０の内周面が樽形や鼓形である場合）にも、ホーニングパターンに従ってホーニング加工を行うことができる。

また、ホーニングヘッド１０は、３つの砥石１２のみを備えており、砥石１２の数が少ない。そのため、ホーニングヘッド１０を回転軸芯Ｐを中心に回転させつつ、軸方向に往復にスクロール移動させる場合に、ホーニングヘッド１０の回転スクロール比（軸方向の移動速度を、回転速度で除算したもの）が整数であると、砥石１２が移動する経路が往路と復路で同じとなり、ボーリング目残り（ボーリング加工後の粗い加工面が残った状態）が発生し易くなる。そのため、回転スクロール比は、非整数とするか、１回の加工工程の途中で変更すること（例えば、非整数に変更、別の整数に変更等）が望ましい。

また、ホーニングヘッド１０は、砥石１２への押圧力を通常よりも小さくして、１ストロークあたりの研削量を通常よりも減らし、その代わりに、１回の加工工程でのストローク回数を増やすことが望ましい。これにより、加工面の研削量が略均一化されることに寄与する。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１０ホーニングヘッド、１１ヘッド本体、１２砥石、１２１エッジ、１３弾性体、１４砥石ホルダー、１５シュー、１５１上部側斜面、１５２下部側斜面、１５３搖動抑制壁、１５４隙間、１６拡張コーン、１６１上部側円筒斜面、１６２下部側円筒斜面、１７リバースドウナッツばね、１８固定ピン、２０ユニバーサルジョイント（自在継手）、９０シリンダボア

Claims

円筒部材の非真円形状の内周面をホーニング加工するホーニングヘッドを備えるホーニング装置であって、
前記ホーニングヘッドは、前記ホーニングヘッドの外周に周方向に等間隔に、かつ、前記ホーニングヘッドの回転軸芯から等距離の位置に３つの砥石を備え、
前記３つの砥石の各々は、長さ及びばね定数が同じ３つの弾性体の各々により前記ホーニングヘッドに対して拡径方向へ押圧支持されており、
前記円筒部材の内周面が形成する非真円は、前記３つの砥石の各々を押圧支持する前記３つの弾性体が自然長である場合における前記３つの砥石の先端が外接する外接円よりも小さく、かつ、前記３つの弾性体が最大限に圧縮された場合における前記３つの砥石の先端が外接する外接円よりも大きく、
前記ホーニングヘッドの回転軸芯は、径方向に移動可能に前記ホーニング装置の回転機構と連結されており、
前記ホーニングヘッドは、前記ホーニングヘッドの回転軸芯を中心に回転しつつ、前記円筒部材の内周面に沿って移動しながら、前記３つの砥石により前記円筒部材の内周面をホーニング加工し、前記ホーニング加工の間は、常時、前記３つの砥石の各々と前記円筒部材の内周面との３つの当接箇所から前記弾性体の反力を受けながら、前記ホーニングヘッドの回転軸芯が前記３つの砥石から等距離の位置に自動調芯される、
ホーニング装置。