JP6766441B2 - ラインボーリングバーの支持構造 - Google Patents

Description

本発明は、ラインボーリングに使用されるラインボーリングバーの支持構造に関する。

例えば、多気筒内燃機関のシリンダヘッドにおける複数のカムシャフト軸受穴を中ぐり加工する場合、これらカムシャフト軸受穴を１本のラインボーリングバーで同時に加工することが行われている。ラインボーリングバーは中ぐり工具の一種であり、複数のカムシャフト軸受穴にそれぞれ対応した複数の加工用バイトを有する。ラインボーリングバーを複数のカムシャフト軸受穴に挿入し、ラインボーリングバーを回転しつつ軸方向に移動させることで、複数のカムシャフト軸受穴を同時に加工することができる。

特開２０１１−８３８６１号公報

ラインボーリングバーは、その軸方向の適宜の箇所において、回転可能かつ軸方向移動可能に支持される。かかる支持を行う支持構造として、ラインボーリングバーの外側に供回り可能に嵌合されたスリーブを、支持体により外周側から支持する構造が考えられる。

他方、被加工物であるシリンダヘッドの厚肉化等により、シリンダヘッドが支持体に干渉し、ラインボーリングが困難になる状況が存在する。

そこで本発明は、かかる事情に鑑みて創案され、その目的は、被加工物と支持体の干渉を抑制することが可能なラインボーリングバーの支持構造を提供することにある。

本発明の一の態様によれば、
ラインボーリングバーに嵌合され、前記ラインボーリングバーに供回り可能に係合されるスリーブと、
前記スリーブが嵌合される支持穴を有し、前記支持穴の内周面により前記スリーブを直接的に回転可能に支持する支持体と、
を備えたことを特徴とするラインボーリングバーの支持構造が提供される。

好ましくは、前記スリーブが炭素鋼から形成され、ＨＲＣ４８〜５２の硬度を有し、
前記支持体が合金工具鋼鋼材から形成され、ＨＲＣ６０〜６５の硬度を有する。

好ましくは、前記スリーブの少なくとも外周面に硬質クロムメッキ層が形成され、
前記支持穴の内周面の凹凸の最大高さが６μｍ以下とされる。

本発明によれば、被加工物と支持体の干渉を抑制することができる。

本実施形態の全体構成を示す部分断面正面図である。 第１可動支持部材の縦断正面図である。 図２の右側面図である。 図２のＩＶ−ＩＶ断面図である。 本実施形態のラインボーリング加工方法を説明するための部分断面正面図である。 本実施形態のラインボーリング加工方法を説明するための部分断面正面図である。 本実施形態のラインボーリング加工方法を説明するための部分断面正面図である。 比較例の第１可動支持部材における図２のＩＶ−ＩＶ断面相当図である。 図５のＩＸ−ＩＸ断面図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

図１は、本実施形態の全体構成を示す部分断面正面図であり、特に、多気筒内燃機関のシリンダヘッド１の複数のカムシャフト軸受穴２を１本のラインボーリングバー３で同時に中ぐり加工する場合の様子を示したものである。本実施形態において、多気筒内燃機関は直列６気筒ディーゼルエンジンであり、シリンダヘッド１は被加工物もしくはワークをなす。但し、内燃機関の気筒数、種類等は任意である。また内燃機関の別の複数の穴、例えばクランクケースの複数のクランクシャフト軸受穴を加工する際にも本発明は適用可能である。さらに被加工物は、シリンダヘッド１に限定されず、内燃機関の部品にも限定されない。様々な被加工物のラインボーリングに本発明は適用可能である。なおラインボーリングバー３はアーバーと称されることもある。

カムシャフト軸受穴２の中心軸（穴軸という）をＣ１で示し、ラインボーリングバー３の中心軸（バー軸という）をＣ２で示す。図１の加工前の初期状態において、これら穴軸Ｃ１とバー軸Ｃ２はほぼ同軸に整列されるが、厳密には、バー軸Ｃ２が穴軸Ｃ１より僅かに下方にオフセットされている。便宜上、これら軸Ｃ１，Ｃ２方向における一端側（図中左側）を後、他端側（図中右側）を前とする。

シリンダヘッド１において、カムシャフト軸受穴２は、各気筒の軸方向両隣に位置する箇所に合計で７つ設けられている。カムシャフト軸受穴２は、シリンダヘッド１上に一体に立設されたベアリング部４と、ベアリング部４上に図示しないボルトにより取り付けられたベアリングキャップ５とにより画成される。詳しくは、カムシャフト軸受穴２は全体として円形であり、ベアリング部４は、カムシャフト軸受穴２の半円形の下半部を画成し、ベアリングキャップ５は、カムシャフト軸受穴２の半円形の上半部を画成する。本実施形態では、ベアリングキャップ５の取付後に形成された円形のカムシャフト軸受穴２の内周面ないし軸受面を、所定の寸法および精度に仕上げるため、ラインボーリングバー３で中ぐり加工するようになっている。

もっとも、ラインボーリングバー３で中ぐり加工する穴の形状および形態は任意である。例えば、ベアリングキャップ５の取付前におけるベアリング部４の半円形の穴のみを中ぐり加工してもよい。また、ベアリングキャップ５をベアリング部４に一体化し、すなわち、シリンダヘッド１に円形のカムシャフト軸受穴２を一体に形成し、この円形のカムシャフト軸受穴２を中ぐり加工してもよい。

シリンダヘッド１は、ワーク昇降台６上に固定され、第１昇降装置（本実施形態では昇降用シリンダ）７により昇降され得るようになっている。

ラインボーリングバー３は、バー軸Ｃ２方向に延びる棒状の部材である。ラインボーリングバー３の後端部は、工作機械（中ぐり盤）の機械主軸８に同軸に固定される。機械主軸８が回転されると、これに伴ってラインボーリングバー３がバー軸Ｃ２回りに回転駆動される。また機械主軸８が軸方向に移動されると、これに伴ってラインボーリングバー３も軸方向に移動される。

ラインボーリングバー３は、その外周面、特に外周面上端から突出されたバイトを有する。本実施形態の場合、１つのカムシャフト軸受穴２の加工を担当する一対もしくは２つのバイト、すなわち荒加工用バイト９と仕上げ加工用バイト１０が設けられている。７つのカムシャフト軸受穴２に対応して、荒加工用バイト９と仕上げ加工用バイト１０の対は合計で７つ設けられている。一対のバイトにおいて、荒加工用バイト９は仕上げ加工用バイト１０より僅かに前方に位置されている。また荒加工用バイト９の突出高さは当然に仕上げ加工用バイト１０の突出高さより低くされている（図２参照）。隣り合うバイト対の軸方向の間隔は、当然に、カムシャフト軸受穴２の軸方向の間隔と等しくされる。

またラインボーリングバー３は、その外周面、特に外周面上端から突出されたキー１１をも有する。キー１１の機能については後述する。キー１１は、バイト９，１０が存在しない軸方向のほぼ全ての領域において軸方向に延在するよう、複数設けられる。キー１１の突出高さは、荒加工用バイト９および仕上げ加工用バイト１０の突出高さより高くされている（図２参照）。

次に、ラインボーリングバー３を支持するための支持構造について説明する。支持構造は、ラインボーリングバー３の軸方向両端部を支持すべくシリンダヘッド１よりも前側および後側にそれぞれ配置された前側固定支持部材２１および後側固定支持部材２２と、ラインボーリングバー３の軸方向中間部を支持すべく、シリンダヘッド１の長さ（前後長）範囲内に配置された複数（本実施形態では３つ）の可動支持部材、すなわち第１、第２および第３可動支持部材２３，２４，２５とを備える。

前側固定支持部材２１および後側固定支持部材２２は、図示しない固定具により外部空間に対し固定され、一定位置に保持される。前側固定支持部材２１および後側固定支持部材２２は互いに同軸に配置される。図１の状態では、ラインボーリングバー３の前端部が後側固定支持部材２２に同軸に挿入され支持されている。従ってこの状態では、前側固定支持部材２１および後側固定支持部材２２がラインボーリングバー３と同軸に整列されることとなる。

前方から順に第１、第２および第３可動支持部材２３，２４，２５が配置される。これら可動支持部材２３，２４，２５は天板２６に取り付けられ、天板２６から吊り下げ支持される。天板２６に第２昇降装置（本実施形態では昇降用シリンダ）２７が連結され、天板２６および可動支持部材２３，２４，２５が第２昇降装置２７により昇降移動される。図１の状態では、可動支持部材２３，２４，２５がカムシャフト軸受穴２よりも上方の位置に待機されている。

軸方向において、第１可動支持部材２３は、前から２番目のカムシャフト軸受穴２の直後の位置に配置され、第２可動支持部材２４は、前から４番目のカムシャフト軸受穴２の直前の位置に配置され、第３可動支持部材２５は、前から６番目のカムシャフト軸受穴２の直前の位置に配置される。これにより、ラインボーリングバー３の軸方向中間部をほぼ均等にバランスよく支持することができる（図６および図７参照）。

前側固定支持部材２１および後側固定支持部材２２ならびに第１、第２および第３可動支持部材２３，２４，２５の構成はほぼ同様である。従って以下、第１可動支持部材２３の構成のみを詳しく説明し、他の支持部材については相違点を中心に説明する。

図２は第１可動支持部材２３の縦断正面図であり、図３は図２の右側面図、すなわち軸方向前方から見たときの図であり、図４は図２のＩＶ−ＩＶ断面図である。なお図２には、ラインボーリングバー３の構成との比較を行い易くするため、便宜上、ラインボーリングバー３の構成の一部を同軸上で併記している。図２には前述の荒加工用バイト９、仕上げ加工用バイト１０およびキー１１が示される。

図２〜図４に示すように、第１可動支持部材２３は、ラインボーリングバー３の外周側に嵌合されるよう構成されたスリーブ３１と、スリーブ３１が同軸に嵌合される支持穴３２を有する支持体３３とを備える。

スリーブ３１は、所定の長さおよび内外径を有する円筒状の部材であり、中心軸（スリーブ軸という）Ｃ３を有する。スリーブ３１は、ラインボーリングバー３の外周面３Ａにスライド可能に嵌合されるよう構成された内周面３４と、支持穴３２の内周面３５に同軸かつスライド可能に嵌合されるよう構成された外周面３６とを有する。スリーブ３１の内周面３４、特に図示例におけるその上端には、スリーブ軸Ｃ３の軸方向全長に延びるキー溝３７が形成される。このキー溝３７に、ラインボーリングバー３のキー１１がスライド挿入されることで、スリーブ３１は、ラインボーリングバー３に供回り可能に係合される。

支持体３３は、スリーブ３１を外周側から取り囲んでスリーブ３１を軸方向および回転方向にスライド可能に支持する。支持体３３は支持穴３２を有し、支持穴３２は支持体３３を軸方向に貫通して形成される。特に、支持穴３２の内周面３５は、スリーブ３１の外周面３６全体に面接触させられる。よって支持体３３は、支持穴３２の内周面３５により、スリーブ３１を直接的に回転可能に支持する。支持体３３の上面には、前記天板２６の下面に取り付けられるための取付面３８が形成される。

支持体３３の前面および後面には、スリーブ３１が支持穴３２から抜け出るのを防止するため、リング状のカバー３９が複数のボルト４０により取り付けられている。カバー３９の内径は、スリーブ３１の内周面３４の内径より大きく、キー溝３７の内径より大きいが、スリーブ３１の外周面３６の外径および支持穴３２の内周面３５の内径より小さくされている。またカバー３９の外径は、支持体３３の前面または後面から半径方向外側にはみ出さないように設定されている。

図３および図４から理解されるように、シリンダヘッド１の上面との干渉を避けるため、支持穴３２の最下端位置より下側に位置する支持体３３の高さ方向の肉厚ｔは薄くされ、かつ、支持体３３およびカバー３９の下端面は略水平に形成されている。その他の部位でも、支持体３３およびカバー３９は、シリンダヘッド１との干渉を避けるような形状に形成されている。

第１可動支持部材２３の構成は以上の通りであるが、第２および第３可動支持部材２４，２５の構成は、正面視（図１）における支持体３３の形状が異なるのみで、他の点は同様である。図１に示すように、シリンダヘッド１の前後両側に配置された前側固定支持部材２１および後側固定支持部材２２については、それらの下方のスペースに若干余裕があることから、支持穴３２の下側の支持体３３の肉厚が第１可動支持部材２３よりも大きくされている。他の点は第１可動支持部材２３と同様である。

次に、本実施形態におけるラインボーリング加工方法を説明する。

図１に示す初期状態において、バー軸Ｃ２は穴軸Ｃ１より僅かに下方にオフセットされ、従って前側および後側固定支持部材２１，２２のスリーブ軸Ｃ３も穴軸Ｃ１より僅かに下方にオフセットされている。つまり、ラインボーリングバー３の上端に位置する荒加工用バイト９、仕上げ加工用バイト１０およびキー１１が、ベアリングキャップ５に干渉せず、カムシャフト軸受穴２内を軸方向に通過できるよう（詳しくは後述）、カムシャフト軸受穴２に対するラインボーリングバー３の相対高さ位置が設定されている。ラインボーリングバー３の前端部が、後側固定支持部材２２のスリーブ３１内に挿入され、ラインボーリングバー３の外周面から突出するキー１１が同スリーブ３１のキー溝３７内に挿入されている。

次に図５に示すように、第２昇降装置２７により天板２６が下降され、第１〜第３可動支持部材２３〜２５のスリーブ軸Ｃ３がバー軸Ｃ２ならびに前側および後側固定支持部材２１，２２のスリーブ軸Ｃ３と同軸となるよう、第１〜第３可動支持部材２３〜２５が配置される。

次に図６に示すように、機械主軸８およびラインボーリングバー３が軸方向前方に移動すなわち前進される。このときラインボーリングバー３は、複数のカムシャフト軸受穴２および第１〜第３可動支持部材２３〜２５のスリーブ３１に次々と挿入される。そして最終的に、ラインボーリングバー３の前端部が前側固定支持部材２１のスリーブ３１に挿入される。これによりラインボーリングバー３は、その前端部、後端部および中間部において、各支持部材２１〜２５により回転自在に支持される。この挿入過程において、バイト９，１０およびキー１１がキー溝３７内を軸方向に通過する。

挿入が完了すると、各支持部材２１〜２５において、ラインボーリングバー３のキー１１が、対応するスリーブ３１のキー溝３７に挿入され、スリーブ３１がラインボーリングバー３に供回り可能に係合ないし連結される。

次に図７に示すように、第１昇降装置７によりワーク昇降台６が下降され、シリンダヘッド１の高さ位置が、前述のオフセット分だけ僅かに下降される。これにより穴軸Ｃ１が、バー軸Ｃ２と同軸に整列されることとなる。

この後、図示しないが、機械主軸８およびラインボーリングバー３がバー軸Ｃ２回りに回転駆動されると共に、機械主軸８およびラインボーリングバー３がバー軸Ｃ２の方向に前進移動される。これにより、複数のカムシャフト軸受穴２が、各々を担当する一対のバイトにより同時に中ぐり加工される。このとき、まず荒加工用バイト９による荒加工が行われ、次いで仕上げ加工用バイト１０による仕上げ加工が行われる。こうしてカムシャフト軸受穴２は、所定の寸法および精度に仕上げられることとなる。

次に、本発明の着想前に想定された比較例と比較しつつ、本実施形態の利点と構成の詳細とを説明する。

図８に示すように、比較例においては、支持部材（図示例では第１可動支持部材２３）におけるスリーブ３１と支持穴３２の間に、円筒状ブッシュ５０が相対回転可能に介設されていた。つまり支持体３３は、ブッシュ５０を介してスリーブ３１を間接的に回転可能に支持する。このブッシュ５０があるため、支持体３３が本実施形態よりも大きくなり、支持穴３２の最下端位置より下側において、仮想線で示すように、支持体３３がシリンダヘッド１と干渉してしまっていた。

こうした干渉が生じると、ラインボーリングを行うこと自体が困難になり、あるいは実質的に不可能になるという問題がある。

特に、シリンダヘッド１に追加で別の装置もしくは機構（例えば圧縮解放ブレーキ機構）を搭載する必要性から、シリンダヘッド１の剛性向上のためその厚肉化を行うと、かかる干渉が生じ易くなる。

しかしながら本実施形態では、ブッシュ５０を省略し、スリーブ５０を支持体３３により直接的に回転可能に支持するようにしたため、支持体３３をより小型化でき、シリンダヘッド１との干渉を抑制ないし防止することができる。そしてラインボーリングを確実に実行可能とすることができる。

例えば、スリーブ軸Ｃ３から、上下方向に延びる垂直線上での支持体３３の下端位置までの半径方向距離に関し、比較例では図８に示すようにＲ２であったのに対し、本実施形態では図４に示すように、Ｒ２より小さいＲ１に短縮できた。

ところで、ブッシュ５０を省略すると、ラインボーリングの最中に、支持穴３２の内周面３５とスリーブ３１の外周面３６とが直接的に接触して相対的にスライド回転するため、それらの一方または両方の焼き付きおよび早期摩耗が懸念される。そこで本実施形態では、かかる焼き付きおよび早期摩耗を抑制ないし防止するため、次の対策を施している。

まず、スリーブ３１の材質に関し、比較例の合金工具鋼鋼材もしくはダイス鋼（例えばＳＫＤ１１）を、本実施形態では炭素鋼（例えばＳ４５Ｃ）に変更した。また支持体３３の材質に関し、比較例のクロムモリブデン鋼鋼材（例えばＳＣＭ４３５）を、本実施形態では合金工具鋼鋼材（例えばＳＫＤ１１）に変更した。支持体３３の材質を変更した理由は、支持体３３の焼き入れ後の硬度を向上させるためである。スリーブ３１の材質を変更した理由は、支持体３３の材質と異ならせ、かつできるだけ高い焼き入れ後の硬度を得るためである。同種の材質を選定してしまうと、かじりが生じ易くなるため、スリーブ３１の材質を支持体３３の材質と異ならせ、かじりを抑制ないし防止するようにしている。

スリーブ３１および支持体３３ともに焼き入れがなされるが、その焼き入れ後の硬度については、比較例のスリーブ３１がＨＲＣ（ロックウェル硬さ）５５〜６０であるのに対し、本実施形態のスリーブ３１はＨＲＣ４８〜５２である。また比較例の支持体３３がＨＲＣ２３〜２８であるのに対し、本実施形態の支持体３３はＨＲＣ６０〜６５であり、硬度が向上されている。

また、比較例のスリーブ３１では表面処理がなされないのに対し、本実施形態のスリーブ３１では表面処理がなされる。本実施形態では、スリーブ３１の表面全体にメッキ処理が施され、硬質クロムメッキ層が形成される。そして硬質クロムメッキ層の表面全体がさらにバフ仕上げされる。なお、焼き付きおよび早期摩耗が懸念されるのはスリーブ３１の特に外周面３６であることから、かかる外周面３６のみに硬質クロムメッキ層を形成し、かつバフ仕上げしてもよい。このように、スリーブ３１の少なくとも外周面３６に、バフ仕上げ表面を有する硬質クロムメッキ層が形成される。こうした表面処理を行うことにより、摩擦を低減し、焼き付きおよび早期摩耗を効果的に抑制することができる。

他方、支持穴３２の内周面３５の表面仕上げも、比較例から本実施形態にかけて変更されている。比較例および本実施形態ともに、その粗さは６−Ｓ、すなわち凹凸の最大高さが６μｍ以下とされる。しかしながらその仕上げ加工方法は、比較例ではボーリング加工であるのに対し、本実施形態では研磨仕上げに変更されている。これにより面粗度の向上を図れる。

なお、比較例のブッシュ５０の材質はガンメタルもしくは鉛青銅鋳物（例えばＬＢＣ）である。これに対し本実施形態ではブッシュ５０が省略される。

このように、外形、もしくはスリーブ軸Ｃ３を基準とする外径を縮小した支持体３３を備える本実施形態の支持構造によれば、図９に示すように、厚肉化されたシリンダヘッド１の場合であっても、可動支持部材２３〜２５（図は可動支持部材２５のみ示す）の支持体３３とシリンダヘッド１の干渉を回避でき、両者間に隙間を確保することができる。よってラインボーリングを確実に実行可能とすることができる。なお図９は、可動支持部材２３〜２５の支持体３３とシリンダヘッド１が最も接近される図５の状態を示し、具体的には図５のＩＸ−ＩＸ断面図である。

以上、本発明の実施形態を詳細に述べたが、本発明は以下に述べるような他の実施形態も可能である。

（１）例えば、中間の可動支持部材２３〜２５の数、配置等は必要に応じて任意に変更可能である。

（２）前側固定支持部材２１および可動支持部材２３〜２５を省略し、後側固定支持部材２２のみでラインボーリングバー３を片持ち支持することも可能である。

（３）本発明の構成は、被加工物との干渉が問題となる支持部材に適用するのが好適である。かかる支持部材は、上記実施形態では可動支持部材２３〜２５であったが、それが固定支持部材２１，２２であれば、固定支持部材２１，２２に本発明の構成を適用するのが当然に好ましい。

本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本発明に含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

３ ラインボーリングバー
３１ スリーブ
３２ 支持穴
３３ 支持体
３５ 内周面
３６ 外周面

Claims (3)

1. 被加工物において軸方向に配置された複数の穴を同時に中ぐり加工するためのラインボーリングバーの支持構造であって、
   前記ラインボーリングバーの軸方向両端部を支持すべく前記被加工物よりも軸方向前側および後側にそれぞれ配置される第１支持部材と、
   前記ラインボーリングバーの軸方向中間部を支持すべく前記被加工物の長さ範囲内に配置され、前記被加工物の上面上に隙間を隔てて配置される第２支持部材と、
   を備え、
   前記第１支持部材および前記第２支持部材は、
   前記ラインボーリングバーに嵌合され、前記ラインボーリングバーに供回り可能に係合されるスリーブと、
   前記スリーブが嵌合される支持穴を有し、前記支持穴の内周面により前記スリーブを直接的に回転可能に支持する支持体と、
   を備え、
   前記第２支持部材における前記支持体の下端面は略水平に形成され、
   前記第２支持部材において前記支持穴の最下端位置より下側に位置する前記支持体の高さ方向の肉厚は、前記第１支持部材において前記支持穴の最下端位置より下側に位置する前記支持体の高さ方向の肉厚より小さい
   ことを特徴とするラインボーリングバーの支持構造。
2. 前記第２支持部材は、軸方向における前記穴の間の位置に複数配置される
   ことを特徴とする請求項１に記載のラインボーリングバーの支持構造。
3. 前記被加工物は、ワーク昇降台上に固定されると共に第１昇降装置により昇降可能とされ、
   前記ラインボーリングバーは、前記後側の第１支持部材より軸方向後方の位置で工作機械の機械主軸に同軸に固定され、
   前記前側および後側の第１支持部材は、固定具により外部空間に対して固定され、
   前記第２支持部材は、天板から吊り下げ支持されると共に第２昇降装置により昇降可能とされる
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のラインボーリングバーの支持構造。

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