JPH08501830A - 構成部分の表面を処理するための工具 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 構成部分の表面を処理するための工具であって、複数の種々異なる範囲を有しているので、１つの工具を用いて、同時に構成部分の表面の硬化、平滑化および特に寸法正確な加工が可能となる。工具を孔に単純に押し通すことによって、たとえば孔の表面を処理することができる。

Description

【発明の詳細な説明】 構成部分の表面を処理するための工具 背景技術 本発明は、構成部分の表面を処理するための工具に関する。これまで、表面の 処理はホーニング工具またはラッピング工具を用いたホーニング加工またはラッ ピング加工によって実施されている。大量生産のためには、半自動的または全自 動的に作動するホーニングマシンが使用される。この場合に、表面は多段のプロ セスで加工される。しかし、表面の超精密加工に課せられる要求を満たすことは できない。多数の亀裂や溝筋が残ってしまうので、処理された表面は比較的故障 しやすい。 発明の利点 請求項１の特徴部に記載の本発明による工具は、従来のものに比べて次のよう な利点を持っている。すなわち、加工された表面は切削加工されるのではなく、 材料を圧縮しかつ材料表面を閉じるように加工される。これにより、表面の硬化 ・平滑化・圧縮プロセスが実施される。加工された構成部分の得られた寸法精度 は、従来の方法で得られた寸法精度をはるかに凌駕している。表面はほとんど溝 筋を有しないので、処理表面は腐食しにくい。これによって、加工された構成部 分は 比較的高い寿命を有している。 請求項２以下に記載の手段により、請求項１に記載の工具の有利な改良が記載 されている。 図面 以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。第１図は、本発明によ る工具の縦断面図であり、この場合、個々の範囲は、図面を明瞭にする目的で縮 尺通りには図示されていない。第２図および第３図には、第１図に示した実施例 の変化実施例が示されており、第４図には、工具の基本材料における硬質層の層 状の形成が示されている。 実施例の説明 第１図には、符号１０で工具が示されている。この工具は表面を同時に平滑化 しかつ硬化させるために適している。第１図に矢印１１で示した作業方向で見て 、工具１０は始端部にセンタリング範囲１２を有している。このセンタリング範 囲１２は円錐状に先細りになった導入範囲１３を有している。この導入範囲１３ は、たとえば約７゜の傾斜を有している。導入範囲１３は工具を損傷なく、たと えば孔に導入するために役立つ。以下においては、常に孔に関して説明を行なう 。導入範囲１３からセンタリング範囲１２への移行部は極めて精密な曲率半径を 有している。このことは、加工したい表面の損傷を阻止するために必要となる。 センタリング範囲１２自体は円筒状に形成されている。しか し重要なことは、工具１０の軸線と孔の軸線とが整合して、工具１０が孔内でひ っかからないことである。 センタリング範囲１２に続いて、走入範囲１５が設けられている。この走入範 囲１５も傾斜を有している。この傾斜の勾配は０．７〜２．３°である。この勾 配は工具の材料にも、加工したい構成部分、つまりたとえば孔を形成された弁の 材料にも関連している。この勾配の値は現在ではまだ経験により求められなけれ ばならない。前記走入範囲１５は、続いて設けられた作業範囲１７によって穿孔 開始時に、規定されていない掻取りが行なわれることを阻止するために役立つ。 走入範囲１５からは、接線方向範囲１８が作業範囲１７に通じている。この接線 方向範囲１８の経過はほぼ大きな曲率半径に相当しているので、この経過は接線 に相当する。この接線方向範囲１８は、走入範囲１５から作業範囲１７への角張 った移行を回避するために役立つ。接線方向範囲１８が所定の曲率半径を持った 曲面状に形成されていることに基づき、加工したい構成部分の材料の圧縮が既に 生ぜしめられる。上で説明したように望ましくない角張った移行部とは異なり、 接線方向範囲１８の曲率半径に基づき、工具１０の運動方向１１における、マイ クロ域での材料移動は行なわれず、材料はほぼ半径方向外側に、つまり運動方向 １１に対して直角または９０゜に移動させられる。接線方向範囲１８の曲率半径 は構成部分の材料にも、また 工具１０の長さ対直径の割合にも関連している。 続いて設けられた固有の作業範囲１７は円筒状の範囲から成っている。この場 合、この作業範囲の直径は、加工したい孔の所望の直径よりも最大約０．２％だ け大きく形成されている。この増径分は、構成部分の材料と孔の長さとに関連し ている。工具１０に設けられた前記作業範囲１７の幅は、加工したい孔の直径の 約０．４％に相当している。作業範囲１７に続いて、回復補正範囲２０が設けら れている。この回復補正範囲２０は曲線状に形成されている。この回復補正範囲 ２０は構成部分の、前記作業範囲１７によって加工された材料のための回復補正 のために役立つ。回復補正段階は構成部分の孔の表面のマイクロ域で行なわれる 。構成部分の材料は回復補正範囲２０で再び僅かに分布することができる。 回復補正範囲２０の後方には、異物のための捕集凹部２２が設けられている。 この異物は、先行して行なわれた機械的前処理によって孔内に存在している。こ の異物は、たとえば研削粒子であるか、またはその他の汚染物または消費された 液体の成分である。この液体は、さらに下で詳しく説明するように、工具１０を 用いて孔の表面を平滑化するために使用される。捕集凹部２２は所定の曲率半径 を持った曲面状に形成されており、この場合、この曲率半径は工具の直径と長さ とに関連している。数学的に見て合成された曲線の場 合のような、回復補正範囲２０から捕集凹部２２への連続的な移行部は、孔から 工具を損傷なく戻し運動させるために重要となる。続いて設けられた範囲２４は 形状、作用および役目の点で回復補正範囲２０に相当している。捕集凹部２２の 最低点を通るように仮想鏡像軸線が描かれると、捕集凹部２２から範囲２４への 移行部および範囲２４自体は回復補正範囲２０および回復補正範囲２０から捕集 凹部２２への移行部の鏡像対称的な反復を成している。このことは、作業範囲１ ７が回復補正範囲２０に移行するのと同様に、範囲２４が連続的に第２の作業範 囲２６に移行することをも意味する。この作業範囲２６は作業範囲１７の長さの 約６０％の長さしか有していない。しかし作業範囲２６の直径は作業範囲１７の 直径に正確に一致している。作業範囲２６および作業範囲１７の長さを除いて、 捕集凹部２２から範囲２４への移行部と、範囲２４自体と、作業範囲２６との区 域は、作業範囲１７と、回復補正範囲２０と、捕集凹部２２との区域の鏡像対称 的な反復を成している。作業範囲２６および作業範囲１７と作業範囲２６との間 に位置する範囲は、加工したい部分の長さに到達するまでの回数だけ等しく反復 される。反復された作業範囲２６は全て第１の作業範囲１７の長さの６０％の長 さしか有していない。最後の作業範囲２６には、走出範囲３０が続いている。こ の走出範囲３０の勾配は導入範囲１５よりも少しだけ大 きな勾配角度を有している。この勾配角度は３〜７゜である。この走出範囲３０ はやはり構成部分の加工された材料のための膨張範囲として働く。 走出範囲３０から走出円筒体３２への移行部は所定の曲率半径を持った曲面状 に形成されており、これにより工具に対する破断危険が回避される。走出円筒体 ３２の長さはセンタリング範囲１２の長さの約６０％に相当している。走出円筒 体３２の直径は作業範囲１７または２６の直径よりも約０．５〜１％だけ小さく 形成されている。このことは、走出円筒体３２の直径がセンタリング範囲１２の 直径よりも小さく形成されていることをも意味する。しかし個別事例では、この 直径は同じ大きさに形成されていてもよい。 工具１０の終端部は笊底状の球面３４によって形成されている。この笊底状の 球面３４は矢印１１の作業方向における工具１０のための送り運動の力導入およ び力伝達のために役立つ。笊底状の球面３４は、たとえば自動的なプレスを用い た点状の力導入が可能となるように形成されていなければならない。この曲率半 径は経験により求められ、また工具１０の長さと直径とに関連している。数学的 に見て、笊底状の球面３４は工具１０の直径が比較的小さな場合には、３つの曲 率中心を有する球面の形を有している。このことは、笊底状の球面３４の側面が 、所定の曲率半径を持った曲面状の構成の場合よりも急勾配に延びていることを 意味する。このことは特に比較的大きな長さと、比較的小さな直径とを有する工 具において必要となる。さらに、笊底状の球面３４は、この笊底状の球面３４の 先端を通って延びる仮想鏡像軸線に対して鏡像対称的に形成されていると望まし い。 工具の、上で説明した各範囲は、工具の使用とは無関係に常に存在する主要区 分である。工具が、一貫して延びる貫通孔を処理するために使用されると、セン タリング範囲１２は上で説明したように、直接に工具に形成されている。択一的 には、加工したい構成部分にセンタリング範囲を設けることもできる。センタリ ング範囲１２に続いて、さらに工具の作業部分が設けられている。この作業部分 は作業範囲１７から作業範囲２６にまで延びており、この場合、この作業部分は 数回反復される。既に上で説明したように、第１の反復後に作業範囲２６は常に 等しい長さを有しているが、しかしそれぞれ、挿入範囲１５に続いて設けられた 第１の作業範囲１７の長さの６０％の長さしか有していない。前記作業部分は複 数の段から成っており、この場合、個々の段の作業範囲１７および作業範囲２６ はその都度、より大きな直径を有している。この場合に、直径は段毎に線状に増 大するのではなく、作業範囲１７，２６；１７ａ，２６ａの直径の増大は工具の 全長にわたって曲線状に行なわれ、たとえば対数曲線またはポテンシャルに延び る曲線の形を有している。工具 のための正確な経過は経験により求められている。 最後の段、つまり作業範囲２６は、所要の全増径分（増径分もやはり段毎に増 大する）を有する加工された孔の直径に適合されている。この作業範囲２６に続 いて、走出範囲３０と、走出円筒体３２と、笊底状の球面３４とが設けられてい る。 工具の変化実施例では、この工具を盲孔の処理のためにも使用することができ る。この場合には、工具を再び盲孔から引き抜くことが必要となる。このことは 、適当な工具を作用させるために適した範囲を必要とする。このためには、走出 円筒体３２と笊底状の球面３４との間に連行範囲３６が配置されている。この連 行範囲３６は、たとえば２面体または４面体として形成されている。工具１０を 確実に引き抜くためには、規定の粗さを有する連行範囲３６の表面を形成するこ とができる。 さらに別の変化実施例では、工具を用いて孔に座部や肩部を形成することがで きる。このためには工具が作業範囲２６の後方に座部３８を有している。この座 部３８は孔内の所望の座部の寸法に相当している。座部３８の傾斜は構成部分の 材料に関連して、形成したい座部の傾斜よりも約０．５％だけ大きく形成されて いる（このことは材料および構成部分の戻しばね作用に基づき必要となる）。こ の座部３８には、走出円筒体３２が続いている。 当然ながら、噴射弁の座部を形成する目的で、座部を導入範囲１３とセンタリ ング範囲１２との前方に形成することも考えられる。座部４０が前方にずらされ ると、両範囲１３，１２の長さは極めて小さくなるか、または第３図に示したよ うに不要となる。この場合には、作業範囲１７と、上で説明した後続の範囲とが 続いている。さらに、座部を形成するために適当な座部を有する、段付けされた 作業範囲を使用することもできる。上で説明した作業範囲および場合によっては 座部は、工具において任意に互いに組み合わせることができる。 上記工具を用いて表面を硬化させかつ平滑化するためには、工具１０が規定の 材料から製造されていて、しかも特別な方法によって付与された縁部層を有して いなければならない。工具１０の基体５０は均質な微粒子状の組織を有する金属 から成っていなければならない。約２〜１２ｍｍの直径を有する細い工具を製造 したい場合には、高圧焼結半製品、つまり高圧焼結法で製造された支持体が使用 される。比較的太い工具のためには、高出力高速切断鋼（ＨＳＳ）を使用するこ とができる。しかしいずれの場合にも、あとからの作業範囲１７，２６のために 望ましい直径よりも約４０％だけ大きな直径を有する工具が製造される。所望の 直径を越えて突出した、この範囲には、汚染物や脱炭が存在している。この汚染 物や脱炭は細い工具に対し ても、太い工具に対しても、半製品の製造時に生じる。このような直径の４０％ のオーバハングは機械的に、つまりたとえばフライス加工により除去される。し かし、この時に生じた表面はできるだけ平滑であることが望ましい。フライス加 工による除去の後に、中央部には比較的均質な支持材料もしくは基体５０が得ら れる。さらに、この機械的な加工に基づき、工具の残りの材料が圧縮される。こ のことは、粒子が一層良好に互いに溶着して、一層密な組織が形成されることを 意味する。こうして製造された、工具のための半製品は、非金属性の硬質層５１ の形成もしくは被着のための出発材料として役立つ。この硬質層は工具１０の前 記ジオメトリ形状と共に、処理される表面の硬度および平滑度の品質のために重 要となる。 加工段階の終了時では、外壁に、つまり工具の作業面を形成する壁に、非金属 性の硬質層が形成される。しかし、この非金属性の硬質層５１は、上で説明した ような金属性の支持材料５０に被着されなければならない。工具１０の対応する 構造は第４図に示されている。この場合、符号５０で支持材料が示されている。 この支持材料５０は、上で説明した方法で均質な微粒状組織を備えている。この 場合に重要なのは、支持材料５０の表面ができるだけ平滑に形成されていて、し かも全長にわたって寸法安定性を満たしていることである。支持材料５０には、 約０．２〜０．３μｍの厚 さの薄い活性化層５２が被着されている。この活性化層５２は、たとえば白金、 パラジウム、スズ、ニッケル、銀または金から成っている。当然ながら、これら の物質の互いの物質化合物も可能である。この活性化層５２は支持材料５０の外 面全体に網状に載設されている。このことは、この活性化層が閉じていない、つ まり支持材料５０上に完全に閉じた表面を形成していないことを意味する。この 活性化層５２は電解・化学的に被着される。このことは、電解法（物理的方法） に比べて電解質が付加的な浄化の役目をも引き受けることを意味する。 活性化層５２は凝集性であり、軟質材料である。この活性化層５２は支持材料 ５０の材料と凝集結合されていて、同じく後続の純金属層５３とも凝集結合され ると望ましい。この場合に、活性化層５２のイオンは支持材料５０内に拡散する 。これによって、弾性的な中間層が得られる。この中間層は網状体のように、活 性化層５２と支持材料５０とを結合させる。引き続き、活性化層５２には、たと えばチタン、クロム、ホウ素またはタングステンの純金属層５３が被着される。 の純金属層５３はイオン交換およびスパッタリング（ＰＶＤ法、つまり物理蒸着 法）によって被着される。それと同時に、形成された層はアークで溶融結合され る。このことは、活性化層５２に０．３〜０．５μｍの最小層が存在するまで行 なわれる。したがって、こ の純金属層５３は活性化層５２を介して支持材料５０と凝集結合されていて、ま た形成される非金属性の硬質層５１（以下に説明する）とも部分凝集結合されて いる。 純金属層５３がその最小層厚さに達していると、規定の方法で炭素イオンおよ び／または窒素イオンが添加されるので、移行層５４を介して非金属性の硬質層 ５１が形成され得る。炭素イオンもしくは窒素イオンはいわゆるＰＶＤ法（物理 蒸着法）で真空内で、たとえば少なくとも１０^-3バールまたは高真空で導入され る。この場合に、供給された成分窒素および炭素の含量は半径方向外側で見て、 つまり非金属性の硬質層５１に向かって徐々に増大して行く。移行層５４は均質 な非金属性の硬質層５１に移行している。この硬質層は約９５〜９８％の密度を 有している。この非金属性の硬質層５１は金属炭素・炭素化合物もしくは金属炭 素化合物もしくは金属窒素化合物（窒化物合金）から成っている。たとえばチタ ンの場合には、硬質層５１はＴｉＮまたはＴｉ（ＣＮ）から成っていてよい。 上記工具１０を用いて表面を処理するためには、以下に説明するイオン・潤滑 液が使用されなければならない。この液体は、処理したい表面の潤滑と冷却と配 合の役目を有している。これまで、これら３つの過程のためには、それぞれ各役 目に合わせて調整された固有の液体が使用されてきたのに対して、これら３つの 役目はいまや唯１種の液体によって引き受けられる。この液体はその組成および 役目に基づき、イオン・潤滑液と呼ばれる。このイオン・潤滑液は、主として酸 貧有の有機油、たとえばナタネ油から成る担持液を有している。残りの成分は合 成鉱油、たとえば酸貧有の無塩素油である。上記両成分の組合わせに基づき、イ オン・潤滑液の粘度は希液性に、つまり９〜１２Ｃｔｓｔ（ヤンチストークス） の範囲に調節される。正確な組成は、加工したいワークの材料に関連している。 すなわち、有機油の代わりに、無機油を使用することもできる訳である。こうし て準備されたイオン・潤滑液には、少なくとも１５容量％の微細煤と、少なくと も１７容量％の微細黒鉛とが導入される。この混合物は引き続き濾過され（最大 ０．３μｍの粒度）、これにより、できるだけ希液性のイオン・潤滑液が得られ る。さらに、上記両成分微細煤および微細黒鉛の均一な微分配が保証されていな ければならない。 次に、イオン・潤滑液が、加工したいワーク、ひいてはその配合役目に合わせ て調整される。このことは、加工したいワークの材料に良好に配合可能な種々の 金属イオン、たとえばスズ（Ｓｎ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐ ｌ）、ニッケル（Ｎｉ）が添加されることを意味する。こうして製造された液体 は撹拌され、引き続き少量で工具１０に塗布される。この場合、１滴のイオン・ 潤滑液で既に十分となり得 る。上でジオメトリに関しても組成に関しても説明した工具１０およびイオン・ 潤滑液を用いて、次の方法によって表面を処理することができる。 工具１０には、少量のイオン・潤滑液が供給される。引き続き、工具１０は孔 内に導入範囲１３とセンタリング範囲１２とで導入される。工具１０は孔内で極 めて良好にセンタリングされて、自動的なプレスによって孔に押し通される。こ の場合に、孔の表面構造において加熱を得るために、規定の最小速度が必要とな る。この加熱は硬質層５１のため必要となる。硬質の材料は冷たい状態では押通 し時に破断してしまうおそれがある。それに対して加熱状態では、押通し時に材 料補償、つまり加工溝筋の補填が得られる。工具１０の硬質層５１が孔の凹凸状 の個所を越えて移動する場合にも、イオン・潤滑液に基づき、摩擦はほとんど生 じない。このときに自由となるイオンは構成部分の材料内に結合される。この場 合に、イオン・潤滑液によって凝集結合が得られ、これにより構成部分表面の成 分は「もはや脱落することができなくなる」。 座部を形成したい場合の変化実施例では、工具１０の座部が孔の加工したい肩 部に接触するまで工具１０が孔に導入される。次いで、この工具１０は数回回転 させられ、引き続き再び孔から引き出される。 複数の段を有する上記工具は特に、孔が非円形性を有している場合や、または 構成部分の孔の表面が過度 に大きな粗さを有している場合に使用される。種々異なる段は加工したい孔の直 径に対する孔の長さに応じて設定されていなければならない。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．構成部分、特に孔、軸等の表面を処理するための、特に平滑化し、かつ硬 化させるための工具において、導入範囲（１３）と、傾斜を有する走入範囲（１ ５）と、接線方向範囲（１８）とが設けられており、該接線方向範囲（１８）が 、ほぼ移行部なしに第１の円筒状の作業範囲（１７）に通じており、該作業範囲 （１７）の直径が、加工したい構成部分の直径よりも大きく形成されており、さ らに、曲線状の少なくとも１つの回復補正範囲（２０）と、少なくとも１つの凹 部（２２）と、少なくとも１つの第２の回復補正範囲（２４）と、少なくとも１ つの第２の作業範囲（２６）とが設けられており、該第２の作業範囲（２６）の 直径が、前記第１の作業範囲（１７）の直径の約６０％であり、走出範囲（３０ ）が設けられており、該走出範囲（３０）が、前記走入範囲（１５）よりも大き な傾斜角度を有しており、さらに走出円筒体（３２）と笊底状の球面（３４）と が設けられていることを特徴とする、構成部分の表面を処理するための工具。 ２．導入範囲（１３）と走入範囲（１５）との間に、円筒状のセンタリング範 囲（１２）が設けられており、該センタリング範囲（１２）の軸線が、処理した い構成部分の軸線と整合している、請求項１記載の工具。 ３．前記センタリング範囲（１２）が、構成部分の 長さの約３０〜４０％の長さを有している、請求項２記載の工具。 ４．導入範囲（１３）の代わりに高圧座部が設けられており、該高圧座部の傾 斜が、構成部分に設けられる所望の座部よりも大きいか、または小さく形成され ている、請求項１から３までのいずれか１項記載の工具。 ５．第２の作業範囲（２６）の後方に、走出範囲（３０）の代わりに設けられ た高圧座部が続いていて、該高圧座部が走出円筒体（３２）に移行している、請 求項１から３までのいずれか１項記載の工具。 ６．笊底状の球面（３４）が、３つの曲率中心を有する球面の形に形成されて いる、請求項１から５までのいずれか１項記載の工具。 ７．請求項１から６までのいずれか１項記載の工具を用いて構成部分の表面を 処理するための方法において、工具の軸線と、加工したい構成部分の軸線とを互 いに同軸的に収容部内に位置固定し、加工したい構成部分の表面を加熱する目的 で、加工したい構成部分に対して相対的に工具を所定の最小速度で運動させて、 構成部分の加工したい表面を、供給された金属性の異種イオンと配合させること を特徴とする、構成部分の表面を処理するための方法。 ８．構成部分に対して工具を相対運動させる前に、工具に、少なくとも走入範 囲（１５）で、金属性の異 種イオンを含有する液状潤滑剤を被着させる、請求項７記載の方法。 ９．構成部分に対して工具を相対運動させた後に、構成部分の座部縁部に到達 して、工具を不変の圧力および速度で軸線を中心にして少なくとも３６０゜だけ 回転させる、請求項７または８記載の方法。