(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の駆動に連動して回転することにより、前記内燃機関の機関弁を開閉させるカムシャフトの摺動面に対して、油溜まりとして機能する窪み部を加工する摺動面の加工方法において、
前記窪み部の開口面積率を、前記機関弁を前記カムシャフトのカム側に付勢する付勢力に伴って発生する前記摺動面の面圧が大きくなるに従って、漸次小さくする
ことを特徴とする摺動面の加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摺動部材の外周面をなす摺動面に、油溜まりとして機能する窪み部を加工する摺動面の加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両に搭載されるエンジンには、例えば、カムシャフトやクランクシャフト等のような摺動部材（回転体）が、数多く組み込まれている。そして、摺動部材の摺動面と、この摺動面を摺動可能に支持する軸受面との間に、常時、潤滑油を供給することにより、それらの間に発生する摩擦を低減するようにしている。
【０００３】
しかしながら、エンジンの低回転域においては、摺動面と軸受面との間の油圧が低下するため、その潤滑膜を確保することが困難となってしまう。これにより、それらの間に発生する摩擦を十分に低減することができないおそれがある。
【０００４】
そこで、上述したような、所謂、境界潤滑状態における摩擦を低減することを目的として、油溜まりとして機能する窪み部を摺動面に形成するようにした摺動部材が提供されている。そして、このような摺動部材は、例えば、特許文献１，２に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−１３３７０４号公報
【特許文献２】特開２００３−２０５３８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来の摺動部材においては、窪み部を摺動面の全域に亘って一様に形成するようにしているため、摺動面の加工時間を増大させるおそれがある。また、窪み部を摺動面に加工するときには、摺動部材の構成や、この構成に基づく摺動状態を考慮して、窪み部の配置を適切に設定することが得策であると考えられる。
【０００７】
従って、本発明は上記課題を解決するものであって、潤滑性に優れた摺動面を短時間で加工することができる摺動面の加工方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決する本発明に係る摺動面の加工方法は、
内燃機関の駆動に連動して回転することにより、前記内燃機関の機関弁を開閉させるカムシャフトの摺動面に対して、油溜まりとして機能する窪み部を加工する摺動面の加工方法において、
前記窪み部の開口面積率を、前記機関弁を前記カムシャフトのカム側に付勢する付勢力に伴って発生する前記摺動面の面圧が大きくなるに従って、漸次小さくする
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
従って、本発明に係る摺動面の加工方法によれば、窪み部を摺動面の面圧に応じて形成することにより、潤滑性に優れた摺動面を短時間で加工することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施例に係る摺動面の加工方法が適用されるレーザ加工装置の平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ矢視断面図である。
【図３】本発明の一実施例に係るカムシャフトの概略構成図である。
【図４】カムシャフトにおけるカム及び摺動部の拡大図である。
【図５】カムシャフトの回転によるエンジンバルブの開閉動作を示した図であって、（ａ）はエンジンバルブの全閉状態を示した図、（ｂ）はエンジンバルブの全開状態を示した図である。
【図６】カムの回転角度とエンジンバルブのリフト量との間の関係を示した図である。
【図７】カムの回転角度と摺動面の面圧及びディンプルの開口面積率との間の関係を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る摺動面の加工方法について、図面を用いて詳細に説明する。
【実施例】
【００１５】
図３乃至図５に示すように、カムシャフト（被加工物、回転体、摺動部材）５０は、車両用エンジン（内燃機関）の動弁機構４０を構成するものであって、そのエンジンの駆動に連動して回転することにより、動弁機構４０の弁開閉動作を行わせることが可能となっている。そして、図１及び図２に示したレーザ加工装置１においては、上記カムシャフト５０の摺動面８１ａ〜８５ａに対してレーザ加工を行うことにより、当該摺動面８１ａ〜８５ａに、油溜まりとして機能するディンプル（窪み部、油溝）Ｄを加工することが可能となっている。
【００１６】
先ず、カムシャフト５０の構成と、このカムシャフト５０が組み込まれる動弁機構４０の構成及び弁開閉動作とについて、図３乃至図７を用いて詳細に説明する。
【００１７】
図３に示すように、カムシャフト５０は、軸部６１、左右一対からなる４組のカム７１〜７４、及び、摺動部８１〜８５から構成されている。これらカム７１〜７４及び摺動部８１〜８５は、軸部６１の軸方向において、所定の間隔で配置されている。そして、カム７１の軸方向外側には、摺動部８１が配置されており、各組のカム７１〜７４の間には、摺動部８２〜８５が配置されている。即ち、詳細は後述するが、カム７１〜７４と摺動部８２〜８５とは、カムシャフト５０が回転するときに、それぞれ対応関係となるものである。また、カム７１〜７４は、軸部６１の軸心周りにおいて、等角度間隔で配置されている。
【００１８】
更に、図４に示すように、カム７１〜７４は、ベース円部９１とバルブリフト部９２とを有している。そして、ベース円部９１のカム面９１ａと、バルブリフト部９２のカム面９２ａとは、面一で、且つ、連続的に形成されることにより、カム７１〜７４の全体としてのカム面を構成しており、カムシャフト５０と共に回転することにより、エンジンのエンジンバルブ（機関弁）４２を開閉させることが可能となっている。
【００１９】
なお、カム面９１ａの周方向中央部となるカム７１〜７４の基端部は、カムボトム部９１ｂとなっており、カム面９２ａの頂部となるカム７１〜７４の先端部は、カムトップ部９２ｂとなっている。即ち、カムボトム部９１ｂとカムトップ部９２ｂとは、カム７１〜７４の軸心周りにおいて、１８０°ずれて配置されている。
【００２０】
一方、摺動部８１〜８５は、上述したように、その外周面をなす摺動面８１ａ〜８５ａを有している。これら摺動面８１ａ〜８５ａは、カムシャフト５０をエンジン及び動弁機構４０に取り付ける際に、そのエンジンに設けられた軸受の軸受面に回転可能に支持されるものとなっている。
【００２１】
また、図５（ａ），（ｂ）に示すように、動弁機構４０は、上述したカムシャフト５０に加えて、有底円筒形状のバルブタペット（被駆動部材）４１、エンジンバルブ４２、スプリング（付勢手段）４３、及び、円筒形状の固定部材４４とから構成されている。
【００２２】
具体的に、エンジンには、バルブタペット４１がその軸方向に摺動可能に支持されており、このバルブタペット４１の内面には、エンジンバルブ４２の上端が接続されている。このとき、バルブタペット４１の頂面４１ａには、カムシャフト５０におけるカム７１〜４２のカム面９１ａ，９２ａが常に当接されている。
【００２３】
更に、エンジンには、固定部材４４が固定されており、この固定部材４４には、エンジンバルブ４２が挿入されている。そして、バルブタペット４１の内面と固定部材４４の上面との間には、圧縮されたスプリング４３が、その内側にエンジンバルブ４２が挿入された状態で、介在されている。即ち、バルブタペット４１は、スプリング４３の付勢力Ｆにより、その軸方向上方に向けて、常に付勢された状態となっている。これにより、バルブタペット４１の頂面４１ａは、カム面９１ａ，９２ａを常に押圧した状態となっている。
【００２４】
従って、エンジンの駆動に連動して、カムシャフト５０が回転すると、図５（ａ）及び図６に示すように、カム面９１ａがバルブタペット４１の頂面４１ａに転がり接触している期間では、エンジンバルブ４２のリフト量Ｌｖは、カム面９１ａの形状により、０となる。これにより、エンジンバルブ４２は全閉状態となっている。なお、図５（ａ）に示したカムシャフト５０（カム７１〜７４、摺動部８２〜８５）の回転角度θは、０°となっている。
【００２５】
続いて、図５（ｂ）及び図６に示すように、カムシャフト５０が更に回転して、カム面９２ａがバルブタペット４１の頂面４１ａに転がり接触している期間では、エンジンバルブ４２のリフト量Ｌｖは、カム面９２ａの形状により、０から最大となり、その後、最大から０となる。これにより、エンジンバルブ４２は、全閉状態から全開状態に徐々に移行した後、全開状態から全閉状態に徐々に移行する。なお、図５（ｂ）に示したカムシャフト５０（カム７１〜７４、摺動部８２〜８５）の回転角度θは、１８０°となっている。
【００２６】
ここで、上述したように、動弁機構４０の弁開閉動作時においては、バルブタペット４１の頂面４１ａが、スプリング４３の付勢力Ｆによって、回転するカムシャフト５０におけるカム７１〜７４のカム面９１ａ，９２ａを常に押圧することになる。これにより、カムシャフト５０における摺動部８２〜８５の摺動面８２ａ〜８５ａは、これらに対応したカム７１〜７４のカム面９１ａ，９２ａに作用するスプリング４３の付勢力Ｆと同じ大きさで、且つ、同じ向きの力を、面圧Ｐとして、上記軸受面に作用させる。
【００２７】
このような、摺動面８２ａ〜８５ａの面圧特性は、図６に示したエンジンバルブ４２のリフト量特性と同じ傾向を有すこととなり、その面圧Ｐの特性曲線は、図７に示す通りになる。
【００２８】
即ち、図７に示すように、カム面９１ａがバルブタペット４１の頂面４１ａに転がり接触している期間では、摺動面８２ａ〜８５ａの面圧Ｐは最小となる。また、カム面９２ａがバルブタペット４１の頂面４１ａに転がり接触している期間では、摺動面８２ａ〜８５ａの面圧Ｐは、最小から最大に徐々に変化した後、最大から最小に徐々に変化する。
【００２９】
よって、図５乃至図７に示すように、カム面９１ａがバルブタペット４１の頂面４１ａと接触している間では、バルブタペット４１及びエンジンバルブ４２は、スプリング４３の付勢力Ｆによって、押し上げられている。これにより、エンジンバルブ４２のリフト量Ｌｖは０となり、当該エンジンバルブ４２は全閉状態となる。また、摺動面８２ａ〜８５ａの面圧Ｐは最小となる。
【００３０】
次いで、カム面９２ａがバルブタペット４１の頂面４１ａに乗り移ると、バルブタペット４１及びエンジンバルブ４２は、カム面９２ａによって、スプリング４３の付勢力Ｆに抗して、徐々に押し下げられる。これにより、エンジンバルブ４２のリフト量Ｌｖ及び摺動面８２ａ〜８５ａの面圧Ｐは、カム面９２ａのカムトップ部９２ｂがバルブタペット４１の頂面４１ａに近づくに従って、漸次大きくなり、当該エンジンバルブ４２は、徐々に開き始める。
【００３１】
そして、カム面９２ａのカムトップ部９２ｂがバルブタペット４１の頂面４１ａに到達すると（カムシャフト５０の回転角度θが１８０°になったとき）、バルブタペット４１及びエンジンバルブ４２は、カム面９２ａによって、スプリング４３の付勢力Ｆに抗して、更に押し下げられる。これにより、エンジンバルブ４２のリフト量Ｌｖ及び摺動面８２ａ〜８５ａの面圧Ｐは最大となり、当該エンジンバルブ４２は全開状態となる。
【００３２】
次いで、カム面９２ａのカムトップ部９２ｂがバルブタペット４１の頂面４１ａから離れると、バルブタペット４１及びエンジンバルブ４２は、スプリング４３の付勢力Ｆによって、徐々に押し上げられる。これにより、エンジンバルブ４２のリフト量Ｌｖ及び摺動面８２ａ〜８５ａの面圧Ｐは、カム面９２ａのカムトップ部９２ｂがバルブタペット４１の頂面４１ａから遠ざかるに従って、漸次小さくなり、当該エンジンバルブ４２は、徐々に閉り始める。
【００３３】
そして、カム面９１ａがバルブタペット４１の頂面４１ａに乗り移ると、バルブタペット４１及びエンジンバルブ４２は、スプリング４３の付勢力Ｆによって、更に押し上げられる。これにより、エンジンバルブ４２のシフト量Ｌｖは０となり、当該エンジンバルブ４３は全閉状態となる。また、摺動面８２ａ〜８５ａの面圧Ｐは最小となる。
【００３４】
次に、レーザ加工装置１の構成について、図１、図２、図４を用いて詳細に説明する。
【００３５】
図１及び図２に示すように、レーザ加工装置１は、レーザ加工ユニット１１及びワーク装着ユニット１２と、これら各ユニット１１，１２をその上部に備えるベッド１３とから構成されている。
【００３６】
ワーク装着ユニット１２は、上述したカムシャフト５０を、その軸部６１の軸心がＸ軸方向に配置された状態で、着脱可能とするものである。また、レーザ加工ユニット１１は、ワーク装着ユニット１２に装着されたカムシャフト５０に対して、Ｘ軸方向と直交するＺ軸方向から、レーザ加工を行うものとなっている。
【００３７】
レーザ加工ユニット１１の下部には、Ｘ軸移動体２１が設けられており、このＸ軸移動体２１は、ベッド１３の上面において、Ｘ軸方向に移動可能に支持されている。更に、Ｘ軸移動体２１の上面には、Ｚ軸移動体２２がＺ軸方向に移動可能に支持されている。そして、Ｚ軸移動体２２の上部には、レーザ発振器２３が設けられると共に、取付部材２４を介して集光レンズ２５が設けられている。このとき、レーザ発振器２３と集光レンズ２５とは、Ｚ軸方向において、対向するように設けられており、そのレーザ発振器２３から出力されたレーザ光Ｌは、集光レンズ２５を通過することにより集光される。
【００３８】
従って、Ｘ軸移動体２１及びＺ軸移動体２２を駆動させることにより、レーザ発振器２３及び集光レンズ２５をＸ軸方向（カムシャフト５０の軸方向）及びＺ軸方向（カムシャフト５０の径方向）に移動させることができる。
【００３９】
ここで、Ｚ軸移動体２２の駆動は、単に、レーザ発振器２３におけるＺ軸方向の移動及び位置決めに使用するためだけでなく、集光レンズ２５によるレーザ光Ｌの集光位置を調整するためにも使用される。即ち、Ｚ軸移動体２２を駆動させることにより、集光レンズ２５によるレーザ光Ｌの集光位置を、Ｚ軸方向に移動させることができる。また、レーザ発振器２３は、出力するレーザ光Ｌのエネルギ密度、照射時間（出力時間）、照射回数を、調整可能となっている。つまり、レーザ発振器２３から出力するレーザ光Ｌのエネルギ密度、照射時間、照射回数や、集光レンズ２５のＺ軸方向の移動量を調整することにより、レーザ光Ｌを摺動面８１ａ〜８５ａに照射した際に加工されるディンプルＤの径（開口面積）及び深さを調整することができる（図４参照）。
【００４０】
また、ワーク装着ユニット１２のＸ軸方向両側部には、ワーク主軸台３１及びワーク支持台３２がそれぞれ設けられている。これらワーク主軸台３１及びワーク支持台３２は、ベッド１３の上面において、接近及び離間するように、Ｘ軸方向に移動可能に支持されている。
【００４１】
そして、ワーク主軸台３１の内側には、ワーク主軸３１ａが回転可能に支持されており、このワーク主軸３１ａは、所定の回転数で回転駆動すると共に、カムシャフト５０の一端を保持可能となっている。更に、ワーク主軸台３１には、エンコーダ３３が接続されており、このエンコーダ３３は、ワーク主軸３１ａの回転角度（上述した、カムシャフト５０の回転角度θ）を検出可能となっている。
【００４２】
一方、ワーク支持台３２の内側には、センタ部材３２ａが回転可能に支持されている。このセンタ部材３２ａは、ワーク主軸３１ａと同軸上に配置されると共に、カムシャフト５０の他端を保持可能となっている。
【００４３】
従って、ワーク主軸台３１のワーク主軸３１ａと、ワーク支持台３２のセンタ部材３２ａとを、Ｘ軸方向において、接近及び離間させることにより、カムシャフト５０を着脱することができる。また、ワーク主軸３１ａとセンタ部材３２ａとの間でカムシャフト５０を挟持した状態で、ワーク主軸３１ａを回転駆動させることにより、カムシャフト５０をその軸心周りに回転させることができる。このとき、図４に示すように、レーザ発振器２３から出力されたレーザ光Ｌを、集光レン２５により集光して、摺動面８１ａ〜８５ａに照射させることにより、当該摺動面８１ａ〜８５ａに対して、油溜まりとして機能する微細なディンプルＤを加工することができる。
【００４４】
次に、レーザ加工装置１の動作について、図１、図２、図４、図７を用いて詳細に説明する。
【００４５】
図１及び図２に示すように、先ず、カムシャフト５０を、ワーク主軸台３１とワーク支持台３２との間に装着した後、ワーク主軸３１ａを回転駆動させることにより、カムシャフト５０を回転させる。
【００４６】
次いで、Ｘ軸移動体２１及びＺ軸移動体２２を駆動させることにより、レーザ発振器２３及び集光レンズ２５を、カム７１に対応した摺動部８２の摺動面８２ａに対向させる。
【００４７】
そして、摺動面８２ａに加工するディンプルＤの径及び深さに応じて、レーザ光Ｌのエネルギ密度、照射時間、照射回数、集光位置を調整した後、レーザ発振器２３を駆動させることにより、レーザ光Ｌを摺動面８２ａに照射する。これにより、摺動面８２ａに複数のディンプルＤが加工される（図４参照）。
【００４８】
このとき、カムシャフト５０（ワーク主軸３１ａ）の回転角度θを検出しながら、レーザ発振器２３のＸ軸方向の移動、及び、カムシャフト５０（ワーク主軸３１ａ）の回転数を制御することにより、摺動面８２ａに形成されるディンプルＤは、カム７１に作用するスプリング４３の付勢力Ｆに伴って発生する当該摺動面８２ａの面圧Ｐに応じて、加工される。即ち、図７に示すように、摺動面８２ａに形成されるディンプルＤの開口面積率Ｒを、摺動面８２ａの面圧Ｐが大きくなるに従って、漸次小さくする。なお、開口面積率Ｒとは、摺動面８２ａの面積に対するディンプルＤの開口面積の割合を示している。
【００４９】
具体的には、カム面９１ａに対向した摺動面８２ａにおいては、面圧Ｐが最小となるため、ディンプルＤの開口面積率Ｒを最大とする。また、カム面９２ａに対向した摺動面８２ａにおいては、面圧Ｐがカムトップ部９２ｂと対向した位置に向かうに従って、最小から最大に徐々に変化するため、ディンプルＤの開口面積率Ｒを、カムトップ部９２ｂと対向した位置（図５（ｂ）における面圧Ｐを示す矢印の先端付近）に向かうに従って、最大から最小に徐々に変化させる。
【００５０】
よって、摺動面８２ａにおける面圧Ｐが大きくなる部分では、潤滑性よりも強度を確保するために、ディンプルＤの開口面積率Ｒを小さくする。一方、摺動面８２ａにおける面圧Ｐが小さくなる部分では、強度よりも潤滑性を確保するために、ディンプルＤの開口面積率Ｒを大きくする。これにより、ディンプルＤを摺動面８２ａの全域に亘って一様に加工するときよりも、加工時間の短縮化が図られる。
【００５１】
次いで、上述したように、摺動面８２ａに対するレーザ加工が完了すると、同様に、摺動面８３ａ〜８５ａに対するレーザ加工を順次行う。また、摺動面８１ａに対しては、摺動面８２ａと同様に、レーザ加工を行っても構わない。
【００５２】
なお、上述した実施形態においては、レーザ加工装置１により加工される被加工物を、カムシャフト５０としているが、このレーザ加工装置１では、例えば、車両用エンジンに採用されるクランクシャフトを加工することも可能となっている。
【００５３】
従って、カムシャフト５０において、油溜まりとして機能するディンプルＤを、摺動面８１ａ〜８５ａの面圧Ｐに応じて形成することにより、潤滑性に優れた摺動面８１ａ〜８５ａを短時間で加工することができる。また、このように、摺動面８１ａ〜８５ａにディンプルＤを形成することにより、当該摺動面８１ａ〜８５ａにおいて、潤滑性及び強度の両立を図ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は、摺動部材の内周面をなす摺動面に対して、レーザ光を照射して、油溜まりとして機能する窪み部を加工するレーザ加工装置に適用可能である。
【符号の説明】
【００５５】
１      レーザ加工装置
１１      レーザ加工ユニット
１２      ワーク装着ユニット
２３      レーザ発振器
２５      集光レンズ
３１      ワーク主軸台
３２      ワーク支持台
４０      動弁機構
４１      バルブタペット
４１ａ    頂面
４２      エンジンバルブ
４３      スプリング
４４      固定部材
５０      カムシャフト
６１      軸部
７１〜７４      カム
８１〜８５      摺動部
８１ａ〜８５ａ      摺動面
９１      ベース円部
９１ａ    カム面
９１ｂ    カムボトム部
９２      バルブリフト部
９２ａ    カム面
９２ｂ    カムトップ部
Ｌ      レーザ光
Ｄ      ディンプル
θ      回転角度
Ｌｖ    リフト量
Ｆ    付勢力
Ｐ    面圧
Ｒ    開口面積率
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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