(57)【要約】【課題】円形孔の内周面に対して深さが変化しない微細凹部を形成することができ、加工コストの低減をも実現可能である微細凹部加工装置及び微細凹部加工方法を提供する。【解決手段】主軸３と、主軸２に同軸装着されて一体で回転し且つ軸方向に移動可能としたホルダ１０と、外周部に微細な凹凸を具備した加工ローラ１１と、ホルダ１０に設けられて主軸３と平行を成すローラ軸回りに加工ローラ１１を回転可能に支持するアーム１２と、アーム１２に対して加工ローラ１１の径方向の荷重を付与して中心軸をホルダ１０の回転軸Ｌに合致させたシリンダボアＢの内周面Ｂａに加工ローラ１１の微細な凹凸を押し付ける圧縮コイルばね２０と、主軸３の回転速度を検出するロータリエンコーダ５と、主軸３の回転速度の変化に基づいて、加工ローラ１１の加工中の実際押付け荷重を略一定にすべく、圧縮コイルばね２０からの径方向荷重を変化させる制御部６設けた。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円形孔の内周面に微細凹部を形成する微細凹部加工装置であって、主軸と、この主軸に同軸装着されて一体で回転するホルダと、外周部に微細な凹凸を具備した加工ローラと、上記ホルダに設けられて主軸と平行を成すローラ軸回りに加工ローラを回転可能に支持するローラ支持部と、このローラ支持部に対して加工ローラの径方向の荷重を付与して中心軸を上記ホルダの回転軸に合致させた円形孔の内周面に加工ローラの微細な凹凸を押し付ける荷重発生手段と、上記主軸の回転速度を検出する回転速度検出手段を備えていることを特徴とする微細凹部加工装置。
【請求項２】
回転速度検出手段で検出した主軸の回転速度の変化に基づいて、円形孔の内周面に作用する加工ローラの加工中における実際押付け荷重を略一定にすべく、荷重発生手段からローラ支持部に対して付与する径方向の荷重を変化させる制御部を備えている請求項１に記載の微細凹部加工装置。
【請求項３】
回転速度検出手段をロータリエンコーダとした請求項１又は２に記載の微細凹部加工装置。
【請求項４】
円形孔と加工ローラとを軸方向に相対的に移動させる軸方向移動手段を備えている請求項１〜３のいずれか一つの項に記載の微細凹部加工装置。
【請求項５】
ローラ支持部と、このローラ支持部に支持される加工ローラと、上記ローラ支持部に対して加工ローラの径方向の荷重を付与する荷重発生手段とをホルダの回転軸と直交する方向に一体的に移動させる径方向移動手段をホルダに設けた請求項１〜４のいずれか一つの項に記載の微細凹部加工装置。
【請求項６】
荷重発生手段を圧縮コイルばねとした請求項５に記載の微細凹部加工装置。
【請求項７】
荷重発生手段をアクチュエータとした請求項１〜５のいずれか一つの項に記載の微細凹部加工装置。
【請求項８】
ローラ支持部に付与した径方向の荷重を検出する荷重検出手段を備えている請求項１〜６のいずれか一つの項に記載の微細凹部加工装置。
【請求項９】
荷重検出手段をロードセルとした請求項８に記載の微細凹部加工装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかに記載の微細凹部加工装置を用いて円形孔の内周面に微細凹部を形成するに際して、主軸に同軸装着したホルダの回転軸を円形孔の中心軸に合致させた後、荷重発生手段により円形孔の内周面に加工ローラの微細な凹凸を押し付けると共にホルダを回転させ、回転速度検出手段で検出した主軸の回転速度の変化に対応して、円形孔の内周面に作用する加工ローラの加工中における実際押付け荷重を略一定にすべく、荷重発生手段からローラ支持部に対して付与する径方向の荷重を変化させることを特徴とする微細凹部加工方法。
【請求項１１】
加工中に円形孔と加工ローラとを軸方向に相対的に移動させる請求項１０に記載の微細凹部加工方法。
【請求項１２】
請求項１〜９のいずれかに記載の微細凹部加工装置を用いて加工された微細凹部を円形孔の内周面に有することを特徴とする被加工物。
【請求項１３】
請求項１〜９のいずれかに記載の微細凹部加工装置を用いて加工された微細凹部をシリンダボアの内周面に有することを特徴とするシリンダブロック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、自動車用エンジンのシリンダブロックにおけるシリンダボア（円形孔）の内周面に、低フリクション化を実現するための微細な凹部（油だまり）を形成するのに用いられる微細凹部加工装置及び微細凹部加工方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、上記したようなシリンダブロックのシリンダボアの内周面に微細凹部を形成する場合には、ショットブラストが多く採用されている。このショットブラストでは、シリンダボアの内周面に所定形状の透孔を有するマスキングシートを貼り付けた後、セラミックス等の小径粒子をシリンダボアの内周面に向けて圧縮空気とともに投射することで、内周面の透孔を通して露出している部分に凹部を形成するようにしている。
【０００３】
そして、凹部を形成した後は、マスキングシートを取り外して洗浄するのに続いて、再びホーニングを行うことにより、上記ショットブラスト加工で凹部の周囲に生じた盛上り部分を除去するようにしている。
【特許文献１】特開２００２−３０７３１０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記したようなショットブラストを用いた微細凹部の形成にあっては、微細な凹部を規則的に配置することが困難であり、加えて、円形孔の内周面に対するマスキングシートの貼り付け工程及び取り外し工程、並びに、洗浄工程が不可欠であって、このような作業が多い分だけ、加工コストが高くついてしまうという問題があり、これらの問題を解決することが従来の課題となっていた。
【０００５】
本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたものであり、円形孔の内周面に対して精度良好に微細凹部を形成することができると共に、加工コストの低減を実現することが可能である微細凹部加工装置及び微細凹部加工方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、円形孔の内周面に微細凹部を形成する微細凹部加工装置であって、主軸と、この主軸に同軸装着されて一体で回転するホルダと、外周部に微細な凹凸を具備した加工ローラと、上記ホルダに設けられて主軸と平行を成すローラ軸回りに加工ローラを回転可能に支持するローラ支持部と、このローラ支持部に対して加工ローラの径方向の荷重を付与して中心軸を上記ホルダの回転軸に合致させた円形孔の内周面に加工ローラの微細な凹凸を押し付ける荷重発生手段と、上記主軸の回転速度を検出する回転速度検出手段、例えば、ロータリエンコーダを備えている構成としたことを特徴としており、この微細凹部加工装置の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。
【０００７】
また、本発明の微細凹部加工方法は、上記した微細凹部加工装置を用いて円形孔の内周面に微細凹部を形成するに際して、主軸に同軸装着したホルダの回転軸を円形孔の中心軸に合致させた後、荷重発生手段により円形孔の内周面に加工ローラの微細な凹凸を押し付けると共にホルダを回転させ、回転速度検出手段で検出した主軸の回転速度の変化に対応して、円形孔の内周面に作用する加工ローラの加工中における実際押付け荷重を略一定にすべく、荷重発生手段からローラ支持部に対して付与する径方向の荷重を変化させる構成としたことを特徴としており、この微細凹部加工方法の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。
【０００８】
上記した微細凹部加工装置において、加工ローラを回転可能に支持するローラ支持部及びこのローラ支持部に対して加工ローラの径方向の荷重を付与する荷重発生手段を含めた機能部分の重心は、ホルダの回転軸に対して加工ローラ側に位置しているので、主軸の回転速度の変化に伴って、円形孔の内周面に作用する加工ローラの加工中における実際押付け荷重が変化する。
【０００９】
この加工ローラの実際押付け荷重と微細凹部の深さとは、図４のグラフに示す比例関係にあり、また、主軸の単位時間当たりの回転数と加工ローラに作用する遠心力とは、図５に示す関係にあり、主軸の単位時間当たりの回転数が増せば（主軸の回転速度が大きくなれば）、加工ローラに作用する遠心力は増大する。
【００１０】
加工開始から加工終了に至るまでの主軸の単位時間当たりの回転数は、図６に示すように推移し、加工開始時及び加工終了時はいずれも０である。この際、上記したように、加工中の加工ローラには遠心力が作用するので、図７に示すように、荷重発生手段からローラ支持部に対して付与する径方向の荷重を一定に保つと、図８に示すように、円形孔の内周面に作用する加工ローラの実際押付け荷重は、遠心力が加味される分だけ大きくなり、その結果、図９に示すように、加工ローラの実際押付け荷重と比例関係にある微細凹部の深さも変化してしまう。
【００１１】
そこで、本発明では、主軸の単位時間当たりの回転数の変化に伴って、図１０に示すように、荷重発生手段からローラ支持部に対して付与する径方向の荷重を変化させることで、図１１に示すように、円形孔の内周面に作用する加工ローラの加工中における実際押付け荷重を略一定に保持するようにしており、これにより、微細凹部の深さが変化するのを回避し得ることとなる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、円形孔の内周面に作用する加工ローラの加工中における実際押付け荷重を略一定に保つことができるので、すなわち、円形孔の内周面に対して加工ローラの微細な凹凸をほぼ一定した荷重で押し付けることができるので、主軸を高速で回転させて加工することができると共に、円形孔の内周面に溝状のみならずディンプル状の微細凹部を深さのばらつきなくしかも効率良く形成することが可能であり、加えて、微細凹部を加工する前の加工面仕上げ工程を省略することができるので、加工コストの大幅な低減をも実現することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の微細凹部加工装置において、回転速度検出手段で検出した主軸の回転速度の変化に基づいて、円形孔の内周面に作用する加工ローラの加工中における実際押付け荷重を略一定にすべく、荷重発生手段からローラ支持部に対して付与する径方向の荷重を変化させる制御部を備えている構成とすることが可能であり、この場合には、微細凹部加工の自動化を実現したうえで、加工精度を大幅に向上させ得ることとなる。
【００１４】
また、本発明の微細凹部加工装置において、円形孔と加工ローラとを軸方向に相対的に移動させる軸方向移動手段を備えている構成を採用することができ、この構成を採用すると、円形孔の内周面に広範囲わたって微細凹部を形成し得ることとなる。
【００１５】
さらに、本発明の微細凹部加工装置において、ローラ支持部と、このローラ支持部に支持される加工ローラと、上記ローラ支持部に対して加工ローラの径方向の荷重を付与する荷重発生手段とをホルダの回転軸と直交する方向に一体的に移動させる径方向移動手段をホルダに設けることができ、この場合には、加工する円形孔の内径の変化に対応し得ることとなるのに加えて、荷重発生手段の荷重付与量を調整し得ることとなる。
【００１６】
この際、構造の簡略化を図るうえで、荷重発生手段として圧縮コイルばねを用いることが望ましいが、荷重付与量を簡単且つ自在にコントロールすることができるようにするためには、荷重発生手段として空圧又は油圧のアクチュエータを用いることが望ましい。
【００１７】
さらにまた、本発明の微細凹部加工装置において、ローラ支持部に付与した加工ローラの径方向の荷重を検出するロードセル等の荷重検出手段を備えた構成とすることが望ましく、この場合には、円形孔の内周面に対する加工ローラの押し付け荷重を常時モニタリングすることができるので、より精度の高い微細凹部の加工がなされることとなる。
【００１８】
一方、本発明の微細凹部加工方法において、加工中に円形孔と加工ローラとを軸方向に相対的に移動させることが望ましく、この場合には、円形孔の内周面に広範囲わたって微細凹部を形成し得ることとなり、加えて、加工ローラの微細な凹凸の形状や、ホルダの回転数や円形孔に対する加工ローラの送り量を制御すれば、円形孔の内周面に自由なパターンの微細凹部を形成し得ることとなる。
【実施例】
【００１９】
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００２０】
図２に示すように、この微細凹部加工装置１は、自動車用エンジンのシリンダブロックの円形孔であるシリンダボアの内周面に微細凹部を形成するＮＣ工作機械であって、鉛直方向に移動可能な軸方向移動手段としての主軸ヘッド２に下向きに突出した状態で支持される主軸３と、主軸ヘッド２の下方において水平面内で互いに直交する二軸方向に移動可能としたワーク載置用のテーブル４と、主軸３に同軸に装着されて一体で回転するホルダ１０を備えており、ホルダ１０の主軸３に対する着脱は、図示しない自動工具交換装置によりなされるようになっている。
【００２１】
上記ホルダ１０は、図１に示すように、主軸３に装着する部位であるシャンク部１０Ａ及びその下側に連続するボディ部１０Ｂを有しており、このボディ部１０Ｂの下側には、外周部に微細な凹凸を具備した加工ローラ１１と、この加工ローラ１１を回転可能に支持するローラ支持部としてのアーム１２と、このアーム１２を保持するハウジング１３が設けてある。加工ローラ１１は、材料がとくに限定されるものではないが、例えば、超硬、超硬以外の硬質金属やアルミナ、窒化珪素等のセラミックスなどから成るものであって、シリンダボアＢの直径よりも小さい直径を有している。
【００２２】
上記加工ローラ１１を支持するアーム１２は、主軸３とオフセットした位置に平行に設けられて加工ローラ１１を固定した支持軸１４と、複列アンギュラ玉軸受１５を介して支持軸１４を回転可能に支持する支持部材１６を備えている。一方、ハウジング１３は、ボディ部１０Ｂにアダプタ１０Ｃを介して連結した中空ブロック状を成すものであって、下端側中空部分にはスプラインナット１７が嵌合固定してあり、このスプラインナット１７と、上記支持部材１６に連結させたスプラインシャフト１８とを互いにスプライン結合することで、アーム１２を主軸３と直交する方向に移動させることができるようにしている。
【００２３】
上記アーム１２の支持部材１６と、ハウジング１３の上端側中空部分に嵌めこんだキャップ１９との間には、荷重発生手段としての圧縮コイルばね２０が介装してあり、アーム１２の支持部材１６に対して主軸３と直交する方向（加工ローラ１１の径方向）の荷重を付与することで、中心軸を上記ホルダ１０の回転軸Ｌに合致させたシリンダボアＢの内周面Ｂａに加工ローラ１１の微細な凹凸を押し付けるようにしている。この場合、キャップ１９と圧縮コイルばね２０との間には、荷重検出手段としての圧電型のロードセル２１が設けてあり、加工ローラ１１，アーム１２，ハウジング１３及び圧縮コイルばね２０を含む機能部分の重心は、ホルダ１０の回転軸Ｌに対して加工ローラ１１側に設定してある。
【００２４】
また、ハウジング１３内のスプラインナット１７とスプライン結合するスプラインシャフト１８の支持部材１６とは反対側には、スプラインシャフト１８の直径よりも大径で且つウレタン樹脂などの軟質材料から成る止め具２２が固定してあり、この止め具２２は、圧縮コイルばね２０の伸びを抑えると共に、この圧縮コイルばね２０が伸びきった際の衝撃を緩和し、そして、ハウジング１３からアーム１２が脱落するのを阻止するものとなっている。
【００２５】
さらに、圧縮コイルばね２０とロードセル２１の間には、圧縮コイルばね２０に予圧を与える調整駒２３が設けてあり、この調整駒２３の長さ（圧縮コイルばね２０の伸縮方向の長さ）を選択することで、予圧力を調整することができるようにしてある。なお、ロードセル２１は、調整駒２３との接触部２１ａを球状の突部としており、これにより、圧縮コイルばね２０の伸縮方向に対する倒れを吸収することができるようにしてある。
【００２６】
上記ハウジング１３と連結したアダプタ１０Ｃは、図示しないステッピングモータを具備した径方向移動手段を内蔵しており、この径方向移動手段の作動により、ハウジング１３に保持した加工ローラ１１をシリンダボアＢの内周面Ｂａに対して近接離間させることができるようになっている。
【００２７】
そして、この微細凹部加工装置１は、主軸３の回転速度を検出する回転速度検出手段としてのロータリエンコーダ５を備えていると共に制御部６を備えており、この制御部６では、ロータリエンコーダ５で検出した主軸３の回転速度の変化に基づいて、アダプタ１０Ｃ内の径方向移動手段に指令信号を与えて圧縮コイルばね２０からの径方向の荷重を変化させるようにしていて、これにより、シリンダボアＢの内周面Ｂａに作用する加工ローラ１１の加工中における実際押付け荷重をほぼ一定に維持することができるようにしている。
【００２８】
上記した微細凹部加工装置１において、シリンダボアＢの内周面Ｂａに微細凹部を形成するに際しては、まず、図３に示すように、ステップＳ１において、主軸１とシリンダボアＢの中心軸とをほぼ一致させるように位置決めをして、主軸１とともにホルダ１０を下降させ、シリンダボアＢの内周面Ｂａに対して加工ローラ１１を挿入する。
【００２９】
次に、ステップＳ２において、アダプタ１０Ｃ内の径方向移動手段を作動させて、シリンダボアＢの内周面Ｂａに対して加工ローラ１１を接触させ、ロードセル２１により検出した荷重が予め設定した値になるまでアダプタ１０Ｃ内の径方向移動手段の作動を継続させる。
【００３０】
つまり、シリンダボアＢの内周面Ｂａに加工ローラ１１が接触した後、アダプタ１０Ｃ内の径方向移動手段の作動を継続させると、アーム１２とハウジング１３との間で圧縮コイルばね２０が圧縮され、その反発力が荷重として加工ローラ１１に付与されると共に、ロードセル２１によりこの荷重が検出されることから、このロードセル２１の検出荷重が設定値になるまでアダプタ１０Ｃ内の径方向移動手段の作動を継続させれば、シリンダボアＢの内周面Ｂａを所定の荷重で加圧し得ることとなる。
【００３１】
そして、上記のように、荷重の設定値を検出した段階において、アダプタ１０Ｃ内の径方向移動手段の作動を停止し、ステップＳ３において、主軸１とともにホルダ１０を回転させると、シリンダボアＢの内周面Ｂａに押し付けられている加工ローラ１１が連れ回りすることとなり、このステップＳ３において、主軸１の回転と下降速度とを同期させると、シリンダボアＢの内周面Ｂａの広い領域に微細な凹部を形成することができる。
【００３２】
この際、加工中の加工ローラ１１には遠心力が作用するので、ロータリエンコーダ５で検出した主軸３の単位時間当たりの回転数の変化に基づいて、図１０に示すように、制御部６からアダプタ１０Ｃ内の径方向移動手段に指令信号を与えて、圧縮コイルばね２０からの径方向の荷重を変化させ、図１１に示すように、シリンダボアＢの内周面Ｂａに作用する加工ローラ１１の加工中における実際押付け荷重をほぼ一定に保持するようになすことで、微細凹部の深さが変化するのを回避するようにしている。
【００３３】
上記した加工ローラ１１の転動によって、シリンダボアＢの内周面Ｂａに微細な凹部が形成されることと成り、ステップＳ４において、微細凹部加工が終了すると、ステップＳ５において、アダプタ１０Ｃ内の径方向移動手段を作動させて、シリンダボアＢの内周面Ｂａから加工ローラ１１を離間させるのに続いて、主軸１とともにホルダ１０を上昇させて、シリンダボアＢから加工ローラ１１を離脱させる。
【００３４】
上記したように、この実施例による微細凹部加工装置１では、深さがほぼ均一な微細な凹部を高精度で形成し得るので、シリンダボアＢの内周面Ｂａに施す前加工を省略することが可能となり、工程数の削減及び低コスト化を実現し得ることとなる。
【００３５】
また、加工ローラ１１の外周部の先端形状を選択することで、様々な形状の凹部を形成することができるほか、溝状に連続する凹部や点線状の不連続の凹部を形成することができ、この際、加工ローラ１１の転動で連続的に凹部を形成することから、加工効率も良好である。
【００３６】
さらに、加工ローラ１１の転動にともなって微細な凹部を形成するので、工具磨耗も非常に少ないものとなり、その結果、、工具寿命を長く持たせることができる。
【００３７】
本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、その他の様々な実施態様にも適用されるものである。例えば、加工ローラ１１に微細な凹凸を複数列設けるような構成としたり、あるいは、荷重発生手段の荷重を変えるために、圧縮コイルばね２０を交換可能にしたりしてもよい。また、荷重発生手段として圧縮コイルばね２０を例に挙げたが、一定の荷重を付与するような弾性体であればその他のものも適用可能であり、荷重発生手段として空圧又は油圧のアクチュエータを用いることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
上記した微細凹部加工装置１を用いて円形孔の内周面に微細凹部を形成すると、この円形孔を有する被加工部材の低コスト化が図られ、また、上記したように、微細凹部加工装置１を用いて自動車用部品、例えば、シリンダブロックのシリンダボアＢの内周面Ｂａに微細凹部を形成すると、部品の低コスト化が図られるのに加えて、フリクションの低減及びエンジン性能の向上を実現し得る。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の微細凹部加工装置の一実施例を示す工具ホルダの断面説明図である。（実施例１）
【図２】図１に示した微細凹部加工装置の全体斜視説明図である。
【図３】図１に示した微細凹部加工装置を用いて行う微細凹部加工の手順説明図である。
【図４】微細凹部加工における加工ローラの実際押付け荷重と微細凹部深さとの関係を示すグラフである。
【図５】微細凹部加工における主軸の単位時間当たりの回転数と加工ローラに作用する遠心力との関係を示すグラフである。
【図６】微細凹部加工における主軸の単位時間当たりの回転数の時系列変化を示すグラフである。
【図７】微細凹部加工における荷重発生手段から付与する径方向荷重の時系列変化を示すグラフである。
【図８】荷重発生手段から付与する径方向荷重を一定とした場合の加工ローラの実際押付け荷重の時系列変化を示すグラフである。
【図９】荷重発生手段から付与する径方向荷重を一定とした場合の微細凹部深さの時系列変化を示すグラフである。
【図１０】本発明の微細凹部加工における荷重発生手段から付与する径方向荷重の時系列変化を示すグラフである。
【図１１】本発明の微細凹部加工における加工ローラの実際押付け荷重の時系列変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４０】
１                 微細凹部加工装置
２                 主軸ヘッド（軸方向移動手段）
３                 主軸
５                 ロータリエンコーダ（回転速度検出手段）
６                 制御部
１０               ホルダ
１１               加工ローラ
１２               アーム（ローラ支持部）
２０               圧縮コイルばね（荷重発生手段）
２１               ロードセル（荷重検出手段）
Ｂ                 シリンダボア（円形孔）
Ｂａ               シリンダボアの内周面
Ｌ                 ホルダの回転軸
【図１】
2006247694.tif 000003
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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