(57)【要約】本発明は、穿孔の形成後、穿孔壁部をプラズマ溶射により被覆材で被覆する被覆穿孔の製造方法および装置に係る。本発明によると、穿孔壁部にフロー施削加工を施すことにより、機械的負荷に対して適切な耐性を有する穿孔壁部の被膜が得られる。
2004531401.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
孔を形成した後にプラズマ溶射によって孔壁部を被覆材料で被覆する被覆孔の製造方法であって、前記孔壁部にフロー旋削加工を施すことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記フロー旋削加工を前記プラズマ溶射の後に実施することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
大きい空隙のある壁部材の場合、前記フロー旋削加工を前記プラズマ溶射の前に実施することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項４】
内燃機関のシリンダ面を前記孔壁部とすることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の方法。
【請求項５】
クランクシャフトの軸受座の軸受面または内燃機関のコネクチングロッド・アイの内面を前記孔壁部とすることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記孔の直径を前記フロー旋削加工中に段階的または連続的に測定し、所望の所定直径に達すると、測定装置から前記フロー旋削加工を終了する制御信号が出力されることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の方法。
【請求項７】
孔形成用の工具と被覆加工を行うプラズマ溶射装置とを用いて被覆孔を製造する装置であって、孔壁部に作用するように使用できるフロー旋削工具を含むことを特徴とする装置。
【請求項８】
前記フロー旋削工具が、モーター作動式加工スピンドルと端部側で前記加工スピンドルに固定された旋削ヘッド（１）とから構成されていることを特徴とする、請求項７記載の装置。
【請求項９】
前記旋削ヘッド（１）が、その曲率が前記孔壁部と一致しており、かつ放射状に配置することができる転動体を備えることを特徴とする、請求項８記載の装置。
【請求項１０】
前記転動体が液圧により配置できることを特徴とする請求項９記載の装置。
【請求項１１】
前記転動体が膨張コーン形アーバにより配置できることを特徴とする請求項９記載の装置。
【請求項１２】
前記転動体が多数の短いバレル形ロール（８）から成り、前記バレル形ロールの縦軸（９）が加工スピンドルの縦軸（１０）と平行であることを特徴とする請求項９〜１１の何れか一項に記載の装置。
【請求項１３】
前記転動体がボール（３）であり、前記ボール（３）が前記旋削ヘッド（１）上に浮動自在に保持されていることを特徴とする請求項９〜１１の何れか一項に記載の装置。
【請求項１４】
前記ボール（３）が前記旋削ヘッド（１）を形成する円筒形保持器の半径方向に開口する空洞（２）内に保持されており、前記空洞（２）の開口部（４）をそれぞれのボール（３）の球面部分（５）が貫通できるように構成されていることを特徴とする、請求項１３記載の装置。
【請求項１５】
前記転動体がセラミックから成ることを特徴とする請求項９〜１４の何れか一項に記載の装置。
【請求項１６】
前記転動体が前記旋削ヘッド（１）上に、旋削ヘッド（１）の円周方向に相互に並んで延びている複数列（７）を成して配置されており、前記列（７）が相互にオフセットされていることを特徴とする請求項９〜１５の何れか一項に記載の装置。
【請求項１７】
前記転動体がそれぞれ前記旋削ヘッド（１）の長手方向一杯に伸びる細長い転動ロール（１１）であることを特徴とする、請求項９〜１１の何れか一項に記載の装置。
【請求項１８】
前記フロー旋削工具の旋削ヘッド（１）がホーニング盤の加工スピンドル上にホーニング砥石の代わりに配設されることを特徴とする、請求項７〜１７の何れか一項に記載の装置。
【請求項１９】
前記装置が、接触によるかあるいは視覚的に孔径を検出するために使用可能なる信号出力測定装置を内蔵し、所定の孔径に達した時に前記測定装置から出力される制御信号を検出して、この信号を前記フロー旋削工具のコントローラに送り、フロー旋削工程を終了させる信号プロセッサを含んで成ることを特徴とする請求項７〜１８の何れか一項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前文に記載の被覆孔の製造方法、および請求項７の前文に記載の被覆孔の製造装置に係る。
【背景技術】
【０００２】
従来の孔被覆方法および装置では、孔の壁部にプラズマ溶射を行うことにより、耐磨耗性を与えると同時に滑り性能、付着強さを与えているが、成層が均等であるために、これでは弱すぎる結果となっている。すなわち、このプラズマ溶射層を実際の用途で摩擦相手と接触させた場合、早期に層の過負荷が生じ、層のはがれ落ちや亀裂の原因となる。このため、相互的に作用し合っている関係機能部品が完全に破損する結果となる場合もある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、比較的簡単な方法で孔壁部の被膜を機械的負荷に対して十分な耐性のあるものにできるという趣旨で、包括的種類の方法および包括的種類の装置を開発するという目的に基づいて成されたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この目的は、本発明によると、方法については請求項１記載の特徴によって、装置については請求項７記載の特徴によって達成される。
【発明の効果】
【０００５】
フロー旋削（ｆｌｏｗ  ｔｕｒｎｉｎｇ）により孔の機械加工を行うと、壁部のわずかなムラ（孔壁部の材料がもつ粗さを含まない）も平滑化され、結果として被覆材料の壁部表面への付着性が実質的に良くなり、また均質性も高まるため、層の付着強さが大幅に強くなり、その結果機械的負荷に対する被膜の耐久性が向上する。また、層の厚さが均一であることによって、耐久性はさらに向上する。このような均一性によって、第一に、摩擦相手から層に対してかかる張力または圧縮力によりひけ、すなわち層厚の小さい部分に有害な剪断応力が生じるのを防止することができる。第二に、孔の開口部に見られるような層材料が過剰堆積した部分と摩擦相手が接触すると、このような地点に非常に高い点状の機械的応力がかかることによって層部分が剥離する場合があるが、これを防止することができる。機械加工は、工具を軸方向に往復運動させると同時に平滑化する孔沿いに回転させながら行われる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明の有利な変更例については従属請求項から推測することができるが、添付図面に示したいくつかの模範的な実施形態を参照しながら本発明の装置についてより詳細に説明することにする。
【０００７】
本発明の装置は、例えばキャスティング装置、ミリングカッタ、またはターニング装置のような孔を形成するための工具（本実施形態では不図示）と、通常の種類のプラズマ溶射装置とを含んで成る。また、本発明の装置は、モーター作動式加工スピンドルと、図１に示すような端部側で加工スピンドルに固定される旋削ヘッド１とから成るフロー旋削工具を内蔵している。
【０００８】
旋削ヘッド１は大きさを加工対象となる孔と一致させた円筒形保持器として構成されており、その外周部には保持器の半径方向に開口する多数の空洞２を備えている（図２）。その曲率が孔壁部と一致しており放射状に配置可能なボール３の形をとる転動体が、空洞２内部で浮動できるように空洞２内に保持されている。ボール３は、使用時に旋削ヘッド１を孔の中に下降させた時に、空洞２と連結されている管路系統を介して流体作動される。この時、ボール３は矢印の方向に液圧を受け、従って加工のための使用位置に配設される。この目的で、空洞２は、それぞれのボール３の球面部分５が空洞２の開口部４を通過して外に出るように構成されている。使用位置において、ボール３は開口部４を囲む空洞壁６に対して押圧されるが、より詳細に言うと作動液によって潤滑されたボール３が障害なく全方向に回転できるように押圧される。これでフロー旋削工具によって機械的に孔壁部に作用させることができる。ボール３を備えた旋削ヘッド１を用いて孔壁部を加工する場合、方法としては経済的であり、かつ装置としてはほとんど費用がかからない。ボール３を使用することによって、特定的に孔壁部に作用する形成力が局所的に比較的強くなるが、表面全体への負荷という面から見るとなお弱いという利点が得られる。従って、孔壁部に亀裂を生じることなく、孔壁部を効果的に加工することが可能となるのである。ボール３は例えばＳｉＮなどのセラミックで形成すると有利である。この材料は、高い硬度、高い耐摩耗性を有すると共に、適切な場合アルミニウムから成る壁部の金属材料に付着する傾向がほとんどないためである。５ｍｍから２０ｍｍの均等な直径を有するボール３が、旋削ヘッド１の円周方向に相互に並んで延びている複数列７を形成して旋削ヘッド１に配設されており、これらの列７は相互にオフセットされている。この場合、孔壁部の加工中に工具を破損し、孔壁部にも損傷を与えるおそれのある共鳴振動が個々のボール３の固有振動の相互消去によって防止される。ボール３の代わりとして、旋削ヘッド１の周囲に多数の短いバレル形ロール８を転動体として使用し、その縦軸９を加工スピンドルの縦軸１０（図３）に平行に配置すると共にオフセットして配設しても良い。さらに、図４に示すように、細長い転動ロール１１を転動体として用いることも考えられる。この場合、転動ロール１１は旋削ヘッド１の縦の長さいっぱいに伸長させると共に、その円周部分が旋削ヘッド１のキャスティング面１２を貫通して突出するように旋削ヘッド１に保持させても良い。転動体の配置は、上述の例では流体によって行ったが、膨張コーン形アーバを用いて機械的に行うようにしても良い。本発明の有利な変更例においては、フロー旋削工具の加工スピンドルをホーニング盤の加工スピンドルで形成する。従って、必要が生じた場合、旋削ヘッド１をホーニング砥石と取り替えるだけで済み、工具はそのまま使用することができる。これに加えて、ホーニング盤は公知技術を用いたものであり、回転速度、ストローク速度、転動体への液圧および電力の供給といったパラメータを確実に制御可能できるという利点もある。
【０００９】
孔壁部をアルミニウム・ダイカストから成る内燃機関のシリンダ面とした場合、この壁部材料には０．３ｍｍまでの深さ、個別には１．２ｍｍにも達する深さの空隙が形成されており、これがプラズマ溶射による被覆加工中にシリンダ面全体として見た場合に不均等な層厚の原因となる。また、空隙の存在によって層の付着強さも低減する。従って、一定の用途では、プラズマ溶射の前にフロー旋削加工を行うのが有利であると言える。こうすることによって、空隙は孔壁部に接触圧をもって作用する転動体によって、事前に「練り閉じ」され、従ってシリンダ面の平坦度がかなり大きくなるためである。従って、層の孔壁部に対する付着強さおよびシリンダピストンのピストンリングに関するシリンダ面の滑り性能が同じように高くなる。さらに、層を完全に均等な厚さに塗布することができ、このことが滑り性能に大きくプラスに影響する。層厚を均等にするためには、プラズマ溶射の後にフロー旋削を行うことも可能である。空隙はエンジンオイルのオイル保持容量を形成するものであるため、フロー旋削により空隙を閉じることでエンジン運転中のオイル消費量、ひいてはシリンダ内での燃焼中の汚染物質放出量が実質的に減少する。この場合でもシリンダ面の凹凸の中には、シリンダピストンの潤滑を行うのに十分な量のオイルが残っている。さらに、フロー旋削によって表面結合が達成され、上述のようにアルミニウムから成る、あるいはマグネシウムから成る軽金属ダイカストの強度が増大し、ひいてはシリンダ滑り面の強度が増大する。
【００１０】
孔壁部をクランクシャフトの軸受座の軸受面として使用する場合、あるいは内燃機関のコネクチングロッド・アイの内面として使用する場合、プラズマ溶射の後にフロー旋削加工を開始するのが得策である。この場合、滑り軸受においてほぼ２００μｍの厚さを有する塗布層が平滑化され、これによって孔壁部の滑り性能が良くなると同時に、付着強さを高めるロールボンディングを行った後、転動体の作用の下で層が孔壁部に対して押圧されるために層と孔壁部との結合が強まる。このように精密形成された層を塗布することによって、軸受胴の交換が可能となり、部品の節約となると共に、製造公差の面で最適化される。
【００１１】
フロー旋削の全ての適用範囲について言えることであるが、旋削装置に保持されて例えば聴覚的、視覚的、または接触により動作する測定装置をフロー旋削装置に組み込んで、孔を形成する過程において孔の直径を段階的または連続的に測定し、所望の所定直径に達したらフロー旋削工具のスイッチを切るか、あるいは動作不能とするようにすることができる。この場合は装置の信号プロセッサが有効となり、測定装置から出力される制御信号を検出してこれをフロー旋削工具のコントローラに送り、フロー旋削工程を終了させる。
【００１２】
フロー旋削による層厚のばらつきはミクロン範囲であるため、コネクチングロッドの基体、ひいてはコネクチングロッドの種類に予め多様性をもたせる必要を決定的に少なくすることができる。これは、マイクロメータ単位での非常に様々な調整を要する軸受ペアリング（ｂｅａｒｉｎｇ  ｐａｉｒｉｎｇ）とクランクシャフトとの組み合わせを行うことが不要になるためである。原理的には、本発明の方法および装置の適用範囲は上記以外にも、例えば車軸機構の中の伝動軸や歯車などへの適用が考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明による転動体としてのボールを備えるフロー旋削装置の旋削ヘッドを示す斜視図。
【図２】図１の旋削ヘッドの細部を示す外側縦断面図。
【図３】本発明による転動体としてのロールを備える旋削ヘッドの細部を示す平面図。
【図４】本発明による転動体としての転動ロールを備えるフロー旋削装置の旋削ヘッドを示す斜視図。
【国際公開パンフレット】
2004531401.tif 000003
2004531401.tif 000004
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【手続補正書】
【提出日】平成15年5月6日(2003.5.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
孔を形成した後にプラズマ溶射によって孔壁部を被覆材料で被覆する被覆孔の製造方法であって、前記孔壁部にフロー旋削加工を施し、前記孔壁部の凹凸を平滑化することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記フロー旋削加工を前記プラズマ溶射の後に実施することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
大きい空隙のある壁部材の場合、前記フロー旋削加工を前記プラズマ溶射の前に実施することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項４】
内燃機関のシリンダ面を前記孔壁部とすることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の方法。
【請求項５】
クランクシャフトの軸受座の軸受面または内燃機関のコネクチングロッド・アイの内面を前記孔壁部とすることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記孔の直径を前記フロー旋削加工中に段階的または連続的に測定し、所望の所定直径に達すると、測定装置から前記フロー旋削加工を終了する制御信号が出力されることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の方法。
【請求項７】
孔形成用の工具と、被覆加工を行うプラズマ溶射装置と、孔壁部に作用するように使用可能なフロー旋削工具とを備えた、被覆孔を製造する装置であって、前記フロー旋削工具が、モーター作動式スピンドルと、端部側で前記スピンドルに固定されている旋削ヘッド（１）とから成ることを特徴とする装置。
【請求項８】
前記旋削ヘッド（１）が、その曲率が前記孔壁部と一致しており、かつ放射状に配置することができる転動体を備えることを特徴とする、請求項７記載の装置。
【請求項９】
前記転動体が液圧により配置できることを特徴とする請求項８記載の装置。
【請求項１０】
前記転動体が膨張コーン形アーバにより配置できることを特徴とする請求項８記載の装置。
【請求項１１】
前記転動体が多数の短いバレル形ロール（８）から成り、前記バレル形ロールの縦軸（９）が加工スピンドルの縦軸（１０）と平行であることを特徴とする請求項８〜１０の何れか一項に記載の装置。
【請求項１２】
前記転動体がボール（３）であり、前記ボール（３）が前記旋削ヘッド（１）上に浮動自在に保持されていることを特徴とする請求項８〜１０の何れか一項に記載の装置。
【請求項１３】
前記ボール（３）が前記旋削ヘッド（１）を形成する円筒形保持器の半径方向に開口する空洞（２）内に保持されており、前記空洞（２）の開口部（４）をそれぞれのボール（３）の球面部分（５）が貫通できるように構成されていることを特徴とする、請求項１２記載の装置。
【請求項１４】
前記転動体がセラミックから成ることを特徴とする請求項８〜１３の何れか一項に記載の装置。
【請求項１５】
前記転動体が前記旋削ヘッド（１）上に、旋削ヘッド（１）の円周方向に相互に並んで延びている複数列（７）を成して配置されており、前記列（７）が相互にオフセットされていることを特徴とする請求項８〜１４の何れか一項に記載の装置。
【請求項１６】
前記転動体がそれぞれ前記旋削ヘッド（１）の長手方向一杯に伸びる細長い転動ロール（１１）であることを特徴とする、請求項８〜１０の何れか一項に記載の装置。
【請求項１７】
前記フロー旋削工具の旋削ヘッド（１）がホーニング盤の加工スピンドル上にホーニング砥石の代わりに配設されることを特徴とする、請求項７〜１６の何れか一項に記載の装置。
【請求項１８】
前記装置が、接触によるかあるいは視覚的に孔径を検出するために使用可能なる信号出力測定装置を内蔵し、所定の孔径に達した時に前記測定装置から出力される制御信号を検出して、この信号を前記フロー旋削工具のコントローラに送り、フロー旋削工程を終了させる信号プロセッサを含んで成ることを特徴とする請求項７〜１７の何れか一項に記載の装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
従来の孔被覆方法および装置では、孔の壁部にプラズマ溶射を行うことにより、耐磨耗性を与えると同時に滑り性能、付着強さを与えているが、成層が均等であるために、これでは弱すぎる結果となっている。すなわち、このプラズマ溶射層を実際の用途で摩擦相手と接触させた場合、早期に層の過負荷が生じ、層のはがれ落ちや亀裂の原因となる。このため、相互的に作用し合っている関係機能部品が完全に破損する結果となる場合もある。一般的な種類の方法および一般的な種類の装置については、独国特許出願公開第１９８４７６０８Ａ１号明細書に開示されている。この場合、粉状添加物を溶融したものから成り、シリンダ孔壁部に溶射される層は、空孔率が高いために磨耗に対して感応性であるが、この感応性を低減させるまたは無くすように後処理が行われる。この場合多孔質層に対してはローリングによる締固めが行われる。同じように、米国特許第４９７６９９５号明細書では、基板の外側に塗布された層に対して、その被覆工程中にロールによる締固めを行うことが論じられている。米国特許第１４７２１５５号明細書は鋼ローラ上に層を塗布する際に使用されるプラズマ溶射法に関するものである。この層はフロー旋削されるが、この処理法は層に対して所望形状の輪郭を与えることを意図したものである。この目的で、軸を中心として回転可能な形削り要素が用いられる。欧州特許出願公開第０７１６１５８Ａ１号明細書は被覆孔を有するエンジンブロックの製造法について記載しており、この場合の被覆加工はプラズマ溶射によって行われる。
【国際調査報告】
2004531401.tif 000016
2004531401.tif 000017
2004531401.tif 000018
2004531401.tif 000019
2004531401.tif 000020
2004531401.tif 000021