JP5055866B2

JP5055866B2 - 微細凹部加工装置

Info

Publication number: JP5055866B2
Application number: JP2006196892A
Authority: JP
Inventors: 義貴上原; 稔太田; 和彦 ▲高▼嶋
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2006-07-19
Filing date: 2006-07-19
Publication date: 2012-10-24
Anticipated expiration: 2026-07-19
Also published as: JP2008023541A

Description

本発明は、被加工物の外周面、例えば、クランクピンやジャーナルやカムジャーナルの外周面に、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）を形成する際に用いられる微細凹部加工装置に関するものである。

従来、上記したようなクランクピンやジャーナルやカムジャーナル等の被加工物の外周面に微細な凹部を形成する微細凹部加工装置としては、例えば、外周面に微細な凸部を具備してローラ軸に回転自在に支持される加工ローラを備えたものがあり、この加工装置では、加工ローラの微細な凸部を被加工物の外周面に一定荷重で押し付けつつ、被加工物を回転させることで、被加工物の外周面に微細な凹部を形成するようにしている。
特開２００２−３６１３５１号公報

しかしながら、上記した従来の微細凹部加工装置では、この微細凹部加工装置を用いて微細凹部加工を行うと、被加工物の外周面には、被加工物の回転軸に沿う微細な凹部が形成されることから、十分な低フリクション効果を期待することができないという問題を有しており、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。

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、被加工物の外周面に、低フリクション化を実現するための微細な凹部を形成することができ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。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、外周面に微細な凸部を具備した加工ローラを用いて被加工物の外周面に微細凹部を形成する場合において、加工ローラの微細な凸部をローラ軸に対して傾けるようになすことで、上記目的が達成されることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の微細凹部加工装置は、被加工物の外周面に微細な凹部を形成する微細凹部加工装置であって、被加工物を保持してこれを回転駆動する主軸と、外周面に微細な凸部を具備してローラ軸に回転自在に支持される加工ローラと、この加工ローラに対してその径方向の荷重を付与して回転する被加工物の外周面に加工ローラの微細な凸部を押し付ける荷重発生手段を備え、加工ローラの外周面に具備した微細な凸部をローラ軸に対して傾けてあると共に、加工ローラの外周面に具備した微細な凸部は、加工ローラの一端面側で且つ回転方向前側に位置する鋭角刃先及び加工ローラの他端面側で且つ回転方向後側に位置する鈍角刃先を有し、加工ローラの一端面側の鋭角刃先回転径及び他端面側の鈍角刃先回転径を互いに違えてある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。

本発明の微細凹部加工装置において、加工ローラの外周面に具備した微細な凸部をローラ軸に対して傾斜させているので、被加工物の外周面には、被加工物の回転軸に対して傾きを有する微細な凹部が形成されることとなり、したがって、十分な低フリクション効果を期待し得ることとなる。

本発明によれば、上記した構成としているので、被加工物の外周面に、低フリクション化を実現するための微細な凹部を形成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。

本発明の微細凹部加工装置では、加工ローラの外周面に具備した微細な凸部をローラ軸に対して傾斜させた構成としているが、この加工ローラを被加工物の外周面に押し付けて加工を行う場合には、加工ローラの微細な凸部が部分的に被加工物の外周面に接触する瞬間（加工ローラの一端面側で且つ回転方向前側に位置する鋭角刃先が被加工物の外周面に片当たりする瞬間）があるので、工具寿命が短くなってしまう懸念が生じる。

そこで、本発明の微細凹部加工装置において、加工ローラを被加工物に押し付けた段階における押し付け変位量を測定する押し付け変位量測定手段と、加工ローラのローラ軸を主軸に回転駆動される被加工物の回転軸に対して傾けるローラ傾斜手段を備えた構成を採用することが望ましく、この場合には、加工ローラと被加工物との接触状態を変化させ得るので、すなわち、被加工物の形状に合わせて加工ローラの押し付け角度を変更し得るので、加工ローラの部分面圧を制御することで、微細凹部の深さを部分的に変化させ得ることとなり、加工ローラの長寿命化も図られることとなる。

そして、上記した本発明の微細凹部加工装置を用いて加工された微細凹部を摺動面としての外周面に有する摺動部材において、その摺動面に形成された微細凹部の形状精度が良好であることから、この微細凹部が潤滑油溜まりとなって潤滑油の流れを効率的に制御し得ることとなり、その結果、摩擦の低減が図られることとなる。

すなわち、上記摺動部材が、微細凹部を外周面に有するジャーナル及びピンを備えたクランクシャフトや、微細凹部を外周面に有するジャーナル及びカムロブを備えたカムシャフトや、微細凹部を外周面に有するジャーナルを備えたバランサシャフトなどのエンジン部品である場合には、摺動面としての外周面に形成された微細凹部が潤滑油溜まりとなって潤滑油の流れを効率的に制御し得ることとなり、その結果、摺動抵抗が低いものとなって、燃費の向上に寄与し得ることとなる。

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。

図１に示すように、この微細凹部加工装置１は、チャック２を介して保持した被加工物（摺動部材）Ｗを回転駆動する主軸３と、ローラ軸４に回転自在に支持される加工ローラ５と、この加工ローラ５に対してその径方向（Ｚ軸方向）の荷重を付与して回転する被加工物Ｗの外周面Ｗａに加工ローラ５の微細な凸部を押し付ける荷重発生機構２０と、荷重発生機構２０による荷重を測定する荷重測定手段としてのロードセル６と、加工ローラ５を被加工物Ｗに押し付けた段階における押し付け変位量を測定する押し付け変位量測定手段としての押し付け量測定部７を備えており、加工ローラ５は、その外周面にローラ軸４に対して傾きを持たせた微細な凸部を具備している。

この場合、加工ローラ５の外周面に具備した微細な凸部は、図３に示すように、加工ローラ５の一端面側で且つ回転方向前側に位置する鋭角刃先５ａ及び加工ローラ５の他端面側で且つ回転方向後側に位置する鈍角刃先５ｂを有するものとしており、加工ローラ５の一端面側の鋭角刃先５ａの回転径ｄ_１及び他端面側の鈍角刃先５ｂの回転径ｄ_２を互いに違えてある。

荷重発生機構２０は、ハウジング２１と、ローラ軸４を介して加工ローラ５を支持してハウジング２１に対してＺ軸方向に進退可能としたアーム２２と、ハウジング２１内に配置されてアーム２２を介して加工ローラ５を被加工物Ｗに押し付け付勢する荷重発生手段としてのコイルばね２３を具備しており、ハウジング２１とコイルばね２３との間に上記したロードセル６が配置してあると共に、ハウジング２１の下端に上記した押し付け量測定部７が配置してある。

また、この微細凹部加工装置１は、図２に示すように、加工ローラ５のローラ軸４を主軸３に回転駆動される被加工物Ｗの回転軸Ｌに対して傾けるローラ傾斜手段としてのアクチュエータ８を備えている。このアクチュエータ８は回転駆動軸８ａを有していて、この回転駆動軸８ａに一端を固定したスイングアーム９の他端を荷重発生機構２０のハウジング２１に連結すると共に、回転駆動軸８ａの延長線上と加工ローラ５のローラ軸４とが交差するようになすことで、加工ローラ５のローラ軸４を回転軸Ｌに対して傾ける（Ｂ軸回りに回動させる）ことができるようにしてある。

そして、このアクチュエータ８を互いに直交する三軸方向（Ｘ軸方向，Ｙ軸方向及びＺ軸方向）に移動する可動ベッド１０上に配置することで、加工ローラ５をローラ押し付け方向（Ｚ軸方向）とこれと直交する方向（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）に移動させることができるようにしてある。

さらに、この微細凹部加工装置１は、加工ローラ５のローラ軸４の傾斜角度γを計算し、その計算結果をアクチュエータ８に出力する制御部１１を備えている。

そこで、上記した微細凹部加工装置１を用いて被加工物Ｗの外周面Ｗａに微細凹部を形成する要領を説明する。

まず、チャック２を介して被加工物Ｗを主軸３に保持させると共に、加工ローラ５を加工開始位置に移動させた後、加工ローラ５の降下を開始して、加工ローラ５を被加工物Ｗの外周面Ｗａに押し付け、加工ローラ５の被加工物Ｗへの押し付け変位量ηを押し付け量測定部７によって測定する。次いで、加工ローラ５のローラ軸４をγだけ傾ける。

このとき、加工ローラ５の位置は、図４に示すように、Ｘ軸方向に移動するため、ステップ１０７において、加工ローラ５を所定の加工部位に位置させるべく可動ベッド１０を作動させて、加工ローラ５のＸ軸方向位置を修正する。これらの動作を、ロードセル６からの信号が所定の荷重になるまで繰り返す。

ここで、加工ローラ５の押し付け変位量ηは、事前に調査して加工開始時に加工ローラ５の径などと一緒に入力し、加工ローラ５のローラ軸４の傾斜角度γを計算して傾斜させるのに続いて、加工ローラ５のＸ軸方向位置を修正した後に、加工ローラ５を被加工物Ｗに押し付けるようにしてもよい。

次に、ロードセル６からの信号が所定の荷重に到達した段階で、主軸３を作動させて被加工物Ｗを回転させると共に、可動ベッド１０を作動させて加工ローラ５のＸ軸方向の送りを開始する。

そして、上記したような制御による加工を被加工物Ｗの外周面Ｗａ全面にわたって実施し、被加工物Ｗの外周面Ｗａ全面に微細凹部が形成された時点で、加工ローラ５を上昇させ、加工を終了する。

上記したように、この実施例における微細凹部加工装置１では、加工ローラ５の微細な凸部を、加工ローラ５の一端面側で且つ回転方向前側に位置する鋭角刃先５ａ及び加工ローラ５の他端面側で且つ回転方向後側に位置する鈍角刃先５ｂを有するものとし、加えて、加工ローラ５のローラ軸４を回転軸Ｌに対して傾けるようにしているので、加工ローラ５の微細凸部と被加工物Ｗとの部分的な接触を少なく抑え得ることとなり（微細な凸部の鋭角刃先５ａが被加工物Ｗに片当たりするのを少なく抑え得ることとなり）、その結果、加工ローラ５の大幅な長寿命化が図られることとなる。

この実施例において、加工ローラ５の押し付けは、所定荷重となるように定圧制御しているが、加工ローラ５の押し付け変位量ηが所定値となるように定寸制御を行うことも可能である。

図５〜図８は本発明の他の実施例による微細凹部加工装置を示している。図５及び図６に示すように、この実施例の微細凹部加工装置３１が、先の実施例における微細凹部加工装置１と相違するところは、被加工物Ｗの寸法が異なる部位の径を測定する二個の被加工物径測定部（被加工物径測定手段）１２，１３を設けた点にあり、他の構成は先の実施例における微細凹部加工装置１と同じである。

そこで、上記した微細凹部加工装置３１を用いて被加工物Ｗの外周面Ｗａに微細凹部を形成する要領を説明する。

まず、加工ローラ５の両端面側の各刃先５ａ，５ｂの各回転径ｄ_１，ｄ_２と、加工ローラ５の幅ｗと、押し付け荷重と、加工範囲と、被加工物Ｗの回転速度と、Ｘ軸方向への送り速度などの事前に測定した加工条件を制御部１１に入力するのに続いて、チャック２を介して被加工物Ｗを主軸３に保持させると共に、加工ローラ５を加工開始位置に移動させる。

次に、加工ローラ５の降下を開始し、図７に示すように、被加工物径測定部１２で被加工物Ｗの鋭角刃先５ａに対応する鋭角刃先側径Ｄ_１を測定すると共に、被加工物径測定部１３で被加工物Ｗの鈍角刃先５ｂに対応する鈍角刃先側径Ｄ_２を測定し、この後さらに加工ローラ５を降下させて、加工ローラ５を被加工物Ｗの外周面Ｗａに押し付け、加工ローラ５の被加工物Ｗへの押し付け変位量ηを押し付け量測定部７によって測定する。次いで、加工ローラ５のローラ軸４をγだけ傾ける。

このときも、上記した実施例の場合と同様に、加工ローラ５の位置は、Ｘ軸方向に移動するため（図４参照）、加工ローラ５を所定の加工部位に位置させるべく可動ベッド１０を作動させて、加工ローラ５のＸ軸方向位置を修正する。これらの動作を、ロードセル６からの信号が所定の荷重になるまで繰り返す。

次に、ロードセル６からの信号が所定の荷重に到達した段階で、主軸３を作動させて被加工物Ｗを回転させると共に、可動ベッド１０を作動させて最初に入力した加工条件で加工ローラ５をＸ軸方向に移動させ、加工を開始する。

そして、加工中は、常時被加工物径測定部１２，１３で被加工物Ｗの鋭角刃先側径Ｄ_１及び鈍角刃先側径Ｄ_２を測定すると共に、押し付け量測定部７で押し付け変位量ηを測定し、加工ローラ５のローラ軸４をγだけ傾けるのに続いて、ローラ軸４が傾斜することで生じる加工ローラ５のＸ軸方向位置を修正する。

ここでも、被加工物Ｗの鋭角刃先側径Ｄ_１，鈍角刃先側径Ｄ_２及び加工ローラ５の押し付け変位量ηは、事前に調査して加工開始時に加工ローラ５の径などと一緒に入力した値を用いてもよい。

上記した加工ローラ５のＸ軸方向位置の修正に続いて、加工ローラ５の押し付け荷重の測定を行い、この押し付け荷重が常に一定になるように加工ローラ５のＺ軸方向位置を補正する。

上記したように、この実施例における微細凹部加工装置３１では、加工ローラ５の微細な凸部を、加工ローラ５の一端面側で且つ回転方向前側に位置する鋭角刃先５ａ及び加工ローラ５の他端面側で且つ回転方向後側に位置する鈍角刃先５ｂを有するものとしていると共に、加工ローラ５のローラ軸４を回転軸Ｌに対して傾けるようにしており、加えて、二個の被加工物径測定部１２，１３で測定した寸法が異なる部位毎の径Ｄ_１，Ｄ_２に基づいて、加工を行うようにしているので、部分的に径が異なる被加工物Ｗの加工を行うに際しても、加工ローラ５の微細凸部と被加工物Ｗとの部分的な接触を少なく抑え得ることとなり（微細な凸部の鋭角刃先５ａが被加工物Ｗに片当たりするのを少なく抑え得ることとなり）、その結果、加工ローラ５の大幅な長寿命化が図られることとなる。

また、この実施例における微細凹部加工装置３１では、上記したように、二個の被加工物径測定部１２，１３で測定した寸法が異なる部位毎の径Ｄ_１，Ｄ_２に合わせて加工を行うようにしているので、部分的に径が異なる被加工物Ｗの外周面Ｗａに対しても、高精度の微細凹部を形成し得ることとなる。

この実施例においても、加工ローラ５の押し付けは、所定荷重となるように定圧制御しているが、加工ローラ５の押し付け変位量ηが所定値となるように定寸制御を行うことも可能である。

図９は本発明のさらに他の実施例による微細凹部加工装置を示している。図９に示すように、この実施例の微細凹部加工装置５１が、先の実施例における微細凹部加工装置１と相違するところは、加工ローラ５によって被加工物Ｗの外周面Ｗａに形成した加工直後の微細な凹部を測定するモニタ（加工形状測定手段）１５を設けた点にあり、他の構成は先の実施例における微細凹部加工装置１と同じである。

そこで、上記した微細凹部加工装置５１を用いて被加工物Ｗの外周面Ｗａに微細凹部を形成する要領を説明する。

まず、押し付け荷重や被加工物Ｗの回転速度やＸ軸方向への送り速度などの加工条件を制御部１１に入力するのに続いて、チャック２を介して被加工物Ｗを主軸３に保持させると共に、加工ローラ５を加工開始位置に移動させた後、加工ローラ５の降下を開始し、ロードセル６からの信号が所定の荷重になるまで加工ローラ５を降下させる。

次いで、主軸３を作動させて被加工物Ｗを回転させると共に、可動ベッド１０を作動させて加工ローラ５のＸ軸方向の送りを開始し、加工中は、被加工物Ｗの外周面Ｗａに形成された直後の微細凹部をモニタ１５で測定すると共に、この測定結果に基づいて、制御部１１において、微細凹部の最大幅Ｔｗ１及び最小幅Ｔｗ２が算出される。

この後、制御部１１で算出された微細凹部の最大幅Ｔｗ１及び最小幅Ｔｗ２の比較がなされ、Ｔｗ１＞Ｔｗ２と判定された場合は、加工ローラ５のローラ軸４を回転軸Ｌに対して鈍角側に傾斜させ、一方、Ｔｗ１＜Ｔｗ２と判定された場合は、加工ローラ５のローラ軸４を回転軸Ｌに対して鋭角側に傾斜させて、Ｔｗ１＝Ｔｗ２とするべく制御がなされる。

この際、微細凹部の最大幅Ｔｗ１及び最小幅Ｔｗ２に許容範囲を設定しておき、厳密にＴｗ１＝Ｔｗ２とならない場合であったとしても、この許容範囲内に微細凹部の最大幅Ｔｗ１及び最小幅Ｔｗ２が含まれるように制御してもよい。

そして、上記したような制御による加工を被加工物Ｗの外周面Ｗａ全面にわたって実施し、被加工物Ｗの外周面Ｗａ全面に微細凹部が形成された時点で、加工ローラ５を上昇させて、加工を終了する。

上記したように、この実施例における微細凹部加工装置５１では、加工中にモニタ１５で測定した加工直後の微細な凹部の形状に基づいて、ローラ軸４の傾斜角度γの修正を行うようにしているので、構造の簡略化を図ったうえで、加工ローラ５の微細凸部と被加工物Ｗとの部分的な接触を少なく抑え得ることとなり（微細な凸部の鋭角刃先５ａが被加工物Ｗに片当たりするのを少なく抑え得ることとなり）、その結果、加工ローラ５の大幅な長寿命化が図られることとなる。

また、この実施例における微細凹部加工装置５１においても、部分的に径が異なる被加工物Ｗの外周面Ｗａに対して、高精度の微細凹部を形成し得ることとなる。

なお、本発明の微細凹部加工装置において、例えば、図１０に示すように、ローラ軸４を回転軸Ｌに対して傾けていない加工ローラ５Ａであって、その外周面の微細凸部が、上記した各実施例における加工ローラ５のローラ軸４を回転軸Ｌに対して傾けた状態で被加工物Ｗの外周面Ｗａに接触する微細凸部の形状を成している加工ローラ５Ａを用いてもよい。

上記した実施例の微細凹部加工装置を用いて加工された微細凹部を摺動面としての外周面に有する摺動部材が、微細凹部を外周面に有するジャーナル及びピンを備えたクランクシャフトや、微細凹部を外周面に有するジャーナル及びカムロブを備えたカムシャフトや、微細凹部を外周面に有するジャーナルを備えたバランサシャフトなどのエンジン部品である場合には、摺動面としての外周面に形成された微細凹部が潤滑油溜まりとなって潤滑油の流れを効率的に制御し得ることとなり、その結果、摺動抵抗が低いものとなって、燃費の向上に寄与し得ることとなる。

本発明の微細凹部加工装置の一実施例を示す正面説明図である。（実施例１）図１の微細凹部加工装置の側面説明図である。（実施例１）図１の微細凹部加工装置における加工ローラの被加工物に対する当たり具合を示す部分拡大側面説明図（ａ）及び拡大正面説明図（ｂ）である。（実施例１）図１の微細凹部加工装置における加工ローラのＸ軸方向の修正要領を示す加工ローラ部分の拡大正面説明図である。本発明の微細凹部加工装置の他の実施例を示す正面説明図である。（実施例２）図５の微細凹部加工装置の側面説明図である。（実施例２）図５の微細凹部加工装置における加工ローラ部分の拡大正面説明図である。（実施例２）図６の微細凹部加工装置における加工ローラの被加工物に対する当たり具合を示す部分拡大側面説明図（ａ）及び拡大正面説明図（ｂ）である。（実施例２）本発明の微細凹部加工装置のさらに他の実施例を示す加工ローラ部分の拡大正面説明図（ａ）及び拡大側面説明図（ｂ）である。（実施例３）本発明の微細凹部加工装置に用いる加工ローラの他の構成例を示す加工ローラ部分の拡大正面説明図である。

１，３１，５１微細凹部加工装置
３主軸
４ローラ軸
５加工ローラ
５ａ微細凸部の鋭角刃先
５ｂ微細凸部の鈍角刃先
６ロードセル（荷重測定手段）
７押し付け量測定部（押し付け変位量測定手段）
８アクチュエータ（ローラ傾斜手段）
１１制御部
１２，１３被加工物径測定部（被加工物径測定手段）
１５モニタ（加工形状測定手段）
２３コイルばね（荷重発生手段）
Ｄ被加工物の径
Ｄ_１被加工物の鋭角刃先側径
Ｄ_２被加工物の鈍角刃先側径
ｄ_１鋭角刃先の回転径
ｄ_２鈍角刃先の回転径
Ｗ被加工物

Claims

被加工物の外周面に微細な凹部を形成する微細凹部加工装置であって、被加工物を保持してこれを回転駆動する主軸と、外周面に微細な凸部を具備してローラ軸に回転自在に支持される加工ローラと、この加工ローラに対してその径方向の荷重を付与して回転する被加工物の外周面に加工ローラの微細な凸部を押し付ける荷重発生手段を備え、
加工ローラの外周面に具備した微細な凸部をローラ軸に対して傾けてあると共に、
加工ローラの外周面に具備した微細な凸部は、加工ローラの一端面側で且つ回転方向前側に位置する鋭角刃先及び加工ローラの他端面側で且つ回転方向後側に位置する鈍角刃先を有し、加工ローラの一端面側の鋭角刃先回転径及び他端面側の鈍角刃先回転径を互いに違えてあることを特徴とする微細凹部加工装置。
加工ローラを被加工物に押し付けた段階における押し付け変位量を測定する押し付け変位量測定手段と、加工ローラのローラ軸を主軸に回転駆動される被加工物の回転軸に対して傾けるローラ傾斜手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の微細凹部加工装置。
摺動面としての外周面を具備し、請求項１又は２に記載の微細凹部加工装置により加工された微細凹部を摺動面としての外周面に有することを特徴とする摺動部材。
摺動面としての外周面を具備し、請求項１又は２に記載の微細凹部加工装置により加工された微細凹部を摺動面としての外周面に有することを特徴とするエンジン部品。
請求項１又は２に記載の微細凹部加工装置により加工された微細凹部を外周面に有するジャーナルを備えたことを特徴とするクランクシャフト。
請求項１又は２に記載の微細凹部加工装置により加工された微細凹部を外周面に有するピンを備えたことを特徴とするクランクシャフト。
請求項１又は２に記載の微細凹部加工装置により加工された微細凹部を外周面に有するジャーナルを備えたことを特徴とするカムシャフト。
請求項１又は２に記載の微細凹部加工装置により加工された微細凹部を外周面に有するカムロブを備えたことを特徴とするカムシャフト。
請求項１又は２に記載の微細凹部加工装置により加工された微細凹部を外周面に有するジャーナルを備えたことを特徴とするバランサシャフト。