JP2010508158A - 導電性材料から成り、コーティングされた摩擦接触面の加工方法および電解加工用電極 - Google Patents

Abstract

本発明は、導電性材料から成り、コーティングされた、実質的にシリンダー形の摩擦接触面（２）の加工方法に関するものであり、その際、摩擦接触面（２）は電解加工される。さらにその電解加工のための電極（３）が提示される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、導電性材料から成り、コーティングされた摩擦接触面の加工方法および電解加工用の電極に関するものである。

特許文献１から、エンジン構成部品の修理方法が知られている。その際、修理の必要なシリンダーのピストン摺動面は、熱プラズマ溶射によってプラズマコーティングを行い、次にコーティングを施したピストン摺動面をホーニングによって機械的に加工することにより修復する。しかしながら、例えばホーニングによる多数回の機械的な精密加工など、手間とコストのかかる作業の多いことが課題である。

独国特許出願公開第１０３１６９１９Ａ１号明細書

本発明の課題は、従来の技術に基づき、コーティングを施した、実質的にシリンダー形のピストン摺動面のより優れた加工方法を提供することにある。

提示されているコーティングされた摩擦接触面の加工に関して、この課題は、請求項１の特徴により解決される。本発明に基づく方法を実行するための電極は、請求項６の特徴によって提示される。その他の有利な実施形態および発明の発展形態は、下位クレームおよび明細書に示されている。

この課題は、提示されている方法に関して、導電性材料から成り、コーティングされた、実質的にシリンダー形の摩擦接触面の加工に電解加工法を用いることにより、本発明に基いて解決される。

本発明の利点は、コーティングを施された、実質的にシリンダー形の摩擦接触面が、幾何学的に高い精度で、また、明らかに改善された精密な表面形態をもつように加工されるという点である。このような精密な表面形態を作り出すには、従来の機械的な加工では不可能であるか、あるいは非常に高いコストをかけるしかない。摩擦接触面のコーティング、とくに熱溶射コーティングを組み合わせることにより、非常に高い摩擦力にも耐えることのできる、耐摩耗性に優れた摩擦接触面が生じる。同時に、この加工方法は、明らかに簡便かつ経済的である。なぜなら、機械的な加工における多くの工程回数が、マシニング加工などによって減少するためである。

熱コーティングは、その方法のために高い多孔性と表面の粗さを有しているが、本発明のもう１つの利点として、この熱コーティングした摩擦接触面の、粗くざらついた部分を電気化学的に除去することにより、表面が滑らかになり、同時に層の多孔性は保持されるという点がある。このことによって、後で摩擦接触面を潤滑する際に、潤滑剤が層の細孔によってコーティングの中に保持されるため、コーティングした摩擦接触面のトライボロジー特性と耐摩耗性が極めて向上することになる。

電解加工用の電極を適切な形態にすることにより、すなわち、棒状の電極では、その外側の面を活性化して加工し、管状電極の場合は内側の面を活性化して加工することによって、コーティングされたシリンダーの内面またはコーティングされたシャフトの外面を、発明に基づく方法により加工することができる。

本電解加工方法には、よく知られている電解加工装置を使用する。電解加工（ＥＣＭ）法または新たに開発された電解加工、いわゆるパルス電解加工（ＰＥＣＭ）法の特徴は、加工する際に、工具と被加工物とが直接接触していないことである。ここでは、加工のために工具と被加工物とが両方とも比較的しっかりと定位置に位置決めされ、加工の際には、加工工具の形状が被加工物にコピーされる。位置を固定する方法に対し、もう１つ別の方法では、被加工物と工具とが相対的に動き合い、好ましくは直進運動または回転運動することができる。ＰＥＣＭ法では、振動と直進運動または回転運動とを組み合わせることもとくに有利であり、その際、振動周波数は電解加工のパルス周波数と一致する。同様に、ＰＥＣＭ加工の場合、パルス周波数に同期して相対運動も行うことができる。加工の際には、被加工物を陽極、加工工具を陰極として、加工工具と被加工物との間に電圧がかけられる。加工のためには、工具（陰極）と被加工物（陽極）との間にある、好ましくは１ｍｍより小さい隙間に、標準的な電解液が流される。これによって、被加工物の材料除去が電気化学的に行われ、溶解した材料は金属水酸化物として、電解液により加工区域から流し出される。ＰＥＣＭ法は、工具と被加工物との間にある隙間がほんの僅かしかなく、好ましくは０．０１〜０．２ｍｍの範囲にあり、そのため加工精度はＥＣＭ法よりもはるかに高い。また、ＰＥＣＭ法に特徴的なことは、ＥＣＭ法の場合のように、加工電流が常に流されているのではなく、パルス電流として供給されることである。さらに、電解加工法は、プロセス安定性の高さによって特徴づけられる。

従って、この電解加工を用いることによって、工具電極の形状が極めて正確かつ高精度に、加工する導電性材料に伝達される。その際、工具電極の形状は、作成する加工形状に応じて形成することができる。しかしながら、一般的には、作成する形状に合わせて設計された特殊な幾何学的形態、例えば、作成するシリンダー摺動面の正確な直径を有する、従来の電極構造が使用される。

加工工程がスムーズであることから、電極の工具摩耗は極めて少なく、それによって工程の再現性は確実に高くなる。

さらに有利なことは、本発明に基づく電解加工方法では、材料の除去が２．５ｍｍより少なく、好ましくは０．０５〜０．５ｍｍという最小範囲でしか行われないことである。また、材料除去、すなわち電解加工時の除去量は、工程中に加えられる電圧によって、および／または、電解液の導電率によって直接制御されるため、加工面の質が非常に高くなると同時に、短いサイクルタイムによって、発明に基づく方法の経済性も確保される。すなわち、除去しなければならない材料の厚さが大きい場合には、伝導率の高い電解液、すなわち塩の割合を高くした電解液を選択するか、および／または電圧を上げることができる。従って、内燃機関の、とくにシリンダー摺動面のコーティングされた摩擦接触面の電解加工は、連続生産の場合にも経済的となる。加工時間は、材料除去量に応じて、ほんの数秒のサイクルタイム、好ましくは、材料除去が０．１ｍｍの場合、１０秒にまで縮小される。複数の構成部品を同時加工することによって、このサイクルタイムをさらに縮小することができる。

高精度の加工に関して、このことは、とくにＰＥＣＭ法によりさらに有利になる。ＰＥＣＭ法の場合、表面粗さＲｚの範囲が５μｍよりも小さく、好ましくはＲｚが０．５μｍ〜２μｍの範囲という、質の高い表面に仕上げることができる。従って、従来の機械的な加工に比べて、表面は明らかに均一かつ平滑となり、それによって高い耐摩耗性を有することになる。

ＰＥＣＭ法のその他の利点は、適切な電極の形態によって、例えば、微小潤滑剤ポケットや一定に調整された微小溝という形での加工表面の微細構造化を伴う高精度かつ精密な加工が可能となることであり、このことによって、摩擦接触面の耐摩耗性および負荷容量はさらに高まる。

有利な形態では、コーティングした摩擦接触面の断面が、電解加工によって一定の形状で、非真円に加工される。

この場合有利なことは、摩擦接触面の断面形状を電解加工法によって非真円に加工することにより、摩擦接触面の変形による負荷状態の中で摩擦接触面に生じる歪みが低減されることである。このことによって、摩擦接触面の負荷容量および耐摩耗性がさらに有利に高められる。

この場合、こうした幾何学的に非真円の加工形状とは、電解加工前には実質的に円形または環状であった摩擦接触面の断面の幾何学的中心に関して、回転対称ではない形状と解釈される。例えば、楕円形、すなわち長円形の摩擦接触面の加工形状と理解することができる。このような加工は、少なくとも従来の機械的な加工費用では不可能であるが、電解加工の場合は、適切な電極形態を用いることによって、単純な方法で行われる。

とくにシリンダー摺動面の場合、長円形の加工形状の利点は、負荷状態、すなわち熱と機械的力が限定的に加わって、変形状態にあるシリンダー摺動面が、本質的により正確な回転対称のシリンダー形状を有することである。負荷状態において非対称的に変形するシリンダー摺動面を円形に加工する従来の機械的加工と比べ、長円形加工の場合は、シリンダー摺動面が極めて高い耐摩耗性を有し、スムーズな動きが保証されることになる。長円形の摩擦接触面のそれぞれの形態は、負荷がかかったときに生じる力に応じて異なるが、このような長円形の加工形状の主軸と副軸との差は、量を単位として１０００μｍより小さく、好ましくは１〜１００μｍの範囲にある。

摩擦接触面の非真円の加工形状の正確な状態については、負荷状態における摩擦接触面への力の伝達範囲が決定的に重要である。

さらに、導電性材料の電解加工が材質に無関係な加工方法であることも有利な点である。つまり、純粋に機械的な加工では不十分であるか、または最終形状にするまでに高いコストがかかるような導電性コーティングや材料、例えば、とくに鉄‐クロム基盤で、切削の非常に難しい溶射被膜も加工することができる。

内燃機関のクランクケースに使用するシリンダーライナー（１）のシリンダー断面と、電解加工終了時の加工電極（３）の模式図である。

本発明のその他の対象ならびに本発明に基づく解決方法のその他の有利な形態を、以下の実施例および図によって詳しく説明する。図１は、内燃機関のクランクケースに使用するシリンダーライナー（１）のシリンダー断面と、電解加工終了時の発明に基づく加工電極（３）の模式図である。分かりやすくするために、シリンダーライナー（１）の摩擦接触面（２）の長円形は、形態を誇張して示している。

自動車の直列４気筒エンジンの製造には、鋳鉄製のシリンダーライナー（１）がアルミニウム製のクランクケースの中に鋳込まれる。シリンダーライナー（１）のシリンダー内壁は、アーク‐ワイヤ溶射（Laser-Draht-Spritzen, LDS）による溶射成形を用いて耐摩耗性の鉄クロム層（２）でコーティングされる。鉄クロム層（２）の厚さは０．５ｍｍである。コーティングするシリンダー（１）の内径は、高さ１００ｍｍの場合、７５ｍｍである。

それに続く工程において、シリンダー内壁の最終的な加工がＰＥＣＭによって行われる。電解加工は、ここでは詳細に説明されていない従来のＰＥＣＭ加工装置で行う。当然ながら、電極（３）の支持、電流供給、電極に対するシリンダーライナー（１）の所定位置への位置決め、およびその他のプロセス制御のための加工に必要な接続方法があるが、ここではそれらについて詳しい説明は行わない。

ＰＥＣＭ加工の経済性を向上させるため、シリンダーライナー（１）の４つのシリンダー摺動面の電解加工を同時に行うため、この装置は、該当する数の電極（３）を有している。

コーティングされたシリンダー摺動面（２）のＰＥＣＭ加工には、高さ１１０ｍｍで長円形の基本形状を有する１つの電極（３）が使用され、その際、主軸ｂと副軸ａとの差は、量を単位として１０μｍであり、電極（３）の高さにわたって一定である。長円形の基本形状は、電極（３）の高さにわたって一定である。ＰＥＣＭ加工の場合、電極（３）の外周全体が電気化学的に活性している、すなわち、材料の除去に関与している。電極（３）の正面は絶縁されている。

ＰＥＣＭ加工で説明した電極（３）は、その特殊な形態によって、コーティングされたシリンダー摺動面を適切な長円形の加工形状にする。

ＰＥＣＭ加工の工程では、シリンダーライナー（１）が装置の中の所定の位置に支持され、取り付けられる。次に、長円形の加工電極（３）が個々のシリンダー（１）に自動的に位置決めされる。その際、コーティングされたシリンダー摺動面（２）は、これまでに説明した長円形の電極（３）を取り巻いており、長円形の加工電極（３）の副軸ａは、シリンダーライナー（１）に並べて配置されている４つのシリンダーの中心を結ぶ線に対して垂直である。これによって、コーティングされたシリンダー摺動面（２）と加工電極との間に約０．１ｍｍの最少の隙間が生まれ、この隙間は、主軸ｂの方向に、加工電極（３）の副軸ａに対して垂直である。通常の食塩水である電解液は、この場合、環境気圧の下で、上から加工部に流されるが、他にも任意の方法で同様に加工部に流すことができる。このＰＥＣＭ加工は、１０秒のサイクルタイムで行われる。

この方法は、完全オートメーションで行われるため、ＰＥＣＭ加工終了後、加工されたシリンダーライナー（１）は自動的に装置から取り出され、次に新しく加工するシリンダーライナー（１）が装置に取り付けられる。

Claims (8)

1. コーティングされ、導電性材料から成る実質的にシリンダー形の摩擦接触面（２）の加工方法において、
   前記摩擦接触面（２）が電解加工されることを特徴とする、加工方法。
2. 前記摩擦接触面（２）の断面が電解加工によって幾何学的に非真円に加工されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記摩擦接触面（２）の断面が電解加工によって幾何学的に長円形にされることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記摩擦接触面（２）が電解加工によって微細構造化されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 電解加工の際、加工電極（３）と加工する前記摩擦接触面（２）とが相対的に、直進運動、回転運動および／または振動することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 電解加工のための電極（３）であって、該電極（３）は先の尖った棒状に形成されており、長円形の断面を有していることを特徴とする電極（。
7. 前記電極（３）が管状の断面を有していることを特徴とする、請求項６に記載の電極。
8. 電解加工の際、電気化学的に活性している電極面の部分が微細構造を有していることを特徴とする、請求項６または７に記載の電極。
   

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