JP2010508159A - ラジアル軸受面及びコネクティングロッドを製造するための方法及び電極 - Google Patents

Abstract

本発明は、導電性素材から成るラジアル軸受（５）の略円筒形状の軸受面を製造する方法に関し、その際軸受面（５）の輪郭は第１の工程段階で切削加工され、軸受面（５）は後続の工程段階でさらに電解加工される。さらには、電解加工のための電極、及び機械に使用するコンロッド
（１）も提示される。
【選択図】図１

Description

本発明は、導電性素材から成るラジアル軸受の略円筒形状の軸受面を製造する方法、ラジアル軸受の軸受面を電解加工するための電極、及び機械に使用するコネクティングロッド（以下コンロッド）に関する。

並進運動を回転運動に変換する場合、機械には広い範囲でコンロッドが取り付けられている。そこではコンロッド本体のコンロッドベアリング、すなわちラジアル軸受の軸受面が、極めて高い負荷にさらされる。とりわけ内燃機関、ここでは特に自動車技術において、コンロッドベアリングの耐負荷性及び寿命は機械の機能及び寿命にとって重要である。

特許文献１により、コンロッドアイのエッジのバリを電気化学的に除去する装置が公知である。そこでは、いわゆるコンロッドアイすなわちコンロッド軸受面の穴開けによってコンロッド本体に生じるバリが電解加工される。不利なことには、このことによってコンロッド軸受面自体は耐負荷性の向上、及びその結果として寿命の延長を図れない。

独国特許発明第４０１７２１５Ｃ２号明細書

先行技術に基づき、本発明の課題は、高負荷に耐えるコンロッドの電気化学的製造方法を改善し、そのための電極を提示し、より高い負荷耐性と同時により長寿命を実現するコンロッドを提示することである。

本願で提示されるラジアル軸受の略円筒形状の軸受面の製造方法に関する課題は、請求項１の特徴によって解決される。本願で提示される電極に関する課題は、請求項６の特徴によって解決される。更に、本願で提示されるコンロッドに関する課題は、請求項８の特徴によって解決される。本発明のその他の有利な実施形態及び発展形態は、従属請求項及び記述説明により明らかにされる。

本願で提示されるべき方法に関する課題は、本発明による、導電性素材から成るラジアル軸受の製造のために、第１の工程段階で軸受面の表面輪郭を切削加工し、それに続く第２の工程段階で軸受面の表面輪郭をさらに電解加工することで解決される。

本発明の有利な点は、後続の電解加工によって、幾何学的に高精度で、耐摩耗性のより優れた表面微細構造を備えた軸受面が作成されることである。従って、先行技術と比較して、作動状態でより高い負荷をかけることができ、より高い耐摩耗性及びその結果として通例寿命が延長された、ラジアル軸受のための軸受面が製造される。

本発明に従った方法は、第１の方法段階内に、加工するべき軸受面を加工する従来式の機械加工、好ましくは切削加工、特に穴開け加工を含んでいる。しかしその際、作成するべき幾何学的な最終形状に関して、機械加工の幾何学的な仕上がり寸法を、後続の電解加工の仕上がり寸法の量の分だけ、すなわちその材料除去分だけ、修正しなければならないことを考慮する必要がある。

後続の方法段階では、機械加工された軸受面の表面輪郭が電解加工法でさらに加工される。そのために、十分に周知の電解加工用装置が使用される。電解加工法（ＥＣＭ−Ｅｌｅｃｔｒｏ
Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ）又はそれをさらに発展させた電解加工、いわゆるパルス電解加工法（ＰＥＣＭ−Ｐｕｌｓｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ）は、加工時に工具と加工対象物の間に直接の接触がないことを特徴としている。加工の際、工具及び加工対象物は相対的に互いに固定され、定義されて位置決めされ、その結果加工対象物上に加工工具の形状が写し取られる。そのために、加工工具と被加工対象物の間に電圧が印加され、加工対象物が陽極として、加工工具が陰極として接続される。加工のために、工具（陰極）及び対象物（陽極）の間に存在している隙間、好ましくは１ｍｍ未満の隙間を、標準電解質溶液で洗浄する。これによって加工対象物での材料除去は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質溶液によって加工ゾーンから排除される。ＰＥＣＭ法では、工具と対象物間の隙間距離が格段に小さく、好ましくは０．０１〜０．２ｍｍの隙間距離でよく、それゆえにＥＣＭ法に比べてはるかに高い加工精度を備えている。さらにＰＥＣＭ法の特徴として、ＥＣＭ法のように加工電流が常時印加されることがなく、パルス状の電流が供給されるという点がある。この電解加工法は、さらに工程安定性の高さで抜きん出ている。

そのため、電解加工によって、工具電極の形状を非常に正確にかつ高精度に、加工するべき導電性素材に転写することができる。工具電極の形状は作成するべき加工形状に依存して形成されなければならない。けれども通例は、例えば作成するべき軸受面の正確な直径などの、作成するべき形状に設計された専用の幾何学的形態を備えた、従来の電極構造が使用される。

非接触式の加工方法により、電極の工具摩耗は極度に小さく、それによって高い方法再現性が保証される。

さらに有利には、発明に従った方法で電解加工を行う場合１ｍｍ未満の、好ましくは０．００５ｍｍから０．１ｍｍの範囲の最小の材料除去だけで済む。さらには、材料除去すなわち電解加工時の除去率は、方法中に印加される電圧によって及び／又は電解質溶液の導電率によって直接制御され、その結果発明に従った方法の経済性が、短いサイクル時間により、同時に加工表面の非常に高い表面品質を伴って、最適化されることが可能である。すなわち、削り取るべき素材厚みがより厚い場合は、より高い導電率を持つ、つまり塩含有量をより高めた電解質溶液を選択する及び／又は印加電圧を高める必要がある。特にコンロッドベアリングの軸受面の電解加工は、これによっても大量生産が経済的となる。加工時間は材料除去に応じて数秒間のサイクル時間に、好ましくは０．１ｍｍの材料除去で１０秒未満に短縮される。多数の構成部品を並行加工することで、このサイクル時間はさらに短縮できる。

本方法の高精度加工に関して、これは特にＰＥＣＭ法によってさらに有利に高められ、それによって表面粗度Ｒｚが５μｍ未満の範囲の、好ましくはＲｚが０．５μｍから２μｍの範囲の高い表面品質が得られる。その結果、従来式の機械加工と比べはるかに均一かつ滑らかな、そしてそれによってより高い耐摩耗性を備えた表面が作成される。

ＰＥＣＭ法のさらなる利点は、適切な電極形態によって高精度かつ正確な加工が加工表面の構造化、例えば微細潤滑剤ポケット又は定義されて調整された微細溝の形での微細構造化、を伴って可能となることで、それによって軸受面の耐摩耗性及び耐負荷性がさらに向上する。

１つの好ましい実施形態では、軸受面の表面輪郭が、その断面において幾何学的に非円形に加工される。

その利点は、電解加工法で断面が幾何学的に非円形になるように軸受面の表面輪郭を加工することによって、負荷状態で軸受面が変形する結果生じる軸受面の歪みが低減されることである。これによって、軸受面の耐負荷性及び耐摩耗性がさらに有利に高められる。

このような幾何学的に非円形の加工形状とは、ラジアル軸受の幾何学的中心点に関して断面が非回転対称の形状と理解できる。例えば、楕円形の、つまり楕円化された軸受面の加工形状と理解できる。このような加工は、少なくとも許容できる費用では、従来式の機械加工を使用しては製造できず、電解加工では簡単な方法で、適切な電極形態を使用して加工される。

楕円化された加工形状の利点は、特にコンロッドベアリングにおいて、コンロッドアイが負荷状態、すなわち定義された力が作用した結果変形した状態で、略回転対称の円形形状を備えるように加工されることである。負荷状態で非対称に変形する、コンロッドアイの従来式円形機械加工と比較して、楕円化された加工によって著しく高い耐負荷性を備えると同時に高められた耐摩耗性を備える、コンロッドベアリング又は軸受面が保証される。楕円化された軸受面の各形態は、負荷時に発生する支承力に依存するが、そのような楕円の加工形状の短軸と長軸の寸法差は量的に１００μｍ未満であり、０．５μｍから１０μｍの範囲内が好ましい。

幾何学的中心点に関するラジアル軸受の軸受面の非円形加工形状を正確な位置にするために、負荷状態における軸受面への１つ又は複数の力伝達範囲が重要である。例えば、内燃機関用の従来のコンロッドでは、コンロッドアイの楕円化された加工形状の短軸は、コンロッド本体の方向すなわち２つコンロッドアイの中心点を結ぶ直線上にある。

軸受面のさらなる耐負荷性及び耐摩耗性の向上は、軸受面がその幅で球面に加工されることで達成される。すなわち、特に凸状に加工された軸受面は、支承するべきシャフトのベアリングシートに対する軸受面の傾斜によって、従来型のシャフトのベアリングシート及び軸受面の並行平面形態と比べてはるかに良好な耐負荷性を呈する。従来型の並行平面形態は、軸受面辺縁領域の傾斜が軸受面及びベアリングシートの固体接触をもたらし、それによって軸受面及びベアリングシートの摩耗がより高まる結果となり、すなわち寿命が大きく短縮される。球面加工した軸受面では、傾斜がそのような軸受面及びベアリングシートの固体接触をもたらすのは非常に遅くなってからである。それゆえに、寿命及びその結果として経済性が、特にコンロッドベアリングにおいて著しく向上する。球面加工の寸法は、１００μｍ未満の数マイクロメーター、好ましくは１μｍから１０μｍの範囲で製造されることが望ましい。このような加工は、少なくとも許容できる費用では、従来式の機械加工を使用しては製造できず、電解加工では簡単な方法で、適切な電極形態を使用して加工される。

ラジアル軸受の軸受面の耐負荷性及び耐摩耗性のさらなる向上は、前述の発明に従った解決方法と、公知の軸受面コーティング、例えばコンロッドベアリング用三層構造ベアリングを組み合わせることで達成される。その際に、軸受面は機械加工後に導電性コーティングシステムによってコーティングが施され、続いてこれに適切な、前述の発明に従った電解加工が行われる。

特にコンロッドベアリングの軸受面の製造のためにとりわけ経済的な利点として、電解加工の利点によって、例えばバッキングプレート、ベアリング皮膜、インレット皮膜から構成される三層構造ベアリングのような高価なベアリングシステムに代わって例えば熱溶射皮膜システム又は電気めっきのような単純で安価な耐摩耗性の皮膜システムを使用することができるという結果がもたらされる。これによってコンロッドを直接コーティングでき、三層構造ベアリングの製造におけるはるかに費用のかかる方法段階を節減することができる。

第一の方法段階の切削加工の代わりに、軸受面を電解加工によって、直接ニアネットシェイプ鍛造された、または鋳造された構成部品に、特にコンロッドのコンロッドアイに、作成することができる。これは特に、多数の工程段階、例えばコンロッドアイの切削加工やそれに続く別の方法段階でのコーティングを省略することができるという、経済的な利点を備えている。ただし、軸受面の機能的能力、特にその高い耐負荷性及び耐摩耗性を保証するため、構成部品のためには適切な高品位の鍛造材料又は鋳造材料を選択する必要がある。

さらに有利には、導電性の素材の電解加工は、素材に依存しない加工方法である。すなわち、純粋な機械加工だけでは不十分にしか、あるいは高い費用をかけてしか最終形状に加工できない、例えば切削が困難な最新の鉄鋳物合金であるバーミキュラ黒鉛鋳鉄（ＧＧＶ）又はオーステンパ球状黒鉛鋳鉄（ＡＤＩ−Ａｕｓｔｅｍｐｅｒｄ
Ｄｕｃｔｉｌｅ Ｉｒｏｎ）のような導電性の素材も加工することが可能である。この合金は非常に良好な摩耗特性及び高い機械的強度パラメータを備えており、その結果皮膜なしのベアリング素材として使用される。それゆえに、本発明に従った方法により、例えばコンロッドへのこの素材の使用が可能になり、かつ安定した工程で高精度にこのような素材の加工が可能になると同時に加工の経済性向上が保証される。

本発明のさらなる対象及び発明に従った解決方法のさらなる有利な実施形態は、以下に続く実施例と図とで詳しく説明される。

本発明による内燃機関のコンロッド（１）の、側面図の概略図である。理解しやすくするため、大きい方のコンロッドベアリング（２）の軸受面（５）の楕円形態は、実際よりも誇張して表示している。 本発明によるコンロッドベアリング（２）の図１の線Ａ−Ａに沿った断面図である。理解しやすくするため、大きい方のコンロッドベアリング（２）の軸受面（５）の球面形態は、実際よりも誇張して表示している。

自動車用４気筒ガソリンエンジンを製造するために、ＡＤＩ素材からニアネットシェイプ鋳造されたコンロッド（１）を本発明に従った方法で加工する。

第１の方法段階では、鋳造品のコンロッドベアリング（２、３）のコンロッドアイは、穴開けによって機械加工される。続いて、コンロッドベアリング（２、３）の機械加工された面には、自動化されたプロセスで０．５ｍｍの厚さの耐摩耗性皮膜がプラズマ溶射によって熱コーティングされる。

それに続く方法段階で、コンロッドベアリング（２、３）にＰＥＣＭ法を使用して最終的な加工が施される。この電解加工は、従来型の、ここではさらには記述されないＰＥＣＭ加工装置で実施される。加工に必要な、電極を支持するための、電源供給のための、コンロッドを電極に対して定義された位置に位置決めするための、さらなるプロセス制御のための、接続手段は、ここでは詳しく説明しないが、当然存在する。

大きい方のコンロッドベアリング（２）のＰＥＣＭ加工のために、高さ３０ｍｍ、楕円形の基本形状を持つ１つの電極が使用され、その際に長軸ｂと短軸ａとの差異は量的に１μｍであり、電極の高さ全体にわたって一定である。楕円形の基本形状は、電極の高さ全体にわたって可変であり、その結果電極はその高さに関して凹状の球面形状を備えている。球面形状の外側エッジは寸法ｃがおよそ２μｍ外側へ向かって湾曲している。小さい方のコンロッドベアリング（３）のＰＥＣＭ加工のために、高さ３０ｍｍ、直径が電極の高さ全体にわたって可変であり、その結果電極はその高さに関して凹状の球面形状を備えている、円形の電極が使用される。球面形状の外側エッジは同様に寸法ｃがおよそ２μｍ外側へ向かって湾曲している。

その特別な形態により、前述の電極はコンロッド（１）のＰＥＣＭ加工によって、コンロッドベアリング（２、３）の軸受面（５）の幅全体が希望の球状の凸状形状を、及び大きい方のコンロッドベアリング（２）の軸受面（５）の楕円化された加工形状を作成する。同時に、電極は定義されてコンロッドベアリングのバリを取り、丸みを付ける。

ＰＥＣＭ加工の経済性を高めるため、４本のコンロッド（１）を並行して電解加工し、そのために装置は前述の電極を適切な数備える。

ＰＥＣＭ加工のための方法では、４本のコンロッド （１）が定義されて装置に収容されて挟み込まれ、その結果、電極に対するコンロッド（１）の固定的な位置決めが保証される。その際、それぞれの小さい方のコンロッドベアリング（３）は前述の円形の電極を同心に取り囲み、その結果広範囲にわたって一定の約０．１ｍｍの作業ギャップがもたらされる。大きい方のコンロッドベアリング（２）は、前述の楕円化された電極を取り囲み、その結果、後で楕円化される加工形状の短軸がコンロッド本体（４）の方向に、つまりコンロッドベアリング（２、３）の中心点を結ぶ関連線上にある。その結果として、長軸ｂの方向及び短軸ａに対して垂直な方向にある最小の作業ギャップ約０．１ｍｍが軸受面（５）及び電極の間に生まれる。電解質溶液としてよく使われている食塩水は、加工の上方から周囲圧のもとで供給される。ＰＥＣＭ加工は１０秒のサイクル時間で実施される。

両方のコンロッドベアリング（２、３）のＰＥＣＭ加工では、最終的に両方の軸受面（５）の前述の凸面性及び大きい方のコンロッドベアリング（２）の軸受面（５）の楕円化された形状寸法が作成され、そこから、すでに十分記述された利点が生じる。

この工程は完全に自動化されて行われ、その結果ＰＥＣＭ加工の終了後、加工されたコンロッド（１）が自動的に装置から取り出され、さらに新たに加工するべきコンロッドが装置内に設置される。

Claims (9)

1. 導電性素材から成るラジアル軸受の略円筒状の軸受面（５）を製造する方法であって、第１の工程段階で該軸受面（５）の表面輪郭を切削加工する製造方法において、
   前記軸受面（５）の表面輪郭が後続の工程段階でさらに電解加工されることを特徴とする製造方法。
2. 前記軸受面（５）がその断面において幾何学的に非円形に加工されることを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
3. 前記軸受面（５）がその断面において幾何学的に楕円化されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の製造方法。
4. 前記軸受面（５）がその幅において球面状に加工されることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の製造方法。
5. 電解加工に使用される電極が前記軸受面（５）に対して固定的に位置決めされることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の製造方法。
6. 導電性素材から成るラジアル軸受の略円筒状の軸受面（５）を電解加工するための、円錐形に形成されている電極において、該電極が楕円形の断面を備えていること特徴とする電極。
7. 前記電極がその縦延長線に沿って可変楕円断面を備えることを特徴とする、請求項６に記載の電極。
8. その両端にそれぞれコンロッドベアリング（２，３）を備えたコンロッド本体（４）を具備する、機械、特に内燃機関に使用するコンロッド（１）において、１つのコンロッドベアリング（２、３）の少なくとも１つの軸受面（５）が、その断面が幾何学的に楕円化されて形成されていることを特徴とするコンロッド（１）。
9. 前記コンロッドベアリング（２、３）の前記軸受面（５）が、その幅において球面状に形成されることを特徴とする、請求項８に記載のコンロッド（１）。
   

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