JP2017155606A - シリンダヘッドの加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】吸気ポートおよび排気ポートの開口部に摩擦撹拌用工具を用いてバルブシートを形成する場合における加工時間を短縮する。【解決手段】吸気ポート１２の開口部は、吸気バルブの傘部３０を着座させるためのバルブシート３２（改質層）と、バルブシート３２よりも上流側に位置する開口部本体３４と、から構成される。開口部本体３４を図１に示した排気ポート１８の開口部側の凹状湾曲部３４ａと、凹状湾曲部３４ａの反対側を構成する凸状湾曲部３４ｂとで囲まれる空間として定義した場合に、摩擦撹拌の終了点は、凹状湾曲部３４ａの壁面ではなく、凸状湾曲部３４ｂの壁面に設けられる。より詳細に、摩擦撹拌の終了点は、凸状湾曲部３４ｂの壁面のうちの空気流れ方向の下流域に設けられる。【選択図】図４

Description

この発明はシリンダヘッドの加工方法に関し、より詳細には、エンジンのシリンダヘッドに形成される吸気ポートおよび排気ポートの壁面の加工方法に関する。

エンジンのシリンダヘッドに形成される吸気ポートおよび排気ポートの開口部には、吸気バルブおよび排気バルブの傘部が着座するバルブシートが設けられる。このようなバルブシートの作製手法に関し、特許文献１には、摩擦撹拌が開示されている。摩擦撹拌は、回転する摩擦撹拌用工具のプローブをワーク（つまり、バルブシート）に押し当てることで発生する摩擦熱を利用したワークの軟化と、プローブの回転を利用したワークの撹拌とを同時に行う加工手法のひとつである。この従来技術では、耐熱性や耐摩耗性を有するセラミックス粉末を含む金属材をバルブシートの表面に設置し、或いは、同セラミックス粉末をバルブシートの表面に付着させた後に摩擦撹拌を行っている。このような摩擦撹拌を行うことで、セラミックス粉末をバルブシート内に分散させることができるので、バルブシートの耐熱性や耐摩耗性を向上させることができる。

特許文献２には、シリンダヘッドに２つずつ合計４つ形成された吸気ポートと排気ポートの開口部の間の摩擦撹拌に際しての、摩擦撹拌用工具の移動経路および移動終了箇所に関する技術が開示されている。この従来技術では、摩擦撹拌後の仕上げ加工時に削られる箇所において摩擦撹拌を終了して、シリンダヘッドから摩擦撹拌用工具を引き抜いている。摩擦撹拌用工具を引き抜いた箇所にはプローブの痕（プローブ痕）が残るが、仕上げ加工時に削られる箇所において摩擦撹拌用工具を引き抜けば、仕上げ加工時にプローブ痕を除去することができるので、高品質のシリンダヘッドを得ることができる。

特開２００５−２７２９１９号公報 特開２００９−０３０５２７号公報

特許文献１にバルブシートからの摩擦撹拌用工具の引き抜き箇所に関する言及はないが、このバルブシートから摩擦撹拌用工具を引き抜いた場合には、引き抜き箇所にプローブ痕ができることは特許文献２の開示内容から明らかである。そして、特許文献１のバルブシートに特許文献２の引き抜き箇所に関する技術を適用すれば、このバルブシートからプローブ痕を除去することが可能となる。しかし、引き抜き箇所がバルブシートの位置から離れるほど摩擦撹拌を行う加工時間が長くなるところ、引き抜き箇所によってはシリンダヘッドの生産性が低下するおそれがある。

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、吸気ポートおよび排気ポートの開口部に摩擦撹拌用工具を用いてバルブシートを作製する場合における加工時間を短縮することにある。

本発明に係るシリンダヘッドの加工方法は、吸気ポートおよび排気ポートの開口部に回転する摩擦撹拌用工具のプローブを押し当てて、吸気バルブおよび排気バルブの傘部が着座するバルブシートを作製するエンジンのシリンダヘッドの加工方法である。前記吸気ポートの開口部は、前記バルブシートの作製対象領域であるバルブシート面と、前記バルブシート面よりも空気流れ方向の上流側、かつ、前記排気ポートの開口部側に位置する凹状湾曲部の壁面と、前記凹状湾曲部の反対側を構成する凸状湾曲部の壁面と、を備えている。本発明に係るシリンダヘッドの加工方法は、前記凸状湾曲部の壁面のうちの空気流れ方向の下流域において前記摩擦撹拌用工具を引き抜くことで前記バルブシート面の摩擦撹拌を終了することを特徴としている。

本発明に係るシリンダヘッドの加工方法によれば、凸状湾曲部の壁面のうちの空気流れ方向の下流域において摩擦撹拌用工具を引き抜くことでバルブシート面の摩擦撹拌を終了することができる。凸状湾曲部の壁面は吸気ポートの開口部を構成することから、凸状湾曲部の壁面のうちの空気流れ方向の下流域から摩擦撹拌用工具を引き抜くことは、バルブシート面からそれ程離れていない位置で摩擦撹拌用工具を引き抜いていることに他ならない。従って、バルブシート面から離れた位置において摩擦撹拌用工具を引き抜く場合に比べて、摩擦撹拌用工具の稼働時間、つまり、バルブシートの形成に要する加工時間を短縮できる。

摩擦撹拌用工具を引き抜けば引き抜き箇所にプローブ痕が形成される。ここで、エンジン組み立て後のシリンダヘッドの吸気ポート内を流れる空気の流れ方向は、吸気ポートの上流側から凹状湾曲部側に向かう方向となる。そのため、吸気ポートの上流側から凹状湾曲部３４ａの壁面に到達した空気が当該壁面に沿って流れ、一方、吸気ポートの上流側から凸状湾曲部の壁面に到達した空気は当該壁面から剥離するように流れることになる。故に、凸状湾曲部の壁面のうちの空気流れ方向の下流域を摩擦撹拌の終了点とすることで、摩擦撹拌後の仕上げ加工等の際にプローブ痕が完全に除去されずに残ったとしても、吸気ポート内の空気の流れへの影響を最小限に留めることができる。更に言うと、プローブ痕の除去を目的とした加工を簡略化して、シリンダヘッドの生産性を向上させることもできる。

本発明の実施の形態に係るエンジンのシリンダヘッドの加工方法を説明するための図である。 摩擦撹拌の概要を説明するための図である。 本発明の実施の形態におけるバルブシート面の加工順序（専用ツールの移動順序）を説明するための図である。 図３で説明した摩擦撹拌の終了点を説明するための図である。 バルブシート面の加工順序の他の例を示した図である。 バルブシート面の加工順序の他の例を示した図である。 バルブシート面の加工順序の他の例を示した図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

［シリンダヘッドの加工方法］
図１乃至図４を参照して、本発明の実施の形態に係るエンジンのシリンダヘッドの加工方法を説明する。図１は、加工対象であるシリンダヘッド素材の概略図である。この図に示すシリンダヘッド素材１０は、例えば、アルミニウム合金のダイキャストにより得られる鋳造品であり、後述する摩擦撹拌を含む各種工程（穴開け加工、仕上げ加工等）を経ることで最終製品となる。この最終製品が適用されるエンジンの種類には特に限定はなく、火花点火式エンジンでもよく、圧縮自着火式エンジンでもよい。

図１には、シリンダヘッド素材１０のうちの１つの気筒に相当する領域を、シリンダブロック側から見たときの平面図が描かれている。この図に示すように、シリンダヘッド素材１０には、吸気ポート１２，１４および排気ポート１６，１８の合計４つのポートが気筒毎に形成されている。これらのポートの開口部を構成する壁面には、耐摩耗性を有する硬質粒子が溶射等によって付着させられている。なお、１気筒当たりのポートの開口部の合計は４つでなくてもよく、吸気ポートと排気ポートの開口部が１つずつの合計２つでもよい。また、吸気ポートと排気ポートの開口部の数が等しくなくてもよく、吸気ポートの開口部が２つで排気ポートの開口部が１つでもよい。

本実施の形態では、吸気ポート１２，１４および排気ポート１６，１８の開口部を構成する壁面の一部を摩擦撹拌してバルブシートを作製する。図２は、摩擦撹拌の概要を説明するための図である。この図に示すように、摩擦撹拌は、回転する専用ツール２０のプローブ２２を母材２４に押し当てることで発生する摩擦熱によって母材２４を軟化させつつ、プローブ２２を動かすことで母材２４を撹拌して母材２４の性質を改良した改質層２６を形成する加工手法のひとつである。バルブシートはレーザークラッドでも作製できるが、レーザークラッドは母材２４の溶解を伴う加工手法であり、シリンダヘッドへの熱的な影響が大きいのに対し、摩擦撹拌は母材２４の溶解を伴わないことから、この影響を小さくできるという利点がある。

図１に示した４つのポートの開口部の母材、つまり、アルミニウム合金が、図２の母材２４に相当している。ここで、吸気ポート１２，１４および排気ポート１６，１８の開口部を構成する壁面のうちのバルブシートの作製対象領域をバルブシート面と定義すると、これらのバルブシート面には硬質粒子が付着させられていることから、これらのバルブシート面に図２で説明した専用ツール２０と同様の専用ツールのプローブを押し当てることで、図２の母材２４と同様に摩擦熱によってアルミニウム合金を軟化させ、また、これらのバルブシート面に沿って専用ツールを動かすことで軟化させたアルミニウム合金内に硬質粒子を分散させることができる。この結果、図２の改質層２６と同様の改質層を備えるバルブシートが４つのポートの開口部のそれぞれに作製され、これらのバルブシートの耐摩耗性が改良される。

図３は、本発明の実施の形態におけるバルブシート面の加工順序（専用ツールの移動順序）を説明するための図である。この図の順序１〜順序２５に示すように、本実施の形態では、吸気ポート１２，吸気ポート１４，排気ポート１６，排気ポート１８の順に一筆書き状に摩擦撹拌を行う。具体的には先ず、排気ポート１８の開口部に最も近づく吸気ポート１２の開口部に示した丸の位置（開始点）に専用ツールのプローブを押し当て、吸気ポート１２の開口部に沿って時計回りに専用ツールを動かしてバルブシート面を加工し（順序１〜順序４）する。続いて、順序５で示すバルブシート面の２回目の加工を行い、吸気ポート１４の開口部に最も近づく吸気ポート１２のバルブシート面から吸気ポート１４のバルブシート面まで専用ツールを動かして、これらのポートの開口部の間を加工する（順序６）。

吸気ポート１４、排気ポート１６，１８のバルブシート面の加工は吸気ポート１２のバルブシート面の加工と基本的に同じである。即ち、吸気ポート１４では、バルブシート面を時計回りに加工し（順序７〜順序１０）、順序１１で示す２回目のバルブシート面の加工を行った上で、排気ポート１６の開口部に最も近づく吸気ポート１４のバルブシート面から、排気ポート１６のバルブシート面までこれらのポートの開口部の間を加工する（順序１２）。また、排気ポート１６では、バルブシート面を時計回りに加工し（順序１３〜順序１６）、順序１７で示す２回目のバルブシート面の加工を行った上で、排気ポート１８の開口部に最も近づく排気ポート１６のバルブシート面から排気ポート１８のバルブシート面まで、これらのポートの開口部の間を加工する（順序１８）。

また、排気ポート１８では、バルブシート面を時計回りに加工し（順序１９〜順序２２）、順序２３で示す２回目のバルブシート面の加工を行った上で、吸気ポート１２の開口部に最も近づく排気ポート１８のバルブシート面から吸気ポート１２のバルブシート面まで、これらのポートの開口部の間を加工する（順序２４）。そして、吸気ポート１２の開口部に専用ツールが戻ってきたら、吸気ポート１２のバルブシート面に沿いつつ、当該バルブシート面から徐々に離れる方向に専用ツールを動かし、吸気ポート１２の開口部の壁面のうちの順序２５付近に示した二重丸の位置（終了点）で専用ツールを引き抜く。なお、順序１〜順序２５までの間はプローブの押し当て状態が保持され、終了点で専用ツールを引き抜くことで、この押し当て状態が解除される。

図４は、図３で説明した摩擦撹拌の終了点を説明するための図であり、図１に示した吸気ポート１２の開口部の縦断面図に相当している。なお、図４には説明の便宜上、吸気バルブを示しているが、摩擦撹拌の段階で吸気ポートに吸気バルブを設置することはない。図４に示すように、吸気ポート１２の開口部は、吸気バルブの傘部３０を着座させるためのバルブシート３２（改質層）と、バルブシート３２よりも上流側に位置する開口部本体３４と、から構成される。開口部本体３４を図１に示した排気ポート１８の開口部側の凹状湾曲部３４ａと、凹状湾曲部３４ａの反対側を構成する凸状湾曲部３４ｂとで囲まれる空間として定義した場合に、摩擦撹拌の終了点は、凹状湾曲部３４ａの壁面ではなく、凸状湾曲部３４ｂの壁面に設けられる。より詳細に、摩擦撹拌の終了点は、凸状湾曲部３４ｂの壁面のうちの空気流れ方向の下流域に設けられる。

図４で説明した凸状湾曲部３４ｂの壁面のうちの空気流れ方向の下流域を摩擦撹拌の終了点とすることで、次のような効果を得ることができる。先ず、凸状湾曲部３４ｂはバルブシート面と同様に吸気ポート１２の開口部の一部であることから、凸状湾曲部３４ｂの壁面のうちの空気流れ方向の下流域を摩擦撹拌の終了点とすることで、吸気ポート１２のバルブシート面からそれ程離れていない位置で専用ツールを引き抜くことができる。従って、吸気ポート１２のバルブシート面から離れた位置に摩擦撹拌の終了点を設ける場合に比べて、専用ツールの稼働時間、つまり、バルブシート３２を作製する場合における加工時間を短縮することができる。

また、専用ツールを引き抜けば引き抜き箇所にプローブ痕が形成されることになる。但し、図４に矢印で示す空気の流れ方向は、吸気ポート１２の上流側から凹状湾曲部３４ａ側に向かう方向となる。そのため、吸気ポート１２の上流側から凹状湾曲部３４ａの壁面に到達した空気が当該壁面に沿って流れ、一方、吸気ポート１２の上流側から凸状湾曲部３４ｂの壁面に到達した空気は当該壁面から剥離するように流れることになる。故に、凸状湾曲部３４ｂの壁面のうちの空気流れ方向の下流域を摩擦撹拌の終了点としておけば、摩擦撹拌後の仕上げ処理等において完全に除去できずにプローブ痕が残ったとしても、吸気ポート１２内の空気の流れへの影響を最小限に留めることができる。更に言うと、凸状湾曲部３４ｂの壁面のうちの空気流れ方向の下流域を摩擦撹拌の終了点とすれば、プローブ痕の除去のみを目的とした加工を省略して、シリンダヘッドの生産性を向上させることもできる。

［摩擦加工の開始点の他の例］
ところで、上記実施の形態では、吸気ポート１２のバルブシート面から摩擦加工を開始した。しかしながら、吸気ポート１２のバルブシート面の周辺であって、摩擦撹拌後の仕上げ処理等において完全に除去される箇所を開始点としてもよい。このような箇所から摩擦加工を開始すれば、加工初期の段階で形成される不安定部位を将来的に完全除去できるので、高品質のシリンダヘッドを得ることができる。

［バルブシート面の加工順序の他の例］
また、上記実施の形態において、図３で説明した加工順序で吸気ポート１２，１４、排気ポート１６，１８のバルブシート面の摩擦撹拌を行った。しかしながら、これらのバルブシート面の加工順序は図３に示した例に限られず、各種変形が可能である。図５乃至図７は、バルブシート面の加工順序の他の例を示した図である。図５の（５ａ）〜（５ｃ）には、吸気ポート１２、排気ポート１８、排気ポート１６、吸気ポート１４の開口部の順に一筆書き状に摩擦撹拌を行う場合の加工順序の例が示されている。図５の（５ａ）〜（５ｃ）に示した例では、加工順序だけでなく、バルブシート面の間の加工箇所においても上記実施の形態と異なる。

図６の（６ａ）〜（６ｃ）には、排気ポート１８、吸気ポート１２の順に一筆書き状に摩擦撹拌を行うと共に、排気ポート１６、吸気ポート１４の順に一筆書き状に摩擦撹拌を行う場合の加工順序の例が示されている。図６の（６ａ）〜（６ｃ）に示した例では、摩擦撹拌の開始点と終了点が２箇所ずつになる。摩擦撹拌の開始点と終了点が２箇所ずつになるのは、図７の（７ａ）〜（７ｃ）に示した例でも同様である。図７の（７ａ）〜（７ｃ）には、排気ポート１８、排気ポート１６、吸気ポート１４の順に一筆書き状に摩擦撹拌を行うと共に、吸気ポート１２には単独で摩擦撹拌を行う場合の加工順序の例が示されている。

以上のことから、図４で説明した凸状湾曲部３４ｂの壁面のうちの空気流れ方向の下流域において摩擦加工を終了すれば、上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。

１０ シリンダヘッド素材
１２，１４ 吸気ポート
１６，１８ 排気ポート
２０ 専用ツール
２２ プローブ
２４ 母材
２６ 改質層
３０ 傘部
３２ バルブシート
３４ 開口部本体
３４ａ 凹状湾曲部
３４ｂ 凸状湾曲部

Claims (1)

1. 吸気ポートおよび排気ポートの開口部に回転する摩擦撹拌用工具のプローブを押し当てて、吸気バルブおよび排気バルブの傘部が着座するバルブシートを作製するエンジンのシリンダヘッドの加工方法であって、
   前記吸気ポートの開口部は、前記バルブシートの作製対象領域であるバルブシート面と、前記バルブシート面よりも空気流れ方向の上流側、かつ、前記排気ポートの開口部側に位置する凹状湾曲部の壁面と、前記凹状湾曲部の反対側を構成する凸状湾曲部の壁面と、を備え、
   前記凸状湾曲部の壁面のうちの空気流れ方向の下流域において前記摩擦撹拌用工具を引き抜くことで前記バルブシート面の摩擦撹拌を終了することを特徴とするシリンダヘッドの加工方法。

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