JP3747834B2 - Cylinder head surface treatment method and cylinder head subjected to the surface treatment - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、シリンダヘッドの表面処理方法及び該表面処理を施したシリンダヘッド、特に、複数の吸排気ポートを有する気筒を備えたエンジンの軽合金製シリンダヘッドの少なくとも上記吸排気ポート間の表面部分に所定の回転工具を用いて摩擦攪拌処理を施すシリンダヘッドの表面処理方法、及びかかる表面処理を施したシリンダヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、例えば自動車用等の車両用のエンジンのシリンダヘッドは、例えばアルミニウム（Ａｌ）若しくはその合金等の軽合金材料を用いた鋳造品を素材とするものが一般的で、かかるシリンダヘッドをシリンダブロックに組み付けて使用される。
また、近年、車両用エンジンとしては、２気筒あるいは４気筒などの多気筒タイプで、しかも、各気筒毎に複数の吸排気ポートを有するものが多用されており、例えばディーゼルエンジンなどにおいては、シリンダヘッドの吸排気ポート間にグロープラグが取り付けられるものが一般的である。
【０００３】
このようなシリンダヘッドでは、所謂、「バルブブリッジ部」或いは「弁間部」と称せられる、吸排気ポートのポート穴間の領域は、エンジン駆動時の気筒での燃焼による体積膨張と停止時の冷却による体積収縮とを繰り返すことから、一般に、熱疲労によるクラックが発生し易い。この問題に対して、従来では、弁間部に所謂リメルト処理を施して熱疲労強度の向上を図ることが行われている。
【０００４】
しかしながら、このリメルト処理では、弁間部の熱容量が限られることから、シリンダヘッドへの熱負荷増加に対応して処理深さを増すために入熱量を増やすと肩型だれが生じてしまうので、処理深さに制約がある。また、入熱量を多くすると、処理部の凝固時間が長くなり、金属組織の微細化効果が低下すると共にピンホール欠陥も増加傾向となるため、処理深さ増加による表面改質効果が相殺され、狙いとする耐熱性向上効果を得ることは難しい。
更に、入熱量を増加させると、リメルト処理時の熱応力により部材にクラックが発生し易くなるため、部材の予熱処理が必要となる。その他、マグネシウムを含有する材料では、溶融時にマグネシウムが蒸発して減少し、リメルト処理後のТ６熱処理で強度向上代が小さくなり、所要の機械的特性が得られなくなる、などの問題がある。
【０００５】
また、品質面においても、入熱量のバラツキや磁気吹きによる位置ずれなどにより、処理深さのバラツキが大きいことや、処理部のピンホール欠陥は、母材のガス含有量や鋳巣面積に影響を受けることなどから、処理部の品質安定性を確保することは、なかなかに難しい。
更に、生産性の面においても、処理部を溶融させることから、溶融部分の酸化防止のためにシールドガスが必要とされ、また、表面酸化物や不純物から発生するガスによるガス欠陥の発生防止のために、処理前に鋳肌部分を除去する工程が追加されることが多い。更に、処理部表面に発生する高い引張残留応力を解放するために、後熱処理が必要であるので、コスト高になるという問題もある。
【０００６】
ところで、Ａｌ又はその合金等の軽金属製部材の表面処理方法として、高速で回転する回転工具を部材表面に接触させ、表面への押圧状態を保ちながら回転工具を表面に沿って移動させることで、当該部材表面及びその近傍領域を改質し機械的特性の向上を図る、所謂、摩擦撹拌処理が知られている。
例えば、特開２０００−１５４２６号公報には、エンジンのＡｌ合金製シリンダヘッドのシリンダブロックに対するシール面（合わせ面）の表面処理に、かかる摩擦撹拌処理法を適用することが開示されている。
【０００７】
上記摩擦撹拌処理法では、高速で回転する回転工具を部材表面に当接させ押圧することで、その際に生じる摩擦熱と回転体の撹拌作用により、部材表面の回転工具当接部分及びその近傍領域を軟化させて塑性流動を生じせしめる。そして、この塑性状態の材料部分（塑性流動層）が非溶融状態で撹拌され、その後に塑性流動部分が凝固することにより、当該部材の表面及びその近傍領域が改質される。
【０００８】
Ａｌ合金等の軽金属製鋳造部材の表面に、この摩擦撹拌処理による表面改質処理を施すことにより、表面部分を溶融させて改質を図る所謂リメルト処理等による場合に比べて、鋳造部材の表面部分の金属組織をより緻密なものとし、また、鋳巣等による内部未充填欠陥を大幅に低減することができ、伸び及び靱性等の機械的特性並びに疲れ強さ（熱疲労強度）を向上させることができる。この場合において、リメルト処理等により表面部分を溶融させて改質を図る場合のように、鋳造部材内部のガス等によるブローホール或いはピンホールが形成される惧れもない。
【０００９】
そこで、本願出願人は、特願２０００−３９３３２８号において、かかる摩擦撹拌処理法を多気筒エンジンの軽合金製シリンダヘッドの吸排気ポート間（弁間部）の表面改質処理に適用することを提案した。
この先行技術では、各気筒毎に一対の吸気ポートと一対の排気ポートとを有する直列４気筒エンジンのＡｌ合金製シリンダヘッドについて、略十字状をなす各気筒の弁間部の表面部分に対する摩擦撹拌処理を施すに際し、回転工具の移動軌跡に対応する処理経路を、各気筒毎に設けられシリンダヘッドの幅方向に延びる４本の比較的短い処理経路と、全気筒を縦断してシリンダヘッドの長手方向に延びる１本の長い処理経路とで構成している。
【００１０】
そして、これら処理経路に沿って４つの気筒の吸排気ポート弁間部の表面処理を一連の工程で処理するようにしている。この場合、各弁間部の表面部分をその全幅にわたってより有効に改質するために、より好ましくは、各処理経路には往復の経路が設定され、各弁間部に対し往路と復路の両方で摩擦攪拌処理による表面処理が繰り返して施される。
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、上記摩擦撹拌処理法では、１つの処理経路を終える際の終端部分で、回転工具の移動を停止して引き抜く際に回転工具当接部分が深くなるので、不可避的に深い終端穴が残存することになる。そして、この終端穴が最終的に完成状態の製品に残ることがないように、終端穴の位置を表面処理後の後工程での加工により完全に除去されるべき部位に設定する必要がある。換言すれば、このような部位まで摩擦撹拌処理を延長して回転工具を移動する（以下、このような処理を「終端穴処理」と称する）必要がある。
従って、摩擦撹拌処理法による表面改質処理の処理効率の向上を図るためには、このような終端穴処理に費やされる時間を極力短縮することが求められる。
【００１２】
ところが、上記先行技術では、４つの気筒の弁間部の表面処理を行うのに、各気筒毎の処理経路に加えて全気筒を縦断する処理経路の計５本の処理経路が設定されており、従って、回転工具の終端穴処理も計５箇所について必要とされることになる。
また、全気筒を縦断してシリンダヘッドの長手方向に延びる１本の長い処理経路に沿った表面処理を行う場合、回転工具は処理が不要な気筒間の繋ぎ部分をも移動するので、それだけ無駄な処理時間を費やすことになる。
【００１３】
更に、全気筒を縦断する長い処理経路に往路と復路とが設定されている場合には、回転工具が往路から復路に折り返す部分の近辺では（従って、この折り返し部分に最も近いシリンダヘッド端部側の気筒では）、往路での処理領域が冷却し凝固する前に復路での処理がほぼ重ねて行われることになるため、当該領域の処理深さが他の処理領域に比して（つまり、他の気筒に比して）かなり深くなる。すなわち、複数の気筒間で表面処理の処理深さにバラツキが生じるという難点もあった。
【００１４】
この発明は、上記諸問題に鑑みてなされたもので、軽金属製シリンダヘッドの吸排気ポート間の表面部分に摩擦撹拌処理による表面処理を施すに際して、処理効率の向上を図り、また、気筒間のバラツキを抑制することができる表面処理方法を提供し、更に、かかる表面処理を施したシリンダヘッドを提供することを、基本的な目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
このため、本願請求項１の発明に係るシリンダヘッドの表面処理方法は、各気筒毎に一対の吸気ポートと一対の排気ポートとを有する多気筒ディーゼルエンジンの軽合金製シリンダヘッドの少なくとも上記吸排気ポート間の表面部分に所定の回転工具を用いて摩擦攪拌処理を施すシリンダヘッドの表面処理方法であって、上記回転工具のシリンダヘッド表面に略沿った移動の軌跡に対応する摩擦攪拌処理の処理経路が、各気筒毎に独立して設定され、各気筒毎にそれぞれ独立して設定された上記処理経路のパターンが、全気筒にわたって実質的に同一であり、上記処理経路は、吸排気ポート間のうちで、吸気ポートどうしの弁間部領域と排気ポートどうしの弁間部領域とグロープラグ取付孔が設けられる領域の各表面部を処理するように、平面視で略Т字形のパターンに設定されるとともに、上記吸排気ポートが、上記回転工具の進行方向と同方向となる当該回転工具の回転方向進み側に近接した側に位置するように、処理経路のパターンが設定されており、上記各気筒の処理経路には往路と復路とが設定され、上記各気筒毎に、処理経路のパターンにおける処理の開始部分から終了部分に至るまで連続的に処理が行われ、上記吸排気ポート間の処理経路の往路と復路とは、上記回転工具の回転領域が重複するように設定されている、ことを特徴としたものである。
【００２１】
また、本願請求項２の発明に係るシリンダヘッドは、各気筒毎に一対の吸気ポートと一対の排気ポートとを有し、少なくとも該吸排気ポート間の表面部分に所定の回転工具を用いた摩擦攪拌処理による表面処理を施してなる多気筒ディーゼルエンジンの軽合金製シリンダヘッドであって、上記回転工具のシリンダヘッド表面に略沿った移動の軌跡に対応する摩擦攪拌処理の処理経路に従って、上記各気筒毎に独立した表面処理部が形成され、該表面処理部は、吸排気ポート間のうちで、吸気ポートどうしの弁間部処理領域と排気ポートどうしの弁間部処理領域とグロープラグ取付孔が設けられる処理領域とで、平面視で略Т字形に形成されていることを特徴としたものである。
【００２３】
更に、本願請求項３の発明に係るシリンダヘッドは、一対の吸気ポートと一対の排気ポートとを有する気筒を備え、少なくとも上記吸排気ポート間の表面部分に所定の回転工具を用いた摩擦攪拌処理による表面処理を施してなるディーゼルエンジンの軽合金製シリンダヘッドであって、上記吸排気ポート間のうちで、吸気ポートどうしの弁間部処理領域と排気ポートどうしの弁間部処理領域とグロープラグ取付孔が設けられる処理領域とで、平面視で略Т字形の表面処理部が形成されていることを特徴としたものである。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
本発明の実施の形態に係るシリンダヘッド及びその表面処理方法の説明に先立って、まず、かかる表面処理方法の基本をなす摩擦攪拌処理法について説明する。
図１及び図２は、上記摩擦攪拌処理による表面処理を説明するための表面処理対象部材および摩擦攪拌処理装置の要部を概略的に示す斜視図および断面説明図である。これらの図に示すように、本実施の形態に係る表面処理方法では、表面処理の処理対象たる軽金属部材１を基台（不図示）上に載置し固定した状態で、上記軽金属部材１の表面１ｆに回転工具１０を接触させながら部材表面部１ｆに進入させることによって行われる。
【００２５】
上記回転工具１０は、所定直径の円柱体で成る回転基体部１１と、その先端の中央部に一体的に固着された所定長さで比較的（上記回転基体部１１よりも）小径の円柱体で成るプローブ部１２とで構成されている。上記回転基体部１１は、図示しないホルダによって軸線回りに回転自在に支持されており、このホルダ（不図示）を工具駆動手段５によって回転駆動することにより、回転工具１０がその軸線回りに回転させられる。
【００２６】
上記工具駆動手段５は、具体的には図示しなかったが、上記ホルダ（不図示）を介して回転工具１０を高速で回転させるための駆動モータを備えるとともに、上記回転工具１０を軽金属部材１の表面１ｆと略直角方向に（つまり、図１及び図２における上下方向に）駆動し、また、部材表面１ｆに略沿って移動させるための、駆動機構を備えている。
そして、該駆動手段５を駆動することにより、高速回転状態にある回転体工具１０を軽金属部材１に対し、その表面１ｆと略直角方向に（つまり、部材１の深さ方向に）進入させ、また、部材表面１ｆに略沿って移動させることができるようになっている。
【００２７】
尚、このような回転体（回転工具１０）を部材表面１ｆと略直角方向（略上下方向）に駆動し、また、部材表面１ｆに沿って（略水平方向に）移動させる機構は、例えば送りネジ機構やロボットアームなど、従来公知のものであるので、その構造について詳細な説明および図示は省略する。また、このように、回転工具１０を略上下方向に駆動し略水平方向に移動させる代わりに、処理対象部材１を固定した基台（不図示）側を駆動して、回転工具１０に対し相対的な挙動を行なわせるようにしても良い。
【００２８】
更に、上記回転体１０は、図１及び図２に示されたように、回転基体部１１の先端部（下端部）に小径のプローブ部１２を備えたものに限定されるものではなく、上記プローブ部１２が設けられていないフラットな（平坦な）下面のものを用いても良い。表面処理深さについて、ある程度の深さまで処理することが求められる場合には、上記プローブ部１２を備えたタイプの回転体１０を用い、余り深くまで処理する必要が無い場合には、プローブ部１２が無いタイプの回転体を用いて効率良く表面処理を行うようにすれば良い。
【００２９】
また、更に、回転基体部１１の先端に設けるプローブ部１２としては、図１及び図２に示した円柱形状のものに限定されることはなく、例えば、図３に示すように、先端部分が半球状等の曲面状に形成されたプローブ部１５、或いは、図４に示すように、外周部に雄ネジ状のネジ溝が螺設されたプローブ部１６など、種々の形態のものを用いることができる。
【００３０】
本実施の形態に係る摩擦攪拌処理による表面処理法では、上記軽金属部材１の表面１ｆに対して高速で回転する回転工具１０の下面側（つまり、プローブ部１２及び回転基体部１１下面）を当接させ押圧しながら、該回転工具１０を部材表面部１ｆに対しその深さ方向へ所定深さに達するまで進入させる（図２参照）。そして、その際に発生する摩擦熱と回転工具１０の撹拌作用により、上記部材表面部１ｆの回転工具当接部分及びその近傍領域を軟化させて塑性流動を生じせしめる。この塑性状態の材料部分（塑性流動層１ａ）が非溶融状態で撹拌され、その後に塑性流動部分１ａが冷却凝固することにより、当該部材の表面及びその近傍領域が改質され、周囲の基材１ｂに比して緻密で硬度の高い金属組織が得られる。
【００３１】
かかる摩擦撹拌処理による表面改質処理を、例えばＡｌ合金等の軽金属製鋳造部材の表面に施した場合には、表面部分を溶融させて改質を図る所謂リメルト処理等による場合に比べて、鋳造部材の表面部分の金属組織をより緻密なものとし、また、鋳巣等による内部未充填欠陥を大幅に低減することができ、伸び及び靱性等の機械的特性並びに疲れ強さ（熱疲労強度）を向上させることができる。この場合において、リメルト処理等により表面部分を溶融させて改質を図る場合のように、鋳造部材内部のガス等によるブローホール或いはピンホールが形成される惧れもない。
【００３２】
尚、軽金属部材１の表面部に上記摩擦攪拌処理による表面処理を施す場合、回転工具１０の軸線を部材表面１ｆに対して完全に垂直に維持して工具１０を移動させると、プローブ部１２のサイズや形状によっては該プローブ部１２の角部近傍の基材部分に未充填欠陥が生じる場合がある。かかる欠陥発生を防止するには、回転工具１０を、その軸線が完全垂直状態（傾け角が０度）から若干（例えば、傾け角５度以下程度）傾むくようにその姿勢を保持しながら、部材表面１ｆに略沿って移動させることが好ましい。また、この場合、回転工具１０の基体部１１の下面について、その送り方向前側が後側に比して持ち上がるように、回転工具１０を傾けることが、生産性の向上を図る上でより好ましい。
【００３３】
次に、本発明の第１の実施の形態に係るシリンダヘッド及びその表面処理方法について説明する。
図５は、上記第１の実施の形態に係るシリンダヘッド鋳造素材のシリンダブロック（不図示）との合せ面を概略的に示す平面説明図である。この図に示すように、上記シリンダヘッドＣＨ１は、直列４気筒タイプとされたディーゼルエンジン用のもので、長手方向に沿って一列に配置された各気筒毎に、一対の吸気ポートＫｃと一対の排気ポートＥｃとが設けられている。そして、各気筒毎にポート間の部材領域（つまり、弁間部）は略十字形を形成している。
【００３４】
このシリンダヘッドＣＨ１は、例えばＡｌ合金を材料として鋳造プロセスにより製造され、シリンダブロック（不図示）との合せ面の特に弁間部に上述の摩擦攪拌処理法による表面処理が施される。
尚、上記シリンダヘッドＣＨの軽合金材料としては、例えば、ＪＩＳ規格に規定されたＡｌ合金ＡＣ４Ｄを用いた。この代わりに、ＡＣ４Ｂ又はＡＣ２Ｂ更にはＡＣ８Ａ等も用いることができる。
【００３５】
上記表面処理を施すに際しては、その前工程でシリンダブロックとの合せ面がフライス加工により荒加工される。図５は、この合せ面の荒加工状態を示すものである。従って、図５において実線で表示された上述の各吸気ポートＫｃ及び各排気ポートＥｃは、全て鋳抜き穴の状態を示しており、実際には、図６に拡大して示すように、弁間部の表面処理後にドリル加工等の機械加工によって仕上げられ、所定の形状・寸法及び表面粗さを有する吸気ポートＫｈ及び排気ポートＥｈが得られる（図５及び図６における破線表示参照）。
【００３６】
また、上記シリンダヘッドＣＨ１には、表面処理後に、長手方向に沿って配列される複数のテンションボルト孔Ｈｔが、ドリル加工によって穿設される。これらテンションボルト孔Ｈｔは、仕上げ加工を終えた後のシリンダヘッドＣＨ１をシリンダブロックに組み付けて締結固定する際に、この締結固定用のテンションボルトを挿通させるもので、長手方向に配列された４つの気筒部分を挟むようにして、平行な一対の直線に沿って設けられる。これらテンションボルト孔Ｈｔは、各列毎に５箇所設けられ、長手方向における両端部の近傍および各気筒部分の間に位置設定されている。
【００３７】
尚、上記図５において、実線曲線で示された穴部は全て鋳造プロセスで形成された、所謂、鋳抜き穴を示している。一方、同図において破線曲線で示された穴部は、全て、鋳物状態では穴部ではないが、弁間部等に対する表面処理を施した後に、ドリル加工等の機械加工により、所定形状及びサイズ更には表面粗さに仕上げられた穴部として形成されるものを示している。
【００３８】
本実施の形態では、上記シリンダヘッドＣＨ１の少なくとも吸排気ポート間（弁間部）の表面部分に上述の摩擦攪拌処理法による表面処理を施すに際して、この摩擦攪拌処理の処理経路Ｒ１が各気筒毎に独立して設定されており、従来方法のように全気筒を縦断する長い処理経路は設けられていない。
また、このように各気筒毎にそれぞれ独立して設定された上記処理経路Ｒ１のパターンが、全気筒にわたって実質的に同一のものとして設定されている。
【００３９】
この処理経路Ｒ１は、摩擦攪拌処理に用いる前述の回転工具１０のシリンダヘッド表面に略沿った移動の軌跡に対応するもので、図６に詳しく示すように、全体として略十字状をなす弁間部のうちで、比較的幅が狭く設定されている吸気ポートＫｃどうしの弁間部および排気ポートＥｃどうしの弁間部と、吸気ポートＫｃと排気ポートＥｃの弁間部でグロープラグ取付孔Ｈｇが設けられる領域の各表面部を処理するように、平面視で略Т字形のパターン（図６における矢印を付した直線参照）に設定されている。
尚、上記グロープラグ取付孔Ｈｇは、弁間部への表面処理を行った後に、ドリル加工等の機械加工を行って形成されるもので、各気筒毎に１個設けられる。
【００４０】
本実施の形態では、吸気ポートＫｃどうしの弁間部および排気ポートＥｃどうしの弁間部の幅は共に約１０．０ｍｍに設定され、吸気ポートＫｃと排気ポートＥｃの弁間部の幅は約１１．３ｍｍに設定されている。
特に、上記排気ポートＥｃどうしの弁間部は、エンジン駆動時には（吸気ポートＫｃ側に比して）高温に曝され、しかも幅が狭く設定されているので、表面処理を施して熱疲労強度等の機械的特性を高める必要がある。また、吸気ポートＫｃと排気ポートＥｃの弁間部でグロープラグ取付孔Ｈｇが設けられる側の弁間部については、グロープラグ取付孔Ｈｇが設けられる部分の弁間部の幅がかなり狭くなると共に弁間部の面積が小さくなるので、やはり表面処理を施して機械的特性の向上を図る必要がある。
【００４１】
また、図６において矢印を付した線分で示されるように、各気筒の吸排気ポート間（弁間部）の処理経路Ｒ１には往路と復路とが設定されている。特に、この弁間部の処理経路Ｒ１の往路と復路とは、図７からも良く分かるように、回転工具１０の回転領域の少なくとも一部が重複するように設定されている（重複領域：Ｄｗ）。そして、各気筒毎に、処理経路Ｒ１のパターンにおける処理の開始部分Ｒｓから終了部分Ｒｅに至るまで連続的に処理が行われるようになっている。尚、上記図６において、往路は矢印を付した１点鎖線の線分で示され、復路は矢印を付した実線の線分で示されている。また、処理経路Ｒ１上に描かれた小円は、回転工具１０のプローブ部の移動の様子を仮想的に示したものである。
【００４２】
すなわち、各気筒毎の摩擦攪拌処理を行うに際して、回転工具１０は、まず最初に処理の開始部分Ｒｓに位置設定され、処理の開始に伴い、１点鎖線に沿って進行する。つまり、吸気ポートＫｃと排気ポートＥｃの弁間部でグロープラグ取付孔Ｈｇが設けられる側の弁間部を処理（往路の処理）した後、９０度方向変換して吸気ポートＫｃどうしの弁間部を処理する。次に、該吸気ポートＫｃどうしの弁間部の終端部で折り返し、今度は実線に沿って吸気ポートＫｃどうしの弁間部を再度処理（復路の処理）する。
【００４３】
更に、排気ポートＥｃどうしの弁間部に入り、１点鎖線に沿って当該弁間部を処理（往路の処理）し、その終端部で折り返す。そして、実線に沿って進行し、排気ポートＥｃどうしの弁間部を再度処理（復路の処理）した後、９０度方向変換して吸気ポートＫｃと排気ポートＥｃの弁間部でグロープラグ取付孔Ｈｇが設けられる側の弁間部を再度処理（復路の処理）する。
【００４４】
そして、このように弁間部の表面処理を終えた後、終端穴処理として、回転工具１０を処理経路Ｒ１のパターンにおける処理の終了部分Ｒｅに至るまで移動させ、この終了部分Ｒｅで工具１０の回転を停止して上方へ引き上げられる。この表面処理の終了部分Ｒｅは、当該気筒部分の近傍に位置設定されたテンションボルト孔Ｈｔの穿設部の略中心に一致するように設定されている。
この部分は、上述のように弁間部の表面処理後に機械加工で孔加工されて除去されるので、摩擦攪拌処理の終端穴処理を行っても、その終端穴が最終製品に残ることはない。
【００４５】
尚、具体的には図示しなかったが、回転工具１０の工具駆動手段５は、より好ましくは、例えばマイクロコンピュータを主要部として構成された制御部を有する制御盤に対して信号授受可能に接続されており、所定の制御プログラムに基づいた制御盤からの命令信号に応じて、ワーク（処理対象部材）表面部に対する処理深さの設定およびワーク表面上での移動軌跡等が、自動的に設定されるようになっている。
【００４６】
以上のように、本実施の形態では、摩擦攪拌処理の処理経路Ｒ１が各気筒毎に独立して設定されており、従来方法のように全気筒を縦断する長い処理経路は設けられていないので、終端穴処理も各気筒毎に１箇所、つまり計４箇所で済み、また、気筒間の繋ぎ部分の不要な処理も行わなくて済む。この結果、摩擦撹拌処理の処理時間を大幅に短縮でき、処理効率を大いに高めることができるのである。また、気筒間で表面処理の処理深さにバラツキが生じる惧れもない。
【００４７】
特に、各気筒毎にそれぞれ独立して設定された処理経路Ｒ１のパターンが（つまり、回転工具１０の移動の仕方が）全気筒にわたって実質的に同一であるように設定したことにより、各気筒毎に処理経路パターンが異なって回転工具１０の移動の仕方を変えなければならない場合に比して、摩擦撹拌処理作業を容易で安定したものとすることができる。
【００４８】
また、各気筒の弁間部の処理経路Ｒ１に往路と復路とが設定されているので、各弁間部の表面部分に対し往路と復路の両方で繰り返した処理を施し、その全幅にわたってより有効に表面処理することができる。この場合において、各気筒毎に処理経路パターンＲ１における開始部分Ｒｓから終了部分Ｒｅに至るまで連続的に処理が行われるようにしたことにより、高い処理効率を維持することができる。
【００４９】
特に、弁間部の処理経路Ｒ１の往路と復路とは、回転工具１０の回転領域の少なくとも一部が重複するように設定されている（重複領域：Ｄｗ）ので、弁間部の幅方向における略中央領域については、往路と復路とで重複した処理が施されることになり、この領域Ｄｗについてより深くて効果的な表面処理を施すことが可能になる。
【００５０】
また、本実施の形態では、図６から良く分かるように、上記処理経路Ｒ１に沿って摩擦攪拌処理を施す際に、吸排気ポートＫｃ，Ｅｃが、回転工具１０の進行方向と同方向となる当該回転工具１０の回転方向進み側に近接した側に位置するように、処理経路Ｒ１のパターンが設定されている。
【００５１】
すなわち、図８に模式的に示すように、例えば回転工具が平面視で中心軸に関して時計回り方向（図における右回り方向）に回転される場合、回転工具の進行方向に向かって左側では、回転の周速と工具進行速度とが同方向となるので、回転工具とワーク（処理対象部材）表面部との相対速度が大きくなる。これに対して、回転工具の進行方向に向かって右側では、回転の周速と工具進行速度とが反対方向となるので、回転工具とワーク表面部との相対速度は小さくなる。
【００５２】
このような場合、回転工具によるワーク処理領域の断面を見ると、上記相対速度が大きくなる側（図における進行方向左側）では、処理範囲は狭いが幅方向について同一位置での塑性流動が深くなり（処理領域：Ｂ１）、一方、相対速度が小さくなる側（図における進行方向右側）では、処理範囲は広いが幅方向について同一位置での塑性流動が浅くなる（処理領域：Ｂ２）。この両者Ｂ１，Ｂ２の違いは、上記相対速度が大きい場合にはワーク母材が早く狭く攪拌され、相対速度が小さい場合には比較的ゆっくりと広範囲で攪拌されることによるものと考えられる。
【００５３】
以上の特性を利用することにより、往路と復路とで回転工具の回転領域を重複（オーバラップ）させる際に、図９に示すように、処理範囲が広い領域Ｂ２どうしをオーバラップさせ、処理深さができるだけ均一になるように設定することができる。また、これとは逆に、図１０に示すように、処理範囲が狭い（塑性流動が深い）領域Ｂ１どうしをオーバラップさせることにより、処理深さを抑えて素材の流出を抑制するように設定することもできる。
【００５４】
シリンダヘッドＣＨ１の弁間部を摩擦攪拌処理する場合、ポート端部のできるだけ近傍まで処理することが望まれるのであるが、例えば図１１に模式的に示すように、ポート端部の薄肉側に処理範囲が広い領域Ｂ２が来るように設定したのでは、ポート端部の肩部やその近傍に変形が生じ、ひいては処理領域の内部に未充填欠陥の発生を招く惧れがある。
【００５５】
そこで、本実施の形態では、吸排気ポートＫｃ，Ｅｃが、回転工具１０の進行方向と同方向となる当該回転工具１０の回転方向進み側に近接した側に位置するように、処理経路Ｒ１のパターンを設定することにより、つまり、工具１０の回転方向を右回りとした場合、近接するポートが常に左側に位置するように設定することにより、図１２に模式的に示すように、ポート端部の薄肉側に処理範囲が狭い領域Ｂ１が来るようにし、所要の処理深さを確保した上で、ポート端部の変形を抑えるようにした。
【００５６】
上述の回転工具１０の進行方向と回転方向の組み合わせによる処理範囲及び塑性流動深さの違いは、回転工具１０のプローブ部が、例えば図４に示されるように、外周部に雄ネジ状のネジ溝が設けられたタイプの場合に、非常に顕著に表れる。すなわち、プローブ部１６のネジ溝が例えば左ネジで回転工具１０が右回転される場合、つまり、ネジ溝の螺設方向と工具回転方向とが逆の場合には、当該プローブ部１６を中心にしてワーク素材が内部に押し付けられるように攪拌され、上記特性の違いが顕著に表れる。
尚、プローブ部の形状が円柱タイプ（図１及び図２参照）或いは半球状タイプ（図３参照）の場合でも、程度に若干の差はあるものの、上記特性の違いについて同様の傾向が得られる。
【００５７】
本実施の形態に係るシリンダヘッドＣＨ１の弁間部の表面処理方法について、全気筒を縦断してシリンダヘッド長手方向に延びる長い処理経路が設定された比較例に係るシリンダヘッドの弁間部の表面処理方法と比較する比較試験を行った。次に、この比較試験について説明する。
尚、以下の説明において、上述の第１の実施の形態に係るシリンダヘッドＣＨ１における場合と同様の構成を備え同様の作用をなすものについては同一の符号を付し、それ以上の説明は省略する。
【００５８】
図１５は、比較例１に係るシリンダヘッドＣＨ４の鋳造素材のシリンダブロックとの合せ面を概略的に示す平面説明図である。この図に示すように、この比較例１のシリンダヘッドＣＨ４では、摩擦攪拌処理による弁間部の表面処理経路が、各気筒毎に設けられシリンダヘッドＣＨ４の略幅方向に延びる比較的短い処理経路Ｒ４に加えて、全気筒を縦断してシリンダヘッドＣＨ４の長手方向に延びる長い処理経路Ｌ４とが設けられ、計５つの処理経路で構成されている。そして、これら処理経路に沿って４つの気筒の吸排気ポート弁間部の表面処理を一連の工程で処理するようにしている。
【００５９】
上記長手方向の長い処理経路Ｌ４は、シリンダヘッドＣＨ４の長手方向における一端側（図１５における左端側）の近傍の処理開始部Ｌｓから、各気筒の吸気ポートＫｃどうしの弁間部および排気ポートＥｃどうしの弁間部を順次処理（往路の処理）して、反対側の端部近傍で折り返して復路の処理を行い、処理終了部Ｌｅで終端穴処理が行われる。
すなわち、この比較例１では、各気筒毎の処理経路Ｒ４における終端穴処理に加えて、上記長手方向の長い処理経路Ｌ４についての終端穴処理を行わなければならない。また、この長い処理経路Ｌ４に沿った表面処理では、弁間部だけでなく、各気筒間の繋ぎ部分についても、回転工具１０の移動に伴って処理が行われることになる。
【００６０】
本比較試験においては、処理経路の違いによる処理効率（つまり、処理時間）及び処理結果の相違が明確になるように、回転工具１０やそのプローブ部の形状等を含めて同一の処理装置を用い、同一の摩擦攪拌処理条件で、両シリンダヘッドＣＨ１，ＣＨ４の弁間部に対する表面処理を施した。尚、プローブ部の形状は、図４に示したように、外周部に雄ネジ状のネジ溝が設けられたタイプのもの１６とし、左ネジのネジ溝のプローブ部１６が右回りに回転されるように設定して処理を行った。
【００６１】
供試材として、同一の材料及び仕様で鋳造され、弁間部に対する表面処理前の荒加工が施された直列４気筒タイプの直噴ディーゼルエンジン用シリンダヘッド鋳造部材を６０個用意し、その内３０個を本発明実施例として図５に示す処理経路Ｒ１に沿って表面処理し、残り３０個を比較例として図１５に示す処理経路Ｒ４及びＬ４に沿って表面処理し、１台当りの処理に要した時間や処理深さの平均値及びバラツキ等を比較した。
尚、この各供試材の弁間部に対する摩擦攪拌処理による表面処理は、本発明実施例の供試材（３０個）及び比較例の供試材（３０個）に対して摩擦攪拌処理を行う順にＮｏ．１〜Ｎｏ．３０の順序符号をそれぞれ付しておき、本発明実施例の供試材（３０個）及び比較例の供試材（３０個）毎にまとめて行った。
【００６２】
比較試験の結果、１台当りの処理に要した時間の平均値は、比較例については４分強であり、本発明実施例については３分弱であった。つまり、本発明の処理方法を採用することにより、比較例の処理方法に比して、処理時間を２５％以上短縮できることが分かった。
これは、本発明実施例の処理経路では、比較例の処理経路に比して、終端穴処理の回数が１回少なくて済み、また、気筒間の繋ぎ部分の処理が不要であることによるものである。
【００６３】
表面処理終了後の各供試材について、各気筒毎に各弁間部の摩擦攪拌処理深さ（改質層の深さ）を調べて比較した。この処理深さの調査は、本発明実施例の供試材３０個および比較例の供試材３０個からそれぞれ４個ずつをサンプリングする抜き取り調査とした。この抜き取り調査では、本発明実施例および比較例の各供試材について、弁間部に対する摩擦攪拌処理を行う順に付されたＮｏ．１〜Ｎｏ．３０の順序符号に基づいて、各Ｎｏ．１のもの（処理開始のもの）を各抜取サンプルＳ１とし、各Ｎｏ．１０のものを各抜取サンプルＳ２とし、各Ｎｏ．２０のものを各抜取サンプルＳ３とし、各Ｎｏ．３０のもの（処理最終のもの）を各抜取サンプルＳ４として、抜き取りを行った。
【００６４】
そして、表面処理を終了した各抜取サンプルの処理表面を約２ｍｍ程度フライス加工した上で、摩擦攪拌処理部を切断し、その切断面を研磨した後に、投影機を用いて２０倍の倍率で改質層深さを計測した。測定データを表１に示す。尚、研磨した切断面について、金属顕微鏡を用いて５０倍の倍率でミクロ組織観察を行ったところ、本発明実施例及び比較例ともに、内部に未充填欠陥は認められなかった。
【００６５】
【表１】
表１において、”ＩＮ−ＩＮ”は吸気ポートどうしの弁間部を、”ＥＸ−ＥＸ”は排気ポートどうしの弁間部を、また、”ＩＮ−ＥＸ”は吸気ポートと排気ポートとの弁間部を、それぞれ示している。尚、表１における第１気筒〜第４気筒は、各シリンダヘッド抜取サンプルについての気筒部分の並び順序を示しており、図５（本発明実施例）及び図１５（比較例）において、それぞれ右端のものを第１気筒とし、左側に向かって順番に第２，第３及び第４気筒とした。従って、比較例においては、全気筒にわたって縦断する長い処理経路Ｌ４は、第４気筒から往路の処理を開始し、第１気筒の往路の処理を終えて折り返すことになる。
【００６７】
表１の測定データから分かるように、本発明の処理方法を採用することにより、比較例の処理方法に比して、改質層の深さを平均で約０．１１ｍｍ（約３％）深くすることができ、また、バラツキを偏差で約０．０２小さくすることができた。量産品の精度等についてのバラツキ管理を行う場合、通常、［平均値−４×偏差］の値でバラツキの大小が評価されるので、偏差で約０．０２の違いは、バラツキ管理の上で有意な差を示すものである。
この改質層深さの安定化（バラツキの抑制）は、全気筒に渡って縦断する長い処理経路を設けずに各気筒毎に独立した処理経路としたことによる、各弁間部処理時のワーク温度バラツキ低減効果によるものと考えられる。
【００６８】
上記のような直列４気筒タイプの直噴ディーゼルエンジン用シリンダヘッド鋳造部材の弁間部に対する摩擦攪拌処理による表面処理方法としては、図５に示した処理経路Ｒ１によるものに限らず、例えば、図１３に示す形態（第２の実施の形態）に係るシリンダヘッドＣＨ２のように、グロープラグ取付孔が設けられた側の吸気ポートＫｃと排気ポートＥｃの弁間部と、排気ポートどうしの弁間部の２箇所の弁間部のみについて表面処理を処理経路Ｒ２を、各気筒毎に独立して設定するようにしても良い。
この場合についても、図１５に示した比較例１に比べて、処理時間や処理深さ及びそのバラツキ抑制の点で、図５に示した第１の実施の形態における場合と同様の効果を奏することができる。
【００６９】
また、図１４に示す形態（第３の実施の形態）に係るシリンダヘッドＣＨ３のように、一対の吸気ポートＫｃと一対の排気ポートＥｃでなる４つポートの全ての弁間部について表面処理を行う処理経路Ｒ３を、各気筒毎に独立して設定するようにしても良い。
この場合については、図１６に示す比較例２に係るシリンダヘッドＣＨ４のように、グロープラグ取付孔が設けられていない側の吸気ポートＫｃと排気ポートＥｃの弁間部をも処理する各気筒毎の処理経路Ｒ５に加えて、全気筒にわたって縦断する長い処理経路Ｌ５が設定されている場合に比べて、処理時間を短縮し、処理深さの平均値を深くし、また、処理深さのバラツキを抑制することが可能である。
【００７０】
尚、以上の各実施の形態は、Ａｌ合金を材料に用いたシリンダヘッドについてのものであったが、本発明は、例えばマグネシウム又はその合金など、他の軽金属を材料に用いた場合でも、有効に適用することが可能である。
また、シリンダヘッドは、直噴ディーゼルエンジン用のものに限らず、他の種類のエンジンに用いられるものでも良く、更に、直列４気筒タイプ用、或いは多気筒タイプ用のものに限られるものでもない。
【００７１】
また更に、以上の実施の形態では、シリンダヘッドの弁間部のみを表面処理する場合についてのものであったが、本発明は、かかる場合に限らず、弁間部以外の他の所要の表面部についても、併せて摩擦攪拌処理による表面処理を施すようにしても良い。
このように、本発明は、以上の実施態様に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良あるいは設計上の変更が可能であることは言うまでもない。
【００７２】
【発明の効果】
本願請求項１の発明に係るシリンダヘッドの表面処理方法によれば、摩擦撹拌処理の処理経路が各気筒毎に独立して設定され、従来方法のように全気筒を縦断する長い処理経路は設けられていないので、終端穴処理も各気筒毎に１箇所で済み、また、気筒間の繋ぎ部分の不要な処理も行わなくて済むようになる。この結果、摩擦撹拌処理の処理時間を大幅に短縮でき、処理効率を大いに高めることができる。また、気筒間で表面処理の処理深さにバラツキが生じる惧れもない。
特に、各気筒毎にそれぞれ独立して設定された処理経路のパターンが（つまり、回転工具の移動の仕方が）全気筒にわたって実質的に同一であるので、各気筒毎に処理経路パターンが異なって回転工具の移動の仕方を変えなければならない場合に比して、摩擦撹拌処理作業が容易で安定したものとなる。
また、（回転工具の進行方向と同方向となる）回転工具の回転方向進み側に近接した側に吸排気ポートが位置するように、処理経路パターンが設定されていることにより、ポート端部の薄肉側に処理範囲が狭い処理領域が来るようにでき、所要の処理深さを確保した上で、ポート端部の変形を抑制することができる。
更に、各気筒の処理経路に往路と復路とが設定されているので、各弁間部の表面部分に対し往路と復路の両方で繰り返した処理を施し、その全幅にわたってより有効に表面処理することができる。この場合において、各気筒毎に処理経路パターンにおける開始部分から終了部分に至るまで連続的に処理が行われるので、高い処理効率の維持を図ることができる。
また更に、処理経路の往路と復路とは、回転工具の回転領域が重複するように設定されているので、弁間部の幅方向における略中央領域については、往路と復路とで重複した処理が施されることになり、この領域についてより深くて効果的な表面処理を施すことが可能になる。
また特に、各気筒毎に一対の吸気ポートと一対の排気ポートとを有するディーゼルエンジン用のシリンダヘッドについて、とりわけ熱疲労強度を含む機械的特性の向上が求められる弁間部、つまり、吸排気ポート間のうちで、吸気ポートどうしの弁間部領域と排気ポートどうしの弁間部領域とグロープラグ取付孔が設けられる領域の各表面部を、確実に摩擦攪拌処理することができる。
【００７８】
また、本願請求項２の発明に係るシリンダヘッドによれば、摩擦攪拌処理の処理経路に従って各気筒毎に独立した表面処理部が形成されており、従来方法のように全気筒を縦断する長い処理経路に沿った表面処理は行われていないので、気筒間の繋ぎ部分の不要な表面処理が無く、終端穴処理も各気筒毎に１箇所で済み、摩擦撹拌処理の処理効率が高く、また、気筒間における表面処理の処理深さのバラツキが抑制される。
特に、各気筒毎に一対の吸気ポートと一対の排気ポートとを有するディーゼルエンジン用のシリンダヘッドにおいて、とりわけ熱疲労強度を含む機械的特性の向上が求められる弁間部、つまり、吸排気ポート間のうちで、吸気ポートどうしの弁間部領域と排気ポートどうしの弁間部領域とグロープラグ取付孔が設けられる領域の各表面部が、確実に摩擦攪拌処理され機械的特性が向上したシリンダヘッドが得られる。
【００８０】
更に、本願請求項３の発明に係るシリンダヘッドによれば、一対の吸気ポートと一対の排気ポートとを有する気筒を備えたディーゼルエンジンの軽合金製シリンダヘッドにおいて、とりわけ熱疲労強度を含む機械的特性の向上が求められる弁間部、つまり、吸排気ポート間のうちで、吸気ポートどうしの弁間部領域と排気ポートどうしの弁間部領域とグロープラグ取付孔が設けられる領域の各表面部が、確実に摩擦攪拌処理され機械的特性が向上したシリンダヘッドが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態に係る摩擦攪拌処理による表面処理方法を説明するための表面処理対象部材および摩擦攪拌処理装置の要部を概略的に示す斜視図である。
【図２】 上記表面処理対象部材および摩擦攪拌処理装置の要部を概略的に示す断面説明図である。
【図３】 プローブ部の変形例を示す回転工具先端部分の拡大正面図である。
【図４】 プローブ部の他の変形例を示す回転工具先端部分の拡大正面図である。
【図５】 本発明の第１の実施の形態に係るシリンダヘッドの鋳造素材のシリンダブロックとの合せ面を概略的に示す平面説明図である。
【図６】 上記シリンダヘッドの気筒部分の一つを拡大して示す平面説明図である。
【図７】 図６のＹ７‐Ｙ７線に沿った弁間部の断面説明図である。
【図８】 回転工具の進行方向と回転方向の組み合わせとワークの処理領域断面との関係を模式的に示す説明図である。
【図９】 回転工具の進行方向と回転方向の組み合わせパターンの一例に従ったワークの処理領域断面を模式的に示す説明図である。
【図１０】 回転工具の進行方向と回転方向の組み合わせパターンの他の例に従ったワークの処理領域断面を模式的に示す説明図である。
【図１１】 シリンダヘッド弁間部のポート端部を摩擦攪拌処理する際の比較例における弁間部断面を模式的に示す説明図である。
【図１２】 シリンダヘッド弁間部のポート端部を本発明方法に従って摩擦攪拌処理する場合における弁間部断面を模式的に示す説明図である。
【図１３】 本発明の第２の実施の形態に係るシリンダヘッドの鋳造素材のシリンダブロックとの合せ面を概略的に示す平面説明図である。
【図１４】 本発明の第３の実施の形態に係るシリンダヘッドの鋳造素材のシリンダブロックとの合せ面を概略的に示す平面説明図である。
【図１５】 比較例１に係るシリンダヘッドの鋳造素材のシリンダブロックとの合せ面を概略的に示す平面説明図である。
【図１６】 比較例２に係るシリンダヘッドの鋳造素材のシリンダブロックとの合せ面を概略的に示す平面説明図である。
【符号の説明】
１０…回転工具
ＣＨ１，ＣＨ２，ＣＨ３…シリンダヘッド鋳造部材
Ｄｗ…（摩擦攪拌処理の）重複領域
Ｅｃ…排気ポート（鋳抜き穴）
Ｅｈ…吸気ポート（仕上げ状態）
Ｈｇ…グロープラグ取付孔
Ｋｃ…吸気ポート（鋳抜き穴）
Ｋｈ…吸気ポート（仕上げ状態）
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３…摩擦攪拌処理の処理経路
Ｒｅ…処理経路の処理終了部分
Ｒｓ…処理経路の処理開始部分[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a surface treatment method of a cylinder head and a cylinder head subjected to the surface treatment, in particular, a surface portion between at least the intake and exhaust ports of a light alloy cylinder head of an engine having a cylinder having a plurality of intake and exhaust ports. The present invention relates to a surface treatment method for a cylinder head that performs a friction stirring process using a predetermined rotary tool, and a cylinder head that has undergone such a surface treatment.
[0002]
[Prior art]
As is well known, for example, a cylinder head of a vehicle engine such as an automobile is generally made of a cast product using a light alloy material such as aluminum (Al) or an alloy thereof. Is used by assembling to the cylinder block.
In recent years, as a vehicle engine, a multi-cylinder type such as two cylinders or four cylinders and a plurality of intake / exhaust ports for each cylinder have been widely used. In general, a glow plug is attached between the intake and exhaust ports of the head.
[0003]
In such a cylinder head, the so-called “valve bridge portion” or “valve inter-portion” region between the port holes of the intake and exhaust ports is the volume expansion due to combustion in the cylinder when the engine is driven and when the engine is stopped. Since the volume shrinkage due to cooling is repeated, generally cracks due to thermal fatigue are likely to occur. Conventionally, a so-called remelt treatment is performed on the valve portion to improve the thermal fatigue strength.
[0004]
However, in this remelt process, since the heat capacity of the valve section is limited, if the heat input is increased in order to increase the processing depth in response to an increase in the thermal load on the cylinder head, a shoulder-type dripping will occur. Processing depth is limited. In addition, if the heat input is increased, the solidification time of the processing part is lengthened, the effect of refinement of the metal structure is reduced and the number of pinhole defects tends to increase, so the surface modification effect due to the increase in processing depth is offset, It is difficult to obtain the targeted heat resistance improvement effect.
Furthermore, if the heat input is increased, cracks are likely to occur in the member due to thermal stress during the remelt treatment, and thus a preheat treatment of the member is required. In addition, the magnesium-containing material has a problem that magnesium evaporates and decreases when melted, the strength improvement margin is reduced by the Т6 heat treatment after the remelt treatment, and the required mechanical properties cannot be obtained.
[0005]
In terms of quality, the variation in processing depth due to variations in heat input and misalignment due to magnetic blowing, etc., and pinhole defects in the processing area have an effect on the gas content of the base material and the area of the casting cavity. It is quite difficult to ensure the quality stability of the processing unit.
Further, in terms of productivity, since the processing part is melted, a shielding gas is required to prevent oxidation of the melted part, and the generation of gas defects due to gas generated from surface oxides and impurities is prevented. For this reason, a process of removing the cast skin portion before the processing is often added. Furthermore, since post-heat treatment is necessary to release high tensile residual stress generated on the surface of the processing portion, there is a problem that the cost increases.
[0006]
By the way, as a surface treatment method of a light metal member such as Al or an alloy thereof, a rotating tool rotating at high speed is brought into contact with the surface of the member, and the rotating tool is moved along the surface while maintaining a pressing state on the surface. A so-called friction stir processing is known in which the surface of the member and the vicinity thereof are modified to improve the mechanical characteristics.
For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-15426 discloses that the friction stir processing method is applied to the surface treatment of the sealing surface (matching surface) for the cylinder block of the Al alloy cylinder head of the engine.
[0007]
In the friction stir processing method, a rotating tool rotating at high speed is brought into contact with and pressed against the surface of the member, and the frictional heat generated at that time and the stirring action of the rotating body cause the rotating tool contact portion on the surface of the member and the vicinity thereof. Soften the region to cause plastic flow. Then, the plastic material portion (plastic fluidized bed) is agitated in a non-molten state, and then the plastic fluidized portion is solidified, thereby modifying the surface of the member and the vicinity thereof.
[0008]
Compared to the case of so-called remelt treatment, etc., in which the surface of a light metal cast member such as an Al alloy is subjected to surface modification treatment by this friction stir treatment, so that the surface portion is melted and reformed. It is possible to make the metal structure of the part denser, and to greatly reduce the internal unfilled defects due to the cast hole, etc., and to improve mechanical properties such as elongation and toughness and fatigue strength (thermal fatigue strength). be able to. In this case, there is no possibility that a blow hole or a pin hole is formed by a gas or the like inside the cast member as in the case where the surface portion is melted by remelt treatment or the like for modification.
[0009]
In view of this, the applicant of the present application, in Japanese Patent Application No. 2000-393328, applies this friction stir processing method to the surface modification processing between the intake and exhaust ports (interval portion) of the light alloy cylinder head of the multi-cylinder engine. Proposed.
In this prior art, for an Al alloy cylinder head of an in-line four-cylinder engine having a pair of intake ports and a pair of exhaust ports for each cylinder, friction stir is applied to the surface portion of the inter-valve portion of each cylinder having a substantially cross shape. When performing the processing, the processing path corresponding to the moving locus of the rotary tool is divided into four relatively short processing paths provided for each cylinder and extending in the width direction of the cylinder head, and the longitudinal direction of the cylinder head by cutting all the cylinders vertically. And one long processing path extending in the direction.
[0010]
Then, the surface treatment between the intake and exhaust port valves of the four cylinders is processed in a series of steps along these processing paths. In this case, in order to more effectively improve the surface portion of each inter-valve part over its entire width, more preferably, a reciprocating path is set for each processing path, and both the forward path and the return path are set for each inter-valve part. The surface treatment by the friction stir treatment is repeated.
[Problems to be solved by the invention]
[0011]
By the way, in the friction stir processing method, since the rotating tool contact portion becomes deeper when stopping and moving the rotating tool at the end portion when finishing one processing path, the deep end hole inevitably remains. Will do. And it is necessary to set the position of a termination hole to the part which should be completely removed by the process in the post process after surface treatment so that this termination hole may not remain in the finished product finally. In other words, it is necessary to extend the friction stir processing to such a portion and move the rotary tool (hereinafter, such processing is referred to as “end hole processing”).
Therefore, in order to improve the processing efficiency of the surface reforming process by the friction stir processing method, it is required to shorten the time spent for such terminal hole processing as much as possible.
[0012]
However, in the above prior art, in order to perform the surface treatment of the inter-valve portion of the four cylinders, a total of five processing paths are set in addition to the processing paths for each cylinder, that is, the processing paths that traverse all the cylinders. Therefore, the end hole processing of the rotary tool is also required for a total of five locations.
In addition, when performing surface treatment along one long treatment path extending in the longitudinal direction of the cylinder head by cutting all the cylinders vertically, the rotary tool also moves the connecting portion between the cylinders that do not require treatment, and that is wasteful. Processing time.
[0013]
Further, when the forward path and the return path are set to a long processing path that runs through all the cylinders, in the vicinity of the part where the rotary tool turns back from the forward path to the return path (therefore, the cylinder head end side closest to the return part) In this cylinder, the processing area in the return path is almost overlapped before the processing area in the forward path is cooled and solidified, so that the processing depth of the area is larger than that in other processing areas (that is, It will be considerably deeper (compared to other cylinders). In other words, there is a problem that the surface treatment depth varies among a plurality of cylinders.
[0014]
The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and in performing surface treatment by friction stir processing on the surface portion between the intake and exhaust ports of a light metal cylinder head, the processing efficiency is improved, and between the cylinders It is a basic object to provide a surface treatment method capable of suppressing variations, and to provide a cylinder head subjected to such surface treatment.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
For this reason, the cylinder head surface treatment method according to the invention of
[0021]
Further, the cylinder head according to the invention of claim 2 is provided for each cylinder.A pair of intake ports and a pair of exhaust ports;A multi-cylinder having at least a surface treatment between the intake and exhaust ports subjected to a friction stir treatment using a predetermined rotary tooldieselA light alloy cylinder head of an engine, wherein an independent surface treatment unit is formed for each cylinder according to a friction stirring process path corresponding to a trajectory of movement along the cylinder head surface of the rotary tool.The surface treatment portion includes, between the intake and exhaust ports, an inter-valve treatment region between the intake ports, an inter-valve treatment region between the exhaust ports, and a treatment region provided with a glow plug mounting hole in plan view. Formed in an almost Т-shapeIt is characterized by being.
[0023]
FurtherAnd claims of the present application3The cylinder head according to the invention includes a cylinder having a pair of intake ports and a pair of exhaust ports, and at least a surface portion between the intake and exhaust ports is subjected to a surface treatment by a friction stir treatment using a predetermined rotary tool. A light alloy cylinder head of a diesel engine, wherein the inter-intake port inter-valve processing region, the exhaust port inter-valve processing region, and a glow plug mounting hole are provided between the intake and exhaust ports. The region is characterized in that a substantially Т-shaped surface treatment portion is formed in plan view.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
Prior to the description of the cylinder head and the surface treatment method thereof according to the embodiment of the present invention, first, the friction stir treatment method that forms the basis of the surface treatment method will be described.
FIG. 1 and FIG. 2 are a perspective view and a cross-sectional explanatory view schematically showing a surface treatment target member and a main part of the friction stir processing apparatus for explaining the surface treatment by the friction stir processing. As shown in these drawings, in the surface treatment method according to the present embodiment, the
[0025]
The
[0026]
Although not specifically illustrated, the tool driving means 5 includes a drive motor for rotating the
Then, by driving the driving means 5, the rotating
[0027]
Such a rotating body (rotary tool 10) is driven in a direction substantially perpendicular to the
[0028]
Further, as shown in FIGS. 1 and 2, the rotating
[0029]
Further, the
[0030]
In the surface treatment method by friction stir processing according to the present embodiment, the lower surface side of the
[0031]
When the surface modification treatment by the friction stir treatment is performed on the surface of a light metal cast member such as an Al alloy, for example, the casting is performed as compared with the case of so-called remelt treatment or the like for melting and reforming the surface portion. The metal structure of the surface part of the member can be made denser, and the internal unfilled defects due to the cast hole can be greatly reduced. Mechanical properties such as elongation and toughness and fatigue strength (thermal fatigue strength) Can be improved. In this case, there is no possibility that a blow hole or a pin hole is formed by a gas or the like inside the cast member as in the case where the surface portion is melted by remelt treatment or the like for modification.
[0032]
When the surface treatment by the friction stir treatment is performed on the surface portion of the
[0033]
Next, a cylinder head and a surface treatment method thereof according to the first embodiment of the present invention will be described.
FIG. 5 is an explanatory plan view schematically showing a mating surface with a cylinder block (not shown) of the cylinder head casting material according to the first embodiment. As shown in this figure, the cylinder head CH1 is for an in-line 4-cylinder type diesel engine. For each cylinder arranged in a line along the longitudinal direction, a pair of intake ports Kc and a pair of cylinder heads CH1 are provided. An exhaust port Ec is provided. And the member area | region (namely, valve part) between ports for each cylinder forms the substantially cross shape.
[0034]
The cylinder head CH1 is manufactured by a casting process using, for example, an Al alloy as a material, and the surface treatment by the above-described friction stir processing method is performed on the joint surface with the cylinder block (not shown), particularly in the portion between the valves.
As the light alloy material of the cylinder head CH, for example, an Al alloy AC4D defined in JIS standard was used. Instead of this, AC4B, AC2B, or AC8A can also be used.
[0035]
When the surface treatment is performed, the mating surface with the cylinder block is roughed by milling in the previous step. FIG. 5 shows the roughing state of this mating surface. Therefore, the above-described intake ports Kc and exhaust ports Ec indicated by solid lines in FIG. 5 all show the state of the cast holes. In fact, as shown in an enlarged view in FIG. After the surface treatment of the part, the intake port Kh and the exhaust port Eh having a predetermined shape / dimension and surface roughness are obtained by machining such as drilling (see broken line display in FIGS. 5 and 6).
[0036]
Further, a plurality of tension bolt holes Ht arranged along the longitudinal direction are drilled in the cylinder head CH1 after the surface treatment. These tension bolt holes Ht are used for inserting the tension bolts for fastening and fastening when the cylinder head CH1 after finishing is assembled and fastened to the cylinder block, and are arranged in the longitudinal direction. It is provided along a pair of parallel straight lines so as to sandwich the cylinder portion. These tension bolt holes Ht are provided at five positions for each row, and are positioned near both ends in the longitudinal direction and between the cylinder portions.
[0037]
In FIG. 5, all the hole portions indicated by the solid line curve are so-called cast holes formed by a casting process. On the other hand, all of the holes indicated by the broken line curve in the figure are not holes in the casting state, but after the surface treatment is applied to the valve part, etc., the predetermined shape and size are obtained by machining such as drilling. Furthermore, what is formed as a hole part finished to surface roughness is shown.
[0038]
In the present embodiment, when the surface treatment by the friction stir processing method is performed on at least the surface portion of the cylinder head CH1 between the intake and exhaust ports (valve portion), the processing path R1 of the friction stir processing is determined for each cylinder. The long processing path for cutting all the cylinders vertically is not provided as in the conventional method.
Further, the pattern of the processing path R1 set independently for each cylinder in this way is set to be substantially the same for all the cylinders.
[0039]
This processing path R1 corresponds to the trajectory of movement along the cylinder head surface of the
The glow plug mounting hole Hg is formed by performing a machining process such as a drilling process after performing a surface treatment on the intervalve part, and is provided for each cylinder.
[0040]
In the present embodiment, the width of the inter-valve part between the intake ports Kc and the inter-valve part of the exhaust port Ec is both set to about 10.0 mm, and the width of the inter-valve part between the intake port Kc and the exhaust port Ec is about It is set to 11.3 mm.
In particular, the valve portion between the exhaust ports Ec is exposed to a high temperature when the engine is driven (compared to the intake port Kc side) and has a narrow width. It is necessary to improve the mechanical properties of Further, regarding the valve portion on the side where the glow plug mounting hole Hg is provided at the valve portion between the intake port Kc and the exhaust port Ec, the width of the valve portion of the portion where the glow plug mounting hole Hg is provided becomes considerably narrow. Since the area of the intervalve portion is reduced, it is necessary to improve the mechanical characteristics by applying surface treatment.
[0041]
In addition, as shown by the line segment with an arrow in FIG. 6, a forward path and a return path are set in the processing path R1 between the intake and exhaust ports (interval portion) of each cylinder. In particular, the forward path and the return path of the processing path R1 between the valves are set so that at least a part of the rotational area of the
[0042]
That is, when performing the friction stir processing for each cylinder, the
[0043]
Further, it enters the inter-valve part between the exhaust ports Ec, processes the inter-valve part along the one-dot chain line (process of the forward path), and turns back at the terminal part. Then, after proceeding along the solid line, the inter-valve portion between the exhaust ports Ec is processed again (return path processing), then the direction is changed by 90 degrees and the glow plug mounting hole is formed between the intake port Kc and the exhaust port Ec. The valve portion on the side where Hg is provided is processed again (return path processing).
[0044]
Then, after finishing the surface treatment of the inter-valve portion in this manner, as the end hole processing, the
Since this part is removed by machining after surface treatment of the inter-valve part as described above, the terminal hole will not remain in the final product even if the terminal hole process of the friction stirring process is performed. .
[0045]
Although not specifically shown, the tool driving means 5 of the
[0046]
As described above, in the present embodiment, the processing path R1 of the friction stir processing is set independently for each cylinder, and there is no long processing path for cutting all the cylinders as in the conventional method. In addition, the end hole processing is performed at one place for each cylinder, that is, a total of four places, and unnecessary processing of connecting portions between the cylinders is not necessary. As a result, the processing time of the friction stir processing can be greatly shortened, and the processing efficiency can be greatly increased. In addition, there is no possibility of variations in the surface treatment depth between cylinders.
[0047]
In particular, since the pattern of the processing path R1 set independently for each cylinder (that is, the manner of movement of the rotary tool 10) is set to be substantially the same over all the cylinders, Compared with the case where the processing path pattern is different and the method of movement of the
[0048]
In addition, since the forward path and the return path are set in the processing path R1 between the valves of each cylinder, the surface portion of each valve section is repeatedly processed in both the forward path and the return path, and is more effective over the entire width. Can be surface treated. In this case, high processing efficiency can be maintained by performing processing continuously from the start portion Rs to the end portion Re in the processing path pattern R1 for each cylinder.
[0049]
In particular, the forward path and the return path of the processing path R1 between the valves are set so that at least a part of the rotation area of the
[0050]
In the present embodiment, as can be seen from FIG. 6, when the friction stir processing is performed along the processing path R <b> 1, the intake / exhaust ports Kc and Ec are in the same direction as the traveling direction of the
[0051]
That is, as schematically shown in FIG. 8, for example, when the rotary tool is rotated in the clockwise direction (clockwise direction in the drawing) with respect to the central axis in plan view, the rotation tool rotates on the left side in the traveling direction of the rotary tool. Since the peripheral speed and the tool traveling speed are in the same direction, the relative speed between the rotary tool and the surface of the work (member to be processed) increases. On the other hand, on the right side in the traveling direction of the rotating tool, the peripheral speed of rotation and the tool traveling speed are opposite to each other, so that the relative speed between the rotating tool and the workpiece surface portion becomes small.
[0052]
In such a case, looking at the cross section of the work processing area by the rotary tool, on the side where the relative speed is increased (the left side in the traveling direction in the figure), the processing range is narrow, but the plastic flow at the same position in the width direction becomes deep. (Processing area: B1) On the other hand, on the side where the relative speed is small (right side in the direction of travel in the figure), the processing range is wide, but the plastic flow at the same position in the width direction becomes shallow (processing area: B2). The difference between the two B1 and B2 is considered to be due to the fact that the workpiece base material is rapidly and narrowly stirred when the relative speed is large, and is relatively slowly stirred over a wide range when the relative speed is small.
[0053]
By utilizing the above characteristics, when the rotation areas of the rotary tool overlap (overlap) in the forward path and the return path, as shown in FIG. Can be set to be as uniform as possible. On the contrary, as shown in FIG. 10, by setting the regions B1 having a narrow processing range (deep plastic flow) to overlap each other, the processing depth is suppressed and the outflow of the material is suppressed. You can also
[0054]
When friction stir processing is performed on the inter-valve portion of the cylinder head CH1, it is desirable to perform processing as close to the port end as possible. For example, as shown schematically in FIG. 11, the processing is performed on the thin side of the port end. If the region B2 is set to have a wide range, deformation may occur in the shoulder portion of the port end portion or in the vicinity thereof, and as a result, an unfilled defect may occur in the processing region.
[0055]
Therefore, in the present embodiment, the intake / exhaust ports Kc, Ec are located on the processing path R1 such that the intake / exhaust ports Kc, Ec are located on the side closer to the rotational direction advance side of the
[0056]
The difference in the processing range and the plastic flow depth depending on the combination of the traveling direction and the rotational direction of the
Even when the shape of the probe portion is a cylindrical type (see FIG. 1 and FIG. 2) or a hemispherical type (see FIG. 3), the same tendency can be obtained with respect to the difference in the characteristics although there is a slight difference. .
[0057]
Regarding the surface treatment method of the inter-valve portion of the cylinder head CH1 according to the present embodiment, the surface of the inter-valve portion of the cylinder head according to the comparative example in which a long treatment path extending in the longitudinal direction of the cylinder head by cutting all the cylinders is set. A comparative test was performed in comparison with the treatment method. Next, this comparative test will be described.
In the following description, the same components as those in the cylinder head CH1 according to the first embodiment described above having the same functions are denoted by the same reference numerals, and further description thereof is omitted. .
[0058]
FIG. 15 is an explanatory plan view schematically showing the mating surface of the cylinder head CH4 according to Comparative Example 1 with the cylinder block of the casting material. As shown in this figure, in the cylinder head CH4 of the comparative example 1, the surface treatment path of the valve portion by the friction stirring process is provided for each cylinder and is a relatively short processing path extending in the substantially width direction of the cylinder head CH4. In addition to R4, a long processing path L4 extending in the longitudinal direction of the cylinder head CH4 by cutting all the cylinders vertically is provided, and is configured with a total of five processing paths. Then, the surface treatment between the intake and exhaust port valves of the four cylinders is processed in a series of steps along these processing paths.
[0059]
The long processing path L4 in the longitudinal direction extends from the processing start portion Ls near one end side (left end side in FIG. 15) in the longitudinal direction of the cylinder head CH4 to the inter-valve portion and the exhaust port Ec between the intake ports Kc of each cylinder. The inter-valve parts are sequentially processed (forward path process), folded back in the vicinity of the end on the opposite side, the return path process is performed, and the termination hole process is performed at the process end part Le.
That is, in the first comparative example, in addition to the end hole processing in the processing path R4 for each cylinder, the end hole processing for the long processing path L4 in the longitudinal direction must be performed. Further, in the surface treatment along the long treatment path L4, not only the inter-valve portion but also the connecting portion between the cylinders is treated as the
[0060]
In this comparative test, the same processing apparatus including the
[0061]
As test materials, we prepared 60 cylinder head cast members for in-line 4-cylinder type direct injection diesel engines that were cast with the same materials and specifications and were subjected to roughing before surface treatment for the valve section. Thirty pieces are surface-treated along the processing path R1 shown in FIG. 5 as an embodiment of the present invention, and the remaining 30 pieces are surface-treated along the processing paths R4 and L4 shown in FIG. The average time of processing time, processing depth, variation, etc. were compared.
In addition, the surface treatment by the friction stirring process with respect to the intervalve part of each test material is the friction stirring process for the test material (30 pieces) of the embodiment of the present invention and the test material of the comparative example (30 pieces). No. 1-No. Thirty order codes were assigned, and the test materials (30 pieces) of the examples of the present invention and the test materials (30 pieces) of the comparative examples were collectively performed.
[0062]
As a result of the comparative test, the average value of the time required for processing per vehicle was slightly more than 4 minutes for the comparative example and slightly less than 3 minutes for the inventive example. That is, it was found that the treatment time can be reduced by 25% or more by adopting the treatment method of the present invention as compared with the treatment method of the comparative example.
This is because the processing path of the embodiment of the present invention requires one less end hole processing than the processing path of the comparative example, and the processing of the connecting portion between the cylinders is unnecessary. It is.
[0063]
About each test material after completion | finish of surface treatment, the friction stirring process depth (depth of a modification layer) of each valve | bulb part was investigated and compared for every cylinder. This processing depth investigation was a sampling investigation in which four samples were sampled from each of 30 sample materials of the present invention and 30 sample materials of comparative examples. In this sampling survey, each sample material of the inventive example and the comparative example was given No. 1-No. Based on the order code of 30, each No. No. 1 (starting treatment) is designated as each sampling sample S1. No. 10 is designated as each sample S2, and each No. No. 20 is designated as each sampling sample S3. 30 samples (processed final product) were extracted as each sample S4.
[0064]
Then, after milling the processed surface of each sampling sample that has been subjected to the surface treatment, the friction stir processing section is cut and the cut surface is polished, and then modified at a magnification of 20 times using a projector. The stratum depth was measured. Table 1 shows the measurement data. In addition, when the microstructure was observed about the polished cut surface at a magnification of 50 times using a metal microscope, no unfilled defects were found inside both the inventive example and the comparative example.
[0065]
[Table 1]
In Table 1, “IN-IN” is the valve portion between the intake ports, “EX-EX” is the valve portion between the exhaust ports, and “IN-EX” is the valve between the intake port and the exhaust port. Each part is shown. The first to fourth cylinders in Table 1 indicate the arrangement order of the cylinder portions for each cylinder head sampling sample. Each of the right end in FIG. 5 (invention example) and FIG. 15 (comparative example). The first cylinder was used, and the second, third, and fourth cylinders were arranged in order toward the left side. Therefore, in the comparative example, the long processing path L4 that runs vertically across all the cylinders starts the forward process from the fourth cylinder, and then turns back after finishing the forward process of the first cylinder.
[0067]
As can be seen from the measurement data in Table 1, by adopting the treatment method of the present invention, the modified layer has an average depth of about 0.11 mm (about 3%) deeper than the treatment method of the comparative example. In addition, the variation could be reduced by about 0.02 in deviation. When performing variation management for the accuracy of mass-produced products, the size of variation is usually evaluated by the value of [average value-4 x deviation]. Therefore, the difference of about 0.02 in deviation is It shows a significant difference.
This stabilization of the reformed layer depth (inhibition of variation) is achieved by providing an independent processing path for each cylinder without providing a long processing path that runs vertically across all cylinders. This is thought to be due to the effect of reducing workpiece temperature variation.
[0068]
The surface treatment method by the friction stir processing for the inter-valve portion of the cylinder head cast member for an in-line four-cylinder type direct injection diesel engine as described above is not limited to the treatment path R1 shown in FIG. As in the cylinder head CH2 according to the embodiment shown in FIG. 13 (second embodiment), the valve portion between the intake port Kc and the exhaust port Ec on the side where the glow plug mounting hole is provided, and the valve between the exhaust ports. The surface treatment may be performed only on the two valve portions of the part, and the processing path R2 may be set independently for each cylinder.
Also in this case, as compared with Comparative Example 1 shown in FIG. 15, the same effects as those in the first embodiment shown in FIG. 5 are achieved in terms of the processing time, the processing depth, and the variation suppression. be able to.
[0069]
Further, like the cylinder head CH3 according to the embodiment shown in FIG. 14 (third embodiment), the surface treatment is performed on all the intervalve portions of the four ports including the pair of intake ports Kc and the pair of exhaust ports Ec. The processing path R3 to be performed may be set independently for each cylinder.
In this case, as in the cylinder head CH4 according to Comparative Example 2 shown in FIG. 16, for each cylinder that also processes the valve portion between the intake port Kc and the exhaust port Ec on the side where the glow plug mounting hole is not provided. In addition to the processing path R5, the processing time is shortened, the average value of the processing depth is deepened, and the processing depth varies as compared with the case where a long processing path L5 that is longitudinally cut across all cylinders is set. Can be suppressed.
[0070]
Each of the above embodiments is for a cylinder head using an Al alloy as the material. However, the present invention is effective even when other light metals such as magnesium or its alloy are used as the material. It is possible to apply to.
In addition, the cylinder head is not limited to a direct-injection diesel engine, but may be used for other types of engines, and is not limited to an in-line 4-cylinder type or a multi-cylinder type. .
[0071]
Furthermore, in the above embodiment, the surface treatment is performed only on the inter-valve portion of the cylinder head. However, the present invention is not limited to such a case, and other required surfaces other than the inter-valve portion are used. The part may also be subjected to a surface treatment by friction stirring.
Thus, it goes without saying that the present invention is not limited to the above embodiments, and various improvements or design changes can be made without departing from the scope of the invention.
[0072]
【The invention's effect】
According to the surface treatment method for a cylinder head according to the first aspect of the present invention, the processing path for the friction stir processing is set independently for each cylinder, and a long processing path for cutting all cylinders is provided as in the conventional method. As a result, one end hole is also processed for each cylinder.In placeIn addition, unnecessary processing of the connecting portion between the cylinders can be omitted. As a result, the processing time of the friction stir processing can be greatly shortened, and the processing efficiency can be greatly increased. In addition, there is no possibility of variations in the surface treatment depth between cylinders.
In particular, the processing path pattern set independently for each cylinder (that is, the manner of movement of the rotary tool) is substantially the same across all cylinders, so that the processing path pattern differs for each cylinder. Compared to the case where the method of moving the rotary tool has to be changed, the friction stir processing is easy and stable.
In addition, the processing path pattern is set so that the intake / exhaust port is located on the side close to the rotation direction advance side of the rotation tool (which is the same direction as the rotation direction of the rotation tool). A processing region having a narrow processing range can be provided on the thin wall side, and deformation of the port end can be suppressed while ensuring a required processing depth.
Furthermore, since the forward path and the return path are set in the processing path of each cylinder, the surface portion of each valve portion is repeatedly processed in both the forward path and the return path, and the surface treatment is performed more effectively over the entire width. Can do. In this case, since processing is continuously performed for each cylinder from the start portion to the end portion in the processing path pattern, high processing efficiency can be maintained.
Furthermore, since the forward path and the return path of the processing path are set so that the rotation areas of the rotary tool overlap, in the substantially central area in the width direction of the inter-valve portion, the overlapping process is performed in the forward path and the return path. As a result, a deeper and more effective surface treatment can be applied to this region.
Further, in particular, for a cylinder head for a diesel engine having a pair of intake ports and a pair of exhaust ports for each cylinder, inter-valve portions where improvement of mechanical characteristics including thermal fatigue strength is particularly required, that is, intake and exhaust ports. Among these, the friction stir processing can be reliably performed on each surface portion of the inter-valve region between the intake ports, the inter-valve region between the exhaust ports, and the region where the glow plug mounting hole is provided.
[0078]
Further, according to the cylinder head according to the invention of claim 2, the independent surface treatment portion is formed for each cylinder according to the treatment path of the friction agitation treatment, and the long treatment for longitudinally cutting all the cylinders as in the conventional method. Since the surface treatment along the path is not performed, there is no unnecessary surface treatment of the connecting portion between the cylinders, and one end hole treatment is performed for each cylinder.In placeIn addition, the processing efficiency of the friction stir processing is high, and variations in the processing depth of the surface processing between the cylinders are suppressed.
In particular, in a cylinder head for a diesel engine having a pair of intake ports and a pair of exhaust ports for each cylinder, inter-valve portions that require improvement in mechanical characteristics, particularly including thermal fatigue strength, that is, between intake and exhaust ports Among these, the cylinder head has improved mechanical characteristics by reliably friction-stirring each surface of the inter-valve region between the intake ports, the inter-valve region between the exhaust ports, and the region where the glow plug mounting hole is provided. Is obtained.
[0080]
FurtherAnd claims of the present application3According to the cylinder head according to the invention, in a light alloy cylinder head of a diesel engine having a cylinder having a pair of intake ports and a pair of exhaust ports, improvement in mechanical characteristics including thermal fatigue strength is particularly required. Between the valves, that is, between the intake and exhaust ports, the surface area of the inter-intake valve area, the inter-exhaust valve area, and the area where the glow plug mounting hole is provided is reliably frictionally stirred. A cylinder head with improved mechanical properties is obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view schematically showing main parts of a surface treatment target member and a friction stir processing apparatus for explaining a surface treatment method by friction stir processing according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory cross-sectional view schematically showing main parts of the surface treatment target member and the friction stir processing apparatus.
FIG. 3 is an enlarged front view of a distal end portion of a rotary tool showing a modified example of a probe portion.
FIG. 4 is an enlarged front view of a distal end portion of a rotary tool showing another modification of the probe portion.
FIG. 5 is an explanatory plan view schematically showing a mating surface of the casting material of the cylinder head according to the first embodiment of the present invention with the cylinder block.
FIG. 6 is an enlarged plan view showing one of the cylinder portions of the cylinder head.
7 is a cross-sectional explanatory view of an inter-valve portion along line Y7-Y7 in FIG.
FIG. 8 is an explanatory view schematically showing a relationship between a combination of a traveling direction and a rotating direction of a rotary tool and a cross section of a workpiece processing area.
FIG. 9 is an explanatory diagram schematically showing a cross-section of a processing area of a workpiece according to an example of a combination pattern of a traveling direction and a rotational direction of a rotary tool.
FIG. 10 is an explanatory view schematically showing a cross section of a work area of a workpiece according to another example of a combination pattern of a traveling direction and a rotational direction of a rotary tool.
FIG. 11 is an explanatory view schematically showing a cross section of a valve portion in a comparative example when a port end portion of a cylinder head valve portion is subjected to a friction stirring process.
FIG. 12 is an explanatory view schematically showing a cross section of a valve portion when a port end portion of a cylinder head valve portion is subjected to a friction stirring process according to the method of the present invention.
FIG. 13 is an explanatory plan view schematically showing a mating surface of a cylinder head according to a second embodiment of the present invention with a cylinder block of a casting material.
FIG. 14 is an explanatory plan view schematically showing a mating surface with a cylinder block of a casting material of a cylinder head according to a third embodiment of the present invention.
15 is an explanatory plan view schematically showing a mating surface of a cylinder head according to Comparative Example 1 with a cylinder block of a casting material. FIG.
16 is a plan explanatory view schematically showing a mating surface of a cylinder head according to Comparative Example 2 with a cylinder block of a casting material. FIG.
[Explanation of symbols]
10 ... Rotary tool
CH1, CH2, CH3 ... Cylinder head casting member
Dw ... overlap area (of friction stir processing)
Ec ... Exhaust port (Cut hole)
Eh ... Intake port (finished state)
Hg ... Glow plug mounting hole
Kc: Intake port (cast hole)
Kh ... Intake port (finished state)
R1, R2, R3 ... Processing path of friction stir processing
Re: Processing end part of processing path
Rs: Processing start part of the processing path
Claims (3)
上記回転工具のシリンダヘッド表面に略沿った移動の軌跡に対応する摩擦攪拌処理の処理経路が、各気筒毎に独立して設定され、
各気筒毎にそれぞれ独立して設定された上記処理経路のパターンが、全気筒にわたって実質的に同一であり、
上記処理経路は、吸排気ポート間のうちで、吸気ポートどうしの弁間部領域と排気ポートどうしの弁間部領域とグロープラグ取付孔が設けられる領域の各表面部を処理するように、平面視で略Т字形のパターンに設定されるとともに、
上記吸排気ポートが、上記回転工具の進行方向と同方向となる当該回転工具の回転方向進み側に近接した側に位置するように、処理経路のパターンが設定されており、
上記各気筒の処理経路には往路と復路とが設定され、上記各気筒毎に、処理経路のパターンにおける処理の開始部分から終了部分に至るまで連続的に処理が行われ、
上記吸排気ポート間の処理経路の往路と復路とは、上記回転工具の回転領域が重複するように設定されている、
ことを特徴とするシリンダヘッドの表面処理方法。Cylinder that performs friction stir processing on a surface portion between at least the intake and exhaust ports of a light alloy cylinder head of a multi-cylinder diesel engine having a pair of intake ports and a pair of exhaust ports for each cylinder using a predetermined rotary tool A surface treatment method for a head,
The processing path of the friction stir processing corresponding to the trajectory of movement along the cylinder head surface of the rotary tool is set independently for each cylinder,
The pattern of the processing path set independently for each cylinder is substantially the same over all cylinders,
The treatment path is flat so as to treat each surface portion of the inter-intake port inter-valve region, the inter-exhaust-port inter-valve region, and the region where the glow plug mounting hole is provided among the intake and exhaust ports. In addition to being set to a substantially Т-shaped pattern,
The processing path pattern is set so that the intake / exhaust port is located on the side close to the rotational direction advance side of the rotary tool, which is in the same direction as the rotational direction of the rotary tool,
A forward path and a return path are set in the processing path of each cylinder, and processing is continuously performed for each cylinder from the start part to the end part in the process path pattern.
The forward path and the return path of the processing path between the intake and exhaust ports are set so that the rotation areas of the rotary tool overlap.
A surface treatment method for a cylinder head, characterized in that:
上記回転工具のシリンダヘッド表面に略沿った移動の軌跡に対応する摩擦攪拌処理の処理経路に従って、上記各気筒毎に独立した表面処理部が形成され、
該表面処理部は、吸排気ポート間のうちで、吸気ポートどうしの弁間部処理領域と排気ポートどうしの弁間部処理領域とグロープラグ取付孔が設けられる処理領域とで、平面視で略Т字形に形成されていることを特徴とするシリンダヘッド。A multi-cylinder diesel engine having a pair of intake ports and a pair of exhaust ports for each cylinder, and at least a surface portion between the intake and exhaust ports is subjected to a surface treatment by a friction stirring process using a predetermined rotary tool. A light alloy cylinder head,
In accordance with the friction stirring process path corresponding to the trajectory of movement along the cylinder head surface of the rotary tool, an independent surface treatment part is formed for each cylinder .
The surface treatment portion is substantially the same in plan view between the intake and exhaust ports, the inter-valve portion treatment region between the intake ports, the inter-valve portion treatment region between the exhaust ports, and the treatment region provided with the glow plug mounting hole. Cylinder head characterized by a Т-shape .
上記吸排気ポート間のうちで、吸気ポートどうしの弁間部処理領域と排気ポートどうしの弁間部処理領域とグロープラグ取付孔が設けられる処理領域とで、平面視で略Т字形の表面処理部が形成されていることを特徴とするシリンダヘッド。 A diesel engine light alloy cylinder comprising a cylinder having a pair of intake ports and a pair of exhaust ports, wherein at least a surface portion between the intake and exhaust ports is subjected to a surface treatment by a friction stirring process using a predetermined rotary tool Head,
Among the above intake and exhaust ports, the surface treatment of the inter-valve portion between the intake ports, the inter-valve treatment region between the exhaust ports, and the treatment region provided with the glow plug mounting hole in a plan view. A cylinder head characterized in that a portion is formed.
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