JP4379277B2

JP4379277B2 - 溶射前処理形状および溶射方法

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Publication number: JP4379277B2
Application number: JP2004271739A
Authority: JP
Inventors: 公男西村; 雅彦飯泉; 崇荻野; 英爾塩谷; 秀夫高橋
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-09-17
Filing date: 2004-09-17
Publication date: 2009-12-09
Anticipated expiration: 2024-09-17
Also published as: JP2006083826A

Description

本発明は、溶射皮膜を形成する前のシリンダボア表面が粗面化された溶射前処理形状および溶射方法に関する。

自動車用エンジンの重量低減および排気処理対応に効果のあるライナレスアルミシリンダブロックのシリンダボア内面に対して鉄系材料による溶射皮膜を形成する際に、その前工程として、溶射皮膜の密着性を高める目的でシリンダボア内面を粗面に形成する必要がある。

例えば、下記特許文献１には、被溶射面を粗面に形成する方法としてショットブラスト処理を行っている。また、下記特許文献２や特許文献３には、被溶射面を切削工具により切削加工することで粗面に形成している。
特開平１１−３２０４１４号公報特開平１０−７７８０７号公報特開２００２−１５５３５０号公報

ところで、エンジンのシリンダボアにおいては、特にピストン上死点付近は、燃焼圧が発生した場合、ピストンリングが拡張しかつ下死点に向かう動きが発生するため、ピストン移動工程中央付近よりも、溶射皮膜の密着性をより高める必要がある。

しかしながら、上記した従来の粗面形成方法による溶射前処理形状では、粗面形状を被溶射面全体で一様としていることから、上死点付近の溶射皮膜の密着性を他の部位よりも高めていることにはならず、改善が望まれている。

そこで、本発明は、燃焼圧が大きく作用する部位の溶射皮膜の密着性を高めることを目的としている。

本発明は、溶射皮膜を形成する前のシリンダボア表面が粗面化された溶射前処理形状であって、前記シリンダボア表面に凹部を形成して粗面化し、前記凹部の形状を前記シリンダボアの軸線方向に沿って異ならせ、前記シリンダボア表面におけるピストン上死点付近の前記凹部の深さを、他の部位の前記凹部の深さより深くしたことを最も主要な特徴とする。

本発明によれば、シリンダボア表面を粗面化する際の凹部の形状を、シリンダボアの軸線方向に沿って異ならせるようにしたので、例えば、シリンダボア表面におけるピストン上死点付近の凹部の深さを、他の部位の凹部の深さより深くすることで、その後形成する溶射皮膜の密着性を、燃焼圧が大きく作用するピストン上死点付近で高めることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係わる溶射前処理形状を実施するための加工動作を示す概略説明図である。ここでは自動車用エンジンのアルミシリンダブロック１のシリンダボア表面３に対し、溶射前処理として、ボーリングバー５の下端に取り付けた後述する三つの加工用チップＡ１１，Ｂ１３，Ｃ１５により切削加工して粗面９を形成する。この際ボーリングバー５を回転させながら、その中心軸をシリンダボアの中心軸に合わせた状態でシリンダ内に挿入して、切削加工を行う。

上記したアルミシリンダブロック１は、アルミ合金（ＡＤＣ１２材）からなるダイカスト製であり、そのシリンダボア表面３は、一定の精度で加工してある。このシリンダボア表面３を粗面に形成した後、鉄系材料からなる溶射用材料をシリンダボア表面３に溶射して溶射皮膜を形成する。

図２（ａ）は、ボーリングバー５の詳細を示す正面断面図で、図２（ｂ）は、ボーリングバー５の底面図である。ボーリングバー５の先端周囲には、前記した三つの加工用チップＡ１１，Ｂ１３，Ｃ１５（材質：Ｋ１０）を装着している。このうちチップＡ１１はシリンダボア表面３の図１中で上部側に位置するピストン上死点付近を、チップＣ１５はシリンダボア表面３の図１中で下部側に位置するピストン下上死点付近をそれぞれ加工し、チップＢ１３は上死点と下死点との間の中間部位を加工する。

また、チップＡ１１は、図３（ａ）に示すように、図中で上下方向に対応するシリンダボアの軸線に対し、下面１１ａがほぼ水平面、上面１１ｂが斜面であり、チップＣ１５は、図３（ｃ）に示すようにチップＡ１１とは逆に、図中で上下方向に対応するシリンダボア軸線に対し、下面１５ａが斜面、上面１５ｂがほぼ水平面であり、またチップＢ１３は、図３（ｂ）に示すように、図中で上下方向に対応するシリンダボア軸線に対し、下面１３ａ，上面１３ｂともに斜面である。

そして、各チップＡ１１，Ｂ１３，Ｃ１５を用いて加工する切削溝の深さは、チップＡ１１で最も深く、チップＢ１３で最も浅く、チップＣ１５で中間の深さとなる。

これら各チップＡ１１，Ｂ１３，Ｃ１５は、いずれもボーリングバー５に対し、その直径方向に沿って移動可能である。すなわち、図２（ｂ）中で、チップＡ１１は矢印ａ方向に、チップＢ１３は矢印ｂ方向に、チップＣ１５は矢印ｃ方向に、それぞれ移動可能である。

また、各チップＡ１１，Ｂ１３，Ｃ１５に対応してボーリングバー５内には、ドローバＡ１７，Ｂ１９，Ｃ２１をその軸方向（図２（ａ）中で上下方向）に沿って移動可能に収納している。この各ドローバＡ１７，Ｂ１９，Ｃ２１は、図示しない駆動機構によって軸方向にそれぞれ個別に移動する。

各ドローバＡ１７，Ｂ１９，Ｃ２１の下端部には、押圧傾斜面１７ａ，１９ａ，２１ａをそれぞれ備え、この各押圧傾斜面１７ａ，１９ａ，２１ａは、ボーリングバー５の中心側の端部が外周側の端部より図２（ａ）中で下部側に位置するよう傾斜している。一方、各チップＡ１１，Ｂ１３，Ｃ１５には、上記したドローバＡ１７，Ｂ１９，Ｃ２１の各押圧傾斜面１７ａ，１９ａ，２１ａにそれぞれ対応する被押圧傾斜面１１ａ，１３ａ，１５ａをそれぞれ形成してある。

また、上記した各チップＡ１１，Ｂ１３，Ｃ１５は、ボーリングバー５に内蔵する図示しないスプリングなどの弾性手段によって、ボーリングバー５の中心側に常時押し付けてある。これにより、ドローバＡ１７，Ｂ１９，Ｃ２１がチップＡ１１，Ｂ１３，Ｃ１５を押圧していない状態で、チップＡ１１，Ｂ１３，Ｃ１５をシリンダボア表面３から離反させるようにする。

次に、上記したボーリングバー５を用いてシリンダボア表面３を粗面化する方法について説明する。まず、チップＡ１１に対応するドローバＡ１７を、図２（ａ）中で下方に進出移動させてチップＡ１１を外側に向けて押圧し、他のドローバ１９，２１はいずれも後退させてこれらに対応するチップＢ１３，Ｃ１５をボーリングバー５の中心側に後退させておく。

この状態で、ボーリングバー５を、シリンダボア内に挿入し、図１に示すように、回転させつつ軸方向に移動させることで、シリンダボア表面３には、凹部としての螺旋状の溝が形成されて粗面９となる。

このとき、上記したチップＡ１１によるシリンダボア表面３の加工部分は、図１中で上部側の上死点付近のみであり、図４に拡大して示すような上死点の溝２３となる。上死点の溝２３を形成した後は、ドローバＡ１７を後退させてチップＡ１１をシリンダボア表面３から離れるように後退させ、代わりにチップＢ１３に対応するドローバＢ１９を進出作動させてチップＢ１３を外側に向けて押圧する。

この状態でボーリングバー５を継続して回転させつつ軸方向に移動させることで、図４に示すように、上死点と下死点との間の中間部位の溝２５を形成する。

中間部位の溝２５を形成した後は、ドローバＢ１９を後退させてチップＢ１３をシリンダボア表面３から離れるように後退させ、代わりにチップＣ１５に対応するドローバＣ２１を進出作動させてチップＣ１５を外側に向けて押圧する。

この状態でボーリングバー５を継続して回転させつつ軸方向に移動させることで、図４に示すように、下死点の溝２７を形成する。

ここで、上死点，下死点，中間部位の三つの溝２３，２５，２７は、上死点，下死点で深く、中間部位で浅くしている。すなわち、凹部である溝２３，２５，２７の形状を、シリンダボアの軸線方向に沿って異ならせている。このような、溝深さの変化は、各チップＡ１１，Ｂ１３，Ｃ１５に対するドローバＡ１７，Ｂ１９，Ｃ２１の押圧力を変化させ、各チップＡ１１，Ｂ１３，Ｃ１５の切り込み深さを変化させることで行える。

表１は、上死点および下死点の溝２３および２７の加工時と、中央部位の溝２５の加工時での加工条件をそれぞれ示す。これによれば、上，下死点と中央部位とでは、ボーリングバー５０の回転数および送り速度を、２０００ｒｐｍおよび０．１５ｍｍ／ｒｅｖとして同じとし、チップＡ１１，Ｂ１３，Ｃ１５の切り込み深さを、深い溝２３，２７を加工する上，下死点で１．０ｍｍとし、浅い溝２５を加工する中央部位の０．５ｍｍに比較して大きくしている。

また、上死点の溝２３は、図５に拡大して示すように、図示しないピストンが、上死点から下死点に向かう方向に対向する第１の側壁２３ａと、下死点から上死点に向かう方向に対向する第２の側壁２３ｂとをそれぞれ備え、第１，第２の各側壁２３ａ，２３ｂの、溝２３の底部側を基準とした、シリンダボアの軸線に直交する平面Ｈとのなす角度α，βを、第２の側壁２３ｂ（β）に比べて第１の側壁２３ａ（α）で小さくしている。つまり、第１の側壁２３ａが第２の側壁２３ｂに比較して、平面Ｈにより近い面を備えている。

一方下死点の溝２７は、図６に拡大して示すように、図示しないピストンが、上死点から下死点に向かう方向に対向する第１の側壁２７ａと、下死点から上死点に向かう方向に対向する第２の側壁２７ｂとをそれぞれ備え、第１，第２の各側壁２７ａ，２７ｂの、溝２７の底部側を基準とした、シリンダボアの軸線に直交する平面Ｈとのなす角度α，βを、上死点とは逆に、第１の側壁２７ａ（α）に比べて第２の側壁２７ｂ（β）で小さくしている。つまり、第２の側壁２７ｂが第１の側壁２７ａに比較して、平面Ｈにより近い面を備えている。

また、中間部位の溝２５は、図７に拡大して示すように、図示しないピストンが、上死点から下死点に向かう方向に対向する第１の側壁２５ａと、下死点から上死点に向かう方向に対向する第２の側壁２５ｂとをそれぞれ備え、第１，第２の各側壁２５ａ，２５ｂの、溝２５の底部側を基準とした、シリンダボアの軸線に直交する平面Ｈとのなす角度α，βを互いに等しくしている。

このように、シリンダボア表面３におけるピストン上死点付近の溝２３の深さを、他の部位の溝２５，２７の深さより深くすることで、その後形成する溶射皮膜の密着性を、燃焼圧が大きく作用するピストン上死点付近で高めることができる。また、下死点付近の溝２７の深さを中間部位の溝２５の深さより深くすることで、燃料圧が中間部位に比べて大きく作用する下死点付近の溶射皮膜の密着性を、中間部位に比べて高めることができる。

図８は、シリンダボア表面３に溝２３，２５，２７を加工した後、溶射皮膜２９を形成した状態を示す。この状態で、図示しないピストンが上部から燃焼圧を受けて下方に移動する際に、ピストンに装着してあるピストンリング３３は、燃料圧方向の力Ｐを受けると同時に、自身が拡張しようとする力Ｑを受ける。

このため溶射皮膜２９には、これら各力Ｐ，Ｑに対応して、溶射皮膜２９に沿う平行な力Ｐ0および溶射皮膜２９に垂直な力Ｑ0がそれぞれ作用し、これにより溶射皮膜２９は、ピストンリング３３によって押し付けられながら皮膜面と平行な方向に擦られる状態となる。

このようなことから、本実施形態では、燃焼圧力が最も高くなる上死点付近の溝２３の形状を、図４に示したように、ピストンが燃焼圧を受けて下死点に向かって移動する方向に対向する側の第１の側壁２３ａを平面Ｈに近い形状とすることで、上記した溶射皮膜２９の表面に沿って軸方向に作用する力Ｐ0に対抗でき、溶射皮膜２９の密着性が高まるものとなる。

一方、下死点付近においては、ピストンリング３３が溶射皮膜２９に対し上死点とは逆の方向（図８中で上方向）に擦る力が、上死点と下死点との間の中央部位に比較して大きく作用する。このため、下死点付近の溝２７の形状を、図４に示したように、ピストンが燃焼圧を受けて上死点に向かって移動する方向に対向する側の第２の側壁２７ｂを平面Ｈに近い形状とすることで、ピストンリング３３が溶射皮膜２９の表面に沿って軸方向に作用する、前記力Ｐ0と反対方向の力（図８中で上方に向かう力）に対抗でき、溶射皮膜２９の密着性が高まるものとなる。

なお、燃焼圧力が最も高くなる上死点の溝２３の深さを、下死点の溝２７の深さより深くしてもよい。

図９は、シリンダボア表面３の溶射前処理形状の第２の実施形態を示す、前記図４に相当する断面図である。

この実施形態は、前記図４に示した第１の実施形態と同様に、上死点および下死点におけるそれぞれの螺旋状に形成した溝２３０および２７０の深さを、これら両者相互間の中央部位の溝２５０の深さより深くした上で、さらに溝２３０相互の間隔Ｌｕ、および溝２７０相互の間隔Ｌｄを、溝２５０相互の間隔Ｌｃよりも広くしている。

ここで、上，下死点の深い溝２３０，２７０は、中央部位の浅い溝２５０に比較して、これら各溝のシリンダボア表面３への開口面積を同等として考えた場合、深さを深くした分溶射用材料が入り込みにくいものとなるが、溝相互の間隔Ｌｕ，Ｌｄを広くして単位面積当たりの溝２３０，２７０の開口面積を溝２５０に対して小さくすることで、深い溝２３０，２７０に対して溶射量材料が、浅い溝２５０と同様に充分入り込むものとなる。この結果、溝２３０，２７０に対しての溶射皮膜の密着性を、中央部位の溝２５０に対してと同様に充分確保することができる。

なお、図９における上死点の溝２３０は、下死点の溝２７０と深さを同等としているが、上死点の溝２３０を下死点の溝２７０より深さを深くしてもよく、この場合には、深さの深い溝２３０相互の間隔Ｌｕを、溝２７０相互の間隔Ｌｄより広くする。

図１０は、上記図９に示したシリンダボア表面３の溶射前処理形状とするための加工装置の断面図で、ボーリングバー５０の下端側部に、切削用チップ（材質：Ｋ１０）５１を取り付け、ボーリングバー５０を回転させて切削用チップ５１により前記した各溝２３０，２５０，２７０をそれぞれ加工する。

この際、上死点および下死点の溝２３０および２７０の加工時と、中央部位の溝２５０の加工時での加工条件を、表２にそれぞれ示す。これによれば、上，下死点と中央部位とでは、ボーリングバー５０の回転数は同じとし（２０００ｒｐｍ）、ボーリングバー５０の送り速度を、中央部位の０．１５ｍｍ／ｒｅｖに比較して上，下死点では０．３ｍｍ／ｒｅｖと速くしており、これにより、溝２３０相互の間隔Ｌｕおよび溝２７０相互の間隔Ｌｄを、溝２５０相互の間隔Ｌｃより広くしている。また、切削チップ５１の切り込み深さは、深い溝２３０，２７０を加工する上，下死点では１．０ｍｍとし、浅い溝２５０を加工する中央部位の０．５ｍｍに比較して大きくしている。

なお、切り込み深さについては、ボーリングバー５０の中心部に、前記図２に示したようなドローバーを軸方向に移動可能に１本収容し、切削用チップ５１の突出量を変化させることで対応できる。また、切削用チップ５１をボーリングバー５０に固定した状態で、ボーリングバー５０自体をシリンダボア表面３に対して接近離反する方向に移動させることで、切り込み深さを変化させることもできる。

また、上記のようにして加工した溝２３，２５，２７および溝２３０，２５０，２７０については、レーザなどの被接触型の形状測定機などにより形状を測定し、その精度を保証している。

図１１は、前記図９のように粗面形成したシリンダボア表面３に対し、溶射用材料を溶射して溶射皮膜５５を形成した状態を示す。この場合、深さの深い溝２３０，２７０に対する溶射用材料の溶射量を、深さの浅い溝２５０に対する同溶射量より多くしている。

これにより、溝深さの異なる、上，下死点と中央部位との境界部分で、溶射皮膜５５の表面における段差の発生を防止し、シリンダボア表面３に形成する溶射皮膜５５を均一な面とすることができ、溶射皮膜５５の信頼性が向上する。

図１２は、溶射皮膜２９，５５を形成する際の溶射方法を示している。シリンダボア内の中心に、ガス溶線式の溶射ガン６１を挿入し、その溶射口６１ａから溶射用材料として溶融した鉄系金属材料を溶射してシリンダボア表面３に対して溶射皮膜２９，５５を形成する。

上記した溶射ガン６１は、溶線送給機６３から溶射用材料として鉄系金属材料の溶線６５の送給を受けるとともに、アセチレンまたはプロパンあるいはエチレンなどの着火のための燃料を貯蔵した燃料ガスボンベ６７および酸素を貯蔵した酸素ボンベ６９から、配管７１および７３を介して燃料ガスおよび酸素の供給をそれぞれ受ける。さらに図示していないが、溶射ガン６１は、コンプレッサなどから圧縮空気の供給を受け、この圧縮空気により、着火によって加熱溶融した溶射用材料粒子７５をシリンダボア表面３に吹き付け、この際溶射ガン６１は回転しつつシリンダボアの軸方向に移動する。

本発明の第１の実施形態に係わる溶射前処理形状とするための加工動作を示す概略説明図である。（ａ）は、ボーリングバーの詳細を示す正面断面図で、（ｂ）は、ボーリングバーの底面図である。（ａ）は図２のチップＡの形状図、（ｂ）は同チップＢの形状図、（ｃ）は同チップＣの形状図である。第１の実施形態によるシリンダボア表面の溶射前処理形状図である。図４における上死点の溝の拡大図である。図４における下死点の溝の拡大図である。図４における中央部位の溝の拡大図である。ピストン作動時に、シリンダボア表面に形成した溶射皮膜に作用する力の状態を示す説明図である。シリンダボア表面の溶射前処理形状の第２の実施形態を示す、図４に相当する断面図である。第２の実施形態によるシリンダボア表面の溶射前処理形状とするための加工装置の断面図である。図９のように粗面形成したシリンダボア表面に対し、溶射用材料を溶射して溶射皮膜を形成した状態を示す断面図である。溶射皮膜を形成する際の溶射方法を示す動作説明図である。

符号の説明

３シリンダボア表面
２３，２３０上死点付近の溝（凹部）
２５，２５０，中央部位の溝（凹部）
２７，２７０下死点付近の溝（凹部）
２３ａ，２７ａ第１の側壁
２３ｂ，２７ｂ第２の側壁
２９，５５溶射被膜
Ｈシリンダボアの軸線に直交する平面
α 第１の側壁の、シリンダボアの軸線に直交する平面とのなす角度
β 第２の側壁の、シリンダボアの軸線に直交する平面とのなす角度

Claims

溶射皮膜を形成する前のシリンダボア表面が粗面化された溶射前処理形状であって、前記シリンダボア表面に凹部を形成して粗面化し、前記凹部の形状を前記シリンダボアの軸線方向に沿って異ならせ、前記シリンダボア表面におけるピストン上死点付近の前記凹部の深さを、他の部位の前記凹部の深さより深くしたことを特徴とする溶射前処理形状。
前記シリンダボア表面におけるピストン下死点付近の前記凹部の深さを、前記ピストン上死点付近を除く他の部位の前記凹部の深さより深くしたことを特徴とする請求項１に記載の溶射前処理形状。
前記ピストン上死点付近の前記凹部は、ピストンが上死点から下死点に向かう方向に対向する第１の側壁と、前記ピストンが下死点から上死点に向かう方向に対向する第２の側壁とをそれぞれ備え、前記第１，第２の各側壁の、前記凹部の底部側を基準とした、前記シリンダボアの軸線に直交する平面とのなす角度を、第２の側壁に比べて第１の側壁で小さくしたことを特徴とする請求項１または２に記載の溶射前処理形状。
前記ピストン下死点付近の前記凹部は、ピストンが上死点から下死点に向かう方向に対向する第１の側壁と、前記ピストンが下死点から上死点に向かう方向に対向する第２の側壁とをそれぞれ備え、前記第１，第２の各側壁の、前記凹部の底部側を基準とした、前記シリンダボアの軸線に直交する平面とのなす角度を、第１の側壁に比べて第２の側壁で小さくしたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の溶射前処理形状。
前記凹部の深さを深くした部位の前記凹部相互の間隔を、他の部位の前記凹部相互の間隔より広くしたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の溶射前処理形状。
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の溶射前処理形状を備えたシリンダボア表面に対して溶射用材料を溶射して溶射皮膜を形成する溶射方法において、前記凹部の深さを深くした部位に対する前記溶射用材料の溶射量を、他の部位の溶射量より多くしたことを特徴とする溶射方法。