JP5087854B2 - 円筒内面の溶射前下地加工方法および円筒内面の溶射前下地処理形状を有する円筒 - Google Patents

Description

本発明は、円筒内面に対して溶射皮膜を形成する前に、前記円筒内面を粗面に形成する円筒内面の溶射前下地加工方法および円筒内面の溶射前下地処理形状を有する円筒に関する。

内燃機関の出力・燃費・排気性能向上あるいは小型・軽量化といった観点から、アルミシリンダブロックのシリンダボア部に適用しているシリンダライナを廃止することへの設計要求は極めて高く、その代替技術の一つとして、シリンダボア内面に溶射皮膜を形成する溶射技術の適用が進められている。

上記した溶射技術をシリンダボア部に適用する場合には、溶射用材料を噴出する溶射ガンをシリンダボア内に軸方向に移動させつつ回転させて行い、溶射皮膜形成後は、例えばホーニング加工によって皮膜表面を研削加工して仕上げを行う。

そして、上記した溶射皮膜を形成する前には、例えば本出願人が提案している下記特許文献１に記載されているように、シリンダボア内面を粗面に形成する下地処理を実施することで、溶射皮膜の密着度を高めている。
特開２００２−１５５３５０号公報（段落０００２，００１９）

しかしながら、シリンダボア内面に対し、上記したような下地処理を行っているにも拘わらず、シリンダボア内面の軸方向端部においては、軸方向中央部に比較して溶射皮膜が剥離しやすいものとなっている。これは、溶射後のシリンダボア内面の軸方向端部に付着した溶融用材料が固化し凝縮する際に、この凝縮部位が軸方向中央部側に引っ張られるような応力が発生するからである。

そこで、本発明は、溶射後の円筒内面の軸方向端部に付着した溶融用材料が固化し凝縮する際に発生する応力を抑えることを目的としている。

本発明は、円筒内面に対して溶射皮膜を形成する前に、前記円筒内面を、切削工具を用いてねじ状の凹凸部を形成して粗面に形成する円筒内面の溶射前下地加工方法において、前記切削工具により凹凸部を形成する際に、前記ねじ状の凹凸部における凸部の先端に破断部を形成し、前記凹凸部における凹部の底部の、円筒中心から半径方向の距離を、前記円筒内面の軸方向中央部と軸方向端部とで同等として、前記凹凸部における凸部の、前記凹部の底部から先端部までの高さを、前記円筒内面の軸方向中央部よりも軸方向端部で高くすることを最も主要な特徴とする。

本発明によれば、軸方向端部にて付着した溶融用材料が固化し凝縮する際に、この凝縮部位が軸方向中央部側に引っ張られるような応力が発生しても、凝縮部位が軸方向端部の凹凸部に引っ掛かることで応力に対抗し、この応力を抑えることができる。

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自動車用エンジンにおける円筒部材としてのアルミシリンダブロック１の断面図であり、シリンダブロック１のシリンダボア３の円筒内面となるシリンダボア内面５に、後述する方法で溶射皮膜３０（図６参照）を形成する。溶射皮膜３０の形成後は、後述する方法により仕上げ加工（ここではホーニング加工）を行う。なお、図１は、溶射皮膜３０の形成前で、シリンダボア内面５を下地処理として粗面９に形成した状態を示す。粗面９を形成することで、その後に形成する溶射皮膜３０の密着度が高まる。符号１１はクランクケースである。

図２は、図１に示すシリンダブロック１のシリンダボア３周辺の拡大した断面図である。シリンダボア３のシリンダボア内面５は、前述したように粗面９に形成しているが、この粗面９は、シリンダボア３の軸方向端部であるクランクケース側端部１３およびシリンダヘッド側端部１５の面粗度を、軸方向中央部１７の面粗度より粗くしている。

上記した粗面９は、図３に示すように、縦型のマシニングセンタの主軸１９に取り付けたボーリング加工用バー２１の先端に、切削工具２３を取り付け、主軸１９を偏心回転さるコンタリング加工によって、図中上部から下部に向かう送り方向Ａに向けて移動させながら、ねじ切り加工を行ってねじ状の凹凸部を形成する。

上記したねじ状の凹凸部は、切削工具２３によって直接切削されるねじ状の凹部２５（１３ａ，１５ａ，１７ａ）と、これら凹部２５（１３ａ，１５ａ，１７ａ）相互間に形成され、凹部２５（１３ａ，１５ａ，１７ａ）の切削時に発生する切削片によって、ねじ切り時の凸部（山部）２６（１３ｂ，１５ｂ，１７ｂ）先端の一部（頂部）を破断して形成する破断部としての微細凹凸部２７（１３ｃ，１５ｃ，１７ｃ）とを備えている。

図４（ａ）は、切削工具２３により上記した凹部２５と微細凹凸部２７とからなる粗面９を形成する様子を示している。図４（ｂ）は、参考例として工具２０１により通常のねじ切り加工を行う様子を示す。

図４（ｂ）では、切削工具２０１が、回転しながら図中で下方に向けて移動し、この際切りくず２０３が矢印Ｂで示す方向に排出され、これにより谷部２０５と山部２０７とからなる通常のねじ切り加工がなされる。

一方、図４（ａ）では、切削工具２３により、図４（ｂ）の谷部２０５に相当する凹部２５を形成する際に排出される切りくずＫにより、現在形成している凹２５に隣接する凸部（山部）２６の頂部２６ａを破断し、これにより微細凹凸部２７を形成する。

ここで、図４（ａ）の工具２３は、工具送り方向後方側の面２３ａの水平面Ｌに対する角度α1を、図４（ｂ）の同角度α2に比較して大きくして約３０度とするとともに、工具送り方向前方側の面２３ｂの水平面Ｌに対する角度β１を、図４（ｂ）の同角度β2に比較して小さくして約１０度としている。これにより、図４（ａ）では、凹２５を形成する際に排出される切りくずＫが、工具送り方向後方側に傾けた面２３ａによって凸部２６側に押し付けられ、凹２５に隣接する凸部２６の頂部２６ａを破断し、微細凹凸部２７を形成する。

そして、本実施形態では、前述したように、シリンダボア３の軸方向端部であるクランクケース側端部１３およびシリンダヘッド側端部１５の面粗度を、軸方向中央部１７の面粗度より粗くしているが、このような面粗度の相違を、前記図３に示した切削工具２３の送り方向Ａの送り速度を、クランクケース側端部１３およびシリンダヘッド側端部１５で、軸方向中央部１７に比べて速くすることで達成している。

具体的には、加工時の回転数，工具送り速度について、軸方向中央部１７では、それぞれ２０００ｒｐｍ，０．１５ｍｍ／ｒｅｖとし、軸方向端部（クランクケース側端部１３およびシリンダヘッド側端部１５）では、それぞれ２０００ｒｐｍ，０．２５ｍｍ／ｒｅｖとしている。

クランクケース側端部１３およびシリンダヘッド側端部１５での切削工具２３の送り速度を速くすることによって、これら軸方向端部における凹部１３ａおよび１５ａのそれぞれのピッチＰ１を、軸方向中央部１７における凹部１７ａのピッチＰ２より大きくしている。

また、凹部１３ａ，１５ａのピッチＰ１が大きくなるように切削工具２３の送り速度を速くすることで、１周分のねじ切り加工に続く次周のねじ切り加工相互間での軸方向の切削工具２３の重なり量が少なくなり、加工後の凹部２５に隣接する凸部２６の頂部２６ａを破断する量が少なくなる。その結果、図２に示すように、クランクケース側端部１３およびシリンダヘッド側端部１５のねじ状の凹凸部における凸部２６（１３ｂ，１５ｂ）の高さＨ１が、軸方向中央部１７における同凸部２６（１７ｂ）の高さＨ２に比べて高くなる。

なお、上記した各高さＨ1およびＨ２の基準となる凹部２５（１３ａ，１５ａ）および凹部２５（１７ａ）における最深部（底部）のシリンダボア中心からの距離（半径）は同等である。

このようにして、シリンダボア内面５に対し粗面９を形成した後は、図５に示すような溶射装置を用い、図６に示すように粗面９上に溶射皮膜３０を形成する。この溶射皮膜３０は、シリンダボア内面５に対してほぼ均一となるよう形成する。

図５に示す溶射装置は、シリンダボア３内の中心に、ガス溶線式の溶射ガン３１を挿入し、その溶射口３１ａから溶射用材料として溶融した鉄系金属材料を溶滴３３として溶射してシリンダボア内面５に溶射皮膜３０を形成する。

溶射ガン３１は、溶線送給機３５から溶射用材料として鉄系金属材料の溶線３７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燃料を貯蔵した燃料ガスボンベ３９および酸素を貯蔵した酸素ボンベ４１から、配管４３および４５を介して燃料ガスおよび酸素の供給をそれぞれ受ける。

上記した溶線３７は、溶射ガン３１に対し、中央部の上下に貫通する溶線送給孔４７の上端から下方に向けて送給する。また、燃料および酸素は、溶線送給孔４７の外側の円筒部４９に、上下方向に貫通して形成してあるガス案内流路５１に供給する。この供給した燃料および酸素の混合ガスは、ガス案内流路５１の図５中で下端開口部５１ａから流出し、点火されることで燃焼炎５３が形成される。

前記円筒部４９の外周側には、アトマイズエア流路５５を設けてあり、さらにその外周側には、いずれも円筒形状の隔壁５７と外壁５９との間に形成したアクセラレータエア流路６１を設けてある。

アトマイズエア流路５５を流れるアトマイズエアは、燃焼炎５３の熱を前方（図５中で下方）へ送って周辺部に対する冷却を行うとともに、溶融した溶線３７を同前方へ送る。一方、アクセラレータエア流路６１を流れるアクセラレータエアは、上記前方へ送られ溶融した溶線３７を、この送り方向と交差するように前記シリンダボア内面５に向けて溶滴３３として送り、シリンダボア内面５に溶射皮膜３０を形成する。

アトマイズエア流路５５には、アトマイズエア供給源６７から、減圧弁６９を備えたエア供給管７１を通してアトマイズエアを供給する。一方、アクセラレータエア流路６１には、アクセラレータエア供給源７３から、減圧弁７５およびマイクロミストフィルタ７７をそれぞれ備えたエア供給管７９を通してアクセラレータエアを供給する。

アトマイズエア流路５５とアクセラレータエア流路６１との間の隔壁５７は、図５中で下部側の先端部に、外壁５９に対しベアリング８１を介して回転可能となる回転筒部８３を備えている。この回転筒部８３の上部外周に、アクセラレータエア流路６１に位置する回転翼８５を設けてある。回転翼８５に、アクセラレータエア流路６１を流れるアクセラレータエアが作用することで、回転筒部８３が回転する。

回転筒部８３の先端（下端）面８３ａには、回転筒部８３と一体となって回転する先端部材８７を固定してある。先端部材８７の周縁の一部には、前記したアクセラレータエア流路６１にベアリング８１を通して連通する噴出流路８９を備えた突出部９１を設けてあり、噴出流路８９の先端に、溶滴３３を噴出させる前記した溶射口３１ａを設けている。

溶射口３１ａを備える先端部材８７が回転筒部８３と一体となって回転しつつ溶射ガン３１をシリンダボア３の軸方向に往復移動させることで、シリンダボア内面５のほぼ全域に溶射皮膜３０を形成する。

このようにして形成した溶射皮膜３０は、その溶射前の下地処理として加工した粗面９が、シリンダボア５の軸方向端部すなわちクランクケース側端部１３およびシリンダヘッド側端部１５において、軸方向中央部１７より面粗度を粗くしているので、軸方向端部にて付着した溶融用材料が固化し凝縮する際に、この凝縮部位が軸方向中央部１７側に引っ張られるような応力が発生しても、凝縮部位が面粗度の粗い部位に引っ掛かることで応力に対抗し、この応力を抑えることができ、その結果軸方向端部での溶射皮膜３０の剥離を防止することができる。

また、シリンダボア内面５の粗面９は、切削工具２３を用いてねじ状の凹凸部を形成するもので、このねじ状の凹凸部における凸部２６の高さを、シリンダボア内面５の軸方向中央部１７よりも軸方向端部（クランクケース側端部１３およびシリンダヘッド側端部１５）で高くしているので、軸方向端部における凹部２５（１３ａ，１５ａ）の容積が軸方向中央部１７の凹部２５（１７ａ）に比較して大きくなり、これに対応して凹部２５（１３ａ，１５ａ）に入り込む溶射用材料の量も多くなって、上記した応力をより確実に抑えることができる。

さらに、上記したねじ状の凹凸部における凸部２６の先端に微細凹凸部２７を形成しているので、溶射被膜３０の密着度が高まり、溶射被膜３０の剥離を確実に防止することができる。

図６のように溶射皮膜３０を形成した後は、図７に示すように、シリンダボア３におけるクランクケース側端部１３およびシリンダヘッド側端部１５付近の不要な部位（図示しないピストンが摺動しない部位）を研削加工して溶射皮膜３０とともに除去する。この際、軸方向端部側ほど大径となるようなテーパ面９３，９５を形成して面取り加工を実施する。

上記した面取り加工を実施する際には、クランクケース側端部１３およびシリンダヘッド側端部１５付近における溶射皮膜３０の前記した応力を抑えているので、面取り加工時での溶射皮膜３０の剥離も発生しにくく、このため面取り加工時での加工速度を従来よりも高めて加工時間を短縮でき、加工コスト低下に寄与することができる。

そして、最後に図８に示すように、溶射皮膜３０の表面を仕上げ加工としてホーニング加工を行う。図８は、シリンダブロック１に対し、ホーニングツール１０５によりホーニング加工をしている状態を示す断面図である。ホーニングツール１０５におけるホーニングヘッド１０７の外周には、例えばダイヤモンドなどの砥粒で構成した砥石１０９が円周方向等間隔に４つ取り付けている。

ホーニングヘッド１０７内には、砥石１０９を直径方向外側に向けて拡張させる拡張手段を備えており、加工時には、この砥石１０９を拡張させてシリンダボア内面５に所定の圧力で押し付ける。

そして、上記したホーニングツール１０５を回転させつつ軸方向に往復移動させることで、溶射皮膜３０の表面を研削してホーニング加工を行う。これにより、シリンダボア内面５に対する加工が完了する。なお、ホーニング加工では、使用する砥石の粒度を変更することで、荒工程や仕上げ工程を順次実施する。

図９は、本発明の第２の実施形態を示す、前記図２に相当するシリンダブロック１Ａの断面図であり、粗面９を形成した後で、溶射皮膜３０Ａ（図１０参照）の形成前の状態を示す。第２の実施形態では、シリンダボア３Ａの軸方向端部であるクランクケース側端部１３およびシリンダヘッド側端部１５よりさらに軸方向外側の端部に、前記した凹部１３ａ，１５ａより大きい溝９７および９９をそれぞれ形成している。その他については、前記した図２と同様の構造である。

溝９７，９９は、シリンダボア内面５Ａにおける軸方向幅が広く、底部には同軸方向に延びる平面形状の底面部９７ａ，９９ａを備えており、少なくとも１周分形成する。なお、溝９７，９９の加工には、前記図３に示した切削工具２３とは別の工具を用いて行い、その際の加工条件としては、回転数が２０００ｒｐｍ，工具送り速度が０．１ｍｍ／ｒｅｖである。

図１０は、溶射皮膜３０Ａの形成後で、面取り加工前の状態を示す。面取り加工部分については二点鎖線で示している。第２の実施形態では、溶射皮膜３０Ａは、溶射用材料が溝９７，９９内に入り込むことで、この溝９７，９９が堰のような役目を果たし、溝９７，９９を形成した部位の溶射皮膜３０に窪み３０ａが形成される。

この窪み３０ａが形成されることで、窪み３０ａを境として溶射皮膜３０Ａが、軸方向中央部１７側の溶射皮膜３０ｂと、軸方向端部側の溶射皮膜３０ｃ，３０ｄとが互い分断されたような形となる。この結果、溶射後の溶射用材料の固化凝縮によって軸方向端部の溶射皮膜３０ｃ，３０ｄが軸方向中央部１７側へ引っ張られるように発生する応力が小さく抑えられ、溝９７，９９より軸方向中央部１７側における溶射皮膜３０ｂの剥離を抑えることができる。

なお、上記した窪み３０ａは、さらに大きく窪んで最終的に溝９７，９９を境として、軸方向中央部１７の溶射皮膜３０ｂと軸方向端部の溶射皮膜３０ｃ，３０ｄとを完全に分断する場合もあり、そのような場合には、溝９７，９９より軸方向中央部１７側における溶射皮膜３０ｂの剥離をより確実に抑えることができる。

このように、軸方向中央部１７の溶射皮膜３０ｂと軸方向端部の溶射皮膜３０ｃ，３０ｄとを完全に分断するには、シリンダボア内面５における軸方向の幅が、面粗度が粗い部位の凹部１３ａ，１５ａの同幅よりも広く、また溝９７，９９の底部に、シリンダボア内面５の軸方向に延びる底面部７ａ，９９ａを形成して、溝９７，９９への溶射用材料の流入量を多くするとよい。

溶射皮膜３０Ａの形成後は、前記図７に示したものと同様に、シリンダボア３におけるクランクケース側端部１３およびシリンダヘッド側端部１５付近の不要な部位（図示しないピストンが摺動しない部位）を研削加工して溶射皮膜３０Ａとともに除去する。この際、軸方向端部ほど大径となるようなテーパ面９３Ａ，９５Ａを形成して面取り加工を実施する。

上記した面取り加工を実施する際には、クランクケース側端部１３およびシリンダヘッド側端部１５付近における溶射皮膜３０Ａの前記した応力を抑えているので、面取り加工時での溶射皮膜３０Ａの剥離も発生しにくく、このため面取り加工時での加工速度を従来よりも高めて加工時間を短縮でき、加工コスト低下に寄与することができる。

本発明の第１の実施形態に係わるシリンダブロックの断面図である。 図１に示すシリンダブロックのシリンダボア周辺の拡大した断面図である。 図１のシリンダブロックに対する下地処理加工を行っている状態を示す断面図である。 （ａ）は図３の下地処理加工を工具および切りくずにより行っている状態を示す説明図、（ｂ）は工具による通常のねじ切り加工を示す説明図である。 図１のシリンダブロックのシリンダボア内面を粗面化した後に溶射皮膜を形成するための溶射装置の概略を示す全体構成図である。 図２の下地処理加工後に、溶射皮膜を形成した状態を示すシリンダブロックの断面図である。 図６の溶射皮膜形成後に、シリンダボアの軸方向端部に対して面取り加工を行った状態を示すシリンダブロックの断面図である。 図７の面取り加工後に、ホーニング加工を行っている状態を示すシリンダブロックの断面図である。 本発明の第２の実施形態を示す、図２に相当するシリンダブロックの断面図である。 図９の下地処理加工後に、溶射皮膜を形成した状態を示すシリンダブロックの断面図である。

符号の説明

３，３Ａ シリンダボア
５，５Ａ シリンダボア内面（円筒内面）
９ 粗面
１３ シリンダボアのクランクケース側端部（軸方向端部）
１５ シリンダボアのシリンダヘッド側端部（軸方向端部）
１７ シリンダボアの軸方向中央部
２６（１３ｂ，１５ｂ，１７ｂ） ねじ状の凹凸部の凸部
２７（１３ｃ，１５ｃ，１７ｃ） 凸部先端の微細凹凸部（破断部）
３０，３Ａ 溶射皮膜
９７，９９ 溝
９７ａ，９９ａ 溝の底面部

Claims (10)

1. 円筒内面に対して溶射皮膜を形成する前に、前記円筒内面を、切削工具を用いてねじ状の凹凸部を形成して粗面に形成する円筒内面の溶射前下地加工方法において、前記切削工具により凹凸部を形成する際に、前記ねじ状の凹凸部における凸部の先端に破断部を形成し、前記凹凸部における凹部の底部の、円筒中心から半径方向の距離を、前記円筒内面の軸方向中央部と軸方向端部とで同等として、前記凹凸部における凸部の、前記凹部の底部から先端部までの高さを、前記円筒内面の軸方向中央部よりも軸方向端部で高くすることを特徴とする円筒内面の溶射前下地加工方法。
2. 前記凹凸部における凹部のピッチを、前記円筒内面の軸方向中央部よりも軸方向端部で大きくすることを特徴とする請求項１に記載の円筒内面の溶射前下地加工方法。
3. 前記円筒内面における軸方向端部よりさらに軸方向外側の端部に、前記軸方向端部の凹部よりも大きい溝を形成することを特徴とする請求項１または２に記載の円筒内面の溶射前下地加工方法。
4. 前記凹部よりも大きい溝は、前記円筒内面における軸方向の幅が、前記軸方向端部の凹部よりも広いことを特徴とする請求項３に記載の円筒内面の溶射前下地加工方法。
5. 前記凹部よりも大きい溝の底部に、前記円筒内面の軸方向に延びる底面部を形成することを特徴とする請求項３または４に記載の円筒内面の溶射前下地加工方法。
6. 円筒内面に対して溶射皮膜を形成する前に、溶射前下地加工として前記円筒内面を、切削工具を用いてねじ状の凹凸部を形成して粗面に形成する円筒内面の溶射前下地処理形状を有する円筒において、前記ねじ状の凹凸部における凸部の先端に、前記切削工具により凹凸部を形成する際に形成される破断部を有し、前記凹凸部における凹部の底部の、円筒中心から半径方向の距離を、前記円筒内面の軸方向中央部と軸方向端部とで同等として、前記凹凸部における凸部の、前記凹部の底部から先端部までの高さが、前記円筒内面の軸方向中央部よりも軸方向端部で高いことを特徴とする円筒内面の溶射前下地処理形状を有する円筒。
7. 前記凹凸部における凹部のピッチが、前記円筒内面の軸方向中央部よりも軸方向端部で大きいことを特徴とする請求項６に記載の円筒内面の溶射前下地処理形状を有する円筒。
8. 前記円筒内面における軸方向端部よりさらに軸方向外側の端部に、前記軸方向端部の凹部よりも大きい溝が形成されていることを特徴とする請求項６または７に記載の円筒内面の溶射前下地処理形状を有する円筒。
9. 前記凹部よりも大きい溝は、前記円筒内面における軸方向の幅が、前記軸方向端部の凹部よりも広いことを特徴とする請求項８に記載の円筒内面の溶射前下地処理形状を有する円筒。
10. 前記凹部よりも大きい溝の底部に、前記円筒内面の軸方向に延びる底面部が形成されていることを特徴とする請求項８または９に記載の円筒内面の溶射前下地処理形状を有する円筒。

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