JP5858007B2 - バルブシート用の肉盛方法及びシリンダヘッドの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、バルブシート用の肉盛方法及びシリンダヘッドの製造方法に関する。

エンジンのシリンダヘッドには、燃焼室や当該燃焼室に通じる吸気／排気ポートが設けられている。そして、吸気／排気ポートの燃焼室側の開口端周縁には、バルブの背面が当接するバルブシートが設けられている。バルブシートとバルブとが当接することにより、燃焼室の気密性が保持される。

高温環境下においてバルブが繰り返し当接するバルブシートには、耐熱性や耐摩耗性が要求される。そのため、バルブシートは、シリンダヘッド粗形材の吸気／排気ポートの開口端周縁に、機械加工により環状のザグリ溝を形成し、このザグリ溝に銅系合金等からなる肉盛層を形成することにより得られる。

このようなバルブシート用の肉盛方法としては、ザグリ溝に金属粉を供給しながらレーザビームを照射して肉盛層を形成するレーザクラッド法が知られている。例えば特許文献１には、レーザクラッド法を使用したバルブシート用の肉盛方法が開示されている。

特開平４−１２３８８５号公報

発明者は以下の課題を見出した。
特許文献１に開示されたバルブシート用の肉盛方法では、重力により溶融金属が鉛直方向下側に垂れ下がることにより、形成された肉盛層の鉛直方向上側において欠肉が生じる虞があった。

本発明は、上記を鑑みなされたものであって、肉盛層の欠肉が抑制されたバルブシート用の肉盛方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係るシリンダヘッドのバルブシート用の肉盛方法は、
燃焼室と、
前記燃焼室に通じる吸気用もしくは排気用のポートと、
前記ポートの前記燃焼室側の開口端に形成された環状のザグリ溝と、を備えたシリンダヘッド粗形材において、
前記ザグリ溝に供給した金属粉にレーザビームを照射して、肉盛層を形成するバルブシート用の肉盛方法であって、
前記ザグリ溝から前記ザグリ溝の内側かつ前記燃焼室側へ突出したガス整流壁を設け、
前記レーザビームを照射するとともにガスを吹き付け、前記ガス整流壁によって前記ガスを前記ザグリ溝の内側から外側へ向かって流すものである。
このような構成により、肉盛層の欠肉を抑制することができる。

前記レーザビームを出射するレーザ加工ヘッドから前記ガスを吐出することが好ましい。また、前記レーザ加工ヘッドから前記ガスとともに前記金属粉を吐出することが好ましい。さらに、前記レーザビームの光軸と前記金属粉の吐出軸とを同軸とすることが好ましい。

前記ガス整流壁は、前記シリンダヘッド粗形材に対して着脱自在に形成してもよいし、前記シリンダヘッド粗形材と一体に形成してもよい。

本発明の一態様に係るシリンダヘッドの製造方法は、
燃焼室と、前記燃焼室に通じる吸気用もしくは排気用のポートと、を備えたシリンダヘッド粗形材を形成するステップと、
前記ポートの前記燃焼室側の開口端に環状のザグリ溝を形成するステップと、
前記ザグリ溝に供給した金属粉にレーザビームを照射して、バルブシート用の肉盛層を形成するステップと、を備えたシリンダヘッドの製造方法であって、
前記肉盛層を形成するステップよりも前に、前記ザグリ溝から前記ザグリ溝の内側かつ前記燃焼室側へ突出したガス整流壁を設け、
前記肉盛層を形成するステップにおいて、前記レーザビームを照射するとともにガスを吹き付け、前記ガス整流壁によって前記ガスを前記ザグリ溝の内側から外側へ向かって流すものである。
このような構成により、肉盛層の欠肉を抑制することができる。

前記肉盛層を形成するステップにおいて、前記レーザビームを出射するレーザ加工ヘッドから前記ガスを吐出することが好ましい。また、前記肉盛層を形成するステップにおいて、前記レーザ加工ヘッドから前記ガスとともに前記金属粉を吐出することが好ましい。さらに、前記レーザビームの光軸と前記金属粉の吐出軸とを同軸とすることが好ましい。

前記ガス整流壁を、前記シリンダヘッド粗形材に対して着脱自在に形成し、前記ザグリ溝を形成するステップよりも後、前記肉盛層を形成するステップよりも前に、前記シリンダヘッド粗形材に対して前記ガス整流壁を装着し、前記肉盛層を形成するステップよりも後に、前記シリンダヘッド粗形材から前記ガス整流壁を取り外してもよい。一方、シリンダヘッド粗形材を形成するステップにおいて、前記ガス整流壁を、前記シリンダヘッド粗形材と一体に形成し、前記肉盛層を形成するステップよりも後に、前記シリンダヘッド粗形材から前記ガス整流壁を機械加工により除去してもよい。

さらに、前記肉盛層が形成された前記シリンダヘッド粗形材を機械加工し、バルブシートを形成するステップを更に備えていることが好ましい。

本発明により、肉盛層の欠肉が抑制されたバルブシート用の肉盛方法を提供することができる。

実施の形態１に係るバルブシート用の肉盛方法の概要を模式的に示す斜視図である。 実施の形態１に係るレーザ加工ヘッドの断面図である。 実施の形態１に係るバルブシート用の肉盛方法の詳細を示す断面図である。 図３の点線枠内の拡大図である。 実施の形態１の比較例に係るバルブシート用の肉盛方法の詳細を示す断面図である。 実施の形態２に係るバルブシート用の肉盛方法の詳細を示す断面図である。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

（実施の形態１）
まず、図１〜４を参照して、実施の形態１に係るバルブシート用の肉盛方法について説明する。図１は、実施の形態１に係るバルブシート用の肉盛方法の概要を模式的に示す斜視図である。図２は、実施の形態１に係るレーザ加工ヘッドの断面図である。図３は、実施の形態１に係るバルブシート用の肉盛方法の詳細を示す断面図である。図４は、図３の点線枠内の拡大図である。

図１を参照して、実施の形態１に係るバルブシート用の肉盛方法の概要について説明する。まず、シリンダヘッド粗形材１０の構成について説明する。シリンダヘッド粗形材１０は、例えば鋳鉄やアルミニウム合金などからなる鋳物である。図１に示すように、シリンダヘッド粗形材１０は、複数の燃焼室１３を備えている。各燃焼室１３は、吸気ポート１１及び排気ポート１２を備えている。そして、吸気ポート１１及び排気ポート１２のそれぞれにおいて、燃焼室１３側の開口端周縁に、機械加工により肉盛層形成用のザグリ溝１４が形成されている。

図１に示されたシリンダヘッド粗形材１０は、４気筒１６バルブ用であって、４つの燃焼室１３のそれぞれに吸気ポート１１及び排気ポート１２を２つずつ備えている。当然のことながら、燃焼室１３や吸気ポート１１及び排気ポート１２の個数は図１の例に限定されるものではなく、適宜決定されるものである。

図１に示すように、レーザ加工ヘッド４０からザグリ溝１４に金属粉を供給しつつ、レーザビーム（光軸Ａ２）を照射して肉盛層を形成する。レーザ加工ヘッド４０が、環状のザグリ溝１４の中心軸Ａ１を軸として１回転することにより、ザグリ溝１４の全周に肉盛層を形成することができる。中心軸Ａ１は、ザグリ溝１４の中心を通り、ザグリ溝１４の底面に垂直な軸である。

次に、図２を参照して、レーザ加工ヘッド４０の構成について説明する。レーザ加工ヘッド４０は、内側ノズル４１、外側ノズル４２、原料供給管４３を備えている。すなわち、レーザ加工ヘッド４０は、ともにレーザビーム３０の光軸Ａ２を中心軸とする内側ノズル４１及び外側ノズル４２からなる同軸二重管構造を有している。具体的には、内側ノズル４１からレーザビーム３０が出射される。また、内側ノズル４１と外側ノズル４２との間からは、原料供給管４３を介して供給された不活性ガス及び金属粉が吐出される。つまり、金属粉及び不活性ガスの吐出軸は、レーザビーム３０の光軸Ａ２と同軸である。不活性ガスとしては、例えばアルゴンガスや窒素ガスを挙げることができる。このように、レーザビームの照射と金属粉及び不活性ガスの供給とが一体化されることにより、レーザ加工装置をコンパクトにすることができる。なお、図１では、原料供給管４３は省略されている。

次に、図３、４を参照して、実施の形態１に係るバルブシート用の肉盛方法の詳細について説明する。まず、図３に示すように、実施の形態１に係るバルブシート用の肉盛方法では、シリンダヘッド粗形材１０において、吸気ポート１１及び排気ポート１２の燃焼室１３側の端部にガス整流壁１５が設けられている。ガス整流壁１５は、レーザ加工ヘッド４０から金属粉を吐出するためのガス流を整流するためのものである。バルブシート用の肉盛方法は、吸気ポート１１側と排気ポート１２側とにおいて同一であるから、吸気ポート１１側について説明する。

まず、図４に示すように、鋳造粗材１０の吸気ポート１１の燃焼室１３側の開口端周縁に、機械加工により環状のザグリ溝１４を形成する。ザグリ溝１４は、底面１４ａ、斜面１４ｂ、側壁１４ｃを備えている。ザグリ溝１４の角部では肉盛層２０に欠陥が発生しやすい。しかしながら、底面１４ａと側壁１４ｃとの間に設けられた斜面１４ｂにより、ザグリ溝１４の角部における肉盛層２０の欠陥が抑制される。

次に、レーザ加工ヘッド４０からザグリ溝１４に金属粉を供給しつつ、レーザビーム（光軸Ａ２）を照射する。これにより、ザグリ溝１４の内部において金属粉が溶融・凝固し、肉盛層２０が形成される。ここで、レーザ加工ヘッド４０が、環状のザグリ溝１４の中心軸Ａ１を軸として１回転するため、ザグリ溝１４の全周に肉盛層２０を形成することができる。

上述の通り、実施の形態１に係るバルブシート用の肉盛方法では、シリンダヘッド粗形材１０において、吸気ポート１１の燃焼室１３側の開口端にガス整流壁１５が設けられている。図４に示すように、ガス整流壁１５は、ザグリ溝１４の内径方向かつ底面１４ａから燃焼室１３側に向かって突出している。本実施の形態に係るガス整流壁１５は、吸気ポート１１の燃焼室１３側の開口端に着脱自在に装着される。具体的には、ガス整流壁１５は、肉盛層２０を形成する前に装着され、肉盛層２０を形成した後に取り外される。ガス整流壁１５は、ザグリ溝１４の底面１４ａから燃焼室１３側に向かって突出した突出部１５ａと、吸気ポート１１に嵌め合せるための嵌合部１５ｂとを備えている。ガス流を整流する機能は突出部１５ａが担っている。

レーザ加工ヘッド４０から吐出されたガスが、ガス整流壁１５（突出部１５ａ）に衝突し、跳ね返る。そして、環状のザグリ溝１４の内側（即ち、ザグリ溝１４の中心軸Ａ１側）から外側（即ち、肉盛部２０）へ向かうガス流が発生する。このようなガス流により、溶融状態の肉盛層２０が、重力に逆らってザグリ溝１４の側壁１４ｃに沿って鉛直方向上側へ押し上げられる。そのため、肉盛層２０の鉛直方向上側における欠肉を抑制することができる。肉盛層２０を形成した後、図４に示された破線に沿って機械加工を施し、製品形状とする。これにより、バルブシートを備えたシリンダヘッドが製造される。図４に示すように、肉盛層２０の鉛直方向上側端部においても十分な肉厚を確保することができる。

また、ザグリ溝１４の底面１４ａに対する突出部１５ａの側面の傾斜角θ（＞０°）は、ザグリ溝１４の底面１４ａに対するレーザビーム３０の光軸Ａ２の傾斜角よりも小さいことが好ましい。これにより、レーザビーム３０とガス整流壁１５の突出部１５ａとの干渉を防止することができる。

ここで、図５を参照して、実施の形態１の比較例に係るバルブシート用の肉盛方法について説明する。図５は、実施の形態１の比較例に係るバルブシート用の肉盛方法の詳細を示す断面図である。比較例に係る図５は、実施の形態１に係る図４に対応している。図５に示すように、比較例に係るバルブシート用の肉盛方法では、シリンダヘッド粗形材１０にガス整流壁１５が設けられていない。そのため、環状のザグリ溝１４の内側から外側へ向かうガス流が発生しない。従って、溶融状態の肉盛層２０を重力に逆らってザグリ溝１４の側壁１４ｃに沿って鉛直方向上側へ押し上げる力が働かない。すなわち、図５に示すように、溶融状態の肉盛層２０が重力により鉛直方向下側に垂れ下がることにより、肉盛層２０の鉛直方向上側における欠肉が発生する。

これに対して、実施の形態１に係るバルブシート用の肉盛方法では、シリンダヘッド粗形材１０において、吸気ポート１１の燃焼室１３側の端部にザグリ溝１４の内側（中心側）かつ燃焼室１３側へ突出したガス整流壁１５が設けられている。そのため、環状のザグリ溝１４の内側から外側へ向かうガス流が発生する。そして、このガス整流壁１５に整流されたガス流により、溶融状態の肉盛層２０が、ザグリ溝１４の側壁１４ｃに沿って鉛直方向上側へ押し上げられる。換言すると、ガス整流壁１５により、溶融状態の肉盛層２０をザグリ溝１４の側壁１４ｃに沿って鉛直方向上側へ押し上げるガス流が生成される。そのため、肉盛層２０の鉛直方向上側における欠肉を効果的に抑制することができる。

（実施の形態２）
次に、図６を参照して、実施の形態２に係るバルブシート用の肉盛方法について説明する。図６は、実施の形態２に係るバルブシート用の肉盛方法の詳細を示す断面図である。実施の形態２に係る図６は、実施の形態１に係る図４に対応している。実施の形態１に係るバルブシート用の肉盛方法では、ガス整流壁１５が、シリンダヘッド粗形材１０に着脱可能であった。これに対し、実施の形態２に係るバルブシート用の肉盛方法では、ガス整流壁１５が、シリンダヘッド粗形材１０と一体に形成さている。つまり、ガス整流壁１５が鋳造により形成されている。そのため、ガス整流壁１５の中央に貫通孔１５ｃが形成されている。

実施の形態２に係るガス整流壁１５は、実施の形態１と同様に、環状のザグリ溝１４の内側かつ底面１４ａから燃焼室１３側に向かって突出している。本実施の形態に係るガス整流壁１５は、肉盛層２０を形成した後、機械加工により除去される。ガス整流壁１５は、ザグリ溝１４の底面１４ａから燃焼室１３側に向かって突出した突出部１５ａと、シリンダヘッド粗形材１０に固定するための固定部１５ｂとを備えている。ガス流を整流する機能は突出部１５ａが担っている。

実施の形態１と同様に、実施の形態２に係るバルブシート用の肉盛方法でも、シリンダヘッド粗形材１０において、吸気ポート１１の燃焼室１３側の端部にザグリ溝１４の内側かつ燃焼室１３側へ突出したガス整流壁１５が設けられている。そのため、環状のザグリ溝１４の内側から外側へ向かうガス流が発生する。そして、このガス整流壁１５に整流されたガス流により、溶融状態の肉盛層２０が、重力に逆らってザグリ溝１４の側壁１４ｃに沿って鉛直方向上側へ押し上げられる。そのため、肉盛層２０の鉛直方向上側における欠肉を効果的に抑制することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
例えば、肉盛層２０の原料である金属粉をレーザ加工ヘッド４０とは別のノズルを用いてザグリ溝１４へ供給してもよい。また、不活性ガスが同一のレーザ加工ヘッドから吐出される必要もない。
また、吸気ポート１１や排気ポート１２のそれぞれにおいて、ザグリ溝１４の中心軸Ａ１が鉛直方向と一致するように、シリンダヘッド粗形材１０の姿勢を調整してもよい。

１０ 鋳造粗材
１１ 吸気ポート
１２ 排気ポート
１３ 燃焼室
１４ ザグリ溝
１４ａ 底面
１４ｂ 斜面
１４ｃ 側壁
１５ ガス整流壁
１５ａ 突出部
１５ｂ 嵌合部（固定部）
１５ｃ 貫通孔
２０ 肉盛層
３０ レーザビーム
４０ レーザ加工ヘッド
４１ 内側ノズル
４２ 外側ノズル
４３ 原料供給管

Claims (13)

1. 燃焼室と、
   前記燃焼室に通じる吸気用もしくは排気用のポートと、
   前記ポートの前記燃焼室側の開口端に形成された環状のザグリ溝と、を備えたシリンダヘッド粗形材において、
   前記ザグリ溝に供給した金属粉にレーザビームを照射して、肉盛層を形成するバルブシート用の肉盛方法であって、
   前記ザグリ溝から前記ザグリ溝の中心軸側かつ前記燃焼室側へ突出したガス整流壁を設け、
   前記レーザビームを照射するとともにガスを吹き付け、前記ガス整流壁によって前記ガスを前記ザグリ溝の中心軸側から前記肉盛層へ向かって流す、バルブシート用の肉盛方法。
2. 前記レーザビームを出射するレーザ加工ヘッドから前記ガスを吐出する、
   請求項１に記載のバルブシート用の肉盛方法。
3. 前記レーザ加工ヘッドから前記ガスとともに前記金属粉を吐出する、
   請求項２に記載のバルブシート用の肉盛方法。
4. 前記レーザビームの光軸と前記金属粉の吐出軸とを同軸とする、
   請求項２又は３に記載のバルブシート用の肉盛方法。
5. 前記ガス整流壁を、前記シリンダヘッド粗形材に対して着脱自在に形成する、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載のバルブシート用の肉盛方法。
6. 前記ガス整流壁を、前記シリンダヘッド粗形材と一体に形成する、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載のバルブシート用の肉盛方法。
7. 燃焼室と、前記燃焼室に通じる吸気用もしくは排気用のポートと、を備えたシリンダヘッド粗形材を形成するステップと、
   前記ポートの前記燃焼室側の開口端に環状のザグリ溝を形成するステップと、
   前記ザグリ溝に供給した金属粉にレーザビームを照射して、バルブシート用の肉盛層を形成するステップと、を備えたシリンダヘッドの製造方法であって、
   前記肉盛層を形成するステップよりも前に、前記ザグリ溝から前記ザグリ溝の中心軸側かつ前記燃焼室側へ突出したガス整流壁を設け、
   前記肉盛層を形成するステップにおいて、前記レーザビームを照射するとともにガスを吹き付け、前記ガス整流壁によって前記ガスを前記ザグリ溝の中心軸側から前記肉盛層へ向かって流す、シリンダヘッドの製造方法。
8. 前記肉盛層を形成するステップにおいて、前記レーザビームを出射するレーザ加工ヘッドから前記ガスを吐出する、
   請求項７に記載のシリンダヘッドの製造方法。
9. 前記肉盛層を形成するステップにおいて、前記レーザ加工ヘッドから前記ガスとともに前記金属粉を吐出する、
   請求項８に記載のシリンダヘッドの製造方法。
10. 前記レーザビームの光軸と前記金属粉の吐出軸とを同軸とする、
    請求項８又は９に記載のシリンダヘッドの製造方法。
11. 前記ガス整流壁を、前記シリンダヘッド粗形材に対して着脱自在に形成し、
    前記ザグリ溝を形成するステップよりも後、前記肉盛層を形成するステップよりも前に、前記シリンダヘッド粗形材に対して前記ガス整流壁を装着し、
    前記肉盛層を形成するステップよりも後に、前記シリンダヘッド粗形材から前記ガス整流壁を取り外す、
    請求項７〜１０のいずれか一項に記載のシリンダヘッドの製造方法。
12. シリンダヘッド粗形材を形成するステップにおいて、前記ガス整流壁を、前記シリンダヘッド粗形材と一体に形成し、
    前記肉盛層を形成するステップよりも後に、前記シリンダヘッド粗形材から前記ガス整流壁を機械加工により除去する、
    請求項７〜１０のいずれか一項に記載のシリンダヘッドの製造方法。
13. 前記肉盛層が形成された前記シリンダヘッド粗形材を機械加工し、バルブシートを形成するステップを更に備える、
    請求項７〜１２のいずれか一項に記載のシリンダヘッドの製造方法。

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