JP6131977B2 - 金属製基材上に樹脂含有皮膜を有するワークの加工方法 - Google Patents

Description

本発明は金属製基材上に樹脂含有皮膜を有するワークの加工方法に関する。

ワークの機械加工、例えば、エンジンのシリンダヘッドの機械加工としては、吸排気ポートの開口部に対するバルブシート嵌合穴のドリル加工、点火プラグ取付孔やインジェクタ取付孔のドリル加工等がある。

一方、従来より、シリンダヘッドの燃焼室壁面やピストン頂面等に遮熱膜を形成して、エンジンの熱効率を向上させる提案が知られている。例えば、特許文献１には、マトリックス樹脂中にマイクロバブルを分散させた塗料をエンジンの燃焼室を形成する部品に塗布して遮熱膜（樹脂含有皮膜）を形成することが記載されている。

特開２０１３−１８９９６０号公報

上記シリンダヘッドのような樹脂含有皮膜を有するワークに機械加工を施す場合、その機械加工によって樹脂含有皮膜が損傷するという問題がある。例えば、ワークの金属部分を樹脂含有皮膜の一部と共に機械加工したとき、加工後の樹脂含有皮膜にひび割れや微小な剥離が見られることがある。また、金属部分を樹脂含有皮膜の一部と共に機械加工したときに限らず、樹脂含有皮膜が設けられていない金属部分を加工した場合でも、その金属部分の加工によって発生する切粉が飛び樹脂含有皮膜に突き刺さって傷を与えることがある。さらに、機械加工後、切粉等を除去するための高圧洗浄液の吹付けによって樹脂含有皮膜の傷が拡大し、該皮膜の部分的な剥離に至る場合もある。

そこで、本発明は、樹脂含有皮膜が機械加工によって損傷する問題を解決する。

本発明は、上記課題を解決するために、樹脂含有皮膜にマスキング紙を貼り付け、マスキング紙もろともワークを機械加工するようにした。

すなわち、ここに開示する金属製基材の表面に樹脂含有皮膜が設けられたワークの加工方法は、
上記金属製基材の表面に上記樹脂含有皮膜の少なくとも一部が覆われるように該樹脂含有皮膜の上からマスキング紙を貼り付ける工程と、
上記金属製基材に対して上記マスキング紙もろとも機械加工を行なう工程とを備えていることを特徴とする。

この方法によれば、金属製基材を樹脂含有皮膜の一部と共に機械加工したときに、樹脂含有皮膜にひび割れを生ずることがこの樹脂含有皮膜に貼られているマスキング紙によって防止される。また、金属製基材の機械加工に伴って発生する切粉が飛び散っても、その切粉が樹脂含有皮膜に突き刺さることが、マスキング紙によって防止される。

上記機械加工がドリル加工である場合、好ましいのは、厚さが０．０５ｍｍ以上０．１５ｍｍ以下、引張強度が３０Ｎ／ｃｍ以上１００Ｎ／ｃｍ以下、破断伸びが３％以上１５％以下である上記マスキング紙を採用することである。これにより、ドリル加工によってマスキング紙にきれいに穴があき、ドリル加工の間、その加工穴周囲の樹脂含有皮膜がマスキング紙によって保護された状態が保たれる。

ここに、マスキング紙の厚さが０．０５ｍｍ未満である場合、その引張強度が３０Ｎ／ｃｍ未満である場合、或いはその破断伸びが３％未満である場合、マスキング紙が貼り付け時に破れ易く、また、ドリルの切刃によってマスキング紙がすぐに破れて、その破れが加工部から周囲に広がり易くなる。マスキング紙の厚さが０．１５ｍｍよりも厚い場合、その引張強度が１００Ｎ／ｃｍを超えて大きくなった場合、或いはその破断伸びが１５％以下を超えて大きくなった場合、マスキング紙にドリル穴があきにくくなり、マスキング紙がドリルの切刃に巻き込まれ、皺寄り状態になって樹脂含有皮膜から引き剥がされ易くなる。また、当該巻き込みによって樹脂含有皮膜の加工面（加工穴の周面）が不規則に乱れた状態になり易い。

上記マスキング紙は和紙又はクレープ紙であることが好ましい。和紙の場合、ちぎれ易く、そのため、機械加工を受けた部分のみが切除され易いことから、加工中に加工部周囲の樹脂含有皮膜をマスキング紙によって保護した状態を保ち易い。クレープ紙の場合、伸縮性を有することから、金属製基材がその表面に湾曲部を有する場合、その湾曲部に沿うようにマスキング紙を貼り付けることが容易になる。

上記マスキング紙の上記樹脂含有皮膜に当接する側の面には、アクリル系又はゴム系の粘着剤が塗布され、上記マスキング紙の上記樹脂含有皮膜に対する接着力が２Ｎ／ｃｍ以上１０Ｎ／ｃｍ以下であることが好ましい。接着力が弱いと、機械加工中にマスキング紙が剥がれ易くなり、一方、接着力が強いと機械加工後のマスキング紙の除去が難しくなる。

好ましい実施形態では、上記機械加工後に残った上記マスキング紙を高圧洗浄液の吹付けによって除去する工程を備えている。

好ましい実施形態では、上記金属製基材がその表面に湾曲部を有し、上記マスキング紙を貼り付ける工程では、当該湾曲部に沿うように上記マスキング紙の貼り付けを行なう。

好ましい実施形態では、上記ワークは、エンジンのシリンダヘッドであり、該シリンダヘッドの吸気ポート及び排気ポートが開口した燃焼室形成部の内面に遮熱用の樹脂含有皮膜が設けられており、
上記マスキング紙の貼り付け工程では、上記吸気ポート及び排気ポートの開口部を塞ぐように上記燃焼室形成部の内面全体にわたって上記マスキング紙を貼り付け、
上記機械加工の工程では、上記吸気ポート及び排気ポートの開口部に対するバルブシート嵌合穴のドリル加工、点火プラグ取付孔のドリル加工及びインジェクタ取付孔のドリル加工の少なくとも一つを行なう。

本発明によれば、金属製基材の表面に樹脂含有皮膜の少なくとも一部が覆われるように該樹脂含有皮膜の上からマスキング紙を貼り付け、上記金属製基材に対して上記マスキング紙もろとも機械加工を行なうようにしたから、金属製基材を樹脂含有皮膜の一部と共に機械加工したときに、樹脂含有皮膜にひび割れを生ずることが防止され、また、金属製基材の機械加工に伴って発生する切粉が飛び散ったときに、その切粉が樹脂含有皮膜に突き刺さって樹脂含有皮膜の損傷を招くことが防止される。

本発明の実施形態に係るエンジン構造を示す断面図。 機械加工前のシリンダヘッドの一部を示す断面図。 本発明に係る方法の流れを示すフロー図。 機械加工前のシリンダヘッドの燃焼室形成部を示す下面図。 機械加工後のシリンダヘッドの一部を示す断面図（図２に対応する断面図）。

以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

＜エンジンの燃焼室＞
図１に示す直噴エンジンＥは４バルブエンジンであり、同図において、１はピストン、３はシリンダブロック、５はシリンダヘッド、７はシリンダライナ、９はシリンダヘッド５の吸気ポート１１を開閉する吸気バルブ、１３は排気ポート１５を開閉する排気バルブ、１６は吸気バルブ９及び排気バルブ１３各々のバルブガイド、１７はインジェクタ（燃料噴射弁）である。ピストン１の頂面には、キャビティ１９が形成されている。ピストン１の上部にはピストンリング２１が嵌められている。吸排気ポート１１，１５の開口部にはバルブシート２２が圧入されている。

エンジンＥの燃焼室は、厳密には、シリンダヘッド５のペントルーフ型の燃焼室形成部１０、ピストン１のトップランド２３から頂面にわたる部分、シリンダブロック３のシリンダライナ７のボア面におけるピストンリング２１が当たらない上部、並びに吸排気バルブ９，１３のバルブヘッド面（燃焼室に臨む面）によって形成される。

図２に機械加工前のシリンダヘッド５の一部を示すように、エンジンＥにおいては、その熱効率を高めるために、少なくともシリンダヘッド５の燃焼室形成部１０の内面に遮熱膜（樹脂含有皮膜）１８が設けられている。好ましくは、ピストン１の頂面、ピストン１のトップランド２３、シリンダライナ７のボア面におけるピストンリング２１が当たらない上部、及び／又は吸排気バルブ９，１３のバルブヘッド面にも遮熱膜が形成される。遮熱膜１８は、例えば、マトリックス樹脂（シリコーン）に多数の無機酸化物の中空状粒子を分散させてなるものである。

図２において、２０は機械加工の際に設けるマスキング紙であり、以下、機械加工について詳述する。

＜機械加工＞
シリンダヘッド５の機械加工は図３に示す流れで行なわれる。

[皮膜付ワークの準備]（ステップＳ１）
シリンダヘッド５はアルミ合金製であり、その鋳造後に機械加工が施される。まず、シリンダヘッド５には、燃焼室形成部１０、吸気ポート１１、排気ポート１５及びウォータジャケットが鋳造によって形成される。そして、燃焼室形成部１０の内面に全面にわたって遮熱膜１８が皮膜材料の塗布及び加熱・乾燥によって形成される（皮膜付ワークの準備）。

[マスキング紙の貼付]（ステップＳ２）
マスキング紙材からシリンダヘッド５の燃焼室形成部１０の内面形状に倣う形状のマスキング紙２０を切り取り、このマスキング紙２０を燃焼室形成部１０の内面に遮熱膜１８を覆うようにその上から貼り付ける。図４に示すように、燃焼室形成部１０には２つの吸気口２７及び２つの排気口２５が開口しているが、マスキング紙２０は、吸気口２７及び排気口２５も塞ぐように、燃焼室形成部１０の内面の全面にわたって貼り付ける。複数の燃焼室形成部１０に跨がってマスキング紙２０を貼り付けるようにしてもよい。

本実施形態の燃焼室形成部１０には、燃焼室周辺部の２箇所、すなわち、燃焼室中央からみて相並ぶ２つの吸気口２７，２７よりも外側と、相並ぶ２つの排気口２５，２５よりも外側に、それぞれ圧縮上死点付近でスキッシュ流を生じさせる欠円状のスキッシュエリア３０が設けられている。燃焼室形成部１０のスキッシュエリア３０を除く面は、基本的には、両スキッシュエリア３０から燃焼室中央に向かってペントルーフ状に漸次高くなった傾斜面になっており、ペントルーフ長手方向の両端側はペントルーフ状になった両側の傾斜面を滑らかに繋ぐように湾曲した湾曲面になっている。なお、図４では加工予定部を２点鎖線で表している。

マスキング紙２０は、好ましくは和紙又はクレープ紙とされ、その片面（遮熱膜１８に当接する側の面）にアクリル系又はゴム系の粘着剤が塗布されている。マスキング紙２０は、厚さが０．０５ｍｍ以上０．１５ｍｍ以下、引張強度が３０Ｎ／ｃｍ以上１００Ｎ／ｃｍ以下、破断伸びが３％以上１５％以下であることが好ましく、遮熱膜１８に対する接着力が２Ｎ／ｃｍ以上１０Ｎ／ｃｍ以下であることが好ましい。

マスキング紙２０と燃焼室形成部１０の内面の間には可能な限り隙間を生じないようにする。そのために、マスキング紙２０が燃焼室形成部１０の湾曲部に沿った形状になるように、必要に応じて、マスキング紙２０に適宜切れ目を入れ、その切れ目の両側の部分を部分的に重ねて、或いは、マスキング紙２０に周縁へ行くほど広くなったＶ字状のスリットを入れ、該スリットが塞がるようにマスキング紙２０のスリットの両側部を突き合わせて、当該マスキング紙２０を燃焼室形成部１０の内面に貼り付ける。マスキング紙２０にクレープ紙を採用すると、その伸縮性により、マスキング紙２０を燃焼室形成部１０の湾曲部に沿わせることが容易になる。

[ワークの機械加工]（ステップＳ３）
シリンダヘッド５に対して、マスキング紙２０及び遮熱膜１８もろとも機械加工を行なう。本実施形態の機械加工は、図４に示すように、吸排気ポートの開口部（吸気口２７及び排気口２５の周縁部）にバルブシート嵌合穴３１を形成すること、２つの吸気口２５間に点火プラグ取付孔２９を形成すること、燃焼室形成部中央にインジェクタ取付孔２４を形成すること、吸排気ポート１１，１５に開口するバルブガイド取付孔３２を形成すること、筒内圧力センサ取付孔３３を形成すること、すなわち、穴加工であり、切削加工（ドリル加工，リーマー加工）となる。

この機械加工では、図５にバルブシート嵌合穴３１の部分を示すように、加工工具によってマスキング紙２０に穴が開けられるところ、そのマスキング紙２０は、上述の如き、厚さ、引張強度及び破断伸びの特性を有するから、マスキング紙２０が回転する加工工具の切刃に巻き込まれたり、皺寄り状態になって遮熱膜１８から引き剥がされることなく、マスキング紙２０にきれいに穴が開く。同時に、遮熱膜１８もシリンダヘッド５の本体と共に切削されるが、マスキング紙２０に対する穴開けが円滑に行なわれるから、遮熱膜１８の加工面（加工穴の内周面）が不規則に乱れた状態になることが避けられる。また、マスキング紙２０の遮熱膜１８に対する接着力が２Ｎ／ｃｍ以上であるから、加工中にマスキング紙２０が剥がれることも避けられる。

そうして、シリンダヘッド５を機械加工したときにアルミ合金の切粉ができて周囲に飛び散るが、遮熱膜１８はマスキング紙２０で覆われているため、遮熱膜１８が切粉によって損傷することが避けられる。

[切粉及びマスキング紙の除去]（ステップＳ４）
シリンダヘッド５の機械加工後、シリンダヘッド５に高圧洗浄液を吹き付けて切粉及びマスキング紙２０を除去する。マスキング紙２０の遮熱膜１８に対する接着力が１０Ｎ／ｃｍ以下であるから、マスキング紙２０は高圧洗浄液によって遮熱膜１８から剥がれ易く、マスキング紙２０の除去が容易になる。

＜マスキング紙を用いた機械加工試験＞
厚さ、引張強度及び遮熱膜に対する接着力が異なる種々のマスキング紙をシリンダヘッド５の遮熱膜１８を有する燃焼室形成部１０に貼り付け、バルブシート嵌合穴３１のドリル加工を行ない、その加工性を評価した。加工は、下穴ドリル加工、嵌合穴の荒座繰り加工、嵌合穴の面取り加工の順で行なった。試験結果を表１に示す。

試験例１−５では、加工に伴ってアルミ合金の切粉が飛び散ったが、その切粉はマスキング紙に遮られ、遮熱膜の損傷は見られなかった。また、マスキング紙は高圧洗浄によって剥がれ、遮熱膜の加工面（加工穴の周面）もギザギザはなく、補修は不要であった。

一方、マスキング紙が比較的薄く、その引張強度及び遮熱膜に対する接着力が小さい試験例６では、マスキング紙がドリルの切刃によってすぐに破れてその破れが広がり、マスキング紙の一部が遮熱膜から剥離した。また、マスキング紙が剥離していない部分でも、飛び散ったアルミ合金の切粉がそのマスキング紙を通して遮熱膜に突き刺さり、遮熱膜に傷が入った。

マスキング紙が厚く、引張強度及び遮熱膜に対する接着力が大きい試験例７では、マスキング紙がドリルの切刃に巻き込まれて破れ、また、この巻き込みにより、遮熱膜の加工面にギザギザの加工痕が残った。マスキング紙を設けなかった試験例８では、アルミ合金の切粉による遮熱膜の損傷が見られた。

以上のように、当該試験は、マスキング紙の厚さが０．０５ｍｍ以上０．１５ｍｍ以下、その引張強度が３０Ｎ／ｃｍ以上１００Ｎ／ｃｍ以下であるとき、また、マスキング紙の遮熱膜に対する接着力が２Ｎ／ｃｍ以上１０Ｎ／ｃｍ以下であるときに、遮熱膜の損傷を招くことなく、良好な穴加工を行なうことができているという結果になっている。

なお、上記実施形態はシリンダヘッドの加工に関するが、本発明が金属製基材の表面に樹脂含有皮膜を有するワークの加工に広く利用できることはもちろんである。

５ シリンダヘッド（ワーク）
１１ 吸気ポート
１５ 排気ポート
１８ 遮熱膜
２０ マスキング紙
３１ バルブシート嵌合穴

Claims (7)

1. 金属製基材の表面に樹脂含有皮膜が設けられたワークの加工方法であって、
   上記金属製基材の表面に上記樹脂含有皮膜の少なくとも一部が覆われるように該樹脂含有皮膜の上からマスキング紙を貼り付ける工程と、
   上記金属製基材に対して上記マスキング紙もろとも機械加工を行なう工程とを備えていることを特徴とする金属製基材上に樹脂含有皮膜を有するワークの加工方法。
2. 請求項１において、
   上記機械加工はドリル加工であり、
   上記マスキング紙は、厚さが０．０５ｍｍ以上０．１５ｍｍ以下、引張強度が３０Ｎ／ｃｍ以上１００Ｎ／ｃｍ以下、破断伸びが３％以上１５％以下であることを特徴とする金属製基材上に樹脂含有皮膜を有するワークの加工方法。
3. 請求項１又は請求項２において、
   上記マスキング紙は、和紙又はクレープ紙であることを特徴とする金属製基材上に樹脂含有皮膜を有するワークの加工方法。
4. 請求項１又は請求項２において、
   上記マスキング紙の上記樹脂含有皮膜に当接する側の面には、アクリル系又はゴム系の粘着剤が塗布され、上記マスキング紙の上記樹脂含有皮膜に対する接着力が２Ｎ／ｃｍ以上１０Ｎ／ｃｍ以下であることを特徴とする金属製基材上に樹脂含有皮膜を有するワークの加工方法。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一において、
   上記機械加工後に残った上記マスキング紙を高圧洗浄液の吹付けによって除去する工程を含むことを特徴とする金属製基材上に樹脂含有皮膜を有するワークの加工方法。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか一において、
   上記金属製基材はその表面に湾曲部を有し、上記マスキング紙を貼り付ける工程では、当該湾曲部に沿うように上記マスキング紙の貼り付けを行なうことを特徴とする金属製基材上に樹脂含有皮膜を有するワークの加工方法。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれか一において、
   上記ワークは、エンジンのシリンダヘッドであり、該シリンダヘッドの吸気ポート及び排気ポートが開口した燃焼室形成部の内面に遮熱用の樹脂含有皮膜が設けられており、
   上記マスキング紙の貼り付け工程では、上記吸気ポート及び排気ポートの開口部を塞ぐように上記燃焼室形成部の内面全体にわたって上記マスキング紙を貼り付け、
   上記機械加工の工程では、上記吸気ポート及び排気ポートの開口部に対するバルブシート嵌合穴のドリル加工、点火プラグ取付孔のドリル加工及びインジェクタ取付孔のドリル加工の少なくとも一つを行なうことを特徴とする金属製基材上に樹脂含有皮膜を有するワークの加工方法。