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JP2002129920A - レーザ肉盛り部品の加工方法 - Google Patents

レーザ肉盛り部品の加工方法

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JP2002129920A
JP2002129920A JP2000326094A JP2000326094A JP2002129920A JP 2002129920 A JP2002129920 A JP 2002129920A JP 2000326094 A JP2000326094 A JP 2000326094A JP 2000326094 A JP2000326094 A JP 2000326094A JP 2002129920 A JP2002129920 A JP 2002129920A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 エンジンのシリンダヘッドにおけるバルブシ
ート部の生産効率を向上させるレーザ肉盛り部品の加工
方法を提供する。 【解決手段】 金属母材表面に合金粉末を供給しながら
レーザビームを照射して形成されるレーザ肉盛りの直後
において、バルブシート部とポートとのつなぎの部分を
構成する金属母材の内周側に余肉部を残して、肉盛り部
を機械加工することによって検査面を形成し、当該検査
面を使用して肉盛り部の欠陥の有無を中間検査し、欠陥
が検出される場合、当該肉盛り部を除去して、再度、肉
盛り部を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、エンジンのシリン
ダヘッドにおけるバルブシート部を形成するレーザ肉盛
り部品の加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】自動車部品、例えば、エンジンのシリン
ダヘッドの材料として、鉄に比べて軽量化を図れること
から、アルミニウム系材料が用いられている。そして、
アルミニウム系材料の耐熱性や耐摩耗性を高める技術と
して、レーザビームにより肉盛部を形成することが知ら
れている。
【０００３】レーザビームにより形成された肉盛部は、
その品質を保証するため、渦流探傷装置を使用して、ク
ラックやポア等の不連続部からなる欠陥の有無が検査さ
れる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、欠陥の有無を
正確に検出するためには、検査面に機械加工が施してあ
る必要があるため、渦流探傷検査は、最終的な製品形状
に加工した後において実施される。
【０００５】したがって、欠陥が検出された場合、欠陥
を有する肉盛り層を除去して、再度肉盛りしようとして
も、最終的な製品形状に加工され、内周側の余肉が除去
されるため、必要な肉盛り量が確保できず、手直しが不
可能である。
【０００６】特に、多数のバルブシート部を有するシリ
ンダヘッドにおいて、一つのバルブシート部に欠陥が検
出された場合、他のバルブシート部が全て良品であって
も、シリンダヘッドは、欠陥品として廃棄される。した
がって、シリンダヘッドの生産効率が大幅に低下する。
【０００７】本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決
するためになされたものであり、エンジンのシリンダヘ
ッドにおけるバルブシート部の生産効率を向上させるレ
ーザ肉盛り部品の加工方法を提供することを目的とす
る。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の請求項１に記載の発明は、金属母材表面に合金粉末を
供給しながらレーザビームを照射して形成される肉盛り
部に機械加工を施して、エンジンのシリンダヘッドにお
けるバルブシート部を形成するレーザ肉盛り部品の加工
方法において、レーザ肉盛りの直後において、バルブシ
ート部とポートとのつなぎの部分を構成する金属母材の
内周側に余肉部を残して、肉盛り部を機械加工すること
によって検査面を形成し、当該検査面を使用して肉盛り
部の欠陥の有無を中間検査し、欠陥が検出される場合、
当該肉盛り部を除去して、再度、肉盛り部を形成するこ
とを特徴とする。
【０００９】請求項２に記載の発明は、前記検査面は、
バルブの軸芯を中心として、中心角９０度のテーパ面で
あることを特徴とする。
【００１０】請求項３に記載の発明は、肉盛り部の前記
除去において、肉盛り部と金属母材との境界層にある合
金層を除去する一方、金属母材側の再溶融層を残存させ
ることを特徴とする。
【００１１】請求項４に記載の発明は、肉盛り部の前記
除去において、金属母材側の肉厚方向に０．２〜０．４
ｍｍ除去することを特徴とする。
【００１２】
【発明の効果】上記のように構成した本発明は以下の効
果を奏する。
【００１３】請求項１に記載の発明によれば、必要な肉
盛り量が確保できる余肉部が存在するため、中間検査に
よって欠陥が検出された場合、再度、肉盛り部を形成し
ても、欠肉欠陥は発生しないため、手直しが可能であ
る。したがって、エンジンのシリンダヘッドにおけるバ
ルブシート部の生産効率を向上させることができる。
【００１４】請求項２に記載の発明によれば、検査面
が、バルブの軸芯を中心として、中心角９０度のテーパ
面であるため、精度よく欠陥を検出可能であり、請求項
１に係る発明の効果が顕著に現れる。
【００１５】請求項３に記載の発明によれば、欠陥が残
存する可能性が多い合金層が除去される一方、溶融およ
び凝固により鋳巣等の構造欠陥が減少している再溶融層
が残される。したがって、手直し後の欠陥発生を抑制で
きるため、請求項１に係る発明の効果が顕著に現れる。
【００１６】請求項４に記載のように、金属母材側の肉
厚方向に０．２〜０．４ｍｍ除去すれば、欠陥が残存す
る可能性が多い合金層が除去される一方、溶融および凝
固により鋳巣等の構造欠陥が減少している再溶融層が残
される。したがって、手直し後の欠陥発生を抑制できる
ため、請求項１に係る発明の効果が顕著に現れる。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しつつ説明する。
【００１８】図１は、本発明の実施の形態に係る自動車
用エンジンのシリンダヘッド１０を示している断面図で
ある。
【００１９】図に示されるように、自動車用エンジンの
シリンダヘッド１０におけるバルブシート部１１のシー
ト面１１ａは、エンジン稼働中に、ポート１２の燃焼室
側の開口端に位置するバルブ１４が繰り返し当接した
り、高温にさらされたりするなど、苛酷な条件下にあ
る。このため、シリンダヘッド１０を軽量化などの観点
からアルミニウム合金とした場合には、摩耗や溶損が発
生する虞がある。
【００２０】そこで、アルミニウム合金からなる金属母
材表面に、耐熱性および耐摩耗性の高い銅合金粉末を供
給しながらレーザビームを照射して肉盛層を形成し、当
該肉盛層に対し機械加工を施すことによって、シート面
１１ａが形成される。なお、バルブ１４の往復運動をガ
イドするために、円管系形状のバルブガイド１５が圧入
されており、その内部に、バルブ１４のステム部が挿入
されている。
【００２１】図２は、本発明の実施の形態に係るバルブ
シート部を形成するレーザ肉盛り部品の加工方法を説明
するための図である。
【００２２】バルブシート部を形成する工程は、前加工
・レーザ肉盛り・検査面形成・中間検査（肉盛り部除去
／再レーザ肉盛り）・ポートスロート仕上げ加工・バル
ブガイド圧入・仕上げ加工・最終検査から構成され、以
下各を順に説明する。
【００２３】図３は、前加工およびレーザ肉盛りを説明
するためのバルブシート部の断面図である。
【００２４】前加工においては、アルミニウム系鋳造合
金製のシリンダヘッドのバルブシート部（金属母材）
に、Ｒ溝加工が環状に施され、溝部２０が形成される。
【００２５】レーザ肉盛りにおいては、環状の溝部２０
の表面に、合金粉末を供給しながらレーザビームを照射
して肉盛り部２１が形成される。合金粉末としては、熱
伝導性・耐摩耗性および耐食性に優れた肉盛層を形成す
る銅合金粉末が用いられる。また、レーザは、ＣＯ2レ
ーザが採用される。
【００２６】なお、具体的なレーザ肉盛り条件として、
例えば、合金粉末として銅合金（Cu-14Ni-3Si-1.5Fe-2C
r-1Al-2V-0.5P）が適用され、レーザ出力３．５〜３．
９ｋＷ・粉末供給速度０．７２ｇ／秒・加工速度０．８
ｍ／分が、挙げられる。
【００２７】図４は、検査面形成を説明するためのバル
ブシート部の断面図である。
【００２８】検査面形成においては、ポートスロート部
を構成することになる金属母材の内周側に余肉部２３を
残して、肉盛り部２１を機械加工することによって、検
査面２２が形成される。なお、ポートスロート部は、バ
ルブシート部１１とポート１２とのつなぎの部分であ
る。
【００２９】つまり、必要な肉盛り量が確保できる余肉
部２３が存在するため、中間検査によって欠陥が検出さ
れた場合、再度、肉盛り部を形成しても、欠肉欠陥は発
生しないため、手直しが可能である。したがって、エン
ジンのシリンダヘッドにおけるバルブシート部の生産効
率を向上させることができる。
【００３０】なお、検査面２２は、中間検査における欠
陥検出の精度を確保するために、バルブ１４の軸芯を中
心とする、中心角９０度のテーパ面である。
【００３１】また、余肉部２３の厚みは、再レーザ肉盛
りにおいて、必要な肉盛り量が確保できるように、仕上
げ形状に対する取り代として、約０．３ｍｍ程度に設定
される（図８参照）。
【００３２】中間検査においては、検査面２２を使用し
て、欠陥の有無が検査される。なお、検査面２２は、機
械加工されたテーパ面であり、渦流探傷装置によって、
欠陥を精度よく検出できる。そして、欠陥が検出された
場合には肉盛り部除去に進み、欠陥が存在しない場合に
はポートスロート仕上げ加工に進む。
【００３３】なお、欠陥は、例えば、クラックやバルブ
１４が当接する部位に残存するポア等の不連続部であ
る。欠陥が発生する要因は、例えば、過大な入熱量や入
熱量不足あるいは母材の巣などである。
【００３４】つまり、レーザビームによる入熱量が過大
である場合、アルミニウム合金母材が多く溶解し、銅合
金粉末が希釈され、硬くて脆い層を形成する。一方、入
熱量が不足している場合、銅合金粉末が充分溶融せず、
アルミニウム合金母材と付着しない。また、アルミニウ
ム合金母材に巣が存在する場合、前加工における機械加
工の切削油が溜まり、入熱によりガスが発生し、生成さ
れる銅合金内にポアと称する空洞を生じさせる。なお、
ポアは銅合金内に存在していても、特に問題とならない
が、バルブ１４が当接する部位にある場合は、欠陥とな
る。
【００３５】図５は、肉盛り部除去を説明するためのバ
ルブシート部の断面図、図６は、肉盛り層の断面図であ
る。
【００３６】肉盛り部除去において、欠陥が検出された
肉盛り部２１が除去される。ただし、銅合金が溶融した
母材つまり合金層２４は、ポア２６が存在していること
が多く、再レーザ肉盛りによっても、ポア２６が残存す
る可能性が多いため、除去される一方、再溶融層２５
は、再溶融および凝固により鋳巣等の構造欠陥が減少し
ているため、残存させる。
【００３７】つまり、肉盛り部２１の除去において、肉
盛り部２１と金属母材との境界層にある合金層２４を除
去する一方、熱影響による金属母材側の再溶融層２５を
残存させることによって、手直し後の欠陥発生を抑制す
ることができる。
【００３８】具体的には、前加工によって形成された溝
部２０を越えて母材側の肉厚方向に０．２〜０．４ｍｍ
除去するＲ溝加工が施され、図５に示される手直し溝部
２０Ａが、形成される。
【００３９】図７は、再レーザ肉盛りを説明するための
バルブシート部の断面図である。
【００４０】再レーザ肉盛りにおいては、手直し溝部２
０Ａの表面に、合金粉末を供給しながらレーザビームを
照射して再肉盛り部２１Ａが形成される。なお、必要な
肉盛り量が確保できる余肉部２３が存在するため、欠肉
欠陥は発生しない。
【００４１】なお、具体的な再レーザ肉盛り条件とし
て、例えば、レーザ出力３．５〜３．９ｋＷ、粉末供給
量０．７２ｇ／秒、加工速度０．６ｍ／分が、挙げられ
る。再レーザ肉盛りにおける加工速度が、レーザ肉盛り
における値より小さいのは、粉末の総供給量を多くし
て、合金層２４の除去を補うためである。
【００４２】図８は、ポートスロート仕上げ加工を説明
するためのバルブシート部の断面図である。
【００４３】ポートスロート仕上げ加工においては、バ
ルブ１４の軸芯を中心として、中心角１２０度・９０度
・３０度のテーパ面２７〜２９が形成されると共に、余
肉部２３が、切削加工されてポートスロート部が形成さ
れる。
【００４４】バルブガイド圧入においては、バルブ１４
の往復運動をガイドするための円管系形状のバルブガイ
ド１５が圧入される。
【００４５】仕上げ加工においては、バルブシート部１
１およびバルブガイド１５に対して、仕上げ加工が施さ
れ、バルブガイド１５の内径やバルブシート部１１の表
面の寸法精度が確保される。例えば、バルブガイド１５
とバルブシート部１１の中心軸が、所定の寸法精度内に
収まるように加工される。
【００４６】最終検査においては、品質を保証する最終
的な確認として、渦流探傷装置により、バルブシート部
１１の欠陥の有無が検査される。
【００４７】以上のように、本実施の形態においては、
必要な肉盛り量が確保できる余肉部が存在するため、中
間検査によって欠陥が検出された場合、再度、肉盛り部
を形成しても、欠肉欠陥は発生しないため、手直しが可
能である。したがって、エンジンのシリンダヘッドにお
けるバルブシート部の生産効率を向上させることができ
る。特に、多数のバルブシート部を有するシリンダヘッ
ドにおいて、顕著な効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態に係る自動車用エンジン
のシリンダヘッドの断面図である。
【図２】 本発明の実施の形態に係るバルブシート部を
形成するレーザ肉盛り部品の加工方法を説明するための
図である。
【図３】 前加工およびレーザ肉盛りを説明するための
バルブシート部の断面図である。
【図４】 検査面形成を説明するためのバルブシート部
の断面図である。
【図５】 肉盛り部除去を説明するためのバルブシート
部の断面図である。
【図６】 肉盛り層の断面図である。
【図７】 再レーザ肉盛りを説明するためのバルブシー
ト部の断面図である。
【図８】 ポートスロート仕上げ加工を説明するための
バルブシート部の断面図である。
【符号の説明】
１０…シリンダヘッド、 １１…バルブシート部、 １１ａ…シート面、 １２…ポート、 １４…バルブ、 １５…バルブガイド、 ２０…溝部、 ２０Ａ…手直し溝部、 ２１…肉盛り部、 ２１Ａ…再肉盛り部、 ２２…検査面、 ２３…余肉部、 ２４…合金層、 ２５…再溶融層、 ２６…ポア、 ２７〜２９…テーパ面。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０２Ｆ 1/24 Ｆ０２Ｆ 1/24 Ｓ

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 金属母材表面に合金粉末を供給しながら
    レーザビームを照射して形成される肉盛り部に機械加工
    を施して、エンジンのシリンダヘッドにおけるバルブシ
    ート部を形成するレーザ肉盛り部品の加工方法におい
    て、 レーザ肉盛りの直後において、バルブシート部とポート
    とのつなぎの部分を構成する金属母材の内周側に余肉部
    を残して、肉盛り部を機械加工することによって検査面
    を形成し、当該検査面を使用して肉盛り部の欠陥の有無
    を中間検査し、欠陥が検出される場合、当該肉盛り部を
    除去して、再度、肉盛り部を形成することを特徴とする
    レーザ肉盛り部品の加工方法。
  2. 【請求項２】 前記検査面は、バルブの軸芯を中心とし
    て、中心角９０度のテーパ面であることを特徴とする請
    求項１に記載のレーザ肉盛り部品の加工方法。
  3. 【請求項３】 肉盛り部の前記除去において、肉盛り部
    と金属母材との境界層にある合金層を除去する一方、金
    属母材側の再溶融層を残存させることを特徴とする請求
    項１に記載のレーザ肉盛り部品の加工方法。
  4. 【請求項４】 肉盛り部の前記除去において、金属母材
    側の肉厚方向に０．２〜０．４ｍｍ除去することを特徴
    とする請求項１に記載のレーザ肉盛り部品の加工方法。
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