JP5294589B2

JP5294589B2 - バルブシート形成方法及びシリンダーヘッド

Info

Publication number: JP5294589B2
Application number: JP2007212182A
Authority: JP
Inventors: 眞司西野; 貴人内海; 良次熨斗
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2007-08-16
Filing date: 2007-08-16
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2027-08-16
Also published as: JP2009047026A

Description

本発明は、バルブシート形成方法及びシリンダーヘッドに関し、バルブシートに亀裂若しくは未溶着部を発生させないための技術に関する。

例えば、自動車エンジンでは、バルブシートとして従来のシートリングを打ち込む方式に変えてバルブシート合金をシリンダーヘッドへ直接肉盛りする方式が採用され初めている。

このように、バルブシート合金をシリンダーヘッドに直接肉盛りすれば、シートリングの打ち込み方式に比べて熱伝導性を大幅に向上させることができ、冷却性能を高めることができる。

かかる肉盛り方式は、粉末供給装置のノズルから金属粉末をバルブシートを形成する部位（バルブシート部）に供給しながらレーザ発振器よりレーザを照射し、バルブシート部とレーザを相対的に回転させることで、リング状の肉盛り層（バルブシート）を形成するものである。

この肉盛り方式では、レーザクラッド加工を行う前工程として鋳造によって製造した金属母材に対し、バルブシートを形成する部位に切削工具にて凹形状の溝加工を行い、該溝部にレーザを照射して母材を溶かすことで溶融層を形成後、当該溶融層上に金属粉末を供給しながらレーザを照射してクラッド層（バルブシート）を形成することが行われている（例えば、特許文献１など参照）。
特開２００２−２３９７１１号公報

前記したレーザクラッド加工では、溶融層とクラッド層は、加工開始部に加工終了部を重ねるようにして形成される。そのため、溶融層とクラッド層には、加工開始部に加工終了部がオーバーラップして重なった溶融層ラップ部とクラッド層ラップ部が形成される。

前記溶融層ラップ部は、その他の部位に比べて厚みが薄く窪んだ凹みとなる。この溶融層ラップ部から肉盛りを開始した場合、凹みに金属粉末が多くなり、レーザにより溶けきれなかった金属粉末が未溶着となって残ることがある。

また、溶融層ラップ部とクラッド層ラップ部が、同一気筒内の各吸排気用バルブシート同士が近接する対向部分にあると、熱応力の過多により隣接するバルブシートに亀裂が生じる。

そこで、本発明は、バルブシートに亀裂若しくは未溶着部が生じないバルブシート形成方法及びシリンダーヘッドを提供する。

本発明は、シリンダーヘッドのバルブシートを形成する部位にレーザを照射し母材を溶かして溶融層を形成した後、その溶融層上に金属粉末を供給しながらシリンダーヘッド及びレーザを相対的に回転させつつレーザを照射し肉盛りしてクラッド層を形成するバルブシート形成方法において、前記溶融層の加工開始部に加工終了部をオーバーラップさせて重ねた溶融層ラップ部と前記クラッド層の加工開始部に加工終了部をオーバーラップさせて重ねたクラッド層ラップ部を、同一気筒内の各吸排気用バルブシート同士が近接する対向部分以外の位置となるように形成し、また、同一気筒内の吸排気用バルブシートのうち隣り合うバルブシートの中心を結ぶ中心線に対して９０度以上のなす角度とされた位置に、前記互いの溶融層ラップ部を離間して形成し、前記クラッド層の加工開始部を、前記溶融層ラップ部以外の部位から肉盛りを開始して形成することを特徴とする。

また本発明は、バルブシートを形成する部位にレーザを照射し母材を溶かして溶融層を形成した後、その溶融層上に金属粉末を供給しながら母材及びレーザを相対的に回転させつつレーザを照射し肉盛りしてクラッド層を形成した吸排気用バルブシートを有したシリンダーヘッドにおいて、前記溶融層の加工開始部に加工終了部をオーバーラップさせて重ねた溶融層ラップ部と前記クラッド層の加工開始部に加工終了部をオーバーラップさせて重ねたクラッド層ラップ部を共に、同一気筒内の各吸排気用バルブシート同士が近接する対向部分以外の位置に設け、また、同一気筒内の吸排気用バルブシートのうち隣り合うバルブシートの中心を結ぶ中心線に対して９０度以上のなす角度とされた位置に、前記互いの溶融層ラップ部を離間して形成しており、前記溶融層ラップ部と前記クラッド層ラップ部の位置をずらして設けたことを特徴とする。

本発明のバルブシート形成方法によれば、熱応力の過多によってバルブシートに亀裂が生ずるのを回避することができ、信頼性の高いバルブシートを形成することができる。また、本発明方法によれば、同一気筒内の吸排気用バルブシートのうち隣り合うバルブシートの中心を結ぶ中心線に対して９０度以上のなす角度とされた位置に、溶融層ラップ部を形成すれば、熱応力の過多による影響を受け難くなり、クラッド層に亀裂が発生するのを防止することができる。また、本発明方法によれば、クラッド層の加工開始部を溶融層ラップ部以外の部位から肉盛りを開始して形成するので、クラッド加工開始時の金属粉末が多くなることにより、未溶着が発生することなくクラッド層を形成することができる。

本発明のシリンダーヘッドによれば、熱応力の過多によってバルブシートに亀裂が生じることが無いので、信頼性を向上させることができる。また、本発明のシリンダーヘッドによれば、同一気筒内の吸排気用バルブシートのうち隣り合うバルブシートの中心を結ぶ中心線に対して９０度以上のなす角度θとされた位置に、溶融層ラップ部を形成すれば、熱応力の過多による影響を受け難くなり、クラッド層に亀裂が発生するのを防止することができる。また、本発明のシリンダーヘッドによれば、クラッド層の加工開始部を溶融層ラップ部以外の部位から肉盛りを開始して形成するので、クラッド加工開始時の金属粉末が多くなることにより、未溶着が発生することなくクラッド層を形成することができる。

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。

「レーザクラッド装置の構成」
先ず、レーザクラッド装置の構成について説明する。図１はレーザクラッド装置を示す斜視図、図２は粉末供給装置のノズル先端から金属粉末を被加工部に供給している状態を示す図である。

レーザクラッド装置は、図１に示すように、例えば自動車用エンジンなどのシリンダーヘッド１の被加工部であるバルブシート部２にレーザｈｖを照射するレーザ照射装置３と、バルブシート部２に金属粉末４を供給する粉末供給装置５とを備えている。

レーザ照射装置３は、レーザ発振器６と、このレーザ発振器６により発振されるレーザの強さなどを制御するレーザ発振器制御部７と、ＮＣ制御装置８と、レーザを集光してバルブシート部２に照射させる集光ヘッド９とからなる。レーザ発振器６で発振されたレーザｈｖは、レーザ発振器制御部７で制御されて集光ヘッド９に供給され、この集光ヘッド９で絞られてバルブシート部２に照射される。

粉末供給装置５は、バルブシート部２に金属粉末４を供給するノズル１０（図１では図示を省略し図２に示す）と、金属粉末４を収容して置くホッパー１１と、金属粉末４の量を計測する荷重計１２と、ホッパー１１からノズル１０へと金属粉末４を送り込むフィーダ１３と、これらを制御する粉末制御部１４とからなる。ノズル１０の先端からは、ホッパー１１に収容された金属粉末４がフィーダ１３により送られることで、前記バルブシート部２へと吹き付けられる。なお、金属粉末４としては、例えば銅合金などが使用される。

このレーザクラッド装置では、前記レーザ発振器６とレーザ発振器制御部７とＮＣ制御装置８と粉末供給制御部１４とがそれぞれコンピュータ１５によって制御されている。そして、このように構成されたレーザクラッド装置によりバルブシート部２に金属粉末４を供給しながらレーザを照射して肉盛りを行うことでクラッド層（バルブシート）１６を形成するが、その際に、図２に示すように、シリンダーヘッド１を矢印Ａで示すように回転させながらレーザクラッド加工を行う。

「バルブシート形成方法」
次に、バルブシート形成方法について説明する。図３から図８は、バルブシート加工工程を示す図である。

先ず、図３（Ａ）で示すシリンダーヘッド（母材）１を鋳造によって形成する（鋳造工程）。シリンダーヘッド１を形成するには、鋳造用金型を用意し、その鋳造用金型に溶融したアルミニウム合金を流し込む。鋳造されたシリンダーヘッド１には、図３（Ｂ）に示すように、後工程で肉盛りを行う部位であるバルブシート部（被加工部）２が形成される。

次に、バルブシート部２に凹形状の溝を形成する（溝加工工程）。溝加工工程では、図３（Ｃ）に示すように、切削工具１７を回転させながらバルブシート部２に押し当て、このバルブシート部２を切削してその表面に凹形状の溝を形成する。

次に、図４（Ａ）に示すように、前記溝加工工程で形成した溝部１８にレーザｈｖを照射し母材を溶かして溶融層を形成する（溶融層形成工程）。溶融層を形成するには、加工開始部の上に加工終了部をオーバーラップさせるようにして溶融層ラップ部を形成する。溶融層形成工程では、レーザｈｖの波長を０．８〜０．９μｍ、出力を２．２ｋＷ、加工速度を１．２ｍ／分とした。

次いで、図４（Ｂ）に示すように、前記溶融層上に金属粉末４を供給しながらシリンダーヘッド１及びレーザｈｖを相対的に回転させつつレーザｈｖを照射し肉盛りしてクラッド層を形成する（レーザクラッド加工工程）。クラッド層を形成するには、加工開始部の上に加工終了部をオーバーラップさせるようにして行う。レーザクラッド加工工程では、レーザｈｖの波長を０．８〜０．９μｍ、出力を１．７ｋＷ、加工速度を１．２ｍ／分とした。

そして最後に、図４（Ｃ）に示すように、仕上げ用切削工具１９を回転させながらクラッド層１６に押し当てて、当該クラッド層１６の表面を研磨する（研磨加工工程）。

前記溶融層形成工程では、溶融層２１を形成するには、母材を図５（Ａ）の矢印Ａで示す方向に回転させながらレーザｈｖを照射してバルブシート部２を溶融させるが、そのとき加工開始部２１Ａの上に加工終了部２１Ｂをオーバーラップさせて重ねるようにしている。加工開始部２１Ａの上に加工終了部２１Ｂをオーバーラップさせて重ねたことにより形成される溶融層ラップ部２２は、図５（Ｂ）に示すように、その他の部位に対して厚みが薄い凹みとなる。

前記溶融層形成工程で形成された溶融層ラップ部２２からレーザクラッド加工を開始した場合、図６に示すように、凹みとなった溶融層ラップ部２２に金属粉末４が供給されると、その溶融層ラップ部２２に金属粉末４が溜まり易くなる。そして、この溶融層ラップ部２２では、金属粉末４の粉末量が多いことからレーザｈｖにより溶け切れなかった金属粉末４が未溶着となり、溶融層ラップ部２２上にクラッド層１６の未溶着部位１６Ａが形成されてしまう。

また、図７に示すように、同一気筒内で近接するバルブシート（クラッド層１６）の溶融層ラップ部２２とクラッド層ラップ部２３とが近接した位置にあると、熱応力の過多によりクラッド層１６に亀裂２４が入ることがある。図７には、一方の排気用バルブシートには溶融層ラップ部２２の位置を表示し、他方の排気用バルブシートにはクラッド層ラップ部２３の位置を表示してある。

このような不具合を回避するために、本実施の形態では、図８に示すように、溶融層ラップ部２２とクラッド層ラップ部２３を、同一気筒内の各吸排気用バルブシート同士が近接する対向部分以外の位置となるように形成する。図８では、溶融層ラップ部２２を破線で示し、クラッド層ラップ部２３を実線で示してある。なお、図８中小さいバルブシート（クラッド層）は排気用バルブシートで、それよりも大きいバルブシートは吸気用バルブシートを表している。

図８の例では、合計４つのバルブシートが互いに対向する部位を除く外側の部位に、それぞれ溶融層ラップ部２２とクラッド層ラップ部２３を形成している。このような配置とすれば、熱応力の過多によりバルブシート（クラッド層１６）に亀裂２３が生じることを防止できる。つまり、４つの吸排気用バルブが密接する部位から離れることにより、熱応力が集中して掛からなくなり、亀裂２３の発生が抑制される。

また、本実施の形態では、図８に示すように、同一気筒内の吸排気用バルブシートのうち隣り合うバルブシートの中心を結ぶ中心線Ｓに対して９０度以上のなす角度θとされた位置に、前記溶融層ラップ部２２を形成する。

前記角度θを９０度以上とすれば、熱応力の過多による影響を受け難くなり、クラッド層１６に亀裂２３が発生するのを防止することができる。なお、前記した例は、吸気用バルブシートとこれに近接する排気用バルブシートとの関係で表したが、吸気用バルブシート同士との関係または排気用バルブシート同士との関係でも同じであり、前記した角度θを９０度以上とする。

また、本実施の形態では、クラッド層１６の加工開始部を、溶融層ラップ部２２以外の部位から肉盛りを開始して形成するようにする。そうすることで、クラッド加工開始時の金属粉末４が多くなることにより、未溶着が発生することなくクラッド層１６を形成することができる。図８では、このように形成したことで、クラッド層ラップ部２３が溶融層ラップ部２２に重なることなく離れた位置に設けられる。

以上のように構成されたシリンダーヘッド１は、溶融層ラップ部２２とクラッド層ラップ部２３が共に、同一気筒内の各吸排気用バルブシート同士が近接する対向部分以外の位置とされると共に、溶融層ラップ部２２とクラッド層ラップ部２４の位置がずれて配置されることになる。

そして、このシリンダーヘッド１は、前記溶融層ラップ部２２とクラッド層ラップ部２３を前記した位置に配置することで、亀裂及び未溶着部の無い信頼性に優れたクラッド層（バルブシート）２０を備えることになる。

図１はレーザクラッド装置を示す斜視図である。図２は粉末供給装置のノズル先端から金属粉末を被加工部に供給している状態を示す図である。図３はバルブシート加工工程のうち鋳造工程と溝加工工程を示す工程図である。図４はバルブシート加工工程のうち溶融層形成工程、レーザクラッド加工工程及び研磨加工工程を示す工程図である。図５は溶融層ラップ部の形成位置とその表面状態を示す図である。図６は溶融層ラップ部上にクラッド層を形成する工程を順次示した図である。図７は熱応力の過多によりクラッド層に亀裂が発生したときの図である。図８は本発明のバルブシートに形成される溶融層ラップ部とクラッド層ラップ部の配置位置を示す図である。

符号の説明

１…シリンダーヘッド
２…バルブシート部（被加工部）
３…レーザ照射装置
４…金属粉末
５…粉末供給装置
６…レーザ発振器
９…集光ヘッド
１０…ノズル
１６…クラッド層
２１…溶融層
２２…溶融層ラップ部
２３…クラッド層ラップ部
２４…亀裂

Claims

シリンダーヘッドのバルブシートを形成する部位にレーザを照射し母材を溶かして溶融層を形成した後、その溶融層上に金属粉末を供給しながらシリンダーヘッド及びレーザを相対的に回転させつつレーザを照射し肉盛りしてクラッド層を形成するバルブシート形成方法において、
前記溶融層の加工開始部に加工終了部をオーバーラップさせて重ねた溶融層ラップ部と前記クラッド層の加工開始部に加工終了部をオーバーラップさせて重ねたクラッド層ラップ部を、同一気筒内の各吸排気用バルブシート同士が近接する対向部分以外の位置となるように形成し、
また、同一気筒内の吸排気用バルブシートのうち隣り合うバルブシートの中心を結ぶ中心線に対して９０度以上のなす角度とされた位置に、前記互いの溶融層ラップ部を離間して形成し、
前記クラッド層の加工開始部を、前記溶融層ラップ部以外の部位から肉盛りを開始して形成する
ことを特徴とするバルブシート形成方法。
バルブシートを形成する部位にレーザを照射し母材を溶かして溶融層を形成した後、その溶融層上に金属粉末を供給しながら母材及びレーザを相対的に回転させつつレーザを照射し肉盛りしてクラッド層を形成した吸排気用バルブシートを有したシリンダーヘッドにおいて、
前記溶融層の加工開始部に加工終了部をオーバーラップさせて重ねた溶融層ラップ部と前記クラッド層の加工開始部に加工終了部をオーバーラップさせて重ねたクラッド層ラップ部を共に、同一気筒内の各吸排気用バルブシート同士が近接する対向部分以外の位置に設け、
また、同一気筒内の吸排気用バルブシートのうち隣り合うバルブシートの中心を結ぶ中心線に対して９０度以上のなす角度とされた位置に、前記互いの溶融層ラップ部を離間して形成しており、
前記溶融層ラップ部と前記クラッド層ラップ部の位置をずらして設けた
ことを特徴とするシリンダーヘッド。