(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジン用の軽合金製シリンダヘッドにおける少なくともポート開口間部の表面部を、回転工具を用いた摩擦攪拌処理により改質する表面処理方法であって、
予め、上記摩擦攪拌処理の経路として、処理開始位置から終了位置まで連続しかつ上記ポート開口間部において往路と復路とを有する処理経路パターンを設定するとともに、上記ポート開口間部におけるポート開口縁間最短距離が所定値以下である場合には、上記往路及び復路を、該往路及び復路での摩擦攪拌処理による両改質領域が互いに幅方向で一部重複するように設定する一方、上記ポート開口間部におけるポート開口縁間最短距離が上記所定値よりも大きい場合には、上記往路及び復路を、該往路及び復路での摩擦攪拌処理による両改質領域が互いに幅方向に離隔するように設定しておき、
上記シリンダヘッドにおける少なくともポート開口間部の表面部を、上記処理経路パターンに従って摩擦攪拌処理を施すことで改質し、
その後、上記ポート開口縁間最短距離が所定値よりも大きいポート開口間部における上記両改質領域の間に、部品装着用穴を形成することを特徴とするエンジン用シリンダヘッドの表面処理方法。
【請求項２】
請求項１記載のエンジン用シリンダヘッドの表面処理方法において、
シリンダヘッドは、一対の吸気ポート開口と一対の排気ポート開口とを有し、上記４つのポート開口は、平面視で四角形の頂点にそれぞれ位置しかつ両吸気ポート開口同士及び両排気ポート開口同士が上記四角形の周方向に互いに隣接するように配設されており、
処理経路パターンを、上記一対の排気ポート開口の間にある排気ポート開口間部における往路が上記四角形の外側から内側に向かいかつ復路が上記四角形の内側から外側に向かう一方、他の３つのポート開口間部における往路が上記四角形の内側から外側に向かいかつ復路が上記四角形の外側から内側に向かうとともに、上記４つのポート開口間部の往路及び復路うち上記排気ポート開口間部における往路が最初に処理されかつその復路が最後に処理されるように設定することを特徴とするエンジン用シリンダヘッドの表面処理方法。
【請求項３】
軽合金からなり、少なくともポート開口間部の表面部が、回転工具を用いた摩擦攪拌処理による表面処理により改質されたエンジン用シリンダヘッドであって、
上記摩擦攪拌処理の経路として設定された、処理開始位置から終了位置まで連続しかつ上記ポート開口間部において往路と復路とを有する処理経路パターンに従って摩擦攪拌処理を施すことで改質された改質部を備え、
上記ポート開口間部におけるポート開口縁間最短距離が所定値以下である場合には、上記往路及び復路にそれぞれ対応する両改質部が互いに幅方向で一部重複している一方、上記ポート開口間部におけるポート開口縁間最短距離が上記所定値よりも大きい場合には、上記往路及び復路にそれぞれ対応する両改質部が互いに幅方向に離隔しており、
上記ポート開口縁間最短距離が所定値よりも大きいポート開口間部における往路及び復路にそれぞれ対応する両改質部間に、部品装着用穴が形成されていることを特徴とするエンジン用シリンダヘッド。
【請求項４】
請求項３記載のエンジン用シリンダヘッドにおいて、
一対の吸気ポート開口と一対の排気ポート開口とを備え、
上記４つのポート開口は、平面視で四角形の頂点にそれぞれ位置しかつ両吸気ポート開口同士及び両排気ポート開口同士が上記四角形の周方向に互いに隣接するように配設されており、
上記一対の吸気ポート開口の間にある吸気ポート開口間部におけるポート開口縁間最短距離が所定値よりも大きく設定されていて、該吸気ポート開口間部に、部品装着用穴としてのグロープラグ装着用穴が形成されていることを特徴とするエンジン用シリンダヘッド。
【請求項５】
請求項３記載のエンジン用シリンダヘッドにおいて、
一対の吸気ポート開口と一対の排気ポート開口とを備え、
上記４つのポート開口は、平面視で四角形の頂点にそれぞれ位置しかつ両吸気ポート開口同士及び両排気ポート開口同士が上記四角形の周方向に互いに隣接するように配設されており、
処理経路パターンは、上記一対の排気ポート開口の間にある排気ポート開口間部における往路が上記四角形の外側から内側に向かいかつ復路が上記四角形の内側から外側に向かう一方、他の３つのポート開口間部における往路が上記四角形の内側から外側に向かいかつ復路が上記四角形の外側から内側に向かうとともに、上記４つのポート開口間部の往路及び復路うち上記排気ポート開口間部における往路が最初に処理されかつその復路が最後に処理されるように設定されていることを特徴とするエンジン用シリンダヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジン用シリンダヘッドの表面処理方法及び表面処理を施したエンジン用シリンダヘッドに関し、特に、少なくともポート開口間部の表面部を、回転工具を用いた摩擦攪拌処理により改質するものの技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、自動車等のエンジンは、ピストンが嵌装されたシリンダを有するシリンダブロックと、このシリンダブロックに組み付けられたシリンダヘッドとで構成され、これらシリンダブロック及びシリンダヘッドは、通常、アルミニウムやその合金等の軽合金材料からなっている。上記シリンダ内には、上記ピストン及びシリンダヘッドにより囲まれる燃焼室が区画形成され、シリンダヘッドには、この燃焼室に空気を供給するための吸気ポートと、燃焼室から排気ガスを排出するための排気ポートとが形成されている。上記吸気ポート及び排気ポートの燃焼室側の開口は、それぞれ吸気バルブ及び排気バルブにより開閉されるようになっており、上記各開口には、上記各バルブが当接する鉄系のバルブシートが固定されている。
【０００３】
上記シリンダヘッドのポート開口間部（バルブブリッジ部又は弁間部と呼ばれている）は、燃焼室内の温度変化やバルブシートとの熱膨張係数の相違等から熱疲労によるクラックが発生し易く、耐熱疲労強度が要求されている。特にディーゼルエンジン用のシリンダヘッドでは、かなり高い耐熱疲労強度が要求されている。
【０００４】
そこで、従来、例えば特許文献１に示されているように、上記ポート開口間部の表面部を、回転工具を用いた摩擦攪拌処理により改質して必要な耐熱疲労強度を得るようにすることが開示されている。
【０００５】
上記摩擦攪拌処理は、特許文献２にも示されているように、回転工具を、高速で回転させた状態で被処理部材の表面に当接させ押圧させながら、その回転工具の先端に設けた突出部を被処理部材内に進入させ、その際に生じる摩擦熱により塑性流動層を形成するとともに、その塑性流動層を回転工具の回転によって非溶融状態で攪拌することで、その表面部の組織を微細化するものである。そして、上記回転工具を被処理部材の表面に沿って移動させることで、その移動経路上の表面部が回転工具の突出部の径と略同じ幅で改質されていくことになる。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−２４６４５８号公報
【特許文献２】
特開２０００−１５４２６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記シリンダヘッドのポート開口間部の表面部を、上記のような回転工具を用いた摩擦攪拌処理により改質する場合、そのポート開口間部の処理経路として、その両側にある両ポート開口の中心同士を結ぶ線に対して略垂直な往路と復路とを有する処理経路を設定し、その往路及び復路を、該往路及び復路での摩擦攪拌処理による両改質領域が互いに幅方向で一部重複するように設定することが望ましい。この場合、回転工具の突出部の外径は、ポート開口間部におけるポート開口縁間最短距離（バルブブリッジ最小幅）に対して０．５倍（誤差等を考慮すると、０．６倍が望ましい）以上１倍未満とする。このようにすれば、ポート開口間部が複数あってそれらのポート開口縁間最短距離が互いに異なる場合であっても、各ポート開口間部毎に上記往路と復路とのずらし量（両改質領域の重複量）を調整することで、各ポート開口間部における最小幅部分全体を、該往路及び復路での摩擦攪拌処理により確実に処理することができるようになる。この各ポート開口間部における最小幅部分は、クラックが最も生じ易い部分であるため、この最小幅部分全体を摩擦攪拌処理すれば、十分な耐熱疲労強度が得られることになる。
【０００８】
しかしながら、上記回転工具の突出部の外径を大きくすると材料との接触面積の増加により処理負荷の増大を招くため、処理装置の能力との関係でその大きさには限界があり、このため、ポート開口縁間最短距離が回転工具の突出部の最大径（処理装置の能力が限界となる径）の２倍（誤差等を考慮すると、１．７倍程度が望ましい）を越える場合には、そのポート開口間部において回転工具を往復動させるだけでは、該ポート開口間部における最小幅部分全体を処理することはできず、この結果、その最小幅部分に非処理部分（非改質部分）が生じて、十分な耐熱疲労強度が得られなくなる。
【０００９】
そこで、このようなポート開口間部においては、回転工具を片道３回移動させる（往復動に加えて１回往動させる）ことで非処理部分をなくすようにすることが考えられるが、こうすると、処理長が長くなるとともに、処理経路設定上の自由度が低下し、この結果、生産性の低下を招くという問題がある。
【００１０】
一方、回転工具の突出部の外径を、現在使用している処理装置の能力を超えて大きくしようとすると、処理装置等の設備を変更しなければならず、このようにすると、多大なコストアップを招いてしまう。
【００１１】
本発明は斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、上記のようにポート開口間部の表面部を、回転工具を用いた摩擦攪拌処理により改質する場合に、生産性の低下や多大なコストアップを招くことなく、ポート開口間部における最小幅部分に非処理部分が生じるのを抑制しようとすることにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、この発明では、ポート開口間部におけるポート開口縁間最短距離が所定値（例えば、回転工具の突出部の最大径（処理装置の能力との関係で限界となる径）の１．７倍程度の値）以下である場合には、該ポート開口間部における摩擦攪拌処理の経路の往路及び復路を、該往路及び復路での摩擦攪拌処理による両改質領域が互いに幅方向で一部重複するように設定する一方、ポート開口間部におけるポート開口縁間最短距離が上記所定値よりも大きい場合には、該ポート開口間部における往路及び復路を、該往路及び復路での摩擦攪拌処理による両改質領域が互いに幅方向に離隔するように設定しておき、シリンダヘッドにおける少なくともポート開口間部の表面部を、上記処理経路に従って摩擦攪拌処理を施すことで改質し、その後、上記ポート開口縁間最短距離が所定値よりも大きいポート開口間部における上記両改質領域の間に、部品装着用穴を形成するようにした。
【００１３】
具体的には、請求項１の発明では、エンジン用の軽合金製シリンダヘッドにおける少なくともポート開口間部の表面部を、回転工具を用いた摩擦攪拌処理により改質する表面処理方法を対象とする。
【００１４】
そして、予め、上記摩擦攪拌処理の経路として、処理開始位置から終了位置まで連続しかつ上記ポート開口間部において往路と復路とを有する処理経路パターンを設定するとともに、上記ポート開口間部におけるポート開口縁間最短距離が所定値以下である場合には、上記往路及び復路を、該往路及び復路での摩擦攪拌処理による両改質領域が互いに幅方向で一部重複するように設定する一方、上記ポート開口間部におけるポート開口縁間最短距離が上記所定値よりも大きい場合には、上記往路及び復路を、該往路及び復路での摩擦攪拌処理による両改質領域が互いに幅方向に離隔するように設定しておき、上記シリンダヘッドにおける少なくともポート開口間部の表面部を、上記処理経路パターンに従って摩擦攪拌処理を施すことで改質し、その後、上記ポート開口縁間最短距離が所定値よりも大きいポート開口間部における上記両改質領域の間に、部品装着用穴を形成するようにする。
【００１５】
このことにより、予め設定しておいた処理経路パターンに従って摩擦攪拌処理を施すと、ポート開口縁間最短距離が所定値以下であるポート開口間部においては、両改質領域が互いに幅方向で一部重複するので、該ポート開口間部における最小幅部分全体を確実に処理することができる。一方、ポート開口縁間最短距離が上記所定値よりも大きいポート開口間部においては、両改質領域が互いに幅方向に離隔しているので、該ポート開口間部における最小幅部分の幅方向中央部に非処理部分（非改質部分）が生じることになるが、該非処理部分は、部品装着用穴が形成されることで取り除かれる。したがって、ポート開口縁間最短距離が所定値よりも大きいポート開口間部において、非処理部分をなくすべく回転工具を片道３回移動させる必要はなくなり、処理長が長くなるのを防止することができる。また、現在使用している処理装置等の設備を変更してまで回転工具の突出部の外径を大きくする必要もない。よって、生産性の低下や多大なコストアップを招くことなく、ポート開口間部における最小幅部分に非処理部分が生じるのを抑制することができる。また、回転工具の突出部の外径を比較的小さくすることができ、これにより、処理負荷を小さくすることができて、処理品質を安定させることができる。尚、部品装着用穴に装着する部品としては、グロープラグ（ディーゼルエンジン）や、燃焼状態を検出するための圧力センサー等が挙げられる。
【００１６】
請求項２の発明では、請求項１の発明において、シリンダヘッドは、一対の吸気ポート開口と一対の排気ポート開口とを有し、上記４つのポート開口は、平面視で四角形の頂点にそれぞれ位置しかつ両吸気ポート開口同士及び両排気ポート開口同士が上記四角形の周方向に互いに隣接するように配設されており、処理経路パターンを、上記一対の排気ポート開口の間にある排気ポート開口間部における往路が上記四角形の外側から内側に向かいかつ復路が上記四角形の内側から外側に向かう一方、他の３つのポート開口間部における往路が上記四角形の内側から外側に向かいかつ復路が上記四角形の外側から内側に向かうとともに、上記４つのポート開口間部の往路及び復路うち上記排気ポート開口間部における往路が最初に処理されかつその復路が最後に処理されるように設定するようにする。
【００１７】
このことで、一対の排気ポート開口の間にある排気ポート開口間部における往路が最初に処理され、続いて、他の３つのポート開口間部（一方の吸気ポート開口と一方の排気ポート開口との間及び他方吸気ポート開口と他方の排気ポート開口との間にそれぞれある２つの吸気排気ポート開口間部、並びに一対の吸気ポートの間にある吸気ポート開口間部）における往路及び復路が処理され、最後に上記排気ポート開口間部における復路が処理されることになる。この結果、ポート開口間部の表面処理による変形を防止することができる。すなわち、特に処理経路の最後に近い部分では、その手前の部分よりも熱による温度上昇が激しくてヤング率の低下により変形が生じ易くなる。一方、吸気ポートは、通常、排気ポートに比べて断面積が大きいため、両側にある２つのポート開口のうち少なくとも１つが吸気ポート開口であるポート開口間部の肉厚は排気ポート開口間部よりも小さくて剛性が低い。このため、この剛性が低いポート開口間部が最後に処理されると、変形が生じる可能性が極めて高くなる。しかし、この発明では、両側にある２つのポート開口のうち少なくとも１つが吸気ポート開口であるポート開口間部が最後に処理されることはなく、剛性が高くて変形が生じ難い排気ポート開口間部が最後に処理されるので、ポート開口間部の表面処理による変形を有効に防止することができる。
【００１８】
請求項３の発明は、軽合金からなり、少なくともポート開口間部の表面部が、回転工具を用いた摩擦攪拌処理による表面処理により改質されたエンジン用シリンダヘッドの発明である。
【００１９】
そして、この発明では、上記摩擦攪拌処理の経路として設定された、処理開始位置から終了位置まで連続しかつ上記ポート開口間部において往路と復路とを有する処理経路パターンに従って摩擦攪拌処理を施すことで改質された改質部を備え、上記ポート開口間部におけるポート開口縁間最短距離が所定値以下である場合には、上記往路及び復路にそれぞれ対応する両改質部が互いに幅方向で一部重複している一方、上記ポート開口間部におけるポート開口縁間最短距離が上記所定値よりも大きい場合には、上記往路及び復路にそれぞれ対応する両改質部が互いに幅方向に離隔しており、上記ポート開口縁間最短距離が所定値よりも大きいポート開口間部における往路及び復路にそれぞれ対応する両改質部間に、部品装着用穴が形成されているものとする。
【００２０】
この発明により、請求項１の発明と同様に、低コストで高品質のシリンダヘッドを得ることができる。
【００２１】
請求項４の発明では、請求項３の発明において、一対の吸気ポート開口と一対の排気ポート開口とを備え、上記４つのポート開口は、平面視で四角形の頂点にそれぞれ位置しかつ両吸気ポート開口同士及び両排気ポート開口同士が上記四角形の周方向に互いに隣接するように配設されており、上記一対の吸気ポート開口の間にある吸気ポート開口間部におけるポート開口縁間最短距離が所定値よりも大きく設定されていて、該吸気ポート開口間部に、部品装着用穴としてのグロープラグ装着用穴が形成されているものとする。
【００２２】
このことにより、ディーゼルエンジンにおいて、グロープラグ装着用穴を非処理部分の除去に有効に利用することができる。
【００２３】
請求項５の発明では、請求項３の発明において、一対の吸気ポート開口と一対の排気ポート開口とを備え、上記４つのポート開口は、平面視で四角形の頂点にそれぞれ位置しかつ両吸気ポート開口同士及び両排気ポート開口同士が上記四角形の周方向に互いに隣接するように配設されており、処理経路パターンは、上記一対の排気ポート開口の間にある排気ポート開口間部における往路が上記四角形の外側から内側に向かいかつ復路が上記四角形の内側から外側に向かう一方、他の３つのポート開口間部における往路が上記四角形の内側から外側に向かいかつ復路が上記四角形の外側から内側に向かうとともに、上記４つのポート開口間部の往路及び復路うち上記排気ポート開口間部における往路が最初に処理されかつその復路が最後に処理されるように設定されているものとする。こうすることで、請求項２の発明と同様の作用効果を得ることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１及び図２は、本発明の実施形態に係る表面処理方法を実施するための摩擦攪拌装置を示し、この摩擦攪拌装置は、表面処理の処理対象であるアルミニウム合金等の軽金属部材１を基台（図示せず）上に載置し固定した状態で、該軽金属部材１の表面部を、回転工具２を用いた摩擦攪拌処理により改質するものである。
【００２５】
上記回転工具２は、上下方向に延びる円柱状の回転基体部２ａと、この回転基体部２ａの下端面の中心部に円柱状に下方に突出するように一体的に設けられた、該回転基体部２ａよりも小径の突出部としてのプローブ部２ｂとで構成されている。上記回転基体部２ａは、図示しないホルダによって該回転基体部２ａの中心軸回りに回転自在に支持され、このホルダは工具駆動手段３により回転駆動されるようになっている。すなわち、上記回転工具２（回転基体部２ａ及びプローブ部２ｂ）は、工具駆動手段３によって回転基体部２ａの中心軸回りに回転するようになっている。
【００２６】
上記工具駆動手段３は、具体的な図示は省略するが、上記ホルダを介して回転工具２を高速で回転（例えば、回転数７００〜１１００ｒｐｍ）させるための駆動モータと、回転工具２を軽金属部材１の表面に対して略垂直な方向（上下方向）及び該表面に略沿った方向（水平方向）とに移動させるための移動機構及び駆動モータとを備えている。そして、工具駆動手段３を駆動することにより、高速回転状態にある回転工具２のプローブ部２ｂを軽金属部材１内に、該部材１表面と略垂直方向（軽金属部材１の深さ方向）に進入させ、この進入状態で回転工具２を部材１表面に略沿って例えば４００〜５５０ｍｍ／ｍｉｎの速度で移動させるようになっている。
【００２７】
尚、このように回転工具２を上下方向及び水平方向に移動させる代わりに、軽金属部材１を固定した基台の側を駆動して、回転工具２に対して相対的に上記のような移動を行わせるようにしてもよい。
【００２８】
上記回転工具２のプローブ部２ｂの先端面は、本実施形態では、球面状の丸みを有しているが、平面状のものであってもよい。また、図３に示すように、外周部に雄ネジ状のネジ溝が螺設されたものであってもよく、プローブ部２ｂとしては、種々の形態のものを用いることができる。
【００２９】
上記摩擦攪拌装置による表面処理方法では、高速で回転する回転工具２の下部（回転基体部２ａの下面及びプローブ部２ｂ）を上記軽金属部材１の表面に当接させ押圧させながら、その軽金属部材１内にプローブ部２ｂを進入させ、その際に発生する摩擦熱により、部材１表面部の回転工具２当接部分ないしその近傍領域を軟化させて塑性流動層１ａ（図２参照）を生じせしめ、その塑性流動層１ａを回転工具２の攪拌作用により非溶融状態で攪拌する。そして、その後に塑性流動層１ａが冷却凝固することで改質され、その周囲の部分に比して緻密で硬度の高い金属組織となる。そして、回転工具２を軽金属部材１の表面に沿って移動させることで、その移動経路上の表面部が回転工具２のプローブ部２ｂの径と略同じ幅で改質されていくことになる。
【００３０】
図４は、上記回転工具２を用いた摩擦攪拌処理による表面処理によりポート開口間部１３（バルブブリッジ部）の表面部が改質されたシリンダヘッド１０の要部を示し、このシリンダヘッド１０は、ディーゼルエンジン用のものであって、軽合金（アルミニウム合金）からなっており、燃焼室側の面に開口された４つのポート開口１１，１１，…、つまり一対の吸気ポート開口１１ａ，１１ａと一対の排気ポート開口１１ｂ，１１ｂとを備えている。
【００３１】
上記４つのポート開口１１，１１，…は、平面視で四角形の頂点にそれぞれ位置しかつ両吸気ポート開口１１ａ，１１ａ同士及び両排気ポート開口１１ｂ，１１ｂ同士が上記四角形の周方向に互いに隣接するように配設されている。この結果、４つのポート開口間部１３，１３，…、つまり、一対の吸気ポート開口１１ａ，１１ａの間にある１つの吸気ポート開口間部１３ａ、一方の吸気ポート開口１１ａと一方の排気ポート開口１１ｂとの間及び他方の吸気ポート開口１１ａと他方の排気ポート開口１１ｂとの間にそれぞれある２つの吸気排気ポート開口間部１３ｂ，１３ｂ、並びに一対の排気ポート開口１１ｂ，１１ｂの間にある１つの排気ポート開口間部１３ｃが存在することになる。尚、上記各ポート開口１１の周縁部には、バルブが当接する鉄系のバルブシート（図示せず）が固定されるようになっている。
【００３２】
上記各ポート開口間部１３におけるポート開口縁間最短距離（ポート開口間部１３両側の２つのポート開口１１のうち一方のポート開口縁から他方のポート開口縁までの最短距離（バルブブリッジ最小幅））については、吸気ポート開口間部１３ａが最も大きく、吸気排気ポート開口間部１３ｂが２番目に大きく、排気ポート開口間部１３ｃが最も小さい。そして、上記吸気ポート開口間部１３の最小幅部分の幅方向中央部には、部品装着用穴としてのグロープラグ装着用穴１５が形成されている。このグロープラグ装着用穴１５は、シリンダヘッド１０表面と垂直な方向に対して斜め方向に延び、その開口形状は楕円形状をなしており、この楕円の長軸は、平面視で２つの吸気ポート開口１１ａ，１１ａの中心同士を結ぶ線と垂直な線に対して所定角度だけ斜め方向を向いている。
【００３３】
また、上記四角形の中心部は、このシリンダヘッド１０が組み付けられるシリンダブロックに形成されたシリンダ３０（図４において二点鎖線で示す）の中心位置に相当し、ここには、燃料噴射弁装着用穴１６が形成されている。尚、図４中、１７は、シリンダヘッド１０とシリンダブロックとを結合するためのボルト挿通用穴である。
【００３４】
上記各ポート開口間部１３の表面部は、上記回転工具２を用いた摩擦攪拌処理により改質されている。すなわち、上記摩擦攪拌処理の経路として後述のように設定された、処理開始位置から終了位置まで連続しかつ上記各ポート開口間部１３においてその両側にある両ポート開口１１の中心同士を結ぶ線に対して略垂直な往路と復路とを有する処理経路パターンに従って摩擦攪拌処理を施すことで改質された改質部２０（図５及び図６参照）を備えている。そして、上記吸気ポート開口間部１３ａにおける往路及び復路にそれぞれ対応する両改質部２０ａ，２０ａは、図５に示すように、互いに幅方向に離隔している一方、吸気ポート開口間部１３ａを除く他の３つのポート開口間部１３ｂ，１３ｂ，１３ｃにおける往路及び復路にそれぞれ対応する両改質部２０ｂ，２０ｂは、図６に示すように、互いに幅方向で一部重複しており、上記吸気ポート開口間部１３ａにおける往路及び復路にそれぞれ対応する両改質部２０ａ，２０ａ間に、上記グロープラグ装着用穴１５が形成されている。
【００３５】
次に、上記シリンダヘッド１０におけるポート開口間部１３の表面部を、上記回転工具２を用いた摩擦攪拌処理により改質する表面処理方法について図７により説明する。尚、この摩擦攪拌処理は、シリンダヘッド１０の鋳造後であって各ポート開口１１の周縁部の仕上加工や燃料噴射弁装着用穴１６及びボルト挿通用穴１７の形成加工前に行うため、各ポート開口１１の形状等は完成品とは異なる（完成後の各ポート開口１１及びボルト挿通用穴１７を図７に二点鎖線で示す）。
【００３６】
先ず、上記した処理経路パターンを設定する。具体的には、処理開始位置を排気ポート開口間部１３ｃに設定し、処理終了位置を、その排気ポート開口間部１３ｃの近傍に位置するボルト挿通用穴１７の位置とする。尚、処理終了位置は、このようにボルト挿通用穴１７の位置にする必要はないが、表面処理終了後に、機械加工等により除去する部分が望ましい。
【００３７】
そして、処理経路パターンを、排気ポート開口間部１３ｃにおける往路が上記四角形の外側から内側（中心部）に向かいかつ復路が上記四角形の内側から外側に向かう一方、他の３つのポート開口間部１３ｂ，１３ｂ，１３ｃにおける往路が上記四角形の内側から外側に向かいかつ復路が上記四角形の外側から内側に向かうとともに、上記４つのポート開口間部１３，１３，…の往路及び復路うち上記排気ポート開口間部１３ｃにおける往路が最初に処理されかつその復路が最後に処理されるように設定する。より詳細には、処理開始位置から、排気ポート開口間部１３ｃの往路、一方の吸気排気ポート開口間部１３ｂの往路及び復路、吸気ポート開口間部１３ａの往路及び復路、他方の吸気排気ポート開口間部１３ｂの往路及び復路、並びに上記排気ポート開口間部１３ｃの復路の順に処理されて、この排気ポート開口間部１３ｃの復路に続いて終了位置へ向かう経路とする。
【００３８】
この実施形態では、上記吸気ポート開口間部１３ａにおけるポート開口縁間最短距離（完成後）は、上記回転工具２のプローブ部２ｂの最大径（処理装置の能力との関係で限界となる径）の１．７倍の値よりも大きい一方、吸気ポート開口間部１３ａを除く他の３つのポート開口間部１３ｂ，１３ｂ，１３ｃにおけるポート開口縁間最短距離は、上記プローブ部２ｂの最大径の１．７倍の値以下となっている。そして、上記吸気ポート開口間部１３ａにおける往路及び復路を、該往路及び復路での摩擦攪拌処理による両改質領域（吸気ポート開口間部１３ａにおける往路及び復路にそれぞれ対応する両改質部２０ａ，２０ａ）が互いに幅方向に離隔するように設定する一方、他の３つのポート開口間部１３ｂ，１３ｂ，１３ｃにおける往路及び復路を、該往路及び復路での摩擦攪拌処理による両改質領域（他の３つのポート開口間部１３ｂ，１３ｂ，１３ｃにおける往路及び復路にそれぞれ対応する両改質部２０ｂ，２０ｂ）が互いに幅方向で一部重複するように設定する。すなわち、吸気ポート開口間部１３ａにおいては、最小幅部分の幅方向中央部に非処理部分（非改質部分）が存在しかつその両側（ポート開口１１側）に改質領域が存在するようにし、他の３つのポート開口間部１３ｂ，１３ｂ，１３ｃにおいては、最小幅部分全体が改質領域となるようにする。
【００３９】
続いて、上記シリンダヘッド１０の表面部（シリンダブロック側の表面部）を、上記設定した処理経路パターンに従って摩擦攪拌処理を施すことで改質する。これにより、上記表面部に、平面視でシリンダ３０の中心位置に相当する位置から四方に延びる十字状に改質部２０が形成される。そして、上記吸気ポート開口間部１３ａにおいては、往路及び復路にそれぞれ対応する両改質部２０ａ，２０ａが互いに幅方向に離隔している（図７中、２１がその両改質部２０ａ，２０ａの間の非処理部分である）一方、他の３つのポート開口間部１３ｂ，１３ｂ，１３ｃにおいては、往路及び復路にそれぞれ対応する両改質部２０ｂ，２０ｂが互いに幅方向で一部重複している（図７中、２２がその両改質部２０ｂ，２０ｂの重複部分である）。この結果、吸気ポート開口間部１３ａにおいては、最小幅部分の幅方向中央部に、非処理部分が生じる一方、吸気排気ポート開口間部１３ｂ及び排気ポート開口間部１３ｃにおいては、最小幅部分全体が改質される（最小幅部分の幅方向中央部は重複して処理される）ことになる。
【００４０】
次いで、機械加工により、上記吸気ポート開口間部１３ａにおける往路及び復路にそれぞれ対応する両改質部２０ａ，２０ａ間（最小幅部分の幅方向中央部）に、グロープラグ装着用穴１５を形成して、該両改質部２０ａ，２０ａ間の非処理部分を除去するとともに、各ポート開口１１を所定の形状に仕上げる。また、燃料噴射弁装着用穴１６やボルト挿通用穴１７等を形成したり他の必要な仕上げ加工を施したりする。尚、複数気筒ある場合には、各気筒毎に、上記表面処理やグロープラグ装着用穴１５等の形成を繰り返す。
【００４１】
したがって、上記実施形態では、吸気ポート開口間部１３ａにおける往路及び復路にそれぞれ対応する両改質部２０ａ，２０ａ間に非処理部分が生じるが、この非処理部分は、最小幅部分においてグロープラグ装着用穴１５の形成により除去されるので、基本的には、吸気排気ポート開口間部１３ｂ及び排気ポート開口間部１３ｃと同様に、最小幅部分においては全体が改質されたことになる。この結果、例えば図１１に示すように、吸気ポート開口間部１３ａにおいて、上記実施形態のような往路及び復路に加えて、その両路の中央部を通るもう１つの往路を設定して、非処理部分をなくすべく回転工具２を片道３回移動させるようにする必要はない。これにより、処理長つまり処理時間が長くならずに済む。また、現在使用している処理装置等の設備を変更してまで回転工具２のプローブ部２ｂの外径を大きくする必要もない。よって、生産性の低下や多大なコストアップを招くことなく、全てのポート開口間部１３，１３，…における最小幅部分に非処理部分が生じるのを抑制することができる。また、回転工具２のプローブ部２ｂの外径を比較的小さくすることができ、これにより、処理負荷を小さくすることができて、処理品質を安定させることができる。
【００４２】
また、上記実施形態では、４つのポート開口間部１３，１３，…のうち排気ポート開口間部１３ｃを最後に処理するようにしたので、各ポート開口間部１３の表面処理による変形を防止することができる。すなわち、特に処理経路の最後に近い部分では、その手前の部分よりも熱による温度上昇が激しくてヤング率の低下により変形が生じ易くなる。一方、吸気ポートは、通常、排気ポートに比べて断面積が大きいため、吸気ポート開口間部１３ａ及び吸気排気ポート開口間部１３ｂの肉厚は排気ポート開口間部１３ｃよりも小さくて剛性が低い。このため、この剛性が低いポート開口間部１３ａ，１３ｂが最後に処理されると、変形が生じる可能性が高くなる。とりわけ吸気ポート開口間部１３ａが最後に処理されると、変形が生じる可能性が極めて高くなる。しかし、上記実施形態では、剛性が高くて変形が生じ難い排気ポート開口間部１３ｃを最後に処理するようにしているので、各ポート開口間部１３の表面処理による変形を有効に防止することができる。
【００４３】
尚、上記のように４つのポート開口間部１３，１３，…のうち排気ポート開口間部１３ｃを最後に表面処理する必要は必ずしもなく、例えば図８に示すように、一方の吸気排気ポート開口間部１３ｂを最後に処理するようにしてもよい。この場合、その排気ポート開口間部１３ｂにおける往路を吸気ポート開口１１ａ側とし、復路を排気ポート開口１１ｂ側とするのがよい。また、吸気ポート開口間部１３ａの肉厚が十分にあって、上記のような変形の問題がなければ、吸気ポート開口間部１３ａを最後に処理するようにしてもよい。
【００４４】
また、上記実施形態では、吸気ポート開口間部１３ａにおける往路及び復路にそれぞれ対応する両改質部２０ａ，２０ａを互いに幅方向に離隔するようにしたが、ポート開口縁間最短距離が所定値（上記実施形態では、回転工具２のプローブ部２ｂの最大径の１．７倍の値）よりも大きいポート開口間部において、往路及び復路にそれぞれ対応する両改質部を互いに幅方向に離隔するようにすればよく、その両改質部間に部品装着用穴を形成すればよい。この部品装着用穴に装着する部品としては、上記したグロープラグの他に、燃焼状態を検出するための圧力センサー等が挙げられる。
【００４５】
さらに、本発明は、ディーゼルエンジン用シリンダヘッドに限らず、ガソリンエンジン用シリンダヘッドにも適用することもできる。この場合、部品装着用穴に装着する部品としては、燃焼状態を検出するための圧力センサーやその他のセンサー等が挙げられる。
【００４６】
加えて、シリンダヘッドは、燃焼室側の表面に少なくとも１つのポート開口間部が存在する軽合金製のものであればよく、少なくともそのポート開口間部の表面部を改質する場合に本発明を適用することができる。
【００４７】
【実施例】
次に、具体的に実施した実施例について説明する。
【００４８】
（実施例１）
上記実施形態１と同様にして、アルミニウム合金からなるシリンダヘッドの表面部を摩擦攪拌処理により改質した。このとき、吸気ポート開口間部におけるバルブブリッジ最小幅は、１２．８ｍｍであり、吸気排気ポート開口間部におけるバルブブリッジ最小幅は、１１．０ｍｍであり、排気ポート開口間部におけるバルブブリッジ最小幅は、１０．０ｍｍであった。一方、回転工具のプローブ部は、図９に示すように、外径７ｍｍ、長さ４．４ｍｍとし、その先端に、半径６ｍｍの球面状の丸みを形成した。このプローブ部の外径は、本実施例に用いる処理装置の能力の限界に近い値である。したがって、吸気ポート開口間部におけるバルブブリッジ最小幅は、回転工具のプローブ部の最大径の１．７倍の値よりも大きく、他のポート開口間部におけるバルブブリッジ最小幅は、プローブ部の直径の１．７倍の値以下となっている。
【００４９】
尚、上記アルミニウム合金は、具体的には、アルミニウム合金鋳物ＡＣ４Ｄ（ＪＩＳ  Ｈ５２０２）であり、その組成は以下の表１の通りである（数値は質量百分率である）。
【００５０】
【表１】
0003690389.tif 000002
【００５１】
そして、上記実施形態１と同じ処理経路パターンに従って摩擦攪拌処理を施した。この処理経路パターンの各ポート開口間部における往路と復路との中心線間隔は、吸気ポート開口間部では７．５ｍｍとし、他のポート開口間部では６．０ｍｍとした。これにより、吸気ポート開口間部においては、往路及び復路にそれぞれ対応する両改質部は互いに幅方向に離隔し（両改質部間の隔たり量は０．５ｍｍとなる）、他のポート開口間部においては、互いに幅方向で一部重複する（両改質部の重複量は１ｍｍとなる）。また、回転工具の回転数は９００ｒｐｍとし、回転工具のシリンダ表面に略沿った送り速度（水平方向の移動速度）は５００ｍｍ／ｍｉｎとした。
【００５２】
上記シリンダヘッドの全ポート開口間部を切断して顕微鏡にてミクロ組織観察を行ったところ、内部未充填欠陥が存在しない健全な改質層が確認された。また、その改質層の深さ（平均値）を調べたところ、吸気ポート開口間部では２．８６ｍｍ、排気ポート開口間部では３．１２ｍｍ、先に処理を行った吸気排気ポート開口間部では２．９５ｍｍ、後に処理を行った吸気排気ポート開口間部では３．０８ｍｍであり、良好であった。尚、後に処理するほど熱の影響を受けて処理深さが大きくなることが判る。
【００５３】
（実施例２）
実施例１とは、処理経路パターンのみを異ならせて、実施例１と同じシリンダヘッドの表面部を摩擦攪拌処理により改質した。この処理経路パターンは、図８に示したものと同じであり、各ポート開口間における往路と復路との中心線間隔は実施例１と同じである。
【００５４】
上記シリンダヘッドの全ポート開口間部を切断して顕微鏡にてミクロ組織観察を行ったところ、実施例１と同様に、内部未充填欠陥が存在しない健全な改質層が確認された。
【００５５】
尚、この実施例２では、吸気排気ポート開口間部の復路から処理終了位置（実施例１と同じ）までの経路が実施例１よりも長くなるために、処理時間が約２５％増大したが、この処理時間は、処理終了位置を変更することで短縮することは可能であり、問題とはならない。
【００５６】
（比較例１）
実施例１とは、処理経路パターンのみを異ならせて、実施例１と同じシリンダヘッドの表面部を摩擦攪拌処理により改質した。この処理経路パターンは、図１１に示したものと同じであり、吸気ポート開口間部の非処理部分をなくすべく回転工具を片道３回移動させるものである。尚、この比較例１の処理経路パターンの処理開始位置は、シリンダの中心に相当する位置であり、処理終了位置は、吸気ポート開口間部の近傍に位置するボルト挿通用穴の位置である。
【００５７】
上記シリンダヘッドの全ポート開口間部を切断して顕微鏡にてミクロ組織観察を行ったところ、実施例１と同様に、内部未充填欠陥が存在しない健全な改質層が確認された。
【００５８】
しかしながら、処理時間は、実施例１に比べて約１１％増加した。この結果、この比較例の処理経路パターンでは、生産性が低くなることが判る。
【００５９】
（比較例２）
図１０に示すように、回転工具のプローブ部の外径を８ｍｍに変更して、吸気ポート開口間部においても、往路及び復路にそれぞれ対応する両改質部を互いに幅方向で一部重複させようとしたところ、回転工具を水平方向に移動開始させた瞬間に、過負荷により当該移動用の駆動モータが停止してしまい、表面処理を行うことはできなかった。この結果、回転工具のプローブ部の外径を８ｍｍに変更して表面処理を可能にするためには、処理装置等の設備の変更が必要であることが判る。
【００６０】
したがって、上記実施例１及び２のように、バルブブリッジ最小幅が回転工具のプローブ部の最大径の１．７倍の値よりも大きい吸気ポート開口間部も、他のポート開口間部と同様に、回転工具の１回の往復動で処理するようにすれば、生産性の低下や多大なコストアップを招くことなく、健全な改質層が得られることが判る。一方、吸気ポート開口間部には非処理部分が生じるが、この非処理部分は、上記実施形態で説明したように、グロープラグ装着用穴として除去されるので、耐熱疲労強度は高いレベルに維持できることになる。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、ポート開口間部におけるポート開口縁間最短距離が所定値以下である場合には、該ポート開口間部における摩擦攪拌処理の経路の往路及び復路を、該往路及び復路での摩擦攪拌処理による両改質領域が互いに幅方向で一部重複するように設定する一方、ポート開口間部におけるポート開口縁間最短距離が上記所定値よりも大きい場合には、該ポート開口間部における往路及び復路を、該往路及び復路での摩擦攪拌処理による両改質領域が互いに幅方向に離隔するように設定しておき、シリンダヘッドにおける少なくともポート開口間部の表面部を、上記処理経路に従って摩擦攪拌処理を施すことで改質し、その後、上記ポート開口縁間最短距離が所定値よりも大きいポート開口間部における上記両改質領域の間に、部品装着用穴を形成するようにしたことにより、生産性の低下や多大なコストアップを招くことなく、ポート開口間部における最小幅部分に非処理部分が生じるのを抑制することができ、しかも、処理品質の安定化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る表面処理方法を実施するための摩擦攪拌装置を概略的に示す斜視図である。
【図２】回転工具のプローブ部近傍の断面図である。
【図３】回転工具のプローブ部の変形例を示す正面図である。
【図４】回転工具を用いた摩擦攪拌処理による表面処理により少なくともポート開口間部の表面部が改質されたシリンダヘッドの要部を示す平面図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ線断面図である。
【図６】図４のVI−VI線断面図である。
【図７】摩擦攪拌処理時のシリンダヘッドの要部及び処理経路パターンを示す平面図である。
【図８】処理経路パターンの変形例を示す図７相当図である。
【図９】実施例１及び２並びに比較例１で用いた回転工具のプローブ部を示す寸法図である。
【図１０】比較例２で用いた回転工具のプローブ部を示す寸法図である。
【図１１】吸気ポート開口間部において回転工具を片道３回移動させる場合の処理経路パターンの一例を示す図７相当図である。
【符号の説明】
１  軽金属部材
２  回転工具
１０  シリンダヘッド
１３  ポート開口間部
１５  グロープラグ装着用穴
２０  改質部
【図１】
0003690389.tif 000003
【図２】
0003690389.tif 000004
【図３】
0003690389.tif 000005
【図４】
0003690389.tif 000006
【図５】
0003690389.tif 000007
【図６】
0003690389.tif 000008
【図７】
0003690389.tif 000009
【図８】
0003690389.tif 000010
【図９】
0003690389.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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