(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダブロックの鋳造工程に続いて、前記シリンダブロックのシリンダボアに対し溶射ガンを回転させつつ軸方向に往復移動させて前記シリンダボアの内面に溶射皮膜を形成する溶射工程を行うシリンダブロックの製造方法であって、
前記溶射工程において、溶射時での熱の付与によって前記シリンダブロックに蓄積される内部応力が低減するように、前記シリンダブロックに付与される熱と前記シリンダブロックから放出される熱との少なくともいずれか一方を制御することを特徴とするシリンダブロックの製造方法。
【請求項２】
前記シリンダブロックに付与される熱と前記シリンダブロックから放出される熱との少なくともいずれか一方を制御する際に、前記溶射ガンの前記シリンダボア内での軸方向の移動速度と、前記溶射ガンの前記シリンダボア内での往復移動回数との相対的な関係を、前記溶射皮膜の膜厚を一定に確保しつつ前記溶射皮膜を形成するときの前記シリンダブロックが溶射熱を受ける割合が低くなるように設定することを特徴とする請求項１に記載のシリンダブロックの製造方法。
【請求項３】
前記シリンダブロックに付与される熱と前記シリンダブロックから放出される熱との少なくともいずれか一方を制御する際に、前記溶射ガンの回転数と、前記溶射ガンの前記シリンダボア内での軸方向の移動速度との相対的な関係を、前記溶射皮膜を形成するときの前記シリンダブロックが溶射熱を受ける割合が低くなるように設定することを特徴とする請求項１に記載のシリンダブロックの製造方法。
【請求項４】
前記シリンダブロックに付与される熱と前記シリンダブロックから放出される熱との少なくともいずれか一方を制御する際に、前記シリンダブロックを冷却することを特徴とする請求項１に記載のシリンダブロックの製造方法。
【請求項５】
前記シリンダブロックのウォータジャケットを冷却することを特徴とする請求項４に記載のシリンダブロックの製造方法。
【請求項６】
前記シリンダブロックの軸方向中央部を冷却することを特徴とする請求項４に記載のシリンダブロックの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリンダボア内面に溶射皮膜を形成するシリンダブロックの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の出力、燃費、排気性能向上あるいは小型、軽量化といった観点から、アルミシリンダブロックのシリンダボア部に適用しているシリンダライナを廃止することへの設計要求は極めて高い。その要求に対応する代替技術の一つとして、アルミシリンダボア内面に鉄系材料からなる溶射皮膜を形成する溶射技術の適用が進められている（下記特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２９１３３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、溶射皮膜を形成する際には、溶射ガンの先端側に溶射用材料として鉄系材料からなるワイヤを供給し、このワイヤをプラズマアークなどの熱源により加熱して溶融させた溶滴を、シリンダボア内面に向け噴出して付着させる。このため、シリンダブロックは溶射時に加熱されて温度上昇し、内部応力が蓄積された状態となる。【０００５】
そして、この内部応力が蓄積された状態のシリンダブロックに対し、前加工としてシリンダブロックの外形などに対して機械加工を行うと、蓄積されている内部応力が解放される結果、シリンダブロック全体に変形が発生する。このため、その後の仕上加工における加工作業は、変形を修正する必要が生じて煩雑なものとなる。
【０００６】
そこで、本発明は、溶射皮膜を形成する際のシリンダブロックの温度上昇を抑えることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、シリンダブロックの鋳造工程に続いて、前記シリンダブロックのシリンダボアに対し溶射ガンを回転させつつ軸方向に往復移動させて前記シリンダボアの内面に溶射皮膜を形成する溶射工程を行うシリンダブロックの製造方法であって、前記溶射工程において、溶射時での熱の付与によって前記シリンダブロックに蓄積される内部応力が低減するように、前記シリンダブロックに付与される熱と前記シリンダブロックから放出される熱との少なくともいずれか一方を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、シリンダブロックに対し付与される熱と放出される熱との少なくともいずれか一方の温度を、シリンダブロックに蓄積される内部応力が低減するように制御することで、溶射後の加工作業での内部応力が解放されることによるシリンダブロック全体の変形も小さく抑えることができ、その後の仕上加工作業が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態に係わるシリンダブロックの断面図である。
【図２】図２は、図１のシリンダブロックの製造工程図である。
【図３】図３は、図１のシリンダブロックのシリンダボア内面に溶射皮膜を形成している状態を示す作用説明図である。
【図４】図４は、第３の実施形態による図３に対応する作用説明図である。
【図５】図５は、溶射時でのシリンダブロックに対して気体の吹き付けによる冷却を行っている状態を示す作用説明図である。
【図６】図６は、溶射時でのシリンダブロックの時間経過に伴う温度変化を、冷却を実施した場合（実線）と実施しない場合（破線）とを比較して示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１１】
［第１の実施形態］
図１に示す自動車用Ｖ型エンジンのシリンダブロック１は、アルミニウム合金製であり、そのシリンダボア３の内面に、溶射皮膜５を形成して耐磨耗性などの特性を高めている。溶射皮膜５を形成する手法は、従来からよく知れているもので、溶射ガン７をシリンダボア３内に回転させながら挿入して軸方向に往復移動させ、溶射ガン７の先端のノズル部９から溶滴１０を噴出してシリンダボア３の内面に付着させる。ノズル部９には、溶射ガン７の外部から溶射用材料となる鉄系材料からなる図示しないワイヤを順次供給し、このワイヤをプラズマアークなどの熱源によって溶融させて溶滴１０を発生させる。
【００１２】
シリンダブロック１のクランクケース１１側の下面には、図示しないベアリングキャップをボルトによって締結固定する。ベアリングキャップは、シリンダブロック１との間で、それらのべアリング部によって、図示しないクランクシャフトを回転可能に支持する。
【００１３】
クランクケース１１のシリンダブロック１と反対側の下面には、図示しないオイルパンが取り付けられ、シリンダブロック１のクランクケース１１と反対側の上面には、図示しないシリンダヘッドが取り付けられる。
【００１４】
このようなリンダブロック１の製造工程を図２に示す。鋳造工程１３でシリンダブロック１を鋳造加工した後、溶射工程１５でシリンダボア３の内面に対して溶射皮膜５を形成する。溶射工程１５の後は、前加工工程１７として、シリンダブロック１の外形の機械加工を行ってから、リークテスト１９を実施する。
【００１５】
リークテスト１９は、ウォータジャケット２１内の冷却水漏れと、クランクケース１１内の潤滑油漏れに関する液体漏れ検査である。このリークテスト１９は従来からよく知られているもので、例えばウォータジャケット２１内やクランクケース１１内を密閉した状態で加圧し、所定時間経過後のウォータジャケット２１内やクランクケース１１内の内圧が規定値以上となっているか否かを判断する。
【００１６】
リークテスト１９の後は、シリンダブロック１に、ベアリングキャップ組付工程２３で図示しないベアリングキャップを取り付け、最後に仕上加工工程２５で仕上加工を実施する。仕上加工工程２５は、シリンダボア３の内面に形成してある溶射皮膜５に対するホーニング加工を含む。
【００１７】
ところで、シリンダブロック１は、上記図２に示した製造工程の溶射工程１５での溶射時に発生する熱により加熱されて温度上昇し、内部応力が蓄積された状態となる。内部応力が蓄積された状態のシリンダブロック１に対し、溶射後の前加工工程１７でシリンダブロック１の外形の機械加工を行うと、内部応力が解放されてシリンダブロック全体に変形が発生し、その後の仕上加工工程２５での加工作業が煩雑なものとなる。
【００１８】
上記したシリンダブロック１の変形としては、クランクケース１１と反対側の上端面が全体的に凹んだり、シリンダボア３の断面が円形に対して楕円あるいは長円形となる場合がある。シリンダブロック１の上端面が凹んだ場合には、該上端面を平坦面に修正加工する必要が生じ、シリンダボア３の断面の変形に対しては仕上げのホーニング加工で断面が円形に修正加工する必要が生じる。断面が円形に修正加工されたシリンダボア３は円筒形となる。特にシリンダボア３の断面形状として楕円あるいは長円形が円形となるよう修正加工するには、加工代が多くなるので、溶射皮膜をあらかじめ厚めに形成しなければならず、その分材料費も上昇する。
【００１９】
このため、本実施形態では、溶射工程１５において、図３に示すように、シリンダボア３内に溶射ガン７を回転させながら挿入してシリンダボア３の内面に溶射皮膜５を形成する際に、溶射ガン７のシリンダボア３内での矢印Ａで示す軸方向の移動速度を所定値以上の例えば２０００〜３０００ｍｍ／ｍｉｎとする。
【００２０】
シリンダブロック１に対する溶射時の入熱量（シリンダブロック１が単位時間当たりの単位体積当たりに受ける熱量）は、溶射ガン７の軸方向の移動速度が速いほど同一距離を移動した場合に少なくなる。したがって、溶射ガン７の軸方向の移動速度を所定値以上に高めることで、溶射ガン７を例えばシリンダボア３に対して軸方向に１往復移動させたときのシリンダブロック１に対する溶射時の入熱量が減少する。すなわち、本実施形態では、シリンダボア３の内面に溶射皮膜５を形成する際に、シリンダブロック１に対する入熱量を抑えるよう調整してシリンダブロック１の温度を制御している。
【００２１】
その結果、シリンダブロック１への溶射時での入熱量をより低く抑えることができ、シリンダブロック１の温度上昇を抑えることができる。これにより、シリンダブロック１に蓄積される内部応力をより低減でき、溶射工程１５に続く前加工工程１７における加工作業での内部応力が解放されることによるシリンダブロック全体に及ぼす変形を小さく抑えることができる。シリンダブロック全体に及ぼす変形を小さく抑えることで、その後の仕上加工工程２５での加工作業が容易となる。
【００２２】
一方、上記したように溶射ガン７のシリンダボア３内への軸方向の移動速度を所定値以上に高めると、溶射ガン７を同一距離移動させたときの溶射量が少なくなってしまう。このため、本実施形態では、溶射ガン７のシリンダボア３内での軸方向の往復移動回数を所定値以上の例えば４〜７往復として多く（トータルでの移動距離を長く）することで、溶射量の減少分を補うこととする。これにより、溶射皮膜５の膜厚を一定の規定の値に確保することができる。
【００２３】
すなわち、本実施形態では、シリンダブロック１のシリンダボア３に対し溶射ガン７を回転させつつ軸方向に往復移動させてシリンダボア３の内面に溶射皮膜５を形成する際に、溶射皮膜５の膜厚を一定に確保しつつシリンダブロック１の温度を制御している。シリンダブロック１の温度を制御するということは、シリンダブロック１に付与される熱とシリンダブロック１から放出される熱との少なくともいずれか一方を制御していることになる。その際、本実施形態では、溶射ガン７のシリンダボア３内での軸方向の移動速度と、溶射ガン７のシリンダボア３内での往復移動回数との相対的な関係を、溶射皮膜５を形成するときのシリンダブロック１が溶射熱を受ける割合が低くなるように設定している。ここで、シリンダブロック１が溶射熱を受ける割合が低くなるということは、シリンダブロック１が溶射時に受ける熱量（入熱量）が少なくなることに相当する。
【００２４】
このように、本実施形態では、シリンダブロック１への溶射時での入熱量をより低く抑えることができるので、シリンダブロック１に蓄積される内部応力（残留応力）がより低減する。このため、溶射工程１５に続く前加工工程１７では、蓄積されている内部応力がより小さいことから、内部応力が解放されることによるシリンダブロック全体に及ぼす変形も小さく抑えることができ、その後の仕上加工工程２５での加工作業が容易となる。
【００２５】
なお、溶射ガン７の軸方向の移動速度を所定値以上としたときに、溶射ガン７の往復移動回数を所定値以上とすることは、溶射ガン７のシリンダボア３内での軸方向の移動速度を高めるに従って、溶射ガン７のシリンダボア３内での往復移動回数を増大させることにもなる。
【００２６】
［第２の実施形態］
第２の実施形態は、溶射工程１５において、図３に示すように、シリンダボア３内に溶射ガン７を回転させながら挿入してシリンダボア３の内面に溶射皮膜５を形成する際に、溶射ガン７の矢印Ｂで示す回転方向の回転数を所定値以上の例えば５００ｒｐｍとする。このように、溶射ガン７の回転数を所定値以上に高めて回転速度を高めることで、前記した軸方向速度を高めたときと同様に、溶射ガン７を例えばシリンダボア３に対して１回転させたときのシリンダブロック１に対する溶射時の入熱量が減少する。すなわち、本実施形態では、シリンダボア３の内面に溶射皮膜５を形成する際に、シリンダブロック１に対する入熱量を抑えるよう調整してシリンダブロック１の温度を制御している。
【００２７】
その結果、第１の実施形態と同様に、シリンダブロック１への溶射時での入熱量をより低く抑えて温度上昇を抑えることができ、シリンダブロック１に蓄積される内部応力をより低減できる。これにより、溶射工程１５に続く前加工工程１７における加工作業での内部応力が解放されることによるシリンダブロック全体に及ぼす変形を小さく抑えることができ、その後の仕上加工工程２５での加工作業が容易となる。
【００２８】
一方、上記したように溶射ガン７の回転数を所定値以上に高めると、溶射ガン７を１回転させたときの溶射量が少なくなってしまう。このため、溶射ガン７のシリンダボア３内への軸方向への移動速度を、所定値以下の例えば１０００〜１５００ｍｍ／ｍｉｎとして低下させて時間をかけることで、溶射量の減少分を補うこととする。これにより、溶射皮膜５の膜厚を一定の規定の値に確保することができる。
【００２９】
すなわち、本実施形態においても、シリンダブロック１のシリンダボア３に対し溶射ガン７を回転させつつ軸方向に往復移動させてシリンダボア３の内面に溶射皮膜５を形成する際に、溶射皮膜５の膜厚を一定に確保しつつシリンダブロック１の温度を制御している。その際、本実施形態では、溶射ガン７の回転数と、溶射ガン７のシリンダボア３内での軸方向の移動速度との相対的な関係を、溶射皮膜５の膜厚を一定に確保しつつ溶射皮膜５を形成するときのシリンダブロック１が溶射熱を受ける割合が低くなるように設定している。
【００３０】
このように、本実施形態においても、シリンダブロック１への溶射時での入熱量をより低く抑えることができるので、シリンダブロック１に蓄積される内部応力（残留応力）がより低減する。このため、溶射工程１５に続く前加工工程１７では、蓄積されている内部応力がより小さいことから、内部応力が解放されることによるシリンダブロック全体に及ぼす変形も小さく抑えることができ、その後の仕上加工工程２５での加工作業が容易となる。
【００３１】
なお、溶射ガン７の回転数を所定値以上としたときに、溶射ガン７の軸方向への移動速度を所定値以下とすることは、溶射ガン７のシリンダボア３内での回転数を増大させるに従って、溶射ガン７のシリンダボア３内での軸方向の移動速度を低下させることにもなる。
【００３２】
上記した第２の実施形態では、溶射ガン７の回転数を高める際に、溶射ガン７の軸方向の移動速度を低下させている。溶射ガン７の軸方向の移動速度を低下させると、シリンダブロック１への溶射時での入熱量が増大することになるが、溶射ガン７の回転数を高めて上記した入熱量を低下させた分が相殺されないような範囲で、溶射ガン７の軸方向の移動速度を低下させるものとする。
【００３３】
［第３の実施形態］
第３の実施形態は、溶射工程１５において、図４に示すように、シリンダボア３内に溶射ガン７を回転させながら挿入してシリンダボア３の内面に溶射皮膜５を形成する際に、シリンダブロック１を冷却する。シリンダブロック１を冷却することで、シリンダボア３の内面に溶射皮膜５を形成する際に、シリンダブロック１からの放熱量（シリンダブロック１が単位時間当たりの単位体積当たりに放出する熱量）が増大するよう調整してシリンダブロック１の温度を制御している。すなわち、本実施形態では、シリンダボア３の内面に溶射皮膜５を形成する際に、シリンダブロック１に付与される熱とシリンダブロック１から放出される熱との少なくともいずれか一方を制御して、シリンダブロック１の温度を制御している。
【００３４】
冷却方法としては、図４に示すように、シリンダブロック１におけるシリンダボア３近傍の上端面２７に、冷却水ノズル２９から吐出する冷却媒体である冷却水３１を供給する。このとき、シリンダボア３内への冷却水３１の流入を防ぐ措置を適宜講じる。冷却水３１に代えて空気などの気体を供給するエアブローを行ってもよく、その他シリンダブロック１を冷却できるのであれば、これらの冷却方法に限ることはない。冷却媒体の温度としては、２０〜５０℃程度とする。
【００３５】
シリンダブロック１を冷却することで、溶射により付与された熱を効率よく放熱させてシリンダブロック１の温度上昇を抑えることができ、シリンダブロック１に蓄積される内部応力をより低減できる。これにより、溶射工程１５に続く前加工工程１７における加工作業での内部応力が解放されることによるシリンダブロック全体に及ぼす変形を小さく抑えることができ、その後の仕上加工工程２５での加工作業が容易となる。
【００３６】
シリンダブロック１を冷却する際には、特に図５に示すようなウォータジャケット２１が形成される部位Ｐや、シリンダボア３の軸方向中央部Ｑをより集中的に冷却することが望ましい。図５に示すウォータジャケット２１が形成される部位Ｐはそうでない部位に比較して薄肉となる傾向にあるので溶射により温度上昇しやすく、シリンダボア３の軸方向中央部Ｑは、軸方向端部に比較して溶射により付与された熱が放熱されにくく温度上昇しやすいためである。
【００３７】
その際、ウォータジャケット２１内に、気体噴出用のノズル３３から空気、あるいは窒素などの不活性ガスからなる気体３５を噴出することで、図５に示すようなウォータジャケット２１が形成される部位Ｐや、シリンダボア３の軸方向中央部Ｑをより集中的に冷却することができる。図６は、図５のシリンダブロック１を冷却したときの温度変化を実線で示している。破線は、冷却を実施しない場合の温度変化であり、冷却を実施することで、シリンダブロック１の温度上昇が、冷却を実施しない場合に比較して抑えられている。
【００３８】
上記した第３の実施形態におけるシリンダブロック１に対する冷却は、前記した第１の実施形態や第２の実施形態と併用してもよい。これにより、溶射時のシリンダブロック１の温度上昇をより一層抑えることができる。
【００３９】
なお、図１に示したシリンダブロック１の製造工程では、鋳造工程１３の直後に溶射工程１５を設定している。これは、溶射工程１５を例えば仕上加工工程２５の直前のような後工程に設定した場合には、溶射する際に鋳造欠陥が見つかったときにシリンダブロック１を廃棄することになり、鋳造工程１３、溶射工程１５及び前加工工程１７などに要する加工費が無駄になってしまうからである。
【００４０】
また、鋳造工程１３の直後に溶射工程１５を設定することで、その後の製造工程のライン改造部分をより少なくすることができ、設備コストの低減にも寄与することができる。溶射工程１５を例えば仕上加工工程２５の直前のような後工程に設定すると、溶射工程１５を現行ラインの途中に組み込む必要が生じ、ラインの改造規模が大きくなってしまう。
【００４１】
このようなことから、溶射工程１５はできるだけ鋳造工程１３の直後に設定することが望ましく、したがって溶射工程１５の後に前加工工程１７を行う必要が生じることになる。
【００４２】
以上、本発明の実施形態について説明したが、これらの実施形態は本発明の理解を容易にするために記載された単なる例示に過ぎず、本発明は当該実施形態に限定されるものではない。本発明の技術的範囲は、上記実施形態で開示した具体的な技術事項に限らず、そこから容易に導きうる様々な変形、変更、代替技術なども含むものである。例えば、上記した各実施形態では、自動車用Ｖ型エンジンのシリンダブロック１を用いて説明したが、直列エンジンのシリンダブロックに対しても本発明を適用することができる。
【００４３】
本出願は、２０１１年１１月２２日に出願された日本国特許願第２０１１−２５４７９３号に基づく優先権を主張しており、この出願の全内容が参照により本明細書に組み込まれる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は、シリンダボアの内面に溶射被膜を形成するシリンダブロックの製造方法に適用される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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