(57)【要約】【課題】シリンダヘッド全体の歪み変形を抑制し、その歪みの除去加工に費やす時間や費用を大幅に短縮することのできるシリンダヘッドを提供する。【解決手段】内燃機関の燃焼室に対向する燃焼室面１０を有し、燃焼室面１０に開口するポート１１、１２にレーザクラッド加工によりクラッド層１３、１４が形成されてバルブシートが構成されているシリンダヘッドであって、バルブシートを開閉するバルブをガイドするためにシリンダヘッド１に開設されたバルブガイド２１、２２に、レーザクラッド加工によりクラッド層２３、２４が形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室に対向する燃焼室面を有し、該燃焼室面に開口するポートにレーザクラッド加工によりクラッド層が形成されてバルブシートが構成されているシリンダヘッドであって、
前記バルブシートを開閉するバルブをガイドするために前記シリンダヘッドに開設されたバルブガイドに、レーザクラッド加工により別途のクラッド層が形成されているシリンダヘッド。
【請求項２】
前記クラッド層と前記別途のクラッド層とは、前記シリンダヘッドの中立軸に対して相対的に反対側に配置されている、請求項１に記載のシリンダヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリンダヘッドに関し、特にシリンダヘッドのポートにレーザクラッド加工によりクラッド層（肉盛層）が形成されているシリンダヘッドに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、エンジン用シリンダヘッドのバルブシートの耐久性を向上させるとともにその設計自由度を高めるために、そのバルブシートに対し、例えば粉体（粉末）状の肉盛り材料を供給しながらレーザを照射し、バルブシートとレーザを相対回転させることによって肉盛層（クラッド層）を形成するレーザ加工が知られている。このレーザ加工は、エンジンの燃焼室に必要な機械加工、例えばバルブ孔形成加工等がおこなわれたシリンダヘッドに対し、そのバルブシートとなるべき領域に銅合金等からなる耐摩耗性を有する粉体状の肉盛り材料を供給しつつレーザ照射を実行し、最終的にバルブシートとなるべきリング状の肉盛層、すなわち肉盛ビード部を形成するという技術であり、一般にレーザクラッド加工と称されている。
【０００３】
上記するバルブシートにおけるレーザ加工においては、加工部位に対して特定の方向からレーザを照射することが肉盛層の品質安定化の観点から好ましいことや、肉盛り材料供給機構やレーザ光学機構などの設備レイアウト上種々の制約があることなどの理由から、一般に、レーザ光を固定側としてバルブシートを相対回転させるとともに、シリンダヘッドの回転方向を特定の一方向に規定しながらその加工がおこなわれている。
【０００４】
ところで、従来のバルブシートにおけるレーザ加工においては、あるバルブシートにレーザビームを照射した際の入熱が他のバルブシートに伝播し、他のバルブシートの母材温度が不均一となってそのバルブシートの肉盛層にワレが発生するといった問題があった。また、シリンダヘッドの底面でバルブシートに対応する箇所の温度差が大きくなり、シリンダヘッドの底面に大きな歪みが生じ、この歪みの除去加工に多大な時間を要するといった問題があった。
【０００５】
このような問題に対し、特許文献１には、シリンダヘッドの各バルブシート部にレーザビームを順次照射して肉盛層を形成する肉盛方法であって、ｎ番目に肉盛りされるバルブシート部へのレーザビームの入熱がｎ＋１番目に肉盛りされるバルブシート部へ伝播されないように、各バルブシート部の肉盛順序を設定したり、各バルブシート部の肉盛層で、レーザビームの照射におけるその始端部と終端部とがオーバーラップする部分を母材厚肉部に位置させる肉盛方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−１２０５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に開示されている肉盛方法によれば、ｎ＋１番目に肉盛りされるバルブシート部に肉盛加工する際に、ｎ番目に肉盛りされたバルブシート部へのレーザビームの入熱が伝播されないため、ｎ＋１番目に肉盛りされるバルブシート部の母材温度が略均一化され、ｎ＋１番目に肉盛りされるバルブシート部の肉盛層へのワレの発生を防止できると共に、シリンダヘッドの母材温度が略均一になるため、シリンダヘッドの温度差による底面の歪みを低減でき、この歪みの除去加工に費やす時間を大幅に短縮することができる。
【０００８】
ところで、一般にシリンダヘッドと肉盛層とは線膨張率等の材料特性が異なる材料から形成されている。そのため、特許文献１に開示されている肉盛方法においては、シリンダヘッドの各バルブシート部に溶着された肉盛層が冷却されて凝固した際、シリンダヘッドと肉盛層との線膨張率の差に起因してシリンダヘッド全体が歪み変形、例えば肉盛層が形成されたシリンダヘッドの底面が凹となるように反り変形し、その歪みの除去加工に多大な時間や費用を要するといった問題が残存し得る。
【０００９】
本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、シリンダヘッド全体の歪み変形を抑制し、その歪みの除去加工に費やす時間や費用を大幅に短縮することのできるシリンダヘッドを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記目的を達成すべく、本発明によるシリンダヘッドは、内燃機関の燃焼室に対向する燃焼室面を有し、該燃焼室面に開口するポートにレーザクラッド加工によりクラッド層が形成されてバルブシートが構成されているシリンダヘッドであって、前記バルブシートを開閉するバルブをガイドするために前記シリンダヘッドに開設されたバルブガイドに、レーザクラッド加工により別途のクラッド層が形成されているものである。
【００１１】
また、前記クラッド層と前記別途のクラッド層とは、前記シリンダヘッドの中立軸に対して相対的に反対側に配置されていることが好ましい。
【００１２】
上記する形態のシリンダヘッドによれば、燃焼室面に開口するポートにレーザクラッド加工によりクラッド層が形成されるとともに、バルブをガイドするバルブガイドにレーザクラッド加工により別途のクラッド層が形成されることによって、バルブガイドに形成された別途のクラッド層が冷却されて凝固する際に、シリンダヘッドのポートに溶着されたクラッド層が冷却されて凝固する際に発生し得る歪み変形とは相反する方向へシリンダヘッド全体を歪み変形させることができる。すなわち、シリンダヘッドのポートに溶着されたクラッド層が冷却されて凝固する際に発生し得る歪み変形を、バルブガイドに形成された別途のクラッド層により相殺することができるため、シリンダヘッド全体の歪み変形を抑制することができ、その歪みの除去加工に費やす時間や費用を大幅に短縮することができる。
【発明の効果】
【００１３】
以上の説明から理解できるように、本発明のシリンダヘッドによれば、バルブシートを開閉するバルブをガイドするバルブガイドにレーザクラッド加工によりクラッド層を形成するという簡単な構成でもって、シリンダヘッド全体の歪み変形を抑制することができ、その歪みの除去加工に費やす時間や費用を大幅に短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明のシリンダヘッドの実施の形態１を示した縦断面図である。
【図２】レーザクラッド加工方法を模式的に説明した斜視図である。
【図３】図１で示すシリンダヘッドの各ポートに形成されたクラッド層が冷却固化された状態を模式的に示した縦断面図。
【図４】図１で示すシリンダヘッドの製造工程を説明する縦断面図であって、（ａ）はバルブガイドにレーザクラッド加工を実行する前の状態を示した図であり、（ｂ）はバルブガイドにレーザクラッド加工を実行した後の状態を示した図であり、（ｃ）はクラッド層にガイド孔を開設してバルブガイドを形成した状態を示した図である。
【図５】本発明のシリンダヘッドの実施の形態２を示した縦断面図である。
【図６】図５で示すシリンダヘッドの製造工程を説明する縦断面図であって、（ａ）はバルブガイドにレーザクラッド加工を実行する前の状態を示した図であり、（ｂ）はバルブガイドにレーザクラッド加工を実行した後の状態を示した図であり、（ｃ）はクラッド層にガイド孔を開設してバルブガイドを形成した状態を示した図である。
【図７】シリンダヘッドの実施の形態１の他例を示した縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明のシリンダヘッドの実施の形態を説明する。
【００１６】
［実施の形態１］
図１は、本発明のシリンダヘッドの実施の形態１を示した縦断面図であり、図２は、レーザクラッド加工方法を模式的に説明した斜視図である。
【００１７】
図示するように、本実施の形態１のシリンダヘッド１は、その底面（シリンダブロック側の面）に内燃機関の燃焼室に対向する燃焼室面１０を有し、その燃焼室面１０に開口する吸気ポート１１と排気ポート１２のそれぞれにレーザクラッド加工によりクラッド層（肉盛層）１３、１４が形成されてバルブシートが構成されている。なお、燃焼室面１０は、シリンダブロック１の底面から僅かに窪んで形成され、例えば平面視で底面側から視た際に略円形状を呈している。
【００１８】
ここで、燃焼室面１０に開口するポート（吸気ポート１１または排気ポート１２）へクラッド層を形成する方法（レーザクラッド加工方法）の一例を概説すると、まず、シリンダヘッド１を載置台上に載置してクランプ機構等により位置決め固定し、その載置台を回転テーブル上に載置する。次いで、載置台上に載置固定されたシリンダヘッド１に開設された任意のポートの中心軸心が回転テーブルの回転軸心と一致するようにシリンダヘッド１を移動し、回転テーブルを駆動してシリンダヘッド１をポートの中心軸心、すなわち回転テーブルの回転軸心周りで回動させる。そして、回転するシリンダヘッド１の前記ポートに金属粉体（例えば銅を主成分とする）を供給しながら、シリンダヘッド１の上方に配置されたレーザビーム照射装置から前記ポートに向かってレーザビームを照射する。これにより、前記ポートに供給された金属粉体がレーザビームにより溶融され、溶融された金属紛体がシリンダヘッドのポートに溶着され、溶着された金属紛体が冷却されて凝固され、前記ポートの表面にリング状のクラッド層（肉盛層）が形成される（図２参照）。
【００１９】
任意のポートに対してシリンダヘッド１の移動〜レーザクラッド加工を実行した後、次のポートの中心軸心が回転テーブルの回転軸心と一致するようにシリンダヘッド１を移動し、同様のレーザクラッド加工を実行する。このような操作を順次おこなうことで、シリンダヘッド１に開設された全てのポート（吸気ポート１１および排気ポート１２）に対してレーザクラッド加工によりクラッド層が形成されることとなる。
【００２０】
ところで、一般にシリンダヘッド１とクラッド層１３、１４とは線膨張率等の材料特性が異なる材料から形成されている。そのため、上記したレーザクラッド加工により、シリンダヘッド１に開設された排気ポート１１や吸気ポート１２にクラッド層１３、１４を形成すると、シリンダヘッド１の各ポート１１、１２に形成されたクラッド層１３、１４が冷却されて凝固した際に、シリンダヘッド１とクラッド層１３、１４との線膨張率の差に起因して、シリンダヘッド全体が歪み変形する。例えば、シリンダヘッド１がアルミニウムを主成分とする材料（アルミニウムまたはアルミニウム合金）から形成され、クラッド層１３、１４が銅を主成分とする材料（銅または銅合金）から形成される場合、クラッド層１３、１４の線膨張率がシリンダヘッド１の線膨張率よりも小さいため、クラッド層１３、１４が冷却されて凝固する際、図３で示すように、クラッド層１３、１４が形成されたシリンダヘッド１の底面側が収縮し、シリンダヘッド１の底面が凹となるようにシリンダヘッド全体が反り変形する可能性がある。
【００２１】
そこで、本実施の形態１では、図１で示すように、バルブシートを開閉する吸気バルブや排気バルブをガイドするためにシリンダヘッド１の上面（シリンダブロック側の面とは反対側の面）から内部へ向かって開設された吸気バルブガイド２１と排気バルブガイド２２に、レーザクラッド加工によりクラッド層２３、２４が形成されている。
【００２２】
上記したクラッド層２３、２４を有する吸気バルブガイド２１と排気バルブガイド２２を形成する方法を図４を参照して説明すると、まず、図４（ａ）で示すように、例えば切削加工等により、シリンダヘッド１の上面から内部へ向かって吸気バルブや排気バルブ用の凹状の窪み２５、２６を形成する。次いで、図４（ｂ）で示すように、レーザクラッド加工により、前記窪み２５、２６に金属粉体（例えば銅を主成分とする）を供給しながらレーザビーム照射装置から前記窪み２５、２６に向かってレーザビームを照射し、前記窪み２５、２６にクラッド層（肉盛層）２３、２４を形成する。その際、たとえば窪み２５、２６の深さ方向で金属紛体を順次積層させるとともに、その外表面がシリンダヘッド１の上面よりも突出するようにクラッド層２３、２４を形成する。そして、図４（ｃ）で示すように、例えば切削加工等により、窪み２５、２６に形成されたクラッド層２３、２４と窪み２５、２６の底壁とを貫通するガイド孔２７、２８を穿設し、吸気バルブや排気バルブをガイドするための吸気バルブガイド２１と排気バルブガイド２２を形成する。なお、必要に応じて、クラッド層２３、２４等にガイド孔２７、２８を穿設する前に、そのクラッド層２３、２４の外表面を所定形状に成形する。
【００２３】
このように、シリンダヘッドの上面から内部へ向かって開設された吸気バルブガイド２１と排気バルブガイド２２、すなわち、クラッド層１３、１４が形成された吸気ポート１１と排気ポート１２の上方であって、シリンダヘッド１の中立軸に対して前記クラッド層１３、１４と相対的に反対側に位置する部分に別途のクラッド層２３、２４が形成されることにより、吸気バルブガイド２１と排気バルブガイド２２に形成されたクラッド層２３、２４が冷却されて凝固する際に、シリンダヘッド１の各ポート１１、１２に溶着されたクラッド層１３、１４が冷却されて凝固する際に生じ得る歪み変形とは相反する方向へシリンダヘッド１全体を歪み変形させることができる。すなわち、シリンダヘッド１の吸気ポート１１と排気ポート１２に溶着されたクラッド層１３、１４が冷却されて凝固する際に生じ得る歪み変形（図３参照）を、吸気バルブガイド２１と排気バルブガイド２２に形成されたクラッド層２３、２４により相殺することができるため、シリンダヘッド全体の歪み変形を抑制することができ、その歪みの除去加工に費やす時間や費用を大幅に短縮することができる。
【００２４】
また、吸気ポート１１と排気ポート１２に加えて、吸気バルブガイド２１と排気バルブガイド２２にクラッド層２３、２４が形成されることによって、吸気バルブや排気バルブの熱引き性能を高めることができるため、内燃機関の運転時における当該内燃機関の吸気効率を効率的に高めることができるといった利点もある。
【００２５】
ここで、吸気ポート１１と排気ポート１２に形成されるクラッド層１３、１４と吸気バルブガイド２１と排気バルブガイド２２に形成されるクラッド層２３、２４とは同一の素材から形成してもよいし、異なる素材から形成してもよい。一方で、クラッド層１３、１４とクラッド層２３、２４とを同一の素材から形成するとともに、吸気ポート１１および排気ポート１２とクラッド層１３、１４との接触面積と吸気バルブガイド２１と排気バルブガイド２２を構成する窪み２５、２６とクラッド層２３、２４との接触面積とを適正に設計し、たとえば双方の接触面積が略同一となるように設計することが好ましい。このような場合には、シリンダヘッド１の吸気ポート１１と排気ポート１２に溶着されたクラッド層１３、１４が冷却されて凝固する際に発生し得る歪み変形を、吸気バルブガイド２１と排気バルブガイド２２に形成されたクラッド層２３、２４により確実に相殺することができるため、比較的簡単な構成でもってシリンダヘッド全体の歪み変形を抑制することができる。
【００２６】
［実施の形態２］
図５は、本発明のシリンダヘッドの実施の形態２を示した縦断面図である。なお、図５で示す実施の形態２のシリンダヘッド１Ａは、図１で示す実施の形態１のシリンダヘッド１に対して各バルブガイドに形成したクラッド層の形状が相違しており、その他の構成は実施の形態１のシリンダヘッド１と同様である。したがって、実施の形態１のシリンダヘッド１と同様の構成については同様の符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００２７】
図５で示すように、本実施の形態２のシリンダヘッド１Ａでは、吸気バルブガイド２１Ａと排気バルブガイド２２Ａを構成する窪み２５Ａ、２６Ａに形成されたクラッド層２３Ａ、２４Ａがそれぞれ、吸気バルブや排気バルブを付勢するためのスプリングが当座するスプリングシート座２３ａＡ、２４ａＡを有している。
【００２８】
具体的には、クラッド層２３Ａ、２４Ａの一部がシリンダヘッド１の上面の所定範囲まで延設しており、そのクラッド層２３Ａ、２４Ａの延設部によってスプリングシート座２３ａＡ、２４ａＡが形成されている。
【００２９】
このようなクラッド層２３Ａ、２４Ａが形成された吸気バルブガイド２１Ａと排気バルブガイド２２Ａを形成する方法を図６を参照して説明すると、まず、図６（ａ）で示すように、例えば切削加工等により、シリンダヘッド１Ａの上面から内部へ向かって吸気バルブや排気バルブ用の凹状の窪み２５Ａ、２６Ａを形成する。次いで、図６（ｂ）で示すように、レーザクラッド加工により、前記窪み２５Ａ、２６Ａに金属粉体（例えば銅を主成分とする）を供給しながらレーザビーム照射装置から前記窪み２５Ａ、２６Ａに向かってレーザビームを照射し、前記窪み２５Ａ、２６Ａにクラッド層（肉盛層）２３Ａ、２４Ａを形成する。その際、その外表面をシリンダヘッド１の上面よりも突出させるとともに、シリンダヘッド１の上面から突出した部分の一部がシリンダヘッド１の上面の所定範囲（窪み２５Ａ、２６Ａの周囲の所定範囲）を覆うようにクラッド層２３Ａ、２４Ａを形成する。そして、図６（ｃ）で示すように、窪み２５Ａ、２６Ａに形成されたクラッド層２３Ａ、２４Ａと前記窪み２５Ａ、２６Ａの底壁とを貫通するガイド孔２７Ａ、２８Ａを穿設して吸気バルブガイド２１Ａと排気バルブガイド２２Ａを形成する。なお、クラッド層２３Ａ、２４Ａ等にガイド孔２７Ａ、２８Ａを穿設する前に、窪み２５Ａ、２６Ａに形成されたクラッド層２３Ａ、２４Ａの外表面を成形し、それぞれのクラッド層２３Ａ、２４Ａのシリンダヘッド１Ａの上面を覆う部分にスプリングが当座するスプリングシート座２３ａＡ、２４ａＡを形成する。
【００３０】
このように、吸気バルブガイド２１Ａと排気バルブガイド２２Ａを構成する窪み２５Ａ、２６Ａに形成されたクラッド層２３Ａ、２４Ａがスプリングシート座２３ａＡ、２４ａＡを有することによって、シリンダヘッド１Ａの部品点数を削減することができ、当該シリンダヘッド１Ａの製造工数や製造コストを格段に抑制することができる。
【００３１】
なお、上記した実施の形態１のシリンダヘッド１においては、窪み２５、２６に形成されたクラッド層２３、２４と窪み２５、２６の底壁とを貫通するガイド孔２７、２８が、吸気バルブや排気バルブをガイドするようになっているが、クラッド層２３、２４の耐久性やその内周面の表面粗さなどを考慮して、図７で示すように、ガイド孔２７、２８の内部に吸気バルブや排気バルブをガイドするためのシート材２９Ｂ、３０Ｂを別途圧入して嵌挿してもよい。
【００３２】
また、上記する実施の形態１、２のシリンダヘッド１、１Ａでは、全ての吸気バルブガイドと排気バルブガイドにクラッド層を形成する形態について説明したが、シリンダヘッド全体の変形量や吸気バルブガイドと排気バルブガイドの大きさ等を考慮して、全ての吸気バルブガイドと排気バルブガイドから選択したバルブガイド、もしくは、吸気バルブガイドや排気バルブガイドの一部のみにクラッド層を形成してもよい。
【００３３】
また、上記する実施の形態１、２のシリンダヘッド１、１Ａでは、シリンダヘッドの燃焼室面に開口する各ポートにレーザクラッド加工によりクラッド層を形成した後、バルブガイドにレーザクラッド加工によりクラッド層を形成する形態について説明したが、バルブガイドにレーザクラッド加工によりクラッド層を形成した後に、燃焼室面に開口する各ポートにレーザクラッド加工によりクラッド層を形成してもよい。
【００３４】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【符号の説明】
【００３５】
１…シリンダヘッド、１０…燃焼室面、１１…吸気ポート、１２…排気ポート、１３…吸気ポートのクラッド層、１４…排気ポートのクラッド層、２１…吸気バルブガイド、２２…排気バルブガイド、２３…吸気バルブガイドのクラッド層、２４…排気バルブガイドのクラッド層、２５…吸気バルブ用窪み、２６…排気バルブ用窪み、２７…吸気バルブ用ガイド孔、２８…排気バルブ用ガイド孔
【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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【図７】
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