(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダヘッド粗形材において、ポートの燃焼室側の開口端に環状のザグリ溝を形成する際、当該ザグリ溝の底面に外側から内側へ向かって前記燃焼室側に傾斜した傾斜部を形成しておくステップと、
前記ザグリ溝の軸方向を鉛直方向に沿わせた状態で、前記ザグリ溝に供給した金属粉にレーザビームを照射して、バルブシート用のクラッド層を形成するステップと、
前記クラッド層を前記シリンダヘッド粗形材とともに、コンタリング加工により切削するステップと、を備え、
前記ザグリ溝の前記底面に、切欠溝が形成されており、
前記切欠溝の一部が、前記傾斜部を構成している、
バルブシート部の加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バルブシート部の加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンのシリンダヘッドには、燃焼室や当該燃焼室に通じる吸気／排気ポートが設けられている。そして、吸気／排気ポートの燃焼室側の開口端周縁には、バルブの背面が当接するバルブシートが設けられている。バルブシートとバルブとが当接することにより、燃焼室の気密性が保持される。
【０００３】
高温環境下においてバルブが繰り返し当接するバルブシートには、耐熱性や耐摩耗性が要求される。そのため、バルブシートは、シリンダヘッド粗形材の吸気／排気ポートの開口端周縁に、機械加工により環状のザグリ溝を形成し、このザグリ溝に銅系合金等からなる異種金属層を形成することにより得られる。このような異種金属層の形成方法としては、ザグリ溝に金属粉を供給しながらレーザビームを照射してクラッド層（異種金属層）を形成するレーザクラッド法が知られている。
【０００４】
レーザクラッド法により形成されたクラッド層は、所定の形状に切削加工される。ここで、クラッド層とシリンダヘッド粗形材との境界には、高硬度の金属間化合物からなる境界層が形成される。そのため、切削加工の際に、刃具の同じ位置が境界層と接触すると、刃具のその位置が局所的に損傷し、刃具の寿命が著しく短くなるという問題があった。
【０００５】
特許文献１（例えば図２、図３などを参照）には、凹溝（ザグリ溝）１４のポート開口端側にガイド面１５を設けることにより、刃具の長寿命化を図っている。また、ポート奥側のコーナエッジ部１６及びポート開口端側のコーナエッジ部１７には、それぞれ面取りコーナ部１８、１９が設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−３２６１４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
発明者はバルブシート部の加工方法に関し、以下の課題を見出した。
特許文献１では、プランジ加工により異種金属層（クラッド層）２０を切削しているため、凹溝１４の軸方向にバイト（刃具）７、９を送りつつ切削している。そのため、凹溝１４の側壁に形成された境界層２１によるバイト９の損傷が問題となる（例えば特許文献１の図５を参照）。従って、ポート開口端側にガイド面１５及び面取りコーナ部１９を設け、バイト９の損傷を抑制している。なお、凹溝１４の底面に形成された境界層２１とバイト７との接触点は、切削の進行すなわちバイト７の送りとともに変化するため、バイト７には上述のような問題は生じない。
【０００８】
ところで、刃具が被切削物と常時接触しているプランジ加工に対し、刃具が被切削物と断続的に接触するコンタリング加工が知られている。コンタリング加工では、プランジ加工よりも切削荷重が軽減され、刃具の消耗も抑制される。
コンタリング加工の場合、ザグリ溝（特許文献１の凹溝１４）の軸方向でなく、ザグリ溝の軸と垂直な方向に、刃具を移動しながらクラッド層（特許文献１の異種金属層２０）を切削する。そのため、特許文献１であれば、凹溝１４の側壁ではなく底面に形成された境界層２１による刃具の損傷が問題となる。
ここで、特許文献１では、凹溝１４の底面に面取りコーナ部１８が設けられているため、刃具と境界層２１との接触点が切削の進行とともに変化し、刃具の損傷が抑制されるものと考えられる。
【０００９】
しかしながら、特許文献１において凹溝１４の軸方向を鉛直方向に沿わせた状態で、異種金属層２０を形成する場合、面取りコーナ部１８から溶融金属がポート奥側に垂れ易いという問題があった。
なお、溶融金属が垂れないように凹溝１４の軸を傾けながら異種金属層２０を形成する場合、シリンダヘッド粗形材全体を回転させる必要があり、装置が大型化してしまう。
【００１０】
本発明は、上記に鑑みなされたものであって、クラッド層を形成する際の溶融金属の垂れを抑制するとともに、クラッド層をコンタリング加工する際の刃具の損傷を抑制するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一態様に係るバルブシート部の加工方法は、
シリンダヘッド粗形材において、ポートの燃焼室側の開口端に環状のザグリ溝を形成する際、当該ザグリ溝の底面に外側から内側へ向かって前記燃焼室側に傾斜した傾斜部を形成しておくステップと、
前記ザグリ溝の軸方向を鉛直方向に沿わせた状態で、前記ザグリ溝に供給した金属粉にレーザビームを照射して、バルブシート用のクラッド層を形成するステップと、
前記クラッド層を前記シリンダヘッド粗形材とともに、コンタリング加工により切削するステップと、を備えたバルブシート部の加工方法である。
【００１２】
本発明の一態様に係るバルブシート部の加工方法では、ザグリ溝の底面に、ザグリ溝の外側から内側へ向かって燃焼室側に傾斜した傾斜部が形成されている。そのため、クラッド層を形成する際の溶融金属の垂れを抑制することができる。また、コンタリング加工する際、刃具と境界層との接触点が切削の進行とともに変化し、刃具の損傷を抑制することができる。すなわち、クラッド層を形成する際の溶融金属の垂れを抑制するとともに、クラッド層をコンタリング加工する際の刃具の損傷を抑制することができる。
【００１３】
本発明の別の一態様に係るバルブシート部の加工方法は、前記ザグリ溝の前記底面に、前記燃焼室側に突出した凸部が形成されており、前記凸部の一部が、前記傾斜部を構成するようにすることもできる。この態様でもクラッド層を形成する際の溶融金属の垂れを特に効果的に抑制することができる。
【００１４】
また、本発明のさらに別の一態様に係るバルブシート部の加工方法は、前記ザグリ溝の前記底面に、切欠溝が形成されており、前記切欠溝の一部が、前記傾斜部を構成するようにすることもできる。この態様でもクラッド層をコンタリング加工する際の刃具の損傷を特に効果的に抑制することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明により、クラッド層を形成する際の溶融金属の垂れを抑制するとともに、クラッド層をコンタリング加工する際の刃具の損傷を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１の実施の形態に係るバルブシート部の加工方法におけるクラッド層形成の概要を模式的に示す斜視図である。
【図２】第１の実施の形態に係るレーザ加工ヘッドの断面図である。
【図３】第１の実施の形態に係るバルブシート部の加工方法の詳細を示す断面図である。
【図４】第１の実施の形態に係るバルブシート部の加工方法の詳細を示す断面図である。
【図５】第１の実施の形態に係るバルブシート部の加工方法の詳細を示す断面図である。
【図６】第２の実施の形態に係るバルブシート部の加工方法の詳細を示す断面図である。
【図７】第２の実施の形態の変形例に係るバルブシート部の加工方法の詳細を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。
【００１８】
（第１の実施の形態）
まず、図１〜図５を参照して、第１の実施の形態に係るバルブシート部の加工方法について説明する。図１は、第１の実施の形態に係るバルブシート部の加工方法におけるクラッド層形成の概要を模式的に示す斜視図である。図２は、第１の実施の形態に係るレーザ加工ヘッドの断面図である。図３〜図５は、第１の実施の形態に係るバルブシート部の加工方法の詳細を示す断面図である。
【００１９】
図１を参照して、第１の実施の形態に係るバルブシート部の加工方法におけるクラッド層形成の概要について説明する。まず、シリンダヘッド粗形材１０の構成について説明する。シリンダヘッド粗形材１０は、例えば鋳鉄やアルミニウム合金などからなる鋳物である。図１に示すように、シリンダヘッド粗形材１０は、複数の燃焼室１３を備えている。各燃焼室１３は、吸気ポート１１及び排気ポート１２を備えている。そして、吸気ポート１１及び排気ポート１２のそれぞれにおいて、燃焼室１３側の開口端周縁に、機械加工によりクラッド層形成用のザグリ溝１４が形成されている。
【００２０】
図１に示されたシリンダヘッド粗形材１０は、４気筒１６バルブ用であって、４つの燃焼室１３のそれぞれに吸気ポート１１及び排気ポート１２を２つずつ備えている。当然のことながら、燃焼室１３や吸気ポート１１及び排気ポート１２の個数は図１の例に限定されるものではなく、適宜決定されるものである。
【００２１】
図１に示すように、レーザ加工ヘッド４０からザグリ溝１４に金属粉を供給しつつ、レーザビーム（光軸Ａ２）を照射してクラッド層を形成する。レーザ加工ヘッド４０が、環状のザグリ溝１４の中心軸Ａ１を軸として１回転することにより、ザグリ溝１４の全周にクラッド層を形成することができる。中心軸Ａ１は、ザグリ溝１４の中心を通り、ザグリ溝１４の底面に垂直な軸である。吸気ポート１１や排気ポート１２のそれぞれにおいて、ザグリ溝１４の中心軸Ａ１を鉛直方向に沿わせた状態で、シリンダヘッド粗形材１０の姿勢を調整してからクラッド層を形成する。
【００２２】
なお、ザグリ溝１４の中心軸Ａ１を鉛直方向に沿わせた状態は、必ずしも中心軸Ａ１の方向を鉛直方向に正確に一致させた状態である必要はない。クラッド層形成の際、溶融金属が垂れなければ、ザグリ溝１４の中心軸Ａ１を鉛直方向から多少傾けてシリンダヘッド粗形材１０を設置してもよい。
【００２３】
次に、図２を参照して、レーザ加工ヘッド４０の構成について説明する。レーザ加工ヘッド４０は、内側ノズル４１、外側ノズル４２、原料供給管４３を備えている。すなわち、レーザ加工ヘッド４０は、ともにレーザビーム３０の光軸Ａ２を中心軸とする内側ノズル４１及び外側ノズル４２からなる同軸二重管構造を有している。
【００２４】
具体的には、内側ノズル４１からレーザビーム３０が出射される。また、内側ノズル４１と外側ノズル４２との間からは、原料供給管４３を介して供給された不活性ガス及び金属粉が吐出される。つまり、金属粉及び不活性ガスの吐出軸は、レーザビーム３０の光軸Ａ２と同軸である。不活性ガスとしては、例えばアルゴンガスや窒素ガスを挙げることができる。
【００２５】
このように、レーザビームの照射と金属粉及び不活性ガスの供給とが一体化されることにより、レーザ加工装置をコンパクトにすることができる。なお、図１では、原料供給管４３は省略されている。
【００２６】
次に、図３〜図５を参照して、第１の実施の形態に係るバルブシート部の加工方法の詳細について説明する。バルブシート部の加工方法は、吸気ポート１１側と排気ポート１２側とにおいて同一であるから、吸気ポート１１側について説明する。
【００２７】
まず、図３に示すように、シリンダヘッド粗形材１０の吸気ポート１１の燃焼室１３側の開口端周縁に、機械加工により環状のザグリ溝１４を形成する。ザグリ溝１４は、底面１４ａ、斜面１４ｂ、側壁１４ｃを備えている。
【００２８】
ここで、第１の実施の形態に係るバルブシート部の加工方法では、ザグリ溝１４の底面１４ａに、燃焼室側に突出した凸部１５が形成されている。すなわち、ザグリ溝１４の底面１４ａに、ザグリ溝１４の外側から内側へ向かって燃焼室側に傾斜した傾斜部１５ａが形成されている。
【００２９】
次に、図４に示すように、レーザ加工ヘッド４０からザグリ溝１４に金属粉を供給しつつ、レーザビーム（光軸Ａ２）を照射する。これにより、ザグリ溝１４の内部において金属粉が溶融・凝固し、バルブシート用のクラッド層２０が形成される。ここで、レーザ加工ヘッド４０が、環状のザグリ溝１４の中心軸Ａ１を軸として１回転するため、ザグリ溝１４の全周にクラッド層２０を形成することができる。
【００３０】
ザグリ溝１４の角部ではクラッド層２０に欠陥が発生しやすい。しかしながら、底面１４ａと側壁１４ｃとの間に設けられた斜面１４ｂにより、ザグリ溝１４の角部におけるクラッド層２０の欠陥が抑制される。
【００３１】
さらに、上述の通り、ザグリ溝１４の底面１４ａには、ザグリ溝１４の外側から内側へ向かって燃焼室側に傾斜した傾斜部１５ａが形成されている。そのため、クラッド層２０を形成する際の溶融金属の垂れを抑制することができる。
【００３２】
ここで、ザグリ溝１４の底面１４ａに対する傾斜部１５ａの傾斜角θ２は、１０°以上であることが好ましい。１０°未満では、溶融金属の垂れを充分に抑制することができない。一方、傾斜部１５ａの傾斜角θ２は、ザグリ溝１４の底面１４ａに対するレーザビーム３０の光軸Ａ２の傾斜角θ１よりも小さいことが好ましい。これにより、レーザビーム３０と凸部１５との干渉を防止することができる。レーザビーム３０の光軸Ａ２の傾斜角θ１は、４５°程度である。
【００３３】
次に、図５に示すように、クラッド層２０をシリンダヘッド粗形材１０とともに、コンタリング加工により切削する。コンタリング加工用の切削工具５０は、支持部５１と、支持部５１に固定された刃具５２ａ、５２ｂを備えている。刃具５２ａ、５２ｂは、例えば超硬チップである。
【００３４】
切削工具５０は、回転軸Ａ３を軸として高速回転しながら、ザグリ溝１４の内側から外側に向かって移動する。これにより、２点鎖線で示された切削形状まで、クラッド層２０及びシリンダヘッド粗形材１０が切削される。具体的には、刃具５２ａにより、燃焼室側ガイド面２２ａが形成される。刃具５２ｂにより、ポート奥側ガイド面２２ｂが形成される。なお、最終的にはクラッド層２０をさらに切削することにより、バルブシート面２３を形成する。
【００３５】
ここで、図５に示すように、クラッド層２０とシリンダヘッド粗形材１０との境界には、高硬度の金属間化合物からなる境界層２１が形成されている。そのため、切削加工の際に、刃具５２ａ、５２ｂの同じ位置が境界層２１と接触すると、刃具５２ａ、５２ｂのその位置が局所的に損傷し、刃具５２ａ、５２ｂの寿命が著しく短くなってしまう。
【００３６】
図５に示すように、コンタリング加工では、ザグリ溝１４の中心軸Ａ１と垂直な方向に、刃具５２ａ、５２ｂを移動しながらクラッド層２０を切削する。そのため、ザグリ溝１４の底面１４ａに形成された境界層２１による刃具５２ｂの損傷が問題となる。なお、ザグリ溝１４の側壁１４ｃに形成された境界層２１と刃具５２ａとの接触点は、切削の進行とともに変化するため、刃具５２ａには上述のような問題は生じない。
【００３７】
ここで、第１の実施の形態に係るザグリ溝１４の底面１４ａには、ザグリ溝１４の外側から内側へ向かって燃焼室側に傾斜した傾斜部１５ａが形成されている。そのため、クラッド層２０をコンタリング加工する際、刃具５２ｂと境界層２１との接触点が切削の進行とともに変化し、刃具５２ｂの損傷を抑制することができる。図５には、刃具５２ｂにおける境界層２１との接触範囲を模式的に示した。
【００３８】
上述の通り、第１の実施の形態に係るバルブシート部の加工方法では、ザグリ溝１４の底面１４ａに、ザグリ溝１４の外側から内側へ向かって燃焼室側に傾斜した傾斜部１５ａが形成されている。そのため、クラッド層２０を形成する際の溶融金属の垂れを抑制することができる。また、クラッド層２０をコンタリング加工する際、刃具５２ｂと境界層２１との接触点が切削の進行とともに変化し、刃具５２ｂの損傷を抑制することができる。
【００３９】
すなわち、ザグリ溝１４の底面１４ａに形成された傾斜部１５ａにより、クラッド層２０を形成する際の溶融金属の垂れを抑制するとともに、クラッド層２０をコンタリング加工する際の刃具５２ｂの損傷を抑制することができる。
【００４０】
（第２の実施の形態）
次に、図６を参照して、第２の実施の形態に係るバルブシート部の加工方法について説明する。図６は、第２の実施の形態に係るバルブシート部の加工方法の詳細を示す断面図である。第２の実施の形態に係る図６は、第１の実施の形態に係る図５に対応している。
【００４１】
第１の実施の形態では、ザグリ溝１４の底面１４ａに、底面１４ａに燃焼室側に突出した凸部１５が形成されていた。そして、凸部１５の一部が、ザグリ溝１４の底面１４ａにおいてザグリ溝１４の外側から内側へ向かって燃焼室側に傾斜した傾斜部１５ａを構成していた。
【００４２】
これに対し、第２の実施の形態では、ザグリ溝１４の底面１４ａに、断面三角形状の切欠溝１６が形成されている。切欠溝１６は、平面視ではザグリ溝１４と同様に環状である。そして、切欠溝１６の内側の斜面が、ザグリ溝１４の底面１４ａにおいてザグリ溝１４の外側から内側へ向かって燃焼室側に傾斜した傾斜部１６ａを構成している。
【００４３】
第２の実施の形態に係るバルブシート部の加工方法でも、ザグリ溝１４の底面１４ａには、ザグリ溝１４の外側から内側へ向かって燃焼室側に傾斜した傾斜部１６ａが形成されている。そのため、クラッド層２０を形成する際の溶融金属の垂れを抑制することができる。また、クラッド層２０をコンタリング加工する際、刃具５２ｂと境界層２１との接触点が切削の進行とともに変化し、刃具５２ｂの損傷を抑制することができる。
【００４４】
すなわち、ザグリ溝１４の底面１４ａに形成された傾斜部１６ａにより、クラッド層２０を形成する際の溶融金属の垂れを抑制するとともに、クラッド層２０をコンタリング加工する際の刃具５２ｂの損傷を抑制することができる。
【００４５】
さらに、第２の実施の形態では、そもそもレーザビーム３０との干渉がないため、傾斜部１６ａの傾斜角θ２を第１の実施の形態よりも大きくすることができる。そのため、刃具５２ｂにおける境界層２１との接触範囲を広げることができ、刃具５２ｂの損傷をより効果的に抑制することができる。
【００４６】
（第２の実施の形態の変形例）
次に、図７を参照して、第２の実施の形態の変形例に係るバルブシート部の加工方法について説明する。図７は、第２の実施の形態の変形例に係るバルブシート部の加工方法の詳細を示す断面図である。第２の実施の形態の変形例に係る図７は、第２の実施の形態に係る図６に対応している。
図７に示すように、切欠溝１６の断面形状は三角形状に限らず、略半円状であってもよい。第２の実施の形態の変形例においても、第２の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００４７】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
例えば、クラッド層２０の原料である金属粉をレーザ加工ヘッド４０とは別のノズルを用いてザグリ溝１４へ供給してもよい。また、不活性ガスが同一のレーザ加工ヘッドから吐出される必要もない。
【符号の説明】
【００４８】
１０  シリンダヘッド粗形材
１１  吸気ポート
１２  排気ポート
１３  燃焼室
１４  ザグリ溝
１４ａ  底面
１４ｂ  斜面
１４ｃ  側壁
１５  凸部
１５ａ  傾斜部
１６  切欠溝
１６ａ  傾斜部
２０  クラッド層
２１  境界層
２２ａ  燃焼室側ガイド面
２２ｂ  ポート奥側ガイド面
３０  レーザビーム
４０  レーザ加工ヘッド
４１  内側ノズル
４２  外側ノズル
４３  原料供給管
５０  切削工具
５１  支持部
５２ａ、５２ｂ  刃具
【図１】
0006287881.tif 000002
【図２】
0006287881.tif 000003
【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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