(57)【要約】【課題】能率を下げることなく、且つ品質を確保することが可能なクラッド加工方法を提供する。【解決手段】切削工程Ｐ１において動粘度が２０ｍｍ２／ｓ（４０℃）以上の不水溶性切削油剤を使用したので、洗浄工程Ｐ２後の素材表面の欠陥（孔隙）に油分が残留することがなく、当該油分がクラッド層にトラップされることに起因するクラッド不良の発生を抑止することができる。これにより、クラッド層の品質を確保することができる。また、加工対象を洗浄工程Ｐ２後に長時間乾燥させる必要がないので、能率を下げることがない。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
動粘度が２０ｍｍ２／ｓ（４０℃）以上の不水溶性切削油剤を使用してアルミ合金製の加工対象を切削加工した後、前記加工対象の所定箇所をレーザクラッド法によりクラッド加工することを特徴とするクラッド加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザクラッド法によるクラッド加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１には、アルミ合金製のダイカスト鋳物（加工対象）にレーザクラッド法によりクラッド加工する技術が開示されている。この特許文献１には、冷却媒体に油分を含まない液体（水）を使用してシリンダヘッドを切削加工する切削工程と、切削工程後、シリンダヘッドの内部に浸入した液体を蒸発させるために１５分以上の間空気中に放置してその内部を乾燥させる乾燥工程と、乾燥工程後、シリンダヘッドのバルブシート部に高密度エネルギビームを照射して肉盛りする肉盛工程と、を含む肉盛方法が開示されている。
【０００３】
特許文献１記載の発明では、乾燥工程で１５分以上の間シリンダヘッドを空気中に放置するため能率が低下する。また、ワークバッファ用に多大な放置スペースが必要であり、製造ラインが大型化する。また、冷却媒体に水を使用して切削するため、設備の錆対策にコストが嵩むとともにメンテナンスの頻度が増加する。さらに、水を使用した切削、すなわち、潤滑油を使用しない切削は、加工面の精度が低下することから品質の確保が困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−６３３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、能率を下げることなく、且つ品質を確保することが可能なクラッド加工方法を提供することを課題としてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明のクラッド加工方法は、動粘度が２０ｍｍ２／ｓ（４０℃）以上の不水溶性切削油剤を使用してアルミ合金製の加工対象を切削加工した後、前記加工対象の所定箇所をレーザクラッド法によりクラッド加工することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、能率を下げることなく、且つ品質を確保することが可能なクラッド加工方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】レーザクラッド法によるクラッド加工の模式図である。
【図２】本実施形態におけるクラッド加工のプロセスを示す図である。
【図３】各種液体を染み込ませたテストピースをクラッド加工したときのクラッド不良発生数を各液体毎に比較した図表である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の一実施形態を添付した図を参照して説明する。
ここでは、レーザクラッド法によりアルミ合金製のシリンダヘッド１（加工対象）のバルブシート２（所定箇所）にクラッド材料３（耐摩耗性ろう合金）をクラッド加工する方法を例示する（図１参照）。
【００１０】
図２は、本実施形態におけるクラッド加工方法のプロセス（以下「本プロセス」と称する）を示す図である。本プロセスは、ダイカスト法により成形されたアルミ合金製のシリンダヘッド１（図１参照）を切削加工する切削工程Ｐ１と、切削加工後のシリンダヘッド１を洗浄する洗浄工程Ｐ２と、洗浄されたシリンダヘッド１にレーザビームを予備照射してバルブシート２（クラッド予定部）を清浄化する予備照射工程Ｐ３と、清浄化されたバルブシート２にレーザクラッド法によりクラッド材料３をクラッド加工するクラッド工程Ｐ４と、を含む。
【００１１】
（切削工程Ｐ１）
切削工程Ｐ１では、アルミ合金製のシリンダヘッド１（加工対象）の加工部分、すなわち、切削工具（図示省略）との接触部分へ切削油剤を供給しながら、シリンダヘッド１を切削加工する。本プロセスの切削工程Ｐ１では、切削油剤として不水溶性切削油剤が使用される。通常、アルミ合金製のダイカスト鋳物（加工対象）を切削加工する場合、冷却性に優れる水溶性切削油剤が使用される。また、潤滑性能を重視して不水溶性切削油剤を使用する場合であっても、軽切削であることから、動粘度が１０ｍｍ２／ｓ（４０℃）近傍（例えば、９〜１１ｍｍ２／ｓ）の不水溶性切削油剤が選択される。
【００１２】
これに対して、本プロセスの切削工程Ｐ１では、主に炭素鋼の切削加工等に適用される動粘度が２０ｍｍ２／ｓ（４０℃）以上の不水溶性切削油剤を使用する。ここで、動粘度が２０ｍｍ２／ｓ（４０℃）以上の不水溶性切削油剤とは、温度が４０℃のときの動粘度が２０ｍｍ２／ｓ以上である不水溶性切削油剤を指す。なお、動粘度が２０ｍｍ２／ｓ（４０℃）以上の不水溶性切削油剤として、例えば、日本工業規格のＪＩＳＫ２２４１に規定されるＮ２種３号の切削油剤を使用する。
【００１３】
（洗浄工程Ｐ２）
本プロセスの洗浄工程Ｐ２では、切削加工後のシリンダヘッド１（加工対象）を洗浄液（本プロセスでは水系中性洗剤）によって洗浄して、シリンダヘッド１の表面に付着した切削屑等を洗い流す。ここで、通常のプロセスでは、切削工程、洗浄工程を経た加工対象の素材表面の欠陥（例えば、酸化皮膜、引け巣等の孔隙）にはクーラント（水溶性切削油剤を水で希釈した溶液）の油分および水が染み込んでいる。これに対して、本プロセスでは、切削工程Ｐ１で動粘度が２０ｍｍ２／ｓ（４０℃）以上の不水溶性切削油剤を使用したことにより、アルミ合金素材の表面の欠陥に不水溶性切削油剤（原液のまま使用される）の油分が染み込むことはなく、素材表面の欠陥に染み込んでいるのは水のみである。
【００１４】
（予備照射工程Ｐ３）
本プロセスの予備照射工程Ｐ３では、洗浄後のシリンダヘッド１（加工対象）にレーザビームを照射することでバルブシート２（クラッド予定部）を清浄化する。この予備照射工程Ｐ３では、バルブシート２にレーザビームを照射すると、素材表面に欠陥（孔隙）がない健全領域では、レーザビームの大部分が反射してレーザビームの吸収率が相対的に低いので、発熱量が相対的に小さくなる。一方で、素材表面に欠陥がある領域では、レーザビームの吸収率が相対的に高いので、発熱量が相対的に大きくなる。これにより、予備照射工程Ｐ３では、素材表面の欠陥（孔隙）に染み込んだ水が蒸発して除去され、バルブシート２が清浄化される。
【００１５】
（クラッド工程Ｐ４）
図１は、本プロセスにおけるクラッド工程Ｐ４の模式図である。このクラッド工程Ｐ４では、シールドガス供給ノズル４からシールドガスを、同時に粉末供給ノズル５から粉末状のクラッド材料３を供給しながら、レーザ発振器（図示省略）から発せられたレーザビーム６をオシレータ７によって高周期振動させてアルミ合金製のシリンダヘッド１（加工対象）の清浄化されたバルブシート２に照射する。これにより、基材であるアルミ合金を溶融させることなく、バルブシート２にクラッド材料３を局所的に肉盛（溶着）させることが可能である。なお、クラッド工程Ｐ４で使用されるレーザはＣＯ２レーザである。
【００１６】
ところで、前述した特許文献１には、２つの異なる条件で、アルミ合金製のシリンダヘッド（符号省略）の肉盛予定部を肉盛加工した場合の肉盛不良率の比較結果が開示されている。すなわち、特許文献１には、水を冷却媒体として使用してアルミ合金製のシリンダヘッドを切削加工し、レーザビームを予備照射することなくクラッド予定部（バルブシート）をクラッド加工する条件と、水溶性切削油剤を冷却媒体として使用してアルミ合金製のシリンダヘッドを切削加工し、さらにレーザビームを予備照射してクラッド予定部を清浄化した後、クラッド予定部をクラッド加工する条件と、のクラッド不良発生率が開示されている。その結果から、水溶性切削油剤を冷却媒体として使用して切削加工する条件は、水を冷却媒体として使用して切削加工する条件よりもクラッド不良発生率が高いことが理解できる。
【００１７】
ここで、レーザビームを予備照射したにも拘わらず、水溶性切削油剤を冷却媒体として使用して切削加工する条件が、水を冷却媒体として使用して切削加工する条件よりもクラッド不良発生率が高い理由を考察する。水溶性切削油剤は、水によって希釈されて５％程度の濃度に調整されたクーラントの形で使用される。このクーラントは沸点が水の沸点よりも高いので、素材表面の欠陥（孔隙）に染み込んだクーラントは、レーザビームの照射による高温環境下であっても瞬時に蒸発しない。これにより、クーラント中の油分が残留油分となってクラッド層内にトラップされ、これがクラッド不良（気孔等のクラッド層の欠陥）の原因になると考えられる。
【００１８】
そこで、発明者は、素材表面の欠陥（孔隙）に染み込んだ水溶性切削油剤の残留油分がクラッド不良の原因になるとの前提から、本プロセスの切削工程Ｐ１において、不水溶性切削油剤を使用するに至った。また、発明者は、自ら実施した試験の結果（図３参照）に基づき、素材表面の欠陥（孔隙）に油分が残留しない程度、換言すると、予備照射工程Ｐ３においてクラッド予定部を清浄化することが可能な程度の不水溶性切削油剤の動粘度を２０ｍｍ２／ｓ（４０℃）以上とした。
【００１９】
発明者が実施した試験は、水溶性切削油剤を水によって５％の濃度に希釈したクーラント（以下「５％クーラント」と称する）、洗浄液（水系中性洗剤の原液）、水、および動粘度が２０ｍｍ２／ｓ（４０℃）以上の不水溶性切削油剤の各種液体を、素材表面の欠陥（酸化皮膜等の孔隙）に真空引きによって染み込ませたアルミ合金製のテストピースを使用した。また、試験は、各液体毎に、テストピースを１ライン当たり１５０ｍｍの長さで４ライン分、すなわち、合計９００ｍｍの長さでクラッド加工し、各液体毎のクラッド不良（クラッド層の気孔）発生数を１ライン平均で比較した。なお、試験には、動粘度が２０ｍｍ２／ｓ（４０℃）以上の不水溶性切削油剤として、動粘度が２２ｍｍ２／ｓ（４０℃）の不水溶性切削油剤を使用した。
【００２０】
図３を参照すると、動粘度が２２ｍｍ２／ｓ（４０℃）の不水溶性切削油剤を素材表面の欠陥（孔隙）に染み込ませたテストピースにおけるクラッド不良発生数は、５％クーラントを素材表面の欠陥に染み込ませたテストピースにおけるクラッド不良発生数の１／５を下回る結果となった。また、動粘度が２２ｍｍ２／ｓ（４０℃）の不水溶性切削油剤を素材表面の欠陥に染み込ませたテストピースにおけるクラッド不良発生数は、水を素材表面の欠陥に染み込ませたテストピースにおけるクラッド不良発生数の半分程度であった。さらに、洗浄液を素材表面の欠陥に染み込ませたテストピースにおけるクラッド不良発生数は、水を素材表面の欠陥に染み込ませたテストピースにおけるクラッド不良発生数と略同等であった。
【００２１】
この試験結果から、動粘度が２２ｍｍ２／ｓ（４０℃）の不水溶性切削油剤は、その動粘度に起因して、５％クーラント、洗浄液、および水に対して素材表面の欠陥（孔隙）への染み込みの程度が小さいことが理解できる。そして、発明者は、クラッド不良の発生を抑止するための条件、すなわち、クラッド層の品質を確保するための条件は、切削工程Ｐ１において動粘度が２０ｍｍ２／ｓ（４０℃）以上の不水溶性切削油剤を使用して加工対象を切削加工することであるという結論に帰結した。
【００２２】
そして、発明者は、本プロセスの切削工程Ｐ１、洗浄工程Ｐ２、およびクラッド工程Ｐ４を経て得られたシリンダヘッド１（加工対象）におけるクラッド不良発生率を実験により求めた。その結果、クラッド不良発生率は０．１％であり、特許文献１記載の「水を使用した切削加工＋水による洗浄＋１分以内の乾燥」の条件におけるクラッド発生不良率（肉盛不良率）および「水溶性切削油剤を使用した切削加工＋中性洗剤による洗浄工程＋１分以内の乾燥＋レーザ予備照射」の条件におけるクラッド発生不良率の０．５％を下回った。
【００２３】
さらに、本プロセスの切削工程Ｐ１、洗浄工程Ｐ２、予備照射工程Ｐ３およびクラッド工程Ｐ４を経て得られたシリンダヘッド１（加工対象）におけるバルブシート２のクラッド不良発生率は０．０６％であり、特許文献１記載の「水を使用した切削加工＋水による洗浄＋１５分間の乾燥」の条件におけるクラッド発生不良率（肉盛不良率）の０．０１％と略同等であった。なお、厳密に言えば、本プロセスの洗浄工程Ｐ２を経た直後の素材表面の欠陥には、水の他に洗浄液が染み込んでいると考えられるが、図３を参照すると、素材表面の欠陥に染み込んだ洗浄液は、予備照射工程Ｐ３で水とともに除去されると理解できる。
【００２４】
この実施形態では以下の効果を奏する。
本実施形態によれば、動粘度が２０ｍｍ２／ｓ（４０℃）以上の不水溶性切削油剤を使用してアルミ合金製のシリンダヘッド１（加工対象）を切削加工した後、シリンダヘッド１のバルブシート２（所定箇所）をレーザクラッド法によりクラッド加工する。
動粘度が２０ｍｍ２／ｓ（４０℃）以上の不水溶性切削油剤を使用した切削加工では、クーラント（水溶性切削油剤を水で希釈した溶液）を使用した切削加工のように、素材表面の欠陥（酸化皮膜等の孔隙）に油分が残留することがないので、洗浄工程Ｐ２を経た後の素材表面（クラッド予定部）の欠陥に染み込んでいるのは水（水系要素）のみである。
これにより、素材表面の欠陥に残留した油分がクラッド工程Ｐ４においてバルブシート２に形成されたクラッド層にトラップされることに起因するクラッド不良の発生を抑止することが可能であり、クラッド層、延いてはシリンダヘッド１の品質を確保することができる。
【００２５】
また、本プロセス（切削工程Ｐ１＋洗浄工程Ｐ２＋予備照射工程Ｐ３＋クラッド工程Ｐ４）と特許文献１記載のプロセスとの比較では、本プロセスは、特許文献１記載のプロセスにおける洗浄工程後の１５分間の乾燥を省略しても略同等のクラッド不良発生率を達成することが可能であり、能率を大幅に向上させることができる。また、本プロセスは、特許文献１記載のプロセスのようなワークバッファ用の放置スペースが不要であり、製造ラインの大型化を回避することができる。また、特許文献１記載のプロセスでは、クラッド不良発生率を低下させるため水を使用して切削するので、設備の錆対策にコストが嵩むとともにメンテナンスの頻度が増し、さらに、潤滑されていないため加工面の精度を確保するのが困難であったが、本プロセスは、これらの問題を解消することができる。
【００２６】
なお、実施形態は上記に限定されるものではなく、例えば、次のように構成することができる。
前述したように本プロセスの予備照射工程Ｐ３は必須ではなく、必要に応じて省略することができる。
【符号の説明】
【００２７】
１  シリンダヘッド（加工対象）、２  バルブシート（所定箇所）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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