(57)【要約】【課題】高耐熱疲労強度、処理経路Ｒの短縮、および処理経路Ｒの端末処理に関する要請を同時に充足し、高品質のシリンダヘッド１を高い生産性で製造すること。【解決手段】摩擦攪拌処理の処理経路Ｒは、所定のポート開口部１１ａ〜１１ｂ間のバルブブリッジ１１ｃ〜１１ｆに設定された往路と、往路と平行に延びて一部が幅方向において重複する復路と、往路と復路のうち、回転工具２が最後に往復する経路が、高い耐熱疲労強度が要求される高疲労強度要求部になるように気筒１１内のエリアに設定される処理始点Ｓおよび処理終点Ｅとを有している。摩擦攪拌処理は、当該回転工具２が往路から復路に移行する過程で、シリンダヘッド１への回転工具２の押し込み量を増加しながら処理始点Ｓから往路および復路を経て処理終点Ｅに回転工具２を駆動する。仕上げ加工で処理終点Ｅの工具痕を除去する。【選択図】図５
2009030527.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のポート開口部が気筒毎に開口するエンジンの軽金属製シリンダヘッドの合わせ面に、所定の線状の処理経路を設定し、回転工具を前記処理経路に設定される処理始点から処理終点まで連続的に走行させて前記合わせ面に摩擦攪拌処理を施し、この摩擦攪拌処理の後に前記シリンダヘッドに最終仕様の開口を仕上げ加工で形成して前記処理終点に形成された工具痕を除去するエンジン用シリンダヘッドの表面処理方法において、
前記摩擦攪拌処理の処理経路は、所定のポート開口部間のバルブブリッジに設定された往路と、前記往路と平行に延びて一部が幅方向において重複する復路と、前記往路と前記復路のうち、回転工具が最後に往復する経路が、高い耐熱疲労強度が要求される高疲労強度要求部になるように前記気筒内のエリアに設定される前記処理始点および前記処理終点とを有し、
前記摩擦攪拌処理は、当該回転工具が往路から復路に移行する過程で、シリンダヘッドへの前記回転工具の押し込み量を増加しながら前記回転工具を駆動するものである
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、
前記シリンダヘッドは、ポート開口部間のバルブブリッジにグロープラグが装着されるディーゼルエンジン用のものであり、
前記処理経路は、前記バルブブリッジを前記高疲労強度要求部として最後に往復する経路が設定されている
ことを特徴とするエンジン用シリンダヘッドの表面処理方法。
【請求項３】
請求項１または２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、
前記処理経路は、平面視で略Ｔ字形のパターンに設定されている
ことを特徴とするエンジン用シリンダヘッドの表面処理方法。
【請求項４】
請求項１または２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、
前記処理経路は、平面視で略十字形のパターンに設定されている
ことを特徴とするエンジン用シリンダヘッドの表面処理方法。
【請求項５】
請求項１から４の何れか１項に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、
前記仕上げ加工で除去される余肉部を前記シリンダヘッドの当該ポート開口部に形成し、
前記余肉部に前記処理経路の処理終点を設定している
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６】
請求項５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、
前記余肉部は、最後の復路を挟む一対のポート開口部と反対側のポート開口部に設けられている
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７】
請求項５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、
前記余肉部は、最後の復路を挟む一対のポート開口部の何れかに形成されている
ことを特徴とするエンジン用シリンダヘッドの表面処理方法。
【請求項８】
請求項１から４の何れか１項に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、
前記気筒中央に穿設される燃料噴射弁装着穴に前記処理終点を設定している
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はエンジン用シリンダヘッドの表面処理方法に関し、特に、先端に突起状のプローブを有する回転工具を用いて、アルミニウム（Ａｌ）若しくはその合金等の軽合金材料で形成されたシリンダヘッドに摩擦攪拌処理を施し、表面が改質された改質領域を形成するエンジン用シリンダヘッドの表面処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ａｌ又はその合金等の軽金属製ワークの表面処理方法として、高速で回転する回転工具をワークの表面に接触させ、当該表面への押圧状態を保ちながら回転工具をワークの表面に設定された線状の処理経路に沿って移動させることで、ワーク表面及びその近傍領域を改質し機械的特性の向上を図る、いわゆる摩擦撹拌処理が知られており、エンジンのシリンダヘッドにおいても、この摩擦攪拌処理が広く利用されている（特許文献１、特許文献２参照）。
【０００３】
かかる摩擦攪拌処理を用いる場合、回転工具が引き抜かれる処理経路の終了端部には、工具先端形状が転写された工具痕（終端穴）がワークの表面に残存し得る。この工具痕がワークの表面に残存したまま仕上げ加工を終了すると、ワークの品質を損なう（例えば、エンジンのシリンダヘッドの場合、燃焼不良を来す）おそれがある。そのため、例えば特許文献１に開示されているように、摩擦攪拌処理をシリンダヘッドに用いる際には、本来は耐熱疲労強度の向上が不要な部位を処理して組み付けボルト穴加工部等、摩擦攪拌処理の後で仕上げ加工される際に除去される部位を終端とすることにより、工具痕がワークの完成時点では残存しない手法を用いることが知られている。
【０００４】
他方、摩擦攪拌処理において、回転工具の処理経路が、平行に隣接する往路と復路とを有する場合、特許文献２にも開示されているように、往路に比べて復路の移動時における回転工具のワークへの押し込み量を増加し、微細空隙（または未充填欠陥）を除去することが一般的である。
【特許文献１】特許第３６９０３８９号公報
【特許文献２】特許第３３４６３８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のような摩擦攪拌処理をシリンダヘッドに適用する場合、いわゆるバルブブリッジ（シリンダヘッドのポート開口部の間部分）は、燃焼室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やすく、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、混合気を加熱するグロープラグが採用されることから、このグロープラグが装着されるバルブブリッジには、高い耐熱疲労強度が要求される。
【０００６】
他方、摩擦攪拌処理は、可及的に処理時間を短縮し、処理能力の向上やコストの低減等、生産性の向上が求められる。
【０００７】
このように、摩擦攪拌処理をシリンダヘッドに適用する場合、高耐熱疲労強度、処理経路の短縮、および処理経路の端末処理等、種々の観点から、摩擦攪拌処理を施すことが要請されるが、特許文献１、２を初めとする従来の技術では、専ら、何れかの課題を解決するために開発されたものに留まり、全ての要請を同時に充足する方法には至らなかった。そのため、先行技術の枠内では、何れかの要請を断念するというトレードオフを回避することができなかった。
【０００８】
本発明は上記不具合に鑑みてなされたものであり、少なくとも高耐熱疲労強度、処理経路の短縮、および処理経路の端末処理に関する要請を同時に充足し、高品質のシリンダヘッドを高い生産性で製造することのできるエンジン用シリンダヘッドの表面処理方法を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために本発明は、複数のポート開口部が気筒毎に開口するエンジンの軽金属製シリンダヘッドの合わせ面に、所定の線状の処理経路を設定し、回転工具を前記処理経路に設定される処理始点から処理終点まで連続的に走行させて前記合わせ面に摩擦攪拌処理を施し、この摩擦攪拌処理の後に前記シリンダヘッドに最終仕様の開口を仕上げ加工で形成して前記処理終点に形成された工具痕を除去するエンジン用シリンダヘッドの表面処理方法において、前記摩擦攪拌処理の処理経路は、所定のポート開口部間のバルブブリッジに設定された往路と、前記往路と平行に延びて一部が幅方向において重複する復路と、前記往路と前記復路のうち、回転工具が最後に往復する経路が、高い耐熱疲労強度が要求される高疲労強度要求部になるように前記気筒内のエリアに設定される前記処理始点および前記処理終点とを有し、前記摩擦攪拌処理は、当該回転工具が往路から復路に移行する過程で、シリンダヘッドへの前記回転工具の押し込み量を増加しながら前記回転工具を駆動するものであ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である。この態様では、摩擦攪拌処理において、処理経路の処理始点に回転工具を導入し、回転工具を回転しながら処理経路を辿らせると、そのときの摩擦熱によって塑性流動層がシリンダヘッドの処理経路に沿って形成され、その塑性流動層が回転工具の回転によって非溶融状態で攪拌されることで、その表面組織が微細化した改質領域が形成される。また、当該処理経路の往路と復路とに形成される改質領域は、互いに幅方向で一部が重複し、隣り合うポート開口部間に形成されるバルブブリッジを確実に処理することができる。ここで、往路から復路に経路が移行する過程では、回転工具をシリンダヘッドに押し込む押し込み量が増加されるので、復路では、必ず往路よりも押し込み深さが深くなる結果、重複した改質領域の近傍で、微細空隙（未充填欠陥）が生じるおそれもない。しかも、処理経路の処理始点と処理終点は、高疲労強度要求部を回転工具が最後に往復移動するように設定されていることから、グロープラグ（ディーゼルエンジン）が装着される部位等の高疲労強度要求部は、もっとも深い押し込み量で改質された領域となる。加えて、最後の往路と最後の復路とが平行に重複することになるので、往路と復路との段差も少なくなり、より好適な改質領域で高疲労強度要求部を改質することができる。さらに、処理経路の処理始点と処理終点は、前記気筒内のエリアに設定されるので、処理経路の全長を可及的に短く設定し、処理時間を短縮して生産性を高めることができる。また、処理終点に形成される工具痕は、仕上げ加工の過程で除去されるので、この工具痕に起因する燃焼不良のおそれもない。
【００１０】
好ましい態様において、前記シリンダヘッドは、ポート開口部間のバルブブリッジにグロープラグが装着されるディーゼルエンジン用のものであり、前記処理経路は、前記バルブブリッジを前記高疲労強度要求部として最後に往復する経路が設定されている。この態様では、バルブブリッジの中でも最も熱疲労が生じやすいグロープラグが装着されているバルブブリッジが高疲労強度要求部として設定され、このバルブブリッジに最も深い改質領域が形成されるので、当該バルブブリッジの耐熱疲労強度を充分に確保することができる。
【００１１】
好ましい態様において、前記処理経路は、平面視で略Ｔ字形のパターンに設定されている。
【００１２】
別の態様において、前記処理経路は、平面視で略十字形のパターンに設定されている。
【００１３】
好ましい態様において、前記仕上げ加工で除去される余肉部を前記シリンダヘッドの当該ポート開口部に形成し、前記余肉部に前記処理経路の処理終点を設定している。この態様では、処理後の工具痕を摩擦攪拌処理工程の後に除去するに当たり、ポート開口部に形成された余肉部に処理終点を配置することによって大幅に処理経路の短縮を図ることができる。
【００１４】
好ましい態様において、前記余肉部は、最後の復路を挟む一対のポート開口部と反対側のポート開口部に設けられている。この態様では、最後の復路を移動してから余肉部に移動するまでの経路を可及的に直線状に設定することができるので、回転工具に過度な負荷を加えることなく、可及的に処理経路の短縮化を図り、生産性を高めることができる。
【００１５】
別の好ましい態様において、前記余肉部は、最後の復路を挟む一対のポート開口部の何れかに形成されている。この態様では、最後の復路から処理終点まで極めて短縮することができ、生産性の向上に寄与することができる。
【００１６】
好ましい態様において、前記気筒中央に穿設される燃料噴射弁装着穴に前記処理終点を設定している。この態様では、最後の復路から処理終点までを最も短縮することができ、生産性の向上に寄与することができる。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したように本発明は、幅方向に重複する往路と復路を有する処理経路を設定するに当たり、最後の往路と復路とが高疲労強度要求部になるように処理始点と処理終点が設定されているので、確実な高耐熱疲労強度を確保することができるとともに、処理始点および処理終点が筒内のエリア内に設定されることにより処理経路を可及的に短縮し、生産性を向上することができ、さらに、仕上げ加工によって処理終点の工具痕が除去されるので、処理経路の端末処理を確実にし、シリンダヘッドの品質を損なうおそれもない。このように本発明によれば、高耐熱疲労強度、処理経路の短縮、および処理経路の端末処理に関する要請を同時に充足し、高品質のシリンダヘッドを高い生産性で製造することができるという顕著な効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照しながら本発明の好ましい実施の形態について説明する。なお、以下に説明する各実施形態並びに比較例において、同等の部材には同一の符号を付し、重複する説明を省略している。また、比較例は、本発明を理解するために示されたものであり、公知技術ではない。
［摩擦攪拌装置］
図１および図２は、本発明の各実施形態並びに各比較例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ている。
【００１９】
図１および図２を参照して、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シリンダヘッド１を基台（図示せず）上に載置し固定した状態で、該シリンダヘッド１に摩擦攪拌処理を施すものである。シリンダヘッド１は、図略のシリンダブロックと組み合わされる合わせ面１ａを底部に有しており、摩擦攪拌装置は、シリンダヘッドの合わせ面１ａ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。
【００２０】
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の下端面に同心に突設された回転基体部２ａよりも小径のプローブ部２ｂとを一体構成したものである。回転基体部２ａとプローブ部２ｂとの間にはショルダ２ｃが形成されている。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、回転工具２（回転基体部２ａおよびプローブ部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。
【００２１】
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。
【００２２】
図３は、回転工具のプローブ部の変形例を示す正面図である。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い。また、図では省略しているが、回転基体部２ａの底面（ショルダ２ｃ）に螺旋を施してもよい。その他、回転工具としては、種々の形態のものを用いることができる。
【００２３】
図１を参照して、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をシリンダヘッド１の合わせ面１ａに対して略垂直な方向（上下方向）およ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およ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をシリンダヘッド１内に、該部材１表面と略垂直方向（シリンダヘッド１の深さ方向）に進入させ、この進入状態で回転工具２をシリンダヘッド１の合わせ面１ａ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。また、工具駆動手段３は、回転工具２をシリンダヘッド１に対し、当該回転工具２の軸方向に１ＫＮ〜３０ＫＮの荷重で押圧可能に構成されている。これによって、所望の経路で所望の押し込み深さに改質領域１ｂを設定できるようになっている。
【００２４】
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の下面およびプローブ部２ｂ）をシリンダヘッド１の合わせ面１ａに当接させ、所定の荷重で押し込みながら、そのシリンダヘッド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、合わせ面１ａの回転工具２が当接している部分ないしその近傍領域を軟化させて塑性流動層（図２参照）を生じせしめ、その塑性流動層を回転工具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が冷却することで改質された改質領域１ｂが形成される。この改質領域１ｂは、その周囲の部分に比して緻密な金属組織となる。そして、回転工具２をシリンダヘッド１の合わせ面１ａに沿って移動させることで、その処理経路Ｒ上の表面が回転工具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。
【００２５】
なお、詳しくは各実施形態で説明するように、摩擦攪拌処理において、改質領域１ｂの押し込み深さは、処理経路Ｒの部位（経路Ｒ１〜Ｒ５）によって異なっている。
【００２６】
回転工具２の具体的な仕様として、ディーゼルエンジン用のシリンダヘッド１に適用されるものとしては、プローブ部２ｂは、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ものが好適である。
【００２７】
以下に、各実施形態並びに各比較例について説明する。
［第１実施形態］
図４は、本発明の第１実施形態に係るシリンダヘッドの底面図である。
【００２８】
図４を参照して、このシリンダヘッド１は、ディーゼルエンジン用のものであって、アルミニウム合金鋳物ＡＣ４Ｄ（ＪＩＳ  Ｈ５２０２）等の軽合金（アルミニウム合金）からなっている。シリンダヘッド１の合わせ面１ａには、当該シリンダブロックに形成される気筒１１（図４に仮想線で図示）毎に、一対の吸気ポート開口部１１ａ、１１ａと一対の排気ポート開口部１１ｂ、１１ｂとを備えている。
【００２９】
吸気ポート開口部１１ａ、１１ａは、図略のインテークマニホールドが取り付けられる側（図４の下側）の長手方向に概ね沿って互いに間隔を隔てて対をなし、排気ポート開口部１１ｂ、１１ｂは、図略のエキゾーストマニホールドが取り付ける側（図４の上側）の長手方向に概ね沿って互いに間隔を隔てて対をなしている。従って、各開口部１１ａ〜１１ｂは、吸気ポート開口部１１ａ、１１ａ同士の間に吸気側バルブブリッジ１１ｃを、排気ポート開口部１１ｂ、１１ｂ間に排気側バルブブリッジ１１ｄを、シリンダヘッド１の長手方向一端側の吸気ポート開口部１１ａと排気ポート開口部１１ｂとの間に一端側バルブブリッジ１１ｅを、他端側の吸気ポート開口部１１ａと排気ポート開口部１１ｂとの間に他端側バルブブリッジ１１ｆをそれぞれ区画している。吸気側バルブブリッジ１１ｃの最小幅は、例えば１２．８ｍｍであり、排気側バルブブリッジ１１ｄの最小幅は、例えば１０．０ｍｍであり、一端側バルブブリッジ１１ｅ、他端側バルブブリッジ１１ｆの最小幅は、例えば１１．０ｍｍに設定される。なお、各ポート開口部１１ａ〜１１ｂ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。
【００３０】
本実施形態では、吸気側バルブブリッジ１１ｃの最小幅部分の幅方向中央部には、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１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部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。また、各ポート開口部１１ａ〜１１ｂに囲まれた気筒１１の中心部には、燃料噴射弁装着用穴１６が形成されている。なお、図４中、１２は、シリンダヘッド１とシリンダブロックとを結合するためのテンションボルト穴である。
【００３１】
次に、摩擦攪拌処理の処理経路Ｒについて説明する。
【００３２】
図５は、第１実施形態に係る仕上げ加工前のシリンダヘッド１の底面図であり、図６は、図５の要部を拡大して示す説明図である。なお、図５および図６に示すシリンダヘッド１は、摩擦攪拌処理が施されるシリンダヘッド１は、仕上げ加工が施される前の鋳造後の中間生成品であって、各ポート開口部１１ａ〜１１ｂの形状等は図４に示した完成品とは異なる（完成後の各ポート開口部１１ａ〜１１ｂおよびテンションボルト穴１２を図５および図６に鎖線で示す）。
【００３３】
図５および図６を参照して、各図に示す第１実施形態において、摩擦攪拌処理の処理経路Ｒは、気筒１１毎に分割された有端の連続軌跡であって、全体としてＴ字形の経路パターンを呈している。
【００３４】
ここで、処理経路Ｒを気筒１１毎に分割しているのは、気筒１１間の繋ぎ部分の不要な処理を回避して、摩擦撹拌処理の処理時間を大幅に短縮し、処理効率を大いに高めることができるからであり、全気筒を縦断する長い処理経路を設けた場合に比べて、気筒１１間で表面処理の処理深さにバラツキが生じるおそれもないからである。
【００３５】
各処理経路Ｒは、図６に示すように、燃料噴射弁装着用穴１６の近傍に回転工具２が最初に挿入される処理始点Ｓが設定され、この処理始点Ｓから全体としてＴ字形のパターンを呈し、線状に連続する経路Ｒ１〜Ｒ４（図６では、説明の便宜上、後述する押し込み深さの変化する時点で各経路Ｒ１〜Ｒ４を分断して示している）を辿ることにより、一端側バルブブリッジ１１ｅ、他端側バルブブリッジ１１ｆ、吸気側バルブブリッジ１１ｃの順に往路と復路が形成されている。
【００３６】
第１実施形態では、経路Ｒ１の形成時の押し込み深さを所定の設定値Ａ（例えば、Ａ＝５．１ｍｍ）とし、経路Ｒ２では０．０５ｍｍ×１だけ押し込み深さを増加し、経路Ｒ３では、０．０５ｍｍ×２、経路Ｒ４では０．０５ｍｍ×３だけ押し込み深さを増加するように回転工具２の駆動動作が制御されるようになっている。この結果、吸気側バルブブリッジ１１ｃの往路（Ｒ３）の深さは、Ａ＋０．１ｍｍ、復路（Ｒ４）の深さは、Ａ＋０．１５ｍｍとなり、処理経路Ｒが設定されたバルブブリッジ１１ｃ〜１１ｆの中で最も処理深さが深くなり、しかも、往路と復路の差が０．０５ｍｍのみの極めて良好な改質領域を得ることが可能になる。周知の構成と同様に、経路Ｒ１〜Ｒ４は、往路と復路を構成する部位の中心線間隔は、回転工具２のプローブ部２ｂの外径７ｍｍに対して、例えば６ｍｍに設定され、これにより、各経路Ｒ１〜Ｒ４は、幅方向において往路と復路とを構成する部位が重なり合うように構成されている。この結果、往路よりも復路の押し込み深さが深くなるように回転工具２が駆動制御されることと相俟って、往路と復路との間にいわゆる微細空隙（または未充填欠陥）が生じるのを防止することができるようになっている。
【００３７】
上述のような微細空隙を回避するため重複部分を往路と復路との間に形成するに当たり、本実施形態においては、吸気側バルブブリッジ１１ｃを最後の往路（経路Ｒ３）と最後の復路（経路Ｒ４）とが通るように、処理始点Ｓと処理終点Ｅとが設定されている。図６から明らかなように、処理経路Ｒは、往路から復路に移行する度に押し込み深さが深くなり、その分、改質領域１ｂが深くなって、機械的強度や耐熱性が向上する。
【００３８】
一方、吸気側バルブブリッジ１１ｃには、グロープラグを装着するためのグロープラグ装着穴１５が形成されることに相俟って、他のバルブブリッジ１１ｄ〜１１ｆに比べ、吸気側バルブブリッジ１１ｃは、バルブ間の壁部の幅が狭くなって耐疲労強度の要求が高く、しかも、発熱体であるグロープラグの熱影響を受けやすいため、熱疲労の耐性が特に必要とされる。
【００３９】
そこで、本実施形態では、この吸気側バルブブリッジ１１ｃを耐疲労強度必要部として吸気側バルブブリッジ１１ｃを最後の往路（経路Ｒ３）と最後の復路（経路Ｒ４）とが通るように、処理始点Ｓと処理終点Ｅとを設定し、吸気側バルブブリッジ１１ｃが最も高いレベルで改質されるように設定しているのである。
【００４０】
上述したように摩擦攪拌処理は、各ポート開口部１１ａ〜１１ｂの周縁部のＮＣ加工（仕上げ加工の一例）やテンションボルト穴１２および燃料噴射弁装着用穴１６の形成加工前に行われるが、この仕上げ加工前において、シリンダヘッド１の長手方向一端側に配置される排気ポート開口部１１ｂには、余肉部１４が設けられており、処理経路Ｒの処理終点Ｅは、この余肉部１４の上に設定されている。従って、最終の復路（経路Ｒ４）から回転工具２は、燃料噴射弁装着用穴１６の近傍を横切り、一端側の排気ポート開口部１１ｂに設けられた余肉部１４で引き抜かれる。この引き抜き動作で余肉部１４には、回転工具２の工具痕（終端穴）が残ることになるが、仕上げ加工によって排気ポート開口部１１ｂを図６の破線の形状に仕上げることにより、余肉部１４とともに除去されるので、シリンダヘッド１には、工具痕が残らないことになる。
【００４１】
次に、第１実施形態の工程について説明する。
【００４２】
まず、図５に示した中間生成品を鋳造し、図略の冶具に固定する。
【００４３】
次いで、図１に示した工具駆動手段３で回転工具２を駆動し、摩擦攪拌処理を施す。
【００４４】
第１実施形態によれば、この摩擦攪拌処理において、処理経路Ｒの処理始点Ｓに回転工具２を導入し、回転工具２を回転しながら所定の押し付け深さで回転工具２をシリンダヘッド１に押し付けつつ処理経路Ｒを辿らせると、そのときの摩擦熱によって塑性流動層がシリンダヘッド１の処理経路Ｒに沿って形成され、その塑性流動層が回転工具２の回転によって非溶融状態で攪拌されることで、その表面組織が微細化した改質領域１ｂ（図４参照）が形成される。また、当該処理経路Ｒの往路と復路とに形成される改質領域１ｂは、互いに幅方向で一部が重複し、バルブブリッジ１１ｃ、１１ｅ、１１ｆを確実に処理することができる。ここで、往路から復路に経路が移行する過程では、図６に示したように、回転工具２をシリンダヘッド１に押し込む押し込み量が増加されるので、復路では、必ず往路よりも押し込み深さが深くなる結果、重複した改質領域１ｂの近傍で、微細空隙（未充填欠陥）が生じるおそれもない。しかも、処理経路Ｒの処理始点Ｓと処理終点Ｅは、高疲労強度要求部としてのグロープラグ装着穴１５を回転工具２が最後に往復移動するように設定されていることから、グロープラグが装着される部位等の高疲労強度要求部は、もっとも深い押し込み量で改質された領域となる。加えて、最後の往路と最後の復路とが平行に重複することになるので、往路と復路との段差も少なくなり、より好適な改質領域１ｂでグロープラグ装着穴１５を改質することができる。さらに、処理経路Ｒの処理始点Ｓと処理終点Ｅは、気筒１１内のエリアに設定されるので、処理経路Ｒの全長を可及的に短く設定し、処理時間を短縮して生産性を高めることができる。また、処理終点Ｅに形成される工具痕（終端穴）は、仕上げ加工の過程で除去されるので、この工具痕に起因する燃焼不良のおそれもない。
【００４５】
特に、第１実施形態では、シリンダヘッド１は、吸気用ポート開口部１１ａ、１１ａ間の吸気側バルブブリッジ１１ｃにグロープラグが装着されるディーゼルエンジン用のものであり、摩擦攪拌処理は、当該グロープラグ装着穴１５が形成される吸気側バルブブリッジ１１ｃを高疲労強度要求部として最後に往復する経路が設定されている。このため本実施形態では、バルブブリッジ１１ｃ〜１１ｆの中でも最も熱疲労が生じやすい吸気側バルブブリッジ１１ｃが高疲労強度要求部として設定され、この吸気側バルブブリッジ１１ｃに最も深い改質領域が形成されるので、当該吸気側バルブブリッジ１１ｃの耐熱疲労強度を充分に確保することができる。
【００４６】
また第１実施形態では、仕上げ加工で除去される余肉部１４をシリンダヘッド１の当該ポート開口部１１ａ〜１１ｂに形成し、余肉部１４に処理経路Ｒの処理終点Ｅを設定している。このため本実施形態では、処理後の工具痕（終端穴）を摩擦攪拌処理工程の後に除去するに当たり、ポート開口部１１ａ〜１１ｂに形成された余肉部１４に処理終点Ｅを配置することによって大幅に処理経路Ｒの短縮を図ることができる。
【００４７】
また第１実施形態では、余肉部１４は、最後の復路を挟む一対の吸気ポート開口部１１ａ、１１ａと反対側の排気ポート開口部１１ｂ、１１ｂに設けられている。このため本実施形態では、最後の復路を移動してから余肉部１４に移動するまでの経路Ｒ４を可及的に直線状に設定することができるので、回転工具２に過度な負荷を加えることなく、可及的に処理経路Ｒの短縮化を図り、生産性を高めることができる。
【００４８】
摩擦攪拌処理を終了した後、周知のＮＣ加工により、余肉部１４等を切除し、最終仕様の開口を形成する。これにより、図４で示した改質領域１ｂを有するシリンダヘッド１を完成させることができる。
［第２実施形態］
図７は本発明の第２実施形態に係る仕上げ加工前のシリンダヘッド１の底面図であり、図８は図７の要部を拡大して示す説明図である。
【００４９】
図７および図８を参照して、各図に示す第２実施形態では、余肉部１４をシリンダヘッド１の長手方向一端側の吸気ポート開口部１１ａに形成し、処理経路Ｒの処理終点Ｅを吸気ポート開口部１１ａの余肉部１４に設定した点が第１の実施形態と異なっている。
【００５０】
第２実施形態においては、余肉部１４は、最後の復路を挟む一対のポート開口部１１ａ〜１１ｂの何れかに形成されているので、最後の復路から処理終点Ｅまで極めて短縮することができ、生産性の向上に寄与することができる。
［第３実施形態］
図９は本発明の第３実施形態に係るシリンダヘッド１の底面図であり、図１０は第３実施形態に係る仕上げ加工前のシリンダヘッドを示す底面図、図１１は、図１０の要部を拡大して示す説明図である。
【００５１】
図９〜図１１を参照して、各図に示す第３実施形態では、摩擦攪拌処理の仕様として、全てのバルブブリッジ１１ｃ〜１１ｆを経由する平面視で略十字形のパターンに処理経路Ｒが設定されたものを示している。
【００５２】
この態様では、図１１に示すように、第１実施形態と同様に、燃料噴射弁装着用穴１６の近傍に回転工具２が最初に挿入される処理始点Ｓが設定され、この処理始点Ｓから全体として十字のパターンを呈する経路Ｒ１〜Ｒ５を辿ることにより、一端側バルブブリッジ１１ｅ、排気側バルブブリッジ１１ｄ、他端側バルブブリッジ１１ｆ、吸気側バルブブリッジ１１ｃの順に往路と復路が形成されている。
【００５３】
第３実施形態では、経路Ｒ１の形成時の押し込み深さを所定の設定値Ａとし、経路Ｒ２では０．０５ｍｍ×１だけ押し込み深さを増加し、経路Ｒ３では、０．０５ｍｍ×２、経路Ｒ４では０．０５ｍｍ×３、経路Ｒ５では０．０５ｍｍ×４だけ押し込み深さを増加するように回転工具２の駆動動作が制御されるようになっている。この結果、吸気側バルブブリッジ１１ｃの往路（Ｒ４）の深さは、Ａ＋０．１５ｍｍ、復路（Ｒ５）の深さは、Ａ＋０．２０ｍｍとなり、処理経路Ｒが設定されたバルブブリッジ１１ｃ〜１１ｆの中で最も処理深さが深くなり、しかも、往路と復路の差が０．０５ｍｍのみの極めて良好な改質領域を得ることが可能になる。
【００５４】
さらに第３実施形態においても、シリンダヘッド１の仕上げ加工前において、シリンダヘッド１の長手方向一端側に配置される排気ポート開口部１１ｂには、余肉部１４が設けられており、処理経路Ｒの処理終点Ｅは、この余肉部１４の上に設定されている。従って、回転工具２の引き抜き動作で余肉部１４に形成された工具痕は、仕上げ加工によって余肉部１４とともに除去される。
［第４実施形態］
図１２は本発明の第４実施形態に係る仕上げ加工前のシリンダヘッド１の底面図であり、図１３は図１２の要部を拡大して示す説明図である。
【００５５】
図１２および図１３を参照して、各図に示す第４施形態では、余肉部１４をシリンダヘッド１の長手方向一端側の吸気ポート開口部１１ａに形成し、処理経路Ｒの処理終点Ｅを吸気ポート開口部１１ａの余肉部１４に設定した点が第３の実施形態と異なっている。
【００５６】
第４実施形態においては、余肉部１４は、最後の復路を挟む一対のポート開口部１１ａ〜１１ｂの何れかに形成されているので、最後の復路から処理終点Ｅまで極めて短縮することができ、生産性の向上に寄与することができる。
［第５実施形態］
図１４は本発明の第５実施形態に係る仕上げ加工前のシリンダヘッド１の底面図であり、図１５は図１４の要部を拡大して示す説明図である。
【００５７】
図１４および図１５を参照して、各図に示す第５実施形態では、処理経路Ｒの処理終点Ｅを気筒１１中央に穿設される燃料噴射弁装着用穴１６に設定した点が第３、第４実施形態と異なっている。
【００５８】
第５実施形態においては、燃料噴射弁装着用穴１６の径によっては熱膨張の影響に対する配慮が必要なものの、最後の復路から処理終点Ｅまでを最も短縮することができ、生産性の向上に寄与することができる。
［比較例１］
次に上述した各実施形態の効果を明らかにするための比較例について説明する。
【００５９】
図１６は、比較例１を示す仕上げ加工前におけるシリンダヘッドの底面図であり、図１７は、図１６の要部を拡大して示す説明図である。
【００６０】
図１６および図１７を参照して、比較例１は、第１、第２実施形態と対比されるものであり、第１、第２実施形態との相違点は、処理経路Ｒの処理始点Ｓが、吸気側バルブブリッジ１１ｃの外側（気筒１１の径方向外方）に設定されている点、並びに処理終点Ｅが、気筒１１から外れたテンションボルト穴１２に設定されている点である。
【００６１】
経路Ｒ１の形成時の押し込み深さを所定の設定値Ａとした場合、比較例１の処理経路Ｒの押し込み深さは、経路Ｒ２では、０．０５ｍｍ×１だけ押し込み深さを増加し、経路Ｒ３では、０．０５ｍｍ×２だけ押し込み深さが増加することになる。そのため、例えば図６との対比から明らかなように、高疲労強度要求部となる吸気側バルブブリッジ１１ｃでは、往路（Ｒ１）が最も浅くなり、しかも復路（Ｒ３）との差が０．１ｍｍになってしまうことになる。
【００６２】
このように、比較例１は、従来の製法と同様に、テンションボルト穴１２を処理経路Ｒの処理終点Ｅに設定した関係上、経路長さをできるだけ短くするために、処理始点Ｓを吸気側バルブブリッジ１１ｃの外側（気筒１１の径方向外方）に設定しているものであるが、処理終点Ｅが気筒１１のエリア外であるため、処理経路Ｒ全体が長くなってしまうばかりでなく、高疲労強度要求部となる吸気側バルブブリッジ１１ｃを最初の往路（Ｒ１）とする必要があるため、この吸気側バルブブリッジ１１ｃに形成される改質領域１ｂの層深さが浅くなり、所要の強度を得ることができなくなるという課題が残った。
［比較例２］
図１８は、比較例２を示す仕上げ加工前におけるシリンダヘッドの底面図であり、図１９は、図１８の要部を拡大して示す説明図である。
【００６３】
図１８および図１９を参照して、比較例２は、第３〜第５実施形態と対比されるものであり、第３〜第５実施形態との相違点は、処理経路Ｒの処理始点Ｓが、他端側バルブブリッジ１１ｆの外側（気筒１１の径方向外方）に設定されている点、並びに処理終点Ｅが、気筒１１から外れたテンションボルト穴１２に設定されている点である。
【００６４】
経路Ｒ１の形成時の押し込み深さを所定の設定値Ａとした場合、比較例２の処理経路Ｒの押し込み深さは、経路Ｒ２では、０．０５ｍｍ×１だけ押し込み深さを増加し、経路Ｒ３では、０．０５ｍｍ×２、経路Ｒ４では、０．０５ｍｍ×３だけ押し込み深さが増加することになる。そのため、例えば図１１との対比から明らかなように、高疲労強度要求部となる吸気側バルブブリッジ１１ｃでは、往路（Ｒ１）が最も押し込み深さが浅くなり、しかも復路（Ｒ２）が次いで押し込み深さの浅い経路になってしまうことになる。
【００６５】
このように、比較例２は、従来の製法と同様に、テンションボルト穴１２を処理経路Ｒの処理終点Ｅに設定した関係上、経路長さをできるだけ短くするために、処理始点Ｓを吸気側バルブブリッジ１１ｃの外側（気筒１１の径方向外方）に設定しているものであるが、処理終点Ｅが気筒１１のエリア外であるため、処理経路Ｒ全体が長くなってしまうばかりでなく、高疲労強度要求部となる吸気側バルブブリッジ１１ｃを最初の往路（Ｒ１）および復路（Ｒ２）とする必要があるため、この吸気側バルブブリッジ１１ｃに形成される改質領域１ｂの層深さが浅くなり、所要の強度を得ることができなくなるという課題が残った。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の各実施形態並びに各比較例に係る表面処理方法を実施するための摩擦攪拌装置の概略構成図である。
【図２】図１の回転工具のプローブ近傍の断面図である。
【図３】図１の摩擦攪拌装置に適用可能な別の回転工具を示す正面図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係るシリンダヘッドの底面図である。
【図５】第１実施形態に係る仕上げ加工前のシリンダヘッドの底面図である。
【図６】図５の要部を拡大して示す説明図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係る仕上げ加工前のシリンダヘッドの底面図である。
【図８】図７の要部を拡大して示す説明図である。
【図９】本発明の第３実施形態に係るシリンダヘッドの底面図である。
【図１０】第３実施形態に係る仕上げ加工前のシリンダヘッドを示す底面図である。
【図１１】図１０の要部を拡大して示す説明図である。
【図１２】本発明の第４実施形態に係る仕上げ加工前のシリンダヘッドの底面図である。
【図１３】図１２の要部を拡大して示す説明図である。
【図１４】本発明の第５実施形態に係る仕上げ加工前のシリンダヘッドの底面図である。
【図１５】図１４の要部を拡大して示す説明図である。
【図１６】比較例１を示す仕上げ加工前におけるシリンダヘッドの底面図である。
【図１７】図１６の要部を拡大して示す説明図である。
【図１８】比較例２を示す仕上げ加工前におけるシリンダヘッドの底面図である。
【図１９】図１８の要部を拡大して示す説明図である。
【符号の説明】
【００６７】
１  シリンダヘッド
１ａ  合わせ面
１ｂ  改質領域
２  回転工具
２ａ  回転基体部
２ｂ  プローブ部
２ｃ  ショルダ
３  工具駆動手段
１１  気筒
１１ａ  吸気ポート開口部
１１ｂ  排気ポート開口部
１１ｃ  吸気側バルブブリッジ（高疲労強度要求部の一例）
１１ｄ  排気側バルブブリッジ
１１ｅ  一端側バルブブリッジ
１１ｆ  他端側バルブブリッジ
１２  テンションボルト穴
１４  余肉部
１５  グロープラグ装着用穴
１６  燃料噴射弁装着用穴
Ｅ  処理終点
Ｒ  処理経路
Ｓ  処理始点
【図１】
2009030527.tif 000003
【図２】
2009030527.tif 000004
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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