JP2006117994A - 溶射前処理方法およびエンジンのシリンダブロック - Google Patents

Abstract

【課題】 製造コストを低く抑えつつ円筒内面の粗面化を行うようにする。
【解決手段】 レーザ発振器７から発振されるレーザ光Ｌをシリンダボア内面３に照射することで、シリンダボア内面３の全域に凹部となる穴２５を形成してシリンダボア内面３を粗面化する。この際、穴２５の周囲には、レーザ光Ｌの照射により照射部位のシリンダボア内面が溶融して盛り上がる凸部２７が形成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、溶射皮膜を形成する前の基材表面を粗面化する溶射前処理方法およびエンジンのシリンダブロックに関する。

自動車用エンジンの重量低減および排気処理対応に効果のあるライナレスアルミシリンダブロックのシリンダボア内面に対して鉄系材料による溶射皮膜を形成する際に、その前工程として、溶射皮膜の密着力を高める目的でシリンダボア内面を粗面に形成する必要がある。

例えば、下記特許文献１には、粗面に形成する方法としてショットブラスト処理を行っている。また、下記特許文献２や特許文献３には、切削工具を用いて切削加工することで粗面に形成している。
特開平１１−３２０４１４号公報 特開平１０−７７８０７号公報 特開２００２−１５５３５０号公報

しかしながら、上記したいずれの粗面化方法も、粗面化加工時に発生する切粉などの異物の除去工程が必要となるので、作業工程が増加し、製造コストの上昇を招く。

そこで、本発明は、製造コストを低く抑えつつ円筒内面の粗面化を行うようにすることを目的としている。

本発明は、溶射皮膜を形成する前の基材表面を粗面に形成する溶射前処理方法において、前記基材表面にレーザ光を照射して粗面を形成することを最も主要な特徴とする。

本発明によれば、溶射前処理方法として、基材表面にレーザ光を照射して粗面を形成するようにしたので、ショットブラスト処理や切削加工を行った場合のような切粉などの異物の除去工程が不要となり、製造コストの上昇を抑えることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係わる溶射前処理方法を示す断面図である。溶射皮膜を形成する前の基材表面として、ここでは例えばエンジンのシリンダブロック１におけるシリンダボア内面３とする。シリンダブロック１は、アルミ合金（ＡＤＣ１２材）からなるダイカスト製であり、そのシリンダボア内面３は、一定の精度で加工してある。このシリンダボア内面３に、レーザ光を照射して粗面に形成した後、鉄系材料からなる溶射用材料をシリンダボア内面３に溶射して溶射皮膜を形成する。

上記したレーザ光を照射するレーザ加工装置５は、レーザ光Ｌを発振するレーザ発振器７と、レーザ発振器７から発振したレーザ光Ｌを集光する集光レンズ９を有する集光ヘッド１１と、集光ヘッド１１をシリンダボア内面３に対して相対的に移動および回転させる移動装置１３とをそれぞれ備えている。

レーザ発振器７は、波長１．０６μｍのＹＡＧレーザ光などの加工用レーザ光Ｌを発振する。なお、本発明においては、特にＹＡＧレーザに限定せずに、例えばＣＯ₂レーザやアルゴンレーザ、エキシマレーザ、ルビーレーザ、ガラスレーザ、ＣＯレーザ、沃素レーザなどを用いてもよい。

このレーザ発振器７は、一般的なＹＡＧレーザ発振器と同様、ダイオードに通電することによりＹＡＧロッドに励起（ポンピング）光を照射し、これにより反転分布状態となったＹＡＧロッドから誘電放出光を取り出し、この誘電放出光を、光共振器で往復させて増幅し、所定エネルギに達したら光共振器の部分反射鏡から透過させることにより、レーザ光Ｌが発振する。

このようなレーザ光Ｌを、平均出力３０Ｗ，繰り返し周波数２５ｋＨｚのパルス波として発振させ、第１のミラー１５で反射させて集光ヘッド１１内へと導く。この第１のミラー１５は一方の面でレーザ光Ｌを全反射する。

上記した集光ヘッド１１は、シリンダブロック１のシリンダボア径よりも小さな直径を有してほぼ円筒体であり、内部には、集光ヘッド１１内に進入したレーザ光Ｌを発散させた後に平行状態で集光レンズ９に導くエキスパンダ１７と、エキスパンダ１７により平行状態に導かれたレーザ光Ｌを集光させる集光レンズ９と、集光レンズ９で集光したレーザ光Ｌをシリンダボア内面３に向けて反射させる第２のミラー１９とを、それぞれ設けており、これらはエキスパンダ１７、集光レンズ９、第２のミラー１９の順序でレーザ光Ｌの光軸上に位置するようにそれぞれ配置している。

上記したエキスパンダ１７は、レーザ光Ｌを発散光線束とする発散レンズ１７ａと、発散されたレーザ光Ｌを平行光線束とするコリメータレンズ１７ｂとを、それぞれ有している。

そして、この集光ヘッド１１は、レーザ発振器７から発振され第１のミラー１５を介して進入したレーザ光Ｌを、エキスパンダ１７の発散レズ１７ａで発散して所定ビーム径の発散光線束とし、この発散されたビーム径をコリメータレンズ１７ｂで維持した状態で平行光線束として集光レズ９に導き、第２のミラー１９で反射して、シリンダボア内面３にレーザ光Ｌを照射する。

この集光ヘッド１１は、支持部２１を介して前記した移動装置１３に支持されている。移動装置１３は、制御装置２３に接続し、制御装置２３の制御指令に基づいて、移動装置１３の図示しないアクチュエータが駆動することで、集光ヘッド１１を図１に示すＸ−Ｙ−Ｚ軸方向に移動させるとともに、Ｚ軸を中心として回転させる。

このようなレーザ加工装置５により、その集光ヘッド１１をシリンダボア内に挿入しつつ回転させながら、レーザ光Ｌをシリンダボア内面３に照射することで、図２に示すように、シリンダボア内面３の全域に凹部としての穴２５を形成してシリンダボア内面３を粗面化する。この際、図２の拡大したＡ−Ａ断面図である図３（ａ）に示すように、穴２５の周囲には、レーザ光Ｌの照射により、照射部位のシリンダボア内面部分が溶融して盛り上がる凸部２７が形成される。なお、上記した穴２５の開口部の直径Ｄは、６０μｍ程度である。

このようにして、シリンダボア内面３にレーザ光Ｌを照射して粗面を形成することで、ショットブラスト処理や切削加工を行った場合のような切粉などの異物の除去工程が不要となるので、作業時間の短縮を図ることができ、製造コストの上昇を抑えることができる。

上記したレーザ光Ｌは、必要部位のみに照射可能であるので、ショットブラスト処理のように不要部位にまで粗面化してしまうようなことはなく、高効率で粗面化加工を行うことができる。

また、シリンダボア内面３をレーザ光Ｌの照射により粗面化する際に、凹部となる穴２５を形成するとともに、穴２５の周囲に、レーザ光Ｌの照射によるシリンダボア内面部位の溶融によって盛り上がる凸部２７を設けることで、シリンダボア内面３は凹凸形状となって粗面化加工がより効果的となり、図３（ｂ）に示すように、その後形成する溶射皮膜２９の密着力が高まるものとなる。

図４は、本発明の第２の実施形態を示す図３（ａ）に対応する断面図である。この実施形態は、エンジンのピストン上死点付近Ｂにおけるシリンダボア内面３の粗面形状を、他の部位Ｃに比べて細かくしている。すなわち、ピストン上死点付近Ｂのシリンダボア内面３における穴２５相互の間隔を他の部位Ｃにおける穴２５相互の間隔よりも狭くしている。

このように、シリンダボア内面３におけるピストン上死点付近Ｂの穴２５相互の間隔を、他の部位Ｃの同間隔より狭くして微細にすることで、その後形成する溶射皮膜の密着力を、燃焼圧が大きく作用するピストン上死点付近Ｂで高めることができる。

図５は、本発明の第３の実施形態を示す図３（ａ）に対応する断面図である。この実施形態は、エンジンのピストン上死点付近Ｂにおけるシリンダボア内面３の穴２５を、その底部２５ａが開口部２５ｂよりピストン下死点側（図５中で下部側）となるよう傾斜させている。

このような傾斜する穴２５の形成は、前記図１に示したレーザ加工装置５の集光ヘッド１１内における第２のミラー１９の角度を変化させる構成とすることで対応できる。

図６は、シリンダボア内面３に、上記図５における傾斜した穴２５をレーザ光Ｌにより加工した後、溶射皮膜２９を形成した状態を示す。この状態で、図示しないピストンが図６中で上部から燃焼圧を受けて下方に移動する際に、ピストンに装着してあるピストンリング３０は、燃料圧方向の力Ｐを受けると同時に、自身が拡張しようとする力Ｑを受ける。

このため溶射皮膜２９には、これら各力Ｐ，Ｑに対応して、溶射皮膜２９に沿う平行な力Ｐ0および溶射皮膜２９に垂直な力Ｑ0がそれぞれ作用し、これにより溶射皮膜２９は、ピストンリング３０によって押し付けられながら皮膜面と平行な方向に擦られる状態となる。

このようなことから、第３の実施形態では、燃焼圧力が最も高くなる上死点付近の穴２５の形状を図５に示したように傾斜させることで、上記した溶射皮膜２９の表面に沿って軸方向に作用する力Ｑ0に対抗して剥離しにくいものとなり、溶射皮膜２９の密着力が高まるものとなる。

なお、上記した各実施形態において、シリンダボア内面３に対してレーザ光Ｌを照射する際に、穴２５に代えて螺旋状の溝を形成してもよい。

また、上記した各実施形態のようにして溶射前処理加工したシリンダボア内面３の粗面形状については、レーザなどの被接触型の形状測定機などにより形状を測定し、その精度を保証している。

図７は、前記したシリンダブロック１のシリンダボア内面３を粗面化した後に溶射皮膜を形成するための溶射装置の概略を示す全体構成図である。この溶射装置は、シリンダボア内の中心に、ガス溶線式の溶射ガン３１を挿入し、その溶射口３１ａから溶射用材料として溶融した鉄系金属材料を溶滴３３として溶射してシリンダボア内面３に溶射皮膜２９を形成する。

溶射ガン３１は、溶線送給機３５から溶射用材料として鉄系金属材料の溶線３７の送給を受けるとともに、アセチレンまたはプロパンあるいはエチレンなどの燃料を貯蔵した燃料ガスボンベ３９および酸素を貯蔵した酸素ボンベ４１から、配管４３および４５を介して燃料ガスおよび酸素の供給をそれぞれ受ける。

上記した溶線３７は、溶射ガン３１に対し、中央部の上下に貫通する溶線送給孔４７の上端から下方に向けて送給する。また、燃料および酸素は、溶線送給孔４７の外側の円筒部４９に、上下方向に貫通して形成してあるガス案内流路５１に供給する。この供給した燃料および酸素の混合ガスは、ガス案内流路５１の図７中で下端開口部５１ａから流出し、点火されることで燃焼炎５３が形成される。

前記円筒部４９の外周側には、アトマイズエア流路５５を設けてあり、さらにその外周側には、いずれも円筒形状の隔壁５７と外壁５９との間に形成したアクセラレータエア流路６１を設けてある。

アトマイズエア流路５５を流れるアトマイズエアは、燃焼炎５３の熱を前方（図５中で下方）へ送って周辺部に対する冷却を行うとともに、溶融した溶線３７を同前方へ送る。一方、アクセラレータエア流路６１を流れるアクセラレータエアは、上記前方へ送られ溶融した溶線３７を、この送り方向と交差するように前記シリンダボア内面３に向けて溶滴３３として送り、シリンダボア内面３に溶射皮膜２９を形成する。

アトマイズエア流路５５には、アトマイズエア供給源６７から、減圧弁６９を備えたエア供給管７１を通してアトマイズエアを供給する。一方、アクセラレータエア流路６１には、アクセラレータエア供給源７３から、減圧弁７５およびマイクロミストフィルタ７７をそれぞれ備えたエア供給管７９を通してアクセラレータエアを供給する。

アトマイズエア流路５５とアクセラレータエア流路６１との間の隔壁５７は、図７中で下部側の先端部に、外壁５９に対しベアリング８１を介して回転可能となる回転筒部８３を備えている。この回転筒部８３の上部外周に、アクセラレータエア流路６１に位置する回転翼８５を設けてある。回転翼８５に、アクセラレータエア流路６１を流れるアクセラレータエアが作用することで、回転筒部８３が回転する。

回転筒部８３の先端（下端）面８３ａには、回転筒部８３と一体となって回転する先端部材８７を固定してある。先端部材８７の周縁の一部には、前記したアクセラレータエア流路６１にベアリング８１を通して連通する噴出流路８９を備えた突出部９１を設けてあり、噴出流路８９の先端に、溶滴３３を噴出させる前記した溶射口３１ａを設けている。

溶射口３１ａを備える先端部材８７が回転筒部８３と一体となって回転しつつ溶射ガン３１をシリンダボアの軸方向に移動させることで、シリンダボア内面３のほぼ全域に溶射皮膜２９を形成する。

本発明の第１の実施形態に係わる溶射前処理方法を示す断面図である。 図１の溶射前処理方法によってシリンダボア内面を粗面化した状態を示す斜視図である。 （ａ）は図２の拡大したＡ−Ａ断面図、（ｂ）は（ａ）に対して溶射皮膜を形成した状態を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態を示す図３（ａ）に対応する断面図である。 本発明の第３の実施形態を示す図３（ａ）に対応する断面図である。 ピストン作動時に、シリンダボア内面に形成した溶射皮膜に作用する力の状態を示す説明図である。 溶射装置の概略を示す全体構成図である。

符号の説明

Ｌ レーザ光
３ シリンダボア内面（基材表面）
２５ 穴（凹部）
２５ａ 穴の底部
２５ｂ 穴の開口部
２７ 凸部
２９ 溶射皮膜

Claims (5)

1. 溶射皮膜を形成する前の基材表面を粗面に形成する溶射前処理方法において、前記基材表面にレーザ光を照射して粗面を形成することを特徴とする溶射前処理方法。
2. 前記レーザ光を照射することで、前記基材表面に凹部を形成するとともに、この凹部の周囲に、前記レーザ光の照射による前記基材の溶融によって盛り上がる凸部を設けることを特徴とする請求項１に記載の溶射前処理方法。
3. 前記基材表面は、エンジンのシリンダボア内面であり、エンジンのピストン上死点付近における前記シリンダボア内面の粗面形状を、他の部位に比べて細かくすることを特徴とする請求項１または２に記載の溶射前処理方法。
4. 前記基材表面は、エンジンのシリンダボア内面であり、シリンダボア内面への前記レーザ光の照射により凹部を形成し、この凹部は、その底部が開口部よりピストン下死点側となるよう傾斜していることを特徴とする請求項１または２に記載の溶射前処理方法。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の溶射前処理方法によって、溶射皮膜を形成する前のシリンダボア内面を粗面に形成したことを特徴とするエンジンのシリンダブロック。

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