JP2003048058A - 表面処理方法及び表面処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ワークの予熱及び温度管理を容易にでき、未充
填欠陥を防止しつつ、ツール寿命を向上する。 【解決手段】水槽１１中で５０から００℃に維持した温
水１２中にワークＨのみを浸漬させた状態で摩擦撹拌に
よる表面処理を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えばアルミニウ
ム合金鋳物の表面処理方法及び表面処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】特開平１０−１８３３１６号公報には、
シリンダヘッドのシリンダブロックに対する合わせ面な
どの鋳物の表面処理において、先端のショルダ部に突出
部を設けた回転工具を回転させながら押し込んで、熱に
より非溶融の状態で撹拌する表面処理方法が開示されて
いる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の摩擦撹拌処理
は、大気中で処理を行い、ワークの初期温度は室温とな
っている。そして、摩擦撹拌が可能な温度まで早期にワ
ーク温度を上昇させ、工具にかかる温度上昇に伴う負荷
を軽減するために、ワークを予熱炉内で予熱してから処
理を行っている。ところが、スペース的な問題で予熱炉
を設置できない場合やワークの温度管理が難しいという
問題がある。

【０００４】本発明は、上記課題に鑑みてなされ、その
目的は、ワークの予熱及び温度管理を容易にでき、未充
填欠陥を防止しつつ、ツール寿命を向上できる表面処理
方法及び表面処理装置を提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決し、目
的を達成するために、本発明の表面処理方法は、回転工
具をワーク表面に回転させつつ挿入し、当該回転工具の
回転で発生する摩擦熱によりワーク表面を溶融させるこ
となく撹拌して改質する表面処理方法であって、媒体を
所定温度に維持し、前記ワークを前記媒体に浸漬し、前
記回転工具によりワーク表面を撹拌して改質する。

【０００６】また、好ましくは、前記所定温度は、５０
から１００℃に設定される。

【０００７】また、好ましくは、前記ワーク表面以外
が、前記媒体に浸漬されている。

【０００８】本発明の表面処理装置は、回転工具をワー
ク表面に回転させつつ挿入し、当該回転工具の回転で発
生する摩擦熱によりワーク表面を溶融させることなく撹
拌して改質する表面処理装置であって、所定温度に維持
した媒体中に前記ワークを浸漬させるワーク投入手段
と、前記媒体中のワークに対して回転工具によりワーク
表面を撹拌して改質する工具駆動手段とを具備する。

【０００９】

【発明の効果】以上説明のように、請求項１，４の発明
によれば、回転工具をワーク表面に回転させつつ挿入
し、当該回転工具の回転で発生する摩擦熱によりワーク
表面を溶融させることなく撹拌して改質する際に、媒体
を所定温度に維持し、ワークを媒体に浸漬し、回転工具
によりワーク表面を撹拌して改質することにより、ワー
クの予熱及び温度管理を容易にでき、未充填欠陥を防止
しつつ、ツール寿命を向上できる。

【００１０】請求項２の発明によれば、所定温度は、５
０から１００℃に設定されることにより、温度管理が容
易にできる。

【００１１】請求項３の発明によれば、ワーク表面以外
が、媒体に浸漬されていることにより、ワーク表面の処
理領域が常温まで冷却されないため、ワーク温度の上昇
を抑制することなく、ワーク全体の温度差を低減して残
留応力などの発生を抑制することができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態につ
いて、添付図面を参照して詳細に説明する。

【００１３】尚、以下に説明する実施の形態は、本発明
の実現手段の一例として表面処理に適用した例を説明し
たものであり、部材同士の突き合せ接合や重ね合わせ接
合など、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で下記実施形態
を修正又は変形したものに適用可能である。

【００１４】図１は、本発明に係る実施形態の表面処理
方法を実施するための摩擦撹拌装置の概略図である。図
２は、図１の回転工具付近の拡大図である。図３及び図
４は、回転工具の先端部位の詳細図である。

【００１５】本実施形態の摩擦撹拌による表面処理は、
被表面処理部材（以下、ワーク）の一例としてアルミニ
ウム合金鋳物を対象としており、特に自動車のシリンダ
ヘッドに形成される隣り合うポート開口部間（弁間部）
やピストン、ブレーキディスク等の熱疲労強度向上を目
的とした表面改質処理に用いられ、大気中でアルミニウ
ム合金鋳物の表面改質領域を摩擦熱により溶融させるこ
となく撹拌させることにより、金属組織の微細化や共晶
シリコン（Ｓｉ）粒子の均一分散化、鋳造欠陥の減少を
図り、熱疲労（低サイクル疲労）寿命や伸び、耐衝撃性
等の材料特性において従来のリメルト処理以上のものを
得ることができる。

【００１６】ここで、溶融しないで撹拌する状態とは、
母材に含有される各成分或いは共晶化合物の中で最も融
点が低いものよりもさらに低い温度下で摩擦熱により金
属を軟化させて撹拌することを意味する。

【００１７】図１乃至図３に示すように、摩擦撹拌装置
１は、円柱状軸体の一端部の平面なショルダ部３に、当
該ショルダ部３より小径の外周表面にらせん状溝が形成
された非消耗型突出部２が一体形成又は装着された回転
工具４と、この回転工具４を回転させて突出部２を回転
駆動させつつ、ワークの表面改質領域に対して突出部２
を挿入してショルダ部３でワーク表面を押圧しながら相
対的に移動させる工具駆動手段５と、ワークを位置決め
保持する治具（不図示）を備える。

【００１８】工具駆動手段５としては、モータ等により
回転工具４が回転可能で、かつ送りネジ機構やロボット
アーム等により回転工具４を上下左右のあらゆる方向に
移動可能な装置であって、回転工具４の回転数、送り速
度及び押圧力（処理深さ）を可変制御可能なものが用い
られる。他の工具駆動手段５の形態としては、マシニン
グセンタなどのＮＣ工作機械の主軸に回転工具４を回転
可能に軸支すると共に、回転工具４に対してワークを可
動テーブルなどにより相対的に上下方向や左右方向に２
次元又は３次元的に移動させてもよい。 ［回転工具の形状］回転工具４の突出部２やショルダ部
３は、アルミニウム合金よりも硬度の高い工具鋼やステ
ンレス鋼などの鋼材から構成され、突出部２の外周部に
は所定ピッチのらせん状溝が形成されている。

【００１９】ここで、図３に示すショルダ部３と突出部
２とを有する回転工具４では、摩擦撹拌により塑性流動
させる母材組織をショルダ部３によりワーク内部に押し
込む構造のため、図４に表面改質領域断面を例示するよ
うにワーク表面近傍には必要とされる処理幅Ｌ１よりか
なり広い範囲Ｌ２に亘って塑性流動が起こってしまう。
また、処理幅が広いとシリンダヘッドのポート開口部間
（弁間部）などの狭い領域を処理する際にポート開口部
の側壁が変形し、図５に示すように仕上げ加工後の弁間
部形状に対して過大な加工取代が必要となり、材料費や
加工費の増加を引き起こしてしまうという不都合もあ
る。

【００２０】そこで、図６に示すように、ワークの狭い
部位を処理できるように、回転工具４０の少なくともワ
ークに挿入される端部４１から反ワーク側に向かって拡
径するテーパ部４２を設け、このテーパ部４２にらせん
状溝４３を形成することが好ましい。

【００２１】このらせん状溝４３は、工具の回転方向に
対して摩擦撹拌した母材組織をワーク内部に押し込む方
向に形成されている。

【００２２】この回転工具４０によれば、テーパ部４２
のらせん状溝４３で塑性流動する母材組織を押し込み、
ショルダ部によるワーク表面近傍の塑性流動が生じない
ため、図７に表面改質領域断面を例示するように処理幅
Ｌを狭くすることができ、図８に示すように仕上げ加工
後の弁間部形状に対して最小限度の加工取代で済むこと
になる。 ［回転工具の製造方法］従来の回転工具は、工具鋼やス
テンレス鋼からなる素材に対して機械加工により所望の
形状に加工し、それに焼入れ／焼戻し、窒化処理、高周
波焼入れなどの熱処理を施して製作されていたが、ワー
ク表面に回転させながら挿入するためにワーク温度の上
昇による工具寿命の低下が課題とされている。

【００２３】そこで、本実施形態では、回転工具製作時
における機械加工後で且つ熱処理前或いは熱処理後に工
具の加工面にショットピーニング加工により微細な凹凸
を形成して摩擦係数を高めている。回転工具は、図５に
示す突出部２とショルダ部３を有する形状でも、図６に
示すテーパ部４２を有する形状でも適用できる。

【００２４】図９に示した回転工具に機械加工後で且つ
熱処理前にショットピーニングする場合には、工具素材
が硬化していない熱処理前であるので工具の加工面への
凹凸の形成が容易となる。

【００２５】ショットのサイズは、回転工具４，４０の
らせん状溝２ａ，４３の表面に凹凸が形成できるように
溝ピッチの１／２以下が望ましい。

【００２６】また、ショットのサイズが小さいと、凹凸
形成による摩擦係数の増大効果が減少するため、１００
μｍ以上が望ましい。

【００２７】尚、熱処理前のショットピーニングでは、
小さいショットを用いて回転工具のらせん状溝全体に凹
凸を形成し、熱処理後に再度、大きいショットを用いて
工具先端角部や突出部２とショルダ部３の付け根部にシ
ョットピーニングを施して曲げ疲労に対する圧縮残留応
力を付与してもよい。

【００２８】図１０に示した回転工具に機械加工後で且
つ熱処理後にショットピーニングする場合には、工具の
加工面に対する凹凸の形成と同時に、工具先端角部や突
出部とショルダ部の付け根部に圧縮残留応力を付与でき
るため工具寿命の延長に有効となる。

【００２９】ショットのサイズは、回転工具４，４０の
らせん状溝２ａ，４３の表面に凹凸が形成できるように
溝ピッチの１／２以下が望ましい。

【００３０】また、ショットのサイズが小さいと、凹凸
形成による摩擦係数の増大効果が減少するため、１００
μｍ以上が望ましい。ショットの硬さは、熱処理後の工
具硬さ以上とする。 ［ワークの適用例］本実施形態では、図１１に示すよう
に、被表面処理部材としてＪＩＳで規格化されたアルミ
ニウム合金であるＡＣ４Ｄを一例として用いるが、アル
ミニウム合金のマグネシウム（Ｍｇ）含有率として０．
２〜１．５重量％、シリコン（Ｓｉ）含有率として１〜
２４重量％、好ましくは４〜１３重量％の範囲で組成比
率を変更可能である。他にＡＣ４Ｂ，ＡＣ２Ｂ、ピスト
ンに用いるＡＣ８Ａ等も利用できる。シリコン含有率の
上限を２４％に設定する理由は、それ以上シリコンを増
加しても材料特性や鋳造性が飽和すると共に、撹拌性が
悪化するからである。

【００３１】マグネシウムを含有するアルミニウム合金
鋳物は、熱処理によりＭｇ₂Ｓｉを析出させて強度が高
まる。ところが、リメルト処理のように溶融させて金属
組織を微細化させる場合には、低融点（６５０℃）のマ
グネシウムが蒸発して含有量が低下することがある。そ
して、マグネシウム含有量が低下すると熱処理を施して
も硬さや強度が低下して所望の材料特性が得られないこ
とになる。

【００３２】一方、摩擦撹拌による表面処理では、金属
組織を溶融させないのでマグネシウムが蒸発することも
ないため、アルミニウム合金鋳物は熱処理によりＭｇ₂
Ｓｉを析出させて強度が高められるのである。

【００３３】アルミニウム合金にシリコンを添加するこ
とにより、鋳造性（溶湯の流動性、引け特性、耐熱間割
れ性）は向上するが、共晶シリコンが一種の欠陥として
作用して機械的特性（伸び）が低下する。

【００３４】共晶シリコンは硬くて脆く、亀裂発生の起
点や伝播経路となるため伸びが低下する。また、弁間部
のように繰り返し熱応力を受ける部位ではその疲労寿命
が低下する。そして、金属組織ではデンドライトに沿っ
て共晶シリコンが連なった形態を呈しているが、共晶シ
リコンを微細化し、均一に分散させることによって応力
集中による亀裂の発生と、発生した亀裂の伝播を抑制す
ることが可能となる。 ［シリンダヘッドの製造方法］次に、本実施形態による
ディーゼルエンジン用シリンダヘッドの製造工程につい
て説明する。

【００３５】図１２は、本実施形態のディーゼルエンジ
ン用シリンダヘッドの製造工程を説明するフローチャー
トである。

【００３６】図１２に示すように、ステップＳ１では中
間体としてのシリンダヘッドをアルミニウム合金から鋳
造する。ステップＳ２では、鋳物を鋳造型から取り出し
て湯口を削除する。ステップＳ３では、鋳造型から取り
出した鋳物に砂出しを主目的としたＴ６熱処理を施す。
ステップＳ４では、鋳物の粗い鋳肌表面を平滑化する前
加工を施す。ステップＳ５では、鋳物の弁間部に摩擦撹
拌により表面処理を施す。ステップＳ６では、鋳物に再
度Ｔ６熱処理を施して硬さや強度を増加する。ステップ
Ｓ７では、仕上げ寸法に従って仕上げ加工を施す。 ［温水中での表面処理］従来の摩擦撹拌処理は、大気中
で処理を行い、ワークの初期温度は室温となっている。
そして、摩擦撹拌が可能な温度まで早期にワーク温度を
上昇させ、工具にかかる温度上昇に伴う負荷を軽減する
ために、ワークを予熱炉内で予熱してから処理を行って
いる。ところが、スペース的な問題で予熱炉を設置でき
ない場合がある。

【００３７】そこで、本実施形態では、図１３及び図１
４に示すように、水槽１１中で所定温度（５０から１０
０℃）に維持した温水などの媒体１２中にワークＨの
み、又はワークＨ及び回転工具４を共に浸漬させた状態
で摩擦撹拌による表面処理を行う。

【００３８】図１３のワーク表面を温水中に水没させて
処理する場合には、温水１２からの熱伝達によりワーク
Ｈを予熱でき、ワーク温度を一定に保てるため、残留応
力の発生を極力抑えることができるのに対して、予熱炉
で予熱したときには炉から取り出したワークは徐々に温
度が低下してワークの各部の温度差が拡大して残留応力
が発生しやすくなる。また、予熱炉が不要となるために
省スペース化を図ることができる。

【００３９】図１４のワーク表面を温水中に水没させな
いで処理する場合には、温水１２からの熱伝達によりワ
ークＨを予熱でき、ワーク温度を一定に保てるため、残
留応力の発生を極力抑えることができるのに対して、予
熱炉で予熱したときには炉から取り出したワークは徐々
に温度が低下してワークの各部の温度差が拡大して残留
応力が発生しやすくなる。

【００４０】また、予熱炉が不要となるために省スペー
ス化を図ることができ、特に、温水を用いた場合にはワ
ークの後洗浄が不要となるため加工工程を簡略化でき
る。

【００４１】更に、ワーク表面の処理領域が温水に浸漬
されないことから表面が冷却されないため、ワーク温度
の上昇を抑制することなく、ワーク全体の温度差を低減
して残留応力などの発生を抑制することができる。

【００４２】上記温水中での表面処理は、温水１２中に
ワークＨを浸漬させて治具などに位置決め保持するワー
ク投入手段としてのワーク移載装置と、温水１２中のワ
ークＨに対して回転工具によりワーク表面を撹拌して改
質する工具駆動手段５としてのマシニングセンタなどに
より行う。 ［ワークの支持方法］摩擦撹拌による表面処理の場合、
回転工具４のショルダ部３をワーク表面に押し付けなが
ら移動させるために、ショルダ部３の外周縁部に対応し
てワーク表面にバリが発生し、このバリを取り除くバリ
除去加工が必要となる。

【００４３】ところが、図１５に示すように、除去した
バリがワークＨを保持する治具９や可動テーブル１０上
に落下して残っていると次のワークのセット時にワーク
Ｈと治具９や可動テーブル１０との間にバリが挟み込ま
れて正確な位置決めが行えなくなり、処理深さが変化し
て未充填欠陥が発生したり、ワークのセット異常による
稼動停止などの悪影響を及ぼす虞がある。

【００４４】そこで、本実施形態では、図１６に示す治
具９から鉛直上方に突出して設けられる下方に拡径する
テーパピン８或いは段付きピンによりワークＨを治具９
から浮かせた状態で位置決め保持する。段付きピンの場
合には段差部にバリが残る可能性があるのでテーパピン
を用いた構成が好ましい。

【００４５】また、他のワークの支持方法として、図１
７に示すようにワークＨを可動テーブル１０から浮かせ
てバリが下方に落下してワークＨの保持姿勢に影響を及
ぼさないように、ワーク表面が側方に向くようにワーク
Ｈを保持したり、図１８に示すようにワーク表面を鉛直
下方に向けて、バリが下方に落下してワークＨの保持姿
勢に影響を及ぼさないようにワークＨを保持してもよ
い。

【００４６】更に、回転工具４の進行に伴ってショルダ
部３先端でワーク表面を削っていくためにバリの発生量
が増大するため、表面処理中に発生するバリ自体を減少
させる方法として、図１９に示すようにショルダ部３の
外周縁部を面取り或いは曲面形状とし、回転工具４の進
行に伴ってショルダ部３の面取り部３ｄでワーク表面を
押し潰していくように構成してもよい。この面取り部３
ｄは、ショルダ部３のワーク表面に対する押し込み量よ
り大きい方が好ましい。 ［表面処理方法］摩擦撹拌による表面処理は、鋳放し状
態のワークに対してワーク表面を平滑化するフライス加
工などの前加工を施した後に行われる（図１２参照）。
回転工具は、ワーク表面に対して処理経路に沿って進行
していくのに伴ってショルダ部先端でワークを削ってい
くため、ワーク表面が粗いとバリの発生量が増大し、シ
ョルダ部への負担が増大してワーク寿命を低下させるこ
とになる。このショルダ部への負担は、鋳放し状態のワ
ーク表面を直接処理するときやワークを予熱しないで処
理するときに更に増大する。

【００４７】また、鋳放し状態のワークを直接処理する
場合には、鋳肌が粗いため回転工具のワーク表面に対す
る押し込み量が実質的に変化してしまい、ワーク内部に
未充填欠陥が発生しやすくなる。

【００４８】そこで、本実施形態では、図２０に示すよ
うに、鋳肌を平滑化した前加工後のワークＨ１に対し
て、突出部２のない先端平面のショルダ部３のみを備え
る予熱用回転工具４Ａをワーク表面に接触させつつ先行
して移動させ、この予熱用回転工具４Ａに追従するよう
に、ショルダ部３とワーク表面に挿入する突出部２を備
える摩擦撹拌用回転工具４Ｂを当該ワーク表面に挿入さ
せつつ移動させる。

【００４９】この構成では、摩擦撹拌前に予熱用回転工
具４Ａによりワーク表面を予熱できるので、未充填欠陥
の防止や回転工具（特に、突出部）の破損を防止でき
る。

【００５０】また、図２１に示すように、鋳肌未処理の
鋳放し状態のワークＨ２に対して、突出部２のない先端
平面のショルダ部３のみを備える予熱用回転工具４Ａを
ワーク表面を削りながら先行して移動させ、この予熱用
回転工具４Ａに追従するように、ショルダ部３とワーク
表面に挿入する突出部２を備える摩擦撹拌用回転工具４
Ｂを当該ワーク表面に挿入させつつ移動させる。

【００５１】この構成では、前加工が不要となってコス
トを低減できると共に、鋳肌面の平滑化と同時に摩擦撹
拌前に予熱用回転工具４Ａによりワーク表面を予熱でき
るので、未充填欠陥の防止や回転工具（特に、突出部）
の破損を防止できる。

【００５２】尚、上記予熱用及び摩擦撹拌用回転工具４
Ａ，４Ｂを用いた表面処理は、各回転工具４Ａ，４Ｂ又
はワークＨ１，Ｈ２を相対的に移動させて行うが、回転
工具４Ａ，４Ｂを第１及び第２工具駆動手段としてマシ
ニングセンタなどの主軸に夫々軸支させ、治具に位置決
め保持されたワークを可動テーブルなどで相対的に移動
させることで、方向転換が必要な処理経路であっても連
続して処理できる。

【００５３】また、予熱用回転工具４Ａは、予熱段階で
摩擦撹拌性を更に良くするために、ショルダ部３の端面
に凹部が形成されていてもよい。更に、予熱用回転工具
４Ａ及び／又は摩擦撹拌用回転工具４Ｂとして、図６に
示すテーパ部４２を持つ回転工具４０を適用してもよ
い。 ［回転工具の移動軌跡］摩擦撹拌による表面処理では、
処理終了部位に突出部形状が転写された終端穴が残存す
るが、後工程で穴あけ加工を施す部位を終端穴位置とす
れば終端穴が残るのを回避することができる。一方、ワ
ークの処理領域の広さにによっては回転工具の処理経路
を互いにオフセットさせながら往復移動させて同一部位
を２回以上処理する必要がある。

【００５４】また、表面処理開始時には回転工具の突出
部をワーク表面に押し込むため、この押し込み回数が多
くなるほど工具のショルダ部と突出部の付け根に大きな
負荷が繰返し加わって突出部が折損するなどの工具寿命
の低下を引き起こしたり、工具を押し込む部位の近傍に
未充填欠陥が発生しやすくなる。

【００５５】そこで、本実施形態では、表面処理に伴う
ワークの移動軌跡を連続する一筆書き態様とし、１ワー
ク当たりの回転工具のワーク表面に対する押し込み回数
を１回と大幅に削減し、工具寿命を延長できるようにし
た。

【００５６】図２２及び図２３は、本実施形態の摩擦撹
拌処理を用いた直列多気筒のディーゼルエンジンのシリ
ンダヘッドの表面処理について説明する図である。

【００５７】図２２に示すように、シリンダヘッド素材
Ｈは、複数の気筒に対応して一対の吸気ポート開口部１
４と、一対の排気ポート開口部１５と、不図示のシリン
ダブロックに締結するため複数のテンションボルト穴２
１とを有する。ここで、吸気ポート開口部１４は吸気量
をかせぐためになるべく大きくしたいという要求がある
ため、隣り合う吸気ポート間は狭くなる。

【００５８】本実施形態では、図２２に示す第１処理経
路例として、シリンダヘッド素材Ｈの一端部を始点Ｓと
してワーク表面に回転工具の突出部を押し込み、この始
点からシリンダヘッド素材Ｈの長手方向の他端部に向か
って１つの気筒に対して互いに対向する排気ポート開口
部１５及び吸気ポート開口部１４の対の間を通るように
連続処理してテンションボルト穴２１が終点となるよう
に処理経路Ｑを設定する。

【００５９】詳細には、始点Ｓに最も近い気筒に対応す
る部位に対して、シリンダヘッド素材Ｈの他端部に向か
って長手方向に１対の吸気ポート開口部１４の略中心間
を移動した後、シリンダヘッド素材Ｈの幅方向に曲折し
て１対の吸気ポート開口部１４と排気ポート開口部１５
の間をオフセットした経路でオーバラップするように方
向転換させて往復移動させ、その後、シリンダヘッド素
材Ｈの他端部に向かって長手方向に残りの１対の排気ポ
ート開口部１５の略中心間を移動させる。そして、回転
工具をワーク表面から抜かないまま隣接する気筒に対し
て同様の経路で連続して回転工具を移動させ、シリンダ
ヘッド素材Ｈの他端部に形成されたテンションボルト穴
２１を終点として設定する。

【００６０】また、図２３に示す第２処理経路例とし
て、１つの気筒に対して互いに対向する排気ポート開口
部１５及び吸気ポート開口部１４の対の間を通るように
シリンダヘッド素材Ｈの長手方向の一端部から他端部に
向かって連続処理してテンションボルト穴２１を終点と
する第１往路パスＱ１と、シリンダヘッド素材Ｈの他端
部で矩形状に方向転換して第１往路パスＱ１とは反対方
向にオフセットして並列に排気ポート開口部１５及び吸
気ポート開口部１４の対の間を通るようにシリンダヘッ
ド素材Ｈの長手方向の他端部から一端部に向かって連続
処理してテンションボルト穴２１を終点とする第１復路
パスＱ２と、この第１復路パスＱ２の処理後、この第１
復路パスＱ２への方向転換位置に隣接する気筒から互い
に対向する一対の排気ポート１５と一対の吸気ポート１
４の間を往復しながら順次処理してテンションボルト穴
２１を終点とする第２往復パスＱ３〜Ｑ６とを経て、シ
リンダヘッド素材Ｈの表面を回転工具の熱により溶融さ
せることなく撹拌して改質する。

【００６１】上記シリンダヘッドの表面処理では、回転
工具の回転数を６００〜１０００ｒｐｍ、送り速度を３
００〜５００ｍｍ／ｍｉｎ、突出部長さを５．８ｍｍ、
突出部径７±１ｍｍ、ショルダ部径１５±１ｍｍとし
て、処理深さが６〜６．５ｍｍ、第１パスの処理幅が
７．５〜８ｍｍ、第２パスの処理幅が１５ｍｍになるよ
うに設定するのが好ましい。

【００６２】尚、突出部径とショルダ部径とは、２≦シ
ョルダ部／突出部＜４として各寸法を設定する。また、
ショルダ部の素材の処理表面に対する押し込み量は、１
ｍｍ以下に設定する。更に、回転工具は、ワーク表面に
対して工具の進行方向とは反対にその軸心を１°程度傾
斜させてもよい。 ［弁間部の変形防止］上述したように、シリンダヘッド
素材Ｈの弁間部は、ポート開口部の断面形状差に伴うワ
ーク剛性の差異に起因して、回転工具４の押し込みによ
る母材組織の鉛直方向の塑性変形と、回転モーメントに
よる水平方向の塑性変形とが発生しやすいため、従来は
ポート開口部の変形を考慮して仕上げ工程で削除する加
工取代を余計に作るなどして対処している。

【００６３】また、弁間部を往復経路で２回処理する場
合、２回目の復路の処理領域は１回目の往路の処理によ
る摩擦熱が伝導するため温度上昇に伴いヤング率が低下
して変形しやすく、変形量が過剰になると変形した方向
に母材組織の流動が促進されるため、変形した方向とは
反対側に充填される母材組織が減少して処理領域内部に
移動軌跡Ｑに沿ってトンネル状の未充填欠陥が発生しや
すくなる。

【００６４】そこで、本実施形態では、図２４及び図２
５に示すように、吸気及び排気ポート開口部１４，１５
に挿抜可能で先端部になるほど細くなるテーパ可動ピン
１７をポート開口部１４，１５に挿入して、弁間部１６
の側壁部の変形を抑えるように構成する。

【００６５】テーパ可動ピン１７は、先端部になるほど
細くなるテーパ形状とし、ポート開口部から抜けやすい
ように工夫されている。

【００６６】尚、上記テーパ可動ピン１７では可動機構
を回転工具の工具駆動手段５に近い部位に設るため、複
雑な機構となる。このため、図２６及び図２７に示すよ
うに、ワークのポート開口部位置に対応させてテーパピ
ンが突設されたカバー部材１８を構成して、可動機構を
回転工具の工具駆動手段５から離して簡単な機構にする
こともできる。

【００６７】また、図２８及び図２９に示すように、鋳
型からワークを鋳抜きするときに、ポート開口部１４，
１５を形成するための砂中子１９を残した状態で表面処
理を施することで、弁間部１６の側壁部の変形を抑える
ことができる。

【００６８】但し、砂中子１９を残した状態では表面処
理時に砂が飛散して処理領域内部に砂が混入する虞があ
るため、図３０及び図３１に示すポート開口部１４，１
５に残された砂中子１９をポート開口部１４，１５に対
して可動機構により着脱可能なカバー部材２０で覆った
状態で処理するようにしてもよい。 ［表面処理部材の欠陥検査方法］摩擦撹拌による処理領
域に発生する欠陥は、一般に人間の目視観察によって検
出しているが、抜き取りによる破壊（切断）検査が主で
あるため全数を検査することが不可能であり、欠陥の大
きさが小さくなると目視での検出が困難になる。また、
本実施形態のような摩擦撹拌による表面処理の場合、ワ
ーク表面にバリが発生するためにバリに覆われた部分の
欠陥を目視で検出するのは一層困難になる。

【００６９】そこで、本実施形態では、未処理組織と処
理組織の導電率の差に基づいて処理領域位置を確認する
と共に、超音波検査によりワークの内部未充填欠陥を検
出する。

【００７０】図３２及び図３３に示すように、摩擦撹拌
による処理領域は他の未処理組織に比べて導電率が高く
なるため、この特性を利用して導電率センサなどをワー
ク表面に接触させつつ自動的に処理領域周辺に移動させ
ることでワークの処理領域周辺の導電率を検出する。

【００７１】そして、導電率が所定閾値を超えた部位は
処理領域と見なして、ワークに対して実際に検査した領
域と比較することにより、導電率が所定閾値を超えた部
位と検査領域とが一致したならば処理領域は適正な位置
にあり、不一致ならば処理領域が位置ずれであると判断
する。

【００７２】上記導電率の閾値は、図３４からアルミニ
ウム合金鋳物のシリンダヘッドでは３８．５％ＩＡＣＳ
程度に設定される。

【００７３】尚、ワークの内部未充填欠陥の有無及び処
理位置は超音波検査により検出でき、処理深さは回転工
具の押し込み量で決まるため処理領域の検査で確認でき
る。

【００７４】上記実施形態として項目分けして説明した
回転工具の形状及び製造方法、温水中での表面処理、ワ
ークの支持方法、表面処理方法、回転工具の移動軌跡、
弁間部の変形防止、表面処理部材の欠陥検査方法は、各
々を任意に組み合わせて実施可能であるが、特に、図６
に示すテーパ部４２にらせん状溝４３を形成してショッ
トピーニングで工具加工面に凹凸を形成した回転工具４
０を用い、図１３に示す温水１２中で図１６に示すテー
パピン８により治具９から上方に離間させてワークＨを
支持し、図２６及び図２７に示すテーパピンが突設され
た可動カバー部材１８を吸気及び排気ポート開口部１
４，１５に挿入して、図２２に示す一筆書き態様の処理
経路Ｑに沿って予熱したワークを１本の回転工具で処理
することが好ましい態様であり、このように表面処理し
たワークに対して上記導電率による処理領域の検査と超
音波による内部未充填欠陥の検査を行えばよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る実施形態の表面処理方法を実施す
るための摩擦撹拌装置の概略図である。

【図２】図１の回転工具付近の拡大図である。

【図３】突出部及びショルダ部を持つ回転工具の先端形
状の詳細図である。

【図４】図３の先端形状を持つ回転工具による表面改質
領域の断面図である。

【図５】図３の先端形状を持つ回転工具を用いた仕上げ
加工前後の弁間部形状を比較して示す図である。

【図６】テーパ部４２を持つ回転工具の先端形状の詳細
図である。

【図７】図６の先端形状を持つ回転工具による表面改質
領域の断面図である。

【図８】図６の先端形状を持つ回転工具を用いた仕上げ
加工前後の弁間部形状を比較して示す図である。

【図９】回転工具に機械加工後で且つ熱処理前にショッ
トピーニングを施す場合の工具の製造工程を説明する図
である。

【図１０】回転工具に機械加工後で且つ熱処理後にショ
ットピーニングを施す場合の工具の製造工程を説明する
図である。

【図１１】本実施形態のアルミニウム合金の成分比率を
示す図である。

【図１２】本実施形態のディーゼルエンジン用シリンダ
ヘッドの製造工程を説明するフローチャートである。

【図１３】ワーク表面を温水中に水没させて処理する場
合の表面処理方法を説明する図である。

【図１４】ワーク表面を温水中に水没させないで処理す
る場合の表面処理方法を説明する図である。

【図１５】従来のワークの支持方法によりバリを挟み込
んだ状態を示す図である。

【図１６】本実施形態のワークの支持方法を示す図であ
る。

【図１７】他の実施形態のワークの支持方法を示す図で
ある。

【図１８】他の実施形態のワークの支持方法を示す図で
ある。

【図１９】ショルダ部を面取りしてバリの発生を抑制す
る回転工具による表面処理方法を示す図である。

【図２０】ワーク表面を平滑化する前加工後の予熱用回
転工具及び摩擦撹拌用回転工具を用いた表面処理方法を
示す図である。

【図２１】ワーク表面を平滑化する予熱用回転工具及び
摩擦撹拌用回転工具を用いた表面処理方法を示す図であ
る。

【図２２】本実施形態の表面処理における処理経路の一
例を示す図である。

【図２３】本実施形態の表面処理における処理経路の他
の例を示す図である。

【図２４】本実施形態の表面処理を施す際にシリンダヘ
ッドの弁間部の変形を防止するためにポート開口部にテ
ーパ可動ピンを挿入した状態を示す図である。

【図２５】図２４のＩ−Ｉ断面図である。

【図２６】本実施形態の表面処理を施す際にシリンダヘ
ッドの弁間部の変形を防止するためにポート開口部にテ
ーパピンが突設されたカバー部材を挿入した状態を示す
図である。

【図２７】図２６のＩＩ−ＩＩ断面図である。

【図２８】本実施形態の表面処理を施す際にシリンダヘ
ッドの弁間部の変形を防止するためにポート開口部に砂
中子を残した状態を示す図である。

【図２９】図２８のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。

【図３０】本実施形態の表面処理を施す際にシリンダヘ
ッドの弁間部の変形を防止するためにポート開口部に砂
中子を残してカバー部材を取り付けた状態を示す図であ
る。

【図３１】図３０のＩＶ−ＩＶ断面図である。

【図３２】弁間部の処理領域が適正な位置にある場合の
導電率の変化を示す図である。

【図３３】処理領域が適正な位置からずれている場合の
導電率の変化を示す図である。

【図３４】本実施形態の摩擦撹拌による表面処理が施さ
れた素材と母材との導電率を比較して示す図である。

【符号の説明】

１ 摩擦撹拌装置 ２ 突出部 ３ ショルダ部 ４、４０ 回転工具 ５ 工具駆動手段 １４ 吸気ポート開口部 １５ 排気ポート開口部 １６ 弁間部 Ｈ ワーク（シリンダヘッド素材）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転工具をワーク表面に回転させつつ挿
   入し、当該回転工具の回転で発生する摩擦熱によりワー
   ク表面を溶融させることなく撹拌して改質する表面処理
   方法であって、 媒体を所定温度に維持し、 前記ワークを前記媒体に浸漬し、 前記回転工具によりワーク表面を撹拌して改質すること
   を特徴とする表面処理方法。
2. 【請求項２】 前記所定温度は、５０から１００℃に設
   定されることを特徴とする請求項１に記載の表面処理方
   法。
3. 【請求項３】 前記ワーク表面以外が、前記媒体に浸漬
   されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の表
   面処理方法。
4. 【請求項４】 回転工具をワーク表面に回転させつつ挿
   入し、当該回転工具の回転で発生する摩擦熱によりワー
   ク表面を溶融させることなく撹拌して改質する表面処理
   装置であって、 所定温度に維持した媒体中に前記ワークを浸漬させるワ
   ーク投入手段と、 前記媒体中のワークに対して回転工具によりワーク表面
   を撹拌して改質する工具駆動手段とを具備することを特
   徴とする表面処理装置。