JP2003048084A - Rotary tool and manufacturing method thereof, and treatment method using the rotary tool - Google Patents
Rotary tool and manufacturing method thereof, and treatment method using the rotary toolInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、例えばアルミニウ
ム合金鋳物の接合や表面処理に供される回転工具及びそ
の製造方法、並びに当該回転工具を用いた処理方法に関
する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a rotary tool used for joining and surface treatment of aluminum alloy castings, a manufacturing method thereof, and a processing method using the rotary tool.
【0002】[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。2. Description of the Related Art Japanese Unexamined Patent Publication No. 10-183316 discloses
Disclosed is a surface treatment method for surface treatment of a casting such as a mating surface for a cylinder block of a cylinder head, in which a rotating tool provided with a protrusion on a shoulder portion of the tip is pushed in while rotating, and agitated in a non-molten state by heat. ing.
【0003】[0003]
【発明が解決しようとする課題】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。In the conventional rotary tool, a material made of tool steel or stainless steel is machined into a desired shape, and then heat treatment such as quenching / tempering, nitriding, and induction hardening is performed. Although it was manufactured by applying it, since it is inserted into the surface of the work while being rotated, the reduction of the tool life due to the rise of the work temperature is a problem.
【0004】本発明は、上記課題に鑑みてなされ、その
目的は、塑性流動する母材組織の撹拌とワーク内部に押
し込む作用を維持しつつ、摩擦撹拌効果を増大できる回
転工具及びその製造方法、並びに当該回転工具を用いた
処理方法を提供することである。The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a rotating tool capable of increasing the friction stirring effect while maintaining the stirring of the plastically flowing base material structure and the pushing operation into the work, and a method for manufacturing the same. Another object of the present invention is to provide a processing method using the rotary tool.
【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、本発明の回転工具は、ワークに対
して回転させつつ接触させ、当該ワークとの間に発生す
る摩擦熱によりワークを溶融させることなく撹拌する回
転工具であって、少なくとも前記回転工具の前記ワーク
に対する接触部分にらせん状溝を形成し、100ミクロ
ン以上で且つ溝ピッチの1/2以下の凹凸表面を形成し
た。In order to solve the above-mentioned problems and to achieve the object, a rotary tool of the present invention is provided with a frictional heat generated between a rotating work and a work, which is brought into contact with the work. Is a rotary tool that stirs a work without melting it, and forms a spiral groove at least in the contact portion of the rotary tool with the work, and forms a concavo-convex surface of 100 microns or more and 1/2 or less of the groove pitch. did.
【0005】また、好ましくは、前記凹凸表面は、前記
回転工具の製作時に行われる機械加工と熱処理との間の
ショットピーニング工程にて形成される。Further, preferably, the uneven surface is formed by a shot peening step between machining and heat treatment which is carried out when the rotary tool is manufactured.
【0006】また、好ましくは、前記凹凸表面は、前記
回転工具の製作時に行われる機械加工と熱処理との後の
ショットピーニング工程にて形成される。Further, preferably, the uneven surface is formed by a shot peening step after the machining and heat treatment performed at the time of manufacturing the rotary tool.
【0007】本発明の回転工具の製造方法は、ワークに
対して回転させつつ接触させ、当該ワークとの間に発生
する摩擦熱によりワークを溶融させることなく撹拌する
回転工具の製造方法であって、少なくとも前記回転工具
の前記ワークに対する接触部分にらせん状溝を形成し、
ショットピーニングによって100ミクロン以上で且つ
溝ピッチの1/2以下の凹凸表面を形成する。A method of manufacturing a rotary tool according to the present invention is a method of manufacturing a rotary tool in which a workpiece is rotated while being brought into contact with the workpiece and the workpiece is agitated without being melted by frictional heat generated between the workpiece and the workpiece. Forming a spiral groove at least in a contact portion of the rotary tool with respect to the work,
By shot peening, an uneven surface having a size of 100 microns or more and ½ or less of the groove pitch is formed.
【0008】本発明の回転工具を用いた処理方法は、ワ
ークに対して回転させつつ接触させ、当該ワークとの間
に発生する摩擦熱によりワークを溶融させることなく撹
拌する回転工具を用いた処理方法であって、少なくとも
前記回転工具の前記ワークに対する接触部分にらせん状
溝を形成し、100ミクロン以上で且つ溝ピッチの1/
2以下の凹凸表面を形成した前記回転工具によりワーク
の処理領域を撹拌する。The processing method using the rotary tool of the present invention is a processing using the rotary tool, in which the workpiece is rotated and brought into contact with the workpiece while being agitated without being melted by frictional heat generated between the workpiece and the workpiece. A method, wherein a spiral groove is formed at least in a contact portion of the rotary tool with respect to the work, and the spiral groove has a diameter of 100 μm or more and a groove pitch of 1 /
The processing area of the work is agitated by the rotating tool having the uneven surface of 2 or less.
【0009】[0009]
【発明の効果】以上説明のように、請求項1の発明によ
れば、ワークに対して回転させつつ接触させ、当該ワー
クとの間に発生する摩擦熱によりワークを溶融させるこ
となく撹拌する回転工具に、少なくとも回転工具のワー
クに対する接触部分にらせん状溝を形成し、100ミク
ロン以上で且つ溝ピッチの1/2以下の凹凸表面を形成
したことにより、塑性流動する母材組織の撹拌とワーク
内部に押し込む作用を維持しつつ、摩擦撹拌効果を増大
できる。As described above, according to the first aspect of the present invention, the rotation is brought into contact with the work while rotating, and the work is agitated without being melted by the frictional heat generated between the work and the work. By forming a spiral groove on the tool at least in the contact portion of the rotary tool with the work and forming a concavo-convex surface of 100 microns or more and 1/2 or less of the groove pitch, stirring of the plastic material base material structure and work The friction stir effect can be increased while maintaining the action of pushing the inside.
【0010】請求項2の発明によれば、凹凸表面は、回
転工具の製作時に行われる機械加工と熱処理との間のシ
ョットピーニング工程にて形成されることにより、工具
の加工面に凹凸を容易に形成できる。According to the second aspect of the present invention, the uneven surface is formed by the shot peening process between the machining and the heat treatment performed during the manufacture of the rotary tool, so that the machined surface of the tool can be easily made uneven. Can be formed into
【0011】請求項3の発明によれば、凹凸表面は、回
転工具の製作時に行われる機械加工と熱処理との後のシ
ョットピーニング工程にて形成されることにより、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。According to the third aspect of the present invention, the uneven surface is formed in the shot peening step after the machining and heat treatment performed when manufacturing the rotary tool, so that the uneven surface is formed on the machined surface of the tool. At the same time, compressive residual stress can be applied to the corners of the tool tip and the root of the protrusion and the shoulder.
【0012】請求項4の発明によれば、ワークに対して
回転させつつ接触させ、当該ワークとの間に発生する摩
擦熱によりワークを溶融させることなく撹拌する回転工
具の製造に際し、少なくとも回転工具のワークに対する
接触部分にらせん状溝を形成し、ショットピーニングに
よって100ミクロン以上で且つ溝ピッチの1/2以下
の凹凸表面を形成することにより、塑性流動する母材組
織の撹拌とワーク内部に押し込む作用を維持しつつ、摩
擦撹拌効果を増大できる。According to the fourth aspect of the present invention, at least when the rotating tool is manufactured, the rotating tool is brought into contact with the workpiece while being rotated, and the workpiece is agitated without being melted by the frictional heat generated between the workpiece and the workpiece. By forming a spiral groove in the contacting part with the work and forming an uneven surface of 100 μm or more and ½ or less of the groove pitch by shot peening, stirring of the plastically flowing base metal structure and pushing into the work The friction stirring effect can be increased while maintaining the action.
【0013】請求項5の発明によれば、ワークに対して
回転させつつ接触させ、当該ワークとの間に発生する摩
擦熱によりワークを溶融させることなく撹拌する回転工
具を用いた処理方法で、少なくとも回転工具の前記ワー
クに対する接触部分にらせん状溝を形成し、100ミク
ロン以上で且つ溝ピッチの1/2以下の凹凸表面を形成
した回転工具によりワークの処理領域を撹拌することに
より、塑性流動する母材組織の撹拌とワーク内部に押し
込む作用を維持しつつ、摩擦撹拌効果を増大できる。According to the fifth aspect of the present invention, there is provided a processing method using a rotating tool, which is brought into contact with a work while rotating and agitates the work without melting the work due to frictional heat generated between the work and the work. A spiral groove is formed at least in the contact portion of the rotary tool with respect to the work, and the processing area of the work is agitated by the rotary tool having a concavo-convex surface of 100 μm or more and 1/2 or less of the groove pitch, whereby plastic flow is achieved. The friction stir effect can be increased while maintaining the stirring of the base material structure and the pushing into the work.
【0014】[0014]
【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。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings.
【0015】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。The embodiments described below are examples in which the present invention is applied to surface treatment as an example of the means for realizing the present invention. The present invention can be applied to modifications or variations of the following embodiments without departing from the spirit of the invention.
【0016】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。FIG. 1 is a schematic view of a friction stirrer for carrying out a surface treatment method according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is an enlarged view of the vicinity of the rotary tool of FIG. 3 and 4 are detailed views of the tip portion of the rotary tool.
【0017】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。The surface treatment by friction stirring of this embodiment is
An aluminum alloy casting is used as an example of a surface-treated member (hereinafter referred to as a work), and particularly between adjacent port openings (valve portions) formed in a cylinder head of an automobile.
It is used for the surface modification treatment for the purpose of improving the thermal fatigue strength of pistons, pistons, brake discs, etc., and by stirring the surface modification area of aluminum alloy castings in the air without melting it by friction heat, Finer, more uniform dispersion of eutectic silicon (Si) particles, reduction of casting defects, and more than conventional remelt treatment in material properties such as thermal fatigue (low cycle fatigue) life, elongation and impact resistance. be able to.
【0018】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。Here, the state of stirring without melting means
This means that the metal is softened and agitated by frictional heat at a temperature lower than the lowest melting point among the components or eutectic compounds contained in the base material.
【0019】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。As shown in FIGS. 1 to 3, in the friction stirrer 1, a spiral groove is formed on the outer peripheral surface having a diameter smaller than that of the shoulder portion 3 in the flat shoulder portion 3 at one end of the cylindrical shaft body. And a rotary tool 4 on which the non-consumable protrusion 2 is integrally formed or mounted, and the rotary tool 4 is rotated to drive the protrusion 2 while rotating the protrusion 2 with respect to the surface modification region of the workpiece.
And a tool (not shown) for positioning and holding the work.
【0020】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。The tool driving means 5 is a device which can rotate the rotary tool 4 by a motor or the like and can move the rotary tool 4 in any of up, down, left and right directions by a feed screw mechanism, a robot arm or the like. 4, the number of revolutions, the feed rate, and the pressing force (processing depth) that can be variably controlled are used. As another form of the tool driving means 5, the rotary tool 4 is rotatably supported on the main spindle of an NC machine tool such as a machining center, and the work is relatively vertically moved by a movable table or the like with respect to the rotary tool 4. 2 left and right
It may be moved three-dimensionally or three-dimensionally. [Shape of Rotating Tool] The protruding portion 2 and the shoulder portion 3 of the rotating tool 4 are made of steel material such as tool steel and stainless steel having a hardness higher than that of an aluminum alloy, and the outer periphery of the protruding portion 2 has a spiral with a predetermined pitch. The groove is formed.
【0021】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。Here, in the rotary tool 4 having the shoulder portion 3 and the protruding portion 2 shown in FIG. 3, the structure of the base material structure which is plastically flown by friction stirring is pushed into the work by the shoulder portion 3, so that the structure shown in FIG. As illustrated in the cross section of the surface-modified region, plastic flow occurs near the surface of the work over a range L2 that is considerably wider than the required processing width L1.
Further, if the processing width is wide, the side wall of the port opening is deformed when processing a narrow area such as between the port openings (valve area) of the cylinder head, and as shown in FIG. There is also an inconvenience that an excessive machining allowance is required for the shape, which causes an increase in material cost and machining cost.
【0022】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。Therefore, as shown in FIG. 6, in order to process a narrow portion of the work, a taper portion 42 having a diameter increasing from at least the end portion 41 of the rotary tool 40 inserted into the work toward the opposite work side is provided. It is preferable to form the spiral groove 43 in the tapered portion 42.
【0023】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。The spiral groove 43 is formed in a direction in which the base material structure frictionally stirred with respect to the rotating direction of the tool is pushed into the work.
【0024】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。According to the rotary tool 40, the tapered portion 42
The matrix material that plastically flows is pushed in by the spiral groove 43 of
Since the shoulder portion does not cause plastic flow in the vicinity of the work surface, the processing width L can be narrowed as illustrated in the surface modification region cross section in FIG. 7, and the intervalve portion after the finish machining as shown in FIG. The minimum machining allowance for the shape is sufficient. [Rotary tool manufacturing method] Conventional rotary tools are produced by machining a material made of tool steel or stainless steel into a desired shape by machining, and then subjecting it to heat treatment such as quenching / tempering, nitriding, and induction hardening. Although it was manufactured, it is a problem that the tool life is shortened due to the rise of the work temperature because it is inserted while rotating on the work surface.
【0025】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。Therefore, in the present embodiment, after the machining during the rotary tool production and before or after the heat treatment, fine irregularities are formed by shot peening on the machined surface of the tool to increase the friction coefficient. The rotary tool can be applied to the shape having the protruding portion 2 and the shoulder portion 3 shown in FIG. 5 or the shape having the tapered portion 42 shown in FIG.
【0026】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。When shot peening is performed on the rotary tool shown in FIG. 9 after machining and before heat treatment, the tool material is not hardened before heat treatment, so that it is easy to form irregularities on the machined surface of the tool. Become.
【0027】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。The size of the shot is preferably 1/2 or less of the groove pitch so that irregularities can be formed on the surfaces of the spiral grooves 2a and 43 of the rotary tools 4 and 40.
【0028】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。If the size of the shot is small, the effect of increasing the coefficient of friction due to the formation of irregularities is reduced, so that 100
μm or more is desirable.
【0029】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。In shot peening before heat treatment,
Unevenness is formed on the entire spiral groove of the rotary tool using a small shot, and after heat treatment, bending peening is performed again using shot peening on the tool tip corner and the root of the protrusion 2 and the shoulder 3 using a large shot. A compressive residual stress with respect to may be applied.
【0030】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。When the rotary tool shown in FIG. 10 is subjected to shot peening after machining and after heat treatment, the irregularities are formed on the machined surface of the tool, and at the same time, at the tip of the tool and at the base of the protrusion and the shoulder. Since compressive residual stress can be applied, it is effective in extending the tool life.
【0031】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。The size of the shot is preferably 1/2 or less of the groove pitch so that the surface of the spiral grooves 2a and 43 of the rotary tools 4 and 40 can be uneven.
【0032】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。If the size of the shot is small, the effect of increasing the coefficient of friction due to the formation of irregularities is reduced, so that 100
μm or more is desirable. The hardness of the shot is equal to or higher than the tool hardness after heat treatment. [Workpiece Application Example] In this embodiment, as shown in FIG. 11, AC4D, which is an aluminum alloy standardized by JIS, is used as an example of the surface-treated member, but the magnesium (Mg) content of the aluminum alloy is used as an example. 0.
2 to 1.5% by weight, as a silicon (Si) content rate 1 to
The composition ratio can be changed within the range of 24% by weight, preferably 4 to 13% by weight. Besides, AC4B, AC2B, AC8A used for the piston, and the like can also be used. The reason for setting the upper limit of the silicon content rate to 24% is that even if the silicon content is increased further, the material properties and the castability are saturated, and the agitation property is deteriorated.
【0033】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。The aluminum alloy casting containing magnesium is heat-treated to precipitate Mg 2 Si, so that the strength is increased. However, when the metal structure is refined by melting it as in the remelting process, magnesium having a low melting point (650 ° C.) may evaporate and the content may decrease. When the magnesium content decreases, the hardness and strength decrease even if heat treatment is performed, and desired material properties cannot be obtained.
【0034】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。On the other hand, the surface treatment by friction stir, since magnesium does not melt the metal structure nor evaporates, Mg 2 of the aluminum alloy casting heat treatment
The strength is increased by depositing Si.
【0035】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。By adding silicon to the aluminum alloy, the castability (fluidity of molten metal, shrinkage property, and heat crack resistance) is improved, but eutectic silicon acts as a kind of defect and mechanical properties (elongation). ) Is reduced.
【0036】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。Eutectic silicon is hard and brittle, and serves as a starting point of crack initiation and a propagation path, so that elongation is reduced. In addition, the fatigue life of a portion such as an intervalve portion that is repeatedly subjected to thermal stress is reduced. The metal structure has a morphology of eutectic silicon that is continuous along the dendrites, but by reducing the size of the eutectic silicon and distributing it uniformly, cracks due to stress concentration and the propagation of cracks that occur are suppressed. It becomes possible to do. [Cylinder Head Manufacturing Method] Next, a manufacturing process of the diesel engine cylinder head according to the present embodiment will be described.
【0037】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。FIG. 12 is a flow chart for explaining the manufacturing process of the cylinder head for a diesel engine of this embodiment.
【0038】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。As shown in FIG. 12, in step S1, a cylinder head as an intermediate is cast from an aluminum alloy. In step S2, the casting is taken out of the casting mold and the gate is removed. In step S3, the cast product taken out from the casting mold is subjected to T6 heat treatment mainly for sand removal.
In step S4, pre-processing for smoothing the rough casting surface of the casting is performed. In step S5, surface treatment is performed on the valve portion of the casting by friction stirring. In step S6, the casting is subjected to T6 heat treatment again to increase hardness and strength. In step S7, finishing is performed according to the finishing dimension. [Surface Treatment in Hot Water] Conventional friction stir processing is performed in the atmosphere, and the initial temperature of the work is room temperature.
Then, in order to quickly raise the temperature of the work to a temperature at which friction stirring can be performed and reduce the load on the tool due to the temperature rise, the work is preheated in the preheating furnace and then processed. However, there are cases where the preheating furnace cannot be installed due to space problems.
【0039】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。Therefore, in this embodiment, FIG. 13 and FIG.
As shown in FIG. 4, a predetermined temperature (50 to 10
Surface treatment by friction stirring is performed with only the work H or the work H and the rotary tool 4 immersed in a medium 12 such as warm water maintained at 0 ° C.).
【0040】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。When the work surface of FIG. 13 is immersed in warm water for treatment, the work H can be preheated by heat transfer from the warm water 12 and the work temperature can be kept constant, so that the occurrence of residual stress is suppressed as much as possible. On the other hand, when preheated in the preheating furnace, the temperature of the work taken out from the furnace gradually decreases, the temperature difference between the parts of the work increases, and residual stress easily occurs. In addition, since the preheating furnace is not required, it is possible to save space.
【0041】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。When the work surface in FIG. 14 is processed without being submerged in warm water, the work H can be preheated by heat transfer from the warm water 12 and the work temperature can be kept constant, so that the occurrence of residual stress is suppressed as much as possible. On the other hand, when preheated in the preheating furnace, the temperature of the work taken out from the furnace gradually decreases, the temperature difference between the parts of the work increases, and residual stress easily occurs.
【0042】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。Further, since the preheating furnace is not required, it is possible to save space, and particularly when hot water is used, the post-cleaning of the work is not required, so that the working process can be simplified.
【0043】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。Further, since the treated area on the surface of the work is not immersed in hot water, the surface is not cooled, so that the temperature difference of the whole work is reduced and the occurrence of residual stress is suppressed without suppressing the rise of the work temperature. be able to.
【0044】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。The surface treatment in the hot water is performed by immersing the work H in the hot water 12 and rotating the work H in the hot water 12 with a work transfer device as a work inserting means for positioning and holding the work H on a jig or the like. This is performed by a machining center or the like as the tool driving means 5 that stirs and modifies the work surface with a tool. [Workpiece supporting method] In the case of surface treatment by friction stirring, since the shoulder portion 3 of the rotary tool 4 is moved while being pressed against the workpiece surface, burrs are generated on the workpiece surface corresponding to the outer peripheral edge portion of the shoulder portion 3. It is necessary to perform a burr removal process to remove this burr.
【0045】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。However, as shown in FIG. 15, if the removed burrs are dropped and remain on the jig 9 for holding the work H or the movable table 10, the work H and the jig 9 or the like will be left when the next work is set. Burrs are caught between the movable table 10 and accurate positioning cannot be performed, and the processing depth may change to cause unfilled defects, or the work may be stopped due to an abnormal setting of the work.
【0046】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。Therefore, in the present embodiment, the work H is jig 9 with the taper pin 8 or the stepped pin which is provided so as to project vertically upward from the jig 9 shown in FIG.
Position and hold it in a state of floating from above. In the case of a stepped pin, a burr may remain on the step portion, so a configuration using a tapered pin is preferable.
【0047】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。As another method of supporting the work, FIG.
As shown in FIG. 7, the work H is held so that the work surface is directed to the side so that the work H is not lifted from the movable table 10 and the burr does not fall downward to affect the holding posture of the work H. As shown in FIG. 18, the work surface may be held vertically downward, and the work H may be held so that the burr does not drop and does not affect the holding posture of the work H.
【0048】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。Further, as the rotary tool 4 advances, the work surface is scraped at the tip of the shoulder portion 3, so that the amount of burrs generated increases. Therefore, as a method of reducing burrs themselves generated during the surface treatment, FIG. As shown in FIG. 19, the outer peripheral edge portion of the shoulder portion 3 may be chamfered or curved, and the chamfered portion 3d of the shoulder portion 3 may crush the work surface as the rotary tool 4 advances. This chamfer 3
It is preferable that d is larger than the pressing amount of the shoulder portion 3 with respect to the work surface. [Surface Treatment Method] The surface treatment by friction stirring is performed after pre-processing such as milling for smoothing the surface of the as-cast work (see FIG. 12).
Since the rotary tool scrapes the work at the tip of the shoulder as it advances along the processing path with respect to the work surface, if the work surface is rough, the amount of burrs increases, and This increases the burden and shortens the work life. The load on the shoulder portion is further increased when the surface of the as-cast work is directly processed or when the work is processed without preheating.
【0049】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。Further, in the case of directly processing an as-cast work, since the casting surface is rough, the amount of indentation of the rotary tool with respect to the work surface changes substantially, and unfilled defects easily occur inside the work. Become.
【0050】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。Therefore, in this embodiment, as shown in FIG. 20, a preheating rotation having only a shoulder portion 3 having a flat tip end without a protrusion 2 is provided for a pre-worked work H1 having a smooth casting surface. The friction stirrer rotary tool 4B including the shoulder portion 3 and the protrusion 2 to be inserted into the workpiece surface is moved so as to move the tool 4A in advance while being in contact with the workpiece surface and follow the preheater rotary tool 4A. Move it while inserting it into the surface.
【0051】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。In this structure, since the work surface can be preheated by the preheating rotary tool 4A before friction stirring, it is possible to prevent unfilled defects and prevent damage to the rotary tool (particularly the protrusion).
【0052】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。Further, as shown in FIG. 21, a preheating rotary tool 4A having only a shoulder portion 3 having a flat tip end without a protrusion 2 is attached to the work surface of the work H2 in the as-cast condition where the casting surface has not been treated. A friction stirrer rotary tool 4 having a shoulder portion 3 and a protrusion 2 to be inserted into the work surface so as to follow the preheater rotary tool 4A while being moved in advance while scraping.
B is moved while being inserted into the surface of the work.
【0053】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。With this construction, pre-processing is not required, and the cost can be reduced, and at the same time, the surface of the work can be preheated by the preheating rotary tool 4A before the frictional stirring while smoothing the casting surface, thus preventing unfilled defects. And rotary tools (especially protruding parts)
Can be prevented from being damaged.
【0054】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。The preheating and friction stirrer rotary tool 4 is used.
The surface treatment using A and 4B is performed by relatively moving each of the rotary tools 4A and 4B or the works H1 and H2, but the rotary tools 4A and 4B are used as the first and second tool driving means for a spindle such as a machining center. The workpieces positioned and held by the jig are moved relative to each other by a movable table or the like, so that processing can be continuously performed even in a processing path that requires a direction change.
【0055】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。Further, in the preheating rotary tool 4A, a recess may be formed on the end surface of the shoulder portion 3 in order to further improve the friction stirrability in the preheating stage. Further, as the preheating rotary tool 4A and / or the friction stirrer rotary tool 4B, the rotary tool 40 having the tapered portion 42 shown in FIG. 6 may be applied. [Movement trajectory of rotating tool] In surface treatment by friction stirring,
Although the terminal hole to which the shape of the protruding portion is transferred remains at the processing end portion, the terminal hole can be prevented from remaining if the portion to be subjected to the drilling process in the subsequent step is set as the terminal hole position. On the other hand, depending on the size of the processing area of the workpiece, it is necessary to reciprocate the processing paths of the rotary tool while offsetting each other to process the same portion twice or more.
【0056】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。Further, since the protrusion of the rotary tool is pushed into the work surface at the start of the surface treatment, as the number of times of pushing increases, a large load is repeatedly applied to the shoulder portion of the tool and the root of the protrusion to break the protrusion. The tool life is shortened, and unfilled defects are likely to occur near the portion where the tool is pushed.
【0057】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。Therefore, in this embodiment, the movement locus of the work associated with the surface treatment is set to a continuous one-stroke writing mode, and the number of times the rotary tool is pushed into the work surface per work is greatly reduced to one, thereby shortening the tool life. I was able to extend it.
【0058】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。22 and 23 are views for explaining the surface treatment of the cylinder head of the in-line multi-cylinder diesel engine using the friction stir treatment of this embodiment.
【0059】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。As shown in FIG. 22, the cylinder head material H includes a pair of intake port openings 1 corresponding to a plurality of cylinders.
4, a pair of exhaust port openings 15, and a plurality of tension bolt holes 2 for fastening to a cylinder block (not shown).
1 and. Here, since there is a demand for making the intake port opening 14 as large as possible in order to make the intake amount large, the space between adjacent intake ports becomes narrow.
【0060】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。In the present embodiment, as an example of the first processing path shown in FIG. 22, one end of the cylinder head material H is used as a starting point S to push the protrusion of the rotary tool onto the work surface, and from this starting point, the length of the cylinder head material H is increased. Toward the other end in the direction, so that the tension bolt hole 21 becomes an end point by continuously processing so as to pass between a pair of the exhaust port opening 15 and the intake port opening 14 that face each other for one cylinder. The processing route Q is set.
【0061】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。Specifically, with respect to the portion corresponding to the cylinder closest to the starting point S, the pair of intake port openings 14 are moved in the longitudinal direction toward the other end of the cylinder head material H. After that, the cylinder head material H is bent in the width direction and a pair of intake port opening 14 and exhaust port opening 15 are formed.
Between the centers of the pair of exhaust port openings 15 in the longitudinal direction toward the other end of the cylinder head material H, and then reciprocating. To move. Then, without removing the rotary tool from the surface of the work, the rotary tool is continuously moved in the same path with respect to the adjacent cylinders, and the tension bolt hole 21 formed at the other end of the cylinder head material H is set as the end point. To do.
【0062】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。Further, as a second processing path example shown in FIG. 23, the length of the cylinder head material H is set so as to pass between a pair of the exhaust port opening 15 and the intake port opening 14 facing each other for one cylinder. Direction outward from one end in the direction to the other end, and the first outward pass Q1 that ends in the tension bolt hole 21 and the other end of the cylinder head material H turns to a rectangular shape to form the first outward pass. The cylinder head material H is continuously processed from the other end to the one end in the longitudinal direction so as to pass in parallel between the pair of the exhaust port opening 15 and the intake port opening 14 offset in the direction opposite to Q1. The first return pass Q2 with the tension bolt hole 21 as the end point, and the first return pass Q2 after the first return pass Q2 is processed.
A pair of exhaust ports 15 and a pair of intake ports 1 facing each other from the cylinder adjacent to the direction change position to the return path Q2.
4 through the second reciprocating path Q3 to Q6 with the tension bolt hole 21 as the end point, the surface of the cylinder head material H is agitated without being melted by the heat of the rotary tool. To quality.
【0063】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。In the surface treatment of the cylinder head, the rotational speed of the rotary tool is 600 to 1000 rpm, and the feed rate is 3.
00-500 mm / min, protrusion length 5.8 mm,
With a projection diameter of 7 ± 1 mm and a shoulder diameter of 15 ± 1 mm, the processing depth is 6 to 6.5 mm, the processing width of the first pass is 7.5 to 8 mm, and the processing width of the second pass is 15 mm. It is preferable to set.
【0064】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。The projection diameter and the shoulder diameter are set so that 2 ≦ shoulder portion / projection <4. Also,
The indentation amount of the material of the shoulder part to the treated surface is 1
Set to mm or less. Furthermore, the rotary tool may have its axis centered about 1 ° with respect to the surface of the work, as opposed to the direction of travel of the tool. [Prevention of Deformation of Intervalve Portion] As described above, in the intervalve portion of the cylinder head material H, due to the difference in work rigidity due to the difference in cross-sectional shape of the port opening, the base material structure due to the pushing of the rotary tool 4 The vertical plastic deformation and horizontal plastic deformation due to the rotation moment are likely to occur, so in the past, considering the deformation of the port opening, an extra machining allowance to be deleted in the finishing process was taken into consideration. ing.
【0065】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。Further, when the intervalve portion is processed twice by the reciprocating path, the frictional heat due to the first forward processing is conducted in the second return processing area, so that the Young's modulus is lowered and the deformation occurs as the temperature rises. If the amount of deformation is excessive, the flow of the base material structure is promoted in the deformed direction, so that the base material structure filled on the side opposite to the deformed direction is reduced and the movement trajectory Q is formed inside the processing area. Tunnel-like unfilled defects are likely to occur along the line.
【0066】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。Therefore, in this embodiment, FIG. 24 and FIG.
5, the intake and exhaust port openings 14, 15
Insert the taper movable pin 17 that can be inserted into and removed from the port and becomes thinner toward the distal end into the port openings 14 and 15,
It is configured to suppress the deformation of the side wall of the.
【0067】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。The taper movable pin 17 has a taper shape that becomes thinner toward the tip end, and is devised so that it can be easily removed from the port opening.
【0068】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。Since the movable mechanism of the taper movable pin 17 is provided at a position near the tool driving means 5 of the rotary tool, it becomes a complicated mechanism. Therefore, as shown in FIG. 26 and FIG. 27, the cover member 18 having the taper pin protruding corresponding to the port opening position of the work is configured to separate the movable mechanism from the tool driving means 5 of the rotary tool. It can also be a simple mechanism.
【0069】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。Further, as shown in FIGS. 28 and 29, when the work is cast out from the mold, the port opening 14,
By performing the surface treatment with the sand core 19 for forming 15 left, it is possible to suppress the deformation of the side wall portion of the intervalve portion 16.
【0070】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。However, in the state where the sand core 19 is left, the sand may scatter during the surface treatment and the sand may be mixed into the inside of the treatment area. Therefore, the port openings 14 and 1 shown in FIGS.
Alternatively, the sand core 19 left on the cover 5 may be treated while being covered with the cover member 20 which is detachably attached to the port openings 14 and 15 by the movable mechanism. [Inspection method for defects of surface treatment member] Defects generated in the treatment area due to friction stirring are generally detected by visual observation by humans, but since destruction (cutting) inspection by sampling is the main, it is possible to inspect all of them. It is impossible, and if the size of the defect becomes small, it becomes difficult to detect it visually. Also,
In the case of the surface treatment by friction stirring as in the present embodiment, burrs are generated on the surface of the work, so that it becomes more difficult to visually detect defects in the portion covered with burrs.
【0071】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。Therefore, in the present embodiment, the position of the processing region is confirmed based on the difference in conductivity between the unprocessed tissue and the processed tissue, and the internal unfilled defect of the work is detected by ultrasonic inspection.
【0072】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。As shown in FIGS. 32 and 33, the conductivity of the treated region by friction stirring is higher than that of other untreated tissues. Therefore, by utilizing this characteristic, a conductivity sensor or the like is brought into contact with the surface of the work. While automatically moving to the periphery of the processing area, the conductivity of the workpiece around the processing area is detected.
【0073】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。Then, the region where the conductivity exceeds the predetermined threshold value is regarded as the processing region, and the region where the conductivity exceeds the predetermined threshold value and the inspection region are determined by comparing the region with the actual inspection of the work. If they match, the processing area is at an appropriate position, and if they do not match, it is determined that the processing area is displaced.
【0074】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。The threshold value of the electric conductivity is 38.5% IACS for the cylinder head made of aluminum alloy casting from FIG.
It is set to a degree.
【0075】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。The presence or absence of the internal unfilled defect of the workpiece and the processing position can be detected by ultrasonic inspection, and the processing depth can be confirmed by inspection of the processing region because it is determined by the pushing amount of the rotary tool.
【0076】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。The shape and manufacturing method of the rotary tool, the surface treatment in warm water, the method of supporting the work, the surface treatment method, the movement trajectory of the rotary tool, which are described item by item as the above embodiment,
The deformation prevention of the intervalve portion and the defect inspection method of the surface treatment member can be carried out by arbitrarily combining the respective methods.
A rotary tool 4 in which a spiral groove 43 is formed in the tapered portion 42 shown in FIG.
No. 0, the movable cover member is provided with the taper pin 8 shown in FIG. 16 in the warm water 12 shown in FIG. 18 for intake and exhaust port opening 1
It is a preferable mode to insert into Nos. 4 and 15 and preheat the workpiece along the processing path Q of the one-stroke writing mode shown in FIG. 22 with one rotary tool. Then, the processing area may be inspected by the conductivity and the internal unfilled defect may be inspected by ultrasonic waves.
【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。FIG. 1 is a schematic view of a friction stirrer for carrying out a surface treatment method according to an embodiment of the present invention.
【図2】図1の回転工具付近の拡大図である。FIG. 2 is an enlarged view of the vicinity of the rotary tool of FIG.
【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。FIG. 3 is a detailed view of a tip shape of a rotary tool having a protrusion and a shoulder.
【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。FIG. 4 is a cross-sectional view of a surface modification region by a rotary tool having the tip shape of FIG.
【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。5A and 5B are diagrams showing a comparison between valve-valve shapes before and after finishing using a rotary tool having a tip shape shown in FIG.
【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。FIG. 6 is a detailed view of a tip shape of a rotary tool having a tapered portion 42.
【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。FIG. 7 is a cross-sectional view of a surface modification region by a rotary tool having the tip shape of FIG.
【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。FIG. 8 is a view showing a comparison between intervalve shapes before and after finishing using the rotary tool having the tip shape shown in FIG. 6;
【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。FIG. 9 is a diagram illustrating a manufacturing process of a tool when shot peening is performed on a rotary tool after machining and before heat treatment.
【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。FIG. 10 is a diagram illustrating a manufacturing process of a tool when shot peening is performed on a rotary tool after machining and after heat treatment.
【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。FIG. 11 is a diagram showing a component ratio of the aluminum alloy of this embodiment.
【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。FIG. 12 is a flowchart illustrating a manufacturing process of a cylinder head for a diesel engine of this embodiment.
【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。FIG. 13 is a diagram illustrating a surface treatment method when a work surface is submerged in warm water for treatment.
【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。FIG. 14 is a diagram illustrating a surface treatment method in the case of treating a work surface without submerging it in warm water.
【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。FIG. 15 is a view showing a state in which a burr is sandwiched by a conventional work supporting method.
【図16】本実施形態のワークの支持方法を示す図であ
る。FIG. 16 is a diagram showing a method of supporting a work according to the present embodiment.
【図17】他の実施形態のワークの支持方法を示す図で
ある。FIG. 17 is a diagram showing a method of supporting a work according to another embodiment.
【図18】他の実施形態のワークの支持方法を示す図で
ある。FIG. 18 is a view showing a method for supporting a work according to another embodiment.
【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。FIG. 19 is a view showing a surface treatment method using a rotary tool which chamfers the shoulder portion and suppresses the occurrence of burrs.
【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。FIG. 20 is a diagram showing a surface treatment method using a preheating rotary tool and a friction stirring rotary tool after pre-processing for smoothing a work surface.
【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。FIG. 21 is a diagram showing a surface treatment method using a rotary tool for preheating and a rotary tool for friction stirring that smoothes the surface of a work.
【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。FIG. 22 is a diagram showing an example of a treatment route in the surface treatment of the present embodiment.
【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。FIG. 23 is a diagram showing another example of a processing route in the surface treatment of this embodiment.
【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。FIG. 24 is a diagram showing a state in which a tapered movable pin is inserted into a port opening to prevent deformation of an intervalve portion of a cylinder head when the surface treatment of the present embodiment is performed.
【図25】図24のI−I断面図である。25 is a cross-sectional view taken along the line I-I of FIG. 24.
【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。FIG. 26 is a view showing a state in which a cover member having a taper pin projecting from the port opening is inserted in order to prevent deformation of the valve-valve portion of the cylinder head when performing the surface treatment of the present embodiment.
【図27】図26のII−II断面図である。27 is a sectional view taken along line II-II of FIG.
【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。FIG. 28 is a diagram showing a state in which a sand core is left in the port opening portion to prevent deformation of the valve portion of the cylinder head when the surface treatment of the present embodiment is performed.
【図29】図28のIII−III断面図である。29 is a sectional view taken along the line III-III in FIG. 28.
【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。FIG. 30 is a view showing a state in which a cover member is attached while leaving a sand core in a port opening in order to prevent deformation of an intervalve portion of a cylinder head when performing a surface treatment of the present embodiment.
【図31】図30のIV−IV断面図である。31 is a cross-sectional view taken along the line IV-IV of FIG. 30.
【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。FIG. 32 is a diagram showing a change in conductivity when the processing region of the intervalve portion is located at an appropriate position.
【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。FIG. 33 is a diagram showing a change in conductivity when a processing region is displaced from an appropriate position.
【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。FIG. 34 is a diagram showing a comparison between the electric conductivity of the material subjected to the surface treatment by friction stirring and the base material of the present embodiment.
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) 1 Friction stirrer 2 protrusion 3 shoulder section 4,40 rotary tool 5 Tool driving means 14 Intake port opening 15 Exhaust port opening 16 valve area H work (cylinder head material)
Claims (5)
当該ワークとの間に発生する摩擦熱によりワークを溶融
させることなく撹拌する回転工具であって、 少なくとも前記回転工具の前記ワークに対する接触部分
にらせん状溝を形成し、100ミクロン以上で且つ溝ピ
ッチの1/2以下の凹凸表面を形成したことを特徴とす
る回転工具。1. A workpiece is rotated and brought into contact with the workpiece,
A rotary tool for stirring a work without melting the work by frictional heat generated between the work and the work, wherein a spiral groove is formed at least in a contact portion of the rotary tool with the work, and the groove pitch is 100 μm or more and a groove pitch. A rotating tool having an uneven surface of ½ or less of the above.
に行われる機械加工と熱処理との間のショットピーニン
グ工程にて形成されることを特徴とする請求項1に記載
の回転工具。2. The rotary tool according to claim 1, wherein the uneven surface is formed by a shot peening process between machining and heat treatment performed when manufacturing the rotary tool.
に行われる機械加工と熱処理との後のショットピーニン
グ工程にて形成されることを特徴とする請求項1又は2
に記載の回転工具。3. The uneven surface is formed by a shot peening process after machining and heat treatment performed when manufacturing the rotary tool.
The rotating tool described in.
当該ワークとの間に発生する摩擦熱によりワークを溶融
させることなく撹拌する回転工具の製造方法であって、 少なくとも前記回転工具の前記ワークに対する接触部分
にらせん状溝を形成し、 ショットピーニングによって100ミクロン以上で且つ
溝ピッチの1/2以下の凹凸表面を形成することを特徴
とする回転工具の製造方法。4. A workpiece is rotated and brought into contact with the workpiece,
A method for manufacturing a rotating tool, wherein the rotating tool is agitated without being melted by frictional heat generated between the workpiece and the workpiece, wherein a spiral groove is formed at least in a contact portion of the rotating tool with the workpiece. A method for manufacturing a rotary tool, comprising forming an uneven surface having a diameter of not less than micron and not more than 1/2 of a groove pitch.
当該ワークとの間に発生する摩擦熱によりワークを溶融
させることなく撹拌する回転工具を用いた処理方法であ
って、 少なくとも前記回転工具の前記ワークに対する接触部分
にらせん状溝を形成し、100ミクロン以上で且つ溝ピ
ッチの1/2以下の凹凸表面を形成した前記回転工具に
よりワークの処理領域を撹拌することを特徴とする処理
方法。5. A workpiece is rotated and brought into contact with the workpiece,
A processing method using a rotating tool, which stirs a workpiece without melting it by frictional heat generated between the workpiece and the workpiece, wherein a spiral groove is formed at least in a contact portion of the rotating tool with the workpiece, The processing method is characterized in that the processing area of the work is agitated by the rotating tool having the uneven surface having a groove pitch of ½ or less of the groove pitch.
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JP2001233671A JP2003048084A (en) | 2001-08-01 | 2001-08-01 | Rotary tool and manufacturing method thereof, and treatment method using the rotary tool |
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