JP2008149326A - バルブシート部のレーザ肉盛装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱変形等に影響されることがなく、各バルブシート部に対して所望の肉盛り処理を高精度且つ良好に施すことを可能にする。
【解決手段】レーザクラッド装置１０は、シリンダヘッド１２を支持し各バルブシート部１６ａを半導体レーザ２２が照射される処理位置に搬送するとともに、各バルブシート部１６ａの処理面の中心を回転軸として回転可能な載置駆動機構２８と、前記処理位置に配置される前記バルブシート部１６ａを撮像する撮像機構３０と、前記撮像機構３０による撮像画像を画像処理し、撮像された前記バルブシート部１６ａの位置を演算するとともに、前記演算結果に基づいて前記バルブシート部１６ａの位置を調整可能な制御機構３２とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、シリンダヘッドのバルブシート部に金属粉末を供給しつつ、該金属粉末にレーザを照射することにより溶融及び固化させて肉盛りをするバルブシート部のレーザ肉盛装置に関する。

通常、内燃機関を構成するシリンダヘッドでは、バルブがバルブシート部に繰り返し接触している。このため、バルブシート部には、耐摩耗性が要求されており、例えば、アルミニウム合金製のシリンダヘッドでは、前記バルブシート部に焼結リングを圧入する構成が採用されている。

一方、バルブシート部に金属粉末を供給しつつ、この金属粉末にレーザを照射することにより溶融及び固化させて肉盛りをするレーザ肉盛装置（所謂、レーザクラッド装置）が用いられている。

この種のレーザ肉盛装置では、シリンダヘッドのバルブシート部において、被処理面が水平に維持された状態で、前記シリンダヘッドを前記バルブシート部の軸線の周りに回転させる必要がある。このため、シリンダヘッドが載置台に載置されるとともに、この載置台をバルブシート部の軸線の周りに回転可能なシリンダヘッド支持装置が採用されている。

その際、シリンダヘッドの各バルブシート部に肉盛処理を行う毎に、前記シリンダヘッドを載置台から一旦取り外している。そして、次に処理されるバルブシート部を肉盛処理位置に位置決めし、シリンダヘッドを再度載置台に固定する作業が行われている。このため、各バルブシート部に対する肉盛処理が煩雑化している。

そこで、特許文献１に開示されているシリンダヘッド支持装置では、処理されるべきバルブシート部の被処理面が実質的に水平になるようシリンダヘッドを支持するシリンダヘッド載置台と、前記載置台を回転軸線の周りに回転可能に、且つ、各バルブシート部が配列される直線に沿って移動可能に支持するとともに、前記載置台を前記回転軸線の周りに選択的に回転させる回転駆動手段と、処理されるべきバルブシート部の軸線が前記回転軸線に整合するように前記載置台を前記回転駆動手段に対し選択的に位置決めする位置決め手段とを有している。

これにより、シリンダヘッドを載置台に対し繰り返し着脱する必要がなく、直線に沿って配列された全てのバルブシート部を効率的に処理することが可能になる、としている。

特許第２９２９７８５号公報

ところで、上記の肉盛処理では、シリンダヘッドに対してレーザが直接照射されるため、このシリンダヘッドに熱変形が惹起し易い。このため、各バルブシート部の位置が変動するおそれがある。

しかしながら、上記の特許文献１では、シリンダヘッドが載置される載置台を各バルブシート部に対応して位置決めしても、前記バルブシート部が実際の肉盛処理位置に対して正確に載置されない場合がある。これにより、バルブシート部の肉盛処理が高精度に遂行されないという問題が指摘されている。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、熱変形等に影響されることがなく、各バルブシート部に対して所望の肉盛り処理を高精度且つ良好に施すことが可能なバルブシート部のレーザ肉盛装置を提供することを目的とする。

本発明は、シリンダヘッドのバルブシート部に金属粉末を供給しつつ、該金属粉末にレーザを照射することにより溶融及び固化させて肉盛りをするバルブシート部のレーザ肉盛装置に関するものである。

このレーザ肉盛装置は、シリンダヘッドを支持し、各バルブシート部をレーザが照射される処理位置に搬送するとともに、各バルブシート部の処理面の中心を回転軸として回転可能な載置駆動機構と、前記処理位置に配置される前記バルブシート部を撮像する撮像機構と、前記撮像機構による撮像画像を画像処理し、撮像された前記バルブシート部の位置を演算するとともに、前記演算結果に基づいて前記バルブシート部の位置を調整可能な制御機構とを備えている。

また、載置駆動機構は、シリンダヘッドが所定の角度姿勢で載置される載置台と、前記載置台を移動させることにより、前記シリンダヘッドに設けられる各バルブシート部を、処理位置に選択的に配置する移動台と、前記移動台を回転可能な回転台とを備えることが好ましい。

さらに、撮像機構は、レーザが照射されるバルブシート部に照明光を照射する照明部と、処理位置に配置される前記バルブシート部を撮像する固体撮像素子とを備えることが好ましい。

さらにまた、固体撮像素子は、載置駆動機構の回転軸の延長線上に配置されることが好ましい。

本発明では、処理位置に配置されるバルブシート部が撮像機構により撮像されると、このバルブシート部の撮像画像が画像処理される。このため、処理位置に対するバルブシート部の位置が正確に演算され、前記演算結果に基づいて前記バルブシート部の位置が調整されている。従って、レーザ照射によりシリンダヘッドに熱変形が惹起していても、処理位置に対して各バルブシート部を正確に位置決めすることができる。これにより、バルブシート部の肉盛り処理が、高精度且つ良好に遂行可能になる。

図１は、本発明の実施形態に係るバルブシート部のレーザ肉盛装置であるレーザクラッド装置１０の概略斜視説明図であり、図２は、前記レーザクラッド装置１０の側面説明図である。

図３は、レーザクラッド装置１０により肉盛りされるシリンダヘッド１２を示す。このシリンダヘッド１２は、例えば、４気筒型のエンジン（内燃機関）であり、各気筒には、２つの給気用バルブ孔１４ａ、１４ｂの周囲にバルブシート部１６ａ、１６ｂと、２つの排気用バルブ孔１８ａ、１８ｂの周囲にバルブシート部２０ａ、２０ｂとが設けられる。

図１及び図２に示すように、レーザクラッド装置１０は、シリンダヘッド１２のバルブシート部１６ａ、１６ｂ及びバルブシート部２０ａ、２０ｂに対し半導体レーザ２２を照射して銅合金粉末２４を溶融及び固化させるためのレーザ発振機構部２６を備える。

シリンダヘッド１２は、アルミ合金製であり、軽量化されている。銅合金粉末２４は、銅及びニッケルをベースとする合金の粉末であり、アトマイズ粉末となっている。

レーザクラッド装置１０は、シリンダヘッド１２を支持し、各バルブシート部１６ａ、１６ｂ、２０ａ及び２０ｂを、半導体レーザ２２が照射される処理位置に搬送するとともに、前記バルブシート部１６ａ、１６ｂ、２０ａ及び２０ｂの処理面の中心を回転軸として回転可能な載置駆動機構２８と、前記処理位置に配置される前記バルブシート部１６ａ、１６ｂ、２０ａ及び２０ｂを撮像する撮像機構３０と、前記撮像機構３０による撮像画像を画像処理し、撮像された前記バルブシート部１６ａ、１６ｂ、２０ａ及び２０ｂの位置を演算するとともに、前記演算結果に基づいて、前記バルブシート部１６ａ、１６ｂ、２０ａ及び２０ｂの位置を調整可能な制御機構３２とを備える。なお、制御機構３２は、レーザクラッド装置１０全体の駆動制御を行う。

載置駆動機構２８は、シリンダヘッド１２が所定の角度姿勢で、すなわち、バルブシート部１６ａ、１６ｂ、２０ａ及び２０ｂの各処理面が処理位置に配置された際に、前記処理面が水平面に向かうように載置する載置台３４と、前記載置台３４を直交２軸方向（矢印Ａ方向及び矢印Ｂ方向）に移動させる第１ステージ（移動台）３６及び第２ステージ（移動台）３８と、軸心ＲＯを中心に前記載置台３４上の前記シリンダヘッド１２を回転させる回転テーブル４０とを備える。

レーザ発振機構部２６の近傍には、銅合金粉末２４を処理位置に対応してバルブシート部１６ａ、１６ｂ、２０ａ及び２０ｂに供給する粉末供給ノズル４２と、前記処理位置に向かってアルゴンガスを供給するガスノズル４４とが配設される。レーザ発振機構部２６、粉末供給ノズル４２及びガスノズル４４は、一体として昇降並びに水平移動可能である。

撮像機構３０は、処理位置で半導体レーザ２０が照射されるバルブシート部１６ａ、１６ｂ、２０ａ及び２０ｂに照明光Ｌを照射する照明部４６と、前記処理位置に配置される前記バルブシート部１６ａ、１６ｂ、２０ａ及び２０ｂを撮像する固体撮像素子、例えば、ＣＣＤカメラ４８とを有する。

照明部４６は、例えば、ハロゲン光源５０を備える。ＣＣＤカメラ４８は、載置駆動機構２８の回転軸ＲＯの延長線上に配置される。このＣＣＤカメラ４８で撮像された画像は、制御機構３２に接続されるモニタ５２に表示される。

このように構成されるレーザクラッド装置１０の動作について、以下に説明する。

先ず、図４に示すように、載置台３４上には、マスターワーク６０が載置される。このマスターワーク６０に設けられている基準バルブ孔６２は、半導体レーザ２２の照射位置（処理位置）に対応して配置される。

そこで、撮像機構３０を構成する照明部４６は、ハロゲン光源５０から導入される照明光Ｌを基準バルブ孔６２に照射するとともに、ＣＣＤカメラ４８が前記基準バルブ孔６２を撮像する。ＣＣＤカメラ４８による撮像画像は、モニタ５２に送られる。

従って、制御機構３２では、モニタ５２に表示されるマスターワーク６０の基準バルブ孔６２の中心、すなわち、マスター中心ＭＣの位置を記憶する。その際、基準バルブ孔６２の位置と直径を検出しており、撮影時の前記基準バルブ孔６２の画素数に基づいて、画素と距離との換算がなされる。

上記のように、マスターワーク６０に基づいて制御機構３２のキャリブレーションが行われた後、このマスターワーク６０が載置台３４から取り外される一方、ワークであるシリンダヘッド１２が前記載置台３４に載置保持される。そして、制御機構３２の作用下に、載置駆動機構２８を構成する第１ステージ３６及び第２ステージ３８が駆動される。このため、シリンダヘッド１２の、例えば、バルブシート部１６ａが、処理位置に対応して回転軸ＲＯの延長線上に配置されるとともに、前記バルブシート部１６ａの処理面が水平方向に配置される。

次に、図２に示すように、バルブシート部１６ａの周囲の一部に、粉末供給ノズル４２から銅合金粉末２４が供給されるとともに、ガスノズル４４から不活性ガスであるアルゴンガスが噴出される。この状態で、レーザ発振機構部２６から半導体レーザ２２が照射されるとともに、回転テーブル４０が回転される。

これにより、銅合金粉末２４の供給位置及び半導体レーザ２２の照射位置は、バルブシート部１６ａの周囲に沿って相対的且つ環状に移動し、前記銅合金粉末２４の溶融池が環状に移動する。さらに、回転テーブル４０が、少なくとも１回転することにより、バルブシート部１６ａの周囲に肉盛層が形成される。

バルブシート部１６ａの肉盛処理が終了した後、半導体レーザ２２の照射が停止されるとともに、第２ステージ３８が駆動される。従って、載置台３４と一体的にシリンダヘッド１２が気筒配列方向（図１中、矢印Ａ方向）に所定距離だけ移動され、バルブシート部１６ｂが半導体レーザ２２の照射位置に対応して配置される。

この場合、本実施形態では、予め設定された処理位置（照射位置）に対応して、バルブシート部１６ｂが配置される際、撮像機構３０を介して前記処理位置における前記バルブシート部１６ｂの画像が撮像される。このバルブシート部１６ｂの画像は、モニタ５２に表示される。

図５に示すように、制御機構３２では、モニタ５２上に表示されるバルブ孔１４ｂの中心ＶＣと、マスターワーク６０によって得られた基準バルブ孔６２のマスター中心ＭＣとのずれ量及び径変化が演算される。マスター中心ＭＣからバルブ孔１４ｂの中心ＶＣまでのずれ量及び径変化は、画素数に基づいた画素−距離換算によって数値化処理され、載置駆動機構２８の直交２軸座標上の補正位置として設定される。

これにより、バルブシート部１６ｂのバルブ孔１４ｂの中心ＶＣは、回転テーブル４０の軸心ＲＯ上に正確に配置され、前記バルブシート部１６ｂには、上記のバルブシート部１６ａと同様に肉盛処理が施される。その際、バルブシート部１６ｂは、半導体レーザ２２の照射位置に対応して高精度に位置決めされており、例えば、シリンダヘッド１２が前記半導体レーザ２２の照射によって熱変形していても、前記バルブシート部１６ｂを処理位置に対して高精度且つ確実に位置決めすることができる。

このため、クラッド位置制御不良により、例えば、図６に示すように、肉盛後に黒皮残り７０が発生したり、図７に示すように、バルブシート部１６ｂ、２０ｂ間に部材（アルミニウム合金）の溶けや割れ等の品質不良部位７２が発生することを確実に阻止することができる。従って、バルブシート部１６ａ、１６ｂの肉盛処理が、高精度且つ良好に遂行され、効率的な肉盛処理が遂行されるという効果が得られる。

なお、排気側のバルブシート部２０ａ及び２０ｂにおいても同様に、上記の品質不良を確実に阻止し、高品質且つ良好な肉盛処理が図られるという利点がある。

本発明の実施形態に係るバルブシート部のレーザ肉盛装置であるレーザクラッド装置の概略斜視説明図である。 前記レーザ肉盛装置の側面説明図である。 シリンダヘッドの説明図である。 前記レーザ肉盛装置のキャリブレーションの説明図である。 前記バルブシート部の中心ずれの説明図である。 前記バルブシート部に黒皮残りの説明図である。 前記バルブシート部の品質不良部位の説明図である。

符号の説明

１０…レーザクラッド装置 １２…シリンダヘッド
１４ａ、１４ｂ、１８ａ、１８ｂ…バルブ孔
１６ａ、１６ｂ、２０ａ、２０ｂ…バルブシート部
２２…半導体レーザ ２４…銅合金粉末
２６…レーザ発振機構部 ２８…載置駆動機構
３０…撮像機構 ３２…制御機構
３４…載置台 ３６、３８…ステージ
４０…回転テーブル ４２…粉末供給ノズル
４４…ガスノズル ４６…照明部
４８…ＣＣＤカメラ

Claims (4)

1. シリンダヘッドのバルブシート部に金属粉末を供給しつつ、該金属粉末にレーザを照射することにより溶融及び固化させて肉盛りをするバルブシート部のレーザ肉盛装置であって、
   前記シリンダヘッドを支持し、各バルブシート部を前記レーザが照射される処理位置に搬送するとともに、各バルブシート部の処理面の中心を回転軸として回転可能な載置駆動機構と、
   前記処理位置に配置される前記バルブシート部を撮像する撮像機構と、
   前記撮像機構による撮像画像を画像処理し、撮像された前記バルブシート部の位置を演算するとともに、前記演算結果に基づいて前記バルブシート部の位置を調整可能な制御機構と、
   を備えることを特徴とするバルブシート部のレーザ肉盛装置。
2. 請求項１記載のレーザ肉盛装置において、前記載置駆動機構は、前記シリンダヘッドが所定の角度姿勢で載置される載置台と、
   前記載置台を移動させることにより、前記シリンダヘッドに設けられる各バルブシート部を、前記処理位置に選択的に配置する移動台と、
   前記移動台を回転可能な回転台と、
   を備えることを特徴とするバルブシート部のレーザ肉盛装置。
3. 請求項１又は２記載のレーザ肉盛装置において、前記撮像機構は、前記レーザが照射される前記バルブシート部に照明光を照射する照明部と、
   前記処理位置に配置される前記バルブシート部を撮像する固体撮像素子と、
   を備えることを特徴とするバルブシート部のレーザ肉盛装置。
4. 請求項３記載のレーザ肉盛装置において、前記固体撮像素子は、前記載置駆動機構の回転軸の延長線上に配置されることを特徴とするバルブシート部のレーザ肉盛装置。

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