JP2008188648A - レーザクラッド加工方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加工部位から発生するヒュームおよび余剰粉末を速やかに加工部位およびシリンダヘッド内から除去できるようにし、もって生産性の向上と製造コストの低減とに大きく寄与するレーザクラッド加工方法および装置を提供する。
【解決手段】位置固定されたシリンダヘッド１の吸・排気ポート３に脱着可能な吸引管（吸引口）１１を有するダクト１２を用意し、シリンダヘッド１のバルブシート部２に，レーザ加工ヘッド６から金属粉末を供給しながらレーザビームを照射してクラッド加工するに際し、該ダクト１２内を排気ファン１４により吸気して、クラッド加工部位から発生するヒュームおよび余剰粉末をダクト１２内に吸引し、所望によりダクト１２内に配置した前段のフィルタ１７により余剰粉末を捕捉すると共に、後段のフィルタ１８によりヒュームを捕捉し、余剰粉末は粉末回収箱２０に回収する。
【選択図】図１

Description

本発明は、シリンダヘッドのバルブシートをレーザビームを利用してクラッド加工するレーザクラッド加工方法および装置に関する。

シリンダヘッドのバルブシート部に金属粉末を供給しながらレーザビームを照射してクラッド加工するレーザクラッド加工技術は、従来より知られている。このレーザクラッド加工においては、加工対象であるバルブシート部が円形であることから、レーザビームをバルブシート部に沿って円形に走査させる必要がある。このため、従来一般には、レーザヘッドを位置固定してシリンダヘッドをバルブシートの軸線周りに回転させるワーク回転方式が採用されていた（例えば、特許文献１、特許文献２等参照）。しかし、このワーク回転方式によれば、大型でかつ重量の重いシリンダヘッドを回転させなければならないため、設備の大型化、設置スペースの拡大が避けられず、そこで、最近では、シリンダヘッドを位置固定してレーザビームを回転させる、いわゆるビーム回転方式が採用されるようになっている（特許文献３参照）。

ところで、この種のレーザクラッド加工においては、レーザビームの照射部位に金属粉末をタイミングよく供給する必要がある。このため、従来は、上記特許文献１、２に記載されるようにレーザビームの照射ヘッドの近傍に粉末供給ノズルを配置するか、あるいは上記特許文献３に記載されるようにレーザビームの照射口の周りに金属粉末の吐出口を同心に配した同軸ノズルを使用するかしていた。

特開平６−１２６４７５号公報 特開２００２−８９３５８号公報 特開２００５−２１９０８号公報

しかるに、上記したレーザクラッド加工に際しては、加工部位（レーザ照射部位）からヒュームが発生し、このヒュームが粉末供給ノズル（粉末吐出口）に付着して、そのまま放置すると、これにレーザ反射光が吸収されてノズルが損傷してしまう。このため、従来は、粉末供給ノズルのクリーニング（メンテナンス）をかなりの頻度で行わなければならず、このことが生産性を低下させかつ製造コストを上昇させる要因になっていた。

また、加工部位には、周辺への落下を見込んで多めに金属粉末を供給するが、落下した余剰の粉末がシリンダヘッド内に滞留して、次工程への搬送設備または次工程内の加工設備に落下する。このため、従来は、搬送設備や加工設備のクリーニング（メンテナンス）をかなりの頻度で行わなければならず、このこともまた、生産性を低下させかつ製造コストを上昇させる原因になっていた。

さらに、搬送設備や加工設備に落下した余剰粉末は、回収しても多くの異物を含んでいるため、その再利用は不可能で、材料の無駄が多いという問題もあった。

本発明は、上記した従来の問題点に鑑みてなされたもので、その第１の課題とするところは、加工部位から発生するヒュームおよび余剰粉末を速やかに加工部位およびシリンダヘッド内から除去できるようにし、もって生産性の向上と製造コストの低減とに大きく寄与するレーザクラッド加工方法および装置を提供することにある。
また、第２の課題とするところは、上記第１の課題に加え、余剰粉末の再利用を可能にし、もって製造コストのより一層の低減に寄与するレーザクラッド加工方法および装置を提供することにある。

上記１の課題を解決するための第１の発明は、シリンダヘッドのバルブシートをレーザクラッド加工するに際し、吸・排気ポートから吸気して、加工部位から発生するヒュームおよび余剰粉末を吸引排出することを特徴とする。この第１の発明においては、加工部位から発生するヒュームおよび余剰粉末を吸・排気ポートから吸引排出することで、粉末吐出口に対するヒュームの付着が抑制され、かつシリンダヘッド内への余剰粉末の滞留が抑制される。

また、上記第２の課題を解決するための第２発明は、上記第１の発明の構成に加え、吸引した気流中に含まれる余剰粉末を回収するようにしたことを特徴とする。この第２の発明においては、吸引した気流中から余剰粉末を回収することで、清浄な状態で余剰粉末を回収することができる。
以下に、本発明の態様をいくつか例示し、それらについて項分けして説明する。

（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ながらレーザ光を照射してクラッド加工するレーザクラッド加工方法において、クラッド加工中、前記バルブシートに直結する吸・排気ポートから吸気して、加工部位から発生するヒュームおよび余剰粉末を吸引排出することを特徴とするレーザクラッド加工方法。

本（１）項記載のレーザクラッド加工方法においては、加工中のバルブシートに直結する吸・排気ポートから吸引することで、加工部位から発生するヒュームおよび余剰粉末を効率よくシリンダヘッド外へ吸引排出することができる。

（２）吸引した気流中に含まれる余剰粉末を回収することを特徴とする（１）項に記載のレーザクラッド加工方法。

本（２）項記載のレーザクラッド加工方法においては、吸引した気流中に含まれる余剰粉末を回収するので、清浄な状態で余剰粉末を回収することができ、その再利用が可能になる。

（３）余剰粉末回収後の気流中に含まれるヒュームを捕集することを特徴とする（２）項に記載のレーザクラッド加工方法。

本（３）項記載のレーザクラッド加工方法においては、吸引した気流中から、さらにヒュームを捕集するので、周囲へのヒュームの拡散が防止され、作業環境が改善される。

（４）位置固定されたシリンダヘッドのバルブシート部に金属粉末を供給しながらレーザビームを照射してクラッド加工する加工ユニットと、前記シリンダヘッドの吸・排気ポートに脱着可能な吸引口を有するダクトと、該ダクト内を吸気する吸引手段とを備え、加工部位から発生するヒュームおよび余剰粉末を前記ダクト内に吸引することを特徴とするレーザクラッド加工装置。
（５）ダクトの吸気口が、シリンダヘッドの吸気ポートまたは排気ポートに対応して複数設けられることを特徴とする（４）項に記載のレーザクラッド加工装置。

本（４）項記載のレーザクラッド加工装置においては、シリンダヘッドの吸・排気ポートからダクト内にヒュームおよび余剰粉末を吸引することにより、上記（１）項記載のレーザクラッド加工方法を簡単に実施できる。この場合、シリンダヘッドが位置固定されているので、その周りにダクトを配してもクラッド加工の障害になることはなく、シリンダヘッドの吸・排気ポートに対する吸引口の脱着も容易になる。
また、（５）項記載のレーザクラッド加工装置においては、シリンダヘッドの吸気ポートまたは排気ポートに対応してダクトの吸気口が複数設けられるので、シリンダヘッドに対してダクトを一度セットすれば、全気筒数のバルブシートのクラドッド加工が可能になる。

（６）ダクト内に、ヒュームは通すが、金属粉末は通さない粉末用フィルタを配設すると共に、ダクトの周壁に、前記フィルタにより流動を阻止された金属粉末を外部へ排出するための粉末回収口を設けたことを特徴とする（４）または（５）項に記載のレーザクラッド加工装置。

本（６）項記載のレーザクラッド加工装置においては、ダクト内に吸引した気流を粉末用フィルタに通すことで、該気流中に含まれる清浄な余剰粉末を効率よく回収することができ、上記（２）項記載のレーザクラッド加工方法を確実に実施できる。また、前記フィルタにより流動を阻止された金属粉末が粉末回収口から外部へ排出されるので、一箇所に溜めて回収することができる。

（７）ダクト内の、粉末用フィルタの後段位置に、ヒュームを捕捉するヒューム用フィルタを配設したことを特徴とする（６）項に記載のレーザクラッド加工装置。

本（７）項記載のレーザクラッド加工装置においては、粉末用フィルタを通過した気流をヒューム用フィルタに通すことで、気流中に含まれるヒュームを効率よく捕捉することができ、上記（３）項記載のレーザクラッド加工方法を確実に実施できる。

本発明に係るレーザクラッド加工方法および装置によれば、加工部位から発生するヒュームおよび余剰粉末を速やかに加工部位およびシリンダヘッド内から除去できるので、粉末吐出口に対するヒュームの付着が抑制されると共に、シリンダヘッド内への余剰粉末の滞留が抑制され、加工ユニットはもとより、周辺の搬送設備や加工設備に対するメンテナンス回数の大幅な削減が可能になって、生産性の向上と製造コストの低減とを達成できる。

また、吸引した気流中に含まれる余剰粉末をフィルタにより回収するようにした場合は、上記した効果に加え、余剰粉末の再利用が可能になって、製造コストのより一層の低減を達成できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基づいて説明する。
図１および図２は、本発明に係るレーザクラッド加工装置の一つの実施形態を示したものである。本レーザクラッド加工装置は、自動車エンジン用シリンダヘッド１のバルブシート部２のクラッド加工を行うもので、シリンダヘッド１は、ここでは４気筒エンジン用として構成されている。バルブシート部２は、各気筒に対して吸気側バルブシート部２Ｉと排気側バルブシート部２Ｅとがそれぞれ２個設けられている。また、シリンダヘッド１の左・右側面には、前記バルブシート部２に連通する吸・排気ポート３が設けられている。この吸・排気ポート３は、吸気側バルブシート部２Ｉにそれぞれ直結する吸気ポート３Ｉと排気側バルブシート部２Ｅにそれぞれ直結する排気ポート３Ｅとが、シリンダヘッド１の左・右側面に振り分けて気筒数だけ設けられている。

本レーザクラッド加工装置は、上記したシリンダヘッド１を位置決め支持するヘッド保持手段５と、バルブシート部２の加工部位に向けてレーザビームを照射すると共に金属粉末を吐出するレーザ加工ヘッド６とからなる加工ユニット７を備えている。この加工ユニット７はビーム回転方式として構成されており、そのヘッド保持手段５は、各バルブシート部２（２Ｉ、２Ｅ）の軸線が所定の鉛直軸Ｖと一致するようにシリンダヘッド１を加工位置に割出す機能を有している。また、レーザ加工ヘッド６は、レーザビームの照射口の周りに粉末の吐出口を同心に配した同軸ノズル６ａを備えており、前記鉛直軸Ｖに対して傾斜して配置されると共に、該鉛直軸Ｖを中心に旋回可能となっている。なお、この加工ユニット７は、前記特許文献３（特開２００５−２１９０８号公報）に記載されたものと実質同じものであり、ここでは詳細な説明を省略する。

本レーザクラッド加工装置はまた、上記バルブシート部２の加工部位から発生するヒュームおよび余剰粉末を回収する回収装置１０を備えている。回収装置１０は、ここでは、ヘッド保持手段５上に支持されたシリンダヘッド１の左・右側面の側方に位置して２台配置されている。各回収装置１０は、シリンダヘッド１の各吸・排気ポート３に脱着可能な複数の吸引管（吸引口）１１を側部に有するダクト１２を備えている。各ダクト１２は、シリンダヘッド１の側面に沿って平行に延ばされ、その一端は端板１３により閉じられている。各ダクトの他端部には排気ファン（吸引手段）１４が配設されており、該排気ファン１４の運転によりダクト１２内には、吸引管１１の吸引口から他端開口へ抜ける気流が生じるようになる。なお、各吸引管１１の開口端には、弾性体からなる口部リング１５が接合されている。

本実施形態において、各ダクト１２は、流体圧シリンダ１６のピストンロッド１６ａに支持されている。流体圧シリンダ１６は、上記ヘッド保持手段５に支持され、シリンダヘッド１と一体的に移動するようになっている。各ダクト１２は、流体圧シリンダ１６のピストンロッド１６ａの伸縮によりシリンダヘッド１の側面に垂直な方向へ平行移動し、ピストンロッド１６ａの伸長に応じてそれぞれの吸引管１１を口部リング１５を介してシリンダヘッド１の側面に密着させる。

一方、各ダクト１２の他端部には、ヒュームは通すが金属粉末は通さない粉末用フィルタ１７とヒュームを捕捉するヒューム用フィルタ１８とが、上・下流側に位置して２段に配置されている。また、各ダクト１２の他端部の下側には、前記粉末用フィルタ１７に近接する上流部位に一端が開口する粉末回収管（粉末回収口）１９が設けられている。粉末回収管１９の他端は、別途設けた粉末回収容箱２０に接続されており、粉末用フィルタ１７により通過を阻止された粉末（余剰粉末）は、粉末回収管１９から粉末回収容箱２０に回収されるようになっている。

以下、上記のように構成したレーザクラッド加工装置によるレーザクラッド加工方法について説明する。

レーザクラッド加工に際しては、ヘッド保持手段５にシリンダヘッド１を位置決め載置した後、流体圧シリンダ１６のピストンロッド１６ａの伸長により各回収装置１０のダクト１２をシリンダヘッド１に対して前進させ、各ダクト１２の吸引管１１を口部リング１５を介してシリンダヘッド１の側面に密着させる。その後、ヘッド保持手段５によって、バルブシート部２の一つが所定の鉛直軸Ｖと同心となるようにシリンダヘッド１が位置決めされ、この状態でレーザ加工ヘッド６が前記鉛直軸Ｖを中心に旋回駆動される。レーザ加工ヘッド６の同軸ノズル６ａの先端からは、バルブシート部２の加工部位に向けてレーザビームが照射されかつ金属粉末が吐出されており、レーザ加工ヘッド６の旋回に応じてこの加工部位がバルブシート部２に沿って円形に移動し、これによってバルブシート部２の全周がクラッド加工される。

しかして、上記クラッド加工の開始と同時に、回収装置１０の排気ファン１４の運転が開始されており、これによって、加工部位から発生するヒュームおよび余剰粉末が、該加工部位を含むバルブシート部２に直結する吸・排気ポート３から吸引管１１を経てダクト１２内に吸引される。一方、ダクト１２内には、粉末用フィルタ１７、ヒューム用フィルタ１８を経てダクト１２外へ流れる気流が生じており、先ず、粉末用フィルタ１７によって、気流中に含まれる余剰粉末が捕捉され、続いて、ヒューム用フィルタ１８によって、気流中に含まれるヒュームが捕捉される。そして、粉末用フィルタ１７によって流動が阻止された余剰粉末は、該フィルタ１７の直前部位に開口する粉末回収管１９に落下し、そのまま粉末回収箱２０に回収される。

シリンダヘッド１に対するクラッド加工は、所定の加工順序に従って全てのバルブシート部２（２Ｉ，２Ｅ）を加工することによって終了し、この一連の加工の間、回収装置１０によってヒュームおよび余剰粉末の回収が継続される。そして、加工終了後は、流体圧シリンダ１６のピストンロッド１６ａが短縮されて、各回収装置１０が元の待機位置に戻り、これと前後して排気ファン１４の運転が停止される。

このように、本レーザクラッド加工装置によるレーザクラッド加工においては、加工部位から発生するヒュームが、吸・排気ポート３からダクト１２内に速やかに吸引排出されるので、レーザ加工ヘッド６の同心ノズル６ａに設けられた粉末吐出口に対するヒュームの付着が著しく抑制される。この結果、同心ノズル６ａに対するクリーニング回数（メンテナンス回数）は大幅に削減される。また、加工部位から発生する余剰粉末も、吸・排気ポート３からダクト１２内に吸引排出されるので、シリンダヘッド１内への余剰粉末の滞留が著しく抑制される。この結果、クラッド加工終了後のシリンダヘッドの搬送中にまたは次工程の加工設備へのセット時に、シリンダヘッド１から落下する余剰粉末が大幅に削減され、これによって周辺の搬送設備や加工設備に対するクリーニング回数（メンテナンス回数）は大幅に削減される。

一方、ダクト１２内に吸引された気流が粉末用フィルタ１７を通ることで、該気流中に含まれる余剰粉末が粉末回収箱２０に効率よくかつ清浄な状態で回収される。この結果、余剰粉末の再使用が可能になり、材料歩留り大幅に向上する。因みに、余剰粉末は、通常、加工部位への供給量の１０％程度存在するが、本実施形態においては、そのほぼ全量を回収することができる。さらに、本実施形態では、気流中に含まれるヒュームがフィルタ１８に捕捉されるので、ヒュームが周辺に拡散することもなくなり、結果として作業環境が改善される。

なお、上記実施形態においては、ダクト１２に設けた複数の吸引管１１を開放状態として、全ての吸引管１１から一斉に吸引を行うようしたが、本発明は、各吸引管１１にバルブを設けて、クラッド加工中のバルブシート部２に直結する吸引管１１のみを開いて、選択的に吸引するようにしてもよいものである。この場合は、吸気効率が高まるので、小型の排気ファン１４の使用が可能になり、その分、設備コストとランニングコストとが低減する。

また、上記実施形態においては、シリンダヘッド１の左・右側面に対応して各独立に回収装置１０を設けるようにしたが、本発明は、各ダクト１２、１２を１つのメインダクトから二又に分岐した分岐ダクトに設定して、メインダクトに設けた１つの吸引手段（排気ファン）を共用する構成としてよいものである。この場合は、吸引手段の共用により設備コストの低減を図ることができる。また、この場合は、上記したように各吸引管１１に開閉弁を設けることに加え、吸引通路を２つのダクトに切換える切換弁を設けることにより、吸引効率の向上を図ることもできる。

さらに、上記実施形態においては、ダクト１２を平行移動させる手段として流体圧シリンダ１６を用いたが、この平行移動させる手段は任意であり、モータを駆動源とする電動手段であってもよい。
また、レーザ加工ヘッド６は、同軸ノズル６ａに代えて、レーザビームの照射ヘッドの近傍に粉末供給ノズルを別途配置した構成としてもよいことはもちろんである。

本発明に係るレーザクラッド加工装置の一つの実施形態を一部断面としてかつ一部切欠いて示す斜視図である。 本レーザクラッド加工装置を構成する回収装置の外観を示す斜視図である。

符号の説明

１ シリンダヘッド
２ バルブシート部
３ 吸・排気ポート
６ レーザ加工ヘッド
７ 加工ユニット
１０ 回収装置
１１ 吸引管（吸引口）
１２ ダクト
１４ 排気ファン
１６ 流体圧シリンダ
１７ 粉末用フィルタ
１８ ヒューム用フィルタ

Claims (7)

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ながらレーザ光を照射してクラッド加工するレーザクラッド加工方法において、クラッド加工中、前記バルブシートに直結する吸・排気ポートから吸気して、加工部位から発生するヒュームおよび余剰粉末を吸引排出することを特徴とするレーザクラッド加工方法。
2. 吸引した気流中に含まれる余剰粉末を回収することを特徴とする請求項１に記載のレーザクラッド加工方法。
3. 余剰粉末回収後の気流中に含まれるヒュームを捕集することを特徴とする請求項２に記載のレーザクラッド加工方法。
4. 位置固定されたシリンダヘッドのバルブシート部に金属粉末を供給しながらレーザビームを照射してクラッド加工する加工ユニットと、前記シリンダヘッドの吸・排気ポートに脱着可能な吸引口を有するダクトと、該ダクト内を吸気する吸引手段とを備え、加工部位から発生するヒュームおよび余剰粉末を前記ダクト内に吸引することを特徴とするレーザクラッド加工装置。
5. ダクトの吸気口が、シリンダヘッドの吸気ポートまたは排気ポートに対応して複数設けられることを特徴とする請求項４に記載のレーザクラッド加工装置。
6. ダクト内に、ヒュームは通すが金属粉末は通さない粉末用フィルタを配設すると共に、ダクトの周壁に、前記フィルタにより流動を阻止された金属粉末を外部へ排出するための粉末回収口を設けたことを特徴とする請求項４または５に記載のレーザクラッド加工装置。
7. ダクト内の、粉末用フィルタの後段位置に、ヒュームを捕捉するヒューム用フィルタを配設したことを特徴とする請求項６に記載のレーザクラッド加工装置。

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