JP2020062615A - コールドスプレー用ノズル及びコールドスプレー装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮部と膨張部とが形成しやすく、かつメンテナンス性の高いコールドスプレー用ノズルと、それを備えたコールドスプレー装置とを提供する。【解決手段】コールドスプレー用ノズル２５は、圧縮部２５１ａが設けられたコンバージェント部２５１と、膨張部２５２ａが設けられたダイバージェント部２５２とから構成されており、コンバージェント部２５１は、先端側に設けられた第１挿入部２５１ｃがダイバージェント部２５２の後端側に設けられた第１凹部２５２ｂに挿入されることにより、インロー結合している。【選択図】 図７

Description

本発明は、コールドスプレー用ノズル及びコールドスプレー装置に関するものである。

原料粉末の融点又は軟化点よりも低い温度の作動ガスを超音速流とし、作動ガス中に搬送ガスによって搬送された原料粉末を投入してノズル先端より噴出させ、固相状態のまま基材に衝突させて皮膜を形成するコールドスプレー法が知られている（特許文献１）。このコールドスプレー法で使用されるノズルは、先端に行くにしたがって径が小さくなる円錐状の圧縮部により作動ガスの圧力を高め、先端に行くにしたがって径が大きくなる円錐状の膨張部により作動ガスの圧力を開放することにより、作動ガスを超音速まで加速させる。

特開２００８−０９３６３５

従来のノズルは、円筒状の一体部品により構成されているが、逆向きのテーパー形状を有する圧縮部と膨張部とを、金属製の円筒内に形成するのは難しく、必要な加工精度を確保するのは困難であるため、ノズルの製造コストが高くなり、リードタイムが長くなる、という問題があった。さらに、ノズルには、内部に付着した原料粉末を除去するために、洗浄などのメンテナンスが必要であるが、ノズルは数百ｍｍの長さに対し、内径が数ミリと小さいのでメンテナンス性が低い。

本発明が解決しようとする課題は、圧縮部と膨張部とが形成しやすく、かつメンテナンス性の高いコールドスプレー用ノズルと、それを備えたコールドスプレー装置とを提供することである。

本発明は、筒状の本体部内に圧縮部を有する第１ノズル本体と、筒状の本体部内に膨張部を有する第２ノズル本体とによってコールドスプレー用ノズルを構成し、第１ノズル本体の先端側の外周に設けられた第１挿入部を、第２ノズル本体の後端側に設けられた第１凹部に挿入してインロー結合することにより上記課題を解決する。

本発明によれば、圧縮部及び膨張部の形成が容易になるので高い加工精度を得られるとともに、製造コストの低下と、リードタイムの短縮とが可能となる。また、インロー結合により、第１ノズル本体と第２ノズル本体との組み立て時のアライメント調整なども不要となる。さらに、原料粉末を吐出する際に第１ノズル本体が熱膨張することにより、第１挿入部と第１凹部とのインロー結合が締り嵌めになるので、作動ガスの漏れや、作動ガスの圧力による第１ノズル本体と第２ノズル本体との分離などを防ぐことができる。また、第１ノズル本体と第２ノズル本体とを分離することもできるので、メンテナンス性がより高まる。

本発明の実施形態に係るコールドスプレー用ノズル及びコールドスプレー装置によりバルブシート膜が形成されたシリンダヘッドを備えるエンジンの構成を示す断面図である。 本発明の実施形態に係るコールドスプレー方法、コールドスプレー用ノズル及びコールドスプレー装置によりバルブシート膜が形成されたシリンダヘッドのバルブ周辺の構成を示す断面図である。 本発明の実施形態に係るコールドスプレー用ノズルを備えたコールドスプレー装置の概略構成図である。 本発明の実施形態に係るコールドスプレー用ノズルの構成を示す断面図である。 本発明の実施形態に係るコールドスプレー用ノズルの断面の拡大図である。 本発明の実施形態に係るコールドスプレー用ノズル及びコールドスプレー装置を利用してシリンダヘッドにバルブシート膜を形成するための工程図である。 本発明の実施形態に係るコールドスプレー用ノズル及びコールドスプレー装置によりバルブシート膜が形成されるシリンダヘッド粗材の構成を示す斜視図である。 図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿う吸気ポートを示す断面図である。 図８Ａの吸気ポートに切削工程で環状バルブシート部を形成した状態を示す断面図である。 図８Ｂの環状バルブシート部にバルブシート膜を形成する状態を示す断面図である。 図８Ｂの環状バルブシート部にバルブシート膜が形成された吸気ポートを示す断面図である。 図６に示す仕上工程後の吸気ポートを示す断面図である。 シリンダヘッド粗材の移動に使用されるワーク回転装置の構成を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係るコールドスプレー用ノズルの別の構成を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。まず初めに、本実施形態に係るコールドスプレー用ノズル及びコールドスプレー装置の用途を用いて形成されたバルブシート膜を備えるエンジン１について説明する。図１は、エンジン１の断面図であり、主にシリンダヘッド周りの構成を示している。

エンジン１は、シリンダブロック１１と、シリンダブロック１１の上部に組み付けたシリンダヘッド１２とを備える。このエンジン１は、例えば、４気筒のガソリンエンジンであり、シリンダブロック１１は、図面奥行き方向に配列した４つのシリンダ１１ａを有する。各シリンダ１１ａは、図中の上下方向に往復移動するピストン１３を収容している。各ピストン１３は、コネクティングロッド１３ａを介して、図面奥行き方向に延びるクランクシャフト１４と連結している。

シリンダヘッド１２のシリンダブロック１１に対する取付面１２ａには、各シリンダ１１ａに対応する位置に、各気筒の燃焼室１５を構成する４つの燃焼室上壁部１２ｂが設けられている。燃焼室１５は、燃料と吸入空気との混合気を燃焼するための空間であり、シリンダヘッド１２の燃焼室上壁部１２ｂと、ピストン１３の頂面１３ｂと、シリンダ１１ａの内周面とで構成されている。

シリンダヘッド１２は、燃焼室１５と、シリンダヘッド１２の一方の側面１２ｃとを連通する吸気用のポート（以下、吸気ポートという）１６を備えている。吸気ポート１６は、屈曲した略円筒形状をしており、側面１２ｃに接続したインテークマニホールド（図示せず）からの吸入空気を燃焼室１５内へ供給する。燃焼室１５に供給された空気は、図示しないインジェクタから供給されたガソリンと混合されて混合気が生成される。

また、シリンダヘッド１２は、燃焼室１５と、シリンダヘッド１２の他方の側面１２ｄとを連通する排気用のポート（以下、排気ポートという）１７を備えている。排気ポート１７は、吸気ポート１６と同様に屈曲した略円筒形状をしており、燃焼室１５での混合気の燃焼によって生じた排気を、側面１２ｄに接続したエキゾーストマニホールド（図示せず）へ排出する。なお、本実施形態のエンジン１は、マルチバルブタイプのエンジンであり、１つのシリンダ１１ａに対し、吸気ポート１６と排気ポート１７とを２つずつ備えている。

シリンダヘッド１２は、燃焼室１５に対して吸気ポート１６を開閉する吸気バルブ１８と、燃焼室１５に対して排気ポート１７を開閉する排気バルブ１９とを備える。吸気バルブ１８及び排気バルブ１９は、丸棒状のバルブステム１８ａ、１９ａと、バルブステム１８ａ、１９ａの先端に設けた円盤状のバルブヘッド１８ｂ、１９ｂとを備えている。バルブステム１８ａ、１９ａは、シリンダヘッド１２に組み付けた略円筒形状のバルブガイド１８ｃ、１９ｃにスライド自在に挿通されている。これにより、吸気バルブ１８及び排気バルブ１９は、燃焼室１５に対し、バルブステム１８ａ、１９ａの軸方向に沿って移動自在とされている。

図２に、燃焼室１５と、吸気ポート１６及び排気ポート１７との連通部分を拡大して示している。吸気ポート１６は、燃焼室１５との連通部分に略円形の開口部１６ａを備える。この開口部１６ａの環状縁部に、吸気バルブ１８のバルブヘッド１８ｂと当接する環状のバルブシート膜１６ｂを備える。吸気バルブ１８は、バルブステム１８ａの軸方向に沿って上方に移動した場合に、バルブヘッド１８ｂの上面がバルブシート膜１６ｂに当接して吸気ポート１６を閉塞する。また、吸気バルブ１８は、バルブステム１８ａの軸方向に沿って下方に移動した場合に、バルブヘッド１８ｂの上面とバルブシート膜１６ｂとの間に隙間を形成して吸気ポート１６を開放する。

排気ポート１７は、吸気ポート１６と同様に、燃焼室１５との連通部分に略円形の開口部１７ａを備えており、この開口部１７ａの環状縁部に、排気バルブ１９のバルブヘッド１９ｂと当接する環状のバルブシート膜１７ｂを備えている。排気バルブ１９は、バルブステム１９ａの軸方向に沿って上方に移動した場合に、バルブヘッド１９ｂの上面がバルブシート膜１７ｂに当接して排気ポート１７を閉塞する。また、排気バルブ１９は、バルブステム１９ａの軸方向に沿って下方に移動した場合に、バルブヘッド１９ｂの上面とバルブシート膜１７ｂとの間に隙間を形成して排気ポート１７を開放する。

たとえば、４サイクルのエンジン１は、ピストン１３の下降時に吸気バルブ１８のみが開き、吸気ポート１６からシリンダ１１ａ内に混合気が導入される。なお、筒内噴射方式、いわゆる、直噴方式のエンジンでは、インジェクタからシリンダ１１ａ内にガソリンが噴射され、吸気ポート１６からシリンダ１１ａ内に空気が導入されて混合気が生成される。続いて吸気バルブ１８および排気バルブ１９が閉じた状態でピストン１３が上昇してシリンダ１１ａ内の混合気を圧縮し、ピストン１３が略上死点に達したときに図示しない点火プラグにより点火して混合気が爆発する。この爆発によりピストン１３は下死点まで下降し、連結されたクランクシャフト１４を介して爆発を回転力に変換する。ピストン１３が下死点に達し、再び上昇を開始すると、排気バルブ１９のみが開き、シリンダ１１ａ内の排気を排気ポート１７へ排出する。エンジン１は、以上のサイクルを繰り返し行うことにより出力を発生する。

バルブシート膜１６ｂ、１７ｂは、シリンダヘッド１２の開口部１６ａ、１７ａの環状縁部にコールドスプレー法によって直接形成されている。コールドスプレー法とは、原料粉末の融点又は軟化点よりも低い温度の作動ガスを超音速流とし、作動ガス中に搬送ガスによって搬送された原料粉末を投入してノズル先端より吐出し、固相状態のまま基材に衝突させ、原料粉末の塑性変形により皮膜を形成するものである。このコールドスプレー法は、材料を溶融させて基材に付着させる溶射法に比べ、大気中で酸化のない緻密な皮膜が得られ、材料粒子への熱影響が少ないので熱変質が抑えられ、成膜速度が速く、厚膜化が可能であり、付着効率が高いといった特性を有する。特に成膜速度が速く、厚膜が可能なことから、エンジン１のバルブシート膜１６ｂ、１７ｂのような構造材料としての用途に適している。

バルブシート膜１６ｂ、１７ｂの形成に用いる原料粉末としては、鋳物用アルミ合金よりも硬質で、バルブシートに必要な耐熱性、耐磨耗性及び熱伝導性が得られる金属であることが好ましく、例えば、上述した析出硬化型銅合金を用いることが好ましい。また、析出硬化型銅合金としては、ニッケル及びケイ素を含むコルソン合金や、クロムを含むクロム銅、ジルコニウムを含むジルコニウム銅等を用いてもよい。さらに、例えば、ニッケル、ケイ素及びクロムを含む析出硬化型銅合金、ニッケル、ケイ素及びジルコニウムを含む析出硬化型銅合金、ニッケル、ケイ素、クロム及びジルコニウムを含む析出硬化型合金、クロム及びジルコニウムを含む析出硬化型銅合金等を適用することもできる。

また、複数種類の原料粉末、例えば、第１の原料粉末と第２の原料粉末とを混合してバルブシート膜１６ｂ、１７ｂを形成してもよい。この場合、第１の原料粉末には、鋳物用アルミ合金よりも硬質で、バルブシートに必要な耐熱性、耐磨耗性及び熱伝導性が得られる金属を用いることが好ましく、例えば、上述した析出硬化型銅合金を用いることが好ましい。また、第２の原料粉末としては、第１の原料粉末よりも硬質な金属を用いることが好ましい。この第２の原料粉末には、例えば、鉄基合金、コバルト基合金、クロム基合金、ニッケル基合金、モリブデン基合金等の合金や、セラミックス等を適用してもよい。また、これらの金属の１種を単独で、または２種以上を適宜組み合わせて用いてもよい。

第１の原料粉末と、第１の原料粉末よりも硬質な第２の原料粉末とを混合して形成したバルブシート膜は、析出硬化型銅合金のみで形成したバルブシート膜よりも優れた耐熱性、耐磨耗性を得ることができる。このような効果が得られるのは、第２の原料粉末により、シリンダヘッド１２の表面に存在する酸化皮膜が除去されて新生界面が露出形成され、シリンダヘッド１２と金属皮膜との密着性が向上するためと考えられる。また、第２の原料粉末がシリンダヘッド１２にめり込むことによるアンカー効果により、シリンダヘッド１２と金属皮膜との密着性が向上するためとも考えられる。さらには、第１の原料粉末が第２の原料粉末に衝突したときに、その運動エネルギの一部が熱エネルギに変換され、あるいは第１の原料粉末の一部が塑性変形する過程で発生する熱により、第１の原料粉末として用いた析出硬化型銅合金の一部における析出硬化がより促進されるためとも考えられる。

次に、本実施形態に係るコールドスプレー用ノズル及びコールドスプレー装置について説明する。図３は、本実施形態に係るコールドスプレー装置２の概略構成を示している。従来のコールドスプレー装置は、金属製の機械部品や構造部品の補修等に用いられ、比較的大きな面積への成膜に利用されることが多かった。これに対し、本実施形態のコールドスプレー装置２は、シリンダヘッド１２のバルブシート膜１６ｂ、１７ｂのように、面積が比較的小さな部位への成膜に適用するために、従来のコールドスプレー装置よりも小型化したコールドスプレー用ノズルを備えている。

本実施形態のコールドスプレー装置２は、作動ガス及び搬送ガスを供給するガス供給部２１と、バルブシート膜１６ｂ、１７ｂの原料粉末を供給する原料粉末供給部２２と、原料粉末をその融点以下の作動ガスを用いて超音速流として噴射するコールドスプレーガン２３とを備える。ガス供給部２１、原料粉末供給部２２及びコールドスプレーガン２３は、本発明に係るガス供給手段、原料粉末供給手段及び噴射手段に相当する。

ガス供給部２１は、圧縮ガスボンベ２１ａ、作動ガスライン２１ｂ及び搬送ガスライン２１ｃを備える。作動ガスライン２１ｂ及び搬送ガスライン２１ｃは、それぞれ圧力調整器２１ｄ、流量調節弁２１ｅ、流量計２１ｆ及び圧力ゲージ２１ｇを備えている。圧力調整器２１ｄ、流量調節弁２１ｅ、流量計２１ｆ及び圧力ゲージ２１ｇは、圧縮ガスボンベ２１ａからの作動ガス及び搬送ガスの圧力及び流量の調整に供される。

作動ガスライン２１ｂには、電力源２１ｈにより加熱されるヒータ２１ｉを設置している。作動ガスは、ヒータ２１ｉによって原料粉末の融点又は軟化点より低い温度に加熱した後、コールドスプレーガン２３のチャンバ２３ａ内に導入される。チャンバ２３ａには、圧力計２３ｂと温度計２３ｃが設置され、圧力及び温度のフィードバック制御に供される。

一方、原料粉末供給部２２は、原料粉末供給装置２２ａと、これに付設される計量器２２ｂ及び原料粉末供給ライン２２ｃを備えている。圧縮ガスボンベ２１ａからの搬送ガスは、搬送ガスライン２１ｃを通り、原料粉末供給装置２２ａに導入される。計量器２２ｂにより計量された所定量の原料粉末は、原料粉末供給ライン２２ｃを経て、チャンバ２３ａ内に搬送される。

コールドスプレーガン２３は、その先端部に本実施形態のコールドスプレー用ノズル２５を備える。コールドスプレーガン２３は、搬送ガスによりチャンバ２３ａ内に搬送された原料粉末Ｐを、作動ガスにより超音速流としてノズル２５の先端から吐出する吐出通路２５ａを備えている。コールドスプレーガン２３は、原料粉末Ｐを固相状態又は固液共存状態で基材２４に衝突させて皮膜２４ａを形成する。本実施形態では、基材２４としてシリンダヘッド１２を適用し、このシリンダヘッド１２の開口部１６ａ、１７ａの環状縁部にコールドスプレー法によって原料粉末Ｐを噴射することにより、バルブシート膜１６ｂ、１７ｂを形成している。

次に、本実施形態のコールドスプレー用ノズル２５について説明する。本実施形態に係るノズル２５は、図４に示すように、コンバージェント部２５１と、ダイバージェント部２５２という２つの部品によって構成されている。コンバージェント部２５１及びダイバージェント部２５２は、本発明に係る第１ノズル本体及び第２ノズル本体に相当する。

コンバージェント部２５１は、略円筒形状をしており、ステンレス鋼、工具鋼及び超硬合金などの金属や、ガラス材などで形成されている。ガラス材としては、特に限定されず、ケイ酸ガラス、ケイ酸アルカリガラス、ソーダ石灰ガラス、カリ石灰ガラス、鉛ガラス、バリウムガラス、ホウケイ酸ガラス等が例示されるが、耐摩耗性ガラス、具体的にはケイ酸ガラス又はケイ酸アルカリガラスが好ましく用いられる。

コンバージェント部２５１は、略円筒形状をした本体部内に、吐出通路２５ａを構成する圧縮部２５１ａが設けられている。圧縮部２５１ａは、先端側に向かうにしたがって内径が徐々に小さくなるように、内周面がテーパー状にされた円錐形状をしている。圧縮部２５１ａは、後端側から供給された作動ガスの圧力を高めるために設けられている。

コンバージェント部２５１の本体部の後端側には、チャンバ２３ａと接続されるフランジ部２５１ｂが設けられている。フランジ部２５１ｂは、本体部よりも大きな径を有する円筒形状をしている。詳しくは図示しないが、フランジ部２５１ｂは、外周を覆うジャケットによりチャンバ２３ａに取り付けられ、ジャケット内でチャンバ２３ａと圧接される。

コンバージェント部２５１の本体部の先端側の外周には、略円柱形状をした第１挿入部２５１ｃが設けられている。この第１挿入部２５１ｃは、コンバージェント部２５１と、ダイバージェント部２５２との結合に利用される。

ダイバージェント部２５２は、略円筒形状をしており、コンバージェント部２５１と同様に、ステンレス鋼、工具鋼及び超硬合金などの金属や、ガラス材などで形成されている。ダイバージェント部２５２は、略円筒形状をした本体部内に、吐出通路２５ａを構成する膨張部２５２ａが設けられている。膨張部２５２ａは、先端側に向かうにしたがって内径が徐々に大きくなるように、内周面がテーパー状にされた円錐形状をしている。膨張部２５２ａは、コンバージェント部２５１の圧縮部２５１ａよりも先端側に配置されて、圧縮部２５１ａと連通し、圧縮部２５１ａにより高められた作動ガスの圧力を開放して、超音速まで加速させる。

ダイバージェント部２５２の本体部の後端側には、略円柱形状をした第１凹部２５２ｂが設けられている。この第１凹部２５２ｂは、コンバージェント部２５１と、ダイバージェント部２５２との結合に利用される。

コンバージェント部２５１と、ダイバージェント部２５２は、第１挿入部２５１ｃが第１凹部２５２ｂに挿入されることにより結合されている。また、第１挿入部２５１ｃと、第１凹部２５２ｂとは、インロー結合されている。ここで、インロー結合とは、凹部と凸部に代表されるように、２つの部材を隙間なく嵌合させることにより、互いの相対的な位置を規定し、嵌合後にガタを生じないような結合をいう。

例えば、第１挿入部２５１ｃの外径Ｃ１はφ１１．２ｍｍ、その外径公差は＋０．０２〜＋０．０４ｍｍとなっている。また、第１凹部２５２ｂの内径Ｄ１は、例えば、φ１１．３ｍｍ、その内径公差は−０．０１〜−０．０３ｍｍとなっている。このような寸法及び公差でインロー結合することにより、第１挿入部２５１ｃと第１凹部２５２ｂとの間に生じる隙間は、０．０１５〜０．０３５ｍｍという非常に微小なものとなる。したがって、コンバージェント部２５１とダイバージェント部２５２とを、互いに相対的に位置を規定しながら、嵌合後にガタが生じないように結合することができる。

また、ノズル２５を、コンバージェント部２５１とダイバージェント部２５２という２部品で構成することにより、加工が困難な圧縮部２５１ａと膨張部２５２ａと別々に形成することができるので、圧縮部２５１ａと膨張部２５２ａとが一部品に設けられていた従来のノズルに比べて形成が容易である。したがって、圧縮部２５１ａと膨張部２５２ａとの加工精度を向上させることができ、製造コストの低下と、リードタイムの短縮とを図ることも可能である。

また、インロー結合により、コンバージェント部２５１とダイバージェント部２５２との組み立て時のアライメント調整なども不要となるので、組立工程の簡略化が可能である。さらに、原料粉末Ｐを吐出する際にコンバージェント部２５１が熱膨張することにより、第１挿入部２５１ｃと第１凹部２５２ｂとのインロー結合が締り嵌めになる。したがって、作動ガスの漏れや、作動ガスの圧力によるコンバージェント部２５１とダイバージェント部２５２との分離などを防ぐことができる。また、上述したジャケット内で冷媒を流してノズル２５を冷却するような場合には、第１挿入部２５１ｃと第１凹部２５２ｂとのインロー結合部から冷媒がノズル２５内に流れ込むような不具合は発生しない。

また、コンバージェント部２５１とダイバージェント部２５２とを分離することもできるので、吐出通路２５ａ内に付着した原料粉末Ｐを除去する際のメンテナンス性がより高まる。さらに、吐出通路２５ａ内に対する原料粉末Ｐの付着がひどい場合には、例えば、ダイバージェント部２５２のみを新しい部品に交換することもできるので、従来よりも低コストにノズル２５の性能を維持することができる。

また、図５に拡大して示すように、ダイバージェント部２５２の膨張部２５２ａの後端側の内径Ｄ２は、コンバージェント部２５１の圧縮部２５１ａの先端側の内径Ｃ２よりも大きくされている。これにより、圧縮部２５１ａと膨張部２５２ａとの接続部に段差が生じないので、原料粉末Ｐが段差に当たって付着、堆積するのを防ぐことが可能である。

さらに、コンバージェント部２５１の第１挿入部２５１ｃの外径をＣ１（公差下限）、圧縮部２５１ａの先端側の内径をＣ２（公差上限）とし、ダイバージェント部２５２の第１凹部２５２ｂの内径をＤ１（公差上限）、膨張部２５２ａの後端側の内径をＤ２（公差下限）としたときに、圧縮部２５１ａの先端側の内径Ｃ２と、膨張部２５２ａの後端側の内径Ｄ２との関係は、下記式１を満たすようになっている。すなわち、第１挿入部２５１ｃの外径Ｃ１が公差下限で、第１凹部２５２ｂの内径Ｄ１が公差上限となり、第１挿入部２５１ｃと第１凹部２５２ｂとの間の隙間が最大になったとしても、圧縮部２５１ａと膨張部２５２ａとの接続部に段差が生じないように設定されている。
（Ｄ２−Ｃ２）＞（Ｄ１−Ｃ１）・・・（１）

なお、上述した第１挿入部２５１ｃと第１凹部２５２ｂの寸法及び公差は、一例であり、コンバージェント部２５１及びダイバージェント部２５２の寸法に応じて、インロー結合となるような公差を適宜設定することが望ましい。

次に、本実施形態に係るコールドスプレー用ノズル２５及びコールドスプレー装置２を利用して、シリンダヘッド１２に対するバルブシート膜１６ｂ、１７ｂを形成する手順にについて説明する。図６は、本実施形態のバルブシート膜１６ｂ、１７ｂの形成方法における、シリンダヘッドの加工工程を示す工程図である。この図に示すように、本実施形態のシリンダヘッド１２の製造方法は、鋳造工程（ステップＳ１）と、切削工程（ステップＳ２）と、成膜工程（ステップＳ３）と、仕上工程（ステップＳ４）とを備える。

鋳造工程Ｓ１では、砂中子がセットされた金型に鋳物用アルミ合金を流し込み、本体部に吸気ポート１６や排気ポート１７等が形成されたシリンダヘッド粗材を鋳造成形する。吸気ポート１６及び排気ポート１７は砂中子で形成され、燃焼室上壁部１２ｂは金型で形成される。

図７は、鋳造工程Ｓ１で鋳造成形したシリンダヘッド粗材３を、シリンダブロック１１への取付面１２ａ側から見た斜視図である。シリンダヘッド粗材３は、４つの燃焼室上壁部１ｂと、各燃焼室上壁部１２ｂに２つずつ設けられた吸気ポート１６及び排気ポート１７等を備える。各燃焼室上壁部１２ｂの２つの吸気ポート１６、及び２つの排気ポート１７は、シリンダヘッド粗材３内で１本に集合され、シリンダヘッド粗材３の両側面に設けた開口にそれぞれ連通している。

図８Ａは、図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿うシリンダヘッド粗材３の断面図であり、吸気ポート１６を示している。吸気ポート１６には、シリンダヘッド粗材３の燃焼室上壁部１２ｂ内に露呈された円形の開口部１６ａが設けられている。

次の切削工程Ｓ２では、シリンダヘッド粗材３にエンドミルやボールエンドミル等によるフライス加工を施し、図８Ｂに示すように、吸気ポート１６の開口部１６ａに環状バルブシート部１６ｃを形成する。環状バルブシート部１６ｃは、バルブシート膜１６ｂのベース形状となる環状溝であり、開口部１６ａの外周に形成される。本実施形態のシリンダヘッド１２の製造方法では、環状バルブシート部１６ｃにコールドスプレー法により原料粉末を吐出して皮膜を形成し、この皮膜を基にしてバルブシート膜１６ｂを形成する。そのため、環状バルブシート部１６ｃは、バルブシート膜１６ｂよりも一回り大きなサイズで形成されている。

成膜工程Ｓ３では、本実施形態に係るコールドスプレー用ノズル及びコールドスプレー装置を利用し、シリンダヘッド粗材３の環状バルブシート部１６ｃに原料粉末を吐出してバルブシート膜１６ｂを形成する。より具体的には、この成膜工程Ｓ３では、環状バルブシート部１６ｃと、コールドスプレー装置のコールドスプレー用ノズルとを同じ姿勢で一定距離に保ちながら、原料粉末が環状バルブシート部１６ｃの全周に吹き付けられるように、シリンダヘッド粗材３とコールドスプレー用ノズルとを一定速度で相対移動する。

この実施形態では、例えば、図９に示すワーク回転装置４を利用して、固定配置されたコールドスプレー装置のコールドスプレー用ノズル（以下、ノズルともいう）２５に対し、シリンダヘッド粗材３を移動する。ワーク回転装置４は、シリンダヘッド粗材３を保持するワークテーブル４１と、チルトステージ部４２と、ＸＹステージ部４３と、回転ステージ部４４とを備える。

チルトステージ部４２は、ワークテーブル４１を支持し、ワークテーブル４１を水平方向に配したＡ軸の周りで回動させて、シリンダヘッド粗材３を傾けるステージである。ＸＹステージ部４３は、チルトステージ部４２を支持するＹ軸ステージ４３ａと、Ｙ軸ステージ４３ａを支持するＸ軸ステージ４３ｂとを備える。Ｙ軸ステージ４３ａは、水平方向に配したＹ軸に沿ってチルトステージ部４２を移動する。Ｘ軸ステージ４３ｂは、水平面上においてＹ軸に直交するＸ軸に沿って、Ｙ軸ステージ４３ａを移動する。これにより、ＸＹステージ部４３は、シリンダヘッド粗材３をＸ軸及びＹ軸に沿って任意の位置に移動する。回転ステージ部４４は、その上面にＸＹステージ部４３を支持する回転テーブル４４ａを有し、この回転テーブル４４ａを回転することにより、シリンダヘッド粗材３を略垂直方向のＺ軸の周りで回転する。

ノズル２５の先端は、チルトステージ部４２の上方で、回転ステージ部４４のＺ軸の近傍に固定配置されている。ワーク回転装置４は、図８Ｃに示すように、チルトステージ部４２により、バルブシート膜１６ｂが形成される吸気ポート１６の中心軸Ｃが垂直になるようにワークテーブル４１を傾ける。また、ワーク回転装置４は、ＸＹステージ部４３により、バルブシート膜１６ｂが形成される吸気ポート１６の中心軸Ｃが回転ステージ部４４のＺ軸に一致するようにシリンダヘッド粗材３を移動する。この状態で、ノズル２５から環状バルブシート部１６ｃに原料粉末Ｐを吐出しながら、回転ステージ部４４によりシリンダヘッド粗材３をＺ軸周りで回転することにより、環状バルブシート部１６ｃの全周に皮膜を形成する。

ワーク回転装置４は、シリンダヘッド粗材３がＺ軸の周りで１回転してバルブシート膜１６ｂの形成が終了すると、回転ステージ部４４の回転を一旦停止する。この回転停止中に、ＸＹステージ部４３は、次にバルブシート膜１６ｂが形成される吸気ポート１６の中心軸Ｃが回転ステージ部４４のＺ軸に一致するように、シリンダヘッド粗材３を移動する。ワーク回転装置４は、ＸＹステージ部４３によるシリンダヘッド粗材３の移動終了後、回転ステージ部４４の回転を再開させ、次の吸気ポート１６にバルブシート膜１６ｂを形成する。以降、この動作を繰り返すことにより、シリンダヘッド粗材３の全ての吸気ポート１６及び排気ポート１７にバルブシート膜１６ｂ、１７ｂが形成される。なお、吸気ポート１６と排気ポート１７との間でバルブシート膜の形成対象が切り替わる際には、チルトステージ部４２によってシリンダヘッド粗材３の傾きが変更される。

仕上工程Ｓ４では、バルブシート膜１６ｂ、１７ｂと、吸気ポート１６及び排気ポート１７の仕上加工が行われる。バルブシート膜１６ｂ、１７ｂの仕上加工では、ボールエンドミルを用いたフライス加工によりバルブシート膜１６ｂ、１７ｂの表面を切削し、バルブシート膜１６ｂを所定形状に整える。

また、吸気ポート１６の仕上加工では、開口部１６ａから吸気ポート１６内にボールエンドミルを挿入し、図８Ｄに示す加工ラインＰＬに沿って吸気ポート１６の開口部１６ａ側の内周面を切削する。加工ラインＰＬは、吸気ポート１６内に原料粉末Ｐが飛散して付着した余剰皮膜ＳＦが比較的厚く形成される範囲、より具体的には、余剰皮膜ＳＦが吸気ポート１６の吸気性能に影響を及ぼす程度に厚く形成される範囲である。

このように、仕上工程Ｓ４により、鋳造成形による吸気ポート１６の表面荒れが解消されるとともに、被覆工程Ｓ３で形成された余剰皮膜ＳＦを除去することができる。図８Ｅに、仕上工程Ｓ４後の吸気ポート１６を示す。

なお、排気ポート１７は、吸気ポート１６と同様に、鋳造成形による排気ポート１７内への小径部の形成、切削加工による環状バルブシート部１７ｃの形成、環状バルブシート部１７ｃへのコールドスプレー、仕上加工を経てバルブシート膜１７ｂが形成される。そのため、排気ポート１７に対するバルブシート膜１７ｂの形成手順については、詳しい説明を省略する。

シリンダヘッド１２のバルブシートには、燃焼室１５内におけるバルブからの叩き入力に耐え得る高い耐熱性及び耐磨耗性と、燃焼室１５の冷却のための高い熱伝導性とが要求される。これらの要求に対し、例えば、析出硬化型銅合金の粉末により形成したバルブシート膜１６ｂ、１７ｂによれば、鋳物用アルミ合金で形成したシリンダヘッド１２よりも硬く、耐熱性及び耐磨耗性に優れたバルブシートを得ることができる。

また、バルブシート膜１６ｂ、１７ｂは、シリンダヘッド１２に直接形成しているので、ポート開口部に別部品のシートリングを圧入して形成する従来のバルブシートに比べ、高い熱伝導性を得ることができる。さらには、別部品のシートリングを利用する場合に比べ、冷却用のウォータジャケットとの近接化を図ることができる他、吸気ポート１６及び排気ポート１７のスロート径の拡大、ポート形状の最適化によるタンブル流の促進などの副次的効果も得ることができる。

なお、上記の実施形態では、ダイバージェント部２５２を１部品で構成したが、図１０に示すコールドスプレー用ノズル２５Ａのように、ダイバージェント部２５２Ａを、吐出通路２５ａの方向において連結された複数のサブノズル２５３、２５４により構成してもよい。サブノズル２５３とサブノズル２５４とは、サブノズル２５３の後端側に設けられた略円柱状の第２凹部２５３ａに、サブノズル２５４の先端側に設けられた略円柱状の第２挿入部２５４ａが挿入されてインロー結合している。また、サブノズル２５４と、コンバージェント部２５１は、サブノズル２５４の後端側に設けられた略円柱状の第２凹部２５４ｃに、コンバージェント部２５１の第１挿入部２５１ｃが挿入されてインロー結合している。

また、サブノズル２５３の膨張部２５３ｂの後端側の内径は、サブノズル２５４の膨張部２５４ｂの先端側の内径よりも大きくされている。さらに、サブノズル２５４の膨張部２５４ｂの後端側の内径は、コンバージェント部２５１の圧縮部２５１ａの先端側の内径よりも大きくされている。

また、膨張部２５３ｂの後端側の内径と、膨張部２５４ｂの先端側の内径との関係は、第２挿入部２５４ａの外径が公差下限で、第２凹部２５３ａの内径が公差上限のときでも、膨張部２５３ｂと膨張部２５４ｂとの接続部に段差が生じないように設定されている。さらに、膨張部２５４ｂの後端側の内径と、圧縮部２５１ａの先端側の内径との関係は、第１挿入部２５１ｃの外径が公差下限で、第２凹部２５４ｃの内径が公差上限のときでも、膨張部２５４ｂと圧縮部２５１ａとの接続部に段差が生じないように設定されている。

このように、ダイバージェント部２５２Ａを複数のサブノズル２５３、２５４によって構成することにより、例えば、サブノズル２５３のみ、あるいはサブノズル２５４のみを新しい部品に交換することができるので、ダイバージェント部を一部品で構成する場合よりも低コストにノズル２５Ａの性能を維持することができる。なお、本実施形態では、サブノズルを２つにしたが、ノズル２５Ａの長さに応じて、３つ以上にしてもよい。

以上で説明したように、本実施形態に係るコールドスプレー用ノズル２５及びコールドスプレー装置２によれば、コールドスプレー用ノズル２５を、筒状の本体部内に圧縮部２５１ａを有し、本体部の先端側の外周に略円柱状の第１挿入部２５１ｃを有するコンバージェント部（第１ノズル本体）２５１と、筒状の本体部の後端側に略円柱状の第１凹部２５２ｂを有し、本体部内に膨張部２５２ａを有するダイバージェント部（第２ノズル本体）２５２とによって構成している。これにより、加工が困難な圧縮部２５１ａと膨張部２５２ａと別々に形成することができるので、圧縮部２５１ａと膨張部２５２ａとが一部品に設けられていた従来のノズルに比べ、ノズルの形成が容易になる。したがって、圧縮部２５１ａと膨張部２５２ａとの加工精度を向上させることができ、製造コストの低下と、リードタイムの短縮とを図ることも可能である。

また、第１挿入部２５１ｃと、第１凹部２５２ｂとをインロー結合しているので、コンバージェント部２５１とダイバージェント部２５２との組み立て時のアライメント調整なども不要となり、組立工程の簡略化が可能である。さらに、原料粉末Ｐを吐出する際にコンバージェント部２５１が熱膨張することにより、第１挿入部２５１ｃと第１凹部２５２ｂとのインロー結合が締り嵌めになる。したがって、作動ガスの漏れや、作動ガスの圧力によるコンバージェント部２５１とダイバージェント部２５２との分離などを防ぐことができる。

また、コンバージェント部２５１とダイバージェント部２５２とをインロー結合することにより、必要時には分離することもできるので、吐出通路２５ａ内に付着した原料粉末Ｐを除去する際のメンテナンス性がより高まる。さらに、吐出通路２５ａ内に対する原料粉末Ｐの付着がひどい場合には、例えば、ダイバージェント部２５２のみを新しい部品に交換することもできるので、従来よりも低コストにノズル２５の性能を維持することができる。

また、本実施形態に係るコールドスプレー用ノズル２５及びコールドスプレー装置２によれば、膨張部２５２ａの後端側の内径が、圧縮部２５１ａの先端側の内径よりも大きくされているので、圧縮部２５１ａと膨張部２５２ａとの接続部に、原料粉末Ｐが段差に当たって付着、堆積するような段差が生じることはない。

さらに、本実施形態に係るコールドスプレー用ノズル２５及びコールドスプレー装置２によれば、コンバージェント部２５１の第１挿入部２５１ｃの外径をＣ１（公差下限）、圧縮部２５１ａの先端側の内径をＣ２（公差上限）とし、ダイバージェント部２５２の第１凹部２５２ｂの内径をＤ１（公差上限）、膨張部２５２ａの後端側の内径をＤ２（公差下限）としたときに、圧縮部２５１ａの先端側の内径Ｃ２と、膨張部２５２ａの後端側の内径Ｄ２との関係が、（Ｄ２−Ｃ２）＞（Ｄ１−Ｃ１）を満たすようになっている。すなわち、第１挿入部２５１ｃの外径Ｃ１が公差下限で、第１凹部２５２ｂの内径Ｄ１が公差上限となり、第１挿入部２５１ｃと第１凹部２５２ｂとの間の隙間が最大になったとしても、圧縮部２５１ａと膨張部２５２ａとの接続部に段差が生じることはない。

また、本実施形態に係るコールドスプレー用ノズル２５及びコールドスプレー装置２によれば、ダイバージェント部２５２Ａを、吐出通路２５ａの方向において連結された複数のサブノズル２５３、２５４により構成し、複数のサブノズル２５３、２５４は、略円柱状の第２挿入部２５４ａと、略円柱状の第２凹部２５３ａとのインロー結合により連結されているので、例えば、サブノズル２５３のみ、あるいはサブノズル２５４のみを新しい部品に交換することができ、ダイバージェント部を一部品で構成する場合よりも低コストにノズル２５Ａの性能を維持することができる。

１…エンジン
１１…シリンダブロック
１２…シリンダヘッド
１６…吸気ポート
１６ａ…開口部
１６ｂ…バルブシート膜
１７…排気ポート
１７ａ…開口部
１７ｂ…バルブシート膜
１８…吸気バルブ
１９…排気バルブ
２…コールドスプレー装置
２５…コールドスプレー用ノズル
２５１…コンバージェント部
２５１ａ…圧縮部
２５１ｃ…第１挿入部
２５２…ダイバージェント部
２５２ａ…膨張部
２５２ｂ…第１凹部
２５３、２５４…サブノズル
２５３ａ…第２凹部
２５４ａ…第２挿入部

Claims (6)

1. 後端側から供給された原料粉末を、前記後端側から供給された作動ガスにより加速して先端側から吐出する吐出通路を備えるコールドスプレー用ノズルであって、
   筒状の本体部内に、前記吐出通路を構成し、先端側に向かうにしたがって内径が徐々に小さくなる円錐状の圧縮部を有し、前記本体部の先端側の外周に略円柱状の第１挿入部を有する第１ノズル本体と、
   筒状の本体部の後端側に、前記第１挿入部が挿入される略円柱状の第１凹部を有し、前記本体部内に、前記圧縮部と連通して前記吐出通路を構成し、先端側に向かうにしたがって内径が徐々に大きくなる円錐状の膨張部を有する第２ノズル本体と、
   を備え、
   前記第１挿入部と前記第１凹部とは、インロー結合されるコールドスプレー用ノズル。
2. 前記膨張部の後端側の内径が、前記圧縮部の先端側の内径よりも大きくされている請求項１に記載のコールドスプレー用ノズル。
3. 前記第１ノズル本体の前記第１挿入部の外径をＣ１、前記圧縮部の先端側の内径をＣ２とし、前記第２ノズル本体の前記第１凹部の内径をＤ１、前記膨張部の後端側の内径をＤ２としたときに、前記圧縮部の先端側の内径と前記膨張部の後端側の内径との関係が、
   （Ｄ２−Ｃ２）＞（Ｄ１−Ｃ１）
   を満たす請求項２に記載のコールドスプレー用ノズル。
4. 前記第１挿入部の外径Ｃ１と、前記膨張部の後端側の内径Ｄ２は、公差上限の径であり、前記第１凹部の内径Ｄ１と、前記圧縮部の先端側の内径Ｃ２は、公差下限の径である請求項３に記載のコールドスプレー用ノズル。
5. 前記第２ノズル本体は、前記吐出通路の方向において連結された複数のサブノズルにより構成されており、前記複数のサブノズルは、略円柱状の第２挿入部と、略円柱状の第２凹部とのインロー結合により連結されている請求項１〜４のいずれか１項に記載のコールドスプレー用ノズル。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のコールドスプレー用ノズルと、
   前記コールドスプレー用ノズルに、前記作動ガスを供給するガス供給部と、
   前記コールドスプレー用ノズルに、前記原料粉末を供給する原料粉末供給部と、
   を備えるコールドスプレー装置。

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