JP2020084873A - エンジンバルブの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製品の品質不良の発生を抑制する。【解決手段】バルブ本体のバルブフェースとなる部分にバルブシート溝部４２を形成し、バルブシート溝部４２に供給された肉盛用粉末材料にレーザを照射しつつ、レーザをバルブシート溝部４２の周方向に相対的に移動させて肉盛するエンジンバルブの製造方法であって、肉厚測定手段１１によりバルブシート溝部４２の肉厚を測定し、測定されたバルブシート溝部４２の肉厚の値に対応して、肉盛りの際の温度が肉盛開始から肉盛終了までほぼ均一な状態で安定するように、レーザの出力エネルギー分布を制御する。【選択図】図６

Description

本発明は、エンジンバルブの製造方法に関する。

従来、このような分野の技術として、特開２００９−０４５６３８号公報がある。この公報に記載されたエンジンバルブの肉盛方法では、バルブ本体のバルブフェースとなる部分にバルブシート溝部を形成し、このバルブシート溝部に肉盛用粉末材料を供給しながら、粉末層表面にレーザービームを照射し、さらに、レーザービームを溝部の周方向に相対的に移動させて肉盛を行う。

特開２００９−０４５６３８号公報

しかしながら、前述した従来のエンジンバルブでは、切削加工によって形成するバルブシートのシート溝の肉厚にバラツキがある。これは、シリンダヘッドの鋳込み時に、中子セットの位置がばらつくことや、バルブシート溝部の加工時に刃具の磨耗により、削り込み量が経時的に変化するためである。ここで特に、中子のセット位置を定期的に測定することは可能であるが、制御が難しく公差が大きくなりやすい。

そのためレーザを照射した際に、粗材の肉厚のバラツキによって温度の上がり易さにバラツキが生じ、溶融不足による未溶着や、溶融過剰による組成不良などの品質不良が発生する場合がある。より具体的には、肉薄の場合には熱マスが小さく、所定のレーザービームの照射によって変化する温度が大きくなることから、アルミの溶融量が多くなり、形成された合金（Ｃｕ−Ａｌ）のＡｌ組成が高くなる。そのため、組成不良となり、クラッド部の割れが発生することが考えられる。逆に、肉厚の場合には熱マスが大きく、所定のレーザービームの照射によって変化する温度が小さくなることから、アルミの溶融量が少なくなり、肉盛用粉末材料が十分に溶け合わず未溶着が発生する。そのため、クラッド部の空孔および剥離が発生しやすくなる。

なお、鋳込み後に肉厚測定し、それに応じて溝の削りこみ量を変えることは、バルブシート溝部の高さが削り込み量公差よりはるかに大きく変化してしまうことから、バルブシート仕上げ加工面から大きくずれて不良となり得るため、不可能である。
本発明は、製品の品質不良の発生を抑制したエンジンバルブの製造方法を提供するものである。

本発明にかかるエンジンバルブの製造方法は、バルブ本体のバルブフェースとなる部分にバルブシート溝部を形成し、前記バルブシート溝部に供給された肉盛用粉末材料にレーザを照射しつつ、前記レーザを前記バルブシート溝部の周方向に相対的に移動させて肉盛するエンジンバルブの製造方法であって、肉厚測定手段により前記バルブシート溝部の肉厚を測定し、測定された前記バルブシート溝部の肉厚の値に対応して、肉盛りの際の温度が肉盛開始から肉盛終了までほぼ均一な状態で安定するように、前記レーザの出力エネルギー分布を制御する。
これにより、バルブシートの肉厚にあわせてレーザの出力を変更することができる。

これにより、製品の品質不良の発生を抑制することができる。

製造装置の構成を示した図である。 シリンダヘッドの上面図である。 シリンダヘッドのＡ−Ａ断面図である。 肉厚が薄い場合の肉厚測定とクラッド工程を示したバルブシート部の拡大図である。 肉厚が厚い場合の肉厚測定とクラッド工程を示したバルブシート部の拡大図である。 処理工程の一例を示した図である。 処理工程の他の一例を示した図である。 肉厚測定時に測定子を回転させながら測定し、レーザ出力値を決定する状態を示した図である。 レーザの照射開始時の出力を変更させた状態を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１に示すように、エンジンバルブの製造装置１は、肉厚測定手段１１と、クラッド手段１２と、工程間通信手段１３と、を備える。ここで、図２はエンジンバルブのシリンダヘッドの上面図であり、バルブ本体のバルブフェースとなる部分に複数のバルブシート部４１が形成されている。図３は図２のＡ−Ａ断面図である。

なお図４に示すように、各バルブシート部４１には、バルブシート溝部４２と、シリンダヘッドの内側に形成された空間部４３と、バルブシート溝部４２と空間部４３とを繋ぐように形成された径の細い穴４４と、が形成されている。なおバルブシート溝部４２には、クラッド工程後に環状のバルブシート（図示せず）が載置される。

ここで、環状のバルブシート溝部４２の内径側には穴４４が形成されている。例えば、バルブシート溝部４２は、円形状の壁面の全周から中央方向に突起した形状であり、肉厚測定の工程では、このバルブシート溝部４２の肉厚の測定を行う。なお、クラッド工程におけるレーザ照射の対象箇所は、バルブシート溝部４２の上面である。

肉厚測定手段１１は、肉厚測定子２１と、測定子動作部２２と、肉厚算出部２３と、を有する。

図４、図５に示すように、肉厚測定手段１１としてレーザ距離計を用いる場合には、一対のプローブを用いることができる。例えば、肉厚測定子２１は、バルブシート溝が形成されているバルブシート部４１の穴４４内に一部が挿入される測定子２１ａと、穴４４の近傍に配置される測定子２１ｂが用いられる。ここで、図４は測定対象が肉薄である場合を示しており、図５は測定対象が肉厚である場合を示している。この場合、一方の測定子２１ａは、穴内に挿入させて肉厚箇所の裏側にレーザを当て、他方の測定子２１ｂはバルブシート溝部４２上面に配置して肉厚箇所の表面にレーザを当て、距離を測定する。

測定子動作部２２は、肉厚測定子２１に所定の動作をするように動力を与える動作部である。具体的には、測定子動作部２２は、肉厚測定子２１の穴内へ挿入や、測定中の肉厚測定子２１の回転や、測定終了した穴から他の穴に肉厚測定子２１を移動させるための動力の発生や動作制御を行う。

肉厚算出部２３は、肉厚測定子２１により測定された値を用いて、肉厚を算出する。例えば肉厚算出部２３は演算機能を有しており、測定子の種類や、特性に応じて肉厚を算出する。

なお、肉厚測定手段１１による測定では、レーザ測定によるもの以外に、機械的なタッチセンサを用いる方法や、カメラを用いて画像を取得し、画像処理することで測定する方法を用いることができる。また例えば、図４及び図５では肉厚測定子２１の一方は、上方から穴に挿入することで測定位置に配置されるように記載しているが、これに限られず、下方側から測定位置に配置されるようにアプローチするものであってもよい。また、これらの測定方法のいずれかを、組み合わせて実行しても良い。

クラッド手段１２では、工程間通信手段１３を介して入力された、肉厚測定手段１１による測定結果に基づいて、レーザ照射によるクラッド工程を実行する。クラッド手段１２は、レーザ発振器３１と、レーザヘッド動作部３２と、レーザ出力演算部３３と、レーザ制御部３４と、を備える。

レーザ発振器３１は、レーザ光の増幅を行い、レーザを発振させる。発振されたレーザは、レーザヘッドから照射される。

レーザヘッド動作部３２は、バルブシート部４１の内部において、レーザが照射される位置を移動するように、レーザヘッドを動作させる。また、レーザヘッド動作部３２はレーザヘッドを、クラッド処理を行ったバルブシート部４１から、他のクラッド処理前のバルブシート部４１まで移動させる。

レーザ出力演算部３３は、肉厚測定手段１１により測定された肉厚データから必要な熱マスを算出し、この熱マスに応じて適したレーザ出力を算出する。なお、レーザ出力演算部３３が、肉厚に応じてレーザ出力を算出するための演算式は、事前の実証で決定しておく。

レーザ制御部３４は、レーザ出力演算部３３により算出されたレーザ出力を織り込んだレーザ照射プログラムを生成し、実行する。これによりレーザ制御部３４は、レーザヘッド動作部３２によるレーザヘッドの動作にあわせて、レーザ出力演算部３３の算出したレーザ出力で、レーザ照射を実行する。

なおクラッド手段１２において、レーザの照射口には、中央からレーザが出力され、周囲から肉盛用粉末材料が吐出する一体ノズルを用いる。この一体ノズルを用いることで、肉盛用粉末材料を供給しながら、肉盛用粉末材料にレーザを照射することができる。

工程間通信手段１３は、肉厚測定手段１１で測定した肉厚データを、クラッド手段１２に送信する。例えば、工程間通信手段１３は、肉厚算出部２３で算出した結果を、レーザ出力演算部３３に送信する。

次に図６を用いて、製造装置１を用いた処理工程の一例について説明する。

最初に、エンジンのシリンダヘッドの鋳造を行う（ステップＳ１）。さらに、バルブシート部４１において、バルブシート溝部４２の加工を行い（ステップＳ２）、肉厚測定の対象となる箇所を形成する。

次に、肉厚測定を行う（ステップＳ３）。肉厚測定は、肉厚測定子２１をバルブシート部４１の所定の位置に配置して実行する。これにより肉厚測定手段１１は、バルブシート溝部４２の肉厚に応じた所定の出力を発生させる。そして、肉厚算出部２３では、この出力値について演算を実行し、バルブシート溝部４２の肉厚の値を算出する。なお、この肉厚測定は、バルブシート部に設けられた８穴について実行する。

次に、レーザクラッドを実行する（ステップＳ４）。レーザ出力演算部３３は、肉厚算出部２３では算出されたバルブシート溝部４２の肉厚の値に基づいて、必要なレーザの出力を算出する。さらにレーザ制御部３４は、レーザ出力演算部３３で算出されたレーザの出力を実行するためのプログラムを生成して実行する。

ここでクラッド手段１２は、レーザヘッド動作部３２によってレーザヘッドを動作させながら、レーザの照射を所定の出力で実行する。より具体的には、クラッド手段１２は、レーザを照射すると同時に、レーザの照射口に沿うように設けられているノズルから、バルブシート溝部４２上の対象部位に肉盛用粉末材料を吐出させる。そして、クラッド手段１２は、ノズルから吐出した肉盛用粉末材料にレーザを照射することで、肉盛を実行する。この肉盛用粉末材料の供給とレーザの照射は、バルブシート溝部４２を上面視した場合に、環状に形成されているバルブシート溝部４２の周方向に相対的に移動しながら実行する。

例えば、図４、図５に示すように、肉厚測定手段１１によりバルブシート溝部４２が肉薄（図４の肉厚（小））であると測定され場合には、クラッド手段１２によるレーザ出力を低下させる。逆に、肉厚測定手段１１により対象物が肉厚であると測定された場合には、クラッド手段１２によるレーザ出力を上昇させる。

これにより、肉厚測定手段１１で測定されバルブシート溝部４２の肉厚の値に対応して、肉盛りの際の温度が肉盛開始から肉盛終了までほぼ均一な状態で安定するように、レーザービームの出力エネルギー分布を制御することができる。

すなわち、肉薄の箇所では、レーザ出力を低減させることで、レーザ照射による温度の上昇を抑えることができる。これにより、アルミの溶融が多くなることを抑えることができ、形成される合金のアルミ組成が高くなることを抑え、クラッド箇所の割れを回避することができる。

逆に、肉厚の箇所（図５の肉厚（大））では、レーザ出力を上昇させることで、温度が上昇せずに低すぎる状態となることを回避することができる。これにより、アルミの溶融が少なくなったことによる未溶着が発生することを低減し、クラッド箇所の空孔の発生や、剥離の発生を回避することができる。

なお、上記及び図６で示した処理工程では、肉厚測定を前処理の工程として行い、その後、レーザクラッド工程を実行するものとして記載したが、図７に示すように肉厚測定とレーザクラッドの工程を分けずに実行しても良い。

例えば、肉厚測定を完了したバルブシート部４１のクラッド加工を実行するとともに、このクラッド加工中に、別のバルブシート部４１の肉厚測定を実行していくことができる。言い換えると、肉厚測定を行うバルブシート部４１とクラッド加工を行うバルブシート部４１の処理を同時に実行することができる。これにより、製造工程におけるサイクルタイムを短くすることができ、製造効率を向上させることができる。

また、図８に示すように測定する肉厚の範囲が異なる場合には、回転機構を有する測定子動作部２２により肉厚測定子２１を回転させ、バルブシート部４１の穴４４が形成されている箇所の径の周方向に沿って、肉厚を連続的に測定することができる。

この場合、肉厚測定子２１は所定の速度で回転しながら測定を行う。これにより、周方向における肉厚の値は、時間ごと、或いは位相ごとに取得することができる。その後、レーザ出力演算部３３では、この肉厚の測定結果に応じたレーザ出力を行うものとして、演算結果を出力することができる。そして、レーザ制御部３４の制御により、レーザ出力を変化させながら、クラッド加工を実行できる。

さらに、図９に示すように、溶融が不安定なレーザ照射開始部の出力のみを変更することも可能である。すなわち、レーザ出力演算部３３は、肉厚測定手段１１による測定の結果とは独立して、必要とするレーザ出力の算出を行い、クラッド加工を実行できる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

例えば、クラッド手段１２では、肉盛用粉末材料を供給しながら、肉盛用粉末材料にレーザを照射することで肉盛を行うものとして説明したが、これに限られない。例えば、あらかじめリング状の肉盛用粉末材料やシート材などを、バルブシート溝部４２上の対象位置に配置しておき、レーザを照射して肉盛するものとしてもよい。

１ 製造装置
１１ 肉厚測定手段
１２ クラッド手段
１３ 工程間通信手段
２１ 肉厚測定子
２１ａ，２１ｂ 測定子
２２ 測定子動作部
２３ 肉厚算出部
３１ レーザ発振器
３２ レーザヘッド動作部
３３ レーザ出力演算部
３４ レーザ制御部
４１ バルブシート部
４２ バルブシート溝部
４３ 空間部
４４ 穴

Claims (1)

1. バルブ本体のバルブフェースとなる部分にバルブシート溝部を形成し、前記バルブシート溝部に供給された肉盛用粉末材料にレーザを照射しつつ、前記レーザを前記バルブシート溝部の周方向に相対的に移動させて肉盛するエンジンバルブの製造方法であって、
   肉厚測定手段により前記バルブシート溝部の肉厚を測定し、
   測定された前記バルブシート溝部の肉厚の値に対応して、肉盛りの際の温度が肉盛開始から肉盛終了までほぼ均一な状態で安定するように、前記レーザの出力エネルギー分布を制御する、
   エンジンバルブの製造方法。

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