JP2776211B2 - レーザ吸収剤塗布装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、円筒状の内面を有する
ワークにレーザ吸収剤を塗布するための装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば鋳鉄製のシリンダブロックを用い
たディーゼルエンジン等において、シリンダブロックの
筒穴（シリンダボア）の内面に耐摩耗性のライナーを挿
入することが行われているが、部品点数の削減やコスト
の低減化を図るために、ライナーを用いないシリンダブ
ロックが要望されている。このようなライナーレスのシ
リンダブロックは、筒穴内面に直接ピストンやピストン
リングが接するため、例えば自動車用エンジンのように
高回転域で使われるエンジンにおいては、筒穴内面の耐
摩耗性をいかにして高めるかが重要な課題である。

【０００３】そこで筒穴の耐摩耗性を高める手段とし
て、筒穴内面を焼入れ等の熱処理によって調質すること
が考えられている。このため本発明者らは、シリンダブ
ロックの筒穴内面にレーザビームによるスポット状の焼
入れを行う技術を開発し、種々の試験と試作等を行って
きた。

【０００４】レーザビームによる焼入れは、筒穴の内面
に高密度エネルギーを集中させて短時間の局部急速加熱
を行ったのち、シリンダブロック内部への熱拡散による
自己冷却作用によって急冷させ、マルテンサイト組織を
得るようにしている。このためレーザ焼入れを行う際に
は、レーザビームを筒穴内面の所定位置に効率良く吸収
させるために、筒穴内面にレーザ吸収剤を塗布するよう
にしている。

【０００５】しかもこのレーザ吸収剤は、所定の焼入れ
品質を確保する上で、筒穴内面の所定領域に全周にわた
ってなるべく均等な厚さに塗布することが望まれ、塗布
厚の許容範囲は例えば２５μｍ〜４５μｍと比較的狭い
ものである。こうしたレーザ吸収剤を塗布する手段とし
て、筒穴内面に噴射ノズルを挿入し、噴射ノズルからレ
ーザ吸収剤を筒穴内面に向って噴出させながら、噴射ノ
ズルを筒穴の周方向に旋回させるといったレーザ吸収剤
塗布装置が考えられている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たレーザ吸収剤塗布装置のように噴射ノズルが１回転す
る間にレーザ吸収剤を連続的に噴射させて塗布を行う場
合には、筒穴内面の周方向１箇所にレーザ吸収剤の吹き
始めと吹き終わりが集まるため、レーザ吸収剤の吹き始
めと吹き終わりのところで塗布量が過剰に重なったり、
あるいは逆に塗布されない空白部分が生じるなどして、
筒穴内面の周方向に塗布厚の偏りが大きくなり過ぎるこ
とがあった。しかも従来の塗布装置ではレーザ吸収剤の
塗布状態をきめ細かく調整することが困難であった。

【０００７】従って本発明の目的は、シリンダブロック
などのワークの内面にレーザ焼入れを行うに当って、ワ
ーク内面の周方向にレーザ吸収剤をなるべく均等に塗布
することができ、塗布状態などの調整が可能なレーザ吸
収剤塗布装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を果たすために
開発された本発明のレーザ吸収剤塗布装置は、円筒状の
ワーク内面にレーザ焼入れを行う際にワーク内面にレー
ザ吸収剤を塗布するためのレーザ吸収剤塗布装置であっ
て、ワーク内面に対向する噴射ノズルを有しかつワーク
内面の円周方向に回転可能なノズルユニットと、上記ノ
ズルユニットを回転させるモータおよび回転位置検出手
段を有する回転駆動機構と、上記噴射ノズルにレーザ吸
収剤を供給するレーザ吸収剤供給機構と、上記レーザ吸
収剤供給機構によって上記噴射ノズルに供給されるレー
ザ吸収剤を開弁時に上記噴射ノズルから噴射させかつ閉
弁時にレーザ吸収剤の噴射を止める噴射制御弁と、上記
ノズルユニットの回転時に上記回転位置検出手段によっ
て検出される回転位置信号を入力するとともにこの回転
位置に関連してワーク内面の周方向に所定ピッチでレー
ザ吸収剤を噴出するように上記噴射制御弁の駆動タイミ
ングを制御しつつ１周目の塗布を行いかつ２周目の塗布
を行う際には上記噴射制御弁の駆動タイミングを１周目
に対し半ピッチ分ずらしてバルブ駆動信号を送出するコ
ントローラとを具備している。

【０００９】

【作用】上記ノズルユニットは、回転駆動機構によって
ワークの周方向に回転させられる。ノズルユニットの回
転位置はロータリエンコーダ等の回転位置検出手段によ
って検出され、回転位置を示す信号がコントローラに入
力される。噴射制御弁はコントローラによって駆動タイ
ミング（塗布タイミング信号）が制御され、噴射制御弁
が開弁状態になった時に噴射ノズルからレーザ吸収剤が
ワーク内面に向って噴出する。

【００１０】上記コントローラは、ノズルユニットが回
転する際にワークの周方向に所定ピッチでレーザ吸収剤
が噴射されるように噴射制御弁の駆動タイミングを制御
して１周目の塗布を行い、２周目の塗布を行う際には上
記噴射制御弁の駆動タイミングを半ピッチ分ずらしてバ
ルブ駆動信号を送出する。こうすることにより、１周目
に間隔的に塗布された塗膜の間を埋める形で２周目の塗
布が行われるため、２周目の塗布が終了すると、ワーク
の全周にわたってレーザ吸収剤が所望の塗布厚の範囲で
塗布される。この場合、コントローラが送出する塗布タ
イミング信号などを適宜に調整することにより、塗布状
態を微調整することが可能である。

【００１１】

【実施例】以下に本発明の一実施例について、図面を参
照して説明する。図９はワークの一例としてのシリンダ
ブロック１０を示している。このシリンダブロック１０
は鋳鉄によって鋳造され、ピストン１１を挿入する筒穴
１２が形成されている。この筒穴１２の内面１２ａに、
図１０に示すような多数のスポット状レーザ焼入部１５
を含む調質部分１６が設けられている。

【００１２】各焼入部１５は互いに実質的に共通の形状
であり、それぞれ筒穴１２の周方向に沿う横長な形状を
なしている。焼入部１５の長さＬの一例は１５mm、幅Ｗ
の一例は３．５mm前後である。焼入れ深さの一例は０．
２mm以上が望ましいが、調質の目的によっては１０〜１
５μｍ程度の焼入れ深さでも効果が認められる場合があ
る。これらの焼入部１５は、筒穴１２の周方向に所定ピ
ッチＰ1 で複数箇所に設けられているとともに、筒穴１
２の軸線方向に所定ピッチＰ2 で複数列設けられてい
る。ピッチＰ2 の一例は５mmである。

【００１３】上記焼入部１５を含む調質部分１６は、図
１１に例示した一連の工程を経てレーザ焼入れ等の処理
が行われる。機械加工工程Ｓ１では、筒穴１２の内面１
２ａがボーリングマシン等の工作機械によって所定の内
径に切削される。この機械加工工程Ｓ１が実施された筒
穴１２の内面１２ａには研削油が付着しているため、加
工後に洗浄工程Ｓ２が実施され、筒穴１２の内面洗浄と
乾燥が行われる。

【００１４】洗浄工程Ｓ２が終了したのち、レーザ吸収
剤塗布工程Ｓ３において、図１に示したレーザ吸収剤塗
布装置２０を用いて、レ−ザ吸収剤が筒穴１２の内面１
２ａに塗布される。鋳鉄製シリンダブロック１０に使わ
れるレーザ吸収剤の一例は、主剤として１５〜１９wt％
のＭｏＳ₂ と２〜５wt％の黒鉛を含有するとともに、バ
インダとしてアクリル系樹脂を６〜１０wt％添加し、溶
剤としてのハイドロクロロフロロカーボン（ＣＦ₃ ＣＦ
₂ ＣＨＣｌ₂ ＋ＣＣｌＦ₂ ＣＦ₂ ＣＨＣｌＦ）６６〜７
７wt％で溶いたものである。このレーザ吸収剤の塗布厚
は、２５μｍ〜４５μｍ程度が推奨される。

【００１５】図１に示されたレーザ吸収剤塗布装置２０
は、噴射ノズル２１を有するノズルユニット２２と、ノ
ズルユニット２２を回転させる回転駆動機構２３と、ノ
ズルユニット２２を上下方向に動かす昇降駆動機構２４
と、マイクロコンピュータ等を用いた制御手段としての
コントローラ２５などを備えて構成されている。回転駆
動機構２３は、垂直軸回りに回転するモータ３０と、ノ
ズルユニット２２の回転位置を検出する手段の一例とし
てのロータリエンコーダ３１を備えている。ロータリエ
ンコーダ３１から送出される回転位置信号は、コントロ
ーラ２５に入力される。このコントローラ２５は、ドラ
イバアンプや高速カウンタおよびタイマなどを備えてい
る。高速カウンタは、上記エンコーダ３１が出力するパ
ルスを順次カウントし、所定のカウント数に達した時
に、下記電磁弁３７にバルブ駆動信号を出力するもので
ある。

【００１６】ノズルユニット２２の先端部３３は、昇降
駆動機構２４によってノズルユニット２２が降下させら
れた時に、筒穴１２の所定深さまで挿入することができ
るようになっており、先端部３３が筒穴１２に挿入され
た状態において、図２に示すように噴射ノズル２１が筒
穴内面１２ａに対向することにより、噴射ノズル２１か
らレーザ吸収剤が筒穴内面１２ａに向って広がり角θで
噴射できるようになっている。

【００１７】レーザ吸収剤を噴射ノズル２１に供給する
ためのレーザ吸収剤供給機構３５がノズルユニット２２
に接続されている。レーザ吸収剤供給機構３５は、レー
ザ吸収剤を噴射ノズル２１との間で循環させるためのサ
ーキュレーション機能を有しており、図示しない循環用
ポンプや調圧弁などを含んでいる。

【００１８】ノズルユニット２２に、噴射制御弁３６の
一例として、エア圧によって駆動されるクイックエキゾ
ーストバルブが設けられている。この噴射制御弁３６
は、電磁弁３７が制御する駆動用エアによって開閉され
る。駆動用エアは圧搾空気供給源３８から供給される。

【００１９】電磁弁３７はコントローラ２５によって所
定の駆動タイミングで開閉される。すなわちこのコント
ローラ２５は、ノズルユニット２２が回転する際に、図
３に示すように１周目は所定ピッチＰで噴射制御弁３６
を開弁させる駆動パルスを電磁弁３７に送出する。つま
り、エンコーダ３１が出力する位置信号パルスが所定の
カウント値に達した時（所定の噴射タイミングに至った
時）に、電磁弁３７を開弁方向に駆動することにより、
噴射制御弁３６が瞬間的に開弁する。上記駆動パルスの
パルス幅の一例は２５msec、パルス間のピッチＰの一例
は５０msecである。ノズルユニット２２が１回転するの
に要する時間の一例は２sec である。

【００２０】従って、１周目の塗布が終った時点では、
図４に模式的に示すように、縦に長い塗膜４１が周方向
に所定ピッチで筒穴内面１２ａに塗布される。この図示
例では、互いに隣り合う塗膜４１の縁が互いに接する程
度の噴射パターンとなるように、噴射ノズル２１の形状
や口径等が設定されている。塗膜４１の縦方向の有効長
さＨの一例は５０mm程度、塗布幅Ｓの一例は２０〜２５
mm前後であり、１回の塗布でおよそ２５μｍの膜厚が得
られるようにしている。

【００２１】上記のようにして１周目の塗布が終了した
のち、２周目の塗布が行われる。この実施例の場合、回
転による配管系のねじれを防ぐために２周目はノズルユ
ニット２２を逆回転させるようにしている。２周目の塗
布を行う際に、コントローラ２５は、図３に示すように
１周目のバルブ駆動パルスに対して半ピッチ分だけ塗布
タイミングをずらしてバルブ駆動信号を送出するように
している。

【００２２】このため２周目の塗布が終わった段階で
は、図５に模式的に示すように、１周目の塗膜４１の間
を埋めるような形で２周目の塗膜４２が形成され、その
結果、筒穴内面１２ａの周方向にレーザ吸収剤が膜厚２
５μｍから４５μｍの範囲で塗布されるようになり、塗
膜の空白部分を生じることがなく、しかも過剰に塗り重
なる部分を生じない。

【００２３】以上の塗布工程をフローチャートで表すと
図６および図７のようになる。図６は１周目の塗布工
程、図７は２周目の塗布工程を示している。なお、１周
目と２周目の回転初期では、ノズルユニット２２の回転
速度が安定するまで、いわゆる助走回転を行うステップ
Ｓ１０，Ｓ１１を設けている。なお、回転による配管系
のねじれが問題にならないようであれば、２周目を逆回
転させることなく、１周目と同じ方向に２周目を回転さ
せるようにしてもよい。

【００２４】上述のレーザ吸収剤塗布装置２０によっ
て、筒穴内面１２ａの所定領域にレーザ吸収剤を塗布し
たのち、焼入れ工程Ｓ４において、図８に例示したレー
ザ焼入れ装置５０によってレーザビームによる焼入れが
行われる。

【００２５】焼入れ装置５０の一例は、筒穴１２の内部
に挿入される加工ヘッド５１と、レーザ発生手段の一例
としてＣＯ₂ レーザ発振器５２と、このレーザ発振器５
２によって発生させた１０．６μｍの波長のレーザビー
ムを加工ヘッド５１に導く光学系５３などを備えてい
る。

【００２６】レーザ焼入れ装置５０によって筒穴の内面
１２ａに周方向に所定間隔でレーザビームを走行させな
がら高密度エネルギーを集中させ、チル（溶融）を出さ
ない程度の温度まで短時間で急速加熱を行う。加熱温度
の一例は９８０℃〜１１２０℃であり、要するに鋳鉄の
Ａ₁ 変態点以上の温度に設定される。加熱時間の一例は
０．２秒程度である。

【００２７】レーザ発振器５２は、個々の焼入部１５に
おいて蓄熱状況を考慮したパワーに個別設定され、ＮＣ
パワー制御が実行される。レーザビームによって急速加
熱された箇所は、レーザの照射を停止した時に、熱が急
速にシリンダブロック１０内を伝って拡散し、急冷状態
になることによって、焼入れ前のパーライトとフェライ
トの混合組織が焼入れマルテンサイトに変化する。こう
して、筒穴１２の円周方向に順次焼入れが実施される。

【００２８】上述の焼入れ工程Ｓ４を実施したのちに、
焼戻し工程Ｓ５が実施される。焼戻し工程Ｓ５において
は、加熱手段の一例としての高周波誘導コイルによっ
て、筒穴内面１２ａが所定のテンパー温度（例えば３０
０℃〜３５０℃）に加熱されたのち、空気中で放置され
る。

【００２９】そののち、ホーニング工程Ｓ６において、
ホーニング機によって筒穴１２の内面１２ａにホーニン
グ加工が行われる。ホーニング機は、回転駆動機構によ
って回転させられる回転ヘッドに砥石を設けたものであ
り、砥石を筒穴内面１２ａにスパイラル状に擦りつける
ことにより、いわゆるクロスハッチと称される多数の微
細な斜状の擦り溝が形成される。この擦り溝はエンジン
運転中にオイルを保持する機能を果たす。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、レーザ吸収剤をワーク
内面の周方向に均等に近い厚さに塗布することができ、
レーザ吸収剤の厚さを許容範囲に収めることが容易に行
えるとともに、塗布状態の管理も容易となり、レーザ焼
入れの品質を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】レーザ吸収剤塗布装置の概略を示す側面図。

【図２】ワークの一部と噴射ノズルを上方から見た概略
図。

【図３】１周目と２周目のバルブ駆動信号のタイミング
を示す図。

【図４】１周目の塗布による塗膜の状態を模式的に示す
図。

【図５】２周目の塗布による塗膜の状態を模式的に示す
図。

【図６】１周目の塗布工程を示すフローチャート。

【図７】２周目の塗布工程を示すフローチャート。

【図８】レーザ焼入れ装置の概略図。

【図９】レーザによるスポット状の焼入部を有するシリ
ンダブロックの斜視図。

【図１０】図９に示されたシリンダブロックの筒穴内面
の一部の展開図。

【図１１】シリンダブロックの筒穴内面の焼入れを含む
加工工程を示す工程説明図。

【符号の説明】

１０…シリンダブロック（ワーク） １２…筒穴 １２ａ…筒穴内面（ワークの内面） １５…焼入部 ２０…レーザ吸収剤塗布装置 ２１…噴射ノズル ２２…ノズルユニット ２３…回転駆動機構 ２５…コントローラ ３１…ロータリエンコーダ（回転位置検出手段） ３５…レーザ吸収剤供給機構 ３６…噴射制御弁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B23K 26/00 - 26/18 B05B 12/02 C21D 1/09

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】円筒状のワーク内面にレーザ焼入れを行う
   際にワーク内面にレーザ吸収剤を塗布するためのレーザ
   吸収剤塗布装置であって、 ワーク内面に対向する噴射ノズルを有しかつワーク内面
   の円周方向に回転可能なノズルユニットと、 上記ノズルユニットを回転させるモータおよび回転位置
   検出手段を有する回転駆動機構と、 上記噴射ノズルにレーザ吸収剤を供給するレーザ吸収剤
   供給機構と、 上記レーザ吸収剤供給機構によって上記噴射ノズルに供
   給されるレーザ吸収剤を開弁時に上記噴射ノズルから噴
   射させかつ閉弁時にレーザ吸収剤の噴射を止める噴射制
   御弁と、 上記ノズルユニットの回転時に上記回転位置検出手段に
   よって検出される回転位置信号を入力するとともにこの
   回転位置に関連してワーク内面の周方向に所定ピッチで
   レーザ吸収剤を噴出するように上記噴射制御弁の駆動タ
   イミングを制御しつつ１周目の塗布を行いかつ２周目の
   塗布を行う際には上記噴射制御弁の駆動タイミングを１
   周目に対し半ピッチ分ずらしてバルブ駆動信号を送出す
   るコントローラと、 を具備したことを特徴とするレーザ吸収剤塗布装置。