JP4103876B2 - 溶射前処理方法およびエンジンのシリンダブロックならびに溶射前処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、溶射皮膜を形成する前の基材表面を粗面に形成する溶射前処理方法およびエンジンのシリンダブロックならびに溶射前処理装置に関する。

自動車用エンジンの重量低減および排気処理対応に効果のあるライナレスアルミシリンダブロックのシリンダボア内面に対して鉄系材料による溶射皮膜を形成する際に、その前工程として、溶射皮膜の密着性を高める目的でシリンダボア内面を粗面に形成する必要がある。

例えば、下記特許文献１には、粗面に形成する方法としてショットブラスト処理を行っている。また、下記特許文献２や特許文献３には、切削工具を用いて切削加工することで粗面に形成している。
特開平１１−３２０４１４号公報 特開平１０−７７８０７号公報 特開２００２−１５５３５０号公報

しかしながら、前者のショットブラスト処理による粗面形成方法では、ショットブラスト粒が加工表面に残留し、また後者の切削加工による粗面形成方法では、切粉が加工表面にそれぞれ残留する場合がある。

このように、加工表面にショットブラスト粒や切粉などの異物が残留したまま溶射皮膜を形成すると、これら異物が表面に露出したり、あるいは皮膜の密着性が低下するなど、溶射皮膜の形成が不安定となって信頼性が低下する。

そこで、本発明は、溶射皮膜の形成を安定化させてその信頼性を高めることを目的としている。

本発明は、溶射皮膜を形成する前の基材表面に工具を押し付けて塑性変形により螺旋状の溝を設けることで、前記基材表面を粗面に形成する溶射前処理方法において、前記工具を、前記基材表面に対して接触しつつ回転移動するローラで構成し、中心軸部内に軸方向に移動可能に設けた作動ロッドの前記軸方向の移動により、前記中心軸部から側方に突出する連結アームが前記中心軸部から離れる方向に移動し、この移動に伴って前記連結アームの先端に固定したローラ支持軸を介して前記ローラを前記基材表面に押し付けて前記螺旋状の溝を設けることを最も主要な特徴とする。

本発明によれば、溶射皮膜を形成する前の基材表面に、工具を押し付けて塑性変形により螺旋状の溝を設けることで、前記基材表面を粗面に形成するようにしたので、ショットブラスト処理によるショットブラスト粒や、切削加工による切粉などの異物が、基材表面に残留するようなことはなく、その後基材表面に形成する溶射皮膜が安定化してその信頼性が向上する。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係わる溶射前処理方法を示す断面図である。溶射皮膜を形成する前の基材表面として、ここでは例えばエンジンのシリンダブロックにおけるシリンダボア内面のような円筒内面１とする。この円筒内面１を有する円筒部１１は、アルミ合金（ＡＤＣ１２材）からなるダイカスト製であり、円筒内面１は、一定の精度で加工してある。この円筒内面１を粗面に形成した後、鉄系材料からなる溶射用材料を円筒内面１に溶射して溶射皮膜を形成する。

上記した円筒内面１に対し、加工用の工具であるローラ３を押し付けて回転移動させながら、図２に示すような凹部としての螺旋状の溝１ａを、転造加工によって形成する。図１（ｂ）は上記したローラ３の平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

上記したローラ３を保持する加工装置５は、本体部分７に対し中心軸部９が回転可能に支持され、この中心軸部９を円筒部１１内に挿入する。中心軸部９の下部側面には、上下一対のガイドロッド１３，１５の基端側を、円筒部１１の直径方向に移動可能に取り付け、ガイドロッド１３，１５の先端側に、ローラ支持軸１７を固定する。そして、このローラ回転支持軸１７の下端に、前記したローラ３を回転可能に支持させる。

上記したローラ支持軸１７の中心軸部９側の側面には、連結アーム１９の一端を固定し、連結アーム１９の他端を、中心軸部９のガイド孔９ａに対して移動可能に挿入する。連結アーム１９のガイド孔９ａに挿入した側の端面は、図１中で下部が同上部に対して右側となるよう傾斜する被押圧傾斜面１９ａを備えている。

これに対し、中心軸部９の中心部には、その軸方向に移動可能な作動ロッド２１を挿入し、作動ロッド２１の下端は、上記した連結アーム１９の被押圧傾斜面１９ａに整合する押圧傾斜面２１ａを備えている。

上記した作動ロッド２１は、図示しない駆動機構によって軸方向に移動し、下方に移動させることで、押圧傾斜面２１ａが被押圧傾斜面１９ａを押圧して連結アーム１９をローラ支持軸１７とともに、図１中で左方向に移動させ、これに伴いローラ３も同方向に移動して円筒内面１を押圧する。

なお、図示していないが、中心軸部９とローラ支持軸１７との間には、ローラ支持軸１７を中心軸部９側に付勢するスプリングなどの弾性手段を介在させている。これにより、作動ロッド２１が連結アーム１９を押圧していない状態で、ローラ３を円筒内面１から離反させるようにする。

上記したローラ３の円筒内面１への押圧状態で、中心軸部９を回転させつつ、加工装置５全体を軸方向下方に移動させることで、前記図２に示したような螺旋状の溝１ａを、円筒内面１に形成する。

この場合、ローラ３を円筒内面１に押し付けて転造加工によって表面を塑性変形させ溝１ａを形成するので、従来のような切削工具によって粗面を形成する場合のような切粉の発生を防止でき、粗面形成後の加工表面における異物の残留を防止することができる。これにより、その後の溶射皮膜（図２（ｂ）に符号２３で示す）の形成を安定した状態で行え、溶射皮膜２３の信頼性を向上させることができる。

また、円筒内面１を、エンジンのシリンダブロックにおけるシリンダボア内面とすることで、シリンダボア内面の溶射皮膜が安定化して高信頼性が得られ、ピストン摺動時の噛み込みや焼き付きなど不具合を防止することができる。

なお、上記した粗面を形成する際の加工条件は以下の通りである。

工具（ローラ３）の材質：超硬合金
加工装置５の回転数：６０ｒｐｍ
加工装置５の送り速度：０．５ｍｍ／ｒｅｖ
加工圧：１００Ｎ
また、上記のようにして切削加工した溝１ａについては、レーザなどの非接触型の形状測定機などにより形状を測定し、その精度を保証している。

図３は、図１のローラ３の変形例に係わるローラ３０の外周部分の一部を示す平面図である。このローラ３０は、その外周面に、歯車状の凹凸部３０ａを形成している。

このような凹凸部３０ａを備えたローラ３０を、円筒内面１に対して押圧しつつ回転移動させることで、前記図２に示した溝１ａに代わり、上記凹凸部３０ａに対応する図示しない凹凸部が、図２（ａ）のように螺旋状に形成される。

これにより、図２の螺旋状の溝１ａに比べてさらに細かい粗面形状となり、溶射皮膜の密着性をより向上させることができる。

図４は、本発明の第２の実施形態に係わる溶射前処理方法を示す平面図である。この実施形態は、加工装置５０における前記図１の中心軸部９に相当する中心軸部９０に対し、その円周方向等間隔に前記図１の連結アーム１９に相当する連結アーム１９０を複数配置し、これら各連結アーム１９０に対応してローラ支持軸１７０およびローラ３００をそれぞれ取り付けている。

各連結アーム１９０は、第１の実施形態と同様に、図示しない作動ロッドを軸方向に移動させることで、ローラ支持軸１７０とともに円筒内面１に向けて移動し、これに伴い各ローラ３００が円筒内面１に押し付けられる。なお、ここでの作動ロッドの連結アーム１９０に対する押圧傾斜面は、各連結アーム１９０に対応して周囲四方に形成している。

第２の実施形態においても、円筒部１１内にて中心軸部９０を回転させつつ軸方向に移動させることで、複数のローラ３００によって螺旋状の溝を円筒内面１に形成することができる。複数のローラ３００を使用することで、図１に示した第１の実施形態に比較して、より細かな凹凸形状を形成でき、したがって第１の実施形態に比較して溶射皮膜の密着性をより向上させることができる。

また、上記した各実施形態におけるローラ３，３０，３００の円筒内面１に対する接触部に、粉末状のニッケル系材料をバインダを用いて付着させることで、ローラ３，３０，３００を円筒内面１に押し付けたときに、前記溝１ａなどの凹部の形成とともに、前記ニッケル系材料を前記凹部に付着させることができる。

ニッケル系材料は、円筒内面１を構成するアルミ系材料よりも、溶射皮膜材料として使用する鉄系材料の密着性が高く、したがって円筒内面１にニッケル系材料を付着させておくことで、溶射皮膜の密着性をさらに向上させることができる。また、溶射用材料を円筒内面１に溶射する際に、溶射熱によって粉末状のニッケル系材料が溶融し、溶射皮膜の円筒内面１に対する密着性がさらに高まるものとなる。

なお、上記した基材表面としては、エンジンのシリンダブロックにおけるシリンダボア内面に限ることはなく、他の円筒内面に対してこの発明を適用可能であり、また円筒内面に限ることもない。

図５は、溶射皮膜２３を形成する際の溶射方法を示している。シリンダボア内の中心に、ガス溶線式の溶射ガン６１を挿入し、その溶射口６１ａから溶射用材料として溶融した鉄系金属材料を溶射して円筒内面１（シリンダボア内面）に対して溶射皮膜２３を形成する。

上記した溶射ガン６１は、溶線送給機６３から溶射用材料として鉄系金属材料の溶線６５の送給を受けるとともに、アセチレンまたはプロパンあるいはエチレンなどの着火のための燃料を貯蔵した燃料ガスボンベ６７および酸素を貯蔵した酸素ボンベ６９から、配管７１および７３を介して燃料ガスおよび酸素の供給をそれぞれ受ける。さらに図示していないが、溶射ガン６１は、コンプレッサなどから圧縮空気の供給を受け、この圧縮空気により、着火によって加熱溶融した溶射用材料粒子７５を円筒内面１に吹き付け、この際溶射ガン６１は回転しつつシリンダボアの軸方向に移動する。

（ａ）は本発明の第１の実施形態に係わる溶射前処理方法を示す断面図、（ｂ）は（ａ）で使用するローラの平面図である。 （ａ）は円筒内面に形成した螺旋状の溝を示す円筒部の断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 図１に示したローラの変形例の外周部分の一部を示す平面図である。 本発明の第２の実施形態に係わる溶射前処理方法を示す平面図である。 溶射皮膜を形成する際の溶射方法を示す動作説明図である。

符号の説明

１ 円筒内面（基材表面）
１ａ 溝（凹部）
３，３０，３００ ローラ（工具）
３０ａ 凹凸部

Claims (11)

1. 溶射皮膜を形成する前の基材表面に工具を押し付けて塑性変形により螺旋状の溝を設けることで、前記基材表面を粗面に形成する溶射前処理方法において、前記工具を、前記基材表面に対して接触しつつ回転移動するローラで構成し、中心軸部内に軸方向に移動可能に設けた作動ロッドの前記軸方向の移動により、前記中心軸部から側方に突出する連結アームが前記中心軸部から離れる方向に移動し、この移動に伴って前記連結アームの先端に固定したローラ支持軸を介して前記ローラを前記基材表面に押し付けて前記螺旋状の溝を設けることを特徴とする溶射前処理方法。
2. 前記ローラの前記基材表面に接触する先端部を鋭利としたことを特徴とする請求項１に記載の溶射前処理方法。
3. 前記ローラの前記基材表面に接触する部位を凹凸形状としたことを特徴とする請求項１に記載の溶射前処理方法。
4. 前記基材表面を円筒内面とし、この円筒内面に対し、前記連結アーム，前記ローラ支持軸および前記ローラをそれぞれ複数用いて前記円筒内面に前記螺旋状の溝を形成することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の溶射前処理方法。
5. 前記基材表面は、アルミ合金製のシリンダブロックのシリンダボア内面であって、前記溶射皮膜を形成する材料は鉄系材料であり、前記工具の前記基材表面に接触する部位に、ニッケル系材料を付着させ、前記工具を前記基材表面に押し付けることで、前記凹部の形成とともに、前記ニッケル系材料を前記凹部に付着させることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の溶射前処理方法。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の溶射前処理方法によって、溶射皮膜を形成する前の基材表面となるシリンダボア内面を粗面に形成したことを特徴とするエンジンのシリンダブロック。
7. 溶射皮膜を形成する前の基材表面に工具を押し付けて塑性変形により螺旋状の溝を設けることで、前記基材表面を粗面に形成する溶射前処理装置において、前記工具を、前記基材表面に対して接触しつつ回転移動するローラで構成し、中心軸部内に軸方向に移動可能に作動ロッドを設け、前記中心軸部から側方に突出する方向に移動可能に設けた連結アームの一端を、前記ローラを回転支持するローラ支持軸に固定し、前記作動ロッドの先端と前記連結アームの他端との互いの接触部に、前記作動ロッドの軸方向の移動によって前記連結アームを前記中心軸部から離れる方向に移動させて前記ローラを前記ローラ支持軸を介して前記基材表面に押し付ける傾斜面を設けたことを特徴とする溶射前処理装置。
8. 前記ローラの前記基材表面に接触する先端部を鋭利としたことを特徴とする請求項７に記載の溶射前処理装置。
9. 前記ローラの前記基材表面に接触する部位を凹凸形状としたことを特徴とする請求項７に記載の溶射前処理装置。
10. 前記基材表面は円筒内面であり、前記連結アーム，前記ローラ支持軸，前記ローラおよび前記傾斜面をそれぞれ複数設けたことを特徴とする請求項７ないし９のいずれか１項に記載の溶射前処理装置。
11. 前記基材表面は、アルミ合金製のシリンダブロックのシリンダボア内面であって、前記溶射皮膜を形成する材料は鉄系材料であり、前記工具の前記基材表面に接触する部位に、ニッケル系材料を付着させ、前記工具を前記基材表面に押し付けることで、前記凹部の形成とともに、前記ニッケル系材料を前記凹部に付着させることを特徴とする請求項７ないし１０のいずれか１項に記載の溶射前処理装置。

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