JP4107282B2 - 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

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 Download PDF

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Description

本発明は、溶射皮膜を形成する前の円筒内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。こ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する場合があり、この状態のまま基材表面に溶射皮膜を形成すると、残留物が基材表面に露出したり、あるいは溶射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。
このような問題を解消する方法として、例えば下記特許文献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、基材表面を粗面に形成する方法が記載されている。
特開平１１−３２０４１４号公報 特開平１０−７７８０７号公報 特開２００２−１５５３５０号公報
ところで、上記した特許文献２，３に記載のものは、切削工具を用いて基材表面に対して螺旋溝を形成していることから、その後形成する溶射皮膜に対し、螺旋溝に沿った方向に作用する力に対して密着力が弱く、したがって基材表面に対する粗面化が不充分であって、全体として溶射皮膜の密着力が充分確保できず、溶射皮膜の信頼性が低下する。
そこで、本発明は、円筒内面の粗面化を充分なものとして、円筒内面に対する溶射皮膜の密着力を向上させ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円筒内面を粗面に形成する際に、外周面に凹凸を有する加工用ローラを前記円筒内面に押し付けつつ回転移動させることで、前記円筒内面を凹凸形状として粗面化する溶射前処理方法において、主軸の軸方向両端部付近の外周部に一端を固定した大径筒部に対して一端側が該大径筒部の軸方向に移動可能でかつ他端側が前記加工用ローラの軸方向両端に設けてあるローラ支持軸に固定される小径筒部を設け、前記大径筒部および小径筒部内に収容した押圧手段により、前記ローラ支持軸を前記主軸から離れる方向に押圧して前記加工用ローラを前記円筒内面に押し付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円筒内面に対し、外周面に凹凸を有する加工用ローラを押し付けつつ回転移動させて粗面化するようにしたので、ショットブラスト処理におけるようなブラスト粒の円筒内面への残留を防止しつつ、円筒内面の粗面化が充分なものとなり、溶射皮膜の密着力を向上させることができる。
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。この溶射前処理方法は、円筒形状のワークＷの円筒内面１を粗面化する際に、超硬合金からなる加工用ローラ３を使用する。この場合のワークＷ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。
なお、上記したワークＷとしては、例えばエンジンのシリンダブロックがあり、この場合には、その円筒内面１に相当するシリンダボア内面に対して粗面化加工を施す。
上記した加工用ローラ３は、外周面全体に網目状の微細な凹凸３ａを形成してあり、その軸方向長さがワークＷの同方向長さより僅かに長く、加工時には、図１に示すように、軸方向両端をワークＷの円筒内面１より外部に突出させる。また、加工用ローラ３は、図示しない加工装置の支持部としての主軸５に取り付けてある。
主軸５は、軸方向長さが加工用ローラ３の同方向長さより長く、その軸方向両端部付近の外周部に、一対の加圧機構７を介して前記した加工用ローラ３を取り付ける。加圧機構７は、図２に拡大した断面図で示すように、主軸５に一端を固定した大径筒部９と、この大径筒部９の他端側の内部に、一端側を移動可能に収容する小径筒部１１と、これら両筒部９，１１内に収容するコイルスプリング１３とを、それぞれ備えている。
小径筒部１１の他端は、加工用ローラ３の軸方向両端面の中心部に対して回転可能に設けてあるローラ支持軸１５に固定する。これにより、前記したコイルスプリング１３は、主軸５とローラ支持軸１５との間に介装されて、加工用ローラ３を主軸５から離れる方向に常に押し付けることになる。コイルスプリング１３による加工用ローラ３の円筒内面１に対する加工時の圧力は、１００Ｎ以上とする。
なお、加工用ローラ３をワークＷから引き抜いたときに、小径筒部１１が大径筒部９から抜け落ちないように、両者間に図示しない係止部を設けている。
次に作用を説明する。加工装置の主軸５を、ワークＷの中心からずらせた状態、例えば主軸５を図１の状態からワークＷに対して図１中で右方向に移動させた状態で、ワークＷ内に挿入し、このとき加工用ローラ３は、円筒内面１に対して離反した状態となっている。
次に主軸５の中心をワークＷの中心に合わせ、これにより加工用ローラ３は、図１に示すように円筒内面１に接触し、コイルスプリング１３によって前記した１００Ｎ以上の力で円筒内面１を加圧する。
この加圧状態で、主軸５を、加工用ローラ３の回転速度が６０ｒｐｍとなるような速度で回転させることで、加工用ローラ３が、図３の簡略化した平面図で示すように、円筒内面１を押し付けつつ回転移動し、これにより円筒内面１には、図４に示すような網目状の凹凸形状である粗面１ａが形成される。その後、粗面１ａとした円筒内面１に対し、後述する方法で溶射皮膜を形成する。
このように、上記した第１の実施形態によれば、溶射皮膜を形成する前の円筒内面１に対し、外周面に凹凸を有する加工用ローラ３を押し付けつつ回転移動させて粗面化するようにしたので、ショットブラスト処理におけるようなブラスト粒の円筒内面１への残留を防止しつつ、円筒内面１の粗面形状が網目状となって、螺旋溝とした場合に比較してより微細化されて粗面化が充分なものとなり、溶射皮膜の密着力を向上させることができる。
また、加工用ローラ３は、その軸方向長さを円筒内面１の同方向長さより長くしているので、主軸５を１回転させるだけで、円筒内面１全体に対する粗面加工が完了し、加工用ローラ３の軸方向長さを円筒内面１の同方向長さより短くした場合に比較して、加工時間を短縮することができ、生産性が向上する。
さらに、円筒内面１に押し付けて加工を行う加工用ローラ３は、切削工具を用いて螺旋溝を切削加工する場合に比較して、工具寿命を長くすることができる。
図５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断面図である。この実施形態は、前記図１に示した第１の実施形態における加工用ローラ３を二つ設けている。この二つの加工用ローラ３は、主軸５を中心として互いに反対側に、互いに対向する位置に設けている。
また、ここでの加圧機構７０は、図６に示すように、図１に示した第１の実施形態におけるコイルスプリング１３に代えて油圧シリンダ１７を使用している。すなわち、この油圧シリンダ１７は、そのシリンダ本体１９の基端部を支持アーム２１を介して主軸５に固定し、シリンダ本体１９に対して進退移動するピストンロッド２３の先端を、連結アーム２５を介してローラ支持軸１５に固定する。シリンダ本体１９の先端側外周部は、小径筒部１１に対して軸方向に移動可能に支持させてある。
なお、油圧作動流体の配管は、特に図示していないが、シリンダ本体１９の外部や支持アーム２１内および主軸５内を経て加工装置外部に引き出し、図示しない油圧作動装置に接続する。
次に作用を説明する。加工装置の主軸５を、図５に示すようにその中心をワークＷの中心に合わせた状態で、ワークＷ内に挿入し、このとき各加工用ローラ３は、円筒内面１に対して離反した状態となるように、ピストンロッド２３を後退させておく。
この状態で油圧シリンダ１７を駆動してピストンロッド２３を前進させ、各加工用ローラ３を図５に示すように円筒内面１に押し付ける。このときの加圧力は、前記したように１００Ｎ以上とする。
この加圧状態で、第１の実施形態と同様にして、主軸５を、加工用ローラ３の回転速度が６０ｒｐｍとなるような速度で回転させることで、各加工用ローラ３が、円筒内面１を押し付けつつ回転移動し、これにより円筒内面１には、前記図４に示したような網目状の粗面１ａが形成される。その後、粗面１ａとした円筒内面１に対し、後述する方法で溶射皮膜を形成する。
この第２の実施形態の場合にも、円筒内面１の粗面形状が網目状となって微細化が充分なものとなるなど、第１の実施形態と同様の効果が得られるほかに、二つの加工用ローラ３の円筒内面１に対する加工圧の反力が、互いに対抗し合うので、円筒内面１に対して加工圧を安定的に付与することができ、粗面加工を効率よく行うことができる。
また、上記した各実施形態における加工用ローラ３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、加工用ローラ３を円筒内面１に押し付けたときに、粗面１ａの形成とともに、前記ニッケル系材料を前記粗面１ａ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力が高く、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、溶射皮膜の密着力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に対する密着力がさらに高まるものとなる。
なお、図１，２に示した加工用ローラ３を一つ備える第１の実施形態のコイルスプリング１３に代えて、図５，６に示した第２の実施形態の油圧シリンダ１７を使用してもよい。また、図５，６に示した加工用ローラ３を二つ備える第２の実施形態の油圧シリンダ１７に代えて第１の実施形態のコイルスプリング１３を使用してもよいが、この場合には、主軸５の両側に配置した加工用ローラ３をワークＷ内に挿入する際に、各加工用ローラ３が円筒内面１から離反した状態となるように、コイルスプリング１３を縮ませた状態で保持するような保持機構を、大径筒部９と小径筒部１１との間に設ける必要がある。
また、図７の簡略化した平面図に示すように、加工用ローラ３をワークＷの周方向等間隔に四つ設けてもよい。
なお、上記した円筒内面１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る。
また、上記のようにして溶射前処理加工した円筒内面１の粗面形状については、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８は、前記したワークＷに相当するシリンダブロックＢのシリンダボア内面１０を粗面化した後に溶射皮膜を形成するための溶射装置の概略を示す全体構成図である。この溶射装置は、シリンダボア内の中心に、ガス溶線式の溶射ガン３１を挿入し、その溶射口３１ａから溶射用材料として溶融した鉄系金属材料を溶滴３３として溶射してシリンダボア内面１０に溶射皮膜３２を形成する。
溶射ガン３１は、溶線送給機３５から溶射用材料として鉄系金属材料の溶線３７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燃料を貯蔵した燃料ガスボンベ３９および酸素を貯蔵した酸素ボンベ４１から、配管４３および４５を介して燃料ガスおよび酸素の供給をそれぞれ受ける。
上記した溶線３７は、溶射ガン３１に対し、中央部の上下に貫通する溶線送給孔４７の上端から下方に向けて送給する。また、燃料および酸素は、溶線送給孔４７の外側の円筒部４９に、上下方向に貫通して形成してあるガス案内流路５１に供給する。この供給した燃料および酸素の混合ガスは、ガス案内流路５１の図８中で下端開口部５１ａから流出し、点火されることで燃焼炎５３が形成される。
前記円筒部４９の外周側には、アトマイズエア流路５５を設けてあり、さらにその外周側には、いずれも円筒形状の隔壁５７と外壁５９との間に形成したアクセラレータエア流路６１を設けてある。
アトマイズエア流路５５を流れるアトマイズエアは、燃焼炎５３の熱を前方（図８中で下方）へ送って周辺部に対する冷却を行うとともに、溶融した溶線３７を同前方へ送る。一方、アクセラレータエア流路６１を流れるアクセラレータエアは、上記前方へ送られ溶融した溶線３７を、この送り方向と交差するように前記シリンダボア内面１０に向けて溶滴３３として送り、シリンダボア内面１０に溶射皮膜３２を形成する。
アトマイズエア流路５５には、アトマイズエア供給源６７から、減圧弁６９を備えたエア供給管７１を通してアトマイズエアを供給する。一方、アクセラレータエア流路６１には、アクセラレータエア供給源７３から、減圧弁７５およびマイクロミストフィルタ７７をそれぞれ備えたエア供給管７９を通してアクセラレータエアを供給する。
アトマイズエア流路５５とアクセラレータエア流路６１との間の隔壁５７は、図８中で下部側の先端部に、外壁５９に対しベアリング８１を介して回転可能となる回転筒部８３を備えている。この回転筒部８３の上部外周に、アクセラレータエア流路６１に位置する回転翼８５を設けてある。回転翼８５に、アクセラレータエア流路６１を流れるアクセラレータエアが作用することで、回転筒部８３が回転する。
回転筒部８３の先端（下端）面８３ａには、回転筒部８３と一体となって回転する先端部材８７を固定してある。先端部材８７の周縁の一部には、前記したアクセラレータエア流路６１にベアリング８１を通して連通する噴出流路８９を備えた突出部９１を設けてあり、噴出流路８９の先端に、溶滴３３を噴出させる前記した溶射口３１ａを設けている。
溶射口３１ａを備える先端部材８７が回転筒部８３と一体となって回転しつつ溶射ガン３１をシリンダボアの軸方向に移動させることで、シリンダボア内面１０のほぼ全域に溶射皮膜３２を形成する。
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。 図１における加圧機構を拡大して示す断面図である。 図１の簡略化した平面図である。 円筒内面を粗面加工した後の状態を示す断面図である。 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断面図である。 図５における加圧機構を拡大して示す断面図である。 加工用ローラを四つ設けた例を示す簡略化した平面図である。 溶射装置の概略を示す全体構成図である。
符号の説明
１ 円筒内面
１ａ 粗面（凹凸形状）
３ 加工用ローラ
３ａ 凹凸
５ 主軸（支持部）
１０ シリンダボア内面（円筒内面）
Ｂ シリンダブロック

Claims (9)

  1. 溶射皮膜を形成する前の円筒内面を粗面に形成する際に、外周面に凹凸を有する加工用ローラを前記円筒内面に押し付けつつ回転移動させることで、前記円筒内面を凹凸形状として粗面化する溶射前処理方法において、主軸の軸方向両端部付近の外周部に一端を固定した大径筒部に対して一端側が該大径筒部の軸方向に移動可能でかつ他端側が前記加工用ローラの軸方向両端に設けてあるローラ支持軸に固定される小径筒部を設け、前記大径筒部および小径筒部内に収容した押圧手段により、前記ローラ支持軸を前記主軸から離れる方向に押圧して前記加工用ローラを前記円筒内面に押し付けることを特徴とする溶射前処理方法。
  2. 前記加工用ローラは、外周面全体に前記凹凸を有し、その軸方向長さが、前記円筒内面の同方向長さ以上であることを特徴とする請求項１に記載の溶射前処理方法。
  3. 前記加工用ローラは、前記主軸を中心として互いに反対側に一対設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の溶射前処理方法。
  4. 前記円筒内面は、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、前記加工用ローラの前記シリンダボア内面に接触する部位に、ニッケル系材料を付着させ、前記加工用ローラを前記シリンダボア内面に押し付けることで、前記円筒内面を前記凹凸形状とするとともに、前記ニッケル系材料を前記凹凸形状部分に付着させ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. 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によって、溶射皮膜を形成する前のシリンダボア内面を粗面に形成することを特徴とするエンジンのシリンダブロック。
  6. 溶射皮膜を形成する前の円筒内面を粗面に形成する際に、外周面に凹凸を有する加工用ローラを前記円筒内面に押し付けつつ回転移動させることで、前記円筒内面を凹凸形状として粗面化する溶射前処理装置において、前記加工用ローラは、主軸の軸方向両端部付近の外周部に、一対の加圧機構を介して取り付けられ、前記一対の加圧機構は、前記主軸側に一端を固定した大径筒部と、該大径筒部に対して一端側が大径筒部の軸方向に移動可能でかつ他端側が前記加工用ローラの軸方向両端に設けてあるローラ支持軸に固定される小径筒部と、前記ローラ支持軸を前記主軸から離れる方向に押し付ける押圧手段とを有することを特徴とする溶射前処理装置。
  7. 前記加工用ローラは、外周面全体に前記凹凸を有し、その軸方向長さが、前記円筒内面の同方向長さ以上であることを特徴とする請求項６に記載の溶射前処理装置。
  8. 前記加工用ローラは、前記主軸を中心として互いに反対側に一対設けられていることを特徴とする請求項６または７に記載の溶射前処理装置。
  9. 前記円筒内面は、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、前記加工用ローラの前記シリンダボア内面に接触する部位に、ニッケル系材料を付着させ、前記加工用ローラを前記シリンダボア内面に押し付けることで、前記円筒内面を前記凹凸形状とするとともに、前記ニッケル系材料を前記凹凸形状部分に付着させることを特徴とする請求項６ないし８のいずれか１項に記載の溶射前処理装置。
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