JP4265130B2 - 表面処理方法および表面処理装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ディーゼルエンジンのシリンダヘッドなどの金属鋳造製被処理物(いわゆるワーク)の表面部に、加工装置に装着した回転工具先端のプローブを押込みつつ、ショルダ部で表面部を押圧することにより摩擦撹拌処理を施し、改質層を形成して、熱疲労強度を高めるような表面処理方法および表面処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、アルミニウム、アルミ合金、マグネシウム、マグネシウム合金などの軽金属や軽合金からなる金属製被処理物(いわゆるワーク)の表面処理方法としては、図１２に示すように加工装置に装着されて高速で回転する回転工具８０のプローブ８１を上記金属製被処理物８２の表面部８２ａに押込みつつ、ショルダ部８３で表面部８２ａを押圧し、このような押圧状態を保ちながら回転工具８０を表面に沿って移動させることで、金属製被処理物８２の表面およびその近傍領域を改質して、改質層８４を形成し、機械的特性、特に熱疲労強度の向上を図る、所謂、摩擦撹拌処理が知られている。
【０００３】
例えば、特開２０００−１５４２６号公報には、エンジンのアルミ合金製シリンダヘッドのシリンダブロックに対するシール面(合わせ面)の表面処理に、上述のような摩擦撹拌処理を適用することが開示されている。
【０００４】
また、特開２００１−３２０５８号公報には、ディーゼルエンジンのアルミ合金製のシリンダヘッドにおける燃焼室構成面に上述の如き摩擦撹拌処理を適用することが開示されている。
【０００５】
上述の摩擦撹拌処理法では、高速で回転する回転工具８０を金属製被処理物８２の表面に当接させ押圧することで、その際に生じる摩擦熱とプローブ８１の撹拌作用により、部材表面の回転工具８０当接部分およびその近傍領域を軟化させて塑性流動を生じさせる。そして、この塑性状態の材料部分(塑性流動層)が非溶融状態で撹拌されることにより、該部材の表面およびその近傍領域が改質される。
【０００６】
アルミ合金などの軽合金製鋳造部材の表面部に、この摩擦撹拌処理による表面改質処理を施すと、表面部の金属組織が微細化され、また鋳巣などによる内部未充填欠陥を大幅に低減することができ、伸び、靱性などの機械的特性、並びに疲れ強さ(熱疲労強度)の向上を図ることができる。
【０００７】
特にディーゼルエンジンのシリンダヘッドにおける吸排気ポート間のバルブブリッジ部は、エンジン駆動時の気筒での燃焼による体積膨張と停止時の冷却による体積収縮とを繰り返して、この繰り返し応力が付勢されるので、熱疲労によるクラックが発生しやすい部位であり、このような部位に上述の摩擦撹拌処理を施して、その熱疲労強度を高めることは極めて有効である。
【０００８】
そこで、従来においては、金属製被処理物(いわゆるワーク)の表面に対して回転工具８０のプローブ８１先端の押込み深さ(位置)を一定にして、ショルダ部８３の底面の押込み深さ(ショルダ底面押込み深さ)を一定値以上にする処理方法が採用されているが、ワークの寸法ばらつきによって上述のプローブ先端押込み深さ、ショルダ底面押込み深さが変動するので、押込み不足による未充填欠陥(いわゆる欠肉)が発生し、また改質層の深さが変動して不安定なものとなる問題点があった。
【０００９】
以下、この問題点について、直列４気筒ディーゼルエンジンのシリンダヘッドの改質を例示して説明する。
図１３はシリンダヘッド８５を燃焼室側から見た状態で示す平面図であって、８６は吸気ポート、８７は排気ポート、８９はウォータジャケットの開口部、９０，９１は摩擦撹拌処理後において仕上げ加工を施す際の基準面となる基準穴、Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３，Ｐ１４は各気筒においてバルブブリッジ部を摩擦撹拌処理するための開始ポイント、Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３は開始ポイントＰ１１，Ｐ１２，Ｐ１３，Ｐ１４における気筒列方向の離間距離である。
【００１０】
また図１４、図１５、図１６は寸法に若干の差異(つまり寸法ばらつき)があるシリンダヘッド８５としてのそれぞれのワークＷ１，Ｗ２，Ｗ３を示し、図示の上側が摩擦撹拌処理される燃焼室側の面であり、図示の下側がＮＣ加工装置に上載固定されて加工基準面となるシリンダヘッドカバー側の面である。
【００１１】
そこで、プローグ先端押込み位置Ｌｐが例えば２０．３１７mmの一定の値になるように回転工具８０を各ワークＷ１，Ｗ２，Ｗ３に押込みつつ、ショルダ部８３で各ワークＷ１，Ｗ２，Ｗ３の表面部を押圧して、摩擦撹拌処理が施される。
【００１２】
しかし、ワーク寸法にばらつきがあるため、上述のプローブ先端押込み位置Ｌｐを一定に保っても、ワーク表面とショルダ部８３の底面との間の寸法に相当するショルダ底面押込み深さＤｓは図中に数値を記載した如く０．４１９〜１．３３３１mmの範囲で変動し、摩擦撹拌処理後の表面凹凸を仕上げ加工で除去する際の基準穴９０，９１の穴底面とプローブ８１先端との間の深さに相当する改質層深さの目安は２．２４１〜３．６０９mmの範囲で変動し、これらの変動はそれぞれの開始ポイントＰ１１，Ｐ１２，Ｐ１３，Ｐ１４間のみならず、各ワークＷ１，Ｗ２，Ｗ３間でも変動するので、ショルダ底面押込み深さＤｓ(撹拌された材料を拘束して表面に浮き出ないようにするための重要な深さ)の不足によって未充填欠陥(いわゆる欠肉)が発生し、また改質層の深さが変動して不安定なものとなる問題点があった。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、金属鋳造製被処理物の寸法ばらつきに関わらず、回転工具のショルダ部の押込み不足による未充填欠陥(いわゆる欠肉)の発生が防止できると共に、安定した改質層の深さを確保することができる表面処理方法および表面処理装置の提供を目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
この発明による表面処理方法は、金属鋳造製被処理物の表面部に、加工装置に装着した回転工具のプローブを押込みつつショルダ部で表面部を押圧することにより摩擦撹拌処理を施し、改質層を形成する表面処理方法であって、上記回転工具を押込み方向に一定の送り量で金属鋳造製被処理物の表面部に押込み摩擦撹拌処理するに際し、該金属鋳造製被処理物の表面部高さおよび仕上げ加工を施す際の基準面となる加工基準面高さを計測し、これら計測値と回転工具の形状データとによりショルダ部の押込み深さを算出し、該押込み深さの値と未充填欠陥発生回避可能な深さ基準値とを比較し、この比較により押込み深さの値が未充填欠陥発生回避可能な深さ基準値より大きい時には、上記金属鋳造製被処理物の表面部に回転工具の摩擦撹拌処理を施し、上記比較により押込み深さの値が未充填欠陥発生回避可能な深さ基準値より小さい時には、回転工具の一定の送り量に上記深さ基準値と上記押込み深さの値に基づいて算出した補正量を加算し、この加算した送り量より再度ショルダ部の押込み深さを算出し、この押込み深さの値と表面部高さおよび上記加工基準面高さにより算出される仕上げ加工代の値により摩擦撹拌処理後の表面凹凸を仕上げ加工で除去できるか否かを判定し、除去できる際には上記金属鋳造製被処理物の表面部に回転工具の摩擦撹拌処理を施し、除去できない際には摩擦撹拌処理を中止するものである。
【００１５】
上記構成の金属鋳造製被処理物の表面部高さは、ワークの底面と上面との間の高さに設定することができ、加工基準面高さはワークの底面と基準穴の穴底面との間の高さに設定することができ、回転工具の形状データはプローブ長に設定することができ、未充填欠陥発生回避可能な深さ基準値はショルダ底面押込み深さの下限値に設定することができる。
【００１６】
上記構成によれば、まず金属鋳造製被処理物(いわゆるワーク)の表面部高さ、加工基準面高さが計測され、この計測値と回転工具の形状データとからショルダ部の押込み深さが求められ、次に押込み深さの値と未充填欠陥(いわゆる欠肉)の発生を回避可能な深さ基準値との比較によって、押込み深さの値が大きい時に摩擦撹拌処理が実行される。
【００１７】
この結果、金属鋳造製被処理物に仮に寸法ばらつきがあっても、回転工具のショルダ部の押込み不足がなく、該押込み不足に起因する未充填欠陥の発生が防止できると共に、安定した改質層の深さを確保することができる。
【００１８】
さらに、上記比較により押込み深さの値が未充填欠陥発生回避可能な深さ基準値より小さい時には、回転工具の一定の送り量に補正量を加算し、この加算した送り量より再度ショルダ部の押込み深さを算出し、この押込み深さの値と表面部高さおよび加工基準面高さにより算出される仕上げ加工代の値により摩擦撹拌処理後の表面凹凸を仕上げ加工で除去できるか否かを判定し、除去できる際には上記金属鋳造製被処理物の表面部に回転工具の摩擦撹拌処理を施し、除去できない際には摩擦撹拌処理を中止するものである。
【００１９】
上記構成の仕上げ加工代の値は、摩擦撹拌処理後の表面凹凸(荒残り)を仕上げ加工によって除去する荒残り回避可能な仕上げ取り代の値に設定することができる。
【００２０】
上記構成によれば、ショルダ部の押込み深さの値が未充填欠陥発生回避可能な深さ基準値よりも小さい場合に、まず回転工具の一定の送り量に対して深さ基準値と押込み深さの値に基づいて算出した補正量を加算して、この加算した送り量により再びショルダ部の押込み深さを求め、求められた押込み深さの値と仕上げ加工代の値とから表面凹凸が仕上げ加工時に除去できるか否かを判定して、除去可能時には補正量加算条件下で回転工具にて摩擦撹拌処理を実行し、除去不可能時には摩擦撹拌処理を中止(または禁止)して、例えばワークの払出しを行なう。
【００２１】
この結果、補正量の加算により表面凹凸の除去が可能な金属鋳造製被処理物についてのみ摩擦撹拌処理を行ない、補正をかけても表面凹凸の除去ができない金属鋳造製被処理物の寸法ＮＧ品については摩擦撹拌処理を行なわないので、製造品質の安定化を図ることができる。
【００２２】
この発明の一実施態様においては、上記金属鋳造製被処理物の表面部高さおよび加工基準面高さを複数箇所で計測し、各測定箇所の測定値と回転工具の形状データによりショルダ部の押込み深さを各測定箇所毎に算出するものである。
【００２３】
上記構成によれば、複数箇所を計測することにより、金属鋳造製被処理物の長さ方向の寸法ばらつきに対応した適正な計測、並びに各測定箇所毎の適正な評価と、評価に応じた処理を行なうことができる。
【００２４】
つまり、１つの測定箇所のみでは正確な判断、評価ができないので、複数箇所の計測および各測定箇所毎の算出を実行するものである。
【００２５】
この発明の一実施態様においては、上記金属鋳造製被処理物をディーゼルエンジンのシリンダヘッドに設定し、上記シリンダヘッドの吸排気口間に改質層を形成するものである。
【００２６】
上記構成によれば、ディーゼルエンジンのシリンダヘッドの寸法ばらつきに関わらず、回転工具のショルダ部の押込み不足による未充填欠陥の発生が防止でき、安定した改質層の深さを確保することができる。
特に、繰り返し応力が付勢される吸排気口間いわゆるバルブブリッジ部の熱疲労強度を高めることができる。
【００２７】
この発明による表面処理装置は、金属鋳造製被処理物の表面部に、加工装置に装着した回転工具のプローブを押込みつつショルダ部で表面部を押圧することにより摩擦撹拌処理を施し、改質層を形成する表面処理装置であって、上記金属鋳造製被処理物の表面部高さおよび仕上げ加工を施す際の基準面となる加工基準面高さを計測する計測手段を備え、上記計測手段で計測された計測値と回転工具の形状データとによりショルダ部の押込み深さを算出する算出手段と、上記押込み深さの値と未充填欠陥発生回避可能な深さ基準値とを比較する比較手段と、上記比較手段の比較結果に基づいて押込み深さの値が未充填欠陥発生回避可能な深さ基準値より小さい時には、回転工具の一定の送り量に上記深さ基準値と上記押込み深さの値に基づいて算出した補正量を加算し、この加算した送り量より再度ショルダ部の押込み深さを算出する演算手段と、この押込み深さの値と表面部高さおよび上記加工基準面高さにより算出される仕上げ加工代の値により摩擦撹拌処理後の表面凹凸を仕上げ加工で除去できるか否かを判定する判定手段とを備え、上記比較手段の比較結果に基づいて押込み深さの値が未充填欠陥発生回避可能な深さ基準値より大きい時、並びに、上記押込み深さの値が上記深さ基準値より小さい時であっても上記判定手段の判定結果に基づいて摩擦撹拌処理後の表面凹凸を仕上げ加工で除去できる時には、回転工具で摩擦撹拌処理を施し、除去できない時には、回転工具の摩擦撹拌処理を中止する加工装置の制御手段を備えたものである。
【００２８】
上記構成によれば、上記計測手段で、まず金属鋳造製被処理物(いわゆるワーク)の表面部高さ、加工基準面高さが計測され、上述の算出手段で、計測値と回転工具の形状データとからショルダ部の押込み深さが求められ、次に比較手段で、押込み深さの値と未充填欠陥(いわゆる欠肉)の発生を回避可能な深さ基準値とが比較され、この比較結果により押込み深さの値が大きい時に摩擦撹拌処理が実行される。
【００２９】
この結果、金属鋳造製被処理物の寸法ばらつきに関わらず、回転工具のショルダ部の押込み不足がなく、該押込み不足に起因する未充填欠陥の発生が防止できると共に、安定した改質層の不可を確保することができる。
【００３０】
さらに、上記比較手段の比較結果に基づいて押込み深さの値が未充填欠陥発生回避可能な深さ基準値より小さい時には、回転工具の一定の送り量に深さ基準値と押込み深さの値に基づいて算出した補正量を加算し、この加算した送り量より再度ショルダ部の押込み深さを算出する演算手段を設け、上記演算手段で再度ショルダ部の押込み深さを算出し、この押込み深さの値と表面部高さおよび加工基準面高さにより算出される仕上げ加工代の値により摩擦撹拌処理後の表面凹凸を仕上げ加工で除去できるか否かを判定する判定手段を設け、上記判定手段の判定結果に基づいて除去できる時には、上記金属鋳造製被処理物の表面部に回転工具の摩擦撹拌処理を施し、除去できない時には、摩擦撹拌処理を中止するものである。
【００３１】
上記構成によれば、ショルダ部の押込み深さの値が未充填欠陥発生回避可能な深さ基準値よりも小さい時には、上述の演算手段で、回転工具の一定の送り量に深さ基準値と押込み深さの値に基づいて算出した補正量を加算し、この加算した送り量により再びショルダ部の押込み深さを求め、次に判定手段で、押込み深さの値と仕上げ加工代の値とから表面凹凸が仕上げ加工時に除去できるか否かを判定し、判定結果に基づいて表面凹凸の除去可能時には補正量加算条件下で回転工具にて摩擦撹拌処理を実行し、表面凹凸の除去不可能時には摩擦撹拌処理を中止(または禁止)して、例えばワークの払出しを行なう。
【００３２】
この結果、補正量の加算により表面凹凸の除去が可能な金属鋳造製被処理物についてのみ摩擦撹拌処理を行ない、補正をかけても表面凹凸の除去ができない金属鋳造製被処理物の寸法ＮＧ品については摩擦撹拌処理を行なわないので、製造品質の安定化を図ることができる。
【００３３】
この発明の一実施態様においては、上記金属鋳造製被処理部をディーゼルエンジンのシリンダヘッドに設定し、上記表面部高さおよび加工基準面高さを気筒列方向に離間する複数箇所で計測すべく構成したものである。
【００３４】
上記構成によれば、表面部高さ、加工基準面高さは気筒列方向に離間する複数の箇所が計測されるので、シリンダヘッドの寸法正常品(但し、補正をかけて表面凹凸が除去できるワークを含む)について摩擦撹拌処理を実行した時、各気筒において良好な改質層が得られる。
【００３５】
【実施例】
この発明の一実施例を以下図面に基づいて詳述する。
図面は表面処理方法および表面処理装置を示すが、まず図１を参照して表面処理が施される金属製被処理物としてのアルミ合金製のシリンダヘッド(鋳造品ワーク)の構成について説明する。
【００３６】
図１はシリンダヘッド１を燃焼室側から見た状態で示す平面図であって、この直列４気筒タイプのディーゼルエンジンのシリンダヘッド１は各気筒毎に２つの吸気ポート２，２と、２つの排気ポート３，３とが形成されている。
【００３７】
また燃焼室側の表面部１ａには、内部のウォータジャケットと連通する開口部４が開口されると共に、摩擦撹拌処理後において仕上げ加工を施す際の基準面となる基準穴５Ａ，５Ｂがシリンダヘッド１の鋳造時に同時形成されている。
【００３８】
さらに、図１においてＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４は各気筒において吸排気ポート２，３間のバルブブリッジ部を摩擦撹拌処理するための開始ポイント、Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３は開始ポイントＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４における気筒列方向の離間距離である。
【００３９】
上述のシリンダヘッド１には摩擦撹拌処理の後に形成されるテンションボルト孔６…が設けられ、このテンションボルト孔６に挿通されるテンションボルト(図示せず)により、シリンダヘッド１とシリンダブロックとが締結される。
【００４０】
そこで、この実施例では上述の開始ポイントＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４から図１に矢印で示す処理経路に沿ってバルブブリッジ部を摩擦撹拌処理した後に、テンションボルト孔６の位置で該処理を終了するように設定している。
【００４１】
次に図２を参照して回転工具の具体的構成について説明する。
この回転工具７はＮＣ加工装置８(図４参照)の主軸９に取付けられて、高速で回転するものであり、シャンク１０の先端には表面部１ａを押圧するショルダ部１１と、このショルダ部１１に一体形成されてシリンダヘッド１の表面部１ａに押込まれてその表層部(表面乃至その近傍領域)を摩擦撹拌するプローブ１２とが設けられている。
【００４２】
上述のプローブ１２には左ネジ部が形成される一方、ショルダ底面１１ａとプローブ１２先端との間は所定のプローブ長Ｌに設定されている。
次に図３を参照して、シリンダヘッド１と回転工具７との相対関係、並びに、以下の説明に用いる各種符号の内容について説明する。
【００４３】
図３においてＦはシリンダヘッド１のヘッドカバー側の下面１ｂと燃焼室側の表面との間のワーク高さ(表面部高さ)、Ｓは基準穴５Ａ，５Ｂの底面とシリンダヘッド１の下面１ｂとの間の加工基準面高さ、Ｄｓはショルダ部１１の底面１１ａがシリンダヘッド１の表面からその内部に押込まれるショルダ底面押込み深さ(ショルダ部の押込み深さ)、Ｌｐはプローグ１２の先端とシリンダブロック１の下面１ｂとの間の高さに相当するプローブ先端押込み位置、δはシリンダブロック１の表面とプローブ１２の先端との間の深さに相当するプローブ先端押込み深さ基準位置である。
【００４４】
次に図４を参照して、表面処理装置の構成について説明する。
この表面処理装置は、シリンダヘッド１の表面部１ａに、ＮＣ加工装置８の主軸９に装着した回転工具７のプローブ１２を図３に示すように押込みつつ、ショルダ部１１で表面部１ａを押圧することにより摩擦撹拌処理を施して、改質層を形成する装置である。
【００４５】
この表面処理装置は、図４に示すように制御手段としてのＣＰＵ２０を備え、このＣＰＵ２０にはワーク高さ検知センサ１３、基準面高さ検知センサ１４、入力部１５、識別情報マーキング装置１６を接続している。
上述のワーク高さ検知センサ１３は接触タイプのダイヤルゲージまたは非接触タイプのレーザ変位計で構成され、図１に示す開始ポイントＰ１，Ｐ４部分のワーク高さＦ(図３参照)を実測する。
【００４６】
上述の基準面高さ検知センサ１４は接触タイプのダイヤルゲージまたは非接触タイプのレーザ変位計で構成され、図１に示す基準穴５Ａ，５Ｂ部分において加工基準面高さＳ(図３参照)を実測する。
上述の入力部１５はキーボード等により構成され、事前入力情報の入力処理に用いられる。
【００４７】
ここで、上述の事前入力情報は高さＦ，Ｓの測定位置、摩擦撹拌処理の開始ポイントＰ１〜Ｐ４の位置、回転工具７の形状データとしてのプローブ長Ｌ、プローブ先端押込み深さ基準位置δ(図３参照)、未充填欠陥発生回避可能なショルダ底面押込み深さＳtd(ショルダ底面押込み深さＤｓの下限値であるから、以下単に下限値と略記する)、摩擦撹拌処理後の表面凹凸を仕上げ加工時に除去する際の仕上げ加工代とての荒残り回避可能な仕上げ取り代αなどである。
【００４８】
上述のＣＰＵ２０は、ワーク高さ検知センサ１３、基準面高さ検知センサ１４、入力部１５からの必要な入力情報に基づいて、ＲＯＭ１７に格納されたプログラムに従って、ＮＣ加工装置８のシーケンサ１８、識別情報マーキング装置１６を駆動制御し、またＲＡＭ１９は必要なデータ等を記憶する。ここで、識別情報マーキング装置１６は後述する補正量を加算した値でシリンダヘッド１に摩擦撹拌処理を施す際に、この旨を認識できるようにシリンダヘッド１の所定部にマークを施すためのものである。
【００４９】
上述のＮＣ加工装置８は、シーケンサ１８、ＮＣコントローラ２１、Ｚ軸サーボモータ２２、Ｙ軸サーボモータ２３、Ｘ軸サーボモータ２４、主軸モータ２５、主軸９、回転工具７を有し、主軸モータ２５は主軸９を介して回転工具７を駆動し、Ｚ軸サーボモータ２２は回転工具７の上下方向(高さ方向)の位置制御を行ない、Ｙ軸サーボモータ２３およびＸ軸サーボモータ２４は摩擦撹拌処理の図１に示すような処理経路を得るために回転工具７の前後左右方向の位置制御を行なう。
【００５０】
また上述のＣＰＵ２０は計測手段としてのワーク高さ検知センサ１３、基準面高さ検知センサ１４で計測された計測値(ワーク高さＦ、加工基準面高さＳ参照)と、回転工具７の形状データ(プローブ長Ｌ参照)とにより、ショルダ底面押込み深さＤｓを算出する算出手段(図５に示すフローチャートのステップＱ７参照)と、
上述のショルダ底面押込み深さＤｓと下限値Ｓtdとを比較する比較手段(図５に示すフローチャートのステップＳ８参照)と、
を兼ね、
上記比較手段(ステップＱ８参照)の比較結果に基づいて、ショルダ底面押込み深さＤｓが下限値Ｓtdより大きい時(ステップＱ８のＹＥＳ判定参照)に、シリンダヘッド１の表面部１ａに回転工具の摩擦撹拌処理を施すように構成している。
【００５１】
さらに、上述のＣＰＵ２０は、回転工具７の一定の送り量に補正量を加算し、この加算した送り量より再度ショルダ底面押込み深さＤｓを算出する演算手段(図５に示すフローチャートのステップＱ１２参照)と、
このショルダ底面押込み深さＤｓとワーク高さＦおよび加工基準面高さＳにより算出される仕上げ加工代の値つまり仕上げ取り代αにより摩擦撹拌処理後の表面凹凸を仕上げ加工で除去できるか否かを判定する判定手段(図５に示すフローチャートのステップＱ１０参照)とを兼ね、
上述の比較手段(ステップＱ８参照)の比較結果に基づいて、ショルダ底面押込み深さＤｓが下限値Ｓtdより小さい時には、上記演算手段(ステップＱ１２参照)で再びショルダ底面押込み深さＤｓを算出し、
この補正量を加味したショルダ底面押込み深さＤｓと高さＦ，Ｓにより算出される仕上げ取り代αから表面凹凸を仕上げ加工で除去できるか否かを上述の判定手段(ステップＱ１０参照)で判定し、この判定結果に基づいて表面凹凸が除去できる時(ステップＱ１０のＮＯ判定参照)には、シリンダヘッド１の表面部１ａに回転工具７の摩擦撹拌処理を施し、
表面凹凸が除去できない時(ステップＱ１０のＹＥＳ判定参照)には、摩擦撹拌処理を中止するように構成している。
なお、上述のステップＱ１０は判定手段と演算手段とを兼ねるように構成してもよい。
【００５２】
しかも、この実施例では、シリンダヘッド１のワーク高さＦを図１に示す開始ポイントＰ１，Ｐ２の複数箇所で計測すると共に、シリンダヘッド１の加工基準面高さＳを図１に示す基準穴５Ａ，５Ｂの複数箇所で計測し、これら複数の測定箇所の測定値と回転工具７の形状データによりショルダ底面押込み深さＤｓを各気筒毎に算出すべく構成している。
ここで、上述のＣＰＵ２０、ＲＯＭ１７、ＲＡＭ１９および入力部１５に代えて、パーソナルコンピュータ等の他の手段を用いてもよいことは勿論である。
【００５３】
次に、図５に示すフローチャートを参照して、表面処理方法について説明する。
まず、ステップＱ１(事前情報入力手段)で、入力部１５の操作により各種の事前入力情報をＣＰＵ２０にインプットする。
【００５４】
つまり、高さＦ，Ｓの測定位置、摩擦撹拌処理の開始位置(図１に示す開始ポイントＰ１〜Ｐ４参照)、プローブ長Ｌ、プローブ先端押込み深さ基準位置δ、下限値Ｓtd、仕上げ取り代αの各情報を入力部１５からＣＰＵ２０に入力する。
【００５５】
次に、ステップＱ２で、ワーク高さ検知センサ１３により開始ポイントＰ１，Ｐ４のワーク高さＦを実測し、実測値をＣＰＵ２０に入力する。
次に、ステップＱ３で、基準面高さ検知センサ１４により基準穴５Ａ，５Ｂの部位における加工基準面高さＳを実測し、実測値をＣＰＵ２０に入力する。
【００５６】
次に、ステップＱ４で、ＣＰＵ２０は各開始ポイントＰ１〜Ｐ４におけるワーク高さＦを演算する。この場合、開始ポイントＰ１，Ｐ４のワーク高さＦについては実測値をそのまま用いてもよい。
【００５７】
次に、ステップＱ５で、ＣＰＵ２０は各開始ポイントＰ１〜Ｐ４における加工基準面高さＳを推定演算する。
次にステップＱ６で、ＣＰＵ２０は気筒毎のプローブ先端押込み位置Ｌｐを求める。
【００５８】
プローブ先端押込み位置の計算値Ｌpiは加工基準面高さの計算値Ｓｉにプローブ先端押込み深さ基準位置δを加算して求めることができる。ここで、上記計算値Ｌpiのｉは第１気筒の場合には第１気筒の位置Ｌｐを意味し、第２気筒の場合には第２気筒の位置Ｌｐを意味し、以下の説明に用いるｉについても同様である。
次に、ステップＱ７で、ＣＰＵ２０は気筒毎のショルダ底面押込み深さＤｓを求める。ショルダ底面押込み深さの計算値Ｄsiは次の[数１]により求める。
【００５９】
[数１]
Ｄsi＝Ｆｉ−Ｌpi−Ｌ
但し、Ｆｉはワーク高さの計算値
Ｌpiはプローブ先端押込み位置の計算値
Ｌはプローブ長
【００６０】
次に、ステップＱ８で、ＣＰＵ２０は上記演算により求められたショルダ底面押込み深さＤsiが未充填欠陥発生回避可能な深さの下限値Ｓtdよりも大きいか否かを判定し、ＹＥＳ判定時(ワーク寸法正常時)には次のステップＱ９に移行する一方、ＮＯ判定時(ワーク寸法ＮＧ時、但し、補正をかけることで荒残りが解消されるものを含む)には別のステップＱ１０に移行する。
【００６１】
上述のステップＱ９で、ＣＰＵ２０はステップＱ６で求められたプローブ先端押込み量Ｌpiを演算値として摩擦撹拌処理を施すようＮＣ加工装置８に指令を出力する。
一方、上述のステップＱ１０で、ＣＰＵ２０は荒残りするか否かを判定する。つまり、次に[数２]で示す値が零以上か否かで荒残りするか否かを判定する。
【００６２】
[数２]
（Ｓtd−Ｄsi＋α）−（Ｆｉ−Ｓｉ）
但し、Ｓtdは下限値
Ｄsiはショルダ底面押込み深さの計算値
αは荒残り回避可能な仕上げ取り代
Ｆｉはワーク高さの計算値
Ｓｉは加工基準面高さの計算値
ここで、（Ｓtd−Ｄsi＋α）−（Ｆｉ−Ｓｉ）＜０の時は荒残りし、
（Ｓtd−Ｄsi＋α）−（Ｆｉ−Ｓｉ）≧０の時には荒残りしない。
【００６３】
そして、上述のステップＱ１０で、荒残りすると判定された時(ＹＥＳ判定時)には次のステップＱ１１に移行し、荒残りしないと判定された時(ＮＯ判定時)には別のステップＱ１２に移行する。
【００６４】
上述のステップＱ１１で、ＣＰＵ２０はワーク寸法ＮＧ品に対応して、摩擦撹拌処理を中止とし、これに対応してワーク(シリンダヘッド１参照)の払出しを行なうようＮＣ加工装置８に指令を出力する。
【００６５】
一方、ステップＱ１２で、ＣＰＵ２０はショルダ底面の押込み深さＤｓが下限値Ｓtdによるように、プローブ先端の押込み位置Ｌｐを補正する。この補正は次の[数３]に基づいて実行する。
【００６６】
[数３]
補正後のプローブ先端押込み位置＝Ｌ pi −（Ｓ td −Ｄ si ）
但し、Ｌpiはプローブ先端押込み位置の計算値
Ｓtdは下限値
Ｄsiはショルダ底面押込み深さの計算値
【００６７】
次に、ステップＱ１３で、ＣＰＵ２０は補正量（Ｓtd−Ｄsi）を加算したことが認識されるように識別情報マーキング装置１６にてシリンダヘッド１に識別情報をマーキングするようＮＣ加工装置８に指令を出力する。
【００６８】
ＮＣ加工装置８では図５のフローチャートによる判定結果を受けて各気筒毎のワーク寸法ＯＫ品、補正により荒残りが回避できるワーク、ワーク寸法ＮＧ品にそれぞれ対応した処理を実行する。
【００６９】
例えば合計４気筒のうちの何れかの１つの気筒が寸法ＮＧである場合には、残りの３気筒の寸法が適正であっても、ワークは払い出し処理され、全気筒が寸法ＯＫである場合には、ステップＱ６でのプローブ先端押込み位置Ｌｐの演算データに基づいて摩擦撹拌処理が実行され、４気筒のうちの何れかの気筒が補正を要し、残りの気筒が補正を要さない場合には、補正を要する気筒についてはステップＱ１２で補正されたプローブ先端押込み位置Ｌｐの演算データに基づいて、また、補正を要さない気筒についてはステップＱ６でのプローブ先端押込み位置Ｌｐの演算データに基づいて、それぞれ摩擦撹拌処理が実行される。
【００７０】
図６は図１４と同一寸法のワークＷ１を上記実施例の方法により表面処理(但し、ステップＱ９の指令に基づく処理)したものであり、図７は図１５と同一寸法のワークＷ２を上記実施例の方法により表面処理(但し、ステップＱ９の指令に基づく処理)したものであり、図８は図１６と同一寸法のワークＷ３を示すが、ステップＱ８のＮＯ判定、ステップＱ１０のＮＯ判定を経て、ステップＱ１２で補正をかけて図９に示すように表面処理したものである。
【００７１】
図６、図７、図９の図中に数値を記載して示すようにショルダ底面押込み深さＤｓは０．５〜０．９７３mmの範囲となり、不足のない押込み量が確保でき、改質層深さの目安は２．６７６〜２．８８mmの範囲となり、安定した改善層深さを確保することができた。
【００７２】
このように上記実施例の表面処理方法は、金属製被処理物(シリンダヘッド１参照)の表面部１ａに、ＮＣ加工装置８に装着した回転工具７のプローブ１２を押込みつつショルダ部１１で表面部１ａを押圧することにより摩擦撹拌処理を施し、改質層を形成する表面処理方法であって、上記回転工具７を押込み方向に一定の送り量で金属製被処理物(シリンダヘッド１参照)の表面部１ａに押込み摩擦撹拌処理するに際し、該金属製被処理物(シリンダヘッド１参照)の表面部高さ(ワーク高さＦ参照)および加工基準面高さＳを計測し(ステップＱ２，Ｑ３参照)、これら計測値と回転工具７の形状データとによりショルダ部１１の押込み深さ(ショルダ底面押込み深さＤｓ参照)を算出し(ステップＱ７参照)、該押込み深さＤｓの値と未充填欠陥発生回避可能な深さ基準値(下限値Ｓtd参照)とを比較し(ステップＱ８参照)、この比較により押込み深さＤｓの値が未充填欠陥発生回避可能な深さ基準値(下限値Ｓtd参照)より大きい時(ステップＱ８のＹＥＳ判定参照)に、上記金属製被処理物(シリンダヘッド１参照)の表面部１ａに回転工具７の摩擦撹拌処理を施すものである。
【００７３】
この構成によれば、まず金属製被処理物(シリンダヘッド１参照)の表面部高さ(ワーク高さＦ参照)、加工基準面高さＳが計測され、この計測値と回転工具７の形状データとからショルダ部１１の押込み深さＤｓが求められ、次に押込み深さＤｓの値と未充填欠陥(いわゆる欠肉)の発生を回避可能な深さ基準値(下限値Ｓtd参照)との比較によって、押込み深さＤｓの値が大きい時に摩擦撹拌処理が実行される。
【００７４】
この結果、金属製被処理物(シリンダヘッド１参照)に仮に寸法ばらつきがあっても、回転工具７のショルダ部１１の押込み不足がなく、該押込み不足に起因する未充填欠陥(いわゆる欠肉)の発生が防止できると共に、安定した改質層の深さを確保することができる。
【００７５】
また、上記比較(ステップＱ８参照)により押込み深さＤｓの値が未充填欠陥発生回避可能な深さ基準値(下限値Ｓtd参照)より小さい時には、回転工具７の一定の送り量に補正量(Ｓtd−Ｄsi参照)を加算し、この加算した送り量より再度ショルダ部の押込み深さＤｓを算出し、この押込み深さＤｓの値と表面部高さ(ワーク高さＦ参照)および加工基準面高さＳにより算出される仕上げ加工代(仕上げ取り代α参照)の値により摩擦撹拌処理後の表面凹凸を仕上げ加工で除去できるか否かを判定し、除去できる際には上記金属製被処理物(シリンダヘッド１参照)の表面部１ａに回転工具７の摩擦撹拌処理を施し、除去できない際には摩擦撹拌処理を中止するものである。
【００７６】
この構成によれば、ショルダ部１１の押込み深さＤｓの値が未充填欠陥発生回避可能な深さ基準値(下限値Ｓtd参照)よりも小さい場合に、まず回転工具７の一定の送り量に対して補正量(Ｓtd−Ｄsi参照)を加算して、この加算した送り量により再びショルダ部１１の押込み深さＤｓを求め、求められた押込み深さＤｓの値と仕上げ加工代(仕上げ取り代α参照)の値とから表面凹凸が仕上げ加工時に除去できるか否かを判定して、除去可能時には補正量加算条件下で回転工具７にて摩擦撹拌処理を実行し、除去不可能時には摩擦撹拌処理を中止(または禁止)して、例えばワークの払出しを行なう。
【００７７】
この結果、補正量(Ｓtd−Ｄsi参照)の加算により表面凹凸の除去が可能な金属製被処理物(シリンダヘッド１参照)についてのみ摩擦撹拌処理を行ない、補正をかけても表面凹凸の除去ができない金属製被処理物の寸法ＮＧ品については摩擦撹拌処理を行なわないので、製造品質の安定化を図ることができる。
【００７８】
しかも、上記金属製被処理物(シリンダヘッド１参照)の表面部高さ(ワーク高さＦ参照)および加工基準面高さＳを複数箇所で計測し、各測定箇所の測定値と回転工具７の形状データ(プローブ長Ｌ参照)によりショルダ部１１の押込み深さＤｓを各測定箇所毎に算出するものである。
【００７９】
この構成によれば、複数箇所を計測することにより、金属製被処理物(シリンダヘッド１参照)の長さ方向(気筒列方向参照)の寸法ばらつきに対応した適正な計測、並びに各測定箇所毎の適正な評価と、評価に応じた処理を行なうことができる。
つまり、１つの測定箇所のみでは正確な判断、評価ができないので、複数箇所の計測および各測定箇所毎の算出を実行するものである。
【００８０】
さらに、上記金属製被処理物をディーゼルエンジンのシリンダヘッド１に設定し、上記シリンダヘッド１の吸排気口間(吸排気ポート２，３間のバルブブリッジ部参照)に改質層を形成するものである。
【００８１】
この構成によれば、ディーゼルエンジンのシリンダヘッド１の寸法ばらつきに関わらず、回転工具７のショルダ部１１の押込み不足による未充填欠陥の発生が防止でき、安定した改質層の深さを確保することができる。
特に、繰り返し応力が付勢される吸排気口間(吸排気ポート２，３間参照)いわゆるバルブブリッジ部の熱疲労強度を高めることができる。
【００８２】
上記実施例の表面処理装置は、金属製被処理物(シリンダヘッド１参照)の表面部１ａに、ＮＣ加工装置８に装着した回転工具７のプローブ１２を押込みつつショルダ部１１で表面部１ａを押圧することにより摩擦撹拌処理を施し、改質層を形成する表面処理装置であって、上記金属製被処理物(シリンダヘッド１参照)の表面部高さ(ワーク高さＦ参照)および加工基準面高さＳを計測する計測手段(センサ１３，１４参照)と、上記計測手段(センサ１３，１４参照)で計測された計測値と回転工具７の形状データ(プローブ長Ｌ参照)とによりショルダ部１１の押込み深さ(ショルダ底面押込み深さＤｓ参照)を算出する算出手段(ステップＱ７参照)と、上記押込み深さＤｓの値と未充填欠陥発生回避可能な深さ基準値(下限値Ｓtd参照)とを比較する比較手段(ステップＱ８参照)と、上記比較手段(ステップＱ８参照)の比較結果に基づいて押込み深さＤｓの値が未充填欠陥発生回避可能な深さ基準値(下限値Ｓtd参照)より大きい時(ステップＱ８のＹＥＳ判定時参照)に、上記金属製被処理物(シリンダヘッド１参照)の表面部１ａに回転工具７の摩擦撹拌処理を施すものである。
【００８３】
この構成によれば、上記計測手段(センサ１３，１４参照)で、まず金属製被処理物(シリンダヘッド１参照)の表面部高さ(ワーク高さＦ参照)、加工基準面高さＳが計測され、上述の算出手段(ステップＱ７参照)で、計測値と回転工具７の形状データとからショルダ部１１の押込み深さＤｓが求められ、次に比較手段(ステップＱ８参照)で、押込み深さＤｓの値と未充填欠陥(いわゆる欠肉)の発生を回避可能な深さ基準値(下限値Ｓtd参照)とが比較され、この比較結果により押込み深さＤｓの値が大きい時に摩擦撹拌処理が実行される。
【００８４】
この結果、金属製被処理物(シリンダヘッド１参照)の寸法ばらつきに関わらず、回転工具７のショルダ部１１の押込み不足がなく、該押込み不足に起因する未充填欠陥(いわゆる欠肉)の発生が防止できると共に、安定した改質層の不可を確保することができる。
【００８５】
また、回転工具７の一定の送り量に補正量(Ｓtd−Ｄsi参照)を加算し、この加算した送り量より再度ショルダ部１１の押込み深さＤｓを算出する演算手段(ステップＱ１２参照)を設け、上記比較手段(ステップＱ８参照)の比較結果に基づいて押込み深さＤｓの値が未充填欠陥発生回避可能な深さ基準値(下限値Ｓtd参照)より小さい時(ステップＱ８のＮＯ判定参照)には、上記演算手段(ステップＱ１２参照)で再度ショルダ部１１の押込み深さＤｓを算出し、この押込み深さＤｓの値と表面部高さ(ワーク高さＦ参照)および加工基準面高さＳにより算出される仕上げ加工代(仕上げ取り代α参照)の値により摩擦撹拌処理後の表面凹凸を仕上げ加工で除去できるか否かを判定する判定手段(ステップＱ１０参照)を設け、上記判定手段(ステップＱ１０参照)の判定結果に基づいて除去できる時には、上記金属製被処理物(シリンダヘッド１参照)の表面部１ａに回転工具７の摩擦撹拌処理を施し、除去できない時には、摩擦撹拌処理を中止するものである。
【００８６】
この構成によれば、ショルダ部１１の押込み深さＤｓの値が未充填欠陥発生回避可能な深さ基準値(下限値Ｓtd参照)よりも小さい時には、上述の演算手段(ステップＱ１２参照)で、回転工具７の一定の送り量に補正量(Ｓtd−Ｄsi参照)を加算し、この加算した送り量により再びショルダ部１１の押込み深さＤｓを求め、次に判定手段(ステップＱ１０参照)で、押込み深さＤｓの値と仕上げ加工代(仕上げ取り代α参照)の値とから表面凹凸が仕上げ加工時に除去できるか否かを判定し、判定結果に基づいて表面凹凸の除去可能時には補正量加算条件下で回転工具７にて摩擦撹拌処理を実行し、表面凹凸の除去不可能時には摩擦撹拌処理を中止(または禁止)して、例えばワークの払出しを行なう。
【００８７】
この結果、補正量の加算により表面凹凸の除去が可能な金属製被処理物(シリンダヘッド１参照)についてのみ摩擦撹拌処理を行ない、補正をかけても表面凹凸の除去ができない金属製被処理物(シリンダヘッド１参照)の寸法ＮＧ品については摩擦撹拌処理を行なわないので、製造品質の安定化を図ることができる。
【００８８】
しかも、上記金属製被処理部をディーゼルエンジンのシリンダヘッド１に設定し、上記表面部高さ(ワーク高さＦ参照)および加工基準面高さＳを気筒列方向に離間する複数箇所で計測すべく構成したものである。
【００８９】
この構成によれば、表面部高さ(ワーク高さＦ参照)、加工基準面高さＳは気筒列方向に離間する複数の箇所が計測されるので、シリンダヘッド１の寸法正常品(但し、補正をかけて表面凹凸が除去できるワークを含む)について摩擦撹拌処理を実行した時、各気筒において良好な改質層が得られる。
【００９０】
なお、図５に示すフローチャートにおいて、ステップＱ１０で上述の判定手段と演算手段とを兼ねるように構成してもよい。
【００９１】
図１０は回転工具の他の実施例を示し、図２で示した先の実施例においてはプローブ１２の外周部に左ネジ部を形成したが、図１０に示すこの実施例では円柱形状のプローブ１２と成したものである。
【００９２】
図１１は回転工具のさらに他の実施例を示し、この実施例では先端部が半球状の曲面形状に形成されたプローグ１２と成したものである。
このように構成しても、上述の表面処理方法およびその装置により、先の実施例とほぼ同様の作用、効果を奏するので、図１０、図１１において前図と同一の部分には同一符号を付して、その詳しい説明を省略する。
【００９３】
この発明の構成と、上述の実施例との対応において、
この発明の金属製被処理物は、実施例のアルミ合金製のシリンダヘッド１に対応し、
以下同様に、
加工装置は、ＮＣ加工装置８に対応し、
表面部高さは、ワーク高さＦに対応し、
ショルダ部の押込み深さは、ショルダ底面押込み深さＤｓに対応し、
未充填欠陥発生回避可能な深さ基準値は、下限値Ｓtdに対応し、
補正量は、Ｓtd−Ｄsiに対応し、
仕上げ加工代は、仕上げ取り代αに対応し、
回転工具の形状データは、プローグ長Ｌなどに対応し、
吸排気口間は、吸排気ポート２，３間のバルブブリッジ部に対応し、
計測手段は、センサ１３，１４に対応し、
算出手段は、ＣＰＵ２０制御によるステップＱ７に対応し、
比較手段は、ステップＱ８に対応し、
演算手段は、ステップＱ１２に対応し、
判定手段は、ステップＱ１０に対応するも、
この発明は、上述の実施例の構成のみに限定されるものではない。
【００９４】
【発明の効果】
この発明によれば、金属製被処理物の寸法ばらつきに関わらず、回転工具のショルダ部の押込み不足による未充填欠陥(いわゆる欠肉)の発生が防止できると共に、安定した改質層の深さを確保することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 金属製被処理物の一例を示すシリンダヘッドの平面図。
【図２】 回転工具の側面図。
【図３】 ワークと回転工具との関係を示す説明図。
【図４】 本発明の表面処理装置を示すブロック図。
【図５】 本発明の表面処理方法を示すフローチャート。
【図６】 上記方法により処理された仕上げ加工前のワーク寸法を示す説明図。
【図７】 上記方法により処理された仕上げ加工前のワーク寸法を示す説明図。
【図８】 補正量加算前のワーク寸法を示す説明図。
【図９】 補正量加算後のワーク寸法を示す説明図。
【図１０】 回転工具の他の実施例を示す側面図。
【図１１】 回転工具のさらに他の実施例を示す側面図。
【図１２】 摩擦撹拌処理法の説明図。
【図１３】 シリンダヘッドを燃焼室側から見た状態を示す平面図。
【図１４】 従来方法によるショルダ底面押込み深さと改質層深さ目安のばらつきを示す説明図。
【図１５】 従来方法によるショルダ底面押込み深さと改質層深さ目安のばらつきを示す説明図。
【図１６】 従来方法によるショルダ底面押込み深さと改質層深さ目安のばらつきを示す説明図。
【符号の説明】
１…シリンダヘッド(金属製被処理物)
１ａ…表面部
２…吸気ポート
３…排気ポート
７…回転工具
８…ＮＣ加工装置(加工装置)
１１…ショルダ部
１１ａ…ショルダ底面
１２…プローブ
１３…ワーク高さ検知センサ(計測手段)
１４…基準面高さ検知センサ(計測手段)
Ｑ７…算出手段
Ｑ８…比較手段
Ｑ１０…判定手段
Ｑ１２…演算手段
Ｆ…ワーク高さ(表面部高さ)
Ｓ…加工基準面高さ
Ｌ…プローブ長(回転工具の形状データ)
Ｄｓ…ショルダ底面押込み深さ(ショルダ部の押込み深さ)
【発明の属する技術分野】
この発明は、ディーゼルエンジンのシリンダヘッドなどの金属鋳造製被処理物(いわゆるワーク)の表面部に、加工装置に装着した回転工具先端のプローブを押込みつつ、ショルダ部で表面部を押圧することにより摩擦撹拌処理を施し、改質層を形成して、熱疲労強度を高めるような表面処理方法および表面処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、アルミニウム、アルミ合金、マグネシウム、マグネシウム合金などの軽金属や軽合金からなる金属製被処理物(いわゆるワーク)の表面処理方法としては、図１２に示すように加工装置に装着されて高速で回転する回転工具８０のプローブ８１を上記金属製被処理物８２の表面部８２ａに押込みつつ、ショルダ部８３で表面部８２ａを押圧し、このような押圧状態を保ちながら回転工具８０を表面に沿って移動させることで、金属製被処理物８２の表面およびその近傍領域を改質して、改質層８４を形成し、機械的特性、特に熱疲労強度の向上を図る、所謂、摩擦撹拌処理が知られている。
【０００３】
例えば、特開２０００−１５４２６号公報には、エンジンのアルミ合金製シリンダヘッドのシリンダブロックに対するシール面(合わせ面)の表面処理に、上述のような摩擦撹拌処理を適用することが開示されている。
【０００４】
また、特開２００１−３２０５８号公報には、ディーゼルエンジンのアルミ合金製のシリンダヘッドにおける燃焼室構成面に上述の如き摩擦撹拌処理を適用することが開示されている。
【０００５】
上述の摩擦撹拌処理法では、高速で回転する回転工具８０を金属製被処理物８２の表面に当接させ押圧することで、その際に生じる摩擦熱とプローブ８１の撹拌作用により、部材表面の回転工具８０当接部分およびその近傍領域を軟化させて塑性流動を生じさせる。そして、この塑性状態の材料部分(塑性流動層)が非溶融状態で撹拌されることにより、該部材の表面およびその近傍領域が改質される。
【０００６】
アルミ合金などの軽合金製鋳造部材の表面部に、この摩擦撹拌処理による表面改質処理を施すと、表面部の金属組織が微細化され、また鋳巣などによる内部未充填欠陥を大幅に低減することができ、伸び、靱性などの機械的特性、並びに疲れ強さ(熱疲労強度)の向上を図ることができる。
【０００７】
特にディーゼルエンジンのシリンダヘッドにおける吸排気ポート間のバルブブリッジ部は、エンジン駆動時の気筒での燃焼による体積膨張と停止時の冷却による体積収縮とを繰り返して、この繰り返し応力が付勢されるので、熱疲労によるクラックが発生しやすい部位であり、このような部位に上述の摩擦撹拌処理を施して、その熱疲労強度を高めることは極めて有効である。
【０００８】
そこで、従来においては、金属製被処理物(いわゆるワーク)の表面に対して回転工具８０のプローブ８１先端の押込み深さ(位置)を一定にして、ショルダ部８３の底面の押込み深さ(ショルダ底面押込み深さ)を一定値以上にする処理方法が採用されているが、ワークの寸法ばらつきによって上述のプローブ先端押込み深さ、ショルダ底面押込み深さが変動するので、押込み不足による未充填欠陥(いわゆる欠肉)が発生し、また改質層の深さが変動して不安定なものとなる問題点があった。
【０００９】
以下、この問題点について、直列４気筒ディーゼルエンジンのシリンダヘッドの改質を例示して説明する。
図１３はシリンダヘッド８５を燃焼室側から見た状態で示す平面図であって、８６は吸気ポート、８７は排気ポート、８９はウォータジャケットの開口部、９０，９１は摩擦撹拌処理後において仕上げ加工を施す際の基準面となる基準穴、Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３，Ｐ１４は各気筒においてバルブブリッジ部を摩擦撹拌処理するための開始ポイント、Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３は開始ポイントＰ１１，Ｐ１２，Ｐ１３，Ｐ１４における気筒列方向の離間距離である。
【００１０】
また図１４、図１５、図１６は寸法に若干の差異(つまり寸法ばらつき)があるシリンダヘッド８５としてのそれぞれのワークＷ１，Ｗ２，Ｗ３を示し、図示の上側が摩擦撹拌処理される燃焼室側の面であり、図示の下側がＮＣ加工装置に上載固定されて加工基準面となるシリンダヘッドカバー側の面である。
【００１１】
そこで、プローグ先端押込み位置Ｌｐが例えば２０．３１７mmの一定の値になるように回転工具８０を各ワークＷ１，Ｗ２，Ｗ３に押込みつつ、ショルダ部８３で各ワークＷ１，Ｗ２，Ｗ３の表面部を押圧して、摩擦撹拌処理が施される。
【００１２】
しかし、ワーク寸法にばらつきがあるため、上述のプローブ先端押込み位置Ｌｐを一定に保っても、ワーク表面とショルダ部８３の底面との間の寸法に相当するショルダ底面押込み深さＤｓは図中に数値を記載した如く０．４１９〜１．３３３１mmの範囲で変動し、摩擦撹拌処理後の表面凹凸を仕上げ加工で除去する際の基準穴９０，９１の穴底面とプローブ８１先端との間の深さに相当する改質層深さの目安は２．２４１〜３．６０９mmの範囲で変動し、これらの変動はそれぞれの開始ポイントＰ１１，Ｐ１２，Ｐ１３，Ｐ１４間のみならず、各ワークＷ１，Ｗ２，Ｗ３間でも変動するので、ショルダ底面押込み深さＤｓ(撹拌された材料を拘束して表面に浮き出ないようにするための重要な深さ)の不足によって未充填欠陥(いわゆる欠肉)が発生し、また改質層の深さが変動して不安定なものとなる問題点があった。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、金属鋳造製被処理物の寸法ばらつきに関わらず、回転工具のショルダ部の押込み不足による未充填欠陥(いわゆる欠肉)の発生が防止できると共に、安定した改質層の深さを確保することができる表面処理方法および表面処理装置の提供を目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
この発明による表面処理方法は、金属鋳造製被処理物の表面部に、加工装置に装着した回転工具のプローブを押込みつつショルダ部で表面部を押圧することにより摩擦撹拌処理を施し、改質層を形成する表面処理方法であって、上記回転工具を押込み方向に一定の送り量で金属鋳造製被処理物の表面部に押込み摩擦撹拌処理するに際し、該金属鋳造製被処理物の表面部高さおよび仕上げ加工を施す際の基準面となる加工基準面高さを計測し、これら計測値と回転工具の形状データとによりショルダ部の押込み深さを算出し、該押込み深さの値と未充填欠陥発生回避可能な深さ基準値とを比較し、この比較により押込み深さの値が未充填欠陥発生回避可能な深さ基準値より大きい時には、上記金属鋳造製被処理物の表面部に回転工具の摩擦撹拌処理を施し、上記比較により押込み深さの値が未充填欠陥発生回避可能な深さ基準値より小さい時には、回転工具の一定の送り量に上記深さ基準値と上記押込み深さの値に基づいて算出した補正量を加算し、この加算した送り量より再度ショルダ部の押込み深さを算出し、この押込み深さの値と表面部高さおよび上記加工基準面高さにより算出される仕上げ加工代の値により摩擦撹拌処理後の表面凹凸を仕上げ加工で除去できるか否かを判定し、除去できる際には上記金属鋳造製被処理物の表面部に回転工具の摩擦撹拌処理を施し、除去できない際には摩擦撹拌処理を中止するものである。
【００１５】
上記構成の金属鋳造製被処理物の表面部高さは、ワークの底面と上面との間の高さに設定することができ、加工基準面高さはワークの底面と基準穴の穴底面との間の高さに設定することができ、回転工具の形状データはプローブ長に設定することができ、未充填欠陥発生回避可能な深さ基準値はショルダ底面押込み深さの下限値に設定することができる。
【００１６】
上記構成によれば、まず金属鋳造製被処理物(いわゆるワーク)の表面部高さ、加工基準面高さが計測され、この計測値と回転工具の形状データとからショルダ部の押込み深さが求められ、次に押込み深さの値と未充填欠陥(いわゆる欠肉)の発生を回避可能な深さ基準値との比較によって、押込み深さの値が大きい時に摩擦撹拌処理が実行される。
【００１７】
この結果、金属鋳造製被処理物に仮に寸法ばらつきがあっても、回転工具のショルダ部の押込み不足がなく、該押込み不足に起因する未充填欠陥の発生が防止できると共に、安定した改質層の深さを確保することができる。
【００１８】
さらに、上記比較により押込み深さの値が未充填欠陥発生回避可能な深さ基準値より小さい時には、回転工具の一定の送り量に補正量を加算し、この加算した送り量より再度ショルダ部の押込み深さを算出し、この押込み深さの値と表面部高さおよび加工基準面高さにより算出される仕上げ加工代の値により摩擦撹拌処理後の表面凹凸を仕上げ加工で除去できるか否かを判定し、除去できる際には上記金属鋳造製被処理物の表面部に回転工具の摩擦撹拌処理を施し、除去できない際には摩擦撹拌処理を中止するものである。
【００１９】
上記構成の仕上げ加工代の値は、摩擦撹拌処理後の表面凹凸(荒残り)を仕上げ加工によって除去する荒残り回避可能な仕上げ取り代の値に設定することができる。
【００２０】
上記構成によれば、ショルダ部の押込み深さの値が未充填欠陥発生回避可能な深さ基準値よりも小さい場合に、まず回転工具の一定の送り量に対して深さ基準値と押込み深さの値に基づいて算出した補正量を加算して、この加算した送り量により再びショルダ部の押込み深さを求め、求められた押込み深さの値と仕上げ加工代の値とから表面凹凸が仕上げ加工時に除去できるか否かを判定して、除去可能時には補正量加算条件下で回転工具にて摩擦撹拌処理を実行し、除去不可能時には摩擦撹拌処理を中止(または禁止)して、例えばワークの払出しを行なう。
【００２１】
この結果、補正量の加算により表面凹凸の除去が可能な金属鋳造製被処理物についてのみ摩擦撹拌処理を行ない、補正をかけても表面凹凸の除去ができない金属鋳造製被処理物の寸法ＮＧ品については摩擦撹拌処理を行なわないので、製造品質の安定化を図ることができる。
【００２２】
この発明の一実施態様においては、上記金属鋳造製被処理物の表面部高さおよび加工基準面高さを複数箇所で計測し、各測定箇所の測定値と回転工具の形状データによりショルダ部の押込み深さを各測定箇所毎に算出するものである。
【００２３】
上記構成によれば、複数箇所を計測することにより、金属鋳造製被処理物の長さ方向の寸法ばらつきに対応した適正な計測、並びに各測定箇所毎の適正な評価と、評価に応じた処理を行なうことができる。
【００２４】
つまり、１つの測定箇所のみでは正確な判断、評価ができないので、複数箇所の計測および各測定箇所毎の算出を実行するものである。
【００２５】
この発明の一実施態様においては、上記金属鋳造製被処理物をディーゼルエンジンのシリンダヘッドに設定し、上記シリンダヘッドの吸排気口間に改質層を形成するものである。
【００２６】
上記構成によれば、ディーゼルエンジンのシリンダヘッドの寸法ばらつきに関わらず、回転工具のショルダ部の押込み不足による未充填欠陥の発生が防止でき、安定した改質層の深さを確保することができる。
特に、繰り返し応力が付勢される吸排気口間いわゆるバルブブリッジ部の熱疲労強度を高めることができる。
【００２７】
この発明による表面処理装置は、金属鋳造製被処理物の表面部に、加工装置に装着した回転工具のプローブを押込みつつショルダ部で表面部を押圧することにより摩擦撹拌処理を施し、改質層を形成する表面処理装置であって、上記金属鋳造製被処理物の表面部高さおよび仕上げ加工を施す際の基準面となる加工基準面高さを計測する計測手段を備え、上記計測手段で計測された計測値と回転工具の形状データとによりショルダ部の押込み深さを算出する算出手段と、上記押込み深さの値と未充填欠陥発生回避可能な深さ基準値とを比較する比較手段と、上記比較手段の比較結果に基づいて押込み深さの値が未充填欠陥発生回避可能な深さ基準値より小さい時には、回転工具の一定の送り量に上記深さ基準値と上記押込み深さの値に基づいて算出した補正量を加算し、この加算した送り量より再度ショルダ部の押込み深さを算出する演算手段と、この押込み深さの値と表面部高さおよび上記加工基準面高さにより算出される仕上げ加工代の値により摩擦撹拌処理後の表面凹凸を仕上げ加工で除去できるか否かを判定する判定手段とを備え、上記比較手段の比較結果に基づいて押込み深さの値が未充填欠陥発生回避可能な深さ基準値より大きい時、並びに、上記押込み深さの値が上記深さ基準値より小さい時であっても上記判定手段の判定結果に基づいて摩擦撹拌処理後の表面凹凸を仕上げ加工で除去できる時には、回転工具で摩擦撹拌処理を施し、除去できない時には、回転工具の摩擦撹拌処理を中止する加工装置の制御手段を備えたものである。
【００２８】
上記構成によれば、上記計測手段で、まず金属鋳造製被処理物(いわゆるワーク)の表面部高さ、加工基準面高さが計測され、上述の算出手段で、計測値と回転工具の形状データとからショルダ部の押込み深さが求められ、次に比較手段で、押込み深さの値と未充填欠陥(いわゆる欠肉)の発生を回避可能な深さ基準値とが比較され、この比較結果により押込み深さの値が大きい時に摩擦撹拌処理が実行される。
【００２９】
この結果、金属鋳造製被処理物の寸法ばらつきに関わらず、回転工具のショルダ部の押込み不足がなく、該押込み不足に起因する未充填欠陥の発生が防止できると共に、安定した改質層の不可を確保することができる。
【００３０】
さらに、上記比較手段の比較結果に基づいて押込み深さの値が未充填欠陥発生回避可能な深さ基準値より小さい時には、回転工具の一定の送り量に深さ基準値と押込み深さの値に基づいて算出した補正量を加算し、この加算した送り量より再度ショルダ部の押込み深さを算出する演算手段を設け、上記演算手段で再度ショルダ部の押込み深さを算出し、この押込み深さの値と表面部高さおよび加工基準面高さにより算出される仕上げ加工代の値により摩擦撹拌処理後の表面凹凸を仕上げ加工で除去できるか否かを判定する判定手段を設け、上記判定手段の判定結果に基づいて除去できる時には、上記金属鋳造製被処理物の表面部に回転工具の摩擦撹拌処理を施し、除去できない時には、摩擦撹拌処理を中止するものである。
【００３１】
上記構成によれば、ショルダ部の押込み深さの値が未充填欠陥発生回避可能な深さ基準値よりも小さい時には、上述の演算手段で、回転工具の一定の送り量に深さ基準値と押込み深さの値に基づいて算出した補正量を加算し、この加算した送り量により再びショルダ部の押込み深さを求め、次に判定手段で、押込み深さの値と仕上げ加工代の値とから表面凹凸が仕上げ加工時に除去できるか否かを判定し、判定結果に基づいて表面凹凸の除去可能時には補正量加算条件下で回転工具にて摩擦撹拌処理を実行し、表面凹凸の除去不可能時には摩擦撹拌処理を中止(または禁止)して、例えばワークの払出しを行なう。
【００３２】
この結果、補正量の加算により表面凹凸の除去が可能な金属鋳造製被処理物についてのみ摩擦撹拌処理を行ない、補正をかけても表面凹凸の除去ができない金属鋳造製被処理物の寸法ＮＧ品については摩擦撹拌処理を行なわないので、製造品質の安定化を図ることができる。
【００３３】
この発明の一実施態様においては、上記金属鋳造製被処理部をディーゼルエンジンのシリンダヘッドに設定し、上記表面部高さおよび加工基準面高さを気筒列方向に離間する複数箇所で計測すべく構成したものである。
【００３４】
上記構成によれば、表面部高さ、加工基準面高さは気筒列方向に離間する複数の箇所が計測されるので、シリンダヘッドの寸法正常品(但し、補正をかけて表面凹凸が除去できるワークを含む)について摩擦撹拌処理を実行した時、各気筒において良好な改質層が得られる。
【００３５】
【実施例】
この発明の一実施例を以下図面に基づいて詳述する。
図面は表面処理方法および表面処理装置を示すが、まず図１を参照して表面処理が施される金属製被処理物としてのアルミ合金製のシリンダヘッド(鋳造品ワーク)の構成について説明する。
【００３６】
図１はシリンダヘッド１を燃焼室側から見た状態で示す平面図であって、この直列４気筒タイプのディーゼルエンジンのシリンダヘッド１は各気筒毎に２つの吸気ポート２，２と、２つの排気ポート３，３とが形成されている。
【００３７】
また燃焼室側の表面部１ａには、内部のウォータジャケットと連通する開口部４が開口されると共に、摩擦撹拌処理後において仕上げ加工を施す際の基準面となる基準穴５Ａ，５Ｂがシリンダヘッド１の鋳造時に同時形成されている。
【００３８】
さらに、図１においてＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４は各気筒において吸排気ポート２，３間のバルブブリッジ部を摩擦撹拌処理するための開始ポイント、Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３は開始ポイントＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４における気筒列方向の離間距離である。
【００３９】
上述のシリンダヘッド１には摩擦撹拌処理の後に形成されるテンションボルト孔６…が設けられ、このテンションボルト孔６に挿通されるテンションボルト(図示せず)により、シリンダヘッド１とシリンダブロックとが締結される。
【００４０】
そこで、この実施例では上述の開始ポイントＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４から図１に矢印で示す処理経路に沿ってバルブブリッジ部を摩擦撹拌処理した後に、テンションボルト孔６の位置で該処理を終了するように設定している。
【００４１】
次に図２を参照して回転工具の具体的構成について説明する。
この回転工具７はＮＣ加工装置８(図４参照)の主軸９に取付けられて、高速で回転するものであり、シャンク１０の先端には表面部１ａを押圧するショルダ部１１と、このショルダ部１１に一体形成されてシリンダヘッド１の表面部１ａに押込まれてその表層部(表面乃至その近傍領域)を摩擦撹拌するプローブ１２とが設けられている。
【００４２】
上述のプローブ１２には左ネジ部が形成される一方、ショルダ底面１１ａとプローブ１２先端との間は所定のプローブ長Ｌに設定されている。
次に図３を参照して、シリンダヘッド１と回転工具７との相対関係、並びに、以下の説明に用いる各種符号の内容について説明する。
【００４３】
図３においてＦはシリンダヘッド１のヘッドカバー側の下面１ｂと燃焼室側の表面との間のワーク高さ(表面部高さ)、Ｓは基準穴５Ａ，５Ｂの底面とシリンダヘッド１の下面１ｂとの間の加工基準面高さ、Ｄｓはショルダ部１１の底面１１ａがシリンダヘッド１の表面からその内部に押込まれるショルダ底面押込み深さ(ショルダ部の押込み深さ)、Ｌｐはプローグ１２の先端とシリンダブロック１の下面１ｂとの間の高さに相当するプローブ先端押込み位置、δはシリンダブロック１の表面とプローブ１２の先端との間の深さに相当するプローブ先端押込み深さ基準位置である。
【００４４】
次に図４を参照して、表面処理装置の構成について説明する。
この表面処理装置は、シリンダヘッド１の表面部１ａに、ＮＣ加工装置８の主軸９に装着した回転工具７のプローブ１２を図３に示すように押込みつつ、ショルダ部１１で表面部１ａを押圧することにより摩擦撹拌処理を施して、改質層を形成する装置である。
【００４５】
この表面処理装置は、図４に示すように制御手段としてのＣＰＵ２０を備え、このＣＰＵ２０にはワーク高さ検知センサ１３、基準面高さ検知センサ１４、入力部１５、識別情報マーキング装置１６を接続している。
上述のワーク高さ検知センサ１３は接触タイプのダイヤルゲージまたは非接触タイプのレーザ変位計で構成され、図１に示す開始ポイントＰ１，Ｐ４部分のワーク高さＦ(図３参照)を実測する。
【００４６】
上述の基準面高さ検知センサ１４は接触タイプのダイヤルゲージまたは非接触タイプのレーザ変位計で構成され、図１に示す基準穴５Ａ，５Ｂ部分において加工基準面高さＳ(図３参照)を実測する。
上述の入力部１５はキーボード等により構成され、事前入力情報の入力処理に用いられる。
【００４７】
ここで、上述の事前入力情報は高さＦ，Ｓの測定位置、摩擦撹拌処理の開始ポイントＰ１〜Ｐ４の位置、回転工具７の形状データとしてのプローブ長Ｌ、プローブ先端押込み深さ基準位置δ(図３参照)、未充填欠陥発生回避可能なショルダ底面押込み深さＳtd(ショルダ底面押込み深さＤｓの下限値であるから、以下単に下限値と略記する)、摩擦撹拌処理後の表面凹凸を仕上げ加工時に除去する際の仕上げ加工代とての荒残り回避可能な仕上げ取り代αなどである。
【００４８】
上述のＣＰＵ２０は、ワーク高さ検知センサ１３、基準面高さ検知センサ１４、入力部１５からの必要な入力情報に基づいて、ＲＯＭ１７に格納されたプログラムに従って、ＮＣ加工装置８のシーケンサ１８、識別情報マーキング装置１６を駆動制御し、またＲＡＭ１９は必要なデータ等を記憶する。ここで、識別情報マーキング装置１６は後述する補正量を加算した値でシリンダヘッド１に摩擦撹拌処理を施す際に、この旨を認識できるようにシリンダヘッド１の所定部にマークを施すためのものである。
【００４９】
上述のＮＣ加工装置８は、シーケンサ１８、ＮＣコントローラ２１、Ｚ軸サーボモータ２２、Ｙ軸サーボモータ２３、Ｘ軸サーボモータ２４、主軸モータ２５、主軸９、回転工具７を有し、主軸モータ２５は主軸９を介して回転工具７を駆動し、Ｚ軸サーボモータ２２は回転工具７の上下方向(高さ方向)の位置制御を行ない、Ｙ軸サーボモータ２３およびＸ軸サーボモータ２４は摩擦撹拌処理の図１に示すような処理経路を得るために回転工具７の前後左右方向の位置制御を行なう。
【００５０】
また上述のＣＰＵ２０は計測手段としてのワーク高さ検知センサ１３、基準面高さ検知センサ１４で計測された計測値(ワーク高さＦ、加工基準面高さＳ参照)と、回転工具７の形状データ(プローブ長Ｌ参照)とにより、ショルダ底面押込み深さＤｓを算出する算出手段(図５に示すフローチャートのステップＱ７参照)と、
上述のショルダ底面押込み深さＤｓと下限値Ｓtdとを比較する比較手段(図５に示すフローチャートのステップＳ８参照)と、
を兼ね、
上記比較手段(ステップＱ８参照)の比較結果に基づいて、ショルダ底面押込み深さＤｓが下限値Ｓtdより大きい時(ステップＱ８のＹＥＳ判定参照)に、シリンダヘッド１の表面部１ａに回転工具の摩擦撹拌処理を施すように構成している。
【００５１】
さらに、上述のＣＰＵ２０は、回転工具７の一定の送り量に補正量を加算し、この加算した送り量より再度ショルダ底面押込み深さＤｓを算出する演算手段(図５に示すフローチャートのステップＱ１２参照)と、
このショルダ底面押込み深さＤｓとワーク高さＦおよび加工基準面高さＳにより算出される仕上げ加工代の値つまり仕上げ取り代αにより摩擦撹拌処理後の表面凹凸を仕上げ加工で除去できるか否かを判定する判定手段(図５に示すフローチャートのステップＱ１０参照)とを兼ね、
上述の比較手段(ステップＱ８参照)の比較結果に基づいて、ショルダ底面押込み深さＤｓが下限値Ｓtdより小さい時には、上記演算手段(ステップＱ１２参照)で再びショルダ底面押込み深さＤｓを算出し、
この補正量を加味したショルダ底面押込み深さＤｓと高さＦ，Ｓにより算出される仕上げ取り代αから表面凹凸を仕上げ加工で除去できるか否かを上述の判定手段(ステップＱ１０参照)で判定し、この判定結果に基づいて表面凹凸が除去できる時(ステップＱ１０のＮＯ判定参照)には、シリンダヘッド１の表面部１ａに回転工具７の摩擦撹拌処理を施し、
表面凹凸が除去できない時(ステップＱ１０のＹＥＳ判定参照)には、摩擦撹拌処理を中止するように構成している。
なお、上述のステップＱ１０は判定手段と演算手段とを兼ねるように構成してもよい。
【００５２】
しかも、この実施例では、シリンダヘッド１のワーク高さＦを図１に示す開始ポイントＰ１，Ｐ２の複数箇所で計測すると共に、シリンダヘッド１の加工基準面高さＳを図１に示す基準穴５Ａ，５Ｂの複数箇所で計測し、これら複数の測定箇所の測定値と回転工具７の形状データによりショルダ底面押込み深さＤｓを各気筒毎に算出すべく構成している。
ここで、上述のＣＰＵ２０、ＲＯＭ１７、ＲＡＭ１９および入力部１５に代えて、パーソナルコンピュータ等の他の手段を用いてもよいことは勿論である。
【００５３】
次に、図５に示すフローチャートを参照して、表面処理方法について説明する。
まず、ステップＱ１(事前情報入力手段)で、入力部１５の操作により各種の事前入力情報をＣＰＵ２０にインプットする。
【００５４】
つまり、高さＦ，Ｓの測定位置、摩擦撹拌処理の開始位置(図１に示す開始ポイントＰ１〜Ｐ４参照)、プローブ長Ｌ、プローブ先端押込み深さ基準位置δ、下限値Ｓtd、仕上げ取り代αの各情報を入力部１５からＣＰＵ２０に入力する。
【００５５】
次に、ステップＱ２で、ワーク高さ検知センサ１３により開始ポイントＰ１，Ｐ４のワーク高さＦを実測し、実測値をＣＰＵ２０に入力する。
次に、ステップＱ３で、基準面高さ検知センサ１４により基準穴５Ａ，５Ｂの部位における加工基準面高さＳを実測し、実測値をＣＰＵ２０に入力する。
【００５６】
次に、ステップＱ４で、ＣＰＵ２０は各開始ポイントＰ１〜Ｐ４におけるワーク高さＦを演算する。この場合、開始ポイントＰ１，Ｐ４のワーク高さＦについては実測値をそのまま用いてもよい。
【００５７】
次に、ステップＱ５で、ＣＰＵ２０は各開始ポイントＰ１〜Ｐ４における加工基準面高さＳを推定演算する。
次にステップＱ６で、ＣＰＵ２０は気筒毎のプローブ先端押込み位置Ｌｐを求める。
【００５８】
プローブ先端押込み位置の計算値Ｌpiは加工基準面高さの計算値Ｓｉにプローブ先端押込み深さ基準位置δを加算して求めることができる。ここで、上記計算値Ｌpiのｉは第１気筒の場合には第１気筒の位置Ｌｐを意味し、第２気筒の場合には第２気筒の位置Ｌｐを意味し、以下の説明に用いるｉについても同様である。
次に、ステップＱ７で、ＣＰＵ２０は気筒毎のショルダ底面押込み深さＤｓを求める。ショルダ底面押込み深さの計算値Ｄsiは次の[数１]により求める。
【００５９】
[数１]
Ｄsi＝Ｆｉ−Ｌpi−Ｌ
但し、Ｆｉはワーク高さの計算値
Ｌpiはプローブ先端押込み位置の計算値
Ｌはプローブ長
【００６０】
次に、ステップＱ８で、ＣＰＵ２０は上記演算により求められたショルダ底面押込み深さＤsiが未充填欠陥発生回避可能な深さの下限値Ｓtdよりも大きいか否かを判定し、ＹＥＳ判定時(ワーク寸法正常時)には次のステップＱ９に移行する一方、ＮＯ判定時(ワーク寸法ＮＧ時、但し、補正をかけることで荒残りが解消されるものを含む)には別のステップＱ１０に移行する。
【００６１】
上述のステップＱ９で、ＣＰＵ２０はステップＱ６で求められたプローブ先端押込み量Ｌpiを演算値として摩擦撹拌処理を施すようＮＣ加工装置８に指令を出力する。
一方、上述のステップＱ１０で、ＣＰＵ２０は荒残りするか否かを判定する。つまり、次に[数２]で示す値が零以上か否かで荒残りするか否かを判定する。
【００６２】
[数２]
（Ｓtd−Ｄsi＋α）−（Ｆｉ−Ｓｉ）
但し、Ｓtdは下限値
Ｄsiはショルダ底面押込み深さの計算値
αは荒残り回避可能な仕上げ取り代
Ｆｉはワーク高さの計算値
Ｓｉは加工基準面高さの計算値
ここで、（Ｓtd−Ｄsi＋α）−（Ｆｉ−Ｓｉ）＜０の時は荒残りし、
（Ｓtd−Ｄsi＋α）−（Ｆｉ−Ｓｉ）≧０の時には荒残りしない。
【００６３】
そして、上述のステップＱ１０で、荒残りすると判定された時(ＹＥＳ判定時)には次のステップＱ１１に移行し、荒残りしないと判定された時(ＮＯ判定時)には別のステップＱ１２に移行する。
【００６４】
上述のステップＱ１１で、ＣＰＵ２０はワーク寸法ＮＧ品に対応して、摩擦撹拌処理を中止とし、これに対応してワーク(シリンダヘッド１参照)の払出しを行なうようＮＣ加工装置８に指令を出力する。
【００６５】
一方、ステップＱ１２で、ＣＰＵ２０はショルダ底面の押込み深さＤｓが下限値Ｓtdによるように、プローブ先端の押込み位置Ｌｐを補正する。この補正は次の[数３]に基づいて実行する。
【００６６】
[数３]
補正後のプローブ先端押込み位置＝Ｌ pi −（Ｓ td −Ｄ si ）
但し、Ｌpiはプローブ先端押込み位置の計算値
Ｓtdは下限値
Ｄsiはショルダ底面押込み深さの計算値
【００６７】
次に、ステップＱ１３で、ＣＰＵ２０は補正量（Ｓtd−Ｄsi）を加算したことが認識されるように識別情報マーキング装置１６にてシリンダヘッド１に識別情報をマーキングするようＮＣ加工装置８に指令を出力する。
【００６８】
ＮＣ加工装置８では図５のフローチャートによる判定結果を受けて各気筒毎のワーク寸法ＯＫ品、補正により荒残りが回避できるワーク、ワーク寸法ＮＧ品にそれぞれ対応した処理を実行する。
【００６９】
例えば合計４気筒のうちの何れかの１つの気筒が寸法ＮＧである場合には、残りの３気筒の寸法が適正であっても、ワークは払い出し処理され、全気筒が寸法ＯＫである場合には、ステップＱ６でのプローブ先端押込み位置Ｌｐの演算データに基づいて摩擦撹拌処理が実行され、４気筒のうちの何れかの気筒が補正を要し、残りの気筒が補正を要さない場合には、補正を要する気筒についてはステップＱ１２で補正されたプローブ先端押込み位置Ｌｐの演算データに基づいて、また、補正を要さない気筒についてはステップＱ６でのプローブ先端押込み位置Ｌｐの演算データに基づいて、それぞれ摩擦撹拌処理が実行される。
【００７０】
図６は図１４と同一寸法のワークＷ１を上記実施例の方法により表面処理(但し、ステップＱ９の指令に基づく処理)したものであり、図７は図１５と同一寸法のワークＷ２を上記実施例の方法により表面処理(但し、ステップＱ９の指令に基づく処理)したものであり、図８は図１６と同一寸法のワークＷ３を示すが、ステップＱ８のＮＯ判定、ステップＱ１０のＮＯ判定を経て、ステップＱ１２で補正をかけて図９に示すように表面処理したものである。
【００７１】
図６、図７、図９の図中に数値を記載して示すようにショルダ底面押込み深さＤｓは０．５〜０．９７３mmの範囲となり、不足のない押込み量が確保でき、改質層深さの目安は２．６７６〜２．８８mmの範囲となり、安定した改善層深さを確保することができた。
【００７２】
このように上記実施例の表面処理方法は、金属製被処理物(シリンダヘッド１参照)の表面部１ａに、ＮＣ加工装置８に装着した回転工具７のプローブ１２を押込みつつショルダ部１１で表面部１ａを押圧することにより摩擦撹拌処理を施し、改質層を形成する表面処理方法であって、上記回転工具７を押込み方向に一定の送り量で金属製被処理物(シリンダヘッド１参照)の表面部１ａに押込み摩擦撹拌処理するに際し、該金属製被処理物(シリンダヘッド１参照)の表面部高さ(ワーク高さＦ参照)および加工基準面高さＳを計測し(ステップＱ２，Ｑ３参照)、これら計測値と回転工具７の形状データとによりショルダ部１１の押込み深さ(ショルダ底面押込み深さＤｓ参照)を算出し(ステップＱ７参照)、該押込み深さＤｓの値と未充填欠陥発生回避可能な深さ基準値(下限値Ｓtd参照)とを比較し(ステップＱ８参照)、この比較により押込み深さＤｓの値が未充填欠陥発生回避可能な深さ基準値(下限値Ｓtd参照)より大きい時(ステップＱ８のＹＥＳ判定参照)に、上記金属製被処理物(シリンダヘッド１参照)の表面部１ａに回転工具７の摩擦撹拌処理を施すものである。
【００７３】
この構成によれば、まず金属製被処理物(シリンダヘッド１参照)の表面部高さ(ワーク高さＦ参照)、加工基準面高さＳが計測され、この計測値と回転工具７の形状データとからショルダ部１１の押込み深さＤｓが求められ、次に押込み深さＤｓの値と未充填欠陥(いわゆる欠肉)の発生を回避可能な深さ基準値(下限値Ｓtd参照)との比較によって、押込み深さＤｓの値が大きい時に摩擦撹拌処理が実行される。
【００７４】
この結果、金属製被処理物(シリンダヘッド１参照)に仮に寸法ばらつきがあっても、回転工具７のショルダ部１１の押込み不足がなく、該押込み不足に起因する未充填欠陥(いわゆる欠肉)の発生が防止できると共に、安定した改質層の深さを確保することができる。
【００７５】
また、上記比較(ステップＱ８参照)により押込み深さＤｓの値が未充填欠陥発生回避可能な深さ基準値(下限値Ｓtd参照)より小さい時には、回転工具７の一定の送り量に補正量(Ｓtd−Ｄsi参照)を加算し、この加算した送り量より再度ショルダ部の押込み深さＤｓを算出し、この押込み深さＤｓの値と表面部高さ(ワーク高さＦ参照)および加工基準面高さＳにより算出される仕上げ加工代(仕上げ取り代α参照)の値により摩擦撹拌処理後の表面凹凸を仕上げ加工で除去できるか否かを判定し、除去できる際には上記金属製被処理物(シリンダヘッド１参照)の表面部１ａに回転工具７の摩擦撹拌処理を施し、除去できない際には摩擦撹拌処理を中止するものである。
【００７６】
この構成によれば、ショルダ部１１の押込み深さＤｓの値が未充填欠陥発生回避可能な深さ基準値(下限値Ｓtd参照)よりも小さい場合に、まず回転工具７の一定の送り量に対して補正量(Ｓtd−Ｄsi参照)を加算して、この加算した送り量により再びショルダ部１１の押込み深さＤｓを求め、求められた押込み深さＤｓの値と仕上げ加工代(仕上げ取り代α参照)の値とから表面凹凸が仕上げ加工時に除去できるか否かを判定して、除去可能時には補正量加算条件下で回転工具７にて摩擦撹拌処理を実行し、除去不可能時には摩擦撹拌処理を中止(または禁止)して、例えばワークの払出しを行なう。
【００７７】
この結果、補正量(Ｓtd−Ｄsi参照)の加算により表面凹凸の除去が可能な金属製被処理物(シリンダヘッド１参照)についてのみ摩擦撹拌処理を行ない、補正をかけても表面凹凸の除去ができない金属製被処理物の寸法ＮＧ品については摩擦撹拌処理を行なわないので、製造品質の安定化を図ることができる。
【００７８】
しかも、上記金属製被処理物(シリンダヘッド１参照)の表面部高さ(ワーク高さＦ参照)および加工基準面高さＳを複数箇所で計測し、各測定箇所の測定値と回転工具７の形状データ(プローブ長Ｌ参照)によりショルダ部１１の押込み深さＤｓを各測定箇所毎に算出するものである。
【００７９】
この構成によれば、複数箇所を計測することにより、金属製被処理物(シリンダヘッド１参照)の長さ方向(気筒列方向参照)の寸法ばらつきに対応した適正な計測、並びに各測定箇所毎の適正な評価と、評価に応じた処理を行なうことができる。
つまり、１つの測定箇所のみでは正確な判断、評価ができないので、複数箇所の計測および各測定箇所毎の算出を実行するものである。
【００８０】
さらに、上記金属製被処理物をディーゼルエンジンのシリンダヘッド１に設定し、上記シリンダヘッド１の吸排気口間(吸排気ポート２，３間のバルブブリッジ部参照)に改質層を形成するものである。
【００８１】
この構成によれば、ディーゼルエンジンのシリンダヘッド１の寸法ばらつきに関わらず、回転工具７のショルダ部１１の押込み不足による未充填欠陥の発生が防止でき、安定した改質層の深さを確保することができる。
特に、繰り返し応力が付勢される吸排気口間(吸排気ポート２，３間参照)いわゆるバルブブリッジ部の熱疲労強度を高めることができる。
【００８２】
上記実施例の表面処理装置は、金属製被処理物(シリンダヘッド１参照)の表面部１ａに、ＮＣ加工装置８に装着した回転工具７のプローブ１２を押込みつつショルダ部１１で表面部１ａを押圧することにより摩擦撹拌処理を施し、改質層を形成する表面処理装置であって、上記金属製被処理物(シリンダヘッド１参照)の表面部高さ(ワーク高さＦ参照)および加工基準面高さＳを計測する計測手段(センサ１３，１４参照)と、上記計測手段(センサ１３，１４参照)で計測された計測値と回転工具７の形状データ(プローブ長Ｌ参照)とによりショルダ部１１の押込み深さ(ショルダ底面押込み深さＤｓ参照)を算出する算出手段(ステップＱ７参照)と、上記押込み深さＤｓの値と未充填欠陥発生回避可能な深さ基準値(下限値Ｓtd参照)とを比較する比較手段(ステップＱ８参照)と、上記比較手段(ステップＱ８参照)の比較結果に基づいて押込み深さＤｓの値が未充填欠陥発生回避可能な深さ基準値(下限値Ｓtd参照)より大きい時(ステップＱ８のＹＥＳ判定時参照)に、上記金属製被処理物(シリンダヘッド１参照)の表面部１ａに回転工具７の摩擦撹拌処理を施すものである。
【００８３】
この構成によれば、上記計測手段(センサ１３，１４参照)で、まず金属製被処理物(シリンダヘッド１参照)の表面部高さ(ワーク高さＦ参照)、加工基準面高さＳが計測され、上述の算出手段(ステップＱ７参照)で、計測値と回転工具７の形状データとからショルダ部１１の押込み深さＤｓが求められ、次に比較手段(ステップＱ８参照)で、押込み深さＤｓの値と未充填欠陥(いわゆる欠肉)の発生を回避可能な深さ基準値(下限値Ｓtd参照)とが比較され、この比較結果により押込み深さＤｓの値が大きい時に摩擦撹拌処理が実行される。
【００８４】
この結果、金属製被処理物(シリンダヘッド１参照)の寸法ばらつきに関わらず、回転工具７のショルダ部１１の押込み不足がなく、該押込み不足に起因する未充填欠陥(いわゆる欠肉)の発生が防止できると共に、安定した改質層の不可を確保することができる。
【００８５】
また、回転工具７の一定の送り量に補正量(Ｓtd−Ｄsi参照)を加算し、この加算した送り量より再度ショルダ部１１の押込み深さＤｓを算出する演算手段(ステップＱ１２参照)を設け、上記比較手段(ステップＱ８参照)の比較結果に基づいて押込み深さＤｓの値が未充填欠陥発生回避可能な深さ基準値(下限値Ｓtd参照)より小さい時(ステップＱ８のＮＯ判定参照)には、上記演算手段(ステップＱ１２参照)で再度ショルダ部１１の押込み深さＤｓを算出し、この押込み深さＤｓの値と表面部高さ(ワーク高さＦ参照)および加工基準面高さＳにより算出される仕上げ加工代(仕上げ取り代α参照)の値により摩擦撹拌処理後の表面凹凸を仕上げ加工で除去できるか否かを判定する判定手段(ステップＱ１０参照)を設け、上記判定手段(ステップＱ１０参照)の判定結果に基づいて除去できる時には、上記金属製被処理物(シリンダヘッド１参照)の表面部１ａに回転工具７の摩擦撹拌処理を施し、除去できない時には、摩擦撹拌処理を中止するものである。
【００８６】
この構成によれば、ショルダ部１１の押込み深さＤｓの値が未充填欠陥発生回避可能な深さ基準値(下限値Ｓtd参照)よりも小さい時には、上述の演算手段(ステップＱ１２参照)で、回転工具７の一定の送り量に補正量(Ｓtd−Ｄsi参照)を加算し、この加算した送り量により再びショルダ部１１の押込み深さＤｓを求め、次に判定手段(ステップＱ１０参照)で、押込み深さＤｓの値と仕上げ加工代(仕上げ取り代α参照)の値とから表面凹凸が仕上げ加工時に除去できるか否かを判定し、判定結果に基づいて表面凹凸の除去可能時には補正量加算条件下で回転工具７にて摩擦撹拌処理を実行し、表面凹凸の除去不可能時には摩擦撹拌処理を中止(または禁止)して、例えばワークの払出しを行なう。
【００８７】
この結果、補正量の加算により表面凹凸の除去が可能な金属製被処理物(シリンダヘッド１参照)についてのみ摩擦撹拌処理を行ない、補正をかけても表面凹凸の除去ができない金属製被処理物(シリンダヘッド１参照)の寸法ＮＧ品については摩擦撹拌処理を行なわないので、製造品質の安定化を図ることができる。
【００８８】
しかも、上記金属製被処理部をディーゼルエンジンのシリンダヘッド１に設定し、上記表面部高さ(ワーク高さＦ参照)および加工基準面高さＳを気筒列方向に離間する複数箇所で計測すべく構成したものである。
【００８９】
この構成によれば、表面部高さ(ワーク高さＦ参照)、加工基準面高さＳは気筒列方向に離間する複数の箇所が計測されるので、シリンダヘッド１の寸法正常品(但し、補正をかけて表面凹凸が除去できるワークを含む)について摩擦撹拌処理を実行した時、各気筒において良好な改質層が得られる。
【００９０】
なお、図５に示すフローチャートにおいて、ステップＱ１０で上述の判定手段と演算手段とを兼ねるように構成してもよい。
【００９１】
図１０は回転工具の他の実施例を示し、図２で示した先の実施例においてはプローブ１２の外周部に左ネジ部を形成したが、図１０に示すこの実施例では円柱形状のプローブ１２と成したものである。
【００９２】
図１１は回転工具のさらに他の実施例を示し、この実施例では先端部が半球状の曲面形状に形成されたプローグ１２と成したものである。
このように構成しても、上述の表面処理方法およびその装置により、先の実施例とほぼ同様の作用、効果を奏するので、図１０、図１１において前図と同一の部分には同一符号を付して、その詳しい説明を省略する。
【００９３】
この発明の構成と、上述の実施例との対応において、
この発明の金属製被処理物は、実施例のアルミ合金製のシリンダヘッド１に対応し、
以下同様に、
加工装置は、ＮＣ加工装置８に対応し、
表面部高さは、ワーク高さＦに対応し、
ショルダ部の押込み深さは、ショルダ底面押込み深さＤｓに対応し、
未充填欠陥発生回避可能な深さ基準値は、下限値Ｓtdに対応し、
補正量は、Ｓtd−Ｄsiに対応し、
仕上げ加工代は、仕上げ取り代αに対応し、
回転工具の形状データは、プローグ長Ｌなどに対応し、
吸排気口間は、吸排気ポート２，３間のバルブブリッジ部に対応し、
計測手段は、センサ１３，１４に対応し、
算出手段は、ＣＰＵ２０制御によるステップＱ７に対応し、
比較手段は、ステップＱ８に対応し、
演算手段は、ステップＱ１２に対応し、
判定手段は、ステップＱ１０に対応するも、
この発明は、上述の実施例の構成のみに限定されるものではない。
【００９４】
【発明の効果】
この発明によれば、金属製被処理物の寸法ばらつきに関わらず、回転工具のショルダ部の押込み不足による未充填欠陥(いわゆる欠肉)の発生が防止できると共に、安定した改質層の深さを確保することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 金属製被処理物の一例を示すシリンダヘッドの平面図。
【図２】 回転工具の側面図。
【図３】 ワークと回転工具との関係を示す説明図。
【図４】 本発明の表面処理装置を示すブロック図。
【図５】 本発明の表面処理方法を示すフローチャート。
【図６】 上記方法により処理された仕上げ加工前のワーク寸法を示す説明図。
【図７】 上記方法により処理された仕上げ加工前のワーク寸法を示す説明図。
【図８】 補正量加算前のワーク寸法を示す説明図。
【図９】 補正量加算後のワーク寸法を示す説明図。
【図１０】 回転工具の他の実施例を示す側面図。
【図１１】 回転工具のさらに他の実施例を示す側面図。
【図１２】 摩擦撹拌処理法の説明図。
【図１３】 シリンダヘッドを燃焼室側から見た状態を示す平面図。
【図１４】 従来方法によるショルダ底面押込み深さと改質層深さ目安のばらつきを示す説明図。
【図１５】 従来方法によるショルダ底面押込み深さと改質層深さ目安のばらつきを示す説明図。
【図１６】 従来方法によるショルダ底面押込み深さと改質層深さ目安のばらつきを示す説明図。
【符号の説明】
１…シリンダヘッド(金属製被処理物)
１ａ…表面部
２…吸気ポート
３…排気ポート
７…回転工具
８…ＮＣ加工装置(加工装置)
１１…ショルダ部
１１ａ…ショルダ底面
１２…プローブ
１３…ワーク高さ検知センサ(計測手段)
１４…基準面高さ検知センサ(計測手段)
Ｑ７…算出手段
Ｑ８…比較手段
Ｑ１０…判定手段
Ｑ１２…演算手段
Ｆ…ワーク高さ(表面部高さ)
Ｓ…加工基準面高さ
Ｌ…プローブ長(回転工具の形状データ)
Ｄｓ…ショルダ底面押込み深さ(ショルダ部の押込み深さ)
Claims (5)
- 金属鋳造製被処理物の表面部に、加工装置に装着した回転工具のプローブを押込みつつショルダ部で表面部を押圧することにより摩擦撹拌処理を施し、改質層を形成する表面処理方法であって、
上記回転工具を押込み方向に一定の送り量で金属鋳造製被処理物の表面部に押込み摩擦撹拌処理するに際し、該金属鋳造製被処理物の表面部高さおよび仕上げ加工を施す際の基準面となる加工基準面高さを計測し、
これら計測値と回転工具の形状データとによりショルダ部の押込み深さを算出し、
該押込み深さの値と未充填欠陥発生回避可能な深さ基準値とを比較し、
この比較により押込み深さの値が未充填欠陥発生回避可能な深さ基準値より大きい時には、上記金属鋳造製被処理物の表面部に回転工具の摩擦撹拌処理を施し、
上記比較により押込み深さの値が未充填欠陥発生回避可能な深さ基準値より小さい時には、回転工具の一定の送り量に上記深さ基準値と上記押込み深さの値に基づいて算出した補正量を加算し、この加算した送り量より再度ショルダ部の押込み深さを算出し、
この押込み深さの値と表面部高さおよび上記加工基準面高さにより算出される仕上げ加工代の値により摩擦撹拌処理後の表面凹凸を仕上げ加工で除去できるか否かを判定し、
除去できる際には上記金属鋳造製被処理物の表面部に回転工具の摩擦撹拌処理を施し、除去できない際には摩擦撹拌処理を中止する
表面処理方法。 - 上記金属鋳造製被処理物の表面部高さおよび上記加工基準面高さを複数箇所で計測し、
各測定箇所の測定値と回転工具の形状データによりショルダ部の押込み深さを各測定箇所毎に算出する
請求項１記載の表面処理方法。 - 上記金属鋳造製被処理物をディーゼルエンジンのシリンダヘッドに設定し、
上記シリンダヘッドの吸排気口間に改質層を形成する
請求項１または２記載の表面処理方法。 - 金属鋳造製被処理物の表面部に、加工装置に装着した回転工具のプローブを押込みつつショルダ部で表面部を押圧することにより摩擦撹拌処理を施し、改質層を形成する表面処理装置であって、
上記金属鋳造製被処理物の表面部高さおよび仕上げ加工を施す際の基準面となる加工基準面高さを計測する計測手段を備え、
上記計測手段で計測された計測値と回転工具の形状データとによりショルダ部の押込み深さを算出する算出手段と、
上記押込み深さの値と未充填欠陥発生回避可能な深さ基準値とを比較する比較手段と、
上記比較手段の比較結果に基づいて押込み深さの値が未充填欠陥発生回避可能な深さ基準値より小さい時には、回転工具の一定の送り量に上記深さ基準値と上記押込み深さの値に基づいて算出した補正量を加算し、この加算した送り量より再度ショルダ部の押込み深さを算出する演算手段と、
この押込み深さの値と表面部高さおよび上記加工基準面高さにより算出される仕上げ加工代の値により摩擦撹拌処理後の表面凹凸を仕上げ加工で除去できるか否かを判定する判定手段とを備え、
上記比較手段の比較結果に基づいて押込み深さの値が未充填欠陥発生回避可能な深さ基準値より大きい時、並びに、上記押込み深さの値が上記深さ基準値より小さい時であっても上記判定手段の判定結果に基づいて摩擦撹拌処理後の表面凹凸を仕上げ加工で除去できる時には、回転工具で摩擦撹拌処理を施し、除去できない時には、回転工具の摩擦撹拌処理を中止する加工装置の制御手段を備えた
表面処理装置。 - 上記金属鋳造製被処理部をディーゼルエンジンのシリンダヘッドに設定し、
上記表面部高さおよび上記加工基準面高さを気筒列方向に離間する複数箇所で計測すべく構成した
請求項４記載の表面処理装置。
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