JP4406219B2

JP4406219B2 - Laser overlay processing equipment

Info

Publication number: JP4406219B2
Application number: JP2003151817A
Authority: JP
Inventors: 晃一金井; 秀信松山
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-05-29
Filing date: 2003-05-29
Publication date: 2010-01-27
Anticipated expiration: 2023-05-29
Also published as: JP2004351459A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ肉盛り加工装置に関し、特にエンジン用シリンダヘッドのバルブシート部に対し例えば粉体（粉末）状の肉盛り材料を供給しながらレーザビームを照射し、バルブシート部とレーザビームを相対回転させることで肉盛り層を形成するようにしたレーザ肉盛り加工方法（レーザクラッド法）に好適なレーザ肉盛り加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のシリンダヘッドにおけるバルブシート部のレーザ肉盛り加工技術に関するものとして例えば特許文献１〜３に記載のものが知られている。
【０００３】
これらの従来の技術では、シリンダヘッドの燃焼室相当部に必要な機械加工等の前処理を行った上で、バルブシート部となるべき領域に例えば粉体状の肉盛り材料（例えば銅合金等）を供給しつつ同時にレーザ光を照射し、最終的にバルブシート部となるべきリング状の肉盛り層すなわち肉盛りビード部を形成するものである。そして、いずれの特許文献においてもレーザ光とバルブシート部とをそれぞれのバルブシート部の軸心を回転中心として相対回転させること、例えばレーザ光を固定側としてバルブシート部を有するシリンダヘッドを回転させることを基本としている。
【０００４】
このようなバルブシート部におけるレーザ肉盛り加工においては、加工部位に対して特定の方向からレーザ光を照射することが肉盛り層の品質安定化の上で好ましいこと、および肉盛り材料供給系やレーザ光学系等の設備レイアウト上の制約等から、レーザ光を固定側としてバルブシート部を相対回転させた場合のシリンダヘッドの回転方向が特定の一方向に制約されているのが実状である。
【０００５】
より詳しくは、図４の（Ａ）に示すように、一つの気筒の燃焼室４に吸気バルブ用の一対のバルブシート部２ａ，２ｂと排気バルブ用の同じく一対のバルブシート部３ａ，３ｂとがそれぞれ配置されるいわゆる１気筒４バルブタイプのシリンダヘッド１の場合、例えば全く同一の機能を有する吸気バルブ用の一対のバルブシート部２ａ，２ｂが共に同一寸法で且つ対称中心Ｃをはさんで左右対称であったとしても、各バルブシート部２ａ，２ｂに肉盛り加工を施す際には加工対象となるバルブシート部２ａまたは２ｂの軸心を回転中心としてシリンダヘッド１全体を共に同一方向について回転させるようにしている。なお、これらの関係は排気バルブ用の一対のバルブシート部３ａ，３ｂについても同様である。
【０００６】
【特許文献１】
特開平９−１５５５８３号公報（図１，２）
【０００７】
【特許文献２】
特開平１０−２８６６８号公報（図１）
【０００８】
【特許文献３】
特開２００２−８９３５８号公報（図１）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の肉盛り加工技術では、例えば全く同一の機能を有する吸気バルブ用の一対のバルブシート部２ａ，２ｂの肉盛り加工に際して、それぞれのバルブシート部２ａ，２ｂを共に同一方向に回転させたとしても、燃焼室４の形状の影響で実際の加工部位への肉盛り材料の実投入量やシールドガスの流動状態等が微妙に変化することから、加工後の双方のバルブシート部２ａ，２ｂを比較した場合に同等の肉盛り品質が得られないという問題がある。
【００１０】
これは、図４の（Ｂ），（Ｃ）に示すように加工対象となるバルブシート部２ａ，２ｂの軸心を回転中心としてシリンダヘッド１を回転させたとしても、そのシリンダヘッド１の燃焼室４が回転対称の形状ではなく、しかも例えば燃焼室４を形成している壁面のうち被処理部たる加工位置に最も近い部分５を基準とした場合に、一方のバルブシート部２ａと他方のバルブシート部２ｂとでは矢印Ｑ１，Ｑ２で示す相対的な回転方向が互いに逆向きとなってしまい、加工条件が双方のバルブシート部２ａ，２ｂごとに異なってしまうことに基づく。なお、上記シールドガスは、周知のように酸化防止の観点から加工部位を大気から遮蔽するために同加工部位に向けて吹き付けるものである。
【００１１】
したがって、全く同一の機能を有する吸気バルブ用の一対のバルブシート部２ａ，２ｂの肉盛り加工品質を同等で且つ安定したものとするためには、各バルブシート部２ａ，２ｂごとに最適な加工条件を個別に設定する必要があり、品質管理に要する工数が増大するほか、特に異車種のシリンダヘッドの加工を行う場合には上記のような最適条件の設定に多大な工数を要し、生産性の低下が余儀なくされることとなって好ましくない。
【００１２】
また、全く同一の機能を有する例えば吸気バルブ用の一対のバルブシート部２ａ，２ｂの肉盛り加工品質を同等のものとするために、双方のバルブシート部２ａ，２ｂの要求品質を満たし得るような共通の加工条件さえ見い出し得れば、上記のように双方のバルブシート部２ａ，２ｂを同方向に回転させることを前提に肉盛り加工を行うことは可能である。しかしながら、複数車種のシリンダヘッドの加工を同一の設備で行うことを前提として、各種種ごとに上記のような共通且つ最適な加工条件を見い出すまでには多大な時間を要することから現実的でななく、また燃焼室４の形状によっては共通の加工条件を見い出し得ないこともあり、なおも改善の余地を残している。
【００１３】
本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、特に全く同一の機能を有する一対のバルブシート部の肉盛り加工を個別に行ったとしても、双方のバルブシート部の肉盛り加工品質を同等で且つ安定したもとすることができる装置を提供しようとするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、シリンダヘッドのバルブシート部に対し肉盛り材料を供給しながらレーザビームを照射し、バルブシート部とレーザビームを相対回転させることで肉盛り層を形成する装置にして、同一気筒内に隣接配置されることになる吸気バルブ用もしくは排気バルブ用の一対のバルブシート部について、一方のバルブシート部とレーザビームとの相対回転方向に対して、他方のバルブシート部とレーザビームとの相対回転方向を逆向きにして、それぞれのバルブシート部に肉盛り層を形成するに際して、双方のバルブシート部の肉盛り加工に共通して使用されるレーザ肉盛り加工装置であることを前提とする。その上で、レーザビームを鉛直方向下向きに出射するレーザビーム出射部と、出射されたレーザビームを反射，集光しつつバルブシート部に向けて照射する集光ヘッド部と、肉盛り材料供給装置およびその肉盛り材料供給装置から供給される肉盛り材料をバルブシート部上まで導く肉盛り材料供給ノズルと、を備えていて、上記集光ヘッド部、肉盛り材料供給装置および肉盛り材料供給ノズルのそれぞれが互いの相対位置関係を保つように旋回可能な加工ユニットとしてユニット化されているとともに、レーザビーム出射部の光軸を回転中心として加工ユニットを旋回させることにより双方のバルブシート部の肉盛り加工に対応可能となっていることを特徴とする。
【００１５】
ここで、使用する肉盛り材料は、例えば銅系合金の粉体状のもの、あるいはワイヤ状もしくは棒状の固体肉盛り材料とする。
【００１６】
また、レーザビームとバルブシート部との相対回転に際しては、レーザビームを固定側とするとともにバルブシート部側を回転側として両者を相対回転させるものとする。
【００１７】
さらに、加工部位の酸化防止の上では、バルブシート部の加工位置に対し鉛直方向上方から粉体状の肉盛り材料を供給するとともに、同方向から加工位置に向けてシールドガスを吹き付けることが望ましい。
【００１８】
したがって、少なくとも請求項１に記載の発明では、同一気筒内に隣接配置されることになる吸気バルブ用もしくは排気バルブ用の一対のバルブシート部が同一寸法で且つ対称配置であることを前提に、その一対のバルブシート部の肉盛り加工を行うにあたり、一方のバルブシート部とレーザビームとの相対回転方向に対して、他方のバルブシート部とレーザビームとの相対回転方向を逆向きにすることにより、各バルブシート部とレーザビームとの相対回転方向がバルブシート部相互間で対称となることにより、たとえ燃焼室層の形状が回転対称でない形状であったとしても、双方のバルブシート部の加工条件を同一のものとすることができる。
【００１９】
そして、加工ユニットを所定角度だけ旋回させることで双方のバルブシート部について同一条件で肉盛り加工を行うことが可能となる。
【００２０】
この場合、請求項２に記載のように、上記の旋回可能な加工ユニットに代えて、上記集光ヘッド部、肉盛り材料供給装置および肉盛り材料供給ノズルのそれぞれが互いの相対位置関係を保つように加工ユニットとしてユニット化されているとともに、上記レーザ出射部の光軸を中心として、バルブシート部ごとに独立した一対の加工ユニットが左右対称に配置したものを使用することも可能である。
【００２２】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、同一気筒内に隣接配置されることになる吸気バルブ用もしくは排気バルブ用の一対のバルブシート部について、互いに同一の条件で肉盛り加工を施すことが可能となることから、品質管理の簡素化とともに肉盛り加工品質の安定化が図れ、同時に生産性も向上するようになる。
【００２３】
特に、一台の設備をもって且つ加工ユニットを旋回させるだけで双方のバルブシート部の肉盛り加工に対応することができることから、設備の簡素化と設備費の低減が図れるとともに、双方のバルブシート部の肉盛り加工品質が一段と向上する効果がある。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１〜３は本発明の好ましい実施の形態を示す図であり、特に図１は図４と同様のシリンダヘッドの概略説明図を、図２は肉盛り加工方法の基本的な模式図をそれぞれ示している。
【００２５】
図１の（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、シリンダヘッド１には各気筒ごとに吸気バルブ用の一対のバルブシート部２ａ，２ｂと排気バルブ用の同じく一対のバルブシート部３ａ，３ｂがそれぞれ隣接配置されていて、各バルブシート部２ａ，２ｂおよび３ａ，３ｂごとに後述するような肉盛り加工が個別に施されることになる。
【００２６】
図２において、１はワークとしてのシリンダヘッド、６はレーザ出射部であるＣＯ₂レーザ等のレーザ発振器、７はレーザビームＬｂの集光ヘッド部、８は例えば銅系合金等の粉体状の肉盛り材料を定量供給するための肉盛り材料供給装置、９は肉盛り材料を被処理部たる加工位置Ｐに導くための肉盛り材料供給ノズルである。肉盛り材料供給装置８から定量供給された肉盛り材料は肉盛り材料供給ノズル９を通して加工対象となるバルブシート部２ａまたは２ｂ上の加工位置Ｐに向けて真上から投入され、同時にその位置にレーザビームＬｂが照射される。レーザ発振器６から出力されたＣＯ₂レーザのレーザビームＬｂは集光ヘッド部７内の二枚の凹面鏡１０，１１にて反射，集光された上で上記加工位置Ｐに照射される。そして、上記のように肉盛り材料の投入およびレーザビームＬｂの照射と同時に、加工対象となるバルブシート部２ａまたは２ｂとレーザビームＬｂとを相対回転させる。この例では、レーザビームＬｂ側を固定側、バルブシート部２ａまたは２ｂ側を回転側として、加工対象となるバルブシート部２ａまたは２ｂの軸心を回転中心としてシリンダヘッド１全体を回転させるものとする。この場合、図２に示すように加工対象となるバルブシート部２ａまたは２ｂの回転方向後方斜め上方から（例えばθ＝６５°）レーザビームＬｂを照射することが肉盛り加工品質の安定化の上で好ましい。同時に、アルゴンガス等のシールドガスＧを加工位置Ｐに向けて吹き付けるものとする。
【００２７】
本実施の形態では、上記のような肉盛り加工方法を前提として、図１の（Ａ）に示すように同一気筒内に隣接配置されることになる例えば吸気バルブ用の一対のバルブシート部２ａ，２ｂについて、各バルブシート部２ａ，２ｂの加工の際に互いに回転方向が逆向きなるように矢印Ｍ１，Ｍ２方向に回転させながら肉盛り加工を行うものとする。なお、これらの関係は同一気筒内に隣接配置されることになる排気バルブ用の一対のバルブシート部３ａ，３ｂについても同様とする。
【００２８】
その一方、レーザ肉盛り加工を司る装置としては、図３に示すように集光ヘッド部７や肉盛り材料供給装置８および肉盛り材料供給ノズル９等をそれらの相対位置関係を保ち得るように旋回ベース１２を母体としてユニット化し、これをもってレーザ発振器６から出力されるレーザビームＬｂの光軸を回転中心として首振り旋回可能な加工ユニット１３を形成してある。そして、例えばレーザ発振器６を含む加工ユニット１３を先に述べたように同一気筒内に隣接配置されることになる双方のバルブシート部２ａ，２ｂもしくは３ａ，３ｂの対称中心Ｃ１（図１参照）となるような位置に配置するようになっており、したがって、例えば一方のバルブシート部２ａの肉盛り加工に続いて加工ユニット１３を所定角度だけ首振り旋回させるだけで直ちに他方のバルブシート部２ｂの肉盛り加工に対応することができるようになっている。
【００２９】
より具体的な肉盛り加工の条件としては、レーザビームＬｂとして例えば波長が１０．６μｍ程度のＣＯ₂レーザを使用するとともに、２枚の凹面鏡１０，１１をその位相を９０度変えて組み合わせた構造の集光ヘッド部７を用い、レーザビームＬｂの焦点位置が加工対象となるいずれか一方のバルブシート部２ａまたは２ｂ上となるように加工ユニット１３を旋回させた上で位置決めする。一方、シリンダヘッド１については、上記にような加工対象となるバルブシート部２ａまたは２ｂとレーザビームＬｂとの相対位置関係が保てるように、治具として機能することになる図示外の回転体に対しそのシリンダヘッド１を機械的に位置決めクランプした上で定速にて回転させる。
【００３０】
レーザ出力は加工位置Ｐにて例えば４．０〜４．８ｋＷ程度とし、同じく加工位置ＰでのレーザビームＬｂのビームスポットサイズは４×２ｍｍの長円形とする。レーザビームＬｂの照射角度θは、図２に示したように肉盛り加工進行方向（バルブシート部２ａ，２ｂの回転方向Ｍ１またはＭ２）後方斜め上方６５°とし、同時にバルブシート部２ａ，２ｂの回転周速度は１．６ｍ／ｍｉｎとする。
【００３１】
また、肉盛り材料供給装置８としては市販（愛三工業（株）社製）の超音波モータ式の粉体フィーダを用い、肉盛り材料Ｗとして銅系の合金粉末を加工位置鉛直方向上方より例えば４８ｇ／ｍｉｎの供給量で投入する。
【００３２】
なお、肉盛り材料供給ノズル９を例えば二重筒構造とすることによりシールドガス用のガスノズルを兼ねさせるものとし、肉盛り材料投入方向と同方向からシールドガスＧとして例えばアルゴンガスを２０リットル／ｍｉｎ程度で吹き付けるものとする。
【００３３】
このような条件で双方のバルブシート部２ａ，２ｂの肉盛り加工を行ったところ、従来と異なり、少なくとも同一気筒内に隣接配置されるバルブシート部２ａ，２ｂごとに肉盛り加工条件を一切微調整することなく全く同一の条件で加工を行うことができ、バルブシート部２ａ，２ｂに同等品質の肉盛り層である肉盛りビードを形成できることが確認できた。
【００３４】
これは次のように説明できる。すなわち、図１の（Ａ）はシリンダヘッド１の平面説明図を、図１の（Ｂ），（Ｃ）は同図（Ａ）の矢視ａおよび矢視ｂに対応する側面説明図をそれぞれ示しており、従来のように同一気筒内に隣接配置されることになる例えば吸気バルブ用の一対のバルブシート部２ａ，２ｂの肉盛り加工に際してそれぞれのバルブシート部２ａ，２ｂを共に同一方向に回転させると、図１の（Ｂ），（Ｃ）から明らかなように燃焼室４の形状にその回転方向を矢印Ｑ１，Ｑ２をもって重ね合わせて表示した場合に、ワーク回転方向は互いに逆向きとなり、実質的に一方のバルブシート部の肉盛り加工時の回転挙動と他方のバルブシート部の回転挙動が左右非対称のかたちとなるのに対して（図４参照）、本実施の形態では、矢印Ｍ１，Ｍ２をもって示すように実質的に一方のバルブシート部２ａの肉盛り加工時の回転挙動と他方のバルブシート部２ｂの回転挙動が左右対称のかたちとなることに基づく。
【００３５】
つまり、従来の方法では、一方のバルブシート部２ａの肉盛り加工時の加工条件と他方のバルブシート部２ｂの加工条件とが異なってしまうのに対して、本実施の形態では、一方のバルブシート部２ａの肉盛り加工時の加工条件と他方のバルブシート部２ｂの加工条件とが共に同一のものとなる。
【００３６】
より詳しくは、図１（Ａ）〜Ｃ）の符号５は燃焼室４のうち被処理部たる肉盛り加工の加工位置Ｐに近接することになる壁面を示しており、先に説明したように加工位置Ｐに向けてガスノズルを兼ねた肉盛り材料供給ノズル９（図３参照）から吹き付けられたシールドガス（アルゴンガス）Ｇの流動がこの壁面５によって部分的に妨げられる。そして、肉盛り加工中においてはその肉盛り材料供給ノズルを兼ねたガスノズル９がレーザビームＬｂとともに実質的に定位置固定式のものであるため、シリンダヘッド１の回転に伴い上記壁面５の高さが連続的に変化することにより、先に述べたようにシールドガスＧの流動状態が不規則に変動することになる。
【００３７】
また、加工対象となる特定のバルブシート部２ａまたは２ｂ上の加工位置Ｐに粉体状の肉盛り材料Ｗを投入する場合、投入量の全量が加工位置Ｐに投入されるわけではなく、２０〜３０パーセント程度は被処理部外に飛散もしくは落下することになる。その一方、上記の壁面５は被処理部たる加工位置Ｐに近接しているが故にそれ自体が受け皿となって、飛散もしくはバルブシート部２ａ，２ｂから滑り落ちようとする肉盛り材料Ｗを加工位置Ｐ側に戻す効果を発揮することから、先に述べたようにシリンダヘッド１全体の回転に伴いその壁面５での高さが連続的に変化すると、必然的に加工条件の一つである加工位置Ｐへの肉盛り材料Ｗの実投入量（供給量）も微妙に変動してしまうことになる。
【００３８】
したがって、従来のように燃焼室４を形成している壁面５のうちその高い側から低い側に移動（回転）する場合とその逆の場合とでは、同一の条件で肉盛り加工を施したとしても同等の肉盛り加工品質を得ることは困難であった。
【００３９】
これに対して、本実施の形態では、先に述べたように一方のバルブシート部２ａの肉盛り加工時の回転挙動と他方のバルブシート部２ｂの回転挙動が左右対称のかたちとなるため、シールドガスＧの流動状態も同等のものとなる一方、いずれのバルブシート部２ａ，２ｂの肉盛りに際しても常に燃焼室４を形成している壁面５のうちその高い側から低い側に移動（回転）する過程で加工が行われるため、一方のバルブシート部２ａの肉盛り加工時の加工条件と他方のバルブシート部２ｂの加工条件とを共に同一のものとすることができる。
【００４０】
ここで、上記実施の形態では、図３に示すように双方のバルブシート部２ａ，２ｂの肉盛り加工に際して加工ヘッド１３を旋回させることで対応することとしたが、同図に仮想線で示すように２台の加工ヘッド１３を予め左右対称の配置として、それらを選択的に切り換えて使用するようにしてもよい。この場合には、加工ヘッドの旋回，切り換えに要する時間を短縮でき、サイクルタイムの短縮化に寄与できるようになる。
【００４１】
また、熱源として肉盛り材料のレーザ吸収率が高いダイレクトダイオードレーザ等を用いる一方、粉体状の肉盛り材料Ｗに代えてワイヤもしくは棒状の固体の肉盛り材料を用いることも可能である。すなわち、ダイレクトダイオードレーザ等に代表されるようなレーザ吸収率の高い熱源を使用した場合、比較的低出力で肉盛り材料を溶融させることが可能であり、従来採用が困難であったワイヤ材等の固体肉盛り材料でも十分対応可能となる。ワイヤ材等の固体肉盛り材料は連続体であるために、粉体状のもの比べて簡易な方法で材料供給量を制御することができ、振動や衝撃の影響を受けにくいばかりでなく吸湿，酸化に対する管理も容易であることから、肉盛り材料供給装置の簡素化とともに設備費を低減でき、併せて生産性も向上するようになる。その上、重力やワークの周辺形状の影響を受けにくく、材料供給方向やレーザビームの照射方向の制約が少なくなり、加工装置全体としてのレイアウト自由度が大きく増すことになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好ましい実施の形態を示す図で、（Ａ）はシリンダヘッドの模式的平面説明図、（Ｂ）は同図（Ａ）のａ方向矢視図、（Ｃ）は同図（Ａ）のｂ方向矢視図。
【図２】レーザ肉盛り加工方法の基本手順を示す構成説明図。
【図３】本発明の好ましい実施の形態としてレーザ肉盛り加工装置の構成を示す説明図。
【図４】従来の加工手順の一例を示す図で、（Ａ）はシリンダヘッドの模式的平面説明図、（Ｂ）は同図（Ａ）のａ１方向矢視図、（Ｃ）は同図（Ａ）のｂ１方向矢視図。
【符号の説明】
１…シリンダヘッド
２ａ，２ｂ…吸気バルブ用のバルブシート部
３ａ，３ｂ…排気バルブ用のバルブシート部
４…燃焼室
５…壁面
６…レーザ発振器（レーザ出射部）
７…集光ヘッド部
８…肉盛り材料供給装置
９…肉盛り材料供給ノズル（ガスノズル）
１０，１１…凹面鏡
１２…旋回ベース
１３…加工ユニット
Ｇ…アルゴンガス（シールドガス）
Ｌｂ…レーザビーム
Ｍ１，Ｍ２…肉盛り加工時の回転方向
Ｐ…加工位置
Ｗ…肉盛り材料[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a laser padding processing apparatus, a laser beam is irradiated with particular supplied to the valve seat portion of a cylinder head for an engine for example a powder (powder) form of the build-up material, the valve seat portion and the laser beam The present invention relates to a laser overlay processing apparatus suitable for a laser overlay processing method (laser cladding method) in which an overlay layer is formed by relatively rotating the.
[0002]
[Prior art]
For example, those described in Patent Documents 1 to 3 are known as laser build-up processing techniques for a valve seat portion in this type of cylinder head.
[0003]
In these conventional techniques, after pre-processing such as machining necessary for the combustion chamber corresponding portion of the cylinder head, for example, a powdery material (for example, a copper alloy or the like) ) Is simultaneously irradiated with a laser beam to form a ring-shaped buildup layer, that is, a buildup bead portion that should finally become a valve seat portion. In any patent document, the laser light and the valve seat part are rotated relative to each other about the axis of each valve seat part, for example, the cylinder head having the valve seat part is rotated with the laser light as a fixed side. It is based on that.
[0004]
In such laser overlay processing in the valve seat portion, it is preferable to irradiate the processing site with laser light from a specific direction in order to stabilize the quality of the overlay layer, and the overlay material supply system, The actual situation is that the rotation direction of the cylinder head is restricted to one specific direction when the valve seat portion is relatively rotated with the laser light as the fixed side due to restrictions on the equipment layout of the laser optical system and the like.
[0005]
More specifically, as shown in FIG. 4A, a pair of valve seat portions 2a, 2b for an intake valve and a pair of valve seat portions 3a, 3b for an exhaust valve are provided in a combustion chamber 4 of one cylinder. In the case of the so-called one-cylinder four-valve type cylinder head 1 in which each is disposed, for example, a pair of valve seat portions 2a, 2b for intake valves having exactly the same function are both of the same size and sandwich the symmetry center C. Even if they are left-right symmetric, when the valve seat portions 2a and 2b are subjected to a build-up process, the entire cylinder head 1 is set in the same direction with the axis of the valve seat portion 2a or 2b to be processed as the center of rotation. I try to rotate it. These relationships are the same for the pair of valve seat portions 3a and 3b for the exhaust valve.
[0006]
[Patent Document 1]
JP 9-155583 A (FIGS. 1 and 2)
[0007]
[Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 10-28668 (FIG. 1)
[0008]
[Patent Document 3]
JP 2002-89358 A (FIG. 1)
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, in such conventional build-up processing technology, for example, when building up a pair of valve seat portions 2a, 2b for intake valves having the same function, the valve seat portions 2a, 2b are both in the same direction. Even if it is rotated, both the valve seats after processing will change slightly due to the influence of the shape of the combustion chamber 4 and the actual input amount of the overlay material to the actual processing site and the flow state of the shielding gas will change slightly. There is a problem that when the parts 2a and 2b are compared, an equivalent build-up quality cannot be obtained.
[0010]
As shown in FIGS. 4B and 4C, even if the cylinder head 1 is rotated about the axis of the valve seat portions 2a and 2b to be processed, the cylinder head 1 is burned. When the chamber 4 is not rotationally symmetric and, for example, a portion 5 of the wall surface forming the combustion chamber 4 that is closest to the processing position as the processing target is used as a reference, the one valve seat 2a and the other This is based on the fact that the relative rotation directions indicated by the arrows Q1 and Q2 are opposite to each other in the valve seat portion 2b, and the processing conditions are different for both valve seat portions 2a and 2b. As is well known, the shielding gas is blown toward the processing portion in order to shield the processing portion from the atmosphere from the viewpoint of preventing oxidation.
[0011]
Therefore, in order to make the build-up quality of the pair of valve seat portions 2a, 2b for intake valves having the same function identical and stable, optimum processing for each valve seat portion 2a, 2b. In addition to increasing the man-hours required for quality control, it is necessary to set the conditions individually, and especially when processing cylinder heads of different types of vehicles, it takes a lot of man-hours to set the optimum conditions as described above. It is not preferable because the decrease in sex is forced.
[0012]
Further, in order to make the build-up processing quality of a pair of valve seat portions 2a, 2b for the intake valve, for example, having exactly the same function, the required quality of both valve seat portions 2a, 2b can be satisfied. If it is possible to find even common processing conditions, it is possible to perform the build-up processing on the assumption that both valve seat portions 2a and 2b are rotated in the same direction as described above. However, on the premise that machining of cylinder heads of a plurality of vehicle types is performed with the same equipment, it is not realistic because it takes a lot of time to find the above common and optimum machining conditions for each type. Moreover, depending on the shape of the combustion chamber 4, it may not be possible to find common processing conditions, and there is still room for improvement.
[0013]
The present invention has been made by paying attention to such a problem, and even when the build-up processing of a pair of valve seat portions having exactly the same function is performed individually, the build-up processing of both valve seat portions is performed. It is an object of the present invention to provide an apparatus that can achieve the same and stable quality.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
The invention according to claim 1 is an apparatus for forming a build-up layer by irradiating a laser beam while supplying a build-up material to a valve seat portion of a cylinder head and rotating the valve seat portion and the laser beam relative to each other. Thus, with respect to a pair of valve seat portions for an intake valve or an exhaust valve that are adjacently disposed in the same cylinder, the other valve seat portion with respect to the relative rotation direction of one valve seat portion and the laser beam. In the laser build-up processing device that is commonly used for the build-up processing of both valve seat portions when forming the build-up layer on each valve seat portion with the relative rotation direction of the laser beam and the laser beam reversed It is assumed that there is. In addition, a laser beam emitting unit that emits a laser beam vertically downward, a condensing head unit that irradiates the emitted laser beam toward the valve seat unit while reflecting and condensing the laser beam, and a build-up material supply device And a build-up material supply nozzle that guides the build-up material supplied from the build-up material supply device onto the valve seat portion, and the light collecting head unit, the build-up material supply device, and the build-up material supply nozzle Are each unitized as a processing unit that can be swiveled so as to maintain a relative positional relationship with each other, and by turning the processing unit about the optical axis of the laser beam emitting portion as a rotation center, It is characterized by being able to handle fill processing .
[0015]
Here, the build-up material to be used is, for example, a copper alloy powder, or a wire or rod- like solid build-up material.
[0016]
In addition, on the occasion of the relative rotation between the laser beam and the valve seat portion, it is assumed that relatively rotates both the valve seat portion as the rotation side with a laser beam and the fixed side.
[0017]
Furthermore, in order to prevent oxidation of the processing site, it is desirable to supply a powdery build-up material from above in the vertical direction with respect to the processing position of the valve seat portion, and to spray a shielding gas from the same direction toward the processing position. .
[0018]
Therefore, in at least the invention according to claim 1, on the premise that the pair of valve seat portions for the intake valve or the exhaust valve to be arranged adjacent to each other in the same cylinder have the same dimensions and are symmetrically arranged. In the build-up processing of the pair of valve seat portions, the relative rotation direction of the other valve seat portion and the laser beam is opposite to the relative rotation direction of the one valve seat portion and the laser beam. Thus, the relative rotational direction of each valve seat part and the laser beam is symmetric between the valve seat parts, so that even if the shape of the combustion chamber layer is not rotationally symmetric, The processing conditions can be the same.
[0019]
Then, by turning the processing unit by a predetermined angle, it is possible to perform the build-up processing under the same conditions for both valve seat portions.
[0020]
In this case, as described in claim 2, each of the light condensing head unit, the build-up material supply device, and the build-up material supply nozzle maintains a relative positional relationship with each other in place of the pivotable processing unit. Thus, it is also possible to use a unit that is unitized as a processing unit, and that has a pair of independent processing units arranged symmetrically for each valve seat portion with the optical axis of the laser emitting portion as the center.
[0022]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the present invention, it is possible to build up a pair of valve seat portions for intake valves or exhaust valves to be disposed adjacent to each other in the same cylinder under the same conditions. Therefore, the quality control can be simplified and the build-up processing quality can be stabilized, and at the same time the productivity can be improved.
[0023]
In particular, it is possible to cope with the build-up processing of both valve seat parts by simply turning the processing unit with one equipment, so that the equipment can be simplified and the equipment cost can be reduced, and both valve seat parts can be reduced. This has the effect of further improving the quality of meat processing.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
1 to 3 are views showing a preferred embodiment of the present invention. In particular, FIG. 1 is a schematic explanatory view of a cylinder head similar to FIG. 4, and FIG. 2 is a basic schematic view of a build-up processing method. Show.
[0025]
As shown in FIGS. 1A to 1C, the cylinder head 1 includes a pair of valve seat portions 2a and 2b for an intake valve and a pair of valve seat portions 3a and 3b for an exhaust valve for each cylinder. Are arranged adjacent to each other, and each of the valve seat portions 2a, 2b and 3a, 3b is individually subjected to a build-up process as described later.
[0026]
In FIG. 2, 1 is a cylinder head as a workpiece, 6 is a laser oscillator such as a CO ₂ laser that is a laser emitting portion, 7 is a condensing head portion of a laser beam Lb, and 8 is a powdered material such as a copper alloy. A build-up material supply device 9 for quantitatively supplying the build-up material, and 9 is a build-up material supply nozzle for guiding the build-up material to a processing position P as a processing target. The build-up material quantitatively supplied from the build-up material supply device 8 is introduced from the top toward the processing position P on the valve seat portion 2a or 2b to be processed through the build-up material supply nozzle 9, and at the same time. The laser beam Lb is irradiated. The laser beam Lb of the CO ₂ laser outputted from the laser oscillator 6 is reflected and condensed by the two concave mirrors 10 and 11 in the condensing head unit 7 and then irradiated to the processing position P. Then, simultaneously with the introduction of the overlay material and the irradiation with the laser beam Lb as described above, the valve seat portion 2a or 2b to be processed and the laser beam Lb are relatively rotated. In this example, the entire cylinder head 1 is rotated with the axis of the valve seat 2a or 2b to be processed as the center of rotation, with the laser beam Lb side as the fixed side and the valve seat 2a or 2b side as the rotation side. To do. In this case, as shown in FIG. 2, irradiating the laser beam Lb from diagonally upward (for example, θ = 65 °) in the rotational direction of the valve seat portion 2a or 2b to be processed improves the build-up processing quality. Is preferable. At the same time, a shielding gas G such as argon gas is blown toward the processing position P.
[0027]
In the present embodiment, on the premise of the above-described build-up processing method, as shown in FIG. 1A, for example, a pair of valve seat portions 2a for intake valves to be disposed adjacent to each other in the same cylinder. , 2b, when the valve seat portions 2a, 2b are processed, the overlaying process is performed while rotating in the directions of arrows M1, M2 so that the rotation directions are opposite to each other. The same applies to the pair of valve seat portions 3a and 3b for the exhaust valve that are adjacently disposed in the same cylinder.
[0028]
On the other hand, as a device for performing the laser build-up processing, as shown in FIG. 3, the light condensing head unit 7, the build-up material supply device 8, the build-up material supply nozzle 9 and the like can maintain their relative positional relationship. A turning base 12 is unitized as a base body, and a processing unit 13 that can be swung around the optical axis of the laser beam Lb output from the laser oscillator 6 is formed. Then, for example, as described above, the processing unit 13 including the laser oscillator 6 is disposed adjacently in the same cylinder, and the symmetrical center C1 of both valve seat portions 2a, 2b or 3a, 3b (see FIG. 1). Therefore, for example, following the build-up processing of one valve seat portion 2a, the other valve seat portion 2b is immediately turned by swinging the processing unit 13 by a predetermined angle. It is now possible to handle the build-up processing.
[0029]
As a more specific build-up processing condition, for example, a CO ₂ laser having a wavelength of about 10.6 μm is used as the laser beam Lb, and two concave mirrors 10 and 11 are combined with their phases changed by 90 degrees. Then, the processing unit 13 is turned and positioned so that the focal position of the laser beam Lb is on one of the valve seats 2a or 2b to be processed. On the other hand, the cylinder head 1 is a rotating body (not shown) that functions as a jig so as to maintain the relative positional relationship between the valve seat portion 2a or 2b to be processed and the laser beam Lb as described above. On the other hand, the cylinder head 1 is mechanically positioned and clamped and then rotated at a constant speed.
[0030]
The laser output is, for example, about 4.0 to 4.8 kW at the processing position P, and the beam spot size of the laser beam Lb at the processing position P is an oval of 4 × 2 mm. As shown in FIG. 2, the irradiation angle θ of the laser beam Lb is set to 65 ° obliquely upward at the rearward direction (the rotational direction M1 or M2 of the valve seat portions 2a and 2b), and at the same time the valve seat portions 2a and 2b. The rotational peripheral speed is 1.6 m / min.
[0031]
Further, as the build-up material supply device 8, a commercially available (made by Aisan Industry Co., Ltd.) ultrasonic motor type powder feeder is used, and copper-based alloy powder is used as the build-up material W from above in the vertical direction of the processing position. For example, the supply amount is 48 g / min.
[0032]
Note that the build-up material supply nozzle 9 has a double cylinder structure, for example, and also serves as a gas nozzle for shield gas. For example, argon gas is 20 liters / min as the shield gas G from the same direction as the build-up material input direction. It shall be sprayed at a degree.
[0033]
When the build-up processing of both the valve seat portions 2a and 2b was performed under such conditions, unlike the conventional case, the build-up processing conditions for the valve seat portions 2a and 2b arranged at least adjacent to each other in the same cylinder are at least fine. It was confirmed that processing could be performed under exactly the same conditions without adjustment, and a built-up bead that was a built-up layer of equivalent quality could be formed on the valve seat portions 2a and 2b.
[0034]
This can be explained as follows. 1A is an explanatory plan view of the cylinder head 1, and FIGS. 1B and 1C are side explanatory views corresponding to arrows a and b in FIG. 1A. For example, when a pair of valve seat portions 2a and 2b for an intake valve are to be placed adjacent to each other in the same cylinder as in the prior art, the valve seat portions 2a and 2b are both in the same direction. When rotated, when the rotation direction is superimposed on the shape of the combustion chamber 4 with arrows Q1 and Q2 as is apparent from FIGS. 1B and 1C, the workpiece rotation directions are opposite to each other. In contrast, the rotational behavior of the one valve seat portion during the build-up process and the rotational behavior of the other valve seat portion are asymmetrical (see FIG. 4). Show it with M1, M2 Substantially rotational behavior of one of the valve seat portion 2a during the deposition process rotational behavior and the other valve seat portion 2b is based on the fact that the form of symmetrically.
[0035]
That is, in the conventional method, the processing conditions at the time of build-up processing of one valve seat portion 2a and the processing conditions of the other valve seat portion 2b differ, whereas in this embodiment, one valve seat portion 2a The processing conditions during the build-up processing of the seat portion 2a and the processing conditions of the other valve seat portion 2b are the same.
[0036]
More specifically, reference numeral 5 in FIGS. 1 (A) to 1 (C) indicates a wall surface that will be close to the processing position P of the build-up processing as the processing portion in the combustion chamber 4, as described above. The flow of shield gas (argon gas) G sprayed from the build-up material supply nozzle 9 (see FIG. 3) that also serves as a gas nozzle toward the processing position P is partially blocked by the wall surface 5. During the build-up process, the gas nozzle 9 that also serves as the build-up material supply nozzle is substantially fixed in position together with the laser beam Lb, so that the height of the wall surface 5 is increased with the rotation of the cylinder head 1. Is continuously changed, the flow state of the shielding gas G fluctuates irregularly as described above.
[0037]
In addition, when the powdered build-up material W is input to the processing position P on the specific valve seat portion 2a or 2b to be processed, the entire input amount is not input to the processing position P. About 30% is scattered or dropped out of the part to be processed. On the other hand, since the wall surface 5 is close to the processing position P, which is the processing target, it itself becomes a receiving tray to process the overlay material W that is about to scatter or slip off from the valve seat portions 2a, 2b. Since the effect of returning to the position P side is exhibited, if the height at the wall surface 5 continuously changes with the rotation of the entire cylinder head 1 as described above, it is inevitably one of the processing conditions. The actual input amount (supply amount) of the build-up material W at the processing position P will also vary slightly.
[0038]
Therefore, in the case of moving (rotating) from the higher side to the lower side of the wall surface 5 forming the combustion chamber 4 as in the prior art, and vice versa, the build-up processing is performed under the same conditions. However, it was difficult to obtain the same level of processing quality.
[0039]
On the other hand, in the present embodiment, as described above, the rotational behavior of the one valve seat portion 2a during the build-up processing and the rotational behavior of the other valve seat portion 2b are in a symmetrical form, While the flow state of the shield gas G is equivalent, the wall surface 5 that always forms the combustion chamber 4 always moves from the higher side to the lower side (rotates) when the valve seats 2a and 2b are built up. Since the processing is performed in the process, the processing conditions at the time of build-up processing of one valve seat portion 2a and the processing conditions of the other valve seat portion 2b can be made the same.
[0040]
Here, in the above-described embodiment, as shown in FIG. 3, the processing head 13 is swung to cope with the build-up processing of both valve seat portions 2a and 2b. As described above, the two machining heads 13 may be arranged in advance symmetrically so that they are selectively switched and used. In this case, the time required for turning and switching of the machining head can be shortened, and the cycle time can be shortened.
[0041]
In addition, a direct diode laser or the like having a high laser absorptivity of the build-up material is used as a heat source, and a wire or rod-like solid build-up material can be used instead of the powder-form build-up material W. That is, when using a heat source with a high laser absorption rate such as a direct diode laser, it is possible to melt the build-up material with a relatively low output, and wire materials that have been difficult to adopt conventionally Even a solid overlay material can be adequately supported. Since the solid build-up material such as wire material is a continuum, the material supply amount can be controlled by a simple method compared to the powder type, and not only is it less susceptible to vibrations and impacts, but also absorbs moisture. Since it is easy to manage the oxidation, it is possible to simplify the build-up material supply device and reduce the equipment cost, and at the same time improve the productivity. In addition, it is difficult to be affected by gravity and the peripheral shape of the workpiece, restrictions on the material supply direction and the laser beam irradiation direction are reduced, and the layout flexibility of the entire processing apparatus is greatly increased.
[Brief description of the drawings]
1A and 1B are diagrams showing a preferred embodiment of the present invention, in which FIG. 1A is a schematic plan view of a cylinder head, FIG. 1B is a view in the direction of arrow a in FIG. 1A, and FIG. The b direction arrow directional view of a figure (A).
FIG. 2 is a configuration explanatory view showing a basic procedure of a laser overlay processing method.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a configuration of a laser overlay processing apparatus as a preferred embodiment of the present invention.
4A and 4B are diagrams illustrating an example of a conventional processing procedure, in which FIG. 4A is a schematic plan view of a cylinder head, FIG. 4B is a view taken in the direction of arrow a1 in FIG. The b1 direction arrow directional view of (A).
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Cylinder head 2a, 2b ... Valve seat part 3a, 3b for intake valves ... Valve seat part 4 for exhaust valves ... Combustion chamber 5 ... Wall surface 6 ... Laser oscillator (laser emission part)
7 ... Condensing head part 8 ... Overlay material supply device 9 ... Overlay material supply nozzle (gas nozzle)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 11 ... Concave mirror 12 ... Turning base 13 ... Processing unit G ... Argon gas (shield gas)
Lb ... Laser beams M1, M2 ... Rotational direction P during build-up processing ... Processing position W ... Build-up material

Claims

A device that forms a build-up layer by irradiating a laser beam while supplying a build-up material to the valve seat portion of the cylinder head, and rotating the valve seat portion and the laser beam relative to each other.
For a pair of valve seat portions for an intake valve or an exhaust valve that are adjacently disposed in the same cylinder, the other valve seat portion and the laser with respect to the relative rotation direction of one valve seat portion and the laser beam. A laser build-up processing device that is commonly used for build-up processing of both valve seat portions when forming a build-up layer in each valve seat portion with the relative rotation direction to the beam reversed. ,
A laser beam emitting section for emitting a laser beam vertically downward;
A condensing head that irradiates the valve seat while reflecting and condensing the emitted laser beam; and
A build-up material supply device and a build-up material supply nozzle that guides the build-up material supplied from the build-up material supply device to the valve seat part;
With
Each of the condensing head unit, the build-up material supply device, and the build-up material supply nozzle is unitized as a processing unit that can be swiveled so as to maintain a relative positional relationship with each other.
A laser build-up processing apparatus characterized by being able to cope with the build-up processing of both valve seat portions by turning the processing unit around the optical axis of the laser beam emitting portion as a rotation center .

Instead of the swivelable processing unit,
Each of the condensing head unit, the build-up material supply device and the build-up material supply nozzle is unitized as a processing unit so as to maintain the relative positional relationship with each other,
2. The laser overlay processing apparatus according to claim 1, wherein a pair of independent processing units are arranged symmetrically for each valve seat portion around the optical axis of the laser emitting portion .