JP4586471B2 - 溶射前処理方法およびエンジンのシリンダブロック - 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性が弱く、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性が充分確保できず、溶射皮膜の信頼性が低下する。

そこで、本発明は、基材表面の粗面化を充分なものとして、基材表面に対する溶射皮膜の密着性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、前記基材表面に工具を用いてうねりを持つ溝を切削加工し、このとき前記工具に振動を与えて前記溝にうねりを持たせ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、工具に振動を与えてうねりを持つ溝を形成することで、基材表面の粗面化が充分なものとなり、溶射皮膜の密着性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。溶射皮膜を形成する前の基材表面として、ここではエンジンのシリンダブロック１における円筒内面となるシリンダボア内面３とする。このシリンダボア内面３を備えるシリンダブロック１は、アルミ合金（ＡＤＣ１２材）からなるダイカスト製であり、シリンダボア内面３は、一定の精度で加工してある。このシリンダボア内面３を粗面１１に形成した後、鉄系材料からなる溶射用材料をシリンダボア内面３に溶射して溶射皮膜を形成する。

すなわち、溶射皮膜形成の前工程である溶射前処理として、シリンダボア内面３を粗面１１に形成するが、この際、ボーリングバー５の下端側部に振動子７を介して取り付けた工具（材質：Ｋ１０）９によって、図２に示すような螺旋状の溝３ａを切削加工する。ボーリングバー５は、回転させつつその中心軸をシリンダボアの中心軸に合わせた状態でシリンダボア内に挿入し、工具９を振動させながらシリンダボア内面３に対して切削加工する。

ボーリングバー５内には、リード線１３を埋め込み、その一端１３ａを振動子７に接続し、他端１３ｂを、ボーリングバー５上部の外周面に露出させる。このリード線１３の他端１３ｂは、ボーリングバー５上部の外周面に沿って設けたリング状配線部１５の内周面に接続する。さらに、リング状配線部１５の外周面に対して摺動可能なように、スリップリング１７を、図示しない加工装置本体側に電気的絶縁状態を確保した状態で固定し、スリップリング１７には、接続配線１９を介して超音波振動装置２１を接続する。

次に作用を説明する。ボーリングバー５を回転させつつシリンダボア内に挿入し軸方向に移動させることで、シリンダボア内面３に、図２に示すような螺旋状の溝３ａを工具９によって切削加工する。このとき、超音波振動装置２１の作動により振動子７を介して工具９を図１中で上下方向に振動させ、これにより、上記した溝３ａはその延長方向に沿ってうねりを持つことになる。

その後、上記した溝３ａを形成したシリンダボア内面３に、後述する溶射装置を用いて溶射皮膜を形成する。この場合の溶射皮膜を形成する前の粗面形状は、うねりを備えた溝３ａを備えているので、うねりを備えていない単に直線状の溝に比較して、シリンダボア内面３の粗面化が充分なものとなり、溶射皮膜の密着性が向上する。

また、工具９に振動を与えて溝３ａを形成するので、溝３ａに持たせるうねり成分を適宜制御することが可能となり、シリンダボア内面３に形成する粗面形状を、溶射皮膜を形成する上で最適なものとすることができる。

図３は、シリンダボア内面３に溝３ａを加工した後、溶射皮膜２３を形成した状態を示す。この状態で、図示しないピストンが上部から燃焼圧を受けて往復運動する際に、ピストンに装着してあるピストンリング２５は、図３中の矢印Ａで示す上下方向に移動するとともに、矢印Ｂで示すように外側に拡張して溶射皮膜２３を押圧することになる。

このときピストンリング２５は、矢印Ａ方向に移動する際に溶射皮膜２３を同方向に沿って剥離させようとする力を付与するが、この力に対しては、従来の螺旋状の溝と同様に溝３ａが対抗して剥離を防止する。さらに、ピストンリング２５は、ピストンの往復運動の際にピストンに対して回転して溶射皮膜２３を円周方向に沿って剥離させようとする力を付与するが、本実施形態では溝３ａが円周方向に沿ってうねりを備えていることから、このうねりを持つ溝３ａが溶射皮膜２３の剥離を防止する。

このように、本実施形態では、ピストンリング２５が、溶射皮膜２３に対し、ピストンの往復移動方向および円周方向の双方に力を付与して剥離させようとしても、これに対抗することができるので、溶射皮膜２３のシリンダボア内面３に対する密着性が高いものとなり、溶射皮膜２３の信頼性を向上させることができる。

なお、上記したシリンダボア内面３を粗面化する際の加工条件は以下の通りである。

ボーリングバー５の回転数：２０００ｒｐｍ
ボーリングバー５の送り速度：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ
振動子７の振動周波数：２０Ｈｚ
また、上記のようにして切削加工した溝３ａについては、レーザなどの被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４は、本発明の第２の実施形態に係わる溶射前処理方法によって形成した溶射前処理形状を示している。本実施形態は、第１の実施形態と同様にして工具９を矢印Ｃで示す図３中で上下方向に振動させながら溝３ａを形成するが、そのとき発生する切り屑が、先に形成した溝３ａとの間の山部２７に接して破断面２９を形成するようにしている。なお、破断面２９を形成する際の切り屑は、基材表面（シリンダボア表面３）から切り離されておらず、連続した状態となっている。

上記した破断面２９についても、溝３ａと同様に、工具９の振動に伴って切り屑も振動することからうねりを持つものとなる。このため、本実施形態では、第１の実施形態に比較して、破断面２９を備えることから、シリンダボア内面３の粗面形状がより細かなものとなって溶射皮膜の密着性が高まる上に、破断面２９についても溝３ａと同様にうねりを持つことから、前記図３に示したピストンリング２５によって溶射皮膜２３を円周方向に沿って剥離させようとする力に対し、より確実に対抗でき、極めて密着性の高い溶射皮膜を得ることができる。

図５は、シリンダボア内面３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３に溶射皮膜２３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５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５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３に向けて溶滴３３として送り、シリンダボア内面３に溶射皮膜２３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５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３のほぼ全域に溶射皮膜を形成する。

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。 シリンダボア内面に螺旋状の溝を形成したシリンダブロックの簡略化した断面図である。 ピストン作動時に、ピストンリングがシリンダボア内面の溶射皮膜に作用する力の状態を示す説明図である。 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。 溶射装置の概略を示す全体構成図である。

符号の説明

１ シリンダブロック
３ シリンダボア内面（基材表面）
３ａ 溝
９ 工具
２３ 溶射皮膜
２７ 溝相互間の山部
２９ 山部に形成した破断面

Claims (5)

1. 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において、前記基材表面に工具を用いてうねりを持つ溝を切削加工し、このとき前記工具に振動を与えて前記溝にうねりを持たせることを特徴とする溶射前処理方法。
2. 前記基材表面を円筒内面とし、この円筒内面に対し前記工具により前記溝を螺旋状に切削加工する際に、そのとき発生する切り屑が先に形成した溝との間の山部に接して破断面を形成するよう前記工具に振動を与え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. 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エンジンのシリンダブロックであって、前記シリンダボア内面に工具を用いてうねりを持つ溝を切削加工したことを特徴とするエンジンのシリンダブロック。
4. 前記工具に振動を与えて前記溝にうねりを持たせたことを特徴とする請求項３に記載のエンジンのシリンダブロック。
5. 前記シリンダボア内面に対し前記工具により前記溝を螺旋状に切削加工する際に、そのとき発生する切り屑が先に形成した溝との間の山部に接して破断面を形成するよう前記工具に振動を与えたことを特徴とする請求項４に記載のエンジンのシリンダブロック。

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