JP4743191B2 - エンジンブロックの製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、シリンダ内周面に被覆膜が形成された後に研削が行われるエンジンブロックの製造方法に関する。

エンジンのシリンダ内周面に沿って往復動するピストンには、燃焼室の気密性を保つためのコンプレッションリングと、エンジンオイルが燃焼室に浸入することを防ぐためのオイルリングとを含む複数のピストンリングが設けられている。

これらピストンリングはシリンダ内周面に接触しているため、ピストンの往復運動に伴ってピストンリングとシリンダ内周面との間に摩擦が生じる。その結果、シリンダ内周面が磨耗することとなる。これを防止するために、シリンダにシリンダライナが鋳込まれているか、若しくは圧入されているものがある（例えば特許文献１）。

シリンダライナは、鋳鉄やアルミニウム合金を原材料とする筒状部材の内面を、耐摩擦性を向上させるための材料である硬化クロム等をプラズマ溶射によって被覆した後、被覆膜の表面をホーニング加工することによって製造される。
特開平８−２１０１７７号公報

ところで、プラズマ溶射においては、シリンダライナ内周面を被覆する材料の粉末を溶融し、それを微粒子化してライナ内周面に吹き付けるため、溶射によって形成された被覆膜の表面および内部には微細な穴である溶射ピットや微粒子同士の隙間である空孔が形成される。

この溶射ピットや空孔が存在している被覆膜にホーニング加工が施されると、被覆膜の塑性流動や、ホーニング加工に用いた砥石の研削する能力の低下に起因して、溶射ピットや空孔の周縁に突起部が生じることがある。そして、ピストンのシリンダライナ内周面に沿った往復動に伴って、ピストンリングと被覆膜との間に生じる摩擦により突起部がその周辺部から剥離し、被覆膜が損傷するおそれがある。こうした被覆膜の損傷は潤滑油の消費量の増大やピストンとライナとの焼き付きの原因となる。

なお、こうした課題は、シリンダライナを備えるエンジンブロックに限らず、シリンダ内周面に被覆膜が形成された後に研削が行われるエンジンブロックであれば概ね共通して発生し得る。

この発明は、こうした従来の実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、シリンダ内周面に形成された被覆膜の損傷を抑制することのできるエンジンブロックの製造方法を提供することにある。

以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について記載する。
請求項１に記載の発明は、シリンダの内周面を被覆する被覆材料を前記内周面に吹き付けることによって被覆膜を形成する被覆膜形成工程と、前記被覆膜の表面を研削する研削工程とを備えるエンジンブロックの製造方法において、前記研削工程が終了した後に前記被覆膜を加熱してその表面に存在する突起部を溶融させる加熱工程を備えることをその要旨とする。

上記工程によれば、シリンダの内周面に形成された被覆膜の表面を研削した後、被覆膜を加熱してその表面に存在する突起部を溶融させるため、突起部の形状を滑らかにすることができる。その結果、ピストンがシリンダの内周面に沿って往復運動をすることに伴う突起部の剥離を抑制することができ、シリンダ内周面に形成された被覆膜の損傷を抑制することができる。

また、加熱工程においては、請求項２に記載の発明のように、シリンダの内周面に形成された被覆膜を高周波によって加熱するといった構成を採用することができる。
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載のエンジンブロックの製造方法において、前記シリンダ内を往復動するピストンはピストンリングが設けられるものであり、前記加熱工程は、前記被覆膜のうち前記ピストンリングが摺動する部位のみを加熱する工程であることをその要旨とする。

一般に、ピストンにはその上端側から順に、燃焼室の気密性を保つための２本のコンプレッションリングと、エンジンオイルが燃焼室に浸入することを防ぐためのオイルリングとの３本のピストンリングが設けられている。ピストンがシリンダの内周面に沿って往復動する際には、これらピストンリングとシリンダの内周面に形成された被覆膜との間に摩擦が生じるとともに、この摩擦に起因して被覆膜が損傷することとなる。しかしながら、ピストンリングが摺動する範囲は、シリンダの全長のうちの所定の範囲であるから、被覆膜において損傷する可能性のある部位もこの所定の範囲に限られることとなる。

この点請求項３に記載の発明によれば、加熱工程において、被覆膜のうちピストンリングが摺動する部位のみを加熱するようにしている。これにより、ピストンがシリンダの内周面に沿って往復運動をすることに伴う被覆膜の損傷を抑制しつつ、加熱する被覆膜の面積を抑えることによって加熱工程に要する時間を短縮することが可能となるため、エンジンブロックの生産性を向上させることができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載のエンジンブロックの製造方法において、前記加熱工程によって加熱された前記被覆膜の温度に基づいて同被覆膜の膜厚を検出する検出工程をさらに備えることをその要旨とする。

シリンダの内周面に形成された被覆膜は、研削工程においてその厚さが略均一に加工される。ところが、研削加工の偏りによって被覆膜の厚さが均一とならないことがある。このように膜厚が不均一である場合、研削工程後の加熱工程において被覆膜を加熱すると、加熱する条件が同一であっても、その膜厚の差に応じて被覆膜の温度が異なることとなる。

従って請求項４に記載の発明のように、加熱された被覆膜の温度に基づいて同被覆膜の膜厚を検出することができる。

以下、この発明の一実施形態について図１〜３を参照して説明する。
図１は、本実施形態におけるエンジンブロックの製造方法によって製造されたシリンダライナを備えるエンジンブロック及びピストンの一部断面構造を示している。

同図１に示されるように、エンジンブロック１０に形成されたシリンダ１１には、その内周面の磨耗を防ぐためにシリンダライナ１２が設けられている。また、このシリンダライナ１２の内周面に沿って往復動するピストン１３には、その上端側から順に、燃焼室の気密性を保つための２本のコンプレッションリング１４ａ，１４ｂと、エンジンオイルが燃焼室に浸入することを防ぐためのオイルリング１４ｃとの３本のピストンリング１４が設けられている。

ピストン１３がシリンダライナ１２の内周面に沿って往復動することに伴って、３本のピストンリング１４は同シリンダライナ１２の内周面に沿って摺動するため、ライナ１２の内周面とピストン１３との間には摩擦が生じる。なお、ピストンリング１４が摺動する範囲は、凡そ同図１に示した範囲Ｂに限られる。

次に、本実施形態におけるシリンダライナの製造工程について、図２及び３を参照して説明する。
図２に示されるように、シリンダライナ１２の製造工程においてはまず、成形工程においてシリンダライナ１２が成形される。具体的には、押し出し成形されたアルミニウム合金の筒状材料からライナ１２の長さ分だけ切断されることによってシリンダライナ１２は成形される。

次に、成形されたシリンダライナ１２の内周面に被覆膜１２ｂが形成される被覆膜形成工程が実行される。この工程においては、先の工程において成形された基材１２ａ、すなわちシリンダライナ１２の内周面に、プラズマ溶射によって被覆材料が吹き付けられることによって被覆膜１２ｂが形成される。被覆材料としては、硬化クロムや鉄系の材料を用いることができる。プラズマ溶射にあっては、被覆材料の粉末を溶融し、それを微粒子化して基材１２ａに吹き付けるため、図３（ａ）に示されるように被覆膜１２ｂの表面は平滑でなく、さらには被覆膜１２ｂの表面および内部には微細な穴である溶射ピット１２ｃや微粒子同士の隙間である空孔１２ｅが多数形成される。なお、図３は、図１におけるシリンダライナ１２の領域Ａを拡大したものであり、溶射ピット１２ｃ及び空孔１２ｅを誇張して示している。

そして、形成された被覆膜１２ｂの表面を平滑にするとともに、その厚さを略均一にするために研削工程が実行される。具体的には、被覆膜１２ｂの表面が砥石によって研削されるホーニング加工が施される。このホーニング加工によって研削される膜厚が膜表面から空孔１２ｅまでの距離よりも大きい場合、図３（ｂ）に示すように空孔１２ｅが膜表面に露出する。そして、被覆膜１２ｂの塑性流動や、ホーニング加工に用いた砥石の研削する能力の低下に起因して露出した空孔１２ｅや溶射ピット１２ｃの周縁部に突起部１２ｄ，１２ｆが形成されることがある。こうした突起部１２ｄ，１２ｆが形成されると、ピストン１３がシリンダライナ１２の内周面に沿って往復運動することに伴って、ピストンリング１４と被覆膜１２ｂとの間に生じる摩擦により同突起部１２ｄ，１２ｆが周辺部から剥離し、被覆膜１２ｂが損傷する原因となるおそれがある。ただし、上述のようにピストンリング１４が被覆膜１２ｂの表面に沿って摺動する範囲は図１に示される範囲Ｂに限られるため、被覆膜１２ｂのうち損傷する可能性のある部位も同様の範囲に限定される。

その後、研削された被覆膜１２ｂの表面を加熱する加熱工程が実行される。この工程においては、先の工程で被覆膜１２ｂの表面に形成された突起部１２ｄ，１２ｆが溶融する温度まで高周波加熱装置によって、被覆膜１２ｂのうち範囲Ｂの部分が順次加熱される。例えば、被覆膜１２ｂを構成する材料の融点近傍の温度まで加熱することにより、突起部１２ｄ，１２ｆを溶融させることができる。ここで、突起部１２ｄ，１２ｆは熱容量が小さいため、他の部分と比較して温度上昇が大きくなる。このため、被覆膜１２ｂのうち突起部１２ｄ，１２ｆのみを溶融させることも可能である。これにより、図３（ｃ）に示すように、突起部１２ｄ，１２ｆの形状が先の研削工程終了直後と比較して滑らかになる。

また、加熱工程と平行して加熱された被覆膜１２ｂの温度を測定し、その値に基づいて被覆膜１２ｂの膜厚を検出する膜厚検出工程が実行される。具体的には、高周波加熱装置によって被覆膜１２ｂの所定領域を加熱すると同時に、同所定領域において被覆膜から放射される赤外線を分析することによって膜厚を検出することができる。すなわち、被覆膜１２ｂと基材１２ａ（シリンダライナ１２）とでは比熱および熱伝導率が異なるため、被覆膜１２ｂの膜厚の差に応じて加熱された被覆膜１２ｂの温度が異なることとなる。また、上述したように、突起部１２ｄ，１２ｆは熱容量が小さいため、他の部分と比較して温度上昇が大きくなる。

以上説明した本実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。
（１）本実施形態によれば、シリンダライナ１２の内周面に形成された被覆膜１２ｂの表面を研削した後、被覆膜１２ｂを加熱してその表面に存在する突起部１２ｄ，１２ｆを溶融させるため、突起部１２ｄ，１２ｆの形状を滑らかにすることができる。その結果、ピストン１３がシリンダライナ１２の内周面に沿って往復運動をすることに伴う突起部１２ｄ，１２ｆの剥離を抑制することができ、シリンダライナ１２の内周面に形成された被覆膜１２ｂの損傷を抑制することができる。

（２）本実施形態によれば、加熱工程において、被覆膜１２ｂのうちピストンリング１４が摺動する部位（範囲Ｂ）のみを加熱するようにしている。これにより、ピストン１３がシリンダライナ１２の内周面に沿って往復運動をすることに伴う被覆膜１２ｂの損傷を抑制しつつ、加熱する被覆膜１２ｂの面積を抑えることによって加熱工程に要する時間を短縮することが可能となるため、エンジンブロック１０の生産性を向上させることができる。

（３）被覆膜１２ｂの膜厚が不均一である場合、研削工程後の加熱工程において被覆１２ｂ膜を加熱すると、加熱する条件が同一であっても、その膜厚の差に応じて膜表面の温度が異なることとなる。本実施形態においては加熱工程において加熱された被覆膜１２ｂの表面温度を測定し、この測定結果に基づいて同被覆膜１２ｂの膜厚を検出することができる。また、突起部１２ｄ，１２ｆは熱容量が小さいため、他の部分と比較して温度上昇が大きくなる。このため、温度上昇の大きい部分を検出することにより、突起部１２ｄ，１２ｆを検出することができる。

なお、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することもできる。
・シリンダライナ１２はアルミニウム合金製に限らず、例えば鋳鉄製であってもよい。
・シリンダライナ１２の成形方法は押し出し成形に限らず、金型遠心鋳造等であってもよい。

・本実施形態においては、被覆膜１２ｂを加熱する加熱工程において高周波加熱装置を用いた。これに限らず、突起部１２ｄ，１２ｆが溶解する温度まで被覆膜１２ｂを加熱することのできる方法であればよい。

・本実施形態においてはシリンダライナ１２の被覆膜１２ｂのうち、範囲Ｂの部分のみを加熱するようにした。これに限らず、被覆膜１２ｂの全体を加熱するようにしてもよい。この場合であっても、上記（１）及び（３）に準ずる効果を得ることができる。

・加熱工程と平行して行われる被覆膜１２ｂの膜厚検出工程を省略してもよい。この場合であっても、上記（１）及び（２）に準ずる効果をえることができる。
・本実施形態においては、シリンダライナ１２の内周面に被覆膜１２ｂを形成する方法としてプラズマ溶射を用いた。これに限らず、基材１２ａに微粒子状の被覆材料を吹き付ける方法であれば本実施形態を適用することができる。

・研削工程において用いる方法はホーニング加工に限らず、例えばボーリング加工のように被覆膜１２ｂの表面を精密に仕上げる方法であればよい。
・本発明はシリンダライナ１２を備えていないエンジンブロック１０の製造工程において、そのシリンダ１１の内周面を加工する方法として適用することも可能である。

本発明の一実施形態におけるエンジンブロック及びピストンの一部断面構造を示す部分断面図。 同実施形態のシリンダライナ製造工程を示す図。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）シリンダライナ及び被覆膜の拡大断面図。

符号の説明

１０…エンジンブロック、１１…シリンダ、１２…シリンダライナ、１２ａ…基材、１２ｂ…被覆膜、１２ｃ…溶射ピット、１２ｄ，１２ｆ…突起部、１２ｅ…空孔、１３…ピストン、１４…ピストンリング、１４ａ，１４ｂ…コンプレッションリング、１４ｃ…オイルリング。

Claims (4)

1. シリンダの内周面を被覆する被覆材料を前記内周面に吹き付けることによって被覆膜を形成する被覆膜形成工程と、前記被覆膜の表面を研削する研削工程とを備えるエンジンブロックの製造方法において、
   前記研削工程が終了した後に前記被覆膜を加熱してその表面に存在する突起部を溶融させる加熱工程を備える
   ことを特徴とするエンジンブロックの製造方法。
2. 請求項１に記載のエンジンブロックの製造方法おいて、
   前記加熱工程は、前記被覆膜を高周波によって加熱する工程である
   ことを特徴とするエンジンブロックの製造方法。
3. 請求項１または２に記載のエンジンブロックの製造方法において、
   前記シリンダ内を往復動するピストンはピストンリングが設けられるものであり、
   前記加熱工程は、前記被覆膜のうち前記ピストンリングが摺動する部位のみを加熱する工程である
   ことを特徴とするエンジンブロックの製造方法。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のエンジンブロックの製造方法において、
   前記加熱工程によって加熱された前記被覆膜の温度に基づいて同被覆膜の膜厚を検出する検出工程をさらに備える
   ことを特徴とするエンジンブロックの製造方法。

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