JP5029153B2 - 余剰溶射皮膜除去方法および装置ならびに該装置に使用する液体噴射ノズル - Google Patents

Description

本発明は、溶射皮膜をワークへの溶射が必要な溶射部位に形成した後、溶射部位に隣接して溶射皮膜が不要な溶射不要部位に付着した余剰溶射皮膜を除去する余剰溶射皮膜除去方法および装置ならびに該装置に使用する液体噴射ノズルに関する。

内燃機関の出力・燃費・排気性能向上あるいは小型・軽量化といった観点から、アルミシリンダブロックのシリンダボア部に適用しているシリンダライナを廃止することへの設計要求は極めて高く、その代替技術の一つとして、アルミシリンダボア内面に鉄系材料からなる溶射皮膜を形成する溶射技術の適用が進められている。

ところで、上記した溶射皮膜を形成する際には、溶射が必要なシリンダボア部以外の例えばクランクケース内面などの溶射が不要な部位への余剰溶射皮膜の付着を極力少なくすることが要求される。このような余剰溶射皮膜は、通常密着度を高めるべく溶射前処理を施しているシリンダボア部に比較して、溶射材料を噴出するノズルから離れた位置にあることもあって、密着度が低くて剥離が発生しやすく、剥離した余剰溶射皮膜がクランクケース内の潤滑油中に混入する虞がある。

このため溶射皮膜を形成する際には、例えば下記特許文献１に記載されているような保護マスク装置を使用することが考えられる。ところがこの保護マスク装置は、溶射開始時におけるシリンダブロックの上端部分への余剰溶射皮膜の付着を防止するものであり、このような保護マスク装置を例えばクランクケース内面などの複雑な形状部分に装着するのは困難である上、保護マスク装置を取り付ける作業が必要となるので、品質およびコスト面を考慮すると量産化するには限界がある。

これに対し、例えば下記特許文献２には、上記した余剰溶射皮膜を、溶射皮膜形成後の後工程で除去することが記載されている。これは、溶射皮膜を形成したシリンダボア内面をマスキング用円筒部材で覆った状態で、余剰溶射皮膜が付着した部位に対しブラスト処理またはショット処理を行って余剰溶射皮膜を除去している。
特開２００２−３３９０５３号公報 特開２００２−３０２７５５号公報

しかしながら、余剰溶射皮膜をブラスト処理やショット処理で除去する方法は、その処理に使用するブラスト材やショット材がシリンダブロック内に残留する虞があり、これら残留物をそのままにしておくと、エンジン稼動時にて不具合を誘発するものとなる。このため、この残留物をさらに除去するための洗浄作業が必要となり、余計な工数が必要となってコスト上昇を招く。

そこで、本発明は、余剰溶射皮膜を除去した後の残留物の除去作業を不要とすることを目的としている。

本発明は、ワークの溶射が必要な部位に溶射皮膜を形成した後、前記ワークの溶射が不要な部位に付着した余剰溶射皮膜を除去する余剰溶射皮膜除去方法において、前記溶射が必要な溶射部位と前記溶射が不要な溶射不要部位との境界部分の溶射不要部位に液体からなる保護部を設け、この保護部を境にして前記溶射不要部位側に液体を吹き付けて前記余剰溶射皮膜を除去することを最も主要な特徴とする。

本発明によれば、液体の保護部を境にして溶射不要部位側に液体を吹き付けて余剰溶射皮膜を除去するようにしたので、皮膜除去作業自体が液体による洗浄をも兼ねることになり、その後の洗浄作業が不要であり、ブラスト処理などにおけるような残留物の除去作業が不要となって作業コストを低減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余剰溶射皮膜除去装置を示す断面図であり、図２に示すような自動車用エンジンのシリンダブロック１に対し、そのシリンダボア３が開口するシリンダヘッド取付側が下部となるよう上下を逆にした倒立状態で、余剰溶射被膜の除去作業を行う。

なお、ここでのシリンダブロック１は、シリンダヘッド取付側と反対側のクランクケース５側の端部に、図示しないクランクシャフトのジャーナル部を回転支持する軸受部を備えたラダーフレームと呼ばれる梯子状の部材７を取り付けている。これにより、シリンダブロック１の剛性が高まり、シリンダボア３の内面３ａに溶射皮膜９を形成する際には、溶射時の熱の影響によるシリンダブロック１の変形を防止できる。

溶射皮膜９の形成は、図３に示すように図１とは逆にシリンダボア３の開口側が上部側となる正立状態で、溶射ノズル１１を回転させつつシリンダボア３内に挿入することで行う。この際、溶射ノズル１１から噴出される溶融した鉄系材料の噴霧１３が、溶射部位であるシリンダボア内面３ａに付着して溶射被膜９となる。

このようにして溶射被膜９を形成する過程で、溶射ノズル１１が特に図３中の二点鎖線で示すような最下端に位置した状態でクランクケース５の近傍のシリンダボア３に対して溶射被膜９を形成する際には、溶射材料の噴霧１３の一部がクランクケース５の内面５ａに向けて飛散し、この飛散もしくは浮遊粒子が該内面５ａのみなら部材７の内面７ａにも付着し、これらの溶射不要部位に余剰溶射被膜１５となって形成されてしまう。

そこで、本実施形態では、上記した余剰溶射被膜１５を除去するのであるが、その前に、溶射被膜９の図３中でクランクケース５側の端部を、下地部分（シリンダブロック１）を含めて図４に拡大して示すように、テーパ面１７となるよう面取加工を行う。この面取加工は、図示しないボーリングバーをシリンダボア３内に挿入して行う。なお、このような面取加工は、シリンダボア３の図３中で上端部についても実施する。

上記した面取加工後は、特に図示しないが、外周部に砥石を備えたホーニング加工ヘッドをシリンダボア３内に挿入しながら回転させることで、溶射被膜９の表面を仕上げ加工する。この際溶射被膜９は、前記したテーパ面１７となる面取加工を行っていることで、ホーニング加工時での剥離を防止することができる。

そして、本実施形態では、ホーニング加工による仕上げ加工後に、図１に示すように、シリンダブロック１をクランクケース５側が上部となるよう図３とは逆の倒立状態で、余剰溶射皮膜１５の除去を行う。

余剰溶射皮膜１５の除去は、液体として例えば水を噴射する液体噴射手段として水噴射ノズル１９を使用する。水噴射ノズル１９は、図１中で上部からクランクケース５内に回転させつつ挿入するもので、先端（図１中の下端）側部に、第１の噴射口２１と第２の噴射口２３とを設けている。このうち第１の噴射口２１は先端側に設けてあって低圧の水２４を噴射し、第２の噴射口２３は第１の噴射口２１に隣接してその基端側（図１中で上部側）に設けてあって高圧の水２６を噴射する。

第２の噴射口２３から高圧の水２６を噴射することで余剰溶射被膜１５を除去し、その際低圧の水２４を、前記したテーパ面１７の上端部付近より上部側に噴射する。この低圧で噴射した水２４により、液体からなる保護部としてのウオータカーテンを形成する。このウオータカーテンにより高圧の水２６から溶射皮膜９を保護する。すなわち、本実施形態では、溶射部位と前記溶射不要部位との境界部分に、これら両部位相互を隔てる液体からなる保護部を設け、この保護部を境にして溶射不要部位側に液体を吹き付けて余剰溶射皮膜を除去する。

図５は、上記した水噴射ノズル１９の先端側の一部を示す断面図で、ノズル本体２５の先端にノズル端部２７を装着している。ノズル本体２５は、中心部に軸方向に貫通する液体流路としての高圧通路２５ａを有し、この高圧通路２５ａに外部の図示しない高圧水供給源から高圧の水が矢印Ｂのように供給される。

高圧通路２５ａの先端（図５中で下端）付近には、半径方向外側に向けて連通する高圧吐出口２５ｂを設けており、この高圧吐出口２５ｂが第２の噴射口２３に連通する。すなわち、高圧通路２５ａに供給された高圧の水は、高圧吐出口２５ｂを経て第２の噴射口２３から外部に噴射される。

上記した高圧吐出口２５ｂより先端側における高圧通路２５ａの端部外周を覆うようにしてノズル本体２５に装着されるノズル端部２７は、高圧通路２５ａより通路径の小さい低圧通路２７ａを中心部に備えている。

低圧通路２７ａの一端は高圧通路２５ａの中心に連通し、他端は先端側に設けてある容積拡大部２７ｂに連通している。容積拡大部２７ｂの外周側の一部は、第１の噴射口２１に連通している。この容積拡大部２７ｂは、低圧通路２７ａに対して容積が拡大しているので、流入する水の圧力が低下し、この低圧の水２４を第１の噴射口２１を経て外部に噴出する。

このように構成した余剰溶射皮膜除去装置においては、図１に示すように、倒立状態のシリンダブロック１内に、クランクケース５側から水噴射ノズル１９を回転させつつ挿入し、第１の噴射口２１および第２の噴射口２３から水を噴射する。

その際、第２の噴射口２３から噴出する高圧の水２６によって余剰溶射皮膜１５を除去するが、この余剰溶射皮膜１５が形成されるクランクケース内面５ａや部材７の内面７ａは、図３に示すように、溶射ノズル１１からはシリンダボア内面３ａに比較して遠い位置にあって、噴射される溶射材料の浮遊粒子が主として付着するものであることから、密着力が弱く、したがって高圧の水２６を吹き付けることで容易に除去することができる。

そして、水噴射ノズル１９が、図１に示すようにシリンダボア３の上端近傍の最下端に位置するときには、第１の噴射口２１から噴射する低圧の水２４によって形成されるウオータカーテンが、第２の噴射口２３から噴射される高圧の水２６がシリンダボア３側へ向かうのを阻止するように作用し、高圧の水２６が溶射被膜９の特に図６に示す端部における下地との接合部２９に吹き付けられることによる溶射被膜９の剥離を防止することができる。

この際、第１の噴射口２１から噴射する低圧の水２４によっても、余剰溶射皮膜１５の一部を除去することもでき、また、低圧の水２４が例えシリンダボア３の溶射皮膜９に掛かったとしても、この水は低圧である上、溶射皮膜９は余剰溶射皮膜１５に比べて密着度が高いので、剥離することはない。

図７は、図１に示した水噴射ノズル１９の変形例を示している。図７に示す水噴射ノズル１９Ａは、ウオータカーテンを形成する第１の噴射口２１Ａからの低圧の水２４Ａの噴射方向を、第２の噴射口２３から離れる方向として、図１の水噴射ノズル１９における第１の噴射口２１の噴射方向に比べて下方となるようにしている。

これにより、水噴射ノズル１９Ａを、図１の水噴射ノズル１９に比較して、シリンダブロック１内のより深い位置まで挿入することなく、シリンダボア３から離れた位置で、図１と同様にしてウオータカーテンを形成することが可能である。この例では、図１の位置にある水噴射ノズル１９の先端部付近が、シリンダブロック３の内壁部分に干渉する場合であっても、水噴射ノズル１９Ａを該干渉する位置よりも図１中で上方位置から低圧の水２４Ａを噴射してウオータカーテンを形成することができる。

また、本実施形態によれば、液体からなる保護部は、水噴射ノズル１９，１９Ａから噴射する水で構成されているので、シリンダブロック内面のような複雑な形状にも対応でき、汎用性が高いものとなっている。

また、液体噴射手段である水噴射ノズル１９，１９Ａは、保護部であるウオータカーテンを形成する水を噴射する第１の噴射口２１，２１Ａを備えるとともに、溶射不要部位に付着している余剰溶射皮膜１５側に水を吹き付けるための第２の噴射口２３を備えているので、ウオータカーテンを形成するための専用の噴射ノズルを設ける必要がなく、設備全体の簡素化を達成することができる。

さらに、保護部を構成する液体は、余剰溶射皮膜１５が付着している溶射不要部位側に吹き付ける液体よりも低圧で噴射するので、溶射部位に形成した溶射皮膜９の剥離を防止することができる。

また、水噴射ノズル１９，１９ａは、外部から液体が供給される高圧通路２５ａに第２の噴射口２３が連通して設けられ、この第２の噴射口２３より先端側に、高圧通路２５ａに連通する容積拡大部２７ｂを備え、この容積拡大部２７ｂに第１の噴射口２１が連通して設けられているので、１つの高圧通路２５ａから容積拡大部２７ｂに流出する水の圧力が低下し、第１の噴射口２１から低圧の水２１を噴射することができる。

図８は、本発明の第２の実施形態に係わる余剰溶射皮膜除去装置を示す、前記図１に対応する断面図である。この実施形態は、水噴射ノズル１９Ｂを、その先端に余剰溶射皮膜１５を除去するための高圧の水を噴射する噴射口３１を設ける構成とした上で、図１と同様にシリンダヘッド取付側が下部となるよう上下を逆にした倒立状態のシリンダブロック１を、シリンダボア３の全域が水没するよう液体である水３３の中に挿入した状態で、余剰溶射被膜の除去作業を行う。

具体的には、シリンダブロック１は、シリンダボア３を含みそのクランクケース５側のテーパ面７も水没するように、水３３の中に挿入する。この際、水３３の液面３３ａが第１の実施形態におけるウオータカーテンに代わる保護部を構成する。

この状態で、水噴射ノズル１９Ｂを第１の実施形態における水噴射ノズル１９，１９Ａと同様に、回転させつつシリンダブロック１内に挿入し、このとき噴射口３１からは、第１の実施形態による水噴射ノズル１９，１９Ａの第２の噴射口２３と同様の高圧の水２６を噴射することで、クランクケース５の内面５ａおよび部材７の内面７ａの余剰溶射皮膜１５を除去する。

この際、水３３の液面３３ａが、噴射口３１から噴射される高圧の水２６から溶射皮膜９を保護し、該高圧の水２６が溶射被膜９の特に前記図６に示す接合部２９に吹き付けられることによる溶射被膜９の剥離を防止することができる。

なお、上記図８の実施形態においては、水噴射ノズル１９Ｂに代えて第１の実施形態で使用した水噴射ノズル１９，１９Ａを使用してもよい。すなわち、この場合には、噴射口３１から噴射される高圧の水２６から溶射皮膜９を保護する保護部が、液面３３ａと第１の噴射口２１，２１Ａから噴射されるウオータカーテンの二重構造となり、溶射被膜９の剥離の防止をより一層確実なものとすることができる。

図９は、上記した第２の実施形態をより具体化した設備全体の構成を示す斜視図である。洗浄槽３５は、上部が開放しかつ図９中で右側の側部開口においてシャッタ３７が上下方向に移動して開閉可能となっている。

この洗浄槽３５内には、ワークであるシリンダブロック１を固定保持する治具３９および治具３９を設置固定するワーク反転機構４３を設置するとともに、シャッタ３７を閉じた状態で水を満たすための水投入ノズル４１を設けている。治具３９は、ワーク反転機構４３によってシリンダブロック１とともに１８０度回転可能であり、治具３９を固定する治具受け４５と、該治具受け４５を回転支持する一対の回転支持脚４７を備えている。

図１０は、治具３９上に固定したシリンダブロック１およびワーク反転機構４３の側面図である。

治具受け４５は、治具３９が載置される底板４９と、底板４９の両側縁から立ち上がる一対の側板５１とを有し、側板５１の外側に突出する回転支持軸部５３が回転支持脚４７に対して回転可能となっている。この回転支持軸部５３の回転中心Ｐは、シリンダブロック１における図示しないクランクシャフトを回転支持するクランクシャフト支持孔５５の中心と一致している。

なお、図１０中で右側の一方の回転支持脚４７の回転支持軸部５３と反対側の外部には、回転支持軸部５３を回転駆動するための図示しない回転駆動機構を設けている。

また、上記した治具受け４５の底板４９および治具３９には、前述した水噴射ノズル１９Ｂをシリンダブロック１内に挿入するための開口４９ａおよび３９ａをそれぞれ設けている。なお、ここでの水噴射ノズル１９Ｂは、ＮＣ制御によって、前記したように回転可能かつ上下方向Ｚに移動可能であると同時に、シリンダブロック１の長手方向Ｘおよび該Ｘ方向に直交するＹ方向の３軸方向に移動可能とする。

このような構成のワーク洗浄設備において、シャッタ３７を開放して外した状態で、治具３９上に、シリンダボア３が上部でクランクケース５が下部となる正立状態で固定してあるシリンダブロック１を、治具受け４５の底板４９上に固定する。

上記図９，１０の状態から図示しない回転駆動機構を作動させて、治具受け４５をシリンダブロック１とともに１８０度回転させ、シリンダブロック１をシリンダボア３が下部でクランクケース５が上部となる前記図８に示す倒立状態とする。

そして、シャッタ３７を閉じた状態で水投入ノズル４１から洗浄槽３５内に水を供給し、その液面３３ａが図８に示す位置となるよう、例えば図示しない水位センサで検知して制御する。その後は、前述したとおり、水噴射ノズル１９Ｂを、シリンダブロック１内に回転させつつ挿入することで、余剰溶射皮膜１５の除去を行う。この際、ＮＣ制御によって水噴射ノズル１９Ｂを適宜移動させることで、４つのシリンダボア３に対して順次挿入して余剰溶射皮膜１５の除去を行う。

このようにシリンダブロック１を倒立状態で余剰溶射皮膜１５の除去を行った後は、図９に示す正立状態に戻し、クランクケース５や部材７の各内面５ａ，７ａに対して水噴射ノズル１９Ｂから再度水を噴射して洗浄を行う。

上記図９の正立状態でのシリンダブロック１は、図８の水面３３ａが変化なくそのままだとすると、回転中心がクランクシャフト支持孔５５であることから水３３に接触しない状態となるが、この状態で、噴射口３１がクランクケース５や部材７の各内面５ａ，７ａに対向する位置まで水噴射ノズル１９Ｂを挿入し、倒立状態で除去しきれなかった隅部などについて洗浄（余剰皮膜除去）を行う。

なお、上記した各実施形態では、余剰溶射皮膜１５の除去を、溶射皮膜９に対するホーニング加工後に行うものとしているが、ホーニング加工前に行っても構わない。その場合には、ホーニング加工後にシリンダブロック１内を別途洗浄する。

本発明の第１の実施形態に係わる余剰溶射皮膜除去装置により余剰溶射皮膜を除去している状態を示す断面図である。 図１の余剰溶射皮膜除去装置によって余剰溶射皮膜除去を行う自動車用エンジンのシリンダブロックの斜視図である。 シリンダブロックのシリンダボア内面に対して溶射皮膜を形成する状態を示す断面図である。 図３の溶射皮膜形成後の溶射皮膜の端部に対する面取加工部位を拡大して示す断面図である。 余剰溶射皮膜除去を行う水噴射ノズルの先端側の一部を示す断面図である。 図１の面取加工し部位を拡大して示す断面図である。 図１の水噴射ノズルの変形例を示す要部の断面図である。 本発明の第２の実施形態に係わる余剰溶射皮膜除去装置を示す、図１に対応する断面図である。 第２の実施形態をより具体化した設備全体の構成を示す斜視図である。 図９のシリンダブロックおよびワーク反転機構の側面図である。

符号の説明

１ シリンダブロック（ワーク）
３ａ シリンダボア内面（溶射部位）
５ａ クランクケースの内面（溶射不要部位）
７ａ 部材の内面（溶射不要部位）
９ 溶射皮膜
１９，１９Ａ，１９Ｂ 水噴射ノズル（液体噴射手段）
２１，２１Ａ 水噴射ノズルの第１の噴射口
２３ 水噴射ノズルの第２の噴射口
２４ 低圧の水（液体からなる保護部）
２５ａ 高圧通路（液体流路）
２７ａ 容積拡大部
３３ａ 水面（液体からなる保護部）

Claims (9)

1. ワークの溶射が必要な部位に溶射皮膜を形成した後、前記ワークの溶射が不要な部位に付着した余剰溶射皮膜を除去する余剰溶射皮膜除去方法において、前記溶射が必要な溶射部位と前記溶射が不要な溶射不要部位との境界部分の溶射不要部位に液体からなる保護部を設け、この保護部を境にして前記溶射不要部位側に液体を吹き付けて前記余剰溶射皮膜を除去することを特徴とする余剰溶射皮膜除去方法。
2. 前記液体からなる保護部は、液体噴射手段から噴射した液体で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の余剰溶射皮膜除去方法。
3. 前記液体噴射手段は、第１の噴射口から前記保護部を構成する液体を噴射するとともに、第２の噴射口から前記溶射不要部位側に液体を吹き付けることを特徴とする請求項２に記載の余剰溶射皮膜除去方法。
4. 前記保護部を構成する液体は、前記溶射不要部位側に吹き付ける液体よりも低圧で噴射することを特徴とする請求項２または３に記載の余剰溶射皮膜除去方法。
5. 前記液体からなる保護部は、この保護部を境にして前記溶射部位側を液体中に浸した状態での該液体の液面で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の余剰溶射皮膜除去方法。
6. ワークの溶射が必要な部位に溶射皮膜を形成し、前記ワークの溶射が不要な部位に付着した余剰溶射皮膜を除去する余剰溶射皮膜除去装置において、前記溶射が必要な溶射部位と前記溶射が不要な溶射不要部位との境界部分の溶射不要部位に液体からなる保護部を設け、この保護部を境にして前記溶射不要部位側に液体を吹き付けて前記余剰皮膜を除去する液体噴射手段を設けたことを特徴とする余剰溶射皮膜除去装置。
7. 前記液体噴射手段は、前記保護部を構成する液体を噴射する第１の噴射口と、前記保護部を境にして前記溶射不要部位側に液体を吹き付ける第２の噴射口とを備えていることを特徴とする請求項６に記載の余剰溶射皮膜除去装置。
8. 前記液体噴射手段は、外部から液体が供給される液体流路に前記第２の噴射口が連通して設けられ、この第２の噴射口より先端側に、前記液体流路に連通する容積拡大部を備え、この容積拡大部に前記第１の噴射口が連通して設けられていることを特徴とする請求項７に記載の余剰溶射皮膜除去装置。
9. ワークの溶射が必要な部位に溶射皮膜を形成し、前記ワークの溶射が不要な部位に付着した余剰溶射皮膜を除去する余剰溶射皮膜除去装置に使用する液体噴射ノズルであって、前記溶射が必要な溶射部位と前記溶射が不要な溶射不要部位との境界部分の溶射不要部位に液体からなる保護部を設け、前記保護部を構成する液体を噴射する第１の噴射口と、前記保護部を境にして前記溶射不要部位側に液体を吹き付けて前記余剰皮膜を除去する第２の噴射口とを備え、外部から液体が供給される液体流路に前記第２の噴射口が連通して設けられ、この第２の噴射口より先端側に、前記液体流路に連通する容積拡大部を備え、この容積拡大部に前記第１の噴射口が連通して設けられていることを特徴とする液体噴射ノズル。

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