JP5189824B2 - バルブシートの肉盛り処理方法及びその装置 - Google Patents

Description

本発明は、シリンダヘッドのバルブシートに金属粉末を供給しながら該金属粉末にレーザ光を照射して溶融した後に固化させることで肉盛り部を設けるバルブシートの肉盛り処理方法及びその装置に関する。

内燃機関が運転されると、該内燃機関を構成するシリンダヘッドにおいては、吸気バルブ及び排気バルブがバルブシートに対して着座及び離間を繰り返す。このため、バルブシートの耐摩耗性を確保するべく、例えば、焼結リングを圧入することが行われる。

又は、いわゆるレーザ肉盛りによって、バルブシートに肉盛りを行うこともある。この場合、シリンダヘッドを傾斜載置台に位置決め固定した上で、該傾斜載置台を回転させながらバルブシートに対して金属粉末を供給しつつ、この金属粉末にレーザ光を照射することにより該金属粉末を溶融させ、さらに、冷却固化させて肉盛り部とする。

このようなレーザ肉盛りを行うに際しては、例えば、特許文献１に記載されているように、先ず、シリンダヘッドを傾斜載置台に固定し、次に、該傾斜載置台を、レーザ光がバルブシートに照射される位置となるように固定することが一般的である。

特許第２９２９７８５号公報

ところで、レーザ肉盛りを行うに際しては、シリンダヘッドに対してレーザ光が直接照射される。このため、シリンダヘッドに熱変形が生じ易く、最終的に、各バルブシートの位置が変動することがある。

このような状態でレーザ肉盛りを続行しても、所定のバルブシートに金属粉末が供給されず、また、レーザ光が照射されなくなる。すなわち、本来肉盛り処理されるべき部位から若干偏倚した位置に肉盛り部が形成されることになる。

以上から諒解されるように、従来技術に係る肉盛り処理には、肉盛り部の位置精度を向上させることが容易ではないという不具合がある。

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、シリンダヘッドに熱変形が生じることを抑制し、たとえシリンダヘッドに熱変形が生じたとしても、バルブシートに対して肉盛り部を位置精度よく形成することが可能なバルブシートの肉盛り処理方法及びその装置を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、シリンダヘッドのバルブシートに金属粉末を供給しながら該金属粉末にレーザ光を照射して溶融した後に固化させることで肉盛り部を設けるバルブシートの肉盛り処理方法であって、
加熱手段によって前記シリンダヘッドを加熱する工程と、
加熱された前記シリンダヘッド中の前記バルブシートに対して肉盛り処理を施す工程と、
を有し、
前記肉盛り処理を施す際、温度測定手段によって測定された前記バルブシートの近傍の温度に基づいて、前記シリンダヘッドを所定温度に維持するように前記加熱手段を制御することを特徴とする。

要するに、本発明においては、肉盛り処理を施す前にバルブシートを予め加熱し、さらに、レーザ光を照射して肉盛り処理を施す最中には、シリンダヘッドの温度を所定の目標温度に維持するように制御している。このため、シリンダヘッドに熱変形が生じること自体が抑制される。

また、たとえ熱変形が生じたとしても、シリンダヘッドが予め加熱されているため、加熱されていない状態から熱変形が生じた場合に比してその量が著しく低減される。

以上のような理由から、バルブシートに対する肉盛り処理が高精度且つ良好に遂行され、結局、美観に優れるとともに不良箇所が極めて少ない肉盛り部を容易に得ることができる。

なお、肉盛り処理を施す際、前記シリンダヘッドの少なくとも２箇所の位置を位置検出手段によって検出し、検出された前記２箇所の位置と、前記温度測定手段によって測定された前記シリンダヘッドの温度とから前記バルブシートの熱変形量を演算して、演算された前記熱変形量に対応して前記シリンダヘッドの姿勢を変化させるようにしてもよい。

この場合、１個のバルブシートに対して肉盛り処理を行う毎に上記のようにして温度測定を行ってシリンダヘッドの姿勢変化（位置調整）を行う必要がない。従って、肉盛り処理の開始から終了までのサイクルタイムが長期化することを回避することができる。

そして、溶融した前記金属粉末を冷却する際、前記シリンダヘッドのマニホールドを介して前記バルブシートに対してガスを供給することが好ましい。これにより効率よく固化させることが可能となるとともに、バルブ孔に金属粉末が進入していた場合には、その金属粉末を除去することができる。これに代替し、前記マニホールドを介して前記バルブシート近傍の大気を吸引するようにしてもよい。

また、本発明は、シリンダヘッドのバルブシートに金属粉末を供給しながら該金属粉末にレーザ光を照射して溶融した後に固化させることで肉盛り部を設けるバルブシートの肉盛り処理装置であって、
前記シリンダヘッドを加熱する加熱手段と、
前記シリンダヘッドの温度を測定する温度測定手段と、
前記温度測定手段が測定した温度に基づいて、前記シリンダヘッドを所定温度に維持するように制御する制御手段と、
を有することを特徴とする。

このように構成することにより、上記したような制御を容易に行うことができる。従って、シリンダヘッドに熱変形が生じることを抑制することが可能となる一方、熱変形が生じたとしても、その変形量を僅かに留めることができる。

ここで、前記加熱手段を、前記バルブシートの位置に対応する位置に配設することが好ましい。肉盛り処理時にはバルブシートの中心がシリンダヘッドの回転中心となる。この場合、シリンダヘッドは、バルブシートを中心として熱膨張を起こすので、前記回転中心がシリンダヘッドの熱膨張に伴って偏倚することが回避される。すなわち、バルブシートに対する肉盛り処理の精度が低下することを回避することができる。

また、前記シリンダヘッドの少なくとも２箇所の位置を検出する位置検出手段を設け、前記制御手段に、検出された前記２箇所の位置と、前記温度測定手段によって測定された前記シリンダヘッドの温度とから求められた前記バルブシートの熱変形量に対応して前記シリンダヘッドの姿勢を変化させる制御を行せることが好ましい。上記したように、１つのシリンダヘッドに対する肉盛り処理に要するサイクルタイムが長期化することを回避することができるからである。

さらに、前記シリンダヘッドのマニホールドを介して前記バルブシートに対してガスを供給するガス供給手段か、又は、前記マニホールドを介して前記バルブシート近傍の大気を吸引する吸引手段を設けることが好ましい。これにより、肉盛り部を効率よく形成することが可能となると同時に、バルブ孔を清浄化することもできる。

本発明によれば、肉盛り処理を施す前にバルブシートを予め加熱する一方、レーザ光を照射して肉盛り処理を施す最中に、シリンダヘッドの温度を所定の目標温度に維持するように制御している。このため、シリンダヘッドに熱変形が生じること自体が抑制される。また、たとえ熱変形が生じた場合であっても、その変形量は極く僅かである。

以下、本発明に係るバルブシートの肉盛り処理方法につき、それを実施する装置との関係で好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本実施の形態に係るバルブシート用レーザ肉盛り装置（以下、単にレーザ肉盛り装置という）１０の概略斜視説明図であり、図２は、その側面説明図である。これら図１及び図２に示すように、レーザ肉盛り装置１０は、シリンダヘッド１２のバルブシート１６に対してレーザ光Ｌを照射し、金属粉末ＰＷを溶融させるためのレーザ照射器２０を備える。

この場合、シリンダヘッド１２は、アルミニウム合金からなる４気筒型であり、バルブシート１６は、各気筒に４個ずつ形成されている。ここで、バルブシート１６中、図１における右上隅のもの、左下隅のものの各参照符号を１６ａ、１６ｂとする。また、シリンダヘッド１２の一側面には、各気筒の吸気ポートに連通する吸気マニホールド２２が形成され、一方、他側面には、各気筒の排気ポートに連通する排気マニホールド２４が形成されている（図２参照）。

図１及び図２に示すように、レーザ肉盛り装置１０は、さらに、シリンダヘッド１２を支持するとともにバルブシート１６の処理面の中心を回転軸として回転可能な載置駆動機構２６と、バルブシート１６中の肉盛り処理が施されるべきものを撮像する撮像機構２８と、制御信号によって肉盛り処理が施されるバルブシート１６の位置を調整可能な制御機構３０とを備える。

この中、載置駆動機構２６は、基台３２上に設けられた台座３４と、該台座３４に設けられて軸心ＲＯ（図２参照）を中心に回転可能な回転テーブル３６と、第１移動台３８及び第２移動台４０によって直交２軸方向（矢印Ａ方向及び矢印Ｂ方向）に移動可能であり且つ所定角度で傾斜した傾斜面４１を有する傾斜載置台４２とを有し、この傾斜載置台４２には、断熱板４４と、複数本の長尺なヒータ４６（加熱手段）が埋設された加熱板４８とを介してシリンダヘッド１２が載置される。

台座３４は、基台３２上に立設された２本の支持部材５０、５０と、平面視で略Ｔ字状をなし且つその水平部５２が止軸として前記支持部材５０、５０の貫通孔５４に軸止された第１支持板５６と、前記第１支持板５６の上端面に連結された第２支持板５８とを有し、前記回転テーブル３６は、第２支持板５８に設けられている。第１支持板５６の傾動動作（すなわち、シリンダヘッド１２の角度調整）及び回転テーブル３６の回転開始・回転停止は、前記制御機構３０の制御作用下になされる。

また、第１移動台３８は、第２移動台４０を矢印Ａ方向に沿って移動させ、第２移動台４０は、傾斜載置台４２を矢印Ｂ方向に沿って移動させる。この移動を組み合わせることにより、シリンダヘッド１２、ひいては肉盛り処理が施されるべきバルブシート１６の位置調整が行われる。

傾斜載置台４２の傾斜面４１の角度は、シリンダヘッド１２が所定の角度姿勢となるように、換言すれば、肉盛り処理が施されるバルブシート１６の処理面が水平面に向かうように設定されている。

断熱板４４は、ヒータ４６が発した熱が傾斜載置台４２に伝達されることを防止するための部材であり、融点が比較的高く且つ熱伝導率が低い材質、好適にはポリテトラフルオロエチレン等からなる。又は、ジルコニア等のセラミックスであってもよい。

加熱板４８には、上記したように、ヒータ４６が複数本埋設されている。ここで、図３に示すように、シリンダヘッド１２が４気筒型である本実施の形態においては、８本のヒータ４６が用いられ、各気筒に２本づつ割り当てられている。すなわち、各気筒では、１本のヒータ４６が２個のバルブシート１６の下方に位置する。

各ヒータ４６には導電線６０が接続され、さらに、導電線６０が端子ボックス６２を介して前記制御機構３０に電気的に接続されている。従って、制御機構３０は、ヒータ４６への通電量を調整することでヒータ４６の発熱量を制御することが可能である。

シリンダヘッド１２の吸気マニホールド２２の近傍には、図示しないエア供給器に接続された送気管６４が配設されている。この送気管６４は４本に分岐し、分岐管６６ａ〜６６ｄの各々は各吸気マニホールド２２に対向している。

レーザ照射器２０の近傍には、所定の処理位置に配置されたバルブシート１６に金属粉末ＰＷを供給する粉末供給ノズル６８と、前記処理位置に向かって不活性ガスを供給するガスノズル７０とが配設される。レーザ照射器２０、粉末供給ノズル６８及びガスノズル７０は、一体として昇降並びに水平移動可能である。なお、金属粉末ＰＷとしては、銅及びニッケルをベースとする銅合金のアトマイズ粉末が例示され、不活性ガスとしてはアルゴンガスが例示される。

撮像機構２８は、処理位置に配置されるバルブシート１６を撮像するために載置駆動機構２６の回転軸ＲＯの延長線上に配置されたＣＣＤカメラ７２を有する。このＣＣＤカメラ７２で撮像された画像は、制御機構３０に接続されるモニタ７４に表示される。

さらに、処理位置近傍には、シリンダヘッド１２の温度を測定する温度測定手段としての輻射温度計７６が配設される。この輻射温度計７６は、測定した温度を情報として前記制御機構３０に送る。

制御機構３０には、位置検出手段としての第１位置検出センサ７８及び第２位置検出センサ８０も電気的に接続されている。これら第１位置検出センサ７８及び第２位置検出センサ８０は、バルブシート１６ａ、１６ｂの位置を検出するためのものである。

次に、本実施の形態に係るレーザ肉盛り処理方法につき、上記したレーザ肉盛り装置１０の動作との関連で説明する。

はじめに、シリンダヘッド１２が前記傾斜載置台４２に載置保持された後、制御機構３０の作用下に、第１支持板５６が必要に応じて傾動し、第１移動台３８及び第２移動台４０が矢印Ａ、Ｂ方向に沿って駆動される。これにより、シリンダヘッド１２の大まかな位置調整が行われる。

その後、制御機構３０の指令信号によってヒータ４６に通電がなされる。これによりヒータ４６が発熱を開始し、加熱板４８が熱を帯びる。この熱は、シリンダヘッド１２に伝達される。

上記したように、各ヒータ４６は、バルブシート１６の下方に位置するように加熱板４８に埋設されている。従って、シリンダヘッド１２は、バルブシート１６を中心として熱膨張を起こす。

次に、撮像機構２８を構成するＣＣＤカメラ７２が、肉盛り処理が施されるバルブシート１６を撮像する。ＣＣＤカメラ７２による撮像画像は、モニタ７４に送られる。なお、ＣＣＤカメラ７２の位置は、回転軸ＲＯがモニタ７４の中央となるように設定されている。

この際、図４に示すように、バルブシート１６の中心が回転軸ＲＯから偏倚している場合、制御機構３０は、撮像画像を画像処理し、撮像されたバルブシート１６の位置を演算するとともに、この演算結果に基づいて、第１移動台３８及び第２移動台４０、必要に応じてはさらに第１支持板５６を駆動させる。その結果、肉盛り処理が施されるバルブシート１６が回転軸ＲＯの延長線上に正確に配置されるとともに、前記バルブシート１６の処理面が水平方向に配置される。

次に、図２に示すように、バルブシート１６の周囲の一部に、粉末供給ノズル６８から金属粉末ＰＷが供給されるとともに、ガスノズル７０から不活性ガスが噴出される。この状態で、レーザ照射器２０からレーザ光Ｌが照射されるとともに、回転テーブル３６が回転される。

この回転に伴い、金属粉末ＰＷの供給位置及びレーザ光Ｌの照射位置が、バルブシート１６の周囲に沿って環状に相対移動することになる。従って、金属粉末ＰＷの溶融池が環状に移動する。回転テーブル３６が少なくとも１回転することにより、バルブシート１６の周囲全体にわたる溶融池が形成される。

この際、レーザ光Ｌの照射に伴ってシリンダヘッド１２が局所的に温度上昇を起こし、その温度が過度に上昇したことが輻射温度計７６を介して検出された場合、制御機構３０は、ヒータ４６への通電量を小さくしてその発熱量を低減する。勿論、その結果としてシリンダヘッド１２の温度が所定値を下回ったことが輻射温度計７６を介して検出されたときには、制御機構３０は、ヒータ４６への通電量を大きくしてその発熱量を増加する。

このようにして、シリンダヘッド１２の温度が維持されるように制御される。これにより、シリンダヘッド１２に熱変形が生じることが抑制される。

なお、たとえシリンダヘッド１２に熱変形が生じた場合であっても、本実施の形態においては、シリンダヘッド１２の全体に熱を加えて予め熱膨張を起こさせ、その後に正確な位置調整を行っているので、その変形量は極く僅かである。

その上、加熱板４８からの熱が断熱板４４によって遮断される。すなわち、加熱板４８から傾斜載置台４２、ひいては台座３４に熱が伝達されることはほとんどない。このため、台座３４や第１移動台３８、第２移動台４０及び傾斜載置台４２等が熱膨張をほとんど起こすことがないので、これらの部材が熱膨張を起こすことに伴ってバルブシート１６が処理位置から偏倚することが回避される。

以上のような理由から、バルブシート１６に対する肉盛り処理が高精度且つ良好に遂行され、効率的な肉盛り処理が遂行される。しかも、この場合、バルブシート１６の位置精度が良好でないことに起因して肉盛り後に黒皮残りが発生したり、シリンダヘッド１２におけるバルブシート１６、１６同士の間に溶けや割れ等の品質不良部位が発生することを確実に阻止することができる。

溶融池が形成された後、前記エア供給器から送気管６４にエアを供給する。エアは各分岐管６６ａ〜６６ｄから噴出され、吸気マニホールド２２を介して各気筒に導入される。エアは、バルブ孔から排出される。

これに伴い、バルブシート１６に形成された溶融池が迅速に固化する。すなわち、肉盛り部を効率よく形成することができる。また、バルブ孔に金属粉末ＰＷが進入していた場合には、この金属粉末ＰＷをエアに同伴して除去することもできる。

次のバルブシート１６に対して肉盛り処理を施す場合にも、上記と同様にバルブシート１６の位置調整を行えばよいが、第１位置検出センサ７８及び第２位置検出センサ８０からの情報に基づいて位置調整を行うようにしてもよい。

すなわち、この場合、第１位置検出センサ７８及び第２位置検出センサ８０の各々は、当初、バルブシート１６ａ、１６ｂの各中心（すなわち、バルブ孔）に合わせられている。バルブシート１６に対する肉盛り処理を繰り返すうちにシリンダヘッド１２に熱変形が生じてきた場合、バルブシート１６ａ、１６ｂ間の距離が若干伸びる。

この際、制御機構３０は、第１位置検出センサ７８及び第２位置検出センサ８０が検出した位置から、偏倚したバルブシート１６ａ、１６ｂの中心までの距離を演算して求め、この演算結果に基づいて各バルブシート１６の偏倚量を補間推定する。

さらに、制御機構３０は、この補間推定量に基づき、各バルブシート１６に対する肉盛り処理を行う際の第１移動台３８及び第２移動台４０、必要に応じては第１支持板５６の駆動量を設定して、指令信号として送る。

従って、この場合、バルブシート１６の各々に対して肉盛り処理を行うごとに輻射温度計７６からの情報に基づいて位置調整を行う場合に比して、位置調整に要する時間を短縮することができる。換言すれば、サイクルタイムが増加することを回避することができるという効果がある。

このようにして肉盛り処理がなされる間、排気マニホールド２４が分岐管６６ａ〜６６ｄに対向した際には、各排気マニホールド２４を介してエアが各気筒に導入され、バルブ孔から排出される。

なお、上記した実施の形態においては、エアを当てて溶融池を迅速に固化させるとともに金属粉末ＰＷを除去するようにしているが、これに代替し、大気を吸引する吸引機構を用いた場合であっても同様の効果が得られる。

本実施の形態に係るバルブシート１６の肉盛り装置の概略斜視説明図である。 図１の肉盛り装置の側面説明図である。 バルブシート１６とヒータ４６との位置関係を示す平面説明図である。 バルブシート１６の中心と回転中心とが位置ズレを起こしている状態を示す説明図である。

符号の説明

１０…レーザ肉盛り装置 １２…シリンダヘッド
１６、１６ａ、１６ｂ…バルブシート ２０…レーザ照射器
２２…吸気マニホールド ２４…排気マニホールド
２６…載置駆動機構 ２８…撮像機構
３０…制御機構 ３４…台座
３６…回転テーブル ３８、４０…移動台
４２…傾斜載置台 ４４…断熱板
４６…ヒータ ４８…加熱板
６８…粉末供給ノズル ７０…ガスノズル
７２…ＣＣＤカメラ ７４…モニタ
７６…輻射温度計 ７８、８０…位置検出センサ
Ｌ…レーザ光 ＰＷ…金属粉末

Claims (6)

1. シリンダヘッドのバルブシートに金属粉末を供給しながら該金属粉末にレーザ光を照射して溶融した後に固化させることで肉盛り部を設けるバルブシートの肉盛り処理方法であって、
   加熱手段によって前記シリンダヘッドを加熱する工程と、
   加熱された前記シリンダヘッド中の前記バルブシートに対して肉盛り処理を施す工程と、
   を有し、
   前記肉盛り処理を施す際、温度測定手段によって測定された前記バルブシートの近傍の温度が所定値を上回ったときには前記加熱手段の発熱量を低減し、一方、所定値を下回ったときには前記加熱手段の発熱量を増加することにより、前記シリンダヘッドを所定温度に維持するように前記加熱手段を制御するとともに、
   前記シリンダヘッドの少なくとも２箇所の位置を位置検出手段によって検出し、
   検出された前記２箇所の位置と、前記温度測定手段によって測定された前記シリンダヘッドの温度とから前記バルブシートの熱変形量を演算し、
   演算された前記熱変形量に対応して前記シリンダヘッドの姿勢を変化させることを特徴とするバルブシートの肉盛り処理方法。
2. シリンダヘッドのバルブシートに金属粉末を供給しながら該金属粉末にレーザ光を照射して溶融した後に固化させることで肉盛り部を設けるバルブシートの肉盛り処理方法であって、
   加熱手段によって前記シリンダヘッドを加熱する工程と、
   加熱された前記シリンダヘッド中の前記バルブシートに対して肉盛り処理を施す工程と、
   を有し、
   前記肉盛り処理を施す際、温度測定手段によって測定された前記バルブシートの近傍の温度に基づいて、前記シリンダヘッドを所定温度に維持するように前記加熱手段を制御するとともに、前記シリンダヘッドの少なくとも２箇所の位置を位置検出手段によって検出し、
   検出された前記２箇所の位置と、前記温度測定手段によって測定された前記シリンダヘッドの温度とから前記バルブシートの熱変形量を演算し、
   演算された前記熱変形量に対応して前記シリンダヘッドの姿勢を変化させることを特徴とするバルブシートの肉盛り処理方法。
3. 請求項１又は２記載の肉盛り処理方法において、溶融した前記金属粉末を冷却する際、前記シリンダヘッドのマニホールドを介して前記バルブシートに対してガスを供給するか、又は、前記マニホールドを介して前記バルブシート近傍の大気を吸引することを特徴とするバルブシートの肉盛り処理方法。
4. シリンダヘッドのバルブシートに金属粉末を供給しながら該金属粉末にレーザ光を照射して溶融した後に固化させることで肉盛り部を設けるバルブシートの肉盛り処理装置であって、
   前記シリンダヘッドを加熱する加熱手段と、
   前記シリンダヘッドの温度を測定する温度測定手段と、
   前記温度測定手段が測定した温度が所定値を上回ったときには前記加熱手段の発熱量を低減し、一方、所定値を下回ったときには前記加熱手段の発熱量を増加することで、前記シリンダヘッドを所定温度に維持するように制御する制御手段と、
   前記シリンダヘッドの少なくとも２箇所の位置を検出する位置検出手段と、
   を有し、
   前記制御手段は、検出された前記２箇所の位置と、前記温度測定手段によって測定された前記シリンダヘッドの温度とから求められた前記バルブシートの熱変形量に対応して前記シリンダヘッドの姿勢を変化させる制御を行うことを特徴とするバルブシートの肉盛り処理装置。
5. シリンダヘッドのバルブシートに金属粉末を供給しながら該金属粉末にレーザ光を照射して溶融した後に固化させることで肉盛り部を設けるバルブシートの肉盛り処理装置であって、
   前記シリンダヘッドを加熱する加熱手段と、
   前記シリンダヘッドの温度を測定する温度測定手段と、
   前記温度測定手段が測定した温度に基づいて、前記シリンダヘッドを所定温度に維持するように制御する制御手段と、
   前記シリンダヘッドの少なくとも２箇所の位置を検出する位置検出手段と、
   を有し、
   前記制御手段は、検出された前記２箇所の位置と、前記温度測定手段によって測定された前記シリンダヘッドの温度とから求められた前記バルブシートの熱変形量に対応して前記シリンダヘッドの姿勢を変化させる制御を行うことを特徴とするバルブシートの肉盛り処理装置。
6. 請求項４又は５記載の装置において、前記シリンダヘッドのマニホールドを介して前記バルブシートに対してガスを供給するガス供給手段か、又は、前記マニホールドを介して前記バルブシート近傍の大気を吸引する吸引手段を有することを特徴とするバルブシートの肉盛り処理装置。

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