JP5556066B2 - 溶射前処理方法及び溶射前処理形状並びに溶射前処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、溶射皮膜を形成する前処理として加工表面に粗面を形成する溶射前処理方法及び溶射前処理形状並びに溶射前処理装置に関する。

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、シリンダボア内面に対し、ボーリング加工を行ってねじ状の凹凸部を形成するとともに、ねじ状部分の凸部に対応する山部の先端を除去して微細凹凸部となる破断面を形成している。

特許第３７８０８４０号公報

しかしながら、上記した従来の粗面化した溶射前処理形状では、凸部の頂部に破断面を形成して微細化しているものの、凹部内については特に粗面化を行っておらず、さらなる密着性向上が要求されている。

そこで、本発明は、加工表面に対する溶射皮膜の密着性をより高めることを目的としている。

本発明は、切削工具により、円形の孔の内面に、ねじ状の谷部で構成される切削面と、谷部相互間の山部の頂部に位置する破断面とを、それぞれ形成するとともに、谷部に対し、外周面に突起を連続して複数備える歯車形状の加工工具により円形の孔の内面の円周方向に沿って凹凸形状となる凹凸面を形成することを特徴とする。

本発明によれば、山部の頂部に形成した破断面によって、溶射皮膜の密着性が高まるとともに、谷部に形成した凹凸面によって、溶射皮膜の密着性をより高めることができる。この際、谷部における円周方向の凹凸面により、溶射皮膜形成後のホーニング加工時での溶射皮膜の剥離を抑えるのに有効である。

（ａ）は本発明の第１の実施形態を示す溶射前処理装置の断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 図１（ｂ）の要部の拡大した断面図である。 図１の溶射前処理装置のバイトにより螺旋状の谷部及び破断面を形成している状態を示す、図２のＢ−Ｂ断面図である。 図１の溶射前処理装置のダイスにより谷部に対して凹凸面を形成している状態を示す、図２のＣ−Ｃ断面図である。 図４のＤ−Ｄ断面図である。 （ａ）は、円形の孔内面の粗面化加工後の一部を取り出して展開した展開図、（ｂ）は（ａ）のＥ−Ｅ断面図、（ｃ）は（ａ）のＦ−Ｆ断面図である。 粗面化加工後に溶射皮膜を形成した円形の孔の内面の一部を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態を示す溶射前処理装置の断面図である。 第２の実施形態を示す、図４に対応する断面図である。 図９のＧ−Ｇ断面図である。 （ａ）は、第２の実施形態を示す円形の孔内面の粗面化加工後の一部を取り出して展開した展開図、（ｂ）は（ａ）のＨ−Ｈ断面図、（ｃ）は（ａ）のＩ−Ｉ断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

［第１の実施形態］
第１の実施形態は、図１に示すように、ワーク１の円形の孔３内に、加工具の本体ボディとしてのボーリング用カッタボディ５を回転させつつ挿入することで、上記円形の孔３の加工表面である内面７に対し、粗面化加工を実施する。粗面化加工実施後の加工表面に対し、鉄系金属材料の溶射皮膜を形成する。

なお、ワーク１としては、例えば自動車用エンジンのアルミ合金（ＡＤＣ１２材）で構成したシリンダブロックであり、したがって円形の孔３がシリンダボアとなる。

ボーリング用カッタボディ５の先端外周部には、切削工具としてのバイト９を取り付けている。バイト９の材質としては、例えばＫ１０とする。したがって、ボーリング用カッタボディ５を円形の孔３内に挿入し、図１（ｂ）中で矢印Ｐ方向に回転させつつ軸方向に移動させることで、図２のＢ−Ｂ断面図である図３に示すような谷部１１が形成される。

この谷部１１は、ねじ状の螺旋溝で構成された切削面を構成しており、円形の孔３の円周方向に沿って延設されていることになる。この際、谷部１１相互間には山部１３が形成されるが、この山部１３は、本出願人が出願した前述の特許文献１にも記載してあるように、先端の一部がバイト９もしくは切削時に発生する切り屑により剥ぎ取られて形成される破断面１５を備えている。

すなわち、本実施形態では、加工表面である円形の孔３の内面７に、谷部１１と山部１３とが円形の孔３の軸線方向に沿って交互に形成され、山部１３の頂部に、谷部１１と山部１３とからなる凹凸形状部よりも細かい微細凹凸部で構成された破断面１５を有する溶射前処理形状となっている。

前記図１に示すボーリング用カッタボディ５の先端外周部には、図１（ｂ）に示すように、上記したバイト９に対し、ボーリング用カッタボディ５の矢印Ｐで示す回転方向後方側に位置する転造工具としてのマイクロロールフォーミング（ＭＲＦ）用のダイス１７を設けている。このダイス１７は、図１（ｂ）に示すように平面視で全体としてほぼ円板形状を呈しており、ボーリング用カッタボディ５の外周部に形成した切欠凹部５ａ内に一部を入り込ませた状態で、ボーリング用カッタボディ５の回転中心軸と平行な回転支持軸１９を中心として回転可能に取り付けてあり、加工工具を構成している。

上記したダイス１７は、図２に拡大して示すように、外周面に先端が凸曲面となる山形形状の突起２１を連続して複数形成して歯車形状としている。ここで、突起２１は、図２のＣ−Ｃ断面図である図４に示すように、前記したバイト９により形成した谷部１１内に入り込み、かつ、突起２１の先端は谷部１１の底部よりも前方（図４中で下方）に突出する位置関係となっている。

なお、ダイス１７の突起２１を含む外周側は、図４に示すように、両側面が傾斜面１７ａとなりかつ先端面が凸曲面１７ｂとなる先細形状とすることで、先端部を谷部１１に入り込ませている。

次に、第１の実施形態の作用を説明する。ボーリング用カッタボディ５を円形の孔３内に挿入し、例えば回転数２０００ｒｐｍ、軸方向の送り速度を０．２ｍｍ／ｒｅｖで加工を実施する。このとき、まずバイト９により図３に示したように、ねじ状の螺旋溝で構成される谷部１１を形成する。

この際、前述したように、谷部１１相互間には山部１３が形成されるが、この山部１３は、先端の一部がバイト９もしくは切削時に発生する切り屑により剥ぎ取られて破断面１５が形成される。この破断面１５は、上記した谷部１１と山部１３とからなる凹凸形状部よりも細かい微細凹凸部で構成されている。

上記バイト９による切削加工時には、バイト９に対しボーリング用カッタボディ５の回転方向後方近傍に位置するダイス１７の突起２１を含む外周側の一部が、図２に示すように加工直後の谷部１１内に位置しており、谷部１１の底面に対し当接して加圧しつつ回転支持軸１９を中心として回転移動する。

これにより、図４のＤ−Ｄ断面図である図５に示すように、谷部１１には、ダイス１７の複数の突起２１に対応する波型の凹凸面２３が、円形の孔３の内面７の円周方向に沿って形成されることになる。すなわち、この凹凸面２３は、ダイス１７の突起２１により加圧されて形成される凹曲面部２３ａと、凹曲面部２３ａの形成によってその両側に余肉として盛り上がる凸曲面部２３ｂとからなるほぼ正弦波状となっている。

上記したようなバイト９による切削加工での山部１３先端の破断面１５の形成及び、ダイス１７による転造加工での谷部１１の凹凸面２３の形成は、図１の円形の孔３の内面７のほぼ全域にわたり実施する。加工完了後は、ボーリング用カッタボディ５を、その回転を停止させた状態で、バイト９及びダイス１７が加工表面から離れる方向（図２中で左もしくは左やや上方）に移動させた後、円形の孔３から外部に引き抜く。

図６（ａ）は、円形の孔３の内面７における粗面化加工後の一部を取り出して展開した図である。同図（ｂ）に示すように、加工後の表面は、軸方向（円形の孔３の軸線方向）に沿って、破断面１５と凹凸面２３とが交互に形成され、また同図（ｃ）に示すように、谷部１１には、円周方向に沿って、凹曲面部２３ａと凸曲面部２３ｂとからなる凹凸面２３が形成されている。もちろん、特に図示しないが、破断面１５についても円周方向に沿って軸方向と同様な破断面が形成されている。

このように、本実施形態では、バイト９による切削加工で山部１３の先端に破断面１５を形成して粗面化するとともに、谷部１１についても、ダイス１７による転造加工によって凹凸面２３を形成して粗面化しているので、谷部１１を粗面化していない場合に比較して、その後形成する図７に示す溶射皮膜２５の密着性を高めることができる。

ここで、本実施形態では、谷部１１に円周方向に沿って形成した凹凸面２３は、溶射皮膜２５の形成後に仕上げ加工として実施するホーニング加工時での溶射皮膜２５の剥離を抑えるのに有効である。ホーニング加工では、砥石を備えたホーニングヘッドを、加工面（溶射皮膜２５の表面）に押し付けつつ円周方向に沿って回転させるので、溶射皮膜２５は円周方向に引きずられるような力を受ける。

さらに、ワーク１をシリンダブロックとしてそのシリンダボア内面を粗面化することで、ピストン往復移動時での溶射被膜２５の剥離を抑制できるとともに、円周方向に沿って凹凸面２３を形成することで、ピストンリングについてはシリンダボアに対して円周方向に回転するので、ピストンリングの回転に対する溶射皮膜２５の剥離を抑制することができる。

上記したように、溶射被膜２５の密着性が高まることで、ワーク１をシリンダブロックとした場合に、溶射被膜２５と加工表面であるアルミ母材側との間の隙間発生を抑制できる。この結果、エンジン（燃焼室）の冷却性能が向上し、耐ノッキング性能向上や吸気温度低下による吸気充填効率の向上が期待できるなど、エンジン性能向上に寄与することができる。

また、本実施形態では、本体ボディであるボーリング用カッタボディ５に、バイト９とダイス１７を取り付け、ボーリング用カッタボディ５を円形の孔３内に対し挿入しつつ相対回転させることで、バイト９により谷部１１及び破断面１５を形成した後に、該谷部１１に対してダイス１７により凹凸面２３を連続して形成している。すなわち、本実施形態では、谷部１１及び破断面１５の加工と凹凸面２３の加工とを、１つの加工設備で実施している。

このため、凹凸面２３を、谷部１１及び破断面１５の加工とは別設備で行う場合に比較して作業効率が向上するとともに、谷部１１に対するダイス１７の位置決めも容易にでき、作業効率向上により有効となっている。

さらに、本実施形態では、図１（ｂ）に示すように、バイト９とダイス１７とを、ボーリング用カッタボディ５の円周方向に沿うほぼ９０度の角度範囲内に配置している。この場合、ボーリング用カッタボディ５を、円形の孔３内に挿入して加工が終了した後に、円形の孔３から引き抜く際に、これらバイト９及びダイス１７が取り付けられた側と反対側にボーリング用カッタボディ５を移動させてバイト９及びダイス１７を加工表面から離反させる。これにより、加工後の表面に対するバイト９及びダイス１７の接触による損傷を抑制することができる。

［第２の実施形態］
第２の実施形態は、図８に示すように、第１の実施形態に対し、転造加工用のダイス１７の回転中心軸１９を、ボーリング用カッタボディ５の中心軸線に対して傾斜させており、その他構成は、第１の実施形態と同様である。具体的には、転造加工用のダイス１７のボーリング用カッタボディ５から外部に突出した側の端部１７ａが、ボーリング用カッタボディ５の切欠凹部５ａ内に位置する側の端部１７ｂよりも、加工時でのボーリング用カッタボディ５の送り方向前方（図８中で下方）となるよう、回転中心軸１９が傾斜している。

これにより本実施形態では、前記図４に対応する図９に示すように、ダイス１７の突起２１の凸曲面１７ｂが、谷部１１の一方の側壁面１１ａを加圧することで、図９のＧ−Ｇ断面図である図１０に示すように、波型の凹凸面２７が、円形の孔３の内面７の円周方向に沿って形成されることになる。この凹凸面２７は、第１の実施形態と同様に、突起２１によって押圧されて形成される凹曲面部２７ａと、凹曲面部２７ａの形成によってその両側に盛り上がる凸曲面部２７ｂとからなる正弦波状となっている。

本実施形態では、突起２１が、谷部１１の一方の側壁面１１ａを加圧しているので、この加圧によって形成する凹曲面部２７ａの一方の側壁面２７ａ１は、谷部１１の開口部側が底部側よりも谷部１１の他方の側壁面１１ｂ側に位置するように、円形の孔３の直径方向（図９中で上下方向）に対して傾斜していることになる。すなわち、上記した側壁面２７ａ１を有する凹曲面部２７ａを含む谷部１１は、アンダカット形状としている。

第２の実施形態によれば、バイト９により谷部１１及び破断面１５を形成するとともに、ダイス１７により、谷部１１にて円周方向に沿う凹凸面２７を形成しているので、前記した第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

この際、本実施形態では、上記凹凸面２７の凹曲面部２７ａを含む谷部１１は、アンダカット形状となるよう一方の側壁面２７ａ１が傾斜している。このため、ワーク１をシリンダブロックとしてそのシリンダボア内面に、上記アンダカット形状の谷部１１を形成することで、その後形成する溶射皮膜が該谷部１１に引っ掛かるような形となるので、ピストン往復移動時での溶射被膜の剥離をより確実に抑制することができる。

特に、ここでは谷部１１をアンダカット形状とするための一方の側壁面２７ａ１を、加工時でのボーリング用カッタボディ５の送り方向前方に対応するシリンダブロックのクランクケース側（図８中で下部側）としている。このため、ピストンが燃焼圧力を受けてクランクケース側に向けて移動する際の溶射被膜の剥離抑制に対して極めて有効である。

３ 円形の孔
５ ボーリング用カッタボディ（加工具の本体ボディ）
７ 円形の孔の内面
９ バイト（切削工具）
１１ 谷部（切削面）
１１ｂ 谷部の他方の側壁面
１３ 山部
１５ 山部の頂部に形成した破断面
１７ ダイス（転造工具）
２３，２７ 谷部に形成した凹凸面
２７ａ１ 凹曲面部の側壁面（谷部の一方の側壁面）

Claims (9)

1. 円形の孔の内面を切削可能な切削工具を、前記円形の孔の内面に沿って回転移動させつつ中心軸方向に移動させることで、前記円形の孔の内面に、ねじ状の谷部で構成される切削面と、前記谷部相互間の山部の頂部に位置する破断面とを、それぞれ形成するとともに、前記谷部に、外周面に突起を連続して複数備える歯車形状の加工工具により前記円形の孔の内面の円周方向に沿って凹凸形状となる凹凸面を形成することを特徴とする溶射前処理方法。
2. 前記谷部の一方の側壁面を、該谷部の開口部側が底部側よりも前記谷部の他方の側壁面側に位置するように、前記円形の孔の直径方向に対して傾斜させ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. 前記切削工具と前記加工工具とを加工具の本体ボディに取り付け、この本体ボディを前記円形の孔に対して挿入しつつ相対回転させることで、前記切削工具により前記谷部を形成した後に、該谷部に対し前記加工工具により前記凹凸面を形成することを特徴とする請求項１または２に記載の溶射前処理方法。
4. 円形の孔の内面に、ねじ状の谷部で構成される切削面と、前記谷部相互間の山部の頂部に位置する破断面と、からなる粗面を備えた溶射前処理形状であって、前記谷部に、前記円形の孔の内面の円周方向に沿って凹凸形状となる凹凸面を備えることを特徴とする溶射前処理形状。
5. 前記谷部の一方の側壁面は、該谷部の開口部側が底部側よりも前記谷部の他方の側壁面側に位置するように、前記円形の孔の直径方向に対して傾斜していることを特徴とする請求項４に記載の溶射前処理形状。
6. 円形の孔の内面に、該内面に沿って回転移動させつつ中心軸方向に移動させることで、ねじ状の谷部で構成される切削面及び、前記谷部相互間の山部の頂部に位置する破断面を形成する切削工具と、この切削工具により形成した前記谷部に前記円形の孔の内面の円周方向に沿って凹凸形状となる凹凸面を形成する、外周面に突起を連続して複数備える歯車形状の加工工具と、を備えることを特徴とする溶射前処理装置。
7. 前記加工工具は、前記谷部の底に当接しつつ該谷部に沿って回転することで、前記谷部に前記凹凸面を形成する転造工具であることを特徴とする請求項６に記載の溶射前処理装置。
8. 前記転造工具は、前記谷部の一方の側壁面を、該谷部の開口部側が底部側よりも前記谷部の他方の側壁面側に位置するよう前記円形の孔の直径方向に対して傾斜させるべく、前記円形の孔の直径方向に対して傾斜していることを特徴とする請求項７に記載の溶射前処理装置。
9. 前記切削工具及び転造工具を、前記円形の孔内にて回転可能な加工具の本体ボディに設けたことを特徴とする請求項７または８に記載の溶射前処理装置。

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