JP5783218B2 - シリンダブロック及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、シリンダブロック及びその製造方法に関する。

シリンダブロックにおいて、隣接するシリンダボア間にスリットを形成し、このスリットに冷却水を流すことにより、シリンダブロックの冷却能を高める手法が知られている。特許文献１には、このように隣接するシリンダボア間に冷却水を流すためのスリットが形成されたシリンダブロックが開示されている。さらに、特許文献１では、スリットの上部に金属粉末を供給しながらレーザ溶接することにより蓋を成形し、シリンダブロックの強度を向上させている。

特開２０１２−０９７７１９号公報

発明者は以下の課題を見出した。
特許文献１に開示された金属粉末から蓋を成形する手法は、加工に時間が掛かり、生産性に劣る。そのため、板状の蓋をシリンダブロックにレーザ溶接する方が、生産性の観点から好ましい。しかしながら、板状の蓋をシリンダブロックにレーザ溶接すると、シリンダブロックの溶接部から発生したガスが、ピンホールやブローホールなどの欠陥として溶接部に残留する虞があった。この傾向は、蓋の厚さが厚い程、すなわち、レーザ溶接の深さが深くなる程、顕著となる。

本発明は、上記を鑑みなされたものであって、強度に優れるとともに溶接欠陥の発生が抑制されたリンダブロックを提供することを目的とする。

本発明の一態様に係るシリンダブロックの製造方法は、
複数のシリンダボアを備えたシリンダ部において、隣接する前記複数のシリンダボアの間に、冷媒を流すためのスリットを形成するステップと、
前記スリットに第１の蓋を設置し、当該第１の蓋を前記シリンダ部にレーザ溶接するステップと、
前記第１の蓋の上に第２の蓋を設置し、当該第２の蓋を前記シリンダ部に摩擦撹拌接合するステップと、を備えたものである。
このような構成により、強度に優れるとともに溶接欠陥の発生が抑制されたリンダブロックを提供することができる。

前記第２の蓋の幅を、前記第１の蓋の幅よりも大きくすることが好ましい。このような構成により、第１の蓋のシリンダ部へのレーザ溶接を容易に行うことができる。
また、レーザ溶接するステップの前に、前記第１の蓋の両側面のそれぞれに、前記スリットの長手方向に延びた溝を複数設け、レーザ溶接するステップにおいて、前記第１の蓋の前記両側面を前記シリンダ部にレーザ溶接することが好ましい。このような構成により、レーザビームの吸収が抑制され、溶接深さを大きくすることができる。

前記シリンダ部をアルミニウム合金のダイカスト鋳造により成形することが好ましい。また、前記第１及び第２の蓋をアルミニウム合金から構成することが好ましい。

本発明の一態様に係るシリンダブロックは、
複数のシリンダボアを備えたシリンダ部と、
冷媒を流すために、前記シリンダ部において隣接する前記複数のシリンダボアの間に形成されたスリットと、
前記スリットに設けられた第１の蓋と、
前記第１の蓋の上に設けられた第２の蓋と、を備え、
前記第１の蓋は前記シリンダ部にレーザ溶接され、
前記第２の蓋は前記シリンダ部に摩擦撹拌接合されたものである。
このような構成により、強度に優れるとともに溶接欠陥の発生が抑制される。

前記第２の蓋の幅が、前記第１の蓋の幅よりも大きいことが好ましい。このような構成により、第１の蓋のシリンダ部へのレーザ溶接を容易に行うことができる。
また、前記第１の蓋の両側面のそれぞれに、前記スリットの長手方向に延びた溝を複数有することが好ましい。このような構成により、レーザビームの吸収が抑制され、溶接深さを大きくすることができる。

前記シリンダ部はアルミニウム合金のダイカスト鋳造により成形されたことが好ましい。また、前記第１及び第２の蓋がアルミニウム合金からなることが好ましい。

本発明により、強度に優れるとともに溶接欠陥の発生が抑制されたリンダブロックを提供することができる。

実施の形態１に係るシリンダブロックの斜視図である。 図１のＩＩ−ＩＩ断面図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。 接合前の内蓋２０ａ及び外蓋２０ｂの斜視図である。 比較例に係るシリンダブロックの断面図である。 実施の形態１に係るシリンダブロックの製造方法を説明するための断面図である。 実施の形態１に係るシリンダブロックの製造方法を説明するための断面図である。 実施の形態１に係るシリンダブロックの製造方法を説明するための断面図である。 実施の形態１に係るシリンダブロックの図３に対応する断面観察写真である。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

（実施の形態１）
まず、図１を参照して、実施の形態１に係るシリンダブロックについて説明する。図１は、実施の形態１に係るシリンダブロックの斜視図である。図１に示すように、実施の形態１に係るシリンダブロック１０は、シリンダ部１１、シリンダボアＣＢ、ウォータジャケットＷＪを備えている。シリンダブロック１０は、シリンダヘッド（不図示）とともにエンジンを構成する。シリンダブロック１０の大部分は、アルミニウム合金のダイカスト鋳造により成形される。

なお、当然のことながら、図１に示した右手系ｘｙｚ座標は、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものである。図１におけるｘｙ平面は水平面を構成し、ｚ軸方向が鉛直方向である。より具体的には、ｚ軸のプラス方向が鉛直上向きとなる。また、図１に示したシリンダブロック１０は、４つのシリンダボアＣＢを備えた４気筒エンジン用のものであるが、気筒数は適宜変更可能である。

シリンダ部１１は、ダイカスト部１１ａとライナー部１１ｂとを備えている。
ダイカスト部１１ａは、アルミニウム合金のダイカスト鋳造により成形される。ダイカスト部１１ａは、ｘ軸方向において略等間隔に１列に配列された４つのシリンダボアＣＢの周囲を取り囲むように形成されている。ここで、ダイカスト部１１ａは、隣接するシリンダボアＣＢの間において繋がっている。すなわち、４つのシリンダボアＣＢを取り囲むダイカスト部１１ａは、一体に形成されている。

ライナー部１１ｂは、シリンダボアＣＢにおいてピストン（不図示）が気密性を保ちながら摺動するために設けられた円筒状の部材である。ライナー部１１ｂは、例えば耐摩耗性に優れた鋳鉄などからなる。図１に示したシリンダブロック１０では、４つのライナー部１１ｂが、ダイカスト部１１ａに組み込まれており、それぞれ４つのシリンダボアＣＢの側壁を構成している。

ここで、ダイカスト部１１ａの上面（デッキ面：シリンダヘッドとの合わせ面）において隣接するシリンダボアＣＢ間には、冷却水（冷媒）を流すためのスリット１４が設けられている。図１に示すように、３つのスリット１４は、いずれもｙ軸方向に延設され、両端においてウォータジャケットＷＪと連通している。スリット１４に冷却水を流すことにより、シリンダ部１１の冷却能を高めることができる。

さらに、スリット１４の上部には蓋２０が設けられている。この蓋２０はダイカスト部１１ａに接合されているため、ダイカスト部１１ａの強度が向上する。また、蓋２０はｚ軸方向に延びた貫通孔２２を有している。この貫通孔２２の内部を冷却水が流れる。実施の形態１に係るシリンダブロック１０は、蓋２０に１つの特徴を有している。蓋２０の詳細については後述する。

ウォータジャケットＷＪは、シリンダ部１１を冷却するための冷却水路である。図１に示すように、ウォータジャケットＷＪは、シリンダ部１１の周囲を取り囲むように形成されている。また、ウォータジャケットＷＪは、シリンダブロック１０の上面（デッキ面）において開放されている。すなわち、実施の形態１に係るシリンダブロック１０は、オープンデッキタイプのシリンダブロックである。

次に、図２〜４を参照して、蓋２０の詳細について説明する。図２〜４に示すように、蓋２０は、ダイカスト部１１ａに接合された内蓋（第１の蓋）２０ａ及び外蓋（第２の蓋）２０ｂを備えている。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ断面図である。図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。図４は、接合前の内蓋２０ａ及び外蓋２０ｂの斜視図である。

図２に示すように、スリット１４の上部は、ｙ軸方向の一端から他端まで（つまり全体が）蓋２０に覆われている。ここで、内蓋２０ａは、ｙ軸方向マイナス側の端部に、下側（ｚ軸方向マイナス側）に突出した凸部２４を備えている。そのため、図２に示すように、スリット１４のｙ軸方向マイナス側の端部は、蓋２０により塞がれている。一方、凸部２４のｙ軸方向プラス側近傍には、内蓋２０ａ及び外蓋２０ｂを貫く貫通孔２２が形成されている。そのため、ウォータジャケットＷＪからスリット１４へ流入した冷却水は、スリット１４内をｙ軸マイナス方向に流れ、貫通孔２２を介して流出する。
なお、蓋２０において、凸部２４及び貫通孔２２は、形成されていなくてもよい。また、図４において破線で示したように、貫通孔２２は内蓋２０ａ及び外蓋２０ｂの接合後に形成される。すなわち、貫通孔２２は接合前の内蓋２０ａ及び外蓋２０ｂには形成されていない。

図３、４に示すように、内蓋２０ａは、スリット１４における冷却水路の幅と略同じ幅ｗ１を有する板状部材である。一例として、内蓋２０ａの幅ｗ１は１ｍｍ程度である。また、内蓋２０ａの接合部の高さｈ１は３．５ｍｍ程度である。内蓋２０ａは、ダイカスト部１１ａと同種のアルミニウム合金からなることが好ましい。

図３、４に示すように、内蓋２０ａの側面には、スリット１４の長手方向（ｙ軸方向）に伸びた複数の溝２６が形成されている。各溝２６は、内蓋２０ａの一端から他端まで形成されている。図３、４の例では、それぞれの側面に４本ずつ、断面半円状の溝２６が形成されている。なお、溝２６の本数は適宜決定される。また、溝２６の断面形状は、特に限定されず、Ｖ字状、矩形状、多角形状、半楕円状などであってもよい。

図３に示された内蓋２０ａは、両側の側面においてスリット１４の側壁（つまりダイカスト部１１ａ）にレーザ溶接されている。溝２６（すなわち空隙）によりレーザ光の吸収が抑制され、内蓋２０ａの下端（流水路の上端）まで溶接することができる。一例として、図４の拡大図に示す溝２６のピッチＰ１は０．５ｍｍ程度、間隔Ｄ１は０．１ｍｍ程度、深さＤ２は０．２ｍｍ程度である。なお、図３に示したボア間距離Ｄは、エンジンの小型化及び高出力化に伴い、小さくなってきている。具体的には、例えばボア間距離Ｄは７〜８ｍｍ程度である。

図３、４に示すように、外蓋２０ｂは、内蓋２０ａの幅ｗ１よりも大きい幅ｗ２を有する板材である。図４に示すように、外蓋２０ｂは、幅ｗ２、高さｈ２の単純な直方体形状を有している。一例として、外蓋２０ｂの幅ｗ２は２ｍｍ程度、高さｈ２は３ｍｍ程度である。外蓋２０ｂも、ダイカスト部１１ａと同種のアルミニウム合金からなることが好ましい。図３に示された外蓋２０ｂは、スリット１４の側壁（つまりダイカスト部１１ａ）に摩擦撹拌接合されている。

ここで、図５を参照して、本実施の形態の比較例について説明する。図５は、比較例に係るシリンダブロックの断面図である。図５は、実施の形態１に係る図３に対応する断面図である。図５に示すように、比較例に係るシリンダブロックでは、蓋２０の全体がレーザ溶接されている。換言すると、比較例に係る蓋２０は、実施の形態１に係る内蓋２０ａのみから構成されている。

具体的には、図５に示すように、比較例に係る蓋２０は、スリット１４における冷却水路の幅と略同じ幅ｗ１を有する板状部材である。一例として、比較例に係る蓋２０の幅は１ｍｍ程度である。また、比較例に係る蓋２０の接合部の高さは６．５ｍｍ程度である。比較例に係る蓋２０は、両側の側面に複数本（図５の例では８本ずつ）の溝２６を有している。図５に示された蓋２０は、両側の側面においてスリット１４の側壁（つまりダイカスト部１１ａ）にレーザ溶接されている。実施の形態１に係る内蓋２０ａの溝２６と同様に、一例として、溝２６のピッチは０．５ｍｍ程度、間隔は０．１ｍｍ程度、深さは０．２ｍｍ程度である。

上述の通り、比較例に係るシリンダブロックでは、蓋２０の接合部（溶接部）の高さが大きい。そのため、レーザ溶接の際、接合相手であるダイカスト部１１ａから発生したガスが、ピンホールやブローホールなどの欠陥として溶接部に残留してしまうという問題があった。

これに対し、実施の形態１に係るシリンダブロック１０では、蓋２０を内蓋２０ａ及び外蓋２０ｂから構成している。そのため、内蓋２０ａの接合部（溶接部）の高さを小さくすることができる。その結果、レーザ溶接の際に発生するピンホールやブローホールなどの欠陥を抑制することができる。また、外蓋２０ｂについては、ダイカスト部１１ａに対してレーザ溶接ではなく、摩擦撹拌接合される。摩擦撹拌接合は固相接合であって、ダイカスト部１１ａが溶融しないため、ピンホールやブローホールなどの欠陥は発生しない。このように、レーザ溶接と摩擦撹拌接合とを組み合わせることにより、実施の形態１に係るシリンダブロック１０では、充分な強度が得られるとともに欠陥の発生を抑制することができる。

ここで、摩擦撹拌接合のみでは、接合深さに限界があり、充分な強度が得られない。そのため、摩擦撹拌接合による接合深さの限界よりも下層においては、レーザ溶接により接合する必要がある。具体的には、図３、４に示した例では、摩擦撹拌接合による接合深さの限界が３ｍｍ程度であるため、摩擦撹拌接合によって接合する外蓋２０ｂの高さｈ２を３ｍｍ程度としている。そして、充分な強度を得るための接合深さが全体として６．５ｍｍ程度であるため、レーザ溶接により接合する内蓋２０ａの接合部の高さｈ１を３．５ｍｍ程度としている。

次に、図６〜８を参照して、実施の形態１に係るシリンダブロックの製造方法について説明する。図６〜８は、実施の形態１に係るシリンダブロックの製造方法を説明するための断面図である。図６〜８は、いずれも図３に対応する断面図である。

まず、図６に示すように、シリンダブロック１０の上面において隣接するシリンダボアＣＢ間に、ロータリーカッターなどを用いることによりスリット１４を形成する。上述の通り、スリット１４の幅は、下側（ｚ軸方向マイナス側）スリット１４ａでは狭く、上側（ｚ軸方向プラス側）スリット１４ｂでは広くなっている。一例として、まず、薄い刃を用いて、幅１．０ｍｍ程度、深さ９．５ｍｍ程度のスリットを形成する。これにより、下側スリット１４ａが形成される。その後、厚い刃を用いて、深さ３．０ｍｍ程度で、スリット上部の幅を幅２．０ｍｍ程度まで広げる。これにより、上側スリット１４ｂが形成される。

次に、図７に示すように、図６に示した下側スリット１４ａに内蓋２０ａを設置する。ここで、内蓋２０ａの上面は、図６に示した上側スリット１４ｂの底面と一致している。そして、内蓋２０ａとダイカスト部１１ａとの接触面（内蓋２０ａの側面）をレーザ溶接する。

ここで、図７に示すように、上側スリット１４ｂの幅が内蓋２０ａの幅よりも大きいため、レーザビームＬＢを内蓋２０ａの側面に沿って（つまりｚ軸方向マイナス向きに）照射することができる。レーザビームＬＢは、内蓋２０ａの一端から他端まで、ｙ軸方向に走査される。レーザビームＬＢとしては、例えばファイバレーザ、ＹＡＧレーザなどを用いることができる。レーザ出力は、例えば２〜８ｋｗ程度とすることができる。実験により、レーザ出力が大きい程、接合深さを大きくなることが確かめられた。一例として、レーザ出力が４ｋｗであれば、５ｍｍ程度の接合深さが得られる。

また、上述の通り、内蓋２０ａの側面には、スリット１４の長手方向（ｙ軸方向）に伸びた複数の溝２６が形成されている。この溝２６（すなわち空隙）によりレーザビームＬＢの吸収が抑制され、内蓋２０ａの下端まで溶接することができる。さらに、レーザ溶接によりダイカスト部１１ａから発生するガスが、溝２６を介して排出される。そのため、レーザ溶接によりダイカスト部１１ａから発生するガスによるピンホールやブローホールなどの欠陥が抑制される。

次に、図８に示すように、図６に示した上側スリット１４ｂに外蓋２０ｂを設置する。ここで、外蓋２０ｂの上面は、シリンダ部１１（ダイカスト部１１ａ及びライナー部１１ｂ）の上面と一致している。そして、摩擦撹拌接合ツール３０を高速回転させながら外蓋２０ｂの上面から押し付け、外蓋２０ｂをダイカスト部１１ａに摩擦撹拌接合する。摩擦撹拌接合ツール３０は、例えばステンレスからなる円柱状の工具である。
最後に、孔開け加工により内蓋２０ａ及び外蓋２０ｂを貫く貫通孔２２を形成する。

実験により、摩擦撹拌接合ツール３０の直径の半分程度が接合深さとなることが確かめられた。そのため、外蓋２０ｂの高さは、摩擦撹拌接合ツール３０の直径の半分以下とすることが好ましい。一方、外蓋２０ｂの高さが大きい程、内蓋２０ａのレーザ溶接深さは小さくなり、好ましい。つまり、外蓋２０ｂの高さは、摩擦撹拌接合ツール３０の直径の半分程度とするのが好ましい。一例として、図３に示したボア間距離Ｄが７ｍｍの場合、摩擦撹拌接合ツール３０の直径は最大６ｍｍ程度となる。従って、摩擦撹拌接合ツール３０の直径を６ｍｍとすれば、外蓋２０ｂの高さは３ｍｍとなる。

図９は、実施の形態１に係るシリンダブロックの図３に対応する断面観察写真である。上述の通り、アルミニウム合金からなるダイカスト部１１ａに、幅１ｍｍ、高さ３．５ｍｍのアルミニウム合金からなる内蓋２０ａをレーザ溶接した後、さらに幅２ｍｍ、高さ３ｍｍのアルミニウム合金からなる外蓋２０ｂを摩擦撹拌接合した。これにより、強度に優れるとともに溶接欠陥の発生が抑制されたリンダブロックが得られた。なお、内蓋２０ａと外蓋２０ｂとの境界近傍に塑性流動領域が確認された。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
特に、上記実施の形態の説明において用いた種々の具体的数値は、当然のことながら適宜変更可能である。

１０ シリンダブロック
１１ シリンダ部
１１ａ ダイカスト部
１１ｂ ライナー部
１４ スリット
１４ａ 下側スリット
１４ｂ 上側スリット
２０ 蓋
２０ａ 内蓋
２０ｂ 外蓋
２２ 貫通孔
２４ 凸部
２６ 溝
３０ 摩擦撹拌接合ツール
ＣＢ シリンダボア
ＬＢ レーザビーム
ＷＪ ウォータジャケット

Claims (10)

1. 複数のシリンダボアを備えたシリンダ部において、隣接する前記複数のシリンダボアの間に、冷媒を流すためのスリットを形成するステップと、
   前記スリットに第１の蓋を設置し、当該第１の蓋を前記シリンダ部にレーザ溶接するステップと、
   前記第１の蓋の上に第２の蓋を設置し、当該第２の蓋を前記シリンダ部に摩擦撹拌接合するステップと、を備えたシリンダブロックの製造方法。
2. 前記第２の蓋の幅を、前記第１の蓋の幅よりも大きくする、
   請求項１に記載のシリンダブロックの製造方法。
3. レーザ溶接するステップの前に、
   前記第１の蓋の両側面のそれぞれに、前記スリットの長手方向に延びた溝を複数設け、
   レーザ溶接するステップにおいて、
   前記第１の蓋の前記両側面を前記シリンダ部にレーザ溶接する、
   請求項１又は２に記載のシリンダブロックの製造方法。
4. 前記シリンダ部をアルミニウム合金のダイカスト鋳造により成形する、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載のシリンダブロックの製造方法。
5. 前記第１及び第２の蓋をアルミニウム合金から構成する、
   請求項４に記載のシリンダブロックの製造方法。
6. 複数のシリンダボアを備えたシリンダ部と、
   冷媒を流すために、前記シリンダ部において隣接する前記複数のシリンダボアの間に形成されたスリットと、
   前記スリットに設けられた第１の蓋と、
   前記第１の蓋の上に設けられた第２の蓋と、を備え、
   前記第１の蓋は前記シリンダ部にレーザ溶接され、
   前記第２の蓋は前記シリンダ部に摩擦撹拌接合された、シリンダブロック。
7. 前記第２の蓋の幅が、前記第１の蓋の幅よりも大きい、
   請求項６に記載のシリンダブロック。
8. 前記第１の蓋の両側面のそれぞれに、前記スリットの長手方向に延びた溝を複数有する、
   請求項６又は７に記載のシリンダブロック。
9. 前記シリンダ部は、アルミニウム合金のダイカスト鋳造により成形された、
   請求項６〜８のいずれか一項に記載のシリンダブロック。
10. 前記第１及び第２の蓋は、アルミニウム合金からなる、
    請求項９に記載のシリンダブロック。