JP5954337B2

JP5954337B2 - 紛体供給装置

Info

Publication number: JP5954337B2
Application number: JP2014001053A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　彰生; 彰生佐藤; 健治木寺; 憲一久米
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-01-07
Filing date: 2014-01-07
Publication date: 2016-07-20
Anticipated expiration: 2034-01-07
Also published as: CN104760819B; JP2015129034A; CN104760819A; US20150191316A1; US9376272B2

Description

本発明は、紛体供給装置に関し、たとえばレーザクラッド加工に用いる粉末金属等の紛体を供給するための紛体供給装置に関するものである。

従来から、たとえばエンジン用シリンダヘッドのバルブシートの耐久性を向上させるとともにその設計自由度を高めるために、バルブシートに対し、例えば粉体（粉末）状の肉盛り材料を供給しながらレーザを照射し、バルブシートとレーザを相対回転させることによって肉盛層（クラッド層）を形成するレーザ加工が知られている。このレーザ加工は、エンジンの燃焼室に必要な機械加工、例えばバルブ孔形成加工等がおこなわれたシリンダヘッドに対し、そのバルブシートとなるべき領域に銅合金等からなる耐摩耗性を有する粉体状の肉盛り材料を供給しつつレーザ照射を実行し、最終的にバルブシートとなるべきリング状の肉盛層、すなわち肉盛ビード部を形成するという技術であり、一般にレーザクラッド加工と称されている。

ところで、レーザクラッド加工を施した製品の品質は、レーザクラッド加工時のノズルに対する肉盛り材料の供給量に依存するため、当該分野においては肉盛り材料（紛体）の供給量を高精度に調整することが要望されている。

このような要請に対し、特許文献１には、粉体の供給量を高精度に制御しつつ連続運転を可能とし、様々な使用環境における使い勝手を向上させた紛体供給装置が開示されている。

特許文献１に開示されている紛体供給装置は、１単位の加工工程における必要供給量以上の容量を有するサブホッパを備える粉体供給手段と、全工程に渡る必要供給量以上の容量を有するメインホッパおよび粉体補給手段を直列に設けてなる前記粉体供給手段への粉体経路と、前記粉体供給手段をその粉体保持量に基づいて作動させ、前記粉体補給手段を前記粉体供給手段の粉体保持量および運転状態に応じて作動させる制御手段とを有するものである。

特開平１０−２７８９０２号公報

特許文献１に開示されている紛体供給装置によれば、粉体の供給量を高精度に測定しつつ、制御手段により作動制御される粉体補給手段によって粉体供給手段に粉体を補給することで、粉体の供給量を高精度に制御しつつ当該紛体供給装置を連続して運転することができる。

しかしながら、特許文献１に開示されている紛体供給装置においては、サブホッパを備える粉体供給手段への粉体の補給量を制御する粉体補給手段（補給バルブ）がメインホッパに対して略鉛直方向に並んで設けられ、その補給バルブが前記紛体と接触するため、たとえば補給バルブに対する紛体の固着等により当該補給バルブの性能が経年変化して紛体の供給量が変動するといった問題や、当該補給バルブを定期的に交換する必要があるといった問題が生じ得る。

本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、たとえば部品交換等を要することなく、サブホッパを備える粉体供給手段へメインホッパから安定して紛体を供給することのできる紛体供給装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明による紛体供給装置は、第１ホッパに貯留された紛体を第２ホッパへ供給する紛体供給装置であって、前記第１ホッパに貯留された紛体を下方へ案内する第１配管と、前記第１配管の下端部で該第１配管と交差して接続され、該第１配管によって案内された紛体を前記第２ホッパに案内する第２配管と、前記第１配管と前記第２配管との交差部で安息角を形成して一時的に堆積された紛体を前記第２ホッパに圧送する圧送部と、を備えているものである。

上記する形態の紛体供給装置によれば、第１ホッパに貯留された紛体を下方へ案内する第１配管とこの第１配管と交差して接続された第２配管との交差部で安息角を形成して堆積された紛体をたとえば窒素ガス等のキャリアガスを用いて第２ホッパに圧送することにより、たとえば第１ホッパから重力により下方に案内された紛体とその紛体を第２ホッパに圧送する圧送部との接触を確実に回避できる。そのため、たとえば圧送部における部品交換等を要することなく、第１ホッパから第２ホッパへ長期に亘り安定して紛体を供給することができる。

ここで、第２配管は水平方向に沿って延設され、前記第１配管は鉛直方向に沿って延設されていることが好ましい。

上記する形態の紛体供給装置によれば、簡単な構成でもって第１ホッパに貯留された紛体を下方へ案内し、かつ、第１配管と第２配管との交差部で紛体を安息角を形成して堆積されることができるため、当該紛体供給装置の装置構成を格段に簡素化することができる。

また、上記する紛体供給装置の他の好ましい形態は、前記第２配管が、前記交差部において下方へ向かって凸となる湾曲部を有しているものである。

上記する形態の紛体供給装置によれば、第１配管と第２配管との交差部で確実に紛体を安息角を形成して堆積させることができるとともに、圧送部により第２ホッパに圧送される紛体の供給量を精緻に制御することができる。

また、上記する紛体供給装置の他の好ましい形態は、前記第２配管が下方に向かって屈曲する屈曲部を有し、該屈曲部に前記第２ホッパが連設されているものである。

上記する形態の紛体供給装置によれば、圧送部により第１配管と第２配管との交差部から圧送された紛体を確実に第２ホッパに導入できるため、第２ホッパに圧送される紛体の供給量を精緻に制御することができる。

以上の説明から理解できるように、本発明の紛体供給装置によれば、第１配管を介して第１ホッパに貯留された紛体を下方へ案内し、第１配管と第２配管との交差部で安息角を形成して堆積された紛体をキャリアガスを用いて第２ホッパに圧送するという簡単な構成でもって、たとえば部品交換等を要することなく、第１ホッパから第２ホッパへ安定して紛体を供給できるため、たとえばレーザクラッド加工を施した製品の品質や生産性を格段に向上させることができる。

本発明の紛体供給装置の実施の形態１が適用されるレーザクラッド加工装置の主要構成を概略的に示した斜視図である。本発明の紛体供給装置の実施の形態１の全体構成を示した全体構成図である。本発明の紛体供給装置の実施の形態２の全体構成を示した全体構成図である。

以下、図面を参照して本発明の紛体供給装置の実施の形態を説明する。

［実施の形態１］
図１は、本発明の紛体供給装置の実施の形態１が適用されるレーザクラッド加工装置の主要構成を概略的に示した斜視図である。

図示するレーザクラッド加工装置９は、たとえばシリンダヘッドＨのバルブシート部にレーザクラッド加工を行う装置であって、シリンダヘッドＨを傾動して保持するシリンダヘッド保持装置１と、加工部位にレーザ光を照射しながら粉末金属（紛体）（例えば銅を主成分とする材料）を吐出するレーザ加工ヘッド２と、レーザ加工ヘッド２を鉛直方向に傾斜して保持して鉛直軸線周りに回転させる回転装置３と、レーザ加工ヘッド２に粉末金属を供給する紛体供給装置４とを備えている。

シリンダヘッド保持装置１は、バルブシート部の中心軸線が鉛直方向となるようにシリンダヘッドＨを傾動したり、バルブシート部の中心軸線とレーザ加工ヘッド２の回転軸線とが一致するようにシリンダヘッドＨを水平方向へ二次元的に移動させるものである。

レーザ加工ヘッド２は、レーザ光を発生するレーザ発生部５と、レーザ光を集光する集光レンズ等が内蔵された光学系部６と、レーザ光を通過させるとともにそのレーザ光の周囲から粉末金属を吐出する二重管構造の同軸ノズル７と、を有しており、その同軸ノズル７は、供給管８を介して紛体供給装置４に接続されている。このレーザクラッド加工装置９は、加工部位に形成される肉盛層（クラッド層）に応じた量の粉末金属が紛体供給装置４から同軸ノズル７へ供給され、レーザ発生部５によってその粉末金属に応じた出力のレーザ光が生成され、同軸ノズル７を介して加工部位にレーザ光を照射しながら粉末金属（紛体）を吐出することにより、シリンダヘッドＨのバルブシート部に所望の肉盛層（クラッド層）を形成することができる。

図２は、図１で示す紛体供給装置４の全体構成（本発明の紛体供給装置の実施の形態１の全体構成）を示した全体構成図である。

図示する粉体供給装置４は、主に、同軸ノズル７へ所定量の粉末金属（紛体）を供給するための紛体供給器１０と、紛体供給器１０へ紛体を補給するために該紛体を貯留するメインホッパ２０と、紛体供給器１０とメインホッパ２０とを接続する案内配管２５と、粉体供給装置４の動作を制御する制御装置３０とを有している。

紛体供給器１０は、たとえば１単位の加工工程における必要供給量以上の粉体容量を有するサブホッパ１１と、サブホッパ１１に貯留された粉体を計量するための定量供給器１２と、サブホッパ１１と定量供給器１２とを連結する連通管１３と、サブホッパ１１から連通管１３を通過した紛体を同軸ノズル７へ供給するための粉体供給ノズル１４と、ロードセル等の質量測定装置１５とを有し、それらがカバー１６によって覆われている。なお、「１単位の加工工程における必要供給量」とは、本実施の形態のように当該粉体供給装置をレーザクラッド加工装置に用いる場合、例えば、１台のシリンダヘッドの複数のバルブシート部の全てに粉体を供給することが可能な量であり、製造ラインの構成や被加工物等によって変化する。また、紛体供給器１０のカバー１６とメインホッパ２０とは、カバー１６とメインホッパ２０との内圧差を低減するためのバイパス管１９によって接続されている。

サブホッパ１１を支持するブラケット１７及び定量供給器１２を支持するブラケット１８がそれぞれ質量測定装置１５によって支持されており、質量測定装置１５は、サブホッパ１１、定量供給器１２、連通管１３および粉体の合計の質量を測定し、その測定結果が制御装置３０へ送信される。制御装置３０は、質量測定装置１５から送信された測定結果に基づいて単位時間当たりの質量の変化を算出し、算出された算出結果に基づいて定量供給器１２を制御するようになっており、これにより、定量供給器１２によって紛体を計量しながら粉体供給ノズル１４へ送出することができ、同軸ノズル７に対する粉体の供給量を高精度に調節することができるようになっている。

また、紛体供給器１０のサブホッパ（第２ホッパ）１１へメインホッパ（第１ホッパ）２０から紛体を補給するための案内配管２５は、メインホッパ２０に貯留された紛体を下方へ案内する第１配管２６と、第１配管２６の下端部で該第１配管２６と交差して接続され、該第１配管２６によって案内された紛体を紛体供給器１０のサブホッパ１１に案内する第２配管２７と、第１配管２６と第２配管２７との交差部２８で安息角を形成して一時的に堆積された紛体をキャリアガス（たとえば窒素ガス）を用いてサブホッパ１１に圧送するための切替えバルブ（圧送部）２９と、から構成されている。

第１配管２６は、略鉛直方向に沿って延設されており、メインホッパ２０に貯留された紛体は重力を利用して鉛直下方に案内される。また、第２配管２７は、略水平方向に沿って延設され、第１配管２６と第２配管２７とは略直角に交差しており、メインホッパ２０から下方へ案内された紛体はその交差部２８で安息角を形成して堆積する。また、この第２配管２７の前記交差部２８よりもサブホッパ１１側（下流側）の端部には、下方へ向かって屈曲する屈曲部２７ａが設けられ、該屈曲部２７ａの端部がサブホッパ１１に連設している。なお、第１配管２６と第２配管２７との交差部２８では、紛体が安息角を形成して堆積するため、前記屈曲部２７ａは、より詳細には、交差部２８で安息角を形成して堆積された紛体の稜線よりも下流側に設けられている。

切替えバルブ２９は、交差部２８に対して第２配管２７のサブホッパ側とは反対側（上流側）に配設されており、その切替えバルブ２９には、不要なキャリアガスを逃がすための逃がし管２７ｂが接続されている。なお、切替えバルブ２９の更に上流側（交差部２８とは反対側）には、キャリアガスの供給源であるボンベ（不図示）等が接続されている。

この切替えバルブ２９は、制御装置３０によって、質量測定装置１５で測定された測定結果や予め記憶されたタイミング（たとえば、１単位の加工工程終了時等の製造工程に基づくタイミング）に基づいて開閉が制御されるようになっており、第１配管２６と第２配管２７との交差部２８側に対して開弁すると、交差部２８で安息角を形成して堆積された紛体がキャリアガスによってサブホッパ１１へ圧送されるようになっている。

より具体的には、切替えバルブ２９は通常は逃がし管２７ｂへ開弁しており、ボンベ（不図示）等から提供されるキャリアガスは逃がし管２７ｂを介して外部へ放出される。一方で、質量測定装置１５から送信された測定結果や予め記憶されたタイミング（たとえば、製造工程に基づくタイミング）に基づいて制御装置３０が紛体供給器１０のサブホッパ１１へ紛体を補給する必要があると判断すると、切替えバルブ２９に対して開弁時間や開度等を含む開弁に関する制御信号を送信する。切替えバルブ２９は、制御装置３０から前記制御信号を受信すると、その制御信号に応じた開弁時間や開度等で第１配管２６と第２配管２７との交差部２８側へ開弁するように切替えられ、キャリアガスがその交差部２８へ送出される。これにより、第１配管２６と第２配管２７との交差部２８で安息角を形成して一時的に堆積された紛体は、屈曲部２７ａを介してサブホッパ１１へ圧送されることとなる。制御装置３０は、質量測定装置１５から送信された測定結果や予め記憶されたタイミングに基づいてサブホッパ１１に対する紛体の補給が完了したと判断すると、切替えバルブ２９に対して閉弁に関する制御信号を送信する。これにより、第１配管２６と第２配管２７との交差部２８で堆積された紛体に対するキャリアガスの送出が停止され、前記交差部２８において再び紛体が安息角を形成して堆積されることとなる。このような動作を繰り返すことによって、メインホッパ２０に貯留された紛体を定量的且つ連続的に紛体供給器１０のサブホッパ１１へ補給することができる。

なお、たとえば紛体の種類や湿度、気温、圧力等によって紛体の流動度等が変動する場合には、切替えバルブ２９の開度やキャリアガスの圧力等を適宜に制御して交差部２８の紛体に送出されるキャリアガスの流量を調整することにより、たとえば予め定められた規定の時間内でサブホッパ１１へ所定量の紛体を確実に補給することができる。

このように、本実施の形態１の粉体供給装置４によれば、メインホッパ２０から下方に向かって延設された第１配管２６を介して、メインホッパ２０に貯留された紛体を第１配管２６と第２配管２７との交差部２８まで案内し、その交差部２８の上流側に設けられた切替えバルブ２９を適宜のタイミングで切替えて、交差部２８で安息角を形成して堆積された紛体をキャリアガスを用いてサブホッパ１１へ圧送することにより、メインホッパ２０からサブホッパ１１へ供給される紛体が粉体供給装置４の配管部分のみと接触することとなり、たとえばサブホッパ１１へ紛体を送出するための切替えバルブ２９と紛体との接触を確実に回避できる。そのため、たとえば切替えバルブ２９における部品交換等を要することなく、メインホッパ２０からサブホッパ１１へ長期に亘り安定して紛体を供給できる。よって、たとえばレーザクラッド加工を施した製品の品質を向上させることができると共に、その製品に対する補修等が不要となって当該製品の生産性を格段に向上させることができる。

［実施の形態２］
図３は、本発明の紛体供給装置の実施の形態２の全体構成を示した全体構成図である。図３で示す実施の形態２の紛体供給装置は、図２で示す実施の形態１の紛体供給装置に対して、主に第１配管と第２配管の交差部の構成が相違しており、その他の構成は実施の形態１の紛体供給装置と同様である。したがって、実施の形態１と同様の構成には同様の符号を付してその詳細な説明は省略する。

図３で示す紛体供給装置４Ａは、第２配管２７Ａが、第１配管２６Ａと第２配管２７Ａの交差部２８Ａにおいて下方へ向かって凸となる湾曲部２７ｃＡを有している。

上記したように、下方へ向かって凸となる湾曲部２７ｃＡが前記交差部２８Ａに設けられていることによって、第１配管２６Ａを介してメインホッパ２０Ａから下方に案内された紛体は、交差部２８Ａの湾曲部２７ｃＡで安息角を形成して堆積され易くなる。また、交差部２８Ａの上流側に設けられた切替えバルブ２９を切替えて交差部２８Ａの湾曲部２７ｃＡで安息角を形成して堆積された紛体をサブホッパ１１Ａへ圧送し、その後、切替えバルブ２９を切替えて紛体に対するキャリアガスの送出を停止した際においても、第２配管２７Ａの交差部２８Ａよりも下流側に残存する紛体を交差部２８Ａの湾曲部２７ｃＡに誘導して堆積させることができる。

このように、本実施の形態２の紛体供給装置４Ａによれば、第１配管２６Ａを介してメインホッパ２０Ａから下方に案内された紛体やサブホッパ１１Ａへの圧送後に第２配管２７Ａに残存する紛体を交差部２８Ａの湾曲部２７ｃＡに誘導して堆積させることができる。そのため、当該交差部２８Ａの湾曲部２７ｃＡで紛体を安息角を形成して堆積させ易くなり、サブホッパ１１Ａへ圧送される紛体の供給量を精緻に制御できる。また、第１配管２６Ａから第２配管２７Ａの屈曲部２７ａＡまでの配管長Ｌを短縮できるため、紛体供給装置４Ａ全体の体格を小型化することができる。

なお、第２配管２７Ａの水平部分に対する湾曲部２７ｃＡの沈み込み量Ｄは、たとえば第２配管２７Ａの口径の略半分が好ましいことが本発明者等により確認されている。

なお、上記した実施の形態１、２では、主に、レーザクラッド加工に用いる粉末金属をメインホッパからサブホッパに供給する形態について説明したが、当該紛体は、案内配管内の交差部で安息角を形成して堆積されれば、如何なる紛体を適用してもよい。

また、上記した実施の形態１、２では、メインホッパに接続された第１配管が略鉛直方向に沿って延設されている形態について説明したが、第１配管は、重力を利用してメインホッパから第２配管との交差部まで紛体を案内できれば、鉛直方向に対して傾斜していてもよいし、屈曲部や湾曲部（曲線状の部分）などが設けられていてもよい。また、上記した実施の形態１、２では、サブホッパに接続される第２配管の大部分が略水平方向に沿って延設されている形態について説明したが、第２配管は、第１配管との交差部で紛体を安息角を形成して堆積させることができれば、水平方向に対して傾斜していてもよいし、屈曲部や湾曲部などが設けられていてもよい。さらに、上記した実施の形態１、２では、サブホッパに接続される第２配管の屈曲部が略鉛直方向に沿って延設されている形態について説明したが、その屈曲部は、重力を利用して紛体をサブホッパまで案内できれば、鉛直方向に対して傾斜していてもよいし、屈曲部や湾曲部などが設けられていてもよい。

また、上記した実施の形態１、２では、通常時に逃がし管を介してキャリアガスを外部へ放出する形態について説明したが、装置構成を簡素化するために逃がし管を省略して通常時にはキャリアガスを遮断してもよい。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１…シリンダヘッド保持装置、２…レーザ加工ヘッド、３…回転装置、４…紛体供給装置、５…レーザ発生部、６…光学系部、７…同軸ノズル、８…供給管、９…レーザクラッド加工装置、１０…紛体供給器、１１…サブホッパ（第２ホッパ）、１２…定量供給器、１３…連通管、１４…紛体供給ノズル、１５…質量測定装置、１６…カバー、２０…メインホッパ（第１ホッパ）、２５…案内配管、２６…第１配管、２７…第２配管、２７ａ…屈曲部、２８…交差部、２９…切替えバルブ（圧送部）、３０…制御装置

Claims

第１ホッパに貯留された紛体を第２ホッパへ供給する紛体供給装置であって、
前記第１ホッパに貯留された紛体を鉛直下方へ案内する第１配管と、
前記第１配管の下端部で該第１配管と交差して接続され、該第１配管によって案内された紛体を前記第２ホッパに案内する第２配管と、
前記第１配管と前記第２配管との交差部で安息角を形成して一時的に堆積された紛体を前記第２ホッパに圧送するキャリアガスの供給を切替える切替えバルブと、を備え、
前記第２配管は下方へ向かって屈曲する屈曲部を有し、該屈曲部に前記第２ホッパが連接されており、
前記切替えバルブは、前記第２配管における前記交差部よりも上流側に配設されている紛体供給装置。
前記第２配管は水平方向に沿って延設されている、請求項１に記載の紛体供給装置。
前記屈曲部は鉛直方向に沿って延設されている、請求項１または２に記載の紛体供給装置。
前記第２配管は、前記交差部において下方へ向かって凸となる湾曲部を有している、請求項１から３のいずれか一項に記載の紛体供給装置。
前記切替えバルブの開閉を制御することで前記紛体に対する前記キャリアガスの供給を切替えるようになっている、請求項１から４のいずれか一項に記載の紛体供給装置。