JP7010378B2 - シリンダヘッドの製造方法及びシリンダヘッド粗材 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関のシリンダヘッドの製造方法と、シリンダヘッドの製造に用いられるシリンダヘッド粗材とに関するものである。
基材上に析出硬化型銅合金からなる粒子の集合体により構成された皮膜層を備える摺動部材と、基材上に析出硬化型銅合金からなる金属粉末をコールドスプレー法により吹き付けて、前述の皮膜層を形成する摺動部材の製造方法とが知られている（特許文献１）。
また、特許文献１の発明では、摺動部材を内燃機関に利用する試みとして、シリンダヘッドのエンジンバルブの着座部に、析出硬化型銅合金からなる金属粉末をコールドスプレー法により吹き付けて前述の皮膜層を設けることにより、エンジンバルブのバルブシートを形成している。
国際公開第２０１７／０２２５０５号
しかしながら、シリンダヘッドの着座部にコールドスプレー法で金属粉末を吹き付けると、着座部の周辺にも金属粉末が飛散して不要な余剰被膜が形成される。この余剰被膜がシリンダヘッドの吸気用のポートや排気用のポート内に形成されると、ポートの寸法にバラツキが生じてエンジンの燃費や出力性能が低下するという問題がある。
本発明が解決しようとする課題は、ポート内に対する余剰被膜の形成を抑制してコールドスプレー法によりバルブシート膜を形成することができるシリンダヘッドの製造方法及びシリンダヘッド粗材を提供することである。
本発明は、吸気用又は排気用のポートの開口部の環状縁部からポートの中心に向かって環状に突出した遮蔽幕部を有するシリンダヘッド粗材を製造し、遮蔽幕部よりもポートに対して外側に位置する環状バルブシート部に、コールドスプレー法により金属粉末を吹き付けてバルブシート膜を形成するシリンダヘッドの製造方法であって、遮蔽幕部の開口部側の面を、環状バルブシート部の面と非同一面となるように、環状バルブシート部の面よりもポートの奥側に配置することにより、上記課題を解決する。
本発明によれば、遮蔽幕部によりポート内を部分的に遮蔽するので、ポート内に対する余剰被膜の形成を抑制してコールドスプレー法によりバルブシート膜を形成することができる。
本発明の実施形態に係るシリンダヘッド粗材を用い、かつ本実施形態に係る製造方法により製造したシリンダヘッドを備える内燃機関の構成を示す断面図である。 本発明の実施形態に係るシリンダヘッド粗材を用い、かつ本実施形態に係る製造方法により製造したシリンダヘッドを備える内燃機関のバルブ周辺の構成を示す断面図である。 本発明の実施形態に係るシリンダヘッドの製造方法に使用するコールドスプレー装置の構成を示す概略図である。 本発明の第１実施形態に係るシリンダヘッドの製造方法の工程図である。 本発明の第１実施形態に係るシリンダヘッド粗材の構成を示す斜視図である。 図５のＢ－Ｂ線に沿う吸気ポートの小径部を示す断面図である。 図５のＢ－Ｂ線に沿う吸気ポートの別の例の小径部を示す断面図である。 図６Ａの吸気ポートに形成する環状バルブシート部及び遮蔽幕部を２点鎖線で示す断面図である。 図６Ａの吸気ポートに環状バルブシート部及び遮蔽幕部を形成した断面図である。 図４の被覆工程でシリンダヘッド粗材の移動に使用するワーク回転装置の構成を示す斜視図である。 図７Ｂの吸気ポートにコールドスプレー法でバルブシート膜を形成する状態を示す断面図である。 吸気ポートの開口部全体を閉塞する遮蔽幕部（比較例）でコールドスプレー法によりバルブシート膜を形成する状態を示す断面図である。 コールドスプレー法でバルブシート膜を形成した吸気ポートに施す仕上加工の範囲を示す断面図である。 コールドスプレー法でバルブシート膜を形成した吸気ポートに仕上加工を施した状態を示す断面図である。 図６Ａの吸気ポートに形成する、本発明の第２実施形態に係る環状バルブシート部及び遮蔽幕部を２点鎖線で示す断面図である。 図１２Ａの環状バルブシート部及び遮蔽幕部を形成した吸気ポートにコールドスプレー法によりバルブシート膜を形成する状態を示す断面図である。 図１２Ａの環状バルブシート部及び遮蔽幕部を形成した吸気ポートにコールドスプレー法によりバルブシート膜を形成した後の状態を示す断面図である。 本発明の第３実施形態のシリンダヘッド粗材に形成する環状バルブシート部及び遮蔽板挿入部を２点鎖線で示す断面図である。 図１３Ａの環状バルブシート部及び遮蔽板挿入部を形成した吸気ポートに遮蔽板を挿入する状態を示す断面図である。 遮蔽板を挿入した吸気ポートにコールドスプレー法によりバルブシート膜を形成する状態を示す断面図である。 バルブシート膜を形成した吸気ポートから遮蔽板を取り外す状態を示す断面図である。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。まず初めに、本実施形態のシリンダヘッド粗材を用いて、本実施形態の製造方法により製造したシリンダヘッドを備える内燃機関１について説明する。図１は、内燃機関１の断面図であり、主にシリンダヘッド周りの構成を示している。
内燃機関１は、シリンダブロック１１と、シリンダブロック１１の上部に組み付けたシリンダヘッド１２とを備える。この内燃機関１は、例えば、４気筒のガソリンエンジンであり、シリンダブロック１１は、図面奥行き方向に配列した４つのシリンダ１１ａを有する。各シリンダ１１ａは、図中の上下方向に往復移動するピストン１３を収容している。各ピストン１３は、コネクティングロッド１３ａを介して、図面奥行き方向に延びるクランクシャフト１４と連結している。
シリンダヘッド１２のシリンダブロック１１への取付面１２ａには、各シリンダ１１ａに対応する位置に、各気筒の燃焼室１５を構成する４つの凹部１２ｂが設けられている。燃焼室１５は、燃料と吸入空気との混合気を燃焼するための空間であり、シリンダヘッド１２の凹部１２ｂと、ピストン１３の頂面１３ｂと、シリンダ１１ａの内周面とで構成されている。
シリンダヘッド１２は、燃焼室１５と、シリンダヘッド１２の一方の側面１２ｃとを連通する吸気用のポート（以下、吸気ポートという）１６を備える。吸気ポート１６は、屈曲した略円筒形状をしており、側面１２ｃに接続したインテークマニホールド（図示せず）からの吸入空気を燃焼室１５内へ供給する。
また、シリンダヘッド１２は、燃焼室１５と、シリンダヘッド１２の他方の側面１２ｄとを連通する排気用のポート（以下、排気ポートという）１７を備える。排気ポート１７は、吸気ポート１６と同様に屈曲した略円筒形状をしており、燃焼室１５での混合気の燃焼によって生じた排気を、側面１２ｄに接続したエキゾーストマニホールド（図示せず）へ排出する。なお、本実施形態の内燃機関１は、１つのシリンダ１１ａに対し、吸気ポート１６と排気ポート１７とを２つずつ備えている。
シリンダヘッド１２は、燃焼室１５に対して吸気ポート１６を開閉する吸気バルブ１８と、燃焼室１５に対して排気ポート１７を開閉する排気バルブ１９とを備える。吸気バルブ１８及び排気バルブ１９は、丸棒状のバルブステム１８ａ、１９ａと、バルブステム１８ａ、１９ａの先端に設けた略円盤状のバルブヘッド１８ｂ、１９ｂとを備えている。バルブステム１８ａ、１９ａは、シリンダヘッド１２に組み付けた略円筒形状のバルブガイド１８ｃ、１９ｃにスライド自在に挿通している。これにより、吸気バルブ１８及び排気バルブ１９は、燃焼室１５に対し、バルブステム１８ａ、１９ａの軸方向に沿って移動自在となっている。
図２に、燃焼室１５と、吸気ポート１６及び排気ポート１７との連通部分を拡大して示す。吸気ポート１６は、燃焼室１５との連通部分に略円形の開口部１６ａを備える。この開口部１６ａの環状縁部に、吸気バルブ１８のバルブヘッド１８ｂと当接する環状のバルブシート膜１６ｂを備える。吸気バルブ１８は、バルブステム１８ａの軸方向に沿って上方に移動した場合に、バルブヘッド１８ｂの上面がバルブシート膜１６ｂに当接して吸気ポート１６を閉塞する。また、吸気バルブ１８は、バルブステム１８ａの軸方向に沿って下方に移動した場合に、バルブヘッド１８ｂの上面とバルブシート膜１６ｂとの間に隙間を形成して吸気ポート１６を開放する。
排気ポート１７は、吸気ポート１６と同様に燃焼室１５との連通部分に略円形の開口部１７ａを備えており、この開口部１７ａの環状縁部に、排気バルブ１９のバルブヘッド１９ｂと当接する環状のバルブシート膜１７ｂを備えている。排気バルブ１９は、バルブステム１９ａの軸方向に沿って上方に移動した場合に、バルブヘッド１９ｂの上面がバルブシート膜１７ｂに当接して排気ポート１７を閉塞する。また、排気バルブ１９は、バルブステム１９ａの軸方向に沿って下方に移動した場合に、バルブヘッド１９ｂの上面とバルブシート膜１７ｂとの間に隙間を形成して排気ポート１７を開放する。
たとえば、４サイクルの内燃機関１は、ピストン１３の下降時に吸気バルブ１８のみが開き、吸気ポート１６からシリンダ１１ａ内に混合気が導入される。続いて吸気バルブ１８および排気バルブ１９を閉じた状態でピストン１３が上昇してシリンダ１１ａ内の混合気を圧縮し、ピストン１３が略上死点に達したときに図示しない点火プラグにより点火して混合気が爆発する。この爆発によりピストン１３は下死点まで下降し、連結されたクランクシャフト１４を介して爆発を回転力に変換する。ピストン１３が下死点に達し、再び上昇を開始すると、排気バルブ１９のみが開き、シリンダ１１ａ内の排気を排気ポート１７へ排出する。内燃機関１は、以上のサイクルを繰り返し行うことにより出力を発生する。
バルブシート膜１６ｂ、１７ｂは、シリンダヘッド１２の開口部１６ａ、１７ａの環状縁部にコールドスプレー法によって直接形成したものである。コールドスプレー法とは、金属粉末の融点又は軟化点よりも低い温度の作動ガスを超音速流とし、作動ガス中に搬送ガスによって搬送された金属粉末を投入してノズル先端より噴射し、固相状態のまま基材に衝突させ、金属粉末の塑性変形により金属の皮膜を形成するものである。このコールドスプレー法は、材料を溶融させて基材に付着させる溶射法に比べ、大気中で酸化のない緻密な皮膜が得られ、材料粒子への熱影響が少ないので熱変質が抑えられ、成膜速度が速く、厚膜化が可能であり、付着効率が高いといった特性を有する。特に成膜速度が速く、厚膜が可能なことから、内燃機関１のバルブシート膜１６ｂ、１７ｂのような構造材料としての用途に適している。
図３は、コールドスプレー法に用いるコールドスプレー装置の概略構成を示している。コールドスプレー装置２は、作動ガス及び搬送ガスを供給するガス供給部２１と、金属粉末を供給する金属粉末供給部２２と、金属粉末をその融点以下の作動ガスを用いて超音速流として噴射するコールドスプレーガン２３とを備える。
ガス供給部２１は、圧縮ガスボンベ２１ａ、作動ガスライン２１ｂ及び搬送ガスライン２１ｃを備える。作動ガスライン２１ｂ及び搬送ガスライン２１ｃは、それぞれ圧力調整器２１ｄ、流量調節弁２１ｅ、流量計２１ｆ及び圧力ゲージ２１ｇを備えている。圧力調整器２１ｄ、流量調節弁２１ｅ、流量計２１ｆ及び圧力ゲージ２１ｇは、圧縮ガスボンベ２１ａからの作動ガス及び搬送ガスの圧力及び流量の調整に供される。
作動ガスライン２１ｂには、電力源２１ｈにより加熱されるヒータ２１ｉを設置している。作動ガスは、ヒータ２１ｉによって金属粉末の融点又は軟化点より低い温度に加熱した後、コールドスプレーガン２３中のチャンバ２３ａ内に導入される。チャンバ２３ａには、圧力計２３ｂと温度計２３ｃが設置され、圧力及び温度のフィードバック制御に供される。
一方、金属粉末供給部２２は、金属粉末供給装置２２ａと、これに付設される計量器２２ｂ及び金属粉末供給ライン２２ｃを備えている。圧縮ガスボンベ２１ａからの搬送ガスは、搬送ガスライン２１ｃを通り、金属粉末供給装置２２ａに導入される。計量器２２ｂにより計量された所定量の金属粉末は、金属粉末供給ライン２２ｃを経て、チャンバ２３ａ内に搬送される。
コールドスプレーガン２３は、搬送ガスによりチャンバ２３ａ内に搬送された金属粉末Ｐを、作動ガスにより超音速流としてノズル２３ｄの先端から噴射し、固相状態又は固液共存状態で基材２４に衝突させて皮膜２４ａを形成する。本実施形態では、基材２４としてシリンダヘッド１２を適用し、このシリンダヘッド１２の開口部１６ａ、１７ａの環状縁部にコールドスプレー法によって金属粉末Ｐを噴射することにより、バルブシート膜１６ｂ、１７ｂを形成している。
シリンダヘッド１２のバルブシートには、燃焼室１５内におけるバルブからの叩き入力に耐える高い耐熱性及び耐磨耗性と、燃焼室１５の冷却のための高い熱伝導性とが要求される。これらの要求に対し、例えば、析出硬化型銅合金の粉末により形成したバルブシート膜１６ｂ、１７ｂによれば、鋳物用アルミ合金で形成したシリンダヘッド１２よりも硬く、耐熱性及び耐磨耗性に優れたバルブシートを得ることができる。
また、バルブシート膜１６ｂ、１７ｂは、シリンダヘッド１２に直接形成しているので、ポート開口部に別部品のシートリングを圧入して形成する従来のバルブシートに比べ、高い熱伝導性を得ることができる。さらには、別部品のシートリングを利用する場合に比べ、冷却用のウォータジャケットとの近接化を図ることができる他、吸気ポート１６及び排気ポート１７のスロート径の拡大、ポート形状の最適化によるタンブル流の促進などの副次的効果も得ることができる。
バルブシート膜１６ｂ、１７ｂの形成に用いる金属粉末としては、鋳物用アルミ合金よりも硬質で、バルブシートに必要な耐熱性、耐磨耗性及び熱伝導性が得られる金属であることが好ましく、例えば、上述した析出硬化型銅合金を用いることが好ましい。また、析出硬化型銅合金としては、ニッケル及びケイ素を含むコルソン合金や、クロムを含むクロム銅、ジルコニウムを含むジルコニウム銅等を用いてもよい。さらに、例えば、ニッケル、ケイ素及びクロムを含む析出硬化型銅合金、ニッケル、ケイ素及びジルコニウムを含む析出硬化型銅合金、ニッケル、ケイ素、クロム及びジルコニウムを含む析出硬化型合金、クロム及びジルコニウムを含む析出硬化型銅合金等を適用することもできる。
また、複数種類の金属粉末、例えば、第１の金属粉末と第２の金属粉末とを混合してバルブシート膜１６ｂ、１７ｂを形成してもよい。この場合、第１の金属粉末には、鋳物用アルミ合金よりも硬質で、バルブシートに必要な耐熱性、耐磨耗性及び熱伝導性が得られる金属を用いることが好ましく、例えば、上述した析出硬化型銅合金を用いることが好ましい。また、第２の金属粉末としては、第１の金属粉末よりも硬質な金属を用いることが好ましい。この第２の金属粉末には、例えば、鉄基合金、コバルト基合金、クロム基合金、ニッケル基合金、モリブデン基合金等の合金や、セラミックス等を適用してもよい。また、これらの金属の１種を単独で、または２種以上を適宜組み合わせて用いてもよい。
第１の金属粉末と、第１の金属粉末よりも硬質な第２の金属粉末とを混合して形成したバルブシート膜は、析出硬化型銅合金のみで形成したバルブシート膜よりも優れた耐熱性、耐磨耗性を得ることができる。このような効果が得られるのは、第２の金属粉末により、シリンダヘッド１２の表面に存在する酸化皮膜が除去されて新生界面が露出形成され、シリンダヘッド１２と金属皮膜との密着性が向上するためと考えられる。また、第２の金属粉末がシリンダヘッド１２にめり込むことによるアンカー効果により、シリンダヘッド１２と金属皮膜との密着性が向上するためとも考えられる。さらには、第１の金属粉末が第２の金属粉末に衝突したときに、その運動エネルギの一部が熱エネルギに変換され、あるいは第１の金属粉末の一部が塑性変形する過程で発生する熱により、第１の金属粉末として用いた析出硬化型銅合金の一部における析出硬化がより促進されるためとも考えられる。
《第１実施形態》
次に、バルブシート膜１６ｂ、１７ｂを備えるシリンダヘッド１２の製造方法について説明する。図４は、本実施形態のシリンダヘッド１２の製造方法を示す工程図である。この図に示すように、本実施形態のシリンダヘッド１２の製造方法は、鋳造工程（ステップＳ１）と、切削工程（ステップＳ２）と、被覆工程（ステップＳ３）と、仕上工程（ステップＳ４）とを備える。
鋳造工程Ｓ１では、砂中子がセットされた金型に鋳物用アルミ合金を流し込み、本体部に吸気ポート１６や排気ポート１７等が形成されたシリンダヘッド粗材を鋳造成形する。吸気ポート１６及び排気ポート１７は砂中子で形成され、凹部１２ｂは金型で形成される。
図５は、鋳造工程Ｓ１で鋳造成形したシリンダヘッド粗材３を、シリンダブロック１１への取付面１２ａ側から見た斜視図である。シリンダヘッド粗材３は、４つの凹部１２ｂと、各凹部１２ｂに２つずつ設けた吸気ポート１６及び排気ポート１７等を備える。各凹部１２ｂの２つの吸気ポート１６、及び２つの排気ポート１７は、シリンダヘッド粗材３内で１本に集合し、シリンダヘッド粗材３の両側面に設けた開口にそれぞれ連通している。
図６Ａは、図５のＢ－Ｂ線に沿うシリンダヘッド粗材３の断面図であり、吸気ポート１６を示している。吸気ポート１６の燃焼室１５側の開口部１６ａには、開口部１６ａと同心円上に、吸気ポート１６の他の部分よりも径を小さくした小径部１６ｃが砂中子によって形成されている。小径部１６ｃは、次の切削工程Ｓ２で形成する遮蔽幕部１６ｇ（図７Ａ、図７Ｂ参照）のベースとなる。小径部１６ｃは、テーパー面１６ｄによって吸気ポート１６から徐々に径が変化するように形成してもよいし、図６Ｂに示すような段差部１６ｅを介して吸気ポート１６に接続してもよい。なお、砂中子の応力集中による破損を考慮する場合、吸気ポート１６と小径部１６ｃとをテーパー面１６ｄで接続するのが好ましい。
切削工程Ｓ２では、シリンダヘッド粗材３にエンドミルやボールエンドミル等によるフライス加工を施し、環状バルブシート部１６ｆと、上述した遮蔽幕部１６ｇとを形成する。図７Ａは、図６Ａに示す鋳造工程後の吸気ポート１６に、切削工程で形成される環状バルブシート部１６ｆと、遮蔽幕部１６ｇとを２点鎖線で図示している。また、図７Ｂは、環状バルブシート部１６ｆと、遮蔽幕部１６ｇとを形成した後の吸気ポート１６の断面図を示している。
環状バルブシート部１６ｆは、バルブシート膜１６ｂのベース形状となる環状溝であり、開口部１６ａの外周に形成される。すなわち、本実施形態のシリンダヘッド１２の製造方法では、環状バルブシート部１６ｆにコールドスプレー法によって金属粉末を吹き付けて金属被膜を形成し、この金属被膜を基にしてバルブシート膜１６ｂが形成される。そのため、環状バルブシート部１６ｆは、バルブシート膜１６ｂよりも一回り大きなサイズで形成する。
遮蔽幕部１６ｇは、開口部１６ａの環状縁部から吸気ポート１６の中心軸Ｃに向かって環状に突出する庇状の部材であり、環状バルブシート部１６ｆよりも吸気ポート１６の奥側に位置する。遮蔽幕部１６ｇの開口部１６ａ側の面は、吸気ポート１６の中心軸Ｃと直交する平面状となっている。この遮蔽幕部１６ｇは、環状バルブシート部１６ｆを形成する際に、上述した小径部１６ｃを切削加工して形成される。遮蔽幕部１６ｇは、次の被覆工程Ｓ３でバルブシート膜１６ｂを形成する際に、吸気ポート１６の内周面への余剰被膜の形成を抑制するために設けられている。
被覆工程Ｓ３では、シリンダヘッド粗材３の環状バルブシート部１６ｆにコールドスプレー装置２を利用して金属粉末を噴射し、バルブシート膜１６ｂを形成する。より具体的には、この被覆工程Ｓ３では、環状バルブシート部１６ｆと、コールドスプレーガン２３のノズル２３ｄとを同じ姿勢で一定距離に保ちながら、金属粉末が環状バルブシート部１６ｆの全周に吹き付けられるように、シリンダヘッド粗材３とノズル２３ｄとを一定速度で相対移動する。
この実施形態では、例えば、図８に示すワーク回転装置４を利用して、固定配置したコールドスプレーガン２３のノズル２３ｄに対し、シリンダヘッド粗材３を移動する。ワーク回転装置４は、シリンダヘッド粗材３を保持するワークテーブル４１と、チルトステージ部４２と、ＸＹステージ部４３と、回転ステージ部４４とを備える。
チルトステージ部４２は、ワークテーブル４１を支持し、ワークテーブル４１を水平方向に配したＡ軸の周りで回動させて、シリンダヘッド粗材３を傾けるステージである。ＸＹステージ部４３は、チルトステージ部４２を支持するＹ軸ステージ４３ａと、Ｙ軸ステージ４３ａを支持するＸ軸ステージ４３ｂとを備える。Ｙ軸ステージ４３ａは、水平方向に配したＹ軸に沿ってチルトステージ部４２を移動する。Ｘ軸ステージ４３ｂは、水平面上においてＹ軸に直交するＸ軸に沿って、Ｙ軸ステージ４３ａを移動する。これにより、ＸＹステージ部４３は、シリンダヘッド粗材３をＸ軸及びＹ軸に沿って任意の位置に移動する。回転ステージ部４４は、その上面にＸＹステージ部４３を支持する回転テーブル４４ａを有し、この回転テーブル４４ａを回転することにより、シリンダヘッド粗材３を略垂直方向のＺ軸の周りで回転する。
コールドスプレーガン２３のノズル２３ｄの先端は、チルトステージ部４２の上方で、回転ステージ部４４のＺ軸の近傍に固定配置されている。ワーク回転装置４は、図９に示すように、チルトステージ部４２により、バルブシート膜１６ｂが形成される吸気ポート１６の中心軸Ｃが垂直になるようにワークテーブル４１を傾ける。また、ワーク回転装置４は、ＸＹステージ部４３により、バルブシート膜１６ｂが形成される吸気ポート１６の中心軸Ｃが回転ステージ部４４のＺ軸に一致するようにシリンダヘッド粗材３を移動する。この状態で、コールドスプレーガン２３のノズル２３ｄから環状バルブシート部１６ｆに金属粉末Ｐを吹き付けながら、回転ステージ部４４によりシリンダヘッド粗材３をＺ軸周りで回転することにより、環状バルブシート部１６ｆの全周に金属被膜を形成する。
図１１Ａは、被覆工程Ｓ３を終えた後の吸気ポート１６の断面図を示している。遮蔽幕部１６ｇは、吸気ポート１６を部分的に遮蔽することにより、飛散した金属粉末Ｐを付着させて吸気ポート１６内への余剰被膜の形成を抑制する。より具体的には、遮蔽幕部１６ｇは、吸気ポート１６の開口部１６ａ側の内周面を遮蔽し、環状バルブシート部１６ｆ以外に飛散した金属粉末Ｐを意図的に余剰被膜ＳＦとして上面に付着させることにより、開口部１６ａ側の内周面への余剰被膜の形成を抑制する。なお、環状バルブシート部１６ｆ以外に飛散した金属粉末Ｐは、符号Ｆで示すように、遮蔽幕部１６ｇを乗り越えて吸気ポート１６内に流れるが、その間に流速が低下して塑性変形するためのエネルギを失うので、吸気ポート１６の奥には余剰被膜は形成されない。したがって、遮蔽幕部１６ｇによって吸気ポート１６の開口部１６ａ側の内周面を遮蔽するだけで、吸気ポート１６全体に対する余剰被膜の形成を効果的に抑制することができる。
また、遮蔽幕部１６ｇは、吸気ポート１６の全面を遮蔽するのではなく、その中央部に吸気ポート１６に連通する孔を有しているため、吹き付けられた金属粉末Ｐを吸気ポート１６内に逃がすことができる。これにより、環状バルブシート部１６ｆに吹き付けられる金属粉末Ｐの流速は低下しないので、バルブシート膜１６ｂを確実に形成することができる。
例えば、図１０の比較例に示すように、吸気ポート１６の全面を塞ぐような遮蔽幕部１６ｈを設けた場合、超音速度で噴射された金属粉末Ｐの一部は、遮蔽幕部１６ｈで跳ね返り、これによる上昇気流Ｕが発生する。この上昇気流Ｕは、金属粉末Ｐを噴射させる際の流速を低下させる方向に作用するので、金属粉末Ｐの粒子結合が弱くなり、バルブシート膜１６ｂの強度が低下する。その点、本実施形態の遮蔽幕部１６ｇによれば、金属粉末Ｐの流れを過度に阻害することなく吸気ポート１６内に逃がすので、このような問題は発生しない。
ワーク回転装置４は、シリンダヘッド粗材３がＺ軸の周りで１回転してバルブシート膜１６ｂの形成が終了すると、回転ステージ部４４の回転を一旦停止する。この回転停止中に、ＸＹステージ部４３は、次にバルブシート膜１６ｂが形成される吸気ポート１６の中心軸Ｃが回転ステージ部４４のＺ軸に一致するように、シリンダヘッド粗材３を移動する。ワーク回転装置４は、ＸＹステージ部４３によるシリンダヘッド粗材３の移動終了後、回転ステージ部４４の回転を再開させ、次の吸気ポート１６にバルブシート膜１６ｂを形成する。以降、この動作を繰り返すことにより、シリンダヘッド粗材３の全ての吸気ポート１６及び排気ポート１７にバルブシート膜１６ｂ、１７ｂが形成される。なお、吸気ポート１６と排気ポート１７との間でバルブシート膜の形成対象が切り替わる際には、チルトステージ部４２によってシリンダヘッド粗材３の傾きが変更される。
仕上工程Ｓ４では、バルブシート膜１６ｂ、１７ｂと、吸気ポート１６及び排気ポート１７の仕上加工が行われる。バルブシート膜１６ｂ、１７ｂの仕上加工では、ボールエンドミルを用いたフライス加工によりバルブシート膜１６ｂ、１７ｂの表面を切削し、バルブシート膜１６ｂを所定形状に整える。
また、吸気ポート１６の仕上加工では、開口部１６ａから吸気ポート１６内にボールエンドミルを挿入し、図１１Ａに示す加工ラインＰＬに沿って吸気ポート１６の開口部１６ａ側の内周面を切削する。その際に、遮蔽幕部１６ｇと、遮蔽幕部１６ｇに付着した余剰被膜Ｓとが除去される。
このように、仕上工程Ｓ４により、鋳造成形による吸気ポート１６の表面荒れが解消されるとともに、遮蔽幕部１６ｇを除去することができる。図１１Ｂに、仕上工程Ｓ４後の吸気ポート１６を示す。
なお、排気ポート１７は、吸気ポート１６と同様に、鋳造成形による排気ポート１７内への小径部の形成、切削加工による環状バルブシート部及び遮蔽幕部の形成、環状バルブシート部へのコールドスプレー、仕上加工を経てバルブシート膜１７ｂが形成される。そのため、排気ポート１７に対するバルブシート膜１７ｂの形成手順については、詳しい説明を省略する。
以上で説明したように、本実施形態によるシリンダヘッド１２の製造方法、及びシリンダヘッド粗材３によれば、吸気ポート１６の開口部１６ａの環状縁部から、ポートの中心Ｃに向かって環状に突出する遮蔽幕部１６ｇを形成し、遮蔽幕部１６ｇよりも吸気ポート１６の外側に位置する環状バルブシート部１６ｆに、コールドスプレー法によって金属粉末Ｐを吹き付けてバルブシート膜１６ｂを形成している。これにより、遮蔽幕部１６ｇは、環状バルブシート部１６ｆに吹き付けられた金属粉末Ｐから吸気ポート１６を部分的に遮蔽するとともに、飛散した金属粉末Ｐを付着させるので、吸気ポート１６内への余剰被膜の形成を抑制することができる。また、遮蔽幕部１６ｇは、吸気ポート１６内に流れ込む金属粉末Ｐの流速を低下させるので、吸気ポート１６の奥に余剰被膜が形成されるのを抑制することができる。さらに、遮蔽幕部１６ｇは、金属粉末Ｐを中央の孔から吸気ポート１６へ逃がすことにより、環状バルブシート部１６ｆへ吹き付けられる金属粉末Ｐの流速低下を防ぎ、強度の高いバルブシート膜１６ｂを形成することができる。
また、遮蔽幕部１６ｇは、鋳造工程Ｓ１でシリンダヘッド粗材３に小径部１６ｃを一体に形成し、切削工程Ｓ２で小径部１６ｃに切削加工を施すことにより形成しているが、これらの鋳造工程Ｓ１及び切削工程Ｓ２は、従来のシリンダヘッド１２の製造工程でも実施されている工程である。また、遮蔽幕部１６ｇは、バルブシート膜１６ｂの形成後に仕上工程Ｓ４において除去しているが、この仕上工程Ｓ４も従来のシリンダヘッド１２の製造工程で実施されている工程である。したがって、遮蔽幕部１６ｇを形成することによりシリンダヘッド１２の製造工程数が増加することはなく、シリンダヘッド１２の製造に大幅なコストアップが生じることもない。さらに、遮蔽幕部１６ｇは、バルブシート膜１６ｂの形成後に除去するので、吸気ポート１６の吸気性能に影響を及ぼすことはない。なお、これらの効果は、排気ポート１７に対するバルブシート膜１７ｂの形成においても同様に得ることができる。
《第２実施形態》
次に、第２実施形態に係るシリンダヘッド１２の製造方法について説明する。なお、この実施形態は、切削工程Ｓ２で小径部１６ｃから形成する遮蔽幕部の形状と、被覆工程Ｓ３における遮蔽幕部の機能とが第１実施形態と異なるが、それ以外の工程は第１実施形態と同様であるため、切削工程Ｓ２及び被覆工程Ｓ３以外の説明については、第１実施形態を援用して省略する。
図１２Ａは、シリンダヘッド粗材３の吸気ポート１６部分の断面図であり、この実施形態の切削工程Ｓ２でシリンダヘッド粗材３に形成される環状バルブシート部１６ｆと、遮蔽幕部１６ｉとの形状を２点鎖線で示している。この実施形態の遮蔽幕部１６ｉは、コールドスプレー装置２によって金属粉末Ｐが吹き付けられる面側、すなわち、吸気ポート１６の燃焼室１５側となる面に、金属粉末Ｐの流動方向を制御する円弧状の制御面１６ｊを備えている。
図１２Ｂは、この実施形態の吸気ポート１６にバルブシート膜１６ｂを形成する被覆工程を示している。制御面１６ｊは、符号Ｆ１で示すように、金属粉末Ｐが吹き付けられる位置から、吸気ポート１６の中心軸Ｃを中心とする反対側で、バルブシート膜１６ｂの形成後に仕上加工される吸気ポート１６の内周面、すなわち、加工ラインＰＬ内に金属粉末Ｐが当たって余剰被膜ＳＦが形成されるように流動方向を制御する。図１２Ｃは、被覆工程Ｓ３を終えた後の吸気ポート１６の断面図を示している。遮蔽幕部１６ｉの制御面１６ｊには、飛散した金属粉末Ｐが余剰被膜ＳＦとして付着している。また、遮蔽幕部１６ｉの下方の加工ラインＰＬ内には、制御面１６ｊによって流動方向が制御された金属粉末Ｐが余剰被膜ＳＦとして付着している。なお、排気ポート１７は、吸気ポート１６と同様の手法によりバルブシート膜１７ｂを形成するので、詳しい説明は省略する。
この実施形態によるシリンダヘッド１２の製造方法、及びシリンダヘッド粗材３によれば、遮蔽幕部１６ｉの制御面１６ｊにより、反対側の加工ラインＰＬ内に金属粉末Ｐが当たるように流動方向を制御するので、飛散した金属粉末Ｐを加工ラインＰＬの範囲内に余剰被膜ＳＦとして付着させることができる。したがって、吸気ポート１６の奥側に余剰被膜が形成されるのを抑制することができる。また、加工ラインＰＬ内は、仕上工程Ｓ４で仕上加工されるので、遮蔽幕部１６ｉや、加工ラインＰＬ内の余剰被膜ＳＦが吸気ポート１６の吸気性能や排気ポート１７の排気性能に悪影響を及ぼすことはない。
《第３実施形態》
次に、第３実施形態に係るシリンダヘッド１２の製造方法について説明する。この実施形態は、第１実施形態と同様に、鋳造工程、切削工程、被覆工程及び仕上工程を備えるが、遮蔽幕部として、シリンダヘッド粗材と別部品にした遮蔽板を用いる点で第１実施形態と異なっている。なお、第３実施形態の構成のうち、第１実施形態と同じ構成については、同じ符号を用いて詳しい説明は省略する。
図１３Ａは、この実施形態の鋳造工程で成形したシリンダヘッド粗材３Ａの吸気ポート１６を示す断面図である。シリンダヘッド粗材３Ａは、遮蔽幕部を別部品とするため、遮蔽幕部のベースとなる小径部は設けられていない。図中の２点鎖線は、この実施形態の切削工程で切削加工した後の吸気ポート１６の形状を示している。切削工程では、吸気ポート１６に環状バルブシート部１６ｆと、遮蔽板挿入部１６ｋとが形成される。遮蔽板挿入部１６ｋは、環状バルブシート部１６ｆの内側で、かつ、環状バルブシート部１６ｆよりも吸気ポート１６の奥側に形成した段差部である。
この実施形態の被覆工程では、第１実施形態と同様に、シリンダヘッド粗材３Ａをワーク回転装置４にセットする。そして、シリンダヘッド粗材３Ａは、バルブシート膜１６ｂが形成される吸気ポート１６の中心軸Ｃが垂直になり、かつ、回転ステージ部４４のＺ軸に一致するように、チルトステージ部４２及びＸＹステージ部４３により移動される。次いで、図１３Ｂに示すように、吸気ポート１６の遮蔽板挿入部１６ｋには、中央部に開口５１が設けられた円板状の遮蔽板５が上方から挿入される。遮蔽板５は、遮蔽板５への金属被膜の形成を抑えるために、金属粉末Ｐよりも硬い材質、例えばセラミックス等で形成するのが好ましい。
図１３Ｃに示すように、被覆工程では、コールドスプレーガン２３のノズル２３ｄから環状バルブシート部１６ｆに金属粉末Ｐを吹き付けながら、回転ステージ部４４によってシリンダヘッド粗材３ＡをＺ軸周りで回転することにより、環状バルブシート部１６ｆの全周に金属被膜を形成する。遮蔽板５は、第１実施形態の遮蔽幕部と同様に、飛散した金属粉末Ｐを上面に付着させることにより、吸気ポート１６内への余剰被膜の形成を抑制する。
遮蔽板５は、図１３Ｄに示すように、バルブシート膜１６ｂの形成後にワーク回転装置４の動作が一旦停止したタイミングで吸気ポート１６から取り外される。その後、仕上工程において、シリンダヘッド粗材３Ａに仕上加工が施され、吸気ポート１６の加工ラインＰＬ内が切削される。加工ラインＰＬの範囲は、吸気ポート１６の開口部１６ａからの遮蔽板５の突出量を、第１実施形態の遮蔽幕部と同程度にすることにより、第１実施形態の加工ラインＰＬと同程度となる。なお、排気ポート１７は、吸気ポート１６と同様の手法によりバルブシート膜１７ｂが形成されるので、詳しい説明は省略する。
遮蔽板５は、金属粉末Ｐよりも硬い材質で形成しているが、それでも上面には余剰被膜ＳＦ１が形成される。そのため、遮蔽板５は、定期的に、あるいは余剰被膜ＳＦ１が遮蔽板５の機能を損ねるほど厚くなった場合に交換することが好ましい。また、遮蔽板挿入部１６ｋに対する遮蔽板５の挿入及び取り出しは、手作業で行ってもよいし、ロボット等の自動機で行ってもよい。
この実施形態によるシリンダヘッド１２の製造方法によれば、遮蔽板５を利用することにより、従来のシリンダヘッド１２の鋳造工程及び切削工程に大幅な変更を加えることなく、第１実施形態と同様に、吸気ポート１６及び排気ポート１７内への余剰被膜の形成を抑制することができる。また、遮蔽板５には、金属粉末Ｐを吸気ポート１６に逃がす開口５１を設けているので、環状バルブシート部１６ｆに吹き付けられる金属粉末Ｐの流速低下を抑制して、十分な強度のバルブシート膜１６ｂを形成することができる。
なお、上記の各実施形態では、鋳造工程Ｓ１において、シリンダヘッド粗材３に小径部１６ｃを形成しているが、小径部１６ｃを備えるシリンダヘッド粗材３の供給を外部から受けてシリンダヘッド１２を製造する場合には、当然のことながら鋳造工程Ｓ１を省略することが可能である。また、コールドスプレーガン２３のノズル２３ｄを固定配置してシリンダヘッド粗材３を回転移動するようにしたが、これとは逆に、シリンダヘッド粗材３を固定配置し、ノズル２３ｄを移動させてもよい。
１…内燃機関
１２…シリンダヘッド
１６…吸気ポート
１６ａ…開口部
１６ｂ…バルブシート膜
１６ｃ…小径部
１６ｆ…環状バルブシート部
１６ｇ…遮蔽幕部
１６ｈ…遮蔽幕部
１６ｉ…遮蔽幕部
１６ｊ…制御面
１６ｋ…遮蔽板挿入部
１７…排気ポート
１７ａ…開口部
１７ｂ…バルブシート膜
１８…吸気バルブ
１９…排気バルブ
２…コールドスプレー装置
２１…ガス供給部
２２…金属粉末供給部
２３…コールドスプレーガン
２３ｄ…ノズル
３…シリンダヘッド粗材
３Ａ…シリンダヘッド粗材
４…ワーク回転装置
４１…ワークテーブル
４２…チルトステージ部
４３…ＸＹステージ部
４４…回転ステージ部
５…遮蔽板
５１…開口
Ｃ…吸気ポートの中心軸
Ｐ…金属粉末
Ｆ…金属粉末の流動経路
Ｆ１…金属粉末の流動経路
Ｕ…上昇気流
ＳＦ…余剰被膜
ＳＦ１…余剰被膜
ＰＬ…加工ライン

Claims (7)

  1. 本体部に、開口部を有する吸気用又は排気用のポートと、少なくとも一つの前記開口部の環状縁部から前記ポートの中心に向かって環状に突出する遮蔽幕部と、を有するシリンダヘッド粗材を製造し、前記遮蔽幕部よりも前記ポートの外側に位置する環状バルブシート部に、コールドスプレー法により金属粉末を吹き付けてバルブシート膜を形成するシリンダヘッドの製造方法であって、前記遮蔽幕部の前記開口部側の面は、前記環状バルブシート部の面と非同一面となるように、前記環状バルブシート部の面よりも前記ポートの奥側に配置されているシリンダヘッドの製造方法。
  2. 前記遮蔽幕部は、前記シリンダヘッド粗材に一体に鋳造成形され、前記バルブシート膜の形成後に除去される請求項１に記載のシリンダヘッドの製造方法。
  3. 前記遮蔽幕部は、前記ポートの内周面を仕上加工する際に同時に除去される請求項２に記載のシリンダヘッドの製造方法。
  4. 前記シリンダヘッド粗材を製造する際に、前記ポートの前記開口部に、前記ポートの他の部分よりも径が小さな小径部を形成し、前記開口部の環状縁部を切削加工して前記環状バルブシート部を形成する際に、前記小径部を切削加工して前記遮蔽幕部を形成する請求項１～３のいずれか一項に記載のシリンダヘッドの製造方法。
  5. 前記シリンダヘッド粗材を製造する際に、前記遮蔽幕部の前記金属粉末が吹き付けられる面側に、前記金属粉末の流動方向を制御する円弧形状の制御面であって、前記金属粉末が吹き付けられる位置から、前記ポートの中心軸を中心とする反対側で、前記バルブシート膜の形成後に仕上加工される前記ポートの内周面に向けて前記金属粉末が流れるように制御する制御面を形成する請求項１～４のいずれか一項に記載のシリンダヘッドの製造方法。
  6. 前記遮蔽幕部は、前記シリンダヘッド粗材と別部品であって、前記金属粉末の吹き付け前に前記開口部に設置し、前記金属粉末の吹き付け後に前記開口部から取り外す請求項１に記載のシリンダヘッドの製造方法。
  7. 本体部に、開口部を有する吸気用又は排気用のポートと、少なくとも一つの前記開口部に配された環状バルブシート部と、前記環状バルブシート部よりも前記ポートの奥側に配置され、前記開口部の環状縁部から前記ポートの中心に向かって環状に突出する遮蔽幕部と、を有し、前記遮蔽幕部の前記開口部側の面は、前記環状バルブシート部の面と非同一面となるように、前記環状バルブシート部の面よりも前記ポートの奥側に配置されているシリンダヘッド粗材。
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