JP7120451B2 - コールドスプレー装置 - Google Patents

Description

本発明は、ノズルを有するスプレーガンが回転軸周りに回転しながら成膜処理を行うコールドスプレー装置に関するものである。

内燃機関のシリンダヘッドのバルブシート部に、レーザビームを用いた溶射法によってクラッド層を形成するレーザクラッド加工装置が知られている（特許文献１）。このレーザクラッド加工装置では、シリンダヘッドを固定する一方、レーザビームを出射しながら粉末材料を吐出するレーザ加工ヘッドを、バルブシートの軸心線周りに回転しながらクラッド層を形成する。成膜速度が速く、厚膜が可能なバルブシート膜として、上述した溶射法とは異なるコールドスプレー法により成膜されたバルブシート膜が知られている。

特許第４０３８７２４号公報

しかしながら、コールドスプレー法は、溶射法とは異なり、スプレーガンに高圧の作動ガスを導くための高圧ホースが必要とされ、この高圧ホースは著しく硬いため、スプレーガンを軸心線周りに回転させ難く、回転させたとしても微妙な動作の応答性が極めて悪い。一方、スプレーガンを固定し、ワークであるシリンダヘッドを回転させた場合、シリンダヘッドの回転占有範囲以上のスペースが必要となる。

本発明が解決しようとする課題は、スプレーガンの回転操作が容易で動作の応答性が高いコールドスプレー装置を提供することである。

本発明は、スプレーガンに作動ガスを供給する高圧配管の基端に回転継手を設け、当該高圧配管をスプレーガンの回転軸に沿って配策することによって上記課題を解決する。

本発明によれば、高圧配管をスプレーガンの回転軸に沿って配策しているので、当該スプレーガンを回転軸周りに回転させると、高圧配管は、捩れることなく、回転継手より先端側が円滑に回転する。これにより、高圧配管が捩れるときに発生する剛性を抑制できるので、スプレーガンの回転動作の応答性も高い。

本発明に係るコールドスプレー装置を用いてバルブシート膜を形成するシリンダヘッドを示す断面図である。 図１のバルブ周辺の拡大断面図である。 本発明に係るコールドスプレー装置の一実施の形態を示す構成図である。 本発明に係るコールドスプレー装置の一実施の形態のスプレーガンを示す正面図である。 図４のV-V線に沿う断面図である。 図４のスプレーガンをオフセットした状態を示す正面図である。 本発明に係るコールドスプレー装置を含む成膜工場を示す正面図である。 図７の平面図である。 本発明に係るコールドスプレー装置を用いてシリンダヘッドを製造する手順を示す工程図である。 本発明に係るコールドスプレー装置を用いてバルブシート膜が形成されるシリンダヘッド粗材の斜視図である。 図１０のXI-XI線に沿う吸気ポートを示す断面図である。 図１１の吸気ポートに切削工程で環状バルブシート部を形成した状態を示す断面図である。 図１２の吸気ポートにバルブシート膜を形成する状態を示す断面図である。 バルブシート膜が形成された吸気ポートを示す断面図である。 図９の仕上工程後の吸気ポートを示す断面図である。

以下、本発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。初めに、本実施形態のコールドスプレー装置を適用して好ましい、バルブシート膜を備える内燃機関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す。

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の上部に組み付けられたシリンダヘッド１２とを備える。この内燃機関１は、例えば、直列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された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、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であって、各シリンダ１１ａに対応する位置には、各気筒の燃焼室１５を構成する４つの凹部１２ｂが形成されている。燃焼室１５は、燃料と吸入空気との混合気を燃焼させ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とを連通する吸気ポート１６を備える。吸気ポート１６は、屈曲した略円筒形状とされ、側面１２ｃに接続したインテークマニホールド（不図示）からの吸入空気を燃焼室１５内へ案内する。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とを連通する排気ポート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とされ、燃焼室１５で生じた排気を、側面１２ｄに接続したエキゾーストマニホールド（不図示）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のそれぞれは、丸棒状のバルブステム１８ａ，１９ａと、バルブステム１８ａ，１９ａの先端に設けられた円盤状のバルブヘッド１８ｂ，１９ｂと、を備える。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されている。これにより、吸気バルブ１８及び排気バルブ１９のそれぞれは、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が形成されている。そして、吸気バルブ１８が、バルブステム１８ａの軸方向に沿って上方に移動すると、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。逆に、吸気バルブ１８が、バルブステム１８ａの軸方向に沿って下方に移動すると、バルブヘッド１８ｂの上面とバルブシート膜１６ｂとの間に隙間が形成されて吸気ポート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、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が形成されている。そして、排気バルブ１９が、バルブステム１９ａの軸方向に沿って上方に移動すると、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。逆に、排気バルブ１９が、バルブステム１９ａの軸方向に沿って下方に移動すると、バルブヘッド１９ｂの上面とバルブシート膜１７ｂとの間に隙間が形成されて排気ポート１７を開放する。なお、吸気ポート１６の開口部１６ａの直径は、排気ポート１７の開口部１７ａの直径より大きく設定されている。

４サイクルの内燃機関１においては、ピストン１３の下降時に吸気バルブ１８のみを開き、これにより吸気ポート１６からシリンダ１１ａ内に混合気を導入する（吸気行程）。続いて、吸気バルブ１８および排気バルブ１９を閉じた状態とし、ピストン１３を略上死点まで上昇させてシリンダ１１ａ内の混合気を圧縮する（圧縮行程）。そして、ピストン１３が略上死点に達したときに、点火プラグにより圧縮した混合気に点火することで当該混合気が爆発する。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（燃焼・膨張行程）。最後に、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のみを開き、シリンダ１１ａ内の排気を排気ポート１７へ排出する（排気行程）。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、原料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原料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、原料粉末の塑性変形により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、上記のバルブシート膜１６ｂ，１７ｂの形成に用いられる本実施形態のコールドスプレー装置２を模式的に示した図である。本実施形態の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、バルブシート膜１６ｂ，１７ｂの原料粉末を供給する原料粉末供給部２２と、原料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スプレーガン２３と、ノズル２３ｄを冷却する冷媒循環回路２７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それぞれ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、テープヒータなどのヒータ２１ｉが設置され、当該ヒータ２１ｉは、電力源２１ｈから電力供給線２１ｊ，２１ｊを介して電力が供給されることにより、作動ガスライン２１ｂを加熱する。作動ガスは、ヒータ２１ｉによって原料粉末の融点又は軟化点より低い温度に加熱された後、スプレーガン２３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、それぞれの信号線２３ｇ，２３ｇを介して検出された圧力値と温度値がコントローラ（不図示）に出力され、圧力及び温度のフィードバック制御に供される。

一方、原料粉末供給部２２は、原料粉末供給装置２２ａと、これに付設される計量器２２ｂ及び原料粉末供給ライン２２ｃを備える。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、原料粉末供給装置２２ａに導入される。計量器２２ｂにより計量された所定量の原料粉末は、原料粉末供給ライン２２ｃを経て、チャンバ２３ａ内に搬送される。

スプレーガン２３は、搬送ガスによりチャンバ２３ａ内に搬送された原料粉末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原料粉末Ｐを噴射することにより、バルブシート膜１６ｂ，１７ｂを形成する。

ノズル２３ｄは、その内部に水などの冷媒が流れる流路（不図示）を備える。ノズル２３ｄは、その先端に、流路へ冷媒を導入する冷媒導入部２３ｅを備え、その基端に、流路内の冷媒を排出する冷媒排出部２３ｆを備える。ノズル２３ｄは、冷媒導入部２３ｅから流路に冷媒を導入し、流路内に冷媒を流し、冷媒排出部２３ｆから冷媒を排出することにより、ノズル２３ｄを冷却する。

ノズル２３ｄの流路に冷媒を循環させる冷媒循環回路２７は、冷媒を貯留するタンク２７１と、上述した冷媒導入部２３ｅに接続された導入管２７４と、導入管２７４に接続され、タンク２７１とノズル２３ｄとの間で冷媒を流動させるポンプ２７２と、冷媒を冷却する冷却器２７３と、冷媒排出部２３ｆに接続された排出管２７５と、を備える。冷却器２７３は、例えば、熱交換機等からなり、ノズル２３ｄを冷却して温度が上昇した冷媒を空気や水、ガスなどの冷媒との間で熱交換させて、冷媒を冷却する。

冷媒循環回路２７は、ポンプ２７２によってタンク２７１に貯留された冷媒を吸引し、冷却器２７３を介して冷媒導入部２３ｅに冷媒を供給する。冷媒導入部２３ｅに供給された冷媒は、ノズル２３ｄ内の流路を先端側から後端側に向かって流動し、その間にノズル２３ｄと熱交換することでノズル２３ｄを冷却する。流路の後端側まで流れた冷媒は、冷媒排出部２３ｆから排出管２７５に排出され、タンク２７１に戻る。このように、冷媒循環回路２７は、冷媒を冷却しながら循環させてノズル２３ｄを冷却するので、ノズル２３ｄの噴射通路への原料粉末Ｐの付着を抑制することができる。

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得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の形成に用いる原料粉末Ｐ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、複数種類の原料粉末、例えば、第１の原料粉末と第２の原料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の原料粉末には、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の原料粉末としては、第１の原料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の原料粉末には、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の原料粉末と、第１の原料粉末よりも硬質な第２の原料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の原料粉末により、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の原料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の原料粉末が第２の原料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の原料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の原料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。

本実施形態のコールドスプレー装置２は、バルブシート膜１６ｂ，１７ｂが形成されるシリンダヘッド１２を基台４５に固定する一方、スプレーガン２３のノズル２３ｄの先端を、シリンダヘッド１２の開口部１６ａ，１７ａの環状縁部に沿って回転させることで原料粉末を噴射する。シリンダヘッド１２は回転させないので、大きい占有スペースは不要になるとともに、シリンダヘッド１２に比べてスプレーガン２３の方が、慣性モーメントが小さいので、回転の過渡特性や応答性に優れる。ただし、スプレーガン２３には、図３に示すように、作動ガスライン２１ｂを構成する高圧配管（高圧ホース）が接続されるので、スプレーガン２３を回転させたときの作動ガスライン２１ｂのホースの捩れによる変形剛性が回転の過渡特性や応答性を阻害する可能性がある。そこで、本実施形態のコールドスプレー装置２は、図４～図８に示すように構成することで、回転の過渡特性や応答性を高めるようにしている。

図４は、本発明に係るコールドスプレー装置２の一実施の形態のスプレーガン２３を示す正面図、図５は、図４のVI-VI線に沿う断面図、図６は、図４のスプレーガン２３をオフセットした状態を示す正面図、図７は、本発明に係るコールドスプレー装置２を含む成膜工場を示す正面図、図８は、図７の平面図である。

ワークであるシリンダヘッド１２は、図７～図８に示す成膜工場４の成膜ブース４２の基台４５に所定の姿勢で載置される。たとえば、図１０に示すように、シリンダヘッド１２の凹部１２ｂが上面になるようにシリンダヘッド１２を基台４５に固定し、吸気ポート１６の開口部１６ａの中心線又は排気ポート１７の開口部１７ａの中心線が鉛直方向になるように基台４５を傾斜させる。

なお、成膜工場４は、図７～図８に示すように、成膜処理を実行する成膜ブース４２と、搬送ブース４１とを備え、成膜ブース４２に、シリンダヘッド１２を載置する基台４５と、スプレーガン２３を保持する産業用ロボット２５が設置されている。そして、成膜ブース４２の前段に搬送ブース４１を設け、外部とのシリンダヘッド１２の搬入・搬出はドア４３により行い、搬送ブース４１と成膜ブース４２との間のシリンダヘッド１２の搬入・搬出はドア４４により行う。たとえば、成膜ブース４２において一つのシリンダヘッド１２に対する成膜処理を行っている間に、その前に処理を終了したシリンダヘッド１２を搬送ブース４１から外部へ搬出する。コールドスプレー装置２による成膜処理は、超音速流の衝撃波による騒音が発生したり、原料粉末が飛散したりするため、搬送ブース４１を設置して、ドア４４を閉めて成膜処理を行うことで、処理後のシリンダヘッド１２の搬出や、処理前のシリンダヘッド１２の搬入など、成膜処理と同時に他の作業を行うことができる。

スプレーガン２３は、図７～図８に示す成膜工場４の成膜ブース４２に設置された産業用ロボット２５のハンド２５１に固定されたベースプレート２６に回転可能に装着されている。以下、本実施形態のスプレーガン２３の構成について、図４～図６を参照しながら説明する。まず図４に示すように、産業用ロボット２５のハンド２５１にはブラケット２５２が固定され、当該ブラケット２５２に対して回転可能にベースプレート２６が取り付けられ、当該ベースプレート２６にスプレーガン２３が固定されている。

より詳細には、図４及び図５に示すように、産業用ロボット２５のハンド２５１にはブラケット２５２が固定され、このブラケット２５２にモータ２９の本体が固定され、モータ２９の駆動軸２９１は、図示しないプーリ及びベルトを介して第１ベースプレート２６１に接続され、当該第1ベースプレート２６１をブラケットに対して回転させる。モータ２９は、たとえば最大３６０°の範囲を往復回転する。ベースプレート２６は、第１ベースプレート２６１と第２ベースプレート２６２からなり、これら第１ベースプレート２６１と第２ベースプレート２６２は、リニアガイド２８１を介して回転軸Ｃに直交する方向（図４の左右方向）にスライド可能に設けられている。そして、流体圧シリンダ２８２を駆動することにより、第１ベースプレート２６１に対する第２ベースプレート２６２のオフセット量を調節し、膜形成材料の噴射径Ｄを設定する。

第２ベースプレート２６２には、カバー２６３が装着され、その下端部にスプレーガン２３が固定されている。スプレーガン２３は、ノズル２３ｄの噴射方向が回転軸Ｃに向かうように、カバー２６３を介して第２ベースプレート２６２に固定されている。ただし、第２ベースプレート２６２は、上述したリニアガイド２８１及び流体圧シリンダ２８２により、第１ベースプレート２６１に対してオフセット可能であるため、スプレーガン２３のノズル２３ｄの先端の位置を、回転軸Ｃに対して水平方向に調節することができる。

このように、ノズル２３ｄの先端の位置を、図４に示す回転軸Ｃの線上から、図６に示すように回転軸Ｃから離れた位置に設定すると、ガン距離が同じである場合に、噴射径Ｄが小さくなる。吸気ポート１６の開口部１６ａは、排気ポート１７の開口部１７ａに比べて大径であるため、吸気ポート１６の開口部１６ａにバルブシート膜１６ｂを形成する場合には図４に示す回転軸Ｃ側の位置とし、排気ポート１７の開口部１７ａにバルブシート膜１７ｂを形成する場合には図６に示す回転軸Ｃから離れた位置とすればよい。

図３に示す圧縮ガスボンベ２１ａから供給される３～１０ＭＰａの高圧ガスをスプレーガン２３へ案内する作動ガスライン２１ｂは、後述する他の配管類とともに一つの管束２０とされ、図７に示すように産業用ロボット２５のハンド２５１に装着されたベースプレート２６の上部から垂下され、スプレーガン２３に至る。その間のベースプレート２６の近傍において、図４に示すように、スイベルジョイントなどの回転継手２１ｋを介して分離接続され、その下部にヒータ２１ｉが設けられている。図４に示す回転継手２１ｋからチャンバ２３ａに至る作動ガスライン２１ｂは、３～１０ＭＰａの高圧に耐え得る高圧ホースから構成され、同図に示すように、回転軸Ｃに沿ってこれを包囲するように配策されている。作動ガスライン２１ｂは、回転軸Ｃを包囲するように、予め、たとえば螺旋状に成形加工してもよいが、３～１０ＭＰａの高圧に耐え得る高圧ホースは硬くて形状保持性を有するので、高圧ホースが螺旋形状に倣うように形状保持型を外周に設けてもよい。

図３に示す原料粉末供給装置２２ａから供給される原料粉末をスプレーガン２３へ案内する原料粉末供給ライン２２ｃは、図７に示す管束２０として産業用ロボット２５の周囲に配策され、ベースプレート２６の上部から垂下され、スプレーガン２３に至る。その間のベースプレート２６の下方において、原料粉末供給ライン２２ｃは、図４に示すように、金属管と金属継手を含む配管にて構成され、スプレーガン２３のチャンバ２３ａに接続されている。

図３に示す電力源２１ｈから供給される電力をヒータ２１ｉへ導く電力供給線２１ｊ，２１ｊは、図７に示す管束２０として産業用ロボット２５の周囲に配策され、ベースプレート２６の上部から垂下され、ヒータ２１ｉに接続されている。また、図３に示す圧力計２３ｂからの検出信号をコントローラ（不図示）に出力する信号線２３ｇ及び温度計２３ｃからの検出信号をコントローラ（不図示）に出力する信号線２３ｈは、スプレーガン２３のチャンバ２３ａから、金属管と金属継手を含む配管の中を挿通した状態で、スプレーガン２３のチャンバ２３ａから第２ベースプレート２６２へ導かれ、他の作動ガスライン２１ｂ、原料粉末供給ライン２２ｃ、電力供給線２１ｊなどとともに、ベースプレート２６の上部から産業用ロボット２５の周囲へ配策されている。

図３に示す冷媒循環回路２７から供給される冷媒をスプレーガン２３のノズル２３ｄに案内する導入管２７４及び排出管２７５は、図７に示す管束２０として産業用ロボット２５の周囲に配策され、ベースプレート２６の上部から垂下され、ノズル２３ｄの先端の冷媒導入部２３ｅと、ノズル２３ｄの基端の冷媒排出部２３ｆに接続されている。その間のベースプレート２６の下方において、導入管２７４及び排出管２７５は、図４に示すように、金属管と金属継手を含む配管にて構成され、スプレーガン２３のノズル２３ｄに接続されている。

上述したように、硬くて変形剛性の高い高圧ホースで構成される作動ガスライン２１ｂは、その回転継手２１ｋが、図４に示すように回転軸Ｃの線上に配置され、回転継手２１ｋより下方が回転軸Ｃに沿ってこれを包囲するように配策されている。また、作動ガスライン２１ｂ以外の、電力供給線２１ｊ，２１ｊ、原料粉末供給ライン２２ｃ、冷媒の導入管２７４及び排出管２７５、信号線２３ｇ，２３ｈは、図５に示すように、回転軸Ｃの周りであって作動ガスライン２１ｂを包囲する位置に配置されている。

次に、バルブシート膜１６ｂ、１７ｂを備えるシリンダヘッド１２の製造方法を説明する。図９は、本実施形態のシリンダヘッド１２の製造方法におけるバルブ部位の加工工程を示す工程図である。同図に示すように、本実施形態のシリンダヘッド１２の製造方法は、鋳造工程Ｓ１と、切削工程Ｓ２と、被覆工程Ｓ３と、仕上工程Ｓ４とを備える。なお、バルブ部位以外の加工工程は、説明の簡略化のため省略する。

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１０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１１は、図１０のXI-XI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を示す。吸気ポート１６には、シリンダヘッド粗材３の凹部１２ｂ内に露呈された円形の開口部１６ａが設けられている。

次の切削工程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、図１２に示すように、吸気ポート１６の開口部１６ａに環状バルブシート部１６ｃを形成する。環状バルブシート部１６ｃ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。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１６ｃにコールドスプレー法によって原料粉末Ｐを噴射して皮膜を形成し、この皮膜を基にしてバルブシート膜１６ｂを形成する。そのため、環状バルブシート部１６ｃは、バルブシート膜１６ｂよりも一回り大きなサイズで形成されている。

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１６ｃに、本実施形態のコールドスプレー装置２を利用して原料粉末Ｐ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、図１３に示すように、環状バルブシート部１６ｃと、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、原料粉末Ｐが環状バルブシート部１６ｃの全周に吹き付けられるように、シリンダヘッド粗材３を固定する一方で、スプレーガン２３を一定速度で回転する。

スプレーガン２３のノズル２３ｄの先端は、基台４５に固定されたシリンダヘッド１２の上方で、産業用ロボット２５のハンド２５１に保持されている。基台４５又は産業用ロボット２５は、図４に示すように、バルブシート膜１６ｂが形成される吸気ポート１６の中心軸Ｚが垂直になって、回転軸Ｃに重なるようにシリンダヘッド１２又はスプレーガン２３の位置を設定する。この状態でノズル２３ｄから環状バルブシート部１６ｃに原料粉末Ｐを吹き付けながら、モータ２９によりスプレーガン２３をＣ軸周りに回転することにより、環状バルブシート部１６ｃの全周に皮膜を形成する。

この被覆工程Ｓ３が実施されている間、ノズル２３ｄは、冷媒循環回路２７から供給された冷媒を、冷媒導入部２３ｅから流路に導入する。冷媒は、ノズル２３ｄの内部に形成された流路の先端側から後端側に向かって流れる間にノズル２３ｄを冷却する。流路の後端側まで流れた冷媒は、冷媒排出部２３ｆによって流路から排出されて回収される。

スプレーガン２３がＣ軸の周りに１回転してバルブシート膜１６ｂの形成が終了すると、スプレーガン２３の回転を一旦停止する。この回転停止中に、産業用ロボット２５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Ｚが産業用ロボット２５の基準軸に一致するように、スプレーガン２３を移動する。モータ２９は、産業用ロボット２５によるスプレーガン２３の移動終了後、スプレーガン２３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、基台４５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１４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。加工ラインＰＬは、吸気ポート１６内に原料粉末Ｐが飛散して付着した余剰皮膜ＳＦが比較的厚く形成される範囲、より具体的には、余剰皮膜ＳＦが吸気ポート１６の吸気性能に影響を及ぼす程度に厚く形成される範囲である。

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、被覆工程Ｓ３で形成された余剰皮膜ＳＦを除去することができる。図１５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。

以上のとおり、本実施形態のコールドスプレー装置２によれば、回転軸を中心にスプレーガン２３を回転させるにあたり、基端に回転継手２１ｋが設けられた作動ガスライン２１ｂ（高圧配管）を、回転軸Ｃに沿ってこれを包囲する、たとえば螺旋状に形成しているので、スプレーガン２３を回転軸周りに回転させると、作動ガスライン２１ｂの回転継手２１ｋより先端側は、捩れることなく、回転軸Ｃを中心に円滑に回転する。このときに生じる作動ガスライン２１ｂが捩れるときの剛性は十分に小さいので、スプレーガン２３の回転動作の過渡特性や応答性が高くなる。

本実施形態のコールドスプレー装置２によれば、スプレーガン２３に膜形成材料を案内する原料粉末供給ライン２２ｃと、スプレーガン２３のノズル２３ｄに冷媒を案内して循環させる導入管２７４及び排出管２７５と、作動ガスライン２１ｂを加熱するヒータ２１ｉに電力を供給する電力供給線２１ｊ，２１ｊと、スプレーガン２３に装着された圧力計２３ｂ及び温度計２３ｃの信号線２３ｇ，２３ｈとを、回転軸Ｃの回りに配置しているので、スプレーガン２３を回転軸周りに回転させた場合の慣性モーメントが小さくなる。その結果、スプレーガン２３の回転動作の過渡特性や応答性がより高くなる。

本実施形態のコールドスプレー装置２によれば、ベースプレート２６は、モータ２９が固定された第１ベースプレート２６１と、スプレーガン２３が装着された第２ベースプレート２６２と、第１ベースプレート２６１と第２ベースプレート２６２とを、回転軸Ｃと直交する第１方向へ、相対的に移動させるオフセット機構２８と、を含むので、形成すべきバルブシート膜１６ｂ，１７ｂの直径が相違しても、これに対応することができる。

本実施形態のコールドスプレー装置２によれば、回転継手２１ｋが、回転軸Ｃの線上に配置されているので、スプレーガン２３を回転させても、作動ガスライン２１ｂに捩れが発生することをより一層抑制することができる。

本実施形態のコールドスプレー装置２によれば、ベースプレート２６が装着されるハンド２５１を有する産業用ロボット２５をさらに備え、産業用ロボット２５は、スプレーガン２３を、シリンダヘッド１２の複数の皮膜形成部位に順次移動する動作が教示されているので、生産性及び汎用性の高いコールドスプレー装置を提供することができる。

上記作動ガスライン２１ｂは本発明に係る高圧配管に相当し、上記原料粉末供給ライン２２ｃは本発明に係る第１配管に相当し、上記導入管２７４及び排出管２７５は本発明に係る第２配管に相当し、上記モータ２９は本発明に係る回転手段に相当する。

１…内燃機関
１１…シリンダブロック
１１ａ…シリンダ
１２…シリンダヘッド
１２ａ…取付面
１２ｂ…凹部
１２ｃ，１２ｄ…側面
１３…ピストン
１３ａ…コネクティングロッド
１３ｂ…頂面
１４…クランクシャフト
１５…燃焼室
１６…吸気ポート
１６ａ…開口部
１６ｂ…バルブシート膜
１６ｃ…環状バルブシート部
１７…排気ポート
１７ａ…開口部
１７ｂ…バルブシート膜
１８…吸気バルブ
１８ａ…バルブステム
１８ｂ…バルブヘッド
１８ｃ…バルブガイド
１９…排気バルブ
１９ａ…バルブステム
１９ｂ…バルブヘッド
１９ｃ…バルブガイド
２…コールドスプレー装置
２０…管束
２１…ガス供給部
２１ａ…圧縮ガスボンベ
２１ｂ…作動ガスライン
２１ｃ…搬送ガスライン
２１ｄ…圧力調整器
２１ｅ…流量調節弁
２１ｆ…流量計
２１ｇ…圧力ゲージ
２１ｈ…電力源
２１ｉ…ヒータ
２１ｊ…電力供給線
２１ｋ…回転継手
２２…原料粉末供給部
２２ａ…原料粉末供給装置
２２ｂ…計量器
２２ｃ…原料粉末供給ライン
２３…スプレーガン
２３ａ…チャンバ
２３ｂ…圧力計
２３ｃ…温度計
２３ｄ…ノズル
２３ｅ…冷媒導入部
２３ｆ…冷媒排出部
２３ｇ…信号線
２４…基材
２４ａ…皮膜
２５…産業用ロボット
２５１…ハンド
２５２…ブラケット
２６…ベースプレート
２６１…第１ベースプレート
２６２…第２ベースプレート
２６３…カバー
２７…冷媒循環回路
２７１…タンク
２７２…ポンプ
２７３…冷却器
２７４…導入管
２７５…排出管
２８…オフセット機構
２８１…リニアガイド
２８２…流体圧シリンダ
２９…モータ
２９１…駆動軸
３…シリンダヘッド粗材
４…成膜工場
４１…搬送ブース
４２…成膜ブース
４３，４４…ドア
４５…基台

Claims (5)

1. ワークを所定の姿勢で載置する基台と、
   前記ワークから離れた位置に配置されたベースプレートと、
   前記ベースプレートを、回転軸を中心に回転させる回転手段と、
   噴射方向が前記回転軸に向かうように、前記ベースプレートに装着されたスプレーガンと、
   先端が前記スプレーガンに接続され、前記スプレーガンに作動ガスを案内する高圧配管と、
   前記高圧配管の基端に設けられた回転継手と、
   を少なくとも備え、
   前記高圧配管は、前記回転軸に沿って配策されているコールドスプレー装置。
2. 前記スプレーガンに膜形成材料を案内する第１配管と、
   前記スプレーガンのノズルに冷却水を案内して循環させる第２配管と、
   前記高圧配管を加熱するヒータに電力を供給する電力供給線と、
   前記スプレーガンに装着されたセンサの信号線と、をさらに備え、
   前記第１配管、前記第２配管、前記電力供給線及び前記信号線が、前記回転軸の回りに配置されている請求項１に記載のコールドスプレー装置。
3. 前記ベースプレートは、
   前記回転手段のモータが固定された第１ベースプレートと、
   前記スプレーガンが装着された第２ベースプレートと、
   前記第１ベースプレートと前記第２ベースプレートとを、前記回転軸と直交する第１方向へ、相対的に移動させるオフセット機構と、を含む請求項１又は２に記載のコールドスプレー装置。
4. 前記回転継手が、前記回転軸の線上に配置されている請求項１～３のいずれか一項に記載のコールドスプレー装置。
5. 前記ベースプレートが装着されるハンドを有する産業用ロボットをさらに備え、
   前記産業用ロボットは、前記スプレーガンを、前記ワークの複数の皮膜形成部位に順次移動する動作が教示されている請求項１～４のいずれか一項に記載のコールドスプレー装置。

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