JPH08224682A - シリンダヘッドにおけるバルブシートの加工方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 シリンダヘッド側を回転させずにシート面の
肉盛り加工を行う。 【構成】 底面１０ａに垂直な線ｃがバルブシート２の
軸心ｂと平行となるような断面略逆台形状の周溝１０を
バルブシート２に予め形成し、同時に駄肉部７，８を突
出形成する。周溝１０に粉末５を供給しながらレーザビ
ーム３を照射し、かつレーザビーム３を周溝１０の円周
方向に沿って移動させて肉盛り層６を形成する。肉盛り
加工後に、肉盛り層６の余剰部分と駄肉部７，８とを切
削除去してシート面の最終加工形状２ｂに仕上げる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、内燃機関のシリンダヘ
ッドにおけるバルブシートの加工方法に関し、さらに詳
しくはバルブシートのシート面の耐熱性，耐摩耗性等の
向上を目的として銅系合金等の肉盛り層を形成するよう
にしたバルブシートの加工方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】鋼管等の基材の物理的，機械的性質の向
上を目的としたレーザクラッディング法と称される技術
では、例えば特開昭６２−１８３９８９号公報に示され
ているように、基材表面に要求特性に応じた材料の粉末
を供給しながらレーザビームを照射し、その粉末を一旦
溶融させて固化させることにより肉盛りしてクラッド層
を形成することを基本としている。

【０００３】一方、このレーザクラッディング法を応用
して、アルミニウム合金製のシリンダヘッドのバルブシ
ートに銅系合金等の肉盛り層を形成することが行われて
いる。このバルブシートの肉盛り方法は、図３，４に示
すように、加工対象となるアルミニウム合金製のシリン
ダヘッド１のバルブシート２のシート面２ａを予め所定
の曲率をもった断面円弧状の溝形状に形成するととも
に、この溝形状の底面に対して垂直な線、すなわちシー
ト面２ａの溝形状の曲率の法線ａが鉛直方向を指向する
ように、シリンダヘッド１全体を４５°傾斜させて図示
外の治具に位置決めクランプし、シート面２ａに対し
て、法線ａとの間に所定の傾斜角βをもつ粉末供給ノズ
ル４から銅系合金材料等の粉末５を連続供給しながら前
記法線ａ方向からレーザビーム３を照射する一方、シリ
ンダヘッド１に加工対象となるバルブシート２の軸心ｂ
を回転中心としてそのバルブシート２の円周方向に回転
送りを与えて、溝形状のシート面２ａに肉盛り加工を行
って肉盛り層６を形成するようにしている。

【０００４】そして、前記肉盛り層６が形成されたシリ
ンダヘッド１のバルブシート２は、図５に示すようにそ
の肉盛り層６の一部を切除するような切削加工が後工程
で施されて、製品機能の上で必要とされるシート面の最
終加工形状２ｂに仕上げられる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来のバ
ルブシートの加工方法では、加工対象となるバルブシー
ト２の溝形状が上向きとなるようにシリンダヘッド１全
体を４５°傾けた上で、その加工対象となるバルブシー
ト２の軸心ｂを回転中心としてシリンダヘッド１全体を
回転運動させる必要があり、例えば１６バルブのシリン
ダヘッド１であれば１６回の回転動作を行わなければな
らないことになる。

【０００６】そのため、総重量が約２０ｋｇにも及ぶよ
うなシリンダヘッド１を堅固に位置決めクランプした上
でこれを円滑に回転させるためには巨大な設備が必要と
なり、設備投資および設備設置スペースの面で著しく不
利になる。

【０００７】本発明は以上のような課題に着目してなさ
れたもので、その目的とするところは、特に小規模で且
つ簡易な設備で所期の目的を達成できるようにしたバル
ブシートの加工方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、シリンダヘッドのバルブシートのシート面となるべ
き部分に、溝底面に対して垂直な線がバルブシートの軸
心と平行となるような周溝を予め形成し、前記バルブシ
ートの軸心が鉛直方向を指向するようにシリンダヘッド
を保持した上で、前記周溝に肉盛り材料の粉末を供給し
ながらこの粉末の上からレーザビームを照射して、該レ
ーザビームを周溝の円周方向に移動させることにより周
溝に沿って肉盛り層を形成し、前記肉盛り加工後に肉盛
り層の一部を切削除去してシート面を最終加工形状に仕
上げることを特徴としている。

【０００９】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の構成に加えて、前記周溝の底面をはさんでその両側に
位置する側壁面同士の間の寸法が底面から遠ざかるにし
たがって漸次広くなるように周溝の断面形状が略逆台形
状のものとして形成されていることを特徴としている。

【００１０】請求項３に記載の発明は、請求項２に記載
の構成に加えて、前記周溝の底面とその両側の側壁面と
のなす角度θがそれぞれ９０°＜θ＜１８０°の範囲に
設定されていることを特徴としている。

【００１１】請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の
いずれかに記載の構成に加えて、前記周溝の内外周縁部
に駄肉部が予め一体に突出形成されていることを特徴と
している。

【００１２】請求項５に記載の発明は、請求項４記載の
構成に加えて、前記シート面を最終加工形状に仕上げる
際に、駄肉部を切削除去することを特徴としている。

【００１３】

【作用】請求項１に記載の発明によると、溝底面に対し
て垂直な線がバルブシートの軸心と平行となるような周
溝をバルブシートのシート面となるべき部分に予め形成
して、そのバルブシートの軸心が鉛直方向を指向するよ
うにシリンダヘッドを位置決め保持した上で、加工対象
となる周溝に照射されるレーザビーム側をその周溝の円
周方向に移動させることにより、シリンダヘッドは弁挾
み角の二分の一の角度だけ傾ければよく、またシリンダ
ヘッド全体を回転させる必要もなくなる。

【００１４】請求項２に記載の発明によると、シート面
となるべき部分に形成される周溝を断面略逆台形状のも
のとしたことにより、周溝の底面に対し垂直な方向から
レーザビームを照射した場合に、周溝の底面のみならず
傾斜している側壁面までも確実にレーザビーム照射方向
に対して対峙するようになる。したがって、周溝とその
周溝に沿って形成される肉盛り層との間の密着性がきわ
めて良好なものとなる。

【００１５】請求項３に記載の発明によると、周溝の底
面の両側の側壁面がいずれも傾斜したものとなって、上
記の肉盛り層との間の密着性が一段と向上するようにな
る。

【００１６】請求項４に記載の発明によると、周溝の内
周縁部および外周縁部に駄肉部が予め一体に突出形成さ
れていることにより、この駄肉部があるために周溝の粉
末の保有容量が増加し、周溝のエッジ部まで確実に粉末
で覆われるようになると同時に、駄肉分だけ母材側の熱
容量が増加することになる。したがって、レーザビーム
照射時の母材側の溶融はもちろん、それを原因とする肉
盛り層の母材による希釈やクラックの欠陥の発生を未然
に防止できるようになる。

【００１７】請求項５に記載の発明によると、前記シー
ト面を最終加工形状に仕上げる際に駄肉部も切削除去す
ることにより、駄肉部を設けたことによるシート面本来
の機能を損うおそれが全くなくなる。

【００１８】

【実施例】図１は本発明の一実施例を示す図であって、
シート面の最終加工形状２ｂとして図１の（Ｂ）に示す
形状を得るための例を示しており、図１は図３のＢ部を
拡大した図に対応している。なお、図１〜３と共通する
部分には同一符号を付してある。

【００１９】図１に示すように、バルブシート２の粗材
形状としては、シート面の最終加工形状２ｂとなるべき
部分の内周縁部側にその円周方向に沿って駄肉部（クロ
スハッチングを施した部分）７が予め一体に突出形成さ
れ、かつそのシート面の最終加工形状２ｂとなるべき部
分の外周縁部側にその円周方向に沿って断面略三角形状
の駄肉部（クロスハッチングを施した部分）８が予め一
体に突出形成された形状に形成されている。さらに、前
記バルブシート２の開放側端面９にはその全周に沿って
駄肉部７と８との間にまたがるようにして断面略逆台形
状の周溝１０が予め形成されている。

【００２０】前記駄肉部７，８は、シリンダヘッド１の
鋳造時に該シリンダヘッド１と一体に形成され、また周
溝１０はシート面の最終加工形状２ｂの一部をその溝内
に含むように鋳造後の機械加工によって形成される。そ
して、前記周溝１０は、その底面１０ａに対して直角な
線ｃがバルブシート２の軸心（バルブの軸心）ｂと平行
となるような向きに設定されているとともに、周溝１０
の断面形状としては図２に示すように等脚台形であると
不等脚台形であるのを問わず、その底面１０ａと両側の
側壁面１０ｂとのなす角度θがそれぞれ９０°＜θ＜１
８０°の範囲となるように設定する。

【００２１】ここで、上記の角度θを９０°＜θ＜１８
０°としているのは、９０°≧θとなった場合には、後
述するように底面１０ａに対し垂直な線ｃの方向からレ
ーザビーム３を照射することによって形成される肉盛り
層６と周溝１０との密着性が悪くなるためである。

【００２２】本実施例では、図１のほか図２に示すよう
に、周溝１０の底面１０ａの幅Ｗ₁と溝深さＨおよび開
口幅Ｗ₂との寸法関係をＷ₁：Ｈ：Ｗ₂＝１．２：１．
５：３．０の関係に設定し、かつその周溝１０の底面１
０ａと側壁面１０ｂとのなす角度θを１２０°に予め設
定し、加工対象となるバルブシート２の軸心ｂが鉛直方
向を指向するようにシリンダヘッド１を所定角度だけ傾
斜させて図示外の治具に固定する。

【００２３】ここで、前記周溝１０の底面１０ａに対し
垂直な線ｃがバルブシート２の軸心ｂと平行となるよう
に周溝１０の向きを設定してあるため、前記シリンダヘ
ッド１の傾斜角度αは図３に示す弁挾み角γの二分の一
の角度となる。

【００２４】そして、周溝１０の底面１０ａに対し垂直
な線ｃとレーザビーム３の照射方向（光軸）とを一致さ
せた上で、そのレーザビーム３の照射方向に対して図４
のβとして２０°の傾斜角度をもつ粉末供給ノズル４か
ら４５ｇ／ｍｉｎで銅系合金材料の粉末５を周溝１０に
連続供給するとともに、レーザ出力４．０ｋＷで出力モ
ードがリングモードのレーザビーム３を照射し、レーザ
ビーム３に周溝１０の円周方向に沿って０．８ｍ／ｍｉ
ｎの加工送りを与えながらバルブシート２に肉盛り加工
を施して肉盛り層６を形成した。

【００２５】ここで、図２の角度θが９０°＜θ＜１８
０°の条件を満たし得る値として具体的にθ＝１２０°
に設定しているのは、例えば９０°≧θの場合にはレー
ザビーム３の照射方向に対して周溝１０の側壁面１０ｂ
が平行となるか、もしくは対峙しないインバースの関係
となってしまい、レーザビーム３の照射に伴って粉末５
が一旦溶融することによって形成されるところの肉盛り
層６と周溝１０との密着強度が必ずしも充分なものとな
らないためである。

【００２６】前記銅系合金材料の粉末としては、Ｃｕ−
１５．５％、Ｎｉ−１４．１％、Ｃｏ−０．９１％、Ａ
ｌ−１．５８％、Ｖ−１．８４％、Ｎｂ−２．７８％、
Ｓｉ−残部、の組成のものを使用した。また、図４のレ
ーザビーム照射部から粉末供給ノズル４の先端までの距
離（スタンドオフ）ｆを１０ｍｍ、粉末供給ノズル４の
内径Ｄを３．４ｍｍとした。

【００２７】その後、図１の（Ｂ）に示すように、前記
肉盛り層６が形成されたバルブシート２にその肉盛り層
６の一部を切除するような切削加工を施して、シート面
を最終加工形状２ｂに仕上げるとともに、前記駄肉部
７，８を切削除去した。

【００２８】その結果、肉盛り層６側への母材の溶け込
みによる母材希釈やクラックの発生の全くない肉盛り層
６をバルブシート２に形成できることが確認された。

【００２９】このように本実施例によれば、バルブシー
ト２に予め形成される周溝１０が実質的にバルブシート
２の軸心ｂと同じ方向を向くように予め設定されている
ため、その周溝１０をレーザビーム照射方向に向けるの
に必要なシリンダヘッド１の傾斜角αは弁挾み角γの二
分の一の角度でよく、しかもシリンダヘッド１に対して
レーザビーム３側を回転移動させることによって、大型
でしかも大重量のシリンダヘッド１を回転運動させる必
要もなくなる。

【００３０】しかも、周溝１０の双方の側壁面１０ｂが
いずれも傾斜しているために、周溝１０の底面１０ａの
みならずその側壁面１０ｂまでもがレーザビーム３の照
射方向と対峙するようになることから、そのレーザビー
ム照射によって粉末５が溶融することにより形成される
ところの肉盛り層６と周溝１０との密着性がきわめて良
好なものとなる。

【００３１】さらに、図５に示した従来例のように、周
溝２ａの溝幅方向両端の一方のエッジ部１２ａから他方
のエッジ部１２ｂまでほぼ均等になるように粉末５で満
たした上でレーザビーム３の照射により肉盛り層６を形
成した場合、シリンダヘッド１自体の粗材段階での加工
精度誤差や図示外の治具に対するシリンダヘッド１の位
置決め精度誤差等のために上記のエッジ部１２ａ，１２
ｂの末端まで粉末５が満たされないことがあり、このよ
うな場合には上記のエッジ部１２ａ，１２ｂの近傍
Ｅ₁，Ｅ₂に欠肉部が発生しやすい。また、仮に粉末５の
供給量が十分であったとしても、母材側の前記エッジ部
１２ａ，１２ｂに近い部分ほど熱容量が小さく、かつ粉
末５の厚みも小さいために肉盛り加工品質が不安定で欠
陥の発生頻度が高く、例えばレーザビーム３の照射時に
そのエッジ部１２ａ，１２ｂまでもが溶融して、母材希
釈やクラック等の欠陥が発生する。すなわち、粉末５が
一旦溶融して固化することによって形成された肉盛り層
６のなかにシリンダヘッド１自体の母材が溶け込んで希
釈されてしまい、これによって肉盛り層６本来の性能を
発揮できなくなるほか、この母材希釈を原因としてクラ
ックの発生を招くことになる。

【００３２】この点、本実施例によれば、周溝１０の内
外周縁部側にこれに連続するように突出形成した駄肉部
７，８が周溝１０の溝形状をその溝幅方向および溝深さ
方向に拡大するように機能するため、図１の（Ａ）に示
すように粉末５の保有容量の増大のために周溝１０の溝
幅方向の両端エッジ部の外側まで十分に余裕をもって粉
末５で満たすことができ、シリンダヘッド１の加工精度
誤差等による周溝１０の溝幅方向の両端エッジ部での欠
肉の発生を防止できる。また、上記の駄肉部７，８は周
溝１０の溝幅方向の両端エッジ部での熱容量の増大にも
大きく貢献するために母材の溶融をも阻止できるように
なり、母材希釈やクラック等の欠陥の発生を未然に防止
できるほか、万一周溝１０の溝幅方向両端部に欠肉や母
材希釈あるいはクラック等の欠陥が発生したとしても、
肉盛り層６のその幅方向両端部は余剰部分として後処理
で駄肉部７，８とともに切削除去されることになるため
に品質の上で何ら問題となることはなく、肉盛り加工品
質の一層の向上と安定化が図れるようになる。

【００３３】

【発明の効果】請求項１に記載の発明によれば、バルブ
シートの軸心と同方向を向くような周溝をバルブシート
に予め形成して、そのバルブシートの軸心が鉛直方向を
指向するようにシリンダヘッドを保持した上で、周溝上
の粉末に照射されるレーザビーム側を周溝の円周方向に
移動させて肉盛り層を形成するようにしたことにより、
周溝がレーザビーム照射方向を指向するようにするため
にはシリンダヘッドを弁挾み角の二分の一の角度だけ傾
ければよく、また従来のようにシリンダヘッド全体を回
転させる必要もなくなる。その結果、シリンダヘッドを
保持するための設備が小型で、しかも簡易な構造のもの
で済むようになり、設備投資および設置スペースの面で
著しく有利となる。

【００３４】請求項２に記載の発明によれば、周溝の断
面形状を略逆台形状のものとしたことにより、周溝の底
面に対して垂直な方向からレーザビームを照射した場合
に、周溝の底面のみならず傾斜している側壁面までも確
実にレーザビーム照射方向と対峙することから、周溝と
その周溝に沿って形成される肉盛り層との間の密着性が
向上し、特に請求項３に記載の発明のように双方の側壁
面が傾斜している場合には上記の密着性が一段と向上す
る利点がある。

【００３５】請求項４に記載の発明によれば、周溝の内
外周縁部に突出形成した駄肉部が、その周溝における粉
末保有量を増大させるはたらきをするとともに、母材の
熱容量を増加させることになるため、肉盛り層の幅方向
両端での欠肉の発生やレーザビーム照射時の母材側の溶
融はもちろんのこと、それを原因とする肉盛り層の母材
による希釈やクラック等の欠陥の発生を未然に防止で
き、肉盛り加工品質の向上が図れる。

【００３６】請求項５に記載の発明によれば、肉盛り加
工後にバルブシートのシート面を最終加工形状に仕上げ
るのと併せて駄肉部も切削除去することにより、駄肉部
を設けたことによってバルブシート本来の機能を損うこ
とがなくなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す図で、（Ａ）は肉盛り
加工が施されたバルブシートの断面図、（Ｂ）は切削加
工後のバルブシートの断面図。

【図２】図１に示す周溝の拡大断面図。

【図３】従来のバルブシートの肉盛り加工方法を示す断
面説明図。

【図４】図３のＡ−Ａ線に沿う断面説明図。

【図５】図３の要部拡大図。

【符号の説明】

１…シリンダヘッド ２…バルブシート ２ｂ…シート面の最終加工形状 ３…レーザビーム ４…粉末供給ノズル ５…粒末 ６…肉盛り層 ７，８…駄肉部 １０…周溝 １０ａ…底面 １０ｂ…側壁面

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリンダヘッドのバルブシートのシート
   面となるべき部分に、溝底面に対して垂直な線がバルブ
   シートの軸心と平行となるような周溝を予め形成し、 前記バルブシートの軸心が鉛直方向を指向するようにシ
   リンダヘッドを保持した上で、前記周溝に肉盛り材料の
   粉末を供給しながらこの粉末の上からレーザビームを照
   射して、該レーザビームを周溝の円周方向に移動させる
   ことにより周溝に沿って肉盛り層を形成し、 前記肉盛り加工後に肉盛り層の一部を切削除去してシー
   ト面を最終加工形状に仕上げることを特徴とするシリン
   ダヘッドにおけるバルブシートの加工方法。
2. 【請求項２】 前記周溝の底面をはさんでその両側に位
   置する側壁面同士の間の寸法が底面から遠ざかるにした
   がって漸次広くなるように周溝の断面形状が略逆台形状
   のものとして形成されていることを特徴とする請求項１
   記載のシリンダヘッドにおけるバルブシートの加工方
   法。
3. 【請求項３】 前記周溝の底面とその両側の側壁面との
   なす角度θがそれぞれ９０°＜θ＜１８０°の範囲に設
   定されていることを特徴とする請求項２記載のシリンダ
   ヘッドにおけるバルブシートの加工方法。
4. 【請求項４】 前記周溝の内外周縁部に駄肉部が予め一
   体に突出形成されていることを特徴とする請求項１〜３
   のいずれかに記載のシリンダヘッドにおけるバルブシー
   トの加工方法。
5. 【請求項５】 前記シート面を最終加工形状に仕上げる
   際に、駄肉部を切削除去することを特徴とする請求項４
   記載のシリンダヘッドにおけるバルブシートの加工方
   法。