JPH10299433A - エンジンのバルブガイド及び溶着加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 エンジンのバルブに伝わる熱をバルブガイド
から効率よく逃がすようにしてエンジン出力の向上を図
る。 【解決手段】 エンジンの吸排気バルブ３を往復動自在
に案内するバルブガイドを耐摩耗性の合金粉末２０ａ，
２０ｂを直接溶着して形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、エンジンのシリン
ダヘッドに配置される吸排気バルブを往復動自在に案内
するバルブガイドに関し、特に、金属材料を溶着して形
成したエンジンのバルブガイド及び溶着加工装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】図１に示すように、エンジンのバルブガ
イド２は、エンジンのシリンダヘッド１に形成された燃
焼室１ａの近傍に位置し、吸気バルブ３ａ及び排気バル
ブ３ｂを往復動自在に案内する部品であり、両バルブ３
が往復動する際にそのステム部３ｃの摺動により発生す
るシリンダヘッド素材との間の摩擦及び摩耗を抑制する
役割を成すものである。

【０００３】このバルブガイド２としては、従来から鉄
系合金の焼結材が使用されており、この焼結材からなる
バルブガイド２は、予め加工されたシリンダヘッド１の
嵌合孔に圧入により取り付けられていた。

【０００４】尚、上述の吸排気バルブ３は、スプリング
４により常時上向きに付勢されてバルブの傘部３ｄがバ
ルブシート５に着座しており、カムシャフト（不図示）
の駆動により、スプリング４の付勢力に抗して下方に押
し下げられて、吸気ポート１ｂあるいは排気ポート１ｃ
を燃焼室１ａに連通させる働きをなすものである。

【０００５】一方、合金等の金属材料を溶着する技術と
しては、ＴＩＧ溶接，ＭＩＧ溶接，プラズマ溶着，電子
ビームあるいはレーザビーム等の高密度エネルギビーム
を熱源として用いる肉盛り溶着技術等があり、これらの
技術を使用したエンジン部品あるいは加工部分として
は、ピストンリング溝，バルブフェース，バルブシート
等が存在する。

【０００６】その中でも、シリンダヘッドのバルブシー
トは、耐熱性，耐摩耗性，耐蝕性等の向上を図るため
に、レーザ肉盛りにより形成される傾向にあり、又、こ
のような肉盛りバルブシートとしては、特開平８−３５
０２７号公報，特開昭６２−１５００１４号公報等に示
されているように、アルミニウム鋳造合金製シリンダヘ
ッドのバルブシート部に、銅合金粉末を溶融させて肉盛
りしたものがある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述の如き
鉄系焼結材からなるバルブガイドをシリンダヘッドの嵌
合孔に圧入した構造においては、吸排気バルブに伝わる
熱を効率良くシリンダヘッドに拡散させるのが困難であ
り、エンジン性能特に出力の向上を図る観点から、吸排
気バルブの温度を低くする、すなわち、吸排気バルブと
接触する部品からの熱の放出量（伝熱量）を如何に大き
くするかが１つの課題であった。

【０００８】また、従来の溶着加工等は、閉ざされた構
造ではなく、比較的加工スペースを取れる構造に対して
行われていたが、筒形状のような凹部領域の底あるいは
内側面に溶着加工を施す際には、その加工時に発生する
溶着用材料の溶融によるヒューム（煙気）及び溶け残っ
た溶着材料が、溶融エネルギ源としての例えばレーザビ
ームの照射を妨害して、本来必要とされるエネルギが供
給されず、あるいは溶け残った溶着材料の悪影響によ
り、クラック（割れ），空洞，ポア等が発生することが
あった。

【０００９】従って、筒形状のような凹部領域に溶着加
工を施す際において、上述の如きヒューム，未溶着の材
料等を如何に処理するかがまた１つの課題であった。

【００１０】本発明は、上述の如き課題に鑑みてなされ
たものであり、その目的とするところは、バルブに伝わ
る熱を効率良く逃がして、エンジン出力の向上が図れる
ようなエンジンのバルブガイドを提供することにあり、
又、凹部領域等に溶着加工を施す際に、その加工により
発生するヒューム，溶け残った溶着材料等の悪影響を取
り除くことのできる溶着加工装置を提供することにあ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に係る
エンジンのバルブガイドは、シリンダヘッドのバルブガ
イド領域に形成されてバルブを往復動可能に案内するエ
ンジンのバルブガイドであって、上記バルブガイド領域
に対して耐摩耗性の合金粉末を直接溶着して形成したこ
とを特徴としている。

【００１２】本発明の請求項２に係るエンジンのバルブ
ガイドは、バルブの往復動方向において、上記バルブガ
イド領域の少なくとも両端から所定の深さまで合金粉末
を直接溶着して形成した溶着部を有することを特徴とし
ている。

【００１３】本発明の請求項３に係るエンジンのバルブ
ガイドは、上記溶着部の深さが５ｍｍ〜１０ｍｍの範囲
であることを特徴としている。

【００１４】本発明の請求項４に係るエンジンのバルブ
ガイドは、バルブの往復動方向に対して垂直な方向にお
ける上記溶着部の肉厚が、バルブのステム部直径の０．
５〜１．０倍であることを特徴としている。

【００１５】本発明の請求項５に係るエンジンのバルブ
ガイドは、上記バルブガイド領域において、上記溶着部
のバルブ案内孔径をｄｇ、シリンダヘッド素材部のバル
ブ案内孔径をｄｈとするとき、ｄｈはｄｇに対してプラ
ス公差となっていることを特徴としている。

【００１６】本発明の請求項６に係るエンジンのバルブ
ガイドは、上記プラス公差が、０．０５ｍｍ〜０．２０
ｍｍの範囲であることを特徴としている。

【００１７】本発明の請求項７に係るエンジンのバルブ
ガイドは、上記合金粉末が銅合金粉末からなり、その粒
径が、５０μｍ〜１５０μｍの範囲であることを特徴と
している。

【００１８】本発明の請求項８に係るエンジンのバルブ
ガイドは、上記合金粉末を溶着した溶着層に硬質相が析
出した組織を有することを特徴としている。

【００１９】本発明の請求項９に係るエンジンのバルブ
ガイドは、上記合金粉末の材料組成が重量％で、アルミ
ニウム：１．０〜５．０％、元素周期律表Ｖａ族元素の
バナジウム，ニオブ，タンタルのうち１種又は２種以上
が：０．１〜５．０％、シリコン：１．０〜５．０％、
残部が銅及び不純物からなることを特徴としている。

【００２０】本発明の請求項１０に係る溶着加工装置
は、素材に形成された穴部に対して、供給手段により金
属粉末材料を供給し、高密度エネルギビームを照射して
金属粉末材料を素材に溶着させる溶着加工装置であっ
て、溶着加工の際に上記穴部に発生する不要物を吸引す
る吸引手段を設けたことを特徴としている。

【００２１】本発明の請求項１１に係る溶着加工装置
は、上記素材に形成された穴部が円柱形状をなす場合に
おいて、上記供給手段は穴部に対して相対的に挿脱可能
でかつ回転可能な円柱形状の外周面をなすノズル部材を
有し、このノズル部材には、高密度エネルギビームを導
くビーム通路、金属粉末材料を導く粉末通路、シールド
ガスを導くシールドガス通路、及び上記吸引手段の一部
となる吸引通路が一体的に形成されていることを特徴と
している。

【００２２】本発明の請求項１２に係る溶着加工装置
は、上記吸引通路の吸引口が、溶着加工方向において、
上記粉末通路，シールドガス通路，及びビーム通路のそ
れぞれの開口部よりも後方に配置されていることを特徴
としている。

【００２３】本発明の請求項１３に係る溶着加工装置
は、高密度エネルギビームを楕円ビームにするインテグ
レーションレンズを有し、このインテグレーションレン
ズは、上記穴部に対して、上記ノズル部材と一体的に回
転することを特徴としている。

【００２４】本発明の請求項１４に係る溶着加工装置
は、金属材料粉末への照射位置において、上記楕円ビー
ムが、上記ノズル部材の半径方向に長径をもち、この長
径が上記ノズル部材の中心と外周壁との間に位置するこ
とを特徴としている。

【００２５】本発明の請求項１５に係る溶着加工装置
は、上記吸引手段の吸引力が、０．２〜０．５ｋｇ／ｃ
ｍ^２の範囲であることを特徴としている。

【００２６】

【発明の効果】本発明の請求項１に係るエンジンのバル
ブガイドによれば、耐摩耗性合金とシリンダヘッド素材
との接合部に金属結合を有した界面が存在することにな
り、エンジン運転時にバルブに伝わった熱は、そのステ
ム部からこの界面を通してシリンダヘッドへ効率良く逃
がされ、従来の鉄基焼結材からなるバルブガイドに比べ
て優れたバルブの温度低減が達成され、これにより、エ
ンジンの高回転時におけるノッキングを低減できエンジ
ンの性能を向上させることができるという優れた効果が
もたらされる。

【００２７】本発明の請求項２に係るエンジンのバルブ
ガイドによれば、バルブガイド領域の両端すなわちカム
シャフト側及び燃焼室側の両端から所定の深さまで耐摩
耗性合金を直接溶着させてバルブガイドを形成すること
で、従来の如くバルブガイド部品の打ち込み作業を必要
とせず、かつ、従来と同等以上の耐摩耗性を確保できる
ことから、高価である鉄基焼結バルブガイド部品を廃止
することができ、その結果、コストの低減が達成できる
という優れた効果がもたらされる。

【００２８】本発明の請求項３に係るエンジンのバルブ
ガイドによれば、耐摩耗性合金を不必要に用いることな
く、バルブ温度の低減、耐摩耗性の確保、及びコストの
低減を達成できるという優れた効果がもたらされる。

【００２９】本発明の請求項４に係るエンジンのバルブ
ガイドによれば、通常におけるバルブの摺動動作に対し
て十分耐え得る強度を確保できるのはもちろんのこと、
突発的な負荷入力に対しても耐え得る十分な強度を確保
できるという優れた効果がもたらされる。

【００３０】本発明の請求項５に係るエンジンのバルブ
ガイドによれば、バルブのステム部はシリンダヘッドの
素材そのものにより支持されなくなり、従って、摺動時
における抵抗を低減することができるという優れた効果
がもたらされる。

【００３１】本発明の請求項６に係るエンジンのバルブ
ガイドによれば、バルブガイド領域の強度を確保しつ
つ、バルブの摺動抵抗を低減することができるという優
れた効果がもたらされる。

【００３２】本発明の請求項７に係るエンジンのバルブ
ガイドによれば、銅合金粉末を用いることで十分な熱伝
導性が得られて、バルブの温度をより一層低減させるこ
とができ、これにより、エンジン性能をさらに向上させ
ることができるという優れた効果がもたらされる。

【００３３】また、銅合金粉末の粒径を５０〜１５０μ
ｍの範囲とすることで、粉末の流動性が高く優れた粉末
供給性が得られることから、粉末の使用量を必要最小限
に抑えることができ、これにより、コストの低減を達成
することができるという優れた効果がもたらされる。

【００３４】本発明の請求項８に係るエンジンのバルブ
ガイドによれば、溶着領域に硬質相が析出した組織を有
することから、バルブガイド領域全てを溶着により形成
しなくとも、十分な耐摩耗性を得ることができ、性能の
経時劣化を防止することができるという優れた効果がも
たらされる。

【００３５】本発明の請求項９に係るエンジンのバルブ
ガイドによれば、溶着により形成されたバルブガイドと
シリンダヘッドとの界面における金属間化合物は強度が
極端に低くなることはなく、従って、穴加工時の割れ強
度が高まり、これによって、不良品の発生を抑制でき、
生産性の向上を達成することができるという優れた効果
がもたらされる。

【００３６】本発明の請求項１０に係る溶着加工装置に
よれば、溶着加工の際に発生する不要物、すなわちヒュ
ーム（煙気）、溶け残った残粉末等を吸引する吸引手段
を有することから、金属粉末に向けて照射される高密度
エネルギビームがヒュームにより遮られるのを防止する
ことができ、又、残粉末等の影響によるポア，未溶着等
の欠陥の発生を抑制することができ、さらに、これまで
加工が困難であった穴形状の加工部位への溶着が可能に
なるという優れた効果がもたらされる。

【００３７】本発明の請求項１１に係る溶着加工装置に
よれば、加工領域である円柱状の穴部に適合する外形を
なすノズル部材を有し、このノズル部材にビーム通路、
粉末通路、シールドガス通路、吸引通路が一体的に形成
されていることから、簡単な手順で容易に溶着加工を行
うことができるという優れた効果がもたらされる。

【００３８】本発明の請求項１２に係る溶着加工装置に
よれば、加工領域での溶着状態を乱すことなく、効率良
くヒューム及び残粉末を除去することができ、高品質の
製品を得ることができるという優れた効果がもたらされ
る。

【００３９】本発明の請求項１３に係る溶着加工装置に
よれば、加工位置を正確に設定することができ、これに
より、生産性を向上させることができるという優れた効
果がもたらされる。

【００４０】本発明の請求項１４に係る溶着加工装置に
よれば、ノズル部材を回転させて加工を行う際のビーム
モードの変化を抑えることができ、これにより、加工を
安定して行うことができ、生産速度を高めることができ
るという優れた効果がもたらされる。

【００４１】本発明の請求項１５に係る溶着加工装置に
よれば、加工領域で消費されるべき溶着粉末及びシール
ドガスの吸い込みを防ぎ、かつヒューム及び残粉末を確
実に除去することができることから、ポア，未溶着等の
欠陥の発生を防止でき、これにより、製品の歩留りを一
定水準に維持することができるという優れた効果がもた
らされる。

【００４２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を添付図面
に基づいて説明する。

【００４３】図２は、本発明に係るバルブガイドを採用
したシリンダヘッドの一部断面図を示している。本図に
示すように、素材としてのアルミニウム合金（ＪＩＳ規
格ＡＣ２Ａ）製シリンダヘッド１のバルブガイド領域で
ある素材柱状部分１ｄには、カムシャフト（不図示）に
近い上端側と燃焼室に近い下端側にそれぞれ穴加工が施
され、これら穴部にそれぞれ銅基耐摩耗性合金が肉盛り
溶着されて、溶着部としての燃焼室側（下側）バルブガ
イド部２０ａ及びカム側（上側）バルブガイド部２０ｂ
が形成されている。

【００４４】また、このバルブガイド部２０ａ，２０ｂ
及び素材部分１ｈには、バルブのステム部３ｃを往復動
かつ摺動自在に案内する案内孔が形成され、この案内孔
の素材部分１ｈの領域は、ステム部３ｃの外径に対して
プラス公差で加工されている。

【００４５】従って、バルブ３のステム部３ｃを実質的
に摺動可能に支持する部分は、銅基耐摩耗性合金からな
る上側バルブガイド部２０ｂ及び下側バルブガイド部２
０ａのみとなっている。

【００４６】これにより、摺動介面での摩耗を抑制しつ
つ、燃焼室１ａからバルブ３に伝わる熱が、ステム部３
ｃから銅基耐摩耗性合金で形成された両バルブガイド部
２０ａ，２０ｂを介してシリンダヘッド本体へ効率良く
伝えられ、バルブ３の温度が低減させられる。

【００４７】次に、上述バルブガイドの形成手法につい
て説明する。

【００４８】図３は、本発明に係るバルブガイドを形成
する際の前加工状態を示す断面図である。図３に示すよ
うに、アルミニウム合金の鋳造品であるシリンダヘッド
１に対して、前加工として、バルブガイド領域としての
素材柱状部分１ｄに、バルブ３のステム部３ｃ直径（例
えば６ｍｍ）の約３倍（１８ｍｍ）の内径で、かつ、燃
焼室１ａ側の例えば吸気ポート１ｂ壁面から深さ約１５
ｍｍの下側穴部１ｅと、カムシャフト側上端面から深さ
約１０ｍｍの上側穴部１ｆとを加工する。その際、上下
両側からの穴開け加工は、貫通しないように行う。

【００４９】次に、下側の円柱状穴部１ｅの底部に、そ
の軸心を中心としてリング状の溝１ｇを加工する。この
溝加工は、底部の円周領域に生じる角部分を取り除いて
合金粉末の溶融溶着を容易にしかつ確実にするためのも
のであり、特に下向きで深穴の場合有効である。この溝
加工を上側の穴部１ｆに施すことももちろん可能であ
る。

【００５０】次に、図４及び図５に示す溶着加工装置３
０を用いて、溶着加工を施す。

【００５１】この溶着加工装置３０は、図４に示すよう
に、円柱形状をなすノズル部材としてのノズル本体３１
と、このノズル本体３１を軸心まわりに回転させるノズ
ル回転部３２と、このノズル回転部３２を駆動するモー
タ３４と、ノズル回転部３２の上方に位置してレーザ発
振器（不図示）から出射される非集光のレーザビーム４
０を例えば長径６ｍｍ，短径２ｍｍの楕円光に集光させ
るインテグレーションレンズ３３とを備えている。

【００５２】また、ノズル本体３１の内部には、インテ
グレーションレンズ３３により楕円光に集光されたレー
ザビーム４０を導くビーム通路３６、溶着材料としての
金属粉末を導く粉末通路３７、及び加工領域をガスシー
ルドするためのシールドガスを導くシールドガス通路３
８がそれぞれ形成されており、粉末通路３７及びシール
ドガス通路３８は、その上流側がノズル本体３１の外周
壁にて開口し、その外側に配置されたそれぞれのパイプ
に接続されて、粉末供給源及びシールドガス供給源（共
に不図示）に連通している。一方、ビーム通路３６、粉
末通路３７、及びシールドガス通路３８の下流端は、ノ
ズル本体３１の端面３１ａ上にて、それぞれレーザビー
ム照射口３６ａ、粉末供給口３７ａ、及びシールドガス
供給口３８ａとして開口して開口部を形成しており、ノ
ズル本体３１の回転方向すなわち加工方向Ｒにおいて、
粉末供給口３７ａ及びシールドガス供給口３８ａがレー
ザビーム照射口３６ａよりも僅かに前方に位置してい
る。

【００５３】また、ノズル本体３１の端面３１ａの一部
には、円柱の略４分割形状をなす突出部３５が一体的に
形成されており、この突出部３５の端面に形成された吸
引口３９ａを上流端とし、突出部３５及びノズル本体３
１の内部に形成され、さらに、ノズル本体３１の上部外
周壁にて開口し、その外側に配置されたパイプに接続さ
れて排出物容器（不図示）に通じる一連の吸引通路３９
が形成されている。そして、この吸引通路３９を通し
て、加工時に発生したヒューム（煙気）及び溶け残った
残粉末４２が、吸引ポンプ等を含んだ吸引手段（不図
示）により吸い込まれて取り除かれるようになってい
る。

【００５４】ここで、上述の吸引口３９ａは、加工方向
Ｒにおいて、前述のレーザビーム照射口３６ａよりも後
方に配置されている。すなわち、加工方向Ｒにおいて、
先ず粉末供給口３７ａ及びシールドガス供給口３８ａ、
その後方にレーザビーム照射口３６ａ、さらにその後方
に吸引口３９ａが配置された構成となっている。

【００５５】これにより、粉末等の供給、溶着加工、後
処理を順番に効率良く行なわせることができる。

【００５６】図５は、上述の溶着加工装置３０をシリン
ダヘッド１の穴部１ｅ，１ｆに挿入して、溶着加工を行
う際の状態を示す図である。図５に示すように、ノズル
本体３１は円柱状の穴部１ｅ，１ｆに適合するような穴
部の径よりも僅かに小さい径寸法をなしており、ノズル
本体３１がＲ方向に１回転すると、１層の肉盛り溶着が
行われるようになっている。

【００５７】この際、ノズル本体３１とインテグレーシ
ョンレンズ３３とは、ノズル本体３１の回転中心に対し
て一体的に回転するようになっている。

【００５８】従って、インテグレーションレンズ３３に
より楕円光に集光されたレーザビーム４０は、ノズル本
体３１が回転しても常にその径方向に長径をもつような
楕円光となり、効率良く加工領域に照射されることにな
る。

【００５９】また、加工領域に照射される楕円光のレー
ザビーム４０は、円柱状をなすノズル本体３１の中心と
外周壁との間、すなわち、半径の範囲内に楕円光の長径
方向における両端が位置するように設定されることによ
り、レーザビームのエネルギを効率良く利用することが
できると共に、回転して加工を行う際のビームモードの
変化を抑えることができ、これにより、加工が安定して
行え、生産速度を高めることができる。

【００６０】次に、上述の溶着加工装置３０を用いた加
工手順について説明する。

【００６１】先ず、図５に示すように、ノズル本体３１
が被加工領域としての穴部１ｅ，１ｆの奥深くまで挿入
される。次に、モータ３４により回転部３２を介してノ
ズル本体３１がＲ方向に回転され、これと同時に粉末供
給口３７ａから金属粉末４１が供給され、又、シールド
ガス供給口３８ａから不活性の例えばアルゴンガスが供
給される。

【００６２】そして、ノズル本体３１の回転につれて、
レーザビーム照射口３６ａから照射される楕円レーザビ
ーム４９が堆積された金属粉末４１を走査するように照
射される。このレーザビームの照射により、金属粉末４
１が溶融して穴部１ｅ，１ｆの底部及び内壁と一体的に
溶着する。

【００６３】この際、発生したヒューム及び溶け残った
残粉末４２は、レーザビーム４０の後方に続く吸引口３
９ａからの吸引作用により取り除かれる。

【００６４】上述の如き一連の処理を行いつつノズル本
体３１が１回転すると、１層の肉盛り溶着が終了する。

【００６５】続いて、上下移動手段（不図示）により、
シリンダヘッド１を下方へあるいは溶着加工装置３０を
上方へ所定量移動させて、同様の加工処理を行い、２層
目の肉盛り溶着を終了する。

【００６６】以上のような工程を繰り返し行って、多層
の肉盛り溶着加工を施すことで、所望の肉盛り溶着部を
形成することができる。

【００６７】尚、穴部の深さに応じて、何層の肉盛りに
するか決定することができ、場合によっては、１層の肉
盛りとすることも可能である。

【００６８】次に、上述の溶着加工装置３０を用いて、
溶着加工を行う際の条件としては、下記表１に示すもの
を採用することができる。

【００６９】

【表１】

【００７０】図６は、鋳造アルミニウム合金（ＪＩＳ規
格ＡＣ２Ａ）からなる素材５０に内径３０ｍｍの円筒状
穴部５０ａを形成し、この穴部５０ａに対して溶着加工
を施した際に、ヒューム及び残粉末４２を吸い込む吸引
力を変化させた場合の溶着高さ（Ｈ）と残粉末量との関
係を示す図である。

【００７１】ここで、溶着高さ（Ｈ）としては、図７に
示すように、被加工材である素材５０と溶着材料４１と
の界面からの高さを測定した。

【００７２】尚、この溶着加工には、非集光のＣＯ_２レ
ーザをインテグレーションレンズ３３により長径６ｍ
ｍ，短径２ｍｍの楕円光に集光した高密度エネルギレー
ザビームを使用し、穴部５０ａの底に径２７ｍｍの円周
上に沿って銅合金（アルニブロンズ）を供給して行っ
た。

【００７３】図６から明らかなように、溶着高さ（Ｈ）
は、吸引力０．５ｋｇ／ｃｍ^２以上で低くなる傾向にあ
り、これは加工領域に供給された粉末の一部が吸込まれ
たためであり、吸引力の増加に比例して吸込まれる粉末
の量も増加している。

【００７４】一方、残粉末は、吸引力０．２ｋｇ／ｃｍ
^２以上では計測できない程微量であった。

【００７５】従って、吸引力の下限としては、粉末が殆
ど残らない０．２ｋｇ／ｃｍ^２が好ましく、又、吸引力
の上限としては、溶着高さを低下させない０．５ｋｇ／
ｃｍ^２が好ましい。

【００７６】さらに、上述の条件下で、多層溶着加工を
施した際の吸引力の変化による溶着欠陥の発生数の違い
を図８に示す。図８から分かるように、吸引力が０〜
０．１ｋｇ／ｃｍ^２の範囲では、残粉末が２層，３層で
の界面において悪影響を及ぼし、その結果、未溶着部分
が発生した。また、吸引力が０．５ｋｇ／ｃｍ^２以上の
範囲では、加工領域に供給された粉末の吸い込み量が増
加して、吸い込まれず加工領域に残った粉末に加えられ
る熱エネルギすなわち、加工領域へ供給された実際の粉
末供給量に対する入熱が大きくなり、その結果、素材の
溶着層への希釈が生じて溶着部に割れが生じた。

【００７７】これに対し、０．２〜０．５ｋｇ／ｃｍ^２
の範囲の吸引力では、何んら欠陥は発生しなかった。従
って、この範囲の吸引力を採用すれば、溶着加工に必要
とされる溶着粉末及びシールドガスの吸い込みを防止
し、かつ、確実に溶け残った残粉末等を除去でき、これ
により、ポア，未溶着等の欠陥の発生が防げ、製品の歩
留りを所望の水準に保つことができる。

【００７８】次に、溶着加工に用いられる溶着粉末材料
について説明する。

【００７９】材料としては、その組成が重量％で、Ｃ
ｏ：１２．５％、Ｆｅ：６．４％、Ｎｉ：１２．７％、
Ｖ：１．９％、Ｎｂ：２．２％、Ｍｎ：１．２％、Ａ
ｌ：１．０％、残部が銅及び不純物からなる銅合金粉末
（Ａ）を使用することができる。

【００８０】また、溶着層に硬質相が析出する組成のも
のを使用することができ、例えば、その組成が重量％
で、Ａｌ：１．０〜５．０％、元素周期律表Ｖａ族元素
のＶ，Ｎｂ，Ｔａのうち１種又は２種以上が：０．１〜
５．０％、Ｓｉ：１．０〜５．０％、残部が銅及び不純
物からなる銅合金粉末（Ｂ）を使用することができる。

【００８１】この後者の銅合金粉末（Ｂ）をバルブガイ
ドの形成に用いると、十分な耐摩耗性が得られると共
に、形成されたバルブガイドと素材であるシリンダヘッ
ドとの界面において、強度が極端に低いような金属間化
合物が形成されることはなく、従って、後工程の加工時
に割れを生ずることもなく、不良品の発生を抑えること
ができる。

【００８２】粉末の粒径としては、０〜１００μｍ及び
１００〜２００μｍの範囲では、粒度分布のばらつきが
大きく、照射されたビームの熱エネルギを効率良く均一
に導くことが難しくなる。従って、５０μｍ未満及び１
５０μｍを超える範囲を除いて、５０μｍ以上１５０μ
ｍ以下の範囲の粒径の粉末を使用するのが好ましい。

【００８３】この範囲の粒径をもつ粉末を使用すること
で、粉末の流動性が確保されて優れた粉末供給性が得ら
れ、これにより、粉末の使用量を必要最小限に抑えるこ
とができ、材料費の面での低コスト化が可能となる。

【００８４】次に、溶着によりバルブガイド部２０ａ，
２０ｂを形成する際の諸寸法について、図９に基づき説
明する。

【００８５】先ず、溶着により形成したバルブガイド部
２０ａ，２０ｂの肉厚（Ｓ）は、バルブ３のステム部３
ｃの直径をＤとすると、０．５×Ｄ〜１．０×Ｄの寸
法、例えば、ステム部３ｃの直径Ｄが６ｍｍの場合、肉
厚は３ｍｍ〜６ｍｍに設定するのが好ましい。

【００８６】この範囲の肉厚（Ｓ）とすることで、バル
ブ３が摺動する際のバルブガイド部２０ａ，２０ｂの強
度が確保されて、通常の動作モードとは異なる突発的な
負荷に対しても十分に耐え得ることができる。

【００８７】また、バルブ３を挿通させる貫通孔につい
ては、溶着バルブガイド部２０ａ，２０ｂの貫通孔２０
ｃの孔径ｄｇに比べて、素材部分の貫通孔１ｈの孔径ｄ
ｈが、０．０５〜０．２０ｍｍ大きくなるようなプラス
公差で加工されることが好ましい。

【００８８】このように、アルミニウム合金鋳物からな
る素材部分をプラス公差で加工することにより、比較的
に軟いこの素材部分とステム部３ｃとの接触が避けら
れ、摩擦抵抗を低減することができる。

【００８９】次に、図４及び図５に示す溶着加工装置３
０を用いて、前述表１に示す条件のもとで、直列４気筒
ＤＯＨＣエンジンのシリンダヘッド１に溶着加工を施し
てバルブガイド部を形成した実施例について説明する。
尚、バルブガイド部の諸寸法としては、図１０に示す
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｆ，Ｅのそれぞれを設定した。ここで、Ａ
は前加工での円筒状穴部１ｅ，１ｆの内径、Ｂは上側
（カム側）溶着バルブガイド部２０ｂの溶着深さ、Ｃは
素材部分の長さ、Ｆは下側（燃焼室側）溶着バルブガイ
ド部２０ａの溶着深さ、Ｅは溶着バルブガイド部２０
ａ，２０ｂの貫通孔２０ｃの内径ｄｇを基準とした素材
部分の貫通孔１ｈの公差をそれぞれ示す。

【００９０】また、この溶着加工は、上述シリンダヘッ
ド１の２番及び４番気筒に対応するバルブガイド部につ
いて行い、欠陥を生じなかたシリンダヘッドの１番及び
３番気筒に対応するバルブガイド部に従来の鉄基焼結合
金からなるバルブガイドを圧入した。そして、このシリ
ンダヘッドを実機エンジンに組み込んで、下記表２に示
す実機エンジン試験条件のもとで、摩耗試験及び排気側
バルブの傘表部における温度測定を行った。

【００９１】

【表２】

【００９２】さらに、図１１に示すように、バルブ３の
摺動方法Ｌに対して垂直な方向から、押さえ荷重Ｆｖと
して４ｋｇｆを与え、その際の単体の摺動抵抗Ｒｓ（ｋ
ｇｆ）を測定した。尚、従来の鉄基焼結材からなるバル
ブガイドの摺動抵抗を１ｆとして、これとの相対比較を
行った。

【００９３】以下、実施例１ないし６及び比較例１及び
２として、具体的に説明する。

【００９４】

【実施例１】本実施例では、溶着材料として銅及びアル
ミニウムからなる粉末を用い、バルブガイド部の寸法は
それぞれＡ：１８ｍｍ，Ｂ：１０ｍｍ，Ｃ：１０ｍｍ，
Ｆ：１０ｍｍ，Ｅ：＋０．２ｍｍに設定して溶着加工及
び穴加工を行い、バルブガイドを形成した。

【００９５】そして、実機エンジンに組み込んで試験を
行ったところ、バルブ傘表部の温度は５２０℃、バルブ
ガイド部分の摩耗量は１００μｍ以上であった。

【００９６】また、バルブ単体の摺動抵抗の測定結果
は、０．８ｆであった。

【００９７】

【実施例２】本実施例では、溶着材料として硬質相が析
出する銅合金粉末を用い、バルブガイド部の寸法はそれ
ぞれＡ：１８ｍｍ，Ｂ：１０ｍｍ，Ｃ：１０ｍｍ，Ｆ：
１０ｍｍ，Ｅ：＋０．２ｍｍに設定して溶着加工及び穴
加工を行い、バルブガイドを形成した。

【００９８】そして、実機エンジンに組み込んで試験を
行ったところ、バルブ傘表部の温度は５６０℃、バルブ
ガイド部分の摩耗量は最大で２０μｍであった。

【００９９】また、バルブ単体の摺動抵抗の測定結果
は、０．８ｆであった。

【０１００】

【実施例３】本実施例では、溶着材料として硬質相が析
出する銅合金粉末を用い、バルブガイド部の寸法はそれ
ぞれＡ：１８ｍｍ，Ｂ：５ｍｍ，Ｃ：１０ｍｍ，Ｆ：１
５ｍｍ，Ｅ：＋０．０５ｍｍに設定して溶着加工及び穴
加工を行い、バルブガイドを形成した。

【０１０１】そして、実機エンジンに組み込んで試験を
行ったところ、バルブ傘表部の温度は５６５℃、バルブ
ガイド部分の摩耗量は最大で２５μｍであった。

【０１０２】また、バルブ単体の摺動抵抗の測定結果
は、０．８ｆであった。

【０１０３】

【実施例４】本実施例では、溶着材料として硬質相が析
出する銅合金粉末を用い、バルブガイド部の寸法はそれ
ぞれＡ：１８ｍｍ，Ｂ：４ｍｍ，Ｃ：２２ｍｍ，Ｆ：４
ｍｍ，Ｅ：＋０．２ｍｍに設定して溶着加工及び穴加工
を行い、バルブガイドを形成した。

【０１０４】そして、実機エンジンに組み込んで試験を
行ったところ、バルブ傘表部の温度は５９０℃、バルブ
ガイド部分の摩耗量は最大で６５μｍであった。

【０１０５】また、バルブ単体の摺動抵抗の測定結果
は、０．６ｆであった。

【０１０６】

【実施例５】本実施例では、溶着材料として硬質相が析
出する銅合金粉末を用い、バルブガイド部の寸法はそれ
ぞれＡ：１８ｍｍ，Ｂ：１５ｍｍ，Ｃ：０ｍｍ，Ｆ１５
ｍｍ，Ｅ：０．０ｍｍに設定して溶着加工及び穴加工を
行い、バルブガイドを形成した。

【０１０７】そして、実機エンジンに組み込んで試験を
行ったところ、バルブ傘表部の温度は５１０℃、バルブ
ガイド部分の摩耗量は最大で１５μｍであった。

【０１０８】また、バルブ単体の摺動抵抗の測定結果
は、１．５ｆであった。

【０１０９】

【実施例６】本実施例では、溶着材料として硬質相が析
出する銅合金粉末を用い、バルブガイド部の寸法はそれ
ぞれＡ：１８ｍｍ，Ｂ：１０ｍｍ，Ｃ：１０ｍｍ，Ｆ：
１０ｍｍ，Ｅ：０．０ｍｍに設定して溶着加工及び穴加
工を行い、バルブガイドを形成した。

【０１１０】そして、実機エンジンに組み込んで試験を
行ったところ、バルブ傘表部の温度は５３０℃、バルブ
ガイド部分の摩耗量は最大で３５μｍであった。

【０１１１】また、バルブ単体の摺動抵抗の測定結果
は、１．３ｆであった。

【０１１２】

【比較例１】本比較例では、バルブガイド材料として、
鉄基焼結合金からなり、外径１０ｍｍ，内径６ｍｍの従
来のバルブガイドをシリンダヘッドに圧入したものを実
機エンジンに組み込んで試験を行った。

【０１１３】その結果、バルブ傘表部の温度は６４０
℃、バルブガイド部分の摩耗量は最大で２５μｍであっ
た。

【０１１４】

【比較例２】本比較例では、バルブガイドとしてアルミ
ニウム合金鋳物のシリンダヘッドそのものに貫通孔を開
けて、この貫通孔を直接バルブガイドとして用いて、実
機エンジンによる試験を行った。

【０１１５】その結果、バルブ傘表部の温度は５４５
℃、バルブガイド部分の摩耗量は１００μｍ以上であっ
た。

【０１１６】また、バルブ単体の摺動抵抗の測定結果
は、１．２ｆであった。

【０１１７】以上述べた実施例及び比較例の仕様及び測
定結果を表３に示す。

【０１１８】

【表３】

【０１１９】表３から分かるように、バルブガイドを銅
合金等の粉末を溶着して形成した実施例１ないし６で
は、従来のもの（比較例１）に比べて、バルブの温度が
低下しており、従って、バルブ内の熱が効率良くシリン
ダヘッドに拡散したことが認められる。

【０１２０】また、粉末材料として、硬質相が析出する
耐摩耗性銅合金を用いた実施例２，３，及び５の場合、
バルブガイド部の摩耗量は、従来品と同等かあるいはそ
れ以上に低減できた。

【０１２１】次に、バルブの加速試験を行って、バルブ
ガイド部におけるクラック等の発生状況を確認した結果
について説明する。

【０１２２】試験方法としては、下記表４に示すような
仕様のバルブガイドにステム径６ｍｍのバルブ３を通し
て、バルブの摺動方向に対して垂直な方向からバルブに
３００Ｎの荷重を１０Ｈｚで１時間連続して加え、その
後、クラックの発生個数を調べた。尚、実験数は、各実
施例毎にシリンダヘッド１個分（４気筒ＤＯＨＣエンジ
ンで１６ケ所）とした。

【０１２３】

【表４】

【０１２４】表４から分かるように、実施例７及び８に
おいては、溶着バルブガイド部２０の肉厚Ｓがそれぞれ
１ｍｍ（（８−６）／２ｍｍ）と、２ｍｍ（（１０−
６）／２ｍｍ）であり、強度不足のためクラックが発生
したものと考えられる。

【０１２５】これに対し、実施例９及び１０において
は、溶着バルブガイド部２０の肉厚Ｓは、それぞれ３ｍ
ｍ（（１２−６）／２ｍｍ）と、６ｍｍ（（１８−６）
／２ｍｍ）であり、クラックは発生しなかった。

【０１２６】従って、肉厚Ｓは、バルブのステム径をＤ
とすると、少なくとも０．５×Ｄ〜１．０×Ｄの範囲に
あることが好ましい。

【０１２７】以上述べた実施例においては、高密度エネ
ルギビームとして楕円光に集光されたレーザビームを用
いたが、これに限られるものではなく、例えば、集光ビ
ームを加工方向に対して垂直な方向に所望の振り幅でオ
シレートさせながら走査させる、いわゆるオシレートレ
ーザビームを用いることも可能である。

【０１２８】また、上述の実施例では、被加工材（シリ
ンダヘッド）を固定して、溶着加工装置３０のノズル本
体３１を回転させながら溶着加工を行ったが、ノズル本
体３１を固定して被加工材を逆回わりに回転移動させて
溶着加工を行ってもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のバルブガイドを取り付けたシリンダヘッ
ドの一部を示す断面図である。

【図２】本発明に係るバルブガイドを設けたシリンダヘ
ッドの一部を示す断面図である。

【図３】本発明に係るバルブガイドを溶着成形する際の
前加工を示すシリンダヘッドの一部の断面図である。

【図４】本発明に係る溶着加工装置を示す概略斜視図で
ある。

【図５】図４に示す溶着加工装置を用いて溶着加工を施
す状態を示す側断面図である。

【図６】図４に示す溶着加工装置における吸引力と溶着
高さ及び残粉末量との関係を示す図である。

【図７】図６中における溶着高さの定義を示す説明図で
ある。

【図８】図４に示す溶着加工装置における吸引力と溶着
欠陥発生数との関係を示す図である。

【図９】本発明に係るバルブガイド部における穴加工の
寸法公差を説明するための断面図である。

【図１０】本発明に係るバルブガイドの実施例における
諸寸法の定義を説明するための断面図である。

【図１１】摺動抵抗の試験を説明するための断面図であ
る。

【符号の説明】

１ シリンダヘッド １ａ 燃焼室 １ｂ，１ｃ 吸排気ポート １ｅ 下側穴部 １ｆ 上側穴部 １ｇ 溝 １ｈ 素材部分 ３ バルブ ４ スプリング ５ バルブシート ２０ａ 燃焼室側バルブガイド部 ２０ｂ カム側バルブガイド部 ３０ 溶着加工装置 ３１ ノズル本体 ３１ａ 端面 ３２ 回転部 ３３ インテグレーションレンズ ３４ モータ ３６ ビーム通路 ３６ａ レーザビーム照射口 ３７ 粉末通路 ３７ａ 粉末供給口 ３８ シールドガス通路 ３８ａ シールドガス供給口 ３９ 吸引通路 ３９ａ 吸引口 ４０ 楕円レーザビーム ４１ 金属粉末 ４２ ヒューム及び残粉末

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｃ２２Ｃ 9/01 Ｃ２２Ｃ 9/01 Ｃ２３Ｃ 4/08 Ｃ２３Ｃ 4/08 Ｆ０１Ｌ 3/12 Ｆ０１Ｌ 3/12 Ｚ Ｆ０２Ｆ 1/24 Ｆ０２Ｆ 1/24 Ｆ // Ｂ２３Ｋ 26/00 ３１０ Ｂ２３Ｋ 26/00 ３１０Ｂ

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリンダヘッドのバルブガイド領域に形
   成されてバルブを往復動可能に案内するエンジンのバル
   ブガイドであって、 前記バルブガイド領域に対して耐摩耗性の合金粉末を直
   接溶着して形成したことを特徴とするエンジンのバルブ
   ガイド。
2. 【請求項２】 バルブの往復動方向において、前記バル
   ブガイド領域の少なくとも両端から所定の深さまで前記
   合金粉末を直接溶着して形成した溶着部を有することを
   特徴とする請求項１記載のエンジンのバルブガイド。
3. 【請求項３】 前記溶着部の深さが５ｍｍ〜１０ｍｍの
   範囲であることを特徴とする請求項２記載のエンジンの
   バルブガイド。
4. 【請求項４】 バルブの往復動方向に対して垂直な方向
   における前記溶着部の肉厚は、バルブのステム部直径の
   ０．５〜１．０倍であることを特徴とする請求項２又は
   ３記載のエンジンのバルブガイド。
5. 【請求項５】 前記バルブガイド領域において、前記溶
   着部のバルブ案内孔径をｄｇ、シリンダヘッド素材部の
   バルブ案内孔径をｄｈとするとき、ｄｈはｄｇに対して
   プラス公差となっていることを特徴とする請求項２ない
   し４いずれか１つに記載のエンジンのバルブガイド。
6. 【請求項６】 前記プラス公差は、０．０５ｍｍ〜０．
   ２ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項５記載のエ
   ンジンのバルブガイド。
7. 【請求項７】 前記合金粉末は銅合金粉末からなり、そ
   の粒径は、５０μｍ〜１５０μｍの範囲であることを特
   徴とする請求項１ないし６いずれか１つに記載のエンジ
   ンのバルブガイド。
8. 【請求項８】 溶着した領域に硬質相が析出した組織を
   有することを特徴とする請求項７記載のエンジンのバル
   ブガイド。
9. 【請求項９】 前記合金粉末は、その材料組成が重量％
   で、アルミニウム：１．０〜５．０％、元素周期律表Ｖ
   ａ族元素のバナジウム，ニオブ，タンタルのうち１種又
   は２種以上が：０．１〜５．０％、シリコン：１．０〜
   ５．０％、残部が銅及び不純物からなることを特徴とす
   る請求項８記載のエンジンのバルブガイド。
10. 【請求項１０】 素材に形成された穴部に対して、供給
    手段により金属粉末材料を供給し、高密度エネルギビー
    ムを照射して金属粉末材料を素材に溶着させる溶着加工
    装置であって、溶着加工の際に前記穴部に発生する不要
    物を吸引する吸引手段を設けたことを特徴とする溶着加
    工装置。
11. 【請求項１１】 前記穴部は円柱形状をなし、前記供給
    手段は前記穴部に対して相対的に挿脱可能でかつ回転可
    能な円柱形状の外周面をなすノズル部材を有し、前記ノ
    ズル部材には、高密度エネルギビームを導くビーム通
    路、金属粉末材料を導く粉末通路、シールドガスを導く
    シールドガス通路、及び前記吸引手段の一部となる吸引
    通路が一体的に形成されていることを特徴とする請求項
    １０記載の溶着加工装置。
12. 【請求項１２】 前記吸引通路の吸引口は、溶着加工方
    向において、前記粉末通路，シールドガス通路，及びビ
    ーム通路のそれぞれの開口部よりも後方に配置されてい
    ることを特徴とする請求項１１記載の溶着加工装置。
13. 【請求項１３】 前記高密度エネルギビームを楕円ビー
    ムにするインテグレーションレンズを有し、前記インテ
    グレーションレンズは、前記穴部に対して、前記ノズル
    部材と一体的に回転することを特徴とする請求項１１又
    は１２記載の溶着加工装置。
14. 【請求項１４】 金属材料粉末への照射位置において、
    前記楕円ビームは、前記ノズル部材の半径方向に長径を
    もち、前記長径は前記ノズル部材の中心と外周壁との間
    に位置することを特徴とする請求項１３記載の溶着加工
    装置。
15. 【請求項１５】 前記吸引手段の吸引力は、０．２〜
    ０．５ｋｇ／ｃｍ^２の範囲であることを特徴とする請求
    項１０ないし１４いずれか１つに記載の溶着加工装置。