JPH10337618A - 肉盛り部品の加工装置及び加工方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 肉盛り部品を切削等の加工を施して所望の仕
上げ形状にする際に、加工工具の欠損等を防止し、生産
性の低下等を抑制する。 【解決手段】 シリンダヘッド１のバルブシート部２に
合金粉末を溶融肉盛りして肉盛り部５を形成し、この肉
盛り部５を所定の形状に加工して加工面を形成する加工
装置において、シリンダヘッド１と肉盛り部５との境界
部７を少なくとも含む領域を所定の形状に研削する研削
工具１２ａと、未研削の残りの肉盛り部を少なくとも含
む領域を所定の形状に切削する切削工具１２ｂとを設け
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、合金粉末等を肉盛
りした肉盛り部品を所定の形状に仕上げ加工する肉盛り
部品の加工装置及び加工方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】肉盛りとは、例えばプラズマアーク，レ
ーザビーム等の熱源により、被肉盛り部材すなわち素材
とは異なった特性を持つ材料を素材表面に付加する技術
であり、特開昭６２−１５００１４号公報等に開示され
ている。

【０００３】このような肉盛り加工を施した製品は、肉
盛りしたままの状態で使用される場合と、さらに切削加
工等を施して使用される場合がある。

【０００４】後者の場合の一例として、エンジンのシリ
ンダヘッドにおけるバルブシート部が挙げられる。これ
は、図１に示すように、アルミニウム系鋳造合金（ＪＩ
Ｓ規格ＡＣ２Ａ材）製のシリンダヘッド１におけるバル
ブシート部２に、図２に示すように、例えばＲ５．０の
溝加工を環状に施し、肉盛り材料である銅合金粉末をこ
の溝加工したバルブシート部に供給しつつ、例えば、５
ｋＷの出力を発振可能なＣＯ２レーザ等を照射し、素材
のバルブシート部表面で肉盛り材料を溶融させ、銅合金
の肉盛り層５を形成したものである。

【０００５】この肉盛り層からなるバルブシート５に
は、吸気バルブ３ａ，排気バルブ３ｂとの接触面に気密
性を得るため、バルブ３の軸芯を中心として、中心角１
２０度，９０度，３０度のテーパ面を形成させる。一般
に、１２０度面及び３０度面はプランジ加工により形成
し、９０度面はトラバース加工により形成する。

【０００６】このようなテーパ面の加工を行う場合、従
来においては、刃具ホルダに対して、３０度面加工用バ
イト、１２０度面加工用バイトをそれぞれ同心円上に装
着し、この刃具ホルダに対して、さらに、９０度面加工
用バイトを装着した加工装置を用いていた。

【０００７】そして、切削加工は、まずそれぞれの加工
用バイトにより３０度面及び１２０度面をプランジ加工
した後、３度面及び１２０度面加工用の切削刃を１〜３
ｍｍ後退させ、９０度面加工用バイトの切削刃を移動さ
せながら９０度面をトラバース加工し、バルブシートの
仕上げ加工を行っていた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
如き肉盛り部品の加工手法では、用いられる肉盛り材料
によっては、以下の如き問題が生じる。

【０００９】すなわち、仕上げ加工を行う際の高温環境
下での強度及び耐摩耗性の要求、又、エンジンの高出力
化の要求に応えるべく、肉盛り材料として耐摩耗性の銅
系合金を用いる場合、肉盛りされた銅系合金と素材であ
るシリンダヘッドとの溶着部は金属結合の状態にあり、
２０μｍ〜５０μｍの幅で両者の境界領域に硬くて脆い
金属間化合物が形成されることになる。

【００１０】このような肉盛りバルブシートにおいて仕
上げ加工を行う場合、シリンダヘッドの構造上、あるい
はエンジン性能上の制約等により、バルブシートのテー
パ面である１２０度面に、上述の金属間化合物が存在す
る場合があり、この領域を従来の如くプランジ加工によ
り切削すると、切削刃の寿命が短くなり、又、切削刃の
刃先が欠損する等の問題が生じる。

【００１１】上記従来技術の問題点に鑑み、本発明の目
的とするところは、肉盛り部に硬質の肉盛り層等が存在
していても容易にかつ高精度に加工を施すことができる
肉盛り部品の加工装置及び加工方法を提供することにあ
る。

【００１２】また、切削工具等の短寿命化，欠損等を防
止できる肉盛り部品の加工装置及び加工方法を提供する
ことにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に係る
肉盛り部品の加工装置は、被肉盛り部材に合金粉末を溶
融肉盛りして肉盛り部を形成した肉盛り部品を所定の形
状に加工して加工面を形成する肉盛り部品の加工装置で
あって、前記被肉盛り部材と肉盛り部との境界部を少な
くとも含む領域を所定の形状に研削する研削手段と、未
研削の残りの肉盛り部を少なくとも含む領域を所定の形
状に切削する切削手段とを有する構成となっている。

【００１４】本発明の請求項２に係る肉盛り部品の加工
装置は、前記研削手段及び切削手段が、相対的に移動可
能な研削工具及び切削工具からなる構成となっている。

【００１５】本発明の請求項３に係る肉盛り部品の加工
装置は、前記切削工具及び研削工具が、切削工具の移動
方向が研削工具の移動方向に対して所定の角度をなすよ
うにお互いに配置されている構成となっている。

【００１６】本発明の請求項４に係る肉盛り部品の加工
装置は、前記切削工具の移動方向と研削工具の移動方向
とのなす角度が１０度〜４５度の範囲である構成となっ
ている。

【００１７】本発明の請求項５に係る肉盛り部品の加工
装置は、前記切削工具として、肉盛り部の加工方向に対
して交差する方向において前記研削工具を挟むように配
置された２つの切削工具が含まれる構成となっている。

【００１８】本発明の請求項６に係る肉盛り部品の加工
装置は、前記２つの切削工具の各々の切削刃の伸長方向
が、肉盛り部の加工方向に直交する方向に対してそれぞ
れ＋／−５度の範囲にある構成となっている。

【００１９】本発明の請求項７に係る肉盛り部品の加工
方法は、被肉盛り部材に合金粉末を溶融肉盛りして肉盛
り部を形成した肉盛り部品を所定の形状に加工して加工
面を形成する肉盛り部品の加工方法であって、前記被肉
盛り部材と肉盛り部との境界部を少なくとも含む領域を
研削する研削工程と、前記研削工程で研削されなかった
残りの肉盛り部を少なくとも含む領域を切削する切削工
程とを含む構成となっている。

【００２０】本発明の請求項８に係る肉盛り部品の加工
方法は、前記切削工程において、切削を行う切削刃が、
研削を行う研削刃よりも肉盛り部に向けて突出させられ
る構成となっている。

【００２１】本発明の請求項９に係る肉盛り部品の加工
方法は、前記切削工程により切削された切削加工面が、
肉盛り部の加工方向に対して直交する幅方向において、
前記研削工程により研削された研削加工面と１０％以上
オーバラップしている構成となっている。

【００２２】本発明の請求項１０に係る肉盛り部品の加
工方法は、前記研削工程において、被研削領域を肉盛り
部の加工方向に沿う溝形状に研削し、前記溝形状の溝幅
が０．５ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲である構成となってい
る。

【００２３】

【発明の効果】本発明の請求項１に係る肉盛り部品の加
工装置によれば、肉盛り部品を所定形状に仕上げ加工を
行う際に、被肉盛り部材と肉盛り部との境界領域に金属
結合をなす硬質の金属間化合物が存在する場合であって
も、この境界領域を予め研削手段により研削し、その
後、未研削の残った肉盛り部を切削手段により切削する
ことで、容易にかつ高精度に仕上げ加工を行うことがで
き、又、従来に比べて切削手段の長寿命化を達成するこ
とができる。

【００２４】本発明の請求項２に係る肉盛り部品の加工
装置によれば、研削工具及び切削工具が相対的に移動可
能となっていることから、例えば研削工具による研削が
終了した後、切削工具を移動させて研削工具よりも前方
に突出させることで、残りの肉盛り部を切削することが
できる。従って、研削加工から切削加工への移行動作に
おいて、研削工具と切削工具との取り替え等を要せず、
加工段取りの簡略化が達成でき、又、これにより、高精
度に加工を行うことができる。

【００２５】本発明の請求項３に係る肉盛り部品の加工
装置によれば、研削加工から切削加工へ移行する際に、
研削工具と切削工具とが干渉することなくスムーズな移
行動作が達成できる。

【００２６】本発明の請求項４に係る肉盛り部品の加工
装置によれば、研削加工から切削加工へ移行する際に、
研削工具と切削工具との干渉を確実に防止でき、さら
に、よりスムーズな移行動作が達成できる。

【００２７】本発明の請求項５に係る肉盛り部品の加工
装置によれば、研削工具により被肉盛り部材と肉盛り部
との境界領域を研削した後、残りの肉盛り部を確実にか
つ高精度に切削して所望の加工形状を得ることができ
る。

【００２８】また、研削工具を挟むように配置した２つ
の切削工具を用いることで、１つの切削工具の場合に比
べて切削抵抗による切削刃に加わる負荷を少なくするこ
とができ、又、各々刃の材種の異なる切削工具を採用す
ることもでき、これにより、効率良く仕上げ加工を行う
ことができる。

【００２９】本発明の請求項６に係る肉盛り部品の加工
装置によれば、切削工具の切削刃に加わる負荷をより一
層少なくすることができ、又、切削加工の効率をより一
層向上させることができ、全体としての加工時間の短縮
化を達成することができる。

【００３０】本発明の請求項７に係る肉盛り部品の加工
方法によれば、被肉盛り部材と肉盛り部との境界領域を
予め所定形状に研削し、その後、残りの肉盛り部を所定
形状に切削することで、境界領域に金属結合をなす硬質
の金属間化合物が存在する場合であっても、切削刃に欠
損等を生ずることなく、これにより、切削刃の長寿命化
が達成できる。

【００３１】本発明の請求項８に係る肉盛り部品の加工
方法によれば、研削加工から切削加工への移行動作にお
いて、研削工具と切削工具との取り替えを要せず、加工
段取りの簡略化が達成でき、又、これにより、高精度に
加工を行うことができる。

【００３２】本発明の請求項９に係る肉盛り部品の加工
方法によれば、研削工程において研削刃のエッジ部（角
Ｒ部）により削り残された部分が発生した場合であって
も、切削工程において１０％以上オーバラップして加工
するため、確実かつ高精度に所定形状に仕上げ加工する
ことができる。

【００３３】本発明の請求項１０に係る肉盛り部品の加
工方法によれば、脆くて硬い金属間化合物が存在する領
域を確実に研削することができ、又、研削工具の欠損等
を防止できることから、加工時間の短縮化が行え、これ
により、生産性の向上を達成することができる。

【００３４】

【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。

【００３５】図３は、本発明に係る加工装置及び加工方
法が適用される肉盛り部品としてのシリンダヘッド１の
一部分及び肉盛り方法を示すものである。

【００３６】図３に示すように、低圧鋳造法により製造
された被肉盛り部材としてのアルミニウム合金（ＪＩＳ
規格ＡＣ２Ａ材）製シリンダヘッド１には、そのバルブ
シート部２にＲ５．０ｍｍのＲ溝加工が環状に施され、
このＲ溝部に対して、粉末供給ノズル４により耐摩耗性
の銅合金粉末５´が例えば５０ｇ／ｍｉｎで供給され、
供給された銅合金粉末５´にレーザビーム６を照射して
溶融固着（溶着）させ、肉盛り部５が形成される。

【００３７】ここで用いられるレーザビームとしては、
例えば加工出力４．５ｋＷのＣＯ_２レーザビームを図示
するように肉盛り方向Ｐに対して直交する方向Ｌにオシ
レートさせたオシレートレーザビーム、あるいは、例え
ば短径２ｍｍ，長径６ｍｍの楕円光にデフォーカスした
レーザビームを採用することができる。

【００３８】図４は、所望の肉盛り部５が形成された未
加工シリンダヘッド１の一部断面図を示すものである。
図４に示すように、シリンダヘッド１と肉盛り部５との
境界部７には、金属結合をなす金属間化合物が生じ易
く、又、この領域は他の領域に比べ硬くて脆い性質をも
っている。

【００３９】一方、このように肉盛りされたシリンダヘ
ッド１に加工を施して所定の仕上げ面Ｓを得る場合、肉
盛り部５の領域には、吸排気バルブ３の適合を許容すべ
く、それぞれ３０度テーパ面Ｓ_１，９０度テーパ面
Ｓ_２，１２０度テーパ面Ｓ_３が形成されることになる。
この際、図４に示すように、１２０度テーパ面Ｓ_３に
は、境界部７が存在することになる。

【００４０】次に、本発明に係る加工装置について説明
する。図５ないし図８は、加工装置の一実施例を示すも
のであり、図５は正面図、図６は図５中のＣ−Ｃ部にお
ける断面図、図７は図５中のＤ−Ｄ部における断面図、
図８は図７中の一部拡大図である。

【００４１】この加工装置のホルダ部１０は、図６及び
図７に示すように、主軸モータ（不図示）によって進退
自在に支持され回転駆動されるようになっている。ま
た、このホルダ部１０には、図５に示すように、３０度
テーパ面を加工するための切削手段としての３０度切削
工具（バイト）１１、１２０度テーパ面を加工するため
の研削手段としての研削工具（バイト）１２ａ及び切削
手段としての２つの切削工具（バイト）１２ｂ、及び９
０度テーパ面を加工するための切削手段としての切削工
具（バイト）１３が、それぞれ円周方向に分割されて配
置されている。さらに、切削工具１３は、トラバース加
工を行うため、送り部材１４に保持されてＴ方向におい
て往復動自在となっている。

【００４２】ここで、１２０度面加工用工具１２につい
て詳細に説明すると、図８に示すように、中央部には研
削工具１２ａが配置されており、研削刃１２ａ´が１２
０度テーパ面Ｓ_３と常に平行となる状態で、この研削工
具１２ａは１２０度テーパ面Ｓ_３に対して垂直な方向Ｍ
に往復動自在となっている。尚、研削刃１２ａ´の刃幅
（肉盛り部の加工方向Ｐに直交する方向でかつ１２０度
テーパ面Ｓ_３に平行な方向の長さ）は、約１．０ｍｍに
設定されている。

【００４３】この研削工具１２ａは、シリンダヘッド１
と肉盛り部５との境界部７、すなわち、金属結合状態に
ある金属間化合物を含む領域を加工するのに用いるもの
であり、一般にこの領域（Ａｌ−Ｃｕ界面領域）は２０
μｍ〜５０μｍの幅の層となっている。従って、研削刃
１２ａ´の刃幅は１０ｍｍ以下で十分であり、機械的強
度等の点から０．５ｍｍ〜１．０ｍｍとするのが好まし
い。

【００４４】これにより、脆くて硬いＡｌ−Ｃｕの金属
間化合物の領域を確実に研削することができ、かつ、研
削時間を短縮することができる。

【００４５】また、肉盛り部の加工方向Ｐ（図３及び図
９参照）に直交する幅方向において、図８に示すよう
に、上述の研削工具１２ａを挟むようにして２つの切削
工具１２ｂ，１２ｂが配置されている。これらの切削工
具１２ｂ，１２ｂは、１２０度テーパ面Ｓ_３に垂直な方
向すなわち研削工具１２ａの軸線方向と各々の切削工具
１２ｂ，１２ｂの軸線とのなす角度θ_１が３０度となる
ように、傾斜して配置されており、各々の軸線方向Ｋ，
Ｎにおいて往復動自在となっている。そして、研削加工
時には、切削工具１２ｂ，１２ｂの刃先が、研削工具１
２ａの刃先から約５ｍｍ後退した位置に停止するように
設定されている。

【００４６】さらに、これら切削工具１２ｂ，１２ｂの
切削刃１２ｂ´，１２ｂ´は、常に１２０度テーパ面Ｓ
_３すなわち仕上げ加工面に対して平行となるように設定
されている。

【００４７】尚、本実施例では、角度θ_１を３０度とし
たが、これに限定されるものではなく、１０度〜４５度
の範囲で適宜設定することができる。この範囲以外、す
なわち、角度θ_１が１０度よりも小さいと、切削領域両
端部の削り加工が不十分となり、角度θ_１が４５度より
も大きいと、切削領域以外の部分に切削刃１２ｂ´が接
触する可能性があるからである。

【００４８】上述のようにして設定された２つの切削工
具１２ｂ，１２ｂは、研削工具１２ａにより研削加工さ
れた後、残りの肉盛り部５を切削加工するのに用いられ
るものである。

【００４９】このように、境界部７が生じる１２０度テ
ーパ面Ｓ_３を研削加工及び切削加工の２段階に分けて加
工することにより、工具の破壊等を防止でき、確実かつ
高精度に加工を施すことができる。

【００５０】また、これら２つの切削工具１２ｂ，１２
ｂは、図９に示すように、各々の切削刃１２ｂ´，１２
ｂ´の伸長方向と肉盛り部５の加工方向Ｐ（肉盛り方向
に沿う方向）に直交する方向Ｌとのなす角度θ_２が、左
右（＋／−）５度の範囲に含まれるように設定されてい
る。

【００５１】このように設定することにより、効率良く
スムーズに切削加工を施すことができる。

【００５２】次に、本発明に係る加工装置を用いて肉盛
り部を所定の形状に加工する手順について説明する。

【００５３】先ず、９０度テーパ面Ｓ_２加工用の切削工
具１３を後退させた状態で、ホルダ部１０をシリンダヘ
ッド１のバルブシート部開口領域に挿入する。そして、
図１０及び図１１に示すように、１２０度テーパ面Ｓ_３
の境界部７領域を加工する研削工具１２ａと、３０度テ
ーパ面Ｓ_１を加工する切削工具１１を肉盛り部５に向け
て前進させつつ、ホルダ部１０を回転させて、両テーパ
面Ｓ_１，Ｓ_３の加工を行う。尚、この研削工程において
は、加工部が幅約１．０ｍｍの溝形状となるように研削
する。

【００５４】この研削加工及び切削加工が終了すると、
研削工具１２ａ及び切削工具１１を後退させ、続いて、
図１２に示すように、２つの切削工具１２ｂ，１２ｂを
前進させて１２０度テーパ面Ｓ_３における残りの肉盛り
部５を切削する。

【００５５】この際に、切削された切削加工面が、肉盛
り部５の加工方向Ｐ（図３及び図９参照）に対して直交
する幅方向Ｌにおいて、前工程の研削加工により研削さ
れた研削加工面と１０％以上オーバラップするように加
工する。より具体的に説明すると、研削工具１２ａの研
削刃１２ａ´を１２０度テーパ面Ｓ_３に対して垂直な方
向からこの１２０度テーパ面Ｓ_３に投影した際の幅方向
Ｌにおける研削刃の幅の両端からそれぞれその幅の１０
％以上の領域を重ねて切削するものである。

【００５６】このように、オーバラップして切削するこ
とにより、研削刃１２ａ´の両端エッジ部（角Ｒ部）に
より削り残された部分を切削刃１２ｂ´，１２ｂ´によ
り確実に仕上げ加工することができる。

【００５７】その後、送り部材１４を前進させて、図１
３に示すように、切削工具１３により９０度テーパ面Ｓ
_２をトラバース加工して、バルブシートとしての最終形
状に仕上げ加工する。

【００５８】上述の１２０度テーパ面Ｓ_３における研削
工程と切削工程とによる仕上げ加工面は、切削加工によ
る加工面を０〜＋０．０１ｍｍの公差に仕上げることに
より、バルブ３の傘部が確実に密着するようなバルブシ
ート形状を得ることができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】 エンジンのバルブシートを肉盛りにより形成
した状態を示すシリンダヘッドの一部断面図である。

【図２】 図１中のＡ部拡大図で、肉盛りを施す前の未
加工の状態を示す図である。

【図３】 エンジンのバルブシート部に肉盛りを施す際
の状態を示す概略図である。

【図４】 シリンダヘッドのバルブシート部に肉盛りを
施した状態を示す断面図である。

【図５】 本発明に係る加工装置の概略を示す正面図で
ある。

【図６】 図５中のＣ−Ｃ部における断面図である。

【図７】 図５中のＤ−Ｄ部における断面図である。

【図８】 図７中の１２０度テーパ面加工工具を示す拡
大図である。

【図９】 本発明に係る１２０度テーパ面切削工具の配
置関係を説明するための概略図である。

【図１０】 本発明に係る加工方法の一部である１２０
度テーパ面の研削工程を示す断面図である。

【図１１】 本発明に係る加工方法の一部である３０度
テーパ面の切削工程を示す断面図である。

【図１２】 本発明に係る加工方法の一部である１２０
度テーパ面の切削工程を示す断面図である。

【図１３】 本発明に係る加工方法の一部である９０度
テーパ面の切削工程を示す断面図である。

【符号の説明】

１ シリンダヘッド ２ バルブシート部 ３ バルブ ４ 粉末供給ノズル ５ 肉盛り部 ６ レーザビーム ７ 境界部 １０ ホルダ部 １１ ３０度面切削工具 １２ａ １２０度面研削工具 １２ａ´ 研削刃 １２ｂ １２０度面切削工具 １２ｂ´ 切削刃 １３ ９０度面切削工具 １４ 送り部材

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被肉盛り部材に合金粉末を溶融肉盛りし
   て肉盛り部を形成した肉盛り部品を所定の形状に加工し
   て加工面を形成する肉盛り部品の加工装置であって、 前記被肉盛り部材と肉盛り部との境界部を少なくとも含
   む領域を所定の形状に研削する研削手段と、未研削の残
   りの肉盛り部を少なくとも含む領域を所定の形状に切削
   する切削手段とを有することを特徴とする肉盛り部品の
   加工装置。
2. 【請求項２】 前記研削手段及び切削手段は、相対的に
   移動可能な研削工具及び切削工具からなることを特徴と
   する請求項１記載の肉盛り部品の加工装置。
3. 【請求項３】 前記切削工具及び研削工具は、切削工具
   の移動方向が研削工具の移動方向に対して所定の角度を
   なすようにお互いに配置されていることを特徴とする請
   求項２記載の肉盛り部品の加工装置。
4. 【請求項４】 前記所定の角度が１０度から４５度の範
   囲であることを特徴とする請求項３記載の肉盛り部品の
   加工装置。
5. 【請求項５】 前記切削工具には、肉盛り部の加工方向
   に対して交差する方向において前記研削工具を挟むよう
   に配置された２つの切削工具が含まれることを特徴とす
   る請求項２ないし４いずれか１つに記載の肉盛り部品の
   加工装置。
6. 【請求項６】 前記２つの切削工具の各々の切削刃の伸
   長方向が、肉盛り部の加工方向に直交する方向に対して
   それぞれ＋／−５度の範囲にあることを特徴とする請求
   項５記載の肉盛り部品の加工装置。
7. 【請求項７】 被肉盛り部材に合金粉末を溶融肉盛りし
   て肉盛り部を形成した肉盛り部品を所定の形状に加工し
   て加工面を形成する肉盛り部品の加工方法であって、 前記被肉盛り部材と肉盛り部との境界部を少なくとも含
   む領域を研削する研削工程と、前記研削工程で研削され
   なかった残りの肉盛り部を少なくとも含む領域を切削す
   る切削工程とを含むことを特徴とする肉盛り部品の加工
   方法。
8. 【請求項８】 前記切削工程において、切削を行う切削
   刃は、研削を行う研削刃よりも肉盛り部に向けて突出さ
   せられることを特徴とする請求項７記載の肉盛り部品の
   加工方法。
9. 【請求項９】 前記切削工程により切削された切削加工
   面は、肉盛り部の加工方向に対して直交する幅方向にお
   いて、前記研削工程により研削された研削加工面と１０
   ％以上オーバラップしていることを特徴とする請求項７
   又は８記載の肉盛り部品の加工方法。
10. 【請求項１０】 前記研削工程において、被研削領域を
    肉盛り部の加工方法に沿う溝形状に研削し、前記溝形状
    の溝幅が０．５ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲であることを特
    徴とする請求項７ないし９いずれか１つに記載の肉盛り
    部品の加工方法。