シリンダヘッドの製造方法
【課題】シリンダヘッドの製造、特にバルブシートの切削加工に伴う刃具の摩耗量を小さくするとともに安定させて、製造コストを削減するとともに、製品の寸法精度を向上可能なシリンダヘッドの製造方法を提供すること。
【解決手段】吸排気バルブと密着可能なシート面Ｂを有する円環状のバルブシートＳを備えたシリンダヘッドの製造方法であって、前記バルブシートＳのシート面Ｂは硬質粒子分散型材料から構成され、５５ｖｏｌ％以上８０ｖｏｌ％以下のＣＢＮ、及びＡｌ２Ｏ３とＴｉＮ又はＡｌ２Ｏ３とＴｉＣのバインダーを含み、かつ硬さ（硬さの種類）２７ＧＰａ以上３８ＧＰａ以下、抗折力１．０ＧＰａ以上１．３５ＧＰａ以下の刃具１２、１３、３３により切削加工して前記シート面Ｂを形成することを特徴とする。
【解決手段】吸排気バルブと密着可能なシート面Ｂを有する円環状のバルブシートＳを備えたシリンダヘッドの製造方法であって、前記バルブシートＳのシート面Ｂは硬質粒子分散型材料から構成され、５５ｖｏｌ％以上８０ｖｏｌ％以下のＣＢＮ、及びＡｌ２Ｏ３とＴｉＮ又はＡｌ２Ｏ３とＴｉＣのバインダーを含み、かつ硬さ（硬さの種類）２７ＧＰａ以上３８ＧＰａ以下、抗折力１．０ＧＰａ以上１．３５ＧＰａ以下の刃具１２、１３、３３により切削加工して前記シート面Ｂを形成することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関用シリンダヘッド、特にバルブシート部分の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、ガソリンエンジン等の内燃機関は、吸気ポートから燃焼室内に導入された燃料と空気からなる混合気に燃焼室内で点火して、爆発、膨張させることでピストンに直線運動を与え、その直線運動をクランクシャフトにより回転運動に変換するようになっている。
【０００３】
上記内燃機関が燃焼室で混合気を燃焼し、膨張した燃焼ガスがピストンを作動させる際の燃焼圧を維持するとともに、混合気と、燃焼ガスとの混合を抑制しながら吸排気を行なうために、燃焼室には吸排気ポートの燃焼室側開口部に吸排気バルブと密着可能にバルブシートが円環状に形成され、所定のタイミングで該バルブシートのシート面をバルブで開閉して燃焼室と吸排気ポートの間を開閉するようになっている。そのため、バルブシートのシート面を、バルブシートの逃げ面やバルブガイド穴と高い精度で同軸状にし、かつ高い真円度にするために、工具本体に各部位を切削加工する刃具を一体的に配置したものが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００２−０５９３１３号公報
【０００４】
しかしながら、バルブシートは、例えば燃焼室で発生したＳＯ２等の腐食性ガスを含んだ高温、高圧の燃焼ガスに長期間にわたり曝され、シート面にはバルブが当接することによる大きな力が繰返し加わるため、高温における高い耐腐食性、耐磨耗性が要求され、その結果、バルブシートの材料として耐腐食性、耐磨耗性に優れた材料が用いられている。
しかしながら、耐腐食性、耐磨耗性に優れた材料は、一般的に切削性が悪く、切削加工における刃具の摩耗が大きいため、刃具寿命が短く製造コストの増大に繋がっている。また、初期における摩耗量が加工数に比例せず不規則であり、摩耗量に応じた刃具調整をするのが難しく、寸法精度の向上など品質面での改善が望まれている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、シリンダヘッドの製造、特にバルブシートの切削加工に伴う刃具の摩耗量を小さくするとともに安定させて、製造コストを削減するとともに、製品の寸法精度を向上可能なシリンダヘッドの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
請求項１記載の発明は、吸排気バルブと密着可能なシート面を有する円環状のバルブシートを備えたシリンダヘッドの製造方法であって、前記バルブシートのシート面は硬質粒子分散型材料から構成され、５５ｖｏｌ％以上８０ｖｏｌ％以下のＣＢＮ、Ａｌ２Ｏ３とＴｉＮ又はＡｌ２Ｏ３とＴｉＣのバインダーを含み、かつ硬さ（硬さの種類）２７ＧＰａ以上３８ＧＰａ以下、抗折力１．０ＧＰａ以上１．３５ＧＰａ以下の刃具により切削加工して前記シート面を形成することを特徴とする。
【０００７】
この発明に係るシリンダヘッドの製造方法によれば、バルブシートのシート面は硬質粒子を分散させた硬質粒子分散型の材料により構成されているので、ＳＯ２等の腐食性ガスに対する耐食性や、バルブから繰返し受ける打撃や、摺動に対して充分な耐変形性、耐磨耗性等を備えており、その結果、耐久性の高いバルブシート、ひいては高性能で耐久性が高いシリンダヘッドを得ることができる。
また、かかる硬質粒子分散型の材料を、５５ｖｏｌ％以上８０ｖｏｌ％以下のＣＢＮ、及びＡｌ２Ｏ３とＴｉＮ又はＡｌ２Ｏ３とＴｉＣのバインダーを含み、かつビッカース硬度２７ＧＰａ以上３８ＧＰａ以下、抗折力１．０ＧＰａ以上１．３５ＧＰａ以下の刃具により切削加工するため、切削加工時における刃具の摩耗量が通常の超硬工具に比較して、最大で約８５％の低減をすることができる。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１記載のシリンダヘッドの製造方法であって、前記硬質粒子分散型材料は、０.５ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下のＦｅ−Ｍｏ、０.５ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下のＦｅ−Ｃｒ、０.５ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下のＣｏ−Ｃｒ、０.５ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下のＣｏ−Ｍｏ、０.５ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下のＣｒ−Ｗの少なくとも１種を硬質粒子として分散させたＦｅ基合金からなることを特徴とする。
【０００９】
この発明に係るシリンダヘッドの製造方法によれば、硬質粒子分散型材料は、０.５ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下のＦｅ−Ｍｏ、０.５ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下のＦｅ−Ｃｒ、０.５ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下のＣｏ−Ｃｒ、０.５ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下のＣｏ−Ｍｏ、０.５ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下のＣｒ−Ｗの少なくとも１種を硬質粒子としてＦｅ基合金に分散させているので、バルブシートとしての耐食性、耐熱性、耐変形性、耐磨耗性等を維持しつつ被削性が向上し、基地強化形材料に対して上記の刃具で切削加工した場合に比較して刃具の摩耗量を最大で約５０％削減することができる。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載のシリンダヘッドの製造方法であって、請求項１又は請求項２に記載のシリンダヘッドの製造方法であって、前記切削加工は、送りが５／１００ｍｍ／ｒｅｖ以上１２／１００ｍｍ／ｒｅｖ以下、切削速度が５０ｍ／分以上２００ｍ／分以下であることを特徴とする。
【００１１】
この発明に係るシリンダヘッドの製造方法によれば、送りが５／１００ｍｍ／ｒｅｖ以上１２／１００ｍｍ／ｒｅｖ以下、切削速度が５０ｍ／分以上２００ｍ／分以下とされているので、刃具の摩耗量を抑制しつつ、切削加工の効率を下げることなく表面粗度が小さく寸法精度が高いシート面を容易に形成し、ひいては低コストで高精度のシリンダヘッドを高い生産性にて製造することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る製造方法によれば、シリンダヘッドのバルブシートに耐食性、耐磨耗性等が高い材料を適用して高性能エンジンに対応可能としつつ、寸法精度を向上させるとともに、製造コストを削減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。
図１（ａ）は、本発明の被加工物であるシリンダヘッドＷのバルブシートＳ及びバルブガイドＧの軸線を含む縦断面を示す図であり、図１（ｂ）は、バルブシートＳにおけるテーパ面Ａ、Ｂ（シート面）、Ｃを示す図である。シリンダヘッドＷは、燃焼室と、バルブ穴Ｈと、バルブシートＳと、バルブガイドＧとを備えており、バルブガイドＧの内周孔にはバルブステムが挿入されるとともに、バルブシートＳのシート面Ｂには、バルブフェースが当接して、燃焼ガスが燃焼室から漏れないようにされている。
バルブシートＳのテーパ面Ａ，Ｂ，Ｃを構成する材料の組成は、例えば、Ｆｅ基合金に硬質粒子であるＣｏ−Ｍｏを１０ｍａｓｓ％と、Ｃｒ−Ｗを１０ｍａｓｓ％分散させた硬質粒子分散型材料とされている。
【００１４】
シリンダヘッドＷは、シリンダヘッドＷの素材にバルブシートＳを嵌挿する凹部、バルブガイドＧを嵌挿する孔等、所定の形状を切削加工によって形成した後、上記凹部、孔に、バルブシート材料、バルブガイド材料を圧入、焼嵌め、又は冷嵌めによって嵌挿し、バルブシートＳのシート面を構成するテーパ面Ｂ、逃げ面となるテーパ面Ａ、Ｃ、及びバルブガイドＧの内周を切削加工し、さらに、所定の加工を施すことによって図１（ａ）、（ｂ）に示すようなシリンダヘッドＷが製造される。
【００１５】
図２から図６は本発明に係る穴加工工具と切刃チップ（刃具）の実施形態を示すものであって、図２、図３は、第１の穴加工工具の一実施形態を、図４、図５は上記第２の穴加工工具の一実施形態を、図６は切刃チップの軸線回りの回転軌跡を示しており、これらにより形成されるバルブシートＳのテーパ面Ａ、Ｂ、Ｃを示す図である。図２、図３、及び図４、図５によって示される第１、第２の穴加工工具１，２１は、それぞれ軸線Ｏ，Ｘを中心とした外形略多段円柱状をなすものであって、先端部は軸線Ｏ，Ｘを中心として先端側に向うに従い漸次縮径する略円錐台状に形成されている。
【００１６】
また、工具本体２，２２の後端部には該工具本体２，２２をマシニングセンタ等の工作機械の駆動軸に取り付けるためのアーバ部２Ａ，２２Ａとされている。このアーバ部２Ａ，２２Ａによって工作機械の駆動軸に取り付けられた第１、第２の穴加工工具１，２１は、軸線Ｏ，Ｘ回りに図中に符号Ｔで示す工具回転方向に回転させられつつ、該軸線Ｏ，Ｘ方向先端側に送りを与えられ、シリンダヘッドＷのバルブシートＳ等の加工に供される。
【００１７】
これらの工具本体２，２２内には上記軸線Ｏ，Ｘに沿って形成された取付孔２Ｃ，２２Ｃにはブッシュ３，２３を介して、第１の穴加工工具１においては荒加工リーマ４が、第２の穴加工工具２１においては仕上げ加工リーマ２４が軸線Ｘと同軸に、それぞれその先端をブッシュ３，２３から突出させて取り付けられ、いずれも外形略円柱軸状のシャンク部の先端部に切刃部４Ｂ，２４Ｂが形成されている。
【００１８】
工具本体２，２２の先端部外周には、軸線Ｏ，Ｘに直交する断面がＬ字状をなす取付凹部２Ｄ，２２Ｄが形成されており、各取付凹部２Ｄ，２２Ｄには、先端に上記切刃チップ１２，１３および切刃チップ３３が装着されたカートリッジ１４，３４がクランプネジ１５，３５によって取り付けられている。ただし、第１の穴加工工具１においては、その工具本体２に軸線Ｏを挟んで互いに反対側に一対の上記取付凹部２Ｄ，２Ｄが形成され、これらの取付凹部２Ｄ，２Ｄに切刃チップ１２，１３がそれぞれ先端に装着されたカートリッジ１４，１４が取り付けられ、第２の穴加工工具２１の工具本体２２には取付凹部２２Ｄは１つだけ形成され、カートリッジ３４も切刃チップ３３を先端に装着したものが１つ取り付けられている。
このようにして、工具本体２，２２の上記円錐台状の先端部には、切刃チップ１２，１３および切刃チップ３３が取付けられ、バルブシート加工穴の開口部に複数段の加工面を形成するようになっている。
【００１９】
切刃チップ１２，１３，３３は、５５ｖｏｌ％以上８０ｖｏｌ％以下のＣＢＮ、及びＡｌ２Ｏ３とＴｉＮ又はＡｌ２Ｏ３とＴｉＣのバインダーを含み、かつ硬さ（硬さの種類）２７ＧＰａ以上３８ＧＰａ以下、抗折力が１．０ＧＰａ以上１．３５ＧＰａ以下の焼結体とされており、互いに同形同大の略正三角形平板状に形成されたポジティブチップであり、その一方の正三角形面がすくい面とされて、このすくい面の３つの辺稜部にそれぞれ切刃１２Ａ，１３Ａ，３３Ａが形成されている。
【００２０】
また、切刃チップ１２，１３，３３は、上記すくい面を工具回転方向Ｔに向けるとともに、３つの切刃１２Ａ，１３Ａ，３３Ａのうちの１つを工具本体２，２２の先端外周側に向けて後端側に向かうに従い外周側に延びるように傾斜させ、カートリッジ１４，１４，３４の先端に形成されたチップ取付座に適宜のクランプ手段１６，１６，３６によって着脱可能に装着されている。
また、カートリッジ１４，３４の軸線Ｏ，Ｘ方向の位置は、調整手段１７，３７を構成する調整駒１７Ａ，３７Ａに円錐状の頭部が密着する、調整ネジ１７Ｂ，３７Ｂのねじ込み量を調整して、調整駒１７Ａ，３７Ａを前進させることにより調整可能とされている。
【００２１】
そして、上記切刃チップ１２，１３，３３のうち、第１の穴加工工具１の工具本体２にカートリッジ１４，１４を介して取り付けられた切刃チップ１２，１３は、図６に示すように一方の切刃チップ１２が他方の切刃チップ１３よりも僅かに工具本体２の先端側かつ内周側にずらして配置されており、しかも、図２に示すように、この一方の切刃チップ１２の先端外周側に向けられた切刃１２Ａの軸線Ｏに対する傾斜角θ12が、他方の切刃チップ１３の先端外周側に向けられた切刃１３Ａの軸線Ｏに対する傾斜角θ13よりも小さく設定されて、これらの切刃１２Ａ，１３Ａの軸線Ｏ回りの回転軌跡が交差するようにされている。
【００２２】
一方、第２の穴加工工具２１の工具本体２２に取り付けられた切刃チップ３３は、その先端外周側に向けられた切刃３３Ａの軸線Ｘに対する傾斜角θ33が、上記傾斜角θ12よりも大きく、かつ傾斜角θ13よりは小さく設定されるとともに、第２の穴加工工具２１のブッシュ２３の先端位置を第１の穴加工工具１のブッシュ３の先端位置と等しくした場合における切刃３３Ａの軸線Ｘ回りの回転軌跡が、上記切刃１２Ａ，１３Ａ同士の回転軌跡の交点よりも先端外周側にあって、該切刃１２Ａ，１３Ａ双方の回転軌跡に交差するように配置されている。
また、上記第２の穴加工工具の仕上げ加工リーマ２４の先端は、図４に示すように、第１の穴加工工程において荒加工された加工穴に仕上げ加工リーマ２４を先導しつつ案内させるためのパイロット部２４Ｄが設けられている。
【００２３】
次に、シリンダヘッドＷの製造において、第１、第２の穴加工工具１、２１を用いてバルブシートＳを切削加工する場合について説明する。
本実施形態の穴加工工程は、第１の穴加工工程と、第２の穴加工工具２１とからなり、第１の穴加工工程は、上記第１の穴加工工具１によりバルブ穴Ｈの燃焼室側に開口する開口部に設けられた円環状のバルブシートＳに３段のテーパ面Ａ〜Ｃのうち穴奥側のテーパ面Ａおよび開口縁側のテーパ面Ｃの形成とバルブガイドＧ内周の開口部側端部の荒加工を行い、第２の穴加工工程は、第２の穴加工工具２１により、バルブシートＳの３段のテーパ面Ａ〜Ｃのうちテーパ面Ａとテーパ面Ｃの間に位置するテーパ面Ｂ（シート面）の形成とバルブガイドＧ内周の仕上げ加工を行なうようになっている。
また、切削加工の条件は、送りが５／１００ｍｍ／ｒｅｖ以上１２／１００ｍｍ／ｒｅｖ以下、切削速度が５０ｍ／分以上２００ｍ／分以下とされている。
【００２４】
第１の穴加工工程は、図７に示すように、上記第１の穴加工工具１の先端部をバルブ穴Ｈの穴奥側に向けて、上記軸線ＯをバルブシートＳおよびバルブガイドＧの中心線と同軸とし、上記軸線Ｏ回りに工具回転方向Ｔに回転しつつ該軸線Ｏ方向先端側に向けて送りを与えて前進させる。
【００２５】
すると、図８に示すように上記第１の穴加工工具１が前進し、バルブガイドＧの開口部側端部の内周には、荒加工リーマ４の荒加工刃によって荒加工部Ｒが形成されるとともに、図７に示すように、切刃チップ１２の切刃１２Ａによって、バルブシートＳの内周穴奥側にバルブ穴Ｈの中心線に対して傾斜角θ12で傾斜するテーパ面Ａが、上記切刃チップ１３の切刃１３Ａによって、バルブシートＳの外周開口縁側にバルブ穴Ｈの中心線に対して傾斜角θ13で傾斜するテーパ面Ｃがそれぞれ形成される。
【００２６】
バルブシートＳにテーパ面Ａ，Ｃが形成されるとともに、バルブガイドＧ端部内周が荒加工された後、第２の穴加工工具２１により第２の穴加工工程に移行する。
この第２の穴加工工程は、第２の穴加工工具２１の先端部をバルブ穴Ｈの穴奥側に向けて、軸線ＸがバルブシートＳおよびバルブガイドＧの中心線と同軸とし、軸線Ｘ回りに工具回転方向Ｔに回転しつつ該軸線Ｘ方向先端側に向けて送りを与えて前進させる。
【００２７】
すると、仕上げ加工リーマ２４先端のパイロット部２４Ｄが、上記荒加工部Ｒ内に嵌挿され、仕上げ加工リーマ２４の軸線Ｘが荒加工部Ｒの中心線、すなわち第１の穴加工工具１の軸線Ｏと同軸とされ、仕上げ加工リーマ２４および工具本体２２が軸線Ｏに案内されるように前進させられる。
【００２８】
その結果、図９に示すように、パイロット部２４ＤがバルブガイドＧの荒加工部Ｒに嵌挿されてガイドされながら仕上げ加工部２４Ｅに先行して直進し、仕上げ加工リーマ２４がバルブガイドＧを貫通してバルブガイドＧ内周がその全長に亙って所定の内径に仕上げられたところで、第２の穴加工工具の上記切刃チップ３３の切刃３３ＡがバルブシートＳに到達し、図６に示すように、第１の穴加工工程によってバルブシートＳに形成されたテーパ面Ａ，Ｃの間に、バルブ穴Ｈの中心線に対して傾斜角θ33で傾斜する中間のテーパ面Ｂが形成される。
【００２９】
上記実施の形態においては、バルブシートＳのテーパ面Ａ、Ｂ、Ｃを構成する材料の組成が、Ｆｅ基合金に硬質粒子であるＣｏ−Ｍｏを１０ｍａｓｓ％と、Ｃｒ−Ｗを１０ｍａｓｓ％分散させた硬質粒子分散型材料とされているので、ＳＯ２等の腐食性ガスに対する耐食性や、耐磨耗性を充分に備えており、高性能エンジンのシリンダヘッドを低コストで生産することができる。
【００３０】
また、上記硬質粒子分散型の材料を、５５ｖｏｌ％以上８０ｖｏｌ％以下のＣＢＮ、Ａｌ２Ｏ３とＴｉＮ又はＡｌ２Ｏ３とＴｉＣのバインダーを含み、かつビッカース硬度２７ＧＰａ以上３８ＧＰａ以下（２７００以上３８００以下と記載されているようですが、請求項１と整合が取れないため、単位をＧＰａとしています）、抗折力１．０ＧＰａ以上１．３５ＧＰａ以下の刃具により切削加工するため、切削加工時における刃具の摩耗量が通常の超硬工具に比較して、最大で約８５％の低減をすることができる。
【００３１】
セラミックバインダーで硬度を上げすぎた焼結体では硬質粒子と衝突した時の衝撃に耐えられず、微少チッピングを発生させる。一方、メタルバインダーを使用した焼結体では、耐摩耗性が不足する。基本的に高硬度材を念頭においた焼結体は、硬質粒子分散材において、刃先靭性と耐摩耗性のバランスが最適な状態となる。
【００３２】
また、送りが５／１００ｍｍ／ｒｅｖ以上１２／１００ｍｍ／ｒｅｖ以下、切削速度が５０ｍ／分以上２００ｍ／分以下とされているので、刃具の摩耗量を抑制しつつ、切削加工の効率を下げることなく表面粗度が小さく寸法精度が高いシート面を容易に形成し、ひいては低コストで高精度のシリンダヘッドを高い生産性にて製造することができる。
【００３３】
また、工具本体２，２２にリーマ４，２４と切刃チップ１２，１３，３３とが一体に取り付けられた第１、第２の穴加工工具１，２１を軸線Ｏ，Ｘ回りに回転しつつ、バルブシートＳとバルブガイドＧ穴を形成するので、バルブシートＳのテーパ面Ａ，Ｂ，Ｃ及びバルブガイドＧ穴内周との間に高い同軸性を確保することができる。
また、第１の穴加工工程において形成された荒加工部Ｒに、第２の穴加工工程において仕上げ加工リーマ２４が案内されるようにしてバルブ穴Ｈが仕上げ加工されるので、加工工程を第１、第２の穴加工工程の２段階に分けているにも拘らず、第１の穴加工工具１の軸線Ｏと第２の穴加工工具２１の軸線Ｘとの間に高い同軸性を確保することができる。
【００３４】
なお、この発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更をすることが可能である。
上記実施の形態においては、バルブシートＳのテーパ面Ａ，Ｂ，Ｃを構成する材料の組成が、Ｆｅ基合金に１０ｍａｓｓ％のＣｏ−Ｍｏと、１０ｍａｓｓ％のＣｒ−Ｗを硬質粒子として分散させた硬質粒子分散型材料とされる場合について説明したが、テーパ面Ａ、Ｂ、Ｃを構成する材料に分散させる硬質粒子としては、例えば、０.５ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下のＦｅ−Ｍｏ、０.５ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下のＦｅ−Ｃｒ、０.５ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下のＣｏ−Ｃｒ、０.５ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下のＣｏ−Ｍｏ、０.５ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下のＣｒ−Ｗの少なくとも１種を単体で用い、又は、これらを複数組合せて用いてもよい。
【００３５】
また、バルブシートＳの材料は、テーパ面Ａ，Ｂ，Ｃを構成する材料の組成が、Ｆｅ基合金に硬質粒子として分散させた硬質粒子分散型材料とされていればよく、シート材（テーパ面Ａ、Ｂ、Ｃに相当する部分）とバック材を別組成の材質で構成するいわゆる２層構造や全体を硬質粒子分散型材料とする等の構成を選択することができ、さらに、例えばテーパ面Ｂ（シート面）のみを硬質粒子分散型材料で構成してもよい。
【００３６】
また、上記実施の形態において、切削加工条件は、送りが５／１００ｍｍ／ｒｅｖ以上１２／１００ｍｍ／ｒｅｖ以下、切削速度が５０ｍ／分以上２００ｍ／分以下の場合について説明したが、これに限らず、他の切削条件においても適用することができる。
【００３７】
また、上記実施の形態においては、バルブシートＳのテーパ面Ａ，Ｂ，Ｃが切刃チップ１２、１３、３３によってプランジ加工される場合について説明したが、穴加工工程の工程手順、構成については任意に選択可能である。例えば、軸線回りに回転される工具本体の先端部にリーマを取り付け、このリーマの根元部分に、バルブシートＳの３段のテーパ面Ａ，Ｂ，Ｃを形成する３つの切刃チップを取り付け、このうち加工穴の穴奥側のテーパ面Ａと開口縁側のテーパ面Ｃの中間に位置するテーパ面Ｂを、工具本体がなす円錐の母線方向に沿って摺動するスライダーに取り付けた切刃チップにより切削部分の軌跡がテーパ面Ｂを描きつつ切削加工する、いわゆるトラバース加工によりバルブシートＳを形成する場合にも適用できる。
【００３８】
ここで、上記本発明に係るシリンダヘッドＷの製造方法におけるバルブシートＳの切削加工について行なった検証試験を実施した。
この、検証試験では、刃具材種として、ＭＢ７１０、ＭＢ７３０、ＭＢ８２５、ＭＢ８３５の４種類を、バルブシートの材種として、Ｗ２３Ｄ、Ｗ−８の２種類を用いた。
刃具材種の特性は、以下の表１に示すとおりである。
【００３９】
【表１】
熱伝導度は、いずれも５０−７０（Ｗ／ｍ・Ｋ）である。
また、Ｗ２３Ｄ及びＷ−８の特性は、以下の表２に示すとおりである。
【００４０】
【表２】
とされる。
【００４１】
また、この切削加工における切削条件は以下のとおりである。
トラバース加工 プランジ加工
切削速度 ９０ｍ／ｍｉｎ １６６ｍ／ｍｉｎ
送 り ０．１ｍｍ／ｒｅｖ. ０．０７ｍｍ／ｒｅｖ.
ａｐ ０.１ｍｍ ０.２５ｍｍ
上記のような刃具材種、及びバルブシートの材種、切削条件のもと行なった検証試験を、バルブシートと刃具の材種、及び切削加工条件による摩耗量、表面粗さについてまとめた結果は、図１０に示すとおりである。
【００４２】
この検証試験の結果から、バルブシートのシート面は硬質粒子分散型材料から構成され、５５ｖｏｌ％以上８０ｖｏｌ％以下のＣＢＮ、及びＡｌ２Ｏ３とＴｉＮ又はＡｌ２Ｏ３とＴｉＣのバインダーを含み、かつビッカース硬度２７ＧＰａ以上３８ＧＰａ以下、抗折力１．０ＧＰａ以上１．３５ＧＰａ以下の刃具により切削加工をすることにより良好な結果が得られることが確認された。
【００４３】
また、硬質粒子分散型材料は、０.５ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下のＦｅ−Ｍｏ、
０.５ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下のＦｅ−Ｃｒ、０.５ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下のＣｏ−Ｃｒ、０.５ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下のＣｏ−Ｍｏ、０.５ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下のＣｒ−Ｗの少なくとも１種を硬質粒子として分散させたＦｅ基合金からなるものが好適であることが確認された。
【００４４】
さらに、切削加工条件が、送りが５／１００ｍｍ／ｒｅｖ以上１２／１００ｍｍ／ｒｅｖ以下、切削速度が５０ｍ／ｍｉｎ以上２００ｍ／ｍｉｎ以下において大きな効果が得られることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】（ａ）本発明の実施形態におけるシリンダヘッドＷのバルブシートＳ及びバルブガイドＧの軸線を含む縦断面図であり、（ｂ）バルブシートＳにおけるテーパ面Ａ，Ｂ，Ｃを示す図である。
【図２】第１の穴加工工具１の軸線Ｏを含む断面に直交する側断面図である。
【図３】図２に示す第１の穴加工工具１の正面図である。
【図４】本発明の穴加工工具の一実施形態を示す、第２の穴加工工具２１の側断面図である。
【図５】図４に示す第２の穴加工工具２１の正面図である。
【図６】切刃チップの軸線Ｏ，Ｘ回りの回転軌跡と、これらにより形成されるバルブシートのテーパ面とを示す図である。
【図７】本発明の穴加工方法の一実施形態を説明する第１の図である（第１の穴加工工程）。
【図８】本発明の穴加工方法の一実施形態を説明する第２の図である（第１の穴加工工程）。
【図９】本発明の穴加工方法の一実施形態を説明する第６の図である（第２の穴加工工程）。
【図１０】本発明の効果を確認するための検証試験の結果を示す図であり、バルブシートと刃具の材種、及び切削加工条件による摩耗量、表面粗さを示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
１２，１３，３３ 切刃チップ
Ｓ バルブシート
Ａ、Ｃ テーパ面
Ｂ テーパ面（シート面）
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関用シリンダヘッド、特にバルブシート部分の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、ガソリンエンジン等の内燃機関は、吸気ポートから燃焼室内に導入された燃料と空気からなる混合気に燃焼室内で点火して、爆発、膨張させることでピストンに直線運動を与え、その直線運動をクランクシャフトにより回転運動に変換するようになっている。
【０００３】
上記内燃機関が燃焼室で混合気を燃焼し、膨張した燃焼ガスがピストンを作動させる際の燃焼圧を維持するとともに、混合気と、燃焼ガスとの混合を抑制しながら吸排気を行なうために、燃焼室には吸排気ポートの燃焼室側開口部に吸排気バルブと密着可能にバルブシートが円環状に形成され、所定のタイミングで該バルブシートのシート面をバルブで開閉して燃焼室と吸排気ポートの間を開閉するようになっている。そのため、バルブシートのシート面を、バルブシートの逃げ面やバルブガイド穴と高い精度で同軸状にし、かつ高い真円度にするために、工具本体に各部位を切削加工する刃具を一体的に配置したものが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００２−０５９３１３号公報
【０００４】
しかしながら、バルブシートは、例えば燃焼室で発生したＳＯ２等の腐食性ガスを含んだ高温、高圧の燃焼ガスに長期間にわたり曝され、シート面にはバルブが当接することによる大きな力が繰返し加わるため、高温における高い耐腐食性、耐磨耗性が要求され、その結果、バルブシートの材料として耐腐食性、耐磨耗性に優れた材料が用いられている。
しかしながら、耐腐食性、耐磨耗性に優れた材料は、一般的に切削性が悪く、切削加工における刃具の摩耗が大きいため、刃具寿命が短く製造コストの増大に繋がっている。また、初期における摩耗量が加工数に比例せず不規則であり、摩耗量に応じた刃具調整をするのが難しく、寸法精度の向上など品質面での改善が望まれている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、シリンダヘッドの製造、特にバルブシートの切削加工に伴う刃具の摩耗量を小さくするとともに安定させて、製造コストを削減するとともに、製品の寸法精度を向上可能なシリンダヘッドの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
請求項１記載の発明は、吸排気バルブと密着可能なシート面を有する円環状のバルブシートを備えたシリンダヘッドの製造方法であって、前記バルブシートのシート面は硬質粒子分散型材料から構成され、５５ｖｏｌ％以上８０ｖｏｌ％以下のＣＢＮ、Ａｌ２Ｏ３とＴｉＮ又はＡｌ２Ｏ３とＴｉＣのバインダーを含み、かつ硬さ（硬さの種類）２７ＧＰａ以上３８ＧＰａ以下、抗折力１．０ＧＰａ以上１．３５ＧＰａ以下の刃具により切削加工して前記シート面を形成することを特徴とする。
【０００７】
この発明に係るシリンダヘッドの製造方法によれば、バルブシートのシート面は硬質粒子を分散させた硬質粒子分散型の材料により構成されているので、ＳＯ２等の腐食性ガスに対する耐食性や、バルブから繰返し受ける打撃や、摺動に対して充分な耐変形性、耐磨耗性等を備えており、その結果、耐久性の高いバルブシート、ひいては高性能で耐久性が高いシリンダヘッドを得ることができる。
また、かかる硬質粒子分散型の材料を、５５ｖｏｌ％以上８０ｖｏｌ％以下のＣＢＮ、及びＡｌ２Ｏ３とＴｉＮ又はＡｌ２Ｏ３とＴｉＣのバインダーを含み、かつビッカース硬度２７ＧＰａ以上３８ＧＰａ以下、抗折力１．０ＧＰａ以上１．３５ＧＰａ以下の刃具により切削加工するため、切削加工時における刃具の摩耗量が通常の超硬工具に比較して、最大で約８５％の低減をすることができる。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１記載のシリンダヘッドの製造方法であって、前記硬質粒子分散型材料は、０.５ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下のＦｅ−Ｍｏ、０.５ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下のＦｅ−Ｃｒ、０.５ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下のＣｏ−Ｃｒ、０.５ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下のＣｏ−Ｍｏ、０.５ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下のＣｒ−Ｗの少なくとも１種を硬質粒子として分散させたＦｅ基合金からなることを特徴とする。
【０００９】
この発明に係るシリンダヘッドの製造方法によれば、硬質粒子分散型材料は、０.５ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下のＦｅ−Ｍｏ、０.５ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下のＦｅ−Ｃｒ、０.５ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下のＣｏ−Ｃｒ、０.５ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下のＣｏ−Ｍｏ、０.５ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下のＣｒ−Ｗの少なくとも１種を硬質粒子としてＦｅ基合金に分散させているので、バルブシートとしての耐食性、耐熱性、耐変形性、耐磨耗性等を維持しつつ被削性が向上し、基地強化形材料に対して上記の刃具で切削加工した場合に比較して刃具の摩耗量を最大で約５０％削減することができる。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載のシリンダヘッドの製造方法であって、請求項１又は請求項２に記載のシリンダヘッドの製造方法であって、前記切削加工は、送りが５／１００ｍｍ／ｒｅｖ以上１２／１００ｍｍ／ｒｅｖ以下、切削速度が５０ｍ／分以上２００ｍ／分以下であることを特徴とする。
【００１１】
この発明に係るシリンダヘッドの製造方法によれば、送りが５／１００ｍｍ／ｒｅｖ以上１２／１００ｍｍ／ｒｅｖ以下、切削速度が５０ｍ／分以上２００ｍ／分以下とされているので、刃具の摩耗量を抑制しつつ、切削加工の効率を下げることなく表面粗度が小さく寸法精度が高いシート面を容易に形成し、ひいては低コストで高精度のシリンダヘッドを高い生産性にて製造することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る製造方法によれば、シリンダヘッドのバルブシートに耐食性、耐磨耗性等が高い材料を適用して高性能エンジンに対応可能としつつ、寸法精度を向上させるとともに、製造コストを削減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。
図１（ａ）は、本発明の被加工物であるシリンダヘッドＷのバルブシートＳ及びバルブガイドＧの軸線を含む縦断面を示す図であり、図１（ｂ）は、バルブシートＳにおけるテーパ面Ａ、Ｂ（シート面）、Ｃを示す図である。シリンダヘッドＷは、燃焼室と、バルブ穴Ｈと、バルブシートＳと、バルブガイドＧとを備えており、バルブガイドＧの内周孔にはバルブステムが挿入されるとともに、バルブシートＳのシート面Ｂには、バルブフェースが当接して、燃焼ガスが燃焼室から漏れないようにされている。
バルブシートＳのテーパ面Ａ，Ｂ，Ｃを構成する材料の組成は、例えば、Ｆｅ基合金に硬質粒子であるＣｏ−Ｍｏを１０ｍａｓｓ％と、Ｃｒ−Ｗを１０ｍａｓｓ％分散させた硬質粒子分散型材料とされている。
【００１４】
シリンダヘッドＷは、シリンダヘッドＷの素材にバルブシートＳを嵌挿する凹部、バルブガイドＧを嵌挿する孔等、所定の形状を切削加工によって形成した後、上記凹部、孔に、バルブシート材料、バルブガイド材料を圧入、焼嵌め、又は冷嵌めによって嵌挿し、バルブシートＳのシート面を構成するテーパ面Ｂ、逃げ面となるテーパ面Ａ、Ｃ、及びバルブガイドＧの内周を切削加工し、さらに、所定の加工を施すことによって図１（ａ）、（ｂ）に示すようなシリンダヘッドＷが製造される。
【００１５】
図２から図６は本発明に係る穴加工工具と切刃チップ（刃具）の実施形態を示すものであって、図２、図３は、第１の穴加工工具の一実施形態を、図４、図５は上記第２の穴加工工具の一実施形態を、図６は切刃チップの軸線回りの回転軌跡を示しており、これらにより形成されるバルブシートＳのテーパ面Ａ、Ｂ、Ｃを示す図である。図２、図３、及び図４、図５によって示される第１、第２の穴加工工具１，２１は、それぞれ軸線Ｏ，Ｘを中心とした外形略多段円柱状をなすものであって、先端部は軸線Ｏ，Ｘを中心として先端側に向うに従い漸次縮径する略円錐台状に形成されている。
【００１６】
また、工具本体２，２２の後端部には該工具本体２，２２をマシニングセンタ等の工作機械の駆動軸に取り付けるためのアーバ部２Ａ，２２Ａとされている。このアーバ部２Ａ，２２Ａによって工作機械の駆動軸に取り付けられた第１、第２の穴加工工具１，２１は、軸線Ｏ，Ｘ回りに図中に符号Ｔで示す工具回転方向に回転させられつつ、該軸線Ｏ，Ｘ方向先端側に送りを与えられ、シリンダヘッドＷのバルブシートＳ等の加工に供される。
【００１７】
これらの工具本体２，２２内には上記軸線Ｏ，Ｘに沿って形成された取付孔２Ｃ，２２Ｃにはブッシュ３，２３を介して、第１の穴加工工具１においては荒加工リーマ４が、第２の穴加工工具２１においては仕上げ加工リーマ２４が軸線Ｘと同軸に、それぞれその先端をブッシュ３，２３から突出させて取り付けられ、いずれも外形略円柱軸状のシャンク部の先端部に切刃部４Ｂ，２４Ｂが形成されている。
【００１８】
工具本体２，２２の先端部外周には、軸線Ｏ，Ｘに直交する断面がＬ字状をなす取付凹部２Ｄ，２２Ｄが形成されており、各取付凹部２Ｄ，２２Ｄには、先端に上記切刃チップ１２，１３および切刃チップ３３が装着されたカートリッジ１４，３４がクランプネジ１５，３５によって取り付けられている。ただし、第１の穴加工工具１においては、その工具本体２に軸線Ｏを挟んで互いに反対側に一対の上記取付凹部２Ｄ，２Ｄが形成され、これらの取付凹部２Ｄ，２Ｄに切刃チップ１２，１３がそれぞれ先端に装着されたカートリッジ１４，１４が取り付けられ、第２の穴加工工具２１の工具本体２２には取付凹部２２Ｄは１つだけ形成され、カートリッジ３４も切刃チップ３３を先端に装着したものが１つ取り付けられている。
このようにして、工具本体２，２２の上記円錐台状の先端部には、切刃チップ１２，１３および切刃チップ３３が取付けられ、バルブシート加工穴の開口部に複数段の加工面を形成するようになっている。
【００１９】
切刃チップ１２，１３，３３は、５５ｖｏｌ％以上８０ｖｏｌ％以下のＣＢＮ、及びＡｌ２Ｏ３とＴｉＮ又はＡｌ２Ｏ３とＴｉＣのバインダーを含み、かつ硬さ（硬さの種類）２７ＧＰａ以上３８ＧＰａ以下、抗折力が１．０ＧＰａ以上１．３５ＧＰａ以下の焼結体とされており、互いに同形同大の略正三角形平板状に形成されたポジティブチップであり、その一方の正三角形面がすくい面とされて、このすくい面の３つの辺稜部にそれぞれ切刃１２Ａ，１３Ａ，３３Ａが形成されている。
【００２０】
また、切刃チップ１２，１３，３３は、上記すくい面を工具回転方向Ｔに向けるとともに、３つの切刃１２Ａ，１３Ａ，３３Ａのうちの１つを工具本体２，２２の先端外周側に向けて後端側に向かうに従い外周側に延びるように傾斜させ、カートリッジ１４，１４，３４の先端に形成されたチップ取付座に適宜のクランプ手段１６，１６，３６によって着脱可能に装着されている。
また、カートリッジ１４，３４の軸線Ｏ，Ｘ方向の位置は、調整手段１７，３７を構成する調整駒１７Ａ，３７Ａに円錐状の頭部が密着する、調整ネジ１７Ｂ，３７Ｂのねじ込み量を調整して、調整駒１７Ａ，３７Ａを前進させることにより調整可能とされている。
【００２１】
そして、上記切刃チップ１２，１３，３３のうち、第１の穴加工工具１の工具本体２にカートリッジ１４，１４を介して取り付けられた切刃チップ１２，１３は、図６に示すように一方の切刃チップ１２が他方の切刃チップ１３よりも僅かに工具本体２の先端側かつ内周側にずらして配置されており、しかも、図２に示すように、この一方の切刃チップ１２の先端外周側に向けられた切刃１２Ａの軸線Ｏに対する傾斜角θ12が、他方の切刃チップ１３の先端外周側に向けられた切刃１３Ａの軸線Ｏに対する傾斜角θ13よりも小さく設定されて、これらの切刃１２Ａ，１３Ａの軸線Ｏ回りの回転軌跡が交差するようにされている。
【００２２】
一方、第２の穴加工工具２１の工具本体２２に取り付けられた切刃チップ３３は、その先端外周側に向けられた切刃３３Ａの軸線Ｘに対する傾斜角θ33が、上記傾斜角θ12よりも大きく、かつ傾斜角θ13よりは小さく設定されるとともに、第２の穴加工工具２１のブッシュ２３の先端位置を第１の穴加工工具１のブッシュ３の先端位置と等しくした場合における切刃３３Ａの軸線Ｘ回りの回転軌跡が、上記切刃１２Ａ，１３Ａ同士の回転軌跡の交点よりも先端外周側にあって、該切刃１２Ａ，１３Ａ双方の回転軌跡に交差するように配置されている。
また、上記第２の穴加工工具の仕上げ加工リーマ２４の先端は、図４に示すように、第１の穴加工工程において荒加工された加工穴に仕上げ加工リーマ２４を先導しつつ案内させるためのパイロット部２４Ｄが設けられている。
【００２３】
次に、シリンダヘッドＷの製造において、第１、第２の穴加工工具１、２１を用いてバルブシートＳを切削加工する場合について説明する。
本実施形態の穴加工工程は、第１の穴加工工程と、第２の穴加工工具２１とからなり、第１の穴加工工程は、上記第１の穴加工工具１によりバルブ穴Ｈの燃焼室側に開口する開口部に設けられた円環状のバルブシートＳに３段のテーパ面Ａ〜Ｃのうち穴奥側のテーパ面Ａおよび開口縁側のテーパ面Ｃの形成とバルブガイドＧ内周の開口部側端部の荒加工を行い、第２の穴加工工程は、第２の穴加工工具２１により、バルブシートＳの３段のテーパ面Ａ〜Ｃのうちテーパ面Ａとテーパ面Ｃの間に位置するテーパ面Ｂ（シート面）の形成とバルブガイドＧ内周の仕上げ加工を行なうようになっている。
また、切削加工の条件は、送りが５／１００ｍｍ／ｒｅｖ以上１２／１００ｍｍ／ｒｅｖ以下、切削速度が５０ｍ／分以上２００ｍ／分以下とされている。
【００２４】
第１の穴加工工程は、図７に示すように、上記第１の穴加工工具１の先端部をバルブ穴Ｈの穴奥側に向けて、上記軸線ＯをバルブシートＳおよびバルブガイドＧの中心線と同軸とし、上記軸線Ｏ回りに工具回転方向Ｔに回転しつつ該軸線Ｏ方向先端側に向けて送りを与えて前進させる。
【００２５】
すると、図８に示すように上記第１の穴加工工具１が前進し、バルブガイドＧの開口部側端部の内周には、荒加工リーマ４の荒加工刃によって荒加工部Ｒが形成されるとともに、図７に示すように、切刃チップ１２の切刃１２Ａによって、バルブシートＳの内周穴奥側にバルブ穴Ｈの中心線に対して傾斜角θ12で傾斜するテーパ面Ａが、上記切刃チップ１３の切刃１３Ａによって、バルブシートＳの外周開口縁側にバルブ穴Ｈの中心線に対して傾斜角θ13で傾斜するテーパ面Ｃがそれぞれ形成される。
【００２６】
バルブシートＳにテーパ面Ａ，Ｃが形成されるとともに、バルブガイドＧ端部内周が荒加工された後、第２の穴加工工具２１により第２の穴加工工程に移行する。
この第２の穴加工工程は、第２の穴加工工具２１の先端部をバルブ穴Ｈの穴奥側に向けて、軸線ＸがバルブシートＳおよびバルブガイドＧの中心線と同軸とし、軸線Ｘ回りに工具回転方向Ｔに回転しつつ該軸線Ｘ方向先端側に向けて送りを与えて前進させる。
【００２７】
すると、仕上げ加工リーマ２４先端のパイロット部２４Ｄが、上記荒加工部Ｒ内に嵌挿され、仕上げ加工リーマ２４の軸線Ｘが荒加工部Ｒの中心線、すなわち第１の穴加工工具１の軸線Ｏと同軸とされ、仕上げ加工リーマ２４および工具本体２２が軸線Ｏに案内されるように前進させられる。
【００２８】
その結果、図９に示すように、パイロット部２４ＤがバルブガイドＧの荒加工部Ｒに嵌挿されてガイドされながら仕上げ加工部２４Ｅに先行して直進し、仕上げ加工リーマ２４がバルブガイドＧを貫通してバルブガイドＧ内周がその全長に亙って所定の内径に仕上げられたところで、第２の穴加工工具の上記切刃チップ３３の切刃３３ＡがバルブシートＳに到達し、図６に示すように、第１の穴加工工程によってバルブシートＳに形成されたテーパ面Ａ，Ｃの間に、バルブ穴Ｈの中心線に対して傾斜角θ33で傾斜する中間のテーパ面Ｂが形成される。
【００２９】
上記実施の形態においては、バルブシートＳのテーパ面Ａ、Ｂ、Ｃを構成する材料の組成が、Ｆｅ基合金に硬質粒子であるＣｏ−Ｍｏを１０ｍａｓｓ％と、Ｃｒ−Ｗを１０ｍａｓｓ％分散させた硬質粒子分散型材料とされているので、ＳＯ２等の腐食性ガスに対する耐食性や、耐磨耗性を充分に備えており、高性能エンジンのシリンダヘッドを低コストで生産することができる。
【００３０】
また、上記硬質粒子分散型の材料を、５５ｖｏｌ％以上８０ｖｏｌ％以下のＣＢＮ、Ａｌ２Ｏ３とＴｉＮ又はＡｌ２Ｏ３とＴｉＣのバインダーを含み、かつビッカース硬度２７ＧＰａ以上３８ＧＰａ以下（２７００以上３８００以下と記載されているようですが、請求項１と整合が取れないため、単位をＧＰａとしています）、抗折力１．０ＧＰａ以上１．３５ＧＰａ以下の刃具により切削加工するため、切削加工時における刃具の摩耗量が通常の超硬工具に比較して、最大で約８５％の低減をすることができる。
【００３１】
セラミックバインダーで硬度を上げすぎた焼結体では硬質粒子と衝突した時の衝撃に耐えられず、微少チッピングを発生させる。一方、メタルバインダーを使用した焼結体では、耐摩耗性が不足する。基本的に高硬度材を念頭においた焼結体は、硬質粒子分散材において、刃先靭性と耐摩耗性のバランスが最適な状態となる。
【００３２】
また、送りが５／１００ｍｍ／ｒｅｖ以上１２／１００ｍｍ／ｒｅｖ以下、切削速度が５０ｍ／分以上２００ｍ／分以下とされているので、刃具の摩耗量を抑制しつつ、切削加工の効率を下げることなく表面粗度が小さく寸法精度が高いシート面を容易に形成し、ひいては低コストで高精度のシリンダヘッドを高い生産性にて製造することができる。
【００３３】
また、工具本体２，２２にリーマ４，２４と切刃チップ１２，１３，３３とが一体に取り付けられた第１、第２の穴加工工具１，２１を軸線Ｏ，Ｘ回りに回転しつつ、バルブシートＳとバルブガイドＧ穴を形成するので、バルブシートＳのテーパ面Ａ，Ｂ，Ｃ及びバルブガイドＧ穴内周との間に高い同軸性を確保することができる。
また、第１の穴加工工程において形成された荒加工部Ｒに、第２の穴加工工程において仕上げ加工リーマ２４が案内されるようにしてバルブ穴Ｈが仕上げ加工されるので、加工工程を第１、第２の穴加工工程の２段階に分けているにも拘らず、第１の穴加工工具１の軸線Ｏと第２の穴加工工具２１の軸線Ｘとの間に高い同軸性を確保することができる。
【００３４】
なお、この発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更をすることが可能である。
上記実施の形態においては、バルブシートＳのテーパ面Ａ，Ｂ，Ｃを構成する材料の組成が、Ｆｅ基合金に１０ｍａｓｓ％のＣｏ−Ｍｏと、１０ｍａｓｓ％のＣｒ−Ｗを硬質粒子として分散させた硬質粒子分散型材料とされる場合について説明したが、テーパ面Ａ、Ｂ、Ｃを構成する材料に分散させる硬質粒子としては、例えば、０.５ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下のＦｅ−Ｍｏ、０.５ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下のＦｅ−Ｃｒ、０.５ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下のＣｏ−Ｃｒ、０.５ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下のＣｏ−Ｍｏ、０.５ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下のＣｒ−Ｗの少なくとも１種を単体で用い、又は、これらを複数組合せて用いてもよい。
【００３５】
また、バルブシートＳの材料は、テーパ面Ａ，Ｂ，Ｃを構成する材料の組成が、Ｆｅ基合金に硬質粒子として分散させた硬質粒子分散型材料とされていればよく、シート材（テーパ面Ａ、Ｂ、Ｃに相当する部分）とバック材を別組成の材質で構成するいわゆる２層構造や全体を硬質粒子分散型材料とする等の構成を選択することができ、さらに、例えばテーパ面Ｂ（シート面）のみを硬質粒子分散型材料で構成してもよい。
【００３６】
また、上記実施の形態において、切削加工条件は、送りが５／１００ｍｍ／ｒｅｖ以上１２／１００ｍｍ／ｒｅｖ以下、切削速度が５０ｍ／分以上２００ｍ／分以下の場合について説明したが、これに限らず、他の切削条件においても適用することができる。
【００３７】
また、上記実施の形態においては、バルブシートＳのテーパ面Ａ，Ｂ，Ｃが切刃チップ１２、１３、３３によってプランジ加工される場合について説明したが、穴加工工程の工程手順、構成については任意に選択可能である。例えば、軸線回りに回転される工具本体の先端部にリーマを取り付け、このリーマの根元部分に、バルブシートＳの３段のテーパ面Ａ，Ｂ，Ｃを形成する３つの切刃チップを取り付け、このうち加工穴の穴奥側のテーパ面Ａと開口縁側のテーパ面Ｃの中間に位置するテーパ面Ｂを、工具本体がなす円錐の母線方向に沿って摺動するスライダーに取り付けた切刃チップにより切削部分の軌跡がテーパ面Ｂを描きつつ切削加工する、いわゆるトラバース加工によりバルブシートＳを形成する場合にも適用できる。
【００３８】
ここで、上記本発明に係るシリンダヘッドＷの製造方法におけるバルブシートＳの切削加工について行なった検証試験を実施した。
この、検証試験では、刃具材種として、ＭＢ７１０、ＭＢ７３０、ＭＢ８２５、ＭＢ８３５の４種類を、バルブシートの材種として、Ｗ２３Ｄ、Ｗ−８の２種類を用いた。
刃具材種の特性は、以下の表１に示すとおりである。
【００３９】
【表１】
熱伝導度は、いずれも５０−７０（Ｗ／ｍ・Ｋ）である。
また、Ｗ２３Ｄ及びＷ−８の特性は、以下の表２に示すとおりである。
【００４０】
【表２】
とされる。
【００４１】
また、この切削加工における切削条件は以下のとおりである。
トラバース加工 プランジ加工
切削速度 ９０ｍ／ｍｉｎ １６６ｍ／ｍｉｎ
送 り ０．１ｍｍ／ｒｅｖ. ０．０７ｍｍ／ｒｅｖ.
ａｐ ０.１ｍｍ ０.２５ｍｍ
上記のような刃具材種、及びバルブシートの材種、切削条件のもと行なった検証試験を、バルブシートと刃具の材種、及び切削加工条件による摩耗量、表面粗さについてまとめた結果は、図１０に示すとおりである。
【００４２】
この検証試験の結果から、バルブシートのシート面は硬質粒子分散型材料から構成され、５５ｖｏｌ％以上８０ｖｏｌ％以下のＣＢＮ、及びＡｌ２Ｏ３とＴｉＮ又はＡｌ２Ｏ３とＴｉＣのバインダーを含み、かつビッカース硬度２７ＧＰａ以上３８ＧＰａ以下、抗折力１．０ＧＰａ以上１．３５ＧＰａ以下の刃具により切削加工をすることにより良好な結果が得られることが確認された。
【００４３】
また、硬質粒子分散型材料は、０.５ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下のＦｅ−Ｍｏ、
０.５ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下のＦｅ−Ｃｒ、０.５ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下のＣｏ−Ｃｒ、０.５ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下のＣｏ−Ｍｏ、０.５ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下のＣｒ−Ｗの少なくとも１種を硬質粒子として分散させたＦｅ基合金からなるものが好適であることが確認された。
【００４４】
さらに、切削加工条件が、送りが５／１００ｍｍ／ｒｅｖ以上１２／１００ｍｍ／ｒｅｖ以下、切削速度が５０ｍ／ｍｉｎ以上２００ｍ／ｍｉｎ以下において大きな効果が得られることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】（ａ）本発明の実施形態におけるシリンダヘッドＷのバルブシートＳ及びバルブガイドＧの軸線を含む縦断面図であり、（ｂ）バルブシートＳにおけるテーパ面Ａ，Ｂ，Ｃを示す図である。
【図２】第１の穴加工工具１の軸線Ｏを含む断面に直交する側断面図である。
【図３】図２に示す第１の穴加工工具１の正面図である。
【図４】本発明の穴加工工具の一実施形態を示す、第２の穴加工工具２１の側断面図である。
【図５】図４に示す第２の穴加工工具２１の正面図である。
【図６】切刃チップの軸線Ｏ，Ｘ回りの回転軌跡と、これらにより形成されるバルブシートのテーパ面とを示す図である。
【図７】本発明の穴加工方法の一実施形態を説明する第１の図である（第１の穴加工工程）。
【図８】本発明の穴加工方法の一実施形態を説明する第２の図である（第１の穴加工工程）。
【図９】本発明の穴加工方法の一実施形態を説明する第６の図である（第２の穴加工工程）。
【図１０】本発明の効果を確認するための検証試験の結果を示す図であり、バルブシートと刃具の材種、及び切削加工条件による摩耗量、表面粗さを示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
１２，１３，３３ 切刃チップ
Ｓ バルブシート
Ａ、Ｃ テーパ面
Ｂ テーパ面（シート面）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸排気バルブと密着可能なシート面を有する円環状のバルブシートを備えたシリンダヘッドの製造方法であって、
前記バルブシートのシート面は硬質粒子分散型材料から構成され、
５５ｖｏｌ％以上８０ｖｏｌ％以下のＣＢＮ、及びＡｌ２Ｏ３とＴｉＮ又はＡｌ２Ｏ３とＴｉＣのバインダーを含み、かつビッカース硬度２７ＧＰａ以上３８ＧＰａ以下、抗折力１．０ＧＰａ以上１．３５ＧＰａ以下の刃具により切削加工して前記シート面を形成することを特徴とするシリンダヘッドの製造方法。
【請求項２】
請求項１記載のシリンダヘッドの製造方法であって、
前記硬質粒子分散型材料は、０.５ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下のＦｅ−Ｍｏ、
０.５ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下のＦｅ−Ｃｒ、０.５ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下のＣｏ−Ｃｒ、０.５ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下のＣｏ−Ｍｏ、０.５ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下のＣｒ−Ｗの少なくとも１種を硬質粒子として分散させたＦｅ基合金からなることを特徴とするシリンダヘッドの製造方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のシリンダヘッドの製造方法であって、
前記切削加工は、送りが５／１００ｍｍ／ｒｅｖ以上１２／１００ｍｍ／ｒｅｖ以下、切削速度が５０ｍ／分以上２００ｍ／分以下であることを特徴とするシリンダヘッドの製造方法。
【請求項１】
吸排気バルブと密着可能なシート面を有する円環状のバルブシートを備えたシリンダヘッドの製造方法であって、
前記バルブシートのシート面は硬質粒子分散型材料から構成され、
５５ｖｏｌ％以上８０ｖｏｌ％以下のＣＢＮ、及びＡｌ２Ｏ３とＴｉＮ又はＡｌ２Ｏ３とＴｉＣのバインダーを含み、かつビッカース硬度２７ＧＰａ以上３８ＧＰａ以下、抗折力１．０ＧＰａ以上１．３５ＧＰａ以下の刃具により切削加工して前記シート面を形成することを特徴とするシリンダヘッドの製造方法。
【請求項２】
請求項１記載のシリンダヘッドの製造方法であって、
前記硬質粒子分散型材料は、０.５ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下のＦｅ−Ｍｏ、
０.５ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下のＦｅ−Ｃｒ、０.５ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下のＣｏ−Ｃｒ、０.５ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下のＣｏ−Ｍｏ、０.５ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下のＣｒ−Ｗの少なくとも１種を硬質粒子として分散させたＦｅ基合金からなることを特徴とするシリンダヘッドの製造方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のシリンダヘッドの製造方法であって、
前記切削加工は、送りが５／１００ｍｍ／ｒｅｖ以上１２／１００ｍｍ／ｒｅｖ以下、切削速度が５０ｍ／分以上２００ｍ／分以下であることを特徴とするシリンダヘッドの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００８−１０５１０５（Ｐ２００８−１０５１０５Ａ）
【公開日】平成２０年５月８日（２００８．５．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２８７９５２（Ｐ２００６−２８７９５２）
【出願日】平成１８年１０月２３日（２００６．１０．２３）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年５月８日（２００８．５．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１０月２３日（２００６．１０．２３）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
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