JP2000239746A - 表面硬化処理法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 溶融プールの形状に影響されず、カム表面に
幅方向に均等な深さと幅をもつチル層を形成する。 【解決手段】 トーチは、回転軸をもつカム部材２の周
表面３に対し所定の入射角及び接近距離で熱ビームを発
し、工作物周表面３上をその幅方向に往復移動しつつ周
方向φＡに進行して工作物周表面３上を蛇行軌跡を描い
て再溶融する。この往復移動の両端位置で該往復移動を
停止する保持時間を設定することにより、蛇行軌跡の頂
点で工作物周表面３の周方向に沿った直線部３６が形成
され、工作物周表面の幅方向に均等な入熱を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、工作物カム面にチ
ル層を形成する表面硬化処理法に関する。

【０００２】

【従来の技術】鋳物粗材は、再溶融し、冷却することに
より、チル組織と呼ばれる高硬度（Ｈｖ６００〜８００
程度）の組織が形成される。このような再溶融処理法を
利用して、例えば自動車用エンジンのカムシャフトに設
けられるカム部材のカム表面（周表面）には高密度のア
ーク、レーザ、電子ビーム等の熱ビーム照射によるチル
層を形成するようにしている。

【０００３】上記チル層は、熱ビームをカム表面に均等
に照射して、深さ方向に均一に形成する必要がある。従
来、チル層の形成法として、例えば特公平２−２０６９
４号公報には、図６に示すように、トーチ１をプラス電
極、カム部材２をマイナス電極とするＴＩＧアーク放電
を利用し、図７に示すように、カム部材２のカム表面３
に対し所定の入射角及び接近距離でアークを発するトー
チ１をカム部材２のカム表面３の周方向φＡに相対移動
しかつ回転軸φと平行な方向に相対往復移動することに
よりカム表面３を再溶融し、この再溶融部分が自己冷却
することによりチル組織部５（図１０）とする表面硬化
処理法が記載されている。

【０００４】上記公報の場合、トーチ１とカム表面３と
の周方向Ａの相対移動は、図６に示すカムシャフト４
（回転軸）を中心とする回転運動と、カムシャフト４の
軸直角面内でのトーチ１の２軸位置制御（カムシャフト
４に垂直かつ水平な方向とカムシャフト４と垂直でかつ
鉛直な方向との移動運動）とによって行われる。この周
方向Ａの相対移動と、回転軸φと平行な方向の相対往復
移動とによって、アークは、図７に示すような三角波状
あるいは正弦波状に蛇行する軌跡を描く。この蛇行する
軌跡のストローク相当分幅域のカム表面３にチル組織部
５が形成される。

【０００５】また、上記公報の場合、カム表面３は、カ
ムシャフト４の軸直角面内でのトーチ１の２軸位置制御
によって、アークの放電中心（溶融ランド）における接
線方向が水平線より所定角度だけカムシャフト４の回転
方向と反対方向に水平線より下側に形成されることにな
り、これによりアークの放電による溶融プール６（図
９）内の溶湯は、その重力による垂れが小さくされてい
る。

【０００６】チル組織部５が形成される過程は、トーチ
１の相対往復移動によって図８に示すように幅方向に長
径をもつ楕円状の溶融部７（複数の溶融プール６群から
なる池）を形成する溶融と、この溶融部７と非溶融部８
との温度差によって溶融部７が自己冷却する冷却とから
なる。溶融と冷却は極短時間で行われ、溶融部７が冷却
すると、図８に示すようにアークの進行方向に鱗状に連
続したビード９からなる高硬度チル組織となる。ビード
９の表面を黒皮という。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、溶融プール
６の形状は、図９に示す幅方向の断面図に示すように、
入力熱量の大きいアーク中心の放電部がへこみ、入熱量
の小さい幅方向両端（外縁）が電磁力等で盛り上がった
すり鉢状となる。溶融プール６の形状が、外縁に盛上が
り部１０をもち、中央に凹み１１をもつものであるた
め、蛇行軌跡の両端位置では、中央位置より入熱量が少
なくなり、盛上がり部１０の溶湯が非溶融部８との体積
差に比例した温度差（熱容量差）によって中央位置の溶
湯より早く冷却される。これにより、相対往復移動によ
って形成される溶融部７の断面形状は、図１０に示すよ
うに、カム表面３の幅方向両端部分が盛上がり、中央部
分が深い凹み１２をもつとともに、側部の傾斜が比較的
緩やかな凹状になり、冷却後は同形状のチル組織部５が
形成されてしまう。

【０００８】このようなチル組織部５では、後の研削工
程で図１０に示すようにカム表面２を研削すると、カム
表面３の中央部分での凹み１２がなくなるように（黒皮
残りがなくなるように）研削取代Ｌを設定するため、図
１１に示すように、カム表面３の両端部分で所定の厚み
が得られなかったり、幅の狭いチル層１３が形成されて
しまう。また、場合によっては、所定の厚みｔが不足し
たチル層１３が形成されてしまう。

【０００９】上記チル組織部５の中央の凹み１２は、特
開平９−７８１４０号公報に記載されているように、単
位面積当りの入熱量を一定としたり、特公昭５９−３５
２５号公報に記載されているように、蛇行端部の間隔を
等間隔にしたり、あるいは入熱量を制御（特開昭６１−
２２７１２４号）したりしても解決される問題ではな
い。

【００１０】本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みな
されたもので、カム表面の幅方向に均一な厚みと幅を確
保したチル層を形成できる表面硬化処理法を提供するこ
とを解決すべき課題とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決すべく本
発明の発明者等は種々検討を重ね、入熱量を工作物周表
面の幅方向に均一にすることにより、蛇行軌跡の両端位
置に盛上がる溶湯が内側に戻ると考え、本発明を完成す
るに至った。すなわち、本発明は、回転軸をもつ工作物
の周表面に対し所定の入射角及び接近距離で熱ビームを
発するトーチを該周表面の周方向に相対移動しかつ回転
軸方向と平行な方向に相対往復移動することにより該周
表面をその幅方向に蛇行して再溶融し、自己冷却後の再
溶融部分をチル組織とする表面硬化処理法において、該
トーチが相対往復移動の端位置に相対移動したとき回転
軸と平行な方向の相対往復移動を定時間停止する保持時
間を設定したことを特徴とする。

【００１２】

【作用】本発明の表面硬化処理法は、工作物周表面に対
するトーチの相対往復移動を定時間停止する保持時間を
設定する。これにより、トーチの発する熱ビームの移動
軌跡は、往復移動の両端位置において工作物周表面の周
方向に若干の距離だけ進行する。従って、工作物周表面
の端位置には、保持時間内の入熱が行われ、入熱によっ
て形成される溶融プールの外縁側に盛上がる溶湯は、非
溶融部との温度差条件を中央位置の溶湯と同じにするこ
とができる。このため、保持時間経過後、トーチが相対
往復移動を開始しても、外縁側に盛上がった溶湯は直ぐ
には冷却されず表面張力等で中央側に戻り、工作物周表
面の端位置に盛上がったり中央位置に凹みを殆どもたな
いチル組織部を形成することができる。

【００１３】また、工作物周表面の端位置でのチル組織
部は、中央位置と変らない入熱が行われるため、十分な
深さで形成され、後の研削による幅の減少を回避でき
る。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明の表面硬化処理法において
は、工作物を回転軸を中心に一方向に回転させ、工作物
周表面を処理する際には、熱ビームの溶融ランドにおけ
る工作物周表面の接線方向と水平線との角度を工作物の
回転方向と反対方向に水平線より下側に形成するよう
に、トーチを回転軸と垂直でかつ水平なＹ軸方向と、回
転軸と垂直でかつ鉛直なＺ軸方向との２軸方向で位置制
御して、溶融プールの重力による垂れを小さくして行う
ことが好ましい。

【００１５】本発明の表面硬化処理法を採用する工作物
としては、自動車用エンジン等に組込まれるカムシャフ
トを対象とすることができる。工作物表面を溶融する手
段は、ＴＩＧアーク、レーザー、電子ビーム等の高密度
エネルギの熱ビームを発するトーチを使用することがで
きる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明を実施例によって更に詳細に説
明する。本発明の表面硬化処理法に使用する表面硬化装
置は、図２に概念的に示すように、カムシャフト４を直
交３軸ロボット２０に回転自在に支持し、該直交３軸ロ
ボット２０を制御する制御ユニット３０で同時に高密度
エネルギー源たるＴＩＧアーク電源３１を指令するよう
にした構成を採る。そして、高密度エネルギー源のＴＩ
Ｇトーチ１（以下、トーチと略す）は、直交３軸ロボッ
ト２０に保持されている。ＴＩＧアーク電源３１は、ト
ーチ１にオペーレータが指定した一定のアーク電流を通
電させるものである。

【００１７】直交３軸ロボット２０は、トーチ１を保持
したＺ軸スライダ２１ａ及び該Ｚ軸スライダ２１ａを駆
動するモータＭＺを有してトーチ１をＺ軸方向に位置制
御するＺ軸移動機構２１と、該Ｚ軸移動機構２１と連設
したＹ軸スライダ２２ａ及び該Ｙ軸スライダ２２ａを駆
動するモータＭＹを有してトーチ１をＹ軸方向に位置制
御するＹ軸移動機構２２と、該Ｙ軸移動機構２２と連設
したＸ軸スライダ２３ａ及び該Ｘ軸スライダ２３ａを駆
動するモータＭＸを有してトーチ１を蛇行運動のためＸ
軸方向に往復移動させるＸ軸移動機構２３とを主に構成
される。 カムシャフト４はモータＭＴを有する回転機
構２４によって回転軸φを中心に駆動され、該回転軸φ
はＸ軸と平行に設定されている。また、Ｘ軸とＹ軸との
なす平面は水平で、Ｚ軸は鉛直となっている。

【００１８】制御ユニット３０は、上記モータＭＸの制
御（オシレーティング制御）、モータＭＹの制御及びモ
ータＭＺの制御及びモータＭＴの制御を行うコントロー
ラ３３と、該コントローラ３３と協動してＴＩＧアーク
電源３１を制御するシーケンサ３４とから構成される。
コントローラ３３は、上記各モータＭＸ，ＭＹ，ＭＺ及
びＭＴの制御プログラム、トーチ１のティーチングプロ
グラムを格納しており、オペレータの操作によってこれ
ら各プログラムに基づく駆動信号を各モータＭＸ，Ｍ
Ｙ，ＭＺ及びＭＴに発する。

【００１９】本実施例の表面硬化処理法は、上記構成を
用いてカムシャフト４に固着された工作物としてのカム
部材２のカム表面３に１．０〜１．５mm程度のチル層３
５（図５）を形成する。カム表面３は、図３に示すよう
に、基礎円部（Ｂ→Ａ間）とノーズ部（Ａ→Ｂ間）から
なり、ここでは特に基礎円部一部（Ｅ→Ａ及びＢ→Ｆ
間）とノーズ部に表面硬化処理を行う。ノーズ部は、更
に直線形状部Ａ→Ｃ及びＤ→Ｂ間と小径の偏心円部Ｃ→
Ｄ間に分けられる。

【００２０】トーチ１は、図３に示すように鉛直に設置
する。また、トーチ１は、カム表面３がアークの放電中
心（溶融ランド）における接線方向Ｐが水平線より所定
角度だけカムシャフト４の回転方向と反対方向に水平線
より下側に形成されるように、カムシャフト４の軸直角
面内での２軸位置制御を受ける。すなわち、トーチ１
は、鉛直な状態でカムシャフト４に垂直かつ水平なＹ軸
方向とカムシャフト４と垂直でかつ鉛直なＺ軸方向とに
移動制御される。従って、トーチ１は、図３に示すよう
に、カム表面３の接線方向Ｐに対して垂直方向より１５
゜回転方向前方に先端側を中心に傾倒された状態とな
る。これにより、アークは、カム表面３に対し所定の入
射角をもった状態に維持される。

【００２１】アーク長を決めるカム表面３とトーチ１と
の距離は、マスターカムを用いたティーチング工程でト
ーチ１の２軸位置制御とカムシャフト４の回転との関係
を修正することにより、一定距離に制御する。表面処理
処理の開始でトーチ１をカム部材２の回転軸φの鉛直線
上に設定する。このときのトーチ１の対応ポイントは基
礎円部上のＥ点であり、Ｅ点は、回転軸φとノーズ頂点
とを結ぶ線に対して±９０゜以上が好ましい。この状態
でトーチ１とカム表面３との間にＴＩＧアークを発生さ
せ、かつ回転軸φと平行なＸ軸方向に所定の振幅で往復
移動を開始する。アーク発生後、数秒間はカムシャフト
４を回転させずにおき、それからカムシャフト４を例え
ば３００゜／minの回転速度にて回転させる。カムシャ
フト４を回転させずにいる期間は、予熱期間である。
なお、カムシャフト４を通電等により予熱しておく場合
は、直ちにカムシャフト４を回転してもよい。アーク電
流は、ＴＩＧパルスアークで、ベース電流を１１５Ａ、
ピーク電流を１２５Ａとした。この状態で、アーク溶融
ランドでのカム表面の接線方向は、水平線とほぼ一致し
ており、重力による溶湯の垂れを生じることなく、ノー
ズ部を経由したＦ点まで処理する。

【００２２】ただし、Ａ→Ｃ間とＤ→Ｂ間では、カムシ
ャフト４の回転を止める。これらの区間では、トーチ１
は、ＹＺ平面（軸直角面）をＹ軸方向に（水平に）移動
する。勿論、後述するように、トーチ１は、Ｘ軸方向の
往復移動を行うので、ＸＹ平面内を蛇行する。また、Ａ
→Ｃ間とＤ→Ｂ間ではＹ軸方向の移動が逆になる。Ｅ→
Ａ間及びＤ→Ｂ間では、トーチ１は、基礎円部の円弧と
相似の円弧運動となるようにＹＺ平面内を位置制御され
る。更にＣ→Ｄ間を処理するときは、ノーズ部の立上が
りと立ち下がりに応じた円弧運動とＣ→Ｄ間の円弧と相
似の円弧運動との合成運動となるようにＹＺ平面内を位
置制御される。

【００２３】ところで、本実施例の表面硬化処理法にお
いては、図１に示すように、回転軸φと平行なＸ軸方向
にトーチ１を振る往復移動を、その両端位置において定
時間だけ停止し、溶融プール６（図９）を形成する蛇行
軌跡の頂点位置に周方向φＡに沿った直線部３６を持た
せものである。蛇行軌跡の頂点位置に直線部３６を持た
せるためのトーチ１の制御は、Ｅ→Ａ、Ｃ→Ｄ及びＢ→
Ｆ間においては、カムシャフト４を回転させた状態でＸ
軸方向往復移動の端位置で所定の保持時間Ｔだけモータ
Ｍｘの回転を停止すればよい。また、Ａ→Ｃ及びＤ→Ｂ
間は、カムシャフト４の回転を止めるので、トーチ１は
ＸＹ平面内を蛇行し、その蛇行の頂点位置で保持時間
Ｔ′だけＹ軸方向のみ移動する位置制御を行えばよい。
ＴとＴ′は、カムシャフト４の回転によるカム表面３の
周速度がトーチ１のＹ軸方向の移動速度と等しい場合は
同じになる。

【００２４】本実施例に表面硬化処理法では、蛇行軌跡
の頂点位置に周方向φＡに沿った直線部３６をもつこと
により、カム表面３の両端位置に入熱が多量に行われ、
両端位置に形成される溶融プールの深さを、中央位置に
できる溶融プールの深さと同じにできる。これによって
形成されるチル組織部３７は、図４に示すように、黒皮
面の凹凸が少なく、かつ両端位置での深さが十分な凹状
に形成される。

【００２５】すなわち、カム表面３の両端位置での溶融
プールの外縁に盛上がる溶湯は、非溶融部との温度差条
件が中央位置の溶湯とほとんど同じになるため、冷却が
遅れ、カム表面中央位置に表面張力等で戻ることがで
き、比較的平坦な黒皮面を形成することになる。図４に
示すようにチル組織部３７は、所定の深層まで確実に処
理されているため、同図に示すように、研削工程で一定
の研削取代Ｌをとっても、図５に示すように、幅ｄ及び
深さｔが幅方向に十分に確保されたチル層３８を形成す
ることができる。

【００２６】また、チル組織部３７の黒皮表面の凹凸振
幅を小さくできるので、研削取代Ｌを従来より小さくで
き、加工時間が低減できる。なお、上記実施例におい
て、図１に示す直線部３６を処理するとき、トーチ１の
先端を外側へ向ける制御を行うと、チル組織部３７の側
部の傾斜を一層急にでき、幅ｔの信頼性が高められる。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の表面硬化
処理法によれば、工作物周表面を処理するアークの移動
軌跡が両端位置において周方向に沿った直線部をもつた
め、幅方向の入熱量を均一にでき、カム表面の幅方向に
均一な深さと幅を確保したチル層を形成することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の表面硬化処理法を示す概念図であ
る。

【図２】 本発明の一実施例に使用する表面硬化装置の
全容を示す説明図である。

【図３】 上記実施例のトーチの移動と工作物の回転動
作の関係を示す説明図である。

【図４】 本発明によって形成されるチル組織部を示す
断面図である。

【図５】 本発明によって形成されるチル層を示す断面
図である。

【図６】 表面硬化処理法を説明する概略図である。

【図７】 従来の表面硬化処理法によるアーク蛇行軌跡
を示す説明図である。

【図８】 表面硬化処理法により形成される工作物周表
面のビード形状を示す展開図である。

【図９】 トーチによって形成される溶融プールの断面
図である。

【図１０】 従来の蛇行軌跡によって形成されるチル組
織部を示す断面図である。

【図１１】 従来の蛇行軌跡によって形成されるチル層
を示す断面図である。

【符号の説明】

１…トーチ、２…カム部材（工作物）、３…工作物周表
面、３７…チル組織部、３８…チル層、φ…回転軸。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転軸をもつ工作物の周表面に対し所定
   の入射角及び接近距離で熱ビームを発するトーチを該周
   表面の周方向に相対移動しかつ回転軸方向と平行な方向
   に相対往復移動することにより該周表面をその幅方向に
   蛇行して再溶融し、自己冷却後の再溶融部分をチル組織
   部とする表面硬化処理法において、前記トーチが相対往
   復移動の端位置に相対移動したとき回転軸と平行な方向
   の相対往復移動を定時間停止する保持時間を設定したこ
   とを特徴とする表面硬化処理法。