JP2007092098A

JP2007092098A - レーザ焼入方法およびレーザ焼入装置

Info

Publication number: JP2007092098A
Application number: JP2005279809A
Authority: JP
Inventors: Shinji Nishino; 眞司西野
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2005-09-27
Filing date: 2005-09-27
Publication date: 2007-04-12

Abstract

【課題】円筒内面に対する焼き入れ量を最小限に抑え、焼き入れ時の円筒部材の歪みを無駄に発生させないようにする。
【解決手段】集光ヘッド９をシリンダボア内に挿入しつつ回転させながら、シリンダボア内面１１ａにレーザ光３を照射して焼き入れを行う。この際、シリンダボア内面１１ａにおいて、ピストンによって受ける摺動抵抗が、下部のクランクケース側の領域Ｄに比較して大きいシリンダヘッド側の上部の領域Ｕの焼き入れ密度を高くする。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ加工ヘッドを円筒部材内に挿入しつつ相対回転させながら、円筒内面にレーザ光を照射して焼き入れを行うレーザ焼入方法およびレーザ焼入装置する。

円筒内面として例えばエンジンのシリンダボア内面に対し、耐摩耗性を向上させるために、レーザ光を用いて焼き入れを行う場合がある（下記特許文献１，２）。
特開平８−１５７９６７号公報特開昭６３−２７７７１９号公報

ところで、上記したように焼き入れを行う円筒内面が、エンジンのシリンダボアの場合には、シリンダヘッド側（上死点側）がクランクケース側（下死点側）に比較してピストンによって受ける摺動抵抗が大きく、このため焼き入れをより充分に行う必要のあるシリンダヘッド側に合わせてクランクケース側も同様の焼き入れ量にて焼き入れを行うと、クランクケース側については無駄なエネルギを使用することになり、焼き入れ時の歪みを無駄に発生させることになってその後の仕上げ加工が煩雑なものとなる。

このように、現状のシリンダボア内面は、上死点から下死点まで同一品質で、上死点のみ高温耐摩耗性をもたせていないため、結果として下死点に比較して上死点が摩耗しやすいものとなる。

そこで、本発明は、円筒内面に対する焼き入れ量を最小限に抑え、焼き入れ時の円筒部材の歪みを無駄に発生させないようにすることを目的としている。

本発明は、レーザ加工ヘッドを円筒部材内に挿入しつつ相対回転させながら、前記円筒部材の円筒内面にレーザ光を照射して焼き入れを行うレーザ焼入方法において、前記円筒部材を製品として使用する際の前記円筒内面の摺動抵抗に応じて焼き入れ密度を変化させることを最も主要な特徴とする。

本発明によれば、円筒部材を製品として使用する際の円筒内面の摺動抵抗に応じて焼き入れ密度を変化させるようにしたので、摺動抵抗が小さい部位への焼き入れ時の無駄なエネルギ使用を抑えることができ、その結果円筒部材に対する焼き入れ量を最小限に抑えることができ、焼き入れ時の円筒部材の歪みを無駄に発生させないようにすることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態を示すレーザ焼入装置の全体構成図である。このレーザ焼入装置１は、レーザ光３を発振するレーザ発振器５と、レーザ発振器５から発振したレーザ光３を集光する集光レンズ７を有するレーザ加工ヘッドとしての集光ヘッド９と、集光ヘッド９を円筒部材としてのシリンダブロック１１の円筒内面となるシリンダボア内面１１ａに対して相対的に移動および回転させる移動機構１３とをそれぞれ備えている。

上記したレーザ焼入装置１のレーザ発振器５は、シリンダボア内面１１ａに対し、波長９４０ｎｍ〜９６０ｎｍ、平均出力２．５ｋＷの連続波を、加工速度２．５ｍ／ｍｉｎで照射する。このようなレーザ光３をレーザ発振器５から発振させ、第１の反射ミラー１５で反射させて集光ヘッド９内へと導く。

集光ヘッド９は、シリンダブロック１１のシリンダボア径よりも小さな直径を有してほぼ円筒体であり、内部には前記した集光レズ７と、集光レンズ７で集光したレーザ光３をシリンダボア内面１１ａに向けて反射させる第２の反射ミラー１７と、第２の反射ミラー１７で反射したレーザ光３を透過させる保護ガラス１９をそれぞれ備えている。第２の反射ミラー１７は、集光ヘッド９の底部上に設けた支持台２１上に固定してある。

上記した集光ヘッド９は、前記した移動機構１３に支持されており、この移動機構１３は、制御装置２３に接続し、制御装置２３の制御指令に基づいて、移動機構１３の図示しないアクチュエータが駆動することで、集光ヘッド９をＸ−Ｙ−Ｚの直交３軸方向に移動させるとともに、Ｚ軸（図１中で上下方向の軸）を中心として回転させる。

また、保護ガラス１９の図１中で上部側の集光ヘッド９の外周部には、シールドガス導入通路２５を設け、シールドガス導入通路２５の上端は、図示しないシールドガス供給装置に接続する。シールドガス供給装置からシールドガス導入通路２５に供給したシールドガスは、下端の流出口２５ａから流出し、レーザ加工時に加工点から発生するヒュームなどの飛散物の保護ガラス１９への付着を防止する。

上記した構成のレーザ焼入装置において、レーザ発振器５から発振したレーザ光３は、第１の反射ミラー１５で反射した後、集光ヘッド９内に侵入し、集光レンズ７を経てアイ２の反射ミラー１７で反射し、水平方向前方に進行する。水平方向前方に進行したレーザ光３は、保護ガラス１９を透過した後、外部へ放射される。この際、集光ヘッド９をシリンダボア内に挿入しつつ、前記したＺ軸を中心として回転させる。

上記のようにして保護ガラス１９を透過して外部へ進行するレーザ光３を、シリンダブロック１１のシリンダボア内面１１ａに照射し、焼き入れを行うことでシリンダボア内面１１ａに、図２（ａ）に示すような焼き入れ部２７を形成する。この焼き入れ部２７は、集光ヘッド９が回転しつつシリンダヘッドボアの軸方向（図１中で下方向）に移動することから、螺旋状の軌跡となる。

ここで、エンジンのシリンダボアの場合には、図２（ａ）中で上部のシリンダヘッド側の上部の領域Ｕが、同下部のクランクケース側の領域Ｄに比較して、図２（ｂ）に示すように、ピストンによって受ける摺動抵抗が大きい。

特に、現状のエンジンは、一般的にはピストンの往復運動なので、シリンダヘッド側の上死点では原理的にはピストン速度が０（ゼロ）であり、一方ピストンリング，シリンダボア間にある油膜は、ピストン速度に依存し、速度が速いと厚く、遅いと薄くなり、このため速度０となる上死点部では油膜が薄くなり、金属接触しやすくなって焼き付きやすくなる。

また、下死点も、速度的に言えば上死点と同様であるが、下死点側は、オイルに漬かっているクランクシャフトに近いこともあり、油膜が薄くなりにくい。

さらに、上死点は、燃焼室に近いため、温度が高く、環境的にも高温耐磨耗性が要求される。

このようなことから、本実施形態では、上部の領域Ｕにおける焼き入れ部２７の螺旋軌跡の傾斜を緩やかにする一方、下部の領域Ｄの同螺旋傾斜を急峻とするように、領域Ｕと領域Ｄとで分けて焼き入れを行う。

そして、ここでは、集光ヘッド９の図１中で下方へ向かうストローク方向（軸方向）の移動を、各領域Ｕ，Ｄで、それぞれ例えば４回繰り返すことで、上記した焼き入れ部２７の螺旋軌跡を各領域Ｕ，Ｄでそれぞれ４本並列に形成する。この各４本の螺旋軌跡の焼き入れ開始部における相互の間隔を、各領域Ｕ，Ｄで同等としても、螺旋に直角な方向の螺旋軌跡相互の間隔については、螺旋傾斜が緩やかな上部の領域Ｕの間隔Ｗｕが、螺旋傾斜が急峻が下部の領域Ｄの間隔Ｗｄに比べて狭くなる。この結果、摺動抵抗の大きい上部の領域Ｕにおける焼き入れ密度が下部の領域Ｄの焼き入れ密度より高くなる。

このように、シリンダボア内面１１ａに対し、その各部位の摺動抵抗に応じた焼き入れ密度（焼き入れ量）で焼き入れを行うことで、無駄なエネルギを使用することなくシリンダボア内面１１ａに対する焼き入れ量を最小限に抑えるので、焼き入れ時のシリンダボアの歪みを無駄に発生させないようにすることが可能となり、レーザ焼入後のシリンダボア内面１１ａに対する、例えば仕上げ加工砥石の負担を軽減できるなど、その後の仕上げ加工（歪み取り作業）が容易となる。

ここで、シリンダボアにおける上部の領域Ｕと下部の領域Ｄとにおける、集光ヘッド９の回転速度は互い同一で、軸方向のストローク速度は、下部の領域Ｄを上部の領域Ｕより速くするものとする。これによって、下部の領域Ｄにおける焼き入れ部２７の螺旋軌跡の傾斜を、上部の領域Ｕの同螺旋軌跡の傾斜に比べて急峻とすることができる。

レーザ出力については、上記したように集光ヘッド９の軸方向のストローク速度が上部の領域Ｕに対して下部の領域Ｄが速いことから、同等の出力とした場合には下部の領域Ｄの焼き入れ深さが上部の領域Ｕより浅くなるので、下部の領域Ｄで出力を高くすることで焼き入れ深さを各領域Ｕ，Ｄ相互で同等とする。

また、焼き入れ部２７を複数の螺旋状の軌跡とすることで、焼き入れ部２７の焼入れ密度を同等とした場合に、集光ヘッド９の軸方向の移動速度を、１本の螺旋状の軌跡とする場合に比較して速くすることができる。この結果、焼き入れによるシリンダボアに対する蓄熱量が低減し、シリンダボアの熱歪みを低減することができ、レーザ焼入後のシリンダボア内面１１ａに対する仕上げ加工が容易となる。

図３は、本発明の第２の実施形態による焼き入れ部２９の螺旋軌跡を示す。この実施形態は、集光ヘッド９の回転速度を一定として、摺動抵抗の大きい上部の領域Ｕから、摺動抵抗が順に小さくなる中部の領域Ｄ１，下部の領域Ｄ２に順次対応して、集光ヘッド９の軸方向の移動速度を徐々に速くしている。

この場合には、螺旋軌跡を展開して示す図４のように、上部の領域Ｕから、中部，下部の領域Ｄ１，Ｄ２にかけて、４本の螺旋軌跡相互の間隔が徐々に広くなり、これに伴い焼き入れ密度についても、摺動抵抗の大きい上部の領域Ｕから中部，下部の領域Ｄ１，Ｄ２にかけて徐々に低くすることができる。

このように、第２の実施形態においては、シリンダボア内面１１ａに対し、その各部位の摺動抵抗に応じた焼き入れ密度（焼き入れ量）を連続的に変化させつつ焼き入れを行うことで、無駄なエネルギを使用することなくシリンダボア内面１１ａに対する焼き入れ量を最小限に抑えるので、焼き入れ時のシリンダボアの歪みを無駄に発生させないようにすることが可能となり、レーザ焼入後のシリンダボア内面１１ａに対する、例えば仕上げ加工砥石の負担を軽減できるなど、その後の仕上げ加工（歪み取り作業）がより容易なものとなる。

図５は、本発明の第３の実施形態による焼き入れ部３１の螺旋軌跡を示す。この実施形態は、集光ヘッド９から照射するレーザ光３をパルス状とすることで、焼き入れ部３１の螺旋軌跡を断続的として螺旋軌跡に沿って焼き入れを行わない非焼き入れ部３３を形成し、この非焼き入れ部３３の螺旋軌跡の延長方向の長さについて、摺動抵抗が下部の領域Ｄに比較して大きい上部の領域Ｕを、下部の領域Ｄに対して長くなるようにしている。これにより、第１の実施形態と同様に、摺動抵抗の大きい上部の領域Ｕにおける焼き入れ密度が下部の領域Ｄの焼き入れ密度より高くなる。

したがって、第３の実施形態においても、シリンダボア内面１１ａに対し、その各部位の摺動抵抗に応じた焼き入れ密度（焼き入れ量）で焼き入れを行うことで、無駄なエネルギを使用することなくシリンダボア内面１１ａに対する焼き入れ量を最小限に抑えるので、焼き入れ時のシリンダボアの歪みを無駄に発生させないようにすることが可能となり、レーザ焼入後のシリンダボア内面１１ａに対する、例えば仕上げ加工砥石の負担を軽減できるなど、その後の仕上げ加工（歪み取り作業）が容易となる。

図６は、第４の実施形態として、前記図１の集光ヘッド９における反射ミラー１７に代えて、四角錐形状を呈する折り返し多面ミラー３５を使用している。折り返し多面ミラー３５は、図６（ａ）のＡ−Ａ断面図である図６（ｂ）に示すように、集光レンズ７を通過したレーザ光３を周囲四方に分割して反射させるよう反射面３５ａを四つ備えており、集光ヘッド９の底部上に設けた支持台３７上に固定してある。

また、保護ガラス３９は、折り返し多面ミラー３５の四つの反射面３５ａで反射したそれぞれのレーザ光３を透過させる位置に４枚配置してあり、シールドガス導入通路２５も４枚の保護ガラス３９に対応して、集光ヘッド９の外周部の４箇所に設けている。

上記図６に示した集光ヘッド９を使用した場合には、レーザ光３を折り返し多面ミラー３５の四つの反射面３５ａで分割して四方に向けて反射させているので、集光ヘッド９が回転しつつ軸方向に移動することで、焼き入れ部における螺旋軌跡を４本同時に形成することができ、図１の集光ヘッド９を使用する場合に比較して作業時間の短縮を図ることができる。

図７は、第５の実施形態として、上記図６に示した集光ヘッド９における保護ガラス３７に代えて、保護部材としての保護ガラス４１を使用している。この保護ガラス４１は、シリンダボア内面１１ａに対向する表面を凹曲面４１ａとしている。

これにより、シリンダボア内面１１ａに照射したレーザ光３の反射光の一部が、凹曲面４１ａで反射して再度シリンダボア内面１１ａの焼き入れ部に戻り、高効率の焼き入れ作業を行うことが可能となり、焼き入れ時でのヒュームなどの異物発生を抑え、保護ガラス４１への異物付着によるダメージを軽減することができる。

本発明の第１の実施形態を示すレーザ焼入装置の全体構成図である。（ａ）は図１のレーザ焼入装置によりシリンダボア内面に焼き入れした状態を示す断面図、（ｂ）はシリンダボア内面のストローク方向位置と摺動抵抗との相関図である。（ａ）は第２の実施形態によるシリンダボア内面に焼き入れした状態を示す断面図、（ｂ）はシリンダボア内面のストローク方向位置と摺動抵抗との相関図である。第２の実施形態による焼き入れ部の螺旋軌跡を展開して示す説明図である。本発明の第３の実施形態によるシリンダボア内面に焼き入れした状態を示す断面図である。本発明の第４の実施形態に係わるもので、（ａ）は集光ヘッドに折り返し多面ミラーを使用した要部の断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。本発明の第５の実施形態に係わるもので、（ａ）は保護ガラスのシリンダボア内面に対向する表面を凹曲面とした要部の正面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。

符号の説明

３レーザ光
９集光ヘッド（レーザ加工ヘッド）
１１シリンダブロック（円筒部材）
１１ａシリンダボア内面（円筒内面）
２７，２９，３１焼き入れ部
３３非焼き入れ部
４１表面が凹曲面の保護ガラス（保護部材）
４１ａ保護ガラスの凹曲面

Claims

レーザ加工ヘッドを円筒部材内に挿入しつつ相対回転させながら、前記円筒部材の円筒内面にレーザ光を照射して焼き入れを行うレーザ焼入方法において、前記円筒部材を製品として使用する際の前記円筒内面の摺動抵抗に応じて焼き入れ密度を変化させることを特徴とするレーザ焼入方法。
前記摺動抵抗が前記他の部位に比較して大きい部位は、前記他の部位に比較して焼き入れ密度を高くすることを特徴とする請求項１に記載のレーザ焼入方法。
前記レーザ加工ヘッドを前記円筒部材内に挿入しつつ相対回転させながら、前記円筒内面にレーザ光を照射して螺旋状の焼き入れ部を形成し、この焼き入れ部の螺旋軌跡を互いに並行するよう複数本形成したことを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ焼入方法。
前記レーザ加工ヘッドを前記円筒部材内に挿入しつつ相対回転させながら、前記円筒内面にレーザ光を照射して螺旋状の焼き入れ部を形成し、この焼き入れ部の螺旋軌跡の傾斜角度を、前記円筒内面の軸方向に沿って連続的に変化させたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のレーザ焼入方法。
前記焼き入れ部の螺旋軌跡を断続的として螺旋軌跡に沿って非焼き入れ部を形成し、この非焼き入れ部の螺旋軌跡の延長方向の長さについて、前記摺動抵抗が他の部位に比較して大きい部位が、前記他の部位に比較して短くなるようにしたことを特徴とする請求項３または４に記載のレーザ焼入方法。
レーザ加工ヘッドを円筒部材内に挿入しつつ相対回転させながら、前記円筒部材の円筒内面にレーザ光を照射して焼き入れを行うレーザ焼入装置において、前記円筒部材を製品として使用する際の前記円筒内面の摺動抵抗に応じて焼き入れ密度を変化させることを特徴とするレーザ焼入装置。
前記レーザ加工ヘッドは、レーザ光を照射する前記円筒内面との間に、レーザ光を透過する保護部材を備え、この保護部材の前記円筒内面に対向する表面を凹曲面としたことを特徴とする請求項６に記載のレーザ焼入装置。