JP2017185546A - 金属部品の面を機械加工する方法および金属部品 - Google Patents

Abstract

【課題】 金属部品の面を機械加工する方法および金属部品を提供する。【解決手段】 本発明は、金属部品（１０）、特に、自動車用の連結ロッドまたはカムの面（１４）を機械加工する方法に関し、この方法は、以下のステップ、すなわち、機械加工対象面（１４）を有する金属部品（１０）を用意するステップと、機械加工対象面（１４）を予備機械加工するステップと、予備機械加工面（１４）上のレーザ構造物として、予備機械加工面の基準面に対して、隆起部は形成されるが、凹部は形成されないように、レーザビーム（１６）を用いて予備機械加工面（１４）を構造化するステップとを含む。【選択図】 図２

Description

本発明は、金属部品、特に、自動車用の連結ロッドまたはカムの面を機械加工する方法に関し、この方法は、以下のステップ、すなわち、機械加工対象面を有する金属部品を用意するステップと、機械加工対象面を予備機械加工するステップと、レーザビームを用いて予備機械加工面を構造化するステップとを含む。さらに、本発明は、金属部品、特に、自動車用の連結ロッドまたはカムに関する。

連結ロッドの面に構造を組み込むことに対応する方法は、（特許文献１）および（特許文献２）から公知である。これらの文献では、それぞれの予備機械加工された面は、予備機械加工面上のレーザ構造物として、予備機械加工面の基準面（レベル）に対して、隆起部および凹部（くぼみ）が形成されるように、レーザビームを用いて、レーザによる構造化がなされる。そのようなレーザによる構造化は、部品の有効寿命にとって不利であることが分かっている。

（特許文献３）は、シャフトに取付穴がある部品を圧入する方法を開示している。ドーム状の突起を形成するために、部品の取付穴の内面および／またはシャフトの横面を部分的に溶融させる。突起は冷却後に固まる。突起の形成時に凹部も形成される。

高度の応力を機械的に受ける部品をチタンで製造することが増えているのは、自動車駆動技術において公知であり、その理由は、チタンが高い強度を有し、それと同時に、例えば、鋼などよりも軽量であるからである。しかし、チタンの材料硬度に起因して、そのようなチタン製部品の面は、対応する面特性を得るために労力をかけて機械加工する必要があり、その面は、摩擦または摩耗を最小限にするために機械的に平滑にされるか、または対応する摩擦係数を得るために粗面化される。

独国特許出願公告第１０３ ２５ ９１０ Ｂ４号明細書 欧州特許第１ ４１０ １７７ Ｂ１号明細書 欧州特許出願公開第２ ３３６ ５８６ Ａ１号明細書

本発明の目的は、一方で、労力をほとんどかけることなく、部品、特にチタン製部品の面を構造化でき、他方で、部品の有効寿命が縮まるリスクのない方法を提供することである。さらに、そのような部品を提供することを目的とする。

この目的は、レーザ構造物として、予備機械加工面の基準面（レベル）に対して、隆起部は形成されるが、凹部（くぼみ）は形成されないように、予備機械加工面がレーザビームを用いて構造化されるという点で、冒頭に記載した方法で達成される。

レーザ構造物として、予備機械加工面の基準面に対して、隆起部は形成されるが、凹部は形成されないように、機械加工対象面が、レーザビームを用いて、本発明に従って構造化されることで、時間をほとんどかけることなく非接触で、正確には部品の有効寿命が縮まるリスクなしに、面に、特に、チタン面にも特定の粗さを形成することができる。

隆起部により、静止摩擦を大きくする特定の粗さが確立される。静止摩擦を大きくする場合に、機能上関係がなく、部品の有効寿命を縮めることがある凹部は、本発明に従ってなくすようにされる。

機械加工対象面は、金属部品の開孔（開口部）の内面であるのが好ましく、レーザビームは、内面の周方向に直角な方向に案内される。したがって、ほとんど労力をかけずにアクセスしづらい内面を構造化することができ、周方向に直角な方向にレーザビームを案内することで、機械加工対象面の摩擦値を周方向に大幅に大きくすることが可能である。

好ましい実施形態では、レーザビームは、パルスの態様で、機械加工対象面上を少なくとも１つの機械加工トラックに沿って案内される。その結果、面の局所溶融が可能であり、それにより、金属部品の面の特に効果的な構造化を達成することができる。

金属部品は、好ましくはチタン製部品、特に、チタン製連結ロッドであり、その予備機械加工チタン面は、平均ビーム出力８±０．５ワットの、好ましくはパルス状レーザビームで、レーザによる構造化がなされる。

あるいは、金属部品は、鋼製部品、特に鋼製連結ロッドであり、その予備機械加工鋼面は、平均ビーム出力９±０．５ワットの、好ましくはパルス状のレーザビームで、レーザによる構造化がなされる。

好ましくはパルス状のレーザビームの、そのような材料依存性の平均ビーム出力により、予備機械加工面上のレーザ構造物として、予備機械加工面の基準面に対して、隆起部は形成されるが、凹部は形成されないことを保証することが可能になる。

レーザビームは、機械加工対象面に沿って、機械加工トラックを移動する。機械加工対象面の隆起部が、レーザビームの同一の機械加工トラックに、重なった態様で形成され、重なりが６０％以上、特に、６０〜８０％であるならば、それは特に好ましいことである。したがって、面の高い構造密度が可能であり、その結果として、面の摩擦値を大幅に大きくすることができる。

好ましい実施形態では、レーザビームのそれぞれの機械加工トラックで互いに重なった隆起部は略円形の形状を取る。したがって、隆起部は、技術的な労力をほとんどかけることなく、円形のレーザビームによって形成することができる。

本発明の好ましい実施形態では、隆起部は、１００μｍ未満、特に、５０±２０μｍの幅を有する。隆起部の幅は、レーザビームの機械加工トラックのトラック幅、またはレーザビームのスポット径によって決まる。その結果、金属部品の機械加工面上の隆起部の構造密度を高くすることができる。

本発明の好ましい実施形態では、隆起部は、２０μｍ未満、特に、５μｍ以下の高さを有する。その結果、技術的な労力をほとんどかけることなく、機械加工対象面の摩擦値を大幅に大きくすることができる。

本発明の好ましい実施形態では、金属部品の機械加工対象面の予備機械加工により、内面の周方向を向いた面構造が形成される。その結果、機械加工対象面は、精密中ぐり、または精研削、あるいはホーニング加工を用いて、ほとんど労力をかけずに予備機械加工を行うことができる。

本発明の好ましい実施形態では、内面は、複数の離間した角度区間で、レーザによる構造化がなされる。したがって、面の摩擦値を局所的に大きくするために、比較的広い領域の個々の区間を構造化することができ、その結果として、構造化に必要とされる労力と、面の機械加工にかかる消費時間とを削減することができる。さらに、部品の、レーザによる構造化領域間にある平滑な非構造化領域は、支持面から別の部品輪郭部への熱の放散を良好にする。

好ましい実施形態では、レーザ構造物、すなわち、隆起部は、機械加工対象面上で、レーザの複数の機械加工トラックにわたって、好ましくは、直線状の平行ラインに形成され、隆起部が重なった機械加工トラック、好ましくは、直線状の平行ラインは互いから離間する。機械加工トラックのトラック幅の少なくとも５０％である間隔が、レーザビームの直に隣接する機械加工トラック間、または隆起部の直に隣接するライン間に設けられる。機械加工トラックのトラック幅は１００μｍ未満である。特に、それぞれのトラック幅は５０±２０μｍである。技術的な労力をほとんどかけることなく、所定の方向の摩擦係数を大きくすることが可能である。

総括すると、方法は、機械加工対象面が、技術的な労力をほとんどかけることなく構造化されるのを可能にし、相応して、面の摩擦係数が大きくなるのを可能にし、その結果として、機械加工対象面は、別の部品の面と摩擦連結を形成することができ、ひいては、部品を面に連結するための技術的労力および消費時間を削減することができる。

予備機械加工面が、予備機械加工面の基準面に対して、隆起部は形成されるが、凹部は形成されないように、レーザによる構造化がなされることで、時間をほとんどかけることなく非接触で、正確には部品の有効寿命が縮まるリスクなしに、面に特定の粗さを形成することができる。

当然のことながら、上記の特徴および引き続き下記に説明される特徴は、本発明の範囲から逸脱することなく、いずれも特定の組み合わせだけでなく、他の組み合わせでも、または単独でも使用することができる。

特に、自動車の連結ロッドまたはカムである、本発明による金属部品は、レーザビームを用いてレーザによる構造化がなされる予備機械加工面を有し、予備機械加工面は、レーザ構造物として、前記面の基準面に対して、隆起部は形成されるが、凹部は形成されないように、レーザによる構造化がなされる。

本発明の例示的な実施形態が図面に示され、以下の説明でさらに詳細に説明される。

機械加工対象面を有する連結ロッドの概略図を示している。 レーザによる構造化を説明するための連結ロッドの概略断面図を示している。 レーザによる構造化後の面の概略断面図を示している。 レーザによる構造化後の面のＳＥＭ画像を示している。 図４ａによる面の概略図を示している。 第２の部品との摩擦連結を説明するための構造化面の概略断面図を示している。

自動車の連結ロッドが図１に概略的に示されており、全体として１０で表されている。連結ロッド１０は、チタンまたはチタン合金で形成されるのが好ましい。しかし、連結ロッド１０は、鋼で形成することもできる。連結ロッド１０は、大連結ロッドアイを形成する開孔（開口部）１２を有する。開孔１２には内面１４が形成され、この内面１４は、連結ロッド１０のベアリングシェル用の接触面を形成している。内面１４は、連結ロッドアイの内周面を形成している。

内面１４は、連結ロッド１０自体と同様に、チタンあるいは鋼で形成されるのが好ましく、通常、ベアリングシェル（ここでは図示していない）と内面１４との間に摩擦連結が形成される。ベアリングシェルは通常、クランクシャフトのクランクピンと共に滑り軸受を形成する。

内面１４とベアリングシェルとの間の摩擦連結を形成するために、内面１４は通常、まず第１に、開孔１２を所定の直径に研削するために、精密中ぐりを用いて予備機械加工される。

精密中ぐりのこのステップは、内面１４上で周方向に直線的構造物を形成し、その面は摩擦係数が小さいので、先行技術によれば、内面１４は、特定の十分な粗さを得るために、精密中ぐりのステップ後、粗面化または構造化されなければならない。

ここで本発明の目的のために、好ましくは精密中ぐりのステップである予備機械加工ステップ後、好ましくは機械加工対象のチタン面を形成する内面１４は、ベアリングシェルとの摩擦連結用の対応する粗さ値を得るために、レーザビームを用いて、特定の態様で構造化される、または特定の態様で粗面化される。この場合に、予備機械加工面１４上のレーザ構造物として、予備機械加工面の基準面に対して、隆起部は形成されるが、凹部は形成されないように、レーザビームによる構造化が行われる。

図２は、レーザによる構造化を説明するための連結ロッド１０の概略断面図を示している。内面１４は、レーザによる構造化時に、好ましくはチタンからなる面を溶融させることで、対応するレーザ構造が得られ、ひいては、構造化と、対応する面粗さとが得られるように、レーザビーム１６を用いて照射される。この場合に、レーザビーム１６は、パルス状レーザビーム、好ましくは、Ｎｄ ＹＡＧレーザビームである。レーザビーム１６は、２つのミラーを有するガルバノ（Ｇａｌｖｏ）スキャナによって、機械加工対象面１４に沿って案内される、または移動するのが好ましい。

レーザビームは特定のスポット幅を有する。内周面１４は、レーザビーム１６によって、様々な角度区間で照射されるのが好ましく、レーザビーム１６は、特定の進行速度で円周面１４に沿って機械加工トラックを移動し、個々の離間した構造化領域１８または範囲が内面１４に形成される。機械加工トラックのトラック幅は、レーザのスポット幅に一致する。

２つの構造化領域１８が内面１４に形成されるのが好ましく、前記構造化領域はそれぞれ、１５０°の角度区間にまたがり、それぞれは、２°の非構造化領域１９によって互いから隔てられている。全体的には、図１に模式的に示すように、４つの構造化領域１８または構造化範囲１８があり、この構造化領域はそれぞれ、７４°の角度区間にわたっている。構造化領域は、特に、摩擦値の分布を対称にするために、開孔１２において、好ましくは開孔１２の軸方向で中心に向きを合わされている。

レーザビームによる構造化時に、予備機械加工面１４上のレーザ構造物として、予備機械加工面の基準面に対して隆起部だけを形成するが、凹部を形成しないために、鋼製部品の場合に、好ましくはパルス状のレーザビームが、平均ビーム出力９±０．５ワットで作動する。鋼製部品のレーザビームによる構造化時に、パルス状レーザビームの進行速度は、５００〜７００ｍｍ／ｓであり、パルス状レーザビームのパルス周波数は４０±３ｋＨｚであり、パルス時間は約５μｓである。レーザビームの機械加工トラックのトラック幅は、５０±２０μｍである。

チタン製部品の場合、好ましくはパルス状のレーザビームが、平均ビーム出力８±０．５ワットで作動する。チタン製部品のレーザビームによる構造化時に、パルス状レーザビームの進行速度は、２５０〜３５０ｍｍ／ｓであり、パルス状レーザビームのパルス周波数は６０±３ｋＨｚであり、パルス時間は約５μｓである。レーザビームの機械加工トラックのトラック幅は、５０±２０μｍである。

そのような材料依存性の平均ビーム出力、進行速度、パルス周波数、およびパルス時間を所与として、予備機械加工による微細（起伏）構造を有し、レーザビームがエネルギを注入した面に局所溶融が起こる。

溶融が冷却すると、予備機械加工による微細構造は維持されないが、熱膨張のために、予備機械加工面１４の面基準に対して隆起した構造物、したがって、隆起部または上向きの突起が生じ、一方、凹部は生じない。

隆起した構造物は、基本的に、溶融から気相への転移時に生じる。言わば、瞬間的な転移構造物を凝固させる冷却勾配があるために、微細な上向きの隆起が生じる。これに関連して、溶融溜まりは安定せず、固化される溶融体に低密度部を発生させるガスの混入が起こり、その結果として、体積バランスが等しくなり、したがって、凹部は生じない。パラメータ化によっては、凹部を生じさせることもあるが、これらの凹部は、摩擦を大きくする目的に対して摩擦学的に無関係である。

図３は、内面１４の概略断面図を示している。内面１４は、精密中ぐりの予備機械加工ステップで形成され、開孔１２の周方向を向いた均一の面構造を有する。面構造は、図３に模式的に示すように、一般に高さＲを有する。

開孔１２の内面１４または面１４はまた、レーザによる構造化によって、好ましくはチタンからなる面に形成された複数の隆起部または溶融隆起部２０を有する。

隆起部または溶融隆起部２０は、最大で１０μｍ、特に、最大で５μｍの高さｈを有する。隆起部または溶融隆起部２０は、好ましくはチタンからなる面の粗さを大幅に大きくすることができ、その結果として、例えば、ベアリングシェルなどの他の部品との摩擦連結が可能である。

図４ａは、内面１４の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示し、図４ｂは、この内面１４の概略図を示している。

精密中ぐりによって形成された面構造は、開孔１２の周方向を向いた平行帯によって形成されている。周方向は、矢印２２によって図４ｂに模式的に示されている。

レーザビーム１６によって、内面１４にレーザビーム１６の機械加工トラックに沿って形成されたレーザ構造物、すなわち、隆起部または溶融隆起部２０は、重なった円形構造物として形成され、この円形構造物は、内面１４上でそれぞれ重なった円形構造物の平行直線ラインに形成されるのが好ましい。機械加工トラックまたは直線状平行ラインは、図４ｂに矢印２４で示すように、周方向２２、したがって、動作時の連結ロッドの負荷方向に垂直に向けられている。

内面１４上のレーザ構造物の向きは、周方向２２の摩擦係数を大きくすることを可能にし、その結果として、内面１４とベアリングシェルとの間に回転方向に不動の連結を形成することができる。

円形のレーザ構造物、すなわち、隆起部または溶融隆起部２０、あるいはそれぞれ重なった円形構造物の平行ラインは、５０±２０μｍ、好ましくは６５μｍの構造物幅ｂを有する。

レーザ構造物、すなわち、隆起部または溶融隆起部２０はまた、機械加工トラックのトラック幅、したがって、構造物幅ｂの少なくとも５０％の間隔ａ、好ましくは５５μｍの間隔ａを有する。各機械加工トラック内の個々の円形構造物の重なり度は、６０％以上、または６０〜８０％であるのが好ましい。

重なった態様で、内面１４に直線状の列をなして配置された円形レーザ構造物に、こうして形成された隆起部または溶融隆起部２０により、開孔１２の面の摩擦係数が大幅に大きくなり、その結果として、例えば、ベアリングシェルなどの別の部品との摩擦連結を形成することができる。

図５のａ）、図５のｂ）は、内面１４をベアリングシェル２６と共に概略断面図で示している。ベアリングシェル２６は、図５のａ）に矢印２８で模式的に示すように、内面１４と接触し、内面１４は、図５のｂ）に示すように、レーザ隆起部２０を用いて、ベアリングシェル２６と摩擦連結を形成している。それにより、技術的な労力をほとんどかけることなく、正確にはレーザビーム１６による構造化によって、ベアリングシェル２６と内面１４との間に、回転方向に不動の連結を形成することが可能である。

当然のことながら、面を構造化する方法は、他の面、例えば、シャフトチューブと摩擦連結を形成して、共同で自動車のカムシャフトを形成することを意図されたカムにも適用可能である。

本発明による金属部品１０は、特に、自動車の連結ロッドまたはカムとして具現化される。前記部品は、レーザビーム１６を用いて、レーザによる構造化がなされる予備機械加工面１４を有する。予備機械加工面１４は、レーザ構造物として、前記面の基準面に対して、隆起部は形成されるが、凹部は形成されないように、レーザによる構造化がなされる。

隆起部は、機械加工対象面１４上で、複数の隆起トラックに形成され、前記隆起部は、レーザビームの機械加工トラックに沿って形成される。隆起部は、トラック内に、好ましくは６０％〜８０％の重なりを有し、直に隣接する隆起トラックは、重なることなく離間する。

金属部品は、チタン製部品、特に、内燃機関のチタン製連結ロッドであるのが好ましい。

１０ 金属部品
１４ 内面
１６ レーザビーム

Claims (15)

1. 金属部品（１０）、特に、自動車用の連結ロッドまたはカムの面（１４）を機械加工する方法であって、以下のステップ、すなわち、
   −機械加工対象面（１４）を有する金属部品（１０）を用意するステップと、
   −前記機械加工対象面（１４）を予備機械加工するステップと、
   レーザビーム（１６）を用いて前記予備機械加工面（１４）を構造化するステップと、
   を含む方法において、
   前記予備機械加工面（１４）は、レーザ構造物として、前記面の基準面に対して、隆起部は形成されるが、凹部は形成されないように、レーザによる構造化がなされることを特徴とする方法。
2. 前記機械加工対象面（１４）は、前記金属部品（１０）の開孔（１２）の内面（１４）であり、前記レーザビーム（１６）は、前記内面（１４）の周方向（２２）に直角な方向（２４）に案内されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記レーザビーム（１６）は、パルスの態様で、前記機械加工対象面（１４）上を少なくとも１つの機械加工トラックに沿って案内されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 機械加工トラック内に形成された前記隆起部は、前記機械加工対象面（１４）に重なった態様で形成され、特に、６０％以上、好ましくは６０〜８０％の重なりを有することを特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. 前記隆起部は、前記機械加工対象面（１４）上でそれぞれ重なった隆起部の複数の機械加工トラックに形成され、前記機械加工トラックは、重なることなく互いから離間し、好ましくは、前記機械加工トラックのトラック幅の少なくとも５０％の間隔を有することを特徴とする、請求項３または４に記載の方法。
6. 前記隆起部は、略円形の形状を有することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記隆起部は、１００μｍ未満、好ましくは５０±２０μｍの幅を有することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記隆起部は、２０μｍ未満、好ましくは５μｍ未満の高さを有することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記金属部品（１０）は、鋼製部品、特に、鋼製連結ロッドであり、その予備機械加工鋼面（１４）は、平均ビーム出力９±０．５ワットで、レーザによる構造化がなされることを特徴とする、請求項３〜８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記金属部品（１０）は、チタン製部品、特に、チタン製連結ロッドであり、その予備機械加工チタン面（１４）は、平均ビーム出力８±０．５ワットで、レーザによる構造化がなされることを特徴とする、請求項３〜８のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記機械加工対象面（１４）の予備機械加工により、前記内周面（１４）の前記周方向（２２）を向いた面構造が形成されることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 前記内周面（１４）は、複数の離間した角度区間（１８）で、レーザによる構造化がなされることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法。
13. レーザビーム（１６）を用いて、レーザによる構造化がなされる予備機械加工面（１４）を有する金属部品（１０）、特に、自動車用の連結ロッドまたはカムであって、前記予備機械加工面（１４）は、レーザ構造物として、前記面の基準面に対して、隆起部は形成されるが、凹部は形成されないように、レーザによる構造化がなされることを特徴とする金属部品（１０）。
14. 前記隆起部は、前記機械加工対象面（１４）上で、複数の隆起トラックに形成され、前記隆起部は、トラック内に重なりを有し、直に隣接する隆起トラックは、重なることなく離間することを特徴とする、請求項１３に記載の金属部品（１０）。
15. 前記部品はチタン製部品であることを特徴とする、請求項１３または１４に記載の金属部品（１０）。