JP3826310B2

JP3826310B2 - レーザ焼入れ方法

Info

Publication number: JP3826310B2
Application number: JP2002099858A
Authority: JP
Inventors: 祐介野原; 匡弘西尾; 佳介角田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-04-02
Filing date: 2002-04-02
Publication date: 2006-09-27
Anticipated expiration: 2022-04-02
Also published as: JP2003293031A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、段付きシャフトの段差部やカウンタウェイトが付けられたシャフトのカウンタウェイトの付け根部等、シャフトのフィレット部（コーナ部）の焼入れに好適なレーザ焼入れ方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種のレーザ焼入れ方法を図６を参照して説明する。
図は、中心軸６１に対して直角方向に板状のカウンタウェイト６２が付けられたシャフト６３のフィレット部、具体的にはカウンタウェイト付け根部（以下、フィレット部と記す。）６４を焼入れする例を示す。
従来、このようなフィレット部６４の、シャフト軸周り全周３６０°に亘るレーザ焼入れは、シャフト６３を回転させつつ（矢印イ参照）、レーザビーム６５を矢印ロに示すようにフィレット部６４に照射することにより行っていた。この場合、レーザビーム６５の入射角（シャフト中心軸６１に対するレーザビーム光軸のなす角度）θは、適切な角度θ１、例えば４５°程度に設定される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来技術では、次のような問題があった。
すなわち図６において、レーザビーム６５をフィレット部６４に照射してその部分を焼入れする場合に、レーザビーム６５をフィレット部６４に適切な傾斜角θ１（≒４５°）では照射できないことがある。
図７に示すように、シャフト６３に一対のカウンタウェイト６２，６２が近接対向して設けられ、その対向面側のフィレット部６４を焼入れしたい場合がその一例である。レーザビーム６５の出射源側（図中、右側）に位置するカウンタウェイト６２がレーザビーム６５の照射路を遮断するからである。
【０００４】
このような場合、従来は、レーザビーム７１を、その照射路がカウンタウェイト６２により遮断されない限度一杯の傾斜角θ２でフィレット部６４に照射し、カウンタウェイト６２，６２対向面側のフィレット部６４への焼入れを行っていた。
このため、フィレット部６４の拡大断面の一例を示す図８から分かるように、実際に焼入れされる中心部（矢印ハで示す位置）が、焼入れすべきフィレット部６４の中心部（矢印ニで示す位置）から外れることが少なくない。また、同フィレット部６４の拡大断面の他の例を示す図９から分かるように、レーザビーム７１がカウンタウェイト６２の立上がり壁面に鋭角θ３に照射されることになってその部分で反射し（矢印ホ参照）、レーザビーム吸収率が下がって焼きが入らない等、上記焼入れすべきフィレット部６４の中心部に適正に焼入れできないという問題があった。なお、図８，図９において、多数の点が付された領域６４ａがレーザ焼入れされた部分を示す（後掲図５において同じ）。
【０００５】
本発明は、上記従来技術の問題を解消するためになされたもので、レーザビームの出射源側にカウンタウェイト等、シャフトからの突出物がある等によって、シャフトのフィレット部の焼入れに際し、レーザビーム光軸をシャフト中心軸に対して例えば４５°〜９０°近くまで立てなければならない場合であっても、焼入れすべきフィレット部につき、その中心位置を外すことなく適正に焼入れ可能なレーザ焼入れ方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、シャフトを回転させつつそのシャフトのフィレット部をレーザ焼入れする方法において、長円形を有し、その長軸方向の一端部が、前記フィレット部のシャフト外周側への立上がり壁面の基部に位置し、その一端部の位置よりも前記シャフトの回転方向とは逆方向に進んだ位置に他端部が位置するように、その長円形の長軸が前記シャフトの中心軸に対して傾斜された照射パターンにて前記シャフトにレーザビームを照射し、前記フィレット部をレーザ焼入れすることを特徴とする。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、シャフトの軸周り方向の異なる位置からレーザビームを各別に照射して前記シャフトの軸方向複数箇所のフィレット部を同時にレーザ焼入れすることを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１は本発明によるレーザ焼入れ方法の一実施形態の説明図、図２は図１中のシャフトをレーザビーム出射側（レーザ集光用レンズ側）から見た図である。
本実施形態においても、シャフト６３に一対のカウンタウェイト６２，６２が近接対向して設けられ、その対向面側のフィレット部６４をシャフト軸周り全周３６０°に亘って焼入れする場合を例に採って説明する。
この場合、一対のカウンタウェイト６２，６２が設けられたシャフト６３は、例えば材質がＳ４５Ｃ、形状・寸法は図３（ａ）及び（ｂ）に取り出して示す通りで、回転可能な支持具（図示せず）に、軸周り方向、ここでは矢印イ方向に回転自在に支持されている。なお、図３（ａ）は正面図、同（ｂ）は平面図である。
【０００９】
図１に示すように、レーザビーム１１は、例えば出力８００ＷのＬＤ励起ＹＡＧレーザ発振器１２にて発振され、光ファイバ１３を通って集光用レンズ１４から出射され、上記支持具に支持されて回転状態にあるシャフト６３のフィレット部６４に連続的に照射可能である。このレーザビーム１１は、図７に示す従来技術の場合と同様に、その照射路がレーザビーム１１の出射源側（図１中、右側）に位置するカウンタウェイト６２により遮断されない限度一杯の傾斜角θ２でフィレット部６４に照射される。
【００１０】
上記集光用レンズ１４は、レーザビーム１１の焦点距離を変えるズーム機能とレーザビーム１１の軸方向（進行方向）に直交する断面形状とその向きを変える照射パターン変更機能とを有する。レーザビーム１１の上記断面形状は、ほぼ円形から長短軸寸法比の大きな長円形に亘って連続的又は段階的に変えることができ、また、所望の形状、向きで固定できる。断面形状の向きは、集光用レンズ１４自体を軸周り方向に回せば変えられるので、照射パターン変更機能に含む機能として必須のものではない。
【００１１】
レーザビーム１１の上記断面形状は、ここでは長円形に形成されている。そして、集光用レンズ１４の位置や向き、及びズーム機能、照射パターン変更機能等の調節により、図４に拡大して示す位置、形状（大きさ）及び向きを有するパターン（照射パターン）Ｐにて、レーザビーム１１がシャフト６３に照射されるようになされている。
すなわち本発明では、図４から分かるように、長円形の照射パターン（長円形照射パターン）Ｐの長軸方向の一端部Ｐ１は、焼入れすべきフィレット部６４のシャフト外周側への立上がり壁面６４ｂの基部又はその近傍、図示例では基部に位置する。そして、その一端部Ｐ１の位置よりもシャフト６３の回転方向イとは逆方向に進んだ位置に他端部Ｐ２が位置するように、長円形照射パターンＰの長軸がシャフト中心軸６１に対して傾斜された向きにて、シャフト６３表面にレーザビーム１１を照射する。
シャフト中心軸６１に対する長円形照射パターンＰの長軸の傾斜角θ４は図示例では４５°に設定されている。また、レーザビーム１１のシャフト６３表面における長円形照射パターンＰの寸法は、例えば図３に示す寸法のシャフト６３の焼入れの場合に、図示するように長径８ｍｍ、短径１ｍｍに設定される。
【００１２】
図１，図２に示すように、レーザビーム１１は、図４に示す位置、形状（大きさ）及び向きを有する照射パターンＰにて、矢印イ方向に回転しているシャフト６３の表面に照射される。この際、シャフト６３の回転数は１ｒｐｍであり、シャフト６３は少なくとも１回以上、ｎ回（ｎは整数）、例えば１回、回転される。
焼入れ終了時に必要な急冷は、ここではレーザビーム照射を終えたシャフト６３各部における熱が周囲に急激に拡散される、自己冷却作用によって行われる。
【００１３】
図５は、上述諸条件にてレーザ焼入れされたフィレット部６４の拡大断面図Ｆ１を照射パターンＰの拡大図Ｆ２と共に示す図で、この図５から分かるように、本実施形態によれば、実際に焼入れされた中心部（矢印ヘで示す位置）は、焼入れすべきフィレット部６４の中心部（図８中の矢印ニで示す位置）にほぼ一致する。すなわち、焼入れすべきフィレット部６４につき、その中心位置を外すことなく適正に焼入れされる（図５中、領域６４ａ参照）。
【００１４】
適正な焼入れ結果が得られる理由については、必ずしも明らかでないが、以下のように考えられる。
すなわち、本発明方法においては、図５に示すような照射パターンＰを有し、フィレット部焼入れ時の加熱範囲Ｗにおけるレーザビーム１１の照射が、長円形照射パターンＰの長軸方向につき、他端部Ｐ２、中央部Ｐ３及び一端部Ｐ１の順に行われ、この順で加熱されて行く。
これに対して、図８に示す焼入れ結果（領域６４ａ参照）が得られる従来技術においては、レーザビーム照射パターン（形状）が長円形であった場合でも、図示しないが、その長軸方向はシャフト中心軸６１（図７参照）と平行に向けられる。したがって、フィレット部焼入れ時の上記加熱範囲Ｗに相当する加熱範囲におけるレーザビーム７１（図７参照）の照射は、その長円形の長軸方向全長（加熱範囲全幅）に亘ってほぼ同時に行われ、同時に加熱されて行く。
このように本発明方法においては、僅かではあるが加熱範囲Ｗ内の各部位におけるレーザビーム１１の照射ないし加熱にタイミング差（順序）を生じさせる。これが、焼入れすべきフィレット部６４への熱の伝わり方に変化を生じさせ、焼入れ部位を、図８に示す従来技術の場合よりもフィレット部６４の立上がり壁面６４ｂ側に偏倚させることになって、適正な焼入れ結果（図５中、領域６４ａ参照）をもたらすものと考えられる。
【００１５】
なお、図４に示す例では、長円形照射パターンＰにつき、その長軸のシャフト中心軸６１に対する傾斜角θ４がほぼ４５°で、長径：短径が８：１に設定したが、これのみに限定されることはない。
また上述実施形態では、カウンタウェイト６２が付けられたシャフト６３のカウンタウェイト付け根部（フィレット部６４）の焼入れについて述べたが、本発明方法は、その他、段付きシャフトの段差部等、シャフト上に存在する種々のフィレット部（コーナ部）の焼入れに適用できる。
更に上述実施形態では、カウンタウェイト６２，６２の対向面側の一対のフィレット部６４，６４のうちの一方のフィレット部６４のみを焼入れする場合について述べたが、これのみに限定されることはない。例えば、シャフト６３の軸周り方向の異なる位置からレーザビーム１１を各別に照射し、シャフト６３の軸方向複数箇所のフィレット部６４を同時にレーザ焼入れするようにしてもよい。
なお、上掲各図において、同一符号は同一又は相当部分を示す。
【００１６】
【発明の効果】
以上述べたように請求項１に記載の発明では、長円形の長軸方向の一端部が、フィレット部のシャフト外周側への立上がり壁面の基部に位置し、その一端部の位置よりもシャフトの回転方向とは逆方向に進んだ位置に他端部が位置するように、長円形の長軸がシャフトの中心軸に対して傾斜された照射パターンにてシャフトにレーザビームを照射し、フィレット部をレーザ焼入れするようにした。
これによれば、シャフトのフィレット部の焼入れに際し、レーザビーム光軸をシャフト中心軸に対して例えば４５°〜９０°近くまで立てなければならない場合であっても、焼入れすべきフィレット部につき、その中心位置を外すことなく適正に焼入れすることができる。
【００１７】
また、請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明において、シャフト軸方向複数箇所のフィレット部を１回の工程でレーザ焼入れでき、焼入れコストの低減が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法の一実施形態の説明図である。
【図２】図１中のシャフトをレーザ集光用レンズ側から見た図である。
【図３】図１中のシャフトを取り出して示す図である。
【図４】レーザビームのシャフト表面における照射パターンの拡大図である。
【図５】レーザ焼入れされたフィレット部の拡大断面図を照射パターンの拡大図と共に示す図である。
【図６】従来方法（その１）の説明図である。
【図７】従来方法（その２）の説明図である。
【図８】図７に示す従来方法による焼入れ結果の一例を示す図である。
【図９】同じく他の例を示す図である。
【符号の説明】
１１レーザビーム
６１シャフト中心軸
６２カウンタウェイト
６３シャフト
６４フィレット部
６４ｂフィレット部の立上がり壁面
Ｐ照射パターン
Ｐ１照射パターン一端部
Ｐ２照射パターン他端部

Claims

シャフトを回転させつつそのシャフトのフィレット部をレーザ焼入れする方法において、
長円形を有し、その長軸方向の一端部が、前記フィレット部のシャフト外周側への立上がり壁面の基部に位置し、その一端部の位置よりも前記シャフトの回転方向とは逆方向に進んだ位置に他端部が位置するように、その長円形の長軸が前記シャフトの中心軸に対して傾斜された照射パターンにて前記シャフトにレーザビームを照射し、前記フィレット部をレーザ焼入れすることを特徴とするレーザ焼入れ方法。
シャフトの軸周り方向の異なる位置からレーザビームを各別に照射して前記シャフトの軸方向複数箇所のフィレット部を同時にレーザ焼入れすることを特徴とする請求項１に記載のレーザ焼入れ方法。