JP3849638B2 - カムの焼入れ方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はカムの焼入れ方法に関し、特に内燃機関用カムシャフトにおけるカムロブのような板カムのカム面にレーザ焼入れを施す方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば特許文献１，２に記載のようなレーザによる焼入れ技術を基本として、内燃機関用カムシャフトにおけるカムロブのカムノーズ部表面に焼入れを施することが試みられている。特に内燃機関用カムシャフトのカムロブの場合には、被処理面でのレーザパワー密度をおよびエネルギー密度を一定に保ちながら、レーザビームと被処理面とを一定速度で相対移動させることが重要な要素となる。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−９０３５８号公報 （第３頁，図１）
【０００４】
【特許文献２】
特開平９−３１４３６１号公報 （第３，４頁，図１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような内燃機関用カムシャフトのカムロブは一般に接線カムもしくは円弧カムであることから、そのカム形状に合わせてレーザビームと被処理面との相対移動速度を一定に保ちつつ、被処理面上でのレーザビームのスポットサイズを変化させないように最終光学系から被処理面までの距離とレーザビーム照射角度を常に一定に保つためには、カムシャフトの回転角速度やレーザビームスポットと被処理面との相対位置等を同時に且つ高精度に制御する必要がある。そのため、実質的には少なくとも２軸望ましくは３軸以上の同時制御が必要となり、装置の複雑化や設備費の高騰とともに生産性の低下が余儀なくされる。
【０００６】
ここで、カムロブの焼入れに類似した技術として例えば特開２０００−６３９５３号公報、特開２０００−６３９５４号公報および特開平７−２６３２１号公報等のように、同じくカムロブのカム面にレーザビームのほかＴＩＧアークや電子ビーム等の高密度エネルギーを照射して再溶融硬化処理する方法があるが、この再溶融硬化処理方法においても上記と同様の問題点を有している。
【０００７】
本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、とりわけ簡素な設備構成のもとで且つ簡易な制御により所期の目的を達成することができるようにした焼入れ方法を提供しようとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、処理対象となる板カムのカム面がレーザビームの焦点位置よりもインフォーカス側となるようにそのカム面に対して板カムの軸線と平行な線状のレーザビームを照射し、レーザビーム照射軸線および板カムの軸線のそれぞれに対して垂直な方向に板カムとレーザビームを相対移動させて焼入れ処理を施すことを特徴とする。
【０００９】
ここにいう相対移動とは、線状のレーザビームと板カムの軸線とを平行にした状態でその平行状態を保ったままでレーザビームおよび板カムのうちいずれか一方を板カムの直径方向に移動させる場合のほか、線状のレーザビームと板カムの軸線とを平行にした状態で、レーザビームを固定したまま板カムをそのその軸線周りに回転させることをいう。
【００１０】
この場合、偏光したレーザビームがＳ偏光入射となるようにカム面に対し入射させるものとし、また線状のレーザビームのビームスポットはスリット光のようなある程度の幅をもった偏平矩形状のものであることが望ましい。さらに、処理対象となる板カムは例えば内燃機関用カムシャフトのカムロブであって、且つそのカム形状が接線カムもしくは円弧カムであるものとし、そのカムロブのうちでも処理対象部位は例えばベースサークル以外のカムノーズ部とする。
【００１１】
したがって、この請求項１に記載の発明では、カム幅方向に細長いレーザビームを板カム自体の軸線と平行となるようにカム面に照射し、レーザビーム照射軸線および板カムの軸線のそれぞれに対して垂直な方向すなわちレーザビームと板カムの軸線との平行状態を保ったままで両者を相対移動させることにより、カム面に焼入れが施される。
【００１２】
この場合、板カムとして内燃機関用カムシャフトのカムロブ（接線カムもしくは円弧カム）を想定した場合、カムロブの長径方向をレーザビーム照射方向に一致させた状態すなわちカム面の頂部（ノーズトップ部）をレーザビーム照射方向に向けた状態でそのカムロブとレーザビームとの相対移動を行うと、最終光学系とカム面との間の距離が最も小さくなるカム面の頂部付近ではレーザビームのビームスポットサイズ（断面積）が最も大きくなるが、カム面の頂部がレーザビームの光軸と正対するかたち（カム面の頂部に対するレーザビームの入射角が０°）となるため、曲率半径の小さな被処理部位上での実質的なビームスポットサイズ（投影面積）は上記断面積とほぼ同一のものとなる。
【００１３】
一方、最終光学系とカム面との間の距離が最も大きくなるカム面のベースサークル部との接続部付近ではレーザビームのビームスポットサイズ（断面積）が最も小さくなるが、同部位では頂部付近と異なりビーム入射角が大きくなってレーザビームの光軸が被処理部位に対して大きく傾くことになるため、被処理部位でのビームスポットサイズ（投影面積）が大きくなり、同部位での実質的なビームスポットサイズ（投影面積）は先の頂部付近のものと比較しても大差がなくなる。その結果として、カム面の全領域においてほぼ等しいレーザパワー密度を与えることができ、制御としては一軸の直線制御もしくは回転制御で足りることになる。
【００１４】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、一軸の直線移動制御もしくは回転制御だけをもって所期の目的を達成することができるため、焼入れ設備の簡素化と設備コストの低減化が図れるとともに、カム面の焼入れ処理品質も全領域を通して均一且つ安定したものとなる効果がある。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の好ましい実施の形態を示す図であり、内燃機関用カムシャフトのカムロブ（カムピース）Ｃに焼入れ処理を施す場合の例を示している。なお、カムロブＣの材質は例えばＳ３５Ｃ相当のものであり、同時にカムロブＣのサイズは例えばベースサークル径３４ｍｍ、カムノーズ部高さ２６ｍｍ、厚さ１０ｍｍ程度のものである。
【００１６】
図１の（Ａ）はレーザ発振器Ｒ単体での状態を、同図（Ｂ）はそのレーザ発振器ＲとカムロブＣとを正対させた状態をそれぞれ示している。同図に示すように、光学系を含むレーザ発振器Ｒと処理対象となるカムロブＣとを対向配置し、カムロブＣ側を固定状態としてレーザ発振器Ｒ側を矢印Ａ方向に水平移動させることでカム面であるカムノーズ部Ｃｎに焼入れ処理を施すものである。
【００１７】
カムロブＣは、ベースサークルＣａとカムノーズ部Ｃｎのノーズトップ部Ｃｔとを円弧で結んだいわゆる円弧カムと称されるタイプのものであり、カムロブＣの長径方向での中心線Ｍが鉛直方向を指向してそのノーズトップ部（頂部）Ｃｔが上向きとなるように配置する。そして、カム面のうち特に耐摩耗性が要求されるカムノーズ部ＣｎすなわちノーズトップＣｔ側の半周（ベースサークルＣａ以外の部分）のみを焼入れ処理対象すなわち被処理面とするものである。
【００１８】
一方、レーザ発振器Ｒは、図２にも示すようにマルチモードのレーザダイオード１を発振源とするレーザビームＬをマイクロシリンドリガルレンズ２のほか最終光学系であるフォーカシングレンズ（例えば焦点距離Ｆ１＝９３ｍｍ）３を通して集光し、焦点位置ＦでのビームスポットＢのサイズＳｆが例えば焦点深度が約２ｍｍで１２ｍｍ×０．５ｍｍの線状もしくは偏平矩形状のものとなるように調整し、なお且つそのビームスポットＢの長手方向がカムロブＣの軸線（軸心）方向と平行となるように設定してある。なお、図１の（Ａ）における符号Ｆｉはインフォーカス側を、符号Ｆｄはディフォーカス側をそれぞれ示している。
【００１９】
したがって、カムロブＣ側を固定としてレーザ発振器Ｒ側を矢印Ａ方向に水平移動させることで焼入れ処理を行うことを前提とした場合、実際の被処理部位（焼入れ処理部）がベースサークルＣａとの接続部Ｃｂに近い部分であるかノーズトップ部Ｃｔであるかにかかわらず、最終光学系であるフォーカシングレンズ３から実際の被処理部位までの距離（以下、これをワークディスタンスと称する）Ｄ（Ｄ１およびＤ２を含む）はいずれの位置でも焦点距離Ｆ１よりも小さいものとなり、言い換えるならばカムノーズ部Ｃｎのいずれの位置においてもレーザビームＬの焦点位置Ｆよりもインフォーカス側での焼入れ処理となるように設定してある。
【００２０】
なお、図１の符号ＳｉはワークディスタンスがＤ１のときのビームスポットＢのサイズを、同じく符号Ｓｄはディフォーカス側での同等部位でのビームスポットＢのサイズをそれぞれ示している。
【００２１】
そして、図１の（Ｂ）に示すように、レーザ出力を例えば１．５〜２．０ｋＷ程度、ビーム送り速度（レーザ発振器ＲとカムロブＣとの相対移動速度）を０．６〜１．８ｍ／ｍｉｎ程度、送り長さ（レーザ発振器ＲとカムロブＣとの相対移動距離）を２５ｍｍ程度として、レーザ発振器Ｒを矢印Ａ方向に移動させて焼入れ処理を施す。なお、レーザ発振器Ｒの移動方向Ａは、レーザビームＬの照射軸線（光軸）およびカムロブＣの軸線のそれぞれに対して垂直な方向にほかならない。また、上記の送り長さ２５ｍｍとは、カムロブＣの長径に相当する中心線Ｍをもって左右対称に振り分けた処理幅寸法にほかならず、本実施の形態ではノーズトップ部Ｃｔを３ｍｍとしてその両側の傾斜面（円弧面）をそれぞれ１１ｍｍずつとした。ノーズトップ部Ｃｔでのビーム送り速度を例えば１．７ｍ／ｍｉｎとした場合、その両側の傾斜面ではビーム送り速度を例えば０．７ｍ／ｍｉｎとして処理を行うものとし、同時に処理開始の始端部ではレーザ出力をスローアップ制御するとともに終端部ではスローダウン制御するのが表面溶融防止の上で望ましい。
【００２２】
その結果として、カムノーズ部Ｃｎの全幅にわたり表面硬度がＨＲｃ４５〜５２程度で硬化層深さ０．２〜０．８ｍｍの要求品質通りの焼入れ層が形成され、同時にカムプロフィール変形量も１０μｍ以下と少なく、しかも表面溶融の発生も全くないことが確認できた。
【００２３】
このように、カムロブＣとレーザ発振器Ｒとを特定の一方向に相対移動させるだけで所望品質の焼入れ処理を行えることは次のように説明できる。すなわち、図１に示すように、カムロブＣとレーザ発振器Ｒとの相対移動の過程において、ワークディスタンスＤ（＝Ｄ２）が最も小さくなるノーズトップ部Ｃｔ付近ではレーザビームＬのビームスポットＢのサイズ（断面積）Ｓｉが最も大きくなるが、ノーズトップ部ＣｔがレーザビームＬの光軸と正対するかたち（ノーズトップ部Ｃｔに対するレーザビームＬの入射角が０°）となるため、曲率半径の小さなノーズトップ部Ｃｔ上での実質的なビームスポットＢのサイズ（投影面積）Ｓｔは上記断面積Ｓｉとほぼ同一のものとなる。
【００２４】
一方、ワークディスタンスＤ（＝Ｄ１）が最も大きくなるベースサークル部Ｃａとの接線部Ｃｂ付近ではレーザビームＬのビームスポットＢのサイズ（断面積）Ｓｉが最も小さくなるが、同部位ではノーズトップ部Ｃｔ付近と異なりビーム入射角が大きくなってレーザビームＬの光軸が被処理部位に対して大きく傾くことになるため、同被処理部位でのビームスポットＢのサイズ（投影面積）が大きくなり、同部位での実質的なビームスポットＢのサイズ（投影面積）Ｓｔは先のノーズトップ部Ｃｔ付近のものと比較しても大差がなくなる。その結果として、カムノーズ部Ｃｎの全領域においてほぼ等しいレーザパワー密度を与えることができ、制御としてはきわめて単純な一軸の直線制御だけで足りることになる。
【００２５】
なお、図１に示すようなレーザ発振器ＲとカムロブＣとの相対位置関係を維持したままで、レーザ発振器Ｒを固定側としてカムロブＣ側を回転運動させるようにしても同様の効果が得られる。
【００２６】
ここで、被処理部位に照射すべきレーザビームＬを予め偏光させて、レーザビームを被処理部位に対しＳ偏光入射させることがより望ましい。すなわち、図３において、Ｗは被処理面、４はレーザビームＬの入反射面、５ａ，５ｂは偏光面をそれぞれ示し、同図（Ａ）に示すようにレーザビーＬムのうち入反射面４に平行な偏光面５ａをもつ偏光をＰ偏光レーザビーム、同図（Ｂ）に示すように入反射面４に対し垂直な偏光面５ｂをもつ偏光をＳ偏光レーザビームという。そして、図４からも明らかなようにＳ偏光入射とした場合、そのビーム入射角が７０°以下であれば、ビーム入射角が０°の場合（図１の（Ｂ）のようにレーザビームＬの光軸方向とノーズトップ部Ｃｔとが正対している場合）に比して被処理面上でのレーザ吸収率はそれほど低下せず、被処理面の全域でほぼ一定した吸熱量を維持でき、例えば図５に示すような比較的簡単な移動速度（Ｆｖ）の制御とレーザパワー（Ｌｐ）の制御だけで品質の優れた焼入れ層を安定して得ることができるようになる。その上、設備の簡素化、加工時間の短縮化および生産性の向上の上でも有利となる。なお、図４のレーザ吸収率は被処理面への入射角が０°の場合のレーザ吸収率を１００％としている。
【００２７】
ここで、上記の実施の形態ではレーザ焼入れ処理を例にとって説明したが、本発明はリメルト処理すなわちレーザビームによる再溶融表面硬化処理にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好ましい実施の形態を示す図で、（Ａ）はレーザビームのビームスポット形状を示す説明図、（Ｂ）はレーザ焼入れ処理時の説明図。
【図２】図１で使用するレーザ光学系の構成説明図。
【図３】レーザビームのＰ偏光入射とＳ偏光入射との関係を示す模式的な説明図。
【図４】レーザビームの入射角とレーザ吸収率との関係を示す特性図。
【図５】処理対象となるカムロブとレーザパワー密度および送り速度との関係を示す説明図。
【符号の説明】
１…レーザダイオード
２…マイクロシリンドリガルレンズ
３…フォーカシングレンズ（最終光学系）
Ｂ…レーザビームのビームスポット
Ｃ…カムロブ（板カム）
Ｃａ…ベースサークル
Ｃｎ…カムノーズ部（カム面）
Ｃｔ…ノーズトップ部
Ｄ…ワークディスタンス
Ｆ…焦点位置
ＦＩ…焦点距離
Ｌ…レーザビーム
Ｒ…レーザ発振器

Claims (5)

1. 処理対象となる板カムのカム面がレーザビームの焦点位置よりもインフォーカス側となるようにそのカム面に対して板カムの軸線と平行な線状のレーザビームを照射し、
   レーザビーム照射軸線および板カムの軸線のそれぞれに対して垂直な方向に板カムとレーザビームを相対移動させて焼入れ処理を施すことを特徴とするカムの焼入れ方法。
2. 偏光したレーザビームをカム面に対しＳ偏光入射となるように偏光方向を制御することを特徴とする請求項１に記載のカムの焼入れ方法。
3. レーザビームのビームスポットは偏平矩形状のものであることを特徴とする請求項１または２に記載のカムの焼入れ方法。
4. 処理対象となる板カムは内燃機関用カムシャフトのカムロブであって、且つそのカム形状が接線カムもしくは円弧カムであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のカムの焼入れ方法。
5. 処理対象部位はベースサークル以外のカムノーズ部であることを特徴とする請求項４に記載のカムの焼入れ方法。

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