JP5303329B2 - 組立クランクシャフトの製造装置および製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、別体として形成されたカウンタウェイト部がクランクシャフト本体部に接合されている組立クランクシャフトおよびその製造方法に係り、特に、カウンタウェイト部のクランクシャフト本体部への接合技術の改良に関する。

自動車エンジン等の内燃機関では、ピストンの往復運動をコネクティングロッドを介して回転運動に変更するクランクシャフトが使用されている。クランクシャフトは、ジャーナル部を備え、ジャーナル軸部には、それと平行なクランクピン部がアーム部により連結されている。アーム部はウェブ部およびカウンタウェイト部を有している。ウェブ部にクランクピン部が連結され、カウンタウェイト部のジャーナル軸部に対する形成位置は、クランクピン部の接続箇所の反対側である。

クランクシャフトの製造では、たとえばジャーナル軸部、ウェブ部、および、クランクピン部を有するシャフト本体部と、カウンタウェイト部とを別体で製作し、溶接によりカウンタウェイト部をシャフト本体部に接合している。

クランクシャフトの接合に用いられる溶接手法として各種技術が考えられる。たとえばリモート溶接では、たとえばロボットアーム（マニュピレータ）の先端部にレーザ照射装置を取り付けた溶接装置を用い、ワークの位置を載置台固定し、ワークの溶接パターンに応じてレーザビームを移動させながら、ワークにレーザビームを照射する。

レーザビームの移動は、ロボットアームによる移動、および、レーザ照射装置からのレーザービーム照射方向の変更により行う。レーザービーム照射方向の変更では、ガルバノミラー等の反射鏡を用いて、レーザビームを偏向させている。

レーザ照射装置として、ファイバーレーザを用いることが考えられる（たとえば特許文献１〜３）。ファイバレーザは、車体部品・薄板積層構造等の板厚が比較的薄い部位に適用され、厚板や溶接深さが長いバルク体には適用されていない。ファイバーレーザは、共振器部分にファイバーを用いたレーザ装置であり、ＹｂイオンやＥｒイオンをドープしたシングルモードファイバのクラッドを２重構造にしている。

ファイバーレーザでは、内側のクラッドにレーザダイオードの励起光を入射させて励起することにより高効率・高品質なレーザ出力を得ることができる。このようなファイバレーザは、入熱が非常に小さく、かつスポット径が小さい（５０μｍ程度）ことから、品質低下を防止することができるとともに、微細領域の高精度溶接を実現することができる。

特開昭５９−２１２１３８号公報 特開昭６０−２１２１３８号公報 特開２００８−２４５４４０号公報

高精度加工応用分野からの要求に応えることができるファイバーレーザを組立クランクシャフトの溶接に適用し、高出力・高精度な加工を実現することが考えられる。しかしながら、レーザービームの移動をガルバノミラー等の反射鏡によるレーザビームの偏向により行う場合、次のような問題が生じる。すなわち、ワークの接合面に対して垂直にレーザービームを照射できないため、接合部の不均一化が生じる。また、必要な焦点距離が長くなるため、溶接装置および周辺設備のスペースが大きくなる。さらに、レーザビームの偏向によりスポット径が変わるため、ビーム品質が低下する。また、必要な焦点深度が深くなるため、ビーム径を大きくする必要が生じる。

したがって、本発明は、レーザービームの移動をガルバノミラー等の反射鏡により行う場合に生じる問題を解消することができる組立クランクシャフトの製造装置および製造方法を提供することを目的とする。

本発明の組立クランクシャフトの製造装置は、シャフト本体部とカウンタウェイト部との接合部にレーザビームを照射することにより、接合部の溶接を行うファイバーレーザと、接合部へのレーザビームの照射時、接合部の溶接パターンに応じてシャフト本体部およびカウンタウェイト部をレーザビームに対して移動させるワーク移動手段とを備え、シャフト本体部の軸線回り方向に形成された一対の突起部が、シャフト本体部側の接合部を構成し、その接合部が断面Ｖ字形状をなす組立クランクシャフトの溶接に適用され、ワーク移動手段は、シャフト本体部およびカウンタウェイト部を固定してシャフト本体部の軸線回りに回転させる回転テーブルを有していることを特徴としている。

本発明の組立クランクシャフトの製造装置では、ファイバーレーザを用いて、シャフト本体部とカウンタウェイト部との接合部にレーザビームを照射することにより、接合部の溶接を行う。ここで、レーザビームの接合部への照射は、接合部の溶接パターンに応じてワーク移動手段によりシャフト本体部およびカウンタウェイト部を移動させながら行う。

このようにワーク移動手段を用いることにより、接合部の溶接パターンに応じて溶接を行うことができるので、ガルバノミラー等の反射鏡を用いた偏向によるレーザービームの移動を行う必要がない。このようにレーザビームの照射方向を固定した状態で溶接を行うことができるので、レーザビームの照射では常に一定の照射角度・一定の焦点距離に設定することができる。その結果、反射鏡を用いた技術で生じていた問題（接合部の不均一化、溶接装置および周辺設備のための大きなスペースの確保、ビーム品質低下、および、ビーム径の粗大化）を解消することができる。

本発明は種々の構成を用いることができる。たとえばシャフト本体部の軸線回り方向に形成された一対の突起部がシャフト本体部側の前記接合部を構成し、その接合部が断面Ｖ字形状をなす組立クランクシャフトの溶接に適用する場合、ワーク移動手段は、シャフト本体部およびカウンタウェイト部を固定してシャフト本体部の軸線回りに回転させる回転テーブルを有することができる。

この態様では、回転テーブルによりシャフト本体部およびカウンタウェイト部を固定してシャフト本体部の軸線回りに回転させることにより、円周形状の溶接パターンに沿ってレーザビームを接合部に照射することができる。このようなレーザビームの照射を回転テーブルを設けるという簡単な構成で実現することができるので、さらに溶接装置および周辺設備の小型化を図ることができる。

ワーク移動手段は、回転テーブルの回転面内における直交する２軸方向に回転テーブルを移動させる可動ステージを有することができる。この態様では、回転テーブルに加えて可動ステージを用いることにより、円周形状以外の各種形状の溶接パターンに沿ってレーザビームを接合部に照射することができる。

本発明の組立クランクシャフトの製造方法は、組立クランクシャフトの製造装置で用いるワーク移動手段によるレーザビームのワークに対する相対的移動手法を用いる。すなわち、本発明の組立クランクシャフトの製造方法は、シャフト本体部の軸線回り方向に形成された一対の突起部が、シャフト本体部側の接合部を構成し、その接合部が断面Ｖ字形状をなす組立クランクシャフトの溶接に適用され、組立クランクシャフトの溶接では、ファイバーレーザを用いて、シャフト本体部とカウンタウェイト部との接合部にレーザビームを照射することにより、接合部の溶接を行い、レーザビームの接合部への照射は、接合部の溶接パターンに応じてワーク移動手段によりシャフト本体部およびカウンタウェイト部を移動させながら、行い、ワーク移動手段による移動では、シャフト本体部およびカウンタウェイト部を、ワーク移動手段の回転テーブルに固定してシャフト本体部の軸線回りに回転させることを特徴としている。

本発明の組立クランクシャフトの製造方法では、本発明の組立クランクシャフトの製造装置の効果と同様な効果を得ることができる。

本発明の、組立クランクシャフトあるいはその製造方法によれば、ガルバノミラー等の反射鏡を用いた偏向によるレーザービームの移動を行う必要がないから、反射鏡を用いた技術で生じていた問題を解消することができる。

本発明に係る一実施形態の組立クランクシャフト製造装置の概略構成を表す斜視図である。 （Ａ），（Ｂ）は本発明に係る一実施形態の組立クランクシャフト製造装置にワークとして用いるシャフト本体部とカウンタウェイト部の構成を表す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る組立クランクシャフトの製造方法を表し、レーザ溶接を行っている状態を表す断面図である。 本発明の一実施形態に係る組立クランクシャフトの製造方法を表し、レーザ溶接を行っている状態を表す拡大斜視図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は組立クランクシャフトの接合部の各種形状を表す図である。 本発明の一実施形態に係る組立クランクシャフトの全体構成を表す側面図である。 （Ａ），（Ｂ）は本発明の実施例の組立クランクシャフトの接合部の状態を表す写真であり、（Ｂ）は（Ａ）の部分拡大写真である。 本発明の実施例の組立クランクシャフトの接合部断面の状態を表す写真である。

（１）実施形態の構成
（１−１）装置構成
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る組立クランクシャフト製造装置１０の概略構成を表す斜視図である。組立クランクシャフト製造装置１０は基台１１を備えている。基台１１上には回転テーブル２１（ワーク移動手段）が矢印方向Ｒに回転可能に設けられている。

回転テーブル２１には、ワークをチャックするチャック部２２が設けられている。ワークは、チャック部２２により回転テーブル２１に固定される。基台１１には、垂直方向に延在する支持部１２が設けられ、支持部１２には、ワークを上側から固定するエアクランプ部３１が昇降可能に設けられている。ワークとしてシャフト本体部とカウンタウェイト部を用いた場合、チャック部２２およびエアクランプ部３１は、シャフト本体部とカウンタウェイト部とを当接した状態で固定する。

組立クランクシャフト製造装置１０は、回転テーブル２１上で固定されたワークにレーザビームを照射するファイバーレーザ４１を備えている。ファイバーレーザ４１は、ロボット５１の先端部に取り付けられている。 ロボット５１は、ファイバーレーザ４１の位置およびレーザビームの照射方向の初期設定を行う。

ロボット５０には、本体部５１と第１アーム部５２とを接続するヒンジ機構５１Ａが設けられ、第１アーム部５２と第２アーム部５３とを接続するヒンジ機構５２Ａが設けられ、第２アーム部５３とファイバーレーザ４１とを接続するヒンジ機構５３Ａが設けられている。本体部５１は昇降可能に設けられている。ファイバーレーザ４１の位置およびレーザビームの照射方向の初期設定は、ヒンジ機構５１Ａ〜５３Ａの回動および本体部５１の昇降により行う。

基台１１の底面には可動ステージ６１（ワーク移動手段）が設けられ、可動ステージ６１は、回転テーブル２１をＸ軸方向およびＹ軸方向の少なくとも１方向に移動させる。組立クランクシャフト製造装置１０は、回転テーブル２１の回転、ロボット５１の移動、可動ステージ６１の移動を制御を行う制御部（図示略）を備えている。

（１−２）ワークの構成
ワークとしては、図２（Ａ），（Ｂ）に示すシャフト本体部１１０とカウンタウェイト部１０２を用いる。図２（Ａ）は、シャフト本体部１１０の一部構成を表す拡大斜視図、図２（Ｂ）は、カウンタウェイト部１０２Ａの構成を表す拡大斜視図である。図６は、シャフト本体部１１０とカウンタウェイト部１０２Ａとの接合後の組立クランクシャフトの全体構成を表す図である。

シャフト本体部１１０はジャーナル部１０１を備え、ジャーナル軸部１０１には、それと平行なクランクピン部１０３がウェブ部１０２Ｂにより連結されている。ウェブ部１０２Ｂの外周部には、ジャーナル軸部１０１の軸線回り方向に延在する１対の突起部１２１，１２２が形成されている。突起部１２１，１２２は、断面Ｖ字形状をなす接合面１２１Ａ，１２２Ａを有している。カウンタウェイト部１０２Ａの外周部には、接合面１２３Ａ，１２４Ａが形成されている。カウンタウェイト部１０２Ａとウェブ部１０２Ｂとは、接合後、アーム部１０２を構成する。

シャフト本体部１１０とカウンタウェイト部１０２Ａの材質として異材を用いることができ、たとえばシャフト本体部１１０として炭素鋼等のスチール、カウンタウェイト部１０２Ａとして鋳鉄を用いることができる。

（２）実施形態の動作
組立クランクシャフト製造装置１０によるレーザ溶接について、おもに図３，４を参照して説明する。図３は、組立クランクシャフト製造装置１０を用いた製造方法を表し、レーザ溶接を行っている状態を表す断面図である。図４は、組立クランクシャフト製造装置１０を用いた製造方法を表し、レーザ溶接を行っている状態を表す拡大斜視図である。なお、図４では、シャフト本体部１１０とカウンタウェイト部１０２Ａとの接合部１０４を含む部分を表しており、カウンタウェイト部１０２Ａにおけるレーザビームの照射部分を図示するために、カウンタウェイト部１０２Ａの一部の図示を省略している。

まず、ワークとしてシャフト本体部１１０およびカウンタウェイト部１０２Ａを回転テーブル２１に固定する。この場合、チャック部２２およびエアクランプ部３１を用い、シャフト本体部１１０の接合面１２１Ａ，１２２Ａとカウンタウェイト部１０２Ａの接合面１２３Ａ，１２４Ａとを当接させた状態に設定する。接合面１２１Ａ〜１２４Ａは接合部１０４を構成している。シャフト本体部１１０およびカウンタウェイト部１０２Ａの配置形態は、たとえば回転テーブル２１の回転中心とシャフト本体部１１０の軸線Ｏとを一致させ、シャフト本体部１１０がその軸線Ｏ回りに回転する形態に設定する。

次いで、ファイバーレーザ４１の位置およびレーザビームＢの照射方向の初期設定を行う。このような初期設定は、ヒンジ機構５１Ａ〜５３Ａの回動および本体部５１の昇降により行う。この場合、レーザビームＢの照射方向は、図３，４に示すように、接合部１０４の接合面に略平行な方向とし、切欠部１０６は、レーザビームＢの入射部として用いられる。

続いて、レーザビームＢを接合部１０４に照射して溶接を行う。レーザビームＢの照射時、回転テーブル２１の矢印方向Ｒへの回転により、接合部１０４は軸線Ｏ回りに回転させる。これにより、図５（Ａ）に示す円周形状の接合部１０４の溶接パターンに沿ってレーザビームＢを照射することができる。図５（Ｂ），（Ｃ）に示す円周形状以外の接合部１０４の各種溶接パターンを得る場合、その溶接パターンに応じて、回転テーブル２１の回転制御に加えて可動ステージ６１の移動制御を適宜行う。また、この場合、回転テーブル２１の回転制御および可動ステージ６１の移動制御に加えて、必要に応じて、ロボット５１の移動によるファイバーレーザ４１の位置およびレーザビームＢの照射方向の変更を行ってもよい。

このようにしてシャフト本体部１１０とカウンタウェイト部１０２Ａが接合部１０４で溶接された組立クランクシャフト１００を得ることができ、この場合、接合部１０４は各種形状の溶接パターンを有することができる。

以上のように本実施形態では、ワーク移動手段として回転テーブル２１および可動ステージ６１を適宜用いることにより、ワークの溶接パターンに応じて溶接を行うことができるので、ガルバノミラー等の反射鏡を用いた偏向によるレーザービームの移動を行う必要がない。このようにレーザビームＢの照射方向を固定した状態で溶接を行うことができるので、レーザビームＢの照射では常に一定の照射角度・一定の焦点距離に設定することができる。その結果、反射鏡を用いた技術で生じていた問題（接合部１０４の不均一化、溶接装置および周辺設備のための大きなスペースの確保、ビーム品質低下、および、ビーム径の粗大化）を解消することができる。

特に、レーザビームＢの照射を回転テーブル２１を設けるという簡単な構成で実現することができるので、さらに溶接装置および周辺設備の小型化を図ることができる。また、回転テーブル２１に加えて可動ステージ６１を用いることにより、円周形状以外の各種形状の接合部の溶接パターンに沿ってレーザビームＢを照射することができる。

また、接合面１２１Ａ〜１２４Ａ上を通過したり反射したレーザビームＢが空間１０５に到達することができるので、溶接条件が安定化する。また、その空間１０５の形成領域は組立クランクシャフト１００の回転中心の近傍領域であるから、その領域は錘としての作用をほとんど有しない。したがって、その領域に空間を形成することにより、カウンタウェイト部１０２Ａの作用効率を向上させることができる。

実施例では、本実施形態の図２（Ａ），（Ｂ）に示す形状を有するシャフト本体部およびカウンタウェイト部の試験品を別体で製作した。具体的には、シャフト本体部としては、鍛造によりスチール製のものを製作した。カウンタウェイト部としては、鋳造により球状黒鉛鋳鉄製のものを製作した。続いて、本実施形態の図１に示す組立クランクシャフト製造装置を用い、本実施形態の図３，４に示す手法と同様に、カウンタウェイト部とシャフト本体部の接合部の溶接を行った。

溶接は、ファイバレーザ４１のレンズシールド用にエアブローをしながら行った。接合部の溶接パターンを円周形状に設定したので、ワーク移動手段として回転テーブル２１のみを用いた。溶接条件は、レーザ出力を３〜４ｋＷ、レーザビームの送り速度を０．５〜１．５ｍｍ／ｍｉｎ、フォーカスサイズを５０〜１５０μｍ、焦点距離を０〜−１ｍｍ、シールドガスとしてＨｅ（供給量：５〜１０Ｌ／ｍｉｎ）を用いた。

このように溶接を行った組立クランクシャフトの接合部の状態を図７，８に示す。図７（Ａ），（Ｂ）は組立クランクシャフトの接合部の状態を表す写真であり、（Ｂ）は（Ａ）の部分拡大写真である。図８は、組立クランクシャフトの接合部断面の状態を表す写真である。図７，８から判るように、本発明の組立クランクシャフトの溶接手法では、接合部の表面が均一で、かつ深さ方向（断面Ｖ字形状の傾斜方向）において均一となることを確認した。

１０…組立クランクシャフト製造装置、２１…回転テーブル（ワーク移動手段）、６１…可動ステージ（ワーク移動手段）、４１…ファイバレーザ、１０１…ジャーナル軸部（シャフト本体部）、１０２Ａ…カウンタウェイト部、１０２Ｂ…ウェブ部（シャフト本体部）、１０４…接合部、１０５…空間、１１０…シャフト本体部、１２１，１２２…突起部、１２１Ａ〜１２４Ａ…接合面

Claims (3)

1. シャフト本体部とカウンタウェイト部との接合部にレーザビームを照射することにより、前記接合部の溶接を行うファイバーレーザと、
   前記接合部への前記レーザビームの照射時、前記接合部の溶接パターンに応じて前記シャフト本体部および前記カウンタウェイト部を前記レーザビームに対して移動させるワーク移動手段とを備え、
   前記シャフト本体部の軸線回り方向に形成された一対の突起部が、前記シャフト本体部側の前記接合部を構成し、その接合部が断面Ｖ字形状をなす組立クランクシャフトの溶接に適用され、
   前記ワーク移動手段は、前記シャフト本体部および前記カウンタウェイト部を固定して前記シャフト本体部の軸線回りに回転させる回転テーブルを有していることを特徴とする組立クランクシャフトの製造装置。
2. 前記ワーク移動手段は、前記回転テーブルの回転面内における直交する２軸方向に前記回転テーブルを移動させる可動ステージを有していることを特徴とする請求項１に記載の組立クランクシャフトの製造装置。
3. シャフト本体部の軸線回り方向に形成された一対の突起部が、前記シャフト本体部側の接合部を構成し、その接合部が断面Ｖ字形状をなす組立クランクシャフトの溶接に適用され、
   前記組立クランクシャフトの溶接では、ファイーレーザを用いて、前記シャフト本体部とカウンタウェイト部との接合部にレーザビームを照射することにより、前記接合部の溶接を行い、
   前記レーザビームの前記接合部への照射は、前記接合部の溶接パターンに応じてワーク移動手段により前記シャフト本体部および前記カウンタウェイト部を移動させながら、行い、
   前記ワーク移動手段による移動では、前記シャフト本体部および前記カウンタウェイト部を、前記ワーク移動手段の回転テーブルに固定して前記シャフト本体部の軸線回りに回転させることを特徴とする組立クランクシャフトの製造方法。

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