JP6363873B2

JP6363873B2 - 焼入れ方法および焼入れ装置

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Publication number: JP6363873B2
Application number: JP2014104506A
Authority: JP
Inventors: 信行宮本
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Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2014-05-20
Filing date: 2014-05-20
Publication date: 2018-07-25
Anticipated expiration: 2034-05-20
Also published as: JP2015218375A

Description

本発明は、軸部材を焼入れする焼入れ方法および焼入れ装置に関する。

クランクシャフトやカムシャフト等の軸部材には、疲労強度や耐摩耗性を向上させる観点から焼入れが施される。このような軸部材の焼入れ方法として、軸部材を回転させながら、ビームつまりレーザを照射するレーザ焼入れが開発されている（特許文献１参照）。所定時間に渡って軸部材にレーザを照射することにより、軸部材の外周面を急速に加熱して冷却することができ、軸部材の外周面に焼入れを施すことが可能となる。

特開２００４−８４９３１号公報

ところで、軸部材を回転させながらレーザ等を照射する焼入れ方法においては、軸部材の回転角度に応じてレーザの照射部位が変化するため、軸部材の外周面の温度分布にムラが生じることになる。特に、温度分布に大きなバラツキを発生させることは、軸部材の各部位における熱膨張にバラツキを生じさせ、軸部材に曲がりを生じさせてしまう要因となる。このように、軸部材を曲げてしまうことは、後工程での矯正作業が必要となることから、軸部材の製造コストを増大させる要因となっていた。

本発明の目的は、焼入れに伴う軸部材の曲がりを抑制することにある。

本発明の焼入れ方法は、軸中心に位置する複数のクランクジャーナルと軸中心から偏心する複数のクランクピンとを備えたクランクシャフトを回転させ、前記クランクピンにビームを照射して焼入れする焼入れ方法であって、前記クランクシャフトの中央部に位置する前記クランクジャーナルの振れ量に基づいて、前記クランクシャフトの曲がり量を計測する計測ステップと、前記曲がり量に基づいて、前記クランクピンに１回転目に照射される前記ビームの目標エネルギー量を設定する設定ステップと、前記目標エネルギー量に基づいて、前記クランクシャフトの回転速度と前記ビームの出力との少なくともいずれか一方を制御する制御ステップと、を有する。

本発明の焼入れ装置は、軸中心に位置する複数のクランクジャーナルと軸中心から偏心する複数のクランクピンとを備えたクランクシャフトを回転させ、前記クランクピンにビームを照射して焼入れする焼入れ装置であって、前記クランクシャフトの中央部に位置する前記クランクジャーナルの振れ量に基づいて、前記クランクシャフトの曲がり量を計測する計測部と、前記曲がり量に基づいて、前記クランクピンに１回転目に照射される前記ビームの目標エネルギー量を設定する設定部と、前記目標エネルギー量に基づいて、前記クランクシャフトの回転速度と前記ビームの出力との少なくともいずれか一方を制御する制御部と、を有する。

本発明によれば、クランクシャフトの曲がり量に基づいて、クランクピンに１回転目に照射されるビームの目標エネルギー量を設定し、目標エネルギー量に基づいて、クランクシャフトの回転速度とビームの出力との少なくともいずれか一方を制御する。これにより、焼入れに伴うクランクシャフトの曲がりが抑制される。

本発明の一実施の形態である焼入れ装置を示す概略図である。クランクシャフトの振れ量および振れ方向の測定状況を示す説明図である。クランクピンに対するレーザの照射状況を示す説明図である。クランクピンの部位における温度変化を示す線図である。クランクシャフトの曲がり状態を示す説明図である。クランクシャフトの曲がり状態を示す説明図である。クランクシャフトの曲がり状態を示す説明図である。（ａ）〜（ｃ）は、初期加熱度がクランクシャフトの曲げに与える影響を示すイメージ図である。（ａ）および（ｂ）は、曲がり値と初期加熱度との関係を示す線図である。初期加熱度と加熱条件値との関係を示す線図である。（ａ）および（ｂ）は、曲がり値と加熱条件値との関係を示す線図である。焼入れ方法の手順の一例を示すフローチャートである。焼入れ方法の手順の一例を示すフローチャートである。（ａ）〜（ｃ）は、クランクピンの焼入れに伴うクランクシャフトの変形状況を示すイメージ図である。（ａ）〜（ｃ）は、クランクピンの焼入れに伴うクランクシャフトの変形状況を示すイメージ図である。（ａ）〜（ｃ）は、クランクシャフトの変形状況を示すイメージ図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の一実施の形態である焼入れ装置１０を示す概略図である。この焼入れ装置１０を用いて焼入れを行うことにより、本発明の一実施の形態である焼入れ方法を実施することが可能となる。図１に示すように、焼入れ装置１０には、軸部材であるクランクシャフト１１が取り付けられている。クランクシャフト１１は、軸中心に配置される複数のクランクジャーナルＪ１〜Ｊ５と、軸中心から偏心する複数のクランクピン（軸部）Ｐ１〜Ｐ４とを有している。また、クランクシャフト１１は、クランクジャーナルＪ１〜Ｊ５とクランクピンＰ１〜Ｐ４とを連結する複数のクランクアーム１２を有している。なお、クランクジャーナルＪ１〜Ｊ５は、図示しないシリンダブロックのジャーナルボアによって回転自在に支持される部位であり、クランクピンＰ１〜Ｐ４は、図示しないコネクティングロッドの大端部が回転自在に装着される部位である。このようなクランクジャーナルＪ１〜Ｊ５やクランクピンＰ１〜Ｐ４には、疲労強度や耐摩耗性を向上させる観点から焼入れが施される。

焼入れ装置１０は、クランクシャフト１１を回転させる回転機構部１３を有している。回転機構部１３はベース部材１４を備えており、ベース部材１４の両端部には一対の支持板１５，１６が固定されている。一方の支持板１５には回転プレート１７が回転自在に設けられており、他方の支持板１６には電動モータ１９によって駆動される回転プレート１８が回転自在に設けられている。また、一方の回転プレート１７にはクランクシャフト１１の一端部が取り付けられており、他方の回転プレート１８にはクランクシャフト１１の他端部が取り付けられている。図示する場合には、クランクピンＰ２，Ｐ３に焼入れを行うことから、クランクピンＰ２，Ｐ３が回転中心となるように、回転機構部１３に対してクランクシャフト１１が取り付けられている。なお、クランクピンＰ１，Ｐ４やクランクジャーナルＪ１〜Ｊ５に焼入れを行う際には、クランクピンＰ１，Ｐ４やクランクジャーナルＪ１〜Ｊ５が回転中心となるように、回転機構部１３に対してクランクシャフト１１が取り付けられる。

焼入れ装置１０は、ビームであるレーザＬを照射するレーザ照射部２０を備えている。レーザ照射部２０は、レーザを発振するレーザ発振器２１と、これに光ファイバー２２を介して接続されるレーザヘッド２３とを有している。レーザ発振器２１から発振されたレーザは、光ファイバー２２を介してレーザヘッド２３に案内され、レーザヘッド２３からクランクシャフト１１の焼入れ部位に照射される。また、レーザヘッド２３は図示しないスライド機構に取り付けられており、焼入れ部位に応じてレーザヘッド２３を移動させることが可能である。なお、ビームとしては、ＣＯ_２レーザ、ＹＡＧレーザ、半導体レーザ等のレーザに限られることはなく、電子ビームを採用しても良い。

焼入れ装置１０は、クランクシャフト１１の振れ量および振れ方向を測定するプローブ２４を備えている。プローブ２４は図示しないスライド機構に取り付けられており、測定部位に応じてプローブ２４を移動させることが可能である。ここで、図２はクランクシャフト１１の振れ量および振れ方向の測定状況を示す説明図である。図２に示すように、クランクシャフト１１の振れ量および振れ方向を測定する際には、クランクジャーナルＪ１〜Ｊ５が回転中心となるように、回転機構部１３に対してクランクシャフト１１が取り付けられる。続いて、中央のクランクジャーナルＪ３に向けてプローブ２４を移動させ、プローブ２４の測定子２５がクランクジャーナルＪ３の外周面に当てられる。そして、クランクシャフト１１を低速で回転させながら、クランクシャフト１１の回転角度毎に測定子２５の移動量が計測される。このように、クランクシャフト１１の回転角度に応じて測定子２５の移動量を計測することにより、クランクシャフト１１つまりクランクジャーナルＪ３の振れ量および振れ方向が検出される。なお、回転機構部１３には、クランクシャフト１１の回転角度を検出する回転角センサ２６が設けられる。

焼入れ装置１０は、回転機構部１３、レーザ照射部２０、およびプローブ２４等を制御する制御ユニット２７を有している。すなわち、制御ユニット２７から電動モータ１９に制御信号が出力され、制御ユニット２７によってクランクシャフト１１の回転速度が制御される。また、制御ユニット２７からレーザ発振器２１に制御信号が出力され、制御ユニット２７によってレーザの出力や照射時間が制御される。さらに、制御ユニット２７から図示しないスライド機構に制御信号が出力され、レーザヘッド２３やプローブ２４の停止位置が制御される。また、クランクシャフト１１の振れ量等を測定する際には、プローブ２４や回転角センサ２６から制御ユニット２７に向けて検出信号が送信される。なお、制御ユニット２７は、制御信号等を演算するＣＰＵ、制御プログラム、演算式およびデータ等を格納するＲＯＭ、一時的にデータを格納するＲＡＭ等によって構成される。また、制御ユニット２７は、後述するように、計測部、設定部および制御部として機能する。

続いて、焼入れ加工におけるクランクピンＰ１〜Ｐ４の加熱状況について説明する。図３はクランクピンＰ３に対するレーザの照射状況を示す説明図である。図３には図１のＡ−Ａ線に沿って切断したクランクシャフト１１が示されている。また、図４はクランクピンＰ３の部位α，βにおける温度変化を示す線図である。図４には、部位αの温度変化が実線で示されており、部位βの温度変化が破線で示されている。図３に示すように、矢印Ｘ方向に回転するクランクピンＰ３には、上方からレーザＬが照射される。すなわち、回転するクランクピンＰ３の外周部は上側で加熱されるため、図４に示すように、クランクピンＰ３の温度は周期的に上下しながら上昇することになる。ここで、図４に符号α１，β１で示すように、レーザの照射開始直後においては、クランクピンＰ３の外周部に大きな温度差が現れることになる。すなわち、レーザの照射開始直後においてクランクピンＰ３には熱膨張に伴う応力が発生するため、クランクシャフト１１に曲がりが生じてしまう虞がある。なお、クランクピンＰ３を例に挙げて説明したが、他のクランクピンＰ１，Ｐ２，Ｐ４についても、クランクピンＰ３と同様に加熱されている。

以下、クランクシャフト１１の曲がり値および焼入れ加工の初期加熱度について説明した後に、クランクシャフト１１の焼入れ方法をフローチャートに沿って具体的に説明する。図５〜図７はクランクシャフト１１の曲がり状態を示す説明図である。図５には図１の矢印Ｂ方向から見たクランクシャフト１１が示され、図６および図７には図５の矢印Ａ方向から見たクランクシャフト１１が示されている。なお、図５には、クランクジャーナルＪ３の振れ方向を示す角度として、クランクピンＰ２，Ｐ３側が０°と記載され、クランクピンＰ１，Ｐ４側が１８０°と記載される。また、図５に示す符号Ｃ１，Ｃ２は、クランクジャーナルＪ３の中心を示している。

まず、クランクシャフト１１の曲がり値（曲がり量）について説明する。クランクシャフト１１の曲がり値とは、前述したクランクジャーナルＪ３の振れ量におけるクランクピンＰ１〜Ｐ４の方向成分を意味している。すなわち、図５に符号Ｃ１で示すように、クランクジャーナルＪ３の振れ量がＬａ１であり、クランクジャーナルＪ３の振れ方向がθ１である場合には、クランクシャフト１１の曲がり値は０°方向の成分である「＋Ｌｂ１」となる。ここで、図６に示すように、クランクシャフト１１の中心を示す符号Ｃ０とは、クランクシャフト１１の両端の中心を結んだ中心線を意味している。すなわち、図５および図６に示すように、クランクシャフト１１がクランクピンＰ２，Ｐ３側に凸となる場合には、クランクシャフト１１の曲がり値は正側（＋側）に算出される。また、図５に符号Ｃ２で示すように、クランクジャーナルＪ３の振れ量がＬａ２であり、クランクジャーナルＪ３の振れ方向がθ２である場合には、クランクシャフト１１の曲がり値は１８０°方向の成分である「−Ｌｂ２」となる。すなわち、図５および図７に示すように、クランクシャフト１１がクランクピンＰ１，Ｐ４側に凸となる場合には、クランクシャフト１１の曲がり値は負側（−側）に算出される。前述したように、クランクジャーナルＪ３の振れ方向が２７０°から９０°の範囲に収まる場合には、クランクシャフト１１の曲がり値は正側に算出される一方、クランクジャーナルＪ３の振れ方向が９０°から２７０°の範囲に収まる場合には、クランクシャフト１１の曲がり値は負側に算出される。

続いて、焼入れ加工における初期加熱度について説明する。前述したように、レーザ照射直後においては、クランクピンＰ１〜Ｐ４の外周部に大きな温度差が現れることから、レーザ照射直後の加熱状況がクランクシャフト１１の曲げに大きな影響を与えると考えられる。そこで、本発明の一実施の形態である焼入れ方法および焼入れ装置１０においては、１回転目のクランクピンＰ１〜Ｐ４の温度上昇幅を初期加熱度として定義し、この初期加熱度を調整することでクランクシャフト１１の曲がりを抑制している。すなわち、初期加熱度とは、クランクピンＰ１〜Ｐ４に対して１回転目に照射されるレーザのエネルギー量であり、レーザの出力やクランクシャフト１１の回転速度によって増減する値である。すなわち、レーザの出力が高い場合には、急速に温度が上昇することから初期加熱度が大きくなる一方、レーザの出力が低い場合には、緩やかに温度が上昇することから初期加熱度が小さくなる。また、クランクシャフト１１の回転速度が遅い場合には、レーザを受ける時間が長いことから初期加熱度が大きくなる一方、クランクシャフト１１の回転速度が速い場合には、レーザを受ける時間が短いことから初期加熱度が小さくなる。

ここで、図８（ａ）〜（ｃ）は初期加熱度がクランクシャフト１１の曲げに与える影響を示すイメージ図である。図８（ａ）にはレーザ照射前の状態が示され、図８（ｂ）には初期加熱度が小さい場合の状態が示され、図８（ｃ）には初期加熱度が大きい場合の状態が示されている。図８（ｂ）に示すように、初期加熱度が小さい場合、つまりレーザの出力が低い場合やクランクシャフト１１の回転速度が速い場合には、クランクシャフト１１の曲がりが抑制される。このことは、初期加熱度が小さいことから、クランクピンＰ１〜Ｐ４の外周部に現れる温度差が小さいためと考えられる。また、図８（ｃ）に示すように、初期加熱度が大きい場合、つまりレーザの出力が高い場合やクランクシャフト１１の回転速度が遅い場合には、クランクシャフト１１の曲がりが促進される。このことは、初期加熱度が大きいことから、クランクピンＰ１〜Ｐ４の外周部に現れる温度差が大きいためと考えられる。

続いて、クランクピンＰ２，Ｐ３の焼入れに伴うクランクシャフト１１の曲がり状況と、クランクピンＰ１，Ｐ４の焼入れに伴うクランクシャフト１１の曲がり状況とについて説明する。図９（ａ）および（ｂ）は曲がり値と初期加熱度との関係を示す線図である。図１０は初期加熱度と加熱条件値との関係を示す線図である。図１１（ａ）および（ｂ）は曲がり値と加熱条件値との関係を示す線図である。図９（ａ）および図１１（ａ）には、クランクピンＰ２，Ｐ３を焼入れする際の線図が示されており、図９（ｂ）および図１１（ｂ）には、クランクピンＰ１，Ｐ４を焼入れする際の線図が示されている。なお、図１０および図１１に示した加熱条件値とは、レーザの出力をクランクシャフト１１の回転速度で除して表現される。すなわち、レーザの出力が大きい場合や、クランクシャフト１１の回転速度が遅い場合には、加熱条件値が大きく設定される。一方、レーザの出力が小さい場合や、クランクシャフト１１の回転速度が速い場合には、加熱条件値が小さく設定される。

図９（ａ）に示すように、クランクピンＰ２，Ｐ３の焼入れ加工においては、初期加熱度が小さい程に、クランクシャフト１１の曲がり値が正側で小さくなり、初期加熱度が大きい程に、クランクシャフト１１の曲がり値が正側で大きくなる。また、図１０に示すように、焼入れ加工の加熱条件値が小さい程に、初期加熱度は小さくなり、焼入れ加工の加熱条件値が大きい程に、初期加熱度は大きくなる。したがって、図１１（ａ）に示すように、焼入れ加工の加熱条件値を小さく設定することにより、クランクシャフト１１を正側に小さく曲げることが可能となる。一方、焼入れ加工の加熱条件値を大きく設定することにより、クランクシャフト１１を正側に大きく曲げることが可能となる。すなわち、加熱条件値を大きく設定することにより、図６に矢印αで示すように、クランクシャフト１１を曲げることが可能となる。一方、加熱条件値を小さく設定することにより、図６に矢印βで示すように、クランクシャフト１１の曲げを抑制することが可能となる。

図１１（ａ）に示すように、クランクピンＰ２，Ｐ３の焼入れ加工においては、焼入れを実施する際の加熱条件値に応じて、クランクシャフト１１の回転速度が異なる３つの焼入れモード、つまり標準モード、低回転モードおよび高回転モードが設定されている。すなわち、加熱条件値をＨ１に調整する際には、クランクシャフト１１を標準速度で回転させる標準モードが設定される。この標準モードにおいては、Ｈ１の加熱条件値が得られるように、予め設定された出力でレーザが照射される。また、加熱条件値をＨ１よりも大きな範囲で調整する際には、クランクシャフト１１を標準速度よりも遅く回転させる低回転モードが設定される。この低回転モードにおいては、目標となる加熱条件値に応じてレーザの出力が設定される。さらに、加熱条件値をＨ１よりも小さな範囲で調整する際には、クランクシャフト１１を標準速度よりも速く回転させる高回転モードが設定される。この高回転モードにおいては、目標となる加熱条件値に応じてレーザの出力が設定される。

図９（ｂ）に示すように、クランクピンＰ１，Ｐ４の焼入れ加工においては、初期加熱度が小さい程に、クランクシャフト１１の曲がり値が負側で小さくなり、初期加熱度が大きい程に、クランクシャフト１１の曲がり値が負側で大きくなる。また、前述の図１０に示すように、焼入れ加工の加熱条件値が小さい程に、初期加熱度は小さくなり、焼入れ加工の加熱条件値が大きい程に、初期加熱度は大きくなる。したがって、図１１（ｂ）に示すように、焼入れ加工の加熱条件値を小さく設定することにより、クランクシャフト１１を負側に小さく曲げることが可能となる。一方、焼入れ加工の加熱条件値を大きく設定することにより、クランクシャフト１１を負側に大きく曲げることが可能となる。すなわち、加熱条件値を大きく設定することにより、図７に矢印αで示すように、クランクシャフト１１を曲げることが可能となる。一方、加熱条件値を小さく設定することにより、図７に矢印βで示すように、クランクシャフト１１の曲げを抑制することが可能となる。

図１１（ｂ）に示すように、クランクピンＰ１，Ｐ４の焼入れ加工においては、焼入れを実施する際の加熱条件値に応じて、クランクシャフト１１の回転速度が異なる３つの焼入れモード、つまり標準モード、低回転モードおよび高回転モードが設定されている。すなわち、加熱条件値をＨ２に調整する際には、クランクシャフト１１を標準速度で回転させる標準モードが設定される。この標準モードにおいては、Ｈ２の加熱条件値が得られるように、予め設定された出力でレーザが照射される。また、加熱条件値をＨ２よりも大きな範囲で調整する際には、クランクシャフト１１を標準速度よりも遅く回転させる低回転モードが設定される。この低回転モードにおいては、目標となる加熱条件値に応じてレーザの出力が設定される。さらに、加熱条件値をＨ２よりも小さな範囲で調整する際には、クランクシャフト１１を標準速度よりも速く回転させる高回転モードが設定される。この高回転モードにおいては、目標となる加熱条件値に応じてレーザの出力が設定される。

以下、制御ユニット２７によって実行される焼入れ方法の手順についてフローチャートに沿って説明する。図１２および図１３は焼入れ方法の手順の一例を示すフローチャートである。図１２および図１３においては、符号αで示した箇所で接続されている。また、図１４（ａ）〜（ｃ）は、クランクピンＰ２，Ｐ３の焼入れに伴うクランクシャフト１１の変形状況を示すイメージ図である。図１５（ａ）〜（ｃ）は、クランクピンＰ１，Ｐ４の焼入れに伴うクランクシャフト１１の変形状況を示すイメージ図である。なお、図１４および図１５には、クランクシャフト１１の中心軸のみが示されている。

図１２に示すように、ステップＳ１０では、クランクピンＰ１〜Ｐ４の焼入れ前に、クランクシャフト１１の曲がり値ａが測定される。続いて、ステップＳ１１では、曲がり値ａが、第１規定範囲（０±Ｘ１）に収まるか否かが判定される。ステップＳ１１において、曲がり値ａが第１規定範囲に収まると判定された場合、つまりクランクシャフト１１に曲がりが生じていない場合には、ステップＳ１２に進む。ステップＳ１２では、目標の加熱条件値が、前述した標準モードのＨ１に設定される。そして、ステップＳ１３に進み、標準モードを用いてクランクピンＰ２，Ｐ３に焼入れ加工が施される。図１１（ａ）に示すように、標準モードで用いられる加熱条件値Ｈ１とは、クランクシャフト１１の曲がり値Ｓ１に対応する加熱条件値である。すなわち、図１４（ａ）に破線で示すように、クランクシャフト１１に曲がりが生じていない場合には、加熱条件値Ｈ１で標準モードが実施される。これにより、図１４（ａ）に実線で示すように、曲がり値Ｓ１に向けてクランクシャフト１１の曲げが制御される。

一方、ステップＳ１１において、曲がり値ａが第１規定範囲から外れると判定された場合には、ステップＳ１４に進み、曲がり値ａが０より大きいか否かが判定される。ステップＳ１４において、曲がり値ａが０よりも大きいと判定された場合には、ステップＳ１５に進み、焼入れモードとして高回転モードが設定される。続くステップＳ１６では、クランクシャフト１１の目標曲がり値ｂが算出される。ここで、目標曲がり値ｂとは、加熱条件値Ｈ１で得られる曲がり値Ｓ１から、現在の曲がり値ａを減算した値である（ｂ＝Ｓ１−ａ）。次いで、ステップＳ１７では、目標曲がり値ｂに応じた加熱条件値が設定される。例えば、図１１（ａ）に示すように、目標曲がり値が「ｂ１」として算出された場合には、これに対応する加熱条件値として「Ｈｂ１」が設定される。そして、ステップＳ１３では、目標曲がり値ｂに応じた加熱条件値（例えばＨｂ１）が得られるように、照射されるレーザの目標出力が設定され、高回転モードでクランクピンＰ２，Ｐ３に焼入れ加工が施される。すなわち、図１４（ｂ）に破線で示すように、クランクシャフト１１が正側に曲がっている場合には、目標曲がり値ｂに応じた加熱条件値で高回転モードが実施される。これにより、図１４（ｂ）に実線で示すように、曲がり値Ｓ１に向けてクランクシャフト１１の曲げが制御される。

また、ステップＳ１４において、曲がり値ａが０以下であると判定された場合には、ステップＳ１８に進み、焼入れモードとして低回転モードが設定される。続くステップＳ１９では、クランクシャフト１１の目標曲がり値ｂが算出される。前述したように、目標曲がり値ｂとは、曲がり値Ｓ１から曲がり値ａを減算した値である（ｂ＝Ｓ１−ａ）。次いで、ステップＳ２０では、目標曲がり値ｂに応じた加熱条件値が設定される。例えば、図１１（ａ）に示すように、目標曲がり値が「ｂ２」として算出された場合には、これに対応する加熱条件値として「Ｈｂ２」が設定される。そして、ステップＳ１３では、目標曲がり値ｂに応じた加熱条件値（例えばＨｂ２）が得られるように、照射されるレーザの目標出力が設定され、低回転モードでクランクピンＰ２，Ｐ３に焼入れ加工が施される。すなわち、図１４（ｃ）に破線で示すように、クランクシャフト１１が負側に曲がっている場合には、目標曲がり値ｂに応じた加熱条件値で低回転モードが実施される。これにより、図１４（ｃ）に実線で示すように、曲がり値Ｓ１に向けてクランクシャフト１１の曲げが制御される。

続いて、図１３に示すように、ステップＳ２１では、クランクピンＰ２，Ｐ３の焼入れ後に、再びクランクシャフト１１の曲がり値ｃが測定される。続いて、ステップＳ２２では、曲がり値ｃが、曲がり値Ｓ１を基準に設定される第２規定範囲（Ｓ１±Ｘ２）に収まるか否かが判定される。ステップＳ２２において、曲がり値ｃが第２規定範囲に収まると判定された場合、つまりクランクシャフト１１の曲がり値がほぼＳ１である場合には、ステップＳ２３に進む。ステップＳ２３では、目標の加熱条件値が、前述した標準モードのＨ２に設定される。そして、ステップＳ２４に進み、標準モードを用いてクランクピンＰ１，Ｐ４に焼入れ加工が施される。図１１（ｂ）に示すように、標準モードで用いられる加熱条件値Ｈ２とは、クランクシャフト１１の曲がり値Ｓ２に対応する加熱条件値である。すなわち、図１５（ａ）に破線で示すように、クランクシャフト１１が曲がり値Ｓ１で曲がっている場合には、加熱条件値Ｈ２で標準モードが実施される。これにより、図１５（ａ）に実線で示すように、曲がり値０に向けてクランクシャフト１１の曲げが制御される。

一方、ステップＳ２２において、曲がり値ｃが第２規定範囲から外れると判定された場合には、ステップＳ２５に進み、曲がり値ｃから曲がり値Ｓ１を減算して補正値ｄが算出される。続いて、ステップＳ２６に進み、補正値ｄが０より大きいか否かが判定される。ステップＳ２６において、補正値ｄが０よりも大きいと判定された場合には、ステップＳ２７に進み、焼入れモードとして低回転モードが設定される。続くステップＳ２８では、クランクシャフト１１の目標曲がり値ｅが算出される。ここで、目標曲がり値ｅとは、加熱条件値Ｈ２で得られる曲がり値Ｓ２から、現在の曲がり値ｃに基づく補正値ｄを減算した値である（ｅ＝Ｓ２−ｄ）。次いで、ステップＳ２９では、目標曲がり値ｅに応じた加熱条件値が設定される。例えば、図１１（ｂ）に示すように、目標曲がり値がｅ１として算出された場合には、これに対応する加熱条件値としてＨｅ１が設定される。そして、ステップＳ２４では、目標曲がり値ｅに応じた加熱条件値（例えばＨｅ１）が得られるように、照射されるレーザの目標出力が設定され、低回転モードでクランクピンＰ１，Ｐ４に焼入れ加工が施される。すなわち、図１５（ｂ）に破線で示すように、クランクシャフト１１が曲がり値Ｓ１よりも正側に曲がっている場合には、目標曲がり値ｅに応じた加熱条件値で低回転モードが実施される。これにより、図１５（ｂ）に実線で示すように、曲がり値０に向けてクランクシャフト１１の曲げが制御される。

また、ステップＳ２６において、曲がり値ａが０以下であると判定された場合には、ステップＳ３０に進み、焼入れモードとして高回転モードが設定される。続くステップＳ３１では、クランクシャフト１１の目標曲がり値ｅが算出される。前述したように、目標曲がり値ｅとは、曲がり値Ｓ２から補正値ｄを減算した値である（ｅ＝Ｓ２−ｄ）。次いで、ステップＳ３２では、目標曲がり値ｅに応じた加熱条件値が設定される。例えば、図１１（ｂ）に示すように、目標曲がり値がｅ２として算出された場合には、これに対応する加熱条件値としてＨｅ２が設定される。そして、ステップＳ２４では、目標曲がり値ｅに応じた加熱条件値（例えばＨｅ２）が得られるように、照射されるレーザの目標出力が設定され、高回転モードでクランクピンＰ１，Ｐ４に焼入れ加工が施される。すなわち、図１５（ｃ）に破線で示すように、クランクシャフト１１が曲がり値Ｓ１よりも負側に曲がっている場合には、目標曲がり値ｅに応じた加熱条件値で高回転モードが実施される。これにより、図１５（ｃ）に実線で示すように、曲がり値０に向けてクランクシャフト１１の曲げが制御される。

上述のように、クランクピンＰ１，Ｐ４に焼入れ加工が施されると、ステップＳ３３に進み、クランクシャフト１１の曲がり値ｆが測定される。続いて、ステップＳ３４では、曲がり値ｆが、第３規定範囲（０±Ｘ３）に収まるか否かが判定される。ステップＳ３４において、曲がり値ｆが第３規定範囲に収まると判定された場合、つまりクランクシャフト１１の曲がりが許容範囲内である場合には、ステップＳ３５に進み、ＯＫ判定が出力されてルーチンを抜ける。一方、ステップＳ３４において、曲がり値ｆが第３規定範囲から外れると判定された場合、つまりクランクシャフト１１の曲がりが許容範囲を外れる場合には、ステップＳ３６に進み、ＮＧ判定が出力されてルーチンを抜ける。

これまで説明したように、クランクピンＰ２，Ｐ３を焼入れすることにより、クランクシャフト１１の曲がり値は正側に変化する一方、クランクピンＰ１，Ｐ４を焼入れすることにより、クランクシャフト１１の曲がり値は負側に変化する。さらに、クランクシャフト１１の曲がり値の変化量は、クランクピンＰ１〜Ｐ４を焼入れする際の初期加熱度によって制御することが可能である。このため、本発明の一実施の形態である焼入れ方法においては、クランクシャフト１１の曲がり値（曲がり量）を計測し（計測ステップ）、曲がり値に基づいて初期加熱度（目標エネルギー量）を設定し（設定ステップ）、初期加熱度に基づいてクランクシャフト１１の回転速度とレーザの出力とを制御している（制御ステップ）。同様に、本発明の一実施の形態である焼入れ装置１０は、計測部、設定部および制御部として機能する制御ユニット２７により、クランクシャフト１１の曲がり値を計測し、曲がり値に基づいて初期加熱度を設定し、初期加熱度に基づいてクランクシャフト１１の回転速度とレーザの出力とを制御している。

これにより、クランクシャフト１１の曲がり方向とその量とを制御することができるため、焼入れ加工後におけるクランクシャフト１１の曲がりを抑制することが可能となる。ここで、図１６（ａ）〜（ｃ）はクランクシャフト１１の変形状況を示すイメージ図である。図１６（ａ）に示すように、直近の曲がり値に基づいて初期加熱度を設定した上で、クランクピンＰ２，Ｐ３を焼入れすることにより、クランクシャフト１１を矢印Ａ１方向に変形させる。そして、図１６（ｂ）に示すように、直近の曲がり値に基づいて初期加熱度を設定した上で、クランクピンＰ１，Ｐ４を焼入れすることにより、クランクシャフト１１を矢印Ａ２方向に変形させる。これにより、図１６（ｃ）に示すように、焼入れ加工後におけるクランクシャフト１１の曲がりを抑制している。すなわち、最終的にクランクシャフト１１の曲がり値が０に近づくように、直近の曲がり値に基づいてクランクピンＰ１〜Ｐ４を焼入れする際の初期加熱度を調整するのである。このように、曲がり値が０に近づくようにクランクシャフト１１に焼入れを施すことにより、クランクシャフト１１の曲がりを矯正する矯正作業を削減することができ、クランクシャフト１１の製造コストを引き下げることが可能となる。また、焼入れ加工後の矯正作業を回避することができるため、クランクシャフト１１の強度を確保することが容易となり、クランクシャフト１１の焼入れ品質を向上させることが可能となる。

また、前述の説明では、初期加熱度を増減させる際に、クランクシャフト１１の回転速度とレーザの出力との双方を制御している。このように、クランクシャフト１１の回転速度とレーザの出力との双方を制御することにより、焼入れ品質を損なうことなく初期加熱度つまり曲がり値の調整幅を拡大することが可能となる。すなわち、レーザの出力を過度に増減させることなく、初期加熱度の調整幅を拡大することができるため、クランクシャフト１１の焼入れ品質を確保することが可能となる。なお、前述の説明では、クランクシャフト１１の回転速度を、標準モード、低回転モードおよび高回転モードの３段階に切り替えているが、これに限られることはない。例えば、クランクシャフト１１の回転速度を２段階に切り替えても良く、クランクシャフト１１の回転速度を無段階に制御しても良い。また、前述の説明では、クランクシャフト１１の回転速度とレーザの出力との双方を調整しているが、これに限られることはない。例えば、初期加熱度つまり曲がり値の調整幅が狭くても良い場合には、クランクシャフト１１の回転速度だけを制御して初期加熱度を調整しても良く、レーザの出力だけを制御して初期加熱度を調整しても良い。

本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。前述の説明では、クランクシャフト１１の曲がり値に基づいて、クランクピンＰ１〜Ｐ４を焼入れする際の初期加熱度を設定しているが、これに限られることはない。例えば、クランクシャフト１１の曲がり値に基づいて、クランクジャーナルＪ１〜Ｊ５を焼入れする際の初期加熱度を設定しても良い。また、図示するクランクシャフト１１は、水平対向エンジンに組み込まれるクランクシャフトであるが、これに限られることはなく、直列エンジンやＶ型エンジン等に組み込まれる他のクランクシャフトに本発明を適用しても良い。また、前述の説明では、軸部材であるクランクシャフト１１に本発明を適用しているが、これに限られることはなく、軸部材であるカムシャフト等に本発明を適用しても良い。

前述の説明では、クランクピンＰ２，Ｐ３に焼入れを施した後に、クランクピンＰ１，Ｐ４に焼入れを施しているが、クランクピンＰ１〜Ｐ４を焼入れする際の順序としては如何なる順序であっても良い。また、前述の説明では、クランクピンＰ２，Ｐ３に焼入れを施した後に、クランクシャフト１１の曲がり値を計測し、クランクピンＰ１，Ｐ４に焼入れを施した後に、クランクシャフト１１の曲がり値を計測しているが、これに限られることはない。例えば、１本ずつクランクピンＰ１〜Ｐ４を焼入れする度に、クランクシャフト１１の曲がり値を計測しても良い。また、前述の説明では、クランクシャフト１１の曲がり値を計測する際に、クランクジャーナルＪ３の振れ方向および振れ量を計測しているが、これに限られることはない。例えば、クランクシャフト１１の曲がり値として、他のクランクジャーナルＪ１，Ｊ２，Ｊ４，Ｊ５の振れ方向および振れ量を計測しても良い。

また、前述の説明では、クランクピンＰ２，Ｐ３やクランクピンＰ１，Ｐ４に焼入れを行う際に、クランクピンＰ２，Ｐ３やクランクピンＰ１，Ｐ４が回転中心となるようにしているが、クランクジャーナルＪ１〜Ｊ５を回転中心とし、レーザヘッド２３をクランクピンＰ１〜Ｐ４に追従させても良い。

１０焼入れ装置
１１クランクシャフト（軸部材）
Ｐ１〜Ｐ４クランクピン（軸部）
２７制御ユニット（計測部，設定部，制御部）

Claims

軸中心に位置する複数のクランクジャーナルと軸中心から偏心する複数のクランクピンとを備えたクランクシャフトを回転させ、前記クランクピンにビームを照射して焼入れする焼入れ方法であって、
前記クランクシャフトの中央部に位置する前記クランクジャーナルの振れ量に基づいて、前記クランクシャフトの曲がり量を計測する計測ステップと、
前記曲がり量に基づいて、前記クランクピンに１回転目に照射される前記ビームの目標エネルギー量を設定する設定ステップと、
前記目標エネルギー量に基づいて、前記クランクシャフトの回転速度と前記ビームの出力との少なくともいずれか一方を制御する制御ステップと、
を有する、焼入れ方法。
請求項１に記載の焼入れ方法において、
前記制御ステップでは、前記クランクシャフトの回転速度と前記ビームの出力との双方が制御される、焼入れ方法。
軸中心に位置する複数のクランクジャーナルと軸中心から偏心する複数のクランクピンとを備えたクランクシャフトを回転させ、前記クランクピンにビームを照射して焼入れする焼入れ装置であって、
前記クランクシャフトの中央部に位置する前記クランクジャーナルの振れ量に基づいて、前記クランクシャフトの曲がり量を計測する計測部と、
前記曲がり量に基づいて、前記クランクピンに１回転目に照射される前記ビームの目標エネルギー量を設定する設定部と、
前記目標エネルギー量に基づいて、前記クランクシャフトの回転速度と前記ビームの出力との少なくともいずれか一方を制御する制御部と、
を有する、焼入れ装置。
請求項３に記載の焼入れ装置において、
前記制御部は、前記クランクシャフトの回転速度と前記ビームの出力との双方を制御する、焼入れ装置。