JPH08199228A

JPH08199228A - 局部硬化を有する部品の製造方法

Info

Publication number: JPH08199228A
Application number: JP904795A
Authority: JP
Inventors: Shinobu Tsutsumigoshi; 忍堤腰; Susumu Ito; 進伊藤; Naohiko Tani; 直彦谷; Hikoharu Aoki; 彦治青木; Kentaro Obara; 建太郎小原
Original assignee: Brother Industries Ltd; Suzuki Motor Corp
Current assignee: Brother Industries Ltd; Suzuki Motor Corp
Priority date: 1995-01-24
Filing date: 1995-01-24
Publication date: 1996-08-06

Abstract

(57)【要約】【目的】局部硬化を有する部品の局部硬化を必要とす
る部位に所要の硬化層が得られるとともに、焼き入れに
よる歪みを極力少なくすることにより、高い精度および
耐摩耗性等に優れた、局部が硬化される部品の製造方法
を提供することである。【構成】カムシャフト１０とレーザ光３７とを相対移
動させつつ当該カムシャフト１０の所要部位である溝部
１１底部１１ａにレーザ焼入れにより局部硬化する方法
において、前記相対移動速度Ｖを変化させて、レーザ焼
入れの焼入れ深さを部品の部位によって変化させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、局部硬化を有する部品
の製造方法に係り、特に、４サイクルエンジンのカムシ
ャフトの溝部等のように、部分的に高硬度を必要とし、
当該溝部内を他部材が往復運動する場合のように摺動部
において不均一な負荷がかかる部品において、最適な硬
度分布を与えることにより高い耐摩耗性を必要とする部
品の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関例えば４サイクルエンジンに
は、シリンダーヘッドに給気・排気バルブ開閉用のカム
シャフトが設けられたオーバーヘッドカム方式のエンジ
ンがある。この種のエンジンにおいて、実公昭６３−２
５６５号公報や、特開平３−１０７５１４に開示される
ような始動負荷軽減装置が付加されたものがある。この
始動負荷軽減装置は、重錘体の付いたガバナアームとス
プリングからなるガバナ機構を有しており、そのガバナ
機構で、エンジン低回転時（エンジン始動時）にデコン
プカムをカムベース円よりも突出させて圧縮工程で排気
弁を開き、シリンダー内の吸気の圧縮圧力を抜いて始動
時の負荷を軽減するものである。

【０００３】図１８に、前記始動負荷軽減装置の付加さ
れたエンジンを構成部品のカムシャフトａを示す。図１
８のように、このエンジンには、カムシャフトａの軸部
ｂにデコンプカムを保持する部位が必要になる。この部
位は切り欠きｃになっており、この部位を熱処理により
硬化させてその耐久性を増すため、例えばチルカムの場
合は高周波焼入れ等を行うのが一般的であった。なお、
図１８において、切り欠きｃ底部の符号ｃ１で示す斜線
の範囲が高周波焼入れされる部分であり、この切り欠き
ｃは、高周波焼入れのために高周波コイルを臨ませる必
要から、半径Ｒで大きく形成されている。また、符号ｄ
は排気弁用カム、ｅは吸気弁用カムである。

【０００４】また、この種の部品の製造方法としては、
レーザ焼入れなどの方法も知られている。次にレーザ焼
入れのプロセスの例を図１９を参照して説明する。レー
ザ発振器５１から出射されたレーザ光５２は、反射鏡５
３によって方向を転換され、集光レンズ５４に入射す
る。該レーザ光５２は、該集光レンズ５４によって集光
される。該集光レンズ５４の直下で、その焦点５５より
外れた位置に、前記カムシャフトａ等の高炭素鋼である
被加工物５６が駆動可能な加工テーブル５７上に配置さ
れている。該被加工物５６は、該レーザ光５２の照射に
よって急速に加熱される。同時に、該加工テーブル５７
の駆動によって、該被加工物５６が該レーザ光５２に対
して相対移動を行う。この相対移動により、加熱された
部位から該レーザ光５２の照射が外れることで、加熱が
停止する。加熱された部位は、該被加工物５６の内部へ
の熱伝導によって急速に冷却される。以上のようなプロ
セスにより、該被加工物５６の表面の局部硬化の必要な
部位に局部硬化層５８を形成するものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】二輪車等用の高回転エ
ンジンに用いられるカムシャフトの場合、軸受け部の振
れは０．００３ｍｍ以内に押さえるのが一般的な要請で
ある。しかしながら、従来、この種のエンジンに始動負
荷軽減装置を付加したものにおいては、カムシャフトの
軸部に高周波焼入れのために比較的大きな切り欠きｃを
設けており、さらにその切り欠きｃに高周波焼入れを実
施することで軸部は大きく歪み、要求される軸部の振れ
精度を満たすのが困難となる。

【０００６】特に切り欠きの形状と高周波焼入れ性とは
軸の歪みに対して相反する（トレードオフの）関係にあ
る。つまり、高周波焼入れ性を上げるためには、例えば
前記図１８の切り欠きｃのように焼入れされる部分ｃ１
の周囲も含めて切り欠きを形成して、切り欠き形状を大
きくする必要があるが、切り欠きを大きくしたことによ
り歪みが大きくなる。一方、切り欠きを小さくすると高
周波焼入れ性が悪化し、所要の硬化層を得るためには切
り欠きの大きい場合に比較して強く焼入れることから、
焼入れによる歪みが大きくなる。

【０００７】したがって、カムシャフトの切り欠きとい
う局部を所要の硬化層が得られるように焼入れ処理すべ
きであるが、従来は、このような処理をなし得る製造方
法が提案されていないという問題点があった。

【０００８】本発明は前記従来の問題点を解決するため
になされたものであって、その課題は、局部硬化を有す
る部品の局部硬化を必要とする部位に所要の硬化層が得
られるとともに、焼き入れによる歪みを極力少なくする
ことにより、高い精度および耐摩耗性等に優れた、局部
硬化を有する部品の製造方法を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記課題を解
決するため、次の構成を有する。請求項１の発明は、部
品とレーザ光とを相対移動させつつ部品の所要部位にレ
ーザ焼入れにより局部硬化する方法において、レーザ焼
入れの焼入れ深さを部品の部位に応じて変化させたこと
を特徴とする局部硬化を有する部品の製造方法である。

【００１０】また、請求項２の発明は、請求項１の製造
方法において、部品の部位に応じてレーザ光の照射エネ
ルギーを変えたことを特徴とする局部硬化を有する部品
の製造方法である。

【００１１】また、請求項３の発明は、請求項２の製造
方法において、レーザ光と部品の相対移動速度を変化さ
せることによって焼入れ深さを変えたことを特徴とする
局部硬化を有する部品の製造方法である。

【００１２】また、請求項４の発明は、請求項１乃至３
のうちのいずれ１つの製造方法において、レーザ光を多
重反射手段中を通過させることによりエネルギー分布を
均一化したことを特徴とする局部硬化を有する部品の製
造方法である。

【００１３】また、請求項５の発明は、請求項４の製造
方法において、部品に向けて照射されるレーザ光の光軸
と直交する断面を矩形状にしたことを特徴とする局部硬
化を有する部品の製造方法である。

【００１４】また、請求項６の発明は、請求項１ないし
５のうちのいずれ１つの製造方法において、部品の焼入
れ部位の表面に所望の形状の貫通孔を有するマスク手段
を配置したことを特徴とする局部硬化を有する部品の製
造方法である。

【００１５】

【作用】請求項１の発明によれば、部品とレーザ光とを
相対移動させつつ部品の所要部位にレーザ焼入れにより
局部硬化する方法において、レーザ焼入れの焼入れ深さ
を部品の部位に応じて変化させるので、部品の所要部位
の硬度分布を所望に制御できかつ入熱量を最小限に抑制
できるため焼入れ歪みを最小限に止めることができる。

【００１６】また、請求項２の発明によれば、部品の部
位に応じてレーザ光の照射エネルギーを変えることによ
り、レーザ焼入れの焼入れ深さを部品の部位に応じて変
化させるので、部品の所要部位の硬度分布を所望に制御
できかつ入熱量を最小限に抑制できるため焼入れ歪みを
最小限に止めることができる。

【００１７】また、請求項３の発明によれば、レーザ光
と部品の相対移動速度を変化させることによって部品の
部位に応じてレーザ光の照射エネルギーを変えて、部品
の焼入れ深さを変えるので、比較的簡単かつ精度良く焼
入れを制御できる。

【００１８】また、請求項４の発明によれば、レーザ光
を多重反射手段中を通過させることによりエネルギー分
布を均一化するので、エネルギー分布のばらつきによる
焼入れのばらつきが生じることがなく目標硬度分布に正
確に即した焼入れができる。

【００１９】また、請求項５の発明によれば、部品に向
けて照射されるレーザ光の光軸と直交する断面を矩形状
にしたので、レーザ光を移動照射する場合に、照射部位
の作用時間を前記直交断面内で同一にすることができ
る。

【００２０】また、請求項６の発明によれば、部品の焼
入れ部位の表面に所望の形状の貫通孔を有するマスク手
段を配置するので、レーザ光が無関係の部位に照射され
るのを確実に防止することができる。

【００２１】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。この実施例は、局部硬化を有する部品であ
る、始動負荷軽減装置が付加された４サイクルオーバー
ヘッドカム方式エンジンのカムシャフトを本発明により
製造するものである。

【００２２】まず、前記カムシャフト１０および始動負
荷軽減装置の構成を詳細に説明する。図１は、前記カム
シャフト１０の構成説明図である。図２は、前記カムシ
ャフト１０のデコンプカム１７の保持部（溝部等）を含
む周辺の詳細説明図である。図３は、前記カムシャフト
１０が採用されるエンジンの全体構成図である。図４
は、前記エンジンのシリンダヘッド周辺を詳細に示す構
成説明図である。図５は、始動負荷軽減装置の取り付け
詳細説明図である。図６は、始動負荷軽減装置の作動説
明図である。

【００２３】図１に示すように、本実施例のカムシャフ
ト１０は、デコンプカム１７の保持部である溝部１１が
形成されていて当該溝部１１が焼入れられたものであっ
て、前記溝部１１の底部（溝底部）１１ａがレーザ光の
移動照射により必要に応じてスポット照射を組み合せて
焼入れられているものである。

【００２４】このカムシャフト１０は、吸気カム１２及
び排気カム１３と軸部分が一体に形成された例えば鋳造
されたものであって、このカムシャフト１０には、チェ
ーンスプロケット１４が前記吸気カム１２及び排気カム
１３の軸方向形成側端部とは反対側端部の外周面に嵌合
されて、回転方向に固定されている。なお、吸気カム１
２及び排気カム１３はチルカムに構成することができ
る。

【００２５】前記溝部１１は、図１及び図２に示すよう
に、排気カム１３の途中からチェーンスプロケット１４
の取り付け側に向けて延びて形成されており、この溝１
１の詳細は後述する。この溝１１を含めて排気カム１３
のチェーンスプロケット１４側に始動負荷軽減装置は配
設されている。

【００２６】始動負荷軽減装置はチェーンスプロケット
１４側から軸方向に見て図５に詳細に示すようになって
おり、主に、ホルダー１５、ガバナーアーム１６、デコ
ンプカム１７、及び受け片２２からなる。

【００２７】ホルダー１５は、中央に孔を有した概略円
板形状を呈し、カムシャフト１０に同心円状に取り囲む
ように配設され、かつ、排気カム１３のチェーンスプロ
ケット１４側に隣接する箇所に位置している。このホル
ダー１５はキー１５ａによりカムシャフト１０に対して
回転方向で固定され、かつ、サークリップ１５ｂで軸方
向に固定されている。

【００２８】ガバナーアーム１６は、概略半円弧形状で
あって、その一端部がホルダー１５に軸ピン１６ａで回
動自在に軸支され、また、ガバナーアーム１６の他端部
には、略三角形形状で角部分が円弧形状になり、かつ、
カムシャフト１０の軸方向に突出した二つの突起１９が
一定距離離隔して設けられている。また、ガバナーアー
ム１６とホルダー１５には、軸ピン１６ａを挟むように
スプリング２０が張り渡されており、このスプリング２
０によりガバナーアーム１６がカムシャフト１０の軸中
心方向に付勢され、かつカムシャフト１０の回転により
スプリング２０の張力に抗してガバナーアーム１６が遠
心力により外方向に開くようになっている。

【００２９】ホルダー１５には、ガバナーアーム１６の
先端の臨む位置にデコンプカム１７を回動可能に軸支す
る円形の孔（円孔）２１が形成され、かつ、該円孔２１
を挟むように、周方向に一定距離離隔して二つの受け片
２２が設けられている。この各受け片２２は、前記ガバ
ナーアーム１６が遠心力により揺動していない場合と揺
動した場合に前記突起１９を受け止めて、ガバナーアー
ム１６の作動範囲を規定するものである。

【００３０】前記デコンプカム１７には、カムシャフト
１０軸の直角平面に沿ってピン２３が突設されている。
このピン２３は、前記二つの突起１９間に位置するよう
に挿入され、ガバナーアーム１６の揺動に伴った突起１
９の動作によりカムシャフト１０周方向にほぼ沿って押
し圧されて、円孔２１を中心に回動して該デコンプカム
１７を回動させるようになっている。なお、ホルダー１
５には、前記円孔２１を周方向から囲むように、前記ピ
ン２３の回動範囲を規制するストッパー２４が形成され
ている。

【００３１】前記ガバナーアーム１６の前端部が臨むカ
ムシャフト１０上には前記溝部１１が形成され、この溝
部１１に始動負荷軽減装置のデコンプカム１７が嵌入さ
れて回動する。図６に溝部１１内にデコンプカム１７が
位置している状態を示す。デコンプカム１７は、図１、
図５、図６に示すように、カムシャフト１０の軸方向に
沿って延びるほぼ円柱形状であって、その周面の一側に
切り欠き１７ａが形成されており、カムシャフト１０の
回転変化すなわちエンジンの回転変化によってデコンプ
カム１７の周面が、排気カム１３の周面から突出したり
没入したりしてロッカーアーム２５を介して排気弁を開
いたり閉じたりし、負荷の軽減を行う。

【００３２】つまり、エンジンの低回転時（エンジンの
始動時）には、遠心力がガバナーアーム１６にあまり作
用しないためガバナーアーム１６は、図５の二点鎖線の
位置になり、デコンプカム１７の切り欠き１７ａは二点
鎖線のように位置するためデコンプカム１７の周面が排
気カム１３の周面から突出して、負荷軽減運転をする。
一方、エンジンの高回転時には、ガバナーアーム１６に
遠心力が作用して、ガバナーアーム１６は図５の実線の
位置に移動し、デコンプカム１７の切り欠き１７ａが破
線のように排気カム１３の周面に臨むためエンジンは通
常運転をする。

【００３３】ここで、前記溝部１１は、図２に示すよう
に、カムシャフト１０の周方向の幅が狭くなって、その
軸方向に沿って延び、かつ、所定の深さになるように深
い切り欠き（溝）に形成された長円形形状あるいは概略
小判形状になっており、前記溝部１１のサイズは、前記
デコンプカム１７がほぼ収まる最小の寸法になってい
る。なお、この溝部１１の底部１１ａの給気カム１２側
端部には、カムシャフト１０の軸芯１０ａから連通する
オイル孔１０ｂが開口しており、これにより、溝部１１
内にオイルを導いてデコンプカム１７の作動を円滑なら
しめている。

【００３４】前記の溝部１１の形成されたカムシャフト
１０に対して防錆皮膜処理のリン酸塩皮膜処理を施し、
また、潤滑皮膜処理のＭｏＳ₂（二硫化モリブデン）皮
膜処理を施す。その後、最終工程として溝部１１の底部
の焼入れを行う。該溝部１１に挿入されるデコンプカム
１７（相手部品に相当）の端部が当接する部分を重点的
に行うものする。すなわち、溝部１１の底部１１ａは平
面に形成されており、この底部１１ａは焼入れられてい
る。この底部１１ａの焼入れは、レーザビームの照射に
より行う。

【００３５】また、この焼入れは図２（ｃ）にＡで示す
範囲で行い、そのうち、デコンプカム１７の両端の接す
る位置のａ部及びｂ部にレーザビームを略直角にスポッ
ト照射し、所定（厚さや硬度等）の焼入れ硬化層を得
る。また、底部１１ａにおいてａ部及びｂ部以外の部分
については、レーザビームを移動照射し、焼入れ硬化層
を浅く設定する。焼入れ硬化層は図２（ｃ）、（ｄ）の
斜線部のようになる。焼入れ深さはＢのようになる。こ
れにより、カムシャフト１０の曲がり歪みはほとんど無
くなり、その結果、焼入れ工程を最終工程に設定するこ
とができた。なお、レーザビームの照射は、所要の焼入
れ硬化層が得られるように移動照射にスポット照射を組
み合わせて行うことができる。

【００３６】次に、図７を参照して、前記実施例に係る
レーザ焼入れプロセスを行う焼入れ装置を説明する。図
７は当該焼入れ装置の一部断面図を含む説明図である。
当該焼入れ装置は、前記カムシャフト１０等の局部硬化
を有する部品の局部硬化を有する部位例えば当該カムシ
ャフト１０の溝部１１の底部１１ａをレーザ焼入れする
プロセスを行う。

【００３７】前記焼入れ装置の主な構成としては、炭酸
ガスレーザ発振器３１、平面反射鏡３２、カライドスコ
ープ３３、マスク３４、位置決め治具３５及び加工テー
ブル３６である。該炭酸ガスレーザ発振器３１は、例え
ば波長１０．６μｍ（マイクロ・メートル）のレーザ光
３７を出射する。出射されたレーザ光３７は前記平面反
射鏡３２に入射する。前記平面反射鏡３２は、前記レー
ザ光３７を反射することで方向転換して、カライドスコ
ープ３３に導くものである。

【００３８】前記カライドスコープ３３は、入射レンズ
３８、多重反射鏡３９、結像レンズ４０から構成されて
いる。入射レンズ３８および結像レンズ４０は、例えば
平凸レンズ（一面が平面で他面が凸面のレンズ）であ
り、前記レーザ光３７の波長１０．６μｍ（マイクロ・
メートル）の透過率の高い例えばＺｎＳｅ（亜鉛化セレ
ン）製のものである。また、前記多重反射鏡３９は角柱
状（例えば四角柱状）の内部空間を有する中空構造のも
のであって、入射側端部３９_INおよび出射側端部３９
_OUTが光が透過可能になっておりかつ入射および出射方
向軸を取り囲んで内部を向く内壁面３９ａが反射鏡とな
っており、入射方向端部３９_INから入射されレーザ光３
７が内部の各内壁面３９ａで多重反射され、出射側端部
３９_OUTから出射される。前記多重反射鏡３９は例えば
銅製であり、その表面には前記レーザ光３７の反射率を
高めるため、例えばＡｕ（金）コートを施すことができ
る。

【００３９】前記カライドスコープ３３の直下には位置
決め治具３５が加工テーブル３６上に配置されており、
さらに前記カライドスコープ３３と該位置決め治具３５
との間にはマスク３４が配置されている。前記位置決め
治具３５は、被加工物であるカムシャフト１０を脱着可
能に保持するもので、カムシャフト１０の内、局部硬化
を必要とする溝部１１の底部１１ａが上面になるように
保持する。

【００４０】前記マスク３４には、カムシャフト１０の
溝部１１の形状と同一形状の貫通孔４１がある。当該マ
スク３４を介して前記レーザ光３７を前記カムシャフト
１０に照射しており、これにより、貫通孔４１からのみ
前記レーザ光３７を通過させて記溝部１１にのみレーザ
光３７を照射してそれ以外は遮蔽し、前記レーザ光３７
が前記溝部１１の底部１１ａ以外に誤って照射されるの
を防ぐものである。

【００４１】さらに、加工テーブル３６は水平面等の一
定平面内でＸ方向およびＹ方向に駆動可能であり、ＮＣ
制御装置４２によって予め設定された所定の駆動を行う
ようになっている。すなわち、加工テーブル３６には、
下部にＸ方向駆動用に送りネジ部材３６ｘａと、当該送
りネジ部材３６ｘａを回転駆動する駆動モータ３６ｘｂ
とを有し、又、Ｙ方向駆動用に送りネジ部材３６ｙａ
と、当該送りネジ部材３６ｙａを回転駆動する駆動モー
タ３６ｙｂとを有しており、これら駆動モータ３６ｘｂ
および３６ｙｂに前記ＮＣ駆動装置４２により駆動信号
を入力して、前記加工テーブル３６を予め設定された所
定の駆動を行うようになっている。なお、本実施例にお
ける被加工物であるカムシャフト１０の素材は、球状黒
鉛鋳鉄である。

【００４２】次に、前記７〜図９を参照して、前記レー
ザ焼入れ装置によるレーザ焼入れプロセスの実施例を説
明する。まず、炭酸ガスレーザ発振器３１から出射され
た波長１０．６μｍ（マイクロ・メートル）のレーザ光
３７は、平面反射鏡３２によって方向を転換され、カラ
イドスコープ３３に入射する。前記カライドスコープ３
３においては、入射されたレーザ光３７が入射レンズ３
８によって集光され、矩形状に構成された多重反射鏡３
９の内部に入射する。

【００４３】多重反射鏡３９の内部において多重反射さ
れたレーザ光３７は、結像レンズ４０によって結像され
る。このとき、レーザ光３７は、そのエネルギー分布が
多重反射によって均一化されると共に、光軸と直交する
断面が多重反射鏡３９の形状と同等の矩形状に変化す
る。その寸法は、結像レンズ４０の位置によって調節す
ることができる。

【００４４】本実施例においては、前記カムシャフト１
０の溝部１１底部１１ａに照射されるレーザ光３７のビ
ーム寸法は、当該底部１１ａの幅Ｗと同一の、一辺がＷ
の矩形状のビーム寸法とした。カライドスコープ３３か
ら出射されたレーザ光３７は、マスク３４の貫通孔４１
を通過した後、前記底部１１ａに到達する。なお、前記
底部１１ａの表面には、レーザ光３７の波長１０．６μ
ｍ（マイクロ・メートル）の吸収を高めるため、予め化
成処理によってリン酸マンガン被膜４３を形成してあ
る。

【００４５】前記底部１１ａ表面においてリン酸マンガ
ン被膜４３に吸収されたレーザ光３７は、熱に変換され
る。同時に熱伝導によって底部１１ａ表面から加熱され
ていく。加工テーブル３６の移動速度を毎秒Ｖ（ｍｍ：
ミリメートル）とした場合、図９に示すように、前記底
部１１ａ表面におけるＷ×Ｗ（ｍｍ×ｍｍ：ミリメート
ル×ミリメートル）の寸法をもつ矩形状のレーザ光３７
がＶ（ｍｍ／秒：毎秒ミリメートル）で任意の箇所をＡ
１側からＡ２側へ通過する。この場合の前記底部１１ａ
表面の任意の箇所におけるレーザ光３７の作用時間は、
Ｗ／Ｖ（秒）で導かれる。この作用時間を加熱された
後、レーザ光３７の移動によって上記の箇所の加熱は停
止する。カムシャフト１１内部への熱伝導は逐次進行
し、加熱が停止した後は、加熱部位がその熱伝導によっ
て急速に冷却される。

【００４６】以上のような一連のプロセスにおいて、変
態点よりも高い温度まで加熱され、かつ臨界冷却速度以
上で冷却された部位にはマルテンサイト変態した硬化層
４４が形成される。この硬化層４４は母材に対して高い
硬度を有するものである。

【００４７】次に本実施例に用いた加工条件を以下に示
す。ビーム寸法は６ｍｍ×６ｍｍであり、レーザ出力は
加工部において８４０Ｗ（ワット）である。このときの
照射パワー密度は、２．３×１０³Ｗ／ｃｍ²（１平方ｃ
ｍあたりのレーザ出力）となる。

【００４８】次に、図１０および図１１を参照して、マ
スク３４の効果について説明する。本実施例のカムシャ
フト１０においては、レーザ光３７を照射する溝部１１
の底部１１ａの形状が長円形形状あるいは概略小判形状
である。レーザ光３７の照射に際して、図１０に示すよ
うにレーザ光３７のビーム形状が円形であれば前記マス
ク３４を使用しなくても底部１１ａのみにレーザ光を作
用させることが可能である。ただし、円形ビーム形状の
レーザ光３７を移動した場合の作用時間は、移動方向の
直角の方向に離隔する箇所、例えば図１０中に図示する
Ｃ１点とＣ２点とで異なる。そのため、上記実施例に示
したように、レーザ光３７をカライスコープ３３を用い
て矩形状化することが望ましいことは明白である。

【００４９】しかしながら、矩形状のレーザ光３７を上
記小判形状の前記底部１１ａ表面の全ての部位に照射す
る場合は、図１１に示すように、前記底部１１ａの端部
においてレーザ光３７が硬化に無関係の部位にも照射さ
れることが避けられない。そこで、前述のようなマスク
３４を用いることで、矩形状のレーザ光３７を必要な部
位にのみ照射することが可能となる。

【００５０】次に、加工速度の制御について、図１２か
ら図１４を参照して説明する。本実施例のカムシャフト
１０においては、図１２中に図示するレーザ光３７を照
射する溝部１１の底部１１ａのうち、特にその両端部、
即ち図中Ｆ−Ｇの範囲およびＨ−Ｉの範囲においては、
図中Ｇ−Ｈの範囲に比べて高い負荷を受けるものであ
る。したがって、上記Ｆ−Ｇの範囲及びＨ−Ｉの範囲に
おいては、Ｇ−Ｈの範囲よりも硬化層を深くする必要が
ある。

【００５１】このため、図１２に示すように、Ｐ１から
Ｐ２に向けて、矢印方向にレーザ光３７の照射箇所が移
動する場合、加工速度Ｖを以下のように制御している。
即ち、加工速度Ｖの制御は図１３に示すように、Ｆ−Ｇ
間は加工速度Ｖ１、Ｈ−Ｉ間は加工速度Ｖ２、Ｇ−Ｈ間
は加工速度Ｖ３とするものであり、こうした制御は図７
中に示したＮＣ制御装置４２にて可能である。上記の加
工速度には、Ｖ１≦Ｖ２＜Ｖ３の関係がある。ここで、
Ｖ１≦Ｖ２とする理由は、Ｆ−Ｇ間は加工開始の直後で
あるため、カムシャフト１０の全体が室温と同等の温度
であるのに対し、加工が進んでＨ−Ｉ間にレーザ光３７
が移動した時点では、すでに熱伝導によってカムシャフ
ト１０の温度が上昇している。したがって、同等の加工
速度では変態点に達する領域が広くなり、硬化深さは次
第に深くなる傾向にある。そこで、Ｆ−Ｇ間およびＨ−
Ｉ間の硬化深さを同等にするために、上記のようなＶ１
≦Ｖ２の速度設定を施すものである。なお、具体的な速
度の関係については、物質の形状や材質によって熱容
量、熱伝導度が異なるため、各々に応じた速度設定を要
するものである。

【００５２】上記の加工速度Ｖの制御を実施した結果
を、図１４に示す。図１４に示すように、Ｆ−Ｇ間及び
Ｈ−Ｉ間は同等の硬化深さＤ２となり、Ｇ−Ｈ間は硬化
深さＤ１となる。両者の関係はＤ２＞Ｄ１であり、上記
に示した本実施例のカムシャフト１０が要求品質である
硬化深さのパターンを満たすものである。

【００５３】なお、上記において、本実施例のように加
工速度の制御を実施しない場合は、Ｆ−Ｉ間の硬化深さ
は全てＤ２程度となり、硬化深さの面では支障を生じる
ことはない。しかしながら、カムシャフト１０に作用す
る入熱量が大きくなるため、レーザ焼入れ後の変形（歪
み）量が本実施例と比較して大きくなる。本実施例のよ
うに加工速度の制御を実施することで、硬化深さなどの
要求品質を十分に満たしつつ、入熱量を必要最小限に抑
制できるため、焼入れによる変形（歪み）を最小限に止
めることができるものである。

【００５４】ここで、例えば図１５に示すように、被加
熱物に照射するレーザ光のパワー密度と照射時間とか
ら、当該被加熱物の加工の種類が選定できる。焼入れ
は、パワー密度がほぼ５×１０²〜５×１０⁴（Ｗ／ｃｍ
²）の範囲で、また、照射時間が１０^-2以上の範囲で、
適切なものを選定できる。

【００５５】本発明は、以上詳述した実施例に限定され
ることなく、その主旨を逸脱しない範囲において種々の
変更を加えることができる。例えば、図１６に示す第１
の変形例のように、前記実施例のカライドスコープ３３
を用いずに集光レンズ４５によってレーザ光３７を集光
し、その焦点４６から外した位置において被加工物（例
えばカムシャフト１０）の溝部１１底部１１ａ表面に照
射する方法で、その他、前記マスク３４が必要である以
外は上記に実施例に記載した焼入れプロセスと同一であ
る。第１の変形例の方法はディフォーカスビーム法と呼
ばれるもので、前記カライドスコープ３３を使用した場
合に比較して、最適加工条件の範囲が狭くなることが知
られているが、簡易な手法であるため実施が容易であ
る。

【００５６】さらに、図１７に示す第２の変形例のよう
に、ビームスキャニング装置４７を用いてレーザ光３７
を照射する方法も可能である。この第２の変形例は、集
光レンズ４８で集光されたレーザ光３７を固定反射鏡４
９で方向転換した後、揺動反射鏡５０によって方向転換
しつつ高速に前記底部１１ａ表面をスキャニングする方
法である。この第２の変形例の方法によっても、レーザ
光をスポットにして加熱対象部位に照射するため、エネ
ルギーの集中がし易く、前述のカライドスコープ３３を
使用した実施例と同等の焼入れ加工を施すことができ
る。

【００５７】前記の他、レーザ焼入れのためにレーザ光
を被加工物に照射する方法として、ポリゴンミラーを用
いて高速にスキャニングする方法や、インテグレーショ
ンミラー（多面反射鏡）によってレーザ光を均一化する
方法などがあるが、何れの方法を用いたとしても、本発
明の効果には影響しない。また、焼き入れ対象の部品は
前記のカムシャフトに限定されないことはもちろんであ
り、局部硬化を有する他のいずれの部品をも対象とし得
る。

【００５８】

【発明の効果】以上説明した通り請求項１の発明によれ
ば、部品の所要部位の硬度分布を所望に制御できるた
め、４サイクルエンジンのカムシャフトの溝部等のよう
に、部分的に高硬度を必要とし、当該溝部内を他部材が
往復運動する場合のように摺動部において不均一な負荷
がかかる部品において、最適な硬度分布を与えることに
より高い耐摩耗性を得ることができる。それと共に、入
熱量を最小限に抑制できるため、焼入れによる歪みを極
めて少なくすることができる。したがって、高い精度お
よび耐摩耗性等に優れた局部が硬化される部品を製造す
ることができる。よって、例えば部品がカムシャフトで
あれば、焼入れ歪を略無視しうる水準に押えることがで
きる。また、溝部底面へのスポット的に焼入れ硬化が可
能であるために、前記カムシャフトの切欠き部分を最小
限とすることができ、ロッカーアームファロアー面の摩
耗耐久性が向上する。また、レーザ焼入れにより、歪や
焼入れ処理等による汚れの心配がなくなり、焼入れ工程
を最終工程とすることができる。また、このため、レー
ザ吸収剤の塗布工程を省略することができる。

【００５９】また、請求項２の発明によれば、レーザ焼
入れの焼入れ深さを部品の部位によって変化させるの
で、部品の所要部位の硬度分布を所望に制御できかつ入
熱量を最小限に抑制できるため焼入れ歪みを最小限に止
めることができる。

【００６０】また、請求項３の発明によれば、レーザ光
と部品の相対移動速度を変化させることによって焼入れ
深さを変えるので、比較的簡単化かつ精度良く焼入れを
制御できる。

【００６１】また、請求項４の発明によれば、多重反射
鏡を通過させることによってエネルギー分布を均一化す
るので、エネルギー分布のばらつきによる焼入れのばら
つきが生じることがなく目標硬度分布に正確に即した焼
入れができる。

【００６２】また、請求項５の発明によれば、部品に向
けて照射されるレーザ光の光軸と直交する断面を矩形状
にしたので、レーザ光を移動照射する場合に、照射部位
の作用時間を前記直交断面内で同一にすることができ
る。

【００６３】また、請求項６の発明によれば、部品の焼
入れ部位の表面に所望の形状の貫通孔を有するマスク手
段を配置するので、レーザ光が無関係の部位に照射され
るのを確実に防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る、局部硬化を有する部品
である、始動負荷軽減装置が付加されたカムシャフトの
構成説明図である。

【図２】図１のカムシャフトのデコンプカムの保持部
（溝部等）を含む周辺の詳細説明図であって、（ａ）は
当該カムシャフトの側面図、（ｂ）は当該カムシャフト
の軸方向視図、（ｃ）は要部平面図、（ｄ）は部分断面
図である。

【図３】図１のカムシャフトが採用されるエンジンの全
体構成図である。

【図４】図３のエンジンのシリンダヘッド周辺を詳細に
示す構成説明図である。

【図５】図１の始動負荷軽減装置のカムシャフトへの取
り付け状態の詳細な説明図である。

【図６】図１の始動負荷軽減装置の作動説明図である。

【図７】本発明におけるレーザ焼入れプロセスに用いら
れる焼入れ装置の一例を示す概略図である。

【図８】本発明におけるレーザ焼入れプロセスの説明図
である。

【図９】本実施例における被加工物であるカムシャフト
の溝部底部表面を上面視した図である。

【図１０】本実施例における被加工物であるカムシャフ
トの底部表面に光軸の垂直断面が円形状のレーザ光を照
射した場合の説明図である。

【図１１】本実施例における被加工物であるカムシャフ
トの底部表面に光軸の垂直断面が矩形状のレーザ光を照
射した場合の説明図である。

【図１２】本実施例の加工速度の制御における加工部の
位置を示す概略図である。

【図１３】本実施例の加工速度の制御を示す説明図であ
る。

【図１４】本実施例の加工速度の制御の効果を示す説明
図である。

【図１５】各種レーザ加工におけるレーザ光の照射パワ
ー密度と作用時間の関係を示した図である。

【図１６】本実施例における第１の変形例の、被加工物
であるカムシャフトの溝の底面に、ディフォーカスビー
ム法を用いてレーザ光を照射した場合の説明図である。

【図１７】本実施例における第２の変形例の、被加工物
であるカムシャフトの溝の底面に、ビームスキャニング
装置を用いてレーザ光を照射した場合の説明図である。

【図１８】従来のカムシャフトのデコンプカムの保持部
（溝部等）を含む周辺の詳細説明図であって、（ａ）は
当該カムシャフトの側面図、（ｂ）は当該カムシャフト
の軸方向視図、（ｃ）は要部平面図、（ｄ）は部分断面
図である。

【図１９】従来方法におけるレーザ焼入れの説明図であ
る。

【符号の説明】

１０カムシャフト１１溝部１１ａ底部３１炭酸ガスレーザ発振器３３カライドスコープ３４マスク３７レーザ光３９多重反射鏡４１（マスクの）貫通孔４４硬化層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者谷直彦愛知県名古屋市瑞穂区苗代町15番１号ブラザー工業株式会社内 (72)発明者青木彦治愛知県名古屋市瑞穂区苗代町15番１号ブラザー工業株式会社内 (72)発明者小原建太郎愛知県名古屋市瑞穂区苗代町15番１号ブラザー工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】部品とレーザ光とを相対移動させつつ部
品の所要部位にレーザ焼入れにより局部硬化する方法に
おいて、レーザ焼入れの焼入れ深さを部品の部位に応じ
て変化させたことを特徴とする局部硬化を有する部品の
製造方法。
【請求項２】請求項１の製造方法において、部品の部
位に応じてレーザ光の照射エネルギーを変えたことを特
徴とする局部硬化を有する部品の製造方法。
【請求項３】請求項２の製造方法において、レーザ光
と部品の相対移動速度を変化させることによって焼入れ
深さを変えたことを特徴とする局部硬化を有する部品の
製造方法。
【請求項４】請求項１乃至３のうちのいずれか１つの
製造方法において、レーザ光を多重反射手段中を通過さ
せることによりエネルギー分布を均一化したことを特徴
とする局部硬化を有する部品の製造方法。
【請求項５】請求項４の製造方法において、部品に向
けて照射されるレーザ光の光軸と直交する断面を矩形状
にしたことを特徴とする局部硬化を有する部品の製造方
法。
【請求項６】請求項１乃至５のうちのいずれか１つの
製造方法において、部品の焼入れ部位の表面に所望の形
状の貫通孔を有するマスク手段を配置したことを特徴と
する局部硬化を有する部品の製造方法。