JPH0978140A - 表面硬化処理法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 工作物たるカム表面の周方向に入熱を均等に
行うことにより単位面積当たりの入熱量を一定としてチ
ル層の均一化を図る。 【解決手段】 工作物１０のほぼ表面接線方向とそのほ
ぼ法線方向との合成ベクトル方向に関したトーチ３２の
移動速度と工作物１０の回転速度に基づく上記表面接線
方向の移動速度との相対速度ｖを一定として表面硬化処
理を行う。照射トーチの移動速度と工作物の回転速度に
基づく表面接線方向の移動速度一定に維持されれば、工
作物表面の周方向に照射トーチから入熱が均等に行わ
れ、単位面積当たりの入熱量を一定として、チル層を均
一に形成することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば鋳鉄製カム
シャフトのカムの表面をＴＩＧアーク、レーザ、電子ビ
ーム等の高密度エネルギーの照射によって再溶融し自己
冷却して耐摩耗性に優れたチル層を形成する表面硬化処
理法の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車用エンジン等に組込まれるカムシ
ャフトは、カムの表面が内燃機関のガス交換弁の作動に
より高い負荷に晒されるが、この種のカムの表面硬化処
理法において、従来より図６に示すように、カムの幅方
向（カムシャフトの回転軸線方向）に高密度エネルギー
を蛇行（オシレーティングともいう）させてカム表面に
深さを確保した均一なチル層を形成する試みがなされて
いる。

【０００３】例えば特公昭５９−３５２５号公報（以
下、文献１という）には、高密度エネルギーの照射トー
チをカムの半径方向に往復運動させるとともに、カムシ
ャフトを回転軸線方向に振動させつつ回転させて処理を
行う場合に、回転するカムの表面における瞬間半径によ
って照射トーチに対するカム表面の周速度が常に変化
し、蛇行パターンが幾何学的に疎密（とりわけ蛇行頂
部）となることを回避するため、カム表面と照射トーチ
との相対速度を制御して（例えばカムシャフトの角速度
を制御）、蛇行パターン、とりわけその頂部間隔をほぼ
等しくすることが記載されている。

【０００４】上記文献１の考えは、カム表面を照射する
高密度エネルギーの蛇行パターンの頂部間隔をカム全周
にわたって幾何学的に等間隔とすることで得られるチル
層の均一化を図ったものである。また、特開昭６１−２
２７１２４号（以下、文献２という）では、照射トーチ
の蛇行運動が折り返し点及びその近傍で該照射トーチの
慣性力や駆動系の動作応答時間の限界により遅くなりチ
ル層の厚みが深くなることを防止するため、照射トーチ
の蛇行速度とカムとの相対速度が小さいときは照射トー
チの発する高密度エネルギーを小さく、反対に相対速度
が大きいときは高密度エネルギーを大きくする技術（具
体的にはパルスアーク電流の幅をコントロール）を開示
している。

【０００５】上記文献２に記載された従来技術は、カム
表面幅方向の両外側と内側とで高密度エネルギーの大き
さを変化させ、単位面積当たりの入熱量を一定にしよう
とするものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の文献１に記載さ
れた処理法の、蛇行頂部間隔を等間隔にすることは、均
一なチル層形成のための必要十分な条件とはいえない。
即ち、蛇行頂部間隔を等間隔にすることは、単位面積当
たりの入熱量の均等化に寄与していない。また、文献２
に記載された処理法は、カム表面幅方向の両外側と内側
とで高密度エネルギーの大きさを変化させているが、カ
ムの周速度が半径によって変化するので、正確にカム表
面の単位面積当たりの入熱量を一定とする制御を行って
いないことになる。即ち、文献２の技術は、蛇行運動の
方向（回転軸線方向）には、単位面積当たりの入熱量を
一定とする上での適正な高密度エネルギーの制御となっ
ているが、カム表面の周方向速度が変化する以上、単位
面積当たりの入熱量にはムラが発生する。

【０００７】本発明は上記従来技術の問題点に鑑みてな
されたもので、工作物たるカム表面の周方向に入熱を均
等に行うことにより単位面積当たりの入熱量を一定と
し、均一なチル層を形成することを解決すべき課題とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】そこで本発明は、特許請
求の範囲の記載の表面硬化処理法を提供することにより
上記課題を解決した。即ち、本発明は、工作物のほぼ表
面接線方向とそのほぼ法線方向との合成ベクトル方向に
関した上記照射トーチの移動速度と上記工作物の回転速
度に基づく上記表面接線方向の移動速度との相対速度を
一定として表面硬化処理を行うものである。

【０００９】なお、ほぼ表面接線方向及びほぼ法線方向
とは、溶融プールの重力による垂れを小さくしてチル層
を一定厚とするための手法が採られた場合に、照射トー
チを移動する２軸が若干上記真の表面接線方向及び真の
法線方向よりずれた方向をいう。従って、上記手法を採
らない場合は真の表面接線方向及び真の法線方向をい
う。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の表面硬化処理法による
と、照射トーチの移動速度と工作物の回転速度に基づく
表面接線方向の移動速度、即ち周方向の移動速度との相
対速度が一定に維持される。従って、工作物表面の周方
向に照射トーチから入熱が均等に行われ、単位面積当た
りの入熱量を一定として、チル層を均一に形成すること
ができる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明を実施例によって更に詳細に説
明する。本発明のカムシャフトの表面硬化処理法に使用
する表面硬化装置は、図３に概念的に示すように、カム
シャフト１０を直交３軸ロボット２０に回転自在に支持
し、該直交３軸ロボット２０を制御する制御ユニット３
０で同時に高密度エネルギー源たるＴＩＧアーク電源３
１を指令するようにした構成を採る。そして、高密度エ
ネルギー源のＴＩＧトーチ３２（以下、トーチと略す）
は、直交３軸ロボット２０に保持されている。ＴＩＧア
ーク電源３１は、ＴＩＧトーチ３２にオペーレータが指
定した一定のアーク電流を通電させるものである。

【００１２】直交３軸ロボット２０は、トーチ３２を保
持したＺ軸スライダ２１ａ及び該Ｚ軸スライダ２１ａを
駆動するモータＭＺを有してトーチ３２をＺ軸方向に位
置制御するＺ軸移動機構２１と、該Ｚ軸移動機構２１と
連設したＹ軸スライダ２２ａ及び該Ｙ軸スライダ２２ａ
を駆動するモータＭＹを有してトーチ３２をＹ軸方向に
位置制御するＹ軸移動機構２２と、該Ｙ軸移動機構２２
と連設したＸ軸スライダ２３ａ及び該Ｘ軸スライダ２３
ａを駆動するモータＭＸを有してトーチ３２を蛇行運動
のためＸ軸方向に位置制御するＸ軸移動機構２３とを主
に構成される。

【００１３】カムシャフト１０はモータＭＴを有する回
転機構２４によって回転軸線φを中心に駆動され、該回
転軸線φはＸ軸と平行に設定されている。また、Ｘ軸と
Ｙ軸とのなす平面は水平で、Ｚ軸は鉛直となっている。
制御ユニット３０は、上記モータＭＸの制御（オシレー
ティング制御）、モータＭＹの制御及びモータＭＺの制
御及びモータＭＴの制御を行うコントローラ３３と、該
コントローラ３３と協動してＴＩＧアーク電源３１を制
御するシーケンサ３４とから構成される。

【００１４】コントローラ３３は、上記各モータＭＸ，
ＭＹ，ＭＺ及びＭＴの制御プログラム、トーチ３２のテ
ィーチングプログラム及び本実施例による演算プログラ
ムからなる表面硬化プログラムを格納しており、オペレ
ータの操作によってこれら各プログラムに基づく駆動信
号を各モータＭＸ，ＭＹ，ＭＺ及びＭＴに発する。これ
によりトーチ３２とカムシャフト１０は、図４（ａ）〜
（ｅ）に示すように動作する。

【００１５】図４（ａ）に示すように、トーチ３２を一
つのカム１１の回転軸線φの鉛直線上に持ってくる。こ
のときのトーチ３２の対応ポイントであるＡ点（スター
ト点）は、カム基礎円の任意点である。この状態でＴＩ
Ｇアークをトーチ３２とカム表面との間に発生させ、か
つ回転軸線φ方向、即ちＸ軸方向に所定の振幅ｄと速度
αで振る。振幅ｄは、図６に示すように、カム１１の幅
よりやや小さくする。この振幅ｄと速度αでのトーチ３
２の運動はオシレーティング制御によるもので、モータ
ＭＸを指令する。

【００１６】アーク発生後、カムシャフト１０を回転し
てカム１１を予熱する。予熱の後、モータＭＴが指令さ
れてＢ点がトーチ３２の真下に来る位置にカムシャフト
１０の位相を合わせる。Ｂ点からＣ点はカム１１の表面
接線Ｐが水平線Ｈより角度βだけ右下となるカムシャフ
ト１０を停止した状態でモータＭＹを作動させトーチ３
２をＹ軸方向（図面上で右側）に移動させる。角度βは
ゼロに近い方が好ましい。

【００１７】次に、トーチ３２がＣ点を通過すると同時
に、モータＭＴの指令を再開し、図４（ｃ）に示すよう
に、カムシャフト１０を回転させる。このとき、トーチ
３２はモータＭＹの作動によりＹ軸方向（図面上で左
側）に移動されるとともに、所定のアーク長を保持しつ
つＺ軸方向に移動される。Ｃ点からＤ点までのノーズ部
１１ａの加工のときも、表面接線Ｐが水平線Ｈより右下
にある態勢とする。このノーズ部１１ａの加工のとき
は、カムシャフト１０の回転に応じてトーチ３２を２軸
（Ｙ軸及びＺ軸）方向で位置制御する。

【００１８】トーチ３２による溶融点がＤ点に達する
と、図４（ｄ）に示す状態となる。同状態となったと
き、カムシャフト１０の回転を止める。そして、所定の
アーク長を保持してトーチ３２をＥ点まで移動させる
（図４ｅ）。このときの状況は、図４（ｂ）の場合と同
じである。Ｅ点からＡ点までは基礎円部なのでトーチ３
２を移動させる必要はない。また、この基礎円部の加工
では表面接線Ｐと水平線は一致する。なお、より高速に
処理する時の溶融部の周方向の垂れを防ぐ方法として、
アーク発生時に予めカム表面接線方向とトーチ法線方向
との間に図８に示すようにγの角度を設けておいて、Ａ
からＦまで処理を施す際に、この角度γを制御しつつ動
かす方法もある。

【００１９】このようなＴＩＧアークによる表面処理で
は、溶融プールの垂れが生じるほどの斜面を呈すること
がなく、以下に説明する本実施例の演算プログラムの結
果に基づいて表面処理することと相まってチル層１２の
均一化を一層向上させることになる。本実施例の特徴
は、上記表面硬化プログラムが、図２のフローチャート
に示す演算プログラムもつことにある。

【００２０】必要情報の入力は、カム形状（各寸法）と
相対速度を指定する（ステップＳ₁，Ｓ₂ ）ことであ
る。相対速度とは、具体的に、カム１１のほぼ表面接線
方向Ｐ（水平線Ｈの方向）とほぼ法線方向Ｑ（鉛直方
向）との所定合成ベクトルＪ方向に関した上記トーチの
移動速度と、カム１１の回転速度に基づく表面接線方向
Ｐの移動速度との速度差をいう。

【００２１】次に図５に示すように、カム１１はある時
間のとき始め実線の位置にあり、トーチ先端はＣ点の位
置にあって、次の時間にカム１１は破線の位置に回転
し、トーチ先端はＤ′点の位置に動く。このときのカム
１１に対するトーチ３２の移動量は弧ＣＤ（＝弧Ｃ′
Ｄ′）である。従って、コントローラ３３は以下の手順
でトーチ３２とカム１１の実際の移動速度を計算する。

【００２２】（１）コントローラ３３は、カム形状に基
づいて図５に示すノーズ部１１ａの加工時におけるカム
シャフト１０の回転前のＣ点及び回転後のＤ′点のＹ軸
方向座標ｙ、Ｚ軸方向座標ｚ及び回転軸線φ回りの座標
（角度θ）を計算する（ステップＳ₃ ）とともに、Ｃ点
とＤ点間の弧の周長を計算する（ステップＳ₄ ）。 （２）続いて、コントローラ３３はステップＳ₅ を実行
し、指定した相対速度でトーチ３２が弧ＣＤを移動する
時間を計算する。

【００２３】（３）更にコントローラ３３は、ステップ
Ｓ₅ で計算した「弧ＣＤをトーチ３２が移動する時間」
とステップＳ₃ の座標で計算できる「経路ＣＤ′の距
離」とから、ステップＳ₆ によってトーチとカムの実際
の移動速度を計算する。ステップＳ₇ は上記移動速度を
計算した後の出力処理である。この場合、トーチとカム
の実際の移動速度とは、絶対座標（マシン）に対するカ
ムの回転速度及びトーチの移動速度である。コントロー
ラ３３は、この演算により得られた移動速度を表面硬化
処理時に読出し、３軸直交ロボットと回転機構とを組み
合わせた場合の上記制御プログラムによって各軸の移動
速度を求め指令速度とする。

【００２４】ただし、上記演算プログラムのアルゴリズ
ムを適用できるのは、コントローラ３３がＹ軸、Ｚ軸及
びφ軸の合成速度を指定できるタイプの場合であるが、
コントローラ３３の種類によっては、Ｙ軸、Ｚ軸及び回
転軸の各アクチュエータ毎の定格速度（回転数）に対す
る割合を指定するタイプがある。この場合は、図２の点
線内に示すステップＳ₆₁〜Ｓ₆₃の手順となる。

【００２５】ステップＳ₆₁は、モータＭＹ、ＭＺ及びＭ
Ｔが単独に定格回転数で稼働したときの各軸方向への仮
想移動時間を計算している。ステップＳ₆₂は、律速軸、
即ち上記仮想移動時間が最大となる軸を選出している。
ステップＳ₆₃は、経路ＣＤ′をステップＳ₆₂で選出した
律速軸のアクチュエータによりカム１１が移動するため
の速度を計算する。

【００２６】以上により定格速度に対する割合を指定す
るタイプのコントローラを使用する場合の、トーチとカ
ムの実際の移動速度を計算することができる。こうして
カムシャフト１０上の他のカムについても同様の演算プ
ログラムを実行する。得られたトーチとカムの各実際の
移動速度は、硬化処理プログラムの入力基準値として組
み込まれコントローラ３３のプログラムメモリに格納さ
れる。そして、硬化処理プログラムによる表面硬化処理
が起動されることになる。

【００２７】この硬化処理プログラムによる表面硬化処
理では、カムシャフト１０が回転する際に、指定した相
対速度に基づくトーチとカムの実際の移動速度がコント
ローラ３３から各軸のモータＭＹ、ＭＺ、ＭＴに指令さ
れ、これによる速度差でトーチ３２とカム１１が図４で
述べた加工のための相互運動を行う。図１は上記加工時
の様子を模式化して示す動作説明図であり、指令された
トーチとカムの周方向の移動速度ｖがカム形状にかかわ
らず一定となって、カム表面の周方向にトーチ３２から
の入熱が均等に行われる。これによって、単位面積当た
り入熱量を一定とすることができる。

【００２８】今、指令されたトーチとカムの周方向の移
動速度をｖ、ｔ時間にトーチ３２が発する熱量をＱ、硬
化処理が入る幅をｄ（図６）とすると、単位面積当たり
の入熱量ｑは、

【００２９】

【数式１】 と変形されるように、Ｑ／ｔに比例し、ｖ・ｄに反比例
する。

【００３０】ここで、ｄは再溶融領域が同幅内に収まる
程度の固定値にカム１１の幅から決められ、ｖは上記演
算プログラムを使うことにより固定値に決められる。ま
た、ｑを一定とするためには、Ｑ／ｔはアーク電流値の
２乗に比例することから、アーク電流も固定値でよいこ
とになる。即ち、すべてのカムに対してその表面に均一
な深さのチル層を形成するために、単位面積当たりの入
熱量（入熱量／面積ｖｔ）を一定にすると、トーチとカ
ムの一定の相対速度を決めればよいことになる。また、
アーク電流値（高密度エネルギー）も一定の値として得
られる。

【００３１】かくして、本実施例による表面硬化処理法
では、カム表面の周方向にトーチ３２から入熱が均等に
行われ、単位面積当たりの入熱量を一定として、チル層
均一化が達成されることになる。また、図７に示すよう
に、Ｘ軸の速度を変更することにより、蛇行頂部の間隔
を任意に変更しても、単位面積当たりの入熱量に変化は
ない。

【００３２】なお、本実施例の派生効果として、各軸の
速度が固定のため、ティーチングポイント毎に移動時間
を計算できるので、硬化処理に要する時間が事前にわか
る。これに対し従来は、各軸の速度に関して固定にする
概念がないため、実際に設備を稼働してみなけば時間が
わからなったかが、本実施例では相対速度の指定で移動
時間を計算できるのでサイクルタイム変更の段取りも容
易となる。

【００３３】さらに、カム形状と相対速度を指定すれば
硬化条件が決定されるので、従来のようにテストピース
を消費して条件設定を確認する多くの時間と労力を節約
することができる。上記実施例の演算プログラムを実現
する構成は、回転軸線を中心として回転可能で該回転軸
線からの距離の異なる表面を有する工作物に対し高密度
エネルギーを発する照射トーチが該工作物の表面と一定
の間隔を保ちかつ該工作物の表面接線方向と所定の角度
で相対移動すべく、該照射トーチを該工作物のほぼ表面
接線方向とこれに対するほぼ法線方向との２軸方向で位
置制御可能に配置し、かつ、上記２軸とそれぞれ直交す
る回転軸線に上記照射トーチと工作物とを相対運動させ
て、該工作物の表面を上記高密度エネルギーにて再溶融
し自己冷却によりチル層を形成させる表面硬化装置にお
いて、上記工作物の表面の形状情報が入力されるととも
に、上記２軸方向の所定合成ベクトル方向に関した上記
照射トーチの移動速度と上記工作物の回転速度に基づく
上記表面接線方向の移動速度との相対速度が入力される
レジスタと、上記形状情報と上記相対速度とより上記工
作物の表面の特定の少なくとも二つのティーチングポイ
ント間の移動に要する上記トーチの移動時間を計算する
第１の演算手段と、上記移動時間と上記工作物が回転す
る前の一方の上記ティーチングポイントと回転後の他方
のティーチングポイントとの間の経路距離とから上記工
作物の表面接線方向の移動速度を計算する第２の演算手
段とを具備し、該第２の演算手段で得られる移動速度に
基づいて表面硬化処理時に上記２軸と回転軸を速度指令
することを特徴とする表面硬化装置の演算装置の構成と
なる。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明に
よれば、工作物のほぼ表面接線方向とそのほぼ法線方向
との合成ベクトル方向に関した上記照射トーチの移動速
度と上記工作物の回転速度に基づく上記表面接線方向の
移動速度との相対速度を一定として表面硬化処理を行う
ものであるから、工作物の表面接線方向に高密度エネル
ギーによる入熱が均等に行われ、単位表面積当たりの入
熱量が一定となり、チル層の均一化を簡単な演算と制御
で達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の基本思想を説明する動作説明図であ
る。

【図２】 本発明の一実施例における演算プログラムを
説明するためのフローチャートである。

【図３】 上記実施例に使用する表面硬化装置の全容を
示す説明図である。

【図４】 上記実施例の表面硬化処理法におけるトーチ
と工作物の加工動作の状況を示す動作説明図である。

【図５】 上記演算プログラムで計算するトーチと工作
物の移動速度を詳述するための説明図である。

【図６】 本発明による表面硬化処理の加工状況を示す
説明図である。

【図７】 トーチと工作物の移動速度を変更した場合の
本発明による表面硬化処理の加工状況を示す説明図であ
る。

【図８】 本発明わ適用できるトーチと工作物の別の加
工動作を示す動作説明図である。

【符号の説明】

１０はカムシャフト（工作物）、１２はチル層、３２は
照射トーチ（高密度エネルギー源）、φは回転軸線、Ｐ
は表面接線方向、Ｊは合成ベクトル方向であり、各図で
共通の要素には同一の符号を付す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転軸線からの距離が異なる表面をもつ
   工作物に対し高密度エネルギーを発する照射トーチが該
   工作物の表面と一定の間隔を保ちかつ該工作物の表面接
   線方向と所定の角度で相対移動すべく、該照射トーチを
   該工作物のほぼ表面接線方向とこれに対するほぼ法線方
   向との２軸方向で位置制御可能に配置し、かつ、上記２
   軸とそれぞれ直交する回転軸線に上記照射トーチと工作
   物とを相対運動させて、該工作物の表面を上記高密度エ
   ネルギーにて再溶融し自己冷却によりチル層を形成させ
   る表面硬化処理法において、上記２軸方向の所定合成ベ
   クトル方向に関した上記照射トーチの移動速度と上記工
   作物の回転速度に基づく上記表面接線方向の移動速度と
   の相対速度を一定として表面硬化処理を行うことを特徴
   とする表面硬化処理法。