JPS5887225A - 台形ねじの熱処理方法 - Google Patents

台形ねじの熱処理方法

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JPS5887225A
JPS5887225A JP18376081A JP18376081A JPS5887225A JP S5887225 A JPS5887225 A JP S5887225A JP 18376081 A JP18376081 A JP 18376081A JP 18376081 A JP18376081 A JP 18376081A JP S5887225 A JPS5887225 A JP S5887225A
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JP
Japan
Prior art keywords
heat treatment
trapezoidal
irradiated
laser light
laser beam
Prior art date
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Pending
Application number
JP18376081A
Other languages
English (en)
Inventor
Hidekazu Aoki
青木 英一
Kazuo Nakayama
和雄 中山
Masaaki Kikuchi
菊池 正晃
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
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Publication date
Application filed by Toshiba Corp, Tokyo Shibaura Electric Co Ltd filed Critical Toshiba Corp
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Publication of JPS5887225A publication Critical patent/JPS5887225A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/06Surface hardening
    • C21D1/09Surface hardening by direct application of electrical or wave energy; by particle radiation

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Heat Treatment Of Articles (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 (1)  発明の技術分野 本発明は、台形ねじO製造方法に係り、特に迅速に品質
の安定し九*iii硬化層が形成できる台形ねじの熱処
理方法に関する。
(b)  従来技術 一般に台形ねじて動力を伝達する構成は、第1図に示す
ように台形おねじ1と、図示しない被駆動部に形成され
た台形めねじ2がねじ係合し、台形おねじ1を駆動源3
によ抄駆動す漬系態をとる。
このねじ係合においては、かみ合っている部分のねじ山
1aで移動時の応力を負担するのであるが、ねじ部の分
担する応力は移動方向によって異なり、第2図に示すよ
うに、A方向(第1図に示す)への移動時には1個のね
じ山1aの斜面に一様に分布する荷重による応力状態と
なるっこの荷重によってねじ1aに生じる応力は曲げモ
ーメントによる曲げ応力状態となり、ねじ谷底角部に引
張(σt)と圧縮(σC)の応力が集中する。
ま九移動方向が逆転した場合には、引張りおよび圧縮応
力分布も反転する。したがってねじ山の谷底角部には常
に引張りおよび圧縮応力が集中した分布を呈する。
このようにねじ山は起動、停止、正転、逆転などによる
繰返しの荷重や大きな衝撃力が作用した状態で使用され
ている丸め、ねじの谷底角部は常に応力集中を受けてい
る。これが原因でねじが破壊し、大きな事故となること
もしばしばである。
このよう危事故の原因となるねじ谷底角部の応力集中の
対策方法として、ねじ部に表面硬化熱処理等を施し、疲
労強度を向上する方法がある。この場合の熱処理方法と
して、従来は一般に浸炭焼入れあるいは火炎、^胤波郷
の表面硬化焼入れにより行なわれていた。
第3図は、このような方法により表面硬化焼入れをして
硬化層Cを形成した断面状況の一例を示す。ところで、
浸炭焼入れの場合、低炭素鋼材料表面への炭素拡散速度
が極めて遅いため、焼入れを終了′する1でに長時間を
費する上、工程も多く、経済性が極めて悪い。ま九材料
表面への炭素拡散現象を利用しているため、台形ねじの
ような複雑な形状の場合には、浸炭の状態が均一となら
ず、信頼性にも欠ける。
浸炭焼入れに用いる浸炭剤、例えばガス浸炭剤としての
Co、Cl−1,、液体浸炭剤としての塩浴中に含まれ
るシアン化合物等の取扱いが問題となる。
次に火炎焼入れの場合、焼入れ温度の測定が非常に困難
あるいは加熱範囲における温度の不均一等の焼入温度制
御に一点があり、このため均一な硬化層を得ることが困
難である。また加熱源が可燃性ガスであり、取扱い上の
燻雑さもある。
父高周波焼入れの場合、被熱処理部材に応じた誘導コイ
ルが必要となる。またこの誘導コイルの形状1位置、加
熱中の変形等が焼入れ条件に大きな影響を与えるため、
これらの管理、調整が問題となる。
一方浸炭焼入れ用材料としての肌焼鋼は、低炭素鋼ある
いは低炭素合金鋼に限定され、このため低炭素鋼では芯
部の機械的強度が小さく、低炭素合金鋼では素材の価格
が高く経済性が悪い。
さらに浸炭焼入れ、火炎焼入れおよび高周波焼入等従来
の熱処理方法は、ねじ山の加工後、ねじ全体を焼入れ温
度まで昇温し、この後水、油あるいは塩浴等の冷却剤を
噴射もしくは浸漬し1.@、速に冷却させるため熱処理
歪が極めて大きく、焼割れや過熱溶損等の欠陥も発生し
、品質の安定性に欠ける。しかして発生した歪は、矯正
方法あるいは機械加工等により修正をしなければならな
いが、矯正方法ではねじ山の変形あるいはひねり等の歪
は修正できず、機械的精度が向上できない。又機械加工
による歪修正では、熱処理後研削加工等を行なうため、
発生した歪量が大きいと加工量も多くなり、硬化層が減
少するか極端なときは硬化層を削除してしまう恐れもあ
る。その上加工量の増加に従い、加工時間、工具消耗も
増加し不経済となる。
(c)発明の目的 本発明は上述の事情に鑑みてなされたもので、迅速で熱
処理歪が極めて小さく、作業が簡易化され、品質の向上
が図かれる台形ねじの熱処理方法を提供することを目的
とする (d)  発明の概要 本発明は、台形ねじの外周面に熱エネルギー吸収層を設
け、しかる後回転させながら全面または一部に高エネル
ギー密度を有するビームを照射して、所定部に硬化層を
形成することを特徴とするものである。
(e)  発明の実施例 第4図は本発明を実施するための具体的な装置を示すも
ので、11は被熱処理部材である台形おねじ、12はレ
ーザ発振器、13aはレーザ発振器12から発生したレ
ーザ光、14はレーザ光13aを集光する集光ミラー、
13bは集光ミラー14にとり集束されたレーザ光、1
5は台形おねじ11のねじ谷底角部に集束されたレーザ
光13bが照射されるように回転させる回転装置、16
はレーザ光13bが照射されると同時に、台形おねじ1
1を軸方向に移動させる移動装置、17はレーザ発振器
12のレーザ光13mとその発生時間、台形おねじ11
を回転させる回転装置150回転速度と移動させる移動
装置16の移動速度およびねじ谷底角部と集光レンズの
距離等を制御するための制御装置である。
ここでレーザ発振器12は、表面硬化熱処理や溶接等金
属加工を行なうのに必要な熱エネルギーを供給する装置
であり、本実施例では現在士数荻のものまで製作されて
おり、しかも効率のよい炭酸ガスレーザ発振器が適当で
ある レーザ発振器12から発生したレーザ光13mは集光レ
ンズ14により表面硬化熱処理が可能な熱王ネルギー密
度まで集束される。回転装置15は被熱処理部材例えば
第3図では台形おねじ11、また図示していない台形め
ねじの表面硬化熱処理部であるねじ谷底角部に轡束され
たレーザ光13bが正確に照射されるよう固定保持し回
転する。
移動装置16は、前記回転装置に固定保持された台形お
ねじ11の表面硬化熱処理部であるねじ谷底角部と集光
ミラー14の距離を常に一定に保持し、集束されたレー
ザ光13bを正確にねじ谷底角部に沿って照射できるよ
う)動する。
制御装置17は、レーザ光13aとその発生時間を指示
する信号をレーザ発振器12に、を九表面硬化熱処理を
行なう部分と集光ミラー14との距離を常に一定に保持
し、さらに集束されたレーザ光13bが表面硬化熱処理
を行なう部分に沿って正確に照射されるように回転する
同転速度と、−釦装置1−5と同期させ台形おねじ11
全長に沿って正確にレーザ光13bを照射されるように
移動する移動速度および移動距離を指示する信号を加工
物回転装置15と移動装置16に発信する。これKより
予め設定され九プログラムに従って回転装置および移動
装置カー動作する。
次に本発明の台形おねじのねじ谷底角部の表面硬化熱処
理方法の詳細を第5図により説明する。
周知のようにレーザ光は、高エネルギー密度を有するビ
ームであり、そのエネルギー密度は極めて高< (IX
IO’ W/C11以上)、瞬時加熱が可能で且つその
光束の直径を集光ミラー、レンズ等で自由に調整するこ
とができる。したがってレーザ光の照射による熱影響部
の硬化層は被加工物の微少範囲にとどまり、これ以外の
残部−は冷却媒体の作用をなすもので、従来の熱処理方
法のように水、油または塩浴等の冷却媒体を必要としな
い。
そこで第5図に示すように表面硬化熱処理が可能なエネ
ルギー密度まで集束されたレーザ光13bは台形おねじ
11のねじ谷底角部11bに沿って照射する。レニザ光
13bの照射を受は死領域は急熱される。次にレーザ光
13bが移動または照射を終了する仁とKよって熱は加
熱部に比べ、はるかに大きい体積を占める母材側に速や
かに拡散し、急冷される。このようにレーザ光13bを
受けた部分は、それ以外の母材による自硬効果により局
部的に硬化させた硬化層18を形成する。しかる後、台
形ねじ11を反転させ、以下同様にレーザ光13、bを
照射させ硬化層19を形成する。なお同図中20は台形
おねじ11の表面に塗布されたレーザ光吸収剤を示す9
、 上記実施例では回転装置15に台形おねじ11を取付け
て表面硬化熱処理を施したが、ねじ山転造加工時あるい
はねじ山切削加工時等においても第3図と同様の構成に
より、一連の工Sあるいは加工と同時に表面硬化熱処理
を施すことはもちろん一1能である。
第6図は上述した本実施例のレーザ光を照射した台形お
ねじの表面硬化層18.19と表面からの硬さ分布をビ
ッカース硬度針により測定し九結果を示し、曲線21は
従来の方法のうち無処理゛あるいは仕上加工量過大な台
形おねじの測定結果、曲線22は本実施例のねじ谷底角
部にレーザ光照射した台形おねじの測定結果である。こ
れから明らかなように曲線22は曲線21に比べ硬さが
大幅にヒがっている。なお上記測定の台形おねじは、機
械構造用炭素鋼(845C)材から形成したものである
周知のように硬さと引張強さとは比例関係があり、硬さ
が大きいと引張強さも大きいので、本実施例によ抄製作
し九ねじは従来品よりも強くなっており、より高荷重に
耐えちれることになる。
第7図は、レーザ光照射により表面硬化熱処理し先台形
おねじに繰返し引張応力を加えて疲労破壊試験を行なっ
た結果を示す。ここで縦軸は負荷した試験応力81横軸
は破壊までに要した応力の繰返し数Nで、それぞれ対数
目盛で表示しである。
曲線23が従来の方法によって製造した台形おねじの測
定結果、曲線24が本実施例の台形おねじにレーザ光照
射を施した台形おねじの測定結果を示す。
同図から朋らかなように、例えば試験応力S、における
破壊までの繰返し数N8および馬を比較すれば、本実施
例の破壊繰返し数は従来品に比べて約10倍以上に延長
されている。また、台形おねじ製造時に生じたねじ谷底
の微小な応力集中#(例えば切削時の微小な損傷に起因
する)も表面をわずかに溶かすことによって除去でき、
それに基因される疲労強度の低下を防ぐ相乗的な効果を
期待することもできる。
なお本発明は上述の実施例に限定されるものでなく、第
8図に示すように台形おねじ全面にレーザ光吸収剤20
を塗布後、表面硬化熱処理が可能なエネルギー密度まで
集束されたレーザ光31を、台形おねじ11の谷底部か
ら識先部にわ九ってねじ部全面に照射する。
このときレーザ光31と台形おねじの大きさにより、レ
ーザ光照射幅より台形おねじの直径の方が大きな場合、
レーザ光31をねじ谷底角部から歯先部まで、ねじ部全
面に照射できるようレーザ光31mの位置までオシレー
トあるいは複数回に分けてねじ部全面を照射し、局部硬
化させた硬化層32を形成する。しかる後台形おねじ1
1を反転させ同様にレーザ光を照射して硬化層33を形
成−する。
このようにして局部表面硬化熱処理を行なった場合にお
いても、応力集中を受けるねじ谷底角部の強度は向上し
ており、従来品より高荷重に耐えられることになる。し
かもねじ部全面に硬化層が形成されているため、より耐
摩耗性、耐衝撃性に優れた台形おねじが得られる。
(f)  発明の効果 このように本発明によれば、応力繰返しに対する疲労痔
命が長く、熱処理による歪が小さいので再仕上、歪矯正
等の必要がなく、微小な応力集中源除去により疲労強度
の低下を防止することもでき、従来の表面硬化法のよう
に高温に加熱されたものを加熱源から取出すなどの高熱
作業がなくなり、冷却剤、硬化のための各種添加剤が不
要となるなど作業環境が改良され、台形おねじの形状や
大きさに関係なく任意の位置を短時間で迅速に表面硬化
熱処理ができ、台形ねじ製造と同時に熱処理が行なえる
複合生産も容易に可能となるなど幾多の効果をもった安
価で、信頼性の高い台形おねじを提供することができゐ なお本実施例ではレーザ光照射による方法を示したが、
同様の為エネルギー密度熱源である電子ビーム等を用い
ても、本発明の効果が上げられることはいうまでもない
【図面の簡単な説明】
第1図は台形ねじによる機械部品の移動を説明する断面
図、第2図は台形おねじのねじ谷底角部の応力分布を示
す説明図、第3図は従来の熱処理法による台形おねじの
硬化層を示す説明図、第4図は本発明の実施例の具体的
な装置の構成を示す説明図、第5図は本発明の一実施例
を示す説明図、第6図は本発明の硬化層の硬さと深さの
関係を示す曲線図、第7図は台形おねじの疲労試験結果
の一例を示す特性図、第8図は本発明の他の実施例を示
す説明図である。 1.11・・・台形ねじ、    12・・・レーザ発
&器、13a、 13b・・・レーザ光、  14・・
・集光ミラー、15・・・回転装置、    16・・
・移動数置、17・・・制御装置、    20・・・
レーザ光吸収剤、18、19.32.33・・・硬化層 第1図  第2図 第4図 /2 第5図 第6図 第7図 ん皮tP、と粂返しiλ、〜 第8図

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 略所定の形状に形成し九台形ねじ基体の外局面に、熱エ
    ネルギー吸収層を設け、しかる後前記基体を相対的に回
    転させながら高エネルギー密度を有するビームを外周面
    食面を九紘一部に照射し、所定部に硬化層を形成させる
    ことを特徴とする台形ねじの熱処理方法。
JP18376081A 1981-11-18 1981-11-18 台形ねじの熱処理方法 Pending JPS5887225A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63157818A (ja) * 1986-12-19 1988-06-30 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd ねじ部の熱処理方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS55138020A (en) * 1979-04-09 1980-10-28 Aisan Ind Co Ltd Poppet valve for internal combustion engine
JPS5625928A (en) * 1979-08-07 1981-03-12 Toshiba Corp Heat treatment of worm gear

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