JPS627821A - クランクシヤフト用レ−ザ焼入装置 - Google Patents

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】 本発明はレーザビームを利用したクランクシャフト用レ
ーザ焼入装置に関し、一層詳細には一本のレーザビーム
を半透明鏡を介して二本のレーザビームに分割し、前記
二本のレーザビームをクランクシャフトの二つの部分に
照射してレーザ焼入れをするように構成したクランクシ
ャフト用レーザ焼入装置に関する。

一般に、内燃°機関において、そのシリンダ内のピスト
ンの往復運動はクランクシャフトにより回転運動に変換
される。このクランクシャフトの好適な実施例を第１図
に示す。すなわち、前記クランクシャフト２には第１の
ジャーナル４並びに第２のジャーナル６と、第１．のウ
ェイト８並びに第２のウェイト１０と、前記両ジャーナ
ル４および６に対して偏心するように形成されたクラン
クピン１２とから構成されている。

この場合、ピストンに連結された図示しない連結棒はク
ランクピン１２に係着され、シリンダ内に発生する相当
量の爆発力がクランクシャフト２に伝達される。従って
、前記爆発力を連続的に回転運動に変換しようとする時
、特にクランクピン１２と第１ウエイト８および第２ウ
エイト１０との境界部には著しい応力集中がある。

そこで、従来から、この応力による疲れ破損を防止する
ために、前記境界部にレーザビーム等による焼入れを施
して強度を高め、クランクシャフト２の耐用性の向上を
図っている。

なお、これ以後の説明はクランクピン１２と第１ウエイ
ト８との境界部について行うものであり、ここで、後述
する説明のために、クランクピン１２と第１ウエイト８
との境界部において、図中の上側で且つクランクシャフ
ト２の外側の半周部分を第１境界部１４ａとし、この第
１境界部１４ａ以外δ部分、すなわちクランクシャフト
２の内側の半周部分を第２境界部１４ｂとする。

従来技術によれば、前記境界部１４ａ、１４ｂをレーザ
ビームによって焼入れする場合、図中の矢印Ａで示すよ
うなレーザビームを、先ず、境界部１４ａに照射し、次
いで、クランクシャフト２をクランクピン１２の軸線を
中心にして略−回転させる。このことにより、境界部１
４ａ、１４ｂは周回して焼入れ温度まで加熱され、クラ
ンクピン１２の回転が完了した後、レーザビームの照射
を停止する。この場合、境界部１４ａ、１４ｂの表面の
加熱された部分は内部への熱伝導によって急速に自己冷
却され、レーザビームの照射部分が硬化して焼入れが達
成されるに至る。

一般に、被焼入れ部分が加熱されて融点以上に達した場
合は、その部分の表面が荒れるため、被焼入れ部分を溶
融するまで加熱してはならない。一方、被焼入れ部分に
深い焼入れ層を形成してワークの硬度をより一層高める
ためには被焼入れ部分を出来る限り高温にする必要があ
る。

従って、効果的なレーザ焼入れを施すためには被焼入れ
部分を溶融しない程度まで加熱しなければならない。

ところで、前述したレーザ焼入れの際、第２境界部１４
ｂに発生する熱は第１ウエイト８および第１ジヤーナル
４等に伝導されるが、第１境界部１４ａは第１ウエイト
８の縁端部近傍にあり、しかも第１ジヤーナル４と近接
位置にないため、第１境界部１４ａに発生する熱の伝導
部分は比較的少ない。すなわち、第２境界部１４ｂの許
容熱量が大きく、逆に、第１境界部１４ａの許容熱量は
小さく、第１境界部１４ａは第２境界部１４ｂに比較し
て溶融し易いという傾向がある。

このため、一定の照射パワーでレーザビームを第１境界
部１４ａおよび第２境界部１４ｂに照射すれば、第１境
界部１４ａが溶融する虞れがある。

従って、第１境界部１４ａおよび第２境界部１４ｂを好
適に硬化させるためには、レーザパワーを制御して第１
境界部１４ａに照射するレーザビームの照射パワーを比
較的小さく選択し、一方、第２境界部１４ｂには十分に
レーザビームを照射しなければならない。

然しなから、レーザパワーを制御する装置は構成が複雑
であり、しかも高価であるため、一般的には、第１境界
部１４ａと第２境界部１４ｂに一定のレーザビームを照
射している。すなわち、第１境界部１４ａにレーザ焼入
れを施すに必要且つ十分なレーザビームでは第２境界部
１４ｂに深い焼入れ層を形成することが出来ず、場合に
よっては第１境界部１４ａが溶融し、一方、第２境界部
１４ｂを十分に焼入れ可能なレーザで第１境界部１４ａ
を照射するとレーザビームが過剰となり、前記境界部１
４ａが溶融し、その表面に荒れが生じるという欠点が従
来から指摘されている。

さらに、焼入れを施す際、クランクシャフト２を略−回
転させなければならないため、多数個のクランクシャフ
ト２に焼入れを行うには長時間を要するという不都合が
ある。

そこで、本発明者は鋭意考究並びに工夫を重ねた結果、
入射光に対する反射と透過の率を適切に選択した半透明
鏡に一本のレーザビームを照射することにより、前記レ
ーザビームをレーザパワーの比較的大きい第１のレーザ
ビームとレーザパワーの小さい第２のレーザビームとに
分割し、前記第ル−ザビームと第２レーザビームとをク
ランクピンとウェイトとの間の境界部にクランクピンの
直径方向から互いに対向させるように照射すると共に、
前記クランクピンを回転させることによって第ル−ザビ
ームをクランクシャフトの内側の境界部に照射させ、且
つ、第２レーザ光をクランクシャフトの外側の境界部に
照射するように構成すれば、外側の境界部を熔融せずに
焼入れすることが出来、しかも、内側の境界部に比較的
深い焼入れ層を形成することが可能となり、さらに、ク
ランクピンを略半回転させることによって所望の焼入れ
を達成することが出来るため、従来の装置に比較して焼
入れに要する時間が短縮され、この結果、前記の不都合
が一掃されることが判った。

従って、本発明の目的は焼入れ対象物としてのクランク
シャフトの部位別に深さの異なる焼入れ層を形成するこ
とが出来、しかも、短時間で焼入れを行うことが可能な
且つ構造が簡単で取扱いに便宜なりランクシャフト用レ
ーザ焼入装置を提供するにある。

前記の目的を達成するために、本発明はレーザビーム供
給源と、前記レーザビーム供給源からのレーザビームを
受けてそのレーザビームを反射光である第１のレーザビ
ームと透過光である第２のレーザビームとに分割する半
透明鏡と、前記第１および第２レーザビームを反射して
回転するクランクシャフトのクランクピン端部に異なる
照射量で照射する反射鏡とから構成することを特徴とす
る。

次に、本発明に係るクランクシャフト用レーザ焼入装置
について好適な実施例を挙げ、添付の図面を参照しなが
ら以下詳細に説明する。なお、第１図に示す参照符号と
同一の参照符号は同一の構成要素を示すものとする。

ここで、第２図並びに第３図は本発明の第１の実施例で
あるクランクシャフト用レーザ焼入装置を示し、このク
ランクシャフト用レーザ焼入装置は第１の反射鏡２０、
第２の反射鏡２２）第３の反射鏡２４、半透明鏡２６、
集光レンズ２８、および、レーザビーム供給源３０から
なる。

第１反射鏡２０と第２反射鏡２２は後述する作用下にお
いて照射されるレーザビームを互いに対向させて反射す
るような傾斜角度で配設される。

この場合、第１反射鏡２０は第１０ソド３２の先端部に
形成された傾斜面に固着され、同様に、第２反射鏡２２
は第２０ソド３４の先端部に形成された傾斜面に固着さ
れている。なお、第１０ツド３２と第２０ソド３４は図
示しない支承手段を介して夫々回転角度の設定が自在な
ように保持される。

なお、第３反射鏡２４、半透明鏡２６、集光レンズ２８
およびレーザビーム供給源３０は所定の支持手段（図示
せず）を介して所定位置に配設される。

一方、第３反射鏡２４は第２反射鏡２２の上方に配設さ
れ、半透明鏡２６は第１反射鏡２０の上方に配設される
。前記半透明鏡２６は照射されたレーザビームの半分以
上を反射し、残余のレーザビームを透過させるものであ
り、本実施例においては、入射されるレーザビームに対
する反射率が６０％で、すなわち、透過率が４０％の半
透明鏡を用いている。なお、前記反射率および透過率は
特に限定されるものではなく、要は、半透明鏡２６によ
って一本のレーザビームをレーザパワーの異なる二本の
レーザビームに分割するよう構成することであり、クラ
ンクシャフトに対して所望の焼入れを行うことが可能な
範囲で種々選択可能である。

次いで、レーザビーム供給源３０と集光レンズ２８を半
透明鏡２６および第１反射鏡２０と共に同一の軸線上に
位置するよう配設する。その際、図から容易に諒解され
るように、前記集光レンズ２８は半透明鏡２６とレーザ
ビーム供給源３０との間に配設される。すなわち、レー
ザビーム供給源３０から照射されるレーザビームが集光
レンズ２８を介して半透明鏡２６に至るよう構成し、さ
らに、半透明鏡２６によって反射されたレーザビームが
第１反射鏡２０に照射されるように半透明鏡２６の角度
を設定しておく。また、半透明鏡２６を透過するレーザ
ビームが第３反射鏡２４によって第２反射鏡２２に照射
されるように第３反射鏡２４の角度を設定しておく。

以上のように配置構成されるクランクシャフト用レーザ
焼入装置において、前記第１実施例は第１図に示したク
ランクシャフト２の第１境界部１４ａおよび第２境界部
１４ｂに焼入れを施すものであり、このために、クラン
クシャフト２を第１０ツド３２と第２０ツド３４との間
に配設する。この場合、クランクピン１２の軸線は第１
反射鏡２０と第２反射鏡２２との中間部に位置し、クラ
ンクシャフト２は図示しない支持装置によりクランクピ
ン１２の軸線を中心にして回転するよう装着される。

そこで、当初の状態においては、図示するように第１境
界部１４ａと第２境界部１４ｂとを区分する二つの境界
部分が夫々第１反射鏡２０または第２反射鏡２２に対向
するようクランクシャフト２を位置決めしておく。

本発明の第１の実施例であるクランクシャフト用レーザ
焼入装置は基本的には以上のように構成されるものであ
り、次にその作用並びに効果について説明する。

先ス、レーザビーム供給源３０からレーザビームを照射
すれば、そのレーザビームは集光レンズ２８を介して集
光されながら半透明鏡２６に到達する。半透明鏡２６に
到達したレーザビームは半透明鏡２６から反射する第ル
−ザビーム３６と半透明鏡２６を透過する第２レーザビ
ーム３８とに分割される。この場合、前述したように、
半透明鏡２６は反射率が６０％に選択されているため、
第ル−ザビーム３６はレーザビーム供給源３０から集光
レンズ２８を介して照射されたレーザビームの６０％を
占め、一方、第２レーザビーム３８は前記レーザビーム
の４０％を占める。すなわち、第ル−ザビーム３６は第
２レーザビーム３８に比較してより大きいレーザパワー
を有する。第ル−ザビーム３６は第１反射鏡２０に到達
して反射され、クランクシャフト２の第１境界部１４ａ
と第２境界部１４ｂとを区分する一方の境界部分に照射
される。また、比較的小さいレーザパワーの第２レーザ
ビーム３８は第３反射鏡２４により反射されて第２反射
鏡２２に照射され、さらに、前記第２レーザビーム３８
は第２反射鏡２２により反射されて第１境界部１４ａと
第２境界部１４ｂとを区分する他方の境界部分に照射さ
れる。すなわち、第１境界部１４ａと第２境界部１４ｂ
とを区分する二つの境界部分には夫々レーザパワーの異
なるレーザビームが供給される。

この場合、第ル−ザビーム３６の光路は第２レーザビー
ム３８の光路よりも短いため、第１し一ザビーム３６の
最終的なレーザビーム径は第２レーザビーム３８のもの
よりも太き（、しかも、第ル−ザビーム３６がより高い
レーザパワーを有しているため、前記境界部分の一方に
は比較的広い面部に大きい照射パワーが供給される。

そこで、レーザビーム供給源３０からレーザビームを照
射しながらクランクシャフト２をクランクピン１２’（
７）軸線を中心にして図中の矢印Ｂ方向に略半回転させ
、その回転の完了時にレーザビーム、の照射を停止する
。このような操作によって第２境界部１４ｂには幅広く
且つ大きい照射パワーで第ル−ザビーム３６が照射され
、一方、第１境界部１４ａには照射パワーの小さい第２
レーザビーム３８が照射される。従って、発生する熱の
許容量が小さい第１境界部１４ａにおいてはレーザビー
ムの照射パワーが抑制されるために第１境界部１４ａを
溶融することがなく、適度な深さの焼入れ層が形成され
る。また、レーザビームによって第２境界部１４ｂに発
生する熱量は大きいが、第２境界部１４ｂは熱を伝達す
る部分が多く、すなわち、許容熱量が大きいため、溶。

融されることなく深い焼入れ層が幅広（形成されるに至
る。従って、両境界部１４ａ、１４ｂを溶融することな
く好適な焼入れ層を形成することが出来、実際、これを
エンジンに直結して使用する時、応力集中に対する強度
がより一層増大する。さらにまた、前述したように、焼
入れを施す場合には、クランクシャフト２を略半回転さ
せるだけでよく、従来技術に係るレーザ焼入装置のよう
に略−回転させる必要がないため、従来技術に比較して
焼入れ作業に要する時間は半分程度になり、この結果、
作業時間が大幅に短縮される。

なお、半透明鏡２６の反射率および透過率を予め適宜選
択しておくことにより、第ル−ザビーム３６と第２レー
ザビーム３８のレーザパワーの比率を任意に選択するこ
とが出来るため、第１境界部１４ａと第２境界部１４ｂ
とに施す焼入れの深さを変更出来ることは容易に諒解さ
れよう。

また、第１０ソド３２と第２０フド３４とを回転させる
ことにより、第１反射鏡２０と第２反射鏡２２の夫々の
角度を変更して第１図に示すクランクピン１２と第２ウ
エイト１０との境界部分にも前記と同様な焼入れを施す
ことが可能なことは勿論である。

次に、第４図に本発明の第？の実施例であるクランクシ
ャフト用レーザ焼入装置を示す。この場合においても、
前記参照符号と同一の参照符号は同一の構成要素を示す
ものとする。

この第２の実施例において、第１の実施例と異なる構成
要素はレーザビームを集光するための集光レンズであり
、図から容易に諒解されるように、第２図における半透
明鏡２６とレーザビーム供給源３０との間に配設された
集光レンズ２８を取り除いている。そして、半透明鏡２
６と第１反射鏡２０との間には第１の集光レンズ４０を
配設し、第３反射鏡２４と第２反射鏡２２との間には第
２の集光レンズ４２を配設する。この場合、第１反射鏡
２０から第１集光レンズ４０までの距離と第２反射鏡２
２から第２集光レンズ４２までの距離とは等しい値に選
択しておく。すなわち、レーザビーム供給源３０から照
射されたビーム径が一定のレーザビームは、第１の実施
例と同様に、半透明鏡２６によって反射光である第ル−
ザビーム３６と透過光である第２レーザビーム３８とに
分割される。そこで、第１集光レンズ４０を通過した第
ル−ザビーム３６が第１反射鏡２０を介してクランクシ
ャフト２に照射される際のスポット径を第２レーザビー
ム３８が第３反射鏡２４、第２集光レンズ４２および第
２反射鏡２２を介してクランクシャフト２に照射される
際のスポット径よりも大きくなるよう第１集光レンズ４
０および第２集光レンズ４２の焦点距離を選択しておく
。

すなわち、この場合には、第１境界部１４ａと第２境界
部１４ｂとを区分する境界部分の一方に照射される第ル
−ザビーム３６のスポット径を比較的大きくするよう構
成して、第ル−ザビーム３６と第２レーザビーム３８の
照射条件を第１の実施例と等しくすることが可能になる
。従って、第１集光レンズ４０と第２集光レンズ４２と
に代替して同一の焦点距離の二つの集光レンズを用いる
場合は、前記各集光レンズの第１反射鏡２０からの距離
と第２反射鏡２２からの距離とを異ならせるように構成
することによってクランクシャフト２に対する第ル−ザ
ビーム３６と第２レーザビーム３８のスポット径を前記
のように選択することが可能である。

以上のような構成において、レーザビーム供給源３０か
らレーザビームを照射しながらクランクシャフト２をク
ランクピン１２の軸線を中心にして矢印Ｂ方向に略半回
転させ゛るという第１の実施例と同様な操作を行えば、
第１の実施例と等しい効果的な焼入れを行うことが出来
る。さらに、この第２の実施例においては、第１集光レ
ンズ４０あるいは第２集光レンズ４２の図における上下
方向の位置を変更することにより、クランクシャフト２
に照射するレーザビームのスポット径を調整することが
出来る。従って、第１境界部１４ａと第２境界部１４ｂ
の焼入れの調整がより一層容易である。

以上のように、本発明によれば、簡単な構成によってク
ランクピンとジャーナルとの境界部を溶融することなく
焼入れすることが出来、しかも、前記境界部には部分別
に可能な限りの深さの焼入れ層を所望の幅で形成するこ
とが出来るため、前記境界部の強度を好適に向上させる
ことが可能である。さらにまた、前記境界部に焼入れを
施す際、クランクシャフトを略半回転させるだけでよい
ため、従来のレーザ焼入装置に比較して焼入れの作業時
間を大幅に短縮することが出来る効果が得られる。

なお、本発明に係るクランクシャフト用レーザ焼入装置
に用いる反射鏡の枚数および設置角度は特に限定されず
、被焼入れ部分の形状等に応じて適宜選択することが可
能である。

以上、本発明について好適な実施例を挙げて説明したが
、本発明はこの実施例に限定されるものではなく、本発
明の要旨を逸脱しない範囲において種々の改良並びに設
計の変更が可能なことは勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は被焼入れ物としてのクランクシャフトの正面図
、第２図は第１図に示すクランクシャフトに本発明の第
１の実施例であるクランクシャフト用レーザ焼入装置で
焼入れを施す場合の一部断面側面図、第３図は第２図に
示す第１の実施例の斜視図、第４図は本発明の第２の実
施例であるクランクシャフト用レーザ焼入装置で第１図
に示すクランクシャフトに焼入れを施す場合の一部断面
側面図である。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）レーザビーム供給源と、前記レーザビーム供給源
   からのレーザビームを受けてそのレーザビームを反射光
   である第１のレーザビームと透過光である第２のレーザ
   ビームとに分割する半透明鏡と、前記第１および第２レ
   ーザビームを反射して回転するクランクシャフトのクラ
   ンクピン端部に異なる照射量で照射する反射鏡とから構
   成することを特徴とするクランクシャフト用レーザ焼入
   装置。
2. （２）特許請求の範囲第１項記載の装置において、レー
   ザビーム供給源と半透明鏡との間に集光レンズを配設し
   てなるクランクシャフト用レーザ焼入装置。
3. （３）特許請求の範囲第１項記載の装置において、手透
   明鏡によって分割された第１レーザビームおよび第２レ
   ーザビームの夫々の光路に夫々集光レンズを配設してな
   るクランクシャフト用レーザ焼入装置。
4. （４）特許請求の範囲第３項記載の装置において、夫々
   の集光レンズは互いにその焦点距離が異なるものが選択
   されてなるクランクシャフト用レーザ焼入装置。
5. （５）特許請求の範囲第１項記載の装置において、反射
   鏡は回転角度の設定が自在なように支承されたロッドの
   先端部の傾斜面に配設されてなるクランクシャフト用レ
   ーザ焼入装置。