JPS63118015A - シヤフトのレ−ザ焼入方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、シャフトのレーザ焼入方法に関し、もう少
し詳しく−・うと、表面を加熱後、自然空冷により焼入
れが可能な合金鋼などでなる段付シャフトあるいは溝付
シャフトのフィレット部にレーザ焼入れを施すためのシ
ャフトのレーザ焼入方法に関するものである。

〔従来の技術〕

段付シャフトあるいは溝付シャフトなどは一般的に動力
伝達用シャフトとして用いられ、（り返しあるいは交番
のねじり、曲げなどの負荷かがかり、特にフィレット部
に応力集中するケースが多〜゛のでシャフト全体の小形
・軽量化設計のためにもフィレット部に焼入を施し、強
度を向上させることが必要である。

かようなシャフトのレーザ焼入方法としては、従来、例
えは特開昭’；７−３Ｔ４．３−号公報に開示されたも
のがある。これは、第６図に示すように、シャフト（１
）に対しｃｏ　　レーザ加工機から発コ セラレタレーザ光（１０）を軸線に直交して当て、シャ
フト（１）をシャフト（１）の縦方向（Ｘ方向）Ｋ往復
動させるとともに周方向（Ｙ方向）に回転させながら施
工する方法によるものである。

レーザ光（１０）としては、特に規定されていないが、
一般に、レーザ焼入をデフォーカスして行う場合、被加
工物表面に対し平均的な面熱源とする目的では、マルチ
モードビームが使用される。

そうして、レーザ光（１０）をスポット径でレーザ出力
によって２門〜夕絹に広げてエネルギー密度が１０″ｗ
ａｔｔ／ｆｆｌのオーダーになるよう調整し、シャフト
（１）の軸線に直交して照射している。前述のように、
シャフト（１）は周方向（Ｙ方向）Ｋ回転されるととも
に縦軸方向（Ｘ方向）にも往復動させるので、シャフト
（１）へのレーザ光（１０）の照射軌跡はらせん状にな
ると記述されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

以上のような従来のシャフトのレーザ焼入方法では、シ
ャフトに対しらせん状にレーザ照射されると説明されて
おシ、段付シャフトの細い径の部分を主体にした一人れ
がなされているものと解釈される。もしくは段付部（フ
ィレット部）近傍を往復動すると考えてもレーザ光はフ
ィレット部で千鳥形の軌跡を描いて照射されるため、応
力集中膿 するフィレット部に一因に焼入れができないという問題
点があった。一方、従来のマルチモードによる焼入れで
は、第７図に示すように、マルチモードのレーザ光Ｏｔ
のによる焼入パターン（λ／／）が、フィレット部の中
央部で浅く、焼入れ幅の両莞 サイドに近い平面部に最大が表われる。これは、マルチ
モードではほぼ平均的なエネルギ分布（ＸＩＸ）で被加
工物が加熱されるのに対し、フィレット部の中央部のＲ
部分と両サイドの平面部では熱伝導の割合が異なシ、Ｒ
部分の方が被加工物内部への熱拡散が多いため結果的に
図示のような焼入パターン（コｌ／）となってしまい、
理想的な形とは云えないパターンとなる。

この発明は上記の問題点を解消するためになされたもの
で、シャフトのフィレット部に、コーナ中央部で焼入れ
深さが最大となシ、がっ、周方向のオーバラップ部で焼
入硬度が低下する焼境現象を最小限度に押えるとともに
、全体の焼入れ深さを必要な寸法だけ確保することがで
きるシャフトのレーザ焼入方法を得ることを目的とする
。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係るシャフトのレーザ焼入方法は、使用する
レーザ光のビームモードをガウシャン分布のシングルモ
ードに限定し、フォーカスポイントをａｂ値でｉｏｔか
ら／夕の範囲で調整して被加工物表面でのエネルギ密度
を焼入に最適な値にするとともに、シャフト向心線に対
し２００〜７００丁らした位置にレーザ光を照射する。

〔作用〕

この発明においては、シングルモードのレーザ光を特に
選んだことにより、フィレット部の中央部が最大深さと
なるような焼入れパターンが得られることと、シャフト
向心線に対しレーザ照射位置を意識的にすらすことによ
り、レーザ光の被加工物表面での照射スポットを周方向
に長いほぼ楕円状にし、エネルギ集中を避けながら加熱
することで、表面が溶融することなく、より深い焼入れ
が可能となる。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を第１図〜第ｑ図を参照して
説明する。第１図において、合金鋼などでなシ、被加工
物である段付シャツ）　（１）のフィレット部を照射す
るレーザ光（１０）は、ａｂ値が１．０５〜Ｉｔのオー
バーフォーカスにデフォーカスさせた状態のガウシャン
分布、シングルモードのＣＯ，レーザ光である。（２）
は集光レンズを示す。

シャツ）　（１）はＹ方向に回転される。この場合、回
転方向は特に指定されなく、いずれでもよい。

第一図はシャツ）　（１）の端面方向がらレーザ光の照
射位置を見た図で、レーザ光をシャフト（１）の向心線
上の（１０ａ）の位置でなく、２００〜７０°の範囲の
α角ずらした（１０ｂ）で示す位置へ照射している。第
３図はシャフト（１）の側面からレーザ照射ｑ図はシン
グルモードのレーザ光（／／＋１７）による焼入れパタ
ーン（１１１）を示している。（ｌｌコ）は照射面での
エネルギ分布を示す。

かようにしてフィレット部の表面を加熱後、自然空冷に
より焼入れが施される。

以上の方法により、第９図に示すごとく、ガウンヤン分
布のシングルモードの、レーザ光Ｃｔｉｏ）をエネルギ
源に用いると、フィレット部の中央部で最大硬化深さと
なる理想的な焼入れパターン（／／／）が得られる。ま
た、レーザ光のａｂ値を変えることによって焼入れ幅お
よび焼入パターンを変化させることも可能である。

次に、第二図において、レーザ光を向心線上に照射せず
にα角だけずらした位置へ照射する理由とその効用につ
いて説明する。レーザ光を（／θａ）の位置で照射した
場合の被加工物表面上での照射は（２θａ）のようにほ
ぼ真円に近くなるのに対し、α角（シャフト径、ビーム
出力、デフォーカスの割合などによって異なるが通常り
０°〜Ａ　００を選ぶ場合が多い）だけすらしたビーム
位置（１０ｂ）に照射された場合の被加工物表面上の照
射形状は（コθｂ）のように円周方向に細長い楕円形に
近い形状となる。この細長い楕円状の照射方法は、焼入
幅を必要以上に広げることなく、かつ、ビーム出力を下
げることなく、照射されている面の単位面積当シのエネ
ルギ密度を下げる効果があり、表面の溶融によるチル化
現象を防ぎ、かつ、深い硬化層が得られる効果がある。

また、第３図におけるシャフト軸線に対してのレーザビ
ーム照射軸のβ角だけの傾けは、フィレット部にほぼレ
ーザ光を対向させるために行うわけであシ、その理由は
シャフト（１）のツバ部より細い径のシャフト部の強度
を高める目的と、第ダ図のように狭い溝部（／ａ）のコ
ーナ部に現入れする場合に溝部（／ａ）の外径稜線にビ
ームが当らないようにするためである。

次に、被加工物であるシャツ）　（１）のＹ方向の回転
についてその効果を説明する。シャフト類の円周方向の
焼入れでは、始めに加熱焼入れされた部分が一周回転し
てオーバラップした部位で焼塊となυ、部分的な軟化層
となる。したがって、かかる軟化層を最少限度とするた
めには、シャフト（１）の高速回転が効果的である。し
かし、高速にすぎると空冷作用が増大し、レーザ光のエ
ネルギ供給の割に加工物の加熱が進行せず、結果的には
焼入れ硬化層がきわめて浅くなってしまう。そこで、シ
ャフトの周速度が１０００朋／Ｍから１０００００Ｈｚ
　／　ｒｒａｘになる範囲で、硬化層の深さを優先する
ときは低速に、オーバラップ部の軟化をきらう場合や硬
化層を浅くしたいときはより高速に回転させるようにす
る。

次に、レーザ出力の制御による効果につ℃・て述べる。

レーザ出力は加工時間帯（通常／θ５ｅＣｙ２０Ｓｅｃ
　）を通じて一定の出力で施行する方法もあるが、施行
時間の前半の７０％〜ｇθ％は出力Ｏあるいはｒｏ％程
度から始めて徐々に出力アップしながら後半の９０％〜
、２Ｏ％を所定の出力で加熱する。

こうすることにより、表面溶融をもたらさず、かつ、深
焼入れに効果的である。

なお、上記実施例では第１図〜第３図により段付シャフ
トのフィレット部のレーザ焼入れ方法について説明した
が、第り図に示すような狭い溝付シャフトの片方あるい
は両方のコーナ部や、クランクシャフト、カムシャフト
などのフィレット部の焼入れなどにも同様の方法が適用
できる。

また、レーザビームの集光には凸形の集光レンズを通常
用いるが、球面あるいは放物面状のミラーを用いること
も可能である。

さらに、被加工物の表面には、レーザ光の吸収をよくす
るために、一般に用いられる黒化処理などを併用するこ
とも可能である。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、通常、溶接あるいは
切断用に用いられるシングルモードのし−ザ光をａｂ値
〉／のデフォーカス状態に集光しの効果が得られ、縦長
状のヒームな得るために一般的に使用されるスキャナ装
置などを必要とせず、フィレット部のコーナ中央部で焼
入深さが最大で。

かつ、周方向のオーバラップ部で焼入硬度が低下する焼
塊現象を極小とすることができ、きわめて安価で安定し
たレーザ焼入れが得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第ｑ図はこの発明の一実施例を説明するための
もので、第１図は斜視図、第２図は横断面図、第３図は
側面図、第９図は焼入パターンとビーム密度を示す一部
縦断面図である。第を図は他の実施例を説明するための
側面図である。第６図は従来のシャフトのレーザ焼入方
法を説明するための斜視図、第７図は同じく焼入パター
ンとビーム密度を示す一部縦断面図である。 （１）・・段付シャフト、（コ）・・集光レンズ、Ｃｌ
０）、（１０ｂ’）、（／１０）・・レーザ光。 なお、各図中、同一符号は同−又は相当部分を示す。 トン・−；″

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）表面を加熱後自然空冷によりシャフトのフィレッ
   ト部にレーザ焼入れするに際し、加熱源としてガウシャ
   ン分布のシングルモードのレーザ光を用い、前記フィレ
   ット部の表面に対し前記レーザ光のフォーカス位置をａ
   ｂ値で１．０５〜１．５の範囲内で調整するとともに、
   前記シャフトを端面方向より見た向心線より２０°〜７
   ０°の範囲内でずらした位置に前記レーザ光を照射する
   シャフトのレーザ焼入方法。
2. （２）レーザ光の光軸とシャフトの軸線とのなす角度が
   ４５°〜７０゜の範囲内にある特許請求の範囲第１項記
   載のシャフトのレーザ焼入方法。
3. （３）シャフトを、レーザ照射中、その照射位置の周速
   度が１０００ｍｍ／ｍｍ〜１０００００ｍｍ／ｍｍの範
   囲内で高速回転させる特許請求の範囲第１項記載のシャ
   フトのレーザ焼入方法。
4. （４）照射するレーザ光の出力を、全照射時間のうち前
   半の１０％〜８０％の期間で所定出力の０〜５０％出力
   から徐々に増加させ、後半の９０％〜２０％の間を前記
   所定出力とする特許請求の範囲第１項記載のシャフトの
   レーザ焼入方法。
5. （５）レーザ光がＣＯ＿２レーザ光である特許請求の範
   囲第１項記載のシャフトのレーザ焼入方法。