(57)【要約】【課題】加工に要する時間を長くすることなく、強度を向上させることができる部品の製造方法を提供する。【解決手段】実施形態に係る部品の製造方法は、外面２１に開口２２を有する孔３０が形成された加工前部品６１の孔３０の内壁３２に対して、流体５５中でレーザ光４０を照射することにより、レーザピーニング加工を施すレーザピーニング加工工程を備えた部品１の製造方法であって、レーザピーニング加工工程は、加工前部品６１を流体５５中に配置させるステップと、孔３０の内面３１におけるレーザ光４０の照射箇所を設定するステップと、流体５５中において、外面２１側から開口２２を通して照射箇所にレーザ光４０を照射させるステップと、を有し、レーザ光４０を照射させるステップにおいて、設定された各スポットの位置にレーザ光４０を照射させる際に、直前に照射されたスポットの位置と重ならないスポットの位置にレーザ光４０を照射させる。【選択図】図１４
2019042776.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外面に開口を有する孔が形成された加工前部品の前記孔の内壁に対して、流体中でレーザ光を照射することにより、レーザピーニング加工を施すレーザピーニング加工工程を備えた部品の製造方法であって、
前記レーザピーニング加工工程は、
前記加工前部品を前記流体中に配置させるステップと、
前記孔の内面における前記レーザ光の照射箇所を設定するステップと、
前記流体中において、前記外面側から前記開口を通して前記照射箇所に前記レーザ光を照射させるステップと、
を有し、
前記レーザ光の照射箇所を設定するステップにおいて、
前記レーザ光の複数のスポットの位置が、前記内面において部分的に重なり、かつ、所定量ずらして前記孔の周方向に沿って配置されるように前記照射箇所を設定し、
前記レーザ光を照射させるステップにおいて、
設定された各前記スポットの位置に前記レーザ光を照射させる際に、直前に照射された前記スポットの位置と重ならない前記スポットの位置に前記レーザ光を照射させる、
部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、部品の製造方法に関するものであり、例えば、レーザピーニング加工を用いた部品の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
加工対象とする部品の表面の強度を向上させる加工技術として、レーザピーニング加工が知られている。特許文献１〜４に記載されているように、レーザピーニング加工は、部品の表面に対して、水中でレーザ光を集光させ、レーザアブレーションさせる。そうすると、部品の表面において、プラズマが発生する。発生したプラズマ圧に伴う衝撃波によって、部品の表面は塑性変形する。これにより、部品の表面には、圧縮応力が発生する。発生した圧縮応力は部品の表面に圧縮残留応力として付与される。
【０００３】
このように、レーザピーニング加工は、部品の表面に圧縮残留応力を付与することによって、部品の強度を向上させる。また、レーザピーニング加工は、特許文献５に記載のショットピーニング加工よりも微細加工性に優れている。
【０００４】
特許文献１には、部品(コモンレール)の内部に設けられたレール穴から外面に貫通する分岐穴において、レール穴側の開口及びレール穴の内壁にレーザピーニング加工を施すことが記載されている。特許文献１では、レーザ光のスポット位置を変えながらレーザピーニング加工を施している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−３２２４４６号公報
【特許文献２】特開２００９−０７４４１７号公報
【特許文献３】特表２０１６−５１５４７５号公報
【特許文献４】特開２００８−２６００６４号公報
【特許文献５】特開平０４−１７５５６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
レーザピーニング加工時において、瞬間的な沸騰現象による気泡またはプラズマ消滅時に発生するキャビテーション気泡（以下、気泡等という。）が、次のスポット位置を照射するレーザ光と干渉すると、表面に照射されるレーザ光の強度が低下し、スポット位置に十分な圧縮残留応力を付与できない可能性がある。また、気泡等は圧縮性のため、次のレーザ光で発生させたプラズマ圧を吸収する。そうすると、スポット位置ごとに、圧縮残留応力がばらつく可能性がある。
【０００７】
部品の分岐穴の内壁に対して、分岐穴の外側から所定の入射角度によりレーザ光を照射するようにすると、分岐穴の内壁の表面で発生する気泡等が、分岐穴内に留まり、レーザ光と干渉する可能性がある。よって、レーザ光のスポット位置ごとの圧縮残留応力の低下やばらつきを抑制することができず、部品の強度を向上させることができない。
【０００８】
一方、気泡等の移動または消滅を待って、次のレーザパルスを照射するようにすると、加工に要する時間がその分だけ長くなってしまう。このように、レーザピーニング加工を備えた部品の製造方法においては、部品の強度を向上させることと、加工に要する時間の抑制との両立が望まれている。
【０００９】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、加工に要する時間を長くすることなく、強度を向上させることができる部品の製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様に係る部品の製造方法は、外面に開口を有する孔が形成された加工前部品の前記孔の内壁に対して、流体中でレーザ光を照射することにより、レーザピーニング加工を施すレーザピーニング加工工程を備えた部品の製造方法であって、前記レーザピーニング加工工程は、前記加工前部品を前記流体中に配置させるステップと、前記孔の内面における前記レーザ光の照射箇所を設定するステップと、前記流体中において、前記外面側から前記開口を通して前記照射箇所に前記レーザ光を照射させるステップと、を有し、前記レーザ光の照射箇所を設定するステップにおいて、前記レーザ光の複数のスポットの位置が、前記内面において部分的に重なり、かつ、所定量ずらして前記孔の周方向に沿って配置されるように前記照射箇所を設定し、前記レーザ光を照射させるステップにおいて、設定された各前記スポットの位置に前記レーザ光を照射させる際に、直前に照射された前記スポットの位置と重ならない前記スポットの位置に前記レーザ光を照射させる。このような構成とすることにより、加工に要する時間を長くすることなく、強度を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明により、加工に要する時間を長くすることなく、強度を向上させることができる部品の製造方法を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施形態１に係る部品を例示した断面図である。
【図２】実施形態１に係る部品のレーザピーニング加工された孔を例示した断面図である。
【図３】実施形態１に係る部品の孔の内壁に付与された残留応力を例示したグラフであり、横軸は、内面からの深さを示し、縦軸は、残留応力を示す。
【図４】部品に発生する応力を解析する解析モデルを例示した図である。
【図５】部品に発生した応力の解析結果を例示した図である。
【図６】実施形態１に係る部品の製造方法を例示したフローチャート図である。
【図７】実施形態１に係る部品の製造方法により製造する様子を例示した図である。
【図８】実施形態１に係るレーザピーニング加工工程を例示したフローチャート図である。
【図９】レーザピーニング加工の原理を例示した図である。
【図１０】ショットピーニング加工とレーザピーニング加工とを比較した図である。
【図１１】実施形態１の変形例に係るレーザピーニング加工装置を例示した図である。
【図１２】実施形態１の変形例に係るレーザピーニング加工工程を例示したフローチャート図である。
【図１３】実施形態２に係る部品の製造方法を例示した図である。
【図１４】実施形態３に係るレーザピーニング加工におけるレーザ光のスポットの位置を例示した図である。
【図１５】比較例に係るレーザピーニング加工におけるレーザ光のスポットの位置を例示した図である。
【図１６】実施形態４に係る部品に発生した応力の解析結果を例示した図である。
【図１７】実施形態４に係る部品の孔を例示した拡大図である。
【図１８】実施形態４に係る部品の内壁に付与された残留応力を例示したグラフであり、横軸は、孔の周方向における回転角度で示した内壁の位置を示し、縦軸は、内面から１０［μｍ］の深さの部分の残留応力を示す。
【図１９】実施形態４に係るスポット径と残留応力との関係を例示したグラフであり、横軸は、スポット径を示し、縦軸は、残留応力を示す。
【図２０】実施形態４に係るレーザピーニング加工工程におけるレーザ光のスポット径を例示したグラフであり、横軸は、孔の周方向における回転角度で示した内壁の位置を示し、縦軸は、レーザ光のスポット径を示す。
【図２１】実施形態４に係るレーザピーニング加工工程におけるレーザ光のスポットの送り速度を例示したグラフであり、横軸は、孔の周方向における回転角度で示した内壁の位置を示し、縦軸は、レーザ光のスポットの送り速度を示す。
【図２２】実施形態４に係るレーザ光の入射角度と残留応力との関係を例示したグラフであり、横軸は、入射角度を示し、縦軸は、残留応力を示す。
【図２３】実施形態４に係るレーザ光のエネルギー密度と残留応力との関係を例示したグラフであり、横軸は、エネルギー密度を示し、縦軸は、残留応力を示す。
【図２４】実施形態４に係るレーザ光のパルスの重ね打ちの回数と残留応力との関係を例示したグラフであり、横軸は、パルスの重ね打ちの回数を示し、縦軸は、残留応力を示す。
【図２５】レーザピーニング加工における制御因子、合成パラメータ、加工原理及び特性値を例示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら説明する。但し、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。
【００１４】
＜実施形態１＞
実施形態１に係る部品及び部品の製造方法を説明する。まず、部品を説明する。その後、部品の製造方法を説明する。
【００１５】
（部品）
図１は、実施形態１に係る部品を例示した断面図である。図１に示すように、部品１は、例えば、内部に空洞部１０を有する円筒形状である。部品１の内部の空洞部１０に接する円周面を内面１１という。部品１の外側の円周面を外面２１という。円筒形状をした部品１は、中心軸Ｃ１を有している。部品１は、中心軸Ｃ１を回転軸として回転するように形成されてもよい。例えば、部品１は、中心軸Ｃ１を回転軸として回転するような入力トルクＴによって回転する。
【００１６】
部品１は、外面２１に開口２２を有する孔３０が形成されている。図１に示す例において、孔３０は、複数設けられている。なお、図１においては、簡略化のため、複数の孔３０のうち、１つの孔３０に対してのみ符号が付されている。孔３０は、例えば、部品１の内面１１から外面２１に貫通してもよい。すなわち、孔３０は、開口２２から空洞部１０まで貫通する。なお、孔３０は、非貫通孔として形成された凹みでもよい。孔３０は、部品１の中心軸Ｃ１を始点とし、中心軸Ｃ１に直交する部品１の径方向の中心軸Ｃ２を有してもよい。中心軸Ｃ１に直交する面内において、中心軸Ｃ１を中心に回る方向を周方向という。また、中心軸Ｃ２に直交する面内において、中心軸Ｃ２を中心に回る方向も周方向という。
【００１７】
なお、部品１は、内部に空洞部１０を有する円筒形状としたが、これに限らない。部品１は、外面２１に開口２２を有する孔３０が形成されていれば、角筒形状、円柱形状等でもよい。孔３０は、部品１の所定の位置に所定の径で形成されている。
【００１８】
例えば、部品１は、自動車の駆動ユニット等で使用されるシャフトである。部品１の空洞部１０は、中空潤滑油流路として機能する。産業機械や自動車は、回転トルクＴにより動力を伝達する軸構造としてシャフトを含んでいる。シャフトは、疲労強度に対して高い信頼性を要求されている。その一方で、シャフトは、小型軽量化を要求されている。シャフトは、軽量化を目的として、空洞部１０を有する中空構造とされる場合がある。
【００１９】
さらに、空洞部１０から外面２１に貫通した孔３０が、潤滑油の油路として利用される場合がある。例えば、自動車の自動変速機においては、外径がφ１２〜４０［ｍｍ］程度であり、空洞部１０の内径が１０［ｍｍ］程度の円筒形状のシャフトに対し、孔径φ１〜３［ｍｍ］程度の潤滑油用の孔３０が形成されている。中心軸Ｃ１を回転軸として回転することにより、空洞部１０に供給された潤滑油は、遠心力によって、孔３０を通ってシャフトの周囲へ供給される。このように、空洞部１０及び孔３０を、潤滑油の油路として利用される場合には、潤滑油を、部品１の周囲に所定の流量で供給することができる。
【００２０】
一方、孔３０を形成した部分において、シャフトの強度が最弱になる場合がある。シャフトに対して、中心軸を中心に回転させるトルクＴを作用させると、シャフトの中心軸に直交する断面には、せん断応力が発生する。シャフトに発生した応力は、孔３０の周辺に集中する場合がある。このとき、孔３０の周辺の所定の部分には、引張応力が発生する。このような場合には、孔３０の周辺における強度の劣化が、シャフト全体の寿命を制約することとなる。
【００２１】
そこで、本実施形態では、部品１の孔３０に、レーザピーニング加工を施している。例えば、部品１の孔３０の内壁３２に対してレーザピーニング加工が施されている。これにより、孔３０の内壁３２に圧縮残留応力が付与される。よって、部品１の強度を向上させ、部品１の寿命を向上させることができる。
【００２２】
図２は、実施形態１に係る部品１のレーザピーニング加工された孔３０を例示した断面図である。図２に示すように、孔３０の内面３１に対しては、レーザ光４０を垂直に照射することが困難である。そこで、レーザ光４０の光軸Ｃ３の内面３１に対する入射角度は、０［°］よりも大きく、９０［°］よりも小さい角度となる。角度の単位として、［ｄｅｇ］を用いる場合もある。孔３０の内面３１に対して、外面２１側から孔３０の開口２２を通してレーザ光４０は照射されている。
【００２３】
孔３０の内壁３２におけるレーザピーニング加工箇所は、レーザ光４０の内面３１に対する入射角度、及び、外面２１と孔３０の内面３１との間の面取り形状に基づいて設定される。また、孔３０の内壁３２におけるレーザピーニング加工箇所は、図２に示すように、トルクＴを作用させた場合に、許容強度を超えるような応力が発生する高応力部である。このような加工箇所にレーザピーニング加工を施す。これにより、孔３０の内壁に圧縮残留応力を付与する。ここで、内壁３２とは、孔３０の内面３１を含んだ孔３０を囲む部分であって、内面３１から中心軸Ｃ２に直交する径方向に所定の深さだけ厚みを有する部分をいう。
【００２４】
図３は、実施形態１に係る部品１の孔３０の内壁３２に付与された残留応力を例示したグラフであり、横軸は、内面３１からの深さを示し、縦軸は、残留応力を示す。縦軸の＋側は引張応力であり、縦軸の−側は圧縮応力である。横軸の内面３１からの深さとは、内壁３２における内面３１から中心軸Ｃ２に直交する径方向の長さである。なお、図３には、参考として、部品１の外面２１を含む部分（外壁）の残留応力も示している。
【００２５】
図３に示すように、ＢＬ１（○印）は、孔３０の内壁３２における浸炭及びレーザピーニング加工の処理ＢＬ１を行った場合の結果を示し、内面３１からの深さに対する残留応力を示す。Ｂ２（□印）は、孔３０の内壁３２における浸炭加工のみの処理Ｂ２を行った場合の結果を示し、内面３１からの深さに対する残留応力を示す。Ｂ３（◇印）は、外面２１を含む部分（外壁）における浸炭加工のみの処理Ｂ３を行った場合の結果を示し、外面２１からの深さに対する残留応力を示す。外面２１からの深さとは、外面２１を含む部分の外面２１から中心軸Ｃ１に向かう方向の長さである。浸炭加工とは、表層を強化させるための炭素を添加する加工である。部品１に残留した応力は、Ｘ線回析（Ｘ−Ｒａｙ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ：ＸＲＤ）によって、測定することができる。
【００２６】
図３に示すように、孔３０の内壁３２に対して、浸炭及びレーザピーニング加工の処理ＢＬ１を行った場合には、内面３１から２００［μｍ］の深さまで、圧縮残留応力が付与されている。内面３１は応力が解放されて、残留応力は０程度である。内面３１の直下数１０［μｍ］まで、圧縮残留応力は大きくなっている。内面３１の直下数１０［μｍ］を、内面３１近傍ともいう。例えば、内面３１近傍において、８５０［ＭＰａ］程度まで、圧縮残留応力が大きくなっている。内壁３２の圧縮残留応力は、内面３１近傍において、極大値をとる。
【００２７】
内面３１からの深さが内面３１近傍よりも深くなるにつれて、圧縮残留応力は連続的に小さくなっている。例えば、内面３１からの深さが５０［μｍ］の断面において、圧縮残留応力は、６００［ＭＰａ］である。内面３１からの深さが１００［μｍ］の断面において、圧縮残留応力は、４５０［ＭＰａ］である。そして、内面３１からの深さが２００［μｍ］の断面において、圧縮残留応力は、３５０［ＭＰａ］である。
【００２８】
このように、部品１は、孔３０の内壁３２における孔３０の内面３１近傍から所定の深さＨ１まで連続して圧縮残留応力が減少する領域Ｒ１を有している。所定の深さＨ１は、例えば、２００［μｍ］である。所定の深さＨ１よりもさらに深い部分には、圧縮残留応力が略一定となる領域を含んでいるものと考えられる。
【００２９】
領域Ｒ１においては、連続して圧縮残留応力が減少している。したがって、領域Ｒ１に着目すれば、内面３１近傍〜１００［μｍ］の深さの圧縮残留応力は、１００〜２００［μｍ］の深さの圧縮残留応力よりも大きい。
【００３０】
一方、孔３０の内壁３２に対して、浸炭加工のみの処理Ｂ２を行った場合には、内面３１近傍から１００［μｍ］程度の深さまで、処理ＢＬ１の場合よりも圧縮残留応力は小さい値である。例えば、内面３１からの深さが５０［μｍ］の断面において、圧縮残留応力は、４５０［ＭＰａ］である。内面３１からの深さが１００［μｍ］の断面において、圧縮残留応力は、４００［ＭＰａ］である。内面３１からの深さが１５０［μｍ］の断面において、圧縮残留応力は、４５０［ＭＰａ］である。そして、内面３１からの深さが２００［μｍ］の断面において、圧縮残留応力は、３５０［ＭＰａ］である。
【００３１】
このように、孔３０の内壁３２に対して、浸炭加工のみの処理Ｂ２を行った場合には、孔３０の内壁３２における孔３０の内面３１近傍から所定の深さＨ１まで連続して圧縮残留応力が減少していない。したがって、浸炭加工のみ行う処理Ｂ２の場合には、内面３１近傍〜１００［μｍ］の深さの圧縮残留応力は、１００〜２００［μｍ］の深さの圧縮残留応力よりも、必ずしも大きくなっていない。
【００３２】
さらに、部品１の開口２２の周辺の外面２１を含む部分（外壁）に対して、浸炭加工のみの処理Ｂ３を行った場合には、外面２１の直下から２００［μｍ］程度の深さまで、処理ＢＬ１の場合及び処理Ｂ２の場合よりも圧縮残留応力は小さい値となっている。例えば、外面２１からの深さが５０［μｍ］の断面において、圧縮残留応力は、３００［ＭＰａ］である。外面２１からの深さが１００［μｍ］の断面において、圧縮残留応力は、２８０［ＭＰａ］である。外面２１からの深さが１５０［μｍ］の断面において、圧縮残留応力は、４００［ＭＰａ］である。そして、外面２１からの深さが２００［μｍ］の断面において、圧縮残留応力は、３５０［ＭＰａ］である。
【００３３】
図３に示すように、処理ＢＬ１の場合、処理Ｂ２の場合及び処理Ｂ３の場合を比較すると、処理ＢＬ１の場合は、内面３１近傍において、最も大きな圧縮残留応力が付与されている。また、処理ＢＬ１の場合における内面３１近傍から２００［μｍ］までの圧縮残留応力は、処理Ｂ３の場合における外面２１から２００［μｍ］までの圧縮残留応力よりも大きい。
【００３４】
さらに、処理ＢＬ１の場合においては、孔３０の内壁３２における孔３０の内面３１近傍から２００［μｍ］まで連続して圧縮残留応力が減少する領域Ｒ１を有している。これに対して、処理Ｂ２の場合及び処理Ｂ３の場合には、内面３１近傍から２００［μｍ］まで連続して圧縮残留応力が減少する領域を有していない。また、処理ＢＬ１の場合には、領域Ｒ１において、内面３１近傍から１００［μｍ］（所定の深さＨ１の半分）までの圧縮残留応力は、１００［μｍ］から２００［μｍ］までの圧縮残留応力よりも大きい。
【００３５】
なお、所定の深さＨ１は、２００［μｍ］の深さに限らない。所定の深さＨ１は、例えば、領域Ｒ１と、内壁３２の圧縮残留応力が略一定の値となる領域と、の境界の深さである。また、所定の深さＨ１は、処理ＢＬ１の場合の圧縮残留応力が、処理Ｂ３の場合の圧縮残留応力よりも大きい部分の深さでもよい。
【００３６】
図４は、部品１に発生する応力を解析する解析計算モデルを例示した図である。図４に示すように、解析モデルとして、部品１は、外面２１に開口２２を有する孔３０が形成された円筒形状を有する。例えば、部品１は、シャフトである。部品１の全長Ｌの中間の位置に孔３０が形成されている。孔３０の開口２２の周縁には、面取りが形成されてもよい。部品１の中心軸Ｃ１方向における一端２３を固定する。そして、中心軸Ｃ１を回転軸として回転するような捩りトルクＴを、部品１の他端２４に対して作用させる。このような計算モデルにより、部品１に発生する応力を解析する。部品１の内径Ｄ１は、例えば、φ１０［ｍｍ］、外形Ｄ２は、例えば、φ１２〜４０［ｍｍ］である。孔３０の内径Ｄ３は、例えば、１〜３［ｍｍ］である。
【００３７】
図５は、部品１に発生した応力の解析結果を例示した図である。図５に示すように、円筒形状の部品１に対して捩りトルクＴを作用させた場合には、部品１の中心軸Ｃ１に直交する断面には、せん断応力が発生する。発生した応力によって、例えば、図５に示すように、引張応力が孔３０の内壁３２に形成される。グレースケールの色が濃くなるほど、引張応力が大きいことを示している。引張応力は、孔３０を拡げるように発生する。また、孔３０の内壁３２は、開口２２の周辺の外面２１を含んだ部分よりも引張応力が大きい。
【００３８】
部品１に形成される引張応力は、部品１の強度を劣化させる原因になっていると考えられる。本実施形態では、引張応力が大きくなる孔３０の内壁３２に対して、レーザピーニング加工を施している。これにより、孔３０の内壁３２に圧縮残留応力を付与することができる。よって、部品１の強度を向上させることができる。特に、部品１に対して捩りトルクＴを作用させた場合に発生する引張応力の分布に対抗させるように、圧縮残留応力を付与している。これにより、部品１の強度をさらに向上させることができる。そして、部品１の寿命を向上させることができる。
【００３９】
（部品の製造方法）
次に、部品１の製造方法を説明する。図６は、実施形態１に係る部品１の製造方法を例示したフローチャート図である。図７は、実施形態１に係る部品１の製造方法により製造する様子を例示した図である。図６に示すように、部品１の製造方法は、加工前部品６１の準備工程（ステップＳ１１）及びレーザピーニング加工工程（ステップＳ１２）を備えている。以下で、部品１の製造方法を、加工前部品６１の準備工程及びレーザピーニング加工工程に分けて説明する。
【００４０】
（加工前部品の準備工程）
まず、図６のステップＳ１１及び図７に示すように、加工前部品６１を準備する。加工前部品６１は、部品１がレーザピーニング加工される前の状態のものである。加工前部品６１がレーザピーニング加工されることによって部品１となる。加工前部品６１は、部品１と同形状である。すなわち、加工前部品６１は、外面２１に開口２２を有する孔３０が形成されている。また、加工前部品６１は、内部に空洞部１０を有している。孔３０は、開口２２から空洞部１０まで貫通している。加工前部品６１には、複数の孔３０が設けられてもよい。加工前部品６１は、中心軸Ｃ１を有する円筒形状でもよいし、孔３０は、中心軸Ｃ１を始点とし、中心軸Ｃ１に直交する加工前部品６１の径方向の中心軸Ｃ２を有してもよい。
【００４１】
（レーザピーニング加工工程：加工装置）
次に、図６のステップＳ１２に示すように、レーザピーニング加工工程を実施する。レーザピーニング加工工程は、外面２１に開口２２を有する孔３０が形成された加工前部品６１の孔３０の内壁３２に対して、流体５５中でレーザ光４０を照射することにより、レーザピーニング加工を施す工程である。レーザピーニング加工工程を説明するために、まず、レーザピーニング加工装置を説明する。その後、レーザピーニング加工装置を用いたレーザピーニング加工の詳細を説明する。
【００４２】
図７に示すように、レーザピーニング加工は、例えば、レーザピーニング加工装置５０を用いて実施される。図７に示すように、レーザピーニング加工装置５０は、水槽５１、レーザ発振機５２、光学部材５３、ステージ５４を備えている。
【００４３】
水槽５１は、レーザピーニング加工を施すために、加工前部品６１を浸す流体５５を貯えている。流体５５は、例えば、水である。なお、流体５５は、レーザピーニング加工ができない程度までレーザ光４０が吸収されなければ、水に限らない。水槽５１には、加工前部品６１の位置制御を行うステージ５４が設けられてもよい。
【００４４】
ステージ５４は、加工前部品６１の水平方向の位置、深さ方向の位置を制御する。また、ステージ５４は、部品１の中心軸Ｃ１及び孔３０の中心軸Ｃ２を回転軸として、回転させてもよい。レーザ光４０の照射位置を、ステージ５４によって制御してもよい。
【００４５】
レーザ発振機５２は、レーザ光４０を発振する。レーザ発振機５２は、加工前部品６１におけるレーザピーニング加工が施される部分にレーザ光４０を照射する。例えば、加工前部材６１の孔３０の内面３１に対して、レーザ光４０を照射する。内面３１における予め設定される照射箇所にレーザ光４０を照射する。レーザ発振機５２は、レーザ光４０をパルス状に発振してもよい。よって、加工前部品６１に対して、レーザ光４０を照射する際に、パルス状にレーザ光４０を照射してもよい。
【００４６】
レーザ光４０を所定の照射箇所に導く光学部材５３を備えてもよい。光学部材５３を用いることにより、レーザ光４０のスポット径、入射角度等の照射条件を調整してもよい。また、光学部材５３は、加工前部品６１の孔３０の中心軸Ｃ２を検出するためのカメラ等の機構を有していてもよい。
【００４７】
このようなレーザピーニング加工装置５０を用いて、加工前部品６１に対してレーザピーニング加工を施す。
【００４８】
（レーザピーニング加工工程：詳細）
次に、レーザピーニング加工の詳細を説明する。図８は、実施形態１に係るレーザピーニング加工工程を例示したフローチャート図である。まず、図８のステップＳ２１に示すように、加工前部品６１を流体５５中に配置させる。具体的には、加工前部品６１を流体５５が充填された水槽５１の内部に配置させる。そして、ステージ５４を制御して加工前部品６１を適切な位置に配置させる。
【００４９】
次に、図８のステップＳ２２に示すように、孔３０の内面３１におけるレーザ光４０の照射箇所の設定を行う。なお、照射箇所の設定は、加工前部品６１を流体５５中に配置させる前でもよい。その後、レーザ光４０が照射箇所に照射できるように、光学部材５３を所定の位置に配置させ、または、ステージ５４を制御する。
【００５０】
次に、図８のステップＳ２３に示すように、照射箇所に対してレーザ光４０を照射する。具体的には、流体５５中において、外面２１側から開口２２を通して照射箇所にレーザ光４０を照射させる。例えば、内径１〜３［ｍｍ］程度の孔３０の内面３１に対してレーザ光４０を照射する。例えば、開口２２から孔３０の奥側３［ｍｍ］までの内面３１に対して入射角度５５［°］でレーザ光４０を照射する。レーザ光４０のスポット径を、例えば、２００〜６００［μｍ］とする。レーザ光４０をパルス状にしてもよい。このようにして、加工前部品６１の孔３０の内壁３２をレーザピーニング加工する。
【００５１】
図９は、レーザピーニング加工の原理を例示した図である。図９に示すように、レーザピーニング加工は、例えば、流体５５中で加工前部品６１に対して、高出力なパルスレーザ光４０（数［ＧＷ／ｃｍ２］程度）を照射する。これにより、加工前部品６１の表面をプラズマ化する。そして、発生したプラズマ５７の膨張を周囲の流体５５の水圧５８で抑え込み、高圧化する。そして、プラズマの圧力の反力を加工前部品６１の表面に作用させる。これにより、衝撃波及び塑性変形として圧縮残留応力５９を発生させる。このようにして、加工前部品６１に対して、圧縮残留応力５９を付与することができる。これにより、部品１の強度を向上させることができる。
【００５２】
次に、図８のステップＳ２４に示すように、他に、レーザ光４０の照射箇所があるか判断する。他にレーザ光４０の照射箇所がある（Ｙｅｓの）場合には、ステップＳ２２に戻る。そして、ステップＳ２２、ステップＳ２３を繰り返す。
【００５３】
一方、他にレーザ光４０の照射箇所がない（Ｎｏの）場合には、図８のステップＳ２５に示すように、部品１を流体５５中から取り出す。このようにして、加工前部品６１に対してレーザピーニング加工を施すことにより、部品１を製造することができる。
【００５４】
次に、本実施形態の効果を説明する。
本実施形態の部品１の製造方法は、レーザピーニング加工工程を備えている。よって、部品１の孔３０の内壁３２に圧縮残留応力を付与し、部品１の強度を向上させることができる。
【００５５】
図１０は、ショットピーニング加工とレーザピーニング加工とを比較した図である。ショットピーニング加工とは、加工前部品６１の表面に対して、金属または非金属の微小球体状のショット粒を高速で衝突させ、部品１の表面に残留応力を付与する方法である。
【００５６】
図１０に示すように、ショットピーニング加工及びレーザピーニング加工ともに部品１の表面に圧縮残留応力を付与することができる（Ａ評価）。しかしながら、ショットピーニング加工では、狭い孔３０を加工する狭小孔加工性に劣っている（Ｂ評価）。まず、孔３０が狭小孔の場合には（例えば、内径１〜３［ｍｍ］）、ショット粒が内壁３２まで届かない。ショット粒が孔３０の内壁３２に届いても、内壁３２に対する速度の垂直成分が小さい。そもそもショット粒を孔３０の内壁３２に垂直に衝突させることができない。よって、付与できる圧縮残留応力は小さいものとなる。
【００５７】
これに対して、レーザピーニング加工は、孔３０の内壁３２にレーザ光４０を照射することができれば、内壁３２からプラズマ５７が発生する。レーザ光４０を孔３０の内壁３２に対して垂直に照射しなくてもよい。よって、孔３０の内壁３２に対して、圧縮残留応力５９を付与することができる。このように、レーザピーニング加工は、狭い孔３０を加工する狭小孔加工性に優れている（Ａ評価）。
【００５８】
本実施形態では、引張応力が大きくなっている孔３０の内壁３２に対して、レーザピーニング加工を施すことができる。これにより、孔３０の内壁３２に圧縮残留応力を付与することができる。これに対して、ショットピーニング加工では、孔３０の内壁３２に圧縮残留応力を付与することができない。
【００５９】
また、レーザ光４０を照射させる際には、図３に示すように、例えば、孔３０の内壁３２における内面３１近傍から所定の深さＨ１まで連続して圧縮残留応力が減少する領域を有するようにレーザ光４０を照射させる。例えば、所定の深さＨ１は２００［μｍ］である。このようにするためには、例えば、孔３０の内面３１を照射させるレーザ光４０のエネルギー密度を十分大きくする。または、孔３０の内面３１を照射させるレーザ光４０のスポットの送り速度を十分遅くする等の照射条件を調整する。
【００６０】
また、レーザピーニング加工は、孔３０の内壁３２における内面３１から１００［μｍ］（所定の深さＨ１の半分）の深さまでの部分の圧縮残留応力が、１００［μｍ］の深さから２００［μｍ］（所定の深さＨ１）の深さまでの部分の圧縮残留応力よりも、大きくすることができる。これにより、捩るようなトルクＴを作用させた時に発生する引張応力に対抗させることができ、部品１の強度を向上させることができる。このような圧縮残留応力の分布は、レーザピーニング加工によって形成可能である。浸炭加工では、このような圧縮残留応力の分布を形成することができない。
【００６１】
また、本実施形態のレーザピーニング加工は、部品１の外面２１側から開口２２を通してレーザ光４０を照射するので、光学部材５３の構成を容易にすることができる。これに対して、特許文献１のレーザピーニング加工は、加工対象物の内部からレーザ光を照射させるので、光学部材の構成が複雑なものとなっている。
【００６２】
＜変形例＞
次に、実施形態１の変形例を説明する。本変形例のレーザピーニング加工装置は、ポンプを備えている。まず、変形例で用いられるレーザピーニング加工装置を説明する。その後、変形例のレーザピーニング加工工程を説明する。
【００６３】
図１１は、実施形態１の変形例に係るレーザピーニング加工装置を例示した図である。図１１に示すように、レーザピーニング加工装置５０ａは、流体５５を吸引または吐出するポンプ５６を備えている。
【００６４】
本変形例では、ポンプ５６を加工前部品６１の空洞部１０に接続している。よって、ポンプ５６は、空洞部１０に流体５５の流れを形成する。孔３０は、開口２２から空洞部１０まで貫通している。したがって、ポンプ５６を作動させることにより、流体５５が孔３０に沿って流れるように流体５５の流れを形成する。
【００６５】
ポンプ５６が流体を吸引する場合には、孔３０の内部に負圧が形成される。これにより、流体５５が開口２２から空洞部１０に流れるような方向の流れを形成する。ポンプ５６が流体５５を吐出する場合には、孔３０の内部に正圧が形成される。これにより、流体５５が空洞部１０から開口２２に流れるような方向の流れを形成する。
【００６６】
ポンプ５６を用いることにより、レーザピーニング加工によって発生する気泡等が孔３０に沿って流れるように流体５５の流れを形成する。したがって、気泡等をレーザ光４０の照射箇所から移動させることができる。よって、気泡等が、次の照射箇所を照射するレーザ光４０と干渉することを抑制することができる。また、気泡等は、次のレーザ光４０で発生させたプラズマ圧を吸収することはないので、スポットの位置ごとに、圧縮残留応力がばらつくことを抑制することができる。
【００６７】
次に、変形例に係るレーザピーニング加工装置５０ａを用いたレーザピーニング加工工程を説明する。図１２は、実施形態１の変形例に係るレーザピーニング加工工程を例示したフローチャート図である。
【００６８】
図１２のステップＳ３１に示すように、加工前部品６１を流体５５中に配置させる。次に、図１２のステップＳ３２に示すように、流体５５の流れを形成する。例えば、レーザピーニング加工によって発生する気泡等が孔３０に沿って流れるように流体５５の流れを形成する。具体的には、流体５５を吸引または吐出するポンプ５６を空洞部１０に接続する。そして、ポンプ５６を作動させることにより、流体５５が孔３０に沿って流れるようにする。流体５５の流量を所定量に制御する。
【００６９】
なお、気泡等が孔３０に沿って流れるように、流体５５の流れを形成することができれば、ポンプ５６以外の他の方法、例えば、スクリュー等によって、流体５５の流れを形成してもよい。また、気泡等が孔３０に沿って流れるように、流体５５の流れが形成されれば、孔３０が貫通孔でない場合でもよい。例えば、非貫通孔の凹みに開口２２を通して流体５５が流入及び流出するような流れを形成してもよい。
【００７０】
次に、図１２のステップＳ３３に示すように、レーザ光４０の照射箇所の設定を行う。そして、図１２のステップＳ３４に示すように、照射箇所に対してレーザ光４０を照射させる。変形例の場合には、流れが形成された流体５５中において、開口２２を通して照射箇所にレーザ光４０を照射させる。
【００７１】
その後、図１２のステップＳ３５に示すように、他にレーザ光４０の照射箇所があるか判断する。他にレーザ光４０の照射箇所がある（Ｙｅｓの）場合には、ステップＳ３３に戻る。そして、ステップＳ３３、ステップＳ３４を繰り返す。図１２のステップＳ３３〜Ｓ３５は、図６のステップＳ２２〜Ｓ２４と同様であるので、詳細な説明は省略する。
【００７２】
一方、他にレーザ光４０の照射箇所がない（Ｎｏの）場合には、図１２のステップＳ３６に示すように、流体５５の流れを停止させる。具体的には、例えば、ポンプ５６を停止させ、ポンプ５６を空洞部１０から取り外す。
【００７３】
次に、図１２のステップＳ３７に示すように、部品１を流体５５中から取り出す。このようにして、加工前部品６１に対してレーザピーニング加工を施すことにより、部品１を製造することができる。
【００７４】
次に、本変形例の効果を説明する。
本変形例では、レーザピーニング加工により発生した気泡等を、照射箇所から中心軸Ｃ２方向に沿って移動させることができる。これにより、気泡等がレーザ光４０の光路に入ることを抑制することができる。
【００７５】
特に、流体５５の流れを形成する際に、例えば、ポンプ５６が流体を吸引する状態にする。これにより、流体５５の流れを、外面２１側から空洞部１０へ向かうようにする。この場合には、気泡等は、外面２１側から開口２２を通して照射されるレーザ光４０から逃げる方向に流される。このため、レーザ光４０の光路に入ることをさらに抑制することができる。よって、レーザ光４０の強度低下やレーザ光４０の照射箇所ごとに強度がバラつくことを抑制することができる。
【００７６】
また、流体５５の流れを形成するポンプ５６を、部品１の内部の空洞部１０に接続している。よって、流体５５の流れを形成するポンプ５６は、孔３０以外の部分に対して密閉に近い状態で接続される。よって、孔３０の内部において、十分な流速を得ることができる。
【００７７】
これに対して、特許文献２のような流体の流れを形成する方法では、シャフト等の部品１の外部から、ノズル等で孔３０の内部に流体を噴射させている。特許文献２の方法では、ノズルが孔３０から遠い位置に配置されている。よって、孔３０の内部に十分な流速を形成することができない。よって、気泡等をレーザ光４０のスポット位置から十分に移動させることができない。その他の効果は、実施形態１の記載に含まれている。
【００７８】
＜実施形態２＞
次に、実施形態２を説明する。図１３は、実施形態２に係る部品の製造方法を例示した図である。図１３に示すように、本実施形態の加工前部品６２は、複数の孔３０を有している。そして、流体５５の流れを形成する際に、レーザ光４０が照射される孔３０ａ以外の少なくとも一つの孔３０ｃをマスクする。
【００７９】
例えば、加工前部品６２は、レーザピーニング加工が施される孔３０ａと、ポンプ５６が接続される孔３０ｂと、それら以外の少なくとも一つの孔３０ｃを含む複数の孔３０を有している。そして、レーザピーニング加工は、少なくとも一つの孔３０ｃをマスク３９によってマスクした状態で実施される。
【００８０】
次に、本実施形態の効果を説明する。
本実施形態によれば、複数の孔３０を有する加工前部品６２に対して、レーザピーニング加工を施す場合に、少なくとも一つの孔３０ｃからのポンプ５６による流体エネルギーの損失を低減することができる。ポンプ５６による空洞部１０内の圧力が逃げないように、孔３０ｃをマスクしている。よって、ポンプ５６の効率を向上させ、ポンプ５６を小型化することができる。この他の効果は、実施形態１及び変形例の記載に含まれている。
【００８１】
＜実施形態３＞
次に、実施形態３を説明する。本実施形態は、孔３０の内壁３２に対してレーザ光４０を照射させる際に、レーザ光４０のスポットの間隔を空けて照射する。図１４は、実施形態３に係るレーザピーニング加工におけるレーザ光４０のスポットの位置を例示した図であり、図１５は、比較例に係るレーザピーニング加工におけるレーザ光４０のスポットの位置を例示した図である。
【００８２】
例えば、レーザ光４０の照射箇所を設定する際に、図１５に示すように、レーザ光４０の複数のスポット４１〜４６の位置が、孔３０の内面３１において部分的に重なり、かつ、所定量ずらして孔３０の周方向７１に沿って配置されるように照射箇所を設定する。そして、レーザ光を照射させる場合には、図１４に示すように、設定された各スポットの位置にレーザ光４０を照射する際に、直前に照射したスポット４１の位置と重ならないスポット４２の位置にレーザ光４０を照射させる。なお、所定量ずらす場合の所定量は一定量に限らない。スポット径、スポットの送り速度等の照射条件に基づいて、所定量は設定される。
【００８３】
例えば、図１５に示すように、孔３０の内面３１の周方向７１において、３６０［°］の全周を照射箇所と設定した場合に、７２個のスポットを用いて、レーザ光４０を照射することを検討する。その場合には、スポットピッチＭは、３６０［°］／７２＝５［°］となる。よって、複数のスポットの位置が、５［°］のスポットピッチＭで、周方向７１にずらして、部分的に重なるように照射箇所を設定する。
【００８４】
このような照射箇所に対して、レーザ光４０を照射する際に、比較例においては、図１５に示すように、スポット４１〜４６を、スポットピッチＭ＝５［°］ずつ周方向７１へずらして送っている。各スポットは、部分的に重なっている。一方、本実施形態では、図１４に示すように、直前に照射したスポットの位置と重ならないように、ｎ個に分割した領域に代わる代わるレーザ光４０を照射させる。
【００８５】
具体的には、図１４に示すように、ｎ個を３個とする。この場合に、２番目のスポット４２の位置を、（３６０［°］／３）＝１２０［°］のスポットピッチＭ２で周方向７１へずらす。３番目のスポット４３の位置も１２０［°］のスポットピッチＭ２で周方向７１へずらす。そして、４番目のスポット４４を、スポットピッチＭ＋スポットピッチＭ２＝５［°］＋１２０［°］＝１２５［°］のスポットピッチで周方向７１へずらす。５、６番目のスポット４５及び４６を、それぞれ１２０［°］のスポットピッチＭ２で周方向７１へずらす。
【００８６】
このように、本実施形態では、ｎ個の分割した領域に代わる代わるレーザ光４０を照射する。よって、ｎ＋１、２ｎ＋１、３ｎ＋１・・番目のスポットピッチを、Ｍ＋（３６０［°］／ｎ）とする。それ以外のスポットピッチを、（３６０［°］／ｎ）とする。このようにすることで、直前に照射したスポット（例えば、スポット４１）の位置と重ならないスポット（例えば、スポット４２）の位置にレーザ光４０を照射させることができる。そして、全てのスポットの位置を照射すれば、設定されたレーザ光４０の照射箇所を照射することができる。
【００８７】
次に、本実施形態の効果を説明する。
本実施形態では、直前に照射したスポットの位置と重ならないように、レーザ光４０を照射させている。よって、直前に照射したスポットから発生した気泡等が移動する時間を確保することができる。これにより、レーザ光４０と気泡等とが干渉することを抑制することができる。
【００８８】
これに対して、図１５に示すように、比較例においては、周方向７１に沿った方向に複数のスポットをずらしつつ部分的に重なるように照射している。比較例の場合には、直前に照射したスポットの位置と重なるスポットの部分に対してレーザ光４０を照射している。よって、直前に照射したスポットから発生した気泡等が移動する前にレーザ光４０が照射される。
【００８９】
すなわち、時系列で連続した複数のスポット４１〜４６が重なるため、次に、レーザ光４０が照射されるまでに気泡等が移動することができない。よって、レーザ光４０と気泡等とが干渉する。これにより、内壁３２に照射されるレーザ光４０の強度が低減し、付与される圧縮残留応力にばらつきが発生する。
【００９０】
仮に、レーザ光４０と気泡等とが干渉することを抑制するために、気泡等の消滅及び移動を待って、次のレーザパルスを照射するようにすると、その分だけ、レーザピーニング加工に要する時間が長くなってしまう。しかしながら、本実施形態では、直前のレーザ照射箇所の気泡等が、消滅及び移動している間に、別の照射箇所に対してレーザ照射することができるので、レーザピーニング加工に余分な時間を要することはない。よって、加工に要する時間を長くすることなく、強度を向上させることができる。その他の効果は、実施形態１、変形例及び実施形態２の記載に含まれている。
【００９１】
なお、本実施形態を実施する際には、実施形態１の流体５５の流れを形成しない方法を用いてもよいし、実施形態１の変形例の流体５５の流れを形成する方法を用いてもよい。実施形態１の変形例を用いる場合には、流体５５の流れの方向が孔３０の中心軸Ｃ２方向とである。よって、直前のスポットが、中心軸Ｃ２方向に直交する周方向７１上にあることが好ましい。これにより、流体５５の流れによって気泡等が中心軸Ｃ２方向に移動したとしても、レーザ光４０は、気泡等と干渉することを抑制することができる。
【００９２】
また、本実施形態は、実施形態２の複数の孔３０の少なくとも１つの孔３０がマスクされた状態で実施されてもよい。
【００９３】
＜実施形態４＞
次に、実施形態４を説明する。本実施形態は、レーザ光４０を照射させる際に、内面３１に照射されるレーザ光４０のスポット径等の照射条件を、孔３０の周方向７１において変化させるものである。まず、本実施形態の部品４を説明する。その後、本実施形態のレーザピーニング加工工程を説明する。
【００９４】
図１６は、実施形態４に係る部品４に発生した応力の解析結果を例示した図である。図１６は、孔３０を外面２１側から見た図となっている。グレースケールの色が濃くなるほど、引張応力が大きいことを示している。図１７は、実施形態４に係る部品４の孔３０を例示した拡大図である。
【００９５】
図１６及び図１７に示すように、シャフトのような円筒形状の部品４に対して、中心軸Ｃ１を回転軸とした捩りトルクＴを作用させたとき、部品４の中心軸Ｃ１に直交する断面には、せん断応力が発生する。そして、発生した応力により、孔３０の内壁には、孔３０を拡げるような引張応力が発生する。
【００９６】
引張応力は、孔３０の内壁３２の所定の高引張部分３３及び高引張部分３４に集中する。内壁３２の高引張部分３３及び高引張部分３４は、以下の通りである。すなわち、中心軸Ｃ２を始点とし、中心軸Ｃ２に直交する孔３０の径方向のうち、中心軸Ｃ１に平行な一方の径方向を、径方向８１とする。また、中心軸Ｃ２を中心に回転する一方の周方向を、周方向８２とする。この場合に、高引張部分３３は、径方向８１から周方向８２へ、４５［°］の回転角度をなす径方向の内壁３２の部分である。また、高引張部分３４は、径方向８１から周方向８２へ、２２５［°］の回転角度をなす径方向の内壁３２の部分である。なお、周方向８２の回転の向きは、トルクＴの回転の向きによって決定される。
【００９７】
一方、径方向８１から、周方向８２へ、１３５［°］の回転角度だけ回転させた径方向の内壁３２の部分を、低引張部分３５という。径方向８１から、周方向８２へ、３１５［°］の回転角度だけ回転した径方向の内壁３２の部分を、低引張部分３６という。低引張部分３５及び低引張部分３６の引張応力は、高引張部分３３及び高引張部分３４の引張応力よりも小さい。そこで、本実施形態では、捩りトルクＴを作用させた場合に発生する引張応力が大きい高引張部分３３及び高引張部分３４に対して、レーザピーニング加工を施す。これにより、部品４の強度を向上させている。
【００９８】
図１８は、実施形態４に係る部品４の内壁３２に付与された残留応力を例示したグラフであり、横軸は、孔３０の周方向８２における回転角度で示した内壁３２の位置を示し、縦軸は、内面３１から１０［μｍ］の深さの部分の残留応力を示している。縦軸の上向きは、引張応力を示し、縦軸の下向きは、圧縮応力を示す。圧縮応力が付与された方が、長寿命である。
【００９９】
図１８に示すように、本実施形態の部品４において、高引張部分３３及び高引張部分３４における圧縮残留応力は、低引張部分３５及び低引張部分３６における圧縮残留応力よりも大きい。なお、高引張部分３３及び高引張部分３４は、径方向８１から周方向８２へ、４５［°］及び２２５［°］の回転角度をなす径方向の内壁３２の部分である。低引張部分３５及び低引張部分３６は、１３５［°］及び３１５［°］の回転角度をなす径方向の内壁３２の部分である。
【０１００】
部品４に対して、捩りトルクＴを作用させた場合に、孔３０の内壁３２には、孔３０の周方向８２において、引張応力が大きい高引張部分３３及び３４と、引張応力が小さい低引張部分３５及び３６とが形成されている。すなわち、孔３０の周方向８２において、引張応力の大きさに分布が生じている。そこで、本実施形態の部品４は、孔３０の周方向８２における引張応力の大きさの分布に対抗させるように、圧縮残留応力の大きさを孔３０の周方向８２において変化するような分布としている。例えば、孔３０の周方向８２において、引張応力の大きさが周期的に変化するような分布である場合には、内壁３２の圧縮残留応力の大きさを、孔３０の周方向８２において周期的に変化するような分布としている。このように、本実施形態の部品４は、発生した引張応力に対抗することができるので、部品４の強度を向上させることができる。
【０１０１】
次に、本実施形態のレーザピーニング加工工程を説明する。本実施形態のレーザピーニング加工工程は、内壁３２に付与する圧縮残留応力の大きさが、孔３０の周方向８２において変化するような分布となるように行う。
【０１０２】
図１９は、実施形態４に係るスポット径と残留応力との関係を例示したグラフであり、横軸は、スポット径を示し、縦軸は、残留応力を示す。図２０は、実施形態４に係るレーザピーニング加工工程におけるレーザ光４０のスポット径を例示したグラフであり、横軸は、孔３０の周方向８２における回転角度で示した内壁３２の位置を示し、縦軸は、レーザ光のスポット径を示す。
【０１０３】
図１９に示すように、レーザピーニング加工において、スポット径を小さくするほど、内壁３２に付与される圧縮残留応力を大きくすることができる。そして、図２０に示すように、レーザ光４０を照射させる際に、内面３１に照射されるレーザ光４０のスポット径を、孔３０の周方向８２において変化させる。例えば、内面３１に照射されるレーザ光４０のスポット径を、孔３０の周方向８２において周期的に変化させる。
【０１０４】
具体的には、高引張部分３３及び高引張部分３４を照射する際のレーザ光４０のスポット径を、低引張部分３５及び低引張部分３６を照射する際のレーザ光４０のスポット径よりも小さくしている。このように、照射箇所に応じて、スポット径を変化させることにより、高引張部分３３及び高引張部分３４の圧縮残留応力が、低引張部分３５及び低引張部分３６よりも大きくなるように変化させる。
【０１０５】
シャフト等の部品４を、例えば、自動変速機において使用する場合には、中心軸Ｃ１を回転軸とすることに関して、主に２つのパターンがある。１つのパターンは、部品４がエンジンと実質的に直列で連結されているために、中心軸Ｃ１を回転軸として一方向のみに回転するパターンである（Ａのパターン）。もう１つのパターンは、動力伝達経路上で後進機能を持ったギアの下流にあり、中心軸Ｃ１を回転軸として、正転逆転の二方向で回転するパターンである（Ｂのパターン）。
【０１０６】
Ａのパターンの場合には、エンジンブレーキ（タイヤがエンジンを回す）の状況において、圧縮残留応力が小さい低引張部分３５及び低引張部分３６に、大きな引張応力が発生する。しかし、主駆動時に付加されるトルクＴに対して無視できるレベルの低負荷である。このため、部品４の逆回転のトルクは無視できるレベルである。
【０１０７】
Ｂのパターンの場合には、後進時に圧縮残留応力が小さい低引張部分３５及び低引張部分３６に、大きな引張応力が発生する。しかしながら、後進方向に回転することは、主駆動方向に対して低頻度である。このため、部品４の逆回転のトルクは無視できるレベルである。
【０１０８】
したがって、上述のように、引張応力が低負荷または低頻度で発生する低引張部分３５及び低引張部分３６には、レーザピーニング加工を省くか、または、加工しても低い圧縮残留応力にすることにより、加工時間を短縮することができる。よって、内壁３２の高引張部分３３及び高引張部分３４の圧縮残留応力を、内壁３２の低引張部分３５及び低引張部分３６の圧縮残留応力よりも大きくすることにより、部品４の強度を向上させつつ、レーザピーニング加工時間を短縮することができる。
【０１０９】
なお、加工時間を要するが、引張応力が低負荷または低頻度で発生する低引張部分３５及び低引張部分３６に対しても大きな圧縮残留応力を付与してもよい。すなわち、径方向８１から周方向８２へ、４５［°］、１３５［°］、２２５［°］及び３１５［°］の回転角度をなす径方向の内壁３２の部分の圧縮残留応力を、径方向８１から周方向８２へ、９０［°］、１８０［°］、２７０［°］及び３６０［°］の回転角度をなす径方向の内壁３２の部分の圧縮残留応力よりも大きくしてもよい。このように、孔３０の周方向８２において圧縮残留応力の大きさが周期的に変化するように分布させることにより、中心軸Ｃ１を回転軸としたトルクＴの両方向の回転に対して、強度を向上させることができる。
【０１１０】
図２１は、実施形態４に係るレーザピーニング加工工程におけるレーザ光４０のスポットの送り速度を例示したグラフであり、横軸は、孔３０の周方向８２における回転角度で示した内壁３２の位置を示し、縦軸は、レーザ光４０のスポットの送り速度を示す。
【０１１１】
図２１に示すように、高引張部分３３及び高引張部分３４を照射する際のレーザ光４０のスポットの送り速度を、低引張部分３５及び低引張部分３６を照射する際のレーザ光４０のスポットの送り速度よりも小さくしている。これにより、高引張部分３３及び高引張部分３４の圧縮残留応力を、低引張部分３５及び低引張部分３６の圧縮残留応力よりも大きくすることができる。
【０１１２】
このように、内面３１を照射する際のレーザ光４０の送り速度を、孔３０の周方向８２において変化させることにより、内壁３２に付与される圧縮残留応力の大きさが周方向８２において変化するように分布させてもよい。例えば、レーザ光４０の送り速度を、孔３０の周方向８２において周期的に変化させてもよい。
【０１１３】
内壁３２の圧縮残留応力の大きさが孔３０の周方向８２において変化するように分布させる方法として、スポット径を小さくする方法、及び、スポットの送り速度を遅くする方法を説明したが、この他にも、内面３１に対する入射角度を小さくする方法、レーザ光４０のエネルギー密度を大きくする方法、パルス状のレーザ光４０のパルスの重ね打ちの回数を大きくする方法等が挙げられる。
【０１１４】
図２２は、実施形態４に係るレーザ光の入射角度と残留応力との関係を例示したグラフであり、横軸は、入射角度を示し、縦軸は、残留応力を示す。図２２に示すように、レーザピーニング加工において、レーザ光４０の内面３１に対する入射角度を小さくするほど、内壁３２に付与される圧縮残留応力を大きくすることができる。
【０１１５】
図２３は、実施形態４に係るレーザ光のエネルギー密度と残留応力との関係を例示したグラフであり、横軸は、エネルギー密度を示し、縦軸は、残留応力を示す。図２３に示すように、レーザピーニング加工において、レーザ光４０のエネルギー密度を大きくするほど、内壁３２に付与される圧縮残留応力を大きくすることができる。
【０１１６】
図２４は、実施形態４に係るレーザ光のパルスの重ね打ちの回数と残留応力との関係を例示したグラフであり、横軸は、パルスの重ね打ちの回数を示し、縦軸は、残留応力を示す。図２４に示すように、レーザピーニング加工において、レーザ光４０のパルスの重ね打ちの回数を大きくするほど、内壁３２に付与される圧縮残留応力を大きくすることができる。
【０１１７】
このように、内面３１に照射されるレーザ光４０において、スポット径、送り速度、入射角度、エネルギー密度、及び、パルスの重ね打ち回数を含んだ照射条件のうちの少なくとも一つを、孔３０の周方向８２において変化させる。これにより、内壁３２の圧縮残留応力の大きさが孔３０の周方向８２において変化するように分布させることができる。例えば、これらの照射条件のうちの少なくとも一つを、孔３０の周方向８２において周期的に変化させる。これにより、内壁３２の圧縮残留応力の大きさを、孔３０の周方向８２において周期的に変化するような分布とすることができる。
【０１１８】
図２５は、レーザピーニング加工における制御因子、合成パラメータ、加工原理及び特性値を例示した図である。図２５に示すように、レーザピーニング加工の制御因子としては、１パルスのパルスエネルギー［ｍＪ／ｐｌｓ］、スポット径［ｍｍ］、スポットピッチ［ｍｍ］、パルスインターバル［ｐｌｓ／ｓｅｃ］及び加工面積［ｍｍ２］等が挙げられる。
【０１１９】
レーザピーニング加工の合成パラメータとしては、パルスエネルギー密度［ＧＷ／ｃｍ２］及び送り速度［ｍｍ／ｓｅｃ］等が挙げられる。パルスエネルギー密度は、パルスエネルギー及びスポット径と関係づけられる。送り速度は、スポットピッチ及びパルスインターバルと関係づけられる。
【０１２０】
レーザピーニング加工の加工原理としては、プラズマ圧［ＧＰａ］、重なり率［ｐｌｓ／ａｒｅａ］及び加工速度［ｍｍ２／ｓｅｃ］等が挙げられる。プラズマ圧は、パルスエネルギー密度と関係づけられる。重なり率は、スポット径及びスポットピッチと関係づけられる。加工速度は、スポット径及び送り速度と関係づけられる。
【０１２１】
レーザピーニング加工の特性値としては、残留応力［ＭＰａ］及び加工時間［ｓｅｃ］等が挙げられる。残留応力は、プラズマ圧及び重なり率と関係づけられる。加工時間は、加工速度及び加工面積と関係づけられる。
【０１２２】
制御因子を制御することにより、孔３０の内壁３２における圧縮残留応力の大きさを、孔３０の周方向８２において変化するような分布としてもよい。また、制御因子を組み合わせた合成パラメータを制御することによって、孔３０の内壁３２における圧縮残留応力の大きさを、孔３０の周方向において変化するような分布としてもよい。さらに、加工原理に関係するパラメータを用いてもよい。これらのパラメータを制御することにより、孔３０の内壁３２における圧縮残留応力の大きさを、孔３０の周方向において変化するような分布とすることができ、残留応力及び加工時間の特性値を向上させることができる。
【０１２３】
本実施形態の内壁３２の周方向８２において、スポット径等の照射条件を変化させる際には、実施形態１の流体５５の流れを形成しない方法を用いてもよいし、実施形態１の変形例の流体５５の流れを形成する方法を用いてもよい。また、実施形態２の複数の孔３０を形成した場合に、レーザ光４０が照射される孔３０以外の少なくとも一つの孔３０をマスクしてもよい。さらに、高引張部分３３及び３４等の照射箇所にレーザ光４０を照射させる際に、実施形態３の直前に照射したスポットの位置と重ならないように、レーザ光４０を照射させる方法を用いてもよい。その際に、実施形態２の複数の孔３０におけるレーザ光４０が照射される孔３０以外の少なくとも一つの孔３０をマスクしてもよい。
【０１２４】
次に、本実施形態の効果を説明する。
本実施形態によれば、部品４に発生する引張応力に対抗するように、圧縮残留応力を付与することができるので、部品４の強度を向上させることができる。また、引張応力が大きくならない内壁３２の部分に対しては、比較的小さな圧縮残留応力を付与するか、または、レーザピーニング加工を省くことにより、レーザピーニング加工に要する時間を短縮することができる。その他の効果は、実施形態１及び変形例、実施形態２〜３の記載に含まれている。
【０１２５】
以上、本発明に係る実施の形態を説明したが、上記の構成に限らず、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、変更することが可能である。また、実施形態１、変形例、実施形態２〜４を組み合わせた部品及び部品の製造方法も、本発明の技術的思想の範囲である。
【符号の説明】
【０１２６】
１、４  部品
１０  空洞部
１１  内面
２１  外面
２２  開口
２３  一端
２４  他端
３０  孔
３１  内面
３２  内壁
３３、３４  高引張部分
３５、３６  低引張部分
３９  マスク
４０  レーザ光
４１、４２，４３、４４、４５、４６  スポット
５０、５０ａ  レーザピーニング加工装置
５１  水槽
５２  レーザ発振機
５３  光学部材
５４  ステージ
５５  流体
５６  ポンプ
５７  プラズマ
５８  水圧
５９  圧縮残留応力
６１、６２  加工前部品
７１  周方向
８１  一方の径方向
８２  一方の周方向
ＢＬ１、Ｂ２、Ｂ３  処理
Ｃ１、Ｃ２  中心軸
Ｃ３  光軸
【図１】
2019042776.tif 000003
【図２】
2019042776.tif 000004
【図３】
2019042776.tif 000005
【図４】
2019042776.tif 000006
【図５】
2019042776.tif 000007
【図６】
2019042776.tif 000008
【図７】
2019042776.tif 000009
【図８】
2019042776.tif 000010
【図９】
2019042776.tif 000011
【図１０】
2019042776.tif 000012
【図１１】
2019042776.tif 000013
【図１２】
2019042776.tif 000014
【図１３】
2019042776.tif 000015
【図１４】
2019042776.tif 000016
【図１５】
2019042776.tif 000017
【図１６】
2019042776.tif 000018
【図１７】
2019042776.tif 000019
【図１８】
2019042776.tif 000020
【図１９】
2019042776.tif 000021
【図２０】
2019042776.tif 000022
【図２１】
2019042776.tif 000023
【図２２】
2019042776.tif 000024
【図２３】
2019042776.tif 000025
【図２４】
2019042776.tif 000026
【図２５】
2019042776.tif 000027