(57)【要約】【課題】従来の焼入れ領域測定装置では、渦電流式の非接触式検出器を用いていたため、装置が高価になると共に、測定時間が長くなるという問題点があった。【解決手段】被加工物Ｗの表面に一定間隔で複数の基準線Ｍを形成するマーキング手段１と、基準線Ｍを形成した被加工物Ｗを部分焼き入れした後に基準線間のピッチを測定するピッチ測定手段３と、ピッチ測定手段３の測定結果に基づいて焼入れ領域Ａを検出する領域検出手段４を備えた焼入れ領域測定装置としたことにより、部分焼入れが施された被加工物Ｗに対して焼入れ領域Ａを測定するに際して、設備費の低減や測定時間の短縮を実現する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物の表面に一定間隔で複数の基準線を形成するマーキング手段と、
基準線を形成した被加工物を部分焼き入れした後に基準線間のピッチを測定するピッチ測定手段と、
ピッチ測定手段の測定結果に基づいて焼入れ領域を検出する領域検出手段を備えたことを特徴とする焼入れ領域測定装置。
【請求項２】
前記マーキング手段が、被加工物にレーザ光を照射して基準線を形成する手段であるこを特徴とする請求項１に記載の焼入れ領域測定装置。
【請求項３】
前記ピッチ測定手段が、基準線を撮像する光学式測定器であり、
前記領域検出手段が、光学式測定器で撮像した画像に基づいて焼入れ領域を検出する画像処理機能を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の焼入れ領域測定装置。
【請求項４】
表面に部分焼入れが施される被加工物の焼入れ領域を測定するに際し、
部分焼入れ前に被加工物の表面にマーキングを行う工程と、
部分焼入れにより生じたマーキングの変化に基づいて焼入れ領域を検出する工程を備えたことを特徴とする焼入れ領域測定方法。
【請求項５】
前記マーキングを行う工程において、被加工物の表面に一定間隔で複数を基準線を形成し、
焼入れ領域を検出する工程において、基準線間のピッチを測定して、その測定結果に基づいて焼入れ領域を検出することを特徴とする請求項４に記載の焼入れ領域測定方法。
【請求項６】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の焼入れ領域測定装置を用いて焼入れ領域を検出した被加工物に対して多数の微細凹部を形成する装置であって、
外周部に微細凹部形成用の凹凸を有する加工ローラと、
加工ローラの外周部を被加工物に押付けて微細凹部を形成するローラ押圧機構と、
ローラ押圧機構による加工ローラの押圧力を検出する荷重検出手段と、
荷重検出手段及び領域検出手段の各検出信号に基づいてローラ押圧機構による加工ローラの押圧力を制御する制御手段を備えたことを特徴とする微細凹部加工装置。
【請求項７】
前記制御手段が、焼入れ領域に対する加工ローラの押圧力よりも、未焼入れ領域に対する加工ローラの押圧力の方が小さくなるように制御することを特徴とする請求項６に記載の微細凹部加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、部分焼入れが施された被加工物に対して、非接触により焼入れ領域を測定するのに用いられる焼入れ領域測定装置及び焼入れ領域測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種の焼入れ領域測定装置としては、例えば、特許文献１において微細凹部加工装置に関連して記載されたものがある。特許文献１の微細凹部加工装置は、外周部に微細な凹凸を有する加工ローラを備え、この加工ローラを被加工物に押付けて転動させることにより、被加工物に多数の微細凹部を形成するものである。
【０００３】
上記の微細凹部加工装置は、熱処理条件等により被加工物の表面硬さが部分的に異なるため、その表面硬さ分布を測定する渦電流式の非接触式検出器を備えている。そして、非接触式検出器で測定した表面硬さ分布情報などに基づいて、被加工物に対する加工ローラの押圧力をコントロールすることにより、微細凹部を均一に形成する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４５８７０２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、上記したような従来の焼入れ領域測定装置は、渦電流式の非接触式検出器であったため、装置が高価になるうえに、測定時間が長いという問題点があり、このような問題点を解決することが課題であった。上記の如く測定時間が長いと、測定後の被加工物に微細凹部などの加工を施す場合に、加工時間全体が長くなるという問題も生じる。
【０００６】
なお、部分焼入れが施された被加工物の焼入れ領域を測定する方法としては、被加工物を切断して観察する破壊検査や、硬度測定装置による表面硬度測定があるが、これらの場合には、測定後の被加工物を部品として使用することができない。
【０００７】
本発明は、上記従来の課題に着目して成されたものであって、部分焼入れが施された被加工物に対して焼入れ領域を測定するに際して、設備費の低減や測定時間の短縮を実現することができる焼入れ領域測定装置及び焼入れ領域測定方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る焼入れ領域測定装置は、被加工物の表面に一定間隔で複数の基準線を形成するマーキング手段を備えている。そして、焼入れ領域測定装置は、基準線を形成した被加工物を部分焼き入れした後に基準線間のピッチを測定するピッチ測定手段と、ピッチ測定手段の測定結果に基づいて焼入れ領域を検出する領域検出手段を備えた構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。
【０００９】
また、本発明に係る焼入れ領域測定方法は、表面に部分焼入れが施される被加工物の焼入れ領域を測定するに際し、部分焼入れ前に被加工物の表面にマーキングを行う工程と、部分焼入れにより生じたマーキングの変化に基づいて焼入れ領域を検出する工程を備えたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る焼入れ領域測定装置及び焼入れ領域測定方法によれば、部分焼入れが施された被加工物に対して焼入れ領域を測定するに際して、設備費の低減や測定時間の短縮を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る焼入れ領域測定装置の一実施形態において、部分焼入れ前の被加工物を示す正面図（Ａ）及び部分焼入れ後の被加工物を示す正面図（Ｂ）である。
【図２】マーキング手段の一例を示す正面図（Ａ）及びピッチ測定手段の一例を示す正面図（Ｂ）である。
【図３】本発明に係る焼入れ領域測定方法の基本構成を示すフローチャートである。
【図４】被加工物の歪量の分布を示すグラフである。
【図５】被加工物の表面硬さの分布を示すグラフである。
【図６】微細凹部加工装置の一実施形態を説明する側面図（Ａ）及び正面図（Ｂ）である。
【図７】加工ローラを説明する拡大図付の側面図である。
【図８】図６に示す微細凹部加工装置を用いて被加工物に微細凹部を形成する場合の動作説明図（Ａ）〜（Ｆ）である。
【図９】加工ローラの押圧力に対する被加工物の表面硬さと微細凹部の深さとの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面に基づいて、本発明に係る焼入れ領域測定装置の一実施形態を説明する。
焼入れ領域測定装置は、図１（Ａ）に示す被加工物Ｗにおける焼入れ領域を測定するものである。図示の被加工物Ｗは、概略円柱状の部材であって、中央に大径部Ｃを有し、その大径部Ｃに焼入れが施される。この焼入れは、高周波焼入れであって、図示しない高周波コイルを使用して主に大径部Ｃの中央部分に施される。つまり、大径部Ｃには、部分焼入れが施される。また、被加工物Ｗは、主として炭素鋼から成るものであるが、高周波焼入れにより組織がマルテンサイト化されるものであれば、どの材料でも適用できる。
【００１３】
焼入れ領域測定装置は、図２（Ａ）に示すように、被加工物Ｗの表面に一定間隔で複数の基準線Ｍを形成するマーキング手段１と、被加工物Ｗを回転可能に保持するワーク保持手段２を備えている。また、焼入れ領域測定装置は、図２（Ｂ）に示すように、基準線Ｍを形成した被加工物Ｗを部分焼き入れした後に基準線間のピッチを測定するピッチ測定手段３と、ピッチ測定手段３の測定結果に基づいて焼入れ領域を検出する領域検出手段４を備えている。
【００１４】
図示例のマーキング手段１は、被加工物にレーザ光Ｌを照射してレーザ痕である基準線Ｍを形成する手段すなわちレーザマーカである。このマーキング手段１は、図示しない適宜の機構により所定位置に保持してあり、例えば、昇降可能に保持したり、水平方向へ移動可能に保持したりすることが可能である。
【００１５】
ワーク保持手段２は、モータを内蔵した主軸台２Ａと、回転駆動される主軸２Ｂ及びチャッキング部２Ｃを備えている。このワーク保持手段２は、チャッキング部３２により被加工物Ｗの端部を把持して、同被加工物Ｗをその軸線が水平になる状態に保持し、主軸２Ｂととも被加工物Ｗを軸線回りに回転させる。
【００１６】
ピッチ測定手段３は、基準線Ｍを撮像する光学式測定器であり、例えば、入力部には軽量で且つ安価であるＣＣＤカメラを用いることができる。また、領域検出手段４は、ピッチ測定手段３である光学式測定器で撮像した画像に基づいて焼入れ領域を検出する画像処理機能を有している。この領域検出手段４は、コンピュータ又はコンピュータの一機能を使用することができる。
【００１７】
ここで、上記の焼入れ領域測定装置は、周知のＮＣ工作機械を応用することができる。すなわち、ＮＣ工作機械の昇降ヘッドに、マーキング手段１やピッチ測定手段３を配置すると共に、ＮＣ工作機械のスライドテーブルに、ワーク保持手段２を配置し、ＮＣ工作機械の制御コンピュータに領域検出手段４の機能を実行させることができる。
【００１８】
本発明の焼入れ領域測定方法は、基本構成を図３に示すように、表面に部分焼入れが施される被加工物Ｗの焼入れ領域を測定するに際し、部分焼入れ前に被加工物Ｗの表面にマーキングを行う工程（ステップＳ１）と、部分焼入れにより生じたマーキングの変化に基づいて焼入れ領域を検出する工程（ステップＳ２）を備えている。したがって、両工程の間に部分焼入れの工程（ステップＳＡ）がある。
【００１９】
そして、この実施形態の焼入れ領域測定方法は、前記マーキングを行う工程（Ｓ１）において、図１（Ａ）に示すように、マーキング手段１により、被加工物Ｗの大径部Ｃの表面に、一定間隔で複数の基準線Ｍを形成する。この際、各基準線Ｍは、円周方向に沿って所定長さを有すると共に、被加工物Ｗの軸線方向に一定間隔で形成してある。
【００２０】
その後、被加工物Ｗは、大径部Ｃの中央部分に高周波焼入れが施される。このとき、被加工物Ｗでは、焼入れされた部分の組織が、マルテンサイト変態して膨張する。したがって、被加工物Ｗは、図１（Ｂ）に示すように、マルテンサイト変態した中央部分の基準線Ｍの間隔が広くなる。
【００２１】
ここで、図４には、被加工物Ｗの大径部Ｃにおける焼入れ前と焼入れ後の歪量（基準線間隔）の変化を示す。被加工物Ｗの大径部Ｃにおいて、両端部は、焼入れされていないので歪量の変化はないが、中央部分は、焼入れによりマルテンサイト変態しているので、歪量が増大（基準線間隔が増大）している。
【００２２】
また、図５には、被加工物Ｗの大径部Ｃにおける表面の硬度分布を示す。被加工物Ｗの大径部Ｃは、図４の歪量の分布と同様に、両端部は焼入れされていないので表面硬さが低くなり、中央部分は焼入れにより表面硬さが高いものとなっている。
【００２３】
そこで、上記の焼入れ領域測定装置及び焼入れ領域測定方法では、焼入れ領域を検出する工程（Ｓ２）において、大径部Ｃに部分焼入れを施した被加工物Ｗに対して、基準線Ｍ間のピッチを測定して、その測定結果に基づいて焼入れ領域を検出する。より具体的には、光学式測定器であるピッチ測定手段３により、基準線Ｍを撮像し、領域検出手段４により、ピッチ測定手段３で撮像した画像を処理して、図１（Ｂ）に示す焼入れ領域Ａを検出する。この焼入れ領域Ａの検出により、それ以外の領域である未焼入れ領域Ｂも同時に検出することができる。
【００２４】
上記の焼入れ領域測定装置及び焼入れ領域測定方法では、被加工物Ｗに形成した複数の基準線Ｍを用いるので、焼入れ領域が可視化され、ＣＣＤカメラ等の簡単な装置の使用が可能であると共に、被加工物Ｗの破壊を伴わない非接触式の測定が行われる。これにより、上記の焼入れ領域測定装置及び焼入れ領域測定方法によれば、部分焼入れが施された被加工物Ｗに対して、焼入れ領域Ａを測定するに際して、設備費の低減や測定時間の短縮を実現することができる。また、被加工物Ｗをそのまま部品として使用することができるので、部品の全数品質保証が可能である。
【００２５】
また、上記の焼入れ領域測定装置は、マーキング手段１としてレーザマーカを採用したので、例えばランクシャフトのように、形状が複雑な被加工物の表面にも容易に基準線Ｍを形成することができる。
【００２６】
さらに、上記の焼入れ領域測定装置は、光学式測定器であるピッチ測定手段３と、ピッチ測定手段３で撮像した画像を処理する機能を有する領域検出手段４を採用したので、構成が簡単であると共に、焼入れ領域Ａの検出が速やかに行われ、設備費のさらなる低減や測定時間のさらなる短縮を実現することができる。
【００２７】
上記の焼入れ領域測定装置及び焼入れ領域測定方法により焼入れ領域Ａ及び未焼入れ領域Ｂが特定された被加工物Ｗは、以下に述べる微細凹部加工装置により微細凹部を形成する場合に、非常に好都合である。つまり、上記の焼入れ領域測定装置及び焼入れ領域測定方法は、以下に述べる微細凹部加工装置の前工程に好適である。
【００２８】
図６に示す微細凹部加工装置は、先の焼入れ領域測定装置及び焼入れ領域測定方法により焼入れ領域Ａ及び未焼入れ領域Ｂを検出した被加工物Ｗに対して多数の微細凹部を形成するものである。この微細凹部加工装置は、概略として、外周部に微細凹部形成用の凹凸を有する加工ローラ１１と、加工ローラ１１の外周部を被加工物Ｗに押付けて微細凹部を形成するローラ押圧機構１２と、図２に示すものと同等のワーク保持手段２を備えている。
【００２９】
また、微細凹部加工装置は、ローラ押圧機構１２による加工ローラ１１の押圧力を検出する荷重検出手段１４と、荷重検出手段１４及び図２に示す領域検出手段４の各検出信号に基づいてローラ押圧機構１２による加工ローラ１１の押圧力を制御する制御手段１６を備えている。
【００３０】
加工ローラ１１は、図７にも示すように、扁平なローラであって、その外周部に微細凹部形成用の凹凸を有している。この凹凸は、微細凹部の反転形状を有する微細凸部を円周方向に所定間隔で配列したものである。
【００３１】
ローラ押圧機構１２は、ステッピングモータ２１と、ステッピングモータ２１で回転駆動されるボールねじ２２により垂直方向（Ｘ方向）に移動するスライダ２３と、スライダ２３に固定したハウジング２４を備えている。また、ローラ押圧機構１２は、ハウジング２４に収容したコイルスプリング２５と、コイルスプリング２５に上端を連結し且つ下端をハウジング２４の下側に突出させたシャフト２６と、シャフト２６の下端に連結したアーム２７を備えている。アーム２７には、回転軸２８を介して前記加工ローラ１１が回転自在に装着してある。
【００３２】
さらに、ローラ押圧機構１２は、ハウジング２４内におけるコイルスプリング２５の上部に、加工ローラ１１の押圧力を検出する荷重検出手段１４が設けてある。この荷重検出手段１４は、例えばロードセルであって、コイルスプリング２５の反発力を加工ローラ１１の押圧力として検出する。
【００３３】
上記の微細凹部加工装置は、先述した焼入れ領域測定装置と同様に、周知のＮＣ工作機械を応用することができ、この場合、ＮＣ工作機械の昇降ヘッドにローラ押圧機構１２を装着する。これにより、加工ローラ１１と被加工物Ｗは、上下方向（Ｘ方向）及び水平方向（Ｚ方向）に相対的に移動することができる。なお、ＮＣ工作機械においては、昇降ヘッドをステッピングモータ１２の代わりにすることも可能である。
【００３４】
さらに、微細凹部加工装置は、ＮＣ工作機械の制御部を制御手段１６として用いることが可能である。制御手段１６は、荷重検出手段４、ステッピングモータ１１及び主軸台３Ａとの間で信号の出入力を行い、データの記憶や演算を行って、ステッピングモータ１１及び主軸台３Ａに指令を出力する。
【００３５】
この制御手段１６は、先述の如く、荷重検出手段１４及び図２に示す領域検出手段４の各検出信号に基づいてローラ押圧機構１２による加工ローラ１１の押圧力を制御するのであるが、より具体的には、焼入れ領域Ａに対する加工ローラ１１の押圧力よりも、未焼入れ領域Ｂに対する加工ローラ１１の押圧力の方が小さくなるように制御する。
【００３６】
ここで、先に説明した被加工物Ｗは、大径部Ｃに部分焼入れが施され、図５に示すように、焼入れ領域Ａの表面硬さに比べて、未焼入れ領域Ｂの表面硬さが極端に低くなっている。このような表面硬さ分布を有する被加工物Ｗに対し、加工ローラ１１の押圧力を一定にして微細凹部を形成すると、微細凹部の形状や深さにばらつきが生じる。
【００３７】
そこで、微細凹部加工装置では、先の焼入れ領域測定装置及び焼入れ領域測定方法により、被加工物Ｗの大径部Ｃにおける焼入れ領域Ａ及び未焼入れ領域Ｂが特定されているので、その焼入れ領域Ａと未焼入れ領域Ｂとで加工ローラ１１の押圧力を変化させる。
【００３８】
微細凹部加工装置は、まず、図示しないＮＣ工作機械の昇降ヘッドを下降させると共に、テーブルを水平方向に適宜移動させて、図８（Ａ）に示すように、加工ローラ１１が被加工物Ｗの大径部Ｃの一端に対向するように位置決めする。
【００３９】
続いて、図８（Ｂ）に示すように、ステッピングモータ２１によりボールねじ２２を回転させ、これによりスライダ２３とともにハウジング２４を降下させて、加工ローラ１１の先端を被加工物Ｗの大径部Ｃに接触させる。
【００４０】
その後、図８（Ｃ）に示すように、スライダ２３をさらに降下させることにより、ハウジング２４に内蔵したコイルスプリング２５を圧縮し、その反発力を加工ローラ１１の押圧力（荷重）として被加工物Ｗの大径部Ｃに付与する。
【００４１】
この際、ハウジング２４内に設けた荷重検出手段１４が上記の押圧力を検出し、この検出信号をＮＣ工作機械の制御部である制御手段１６へ伝達する。これを受けた制御手段１６は、荷重検出手段１４の検出値が予め設定した値になるまでステッピングモータ２１を動作させる。つまり、ハウジング２４を降下させて加工ローラ１１の押圧力を増大させる。
【００４２】
こののち、図８（Ｄ）に示すように、主軸２Ｂを回転させると共に、図示しないＮＣ工作機械のテーブルにより主軸台２Ａを水平方向（Ｚ方向）へ移動させる。これにより、被加工物Ｗが軸線回りに回転すると共に、この被加工物Ｗに接触している加工ローラ１１が連れ回り（転動）し、同時に、加工ローラ１１と被加工物Ｗとが水平方向に相対移動しているので、被加工物Ｗの大径部Ｃに螺旋状の軌跡で微細凹部を形成する。
【００４３】
ここで、図９には、加工ローラ１１の押圧力に対する被加工物Ｗの表面硬さと、被加工物Ｗに形成する微細凹部の深さとの関係を示す。例えば、被加工物Ｗに深さ８μｍの微細凹部を加工するには、図５に示すように未焼入れ領域（Ｂ）の硬さがＨＲＣ１５程度で、焼入れ領域（Ａ）の硬さがＨＲＣ４２程度である場合、未焼入れ領域は押圧力４０Ｎ、焼入れ領域は押圧力２００Ｎで加工する必要がある。
【００４４】
そこで、微細凹部加工装置では、微細凹部の加工中において、図５及び図９に示す各データや、焼入れ領域Ａ及び未焼入れ領域Ｂの位置データに基づいて、図８（Ｅ）及び（Ｆ）に示すように、ステッピングモータ２１によりスライダ２３及びハウジング２４を上下方向（Ｘ方向）に移動させ、焼入れ領域Ａ及び未焼入れ領域Ｂに合わせて加工ローラ１１の押圧力を変化させる。
【００４５】
具体的には、高硬度の焼入れ領域Ａでは加工ローラ１１の押圧力を大きくし、低硬度の未焼入れ領域Ｂでは加工ローラ１１の押圧力を小さくする。その結果、被加工物Ｗの大径部Ｃには、一定形状で一定深さの微細凹部が連続的に形成されることとなる。
【００４６】
上記の微細凹部加工装置によれば、被加工物Ｗの表面硬さが部分的に異なる場合、すなわち焼入れ領域Ａ及び未焼入れ領域Ｂを有する場合でも、微細凹部を均一に形成することができる。
【００４７】
また、先述した焼入れ領域測定装置によれば、部分焼入れが施された被加工物Ｗに対して、焼入れ領域Ａを測定するに際して、設備費の低減や測定時間の短縮を実現することができることから、上記の微細凹部加工装置においても、設備費の低減や測定を含む加工時間全体の短縮化を実現することができる。
【００４８】
さらに、微細凹部加工装置により製造された被加工物Ｗは、例えば、自動車用エンジンを構成するカムシャフトやクランクシャフトなどの摺動部品であって、その摺動面に基準線Ｍと微細凹部を有している。これにより、焼入れ領域Ａと未焼入れ領域Ｂの硬度の相違に応じて微細凹部が均一に形成された高品質の摺動部品であることが容易に判る。このような摺動部品は、カムシャフトやクランクシャフトである場合には、自動車用エンジンの性能向上に貢献することができる。
【００４９】
本発明の焼入れ領域測定装置、焼入れ領域測定方法、並びにこれらの測定装置及び測定方法により焼入れ領域を検出した被加工物に対して多数の微細凹部を形成する微細凹部加工装置は、それらの構成が上記各実施形態のみ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で構成の細部を適宜変更することが可能である。例えば、焼入れ領域測定方法では、被加工物に基準線以外のマーキングを施すことも可能である。
【符号の説明】
【００５０】
Ａ    焼入れ領域
Ｂ    未焼入れ領域
Ｍ    基準線（マーキング）
Ｗ    被加工物
１    マーキング手段
３    ピッチ測定手段
４    領域検出手段
１１  加工ローラ
１２  ローラ押圧機構
１４  荷重検出手段
１６  制御手段
２１  ステッピングモータ（ローラ押圧機構）
２２  ボールねじ（ローラ押圧機構）
２３  スライダ（ローラ押圧機構）
２４  ハウジング（ローラ押圧機構）
２５  コイルスプリング（ローラ押圧機構）
２６  シャフト（ローラ押圧機構）
２７  アーム（ローラ押圧機構・ローラ支持部）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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