JPH0253485B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、レーザビームを利用してワークの表
面の特性を改善するレーザ表面処理装置に係り、
さらに詳細には、ワークの表面に焼入れを行なう
装置に関する。

（従来の技術） レーザビームをワークの表面に照射して、ワー
ク表面を急加熱し、ワークの自己冷却により硬化
層を形成するレーザ焼入れ技術は、ワークの必要
箇所のみの局部焼入れができること、焼入時の形
状の熱変形が極めて小さいこと、冷却のための
油、水等が不要であること、等の特徴があること
が知られている。

ところで、従来、ワークの表面に焼入れを行な
う場合、焦点はずし等を行なつて、スポツト径が
所定の径になるようにしていた。また、レーザビ
ームの断面形状は円形が一般的であつた。

（発明が解決しようとする問題点） 焦点はずしを行なつてワークの表面に焼入れを
行なう場合、ワーク表面におけるレーザビームの
スポツト径が常に一定である必要がある。したが
つてワーク表面が平面である場合には大きな問題
はないが、ワーク表面にうねり等がある場合、或
はワークに段付きの穴が穿設されている場合にお
いて、穴内の段部の焼入れを行なう場合には、均
一的な焼入れを行なうことが困難であるという問
題点があつた。

また、レーザビームの断面形状が円形状である
ために、例えば円柱の外周面に焼入れを行なう場
合、焼入れ開始位置と終了位置は円弧が接触する
態様となるので、焼入れ開始位置と終了位置との
境界はくびれた態様となり、焼入れ幅が狭いもの
となる。そこで、焼入れ幅がほぼ一定となるよう
に、焼入れ開始位置と終了位置とを重ね合わせる
と、焼入れ開始位置は焼入れの開始時と終了時と
の２回加熱されることとなり、質的に均一な焼入
れを行なうことが困難であるという問題点があつ
た。

本発明は、上述のごとき問題点に鑑みてなされ
たものである。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 前述のごとき従来の問題点を解決するために、
本発明は、表面処理すべきワークを支承するワー
クテーブルと、上記ワークへ照射すべきレーザビ
ームを発振するレーザ発振器と、レーザ発振器か
ら発振されたレーザビームの断面形状を、断面に
おける１部分に平行状部分を有する断面形状に変
形すると共に断面形状内におけるビームの強度分
布をほぼ均一化するビーム変形手段と、ビーム変
形手段を経過したレーザビームを平行光線化する
平行化手段と、平行化されたレーザビームを前記
ワーク表面に照射する加工ヘツドと、を備えてな
るものである。

（作用） 前記構成により、レーザ発振器から発振された
レーザビームは平行光線化されてワークに照射さ
れるので、加工ヘツドとワークとの間の距離が変
化したような場合であつても、ワークへの照射部
のエネルギー密度は一定である。したがつて、ワ
ークの表面にうねりや段部等が有る場合であつて
も、均一的な焼入れを行なうことができる。

前述のごとくレーザビームをワークに照射する
に際し、レーザビームの断面形状は、１部分に平
行状部分を有する断面形状に形成され、かつ断面
形状内におけるビームの強度分布をほぼ均一化さ
れているので、幅広く焼入れを行なうことができ
ると共に、焼入れ開始位置と終了位置とを重ね合
わせることなしに、全体の焼入れ幅を均一的にで
きるものである。

（実施例） 第１図、第２図を参照するに、本実施例に係る
レーザ表面処理装置１は、表面処理すべきワーク
Ｗを支承するワークテーブル３を備え、かつワー
クテーブル３の側方位置には、ワークＷへ照射す
べきレーザビームLBを発振するレーザ発振器５
を備えている。このレーザ発振器５は、一般的な
ものでよいので、その詳細については説明を省略
する。

上記ワークテーブル３は、Ｘ軸方向（第１図、
第２図において左右方向）に移動自在な移動テー
ブル７および移動テーブル７に支承されて水平に
回転自在な回転テーブル９を備えてなるもので、
この回転テーブル９上にワークＷが適宜の取付
具、例えばマグネツトチヤツク等（図示省略）を
介して水平に取付けられる。本実施例において、
上記ワークＷは、適数箇所に孔Ｈを備えた円盤を
例示してある。

上記構成において、移動テーブル７の移動位置
決め及び回転テーブル９の回転および回転位置決
め等を自動的に行なうことにより、ワークＷの所
望の孔Ｈを所定位置に位置決めできるものであ
る。

第１図、第２図より理解されるように、前記ワ
ークテーブル３の移動領域の側方位置にはコラム
１１が立設してあり、このコラム１１には、ワー
クテーブル３の移動領域の上方を横切つてＹ軸方
向に延伸したガイド部材１２が片持式に支承され
ている。上記ガイド部材１２には、前記レーザ発
振器５からのレーザビームLBを前記ワークＷの
所望位置へ照射する加工ヘツド１３がＹ軸方向へ
移動自在に支承されている。この加工ヘツド１３
は、前記コラム１１に装着したサーボモータ１５
によつてＹ軸方向へ移動、位置決めされるもので
ある。

上記構成により、加工ヘツド１３をＹ軸方向に
移動位置決めしてワークＷの所望位置と対応せし
め、レーザ発振器５からのレーザビームLBをワ
ークＷに照射することにより、ワークＷの所望位
置の焼入れが行なわれ得ることが理解されよう。

ところで、ワークＷの表面にレーザ焼入れを行
なうに当り、ワーク表面の反射率が高い場合に
は、ワーク表面に適宜のコーテイング処理を行な
う必要がある。したがつて本実施例においては、
前記ワークテーブル３の移動領域の側方位置に、
表面コーテイング装置１７が配置してある。この
表面コーテイング装置１７は、例えばリン酸マン
ガン、カーボン粉末、炭化硅素等のごとき適宜の
コーテイング材料をワークＷの所望表面に塗布す
る作用をなすもので、例えば一般的な塗装ロボツ
ト等よりなるものである。

ワークＷの所望箇所にレーザ焼入れを行なうに
際し、レーザビームLBの断面形状を所望の断面
形状となし、かつ断面形状内におけるビームの強
度分布をほぼ均一化してレーザ焼入れを均一的に
行なうために、前記加工ヘツド１３にはビーム変
形手段が設けられている。

より詳細には、第３図に示されるように、前記
加工ヘツド１３内には垂直な支持板１９が設けら
れており、この支持板１９には、前記レーザ発振
器５から発振されたレーザビームLBが下方向に
反射する第１のベンドミラー２１が装着してあ
る。また、支持板１９の下部付近には、上記第１
のベンドミラー２１に対応してインテグレーシヨ
ンミラー２３が反射方向を微調節自在に装着して
ある。

上記インテグレーシヨンミラー２３は、レーザ
発振器５からのレーザビームLBの断面形状を、
本実施例においては丸から四角形状に変形すると
共に、レーザビームLBの断面形状内におけるビ
ームの強度分布をほぼ均一化するためのもので、
凹面基板２５上に矩形状の平面鏡２７を多数取付
けて構成してある。すなわち、多数の平面鏡２７
は、焦点面が四角形状になり、かつビーム強度が
均一化するように、それぞれ適宜に配置してあ
る。したがつて、換言すれば、インテグレーシヨ
ンミラー２３の焦点面において、レーザビーム
LBの断面形状は四角形状となり、かつビーム強
度は断面の領域に亘つて均一的になる。なお、上
記インテグレーシヨンミラー２３の焦点距離は大
きく設定してある。

上記インテグレーシヨンミラー２３において、
凹面基板２５を支持したサポートプレート２９
は、それぞれ付勢方向の異なる複数のスプリング
３１および複数のボルト３３を介して、支持板１
９に取付けたブラケツト３５に揺動可能に支持さ
れている。また、上記サポートプレート２９は、
ブラケツト３５に装着した複数のマイクロメータ
３７によつて微調節自在に支承されている。した
がつて、マイクロメータ３７を操作することによ
り、レーザビームLBの反射方向を微調節するこ
とができる。

さらに前記支持板１９の上部付近には、第２の
ベンドミラー３９が装着してある。この第２のベ
ンドミラー３９は、前記インテグレーシヨンミラ
ー２３からのレーザビームLBを垂直下方向に反
射するもので、反射方向を微調節自在に設けられ
ている。第２のベンドミラー３９を微調節するた
めの構成は、前記インテグレーシヨンミラー２３
の構成と同様の構成である。

上記第２のベンドミラー３９の下方位置には、
レーザビームLBを平行光線化する平行化手段と
して凹レンズ４１が配置してある。この凹レンズ
４１の焦点位置は、前記インテグレーシヨンミラ
ー２３の焦点に合わせてある。したがつて、この
凹レンズ４１を経たレーザビームLBは断面形状
が四角形状の平行光線となつて垂直下方向に照射
されることとなる。

レーザビームLBをワークＷの周面あるいはワ
ークＷの孔Ｈの内周面へ照射するために、前記凹
レンズ４１の下方位置には、レーザビームLBを
水平に反射するベンドミラー４３を下端部に備え
たミラー支持部材４５が上下動自在かつ水平に回
転自在に支承されている。

より詳細には、第４図に示されるように、前記
支持板１９の背面には、軸承ブロツク４７を介し
てボールネジのごとき螺子杆４９が垂直にかつ回
転自在に支承されてる。この螺子杆４９に螺合し
たナツト部材５１を備えた昇降ブラケツト５３
が、支持板１９の背面に垂直に設けられたガイド
部材５５に上下動自在に案内支承されている。し
たがつて、前記螺子杆４９と出力軸が連結され、
支持板１９に装着されたサーボモータ５７の駆動
により、昇降ブラケツト５３が上下動されること
となる。

上記昇降ブラケツト５３の下部に水平に取付け
た支持ブラケツト５９に前記ミラー支持部材４５
が支承されている。すなわち、上記支持ブラケツ
ト５９は、垂直なレーザビームLBの光路を横切
る位置迄延伸しており、レーザビームLBに対応
する位置には透孔６１が穿設してある。この支持
ブラケツト５９の下面には、ボス部６３を中央部
に備えたフランジ部材６５が取付けてあり、フラ
ンジ部材６５の下部には円筒形状の外筒部材６７
が取付けてある。この外筒部材６７の内部には環
状の内筒部材６９が回転自在に支承されている。

上記内筒部材６９の上部には、前記フランジ部
材６５のボス部６３に回転自在に支承された従動
プーリ７１が一体的に取付けてある。この従動プ
ーリ７１に掛回したベルト７３は、前記支持ブラ
ケツト５９に装着したモータ７５に取付けた駆動
プーリ７７に掛回してある。上記内筒部材６９の
下部には、環状の水冷室７９を備えた環状部材８
１が一体的に取付けてあり、この環状部材８１の
下部にパイプ状の前記ミラー支持部材４５が取付
けてある。

上記ミラー支持部材４５の下部には、例えば銅
のごとく熱伝導性の良い材料よりなるミラー台部
材８３が取付けてあり、このミラー台部材８３に
前記ベンドミラー４３が支持されている。上記ベ
ンドミラー４３は、本実施例においては45゜の傾
斜をもつて保持されており、ミラー支持部材４５
の１部には、ベンドミラー４３によつて反射され
たレーザビームLBの出口が形成してある。

上記ベンドミラー４３を冷却するために、前記
ミラー支持部材４５にはヒートパイプ８５が支持
されている。このヒートパイプ８５の一端部は、
前記ミラー台部材８３およびベンドミラー４３に
接触してあり、このヒートパイプ８５の他端部は
前記水冷室７９内に臨ませてある。したがつて、
ベンドミラー４３の冷却が効果的に行なわれるこ
ととなる。

以上のごとき構成において、ワークテーブル３
上に載置されたワークＷの孔Ｈとミラー支持部材
４５とを対向せしめた後、サーボモータ５７の駆
動により昇降ブラケツト５３を下降せしめると、
ミラー支持部材４５の下部が前記孔Ｈに挿入され
る。ミラー支持部材４５をワークＷの孔Ｈ内に挿
入し、所望位置に位置決めした後に、レーザ発振
器５からレーザビームLBを発振すると、レーザ
ビームLBは断面形状が四角形状の平行光線に変
形された後に、ベンドミラー４３に入射される。
したがつてベンドミラー４３により反射され、孔
Ｈの内周面を照射する。

レーザビームLBが孔Ｈの内周面を照射時に、
モータ７５を駆動すると、ミラー支持部材４５が
回転されて、レーザビームLBが孔Ｈの内周面を
一周することとなる。したがつてワークＷの孔Ｈ
の内周面に焼入れを行なうことができる。

また、前記ミラー支持部材４５をワークＷの外
周面に対向せしめ、ワークＷを回転しつつレーザ
ビームLBを外周面に照射することにより、ワー
クＷの外周面にレーザ焼入れを行なうことができ
る。

前述のごとくワークＷの孔Ｈの内周面あるいは
ワークＷの外周面のレーザ焼入れを行なうに際
し、レーザビームLBは平行光線化されているの
で、ベンドミラー４３とワークＷの照射位置との
距離に変化があつても、照射幅の変化が極めて少
なく、かつ照射面は均一的に加熱されることとな
り、均質的な焼入れを容易に行なうことができ
る。また、レーザビームLBの断面形状が四角形
状に形成されているので、ワークＷにおける孔Ｈ
の内周面や外周面の焼入れを行なうとき、焼入れ
開始位置と終了位置とを重ね合わせることなく接
することにより、焼入れ幅を均一にかつ均質な焼
入れを行なことができる。

ところで、ワークＷの上面に焼入れを行なう場
合には、前記ミラー支持部材４５等をレーザビー
ムLBの光路から退避可能な構成となして、レー
ザビームLBがワークＷの上面に直接照射される
ように構成すれば良い。すなわち、例えば第５図
に示されるように、前記昇降ブラケツト５３の下
部にガイドレール部材８７を設け、このガイドレ
ール部材８７に前記支持ブラケツト５９を移動自
在に支持し、かつ支持ブラケツト５９を移動する
ための流体圧シリンダ８９を設けた構成とする。

上記のごとき構成とすることにより、ミラー支
持部材４５等をレーザビームLBの光路から退避
することができ、レーザビームLBをワークＷの
上面に直接照射できるものである。

なお、本発明は、前述の実施例のみに限ること
なく、適宜の変更を行なうことにより、その他の
態様でも実施可能である。例えば、レーザビーム
断面形状は、四角形に限ることなく、例えば、１
部に平行状部分を備えた長円形状に形成してもよ
いものである。

［発明の効果］ 以上のごとき実施例の説明より理解されるよう
に、本発明によれば、レーザビームが平行光線化
された後にワークの所望位置へ照射されるので、
ワーク照射幅は常にほぼ一定であり、照射面は均
一的に加熱される。したがつて、レンズの焦点位
置等を気にすることなしに、均質的な焼入れを容
易に行なうことができる。また、円柱の外周面や
孔の内周面等をレーザ焼入れする場合、焼入れ開
始位置と終了位置とを重ね合わせることなしに、
全体が均一的な幅で焼入れを行なうことができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本実施例に係る装置の正面図、第２図
は同平面図である。第３図は第１図における−
線に沿つた拡大断面図、第４図は第３図の左側
面図で１部省略してある。第５図は第２実施例の
説明図である。 ３……ワークテーブル、５……レーザ発振器、
１３……加工ヘツド、２３……インテグレーシヨ
ンミラー、４１……凹レンズ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 表面処理すべきワークを支承するワークテー
   ブルと、上記ワークへ照射すべきレーザビームを
   発振するレーザ発振器と、レーザ発振器から発振
   されたレーザビームの断面形状を、断面における
   １部分に平行状部分を有する断面形状に変形する
   と共に断面形状内におけるビームの強度分布をほ
   ぼ均一化するビーム変形手段と、ビーム変形手段
   を経過したレーザビームを平行光線化する平行化
   手段と、平行化されたレーザビームを前記ワーク
   表面に照射する加工ヘツドと、を備えてなること
   を特徴とするレーザ表面処理装置。 ２ 加工ヘツドは、ワークに穿設された孔内へ進
   入自在で、かつ上記孔の内周面へレーザビームを
   反射するベンドミラーを先端部付近に備えたミラ
   ー支持部材を備えてなることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項に記載のレーザ表面処理装置。 ３ ミラー支持部材は、レーザビームの光路に対
   して退避自在であることを特徴とする特許請求の
   範囲第２項に記載のレーザ表面処理装置。