JPH04280914A - レーザ焼入れ方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、レーザビームを加熱
手段として、歯車やスプライン軸等の表面に歯形が形成
された製品を回転させながら焼入れする方法に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】レーザ焼入れ方法は、焼入れ硬化性のあ
る材料からなる被加工物に高エネルギー密度のレーザビ
ームを照射し、表面近傍を急激に加熱し、その熱が熱伝
導で被加工物内部に伝達されて急激に冷却する、所謂自
己冷却により焼入れする方法である。

【０００３】このレーザ焼入れを、歯車やスプライン軸
等のように表面に歯形が形成されている製品に適用する
場合には、レーザビームの光軸が製品の回転軸に垂直な
状態で照射するのが一般的である。

【０００４】例えば第５図および第６図に示すように、
従来のレーザ焼入れ方法では、歯車２を図において時計
方向に回転させながら焼入れした場合に、凸レンズ１に
集光されたレーザビームＬを焼始め側となる歯先部２ａ
の右側面に照射すると、周囲が常温のため比較的効率良
く熱伝達されて自己冷却されるが、焼終りの左側面３に
照射するときには、右側面照射時の熱伝達で歯先部２ａ
の全体が高温となっていて自己冷却能力が低下している
ため、焼始め側より高温に加熱されてしまい、その結果
、左側面３が右側面より深く焼入れされるという不具合
があった。

【０００５】そこで、均一な焼入れを行なうためのレー
ザ焼入れ方法としては、例えば特開昭６１−２８４５１
９号公報に示されているものがある。

【０００６】この方法は図７に示すように、内歯車４の
歯先部４ａと歯底部４ｂの各表面に、凸レンズ５によっ
て集光したレーザビームＬを照射して焼入れを行なう場
合に、内歯車４の歯先部４ａの側面と歯底部４ｂとにレ
ーザビーム吸収剤６を予め塗布しておくものである。

【０００７】このレーザ焼入れ方法では、レーザビーム
吸収剤６の塗布された部分が、過熱し易い歯先部４ａよ
り多くエネルギを吸収するため、歯先部４ａと歯底部４
ｂとがほぼ均等に加熱されて、均一な深さに焼入れする
ことができる。

【０００８】また別の方法としては、図８に示すものが
ある。

【０００９】これは、レーザビームＬを、ハーフミラー
７を通過させてその反射光Ｌ１　と透過光Ｌ２　とに２
分するとともに、２分された各レーザビームＬ１　、Ｌ
２　をそれぞれ全反射ミラー８に反射させて、歯車９の
歯側面９ａと歯底面９ｂのみに照射して一歯ずつ焼入れ
する方法である。

【００１０】またこれと似た方法として図９に示すもの
がある。

【００１１】これは特開昭６０−２１５７１５号公報に
記載されているレーザ焼入れ方法で、楔形ミラー１０を
用いてレーザビームＬを２分割し、分割された各レーザ
ビームＬ３　，Ｌ４　をそれぞれ全反射ミラー１１，１
１に反射させるとともに、それぞれ凸レンズ１２，１２
によって集光させた後、ラック１３の互いに対向する歯
側面１３ａ，１３ａのみに照射して一歯ずつ焼入れする
方法である。

【００１２】さらに、特開昭６２−６７１１０号公報に
は、冷し金を用いる方法が記載されている。

【００１３】これは、図１０に示すように歯車１４を間
欠的に回転させながらレーザビームＬを照射して、各歯
の側面１４ａ，１４ｂを片側ずつ加熱するとともに、冷
し金１５を、間欠回転に同期させてシリンダ１６で前進
後退駆動して、歯車１４の加熱が完了した部分に対して
、冷し金１５を密着させて冷却するもので、片側ずつ加
熱することにより両側を連続加熱した場合に生じる過熱
を防止するとともに、冷し金１５を密着させて熱吸収し
、吸収した熱を冷し金１５内に循環させた冷却水によっ
て外部に放出するため、全体を均一に熱処理することが
できる。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前述したレー
ザビーム吸収剤６を塗布する方法は、吸収剤の塗布に手
間がかかり、量産に不向きであった。

【００１５】また、ハーフミラー７あるいは楔形ミラー
１０を用いる方法においては、複数のミラーを多段階に
用いるため、ミラー角度にズレがあると、そのズレが増
幅されることから、各ミラー７，８，１０，１１の精密
な角度調整が必要とされ、調整が難しく、手間がかかる
という問題があった。またレーザビームＬを２分割した
後、分割されたレーザビームＬ１　，Ｌ２　またはレー
ザビームＬ３　，Ｌ４　を全反射ミラー８，１１に反射
させ、また必要に応じて凸レンズ１２により集光して歯
車９やラック１３の歯側面９ａ，１３ａおよび歯底面９
ｂに照射して一歯ずつ焼入れするため、１ビーム当りの
エネルギ量が半減し、処理能力が低下することから、量
産に不向きであった。

【００１６】さらに、前述した冷し金１５を用いるレー
ザ焼入れ方法では、均一な焼入れ深さに熱処理すること
はできるが、歯車１４を間欠回転させるとともに、この
間欠回転に同期させて冷し金１５を前進後退駆動させる
必要があり、また冷し金１５に冷却水を循環させること
から装置が大型となると共に制御が複雑となり、１個当
りの処理時間も長くなることから、量産向きでないとい
う問題がある。

【００１７】この発明は、上記の事情に鑑みなされたも
ので、一つの歯形の両歯側面に照射されるエネルギ密度
を変えることにより均一な焼入れを容易に達成できる、
量産に適したレーザ焼入れ方法を提供することを目的と
している。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めの手段としてこの発明は、歯形が形成されたワークを
回転させつつその表面にレーザビームを照射するレーザ
焼入れ方法において、前記レーザビームの光軸を、ワー
クの回転中心を通る半径線に対し、前記歯形の回転方向
前面側に向けてレーザビームが照射されるように所定角
度傾斜させたことを特徴としている。

【００１９】

【作用】上記の方法によれば、表面に歯形が形成された
ワークにレーザビームを照射する際に、レーザビームは
、その光軸が、ワークの回転中心を通る半径線に対し、
前記歯形の回転方向前面側に向けてレーザビームが照射
される方向に所定角度傾けて配置されるとともに、ワー
クを回転させつつレーザビームを照射すると、一つの歯
形の両歯側面のうち、焼始め側の歯側面に対して大きな
角度で照射され、また焼終り側の歯側面に対しては小さ
な角度で照射される。

【００２０】その結果、自己冷却能力の高い焼始め側の
歯側面に照射されるレーザビームの照射面積が小さくて
単位面積当りのエネルギ量が大であるのに対して、照射
前に伝熱によって既に高温となって自己冷却能力が低下
した焼終り側の歯側面に照射されるレーザビームの照射
面積が大きくて単位面積当りのエネルギ量が小となるた
め、自己冷却能力の差とエネルギ密度の差とがバランス
して、焼終り側の歯側面の過熱による過度の焼入れが防
止され、両歯側面の焼入深さが均一化する。

【００２１】

【実施例】以下、この発明のレーザ焼入れ方法を、スプ
ライン軸の表面にレーザ焼入れを行なう場合に適用した
一実施例を図１ないし図４に基づいて説明する。

【００２２】レーザ焼入れを行なうスプライン軸２１は
、円柱の表面に歯部２１ａと歯底部２１ｂとが交互に多
数形成され、また歯部２１ａは両側に歯側面２１ｃ，２
１ｄを備えており、図１においてＯを中心に反時計方向
へ回転駆動されるように設けられている。

【００２３】一方、照射されるレーザビームＬは、その
光軸Ｚが、スプライン軸２１の歯部２１ａが形成される
歯底円Ｒに垂直な直線、すなわちスプライン軸２１の回
転中心Ｏを通る半径線Ｙに対して、回転方向前方側にα
度傾きかつ前記回転中心Ｏを通らない直線上となるよう
に配置されており、このレーザビームＬが凸レンズ２２
に集光された焦点Ｆより先の部分においてスプライン軸
２１の表面に照射されるようになっている。

【００２４】そして、焼入れを行なうときには、スプラ
イン軸２１を一定の速度で図１において反時計方向に連
続的に回転駆動しながら、レーザビームＬを所定の照射
角度で照射する。したがって、スプライン軸２１の表面
へのレーザビームＬの照射面積が、回転に伴って増減す
る。

【００２５】すなわち、一つの歯部２１ａの焼始め側、
すなわち図１において左側の歯側面２１ｃにおいては、
レーザビームＬが大きな角度で照射されるため、その照
射面Ｓ１　が狭く、また同じ歯部２１ａの焼終り側、す
なわち図２において右側の歯側面２１ｄにおいては、小
さな角度で照射されるため、その照射面Ｓ２　が広くな
る。

【００２６】したがって、スプライン軸２１の各歯部２
１ａは、焼始め側となる歯側面２１ｃにおいては、照射
面Ｓ１　が狭くなるためエネルギ密度の高いレーザビー
ムＬが照射されて、表面付近が急速に加熱された後、周
囲に熱が拡散して自己冷却することによって焼入れされ
る。そして、同じ歯部２１ａの焼終り側となる歯側面２
１ｄにおいては、照射面Ｓ２　が広くなるため照射され
るレーザビームＬは、照射面Ｓ１　のときよりエネルギ
密度が低くなる。

【００２７】しかし、焼終り側となる歯側面２１ｄは、
レーザビームＬが照射される以前に歯側面２１ｃ側から
伝達される熱によって高温となるとともに、自己冷却能
力が低下しており、そのためエネルギ密度が低くて加熱
不足となるよりもむしろ過熱を防止することができる。

【００２８】その結果、エネルギ密度の高いレーザビー
ムＬが照射されるとともに自己冷却能力が高い歯側面２
１ｃと、エネルギ密度の低いレーザビームＬが照射され
るとともに自己冷却能力の低い歯側面２１ｄとが、ほぼ
均等に焼入れされることから、焼入れ層Ｔの厚さが均一
化する。

【００２９】なお、焼終り側の歯側面２１ｄを焼入れる
際に、歯部２１ａの陰となってレーザビームＬが照射さ
れない部分があっても、この陰の部分は周囲から伝達さ
れる熱によって加熱されて、周囲とほぼ均等に焼入れさ
れる。

【００３０】したがって、この実施例のレーザ焼入れ方
法によれば、従来の焼入れ方法のように、角度調整が必
要なミラー群や間欠駆動装置あるいは強制冷却装置等を
用いることなく、歯面に均一な深さで焼入れができ、歯
車精度を向上することができる。

【００３１】なお、効果を確認するために実際に、スプ
ライン大径が直径３２ｍｍ、歯高が１ｍｍ、歯幅が３ｍ
ｍのスプライン軸に対して、レーザビームの光軸を、こ
のスプライン軸の半径線と歯底円との交点を中心に偏心
角α＝１１．５度に傾けた状態で、本発明のレーザ焼入
れ方法を実施した。そして、図１１は本発明の方法でレ
ーザ焼入れしたスプライン軸の金属組織を示す写真で、
また図１２の従来の方法によってレーザ焼入れしたスプ
ライン軸の金属組織を示す写真であり、両者の比較から
判るように、本発明の方法で焼入れしたスプライン軸の
焼入れ層が均一な厚みに形成されている。

【００３２】また、レーザビームＬの光軸Ｚの傾き、す
なわち偏心角αは、図３に示すような歯高ａ、歯幅ｂ、
歯形形状およびエネルギ照射強度等に応じて実験的に決
められるもので、その関係は、図４に示すように、歯高
ａが大きい方が偏心角αが小さく、歯高ａが小さい方が
偏心角αが大きい。また、歯幅ｂが大きい方が偏心角α
が小さく、歯幅ｂが小さい方が偏心角αが大きい。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したようにこの発明のレーザ焼
入れ方法は、歯形が形成されたワークを回転させつつそ
の表面にレーザビームを照射するレーザ焼入れ方法にお
いて、前記レーザビームの光軸を、ワークの回転中心を
通る半径線に対し、前記歯形の回転方向前面側に向けて
レーザビームが照射されるように所定角度傾斜させたの
で、ワークを均一な焼入れ深さに焼入れすることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の方法の一実施例における歯部の焼始
めの状態を示す説明図である。

【図２】同一の歯部の焼終りの状態を示す説明図である
。

【図３】偏心角α、歯高ａおよび歯幅ｂを示す説明図で
ある。

【図４】偏心角αと、歯高ａ，歯幅ｂとの関係を示す説
明図である。

【図５】従来のレーザ焼入れ方法における歯部の焼始め
の状態を示す説明図である。

【図６】同一の歯部の焼終りの状態を示す説明図である
。

【図７】従来のレーザ焼入れ方法の別の例を示す説明図
である。

【図８】従来のレーザ焼入れ方法のまた別の例を示す説
明図である。

【図９】従来のレーザ焼入れ方法のさらに別の例を示す
説明図である。

【図１０】従来のレーザ焼入れ方法の他の例を示す説明
図である。

【図１１】本発明のレーザ焼入れ方法によって焼入れを
行なった部材の金属組織を示す写真である。

【図１２】従来のレーザ焼入れ方法によって焼入れを行
なった部材の金属組織を示す写真である。

【符号の説明】

２１　　スプライン軸 ２１ａ　　歯部 ２１ｂ　　歯底部 ２１ｃ　　歯側部 ２１ｄ　　歯側部 ２２　　凸レンズ Ｌ　　レーザビーム Ｔ　　焼入れ層 Ｒ　　歯底円 Ｙ　　回転中心Ｏを通る半径線 Ｚ　　レーザビームの光軸

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　歯形が形成されたワークを回転させつ
   つその表面にレーザビームを照射するレーザ焼入れ方法
   において、前記レーザビームの光軸を、ワークの回転中
   心を通る半径線に対し、前記歯形の回転方向前面側に向
   けてレーザビームが照射されるように所定角度傾斜させ
   たことを特徴とするレーザ焼入れ方法。