JPH0790358A - レーザ焼入れ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 被加工物をレーザ光に対して相対移動させる
駆動制御を簡易な手段で行なっても、均一に加熱可能
で、良好な加工品質を得ることができるレーザ焼入れ装
置を提供する。 【構成】 ＣＯ₂レーザ発振器１から出射されたレーザ
光９は、カライドスコープ３によって強度分布を均一
化、矩形化されたレーザ光１８となり、角度可変の反射
鏡４によって方向転換され、被加工物である円筒溝カム
５のカム面に照射される。円筒溝カム５は、回転テーブ
ル６およびＸＹテーブル７によって所定の駆動制御を受
け、レーザ光１８に対して相対移動されることで焼入れ
加工が行われる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ発振器から出射
されるレーザ光を被加工物に照射して焼入れを施すレー
ザ焼入れ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、工業分野での焼入れには、浸炭焼
入れなどの炉内焼入れや、高周波焼入れ、火炎焼入れな
どが広く用いられている。しかし、何れの焼入れも被焼
入れ材への入熱が過多となり、焼入れによる歪みが大き
い。このため、例えばカム部材のように精度を必要とす
る部品においては、焼入れによる歪みの修正が大きな負
担となる。

【０００３】これに対し、近年注目されているレーザ焼
入れでは、焼入れを施したい部分のみに選択的にレーザ
光を照射することが可能である。従って、例えばカム部
材においてはカム面のみを局部的に焼入れすることが可
能であり、同じ局部焼入れの高周波焼入れと比較しても
入熱量が少ないため、焼入れ歪みは著しく減少し、歪み
の修正が不要または削減可能である。

【０００４】このようにレーザ光を用いたカム部材のレ
ーザ焼入れ装置の一例を図５を参照して説明する。レー
ザ発振器５１から出力されたレーザ光５２は、反射鏡５
３によって方向転換され、集光レンズ５４によって集光
されつつ、カム５５のカム面に照射される。カム５５は
移動テーブル５６上に配置された多軸制御可能な回転テ
ーブル５７に固定されており、レーザ光５２に対して相
対移動が可能である。移動テーブル５６及び回転テーブ
ル５７は、ＮＣ制御装置５８によって制御され、予め設
定された駆動制御を施すことができる。カム５５のカム
面は、レーザ光５２の照射によって焼入れ温度まで局所
的に加熱されるが、カム５５のレーザ光５２に対する相
対移動によって局所的な加熱が終了する。このとき、局
所的に加熱された部分は、カム５５内部への熱伝導によ
って急速に冷却され、焼入れ硬化層５９が形成される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のレーザ焼入れ装置においては、レーザ発振器から出
射されたレーザ光５２は、強度分布が不均一な上、図６
に示すように断面形状が円形である。このため、レーザ
光５２が移動した場合、レーザ光の中心を通る点６０と
レーザ光の中心から外れた点６１ではレーザ光５２の作
用時間が異なる。その結果、点６０と点６１の焼入れ特
性は異なり、点６１の位置がレーザ光５２の端部に近い
場合は硬化層が得られない。このように、上記従来のレ
ーザ焼入れ装置ではレーザ光が作用しながら硬化層が得
られない領域の割合が比較的多い。このため、広い焼入
れ幅を均一に得ることは困難であり、焼入れ経路のズレ
を考慮して焼入れ幅に余裕をみることは入熱過多となる
などの問題がある。さらに、例えばカム部材のように曲
面を有する場合は、レーザ光の照射角度が変化したりす
るなど、焼入れ箇所によって焼入れ特性が変化し易い。

【０００６】従って、上記従来のレーザ焼入れ装置にお
いて、例えばカム部材に焼入れをする場合には、カム部
材上の焼入れを施す経路と、レーザ光の中心が常に一致
する必要があった。また、レーザ光が常にカム面に対し
て一定の角度以内で照射される必要があった。

【０００７】このため、上記カム部材をレーザ光に対し
て相対移動するためには、前述のような多軸制御の回転
テーブルなどが必要であり、複雑な構成となる。例えば
図５のような装置では、図中Ｘ軸、Ｚ軸、θ軸、ψ軸の
最低４軸の制御を必要とする。さらに、回転テーブルな
どの駆動制御のためにＮＣ制御装置に入力するＮＣデー
タも複雑となり、その作成に多くの労力と時間を必要と
していた。

【０００８】本発明は、上述した問題点を解決するため
になされたものであり、被加工物をレーザ光に対して相
対移動させる駆動制御を簡易な手段で行なっても、均一
に加熱可能で、良好な加工品質を得ることができるレー
ザ焼入れ装置を提供することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明のレーザ焼入れ装置は、レーザ発振器から出射
されるレーザ光を被加工物に照射することにより、被加
工物に焼入れを施すものであり、レーザ発振器から出射
されるレーザ光の強度分布を均一化する強度分布均一化
手段と、被加工物を支持し、強度分布均一化手段により
強度分布が均一化されたレーザ光が被加工物に照射され
るように、被加工物を回転駆動する回転駆動手段を備え
ている。

【００１０】

【作用】上記の構成を有する本発明のレーザ焼入れ装置
は、レーザ発振器から出射されるレーザ光を被加工物に
照射することにより、被加工物に焼入れを施すものであ
り、強度分布均一化手段は、レーザ発振器から出射され
るレーザ光の強度分布を均一化する。回転駆動手段は、
被加工物を支持し、強度分布均一化手段により強度分布
が均一化されたレーザ光が被加工物に照射されるよう
に、被加工物を回転駆動する。

【００１１】

【実施例】以下、本発明を具体化した一実施例を図面を
参照して説明する。

【００１２】最初に図１及び図２を参照して、本発明の
レーザ焼入れ装置の概略を説明する。本発明のレーザ焼
入れ装置は、ＣＯ₂レーザ発振器１と、レーザ光を反射
する固定反射鏡２と、レーザ光の強度分布を均一化する
カライドスコープ３と、レーザ光を反射する角度可変の
反射鏡４と、被加工物のカム部材である円筒溝カム５を
支持し、この円筒溝カム５を回転駆動する回転テーブル
６と、回転テーブル６を載置しＸ方向およびＹ方向に駆
動するＸＹテーブル７、及び前記回転テーブル６とＸＹ
テーブル７の駆動を制御するＮＣ制御装置８より構成さ
れる。

【００１３】ＣＯ₂レーザ発振器１から出力されるレー
ザ光９は、波長が１０．６μｍ（マイクロ・メートル）
である。固定反射鏡２、カライドスコープ３、及び角度
可変の反射鏡４は、レーザ光９の光軸上に配置されてい
る。

【００１４】上記カライドスコープ３は、入射レンズ１
０、多重反射鏡１１、結像レンズ１２より構成されてい
る。多重反射鏡１１は、４枚の平面反射鏡が対向して形
成された角柱の内面が反射鏡であるような構造である。
レーザ光９は、カライドスコープ３内を多重反射するこ
とで強度分布が均一化される。

【００１５】回転テーブル６は、ＸＹテーブル７上に配
置されており、双方共、ＮＣ制御装置８に接続され、予
めＮＣ制御装置８に入力されたデータに従って、所定の
駆動を行なうものである。回転テーブル６には、被加工
物のカム部材である円筒溝カム５が脱着可能に支持され
る。円筒溝カム５は、図３に示すような形状を呈し、円
筒溝カム５の中心線と回転テーブル６の回転中心が一致
するような構成となっている。また、円筒溝カム５は炭
素鋼を切削加工したもので、そのカム面１４を焼入れす
るものである。さらに、その表面にはレーザ光９の吸収
率を高めるための黒鉛系のレーザ光吸収剤１５が塗布さ
れている。

【００１６】次に前述の図１及び図２を参照して、本発
明のレーザ焼入れ装置を用いた焼入れ加工の状態を説明
する。ＣＯ₂レーザ発振器１から出射されたレーザ光９
は、その断面形状が円形であり、その中心ほどレーザ光
強度が強い。レーザ光９は、その光軸上に配置された固
定反射鏡２によって方向転換された後、カライドスコー
プ３内の入射レンズ１０に入射する。入射レンズ１０で
集光されたレーザ光９は、多重反射鏡１１の入力端１６
に入射し、４枚の平面反射鏡を多重反射した後、出力端
１７より出射される。この時、レーザ光９は多重反射鏡
１１の形状に応じて矩形状となり、またレーザ光９の強
度分布も均一化される。なお、形成されるレーザ光の寸
法は、入射レンズ１０、多重反射鏡１１、結像レンズ１
２の各部品の特性及び各部品間の距離等で定まるもので
あり、予め所望の寸法になるよう調節しておくものであ
る。

【００１７】カライドスコープ３によって強度分布を均
一化された矩形状のレーザ光１８は、その光軸上に配置
された角度可変の反射鏡４によって方向転換された後、
円筒溝カム５のカム面１４に照射される。なお、角度可
変の反射鏡４の角度は、円筒溝カム５の形状などに応じ
て予め設定しておくもので、加工中に可変制御を必要と
するものではない。

【００１８】レーザ光１８の照射を受けた円筒溝カム５
のカム面１４は、焼入れ温度まで急加熱される。円筒溝
カム５は、回転テーブル６及びＸＹテーブル７の駆動に
よってレーザ光１８に対して相対移動することで、レー
ザ光１８の照射を受けていた部位が、その照射を受けな
くなる。これに伴い、加熱された部位は、円筒溝カム５
内部への熱伝導によって急速に冷却され、焼入れ硬化層
１９を形成する。以上の過程が継続することで、所定の
焼入れ加工が完了するものである。

【００１９】図４に示すように、レーザ光１８は、カラ
イドスコープ３によって矩形状となり、さらに強度分布
も均一化されるため、レーザ光１８が移動した場合、レ
ーザ光の中心を通る点２０とレーザ光の中心から外れた
点２１ではレーザ光２２の作用時間が同一となる。その
結果、点２１と点２２の焼入れ特性はほぼ同等となり、
従来よりも均一な硬化層を得ることができる。また、レ
ーザ光が照射された部分に対する硬化層の領域の割合が
向上する。従って、必要な焼入れ幅等の品質に対して余
裕のある加工が可能であり、従来のように焼入れ経路に
対してレーザ光の照射位置や角度を極めて正確に一致さ
せる必要が無くなる。

【００２０】以上の結果、例えば円筒溝カム５にレーザ
焼入れを施す際の駆動制御は、図２の図中Ｘ軸及びθ軸
の最低２軸を制御するのみでも、カム面全体に均一な焼
入れを施すことができる。制御する軸数が減少すること
で、装置全体を簡素化できる上、制御のためにＮＣ制御
装置に入力するＮＣデータの作成も容易となる。

【００２１】本発明は、以上詳述した実施例に限定され
ることなく、その主旨を逸脱しない範囲において種々の
変更を加えることができる。例えば、レーザ光の強度分
布均一化手段は、前述のカライドスコープの他にセグメ
ントミラーを用いることも可能である。また、レーザ光
の反射鏡は、レーザ発振器とカム部材の間のレーザ光軸
上にあればよく、その個数や位置は本発明の効果には影
響しない。

【００２２】また、本発明は、例えばカム部材のような
被加工物にレーザ焼入れを施す際に特に有用であるが、
上記実施例以外の様々な種類の被加工物に応用すること
ができる。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したことから明かなように、本
発明のレーザ焼入れ装置によれば、レーザ光の強度分布
が均一化されて被加工物に照射されるため、必要な品質
を得るための加工条件の許容範囲が広くなる。その結
果、従来のようにレーザ光に対する被加工物の相対移動
を複雑に制御しなくとも、被加工物を均一に加熱するこ
とができるため、従来よりも簡易な構成と制御でも、均
一な焼入れ品質を得ることができるといった産業上著し
い効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例のレーザ焼入れ装置の概略を示す図で
ある。

【図２】本実施例のレーザ焼入れ装置の加工部周辺の詳
細を示す図である。

【図３】被加工物の一例を示した概略図である。

【図４】カライドスコープ通過後のレーザ光の断面概略
図である。

【図５】従来のレーザ焼入れ装置の概略を示す図であ
る。

【図６】従来のレーザ焼入れ装置におけるレーザ光の断
面概略図である。

【符号の説明】

１ ＣＯ₂レーザ発振器 ２ 固定反射鏡 ３ カライドスコープ ４ 角度可変の反射鏡 ５ 円筒溝カム ６ 回転テーブル ７ ＸＹテーブル ８ ＮＣ制御装置 ９ レーザ光 １８ レーザ光

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ発振器から出射されるレーザ光を
   被加工物に照射することにより、被加工物に焼入れを施
   すレーザ焼入れ装置において、 前記レーザ発振器から出射されるレーザ光の強度分布を
   均一化する強度分布均一化手段と、 前記被加工物を支持し、前記強度分布均一化手段により
   強度分布が均一化されたレーザ光が前記被加工物に照射
   されるように、前記被加工物を回転駆動する回転駆動手
   段を備えたことを特徴とするレーザ焼入れ装置。