JPH083123B2 - レーザ焼入れ方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、歯車やラックあるいはスプライン軸等の
ように表面に凹凸を有する鋼製品のレーザ焼入れ方法に
関するものである。

従来の技術 鋼製品の焼入れ方法として、レーザビームを照射して
行なうレーザ焼入れが従来より行なわれている。この従
来のレーザ焼入れ方法として例えば第５図に示す鋼製の
歯車の焼入れ方法の場合には、歯車２の表面、すなわち
歯先部2aと歯底部2bの表面に、凸レンズ１によって集光
させたレーザビームＬを、その光軸上でかつ焦点Ｆより
外側（凸レンズ１から離れた側）において照射して焼入
れを行なっているのが一般的である。

また、レンズ等で集光したレーザビームＬのエネルギ
密度は、ビーム断面積が最小となる焦点Ｆにおいて最大
となり、焦点Ｆから離れるにしたがって次第に小さくな
ることが知られている。このことから、前述の従来のレ
ーザ焼入れ方法によると、歯車２の歯底部2bより歯先部
2aの方が焦点Ｆに近くなるため照射されるレーザビーム
Ｌのエネルギ密度も大きくなる。また、歯先部2aは外気
と接している部分が多いため、空気の断熱作用によって
加熱された際の自己冷却能力が低く、これに比べて歯底
部2bは歯車本体の中心部分に連続しているため、効率良
く周囲に熱伝達されるので自己冷却能力が高い。したが
って、この焼入れ方法のように、焦点Ｆの外側において
歯車２の表面にレーザビームＬを照射するときに、歯底
部2bに対して充分な焼入れを施そうとすると、照射され
るエネルギ密度の大きい歯先部2aの方が強く加熱される
とともに、歯先部2aの自己冷却能力が低いためこの歯先
部2aが過熱し、歯先部2aの角部が溶融してしまうという
問題があった。

そこで、過熱による歯先部2aの角部が溶融して歯車２
の形が崩れるのを防止することを目的とした方法とし
て、例えば特開昭61−284519号公報に示されているレー
ザ焼入れ方法が提案されている。

この方法は第６図に示すように、内歯車12の歯先部12
aと歯底部12bの各表面に、凸レンズ１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12の歯先部12aの側面と歯底部12bとにレーザビーム吸
収剤13を予め塗布しておくものである。

また、過熱による歯先部の溶融を防止する別の方法と
しては第７図に示す方法がある。

これは、レーザビームＬをハーフミラー21を通過させ
て反射光と透過光とに２分するとともに、２分された各
レーザビームl,lをそれぞれ全反射ミラー23に反射させ
て、歯車22の歯側面22aと歯底面22bのみに照射して一歯
ずつ焼入れする方法である。また、これと似た方法とし
て、特開昭60−215715号公報に示されている方法があ
る。これは、楔形ミラー31を用いてレーザビームＬを２
分割するとともに、分割された各レーザビームl,lをそ
れぞれ全反射ミラー33に反射させるとともに、それぞれ
凸レンズ34によって集光させた後、ラック32の歯側面32
a,32aのみを照射するようにして一歯ずつ焼入れする方
法である。

発明が解決しようとする課題 しかし、前述の過熱による歯先部の溶融を防止した従
来のレーザ焼入れ方法のうち、レーザビーム吸収剤13を
用いる方法においては、レーザビームＬを照射すると、
レーザビーム吸収剤13が塗布されている内歯車12の歯先
部12aの側面と歯底部12bとが、他の塗布されていない部
分、すなわち冷却し難いことから、過熱し易い歯先部12
aの頂部より多くエネルギを吸収するため、歯先触12aと
歯底部12bとほぼ均等に加熱されて焼入れでき、歯先部1
2aの角部の溶融を防ぐことができるが、レーザビーム吸
収剤13の塗布は、歯先部12aの頂部をマスキングし、ス
プレーガン当にてにて塗布するか、歯先部12aの側面と
歯底部12bの部分だけを手塗りで行なわなければならな
いため作業性が悪く、量産には不向きである。

また、ハーフミラー21を用いる方法あるいは楔形ミラ
ー31を用いる方法においては、レーザビームＬをハーフ
ミラー21あるいは楔形ミラー31によって２分割した後、
分割した各レーザビームl,lを反射鏡23,33に反射させ、
また必要に応じて凸レンズ34により集光して、歯車22の
歯側面22aと歯底面22b、あるいはラック32の歯側面32a
に照射させて一歯ずつ焼入れするため、１ビーム当りの
エネルギ量が減少してしまい処理能力が低下するという
欠点があった。また複数のミラーを用いるため、レーザ
ビームl,lを所定の位置に照射するためには、各ミラー
の精密な角度調整が必要され、特に経由するミラーの数
が多い場合には、角度調整の精度が低いと小さな誤差が
増幅されて、レーザビームの狙いが外れてしまう等の不
都合が生じ易かった。また歯車22またはラック32の歯の
位置の割出しをその都度行なって一歯ずつ焼入れを行な
うため、割出し精度の確保が必要とされ、調整に手間が
かかり作業性が悪いという問題があった。

この発明は、上記した技術的背景の下に為されたもの
で、表面に凹凸を有する鋼製品で、周囲へ熱伝達され難
い、いわゆる自己冷却能力の低い凸部の部分的な過熱に
よる溶熱を防止し、凹部と凸部とをほぼ均一に焼入れで
きかつ作業性に優れたレーザ焼入れ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 上記課題を解決するためにこの発明の方法は、凹部と
凸部とが交互に形成された鋼製品の表面にレーザビーム
を照射して行なうレーザ焼入れ方法において、レーザビ
ームを集光するレンズあるいはミラーと前記鋼製品との
相対距離を、その凹部の底面をレーザビームの焦点より
もレンズあるいはミラー側に位置させ、その凹部底面の
幅方向中央を照射した際の凹部底面でのレーザビーム直
径が凹部底面の幅寸法以下となり、かつこのときの前記
凹部の両側の各凸部の頂面間でのレーザビーム直径が、
この両頂面間での凹部の幅以下となる距離に設定し、こ
の相対距離を変化させずに鋼製品とレーザビームとを相
対移動させながら焼入れを行なうことを特徴としてい
る。

作用 上記の方法によれば、凹凸を有する鋼製品の凹部の底
面には、集光させたレーザビームが、その焦点よりレン
ズあるいはミラー側に位置させ、その凹部底面の幅方向
中央を照射した際の凹部底面でのレーザビーム直径が凹
部底面の幅寸法以下となり、かつこのときの前記凹部の
両側の各凸部の頂面間でのレーザビーム直径が、この両
頂面間での凹部の幅以下となる距離に設定し、この状態
で凹部と凸部とが同時に照射されないようにしている。

したがって鋼製品の低い部分、すなわちレーザビーム
の照射源またはレンズやミラーに対し凹となっている部
分には、エネルギ密度の高いレーザビームの焦点に近い
部分で照射される。そして、周囲へ熱伝達され難いため
過熱し易い、すなわち、照射源側に向けて凸となってい
部分には、レーザビームの焦点から離れた部分で照射さ
れることとなるので、エネルギ密度が小さくなる。その
ため、凹部底面のように低い部分に照射されるビーム部
分に比べて、凸部頂面のように高い部分にはレーザビー
ムのエネルギ密度の低い部分が照射されることとなり、
この冷え難い高い部分の過熱を防止するとともに、高い
部分と低い部分とがほぼ等しく過熱され、鋼製品の全体
がほぼ均一に焼入れされる。

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
や歯車の焼入れに適用した実施例を第１図ないし第４図
に基づいて説明する。

第１図および第２図はこの発明のレーザ焼入れ方法の
第１実施例を示すもので、スプライン軸41の表面にレー
ザビームＬを照射して過熱焼入れし、歯先部41aおよび
歯底部41bの表面に硬い変質層Ｔを形成する方法を示す
もので、第１図はスプライン軸41の歯底部41bを熱処理
している状態を示す概略説明図、第２図は同じく歯先部
41aを熱処理している状態を示す説明図である。

歯先部41aは、歯底部41bから一定の高さh₁に形成され
た断面台形の突条で、歯底部41bに比べて自己冷却能力
が低いため、歯底部41bが適切に焼入れされるまで、同
じ条件でレーザビームＬを照射すると過熱して溶融し易
い。そのため、過熱して溶融させることなく、スプライ
ン軸41の歯先部41aと歯底部41bとを、ほぼ同等の処理深
さで表面変質層Ｔを形成させるためには、照射するレー
ザビームＬのエネルギ密度が、例えば、歯先部：歯底部
＝1:5となるようにする必要がある。

そこで、スプライン軸41の歯丈h₁に応じて、レーザビ
ームＬの歯底部41bの底部と歯先部41aの頂部とのそれぞ
れ同じ高さにおける断面積S₁,S₂の比が１対５となる凸
レンズ42を用いる。

そして、スプライン軸41を、水平な軸を中心に回転可
能に支持するとともに、集光した際に、その焦点Ｆより
手前（凸レンズ41に近い側）において歯底部41bの底部
にレーザビームＬが照射されるように位置決めして凸レ
ンズ42を固定する。この状態において、レーザビームを
凹部底面の幅方向中央に照射した際の前記底面における
レーザビーム直径が、前記凹部底面の幅寸法より小さ
く、かつ凹部両側の両凸部の頂面間におけるレーザビー
ム直径が、両項面間の凹部の幅以下となるように設定し
て、このように凹部底面の幅方向中央に照射したレーザ
ビームが、凸部に同時に照射されないようになってい
る。そして前記スプライン軸41を時計方向に回転させな
がら焼入れを行なう。

したがって、歯底部41bの底部は、焦点Ｆに近い部分
でエネルギ密度の高いレーザビームＬが照射されて、充
分な深さまで処理されて充分な厚さの表面変質層Ｔが形
成される（第１図参照）。そして、スプライン軸41が更
に回転すると、レーザビームＬの光路上に歯先部41aが
移動し、頂部にレーザビームＬが照射される。このと
き、焦点Ｆから歯先部41aの頂部までの距離が、焦点Ｆ
から歯底部41bの底部までの距離より大きく、しかも、
頂部に照射されるレーザビームＬのエネルギ密度が５分
の１となるようにしてあるため、自己冷却能力の低い歯
先部41aが過熱することはなく、歯底部41b等とほぼ同じ
深さまで処理されて、スプライン軸41の表面全体にほぼ
均一な表面変質層Ｔが形成される。

なお、レーザビームＬを集光させるのに用いる凸レン
ズとしては、第３図に示すスプライン軸51のように、歯
底部51bの底部から歯先部51aの頂部までの歯丈h₂が小さ
い場合には、底部に照射されるレーザビームＬの断面積
S₃と、頂部における同じく断面積とが所定の比率となる
ように、焦点距離の短かい凸レンズ52を用いる。したが
って、歯底部51bの中央に照射したレーザビームＬが、
歯先部51aに同時に照射されないようになっている。ま
た、第４図に示す歯車61のように、歯底部61bの底から
歯先部61aの頂部までの歯丈h₃が大きい場合には、底部
に照射されるレーザビームＬの断面積S₄と、頂部におけ
る同じく断面積とが所定の比率となるように、焦点距離
の長い凸レンズ62を用いる。したがって、この場合も、
歯底部51bの中央に照射したレーザビームＬが、歯先部6
1aへ同時に照射されないようになっている。

また、上記実施例においては凸レンズを用いてレーザ
ビームを集光させる場合について説明したが、凸レンズ
の代りに凹面鏡を使用しても、同様に実施することがで
きる。また、焼入れする鋼製品として、歯車やスプライ
ン軸等の凹凸の高低差が一定の部品の場合について説明
したが、高低差が一定でないものに対しても同様に実施
することができる。

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、凹部と凸部とが交互に形成された鋼製品の表面にレ
ーザビームを照射して行なうレーザ焼入れ方法におい
て、レーザビームを集光するレンズあるいはミラーと前
記鋼製品との相対距離を、その凹部の底面をレーザビー
ムの焦点よりもレンズあるいはミラー側に位置させ、そ
の凹部底面の幅方向中央を照射した際の凹部底面でのレ
ーザビーム直径が凹部底面の幅寸法以下となり、かつこ
のときの前記凹部の両側の各凸部の頂面間でのレーザビ
ーム直径が、この両頂面間での凹部の幅以下となる距離
に設定し、この相対距離を変化させずに鋼製品とレーザ
ビームとを相対移動させながら焼入れを行なうので、特
別な前処理や操作を必要とせずに、レンズもしくはミラ
ー側へ凸となっていて、周囲へ熱伝達され難い部分への
照射エネルギ密度を自動的に小さくでき、その結果、凸
となった部分の過熱による溶融を防止できるとともに、
優れた作業性を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第４図はこの発明のレーザ焼入れ方法の実
施例を示すもので、第１図および第２図は第１実施例を
示し、第１図は歯底部を熱処理している状態を示す概略
説明図、第２図は歯先部41aを熱処理している状態を示
す説明図、第３図は歯先部が低い場合の第２実施例を示
す説明図、第４図は歯先部が高い場合の第３実施例を示
す説明図、第５図ないし第８図はレーザ焼入れ方法のそ
れぞれ別の従来例を示す説明図である。 41,51……スプライン軸、41a,51a……歯先部、41b,51b
……歯底部、42,52……凸レンズ、61……歯車、61a……
歯先部、61b……歯底部、62……凸レンズ、Ｆ……焦
点、Ｌ……レーザビーム、Ｔ……表面変質層。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】凹部と凸部とが交互に形成された鋼製品の
   表面にレーザビームを照射して行なうレーザ焼入れ方法
   において、レーザビームを集光するレンズあるいはミラ
   ーと前記鋼製品との相対距離を、その凹部の底面をレー
   ザビームの焦点よりもレンズあるいはミラー側に位置さ
   せ、その凹部底面の幅方向中央を照射した際の凹部底面
   でのレーザビーム直径が凹部底面の幅寸法以下となり、
   かつこのときの前記凹部の両側の各凸部の頂面間でのレ
   ーザビーム直径が、この両頂面間での凹部の幅以下とな
   る距離に設定し、この相対距離を変化させずに鋼製品と
   レーザビームとを相対移動させながら焼入れを行うこと
   を特徴とするレーザ焼入れ方法。