JPH0860233A - レ−ザ焼入れ装置およびその焼入れ方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 円筒状ワークの真円度を所望に維持し、ワー
クの内径が小さいものであってもワークに対するレーザ
焼入れを可能とし、ワークの表面温度の低下を防止す
る。 【構成】 円筒状ワークＷの外周面を押圧保持する全周
チャック１７は、三つのチャック爪１９で構成されてい
る。各チャック爪１９は、ワークＷに接触する保持面２
７が、ワークＷの全周の１／３の部分に接触するもの
で、このチャック爪１９を三つ使用することで、ワーク
Ｗの全周に接触した状態で保持する。さらに、各チャッ
ク爪１９には、ワークＷの内周面で反射したレーザ光３
１を受光するビームダンパ部２９が設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、外周面を押圧保持さ
れた円筒状のワークに対し、レーザ光を照射して焼入れ
処理を行うレ−ザ焼入れ装置およびその焼入れ方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】円筒状のワークの内周面をレーザ光によ
り焼入れ処理するレーザ焼入れ方法としては、例えば特
開昭５９−７６８１６号公報に記載されている。図８
は、上記したような円筒状のワークＷに対し、レーザ光
１を照射している状態を示しているレーザ焼入れ装置の
側面図である。

【０００３】円筒状のワークＷは、チャック本体３の上
端に設けられた三爪チャック５により保持されている。
三爪チャック５は、基台６上にて、ブロック７に固定さ
れた三つのチャック爪９が、ブロック７とともにワーク
Ｗの中心に向けて移動可能であり、各チャック爪９は、
図９に示すように、ワークＷの外周面に接触する保持面
９ａが、ワークＷの外周面に密着するよう円弧面に形成
されている。

【０００４】レーザ光１は、図示しないレーザ発振器か
ら発振された後、集光光学系が収納された光学ユニット
１１内から放出され、チャック本体３の回転により回転
状態のワークＷの内周面に照射される。ワークＷの内部
には、ワークＷの内周面で反射したレーザ光を、チャッ
ク本体３などの装置側の部材に照射させないようにする
ために、前記反射光を受光するビームダンパ１３が配置
され、このビームダンパ１３は上記光学ユニット１１か
ら下方に延長された支持部材１５の先端に取付けられて
いる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来のレ−ザ焼入れ装置においては、次のような問
題がある。

【０００６】(1) 三爪チャック５によりワークＷの外周
部の周囲３か所を固定した状態で焼入れを行っているの
で、ワークＷは焼入れ時での加熱による熱膨脹が全周で
不均一となって三角形状に変形し、焼入れ前後の真円度
で、内径が６０ｍｍのものの場合、約３０μｍ程度悪化
する。

【０００７】(2) レーザ光１の反射光を受けるビームダ
ンパ１３をワークＷの内部に挿入する必要があるため、
内径が例えば６０ｍｍを下回るような小さいワークの場
合には、ビームダンパ１３の容量を考慮してそれ自体を
小型化しても、ビームダンパ１３をワークＷ内に挿入で
きず、焼入れ処理ができなくなる。

【０００８】(3) 図１０は、ワークのレーザ光が照射さ
れる表面温度と、焼入れ硬化幅との関係を示している。
ここでは、例えば、硬度ＨＶ２７０以上、焼入れ硬化幅
４．２ｍｍ以上を要求値とし、焼入れ可能なワーク表面
温度の下限値は７００℃としてある。上限値は９００℃
であるが、これはこの温度を越えた場合には、焼入れ硬
化幅については問題ないが、表面溶融が始まり、品質上
不合格となる。

【０００９】図１１は、Ｓ２０Ｃ材を焼入れし、切断腐
食を行った場合での、焼入れ硬化幅（ｍｍ）と焼入れ硬
化深さ（ｍｍ）との関係を示している。図中で、ワーク
表面側に位置するＡ領域の硬度がＨＶ４００以上で、Ｂ
領域の硬度がＨＶ３００〜４００である。

【００１０】上記図１１により、焼入れ硬化幅に対応し
て焼入れ硬化深さが変化し、また上記図１０により焼入
れ硬化幅はワークの表面温度によって変化するので、ワ
ークの表面温度は、焼入れ硬化幅および焼入れ硬化深さ
に影響することになる。

【００１１】ここで、前述したワークＷとチャック爪９
とはメタル接触しているため、レーザ焼入れ時にはワー
クＷの熱がチャック爪９に放熱されてワークＷの表面温
度が低下することになる。この表面温度が７００℃を下
回るような場合には、前記図１０に示したように、焼入
れ硬化幅が要求値（４．２ｍｍ以上）を得られず、安定
した焼入れ処理ができないという問題がある。したがっ
て、この場合には、ワークＷの表面温度が所定値に達す
るまで、ワークＷの回転速度を落とさなければならず、
これは、焼入れ品質の不安定化のほかに、無駄なエネル
ギ消費および、焼入れサイクルタイムの長時間化による
製造コストの増大を招く。

【００１２】そこで、この発明は、円筒状ワークの真円
度を所望に維持し、ワークの内径が小さいものであって
もワークに対するレーザ焼入れを可能とし、ワークの表
面温度の低下を防止することを目的としている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、この発明は、第１に、円筒状のワークが、その外周
面に接触するワーク保持体により押圧保持された状態
で、レーザ光を照射されるレ−ザ焼入れ装置において、
前記ワーク保持体は、基台に対し前記ワークの中心部に
向かって接近離反する方向に移動可能な複数の移動体で
構成され、この複数の移動体による前記ワークの外周面
に対する接触面は、ワークの外周面における周方向全周
に接触する構成としてある。

【００１４】第２に、円筒状のワークが、その外周面に
接触するワーク保持体により押圧保持された状態で、レ
ーザ光を照射されるレ−ザ焼入れ装置において、前記ワ
ーク保持体に、前記ワークに照射されたレーザ光の反射
光を受光するビームダンパ部を設けた構成としてある。

【００１５】第３に、第１の構成において、移動体で構
成されるワーク保持体に、ワークに照射されたレーザ光
の反射光を受光するビームダンパ部を設けた構成として
ある。

【００１６】第４に、第１または第３の構成において、
移動体で構成されるワーク保持体は、周方向等間隔に三
つ配置され、各ワーク保持体のワークに対する接触面
は、ワーク全周のほぼ１／３の部分に対応する円弧面で
構成されている。

【００１７】第５に、第２または第３の構成において、
ビームダンパ部は、円筒状ワークの一方の開口部から入
射してワークの内周面で反射したレーザ光を受光するも
ので、円筒状ワークの他方の開口部の周縁を覆う構成で
ある。

【００１８】第６に、第５の構成において、ビームダン
パ部に対しレーザ光が入射する側と反対側で、ビームダ
ンパ部の先端周縁により囲まれる開口部に対向する位置
に、補助ビームダンパを設けた構成としてある。

【００１９】第７に、円筒状のワークが、その外周面に
接触するワーク保持体により押圧保持された状態で、レ
ーザ光を照射されるレ−ザ焼入れ方法において、前記円
筒状のワークを、その中心部に向けて移動する複数の移
動体により、ワークの外周面の全周にわたり先端の接触
面で接触させて押圧保持し、この状態でワークに対して
レーザ光を照射する焼入れ方法としてある。

【００２０】第８に、円筒状のワークが、その外周面に
接触するワーク保持体により押圧保持された状態で、レ
ーザ光を照射されるレ−ザ焼入れ方法において、前記ワ
ーク保持体に保持された円筒状のワークに対してレーザ
光を照射し、この照射したレーザ光の反射光を前記ワー
ク保持体に設けたビームダンパ部に照射する焼入れ方法
としてある。

【００２１】第９に、第７の方法において、ワークで反
射したレーザ光を、移動体で構成されるワーク保持体に
設けたビームダンパ部に照射する焼入れ方法としてあ
る。

【００２２】

【作用】第１、第３の構成、第７、第９の方法によれ
ば、円筒状ワークの中心部に向かって接近離反する方向
に移動可能な複数の移動体で構成されるワーク保持体
は、ワークの外周面における周方向全周に接触した状態
でワークを保持するので、ワークの変形は抑制され、そ
の真円度が所望に維持される。

【００２３】第２、第３の構成、第８、第９の方法によ
れば、ワークに照射されたレーザ光の反射光が、ワーク
保持体のビームダンパ部に照射されるので、ワーク保持
体がこの反射光により加熱され、ワークとの温度差が小
さくなってワークの表面温度の低下が抑制される。

【００２４】第４の構成によれば、ワーク全周のほぼ１
／３の外周面に対応して接触する円弧面を備えたワーク
保持体を三つ使用することにより、ワーク保持体はワー
クの外周面における周方向全周に接触した状態でワーク
を保持する。

【００２５】第５の構成によれば、円筒状ワークの一方
の開口部から入射したレーザ光は、ワークの内周面で反
射し、この反射光は他方の開口部から出射してビームダ
ンパ部に照射される。

【００２６】第６の構成によれば、ワークの内周面で反
射したレーザ光の反射光が、ビームダンパ部よりさらに
前方に進行した場合には、補助ビームダンパがこの進行
したレーザ光を受光する。

【００２７】

【実施例】以下、この発明の実施例を図面に基づき説明
する。

【００２８】図１は、この発明の一実施例を示すレーザ
焼入れ装置の側面図である。ここでの円筒状のワークＷ
は、ワーク保持体である全周チャック１７により保持さ
れている。全周チャック１７は、三つのチャック爪１９
がブロック２１上にそれぞれ着脱可能に固定されたもの
で、チャック爪１９とブロック２１とが一対となって基
台２２上にて、ワークＷの中心部に向かって接近離反す
る方向に移動可能となる移動体で構成されている。上記
全周チャック１７は、例えば空気圧による駆動するエア
チャックで構成される。

【００２９】チャック爪１９は、一つのチャック爪１９
を平面図として示した図２に示すように、ボルト孔２３
ａを備えてブロック２１に固定される固定部２３と、固
定部２３に対して垂直に形成された、ワークＷを保持す
る保持部２５とを有している。保持部２５は、全体とし
て１２０度の扇形を呈しており、ワークＷの外周面に接
触する接触面としての保持面２７は、ワークＷの外周面
と同様の凹状の円弧面に形成されている。つまり、上記
保持面２７を有するチャック爪１９を三つ使用すること
で、全周チャック１７はワークＷの外周面における周方
向全周に接触した状態となる。

【００３０】三つのチャック爪１９は、保持面２７の固
定部２３側の端部に、ワークＷの中心側に突出するビー
ムダンパ部２９が一体に形成されている。ビームダンパ
部２９の先端２９ａは、保持面２７と同心円状の円弧面
に形成され、三つのチャック爪１９によりワークＷを保
持した状態で、三つのビームダンパ部２９の先端２９ａ
の周縁によって円形の開口部３０が形成される。このよ
うなビームダンパ部２９は、レーザ光３１のワークＷの
内周面での反射光を受光するものであり、レーザ光３１
は、図示しないレーザ発振器から発振された後、集光光
学系が収納された光学ユニット３３内から、図１中で下
方に向けて放出される。

【００３１】全周チャック爪１７が取り付けられる基台
２２は、チャック本体３５上に固定され、チャック本体
３５の上端面３５ａ上の、基台２２の中央に形成された
空間３６内には、ビームダンパ部２９より下方に漏れる
レーザ光を受光するための補助ビームダンパ３７が着脱
可能に設置されている。

【００３２】上記チャック本体３５は、下部の回転部３
９が固定部４１に対して回転可能であり、回転部３９の
回転に伴うチャック本体３５の回転によりワークＷも回
転し、ワークＷの回転中に、レーザ光３１がワークＷの
内周面に照射される。

【００３３】固定部４１は支持台４３に固定されてお
り、支持台４３はテーブル４５上に設置されたブラケッ
ト４７の中心軸４９を中心に回動可能であり、この回動
位置を所定に設定することでワークＷを傾け、これによ
り鉛直方向下方に照射されるレーザ光３１をワークＷの
内周面に照射することが可能となる。

【００３４】次に、上記したようなレーザ焼入れ装置の
動作を説明する。

【００３５】ワークＷを全周チャック１７にセットし、
この状態で三つのチャック爪１９をブロック２１ととも
に基台２２に対してワークＷの中心方向に向けて移動さ
せ、これにより全周チャック１７でワークＷが保持され
る。支持台４３は、ブラケット４７の中心軸４９を中心
に回動させて所定角度に設定し、この状態でチャック本
体３５を回転部３９を介し固定部４１に対して所定速度
で回転させる。

【００３６】チャック本体３５の回転に伴い全周チャッ
ク１７に保持されたワークＷも回転し、この回転状態の
ワークＷの内周面に対し、上方の光学ユニット３３内か
らレーザ光３１を照射し、これにより、ワークＷの内周
面の周方向に沿って焼入れ処理がなされる。

【００３７】ここで、円筒状のワークＷを保持する全周
チャック１７は、各チャック爪１９の保持面２７が、ワ
ークＷの外周面全周の１／３に対して接触し、このため
このチャック爪１９を三つ使用することで、ワークＷの
外周面全周に接触した状態で保持することが可能とな
る。これにより、焼入れにより加熱されるワークＷの膨
脹が、全周一様に内側に向かうことになり、ワークＷの
焼入れ処理後の真円度が向上する。図３は、円筒状のワ
ークＷにおける焼入れ前後の真円度の悪化代を、三つの
ワークＷのサンプル（内径６０ｍｍ）に対して示したも
ので、これによれば平均で９μｍ（従来は約３０μｍ）
まで改善されていることがわかる。

【００３８】ワークＷの内周面に照射されたレーザ光３
１は、ここで反射しチャック爪１９のビームダンパ部２
９上に達する。ビームダンパ部２９は、レーザ光３１の
反射光を受けることで温度上昇し、これに伴いワークＷ
に接触する保持部２５も温度上昇し、全周チャック１７
全体の温度も上昇する。この結果、レーザ光３１により
加熱されているワークＷと全周チャック１７との温度差
が小さくなり、ワークＷの全周チャック１７への放熱が
抑制される。これにより、ワークＷのレーザ光３１が照
射される表面温度の低下が防止されて、焼入れ硬化幅は
所望に維持され、安定した焼入れ処理ができることとな
る。

【００３９】図４は、ワークＷを焼入れた場合の、ワー
クＷの表面温度と、ワークＷの焼入れ時での回転速度
（ｍ／分）との関係を、本実施例（実線）と従来例（一
点鎖線）とで比較して示している。なお、ここでのレー
ザパワーは、４．８ｋｗである。これによれば、焼入れ
可能温度範囲を７００℃〜９００℃とした場合、ワーク
Ｗの回転速度は、従来に比べて１．４倍程度まで上昇し
ている。この結果、焼入れ品質の安定化のほかに、省エ
ネルギ効果と、焼入れサイクルタイムの短縮による製造
コストの低下が可能となる。

【００４０】また、ワークＷを連続的に焼入れた場合、
ある程度回数を重ねると、ワークＷに対する入熱量と放
熱量とが等しくなり、ワークＷは平衡温度に達する。こ
のときの温度が焼入れ可能な温度範囲となるよう、ワー
クＷの回転速度を調節する。図５は、焼入れ回数に対
し、チャック爪１９の温度ａと、ワークＷのレーザ光３
１が照射される表面温度ｂ（ワークＷの４通りの回転速
度に応じて４通り示してある）とを示しており、ワーク
Ｗの表面温度ｂは、ワークＷの回転速度によって変化し
ていることがわかる。このため、焼入れ回数に応じてワ
ークＷの回転速度を適宜変化させることで、ワークＷの
表面温度ｂを焼入れ可能温度範囲（７００〜９００℃）
に入れることが可能である。

【００４１】図６は、チャック爪１９の温度ａと、ワー
クＷの表面温度ｂと、ワークＷの外側の温度ｃとを示し
ている。これによれば、（１）による従来例ではチャッ
ク爪１９の温度ａが低いことから、ワーク表面温度ｂは
７００〜９００℃の焼入れ可能温度範囲に達していない
が、（２）による本実施例ではチャック爪１９の温度ａ
がワークＷの外側温度ｃとほぼ等しい２００℃前後であ
り、ワーク表面温度ｂは上記焼入れ可能範囲に達してい
ることがわかる。

【００４２】ここで、上記図６にて（３）で示すよう
に、チャック爪１９の温度ａが上昇しすぎた場合には、
ワークＷの表面温度ｂも９００℃を越えてしまうので、
例えば図７に示すように、エアノズル５１を用いてチャ
ック爪１９を冷却する。

【００４３】また、ビームダンパ部２９をチャック爪１
９に設けてあるので、従来のように光学ユニット３３側
からビームダンパ部を円筒状のワークＷに挿入する必要
がなく、このため内径が６０ｍｍ以下と小さいワークで
あってもレーザ焼入れが可能である。

【００４４】ワークＷの内周面に向けて照射されたレー
ザ光３１が、ビームダンパ部２９よりさらに下方に漏れ
た場合には、この漏れたレーザ光は補助ビームダンパ３
７が受け、チャック本体３５側へのレーザ光の照射は回
避される。

【００４５】なお、上記実施例では、ビームダンパ部２
９がチャック爪１９と一体化している構成としたが、鋳
物からなるチャック爪１９に対し、ビームダンパ部２９
を銅としてねじなどにより着脱可能な構成としてもよ
い。

【００４６】

【発明の効果】以上説明してきたように、この発明によ
れば、円筒状のワークの中心部に向かって接近離反する
方向に移動可能なワーク保持体は、ワークの外周面にお
ける周方向全周に接触するので、この状態でレーザ焼入
れを行ってもワークの熱膨張による変形は抑制され、そ
の真円度を所望に維持することができる。

【００４７】また、円筒状のワークの外周面を押圧保持
するワーク保持体に、ワークに照射されたレーザ光の反
射光を受光するビームダンパ部を設けたため、ビームダ
ンパ部がレーザ光の反射光を受けることで温度上昇し、
これに伴い温度上昇するワーク保持体とワークとの温度
差が小さくなって、ワークの表面温度の低下を抑制する
ことができ、安定した焼入れ処理が可能となる。

【００４８】ワークの内周面で反射したレーザ光が、ビ
ームダンパ部よりさらに前方に進行した場合には、補助
ビームダンパがこれを受けるので、レーザ光の漏れ防止
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例を示すレーザ焼入れ装置の
側面図である。

【図２】図１のレーザ焼入れ装置のチャック爪の拡大さ
れた平面図である。

【図３】図１のレーザ焼入れ装置による円筒状ワークの
焼入れ前後の真円度の変化を示した説明図である。

【図４】ワークの回転速度とワークの表面温度との関係
を示す説明図である。

【図５】連続焼入れ時でのワークの表面温度とチャック
温度とを示す説明図である。

【図６】焼入れ時でのワークの表面温度および同外側温
度とチャック温度とを、従来と比較して示した説明図で
ある。

【図７】チャック爪に対する冷却機構を設けた例を示す
要部の断面図である。

【図８】従来例を示すレーザ焼入れ装置の側面図であ
る。

【図９】図１のレーザ焼入れ装置のチャック爪の拡大さ
れた平面図である。

【図１０】ワークの表面温度と焼入れ硬化幅との関係を
示す説明図である。

【図１１】ワークに表面における焼入れ硬化幅と焼入れ
硬化深さに対する硬度を示す説明図である。

【符号の説明】

Ｗ ワーク １７ 全周チャック（ワーク保持体） １９ チャック爪 ２２ 基台 ２７ 保持面（接触面） ２９ ビームダンパ部 ３０ 開口部 ３１ レーザ光 ３７ 補助ビームダンパ

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 円筒状のワークが、その外周面に接触す
   るワーク保持体により押圧保持された状態で、レーザ光
   を照射されるレ−ザ焼入れ装置において、前記ワーク保
   持体は、基台に対し前記ワークの中心部に向かって接近
   離反する方向に移動可能な複数の移動体で構成され、こ
   の複数の移動体による前記ワークの外周面に対する接触
   面は、ワークの外周面における周方向全周に接触する構
   成であることを特徴とするレ−ザ焼入れ装置。
2. 【請求項２】 円筒状のワークが、その外周面に接触す
   るワーク保持体により押圧保持された状態で、レーザ光
   を照射されるレ−ザ焼入れ装置において、前記ワーク保
   持体に、前記ワークに照射されたレーザ光の反射光を受
   光するビームダンパ部を設けたことを特徴とするレ−ザ
   焼入れ装置。
3. 【請求項３】 移動体で構成されるワーク保持体に、ワ
   ークに照射されたレーザ光の反射光を受光するビームダ
   ンパ部を設けたことを特徴とする請求項１記載のレ−ザ
   焼入れ装置。
4. 【請求項４】 移動体で構成されるワーク保持体は、周
   方向等間隔に三つ配置され、各ワーク保持体のワークに
   対する接触面は、ワーク全周のほぼ１／３の部分に対応
   する円弧面で構成されていることを特徴とする請求項１
   または３記載のレ−ザ焼入れ装置。
5. 【請求項５】 ビームダンパ部は、円筒状ワークの一方
   の開口部から入射してワークの内周面で反射したレーザ
   光を受光するもので、円筒状ワークの他方の開口部の周
   縁を覆う構成であることを特徴とする請求項２または３
   記載のレ−ザ焼入れ装置。
6. 【請求項６】 ビームダンパ部に対しレーザ光が入射す
   る側と反対側で、ビームダンパ部の先端周縁により囲ま
   れる開口部に対向する位置に、補助ビームダンパを設け
   たことを特徴とする請求項５記載のレーザ焼入れ装置。
7. 【請求項７】 円筒状のワークが、その外周面に接触す
   るワーク保持体により押圧保持された状態で、レーザ光
   を照射されるレ−ザ焼入れ方法において、前記円筒状の
   ワークを、その中心部に向けて移動する複数の移動体に
   より、ワークの外周面の全周にわたり先端の接触面で接
   触させて押圧保持し、この状態でワークに対してレーザ
   光を照射することを特徴とするレ−ザ焼入れ方法。
8. 【請求項８】 円筒状のワークが、その外周面に接触す
   るワーク保持体により押圧保持された状態で、レーザ光
   を照射されるレ−ザ焼入れ方法において、前記ワーク保
   持体に保持された円筒状のワークに対してレーザ光を照
   射し、この照射したレーザ光の反射光を前記ワーク保持
   体に設けたビームダンパ部に照射することを特徴とする
   レ−ザ焼入れ方法。
9. 【請求項９】 ワークで反射したレーザ光を、移動体で
   構成されるワーク保持体に設けたビームダンパ部に照射
   することを特徴とする請求項７記載のレ−ザ焼入れ方
   法。