JP2002129239A

JP2002129239A - レーザ焼入れ方法及び装置

Info

Publication number: JP2002129239A
Application number: JP2000330352A
Authority: JP
Inventors: Shoji Yamaguchi; 祥司山口; Shigeyuki Sakurai; 茂行桜井
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2000-10-30
Filing date: 2000-10-30
Publication date: 2002-05-09

Abstract

(57)【要約】【課題】レーザ焼入れ工程中に残留応力向上処理がで
き、別工程を省略することが可能なレーザ焼入れ方法及
び装置を実現する。【解決手段】レーザ発振器６からのレーザ光はレンズ５
ｃと５ｂとにより平行光に変換され、集束レンズ５ａに
より歯車２の照射位置でライン状ビーム４として焦点を
結ぶ。ライン状ビーム４は歯車２の軸方向に対して所定
の角度θだけ傾けて照射される。このビーム照射状態で
レーザビーム４を歯車２に対して下方向に走査すると歯
底が先に焼入れられ、続いて歯面が焼入れられる。つま
り、ライン状のレーザビーム４を用い歯車２へのレーザ
照射部位に照射する順序を変化させ、冷却時に生じる熱
応力と変態応力とのバランスによって特定部位に高い残
留応力を付与する。これにより、レーザ焼入れ工程中に
残留応力向上処理ができ、別工程を省略することが可能
なレーザ焼入れ方法及び装置を実現することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する利用分野】本発明は、レーザ光を用いた
歯車の表面を焼入れするレーザ焼入れ方法及び装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】歯車の焼入れ方法として、非常に高エネ
ルギーのレーザを用いたレーザ焼入れ方法は、急速加熱
が可能なのと、極表層のみの加熱で済むため、次のよう
な利点がある。

【０００３】つまり、歯車内部と表面との大きな温度差
による自己冷却作用を利用しているため、冷却剤が不要
であるという利点と、極表層のみの加熱であるため、加
熱による全体的な歪みが少ないという利点がある。

【０００４】ところで、歯車のような複雑な形状の成形
部品では、加熱時の内部への熱拡散の様子や、冷却時の
内部からの熱伝導の様子が一定でないといった問題点が
ある。

【０００５】また、図９に示すように、レーザビーム４
の歯車２への入射角度が、その複雑な表面形状のため
に、歯底ではθ２であるの対して、歯面ではθ２より小
のθ１となって、一定ではなくなる。このため、レーザ
ビーム４のエネルギー密度分布が、図９の（ａ）に示す
ように均等であったとしても、歯車２へ照射した場合に
は、図９の（ｂ）に示すように、照射エネルギーは、歯
底が歯面よりも大となってしまい、あらゆる場所への均
等な入熱が困難であるという問題点がある。

【０００６】上述したような、レーザビーム４の歯車２
への入射角度の違いによる入熱量の補正については、入
射角度が小さくなりやすい歯面のみに吸収剤を塗布して
レーザの吸収率を高めて入熱量を補正したり、図９に示
すようなレーザエネルギー密度分布を制御して、歯面の
エネルギー密度が歯底のエネルギー密度よりも大となる
ようにレーザビームを照射する方法がある。

【０００７】また、図１０に示すように、歯面に対して
入射角が大きくなるように、歯底に対して斜めから、レ
ーザビームを歯面及び歯底に入射し、互いに対向する歯
面どうしが、同一の入射角となるように、各歯面に対し
てレーザビーム４ａと４ｂを、それぞれ照射する方法も
ある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】一般に、表面硬化歯車
に要求される性能は、使用時の負荷に対する歯元曲げ強
さと滑り、あるいは転がり転動時の歯面強さであり、こ
れらは焼入れ後の硬化深さ、硬度、残留応力が影響して
いる。

【０００９】硬化深さと硬度とは、入射するレーザエネ
ルギー、照射時間、照射速度などによって調整可能であ
るが、残留応力については焼入れ処理単独での調整は難
しく、焼入れ処理後にショットピーニングなどの残留応
力向上処理を施すことによって向上させなければならな
かった。

【００１０】このため、歯車を表面硬化させ、さらに高
い残留応力を付与させるには、レーザ焼き入れ工程後
に、残留応力向上処理工程が必要とであり、このための
装置も必要であった。

【００１１】したがって、従来技術における歯車のレー
ザ焼入れ方法においては、処理時間の短縮化が困難で、
製造コストの低下も困難であった。

【００１２】本発明の目的は、レーザ焼入れ工程中に残
留応力向上処理ができ、別工程を省略することが可能な
レーザ焼入れ方法及び装置を実現することである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は次のように構成される。（１）歯形を有する部材の歯形表面にレーザを照射する
レーザ焼入れ方法において、上記歯形を有する部材の歯
底部及び歯元部にレーザを照射し、この歯底部及び歯元
部へのレーザの照射に続いて、上記部材の歯面部にレー
ザを照射する。

【００１４】（２）好ましくは、上記（１）において、
上記レーザはライン状であり、このライン状のレーザ
を、上記部材の互いに隣接する歯と歯とを結ぶ直線上に
位置するように照射するとともに、上記レーザの光軸が
歯底部に対して、傾斜して照射し、上記歯底部及び歯元
部へのレーザの照射に続いて、上記部材の歯面部にレー
ザを照射する。

【００１５】（３）好ましくは、上記（２）において、
上記部材は歯車であり、上記ライン状のレーザを、歯車
の円周方向と平行とし、かつ、上記歯車の中心軸に向か
って照射する。

【００１６】（４）歯形を有する歯車部材の歯形表面に
レーザを照射するレーザ焼入れ方法において、２つのラ
イン状レーザを有し、これら２つのレーザを所定位置で
ラインとラインとが互いに重なるように交差させ、上記
レーザのラインが、上記歯車の中心軸と平行となるよう
に歯筋全体に照射して、上記２つのレーザの交差位置に
て上記歯車の歯底を焼入れ、上記歯車と上記交差位置と
を互いに離間させ、歯元から歯面、歯先の順に、上記２
つのレーザを、互いに隣接する２つの歯元及び歯面を同
時に焼入れる。

【００１７】（５）好ましくは、上記（４）において、
上記ライン状レーザを光学系レンズから上記歯車に照射
し、歯底への上記レーザの照射の後に、上記光学系レン
ズの位置を移動して、この光学系レンズと歯車とを互い
に離間することにより、歯元から歯面、歯先の順に、上
記２つのレーザを、互いに隣接する２つの歯元及び歯面
を同時に焼入れる。

【００１８】（６）歯形を有する部材の歯形表面にレー
ザを照射するレーザ焼入れ装置において、レーザを発生
するレーザ発振器と、上記レーザ発振器から発生された
レーザをライン状とし、このライン状のレーザを、上記
部材の互いに隣接する歯と歯とを結ぶ直線上に位置する
ように照射するとともに、上記レーザの光軸が歯底部に
対して、傾斜して照射する光学系と、上記歯底部及び歯
元部へのレーザの照射に続いて、上記部材の歯面部にレ
ーザを照射するレーザ照射位置移動手段とを備える。

【００１９】（７）歯形を有する歯車部材の歯形表面に
レーザを照射するレーザ焼入れ装置において、レーザを
発生するレーザ発振器と、上記レーザ発振器から発生さ
れたレーザを２つのライン状レーザとし、これら２つの
レーザを所定位置でラインとラインとが互いに重なるよ
うに交差させ、上記レーザのラインを上記歯車の中心軸
と平行となるようにして上記歯車に照射させる光学系
と、上記光学系と上記歯車との距離を変化させ、上記２
つのレーザを、上記歯車の歯筋全体に照射して、上記２
つのレーザの交差位置にて上記歯車の歯底を焼入れ、上
記歯車と上記交差位置とを互いに離間させ、歯元から歯
面、歯先の順に、上記２つのレーザを、互いに隣接する
２つの歯元及び歯面を同時に焼入れさせるレーザ照射位
置移動手段とを備える。

【００２０】ライン状のレーザを用い、照射部位の特定
や照射する順序を変化させ、冷却時に生じる熱応力と変
態応力のバランスによって特定部位に高い残留応力を付
与する。歯元部に高い圧縮残留応力を付与する場合、レ
ーザを、まず最初に歯底や歯元部に照射して硬化させ、
次に、歯面、歯先に向かって照射し硬化させる。

【００２１】これによって、先に硬化させた歯底、歯元
部に対して、後で硬化させた歯面の熱応力および変態応
力を歯元に作用させる。

【００２２】一般的に、急速加熱、急速冷却による変態
で体積膨張が生じ、歯面は膨張し、歯元部は圧縮され、
歯元部は焼入れ硬化時よりも高い圧縮傾向の残留応力が
残ることになる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を、添付
図面を参照して、部材の外側に歯形を有する外歯車を例
として説明する。図１は、本発明の第１の実施形態であ
るレーザ焼入れ方法を実施するレーザ焼き入れ装置の全
体概略構成図である。

【００２４】図１において、レーザ発振器６から放射さ
れたレーザ光は、シリンドリカル反射レンズ５ｃと５ｂ
とによって反射され、アスペクト比を変えた平行光に変
換される。そして、平行光となったレーザ光は、集束レ
ンズ５ａによって被加工部材１である歯車２の照射位置
で、焦点を結ぶように歯車２と集束レンズ５ａとの間隔
が調整されている。実際の装置の一例として、歯車２と
集束レンズ５ａとの距離が長くなる場合があるが、この
場合は、集束レンズ５ａからのレーザの焦点距離も大き
くなる。したがって、この場合は、集束レンズ５ａから
のレーザの焦点位置は、歯底２ａと歯面２ｂとが、焦点
深度内となる位置に調整される。

【００２５】レーザ焼き入れを行う被加工部材１は、図
２及び図３に示すように、円柱表面を加工して、歯底、
歯部が交互に形成されている。そして、被加工部材１は
図１に示すように、焼き入れ時は回転テーブル３上に固
定される。

【００２６】また、レーザビーム４の光軸が、被加工部
材１の回転中心軸と結ぶように、歯車２である被加工部
材１、集束レンズ５ａ等が配置される。

【００２７】レーザ発振器６から発振されたレーザビー
ム４は、レンズ５ｃ、５ｂ、５ａを通過し、歯車２に照
射される位置にてライン状ビーム４となるように調整さ
れている。

【００２８】光学系レンズ５ａによってライン状に集束
されたレーザビーム４の光軸は、図１に示すように、部
材１の軸方向に対して所定の角度θだけ傾けて照射され
る。または、レーザビーム４の光軸が歯底部２ａに対し
て、傾斜して照射される。

【００２９】さらに、照射されるビーム４は、図２に示
すように、歯底２ａを中心として、歯先から隣接する歯
先まで達するライン状ビームとなっている。

【００３０】つまり、ライン状ビームのラインが、互い
に隣接する歯と歯とを結ぶ直線上に位置し、歯車２の円
周方向と平行となるように照射される。

【００３１】被加工部材１へのレーザビーム４の照射部
分の状態は、図３に示すようになる。つまり、図３の配
置でみた場合、歯底２ａのレーザ照射位置は、図上、歯
面２ｂより下方位置にあり、歯面２ｂでは、歯面２ｂか
ら歯先部に向かうに従って上方位置となっている。

【００３２】このビーム照射状態において、モータ等の
レーザ照射位置移動手段により、レーザビーム４を、被
加工部材１に対して図３の下方位置に走査する、もしく
は部材１をレーザビーム４に対して、上方に移動するこ
とによって、歯底２ａが先に焼入れられ、続いて歯面２
ｂが、その後に焼入れられる。

【００３３】つまり、本発明の第１の実施形態によれ
ば、ライン状のレーザビーム４を用い、被加工部材１へ
のレーザ照射部位に照射する順序を変化させ、冷却時に
生じる熱応力と変態応力とのバランスによって特定部位
に高い残留応力を付与するというものである。

【００３４】特定部位に高い圧縮残留応力を付与する場
合、レーザビーム４を、まず最初に歯底２ａや歯元部に
照射して硬化させ、次に歯面２ｂから歯先に向かって照
射し硬化させる。

【００３５】先に硬化させた歯底２ａ、歯元部に対し
て、後で硬化させた歯面２ｂの熱応力および変態応力を
歯元部に作用させる。一般的に、急速加熱、急速冷却に
よって変態応力による体積膨張が発生するので、歯面２
ｂは膨張し、これによって、歯元部は圧縮され、歯元部
は焼入れ硬化時よりも高い圧縮傾向の残留応力が残るこ
とになる。

【００３６】したがって、本発明の第１の実施形態によ
れば、レーザ焼入れ工程中に残留応力向上処理ができ、
別工程を省略することが可能なレーザ焼入れ方法及び装
置を実現することができる。

【００３７】なお、上述した例において、レーザビーム
４は、図３に示すように、図の上から下の方向に移動さ
せて、歯車２を焼き入れ処理することとしたが、歯底２
ａと歯面２ｂとを処理後、光学系５ａ〜５ｃを反転させ
て、図３の下方から上方にレーザビーム移動させて、焼
き入れ処理するように構成することも可能である。

【００３８】この場合においても、歯底２ａを歯面２ｂ
に先行して、レーザビームを照射させることは勿論のこ
とである。

【００３９】次に、本発明の第２の実施形態を図４、図
５、図６を参照して説明する。図４は、本発明の第２の
実施形態であるレーザ焼入れ方法を実施するレーザ焼き
入れ装置の全体概略構成図である。

【００４０】図４において、レーザ発振器６から放射さ
れたレーザビームは、シリンドリカルレンズ５ｆによっ
てアスペクト比の異なる平行光に変換され、集束レンズ
５ｅによって集束後、焦点位置よりも遠い付置でさらに
集束レンズ５ｄを通過させることによって平行光に変換
する。

【００４１】そして、最終的に、歯車２への照射位置で
平行なライン状レーザビーム４となるように調整され
る。

【００４２】このとき、歯筋全体にわたってレーザビー
ム４を照射する必要がある。このためには、集束レンズ
５ｄの位置を移動することによって、レンズ５ｄと５ｅ
との間隔を変化させ、ライン状ビーム４の幅を調整す
る。なお、集束レンズ５ｄは、リニアステージなどを使
用すれば、その位置を移動することができる。

【００４３】この第２の実施形態では、図４に示すよう
に、歯車２の軸方向に沿ったライン状レーザビームを形
成する。図４には示していないが、レーザビーム４の光
軸は２系統あり、図５に示すように、ラインビーム４ａ
と４ｂとは互いに交差できる（ラインとラインとが互い
に重なるように交差できる）構成となっている。

【００４４】本発明の第１の実施形態において説明した
ように、歯底２ａを歯面２ｂに先だって硬化させる必要
があることから、レーザビーム４ａと４ｂとの互いの交
差位置にて歯底２ａに、レーザビーム４ａ、４ｂが照射
されるように、レーザビーム４ａ、４ｂ、及び被加工部
材１の位置を調整する。つまり、図６の（ａ）に示すよ
うな位置関係となるように調整する。

【００４５】そして、図６の（ａ）に示す位置にてレー
ザビーム４を照射すると、図中にハッチングで示したよ
うに硬化部が部分的に形成される。続いて、図６の
（ｂ）に示すように、次第に歯車２をレーザビーム４ａ
と４ｂとの交差位置及びレンズ５ｄから遠ざけるよう
に、モータ等のレーザ照射位置移動手段により移動させ
る。

【００４６】つまり、デフォーカスさせると、歯底２ａ
の位置はレーザビーム４ａと４ｂとの交差位置から遠ざ
かるとともに、２つのライン状ビーム４ａと４ｂとは交
差後、左右の歯元から互いに対向する２つの歯面２ｂ
へ、それぞれ移動し、硬化部分が図に示すように、歯面
２ｂまで広がってくる。

【００４７】さらに、デフォーカスを行うと、図６の
（ｃ）に図示するように、最終的に歯先までレーザビー
ム４ａ、４ｂが照射され、硬化される。このとき、デフ
ォーカスのために部材１を移動させるのではなく、レー
ザ光学系を歯車２に対して移動させても同じ効果が得ら
れる。

【００４８】この場合、先に焼き入れられる歯底２ａ
は、硬化して変態による体積膨張が勝るために圧縮残留
応力が残り、続いて歯面２ｂが焼入れられるために、歯
面の硬化に伴う体積膨張によって歯底部２ａには、より
高い圧縮傾向の残留応力が付与されることとなる。

【００４９】本発明の第２の実施形態においても、第１
の実施形態と同様な効果を得ることができる。

【００５０】なお、上述した第２の実施形態において、
光学系を２系統備えることとしたが、一系統の光学系に
より、１つのレーザビームから２つのレーザビーム４ａ
と４ｂとに分割する構成とすることもできる。

【００５１】図７は、上述した一系統の光学系により、
１つのレーザビームから２つのレーザビーム４ａと４ｂ
とに分割する構成の一例である。図７において、レーザ
発振器６からのレーザは、レンズ５ｆ、５ｅ、５ｄを介
してビームスプリッタ（ハーフミラー）５ｇに照射され
る。このハーフミラー５ｇにて、レーザビームは２つに
分割され、一方のレーザビームは、歯車２に照射され、
他方のレーザビームは、ミラー５ｈに照射される。そし
て、このミラー５ｈにより反射されたレーザビームは、
歯車２に照射される。

【００５２】これら２つのレーザビームを、歯車の歯底
から歯面へと移動させるには、ハーフミラー５ｇ及びミ
ラー５ｈを歯車２に対して、図７の（ａ）から（ｂ）に
示すように、図の上方（矢印ｕ）へと移動させるととも
に歯車２を左に回転移動（矢印Ｒ）させる。

【００５３】図７に示した例のような構成により、１つ
のレーザビームから２つのレーザビーム４ａと４ｂとに
分割することができる。

【００５４】図８は、上述した一系統の光学系により、
１つのレーザビームから２つのレーザビーム４ａと４ｂ
とに分割する構成の他の例である。図８において、レー
ザ発振器６からのレーザは、レンズ５ｆ、５ｅ、５ｄを
介してビームスプリッタ５ｉに照射される。このビーム
スプリッタ５ｉにて、レーザビームは２つに分割され、
一方のレーザビームは、ミラー５ｊに照射され、他方の
レーザビームは、ミラー５ｋに照射される。そして、こ
のミラー５ｊ、５ｋにより反射された２つのレーザビー
ムは、歯車２に照射される。

【００５５】これら２つのレーザビームを、歯車の歯底
から歯面へと移動させるには、ビームスプリッタ５ｉ、
ミラー５ｊ、５ｋを歯車２に対して、図８の（ａ）から
（ｂ）に示すように、図の上方へと移動させる。

【００５６】図８に示した例のような構成によっても、
１つのレーザビームから２つのレーザビーム４ａと４ｂ
とに分割することができる。

【００５７】なお、上述した実施形態は外歯車について
説明しているが、内歯車等についても同様に本発明を適
用することが可能である。

【００５８】

【発明の効果】本発明によれば、レーザ焼入れ工程中に
残留効力向上処理ができ、別工程を省略することが可能
なレーザ焼入れ方法及び装置を実現することができる。

【００５９】つまり、焼入れ順序を制御することによっ
て、所望箇所の残留応力を圧縮側に高めることが可能と
なり、レーザ焼入れ工程中に残留応力向上処理ができ、
高い機械的性質を持つ歯車を提供することが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態であるレーザ焼入れ方
法を実施するレーザ焼き入れ装置の全体概略構成図であ
る。

【図２】本発明の第１の実施形態の動作説明図である。

【図３】本発明の第１の実施形態の動作説明図である。

【図４】本発明の第２の実施形態であるレーザ焼入れ方
法を実施するレーザ焼き入れ装置の全体概略構成図であ
る。

【図５】本発明の第２の実施形態の動作説明図である。

【図６】本発明の第２の実施形態の動作説明図である。

【図７】本発明の第２の実施形態の一変形例の説明図で
ある。

【図８】本発明の第２の実施形態の他の変形例の説明図
である。

【図９】従来技術におけるレーザ処理方法の一例の説明
図である。

【図１０】従来技術におけるレーザ処理方法の他の例の
説明図である。

【符号の説明】

１被加工部材２歯車２ａ歯底２ｂ歯面３回転ステージ４レーザビーム５ａ、５ｄ、５ｅ集束レンズ５ｂ、５ｃ反射レンズ５ｆシリンドリカルレンズ５ｇ、５ｉビームスプリッタ５ｈ、５ｊ、５ｋミラー６レーザ発振器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｃ２１Ｄ 1/09 Ｃ２１Ｄ 1/09 ＨＭ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】歯形を有する部材の歯形表面にレーザを照
射するレーザ焼入れ方法において、上記歯形を有する部材の歯底部及び歯元部にレーザを照
射し、この歯底部及び歯元部へのレーザの照射に続い
て、上記部材の歯面部にレーザを照射することを特徴と
するレーザ焼入れ方法。
【請求項２】請求項１記載のレーザ焼入れ方法におい
て、上記レーザはライン状であり、このライン状のレー
ザを、上記部材の互いに隣接する歯と歯とを結ぶ直線上
に位置するように照射するとともに、上記レーザの光軸
が歯底部に対して、傾斜して照射し、上記歯底部及び歯
元部へのレーザの照射に続いて、上記部材の歯面部にレ
ーザを照射することを特徴とするレーザ焼入れ方法。
【請求項３】請求項２記載のレーザ焼入れ方法におい
て、上記部材は歯車であり、上記ライン状のレーザを、
歯車の円周方向と平行とし、かつ、上記歯車の中心軸に
向かって照射することを特徴とするレーザ焼入れ方法。
【請求項４】歯形を有する歯車部材の歯形表面にレーザ
を照射するレーザ焼入れ方法において、２つのライン状レーザを有し、これら２つのレーザを所
定位置でラインとラインとが互いに重なるように交差さ
せ、上記レーザのラインが、上記歯車の中心軸と平行と
なるように歯筋全体に照射して、上記２つのレーザの交
差位置にて上記歯車の歯底を焼入れ、上記歯車と上記交
差位置とを互いに離間させ、歯元から歯面、歯先の順
に、上記２つのレーザを、互いに隣接する２つの歯元及
び歯面を同時に焼入れることを特徴とするレーザ焼入れ
方法。
【請求項５】請求項４記載のレーザ焼入れ方法におい
て、上記ライン状レーザを光学系レンズから上記歯車に
照射し、歯底への上記レーザの照射の後に、上記光学系
レンズの位置を移動して、この光学系レンズと歯車とを
互いに離間することにより、歯元から歯面、歯先の順
に、上記２つのレーザを、互いに隣接する２つの歯元及
び歯面を同時に焼入れることを特徴とするレーザ焼入れ
方法。
【請求項６】歯形を有する部材の歯形表面にレーザを照
射するレーザ焼入れ装置において、レーザを発生するレーザ発振器と、上記レーザ発振器から発生されたレーザをライン状と
し、このライン状のレーザを、上記部材の互いに隣接す
る歯と歯とを結ぶ直線上に位置するように照射するとと
もに、上記レーザの光軸が歯底部に対して、傾斜して照
射する光学系と、上記歯底部及び歯元部へのレーザの照射に続いて、上記
部材の歯面部にレーザを照射するレーザ照射位置移動手
段と、を備えることを特徴とするレーザ焼入れ装置。
【請求項７】歯形を有する歯車部材の歯形表面にレーザ
を照射するレーザ焼入れ装置において、レーザを発生するレーザ発振器と、上記レーザ発振器から発生されたレーザを２つのライン
状レーザとし、これら２つのレーザを所定位置でライン
とラインとが互いに重なるように交差させ、上記レーザ
のラインを上記歯車の中心軸と平行となるようにして上
記歯車に照射させる光学系と、上記光学系と上記歯車との距離を変化させ、上記２つの
レーザを、上記歯車の歯筋全体に照射して、上記２つの
レーザの交差位置にて上記歯車の歯底を焼入れ、上記歯
車と上記交差位置とを互いに離間させ、歯元から歯面、
歯先の順に、上記２つのレーザを、互いに隣接する２つ
の歯元及び歯面を同時に焼入れさせるレーザ照射位置移
動手段と、を備えることを特徴とするレーザ焼入れ装置。