JP2009235490A

JP2009235490A - レーザ熱処理装置

Info

Publication number: JP2009235490A
Application number: JP2008083358A
Authority: JP
Inventors: Yusuke Wakabayashi; 優輔若林; Soshi Shibukawa; 壮史澁川; Shinichiro Hagiwara; 信一郎萩原; Nobuaki Takahashi; 伸明高橋
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2008-03-27
Filing date: 2008-03-27
Publication date: 2009-10-15
Anticipated expiration: 2028-03-27
Also published as: JP4990205B2

Abstract

【課題】歯溝の表面に所望の硬化層分布を得ることができるようにする。
【解決手段】歯溝にレーザを照射して歯車Ｇを焼き入れする。その際、歯底ｇｃを挟んで立ち上がる第１の歯面ｇａおよび第２の歯面ｇｂに対し、それぞれ歯面の歯先から歯底方向に矩形状のパワー密度分布を有する第１のレーザＬ１および第２のレーザＬ２を照射する。さらに、第１の歯面ｇｃと第２の歯面ｇｂの間で第３のレーザＬ３を往復動させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザによって歯車の表面を熱処理するレーザ熱処理装置に関する。

従来より、歯車の歯溝の表面にレーザを照射して熱処理するようにした装置が知られている（例えば特許文献１参照）。この特許文献１記載の装置では、レーザ発振器から発振されたレーザを三角柱状のミラーにより２つに振り分けた後、各レーザを全反射ミラーで反射させ、歯底を挟んで立ち上がる一対の歯面に向けてそれぞれレーザを照射する。

特開昭６０−２１５７１５号公報

ところで、歯車は用途に応じて要求される硬化層の分布が異なる。しかしながら、上記特許文献１記載の装置のように一対の歯面に向けてレーザを照射するだけでは、所望の硬化層の分布を得ることが難しい。

本発明によるレーザ熱処理装置は、歯溝にレーザを照射して歯車を焼き入れするレーザ熱処理装置であって、歯底を挟んで立ち上がる第１の歯面および第２の歯面に対し、それぞれ歯面の歯底から歯先方向に矩形状のパワー密度分布を有する第１のレーザおよび第２のレーザを照射する第１のレーザ照射手段および第２のレーザ照射手段と、歯溝に向けて第３のレーザを照射する第３のレーザ照射手段と、第３のレーザ照射手段により照射された第３のレーザを、第１の歯面と第２の歯面の間で往復動させる移動手段とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、歯底を挟んで立ち上がる一対の歯面にそれぞれ矩形状のパワー密度分布を有するレーザを照射するとともに、この一対の歯面間を別のレーザを往復動させるようにしたので、歯溝表面に所望の硬化層の分布を得ることができる。

以下、図１〜図１２を参照して本発明によるレーザ熱処理装置の実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態に係るレーザ熱処理装置の概略構成を示す図であり、図２は、熱処理の対象物である歯車Ｇの歯溝の形状を示す斜視図である。なお、図１（ａ）は、熱処理の対象物である歯車Ｇを正面から見た図を、図１（ｂ）は、歯車Ｇの回転中心Ｏを通る鉛直線ＶＬ上の部品の配置図を示している。

図２に示すように歯溝には、歯底ｇａから歯先ｇｄ，ｇｅに向けて立ち上がる一対の歯面ｇａ，ｇｂが形成される。なお、歯面ｇａ，ｇｂの歯先側は歯末面、歯底側は歯元面であり、歯溝の最低点ｒ０（図５）をここでは歯底の中心または歯底の点と呼ぶ。

図１のレーザ熱処理装置では、歯車Ｇの頂部に位置する鉛直線ＶＬ上の歯溝に向け、それぞれ３方向からレーザＬ１〜Ｌ３が照射される。このレーザ熱処理装置は、３つのレーザ発振器および電源１０１と、各レーザ発振器１０１から発振されたレーザを伝送する３つの光ファイバＦと、各光ファイバＦによって伝送されたレーザを歯溝に向けて照射する３つの光学系１Ａ〜１Ｃとを有する。

各光学系１Ａ〜１Ｃはそれぞれ駆動系２によりて三軸方向（例えばＸＹＺ軸方向）に移動可能であり、これによりレーザＬ１〜Ｌ３の照射位置を調整できる。駆動系２はモータなどのアクチュエータを含み、コントローラ１００からの信号により駆動される。歯車Ｇは、その中心部がチャック３により支持され、モータ１１の駆動によって矢印Ｒ１方向に回転可能である。モータ１１の駆動により歯車Ｇを１ピッチづつ回転させることで、全ての歯溝の表面を焼き入れ処理することができる。

図１（ｂ）に示すように鉛直線ＶＬ上の歯車Ｇの上方にはＣＣＤユニット１２が設けられている。ＣＣＤユニット１２からの信号は画像処理ボード１０２に入力され、このＣＣＤユニット１２からの信号に基づき、画像処理ボード１０２は歯車Ｇの歯底位置を検出する。画像処理ボード１０２からの信号はコントローラ１００に入力され、この入力信号に基づきコントローラ１００はモータ１１の駆動を制御（フィードバック制御）し、歯底の点（歯溝の最低点）を鉛直線ＶＬ上に位置させる。

図１（ａ）に示すように歯車Ｇを正面から見ると、光学系１Ｃは鉛直線ＶＬ上の歯車Ｇの上方に配置されている。一方、光学系１Ａ，１Ｂはそれぞれ光学系１Ｃの両側に鉛直線ＶＬに対して対称に、かつ歯面ｇａ，ｇｂ（図２）に向けて配置されている。図１（ｂ）に示すように歯車Ｇの上方には光学系１Ｃに面してスキャナーミラー１４が配置され、光学系１Ｃを介したレーザＬ３は、スキャナーミラー１４で反射されて歯溝の表面に照射される。

図３は、スキャナーミラー１４の構成を示す斜視図である。スキャナーミラー１４はモータ１５の駆動により矢印方向に揺動可能である。コントローラ１００からの信号によりスキャナーミラー１４を揺動させることで、光学系１ＣからのレーザＬ３の照射位置を変更できる。なお、スキャナーミラー１４の揺動支点Ｐ０は鉛直線ＶＬ上にある（図６）。

図２にはレーザＬ１〜Ｌ３の照射範囲を併せて示す。光学系１Ａ，１Ｂを介したレーザＬ１，Ｌ２は、歯面ｇａ，ｇｂにそれぞれ照射される。一方、光学系１Ｃを介したレーザＬ３は、スキャナーミラー１４の揺動により、歯底ｇｃを経由して歯先ｇｄ，ｇｅにかけて照射可能である。レーザＬ１〜Ｌ３は、それぞれ光学系１Ａ〜１Ｃの移動により歯幅方向Ｗに移動し、歯幅方向全面にレーザＬ１〜Ｌ３が照射される。

本実施の形態では、光学系１Ａ，１ＢによりレーザＬ１，Ｌ２のパワー密度Ｐを矩形分布とする。以下、この点について説明する。図４（ｂ）〜（ｄ）は、それぞれ光学系１Ａ，１Ｂの構成の一例を示す図である。なお、図４（ａ）は本実施の形態の比較例を示している。

図４（ａ）では、光ファイバーＦからのレーザＬが、コリメーションレンズ８によりコリメートされた後、集光レンズ９を介して照射されている。この場合のパワー密度Ｐは、図示のように光軸の中心部分にピークを有するガウス分布となる。

これに対し、図４（ｂ）では、コリメーションレンズ８と集光レンズ９の間に、複数の円筒状レンズを平面上に並べて組み合わせたフライアイレンズ４が設けられている。これによりコリメーションレンズ８によりコリメートされたレーザＬは、フライアイレンズ４を通過時に分割され、集光レンズ９によって光線方向を曲げられて、ワーク上で重畳される。その結果、パワー密度分布が均一化され、パワー密度Ｐは図のような矩形分布となる。

図４（ｃ）は角柱の内面に４枚の平面反射鏡を対向して配置したカライドスコープ７を設けた例である。ファイバーＦから出射されたレーザＬは、カライドスコープ７内で多重反射されてパワー密度分布が均一化され、パワー密度Ｐが矩形分布となる。図４（ｄ）では、スタック６内に複数の半導体素子５を配置し、これら半導体素子５から発振されたレーザＬを積層し、さらに位相が９０ｄｅｇ異なる２枚のシリンドリカルレンズ８を用いてレーザＬを整形して、パワー密度Ｐを矩形分布としている。

図４（ｂ）〜（ｄ）において、歯車Ｇに向けて照射されるレーザＬのスポットサイズを変更する場合には、照射方向と同軸方向の集光レンズ９もしくはシリンドリカルレンズ８と歯車Ｇとの距離を変更すればよい。なお、図４（ｂ）〜（ｄ）には光学系１Ａ，１Ｂの構成を示したが、光学系１Ｃをこれと同様に構成し、レーザＬ３のパワー密度Ｐを矩形分布としてもよい（図１０参照）。

図５は、レーザＬ１，Ｌ２の照射による歯溝表面の硬化層の分布を示す図である。歯面ｇａ，ｇｂにそれぞれ矩形分布のレーザＬ１，Ｌ２が照射されることにより、歯底ｇｃから歯先ｇｄ，ｇｅにかけて入熱量が均一になり、歯溝表面に均一な硬化層（斜線領域Ｑ）が形成される。本実施の形態では、さらに所定部位の硬化層を深くするため、以下のようにスキャナーミラー１４を揺動させつつレーザＬ３をオンオフする。

図６は、レーザＬ３の照射部位の一例を示す図である。コントローラ１００には、予めスキャナーミラー１４を駆動するための波形信号が設定されている。コントローラ１００は、この波形信号に応じてモータ１５（図３）に制御信号を出力し、スキャナーミラー１４の揺動振幅と周波数を制御する。例えば図のθの範囲に揺動振幅を制御する。さらに、コントローラ１００は、波形信号に同期してレーザ発振器電源１０１に制御信号を出力し、レーザＬ３をオンオフさせる。例えば図６の領域ａでレーザＬ３をオン（照射）させ、他の領域でオフさせる。これにより領域ａにおける入熱量が増大し、領域ａの硬化層を深くすることができ、歯車Ｇの強度を部分的に高めることができる。

図７〜図９により硬化層分布の具体例を説明する。図７（ａ）〜図９（ａ）は、それぞれ本実施の形態に係るレーザ熱処理装置により熱処理された歯溝表面の硬化層分布の一例を示す図であり、図７（ｂ）〜図９（ｂ）は、これら硬化層分布に対応したスキャナーミラー１４の波形信号とレーザＬ３のオンオフ信号の変化を示す図である。

図７では、歯面ｇａ，ｇｂにそれぞれ矩形分布のレーザＬ１，Ｌ２を照射しつつ、歯面ｇａ，ｇｂの高さ方向中央領域でレーザＬ３をオンし、他の領域でレーザＬ３をオフしている。これにより歯面ｇａ，ｇｂの高さ方向中央領域、すなわち基準ピッチ円周辺の硬化層が深くなって歯面強度を高めることができ、例えば歯面ｇａ，ｇｂに高い面圧が作用する高モジュールの歯車に適した構成とすることができる。

図８では、歯面ｇａ，ｇｂにそれぞれ矩形分布のレーザＬ１，Ｌ２を照射しつつ、歯面ｇａ，ｇｂの歯元領域でレーザＬ３をオンし、他の領域でレーザＬ３をオフしている。これにより歯元の硬化層が深くなって歯元強度を高めることができ、例えば低モジュールで高速回転する歯車に適した構成とすることができる。

図９では、歯面ｇａ，ｇｂにそれぞれ矩形分布のレーザＬ１，Ｌ２を照射しつつ、歯元から歯底ｇｃにかけてレーザＬ３をオンしている。これにより歯底の硬化層が深くなって歯底強度を高めることができ、歯底ｇｃを起点にしたクラックの発生を防ぐことができる。

次に、レーザＬ３のスポット形状について説明する。図１０（ａ），（ｂ）は、それぞれレーザＬ３のパワー密度Ｐをガウス分布、矩形分布としたときのレーザＬ３のスポット形状を示す図である。なお、図ではレーザＬ３は歯底ｇｃを照射しており、スキャナーミラー１４の揺動によりレーザＬ３は矢印Ｒ１，Ｒ２方向に往復動しつつ、駆動系２の駆動により矢印Ｗ方向（歯幅方向）に進行する。

図のｆ１は、それぞれレーザＬ３のパワー密度分布の特性であり、ｆ２は、それぞれレーザＬ３がオンされる部位（歯底）の入熱量の特性である。ｆ２の特性は、レーザＬ３のオンによるパワー密度Ｐをスキャナーミラー１４の周波数で積算し、これにレーザＬ１，Ｌ２の入熱量を加算して求められる。

図１０（ａ）のガウス分布の場合は、レーザＬ３の中央にパワー密度Ｐのピークがある。このため、入熱量の特性ｆ２は図示のように中央にピークを持つ分布となり、歯溝表面が溶融するおそれがある。これに対し図１０（ｂ）の矩形分布の場合は、レーザＬ３のオンにより入熱量を均一に高めることができ、歯溝表面の溶融を防ぐことができる。

図１１は、歯幅に対して垂直なレーザＬ３の横方向のスポット幅を示す図である。歯先ｇｄから歯底ｇｃまでの長さ、厳密には歯先ｇｄと歯面ｇａの交点ｒ１から歯底の点ｒ０までの長さをＳとすると、図１１（ａ）ではレーザＬ３のスポット幅Ｓｈ１はＳの１／２倍程度であり、図１１（ｂ）ではＳの１／４倍程度である。ここで、スポット幅Ｓｈ１が長いと、レーザＬ３の照射範囲が広くなるため、入熱の分解能が低下し、精密な硬化層分布を形成することができない。この点を考慮すると、スポット幅Ｓｈ１は少なくともＳの１倍以下、好ましくはＳの１／４倍程度とするのがよい。

本実施の形態では、駆動系２によってレーザＬ１〜Ｌ３をそれぞれ歯車Ｇの歯幅方向Ｗに進行させるが、その進行タイミングについて説明する。図１２は、歯面ｇａ，ｇｂにレーザＬ１，Ｌ２が照射されているときのレーザＬ３の照射位置を示す図である。なお、図ではレーザＬ３が歯面ｇｂを照射している。レーザＬ１〜Ｌ３は、コントローラ１００から駆動系２に出力される制御信号によりその進行タイミングが制御される。

図１２においてレーザＬ３の進行方向のスポット幅をＳｈ２とすると、図１２（ａ）では、スポット幅Ｓｈ２の分だけレーザＬ３がレーザＬ１，Ｌ２よりも先行している。図１２（ｂ）では、レーザＬ３がレーザＬ１，Ｌ２と同時進行している。図１２（ｃ）では、レーザＬ３がレーザＬ１，Ｌ２よりも遅れて進行している。図１２（ｄ）では、スポット幅Ｓｈ２の分だけレーザＬ３が遅れて進行している。図１２（ｅ）では、スポット幅Ｓｈ２よりも遅れてレーザＬ３が進行し、レーザＬ１，Ｌ２とレーザＬ３の照射領域が不連続となっている。なお、本実施の形態では、図１２（ｃ）または（ｄ）のようにレーザＬ１〜Ｌ３の進行タイミングを設定しており、図１２（ａ），（ｂ），（ｅ）は本実施の形態の比較例である。

図１２の右側の特性ａ〜ｅは、それぞれ図１２（ａ）〜（ｅ）に対応した歯溝表面の温度変化の特性である。図１２（ａ）の場合には、レーザＬ３がオンオフを繰り返す間に歯溝表面が冷え、熱が拡散する。このため、特性ａに示すように温度上昇が小さく、焼き入れ可能温度であるＡ１点以上に温度を保持することができない。図１２（ｂ）の場合には、レーザＬ１〜Ｌ３が同時に照射されるため、特性ｂに示すように歯溝表面の温度上昇は大きい。しかし、冷える時間が速く、Ａ１点以上の温度に長く保持することができないため、深い焼き入れが難しい。

これに対し、図１２（ｃ），（ｄ）の場合には、レーザＬ１，Ｌ２の照射により歯溝表面を温度上昇させ、この温度が低下する前にレーザＬ３が照射される。このため、特性ｃ、ｄに示すように長い時間Ａ１点以上の温度を保持することができ、硬化層を深くすることができる。なお、図１２（ｅ）の場合には、レーザＬ１，Ｌ２の照射後、歯溝表面の温度が低下してからレーザＬ３が照射されるため、特性ｅに示すように温度上昇のピークが２つでき、Ａ１点以上に温度を保持することができない。

本実施の形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
（１）歯底ｇｃを挟んで立ち上がる一対の歯面ｇａ，ｇｂに対し、それぞれ歯面ｇａ，ｇｂの高さ方向（歯底から歯先方向）に矩形状のパワー密度分布を有するレーザＬ１，Ｌ２を照射するとともに、スキャナーミラー１４の揺動により歯面ｇａ，ｇｂの間でレーザＬ３を往復動させながら照射するようにした。これにより歯溝表面の入熱量を部分的に増大することができ、所望の硬化層の分布を得ることができる。
（２）スキャナーミラー１４の揺動に同期してレーザＬ３をオンオフするようにしたので、目標位置に精度良くレーザＬ３を照射することができる。
（３）歯底ｇｃの中心ｒを通る鉛直線ＶＬ上にスキャナミラー１４の揺動支点ｐ０を設けるので、スキャナーミラー１４を鉛直線ＶＬに対して対称に揺動させるだけで歯面ｇａ，ｇｂに対称に焼き入れすることができ、構成が容易である。

（４）レーザＬ３の歯幅方向のパワー密度分布を矩形状のパワー密度分布としたので（図１０）、歯溝表面への入熱量が均一となり、歯溝表面の溶融を防ぐことができる。
（５）レーザＬ１，Ｌ２を歯幅方向に進行させた後、レーザＬ１，Ｌ２とレーザＬ３が不連続となる前にレーザＬ３を進行させるようにしたので（図１２）、Ａ１点以上の温度に長い時間保持することができ、焼き入れ硬化層を深くすることができる。
（６）歯幅と垂直な方向、つまり歯車Ｇの外周方向のレーザＬ３のスポット幅Ｓｈ１を歯先と歯底の間の距離Ｓよりも短くするようにしたので（図１２）、歯溝表面の入熱の分解能が高まり、精密な硬化層分布を形成することができる。

なお、上記実施の形態では、レーザ発振器電源１０１で発振したレーザＬ１を光学系１Ａを介して歯面ｇａ（第１の歯面）に照射し、レーザ発振器電源１０１で発振したレーザＬ２を光学系１Ｂを介して歯面ｇｂ（第２の歯面）に照射したが、第１のレーザ照射手段および第２のレーザ照射手段の構成はこれに限らない。また、レーザ発振器電源１０１で発振したレーザＬ３（第３のレーザ）を光学系１Ｃを介し、スキャナーミラー１４で反射させて歯溝に向けて照射したが、第３のレーザ照射手段の構成もこれに限らない。

スキャナーミラー１４の揺動により歯溝に沿ってレーザＬ３を揺動させるようにしたが、歯面ｇａ，ｇｂの間でレーザＬ３を往復動させるのであれば、他の移動手段を用いてもよい。揺動部材としてスキャナーミラー１４ではなく、光学系１Ｃを揺動させてもよい。レーザ制御手段としてのコントローラ１００からの信号により波形信号に同期させてレーザＬ３をオンオフさせるようにしたが、照射量をオンオフ制御するのではなく、増減制御するようにしてもよい。

駆動系２により歯幅方向にレーザＬ１〜Ｌ３を進行させるようにしたが、進行手段はいかなるものでもよい。コントローラ１００からの信号により駆動系２の駆動を制御することで、レーザＬ１，Ｌ２を歯幅方向に同時に移動させた後、レーザＬ１，Ｌ２とレーザＬ３が不連続となる前にレーザＬ３を歯幅方向に移動させるようにしたが、進行制御手段はこれに限らない。すなわち、本発明の特徴、機能を実現できる限り、本発明は実施の形態のレーザ熱処理装置に限定されない。

本発明の実施の形態に係るレーザ熱処理装置の概略構成を示す図。歯車の歯溝の形状を示す斜視図。スキャナーミラーの構成を示す斜視図。光学系の構成を示す図。レーザＬ１，Ｌ２の照射による歯溝表面の硬化層分布を示す図。レーザＬ３の照射部位を示す図。本実施の形態に係るレーザ熱処理装置により熱処理された歯溝表面の硬化層の分布の一例を示す図。本実施の形態に係るレーザ熱処理装置により熱処理された歯溝表面の硬化層の分布の他の例を示す図。本実施の形態に係るレーザ熱処理装置により熱処理された歯溝表面の硬化層の分布のさらに別の例を示す図。レーザＬ３のスポット形状とパワー密度分布と入熱量の関係を示す図。レーザの横方向のスポット幅を示す図。レーザＬ３の進行タイミングの違いによる歯溝表面の温度特性の変化を示す図。

符号の説明

１Ａ〜１Ｃ光学系
２駆動系
１４スキャナーミラー
１５モータ
１００コントローラ
１０１レーザ発振器電源
Ｌ１〜Ｌ３レーザ
ｇａ，ｇｂ歯面
ｇｃ歯底
Ｐ０揺動支点

Claims

歯溝にレーザを照射して歯車を焼き入れするレーザ熱処理装置であって、
歯底を挟んで立ち上がる第１の歯面および第２の歯面に対し、それぞれ歯面の歯底から歯先方向に矩形状のパワー密度分布を有する第１のレーザおよび第２のレーザを照射する第１のレーザ照射手段および第２のレーザ照射手段と、
歯溝に向けて第３のレーザを照射する第３のレーザ照射手段と、
前記第３のレーザ照射手段により照射された第３のレーザを、前記第１の歯面と前記第２の歯面の間で往復動させる移動手段とを備えることを特徴とするレーザ熱処理装置。
請求項１に記載のレーザ熱処理装置において、
前記移動手段による第３のレーザの往復動に伴い、前記第３のレーザ照射手段による第３のレーザの照射量を制御するレーザ制御手段とを備えることを特徴とするレーザ熱処理装置。
請求項１または２に記載のレーザ熱処理装置において、
前記移動手段は、揺動部材の揺動により前記第３のレーザを往復動させ、
前記揺動部材の揺動支点は、前記歯車の回転中心と歯溝の最低点とを結ぶ延長線上に設けられることを特徴とするレーザ熱処理装置。
請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ熱処理装置において、
前記第３のレーザは、歯幅方向に矩形状のパワー密度分布を有することを特徴とするレーザ熱処理装置。
請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ熱処理装置において、
前記第１のレーザ、前記第２のレーザ、および前記第３のレーザを歯幅方向に進行させる進行手段と、
前記第１のレーザおよび前記第２のレーザを歯幅方向に同時に進行させた後、前記第１のレーザおよび前記第２のレーザの照射領域が前記第３のレーザの照射領域に対して不連続となる前に、前記第３のレーザを歯幅方向に進行させる進行制御手段とをさらに備えることを特徴とするレーザ熱処理装置。
請求項１〜５のいずれか１項に記載のレーザ熱処理装置において、
歯幅と垂直な方向における前記第３のレーザのスポット幅は、少なくとも歯先と歯底の間の距離よりも短いことを特徴とするレーザ熱処理装置。