JP6662635B2 - 歯車の熱処理方法及び歯車の熱処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、周方向に並べられ径方向外側へ突出する複数の歯と、当該各歯の間に形成される歯底部と、を有する歯車の熱処理方法及び装置に関する。

この種の歯車の熱処理方法として、各歯を順次、レーザ光で焼入れするものが知られている（特許文献１参照）。特許文献１に記載のレーザ熱処理装置では、複数のレーザ照射手段を用いて焼入れを行っている。

特開２００９−２３５４９０号公報

しかしながら、特許文献１に記載のように、各歯の焼入れをすると、各歯で複数のレーザ光を細かく制御しなければならず、制御が複雑となる。また、各歯が個別に加熱されることとなるので、熱処理中に歯車にて熱的な境界が生じ、熱処理後の歯車の品質が低下してしまう。さらに、既に焼入れ処理が終了した歯に隣接する歯の焼入れを行った際、焼入れ処理が終了した歯が再加熱されて品質が低下するという問題点もある。

本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、簡単な制御で、熱処理後の歯車の品質を確保することのできる歯車の熱処理方法及び歯車の熱処理装置を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明によれば、周方向に並べられ径方向外側へ突出する複数の歯と、当該各歯の間に形成される歯底部と、を有する歯車の熱処理方法であって、前記歯車を回転させた状態で、少なくとも２つの前記歯を含む所定領域に第１レーザ光を連続的に照射しつつ、当該所定領域内における前記歯底部に第２レーザ光を照射する歯車の熱処理方法が提供される。

この歯車の熱処理方法によれば、歯車を回転させながら各レーザ光を照射するようにしたので、局所的な加熱によって歯車の表面や角部が溶融することはなく、歯車全体を均一に加熱することができる。また、所定箇所で熱的な境界が生じて熱処理後の歯車の品質が低下することを防止することができる。
ここで、各歯の表面には第１レーザ光が照射され、各歯底部の表面には第１レーザ光と第２レーザ光とが重畳的に照射される。すなわち、各歯については第１レーザ光からのみ熱量が供給されるのに対し、各歯底部については第１レーザ光と第２レーザ光から熱量が供給される。これにより、熱が歯車の内部へ逃げてしまう各歯底部について、各歯よりも多くの熱量を供給することができる。従って、各歯と各歯底部をともに均一な温度で加熱することができ、各歯及び各歯底部の熱処理に必要な温度を確保することができる。
さらに、第２レーザ光は第１レーザ光の照射範囲内で照射されるので、第１レーザ光の照射範囲外で照射される場合と比較して、各歯底部とその周囲の温度差が大きくなることはない。これによっても、所定箇所で熱的な境界が生じて熱処理後の歯車の品質が低下することを防止することができる。

上記歯車の熱処理方法において、前記第２レーザ光の照射は、前記歯底部に沿って走査して行われてもよい。

上記歯車の熱処理方法において、前記第１レーザ光の焦点は、前記歯底部に合わせられてもよい。

また、本発明によれば、周方向に並べられ径方向外側へ突出する複数の歯と、当該各歯の間に形成される歯底部と、を有する歯車の熱処理装置であって、前記歯車を回転自在に保持する保持部と、前記保持部に保持された前記歯車を回転させる回転部と、前記歯車における少なくとも２つの前記歯を含む所定領域に第１レーザ光を照射する第１レーザ部と、前記所定領域内における前記歯底部に第２レーザ光を照射する第２レーザ部と、を備えた歯車の熱処理装置が提供される。

上記歯車の熱処理装置において、前記第２レーザ部の前記第２レーザ光を前記歯底部に沿って走査可能な移動部を備えてもよい。

上記歯車の熱処理装置において、前記第１レーザ部の前記第１レーザ光の焦点は、前記歯底部に合わせられてもよい。

本発明によれば、簡単な制御で、熱処理後の歯車の品質を確保することができる。

本発明の一実施形態を示す歯車の熱処理装置の概略ブロック図である。 歯車の熱処理装置の一部斜視図である。 歯車の熱処理装置の動作を示す概略フローチャートである。 歯車に第１及び第２のレーザ光が照射される状態を示す歯車の断面説明図である。 歯車に第１及び第２のレーザ光が照射される状態を示す歯車の平面説明図である。 第１レーザ光の照射領域内における第２レーザ光の位置の移動方向を示す説明図である。

図１から図６は本発明の一実施形態を示すものであり、図１は歯車の熱処理装置の概略ブロック図、図２は歯車の熱処理装置の一部斜視図、図３は歯車の熱処理装置の動作を示す概略フローチャート、図４は歯車に第１及び第２のレーザ光が照射される状態を示す歯車の断面説明図、図５は歯車に第１及び第２のレーザ光が照射される状態を示す歯車の平面説明図、図６は第１レーザ光の照射領域内における第２レーザ光の位置の移動方向を示す説明図である。

図１に示すように、この歯車の熱処理装置１は、周方向に並べられた複数の歯１０１と、当該各歯１０１の間に形成される歯底部１０２と、を有する歯車１００の熱処理を行う。本実施形態においては、歯車の熱処理装置１は、レーザ光を用いて、歯車１００の焼入れを行う。熱処理に供される歯車１００としては、各歯１０１が径方向外側へ突出されたものであればよく、例えば、平歯車、はすば歯車、かさ歯車、ねじ歯車、スプライン軸等の各種歯車の熱処理を行うことができる。本実施形態の歯車１００は、スプライン１２０が形成されたスプライン軸である。

本実施形態の歯車の熱処理装置１は、歯車１００を回転自在に保持するワーク保持部２と、ワーク保持部２に保持された歯車１００を回転させる回転部としての回転モータ３と、歯車１００における少なくとも２つの歯１０１を含む所定領域に第１レーザ光Ｌ１を照射する第１レーザ部４と、所定領域内における歯底部１０２に第２レーザ光Ｌ２を照射する第２レーザ部５と、第１レーザ部４を移動可能な第１移動部６と、第２レーザ部５を移動可能な第２移動部７と、を備えている。尚、図１においては説明のために第１レーザ光Ｌ１と第２レーザ光が重ならないように図示しているが、歯車の熱処理時には第１レーザ光Ｌ１と第２レーザ光Ｌ２は重畳的に歯車１００に照射される。また、歯車の熱処理装置１は、回転モータ３、第１レーザ部４、第２レーザ部５、第１移動部６及び第２移動部７に接続された制御部８を有している。

ワーク保持部２は、歯車１００の軸方向へ移動可能な２つのプレート２１，２２と、各プレート２１，２２が接続される回転自在の回転軸２３と、を有する。各プレート２１，２２が歯車１００の長手方向両端を保持することにより、歯車１００は回転軸２３を中心として回転自在に保持される。本実施形態においては、歯車１００は、長尺な軸部１１０と、軸部１１０の長手方向所定位置に周方向にわたって形成されたスプライン１２０と、を有し、スプライン１２０に各歯１０１及び各歯底部１０２が形成されている。

回転モータ３は、ワーク保持部２の回転軸２３に接続され、回転軸２３とともに歯車１００を回転させる。

第１レーザ部４は、第１レーザ光Ｌ１を発振する第１レーザ発振器４１と、レーザ発振器４１と第１光ファイバ４２を介して接続される第１レーザヘッド４３と、第１レーザヘッド４３に装着され第１レーザ光Ｌを歯車１００へ向けて照射する第１レンズユニット４４と、を備えている。レーザ発振器４１から発振された第１レーザＬ１は、第１光ファイバ４２を介して第１レーザヘッド４３へ案内され、第１レンズユニット４４により焦点位置、照射範囲等が調整されて、歯車１００の焼入れ部位に向けて照射される。ここで、第１レーザ部４に用いられるレーザの種類は任意であるが、例えば、レーザダイオード等の半導体レーザ、ＹＡＧレーザ等の固定レーザ等を用いることができる。

第２レーザ部５は、第２レーザ光Ｌ２を発振する第２レーザ発振器５１と、レーザ発振器５１と第２光ファイバ５２を介して接続される第２レーザヘッド５３と、第２レーザヘッド５３に装着され第２レーザ光Ｌを歯車１００へ向けて照射する第２レンズユニット５４と、を備えている。レーザ発振器５１から発振された第２レーザＬ２は、第２光ファイバ５２を介して第２レーザヘッド５３へ案内され、第２レンズユニット５４により焦点位置、照射範囲等が調整されて、歯車１００の焼入れ部位に向けて照射される。ここで、第２レーザ部５に用いられるレーザの種類は任意であるが、例えば、レーザダイオード等の半導体レーザ、ＹＡＧレーザ等の固定レーザ等を用いることができる。

第１移動部６は、多軸アーム型ロボットであり、アーム６１と、アーム６１の先端に設けられ第１レーザヘッド４３が搭載されるハンド６２と、を有する。また、第１移動部６は、アーム６１及びハンド６２の位置を制御する第１ロボットコントローラ６３を有する。本実施形態においては、ハンド６２は、歯車１００の軸方向、径方向及び周方向に移動自在となっている。

第２移動部７は、多軸アーム型ロボットであり、アーム７１と、アーム７１の先端に設けられ第２レーザヘッド５３が搭載されるハンド７２と、を有する。また、第２移動部７は、アーム７１及びハンド７２の位置を制御する第２ロボットコントローラ７３を有する。本実施形態においては、ハンド７２は、第１移動部６のハンド６２と独立して、歯車１００の軸方向、径方向及び周方向に移動自在となっている。

次に、図３を参照して、歯車１００の焼入れ時の制御部８の動作を説明する。
まず、制御部８は、歯車１００の位置が検知されたか否かを判断する（ステップＳ１）。具体的には、歯車１００におけるスプライン１２０の位置が検知されたか否かを判断する。本実施形態においては、歯車１００の位置は、各移動部６，７に搭載されたセンサにより検出される。歯車１００が検知されていない場合は、ステップＳ１の処理を繰り返し実行する。

歯車１００の位置が検知された場合は、制御部８は、第１移動部６及び第２移動部７を用いて、第１レーザヘッド４３と第２レーザヘッド５３を照射位置に移動させる（ステップＳ２）。本実施形態においては、照射位置は、歯車１００におけるスプライン１２０の形成位置である。

次いで、制御部８は、回転モータ３を用いて歯車１００の回転を開始する（ステップＳ３）。そして、歯車１００が所定の開始位置となったか否かを判断する（ステップＳ４）。歯車１００の位置は、例えば歯車１００を撮影するカメラの画像で認識することができる。歯車１００が所定の開始位置に到達しない場合は、ステップ４の処理を繰り返し実行する。

そして、歯車１００が所定の開始位置に到達すると、第１レーザ部４及び第２レーザ部５を用いて第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２の照射を開始する（ステップＳ５）。図４及び図５に示すように、本実施形態においては、第１レーザ部４の第１レーザ光Ｌ１は少なくとも２つの歯１０１を含む矩形状であり、第１レーザ部４の第１レーザヘッド４３を移動させることなく、歯車１００の所定領域へ連続的に照射される。第１レーザ光Ｌ１により、所定領域内の各歯１０１及び各歯底部１０２は一括して加熱される。また、歯車１００が回転していることから、歯車１００の表面は、第１レーザ光Ｌ１により周方向にわたって全体的に加熱される。ここで、熱が歯車１００の内部へ逃げやすい各歯底部１０２を優先的に加熱できるように、第１レーザ光Ｌ１の焦点を各歯底部１０２に合わせることが好ましい。

一方、図４及び図５に示すように、本実施形態においては、第２レーザ部５の第２レーザ光Ｌ２は、第１レーザ光Ｌ１が照射される領域内における歯底部１０２の軸方向一部に対応したスポット状であり、第２レーザ部５を軸方向一方に移動させて、第２レーザ光Ｌ２を歯底部１０２の領域にわたって走査して照射する。第２レーザ光Ｌ２の焦点は、各歯底部１０２に合わせられる。このとき、歯車１００が回転していることから、第２レーザ部５の第２レーザヘッド５３を歯車１００の回転に合わせて周方向へ移動させつつ、軸方向へ移動させることとなる。すなわち、図６に示すように、第２レーザヘッド５３は、走査時に、周方向及び軸方向について斜め方向へ移動する。

ここで、必要な第２レーザ光Ｌ２の走査速度Ｖｓ（ｍｍ／ｓ）は、歯車１００の回転速度をＶｒ（ｒｐｍ）、歯１０１の数をＺ（個）、歯車１００のモジュールをＭ（ｍｍ）、走査長をＬ（ｍｍ）としたとき、
Ｖｓ＝Ｖｒ／６０×Ｚ×（（πＭ）^２＋Ｌ^２）^１／２
の式で表される。ただしこの式においては、第２レーザ光Ｌ２を原点へ復帰させるための時間は考慮していない。

１つの歯底部１０２の領域の走査が終了したら、一旦、第２レーザ光Ｌ２の照射を中断して、第２レーザ光Ｌ２の位置を隣接する次の歯底部１０２の軸方向他方まで移動させる。このとき、第２レーザ光Ｌ２の照射停止に加え、焦点を歯底部１０２からずらすことにより、意図せずに隣接する各歯１０１を加熱して溶融等させてしまうことを防止できる。本実施形態においては、図６に示すように、照射停止時に第２レーザ光Ｌ２の位置を走査方向と反対方向へ移動させて、第２レーザ光Ｌ２の位置を所定区間の往復移動で制御している。

そして、レーザの照射開始から所定時間が経過したか否かを判断する（ステップＳ６）。この所定時間は、歯車１００の焼入れに必要な熱量を考慮して設定される。所定時間が経過していない場合は、ステップＳ６の処理を繰り返し実行する。

レーザの照射開始から所定時間が経過したら、レーザの照射を終了する（ステップＳ７）。この後、第１レーザヘッド４３及び第２レーザヘッド５３を所定の待機位置へ移動させ（ステップＳ８）、レーザ焼入れ処理を終了する。

以上のように構成された歯車の熱処理装置１の熱処理方法によれば、歯車１００を回転させながら各レーザ光Ｌ１，Ｌ２を照射するようにしたので、局所的な加熱によって歯車１００の表面や角部が溶融することはなく、歯車全体を均一に加熱することができる。また、レーザ光を比較的長時間連続的に照射することができ、焼入れの深さ及び焼入れ後の硬さを十分に確保することができる。さらに、所定箇所で熱的な境界が生じて熱処理後の歯車１００の品質が低下することを防止することができる。

また、本実施形態の熱処理方法によれば、各歯１０１の表面には第１レーザ光Ｌ１が照射され、各歯底部１０２の表面には第１レーザ光Ｌ１と第２レーザ光Ｌ２とが重畳的に照射される。すなわち、各歯１０１については第１レーザ光Ｌ１からのみ熱量が供給されるのに対し、各歯底部１０２については第１レーザ光Ｌ１と第２レーザ光Ｌ２から熱量が供給される。これにより、熱が歯車の内部へ逃げてしまう各歯底部１０２について、各歯１０１よりも多くの熱量を供給することができる。従って、各歯１０１と各歯底部１０２をともに均一な温度で加熱することができ、各歯１０１及び各歯底部１０２の焼入れに必要な温度を確保することができる。

また、第２レーザ光Ｌ２は第１レーザ光Ｌ１の照射範囲内で照射されるので、第１レーザ光Ｌ１の照射範囲外で照射される場合と比較して、各歯底部１０２とその周囲の温度差が大きくなることはない。これによっても、所定箇所で熱的な境界が生じて熱処理後の歯車１００の品質が低下することを防止することができる。

尚、前記実施形態においては、第２レーザ光Ｌ２が各歯底部１０２において軸方向一方への走査を繰り返すものを示したが、軸方向一方への走査と、軸方向他方への走査を交互に行うようにしてもよい。また、第２レーザ光Ｌ２が歯底部１０２に対応した領域を照射するものであれば軸方向に走査させる必要はない。ただし、この場合であっても、歯車１００の回転に同期させて第２レーザ光Ｌ２を周方向へ移動させる必要がある。

また、前記実施形態においては、ステップＳ５における第１レーザ光Ｌ１の照射開始から、ステップＳ７における第１レーザ光Ｌ１の照射終了にわたって、第２レーザ光Ｌ２の照射制御を行うものを示したが、第２レーザ光Ｌ２に関しては照射開始から照射終了までの間の所定時間だけ照射制御するようにしてもよい。例えば、第１レーザ光Ｌ１の照射開始後に所定時間だけ第２レーザ光Ｌ２の照射制御を行い、照射終了までの残りの時間は照射制御を停止して余熱を利用するようにしてもよい。また、例えば、第１レーザ光Ｌ１の照射開始後に直ちに照射制御を行わず、照射終了前の所定時間だけ第２レーザ光Ｌ２の照射制御を行い、歯車の熱処理の仕上げを行うようにしてもよい。さらに、例えば、第１レーザ光Ｌ１の照射開始後に直ちに照射制御を行わず、一定時間が経過した後に所定時間だけ第２レーザ光Ｌ２の照射制御を行い、照射終了までの残りの時間は照射制御を停止するようにしてもよい。

また、前記実施形態においては、スプライン軸の歯車１００に焼入れ処理を行うものを示したが、径方向外側へ突出する複数の歯と、歯の間に形成された歯底部とを有していれば、他の種類の歯車の焼入れ処理を行うことが可能である。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

１ 熱処理装置
２ ワーク保持部
３ 回転モータ
４ 第１レーザ部
５ 第２レーザ部
６ 第１移動部
７ 第２移動部
８ 制御部
１００ 歯車
１０１ 歯
１０２ 歯底部
Ｌ１ 第１レーザ光
Ｌ２ 第２レーザ光

Claims (6)

1. 周方向に並べられ径方向外側へ突出する複数の歯と、当該各歯の間に形成される歯底部と、を有する歯車の熱処理方法であって、
   前記歯車を回転させた状態で、前記歯及び前記歯底部を含む所定領域に第１レーザ光を連続的に照射しつつ、当該所定領域内における前記歯底部に第２レーザ光を照射する歯車の熱処理方法。
2. 前記第２レーザ光の照射は、前記歯底部に沿って走査して行われる請求項１に記載の歯車の熱処理方法。
3. 前記第１レーザ光の焦点は、前記歯底部に合わせられる請求項１または２に記載の歯車の熱処理方法。
4. 周方向に並べられ径方向外側へ突出する複数の歯と、当該各歯の間に形成される歯底部と、を有する歯車の熱処理装置であって、
   前記歯車を回転自在に保持する保持部と、
   前記保持部に保持された前記歯車を回転させる回転部と、
   前記歯車における前記歯及び前記歯底部を含む所定領域に第１レーザ光を照射する第１レーザ部と、
   前記所定領域内における前記歯底部に第２レーザ光を照射する第２レーザ部と、を備えた歯車の熱処理装置。
5. 前記第２レーザ部の前記第２レーザ光を前記歯底部に沿って走査可能な移動部を備える請求項４に記載の歯車の熱処理装置。
6. 前記第１レーザ部の前記第１レーザ光の焦点は、前記歯底部に合わせられる請求項４または５に記載の歯車の熱処理装置。

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