JPH06500151A - コルゲートロールの硬化方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 フルゲートロールの 茜ｊ目と１！ この発明は、一般的にフルゲートロールの硬化方法に関し、さらに詳しくは、レ ーザを使ってフルゲートロールの段部（ｆｌｕｔｅ）を熱処理する方法に関する 。

フルゲートロールは、典型的には、ダンボールを製造する機械において用いられ る。コルゲートクールは、典型的にはＡｌ５Ｉ４３４０鋼のような合金鋼から、 その直径が１２〜１６インチで、長さが８７−１１０インチとなるように形成さ れており、長手方向に延びる段部を有しており、この段部が同様のロールの上の 同様の段部と噛み合ってその間を通過する紙に波型を形成するようになっている 。

段部の数や大きさは変化するが、コルゲートロールは典型的には、直線の１フイ ート当たり３３〜３９の段部を持ち、この段部は０．０４４〜０．１８フインチ の高さを持つ。これらの段部は波型の形状を持ち、その頂上が「段部の先端」と 呼ばれ、谷が「根」と呼ばれ、この先端と根の間の傾斜した斜めの部分が「逃げ 面」と呼ばれている。

２つのコルゲートロールの間における紙との噛み合いのため、段部の先端は紙と の滑り接触に起因する摩耗を受け、段部の先端が元の寸法になるまで、結局はも との寸法にまで再加工されるか、又は、コルゲートロールを新しいものと取り替 えなければならない。この問題を解消するために、コルゲートロールは硬い表面 を有している。フルゲートロールの表面を硬化させる典型的な方法としては、ロ ールの外側部分を、例えばクロムのような硬い外被で覆うか若しくはロールの全 部を熱処理するか、又は、ハイド等に対して付与され、この出願の出願人に承継 された米国特許４，１５４，５６５号に開示されているように、摩耗の激しい主 要部である段部の先端のみを熱処理する等の方法がある。

米国特許４，１５４．５６５号は、コルゲートロールの段部の頂部をレーザ又は 電子ビームのいずれかを用いて熱処理することを開示している。この特許の中テ 説明された、ロールをレーザを用いて熱処理する方法においては、０．０３１イ ンチの平均的な硬化深さが得られた。この特許によって説明された方法によりて 得られる硬化深さは、レーザビームによって段部の表面材料が溶融させられるこ となしに段部が加熱されうる温度によって制限され、これはビームの断面におけ る出力密度に関連する。

典型的なレーザは、ガウス分布（又はそれより高いオーダーの出力密度変化を持 つ分布）に沿って変化する出力密度を有する円形の断面を持つようなビームを放 射し、これによって、ビームの出力密度はビームの中心で最も大きく、径方向の 端部に向かうに従って減少することになる。従って、ロールの段部の上にガウス 分布を持つレーザビームが焦点を結んだとき、そのビームによって段部が熱処理 される程度は、ビームの中心が衝突した段部の部分の温度によって制限される。

なぜなら、この段部の部分が所与の時間において最も大きなエネルギーを受け、 段部のその周囲の部分よりも先に融点に達することになるからである。

従って、段部の表面の溶融や変形を起こさせることなしに、レーザビームによっ てフルゲートクールの段部を最大可能深さまで熱処理するための方法が望まれて いた。より最近、フルゲートロールの逃げ面及び根を熱処理することが有利であ ることが発見された。これらの表面もまた摩耗にさらされるからである。しかし ながら、逃げ面と根は、段部の先端の熱処理が許される程度においてのみ熱処理 できる。上述したのとは違い、段部の先端は過熱され、逃げ面と根の完全な熱処 理の前に溶融してしまう。

逃げ面と根は、段部の先端の場合よりもより大きなエネルギーが必要であること が分った。逃げ面はもともと傾斜しているから、早急には加熱されない。つまり 、光源の入射角度が熱処理の目的のための熱の吸収を減少させてしまうからであ る。根について言えば、コルゲートロールの周囲の買置が根の急速な加熱を妨げ 、それにより熱処理効果を制限してしまう。

この発明の目的は、先端、根及び逃げ面を含む段部の全てを熱処理できるような コルゲートロールの熱処理のための方法と装置を提供することである。この発明 のさらなる目的は、このような熱処理を、段部の先端を過熱させずに、ロールを 反らせたり変形させたりすることなしに行わせることである。

この発明の他の目的や利点は、以下の説明と付属図面及びクレームによって明ら かになるであろう。

茜ｊ目し１１ この発明は、フルゲートロールの段部の先端や逃げ面や根を、段部の先端の表面 の材料を溶融させることなしに、又は段部を変形させることなしに、熱処理する 方法を提供する。

この発明の好ましい実施例においては、その長さ方向に延びる波型の複数の段部 を持つ円柱梨のコルゲートロールの熱処理の方法では、その段部は根と先端を持 ち、それらの根と先端の間に逃げ面を持つとともに、ガウス盟あるいは他の非均 質なビーム出力を持つようなレーザを提供する工程と、そのビームをガウスビー ム分布から１つの段部を覆うに充分な広さを持つビームに再成形し、根と逃げ面 に向けて同じ均一なエネルギーレベルを持ち、段部の先端に対してはより少ない エネルギーレベルを持つようにする工程と、熱処理されるべきロールの段部を再 成形したビームの中心域に置（工程及び、ロールと成形されたビームの間でロー ルの長手方向に平行な方向の相対的な移動を起こさせて段部を硬化させる工程と が含まれる。

先端により少ないエネルギーレベルを向けることによって、段部の全体が段部の 先端を溶融させることなく熱処理される。

上述した方法を実行するための発明の装置は、ガウス分布又は非均−なビーム出 力を持つＣＯ，レーザと、ガウス分布ビームを受光してそのビームを均一なエネ ルギー分布を持つビームに再成形するために用いられる多面鏡を備える積分鏡と を有する。この装置はまた、再成形したビームを受けて通過させるための部屋を 有し、この部屋は、再成形したビームの延びた部分を除去するための手段を有す る。この装置はまた、再成形されたビームをロールに対して段部の長手方向に動 かす手段と、この再成形したビームを段部の先端に合せてその一部を遮った状態 で段部に向ける手段を持つ。

皿皿立皿！亙羞ｊ 図１は、この発明の方法を行うために用いられる装置の模式図である。

図ＩＡは、積分鏡によって反射された後の正方形レーザビームの断面である。

図ＩＢは、円柱型の鏡によって反射された後の長方形のレーザビームの断面図で ある。

図２は、！ｌｌｌに示される装置の端面の図である。

図３は、図２の３−３線に沿った矢視図である。

図４Ａは、放射された四角形のビームが遮られない場合の切り取り箱の状態を図 式的に表わす図である。

図４Ｂは、図４Ａと同様の図であって、切り取り箱が回動されて光源を遮る状態 の図である。

図４０は、図４Ｂと同様の図であって、切り取り箱が反対側に回動されて、反対 側の光源を遮る状態の図である。

図４Ｄは、図４Ａ〜４Ｃで示された切り取り箱の切り取り棒の断面図である。

図５は、熱処理の程度を示す、熱処理を受けたコルゲートロールの一部の断面図 である。

ましい　の　な この方法に用いられる装置の構成が、図１に模式的に示されている。ガウス分布 を持っレーザｌＯのビーム１２（又は他の非均−な分布を持つビーム）はレンズ 箱１６の開口部１４の中に向けられる。好ましい実施例においては、その断面が １８によって示されるような２−５７８ｘ２−１７８インチの楕円形状断面を持 っガウス分布のビーム出力１２を持つようなＣＯ，レーザが提供され、出力２〜 ５キロワツトを提供するように設定されている。

ガウス分布ビーム１２は、開口部１４の中を、最初の平坦鏡２ｏに同けられ、こ の平坦鏡はビーム１２を積分鏡２２に向かって方向転換させる。積分鏡２２は、 複数の鏡が格子状に配置されて作られ、ガウス分布ビーム１２を受光して均一な 密度を持つ正方形のビーム、つまり、トップハツトビーム２４に焦点を結ぶよう に構成されている。

このトップハツトビーム２４は、切り取り＠２６に向けて方向転換され、これは 光の這を妨げて、トップハツトビーム２４の一部を、以下に詳細に説明するよう に遮蔽する、つまり、切り取る。この、図ＩＡにおいて２８で示される遮られた ビームは、次に、この遮蔽されたビーム２８を矩形のビーム３２（図ＩＢ）に再 度焦点を結ばせる円柱型鏡３０に向けて方向転換され、さらにこのビーム３２は 球形の鏡３４に向けて方向転換させられる。球形の鏡３４は凹面鏡であり、矩形 のビーム３２を、はぼ各辺が３／８インチの正方形ビーム３６（図３）として再 度焦点を結ばせる。

１！ＩＩと２に示されるように、ビーム３６は、レンズ箱１６の開口部３８を通 して熱処理されるべきコルゲートロール４０に向けられる。図２に最もよく示さ れているように、コルゲートロール４０は複数の段部４２を有し、この段部４２ はその形状が波型をなし、段部の先端と根を持ち、各先端と根の間に斜の傾斜し た部分つまり、逃げ面４８を有する。先に述べたように、この発明の目的は、段 部の先端部４４を熱処理するだけでなく、逃げ面４８と根４６をもまた熱処理す ることにあり、これは、それらの間を通る紙のウェブとの間の滑り摩擦によって それらも摩耗するからである。

段部４２の全体を熱処理するために、ビーム３６は段部４２に向けて照射さ転回 ２に示すように、段部４２と横方向に位置合せさせられる。ここで、図３を参照 すれば、ビーム３６は切り取り箱２６を経由して遮蔽され、５０によって示され るビームのパターンを作り出すが、このビーム５０は実質的にＵ字状をなし、幅 方向Ｍ５０ａと長手ビーム部Ｓｏｂを持つ。この長手ビーム部５０ｂは、切り取 り箱２６による光遮蔽によって形成された遮蔽部つまり切除部５０ｃによって分 離されている。このコルゲートロール４０の上に突出して、ビーム５０は側面方 向において段部の先端４４の上に中心を置いており、長手ビーム部５０　ｂ　ハ 、１つの段部４２の反対側の逃げ面４８及び根４６の間に跨がって位置している 。

上記と興なり、ビームパターン５０は少なくとも波型の１つのサイクルに、１つ の根から次１こ隣接する根へと跨がっている。

ここで、図４Ａを参照すると、切り取り箱２６が図式的に示されており、これは 、光を導入する開口部５６と光を導出する開口部５８とを有するほぼ箱型の形状 をした部材５４を備える。再成形されたビーム２４は、積分鏡２２から切り取り 箱２６に向けられ、もし、切り取り箱が図４Ａに示すような配置をとっていると きは、発射されたビームはその糟を妨害されずに通り抜け、さらに開口部３８を 正方形ビームとして通過する。しかしながら、この図４人に示すような妨害され ない光のビームは単に理論的なものであって、このようなモードで機能すること は切り取り箱２６を設けた意図ではない。

図４Ａを参照すれば、切り取り箱２６は点６０の回りを回動可能となっており、 そして２つの切り取り棒６２と６４が切り取り［２４の側壁から内側に延びてい る。エアシリンダ６６が、切り取り箱２６に点６８のところでビン結合されてお り、また、点７０においてレンズ１ｉ１１６にビン結合され、図４Ｂと４０に示 される限度内において切り取り箱を回動するように作動する。

再び図３を参照すれば、熱処理プロセスは、ビーム３６がコルゲートロールの一 端に照射されたときに始る。ビームの輪郭５０を決定するために、切り取り箱２ ６はエアシリンダ６６によつて図４Ｂに示す位置にまで回動させられ、そこで棒 ６４はレーザビーム２４を妨害してビーム輪郭５０を作り出す。ビームの遮蔽さ れた部分５０ｃは、ビーム２４の中に棒６４が挿入されることによって生成され る。遮蔽部分５０ｃは、図２に最も良く示されているように、段部の先端４４と ほぼ同じ幅である。

熱処理ブａセスは、ビーム５０をフルゲートロール４０の中央に向けて、ビーム ５０とコルゲートロール４０の相対移動が図３の矢印の方向になるように動かす ことによって始められる。ビーム５０が位置Ａに到達したとき、長手方向の位置 Ａに相当する段部の先端、根及び逃げ面はビーム５０によって加熱され始める。

ビーム５０が位置Ｂに到達したとき、長手方向の位置Ａに相当する段部の先端は 、遮蔽されたつまり切り取られた部分５０ｃがそこを２１遇するので、もはや加 熱されない。しかしながら、長手方向の位置Ｂに相当する段部の根及び逃げ面は 、長手部５０ｂがまだ直接に当たっているため、ビーム５０が位置Ｃに到達する まで依然として加熱される。発明の好ましい実施例においては、ビーム５０は、 光学［１６をコルゲートロール４０の上側においてフルゲートロールに対する正 確な行路を横切らせることにより一端４０ｍから他端へと動かされる。

この発明の好ましい実施例では、ビーム５０は６５インチ／分の速度で移動させ られ、ビーム５０は３７８インチ四方である。遮蔽部５０ｃは１／４インチの寸 法Ｘ、を持ち、その結果、幅方向部５０ｍは１／８インチの寸法ｘＩとなる。相 対速度６５インチ／分の場合は、各段部の先端は約０．１１５秒の間熱処理され 、一方、逃げ面と根は約０．３４５秒の間熱処理される。ビームが１つの段部４ ２の終端に達すると、次の近接する段部が加熱され、コルゲートロールは次の段 部をピツクアツプするように割出される。

ビームの幅方向部が、図３に５１で示すように、フルゲートロールの中心を導く 、つまりそれと対面するようにビームの輪郭を再位置決めすることもまた必要で ある。ビームを再成形するために、切り取りｆ！Ｉ２６は、エアシリンダ６６に より図４Ｂに示す位置から図４０に示す位置にまで回動させられる。ここでビー ム５１は、次の段部の全長を熱処理するために反対方向に向けて横移動させられ る。

また、この好ましい実施例では、棒６２と６４は、図４Ｄに示すような半円形の 下部７４とビームに面するテーパ一部７６とを含む断面形状を有する。棒６２と ６４に対する入射角度を（断面７６を経由して）変化させることにより、これら の棒のビームによる過熱が防止される。棒６２．６４をさらに冷却するために、 図４Ｂに示すように、切り取り棒６２．６４にボート７６と７７を通過したヘリ ウムが衝突させられる。

熱処理の準備のため、コルゲートロール４０は清浄化され、グラファイトや平坦 な黒い塗料のような光吸収被覆により覆われ、段部の先端の上に位置決めされ、 それにより、３／８インチ四方の正方形のスポットが段部に形成され、段部の先 端上部の出力密度は約３５．０ＯＯＷ／平方インチとなる。

実験例によれば、Ｃ型段部を持ち、上記方法で出力の設定を４．４ｋｗとして熱 処理されたフルゲートロール段部先端４４は約ｏ、ｏａｏ〜０．０９０インチの 深さＤまで硬化させられ、根４６は約０．０２４〜０．０３０インチの深さＥま で硬化させられ、逃げ面４８は約０．０２７〜０．０３５インチの深さＦまで熱 処理させられ、平均硬度６１〜６６Ｒ６まで硬化させられる。このように、溝付 は加工プロセスにおいて最も大きな摩耗力を受けるコルゲートロール４２の段部 の先端４４に、摩耗に耐えるために選択的に硬い表面を与え、しかも根と逃げ面 は少ない摩耗を受けるのでこれらもまたより少ない程度で熱処理がされる。

発明の好ましい実施例においては、コルゲートロールはクールの過熱を防止する ため水冷される。ロールの内側を通る約１／２ＧＰＭの流速が充分であることが 判明した。水冷の目的は、ロール本体が良好な自己冷却のために必要な程度の低 い１ｍ度を保つことを可能とすることである。妥当な硬化深さと高い硬度を得る ためには、ロールは９０”Ｆ以下に保持されなければならない。

有利な点としては、鋼コルゲートロールのレーザによる硬化はロールの表面の脱 炭を起こさないことである。脱炭は表面を１５５０＠Ｆ以上の温度に晒すことに より発生する。しかしながら、レーザ硬化においては、加熱と除熱の速度が非常 に速いので脱炭の起きる余地がない。もし、ロールの表面が例えば誘導により脱 炭された場合、鋼の表面は炭素を含まず、従って、高い硬度を達成することはで きない。もしこれが起きると、ロールの表面は脱炭層と誘導過程に伴う変形とを 除去するために研磨しなおす必要がある。しかしながら、研磨工程自体が表面を １０００分の数インチだけ焼準してしまう。

ここで説明された方法と装置はこの発明の好ましい実施例を構成するが、この発 明はこれと同一の方法と装置に限定されることはなく、添付するクレームにより 確定された発明の節回から離れることなく改変が可能であることは理解されなけ ればならない。

クレームされている内容は、以下の通りである。

ＦＩＧ−／Ａ ＦＩＧ　−２ ＦＩＧ−３ ＦＩＧ　−４０ 国際調査報告　１１Ｍ／ｌｌｅ　ｃ１１７，１ｃｆｆ！口フロントページの続き （８１）指定国　ＥＰ（ＡＴ、ＢＥ、ＣＨ，ＤＥ。

ＤＫ、　ＥＳ、　ＦＲ，ＧＢ、　ＧＲ，ＩＴ、　ＬＵ、　ＮＬ、ＳＥ）、ＪＰ （７２）発明者　アルリック、ロバート　レイアメリカ合衆国　メアリーランド 　２１７８４エルダーズバーグ　レイク　サークル ロード　２３１０

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. １．長手方向に延び、波型をなす突起を熱処理するための方法であって、上記突 起は、根と先端、及びその根と先端の間の逃げ面からなり、上記方法は以下の工 程を有する： ガウス分布のビーム出力を有するレーザを提供する工程；上記ビームを、ガウス ビーム分布から１つの突起を完全に覆うに充分な広さを持つビームに再成形する 工程であって、この再成形きれたビームは、根と逃げ面に向けて同じ均一なエネ ルギーレベルを持ち、段部の先端に対してはより少ないエネルギーレベルを持つ ； 上記再成形ビームを上記突起に対して中心を合せる工程；突起と再成形されたビ ームの間で相対移動を起こさせて上記突起を所望の程度に硬化させるまで熱処理 する工程。
2. ２．請求の範囲１の方法であって、上記再成形工程は、最初に上記ガウス分布ビ ームを積分鏡に向けることにより実質的に均一なエネルギー密度を持つ矩形の断 面のトップハットビームを形成し、これに続いて上記ガウス分布ビームの上記突 起の先端の上の一部を遮蔽する工程を含む。
3. ３．長手方向に延び、波型をなす突起を熱処理する方法であって、上記突起は、 根と先端、及び根と先端の間の逃げ面からなり、上記方法は以下の工程を有する ： ガウス分布のビーム出力を有するレーザを提供する工程；上記ビームを、ガウス ビーム分布から１つの突起を完全に覆うに充分な広さを持つビームに再成形する 工程であって、この再成形されたビームは、根と逃げ面に向けて同じ均一なエネ ルギーレベルを持ち、先端に対してはより少ないエネルギーレベルを持つ； 上記再成形ビームを上記突起に対して中心を合せる工程；及び突起と再成形きれ たビームの間で相対移動を起こさせて上記突起を所望の程度に硬化きせるまで熱 処理する工程； 上記再成形工程は、最初に上記ガウス分布ビームを積分鏡に向けることにより実 質的に均一なエネルギー密度を持つ矩形の断面を有するトップハットビームを形 成し、これに続いて上記ガウス分布ビームの上記突起の先端の上の一部を遮蔽す る工程を含む； 上記ビームは上記ビームを部屋を通してこの部屋の中で細長い妨害物を透過させ ることによって遮蔽きせられる。
4. ４．請求の範囲３の方法であって、上記細長い妨害物は銅の棒である。
5. ５．請求の範囲４の方法であって、上記遮蔽工程はきらに上記棒に不活性ガスを 吹き付けることにより上記棒を冷却する工程を含む。
6. ６．請求の範囲１の方法であって、上記突起は平均の硬度で約６１〜６６Ｒ、ま で硬化させられる。
7. ７．長手方向に延び、波型をなす突起を熱処理するための方法であって、上記突 起は、根と先端、及びその根と先端の間の逃げ面からなり、上記方法は以下の工 程を有する： ガウス分布のビーム出力を有するレーザを提供する工程；上記ビームを、ガウス ビーム分布から１つの突起を完全に覆うに充分な広さを持つビームに再成形する 工程であって、この再成形されたビームは、根と逃げ面に向けて同じ均一なエネ ルギーレベルを持ち、先端に対してはより少ないエネルギーレベルを持つ； 上記再成形ビームを上記突起に対して中心を合せる工程；及び突起と再成形され たビームの間で相対移動を起こさせて上記突起を所望の程度に硬化させるまで熱 処理する工程； 上記再成形工程は、最初に上記ガウス分布ビームを積分鏡に向けることにより実 質的に均一なエネルギー密度を持つ矩形の断面を有するトップハットビームを形 成し、これに続いて上記ガウス分布ビームの上記突起の先端の上の一部を遮蔽す る工程を含む； 上記再成形されたビームは上記突起の先端において約３５，０００Ｗ／平方イン チの出力密度を持つ。
8. ８．請求の範囲１の方法であって、上記突起はコルゲートロールの上の段部であ り、上記突起の熱処理工程は、上記突起と上記再成形ビームを約５０〜７０イン チ／分の速度で相対移動させることにより起こされる。
9. ９．コルゲートロール上で長手方向に延び、波型をなす段部を熱処理するための 方法であって、上記段部は、根と先端、及びその根と先端の間の逃げ面からなり 、上記方法は以下の工程を有する：ガウス分布のビーム出力を有するＣＯ２レー ザを提供する工程；上記ビームを再成形して、ガウスビーム分布から、断面中で 実質的に均一な出力密度を持つほぼ矩形のビームを有する再成形ビームを提供す る工程；上記ビームのその側端の間の長さの一部を遮蔽して、遮蔽部を形成する 工程；上記再成形ビームを１つの段部に向けて径方向に方向付けする工程であっ て、上記ビームの上記遮蔽部は長手方向において上記段部の段部先端に位置合せ させられ、これにより上記段部の逃げ面と根が上記先端より長い時間加熱される ；及び 上記ビームと上記コルゲートロールの間の相対移動を起こしてそれぞれの上記段 部の長さを加熱して上記段部を熱処理する工程。
10. １０．請求の範囲９の方法であって、上記再成形工程は上記ガウス分布ビームを 積分鏡に向ける工程を含む。
11. １１．請求の範囲１０の方法であって、上記遮蔽工程は上記再成形されたビーム を切り取り部材を有する部屋を通すように方向付けし、上記切り取り部材は上記 遮蔽部を画成する。
12. １２．請求の範囲１１の方法であって、さらに上記切り取り部材を冷却する工程 を含む。
13. １３．請求の範囲１２の方法であって、上記切り取り部材は上記部屋に不活性ガ スを吹込むことにより冷却される。
14. １４．コルゲートロール上で長手方向に延び、波型をなす段部を熱処理するため の方法であって、上記段部は、根と先端、及びその根と先端の間の逃げ面からな り、上記方法は以下の工程を有する：レーザビームを成形して、実質的にＵ字伏 のレーザビームを形成する工程、ここでビームの横断面においてはエネルギー密 度は実質的に等しい；上記実質的Ｕ字状ビームをコルゲートロールの第１の端部 に、上記ビームを径方向において段部の位置に一致させ、上記実質的Ｕ字状ビー ムの長手方向部が少なくとも部分的に上記段部先端と対向する根と逃げ面に重な り合うように投影する工程；及び 上記Ｕ字状ビームを個々の段部に沿って長手方向に第１の端部から第２の端部ま で動かして上記段部を熱処理する工程。
15. １５．請求の範囲１４の方法であって、上記投影工程は上記実質的Ｕ字状ビーム の中心を上記段部の径方向の中心に一致させる工程を含み；上記熱処理工程は上 記実質的Ｕ字状ビームを上記段部に沿って動かす工程を含む。
16. １６．請求の範囲１４の方法であって、上記成形工程はさらに、レーザビームを 障害物で妨げることにより上記実質的Ｕ字状ビームを生成する工程を含む。