JPH07268448A

JPH07268448A - レーザ焼入方法及び装置

Info

Publication number: JPH07268448A
Application number: JP6084072A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Yashiro; 勇一八城
Original assignee: Hitachi Seiki Co Ltd
Current assignee: Hitachi Seiki Co Ltd
Priority date: 1994-03-30
Filing date: 1994-03-30
Publication date: 1995-10-17

Abstract

(57)【要約】【目的】熱容量が小さい被加工物の焼入れの生産性の向
上及び焼戻しをなくする。【構成】集光レンズ３７からでたレーザ光は、第１反射
鏡３８の反射面３９、第２反射鏡４０の反射面４１と反
射される。第２反射鏡４０で反射されたレーザ光は、ビ
ームスプリッタ４２の稜線４３を境に反射面４４，４５
で断面が半円状に２分割されて反射される。反射面４
４，４５で反射されたレーザ光は、スキャナミラー５
０，５１の反射面５３，６３で反射される。反射された
レーザ光はボールねじＳの両サイドのねじ表面を走査し
ながら加熱する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ねじ、歯車、スプライ
ン等に部分焼入れするためのレーザ焼入方法及び装置に
関する。更に詳しくは、ねじ等の肉厚が薄く対向する両
表面に同時に焼入れするためのレーザ焼入方法及び装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ光を被加工物の表面に照射して表
面硬化させる、すなわち焼入れを行うものは知られてい
る。レーザ光による焼入れはエネルギー密度が高く、短
時間で処理できるため、レーザ光で照射された限られた
局部のみが加熱され、その隣接部分及び母材内部は加熱
されない。このためレーザ照射された加熱部分の熱はこ
の周辺の大気及び母材内部に急速に熱伝導されるので、
水冷等で強制冷却しなくても急冷され表面硬化される。

【０００３】本発明者等は、レーザ光をスキャニング
し、このスキャニングの振幅と周波数を変化させて被加
工物を部分焼入れするものを提案した（特開平４−２９
４９３０号、特開平５−１０５９３９号等）。従来、レ
ーザスキャニングにより歯車の歯面に焼入れするには歯
車の片側の歯面に先ず照射し焼入れをする。次に、１回
目の照射とは逆の方向から、片側の歯面と対向する他の
歯面に２回目のレーザ光の照射を行う方法が行われてい
る。

【０００４】しかしながら、２回目のレーザ光の照射に
より加熱され、肉厚が薄いのでこの熱が歯の他の歯面に
伝導し先に焼入れした部分が焼戻しされてしまい、硬度
低下がみられた。これは歯先の両歯面が近すぎて母材の
熱容量が小さいため、焼入れが完了した部分まで加熱さ
れてしまい結果として焼戻ししたのと同一状態となるた
めである。このため、一方の歯面にレーザ光を照射する
とき、他方の歯面をガス冷却する方法が採用されてい
る。この焼入れ方法は、ガス冷却する機構が必要であ
る、また片面及び他面の両面と２回レーザ光を照射する
ため生産性が悪い等の問題がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、以上のよ
うな技術背景で発明されたもりであり、次の目的を達成
する。

【０００６】この発明の目的は、熱容量が小さい被加工
物の焼入れの生産性を向上させたレーザ焼入方法及び装
置を提供することにある。

【０００７】この発明の更に他の目的は、熱容量が小さ
い被加工物の焼入れで焼戻しのないレーザ焼入方法及び
装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明は上記課題を達
成するために、次のような手段を採る。

【０００９】すなわちこの発明は、レーザ光を出力する
レーザ発振器と、出力された前記レーザ光の光路中に配
置され前記レーザ光を集光し、集光された前記レーザ光
をレーザ加工機のテーブル上の被加工物に照射して被加
工物に部分的に焼入れを行うレーザ焼入装置において、
片面に照射されたレーザ光による熱が焼入れされた他面
の焼入れ層の硬度低下を起こさせてしまうような熱容量
が小さく、かつ肉厚が薄い前記被加工物の焼入れを、前
記片面及び前記他面の対向する箇所に、分割された前記
レーザ光を同時に照射することにより前記被加工物の前
記片面及び前記他面の両面に同時に焼入れを行うレーザ
焼入方法である。

【００１０】このレーザ焼入方法において、集光された
前記レーザ光を２つに分割するビームスプリッタと、分
割された前記レーザ光を反射して前記被加工物の対向す
る前記片面及び前記他面の夫々に照射する一対のミラー
とからなることを特徴とするレーザ焼入装置である。

【００１１】前記レーザ焼入装置において、前記ミラー
が振幅、周波数、振りの中心が可変である一対のスキャ
ナーミラーであることを特徴とするレーザ焼入装置であ
る。

【００１２】前記レーザ焼入装置において、前記ビーム
スプリッタで分割された前記レーザ光の光軸に平行な方
向に、一対の前記スキャナーミラーを位置調整する位置
調整手段とからなるレーザ焼入装置であると良い。

【００１３】前記レーザ焼入方法において、更に、前記
テーブル上に載置され、かつ前記被加工物であるねじを
把持して連続的に回転割出しする割出装置とからなるこ
とを特徴とするレーザ焼入装置であっても良い。

【００１４】前記レーザ焼入方法において、更に、歯車
を把持して間欠的に回転割出しする割出装置とからなる
ことを特徴とするレーザ焼入装置でも良い。

【００１５】

【作用】発振器で発振されたレーザ光は、レーザ加工機
に入る。レーザ光はレーザ加工機内のビームスプリッタ
で２分割されて反射される。ビームスプリッタで反射さ
れたレーザ光は、スキャナミラーで反射される。スキャ
ナミラーは、反射したレーザ光を被加工物の肉厚の薄い
対向した両表面を同時に走査しながら加熱し焼入れを行
う。

【００１６】

【実施例】この発明の実施例を図面を参照しながら以下
に説明する。図１はレーザ加工システム１の平面図、図
２は同正面図、図３は同右側面図である。レーザ加工シ
ステム１は、レーザ発振器２及びレーザ加工機３からな
る。レーザ発振器２は公知の炭酸ガスレーザ発振器であ
り、レーザ加工機３は切断、溶接、熱処理などを行う加
工機である。

【００１７】レーザ加工機３のベッド５上にはテーブル
６がＸ軸線方向に移動自在に設けてある。テーブル６
は、Ｘ軸線方向駆動用のサーボモータ、これに連結され
たボールねじ、ボールねじにねじ込まれたナット等の送
り機構（図示せず）によりＸ軸線方向に駆動される。ベ
ッド５上には２本のコラム７，７が立設されている。コ
ラム７，７間には水平にクロスレール８の両端が一体に
固定されている。

【００１８】クロスレール８は、レーザヘッド９を水平
移動させるための案内面（図示せず）をもったものであ
る。レーザヘッド９はＹ軸線方向にＹ軸サーボモータ、
この出力軸に連結されたボールねじ、ボールねじにねじ
込まれたナット等の送り機構（図示せず）を介してＹ軸
線方向に駆動される。レーザヘッド９はＺ軸線方向にＺ
軸サーボモータ、この出力軸に連結されたボールねじ、
ボールねじにねじ込まれたナット等からなる送り機構
（図示せず）によりＺ軸線方向に駆動される。

【００１９】発振器２から発振されたレーザ光は、水平
の第１光路１０に出力される。第１光路１０の外周は安
全のため筒状のカバーで覆われている。第１光路１０の
レーザ光は反射鏡１１で反射され第２光路１２に入る。
第２光路１２は第１光路１０と同様に筒状のカバーで覆
われている。第２光路１２のレーザ光は反射鏡１３で反
射され、第３光路１４に入る。第３光路１４の外周は、
蛇腹でカバーされている。第３光路１４のレーザ光は、
反射鏡１５で反射され第４光路１６に入りレーザヘッド
９に達する。第４光路１６の外周も蛇腹でカバーされて
いる。

【００２０】レーザ加工機３の横にはレーザ発振器２及
びレーザ加工機３を制御するための制御盤２０が配置さ
れている。制御盤２０は、プログラマブルコントローラ
及びＮＣ装置２１を内蔵されている。プログラマブルコ
ントローラは、レーザ発振器２及びレーザ加工機３の駆
動系をコントロールする。ＮＣ装置２１は、レーザ加工
機３のＸ軸サーボモータ、Ｙ軸サーボモータ、Ｚ軸サー
ボモータ等を制御するためのものである。

【００２１】図４はレーザ光の照射部の拡大図である。
テーブル６上にはＮＣ割出装置２５が搭載され固定され
ている。ＮＣ割出装置２５内には主軸（図示せず）が本
体２６内に水平に配置され、この主軸端にボールねじＳ
をつかむチャック２７が取付けられている。主軸にはウ
ォームホイールが固定されており、このウォームホイー
ルにはウォームが噛み合っている。ウォームはサーボモ
ータ２８の出力軸に連結されている。結局、チャック２
７はサーボモータ２８で割出し駆動されることになる。
主軸の回転角度（Ｃ軸）は角度検出器により角度検知さ
れ、その角度検知信号はＮＣ装置２１にフィードバック
されている。

【００２２】ボールねじＳの他端は、テーブル６上に固
定された心押台２９のセンター３０で支持されている。
テーブル６はＸ軸線方向にＸ軸サーボモータにより駆動
され、同時にサーボモータ２８を駆動させると、すなわ
ち同時２軸制御するとボールねじＳを回転（Ｃ軸）させ
つつＸ軸線方向にボールネジＳを送ることが出来るの
で、ねじ面に焼入れを行うことができる。

【００２３】分割光学系３５レーザヘッド９の下部には分割光学系３５が固定配置さ
れている。分割光学系３５は箱３６内に収納されてい
る。レーザヘッド９の集光レンズ３７からのレーザ光は
最初に分割光学系３５の第１反射鏡３８に照射される。
第１反射鏡３８は無酸素銅で作られたレーザ反射鏡であ
る。第１反射鏡３８は、その反射面３９でレーザ光を反
射するが、１００パーセント反射しないので一部熱にな
り第１反射鏡３８が加熱されるために水で冷却されてい
る。第１反射鏡３８の内部には冷却水を循環させるため
の冷却水路（図示せず）が形成されている。

【００２４】第１反射鏡３８の反射面３９は水平方向
（Ｘ軸と平行な方向）から角度４５度を成して配置され
ている。第１反射鏡３８とＸ軸線方向に離れた位置には
第２反射鏡４０が配置されている。第２反射鏡４０の反
射面４１は、第１反射鏡３８の反射面３９からのレーザ
光を下方に反射するためのものである。第２反射鏡４０
の下方にはビームスプリッタ４２が配置固定されてい
る。

【００２５】ビームスプリッタ４２はレーザ光を２分割
するためのものである。ビームスプリッタ４２は稜線４
３を境界にして反射面４４，４５を備えている。反射面
４４，４５は角度９０度を成しているので、分割された
レーザ光は水平方向（Ｘ軸線と平行な方向）に反射され
る。ビームスプリッタ４２は、移動台４６上に搭載され
ている。移動台４６は、固定台４７上にＸ軸線方向に移
動自在に搭載されている。

【００２６】固定台４７にはねじが回転可能に支持され
ており、このねじは移動台４６に固定されたボールナッ
トにねじ込んである。結局、ねじを手で回転させるとビ
ームスプリッタ４２はＸ軸線方向に移動され、レーザ光
を正確に２分割するための調整が行われる。

【００２７】ビームスプリッタ４２の左右同一の（Ｘ軸
軸線上）の位置にはガルバノメータ・スキャナー（Galv
anometer Scanner）、すなわちスキャナーミラー５０，
５１が配置されている。スキャナーミラー５０は、反射
鏡５２を備えており中心Ｏを中心に揺動して反射面５３
でレーザを反射する。スキャナーミラー５０は振動数、
振幅を自由に変えられる公知の構造、機能を有するもの
である。スキャナーミラー５０は移動台５４上に搭載さ
れている。移動台５４は、固定台５５上にＸ軸線方向に
移動自在に搭載されている。

【００２８】固定台５５にはサーボモータ５６が固定さ
れており、このサーボモータ５６の出力軸にはボールね
じが連結されており、このボールねじは移動台５４に固
定されたボールナットにねじ込んである。結局、サーボ
モータ５６を駆動させるとスキャナーミラー５０はＸ軸
線方向に駆動され位置調節自在となる。他方のスキャナ
ーミラー５１も同様の構造であり、反射鏡６２、反射面
６３、移動台６４，固定台６５、サーボモータ６６など
からなる。

【００２９】スキャナーミラー５０，５１のＸ軸線方向
の位置調整は、ワークによってねじのリードが異なった
場合に、レーザ光のスポット径や照射角度を一定に保っ
たために行われる。

【００３０】レーザ焼入れ制御装置７０図５は、レーザ加工機を制御するためのレーザ焼入れ制
御装置７０の機能ブロック図である。ＮＣ（数値制御）
装置２１は、通常の数値制御工作機械のＮＣ装置であ
る。ＮＣ（数値制御）装置２１は、スキャナミラー５
０，５１によるレーザ光のスキャニングのＯＮ・ＯＦ
Ｆ、周波数、振幅などの出力を制御する。ＮＣ装置２１
は工作機械の制御に用いられるものと同様のものであ
り、Ｍ機能、Ｔ機能及びＧ機能はそれぞれ工作機械の数
値制御における補助機能、工具機能及び準備機能に対応
している。ＮＣ装置２１はスキャニングのＯＮ・ＯＦＦ
を制御するためのＭコード指令および周波数、振幅制御
のためのＴコード指令を出力する。Ｍコード指令によっ
てスキャニングのＯＮ・ＯＦＦを制御する。

【００３１】Ｔコード出力は４桁のＢＣＤ（２進化１０
進数）、Ｔａａｂｂで表される出力である。Ｔコード出
力のうち、上位２桁Ｔａａは振幅制御のための出力であ
り、下位２桁Ｔｂｂは周波数制御のための出力である。
振幅の大きさは、レーザ発振器２の性能、能力であらか
じめ決まったものであり、この全振幅の大きさの何％か
で実際に必要な振幅の大きさを決める。

【００３２】デコーダ７２は、ＮＣ装置２１から出力さ
れるディジタルコードを復号及び変換するためのもので
ある。すなわち、データ２は振幅制御のためのＢＣＤコ
ード（Ｔａａ）を１２ビットバイナリーコード（Ｔａ．
ｂｉｎ）に復号及び変換し、同様に周波数のためのＢＣ
Ｄコード（Ｔｂｂ）を１２ビットバイナリーコード（Ｔ
ｂ．ｂｉｎ）に復号及び変換する。

【００３３】Ｄ／Ａ変換器７３、７４は、デコーダ２か
ら出力されるディジタル信号をアナログ信号に変換する
ためのものである。Ｄ／Ａ変換器７３は、振幅制御用の
１２ビットディジタル信号（Ｔａ．ｂｉｎ）をアナログ
信号（Ｔａ．ａｎａ）に変換し、その出力範囲は−１０
Ｖ〜＋１０Ｖである。同様にＤ／Ａ変換器７４は、周波
数制御用１２ビットディジタル信号（Ｔａ．ａｎａ）に
変換し、その出力は０Ｖ〜１０Ｖである。

【００３４】発振器７５は、スキャナミラー５０，５１
に振幅、周波数を与えるための波形信号を発生する。こ
の実施例では制御しやすさなどの観点から三角波を用い
た。この発振器７５は三角波信号の振幅を制御するＶＣ
Ａ機能、周波数を制御するＶＣＧ機能を有している。す
なわち、発振器７５はＤ／Ａ変換器７３、７４のアナロ
グ信号を入力すると、それらの電圧に応じて三角波信号
の振幅および周波数を制御する。

【００３５】スキャナーアンプ７７には、振幅及び周波
数が制御された三角波信号が入力される。スキャナーア
ンプ７７は、入力した三角波信号を増幅する。スキャナ
ーミラー５０，５１は、前記したようにボールねじＳに
レーザ光を照射する反射鏡であり、レーザ光を照射する
ための反射鏡をスキャナーアンプ７７の出力に連動して
揺動させる駆動手段を有している。

【００３６】スキャナーアンプ７７によつて増幅された
三角波信号はスキャナーミラー５０，５１に入力され、
反射鏡５２，６２の揺動の振幅及び周波数が制御され
る。ＮＣ装置２１のＧ機能を用いて、ボールねじＳの割
出し用のサーボモータ２８の回転及びＸ軸線方向のテー
ブル６の移動を同時に制御できる。また、ＮＣ装置２１
のユーザマクロ機能を用いてサーボモータ５６，６６を
駆動させることもできる。この焼入れ制御装置７０は、
スキャニングの振幅及び周波数を自在に変えられるの
で、焼入れ幅を自在に変えることができ、種々の焼入れ
パターンに対応できる。

【００３７】作動以下、前記実施例のレーザ加工機の作動の概要を説明す
る。レーザ発振器２から発振されたレーザ光は、第１光
路１０、第２光路１２、第３光路１４及び第４光路１６
を通ってレーザヘッド９の集光レンズ３７に至る。集光
レンズ３７はレーザ光を集光する。集光レンズ３７は、
スキャナーミラー５０，５１とボールねじＳの照射面と
の間にレーザ光の焦点Ｆがくる程度に位置調節する。第
１反射鏡３８の反射面３９、第２反射鏡４０の反射面４
１とレーザ光は反射される。第２反射鏡４０で反射され
たレーザ光は、ビームスプリッタ４２の稜線４３を境に
反射面４４，４５で断面が半円状に２分割されて反射さ
れる。

【００３８】さらに反射面４４，４５で反射されたレー
ザ光は、スキャナミラー５０，５１の反射面５３，６３
で反射される。反射されたレーザ光ＬはボールねじＳの
両サイドの対向するねじ表面（Ｘ軸軸線を通る垂直面が
ボールねじのねじ山と交差する面）を照射する。図６は
このときのボールねじＳの二つのねじ面ＳＦ１，ＳＦ２
の加熱部分を示す断面図である。両ねじ面ＳＦから焼入
れ深さＤ及び幅Ｗが要求される程度の範囲の加熱容量と
なるように、レーザ光を走査し加熱する。この制御はＮ
Ｃ装置２１により、レーザ制御装置７０を介してスキャ
ナーミラー５０，５１の揺動、振幅の制御、テーブル６
のＸ軸方向の送り、及びＮＣ割出装置２５のサーボモー
タ２８を制御することにより行う。

【００３９】［その他の実施例］前記実施例はボールね
じであったが、これに限らずボールを使わないねじ（例
えばメートル並目ねじ、細目ねじ、台形ねじ）や歯車、
スプライン軸などの部分焼入れにも適用できる。特に、
肉厚が薄く、両面の焼入れが必要な部分に適用できる。

【００４０】歯車やスプライン軸の焼入れの場合には、
歯車やスプライン軸をつかむ装置として、本実施例のＮ
Ｃ割出装置２５のかわりに、間欠的に回転割出しする割
出装置を使用することが望ましい。また、レーザ発振器
を２個設け、各々から出されるレーザ光をスキャナーミ
ラー５０，５１に照射して良い。

【００４１】実験例図７，８は前記実施例の装置で実験したデータ例であ
り、レーザ光によるボールねじの転動面へ焼入れしたと
きのＸ軸方向の測定位置が異なるデータである。横軸は
転動面（表面）からの深さを示し、縦軸は硬さを示す。
試験に用いたボールねじの材質はＳＣＭ４４５、外径５
０mm、全長１０００mm、ネジ部長さ約８５０mm、リード
１０mm、ネジ溝Ｒ３mmである。焼入れ条件は、レーザ出
力１．２KW、焼入れ時間４０分で行った。焼入れられた
両面共にほとんど硬さが相違しないことが伺い知れる。

【００４２】

【発明の効果】以上詳記したように、本発明のレーザ焼
入装置は比較的熱容量が小さい部分の焼入れを表裏同時
に行うので、焼戻しがなく同じ硬さ、深さに焼きを入れ
ることができた。しかも同時に２面の焼入れを行うので
生産性が向上した。

【００４３】また、表裏同時に焼入れするため、照射し
た熱が奥まで伝わり、レーザ発振器の出力が同じでも、
片側だけ焼入れる場合に比較して焼入深さが深くなる効
果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、レーザ発振器及びレーザ加工機の平面
図である。

【図２】図２は、図１の正面図である。

【図３】図３は、図２の右側面図である。

【図４】図４は、分割光学系の詳細を示す図である。

【図５】図５は、焼入れ制御装置の機能ブロック図であ
る。

【図６】図６は、焼入れするときのボールねじの転動面
部分の拡大図である。

【図７】図７は、前記実施例による焼入れした時のデー
タ例である。

【図８】図８は、前記実施例による焼入れした時の他の
データ例である。

【符号の説明】

１…レーザ加工システム２…レーザ発振器３…レーザ加工機６…テーブル９…レーザヘッド２０…制御盤２１…ＮＣ装置３５…分割光学系４２…ビームスプリッタ５０，５１…スキャナーミラー７０…レーザ焼入れ制御装置７２…デコーダ７５…発振器７７…スキャナーアンプ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ光を出力するレーザ発振器と、出力された前記レーザ光の光路中に配置され前記レーザ
光を集光し、集光された前記レーザ光をレーザ加工機の
テーブル上の被加工物に照射して被加工物に部分的に焼
入れを行うレーザ焼入装置において、片面に照射されたレーザ光による熱が焼入れされた他面
の焼入れ層の硬度低下を起こさせてしまうような熱容量
が小さく、かつ肉厚が薄い前記被加工物の焼入れを、前
記片面及び前記他面の対向する箇所に、分割された前記
レーザ光を同時に照射することにより前記被加工物の前
記片面及び前記他面の両面に同時に焼入れを行うレーザ
焼入方法。
【請求項２】請求項１において、集光された前記レーザ光を２つに分割するビームスプリ
ッタと、分割された前記レーザ光を反射して前記被加工物の対向
する前記片面及び前記他面の夫々に照射する一対のミラ
ーとからなることを特徴とするレーザ焼入装置。
【請求項３】請求項２において、前記ミラーが振幅、周波数、振りの中心が可変である一
対のスキャナーミラーであることを特徴とするレーザ焼
入装置。
【請求項４】請求項２において、前記ビームスプリッタで分割された前記レーザ光の光軸
に平行な方向に、一対の前記スキャナーミラーを位置調
整する位置調整手段とからなることを特徴とするレーザ
焼入装置。
【請求項５】請求項１において、前記テーブル上に載置され、かつ前記被加工物であるね
じを把持して連続的に回転割出しする割出装置とからな
ることを特徴とするレーザ焼入装置。
【請求項６】請求項１において、歯車を把持して間欠的に回転割出しする割出装置とから
なることを特徴とするレーザ焼入装置。