JPH08291323A - レーザ焼入れ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 レーザビームのオフセセット量の最大化を図
り、レーザビームの出力を上げることなくより深い硬化
層が得られるレーザー焼入れ装置を提供する。 【構成】 レーザヘッドＫに、レーザビームＵを集束す
るレンズユニット１０と、このレンズユニット１０によ
り集束されたレーザビームＵを反射させてワークＷの焼
入れ部Ｗ１を照射するレーザビーム反射ミラー３３を有
する反射ミラー機構部１１とをそれぞれ独立させて設け
て、この反射ミラー機構部１１に対して前記レンズユニ
ット１０をオフセット可能にした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザによる表面焼入
れ装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のレーザ焼入れ方法を開示した特開
昭６１−２８４５１９号公報には、このレーザ焼入れ方
法に使用するレーザ焼入れ装置が開示してある。このレ
ーザ焼入れ装置は、レーザヘッド（レンズとこのレンズ
を保持するレンズ保持部材とで構成）の下側に反射ミラ
ー保持部材を固着して、この反射ミラー保持部材に反射
ミラーを装着したものであり、この反射ミラー部分をワ
ークに挿入して、このワークの内径部に形成された歯部
の歯面にレーザビームを照射して、この歯面に焼入れを
施すようにしたものである。

【０００３】また、ワークの焼入れ部に対してレーザビ
ームの入射角が大きいとレーザビームの反射を抑えるこ
とでができ、深い硬化層が得られることは公知である。
また、一般には、面圧に耐えられるだけの硬化層を得る
ために（＝入射角を大きくするために）、レーザヘッド
の軸心をワークの軸心から偏心（いわゆるオフセット）
させることも公知である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
レーザ焼入れ装置にあっては、ワークの内周面とレーザ
ヘッドの外周面とが接触するぎりぎりの位置までオフセ
ットを行ったとしても、反射ミラーの中央部でレーザビ
ームを反射していて、しかもレーザヘッドと反射ミラー
とが一体となって動くため、レーザビームは反射ミラー
に対してオフセットを行う余裕がありながら、レーザヘ
ッドはこの位置でオフセット量を制限されており、レー
ザビームのオフセット量の最大化を図ることができなか
った。したがって、より深い硬化層を得るにはレーザビ
ームの出力を上げたり、照射時間を長くしなければなら
なかった。

【０００５】また、仮に、反射ミラーをできる限り小さ
くすることでレーザヘッドのオフセット量を大きくしよ
うとしても、一般に反射ミラーは、レーザビームの焦点
調整のために、レーザビームの径よりも余裕を持って大
きく製作されている。

【０００６】このため、レーザヘッドの外周面がワーク
の内周面に接触するところまでオフセットしたとして
も、やはりレーザビームは反射ミラーに対してオフセッ
トする余裕がありながらも、レーザヘッドのオフセット
量はこの位置で制限されており、オフセット量の最大化
を図ることはできなかった。

【０００７】本発明は上述の問題に着目してなされたも
ので、レーザビームのオフセセット量の最大化を図り、
レーザビームの出力を上げることなくより深い硬化層が
得られるレーザー焼入れ装置を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１の発明に係わるレーザ焼入れ装置は、レ
ーザビームを発生するレーザビーム発生手段と、レーザ
ビームを集束するレンズユニットと、このレンズユニッ
トにより集束されたレーザビームを反射させてワークの
焼入れ部を照射するレーザビーム反射手段とを備えたレ
ーザ焼入れ装置において、前記レーザビーム反射手段の
軸心に対して前記レンズユニットの軸心をオフセット可
能にしたことを特徴とする。

【０００９】また、上記の目的を達成するために、請求
項２の発明に係わるレーザ焼入れ装置は、請求項１の発
明に係わるレーザ焼入れ装置において、前記ワークの焼
入れ部は、内径側に形成された歯部の歯面であることを
特徴とする。

【００１０】また、上記の目的を達成するために、請求
項３の発明に係わるレーザ焼入れ装置は、請求項１の発
明に係わるレーザ焼入れ装置において、レーザヘッド
に、レーザビームを集束するレンズユニットと、このレ
ンズユニットにより集束されたレーザビームを反射させ
てワークの歯部の歯面を照射するレーザビーム反射手段
とを備えたレーザ焼入れ装置において、前記レンズヘッ
ドに、前記レンズユニットを担持すると共に、左右方向
に移動可能な担持体と、焼入れ時には、前記担持体を移
動することによりオフセットを行う移動操作手段とを設
けたことを特徴とする。

【００１１】

【作用】請求項１記載のレーザ焼入れ装置にあっては、
レンズユニットで集束されたレーザビームは、レーザビ
ーム反射手段によって反射され、レンズユニットの外部
のワーク焼入れ部に照射される。そして、オフセットし
て焼入れを行う場合には、少なくとも、レーザビーム
は、レンズユニットによってレーザビーム反射手段に対
してオフセットされて集束される。

【００１２】このため、従来の、レンズユニットとレー
ザビーム反射手段とが一体となってオフセットを行うも
のに比べて、レーザ反射手段のオフセット量が制限され
たとしても、レーザビームのオフセット量を大きく設定
することが可能となる。したがって、ワークの焼入れ部
に対してレーザビームの入射角を大きく設定することが
でき、レーザビームの出力を上げたり、照射時間を長く
することなく、面圧に耐え得るだけの深い効果層を得る
ことができる。

【００１３】また、レーザ反射手段ができる限り小さく
作ってあったとしても、レーザ反射手段における余裕分
（焦点調整用）までレーザビームをオフセットすること
ができるので、レーザビームのオフセット量をより大き
く設定することが可能となる。

【００１４】また、請求項２記載のレーザ焼入れ装置に
あっては、少なくとも、レーザビームは、レーザユニッ
トによってレーザビーム反射手段に対してオフセットさ
れて集束され、ワークの歯部の歯面に照射される。

【００１５】このため、レーザヘッドのオフセット量が
ワーク内経に接触するところで制限されたとしても、レ
ーザビームのオフセット量を大きく設定することが可能
となる。したがって、歯面に対しレーザビームの入射角
をより大きくすることができ、レーザビームの出力を上
げたり、照射時間を長くすることなく面圧に耐え得るだ
けの深い硬化層を得ることができる。

【００１６】また、請求項３記載のレーザ焼入れ装置に
あっては、レンズユニットで集束されたレーザビーム
は、レーザビーム反射手段によっ反射され、レンズユニ
ットの外部のワーク焼入れ部に照射される。そして、オ
フセットして焼入れを行う場合には、レーザヘッドの移
動操作手段が、レンズユニットを担持する担持体を左右
方向に移動させるため、レーザビームは、レンズユニッ
トによってのみ、オフセットされてワークの歯部の歯面
に照射される。

【００１７】このため、ワークとレーザビーム反射手段
との間の、ワークのレーザビーム反射手段との接触防止
用に設けられる隙間は、レーザビーム反射手段がオフセ
ットするものに比べ小さくてよく、レンズユニット及び
レーザビーム反射手段の両方がオフセットするもに比べ
て、レーザビームのオフセット量をより大きく設定する
ことが可能となり、歯面に対しレーザビームの入射角を
より大きくすることが可能となる。

【００１８】したがって、レーザビームの出力を上げた
り、照射時間を長くすることなく面圧に耐え得るだけの
硬化層を得ることができる。また、レーザヘッドの位置
決めは、レーザヘッドの一回の心出しにて可能になる。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。図１は本発明に係わるレーザ焼入れ装置の正面
図、図２は同レーザ焼入れ装置の側面図、図３は同レー
ザ焼入れ装置におけるレーザ焼入れ治具の縦断面図、図
４は図３のＡ−Ａ線に沿う断面図、図５は図３のＢ−Ｂ
線に沿う断面図、図６は図３のＣ−Ｃ線方向からの矢視
図である。

【００２０】本発明に係わるレーザ焼入れ装置はベース
１を備えており、このベース１にはコラム２が立設して
あり、このコラム２にスライド機構３を介して上下方向
（Ｚ軸方向）に移動可能にＺ軸スライドヘッド４が設け
てあり、前記コラム２には前記Ｚ軸スライドヘッド４の
上下動作を制御するＺ軸側の作動モーター５Ｌ、５Ｒが
装置されている。また、前記Ｚ軸スライドヘッド４の前
面部には左右方向（Ｘ軸方向）に移動可能に担持体であ
るＸ軸スライドヘッド６が設けてあり、Ｚ軸スライドヘ
ッド４の下部には治具保持部材７が取り付けてある。そ
して、前記コラム２には前記Ｘ軸スライドヘッド６の左
右動作を制御する移動操作手段であるをＸ軸側の作動モ
ーター８Ｌ、８Ｒが装置されている。そして、前記Ｚ軸
スライドヘッド４と担持体であるＸ軸スライドヘッド６
と治具保持部材７等でレーザヘッドＫを構成している。

【００２１】図３乃至図９にレーザ焼入れ治具９を示
す。このレーザ焼入れ治具９は、大別して、前記Ｘ軸ス
ライドヘッド６側に装着されるオフセット可能なレンズ
ユニット１０と、前記治具保持部材７に保持されたレー
ザビーム反射手段である反射ミラー機構部１１とから構
成されている。

【００２２】前記レンズユニット１０はレンズ保持部材
１２を備えており、このレンズ保持部材１２はレンズ保
持筒１３の上部にこのレンズ保持筒１３より小径のレー
ザビームファイバー保持部１４を形成して構成してあ
り、このレーザビームファイバー保持部１４の軸線イは
前記レンズ保持筒１３の軸線ロの延長上に位置してお
り、これらの軸線イ、ロ上にレーザビーム導路１５が形
成してある。

【００２３】そして、前記レンズ保持筒１３には、その
上側にレンズホルダー１６Ａを介して凸レンズ１７が、
下側にレンズホルダー１６Ｂを介してシリンドリカルレ
ンズ１８がそれぞれ上下方向に調整可能に装着してあ
り、前記凸レンズ１７及びシリンドリカルレンズ１８は
前記レーザビーム路１５上に位置している。また、前記
レンズ保持筒１３の下端面は摺動面１９に成されてお
り、この摺動面１９にはＯリング溝部２０が形成してあ
り、このＯリング溝部２０にＯリング２１が装着してあ
る。また、前記レンズ保持部材１２に後部には取付座部
２２が設けてある。

【００２４】前記反射ミラー機構部１１は保持筒２３Ａ
とこの保持筒２３Ａの下端部に連結された反射ミラー保
持部材２３Ｂを備えており、前記保持筒２３Ａは、図
３、図７に示すようにその上端部に鍔部２４を有してお
り、この鍔部２４の上面部が摺動面部２５になされてい
る。また、図９に示すようにミラー保持部材２３Ｂの上
部には閉塞面部２６が設けてあり、この閉塞面部２６に
は、前記ミラー保持部材２３Ｂの軸線ハを挟んだ左右位
置させて、この軸線ハから等間隔に開口部２７、２８が
形成してある。

【００２５】また、前記ミラー保持部材２３Ｂの下端部
は、このミラー保持部材２３の軸線ハに対して４５度に
傾斜した傾斜部２９になされており、この傾斜部２９は
ミラー保持部材２３Ｂの後側に向けてある。そして、ミ
ラー保持部材２３Ｂの傾斜部２９とは反対側である前側
部位３０には切欠き部から成る左右のレーザビーム出口
３１、３２が形成してある。そして、前記ミラー保持部
材２３の傾斜部２９にはレーザビーム反射ミラー３３が
取り付けてある。

【００２６】上記のように構成されたレーザ焼入れ治具
９において、前記レンズユニット１０は、その取付座部
２２で前記Ｘ軸スライドヘッド６に取り付けられてい
て、このレンズユニット１０のレーザビームファイバー
保持部１４にはレーザ発振装置（ＹＡＧレーザ発振器）
７０の出力側から導出されたレーザビームファイバー３
４の端部が固着保持されている。また、前記反射ミラー
機構部１１は前記治具保持部材７に固着保持されてい
る。そして、前記レンズユニット１０の前記レンズ保持
筒１３の下端面の摺動面１９が、前記反射ミラー機構部
１１の保持筒２３Ａの上端の摺動面部２５に左右方向に
摺動可能に当接しており、前記レンズ保持筒１３の前側
下部にはストッパー３７が固着してあり、このストッパ
ー３７は前記保持筒２３Ｂの前面部に摺接している。

【００２７】前記ベース１にはターンテーブル３５が設
置されており、このターンテーブル３５の上面部にワー
ク固定治具３６が設けてある。

【００２８】前記ワークＷは、図１０に示すように例え
ば遊星歯車装置のキャリヤ４０であり、このキャリヤ４
０のボス部４１に内周部に形成されたスプライン４２の
焼入れを行う。

【００２９】次に、上記のように構成されたレーザ焼入
れ装置による前記ワークＷの焼入れを説明する。

【００３０】前記ワークＷは、図１０に示すようにその
ボス部４１を上にして、前記ターンテーブル３５の上面
部にワーク固定治具３６を介して固定される。この場
合、前記ワークＷの中心を通る軸線ホが、前記反射ミラ
ー機構部１１の反射ミラー保持部材２３Ｂの軸線ハに一
致している。そして、前記ターンテーブル３５の回転に
より、前記ワークＷは前記軸線ホを中心にして回転す
る。

【００３１】また、Ｚ軸側の作動モーター５Ｌ、５Ｒを
駆動制御することにより、前記スライド機構３を介して
Ｚ軸スライドヘッド４を上下方向（Ｚ軸方向）に移動し
て、前記レーザ焼入れ治具９を上下方向に移動させるこ
とができ、また、Ｘ軸側の作動モーター８Ｌ、８Ｒを駆
動制御することにより前記Ｘ軸スライドヘッド６を左右
方向（Ｘ軸方向）に移動させて、前記レーザ焼入れ治具
９の前記レンズユニット１０を左右方向に移動させ、前
記レーザビームＵの中心Ｘを左右にオフセット（オフセ
ット量は左右それぞれにＬである。）させることができ
る。

【００３２】また、前記レーザ発振装置より出力された
レーザビームＵは前記レーザビームファイバー３４に導
かれて、その端部３４ａからレーザビーム導路１５を直
進し、前記凸レンズ１７で平行ビームにされた後、シリ
ンドリカルレンズ１８により一方向のみ集光（楕円形状
の焦点をもつ）されて、前記レーザビーム反射ミラー３
３に至り、このレーザビーム反射ミラー３３により反射
されて前記レーザビーム出口３１（または３２）より出
射される。

【００３３】したがって、Ｚ軸側の作動モーター５Ｌ
（または５Ｒ）を駆動制御することにより、前記スライ
ド機構３を介してＺ軸スライドヘッド４を下方向に移動
して、前記レーザ焼入れ治具９を下方向に移動させ、前
記反射ミラー機構部１１の反射ミラー保持部材２３Ｂの
下部を前記ワークＷのボス部４１内に挿入する。

【００３４】次に、Ｘ軸側の作動モーター８Ｌ（または
８Ｒ）を駆動制御することにより、前記Ｘ軸スライドヘ
ッド６を左方向に移動させて、前記レーザ焼入れ治具９
の前記レンズユニット１０を左方向に移動させ、前記レ
ーザビームＵの中心ＸをＬだけ左にオフセットさせる。

【００３５】例えば、前記ワークＷの焼入れ部位Ｗ１
が、次の緒元を有するスプラインである場合、図１１に
示すようにオフセット量Ｌを１０ｍｍにすると、オフセ
ット量Ｌが零の場合では、スプライン４１の歯面（歯側
壁部）４１Ａに対するレーザビーム（ビーム幅：３ｍ
ｍ）Ｕの入射角度は３３°１２´であり、オフセット量
Ｌが１０ｍｍの場合では、スプライン４１の歯面４１Ａ
に対するレーザビームＵの入射角度は７３°２３´であ
る。

【００３６】スプライン緒元 呼び径 ３２ モジュール １．００ 歯数 ３０ 圧力角 ３０° 大径 ３２Ｈ１４ 小径 ３０ｈ１１ 基準ピッチ円直径 ３０．００

【００３７】そして、前記オフセット量Ｌを５ｍｍ〜１
０ｍｍｍまで６段階に変化させた場合の焼入れ形状を図
１２の（１）〜（６）に示す。この図１２の（１）〜
（６）で判明するように前記オフセット量Ｌが増すにし
たがって焼入れによる硬化層Ｈが歯面４１Ａに広がりよ
り深い硬化層が得られる。

【００３８】このように、歯面４１Ａにより深い硬化層
を得る均一に焼入れを行なうためには、レーザビームＵ
は極力歯面４１Ａに直角に近づける必要がある。よっ
て、オフセット量Ｌは大きく取る方がよい。したがっ
て、オフセット量Ｌを最大値（１０ｍｍ）にして、前記
レーザ発振装置よりレーザビームＵを出力すると、レー
ザビームＵは、上記したように凸レンズ１７及びシリン
ドリカルレンズ１８を経て、前記レーザビーム反射ミラ
ー３３に至り、このレーザビーム反射ミラー３３により
反射されて前記レーザビーム出口３１より出射され、ワ
ークＷのスプライン４１の歯面４１Ａを照射する。この
状態で、前記ターンテーブル３５を所定の周速度で図１
１に示すように反時計回り方向に回転し、スプライン４
１の右側の歯面４１ＡをレーザビームＵにより焼入れす
る。

【００３９】このようにしてスプライン４１の右側の歯
面４１Ａの焼入れを終了すると、Ｘ軸側の作動モーター
８Ｒを駆動制御して、前記Ｘ軸スライドヘッド６を右方
向に移動させて、前記レーザ焼入れ治具９の前記レンズ
ユニット１０を右方向に移動させ、前記レーザビームＵ
の中心ＸをＬだけ右にオフセットさせる。

【００４０】この右のオフセットの場合も、左のオフセ
ットと同様にオフセット量Ｌを最大値（１０ｍｍ）にす
る。そして、前記レーザ発振装置よりレーザビームを出
力すると、レーザビームＵは、上記したように凸レンズ
１７及びシリンドリカルレンズ１８を経て、前記レーザ
ビーム反射ミラー３３に至り、このレーザビーム反射ミ
ラー３３により反射されて前記レーザビーム出口３２よ
り出射され、ワークＷのスプライン４１の左の歯面４１
Ａを照射する。この状態で、前記ターンテーブル３５を
所定の周速度で反時計回り方向に回転し、スプライン４
１の左側の歯面４１ＡをレーザビームＵにより焼入れす
る。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１記載のレ
ーザ焼入れ装置にあっては、レンズユニットで集束され
たレーザビームは、レーザビーム反射手段によって反射
され、レンズユニットの外部のワーク焼入れ部に照射さ
れる。そして、オフセットして焼入れを行う場合には、
少なくとも、レーザビームは、レンズユニットによって
レーザビーム反射手段に対してオフセットされて集束さ
れる。

【００４２】このため、従来の、レンズユニットとレー
ザビーム反射手段とが一体となってオフセットを行うも
のに比べて、レーザ反射手段のオフセット量が制限され
たとしても、レーザビームのオフセット量を大きく設定
することが可能となる。したがって、ワークの焼入れ部
に対してレーザビームの入射角を大きく設定することが
でき、レーザビームの出力を上げたり、照射時間を長く
することなく、面圧に耐え得るだけの深い効果層を得る
ことができる。

【００４３】また、レーザ反射手段ができる限り小さく
作ってあったとしても、レーザ反射手段における余裕分
（焦点調整用）までレーザビームをオフセットすること
ができるので、レーザビームのオフセット量をより大き
く設定することが可能となる。

【００４４】また、請求項２記載のレーザ焼入れ装置に
あっては、少なくとも、レーザビームは、レーザユニッ
トによってレーザビーム反射手段に対してオフセットさ
れて集束され、ワークの歯部の歯面に照射される。

【００４５】このため、レーザヘッドのオフセット量が
ワーク内経に接触するところで制限されたとしても、レ
ーザビームのオフセット量を大きく設定することが可能
となる。したがって、歯面に対しレーザビームの入射角
をより大きくすることができ、レーザビームの出力を上
げたり、照射時間を長くすることなく面圧に耐え得るだ
けの深い硬化層を得ることができる。

【００４６】また、請求項３記載のレーザ焼入れ装置に
あっては、レンズユニットで集束されたレーザビーム
は、レーザビーム反射手段によっ反射され、レンズユニ
ットの外部のワーク焼入れ部に照射される。そして、オ
フセットして焼入れを行う場合には、レーザヘッドの移
動操作手段が、レンズユニットを担持する担持体を左右
方向に移動させるため、レーザビームは、レンズユニッ
トによってのみ、オフセットされてワークの歯部の歯面
に照射される。

【００４７】このため、ワークとレーザビーム反射手段
との間の、ワークのレーザビーム反射手段との接触防止
用に設けられる隙間は、レーザビーム反射手段がオフセ
ットするものに比べ小さくてよく、レンズユニット及び
レーザビーム反射手段の両方がオフセットするもに比べ
て、レーザビームのオフセット量をより大きく設定する
ことが可能となり、歯面に対しレーザビームの入射角を
より大きくすることが可能となる。

【００４８】したがって、レーザビームの出力を上げた
り、照射時間を長くすることなく面圧に耐え得るだけの
硬化層を得ることができる。また、レーザヘッドの位置
決めは、レーザヘッドの一回の心出しにて可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わるレーザ焼入れ装置の正面図であ
る。

【図２】同レーザ焼入れ装置の側面図である。

【図３】同レーザ焼入れ装置におけるレーザ焼入れ治具
の縦断面図である。

【図４】図３のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

【図５】図３のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。

【図６】図３のＣ−Ｃ線方向からの矢視図である。

【図７】左側オフセット状態におけるレーザ焼入れ治具
の縦断面図である。

【図８】反射ミラー機構部の反射ミラー保持部材の正面
図である。

【図９】同反射ミラー保持部材の平面図である。

【図１０】ワークのセット状態の説明図である。

【図１１】レーザ焼入れ治具におけるオフセット量と歯
面に対するレーザビームとの関係の説明図である。

【図１２】レーザ焼入れ治具におけるオフセット量と歯
面の焼入れ硬化層との関係の説明図である。

【符号の説明】

１０ レンズユニット １１ 反射ミラー機構部（レーザビーム反射手段） ３３ レーザビーム反射ミラー Ｋ レーザヘッド Ｕ レーザビーム Ｗ ワーク Ｗ１ 焼入れ部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザビームを発生するレーザビーム発
   生手段と、レーザビームを集束するレンズユニットと、
   このレンズユニットにより集束されたレーザビームを反
   射させてワークの焼入れ部を照射するレーザビーム反射
   手段とを備えたレーザ焼入れ装置において、 前記レーザビーム反射手段の軸心に対して前記レンズユ
   ニットの軸心をオフセット可能にしたことを特徴とする
   レーザ焼入れ装置。
2. 【請求項２】 前記ワークの焼入れ部は、内径側に形成
   された歯部の歯面であることを特徴とする請求項１記載
   のレーザ焼入れ装置。
3. 【請求項３】 レーザヘッドに、レーザビームを集束す
   るレンズユニットと、このレンズユニットにより集束さ
   れたレーザビームを反射させてワークの歯部の歯面を照
   射するレーザビーム反射手段とを備えたレーザ焼入れ装
   置において、 前記レンズヘッドに、前記レンズユニットを担持すると
   共に、左右方向に移動可能な担持体と、 焼入れ時には、前記担持体を移動することによりオフセ
   ットを行う移動操作手段とを設けたことを特徴とするレ
   ーザ焼入れ装置。