JP2002030343A - Method and device for heat treatment of gear by laser - Google Patents
Method and device for heat treatment of gear by laserInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、表面の熱処理方
法、特に歯車等の谷形状に形成された部分を有する谷形
状部分の表面を、レーザを用いて熱処理する方法及び装
置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a heat treatment method for a surface, and more particularly, to a method and an apparatus for heat treating the surface of a valley-shaped portion having a valley-shaped portion such as a gear using a laser.
【０００２】[0002]
【従来の技術】歯車等の谷形状の部分、すなわち歯溝の
強度を増すためには、歯溝表面に熱処理を施す事が不可
欠であるが、工業的には電磁誘導加熱、浸炭、窒化等の
方法によりこの熱処理を行っているのが現状である。2. Description of the Related Art In order to increase the strength of a valley-shaped portion of a gear or the like, that is, the strength of a tooth space, it is indispensable to perform a heat treatment on the surface of the tooth space. At present, this heat treatment is performed by the above method.
【０００３】ところが、上記電磁誘導加熱等の方法によ
る場合は、熱処理の不要な歯先部分が過度に熱処理さ
れ、強度上好ましくない。また、上記電磁誘導加熱等の
方法の場合、エネルギーロスも大きく、これに伴い熱処
理歪みが大となる問題があった。[0003] However, in the case of the above-mentioned method such as electromagnetic induction heating or the like, the tooth tip portion which does not require heat treatment is excessively heat-treated, which is not preferable in terms of strength. In addition, in the case of the above-mentioned method of electromagnetic induction heating or the like, there is a problem that energy loss is large, and the heat treatment distortion is accordingly large.
【０００４】ところで、近年、レーザを加熱手段とする
熱処理方法が種々なされているが、図１０の（Ｂ）に示
すように、歯車２の歯溝の表面熱処理をするために、歯
溝に対して直上にレーザビーム１を入射する方法があ
る。つまり、レーザビーム１の光軸が歯車２の歯溝の中
心線付近となり、上記光軸を中心として、歯溝の両側の
壁面が対称となるように、上記レーザビーム１が照射さ
れる方法がある。In recent years, various heat treatment methods using a laser as a heating means have been used. As shown in FIG. There is a method of injecting the laser beam 1 directly above. That is, the method of irradiating the laser beam 1 is such that the optical axis of the laser beam 1 is near the center line of the tooth groove of the gear 2 and the wall surfaces on both sides of the tooth groove are symmetrical about the optical axis. is there.
【０００５】この図１０に示す例の場合、硬化層９（図
１０の（Ｂ）の斜線部）の分布は、歯溝の側壁面では薄
く、底面表面では厚くなり、不均一な熱処理しか施せな
い。In the example shown in FIG. 10, the distribution of the hardened layer 9 (the hatched portion in FIG. 10B) is thin on the side wall surface of the tooth space and thick on the bottom surface, so that only uneven heat treatment can be performed. Absent.
【０００６】このため、歯溝の底面に適切な厚みを有す
る硬化層９を形成することとした場合は、側壁面には十
分な厚さの硬化層９が形成されない事になり、目的とす
る機械的強度を達成できない部分が発生する。For this reason, if the hardened layer 9 having an appropriate thickness is formed on the bottom surface of the tooth space, the hardened layer 9 having a sufficient thickness is not formed on the side wall surface. Some parts cannot achieve mechanical strength.
【０００７】これは、図１０の（Ａ）に示すように、レ
ーザ１のパワー密度分布が、レーザ１の光軸の中心部分
にピークをもつガウス分布であること、また、レーザ１
の入射角が、歯底に対する角度θ２はほぼ９０度である
のに対し、側壁面に対する角度θ１は、９０度以下の角
度となり、レーザ１の側壁面に対する吸収率が著しく低
下することから、歯溝の側壁面と底面とで、吸収される
エネルギーの差が、互いに大きく異なることに起因する
ものである。This is because the power density distribution of the laser 1 is a Gaussian distribution having a peak at the center of the optical axis of the laser 1 as shown in FIG.
The incident angle θ2 with respect to the tooth bottom is substantially 90 degrees, whereas the angle θ1 with respect to the side wall surface is an angle of 90 degrees or less, and the absorptance of the laser 1 with respect to the side wall surface is significantly reduced. This is because the difference in energy absorbed between the side wall surface and the bottom surface of the groove is significantly different from each other.
【０００８】これを解決する方法として、例えば、特開
平６１−２８４５１９号公報に記載された技術がある。
この公報記載の技術は、図１１に示すように、歯溝の側
壁面及び歯底面部にレーザの吸収剤３を予め塗布するこ
とにより、レーザの吸収剤３の塗布された部分が、加熱
し易い歯先部分より多くのエネルギーを吸収するため、
均等に熱処理することができるものである。As a method for solving this, there is a technique described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-284519.
According to the technique described in this publication, as shown in FIG. 11, a laser absorbent 3 is applied in advance to a side wall surface and a bottom surface of a tooth space, so that a portion where the laser absorbent 3 is applied is heated. In order to absorb more energy than the tip part which is easy,
The heat treatment can be performed uniformly.
【０００９】また、特開平６０−２１５７１５号公報に
記載された技術によれば、レーザ熱処理方法において、
図１２に示すように、レーザビーム発生装置４０から発
生されたレーザ１は、三角柱状のミラー５により２つの
レーザに分岐される。According to the technology described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-215715,
As shown in FIG. 12, a laser 1 generated from a laser beam generator 40 is split into two lasers by a triangular prism-shaped mirror 5.
【００１０】そして、分岐された各レーザ１は、全反射
ミラー６により反射され、反射されたそれぞれのレーザ
１は、それぞれ、凸レンズ７により集光されたあと、互
いに対向する歯２の側壁面にレーザ１が照射されて、歯
車２がレーザにより熱処理される方法である。Each of the split lasers 1 is reflected by a total reflection mirror 6, and each of the reflected lasers 1 is condensed by a convex lens 7, and then is condensed on the side wall surfaces of the teeth 2 facing each other. In this method, the laser 2 is irradiated and the gear 2 is heat-treated by the laser.
【００１１】また、特開昭６０−９８２８号公報に記載
された技術によれば、図１３に示すように、レーザ１
を、面に孔が形成され回転される回転ホイール８に照射
して、この回転ホイール８により反射されるか、この回
転ホイール８を通過するかにより、通過経路と時間とを
分岐し、レンズ７、鏡体６を介して、歯車２の側面部分
を交互に入射角度を設けて照射して、熱処理する方法が
ある。Further, according to the technique described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-9828, as shown in FIG.
Is irradiated on a rotating wheel 8 having a hole formed in the surface and rotated, and a passing path and time are branched depending on whether the light is reflected by the rotating wheel 8 or passes through the rotating wheel 8, and the lens 7 There is a method of irradiating the side portions of the gear 2 alternately at an incident angle via the mirror body 6 to perform heat treatment.
【００１２】[0012]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た特開平６１−２８４５１９号公報に記載された技術の
ように、レーザ１の吸収剤３を塗布する方法は、吸収剤
３の塗布作業工程が増加するため、熱処理全体の作業時
間が増加し、量産上、好ましいものではない。However, the method of applying the absorber 3 of the laser 1 as in the technique described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-284519 described above requires an additional step of applying the absorber 3. Therefore, the working time of the entire heat treatment increases, which is not preferable for mass production.
【００１３】また、特開平６０−２１５７１５号公報に
記載されたの技術のように、レーザ１を分岐し、分岐し
たレーザ１を反射ミラー６により折り返し、それぞれ
を、凸レンズ７により集光させたあと、対向する歯の側
壁にレーザ１を照射する熱処理の場合、１つの歯形形状
を熱処理する場合はよいが、歯車２の歯の間隔やサイズ
が異なったものを熱処理する場合には、レーザ１の照射
位置を変更することが非常に困難である。Further, as in the technique described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-215715, the laser 1 is branched, the branched laser 1 is turned back by the reflection mirror 6, and each of the lasers 1 is condensed by the convex lens 7. In the case of heat treatment for irradiating the side wall of the opposing tooth with the laser 1, it is preferable to heat-treat one tooth profile. It is very difficult to change the irradiation position.
【００１４】つまり、特開平６０−２１５７１５号公報
記載の技術にあっては、歯車２の歯の間隔やサイズが異
なったものを熱処理する場合には、２つの反射ミラー６
の互いの位置関係、２つの凸レンズ７の互いの位置関
係、ミラー５と反射ミラー６と凸レンズ７と歯車２との
相対位置関係を変更調整しなければならず、その調整が
非常に困難であるという問題がある。In other words, according to the technique described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-215715, when heat treatment is performed on a gear 2 having a different tooth spacing or size, two reflection mirrors 6 are used.
, The positional relationship between the two convex lenses 7, and the relative positional relationship between the mirror 5, the reflecting mirror 6, the convex lens 7, and the gear 2 must be changed and adjusted, and the adjustment is very difficult. There is a problem.
【００１５】また、特開昭６０−９８２８号公報に記載
された技術のように、レーザ１を回転ホイール８によ
り、時間分岐し歯の側壁に対し交互に、入射する熱処理
方法の場合、図１４に示すように、一方向からのレーザ
と他方向からのレーザとの照射が重なる部分Ａは、一方
向からのレーザ１による熱処理後に、他方向からのレー
ザ１により、再入熱されるため、焼き鈍しの状態になり
所望の硬化層９が得られないという問題が発生する。Further, in the case of a heat treatment method in which the laser 1 is time-branched by the rotating wheel 8 and alternately incident on the side walls of the teeth as in the technique described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-9828, FIG. As shown in the figure, the portion A where the irradiation of the laser from one direction and the irradiation of the laser from the other direction overlap is subjected to heat input by the laser 1 from the other direction after the heat treatment by the laser 1 from one direction, so that annealing is performed. And the problem that a desired cured layer 9 cannot be obtained occurs.
【００１６】例えば、図１５に示すように、歯底が平面
状となった形状の歯形の場合は、歯底部分であるＢ部の
軟化は歯の強度上、許容される。For example, as shown in FIG. 15, in the case of a tooth profile having a flat bottom, the softening of the bottom portion B is allowable due to the strength of the teeth.
【００１７】これに対して、図１４に示すような、歯底
が平面状ではなく、Ｕ字形状のような歯形の場合には、
歯底Ａ部の軟化は、応力集中部であるため、歯車２の歯
溝の強度を著しく低下させるという問題が発生する。On the other hand, in the case where the tooth bottom is not flat as shown in FIG.
Since the softening of the root A is a stress concentration part, there is a problem that the strength of the tooth space of the gear 2 is significantly reduced.
【００１８】本発明の目的は、複雑な調整を伴うこと無
く、種々の形状及び寸法の歯車の歯溝表面の硬化層を均
一化することが可能な、レーザによる歯車の熱処理方法
及び装置を実現することである。An object of the present invention is to realize a method and an apparatus for heat-treating a gear by laser, which can make the hardened layer on the tooth groove surface of gears of various shapes and dimensions uniform without complicated adjustment. It is to be.
【００１９】[0019]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は次のように構成される。 （１）レーザによる歯車の熱処理方法において、楕円形
状の２つのレーザビームスポットの長手方向を歯車の円
周方向と同等の方向とし、上記歯車の歯溝の熱処理範囲
の長さと、上記２つのビームスポットの長手方向の長さ
とが対応するように、上記２つのビームスポットを歯溝
に照射し、歯車の軸方向に上記２つのビームスポットを
相対的に移動し、歯車に入熱を行う。In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows. (1) In the gear heat treatment method using a laser, the longitudinal direction of two elliptical laser beam spots is set to a direction equivalent to the circumferential direction of the gear, the length of the heat treatment range of the tooth groove of the gear, and the two beams The two beam spots are irradiated to the tooth space so that the lengths of the spots correspond to each other, and the two beam spots are relatively moved in the axial direction of the gear to input heat to the gear.
【００２０】（２）好ましくは、上記（１）において、
上記２つの楕円ビームスポットの互いの照射位置間隔を
可変とし、熱処理の対象である歯車のピッチに対応し
て、２つの楕円ビームスポットの互いの照射位置間隔を
調整し、上記歯車の軸方向に上記２つの楕円ビームスポ
ットを移動し、歯車に入熱を行う。(2) Preferably, in the above (1),
The distance between the irradiation positions of the two elliptical beam spots is made variable, and the distance between the irradiation positions of the two elliptical beam spots is adjusted in accordance with the pitch of the gear to be heat-treated. The two elliptical beam spots are moved to input heat to the gear.
【００２１】（３）レーザによる歯車の熱処理装置にお
いて、２つのレーザビームを発生するレーザビーム発生
手段と、上記レーザビーム発生手段から発生された２つ
のレーザビームを、楕円形状の２つのレーザビームとす
る光学系部と、歯車をその中心軸に対して回転させる回
転テーブルと、上記光学系部から出射されたレーザビー
ムの光軸を、歯車の軸方向に相対的に移動させる移動手
段とを備え、２つのレーザビームスポットの長手方向を
歯車の円周方向と同等の方向とし、上記歯車の歯溝の熱
処理範囲の長さと、上記２つのビームスポットの長手方
向の長さとが対応するように、上記２つのビームスポッ
トを歯溝に照射し、歯車の軸方向に上記２つのビームス
ポットを相対的に移動し、歯車に入熱を行う。(3) In a gear heat treatment apparatus using a laser, a laser beam generating means for generating two laser beams, and two laser beams generated from the laser beam generating means are combined with two elliptical laser beams. An optical system unit, a rotating table for rotating the gear with respect to the center axis thereof, and a moving unit for relatively moving the optical axis of the laser beam emitted from the optical system unit in the axial direction of the gear. The longitudinal direction of the two laser beam spots is set to a direction equivalent to the circumferential direction of the gear, and the length of the heat treatment range of the tooth groove of the gear corresponds to the longitudinal length of the two beam spots. The two beam spots are irradiated to the tooth space, and the two beam spots are relatively moved in the axial direction of the gear to input heat to the gear.
【００２２】（４）好ましくは、上記（３）において、
上記２つのビームスポットの互いの間隔を調整する調整
手段を、さらに備える。(4) Preferably, in the above (3),
An adjusting means for adjusting the interval between the two beam spots is further provided.
【００２３】（５）また、好ましくは、上記（３）又は
（４）において、上記２つのレーザビームを、楕円形状
の２つのレーザビームとする光学系部は、円筒面レンズ
を有する。(5) Preferably, in the above (3) or (4), the optical system section in which the two laser beams are changed to two elliptical laser beams has a cylindrical lens.
【００２４】楕円状の２つのレーザビームを、上記楕円
状のレーザビームの長手方向を歯車の円周方向と一致さ
せ、２つのレーザビームのそれぞれのパワー密度の頂点
が歯底面を間とする側壁面に位置するように、歯車の歯
溝の歯底面に対して垂直方向から、歯車に照射し、照射
した２つのビームスポットを歯車の軸方向に移動させ
る。The two elliptical laser beams are arranged such that the longitudinal direction of the elliptical laser beam coincides with the circumferential direction of the gear, and the peaks of the power densities of the two laser beams are on the side of the tooth root. The gear is irradiated from a direction perpendicular to the tooth bottom of the tooth space of the gear so as to be located on the wall surface, and the two irradiated beam spots are moved in the axial direction of the gear.
【００２５】これにより、レーザが９０度未満の入射角
で入射され、エネルギーの吸収率が低い側壁面にパワー
密度の頂点部分が照射され、レーザがほぼ９０度の角度
で入射され、エネルギーの吸収率が高い歯底面にパワー
密度が低い部分が照射されるため、歯車の歯溝全体に亘
って、ほぼ均一化した入熱量となり、歯溝の硬化層もほ
ぼ均一化される。Thus, the laser is incident at an incident angle of less than 90 degrees, the apex of the power density is irradiated on the side wall surface having a low energy absorption rate, and the laser is incident at an angle of about 90 degrees to absorb the energy. Since the lower power density portion is irradiated to the tooth root having a higher rate, the heat input becomes substantially uniform over the entire tooth groove of the gear, and the hardened layer of the tooth groove is also approximately uniform.
【００２６】また、２つのレーザビームの光軸は、互い
に平行に近い状態で歯車２に照射される構成となってい
るため、２つのレーザビームの互いの間隔を調整する手
段は、簡単な構成で実現することができる。Since the optical axes of the two laser beams are applied to the gear 2 in a state almost parallel to each other, the means for adjusting the distance between the two laser beams is simple. Can be realized.
【００２７】したがって、複雑な調整を伴うこと無く、
種々の形状及び寸法の歯車の歯溝表面の硬化層を均一化
することが可能な、レーザによる歯車の熱処理方法及び
装置を実現することができる。Therefore, without complicated adjustment,
A method and apparatus for heat-treating a gear by a laser, which can make the hardened layer on the tooth groove surface of the gear having various shapes and dimensions uniform, can be realized.
【００２８】[0028]
【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して、本発
明の実施形態について説明する。図１は、本発明の実施
形態であるレーザによる歯車の熱処理方法及び装置が適
用されるレーザ熱処理装置の概略構成図である。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a laser heat treatment apparatus to which a method and an apparatus for heat treatment of a gear by a laser according to an embodiment of the present invention are applied.
【００２９】図１において、本発明が適用されるレーザ
熱処理装置には、２つの電源１１及びレーザ発振器４か
らレーザ１を伝送するための２つの光ファイバ１３が配
置されている。In FIG. 1, the laser heat treatment apparatus to which the present invention is applied is provided with two power supplies 11 and two optical fibers 13 for transmitting the laser 1 from the laser oscillator 4.
【００３０】また、レーザ熱処理装置は光学系部１４を
備えており、この光学系部１４には、２つの光ファイバ
１３の端部をフロントフォーカス位置とし配置された２
つの凸レンズ１６（後述）が配置され、光ファイバ１３
から出射されたレーザ１をコリメートする。Further, the laser heat treatment apparatus includes an optical system section 14, and the optical system section 14 is provided with two optical fibers 13 arranged at the front focus positions.
The two convex lenses 16 (described later) are arranged, and the optical fiber 13
Collimates the laser 1 emitted from.
【００３１】また、光学系部１４の凸レンズ１６の後段
には、レーザ成形部が配置されており、レーザ１は、レ
ーザ成形部の集光レンズにより、歯車２の歯の谷部を中
心に図２に示すような分布の２つの楕円スポット１０を
形成する。A laser forming part is disposed at the subsequent stage of the convex lens 16 of the optical system part 14, and the laser 1 is focused on the valleys of the teeth of the gear 2 by the condensing lens of the laser forming part. 2, two elliptical spots 10 having a distribution as shown in FIG.
【００３２】レーザ熱処理装置は、駆動系１５を備え、
この駆動系１５は、上記光学系部１４を歯車２の軸方向
に、歯車２に対して相対的に移動させる駆動系１５が連
結されている。さらに、レーザ熱処理装置には、歯車２
をこの歯車２の中心を回転中心として回転させる回転テ
ーブル（図示せず）が設置してあり、図１に示すよう
に、レーザ光学系部１４の中心軸Ｃが、歯車２の歯溝の
ほぼ中心点を通過する配置となるように、回転位置決め
する。The laser heat treatment apparatus has a drive system 15,
This drive system 15 is connected to a drive system 15 that moves the optical system section 14 relative to the gear 2 in the axial direction of the gear 2. Further, the laser heat treatment apparatus includes a gear 2
A rotation table (not shown) for rotating the gear 2 around the center of the gear 2 is provided. As shown in FIG. It is rotationally positioned so as to pass through the center point.
【００３３】これにより、２つのレーザスポット１０
は、図３に示すように、それぞれ、歯の側壁に照射され
る。なお、コントローラ１２は、駆動系１５及び電源１
１の動作を制御する。Thus, the two laser spots 10
Are respectively applied to the side walls of the teeth as shown in FIG. The controller 12 includes a drive system 15 and a power supply 1.
1 is controlled.
【００３４】上述した凸レンズ１６の後段のレーザ整形
部の３つの構成例を図４に示す。なお、図４の（Ａ）、
（Ｂ）、（Ｃ）に示した各光学系は、片側部分の構成の
みであるが、実際には２つの同一の光学系が並んだ構成
となる。FIG. 4 shows three examples of the configuration of the laser shaping unit at the subsequent stage of the above-described convex lens 16. In addition, (A) of FIG.
Each of the optical systems shown in (B) and (C) has only a configuration on one side, but actually has a configuration in which two identical optical systems are arranged.
【００３５】図４の（Ａ）に示した例において、凸レン
ズ１６を通過したレーザ１は、シリンドリカル凸レンズ
（円筒面凸レンズ）１７、シリンドリカル凹レンズ（円
筒面凹レンズ）１８、集光レンズ７を介して歯車２に照
射され、スポット１０となる。In the example shown in FIG. 4A, the laser beam 1 passing through the convex lens 16 passes through a cylindrical convex lens (cylindrical convex lens) 17, a cylindrical concave lens (cylindrical concave lens) 18, and a condensing lens 7. 2, and becomes a spot 10.
【００３６】この図４の（Ａ）に示した例の場合、シリ
ンドリカル凹レンズ１８の焦点距離をｆ1とし、シリン
ドリカル凸レンズ１７の焦点距離をｆ2とすると、シリ
ンドリカル凸レンズ１７とシリンドリカル凹レンズ１８
との互いの距離Ｄ1は、Ｄ1＝ｆ 1＋ｆ2の位置に配置され
る。In the case of the example shown in FIG.
The focal length of the concave lens 18 is f1And Sirin
Let f be the focal length of the lenticular lens 17TwoThen
Convex lens 17 and cylindrical concave lens 18
Distance D from each other1Is D1= F 1+ FTwoIs located at
You.
【００３７】また、図４の（Ｂ）に示した例において、
凸レンズ１６を通過したレーザ１は、シリンドリカル凸
レンズ１７、シリンドリカル凸レンズ１７、集光レンズ
７を介して歯車２に照射され、スポット１０となる。In the example shown in FIG. 4B,
The laser beam 1 that has passed through the convex lens 16 is applied to the gear 2 via the cylindrical convex lens 17, the cylindrical convex lens 17, and the condenser lens 7, and becomes a spot 10.
【００３８】この図４の（Ｂ）に示した例の場合、前段
のシリンドリカル凸レンズ１７の焦点距離をｆ’1 と
し、後段のシリンドリカル凸レンズ１７の焦点距離を
ｆ’2とすると、２つのシリンドリカル凸レンズ１７の
互いの距離Ｄ2は、Ｄ2＝ｆ’1＋ｆ’2の位置に配置され
る。In the case of the example shown in this FIG. 4 (B), the focal length of the preceding cylindrical convex lens 17 'is 1, the focal length of the subsequent cylindrical convex lens 17 f' f 2, then the two cylindrical convex lens mutual distance D 2 of 17 will be disposed in D 2 = f '1 + f ' 2.
【００３９】また、図４の（Ｃ）に示した例において、
凸レンズ１６を通過したレーザ１は、シリンドリカル凸
レンズ１７、集光レンズ７を介して歯車２に照射され、
スポット１０となる。In the example shown in FIG. 4C,
The laser 1 that has passed through the convex lens 16 is applied to the gear 2 via the cylindrical convex lens 17 and the condenser lens 7,
It becomes spot 10.
【００４０】図４の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示した例
のうち、最も好ましいものとしては、シリンドリカル凸
レンズ１７を１枚を配置する図４の（Ｃ）の例と考えら
れる。これは、上述したシリンドリカルレンズを２枚配
置する光学系の場合、装置構成上、距離Ｄ1もしくは距
離Ｄ2のスペースを確保する必要があり、装置サイズを
コンパクトにするためには、焦点距離ｆ1、ｆ2（または
ｆ’1 、ｆ’2）を小さくする必要がある。この場合、
２枚のシリンドリカルレンズの組み合わせの調整要素が
多く、調整が非常に困難である。しかし、シリンドリカ
ルレンズを１枚のみ使用する構成であれば、楕円スポッ
ト１０を成形する方式の場合、長焦点のシリンドリカル
レンズを使用するため、シリンドリカルレンズ配置の調
整が非常に簡便となり、調整要素が少なくて済むためで
ある。Among the examples shown in FIGS. 4A, 4B, and 4C, the most preferable example is the example of FIG. 4C in which one cylindrical convex lens 17 is arranged. . This is because, in the case of an optical system to place two cylindrical lenses described above, it is necessary to secure the device configuration, the space of the distance D 1 or the distance D 2, in order to compact the device size, the focal length f 1 , f 2 (or f ′ 1 , f ′ 2 ) must be reduced. in this case,
There are many adjustment elements for the combination of two cylindrical lenses, and adjustment is very difficult. However, if only one cylindrical lens is used, the method of forming the elliptical spot 10 uses a long focal length cylindrical lens, so that the adjustment of the cylindrical lens arrangement becomes very simple and the number of adjustment elements is small. Because
【００４１】ところで、上述した従来技術のように、歯
車２の歯溝の表面熱処理をするために、図５に示すよう
に、歯溝に対し直上にレーザ１を入射すると、硬化層９
（図５の（Ｂ）の斜線部）の分布は側壁面では薄く、底
面の表面では厚くなり、不均一な熱処理しか施せない。
これは、歯溝の底部に適厚な硬化層９を形成した場合
は、側壁面に十分な厚さの硬化層９が形成されないから
であり、入射されるレーザ１のパワー密度分布が、図５
の（Ａ）に示すように、レーザ光軸の中心部分にピーク
をもつガウス分布であること、レーザ１の入射角が歯底
に対しては鉛直であるのに対し、側壁面では９０度以下
の角度となり、レーザ１の側壁面に対する吸収率が著し
く低下することから、側壁面と底面とにおける吸収率分
布が、図５の（Ｃ）に示すように、側壁面より底面が高
くなるという分布となることに起因するものであった。By the way, as shown in FIG. 5, when the laser 1 is incident on the tooth space just above as shown in FIG.
The distribution of (the hatched portion in FIG. 5B) is thin on the side wall surface and thick on the bottom surface, and only a non-uniform heat treatment can be performed.
This is because, when the hardened layer 9 having an appropriate thickness is formed at the bottom of the tooth space, the hardened layer 9 having a sufficient thickness is not formed on the side wall surface. 5
(A), a Gaussian distribution having a peak at the center of the laser optical axis, and the incident angle of the laser 1 is perpendicular to the tooth bottom, while 90 ° or less on the side wall surface. And the absorptance of the laser 1 with respect to the side wall surface is significantly reduced, so that the absorptivity distribution between the side wall surface and the bottom surface is higher than the side wall surface as shown in FIG. Was caused by the following.
【００４２】これに対して、本発明の実施形態であるレ
ーザによる歯車の熱処理方法及び装置においては、光学
系部１４から歯車２に出力されるレーザ１のパワー密度
分布は、図６の（Ｃ）に示す歯溝のエネルギー吸収率分
布に対し、図６の（Ａ）、（Ｂ）に示すように、歯の側
壁部に高いパワー密度分布のレーザ１が照射され、歯底
には低いパワー密度分布のレーザが照射されるため、歯
側面の低い吸収率を補う形での入射となる。これによ
り、図６の（Ｄ）に示すように、歯溝全体の入熱量をほ
ぼ均一にすることが可能となり、この分布を上述した歯
車２の軸方向の移動手段により移動させることにより、
歯溝の表面に対し均一な熱処理を行うことが可能とな
る。On the other hand, in the method and the apparatus for heat-treating the gear by the laser according to the embodiment of the present invention, the power density distribution of the laser 1 output from the optical system section 14 to the gear 2 is represented by (C) in FIG. 6A and 6B, a laser 1 having a high power density distribution is applied to the tooth side wall, and a low power is applied to the tooth bottom, as shown in FIGS. Since the laser having the density distribution is irradiated, the light is incident in a form to compensate for the low absorption rate on the tooth side surface. As a result, as shown in FIG. 6D, it becomes possible to make the heat input amount of the entire tooth space substantially uniform, and by distributing this distribution by the above-mentioned axial moving means of the gear 2,
It is possible to perform a uniform heat treatment on the surface of the tooth space.
【００４３】さらに、上記構成において、レーザ熱処理
装置に対しウェッジ基板をレーザ整形部の前段もしくは
集光レンズ７の前段に配置することにより、集光レンズ
７に対しレーザ光の入射角を変化させることが可能であ
る。Further, in the above configuration, the angle of incidence of the laser beam with respect to the condenser lens 7 can be changed by disposing the wedge substrate before the laser shaping unit or before the condenser lens 7 in the laser heat treatment apparatus. Is possible.
【００４４】図７は、ウェッジ基板１９を集光レンズ７
の前段に用いた場合の例であり、レーザ整形部は、シリ
ンドリカル凸レンズ１７を１枚を使用した例である。FIG. 7 shows the wedge substrate 19 connected to the condenser lens 7.
The laser shaping section is an example in which one cylindrical convex lens 17 is used.
【００４５】この図７に示すように、ウェッジ基板１９
を配置することにより、楕円スポット１０の歯車２にお
ける位置は、集光レンズ７の中心軸Ｃａに対して変位し
た位置となる。As shown in FIG. 7, the wedge substrate 19
Is arranged, the position of the elliptical spot 10 on the gear 2 becomes a position displaced with respect to the central axis Ca of the condenser lens 7.
【００４６】そして、ウエッジ基板１９を、その軸を中
心として回転すると、集光レンズ７の中心軸Ｃａに対し
て変位した楕円スポット１０は、ウェッジ基板１９の回
転に伴って、図８に示すように、回転移動する。When the wedge substrate 19 is rotated about its axis, the elliptical spot 10 displaced with respect to the central axis Ca of the condenser lens 7 is rotated as the wedge substrate 19 rotates, as shown in FIG. Then, rotate and move.
【００４７】このことにより、左右のスポット１０の位
置関係は、ウェッジ基板１９の角度と回転方向により決
定することとなる。Thus, the positional relationship between the left and right spots 10 is determined by the angle and the rotation direction of the wedge substrate 19.
【００４８】また、左右のスポット１０は、ウエッジ基
板１９を図８に示す回転方向に回転させた場合、つま
り、右側のウェッジ基板１９を反時計方向に回転させ、
左側のウェッジ基板１９を時計方向に回転させた場合、
図８中の左側スポット１０は、１→２→３→・・・→７
→８のように連続的に移動する。また、図８中の右側ス
ポット１０は、１’→２’→３’→・・・→７’→８’
のように連続的に移動する。The left and right spots 10 are formed by rotating the wedge substrate 19 in the rotation direction shown in FIG. 8, that is, rotating the right wedge substrate 19 counterclockwise.
When the left wedge substrate 19 is rotated clockwise,
The left spot 10 in FIG. 8 is 1 → 2 → 3 →.
→ It moves continuously as shown in 8. Further, the right spot 10 in FIG. 8 is 1 ′ → 2 ′ → 3 ′ →... → 7 ′ → 8 ′
It moves continuously like.
【００４９】そして、図７中の右側のウエッジ基板１９
の回転角を、左側のウエッジ基板１９の回転角と同一量
だけ逆回転させれば、相対的にある程度任意に、左右の
スポット１０の位置関係を変更することが可能である。Then, the right wedge substrate 19 in FIG.
Is rotated in the reverse direction by the same amount as the rotation angle of the left wedge substrate 19, the relative position of the left and right spots 10 can be changed arbitrarily to some extent.
【００５０】これにより、２つのスポット１０は、歯車
２の円周方向に存在した状態対で、互いの間隔を調整す
ることが可能である。Accordingly, the distance between the two spots 10 can be adjusted in a state where the two spots 10 exist in the circumferential direction of the gear 2.
【００５１】したがって、熱処理する対象である歯車２
の歯幅が変更になった場合は、ウエッジ基板１９の回転
量を調整し、レーザの出力パワーを調整することにより
対応可能である。Therefore, the gear 2 to be heat treated is
Can be dealt with by changing the rotation amount of the wedge substrate 19 and adjusting the output power of the laser.
【００５２】図９は、２つのスポット１０の互いの間隔
を調整する他の例を示す図である。図７に示した例は、
ウェッジ基板１９を回転させることにより、２つのスポ
ット１０の互いの間隔を調整する例であるが、図９に示
す例は、２つ光学系部１４の互いの間隔を調整すること
により、２つのスポット１０の互いの間隔を調整する例
である。FIG. 9 is a diagram showing another example of adjusting the distance between the two spots 10. The example shown in FIG.
The example in which the distance between the two spots 10 is adjusted by rotating the wedge substrate 19 is described. In the example shown in FIG. 9, the distance between the two optical systems 14 is adjusted by adjusting the distance between the two optical systems 14. This is an example of adjusting the interval between the spots 10.
【００５３】図９の（Ａ）は、２つの光学系部１４の互
いの間隔を調整して、２つのスポット１０の互いの間隔
を調整する手段の上面を示し、図９の（Ｂ）は、上記調
整手段の側面を示す。FIG. 9A shows the upper surface of the means for adjusting the distance between the two optical systems 14 to adjust the distance between the two spots 10, and FIG. 2 shows a side view of the adjusting means.
【００５４】図９において、モータ３０を駆動すること
により、台形ギアが回転し、左右の２つのスライダー２
２が互いに接近する方向又は離間する方向に移動する。
このスライダー２２には、それぞれ、光学系部１４が取
り付けられている。In FIG. 9, when the motor 30 is driven, the trapezoidal gear rotates, and the two left and right sliders 2 move.
2 move in a direction approaching or moving away from each other.
The optical system unit 14 is attached to each of the sliders 22.
【００５５】したがって、モータ３０の駆動により、２
つの光学系１４の互いの間隔を調整して、２つのレーザ
スポット１０の互いの間隔を調整することができる。Therefore, by driving the motor 30, 2
By adjusting the distance between the two optical systems 14, the distance between the two laser spots 10 can be adjusted.
【００５６】以上のように、本発明の一実施形態によれ
ば、光軸が互いに平行な楕円状の２つのレーザビーム１
を、上記楕円状のレーザビーム１の長手方向を歯車２の
円周方向と一致させ、２つのレーザビーム１のそれぞれ
のパワー密度の頂点が歯底面を間とする側壁面に位置す
るように、歯車２の歯溝の歯底面に対して垂直方向か
ら、歯車２に照射し、照射した２つのビームスポット１
０を歯車２の軸方向に移動させる。As described above, according to the embodiment of the present invention, the two elliptical laser beams 1 whose optical axes are parallel to each other.
So that the longitudinal direction of the elliptical laser beam 1 coincides with the circumferential direction of the gear 2 so that the vertices of the power densities of the two laser beams 1 are located on the side wall surfaces with the tooth bottom surface therebetween. The beam 2 is irradiated onto the gear 2 from a direction perpendicular to the tooth bottom of the tooth space of the gear 2 and the two beam spots 1 are irradiated.
0 is moved in the axial direction of the gear 2.
【００５７】これにより、レーザ１が９０度未満の入射
角で入射され、エネルギーの吸収率が低い側壁面にパワ
ー密度の頂点部分が照射され、レーザ１がほぼ９０度の
角度で入射され、エネルギーの吸収率が高い歯底面にパ
ワー密度が低い部分が照射されるため、歯車２の歯溝全
体に亘って、ほぼ均一化した入熱量となり、歯溝の硬化
層もほぼ均一化される。As a result, the laser 1 is incident at an incident angle of less than 90 degrees, the apex of the power density is irradiated on the side wall surface having a low energy absorption rate, and the laser 1 is incident at an angle of about 90 degrees, Since the low power density portion is irradiated to the tooth root having a high absorption rate, the heat input becomes substantially uniform over the entire tooth groove of the gear 2 and the hardened layer of the tooth groove is also approximately uniform.
【００５８】また、２つのレーザビーム１の光軸は、互
いに平行となった状態で歯車２に照射される構成となっ
ているため、２つのレーザビーム１の互いの間隔を調整
する手段は、簡単な構成で実現することができる。Since the optical axes of the two laser beams 1 are irradiated on the gear 2 in a state of being parallel to each other, the means for adjusting the distance between the two laser beams 1 is as follows. It can be realized with a simple configuration.
【００５９】したがって、複雑な調整を伴うこと無く、
種々の形状及び寸法の歯車の歯溝表面の硬化層を均一化
することが可能な、レーザによる歯車の熱処理方法及び
装置を実現することができる。Therefore, without complicated adjustment,
A method and apparatus for heat-treating a gear by a laser, which can make the hardened layer on the tooth groove surface of the gear having various shapes and dimensions uniform, can be realized.
【００６０】なお、２つのレーザスポット１０の互いの
間隔を調整する手段としては、図７及び図９に示した例
の他に、図４に示した集光レンズ７又は凸レンズ１６を
移動することにより、２つのレーザスポット１０の互い
の間隔を調整することもできる。As means for adjusting the distance between the two laser spots 10, in addition to the examples shown in FIGS. 7 and 9, the converging lens 7 or the convex lens 16 shown in FIG. Accordingly, the distance between the two laser spots 10 can be adjusted.
【００６１】[0061]
【発明の効果】本発明によれば、複雑な調整を伴うこと
無く、簡単な制御や調整で、種々の形状及び寸法の歯車
の歯溝表面の硬化層を均一化することが可能な、レーザ
による歯車の熱処理方法及び装置を実現することができ
る。According to the present invention, it is possible to make the hardened layer on the tooth groove surface of gears of various shapes and sizes uniform with simple control and adjustment without complicated adjustment. And a method and an apparatus for heat treatment of a gear by the above method.
【図１】本発明の実施形態であるレーザによる歯車の熱
処理方法及び装置が適用されるレーザ熱処理装置の概略
構成図である。FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a laser heat treatment apparatus to which a method and an apparatus for heat treatment of a gear by a laser according to an embodiment of the present invention are applied.
【図２】本発明の一実施形態におけるレーザビームのパ
ワー密度の説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram of a power density of a laser beam in one embodiment of the present invention.
【図３】本発明の一実施形態におけるレーザビームスポ
ットの歯車への照射位置を説明する図である。FIG. 3 is a diagram illustrating an irradiation position of a laser beam spot on a gear according to an embodiment of the present invention.
【図４】レーザ整形部の構成例を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration example of a laser shaping unit.
【図５】本発明と比較するための従来技術におけるレー
ザのパワー密度と歯溝の吸収率とを説明する図である。FIG. 5 is a diagram for explaining a laser power density and a tooth space absorptivity in a conventional technique for comparison with the present invention.
【図６】本発明の一実施形態におけるレーザのパワー密
度と、歯溝の吸収率と、歯溝への入熱量とを説明する図
である。FIG. 6 is a diagram illustrating the power density of a laser, the absorptivity of a tooth space, and the amount of heat input to the tooth space according to an embodiment of the present invention.
【図７】本発明の一実施形態における２つのレーザスポ
ットの間隔を調整する手段の一例を示す図である。FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a unit that adjusts an interval between two laser spots according to an embodiment of the present invention.
【図８】図７の例のレーザスポットの照射位置を変更す
る場合の説明図である。8 is an explanatory diagram in a case where the irradiation position of the laser spot in the example of FIG. 7 is changed.
【図９】本発明の一実施形態における２つのレーザスポ
ットの間隔を調整する手段の他の例を示す図である。FIG. 9 is a diagram illustrating another example of a unit that adjusts an interval between two laser spots according to an embodiment of the present invention.
【図１０】従来技術におけるレーザによる歯車の熱処理
方法の一例を示す図である。FIG. 10 is a view showing an example of a conventional heat treatment method for a gear by laser.
【図１１】従来技術におけるレーザによる歯車の熱処理
方法の他の例を示す図である。FIG. 11 is a view showing another example of a heat treatment method of a gear by a laser in the related art.
【図１２】従来技術におけるレーザによる歯車の熱処理
方法のさらに他の例を示す図である。FIG. 12 is a view showing still another example of a conventional gear heat treatment method using a laser.
【図１３】従来技術におけるレーザによる歯車の熱処理
方法のさらに他の例を示す図である。FIG. 13 is a view showing still another example of a heat treatment method of a gear by a laser in the related art.
【図１４】従来技術における問題点の説明図である。FIG. 14 is an explanatory diagram of a problem in the related art.
【図１５】従来技術における問題点の説明図である。FIG. 15 is an explanatory diagram of a problem in the related art.
１ レーザ ２ 歯車 ４ レーザ発振器 ７ 集光レンズ １０ 楕円レーザスポット １１ 電源 １２ コントローラ １３ 光ファイバ １４ 光学系部 １５ 軸方向駆動系 １６ 凸レンズ １７ シリンドリカル凸レンズ １８ シリンドリカル凹レンズ １９ ウエッジ基板 ２０ モータ ２１ 台形ギア ２２ スライダ REFERENCE SIGNS LIST 1 laser 2 gear 4 laser oscillator 7 condenser lens 10 elliptical laser spot 11 power supply 12 controller 13 optical fiber 14 optical system unit 15 axial drive system 16 convex lens 17 cylindrical convex lens 18 cylindrical concave lens 19 wedge substrate 20 motor 21 trapezoidal gear 22 slider
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ２１Ｄ 1/09 Ｃ２１Ｄ 1/09 Ｇ ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) C21D 1/09 C21D 1/09 G
Claims (5)
車の円周方向と同等の方向とし、上記歯車の歯溝の熱処
理範囲の長さと、上記２つのビームスポットの長手方向
の長さとが対応するように、上記２つのビームスポット
を歯溝に照射し、歯車の軸方向に上記２つのビームスポ
ットを相対的に移動し、歯車に入熱を行うことを特徴と
するレーザによる歯車の熱処理方法。1. A heat treatment method for a gear by a laser, wherein a longitudinal direction of the two elliptical laser beam spots is set to a direction equivalent to a circumferential direction of the gear, and The two beam spots are irradiated to the tooth space so that the lengths of the two beam spots in the longitudinal direction correspond to each other, the two beam spots are relatively moved in the axial direction of the gear, and heat is input to the gear. A heat treatment method for gears using a laser, characterized in that:
方法において、上記２つの楕円ビームスポットの互いの
照射位置間隔を可変とし、熱処理の対象である歯車のピ
ッチに対応して、２つの楕円ビームスポットの互いの照
射位置間隔を調整し、上記歯車の軸方向に上記２つの楕
円ビームスポットを移動し、歯車に入熱を行うことを特
徴とするレーザによる歯車の熱処理方法。2. A heat treatment method for a gear by a laser according to claim 1, wherein the distance between the irradiation positions of the two elliptical beam spots is variable, and the two elliptical beam spots correspond to the pitch of the gear to be heat treated. A heat treatment method for a gear using a laser, wherein a distance between irradiation positions of the beam spots is adjusted, the two elliptical beam spots are moved in an axial direction of the gear, and heat is input to the gear.
と、 上記レーザビーム発生手段から発生された２つのレーザ
ビームを、楕円形状の２つのレーザビームとする光学系
部と、 歯車をその中心軸に対して回転させる回転テーブルと、 上記光学系部から出射されたレーザビームの光軸を、歯
車の軸方向に相対的に移動させる移動手段と、 を備え、２つのレーザビームスポットの長手方向を歯車
の円周方向と同等の方向とし、上記歯車の歯溝の熱処理
範囲の長さと、上記２つのビームスポットの長手方向の
長さとが対応するように、上記２つのビームスポットを
歯溝に照射し、歯車の軸方向に上記２つのビームスポッ
トを相対的に移動し、歯車に入熱を行うことを特徴とす
るレーザによる歯車の熱処理装置。3. A gear heat treatment apparatus using a laser, wherein: a laser beam generating means for generating two laser beams; and two laser beams generated from the laser beam generating means are converted into two elliptical laser beams. An optical system unit; a rotary table for rotating the gear with respect to the center axis thereof; and a moving unit for relatively moving the optical axis of the laser beam emitted from the optical system unit in the axial direction of the gear. The longitudinal direction of the two laser beam spots is set to a direction equivalent to the circumferential direction of the gear, and the length of the heat treatment range of the tooth groove of the gear corresponds to the longitudinal length of the two beam spots. Irradiating the two beam spots to the tooth space and relatively moving the two beam spots in the axial direction of the gear to input heat to the gear; Heat treatment apparatus of the gear.
おいて、上記２つのビームスポットの互いの間隔を調整
する調整手段を、さらに備えることを特徴とするレーザ
による熱処理装置。4. A laser heat treatment apparatus according to claim 3, further comprising adjusting means for adjusting a distance between said two beam spots.
のレーザによる歯車の熱処理装置において、上記２つの
レーザビームを、楕円形状の２つのレーザビームとする
光学系部は、円筒面レンズを有することを特徴とするレ
ーザによる歯車の熱処理装置。5. An apparatus for heat-treating a gear by a laser according to claim 3, wherein said two laser beams are converted into two elliptical laser beams by an optical system. A heat treatment apparatus for a gear by a laser, comprising a lens.
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