(57)【要約】【課題】設備費を抑制しながら、ワークを焼入れする際に、該ワークを効果的に冷却することが可能な焼入れ装置を提供する。【解決手段】歯車２（ワーク）の各歯を加熱するレーザ発振器４（加熱手段）と、歯車２を上下方向の両側から挟み込むように歯車２に接触して、該歯車２を冷却する冷却治具５、５と、を備えたので、設備費を抑えながら、歯車２の各歯を焼入れする際に、歯車２の各歯を効果的に冷却することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークを加熱する加熱手段と、
前記ワークを両側から挟み込むように前記ワークに接触して、前記ワークを冷却する冷却治具と、
を備えたことを特徴とする焼入れ装置。
【請求項２】
前記加熱手段は、レーザ発振器であり、
前記冷却治具は板状に形成され、その外周面は鏡面に形成されることを特徴とする請求項１に記載の焼入れ装置。
【請求項３】
前記ワークは、外周に備えた複数の歯が焼入れされる歯車であることを特徴とする請求項１または２に記載の焼入れ装置。
【請求項４】
前記歯車を回転駆動させるモータを備え、
該モータは、前記歯車の隣り合う歯を連続してレーザ照射しないように制御されることを特徴とする請求項３に記載の焼入れ装置。
【請求項５】
前記冷却治具は、内部に冷却水が供給されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の焼入れ装置。
【請求項６】
前記冷却治具と前記レーザ発振器との間で冷却水を循環させる冷却水循環装置を備えることを特徴とする請求項５に記載の焼入れ装置。
【請求項７】
前記ワークの温度を測定する温度測定手段を備えていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の焼入れ装置。
【請求項８】
ワークをレーザによって焼入れする焼入れ方法であって、
レーザ発振器にて使用される冷却水を使用して、前記ワークを冷却することを特徴とする焼入れ方法。
【請求項９】
前記ワークの温度に対応して、前記レーザ発振器からの出力またはワークを冷却するための冷却水の供給量を制御することを特徴とする請求項８に記載の焼入れ方法。
【請求項１０】
前記ワークは歯車であり、
該歯車の隣り合う歯を連続してレーザ照射しないことを特徴とする請求項８または９に記載の焼入れ方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワーク、例えば、歯車の外周部の複数の歯を焼入れする焼入れ装置及び焼入れ方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ワークとしての歯車の各歯を焼入れする際にはレーザによる焼入れ手段が採用されている（特許文献１参照）。このレーザによる焼入れは、レーザを照射した後、照射部位が速やかに冷却されることで所定の焼入れ品質が得られる。
【０００３】
従来の冷却装置として、歯車の各歯にレーザを照射した後、各歯に冷却装置から焼入油等の各種液体または窒素等の気体の冷却剤を噴射して各歯を冷却していた。
しかしながら、この従来の焼入れ方法によると、冷却剤を各歯に噴射するための冷却装置が必要であり、設備費が高くなる虞がある。また、冷却剤の保全に多大な工数が必要になるなどの問題も発生する。しかも、この従来の焼入れ方法では、冷却装置からの冷却剤が処理室内に飛散されるので、該処理室内の環境上好ましくない。
【０００４】
このため、冷却装置を備えることなく、歯車の自己冷却による焼入れを採用する場合、レーザの照射が完了した各歯の残熱が蓄積するために、各歯に対して均一な焼入れ品質が得られないなどの問題が発生する。
以上のように、ワーク、例えば、歯車の各歯をレーザにより焼入れする場合、各歯を急速に冷却する必要があり、各歯を一定の冷却速度で冷却しなければ、所望の表面硬度等を得られないために、冷却装置は必要であると考えられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平３−１２２２１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したように、従来の焼入れ方法では、冷却剤の保全に多大な工数を必要とし、また、設備費が高騰する虞があり、改善する必要がある。
【０００７】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、設備費を抑制しながら、ワークを焼入れする際に、該ワークを効果的に冷却することが可能な焼入れ装置及び焼入れ方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の焼入れ装置は、ワークを加熱する加熱手段と、前記ワークを両側から挟み込むように前記ワークに接触して、前記ワークを冷却する冷却治具と、を備えたことを特徴としている。
また、本発明の焼入れ方法は、ワークをレーザによって焼入れする焼入れ方法であって、レーザ発振器にて使用される冷却水を使用して、前記ワークを冷却することを特徴としている。
これにより、設備費を抑制しながら、ワークを焼入れする際に、該ワークを効果的に冷却することができる。
なお、本発明の焼入れ装置及び焼入れ方法の各種態様およびそれらの作用については、以下の発明の態様の項において詳しく説明する。
【０００９】
（発明の態様）
以下に、本願において特許請求が可能と認識されている発明（以下、「請求可能発明」という場合がある。）の態様をいくつか例示し、それらについて説明する。なお、各態様は、請求項と同様に、項に区分し、各項に番号を付して、必要に応じて他の項を引用する形式で記載する。これは、あくまでも請求可能発明の理解を容易にするためであり、請求可能発明を構成する構成要素の組み合わせを、以下の各項に記載されたものに限定する趣旨ではない。つまり、請求可能発明は、各項に付随する記載、実施の形態等を参酌して解釈されるべきであり、その解釈に従う限りにおいて、各項の態様にさらに他の構成要件を付加した態様も、また、各項の態様から構成要件を削除した態様も、請求可能発明の一態様となり得るのである。なお、以下の各項において、（１）項〜（７）項の各々が、請求項１〜７の各々に相当し、（１１）項〜（１３）項の各々が、請求項８乃至１０の各々に相当する。
【００１０】
（１）ワークを加熱する加熱手段と、前記ワークを両側から挟み込むように前記ワークに接触して、前記ワークを冷却する冷却治具と、を備えたことを特徴とする焼入れ装置。
（１）項の焼入れ装置では、冷却治具によりワークを両側から挟み込んで冷却するので、ワークの焼入れの際に、該ワークを急速に冷却することができ、ワークの焼入れ部位の焼入れ品質のばらつきが抑制され均一化される。
なお、焼入れ品質は、ワークの焼入れ部位の硬化深さや表面硬度等により判断されるものである。
【００１１】
（２）前記加熱手段は、レーザ発振器であり、前記冷却治具は板状に形成され、その外周面は鏡面に形成されることを特徴とする（１）項に記載の焼入れ装置。
（２）項の焼入れ装置では、ワークを局所的に焼入れすることができる。また、冷却治具の外周面にレーザが誤って照射されても、該レーザを反射させることができる。
【００１２】
（３）前記ワークは、外周に備えた複数の歯が焼入れされる歯車であることを特徴とする（１）項または（２）項に記載の焼入れ装置。
（３）項の焼入れ装置では、ワークである歯車の各歯を焼入れする際に特に有効である。
【００１３】
（４）前記歯車を回転駆動させるモータを備え、該モータは、前記歯車の隣り合う歯を連続してレーザ照射しないように制御されることを特徴とする（３）項に記載の焼入れ装置。
（４）項の焼入れ装置では、歯車の各歯の焼入れ品質を均一化することができる。
【００１４】
（５）前記冷却治具は、内部に冷却水が供給されることを特徴とする（１）項〜（４）項のいずれかに記載の焼入れ装置。
（５）項の焼入れ装置では、従来の焼入れ方法のように、冷却剤の保全に係るメンテナンスが不要で、しかも、処理室内に冷却水が飛散されることもない。
【００１５】
（６）前記冷却治具と前記レーザ発振器との間で冷却水を循環させる冷却水循環装置を備えることを特徴とする（５）項に記載の焼入れ装置。
（６）項の焼入れ装置では、レーザ発振器を冷却する冷却水を、冷却治具内に循環させることができるために、設備費を抑制でき、メンテナンス性を向上させることができる。
【００１６】
（７）前記ワークの温度を測定する温度測定手段を備えていることを特徴とする（１）項〜（６）項のいずれかに記載の焼入れ装置。
（７）項の焼入れ装置では、ワークの焼入れの際に、ワークの温度測定結果に基づいて、加熱手段の出力や冷却水の供給量を適宜制御することができ、ワークの焼入れ品質を向上させることができる。
【００１７】
（８）前記冷却治具は、その内部に冷却水路が環状に形成されることを特徴とする（５）項〜（７）項のいずれかに記載の焼入れ装置。
（８）項の焼入れ装置では、歯車の各歯を効果的に略均一に冷却することができる。
【００１８】
（９）前記冷却治具は、銅などの一般的に熱伝導率が高いとされる金属製で形成されることを特徴とする（１）項〜（８）項のいずれかに記載の焼入れ装置。
（９）項の焼入れ装置では、冷却治具の熱伝導率が高いので、ワークの冷却効率を向上させることができる。
【００１９】
（１０）前記温度測定手段は、前記冷却治具の前記歯車との接触面における径方向外方で、かつ、周方向に間隔を置いて複数配置されることを特徴とする（７）項〜（９）項のいずれかに記載の焼入れ装置。
（１０）項の焼入れ装置では、歯車の各歯の温度を代用特性として正確に測定することができる。
【００２０】
（１１）ワークをレーザによって焼入れする焼入れ方法であって、レーザ発振器にて使用される冷却水を使用して、前記ワークを冷却することを特徴とする焼入れ方法。
（１１）項の焼入れ方法では、レーザ発振器を冷却する冷却水を、冷却治具内に循環させて使用しているために、設備費を抑制しながら、ワークを効果的に冷却することが可能になる。
【００２１】
（１２）前記ワークの温度に対応して、前記レーザ発振器からの出力またはワークを冷却するための冷却水の供給量を制御することを特徴とする（１１）項に記載の焼入れ方法。
（１２）項の焼入れ方法では、ワークの複数の焼入れ部位の焼入れ品質を均一化させることができる。
【００２２】
（１３）前記ワークは歯車であり、該歯車の隣り合う歯を連続してレーザ照射しないことを特徴とする（１１）項または（１２）項に記載の焼入れ方法。
（１３）項の焼入れ方法では、歯車の各歯の焼入れ品質を均一化させることができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、設備費を抑制しながら、ワークを焼入れする際に、該ワークを効果的に冷却することが可能な焼入れ装置及び焼入れ方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係る焼入れ装置の冷却治具及びレーザ発振器を示す概略図である。
【図２】図２は、図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態に係る焼入れ装置の概略図である。
【図４】図４は、歯車の各歯を焼入れする順序を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明を実施するための形態を図１〜図４に基づいて詳細に説明する。
本発明の実施の形態に係る焼入れ装置１は、図３に示すように、ワークとしての歯車２を回転駆動させるサーボモータ３と、歯車２の各歯２ａを加熱する加熱手段としてのレーザ発振器４と、歯車２を上下方向の両側面から挟み込むように歯車２に接触して、該歯車２を冷却する冷却治具５、５と、歯車２の各歯２ａの温度を測定する温度測定手段としての複数の熱電対６と、一対の冷却治具５、５とレーザ発振器４との間で冷却水を循環させる冷却水循環装置７と、サーボモータ３、各熱電対６、レーザ発振器４及び冷却水循環装置７と接続される制御部８とから構成されている。
【００２６】
図４に示すように、ワークは、外周部に複数の歯２ａを備えた円環状の歯車２である。図１及び図４に示すように、歯車２の各歯２ａがレーザ発振器４からのレーザ照射により焼入れされる。歯車２には、図示しない取付治具を介してサーボモータ３が連結されている。サーボモータ３の回転駆動により歯車２は回転する。該サーボモータ３は制御部８に接続され、制御部８からの指令によりその回転が制御される。
【００２７】
レーザ発振器４は、歯車２の各歯２ａにレーザを照射して加熱し焼入れするものである。ＣＯ２レーザ、ＹＡＧレーザや半導体レーザ等が採用される。本実施の形態では半導体レーザが採用される。具体的な歯車２の各歯２ａに対するレーザ照射方法としては、歯車２の各歯２ａに対して、歯底には、該歯底の部分は熱容量が大きいために大きなレーザ出力で照射して、また、各歯面には、該歯面の部分は熱容量が小さいために、歯底へ照射される出力よりも小さなレーザ出力で照射するようにしている。これにより、歯底用のレーザ発振器４を１台、各歯面用のレーザ発振器４を２台備えるようにしてもよいし、レーザ発振器４を１台備え、角度変換反射ミラ等を使用することにより、レーザ照射方向を、歯底及び各歯面の３箇所に分けるように構成してもよい。
【００２８】
図１及び図２に示すように、冷却治具５、５は、歯車２を上下方向の両側面から挟み込むように一対備えられる。各冷却治具５、５は、一般的に熱伝導率が高いとされる金属で形成される。本実施形態では、各冷却治具５、５は銅で形成される。各冷却治具５、５は、歯車２の側面の全体を覆うように円板状に形成される。各冷却治具５、５の外周面５ａ、５ａは鏡面に形成される。各冷却治具５、５の内部には、径方向外方に断面矩形状の冷却水路１０が環状に形成される。各冷却治具５、５には、内部に設けた冷却水路１０に連通する冷却水流入口１１及び冷却水流出口１２が形成される。図３に示すように、各冷却治具５、５のうち上方の冷却治具５にはシリンダ１５からのシリンダロッド１６が当接されており、シリンダロッド１６の前進運動により上方の冷却治具５が歯車２の上面を押圧する。下方の冷却治具５は、図示しない架台等に回転自在に支持され、その上面に歯車２の下面が接触する。また、各冷却治具５、５の冷却水流入口１１及び冷却水流出口１２は冷却水循環装置７に連通している。
【００２９】
また、図２及び図３に示すように、各冷却治具５、５には、歯車２の側面と接触する面の径方向外側に、周方向に間隔を置いて複数の熱電対６が埋め込まれている。各熱電対６により歯車２の側面における径方向外方で各歯２ａに近接した位置の温度を測定するようにしている。各熱電対６の温度測定結果は制御部８に送信される。本実施形態では、温度測定手段として熱電対６を採用したが放射温度計を採用してもよい。
【００３０】
図１及び図３に示すように、各冷却治具５、５の冷却水流入口１１及び冷却水流出口１２と、レーザ発振器４との間には冷却水循環装置７が備えられる。該冷却水循環装置７により、所定温度以下に冷却された冷却水を各冷却治具５、５内の冷却水路１０とレーザ発振器４との間で循環させている。冷却水循環装置７は制御部８に接続されている。該冷却水循環装置７は、制御部８からの指令により冷却水を各冷却治具５、５内の冷却水路１０へ所望流量圧送する。通常、各冷却治具５、５内に、２０℃以下の冷却水を５０Ｌ／ｍｉｎ程度で圧送している。
【００３１】
図３に示すように、制御部８は、サーボモータ３、各熱電対６、レーザ発振器４及び冷却水循環装置７と接続されている。制御部８では、歯車２の各歯２ａへのレーザ発振器４からのレーザ照射において、隣り合う歯２ａ、２ａが連続してレーザ照射されないようにサーボモータ３の回転駆動を制御している。例えば、標準的には、図４に示すように、歯車２の各歯２ａに対して、（１）→（２）→（３）→（４）→（５）→（６）→（７）→（８）→（９）・・・の順序で焼入れが行われる。しかしながら、各熱電対６からの温度測定結果に基づいて各歯２ａに対する焼入れ順序が変更されることも有る。
また、制御部８では、各熱電対６からの温度測定結果に基づいて、レーザ発振器４からのレーザ照射を一時的に停止したり、また、各冷却治具５、５への冷却水の流量を制御するようにしている。
【００３２】
次に、本発明の実施の形態に係る焼入れ装置１を使用した焼入れ方法を説明する。
まず、下方の冷却治具５の上面に接触するように歯車２を配置して、上下一対の冷却治具５、５により歯車２を上下方向の両側から挟み込むようにする。その後、シリンダロッド１６を前進させて上方の冷却治具５を歯車２の上面に接触させる。その際、各冷却治具５、５は歯車２の回転に追従するように回転可能となっている。
次に、歯車２の（１）で示す歯２ａ（図４参照）がレーザ発振器４と対向するようにサーボモータ３の回転駆動が制御される。この時、各冷却治具５、５も歯車２の回転に追従するように回転する。続いて、レーザ発振器４から歯車２の（１）で示す歯２ａに対してレーザ照射される。詳しくは、上述したように、歯底には大きいレーザ出力で照射され、各歯面には歯底へのレーザ出力よりも小さいレーザ出力で照射される。
【００３３】
この時、各冷却治具５、５内に設けた冷却水路１０に冷却水循環装置７から冷却水が所望流量で圧送されて、歯車２の両側面における径方向外端の全周が常時冷却される。これにより、歯車２のレーザ照射された（１）で示す歯２ａが急速に冷却される。各冷却治具５、５の冷却水路１０への冷却水は、レーザ発振器４の冷却に使用される冷却水を冷却水循環装置７により循環させて供給される。また、各熱電対６により歯車２の両側面における径方向外端で各歯２ａに近接した位置の温度が随時測定される。各熱電対６の温度測定結果は制御部８に送信される。該制御部８では、各熱電対６からの温度測定結果に基づいて、レーザ発振器４からのレーザ照射を一時的に停止したり、各冷却治具５、５への冷却水の流量を制御する。なお、レーザ発振器４のレーザ出力値を制御することも可能である。
次に、図４に示すように、歯車２の各歯２ａに対して、（２）→（３）→（４）→（５）→（６）→（７）→（８）→（９）・・・の順序でレーザ発振器４と対向するようにサーボモータ３の回転駆動が制御されて、上述したように各歯２ａの焼入れが行われ、各歯２ａが各冷却治具５、５により順次急速に冷却される。そして、歯車２の全ての歯２ａに対して均一の焼入れ品質を得ることができる。
【００３４】
以上説明したように、本発明の実施の形態に係る焼入れ装置１では、歯車２を上下方向の両側面から挟み込むように歯車２に接触して、該歯車２を冷却する冷却治具５、５を備えたので、歯車２を自己冷却する形態と比べて、冷却速度が速いために伝熱による歯車２の歪みを抑えることができる。また、冷却治具５、５の内部には環状の冷却水路１０が設けられ、該冷却水路１０内に冷却水が圧送され、歯車２の両側面における径方向外端の全周が均一に冷却されるので、全ての歯２ａに対して均一の焼入れ品質を得ることができる。しかも、冷却媒体（冷却剤）として冷却水が採用されているので、従来よりも維持管理費を低減させることができる。また、各冷却治具５、５の外周面５ａ、５ａは鏡面に形成されているので、各冷却治具５、５の外周面５ａ、５ａにレーザ発振器４からのレーザが誤って照射されても、該レーザを反射させることができる。
【００３５】
また、本発明の実施の形態では、冷却剤として焼入油等を使用しておらず、冷却治具５、５内に供給される冷却水は、レーザ発振器４の冷却に必要な冷却水が使用されているので、設備費を抑制することができ、冷却水が処理室内に飛散されることもないので、メンテナンス性が向上する。
【００３６】
さらに、本発明の実施の形態では、サーボモータ３による回転制御により、歯車２の隣り合う歯２ａ、２ａは連続してレーザ照射されないので、各歯２ａの焼入れ品質のばらつきを抑え、均一にすることができる。
【符号の説明】
【００３７】
１  焼入れ装置，２  歯車（ワーク），２ａ  歯，３  サーボモータ，４  レーザ発振器（加熱手段），５  冷却治具，５ａ  外周面，６  熱電対（温度測定手段），７  冷却水循環装置，８  制御部，１０  冷却水路，１１  冷却水流入口，１２  冷却水流出口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2012251175.tif 000006