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DE2927130A1 - Verfahren und vorrichtung zur waermebehandlung von oberflaechen von werkstuecken aus stahl - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur waermebehandlung von oberflaechen von werkstuecken aus stahl

Info

Publication number
DE2927130A1
DE2927130A1 DE19792927130 DE2927130A DE2927130A1 DE 2927130 A1 DE2927130 A1 DE 2927130A1 DE 19792927130 DE19792927130 DE 19792927130 DE 2927130 A DE2927130 A DE 2927130A DE 2927130 A1 DE2927130 A1 DE 2927130A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
energy
tooth
laser beam
tooth flank
cologne
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE19792927130
Other languages
English (en)
Inventor
Takayuki Tani
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Steel Corp
Original Assignee
Sumitomo Metal Industries Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sumitomo Metal Industries Ltd filed Critical Sumitomo Metal Industries Ltd
Publication of DE2927130A1 publication Critical patent/DE2927130A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/32Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for gear wheels, worm wheels, or the like
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/073Shaping the laser spot
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/06Surface hardening
    • C21D1/09Surface hardening by direct application of electrical or wave energy; by particle radiation
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/02Iron or ferrous alloys
    • B23K2103/04Steel or steel alloys

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
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  • Mechanical Engineering (AREA)
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  • Materials Engineering (AREA)
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  • Organic Chemistry (AREA)
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  • Heat Treatment Of Articles (AREA)

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Wärmebehandlung von Oberflächen von Werkstücken aus Stahl
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung von Oberflächen von Werkstücken aus Stahl mit energiereicher Strahlung, insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung von im wesentlichen V-förmigen Oberflächen von Stahlwerkstücken wie Zahnstangen und Zahnrädern.
Es ist bekannt, daß bei den verschiedensten Arbeitsverfahren bestimmte unebene Oberflächen von Stahlwerkstücken, z.B. im wesentlichen V-förmige Oberflächen von Stahlwerkstücken, beispielsweise die Zähne von Zahnstangen und Zahnrädern, einer Behandlung, normalerweise einer Wärmebehandlung zur Steigerung der Festigkeit dieser Oberflächen unterworfen werden müssen. Zu den Verfahren, die heute in der Technik angewendet werden, um diese Steigerung der Festigkeit zu erreichen, gehören die Induktionshärtung, d.h. Erhitzen mit elektromagnetischen Wellen, und das Aufkohlen. Diese bekannten Verfahren zur Festigkeitssteigerung sind jedoch vom Standpunkt der Festigkeit insgesamt unbefriedigend, da die Köpfe dieser Oberflächen im allgemeinen übermäßig stark behandelt werden. Darüber hinaus sind die Energieverluste bei der Durchführung dieser bekannten Verfahren ! erheblich, und es tritt eine erhebliche Deformierung der Oberflächen während der Wärmebehandlung ein. Daher wurden zahlreiche Versuche unternommen, neue Verfahren zur Steigerung der Festigkeit dieser Oberflächen zu entwickeln.
Insbesondere wurden kürzlich Versuche unter Anwendung " ι
voii Elektronenstrahlen und/oder Laserstrahlen als '
Wärmequellen durchgeführt* Speziell die Elektronen- ,
si.; ahltechnik hat b-irsiiB den Stand praktischer Anwen-
dung zum Schweißen erreicht. Mit der Anwendung von Laserstrahlen und/oder Elektronenstrahlen zur Wärmebehandlung flacher Stahloberflächen in ständig steigendem Umfang ist in der Zukunft zu rechnen. Die Anwendung dieser Techniken auf unebene Stahloberflächen beispielsweise bei Zahnstangen und Zahnrädern wirft jedoch noch eine Anzahl praktischer Probleme auf, und bis heute ist man zu keinen gut durchentwickelten technischen Verfahren gelangt. Beispielsweise veranschaulicht Fig. 5 das Ergebnis der Wärmebehandlung einer im wesentlichen V-förmigen Stahlfläche einer Zahnstange mit energiereicher Strahlung in Form eines Laserstrahls, der in ■ der bisher bekannten Weise auf die Stahlfläche zur Ein- . wirkung gebracht wird. Wie insbesondere Fig. 5 zeigt, ist bei Projektion des Laserstrahls im wesentlichen senkrecht zur Zahnstange und im wesentlichen senkrecht ' zum Grund der V-förmigen Oberfläche die hierbei ausgebildete gehärtete Schicht der Oberfläche am Zahngrund viel dicker als an den angrenzenden Flankenflächen.-Diese Arbeitsweise führt offensichtlich zu einer äußerst ungleichmäßigen Wärmebehandlung, und die tatsächlichen Ergebnisse dieser Wärmebehandlung sind sehr unerwünscht. Insbesondere ist zur Ausbildung gehärteter Schichten \ von gewünschter Dicke auf den Flankenflächen eine Auf—
^ der ■ ■ ι
lösung der Oberfläche/Zahnlücke unvermeidlich. Um ', andererseits eine gehärtete Schicht auf der Oberfläche ; des Grundes ohne deren Auflösung zu bilden, ist es "- ! praktisch unmöglich, gehärtete Schichten von geeigneter i und ausreichender Dicke auf den Flankenflächen zu bilden.
Die vorstehend genannten naturgegebenen Wachteile der ' in Fig. 5 dargestellten Wärmebehandlung sind besonders j ausgeprägt, wenn der Laserstrahl eine Gaußsche , Energieverteilung aufweist, bei der die Energie in der Mitte des Strahls am höchsten ist und zum Umfang des Strahls zunehmend schwächer wird. Demzufolge wird die . Oberfläche des Zahnlückengrundes in viel stärkerem Maße ■
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erhitzt, weil die Mitte des Strahls mit höherer Energie auf die Oberfläche des Grundes gerichtet ist, während die Flankenoberflächen durch den weniger Energie enthaltenden Umfang des Strahls in geringerem Maße erhitzt werden.
Zu den bisherigen Versuchen, das vorstehend dargelegte Problem zu lösen, gehört die Anwendung eines Laserstrahls mit gleichmäßiger Energieverteilung über den gesamten Strahlbereich, d.h. die Anwendung einer sog. ; "top-haf'-Energieverteilung. Aber auch bei Anwendung eines solchen Laserstrahls ist es aus den nachstehenden Gründen nicht möglich, die gewünschte Gleichmäßigkeit der Wärmebehandlung eines Oberflächenprofils, wie es in Fig. 5 dargestellt ist, zu erzielen: Wenn, wie in Fig. 5 dargestellt, der zwischen den Zahnflankenflächen gebildete Winkel 40° beträgt, beträgt der Einfallswinkel des Laserstrahls auf dem Zahhlückengrund 90°, d.h. die Abweichung von der senkrechten Einfallsrichtung beträgt 0°. Andererseits beträgt an/einem Punkt auf einer der Flankenflächen die Abweichung der Einfallsrichtung von der Senkrechten zur Flanke 70°. Es ist daher offensichtlich, daß ein viel höherer Grad der Energieaufnahme an der Oberfläche des Zahnlückengrundes als an den Zahnflanken vorliegt. :
Ferner werden die auf die Flankenflächen gerichteten ' Teile des Laserstrahls von den Zahnflanken wiederholt reflektiert, wodurch zu weiterem Erhitzen der Oberfläche des Zahnlückengrundes beigetragen wird.
ί Die Ergebnisse der vorstehend beschriebenen Erscheinung > sind, daß die gebildete gehärtete Schicht (durch die : schraffierte Fläche in Fig. 5 dargestellt) an den Zahnflankenflächen, d.h. dort, wo relativ dickere gehärtete Schichten gewünscht werden, relativ dünner und auf der ! Oberfläche des Zahnlückengrundes, d.h. dort, wo relativ j
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dünnere gehärtete Schichten gewünscht werden, dicker
ist. Diese Ergebnisse verhinderten die praktische Anwendung energiereicher Strahlung, z.B. Elektronenstrahlen und Laserstrahlen, für die Oberflächenbehandlung
von Zahnstangen und Zahnrädern.
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, für die Wärmebehandlung von im wesentlichen V-förmigen Oberflächen
von Werkstücken aus Stahl, beispielsweise Zahnstangen
und Zahnrädern, ein Verfahren und eine Vorrichtung
verfügbar zu machen, die die vorstehend genannten Nachteile vermeiden, die Wärmebehandlung dieser Flächen mit , energiereicher Strahlung, beispielsweise mit Elektronen— strahlen oder Laserstrahlen, und hierdurch eine Steige- ; rung der mechanischen Festigkeit dieser Oberflächen ; durch Bildung gehärteter Schichten von geeigneter Form
ermöglichen und eine Variation der auf verschiedene
Bereiche der im wesentlichen V-förmigen Oberflächen
des Stahls zur Einwirkung gebrachten Energie und damit
eine Veränderung der Größe und des Grades der Steigerung
der Festigkeit gestatten. '
Die vorstehend genannten Aufgaben werden gemäß einem i Merkmal der Erfindung gelöst, indem gleichzeitig ein i erster energiereicher Strahl auf eine erste Flanken- ! fläche einer im wesentlichen V-förmigen Oberfläche und ; ein zweiter energiereicher Strahl auf eine zweite ', Flankenfläche der V-förmigen Oberfläche gerichtet und' j hierdurch die erste Flankenfläche und die zweite Plan- ί kenfläche dem zur Bildung gehärteter Schichten auf. den
Flanken gewünschten Grad der Wärmebehandlung ausgesetzt- ' werden ο " Der-"" erste und der zweite energiereiche Strahl ·.
. ■ können aus swei gesonderten Quellen energiereicher". " j - Strahlung stammen. Es Ist auch möglich9 daß eine einzige!
Quelle energiereicher Strahlung einen ersten energie—
reichen Hauptstrahl liefert"» Dieser energiereiche Haupt-i strahl wird In zwei getrennte Teile geteilt, die den i
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ersten und den zweiten energiereichen Strahl bilden, und dieser erste und zweite energiereiche Strahl können dann auf die erste Zahnflankenfläche und die zweite Zahnflankenfläche gerichtet werden. Der ursprüngliche energiereiche Hauptstrahl kann durch eine erste optische Vorrichtung, beispielsweise einen polyedrischen Spiegel.mit einem ersten Reflektor und einem zweiten Reflektor, die so angeordnet sind, daß sie den energiereichen Hauptstrahl teilen und den ersten und den zweiten energiereichen Strahl in divergierende Richtungen lenken, geteilt werden. Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung können eine zweite und eine dritte optische Vorrichtung so im Gang des ersten und des zweiten energiereichen Strahls angeordnet werden, daß diese energiereichen Strahlen auf die erste Flankenfläche bzw. zweite Flankenfläche gerichtet werden. Diese zweiten und dritten optischen Vorrichtungen können jeweils aus einem ebenen Spiegel und einer konkaven Linse oder jeweils aus einem Konkavspiegel bestehen.
Als energiereiche Strahlen können Laserstrahlen oder Elektronenstrahlen verwendet werden.
Gemäß einem vorteilhaften Merkmal der Erfindung werden der erste und der zweite energiereiche Strahl auf die erste bzw. zweite Flankenoberfläche in Richtungen, die möglichst senkrecht dazu verlaufen, gerichtet.
Gemäß der Erfindung wird es hierdurch möglich, die im wesentlichen V-förmige Fläche an den Außenenden oder Kopfenden der Flankenflächen bis zu einer größeren Dicke als an den Enden der Oberfläche des Zahnlücken- ί grundes zu härten.
Gemäß einem weiteren Markmal der Erfindung kann der die erste optische Vorrichtung bildende polyedrische Spiegel mit Bauteilen zur selektiven Einstellung des relativen Winkels zwischen seinem ersten und zweiten ;
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Reflektor versehen sein, so daß der erste und der zweite energiereiche Strahl (insbesondere Laserstrahlen), die durch Unterteilung des ursprünglichen energiereichen Hauptstrahls gebildet worden sind, in die gewünschten eingestellten divergierenden Richtungen gelenkt werden können.
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Abbildungen weiter erläutert. :
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung, die eine erste Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung, die eine zweite Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
Fig. 3 zeigt im vergrößerten Maßstab eine Mikroskopaufnahme einer Oberfläche, die gemäß der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung wärmebehandeit worden ist.
Fig. 4 zeigt im vergrößerten Maßstab eine weitere Mikroskopaufnahme, die den Zahnlückengrund der in Fig.3 dargestellten behandelten und gehärteten Oberfläche -,-zeigt. -'■-
Fig. 5 ist eine schematische Darstellung, die die An- : wendung eines energiereichen Strahls in bekannter Weise auf eine im wesentlichen V-förmige Oberfläche veranschaulicht.
Fig. 6 zeigt im vergrößerten Maßstab eine Mikroskopaufnahme ähnlich Fig. 3, läßt jedoch die unerwünschten Ergebnisse einer nicht gleichzeitigen Behandlung der beiden Zahnflankenflächen erkennen.
Fig. 7 ist eine ähnliche Ansicht wie Fig. 3, zeigt jedoch eine Oberfläche, die gemäß der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform der Erfindung behandelt worden ! ist. '. - " - : : : - . / ."]
Fig. 8 zeigt im vergrößerten Maßstab eine weitere !
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Mikroskopaufnahme ähnlich Fig. 4, veranschaulicht jedoch den Zustand des Zahnlückengrundteils von Fig. 7.
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf Fig. 1 eine erste Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
Ein grundlegendes Merkmal der Erfindung besteht darin, daß ein erster und ein zweiter energiereicher Strahl gleichzeitig auf eine erste und eine zweite Flankenfläche mit im wesentlichen V-förmiger Oberfläche bei- ; spielsweise bei einer Zahnstange oder einem Zahnrad gerichtet werden, wobei die Oberflächen der Flanken einander gegenüberstehen und in einem bestimmten Winkel zueinander geneigt sind.
Wie Fig. 1 zeigt, wird mit einer ersten und einer zweiten Quelle 11 und 12 für energiereiche Strahlung gearbeitet. Die Strahlungsquellen 11 und 12 können Elektro-
nen- oder Laserstrahlquellen sein, jedoch wird die Erfindung nachstehend im Zusammenhang mit Lasersendern als Strahlungsquellen 11 und 12 beschrieben. Der Sender 11 ist so angeordnet, daß er einen Laserstrahl auf eine erste Flankenoberfläche 1011 richtet, und der : Lasersender 12 ist so angeordnet, daß er einen Laser- ■ strahl auf eine zweite Flankenoberfläche 1012 einer im wesentlichen V-förmigen Oberfläche einer Zahnstange 10 richtet. Der Raum zwischen den Flankenoberflächen 1011
und 1012 ist als Lücke 101 bezeichnet. - '
Im Gang der jeweiligen Laserstrahlen sind konvexe Linsen 13 und 14 angeordnet, die die Laserstrahlen fokussieren., Wenn die energiereichen Strahlen Elektronenstrahlen anstelle der in Fig. 1 dargestellten Laserstrahlen sind,· können in die Anordnung elektromagnetische Linsen ein- ; bezogen werden, um Konvergenz der Elektronenstrahlen zu ; erreichen. In beiden Fällen könnte jedoch auf die Fokussier- oder Sammellinsen verzichtet werden, wenn der Querschnitt, a.h. der Durchmesser der energiereichen
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Strahlen die gewünschte Größe in Bezug auf die Abmessungen der Flankenoberflächen hat.
Die Lasersender 11 und 12 sind symmetrisch auf gegen- -"' überliegenden Seiten einer Mittellinie durch die Lücke , 101 angeordnet. Außerdem sind sie ϊ
so angeordnet, daß die Strahlen auf die jeweiligen Flankenoberflächen möglichst genau senkrecht dazu ■■ gerichtet werden. Mit anderen Worten, es ist erwünscht, ; daß die Strahlen auf die Flankenoberflächen mit Einfallsrichtungen, die möglichst wenig von der Senkrechten ab- ■' weichen, gerichtet werden. Hierdurch wird maximale j Energieaufnahme erzielt. Die Einfallswinkel der energie— reichen Strahlen auf den Flankenoberflächen sind von ;
der Tiefe der Lücke, d.h. der Dimension vom Außen- oder | Kopfrand jeder Flankenoberfläche zur Grundkante jeder 1 Flankenoberfläche, von dem zwischen den Flanken gebildeten Winkel und von der Querschnittsfläche des Strahls,' beispielsweise vom Strahldurchmesser, abhängig. ■
Im einzelnen werden die Durchmesser der jeweiligen ; - - _ ι
Strahlen und ihre Einfallswinkel auf den Flankenoberflächen so bestimmt, daß der erste Laserstrahl aus dem ersten Sender 11 auf die Fläche vom Rand des Zahnkopfes bis zum Zahngrund der Flankenoberfläche 1011 gerichtet ' wird, ohne auf die Flankenoberfläche 1012 gerichtet zu j werden. Ebenso wird der zweite Laserstrahl vom zweiten Sender 12 auf die Fläche von der Kante des Zahnkopfes ! bis zum Zahngrund der Flankenoberfläche 1012 gerichtet, j ohne auf die Flankenoberfläche 1011 zu fallen. Der Durchmesser des jeweiligen Strahls muß jedoch nicht ; genau der Dimension zwischen Zahnkopf und Zahngrund der jeweiligen Zahnflanke entsprechen, da der Strahl sich etwas bis auf den oberen oder äußeren flachen Teil des Zahnkopfes erstrecken darf.
Die Art der Energieverteilung des ersten und zweiten
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Laserstrahls kann vom Gaußschen Typ oder vom "top-hat"-Typ sein.
Wenn die Breite, d.h. die Dimension senkrecht zur Ebene von Fig. 1, der Zahnstange 10 größer ist als der Durch- ; messer des auftreffenden energiereichen Strahls, ist Projektionsabtastung der beiden Strahlen in Richtungen parallel zur Breite der Zahnstange erforderlich. Ferner ! wird natürlich bei der Wärmebehandlung einer Anzahl von ' Zahnoberflächen oder Zahnlücken der Zahnstange die ' Zahnstange für jede Wärmebehandlungsoperation um eine Steigung verschoben.
Der optimale Bereich der Energiedichte des Laserstrahls an der Auftreffstelle auf den Flankenoberflächen be-
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trägt 10 bis 10 W/mm . Demgemäß werden die Leistung der Lasersender und die Spezifikationen des optischen Systems so gewählt, daß Energiedichten in diesem Bereich sichergestellt sind. Darüber hinaus werden die , Projektionszeit der Laserstrahlen und/oder die Abtastgeschwindigkeit der Strahlen so gewählt, daß die Temperatur der bestrichenen Flächen auf den Zahnflankenflächen den Umwandlungspunkt, aber nicht den Schmelzpunkt des jeweiligen Werkstoffs überschreitet. .
Gemäß den vorstehend dargelegten Merkmalen der Erfindung ist die Energieverteilung auf den bestrahlten !
; 25 Bereichen der Zahnflankenoberflächen gleichmäßiger als ; bei den bekannten Verfahren, bei denen ein energie- ]
! reicher Strahl auf die Zahnflankenoberflächen bei einer ι von der Senkrechten stark abweichenden Einfallsrichtung gerichtet wird, wie in Fig. 5 dargestellt. Demgemäß ist
j 30 gemäß der Erfindung die gehärtete Schicht auf der im wesentlichen V-förmigen Oberfläche der Lücke 101 zu den Kopfkanten der Zahnflanken hin viel dicker und zum Zahnlückengrund hin etwas dünner. Hierdurch wird die technisch gewünschte Verteilung der gehärteten Schicht erzielt, die in Fiq. 1 als schraffierter Bereich darge-
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stellt ist. Als Ergebnis werden Stahlwerkstücke mit viel höherer mechanischer Festigkeit erzielt, als dies nach den üblichen Verfahren möglich ist.
Es ist zu betonen, daß die Erfindung nicht nur darin besteht, daß getrennte energiereiche Strahlen auf die getrennten Zahnflanken so gerichtet werden, daß die Strahlen auf die Zahnflanken in Richtungen gelenkt werden, die möglichst dicht bei der Senkrechten dazu liegen. Ein wichtiges und entscheidendes Merkmal der Erfindung < liegt vielmehr darin, daß ein erster und ein zweiter
gleichzeitig ;
energiereicher Strahl ν auf. die erste und auf die zweite -"i Zahnflanke gerichtet werden. Um zu unterstreichen, wie . entscheidend wichtig dies ist, wird nun auf Fig. 6 ver- s wiesen, die eine IQfach vergrößerte Mikroskopaufnahme : einer Zahnstange ist, bei der erste und zweite Zahnflanken mit ersten und zweiten energiereichen Strahlen : behandelt wurden, wobei die Behandlungen jedoch getrennt und nicht gleichzeitig vorgenommen wurden.
Das in Fig. 6 dargestellte Werkstück wurde unter Verwendung des in Fig. 1 dargestellten Systems behandelt, wobei jedoch zuerst nur aus dem Lasersender· 11 ein erster : Laserstrahl auf die erste Zahnflanke 1011 gerichtet !' wurde. Nach beendeter Einwirkung des ersten Laserstrahls1 wurde aus dem zweiten Lasersender 12 ein zweiter j Laserstrahl auf die zweite Zahnflanke 1012 gerichtet. - j Diese Behandlungsart hatte zur Folge, daß die erste ! Zahnflanke 1011 durch Reflexion vom zweiten Laserstrahl : überbehandelt wurde. Das Ergebnis war vom Standpunkt der Festigkeit ungünstig, weil der Oberflächenzustand der Zahnflankenoberflächen nach der Wärmebehandlung nicht j symmetrisch war und sich eine Überschneidung der gehärteten Schichten der ersten und zweiten Behandlungsopera-tionen auf der Oberfläche des Zahnlückengrundes ergab» Im einzelnen ist in Figo 6 der schwarze Bereich auf der Oberf lache der rechten Zahnflanke eine erweichte Zone,,
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ORIGINAL INSPECTED
die durch Überhitzen der zuerst behandelten Zahnflankenoberfläche 1011 entstand. Ferner ist die Überschneidung der gehärteten Schichten am Zahnlückengrund erkennbar.
Im Gegensatz hierzu werden gemäß der Erfindung bei gleichzeitiger Betätigung der beiden Sender 11 und 12 die vorstehend genannten Nachteile völlig ausgeschaltet. Dies wird durch Fig. 3 und Fig. 4 veranschaulicht, die Mikroskopaufnahmen von Oberflächen zeigen, die mit der in Fig. 1 dargestellten Anordnung gemäß der Erfindung behandelt wurden, d.h. wobei Laserstrahlen aus den ; Sendern 11 und 12 gleichzeitig auf die Zahnflankenflächen 1011 und 1012 gerichtet wurden.
Im einzelnen ist Fig. 3 eine lOfach vergrößerte Mikros- '■ kopaufnahme ähnlich Fig. 6. Fig. 3 zeigt jedoch, daß bei gleichzeitiger Einwirkung von zwei Laserstrahlen keine der Zahnflankenoberflächen überhitzt wird. Ferner i ist erkennbar, daß die gehärteten Schichten in Richtung zu den Außen— oder Kopfflächenkanten der Zahnflanken dicker und an der Mitte der Zahnflanken dünner sind.
Demgemäß hat die erfindungsgemäß behandelte Zahnstange bzw. das erfindungsgemäß behandelte Zahnrad eine sehr hohe Festigkeit. :
Fig. 4 zeigt eine Mikroskopaufnahme des gehärteten Bereichs des Zahnlückengrundes von Fig. 3, jedoch mit j lOOfacher Vergrößerung, und läßt die vollständige Umwandlung der gehärteten Schicht in Martensit erkennen.
ι Im einzelnen wurde die in Fig. 3 und Fig. 4 dargestellte;
Zahnstange unter den folgenden Bedingungen behandelt: |
Modul der Zahnstange (definiert als Zahnsteigung/π)= 2,5|
Abweichung der Einfallsrichtung der Strahlen auf die jeweiligen Zahnflankenflächen von der Senkrechten: 20°
Lasersender: Zwei CO^-Gaslasersender,
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ORiGiNAL INSPECTED
Leistunq 1,5 kW, Strähldurchmesser 17 mm.·
Abstand zwischen Lasersendern zu den Zahnflankenoberflächen = 235 min.
Abtastgeschwindigkeit des Laserstrahls = 300 mm/Min. j Vorbehandlung der zu härtenden Oberflächen! j
Schwarzkörperbehandlung, um Schwarzkörperabsorption j zu ermöglichen, d.h. schwarzer Anstrich. j
.--..--■/■"■ ■ . . vi
Wie vorstehend beschrieben, gehört zu den wichtigen ■ Merkmalen der Erfindung die gleichzeitige Einwirkung von getrennten energiereichen Strahlen auf die jeweiligen Zahnflankenoberflächen einer im wesentlichen V—for— ι migen Oberfläche einer Zahnstange oder eines Zahnrades, j Dies wird gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung dadurch erreicht, daß aus getrenn- · ten Quellen energiereicher Strahlung 11 und 12 getrenn— ; te energiereiche Strahlen auf die Zahnflankenoberflächen! 1011 bzw. 1012 gerichtet werden. '
j Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es I jedoch möglich, die gleichen gewünschten Ergebnisse bei !
gleichzeitiger Verringerung der Zahl notwendiger Strahl-i sender sowie eine leichtere und genauere Regelung und j Einstellung der zur Einwirkung gebrachten Strahlen zu i erreichen. Unter Bezugnahme auf Fig. 2 wird nunmehr einej Ausführungsform der Erfindung beschrieben, bei der es- i möglich ist, sicherzustellen, daß die durch die getrenn-] ten Strahlen zur Einwirkung gebrachte Energie genau i ausgeglichen und mit absoluter Sicherheit gewährleistet wird, daß die Einwirkung der beiden Strahlen genau gleichzeitig erfolgt.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Anordnung ist ein einzel ner Lasersender 21 so angeordnet, daß er· eineru ursprünglichen Hauptlaserstrahl 21b auf eine Zahnlücke /zwischen den Zahnflanken 2011 und 2012 einer Zahn-
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- 16 - i
stange 20 richtet. Eine Strahlspaltungsvorrichtung 22, beispielsweise ein zweiflächiger Spiegel eines dreiseitigen Prismas mit dem Querschnitt eines gleichschenkligen Dreiecks weist Spiegelflächen oder Reflektoren 221 und 222 auf den jeweiligen gleichen Seiten auf. ' Die Vorrichtung 22 ist so angeordnet, daß die Schnittlinie der beiden Reflektoren 221 und 222 mit einem ; Durchmesser des Laserstrahls 21b zusammenfällt und daß !
die Einfallswinkel des Laserstrahls 21b auf beiden ; Reflektoren 221 und 222 gleich sind. Mit anderen Worten,; die Vorrichtung 22 ist so angeordnet, daß der Laser— ι strahl 21b gleichmäßig in einen ersten Laserstrahl 221b J und einen zweiten gleichen Laserstrahl 222b geteilt j wird, und daß diese beiden Laserstrahlen in gleichen Winkeln von den jeweiligen Reflektoren 221 und 222 hinweg gerichtet sind. Der zweiseitige Spiegel 22 bildet eine erste optische Vorrichtung. Eine zweite und eine
ι dritte optische Vorrichtung sind im Gang des ersten ,
Laserstrahls 221b und des zweiten Laserstrahls 222b ;
so angeordnet, daß sie den ersten und zweiten Laser- ι strahl auf die Zahnflankenoberflächen 2011 bzw. 2012 der Zahnstange 2o richten. I
Bei der in Fig. 2 dargestellten Anordnung besteht jeweil.s die zweite und die dritte optische Vorrichtung aus einer Kombination eines ebenen Spiegels, der den jeweiligen I Laserstrahl zur jeweiligen Zahrflankenoberflache ablenkt, und einer Konvexlinse, die den jeweiligen Laserstrahl auf die Fläche der jeweiligen Zahnflanke zu fokussieren oder konvergieren vermag. Die zweite optische Vorrichtung für den ersten Laserstrahl 221b besteht somit aus einem ebenen Spiegel 231 und einer Konvexlinse 241. Ebenso besteht die dritte optische Vorrichtung für den zweiten Laserstrahl 222b aus einem ebenen Spiegel 232 und einer Konvexlinse 242.
Es ist jedoch zu bemerken, daß die zweite und die dritte
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ORfGiMAL WSPS
optische Vorrichtung beide in anderer Weise als die dargestellte Kombination von ebenem Spiegel und Konvex- ' linse ausgebildet sein können. Beispielsweise könnten j die zweite und die dritte optische Vorrichtung jeweils I aus einem Konkavspiegel bestehen, der in ungefähr ! der gleichen relativen Lage wie der dargestellte ebene ' Spiegel angeordnet sein könnte, und dieser Konkavspiegel' würde den jeweiligen Laserstrahl ablenken und auf den Bereich der jeweiligen Zahnflanke fokussieren.
Bei dieser Ausführungsform der Erfindung müssen ebenso wie bei der vorstehend unter Bezugnahme auf Fig. 1 ι beschriebenen Ausführungsform der Erfindung der erste und der zweite Laserstrahl auf die erste Zahnflanke 2011; und die zweite Zahnflanke 2012 in einer Richtung mögliehst genau senkrecht dazu gerichtet werden. Um diese gewünschte Beziehung zu erreichen, müssen demgemäß der ; Durchmesser des ursprünglichen Hauptlaserstrahls 21b, der von den Reflektoren 221 und 222 des zweiflachigen Spiegels 22 gebildete Winkel und die Einfallswinkel der j geteilten ersten und zweiten Laserstrahlen 221b und 222b auf den ebenen Spiegeln 231 bzw. 23.2 in geeigneter Weise so gewählt werden, daß in Abhängigkeit von ! der Flankentiefe der Lücke 201 und dem zwischen den Zahnflanken des jeweiligen Werkstücks gebildeten Winkel die gewünschten Einfallswinkel auf den jeweiligen Zahn— flänkenflachen erreicht werden.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform der Erfindung werden beide Zahnflankenoberflächen 2011 und 2012 genau gleichzeitig und unter genau gleichen Bedingungen behandelt, wodurch eine gehärtete Schicht mit idealer Verteilung, d.h. eine gehärtete Schicht, die zu den Außen- oder Kopfkanten der Zahnflanken hin dicker und zum Zahngrundbereich hin dünner ist, gebildet wird. Ferner ergibt sich aus einer Betrachtung von Fig. 2, daß bei einer Gaußschen Energieverteilung des Ursprung-
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1NSPEGTED
lichen Hauptlaserstrahls 21b der zentrale Teil des \ Hauptlaserstrahls 21b mit hoher Energiedichte auf die \
Außen- oder Kopfenden der Zahnflanken und der Umfang ; des Hauptlaserstrahls 21b mit geringerer Energiedichte . auf den Zahnlückengrund der Oberfläche gerichtet wird.
Ferner kann bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform die Energieverteilung der geteilten Laserstrahlen ' auf die bestrahlten Bereiche der Zahnflankenflächen j nach Belieben geregelt werden, da der zentrale Teil des \ ursprünglichen Hauptlaserstrahls mit höherer Energiedichte auf jeden gewünschten Teil der Bereiche der j
Zahnflankenflächen durch Einstellung der Lage der
ebenen Spiegel 231 und 232 gerichtet werden kann.
Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist es ferner
möglich, die Verteilung der auf die Zahnflankenflächen
gerichteten Energie durch Einstellung des Winkels θ ι zwischen den Reflektoren 221 und 222 des Spiegels 22
zu regeln. Der Spiegel 22 könnte somit ohne weiteres mit Mitteln zum Einstellen des Winkels θ versehen werden Hierdurch könnte man die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung leicht an die Behandlung von Zahnstangen oder ; Zahnrädern mit verschiedenen Tiefen der Lücke 201 und ( verschiedenen Winkeln zwischen den Zahnflanken anpassen
und gleichzeitig die gewünschte Energieverteilung j optimieren. ι
Fig. 7 und Fig. 8 sind Mikroaufnahmen ähnlich wie
Fig. 3 und Fig. 4, zeigen jedoch eine gemäß der in
Fig. 2 dargestellten Ausführungsform behandelte Oberfläche. Diese Oberfläche wurde unter den gleichen Bedingungen, die vorstehend im Zusammenhang mit der
Behandlung der in Fig. 3 und Fig. 4 dargestellten Oberfläche genannt wurden, behandelt, außer daß nur ein
einzelner CO_-Gaslasersender verwendet wurde, der Abstand vom Laserkopf des Senders 21 281,5 mm und die
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Strahlabtastungsgeschwindigkeit 130 mm/Min, betrug.
Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung entstand auf den behandelten Oberflächen eine gehärtete Schicht, wobei auf dem Zahnlückengrund, : wo die gehärtete Schicht verhältnismäßig dünn war, eine j Vickers-Härte von mehr als 200 erreicht wurde, während j die Vickers-Härte an den Außen— oder Kopfkanten der Zahnflankenflächen mehr als 600 betrug. i
Die Erfindung ermöglicht in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen Wärmebehandlungen von Werkstücken aus j Stahl mit energiereicher Strahlung unter Erzielung des Effekts der Selbstvergütung (self-quenching)« Darüber hinaus ist es gemäß der Erfindung möglich, eine gehärte-*
: te Schicht mit gewünschter Dickenverteilung zu bilden, ohne daß eine erweichte Zone durch Schmelzen entsteht. Die Erfindung stellt somit eine wesentliche Verbesserung der Technik der Wärmebehandlung von Werkstücken aus Stahl dar. ;
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Claims (14)

VONKREISLER SCHÖNWALD EISHOLD FUES VON KREISLER KELLER SELTING WERNER PATENTANWÄLTE Dr.-Ing. von Kreisler 11973 Dr.-Ing. K. Schönwald, Köln Dr.-Ing. K. W. Eishold, Bad Soden Dr. J. F. Fues, Köln Dipl.-Chem. Alek von Kreisler, Köln Dipl.-Chem. Carola Keller, Köln Dipl.-Ing. G. Seifing, Köln Dr. H.-K. Werner, Köln DEICHMANNHAUS AM HAUPTBAHNHOF D-5000 KÖLN T AvK/Ax 4.JuIi 1979 Sumitomo Metal Industries, Ltd, Osaka, Japan P a ten t a η s ρ rüc he
1. Verfahren zur Wärmebehandlung von im wesentlichen V-förmigen Oberflächen von Werkstücken aus Stahl wie Zahnrädern oder Zahnstangen, wobei die V-förmige Oberfläche durch eine erste Zahnflankenfläche und eine zweite Zahnflankenfläche, die einander im wesentlichen gegenüberstehen und in einem bestimmten Winkel zueinander geneigt sj.nd, gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß
"gleichzeitig
marr'einen ersten energiereichen Strahl auf eine erste Zahnflankenoberfläche und einen zweiten energiereichen Strahl auf die zweite Zahnflankenoberfläche richtet und hierdurch die beiden Zahnflanken der Wärmebehandlung unterwirft.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet5 daß man den ersten und den zweiten energiereichen Strahl aus zwei getrennten Quellen energiereicher Strahlung auf das Werkstück richtete - - . -
3« Verfahren"nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnets daß man die Strahlen zur Einwirkung- bringt,,- indara man " " einen ursprünglichen eneraiereichen" Haupts-trähl aus
Telefon: (0221) 131041 · Telex: 8Mi -'307 dopa ά · Telegramm: Dompatent Köln f' :.'
232713Q
einer einzelnen Quelle energiereicher Strahlung bildet, diesen Hauptstrahl in zwei getrennte Teile in Form des ersten und des zweiten energiereichen Strahls teilt und dann den ersten und den zweiten energiereichen Strahl auf die erste und die zweite Zahnflankenfläche richtet.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man den ursprünglichen energiereichen Hauptstrahl durch eine erste optische Vorrichtung teilt und den ersten und den zweiten energiereichen Strahl durch eine zweite und eine dritte optische Vorrichtung auf die erste bzw. die zweite Zahnflankenoberfläche richtet.
5. Verfahren nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß man den ursprünglichen energiereichen Hauptstrahl von der einzelnen Quelle energiereicher Strahlung in Richtung zur V-förmigen Oberfläche lenkt und ihn gleichmäßig in zwei divergierende energiereiche Strahlen teilt.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man als energiereiche Strahlung Laserstrahlen verwendet.
7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man als energiereiche Strahlung Elektronenstrahlen verwendet.
8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man den ersten und den zweiten energiereichen Strahl auf die erste und die zweite Zahnflankenfläche in Richtungen, die möglichst senkrecht dazu verlaufen richtet.
9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man die Wärmebehandlung als Härtung der V-förmigen : Oberfläche durchführt und hierbei die Zahnflanken an ■ den Außen— oder Zahnkopfenden bis zu einer größeren Dicke als an den Enden am Zahnlückengrund härtet. >
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10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 9, gekennzeichnet durch einen einzelnen Lasersender (21), der einen einzelnen Hauptlaserstrahl (21b) bildet, eine im Gang des Hauptlaserstrahls (21b) angeordnete erste optische Vorrichtung zur Teilung des Hauptlaserstrahls <21b) in zwei im wesentlichen gleiche,' in zwei verschiedene Richtungen verlaufende Laserstrahlen, nämlich einen ersten Laserstrahl (221b) und einen zweiten Laserstrahl (222b), und eine im Gang des ersten (221b) und zweiten Laserstrahls (222b) angeordnete : zweite und dritte optische Vorrichtung, die den ersten und den zweiten Laserstrahl auf eine erste Zahnflanke (2011) und eine zweite Zahnflanke (2012) der zu behandelnden V-förmigen Oberfläche (20) richten. .
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, ■ daß die erste optische Vorrichtung ein mehrflächiger Spiegel (22) mit einem ersten Reflektor (221) und einem; zweiten Reflektor (222) ist, die so angeordnet sind, daß sie- den Hauptlaserstrahl (21b) teilen und den ersten "j Laserstrahl (221b) und den zweiten Laserstrahl (222b)
in divergierende Richtungen lenken. ]
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß der relative Winkel zwischen dem ersten l Reflektor (231) und dem zweiten Reflektor (232) ! einstellbar ist. _■ \
13. Vorrichtung nach Anspruch 10 und 11, dadurch gekenn- zeichnet, daß die zweite und die dritte optische Vorjrichtung jeweils aus einem ebenen Spiegel (231/232) ■ und einer Sammellinse (241/242) bestehen. I
14. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite und die dritte optische Vorrichtung jeweils aus einem Konkavspiegel bestehen.
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