JP2005330545A - 高周波焼入方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 比較的小物のワークであっても、非焼入希望面に焼きが入らないように、焼入希望面のみの限定的な焼入が行える高周波焼入方法およびその装置を提供する。転がり軸受の軌道輪の焼入等に適用される。
【解決手段】 焼入希望面Ｓ１と非焼入希望面Ｓ２とが並ぶワークＷの高周波焼入方法である。非焼入希望面Ｓ２を、導電性の保護治具５で覆った状態で、焼入希望面Ｓ１に対向する加熱コイル１により、焼入希望面Ｓ１を高周波誘導加熱する。保護治具５は、銅やアルミ等の導電率の高い材質が好ましい。保護治具５には、内部に冷却媒体の流路６を設けても良い。
【選択図】 図１

Description

この発明は、軌道面が焼入される転がり軸受の軌道輪等のように、焼入希望面と非焼入希望面とがある機械部品等につき、焼入に際する加熱を高周波誘導加熱により行う高周波焼入方法およびその装置に関する。

機械部品、例えばリング状のワークの焼入に際する加熱方法として、単巻の加熱コイルを用い、その内周に同心にワークを配置し、高周波誘導加熱を行う方法がある（例えば非特許文献１）。
しかし、軸受軌道輪等の量産される機械部品の焼入は、雰囲気炉で全体焼入することが一般的である。軸受における高周波焼入は、車輪用軸受における軌道面のみの焼入等のように、局部的に焼入を施す場合に採用されている。この局部的な焼入は、移動焼入等により行っている。
（社）日本熱処理技術協会／日本金属熱処理工業会編集、「熱処理技術入門」大河出版、平成１３年４月２５日発行、第２８５頁

軸受軌道輪等の機械部品の焼入を行う場合の加熱は、上記のように炉内で行うことが一般的であるが、多品種少量生産の場合、炉による熱処理では、炉の処理可能個数に対して半端な個数となることがあり、効率が悪い。また、要求に応じて必要時に必要個数だけ焼入品をラインに供給したり、外部に納品するような場合は、炉による焼入れでは在庫を多く抱えることが必要となる。炉による加熱は、炉内に入れた機械部品の位置によっても、加熱温度がばらつくことがある。
このため、軸受軌道輪の焼入を、１個ずつ高周波焼入で行うことを試みた。高周波焼入によると、必要個数だけを処理することができ、また処理品間でのばらつきの少ない均一な熱処理が可能となる。
また、高周波焼入は、必要部分だけを焼入することができるという利点があり、焼入希望面と非焼入希望面とがある機械部品を焼入する方法として優れている。

しかし、高周波焼入において、比較的大きなワークにつき、加熱コイルを移動させながら加熱する移動焼入では部分的な焼入が比較的容易であるが、小物ワーク等のように一発焼入を行うものでは、加熱コイルの磁束の影響が非焼入希望面にも及んでしまう。そのため、焼入希望面のみを焼入することが難しく、周辺部分まで焼入されてしまう。周辺部分は、ワークの靱性確保やその他種々の要望から、焼入されることが好ましくない場合がある。例えば、転がり軸受の軌道輪では、軌道面は焼入して硬度を高めることが必要であるが、軌道面に隣接する内径面部分または外径面部分は、焼入により硬化されることが好ましくない。

この発明の目的は、比較的小物のワークであっても、非焼入希望面に焼きが入らないように、焼入希望面のみの限定的な焼入が行える高周波焼入方法およびその装置を提供することである。

この発明の高周波焼入方法は、焼入希望面と非焼入希望面とが並ぶワークの高周波焼入方法であって、前記非焼入希望面を、導電性の保護治具で覆った状態で、前記焼入希望面に対向する加熱コイルにより焼入希望面を高周波誘導加熱することを特徴とする。
この方法によると、ワークの非焼入希望面を導電性の保護治具で覆うため、加熱コイルの発生する交番磁界の磁束は、導電性の保護治具および焼入希望面の内部を通ることになり、非焼入希望面の内部は通らない。そのため、ワークを通る磁束の変化による渦電流損やヒステリシス損等によって生じる発熱現象は、焼入希望面の内部および保護治具内でのみ生じ、非焼入希望面の内部では生じない。非焼入希望面の内部は、周辺からの熱伝導だけで加熱されることになり、高温になり難い。したがって、比較的小物のワークであっても、非焼入希望面に焼きが入らないように、焼入希望面のみの限定的な焼入が行える。

この発明の高周波焼入装置は、焼入希望面と非焼入希望面とが並ぶワークの高周波焼入装置であって、ワークの前記非焼入希望面を覆う導電性の保護治具と、前記焼入希望面に対向する加熱コイルとを備えものである。
この構成の高周波焼入装置によると、この発明方法における上記の作用のため、比較的小物のワークであっても、非焼入希望面に焼きが入らないように、焼入希望面のみの限定的な焼入が行える。

前記加熱コイルは、焼入冷却液の流路とこの流路内の焼入冷却液をワークに向けて吐出する吐出口とを有するものであっても良い。
加熱コイルが焼入冷却液の吐出口を有するものであると、加熱したワークをその加熱位置で急冷する一発焼入が行える。移動焼入と異なり、一発焼入を行う高周波焼入装置は、加熱コイルとワークの位置関係を固定して加熱を行うため、通常では部分的な焼入が行い難い。そのため、上記保護治具の使用による焼入範囲限定の効果が大きい。

前記保護治具は、内部に冷却媒体の流路を有するものであっても良い。その場合、この流路に冷却媒体を供給する治具冷却媒体供給手段を設ける。
保護治具は、加熱コイルの磁束が通り、誘導加熱が生じるため、冷却媒体を流して冷却することが、ワークの非焼入希望面の熱伝導による温度上昇の緩和や、保護治具の耐久性の向上の面で好ましい。

この発明の高周波焼入装置において、前記加熱コイルが単巻きのものであり、前記ワークが加熱コイルの内周または外周に配置されるリング状品であって、加熱コイルとの対向面に前記焼入希望面および非焼入希望面を有するものであり、前記加熱コイルに対してワークおよび前記保護治具を支持して加熱コイルの中心回りに回転させるワーク支持手段を設けても良い。
ワークがリング状品である場合、上記のように回転させながら加熱することで、全周に均等な加熱が行える。この場合に、保護部材は、加熱コイルと共に固定のものとしても良いが、上記のようにワークと共に回転させるようにすると、ワークの回転を阻害することなく、保護部材をワークの非焼入希望面に接触状態に配置することができて、保護部材の機能である磁束が非焼入希望面に通らないようにする作用が効果的に得られる。

この構成の高周波焼入装置において、前記リング状品のワークが転がり軸受の軌道輪であって、前記焼入希望面が軌道面であっても良い。
転がり軸受では、転動体が転走する面である軌道面は、摩耗防止や転動寿命の点から表面硬さを高くすることが要求されるが、軌道面に隣接する周面部分は、軌道輪の靱性向上などのために焼きが入らないようにすることが好ましい。このため、この発明装置における、非焼入希望面に焼きが入らないように、焼入希望面のみの限定的な焼入が行えるという利点が効果的に発揮される。

この発明の高周波焼入方法は、焼入希望面と非焼入希望面とが並ぶワークの焼入方法であって、前記非焼入希望面を、導電性の保護治具で覆った状態で、前記焼入希望面に対向する加熱コイルにより焼入希望面を高周波誘導加熱する方法であるため、比較的小物のワークであっても、非焼入希望面に焼きが入らないように、焼入希望面のみの限定的な焼入が行える。
この発明の高周波焼入装置は、焼入希望面と非焼入希望面とが並ぶワークの高周波焼入装置であって、ワークの前記非焼入希望面を覆う導電性の保護治具と、前記焼入希望面に対向する加熱コイルとを備えるため、比較的小物のワークであっても、非焼入希望面に焼きが入らないように、焼入希望面のみの限定的な焼入が行える。

この発明の第１の実施形態を図１および図２と共に説明する。この高周波焼入装置は、被熱処理品であるワークＷとして、焼入希望面Ｓ１と非焼入希望面Ｓ２とが並ぶものを高周波焼入する装置であって、加熱コイル１と、この加熱コイル１に高周波電流を供給する高周波電源２と、ワークＷの非焼入希望面Ｓ２を覆う導電性の保護治具５と、ワークＷおよび保護治具５を支持するワーク支持手段３と、焼入冷却液供給装置４とを備える。加熱コイル１は、ワーク支持手段３に支持されたワークＷの焼入希望面Ｓ１に対向するように設けられる。

ワークＷはリング状品であり、具体的には転がり軸受の軌道輪である。図示の例では、ワークＷは玉軸受の内輪であり、外周に軌道溝Ｗａを有している。この軌道溝Ｗａの内面が焼入希望面Ｓ１となり、ワークＷの外径面における軌道溝Ｗａの両側の部分が非焼入希望面Ｓ２となる。

保護治具５は、ワークＷの両側の非焼入希望面Ｓ２をそれぞれ覆うように２つが設けられ、それぞれリング状とされている。保護治具５は、導電率が高い材質のものであることが好ましく、例えば銅製や、アルミニウム製とされ、または鉄製とされる。保護治具５は、内部に冷却媒体の流路６を有し、円周方向の一部に、流路６の出口および入口（図示せず）が設けられている。保護治具５は、ワークＷの幅面または内周面等に係合する係合片（図示せず）を有しており、ワークＷに嵌合した状態で前記係合片により係合してワークＷに保持される。

保護治具５の流路６に対して、冷却液等の冷却媒体を循環させる治具冷却媒体供給手段１５が設けられている。

加熱コイル１は、円筒形の単巻きのものであって、内部に焼入冷却液の流路７を有し、かつ内径側へ焼入冷却液を吐出させる吐出孔８が内径側の壁面に設けられている。加熱コイル１の断面形状は、同図に示すように長方形ないし正方形状とされる。加熱コイル１の外周面における周方向の複数箇所に、焼入冷却液入口となるパイプ状の接続口９が設けられている。この接続口９に、焼入冷却液供給装置４から加熱コイル１の冷却およびワークＷの冷却のための焼入冷却液が、所定のタイミングで供給される。

加熱コイル１は、図２に斜視図で示すように、分割部分となる円周方向の両端に一対の端子板１０を有し、２枚の端子板１０の間に絶縁板１１を挟み込んだものとされている。これら端子板１０の間に、高周波電源２が前記電流変成器を介して接続される。

図１において、高周波電源２は、交流商用電源等から受電盤を介して得た電流を、所定周波数の高周波に変換して加熱コイル１に供給する手段であり、サイリスタインバータ式やトランジスタインバータ式等のものが使用される。高周波電源２と加熱コイル１との間には電流変成器（図示せず）を介在させる。

ワーク支持手段３は、ワークＷを載せる下側支持部材１３と、ワークＷの上面を押える上側支持部材１２とを有し、上下いずれかの支持部材１２，１３をモータ等の駆動源１４で回転させることにより、ワークＷを回転させる構成としてある。下側支持部材１３および上側支持部材１２は、加熱コイル１と同心位置で軸受（図示せず）等により回転自在に支持されている。上下の支持部材１２，１３は、ワークＷとの接触面積ができるだけ少なくできるように、円周方向の複数箇所（例えば３箇所）に等配された突部１２ａ，１３ａを介してワークＷを支持するものとしてある。ワーク支持手段１２，１３の材質は、セラミックス等である。

上下の支持部材１２，１３は、いずれか一方または双方が昇降可能とされ、互いに上下に離れることにより、ワークＷの出し入れが可能とされている。
なお、ワーク支持手段３に対してワークＷを自動で出し入れするローディング装置（図示せず）を設けても良い。

上記構成の高周波焼入装置による熱処理過程を説明する。非焼入希望面Ｓ２が保護治具５で覆われたワークＷを、ワーク支持手段３の上下の支持部材１２，１３間に設置し、支持部材１２，１３と共に駆動源１４でワークＷおよび保護治具５を回転させながら、加熱コイル１に高周波電源２から高周波電力を供給する。加熱コイル１に高周波電流が流れることにより、交番磁束が発生し、ワークＷが誘導加熱される。すなわち、ワークＷを通る磁束の変化による渦電流損やヒステリシス損等により発熱現象が生じる。ワークＷの温度が焼入前加熱最高温度、つまりオーステナイト化温度まで昇温すると、その温度を一定時間維持した後、加熱コイル１内に焼入冷却液を供給して吐出孔８から吐出させ、ワークＷを急冷する。これによりワークＷが焼入される。

上記加熱コイル１による誘導加熱時において、ワークＷの非焼入希望面Ｓ２は導電性の保護治具５で覆われているため、加熱コイル１の発生する交番磁界の磁束は、図１（Ｂ）に曲線ａで示すように、導電性の保護治具５および焼入希望面Ｓ１の内部を通ることになり、非焼入希望面Ｓ２の内部は通らない。そのため、ワークＷを通る磁束の変化による渦電流損やヒステリシス損等によって生じる発熱現象は、焼入希望面Ｓ１の内部および保護治具５内でのみ生じ、非焼入希望面Ｓ２の内部では生じない。非焼入希望面Ｓ２の内部は周辺からの熱伝導だけで加熱されることになり、高温になり難い。したがって、比較的小物のワークＷであっても、非焼入希望面Ｓ２に焼きが入らないように、焼入希望面Ｓ１のみの限定的な焼入が行える。

この実施形態では、ワークＷは転がり軸受の軌道輪であり、焼入希望面Ｓ１となる軌道溝Ｗａの内面のみが高温に誘導加熱され、焼入されることになる。そのため、非焼入希望面Ｓ２には焼きが入らず、優れた靱性を保持することができる。

前記保護治具５は、加熱コイル１の磁束が通り、誘導加熱が生じるが、内部に冷却媒体の流路６を有し、治具冷却媒体供給手段１５から冷却水等の冷却媒体が循環させられるため、温度上昇が緩和され、ワークＷの非焼入希望面Ｓ２の熱伝導による温度上昇の緩和や、保護治具５の耐久性の向上の面で好ましい。

また、加熱コイル１は焼入冷却液の吐出口８を有し、上記のように加熱したワークＷをその加熱位置で急冷する一発焼入が行える。そのため、高温に加熱状態のワークＷを移動させる必要がなく、変形を生じ難い。移動焼入と異なり、一発焼入を行う高周波焼入装置は、加熱コイル１とワークＷの位置関係を固定して加熱を行うため、通常では部分的な焼入が行い難い。しかし、上記の保護治具５を用いることで、焼入範囲を効果的に限定することができる。

この実施形態では、単巻きの加熱コイル１を用い、その内周でワークＷを支持手段３により回転させながら誘導加熱および液冷却を行うようにしたため、リング状のワークＷを全周に渡り均等に加熱，急冷でき、このため焼入品質が全周に均等なものとなる。したがって、ワークＷが、形状，寸法，材質等に厳しい精度，品質が求められる軸受軌道輪である場合は、この実施形態の高周波焼入装置における精度，品質上の利点が効果的に発揮される。

なお、上記実施形態は、ワークＷを外周から加熱する場合につき説明したが、この発明の高周波焼入装置は、例えば図３に示すように、ワークＷＡに内周から加熱する装置としても良い。この場合のワークＷＡは、例えば転がり軸受の外輪である。この場合も、軌道溝ＷＡａの内面が焼入希望面Ｓ１となり、その両側の非焼入希望面Ｓ２は、保護治具５で覆って焼入を行う。加熱コイル１Ａには、図４に示すように内側に端子部１０Ａが設けられた単巻きコイルを使用する。
また、上記各実施形態は、ワークＷがリング状品の場合につき説明したが、この発明は焼入希望面Ｓ１と非焼入希望面Ｓ２とが隣接して並ぶワークＷの高周波焼入一般に適用することができる。

（Ａ）はこの発明の第１の実施形態にかかる高周波焼入装置の破断正面図、（Ｂ）は同図（Ａ）のＢ部の拡大断面で示す作用説明図である。 その加熱コイルの斜視図である。 この発明の他の実施形態における加熱コイルとワークの関係を示す断面図である。 その加熱コイルの斜視図である。

符号の説明

１，１Ａ…加熱コイル
２…高周波電源
３…ワーク支持手段
４…焼入冷却液供給装置
５…保護治具
６…流路
７…流路
８…吐出口
Ｓ１…焼入希望面
Ｓ２…非焼入希望面
Ｗ，ＷＡ…ワーク

Claims (6)

1. 焼入希望面と非焼入希望面とが並ぶワークの高周波焼入方法であって、前記非焼入希望面を、導電性の保護治具で覆った状態で、前記焼入希望面に対向する加熱コイルにより焼入希望面を高周波誘導加熱することを特徴とする高周波焼入方法。
2. 焼入希望面と非焼入希望面とが並ぶワークの高周波焼入装置であって、ワークの前記非焼入希望面を覆う導電性の保護治具と、前記焼入希望面に対向する加熱コイルとを備えた高周波焼入装置。
3. 請求項２において、前記加熱コイルは、焼入冷却液の流路とこの流路内の焼入冷却液をワークに向けて吐出する吐出口とを有するものである高周波焼入装置。
4. 請求項２または請求項３において、前記保護治具は、内部に冷却媒体の流路を有し、この流路に冷却媒体を供給する治具冷却媒体供給手段を設けた高周波焼入装置。
5. 請求項２ないし請求項４のいずれか１項において、前記加熱コイルが単巻きのものであり、前記ワークが加熱コイルの内周または外周に配置されるリング状品であって、加熱コイルとの対向面に前記焼入希望面および非焼入希望面を有するものであり、前記加熱コイルに対してワークおよび前記保護治具を支持して加熱コイルの中心回りに回転させるワーク支持手段を設けた高周波焼入装置。
6. 請求項５において、前記ワークが転がり軸受の軌道輪であり、前記焼入希望面が軌道面である高周波焼入装置。
   

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