JP6057329B2 - ラックバーの高周波焼入装置 - Google Patents

Description

本発明は、ラックバーを垂直方向（縦方向）に移動させつつ、その歯面と背面を高周波の誘導加熱を利用して焼入するためのラックバーの高周波焼入装置に関する。

従来、ラックバーの歯面や背面を焼入する場合、通電加熱を利用した焼入装置と誘導加熱を利用した焼入装置が使用されている。このうち、通電加熱を利用した焼入装置は、一対の電極と冷却ジャケット等を有し、電極をラックバーの背面に接触させて高周波電流を通電して背面を所定温度まで加熱し、この加熱後に冷却ジャケットから冷却水を噴射して背面を急速冷却することで背面を焼入し、この背面の焼入後にラックバーを回転させて歯面に電極を接触させ、背面と同様に通電加熱及び急速冷却することで歯面を焼入するようにしている。

また、誘導加熱を利用した焼入装置（縦型移動焼入装置）は、図５に示すように、ラックバーＷを縦方向（矢印イ方向）に移動可能に支持し、高周波発振機２１にカレントトランス２２を介して接続された加熱コイル２３と、冷却水を噴射可能な噴射筒２４とを所定位置に配置し、加熱コイル２３に高周波電流を供給してラックバーＷの歯面Ｗａと背面Ｗｂを誘導加熱し、この誘導加熱した歯面Ｗａと背面Ｗｂに冷却水を噴射して急速冷却することで、ラックバーＷを縦方向に移動させつつその歯面Ｗａと背面Ｗｂを同時に焼入するようになっている。なお、ラックバーの焼入装置としては、例えば特許文献１に開示されている。

特許第４２３２９７３号公報

しかしながら、前者の焼入装置にあっては、歯面と背面を焼入するために２つの工程が必要となって、焼入作業の作業性が劣る。この点、後者の縦型移動焼入装置にあっては、ラックバーを縦方向に移動させつつ歯面と背面を同時に焼入できるため、焼入作業の作業性を向上させることができる。しかし、この縦型移動焼入装置の場合、図６に示すように、一つの加熱コイル２３を、ラックバーＷの歯面Ｗａ、背面Ｗｂ及び両側面Ｗｃからなる外周面の全域を囲むように配置して誘導加熱するため、歯面Ｗａと背面Ｗｂ間の両側面Ｗｃも誘導加熱された状態となり、図７（ａ）（ｂ）に示すように、歯面Ｗａ側の焼入層Ｋａと背面Ｗｂ側の焼入層Ｋｂとが両側面Ｗｃ部分の焼入層Ｋｃでつながってしまい、歯面Ｗａと背面Ｗｂのみを精度良く焼入することが困難である。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、縦方向に配置されるラックバーの歯面と背面に加熱コイルをそれぞれ独立した状態で配置することにより、歯面と背面のみを高精度に焼入できるラックバーの高周波焼入装置を提供することにある。

かかる目的を達成すべく、本発明のうち請求項１に記載の発明は、ラックバーの歯面及び背面に所定の隙間を有して独立した状態で配置される歯面用加熱コイル及び背面用加熱コイルと、二次側に前記両加熱コイルが接続されると共に一次側に高周波発振機が接続されたカレントトランスと、前記ラックバーの歯面及び背面に対向配置された噴射筒から冷却媒体を噴射させる冷却媒体供給装置と、を備え、前記歯面用加熱コイル及び背面用加熱コイルとラックバーとの相対的位置関係を垂直方向で変化させつつ、前記高周波発振機からカレントトランスを介して前記両加熱コイルにそれぞれ所定の高周波電流を同時に供給すると共に、前記冷却媒体供給装置を作動させて前記噴射筒から冷却媒体をラックバーの歯面と背面に同時に噴射させることを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、前記歯面用加熱コイル及び背面用加熱コイルが、１つのカレントトランスの二次側に直列状態もしくは並列状態で接続されていることを特徴とする。また、請求項３に記載の発明は、前記歯面用加熱コイル及び背面用加熱コイルが、それぞれ専用のカレントトランスの二次側に接続されていることを特徴とする。さらに、請求項４に記載の発明は、前記歯面用加熱コイル及び背面用加熱コイルが、前記ラックバーの歯面及び背面との間の隙間が所定となるように移動可能に配置されていることを特徴とする。

本発明の請求項１に記載の発明によれば、制御装置により、例えばラックバーを縦方向に移動させることで、ラックバーと歯面用加熱コイル及び背面用加熱コイルとの相対的位置関係を変化させつつ、高周波発振機からカレントトランスを介して両加熱コイルにそれぞれ所定の高周波電流を同時に供給すると共に、冷却媒体供給装置を作動させて噴射筒から冷却媒体をラックバーの歯面と背面に同時に噴射させるため、ラックバーの歯面と背面を同時に焼入できて焼入作業の作業性を向上させつつ、歯面と背面のみを高精度に焼入することができる。

また、請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加え、歯面用加熱コイル及び背面用加熱コイルが、１つのカレントトランスの二次側に直列状態もしくは並列状態で接続されているため、カレントトランスを効率良く使用できると共にカレントトランス自体の構成を簡略化して安価な焼入装置を得ることができる。

また、請求項３に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加え、歯面用加熱コイル及び背面用加熱コイルが、それぞれ専用のカレントトランスの二次側に接続されているため、各カレントトランスにより各加熱コイルに供給される高周波電流を焼入に最適な状態に容易に設定できて、ラックバーの歯面と背面を一層高精度に焼入することができる。

さらに、請求項４に記載の発明によれば、請求項１ないし３に記載の発明の効果に加え、歯面用加熱コイル及び背面用加熱コイルが、垂直方向及びまたは水平方向に移動可能に配置されているため、各加熱コイルとラックバーの歯面及び背面との間の隙間を焼入に最適な値に容易に設定できて、ラックバーの歯面と背面をより一層高精度に焼入することができる。

本発明に係わるラックバーの高周波焼入装置の一実施形態を示す概略構成図 同歯面用加熱コイル及び背面用加熱コイルの説明図 同焼入層の説明図 本発明に係わる高周波焼入装置の他の実施形態を示す図２と同様の説明図 従来の高周波焼入装置の概略構成図 同その加熱コイルの説明図 同焼入層の説明図

以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１〜図３は、本発明に係わる高周波焼入装置の一実施形態を示している。図１に示すように、高周波焼入装置１は、図示しない支持装置により垂直状態でかつ回転不能に支持されたワークとしてのラックバーＷを、矢印イ方向である垂直方向（縦方向）に移動させるワーク移動装置２と、ラックバーＷの歯面Ｗａ及び背面Ｗｂに対向配置された歯面用加熱コイル３及び背面用加熱コイル４を備えている。

また、前記両加熱コイル３、４がその二次側に接続されたカレントトランス５（変流器、ＣＴ）と、このカレントトランス５の一次側に接続された高周波発振機としてトランジスタインバータ６と、前記両加熱コイル３、４の下方に配置されてラックバーＷの歯面Ｗａ及び背面Ｗｂに冷却水を噴射可能な噴射筒７と、この噴射筒７に冷却水を供給する冷却媒体供給装置としての冷却水供給装置８と、前記両加熱コイル３、４を所定方向に移動させる加熱コイル移動装置９と、これらを制御する制御装置１０等を備えている。

前記歯面用加熱コイル３及び背面用加熱コイル４は、図２に示すように、例えば銅パイプや銅板等を所定形状に加工することで、ラックバーＷの歯面Ｗａと背面Ｗｂの長手方向（軸方向）に沿った所定長さＬ（図１参照）で所定幅ｗ１、ｗ２のコイル部３ａ、４ａと、このコイル部３ａ、４ａの上下端部に電気的及び機械的に接続されたそれぞれ一対の導体部３ｂ、４ｂを有している。そして、両加熱コイル３、４は、その上下一対の導体部３ｂ、４ｂの先端がカレントトランス５の二次側の２つの出力端子５ａに直列状態で接続、すなわち両加熱コイル３、４が１ターンのコイルとしてカレントトランス５の二次側に接続されている。

これにより、カレントトランス５の一次側と二次側の巻き数比に応じて、該カレントトランス５の二次側に前記トランジスタインバータ６の周波数に応じた大電流が得られるようになっている。また、前記歯面用加熱コイル３のコイル部３ａは、ラックバーＷの歯面Ｗａの平坦な底面形状に対応してその対向面が平板形状となるように形成され、前記背面用加熱コイル４のコイル部４ａは、ラックバーＷの背面Ｗｂの形状に対応してその対向面が略円弧形状となるように形成されている。

この両加熱コイル３、４は、前記加熱コイル移動装置９に接続部材（図示せず）で接続されて、制御装置１０の制御信号で加熱コイル移動装置９が作動することにより、両加熱コイル３，４が図２の矢印ロに示すように、ラックバーＷから離れる方向に移動すると共に、矢印ロ方向と直交する矢印ハ方向に移動（もしくは回動）するようになっている。この両加熱コイル３、４の所定方向への移動により、両加熱コイル３、４とラックバーＷの歯面Ｗａ及び背面Ｗｂとの間の隙間１１ａ、１１ｂが所定に設定されて、歯面Ｗａ及び背面Ｗｂに図３（ａ）（ｂ）に示すような所望の焼入層Ｋａ、Ｋｂが得られるようになっている。

なお、前記歯面用加熱コイル３と背面用加熱コイル４は、カレントトランス５の二次側の２つの出力端子５ａに直列接続される構成に限らず、両加熱コイル３、４が２つの出力端子５ａに並列接続される構成とすることも勿論可能であるし、両加熱コイル３、４のコイル部３ａ、４ａの長さＬを同一ではなく異ならせることも可能である。また、両加熱コイル３、４の移動も、同時に移動させる構成としても良いし、それぞれ独立して移動させる構成としても良い。

前記トランジスタインバータ６は、例えばトランジスタ、ＩＧＢＴ、サイリスタ等の半導体スイッチング素子を使用したインバータ回路等を有し、所定周波数の高周波電流を前記カレントトランス５を介して両加熱コイル３、４に供給するようになっている。また、前記冷却水供給装置８は、冷却水タンクとポンプ等を有し、ポンプが作動することにより、冷却ホースで接続された噴射筒７からラックバーＷの歯面Ｗａや背面Ｗｂに冷却水を噴射するようになっている。さらに、前記制御装置１０は、図示しないマイコンやタイマ等を有して、前述した各装置２、８、９やトランジスタインバータ６等を制御するようになっている。

次に、このように構成された高周波焼入装置１の動作の一例について説明する。先ず、ワークとしてのラックバーＷを垂直状態で図示しない支持装置で支持させ、歯面Ｗａと背面Ｗｂを所定位置にセットした状態で、制御装置１０の制御信号でトランジスタインバータ６を作動させて、カレントトランス５を介して両加熱コイル３、４に高周波電流を供給する。両加熱コイル３、４に高周波電流が供給されると、ラックバーＷの歯面Ｗａと背面Ｗｂに渦電流が誘起されて該面Ｗａ、Ｗｂが所定温度に誘導加熱される。この誘導加熱と略同時に制御装置１０の制御信号によりワーク移動装置２を作動させ、ラックバーＷを垂直方向の下方に所定の速さで移動させると共に、制御装置１０の制御信号により冷却水供給装置８を作動させて噴射筒７から冷却水をラックバーＷの歯面Ｗａ及び背面Ｗｂに向けて噴射させる。

この冷却水の噴射で、所定温度まで誘導加熱されているラックバーＷの歯面Ｗａと背面Ｗｂが急速冷却されて、該面Ｗａ、Ｗｂが焼入される。このとき、ラックバーＷが下方に移動しつつ焼入されることから、所定長さの歯面Ｗａと背面Ｗｂが連続した状態でかつ歯面Ｗａと背面Ｗｂが同時に焼入されることになる。その結果、図３（ａ）（ｂ）に示すように、ラックバーＷの歯面Ｗａに所定形状の焼入層Ｋａが形成されると共に、背面Ｗｂにも所定形状の焼入層Ｋｂが形成され、これら両焼入層Ｋａ、Ｋｂの両端である側面Ｗｃ側は、従来のようにつながることもなく完全に離れた状態となり、歯面Ｗａと背面Ｗｂのみを所望のパターンで焼入できることになる。

そして、歯面Ｗａ及び背面Ｗｂの焼入が終了したら、制御装置１０の制御信号でトランジスタインバータ６や冷却水供給装置８を停止させると共にワーク移動装置２を作動させて、ラックバーＷを上方に移動させて初期セット位置に戻し、焼入されたラックバーＷを例えば自動排出させることで、一連の焼入作業が終了する。つまり、前記高周波焼入装置１によれば、ラックバーＷの歯面Ｗａと背面Ｗｂに、該面Ｗａ、Ｗｂに対応した形状の加熱コイル３、４をそれぞれ配置し、この両加熱コイル３、４を一つのカレントトランス５の二次側に直列接続して、両加熱コイル３、４に所定の高周波電流を供給することで、独立した加熱コイル３、４で、ラックバーＷの歯面Ｗａと背面Ｗｂを縦方向に移動させつつ同時に焼入できることになる。

ところで、前記実施形態においては、歯面用加熱コイル３と背面用加熱コイル４を一つのカレントトランス５の出力端子５ａに直列状態（もしくは並列状態）で接続したが、例えば図４に示すように、歯面Ｗａ用のカレントトランス５−１と背面Ｗｂ用のカレントトランス５−２を独立して配置するようにしても良い。すなわち、歯面用加熱コイル３の上下一対の導体部３ｂの先端をカレントトランス５−１の出力端子５−１ａに接続し、背面用加熱コイル４の上下一対の導体部４ｂの先端をカレントトランス５−２の出力端子５−２ａにそれぞれ接続する。この接続により、歯面用加熱コイル３と背面用加熱コイル４とがそれぞれ完全に独立して動作することになる。

このように、前記実施形態の高周波焼入装置１においては、制御装置１０の制御により、ワーク移動装置２を作動させてラックバーＷを垂直方向に移動させつつ、トランジスタインバータ６からカレントトランス５を介して歯面用及び背面用の両加熱コイル３、４にそれぞれ所定の高周波電流を同時に供給すると共に、冷却水供給装置８を作動させて噴射筒７から冷却水をラックバーＷの歯面Ｗａと背面Ｗｂに同時に噴射するため、縦方向に移動可能なラックバーＷの歯面Ｗａと背面Ｗｂに対して加熱コイル３、４をそれぞれ独立した状態で配置できて、同時焼入による焼入作業の作業性を向上させつつ、歯面Ｗａと背面Ｗｂに高精度な焼入層Ｋａ、Ｋｂを容易に得ることができる。

特に、セット状態のラックバーＷが縦方向に移動するのみで軸回りに回転しないため、移動焼入する際に、各加熱コイル３、４とラックバーＷの歯面Ｗａ及び背面Ｗｂの位置関係が変化することがなく、所定の位置関係を維持することができる。その結果、それぞれ独立した加熱コイル３、４により歯面Ｗａと背面Ｗｂの焼入範囲を所定に設定できて、例えば背面Ｗｂにおいて、焼入範囲角度が７５度以上で、中央の厚い部分が１．５ｍｍ程度で両端の薄い部分が０．３ｍｍ程度の三日月形状の焼入層Ｋｂを確実に形成することができる等、ラックバーＷに客先の要望に応じた焼入品質を安定して得ることが可能になる。

また、歯面用加熱コイル３及び背面用加熱コイル４が、１つのカレントトランス５の二次側に直列状態もしくは並列状態で接続されているため、カレントトランス５を効率良く使用できると共にカレントトランス５自体の構成を簡略化して安価な高周波焼入装置１を得ることができる。さらに、歯面用加熱コイル３及び背面用加熱コイル４が、所定方向に移動可能に配置されているため、各加熱コイル３、４とラックバーＷの歯面Ｗａ及び背面Ｗｂとの間の隙間１１ａ、１１ｂを焼入に最適な値に容易に設定できる等、ラックバーＷの歯面Ｗａと背面Ｗｂをより一層高精度に焼入することができる。

また、他の実施形態で示すように、歯面用加熱コイル３及び背面用加熱コイル４を、それぞれ専用のカレントトランス５−１、５−２の二次側に接続するようにすれば、それぞれ独立したカレントトランス５−１、５−２により各加熱コイル３、４に供給される電流値等を、焼入に最適な状態に容易に設定して、ラックバーＷの歯面Ｗａと背面Ｗｂの焼入層Ｋａ、Ｋｂの範囲やその深さ及び硬度等を所望に設定できる等、一層高精度な焼入状態を確実に得ることが可能になる。

なお、前記実施形態においては、ワーク移動移動装置２を配置してラックバーＷを縦方向に移動させつつ、固定位置に配置した両加熱コイル３、４と噴射筒７を使用して移動焼入したが、本発明は、この構成に限定されず、ラックバーＷを固定位置に配置し、加熱コイル３、４と噴射筒７を移動させてその相対的位置関係を変化させつつラックバーＷを焼入する構成であっても良い。また、前記実施形態においては、加熱コイル移動装置９により加熱コイル３、４を移動させてラックバーＷの歯面Ｗａと背面Ｗｂとの間の隙間１１ａ、１１ｂを調整可能としたが、予め所定の隙間１１ａ、１１ｂとなるように両加熱コイル３、４の少なくとも一方を固定的に配置することもできる。

さらに、前記実施形態においては、両加熱コイル３，４と噴射筒７をそれぞれ別体で形成したが、これらを一体化することも可能であるし、噴射筒７から噴射される冷却媒体として、冷却水の他に適宜の冷却媒体を使用することも可能である。また、前記実施形態における、両加熱コイル３、４の形状、装置の概略構成図（ブロック図）等は一例であって、本発明に係わる各発明の要旨を逸脱しない範囲において、適宜に変更することができる。

本発明は、各種形態のラックバーの歯面と背面を誘導加熱を利用して同時に焼入する全ての高周波焼入装置に適用できる。

１・・・高周波焼入装置、２・・・ワーク移動装置、３・・・歯面用加熱コイル、３ａ・・・コイル部、３ｂ・・・導体部、４・・・背面用加熱コイル、４ａ・・・コイル部、４ｂ・・・導体部、５・・・カレントトランス、５ａ・・・出力端子、５−１、５−２・・・カレントトランス、５−１ａ、５−２ａ・・・出力端子、６・・・トランジスタインバータ、７・・・噴射筒、８・・・冷却水供給装置、９・・・加熱コイル移動装置、１１ａ、１１ｂ・・・隙間、Ｗ・・・ラックバー、Ｗａ・・・歯面、Ｗｂ・・・背面、Ｋａ、Ｋｂ・・・焼入層。

Claims (4)

1. ラックバーの歯面及び背面に所定の隙間を有して独立した状態で配置される歯面用加熱コイル及び背面用加熱コイルと、二次側に前記両加熱コイルが接続されると共に一次側に高周波発振機が接続されたカレントトランスと、前記ラックバーの歯面及び背面に対向配置された噴射筒から冷却媒体を噴射させる冷却媒体供給装置と、を備え、
   前記歯面用加熱コイル及び背面用加熱コイルとラックバーとの相対的位置関係を垂直方向で変化させつつ、前記高周波発振機からカレントトランスを介して前記両加熱コイルにそれぞれ所定の高周波電流を同時に供給すると共に、前記冷却媒体供給装置を作動させて前記噴射筒から冷却媒体をラックバーの歯面と背面に同時に噴射させることを特徴とするラックバーの高周波焼入装置。
2. 前記歯面用加熱コイル及び背面用加熱コイルは、１つのカレントトランスの二次側に直列状態もしくは並列状態で接続されていることを特徴とする請求項１に記載のラックバーの高周波焼入装置。
3. 前記歯面用加熱コイル及び背面用加熱コイルは、それぞれ専用のカレントトランスの二次側に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のラックバーの高周波焼入装置。
4. 前記歯面用加熱コイル及び背面用加熱コイルは、前記ラッククバーの歯面及び背面との間の隙間が所定となるように移動可能に配置されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のラックバーの高周波焼入装置。

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