JP6097095B2 - シャフト部品の熱処理方法及び熱処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、シャフト部品の熱処理方法及び熱処理装置に係り、特に油焼入れ時に発生するシャフト部品の変形を抑制ないし防止する技術に関するものである。

連続可変トランスミッション（Continuously Variable Transmission）に使用されているＣＶＴプーリなどのシャフト部品は、精度上、軸対称の均一な形状に加工されることが要求される。

被加工物であるシャフト部品は、その加工工程の一つである油焼入れ工程において、変形（軸の曲がり）が発生する場合がある。この場合、シャフト部品の変形を修正するために、プレス等により矯正する方法もあるが、シャフト部品の強度低下やコストアップに繋がるため、油焼入れ時の変形を防止することが重要な課題になっている。油焼入れ時のシャフト部品の変形の要因の一つは、油焼入れ時の冷却ムラであり、その冷却ムラを解消するには軸対称の均一な冷却が必要となる。

しかしながら、従来のシャフト部品の熱処理方法ないし熱処理装置においては、シャフト部品を専用治具に立てた状態にセットし、そのシャフト部品を専用治具ごと加熱炉で高温に加熱してから、下方から上方へ強制的に対流を発生させた焼入れ用の油の中に浸漬し、シャフト部品の油焼入れを行っていた。そのため、油の流速分布が不均一になりやすく、またシャフト部品相互の影響で油の流れがばらつくことで、シャフト部品の表面における冷却速度にアンバランスが生じて冷却むらが起こり、シャフト部品の変形を招いていた。

なお、関連技術としては、浸漬層内で、鋼管を円筒形状のカバーで覆い、カバー内へ冷却媒体を流入させて鋼管内を流れる内面流と鋼管外を流れる外面流とで鋼管を焼入れする際に、カバー内で鋼管を支持する鋼管支持板により外面流を鋼管の外周面に沿って旋回しつつ前進する旋回流とすることにより、鋼管の焼入れ状態の均一化を図る技術（特許文献１）が知られているが、この技術は鋼管の外周面に支持板が接する構造で、油焼入れ時に表面に形成される蒸気膜の崩壊を阻害するため、シャフト部品には適用することができない。

一方、油焼入れ時の油温の変化には、図８に示すように、先ず被加工物の表面に蒸気膜が発生して徐々に降温する蒸気膜段階と、次に被加工物の周囲の油が沸騰して急激に降温する沸騰段階と、最後に対流を起こしながら徐々に降温する対流段階の３段階があり、そのうちの最初の蒸気膜段階における蒸気膜の崩壊を促進させる方法として、（１）シャフト部品を支持する治具に振動を与える方法、（２）シャフト部品の下方にダミーワークを配置する方法などがあるが、（１）の方法は特殊な装置が必要となり、（２）の方法は油の整流まではできず、逆に撹乱してしまう。

特開２０１０−８４１７２号公報

本発明の目的は、軸対称の均一な冷却ができ、変形を抑制することができるシャフト部品の熱処理装置を提供することである。

本発明の一態様に係るシャフト部品の熱処理方法は、シャフト部品が挿入された複数の整流筒体を有する治具を加熱した後、前記治具を油槽内の油に浸漬して整流筒体に形成される蒸気膜により前記シャフト部品に形成される蒸気膜の崩壊を促進して前記シャフト部品の焼入れを行う焼入れ工程と、前記油槽内の油の温度を検出し、蒸気膜が形成される蒸気膜段階であることを示す温度域まで前記油の検出温度が上昇した場合に、前記油槽内の前記治具の下方から不活性ガスの気泡を供給し、前記シャフト部品の表面に形成される蒸気膜の崩壊を更に促進する気泡供給工程と、前記シャフト部品の冷却に伴って油の温度が低下し、前記蒸気膜段階から沸騰段階に移行したことを示す温度域まで前記油の検出温度が低下した場合に、気泡の供給を停止する気泡供給停止工程と、前記油槽内の油に対する前記治具の浸漬時間が所定時間を超えた後に、前記治具を前記油槽内から搬出する工程と、を備えている。

前記油槽内の油が、前記治具が浸漬される油槽内を上昇する上昇流と、前記上昇流の周囲を下降する下降流とを発生するように構成されていることが好ましい。

本発明の一態様に係るシャフト部品の熱処理装置は、シャフト部品が挿入され、表面に形成される蒸気膜により前記シャフト部品の表面に形成される蒸気膜の崩壊を促進するための複数の整流筒体を有する治具と、前記治具を浸漬して前記シャフト部品の焼入れを行う油を貯留した油槽と、前記油槽内に前記治具を搬入搬出する搬送機構と、前記油槽内における前記治具の下方に設けられ、治具内のシャフト部品の表面に形成される蒸気膜の崩壊を促進するために不活性ガスの気泡を発生させる気泡発生装置と、前記油槽内の油の温度を検出する温度センサと、前記気泡発生装置を制御し、前記搬送機構を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記温度センサにより検出される検出温度が、蒸気膜が形成される蒸気膜段階であることを示す温度域まで上昇した場合に、前記気泡発生装置から気泡を発生させ、前記シャフト部品の冷却に伴って油の温度が低下し、前記蒸気膜段階から沸騰段階に移行したことを示す温度域まで前記油の検出温度が低下した場合に、前記気泡発生装置による気泡の発生を停止させ、前記油槽内の油に対する前記治具の浸漬時間を測定し、前記浸漬時間が所定時間を超えた後に、前記搬送機構によって前記治具を前記油槽内から搬出する。

前記油槽内には、前記油に前記油槽内を上昇する上昇流と、前記上昇流の周囲を下降する下降流と、を強制的に発生させるための油循環機構が設けられていることが好ましい。

本発明によれば、軸対称の均一な冷却を行うことができ、熱変形を抑制することができるシャフト部品の熱処理方法及びシャフト部品の熱処理装置を提供することが可能となる。

本発明が適用されるシャフト部品の熱処理装置の一実施形態を示す斜視図である。 シャフト部品の油焼入れ時に使用される治具を示す側断面図である。 治具の概略的平面図である。 シャフト部品の外周を覆う整流筒体を示す断面図である。 整流筒体の内周面形状例を示す断面図である。 シャフト部品の熱処理方法を説明するためのフローチャートである。 シャフト部品及び整流筒体間の隙間と油の流速との関係を示すグラフである。 油焼入れ時の油の温度とシャフト部品の周囲の油の変化を説明するためのグラフ である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１ないし図２に示すように、シャフト部品１の熱処理装置１０は、シャフト部品１が挿入され、形成される蒸気膜によりシャフト部品１の表面に形成される蒸気膜の崩壊を促進するための複数の整流筒体５０を有する治具５１と、治具５１を搬入してシャフト部品１の焼入れを行う油１５を貯留した油槽１１とを備えている。また、熱処理装置１０は、シャフト部品１の油焼入れを行うために油槽１１内に治具５１を搬入搬出する搬送機構１２と、油槽１１内における治具５１の下方に設けられ、治具５１内のシャフト部品１の表面に形成される蒸気膜の崩壊を促進するために不活性ガス例えば窒素ガスの気泡を発生させる気泡発生装置１３と、を備えている。

ここで、シャフト部品１と治具５１について説明する。シャフト部品１は、例えば連続可変トランスミッション（ＣＶＴ）に使用されているＣＶＴプーリであり、図２に示すようにシャフト２の一端にプーリ用の固定フランジ３が一体的に設けられている。ＣＶＴプーリは、シャフト２に摺動可能に取付けられる図示しないプーリ用の可動フランジと固定フランジ３との間の幅を調節することにより、ベルトの巻き掛け径を変えて無段階の変速を可能としている。

治具５１は、図２ないし図３に示すように、金属製のフレームからなる方形の枠体５２における上部と中間部に隣り合うシャフト部品１の固定フランジ３同士が干渉しないように複数の整流筒体５０を高さを違えた状態で支持枠５３を介して平面ハニカム状に配設して構成されている。整流筒体５０は、隣接するシャフト部品１の固定フランジ３同士が緩衝しないように高さを互い違いに変えて配設されている。

整流筒体５０は、耐熱性及び耐食性を有する金属により形成されている。整流筒体５０の長さは、図４に示すようにシャフト部品１のシャフト２の長さよりも長く、整流筒体５０とシャフト部品１のシャフト２との間の隙間Ｓａは、１０〜３０ｍｍ、好ましくは１０〜２０ｍｍ程度とされている。この理由について、図７を用いて説明する。図７は、シャフト部品１の中心軸に対して片側半分（左側）に０．５ｍ/秒、他の片側半分（右側）に０．２５ｍ／秒の流れを上向きに与え、整流筒体５０の無い場合と、整流筒体５０があり、且つ隙間Ｓａを１０ｍｍ、２０ｍｍ、３０ｍｍとした場合における流速を流体解析により求めて計算した結果を表している。解析条件は、油（焼入れ油）の温度：１５０℃、比重：８１０．３Ｋｇ／ｍ^３、粘度：６．２１ｍｍ^２／ｓ、油流速（上向き）：左側が０．５０ｍ／ｓ、右側が０．２５ｍ／ｓ、シャフト部品１の軸径：４０ｍｍとされている。

整流筒体５０が無い場合には左右で大きな差が出ているのに対し、整流筒体５０を設けることで均等に近い流れが得られる結果となった。但し、隙間Ｓａが大きくなると、効果が減じられ、流速が下がり、冷却性能が損なわれるため、隙間Ｓａは１０〜２０ｍｍ程度であることが好ましい。

また、整流筒体５０の上端部には、シャフト部品１の固定フランジ３との間に油が流通するための隙間Ｓｂを確保するスペーサとしての突起部５４が設けられていることが好ましい。この突起部５４により形成される隙間Ｓｂは、１０ｍｍ程度であることが好ましい。

更に、シャフト部品１のシャフト回りの油の流れを均一化するために、図５に示すように、整流筒体５０の内周面には、螺旋状の溝部５５又は螺旋状の凸部が設けられていることが好ましい。

次に、熱処理装置１０について説明する。熱処理装置１０は、治具５１を搬入してシャフト部品１の焼入れを行う油槽１１と、シャフト部品１の油焼入れを行うために油槽１１内に治具５１を搬入搬出する搬送機構１２とを備えている。油槽１１内には焼入れ用の油１５が充填されている。搬送機構１２は、油槽１１の上部に架台１６を介して設けられている。搬送機構１２は、治具５１を載せて昇降する金属製の籠部１７を備えている。

油焼入れ前に治具５１を架台１６の一側方（図１の右側方）から架台１６内に搬入し、油焼入れ終了後に治具５１を架台１６の他側方（図１の左側方）から搬出するために、油槽１１の上壁１８及び籠部１７の底部には搬送用のローラコンベヤ１９，２０が設けられている。この場合、ローラコンベヤ１９，２０は、例えば工場の床の上方に設置され、油槽１１は床の下方に設置されている。ローラコンベヤ１９，２０の搬入側には、シャフト部品１を治具５１ごと収容して所定の温度（例えば８５０℃）に加熱するための図示しない加熱炉が設けられている。

油槽１１の天井部１１ａには搬送機構１２により治具５１を籠部１７と共に油槽１１内に搬入、搬出するための開口部２１が設けられている。油槽１１内には、仮想線で示すように籠部１７と共に治具５１を収容して油焼入れを行うためのスペースＳが確保されている。このスペースＳの下方、すなわち油槽１１内における治具５１の下方には治具５１内のシャフト部品１の表面に形成される蒸気膜の崩壊を促進するために、不活性ガス例えば窒素ガスの気泡を発生させて治具５１内のシャフト部品１に供給する気泡発生装置１３が設けられている。

気泡発生装置１３は、扁平な箱状をなしており、その上面部に気泡を発生させるための無数の孔部２２が形成されている。なお、孔部２２は、シャフト部品１及び整流筒体５０の表面に形成される蒸気膜の崩壊を促進するために、微細な気泡を発生する微細な口径とされていることが好ましい。気泡発生装置１３には、油槽１１の底部１１ｂまたは側面を液密に貫通するように配管されたガス供給管２３を介してガス供給源である窒素ガスボンベ３０が接続されており、ガス供給管２３には窒素ガスの供給をオンオフする開閉弁である電磁弁２４が設けられている。なお、気泡発生装置１３のガス供給源としては、熱処理装置の非常時にガスを置換するための窒素配管を利用することができる。

油槽１１内には、焼入れ用の油１５に油槽１１内の中央部に沿って上昇させる上昇流と、油槽１１内の周側部に沿って下降させる下降流とを強制的に発生させるための油循環機構２５が設けられている。この油循環機構２５は、油槽１１内の周側部に沿って下降流を形成するように設けられた流路２６と、その流路２６に配置された流れ発生機であるアジテータ（スクリュー）２７とから主に構成されている。

シャフト部品１の焼入れを自動で行うために、油槽１１内には、油槽１１内の油１５の温度（油温）を検出する温度センサ２８が設けられ、温度センサ２８により検出される検出温度が所定の温度以上のときに気泡発生装置１３から気泡を発生させ、油１５の温度が所定の温度を下回るときに気泡の発生を停止し、気泡供給停止時からのシャフト部品１の浸漬時間を測定し、浸漬時間が設定時間以上のときに、治具５１を搬送機構１２により油槽１１内から搬出する制御装置２９が設けられている。

次に、以上の構成からなるシャフト部品の熱処理装置の作用ないしシャフト部品の熱処理方法について、図６のフローチャートを参照して説明する。

先ず、アジテータ２７を回転させて油槽１１内の油１５を流路２６に沿って循環させる（Ｓ１）。次に、搬送機構１２の駆動により、籠部１７を降下させ、予め所定の温度（例えば８５０℃）に加熱されている治具５１を油槽１１内に下降させ（Ｓ２）、シャフト部品１の焼入れを開始する。なお、油槽１１内の油の温度は、例えば１５０℃とされている。

シャフト部品１は、治具５１の整流筒体５０と共に油１５に浸漬され、シャフト部品１及び整流筒体５０が高温に加熱されているため、共に表面に蒸気膜が発生し、整流筒体５０に形成される蒸気膜の崩壊によりシャフト部品１の表面の蒸気膜の崩壊が促進される。

油槽１１内の油１５の温度（油温）が温度センサ２８により測定されて制御装置２９に入力されており、油温が所定の温度未満か否かが判定され（Ｓ４）、ＮＯの場合、すなわち所定の温度未満の場合には再度、油温の測定を繰り返す。

油温が上昇して所定の温度以上になると、ＹＥＳと判定され、気泡発生装置１３の電磁弁２４が開弁され、気泡発生装置１３からの気泡の供給が開始する（Ｓ５）。時間の経過により油槽１１内の油温はシャフト部品1の冷却と共に降温する。

次に、油温が所定の温度未満か否かが判定され（Ｓ７）され、ＮＯの場合、すなわち所定の温度を超えている場合、油温の温度を繰り返す。

油温が下降して所定の温度を下回ると、ＹＥＳと判定され、気泡発生装置１３の電磁弁２４が閉じられ、気泡の供給を停止する（Ｓ８）。治具５１が油槽１１内に下降され、油１５に浸漬されてからの浸漬時間が測定されており（Ｓ９）、浸漬時間が設定時間以上か否かが判定され（Ｓ１０）、ＮＯの場合は浸漬時間の測定が繰り返される。

浸漬時間が設定時間を超えると、ＹＥＳと判定され、搬送機構１２が治具５１を油槽１１内から上昇させ（Ｓ１１）、シャフト部品１の熱処理が終了する。以上のようにして、順次、搬送機構１２の籠部１７にはシャフト部品１を整流筒体５０に挿入した治具５１が供給され、上述した熱処理が繰り返される。

前記熱処理方法においては、高温に加熱したシャフト部品を油に浸漬すると、図８に示すように先ずシャフト部品１及び整流筒体５０の表面に蒸気膜が形成される蒸気膜段階となり、８００℃程度から６００℃程度に降温する。蒸気膜段階の後、シャフト部品や整流筒体の周りの油が沸騰段階となり、６００℃程度から３００℃程度に急速に降温する。そして、沸騰段階の後、シャフト部品や整流筒体の周りの油が対流段階となり、徐々に降温し、焼入れ油の温度である１５０℃近傍になったら、次の熱処理を開始すればよい。

以上の構成からなるシャフト部品の熱処理方法及びシャフト部品の熱処理装置によれば、シャフト部品１の周囲の油の流れを均一化し、且つシャフト部品１の表面の蒸気膜の崩壊を促進することができるため、軸対称の均一な冷却ができ、変形（軸曲がり）を抑制ないし防止することができ、熱処理後の矯正が不要となり、強度の確保された高品質のシャフト部品１を低コストで提供することが可能となる。

なお、本発明は、前記実施の形態に限定されるものでなく、本発明の範囲内で種々の設計変更が可能である。例えば、実施の形態では、焼入れ用の油に油槽内の中央部に沿って上昇させる上昇流と、油槽内の周側部に沿って下降させる下降流とを発生させるように構成されているが、油槽内を上昇する上昇流と、上昇流の周囲を下降する下降流とを発生するように構成されていてもよい。従って、油槽の大きさによっては、上昇流と下降流を形成する領域を複数設け、複数の治具を処理するようにしてもよい。

また、油槽１１内では上昇流のみを形成し、上昇した焼入れ油は油槽１１よりオーバーフローさせるなどして別容器に移し、異物除去、油成分調整、温度調整などを施してから油槽１１底部に戻すという循環をさせても良い。

１ シャフト部品
１０ 熱処理装置
１１ 油槽
１２ 搬送機構
１３ 気泡発生装置
２５ 油循環機構
２８ 温度センサ
２９ 制御装置
５０ 整流筒体
５１ 治具

Claims (4)

1. シャフト部品が挿入された複数の整流筒体を有する治具を加熱した後、前記治具を油槽内の油に浸漬して整流筒体に形成される蒸気膜により前記シャフト部品に形成される蒸気膜の崩壊を促進して前記シャフト部品の焼入れを行う焼入れ工程と、
   前記油槽内の油の温度を検出し、蒸気膜が形成される蒸気膜段階であることを示す温度域まで前記油の検出温度が上昇した場合に、前記油槽内の前記治具の下方から不活性ガスの気泡を供給し、前記シャフト部品の表面に形成される蒸気膜の崩壊を更に促進する気泡供給工程と、
   前記シャフト部品の冷却に伴って油の温度が低下し、前記蒸気膜段階から沸騰段階に移行したことを示す温度域まで前記油の検出温度が低下した場合に、気泡の供給を停止する気泡供給停止工程と、
   前記油槽内の油に対する前記治具の浸漬時間が所定時間を超えた後に、前記治具を前記油槽内から搬出する工程と、
   を備えた、シャフト部品の熱処理方法。
2. 請求項１に記載のシャフト部品の熱処理方法において、
   前記油槽内の油が、前記治具が浸漬される油槽内を上昇する上昇流と、前記上昇流の周囲を下降する下降流とを発生するように構成されているシャフト部品の熱処理方法。
3. シャフト部品が挿入され、表面に形成される蒸気膜により前記シャフト部品の表面に形成される蒸気膜の崩壊を促進するための複数の整流筒体を有する治具と、
   前記治具を浸漬して前記シャフト部品の焼入れを行う油を貯留した油槽と、
   前記油槽内に前記治具を搬入搬出する搬送機構と、
   前記油槽内における前記治具の下方に設けられ、治具内のシャフト部品の表面に形成される蒸気膜の崩壊を促進するために不活性ガスの気泡を発生させる気泡発生装置と、
   前記油槽内の油の温度を検出する温度センサと、
   前記気泡発生装置を制御し、前記搬送機構を制御する制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、
   前記温度センサにより検出される検出温度が、蒸気膜が形成される蒸気膜段階であることを示す温度域まで上昇した場合に、前記気泡発生装置から気泡を発生させ、
   前記シャフト部品の冷却に伴って油の温度が低下し、前記蒸気膜段階から沸騰段階に移行したことを示す温度域まで前記油の検出温度が低下した場合に、前記気泡発生装置による気泡の発生を停止させ、
   前記油槽内の油に対する前記治具の浸漬時間を測定し、前記浸漬時間が所定時間を超えた後に、前記搬送機構によって前記治具を前記油槽内から搬出する、
   シャフト部品の熱処理装置。
4. 請求項３に記載のシャフト部品の熱処理装置において、
   前記油槽内には、前記油に前記油槽内を上昇する上昇流と、前記上昇流の周囲を下降する下降流と、を強制的に発生させるための油循環機構が設けられている、シャフト部品の熱処理装置。

Images