JP6276941B2 - 熱処理方法及び誘導加熱コイル - Google Patents

Description

本発明は、円筒状の内周面に螺旋溝が形成された筒状の金属部材の熱処理方法、及びこの熱処理方法に用いられる誘導加熱コイルに関する。

円筒状の内周面に螺旋溝が形成された筒状の金属部材の一例としてのボールねじナットにおいて、その内周面に形成されたねじ溝の表面は、例えば浸炭焼入れや高周波焼入れによって硬化されている。

特許文献１に記載された焼入れ方法は、ボールねじナットのねじ溝部分を高周波焼入れする方法であって、ボールねじナットの内側で、ねじ溝の全区間に亘りねじ溝に沿って誘導加熱コイルを配置し、この誘導加熱コイルに高周波の電力を供給してねじ溝部分を高周波焼入れするものである。ねじ溝部分にのみ焼入れが行われることにより、ねじ溝以外の部分への後加工が容易となり、また、靭性の低下や熱処理歪の増大が抑制される。

特開２０１２−１８０５３９号公報

ボールねじナットの浸炭焼入れにおいて、ねじ溝部分にのみ焼入れを行う場合に、ねじ溝以外の部分に対する防炭処理が必要となり、工数やコストがかかる。さらに、浸炭焼入れは、加熱炉が用いられるため焼入れに時間を要し、単品の焼入れに不向きである。

これに対して、特許文献１に記載された焼入れ方法によれば、ねじ溝に沿って誘導加熱コイルを配置することによって、ねじ溝部分にのみ焼入れを行うことができ、部分焼入れのための追加の処理を要しないので、工数やコストを削減できる。また、高周波焼入れは、一般に加熱炉を用いた浸炭焼入れに比べて短時間での処理が可能であり、単品の焼入れにも容易に対応できる。

しかし、特許文献１に記載された焼入れ方法では、ねじ溝部分全体を一度に焼入れするために、ねじ溝の全区間に亘る誘導加熱コイルが用いられており、比較的高出力の電源を要する。また、ボールねじナットには、ボールを循環させるための孔ないし溝がねじ溝の途中に設けられる場合があるが、これらの孔や溝の周囲において誘導電流が過大となり、それに起因してオーバヒートを生じ、焼割れなどの欠陥が発生する虞がある。

本発明は、上述した事情に鑑みなされたものであり、円筒状の内周面に螺旋溝が形成された筒状の金属部材の熱処理を効率よく行うことを目的とする。

（１） 円筒状の内周面に螺旋溝が形成された筒状の金属部材の熱処理方法であって、前記金属部材の内側で前記螺旋溝の被加熱区間の一部区間に沿うように前記螺旋溝のピッチと等しいピッチで前記螺旋溝の前記被加熱区間の巻数よりも小さい巻数を有する螺旋状に形成され、且つ前記金属部材の内周面の内径より大きく前記螺旋溝の谷径より小さい外径に形成された加熱部を有する誘導加熱コイルを用い、前記加熱部と前記金属部材とを同軸に配置し、前記誘導加熱コイルと前記金属部材とを前記螺旋溝の中心軸まわりに相対的に回転移動させ且つ該中心軸方向に相対的に並進移動させることにより、前記加熱部を前記螺旋溝に進入させ、前記加熱部が螺旋溝に進入した状態で前記加熱部を少なくとも前記被加熱区間に亘り前記螺旋溝に沿って移動させながら、前記誘導加熱コイルによって前記金属部材を誘導加熱する熱処理方法。
（２） 上記（１）の熱処理方法に用いられる前記誘導加熱コイル。

本発明によれば、筒状の金属部材の螺旋溝の被加熱区間の一部区間に沿うように形成されている誘導加熱コイルの加熱部を螺旋溝の被加熱区間に亘って螺旋溝に沿って移動させながら、誘導加熱コイルによって金属部材を誘導加熱するので、被加熱区間の溝部分を局所的に比較的短時間で加熱することができ、また、電源の出力を比較的小さく抑えることができる。

本発明の実施形態を説明するための、筒状の金属部材の一例の構成を示す図である。 図１の金属部材の熱処理に用いられる誘導加熱コイルの一例の構成を示す図である。 図２の誘導加熱コイルを用いた図１の金属部材の熱処理方法の一例を示す図である。 図２の誘導加熱コイルを用いた図１の金属部材の熱処理方法の他の例を示す図である。 本発明の実施形態を説明するための、筒状の金属部材の他の例の構成を示す図である。 図５の金属部材の熱処理に用いられる誘導加熱コイルの一例の構成を示す図である。 図６の誘導加熱コイルの構成を示す図である。 図６の誘導加熱コイルを用いた図５の金属部材の熱処理方法の一例を示す図である。 実験例の金属部材の熱処理後の断面を模式的に示す図である。

図１は、本発明の実施形態を説明するための、筒状の金属部材の一例の構成を示す。

図１に示す例において、筒状の金属部材はボールねじナット１であり、その円筒状の内周面には、ボールねじナット１の軸方向の両端に達する螺旋溝１０が形成されている。螺旋溝１０は、ボールねじ軸との間に介装されるボールが転動する溝である。ボールねじナット１の両端には、エンドキャップやエンドデフレクタなどの循環部材（図示せず）が取り付けられ、ボールは、一方の循環部材によって螺旋溝１０の一方の開放端からすくい上げられ、他方の循環部材によって螺旋溝１０の他方の開放端に戻され、螺旋溝１０の全区間で循環される。したがって、螺旋溝１０の全区間が被加熱区間とされる。なお、ボールねじナットは一例であり、本発明において円筒状の内周面に螺旋溝が形成されている筒状の金属部材は、ボールねじナットに限られるものではない。

図２は、ボールねじナット１の熱処理に用いられる誘導加熱コイルの一例の構成を示す。

ボールねじナット１の熱処理に用いられる誘導加熱コイル２は、ボールねじナット１の内側で螺旋溝１０の被加熱区間（本例では螺旋溝１０の全区間）の一部区間に沿うように形成された加熱部２０を有している。加熱部２０は、一定ピッチの螺旋溝１０のピッチと等しいピッチで且つ螺旋溝１０の巻数よりも小さい巻数を有する螺旋状に形成されており、図示の例では、その巻数は１巻とされている。加熱部２０の両端部にはリード部２１がそれぞれ延設されており、リード部２１は、誘導加熱コイル２に高周波の電力を供給する電源部３に接続される。なお、図示の例では、加熱部２０の巻数は１巻とされているが、１巻より大きくてもよく、また１巻より小さくてもよく、その巻数は、螺旋溝１０の被加熱区間の巻数や電源部３の出力に応じて適宜変更可能である。

誘導加熱コイル２の加熱部２０の外径φ１は、ボールねじナット１の内径φ２より大きく且つ谷径φ３より小さく、加熱部２０は、螺旋溝１０に進入可能に形成されている。そして、螺旋溝１０の表面に対向する加熱部２０の外面は、螺旋溝１０の表面との間に略一定のギャップがおかれるように、螺旋溝１０の表面に倣う形状に形成されている。

図３（Ａ）〜図３（Ｄ）は、誘導加熱コイル２を用いたボールねじナット１の熱処理方法の一例を示す。

まず、図３（Ａ）に示すように、ボールねじナット１と加熱部２０とが同軸となるようにボールねじナット１及び誘導加熱コイル２を配置する。図３（Ｂ）〜図３（Ｄ）に順次示すように、ボールねじナット１と誘導加熱コイル２とを中心軸Ｃまわりに相対的に回転移動させ且つ中心軸Ｃ方向に相対的に並進移動させ、加熱部２０を螺旋溝１０の一方の開放端から螺旋溝１０に次第に進入させていき、加熱部２０を螺旋溝１０に進入させた状態で螺旋溝１０の被加熱区間（本例では螺旋溝１０の全区間）に亘って螺旋溝１０に沿って移動させる。

加熱部２０が螺旋溝１０の一方の開放端に進入し（図３（Ｂ）参照）、他方の開放端から抜け出るまで（図３（Ｄ）参照）の間、電源部３から誘導加熱コイル２に高周波の電力を供給し、加熱部２０を螺旋溝１０に沿って移動させながら誘導加熱コイル２によりボールねじナット１を誘導加熱する。

このように、螺旋溝１０の被加熱区間の一部区間に沿うように形成されている加熱部２０を螺旋溝１０の被加熱区間に亘って螺旋溝１０に沿って移動させながら、誘導加熱コイル２によってボールねじナット１を誘導加熱するので、被加熱区間の螺旋溝１０の部分を局所的に比較的短時間で加熱することができ、また、電源部３の出力を比較的小さく抑えることができる。

さらに、本例では、加熱部２０が螺旋溝１０に進入可能に形成され、加熱部２０の外面が螺旋溝１０の表面に倣う形状に形成されているので、螺旋溝１０の部分を略均一に加熱することができる。

なお、本例では、螺旋溝１０の全区間が被加熱区間とされているものとして説明したが、螺旋溝１０の一部区間を被加熱区間とすることもでき、その場合には、加熱部２０が螺旋溝１０の被加熱区間を通過する間、電源部３から誘導加熱コイル２に高周波の電力を供給するようにすればよい。

図４（Ａ）〜図４（Ｃ）は、誘導加熱コイル２を用いたボールねじナット１の熱処理方法の他の例を示す。

本例では、上述した誘導加熱コイル２を用いたボールねじナット１の熱処理方法において、さらに冷却液を噴射する冷却ジャケット４を誘導加熱コイル２の加熱部２０に後続させて螺旋溝１０に沿って移動させながら、冷却ジャケット４から冷却液を噴射してボールねじナット１を冷却するようにしたものである。これにより、例えば鋼製のボールねじナット１に対する焼入れにおいて、焼入れ温度からマルテンサイト変態が始まるＭｓ点温度までの冷却を螺旋溝１０の各部で等しく且つ速やかに行うことができ、冷却の遅れに起因する不完全焼入れの発生を抑制することができる。

なお、図示の例では、冷却ジャケット４は加熱部２０との間に中心軸Ｃ方向に適宜な間隔をあけて配置されているが、螺旋溝１０及び加熱部２０のピッチが比較的大きい場合などであって、冷却ジャケット４から噴射された冷却液が加熱部２０にかかる虞がない場合には、冷却ジャケット４を加熱部２０の後端側に配置して誘導加熱コイル２と一体に設けてもよい。

図５は、本発明の実施形態を説明するための、筒状の金属部材の他の例の構成を示す。

図５に示す例において、筒状の金属部材はボールねじナット１０１であり、その円筒状の内周面には、ボールねじナット１０１の軸方向の両端に達する螺旋溝１１０が形成されている。螺旋溝１１０の途中には、ボールを循環させるための一組のリターン孔１１１が形成されており、ボールは、一方のリターン孔１１１において螺旋溝１１０からすくい上げられ、両リターン孔１１１を繋ぐチューブ（図示せず）を介して他方のリターン孔１１１から螺旋溝１１０に戻され、螺旋溝１０の一組のリターン孔１１１の間の区間で循環される。したがって、一組のリターン孔１１１の間の区間が螺旋溝１１０の被加熱区間とされる。

図６及び図７は、ボールねじナット１０１の熱処理に用いられる誘導加熱コイルの一例の構成を示す。

ボールねじナット１０１の熱処理に用いられる誘導加熱コイル１０２は、ボールねじナット１０１の内側で螺旋溝１１０の上記被加熱区間の一部区間に沿うように形成された加熱部１２０と、冷却液を噴射する冷却ジャケット１２２とを有している。

加熱部１２０は、一定ピッチの螺旋溝１１０のピッチと等しいピッチで且つ螺旋溝１１０の上記被加熱区間の巻数よりも小さく、且つ１／２巻未満の巻数を有する螺旋状に形成され、図示の例では、その巻数は略１／８巻とされている。加熱部１２０の両端部にはリード部１２１がそれぞれ延設されており、リード部１２１は、誘導加熱コイル１０２に高周波の電力を供給する電源部に接続される。

加熱部１２０の外径（２×ｒ１）は、ボールねじナット１０１の内径φ２より大きく且つ谷径φ３より小さく、加熱部１２０は、螺旋溝１１０に進入可能に形成されている。そして、螺旋溝１１０の表面に対向する加熱部１２０の外面は、螺旋溝１１０の表面との間に略一定のギャップがおかれるように、螺旋溝１１０の表面に倣う形状に形成されている。

ここで、加熱部１２０は、上記の通り巻数が１／２巻未満とされており、その中心軸Ｃ２がボールねじナット１０１の中心軸Ｃ１に対して略平行にずれた状態において、ボールねじナット１０１に対して挿抜可能である。

冷却ジャケット１２２は、加熱部１２０の後端側に配置され、誘導加熱コイル１０２に一体に設けられており、加熱部１２０が螺旋溝１１０に沿って移動される際の進行方向後ろ側に向けて冷却液を噴射するように構成されている。

図８（Ａ）〜図８（Ｆ）は、誘導加熱コイル１０２を用いたボールねじナット１０１の熱処理方法の一例を示す。

まず、図８（Ａ）に示すように、ボールねじナット１０１の中心軸Ｃ１と誘導加熱コイル１０２の加熱部１２０の中心軸Ｃ２とが略平行にずれるようにボールねじナット１０１及び誘導加熱コイル１０２を配置し、次いで、加熱部１２０をボールねじナット１０１に挿入し、螺旋溝１１０の上記被加熱区間の一端側に重なる位置に加熱部１２０を配置する。

そして、図８（Ｂ）に示すように、ボールねじナット１０１の中心軸Ｃ１と加熱部１２０の中心軸Ｃ２とが一致するように、ボールねじナット１０１と誘導加熱コイル１０２とを中心軸Ｃ１，Ｃ２と直交する方向に相対的に並進移動させることにより、加熱部１２０を螺旋溝１１０の上記被加熱区間の一端側に進入させる。

そして、図８（Ｂ）〜（Ｅ）に順次示すように、ボールねじナット１０１と誘導加熱コイル１０２とを中心軸Ｃ１（Ｃ２）まわりに相対的に回転移動させ且つ中心軸Ｃ１（Ｃ２）方向に相対的に並進移動させ、加熱部１２０を螺旋溝１１０に進入させた状態で螺旋溝１１０の上記被加熱区間に亘って螺旋溝１１０に沿って移動させる。

加熱部１２０が螺旋溝１１０の上記被加熱区間の一端側から他端側に移動される間、電源部から誘導加熱コイル１０２に高周波の電力を供給し、加熱部１２０を螺旋溝１１０に沿って移動させながら誘導加熱コイル１０２によりボールねじナット１０１を誘導加熱する。

併せて、加熱部１２０に後続して螺旋溝１１０に沿って移動される冷却ジャケット１２２から冷却液を噴射して、誘導加熱されたボールねじナット１０１を冷却する。

そして、図８（Ｆ）に示すように、ボールねじナット１０１の中心軸Ｃ１と誘導加熱コイル１０２の加熱部１２０の中心軸Ｃ２とが略平行にずれるようにボールねじナット１０１と誘導加熱コイル１０２とを中心軸Ｃ１，Ｃ２と直交する方向に相対的に並進移動させ、次いで加熱部１２０をボールねじナット１０１から抜去する。

本例では、加熱部１２０がボールねじナット１０１に対して挿抜可能に構成されていることから、螺旋溝１１０の一部区間が被加熱区間とされる場合において、ボールねじナット１０１に対する誘導加熱コイル１０２の取り付け及び取り外しが容易となり、ボールねじナット１０１の熱処理効率を高めることができる。

また、本例では、加熱部１２０の巻数が１／２未満とされており、螺旋溝１１０及び加熱部１２０のピッチにかかわらず、冷却ジャケット１２２から噴射された冷却液が加熱部１２０にかかることもない。

以下、実験例について説明する。

実験例として、鋼製のボールねじナットに対する焼入れを行った。

実験例に用いたボールねじナットは、内径略１２０ｍｍ、軸方向長さ略１２０ｍｍのボールねじナットであって、ボールが転動する螺旋溝に設けられた一組のリターン孔の間の略２．５巻の区間を螺旋溝の被加熱区間とした。被加熱区間の軸方向長さは略７０ｍｍである。誘導加熱コイルとしては、図６及び図７に示した構成を有し、加熱部の巻数が略１／８巻とされた誘導加熱コイルを用いた。そして、一定速度で誘導加熱コイルを送り、被加熱区間に亘って加熱部を螺旋溝に沿って移動させながら被加熱区間の溝部分を誘導加熱し、且つ加熱部に後続する冷却ジャケットから冷却液を噴射して加熱された溝部分を冷却した。加熱条件は下記のとおりである。
＜加熱条件＞
・周波数 ：２５ｋＨｚ
・電圧 ：４００Ｖ
・出力 ：３０ｋＷ
・送り速度：７ｍｍ／秒

図９（Ａ）及び図９（Ｂ）は、実験例の焼入れ後のボールねじナットの断面を模式的に示す。なお、同図において、薄墨を施した箇所が焼入れ硬化層である。図９（Ａ）及び図９（Ｂ）に示すとおり、被加熱区間の溝部分が局所的に略均一に焼入れ（加熱・冷却）されており、本発明によれば、被加熱区間の溝部分を局所的に比較的短時間で加熱することができ、また、電源の出力を比較的小さく抑えることができることが確認できた。

１ ボールねじナット
２ 誘導加熱コイル
３ 電源部
４ 冷却ジャケット
１０ 螺旋溝
２０ 加熱部

Claims (7)

1. 円筒状の内周面に螺旋溝が形成された筒状の金属部材の熱処理方法であって、
   前記金属部材の内側で前記螺旋溝の被加熱区間の一部区間に沿うように前記螺旋溝のピッチと等しいピッチで前記螺旋溝の前記被加熱区間の巻数よりも小さい巻数を有する螺旋状に形成され、且つ前記金属部材の内周面の内径より大きく前記螺旋溝の谷径より小さい外径に形成された加熱部を有する誘導加熱コイルを用い、
   前記加熱部と前記金属部材とを同軸に配置し、前記誘導加熱コイルと前記金属部材とを前記螺旋溝の中心軸まわりに相対的に回転移動させ且つ該中心軸方向に相対的に並進移動させることにより、前記加熱部を前記螺旋溝に進入させ、前記加熱部が螺旋溝に進入した状態で前記加熱部を少なくとも前記被加熱区間に亘り前記螺旋溝に沿って移動させながら、前記誘導加熱コイルによって前記金属部材を誘導加熱する熱処理方法。
2. 請求項１記載の熱処理方法であって、
   前記螺旋溝の表面に対向する前記加熱部の外面は、前記螺旋溝の表面に倣う形状に形成されている熱処理方法。
3. 請求項１又は２記載の熱処理方法であって、
   前記加熱部は、前記螺旋溝のピッチと等しいピッチで且つ１／２巻未満の巻数を有する螺旋状に形成されており、
   前記加熱部を前記金属部材に挿入し、前記誘導加熱コイルと前記金属部材とを前記中心軸と直交する方向に相対的に移動させることにより、前記加熱部を前記螺旋溝の前記被加熱区間の一端側に進入させる熱処理方法。
4. 請求項１から３のいずれか一項記載の熱処理方法であって、
   冷却液を噴射する冷却ジャケットを、前記誘導加熱コイルの前記加熱部に後続させて前記螺旋溝に沿って移動させながら、該冷却ジャケットから冷却液を噴射して前記金属部材を冷却するする熱処理方法。
5. 請求項４記載の熱処理方法であって、
   前記冷却ジャケットは、前記加熱部の一端側に配置されて前記誘導加熱コイルに一体に設けられている熱処理方法。
6. 請求項１から５のいずれか一項記載の熱処理方法であって、
   前記金属部材は、ボールねじナットであって、前記螺旋溝は、ボールが転動する溝であり、
   前記螺旋溝の前記被加熱区間は、前記螺旋溝においてボールが循環する区間である熱処理方法。
7. 請求項１から６のいずれか一項記載の熱処理方法に用いられる前記誘導加熱コイル。
   

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