JP2004292853A

JP2004292853A - 棒状部材の高周波焼入方法とその装置

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Publication number: JP2004292853A
Application number: JP2003084119A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Katanuma; 秀明片沼; Hiroyuki Kai; 浩之甲斐; Takayuki Onozawa; 隆幸小野澤
Original assignee: Denki Kogyo Co Ltd
Current assignee: DKK Co Ltd
Priority date: 2003-03-26
Filing date: 2003-03-26
Publication date: 2004-10-21
Anticipated expiration: 2023-03-26
Also published as: JP4551060B2

Abstract

【課題】一部に中空部を有する棒状の被焼入部材の高周波焼入に際し、該中空部がズブ焼入とならず、中実部と中空部との境に焼割れが生じないようにする。
【解決手段】本発明の方法は、棒状の被焼入部材２の外周面２ａを高周波誘導加熱後、該外周面２ａを急冷して焼入するに際し、前記被焼入部材２を貫通かつ移動させるひとつの高周波加熱コイル３に、２周波発振機４により、低い周波数ｆ１から高い周波数ｆ２までの複数の周波数の高周波加熱電力を同時に供給して、前記被焼入部材２の外周面２ａを高周波誘導加熱するとともに、それぞれの周波数の高周波電力の割合（配分比又は配分比率）を、零を含み任意に変えることにより、前記被焼入部材２の外周面からの焼入硬化層２ｃの深さを任意に、かつ該焼入部材２の長さ方向に連続的に焼入する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、棒形状の被焼入部材、特にその一部に中空部を有する棒形状の被焼入部材、例えば自動車のＣＶＪ（等速ジョイント：ｃｏｎｓｔａｎｔｖｅｌｏｃｉｔｙｊｏｉｎｔ）部品である一般的なドライブシャフトのような金属材からなる部材の外周面を連続的に高周波焼入する方法とその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の自動車の前記ＣＶＪ部品である、一般的なドライプシャフト（内部に中空部がない中実部のみからなる）２０の正面図を図４に示す。このドライブシャフト２０の機能は、例えば自動車のエンジンの動力を車輪に伝達するような、インボードジョイントからアウトボードジョイントヘのトルク伝達である。
【０００３】
ＦＦ（フロントエンジンフロントドライブ）車の場合、前記ドライブシャフト２０の長い側では一定回転数にて曲げ振動に起因する共振現象がおこり、車の走行フィーリングを著しく害する。このような共振現象を避ける手法として、従来よりドライブシャフト２０にゴムダンパを取付けて共振現象の低減を図ってきたが、近年、曲げ剛性の大きい、図５にその断面図を示すような中空ドライブシャフト２１が使用されるようになった。
この中空ドライブシャフト２１の製造で一般的に実用化されている方法は、両端の中実軸２１ａ、２１ａと中空部パイプ２１ｂとを摩擦溶接部分２１ｃ、２１ｃにて摩擦溶接により結合し、その後、その外周面を高周波誘導加熱で焼入を行っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、長尺の前記中空ドライブシャフト２１の外周面の高周波焼入において、硬化層深さを５ｍｍにする場合、周波数が１０ｋＨｚ以下の高周波を用いて、該中空ドライブシャフト２１の長さ方向の移動焼入を行っている。
図６の断面図に示すように、長尺の中空ドライブシャフト２１では中実（内部全体が実体であること）部２１ａ、２１ａと中空部パイプ２１ｂがあり、前記中実部２１ａ、２１ａの硬化層深さを５ｍｍにする揚合、前記中空部パイプ２１ｂの肉厚が５ｍｍでは、中空部パイプ２１ｂがズブ焼入（肉厚の全てが焼入される焼入）となっていた。
【０００５】
高周波焼入において、硬化層深さの境界が、圧縮応力と引張応力の変化点に当たるので、形状が異なる中実部２１ａ、２１ａと中空部パイプ２１ｂの境に応力の変化点が生じると、図７に示すように焼割れ２２が発生し易い。前記中空ドライブシャフト（被焼入部材）２１内部の焼割れ２２は、該中空ドライブシャフト２１を非破壊の状態を維持しながら、磁気探傷及びカラーチェックによる、前記焼割れ２２の検査ができないという間題点を生じていた。
【０００６】
本発明はかかる点を鑑みなされたもので、その目的は前記問題点を解消し、被焼入部材として、一部に中空部を有する棒状部材の高周波焼入にあたり、前記中空部がズブ焼入とならず、かつ中実部と前記中空部との境に焼割れが生じない前記棒状部材の高周波焼入方法を提案することにある。
【０００７】
本発明の他の目的は、被焼入部材として、一部に中空部を有する棒状部材を高周波焼入するものにおいて、前記中空部がズブ焼入とならず、かつ中実部と前記中空部との境に焼割れが生じない前記棒状部材の高周波焼入装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための本発明の構成は、棒状の被焼入部材の外周面を高周波誘導加熱後、該外周面を急冷して焼入するに際し、前記被焼入部材を貫通かつ移動させるひとつの高周波加熱コイルに、低い周波数から高い周波数までの複数の周波数の高周波加熱電力を同時に供給して、前記被焼入部材の外周面を高周波誘導加熱するとともに、それぞれの周波数の高周波電力の割合を、零を含み任意に変えることにより、前記被焼入部材の外周面からの焼入硬化深さを任意に、かつ該焼入部材の長さ方向に連続的に焼入する棒状部材の高周波焼入方法である。
【０００９】
前記複数の周波数の高周波加熱電力による加熱時間が、それぞれ独立して任意に変えられる棒状部材の高周波焼入方法である。
【００１０】
前記棒状の被焼入部材の一部が、中空である棒状部材の高周波焼入方法である。
【００１１】
前記複数の周波数が、異なる２周波数で、かつ１ｋＨｚないし４００ｋＨｚの周波数である棒状部材の高周波焼入方法である。
【００１２】
棒状の被焼入部材の外周面を高周波誘導加熱後、該外周面を急冷して焼入する装置において、前記被焼入部材を貫通かつ移動させるひとつの高周波加熱コイルと、前記被焼入部材をその長さ方向に、前記高周波加熱コイルに貫通かつ移動させる搬送手段と、低い周波数から高い周波数までの複数の周波数の高周波電力を、零を含みある割合に、それぞれの制御手段によりそれぞれ出力調整して、前記被焼入部材の外周面を高周波誘導加熱する前記高周波加熱コイルに、同時に供給する複数の高周波電源部と、前記被焼入部材の高周波誘導加熱された前記外周面を冷却する冷却手段とを備え、前記被焼入部材の外周面からの焼入硬化深さを任意に、かつ該焼入部材の長さ方向に連続的に焼入する棒状部材の高周波焼入装置である。
【００１３】
前記複数の高周波電源部が２個で、該高周波電源部のそれぞれが出力する周波数が、異なる２周波数で、かつ１ｋＨｚないし４００ｋＨｚの周波数である棒状部材の高周波焼入装置である。
【００１４】
本発明は、棒状部材の高周波焼入方法及び高周波焼入装置は、以上のように構成されているので、被焼入部材として、一部に中空部を有する棒状部材を高周波焼入するにあたり、中実部の外径と、前記中空部の肉厚が異なる前記棒状部品の外周面側に高周波加熱コイルを配設して、前記高周波加熱コイル又は前記棒状部材の一方又は双方を移動（双方の場合は、互いに逆方向に移動）させながら高周波焼入れする方法及び装置において、前記高周波加熱コイルに１以上の周波数（１ｋＨｚないし４００ｋＨｚの周波数）の高周波加熱電力を同時に供給するとともに、その加熱出力の割合（又は配分）を変えることにより、前記棒状部材の外周面からの焼入硬化深さを変えている。特に、前記中空部の外周面の肉厚に沿った焼入硬化深さとしている。
【００１５】
本発明によれば、一部に中空部を有する棒状部材を高周波焼入するに際し、又はものにおいては、前記中空部がズブ焼入とならず、かつ中実部と前記中空部との境に焼割れが発生することはない。
【００１６】
なお、本発明は、本出願人が先に提案した「高周波誘導加熱における加熱深さ調整方法」（特願２００２−１５４９７３号にて提案）に関連する技術で、その改良技術である。
【００１７】
前記「高周波誘導加熱における加熱深さ調整方法」の技術は、１つの高周波加熱コイルに、低い周波数と高い周波数の２周波の高周波加熱電力を同時に供給して、被加熱体の表面からの加熱深さを任意に調整することを課題とし、その解決手段（方法）は、被加熱体を高周波誘導加熱する際に、前記被加熱体の表面からの加熱深さを調整する方法である。
すなわち、前記被加熱体に使用される１つの高周波加熱コイルに、低い周波数と高い周波数との２周波の高周波加熱電力を同時に供給して、前記被加熱体を高周波誘導加熱するとともに、一方の周波数の高周波電力と他方の周波数の高周波電力との配分を、任意の配分比又は配分比率に変え、又は前記２周波のそれぞれの高周波電力による加熱時間をそれぞれ独立して任意に変えることにより、前記被加熱体の表面からの加熱深さを任意に、又は連続的に調整する方法である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。図１は、本発明の棒状部材の高周波焼入方法とその高周波焼入装置の一実施の形態を示す図で、一部に中空部を有するドライブシャフトを、高周波加熱コイルを貫通、移動しながら、高周波焼入する前記高周波焼入装置の説明構成図、図２は、図１による前記ドライブシャフトの移動焼入時の、該ドライブシャフトの長さ方向の各部位における、高周波加熱コイルに高周波加熱電力を供給又は加熱サイクルを示す図、図３は、図２により高周波焼入されたとき、前記ドライブシャフトの外周面に焼入硬化層が形成されるパターンを示す該ドライブシャフトの断面図である。
【００１９】
図１において、高周波焼入装置１は、棒状の被焼入部材として、金属材、例えば鋼系材からなる円柱形の、自動車のＣＶＪ（等速ジョイント：ｃｏｎｓｔａｎｔｖｅｌｏｃｉｔｙｊｏｉｎｔ）部品である一般的な前記ドライブシャフトで、一部に中空部を有する該ドライブシャフト２を、矢印方向に移動させながら、該ドライブシャフト２の外周面２ａを高周波移動焼入するものである。
なお、前記ドライブシャフト２は、図５に示す前記ドライブシャフト２１と構造的に同等で、両端の中実軸と、中央部の中空部パイプとを摩擦溶接部分にて摩擦溶接により結合、形成されている。
【００２０】
前記高周波焼入装置１は、前記ドライブシャフト２を貫通かつ移動させるひとつの高周波加熱コイル３に対して、２周波高周波電源としての２周波発振機４から、制御装置５によりそれぞれ制御（オン、オフする）される、低い周波数ｆ１と高い周波数ｆ２の２周波の高周波加熱電力を同時に供給する。そして前記ドライブシャフト２の外周部２ａの加熱部分２ｂを、順次ある所定の焼入温度まで加熱した直後に、前記制御装置５の制御により冷却液供給装置６を介して冷却液噴射環６ａから、加熱された前記外周面２ａに向けて冷却液、例えば冷却水を噴射して急冷し、前記外周面２ａの高周波移動焼入を行って焼入硬化層２ｃを形成させる。前記高周波焼入中、搬送装置７により、前記ドライブシャフト２をその長さ方向の矢印方向に移動させている。
なお、前記制御装置５は、前記２周波発振機４及び前記冷却液供給装置６のほか、前記ドライブシャフト２をその長さ方向に任意の一定速度で移動させる前記搬送装置７をも制御する。
【００２１】
前記２周波発振機４は、前記低い周波数ｆ１、例えば３ｋＨｚの高周波加熱電力を出力する第１の高周波発振機４ａと、前記高い周波数ｆ２、例えば２００ｋＨｚの高周波加熱電力を出力する第２の高周波発振機４ｂとからなり、前記制御装置５は、前記第１の高周波電源部４ａから高周波加熱電力を出力調整するとともに、該高周波加熱電力を出力する加熱時間を任意に制御（オン、オフする）し、また、前記第２の高周波発振機４ｂから高周波加熱電力を出力調整するとともに、該高周波加熱電力を出力する加熱時間を任意に制御（オン、オフする）し、さらに、前記第１の高周波発振機４ａと第２の高周波発振機４ｂとを、交互に出力させることもできる。
【００２２】
また、前記制御装置５は、前記高周波加熱コイル３とともに独立して巻回される監視コイル８を接続して、前記第１、第２の高周波発振機４ａ、４ｂからの前記高周波加熱コイル３へのそれぞれの高周波加熱電力の出力状態を監視しながら、該第１、第２の高周波発振機４ａ、４ｂを制御している。
【００２３】
また、同時に、前記制御装置５は、前記ドライブシャフト２を加熱する前記高周波加熱コイル３に対して、前記２周波発振機４の前記第１の高周波発振機４ａから出力される前記低いの周波数ｆ１の高周波電力と、前記第２の高周波発振機４ｂから出力される前記高いの周波数ｆ２の高周波電力との配分割合を、それぞれ任意の配分比又は配分比率（加熱に要する全体高周波電力の、例えば％による配分）に変えたり、又は、前記２周波のそれぞれの高周波加熱電力による加熱時間を、それぞれ独立して任意に変えることにより、前記ドライブシャフト２の外周面２ａからの焼入深さを任意に調整したり、又は連続的に調整することができる。
【００２４】
また、前記制御装置５は、前記高周波加熱コイル３に対して、前記２周波発振機４から出力される前記低いの周波数ｆ１の高周波加熱電力と、前記高いの周波数ｆ２の高周波電力との配分割合を、それぞれ任意の配分比又は配分比率に変えると同時に、前記２周波のそれぞれの高周波加熱電力による加熱時間を、それぞれ独立して任意に変えることにより、前記ドライブシャフト２の外周面２ａからの焼入深さを任意に調整したり、又は連続的に調整することもできる。
【００２５】
次いで、図２に示すように、前記ドライブシャフト２の中実部と中空部との各部位では、その外周面２ａを高周波加熱する周波数ｆ１、ｆ２とその高周波電力の割合（配分比又は配分比率）を変えて前記高周波加熱コイル３に供給した（具体的実施例は後記のとおり）。すなわち、前記中実部では、低い周波数ｆ１で大きい電力とし、前記中空部では、高い周波数ｆ２と低い周波数ｆ１とにより、前記中実部における大きい電力に比較して小さい電力を同時に供給した。特に、該中空部の加熱電力は、低い周波数ｆ１の加熱電力を高い周波数ｆ２の加熱電力より少なくした。前記中空部に高い周波数ｆ２を使用することで、高周波誘導加熱による浸透深さを浅くすることが可能となり、該中空部のズブ焼入れを回避することができた。
【００２６】
本実施の形態により、前記ドライブシャフト２の外周面２ａに得られた焼入硬化層３ｃのパターンは、図３に示すように、前記中実部では、約５ｍｍの焼入硬化層で、前記中空部では、肉厚内の約３ｍｍの焼入硬化層となった。前記中空部において、前記高い周波数ｆ２と前記低い周波数ｆ１の加熱電力出力の配分により、さらに目標とする焼入硬化深さにすることが可能である。
本実施の形態により、図３に示すように、前記ドライブシャフト２のその長さ方向の外周面２ａに沿った焼入硬化層２ｃパターンとなることで、前記ドライブシャフト２の内部の焼割れを防止することができた。
【００２７】
［実施例］
以下に、本実施の形態にかかる具体的な実施例を以下に示す。
（１）被焼入部材：ドライブシャフト
（ａ）材質：Ｓ４０ＢＣＭ
（ｂ）寸法：中実部外径３０ｍｍ、中空部外径４０ｍｍ（肉厚＝５ｍｍ）、長さ５００ｍｍ
（２）高周波誘導加熱条件
１）中実部
（ａ）低い周波数ｆ１＝３ｋＨｚ、加熱電力の出力＝１２０ｋＷ（配分割合＝１００％）、
移動速度（送り速度）＝３０ｍｍ／ｓｅｃ
（ｂ）高い周波数ｆ２＝２００ｋＨｚ、加熱電力の出力＝０ｋＷ（配分割合＝０％）、
２）中空部
（ａ）低い周波数ｆ１＝３ｋＨｚ、加熱電力の出力＝４０ｋＷ（配分割合＝３６％）、
移動速度（送り速度）＝３０ｍｍ／ｓｅｃ
（ｂ）高い周波数ｆ２＝２００ｋＨｚ、加熱電力の出力＝７０ｋＷ（配分割合＝６４％）、
移動速度（送り速度）＝３０ｍｍ／ｓｅｃ
【００２８】
前記加工条件により、前記ドライブシャフト２に焼入を施したときの、中実部スプライン谷の表面硬さは、Ｈｖ７００〜７２０であり、硬化層深さは、５．０〜５．５ｍｍである。肉厚５ｍｍの前記中空部の表面硬さは、Ｈｖ７００〜７２０であり、硬化層深さは、３．０〜３．３ｍｍである。
【００２９】
従来の高周波焼入方法では、前記中空部の表面硬さは、Ｈｖ７００〜７２０であり、硬化層深さは、５ｍｍと肉厚全てに焼入れされていたが、本実施の形態によれば、前記中空部が所定の表面硬さがＨｖ７００〜７２０で、肉厚より狭い硬化層深さとなったことで、該中空部内側の焼割れを防止することができた。
【００３０】
以上のとおり、本発明の一実施の形態について述べたが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可能である。例えば、発振機の台数を２台としたが、２台に限定されるものでなく、必要に応じて増やしてもよい。中空部の加熱において、前記高い周波数ｆ２と前記低い周波数ｆ１の高周波加熱電力を、前記高周波加熱コイル３に同時供給としたが、前記高い周波数ｆ２のみの供給でも可能である。また、前記中実部の高周波加熱において、前記低い周波数ｆ１のみの供給としたが、前記高い周波数ｆ２と前記低い周波数ｆ１との高周波加熱電力の同時供給でも可能である。
【００３１】
前記低い周波数ｆ１と前記高い周波数ｆ２の高周波加熱電力を、加熱中、それぞれ一定の値としたが、前記被焼入部材に要求される焼入硬化層深さにより、その電力値を無段階で変化させてもできる。前記中実部及び中空部を、その長さ方向に連続移動焼入としたが、必要部位だけを焼入する部分焼入でも可能である。
【００３２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように本発明の棒状の被加熱部材の高周波焼入方法及びその装置によれば、前記被焼入部材を貫通かつ移動させる高周波加熱コイルに、低い周波数から高い周波数までの複数の周波数の高周波加熱電力を同時に供給して、前記被焼入部材の外周面を高周波誘導加熱するとともに、それぞれの周波数の高周波電力の割合を、零を含み任意に変えるので、一部に中空部を有する棒状の被加熱部材の外周面を高周波焼入するに際し、又は高周波焼入装置においては、前記中空部がズブ焼入とならず、かつ中実部と前記中空部との境に焼割れが生じないとういう優れた効果を奏する。
【００３３】
また、本発明によれば、外径が異なる前記中実部と肉厚が異なる前記中空部からなる棒状の被加熱部材のそれぞれの外周面を高周波焼入するに際し、又は高周波焼入装置においては、単数又は複数の周波数の高周波加熱電力を同時に供給して、前記被焼入部材の外周面を高周波誘導加熱するとともに、それぞれの周波数の高周波電力の割合を零を含み任意に変えることにより、前記棒状の被加熱部材の外周面に沿って任意な焼入硬化深さにすることが可能となり、前記中空部内側の焼割れをも防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の棒状部材の高周波焼入方法とその高周波焼入装置の一実施の形態を示す図で、一部に中空部を有するドライブシャフトを、高周波加熱コイルを貫通、移動しながら、高周波焼入する前記高周波焼入装置の説明構成図である。
【図２】図１による前記ドライブシャフトの移動焼入時の、該ドライブシャフトの長さ方向の各部位における、高周波加熱コイルに高周波加熱電力の供給又は加熱サイクルを示す図で、横軸は図３に示す前記ドライブシャフトの長さ方向の各部位を示し、縦軸は、等速で移動する前記ドライブシャフトの長さ方向の各部位における、高周波加熱コイルに供給する高周波加熱電力を示す。
【図３】図２により高周波焼入されたとき、前記ドライブシャフトの外周面に焼入硬化層が形成されるパターンを示す該ドライブシャフトの断面図である。
【図４】従来から使用される自動車のＣＶＪ部品で、一般的なドライプシャフト（中実部のみからなる）を示す正面図である。
【図５】従来から使用される自動車のＣＶＪ部品で、一部に中空部を有する中空ドライブシャフトの断面図である。
【図６】従来の高周波焼入方法により、一部に中空部を有する中空ドライブシャフトに形成された焼入硬化層パターンを示す断面図である。
【図７】従来の高周波焼入方法により、一部に中空部を有する中空ドライブシャフトに生じた焼割れを示す断面図である。
【符号の説明】
１高周波焼入装置
２，２１ドライブシャフト（被焼入部材）
２ａ外周面
２ｂ加熱部分
２ｃ焼入硬化層
３高周波加熱コイル
４２周波発振機
４ａ第１の高周波発振機（低い周波数ｆ１を出力）
４ｂ第２の高周波発振機（高い周波数ｆ２を出力）
５制御装置
６冷却液供給装置
６ａ冷却液噴射環
７搬送装置

Claims

棒状の被焼入部材の外周面を高周波誘導加熱後、該外周面を急冷して焼入するに際し、
前記被焼入部材を貫通かつ移動させるひとつの高周波加熱コイルに、低い周波数から高い周波数までの複数の周波数の高周波加熱電力を同時に供給して、前記被焼入部材の外周面を高周波誘導加熱するとともに、それぞれの周波数の高周波電力の割合を、零を含み任意に変えることにより、前記被焼入部材の外周面からの焼入硬化深さを任意に、かつ該焼入部材の長さ方向に連続的に焼入することを特徴とする棒状部材の高周波焼入方法。
前記複数の周波数の高周波加熱電力による加熱時間が、それぞれ独立して任意に変えられることを特徴とする請求項１に記載の棒状部材の高周波焼入方法。
前記棒状の被焼入部材の一部が、中空であることを特徴とする請求項１に記載の棒状部材の高周波焼入方法。
前記複数の周波数が、異なる２周波数で、かつ１ｋＨｚないし４００ｋＨｚの周波数であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の棒状部材の高周波焼入方法。
棒状の被焼入部材の外周面を高周波誘導加熱後、該外周面を急冷して焼入する装置において、
前記被焼入部材を貫通かつ移動させるひとつの高周波加熱コイルと、
前記被焼入部材をその長さ方向に、前記高周波加熱コイルに貫通かつ移動させる搬送手段と、
低い周波数から高い周波数までの複数の周波数の高周波電力を、零を含みある割合に、それぞれの制御手段によりそれぞれ出力調整して、前記被焼入部材の外周面を高周波誘導加熱する前記高周波加熱コイルに、同時に供給する複数の高周波電源部と、
前記被焼入部材の高周波誘導加熱された前記外周面を冷却する冷却手段と
を備え、前記被焼入部材の外周面からの焼入硬化深さを任意に、かつ該焼入部材の長さ方向に連続的に焼入することを特徴とする棒状部材の高周波焼入装置。
前記複数の高周波電源部が２個で、該高周波電源部のそれぞれが出力する周波数が、異なる２周波数で、かつ１ｋＨｚないし４００ｋＨｚの周波数であることを特徴とする請求項５に記載の棒状部材の高周波焼入装置。