JP2004315851A - Method and apparatus for induction hardening of rack bar - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ラックバーの歯面及び背面を含めた全周面と、前記歯面及び背面を含めた全周面より連続する断面形状が円形の軸部の外周面とを移動焼入法により連続して高周波焼入するラックバーの高周波焼入方法及び装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図6は、一般的に用いられているステアリング用ラックバー1(以下、単にラックバー1と記載する)を示すものである。このラックバー1は、片側面に軸線Pに対して角度θをなす斜歯2を有し、この斜歯2の歯面3とは反対側の面が背面(半円筒面)4となされている。また、ラックバー1は、図6に示すように、歯面3及び背面4を含む全周面より連続して延びる断面円形の軸部5を有している。従来、このようなラックバー1を焼入処理するに際しては、図7に示すような高周波焼入装置7を使用してラックバー1の歯面3及び背面4を含む全周面(ラック部の外周面)と、断面円形の軸部5の外周面とを移動焼入法により高周波焼入を連続的に行うようにしている(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
なお、高周波焼入装置7は、ラックバー1の外周面を囲む1巻き或いは多巻きの円形の高周波誘導加熱コイル13と、この高周波誘導加熱コイル13の下方に配置され、かつ、前記ラックバー1の歯面3及び背面4を含む全周面と軸部5の外周面を高周波誘導加熱コイル13によって順次に焼入温度まで加熱した後に引き続き冷却するために設けられた冷却手段(多数の噴射孔14aを有する冷却液噴射環14)と、ラックバー1を挟持状態で保持する保持治具15,16と、これらの保持治具15,16にて保持されたラックバー1を回転駆動する回転駆動機構(図示せず)と、高周波誘導加熱コイル13とラックバー1とをラックバー1の軸線Pに沿って相対的に移動させる移動手段(図示せず)とをそれぞれ具備している。
【0004】
従来、上述の高周波焼入装置7を用いてラックバー1を焼入処理する際には、次のような2つの焼入工程(I),(II)を施行するようにしている。
(I) ラックバー1の軸部5の外周面を焼入処理する際には、ラックバー1をその軸線Pを中心に図7において矢印Rで示す方向に回転駆動することにより高周波誘導加熱コイル13に対して相対的に回転させると共に、ラックバー1の軸線Pを高周波誘導加熱コイル13の軸線に一致させた状態の下でラックバー1をその軸線方向に沿って図7において矢印Kで示す方向に下降させることにより高周波誘導加熱コイル13に対して相対的に移動させながら、ラックバー1の軸部5の外周面を所要の焼入温度に高周波誘導加熱し、しかる後に冷却液噴射環14から冷却液を噴射して軸部5の外周面を冷却する焼入工程を施行する。
(II) ラックバー1の歯面3及び背面4を含めた全周面を焼入処理する際には、ラックバー1をその軸線Pを中心に回転させずに、ラックバー1の軸線Pに沿って平行に配置される高周波誘導加熱コイルの特定の加熱導体部がラックバー1の歯面3及び背面4にそれぞれ対向配置されるようにラックバー1を保持した状態の下で、ラックバー1をラックバー1の軸線P方向(図7における矢印K方向)に沿って高周波誘導コイルに対して相対的に移動させながら、ラックバー1の歯面3及び背面4を含めた全周面を高周波誘導加熱し、しかる後に冷却液噴射環14から冷却液を噴射して軸部5の外周面を焼入冷却する焼入工程を施行する。
【0005】
かくして、上記(I),(II)にそれぞれ記載の2つの焼入工程を、ラックバー1の軸線P方向(矢印K方向)に沿う相対移動,高周波誘導加熱,及び焼入冷却を停止することなく連続して行うことによりラックバー1の焼入処理を施行するようにしている。
【0006】
【特許文献1】
特開昭54−107812号
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ラックバー1の高周波焼入において、歯直角モジュールが約1.6を有するラック1を焼入対象としてラックバー1の歯底N(図8(A)及び(B)参照)からの硬化層深さを1.0mmにする場合には、30kHzの発振周波数(高周波発振周波数)の高周波電源を用いて移動焼入を行っている。しかし、ラックバー1の歯直角モジュールが例えば2以上であるような場合には、高周波電源の発振周波数(電源周波数)を30kHzにすると、ラックバー1の軸部5の外周面には図8(c)に示すように均一な深さの焼入硬化層Sを形成することができるが、ラックバー1の歯底Nの部分には図8(A)に示す如く焼入硬化層Sを形成し難いという問題点がある。
【0008】
一方、電源周波数(高周波発振周波数)を10kHz以下にすることにより、ラックバー1の歯底Nの部分に焼入硬化層Sを形成することができるようになるが、その場合には、ラックバー1の歯山部Mの加熱温度が低くなり、従って所定の焼入硬さを満足できないという問題を生じる。更に、電源周波数が10kHz以下でラックバー1の軸部5の外表面を高周波誘導加熱して冷却することにより前記外表面に焼入硬化層深さが約1.5mm以上の焼入硬化層Sを形成しようとする場合には、所定の焼入硬さを満足できないという問題を生じる。
【0009】
本発明は、以上のこのような実状に鑑みてなされたものであって、その目的は、ラックバーの歯直角モジュールが例えば2以上のものであっても、ラックバーの歯面及び背面を含めた全周面に、所望の深さでかつ硬さが充分に確保された焼入硬化層を形成することができるようなラックバーの高周波焼入方法及び装置を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、本発明では、ラックバーの歯面及び背面を含めた全周面を高周波誘導加熱コイルにて高周波誘導加熱して冷却することにより高周波焼入する方法において、2つ以上の周波数の高周波電流を前記高周波誘導加熱コイルに同時に供給して前記歯面及び背面を含めた全周面を高周波誘導加熱する工程を含むようにしている。
また、本発明では、被焼入体であるラックバーの歯面及び背面を含めた全周面と、前記歯面及び背面を含めた全周面より連続して延びる断面円形の軸部の外周面とを連続して高周波誘導加熱コイルにて高周波誘導加熱した後に冷却して高周波焼入を施行するようにしたラックバーの高周波焼入方法において、
(a) 2つ以上の周波数の高周波電流を前記高周波誘導加熱コイルに同時に供給して前記歯面及び背面を含めた全周面を高周波誘導加熱する工程と、
(b) 1つの周波数の高周波電流を前記高周波誘導加熱コイルに供給して前記軸部の外周面を高周波誘導加熱する工程と、
を含むようにしている。
また、本発明では、前記(a)に記載の工程及び前記(b)に記載の工程を、前記ラックバーを前記高周波誘導加熱コイルに対して相対的に移動させた状態の下で連続的に施行するようにしている。
また、本発明では、前記2つ以上の周波数が、それぞれ、1〜400kHzであるようにしている。
また、本発明では、前記2つ以上の周波数の高周波電流をそれぞれ供給する高周波電源から出力される出力の割合を調整するようにしている。
また、本発明では、被焼入体であるラックバーの歯面及び背面を含めた全周面を焼入するためのラックバーの高周波焼入装置において、
(a) 電源周波数の異なる複数台の高周波電源と、
(b) 被焼入体であるラックバーを高周波誘導加熱するための高周波誘導加熱コイルと、
(c) 前記複数台の高周波電源からの出力のうちの2つ以上の出力を前記高周波誘導加熱コイルに供給する制御装置と、
を有する高周波誘導加熱装置を具備し、
前記制御装置により2つ以上の周波数の高周波電流を前記1台の高周波誘導加熱コイルに同時に供給することによって、ラックバーの歯面及び背面を含めた全周面を焼入処理するために高周波誘導加熱するようにしている。
また、本発明では、被焼入体であるラックバーの歯面及び背面を含めた全周面と、前記歯面及び背面を含めた全周面より連続して延びる断面円形の軸部の外周面とを連続して高周波誘導加熱コイルにて高周波誘導加熱した後に冷却して高周波焼入を施行するようにしたラックバーの高周波焼入装置において、
(a) 電源周波数の異なる複数台の高周波電源と、
(b) 被焼入体であるラックバーを高周波誘導加熱するための高周波誘導加熱コイルと、
(c) 前記複数台の高周波電源からの出力のうちの1つ以上の出力を前記高周波誘導加熱コイルに供給する制御装置と、
を有する高周波誘導加熱装置を具備し、
前記制御装置により1つ以上の周波数の高周波電流を前記1台の高周波誘導加熱コイルに供給すると共に、前記複数台の高周波電源から前記高周波誘導加熱コイルへの出力の割合を調整することによって、前記歯面及び背面を含めた全周面並びに前記軸部の外周面に焼入硬化層を連続して形成するようにしている。
また、本発明では、前記高周波誘導加熱コイルは、被焼入体であるラックバーの軸線方向に沿って対向配置される一対の主加熱導体部、及び、これら一対の主加熱導体部の両端にそれぞれ接続されて互いに平行に配置される一対の環状副加熱導体部を有する1台の高周波誘導加熱コイルを有するようにしている。
また、本発明では、前記歯面及び背面を含めた全周面を高周波誘導加熱する際には、前記複数台の高周波電源から2つ以上の周波数の高周波電流を前記1台の高周波誘導加熱コイルに同時に供給し、前記軸部の外周面を高周波誘導加熱する際には、前記複数台の高周波電源のうちの1つから1つの周波数の高周波電流を前記1台の高周波誘導加熱コイルに供給するようにしている。
また、本発明では、前記歯面及び背面を含めた全周面並びに前記軸部の外周面を前記高周波誘導加熱コイルに対して移動させて高周波誘導加熱及びその後の冷却を連続して移動焼入するようにしている。
また、本発明では、前記複数台の高周波電源の電源周波数が、それぞれ、1〜400kHzであるようにしている。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について図1〜図5を参照して説明する。なお、図1〜図5において、図6〜図8と同様の部分には同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【0012】
図1は、本発明に係るラックバーの高周波焼入方法を実施するために用いられる高周波焼入装置20を示すものである。この高周波焼入装置20は、図1に示すように、電源周波数(高周波発振周波数)の異なる2台の第1及び第2の高周波電源(高周波発振器)21a,21bと、被焼入体であるラックバー1を高周波誘導加熱するための1台の高周波誘導加熱コイル22と、上述の第1及び第2の高周波電源(高周波発振器)21a,21bからの出力のうちの1つ又は2つの出力を交互に又は同時に高周波誘導加熱コイル22に供給するように作動する制御装置23とをそれぞれ備えている。また、第1及び第2の高周波電源21a,21bには第1及び第2の変成器24a,24bがそれぞれ接続されており、制御装置23による制御により交互或いは同時に発振される第1及び第2の高周波発振器21a,21bから単一の周波数の高周波電流或いは2つの異なる周波数の高周波電流が変成器24a,24bを介して高周波誘導加熱コイル22に供給されるように構成されている。なお、上述の第1及び第2の高周波電源21a、21bの電源周波数(発振周波数)f1 ,f2 は、1〜400kHzの範囲であるように設定されると共に、第1の高周波電源21aの電源周波数f1 が相対的に高い周波数に設定され、第2の高周波電源21bの電源周波数f2 が相対的に低い周波数に設定されている(f1 >f2 )。
【0013】
本実施形態の高周波焼入装置20に用いられる高周波誘導加熱コイル22は、図1及び図2に示すように、被焼入体であるラックバー1の軸線P方向に沿って対向配置される一対の主加熱導体部26a,26b(被焼入体であるラックバー1の歯面3及び背面4に対向するように互いに平行に配置されて上下方向にそれぞれ延びる左右一対の主加熱導体部26a,26b)と、これら一対の主加熱導体部26a,26bの上下両端に接続されて互いに平行に配置される上下一対の環状副加熱導体部27a,27bと、一方の主加熱導体部26bの中間の切断部の上下両端にそれぞれ接続された一対の電流供給導体部28a,28bとから構成されている。なお、後述の歯面及び背面を含む全周面焼入工程においてラックバー1の歯面3に対向配置される主加熱導体部26aの内側壁部は平坦面αとなっており、一方、ラックバー1の背面4に対向される主加熱導体部26bの内側壁部は前記背面4の曲率に対応する形状の湾曲面(半円形面)βとなっている。
【0014】
さらに、本実施形態の高周波焼入装置20は、一対の環状副加熱導体部27a,27bにより囲まれた内側空間部29a,29bを通過し得る位置にラックバー1を静止状態で保持(挟持)するワーク保持治具30,31(図1参照)と、これらの保持治具30,31にて保持されたラックバー1をその軸線Pを中心に回転駆動する回転駆動機構(図示せず)と、この回転駆動機構によるラックバー1の回転を停止する際に、ラックバー1の歯面3及び背面4を上述の一対の主加熱導体部26a,26bに対向するように位置決めして停止させる位相決め機構(図示せず)と、高周波誘導加熱コイル22とラックバー1とをラックバー1の軸線Pに沿って相対的に移動させる移動機構(図示せず)と、高周波誘導加熱コイル22の下方に配置されてラックバー1に向けて冷却液を噴射する冷却液噴射機構(多数の噴射孔14aを有する冷却液噴射環14)とを具備している。なお、ワーク保持治具30,31及び上述の各機構は、前記制御装置23により適宜に作動制御されるように構成されており、冷却液噴射環14には冷却液供給装置32から冷却液が供給され、冷却液噴射環14の多数の噴射孔14aから均一に噴射されるように構成されている。
【0015】
次に、このような構成の高周波焼入装置20を用いてラックバー1の歯面3及び背面4を含む全周面及び軸部5の外周面を連続して焼入(移動焼入)する際の操作手順の一例について図2〜図5を参照して述べると、以下の通りである。
【0016】
(1) まず、高周波焼入装置20の下方に配置されているワーク保持治具30にラックバー1の下端部(軸部5の側)を載置し、ラックバー1の上端部(歯面3を含む側)をワーク保持治具31により押さえることにより、ラックバー1を垂直に立てた状態で保持する。そして、高周波焼入装置20内の所定の加熱位置、すなわち、ラックバー1を高周波誘導加熱コイル22の一対の環状副加熱導体部27a,27bによりそれぞれ囲まれた内側空間部29a,29bを通過し得る位置に配置する。
(2) 次に、ラックバー1を図外の昇降機構により下降させて、下側に向けられたラックバー1の軸部5を一対の環状副加熱導体部27a,27bの内側空間部29a,29bのほぼ中央を貫通する位置で停止させる。
(3) 次いで、図外の回転駆動機構によりラックバー1にその軸線Pを中心とする回転を与える。
(4) しかる後に、制御装置23により第1の高周波電源21aからの出力(発振周波数f1 )を選択し、選択された所要周波数・所要出力の高周波電力を焼入装置20の高周波誘導加熱コイル22に所要時間にわたり供給して高周波誘導加熱コイル22に所要周波数f1 の高周波電流を流し、ラックバー1を軸線P方向に移動させずに、停止加熱を行う。
(5) 所要時間にわたって停止加熱を行った後に、高周波誘導加熱コイル22への高周波電力の供給を止めることなく、ラックバー1を図外の移動機構により所要速度で軸線P方向に沿って下降移動させて軸部5の外周面を連続的に所要の焼入温度まで移動加熱し、これに引き続いて制御装置23による冷却液供給装置32の制御によって冷却液噴射環14の噴射孔14aから所要圧力・所要流量の冷却液をラックバー1の軸部5の外周面に噴射し、このラックバー1の軸部5の外周面を室温まで冷却して軸部5の焼入を完了する。
(6) ラックバー1の軸部5の外周面の焼入が完了した後にこれに引き続いて歯面3及び背面4を含む全周面の焼入工程に移行するに際して、ラックバー1の矢印R方向の回転を停止し、歯面3及び背面4をそれぞれ高周波誘導加熱コイル22の主加熱導体部26a及び主加熱導体部26bにそれぞれ対向配置させた状態に図外の位置決め機構にて位置決めして固定保持する。一方、図外の昇降機構による移動及び高周波誘導加熱コイル22への高周波電力の供給、並びに、冷却液の噴射は維続して行う。この時、歯面3及び背面4の焼入仕様に応じて高周波電力・移動速度を適宜に調整してよい。
(7) 次いで、2台の第1及び第2の高周波電源21a,21bを同時発振させてこれらの高周波電源21a,21bからの出力(電力)を高周波誘導加熱コイル22に同時に供給して、互いに異なる2つの高い周波数f1 及び低い周波数f2 の高周波電流を高周波誘導加熱コイル22に流すことにより、ラックバー1を軸線P方向に沿って下降移動させながら歯面3及び背面4を含む全周面の必要範囲を移動加熱して冷却し、加熱完了位置までラックバー1が達した時点で、ラックバー1を移動させたままの状態の下で高周波誘導加熱コイル22への高周波電流の供給を遮断する。
(8) ラックバー1を移動させた状態のままでの冷却液噴射環14の噴射孔14aからの冷却液の噴射は引き続き行い、ラックバー1の加熱完了箇所を冷却する位置でラックバー1の移動を止め、所要時間にわたり停止冷却を行う。
(9) そして、ラックバー1の加熱完了箇所が室温まで急冷された時点で、冷却液の噴射を停止し、一連の焼入処理を終了する。
(10) その後、ラックバー1を所定の位置まで上昇させ、ワーク保持治具30,31からラックバー1を取り外し、次工程に移送する。
【0017】
なお、上述の操作手順においては、ラックバー1の軸部5を焼入した後にラックバー1の歯面3及び背面4を焼入するようにしているが、これとは逆に、ラックバー1の歯面3及び背面4を有するラック部を焼入した後にラックバー1の軸部5を焼入するようにしてもよい。
【0018】
本実施形態に係るラックバーの高周波焼入方法及び装置にあっては、図3に示すように、ラックバー1の軸部5の外周面を焼入する場合と、ラックバー1の歯面3及び背面4を含む全周面を焼入する場合とでは、高周波誘導加熱時の周波数並びに出力(すなわち、電力)を変化させる(切り換える)ようにしている。
【0019】
具体的には、ラックバー1の軸部5の外周面を焼入する際には、制御装置23の機能により、第1及び第2の高周波電源21a,21bのうちの一方、例えば、電源周波数(発振周波数)が相対的に高い方の第1の高周波電源21aから出力される電力だけを変成器24aを介して高周波誘導加熱コイル22に供給するようにしている。これにより、高い周波数かつ高い電力とすることによって、軸部5の外周面における焼入硬化層の深さが相対的に浅く設定されると共に、焼入硬化層の硬さが充分に確保されることとなる。
【0020】
また、ラックバー1の歯面3及び背面4を含む全周面を焼入する際には、制御装置23の機能により、第1及び第2の高周波電源21a,21bを作動させて高い周波数f1 の高周波電流及び低い周波数f2 の高周波電流を同時に高周波誘導加熱コイル22に供給し、低い電源周波数である第2の高周波電源21bの出力(電力)を高い電源周波数である第2の高周波電源21bのよりも相対的に大きく設定する。これにより、ラックバー1の歯部3の歯底Nの周辺部分は、低い周波数の高周波電流により歯底Nの焼入硬化層深さが充分に確保され、ラックバー1の歯山部Mの周辺部分は、高い周波数の高周波電流により歯山部Mにおける焼入硬化層の硬さが充分に確保されることとなる。この場合、高い周波数の高周波電流を供給する第1の高周波電源21aから出力される電力を少なくすることにより、歯面3及び背面4を含めた全周面における表面部分の過熱を防止することができると共に、その全周面における焼入硬化層の深さ並びに表面硬さを良好に確保することができる。
【0021】
本発明により、図4に示すように、軸部5の外周面から歯面3及び背面4にまで連続した焼入硬化層Sを形成した。被焼入体としてのラックバー1の歯直角ピッチが異なる場合であっても、高周波及び低周波の高周波電源21a,21bからの出力(電力)の割合を適宜に調整(配分)することにより、歯底Nの近傍箇所を目標の焼入硬化層深さにすることが可能である。本実施形態の方式により、軸部5の外周面から歯面3及び背面4に連続した焼入硬化層パターン(図4参照)を形成することができ、歯面3の底部Nに所望の焼入硬化層深さを確保し、かつ、所定の表面硬さとすることが可能である。
【0022】
以下に、本発明に係るラックバーの高周波焼入方法の具体的な施行条件の例を示す。
【0023】
第1実施例
(1) ワーク : ラックバー
(a) 材質 : S45C
(b) 寸法
▲1▼ 軸径 : 直径25.5mm
外形 : 直径27.5mm
全長 : 642mm
▲2▼ 歯緒元
歯直角モジュール : 1.6
歯高 : 3.2mm
歯幅 : 24.0mm
歯直角ピッチ : 5.0
(2) 高周波誘導加熱条件
(A) 軸部
(a) 周波数 : 200kHz
出力 : 115kW
移動速度: 19mm/sec
(B) 歯面及び背面
(a) 周波数 : 200kHz
出力 : 40kW
移動速度 : 12.5mm/sec
(b) 周波数 : 7.6kHz
出力 : 60kW
移動速度 : 12.5mm/sec
【0024】
上記加工条件によりラックバー1に焼入を施したところ、図4(a),(b),(c)に示すように軸部5の外周面から歯面3及び背面4にまで連続した硬化層パターンが形成された。この場合、軸部5の表面硬さは、Hv700〜720であり、焼入硬化層深さは、1.5〜1.7mmであった。背面4の表面硬さは、Hv680〜700であり、硬化層深さは、2.4〜2.6mmであった。歯底部Nの表面硬さは、Hv680〜700であり、硬化層深さは、0.9〜1.1mmであった。
【0025】
第2実施例
(1) ワーク : ラックバー
(a) 材質 : S45C
(b) 寸法
▲1▼ 軸径 : 直径25.5mm
外形 : 直径27.5mm
全長 : 642mm
▲2▼ 歯緒元
歯直角モジュール : 2.4
歯高 : 4.7mm
歯幅 : 24.5mm
歯直角ピッチ : 7.6
(2) 高周波誘導加熱条件
(A) 軸部
(a) 周波数 : 200kHz
出力 : 115kW
移動速度: 19mm/sec
(B) 歯面及び背面
(a) 周波数 : 200kHz
出力 : 30kW
移動速度 : 12.5mm/sec
(b) 周波数 : 7.6kHz
出力 : 70kW
移動速度 : 12.5mm/sec
【0026】
上記加工条件によりラックバー1に焼入を施したところ、図4(a),(b),(c)に示すように軸部5の外周面から歯面3及び背面4にまで連続した焼入硬化層パターンが形成された。この場合、軸部5の表面硬さは、Hv700〜720であり、硬化層深さは1.5〜1.7mmであった。背面4の表面硬さは、Hv680〜700であり、硬化層深さは、2.5〜2.7mmである。歯底部Nの表面硬さは、Hv680〜700であり、硬化層深さは、0.7〜0.8mmであった。本方式により、歯直角モジュールが異なるラックにおいてもラックバー1の歯底部Nに良好な深さの硬化層パターンを確保し、その表面硬さを規定値の範囲内とすることができた。
【0027】
以上、本発明の一実施形態について述べたが、本発明は、既述の実施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、既述の実施形態では高周波電源(高周波発振器)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3台以上に増やし、ラックバー1の歯部3及び歯面4を含めた全周面の焼入に際して3以上の周波数(それぞれ異なる周波数)の高周波電流を高周波誘導加熱コイル22に同時に供給するようにしても良い。また、ラックバー1の歯面3及び背面4の高周波誘導加熱において、高周波と低周波の同時発振としたが、ラックバー1の歯直角モジュール及びねじれ角に応じて、高い周波数の高周波電流のみの供給(高周波のみの発振)や、低い周波数の高周波電流のみの供給(低周波のみの発振)でも可能である。また、ラックバー1の軸部5の高周波誘導加熱において、高周波のみの発振としたが、高周波と低周波の同時発振でも可能である。低周波と高周波の電力をそれぞれ一定の値としても良く、焼入硬化層の深さに応じて電力値を無段階に変化させても良い。
【0028】
ラックバーには、例えば、図5に示す電動式ラックバー(パワーステアリング部品)40のように軸部5と歯面3との間にボールネジ部41を有する形状もある。このような電動式ラックバー40についても本発明の高周波焼入方法及び高周波誘導加熱装置を使用して、例えば、ボールネジ部41のボール径によりボールネジ部41を、高い周波数及び低い周波数の高周波電流の同時供給、高い周波数の高周波電流のみの供給、及び低い周波数の高周波電流のみの供給という3つの加熱条件から1つの最適条件を選定することにより、軸部5からボールネジ部41、歯面3及び背面4に連続した硬化層パターンを電動式ラックバー40に形成することが可能である。さらに、軸部5,ボールネジ部41,歯面3及び背面4を連続焼入するようにしたが、必要部位だけを部分的に加熱して部分焼入を行う場合でも本発明を適用可能である。
【0029】
【発明の効果】
本発明に係るラックバーの高周波焼入方法及び装置は、2つ以上の周波数(電源周波数)の高周波電流を前記高周波誘導加熱コイルに供給してラックバーの歯面及び背面を含めた全周面を高周波誘導加熱するようにしたものであるから、ラックバーの歯直角モジュールが例えば2以上のものであっても、ラックバーの歯面及び背面を含めた全周面に、所要の深さでかつ硬さが充分に確保された焼入硬化層を形成することができる。また、ラックバーの歯面及び背面を含めた全周面と、前記歯面及び背面を含めた全周面より連続して延びる断面円形の軸部の外周面とに、連続しかつ良好な焼入硬化層を形成することも可能である。さらに、歯直角ピッチの異なるラックバーの高周波移動焼入において、複数台の高周波電源から2つ以上の周波数の高周波電流を同時に1台の高周波誘導加熱コイルに供給する際に加熱出力の割合(高周波誘導加熱コイルへ供給する電力の配分)を変化させることにより、ラックバーの軸部から歯面及び背面にまでの全領域に亘って連続した焼入硬化層パターンを形成することができ、ラックバーの歯底近傍における焼入硬化層の深さを確保し、焼入部全域にわたり所定の表面硬さとすることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るラックバーの高周波焼入方法を実施するために用いられる高周波焼入装置の構成図である。
【図2】図1の高周波焼入装置に使用される高周波誘導加熱コイルの斜視図である。
【図3】ラックバーの軸部と、歯面及び背面を含めた全周面とを順次に高周波誘導加熱する際に高周波誘導加熱コイルに供給される高周波電流及び電力(高周波電源からの出力)を示す図である。
【図4】本発明に係る高周波焼入方法及び装置を用いてラックバーを焼入した場合にラックバーの外表面に得られる焼入硬化層パターンを示す断面図であって、図4(A)はラックバーの軸線を含む平面における断面図、図4(B)は図4(A)におけるX−X線拡大断面図、図4(C)は図4(A)におけるY−Y線拡大断面図である。
【図5】図5(A)は電動式ラックバー(パワーステアリング部品)の側面図、図5(B)は電動式ラックバーの外表面に形成される焼入硬化層パターンを示す断面図である。
【図6】被焼入体であるステアリング用ラックバーの平面形状及び側面形状を示す図である。
【図7】従来の高周波焼入装置にて上述のラックバーを移動焼入している状態を示す断面図である。
【図8】図7の高周波焼入装置によって軸部の外周面並びに歯面及び背面を含めた全周面を1工程にて焼入処理した場合に得られるラックバーの焼入硬化層パターンを示す断面図であって、図8(A)はラックバーの軸線を含む平面における断面図、図8(B)は図8(A)におけるX−X線拡大断面図、図8(C)は図8(A)におけるY−Y線拡大断面図である。
【符号の説明】
1 ラックバー
3 歯面
4 背面
5 軸部
14 冷却液噴射環
21a 第1の高周波電源
21b 第2の高周波電源
22 高周波誘導加熱コイル
23 制御装置
24a 第1の変成器
24b 第2の変成器
40 電動式ラックバー
f1 ,f2 電源周波数(発振周波数)[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
According to the present invention, the entire peripheral surface including the tooth surface and the rear surface of the rack bar, and the outer peripheral surface of the shaft portion having a circular cross-sectional shape that is continuous from the entire peripheral surface including the tooth surface and the rear surface are formed by the moving quenching method. The present invention relates to a method and an apparatus for induction hardening of a rack bar which is continuously induction hardened.
[0002]
[Prior art]
FIG. 6 shows a generally used steering rack bar 1 (hereinafter simply referred to as rack bar 1). The
[0003]
The
[0004]
Conventionally, the following two quenching steps (I) and (II) are performed when quenching the
(I) When quenching the outer peripheral surface of the
(II) When quenching the entire peripheral surface including the
[0005]
Thus, the two quenching steps described in (I) and (II) above are performed by stopping the relative movement of the
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-54-107812
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In the induction quenching of the
[0008]
On the other hand, by setting the power supply frequency (high-frequency oscillation frequency) to 10 kHz or less, the quenched and hardened layer S can be formed at the root N of the
[0009]
The present invention has been made in view of the above situation, and its purpose is to include the tooth surface and the back surface of the rack bar even if the rack right angle module is, for example, two or more. Another object of the present invention is to provide a method and an apparatus for induction hardening of a rack bar capable of forming a quenched hardened layer having a desired depth and sufficient hardness on the entire peripheral surface.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides a method of induction hardening by cooling the entire circumference including a tooth surface and a back surface of a rack bar by high frequency induction heating with a high frequency induction heating coil. A step of simultaneously supplying high frequency currents of two or more frequencies to the high frequency induction heating coil to perform high frequency induction heating on the entire peripheral surface including the tooth surface and the back surface is included.
Further, in the present invention, the outer periphery of the shaft portion having a circular cross section extending continuously from the entire peripheral surface including the tooth surface and the rear surface of the rack bar, which is the quenched body, including the tooth surface and the rear surface. In the induction hardening method of the rack bar, the surface was continuously cooled by high-frequency induction heating with a high-frequency induction heating coil and then subjected to induction hardening.
(A) simultaneously supplying high-frequency currents of two or more frequencies to the high-frequency induction heating coil to perform high-frequency induction heating on the entire peripheral surface including the tooth surface and the back surface;
(B) supplying a high-frequency current of one frequency to the high-frequency induction heating coil to perform high-frequency induction heating on the outer peripheral surface of the shaft portion;
Is included.
Further, in the present invention, the step (a) and the step (b) are continuously performed under a state where the rack bar is relatively moved with respect to the high-frequency induction heating coil. I am trying to enforce it.
In the present invention, the two or more frequencies are each 1 to 400 kHz.
In the present invention, the ratio of the output from the high-frequency power supply that supplies the high-frequency currents of the two or more frequencies is adjusted.
Further, in the present invention, in the induction hardening device of the rack bar for quenching the entire peripheral surface including the tooth surface and the back surface of the rack bar that is the object to be quenched,
(A) a plurality of high-frequency power supplies having different power supply frequencies;
(B) a high-frequency induction heating coil for high-frequency induction heating of a rack bar to be quenched;
(C) a controller that supplies two or more outputs of the outputs from the plurality of high-frequency power supplies to the high-frequency induction heating coil;
Comprising a high-frequency induction heating device having
The control device simultaneously supplies high-frequency currents of two or more frequencies to the one high-frequency induction heating coil, thereby quenching the entire peripheral surface including the tooth surface and the back surface of the rack bar. I try to heat it.
Further, in the present invention, the outer periphery of the shaft portion having a circular cross section extending continuously from the entire peripheral surface including the tooth surface and the rear surface of the rack bar, which is the quenched body, including the tooth surface and the rear surface. In the induction hardening device of the rack bar, the surface was continuously cooled by high-frequency induction heating with a high-frequency induction heating coil and then subjected to induction hardening.
(A) a plurality of high-frequency power supplies having different power supply frequencies;
(B) a high-frequency induction heating coil for high-frequency induction heating of a rack bar to be quenched;
(C) a controller that supplies one or more outputs of the plurality of high-frequency power supplies to the high-frequency induction heating coil;
Comprising a high-frequency induction heating device having
By supplying high-frequency current of one or more frequencies to the one high-frequency induction heating coil by the control device, and by adjusting the ratio of output from the plurality of high-frequency power supplies to the high-frequency induction heating coil, A quench hardened layer is continuously formed on the entire peripheral surface including the tooth surface and the back surface and on the outer peripheral surface of the shaft portion.
Further, in the present invention, the high-frequency induction heating coil includes a pair of main heating conductors disposed to face each other along an axial direction of a rack bar that is a quenched object, and two ends of the pair of main heating conductors. One high-frequency induction heating coil having a pair of annular sub-heating conductor portions connected to each other and arranged in parallel with each other is provided.
Further, in the present invention, when high-frequency induction heating is performed on the entire peripheral surface including the tooth surface and the back surface, high-frequency currents of two or more frequencies are supplied from the plurality of high-frequency power sources to the one high-frequency induction heating coil. And simultaneously supplying high-frequency current of one frequency from one of the plurality of high-frequency power supplies to the one high-frequency induction heating coil when the outer peripheral surface of the shaft portion is subjected to high-frequency induction heating. Like that.
Further, in the present invention, the entire circumferential surface including the tooth surface and the back surface and the outer circumferential surface of the shaft portion are moved with respect to the high-frequency induction heating coil, so that high-frequency induction heating and subsequent cooling are continuously moved and quenched. I am trying to do it.
In the present invention, the power supply frequencies of the plurality of high-frequency power supplies are each 1 to 400 kHz.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In FIGS. 1 to 5, the same parts as those in FIGS. 6 to 8 are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted.
[0012]
FIG. 1 shows an
[0013]
As shown in FIGS. 1 and 2, a high-frequency
[0014]
Further, the
[0015]
Next, the entire peripheral surface including the
[0016]
(1) First, the lower end portion (the side of the shaft portion 5) of the
(2) Next, the
(3) Next, the
(4) After that, the
(5) After performing the stop heating for the required time, the
(6) After the quenching of the outer peripheral surface of the
(7) Next, the two first and second high-
(8) The cooling liquid is continuously injected from the
(9) Then, when the heating completion portion of the
(10) Thereafter, the
[0017]
In the above-described operation procedure, the
[0018]
In the method and apparatus for induction hardening of the rack bar according to the present embodiment, as shown in FIG. 3, the case where the outer peripheral surface of the
[0019]
Specifically, when the outer peripheral surface of the
[0020]
Further, when the entire peripheral surface including the
[0021]
According to the present invention, as shown in FIG. 4, a quench-hardened layer S continuous from the outer peripheral surface of the
[0022]
Below, the example of the concrete enforcement condition of the induction hardening method of the rack bar which concerns on this invention is shown.
[0023]
First embodiment
(1) Work: Rack bar
(A) Material: S45C
(B) Dimension
(1) Shaft diameter: 25.5 mm diameter
Outline: 27.5mm in diameter
Overall length: 642mm
▲ 2 ▼ Tooth
Tooth right angle module: 1.6
Tooth height: 3.2mm
Tooth width: 24.0mm
Tooth perpendicular pitch: 5.0
(2) High frequency induction heating conditions
(A) Shaft
(A) Frequency: 200 kHz
Output: 115kW
Moving speed: 19mm / sec
(B) Tooth surface and back surface
(A) Frequency: 200 kHz
Output: 40kW
Moving speed: 12.5mm / sec
(B) Frequency: 7.6 kHz
Output: 60kW
Moving speed: 12.5mm / sec
[0024]
When the
[0025]
Second embodiment
(1) Work: Rack bar
(A) Material: S45C
(B) Dimension
(1) Shaft diameter: 25.5 mm diameter
Outline: 27.5mm in diameter
Overall length: 642mm
▲ 2 ▼ Tooth
Tooth right angle module: 2.4
Tooth height: 4.7mm
Tooth width: 24.5mm
Tooth perpendicular pitch: 7.6
(2) High frequency induction heating conditions
(A) Shaft
(A) Frequency: 200 kHz
Output: 115kW
Moving speed: 19mm / sec
(B) Tooth surface and back surface
(A) Frequency: 200 kHz
Output: 30kW
Moving speed: 12.5mm / sec
(B) Frequency: 7.6 kHz
Output: 70kW
Moving speed: 12.5mm / sec
[0026]
When the
[0027]
As described above, one embodiment of the present invention has been described, but the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications and changes can be made based on the technical idea of the present invention. For example, in the above-described embodiment, the number of high-frequency power supplies (high-frequency oscillators) is two. However, the number is not limited to two. In addition, high-frequency currents of three or more frequencies (different frequencies) may be simultaneously supplied to the high-frequency
[0028]
The rack bar has a shape having a
[0029]
【The invention's effect】
The method and apparatus for induction hardening of a rack bar according to the present invention supplies a high frequency current of two or more frequencies (power supply frequency) to the high frequency induction heating coil to cover the entire peripheral surface including the tooth surface and the back surface of the rack bar. Is high-frequency induction heated, so that even if the rack right angle module is, for example, two or more, the rack bar has a required depth on the entire peripheral surface including the tooth surface and the back surface. In addition, it is possible to form a quenched and hardened layer having sufficient hardness. Further, the continuous and good burning is performed on the entire peripheral surface including the tooth surface and the rear surface of the rack bar and the external peripheral surface of the shaft portion having a circular cross section extending continuously from the entire peripheral surface including the tooth surface and the rear surface. It is also possible to form a hardened layer. Furthermore, in high-frequency moving quenching of rack bars having different tooth perpendicular pitches, when high-frequency currents of two or more frequencies are simultaneously supplied to one high-frequency induction heating coil from a plurality of high-frequency power sources, the ratio of heating output (high-frequency By changing the distribution of the power supplied to the induction heating coil, a continuous hardened layer pattern can be formed over the entire region from the shaft portion of the rack bar to the tooth surface and the back surface. It is possible to secure the depth of the quenched hardened layer in the vicinity of the tooth bottom and to obtain a predetermined surface hardness over the entire quenched portion.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of an induction hardening apparatus used for performing an induction hardening method of a rack bar according to the present invention.
FIG. 2 is a perspective view of a high-frequency induction heating coil used in the high-frequency hardening apparatus of FIG.
FIG. 3 shows high-frequency current and power (output from a high-frequency power supply) supplied to a high-frequency induction heating coil when a shaft portion of a rack bar and a whole peripheral surface including a tooth surface and a back surface are sequentially subjected to high-frequency induction heating. FIG.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a quench-hardened layer pattern obtained on the outer surface of the rack bar when the rack bar is quenched using the induction hardening method and apparatus according to the present invention. ) Is a sectional view in a plane including the axis of the rack bar, FIG. 4B is an enlarged sectional view taken along line XX in FIG. 4A, and FIG. 4C is an enlarged sectional view taken along line YY in FIG. It is sectional drawing.
5 (A) is a side view of an electric rack bar (power steering component), and FIG. 5 (B) is a cross-sectional view showing a quench hardened layer pattern formed on the outer surface of the electric rack bar. is there.
FIG. 6 is a diagram showing a plan shape and a side surface shape of a steering rack bar which is a quenched object.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a state in which the above-described rack bar is movingly hardened by a conventional induction hardening apparatus.
8 is a diagram showing a quenched hardened layer pattern of a rack bar obtained when the outer peripheral surface of the shaft portion and the entire peripheral surface including the tooth surface and the back surface are quenched in one step by the induction hardening device of FIG. 7; 8A is a cross-sectional view in a plane including the axis of a rack bar, FIG. 8B is an enlarged cross-sectional view taken along line XX in FIG. 8A, and FIG. FIG. 9 is an enlarged cross-sectional view taken along line YY in FIG.
[Explanation of symbols]
1 rack bar
3 Tooth surface
4 back
5 Shaft
14 Coolant injection ring
21a First high frequency power supply
21b Second high frequency power supply
22 High frequency induction heating coil
23 Control device
24a first transformer
24b second transformer
40 Electric rack bar
f1, F2 Power frequency (oscillation frequency)
Claims (11)
(a) 2つ以上の周波数の高周波電流を前記高周波誘導加熱コイルに同時に供給して前記歯面及び背面を含めた全周面を高周波誘導加熱する工程と、
(b) 1つの周波数の高周波電流を前記高周波誘導加熱コイルに供給して前記軸部の外周面を高周波誘導加熱する工程と、
を含むことを特徴とするラックバーの高周波焼入方法。The entire peripheral surface including the tooth surface and the rear surface of the rack bar to be quenched, and the external peripheral surface of the shaft portion having a circular cross section extending continuously from the entire peripheral surface including the tooth surface and the rear surface are continuously formed. In a high-frequency induction hardening method of a rack bar, which is cooled by high-frequency induction heating with a high-frequency induction heating coil and then subjected to induction hardening,
(A) simultaneously supplying high-frequency currents of two or more frequencies to the high-frequency induction heating coil to perform high-frequency induction heating on the entire peripheral surface including the tooth surface and the back surface;
(B) supplying a high-frequency current of one frequency to the high-frequency induction heating coil to perform high-frequency induction heating on the outer peripheral surface of the shaft portion;
A method for induction hardening a rack bar, comprising:
(a) 電源周波数の異なる複数台の高周波電源と、
(b) 被焼入体であるラックバーを高周波誘導加熱するための高周波誘導加熱コイルと、
(c) 前記複数台の高周波電源からの出力のうちの2つ以上の出力を前記高周波誘導加熱コイルに供給する制御装置と、
を有する高周波誘導加熱装置を具備し、
前記制御装置により2つ以上の周波数の高周波電流を前記1台の高周波誘導加熱コイルに同時に供給することによって、ラックバーの歯面及び背面を含めた全周面を焼入処理するために高周波誘導加熱するようにしたことを特徴とするラックバーの高周波焼入装置。In the induction hardening device of the rack bar for quenching the entire peripheral surface including the tooth surface and the back surface of the rack bar to be quenched,
(A) a plurality of high-frequency power supplies having different power supply frequencies;
(B) a high-frequency induction heating coil for high-frequency induction heating of a rack bar to be quenched;
(C) a controller that supplies two or more outputs of the outputs from the plurality of high-frequency power supplies to the high-frequency induction heating coil;
Comprising a high-frequency induction heating device having
The control device simultaneously supplies high-frequency currents of two or more frequencies to the one high-frequency induction heating coil, thereby quenching the entire peripheral surface including the tooth surface and the back surface of the rack bar. An induction hardening device for a rack bar, wherein the device is heated.
(a) 電源周波数の異なる複数台の高周波電源と、
(b) 被焼入体であるラックバーを高周波誘導加熱するための高周波誘導加熱コイルと、
(c) 前記複数台の高周波電源からの出力のうちの1つ以上の出力を前記高周波誘導加熱コイルに供給する制御装置と、
を有する高周波誘導加熱装置を具備し、
前記制御装置により1つ以上の周波数の高周波電流を前記1台の高周波誘導加熱コイルに供給すると共に、前記複数台の高周波電源から前記高周波誘導加熱コイルへ出力される電力の割合を調整することによって、前記歯面及び背面を含めた全周面並びに前記軸部の外周面に焼入硬化層を連続して形成するようにしたことを特徴とするラックバーの高周波焼入装置。The entire peripheral surface including the tooth surface and the rear surface of the rack bar to be quenched, and the external peripheral surface of the shaft portion having a circular cross section extending continuously from the entire peripheral surface including the tooth surface and the rear surface are continuously formed. In a high-frequency induction hardening device of a rack bar, which was cooled after high-frequency induction heating with a high-frequency induction heating coil to perform induction hardening,
(A) a plurality of high-frequency power supplies having different power supply frequencies;
(B) a high-frequency induction heating coil for high-frequency induction heating of a rack bar to be quenched;
(C) a controller that supplies one or more outputs of the plurality of high-frequency power supplies to the high-frequency induction heating coil;
Comprising a high-frequency induction heating device having
By supplying a high-frequency current of one or more frequencies to the one high-frequency induction heating coil by the control device and adjusting a ratio of power output from the plurality of high-frequency power supplies to the high-frequency induction heating coil An induction hardening device for a rack bar, wherein a quench hardened layer is continuously formed on the entire peripheral surface including the tooth surface and the back surface and the outer peripheral surface of the shaft portion.
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