JP2005120415A - 金属旋回輪転動接触面の焼入れ方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大径の金属旋回輪の転動接触面を誘導加熱を利用して焼入れしてもソフトゾーンが形成されないようにする。
【解決手段】誘導加熱を利用して金属旋回輪２３の転動接触面を焼入れする際に、環状の誘導子３０を転動接触面に対向させて大円加熱してからその加熱部位を冷却する。また、誘導子３０を昇降機構４２にて転動接触面の幅方向に移動させたり、反対面を冷却しながら、焼入れする。さらに、表面電力密度を高め、電路を絶縁して、焼入れする。
【選択図】 図４

Description

本発明は、大型機械の旋回部に使用する大径金属旋回輪の転動接触面を焼入れするための方法および装置に関する。旋回部を有する大型機械としては、パワーショベルや，ブルドーザー，大型クレーンといった建設機械・土木機械が典型的であるが、大型の風車なども挙げられる。
なお、本明細書でいう「金属旋回輪」は、転がり軸受の軌道輪（ベアリングース）の内の、外径が１ｍ以上の大径のものを指しており、大径であるが故に特殊な製法で製造されている。

すなわち、汎用的な軸受に用いられる外径が１ｍ未満の軌道輪であれば、上記焼入れが、例えばガス炉や浸炭炉等で全体加熱し、小物の場合には複数体を纏めて加熱するなどして量産的に行われるのに対し、大径の金属旋回輪では、設備の経済性，加熱不要部を含めたスケールアップに伴う無駄なエネルギー消費の増大，大型化による難ハンドリング性（特に、変形しやすい加熱時）などが相まって全体加熱には適さないので、耐摩耗性の向上が必要な転動接触面の而も表層部のみを対象として、誘導加熱を利用した一品的な焼入れ処理が行われる。そして、上記大径由来の諸々の特徴は、誘導加熱方式の焼入れ処理に対しても種々の技術的課題をもたらしてきた。

大型機械の旋回部に使用する金属旋回輪には外径が３ｍを超える大径のものもあることから、金属旋回輪の転動接触面の焼入れには、良く知られた周方向移動焼入方式が多用されている。この周方向移動焼入方式は（図１５参照）、金属旋回輪１０の転動接触面１１（図の例では内周面）の周方向の一部区間を占める小領域を誘導加熱する比較的小さな誘導子１２を転動接触面に対向させて、転動接触面と誘導子１２とを相対的に周方向へ移動させながら行うものであり、建設機械や土木機械などの旋回部に使用される金属旋回輪に関しては、満足のいく効果を挙げている。

周方向移動焼入方式では、転動接触面１１の一箇所から焼入れを開始し、環状の転動接触面１１のほぼ全周を焼入れした後、焼入れを終了するが、その際に焼入れのスタート部１３とストップ部１４とが重なると焼割れが生じることがあるため、スタート部（焼入れ開始点）とストップ部（焼入れ終了点）との間に、非焼入部であるソフトゾーン１５が入れられる（例えば特許文献１参照）。

特公平２−４８６０４号公報 （第１頁、第５図）

［発明が解決しようとする基本的な課題］
上記ソフトゾーンは焼入れされた部分に比べて摩耗しやすいが、パワーショベルやブルドーザー等には旋回角度・旋回範囲を３６０゜未満に制限する死点があることから、この死点に転動接触面のソフトゾーンを合わせて金属旋回輪を使用すれば、ソフトゾーンへの力学的負荷を軽減できるので、転動に伴うソフトゾーンの摩耗によって金属旋回輪の寿命が不都合に縮まるといった問題は実質的に無い。また、これらの機械は、間欠運転が常態であって稼働時間が短いため、ソフトゾーンに対する摩耗や載荷の機会が少ないことも、金属旋回輪の寿命に幸いしている。

一方、風力発電所の風車等の旋回部には、そのような死点が無く、間欠運転も望めない。風力発電用風車は旋回角度・旋回範囲の制限がなく自由に而も長時間回転するが、このような機械・装置の旋回部に、ソフトゾーンを有する金属旋回輪を使用すると、転動接触面の摩耗については、当然ながら、焼入れしてないソフトゾーン部分が、焼入れ済みの他の部分に比較して、はやく摩耗する。そのため、金属旋回輪の寿命がソフトゾーンの摩耗に支配され、焼入れされた転動接触面が殆ど正常なままであるにもかかわらず金属旋回輪が使用不能になる、といった極めて不所望な事態に至る。
このようなソフトゾーンの摩耗に対しては、ソフトゾーンを斜めに形成してソフトゾーンの集中的な摩耗を緩和する（例えば特許文献１参照）等のことで、かなりの程度まで、事態を改善することができる。

しかしながら、近年、風車の大形化が進んできて、転動接触面に掛かる負荷が増大してきたため、上記ソフトゾーンの影響緩和程度の施策では足りず、転動接触面からソフトゾーンそのものを無くすことが要請されることとなった。かかる要請に応えるには、従来より多用されてきた周方向移動焼入方式を諦めて、他の焼入方式の採用を考えなければならない。もっとも、外径が１ｍを超えるような大径の金属旋回輪の場合、汎用的なベアリングレースのような全体加熱は難しいので、表面だけ而もその一部を選択して加熱することができる誘導加熱の手法を改良して、転動接触面を焼入れしてもソフトゾーンが形成されないようにすることが課題となる。

［基本的な課題を解決するための手段］
本発明の請求項１記載の金属旋回輪転動接触面の焼入れ方法は、このような基本的課題を解決するために創案されたものであり、誘導加熱を利用して金属旋回輪の転動接触面を焼入れする金属旋回輪転動接触面の焼入れ方法において、前記転動接触面に対向させて環状の誘導子を配置しこの誘導子に高周波通電して大円加熱することで前記転動接触面にその全周に亘って隈なく連なる加熱部を形成してからその加熱部を冷却手段にて冷却することを特徴とする。

すなわち、金属旋回輪の転動接触面に焼入れ処理を施すに際して誘導加熱を行う金属旋回輪転動接触面の焼入れ方法において、前記転動接触面に環状の誘導子を対向させ、前記誘導子に高周波通電を行うことで、前記転動接触面の総て又は一部たとえば前記金属旋回輪の外周面，内周面，端面などを大円加熱し、それから、その加熱部位を冷却手段（第１冷却手段とする）にて冷却する、というものである。なお、前記誘導子には、誘導加熱に適した適宜な幅のものが用いられ、それを前記転動接触面に対向させるときには、誘導加熱に適した適宜な間隙がとられる。

ここで、上記の「大円加熱」とは、環状の転動接触面を、その全周を閉ループ電路として周回（以下、大円周回という）する誘導電流を生じさせて全周同時に誘導加熱することを指しており、転動接触面の全幅が対象であってもよいし、一部の幅が対象であってもよい。具体的には、転動接触面の全域（全周全幅）の同時加熱は、大円加熱に該当する。転動接触面のうち金属旋回輪の外周面部分の全域や，内周面部分の全域，両端面の何れか一方または双方の全域を同時に加熱するのも、大円加熱に該当する。転動接触面を輪切り状に区割りした小幅環状領域のうち何れかについて周方向の全域を同時に加熱するのも、大円加熱に該当する。これに対し、転動接触面の周方向の一部分を局所加熱するような誘導加熱は、主としてその局所を周回する（即ち、前記大円周回ではない）誘導電流が生じることになるので本発明での大円加熱には該当しない。

次いで、本発明の請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明の一つの形態として創案されたものであって、前記金属旋回輪の、円筒状に形成されている転動接触面を対象として、当該転動接触面の幅方向の一部を占める小幅環状領域に前記大円加熱により加熱部を形成してからその加熱部を冷却する操作を、この操作の適用部位を当該転動接触面の幅方向に順次移動させながら進めて前記転動接触面の焼入れを行うことを特徴とする、というものである。

即ち、内周面や外周面は円筒状であって等断面形状で連なっていることを活かして小幅の大円加熱を幅方向移動形式で適用する構成としたものである。ここで、「転動接触面の幅方向」は、転動接触面を帯状面とみなしたときの幅方向を意味し、金属旋回輪の軸線と平行なので、「転動接触面の幅方向に移動」は、金属旋回輪の軸線方向に移動と同義である。また、「この操作の適用部位の移動」は、誘導子や第１冷却手段と金属旋回輪との何れか一方または双方を移動させる相対移動を意味する。

［基本的な発明の効果］
これらの本発明の金属旋回輪転動接触面の焼入れ方法にあっては、誘導加熱時に誘導子によって転動接触面に電流が誘導されるが、誘導子が大円加熱の可能な環状になっているので、転動接触面の全周を周回する誘導電流が生じて、転動接触面の処理対象部は全周一様に隈なく加熱され、次いでその加熱部が冷却される。
これにより、転動接触面には周方向に切れ目のない形で全周一様に焼入れが施されることになり、そのため、ソフトゾーンは生じ得ない。

因に、請求項２記載の発明について補足するならば、この発明における焼入れ対象部の移動は、幅方向の一端側から進入して他端側へ退出する形式のものであるため、従来の周方向移動形式のように焼入れ開始点と終了点が出合う問題はなく、上記大円加熱の利点のみが活かされるのである。なお、請求項２記載の発明は、本発明の更なる課題の解決手段としても奏功するが、これについては後述する。
したがって、これらの発明によれば、転動接触面にソフトゾーンの無い焼入れの施された金属旋回輪を提供することができる。

［発明が解決しようとする更なる課題］
このような大円加熱の手法で実際に金属旋回輪の転動接触面の焼入れを行ってみると、外径が１ｍや２ｍの金属旋回輪では満足できる結果が得られたが、金属旋回輪の外径が３ｍ前後に及ぶ超大径のものとなると、技術的に解決すべき更なる課題が幾つか生じた。
具体的には、（ａ）誘導加熱中の金属旋回輪外径変化が無視できないレベルに達して、硬度不足や硬度むらが生じやすくなったという問題の解消、（ｂ）複数列の転動接触面を有する金属旋回輪の場合、或る転動接触面の焼入れ中に他の焼入れ済の転動接触面までが不所望に温度上昇して硬度が低下してしまうという問題の解消、（ｃ）上記課題（ａ），（ｂ）の解決を、作業者に重大な感電リスクが及ばないような誘導子への通電条件と両立させて実現する技術の提供、の３点である。

上記課題について補足説明する。先ず（ａ）について云えば、上記外径変化は熱膨張起因のものであり、その内訳は外径寸法増とそれに伴う非真円化歪（素材に内在する微妙な異方性などに起因）とである。そして、上記外径変化が超大径に比例して高位に達する結果、外径寸法増が誘導子との間隙の平均寸法の変化（外周面では減少、内周面では増加）につながって主として内周面の硬度不足をもたらし、また、非真円化歪が間隙寸法のばらつきにつながって硬度斑をもたらすというものである。即ち、加熱時には必至の熱膨張という現象が、外径が１〜２ｍの金属旋回輪では大した障害とはならず、外径３ｍ前後の超大径金属旋回輪では由々しい障害になるという寸法効果の問題であり、これを解決するためには、転動接触面の焼入れ温度への加熱を、熱膨張を抑制しながら行う技術の提供が課題となる。

次に（ｂ）は、加熱中の転動接触面から加熱対象外の他の転動接触面への伝熱の問題であるから、これを解決するためには、転動接触面の焼入れ温度への加熱を、伝熱による周囲の昇温が不都合なレベルに達しない短時間で行う技術の提供が課題となる。
また、（ｃ）は、前記通電条件が特大の径と大円加熱に伴う総入熱量増の要請も同時に満たすことを要件とするものであることから、難度の高い課題である。

［更なる課題を解決するための手段］
本発明の請求項３記載の金属旋回輪転動接触面の焼入れ方法は、請求項１又は請求項２記載の金属旋回輪転動接触面の焼入れ方法であって、上記更なる課題の（ａ），（ｂ）を解決するために、更に、前記金属旋回輪における前記誘導子との対向面の反対面を冷却装置にて冷却しながら前記転動接触面の焼入れを行うことを特徴とする。すなわち、前記転動接触面の焼入れを行うに際して、前記転動接触面のうち前記誘導子と対向する面を対向面としたとき前記金属旋回輪において前記対向面の反対側に位置して言わば反対面となる面を冷却装置（第２冷却手段）にて冷却する、というものである。なお、反対面の冷却は、反対面を中心に行われれば非加熱面内で反対面の外まで広がっていても良い。

また、本発明の請求項４記載の金属旋回輪転動接触面の焼入れ方法は、請求項１乃至請求項３の何れかに記載された金属旋回輪転動接触面の焼入れ方法であって、同じく上記更なる課題の（ａ），（ｂ）を解決するために、更に、前記転動接触面の表面電力密度を２００Ｗ／ｃｍ^２以上にして前記転動接触面の焼入れを行うことを特徴とする。すなわち、前記転動接触面を焼入れするために前記転動接触面の誘導加熱を行うに際して、前記転動接触面に誘導される表面電力密度が２００Ｗ／ｃｍ^２以上に達するような条件の下で、前記誘導子への高周波通電を行う、というものである。

これらの発明に至った経緯は次の通りである。加熱に有効利用される加熱電力の誘導子に印加される供給電力との比が伝送効率といわれるが、伝送効率は、誘導子と転動接触面との結合状態により異なる。大円加熱の誘導加熱に好適な一巻きの環状誘導子の場合、ＳＣＭ４４５等の鋼材を誘導加熱して焼入れした幾多の経験によれば、次のようになっている。
すなわち、伝送効率は、外周面の加熱では、７５％程度であり、
内周面の加熱では、４５％程度であり、
端面の加熱では、４５％程度である。

また、例えば、金属旋回輪が外径３ｍの鉄鋼製品であり、それを大円加熱方式で焼入れする場合、加熱終了時点の金属旋回輪の平均温度をパラメータに採ると、そのときの金属旋回輪の外径（直径）変化は次のようになる。
すなわち、平均温度が２００℃のとき、外径が ８ｍｍ程度広がり、
平均温度が３００℃のとき、外径が１２ｍｍ程度広がり、
平均温度が４００℃のとき、外径が１６ｍｍ程度広がる。なお、平均温度は加熱部だけでなく非加熱部も含む全域で平均をとった温度である。

金属旋回輪の直径が熱膨張で広がると、その半分だけ金属旋回輪の半径が変化し、転動接触面が変位する。転動接触面が金属旋回輪の外周面である場合、転動接触面の変位によって誘導子と転動接触面との間隙は狭くなる。これは伝送効率・加熱効率を良くする方向の変位であり、誘導子と転動接触面との間隙を当初に広く設定しておくことで容易に対処できるので、大した問題では無い。これに対し、転動接触面が内周面の場合、転動接触面の変位は誘導子と転動接触面との間隙を広げる。これは伝送効率・加熱効率の低下を招くので、当初の誘導子と転動接触面との間隙を極力狭くしておくことが必要になる。

しかしながら、金属旋回輪の外径が３ｍ程度やそれを超える大径となると、外径の増大に伴う加熱時の非真円化歪量の増大によって上記間隙のばらつきも増大するので、それが加熱斑につながらないよう、誘導子と転動接触面との空隙・間隙には１０ｍｍ程度かそれ以上が必要であり、焼入れ条件の設定を漫然と行ったのでは、加熱効率の低下に伴う加熱時間の延長は否めず、加熱時間を延長すると金属旋回輪の平均温度の上昇を来たし、それによる大きな変位から逃れるために誘導子と転動接触面との空隙・間隙を更に広げる、といった悪循環を繰り返すこととなってしまう。内周面の加熱においては、上記諸々の不利によって特に然りである。

そこで、誘導子と転動接触面との空隙・間隙が不所望に拡大するのを防止するために、金属旋回輪の平均温度の上昇を抑制するべく、以下の着想に至ったのである。
先ず、焼入れ中（誘導加熱中）の転動接触面を残して金属旋回輪を冷却することである。
また、転動接触面の表面電力密度を高くして、焼入れ硬化させたい表層部を焼入れ温度に到達させるための加熱時間を短縮することにより金属旋回輪の平均温度を下げることである。特に、外形３ｍ程度の鋼製旋回輪の場合、上述した外形変化状況より、金属旋回輪の平均温度を３００℃以下に下げることが望まれる。

そして、そのためには、表面電力密度を２００Ｗ／ｃｍ^２以上にすれば良いであろうことを経験と計算等に基づいて予測し、そうすると良いことを実験で確認した。大径の金属旋回輪は、機械的な強度を確保するために軸方向も経方向も例えば数十ｍｍ〜数百ｍｍと極めて厚いことから、ＳＣＭ４４５等の鋼材からなるものであれば、表面電力密度を２００Ｗ／ｃｍ^２以上で誘導加熱することによって、金属旋回輪の径や断面積などの具体的な形状やその他の焼入れ条件とは殆ど無関係に焼入れ時間の短縮が適う。

更なる課題（ａ）の解決手段として、前記基本的な課題の解決手段の一つとなっている請求項２記載の発明が、ここでも有用なものとなる。即ち、上記発明にあっては、大円加熱の加熱幅を転動接触面の幅よりも小さくして幅方向移動形式で誘導加熱を行うことから、（１）刻々の体積当り入熱密度を全幅同時大円加熱の数分の一にでき、しかも、この加熱に追随させて前記第１冷却手段による冷却を間を置かずに行うため、入熱部以外の部分への伝熱の時間が少なくて、平均温度の上昇が抑えられるほか、（２）刻々の入熱面積が小さいため前記２００Ｗ／ｃｍ^２以上の表面電力密度の確保が、小さめの電源設備によって容易に行えるということである。

なお、これらの熱変形の増大に対する対策、すなわち焼入れ中の転動接触面を残して金属旋回輪を冷却することや，表面電力密度を２００Ｗ／ｃｍ^２以上にして金属旋回輪の平均温度を３００℃以下に下げること，更には、請求項２記載の方法の採用といった対策は、そのまま、（ｂ）複数列の転動接触面を有する金属旋回輪の或る転動接触面を焼入れするときに、他の焼入れ済み転動接触面の硬度を低下させてしまうのを回避するのにも役立つ。

次に本発明の請求項５記載の金属旋回輪転動面の焼入れ方法は、請求項１乃至請求項４の何れかに記載された金属旋回輪転動面の焼入れ方法であって、前記更なる課題の（ｃ）を解決するために、更に、前記誘導子に高周波通電する周波数の選定を、金属旋回輪の直径とこの金属旋回輪の転動接触面の表面電力密度とこの転動接触面における誘導加熱の加熱幅の、この誘導子への高周波通電の周波数との関係を近似する所定の実験式に基づいて行う、というものである。ここで「所定の実験式」は、金属旋回輪の転動接触面直径Ｄとこの転動接触面の表面電力密度Ｐとこの転動接触面における誘導加熱の加熱幅Ｗとこの誘導子への高周波通電の周波数ｆとの関係を近似するものであり、それら四つの物性値Ｄ，Ｐ，Ｗ，ｆのうち幾つかを適宜範囲で変更して残りの物性値を測定した実験結果に基づいて得られる。具体的には、式［Ｄ＝Ｂ×Ｐ^−１／２×（δ＋α×Ｗ）×Ｗ^−β×ｆ^−γ］であり、式中の定数Ｂ，δ，α，β，γは、その式に実験値を代入して最尤推定法の演算を行う等のことにより、予め決められている。

また、本発明の請求項６記載の金属旋回輪転動面の焼入れ方法は、請求項５記載の金属旋回輪転動面の焼入れ方法に基づき前記高周波通電の周波数を１０００〜１００００Ｈｚの範囲に選定することにより、前記誘導子の両端電圧を６００Ｖ以下に制限した状況の下で前記表面電力密度２００［Ｗ／ｃｍ^２］以上を実現する、というものである。
更に、本発明の請求項７記載の金属旋回輪転動面の焼入れ方法は、請求項５又は請求項６記載の金属旋回輪転動面の焼入れ方法において、前記高周波通電を絶縁トランスを介して行う、というものである。

これらの発明に至った経緯は次の通りである。焼入れ中（誘導加熱中）の誘導子の両端電圧をあまり高くすると、作業者に感電等の危険を及ぼすおそれが生じる。また、誘導子が絶縁破壊を起こす可能性も出てくる。
詳述すると、金属旋回輪の転動接触面が所望の表面電力密度となる電力を誘導子に供給して大径の金属旋回輪の転動接触面を大円加熱方式で焼入れするには、誘導子の両端電圧は、従来の周方向移動焼入方式のときより当然高くしなければならない。しかし、誘導子の両端電圧をあまり高くすると、上述したように感電のおそれが生じることも考えられるので、それに関する安全対策を施さなければならず、また、誘導子の絶縁破壊が発生すると正常な焼入れが行えないことにもなる。

これに関しては、誘導子の耐電圧を上げて電気的に対応することも考えられるが、水冷ジャケット（第１冷却手段）一体型の誘導子の場合、冷媒を絶縁性の高いもの例えば純水や油等にしなければならないので、不経済であり、採用し難い。しかし、水冷ジャケット一体型の誘導子は、構造，動作性の両面で理に適ったものなので、大円加熱でも、採用の可能性が高い。また、大仰な安全対策を施こすのも、コストアップを招くので、できれば避けたい。

そこで、作業者の安全を図るとともに冷媒を安価な水道水等で済ませられるよう、供給電圧すなわち誘導子の両端電圧を電気設備基準第３条に定義された電気区分の６００Ｖ以下の低圧に保つこととした。もっとも、そのためには、供給電圧が６００Ｖ以下でも適切な焼入れがなされるよう、金属旋回輪の外径の増大・変化に対応して焼入れ条件を調整することが必要になる。そして、その調整対象として、誘導子への高周波通電の周波数と、転動接触面における加熱幅とを選出し、これらの通電周波数と加熱幅を調整すれば金属旋回輪の外径の増大・変化に対応できるであろうと予測した。

さらに、そのような調整が有効であることを確認するとともに調整の仕方等を具体的に把握するために、誘導子の両端電圧と金属旋回輪の転動接触面の直径などとの関係を明らかにするテストを実施した。
具体例を挙げると、ＳＣＭ４４５からなる外径１ｍの金属旋回輪を対象に、その外周面を表面電力密度２００Ｗ／ｃｍ^２の供給電力で誘導加熱するときに生じる誘導子の両端電圧Ｖｃと転動接触面における加熱幅Ｗと高周波通電の周波数ｆの相互関係は次の表１のようであった。

そして、このようなテストを金属旋回輪の外径１ｍ〜３ｍの範囲で行い、それに基づいて誘導子の両端電圧Ｖｃを６００Ｖに制限する金属旋回輪の転動接触面の直径Ｄの、加熱幅Ｗと周波数ｆとの関係を表す近似式を定めた。

具体的には、関係式を式１［Ｄ＝Ａ×（δ＋α×Ｗ）×Ｗ^−β×ｆ^−γ］と仮定したうえで、その式１に実験値を代入して最小自乗法（最尤推定法）の演算を行うことで、式中の定数Ａ，δ，α，β，γを決定した。
その結果、 Ａ＝７１６．７８３、 δ＝０．９８３、 α＝０．０００５５６６、 β＝０．１８１８、 γ＝０．６０６１ が得られた。

また、他の実験例を挙げると、やはりＳＣＭ４４５からなる外径１ｍの金属旋回輪を対象に、その外周面を加熱幅Ｗ＝３０ｍｍの大円加熱で誘導加熱するときに生じる誘導子の両端電圧Ｖｃと表面電力密度Ｐと周波数ｆの相互関係は次の表２のようであった。

そして、このようなテストを金属旋回輪の外径１ｍ〜３ｍの範囲で行い、それに基づいてやはり誘導子の両端電圧Ｖｃを６００Ｖに制限する転動接触面直径Ｄと加熱幅Ｗと周波数ｆと表面電力密度Ｐとの関係を表す近似式を定めた。
具体的には、関係式を式２［Ｄ＝Ｂ×Ｐ^−１／２×（δ＋α×Ｗ）×Ｗ^−β×ｆ^−γ］と仮定したうえで、その式２に実験値を代入して最尤推定法の演算を行うことで、式中の定数Ｂを決定した。なお、δ＝０．９８３、α＝０．０００５５６６、β＝０．１８１８、γ＝０．６０６１は式１の値と同じである。そして、Ｂ＝１０１３６．８３６が得られた。

これらの式１，式２の精度を確認するために実証試験を行ったところ、転動接触面直径Ｄ＝１〜３ｍ，加熱幅Ｗ＝３０〜１２０ｍｍ，周波数ｆ＝１０００〜１００００Ｈｚ，表面電力密度Ｐ＝１００〜７００Ｗ／ｃｍ^２の範囲で、誤差は概ね±５％以内に収まっていた。
式中の定数Ａ，Ｂ，δ，α，β，γの精度も同程度と思われる。

更には、本発明の請求項８記載の金属旋回輪転動接触面の焼入れ方法は、請求項１〜請求項７の何れかに記載された金属旋回輪転動接触面の焼入れ方法であって更に、前記金属旋回輪を前記誘導子に対して相対的に周方向へ回転させながら前記転動接触面の焼入れを行うことを特徴とする。すなわち、前記転動接触面を焼入れするために前記転動接触面の誘導加熱を行うに際して、前記転動接触面と前記誘導子との対向関係を維持した状態で、前記金属旋回輪をその軸線の周りに回転させて又はそれに代えて若しくはそれに加えて前記誘導子を上記軸線の周りに回転させて、前記転動接触面と前記誘導子とを相対的に回転させる、というものである。

次いで、本発明の請求項９記載の金属旋回輪転動接触面の焼入れ装置は、誘導加熱を利用して金属旋回輪の転動接触面を焼入れするために、前記金属旋回輪を例えば略水平に支持する架台と、前記転動接触面を誘導加熱する誘導子と、その加熱部位を冷却する第１冷却手段と、前記誘導子に高周波通電する高周波電源とを備えた金属旋回輪転動接触面の焼入れ装置において、前記誘導子が、前記転動接触面を大円周回する誘導電流を生じさせる大円環状のものであり、前記第１冷却手段が、大円環状の加熱部を冷却する大円環状のものであり、前記誘導子への供給路を電源電路から絶縁する絶縁変圧器が前記高周波電源から前記誘導子に至る電路に介挿されていて、前記誘導子の両端に印加する供給電圧（両端電圧Ｖｃ，二次電圧）の伝導を担う二次側電路と電源電圧（一次電圧）の伝導を担う電源電路（一次側電路、前記高周波電源側の電路）とが３０ｋＨｚを超えない通電周波数に関しては絶縁状態になっている、というものである。

また、本発明の請求項１０記載の金属旋回輪転動接触面の焼入れ装置は、請求項９記載の金属旋回輪転動接触面の焼入れ装置であって更に、前記誘導子による加熱部位と前記冷却手段による冷却部位とを前記転動接触面の幅方向に移動させる移動装置を設けたことを特徴とする。すなわち、転動接触面を帯状面とみなしたときの幅方向へ誘導子と金属旋回輪との何れか一方または双方を移動させることで両者の相対位置を移動させる移動装置が設けられている。

また、本発明の請求項１１記載の金属旋回輪転動接触面の焼入れ装置は、請求項９又は請求項１１に記載された金属旋回輪転動接触面の焼入れ装置であって更に、前記金属旋回輪を前記誘導子に対して相対的に周方向へ回転させる回転機構を設けたことを特徴とする。すなわち、前記架台と前記誘導子の保持部との何れか一方または双方に対して回転機構が付設され、この回転機構によって前記金属旋回輪がその軸線を中心に回転させられると又はそれに代えて若しくはそれに加えて前記誘導子がその軸線を中心に回転させられると、前記転動接触面と前記誘導子とが両者の対向関係を維持した状態で相対的な回転を行うようになっている、というものである。

また、本発明の請求項１２記載の金属旋回輪転動接触面の焼入れ装置は、請求項９乃至請求項１１の何れかに記載された金属旋回輪転動接触面の焼入れ装置であって更に、前記金属旋回輪を周方向同時に冷却する冷却装置を、前記誘導子とは反対側から前記金属旋回輪を臨むところに、設けたことを特徴とする。すなわち、前記誘導子とは反対側から前記金属旋回輪を臨むようにして冷却装置（第２冷却手段）が設けられており、これによって、前記転動接触面の焼入れ時に、前記転動接触面のうち前記誘導子と対向する面を対向面としたとき前記金属旋回輪において前記対向面の反対側に位置して言わば反対面となる面について、周方向にほぼ一巡する範囲に亘って同時に冷却が行われるようになっている、というものである。

［発明の更なる効果］
本発明の請求項３記載の金属旋回輪転動接触面の焼入れ方法及び請求項１２記載の金属旋回輪転動面の焼入れ装置にあっては、大径の金属旋回輪を大円加熱するに際して反対側は冷やすようにしたことにより、全入熱量が多くても金属旋回輪の平均温度の上昇は抑制されるので、金属旋回輪の変形量が小さくなる。焼入れ済み部位の硬度低下の防止にも役立つ。

また、本発明の請求項４記載の金属旋回輪転動接触面の焼入れ方法にあっては、大径の金属旋回輪を大円加熱するに際して表面電力密度が２００Ｗ／ｃｍ^２以上になるようにしたことにより、加熱面が急速に昇温するため、焼入れに必要な加熱が短時間で済むことから、全入熱量は少なくなるので、金属旋回輪の平均温度の上昇が抑制されて、金属旋回輪の変形量が小さくなる。焼入れ済み部位の硬度低下の防止にも役立つ。

さらに、本発明の請求項２記載の金属旋回輪転動接触面の焼入れ方法及び請求項１０記載の金属旋回輪転動面の焼入れ装置にあっては、大径の金属旋回輪を大円加熱するに際して幅方向移動も行うようにしたことにより、単位時間当たりの供給電力および入熱量が少なくなることから、金属旋回輪の平均温度の上昇が抑制されるので、金属旋回輪の変形量が小さくなる。高周波電源のパワー不足も回避でき、焼入れ済み部位の硬度低下の防止にも役立つ。

また、本発明の請求項７記載の金属旋回輪転動接触面の焼入れ方法及び請求項９記載の金属旋回輪転動面の焼入れ装置にあっては、大径の金属旋回輪を大円加熱するに際して誘導子が高周波電源から、３０ｋＨｚを超えない通電周波数に関しては絶縁されるようにしたことにより、作業者が誤って誘導子に触れたような場合でも、作業者に印加される電圧は誘導子の両端電圧を超えないので、誘導子への供給電圧を制限することで確実に感電対策を履行することができる。さらに、本発明の請求項６記載の金属旋回輪転動接触面の焼入れ方法にあっては、誘導子への供給電圧を制限して誘導子の両端電圧Ｖｃが６００Ｖ程度かそれ以下になるようにもしたことにより、規格に則って安全に大円加熱を行うことができる。

また、本発明の請求項５記載の金属旋回輪転動接触面の焼入れ方法にあっては、供給電圧６００Ｖの条件や表面電力密度２００Ｗ／ｃｍ^２の条件を満たす焼入れ条件で大径の金属旋回輪を大円加熱するときの焼入れ条件を決定するに際し、所定の実験式に基づいて周波数や加熱幅を決定するようにしたことにより、迅速かつ的確に焼入れ条件を決めることができる。

また、本発明の請求項８記載の金属旋回輪転動接触面の焼入れ方法及び請求項１１記載の金属旋回輪転動面の焼入れ装置にあっては、大径の金属旋回輪を大円加熱するに際して金属旋回輪と誘導子とを相対回転させるようにしたことにより、金属旋回輪が熱膨張で変形や変位しても、その影響が周方向に平均化されるので、焼入れ状態が均一化して、焼むら等の発現が抑制される。

本発明の金属旋回輪転動接触面の焼入れ方法及び装置の一実施形態を、図面を引用して説明する。先ず図１，図２を参照して焼入れ対象の金属旋回輪２０を説明し、次に図３〜図６を参照して焼入れ装置４０の構造を説明する。そのうち図３は端面加熱用の誘導子３０の構造を示し、図４は焼入れ装置４０の全体構造を示し、図５は高周波電源５０，６０の構成を示し、図６は第１，第２冷却手段を示している。

先ず、図１，図２に具体例を示した金属旋回輪２０を説明する。図１は、（ａ）及び（ｂ）が組み上がった状態、（ｃ）及び（ｄ）が展開状態を示し、（ａ）が金属旋回輪２０の斜視図、（ｂ）がその一部の断面拡大図、（ｃ）がリングの展開斜視図、（ｄ）がその一部の断面拡大図である。図２は、（ａ）がリテイニングとその転動接触面を示す一部断面拡大図、（ｂ）がノーズリングとその転動接触面を示す一部断面拡大図、（ｃ）がサポートリングとその転動接触面を示す一部断面拡大図である。

金属旋回輪２０は（図１参照）、外輪の上半分をなすリテイニング２１と、内輪をなすノーズリング２２と、外輪の下半分をなすサポートリング２３と、リテイニング２１とノーズリング２２とに介在して転動する多数のローラ２４と、ノーズリング２２とサポートリング２３とに介在して転動する多数のローラ２５，２６とを具えている。各リング２１〜２３にはローラ２４〜２６の転動する転動接触面があり、それを焼入れにて強化するために、リング２１〜２３はＳＣＭやＳＮＣＭ等の鉄鋼やその他の焼入れ可能な金属で作られる。

転動接触面は、円環状に連続した帯状面であり、端面のものと内周面のものと外周面のものとに大別される。具体的には、リテイニング２１の下向き端面のうちローラ２４と接触する部分が転動接触面２１ａであり（図２（ａ）参照）、ノーズリング２２の外周面は全部がローラ２６と接触する転動接触面２２ａであり（図２（ｂ）参照）、ノーズリング２２の上下端面のうちローラ２４，２５と接触する部分が転動接触面２２ｂであり（図２（ｂ）参照）、サポートリング２３の上向き端面のうちローラ２５と接触する部分が転動接触面２３ａであり（図２（ｃ）参照）、サポートリング２３の内周面のうちローラ２６と接触する部分が転動接触面２３ｂである（図２（ｃ）参照）。なお、下向き端面は、焼入れ時にリングを上下反転することで、上向き端面と同様に処理することができる（図２（ａ）二点鎖線を参照）。

図３に具体例を示した端面加熱用の誘導子３０の構造を説明する。図３は、（ａ）がサポートリング２３とその上向き端面に位置する転動接触面２３ａに対応した誘導子３０との斜視図であり、（ｂ）がその誘導子３０の一部断面拡大図、（ｃ）が対向状態の誘導子３０とサポートリング２３との縦断面図、（ｄ）がその一部拡大図である。
誘導子３０は、高周波通電のため銅等の良導体からなる一巻きのコイルであり、通電端３１，３２のところは別として、その他のところは連続している。

誘導子３０は、転動接触面２３ａを一発加熱するために、転動接触面２３ａとほぼ同じ大径の環状体に形成されていて転動接触面２３ａのほぼ全周に対して対峙しうるようになっている。また、誘導子３０の下面は、各部が転動接触面２３ａのほぼ全周に亘って等距離で対向するよう、平らになっている。さらに、この誘導子３０は、後述の第１冷却手段の作用部を兼ねているので、冷却用の通水を担うために中空の管体からなり、転動接触面２３ａ対向面である下面には、多数の噴射口３４が貫通して穿孔されている。

図４に正面図と左側面図を示した焼入れ装置４０は、誘導子３０を保持するために基台部４１と昇降機構４２と位置調整機構４３と吊持機構４４とを具え、焼入れ対象の金属旋回輪たとえばサポートリング２３を支持するために架台４５を具えている。
架台４５の頭頂部の円板４６は、水平に設けられ、上面には適宜な留め具たとえば突起等が付設されていて、転動接触面２３ａを上に向けてサポートリング２３を乗せるとそれを横たえた状態で安定支持するようになっている。

そのサポートリング２３の転動接触面２３ａに誘導子３０の下面を対向させるために、誘導子３０を円板４６の上方に吊り下げる吊持機構４４は、位置調整機構４３と昇降機構４２とを介して、基台部４１に連結され支持されている。基台部４１は干渉しない程度に架台４５から離れたところに設置されており、昇降機構４２は位置調整機構４３を鉛直方向に昇降させるものであり、位置調整機構４３は吊持機構４４を水平方向すなわち前後左右に移動させるものであり、吊持機構４４は軽量なリンク機構からなり誘導子３０を水平に吊持するための長さ調整用ねじ等も組み込まれている。図示は割愛したが、後述の高周波電源（６０）から誘導子３０の通電端３１，３２に至る高周波ケーブル（二次側電路５６）や、誘導子３０への給水管（第１冷却手段）も、吊持機構４４を利用してサポートリング２３と干渉しないように配線，配管されている。

図５（ａ）にブロック図を示した高周波電源５０は非絶縁タイプの典型例であり、図５（ｂ）にブロック図を示した高周波電源６０は絶縁タイプのものであって更に周波数も可変設定できるものである。高周波電源５０は対比のため示したにすぎず、この実施形態では高周波電源６０を用いる。
高周波電源５０，６０は、交流源５１から供給された既定周波数の交流電力を整流部５２で直流にし、それをインバータ５３，６３で所望周波数の高周波に変換して出力するものであり、その出力ラインである一対の電源電路５４（一次側電路）と、誘導子３０の通電端３１，３２に接続される一対の二次側電路５６との間に、変圧器５５，６５が介挿接続されている。

非絶縁変圧器５５を有する高周波電源５０は、誘導子３０の対地電圧が、高いところではインバータ５３の出力電圧に等しくなるか、非絶縁変圧器５５の巻き数比によってはインバータ５３の出力電圧より高くなる。二次側電路５６は絶縁ケーブル等で隠蔽されるが、誘導子３０は露出しているので、作業者の安全のためには、誘導子３０の対地電圧が高くならないようにすることが望ましい。その点、電源電路５４と二次側電路５６とを３０ｋＨｚを超えない通電周波数に関しては絶縁する絶縁変圧器６５を有する高周波電源６０では、誘導子３０が大地から電気的に浮いた状態になるので、焼入れのための誘導加熱に多用される上記低周波寄りの周波数であれば対地電圧はさしてかからない。

そのため、例え作業者が誤って誘導子３０に接触しても大した感電にはならないので、比較的安全であるから、この実施形態では高周波電源５０は用いないで高周波電源６０を用いる。
また、高周波電源６０のインバータ６３は、制御装置６１（コントローラ）によって高周波通電の開始や停止が制御される他、その高周波の周波数も可変制御されるようになっている。すなわち、高周波電源６０は、作業者が制御装置６１に所望の時間と周波数とを指定・設定すると、その周波数の高周波を誘導子３０に指定時間だけ供給するようになっている。

さらに、高周波電源６０は、誘導子の両端電圧Ｖｃすなわち二次側電路５６を介して誘導子３０の３１，３２に印加する供給電圧を６００Ｖ以下にするため、誘導子３０の両端電圧Ｖｃを測定している。両端電圧Ｖｃを測定するには絶縁変圧器６５の二次電圧を高周波電圧計５７で測るのが正確で良い。又、高周波電源６０の出力電圧を絶縁変圧器６５の巻き数比で割った値を用いても良い。インピーダンス降下分だけ誘導子３０の両端電圧Ｖｃは低くなるが安全側なので問題ない。

図６（ａ）に断面構造を示した第１冷却手段は、作動部が誘導子３０と一体化されたものであり、加熱面を冷却するために、誘導子３０の中空に供給された冷却水３５（冷媒）を噴射口３４から加熱後の転動接触面２３ａに吹き付けるようになっている。
図６（ｂ）に断面構造を示した冷却装置７０（第２冷却手段）は、作動部が円板４６と一体化されたものであり、サポートリング２３において加熱対象の転動接触面２３ａと反対側に位置する反対面を冷却するために、サポートリング２３の下面を支承する円板４６の上面のうち上記反対面が当たるところに通水溝４６ａが彫り込み形成され、そこに給水管７１から冷却水７２を供給して通水するようになっている。誘導子の両端電圧Ｖｃが６００Ｖ以下なので、冷却水３５，７２には安価な水道水が使われる。

このような焼入れ装置４０を使用してサポートリング２３の転動接触面２３ａを焼入れする方法を、図面を引用して説明する。図７は、端面に位置する転動接触面を焼入れするときの手順を示すフローチャートである。

金属旋回輪の端面の焼入れに先だって、先ず、所定の実験式を利用して誘導加熱用高周波の周波数ｆを決定する（ステップＳ１１）。具体的には、発明が解決しようとする更なる課題の欄で既述した式１［Ｄ＝Ａ×（δ＋α×Ｗ）×Ｗ^−β×ｆ^−γ］又は式２を用い、これに転動接触面直径Ｄと加熱幅Ｗとを代入して周波数ｆを算出する。ここで、転動接触面直径Ｄは転動接触面２３ａの平均直径、加熱幅Ｗは転動接触面２３ａの幅または誘導子３０の幅であり、何れも金属旋回輪２０の仕様によって与えられる。誘導子の両端電圧Ｖｃが６００Ｖで表面電力密度Ｐが２００Ｗ／ｃｍ^２のとき定数Ａ，δ，α，β，γは既述した通りである。例えば、転動接触面直径Ｄが１．９４８ｍで加熱幅Ｗが３０ｍｍのとき周波数ｆは６０００Ｈｚになり、転動接触面直径Ｄが３．０１５ｍで加熱幅Ｗが３０ｍｍのとき周波数ｆは３０００Ｈｚになる。

また、転動接触面２３ａの面積に表面電力密度２００Ｗ／ｃｍ^２を掛け更に加熱部位対応の伝送効率すなわち端面の伝送効率η（＝０．４５）で割って一発加熱に必要な高周波電源６０の容量を決定する（ステップＳ１１）。
例えば、転動接触面直径Ｄが３ｍで加熱幅Ｗが３０ｍｍの端面を一発加熱するのに必要な供給電力は、式［π×Ｄ×Ｗ×Ｐ／η］を演算して、約１２５６ｋＷとなる。

次いで、その容量を有する高周波電源６０の選定を試みる（ステップＳ１２）。高周波電源６０の選定条件には、上記容量のことだけでなく、６００Ｖに絶縁変圧器６５の巻き数比を掛けた電圧を二次側電路５６に出力できること、インバータ６３が上記周波数ｆの高周波を出力しうることも、加わる。最後の条件は、インバータ６３が周波数可変なので、制御装置６１に周波数ｆを設定すれば足りる。

そして、高周波電源６０を選定できたときには（ステップＳ１３）、一発加熱にて転動接触面２３ａの焼入れを行う。具体的には、上述した焼入れ装置４０にやはり上述の誘導子３０を装着し、その通電端３１，３２に選定済み高周波電源６０の二次側電路５６を接続し、サポートリング２３を架台４５の円板４６に載置し、焼入れ装置４０の昇降機構４２及び位置調整機構４３を作動させて誘導子３０を転動接触面２３ａに適切な空隙たとえば１５ｍｍで対向させる。それから、高周波電源６０を作動させて上記周波数ｆの高周波を上記出力電圧で出力させる。

そして、焼入れ条件に対応して予め決定しておいた所定時間、又は加熱面すなわち転動接触面２３ａの温度を測定しながらその温度が焼入れ条件の所定温度に到達するまでの時間、誘導子３０に高周波通電して誘導加熱を行い、その後、高周波通電を停止する。それから、冷却水３５を噴射口３４から吹き出させて転動接触面２３ａの冷却を行う。なお、この場合、焼入れ装置４０の冷却手段は、誘導子３０に冷却水３５を供給する第１冷却手段で足り、第２冷却手段の冷却装置７０はあっても良いが必須ではない。昇降機構４２や位置調整機構４３も、誘導子３０の位置決めを他の手段で行えれば無くても良い。

そして、直ぐに所望容量の高周波電源６０を選定することができなかったときには（ステップＳ１４）、必要な容量を下げて高周波電源６０の再選定を行う。具体的には、使用可能な高周波電源６０の最大出力を所望容量で割り、この比率を２００Ｗ／ｃｍ^２に掛けて表面電力密度Ｐとする。この値が５０Ｗ／ｃｍ^２に満たないときには加熱時間が長くなりすぎてサポートリング２３の平均温度が上がりすぎるので一発加熱を諦めざるを得ないが、そうでなければ、その高周波電源６０を選定するとともに、周波数ｆの決定を遣り直す。

具体的には、発明が解決しようとする更なる課題の欄で既述した式であって表面電力密度Ｐも含む式２［Ｄ＝Ｂ×Ｐ^−１／２×（δ＋α×Ｗ）×Ｗ^−β×ｆ^−γ］を用い、これに表面電力密度Ｐと転動接触面直径Ｄと加熱幅Ｗとを代入して周波数ｆを算出する。ここでも、転動接触面直径Ｄは転動接触面２３ａの平均直径、加熱幅Ｗは転動接触面２３ａの幅または誘導子３０の幅であり、何れも金属旋回輪２０の仕様によって与えられる。表面電力密度Ｐは選定可能な高周波電源６０の容量に合わせて算出された値であり、誘導子の両端電圧Ｖｃが６００Ｖのとき定数Ｂ，δ，α，β，γは既述した通りである。

この場合は焼入れ装置４０に条件が追加され、第１冷却手段だけでなく冷却装置７０等の第２冷却手段も必要となる。そして、このような焼入れ装置４０と高周波電源６０との都合がついたら、転動接触面２３ａの反対面を冷却しながら一発加熱にて転動接触面２３ａの焼入れを行う（ステップＳ１５）。具体的には、焼入れ装置４０に誘導子３０を装着し、誘導子３０に高周波電源６０を接続し、サポートリング２３を架台４５の円板４６に載置して、誘導子３０と転動接触面２３ａとを対向させる。それから、高周波電源６０を作動させて上記周波数ｆの高周波を上記出力電圧で出力させるとともに、冷却装置７０も作動させて円板４６の通水溝４６ａに冷却水７２を流してサポートリング２３を転動接触面２３ａの反対側から冷却する。

そして、焼入れ条件に対応して予め決定しておいた所定時間、又は加熱面すなわち転動接触面２３ａの温度を測定しながらその温度が焼入れ条件の所定温度に到達するまでの時間、反対面の冷却を行いながら転動接触面２３ａの誘導加熱を行い、その後、高周波通電を停止する。それから、冷却水３５を噴射口３４から吹き出させて転動接触面２３ａすなわち加熱面の冷却を行う。
最後に、サポートリング２３が冷えたら冷却水３５，７２の供給を止めて、サポートリング２３を架台４５から外す。

こうして、この実施形態にあっては、サポートリング２３が大径であっても、大抵の場合に大円加熱が行なえて、転動接触面２３ａを大きく一巡する誘導電流によって転動接触面２３ａは適切かつ十分に加熱されるとともに、サポートリング２３の平均温度は不所望な変形を招くことのないよう適度に抑えられるので、ソフトゾーンの無い焼入れを行うことができる。なお、繰り返しとなる詳細な説明は割愛するが、リテイニング２１の端面に位置する転動接触面２１ａや、ノーズリング２２の両端面に位置する転動接触面２２ｂについても、同様にして同様の焼入れを行うことができる。

本発明の金属旋回輪転動接触面の焼入れ方法及び装置の他の実施形態について、その構成を、図面を引用して説明する。図８〜図１０を参照して周面の誘導加熱に適した誘導子３０の構造を説明する。なお、誘導子には同じ符号「３０」を付して図示したが、図８の誘導子３０はサポートリング２３の内周面に位置する転動接触面２３ｂの一発加熱に適したものであり、図９の誘導子３０はノーズリング２２の外周面に位置する転動接触面２２ａの一発加熱に適したものであり、図１０の誘導子３０はノーズリング２２の外周面の転動接触面２２ａの移動加熱に適したものである。

図８に具体例を示した内周面加熱用の誘導子３０の構造を説明する。図８は、（ａ）がサポートリング２３とその内周面に位置する転動接触面２３ｂに対応した誘導子３０との斜視図であり、（ｂ）がその誘導子３０の一部断面拡大図、（ｃ）が対向状態の誘導子３０とサポートリング２３との縦断面図、（ｄ）がその一部拡大図である。
この誘導子３０も、高周波通電のため銅等の良導体からなる一巻きのコイルであり、通電端３１，３２のところは別として、その他のところは連続している。

この誘導子３０は、転動接触面２３ｂを内側から一発加熱するために、転動接触面２３ｂより少し小径であるがそれに近い大径の環状体に形成されていて転動接触面２３ｂのほぼ全周に対して対峙しうるようになっている。また、誘導子３０の外周面は、各部が転動接触面２３ｂのほぼ全周に亘って等距離で対向するよう、平らになっている。さらに、この誘導子３０は、やはり第１冷却手段の作用部を兼ねているので、冷却用の通水を担うために中空の管体からなり、転動接触面２３ｂ対向面である外周面には、多数の噴射口３４が貫通して穿孔されている。

図９に具体例を示した外周面加熱用の誘導子３０の構造を説明する。図９は、（ａ）がノーズリング２２とその外周面に位置する転動接触面２２ａに対応した誘導子３０との斜視図、（ｂ）がその誘導子３０の一部断面拡大図、（ｃ）が対向状態の誘導子３０とノーズリング２２との縦断面図、（ｄ）がその一部拡大図である。
この誘導子３０も、高周波通電のため銅等の良導体からなる一巻きのコイルであり、通電端３１，３２のところは別として、その他のところは連続している。

この誘導子３０は、転動接触面２２ａを外側から一発加熱するために、転動接触面２２ａより少し大径であるがそれに近い大径の環状体に形成されていて転動接触面２２ａのほぼ全周に対して対峙しうるようになっている。また、誘導子３０の内周面は、各部が転動接触面２２ａのほぼ全周に亘って等距離で対向するよう、平らになっている。さらに、この誘導子３０は、やはり第１冷却手段の作用部を兼ねているので、冷却用の通水を担うために中空の管体からなり、転動接触面２２ａ対向面である内周面には、多数の噴射口３４が貫通して穿孔されている。

図１０に具体例を示した外周面移動加熱用の誘導子３０の構造を説明する。図１０は、（ａ）がノーズリング２２の外周面に位置する転動接触面２２ａに対応した誘導子の一部断面拡大図、（ｂ）が対向状態の誘導子３０とノーズリング２２との一部断面拡大図である。
この誘導子３０も、高周波通電のため銅等の良導体からなる一巻きのコイルであり、通電端３１，３２のところは別として、その他のところは連続している。

この誘導子３０は、転動接触面２２ａを外側から加熱するが一発加熱ではなく移動加熱を行うためのものなので、幅（図では上下方向の厚さ）がノーズリング２２の幅よりも狭くなっている。ただし、径に関しては転動接触面２２ａより少し大径であり、やはり大径の環状体に形成されていて転動接触面２２ａの全幅ではないがほぼ全周に亘って対峙しうるようになっている。また、誘導子３０の内周面は、各部が転動接触面２２ａのほぼ全周に亘って等距離で対向するよう、平らになっている。この誘導子３０は、第１冷却手段と別になっているので、噴射口３４が無い。

加熱面である転動接触面２２ａを冷却するための第１冷却手段の作用部には、転動接触面２２ａの直径より内径が少し大きい給水管８０が採用されている。給水管８０には多数の噴射口８１が内向きに形成されており、給水管８０は誘導子３０の直下に付設されている。なお、図１０（ｃ）に一部断面拡大図を示した他の誘導子３０は、誘導子３０と噴射口８１との上下方向距離が異なるだけである。その距離と誘導子３０の移動速度とで加熱から冷却までの時間が決まるものとなっている。

このような誘導子３０と焼入れ装置４０と高周波電源６０とを使用してノーズリング２２の外周面に位置する転動接触面２２ａを焼入れする方法を、図面を引用して説明する。図１１は、周面（内周面，外周面）に位置する転動接触面を焼入れするときの手順を示すフローチャートである。

金属旋回輪の端面の焼入れに先だって、先ず、上述した（ステップＳ１１）と同じく、既述の式１を利用して誘導加熱用高周波の周波数ｆを決定し（ステップＳ２１）、さらに、転動接触面２２ａの面積に表面電力密度２００Ｗ／ｃｍ^２を掛け更に加熱部位対応の伝送効率すなわち外周面の伝送効率η（＝０．７５）で割って一発加熱に必要な高周波電源６０の容量を決定する（ステップＳ２１）。例えば、転動接触面直径Ｄが３ｍで加熱幅Ｗが４５ｍｍの外周面を一発加熱するのに必要な供給電力は、式［π×Ｄ×Ｗ×Ｐ／η］を演算して、約１１３０ｋＷとなる。

次いで、その容量を有する高周波電源６０の選定を試みる（ステップＳ２２）。高周波電源６０の選定条件は、上述した（ステップＳ１２）と同じく、容量と供給電圧と周波数ｆである。そして、高周波電源６０を選定できたときには（ステップＳ２３）、一発加熱にて転動接触面２２ａの焼入れを行う。この場合、誘導子３０には、図９の一発加熱用のものが採用される。また、焼入れ装置４０の冷却手段は第１冷却手段で足り、昇降機構４２は必須でない。具体的には、上述した（ステップＳ１３）と同様、ノーズリング２２の転動接触面２２ａに誘導子３０を対向させ（図１２（ａ）参照）、その状態で誘導子３０に高周波通電して転動接触面２２ａを誘導加熱し（図１２（ｂ）参照）、その後、冷却水３５を誘導子３０の噴射口３４からノーズリング２２の外周面に吹き付けて転動接触面２２ａを冷却する（図１２（ｃ）参照）。

そして、直ぐに所望容量の高周波電源６０を選定することができなかったときには、必要な容量を下げて高周波電源６０の再選定を行うことになるが、その前に（ステップＳ２４）、図９の誘導子３０を用いる一発加熱を優先的に試行するか、図１０の誘導子３０を用いる移動加熱を優先的に行うか、何れかを選択する。
一発加熱なら既存の誘導子３０が使えるが移動加熱ではそうはいかない等のため一発加熱を優先的に試行する場合（ステップＳ２５）、上述した（ステップＳ１４）と同じく、必要な容量を下げて高周波電源６０の再選定を行い（ステップＳ２５）、既述の式２を用いて周波数ｆを再算出する。そして、転動接触面２２ａの反対面２２ｃを冷却しながら一発加熱にて転動接触面２２ａの焼入れを行う（ステップＳ２６）。

具体的には、上述した（ステップＳ１５）と同様、ノーズリング２２の転動接触面２２ａに誘導子３０を対向させるとともに反対面２２ｃに冷却装置７０の給水管７３を対向させる（図１３（ａ）参照）。その状態で、冷却水７２を給水管７３の噴射口７４からノーズリング２２の内周面に吹き付けて反対面２２ｃを冷却しながら、誘導子３０に高周波通電して転動接触面２２ａを誘導加熱する（図１３（ｂ）参照）。その後、冷却水３５を誘導子３０の噴射口３４からノーズリング２２に吹き付けて転動接触面２２ａを冷却する（図１３（ｃ）参照）。この場合、誘導子３０にはやはり図９の一発加熱用のものが採用され、昇降機構４２も必須でないが、焼入れ装置４０は、第１冷却手段だけでなく第２冷却手段（冷却装置７０）も具備していることが必要である。

優先試行の選択で一発加熱でなく移動加熱を選択したときや（ステップＳ２４，Ｎｏ）、一発加熱を試行したが高周波電源６０を選定できなかったときには（ステップＳ２５，Ｎｏ）、とりあえず容量の条件を外して高周波電源６０を選定する（ステップＳ２７）。そして（ステップＳ２８）、その高周波電源６０の容量と一発加熱時の必要容量との比を転動接触面２２ａの幅に掛けて加熱幅上限値を算出し、この値か又はこれより小さい適宜な値を加熱幅Ｗとし、転動接触面２２ａに対向する面の幅が加熱幅Ｗに等しい移動加熱用誘導子３０を採択または制作する（図１０参照）。

例えば、上述の具体例（図１１，ステップＳ２１）では転動接触面直径Ｄが３ｍで加熱幅Ｗが４５ｍｍの外周面を一発加熱するのに必要な供給電力が約１１３０ｋＷであったが、この場合（ステップＳ２８）、加熱幅Ｗを１／３の１５ｍｍにすると、供給電力が約３３７ｋＷで足りるので、高周波電源６０を容易に選定することができる。
加熱幅Ｗを決定したら、上述した（ステップＳ２１）と同じく、既述の式１又は式２を利用して誘導加熱用高周波の周波数ｆを算定しなおす（ステップＳ２８）。

さらに、焼入れ装置４０には、誘導加熱を行っている最中に定速送りが行える昇降機構４２（移動装置）を具備したものが選定される。
それから、誘導子３０を移動させながら誘導加熱にて転動接触面２２ａの焼入れを行う（ステップＳ２９）。具体的には、上述した定速送り可能な焼入れ装置４０に上述の移動加熱用誘導子３０を装着し、その通電端３１，３２に選定済み高周波電源６０の二次側電路５６を接続し、ノーズリング２２を架台４５の円板４６に載置し、焼入れ装置４０の昇降機構４２及び位置調整機構４３を作動させて誘導子３０を転動接触面２２ａとの正対位置の直下に位置させる（図１４（ａ）参照）。

その状態で、高周波電源６０を作動させて、上記周波数ｆの高周波を上記出力電圧で出力させる。そして、焼入れ条件に対応して決まっている一定速度で、通電中の誘導子３０を上昇させて、転動接触面２２ａを移動加熱する（図１４（ｂ）参照）。誘導子３０に随伴して給水管８０も上昇するので、給水管８０が転動接触面２２ａのところへ来たら又はその前から、冷却水８２を給水管８０から吹き出させる（図１４（ｂ）参照）。これにより、転動接触面２２ａが順に加熱されるとともに一定時間遅れで冷却されて（図１４（ｃ）参照）、転動接触面２２ａの焼入れが完了する。なお、この移動加熱の場合、焼入れ装置４０の冷却手段は、給水管８０の第１冷却手段で足り、第２冷却手段はあっても良いが必須ではない。

こうして、この実施形態にあっても、ノーズリング２２が大径であろうと、確実に大円加熱が行なえて、転動接触面２２ａを大きく一巡する誘導電流によって転動接触面２２ａは適切かつ十分に加熱されるとともに、ノーズリング２２の平均温度は不所望な変形を招くことのないよう適度に抑えられるので、ソフトゾーンの無い焼入れを行うことができる。なお、繰り返しとなる詳細な説明は割愛するが、サポートリング２３の内周面に位置する転動接触面２３ｂについても、同様にして同様の焼入れを行うことができる。

［その他］
上述の実施形態１，２において焼入れ装置４０を確保する際、その架台４５に、円板４６を軸回転させる回転機構が組み込まれているものを採用して、誘導加熱時に回転機構を作動させて円板４６上の金属旋回輪を回転させるようにしても良い。あるいは、吊持機構４４等を改造して誘導子３０を回転させるようにしても良い。対向状態を維持しながら環状の誘導子３０と金属旋回輪とを相対回転させることにより、熱変形等に起因する対向距離の局所変動などの不所望な影響が周方向に平均化される。

上述の実施形態２では、移動加熱を行う際に、昇降機構４２にて誘導子３０を移動させたが、例えば架台４５の円板４６を昇降させて、金属旋回輪と誘導子３０とを相対移動させるようにしても良い。金属旋回輪の幅方向に相対移動できれば、昇降に限らず、水平移動や斜め移動でも良い。

本発明の一実施形態について、金属旋回輪の具体例を示し、（ａ）が金属旋回輪の斜視図、（ｂ）がその一部の断面拡大図、（ｃ）がリングの展開斜視図、（ｄ）がその一部の断面拡大図である。 （ａ）がリテイニングとその転動接触面を示す一部断面拡大図、（ｂ）がノーズリングとその転動接触面を示す一部断面拡大図、（ｃ）がサポートリングとその転動接触面を示す一部断面拡大図である。 （ａ）がサポートリングの端面に位置する転動接触面に対応した誘導子の斜視図、（ｂ）がその誘導子の一部断面拡大図、（ｃ）が対向状態の誘導子とサポートリングとの縦断面図、（ｄ）がその一部拡大図である。 焼入れ装置の構造を示し、（ａ）が正面図、（ｂ）が左側面図である。 （ａ）が非絶縁タイプの高周波電源のブロック図、（ｂ）が絶縁タイプの高周波電源のブロック図である。 （ａ）は加熱面の冷却手段の構成例を示す断面図、（ｂ）は反対面の冷却装置の構成例を示す断面図である。 端面に位置する転動接触面を焼入れするときの手順を示すフローチャートである。 本発明の他の実施形態について、（ａ）がサポートリングの内周面に位置する転動接触面に対応した誘導子の斜視図、（ｂ）がその誘導子の一部断面拡大図、（ｃ）が対向状態の誘導子とサポートリングとの縦断面図、（ｄ）がその一部拡大図である。 （ａ）がノーズリングの外周面に位置する転動接触面に対応した誘導子の斜視図、（ｂ）がその誘導子の一部断面拡大図、（ｃ）が対向状態の誘導子とノーズリングとの縦断面図、（ｄ）がその一部拡大図である。 （ａ）がノーズリングの外周面に位置する転動接触面に対応した誘導子の一部断面拡大図、（ｂ）が対向状態の誘導子とノーズリングとの一部断面拡大図、（ｃ）が他の誘導子の一部断面拡大図である。 周面に位置する転動接触面を焼入れするときの手順を示すフローチャートである。 一発加熱での焼入れを時系列で示す一部断面拡大図である。 反対面冷却付き一発加熱での焼入れを時系列で示す一部断面拡大図である。 幅方向移動加熱での焼入れを時系列で示す一部断面拡大図である。 従来の幅方向移動加熱での焼入れを示す斜視図である。

符号の説明

１０…金属旋回輪、１５…ソフトゾーン、
２０…金属旋回輪、２１…リテイニング（外輪）、２１ａ…転動接触面（端面）、
２２…ノーズリング（内輪）、２２ａ…転動接触面（外周面）、
２２ｂ…転動接触面（端面）、２２ｃ…反対面、２３…サポートリング（外輪）、
２３ａ…転動接触面（端面）、２３ｂ…転動接触面（内周面）、
２４，２５，２６…ローラ（ころ）、
３０…誘導子（加熱コイル）、３１，３２…通電端、
３４…噴射口（第１冷却手段）、３５…冷却水（冷媒）、
４０…焼入れ装置、４１…基台部、４２…昇降機構（移動装置）、
４３…位置調整機構、４４…吊持機構、４５…架台（回転機構）、
４６…円板（回転体）、４６ａ…通水溝（第２冷却手段）、
５０…高周波電源、５１…交流源、５２…整流部、５３…インバータ（直交変換部）、
５４…電源電路（一次側電路）、５５…非絶縁変圧器、５６…二次側電路、
６０…高周波電源、
６１…制御装置、６３…インバータ（直交変換部）、６５…絶縁変圧器、
７０…冷却装置（第２冷却手段）、
７１…給水管、７２…冷却水（冷媒）、７３…給水管、７４…噴射口、
８０…給水管（第１冷却手段）、８１…噴射口、８２…冷却水（冷媒）

Claims (12)

1. 誘導加熱を利用して金属旋回輪の転動接触面を焼入れする金属旋回輪転動接触面の焼入れ方法において、前記転動接触面に対向させて環状の誘導子を配置しこの誘導子に高周波通電して大円加熱することで前記転動接触面にその全周に亘って隈なく連なる加熱部を形成してからその加熱部を冷却手段にて冷却することを特徴とする金属旋回輪転動接触面の焼入れ方法。
2. 前記金属旋回輪の、円筒状に形成されている転動接触面を対象として、当該転動接触面の幅方向の一部を占める小幅環状領域に前記大円加熱により加熱部を形成してからその加熱部を冷却する操作を、この操作の適用部位を当該転動接触面の幅方向に順次移動させながら進めて前記転動接触面の焼入れを行うことを特徴とする請求項１記載の金属旋回輪転動接触面の焼入れ方法。
3. 前記金属旋回輪における前記誘導子との対向面の反対面を冷却装置にて冷却しながら前記転動接触面の焼入れを行うことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載された金属旋回輪転動接触面の焼入れ方法。
4. 前記転動接触面の表面電力密度を２００［Ｗ／ｃｍ^２］以上にして前記転動接触面の焼入れを行うことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載された金属旋回輪転動接触面の焼入れ方法。
5. 前記誘導子に高周波通電する周波数の選定を、金属旋回輪の直径とこの金属旋回輪の転動接触面の表面電力密度とこの転動接触面における誘導子での加熱幅の、この誘導子への高周波通電の周波数との関係を近似する所定の実験式に基づいて、行うことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れかに記載された金属旋回輪転動接触面の焼入れ方法。
6. 請求項５に記載の方法に基づき前記高周波通電の周波数を１０００〜１００００Ｈｚの範囲に選定することにより、前記誘導子の両端電圧を６００Ｖ以下に制限した状況の下で前記表面電力密度２００［Ｗ／ｃｍ^２］以上を実現することを特徴とする請求項５記載の金属旋回輪転動接触面の焼入れ方法。
7. 前記高周波通電を絶縁トランスを介して行うことを特徴とする請求項５又は請求項６に記載された金属旋回輪転動接触面の焼入れ方法。
8. 前記金属旋回輪を前記誘導子に対して相対的に周方向へ回転させながら前記転動接触面の焼入れを行うことを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れかに記載された金属旋回輪転動接触面の焼入れ方法。
9. 誘導加熱を利用して金属旋回輪の転動接触面を焼入れする金属旋回輪転動接触面の焼入れ装置において、前記金属旋回輪を支持する架台と、前記転動接触面を大円周回する誘導電流を生じさせるための大円環状の誘導子と、その加熱部を冷却するための大円環状の冷却手段と、前記誘導子への供給路を電源電路から絶縁する絶縁変圧器とを備えたことを特徴とする金属旋回輪転動接触面の焼入れ装置。
10. 前記誘導子による加熱部位と前記冷却手段による冷却部位とを前記転動接触面の幅方向に移動させる移動装置を設けたことを特徴とする請求項９記載の金属旋回輪転動接触面の焼入れ装置。
11. 前記金属旋回輪を前記誘導子に対して相対的に周方向へ回転させる回転機構を設けたことを特徴とする請求項９又は請求項１０に記載された金属旋回輪転動接触面の焼入れ装置。
12. 前記金属旋回輪を周方向同時に冷却する冷却装置を、前記誘導子とは反対側から前記金属旋回輪を臨むところに、設けたことを特徴とする請求項９乃至請求項１１の何れかに記載された金属旋回輪転動接触面の焼入れ装置。

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