JP2005240133A - 高周波焼入れ方法と装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ワークの回転と冷却を１つの装置を用いて行ない、均一な焼入れを可能で、しかも、構成の簡素化、設備コストの低減、省エネルギも可能な高周波焼入れ方法と装置を提供する。
【解決手段】 金属材料からなるワークＷを回転可能に支持し、ワークＷに向って流体を噴射すると共に該ワークの近傍の誘導加熱コイルＣに高周波電流を流し、流体の噴射圧力によりワークＷを回転しつつ当該ワークＷに高周波焼入れを行なうことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、コンロッド等の金属材料からなるワークを高周波焼入れする方法と装置に関する。

自動車部品の中には、高強度が要求されるものがある。たとえば、コンロッドや歯車などである。これらは、鉄材などが使用されていることから、高周波焼入れすることにより高強度としている。

従来の高周波焼入れ装置としては、下記特許文献１に開示されたものがあるが、この装置は、加熱および冷却を均一に行うために、コンロッドなどのワークをクランプ部材にクランプし、モータなどの回転装置により回転させている。

しかし、モータなどの回転装置を使用すると、回転装置のみでなく回転制御装置も必要となり、設備コストが高くなる。特に、高周波焼入れでは、ワークの高速回転するほど加熱や冷却を均一に行なうことができることから、モータの回転を歯車等により増速するが、このようにすれば、機構が複雑化し、一層コスト的に不利となる。

また、回転装置にワークを支持するために、クランプ部材によってワークをクランプすれば、加熱したワークの熱がクランプ部材を介して外部に逃げ、いわゆる焼きムラが生じやすくなる虞もある。
特開平１０−８８２２９号公報（請求項２、段落番号「００１８」、第４図）

本発明は、上記従来技術の問題点を解決し、ワークの回転と冷却を流体を噴射する装置のみを用いて行ない、均一な焼入れを可能で、しかも、構成の簡素化、設備コストの低減、省エネルギも可能な高周波焼入れ方法と装置を提供することを目的とする。

かかる目的を達成する本発明は、金属材料からなるワークを回転可能に支持し、当該ワークに向って流体を噴射する流体の噴射圧力により前記ワークを回転しつつ誘導加熱コイルにより当該ワークに高周波焼入れを行なうことを特徴とする。

上記のように構成した本発明は、噴出される流体によりワークの回転と冷却を行なうので、複雑な構成の回転装置や回転制御装置が不要となり、設備コストおよびメンテナンスコストを低減でき、省エネルギにもなり、また、ワークを回転させる場合に保持するクランプも不要となるので、熱の逃げによるワークの焼きムラもなく、ワーク装着作業も短時間で容易にでき、作業性も向上する。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。

図１は本発明の実施形態に係る高周波焼入れ装置を示す概略図、図２は図１のワークを示す正面図、図３，４は図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線、ＩＶ−ＩＶ線に沿う矢視図、図５は図２のＶ−Ｖ線に沿う断面図である。

まず、本実施形態に係る高周波焼入れ装置について概説すれば、図１に示すように、金属材料からなるワークＷを回転可能に支持する支持部１０と、当該ワークＷに向かって空気または水を噴射する対向設置された流体噴射部２０と、ワークＷに高周波焼入れする誘導加熱部３０とを有し、空気または水の噴射圧力によりワークＷを回転しつつ誘導加熱部３０に高周波電流を流してワークＷを高周波焼入れする。

さらに詳述する。ワークＷとしては、たとえば、図２に示すように、炭素鋼からなる鍛造品であるコンロッドが使用される。このコンロッドは、エンジンのピストンとクランクシャフトを連結し、ピストンの往復運動をクランクシャフトに伝達するもので、長尺な連接部１の一端に大端部２が、他端に小端部５が設けられ、大端部２は、連接部１と一体に形成された半円状部２ｂに対し半円状のキャップ部２ａがボルト４により連結され、小端部５は、連接部１と一体に形成された通孔部６を有するリング状部分である。なお、キャップ部２ａと下部半円状部２ｂとの連結により形成された通孔部３内には、前記クランシャフトのピン部が設けられ、小端部５の通孔部６には、ピストンピンあるいは連結ピンが挿通される。

連接部１は、ピストン側の力をクランクシャフトに伝達するため、相当の高強度が要求され、通常、Ｉセクションと称されるように、断面が「Ｉ」状に成形されており（図５参照）、しかもこの部分に後に詳述する高周波焼入れが施される。

前記支持部１０は、ワークＷが回転軸Ｏを中心として少ない摩擦抵抗で円滑に回転するように、長尺なワークＷの軸方向両端を点接触により支持する（「点支持」と略称する）部分である。この点支持は、図３，４に示すように、大端部２のキャップ部２ａと、小端部５にそれぞれ通孔１１，１２を形成し、先端が尖った支持部材１３，１４の先端を前記通孔１１，１２に差込み、支持してもよい。しかし、支持部材１３，１４の尖端部１３ａ，１４ａを通孔１１，１２に挿通するのみでは、ワーク回転時の抵抗が大きくなる虞がある。したがって、本実施形態では、図６，７に示すように、ワークＷの支持点である前記大端部２のキャップ部２ａと小端部５に、それぞれ鈍角円錐状の底面を有する凹部１５，１６を形成し、これら凹部１５，１６内で前記支持部材１３，１４の尖端部１３ａ，１４ａを当接させ、点支持を行なっている。

ここに、図６は図３のＶＩ−ＶＩ線に沿う断面相当図、図７は図４のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う断面相当図である。

この支持部１０は、図１に示すように、上部側の支持部材１３がケース１７内に設けられ、このケース１７の底部との間に設けられたばね１８により支持部材１３が外方に向って弾発され、ケース１７は、アクチュエータ１９により昇降可能となっている。このような支持部材１３，１４であれば、ワークＷは、両支持部材１３，１４により弾性的に支持されることになり、ワークＷの装着が簡単にできる。なお、逆に、下部側の支持部材１４を、前記上部側の支持部材１３のような弾性的な支持構造としてもよい。

前記流体噴射部２０は、点支持されたワークＷに向かって空気または水を噴射し、空気または水の噴射圧力によりワークＷを回転させるもので、ワークＷを中心に一対の流体噴射部２０が対向して設置されている。

本実施形態では、ワークＷに向かって空気または水を噴射することから、左右の流体噴射部２０には、空気配管系２２（図中、破線で示す）と水配管系２４（図中、一点鎖線で示す）が連設されている。空気配管系２２は、コンプレッサ２３からの空気を気体用レギュレータＲａおよび電磁弁Ｖａを介して各流体噴射部２０に導入し、水配管系２４は、ポンプＰにより冷却液タンクＴ内の水を吸い上げ、液体用レギュレータＲｂおよび電磁弁Ｖｂを介して各流体噴射部２０に導入する。

図８は流体噴射部の正面図、図９は両流体噴射部の流体噴射状態を示す概略平面図である。対向設置された各流体噴射部２０は、それぞれボックス状の本体２１を有しているが、このボックス状本体２１には、図８に示すように、ワークＷの外周縁部に向って空気または水を噴射してワークＷを回転させるため、複数の噴射孔２５が開設されている。

この噴射孔２５は、ワークＷを効率よく回転させるために、空気または水がワークＷの回転軸Ｏに対し偏心した位置に当たるようにすることが好ましいが、本実施形態では、ワーク表面の右半分あるいは裏面の左半分の外形形状に沿ってボックス状の本体２１に設けられている。

このようにすれば、各流体噴射部２０より噴射された空気または水は、図９の矢印で示すように、ワーク表裏面の片側外周縁部に当ることになり、その噴射圧力によりワークＷを回転させることになる。しかも、各流体噴射部２０より水が噴射される場合、所定時間継続して噴射されると、ワークＷの回転に伴ってこの水のワークＷの表面に当る位置が変化し、ワークＷを均一に冷却し、焼きムラの発生を防止できる。さらに、図９に多数の点で示すように、ワークＷの表面で水が飛散するので、これによってもワークＷ全体を確実に冷却し、一層焼きムラの発生を防止することにもなる。

なお、この噴射孔２５は、図示のように多数の小孔のみでなく、これら小孔を繋げた形状のスリットであってもよく、また、この流体噴射部２０自体も、一対のみでなく、さらに複数対設けてもよい。

前記誘導加熱部３０は、図１に示すように、誘導加熱コイルＣの両端が高周波発生装置３１に接続され、中間部にコイル軸を中心としてスパイラルに巻回された巻回部３２が形成され、この巻回部３２内に、ワークＷであるコンロッドの連接部１が挿入配置されている。

この巻回部３２では、線材の上下に隙間Ｇが存在しているので、前記流体噴射部２０からの空気または水は、この隙間Ｇを通過してワークＷに到達することになる。

次に、焼入れ方法の実施形態を説明する。

＜第１実施形態＞
第１実施形態は、当初、空気によりワークＷを回転しつつ焼入れした後、水によりワークＷを回転しつつ冷却する方法である。

まず、ワークＷであるコンロッドの大端部２にキャップ部２ａをボルト４により取付けたものを準備し、支持部１０にセットする。この支持部１０では、コンロッドの小端部５に形成された凹部１６内に下方支持部材１４の尖端部１４ａを当接した状態で、アクチュエータ１９によりケース１７を下降し、上方支持部材１３の尖端部１３ａをキャップ部２ａに形成された凹部１５内に当接し、ワークＷを弾性的に支持する。比較的大きな凹部１５内に尖端部１３ａ，１４ａを入れるので、ワークＷの装着が極めて簡単にできる。また、装着されたワークＷは、両支持部材１３，１４の尖端部１３ａ，１４ａにより点支持されることになるので、比較的重量のあるワークＷであっても、離れた位置から高圧空気を使用せずに十分回転させることができる。

次に、流体噴射部２０を作動し、点支持されたワークＷに向かって空気を噴射し、空気の噴射圧力によりワークＷを回転するが、このワークＷの回転は、高周波焼入れする初期段階では焼きムラの虞はないため低速回転でよく、焼入れ完了後の冷却する段階では焼きムラを防止するために高速回転させることが好ましい。この場合、空気よりも水の方がワークＷを強力に回転させることができるので、本実施形態では、初期加熱の段階では、空気によりワークＷを低速で回転し、後に水に切換えてワークＷを高速で回転している。

したがって、流体噴射部２０では、まず、空気配管系２２において、コンプレッサ２３を作動し、吐出された空気を気体用レギュレータＲａにより所定圧に制御した後、電磁弁Ｖａを介して両ボックス状本体２１に導入し、各ボックス状本体２１の噴射孔２５よりワークＷの外周縁部に向かって噴射する。

各ボックス状本体２１から噴射された空気は、それぞれ誘導加熱コイルＣの線材相互間の隙間Ｇを通ってワークＷに到達し、図９に示すように、ワーク表面の左半部と裏面の右半部に当たり、点支持されたワークＷを回転させる。この空気は、回転軸Ｏに対し偏心した位置に作用するので、ワークＷは速やかに回転する。

このワークＷの回転中に誘導加熱部３０の高周波電流発生装置３１を作動し、高周波電流を誘導加熱コイルＣに所定時間流す。高周波電流を誘導加熱コイルＣに流すと、導電体であるコンロッドの連接部１は、電磁誘導作用により誘起される渦電流などにより表面が加熱される。

加熱を所定時間行なった後、再度、流体噴射部２０を操作し、コンプレッサ２３の作動を停止するとともに水配管系２４のポンプＰを作動する。ポンプＰからの水は、液体用レギュレータＲｂにより制御された後、電磁弁Ｖｂを介して両ボックス状本体２１に導入され、各ボックス状本体２１の噴射孔２５よりワークＷの外周縁部に向かって噴射される。この水も誘導加熱コイルＣの線材相互間の隙間Ｇを通り、ワークＷの回転軸Ｏに対し偏心した位置に到達するので、ワークＷは、水の噴射圧力により速やかに回転される。

水は、ワークＷの表裏面の偏心位置に強力に作用しワークＷを高速で回転させつつ、高速で回転しているワークＷの表裏全面に当ると共に周囲に飛散するので、ワーク全体が冷却される。したがって、ワークＷは、いわゆる焼きムラを起こすことなく、略均一に焼入れが行なわれる。

本実施形態の場合、空気から水に切り換えるタイミングと、加熱から冷却に切り換えるタイミングは、必ずしも一致させる必要はない。たとえば、後述する実験例では、図１０に示すように、空気により回転開始から５秒経過した時点で水に切り換え、また、この時点で加熱から冷却に切り換えている。つまり、前記両タイミングを一致させている。しかし、本実施形態は、これのみでなく、空気により回転開始から１〜２秒経過した時点で水に切り換え、加熱から冷却に切り換えるタイミングに関しては、回転開始から所定時間（後述の実験例では５秒間）経過した後に切り換えてもよい。

本実施形態につき、図１０に示す加熱と冷却のタイミングおよび時間で実験を試みた。

＜実験例１＞
ワークＷとしてコンロッドを使用し、図１０に示すように、まず、気体用レギュレータＲａにより０．４９ＭＰａに圧力調整された空気をワークＷに噴射し、ワークＷを回転した。ワークＷの回転数は、１００ｒｐｍ程度であった。そして、５秒間高周波電流を誘導加熱コイルＣに流し、加熱を行なった。焼入れ温度は、約９００℃程度まで上昇した。その後、高周波電流の供給を停止し、電磁弁Ｖａを閉じ、電磁弁Ｖｂを開き、液体用レギュレータＲｂにより水圧を０．２ＭＰａに調整した水によりワークＷを回転しつつ冷却した。ワークＷの回転数は、３００ｒｐｍ程度となった。水の噴射を継続し、前記３００ｒｐｍ程度の回転数を維持しつつ、当該水により５秒間冷却した。この結果、ワークＷは、焼きムラを起こすことなく、略均一な焼入れができた。

＜第２実施形態＞
第１実施形態では、ワークを回転する手段として、当初空気を使用し、後に水を使用しているが、誘導加熱コイルＣによる高周波焼入れの開始前から高周波焼入れ完了まで終始空気のみあるいは水のみを使用してもよい。本第２実施形態では、終始空気のみを使用したものである。

第２実施形態でも、第１実施形態と同様に、ワークＷを支持部１０に回転可能セットする。次に、流体噴射部２０を作動し、気体用レギュレータＲａにより所定圧に制御された空気を、点支持されたワークＷに向かって噴射し、ワークＷを回転する。

そして、ワークＷの回転中に、高周波電流を誘導加熱コイルＣに所定時間流し、ワークＷの表面を加熱する。この加熱後、高周波電流は停止するが、コンプレッサ２３は、常時作動し、ワークＷを空気により冷却した後、停止する。

本実施形態のワークＷは、水により冷却する第１実施形態よりも冷却に多少時間は掛かるものの、回転しつつ加熱し冷却するので、焼きムラを起こすことなく、略均一に焼入れが行なわれる。

第２実施形態に関しても、図１１に示す加熱と冷却のタイミングおよび時間で実験を試みた。

＜実験例２＞
ワークＷとしてコンロッドを使用し、図１１に示すように、まず、気体用レギュレータＲａにより０．４９ＭＰａに圧力調整された空気をワークＷに噴射し、ワークＷを回転した。ワークＷの回転数は、１００ｒｐｍ程度であった。そして、５秒間高周波電流を誘導加熱コイルＣに流し、加熱を行なった後に、高周波電流の供給を停止した。焼入れ温度は、約９００℃程度まで上昇した。電磁弁Ｖａはそのまま開き、同様の０．４９ＭＰａに圧力調整された空気でワークＷを回転しつつ、当該空気で５秒間冷却した。この実験でも、ワークＷは、焼きムラを起こすことなく、略均一な焼入れができた。

＜第３実施形態＞
上記第２実施形態では、誘導加熱コイルＣによる高周波焼入れの開始前から高周波焼入れ完了まで終始空気のみを使用しワークを回転したが、本第３実施形態では、終始水のみを使用したものである。

第３実施形態でも、ワークＷを支持部１０に回転可能セットし、流体噴射部２０のポンプＰを作動し、液体用レギュレータＲｂにより制御された水を、点支持されたワークＷに向かって噴射し、ワークＷを回転する。

そして、ワークＷの回転中に、高周波電流を誘導加熱コイルＣに所定時間流し、ワークＷの表面を加熱する。この加熱後、高周波電流は停止するが、ポンプＰは、常時作動し、ワークＷを水により冷却した後、停止する。

本実施形態のワークＷは、空気により冷却する第２実施形態よりも冷却は早く、しかも、回転しつつ冷却するので、焼きムラを起こすことなく、略均一に焼入れが行なわれる。

第３実施形態に関しても、図１２に示す加熱と冷却のタイミングおよび時間で実験を試みた。

＜実験例３＞
ワークＷとしてコンロッドを使用し、図１２に示すように、まず、液体用レギュレータＲｂにより０．２ＭＰａに調整された水をワークＷに噴射し、ワークＷを回転した。ワークＷの回転数は、３００ｒｐｍ程度であった。そして、５秒間高周波電流を誘導加熱コイルＣに流し、加熱を行なった後に、高周波電流の供給を停止した。焼入れ温度は、約９００℃程度まで上昇した。電磁弁Ｖｂはそのまま開き状態とし、同様の０．２ＭＰａの水でワークＷを回転しつつ、当該水で５秒間冷却した。この実験でも、ワークＷは、焼きムラを起こすことなく、略均一な焼入れができた。

以上のように、本実施形態では、流体噴射部２０から噴出される空気または水によりワークＷの回転と冷却を行なうことができるため、複雑な構成の回転装置や回転制御装置は不要で、省エネルギにもなり、設備コストおよびメンテナンスコストを低減でき、また、ワークＷを回転装置にクランプする必要もないため、ワークの熱が逃げることによる焼きムラもなく均一な焼入れができ、しかも、ワークＷを脱着も簡単なため、作業性が極めて向上する。

前記空気または水は、ワークＷの回転軸Ｏに対し偏心位置に当てるので、ワークＷを速やかに回転させることができ、ワークＷの回転に関しても、ワークＷの低速回転時には空気を、高速回転時には水を使用すれば、低速回転から高速回転への移行を噴射する空気または水を空気から水に変更するのみで行なうことができ、従来のような制御機構も不要となり、設備コストを低減できる。

ワークＷの加熱時に気体を、冷却時に液体を使用すれば、ワークＷの加熱と冷却の効率が向上する。

誘導加熱コイルＣによる高周波焼入れの開始前から高周波焼入れ完了まで、終始、空気または水を使用してワークＷを回転させても、前記空気と水を使用する場合と同様の効果を奏する。

流体噴射部２０の噴射孔２５を、ワークＷの外形形状に沿って設けると、ワークＷを確実に回転させることができ、空気または水を誘導加熱コイルＣの隙間Ｇを通過しワークＷに到達させると、誘導加熱コイルＣの外部からワークＷを回転させ、冷却でき、作業性が極めて向上する。

ワークＷを支持する支持部１０が、ワークＷを点接触により支持すれば、ワーク回転時の抵抗が少なく、ワークＷを小さな力でも簡単に回転させることができ、しかも、ワークＷを点支持するので、加熱したワークＷの熱が外部に逃げにくく、焼きムラが生じることもない。この場合、支持部１０がワークＷの支持点に形成された凹部１５，１６とすれば、点支持での装着も簡単にでき、これによっても作業性が向上する。

なお、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変することができる。例えば、前記実施形態では、ワークはコンロッドを使用しているが、これのみでなく、歯車等のような中心部分を何らかの手段で点支持できるものであれば、種々のワークに対して実施することができる。

また、前記実施形態では、流体として空気と水を使用しているが、これのみでなく、種々の気体あるいは液体を使用できることも言うまでもない。

本発明の実施形態に係る高周波焼入れ装置を示す概略図である。 図１のワークを示す正面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う矢視図である。 図２のＩＶ−ＩＶ線に沿う矢視図である。 図２のＶ−Ｖ線に沿う断面図である。 図３のＶＩ−ＶＩ線に沿う断面相当図である。 図４のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う断面相当図である。 流体噴射部の正面図である。 両流体噴射部の流体噴射状態を示す概略平面図である。 本発明方法の第１実施形態の加熱と冷却のタイミングおよび時間を示す図である。 同第２実施形態の加熱と冷却のタイミングおよび時間を示す図である。 同第３実施形態の加熱と冷却のタイミングおよび時間を示す図である。

符号の説明

１０…支持部、
１５，１６…凹部、
２０…流体噴射部、
２５…噴射孔、
Ｃ…誘導加熱コイル、
Ｇ…隙間、
Ｏ…ワークの回転軸、
Ｗ…ワーク。

Claims (16)

1. 金属材料からなるワークを回転可能に支持し、
   当該ワークに向って噴射する流体の噴射圧力により前記ワークを回転しつつ誘導加熱コイルにより当該ワークに高周波焼入れを行なうことを特徴とする高周波焼入れ方法。
2. 前記流体は、前記ワークの回転軸に対し偏心した位置に向けて噴射することを特徴とする請求項１に記載の高周波焼入れ方法。
3. 前記ワークの両端を点支持することを特徴とする請求項１または２に記載の高周波焼入れ方法。
4. 前記ワーク両端の点支持する部位に凹部を形成し、両凹部を結ぶ線を中心に前記ワークを回転させることを特徴とする請求項３に記載の高周波焼入れ方法。
5. 前記流体は、前記誘導加熱コイルの隙間を通過しワークに到達させることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の高周波焼入れ方法。
6. 前記流体は、前記ワークの加熱時には気体を、冷却時には液体を使用することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の高周波焼入れ方法。
7. 前記流体は、前記ワークの低速回転時には気体を、高速回転時には液体を使用することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の高周波焼入れ方法。
8. 前記流体は、前記誘導加熱コイルによる高周波焼入れの開始前から高周波焼入れ完了まで終始気体を使用し前記ワークを回転させることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の高周波焼入れ方法。
9. 前記流体は、前記誘導加熱コイルによる高周波焼入れの開始前から高周波焼入れ完了まで終始液体を使用し前記ワークを回転させることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の高周波焼入れ方法。
10. 金属材料からなるワークを回転可能に支持する支持部と、
    当該ワークに向かって流体を噴射する少なくとも１つの流体噴射部と、
    前記ワークに高周波焼入れする誘導加熱コイルと、
    を有し、
    前記流体の噴射圧力により前記ワークを回転しつつ前記誘導加熱コイルに高周波電流を流してワークを高周波焼入れすることを特徴とする高周波焼入れ装置。
11. 前記流体噴射部は、前記ワークを中心に複数個対向設置したことを特徴とする請求項１０に記載の高周波焼入れ装置。
12. 前記流体噴射部は、前記流体を前記ワークの回転軸に対し偏心した位置に当てることを特徴とする請求項１０または１１に記載の高周波焼入れ装置。
13. 前記流体噴射部は、前記ワークの外形形状の一部に沿うように開設された噴射孔より前記流体を噴射することを特徴とする請求項１０〜１２のいずれかに記載の高周波焼入れ装置。
14. 前記流体噴射部は、前記誘導加熱コイルの隙間を通過し前記流体をワークに到達させることを特徴とする請求項１０〜１３のいずれかに記載の高周波焼入れ装置。
15. 前記支持部は、前記ワークの両端を点支持することを特徴とする請求項１０〜１４のいずれかに記載の高周波焼入れ装置。
16. 前記ワーク両端の点支持する部位に凹部を形成し、両凹部を結ぶ線を中心に前記ワークを回転させることを特徴とする請求項１５に記載の高周波焼入れ装置。

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