JP2005336509A - 焼入れ用治具および焼入れ方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 設備コストおよび必要な焼入油量の増大を防止しつつ、冷却用液体を収容した冷却槽内に焼入れのために投入された被処理物の冷却むらを低減させることが出来る焼入れ用治具を提供する。
【解決手段】 焼入れ用治具８は、油を収容した冷却槽内に、焼入れのために投入されたかさ歯歯車９の表面近傍に生じる前記冷却用液体の流れのうち、少なくとも一部の流れを調整するため、整流手段としての穴８０４ａが設けられた板８０４を有している。
【選択図】図６

Description

本発明は、焼入れ用治具および焼入れ方法に関するものである。

油や水などの冷却用液体で満たされた冷却槽内に、冷却処理を施すために被処理物を投入した場合に、冷却後の被処理物の状態は、被処理物の表面近傍における冷却用液体の流れにより影響を受ける。該冷却用液体の流れが、複雑に入り乱れた流れ（以下、擾乱流）である場合には、被処理物に冷却のむらが生じ、その結果、熱処理歪のばらつき、さらに処理品の変形、歪みなどが発生し、後工程における加工代および加工時間の増大、製品の形状ばらつきの増大が引き起され得る。

例えば、冷却槽内における冷却用液体の流れを全体的に均一にさせるため、焼入時に、焼入油槽下部よりサブタンクにて冷やされた油を供給し、かつ冷却槽上部からオーバーフローにより油を排出させて、被処理物の周辺に上昇流を発生させるものがある（特許文献１）。しかし、冷却槽内に投入される被処理物が、例えば軸と、該軸の端部に接合される歯車とから構成される軸付き歯車である場合には、接合部は、断面が軸から歯車へと拡径する部位であるため、上昇流に対して流れを乱す段差となり、該接合部の近傍において、擾乱流が発生し得る。また、被処理物を歯車部のみからなる歯車とした場合にも、歯車の端面は、上昇流が流れる方向に対して交差する面となり得るため、端面の表面近傍において擾乱流が発生し得る。

また、油槽内に振動及び噴流攪拌を施すことにより、被処理物の全表面近傍に人為的に擾乱流を発生させて冷却ばらつきを低減させるものがある（特許文献２、非特許文献１）。しかし、擾乱流は不安定流であるため、同一ロット内での熱処理歪は低減されたとしても、例えば次のロットの熱処理歪は低減されないことが生じ得て、複数のロットにわたり擾乱流の最適条件を発見するのが難しい。

さらに上記文献に示す方法では、ノズルや油の循環装置といった装置が必要であり、既存の設備でこれを実現しようとすると、設備改造が必要になり、必要な焼入油量も増える。
特開平６−３３１３５号公報 特開２００３−２８６５５１７号公報 市谷克己、「焼入歪におよぼす焼入油の冷却特性及び使用条件の影響」、第２３回熱処理研究会資料、出光興産（株）、平成１２年３月

そこで本発明の目的は、設備コストおよび必要な焼入油量の増大を防止しつつ、冷却用液体を収容した冷却槽内に焼入れのために投入された被処理物の冷却むらを低減させることが出来る焼入れ用治具および焼入れ方法を提供することである。

（１）冷却用液体を収容した冷却槽内に焼入れのために投入された被処理物の表面近傍に生じる前記冷却用液体の流れのうちの少なくとも一部を調整するための整流手段を有することを特徴とする焼入れ用治具。

（２）冷却用液体を収容した冷却槽内に焼入れのために投入された被処理物の表面近傍に生じる前記冷却用液体の流れのうちの少なくとも一部を調整する整流段階を有する焼入れ方法であって、前記被処理物は、軸心に沿って中空部を有するかさ歯歯車であり、前記整流段階は、前記冷却槽内に投入された前記かさ歯歯車の中空部を通過する冷却用液体の流れの速度を高める段階であることを特徴とする焼入れ方法。

（３）冷却用液体を収容した冷却槽内に焼入れのために投入された被処理物の表面近傍に生じる前記冷却用液体の流れのうちの少なくとも一部を調整する整流段階を有する焼入れ方法であって、前記被処理物は、軸方向の一方から他方に拡径する形状を有し、前記整流段階は、軸方向の一方から他方に前記被処理物が拡径する割合と略同一の割合で拡径する形状を有し大径側の端面が前記被処理物の小径側の端面と略同一形状に形成された整流手段を、前記被処理物の小径側の端面に対向させる段階であることを特徴とする焼入れ方法。

本発明の焼入れ用治具によれば、整流手段が、焼き入れのために投入された被処理物の表面近傍に生じる流れを調整することにより、被処理物の表面に沿った滑らかな流れを形成することが出来る。これにより、被処理物の冷却のむらが低減され、品質の向上とコストの低下につながる。

また、冷却のむらを低減させる手段を、焼入治具に設けられる整流手段とすることにより、既存の設備の改造や、焼入油量を増加させることもない。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

まず、第１の実施形態における焼入れ用治具１の構成について述べる。

図１は、本発明の第１の実施形態における焼入れ用治具１が歯車３に対してセットされた状態を示す斜視図である。

焼入れ用治具１が適用される被処理物は、図に示すように軸方向の一方から他方に拡径し、側面４０にはす歯状を呈する歯部４０ａが設けられる歯車４である。

焼入れ用治具１は、整流部２、整流部３、連結部５、および連結部６により構成される。

整流部２は、歯車４の拡径する角度（割合）と略同一の角度で、軸方向の一方から他方に拡径する形状を呈している。大径側の端面２０は、歯車４の小径側の端面４１と略同形状に形成され、側面２１には、歯車４の歯部４０ａと歯筋方向が略平行である歯部２１ａが設けられている。歯車４が、焼入れのために冷却槽内に投入される際には、歯車４の小径側の端面４１に、例えば磁石である連結手段５を介して、歯車４と同心配置される。

整流部３は、円柱状を呈し、端面３０は、歯車４の大径側の端面４２と略同一形状に形成されている。歯車４が、冷却槽内に投入される際には、整流部３は、歯車４の大径側の端面４２に、例えば磁石である連結手段６を介して、歯車４と同心配置される。

冷却槽内に投入される際に、歯車４の端面４１、端面４２、および側面４０の表面近傍において、擾乱流が生じ得る。該擾乱流を抑制し、流れを滑らかにする整流手段が設けられていない場合について、図２を用いて説明する。なお、図２および以下の説明に用いる部材名および符号は、説明の便宜のため、焼入れ用治具以外は、図１および上記の説明に示したものと同一とする。また、以下に示す冷却槽は、単に歯車４および以下に示す焼入れ用治具１を投入するに足りる容積を有する容器である。また、冷却用液体は油である。

図２は、整流手段が設けられていない焼入れ用治具６にセットされた歯車４が冷却槽内に投入された状態を示す概略図である。図に示す焼入れ用治具６は、棒状を呈する磁石であり、歯車４の小径側の端面４１と連結され、歯車４を、図示しない冷却槽の床７上に、端面４１および端面４２が略水平となるように設置している。

投入時において歯車４は、通常、高温状態にあるため、歯車４の表面近傍の油が、沸騰されて鉛直上方へ移動し、この移動が生じた箇所へ下方の油が新たに移動してくることより、歯車４の周辺には、歯車４の下方から生じ、鉛直上方に向かう油の上昇流Ａが発生する。

この上昇流Ａの流れに対し、端面４１は、直角に交差する面であるため、上昇流Ａを乱す面となり、端面４１の表面近傍において、擾乱流Ｂが生じ得る。

また、側面４０の表面近傍の上昇流Ａは、側面４０にガイドされて流れるが、該上昇流Ａは、側面４０の上端を通過後、ガイドされる手段が失われることにより、端面４２の表面近傍に擾乱流Ｃが生じ得る。

以上の擾乱流が発生した場合には、端面４１および端面４２において冷却むらが生じ得る。また、この擾乱流により、歯車４の上下の端部付近に位置する側面４０の表面近傍における上昇流も乱されて、擾乱流Ｄが発生し得る。このため、側面４０においても、冷却むらが生じ得る。これは、特に、製品精度が求められる歯面の品質の低下を生じさせるものである。

上記の擾乱流を抑制させて、歯車４の表面近傍の流れを調整するための整流部を有する焼入れ用治具１を、歯車４にセットして、冷却槽内へ投入することとした。

図３は、焼入れ用治具１にセットされた歯車４が冷却槽内に投入された状態を示す概略図である。

歯車４は、図１に示すように焼入れ用治具１にセットされた状態で、図示しない冷却槽内に、整流部２が下方に位置するように投入されている。

まず、整流部２の作用について述べる。

上記したように、上昇流Ａは歯車４の下方において発生する。歯車４の下方に、整流部２が取り付けられていることにより、上昇流Ａは、流れの発生箇所において整流部２の側面２１にガイドされて流れることとなる。ここで、整流部２の側面２１が歯車４の側面４０と略同じ角度に傾斜していることから、上昇流Ａは、発生箇所である歯車４の下方から歯車４の側面４０に沿う方向に流れることとなる。また、歯車４の端面４１と整流部２の端面２０とが略同形状を呈していることから、当該上昇流Ａは、整流部２の側面２１にガイドされた後、引き続き歯車４の側面４０にガイドされて流れることとなり、端面４１の表面近傍において擾乱流は発生しない。

また、歯部４０ａと歯部２１ａとは歯筋方向が略平行であることより、上昇流Ａは、側面４０の傾斜に沿って流れるとともに、歯部４０ａの歯筋方向に沿って流れることになる。

次に、整流部３の作用について述べる。

歯車４の端面４２と整流部３の端面３０とが略同形状を呈していることより、側面４０にガイドされた上昇流Ａは、引き続き整流部３の側面３１にガイドされて流れるために、端面４２の表面近傍に擾乱流は発生しない。

よって、端面４１および端面４２の表面近傍において擾乱流が発生しないことより、歯車４の上下の端部付近に位置する側面４０の表面近傍においても、擾乱流は発生しない。

なお、連結部５および連結部６の長手方向の長さは、整流部２および歯車４および整流部３の各側面による上昇流のガイドの連携が失われないためにも、可能な限り短くすることが好ましい。さらに、焼入れ用治具と歯車を連結する手段は、整流部２および整流部３とが上記の作用を発揮し得る位置に維持可能とするものであれば、連結部５および連結部６以外のいかなるものであってもよい。加えて、冷却槽内に投入された被処理物の上下端面に冷却のムラが発生しても支障ないと判断される場合には、被処理物に整流部２および整流部３を直接取り付けることとしてもよい。この場合には、端面４１および端面４２に擾乱流が起こり得ないために、被処理物の側面部の表面近傍にも擾乱流が生じない。また、該焼入れ用治具を歯車に取り付ける手段は、磁力によるものが考えられる。

次に、第１の実施形態における焼入れ用治具１による効果を述べる。

整流部２および整流部３を連結して、歯車４を冷却槽内に投入することによって、端面４１、端面４２、および側面４０の表面近傍の流れは擾乱流を生ずることなく、所定の方向に流されることにより、滑らかな流れとなる。よって、歯車４は冷却ムラが生じることなく冷却されて、歯車４の品質が向上する。

また、側面４０の表面近傍における冷却用液体の流れは、歯部４０ａの歯筋に沿った流れとすることが出来、凹凸形状を呈する歯部に対しても冷却を均一に施すことが可能となる。

また、整流手段である整流部１および整流部２を焼入れ用治具１に設けることにより、既存の設備の改造や、焼入油量を増加させることもない。

次に、本発明の第２の実施形態について述べる。

冷却槽内における空間の有効活用のために、かさ歯歯車を、治具を用いて鉛直方向に複数積み上げ、冷却槽内に投入することが考えられる。この場合、焼入れ用治具は、かさ歯歯車の中空部に挿入可能な形状を呈し、当該焼入れ用治具をかさ歯歯車の中空部に挿入することにより、当該焼入れ用治具の外周部に、前記かさ歯歯車を複数積み上げるものが考えられる。第２の実施形態における焼入れ用治具８も、この種の治具に該当する。

以下に、焼入れ用治具８の構成について述べる。

図４は、本発明の第２の実施形態における焼入れ用治具８の斜視図である。

焼入れ用治具８は、軸心に沿って中空部を有する所定のかさ歯歯車９を焼入れるための焼入れ用治具であり、タワー部８０とプレート部８１とに大別される。

タワー部８０の外周部分は、かさ歯歯車９の中空部の内面の近くで軸方向に略沿って配置された３本のコの字状を呈する第１の棒状物８０１の軸部８０１ａ（棒状部材）により形成され、長手方向の両端部を、第１の棒状物８０１の折り曲げ部８０１ｂと、当該折り曲げ部８０１ｂの端部が接合される第１の接合部８０２および第２の接合部８０３と、により形成される。なお、隣り合う第１の棒状物８０１の間の角度は、１２０°である。

第１の接合部８０２には、凹部８０２ａが設けられ、また、第２の接合部８０３には、断面形状が凹部８０２ａと同一とされた凸部８０３ａが設けられている。

また、各第１の棒状物８０１には、かさ歯歯車９の中空部に挿入可能な形状を呈し、中央部に穴８０４ａが設けられる２枚の板８０４（板）が接合されており、各板８０４は、第１の接合部８０２の方へ凸形状を呈している。この凸形状の傾斜角度は所定の値とされるが、説明の便宜のため後述することとする。

プレート部８１は、中心部に、第２の接合部８０３の凸部８０３ａに嵌合可能である凹部８１０ａを有する第３の接合部８１０が設けられ、第３の接合部８１０から、４本の第２の棒状物８１１が放射状に伸延され、伸延方向の端部が、枠８１２に接合されている。

上記の構成を有する焼入れ用治具８は、凸部８０３ａと凹部８１０ａとが嵌合することによりプレート部８１とタワー部８０が一体とされて組み立てられる。

焼入れ用治具８が組み立てられ、外周部にかさ歯歯車９が積み重ねられた状態を、図６に示している。組み立てられた状態において、板８０４は、プレート板８１と反対の方へ凸形状を呈することとなり、凸形状に傾斜する角度、すなわち水平面に対する傾斜角度は、かさ歯歯車９の歯部９０のフェース角度よりも、１０度程度上向くこととされる。

上記したように、かさ歯歯車９の冷却にあたり、冷却むらを低減させるためには、かさ歯歯車９の表面近傍に、滑らかな流れさせる整流手段を設けることが必要である。

ここで、積み重ねられたかさ歯歯車９の冷却をするにあたり、歯部９０の表面近傍において、冷却用液体の流れは所定の方向へ向かって流れ得ないことが生じ得る。ここで、当該歯部９０の表面近傍の流れを調整するための整流手段が設けられていない焼入れ用治具を用いた場合について、図５を用いて説明する。なお、図５および以下の説明に示す焼入れ用治具は、第２の実施形態と異なるが、説明の便宜のため、部材名および符号は、図４および上記の説明に示すものと同一とする。また、以下に示す冷却槽は、第１の実施形態と同様、単にかさ歯歯車９および以下に示す焼入れ用治具１０を投入するに足りる容積を有する容器である。また、冷却用液体は油である。

図５は、整流手段が設けられていない焼入れ用治具１０の外周部に積み上げられたかさ歯歯車９が、冷却槽内に投入された状態を示す斜視図である。

焼入れ用治具１０の構成は、焼入れ用治具８の板８０４に代えて、かさ歯歯車９を支持する第１の棒状物の軸部を補強するために、軸部８０１ａに接合される補強部１００が設けられている以外は、焼入れ用治具８と同じである。

図に示す状態において、各かさ歯歯車９における歯部９０は、上に位置する他のかさ歯歯車９の底面９１との間のすき間２００に介在する油により冷却される。

また、高温状態にあるかさ歯歯車９を、冷却槽内に投入すると、各かさ歯歯車９の表面近傍の油は沸騰されて鉛直上方に向かって上昇流が発生する。各かさ歯歯車９の表面近傍より発生した上昇流は、積み上げられたかさ歯歯車９の外側の上昇流Ｅと、中空部とに生じる上昇流Ｆとの２つの大きな上昇流に集約される。

歯部９０の表面近傍の領域、すなわち、すき間２００は、この２つの大きな上昇流の流れの延長から外れるために、すきま２００における油の流れは、所定の方向に流れるように方向付けられたものではない。これにより、歯部９０は、冷却ムラが生じ得て、品質が低下されることが生じ得る。

このため、すきま２００における油の流れを調整するための整流手段として板８０４を焼入れ用治具８に設けている。

以下に、第２の実施形態における焼入れ用治具８の作用について述べる。

図６は、焼入れ用治具８の外周部に積み上げられたかさ歯歯車９が冷却槽内に投入された状態を示す斜視図である。

焼入れ用治具８により積み上げられたかさ歯歯車９を冷却槽内に投入すると、上記と同じく、沸騰により油の上昇流が生じるが、中空部に生じる上昇流Ｆは、流通路中に存在する穴８０４ａにより、流路断面が部分的に絞られて、速度が高められることとなる。このように、上昇流Ｆの流速が高められると、かさ歯歯車９の中空部と外側部との間に圧力差が生じるため、外側部の油は、中空部へ吸引されて、すき間２００に、流れＧを生じさせる。

また、板８０４は、プレート部８１と反対側へ向かって凸形状を呈している、すなわち上昇流Ｆの下流方向へ凸形状を呈していることから、上昇流Ｆの流れを穴８０４ａに集約させることにより、速度が高められることを助長するとともに、板８０４が呈する凸形状の傾斜角は、歯部９０のフェース角度よりも１０°程度上向いていることにより、すきま２００に流れ込む油の流れは、歯部９０のフェースの傾斜に略沿った方向に向かうこととなる。

以上により、歯部９０の全周にわたる表面近傍の油は、所定の方向に滑らかに流されることとなる。

焼入れ用治具８の効果について述べる。

かさ歯歯車９の歯部９０の表面近傍における流れを、所定の方向へ向かわせることにより、かさ歯歯車９は、冷却が均一とされ、品質が向上する。

また、かさ歯歯車９の表面近傍を流れる油の速度が高められることから、冷却時蒸気膜段階の時間が短くなり、焼入強烈度が向上する。このため、焼入硬さが確保しやすい。

また、凹部８０２ａと凸部８０３ａとの断面形状が同一であることにより、他の焼入れ用治具８のタワー部８０を、さらに積み上げることが可能であることから、１ロッドにおけるかさ歯歯車９の冷却処理枚数の向上が図られる。

なお、上記に示した冷却槽は、例えば、アジテータなどを用いて人為的に冷却槽内に流れを生じさせるものとすることも可能である。

本発明は、上記の実施形態のみに限定されず、特許請求の範囲内において、種々改変することができる。

本発明の第１の実施形態における焼入れ用治具が歯車に対してセットされた状態を示す斜視図である。 整流手段が設けられていない焼入れ用治具にセットされた歯車が冷却槽内に投入された状態を示す概略図である。 焼入れ用治具にセットされた歯車が冷却槽内に投入された状態を示す概略図である。 本発明の第２の実施形態における焼入れ用治具の斜視図である。 整流手段が設けられていない焼入れ用治具の外周部に積み上げられたかさ歯歯車が、冷却槽内に投入された状態を示す斜視図である。 焼入れ用治具の外周部に積み上げられたかさ歯歯車が冷却槽内に投入された状態を示す斜視図である。

符号の説明

１，８ 焼入れ用治具、
２，３ 整流部（整流手段）、
４ 歯車（被処理物）、
９ かさ歯歯車（被処理物）、
８０１ａ 軸部（棒状部材）、
８０４ 板（整流手段）。

Claims (10)

1. 冷却用液体を収容した冷却槽内に焼入れのために投入された被処理物の表面近傍に生じる前記冷却用液体の流れのうちの少なくとも一部を調整するための整流手段を有することを特徴とする焼入れ用治具。
2. 前記被処理物は、軸心に沿って中空部を有するかさ歯歯車であって、
   前記整流手段は、前記冷却槽内に投入された前記かさ歯歯車の中空部を通過する冷却用液体の流れの速度を高めることを特徴とする請求項１に記載の焼入れ用治具。
3. 前記かさ歯歯車の中空部内に略軸方向に沿って配置され得る複数の棒状部材が設けられ、
   前記整流手段は、前記各棒状部材に接合され、前記はす歯歯車の中空部に挿入可能な中央部に穴が設けられた板を有することを特徴とする請求項２に記載の焼入れ用治具。
4. 前記板は、複数設けられていることを特徴とする請求項３に記載の焼入れ用治具。
5. 前記板は、前記冷却槽内に投入された前記かさ歯歯車の中空部を通過する冷却用液体の流れの下流方向に凸形状を呈することを特徴とする請求項３または４に記載の焼入れ用治具。
6. 前記被処理物は、軸方向の一方から他方に拡径する形状を有し、
   前記整流手段は、軸方向の一方から他方に前記被処理物が拡径する割合と略同一の割合で拡径する形状を有し、
   前記整流手段の大径側の端面は、前記被処理物の小径側の端面と略同一形状に形成されるとともに、前記被処理物の小径側の端面に対向し得ることを特徴とする請求項１に記載の焼入れ用治具。
7. 前記被処理物は、軸方向の一方から他方に拡径する形状を呈し、
   前記整流手段の端面は、前記被処理物の大径側の端面と略同一形状に形成されるとともに、前記被処理物の大径側の端面に対向し得ることを特徴とする請求項１に記載の焼入れ用治具。
8. 前記被処理物は側面に歯部が設けられる歯車であって、
   前記整流手段は、側面に、前記歯車の歯部と、歯筋方向が略平行である歯部が設けられることを特徴とする請求項６に記載の焼入れ用治具。
9. 冷却用液体を収容した冷却槽内に焼入れのために投入された被処理物の表面近傍に生じる前記冷却用液体の流れのうちの少なくとも一部を調整する整流段階を有する焼入れ方法であって、
   前記被処理物は、軸心に沿って中空部を有するかさ歯歯車であり、
   前記整流段階は、前記冷却槽内に投入された前記かさ歯歯車の中空部を通過する冷却用液体の流れの速度を高める段階であることを特徴とする焼入れ方法。
10. 冷却用液体を収容した冷却槽内に焼入れのために投入された被処理物の表面近傍に生じる前記冷却用液体の流れのうちの少なくとも一部を調整する整流段階を有する焼入れ方法であって、
    前記被処理物は、軸方向の一方から他方に拡径する形状を有し、
    前記整流段階は、軸方向の一方から他方に前記被処理物が拡径する割合と略同一の割合で拡径する形状を有し大径側の端面が前記被処理物の小径側の端面と略同一形状に形成された整流手段を、前記被処理物の小径側の端面に対向させる段階であることを特徴とする焼入れ方法。

Images