JP2006216238A - 軸部材又は円筒部材の誘導加熱コイル及び加熱方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 溝を有する部材を溝底まで加熱できる加熱コイルと加熱方法
【解決手段】 段部の付け根に盗み溝Ｒａ，Ｒｂを有する段付き円筒部材Ｗ３の誘導加熱において、大径部の外周Ｄ１ａとその側面Ｆａ，Ｆｂと小径部の外周Ｄ２ａ，Ｄ３ａとに対向する直線導体１−７からなる擬似Ω型の導体を、被加熱部材Ｗの大径部に跨がせて平行に２個を配設し、該２個の擬似Ω型導体の足端同士を連結して回路を形成させ、盗み溝Ｒａ，Ｒｂに対向する導体の角部に突起１２を設け、その裏側に相当する部分に切り込み溝１３を設けた誘導加熱コイルを用いて、段付き円筒部材を回転しながらその大小径部表面と大径部側面とともに段部付け根の盗み溝の底まで加熱する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、例えば大型ベアリングのインナーレースなどのような段付き円筒部材の表面とともに段部付け根の盗み溝の底まで加熱焼入れする誘導加熱コイル及び加熱方法に関するものである。

円周溝を有する軸部材や円筒部材の外周を通常の円筒コイルを用いて誘導加熱すると、溝部の底までは温度が上がらず焼入れした場合、溝部に焼入れ硬さが得られないという問題点がある。

また、段付き軸部材又は円筒部材の誘導加熱焼入れの際に、大小径部の表面と大径部の両側面を同時に加熱焼入れするには複雑な形状のコイルが使用されてきた。さらに、その段部付け根に盗み溝が設けられ、その盗み溝の底まで焼入れが要求される場合がある。しかし、通常の加熱コイルで加熱しても盗み溝の底部までは温度が上がらないために溝部の焼入れができないという問題点がある。

また、肉厚に大小の差がある円筒部材や、中心にめくら孔を有する軸部材など外周を通常の円筒コイルを用いて誘導加熱焼入れすると、円筒部材の肉厚の大きい部分や軸部材の孔のない部分などの熱容量の大きい部分が肉厚の小さい部分や軸材の孔を有する部分などの熱容量の小さい部分に比して加熱深度が浅くなり、この部分の焼入れ層が薄くなるという問題点がある。
そして、これらを解決した発明の公知例は見当たらない。

そこで本発明は、上記問題点を解決した誘導加熱コイルと誘導加熱方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の軸部材又は円筒部材の誘導加熱コイルは、溝を有する軸部材又は円筒部材を加熱する誘導加熱コイルにおいて、該被加熱部材の溝部に対応する部分に突起が設けられ、その裏側に相当する部分に切り込み溝が設けられた導体を有し、該被加熱部材の表面と溝部とを加熱することを特徴とするものである。

また本発明の段付き軸部材又は円筒部材の誘導加熱コイルは、大径部と両端の小径部を有する段付き軸部材又は円筒部材の誘導加熱コイルにおいて、擬似Ω字型の頭部が前記被加熱部材の大径部の外周面の軸方向に対向し、両側部が大径部の両側面に沿って軸に直交方向に対向し、両足部が小径部の外周面の軸方向に対向する直線導体からなる擬似Ω型導体を前記被加熱部材の大径部に跨がせて平行に２個を配設し、該２個の擬似Ω型導体の足端部同士を連結して回路を形成させて大小径部表面と大径部側面とを加熱することを特徴とするものである。
ここで擬似Ω型の「両側部が大径部の両側面に沿って軸に直交方向に対向し、」とは、軸に直角方向のみでなく、大径部の側面が傾斜をなす場合はその傾斜に沿う方向をも含むものである。

前記段付き軸部材又は円筒部材が段部付け根に盗み溝を有する場合において、前記誘導加熱コイルの該盗み溝に対応する導体の角部に突起が設けられ、その裏側に相当する部分に切り込み溝が設けられることにより、前記盗み溝の底まで加熱することができる。

本発明の段付き軸部材又は円筒部材の誘導加熱方法は、大径部と両端の小径部の段部の付け根に盗み溝を有する段付き軸部材又は円筒部材の誘導加熱において、擬似Ω字型の頭部が前記段部の大径部の外周面の軸方向に対向し、両側部が大径部の両側面に沿って軸に直交方向に対向し、両足部が小径部の外周面の軸方向に対向する直線導体からなる擬似Ω型誘導体を前記被加熱部材の大径部に跨がせて平行に２個を配設し、該２個の擬似Ω型誘導体の足端部同士を連結して回路を形成させ、該導体の前記盗み溝に対応する角部に突起が設けられ、その裏側に相当する部分に切り込み溝が設けられた誘導加熱コイルを用いて、前記段付き軸部材又は円筒部材を回転しながらその大小径部表面と大径部側面と段部付け根の盗み溝とを加熱することを特徴とするものである。

前記本発明の段付き軸部材又は円筒部材の誘導加熱方法は、大型ベアリングの段付きインナーレースのレース面と段部盗み溝とを加熱するのに適するものである。

また、本発明の円筒部材の誘導加熱コイルは、肉厚に大小の差がある円筒部材の表面を加熱する誘導加熱コイルにおいて、該加熱コイルの肉厚の大きい部分の加熱面に対向する導体の対向面の裏側部分にくびれを設けて、被加熱円筒部材の全長に均一な加熱層を得ることを特徴とするものである。

本発明の軸部材又は円筒部材の誘導加熱コイルと加熱方法によれば、従来の加熱コイルでは困難であった溝を有する軸部材等や段部に盗み溝を有する段付き部材などの溝部の底まで加熱できる。とくに、段付け根溝部の底まで焼入れを要求される大型ベアリングの段付きインナーレースのレース面と段部盗み溝との焼入れを可能にし、そのコスト低減に寄与する。また、肉厚に大小の差がある円筒部材の全長表面を均一に加熱することができるので誘導加熱の用途が拡大する。

［第１実施形態］
第１実施形態は、図１に示す円周溝を有する軸部材（以下ワークＷ１という）を誘導加熱焼入れするものである。図１（ａ）は本発明の円筒加熱コイル、図１（ｂ）は従来の円筒加熱コイルの断面図である。図のような円周溝を有するワークを焼入れする場合、従来は図１（ｂ）のような円筒コイル２０´が使用された。しかし、このような加熱コイルでは表面ｈは加熱されるが溝部ｍが加熱されず、図１（ｂ）に破線で示すように円周溝ｍの底部が焼入れできないという問題点がある。

そこで本発明は、図１（ａ）のように円筒コイル２０のワークＷ１の円周溝ｍに対応する内周部分に円周突起２１を設けその裏側外周に円周切り込み溝２２を設けたものである。こうすると、高周波電流の表皮効果と突出部の近接効果によって磁束が溝部に集中するので、このコイルを用いてワークを回転しながら加熱して焼入れすることにより、図１（ａ）に破線で示すように溝部の底まで加熱焼入れできる。

図１の深さ５ｍｍ、幅６ｍｍの円周溝が設けられた軸部材を本発明と従来のコイルとを用いて加熱焼入れした結果を表１に示す。表１に示すように、本発明のコイルと比較例の従来のコイルのいずれにおいても表面部は同等の深さと硬さの焼入れ層が得られた。しかし、溝底部においては、比較例の従来の加熱コイルを使用した場合、焼入れ層深さは２．５ｍｍが得られたが、加熱温度が低くトルースタイト組織が残り焼入れ硬さがＨＲＣ５６程度となり適正な焼入れ硬化層が得られなかった。これに対して本発明のコイルでは、溝底部においても３．５〜３．６ｍｍの焼入れ層深さが得られ、加熱温度も焼入れ温度に達してトルースタイト組織の生成が防止され、焼入れ硬さがＨＲＣ６０の適正な焼入れ硬化層が得られた。

図２は前記のワークを円筒コイルでなく直線型導体３０のコイルを使用して加熱する実施形態の図である。この場合も前記同様に直線導体３０に突起３１と切り込み溝３２を設けた直線コイルを使用し、ワークを回転しながら加熱焼入れすることにより、円周表面とともに円周溝の底まで加熱焼入れができる。
上記は円周溝を有する軸体のワークの加熱について述べたが、本発明は円周の溝でなく一部切欠き溝を有する軸体の場合にも応用できる。

［第２実施形態］
第２実施形態は図３に示す段付き円筒部材の加熱に関するものである。図３は段付き円筒部材である内歯付きベアリングのインナーレースの断面から見た加熱コイルの正面図、図４は図３のＸ−Ｘ視断面図、図５は加熱コイルの形状と配設状態を示す斜視図である。なお、図５の円内は実施形態３の盗み溝部の局部拡大図である。

第２実施形態の被加熱インナーレース（以下ワークＷ２という）は、図３に断面を示すように、直径Ｄ１で幅Ｔの大径部の両端に直径Ｄ２及びＤ３の小径部を有する内径ｄのリング体であり、大径部の外周Ｄ１ａと両側面Ｆａ及びＦｂと両端小径部の表面Ｄ２ａ及びＤ３ａを加熱焼入れするコイルに関するものである。

加熱コイルは、図３、図５に示すように正面の形状が擬似Ω字型をなした２連の導体の足部を連結して形成されている。この擬似Ω字型導体は、擬似Ω字の頭部３がワークの大径部の外周面Ｄ１ａに軸方向に対向し、擬似Ω字の両側部がワークの大径部の両側面Ｆａ，Ｆｂに軸に直交方向に対向し、両足部１、５が両端の小径部の外周面Ｄ２ａ，Ｄ３ａにそれぞれ軸方向に対向する直線導体からなっている。そして、この擬似Ω字型導体の２個を平行にしてワークの大径部に跨がせて一方の擬似Ω字型導体の両足部１、５を他方の両足部１´、５´と接続し、他方の擬似Ω字型導体の導体２´と３´の一端から電源に接続する端子８、９が引き出されている。また、大径部外周の角部の加熱を防止するために導体２と３及び導体３と４の接続部は角部を逃げた円弧導体２ａ及び４ａ（図３では簡略）により連結される。これにより端子８から導入される電流は端子８−円弧導体２´ａ−導体２´−１´−６−１−２−円弧導体２ａ−導体３−円弧導体４ａ−４−５−７−５´−４´−円弧導体４´ａ−３´−円弧導体２´ａ−端子９に流れて回路を形成する。

上記構成の加熱コイルを図５に示すようにワークの大径部に跨がせて配設し、ワークを回転しながら図示しない電源により加熱コイルに電力を付加すると、大径部の外周面Ｄ１ａ，大径部の両側面Ｆａ，Ｆｂ，及び小径部の外周面Ｄ２ａ，Ｄ３ａが加熱され、加熱後冷却することにより焼入れされる。これにより、一つのコイルで段付き円筒部材の全外周を加熱焼入れすることができる。

［第３実施形態］
第３実施形態のワークとコイル形状を図６に示す。第３実施形態のワークＷ３の形状も第２実施形態とほぼ同じであるが、大径部と小径部の付け根にそれぞれ盗み溝Ｒａ，Ｒｂが設けられている点で異なり、第３実施形態は上記第２実施形態の外周面加熱だけでなく盗み溝Ｒａ，Ｒｂの底まで加熱焼入れが要求されるものである。

図６の段部に盗み溝Ｒａ，Ｒｂを有するワークＷ３を加熱する場合に、前記第２実施形態の加熱コイルを使用して加熱しても、全表面は加熱焼入れできるが、盗み溝Ｒａ，Ｒｂの底は加熱されず温度が上がらないために溝底部の焼入れ硬さが得られないという問題が生ずる。すなわち、段付き円筒部材の段部に盗み溝のない場合、あるいは盗み溝は加熱しない場合には、前記第２実施形態の加熱コイルでよいが、図６の第３実施形態のように盗み溝Ｒａ，Ｒｂを有し、この盗み溝Ｒａ，Ｒｂの底まで焼入れを要求される場合には目的が達成できない。そこで、第３実施形態は盗み溝の底まで加熱焼入れすることを図ったものである。

図６の第３実施形態の加熱コイルは回路構成として図３のコイルと同じであるが、導体１と２及び４と５の接続部の角にそれぞれ、盗み溝Ｒａ，Ｒｂに対応する突起１０，１２が設けられている。そして、コイルの突起の裏側に切り込み溝１１，１３がそれぞれ設けられている。この突起と切り込み溝の形状・大きさは実験的に定められる。

上記構成の加熱コイルを図５に示すようにワークの大径部に跨がせて配設し、ワークを回転しながら図示しない電源により加熱コイルに電力を付加すると、大径部の外周面Ｄ１ａ，大径部の両側面Ｆａ，Ｆｂ，及び小径部の外周面Ｄ２ａ，Ｄ３ａとともに、盗み溝の底まで加熱され、加熱後冷却することにより盗み溝の底まで焼入れされる。

前記図３と図６の第２実施形態と第３実施形態のコイルを使用し、図６に示す形状の大径部外径Ｄ１＝２，６６０ｍｍφ，小径部外径Ｄ２＝２，６００ｍｍφ、小径部外径Ｄ３＝２，６２０ｍｍφ、大径部幅Ｔ＝５３ｍｍで盗み溝Ｒａ，Ｒｂの溝半径ｒ＝４ｍｍのワークを加熱焼入れして比較試験した。第３実施形態の加熱コイルは、コイルの突起高さを２ｍｍ、切り込み溝を幅１ｍｍ×深さ４ｍｍとした。

上記のワークを加熱焼入れした後切断して、図７に示す断面位置で焼入れ硬さと硬化層深さを測定した。実験結果を表２に示す。第２実施形態のコイルの場合も、表２に示すように各部の表面の硬さは約ＨＲＣ５９、焼入れ硬化深さは約７ｍｍと均一に良好な数値が得られた。しかし、盗み溝Ｒａ，Ｒｂの部分の温度が上がらず、焼入れ層は２．０〜２．５ｍｍであったがトルースタイトが残留して焼入れ硬さもＨＲＣ５６〜５８と低く結晶粒度も規格外であった。

これに対し、第３実施形態の突起部を設けたコイルを使用した場合は、盗み溝の部分も温度が上がって焼入れ層は完全なマルテンサイトになり、焼入れ硬さも約ＨＲＣ５９で表面と同様で、硬化層深さも３．５ｍｍ以上が得られた。図８はエッチングした硬化層深さを示す写真である。この写真から盗み溝の硬化層深さがよく認められる。

すなわち、段付き円筒部材の段部に盗み溝のない場合、あるいは盗み溝は加熱しない場合は、前記第２実施形態の加熱コイルが有効である。一方、盗み溝Ｒａ，Ｒｂを有する円と部材で、盗み溝Ｒａ，Ｒｂの底まで焼入れする場合には第３実施形態の加熱コイルが有効であることが判った。

［第４実施形態］
第４実施形態を図９に示す。第４実施形態は図に示すように両端からめくら孔Ｂを穿孔した軸部材Ｗ３を加熱焼入れする場合である。このような肉厚に差がある軸材を従来の円筒コイルにより加熱すると、熱容量の差により中央の孔のない肉厚が厚い部は両側の孔を有する部分より焼入れ硬化深さが浅くなる。本発明は肉厚の厚い中央部分に対応する加熱コイル４０の位置の加熱面の裏側にくびれ４１を設けたものである。これにより、くびれ部分の磁束密度が大きくなるので全長に沿って均一な焼入れ硬化深さが得られる。なお、図９はめくら孔の軸材の例であるが、孔の貫通した管材の場合も肉厚に変動がある場合に適用できる。

以上述べたように、本発明実施形態の軸部材又は円筒部材の誘導加熱コイルによれば、溝を有する部材の誘導加熱においても、加熱コイルの溝部に対応する部分に突起を設け、その裏側に相当する部分に切り込み溝を設けることにより部材の表面と同様に溝部を底まで加熱することができる。

また、段の付け根に盗み溝を有する段付き軸部材等の誘導加熱においても、擬似Ω字型の頭部が大径部に対向し、両側部が大径部の両側面に対向し、両足部が小径部に対向する直線体からなる擬似Ω型導体の２個を、被加熱部材の大径部に跨がらせて配設し、その擬似Ω型導体の足部同士を連結して回路を形成させ、段の盗み溝に対向する部分に突起を設け、その裏側に相当する部分に切り込み溝を設けた誘導加熱コイルを用いて、段付き軸部材等を回転しながら加熱することにより表面の加熱とともに段部付け根の盗み溝の底まで加熱焼入れすることができる。

これにより、大型ベアリングの段付きインナーレースの場合、レース面と段部盗み溝とが加熱焼入れできる。また、肉厚に大小の差がある円筒部材の誘導加熱コイルにおいても、加熱コイルの肉厚の大きい部分に対応する加熱面の裏側部分にくびれを設けることにより、被加熱円筒部材の全長に均一な加熱層を得ることができる。

以上説明したように、本発明の加熱コイルと加熱方法によれば溝を有する被加熱部材の溝底まで容易に加熱焼入れすることができるので、誘導加熱の範囲を拡大して産業の発達に貢献できる。

本発明第１実施形態の円周溝を有する軸部材の円筒加熱コイルの断面図である。 本発明第１実施形態の円周溝を有する軸部材の直線導体加熱コイルの正面図である。 本発明第２実施形態の誘導加熱コイルとワークの断面図である。 図３のＸ−Ｘ矢視断面図である。 本発明第２実施形態の誘導加熱コイルの配置を説明する図である。 本発明第３実施形態の誘導加熱コイルとワークの断面図である。 本発明第３実施形態の試験結果の測定断面を示す図である。 本発明第３実施形態の試験結果の焼入れ層を示す図である。 本発明第４実施形態の誘導加熱コイルとワークの断面図である。

符号の説明

１、２、３、４、５、６、７ 導体、８、９ リード部、１０、１２ 突起、１１、１３ 切り込み、２０ 円筒コイル、２１ 突起、２２ 切り込み、３０ 直線導体コイル、３１ 突起、３２ 切り込み、４０ 円筒コイル、４１ くびれ、Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３ ワーク（円筒部材）、

Claims (6)

1. 溝を有する軸部材又は円筒部材を加熱する誘導加熱コイルにおいて、該被加熱部材の溝部に対応する部分に突起が設けられ、その裏側に相当する部分に切り込み溝が設けられた導体を有し、該被加熱部材の表面と溝部とを加熱することを特徴とする軸部材又は円筒部材の誘導加熱コイル。
2. 大径部と両端の小径部を有する段付き軸部材又は円筒部材の誘導加熱コイルにおいて、擬似Ω字型の頭部が前記被加熱部材の大径部の外周面の軸方向に対向し、両側部が大径部の両側面に沿って軸に直交方向に対向し、両足部が小径部の外周面の軸方向に対向する直線導体からなる擬似Ω型導体を、前記被加熱部材の大径部に跨がせて平行に２個を配設し、該２個の擬似Ω型導体の足端部同士を連結して回路を形成させて大小径部表面と大径部側面とを加熱することを特徴とする段付き軸部材又は円筒部材の誘導加熱コイル。
3. 前記段付き軸部材又は円筒部材が段部付け根に盗み溝を有する場合において、前記誘導加熱コイルの該盗み溝に対応する導体の角部に突起が設けられ、その裏側に相当する部分に切り込み溝が設けられた前記盗み溝まで加熱することを特徴とする請求項２に記載の段付き軸部材又は円筒部材の誘導加熱コイル。
4. 大径部と両端の小径部の段部の付け根に盗み溝を有する段付き軸部材又は円筒部材の誘導加熱において、擬似Ω字型の頭部が前記段部の大径部の外周面の軸方向に対向し、両側部が大径部の両側面に沿って軸に直交方向に対向し、両足部が小径部の外周面の軸方向に対向する直線導体からなる擬似Ω型誘導体を、前記被加熱部材の大径部に跨がせて平行に２個を配設し、該２個の擬似Ω型誘導体の足端部同士を連結して回路を形成させ、該導体の前記盗み溝に対応する角部に突起が設けられ、その裏側に相当する部分に切り込み溝が設けられた誘導加熱コイルを用いて、前記段付き軸部材又は円筒部材を回転しながらその大小径部表面と大径部側面と段部付け根の盗み溝とを加熱することを特徴とする段付き軸部材又は円筒部材の誘導加熱方法。
5. 前記段付き円筒部材は大型ベアリングの段付きインナーレースであることを特徴とする請求項４に記載のインナーレースの誘導加熱方法。
6. 肉厚に大小の差がある円筒部材の表面を加熱する誘導加熱コイルにおいて、該加熱コイルの肉厚の大きい部分の加熱面に対向する導体の対向面の裏側部分にくびれを設けて、被加熱円筒部材の全長に均一な加熱層を得ることを特徴とする円筒部材の誘導加熱コイル。
   

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