JP2007138222A - リング状品の型焼入れ方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱変形が少なく、またサイズの異なる複数種に適用でき、拘束型の変形や劣化が少ない型焼入れ方法および装置を提供する。
【解決手段】型焼入れ法は、リング状品１０を加熱する加熱過程と、焼入れ開始温度からマルテンサイト変態点付近まで、型拘束しないで冷却する一次冷却過程と、マルテンサイト変態点よりも低い焼入れ終了温度まで、外周縁および内周縁のうち一方の周縁に軸方向に離れるに従って他方の周縁側に近づくように傾く拘束型１１，１２を押し当てた状態で冷却する二次冷却過程とを含む。型焼入れ装置は、加熱部、一次冷却部および二次冷却部を備える。二次冷却部は、両面が上下を向いたリング状品１０の上側面の周縁に押し当てるように拘束型１１を保持する上型保持手段と、同リング状品１０の下側面の周縁に押し当てるように拘束型１２を保持する下型保持手段と、上型・下型両保持手段の中心を同心に維持する同心維持手段とを有する。
【選択図】図２

Description

この発明は、拘束型を用いて軸受軌道輪等のリング状品を焼入れするリング状品の型焼入れ方法および装置に関する。

軸受の軌道輪等のようなリング状品を焼入れする際、熱変形の防止や真円度の調整のために、図１１に示すように、リング状品１０を円筒状の拘束型１３に入れて冷却することが行われている。詳しくは、リング状品１０を焼入れ温度（８５０℃程度）まで加熱した後、マルテンサイト変態点（２３０℃）付近の温度までは型拘束しない状態で冷却し、同温度まで低下した時点でリング状品１０を拘束型１３に入れ、その状態のまま一定温度（１１０℃程度）まで冷却し、同温度まで冷却したなら拘束型１３からリング状品１０を取り出し、その後は常温まで自然冷却させる。
このような冷却の仕方をする理由は、図１２のグラフによって説明することができる。すなわち、ＳＵＪ材等の軸受鋼は、焼入れ温度まで加熱した後、急速冷却した場合、マルテンサイト変態点Ｍｓまでは収縮するが、マルテンサイト変態点Ｍｓ以下になると膨張するという特徴がある。したがって、マルテンサイト変態点Ｍｓ付近でリング状品を型拘束することにより、それ以下に冷却されるのに伴ってリング状品が膨張して拘束型に押し付けられて、拘束型の形状と同一になるよう塑性変形する。このため、熱変形の少ない所定の形状および寸法が得られるのである。

しかし、上記方法で焼入れした場合、リング状品は膨張して拘束型にぴったりと嵌っているため、焼入れ終了後に拘束型からリング状品を分離して取り出すのが容易ではない。実際には、リング状品をパンチで軸方向の打撃を加えて拘束型から取り出すようにしているが、この作業は手間のかかるものである。また、径方向に完全に拘束されているため、型焼入れ時にリング状品に内部歪みが生じ、それが端面部の反り（図１１にＡで示す）となって現れやすい。

そこで、拘束型として軸方向に長い縦型円筒状のものを用い、この縦型円筒状の拘束型に対して上側から順にリング状品を押し込み、それによって型内のリング状品が下側から順に押し出されるようにし、型内に滞留している間にリング状品が冷却される構成とする提案が特許文献１に記載されている。この構成とすれば、拘束型からリング状品を取り出す作業が不要で、リング状品の焼入れと取り出しを連続して行うことができる。また、径方向の拘束が緩やかであるので、端面部の反りも現れにくい。

また、他の試案として、拘束型の有効径を変更可能とし、型拘束して焼入れした後に拘束型の有効径を広げることにより、リング状品を拘束型から容易に取り出せるようにすることが考えられている。
特開平０９−１７６７４０号公報

しかし、特許文献１の提案例は、拘束型とリング状品との摩擦力によってリング状品が型内に保持されるようになっているため、大きなリング状品の場合は自重で拘束型から落下してしまう可能性がある。また、拘束型へのリング状品の押し込みと取り出しが連続して行われるため、少量生産のリング状品の製造には不向きである。したがって、この提案例は、大量に生産する比較的小さなリング状品という特殊な条件の場合にだけ適用することができ、リング状品全般の焼入れに適用できるものではない。

一方、前記試案の場合は、拘束型の有効径を変更するための機構を必要とし、また型焼入れ中に拘束型の有効径が変更してしまわないように圧力をかけておく必要があり、この圧力として数１０トンないし１００トンを超える荷重負荷が必要なため、装置が大型化するとともに、運転コストが高くなることが考えられる。

この発明の目的は、比較的簡単な作業手順および構成でありながら、熱変形が少なく、かつ真円度等につき精度の良い型焼入れを行うことができ、またサイズの異なる複数種のリング状品に適用でき、さらに熱による拘束型の変形や劣化が少ないリング状品の型焼入れ方法および装置を提供することである。

リング状品を焼入れ開始温度まで加熱する加熱過程と、焼入れ開始温度からマルテンサイト変態点付近まで、リング状品を型拘束しないで一次冷却する一次冷却過程と、マルテンサイト変態点付近からマルテンサイト変態点よりも低い焼入れ終了温度まで、リング状品の両面における外周縁および内周縁のうちの一方の周縁に、リング状品から軸方向に離れるに従って他方の周縁側に近づくように傾く拘束型を押し当てた状態で二次冷却する二次冷却過程とを含むことを特徴とする。

この方法によると、二次冷却過程において、マルテンサイト変態点付近からマルテンサイト変態点よりも低い焼入れ終了温度までリング状品を冷却する際に、リング状品の周縁に上記のように接触面が傾いた拘束型が押し当てられるため、リング状品は、軸方向への伸びおよび径方向への拡張を拘束された状態で冷却されることとなり、両方向への熱変形が抑えられて、真円度および平坦度につき精度良く焼入れが行われる。ただし、両方向への変形を完全に拘束しているのではなく、若干の変形は許容しているため、内部歪み等が生じにくく、端面部の反りも少ない。焼入れ終了後、上下の拘束型を互いに離間させるだけで、拘束型からリング状品を簡単に取り出すことができる。
この型焼入れ方法は、リング状品の周縁を拘束型の接触面により線で拘束するものであるため、拘束型の接触面のいずれかの部分をリング状品の周縁に押し当てることができれば良い。したがって、拘束型の接触面の範囲内であれば、サイズの異なる複数種のリング状品に使用することができる。
拘束型をリング状品に押し当てる圧力は、拘束状態を維持できる程度あればよく、さほど大きくする必要がない。このため、拘束型および拘束型を支持する部材の自重を前記圧力として利用することができ、拘束型をリング状品に押し当てる機構を簡略なものとすることができる。
拘束型は全体の冷却過程における二次冷却過程という比較的低温域でのみ用いられるため、拘束型が熱により変形や劣化することが少ない。また、拘束型とリング状品とが線で接触するため、拘束型がリング状品からの熱の影響を受けにくい。これらのことから、拘束型の耐久性が良い。

前記拘束型は一体のリング状のものとすることができる。拘束型が一体のリング状であると、拘束型の取扱が容易である。
また、前記リング状品は軸受の軌道輪とすることができる。

この発明のリング状品の型焼入れ方法における二次冷却過程で、リング状品の両面における外周縁に拘束型を押し当てる場合に用いる拘束型は、外周縁に押し当てられる面が、リング状品から軸方向に離れるに従ってリング状品の内周縁側に近づくように傾いているものとする。また、リング状品の両面における内周縁に拘束型を押し当てる場合に用いる拘束型は、内周縁に押し当てられる面が、リング状品から軸方向に離れるに従ってリング状品の外周縁側に近づくように傾いているものとする。

また、この発明のリング状品の型焼入れ装置は、リング状品を焼入れ開始温度まで加熱する加熱部と、この加熱部によって加熱されたリング状品を、焼入れ開始温度からマルテンサイト変態点付近まで、型拘束しないで一次冷却する一次冷却部と、この一次冷却部によって一次冷却されたリング状品を、マルテンサイト変態点付近からマルテンサイト変態点よりも低い焼入れ終了温度まで、リング状品の両面における外周縁および内周縁のうちの一方の周縁に、リング状品から軸方向に離れるに従って他方の周縁側に近づくように傾く拘束型を押し当てた状態で二次冷却する二次冷却部とを備え、前記二次冷却部は、両面が上下を向いたリング状品の上側面の前記周縁に押し当てるように前記拘束型を保持することのできる上型保持手段と、同リング状品の下側面の前記周縁に押し当てるように前記拘束型を保持することのできる下型保持手段と、上型・下型両保持手段の中心を同心に維持する同心維持手段とを有することを特徴とする。

この発明のリング状品の型焼入れ装置によれば、加熱部によってリング状品を焼入れ開始温度まで加熱し、その加熱されたリング状品を、一次冷却部によって、焼入れ開始温度からマルテンサイト変態点付近まで、型拘束しないで一次冷却し、さらに二次冷却部によって、マルテンサイト変態点付近からマルテンサイト変態点よりも低い焼入れ終了温度まで、リング状品の両面における外周縁および内周縁のうちの一方の周縁に、リング状品から軸方向に離れるに従って他方の周縁側に近づくように傾く拘束型を押し当てた状態で二次冷却する。二次冷却部でリング状品を二次冷却する際には、両面が上下を向いたリング状品の上側面の周縁に、上型保持手段に保持された上型を押し当てるとともに、同リング状品の下側面の周縁に、下型保持手段に保持された下型を押し当てる。このとき、同心維持手段により、上型・下型両保持手段の中心を同心に維持する。二次冷却部を上記構成とすることにより、二次冷却過程の作業能率を向上させることができる。

この発明のリング状品の型焼入れ方法は、リング状品を焼入れ開始温度まで加熱する加熱過程と、焼入れ開始温度からマルテンサイト変態点付近まで、リング状品を型拘束しないで一次冷却する一次冷却過程と、マルテンサイト変態点付近からマルテンサイト変態点よりも低い焼入れ終了温度まで、リング状品の両面における外周縁および内周縁のうちの一方の周縁に、リング状品から軸方向に離れるに従って他方の周縁側に近づくように傾く拘束型を押し当てた状態で二次冷却する二次冷却過程とを含むものとしたため、比較的簡単な作業手順でありながら、熱変形が少なく、真円度等の精度の良い型焼入れを行うことができ、またサイズの異なる複数種のリング状品に適用でき、さらに熱による拘束型の変形や劣化が少ない優れた方法となった。
また、この発明のリング状品の型焼入れ装置は、リング状品を焼入れ開始温度まで加熱する加熱部と、この加熱部によって加熱されたリング状品を、焼入れ開始温度からマルテンサイト変態点付近まで、型拘束しないで一次冷却する一次冷却部と、この一次冷却部によって一次冷却されたリング状品を、マルテンサイト変態点付近からマルテンサイト変態点よりも低い焼入れ終了温度まで、リング状品の両面における外周縁および内周縁のうちの一方の周縁に、リング状品から軸方向に離れるに従って他方の周縁側に近づくように傾く拘束型を押し当てた状態で二次冷却する二次冷却部とを備え、前記二次冷却部は、両面が上下を向いたリング状品の上側面の前記周縁に押し当てるように前記拘束型を保持することのできる上型保持手段と、同リング状品の下側面の前記周縁に押し当てるように前記拘束型を保持することのできる下型保持手段と、上型・下型両保持手段の中心を同心に維持する同心維持手段とを有するものとしたため、比較的簡単な構成でありながら、熱変形が少なく、真円度等の精度の良い型焼入れを行うことができ、またサイズの異なる複数種のリング状品に適用でき、さらに熱による拘束型の変形や劣化が少ない優れた装置となった。

この発明の実施形態を図と共に説明する。このリング状品の型焼入れ装置１は、図１に示すように、加熱部２、一次冷却部３、二次冷却部４、空冷部５、洗浄部６および焼戻し部７よりなる。
加熱部２は、加熱炉を用いてリング状品を所定の焼入れ温度（例えば８５０℃）まで加熱する。この過程を加熱過程という。
一次冷却部３は、焼入れ温度まで加熱されたリング状品を、型拘束しない状態のまま油中に浸漬して、マルテンサイト変態点付近（例えば２７０℃）まで一次冷却する。この過程を一次冷却過程という。二次冷却部４は、一次冷却されたリング状品を、拘束型に型入れした状態で油中に浸漬して、一定温度（例えば１１０℃）まで二次冷却する。この過程を二次冷却過程という。
二次冷却過程終了後、リング状品は、空冷部５で常温まで自然冷却され、洗浄部６で洗浄され、焼戻し部７で焼戻し処理される。

この型焼入れ装置１の特徴は、二次冷却過程での型焼入れ方法に有る。その型焼入れ方法とは、リング状品の両面における外周縁および内周縁のうちの一方の周縁に、リング状品から軸方向に離れるに従って他方の周縁側に近づくように傾く拘束型を押し当てた状態で冷却するというものである。ここで、「傾く」というのは、リング状品の周縁と接触する接触面のことであり、拘束型全体の形状や拘束型をリング状品に押し当てるために加圧する方向のことではない。

型焼入れ時におけるリング状品および拘束型の状態を図２に示す。図で符合１０はリング状品であり、この例では軸受の外輪とされている。このリング状品１０の上下両端面の外周縁に、拘束型である上型１１および下型１２が押し当てられている。上型１１および下型１２は、いずれも一体のリング状をしている。拘束型１１，１２のリング状品に対する接触面１１ａ，１２ａは、リング状品１０の外周面１０ａに対して傾斜していて、拘束型１１，１２とリング状品１０とは線で接触する。前記接触面１１ａ，１２ａの角度θは、通常は４５°とされるが、これに限らない。接触面１１ａ，１２ａの角度θの違いにより、型焼入れ時の変形防止効果に若干の違いがある。つまり、角度θが大きい場合は、径方向への変形を防止して真円度を高める効果が大きく、角度θが小さい場合は、反りを抑えて平坦度を高める効果が大きいという傾向がある。

図３はリング状品が軸受の内輪である例を示している。この場合、このリング状品１０の上下両端面の内周縁に、拘束型である上型１１および下型１２が押し当てられる。上記同様に、拘束型１１，１２の接触面１１ａ，１２ａは、リング状品１０の内周面１０ａに対して傾斜していて、拘束型１１，１２とリング状品１０とは線で接触する。

上記のように拘束型をリング状品に押し当てるために、図４に示す型押し当て機構が用いられる。この型押し当て機構２０は、下型取付ベース２１に複数本の昇降ガイド２２が鉛直方向に立設され、この昇降ガイド２２に沿って上型取付ベース２３が摺動自在に設けられている。なお、各昇降ガイド２２の上端は連結板２４により互いに連結されている。上型取付ベース２３は、その下面に上型１１がボルト等により取付けられるものであって、上型保持手段となっている。また、下型取付ベース２１は、その上面に下型１２がボルト等により取付けられるものであって、下型保持手段となっている。上型取付ベース２３には昇降ロッド２６が連結されており、この昇降ロッド２６を図示しない昇降駆動源により上下動させることにより、上型取付ベース２３を昇降ガイド２２に沿って昇降させるようになっている。昇降ガイド２２は、上型・下型両保持手段２３，２１の中心を同心に維持する同心維持手段となっている。

一次冷却部３で一次冷却されたリング状品１０が上型１１と下型１２の間に供給されると、下型１２に対して上型１１が下降してきて、両拘束型１１，１２によりリング状品１０を拘束する。このとき、上型１１の一度の下降動作でリング状品１０を拘束するのではなく、上型１１は、下降してきてリング状品１０に当ると一旦浮上するという動作を数回（例えば3回）繰り返してから、正規にリング状品１０を拘束する。このような動作を行うことにより、リング状品１０が供給された段階では拘束型１１，１２とリング状品１０との間に位置関係のわずかなズレがあった場合でも、そのズレを無くして拘束型１１，１２とリング状品１０とが緊密に接触する状態、いわゆる馴染んだ状態とすることができる。
拘束型１１，１２に拘束されたリング状品１０は、上型１１および上型取付ベース２３の自重で拘束型１１，１２をリング状品１０の上下の外周縁に押し当てる状態で油中に浸漬され、２６０℃程度から１１０℃程度にまで冷却される。

上記方法で型焼入れを行うと、リング状品１０の周縁に、リング状品１０から軸方向に離れるに従って他方の周縁側に近づくように傾く拘束型１１，１２が押し当てられるため、リング状品１０は、軸方向への伸びおよび径方向への拡張を拘束された状態で冷却されることとなり、両方向への熱変形が抑えられて、真円度および平坦度につき精度良く焼入れが行われる。ただし、両方向への変形を完全に拘束しているのではなく、若干の変形は許容しているため、残留歪み等が生じない。焼入れ終了後、上型１１を上昇させて上下両型１１，１２を互いに離間させるだけで、拘束型１１，１２からリング状品１０を簡単に取り出すことができる。

この型焼入れ方法は、リング状品１０の周縁を拘束型１１，１２の接触面により線で拘束するものであるため、拘束型１１，１２の接触面１１ａ，１２ａのいずれかの部分をリング状品の周縁に押し当てることができれば良い。したがって、拘束型１１，１２の接触面１１ａ，１２ａの範囲内であれば、サイズの異なる複数種のリング状品に使用することができる。
拘束型１１，１２をリング状品１０の上下の外周縁に押し当てる圧力は、拘束状態を維持できる程度あればよく、さほど大きな圧力は必要としない。このため、上型１１および上型取付ベース２３の自重を上記圧力として利用することができ、機構が簡略なものとなっている。
拘束型１１，１２は全体の冷却過程における二次冷却過程という比較的低温域でのみ用いられるため、拘束型１１，１２が熱により変形や劣化することが少ない。また、拘束型１１，１２とリング状品１０とが線で接触するため、拘束型１１，１２がリング状品１０からの熱の影響を受けにくい。これらのことから、拘束型１１，１２の耐久性が良い。

この型焼入れ方法による変形量を確かめるためにテストを行った。テストピースは、図５に示す形状および寸法の軸受外輪を使用した。このテストピースを、８４０℃から２３０℃前後まで型拘束しない状態で一次冷却し、その後、型拘束して１００℃前後まで二次冷却した。そして、一次冷却後および二次冷却後の外径を測定した。外径の測定位置は、両面の周縁付近（図５の丸１と丸３）とし、両者の平均値を算出した。そのテスト結果を表示したのが表１、表２で、表１は変形量を表し、表２は型焼入れ後の研削加工における取り代を表している。また、表１のテスト結果をグラフ化したのが図６である。

このテスト結果から、次のことが分かった。
（１）一次冷却後の変形量の平均が０．７mmであったものが、型焼入れを行うことにより０．２mm以下に修正できた。
（２）荷重を３１kgから２０kgに変更しても、変形量の大きさに差がなかった。

また、拘束型の接触面角度θの違いによる変形防止効果の違い効果を確かめるためにテストを行った。テストピースは、図７に示す形状および寸法の軸受外輪を使用した。拘束型としてθ＝４５°のもの、θ＝５５°のもの、θ＝６５°のものの３種類を用意し、それぞれの拘束型について、テストピースを、８４０℃から２３０℃まで型拘束しない状態で一次冷却し、その後拘束型に１１０℃まで二次冷却した。その際、一次冷却については、図８に示すように、テストピースであるリング状品の外径側および内径側から冷却油を噴射して冷却を行い、二次冷却については、図９に示すように、拘束型１１，１２の外周側およびリング状品１０の中空部に下方から冷却油を噴射して冷却を行った。そして、二次冷却後のテストピースの外径について、肉厚が大きい側の周縁付近（図７の丸１）と肉厚が小さい側の周縁付近（図７の丸２）の２箇所を測定した。比較のため、型拘束せずにフリーに焼入れしたものについても、同様に測定した。そのテスト結果を表示したのが表３である。

このテスト結果より次のことが分かった。
（１）変形量は、θ＝４５°の拘束型における肉厚が小さい側の周縁付近が最小で、修正効果が大きい。θ＝５５°、θ＝６５°の拘束型は、θ＝４５°の拘束型に比べ、修正効果がやや劣る。
（２）平均外径不同量は、フリー焼入れより拘束焼入れの方が大きいが、その差は０．１mm以下であり、大差はない。ここで、平均外径不同量とは、テストピース外径における最小径と最大径の差のことである。

この実施の形態では、リング状の拘束型を用いて、リング状品と拘束型とが連続する１本の線で接するようになっているが、図１０に示すように、リング状品との接触部が複数の線または点になった拘束型を用いてもよい。
また、この実施の形態では、一次冷却および二次冷却において、リング状品を油中に浸漬して冷却するようにしたが、図９に示すように、リング状品１０の外径側および内径側から、リング状品１０に向けて冷却油を噴射して冷却するようにしてもよい。また、外径側および内径側のいずれかだけから冷却油を噴射してもよい。

この発明の型焼入れ装置の構成を示す図である。 拘束型でリング状品の外周縁を拘束した状態を示す断面図である。 拘束型でリング状品の内周縁を拘束した状態を示す断面図である。 型押し当て機構を示す図である。 テストピースの形状および寸法を示す図である。 テスト結果を示すグラフである。 異なるテストピースの形状および寸法を示す図である。 一次冷却の冷却方法を示す図である。 二次冷却の冷却方法を示す図である。 異なる拘束型の平面図である。 従来の型焼入れ方法を示す断面図である。 焼入れ時の温度と製品長さとの関係を示すグラフである。

符号の説明

１…型焼入れ装置
２…加熱部
３…一次冷却部
４…二次冷却部
５…空冷部
６…洗浄部
７…焼戻し部
１０…リング状品
１１…上型（拘束型）
１２…下型（拘束型）
２０…型押し当て機構
２１…下型取付ベース（下型保持手段）
２２…昇降ガイド（同心維持手段）
２３…上型取付ベース（上型保持手段）

Claims (6)

1. リング状品を焼入れ開始温度まで加熱する加熱過程と、焼入れ開始温度からマルテンサイト変態点付近まで、リング状品を型拘束しないで一次冷却する一次冷却過程と、マルテンサイト変態点付近からマルテンサイト変態点よりも低い焼入れ終了温度まで、リング状品の両面における外周縁および内周縁のうちの一方の周縁に、リング状品から軸方向に離れるに従って他方の周縁側に近づくように傾く拘束型を押し当てた状態で二次冷却する二次冷却過程とを含むリング状品の型焼入れ方法。
2. 請求項１において、前記拘束型は一体のリング状のものとしたリング状品の型焼入れ方法。
3. 請求項１または請求項２において、前記リング状品は軸受の軌道輪であるリング状品の型焼入れ方法。
4. 焼入れ開始温度まで加熱されたリング状品を、型拘束しないでマルテンサイト変態点付近まで冷却した後、マルテンサイト変態点よりも低い焼入れ終了温度まで冷却する際に、リング状品の両面における外周縁に押し当てられる拘束型であって、外周縁に押し当てられる面が、リング状品から軸方向に離れるに従ってリング状品の内周縁側に近づくように傾いている拘束型。
5. 焼入れ開始温度まで加熱されたリング状品を、型拘束しないでマルテンサイト変態点付近まで冷却した後、マルテンサイト変態点よりも低い焼入れ終了温度まで冷却する際に、リング状品の両面における内周縁に押し当てられる拘束型であって、内周縁に押し当てられる面が、リング状品から軸方向に離れるに従ってリング状品の外周縁側に近づくように傾いている拘束型。
6. リング状品を焼入れ開始温度まで加熱する加熱部と、この加熱部によって加熱されたリング状品を、焼入れ開始温度からマルテンサイト変態点付近まで、型拘束しないで一次冷却する一次冷却部と、この一次冷却部によって一次冷却されたリング状品を、マルテンサイト変態点付近からマルテンサイト変態点よりも低い焼入れ終了温度まで、リング状品の両面における外周縁および内周縁のうちの一方の周縁に、リング状品から軸方向に離れるに従って他方の周縁側に近づくように傾く拘束型を押し当てた状態で二次冷却する二次冷却部とを備え、
   前記二次冷却部は、両面が上下を向いたリング状品の上側面の前記周縁に押し当てるように前記拘束型を保持することのできる上型保持手段と、同リング状品の下側面の前記周縁に押し当てるように前記拘束型を保持することのできる下型保持手段と、上型・下型両保持手段の中心を同心に維持する同心維持手段とを有するリング状品の型焼入れ装置。

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