JP2009167484A

JP2009167484A - 筒形金属部材用熱処理装置

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Publication number: JP2009167484A
Application number: JP2008008208A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Sakanoue; 隆行坂之上; Yu Kiyosawa; 裕清澤; Yutaka Sugiyama; 豊杉山
Original assignee: Neturen Co Ltd; THK Co Ltd
Current assignee: Neturen Co Ltd; THK Co Ltd
Priority date: 2008-01-17
Filing date: 2008-01-17
Publication date: 2009-07-30
Anticipated expiration: 2028-01-17
Also published as: JP5179203B2

Abstract

【課題】筒形金属部材の内周面に対して残留歪みが少なく生産性の高い熱処理が可能な筒形金属部材用熱処理装置を提案する。
【解決手段】筒形金属部材５０の内周面に対して間隙Ｓを設けて挿入される高周波加熱部１２と、間隙Ｓに冷却媒体Ｗを供給して筒形金属部材５０を内周面側から冷却する第一冷却部１６と、筒形金属部材５０の外周面を囲繞する保持部材１４と、保持部材１４の外周面１４ｂに対して冷却媒体Ｗを供給して筒形金属部材５０を外周面側から冷却する第二冷却部１８と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、筒形金属部材の内周面に対して熱処理を施す熱処理装置に関する。

ボールやローラ等の転動体を介して軌道体と移動体とが係合する運動装置として、例えば、ボールスプライン装置やボールネジ装置等の直動案内装置が知られている。
直動案内装置は、長手方向に沿ってボール（転動体）の転走面が形成された軌道レール（軌道体）と、無限循環するボール列を具備すると共にボールを介して軌道レールに組み付けられる移動ナット（移動体）とから構成される。

このような直動案内装置は、ボール転走面の磨耗を抑えて、直動案内装置を精度良く且つ長期に亘って維持する観点から、軌道レールや移動ナットに対して熱処理を施して所定の硬度を有するように形成されている。特に、ボール転走面を熱処理することが重要である。

従来、直動案内装置の構成部材に対しては、浸炭焼入れ処理を施すのが一般的であり、処理時間に長時間を要し、生産性が低下してコストアップの原因になっていた。
このため、特許文献１に開示されるように、高周波焼入を行うことが提案されている。
特開平１１−２０９８４４号公報

しかしながら、筒形金属部材である移動ナットに対しては、その形状の影響もあって、汎用の高周波焼入装置では、その内周面（特にボール転走面）のみを硬化させることが困難であるため、防炭処理・浸炭焼入れを行わざるをえず、生産性の低下が問題となっている。
また、ボールスプライン装置やボールネジ装置等の案内装置においては、小型化の要請もあって、筒形金属部材である移動ナットにおいては薄肉化が必要とされている。このため、特に薄肉化された移動ナットに対して焼入を行うと熱変形が発生し、歪みが残って、案内装置の高精度化が困難となってしまうという問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、筒形金属部材の内周面に対して、残留歪みの少ない熱処理を施すことが可能であり、また、生産性の高い、筒形金属部材用熱処理装置を提案することを目的とする。

本発明に係る筒形金属部材用熱処理装置では、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
本発明は、筒形金属部材の内周面に対して間隙を設けて挿入される高周波加熱部と、前記間隙に冷却媒体を供給して前記筒形金属部材を内周面側から冷却する第一冷却部と、前記筒形金属部材の外周面を囲繞する保持部材と、前記保持部材の外周面に対して冷却媒体を供給して前記筒形金属部材を外周面側から冷却する第二冷却部と、を備えることを特徴とする。
これにより、保持部材により筒形金属部材の変形を抑えつつ、筒形金属部材の内周面に対して加熱処理と冷却処理を施すことができる。

また、前記筒形金属部材に前記高周波加熱部を挿入した状態で、前記筒形金属部材を前記高周波加熱部に対して相対的に回転させる回転部を備えることを特徴とする。
これにより、筒形金属部材の内周面をムラなく均一に熱処理することができる。

また、前記第二冷却部により前記筒形金属部材を冷却しつつ、前記高周波加熱部により前記筒形金属部材を加熱し、前記高周波加熱部による加熱を停止させた後に前記第一冷却部により前記筒形金属部材を冷却させる制御部を備えることを特徴とする。
これにより、温度プロファイルを任意に設定することができ、所望の熱処理を実現することができる。

また、前記筒形金属部材は、厚さ１０ｍｍ以下の薄肉部材であることを特徴とする。
特に、薄肉の筒形金属部材の場合に、熱処理による変形を抑えることができる。

また、前記筒形金属部材は、軌道体に対して転動体を介して相対移動する移動体であることを特徴とする。
また、前記筒形金属部材は、ボールスプライン装置のナット部材であることを特徴とする。
また、前記筒形金属部材は、ボールネジ装置のナット部材であることを特徴とする。

本発明によれば以下の効果を得ることができる。
筒形金属部材の内周面に対して、残留歪みの少ない熱処理を施すことができ、また、生産性の高い熱処理を施すことができる。
したがって、軌道体に対して転動体を介して相対移動する移動体（ボールスプライン装置やボールネジ装置のナット部材）に対して変形を与えることなく、所望の熱処理を施すことができ、高精度な運動装置を実現することができる。

以下、本発明に係る筒形金属部材用熱処理装置の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る熱処理装置の概略構成を示す模式図である。
図２は、被熱処理物であるナット部材の上面図及び断面図である。
本実施形態に係る熱処理装置１０は、ナット部材５０の内周面５４に対して熱処理を施すものであって、被熱処理物であるナット部材５０の内周面に挿入される高周波加熱部１２、ナット部材５０の外周面５５を取り囲む保持部材１４、ナット部材５０を内周面５４側から冷却する第一冷却部１６、保持部材１４を介してナット部材５０を外周面５５側から冷却する第二冷却部１８、ナット部材５０を載置しつつその中心軸周りに回転させる回転テーブル２２及びこれらを統括的に制御する制御部３０等を備える。
なお、熱処理装置１０のうち制御部３０等を除く主要部は、チャンバ１１内に収容されており、熱処処理時の輻射熱や後述する冷却水Ｗが外部に漏出しないようになっている。

被熱処理物であるナット部材５０は、回転テーブル２２上に、回転テーブル２２の回転軸とナット部材５０の中心軸とが一致するように載置される。具体的には、回転テーブル２２上にはリング形の保持部材１４が、回転テーブル２２の回転軸と保持部材１４の中心軸とが一致するように載置される。そして、ナット部材５０が保持部材１４に挿入される。
ナット部材５０の一端側にはフランジ５２が形成されており、また、保持部材１４の長さ（高さ）は、ナット部材５０よりも長く形成されているため、ナット部材５０の他端側が回転テーブル２２の上面２２ａに触れることなく、回転テーブル２２から離間した状態で保持される。

保持部材１４は、その内径がナット部材５０の外径と略等しく、厚みがナット部材５０に比べて十分に厚く形成されている。ナット部材５０の外周面を保持部材１４により略密着するように取り囲むことにより、ナット部材５０に熱処理を施した際に、ナット部材５０の熱変形を抑制（矯正）するためである。
また、保持部材１４は、熱伝導率の高い材料（鉄、銅、アルミニウム等）により形成されている。ナット部材５０を外周面５５側から効率よく冷却するためである。

高周波加熱部１２は、丸棒状に形成されたコイル１２ａとこのコイル１２ａに対して高周波数の交流電流を供給する電源部１２ｂとからなる。
高周波加熱部１２のコイル１２ａは、被熱処理物であるナット部材５０の内周面５４に対して、均一な距離を隔てて挿入される。コイル１２ａの長さ（高さ）は、ナット部材５０よりも長く形成されており、また、コイル１２ａの根本部分にはフランジ１２ｃが設けられている。そして、このフランジ１２ｃをナット部材５０のフランジ５２に当接することで、ナット部材５０に対するコイル１２ａの挿入位置が一定となるようになっている。
そして、ナット部材５０の内周面５４に対して間隙Ｓを設けて挿入したコイル１２ａに高周波数の交流電流を供給すると、コイル１２ａの近傍に配置された導電体、すなわちナット部材５０には高密度の渦電流が発生し、そのジュール熱によりナット部材５０が加熱されるようになっている。

高周波加熱は、ナット部材５０の単位面積に供給される単位時間当りのエネルギーが大きいので、高速加熱・高温加熱が可能である。また、ナット部材５０自体が加熱するので、熱損失が小さく、加熱効率が大きい。更に、コイル１２ａの配置、交流電流の周波数・出力を選定することにより、ナット部材５０を局所的に加熱したり、全体を加熱したり、また、温度制御を容易に行うことができる等の利点がある。

第一冷却部１６は、コイル１２ａとナット部材５０との間に形成される間隙Ｓに対して、コイル１２ａの挿入方向とは反対方向に冷却水（冷却媒体）Ｗを流すことで、ナット部材５０を内周面５４側から冷却するものである。
第一冷却部１６は、冷却水Ｗを通水する管形の冷却ジャケット１６ｊを備えており、この冷却ジャケット１６ｊは、回転テーブル２２の回転中心に形成された開口に下方から挿通され、保持部材１４に一部が挿入される。そして、ナット部材５０の下方側（他端側）から、ナット部材５０に向けて冷却水Ｗを流すことで、コイル１２ａとナット部材５０との間に形成された間隙Ｓに冷却水Ｗが流れ込み、ナット部材５０の上方側（フランジ側）に流出する。
これにより、冷却水Ｗは、ナット部材５０から熱を吸収（熱交換）し、ナット部材５０を内周面５４側から冷却する。

第二冷却部１８は、ナット部材５０を保持する保持部材１４の外周面１４ｂに対して冷却水Ｗを流すことで、保持部材１４を介してナット部材５０を外周面５５側から冷却するものである。
第二冷却部１８は、冷却水Ｗを通水するリング形の冷却ジャケット１８ｊを備えており、保持部材１４の外周面１４ｂをこの冷却ジャケット１８ｊで覆い、冷却ジャケット１８ｊの内面側に形成された複数の孔から保持部材１４の外周面１４ｂに向けて冷却水Ｗが供給される。冷却水Ｗは、保持部材１４と冷却ジャケット１８ｊとの間を、外周面１４ｂに沿って上下方向に流れるようになっている。
これにより、冷却水Ｗは、保持部材１４を介してナット部材５０から熱を吸収（熱交換）し、ナット部材５０を外周面５５側から冷却する。

なお、第一冷却部１６の冷却ジャケット１６ｊから供給されてナット部材５０の上方側に流出した冷却水Ｗ及び第二冷却部１８の冷却ジャケット１８ｊから供給されて保持部材１４の上下側に流出した冷却水Ｗは、それぞれチャンバ１１内で回収され、不図示の冷却装置により冷却された後に、再び冷却ジャケット１６ｊ，１８ｊに通水されるようになっている。

回転テーブル（回転部）２２は、その上面２２ａに保持部材１４を介してナット部材５０を載置した状態で、ナット部材５０をその中心軸周りに回転させるものである。
高周波加熱部１２を、第一冷却部１６及び第二冷却部１８を作動させている際に、ナット部材５０を回転させることで、ナット部材５０を均一に加熱・冷却することが可能となっている。したがって、ナット部材５０に、均一な金属組織を形成することができる。

制御部３０（不図示）は、高周波加熱部１２の電源部１２ｂ、第一冷却部１６、第二冷却部１８、回転テーブル２２を統括的に制御するものである。具体的には、電源部１２ｂの出力・周波数・加熱時間、第一冷却部１６及び第二冷却部１８のＯＮ／ＯＦＦ（冷却時間）若しくは流量、水圧、回転テーブル２２のＯＮ／ＯＦＦ若しくは回転数等を制御・調整することで、ナット部材５０に所望の熱処理（図３（ａ）参照）を施すことができる。

図２に示すナット部材（筒形金属部材、移動体）５０は、熱処理装置１０における被熱処理物の一例であって、後述するボールスプライン装置１００の一構成部品である。
ナット部材５０の内周面５４には、ボール（図６，図８参照）やローラが転動するための転走面５６が長手方向に沿って、例えば１０箇所（５組）形成される。この転走面５６は、ボールやローラを介して負荷がかかるため、例えばＨＶ５００以上の硬さとなるように熱処理（焼入焼もどし）が施される。焼入れは、表面から深さ１〜２ｍｍ程度の深さまで施される。
なお、ナット部材５０は、例えば、炭素Ｃを０．５％、マンガンＭｎを１％程度含む炭素鋼である。

図３は、熱処理装置１０による熱処理の温度プロファイルの一例を示す図である。
図３（ａ）に示すように、ナット部材５０に対する熱処理（焼入れ）では、まず、第二冷却部１８を作動させて、これと同時若しくはやや遅れて高周波加熱部１２を作動させる。この際、回転テーブル２２も作動させる。
第二冷却部１８による冷却よりも、高周波加熱部１２による加熱の方が、ナット部材５０に対して直接かつ高速に作用するので、ナット部材５０は、図３（ａ）に示すように、所望温度まで加熱される。

次に、高周波加熱部１２による加熱を停止して、しばらくその状態を維持する。これにより、ナット部材５０は第二冷却部１８により徐冷される。そして、第一冷却部１６を作動させて、ナット部材５０を内周面５４側から急冷する。これにより、ナット部材５０をマルテンサイト化することができる。
なお、ナット部材５０に対しては、その後に、焼もどし（図３（ｂ）参照）が施され、更に、転走面５６への研削処理等が施される。

図４は、ナット部材５０の焼入れ焼もどし後の金属組織を示す図である。
図４に示すように、ナット部材５０の内周面５４に、均一なマルテンサイト組織を形成することができた。不完全な焼入れ組織の発生はみとめられないという良好な結果となった。特に、図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、高周波加熱部１２のコイル１２ａに最も近接する転走面５６周辺を良好に熱処理できたことが分かる。
このように、熱処理装置１０を用いて熱処理を行った場合には、ナット部材５０の内周面５４に均一な金属組織を形成することができる。

図５は、ナット部材５０の焼入れ処理前後の寸法変化を示す図である。図５は、ナット部材５０の内周面５４の３箇所の円筒度を測定し、その最大値と最小値の差を示している。
図５に示すように、熱処理装置１０を用いた場合には、従来に比べて変形が少ないことが分かる。従来例の場合には、ナット部材５０の内周面５４の円筒度は、最大値と最小値の差が３０μｍ程度であった。一方、熱処理装置１０を用いて熱処理した場合には、円筒度の最大値と最小値の差は１２μｍ程度に改善されている。つまり、熱処理装置１０を用いた場合には、ナット部材５０の形状が、熱処理を経ても維持されていることが分かる。
このように、熱処理装置１０を用いて熱処理を行った場合には、ナット部材５０の変形を最小限に抑えることができる。
なお、円筒度に限らず、真円度、直線度、平坦度等の幾何公差は、いずれも改善（残留変形の抑制）が見られた。

図６は、ボールスプライン装置１００を示す図である。
ボールスプライン装置（運動装置）１００は、略円柱状に形成されたスプライン軸（軌道体）１０１と、略円筒状に形成されると共に多数のボール（転動体）１０３を介してスプライン軸１０１に組付けられた外筒（移動体）１０２とから構成されており、外筒１０２がスプライン軸１０１の周囲を軸方向へ自在に往復移動するように構成されている。
上述したナット部材５０は、外筒１０２の外筒本体１０４に用いられる。

スプライン軸１０１の外周面には、軸方向に沿って６つのボール転走面１１０が形成されており、ボール１０３はこれらボール転走面１１０を転走しながら外筒１０２とスプライン軸１０１との間で荷重を負荷される構成となっている。
各ボール転走面１１０は、長手方向と垂直な断面における形状がボール１０３の球面の円弧よりも僅かに大きな円弧からなるサーキュラアーク形状に形成されている。これらのボール転走面１１０は、２つのボール転走面１１０が対となって、スプライン軸１０１の外周面に対称的に形成されている。

一方、外筒１０２は、金属製の外筒本体（ナット部材）１０４と、この外筒本体１０４の軸方向の両端にボルトで螺合される一対のエンドプレート１０５とから構成されており、これら外筒本体１０４及びエンドプレート１０５は共にスプライン軸１０１が挿通される貫通孔を有している。
このように外筒本体１０４とエンドプレート１０５との組み合わせからなる外筒１０２は、ボール１０３が転走する無限循環路１３０がスプライン軸１０１に面した貫通穴の内周面に形成される構成となっている。

図７は、被熱処理物である他のナット部材の断面図である。
図８は、ボールネジ装置２００を示す図である。
上述した実施形態では、ナット部材５０（外筒本体１０４）には、内周面５４にその長手方向に沿って複数の転走面５６が形成されたものであったが、これに限らない。
すなわち、図７に示すように、複数（複条）の転走面５６（ボール転走溝２１０）が螺旋状に形成される場合であってもよい。つまり、図８に示すボールネジ装置２００のナット部材２０２であってもよい。

ボールネジ装置（運動装置）２００は、ネジ軸（軌道体）２０１とナット部材（移動体）２０２とが多数のボール（転動体）２０３を介して螺合したものであり、ネジ軸２０１の外周面には、ボール２０３のボール転走溝２１０が所定のリードで螺旋状に形成されている。

ナット部材２０２（ナット部材５０）には、ボール２０３が転走する無限循環路２３０がネジ軸２０１に面して形成され、無限循環路２３０は、ボール転走溝２１０と対向して形成された負荷ボール転走溝２３１とネジ軸２０１に向けて開放された無負荷転走溝２３２と有する。

以上、本発明に係る熱処理装置１０によれば、ナット部材５０の内周面５４に対して、歪みの少ない熱処理を施すことができ、また、生産性の高い熱処理を施すことができる。
したがって、スプライン軸１０１やネジ軸２０１等の軌道体に対して、ボール１０３，２０３等の転動体を介して相対移動する外筒１０２（外筒本体１０４）やナット部材２０２等に対して変形を与えることなく、所望の熱処理を施すことができ、高精度な（直線等の）運動を行うボールスプライン装置１００やボールネジ装置２００等の運動装置を実現することができる。

なお、上述した実施の形態において示した動作手順、あるいは各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上述した実施形態では、フランジ型のナット部材について説明したが、フランジレス形であってもよい。
また、ナット部材のように円筒形部材に限らず、例えば角管形であってもよい。完全な管（筒）形でなく、例えば断面がＣ形の部材であってもよい。

また、被熱処理物である円筒形部材は、ボールスプライン装置やボールネジ装置のような（直線）運動装置に適用されるものである必要はない。他の機械装置に適用される場合や円筒形部材自体で使用されるものであってよい。

また、被熱処理物である円筒形部材は、炭素鋼（Ｆｅ）に限らず、誘導加熱可能な金属材料により形成されていればよい。例えば、Ａｌ、Ｃｕ，Ｔｉ等であってもよい。

また、熱処理としては、焼入れの他、焼もどし、焼ならし、焼なまし等のいずれであってもよい。

また、ナット部材は、冷却水により急冷する場合に限らず、冷却油或いは冷却ガス等を用いて冷却する場合であってもよい。すなわち、冷却媒体としては、水に限らず、他の液体や気体等の流体であればよい。

本発明の実施形態に係る筒形金属部材用熱処理装置の概略構成を示す模式図である。ナット部材の上面図及び断面図である。熱処理装置による熱処理の温度プロファイルの一例を示す図である。ナット部材の焼入れ処理後の金属組織を示す図である。ナット部材の焼入れ処理前後の寸法変化を示す図である。ボールスプライン装置を示す図である。他のナット部材の断面図である。ボールネジ装置を示す図である。

符号の説明

１０…熱処理装置
１２…高周波加熱部
１４…保持部材
１４ｂ…外周面
１６…第一冷却部
１８…第二冷却部
２２…回転テーブル（回転部）
５０…ナット部材（筒形金属部材、移動体）
５４…内周面
５５…外周面
５６…転走面
１００…ボールスプライン装置
１０１…スプライン軸（軌道体）
１０２…外筒（移動体）
１０３…ボール（転動体）
１０４…外筒本体（ナット部材）
２００…ボールネジ装置
２０１…ネジ軸（軌道体）
２０２…ナット部材（移動体）
２０３…ボール（転動体）
Ｓ…間隙
Ｗ…冷却水（冷却媒体）

Claims

筒形金属部材の内周面に対して間隙を設けて挿入される高周波加熱部と、
前記間隙に冷却媒体を供給して前記筒形金属部材を内周面側から冷却する第一冷却部と、
前記筒形金属部材の外周面を囲繞する保持部材と、
前記保持部材の外周面に対して冷却媒体を供給して前記筒形金属部材を外周面側から冷却する第二冷却部と、
を備えることを特徴とする筒形金属部材用熱処理装置。
前記筒形金属部材に前記高周波加熱部を挿入した状態で、前記筒形金属部材を前記高周波加熱部に対して相対的に回転させる回転部を備えることを特徴とする請求項１に記載の筒形金属部材用熱処理装置。
前記第二冷却部により前記筒形金属部材を冷却しつつ、前記高周波加熱部により前記筒形金属部材を加熱し、前記高周波加熱部による加熱を停止させた後に前記第一冷却部により前記筒形金属部材を冷却させる制御部を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の筒形金属部材用熱処理装置。
前記筒形金属部材は、厚さ１０ｍｍ以下の薄肉部材であることを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか一項に記載の筒形金属部材用熱処理装置。
前記筒形金属部材は、軌道体に対して転動体を介して相対移動する移動体であることを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか一項に記載の筒形金属部材用熱処理装置。
前記筒形金属部材は、ボールスプライン装置のナット部材であることを特徴とする請求項５に記載の筒形金属部材用熱処理装置。
前記筒形金属部材は、ボールネジ装置のナット部材であることを特徴とする請求項５に記載の筒形金属部材用熱処理装置。