JP2010108730A - 高周波誘導加熱用コイルとその製造方法及び自動車用部品 - Google Patents

Abstract

【課題】コイルの構成部品の接合強度を確保しつつ、かつその接合作業を容易に行い得るようにする。
【解決手段】複数の樋状部材７と、この樋状部材７の開口部を覆う蓋８とで構成されるコイル１において、この隣り合う樋状部材７、７同士の接続箇所、及び、樋状部材７への蓋８の嵌め込み箇所に電子ビーム９を走査しつつ照射し、この照射によってこの接続箇所等を溶接する。この溶接によって、樋状部材７と蓋８が一体化して、その溶接部において高い強度を得ることができる。また、この電子ビーム９による溶接作業は、ロウ材を用いないで行うので、その作業が簡便となって作業者の熟練度も必要としない。このため、この作業コストの抑制を図ることができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、自動車用部品の回転軸のように、軸方向位置において異なる外径を有する部材に熱処理を施すための高周波誘導加熱用コイルとその製造方法及びこの高周波誘導加熱用コイルを用いて熱処理を施した自動車用部品に関する。

自動車用部品であるハブ輪、ハブ外輪、等速ジョイント等は、鉄鋼等の金属材料から構成され、その材料特性（硬度、靭性、機械強度等）を高めるために、熱処理が行われることが多い。この熱処理方法の一つとして、図２及び３に示す高周波誘導加熱用コイル１を用いた方法がある。この方法は、コイル１を前記構成部品の被熱処理部の外形に沿うように（コイル１と被熱処理部との隙間が、被熱処理部の形状特性や熱処理仕様に合うように）形成し、このコイル１内に、ハブ輪や等速ジョイント等の回転軸２を差込み（図４を参照）、このコイル１に高周波電流を付与してその回転軸２の被熱処理部のみを局所加熱するものである。このように被熱処理部の外形に沿わせることで、この被熱処理部の各部における磁場がほぼ等しくなるため、この被熱処理部の加熱が均一になされる。

このコイル１には銅等からなる金属の管が用いられる。この管内に冷媒（冷却水等）を流通させて、高周波電流による自己発熱、及び、被熱処理部からの輻射熱によってコイル１が高温になるのを防止している。

このコイル１の作製は、図５及び６に示すように、コイル１の第１の円弧部３、直胴部４、拡径部５、第２の円弧部６からなる樋状部材７を形成し、この各樋状部材７に蓋８を設けて管状とし、これらを連結することによってなされる。この樋状部材７及び蓋８の素材としては一般的に銅が用いられ、その連結には銀を主成分とする銀ロウが用いられることが多い。この銀ロウは融点がそれほど高くないため（７００〜８００℃程度）、ロウ付け作業が簡便である反面、その機械強度がそれほど高くない。このため、図２及び３中において破線丸印で囲んだ部分のように、樋状部材７同士が角部をもって連結され、かつ、処理対象物に面する箇所においては、電流密度の集中による自己発熱と、この処理対象物からの輻射によって熱応力が集中しやすく、この応力集中によって銀ロウ部分が破断する問題がある。

このロウ付け部分における破断の問題を解決すべく、前記銀ロウに代えて、コイル１と同一素材であって、かつ高融点（１１００℃程度）の銅ロウ等のロウ材を用いることがある。

このロウ付け作業は、ヒータ等でロウ付け箇所を加熱しながら、その加熱位置にロウ材を押し付けて融解させて両接合箇所に介在しつつ行き渡らせるものであって、接合部分の加熱と、その部分へのロウ材の押し付けとを同時に行う必要があり、その作業が煩雑である。しかも、銅ロウのように高融点のロウ材を用いる場合は、そのロウ付け箇所を均一にかつ高温に加熱する必要があり、高い熟練度が要求される。このため、そのロウ付け作業ができる作業者が限定されて、その作業コストが嵩むという問題が生じる。

そこで、この発明は、コイルの構成部品の接合強度を確保しつつ、かつその接合作業を容易に行い得るようにすることを課題とする。

上記の課題を解決するため、この発明は、銀ロウ等のロウ材を使用することなく、コイルの構成部品の接合を行うようにした。すなわち、接合箇所を局所的に電子ビームによって高温に加熱してその素材を部分的に融解させ、接合を行うようにしたのである。

この発明の構成としては、処理対象物の被熱処理部に沿うように成形した管状部材で構成され、この管状部材に高周波電流を付与してその誘導加熱によって前記被熱処理部の熱処理を行う際に用いる高周波誘導加熱用コイルにおいて、樋状部材と蓋を前記管状部材の形状に組み立てた上で、つなぎ目に真空中で電子ビームを照射し、その加熱によって前記つなぎ目同士を溶接する。

この構成においては、コイルの構成部品は真空容器中に収納され、その真空容器内で電子ビームが照射される。この電子ビームは真空容器内の電場強度を変えることによって曲げたり、収束位置を変えたりすることができるため、前記接合箇所に適切に照射を行うことができる。
また、この電子ビームの照射が真空中で行われるため、その照射に伴う加熱によって、接合部分が酸化する恐れがない。このため、その接合箇所において十分な接合強度を得ることができる。

この電子ビームの走査は、作業者が構成部品上の照射箇所を目視して、手動で電場強度を調節することによって行ってもよいが、予め接合箇所をデータベース化しておいて、数値制御に基づいて自動的にその接合箇所に電子ビームを走査するようにすることもできる。

このように自動走査させることによって、作業者の熟練度を問わずに、その作業を行うことができる。また、その作業者が作業現場に常時いる必要がないため、作業コストの一層の低減を図ることができる。

前記被熱処理部が自動車用部品の回転軸で、この回転軸はその軸方向位置において同一外径あるいは異なる外径を有するものであり、前記管状部材が、この回転軸の外径同一部の周りに略９０度の円弧を有する第１の円弧部と、この第１の円弧部に連続し、前記外径同一部の軸方向に沿う直胴部と、この直胴部に連続し、前記回転軸の径変更部に対応して外径方向に沿いつつ拡径する拡径部と、この拡径部に連続し、この拡径部の終端の径で前記回転軸周りに略１８０度の円弧を有する第２の円弧部とを有するとともに、これらの各部の連続体と左右対称形状あるいは左右非対称形状の連続体とを、前記第２の円弧部で連結した形状とすることができる。

このコイルは、前記回転軸の外径の拡径に伴って、その内径が拡径するように構成されているため、被熱処理部におけるコイルによる磁場がほぼ等しくなる。このため、その被熱処理部の加熱が均一になされる。このコイルの形状は、回転軸の形状に合わせて適宜変更することができ、例えば、「・・−直胴部−拡径部−直胴部−・・」のように同じ構成要素（ここでは直胴部）を複数箇所において使用することもできる。また、前記円弧部の円周角も適宜変更することができる。

前記管状部材が、樋状部材と、その樋状部材の開口部を隙間なく覆う蓋とで構成され、前記溶接によって、樋状部材同士、及び、樋状部材と蓋とを一体にすることもできる。

また、自動車用部品においては、その被熱処理部の外形に沿うように形成した上述の高周波誘導加熱用コイルを用いて、所定の焼入れ温度に加熱・保持した後に、所定の冷却速度で急冷することによって焼入れ処理を行うことができる。

このコイルの形状は、前記被熱処理部の形状に沿っているので、その被熱処理部の全体に亘って均一に加熱・保持を行い得る。また、このコイルは、その軸方向にこの自動車用部品を自在に抜き差しし得るようになっているので、前記加熱・保持後に直ちにコイル外に取り出すことができる。このため、この自動車用部品をコイル外に設けた水槽等の冷却設備に迅速に移すことができ、加熱後に急冷が必要な焼入れ処理を容易かつ確実に行い得る。

また、前記焼入れ処理に引き続いて、この自動車用部品を再びコイル内に戻し、所定の焼戻し温度に加熱・保持した後に、所定の冷却速度で冷却することによって焼戻し処理を行うこともできる。

この焼戻し処理においても、一旦コイル外に取り出した自動車用部品を容易にコイル内に戻すことができ、焼入れ処理後に直ちに焼戻し処理に移行できることにより、その熱処理効率が一段と高まる。このため、この自動車用部品の製造コストの抑制を図ることができる。

あるいは、この自動車用部品を前記コイル内で所定温度に加熱・保持した後に、所定の冷却速度で冷却することによって焼鈍し処理を行うこともできる。

前記コイルは、種々の自動車用部品に適用し得るが、特にハブ輪、等速ジョイント、プロペラシャフト又は自動車用エンジン部品であるロッカーアームベアリングの軸の処理に好ましい。
ここに列挙した部品の熱処理においても、その外径に対応して成形したコイルを用いることによって、被熱処理部の全体に亘って均一な熱処理を行い得る。

この発明によると、コイルを構成する管状部材を、ロウ材を用いることなく電子ビームによる溶接によって接合することとした。この溶接は管状部材を構成する金属板同士を継目なく一体化するものなので、この接合箇所における強度が確保できるとともに、その接合作業が簡便なものとなって、作業者の熟練度によらずその作業を行うことができる。このため、コイルの強度面での信頼性が高まるとともにその製造コストの抑制を図ることができる。

この発明に係る高周波誘導加熱用コイル１の部品構成は図５及び６に示したのと同じなので、説明は省略する。
このコイル１の接合を図１に図２及び３に示すコイル１の要部を示して説明する。このコイル１は銅からなるものであって、断面コの字型の樋状部材７の開口部に、この開口部を覆う蓋８を嵌め込んで構成される（同図（ａ）を参照）。この嵌め込んだ状態で、蓋８の端部に電子ビーム９を走査しつつ照射し、この照射によってこの端部を加熱する。この加熱によって蓋８の端部近傍を融解し、樋状部材７と蓋８とを一体化する（同図（ｂ）を参照）。

この電子ビーム９の照射に際しては、各樋状部材７に蓋８を設けた状態で図示しない可動台上に載置し、予めデータベース化しておいた溶接箇所に基づいて、電子ビーム９が所定の箇所を走査するように、可動台を動かしつつ、電場強度を自動調節してこの電子ビーム９の焦点を制御する。このように電子ビーム９の走査を自動化することによって、作業者は常時この装置の作動状況を監視する必要がないので、その作業コストの抑制を図ることができる。

この電子ビーム照射は、樋状部材７及び蓋８を真空容器中に収納した上で真空中において行われる。このため、各部材７、８が電子ビーム９によって加熱された際に、その加熱部分が酸化するのが防止され、各部材７、８の表面が酸化膜のない清浄な状態に保たれる。この結果、接合部分に酸化膜が介在することなく、高い接合強度を得ることができる。

さらに、このコイル１外には、水槽、油槽等の冷却設備（図示せず）を併設することができる。ハブ輪等の自動車用部品をこのコイル１内で焼入れ温度に加熱・保持した後、これを直ちにコイル外に取り出して前記冷却設備で冷却することで焼入れ処理を容易に行い得る。しかも、このコイル１は前記ハブ輪等の外形に沿うように設計されているので、このハブ輪等の被熱処理部を均一に加熱され、均一性の高い高品質な焼入れ部材を得ることができる。

このコイル１による熱処理は焼入れ処理に限られない。例えば、前記焼入れ処理に引き続いて前記自動車用部品を再びコイル１内に戻し、所定の焼戻し温度に加熱・保持し、所定の冷却速度で冷却することで焼戻し処理を行ったり、焼鈍し温度に加熱・保持し、所定の冷却速度で除冷することで焼鈍し処理を行ったりすることもできる。いずれの処理においても、上述したように被熱処理部を均一に加熱することができるため、均一性の高い高品質な処理部材を得ることができる。

これらの熱処理に用いるコイル１の形状は、当然ながら、図２及び３に記載したものに限定されない。
この形状は、被熱処理部の形状に適宜合わせるものであって、例えば、「第１の円弧部３−直胴部４−拡径部５−直胴部４−第２の円弧部６」のようにコイル１を構成するとともに、直胴部４の長さ、両円弧部３、６の径も適宜変更することができる。

本願発明に係るコイルの一実施形態を示す要部斜視図 同コイルの全体の斜視図 同コイルの他方向からの斜視図 ハブ輪の熱処理の態様を示す図であって、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図 同コイルの分解斜視図 同コイルの他方向からの分解斜視図

符号の説明

１ 高周波誘導加熱用コイル
２ 回転軸
３ 第１の円弧部
４ 直胴部
５ 拡径部
６ 第２の円弧部
７ 樋状部材（金属板）
８ 蓋（金属板）
９ 電子ビーム

Claims (10)

1. 処理対象物の被熱処理部に沿うように成形した管状部材で構成され、この管状部材に高周波電流を付与してその誘導加熱によって前記被熱処理部の熱処理を行う際に用いる高周波誘導加熱用コイルにおいて、
   桶状部材（７）と蓋（８）を前記管状部材の形状に組み立てた上で、つなぎ目に真空中で電子ビーム（９）を照射し、その加熱によって前記つなぎ目同士を溶接したことを特徴とする高周波誘導加熱用コイル。
2. 前記電子ビーム（９）の走査を数値制御に基づいて行ったことを特徴とする請求項１に記載の高周波誘導加熱用コイル。
3. 前記被熱処理部が自動車用部品の回転軸（２）で、この回転軸（２）はその軸方向位置において同一外径あるいは異なる外径を有するものであり、前記管状部材が、この回転軸の外径同一部の周りに略９０度の円弧を有する第１の円弧部（３）と、この第１の円弧部（３）に連続し、前記外径同一部の軸方向に沿う直胴部（４）と、この直胴部（４）に連続し、前記回転軸（２）の径変更部に対応して外径方向に沿いつつ拡径する拡径部（５）と、この拡径部（５）に連続し、この拡径部（５）の終端の径で前記回転軸周りに略１８０度の円弧を有する第２の円弧部（６）を有するとともに、これらの各部の連続体と左右対称形状あるいは左右非対称形状の連続体とを、前記第２の円弧部（６）で連結した形状であることを特徴とする請求項１又は２に記載の高周波誘導加熱用コイル。
4. 前記管状部材が、樋状部材（７）と、その樋状部材（７）の開口部を隙間なく覆う蓋（８）とで構成され、前記溶接によって、桶状部材同士、及び、樋状部材（７）と蓋（８）とを一体にしたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載の高周波誘導加熱用コイル。
5. 処理対象物の被熱処理部に沿うように成形した管状部材で構成され、この管状部材に高周波電流を付与してその誘導加熱によって前記被熱処理部の熱処理を行う際に用いる高周波誘導加熱用コイルの製造方法において、
   桶状部材（７）と蓋（８）を前記管状部材の形状に組み立てた上で、つなぎ目に真空中で電子ビーム（９）を照射し、その加熱によって前記つなぎ目同士を溶接するようにしたことを特徴とする高周波誘導加熱用コイルの製造方法。
6. 前記電子ビーム（９）の走査を数値制御に基づいて行うようにしたことを特徴とする請求項５に記載の高周波誘導加熱用コイルの製造方法。
7. 焼入れ処理によって硬度を向上させた鉄鋼材料からなる自動車用部品であって、
   前記自動車用部品の被熱処理部の外形に沿うように形成した請求項１乃至４のいずれか一つに記載の高周波誘導加熱用コイルを用い、所定の焼入れ温度に加熱・保持した後に、所定の冷却速度で急冷することによって焼入れ処理を行ったことを特徴とする自動車用部品。
8. 焼入れ処理後に焼戻し処理を行い、靭性を付与した鉄鋼材料からなる自動車用部品であって、
   前記自動車用部品の被熱処理部の外形に沿うように形成した請求項１乃至４のいずれか一つに記載の高周波誘導加熱用コイルを用い、所定の焼入れ温度に加熱・保持した後に、所定の冷却速度で急冷することによって焼入れ処理を行い、引き続いて所定の焼戻し温度に加熱・保持した後に、所定の冷却速度で冷却することによって焼戻し処理を行ったことを特徴とする自動車用部品。
9. 焼鈍し処理によって加工硬化に伴う内部歪みを除去した鉄鋼材料からなる自動車用部品であって、
   前記自動車用部品の被熱処理部の外形に沿うように形成した請求項１乃至４のいずれか一つに記載の高周波誘導加熱用コイルを用い、所定温度に加熱・保持した後に、所定の冷却速度で冷却することによって焼鈍し処理を行ったことを特徴とする自動車用部品。
10. 前記自動車用部品がハブ輪、等速ジョイント、プロペラシャフト又は自動車エンジン部品であるロッカーアームベアリングの軸のいずれかである請求項７乃至９のいずれか一つに記載の自動車用部品。

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