JP2010156010A

JP2010156010A - 歯車と段付き軸の誘導加熱装置、並びに、誘導加熱方法

Info

Publication number: JP2010156010A
Application number: JP2008334046A
Authority: JP
Inventors: Junji Minoue; 潤二己之上; Takehiko Nagao; 武彦長尾
Original assignee: Fuji Electronics Industry Co Ltd
Current assignee: Fuji Electronics Industry Co Ltd
Priority date: 2008-12-26
Filing date: 2008-12-26
Publication date: 2010-07-15
Anticipated expiration: 2028-12-26
Also published as: CN101772229A; US8274022B2; JP5329215B2; US20100163551A1

Abstract

【課題】歯車と段付き軸を同時に良好に誘導加熱できる誘導加熱装置、並びに、誘導加熱方法を提供することである。
【解決手段】歯車１６と段付き軸１５の誘導加熱装置１０であって、歯車１６の周囲に環状コイル１を配置し、段付き軸１５に対して軸方向にラインコイル２を対向配置し、環状コイル１とラインコイル２には各々別の周波数の交流電流を供給する。また、段付き軸１５と歯車１６の境界部１７に、ラインコイル２の一部を対向配置し、環状コイル１による歯車１６の焼入パターンと、ラインコイル２による段付き軸１５の焼入パターンとをつなげる。
【選択図】図１

Description

本発明は、歯車と段付き軸を誘導加熱するための誘導加熱装置、並びに、誘導加熱方法に関するものである。

従来の誘導加熱装置では、被誘導加熱物の形状に対応した様々な形態の加熱コイルが採用され使用されている。特許文献１では、径の異なる軸を誘導加熱するのに適した形態の加熱コイルが提案されている。すなわち、径の小さい部位と径の大きい部位との接続部分は応力が集中し易いにも係わらず、適切に誘導加熱（焼入）しにくいが、特許文献１に開示されている誘導加熱装置を採用すると、該接続部分を有効に焼入することができる。
特開２０００−８７１３５号公報

ところが、特許文献１に開示されている誘導加熱装置では、接続部（段）が一つだけの被誘導加熱物にしか対応できない上に、径差が大きいワークを均一に加熱するのは困難である。すなわち、径が異なる部位が３以上ある被誘導加熱物には対応できない。このような被誘導加熱物として、減速機等に採用されるピニオンがある。ピニオンは軸部だけではなく、動力を伝達する歯部を備えており、昨今は、歯部と軸部とを同時に誘導加熱できる誘導加熱装置の開発が要望されている。特に、歯部が一端側にのみ備えられているピニオン軸においては、段付部（歯部と軸部の境界部）への応力集中が大きく、段付部の均一な硬化層が必須となる。

そこで本発明は、異径軸を有するピニオン等の歯車と段付き軸を同時に誘導加熱でき、歯車の歯部と段付き軸の境界部に連続した硬化層を形成することができる誘導加熱装置、並びに、誘導加熱方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するための請求項１の発明は、歯車と段付き軸の誘導加熱装置であって、前記歯車の歯部の周囲に配置される環状コイルと、段付き軸に対して軸方向に対向配置されるラインコイルとを備えており、前記環状コイルとラインコイルには各々別の周波数の交流電流が供給されることを特徴とする歯車と段付き軸の誘導加熱装置である。

請求項１の発明では、歯車の歯部の周囲に配置される環状コイルと、段付き軸に対して軸方向に対向配置されるラインコイルとを備えている。これにより、環状コイルによって誘導電流が歯部の歯先から歯元へ、さらに歯元から次の歯先へと流れるので、歯面に一様の深さの焼入を実施できると共に、ラインコイルによって誘導電流が段付き軸の軸方向に沿って流れるので、異径軸の表面に一様の深さの焼入を実施できる。すなわち、段付き軸に径が異なる部位がいくつあっても、段付き軸の軸方向に沿って対向配置できるラインコイルを設けたので、段付き軸の軸方向に沿って誘導電流が流れ、段付き軸の表面には一様な深さの焼入を実施することができる。
また、環状コイルとラインコイルには各々別の周波数の交流電流が供給されるので、環状コイルによってピニオンに生じさせられる誘導電流と、ラインコイルによって生じさせられる誘導電流とが干渉しにくい。その結果、歯車の歯の部分と軸の部分の境界部に連続した硬化層が形成される。

請求項２の発明は、段付き軸と歯部の境界部には、前記ラインコイルの一部が対向配置されることを特徴とする請求項１に記載の歯車と段付き軸の誘導加熱装置である。

請求項２の発明では、段付き軸と歯部の境界部には、前記ラインコイルの一部が対向配置されるので、境界部がラインコイルによって誘導加熱される。これにより、歯車の使用時に荷重が掛かった際に、応力集中が生じ易い境界部（歯底に連続する軸段部）の強度を確保することができる。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２の誘導加熱装置によって、環状コイルによる歯部の焼入パターンと、ラインコイルによる段付き軸の焼入パターンとをつなげることを特徴とする歯車と段付き軸の誘導加熱方法である。

請求項３の発明を実施すると、歯車の歯の部分の焼入パターンと、軸の部分の焼入パターンとをつなげることができる。これにより、歯車の歯部と段付き軸の境界部に連続した硬化層を形成することができ、高品質の歯車と段付き軸が得られる。

本発明を実施すると、歯車と段付き軸の各部位に生じる誘導電流が阻害されず、良好に歯車を誘導加熱することができるようになる。

図１は、ワークである異径軸付きピニオン（歯車と段付き軸）と、本発明を実施した誘導加熱装置の加熱コイルの断面図であり、図２は、本発明を実施した誘導加熱装置の加熱コイルの斜視図であり、図３は、本発明を実施した誘導加熱装置の配線系統図である。本発明の誘導加熱装置１０で誘導加熱されるのは、軸部１５（段付き軸）と歯部１６（歯車）とを有するワーク９である。軸部１５は、小径部１５ａ，中径部１５ｂ，及び大径部１５ｃから構成されている。また、歯部１６は、所定のモジュール（４．５〜１６）を有している。

誘導加熱装置１０は、環状コイルである第１加熱コイル１と、ラインコイルである第２加熱コイル２とを備えている。第１加熱コイル１と第２加熱コイル２は、各々別の電源３，４と、周波数変換器５，６と、トランス７，８とを備えている。すなわち、第１加熱コイル１と第２加熱コイル２には、異なる周波数の交流電流を供給することができるようになっている。

図１及び図２に示すように、第１加熱コイル１の上側に第２コイル２が配置されている。誘導加熱時においては、第１加熱コイル１はワーク９の軸部１５に対向し、第２加熱コイル２は歯部１６の外周に対向するように配置され、両加熱コイルは近接している。そして第１加熱コイル１と第２加熱コイル２は、図示しない移動装置によって上下や左右への移動が可能である。すなわち、図示しない移動装置によって、第１加熱コイル１，第２加熱コイル２を移動させた結果、第１加熱コイル１の中心と、第２加熱コイル２の中心とを、図１及び図２において一点鎖線で示す回転中心２０（ワーク９の中心）に可能な限り一致させる。

誘導加熱装置１０は、ワーク９を載置し昇降させる昇降台１１を備えている。昇降台１１は、図示しないモータによって回転駆動される支持軸１２によって支持されており、支持軸１２は冷却液槽４内に配置された昇降装置（図示せず）によって昇降台１１と共に上下に移動する。また、支持軸１２を回転駆動すると、昇降台１１上のワーク９を回転させることができる。

誘導加熱装置１０は、冷却液１３を貯留した冷却液槽１４を備えており、加熱昇温したワーク９は、冷却液１３に浸漬されて冷却される。図１に示す冷却液槽１４は、環状又は対向２面の噴射装置２３を備えており、噴射装置２３の内周側面には多数の冷却液噴射口２４が設けられている。噴射装置２３の内側にはワーク９を配置できる。誘導加熱が終了し、ワーク９を冷却する祭には、ワーク９は冷却液槽１４の冷却液中に浸漬され、同時に冷却液噴射口２４から冷却液がワーク９に向けて噴射される。

冷却液１３の液面の上方には上述の第１加熱コイル１及び第２加熱コイル２が配置されており、昇降台１１に載置されたワーク９は、誘導加熱される際には上昇して両加熱コイルに誘導加熱可能に対向し、誘導加熱が完了して急冷する際には下降して冷却液１３に浸漬される。

ここで、第１加熱コイル１（環状コイル）と第２加熱コイル２（ラインコイル）について説明する。
第１加熱コイル１と第２加熱コイル２は個々に独立しており、電気的に繋がっていない。そして、第１加熱コイル１には電源３（商用電源），周波数変換器５，及びトランス（変圧器）７が接続されており、電源３から供給された交流電流の周波数（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）が、周波数変換器５で所定の第１周波数に変換され、さらにトランス７によって所定の電圧に変換されて第１加熱コイル１に供給される。
また、第２加熱コイル２には電源４（商用電源），周波数変換器６，及びトランス（変圧器）８が接続されており、電源４から供給された交流電流の周波数（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）が、周波数変換器６で所定の第２周波数に変換され、さらにトランス８によって所定の電圧に変換されて第２加熱コイル２に供給される。

第１加熱コイル１に供給される交流電流（誘導電流）の第１周波数と、第２加熱コイル２に供給される交流電流（誘導電流）の第２周波数とは相違している。これにより、ワーク９の軸部１５と歯部１６の境界部１７において、第１加熱コイル１によって生じる誘導電流と第２加熱コイル２によって生じる誘導電流とが干渉・相殺されることを回避することができる。

すなわち、本発明のように異なる２つの加熱コイルを使用し、個々に供給する誘導電流の周波数を変えることによって、ワーク９の境界部１７における誘導電流同士が干渉して境界部１７に対する誘導加熱が阻害されることを防止することができる。

第１周波数と第２周波数とをどのように設定するのが好ましいかは、ワーク９の形状及び大きさによって相違する。すなわち、ワーク９の歯部１６のモジュール，歯の大きさ，歯元円の径，軸部の径等によって、適切な第１周波数と第２周波数を選定することができる。

そして、第１加熱コイル１と第２加熱コイル２によってワーク９が誘導加熱された結果、ワーク９の歯部１６及び軸部１５には図４に示すような焼入が施される。図４（ａ）は、ワーク９の歯部１６の部分断面図であり、図４（ｂ）はワーク９の軸部１５の部分断面図である。

誘導加熱装置１０でワーク９を誘導加熱した結果、図４（ａ）に焼入線１８で示すように、歯部１６には歯元１６ａから歯先１６ｂまで焼入（左肩上がりのハッチング部分）が施され、図４（ｂ）に焼入線１９で示すように、軸部１５では、小径部１５ａから中径部１５ｂを経て大径部１５ｃに至るまで、ほぼ一様な深さの焼入（左肩上がりのハッチング部分）が施される。

さらに、歯部１６と軸部１５の間の境界部１７は、ラインコイルである第２加熱コイル２の円弧状の部分が対向配置されて誘導加熱される。図５は、第２加熱コイルの円弧状部分の断面と、ワークの一部の断面とを示す断面図である。図５に示すように、第２加熱コイル２の断面は、内部に水を通す空間２２を有する四角形である。その四角形の一辺が、境界部１７に対して対向する対向面２１を構成している。対向面２１から破線で示す範囲が、誘導電流が流れ易い範囲である。よって境界部１７は、良好に誘導加熱される。図５に示す例では、対向面２１は、歯部１６と軸部１５に対して４５度傾斜しているが、傾斜角度は任意に設定可能である。特に、境界部１７の近傍に突出部位が存在すると、その分だけ熱容量が大きくなるので、対向面２１はその突出部位のある方に向けるのが好ましい。

本発明では、ワーク９の歯部１６には環状コイルである第１加熱コイル１を配置し、軸部１５にはラインコイルである第２加熱コイル２を配置するように構成した。これにより、ワーク９を回転させながら誘導加熱を実施すると歯部１６及び軸部１５が第１加熱コイル１及び第２加熱コイル２によってほぼ均一な深さの焼入を施すことができるようになる。

また、第１加熱コイル１（環状コイル）と第２加熱コイル２（ラインコイル）には各々別の周波数の高周波交流電流を供給し、さらに第２加熱コイル２（ラインコイル）の一部を、段付き軸と歯部の境界部に対向配置することにより、境界部（応力が集中する部位）に連続した焼入パターンが形成される。

本発明は、特にモジュールが比較的大きい（４．５〜１６）歯形を有するピニオンに実施すると、より顕著に効果を奏することができる。

異径軸付きピニオン（歯車と段付き軸）と、本発明を実施した誘導加熱装置の加熱コイルの断面図である。本発明を実施した誘導加熱装置の加熱コイルの斜視図である。本発明を実施した誘導加熱装置の配線系統図である。本発明の誘導加熱装置で誘導加熱したワークの部分断面図であり、（ａ）は歯部の断面であり、（ｂ）は軸部の断面である。第２加熱コイル（ラインコイル）の円弧状部分の断面と、ワークの一部の断面とを示す断面図である。

符号の説明

１第１加熱コイル（環状コイル）
２第２加熱コイル（ラインコイル）
５，６周波数変換器
９ワーク（歯車と段付き軸）
１０誘導加熱装置
１５軸部（段付き軸）
１６歯部（歯車）
１７境界部

Claims

歯車と段付き軸の誘導加熱装置であって、前記歯車の歯部の周囲に配置される環状コイルと、段付き軸に対して軸方向に対向配置されるラインコイルとを備えており、前記環状コイルとラインコイルには各々別の周波数の交流電流が供給されることを特徴とする歯車と段付き軸の誘導加熱装置。
段付き軸と歯部の境界部には、前記ラインコイルの一部が対向配置されることを特徴とする請求項１に記載の歯車と段付き軸の誘導加熱装置。
請求項１又は請求項２の誘導加熱装置によって、環状コイルによる歯部の焼入パターンと、ラインコイルによる段付き軸の焼入パターンとをつなげることを特徴とする歯車と段付き軸の誘導加熱方法。