JP2016069682A - 焼入装置および焼入方法 - Google Patents

Abstract

【課題】焼入槽に用いる冷媒を低減しながら、焼入処理を行う被処理物（ワーク）に対して均一な冷却を行うことができる焼入装置を提供する。また、ワークの冷却速度を自在に制御できる焼入方法を提供する。【解決手段】円筒形状の焼入槽２と、焼入槽２の中央部に焼入槽２の内径よりも小さい外径を有した円筒部品３と、を備えた焼入装置１であって、焼入槽２内に冷媒を導入するノズル４Ａ、４Ｂが焼入槽２に取付けられている焼入装置１とした。また、ノズル４Ａ、４Ｂを焼入槽２の外周面に取付けて、焼入槽２の外周面に対して円筒形状の接線方向と平行となる様に取付ける焼入装置１とすることもできる。さらに、ノズル４Ａ、４Ｂを焼入槽２の底部に取付けることもできる。また、前述の焼入装置１を用いて焼入槽２内に環状部品Ｗを固定した後、ノズル４Ａ、４Ｂから焼入槽２内へ冷媒を導入する焼入方法とする。【選択図】図１

Description

本発明は、液状の冷却媒体（以下、冷媒という）を用いて軸受部品等の環状部品を焼入処理する際に用いる焼入装置および焼入方法に関する。

従来、軸受部品に代表される環状部品を焼入処理する際には、焼入油を満たした焼入槽に当該環状部品を浸漬させていたが、焼入時の冷却速度を制御する場合には種々の焼入方法や専用の焼入装置が用いられてきた。

例えば、特許文献１では環状部品Ｗの焼入れ方法として、予熱過程Ｓ１と、均熱過程Ｓ２と、一次冷却過程Ｓ３と、二次冷却過程Ｓ４とから構成されていることが開示されている。すなわち、この予熱過程Ｓ１では、環状部品Ｗを焼入温度に近い所定の予熱温度まで誘導加熱により加熱し、均熱過程Ｓ２では環状部品Ｗを焼入れ温度まで連続加熱炉で加熱し、一次冷却過程Ｓ３では環状部品Ｗをマルテンサイト変態点温度よりも高い変形矯正開始温度まで冷却し、二次冷却過程Ｓ４ではマルテンサイト変態点温度よりも低い温度まで環状部品Ｗを冷却する各過程から構成されている。また、その際、環状部品Ｗの外周面の一方側に一対の受けロール３を転動自在に接触させ、反対側から回転する加圧ロール４を押付けることも開示されている。

また、特許文献２では環状部品１０の型焼入方法として、環状部品１０を焼入温度まで加熱する加熱過程と、環状部品１０との接触面１１ｃが環状部品１０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、環状部品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き、かつ接触面１１ｃが周方向に複数の接触箇所に分割された２つの拘束型１１Ｕ、１１Ｌを押し当てた状態で冷却する冷却過程から構成されていることが開示されている。また、この環状部品１０の型焼入れ装置は加熱部と冷却部とを備えており、冷却部は両面が上下を向いた環状部品１０の上下側面の周縁に押し当てるように拘束型１１Ｕ、１１Ｌを保持できる上下型保持手段を有していることも開示されている。

さらに、特許文献３では焼入槽より上方に設けた貯油槽から焼入槽の底部に自然流入により焼入油を供給して、オーバーフローさせつつ環状部品を急冷し、その後焼入槽の底部からの焼入油の供給を停止、あるいは制御して徐冷を行う方法が開示されている。また、徐冷に際して焼入槽内の焼入油を循環ポンプで上下循環させる構造（方法）も開示されている。

特開２００９−９１６３９号公報 特開２００７−１３８２２３号公報 特開平６−３３１３５号公報

しかし、特許文献１に開示された焼入方法（装置）では、環状部品が例えば自動車変速機用の薄肉の軸受部品の場合には、加圧ロールの押し付け圧力により変形するという問題があった。また、特許文献２に開示された方法では使用する金型重量が大きい場合は、段取り替えに必要な工数が多大になり、微調整も比較的に困難であるという問題があった。

さらに、特許文献３に開示された焼入方法および焼入装置では、環状部品に対する焼入油の相対速度は冷却初期においてはエレベータ下降速度に依存し、中後期では焼入油の自然流入速度に依存するため、環状部品の冷却速度を自在に制御することは困難であるという問題があった。また、同文献に示す焼入装置における焼入槽が占める割合が大きいので、焼入槽の焼入油を循環ポンプで上下循環させる機構が必要となり、装置自体が大型化するという問題もあった。

そこで、本発明においては、焼入槽に用いる冷媒を低減しながら、焼入処理を行う被処理物（以下、ワークという）に対して均一な冷却を行うことができる焼入装置を提供することを課題とする。また、ワークの冷却速度を自在かつ容易に制御できる焼入方法を提供することを課題とする。

前述した課題を解決するために、本発明は円筒形状の焼入槽の中央部に、焼入槽の内径よりも小さい外径を有した円筒部品を備えた焼入装置であって、焼入槽内に冷媒を導入するノズルが焼入槽に取付けられている焼入装置を提供する。また、請求項２に係る発明においては、ノズルの先端部が焼入槽の円周方向を向くように取付ける焼入装置とした。さらに、請求項３に係る発明においては、ノズルが焼入槽の底部に取付けられている焼入装置とした。また、請求項４に係る発明においては、ノズルを焼入槽の横断面視で円筒形状の接線方向と平行となる様に焼入槽の外周面に取付ける焼入装置とした。

また、前述の焼入装置を用いて、焼入槽内に環状部品を固定した後、ノズルから焼入槽内へ冷媒を導入する焼入方法を提供する（請求項５）。また、冷媒を水や油として、環状部品を軸受部品とした焼入方法とすることもできる（請求項６、７）。

本発明の焼入装置および焼入方法を上述した構成および工程にすることで、焼入処理を行うワークに接触する冷媒は焼入槽内を停滞することなく、常に入れ替わる状態を保つことができる。

本発明に係る焼入装置は、円筒形状の焼入槽の中央部に焼入槽の内径よりも小さい外径を有した円筒部品を備えた焼入装置であって、焼入槽内に冷媒を導入するノズルが焼入槽に取付けられている構造とすることで、使用する冷媒の量を低減しつつ、焼入処理を行うワークに接触する冷媒は焼入槽内を停滞することなく常に入れ替わるので、焼入処理を行うワークに対して均一な冷却を行うことができるという効果を奏する。

また、本発明に係る焼入方法は、前述した焼入装置を用いて、焼入槽内に環状部品を固定した後、ノズルから焼入槽内へ冷媒を導入することで、固定された環状部品の周囲が冷媒を取り込みながら、連続的に冷媒が入れ替わるので、ワークの冷却速度を自在に制御できるという効果を奏する。

本発明の実施の形態の一例である焼入装置１全体の模式図（斜視図）である。 図１に示す焼入装置１の平面図である。 図２に示す焼入装置１をＡ−Ａ線で切断した時の断面図である。

本発明の実施の形態の一例について図面を用いて説明する。図１は本発明の実施の形態の一例である焼入装置１全体の模式図（斜視図）、図２は図１に示す焼入装置１の平面図、図３は図２に示す焼入装置１をＡ−Ａ線で切断した時の断面図である。

本発明の焼入装置１は、図１ないし図３に示すようにワーク（環状部品）Ｗの焼入処理を内部で行う焼入槽２と、この焼入槽２内に設置されている円筒部品３と、焼入槽２に取付けられており、その焼入槽２内部へ冷媒を導入するノズル４（４Ａ、４Ｂ）と、円筒部品３の外周に取りつけられており、ワークＷを定位置で固定する保持ピン５と、を備えている。また、焼入槽２の内部には円筒部品３がほぼ中央部に設置されているので、焼入装置１の横断面は図２および図３に示すように中央部が空いたドーナツ形状（環状）を呈している。これは、ワークＷを焼入槽２内部にて焼入処理する場合に使用する冷媒量を最小限に抑えることができる。

次に、焼入槽２の取付けられたノズル４（４Ａ、４Ｂ）は、図２および図３に示すように焼入槽２の底部に計４箇所取り付けられており、保持ピン５にワークＷが固定されたときにワークＷの下方となるようにされている。これは、ワークＷの焼入処理を行う場合に保持ピン５上のワークＷを下方から上方に向けて順に冷却できるようにするためである。また、計４個のノズル４（４Ａ、４Ｂ）の内、３個の垂直ノズル４Ａの先端部は焼入槽２の底部から上方に向けて冷媒が導入されるように取付けられている。そして、残り１個の曲がりノズル４Ｂの先端部は冷媒が焼入槽２内部へ導入された時に冷媒の流れが焼入槽２の円周方向になるように取付けられている。焼入槽２内の冷媒の動きが円周方向となる（環流する）ことで、冷媒が焼入槽２の底部から上方に向けて一方向にのみ動く場合に比べて、焼入槽２内の冷媒の動き（流速）が飛躍的に上昇する。

次に、図１に示す焼入装置１を用いた焼入方法の工程について説明する。まず、冷媒が導入されていない焼入槽２内にワークＷを、例えばワークＷを把時できるロボット等を用いて保持ピン５上に固定する。その後、ノズル４（４Ａ、４Ｂ）から水や油などの冷媒を焼入槽２内部に導入する。焼入槽２内部に冷媒が導入すると、ワークＷの下方から徐々に冷媒が満たされていき、ワークＷの表面温度が低下して冷却される。その間も次々にノズル４（４Ａ、４Ｂ）から冷媒が焼入槽２内部に供給されるので、焼入槽２から冷媒が溢れ出る。焼入処理が完了したワークＷは焼入槽２から取り出されて、一連の焼入処理の工程が完了する。新たに別個のワークＷを焼入処理する場合には、焼入槽２内部の冷媒は焼入槽２に設けたバルブ等を使用して一旦外部へ全て流出させることで、焼入槽２内の冷媒を空にした状態にしておくこともできる。なお、焼入槽２内部へ供給する冷媒の量や供給時間は、ワークＷの大きさや材質にしたがって適宜調整できるものとする。

以上より、本発明に係る焼入装置および焼入方法は、被処理物に接触する冷媒を連続的に焼入槽内に供給できるので、焼入槽内の冷媒を常に入れ替えることができる。また、焼入槽の形状が円筒形状であり、焼入槽内の中心部には円筒体を備えて、焼入槽と円筒体との隙間を利用して被処理物および冷媒を導入するので、被処理物に接触する冷媒量を最小限に抑えながら、冷媒が被処理物に接触する割合を高める効果がある。同時に、冷媒が焼入槽と円筒体との限られた空間のみを動くので、冷媒の流速を高めることもできる。

なお、上述の図１ないし図３で示した曲がりノズル４Ｂの取り付け位置が焼入槽２の底部の場合を示したが、別の実施の形態としては垂直ノズル４Ａのみを焼入槽２に取付ける場合には、焼入槽２の外周面に対して（焼入槽２の）横断面視で円筒形状の接線方向と平行となる様に取付けることもできる。このような形態であっても、冷媒が垂直ノズル４Ａを通して焼入槽内部に導入されると、導入された冷媒は焼入槽内部で円周方向に渦を巻きながら、らせん状の焼入槽の下方から上方に向かって動くので、曲がりノズル４Ｂを焼入槽２の底部へ取付けた場合と同様の効果を得ることができる。

また、冷媒の温度を焼入槽へ導入する前に変化させることで、被処理物の冷却速度と被処理物に発生する歪み量をより低歪とすることができる。また、焼入槽を密閉型とすることで比較的に高温の冷媒を使用することもできる。さらに、焼入装置に減圧装置を付加することで減圧下での焼入処理を行うことも可能である。

さらに、被処理物が軸受部品の場合には、その軸受部品が収納できる容量を備えた円筒状の焼入槽底部にノズルを設けて、焼入槽の底部から冷媒を流入することで、焼入槽の底部から上方に冷媒を環流噴射することで、連続的に新鮮な冷媒を供給し続けることができる。さらに、焼入処理に使用する冷媒は焼入槽から溢れさせて（オーバーフローさせて）、焼入槽下方に設けられたオイル受け（オイルパン）で回収して、ポンプを用いてオイルタンクへ戻す循環的なシステムとすることもできる。

また、冷媒を供給する配管の途中にバルブを設けて、そのバルブの開度を調整することで、例えば焼入初期は冷媒の温度を上げて被処理物の表面に発生する蒸気膜の状態を保持して、その後に冷媒の量を増加させて被処理物に接触する冷媒の速度も上昇して、被処理物の表面から蒸気膜を一斉に除去できる。さらに、冷媒の温度を変えた異なるオイルタンクを複数個設けることで、冷媒による冷却速度を自由に調整できるので、例えば冷媒の流速を１ｍ／ｓ以上に制御することも可能になる。

１ 焼入装置
２ 焼入槽
３ 円筒部品
４Ａ 垂直ノズル
４Ｂ 曲がりノズル
５ 保持ピン
Ｗ ワーク（環状部品）

Claims (7)

1. 円筒形状の焼入槽と、前記焼入槽の中央部に前記焼入槽の内径よりも小さい外径を有した円筒部品と、を備えた焼入装置であって、前記焼入槽内に冷媒を導入するノズルが前記焼入槽に取付けられていることを特徴とする焼入装置。
2. 前記ノズルは、その先端部が前記焼入槽の円周方向を向くように取付けられていることを特徴とする請求項１に記載の焼入装置。
3. 前記ノズルは、前記焼入槽の底部に取付けられていることを特徴とする請求項２に記載の焼入装置。
4. 前記ノズルは、前記焼入槽の横断面視で前記円筒形状の接線方向と平行となる様に前記焼入槽の外周面に取付けられていることを特徴とする請求項２に記載の焼入装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の焼入装置を用いて、前記焼入槽内に環状部品を固定した後、前記ノズルから前記焼入槽内へ前記冷媒を導入することを特徴とする焼入方法。
6. 前記冷媒は水であって、前記環状部品は軸受部品であることを特徴とする請求項５に記載の焼入方法。
7. 前記冷媒は油であって、前記環状部品は軸受部品であることを特徴とする請求項５に記載の焼入方法。

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