JP2017008397A

JP2017008397A - 高周波焼入れ方法

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Publication number: JP2017008397A
Application number: JP2015127635A
Authority: JP
Inventors: 裕彬本山; Hiroaki Motoyama
Original assignee: Sumitomo Electric Sintered Alloy Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Sintered Alloy Ltd
Priority date: 2015-06-25
Filing date: 2015-06-25
Publication date: 2017-01-12
Anticipated expiration: 2035-06-25
Also published as: JP6583714B2

Abstract

【課題】焼入れすべき領域と焼入れ忌避領域が内径部に近接して存在する筒状ワークの高周波焼入れにおいて、焼入れすべき領域を安定して焼入れしながら焼入れ忌避領域に焼きが入ることを確実に防止できるようにすることを目的とする。
【解決手段】
ワークの焼入れ忌避領域の内側に、高周波加熱装置の高周波コイルに対する通電で焼入れすべき領域に発生する磁束とは逆向きの磁束を生じさせる非鉄金属製のシールドピンを挿入し、前記高周波加熱装置で前記焼入れすべき領域を焼入れ温度に加熱した後、冷却液をワークに吹きつけ、その冷却液でワークを１個焼入れする毎に前記シールドピンも同時に冷却するようにした。
【選択図】図２

Description

本発明は、焼入れすべき領域と焼きを入れたくない領域（以下ではこれを焼入れ忌避領域と言う）が内径部に近接して混在したインターナルギヤなどのワーク（機械部品や構造部品）を、高周波加熱装置を用いて焼入れする高周波焼入れ方法に関する。

ピ二オンギヤなどを加熱する高周波加熱装置の従来技術として、例えば、下記特許文献１に記載されたものが知られている。

その特許文献１の高周波加熱装置は、加熱すべき領域と加熱したくない領域を外周に有し、その２つの領域が近接しているピ二オンギヤなどのワーク（被加熱物）を加熱するものであって、内部空間にワークを挿入する高周波コイルと、その高周波コイルとワークの加熱したくない領域との間に入り込ませる非鉄金属製のリングを備えている。

その非鉄金属製のリングは、高周波コイルに通電されたときに加熱すべき領域に渦電流が流れて発生する磁束とは逆向きの磁束を発生させる。これにより、加熱したくない領域の磁束が打ち消されて弱められ、その領域の加熱が抑制される。

特開２００２−３４３５５０公報

高周波加熱装置を使用して焼入れを行うワークの中に、図３に示すようなワーク１０、即ち、焼入れすべき領域１１と焼入れ忌避領域１２が内径部に近接して存在する筒状ワークがある。

このワーク１０は、チャック爪５ａなどで掴んで保持する。そして、この状態で図３に示すように、焼入れすべき領域１１の内側に高周波コイル２を挿入し、そのコイルに通電して焼入れすべき領域１１を所要温度（焼入れ温度）に加熱する。

このとき、焼入れ忌避領域１２が焼入れ温度に加熱されないようにするために、従来は高周波コイル２の形状やワーク１０に対する高周波コイル２の位置、同コイルの出力、通電時間などを厳密に管理する方法が採られていた。

しかしながら、その対応では、ワーク１０の寸法、高周波コイルの形状、ワーク１０に対するコイルの位置や出力などの焼入れ条件の僅かな変動によって焼入れ忌避領域１２にも焼きが入ることがあった。

そこで、焼入れ忌避領域１２に、特許文献１に示されるような非鉄金属のピースを挿入し、そのピースの働きによって焼入れ忌避領域１２に発生する磁束を弱めることを検討した。

ところが、ワークのサイズによっては、磁束打消し用の非鉄金属のピースとして、直径が２０ｍｍにも満たないような小径のピン（以下ではこれをシールドピンと言う）を用いざるを得ない場合がある。

その小径シールドピンは、スペース上の制約や断面積確保の観点から内部冷却構造を採用するのが難しい。

その内部冷却ができない小径シールドピンは、電気抵抗の小さい銅などで形成されたものを用いても、繰り返し渦電流が流れると過加熱によって歪んだり、熱劣化してダメージを受けたりする。

そのため、量産される小サイズワークの焼入れでは特に、シールドピンの使用を断念せざるを得なかった。

本発明は、小サイズワークの高周波焼入れでもシールドピンを採用してワークの焼入れすべき領域を安定して焼入れしながら焼入れ忌避領域に焼きが入ることを確実に防止できるようにすることを目的とする。

この発明の一態様にかかる高周波焼入れ方法は、焼入れすべき領域と焼入れ忌避領域が内径部に近接して混在した筒状ワークを、そのワークの焼入れすべき領域の内側に挿入される高周波コイルを備えた高周波加熱装置を用いて焼入れする方法であって、
前記ワークの焼入れ忌避領域の内側に、前記高周波コイルに対する通電で焼入れすべき領域に発生する磁束とは逆向きの磁束を生じさせる非鉄金属製のシールドピンを挿入し、
前記高周波加熱装置で前記焼入れすべき領域を焼入れ温度に加熱した後、冷却液をワークに吹きつけ、その冷却液でワークを１個焼入れする毎に前記シールドピンも同時に冷却するものである。

この発明によれば、シールドピンの過加熱による歪、熱劣化が抑制され、小サイズ量産品の短時間サイクルでの焼入れと、焼入れ忌避領域に対して焼きが入ることの確実な防止が可能になる。

この発明の実施に利用する高周波加熱装置の一態様を示す断面図である。図１の高周波加熱装置を用いた高周波焼入れ方法の一形態を示す断面図である。焼入れすべき領域と焼入れ忌避領域が内径部に近接して存在するワークの従来法による高周波焼入れの解説図である。

［本発明の実施形態の説明］
本発明にかかる高周波焼入れ方法の一態様を以下に挙げる。この方法で焼入れを施すワークは、焼入れすべき領域と焼入れ忌避領域が内径部に近接して混在したものである。

そのワークは、例えば、インターナルギヤである。そのインターナルギヤの中に、下記の如き構造のもの、即ち、焼き入れすべき内歯とその内歯に近接した軸穴などの穴を有し、前記穴が後工程での機械加工やその穴に挿入される相手部材への攻撃力低減などのために焼きを入れたくない穴であって、しかも、その穴の内径が内歯の歯先径よりも小さくなっているものがある。

このようなワークの焼入れすべき領域の内側に高周波加熱装置の高周波コイルを挿入し、その高周波コイルに通電して焼入れすべき領域を焼入れ温度に加熱する。

また、その高周波コイルによる加熱は、前記ワークの焼入れ忌避領域の内側に予め、前記高周波コイルに対する通電で焼入れすべき領域に発生する磁束とは逆向きの磁束を生じさせる非鉄金属製のシールドピンを挿入して行う。

次に、焼入れすべき領域が焼入れ温度に加熱されたら、その後にワークに冷却液を吹きつける。そして、その冷却液でワークを１個焼入れする毎に前記シールドピンも同時に冷却する。

このときに用いる冷却液は、急激な冷却を抑制してワークの冷却割れを防止する目的で使用されるポリマー含有の水溶性冷却剤でよい。

シールドピンは、熱伝導性がよくて電気抵抗の小さい材料、例えば、銅などで形成されたものが好ましい。

この方法によれば、シールドピンがワークを１個焼入れする毎に冷却されるため、そのシールドピンの過加熱による歪、熱劣化が確実に抑制される。

［本発明の実施形態の詳細］
本発明の一態様にかかる高周波焼入れ方法の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれ等の例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

高周波加熱装置の具体例を図１に示す。この図１の高周波加熱装置１は、定位置に保持された高周波コイル２と、これも定位置に保持された冷却液の噴射管３と、高周波コイル２の直下に配置された昇降テーブル４と、その昇降テーブル４上に設置されたワーク保持具５及びシールドピン６を備えている。

噴射管３は、高周波コイル２の斜め上方に中心対称の配置にして２本設けられている。その噴射管３の噴出口は、高周波コイル２の方向を向いており、そこから、冷却液が高周波コイル２に向けて吹きつけられる。

図のワーク保持具５は、機械構造用炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）製のスクロールチャックである。チャック爪５ａでワーク１０を掴むこのワーク保持具５は、昇降テーブル４のワーク載置面（上面）４ａ上に設置されている。

シールドピン６は、非鉄金属製（図のそれは銅製）のピンであり、ワーク載置面４ａの中心に立設されている。また、ワーク載置面４ａには冷却液を逃がす廃液溝４ｂが設けられている。

このように構成された高周波加熱装置１の昇降テーブル４上に焼入れ対象のワーク１０を焼入れすべき領域１１が上、焼入れ忌避領域１２が下となる向きにして載せ、そのワーク１０をワーク保持具５で保持する。

このとき、ワーク載置面４ａ上のシールドピン６は、焼入れ忌避領域１２の内側に入り込ませる。

ワーク載置面４ａ上にワーク１０をセットし終えたら昇降テーブル４を所定位置まで上昇させ、図２に示すように、ワーク１０の焼入れすべき領域１１の内側に高周波コイル２を導入する。

その後、高周波コイル２に通電し、焼入れすべき領域１１の内径側の表面を焼入れ温度（例えば、９００℃程度）に加熱する。その加熱は、高周波コイル２の出力などにもよるが、数秒（例えば５秒程度）通電することで実現できる。

ワーク１０の焼入れすべき領域１１を目的の温度に加熱したら高周波コイル２に対する通電を止め、噴射管３から冷却液を噴射させ、その冷却液をワーク１０の内側に吹きつけて焼入れすべき領域１１を含めたワークの内径部の全域を冷却する。

その吹きつけにより、ワークの焼入れ忌避領域１２の内側に挿入されているシールドピン６も一緒に冷却される。

その冷却液の吹きつけによる冷却を所定時間（これも数秒でよい）実施したら、昇降テーブル４を初期位置に降下させ、ワーク保持具５による保持を解いて焼入れされたワークを取り出す。

この方法によれば、ワーク１０を１個焼入れする毎にシールドピン６が強制的に冷却されるので、シールドピン６の歪や熱劣化が抑制される。

また、強制冷却を行うことで焼入れのサイクル（１個当たりの処理時間）を短縮でき、ワークが量産品である場合、生産性の向上が図れるようになる。

焼入れすべき領域１１に溝底径ｄ２＝φ２２ｍｍ、内径（歯先径）ｄ１＝φ２０ｍｍのスプラインを有する鉄系焼結合金製円筒体のスプラインの高周波焼入れを上記実施形態の方法で行った。

その円筒体は、スプライン形成部とは反対側に焼入れ忌避領域１２となる内径ｄ＝φ１８．７ｍｍの軸穴を有する。スプライン形成部から軸穴までの離反距離は１．５〜２．０ｍｍである。

この円筒体のスプラインの内側に外径がＤ１＝φ１８．５ｍｍの高周波コイルを挿入し、さらに、軸穴には外径Ｄ＝φ１６．７ｍｍのシールドピンを入り込ませた。そのシールドピンの軸穴に対する入り込み量Ｌ＝２．４ｍｍである。

高周波コイルは、スプラインの溝底まで十分に焼きが入るように出力：９５〜９６Ａ、電圧：２５０Ｖ〜３５０Ｖ、周波数：１００ｋＨｚのものを用いた。

その高周波コイルで約５秒間円筒体を加熱し、その後、冷却液としてポリマー含有の水溶性冷却剤を吹きつけて円筒体の加熱された箇所を冷却し、そのとき同時に、吹きつけた水溶性冷却剤でシールドピンも冷却した。

その処理を１００，０００回繰り返した時点でシールドピンの状況を調べた結果、シールドピンの歪と熱劣化は殆ど見られなかった。

１高周波加熱装置
２高周波コイル
３噴射管
４昇降テーブル
４ａワーク載置面
４ｂ廃液溝
５ワーク保持具
５ａチャック爪
６シールドピン
１０ワーク
１１焼入れすべき領域
１２焼入れ忌避領域

Claims

焼入れすべき領域と焼入れ忌避領域が内径部に近接して混在した筒状ワークを、そのワークの焼入れすべき領域の内側に挿入される高周波コイルを備えた高周波加熱装置を用いて焼入れする方法であって、
前記ワークの焼入れ忌避領域の内側に、前記高周波コイルに対する通電で焼入れすべき領域に発生する磁束とは逆向きの磁束を生じさせる非鉄金属製のシールドピンを挿入し、
前記高周波加熱装置で前記焼入れすべき領域を焼入れ温度に加熱後、冷却液をワークに吹きつけ、その冷却液でワークを１個焼入れする毎に前記シールドピンも同時に冷却する高周波焼入れ方法。
高周波加熱装置として、定位置に保持された高周波コイルと、定位置に保持された冷却液の噴射管と、高周波コイルの直下に配置された昇降テーブルと、その昇降テーブル上に設置されたワーク保持具及びシールドピンを具備した装置を使用する請求項１に記載の高周波焼入れ方法。
前記昇降テーブルのワーク載置面上に、前記ワークを焼入れすべき領域が上、焼入れ忌
避領域が下となる向きにして載せ、このワークの焼入れ忌避領域の内側に前記シールドピンを入り込ませ、前記昇降テーブルを、前記ワーク保持具に保持されたワークの前記焼入れすべき領域に前記高周波コイルが挿入される位置まで上昇させ、この位置で前記高周波コイルによる加熱と前記噴射管から噴出させる冷却液での冷却を行う請求項２に記載の高周波焼入れ方法。