JP3076580B2 - 機械要素を高周波焼入れするための装置及び方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は一般に、誘導加熱の技術に関し、より詳細に
は、歯車等の機械要素を表面硬化させるための誘導加熱
の使用に関する。

歯車、スプライン付きのシャフト及びスプロケット等
の機械要素は、高トルク荷重、摩滅及び衝撃荷重を頻繁
に受ける。例えば動力伝達装置の歯車は、通序の作動の
間に上記各々の力に遭遇する。代表的な歯車生産設備に
おいては、歯車の歯の機械加工の次に熱処理を行って歯
を硬化させる。歯車の熱処理は種々のタイプの操作を含
み、これら総ての操作はある最適の特性を有する微粒組
織を製造するという共通の目的すなわち単一の目的をも
っている。しかしながら、硬化処理はしばしば歯車の歯
を劣化させて低下した様々な品質を生ずる。

通常の熱処理に伴うこれらの問題を避けるために、ま
た機械要素（歯車）の上述の荷重及び摩耗の力に耐える
能力を改善するために、選択的な硬化により、母材は、
硬化されたアウタケースを与える。このようにすると、
変質するのは外側表面だけであり、母材は、強度及び延
性等の所望の性質を維持する。

歯車としてのそのような機械要素上のアウタケースを
選択的に硬化させるための１つの技術は、歯車の歯を個
々に高周波焼入することである。また同様に選択的であ
る他の硬化技術は、選択的な侵炭と呼ばれるプロセスで
ある。単一の歯の高周波焼入れは、歯間において前後に
振動する成形インテンシファイヤにより実行される。こ
れは通常、クエンチ（冷却剤）中に浸漬された歯車に対
して行われる。一時に１つの歯車の歯だけが処理される
ので、このプロセスは比較的ゆっくりしたものである。
選択的な侵炭は最も広範に用いられており、またこのプ
ロセスは、加熱操作の間に侵炭から保護すべき表面を侵
炭活性カーボンの通過を阻止する材料により被覆する段
階を含む。カーボンの活性化を止めるために最も広範囲
に用いられている方法は銅メッキである。歯車は歯を除
いてその総ての表面に銅メッキを施され、その後侵炭さ
れる。その部分は次に銅を剥離され、仕上げ加工され、
全体を再び銅メッキされ、加熱硬化され、そして焼入れ
される。

侵炭操作の困難性及び経費に鑑み、幾つかの会社は、
単一の歯に対して行う方法とは対照的に、大規模に選択
的な表面硬化を行うことのできる誘導加熱等の代替的な
技術を考えた。1987年６月23日付けで発行されたミュー
カ（Mucha）他の米国特許第4,675,488号明細書は、上述
の単一歯操作の変形例を開示しており、この変形例の操
作においては、一時に幾つかの歯を誘導加熱して焼入れ
硬化し、以前に硬化された歯の欠点を防止するために残
りの歯を冷却する（第１欄55乃至65行）。最終的には総
ての歯が高周波焼入れされるが、インダクタは極めて複
雑でかつ高価なものである。上記米国特許はまた、包囲
型のインダクタを用いて歯車の外周面を誘導加熱するた
めの手段を考案する試みが他の人により数年前に行われ
ていることを述べており、この手段によれば、歯車をイ
ンダクタにより処理し、その直後に焼入れ硬化し、これ
により歯車外面に所望の表面硬化を生じさせる。上記米
国特許により示唆されたこの解決法においては、２つの
誘導加熱コイルを提供し、被加工物を第１の誘導加熱コ
イルの中でこれと同心円状に設ける。この第１のコイル
は、第１の交番周波数電流により一定の時間にわたって
付勢される。消勢されると、被加工物はある遅延時間を
過ごし、その後、第１の誘導加熱コイルが第２の交番周
波数により別の一定の時間にわたって再付勢されるが、
この別の一定の時間は、上記第１の交番周波数による第
１の時間よりもかなり小さい。この第２の時間が終わる
と、被加工物は直ちに第２の誘導加熱コイルの中に同心
円状にして移送されて第２の遅延時間を過ごす。この段
階の次に、第２の誘導加熱コイルがラジオ周波数電流に
より第３の時間にわたり付勢され、被加工物を第２の誘
導加熱コイルの中に置いた状態で、外面に噴霧された急
冷液体により外面を即座に急冷する。

数年前に、誘導加熱を行うための２重周波数構造が発
表されており、この構造によれば、低周波数電流を用い
て歯車の歯を予備加熱し、次に高周波数（ラジオ周波
数）を用いて焼入れ硬化の前に最終加熱を行う。この２
重周波数構造は、上記米国特許においてある程度採用さ
れている。この２重周波数の概念はまた最近、本願発明
者により、1987年６月に出版された雑誌「熱処理」（He
at Treating Magazine）の第19巻No.6に掲載された
「２重周波数法による歯車の高周波焼入れ」と題する論
文に記載されている。この論文に記載されるように、２
重周波数加熱の原理は、高周波及び低周波の両方の加熱
源を採用するものである。歯車は最初に、歯車の歯の質
量を予熱するに必要とされるエネルギを提供する比較的
低い周波数源（３−10KHz）により加熱される。この段
階のすぐ後に、高周波数源による加熱が行われるが、こ
の際の周波数は、歯車の寸法及び直径ピッチに依存して
100−300KHzの範囲である。高周波数源は歯の輪郭面全
体を焼入れ温度まで急速に最終加熱する。次に歯車を所
望の硬度まで焼入れして焼戻しする。

２重周波数加熱は、歯車を加熱する周知の方法の中で
最も迅速な方法である。加熱時間は、0.14から2.0秒の
範囲である。これは例えば、歯車をレーザで歯毎にスキ
ャンするに要する４−５分間に比肩する。２重周波数加
熱においては、回転する被加工物は、スピンドル中心付
け固定具に乗っている状態で予熱される。次に、迅速な
「パルス」が最適な最終加熱を達成する。次に、被加工
物は、約30秒間の全処理時間にわたって水基材のクエン
チ（急冷剤）の中に導入される。２重周波数は歯車焼入
れ方法の中で特異なものであり、現存する方法に対して
競合し得る仕様を有している。すなわち、与えられた硬
化深度の要求及び歪みの制限に対して、通常の焼入れ方
法においては、一方の要求を上げれば他方の要求が低下
する。２重周波数焼入れは必要な熱量だけ（通常の誘導
加熱よりも２−３倍小さなエネルギ）を部品に与えるの
で、硬化深度の要求及び歪みの両方の仕様に正確に合致
させることができる。

２重周波数又は単一周波数を問わずいかなる誘導加熱
処理を用いても、また部品のタイプ及びその材料に関係
なく、部品の特性は、単一あるいは複数の誘導加熱コイ
ルの最適な設計及び最も適した機械の設定を必要とす
る。適正に設計されたコイル及び適宜な機械の設定によ
ってのみ、部品全体の強度、材料の延性及び部品の仕様
を維持しながら、摩耗及び荷重に対する耐久性の観点か
ら最も適正であると考えられる輪郭及び表面硬化を得る
ことができる。脆性の高すぎる歯車は、歯車の素材本体
からひび割れあるいは破断により歯が脱落することによ
り早期に壊れてしまう。

従来は、固定されたコイルの設計が広範な種々の部品
に対して用いられており、また機械の設定は、誘導機の
オペレータによる「最善の推量」に基づき行われてい
た。コイルを固定していることにより１つの変数が排除
され、オペレータは試行錯誤法により零点調整して許容
し得る最終的な部品を得ようとする。オペレータは、熟
練を積むにつれて多くのまた種々の部品を経験し、彼
は、この経験を生かすことのできる範囲において、許容
し得る部品を得ることができるが、そのためには繰り返
しの試みを行う必要がある。

上記手法は全体的に科学的ではないために、期待しう
る最善のものは許容し得る部品であって最適な部品では
ない。この問題点は、歯車等の不規則な形状の対象物を
誘導加熱する際に倍加される。与えられた部品に対して
最適なコイルの仕様及び誘導機の設定を正確に決定し、
寸法、形状、材料あるいは他の特性に関係なく種々の部
品に繰り返し使用可能な式を誘導する試みは今まで行わ
れていない。そうではなく、一般的な部品寸法に基づき
大ざっぱなパラメータを選定し、変数の組み合わせが許
容できる値に近づくまで機械の設定を操作していた。

コイルの仕様及び機械の設定の不確実さを避けるため
に、また機械要素の部品のタイプあるいは部品の形状及
び特徴に関係なく高周波焼入れを正確にかつ最適な態様
で行わせるために、本発明は、コイルの仕様及び機械の
設定を確立するための要素部品の寸法及び特徴に基づい
た一連の式を用いる機械構造及び高周波焼入れの方法を
提供する。個々の部品特性に基づき独特のコイル及び機
械変数（設定）に対する仕様を科学的に計算するこのプ
ロセスは、部品の高周波焼入れに対する予測可能なかつ
均一な結果を規則的かつ繰り返し可能な態様で可能とす
る。

従来は、実行することのできたいかなる計算も、精々
表面積及び浸透深さにのみ基づく初歩的なものであっ
た。一連の式は、当て推量によるのではなく科学的にコ
イル及び機械の変数を設定することを可能として不必要
な試行錯誤を行うことを排除し、また同時に部品の品質
を、単に許容し得るものからすなわち許容公差の水準か
ら最適な水準まで改善する。

非科学的で偶然に依存する従来の手法による方法を用
いた場合には、機械のオペレータがどの変数を変えるか
について何ら制御することがなく、また上述のように、
一方の変数を変化させると他方の変数に影響を与え、こ
れにより適宜な変数の組み合わせが達成されることは決
してなかった。本発明においては、設定の調節あるいは
微調整を必要とする場合には何らかのフィードバック及
び可能性があるが、１つの可変の基数を変える。さら
に、フィードバック及び可能性のある調節の必要性は、
機械要素の破損あるいは機械パラメータの公差からの逸
脱にのみ起因するものであって、一連の式及び等式（数
学的なアルゴリズム）が不正確すなわち雑に過ぎるため
ではない。

発明の総括 本発明の一実施例による、数学的なアルゴリズムの助
けにより誘導コイルの仕様及び誘導機の設定を計算する
機械要素の高周波焼入れ方法は、機械要素に関連する部
品仕様データを提供する段階と、機械要素に対する誘導
コイル仕様を上記数学的なアルゴリズムにより計算する
段階と、上記数学的なアルゴリズムにより誘導機の設定
を決定する段階と、特定された誘導コイルを形成する段
階と、該誘導コイルを上記誘導機に装填する段階と、上
記決定された誘導機の設定を該機械に与える段階と、上
記機械要素を上記誘導機によるインダクションにより加
熱する段階と、上記機械要素を急冷する段階とを備えて
いる。

本発明の１つの目的は、機械要素を高周波焼入れする
改善された方法を提供することである。

本発明の関連する目的及び利点は、以下の記載から明
らかとなろう。

図面の簡単な説明 図１は、本発明の代表的な実施例による高周波焼入れ
に用いる誘導機要素のブロックダイアグラムである。

図２は、本発明の代表的な実施例による機械要素の高
周波焼入れにおいて続行されるべき主要な段階の図解的
なフローチャートである。

図３は、図２に示す方法に関連するより詳細な段階及
びフィードバック・ループを示すフローチャートであ
る。

図3Aは、図３のフローチャートの続きである。

図４は、本発明の方法を実施する際に使用するのに適
した低周波誘導コイルの前方立面図である。

図4Aは、図４の低周波誘導コイルの平面図である。

図4Bは、図４の低周波誘導コイルの端面図である。

図５は、本発明の方法を実施する際に使用するのに適
した高周波発誘導コイルの前方立面図である。

図5Aは、図５の高周波誘導コイルの平面図である。

図5Bは、図５の高周波誘導コイルの端面図である。

図6A及び図6Bは、部品に対する通常の誘導コイルと、
本発明の代表的な実施例による誘導コイルとを比較する
概略図である。

図７は、誘導コイルと、加工ステーションの一部を含
む被加工物との配列を示す概略図である。

好ましい実施例の説明 本発明の原理の理解を促進するために、図面に示す実
施例を参照し、またこの実施例を説明するために特定の
用語を用いる。しかしながら、これら実施例及び用語に
より本発明の範囲を限定する意図は全くなく、図示の装
置における変形及び更なる変更、並びに以下に示す本発
明の原理の更なる用途は、当業者により通常予想できる
ものであることは理解されよう。

図１を参照すると、歯車等の機械要素の誘導表面硬化
に用いられる誘導機のブロックダイアグラム10が示され
ている。ワークステーション11は、ブロック12により示
すように、総ての部品処理要素、スピンドル、スライ
ド、変圧器等の幾つかの電気的要素、要素部品（被加工
物）、誘導コイル及び急冷ステーションを備えている。
以下に説明するように、高周波焼入れすべき要素部品
は、最終的な高周波焼入れされた部品の微細構造を最適
にするために実行されるべき特定のプロセス段階を必要
とする。ある場合においては、高周波（R.F.）及び低周
波（L.F.）の両方を与え、他の部品にはR.F.だけを用い
る。この目的のために、図１はR.F.発生機13及びL.F.発
生機14の両方を概略的に示しており、これら両発生機は
ワークステーションに接続されている。これらR.F.及び
L.F.発生機の実際の接続は、R.F.コイルだけにあるいは
ワークステーションに組み合わせて設けられているR.F.
及びL.F.の両方に対してそれぞれ対応する誘導コイルに
行うことができる。制御ブロック15は、オペレータが操
作する制御装置及び機器の残りの部分に対するインター
フェース電子部品を示している。これらの制御装置は、
ワークステーションにおける活動（アクティビティ）
と、R.F.及びL.F.発生機との両方に接続される。

好ましい実施例においては、誘導機は、コンピュータ
／マイクロプロセッサ制御装置と調和しており、この制
御装置は、フロッピディスク等のデータ入力手段により
マイクロプロセッサに入力された機械の設定及びコマン
ドにより、誘導機を自動的に運転させることができる。
フロッピディスクは、マイクロプロセッサに接続された
ディスクドライブ15aに装填される。フロッピディスク
に、各処理時間および順序、パワーレベル、部品移動デ
ータ等のデータが準備されていると、選択したまたプロ
グラムされた機械のプロセスがマイクロプロセッサによ
り自動的に実行される。事象の順序の重大性と、正確に
制御された時間、正確な時間間隔、パワーレベル及び温
度の重要性のために、誘導機の設定及び機械の変数に完
全に調和されたコンピュータ制御装置が必然である。そ
して、誘導コイルの仕様（例えば、誘導コイルの寸法、
材料、形状）及び機械の設定（例えば、周波数、加熱継
続時間や急冷ステップのインターバル時間、タイミン
グ、継続時間）が得られたならば、その唯一の手段が、
要素部品の輪郭を硬化させる最適な手段を提供する。

図２を参照すると、フローチャート20が示されてお
り、このフローチャートは、ブロック21で示す数学的な
すなわちコンピュータアルゴリズムを用いる本発明の高
周波焼入れ方法に用いることのできる幾つかの代表的な
プロセスにおける主要な段階の順序を示している。ブロ
ック21Aにより示す初期の要素部品データを、要素部品
の青写真あるいは他の部品仕様データシートから取る。
この代わりに、部品を検査して物理的な項目からあるデ
ータを得るようにしてもよい。。部品の特性により、ブ
ロック21Bにより示した選択された特定のプロセスを必
要とするであろう。この要素部品データ及びプロセスの
選定を次に数学的な（コンピュータ）アルゴリズムに入
力する。このアルゴリズムは、コンピュータソフトウエ
アによって実行され、好ましいコイルの設計パラメータ
を計算し（ブロック22）、この設計されたコイル（ブロ
ック22A）及び要素部品を受け入れる誘導機に対する適
宜な機械の設定を得る（ブロック23）ために用いられ
る。

選択されたプロセス順序に応じてL.F.及びR.F.コイル
が共に使用される場合には、ブロック22で計算されたコ
イルの設計パラメータを次に両方のコイルに対して編集
（コンパイル）する。PC（パーソナルコンピュータ）あ
るいは同様のシステム上で動作すべきコンピュータソフ
トウエアとして構成された数学的なアルゴリズムは、部
品の詳細が代わると部品毎に変化する要素部品データを
利用する一連の式及び等式から成っており、これによ
り、特定の要素部品に対して正確に仕立てられまた選択
した要素部品が変わると容易に変更されかつ再設定され
る誘導コイルの仕様及び機械の設定並びに制御を発生さ
せる。機械の設定は、ディスクドライブ15aを介してマ
イクロプロセッサに装填されたフロッピディスク上にプ
ログラムされ（ブロック25）、その後誘導機に入力され
る（ブロック30）。

歯数、直径ピッチ、圧力角及び歯幅等の情報は、プリ
ントあるいは仕様書から特定されて誘導コイルのパラメ
ータ及び誘導機の設定に用いられる要素部品データ（歯
車に対する）の幾つかである。要素部品データを処理す
るために用いられるコンピュータプログラムは、本明細
書の終わりに「リストＡ」と特定して記載されている。
このプログラムにおいては、ステートメント（文）140
−280は、歯車を高周波焼入れするために選択された要
素部品データを確認する。

種々の要素部品変数が種々の部品のタイプに対して選
択されるであろうことは明らかであるが、本明細書にお
ける開示は、表面硬化を必要とする機械要素部品の大部
分を構成するであろう歯車に基本的に焦点を当ててい
る。部品からの初期の入力データ（ブロック21A）は、
歯車あるいはこれに関連する要素部品に付いての関連デ
ータを計算（ブロック24）するために用いられる。好ま
しい実施例における場合のように、高周波焼入れ機械
に、フロッピディスクあるいは同様のデータ記憶手段と
互換性のあるNC（数値制御）あるいはマイクロプロセッ
サ型の制御装置を装備すると、得られた機械の設定をそ
のようなフロッピディスクに記憶（ブロック25）させる
か、あるいは他の適宜なデータ入力の形態に記憶させて
機械に入力（ブロック30）し、これにより機械の変数を
自動的に設定し、制御し更に調節することができる。

要素部品データが一旦得られると、計算を実行し、特
別に設計されたコイルを製造してワークステーションの
機械に装着し、フロッピディスクをプログラムしてロー
ドして、高周波焼入れ処理を開始する。図２に示すのは
４つの異なったプロセスシーケンスであり、これらシー
ケンスは特定の部品形状及び特定の部品データに応じて
適正であることが証明されている。プロセス「Ａ」（ブ
ロック26）は２重周波数（R.F.及びL.F.）誘導を含み、
このプロセスにおいては、部品を最初に第１のコイルに
より低周波で予熱し、その後第２のコイルにより高周波
（R.F.）で最終加熱段階を行う。上述のように、焼戻し
段階も低周波誘導により行うことができる。プロセス
「Ｂ」においては、予熱段階及び最終加熱段階は共に高
周波誘導により実行される。予熱は高周波のパルスによ
り行われ、一方最終加熱は、連続的な高周波を与えるこ
とにより実行される。プロセス「Ｂ」は、プロセス
「Ａ」と同様に低周波の焼戻しを採用している。

ブロック28はプロセス「Ｃ」の段階を示しており、こ
のプロセスは、高周波パルスによる予熱を行い、その後
高周波による最終加熱を行う。プロセス「Ｂ」とプロセ
ス「Ｃ」との間の唯一の違いは、プロセス「Ｃ」は焼戻
し段階に対してパルス高周波誘導を用いている点であ
る。本発明と共に用いることができる幾つかのプロセス
の変形例の一例として選択された最後の第４のプロセス
がブロック29に示されており、これはプロセス「Ｄ」と
特定される。プロセス「Ｄ」とプロセス「Ｃ」との間の
唯一の違いは、プロセス「Ｄ」が、高周波による最終加
熱の前の、追加の予熱段階を含んでいる点にある。初期
の予熱段階に追加されるこの追加の段階は、高周波パル
ス誘導により実行される。特定のプロセスの選定は、部
品の形状及び歯車に対する直径ピッチ等の関連する要素
に支配される。

好ましい実施例においては、高周波焼入れすべき要素
部品はワークステーション11においてコイルと相対的に
位置決めされる。コイルを静止した状態に維持しなが
ら、要素部品を回転させる。垂直な中心線の間（図6B参
照）、あるいは頂部及び底部取り付け中心の間、又は固
定具の間に要素部品を固定することができる。部品は、
頂部すなわち最も上方の位置で始まり、第１のコイルか
ら第２のコイル（もし使用していれば）へ下方かつ軸方
向に段階的に割り付けされ、次いで再び急冷位置に向か
って下方へ割り付けされる。予熱あるいは最終加熱のた
め用いられるコイルの１つを用いて焼戻しが実行され
る。所望の誘導加熱を達成するために、コイルを、選択
した要素部品の外面の周囲でこれに近接して位置決めす
る必要がある。従って、部品が予熱コイルを物理的に通
過して最終加熱コイルあるいは急冷に向かって下方かつ
軸方向に移動することができるかどうかを判定するため
に、部品の寸法及び輪郭の全体を考慮する必要がある。
部品のいずれかの部分が硬化すべき表面よりも大きけれ
ば、被加工物をコイルを通して１つの位置から他の位置
へ移動させることができない。もしこの部品の運動が制
約されるならば、プロセス「Ｃ」が選択される。その理
由は、プロセス「Ｃ」においては第２のコイルが存在せ
ず、総ての加熱は単一の高周波誘導コイルにより行われ
るからである。プロセス全体にわたって部品の厳密なか
つ正確な運動を維持するためには、軸方向の対称性、及
び中心並びに急冷位置に対するコイルの同心円状の位置
決めが必要であることを認識することが重要である。

特定のプロセスを選択する際に考慮すべき他の事項
は、歯車の直径ピッチ及び可能な発生機パワーである。
例えば、４−10の直径ピッチを有する歯車に対しては、
要素部品の形状が許すならばプロセス「Ａ」が好まし
い。10.1乃至24の直径ピッチに対しては、同様に要素部
品の形状が許すならば、プロセス「Ｂ」あるいはプロセ
ス「Ｃ」を用いることができる。３乃至６の直径ピッチ
に対しては、用い得る発生機及びそのパワーレベルによ
るが、プロセス「Ａ」の代わりにプロセス「Ｄ」を用い
ることができる。プロセスを選択したならば、歯数及び
歯幅等の多数の部品変数を、「リストＡ」により特定し
て計算する。

低周波焼戻し（プロセス「Ａ」及びプロセス「Ｂ」）
を、低周波予熱と共に実行するのが好ましく、従ってこ
れら２つの設定を有するプロセスが基本的に好ましい。
発生機のワット数の問題により、部品が十分に発生機パ
ワーを受けていなければ、プロセス「Ｄ」の特別の予熱
段階が、高ワット数の発生機を新規に購入することな
く、許容可能な部品をもたらす。

低周波発生機14は、約３−10KHzの周波数範囲を有し
ており、またこの低周波誘導により生ずる加熱は部品の
深いところで始まって部品の外面に向かって外向きに作
用する。可変周波数範囲を用いるのではなく、３−10KH
zの範囲内の特定の周波数を選定することができるが、
この固定周波数は実際には、焼入れすべき要素部品が単
一であり多数の部品ではない場合にのみ選択できるもの
である。低周波発生機のワット数は、ソリッドステート
型のインバータを用いて100Kwに固定することができ
る。

高周波（R.F.）発生機13は、約100−300の周波数範囲
を有している。この高周波発生機のワット数は、200乃
至900Kwの間で変動可能である。

４つの異なったプロセスシーケンスを示唆したが、４
つのプロセスの段階を混合し、プロセス「Ａ」乃至プロ
セス「Ｄ」に示唆されたもの以上のプロセス段階の順列
を作ることができる。

図３及び図3Aを参照すると、フィードバック論理を備
えた図２のプロセス「Ａ」のプロセス段階が、コンピュ
ータアルゴリズムの一連の式及び特定のプロセスに従っ
て最初に実行された部品に対して詳細に説明されてい
る。特定の部品に対するコイルの設計パラメータ及び誘
導機の設定の計算は、上記一連の式により行なわれてお
り、機械の変数が設定され（ブロック32）、またコンピ
ュータ制御されるまたはコンピュータ制御可能な誘導機
に、フロッピディスクを装填する。次に部品を機械に装
填し、特別に製造された誘導コイルをワークステーショ
ンに定置する。

プロセス「Ａ」において、最初の段階はブロック33に
おける低周波誘導予熱である。この段階の次に、ブロッ
ク39における最終加熱段階、ブロック44における急冷、
及びブロック56における低周波焼戻しがある。破線で示
す多数のブロック及びこれらを接続する破線の矢印は、
モニタ、チェック及びフィードバック機能を表してい
る。しかしながら、これらの機能は単に選択的なもので
あり、数百あるいは数千サイクルが新しい機械で実行さ
れるまでは必要のないものであろう。予熱段階の次に、
部品は、この部品の材料及び適正な熱処理のための要件
に基づく所定の温度にならなければならない。部品の温
度はブロック34において自動的にチェックされ、また次
の段階においては、上記温度に応じて３つの選択が可能
である。部品の温度が低ければ、誘導コイルへのパワー
が増加され、論理パス35及び次の部品が動作される。同
様に、部品の温度が高ければ、パワーが減少され、論理
パス36及び次の部品が動作される。これらのパワーの調
節は、適正なパワーレベルが測定されるまで、必要回数
（Ｘ回）行うことができる。しかしながら、適正なパワ
ー設定を得るために３回あるいは４回の試みが必要とさ
れる場合には、恐らく装置には何らかの問題あるいは困
難性があるはずであり、従って機械を停止して低周波発
生機あるいはセンサをチェックする必要がある。

部品の温度が所定のレベルに対して許容範囲内にあれ
ば、第３の論理パス37が常に実行される。この特定の温
度が記録され、また部品は最終加熱に進み続ける（ブロ
ック39）。

ブロック39における最終的な加熱段階（高周波）の次
に、部品温度のチェックが再開される。同一の３つの論
理パス40、41および42が存在し、繰り返しの試みの回数
が変数「Ｘ」として設定される。部品温度が低ければ、
パワーが論理パス40により増加される。温度が高すぎれ
ば、パワーは論理パス41により減少される。いずれの場
合においても、他の部品が最終加熱段階に送られ、そし
てパワーレベルが決定されまた部品温度が許容範囲内に
なるまで、部品温度がさらにチェックされる。部品温度
に基づき許容できる部品は、論理パス42を介して急冷
（ブロック44）の前の中間の段階43に移行する。段階43
において、エネルギモニタがチェックされ、その読みが
選択されたレベルよりも高いかあるいは低いことが判明
すると、部品の連続番号が記録される（ブロック45）。
ブロック46に到達した部品は総てブロック47へ通過し
（直接あるいはブロック45を介して）、このブロック47
から急冷段階に移行する。

ブロック44に示された急冷段階は、圧力及び温度の両
方に関係するものである。冷却の後の圧力が低いと、ポ
ンプがチェックされ（論理パス50）、この点において問
題があると、機械を停止する。圧力が高いと、フィルタ
Ａ及びＢを切り替え（論理パス51）、他方のフィルタを
プロセスで使用しながら一方のフィルタを洗浄すること
ができる。ブロック52における圧力の読みが許容できる
値であれば、温度のチェックを行い、高い温度あるいは
低い温度に対する２つの調節が行われる。ブロック53に
おける温度の読みが許容できるものである場合には、圧
力及び温度を記録（ブロック54）した後に、部品は焼戻
し段階に入る。急冷ステーションに、切り替え可能でか
つポンプと協働するように配設された２つのフィルタ網
を設けることにより、一方のフィルタが閉塞した場合の
バックアップが存在することになる。

焼戻し段階（ブロック56）が、２つのフィードバック
パス57および58と共に図示されている。部品温度がブロ
ック59でチェックされてその結果に応じてパワーが増加
あるいは減少され、次の部品に移る。正しいパワーレベ
ルにゼロ調整して所望の部品温度を得るためにあまりに
も多くの試みが必要とされる場合には、機械を停止して
発生機又はセンサをチェックする。許容できる温度を記
録して（ブロック60）、次の部品に移る。予熱段階にお
いては異なった段階を取るが、関連する論理フローパス
がプロセスＢ、ＣおよびＤに対して行われる。

上記説明は試行錯誤法を示唆するものかもしれない
が、誘導コイルのパラメータ及び選択したどのような部
品に対する機械の設定を決定する際の誘導された式の精
度及び機械性能の再現性の観点から、機械のサイクルが
数千を越さなければ数百に対して多くのフィードバック
ループが必要であるとは思われない。多くの繰り返しサ
イクルの後にのみ、機械要素が性能の低下を受ける機械
があるかもしれない。フィードバックループを考慮する
必要があるのはそのような多数のサイクルの後だけであ
る。更に、フィードバックループにおいて実行されるモ
ニタ及びチェックは、コンピュータ制御装置及びコンピ
ュータディスクのソフトウエアにより自動的に行われ
る。数学的なアルゴリズムを構成する一連の式及び等式
の処理を受ける各々別個の形状の部品が、恐らく別個の
組のコイル及び機械データを生ずるが、これらの式はい
かなるタイプの部品をもほとんど処理することができ
る。要素部品の変数が選択されて上記式で処理され、こ
れにより母材に対する最も望ましい材料特性を備えた最
適な表面硬化が生ずる。また、コイルの設計及び多数の
機械の設定に対する多数の変数があるが、フィードバッ
クループを介する数千サイクルの後に実行される唯一の
調節はパワーである。これは自動的に行うことのできる
調節である。コイルのパラメータ及び機械の設定を計算
するために用いられる一連の式の妥当性は非常に高く、
その結果が非常に正確であるために、他の総ての設定は
そのままであり、最少量の「トイーキング（tweakin
g）」はパワーの変動によってのみ行われる。

一連の計算式は、データ入力及び計算を容易にするた
めにコンピュータプログラム（プログラムＡ）に編集さ
れる。コンピュータプログラム及び等式にしたがって手
計算することも勿論選択できるが、手計算は、コンピュ
ータプログラムを用いることに比べると速くもないしま
た便利でもない。変数及び実行しなければならない種々
の計算段階の理解を助けるために、記述的なテキストを
プログラムプログラムリストの一部としてプログラム本
文の中に直接含めてある。フロー、論理及び実際の等式
並びに式が明瞭に示されており、また要素部品のパラメ
ータ及び特徴に基づいた計算結果が、プログラムステッ
プ及びデータ入力に従って十分に説明されている。

このメインプログラム（リストＡ）を特定の部品に対
して実行すると、２つの補足的なプリントアウトが生ず
る。これら２つのプリントアウトはまた、本明細書の最
後かつ請求の範囲の前に与えられている。第１のプリン
トアウトは、「リストＢ」と題されており、３つの別個
のサブリストによって入力データ、歯車データ及びコイ
ルデータを与えている。仮想の会社及び部品に対してメ
インプログラムを実行して実際のデータを生じさせ、そ
の結果を単に例を示す目的でリストに示してある。低周
波（L.F.）及び高周波（R.F.）の両方のコイルに対する
コイルデータがリストされている。このコイルデータ
は、低周波コイル70（図４、図4A及び図4B）及び高周波
コイル71（図５、図5A及び図5B）に対して示された設計
変数に与えられる。それぞれの図に示すコイル変数
（Ａ、Ｂ、Ｃ等）を実際に誘導された数値で置き換える
ことにより、所望の誘導コイルを製造するために十分な
設計データ及び寸法情報が得られる。次に、設計された
コイル70、71を製造し、用いた正確なアルゴリズムの結
果として、コイルが特定の部品に独特に合致する。

メインプログラムから生じた第２のリストは「リスト
Ｃ」と題されており、設定すべき総ての機械変数をプリ
ントする。このリストも、何時どの順番でどの機械の設
定を行うかに関する指令を段階的に提供する。これらの
設定は総て、マイクロプロセッサに接続されたディスク
ドライブに、生成したフロッピディスクをロードするこ
とにより、正確かつ自動的に行われる。

本発明の他の特徴は、傾斜したすなわち角度の付いた
高周波誘導コイル71の使用にあり、このコイルは、部品
の周囲に置かれ、単一の螺旋ピッチがシリンダ上に現れ
る視覚的効果を生ずる。部品は約600rpmで回転され、一
方コイルは静止したままである。部品に対する本発明の
コイルの形状が図6Bに図解的に示されており、また同一
の部品73に対する通常のコイル72が図6Aに図解的に示さ
れている。伝統的なすなわち従来技術の手法では、誘導
コイルは一般に、直線的な円筒体すなわち円筒形のスリ
ーブであり、この円筒形は焼入れすべき部品の領域とほ
ぼ等しい軸方向の高さを有している。部品は、約50rpm
のゆっくりとした速度で回転される。これらの条件は、
部品の母材の中まで深く浸透する良好でない品質の表面
硬化を生ずる。歯車及びこれに関連する歯の要素の場合
には、これらの歯は脆くなり過ぎて破損あるいはひび割
れを生ずることがある。角度付きの誘導コイル74を用い
ると共に、従来技術の装置における50rpmとは反対に600
rpmというかなり高い回転数を部品に与えることによ
り、表面硬化は極めて均一となり、母材の上に均一な厚
みの硬化されたケースを提供し、該ケースは、その望ま
しい強度、材料の延性及び部品の仕様を維持している。
従来技術の手法と、この角度付きの誘導コイルを有する
本発明の形状とが図6A及び図6Bに比較されている。

図７を参照すると、本発明の主要な要素の幾つかに対
する配列が図解的に示されている。図示のように、好ま
しい実施例では歯車であって、垂直な中心80および81
（破線で示してある）の間に装着された被加工物73に対
して、高周波焼入れが行われている。矢印82は、最初は
低周波誘導コイル70の中に位置決めされる歯車の軸方向
の運動方向を示している。次の段階においては、歯車を
高周波誘導コイル71へ通し、そこから急冷ステーション
83に移送される。低周波による焼戻しが必要であれば、
歯車を低周波コイルに向けて軸方向に戻す。回転駆動部
材84が歯車に所望の回転運動を与える。

角度付きの誘導コイルは、それぞれ直線的で略平行な
内側及び外側の壁部75、76を有する螺旋形状の環状のリ
ング形状を有するものとして最も良く説明される。

図面及び上の記載において本発明を詳細に図示しかつ
説明したが、これら説明したものは例示であって本発明
の特性を制限するものではないと考えるべきであり、好
ましい実施例のみを図示しかつ説明したのであって、本
発明の精神の範囲内にある総ての変形及び変更は保護さ
れる必要があることを理解すべきである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 チャップリン，マイケル・アール アメリカ合衆国インディアナ州46224, スピードウェイ，スピードウェイ・ドラ イブ 5868

Claims (14)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】誘導コイルの仕様及び誘導機の設定を計算
   するために数学的なアルゴリズムの助けを受けて歯車を
   高周波焼入れするための方法であって、 （ａ）高周波焼入れすべき歯車に対応する直径ピッチを
   含む部品仕様データを提供する段階と、 （ｂ）前記部品の仕様データを導入して前記アルゴリズ
   ムを実行する段階と、 （ｃ）歯車のタイプに応じて予め選択した前記数学的な
   アルゴリズムに従って前記歯車に対する誘導コイル仕様
   を引き出す段階と、 （ｄ）前記数学的なアルゴリズムに従って誘導機の設定
   を決定する段階と、 （ｅ）前記誘導コイルの仕様に従って特定の誘導コイル
   を形成する段階と、 （ｆ）前記特定の誘導コイルを前記誘導機に装填する段
   階と、 （ｇ）前記決定された誘導機の設定を該誘導機に与える
   段階と、 （ｈ）前記誘導機により前記歯車を誘導加熱する段階
   と、 （ｉ）前記歯車を急冷する段階とを備える高周波焼入れ
   方法。
2. 【請求項２】請求項１の高周波焼入れ方法において、誘
   導機の設定を確立しかつ監視するためのマイクロプロセ
   ッサを提供する追加の段階を含む、高周波焼入れ方法。
3. 【請求項３】請求項２の高周波焼入れ方法において、前
   記与える段階（ｇ）が、前記誘導機の設定をコンピュー
   タデスク上でフォーマットし、該コンピュータデスク
   を、前記マイクロプロセッサに接続されたディスクドラ
   イブに装填する段階を含む、高周波焼入れ方法。
4. 【請求項４】周波数発生機、ワークステーション、ディ
   スクドライブ及びマイクロプロセッサが装備された高周
   波焼入れ機械を用いて、歯車を高周波焼入れする方法で
   あって、 （ａ）高周波焼入れすべき歯車に対して、直径ピッチ、
   歯数及び歯幅に関する特定の歯車データを決定する段階
   と、 （ｂ）前記特定の歯車データによりコンピュータアルゴ
   リズムを実行し、該コンピュータアルゴリズムにより、
   前記歯車に対する誘導コイルの仕様でデータ及び誘導機
   の設定を得る段階と、 （ｃ）前記誘導コイルの仕様データに従って誘導コイル
   を形成する段階と、 （ｄ）前記誘導機の設定をコンピュータデスク上にフォ
   ーマットする段階と、 （ｅ）前記形成した誘導コイル及び焼入れすべき歯車を
   前記ワークステーションに定置する段階と、 （ｆ）前記形成した誘導コイルを前記周波数発生機に電
   気的に接続する段階と、 （ｇ）前記コンピュータデスクを、前記マイクロプロセ
   ッサに接続された前記ディスクドライブに装填する段階
   と、 （ｈ）前記フォーマットされたコンピュータデスク上の
   誘導機の設定に従って高周波焼入れ操作を実行する段階
   とを備える高周波焼入れ方法。
5. 【請求項５】歯車の輪郭を焼入れするための高周波焼入
   れ機械であって、 前記歯車を受け入れるように設計されかつ配列されたワ
   ークステーションと、 高周波発生機と、 前記歯車の周囲に嵌合する寸法になされると共に前記ワ
   ークステーションに設けられ、また前記高周波発生機に
   電気的に接続されて前記歯車を介して高周波電気信号を
   発生する高周波コイルと、 前記高周波電気信号のタイミング及び継続時間を制御す
   るように作動可能なマイクロプロセッサ手段と、 機械制御情報を含む前記マイクロプロセッサ手段に接続
   されて前記歯車の高周波焼入れ操作を自動化するデータ
   入力手段とを備えて成り、前記機械制御情報が、歯車の
   直径ピッチを含む歯車のパラメータに基づかれたコンピ
   ュータアルゴリズムにより引き出されることを特徴とす
   る高周波焼入れ機械。
6. 【請求項６】請求項５の高周波焼入れ機械において、前
   記高周波コイルは、角度が付けられた環状のリング形状
   を有している、高周波焼入れ機械。
7. 【請求項７】請求項６の高周波焼入れ機械において、前
   記ワークステーションに設けられる低周波コイルを更に
   含む、高周波焼入れ機械。
8. 【請求項８】請求項７の高周波焼入れ機械において、前
   記低周波コイルは、前記高周波コイルから隔置され、更
   に、前記歯車が干渉を受けることなく一方のコイルから
   他方のコイルへ通過することができるように、設計及び
   配列されている、高周波焼入れ機械。
9. 【請求項９】請求項８の高周波焼入れ機械において、前
   記ワークステーションの中に急冷ステーションを更に備
   え、前記歯車が前記コイルから出て前記急冷ステーショ
   ンに入れるように位置決めされる、高周波焼入れ機械。
10. 【請求項１０】請求項５の高周波焼入れ機械において、
    低周波コイルを更に備え、該低周波コイルは、前記歯車
    が一方のコイルから他方のコイルへ干渉を受けずに軸方
    向に移動できるように、前記高周波コイルに対して相対
    的に位置決めされている、高周波焼入れ機械。
11. 【請求項１１】請求項５の高周波焼入れ機械において、
    前記データの入力手段が、前記機械制御情報でフォーマ
    ットされたコンピュータデスクを備える、高周波焼入れ
    機械。
12. 【請求項１２】歯車を高周波焼入れする際に用いられる
    高周波焼入れ機械であって、 周波数発生機と、 該周波数発生機に電気的に接続された誘導コイルとを備
    え、該誘導コイルが実質的に平行な内側及び外側の壁部
    を有する角度付きの環状のリングの形状になされてお
    り、 前記内側及び外側の壁部は、前記誘導コイルの中心軸線
    に対して傾斜して伸長している、高周波焼入れ機械。
13. 【請求項１３】請求項12の高周波焼入れ機械において、
    前記歯車の１つを支持しかつ回転させるための垂直な中
    心を更に備え、前記誘導コイルが、前記垂直な中心の長
    手方向の軸線とほぼ同心円状の関係にある、高周波焼入
    れ機械。
14. 【請求項１４】請求項13の高周波焼入れ機械において、
    前記歯車を200rpmよりも高い速度で回転させるように作
    動可能な駆動手段を更に備え、前記誘導コイルは静止状
    態を維持する、高周波焼入れ機械。