JP3698883B2

JP3698883B2 - 高周波焼入方法及び冷却ジャケット

Info

Publication number: JP3698883B2
Application number: JP02369498A
Authority: JP
Inventors: 元雄高村; 章増永; 賢二黄川田
Original assignee: Neturen Co Ltd
Current assignee: Neturen Co Ltd
Priority date: 1998-02-04
Filing date: 1998-02-04
Publication date: 2005-09-21
Anticipated expiration: 2018-02-04
Also published as: JPH11222626A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、傘歯車の歯面を高周波焼入れする高周波焼入方法、及び、この高周波焼入れの際に使用される冷却ジャケットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から種々の産業機械に傘歯車が使用されている。この傘歯車の歯面や歯底などを高周波焼入れする際には、通常、互いに向き合う歯面と歯面との間で歯幅方向に誘導加熱コイルを移動させながらこれらの歯面などを焼入温度に誘導加熱し、焼入温度に加熱されたこれらの歯面などに冷却液を噴出してこれらの歯面などを硬化させている。
【０００３】
このようにして傘歯車の歯面などを硬化させる技術としては、傘歯車に形成された複数の歯を一歯跳びに焼入れして歯面の軟化を防止する、いわゆる一歯跳び焼入れする技術が知られている（特公平５−１２４１３号公報、及び特公平７−７６３７９号公報参照）。また、焼入れされた歯面の軟化を防止する他の技術として、誘導加熱されている歯面の裏側の歯面に冷却液を噴出してこの裏側の歯面を冷却する技術も知られている（特公平４−１８０１１号公報、及び特公平４−２１７３２号公報参照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、傘歯車では互いに向き合う歯面どおしが、歯先の外端から内端に向かうほど近付いている。逆にいうと、傘歯車の互いに向き合う２つの歯面は、歯先の内端から外端に向かうほど遠ざかっている。また、互いに向き合う２つの歯面を誘導加熱する際に使用される誘導加熱コイルは、歯先の内端における２つの歯面の間隔に合うサイズになるように作製されている。従って、傘歯車の互いに向き合う歯面と歯面の間で歯幅方向に誘導加熱コイルを移動させた場合、歯先の外端と内端とでは誘導加熱コイルと歯面との距離に差が生じる。
【０００５】
このように歯先の外端から内端までの間で誘導加熱コイルと歯面との距離に差が生じると、歯面が均一に加熱されないこととなる。このため、歯面のうち、歯先の外端部分では内端部分よりも、焼入温度にまで加熱される深さが浅くなり易い。一方、歯面のうち、歯先の内端部分では外端部分よりも加熱深さが深くなり易い。この結果、硬さ分布に差が生じ、歯面のうち、歯先の外端部分では内端部分に比べて硬度が低下することがある。
【０００６】
ところで、一般に、傘歯車では歯先の外端から内端に向かうほど歯たけ（歯底から歯先までの距離）が短くなる。また、誘導加熱コイルは、歯たけの一番長い歯先外端部分を基準にして作製されている。このため、誘導加熱コイルを歯先の外端から内端まで移動させた場合、歯先内端部分では歯たけが短いので、歯先よりもかなり上にまで誘導加熱コイルが飛び出している。このように誘導加熱コイルが歯先よりもかなり上にまで飛び出ていると、歯先が過熱（オーバーヒート）され易く、歯先の結晶組織が粗大化したり、焼入れの際に焼割れを起こしたりするなど、種々の悪影響を及ぼす。
【０００７】
また、誘導加熱されている歯面の裏側の歯面に冷却液を噴出してこの裏側の歯面を冷却する技術では、冷却液が、加熱されている歯面にまで到達してこの歯面を冷却するおそれがある。この場合、加熱されている歯面が均一に加熱されずに焼むらが生じるおそれがある。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑み、歯面の全体が実質的に均一な硬化層深さになるように傘歯車を高周波焼入れできる高周波焼入方法、及び、傘歯車の歯面等を焼きむらなどが無いように高周波焼入れできる冷却ジャケットを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の高周波焼入方法は、傘歯車の互いに向き合う歯面と歯面の間で歯幅方向に誘導加熱コイルを相対的に移動させながらこれらの歯面を焼入温度に誘導加熱し、焼入温度に加熱されたこれらの歯面に冷却液を噴出してこれらの歯面を硬化させる高周波焼入方法において、誘導加熱コイルを歯幅方向に相対的に移動させながら上記歯面を焼入温度に誘導加熱するに当り、上記歯面のうち、上記歯先の外端から所定位置までの部分を予熱し、その後、上記歯面全体を焼入温度に加熱することを特徴とするものである。
【００１０】
ここで、上記所定位置は、上記誘導加熱コイルと上記歯面との距離が１ｍｍ以上４ｍｍ以下の範囲内の距離になる位置であってもよい。
【００１１】
また、上記歯面のうち上記外端から上記所定位置までの部分を予熱するに当り、焼入温度よりも５０℃以上低い温度に予熱してもよい。
【００１２】
さらに、上記歯先の上記外端から上記所定位置までの予熱と、歯面の全体を焼入温度にする加熱とを行うに当り、一つの誘導加熱コイルを用いて行ってもよい。
【００１３】
さらにまた、上記歯面のうち、上記外端から上記所定位置までの部分を予熱する際に、誘導加熱コイルを上記外端から上記所定位置まで複数回往復させて予熱してもよい。
【００１４】
さらにまた、上記歯面のうち、上記外端から上記所定位置までの部分を予熱する時間中、及び、上記歯面の全体を焼入温度に加熱する時間中は、上記歯面の裏側の歯面に冷却液を噴出してこの裏側の歯面を冷却してもよい。
【００１５】
また、上記目的を達成するための本発明の冷却ジャケットは、傘歯車の互いに向き合う歯面と歯面の間で歯幅方向に誘導加熱コイルを相対的に移動させながらこれらの歯面を誘導加熱する際に、これらの歯面の裏側の歯面に冷却液を噴出してこの裏側の歯面を冷却する冷却ジャケットにおいて、上記誘導加熱コイルで生成される交番磁束を遮断して歯先の過熱を防止するシールド部材と、噴出した冷却液が上記歯面に到達しないように防止する、上記歯先に当接する防水部材とを備えたことを特徴とするものである。
【００１６】
ここで、上記シールド部材は銅製のものであり、上記防水部材はアスベスト製のものであってもよい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００１８】
図１から図４までを参照して本発明の高周波焼入方法の一実施形態を説明する。
【００１９】
図１は、傘歯車の互いに向き合う歯面と歯面の間で歯幅方向（矢印Ａ方向）に誘導加熱コイルを移動させている様子を模式的に示す斜視図である。この図では、誘導加熱コイルはその概略だけが示されている。図２は、歯面と歯面の間に位置する誘導加熱コイルを歯幅方向から視た模式図である。図３は、歯面と歯面の間における誘導加熱コイルの移動状況を模式的に示す平面図である。図４は、図３の側面図である。
【００２０】
鋼製の傘歯車１０は、周知のように、円錐台の外側または内側に複数の歯２０が切られている歯車である。この傘歯車１０では、通常、互いに向き合う歯面２２，２２どおしが、歯先２４の外端２４ａから内端２４ｂに向かうほど近付いている。歯底２６の幅Ｗも外端２４ａの部分が最も広く、この外端２４ａの部分から徐々に狭まり、内端２４ｂの部分が最も狭くなっている。また、歯たけＨ（歯底２６から歯先２４までの距離）は、外端２４ａの部分ほど高く、内端２４ｂに向かうほど低くなっている。
【００２１】
上記のような形状の傘歯車１０の歯面２２を高周波焼入れする際に使用される誘導加熱コイル３０について説明する。
【００２２】
誘導加熱コイル３０は周知のものであり、全体的な形状は略「Ｖ」字状である。「Ｖ」字の外周面（誘導加熱コイル３０の外周面）にはアスベストのような絶縁体３２が張り付けられている。また、この「Ｖ」字の開き量は、歯先２４の内端２４ｂにおいて互いに向き合う２つの歯面２２，２２どおしの間隔に合わせて作製されている。従って、歯先２４の内端２４ｂから外端２４ａに向かうほど、誘導加熱コイル３０の外周面は歯面２４から離れる。
【００２３】
一方、「Ｖ」字の高さは、歯先２４の外端２４ａにおける歯たけＨに合わせて作製されている。従って、歯先２４の外端２４ａから内端２４ｂに向かうほど、図４に示すように、誘導加熱コイル３０が歯先２４よりもかなり上まで飛び出る。なお、誘導加熱コイル３０の上端部には、高周波電源（図示せず）に接続された端子３４，３６が固定されている。
【００２４】
誘導加熱コイル３０を用いて傘歯車１０の歯面２２を高周波焼入れする際に使用される冷却ジャケットを、図５、図６を参照して説明する。
【００２５】
図５は、歯幅方向から冷却ジャケットを視た模式図であり、図６は、図５の側面図である。
【００２６】
冷却ジャケットは、一対の冷却ジャケット４０，５０が連結されたものであり、２つの冷却ジャケット４０，５０は対称的な形状になっている。また、冷却ジャケット４０，５０は、歯面２２，２２を誘導加熱し始めて焼入れし終るまでの時間中、歯面２２，２２の裏側の歯面２８，２８に冷却液を噴出してこの歯面２８を冷却する。
【００２７】
冷却ジャケット４０，５０それぞれは、歯２０の形状に合わせた細長い板状のものから形成されており、その長さＬは、歯幅（歯先の長さ）よりもやや長い。また、その幅ｗは歯たけＨ（図２参照）に対応した幅になっており、この幅ｗは歯先２４の外端２４ａから内端２４ｂに向かうほど短い。冷却ジャケット４０，５０を歯２０にセットしたときに歯面２８に向き合う面４２，５２には多数の噴出孔４４，５４が形成されており、この噴出孔４４，５４から冷却液が噴出して歯面２８が冷却される。なお、冷却ジャケット４０，５０の長さ方向両端部には冷却液を供給するための供給口４６，５６が形成されている。
【００２８】
冷却ジャケット４０，５０の上端部は折れ曲がって歯先２４に接触しており、歯先２４と接触する部分にはアスベスト４８，５８が張り付けられている。このアスベスト４８，５８は、噴出孔４４，５４から噴出した冷却液が漏れて歯面２２に到達することを防止する防水部材として機能する。また、冷却ジャケット４０，５０の折れ曲がった部分の外側には銅板４９，５９が取り付けられている。この銅板４９，５９は、誘導加熱コイル３０が歯先２４よりも上に飛び出した場合、誘導加熱コイル３０で生成される交番磁束が歯先２４のほうに来ないように遮断して歯先２４の過熱を防止するシールド部材として機能する。
【００２９】
誘導加熱コイル３０と冷却ジャケット４０，５０を用いて傘歯車１０の歯面２２や歯底２６を高周波焼入れする方法を説明する。
【００３０】
先ず、図３を参照して歯面２２を誘導加熱する方法を説明する。
【００３１】
この方法では、歯面２２を誘導加熱するに当り、歯面２２のうち、歯先２４の外端２４ａから所定位置までの部分を所定温度まで予熱し、その後、歯面２２の全体を焼入温度まで加熱（本加熱）する点に特徴がある。
【００３２】
歯面２２のうち、歯先２４の外端２４ａから所定位置までの部分を所定温度まで予熱する際は、歯先２４の外端２４ａに誘導加熱コイル３０を配置して誘導加熱コイル３０を内端２４ｂに向けて移動させながら歯面２２を誘導加熱する。上記の所定位置としては、誘導加熱コイル３０と歯面２２との距離Ｍが１ｍｍ以上４ｍｍ以下の範囲内の距離になる位置とする。１ｍｍ以上４ｍｍ以下とした理由は、誘導加熱コイル３０と歯面２２との距離が４ｍｍを超えていると、１回の加熱では焼入温度にまで加熱されにくいからである。また、誘導加熱コイル３０と歯面２２との距離が１ｍｍ未満の場合、１回の加熱で焼入温度にまで充分に加熱できるからである。
【００３３】
この予熱によって歯面２２を加熱する温度は、焼入温度（オーステナイト化温度）よりも５０℃以上低い温度にする方がよい。この理由は、予熱温度を焼入温度に近付け過ぎると、後述する本加熱の際に歯面２２や歯底２６がオーバーヒートになるおそれがあるからである。また、予熱に当っては、誘導加熱コイル３０を歯先２４の外端２４ａから所定位置まで複数回往復させながら所定温度まで予熱してもよい。
【００３４】
上記のようにして予熱した後、誘導加熱コイル３０を歯先２４の外端２４ａから内端２４ｂまで移動させながら歯面２２をオーステナイト変態点以上の焼入温度に加熱（本加熱）する。互いに対向する歯面２２，２２のうち、歯先２４の外端２４ａやその近傍部分に位置する誘導加熱コイル３０は歯面２２，２２との距離が離れるので、誘導加熱コイル３０を一回だけ通過させながら歯面２２のこれら近傍部分を加熱しても、これら近傍部分は焼入温度にまで昇温しにくい。しかし、ここでは本加熱するに先立って、歯面２２のうち、誘導加熱コイル３０とかなり離れている部分を予熱しているので、本加熱によって歯面２２は充分に焼入温度にまで加熱される。なお、これら予熱と本加熱の際の高周波電力の周波数と出力等は、誘導加熱コイル３０のサイズや硬化層深さなどに応じて適宜変更する。また、本加熱後には、歯面２２に冷却液を噴出して急冷し、歯面２２の組織をマルテンサイト変態させる。なお、歯面を加熱するに当っては、誘導加熱コイルを停止しておき、傘歯車１０を移動させてもよい。
【００３５】
上記の予熱と本加熱をしている間は、冷却ジャケット４０，５０（図５参照）も使用する。この冷却ジャケット４０，５０は、上述したように、防水部材としての機能とシールド部材としての機能を有している。従って、図５に示すように、歯面２２の裏側の歯面２８を冷却するために噴出孔４４，５４から冷却液を噴出しても、この冷却液が漏れて歯面２２に到達することがアスベスト４８，５８によって防止される。このため、加熱中の歯面２２が不用意に冷却されることが無く、焼きむらなどを防止できる。また、本加熱後に歯面２２を急冷する際にも冷却ジャケット４０，５０で歯面２８を冷却する。この結果、既に焼入れされた歯面２８が焼き戻されずに、しかも、歯面２２が充分に急冷されることとなる。また、予熱と本加熱をしている間は、冷却ジャケット４０，５０の銅板４９，５９が、誘導加熱コイル３０で生成される交番磁束を歯先２４のほうに来ないように遮断する。この結果、図４に示すように、歯先２４よりもかなり上にまで誘導加熱コイル３０が飛び出しても、歯先２４やこの歯先２４と歯面２２の境界部分２５（図５参照）がオーバーヒートされることが無く、歯先の結晶組織の粗大化を防止したり、焼割れを防止したりできる。
【００３６】
図７を参照して、上記の高周波焼入方法で傘歯車１０を焼入れした実験結果を説明する。
【００３７】
図７は、高周波焼入れした傘歯車の一部を模式的に示す斜視図である。この図では、図１から図６までの構成要素と同一の構成要素には同一の符号が付されている。また、図中、Ｈ１からＨ３までは歯底２６においてショア硬さを測定した位置であり、Ｈ４からＨ９までは歯面２２，２２においてショア硬さを測定した位置である。
【００３８】
この実験で使用した傘歯車はＳＣＭ４４０（ＪＩＳ規格）製のものであり、そのサイズは、モジュール２８である。歯面２２を予熱するに際しては、高周波電源の出力を６５ｋＷ、周波数を８ｋＨｚとして、誘導加熱コイル３０を３．８ｍｍ／秒の移動速度で歯面２２のうち、歯先２４の外端２４ａに対応する部分から、誘導加熱コイル３０と歯面２２との距離が２．５ｍｍなる部分まで移動させた。また、歯面２２を本加熱するに際しては、高周波電源の出力と周波数は予熱のときと同一にしたが、誘導加熱コイル３０の移動速度を３．７ｍｍ／秒にした。本加熱した後は、０．３ｋｇ／ｃｍ³ の水圧で冷却液を歯面２２に噴出して急冷した。なお、予熱から急冷までの間は、冷却ジャケット４０，５０を用いて歯面２８を冷却し続けた。
【００３９】
上記の処理条件で傘歯車１０を高周波焼入れした結果、Ｈ１からＨ３までのショア硬さは６６〜６７の範囲内であり、Ｈ４からＨ９までのショア硬さは７１〜７３の範囲内となって規格を満足した。
【００４０】
次に、図８から図１１までを参照して歯面及び歯底のビッカース硬さの測定結果を説明する。
【００４１】
図８（ａ）は、ビッカース硬さを測定する歯面の位置を示す模式図であり、紙面の右側が歯先の外端に相当し、左側が歯先の内端に相当する。図８（ａ）において距離Ｌ１は８０ｍｍ、Ｌ４は８０ｍｍであり、Ｌ２とＬ３は等しい距離である。また、図８（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ断面、Ｂ−Ｂ断面、及びＣ−Ｃ断面におけるビッカース硬さ測定位置を示し、二点鎖線で示す矢印ａ，ｅが歯面の硬さ測定方向であり、矢印ｂ，ｃ，ｄが歯底の硬さ測定方向である。図９は、Ａ−Ａ断面におけるビッカース硬さ分布を示し、図１０は、Ｂ−Ｂ断面におけるビッカース硬さ分布を示し、図１１は、Ｃ−Ｃ断面におけるビッカース硬さ分布を示すグラフである。
【００４２】
歯面におけるビッカース硬さは、表面から少なくとも３．０ｍｍの距離でＨｖ５００以上６２０以下であることが要求される。また、歯底におけるビッカース硬さは、表面から少なくとも２．０ｍｍの距離でＨｖ４００以上であることが要求される。
【００４３】
図９から図１１までの各グラフに示すように、歯面における硬さ（○、●で表わされる）は、表面からの距離３．０ｍｍでＨｖ５００以上６２０以下となり、規格を満たした。また、歯底における硬さ（×、△、□で表わされる）は、表面からの距離２．０ｍｍではＨｖ４５０以上となり、規格を十分に満たした。さらに、図９から図１１までの各グラフからわかるように、歯面の全体が実質的に均一な硬化層深さになり、焼きむらなどは無かった。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の高周波焼入方法では、歯面を焼入温度に誘導加熱するに当り、歯面のうち、歯先の外端から所定位置までの部分を予熱した後に歯面の全体を焼入温度に加熱する。予熱によって歯面の上記部分は所定温度に昇温しているので、その後の加熱によって歯面全体は一様に焼入温度にまで昇温する。この結果、歯面全体が実質的に均一な硬化層深さになるように傘歯車の歯面を高周波焼入れできる。
【００４５】
ここで、上記の所定位置が、誘導加熱コイルと歯面との距離が１ｍｍ以上４ｍｍ以下の範囲内の距離になる位置である場合は、いっそう確実に歯面全体を均一に焼入温度まで加熱できる。
【００４６】
また、歯面のうち外端から所定位置までの部分を予熱するに当り、焼入温度よりも５０℃以上低い温度に予熱する場合は、歯面がオーバーヒートすることを防止し易い。
【００４７】
さらに、歯先の外端から所定位置までの予熱と、歯面の全体を焼入温度にする加熱とを行うに当り、一つの誘導加熱コイルを用いて行う場合は、焼入装置を簡略にできる。
【００４８】
さらにまた、歯面のうち、外端から所定位置までの部分を予熱する際に、誘導加熱コイルを外端から所定位置まで複数回往復させて予熱する場合は、歯面を徐々に昇温できるので変形を低減できる。
【００４９】
さらにまた、歯面のうち、外端から所定位置までの部分を予熱する時間中、及び、歯面の全体を焼入温度に加熱する時間中は、歯面の裏側の歯面に冷却液を噴出してこの裏側の歯面を冷却する場合は、既に焼入れされた裏側の歯面が焼戻されて軟化することを防止できる。
【００５０】
また、上記目的を達成するための本発明の冷却ジャケットには、歯先の過熱を防止するシールド部材と、噴出した冷却液が上記歯面に到達しないように防止する防水部材とが備えられているので、歯先の焼割れと、歯面等の焼きむらを防止できる。
【００５１】
ここで、シールド部材が銅製のものであり、防水部材がアスベスト製のものである場合は、比較的安価に冷却ジャケットを作製できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】傘歯車の互いに向き合う歯面と歯面の間で歯幅方向に誘導加熱コイルを移動させている様子を模式的に示す斜視図である。
【図２】歯面と歯面の間に位置する誘導加熱コイルを歯幅方向から視た模式図である。
【図３】歯面と歯面の間における誘導加熱コイルの移動状況を模式的に示す平面図である。
【図４】図３の側面図である。
【図５】歯幅方向から冷却ジャケットを視た模式図である。
【図６】図５の面図である。
【図７】高周波焼入れされた傘歯車のショア硬さ測定位置を模式的に示す斜視図である。
【図８】（ａ）は、ビッカース硬さを測定する歯面の位置を示す模式図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ断面、Ｂ−Ｂ断面、及びＣ−Ｃ断面におけるビッカース硬さ測定位置を示す説明図である。
【図９】図８のＡ−Ａ断面におけるビッカース硬さ分布を示すグラフである。
【図１０】図８のＢ−Ｂ断面におけるビッカース硬さ分布を示すグラフである。
【図１１】図８のＣ−Ｃ断面におけるビッカース硬さ分布を示すグラフである。
【符号の説明】
１０傘歯車
２０歯
２２歯面
２４歯先
２４ａ歯先の外端
２４ｂ歯先の内端
３０誘導加熱コイル
４０，５０冷却ジャケット
４８，５８アスベスト
４９，５９銅板

Claims

傘歯車の互いに向き合う歯面と歯面の間で歯幅方向に誘導加熱コイルを相対的に移動させながらこれらの歯面を焼入温度に誘導加熱し、焼入温度に加熱されたこれらの歯面に冷却液を噴出してこれらの歯面を硬化させる高周波焼入方法において、
誘導加熱コイルを歯幅方向に相対的に移動させながら前記歯面を焼入温度に誘導加熱するに当り、前記歯面のうち、該歯面の歯先の外端から、前記誘導加熱コイルと前記歯面との距離が１ｍｍ以上４ｍｍ以下の範囲内の距離になる所定位置までの部分を前記誘導加熱コイルで予熱し、その後、前記歯面の全体を前記誘導加熱コイルで焼入温度に加熱することを特徴とする高周波焼入方法。
前記歯面のうち、前記外端から前記所定位置までの部分を予熱するに当り、焼入温度よりも５０℃以上低い温度であって、且つ、前記焼入温度に誘導加熱する際に該焼入温度になる温度に予熱することを特徴とする請求項１に記載の高周波焼入方法。
前記歯面のうち、前記外端から前記所定位置までの部分を予熱する際に、誘導加熱コイルを前記外端から前記所定位置まで複数回往復させて予熱することを特徴とする請求項１又は２に記載の高周波焼入方法。
前記歯面のうち、前記外端から前記所定位置までの部分を予熱する時間中、及び、前記歯面の全体を焼入温度に加熱する時間中は、前記歯面の裏側の歯面に冷却液を噴出して該裏側の歯面を冷却することを特徴とする請求項１，２，又は３に記載の高周波焼入方法。