JP3934721B2 - 高周波誘導加熱装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、金型鋳造により形成したワークのチル化した組織の端部を効果的に焼鈍する熱処理装置に係り、特にエンジンのカムシャフトのような耐摩耗性が必要なワークの焼鈍に好適な高周波誘導加熱処理装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば自動車用エンジンのカムシャフトは、高回転でバルブを開閉させるロッカーアームをカムシャフトのカムにより駆動するので、高い耐摩耗性と高い寸法精度が要求されている。
この要求を満足させるためカムシャフトの製造は、高温の溶湯を重力により金型のキャビティ内に注入するグラビティ鋳造法と呼ばれる製造方法がとられている。この製造方法は特に熱伝導性の高い金型が使用されるので、高温の溶湯を急冷させて微細な組織を有する強度の高いカムシャフトを製造するのに有効であるが、カムシャフトの端部には軸受、或いはプーリを取り付ける必要があり、この軸受、或いはプーリ内径に対する精度が必要とされるため、研磨加工を行っていた。この研磨加工を可能にするため、カムシャフトの端部は高周波誘導加熱装置により焼鈍が行なわれていた。
【0003】
この高周波誘導加熱装置による焼鈍の従来例を図5ないし図11に基づいて説明する。
まず、図5は、自動車のエンジン等に使用されるカムシャフトを示すもので、同図において、カムシャフト30には両側の端部31,34が形成され、一方の端部31には、プーリを取り付けるためのプーリ取付けボス32が形成されている。端部31,34の間には、複数のカム35,35・・がカムシャフト30と一体に形成されている。
このカムシャフト30の金型を図6に示す。同図において、カムシャフト30の金型40は、カムシャフト30の形状に合わせたキャビティ41を有する2個の中子42,42を装着しており、この中子42,42の間には湯口43aに連通する垂直ランナ43が設けられている。また、この垂直ランナ43には、水平ランナ44が連通されており、この水平ランナ44は、ゲート45を介して前記キャビティ41に連通されている。
【0004】
また、カムシャフト30は、前記金型40で前記プーリ取付けボス32に捨代33を付けた大径の状態で鋳造し、鋳造後に、この捨代33を切削除去していた。そのため、このプーリ取付けボス32を研磨加工が可能なレベルまで硬度を下げるために焼鈍する必要があり、図7に示す高周波加熱装置50により加熱を行っていた。
この高周波加熱装置50は、小径部51aと大径部51bを持つ支持パイプ51の内周51cに断熱材52を周設し、この支持パイプ51の外周に加熱コイル53を巻設したものである。
カムシャフト30の焼鈍は、両側の端部31,34に、高周波加熱装置50の大径部51bを嵌装して加熱コイル53に通電して行う。
【0005】
図8は、カムシャフト30の焼鈍後に、捨代33(図5参照)を切削除去をしてプーリ取付けボス32の概形を形成したもので、図9は、前記概形に沿ったb1 〜b14の位置における硬度(ロックウェル硬度,HRC)を測定し、その結果を示したものである。
図9に示すように、カムシャフト30の端部31のb1 〜b4 の位置では、適切な焼鈍効果が現れて硬度が低下しており、カムシャフト30の端部正面の穴明け加工等が容易になる。
ところで、上記の加工方法によれば、カムシャフト30の端部31に無駄な捨代33(図5参照)を付けておき、カムシャフト30の焼鈍後に前記捨代33を切削除去しなければならず、工数や材料費が嵩むという不具合がある。そのため、始めから金型40のキャビティ41に捨代を作らずに、図10に示すように、カムシャフト30′のプーリ取付けボス32′の寸法形状通りにキャビティ41を形成し、この金型40により鋳造されたカムシャフト30′を前記高周波加熱装置50により焼鈍する方法も提案されていた。
【0006】
しかしながら、上記キャビティ41により形成されたカムシャフト30′のプーリ取付けボス32′は、高周波加熱装置50により焼鈍を行っても、図11に示すように硬度が余り低下せず(図中の符号b1 ′〜b14′は、図8および図9における位置b1 〜b4 に対応する)、穴明け加工等に非常に工数が掛かってしまうという不具合が発生していた。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述した問題点に鑑みなされたもので、鋳造によりワークの所定部位を予め所定の形状に形成しても、当該所定部位における焼鈍を高周波誘導により効果的に行うことのできる高周波加熱装置を提供しようとするものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、ワークの被加熱部位の形状に合わせて形成され、前記被加熱部位に嵌脱が自在な支持部材と、この支持部材の外周に巻設された加熱コイルとを有し、前記ワークは、端部に焼鈍を行なうシャフトであり、前記被加熱部位は、前記シャフトの前記端部に形成された凸状の大径部と、この大径部から突出する小径部とからなり、前記加熱コイルは、巻き方が加熱コイル相互間の間隔を疎密に変えて前記支持部材の外周に巻設され、前記シャフトの大径部および小径部では均等間隔で巻かれ、前記大径部と小径部の間の外径変化部では他の部位よりも広い間隔で巻かれている構成としたものである。
また、前記支持部材には前記被加熱部位の前記大径部および前記小径部に嵌脱が自在な第1嵌合部と第2嵌合部が形成されるとともに前記第2嵌合部一端には前記第2嵌合部よりも小径の突出部が形成され、前記加熱コイルは、前記第1嵌合部、第2嵌合部および前記突出部で均一な間隔で巻設され、前記第2嵌合部と前記大径部の間の外径変化部では他の部位よりも広い間隔で巻設する構成としたものである。
【0009】
また、前記支持部材の前記第1嵌合部の内周面と、前記ワークの大径部との間隙は、前記支持部材の第2嵌合部の内周面と前記ワークの小径部との間隙よりも大きく形成する構成としたものである。
また、前記支持部材の内周には、断熱材を周設したことを特徴とするものである。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
図1は、本発明の高周波誘導加熱装置をカムシャフトに装着した正面図、図2は、図1のカムシャフトを鋳造するための金型の断面図、図3は、図1のカムシャフトの端部の硬度の測定位置を示す図、図4は、図1のカムシャフトの端部の硬度の測定結果を示すグラフである。
【0011】
まず、本発明の高周波誘導加熱装置Aが装着されるワークであるカムシャフトWについて、図1に基づいて簡単に説明する。
カムシャフトWは、鋳造成形により複数のカム15,15,15・・・が一体に形成された軸部10と、シリンダヘッドに軸支される両端の大径部11,12とにより形成され、一方の大径部11には大径部11よりも小径の小径部であるプーリ取付けボス13が形成され、大径部11とプーリ取付けボス13の間は外径変化部である段部14が形成されている。このプーリ取付けボス13は後工程でドリル等の工具で穴明けや切削等の所定の加工が施されてプーリが取り付けられるものである。
【0012】
このカムシャフトWは、図2に示す金型20により鋳造される。この金型20は、カムシャフトWの形状に合わせたキャビティ21を有する2個の中子22,22を装着しており、この2個の中子22,22の中央には上下に垂直ランナ23が形成され、この垂直ランナ23の上端には湯口23aが形成されている。
また、この垂直ランナ23の下端には左右に連通する水平ランナ24が形成され、この水平ランナ24よりゲート25を介してキャビティ21と連通しており、このキャビティ21の上部には湯上がり21aが形成されている。
また、キャビティ21において前記カムシャフトWのプーリ取付けボス13に相当する部分であるゲート25の上部25aは、プーリ取付けボス13と同一径に形成されており、このゲート25の上部25aの下部には大径部25bが形成されている。大径部25bは、ゲート25の上部25aに充填された溶湯の急激な温度降下を緩和して、プーリ取付けボス13の硬度を低下させる効果がある。
【0013】
上記のように構成された金型20には、湯口23aより溶湯が注湯され、溶湯は垂直ランナ23から水平ランナ24およびゲート25を通ってキャビティ21に供給される。ゲート25を介してキャビティ21に供給された溶湯は、キャビティ21の下端側からキャビティ21内に充填されていく。キャビティ21の上端には湯上がり21aが開設されているので、キャビティ21に溶湯が充填されることにより、キャビティ21内の空気がこの湯上がり21aから押し出されるようになっている。
この金型20により鋳造されたカムシャフトWは、プーリ取付けボス13の研摩加工において、プーリ取付けボス13の径寸法が所定の寸法になっているので、捨代の切削除去作業が不要となり、後工程での工数が掛からず簡単に加工できるようになる。
【0014】
次に、このカムシャフトWの被加熱部位に取付けられる本発明の高周波誘導加熱装置Aについて、図1ないし図4に基づいて説明する。
この高周波誘導加熱装置Aは、図1に示すように、第1嵌合部1と、第2嵌合部2と、第2嵌合部2の一端から突出して形成された第2嵌合部2より小径の突出部3とから形成された支持部材である断熱支持パイプ4と、この内周に周設された断熱材5と、断熱支持パイプ4の外周に巻設された加熱コイル6とから構成されている。第1嵌合部1は大径部11に嵌脱自在な内径を有するように形成され、第2嵌合部2はプーリ取付けボス13に嵌脱自在な内径を有するように形成されていて、断熱支持パイプ4はカムシャフトWの被加熱部位である端部に着脱自在である。そして、加熱コイル6に通電しながら断熱支持パイプ4を嵌装したカムシャフトWを図示しない回転装置で回転しながら加熱して、焼鈍を行う。
【0015】
この実施形態において、第1嵌合部1,第2嵌合部2および突出部3の外周に巻設される加熱コイル6a,6b,6cはそれぞれ均等間隔でコイルが巻設されているが、加熱コイル6bと加熱コイル6cの間の間隔sは広くなっている。
この広い間隔sの位置は、断熱支持パイプ4内にカムシャフトWの端部を挿入した時に、カムシャフトWの大径部11とプーリ取付けボス13との間の段部14に相当する位置であり、本実施例では、この広い間隔sの寸法を、段部14を中心として両側に均等に振り分けている。
また、この実施形態では、断熱支持パイプ4の第1嵌合部1の内周面とカムシャフトWの大径部11との間隙δを、第2嵌合部2とプーリ取付けボス13との間隙よりも大きくしてある。このように、断熱支持パイプ4とカムシャフトWとの間隙を適宜に調整することにより、焼鈍時における加熱温度を調整することが可能になる。
【0016】
上記のように形成されたカムシャフトWの端部の被加熱部位を前記高周波誘導加熱装置Aにより焼鈍し、図3に示すような軸部10,大径部11及びプーリ取付けボス13の位置a1 〜a14の硬度を測定し、その結果を示したものが図4にのグラフである。このグラフにおいて横軸はa1 〜a14の位置を表し、縦軸は硬度を表している。
この高周波誘導加熱装置Aによる焼鈍は、カムシャフトWの段部14付近の加熱コイル6の間隔を広くしているために、加熱コイル6によって段部14付近に発生する誘導電流は段部14付近に集中せず、急激な熱の発生も抑えられるので効果的な焼鈍となっている。
従って、このグラフによれば、研摩加工が必要なプーリ取付けボス13のa1 〜a4 の位置の硬度が確実に低下しており、穴明け加工等がやり易くなることを示している。
【0017】
上述した実施の形態においては、ワークとしてカムシャフトWの例を説明したが、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではない。また、被加熱部位の形状が一定形状,不定形状に関わらず、本発明の適用が可能である。
また、加熱コイル6の間隔を適宜調整することでカムシャフトWを加熱する誘導電流の集中度合いを調整することも可能である。
また、カムシャフトWと断熱支持パイプ4の内周面との間隔を適宜調整することにより、カムシャフトWの硬度を調整することも可能である。
【0018】
【発明の効果】
本発明は上記のように構成されているので、ワークの所定部位が予め所定の形状に形成されていても、当該所定部位における焼鈍を高周波誘導により効果的に行うことができるようになり、捨代の切削除去作業等が不要となり、加工コストの低減を図ることができる。
また、支持部材の加熱コイルの間隔、または、支持部材の内周面とワークとの間隙を適宜に調整することにより、前記被加熱部位を適正な硬度にすることができるようになる。
特に、本発明は自動車用エンジンのカムシャフトのように高い耐摩耗性と高い寸法精度が要求されるワークに適しており、このようなワークに本発明を適用することにより、上記要求を満足しつつ加工工数を大幅に削減することができるという顕著な効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の高周波誘導加熱装置をカムシャフトに装着した正面図である。
【図2】図1のカムシャフトを鋳造するための金型の断面図である。
【図3】図1のカムシャフトの端部の硬度の測定位置を示す図である。
【図4】図1のカムシャフトの端部の硬度の測定結果を示すグラフである。
【図5】従来のカムシャフトを示す正面図である。
【図6】従来のカムシャフトを鋳造するための金型の断面図である。
【図7】従来の高周波誘導加熱装置を示す断面図である。
【図8】従来のカムシャフトの端部の硬度の測定位置を示す図である。
【図9】従来のカムシャフトの端部の硬度を測定したグラフである。
【図10】従来の高周波誘導加熱装置を示す断面図である。
【図11】従来のカムシャフトの端部の硬度を測定したグラフである。
【符号の説明】
A 高周波誘導加熱装置
W カムシャフト
1 第1嵌合部
2 第2嵌合部
3 突出部
4 断熱支持パイプ
5 断熱材
6 加熱コイル
10 軸部
11 大径部
12 大径部
13 プーリ取付けボス(小径部)
14 段部(外径変化部)
15 カム
20 金型
21 キャビティ
22 中子
23 垂直ランナ
24 水平ランナ
25 ゲート
Claims (4)
- ワークの被加熱部位の形状に合わせて形成され、前記被加熱部位に嵌脱が自在な支持部材と、この支持部材の外周に巻設された加熱コイルとを有し、
前記ワークは、端部に焼鈍を行なうシャフトであり、
前記被加熱部位は、前記シャフトの前記端部に形成された凸状の大径部と、この大径部から突出する小径部とからなり、
前記加熱コイルは、巻き方が加熱コイル相互間の間隔を疎密に変えて前記支持部材の外周に巻設され、前記シャフトの大径部および小径部では均等間隔で巻かれ、前記大径部と小径部の間の外径変化部では他の部位よりも広い間隔で巻かれていること、
を特徴とする高周波誘導加熱装置。 - 前記支持部材には前記被加熱部位の前記大径部および前記小径部に嵌脱が自在な第1嵌合部と第2嵌合部が形成されるとともに前記第2嵌合部の一端には前記第2嵌合部よりも小径の突出部が形成され、
前記加熱コイルは、前記第1嵌合部、第2嵌合部および前記突出部で均一な間隔で巻設され、前記第2嵌合部と前記大径部の間の外径変化部では他の部位よりも広い間隔で巻設されていること、
を特徴とする請求項1に記載の高周波誘導加熱装置。 - 前記支持部材の前記第1嵌合部の内周面と、前記ワークの大径部との間隙は、前記支持部材の第2嵌合部の内周面と前記ワークの小径部との間隙よりも大きく形成したこと、
を特徴とする請求項2に記載の高周波誘導加熱装置。 - 前記支持部材の内周には断熱材を周設したこと、を特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の高周波誘導加熱装置。
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