JP4246775B2 - 高周波焼入装置 - Google Patents

Description

本発明は、不等肉厚部を有する部材の内周面を高周波焼入する装置に関し、さらに詳しくは、不等肉厚部を有するトリポート型等速ボールジョイント（トリポートハウジング）の軌道溝やホイールハブの転動溝等を無酸化状態の下で高周波焼入するのに適用して好適な高周波焼入装置に関するものである。

従来において高周波無酸化移動焼入を行なうに際しては、次のような方法を採用している。すなわち、開放された下端部分が冷却槽の冷却液中に浸積されている容器、或いは、冷却槽が内部に配置された密閉容器を用いると共に、この容器の内部を不活性ガス或いは還元性ガスを充満した状態とし、この状態の下で前記容器内に配設された高周波誘導加熱コイルにてワーク（軸状部材）を下降移動させながら加熱し、しかる後に冷却槽の冷却液中に浸積し、冷却液中に設けた冷却ジャケットから冷却液をワークに噴射させることにより焼入を行っている。

しかしながら、このような従来の高周波無酸化移動焼入装置にあっては、ワーク（被焼入体）の加熱位置と冷却位置とが異なるので加熱直後の冷却ができずに冷却の遅れが生じ、冷却時には所要の焼入温度よりも低い温度（浅い加熱状態）になるおそれがある。このような浅い加熱状態の下での冷却では、不完全な焼入となり易い。そのためこのような不具合を回避するには、加熱位置と冷却位置との間でワークを迅速に移動させることができ、しかも、ワークの停止位置を高精度で定とができる高性能のワーク移動機構が必要となる。

また、前記容器内への高周波誘導加熱コイル，冷却槽等の配設により、それなりの容積を必要とする。従って、容器内に充満させるためのガスの量も必然的に多くなり、容器内に残存する酸素（空気）を容器外に排出するのに時間を要し、焼入作業の能率が悪いという問題点がある。

本発明は、このような問題点を解消すべくなされたものであって、その目的は、高性能のワーク移動機構を必要としない簡素な構成でありながら、不等肉厚部を有する部材（有底碗状体又は無底筒状体）の内周面を理想的な無酸素状態の下で高周波焼入することができるような高周波焼入装置を提供することにある。

上述の目的を達成するために、本発明では、不等肉厚部を有する有底碗状体又は一端の開放口が蓋状治具の内周面を高周波焼入する装置において、
（Ａ） 前記有底碗状体又は一端の開放口が蓋状治具にて閉塞された無底筒状体を所定位置に保持するワーク保持治具と、
（Ｂ） 前記有底碗状体の内周面又は前記無底筒状体の内周面に対応配置されてこの内周面を高周波誘導加熱する高周波誘導加熱コイルと、
（Ｃ） 前記有底碗状体の底部又は前記無底筒状体の一端の蓋状治具に不活性ガス、又は還元性ガス、或いは不活性ガス及び還元性ガスの混合ガスを導入するガス導入管と、
（Ｄ） 前記ワーク保持治具に保持された前記有底碗状体又は無底筒状体の開放口に対応して配設されるハウジングと、
（Ｅ） 前記ハウジング内に充満されるガスを前記ハウジングの外部へ排出するガス排出管と、
（Ｆ） 前記有底碗状体又は無底筒状体の加熱部に冷却液を噴射する冷却液噴射管と、
をそれぞれ具備し、前記有底碗状体又は無底筒状体の被加熱部に向かって前記ガス導入管から前記ガスを噴射させながら前記高周波誘導加熱コイルにて前記有底碗状体又は無底筒状体の内周面を加熱し、前記有底碗状体又は無底筒状体の内周面に噴射されてこの内周面に沿って流れる噴射ガスを前記ハウジング内に充満させると共に、充填されたガスを前記ガス排出管を介して前記ハウジングの外部へ排出する一方、前記冷却液噴射管から前記有底碗状体又は無底筒状体の加熱面に冷却液を噴射することにより、前記有底碗状体又は無底筒状体の内周面を無酸素状態の下で焼入するようにしている。
また、本発明では、前記ハウジングのガス排出管にガス燃焼部を付設し、前記ハウジングから移出されるガスを前記ガス燃焼部において燃焼させるように構成している。
また、本発明では、前記ガス導入管のうち、前記有底碗状体又は無底筒状体の被加熱部に対応する前記ガス導入管の端部部分に、複数の細孔を設けると共に、前記冷却液噴射管のうち、前記複数の細孔が設けられている前記ガス導入管の端部部分に対応する前記冷却液噴射管の端部部分を削除し、前記ガス導入管の一端から前記有底碗状体の内周面の底部又は前記無底筒状体の一端に取付けられた蓋状治具に前記ガスを噴射すると共に、前記ガス導入管の複数の細孔から前記ガスを前記有底碗状体又は無底筒状体の被加熱面に直接噴射するように構成している。
また、本発明では、前記ガス導入管の複数の細孔から噴射される噴射ガス流量を前記ガス導入管の一端から噴射される噴射ガス流量より小さく設定するようにしている。

本発明の高周波焼入装置は、有底碗状体又は無底筒状体の内周面の被加熱部に沿って所要の圧力及び流量の不活性ガス、又は還元性ガス、或いは不活性ガス及び還元性ガスの混合ガスを流し、そのガスをハウジング内に充満させつつハウジング内のガス（空気を含む）をハウジングの外部へ排出させ、これにより無酸素状態の下で焼入処理を施すようにしたものであるから、被加熱部に沿って流れるガスにより有底碗状体又は無底筒状体の内部の空気（酸素）は外部へ排出されると共に、被加熱部は加熱中の期間に亘って前記ガスと接触しているため無酸素状態が保たれることとなり（すなわち、被加熱部の表面上に沿って流れるガスの存在により、被加熱部の表面への空気の巻き込みが防止されて無酸素状態が維持されることとなり）、無酸素状態での理想的な焼入を施すことができる。従って、本発明によれば、高性能のワーク移動機構を必要としない簡素な構成でありながら、不等肉厚部を有する部材（有底碗状体又は無底筒状体）の内周面を理想的な無酸素状態の下で高周波焼入することができるような装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図１〜図９を参照して説明する。なお、以下においては、自動車の回転力伝達部の構成部品である固定式等速ボールジョイントの外輪の受口部内表面（内周面）を高周波焼入する場合の実施態様について述べることとする。

一般に、等速ボールジョイント１は、図１に示す如く、走行輪（図示せず）が保持されるステム部２及びこのステム部２の一端に設けられたベルマウス状受口部３で構成される外輪４と、駆動軸としてのシャフト５に連結される内輪６と、これらの外輪４と内輪６の間に挿入された動力伝達用の複数個の継手ボール（鋼球）７とで構成されている。上述の受口部３と内輪６との間に複数個の継手ボール７を介在させる必要があるため、前記受口部３の内表面の複数箇所にはこれら継手ボール７が嵌合する凹状溝８がそれぞれ設けられ、これらの凹状溝８内にそれぞれ嵌合された継手ボール７が受口部３と内輪６との間の所定位置に回転自在の状態で保持されるようになっている。従って、受口部３の肉厚は、図３に示すように、凹状溝８の部分では相対的に薄い薄肉部９ａとなされると共に、互いに隣接する凹状溝８，８間のリブの部分では相対的に厚肉部９ｂとなされている。しかして、前記受口部３は不等肉厚部を有するように構成され、全体として花形状を呈する部材となされている。

この外輪４の受口部３は有底碗状体として構成され、ステム部２の側が底部となされると共にステム部２とは反対側の部分が開放口となされている。そして、受口部３の湾曲状内周面３ｂのうちの所定箇所、すなわち図２及び図３において斜線αで示すような底部を除く周面部分に焼入硬化層１０が形成されるようになっている。

図４は上述の焼入硬化層１０を前記受口部３の内周面３ｂに無酸化焼入により形成するために用いられる本発明の高周波焼入装置の一例を示すものである。図４に示す本例の高周波焼入装置１２は、有底碗状体である受口部３を有する外輪４を所定位置に保持するワーク保持治具１３と、受口部３の湾曲状内周面３ｂに対応配置されてこの内周面３ｂを高周波誘導加熱する高周波誘導加熱コイル１４と、受口部３の底部３ａに不活性ガス、又は還元性ガス、或いは不活性ガス及び還元性ガスの混合ガスを導入するガス導入管（ガス噴射管）１５と、ワーク保持治具１３に保持された受口部３の開放口に対応してその上部箇所に配置されるハウジング１６と、ハウジング１６内に充満されるガスをハウジング１６の外部へ排出するガス排出管１７と、受口部３の加熱部に冷却液を噴射する冷却液噴射管１８と、ハウジング１６内に溜まった冷却液をハウジング１６の外部へ排出する冷却液排出管１９とをそれぞれ具備している。なお、上述のハウジング１６及びガス排出管１７は、ガス導入管１５から受口部３内に導入されたガスにより受口部３内及びその上面付近の空気（酸素）を外部へ排出させて導入ガスをハウジング１６内に充満させるためのものである。

さらに詳述すると、外輪４のステム部２はワーク保持治具１３に挿入配置されて受口部３がワーク保持治具１３上に載置された状態の下で図外のワーク昇降機構にて所定位置に移動され、この所定位置に固定されるように構成されている。そして、図外のワーク回転機構により外輪４がワーク保持治具１３と一緒に回転駆動されるようになっている。

また、高周波誘導加熱コイル１４は、内部を水冷できる銅パイプからなるものであって、受口部３の凹状溝８を非接触状態のもとで誘導加熱すべくワーク形状に沿って被加熱面と所要の間隙をもつように複数に巻回されている。そして、この高周波誘導加熱コイル１４にはコイルリード１４ａを介して高周波電源２０から高周波電流が適宜に供給されるように構成されている。

なお、上述のガス導入管１５と冷却液噴射管１８とは同軸状の配置構成となされており、ガス導入管１５及び冷却液噴射管１８は螺旋状の高周波誘導加熱コイル１４の中央部分を貫通した状態で、それらの一端部（ガス噴射端部及び冷却液噴射端部）が前記受口部３に底部３ａに対して僅かな隙間をもって対応配置されるようになっている。また、上述のガス排出管１７及び冷却液排出管１９は共にハウジング１６に配設されている。そして、ガス排出管１７には導入ガス流量に応じて排出ガス流量を調整する排出ガス流量調整弁２２と、この調整弁２２を開閉するための電磁弁２３とが直列接続される一方、焼入液水排出管１９には導入冷却液流量に応じて排出冷却液流量を調整する排出冷却液流量調整弁２４、この調整弁２４を開閉するための電磁弁２５が直列接続されている。

本例の高周波焼入装置１２においては、さらに、図外の保持機構により所定高さ位置に保持されたワーク外周冷却環２７が設けられている。この冷却環２７は、ワーク保持治具１３に固定配置された外輪４の受口部３の外周部を焼入冷却して薄肉の凹状溝８部分の硬化深さ（焼入硬化層１０の深さ）を制御するためのものである。すなわち、冷却環２７に取付られた冷却液導入管２８を介して冷却環２７の内周面に開口された多数の細孔２９から所要圧力，流量の冷却液をワーク外周面に噴射することにより、前記凹状溝８の薄肉部９ａにおける硬化深さを調整し得るようになっている。

また、前記冷却環２７の上端面上には、冷却環２７より噴射され受口部３の外周面に衝突した冷却液が上方へ飛散するのを防ぐために外周冷却液遮蔽板３０が配設されている。

このような等速ボールジョイント１の外輪４の受口部３（不等肉厚部を有する部材）の湾曲状内周面の無酸化焼入は、下記の手順で行われる。
（１） 高周波誘導加熱コイル１４の下方に配置されているワーク保持治具１３に外輪４のステム部２を挿入して載置する。
（２） 図外のワーク昇降機構によりワーク保持治具１３と共に外輪４を上昇させ、高周波誘導加熱コイル１４と受口部３の底部３ａ及び湾曲状内周面３ｂとの間に所要の間隙をもった位置で上昇動作を停止させる。
（３） 電磁弁２５を閉弁状態に切り換えることにより冷却液排出管１９を閉じた状態にする。
（４） ガス導入管１５から受口部３の底部３ａに向けて所要の圧力，流量のガスを噴射し、受口部３内及びハウジング１６内の空気（酸素）をハウジング１６の外部へ排出させ、受口部３内及びハウジング１６内をガスで充満させる。この際、ハウジング１６内の空気若しくはガスをガス排出管１７を通してハウジング１６の外部に排出する。このとき、ハウジング１６から排出するガスの流量を、被加熱部に噴射するガスの流量、受口部３の内周面の内部空間容積、及びハウジング１６の容積に応じて調整する。
（５） 図外の回転機構によりワーク保持治具１３と一緒に外輪４をその軸線を中心に回転させると共に、冷却環２７より冷却液を受口部３の外周面に向かって噴射する。
（６） 高周波電源２０から高周波誘導加熱コイル１４へ所要周波数出力の高周波電流を供給し、受口部３の湾曲状内周面３ｂ（被加熱面若しくは被焼入面）を所定の焼入温度まで所要時間加熱する。この際、ガス導入管１５から受口部３の底部３ａにガスが噴射されてそのガスが図４において矢印βで示すように受口部３の内周面３ｂと高周波誘導加熱コイル１４との間の隙間領域を通りつつ受口部３の内周面３ｂに沿って受口部３の開放口に向けて流動され、これに伴ってハウジング１６内に充満されたガスが継続的にガス排出管１７を通してハウジング１６の外部へ排出される。
（７） 所定の焼入温度に到達したら、高周波誘導加熱コイル１４への通電を停止し、加熱を終了する。
（８） 通電停止と同時に、ガス導入管１５からのガスの導入（噴射）を停止し、電磁弁２３を閉弁状態に切り換えることによりガス排出管１７を閉じる。これに応じて、電磁弁２５を開弁状態に切り換えることにより焼入液排出管１９を開き、焼入冷却液を焼入液導入管１８から受口部３の底部３ａに向けて噴射する。そして、前記底部３ａで分散した冷却液を受口部３の被加熱面（湾曲状内周面）に沿って流し、焼入水排出管１２よりハウジング１６の外部へ排出する。
（９） 所要時間にわたる冷却の後に、冷却液の噴射を停止し焼入を終了する。
（１０） しかる後に、受口部３の外周冷却を停止し、受口部３を所定位置まで下降させて回転を停止し、焼入処理が施された外輪４をワーク保持治具１３より取り外す。以上の一連の手順により高周波無酸化焼入が行われる。

以下に、前実施例の具体的な加工条件を述べる。
高周波焼入条件
（１） 加熱条件
＜ａ＞ 周波数 ： ８ ｋＨ_Z
＜ｂ＞ 出力 ： ２００ ｋＷ
＜ｃ＞ 加熱時間 ： ４．５ Ｓｅｃ
（２） 冷却条件
＜ａ＞ 冷却液 ： ユーコンクエンチャントＡ（１０％水溶液）
＜ｂ＞ 流量 ： ２０ ｌ／ｍｉｎ（内周）
６０ ｌ／ｍｉｎ（外周）
＜ｃ＞ 液温 ： ３０ ℃
（３） 雰囲気条件
＜ａ＞ 雰囲気ガス： 窒素＋一酸化炭素（１０％）
＜ｂ＞ 圧力 ： ４ｋｇ／ｃｍ²
＜ｃ＞ 流量 ： ３０ ｌ／ｍｉｎ
前記加工条件により前記加工手順にしたがって焼入加工することにより、焼入表面は無酸化の状態で焼入された。

図５は既述の実施例と同一のワークに対して、そのワーク姿勢を上下正反対、すなわち受口部３の開放口を下向きにセットして高周波無酸化焼入を行なうようにした場合の実施態様を示すものである。このようにした場合にも、既述の場合と同様に高周波無酸化焼入を施すことができる。なお、図５において、３１はバース板 ３２モータ、３３はこのモータ３２にて回転駆動される歯車、３４はこの歯車３３に噛合するワーク受け治具兼用の歯車であり、これらによってワーク回転機構が構成されている。図５に実施態様によれば、受口部３の底部３ａに噴射されたガスの流れ方向は下向きとなるため、その流れがより良好となり、その分だけより理想的な無酸素状態で焼入を施すことができる。

また、図６〜図９は本発明の高周波焼入方法及び装置を他の部品（ワーク）の内周面の焼入に用いた応用例を示すものである。具体的には、図６及び図７は内部に３つの軌道溝を有するトリポート型等速ジョイント（トリポートハウジング）４０の軌道溝４１の一発焼入に本発明の高周波焼入方法及び装置を応用した例を示すものである。なお、図６及び図７において、図１〜図５と同様の部分には同一の符号を付してその説明を省略する。この場合にも、既述の実施態様の場合と全く同様に軌道溝４１の内周面に無酸化焼入による焼入硬化層パターンを形成することができる。

また、図８及び図９はディスクブレーキ用リアアクスルに用いられているホイールハブ（ボールベアリング）５０（無底筒状体）の転動溝５１，５２の焼入に本発明の高周波焼入方法及び装置を応用した例を示すものである。なお、図８及び図９において、図１〜図５と同様の部分には同一の符号を付してその説明を省略する。この場合には、図８に示す場合には、ホイールハブ５０の両端部が共に開放されている（底部がない）ため、ワーク保持治具１３に上端に設けられた蓋状治具５３にてホイールハブ５０の下方側の開放口５４を閉塞するようにしている。そして、この蓋状治具５３とは反対側の上部部分にハウジング１６を設けて、前記蓋状治具５３にガス及び冷却液を噴射しながら無酸化焼入を施すようにしている。また、図９に示す場合には、ホイールハブ５０の上方側の開放口５４に蓋状治具５３を取付けてこれを閉塞するようにしている。この蓋状治具５３とは反対側の下部部分にハウジング１６を設けて、前記蓋状治具５３にガス及び冷却液を噴射しながら無酸化焼入を施すようにしている。

このような構成によれば、一端の開放口５４を蓋状治具５３にて閉塞した状態にして既述の実施態様の場合と同様の操作を行なわしめることにより、不等肉厚部を有する無底筒状体であるホイールハブ５０の転動溝５１，５２を無酸化焼入することができる。

以上、本発明の実施態様につき述べたが、本発明はこれらの実施態様に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可能である。例えば、ハウジング１６からガス排出管１７を介して排出されるガスを、ガス排出部において燃焼させるように構成することも可能である。この場合には、排出ガスによる作業環境の悪化を回避することができる。

また、ガス導入管１５の一端から有底碗状体の内周面の底部（受口部３の底部３ａ）又は無底筒状体の一端の蓋状治具（ホイールハブ５０の開放端５４に嵌着された蓋状治具５３）に向けてのガスの噴射と、ガス導入管１５に設けた複数の細孔（図示せず）から被加熱部に向けてのガスの直接噴射とを併用するようにしても良い。この場合には、上述の複数の細孔を、被加熱部に対応するガス導入管１５の端部部分に設けると共に、これらの細孔に対応する冷却液噴射管の端部部分を削除するようにすれば良い。すなわち、ガス導入管１５のうち、有底碗状体又は無底筒状体の被加熱部に対応するガス導入管１５の端部部分に、複数の細孔を設けると共に、前記冷却液噴射管のうち、前記複数の細孔が設けられているガス導入管１５の端部部分に対応する冷却液噴射管１８の端部部分を削除し、ガス導入管１５の一端から有底碗状体の内周面の底部又は無底筒状体の一端に取付けられた蓋状治具にガスを噴射すると共に、ガス導入管１５の複数の細孔からガスを有底碗状体又は無底筒状体の被加熱面に直接噴射するように構成してもよい。また、この場合、前記被加熱部への直接噴射ガス流量を前記底部又は蓋状治具への噴射ガス流量より小さく調整するのが望ましい。このような構成によれば、ガスが被加熱部の全体に亘って噴射されることとなる上に、噴射されたガスが被加熱部に沿って確実にかつ円滑に流れることとなるため、良好な無酸化焼入を施すことができる。

等速ボールジョイントの断面構成図である。 等速ボールジョイントの外輪の受口部の凹状溝における焼入硬化層パターンを示す縦断面図である。 等速ボールジョイントの外輪の受口部の凹状溝における焼入硬化層パターンを示す横断面図である。 本発明の第１の実施態様に係る高周波焼入装置を示す縦断面図である。 本発明の第２の実施態様に係る高周波焼入装置を示す縦断面図である。 本発明の第３の実施態様に係る高周波焼入装置を示す縦断面図である。 本発明の第４の実施態様に係る高周波焼入装置を示す縦断面図である。 本発明の第５の実施態様に係る高周波焼入装置を示す縦断面図である。 本発明の第６の実施態様に係る高周波焼入装置を示す縦断面図である。

符号の説明

１ 等速ボールジョイント
３ 有底碗状体としての受口部
３ａ 底部
３ｂ 内周面
４ 外輪
６ 内輪
８ 凹状溝
９ａ 薄肉部
９ｂ 厚肉部
１０ 焼入硬化層
１２ 高周波焼入装置
１３ ワーク保持治具
１４ 高周波誘導加熱コイル
１５ ガス導入管
１６ ハウジング
１７ ガス排出管
１８ 冷却液噴射管
１９ 冷却液排出管
２０ 高周波電源
２２ 排出ガス流量調整弁
２４ 排出冷却液流量調整弁
２７ ワーク外周冷却環
２９ 細孔
４０ トリポート型等速ボールジョイント
４１ 軌道溝
５０ 無底筒状体としてのホイールハブ（ボールベアリング）
５１，５２ 転動溝
５３ 蓋状治具

Claims (4)

1. 不等肉厚部を有する有底碗状体又は一端の開放口が蓋状治具の内周面を高周波焼入する装置において、
   （Ａ） 前記有底碗状体又は一端の開放口が蓋状治具にて閉塞された無底筒状体を所定位置に保持するワーク保持治具と、
   （Ｂ） 前記有底碗状体の内周面又は前記無底筒状体の内周面に対応配置されてこの内周面を高周波誘導加熱する高周波誘導加熱コイルと、
   （Ｃ） 前記有底碗状体の底部又は前記無底筒状体の一端の蓋状治具に不活性ガス、又は還元性ガス、或いは不活性ガス及び還元性ガスの混合ガスを導入するガス導入管と、
   （Ｄ） 前記ワーク保持治具に保持された前記有底碗状体又は無底筒状体の開放口に対応して配設されるハウジングと、
   （Ｅ） 前記ハウジング内に充満されるガスを前記ハウジングの外部へ排出するガス排出管と、
   （Ｆ） 前記有底碗状体又は無底筒状体の加熱部に冷却液を噴射する冷却液噴射管と、
   をそれぞれ具備し、
   前記有底碗状体又は無底筒状体の被加熱部に向かって前記ガス導入管から前記ガスを噴射させながら前記高周波誘導加熱コイルにて前記有底碗状体又は無底筒状体の内周面を加熱し、前記有底碗状体又は無底筒状体の内周面に噴射されてこの内周面に沿って流れる噴射ガスを前記ハウジング内に充満させると共に、充填されたガスを前記ガス排出管を介して前記ハウジングの外部へ排出する一方、前記冷却液噴射管から前記有底碗状体又は無底筒状体の加熱面に冷却液を噴射することにより、前記有底碗状体又は無底筒状体の内周面を無酸素状態の下で焼入するようにしたこと、
   を特徴とする高周波焼入装置。
2. 前記ハウジングのガス排出管にガス燃焼部を付設し、前記ハウジングから移出されるガスを前記ガス燃焼部において燃焼させるように構成したことを特徴とする請求項１に記載の高周波焼入装置。
3. 前記ガス導入管のうち、前記有底碗状体又は無底筒状体の被加熱部に対応する前記ガス導入管の端部部分に、複数の細孔を設けると共に、前記冷却液噴射管のうち、前記複数の細孔が設けられている前記ガス導入管の端部部分に対応する前記冷却液噴射管の端部部分を削除し、
   前記ガス導入管の一端から前記有底碗状体の内周面の底部又は前記無底筒状体の一端に取付けられた蓋状治具に前記ガスを噴射すると共に、前記ガス導入管の複数の細孔から前記ガスを前記有底碗状体又は無底筒状体の被加熱面に直接噴射するように構成したこと、
   を特徴とする請求項１又は２に記載の高周波焼入装置。
4. 前記ガス導入管の複数の細孔から噴射される噴射ガス流量を前記ガス導入管の一端から噴射される噴射ガス流量より小さく設定したことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の高周波焼入装置。

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