JP4539164B2

JP4539164B2 - 矯正焼入れ装置

Info

Publication number: JP4539164B2
Application number: JP2004141469A
Authority: JP
Inventors: 秀樹國分
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2004-05-11
Filing date: 2004-05-11
Publication date: 2010-09-08
Anticipated expiration: 2024-05-11
Also published as: JP2005320609A

Description

本発明は、マルテンサイト変態膨張を伴う環状体の焼入後の外径寸法を矯正する矯正焼入れ装置に関する。

一般に鋼製の環状体（以下、ワークリングと称する）の焼入れは、マルテンサイト変態膨張を伴うので、これによるワークリングの内外径の寸法誤差や焼入れ歪により真円度、円筒度、平面度が低下する問題がある。これにより、研削取代が増えるため研削の取代が増えてコストアップとなってします。また、肉厚が十分に厚いワークリングは、剛性があるので研削の送り速度を上げることができるが、薄いワークリングは、剛性が無いので研削送り速度を上げると弾性変形して研削精度が出ない。そのため、薄いワークリングは、研削の送り速度を下げて研削を行わなければならないので、研削効率が悪くなるという問題がある。

ところで、従来より矯正焼入れ方法の提案がいくつかなされている。例えば、低炭素鋼においては、焼入れ時に内径に内径型を挿入し、加熱により膨張したワークリングが冷却時に収縮し、型に張り付くことにより焼入れ変形を矯正するプラグクエンチと呼ばれる内径矯正方法が提案されている。また、高炭素鋼においては、焼入れ時に外径に外径型を挿入して焼入れ変形を矯正する外径矯正方法も提案されている（例えば、特許文献１）。
特許２８６０４８１号

しかしながら、上述した何れの矯正焼入れ方法も通常の炉加熱を利用した方法であり、これらの方法では通常の厚肉のワークリングには適用可能であるが、極めて薄い薄肉のワークリングでは、炉で加熱した後、矯正装置に搬送する際に、剛性が低いことによる変形や熱容量が低いことによる温度の低下が問題となる。
つまり、炉から矯正装置に搬送する際、薄肉のワークリングを機械的に保持しようとすると、温度が高いのに加えて薄肉で剛性が低下しているので塑性変形が悪化する。また、搬送の際に炉から出して保持しようとすると、その接触部での温度低下が生じて焼入れ不具合を起こす。さらに、薄肉のワークリングを転がした場合でも、転がし面との接触部の温度が低下して焼入れ不具合を起こすおそれがある。
本発明はこのような不都合を解消するためになされたものであり、環状体の肉厚の変化に関わらず、効率的に環状体の矯正焼入れを行うことができるとともに、研磨処理等の後処理作業を大幅に削減することができる矯正焼入れ装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明に係る矯正焼入れ装置は、マルテンサイト変態膨張を伴う環状体の焼入後の外径寸法を矯正する矯正焼入れ装置であって、前記環状体を加熱する環状の加熱コイルと、前記環状体の内周及び外周に冷却水を噴射して冷却する環状の冷却ジャケットと、前記環状体の外周を圧入して矯正する環状の外径拘束型とを上下方向に同軸に配置するとともに、前記環状体を前記加熱コイルの環状空間、前記冷却ジャケットの環状空間及び前記外径拘束型の内部に同軸に移動させる昇降機構と、前記加熱コイル内に移動した前記環状体を回転させる回転手段とを備え、前記加熱コイル、前記冷却ジャケット及び前記外径拘束型と同軸に昇降自在な上治具及び下治具を配置し、前記環状体を前記外径拘束型に圧入する際に、前記上治具及び前記下治具が前記環状体を上下から挟み込み、前記環状体の下部を前記下治具で保持しながら前記上治具で圧入している。

ここで、前記上治具及び前記下治具に、前記環状体の内周側に流れ込んだ冷却水を該環状体の外部に導く流路を設けることが好ましい。

本発明の矯正焼入れ装置によると、加熱コイル内に移動した環状体を回転手段で回転しながら加熱していくことで環状体の均一加熱を行い、冷却ジャケット内に移動した環状体の外周及び内周側から冷却水を噴射することで均一冷却を行い、次いで外径拘束型に環状体を圧入して矯正焼入れを行っていることから、変形の小さい焼入れ後の環状体となるので、研磨処理等の後処理作業を大幅に削減することができる。また、加熱コイル、冷却ジャケット及び環状の外径拘束型を上下方向に同軸に配置し、昇降機構で環状体を上下に移動させることで矯正焼入れを連続して行うことができるので、効率的に矯正焼入れを行うことができる。

以下、本発明に係る矯正焼入れ装置の１実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、鋼製環状体（以下、ワークリングと称する）２を矯正焼入れする装置を概略的に示した図であり、環状の加熱コイル４、環状の冷却ジャケット６、環状の外径拘束型８、ワークリング２を保持する下治具１４、上治具１６、ワークリング２を回転させる回転手段、ワークリング２を昇降させる昇降機構１８、冷却水供給手段などを備えている。

環状の加熱コイル４、環状の冷却ジャケット６及び環状の外径拘束型８は、互いに上下方向に同軸に配置されている。加熱コイル４は、ワークリング２を高周波の誘導加熱により加熱する装置であり、この加熱コイル４の下方に配置されている冷却ジャケット６は、冷却水供給配管７から供給されてきた冷却水をジャケット内周側から噴射してワークリング２の焼入れを行う装置である。冷却ジャケット６の下方に配置されている外径拘束型８は、ワークリング２を圧入することでワークリング２の外径を拘束して矯正焼入れを行う装置である。これら加熱コイル４、冷却ジャケット６及び外径拘束型８は、それぞれ図示しない支持部材に支持されている。

加熱コイル４、冷却ジャケット６及び外径拘束型８を同軸に配置した軸線上には、回転駆動部１０の駆動により軸回りに回転する回転軸１２が配置されている。回転軸１２の上端には、ワークリング２の下部を保持する下治具１４が固定されている。
下治具１４は、装置下部に配置した昇降機構１８により最上部の加熱コイル４から最下部の外径拘束型８まで昇降自在とされている。すなわち、回転駆動部１０は、昇降機構１８の昇降台１８ａ上に固定されており、油圧シリンダ１８ｂの駆動により昇降台１８ａの下面に連結したシリンダロッド１８ｃが上下方向に移動することで、ガイド部材１８ｄにガイドされた昇降台１８ａとともに回転駆動部１０が昇降し、下治具１４も昇降するようになっている。

前記回転軸１２は中空軸であり、この下部に、回転軸１２の中空部１２ａと外部とが連通する放射状の連通穴１２ｂが設けられている。そして、回転軸１２の下部外周には、冷却水供給用の継手部材２２が回転自在に連結されており、冷却水供給配管２４から供給されてきた冷却水が、継手部材２２を介して連通穴１２ｂを通過して中空部１２ａに流れ込むようになっている。

下治具１４は、ワークリング２の下部端面と内周面の下部に接触する下部大径部１４ａ及び上部小径部１４ｂとを備えた部材である。そして、下治具１４は、回転軸１２の中空部１２ａに連通する軸穴１４ｃを設けており、回転軸１２の中空部１２ａに供給された冷却水が軸穴１４ａを通って噴出するようになっている。また、下部大径部１４ａの上面から上部小径部１４ｂの外周面には、冷却水の流路となる溝１４ｄが周方向に所定間隔をあけて複数形成されている。

また、加熱コイル４の上方には、油圧シリンダ２６のシリンダロッド２６ａの下端に連結され、加熱コイル４、冷却ジャケット６及び外径拘束型８とともに同軸上で上下移動し、ワークリング２の上部を保持する上治具１６が固定されている。上治具１６は、ワークリング２の上部端面と内周面の上部に接触する上部大径部１６ａ及び下部小径部１６ｂとからなる部材である。そして、上部大径部１６ａの下面から下部小径部１６ｂの外周面に、冷却水の流路となる溝１４ｄが周方向に所定間隔をあけて複数形成されている。

そして、加熱コイル４の斜め上方に、ワークリング２の加熱温度を非接触式で測定する放射温度計２８が配置されている。なお、放射温度計２８で計測したワークリング２の加熱温度は、図示しない制御部に入力して加熱コイル４の制御情報となる。
ここで、下治具１４は、加熱コイル４に加熱されない非磁性の材料を用いることが好ましく、例えばオーステナイト系ステンレスであるＳＵＳ３０４を用いることが好ましい。また、上治具１６及び外径拘束型８は、マルテンサイト系のステンレスであるＳＵＳ４４０を用いると、防錆と耐久性の面で好ましい。
なお、回転駆動部１０及び回転軸１２が、前述したワークリング２を回転させる回転手段に相当し、冷却水供給配管７，２４、継手部材２２，中空部１２ａを備えた回転軸１２及び下治具１４の軸穴１４ｃが、前述した冷却水供給手段に相当する。

次に、本実施形態の装置を使用したワークリング２の矯正焼入れ手順について、図１から図４を参照して説明する。
先ず、図１に示すように、昇降機構１８の上昇動作を行うことで下治具１４を加熱コイル４の上部位置まで上昇し、図示しない搬入治具により搬入されてきたワークリング２を、加熱コイル４に干渉させずに下治具１４上に保持させる。

次に、図２に示すように、昇降機構１８の下降動作を行うことで下治具１４を加熱コイル４の環状内部に位置させる。次いで、回転駆動部１０の駆動により回転軸１２を介して下治具１４を矢印方向に回転させる。そして、加熱コイル４の高周波誘導加熱により、下治具１４が保持しているワークリング２の加熱動作を行う。これにより、加熱コイル４に囲まれているワークリング２は、下治具１４とともに回転しながら加熱されて膨張していく。そして、ワークリング２がオーステナイト化温度まで加熱されたことを放射温度計２８が計測した時点で、加熱コイル４の加熱動作を停止する。この時、上治具１６を下降させてワークリング２を上下から挟んで加熱することもできる。その場合は、上治具１６とワークリング２のこすれを防止するため、上治具１６を回転可能な構造にしておくことが好ましい。

次に、図３に示すように、さらに昇降機構１８の下降動作を行うことで下治具１４を冷却ジャケット６の環状内部に位置させる。そして、油圧シリンダ２６の駆動によりシリンダロッド２６ａを伸長し、上治具１６をワークリング２の上部に当接させ、上治具１６及び下治具１４でワークリング２を上下から挟み込んだ状態とする。次いで、冷却水供給配管７，２４による冷却水の供給を開始してワークリング２の焼入れを開始する。すなわち、冷却水供給配管７に供給された冷却水は、冷却ジャケット６の内周面からワークリング２の外周に向けて噴射する。また、冷却水供給配管２４に供給された冷却水は、回転軸１２の中空部１２ａから下治具１４の軸穴１４ａを通って上治具１６及び下治具１４の隙間に噴射し、上治具１６及び下治具１４に設けた複数の溝１６ｄ，１４ｄを通過しながらワークリング２の内周に向けて流れる。これにより、ワークリング２は外周及び内周から均一に冷却されていく。ここで、ワークリング２の内周に向けて流れた冷却水は、上治具１６及び下治具１４に設けた複数の溝１６ｄ，１４ｄを流路として上治具１６及び下治具１４の外周側に導かれていき、ワークリング２の内周側からの冷却水の飛散が防止されるとともに、ワークリング２の内部に冷却水が滞留するのも防止できる。

次に、ワークリング２が収縮してマルテンサイト変態の開始温度になった時点で、昇降機構１８の下降動作と、油圧シリンダ２６の駆動によるシリンダロッド２６ａの伸長動作を同時に行い、上治具１６及び下治具１４の間のワークリング２を外径拘束型８内に圧入して矯正焼入れを行う。このとき、ワークリング２は、上治具１６及び下治具１４で上下から挟み込まれた状態で外径拘束型８内に圧入されるので、傾いた状態で外径拘束型８内に圧入されない。

ワークリング２の冷却完了後、上治具１６及び下治具１４は上昇し、図示しない搬出治具にてワークリング２は搬出される。
ここで、表１は、本実施形態の装置で矯正焼入れを行ったワークリング（本発明のワークリングと記載）の形状変化と、従来方法で矯正焼入れを行ったワークリング（比較例のワークリングと記載）の形状変化とを比較したものである。なお、本実施形態の装置では、高周波加熱条件を周波数３０ｋＨｚ、電源出力１５ｋＷ、焼入れ加熱温度９００〜９５０℃及び加熱時間１０秒とし、冷却時間１５秒、冷却水温度２５℃、焼割れ防止剤ソリュブルクエンチ（大同化学工業社製）の濃度１０％とした。一方、従来の方法では、加熱炉にて８４０〜８６０℃の焼入れ加熱を行い油焼入れを行った。

表１の結果から明らかなように、本実施形態の装置で矯正焼入れを行ったワークリングは、加工前と加工後の外径寸法、真円度がさほど変化しないが、従来の方法で矯正焼入れを行ったワークリングは、加工前と加工後の外径寸法、真円度が大きく変化し、ばらつきも大きいことがわかる。したがって、本実施形態の装置で矯正焼入れを行ったワークリングは、変形の小さい焼入れ部材となる。

したがって、本実施形態の装置では、加熱コイル４内に配置したワークリング２を回転手段で回転しながら加熱していくことでワークリング２の均一加熱を行い、冷却ジャケット６内に配置したワークリング２に対して冷却水供給手段により外周及び内周側から冷却水を噴射することで均一冷却を行い、次いで外径拘束型８にワークリング２を圧入して矯正焼入れを行っていることから、変形の小さい焼入れ後のワークリング２となるので、研磨処理等の後処理作業を大幅に削減することができる。

また、環状の加熱コイル４、環状の冷却ジャケット６及び環状の外径拘束型８を上下方向に同軸に配置し、昇降機構１８でワークリング２を昇降させることで矯正焼入れを連続して行うことができるので、効率的に矯正焼入れを行うことができる。
また、ワークリング２は、上治具１６及び下治具１４により上下から挟み込まれた状態で外径拘束型８に圧入されるので、傾いた状態でワークリング２が外径拘束型８内に圧入されるなどの不都合が発生しない。また、剛性が低下しやすい薄肉のワークリング２の矯正焼入れを行う場合であっても、薄肉のワークリング２を上治具１６及び下治具１４が上下から挟み込んで保持するので、正常に矯正焼入れを行うことができる。

また、焼入れの際にワークリング２の内周側から噴射する冷却水は、ワークリング２の上部に配置した上治具１６により周囲への飛散が防止され、ワークリング２の内周側に向けて流れるので、ワークリング２の均一冷却を促進することができる。
さらに、ワークリング２の内周側に向けて流れた冷却水は、上治具１６及び下治具１４に設けた複数の溝１６ｄ，１４ｄを流路として上治具１６及び下治具１４の外周側に導かれて外部に順次排出されていき、ワークリング２の内部に冷却水が滞留しないので、冷却水不足を防止することができる。

本発明に係る矯正焼入れ装置において下治具上に環状体をセットした状態を示す図である。下治具上にセットした環状体が加熱コイルで加熱されている状態を示す図である。加熱された後に冷却水の噴射により環状体の焼入れを行っている状態を示す図である。環状体の矯正焼入れを行っている状態を示す図である。

符号の説明

２ワークリング（環状体）
４加熱コイル
６冷却ジャケット
７，２４冷却水供給配管
８外径拘束型
１０回転駆動部
１２回転軸
１２ａ中空部
１４下治具
１４ｄ，１６ｄ溝（流路）
１６上治具
１８昇降機構
２６油圧シリンダ
２８放射温度計

Claims

マルテンサイト変態膨張を伴う環状体の焼入後の外径寸法を矯正する矯正焼入れ装置であって、
前記環状体を加熱する環状の加熱コイルと、前記環状体の内周及び外周に冷却水を噴射して冷却する環状の冷却ジャケットと、前記環状体の外周を圧入して矯正する環状の外径拘束型とを上下方向に同軸に配置するとともに、前記環状体を前記加熱コイルの環状空間、前記冷却ジャケットの環状空間及び前記外径拘束型の内部に同軸に移動させる昇降機構と、前記加熱コイル内に移動した前記環状体を回転させる回転手段とを備え、前記加熱コイル、前記冷却ジャケット及び前記外径拘束型と同軸に昇降自在な上治具及び下治具を配置し、前記環状体を前記外径拘束型に圧入する際に、前記上治具及び前記下治具が前記環状体を上下から挟み込み、前記環状体の下部を前記下治具で保持しながら前記上治具で圧入することを特徴とする矯正焼入れ装置。
前記上治具及び前記下治具に、前記環状体の内周側に流れ込んだ冷却水を該環状体の外部に導く流路を設けたことを特徴とする請求項１記載の矯正焼入れ装置。