JP5416477B2 - 直接通電式焼入装置及び直接通電式焼入方法 - Google Patents

Description

本発明は、直接通電式によってワークに対して焼入れを行う直接通電式焼入装置及び直接通電式焼入方法に関するものである。

従来の直接通電焼入装置として、特許文献１には、ステアリング機構用ラックの歯部に高周波焼入れを施す焼入れ装置が開示されている。

特許文献１に記載の焼入れ装置は、ラックの歯部の両端部分に嵌合する２つのコイル端接触子と、コイル端接触子の上方にそれぞれ配置された２つのラック押さえ部材としてのパッドとを備え、パッドをラックに押圧させてラックを支持した状態で、２つのコイル端接触子を通じてラックに高周波電流を通電して焼入れを施すものである。

特開平４−１８０５２３号公報

この種の直接通電焼入装置は、ラックに形成された歯部のみに焼入れを施すものであり、ワークの全周ではなくワークの片側のみに焼入れを施すものであるため、焼入れによる加熱と冷却によってワークに曲がり変形が発生する。

特許文献１に記載の発明では、２つのラック押さえ部材のうちラック端部側のラック押さえ部材の押圧力を減少させた状態で冷却を行うことによって、ラックの曲がり変形の半径を大きくするものである。このように、特許文献１に記載の発明では、曲がり変形の半径を大きくすることはできるが、ラック中央部側のラック押さえ部材を中心とした曲がり変形が残留することになる。

ワークに曲がり変形が残留した場合には、焼入れ後に自動又は手動での曲がり矯正が必要となり、製造コストの増加につながる。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、簡便な構造でワークの曲がり変形を効果的に低減することができる直接通電焼入装置及び直接通電式焼入方法を提供することを目的とする。

本発明は、ワークに対して高周波電流を直接通電して焼入れを施す直接通電式焼入装置であって、ワーク長手方向に延在する焼入れ対象部位の両端部に接触して配置され、高周波電流を通電するための一対の電極と、間隔を空けてワークの長手方向に配置され、ワークを前記一対の電極に対して押圧して保持する一対の押圧部材と、を備え、前記一対の押圧部材は、焼入れにて前記焼入れ対象部位が突出する方向の曲げモーメントが作用するワークに対しては、前記一対の電極の外側に配置され、焼入れにて前記焼入れ対象部位が凹む方向の曲げモーメントが作用するワークに対しては、前記一対の電極の内側に配置されることを特徴とする。

本発明によれば、焼入れにてワークに作用する曲げモーメントと逆方向の曲げモーメントをワークに付与しながら焼入れを施すため、ワークの曲がり変形を効果的に低減することができる。また、焼入れにてワークに作用する曲げモーメントと逆方向の曲げモーメントを付与するのは、ワークを保持するための一対の押圧部材の間隔を調節することによって行われるため、曲がり変形を低減するための特別な機構を設ける必要がなく、曲がり変形の低減を簡便な構造で実現することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る直接通電式焼入装置の模式図である。 焼入れによるワークの曲がり変形についての実験結果を示すグラフ図である。 本発明の第２の実施の形態に係る直接通電式焼入装置の模式図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する
（第１の実施の形態）
図１を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る直接通電式焼入装置について説明する。

本発明に係る直接通電式焼入装置は、ワークの焼入れ対象部位に対して高周波電流を直接通電して焼入れを施す装置である。本実施の形態では、ワークは車両に搭載されるステアリング装置の構成部品の１つである鉄鋼製のラックバー１であり、焼入れ対象部位はラックバー１に形成された歯部１ａであり、ラックバー１の歯部１ａに焼入れを施す直接通電式焼入装置１００について説明する。

ラックバー１は丸棒状の部材であり、焼入れが施される歯部１ａはラックバー１の外周面の一部に、長手方向に延在して形成される。つまり、ラックバー１に対する焼入れは、ラックバー１の全周ではなく、片側のみに施される。

直接通電式焼入装置１００は、歯部１ａの両端部に接触して配置され歯部１ａに対して高周波電流を通電するための一対の電極１０，１１と、所定の間隔を空けてラックバー１の長手方向に配置されラックバー１を電極１０，１１に対して押圧して保持する一対の押圧部材１２，１３とを備える。

電極１０，１１は、それぞれ導体１４，１５を介して高周波電源１６に接続される。導体１４と導体１５は絶縁体を介して電気的に絶縁されている。歯部１ａはラックバー１の長手方向一端側に形成され、一方の電極１０はラックバー１の端部側に、他方の電極１１はラックバー１の中央部側に配置される。

導体１５上には、ラックバー１の歯部１ａに沿って配置され、歯部１ａに冷却用の冷却水を噴射するジャケット体１８が設けられる。ジャケット体１８は導電性を有する。

ジャケット体１８における歯部１ａに対向する面１８ａには、冷却水を噴射するための多数の噴射孔（図示せず）が歯部１ａに沿って形成される。また、ジャケット体１８には、冷却水用ポンプ（図示せず）が電磁弁を介して接続される。電磁弁が開弁することによって、冷却水用ポンプからジャケット体１８に冷却水が供給され、ジャケット体１８の噴射孔から冷却水が歯部１ａに噴射される。

押圧部材１２，１３は、ラックバー１を電極１０，１１に確実に接触させるためのものであり、空気圧シリンダ１２ａ，１３ａと、空気圧シリンダ１２ａ，１３ａに対して給排される圧縮空気によって進退しラックバー１を押圧するロッド１２ｂ，１３ｂとを備える。このように、ラックバー１は、一対の電極１０，１１と一対の押圧部材１２，１３とによって挟持されて保持される。

以上のように構成される直接通電式焼入装置１００において、高周波電源１６によって導体１４，１５の間に高周波電圧が印加されると、高周波電流は、図１中に実線の矢印にて示すように、導体１４、電極１０，ラックバー１の歯部１ａ、電極１１、導体１５、ジャケット体１８、導体１５の経路にて流れる。これにより、ラックバー１の歯部１ａが加熱される。

歯部１ａの温度が所定の焼入れ温度に達すると、導体１４，１５の間への高周波電圧の印加が停止され、その後、ジャケット体１８の噴射孔から冷却水が歯部１ａに噴射されて歯部１ａの冷却が行われる。このようにしてラックバー１の歯部１ａに焼入れが施される。歯部１ａに施される焼入れの深さは、１．０ｍｍ以下程度である。

ラックバー１の歯部１ａに焼入れが施されることによって、歯部１ａの組織は硬いマルテンサイトへと変態し、この変態によって歯部１ａの体積は膨張する。これにより、ラックバー１には、図１中に点線の矢印にて示すように、歯部１ａが突出する方向の曲げモーメントが作用する。

そこで、焼入れにてラックバー１に作用する曲げモーメントによるラックバー１の曲がり変形を防止するために、焼入れにてラックバー１に作用する曲げモーメントと逆方向の曲げモーメント（図１中に一点鎖線の矢印にて示す。）をラックバー１に付与しながら焼入れを行う。なお、以下では、焼入れにてラックバー１に作用する曲げモーメントと逆方向の曲げモーメントを、単に「逆方向の曲げモーメント」と称する。

ラックバーへの逆方向の曲げモーメントの付与は、一対の押圧部材１２，１３の間隔を調節することによって行われる。具体的には、図１に示すように、一対の押圧部材１２，１３は一対の電極１０，１１の外側に配置される。つまり、一方の押圧部材１２のロッド１２ｂは、ラックバー１の端部側に配置される一方の電極１０よりもラックバー１の端部側に配置され、他方の押圧部材１３のロッド１３ｂは、ラックバー１の中央部側に配置される他方の電極１１よりもラックバー１の中央部側に配置される。このように、一対の押圧部材１２，１３は、それぞれ一対の電極１０，１１よりも外側にずれて配置される。

一対の押圧部材１２，１３をこのように配置してラックバー１を一対の電極１０，１１に対して押圧することによって、ラックバー１には、一対の電極１０，１１を支点として曲げモーメントが作用する。この曲げモーメントは、図１中に一点鎖線の矢印にて示すように、歯部１ａが凹む方向の曲げモーメントであり、焼入れにてラックバー１に作用する歯部１ａが突出する方向の曲げモーメントとは逆方向の曲げモーメントとなる。一対の押圧部材１２，１３によるラックバー１への逆方向の曲げモーメントの付与は、焼入れが行われている間、つまり、加熱と冷却を行っている間継続される。

このように、一対の押圧部材１２，１３を一対の電極１０，１１よりも外側に配置することによって、焼入れにてラックバー１に作用する曲げモーメントと逆方向の曲げモーメントをラックバー１に付与しながら焼入れを施すことになるため、焼入れによるラックバー１の曲がり変形を低減することができる。なお、一対の押圧部材１２，１３の間隔は、押圧荷重に応じて最適な間隔に設定される。つまり、一対の押圧部材１２，１３の間隔と押圧荷重を調整することによって、逆方向の曲げモーメントをラックバー１に付与する。

図２に、焼入れによるラックバー１の曲がり変形についての実験結果を示す。実験は、ラックバー１の歯部１ａへの焼入れ時において、押圧部材１２，１３のロッド１２ｂ，１３ｂと電極１０，１１とのラックバー１の軸方向のずれ量（図１中の寸法「Ｋ」）と、押圧部材１２，１３がラックバー１に及ぼす荷重Ｆとを変え、ラックバー１の曲がり変形を評価した。

ラックバー１の曲がり変形は、一対の電極１０，１１を支点として円弧状に曲がり変形するラックバー１の歯部１ａの最大撓み量ｈを測定することによって評価した。なお、撓み量がマイナスの数値は、歯部１ａが突出する方向の曲がり変形を指す。図２において、横軸は荷重Ｆ、縦軸は最大撓み量ｈ、●印のプロットはずれ量Ｋが１０ｍｍのデータ、▲印のプロットはずれ量Ｋが１５ｍｍのデータを示す。

図２から、荷重Ｆが大きい程、また、ずれ量Ｋが大きい程、最大撓み量ｈは小さく、ラックバー１の曲がり変形量が小さいことがわかる。つまり、焼入れにてラックバー１に作用する曲げモーメントと逆方向の曲げモーメントをラックバー１に付与しながら焼入れを施すことによって、焼入れによるラックバー１の曲がり変形が低減されることがわかる。

荷重Ｆ及びずれ量Ｋは、加熱温度、冷却時間、焼入れ深さ等の焼入れ条件に応じて設定される。荷重Ｆ及びずれ量Ｋを実験結果に基づいて適切な値に設定することによって、焼入れによるラックバー１の曲がり変形をより効果的に低減することが可能となる。

以上の実施の形態では、焼入れにてラックバー１に歯部１ａが突出する方向の曲げモーメントが作用する場合について説明した。しかし、歯部に施す焼入れの深さによっては、焼入れにてラックバー１の歯部１ａが凹む方向の曲げモーメントが作用する場合がある。つまり、焼入れの態様によっては、焼入れにて上記実施の形態とは逆方向の曲げモーメントがラックバー１に作用する場合がある。この場合には、一対の押圧部材１２，１３を一対の電極１０，１１よりも内側に配置することによって、焼入れにてラックバー１に作用する曲げモーメントと逆方向の曲げモーメント、つまり、歯部１ａが突出する方向の曲げモーメントをラックバー１に付与しながら焼入れを施す。これにより、焼入れによるラックバー１の曲がり変形を低減することができる。

また、以上の実施の形態では、ラックバー１の歯部１ａに焼入れを施す場合について説明したが、焼入れが施される焼入れ対象部位は歯部１ａに限定されるものではなく、歯部１ａの背面側であるラックバー１の外周面に焼入れを施す場合もある。その場合も、上記と同様の方法にて、逆方向の曲げモーメントをラックバー１に付与するようにすればよい。

以上の実施の形態によれば、以下に示す作用効果を奏する。

直接通電式焼入装置１００では、焼入れにてラックバー１に作用する曲げモーメントと逆方向の曲げモーメントをラックバー１に付与しながら焼入れを施すため、ラックバー１の曲がり変形を効果的に低減することができる。また、焼入れにてラックバー１に作用する曲げモーメントと逆方向の曲げモーメントを付与するのは、ラックバー１を保持するための一対の押圧部材１２，１３の間隔を調節することによって行われるため、曲がり変形を低減するための特別な機構を設ける必要がなく、曲がり変形の低減を簡便な構造で実現することができる。

このように、直接通電式焼入装置１００は、自動でラックバー１の曲がり変形を抑制するものであるため、焼入れ後にラックバー１の曲がり変形を矯正するための工程が不要となる。また、不要とならない場合であっても曲がり矯正は容易となる。したがって、ラックバー１の製造コストを低減することができる。また、自動で曲がり変形を抑制するものであるため、歩留りも向上する。

（第２の実施の形態）
図３を参照して、本発明の第２の実施の形態に係る直接通電式焼入装置２００について説明する。以下では、上記第１の実施の形態と相違する点を中心に説明し、上記第１の実施の形態に係る直接通電式焼入装置１００と同一の構成には同じ符号を付して説明を省略する。

歯部１ａはラックバー１の長手方向一端側に形成されるため、ラックバー１の一端側が電極１０，１１と押圧部材１２，１３とによって挟持された状態となる。したがって、ラックバーの他端側は自由端となるため、ラックバー１の一端側を電極１０，１１と押圧部材１２，１３とによって挟持した状態でも、ラックバー１の自由端側は焼入れによる加熱と冷却によって変位する。このラックバー１の自由端側の変位は、ランクバーの曲がり変形の原因となる。

そこで、直接通電式焼入装置２００は、架台２１上に設けられラックバー１の自由端を拘束する拘束部材２０を備える。ラックバー１の自由端を拘束することによって、焼入れ中、ラックバー１の自由端の変位が規制されるため、ラックバー１の曲がり変形を低減することができる。

なお、直接通電式焼入装置２００においても、上記第１の実施の形態と同様に、一対の押圧部材１２，１３によって、焼入れにてラックバー１に作用する曲げモーメントと逆方向の曲げモーメントをラックバー１に付与しながら焼入れを行えば、より効果的にラックバー１の曲がり変形を低減することができる。しかし、直接通電式焼入装置２００では、図３に示すように、一対の押圧部材１２，１３のそれぞれを一対の電極１０，１１と一致する位置に配置するようにしてもよい。つまり、押圧部材１２，１３のロッド１２ｂ，１３ｂと電極１０，１１とのラックバー１の軸方向のずれ量がゼロとなるように、押圧部材１２，１３を配置するようにしてもよい。押圧部材１２，１３をこのように配置する場合、焼入れにてラックバー１に作用する曲げモーメントと逆方向の曲げモーメントをラックバー１に付与することはできないが、ラックバー１の自由端を拘束する拘束部材２０のみによって、ラックバー１の曲がり変形を低減させる効果は発揮される。

本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

本発明は、ラックバーの歯部に焼入れを施す装置に適用することができる。

１００，２００ 直接通電式焼入装置
１ ラックバー
１ａ 歯部
１０，１１ 電極
１２，１３ 押圧部材
１４，１５ 導体
１６ 高周波電源
１８ ジャケット体
２０ 拘束部材

Claims (4)

1. ワークに対して高周波電流を直接通電して焼入れを施す直接通電式焼入装置であって、
   ワーク長手方向に延在する焼入れ対象部位の両端部に接触して配置され、高周波電流を通電するための一対の電極と、
   間隔を空けてワークの長手方向に配置され、ワークを前記一対の電極に対して押圧して保持する一対の押圧部材と、を備え、
   前記一対の押圧部材は、焼入れにて前記焼入れ対象部位が突出する方向の曲げモーメントが作用するワークに対しては、前記一対の電極の外側に配置され、焼入れにて前記焼入れ対象部位が凹む方向の曲げモーメントが作用するワークに対しては、前記一対の電極の内側に配置されることを特徴とする直接通電式焼入装置。
2. 前記ワークはラックバーであり、前記焼入れ対象部位は前記ラックバーに形成された歯部であることを特徴とする請求項１に記載の直接通電焼入装置。
3. 前記焼入れ対象部位は、ワークの長手方向一端側に形成され、
   ワークの他端側である自由端を拘束する拘束部材をさらに備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の直接通電焼入装置。
4. ワークに対して高周波電流を直接通電して焼入れを施す直接通電式焼入方法であって、
   ワーク長手方向に延在する焼入れ対象部位の両端部に接触して配置された一対の電極と、間隔を空けてワークの長手方向に配置されワークを前記一対の電極に対して押圧する一対の押圧部材とによってワークを保持し、
   前記一対の押圧部材の前記間隔を調節することによって、焼入れにてワークに作用する曲げモーメントと逆方向の曲げモーメントをワークに付与しながら焼入れを施すことを特徴とする直接通電式焼入方法。

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