JP5495482B2 - リング状品の焼入れ方法および装置 - Google Patents

Description

この発明は、軸受軌道輪等のリング状品を熱変形の矯正を行いながら焼入れするリング状品の焼入れ方法および装置に関する。

軸受の軌道輪等のようなリング状品を焼入れすると、熱変形による真円度の狂いが生じる。そのため、一般には、焼入れ後、リング状品の外周を成形ロールで受け内周にマンドレルを押し当てて変形を矯正することが行われている。

しかし、このように焼入れと別工程で変形矯正を行うと、リング状品の製造ラインの工程数が増えることから、図５に示すように、焼入れ時にリング状品Ｗを円筒状の拘束型４０に入れて冷却することにより、変形を矯正することも行われている。詳しくは、リング状品Ｗを焼入れ温度（８５０℃程度）まで加熱した後、マルテンサイト変態点（２３０℃）付近の温度までは型拘束しない状態で冷却し、同温度まで低下した時点でリング状品Ｗを拘束型４０に入れ、その状態のまま一定温度（１１０℃程度）まで冷却し、同温度まで冷却したなら拘束型４０からリング状品Ｗを取り出し、その後は常温まで自然冷却させるというものである。

また、拘束型を用いる変形矯正方法の一種として、軸方向に長い縦型円筒状の拘束型を用い、この縦型円筒状の拘束型に対して上側から順に、焼入れの冷却過程にあるリング状品を押し込み、それによって型内のリング状品が下側から順に押し出されるようにした方法が提案されている（特許文献１）。
特開平０９−１７６７４０号公報

しかし、上記拘束型を用いる変形矯正の方法は、製作に高いコストがかかる拘束型をリング状品の寸法ごとに用意する必要がある。また、拘束型にリング状品を嵌め込む作業、および焼入れ終了後に拘束型からリング状品を取り出す作業に手間がかかる。特許文献１に開示の変形矯正方法の場合、拘束型からリング状品を取り出す作業が不要であるが、この方法は、拘束型とリング状品との摩擦力によってリング状品が型内に保持されるようになっているため、寸法の大きなリング状品の場合は自重で拘束型から落下してしまう可能性があり、比較的小さなリング状品にしか適用できない。

この発明の目的は、焼入れ処理によって生じる熱変形をその焼入れ処理中に矯正することができ、その熱変形矯正は、コストおよび手間をかけずに行え、かつ種々のサイズのリング状品に対して行えるリング状品の焼入れ方法および装置を提供することである。

この発明のリング状品の焼入れ方法は、リング状品を焼入れ温度まで加熱する加熱過程と、焼入れ温度まで加熱されたリング状品をマルテンサイト変態点温度よりも高い変形矯正開始温度まで冷却する一次冷却過程と、変形矯正開始温度まで冷却されたリング状品に対し、このリング状品の外周面に一対の受けロールをリング状品の中心と平行な回転中心軸回りに転動自在に接触させた状態で、前記一対の受けロールの中間点とリング状品を介して対向する側から、リング状品の外周面にリング状品の中心と平行な回転中心軸回りに回転モータにより回転駆動される加圧ロールを押付けつつ、マルテンサイト変態点温度よりも低い温度まで冷却する二次冷却過程とを含み、前記一対の受けロールは、互いの間隔を変更可能であることを特徴とする。前記リング状品は、例えば軸受の軌道輪とすることができる。

このリング状品の焼入れ方法によると、二次冷却過程において、一対の受けロールをリング状品の外周面に転動自在に接触させた状態で、その反対側から回転する加圧ロールをリング状品の外周面に押付けつつ、リング状品を冷却する。リング状品が、一対の受けロールと１個の加圧ロールとで両側から所定荷重で挟み付けられながら、両ロール間で回転させられることにより、リング状品の変形が矯正され真円度が高まる。受けロールと加圧ロールとの間隔を変更することで、各種サイズのリング状品に対応させられる。この変形矯正は、拘束型を用いないため、型代が不要であり、かつリング状品を型に嵌める手間や型から外す手間がかからない。二次冷却過程中に変形矯正が行われるので、変形矯正のための工程を別に設ける必要がない。

この発明において、一次冷却過程でリング状品を冷却する油槽と、二次冷却過程でリング状品を冷却する油槽とを別に設けると良い。
一次冷却過程の冷却用油槽と二次冷却過程の冷却用油槽とが別であると、一次冷却過程でのリング状品の冷却、一対の受けロールと加圧ロール間へのリング状品の投入、二次冷却過程でのリング状品の冷却を一連の流れに沿って行うことができる。また、焼入れ処理ラインの構成を簡易なものとすることができる。

前記リング状品の外周面に前記加圧ロールを押付けている時間は、４０秒ないし９０秒であるのが好ましい。また、前記リング状品の外周面に前記加圧ロールを押付け始めるときのリング状品の温度は、マルテンサイト変態点温度よりも２０℃ないし５０℃高い温度とするのが良い。
各種試験を行った結果、リング状品の外周面に加圧ロールを押付けて変形矯正を行う時間は４０秒ないし９０秒が良いことが判った。上記変形矯正時間を確保して焼入れの冷却過程中に変形矯正を完了するには、マルテンサイト変態点温度よりも２０℃ないし５０℃高い温度から加圧ロールを押付け始めれば良い。

この発明のリング状品の焼入れ装置は、リング状品を焼入れ温度まで加熱する加熱部と、この加熱部により焼入れ温度まで加熱されたリング状品をマルテンサイト変態点温度よりも高い変形矯正開始温度まで冷却する一次冷却部と、この一次冷却部により変形矯正開始温度まで冷却されたリング状品に対し、このリング状品の外周面に一対の受けロールをリング状品の中心と平行な回転中心軸回りに転動自在に接触させた状態で、前記一対の受けロールの中間点とリング状品を介して対向する側から、リング状品の外周面にリング状品の中心と平行な回転中心軸回りに回転モータにより回転駆動される加圧ロールを押付けつつ、マルテンサイト変態点温度よりも低い温度まで冷却する二次冷却部とを含み、前記一対の受けロールは、互いの間隔を変更可能であることを特徴とする。

このリング状品の焼入れ装置によると、二次冷却部において、一対の受けロールをリング状品の外周面に転動自在に接触させた状態で、その反対側から回転する加圧ロールをリング状品の外周面に押付けつつ、リング状品を冷却する。リング状品が、一対の受けロールと１個の加圧ロールとで両側から所定荷重で挟み付けられながら、両ロール間で回転させられることにより、リング状品の変形が矯正され真円度が高まる。受けロールと加圧ロールとの間隔を変更することで、各種サイズのリング状品に対応させられる。この変形矯正は、拘束型を用いないため、型代が不要であり、かつリング状品を型に嵌める手間や型から外す手間がかからない。二次冷却部で変形矯正が行われるので、変形矯正のための工程を別に設ける必要がない。

この発明のリング状品の焼入れ方法は、リング状品を焼入れ温度まで加熱する加熱過程と、焼入れ温度まで加熱されたリング状品をマルテンサイト変態点温度よりも高い変形矯正開始温度まで冷却する一次冷却過程と、変形矯正開始温度まで冷却されたリング状品に対し、このリング状品の外周面に一対の受けロールをリング状品の中心と平行な回転中心軸回りに転動自在に接触させた状態で、前記一対の受けロールの中間点とリング状品を介して対向する側から、リング状品の外周面にリング状品の中心と平行な回転中心軸回りに回転モータにより回転駆動される加圧ロールを押付けつつ、マルテンサイト変態点温度よりも低い温度まで冷却する二次冷却過程とを含み、前記一対の受けロールは、互いの間隔を変更可能であるため、焼入れ処理によって生じる熱変形をその焼入れ処理中に矯正することができる。その熱変形矯正は、コストおよび手間をかけずに行え、かつ種々のサイズのリング状品に対して行える。

また、この発明のリング状品の焼入れ装置は、リング状品を焼入れ温度まで加熱する加熱部と、この加熱部により焼入れ温度まで加熱されたリング状品をマルテンサイト変態点温度よりも高い変形矯正開始温度まで冷却する一次冷却部と、この一次冷却部により変形矯正開始温度まで冷却されたリング状品に対し、このリング状品の外周面に一対の受けロールをリング状品の中心と平行な回転中心軸回りに転動自在に接触させた状態で、前記一対の受けロールの中間点とリング状品を介して対向する側から、リング状品の外周面にリング状品の中心と平行な回転中心軸回りに回転モータにより回転駆動される加圧ロールを押付けつつ、マルテンサイト変態点温度よりも低い温度まで冷却する二次冷却部とを含み、、前記一対の受けロールは、互いの間隔を変更可能であるため、焼入れ処理によって生じる熱変形をその焼入れ処理中に矯正することができる。その熱変形矯正は、コストおよび手間をかけずに行え、かつ種々のサイズのリング状品に対して行える。

この発明の実施形態を図１および図２と共に説明する。図１に示すように、このリング状品の焼入れ装置３０は、加熱部３１、一次冷却部３２、二次冷却部３３、洗浄部３４等よりなる。加熱部３１は、加熱炉等を用いてリング状品Ｗを所定の焼入れ温度（例えば８５０℃）まで加熱する（加熱過程Ｓ１）。一次冷却部３２は、焼入れ温度まで加熱されたリング状品Ｗを、一次冷却槽３２ａの焼入れ油中に浸漬して、マルテンサイト変態点よりも高い温度（例えば２９０℃）まで一次冷却する（一次冷却過程Ｓ２）。二次冷却部３３は、一次冷却されたリング状品Ｗを、変形矯正装置１により変形矯正しながら油槽２０の焼入れ油中に浸漬して、一定温度（例えば１１０℃）まで二次冷却する（二次冷却過程Ｓ３）。洗浄部３４は、二次冷却されたリング状品Ｗを洗浄し、後の工程に送る。

この実施形態では、一次冷却部３２の一次冷却槽３２ａは、焼入れ油の入っている部分の断面形状がＵ字状とされ、そのＵ字の一方の端部である導入部３２ａａからもう一方の端部である排出部３２ａｂへリング状品Ｗをエレベータ３２ｂにより搬送するようになっている。前記導入部３２ａａの上側の空間３２ｃは、窒素ガスＮ_２で満たされた密閉空間とされている。空間３２ｃと加熱部３１との間には、開閉式の扉３２ｄが設けられている。この一次冷却槽３２ａの構成によると、加熱部３１で加熱されたリング状品Ｗは、すぐに窒素ガスＮ_２で満たされた空間３２ｃに入れられ、続いて焼入れ油中に浸漬されるため、大気に触れさせずに冷却を行うことができる。

図２に示すように、二次冷却部３３の変形矯正装置１は、リング状品Ｗを載せる配置台２を備え、この配置台２上に一対の受けロール３および１個の加圧ロール４が設けられている。受けロール３は、受けロール支持部材７から上向き突出する受けロール支持軸３ａに回転自在に取付けられている。加圧ロール４は、加圧ロール支持部材１１から上向きに突出し、加圧ロール支持部材１１に対して回転自在な加圧ロール支持軸４ａに一体回転するよう取付けられている。リング状品Ｗは、例えば軸受の軌道輪である。軸受の軌道輪は、鍛造により成形され、旋削により内周面または外周面に軌道溝が形成されたものである。軸受軌道輪の材質は、鋼材、例えば軸受鋼等である。

上記一対の受けロール３と１個の加圧ロール４との間の配置台２の上面はリング状品載置部５とされ、上記一対の受けロール３の並び方向（Ｙ方向）の一方の端から他方の端に亘って、他よりも一段高く形成されている。このリング状品載置部５には、後述する加圧ロール４の前進時に加圧ロール４および後記加圧ロール支持部材１１との干渉を避けるための切欠き部５ａが形成されている。配置台２の周辺部には、リング状品Ｗを矢印Ａの方向からリング状品載置部５に投入し、リング状品載置部５から矢印Ｂの方向に排出する投入・排出機構（図示せず）が設けられている。

一対の受けロール３は、受けロール間隔変更機構６により、Ｙ方向の間隔を変更可能とされている。受けロール間隔変更機構６は、各受けロール３を回転自在に支持する受けロール支持部材７と、この受けロール支持部材７を配置台２に対しＹ方向に位置変更自在に案内するガイド８と、受けロール支持部材７を配置台２に固定する固定手段９とでなる。固定手段９としては、例えばボルトや、摩擦力で締付け固定する固定具を用いることができる。

加圧ロール４は、加圧ロール進退機構１０により、一対の受けロール３の中間点Ｍと加圧ロール４の中心Ｏとを結ぶ方向（Ｘ方向）に進退可能とされている。加圧ロール進退機構１０は、加圧ロール４を回転自在に支持する加圧ロール支持部材１１と、この加圧ロール支持部材１１に設けた一対の被案内部１１ａがそれぞれ相対移動自在に嵌合するＸ方向のガイド軸１２と、加圧ロール支持部材１１を配置台２に対してＸ方向に進退させる進退手段１３とでなる。被案内部１１ａは、例えば滑り案内、転がり案内によりガイド軸１２を案内する。進退手段１３は、例えば油圧シリンダよりなる。

また、加圧ロール４は、加圧ロール回転駆動機構１５により、所定方向に回転させられるようになっている。加圧ロール回転駆動機構１５は、加圧ロール支持部材１１に回転モータ１６を設置し、この回転モータ１６の出力軸に取付けたスプロケット１７と、加圧ロール４の支持軸に取付けたスプロケット１８とにチェーン１９を巻き掛けたものである。

前記配置台２のリング状品載置部５の下方にはリング状品冷却用の油槽２０が設置されており、この油槽２０の焼入れ油中にリング状品載置部５上のリング状品Ｗを浸漬させられるようになっている。そのための変形矯正時冷却機構２１は、配置台２をリング状品載置部５側が下になるように傾け可能に支持する支持手段２２と、この支持手段２２に支持された配置台２を傾ける傾け手段２３とでなる。この実施形態では、支持手段２２は、配置台２のＹ方向両側から外向きに突出する水平な傾け中心軸２２ａを、回動支持部材２２ｂにより回動自在に支持させたものとされている。また、傾け手段２３は、傾け中心軸２２ａよりもリング状品載置部５と反対側に位置する配置台２の下面と床面２４との間に設けた油圧シリンダよりなる。図２（Ｂ）に実線で示すように、傾け手段２３を駆動して配置台２を傾けることにより、リング状品載置部５上のリング状品Ｗが油槽２０の油中に浸漬させられる。

二次冷却部３３での変形矯正装置１による変形矯正について説明する。変形矯正装置１は、図２に鎖線で示すように、加圧ロール４が受けロール３に対して後退した後退位置Ｐ１で待機している。このとき、配置台２は水平状態である。一次冷却槽３２ａから出たリング状品Ｗが、投入・排出機構（図示せず）により、上記待機状態にある変形矯正装置１のリング状品載置部５に投入される。リング状品Ｗが投入されると、図２に実線で示すように、加圧ロール進退機構１０の進退手段１３が駆動して、加圧ロール４を前進位置Ｐ２まで前進させる。これにより、リング状品Ｗが一対の受けロール３と１個の加圧ロール４とで、外周面をＸ方向の両側から挟み付けられる。この状態で、加圧ロール回転駆動機構１５の回転モータ１６を駆動して、加圧ロール４を所定方向に回転させる。リング状品Ｗは、一対の受けロール３と加圧ロール４とで両側から所定の荷重で挟み付けられながら、両ロール３，４間で回転させられることにより、変形が矯正され真円度が高まる。

また、上記変形矯正を開始、すなわち加圧ロール４が回転を開始するのと前後して、図２（Ｂ）に実線で示すように、変形矯正時冷却機構２１の傾け手段２３が駆動して、配置台２が、リング状品載置部５が下側になるように傾く。これにより、リング状品Ｗが油槽２０の焼入れ油中に浸漬させられて二次冷却される。上記リング状品載置部５へのリング状品Ｗの投入、加圧ロール４の前進、加圧ロール４の回転、および配置台２の傾き作動は連続して行われるため、一次冷却と二次冷却とがほとんど時間的な間を開けずに行われる。そのため、焼入れが良好に行われる。

加圧ロール４のリング状品Ｗの外周面に押付けて変形矯正を開始するときのリング状品Ｗの温度は、マルテンサイト変態点温度よりも２０℃ないし５０℃高い温度とする。ここで、変形矯正を行う時間とは、加圧ロール４の押付けを開始してから押付けを終了するまでの時間のことである。また、加圧ロール４のリング状品Ｗの外周面に押付けて変形矯正を行う時間は、４０秒ないし９０秒程度とする。上記温度のリング状品Ｗを油槽２０の焼入れ油中に上記時間だけ浸漬すると、リング状品Ｗはほぼ二次冷却の冷却目標温度（例えば１１０℃）まで冷却される。したがって、時間的な無駄無く変形矯正と二次冷却とが行われる。変形矯正および二次冷却が完了すると、配置台２を水平に戻し、加圧ロール４の回転を停止し、加圧ロール４を後退位置Ｐ１まで後退させてリング状品Ｗを解放する。解放されたリング状品Ｗは、投入・排出機構（図示せず）により、配置台２のリング状品載置部５から配置台２の外に排出される。

この構成のリング状品の変形矯正装置１は、加圧ロール４が進退可能であるため、一対の受けロール３と加圧ロール４との距離を自由に変更することができる。そのため、種々の直径のリング状品Ｗに適用できる。受けロール間隔変更機構６により、リング状品Ｗのサイズに合わせて一対の受けロール３の間隔を変更しても良い。変形矯正装置１によるリング状品Ｗの変形矯正は、拘束型を用いないため、型代が不要であり、かつリング状品Ｗを型に嵌める手間や型から外す手間がかからない。

この焼入れ装置３０は、二次冷却部３３の変形矯正装置１により、二次冷却過程Ｓ３中に変形矯正が行われるので、変形矯正のための工程を別に設ける必要がない。一次冷却部３２の一次冷却油槽３２ａと二次冷却部３３の二次冷却用油槽２０とが別であるため、一次冷却部３２でのリング状品Ｗの冷却、一対の受けロール３と加圧ロール４間へのリング状品Ｗの投入、二次冷却部３３でのリング状品Ｗの冷却を一連の流れに沿って行うことができる。また、焼入れ装置３０の処理ラインの構成を簡易なものとすることができる。

この焼入れ装置の二次冷却部３３による二次冷却過程Ｓ３での変形矯正の効果を確かめるためにテストを行った。テストには、材質は軸受鋼、外径２８０mm、内径２５０mm、肉厚１５mmのリング状品を使用した。このリング状品に対して、一次冷却の引上げ温度および加圧ロール４の加圧荷重を段階的に複数変化させて、それぞれの外径変化量ΔＤと肉厚変化量ΔＴを測定した。外径変化量ΔＤは、変形矯正前Ｂの外径Ｄ１と変形矯正後Ａの外径Ｄ２の差のことである（図３）。肉厚変化量ΔＴは、変形矯正前Ｂの肉厚Ｔ１と変形矯正後Ａの肉厚Ｔ２の差のことである（図４）。外径変化量ΔＤおよび肉厚変化量ΔＴのそれぞれにつき、平均値ｘ、標準偏差値σ、および最大値Ｍａｘを求めた。そのテスト結果を表示したのが表１である。

このテスト結果から、次のことが判った。
（１）外径変化量ΔＤに関しては、一次冷却引上げ温度が２５０℃および２８０℃で、加圧荷重が３００kgｆである場合に、良好な結果が得られた。また、一次冷却引上げ温度２８０℃で、加圧荷重が５８０kgｆである場合にも、良好な結果が得られた。
（２）肉厚変化量ΔＴに関しては、一次冷却引上げ温度が２３０℃、２５０℃、および２８０℃で、加圧荷重が１５０kgｆである場合、一次冷却引上げ温度が２５０℃および２８０℃で、加圧荷重が３００kgｆである場合、一次冷却引上げ温度が２３０℃で、加圧荷重が５８０kgｆである場合のそれぞれで、良好な結果が得られた。
（３）このことから、外径変化量ΔＤ、肉厚変化量ΔＴ共に良好な結果が得られるのは、一次冷却引上げ温度が２５０℃および２８０℃で、加圧荷重が３００kgｆである場合であることが判った。

この発明の実施形態にかかる焼入れ装置の概念構成を示す図である。 （Ａ）は同焼入れ装置の変形矯正装置の平面図、（Ｂ）はその正面図である。 リング状品の外径変化量の説明図である。 リング状品の肉厚変化量の説明図である。 従来の変形矯正の方法を示す説明図である。

符号の説明

１…変形矯正装置
３…受けロール
４…加圧ロール
２０…油槽
３０…焼入れ装置
３１…加熱部
３２…一次冷却部
３２ａ…油槽
３３…二次冷却部
Ｓ１…加熱過程
Ｓ２…一次冷却過程
Ｓ３…二次冷却過程
Ｗ…リング状品

Claims (6)

1. リング状品を焼入れ温度まで加熱する加熱過程と、焼入れ温度まで加熱されたリング状品をマルテンサイト変態点温度よりも高い変形矯正開始温度まで冷却する一次冷却過程と、変形矯正開始温度まで冷却されたリング状品に対し、このリング状品の外周面に一対の受けロールをリング状品の中心と平行な回転中心軸回りに転動自在に接触させた状態で、前記一対の受けロールの中間点とリング状品を介して対向する側から、リング状品の外周面にリング状品の中心と平行な回転中心軸回りに回転モータにより回転駆動される加圧ロールを押付けつつ、マルテンサイト変態点温度よりも低い温度まで冷却する二次冷却過程とを含み、前記一対の受けロールは、互いの間隔を変更可能であることを特徴とするリング状品の焼入れ方法。
2. 請求項１において、一次冷却過程でリング状品を冷却する油槽と、二次冷却過程でリング状品を冷却する油槽とを別に設けたリング状品の焼入れ方法。
3. 請求項１または請求項２において、前記リング状品の外周面に前記加圧ロールを押付けている時間が、４０秒ないし９０秒であるリング状品の焼入れ方法。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記リング状品の外周面に前記加圧ロールを押付け始めるときのリング状品の温度が、マルテンサイト変態点温度よりも２０℃ないし５０℃高いリング状品の焼入れ方法。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記リング状品は軸受の軌道輪であるリング状品の焼入れ方法。
6. リング状品を焼入れ温度まで加熱する加熱部と、この加熱部により焼入れ温度まで加熱されたリング状品をマルテンサイト変態点温度よりも高い変形矯正開始温度まで冷却する一次冷却部と、この一次冷却部により変形矯正開始温度まで冷却されたリング状品に対し、このリング状品の外周面に一対の受けロールをリング状品の中心と平行な回転中心軸回りに転動自在に接触させた状態で、前記一対の受けロールの中間点とリング状品を介して対向する側から、リング状品の外周面にリング状品の中心と平行な回転中心軸回りに回転モータにより回転駆動される加圧ロールを押付けつつ、マルテンサイト変態点温度よりも低い温度まで冷却する二次冷却部とを含み、前記一対の受けロールは、互いの間隔を変更可能であることを特徴とするリング状品の焼入れ装置。

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