JP5512118B2 - 高周波誘導加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、高周波誘導加熱装置に関し、特に車輪用軸受装置のハブ輪や等速自在継手の外側継手部材等の外径面に径が異なる円筒面または円柱面を有するワークに硬化層を形成するための高周波誘導加熱装置に関する。

外径面に径が異なる円筒面を有するワークとしては、図８に示すような等速自在継手の外側継手部材（外輪）１や図９に示すような車輪用軸受装置に用いられるハブ輪１０等がある。これらにおいては、小径部の外径面に大径部との間の段付部乃至段付部近傍に至る硬化層が形成されることになる。硬化層は、焼入れ・焼戻しの熱処理を行うことによって形成する。ここで、焼入れとは、鋼をオーステナイト組織の状態に加熱した後、水又は水溶性冷却材、油などで急冷することによって、マルテンサイト組織の状態に変化させる熱処理である。このように、焼入れは鋼の硬さを増大させる目的で行われるが、靭性が低下するので、粘り強さを得るために、焼入れ後には焼戻しを行う。焼戻しは、マルテンサイト組織の状態から鋼を再加熱し、一定時間保持した後に徐冷する作業をいう。

図８に示す外輪１は、内面２ａにトラック溝（図示省略）が形成されたマウス部２と、このマウス部２の底壁から突設されるステム部３とからなる。ステム部３は、大径の基部３ａと、基部３ａに連設される中径の本体部３ｂと、本体部３ｂに連設される先端部３ｃとからなる。そして、熱硬化処理層Ｓが基部３ａから先端部３ｃにわたって形成される。
また基部３ａから先端部３ｃの径の大きさは異なっていたり、全て同じ場合もある。

また、図９に示すように、車輪用軸受装置に用いられるハブ輪１０においても熱硬化処理層を形成することになる。すなわち、ハブ輪１０は、軸部１１と、この軸部１１の一端側において外径側へと突出するフランジ部１２とを備える。軸部１１の外表面に熱硬化処理層Ｓが形成される。なお、軸部１１のフランジ部１２側端面にはホイールおよびブレーキロータが装着される短筒状のパイロット部１３が突設されている。

軸部１１は、フランジ部１２側のボス部１１ａと、ボス部１１ａに連設される小径の本体部１１ｂとを備える。そして、ボス部１１ａから本体部１１ｂにわたって熱硬化処理層Ｓが形成されている。なお、ボス部１１ａの中径部１６は、軸受装置の転動体（ボール）１８の転走面（転走溝）を構成する。

前記のような熱硬化処理層は、一般的には高周波加熱コイルを備えた加熱装置が用いられている（特許文献1及び特許文献２）。図５と図６に示すように、高周波加熱コイル２０は、一対のリード導体２１、２２と、リード導体２１、２２に連設される四半円弧状の加熱導体部２３、２４と、加熱導体部２３、２４から軸方向に延びる直線状導体部２５，２６と、直線状導体部２５，２６を連結する半円弧部２７とを備える。

この場合、高周波加熱コイル２０は、図５に示すように、その断面が四角形の角パイプ材を使用している。例えば、図８に示す等速自在継手の外輪のステム部（軸部）の外径面に硬化層Ｓを形成する場合、このステム部（軸部）３に高周波加熱コイル２０を外嵌する。そして、高周波加熱コイル２０に高周波電流を流す。このように、高周波加熱コイルに高周波電流を流すことによって、電磁誘導が起こり軸部の表面に高周波磁束による誘導電流が流れる。軸部３のもつ電気抵抗によってエネルギーを損失して熱が発生する。そして、軸部３の表面が所定温度に上昇したところで、その加熱を停止して、高周波焼入装置内にある冷却装置に移動し急冷することにより焼入処理が終了する。

このように、自己発熱や加熱された製品からの輻射熱の影響を低減させるために、コイルは管状に作られ、使用時には常時管内に冷却水を通水している。また、コイルは形状により局所的に電流が多く流れる箇所が発生し、その箇所が発熱や応力の発生によって破損に至る場合がある。

すなわち、図５に示すように、四角形状のパイプ材（管材）を用いた場合、コイルを流れる電流はコイル内側の最短距離を通る。この場合、加熱導体部２３、２４と直線状導体部２５，２６とのコーナ部分に局所的な電流集中が起こり破損原因となる。

そこで、コイル寿命改善方法として、図７に示すように、加熱導体部２３、２４を、頂点２３ａ、２４ａが下方を向くように配置される断面五角形のパイプ材にて構成したものがある（特許文献３）。このような断面五角形のパイプ材を用いることによって、コーナ部の局所的な電流集中を下げるようにしている。
実開昭５８−１６４１９６号公報 特許第２６１４１６７号公報 特開２００６−３０２６８３号公報

ところが、図７に示すように、断面五角形のパイプ材を用いると、電流分布（密度）が断面四角のパイプ材を用いた場合に比べて少なくなる。このため、従来得られていた焼入れ品質が得られなくなったり、得られたとしても調整に長時間要したりする問題があった。また形状が複雑であるためコイル作製時でのロウ付け作業が難しく、ロウ付け部がコイル水漏れ箇所となる場合がある。

本発明は、上記課題に鑑みて、コイル寿命の向上を図ることができ、しかも、焼入れ品質を低下させることなく、高品質の硬化層を形成することが可能な高周波誘導加熱装置を提供する。

本発明の高周波誘導加熱装置は、軸部を有する金属部品に対して、前記軸部の外径面に硬化層を形成する高周波誘導加熱装置であって、高周波電流が印加される四角形断面の角パイプからなる加熱コイルを備え、前記加熱コイルは、軸部の外径側に周方向に沿って配設される四半弧円状の第１上わたり部と、第１上わたり部の端部から軸部の軸方向に沿って下方に延びる第１柱部と、第１柱部の下端部から軸部の外径側に周方向に沿って延びる半弧円状の下わたり部と、下わたり部の端部から軸部の軸方向に沿って上方に延びる第２柱部と、第２柱部の上端部から外径側に周方向に沿って延びる四半弧円状の第２上わたり部とを有し、少なくとも、前記第１上わたり部と第２上わたり部とにおいて、四角形状内面の角部を維持した状態で、下面と内径面とのコーナ部の外面側のみに、肉厚範囲内に収まるように電流集中緩和用の面取り部を設けたものである。

本発明の高周波誘導加熱装置によれば、第１上わたり部と第２上わたり部とにおいて、下面と内径面とのコーナ部に面取り部を設けたことによって、第１上わたり部と第２上わたり部における柱部とのコーナ部に局所的な電流集中を抑えることができる。

前記面取り部はＣ１からＣ３程度のＣ面取りにて構成することができる。Ｃ面取りとは、交差する面部分を４５度でカットする加工である。例えばそれぞれ１ｍｍづつの場所で４５°カットの場合が、Ｃ１となり、２ｍｍづつの場所で４５°カットの場合、Ｃ２となり、３ｍｍづつの場所で４５°カットの場合、Ｃ３となる。

また、前記面取り部はＲ１からＲ３程度のＲ面取りにて構成することができる。Ｒ取りとは、交差する面部分を丸形状にする加工である。曲率半径１ｍｍであればＲ１となり、曲率半径２ｍｍであればＲ２となり、曲率半径３ｍｍであればＲ３となる。

前記金属部品は、車輪用軸受装置に用いられるハブ輪であっても、等速自在継手の外側継手部材であっても、プロペラシャフト用スタブシャフトであっても、アクスルシャフトであってもよい。

本発明では、第１上わたり部と第２上わたり部における柱部とのコーナ部に局所的な電流集中を抑えることができる。このため、コイル寿命を延ばすことができる。しかも、断面形状においても断面四角形状の従来品とあまり差異がない。このため、焼入れ品質としても劣ることはなく、従来の焼入コイルから変更しても調整時間が従来と同程度で済む。

面取り部はＣ面取りであっても、Ｒ面取りであってもよく、それらの加工は従来の技術で安定して加工でき、局所的な電流集中を抑える機能を安定して発揮させることができる。Ｃ面取りとして、Ｃ１よりも小さければ、Ｃ面取りが小さすぎて電流分散の効果が発揮されず、逆にＣ３よりも大きければ、断面形状において、断面四角形状の従来品と差が生じ、焼入れ品質の低下を招くことになる。また、Ｒ面取りとして、Ｒ１よりも小さければ、Ｒ面取りが小さすぎて電流分散の効果発揮されず、逆にＲ３よりも大きければ、断面形状において、断面四角形状の従来品と差が生じ、焼入れ品質の低下を招くことになる。

本発明にかかる高周波誘導加熱装置では、硬化層を形成する金属部品が、ハブ輪、等速自在継手の外側継手部材、プロペラシャフト用スタブシャフト、アクスルシャフト等であり、種々の部品に対応して高品質の硬化層を形成することができる。

以下本発明の実施の形態を図１〜図４に基づいて説明する。ワーク（金属部品）としての等速自在継手の外側継手部材（外輪）３１に高周波誘導加熱を行う高周波誘導加熱装置を示している。外輪３１は、内面にトラック溝（図示省略）が形成されたマウス部３２と、このマウス部３２の肩部３４から突設されるステム部（軸部）３３とからなる。そして、ステム部３３の外径面に熱硬化処理層（硬化層）Ｓが形成される。なお、この硬化層Ｓは、ステム部３３の端部を省いてステム部３３の略全長乃至マウス部３２の肩部３４にわたって形成される。

高周波誘導加熱装置は誘導加熱コイル４０を備える。この誘導加熱コイル４０は、図３に示すように、ステム部３３の外周側に周方向に沿って配設される四半円弧状の第１・第２上わたり部４１、４２と、ステム部３３の外周側に軸方向に沿って配設される第１・第２柱部４３、４４と、ステム部３３の外周側に周方向に沿って配設されて第１柱部４３の下端部と第２柱部４４の下端部を連結する下わたり部４５とを備える。

また、第１上わたり部４１には第１リード部４６が接続され、第２上わたり部４２には第２リード部４７が接続されている。この誘導加熱コイル４０には高周波電流が流れる。このため、第１上わたり部４１は、その端部に第１リード部４６が接続され、もう一方の端部に第１柱部４３の上部（上端）が接続されている。また、第２のわたり部４２が、その端部に第２柱部４４の上部（上端）が接続され、その下端に第２リード部４７が接続されている。下わたり部４５は、その端部が第１柱部４３に接続され、もう一方の端部が第２柱部４４の端部に接続されている。

誘導加熱コイル４０は、断面四角のパイプ材（管材）からなる。このため、第１リード部４６から第２リード部４７まで冷却水流通用の通路４８が形成される。

第１上わたり部４１と第２わたり部４２とにおいて、下面４１ａ、４２ａと内径面４１ｂ、４２ｂとのコーナ部に面取り部５０を設けている。この面取り部５０は、Ｃ１からＣ３程度のＣ面取りにて構成されている。Ｃ面取りとは、交差する面部分を４５度でカットする加工である。例えばそれぞれ１ｍｍづつの場所で４５°カットの場合が、Ｃ１となり、２ｍｍづつの場所で４５°カットの場合、Ｃ２となり、３ｍｍづつの場所で４５°カットの場合、Ｃ３となる。

次に、前記誘導加熱コイル４０を有する高周波誘導加熱装置を用いて、外輪３１のステム部３３の外径面に硬化層Ｓを形成する方法を説明する。この場合、図１と図３に示すように、誘導加熱コイル４０を外輪３１のステム部３３の外周側に配置する。この状態で、第１リード部４６に高周波電流を印加して、高周波電流を流す。この際、通路４８には冷却水が流される。なお、冷却水の流れ方向としては特に決まりはない。

このように、誘導加熱コイル４０に高周波電流を流すと、交流磁界が発生することになる。このように、誘導加熱コイル４０に交流磁界が発生すれば、この誘導加熱コイル４０に包囲されている範囲においてそのワーク外表面（ステム軸の外表面）を誘導加熱することができる。これによって、硬化層Ｓに準じた加熱領域が形成される。なお、この場合、金属部品である外輪３１をその軸心廻りに回転させることで径方向にバラツキの少ない硬化層が形成される。

ところで、このような誘導加熱によって、Ａｃ3点又はＡｃ1点以上の適切な温度に加熱した後、冷却し（焼入れ）、さらに硬さを調節し、じん性（靱性）を増すために、Ａｃ1点以下の適切な温度で加熱した後、冷却する（焼戻し）処理を行う。このため、本発明における高周波誘導加熱装置は、高周波焼入焼戻しを行える装置または高周波焼入を行える装置である。

本発明の高周波誘導加熱装置によれば、第１上わたり部４１と第２上わたり部４２とにおいて、下面４１ａ、４２ａと内径面４１ｂ、４２ｂとのコーナ部に面取り部５０を設けたことによって、第１上わたり部４１と第２上わたり部４２における柱部４３，４４とのコーナ部に局所的な電流集中を抑えることができる。このため、コイル寿命を延ばすことができる。しかも、断面形状においても断面四角形状の従来品とあまり差異がない。このため、焼入れ品質としても劣ることはなく、従来と同程度の品質を得ることができる。

ところで、前記実施形態では、面取り部５０をＣ面取りにて構成していたが、図４に示すように、Ｒ１からＲ３程度のＲ面取りにて構成してもよい。Ｒ取りとは、交差する面部分を丸形状にする加工である。半径１ｍｍであればＲ１となり、半径２ｍｍであればＲ２となり、半径３ｍｍであればＲ３となる。

このようなＲ面取りにて面取り部５０を構成しても、第１上わたり部４１と第２上わたり部４２における柱部４３、４４とのコーナ部に局所的な電流集中を抑えることができ、Ｃ面取りにて面取り部５０を構成したものと同様の作用効果を奏する。

面取り部５０はＣ面取りであっても、Ｒ面取りであってもよく、それらの加工は従来の技術で安定して加工でき、局所的な電流集中を抑える機能を安定して発揮させることができる。Ｃ面取りとして、Ｃ１よりも小さければ、Ｃ面取りが小さすぎて電流分散の効果発揮されず、逆にＣ３よりも大きければ、断面形状において、断面四角形状の従来品と差が生じ、焼入れ品質の低下を招くことになる。また、Ｒ面取りとして、Ｒ１よりも小さければ、Ｒ面取りが小さすぎて電流分散の効果発揮されず、逆にＲ３よりも大きければ、断面形状において、断面四角形状の従来品と差が生じ、焼入れ品質の低下を招くことになる。

ところで、前記実施形態では、金属部品としての等速自在継手の外側継手部材（外輪）３１であったが、金属部品としては、車輪用軸受装置に用いられるハブ輪であってもプロペラシャフト用スタブシャフトであっても、アクスルシャフトであってもよい。

このように、本発明にかかる高周波誘導加熱装置では、硬化層Ｓを形成する金属部品が、ハブ輪、等速自在継手の外側継手部材、プロペラシャフト用スタブシャフト、アクスルシャフト等であり、種々の部品に対応して高品質の硬化層を形成することができる。

以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明は前記実施形態に限定されることなく種々の変形が可能であって、例えば、コイル４０の材質としては、高周波加熱コイルに一般的に用いられている導電材料を使用することができる。また、コイル４０の大きさとしても、硬化層Ｓを形成する金属部品に応じたものとすることができる。金属部品としては炭素鋼・合金鋼の高周波焼入用材料から構成されるものである。

実施例として、図１に示すように、Ｃ面取りが施された誘導加熱コイルと、図５に示す断面四角形の誘導加熱コイルと、図７に示すように断面が五角形の誘導加熱コイルとに、高周波電流を流したときの電流分布を調べた。

実施例（本発明品）では、誘導加熱コイルの寸法として、図１に示すように、寸法Ａを１２ｍｍとし、高さＢを１２ｍｍとし、肉厚Ｔを１．５ｍｍとし、面取り部５０をＣ１．５のＣ面取りとした。断面が四角の誘導加熱コイル（従来品１）の寸法としては、図５に示すように、寸法Ａを１２ｍｍとし、高さＢを１２ｍｍとし、肉厚Ｔを１．５ｍｍとした。断面が五角形の誘導加熱コイル（従来品２）の寸法としては、図７に示すように、幅寸法Ａを１２ｍｍとし、高さＢ１を１２ｍｍとし、高さＢ２を１２ｍｍとし、肉厚Ｔを１．５ｍｍとし、傾斜角度θ１を４５°とし、傾斜角度θ２を４５°とした。

また、各誘導加熱コイルの材質としては、銅を用い、高周波電流として10000A、周波数を１０ｋＨｚとした。電流密度分布は、有限要素法による汎用解析シミュレータを用いて数値解析した。本発明品を図１０に示し、従来品１を図１１に示し、従来品２を図１２に示す。

図１１に示す従来品１では、コーナ部の電流密度が大となっているのが分かる。図１２に示す従来品２では、図１１に示す従来品１より電流密度が小さくなっていることがわかる。しかしながら、従来品２では前記したように、従来得られていた焼入れ品質が得られなくなったり、得られたとしても調整に長時間要したりする。これに対して、本発明品では、コーナ部での局所的な電流集中を減少させることができ、しかも、焼入れ品質も従来と同等のものが得られる。なお、図１０と図１１と図１２の原本（カラー画像）を、別途、物件提出書により提出する。

本発明の実施形態を示す高周波誘導加熱装置を用いた焼入れ状態を示す簡略図である。 前記高周波誘導加熱装置の要部拡大断面図である。 前記高周波誘導加熱装置を用いた焼入れ状態を示す簡略斜視図である。 前記高周波誘導加熱装置の加熱コイルの変形例を示す要部拡大断面図である。 従来の高周波誘導加熱装置を用いた焼入れ状態を示す簡略図である。 前記従来の加熱コイルの簡略斜視図である。 従来の他の高周波誘導加熱装置を用いた焼入れ状態を示す簡略図である。 等速自在継手の外輪を示す断面図である。 車輪用軸受装置のハブ輪の断面図である。 本発明品の電流分布を示す解析シミュレータの画像を示す図である。 従来品１の電流分布を示す解析シミュレータの画像を示す図である。 従来品２の電流分布を示す解析シミュレータの画像を示す図である。

符号の説明

３３ ステム部
４０ 誘導加熱コイル
４１ 第１上わたり部
４２ 第２上わたり部部
４３ 柱部
４４ 柱部
４５ 下わたり部

Claims (7)

1. 軸部を有する金属部品に対して、前記軸部の外径面に硬化層を形成する高周波誘導加熱装置であって、
   高周波電流が印加される四角形断面の角パイプからなる加熱コイルを備え、前記加熱コイルは、軸部の外径側に周方向に沿って配設される四半弧円状の第１上わたり部と、第１上わたり部の端部から軸部の軸方向に沿って下方に延びる第１柱部と、第１柱部の下端部から軸部の外径側に周方向に沿って延びる半弧円状の下わたり部と、下わたり部の端部から軸部の軸方向に沿って上方に延びる第２柱部と、第２柱部の上端部から外径側に周方向に沿って延びる四半弧円状の第２上わたり部とを有し、少なくとも、前記第１上わたり部と第２上わたり部とにおいて、四角形状内面の角部を維持した状態で、下面と内径面とのコーナ部の外面側のみに、肉厚範囲内に収まるように電流集中緩和用の面取り部を設けたことを特徴とする高周波誘導加熱装置。
2. 前記面取り部は、Ｃ１からＣ３程度のＣ面取りにて構成した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。
3. 前記面取り部は、Ｒ１からＲ３程度のＲ面取りにて構成した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。
4. 前記金属部品は、車輪用軸受装置に用いられるハブ輪であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の高周波誘導加熱装置。
5. 前記金属部品は、等速自在継手の外側継手部材であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の高周波誘導加熱装置。
6. 前記金属部品は、プロペラシャフト用スタブシャフトであることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の高周波誘導加熱装置。
7. 前記金属部品は、アクスルシャフトであることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の高周波誘導加熱装置。