JP6660752B2 - 焼入装置 - Google Patents

Description

本発明は、焼入装置に関する。

被焼入部が回転対称なワークの焼入では、ワークを軸まわりに回転させながら被焼入部を冷却することによって、曲りなどの歪の発生が抑制されている。一方、被焼入部が非回転対称なワークでは、冷却速度の対称性が崩れることに起因して曲りなどの歪が発生し易く、そこで、ワークの被焼入部の外周を型で拘束した状態で冷却し、歪の発生が抑制されている（例えば、特許文献１参照）。

また、ワークの被焼入部が加熱されてから冷却されるまでの間に、被焼入部の表面が酸化して被焼入部の表面にスケールが発生するが、スケールの発生を抑制する方策の一つとして、窒素ガスなどの不活性ガスを充満させたチャンバ内でワークの加熱及び冷却が行われている（例えば、特許文献２参照）。

特開平０６−２００３２０号公報 特開２００７−１３１９３８号公報

ワークの被焼入部の外周を型で拘束した状態で冷却する焼入装置では、ワークを冷却する冷却部がワークを加熱する加熱部とは別に設けられ、ワークは加熱部から冷却部に移送されるが、移送される間にワークの被焼入部の表面にスケールが発生しやすい。

加熱部及び冷却部並びにワークを移送する搬送部をチャンバ内に設置し、チャンバ内を不活性ガスで満たすことによってスケールの発生を抑制することはできるが、加熱部及び冷却部並びに搬送部を収容するチャンバを含めた焼入装置の大型化が不可避であり、また、不活性ガスの消費量が増加して焼入装置のランニングコストの上昇が懸念される。

本発明は、上述した事情に鑑みなされたものであり、小型化及びラニングコストの低減が可能な焼入装置を提供することを目的としている。

本発明の一態様の焼入装置は、ワークの被焼入部を加熱する加熱部と、加熱されたワークの被焼入部を冷却する冷却部と、ワークを搬送し、ワークの被焼入部を前記加熱部から前記冷却部に移動させる搬送部と、前記加熱部から前記冷却部に移動されるワークの被焼入部の移動経路に設けられ、被焼入部が出入りする開放された開口部及び一つ以上のガス噴射口を有し、前記ガス噴射口から噴射される不活性ガスによって満たされる不活性雰囲気室と、を備え、ワークの被焼入部の前記加熱部への進入経路と前記冷却部への進入経路とは非同一線上にあり、前記不活性雰囲気室は、前記加熱部への進入経路と前記冷却部への進入経路との間の中継経路を挟んで対向する一対の壁体を含み、前記ガス噴射口は、少なくとも一方の前記壁体の対向面に開口して設けられている。

本発明によれば、小型化及びラニングコストの低減が可能な焼入装置を提供することができる。

本発明の実施形態を説明するための、ワークの一例を示す斜視図である。 本発明の実施形態を説明するための、焼入装置の一例の模式図である。 図２の焼入装置の冷却部の断面図である。 図２の焼入装置の冷却部の側面図である。 図２の焼入装置の不活性雰囲気室の斜視図である。 図５の不活性雰囲気室の平面図である。 図５の不活性雰囲気室の断面図である。 本発明の実施形態を説明するための、焼入装置の他の例の模式図である。 図８の焼入装置の不活性雰囲気室の縦断面図である。 図８の焼入装置の不活性雰囲気室の横断面図である。 実験例のワークの被焼入部の表面性状を示す写真及びグラフである。 他の実験例のワークの被焼入部の表面性状を示す写真及びグラフである。 他の実験例のワークの被焼入部の表面性状を示す写真及びグラフである。 他の実験例のワークの被焼入部の表面性状を示す写真及びグラフである。

図１は、本発明の実施形態を説明するための、ワークの一例を示す。

図１に示すワークは、自動車等の車両のステアリング装置に組み込まれるラックバーである。ラックバー１は、例えばＪＩＳ−Ｓ４５Ｃといった炭素鋼などの金属材料で形成された断面円形状の中実な棒材、又は管材からなる。

ラックバー１の軸方向の一方の端部側には、ステアリング装置のピニオンと噛み合う複数のラック歯が形成された歯部２が設けられており、他方の端部側にはステアリング装置のすべり軸受によって摺動自在に支持される軸部３が設けられている。

歯部２に形成される複数のラック歯は、ラックバー１が中実な棒材からなる場合に、例えば切削加工や鍛造加工によって形成され、ラックバー１が管材からなる場合には、例えば以下のようにして形成される。

まず、管材の長手方向の一部で歯部とされる部位（以下、歯部形成部位という）に平坦状の歯形成面が予備成形される。歯形成面は、例えば成形型を用いて管材の歯部形成部位を潰すプレス加工によって形成される。

次いで、歯形成面に押し付けられる歯型を含み、管材の歯部形成部位を全周にわたって取り囲む成形型に管材が設置され、管材に芯金が挿通される。歯形成面を構成している管材の肉が、挿通された芯金によって内側からしごかれ、歯形成面に押し付けられている歯型に食い込む。挿通される芯金の太さが次第に大きくされ、しごき加工が繰り返されることにより、歯型に対応した複数のラック歯が管材に形成される。

以下、ラックバー１の歯部２の焼入を例に、焼入装置について説明する。

図２は、本発明の実施形態を説明するための、焼入装置の一例を示す。

図２に示す焼入装置１０は、加熱部１１と、冷却部１２と、搬送部１３と、不活性雰囲気室１４と、を備える。

加熱部１１は、ラックバー１の歯部２を加熱する。加熱方法は特に限定されるものではなく、例えば炉加熱であってもよいが、歯部２を取り囲む加熱コイルに高周波の電力を供給し、電磁誘導によって歯部２に渦電流を生じさせ、歯部２の電気抵抗に基づくジュール熱によって歯部２を加熱する誘導加熱が好適である。誘導加熱は、一般に、炉加熱に比べてエネルギ効率に優れ、また、ワークを直接加熱することから短時間で加熱することができる。

冷却部１２は、加熱部１１によって加熱されたラックバー１の歯部２を冷却する。ラックバー１の歯部２は非回転対称であり、そこで、冷却部１２は、冷却速度の対称性が崩れることに起因して歯部２に曲りなどの歪が発生することを抑制するため、歯部２の外周を拘束した状態で冷却するよう構成されている。冷却部１２の詳細な構成は後述する。

ラックバー１の歯部２は、加熱部１１及び冷却部１２それぞれに対してラックバー１の軸方向に抜き挿しされ、本例では、歯部２の加熱部１１への進入経路と歯部２の冷却部１２への進入経路とが非同一線上にあって互いに平行するように加熱部１１と冷却部１２とが並設されている。

搬送部１３は、ラックバー１の軸部３を保持してラックバー１を搬送し、まず、軸方向に加熱部１１と対向する位置にラックバー１を配置して歯部２を加熱部１１に挿し入れ、加熱部１１によって焼入温度に加熱された歯部２を加熱部１１から抜き出し、次いで加熱部１１及び冷却部１２の並びに沿ってラックバー１を移動させ、そして軸方向に冷却部１２と対向する位置にラックバー１を配置して歯部２を冷却部１２に挿し入れ、冷却部１２によって冷却された歯部２を冷却部１２から抜き出す。以上の工程を経て歯部２は焼入される。

ラックバー１の歯部２の加熱部１１への進入経路と歯部２の冷却部１２への進入経路とが非同一線上にあって互いに平行するように加熱部１１と冷却部１２とが並設されている本例では、加熱部１１での加熱と冷却部１２での冷却とを並列に行うことができ、稼働効率が高まる。

不活性雰囲気室１４は、ラックバー１が加熱部１１との対向位置から冷却部１２との対向位置に搬送される際の歯部２の移動経路（中継経路）に設けられている。不活性雰囲気室１４は、歯部２が中継経路に沿って出入り可能に構成されており、室内は、ガス供給部１５から供給される窒素ガスなどの不活性ガスによって満たされている。

ラックバー１の歯部２は、加熱部１１によって加熱されてから冷却部１２によって冷却されるまでの間、不活性雰囲気室１４の室内を移動される。これにより、歯部２の表面にスケールが発生することが抑制される。

図３及び図４は、冷却部１２の構成を示す。

冷却部１２は、歯部２の外周を拘束する型２０を有し、ラックバー１の歯部２の外周を拘束した状態で冷却するよう構成されている。

型２０は、上型２１及び下型２２によって構成され、上型２１及び下型２２には半円筒状の凹面がそれぞれ設けられている。ラックバー１の歯部２は、上型２１及び下型２２が閉じられた状態で、上型２１及び下型２２それぞれの凹面が合わさって形成される円筒状のキャビティに収容される。

上型２１の凹面には、軸方向及び周方向に適宜な間隔をあけて複数の凸部２３が形成されている。下型２２の凹面にもまた、軸方向及び周方向に適宜な間隔をあけて複数の凸部２３が形成されている。これらの凸部２３は、上型２１及び下型２２が閉じられた状態で、上記キャビティに収容されているラックバー１の歯部２にそれぞれ当接し、歯部２の外周を拘束する。

そして、上型２１の凹面において、凸部２３の周囲は、歯部２との間に隙間をあける凹部２４とされており、凹部２４には、複数の焼入液噴射口２５が形成されている。そして、上型２１の内部には、上型２１の凹部２４に形成された複数の焼入液噴射口２５に通じる液溜め室２６が形成されている。同様に、下型２２の凹面において、凸部２３の周囲は、歯部２との間に隙間をあける凹部２４とされており、凹部２４には、複数の焼入液噴射口２５が形成されている。そして、下型２２の内部には、下型２２の凹部２４に形成された複数の焼入液噴射口２５に通じる液溜め室２６が形成されている。

焼入温度に加熱されたラックバー１の歯部２が冷却部１２によって冷却される際には、上型２１及び下型２２が閉じられ、上型２１及び下型２２それぞれの凹面に形成された複数の凸部２３によって歯部２の外周が拘束される。そして、歯部２の外周が拘束された状態で、上型２１及び下型２２それぞれの液溜め室２６に図示しない冷却液供給部から冷却液が供給され、上型２１及び下型２２それぞれの凹部２４に形成された複数の焼入液噴射口２５から歯部２に向けて焼入液が噴射される。これにより、歯部２は焼入され、焼入に伴う歪の発生も抑制される。

図５から図７は、不活性雰囲気室１４の構成を示す。

不活性雰囲気室１４は、対をなす天井壁３０及び底壁３１を有する。天井壁３０及び底壁３１は、ラックバー１が加熱部１１との対向位置から冷却部１２との対向位置に搬送される際の歯部２の移動経路（中継経路）を挟んで対向して配置されており、天井壁３０及び底壁３１それぞれの外縁の間に、中継経路の延在方向一方側に向けて開放された開口部３３及び他方側に向けて開放された開口部３４、並びに開口部３３の一端から開口部３４の一端に亘る開口部３５が設けられている。これらの開口部３３，３４，３５を除き、天井壁３０及び底壁３１それぞれの外縁の間は、側壁３２によって塞がれている。

ラックバー１の歯部２は、一方の開口部３３を通して、天井壁３０と底壁３１との間、即ち不活性雰囲気室１４に搬入され、他方の開口部３４を通して不活性雰囲気室１４から搬出される。歯部２が不活性雰囲気室１４の室内を移動される間、歯部２に隣設されているラックバー１の軸部３は、開口部３５を移動される。

不活性雰囲気室１４には、ガス供給部１５（図２参照）から供給される不活性ガスを室内に向けて噴射するガス噴射口３６が設けられている。不活性雰囲気室１４の室内は、ガス噴射口３６から継続して噴射される不活性ガスによって満たされる。これにより、不活性雰囲気室１４の室内を移動されるラックバー１の歯部２の表面にスケールが発生することが抑制される。

不活性雰囲気室１４は、加熱部１１から冷却部１２に移動されるラックバー１の歯部２の移動経路に設けられ、移動経路を通過する歯部２を収容するのみであり、加熱部１１及び冷却部１２並びに搬送部１３を収容する場合に比べて室内の容積を小さくできる。これにより、焼入装置１０を小型化でき、また不活性ガスの消費量を削減して焼入装置１０のランニングコストを低減することができる。

ガス噴射口３６は、例えば開口部３５を臨む側壁３２に設けられていてもよいが、好ましくは、不活性雰囲気室１４の内面に対向するように、天井壁３０及び底壁３１の少なくとも一方の対向面に開口して設けられる。図示の例では、ガス噴射口３６は、天井壁３０の底壁３１との対向面に開口して設けられており、ガス噴射口３６から噴射された不活性ガスは、底壁３１に略垂直に当たり、底壁３１に沿って放射状に広がり、開放されている開口部３３，３４，３５それぞれから不活性雰囲気室１４の外部に放出される。これにより、外気の巻き込みを抑制して、不活性雰囲気室１４の室内に不活性ガスを等しく充満させることができ、ラックバー１の歯部２の表面にスケールが発生することを一層抑制することができる。

また、好ましくは、ガス噴射口３６は、歯部２の中継経路に沿って間隔をあけて複数設けられる。これにより、不活性雰囲気室１４の室内に不活性ガスを等しく充満させ、ラックバー１の歯部２の表面にスケールが発生することを一層抑制することができる。

図８は、本発明の実施形態を説明するための、焼入装置の他の例を示す。なお、上述した焼入装置１０と共通する要素には共通の符号を付することにより説明を省略又は簡略する。

図８に示す焼入装置４０では、ラックバー１の歯部２の加熱部１１への進入経路と歯部２の冷却部１２への進入経路とが同一線上にあるように、冷却部１２が歯部２の加熱部１１への進入経路の延長上に設置されている。

搬送部１３は、ラックバー１の軸部３を保持してラックバー１を搬送し、まず、軸方向に加熱部１１と対向する位置にラックバー１を配置して歯部２を加熱部１１に挿し入れ、加熱部１１によって焼入温度に加熱された歯部２を、加熱部１１から突き出して冷却部１２に挿し入れ、冷却部１２によって冷却された歯部２を冷却部１２及び加熱部１１から順に抜き出す。以上の工程を経て歯部２は焼入される。

ラックバー１の歯部２の加熱部１１への進入経路と歯部２の冷却部１２への進入経路とが同一線上にあって、ラックバー１の軸方向の移動により、加熱部１１から突き出された歯部２が続けて冷却部１２に挿し入れられる本例では、歯部２が加熱部１１によって加熱されてから冷却部１２によって冷却されるまでの間に移動される距離を短縮でき、歯部２の表面にスケールが発生することが抑制される。

不活性雰囲気室４４は、加熱部１１と冷却部１２との間でラックバー１の歯部２の冷却部１２への進入経路に設けられており、歯部２が冷却部１２への進入経路に沿って出入り可能に構成されている。歯部２は、加熱部１１によって加熱されてから冷却部１２によって冷却されるまでの間、不活性雰囲気室４４の室内を移動される。これにより、歯部２の表面にスケールが発生することが抑制される。

図９及び図１０は、不活性雰囲気室４４の構成を示す。

不活性雰囲気室４４は、ラックバー１の歯部２の冷却部１２への進入経路に沿って延びる筒体５０を有する。筒体５０の軸方向の一方の端部には、加熱部１１に向けて開放された開口部５１が設けられ、他方の端部には冷却部１２に向けて開放された開口部５２が設けられている。

加熱部１１から突き出されたラックバー１の歯部２は、加熱部１１側の開口部５１を通して、筒体５０の内部、即ち不活性雰囲気室４４に搬入され、冷却部１２側の開口部５２を通して不活性雰囲気室４４から搬出され、冷却部１２に挿し入れられる。

不活性雰囲気室４４のガス噴射口５３は、筒体５０の内周面に開口して設けられており、環状に形成されている。ガス噴射口５３から噴射された不活性ガスは、筒体５０の内周面に略垂直に当たり、内周面に沿って軸方向両側に広がり、開放されている開口部５１，５２それぞれから不活性雰囲気室４４の外部に放出される。これにより、外気の巻き込みが抑制され、不活性雰囲気室４４の室内に不活性ガスが等しく充満される。

好ましくは、図示の例のように、加熱部１１側の開口部５１が冷却部１２側の開口部５２よりも小さく形成される。これにより、不活性雰囲気室４４の室内への不活性ガスの封入効率が高まり、不活性ガスの消費量を削減して焼入装置４０のランニングコストを低減することができる。

本例においても、不活性雰囲気室４４の室内の容積を小さくでき、これにより、焼入装置４０を小型化でき、また不活性ガスの消費量を削減して焼入装置４０のランニングコストを低減することができる。

以下、実験例について説明する。

実験例１では、上述した焼入装置１０を用い、不活性雰囲気室１４を窒素ガスで満たすことなくラックバー１の歯部２を焼入した。そして、焼入後に歯部２に対してＷＰＣ（Wide Peening Cleaning）処理を施した。図１１（Ａ）に歯部２の焼入後の表面写真を示し、図１１（Ｂ）に歯部２の焼入後の表面粗さＲａの測定結果を示す。また、図１１（Ｃ）に歯部２のＷＰＣ処理後の表面拡大写真を示し、図１１（Ｄ）に歯部２のＷＰＣ処理後の表面粗さＲａの測定結果を示す。

実験例２では、上述した焼入装置１０を用い、不活性雰囲気室１４を窒素ガスで満たしてラックバー１の歯部２を焼入し、焼入後に歯部２に対してＷＰＣ処理を施した。不活性雰囲気室１４を窒素ガスで満たしたことを除き、歯部２の加熱や冷却や搬送の条件は実験例１と同じとした。図１２（Ａ）に歯部２の焼入後の表面写真を示し、図１２（Ｂ）に歯部２の焼入後の表面粗さＲａの測定結果を示す。また、図１２（Ｃ）に歯部２のＷＰＣ処理後の表面拡大写真を示し、図１２（Ｄ）に歯部２のＷＰＣ処理後の表面粗さＲａの測定結果を示す。

ラックバー１の歯部２が加熱部１１から冷却部１２に移動される間に大気雰囲気に置かれた実験例１では、歯部２の表面に発生したスケールが表層深くに浸潤しており、ＷＰＣ処理によってもスケールの痕跡が歯部２の表面に確認された。これに対し、歯部２が加熱部１１から冷却部１２に移動される間に窒素ガス雰囲気に置かれた実験例２では、表面拡大斜視や表面粗さの測定結果から明らかなとおり、実験例１に比べて歯部２の表面のスケールの発生が抑制されており、スケールは、ＷＰＣ処理によって痕跡なく歯部２の表面から除去された。

実験例３では、上述した焼入装置４０を用い、不活性雰囲気室４４を窒素ガスで満たすことなくラックバー１の歯部２を焼入した。そして、焼入後に歯部２に対して処理を施した。図１３（Ａ）に歯部２の焼入後の表面写真を示し、図１３（Ｂ）に歯部２の研磨処理後の表面拡大写真を示し、図１３（Ｃ）に歯部２のＷＰＣ処理後の表面粗さＲａの測定結果を示す。

実験例４では、上述した焼入装置４０を用い、不活性雰囲気室４４を窒素ガスで満たしてラックバー１の歯部２を焼入し、焼入後に歯部２に対してＷＰＣ処理を施した。不活性雰囲気室４４を窒素ガスで満たしたことを除き、歯部２の加熱や冷却や搬送の条件は実験例３と同じとした。図１４（Ａ）に歯部２の焼入後の表面写真を示し、図１４（Ｂ）に歯部２のＷＰＣ処理後の表面拡大写真を示し、図１４（Ｃ）に歯部２のＷＰＣ処理後の表面粗さＲａの測定結果を示す。

歯部２が加熱部１１から冷却部１２に移動される間に窒素ガス雰囲気に置かれた実験例４では、表面拡大斜視や表面粗さの測定結果から明らかなとおり、歯部２が大気雰囲気に置かれた実験例３に比べて歯部２の表面のスケールの発生が抑制されており、スケールは、ＷＰＣ処理によって痕跡なく歯部２の表面から除去された。

１ ラックバー
２ 歯部
３ 軸部
１０ 焼入装置
１１ 加熱部
１２ 冷却部
１３ 搬送部
１４ 不活性雰囲気室
１５ ガス供給部
２０ 型
２１ 上型
２２ 下型
２３ 凸部
２４ 凹部
２５ 焼入液噴射口
３０ 天井壁
３１ 底壁
３２ 側壁
３３，３４，３５ 開口部
３６ ガス噴射口
４０ 焼入装置
４４ 不活性雰囲気室
５０ 筒体
５１，５２ 開口部
５３ ガス噴射口

Claims (4)

1. ワークの被焼入部を加熱する加熱部と、
   加熱されたワークの被焼入部を冷却する冷却部と、
   ワークを搬送し、ワークの被焼入部を前記加熱部から前記冷却部に移動させる搬送部と、
   前記加熱部から前記冷却部に移動されるワークの被焼入部の移動経路に設けられ、被焼入部が出入りする開放された開口部及び一つ以上のガス噴射口を有し、前記ガス噴射口から噴射される不活性ガスによって満たされる不活性雰囲気室と、
   を備え、ワークの被焼入部の前記加熱部への進入経路と前記冷却部への進入経路とは非同一線上にあり、
   前記不活性雰囲気室は、前記加熱部への進入経路と前記冷却部への進入経路との間の中継経路を挟んで対向する一対の壁体を含み、
   前記ガス噴射口は、少なくとも一方の前記壁体の対向面に開口して設けられている焼入装置。
2. 請求項１記載の焼入装置であって、
   前記ガス噴射口は前記不活性雰囲気室の内面に対向して設けられている焼入装置。
3. 請求項１又は２記載の焼入装置であって、
   前記ガス噴射口は、前記中継経路に沿って間隔をあけて複数設けられている焼入装置。
4. 請求項１から３のいずれか一項記載の焼入装置であって、
   前記冷却部は、ワークの被焼入部の外周を拘束する型を有し、
   前記型には、ワークの被焼入部の外周との間に隙間をあける凹部が設けられており、
   前記凹部には、複数の焼入液噴射口が形成されている焼入装置。

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