JPH03503909A - 走査式誘導硬化法の改良 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 走査式誘導硬化法の改良 本発明は誘導コイルとそれに隣接配置した焼き入れ噴射装置が徐々に綱加工片を 長手方向に通過するようになすことによって鋼加工片を表面硬化する方法に関す る。、加工片の表面層は約１．０００°Ｃに加熱し、焼き入れ時にマルテンサイ ト相に変態させる。マルテンサイトは表面硬度を高め、耐疲労性を高める。この 方法の別の例では、鋼加工片全体を焼き入れ流体の浴中に漫・　潰させる。誘導 コイルによって発生した熱が局部的に加熱された領域の流体を蒸発させ、このた め誘導コイルがこの領域から離れて行くまで焼き入れを妨害する。誘導コイルが 離れていくと、焼き入れ流体が加工片の加熱領域と接触して硬化させる。

この方法は゛走査式誘導硬化法”と称される。誘導コイルは代表的には加工片を 取り囲む大断面の銅導体の単巻き（又は−巻きの一部）からなり、これは冷却水 通路をもち、低電圧、高周波数の交流を供給される。通常はコイルは静止し、加 工片が硬化中移動する。然し乍ら、コイルを移動させ、加工片を静止させるのが 極めて便利である。本文中、“′通過”と言う用語はコイルの移動と、加工片の 移動の両方を指すものとする。

加工片が円形断面である場合、周囲を一様に硬化させるため加工片はセンタ間で 回転させる。そうしなければ、硬化が不均一になる。それは焼き入れリングの小 さい凹凸やコイル構造に起因して、加熱が僅かに非対称的に起こるからである。

かかる装置は米国特許第３．５２５．８４２号に開示されているが、この装置で は誘導子が加工片を取り囲んでいない。

本発明は、加工片の湾曲が最初からあったのか又は作業により生じたのかに関係 なく、加工片をかかる硬化作業中に矯正する方法を提供する。

前もって行われた矯正作業により生じた長手方向応力を除去することに起因して 加工片が誘導硬化中に曲がることはしばしば起こる。前記矯正作業は製造の初期 段階で行なわれたり又は元の棒材を製造したときに行なわれたりする。誘導加熱 は外層又は゛′硬化層”中の応力のみを除去するため、６部の長手方向残留応力 が加工片を湾曲させる。

この欠点を除去する種々の方法が提案された。例えば、米国特許第３．９８８． １７９号では、シャフト又は軸をメリーゴーラウンド式装置で硬化する。この場 合、加工片は外層を第一スチージョンで単動式誘導子によって加熱され、次いで 第ニスチージョンへ移され、そこで焼き入れ前の矯正をするため、ラム又はラム 列を赤熱した加工片に当てる。かかる方法は加熱段階で外層の応力を除去するこ とによってもたらされるあらゆる湾曲を矯正する利点がある。しかし加工片の焼 き入れ時に生じる湾曲に対する対策は何もないという大きな欠点がある。この従 来の欠点は矯正装置と加工片間の物理的接触による矯正力の印加を回避する本発 明によって解決される。本発明では従来法では生じていた応力割れが起こる危険 性は実質上除かれる。

焼き入れ中、硬化層に形成されるマルテンサイト相の材料は約２又は３％の容積 変化を生じ、それ故外層は圧縮状態となり、その結果、６部の材料は引張り状態 となる。そこでもし何らかの理由で硬化層の深さく代表的には約２５〜３０直径 のシャフトで１．５ｎｍ）が片側で反対側より深くなれば、硬化層の圧縮応力と ６部の引張り応力との間に片寄りが生じ、その結果、湾曲が生じる。その湾曲は 常に、加工片の凹面側が最も厚いマルテンサイト硬化層をもつ側となるように起 こる。

実際上、硬化層の深さの偏心性は近接加熱効果即ち、加工片と誘導コイル間の隙 間が最小となる箇所で加工片の加熱が最大になるという事実によりもたらされる 。この効果は非線形的に変化する。かかる偏心性は加工片の初期湾曲、センタの 偏心性によりもたらされ、又は硬化中の加工片の湾曲に起因する。従って、加工 片の初期湾曲はかかる在来の走査式誘導硬化法では増大する傾向がある。

特許出願ＰＣＴ／ＡＵ８８１００３０２号の明細書に記載された発明で、その一 部が本願明細書に編入された発明（以下、第一発明と称する）においては、マル テンサイト層の深さの差に起因する硬化中に起こる現象が硬化中に起こる歪みを 除去するためと、加工片の初期湾曲を矯正するためとに利用され、このため初期 湾曲をもつ加工片は硬化作業により実質上真っ直ぐになる。

前記第一発明は、交流電流により付勢される誘導コイルが徐々に鋼加工片を長手 方向に通過するようになし、その直後加工片の加熱部分を焼き入れすることによ り鋼加工片を表面硬化する走査式誘導硬化法において１、加工片の直線性をモニ タしかつそれによって得た情報を加工片の加熱又は焼き入れ又は加熱と焼き入れ の両方を制御するために利用することにより、表面硬化される加工片の湾曲の矯 正を誘導硬化過程中に制御して、湾曲を除去する矯正モーメントを生じるよう大 きな厚さの硬化材料層が加工片の湾曲の凹面側に形成されるようになしたことを 特徴とする走査式誘導硬化法にある。

この第一発明では、もし誘導コイルを加工片の周囲の一部のみを加熱するよう形 成するか又は周囲の一部により多くの熱を集中させるよう形成し、加工片の回転 速度を変化させれば、加工片の凹面側をより長時間集中加熱領域に留めさせ、従 って、焼き入れ時にこの側により深いマルテンサイト層が出来るようになる。

従って、本発明は交流電流により付勢される誘導コイルが徐々に鋼加工片を長手 方向に通過するようになし、その直後加工片の加熱部分を焼き入れし、加工片の 直線性をモニタしかつそれによって得た情報を加工片の加熱又は焼き入れ又は加 熱と焼き入れの両方を制御するために利用することにより、表面硬化される加工 片の湾曲の矯正を誘導硬化過程中に制御して、湾曲を除去する矯正モーメントを 生じるよう大きな厚さの硬化材料層が加工片の湾曲の凹面側に形成されるように なして成る、走査式誘導硬化法において、誘導コイルは加工片周囲の一部のみを 加熱する形状とするか又は加工片周囲の一部により多くの熱を集中させる形状と し、加工片の回転速度は加工片の凹面側を集中加熱領域に比較的長時開音めるよ う変化させ、焼き入れ時に前記側に比較的深いマルテンサイト層が生じるように なしたことを特徴とする走査式誘導硬化法にある。非円形断面の加工片の処理は 誘導コイルを加工片軸線に対して径方向に移動させると共に加工片の回転速度を 変化させることにより簡単にすることができる。

第一発明の方法は加工片の硬化すべき領域が円筒形でない場合にも適用でき、こ の場合非円形の誘導コイルを使用する。しかし、このようにすれば硬化中加工片 を回転させることができない。それ故、加工片を通過する間コイル及び／又は焼 き入れリングに必要な片寄りは加工片が一般には垂直下方へコイルを通って移動 するときに起こる歪みに応じて１方向に又は反対方向に片寄らせることによって 与える。この場合前記第一発明によれば、２つのプローブがコイルの直ぐ上で加 工片に接触する。

プローブは全ての方向の歪みを感知するため互に直角をなす平面内に置かれる。

加工片中のすべての初期湾曲は、別個の検査ステーションで又は加工片が装着位 置から硬化を開始する最高位置へ移動する場合は硬化前に加工片がプローブを通 過するときに２つのプローブの動きを記録することによって、硬化開始前に記録 する必要がある。使用する片寄りは記録した加工片の元の形状に基づいて計算し て予想する。

加工片が円筒形である場合、加工片は最も均一に硬化するように回転させるのが 望ましい。それ故、硬化中に矯正を行うためにコイル及び／又は焼き入れリング を加工片に対して軌道運動をさせて、加工片の回転に同期させてコイルと加工片 軸線間に所望の片寄りを保持させるようにしなければならない。すべての湾曲に ついての情報を得るには１つのプローブを加工片に接触させれば十分であり、歪 みの向きを感知するのに必要な他の情報は回転駆動装置に備えた角度変換器が与 える。非円形の加工片の場合片寄りは初期湾曲を矯正するのに必要なものと硬化 歪みを矯正するのに必要なものとの合計となる。

一般に、かなり大きな許容範囲が許される。例えば、１．５−の硬化層の場合、 硬化層深さは１〜２ｍｍの変動が許容される。

この深さの差は一般に少し曲がったシャフトを矯正するのに十分であり、或いは 本発明法を使用すれば、中程度の残留応力に打ち勝つのに十分である。

加熱深さの差は一般に、コイルが加工片にその長さに沿って凹面側で加工片に最 も近くなりかつ凸面側で加工片から最も遠くなるように、加工片に対する誘導コ イルの接近距離を変えることによって与える。然し乍ら、凸面側と凹面側に出来 るマルテンサイト層の深さの差は他の手段例えば、焼き入れコイルを片寄らせる ことによって又は、焼き入れコイル周囲の焼き入れ媒体の分布を局部的に変え、 焼き入れ前の期間を長くして熱を径方向内方へより深く侵入させることにより片 側に比較的深いマルテンサイト層が出来るようになすことによって、又は焼き入 れコイル周囲の焼き入れ媒体の分布を局部的に変化させることによって生せしめ ることができる。

以下、本発明の理解と実施を容易ならしめるため、本発明を図示の好適実施例に つき説明する。

第１図は第一発明の方法によって硬化される丸棒の断面、側面図、 第２図は第１図の線Ａ−Ａ線上の断面図、第３図は第一発明の方法を実施する機 械の断面、側面図、第４図は第５図の線Ｂ−Ｂ上の断面図、第５図は第３図の線 Ｃ−Ｂ上の断面図、第６図は代表的形状の曲がりをもつ加工片の例を示す図、第 ７図は第６図の加工片の曲がりを矯正するため特定の時点にコイルに与える矯正 作用を示す図、 第８図は誘導コイルの他の実施例を示す図、第９図は本発明の他の実施例を示す 図、第１０図は本発明の更に他の実施例を示す図である。

第１．２図は第一発明により硬化した丸シャフトの代表的断面である。この図で は硬化すべきシャフトは若干の初期湾曲半径Ｒをもち、この半径は正確であるこ とが望ましい。本発明によれば、硬化は下記の如く即ち、硬化層即ち、マルテン サイト層の深さは一側が反対側より大きく、その質量中心がシャフト軸線から小 さな量“ａ”だけ変位するように行う。同様に、未硬化の６部の質量中心はシャ フト軸線から反対方向に“ｂ″′だけ変位している。従って、硬化層中の正味の 圧縮力Ｐの作用線と、心部中の正味の反作用引っ張り力Ｐの作用線は距離“　Ｉ ＋だけ変位しており、但しｚ＝ａ十すとし、曲げモーメントＭ＝Ｐｚがシャフト に作用する。

この場合、外層の曲がりの曲率半径Ｒは６部の曲がりの曲率半径と実質上同じで あり、モーメン）Ｍは硬化層と６部間に下記の関係をなして分布しなければなら ない。

ＥＩａ　　　　　　　　　　ＥＩｂ Ｍａ＝□　及び　Ｍｂ＝　− ＲＲ 但し　Ｍａ＝硬化層のモーメント Ｍ　ａ−６部のモーメント Ｍａ＋Ｍｂ＝Ｍ＝Ｐｚ １ａ＝硬化層の質量中心の断面二次モーメントＩｂ＝心部の質量中心の断面二次 モーメントＥ＝材料の弾性係数 Ｒ＝加工片の曲率半径 ＩａとＩｂＯ値は明らかに硬化層の平均深さにそれ故、変位量“′ａ″の大きさ とＲの値に関係がある。

初期湾曲半径Ｒをもつシャフトでは、上記モーメン）Ｍは棒を真っ直ぐにしよう とし、何れにしても半径Ｒを増大させる。

同様に、応力が除かれることによって硬化中に半径Ｒの湾曲が起こるならば、硬 化層の変位により湾曲が打ち消される。

第３図は本発明により作った機械の側面図である。

この図から明らかなように、機械は基台１をもち、この基台は柱２と共に垂直に 配置した滑り案内棒３を支持する。滑り案内棒は上端に心押し台６を、下端に主 軸台７を支持する往復台加工片５は往復台の主軸台と心押し台の中心に支持し、 主軸台７は下部センタ７ａとドライバ８を備え、これらは加工片に固定したキャ リヤ９に掛合する。往復台４は親ねじ１０を回す電気モータ９ａにより垂直に動 かされ、親ねじの下端は往復台４に軸支させる。電気モータ９ａを作動させて往 復台を垂直に移動させ、加工片５に所要の硬化を施すことができる。加工片５は モータ１１により硬化作業中回転させられ、その角度位置は回転エンコーダ１２ により決まる。別法として、加工片の断面が非円形の場合には、加工片がコイル に対して正確な向きを向くように上記駆動装置は使用される。往復台４は４ｂで 示す最下位置へ又は４ａで示す最上位置へ移動することができる。

両位置は点線で示す。最下位置４ｂでは心押し台６のセンタ６ａが焼き入れリン グ１９の下に突き出し、このためセンタ６ａはノブ１３により垂直上方へ動き、 加工片を開放して次ぎの加工片を挿入できるようにする。

加工片は第４図に示すように誘導コイル１４に囲まれ、前記コイルは単巻きの銅 導体からなり、これは可撓性管１６に連結した冷却通路１５を備える。誘導コイ ル１４は母線１７に取付け、この母線は変圧器箱１８から出る。

誘導コイル１４の直ぐ下にある焼き入れリング１９は環状通路２０をもち、可撓 性管２１ａから供給した焼き入れ流体を加工片に直接差し向けるため前記環状通 路から複数の孔２１が半径方向内方へ延びる。実際上、丸い加工片を硬化する場 合加工片はモータ１１の作用により回転し、同時に電気モータ９と親ねじ１０の 作用によりコイルと焼き入れリングを通って垂直下方へ移動する。非円形加工片 の場合、モータ１１．は作動しない。

変圧器１８は付勢されると、誘導コイル１４が第４図に２２で示す如く、加工片 を局部的に加熱し、その後直ぐ孔２１から出た焼き入れ流体が加熱された領域を 焼き入れして、硬化させる。次いで硬化は加工片全長にわたって行われ、又は部 材の何処か一部を焼き入れ前に加熱することによりその硬化を望む部分に行われ る。

第５図に示すように、母線１７を経て誘導コイル１４を支持する変圧器箱」８は 互に直角をなす滑り面５０．５３上に設けられ、親ねじ５１．５２とサーボモー タ２３．２４により夫々駆動される。このようにして、誘導コイル１４は適当な 制御器２５により制御されて水平面内をあらゆる方向に移動する。前記制御器は エンコーダ１２．３０．３１からの信号を入力とし、サーボモータ２３．２４へ 信号を出力する。

センタ６ａ、７ａに対する加工片５の同軸性についての情報を与えるため、２つ のプローブ２６．２７を加工片にばね押しして衝当させる。これらのプローブは 夫々基台１に固定したブラケット３２上に取付けた回転エンコーダ３０．３１の 出力シャフト２８．２９に取付ける。加工片が円形であり、モータ１１が付勢さ れた場合、情報を与えるために唯１つのプローブを使うが、加工片が非円形であ り、モータが回転しない場合、両プローブが使われる。

硬化過程中に生じる曲げを矯正するのに必要なコイルの正確な変位量は所要の平 均硬化深さ、鋼組成等の如き多くのファクターに依存するが、普通は変位により コイル１４及び／又は焼き入れリング１９が動かされ、加工片の長手方向で凹面 側に大きな深さの硬化層を作るようになる。変位量の正確な大きさは実際には試 行錯誤により、前に概説した如き物理的計算法を関連させて決める。

第６図に示す如く、加工片が初期湾曲をもつ場合、もっと複雑な方法を要する。

例えば、加工片５が点３７以下の下半部が真っ直ぐで、上半部が中心３５をもつ 半径３６の湾曲をもつ場合、中心線３４は回転するとセンタ６ａ、７ａを結ぶ線 ３３の回りに軌道運動する。

この図では、誘導コイル１４は加工片の硬化を正に始めようとしている。加工片 はセンタ６ａ、７ａにより垂直に支持される。プローブ２７は中心線３４．３３ 間の次第に大きくなる変位量を検出しようとしている。然し乍ら、加工片は点３ ７までは真っ直ぐであるから、コイル１４は軌道運動の中心線３４に正確に従っ て進み、不要な湾曲を生じないようにする必要がある。

本装置では、誘導コイル１４を通過する加工片５の予備的上向き移動がプローブ ２６．２７により検出するすべての湾曲をモニタするために使用され、その湾曲 に関する情報を制御器２５に送り、硬化処理を行う加工片５のその後の下向き移 動中に使用する。

各点に予想される正確な変位量は硬化を始める前に制御器２５に記録され、もし プローブ２７により検出した変位量が記録された変位量と異なるならば、誘導コ イル１４の軌道運動を修正してその湾曲を矯正し、点３７まで中心線３４を真っ 直ぐに保つようにする。この点において軌道運動の半径３日は３９にまで増し、 このため誘導コイル１４は、点３７より上で中心線３４が次第に真っ直ぐになる よう、第７図に示す如く加工片５の長手方向で凹面側に更に接近するようにされ る。

このとき、軌道運動の半径３９の値は絶えず減少する。それは誘導コイル１４が センタ６ａに近づくにつれて半径３６に対応する長さが次第に減少するからであ る。制御器２５は軌道運動の半径３９の新しい値を計算し、プローブ２７はこの 計算された値を実際の値と比較する。両者に差がある場合、例えば、加工片の応 力除去のため又は小さい計算誤差のため、誘導コイル１４の軌道運動の半径は最 初の計算値から適当に変えられる。

実際上、加工片はその長さに沿いかつ軸線３６の回りの種々の平面内で離間した 種々の点に中心３５を有する種々の半径３６をもつ幾つかの湾曲をもつ。もし、 加工片の明細により許容される硬化層の最大変位量を考慮した上で湾曲半径３６ が矯正できる大きさ以下のものであれば、初期の矯正作業を必要とする。

勿論、加工片の初期湾曲を半径で特徴付ける必要はなく、多くの場合、湾曲は連 続変化する曲率をもつ。然し乍ら、上記した最小半径の制限は瞬間半径を連続的 に計算することを必要とする。

殆どの場合、仕上げ加工片の局部的な湾曲領域は許容できるので、実際に存在す るよりも大きな半径を含むという言葉で加工片の形状を特徴付ければ十分である 。

上記説明では円形加工片の例を挙げた。しかし、硬化中回転させられない非円形 加工片の場合も初期湾曲と硬化処理中に起こる湾曲の両者について必要な情報を 制御器２５に送るために２つのプローブを使用することを除きば、上記と同様の 処理が施される。

更に、誘導硬化された殆どの加工片は引き続き応力除去されるので、初期湾曲又 はその他の湾曲は成る程度過剰矯正するのが望ましい。かかる応力除去は一般に 、割れを発生する可能性のあるピーク応力を除去するだけのものとし、それ故、 かがる過剰矯正は一般に、最小限度とする。

第８図に示す本発明の実施例では、幾つかの又は全ての加工片を取り巻く複数の 誘導コイル分節５４を使用し、各分節は個別に制御可能な電力源５５に接続する 。分節間の電力密度は加工片の凹面側に比較的深いマルテンサイト層を作るよう に変化させる。

第９．１０図は本発明の実施例を示す。これらの実施例では、棒の回転速度は周 期的に変化し、コイルは１部分のみを加熱するように構成しく第９図参照）、又 は周囲の一部に熱を集中させる（第１０図参照）ように構成する。棒の回転速度 は凹面側が“°Ａ”を通過するとき減少する結果、この側に比較的深いマルテン サイト層が作られる。

本発明の他の実施例では、第９図に示す如きコイルが使われる。このコイルは棒 の軸線に対して径方向に前後動できる。この事実と上記の可変速度の回転との組 合せにより非円形断面の加工片を正確に硬化させかつ矯正させることができる。

第一発明の他の実施例では、必要な運動の全てを加工片に与え、コイルを静止し たままとする。

国際調査報告 捏鯉ヱニＴ４１Ｎ’＋ヲ品■■呂懇聾匹匹ＲＴＣＮゴπＸ執−鳥肌コフ竪匹＝崖 国四並剥 ＡＵ　　２３１ｏ９１ｓｓ　　　　　　Ｅ？３２ｓ６ｏｈｖ　　　　　　８９０ １５２９

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．交流電流により付勢される誘導コイルが徐々に鋼加工片を長手方向に通過す るようになし、その直後加工片の加熱部分を焼き入れし、加工片の直線性をモニ タしかつそれによって得た情報を加工片の加熱又は焼き入れ又は加熱と焼き入れ の両方を制御するために利用することにより、表面硬化される加工片の湾曲の矯 正を誘導硬化過程中に制御して、湾曲を除去するよう作用する矯正モーメントを 生じるよう大きな厚さの硬化材料層が加工片の湾曲の凹面側に形成されるように なして成る、走査式誘導硬化法において、誘導コイルは加工片周囲の一部のみを 加熱する形状とするか又は加工片周囲の一部により多くの熱を集中させる形状と し、加工片の回転速度は加工片の凹面側を集中加熱領域に比較的長時間留めるよ う変化させ、焼き入れ時に前記側に比較的深いマルテンサイト層が生じるように なしたことを特徴とする走査式誘導硬化法。
2. ２．誘導コイルは円形又は非円形断面の加工片上のマルテンサイト層の深さを制 御するため加工片軸線に対して径方向に移動するよう制御される、請求項１に記 載の走査式誘導硬化法。