JPH0533041A

JPH0533041A - 長軸材の表面熱処理方法

Info

Publication number: JPH0533041A
Application number: JP3185080A
Authority: JP
Inventors: Yuji Ishizaka; 雄二石坂
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1991-07-25
Filing date: 1991-07-25
Publication date: 1993-02-09

Abstract

(57)【要約】【目的】ボールネジ等の焼入れを行う場合において焼
入れ後に仕上げ研磨加工をしなくても使用できる範囲を
拡大する。【構成】テンションシリンダによってねじ軸２に軸方
向への張力を付加して曲がりの発生を防止するととも
に、表面熱処理における熱処理深さの要因となる３つの
加熱条件、即ち誘導加熱コイル１１に供給する周波数お
よびその電力量，移送するねじ軸２または誘導加熱コイ
ル１１の移送速度および誘導加熱コイル１１に供給する
電力量，ねじ軸２に施す予熱温度および誘導加熱コイル
１１に供給する電力量およびねじ軸２または誘導加熱コ
イル１１の移動速度と、前記の張力の値との合計４つの
熱処理条件の内のいずれかの条件または複数の組み合わ
せ条件を用い、焼入れ直後からねじ軸２が内部まで冷却
されて収縮が完了し時効効果により寸法が完全に安定し
て落ち着くまでに伸縮することも考慮してねじ軸２の軸
方向の伸縮変形量を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は長軸材の熱処理方法に係
り、特に種々の加熱条件の組み合わせ制御によって軸方
向の伸縮変形量の調整を行う長軸材の表面熱処理方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】所定の硬度と寸法精度とが要求される軸
材やねじ軸などの表面には、熱処理（焼入れ及び焼戻
し）を施すことによって表面硬化を生成し、軸の強度や
耐摩耗性を向上させている。軸材やねじ軸等への焼入れ
処理を高周波焼入れ、即ち誘導加熱によって実施する場
合、軸材やねじ軸（以下被処理材と記す）の表面の加熱
昇温した部分のみに熱膨張が生じて、次に焼入れのため
に水冷を施した際には同じく表面層だけに急激な収縮が
生じる。

【０００３】そしてこれらの表面層の膨張または収縮に
伴う応力が内部の応力と釣り合うまで被処理材に変形が
生じる。鋼材の表面焼入れにおいては一般に表面層の相
変態による膨張に伴って軸方向については図５の被処理
材の断面に示す応力図で明らかなように表面層に圧縮応
力が発生し、内部に生じる引張応力と全断面で釣り合い
がとれるまで長さ方向に伸びが生じて被処理材の全長が
増加する場合が多い。また被処理材としての長軸材の外
周にねじの冷間転造などの冷間成形加工が施されている
場合には、冷間転造によって被処理材の外周層は圧縮延
伸され、外周部には軸方向に圧縮応力が残留し、内部に
は引張応力が残留している。この状態で被処理材の外周
表面を高周波加熱すると外周層の圧縮残留応力が消失
し、且つ表面層は変形し易くなるので全体は軸方向に縮
む。また被処理材が冷間成形加工を施された鋼材の場合
には、表面焼入れのための外周層の加熱昇温によりまず
上記の軸方向の縮みが起こり、次に表面に水冷による焼
入れを行うと熱処理によって変態して表面層が膨張する
ので軸方向に伸長する。そして最終的に熱処理完了時の
被処理材の変形量は高周波加熱による縮み量と焼入れに
よる伸長量とのどちらが大きいかによって決まるのであ
る。

【０００４】上記のように被処理材の表面に熱処理を施
すことによって軸方向に伸縮変形が生じるので一般に被
処理材に対する加工寸法は、予め熱処理によって生じる
変形量を見込んだ成形加工寸法値で実施されているが、
熱処理による変形量は熱処理条件の他に、被処理材の材
質や成分，前工程での熱処理状態，成形加工方法と加工
量などによっても大きく左右されるので、熱処理条件を
一定にしても、なかなか一定の値に安定させることが困
難であった。従って熱処理後の被処理材の寸法を精度良
く揃えることが難しいという問題点があった。特に被処
理材がねじ軸の場合には、熱処理による変形量はピッチ
誤差として生じるため、この変形を修正するための後加
工として研削加工が必要となっていた。

【０００５】上記のように被処理材に熱処理を施す場合
に生じる軸方向の伸縮変形に対しては、要求される高精
度の仕上げ寸法とするために熱処理後の工程で研磨加工
を加えることにより、製品の精度仕様の確保が行われて
いた。特にねじ軸において発生する軸方向の伸縮変形を
修正する仕上げ加工は、研磨加工装置の加工量が１回の
送り当たり数μｍ程度で、ねじ溝深さが数ｍｍであれ
ば、加工量は数ｍｍ／数μｍとなって１０００ステップ
程度の送り量が必要で、１本当たり数ｍの軸材の仕上げ
加工時間は１日の単位を費やす。

【０００６】また、長軸材である被処理材を熱処理する
と殆どの場合大きな曲がりが生じ、熱処理後に曲がりの
矯正作業を必要とした。しかも曲がりの矯正によって被
処理材には新たな内部応力が発生して残留し、またこの
ために仕上げ加工中に新たな曲がりが生じて精密な寸法
に仕上げることが難しいという問難点もある。

【０００７】このため、以下のような長軸材の表面熱処
理方法が先に本願出願人より提案されている（特願平３
−７１３０２）。まず最初に熱処理方法に関係する熱処
理条件について説明する。

【０００８】前記のように軸材やねじ軸等のような長軸
材から成る被処理材の外周面を表面熱処理した場合、長
さ方向の伸縮は表面層に生じた応力が内部の応力と断面
全体にわたって平衡することにより発生するものであ
る。

【０００９】従って熱処理層の深さが浅ければ表面層に
生じる応力が断面全体におよぼす影響力は小さく、長さ
方向の伸縮量は少なくなり、逆に熱処理層の深さが深け
れば、長さ方向の伸縮量は大きなものとなる。また、熱
処理に際して長軸材に付加する軸方向の張力の値によっ
ても長さ方向の伸縮量が変化する。

【００１０】従来の方法は被処理材の長さ方向の変形量
δ（ｍｍ／ｍ）と、熱処理深度γ（ｍｍ）および軸方向
の張力の値の関係を求めて、熱処理深度γや張力の値を
制御することによって長さ方向の変形量δの値を所定の
範囲に収めようとするものであり、熱処理深さγを制御
するための加熱条件として、第１に誘導加熱コイルに供
給する電力の周波数ｆの値、第２に被処理材あるいは誘
導加熱コイルの移送速度ｖの値、第３に被処理材に対し
て熱処理の前に施す予備加熱の値の３条件が考えられ
る。上記の３条件について順に詳細に説明する。

【００１１】第１の条件としての誘導加熱コイルに供給
する電力の周波数ｆの制御については、供給電力の周波
数ｆと被処理材の表面における電流の浸透深さＤとの間
には次の関係式が知られている。即ち、

【００１２】

【数１】

【００１３】（但しρ：被処理材の固有抵抗値（μΩ・
ｃｍ），μ：被処理材の透磁率）で表される関係式で、
加熱コイルに流れる交番電流の磁束の交鎖によって被処
理材の表面に誘起された電流は表面から深さＤ（ｃｍ）
までの表面部分を流れて抵抗損による発熱を生じる。

【００１４】一般的には上記の関係は左縦軸に焼入深度
をとり、横軸に周波数をとった図６に曲線（イ）で示す
ような関係となる。即ち、熱処理深度である焼入深度γ
を、第一義的に誘導加熱コイルに供給する電力の周波数
ｆの値によって大きく変えることが可能で、焼入深度γ
を制御することができる。

【００１５】また、周波数ｆをｆ₃からｆ₁に低くすると
焼入深度がγ₁からγ₂へと深くなるため、図６に曲線
（ロ）で示すように加熱温度を維持するための供給電力
はＰ₁″からＰ₃″へ増大させる必要がある。

【００１６】第２の条件としての焼入れ部分を連続的に
移送する移送速度ｖの制御については、被処理材の移送
速度ｖが小さい程内部への熱の伝導量が増加して、被処
理材内部の温度も上昇するので焼入深度γが大となり、
逆に移送速度ｖが大きい場合には、焼入深度γは浅くな
る。なお、移送速度ｖを速くした場合には単位時間当た
りの被処理材の加熱長が増加するので、誘導加熱コイル
に供給する電力量を増加させて設定した加熱温度を維持
する必要がある。上記の関係を示したものが図７（ａ）
であり、左縦軸に焼入深度γをとると共に横軸に移送速
度ｖをとり、曲線（ハ）で示すように移送速度ｖをｖ₁
からｖ₃に増加させる一方、これに合わせて曲線（ニ）
で示すように供給電力量ＰをＰ₁からＰ₃に増加させる
と、焼入深度γはγ₃からγ₁に浅くなる。

【００１７】第３の条件として、被処理材に施す予備加
熱の制御については、例えば図８に示す誘導加熱による
焼入装置要部に備えたように、焼入れを施す誘導加熱コ
イル１１の左側に予熱用の誘導加熱コイル１５を設けて
被処理材２に施す予備加熱量を調整することにより焼入
深度γを制御するものである。

【００１８】即ち、予備加熱を行うことにより焼入深度
γは大となり、予備加熱温度が高いほど焼入深度γを大
きくすることができる。上記の関係を示したものが図７
（ｂ）であり、左縦軸は一定温度での予備加熱を施した
被処理材の焼入深度γを表し、横軸は被処理材の移送速
度ｖを表している。図７（ｂ）の曲線（ホ）と予備加熱
のない図７（ａ）の曲線（ハ）とを比較すると、移送速
度ｖが同じ場合でも、γ₁＜γ₁'（速度がｖ₃の場合），
γ₃＜γ₃'（速度がｖ₁の場合）で示されるように、焼入
深度γは予備加熱有りの被処理材の方が深くなることが
明らかである。図７（ｂ）の曲線（ヘ）は供給電力量を
示す。

【００１９】次に被処理材の焼入れ処理における被処理
材の表面から内部に向かっての硬度分布（焼入深度）と
加熱条件との関係を示したものが図９（ａ），（ｂ）で
あり、焼入深度と被処理材の伸縮変形量との関係を示し
たものが図１０（ａ），（ｂ）である。図９（ａ），
（ｂ）は縦軸に被処理材の焼入れ後の硬度Ｈ、横軸に被
処理材の表面からの距離（深さ）γをとって、被処理材
断面における硬度分布を表したもので、硬度Ｈ₀が焼入
層としての限界硬度値を示す。

【００２０】図９（ａ）は上記の加熱条件の移送速度ｖ
の調整による焼入深度γの制御方法で、被処理材の移送
速度ｖをｖ₁，ｖ₂，ｖ₃に変化させた場合に相当し、移
送速度ｖが小さい程（ｖ₁）焼入深度γは大となり硬度
Ｈの分布の傾斜が変化する。図１０（ａ）は縦軸に被処
理材の伸縮変形量δ、横軸に焼入深度γをとって、図９
（ａ）の場合の被処理材の焼入深度γと伸縮変形量δの
関係を示したもので、焼入深度γが増加する程伸縮変形
量δが増大することがわかる。従って、図１０（ａ）は
移送速度ｖ，供給電力量Ｐ，伸縮変形量δとの関係に置
き換えることもできる。

【００２１】一方、図９（ｂ）は上記の加熱条件の供給
電力の周波数ｆの調整による焼入深度γの制御方法で、
誘導加熱コイルに供給する電力Ｐの周波数ｆをｆ₁，
ｆ₂，ｆ₃に変化させた場合に相当し、周波数ｆが高くな
る程（ｆ₃）、焼入深度γは小さくなる。図１０（ｂ）
は図９（ｂ）の場合の焼入深度γと被処理材の伸縮変形
量δの関係を示すもので、図１０（ａ）と同様に焼入深
度γが大きくなる程伸縮変形量δが増大する。従って図
１０（ｂ）は供給する電力の周波数ｆとその電力量Ｐと
伸縮変形量δとの関係に置き換えることができる。

【００２２】上記のように第１の条件としての熱処理深
さγと誘導加熱コイルに供給する周波数ｆおよび電力量
Ｐとの関係、第２の条件としての熱処理深さγと移送速
度ｖおよび電力量Ｐとの関係、第３の条件としての熱処
理深さγと予熱温度および電力量Ｐ，移送速度ｖとの関
係のうちのいずれかまたは複数の関係について予め求め
ておくことができる。また熱処理後の軸方向の伸縮変形
量δと熱処理深さγとの関係も予め求めておくことがで
きる。この関係式を利用して後述する伸縮変形量δを一
定の範囲内に収める制御を行うものである。

【００２３】一方、熱処理を行うと長軸材は殆どの場合
曲がりを生じるが、長軸材に軸方向の張力を付加しなが
ら熱処理を施すと曲がりを防止することができる。張力
と曲がりとの関係を図１０（ｃ）に示す。張力が小さい
と曲がりが生じ、ある程度大きくすれば曲がりを防止す
ることができる。曲がり量ｂが０.１ｍｍ／ｍ以下とな
るように張力Ｔの値を決めることができる。

【００２４】また、張力を加えながら熱処理を行うと当
然に長軸材に伸びが生じるので、第４の条件として、長
軸材に付加する軸方向の張力の値は伸縮変形量δを制御
する要素にもなりうる。張力Ｔの大きさと伸縮量δとの
関係を図１０（ｄ）に示す。図に示される伸縮量δは、
張力Ｔを付加しない場合に対して付加した場合の差分を
示すものである。従ってまた種々の値の張力Ｔを付加し
た場合について、図１０（ａ）および図１０（ｂ）と同
様の焼入深度と伸縮量の関係を予めそれぞれ求めておく
ことができる。そして第４の条件としての張力の値を変
化させることによっても伸縮変形量δの制御を行うもの
である。

【００２５】図１１（ａ）に従来の熱処理装置の要部を
示し、図１１（ｂ）には制御信号の流れ図を示す。最初
に図１１（ａ）を参照して熱処理装置の要部の構成を説
明する。

【００２６】ここでは被処理材をねじ軸として、その表
面に焼入れの熱処理を施す場合について説明する。熱処
理を行う焼入装置１はねじ軸２の左端をチャック３で着
脱自在に保持する一方、右端も回転駆動しながら引張力
を付加できるようになっている。補助軸４の左端がチャ
ック４ｃによってねじ軸２の右端と連結される。補助軸
４におけるフランジ部４ａの右側には延長軸４ｄが形成
される。このフランジ部４ａは連結部材２１によって回
転自在に支持され、連結部材２１は支持部２１ａと引張
部２１ｂとを結合して構成される。引張部２１ｂは移動
ベッド６に固定されたテンションシリンダ２２のロッド
２２ａに結合されて補助軸４の軸心方向へは移動自在で
あるが、ストッパ２１ｃにより回転が拘束される。引張
部２１ｂの内部には移動ベッド６に固定してモータ５ｂ
が設けられ、モータ５ｂの出力軸と延長軸４ｄとがスプ
ライン結合により相対的に軸心方向へ移動自在に連結さ
れる。モータ５ｂはねじ軸２の左端に連結されたモータ
５ａと電気的に同期回転するように運転される。ねじ軸
２の両端にモータを連結するかわりに、ねじ軸２の一端
のみにモータを連結するとともに、このモータと機械的
に連動連結された回転駆動機構を他端に連結してねじ軸
２の両端を同期して回転駆動するようにしてもよい。

【００２７】このようにして、テンションシリンダ２２
によりねじ軸２に引張力を付与しながら、モータ５ａ，
５ｂによりねじ軸２の両端を同期回転駆動する。このよ
うにすることにより、加熱が行われる熱処理中にもねじ
軸２にはねじり力が加わらず、比較的軸径の小さいねじ
軸であってもねじり変形が生じず、良好な寸法精度が得
られる。そしてテンションシリンダー２２内にてロッド
２２ａに加えられる流体圧力を検出することによってね
じ軸２に付加される引張力の値を検知できると共に、流
体圧力を変化せしめることによって引張力（張力）の値
を制御できるようになっている。またねじ軸２に加える
誘導加熱を円周方向に均一なものとするために、チャッ
ク３は減速機構を直結したモータ５ａによって回転駆動
される。

【００２８】また焼入装置１には、ねじ軸２をその軸方
向に移送するための移送手段が設けられる。即ち、移送
手段は移動ベッド６の一端部と螺合する送りねじ軸７
と、減速機を介してこの送りねじ軸７を回転駆動する移
送用モータ８によって形成される。この移送用モータ８
にはパルスエンコーダ９が設けられ、移送用モータ８の
回転数はパルス列に変換されて出力され、パルス数のカ
ウントにより被処理材のねじ軸２の移送距離が検出され
る。また移動ベッド６の右側の一端部と補助軸４の中間
部に形成した大径部４ｂの間には、ねじ軸２の伸縮変形
量を計測するための検出センサ１０が設けられる。

【００２９】ねじ軸２の外周には誘導加熱コイル１１
と、その右方に焼入れ用の冷却液を放出する冷却リング
１２が配設され、誘導加熱コイルは可変電圧の機能を備
えた電源装置１３に接続される。また誘導加熱コイルに
よる加熱部には温度検出センサ１４を設けて、ねじ軸２
の表面温度の検出を連続的に実施する。そして前記の移
動手段によってねじ軸２を図中に矢印で示すように左か
ら右方向に移動せしめながら軸方向に順次表面焼入れを
施す。焼入装置には演算処理部を備えた制御装置２０が
設けられている。

【００３０】上記のように構成された焼入装置１におけ
る前記の第２の条件または第４の条件を用いた焼入れ熱
処理方法を説明する。

【００３１】被処理材であるねじ軸２には、焼入れ処理
によって軸方向に生じる伸縮変形量を予め基準変形量と
して見込んだうえで成形加工、即ち冷間転造加工等が施
されている。次に成形加工されたねじ軸２はロット毎に
試し焼入れが、上記の構成から成る焼入装置１によって
実施される。その際のねじ軸の伸縮変形量，供給電力
値，表面温度，移送速度，ねじ軸の張力等を計測するこ
とによって、予め求めておいた、図１０（ａ），
（ｃ），（ｄ）および図７（ａ）に図示される関係式か
らねじ軸の曲がり量を所定の極めて小さい値以下とする
とともに、焼入れ後の伸縮変形量を基準変形量に一致さ
せるための焼入深度γおよびそのための移送速度ｖ，供
給電力値Ｐと張力Ｔを知ることができる。

【００３２】上記のようにして求められた各データ値が
そのロットに対する基準熱処理条件となる。この場合周
波数ｆは一定である。このようにしてロットに対する代
表値としての基準熱処理条件は決められる。焼入れ処理
方法は、まず予め設定した上記の基準変形量および加熱
温度（省略しても可）と、予め求めたねじ軸２の図１０
（ａ），（ｄ），［または張力Ｔを付加した場合の図１
０（ａ）に相当する関係式］および図７（ａ）の関係式
を制御装置２０に設けた記憶部に記憶させる。次に試し
焼入れによって求めてある基準熱処理条件の移送速度
ｖ，供給電力量Ｐ，張力Ｔの値により１本毎の焼入れ処
理を開始する。この場合にねじ軸２の移送量はパルスエ
ンコーダ９により連続的に検出され、伸縮変形量は検出
センサ１０により検出され、加熱表面温度は温度検出セ
ンサ１４によっていずれも連続的に計測検出されて制御
装置２０に入力される。

【００３３】まず前記の第２の条件を補正する場合につ
いて説明する。制御装置２０内では計測検出された移送
量（加熱位置）毎のねじ軸２の伸縮変形量を、設定され
た基準変形量における移送量毎の伸縮変形量と比較演算
し、その差を演算処理部によって算出する。差が生じた
場合には、その差値を補正するための焼入深度の補正値
Δγが図１０（ａ）に示す関係により算出される。続い
て焼入深度をΔγだけ変化させるための移送速度ｖの補
正値Δｖおよび電力量の補正値ΔＰが図７（ａ）の関係
から算出される。この場合温度センサ１４の検出するね
じ軸２の加熱表面温度が、設定した温度と一定以上の差
が有るときは、温度差を補正するために電力量の補正値
ΔＰはΔＰ′に再補正される。次に移送速度の補正値Δ
ｖから移送用モータ８の回転数が求められて、移送速度
の補正制御が行われると共に、誘導加熱コイルへの供給
電力量は補正値ΔＰまたはΔＰ′による補正制御が行わ
れる。

【００３４】次に、第４の条件を補正する場合について
説明する。前記と同様にして焼入れ処理中に連続的に検
出されたねじ軸２の伸縮変形量と基準変形量における伸
縮変形量との間に差が生じた場合には、その差値を補正
するための張力の補正値ΔＴが図１０（ｄ）に示す関係
等により算出されると共にテンションシリンダ２２にお
ける流体圧力の補正値に換算される。そしてこの補正値
に従って、テンションシリンダ２２内にてロッド２２ａ
に加えられる流体圧力は図示を省略した流体圧力調節装
置によって補正制御が行われる。

【００３５】以上の繰り返しによるフィードバック制御
が加えられる中で、表面焼入れ処理が実施されるので、
設定した基準変形量の範囲内でねじ軸１本１本の焼入れ
を実施することができるのである。

【００３６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、前記の従来
の方法によって長軸材の表面焼入れ処理を行った場合、
熱処理装置上で表面焼入れ処理を完了した直後の長軸材
の伸縮変形量と、熱処理装置から取り外して更に中心部
まで完全に冷却する等のための時間が経過して安定した
状態となった後の完成品としての長軸材の伸縮変形量と
では厳密には同一でないという問題点があった。

【００３７】即ち、表面焼入れ処理が完了した直後の長
軸材にはまだ張力が付加されたままであり、また軸心部
を含めた全体がまだ常温まで冷却しきっていない状態で
ある。このため、張力が除かれ、全長にわたって軸心部
までの冷却が完了し、また時効現象等を伴う寸法の変化
も安定した状態の完成品となるまでにはやや時間を要
し、表面焼入れ処理完了直後とではその伸縮変形量に厳
密には変化を生じていた。

【００３８】そして、この表面焼入れ処理完了直後から
安定した状態となるまでの間に生じる前記の変形量は比
較的僅かであることから従来の方法ではこれを無視し
て、表面焼入れ処理完了直後の伸縮変形量を基準伸縮変
形量に合致せしめるように制御していた。

【００３９】しかし、このためねじ軸等の表面焼入れ処
理の場合、高い寸法精度を必要とするものについてはな
お焼入れ後に仕上げ研磨加工をしなければならないとい
う問題点があった。

【００４０】そこで本発明は、焼入れ処理後の寸法精度
を高めてねじ軸等における仕上げ研磨加工を要しない範
囲を高精度側へ拡大することを目的とする。

【００４１】

【課題を解決するための手段及び作用】斯かる目的を達
成するための本発明の構成は、焼入れ途中の被処理材の
伸縮量を計測して焼入れ完了後の基準伸縮変形量との偏
差を認識し、この偏差を解消するに足る焼入れのための
移送速度等を推論し制御する表面熱処理方法において、
焼入れが完了した後、更に時間が経過し寸法が完全に安
定して落ち着いた状態になるまでの間に生じる伸縮変化
量をも見込んで制御するようにしたことを特徴とする。

【００４２】

【実施例】以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて
詳細に説明する。なお、本実施例は従来の長軸材の表面
熱処理方法の一部を改良したものなので、従来と同一部
分には同一符号を付して説明を省略し、異なる部分のみ
を説明する。

【００４３】被処理材の焼入れが完了した直後の伸縮量
をδ₁とし、その後更に時間が経過して完全に安定した
状態になったときの伸縮量をδ₂とすると、δ₁は未だ張
力が付加されており全長に亘って内部まで常温に冷却さ
れていない状態での伸縮量であり、δ₂はこれらの張力
の解放と全長に亘り内部まで常温になるまでの収縮が完
了し、更に寸法が完全に安定して落ち着く（時効効果）
までの時間が経過した状態での伸縮量である。従来は寸
法が完全に落ち着くまでの時間の経過と焼戻し処理がさ
れる場合のことを考慮しなかったが、本発明ではこれら
の点も考慮して制御するものである。

【００４４】被処理材の伸縮量を調整するには、焼入れ
途中に伸縮量を計測するとともに完成後の伸縮変形量を
演算処理によって予測し、この値と予め設定してある完
成後の基準伸縮変形量δ₂との偏差を絶えず零に修正す
るように焼入れ条件を調整する。この焼入れ条件の調整
は、前記従来の４条件の組み合わせからなる熱処理条件
について、予め基準伸縮変形量に対する基準熱処理条件
を設定し、更に熱処理途中で連続的に計測した伸縮量と
基準伸縮変形量との比較値に基づいてこれらの熱処理条
件を自動補正する。

【００４５】以下に本発明に係る長軸材の表面熱処理方
法を具体的に説明する。図１は被処理材の長さが変化す
る様子を示したものであり、図中の斜線部分を除いた部
分がねじ軸におけるねじの部分に相当する。ねじ加工さ
れたときには（Ｌ−δ₂）であった被処理材のねじ部分
が焼入れ直後には（Ｌ−δ₂＋δ₁）となり、完全冷却後
の安定状態ではＬになる。そして、焼入れする際におい
てはｘの位置まで焼入れ処理を行ったときの伸縮量の計
測値がδ_xであり、全長に亘って焼入れ処理を完了した
直後の予測伸縮量をδ₁₁とすると、δ₁₁＝δ_x・（Ｌ−
δ₂＋δ_x）／ｘとなる。

【００４６】また完全に冷却し安定状態となった完成後
の伸縮変形量の予測値をδ₂₁とするとδ₂₁＝Ｋ・δ₁₁＝
Ｋ・δ_x・（Ｌ−δ₂＋δ_x）／ｘとなる。そこで焼入れ
途中での伸縮変形量δ_xを連続的に計測するとともに完
成後の伸縮変形量の予測値δ₂₁の値を演算処理により求
め、この値と完成後の基準伸縮変形量δ₂との偏差を絶
えず零に修正するように焼入れ条件を自動補正する。上
式における常数Ｋの値は被処理材としての長軸材につい
て例えばロットごとに予め試し焼入れを行う等により求
めておくものである。

【００４７】焼入れ途中での伸縮変形量の制御は、図１
の（２）ａで示す焼入れ途中における実際の伸縮変形量
δ_xを検出し、図２，図３に示す手順でドライバ回転数
（移送用モーターの回転数）を増減して長軸材の移送速
度を補正して焼入れ深度の微調整を行うと共に、これに
合わせてインバータ電力（電源装置から誘導加熱コイル
に供給する電力）を増減して入熱量を調整し加熱温度の
一定制御を行う。

【００４８】なお、図２，図３の手順に従って焼入れ途
中での計測値δ_xから完成後の伸縮変形量の予測値δ₂₁
を演算により求めて完成後の基準伸縮変形量δ₂と比較
演算する代わりに、完成後の基準伸縮変形量δ₂から焼
入れ完了直後の基準伸縮変形量δ₁を演算により求めて
おいて、この値と計測値δ_xから演算により求められる
焼入れ完了直後の伸縮変形量の予測値δ₁₁とを比較演算
して両者の偏差を零に修正するように焼入れ条件を自動
補正する等としてもよい。

【００４９】また、焼入れ処理後に焼戻し熱処理が施さ
れる場合には、完成後の基準伸縮変形量δ₂の設定およ
び完成後の伸縮変形量の予測値δ₂₁の演算に当たってい
ずれもこの焼戻し熱処理に伴う伸縮変形量をも含めて設
定および演算を行うのがよい。

【００５０】なお、長軸材表面での誘導加熱される部分
の加熱温度の検出に当たっては図４に示すように温度セ
ンサによる測温値から長軸材の移送速度，外部からの外
光，焼入れの際の水量（水蒸気発生量）等の種々の外乱
要因の影響による外乱値を除いて真温度を得ると共に、
この真温度に基づいて誘導加熱コイルに供給する電力量
の自動制御を行うようにするとよい。

【００５１】なお、またこの加熱温度の一定制御や前記
の焼入れ途中での伸縮変形量の制御に当たってはファジ
ー推論を採り入れたファジー制御とすることがよい。

【００５２】このほか、移送速度と温度との関係は３段
階に変更し、熟練者に焼入れ適正温度となるようにマニ
ュアル入熱セッティングしてもらうことで長軸材の移送
速度と入熱の関係を自動学習する。また、ネジ径が大，
中，小の三種のものの焼入れをマニュアル運転すること
で夫々のサイズの移送速度−温度−入熱の関係を自動学
習すると同時に中間サイズについての移送速度−温度−
入熱の関係をファジー推論する。更に、温度調整は温度
設定をステップ状に変えてその応答具合から自動チュー
ニングを行うことがよい。

【００５３】

【発明の効果】以上の説明からわかるように、本発明に
よる長軸材の表面熱処理方法によれば、焼入れ完了直後
から更に時間が経過して寸法が完全に安定するまでの長
さの変化量も考慮して熱処理を行うので、焼入れ処理後
のネジ精度などの寸法精度を一層高めることができ、焼
入れ後の仕上げ研磨加工を要しない範囲を低精度ランク
から中精度ランクまで拡大できる。これにより仕上げ加
工機械の台数を少なくしたり省略できる。また、受注か
ら納入までの加工日数が短縮でき、価格競争，品質性能
競争，納期短縮競争の競争力が向上する。更に製品の品
質のバラツキがなくなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係り、被処理材の伸縮量の変化を示す
説明図。

【図２】本発明に係り、熱処理条件の制御手順を示す流
れ図。

【図３】本発明に係り、熱処理条件の制御図。

【図４】本発明に係り、転送面の温度推論のための説明
図。

【図５】被処理材の内部応力を示す説明図。

【図６】周波数と焼入れ深度との関係を示すグラフ。

【図７】移送速度と焼入れ深度との関係を示すグラフ。

【図８】予備加熱を行う焼入れ装置の要部を示す構成
図。

【図９】焼入れ深度と硬度との関係を示すグラフ。

【図１０】焼入れ深度と伸縮量との関係を示すグラフ。

【図１１】焼入装置の構成図。

【符号の説明】

１，１ａ，１ｂ…焼入装置、２…ねじ軸（被処理材）、
３…チャック、４…補助軸、８…移送用モータ、９…パ
ルスエンコーダ、１０…伸縮量検出センサ、１１，１５
…誘導加熱コイル、１２…焼入れ用冷却リング、１３，
１６…電源、１４，１８…温度センサ、１７…仕上げ転
造ロール、２１…連結部材、２２…テンションシリン
ダ。

Claims

【特許請求の範囲】【請求項１】長軸材の軸方向に長軸材または誘導加熱
コイルを移送して長軸材の表面に熱処理を施す長軸材の
表面熱処理方法であって、長軸材に軸方向への張力を付加するとともに、第１の条件としての誘導加熱コイルに供給する周波数お
よびその電力量，第２の条件としての移送する長軸材ま
たは誘導加熱コイルの移送速度および誘導加熱コイルに
供給する電力量，第３の条件としての長軸材に施す予熱
の温度および誘導加熱コイルに供給する電力量および長
軸材または誘導加熱コイルの移動速度，第４の条件とし
ての張力の値の４条件の内のいずれかまたは複数の組み
合わせからなる熱処理条件と、長軸材の軸方向の伸縮変
形量との関係を予め算出して基準伸縮変形量に対する基
準熱処理条件を設定し、熱処理を実施するに当たって軸
方向の伸縮変形量を連続的に検出して、この検出量と基
準伸縮変形量の比較値を制御量として算出し、前記４条
件の熱処理条件の内のいずれかまたは複数の組み合わせ
から成る熱処理条件を自動制御で補正することにより軸
方向の伸縮変形量を調整するようにした長軸材の表面熱
処理方法において、表面熱処理した長軸材の長さが安定した状態となった後
の伸縮量に基づいて基準伸縮変形量を設定すると共に、
加熱途中の伸縮量の検出量と基準伸縮変形量との偏差を
修正するように前記の熱処理条件を補正制御するように
したことを特徴とする長軸材の表面熱処理方法。