JPH05505422A - 機械要素を高周波焼入れするための装置及び方法 - 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】 機械要素を高周波焼入れするための装置及び方法光唄の背景 本発明は一般に、誘導加熱の技術に関し、より詳細には、歯車等の機械要素を表 面硬化させるための誘導加熱の使用に関する。

歯車、スプライン付きのシャフト及びスプロケット等の機械要素は、高トルク荷 重、摩滅及び衝撃荷重を頻繁に受ける。例えば動力伝達装置の歯車は、通温の作 動の間に上記各々の力に遭遇する。代表的な歯車生産設備においては、歯車の歯 の機械加工の次に熱処理を行って歯を硬化させる。歯車の熱処理は種々のタイプ の操作を含み、これら総ての操作はある最適の特性を有する微粒組織を製造する という共通の目的すなわち単一の目的をもっている。しかしながら、硬化処理は しばしば歯車の歯を劣化させて低下した様々な品質を生ずる。

通常の熱処理に伴うこれらの問題を避けるために、また機械要素（歯車）の上述 の荷重及び摩耗の力に耐える能力を改善するために、選択的な硬化により、母材 は、硬化されたアウタケースを与える。このようにすると、変質するのは外側表 面だけであり、母材は、強度及び延性等の所望の性質を維持する。

歯車としてのそのような機械要素上のアウタケースを選択的に硬化させるための １つの技術は、歯車の歯を個々に高周波焼入することである。また同様に選択的 である他の硬化技術は、選択的な浸炭と呼ばれるプロセスである。単一の歯の高 周波焼入れは、歯間において前後に振動する成形インテンシファイヤにより実行 される。これは通常、クエンチ（冷却剤）中に浸漬された歯車に対して行われる 。一時に１つの歯車の歯だけが処理されるので、このプロセスは比較的ゆつ（す したものである。選択的な浸炭は最も広範に用いられており、またこのプロセス は、加熱操作の間に浸炭から保護すべき表面を浸炭活性カーボンの通過を阻止す る材料により被覆する段階を含む。カーボンの活性化を止めるために最も広範に 用いられている方法は銅メッキである。歯車は歯を除いてその総ての表面に銅メ ッキを施され、その後浸炭される。その部分は次に銅を剥離され、仕上げ加工さ れ、全体を再び銅メッキされ、加熱硬化され、そして焼入れされる。

浸炭操作の困難性及び経費に鑑み、幾つかの会社は、単一の歯に対して行う方法 とは対照的に、大規模に選択的な表面硬化を行うことのできる誘導加熱等の代替 的な技術を考えた。１９８７年６月２３日付けで発行されたミュー力（Ｍｕｃｈ ａ）他の米国特許第４，６７５，４８８号明細書は、上述の単一歯操作の変形例 を開示しており、この変形例の操作においては、一時に幾つかの歯を誘導加熱し て焼入れ硬化し、以前に硬化された歯の欠点を防止するために残りの歯を冷却す る（第１欄５５乃至６５行）。最終的には総ての歯が高周波焼入れされるが、イ ンダクタは極めて複雑でかつ高価なものである。上記米国特許はまた、包囲型の インダクタを用いて歯車の外周面を誘導加熱するための手段を考案する試みが他 の人により数年前に行われていることを述べており、この手段によれば、歯車を インダクタにより処理し、その直後に焼入れ硬化し、これにより歯車の外面に所 望の表面硬化を生じさせる。上記米国特許により示唆されたこの解決法において は、２つの誘導加熱コイルを提供し、被加工物を第１の誘導加熱コイルの中でこ れと同心円状に設ける。この第１のコイルは、第１の交番周波数電流により一定 の時間にわたって付勢される。消勢されると、被加工物はある遅延時間を過ごし 、その後、第１の誘導加熱コイルが第２の交番周波数により別の一定の時間にわ たって再付勢されるが、この別の一定の時間は、上記第１の交番周波数による第 １の時間よりもかなり小さい。この第２の時間が終わると、被加工物は直ちに第 ２の誘導加熱コイルの中に同心円状にして移送されて第２の遅延時間を過ごす。

この段階の次に、第２の誘導加熱コイルがラジオ周波数電流により第３の時間に わたり付勢され、被加工物を第２の誘導加熱コイルの中に置いた状態で、外面に 噴霧された急冷液体により外面を即座に急冷する。

数年前に、誘導加熱を行うための２重周波数構造が発表されており、この構造に よれば、低周波数電流を用いて歯車の歯を予備加熱し、次に高周波数（ラジオ周 波数）を用いて焼入れ硬化の前に最終加熱を行う。この２重周波数構造は、上記 米国特許においである程度採用されている。この２重周波数の概念はまた最近、 本願発明者により、１９８７年６月に出版された雑誌「熱処理Ｊ　（ＨｅａｔＴ ｒｅａｔｉｎｇ　Ｍａｇａｚ　ｉ　ｎｅ）の第１９巻Ｎ０１６に掲載された「２ 重周波数法による歯車の高周波焼入れ」と題する論文に記載されている。この論 文に記載されるように、２重周波数加熱の原理は、高周波及び低周波の両方の加 熱源を採用するものである。歯車は最初に、歯車の歯の質量を予熱するに必要と されるエネルギを提供する比較的低い周波数源（３−１０ＫＨｚ）により加熱さ れる。この段階のすぐ後に、高周波数源による加熱が行われるが、この際の周波 数は、歯車の寸法及び直径ピッチに依存して１００−３００ＫＨｚの範囲である 。高周波数源は歯の輪郭面全体を焼入れ温度まで急速に最終加熱する。次に歯車 を所望の硬度まで焼入れして焼戻しする。

２重周波数加熱は、歯車を加熱する周知の方法の中で最も迅速な方法である。

加熱時間は、０．１４から２．０秒の範囲である。これは例えば、歯車をレーザ で両層にスキャンするに要する４−５分間に比肩する。２重周波数加熱におし＼ ては、回転する被力旺物は、スピンドル中心付は固定具に乗っている状態で予熱 される。次に、迅速な「パルス」が最適な最終加熱を達成する。次に、被加工物 は、約３０秒間の全処理時間にわたって水基材のクエンチ（急冷剤）の中に導入 される。２重周波数は歯車焼入れ方法の中で特異なものであり、現存する方法に 対して競合し得る仕様を有している。すなわち、与えられた硬化深度の要求及び 歪みの制限に対して、通常の焼入れ方法においては、一方の要求を上げれば他方 の要求が低下する。２重周波数焼入れは必要な熱量だけ（通常の誘導加熱よりも ２−３倍小さなエネルギ）を部品に与えるので、硬化深度の要求及び歪みの両方 の仕様に正確に合致させることができる。

２重周波数又は単一周波数を問わずいかなる誘導加熱処理を用いても、また部品 のタイプ及びその材料に関係なく、部品の特性は、単一あるいは複数の誘導加熱 コイルの最適な設計及び最も適した機械の設定を必要とする。適正に設計された コイル及び適宜な機械の設定によってのみ、部品全体の強度、材料の延性及び部 品の仕様を維持しながら、摩耗及び荷重に対する耐久性の観点から最も適正であ ると考えられる輪郭及び表面硬化を得ることができる。１１！性の高すぎる歯車 は、歯車の素材本体からひび割れあるいは破断により歯が脱落することにより早 期に壊れてしまう。

従来は、固定されたコイルの設計が広範な種々の部品に対して用いられており、 また機械の設定は、誘導機のオペレータによる「最善の推量」に基づき行われて いた。コイルを固定していることにより１つの変数が排除され、オペレータは試 行錯誤法により零点調整して許容し得る最終的な部品を得ようとする。オペレー タは、熟練を積むにつれて多（のまた種々の部品を経験し、彼は、この経験を生 かすことのできる範囲において、許容し得る部品を得ることができるが、そのた めには繰り返しの試みを行う必要がある。

上記手法は全体的に科学的ではないために、期待しつる最善のものは許容し得る 部品であって最適な部品ではない。この問題点は、歯車等の不規則な形状の対象 物を誘導加熱する際に倍加される。与えられた部品に対して最適なコイルの仕様 及び誘導機の設定を正確に決定し、寸法、形状、材料あるいは他の特性に関係な （種々の部品に繰り返し使用可能な式を誘導する試みは今まで行われていない。

そうではなく、一般的な部品寸法に基づき大ざっばなパラメータを選定し、変数 の組み合わせが許容できる値に近づくまで機械の設定を操作していた。

コイルの仕様及び機械の設定の不確実さを避けるために、また機械要素の部品の タイプあるいは部品の形状及び特徴に関係な（高周波焼入れを正確にかつ最適な 態様で行わせるために、本発明は、コイルの仕様及び機械の設定を確立するため の要素部品の寸法及び特徴に基づいた一連の式を用いる機械構造及び高周波焼入 れの方法を提供する。個々の部品特性に基づき独特のコイル及び機械変数（設定 ）に対する仕様を科学的に計算するこのプロセスは、部品の高周波焼入れに対す る予測可能なかつ均一な結果を規則的かつ繰り返し可能な態様で可能とする。

従来は、実行することのできたいかなる計算も、精々表面積及び浸透深さにのみ 基づく初歩的なものであった。一連の式は、当て推量によるのではなく科学的に コイル及び機械の変数を設定することを可能として不必要な試行錯誤を行うこと を排除し、また同時に部品の品質を、単に許容し得るものからすなわち許容公差 の水準から最適な水準まで改善する。

非科学的で偶然に依存する従来の手法による方法を用いた場合には、機械のオペ レータがどの変数を変えるかについて何ら制御することがなく、また上述のよう に、一方の変数を変化させると他方の変数に影響を与え、これにより適宜な変数 の組み合わせが達成されることは決してなかった。本発明においては、設定の調 節あるいは微調整を必要とする場合には何らかのフィードバック及び可能性があ るが、１つの可変の基数を変える。さらに、フィードバック及び可能性のある調 節の必要性は、機械要素の破損あるいは機械パラメータの公差がらの逸脱にのみ 起因するものであって、一連の式及び等式（数学的なアルゴリズム）力坏正確す なわち雑に過ぎるためではない。

！唄９塁括 本発明の一実施例による、数学的なアルゴリズムの助けにより誘導コイルの仕様 及び誘導機の設定を計算する機械要素の高周波焼入れ方法は、機械要素に関連す る部品仕様データを提供する段階と、機械要素に対する誘導コイル仕様を上記数 学的なアルゴリズムにより計算する段階と、上記数学的なアルゴリズムにより誘 導機の設定を決定する段階と、特定された誘導コイルを形成する段階と、該誘導 コイルを上記誘導機に装填する段階と、上記決定された誘導機の設定を該機械に 与える段階と、上記機械要素を上記誘導機によるインダクションにより加熱する 段階と、上記機械要素を急冷する段階とを備えている。

本発明の１つの目的は、機械要素を高周波焼入れする改善された方法を提供する ことである。

本発明の関連する目的及び利点は、以下の記載から明らかとなろう。

２医の厘単望説盟 図１は、本発明の代表的な実施例による高周波焼入れに用いる誘導機要素のブロ ックダイアグラムである。

図２は、本発明の代表的な実施例による機械要素の高周波焼入れにおいて続行さ れるべき主要な段階の図解的なフローチャートである。

図３は、図２に示す方法に関連するより詳細な段階及びフィードバック・ループ を示すフローチャートである。

図３Ａは、図３のフローチャートの続きである。

図４は、本発明の方法を実施する際に使用するのに適した低周波誘導コイルの前 方立面図である。

図４Ａは、図４の低周波誘導コイルの平面図である。

図４Ｂは、図４の低周波誘導コイルの端面図である。

図５は、本発明の方法を実施する際に使用するのに適した高周波誘導コイルの前 方立面図である。

図５Ａは、図５の高周波誘導コイルの平面図である。

図５Ｂは、図５の高周波誘導コイルの端面図である。

図６Ａ及び図６Ｂは、部品に対する通常の誘導コイルと、本発明の代表的な実施 例による誘導コイルとを比較する概略図である。

図７は、誘導コイルと、加工ステージョンの一部を含む被加工物との配列を示す 概略図である。

吐土り穎叉血桝の脱去 本発明の原理の理解を促進するために、図面に示す実施例を参照し、またこの実 施例を説明するために特定の用語を用いる。しカルながら、これら実施例及び用 語により本発明の範囲を限定する意図は全くな（、図示の装置における変形及び 更なる変更、並びに以下に示す本発明の原理の更なる用途は、当業者により通常 予想できるものであることは理解されよう。

図１を参照すると、歯車等の機械要素の誘導表面硬化に用いられる誘導機のブロ ックダイアグラム１０が示されている。ワークステーション１１は、ブロック１ ２により示すように、総ての部品処理要素、スピンドル、スライド、変圧器等の 幾つかの電気的要素、要素部品（被加工物）、誘導コイル及び急冷ステーション を備えている。以下に説明するように、高周波焼入れすべき要素部品は、最終的 な高周波焼入れされた部品の微細構造を最適にするために実行されるべき特定の プロセス段階を必要とする。ある場合においては、高周波（Ｒ，Ｆ、　）及び低 周波（Ｌ、　Ｆ、　）の両方を与え、他の部品にはＲ，Ｆ、だけを用いる。この 目的のために、図１はＲ，Ｆ、発生機１３及びり、　Ｆ、発生機１４の両方を概 略的に示しており、これら両発生機はワークステーションに接続されている。こ れらＲ，Ｆ、及びり、Ｆ、発生機の実際の接続は、Ｒ，Ｆ、コイルだけにあるい はワークステーションに組み合わせて設けられているＲ　Ｆ、及びり、Ｆ、の両 方に対してそれぞれ対応する誘導コイルに行うことができる。制御ブロック１５ は、オペレータが操作する制御装置及び機器の残りの部分に対するインターフェ ース電子部品を示している。これらの制御装置は、ワークステーションにおける 活動（アクティビティ）と、Ｒ，Ｆ、及びり、　Ｆ、発生機との両方に接続され る。

好ましい実施例においては、誘導機は、コンピュータ／マイクロプロセッサ制御 装置と調和しており、この制御装置は、フロッピディスク等のデータ入力手段に よりマイクロプロセッサに入力された機械の設定及びコマンドにより、誘導機を 自動的に運転させることができる。フロッピディスクは、マイクロプロセッサに 接続されたディスクドライブ１５ａに装填される。フロッピディスクに、各処理 時間および順序、パワーレベル、部品移動データ等のデータが準備されていると 、選択したまたプログラムされた機械のプロセスがマイクロプロセッサにより自 動的に実行される。事象の順序の重大性と、正確に制御された時間、正確な時間 間隔、パワーレベル及び温度の重要性のために、誘導機の設定及び機械の変数に 完全に調和されたコンピュータ制御装置が必然である。そして、誘導コイルの仕 様及び機械の設定が得られたならば、その唯一の手段が、要素部品の輪郭を硬化 させる最適な手段を提供する。

図２を参照すると、フローチャート２０が示されており、このフローチャートは 、ブロック２１で示す数学的なすなわちコンピュータアルゴリズムを用いる本発 明の高周波焼入れ方法に用いることのできる幾つかの代表的なプロセスにおける 主要な段階の順序を示している。ブロック２１Ａにより示す初期の要素部品デー タを、要素部品の青写真あるいは他の部品仕様データシートから取る。この代わ りに、部品を検査して物理的な項目からあるデータを得るようにしてもよい。。

部品の特性により、ブロック２１Ｂにより示した選択された特定のプロセスを必 要とするであろう。この要素部品データ及びプロセスの選定を次に数学的な（コ ンピュータ）アルゴリズムに入力する。このアルゴリズムは、コンビエータソフ トウェアによって実行され、好ましいコイルの設計パラメータを計算し（ブロッ ク２２）、この設計されたコイル（ブロック２２Ａ）及び要素部品を受け入れる 誘導機に対する適宜な機械の設定を得る（ブロック２３）ために用いられる。

選択されたプロセス順序に応じてり、　Ｆ、及びＲ，Ｆ、コイルが共に使用され る場合には、ブロック２２で計算されたコイルの設計パラメータを次に両方のコ イルに対して編集（コンパイル）する。ＰＣ（パーソナルコンピュータ）あるい は同様のシステム上で動作すべきコンピュータソフトウェアとして構成された数 学的なアルゴリズムは、部品の詳細が代わると部品毎に変化する要素部品データ を利用する一連の式及び等式から成っており、これにより、特定の要素部品に対 して正確に仕立てられまた選択した要素部品が変わると容易に変更されかつ再設 定される誘導コイルの仕様及び機械の設定並びに制御を発生させる。機械の設定 は、ディスクドライブ１５ａを介してマイクロプロセッサに装填されたフロッピ ディスク上にプログラムされ（ブロック２５）、その後誘導機に入力される（ブ ロック３０）。

歯数、直径ピッチ、圧力角及び歯幅等の情報は、プリントあるいは仕様書から特 定されて誘導コイルのパラメータ及び誘導機の設定に用いられる要素部品データ （歯車に対する）の幾つかである。要素部品データを処理するために用いられる コンピュータプログラムは、本明細書の終わりに「リストＡ」と特定して記載さ れている。このプログラムにおいては、ステートメント（文）１４０−２８０は 、歯車を高周波焼入れするために選択された要素部品データを確認する。

種々の要素部品変数が種々の部品のタイプに対して選択されるであろうことは明 らかであるが、本明細書における開示は、表面硬化を必要とする機械要素部品の 大部分を構成するであろう歯車に基本的に焦点を当てている。部品からの初期の 入力データ（ブロック２１Ａ）は、歯車あるいはこれに関連する要素部品に付い ての関連データを計算（ブロック２４）するために用いられる。好ましい実施例 における場合のように、高周波焼入れ機械に、フロッピディスクあるいは同様の データ記憶手段と互換性のあるＮＣ（数値制御）あるいはマイクロプロセッサ型 の制御装置を装備すると、得られた機械の設定をそのようなフロッピディスクに 記憶（ブロック２５）させるか、あるいは他の適宜なデータ入力の形態に記憶さ せて機械に入力（ブロック３０）し、これにより機械の変数を自動的に設定し、 制御し更に調節することができる。

要素部品データが一旦得られると、計算を実行し、特別に設計されたコイルを製 造してワークステーションの機械に装着し、フロッピディスクをプログラムして ロードして、高周波焼入れ処理を開始する。図２に示すのは４つの異なったプロ セスシーケンスであり、これらシーケンスは特定の部品形状及び特定の部品デー タに応じて適正であることが証明されている。プロセス「Ａ」　（ブロック２６ ）は２重周波数（Ｒ，Ｆ、及びり、　Ｆ、　）誘導を含み、このプロセスにおい ては、部品を最初に第１のコイルにより低周波で予熱し、その後筒２のコイルに より高周波（Ｒ，Ｆ、　）で最終加熱段階を行う。上述のように、焼戻し段階も 低周波誘導により行うことができる。プロセスｒＢＪにおいては、予熱段階及び 最終加熱段階は共に高周波誘導により実行される。予熱は高周波のパルスにより 行われ、一方最終加熱は、連続的な高周波を与えることにより実行される。プロ セスｒＢＪは、プロセスｒＡ４と同様に低周波の焼戻しを採用している。

ブロック２８はプロセスｒＣＪの段階を示しており、このプロセスは、高周波パ ルスによる予熱を行い、その後高周波による最終加熱を行う。プロセスｒＪとプ ロセス「Ｃ」との間の唯一の違いは、プロセス「Ｃ」は焼戻し段階に対してパル ス高周波誘導を用いている点である。本発明と共に用いることができる幾つかの プロセスの変形例の一例として選択された最後の第４のプロセスがブロック２９ に示されており、これはプロセスｒＤＪと特定される。プロセスｒＤＪとプロセ ス「Ｃ」との間の唯一の違いは、プロセスｒＤ４が、高周波による最終加熱の前 の、追加の予熱段階を含んでいる点にある。初期の予熱段階に追加されるこの追 加の段階は、高周波パルス誘導により実行される。特定のプロセスの選定は、部 品の形状及び歯車に対する直径ピッチ等の関連する要素に支配される。

好ましい実施例においては、高周波焼入れすべき要素部品はワークステーション １１においてコイルと相対的に位置決めされる。コイルを静止した状態に維持し ながら、要素部品を回転させる。垂直な中心線の間（図６Ｂ！照）、あるいは頂 部及び底部取り付は中心の間、又は固定具の間に要素部品を固定することができ る。部品は、頂部すなわち最も上方の位置で始まり、第１のコイルから第２のコ イル（もし使用していれば）へ下方かつ軸方向に段階的に割り付けされ、次いで 再び急冷位置に向かって下方へ割り付けされる。予熱あるいは最終加熱のために 用いられるコイルの１つを用いて焼戻しが実行される。所望の誘導加熱を達成す るために、コイルを、選択した要素部品の外面の周囲でこれに近接して位置決め する必要がある。従って、部品が予熱コイルを物理的に通過して最終加熱コイル あるいは急冷に向かって下方かつ軸方向に移動することができるかどうかを判定 するために、部品の寸法及び輪郭の全体を考慮する必要がある。部品のいずれか の部分が硬化すべき表面よりも大きければ、被加工物をコイルを通して１つの位 置から他の位置へ移動させることができない。もしこの部品の運動が制約される ならば、プロセス「Ｃ」が選択される。その理由は、プロセス「Ｃ」においては 第２のコイルが存在せず、総ての加熱は単一の高周波誘導コイルにより行われる からである。プロセス全体にわたって部品の厳密なかつ正確な運動を維持するた めには、軸方向の対称性、及び中心並びに急冷位置に対するコイルの同心円状の 　置決めが必要であることを認識することが重要である。

特定のプロセスを選択する際に考慮すべき他の事項は、歯車の直径ピッチ及び可 能な発生機パワーである。例えば、４−１０の直径ピッチを有する歯車に対して は、要素部品の形状が許すならばプロセス「Ａ」が好ましい。１０．１乃至２４ の直径ピッチに対しては、同様に要素部品の形状が許すならば、プロセスｒＢＪ あるいはプロセスｒＣＪを用いることができる。３乃至６の直径ピッチに対して は、用い得る発生機及びそのパワーレベルによるが、プロセス「Ａ」の代わりに プロセスｒＤＪを用いることができる。プロセスを選択したならば、歯数及び歯 幅等の多数の部品変数を、［リストＡ」により特定して計算する。

低周波焼戻しくプロセスｒＡＪ及びプロセス「Ｂ」）を、低周波予熱と共に実行 するのが好ましく、従ってこれら２つの設定を有するプロセスが基本的に好まし い。発生機のワット数の問題により、部品が十分に発生機パワーを受けていなけ れば、プロセスｒＤＪの特別の予熱段階が、高ワツト数の発生機を新規に購入す ることなく、許容可能な部品をもたらす。

低周波発生機１４は、約３−１０ＫＨｚの周波数範囲を有しており、またこの低 周波誘導により生ずる加熱は部品の深いところで始まって部品の外面に向かって 外向きに作用する。可変周波数範囲を用いるのではな（，３−１０ＫＨｚの範囲 内の特定の周波数を選定することができるが、この固定周波数は実際には、焼入 れすべき要素部品が単一であり多数の部品ではない場合にのみ選択できるもので ある。低周波発生機のワット数は、ソリッドステート型のインバータを用いて１ １００Ｋに固定することができる。

高周波（Ｒ，Ｆ、　）発生機１３は、約１００−３００の周波数範囲を有してい る。この高周波発生機のワット数は、２００乃至９００Ｋｗの間で変動可能であ る。

４つの異なったプロセスシーケンスを示唆したが、４つのプロセスの段階を混合 し、プロセスｒＡＪ乃至プロセスｒＤ」に示唆されたもの以上のプロセス段階の 順列を作ることができる。

図３及び図３Ａを参照すると、フィードバック論理を備えた図２のプロセス「Ａ 」のプロセス段階が、コンピュータアルゴリズムの一連の式及び特定のプロセス に従って最初に実行された部品に対して詳細に説明されている。特定の部品に対 するコイルの設計パラメータ及び誘導機の設定の計算は、上記一連の式により行 なわれており、機械の変数が設定され（ブロック３２）、またコンピュータ制御 されるまたはコンピュータ制御可能な誘導機に、フロッピディスクを装填する。

次に部品を機械に装填し、特別に製造された誘導コイルをワークステーションに 定置する。

プロセスｒＡＪにおいて、最初の段階はブロック３３における低周波誘導予熱で ある。この段階の次に、ブロック３９における最終加熱段階、ブロック４４にお ける急冷、及びブロック５６における低周波焼戻しがある。破線で示す多数のブ ロック及びこれらを接続する破線の矢印は、モニタ、チェック及びフィードバッ ク機能を表している。しかしながら、これらの機能は単に選択的なものであり、 数百あるいは数千サイクルが新しい機械で実行されるまでは必要のないものであ ろう。予熱段階の次に、部品は、この部品の材料及び適正な熱処理のための要件 に基づく所定の温度にならなければならない。部品の温度はブロック３４におい て自動的にチェックされ、また次の段階においては、上記温度に応じて３つの選 択が可能である。部品の温度が低ければ、誘導コイルへのパワーが増加され、論 理パス３５及び次の部品が動作される。同様に、部品の温度が高ければ、パワー が減少され、論理バス３６及び次の部品が動作される。これらのパワーの調節は 、適正なパワーレベルが測定されるまで、必要回数（Ｘ回）行うことができる。

しかしながら、適正なパワー設定を得るために３回あるいは４回の試みが必要と される場合には、恐らく装置には何らかの問題あるいは困難性があるはずであり 、従って機械を停止して低周波発生機あるいはセンサをチェックする必要がある 。

部品の温度が所定のレベルに対して許容範囲内にあれば、第３の論理パス３７が 常に実行される。この特定の温度が記録され、また部品は最終加熱に進み続ける （ブロック３９）。

ブロック３９における最終的な加熱段階（高周波）の次に、部品温度のチェック が再開される。同一の３つの論理パス４０．４１および４２が存在し、繰り返し の試みの回数が変数ｒＸＪとして設定される。部品温度が低ければ、パワーが論 理パス４０により増加される。温度が高すぎれば、パワーは論理パス４１により 減少される。いずれの場合においても、他の部品が最終加熱段階に送られ、そし てパワーレベルが決定されまた部品温度が許容範囲内になるまで、部品温度がさ らにチェックされる。部品温度に基づき許容できる部品は、論理パス４２を介し て急冷（ブロック４４）の前の中間の段階４３に移行する。段階４３において、 エネルギモニタがチェックされ、その読みが選択されたレベルよりも高いかある いは低いことが判明すると、部品の連続番号が記録される（ブロック４５）。ブ ロック４６に到達した部品は総てブロック４７へ通過しく直接あるいはブロック ４５を介して）、このブロック４７から急冷段階に移行する。

ブロック４４に示された急冷段階は、圧力及び温度の両方に関係するものである 。冷却の後の圧力が低いと、ポンプがチェックされ（論理パス５０）、この点に おいて問題があると、機械を停止する。圧力が高いと、フィルタＡ及びＢを切り 替え（論理パス５１）、他方のフィルタをプロセスで使用しながら一方のフィル タを洗浄することができる。ブロック５２における圧力の読みが許容できる値で あれば、温度のチェックを行い、高い温度あるいは低い温度に対する２つの調節 が行われる。ブロック５３における温度の読みが許容できるものである場合には 、圧力及び温度を記録（ブロック５４）した後に、部品は焼戻し段階に入る。

急冷ステーションに、切り替え可能でかっポンプと協働するように配設された２ つのフィルタ網を設けることにより、一方のフィルタが閉塞した場合のバックア ップが存在することになる。

焼戻し段階（ブロック５６）が、２つのフィードバックバス５７および５８と共 に図示されている。部品温度がブロック５９でチェックされてその結果に応じて パワーが増加あるいは減少され、次の部品に移る。正しいパワーレベルにゼロ調 整して所望の部品温度を得るためにあまりにも多（の試みが必要とされる場合に は、機械を停止して発生機又はセンサをチェックする。許容できる温度を記録し て（ブロック６０）、次の部品に移る。予熱段階においては異なった段階を取る が、関連する論理フローバスがプロセスＢ、ＣおよびＤに対して行われる。

上記説明は試行錯誤法を示唆するものかもしれないが、誘導コイルのパラメータ 及び選択したどのような部品に対する機械の設定を決定する際の誘導された式の 精度及び機械性能の再現性の観点から、機械のサイクルが数千を越さなければ数 百に対して多くのフィードバックループが必要であるとは思われない。多（の繰 り返しサイクルの後にのみ、機械要素が性能の低下を受ける機械があるかもしれ ない。フィードバックループを考慮する必要があるのはそのような多数のサイク ルの後だけである。更に、フィードバックループにおいて実行されるモニタ及び チェックは、コンピュータ制御装置及びコンピュータディスクのソフトウェアに より自動的に行われる。数学的なアルゴリズムを構成する→の式及び等式の処理 を受ける各々別個の形状の部品が、恐ら（別個の組のコイル及び機械データを生 ずるが、これらの式はいかなるタイプの部品をもほとんど処理することができる 。要素部品の変数が選択されて上記式で処理され、これにより母材に対する最も 望ましい材料特性を備えた最適な表面硬化が生ずる。また、コイルの設計及び多 数の機械の設定に対する多数の変数があるが、フィードバックループを介する数 千サイクルの後に実行される唯一の調節はパワーである。これは自動的に行うこ とのできる調節である。コイルのパラメータ及び機械の設定を計算するために用 いられる一連の式の妥当性は非常に高く、その結果が非常に正確であるために、 他の総ての設定はそのままであり、最少量の「トイ−キング（ｔｗｅａｋｉｎｇ ）Ｊはパワーの変動によってのみ行われる。

一連の計算式は、データ入力及び計算を容易にするためにコンピュータプログラ ム（プログラムＡ）に編集される。コンピュータプログラム及び等式にしたがっ て手計算することも勿論選択できるが、手計算は、コンピュータプログラムを用 いることに比べると速くもないしまた便利でもない。変数及び実行しなければな らない種々の計算段階の理解を助けるために、記述的なテキストをプログラムプ ログラムリストの一部としてプログラム本文の中に直接食めである。フロー、論 理及び実際の等式並びに式が明瞭に示されており、また要素部品のパラメータ及 び特徴に基づいた計算結果が、プログラムステップ及びデータ入力に従って十分 に説明されている。

このメインプログラム（リストＡ）を特定の部品に対して実行すると、２つの補 足的なプリントアウトが生ずる。これら２つのプリントアウトはまた、本明細書 の最後かつ請求の範囲の前に与えられている。第１のプリントアウトは、「リス トＢ」と題されており、３つの別個のサブリストによって入力データ、歯車デー タ及びコイルデータを与えている。仮想の会社及び部品に対してメインプログラ ムを実行して実際のデータを生じさせ、その結果を単に例を示す目的でリストに 示しである。低周波＜Ｌ、　Ｆ暑及び高周波（Ｒ，Ｆ暑の両方のコイルに対する コイルデータがリストされている。このコイルデータは、低周波コイル７０（図 ４、図４Ａ及び図４Ｂ）及び高周波コイル７１（図５、図５Ａ及び図５Ｂ）に対 して示された設計変数に与えられる。それぞれの図に示すコイル変数（Ａ、Ｂ、 Ｃ等）を実際に誘導された数値で置き換えることにより、所望の誘導コイルを製 造するために十分な設計データ及び寸法情報が得られる。次に、設計されたコイ ル７０．７１を製造し、用いた正確なアルゴリズムの結果として、コイルが特定 の部品に独特に合致する。

メインプログラムから生じた第２のリストは「リストＣ」と題されており、設定 すべき総ての機械変数をプリントする。このリストも、何時どの順番でどの機械 の設定を行うかに関する指令を段階的に提供する。これらの設定は総て、マイク ロプロセッサに接続されたディスクドライブに、生成したフロッピディスクをロ ードすることにより、正確かつ自動的に行われる。

本発明の他の特徴は、傾斜したすなわち角度の付いた高周波誘導コイル７１の使 用にあり、このコイルは、部品の周囲に置かれ、単一の螺旋ピッチがシリンダ上 に現れる視覚的効果を生ずる。部品は約６００ｒｐｍで回転され、一方コイルは 静止したままである。部品に対する本発明のコイルの形状が図６Ｂに図解的に示 されており、また同一の部品７３に対する通常のコイル７２が図６Ａに図解的に 示されている。伝統的なすなわち従来技術の手法では、誘導コイルは一般に、直 線的な円筒体すなわち円筒形のスリーブであり、この円筒形は焼入れすべき部品 の領域とほぼ等しい軸方向の高さを有している。部品は、約５Ｏｒｐｍのゆつ（ つとした速度で回転される。これらの条件は、部品の母材の中まで深く浸透する 良好でない品質の表面硬化を生ずる。歯車及びこれに関連する歯の要素の場合に は、これらの歯は脆くなり過ぎて破損あるいはひび割れを生ずることがある。

角度付きの誘導コイル７４を用いると共に、従来技術の装置における５０ｒｐｍ とは反対に６００ｒｐｍというかなり高い回転数を部品に与えることにより、表 面硬化は極めて均一となり、母材の上に均一な厚みの硬化されたケースを提供し 、該ケースは、その望ましい強度、材料の延性及び部品の仕様を維持している。

従来技術の手法と、この角度付きの誘導コイルを有する本発明の形状とが図６Ａ 及び図６Ｂに比較されている。

図７を参照すると、本発明の主要な要素の幾つかに対する配列が図解的に示され ている。図示のように、好ましい実施例では歯車であって、垂直な中心８０およ び８１　（破線で示しである）の間に装着された被加工物７３に対して、高周波 焼入れが行われている。矢印８２は、最初は低周波誘導コイル７０の中に位置決 めされる歯車の軸方向の運動方向を示している。次の段階においては、歯車を高 周波誘導コイル７１へ通し、そこから急冷ステーション８３に移送される。低周 波による焼戻しが必要であれば、歯車を低周波コイルに向けて軸方向に戻す。回 転駆動部材８４が歯車に所望の回転運動を与える。

角度付きの誘導コイルは、それぞれ直線的で略平行な内側及び外側の壁部７５． ７６を有する螺旋形状の環状のリング形状を有するものとして最も良（説明され る。

図面及び上の記載において本発明を詳細に図示しかつ説明したが、これら説明し たものは例示であって本発明の特性を制限するものではないと考えるべきであり 、好ましい実施例のみを図示しかつ説明したのであって、本発明の精神の範囲内 にある総ての変形及び変更は保護される必要があることを理解すべきである。

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Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. １．誘導コイルの仕様及び誘導機の設定を計算するために数学的なアルゴリズム の助けを受けて歯車を高周波焼入れするための方法であって、（ａ）高周波焼入 れすべき歯車に対応する直径ピッチを含む部品仕様データを提供する段階と、 （ｂ）前記部品の仕様データを導入して前記アルゴリズムを実行する段階と、（ ｃ）歯車のタイプに応じて予め選択した前記数学的なアルゴリズムに従って前記 歯車に対する誘導コイル仕様を引き出す段階と、（ｄ）前記数学的なアルゴリズ ムに従って誘導機の設定を決定する段階と、（ｅ）前記誘導コイルの仕様に従っ て特定の誘導コイルを構成する段階と、（ｆ）前記特定の誘導コイルを前記誘導 機に装填する段階と、（ｇ）所定の誘導機の設定を該機械に与える段階と、（ｈ ）前記誘導機により前記歯車を誘導加熱する段階と、（ｉ）前記歯車を急冷する 段階とを備える高周波焼入れ方法。
2. ２．請求項１の高周波焼入れ方法において、誘導機の設定を確立しかつ監視する ためのマイクロプロセッサを提供する追加の段階を含む、高周波焼入れ方法。
3. ３．請求項２の高周波焼入れ方法において、前記与える段階（ｇ）が、前記誘導 機の設定をコンピュータディスク上でフォーマットし、該コンピュータディスク を、前記マイクロプロセッサに接続されたディスクドライブに装填する段階を含 む、高周波焼入れ方法。
4. ４．周波数発生機、ワークステーション、ディスクドライブ及びマイクロプロセ ッサが装備された高周波焼入れ機械を用いて、歯車を高周波焼入れする方法であ って、 （ａ）高周波焼入れすべき歯車に対して、直径ピッチ、歯数及び歯幅を含む特定 の歯車データを決定する段階と、 （ｂ）前記特定の歯車データによりコンピュータアルゴリズムを実行し、該コン ピュータアルゴリズムにより、前記歯車に対する誘導コイルの仕様データ及び誘 導機の設定を得る段階と、 （ｃ）前記誘導コイルの仕様データに従って誘導コイルを形成する段階と、（ｄ ）前記誘導機の設定をコンピュータディスク上にフォーマットする段階と、 （ｅ）形成した誘導コイル及び焼入れすべき歯車を前記ワークステーションに定 置する段階と、 （ｆ）前記形成した誘導コイルを前記周波数発生機に電気的に接続する段階と、 （ｇ）前記コンピュータディスクを、前記マイクロプロセッサに接続されたディ スクドライブに装填する段階と、 （ｈ）前記フォーマットされたコンピュータディスク上の誘導機の設定に従って 高周波焼入れ操作を実行する段階とを備える高周波焼入れ方法。
5. ５．歯車の輪郭を焼入れするための高周波焼入れ機械であって、前記歯車を受け 入れるように設計されかつ配列されたワークステーションと、高周波発生機と、 前記歯車の周囲に嵌合する寸法になされると共に前記ワークステーションに設け られ、また前記高周波発生機に電気的に接続されて前記歯車を介して高周波電気 信号を発生する高周波コイルと、 前記高周波電気信号のタイミング及び継続時間を制御するように作動可能なマイ クロプロセッサ手段と、 機械制御情報を含む前記マイクロプロセッサ手段に接続されて前記歯車の高周波 焼入れ操作を自動化するデータ入力手段とを傭えて成り、前記機械制御情報が、 歯車の直径ピッチを含む歯車のパラメータに基づかれたコンピュータアルゴリズ ムにより引き出されることを特徴とする高周波焼入れ機械。
6. ６．請求項５の高周波焼入れ機械において、前記高周波コイルは、角度が付けら れた環状のリンク形状を有している、高周波焼入れ機械。
7. ７．請求項６の高周波焼入れ機械において、前記ワークステーションに設けられ る低周波コイルを更に含む、高周波焼入れ機械。
8. ８．請求項７の高周波焼入れ機械において、前記低周波コイルは、前記高周波コ イルから隔置され、更に、前記歯車が干渉を受けることなく一方のコイルから他 方のコイルへ通過することができるように、設計及び配列されている、高周波焼 入れ機械。
9. ９．請求項８の高周波焼入れ機械において、前記ワークステーションの中に急冷 ステーションを更に備え、前記歯車が前記コイルから出て前記急冷ステーション に入れるように位置決めされる、高周波焼入れ機械。
10. １０．請求項５の高周波焼入れ機械において、低周波コイルを更に備え、該低周 波コイルは、前記歯車が一方のコイルから他方のコイルへ干渉を受けずに移動で きるように、前記高周波コイルに対して相対的に位置決めされている、高周波焼 入れ機械。
11. １１．請求項５の高周波焼入れ機械において、前記データ入力手段が、前記機械 制御情報でフォーマットされたコンピュータディスクを備える、高周波焼入れ機 械。
12. １２．歯車を高周波焼入れする際に用いられる高周波焼入れ機械であって、周波 数発生機と、 該周波数発生機に電気的に接続された誘導コイルとを備え、該誘導コイルが、ほ ぼ平行な内側及び外側の壁部を有する角度付きの環状のリンクの形状になされて いる、高周波焼入れ機械。
13. １３．請求項１２の高周波焼入れ機械において、前記歯車の１つを支持しかつ回 転させるための垂直な中心を更に備え、前記誘導コイルが、前記垂直な中心の長 手方向の軸線とほぼ同心円状の関係にある、高周波焼入れ機械。
14. １４．請求項１３の高周波焼入れ機械において、前記歯車を２００ｒｐｍよりも 高い速度で回転させるように作動可能な駆動手段を更に備え、前記誘導コイルは 静止状態を維持する、高周波焼入れ機械。