JPH072965B2 - 走査誘導硬化法の改良 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の技術分野） 本発明は誘導コイルとこれに直接並置した焼入噴射装置
を加工片の長さに沿って徐々に移動させて鋼の加工片を
表面硬化する方法に関する。

（従来技術） 加工片の表面層は約1000℃に加熱され、焼入れしたとき
にマルテンサイト相に変移する。マルテンサイト相は高
い表面硬度と大きな耐疲労性を与える。この方法の他の
例では鋼加工片は焼入れ流体槽内に全体が浸される。誘
導コイルによって生じた熱は局部加熱領域の流体を蒸発
させ、このため前記コイルがこの領域を通り抜けてしま
うまで焼入れを阻止し、通り抜けたときに焼入流体は加
工片の加熱領域に接触し、硬化が起こる。

この方法は“走査誘導硬化”と称される。典型的には誘
導コイルは加工片を囲む大きな断面の銅導体の単一の巻
回部（又は単一巻回部の一部）であり、冷却用水路をも
ち、低電圧の高周波の交流を給電される。普通、コイル
は静止し、加工片が硬化中移動する。しかし、コイルを
移動させ、加工片を静止させておくこともできる。本文
中で“移動”はコイルと加工片の移動の両方を含むもの
とする。

加工片は円形断面の場合、通常センタ間で回され、周囲
に一様に硬化層を分布させる。このようにしないとコイ
ル構造に起因して又は焼入リングの小さな凹凸に起因し
て加熱が僅かに非対称的になるため硬化層が不均一に分
布することになる。かかる配置は米国特許第3,525,842
号に記載されているが、この既知例の場合には導体が加
工片を取囲んでいない。

多くの場合、加工片は前の矯正作業による長手方向応力
の除去に起因して誘導硬化中に曲がる。前記矯正作業は
加工片の初期の製造段階か又は元の棒材を作ったときに
行なわれたものである。誘導加熱は外層又は“表面層”
の応力のみを除去するので心部の縦の残留応力が加工片
に曲げを生ぜしめる。

この問題点を解消する種々の方法が例えば米国特許第3,
988,179号に記載されており、この場合シャフト又は軸
はメリーゴーランド装置で硬化され、加工片の外面層が
１つの場所で単一ショット（shot）誘導子によって加熱
され、次いで第２の場所へ送られ、そこで１つのラム又
は複数のラムを赤熱した加工片に押当てて、焼入れ前に
加工片を矯正する。この方法は加熱段階中に外層の応力
を除去することによって生じる曲がりをすべて矯正する
利点をもつが重大なひび割れを生じ、加工片の焼入れ中
に起こる曲げを予防することはできない。

（発明の目的） 本発明の目的は上記従来の欠点を除去し、割れを生じ、
部品を曲げるというような従来法の危険性を実質上除去
することにある。

（発明の構成，効果） 上記従来の欠点は矯正装置と加工片間の物理的接触によ
って矯正力を加えることを回避する本発明によって解消
する。従来の方法によっては割れを生じ、部品を曲げる
というような危険性は本発明により実質上除かれる。

本発明によれば、曲がりが加工片に最初からあっても又
は硬化作業によって生じたものであっても硬化作業中に
加工片を矯正する方法が提供される。

従って焼入れ中、外面層に出来るマルテンサイト相の材
料は約２％又は３％の容積変化を起こし、このため外層
は圧縮状態に、従って心部の材料は引張状態にとどま
る。そこでもし何らかの理由で硬化層の深さ（典型的に
は約25〜30直径のシャフトで1.5mm）が一側において他
側より深ければ、表面層の圧縮応力は心部の引張応力か
ら打消され、曲げが生じる。この曲げは常に加工片の凸
状側が最も厚いマルテンサイト表面層をもつ側面に関連
するようなものとなる。

実際上、表面層の深さの離心率は近接加熱硬化によって
もたらされ、即ち加工片と誘導コイル間のすき間が最小
である場合に加工片の加熱が最大になることによっても
たらされる。この硬化は非線形的に変化する。かかる離
心率は加工片の初期の曲がり、センタの離心率によって
もたらされるか、又は硬化中の加工片の曲がりに起因す
る。加工片の初期曲がりはかかる普通の走査誘導硬化に
おいて増大する傾向がある。

本発明によれば、マルテンサイト層の深さの差に起因す
る硬化中の曲がり現象は硬化中に起こるゆがみを排除す
ることに加えて加工片のあらゆる初期曲がりを矯正する
ために利用され、最初に曲げられた加工片は硬化作業を
実質上確実にする。

本発明は交流電流で付勢される誘導コイルを加工片の長
さに沿って徐々に移動させ、その直後に加工片の加熱さ
れた部分を焼入れすることによって鋼の加工片を表面硬
化する走査誘導硬化法において、表面硬化される加工片
の曲がりの矯正作業が誘導硬化過程中加工片の直線度を
モニタし、それによって得た情報を使用して誘導コイル
と加工片の相対的位置を制御することによって、加工片
の加熱を制御し、大きな厚さの硬化材料層を加工片のす
べての曲がりの凹状側に形成して曲がりを除去するよう
に作用する矯正モーメントを生ぜしめることを特徴とす
る走査誘導硬化法にある。

この方法は加工片が硬化領域において、円柱形でなく、
非円形の誘導コイルを使用する場合に適用される。この
ため硬化中加工片を回すことは不可能である。それ故加
工片に沿って移動する間コイル及び／又は焼入リングに
必要な片寄りは加工片が通常は垂直下向きにコイルを通
過するときに生じるゆがみに応じて一方又は反対方向に
片寄ることによって生ぜしめられる。本発明によればこ
の場合、２つのプローブがコイルの直上で加工片に接触
する。前記プローブは互に直角をなす平面内に置かれて
あらゆる方向のゆがみを感知する。加工片中のすべての
初期曲がりは硬化開始前に別個の検査場所で又は加工片
が硬化前にプローブを通過するときの２つのプローブの
動きを記録することによって、加工片が装てん位置から
硬化が始まる最高位置へ移動するときに記録する必要が
ある。使用される片寄りは硬化中に生じるゆがみを打消
す要件によって連続的に記録され変更される加工片の元
の形状に基づいてなす計算から予想されるものとなる。

加工片が円柱形の場合には硬化を最も均一になすために
加工片を回すのが望ましく、それ故硬化中に矯正を行な
うためコイル及び／又は焼入リングは加工片に対して或
る軌道に沿って運行して、加工片が回るときにこれと同
期的にコイルと加工片軸線の間に所望の片寄りを保つこ
とが必要である。加工片と接触する単一のプローブはあ
らゆる曲げについてこの情報を与えるのに十分であり回
動駆動装置に備えた角度変換器はゆがみの向きを認識す
るために必要な残余の情報を与える。非円形加工片の場
合のように、片寄りは初期の曲げを矯正するのに必要な
片寄りと硬化ゆがみを矯正するのに必要な片寄りの合計
となる。

一般にかなり広い公差は、例えば硬化層が1.5mmの場合
に、硬化深さに許容され、普通は1mmと2mmの間の硬化層
深さ変動が容認される。一般にこの深さの差はもし本発
明を使用すれば、僅かに曲がったシャフトを矯正するの
に十分であり又は適度のレベルの残留応力を除くのに十
分である。

加熱深さの差は一般に加工片に対する誘導コイルの近接
度を変えることによって生ぜしめ、その際誘導コイルは
その長さに沿って凹状をなす側で加工片に最も近く、凸
状をなす側で加工片から最も遠くなるようになす。しか
し凸状の側と凹状の側に出来るマルテンサイト層の深さ
の差は他の手段によって、例えば焼入コイルを片寄らせ
ることによって、又は焼入コイルの周囲の焼入剤の分布
を局部的に変えて、焼入れ前の期間を長くして熱を径方
向内方により深く侵入せしめることによって一側に深い
マルテンサイト層を作ることによって、又は焼入コイル
の周囲の焼入剤の分布を局部的に変えることによって作
り出すことができる。

本発明のよれば、焼入リングを誘導コイルの直下に据え
付けて、それと一緒に移動させることによって焼入れを
制御することができる。この場合、誘導コイルが加工片
に接近するにつれて、焼入れリングも接近し、焼入れ度
がある程度増大する。従って、焼入れリングを誘導コイ
ルと一緒に移動させることによって焼入れの自動制御を
ある程度行うことが可能である。

本発明をより良く理解し、実施できるようにするため本
発明を実施例につき以下説明する。

（実施例の説明） 第1,第２は本発明の硬化された丸シャフトの典型的な断
面を示す。この図では硬化すべきシャフトは矯正するこ
とが望まれる初期の湾曲半径Ｒをもつものと仮定する。
本発明によれば硬化は、硬化層の深さ、即ちマルテンサ
イト層が他側より１側においてより大きくなってその重
心がシャフト軸線から小さな量“a"だけ変位するように
実施する。同様に非硬化の心部の重心はシャフト軸線か
ら“b"だけ反対方向に変位する。従って硬化層中の正味
圧縮力Ｐの作用線と心部の反作用の正味引張力Ｐの作用
線は距離“Z"だけ片寄り、曲げモーメントＭ＝P_zを棒に
作用させる。ここでＺ＝ａ＋ｂである。

外層の曲げの曲率半径Ｒは心部の曲げの曲率半径と実質
上同じであり、モーメントＭは硬化層と心部の間に分布
しなければならない。

ここで、 Ma＝硬化層におけるモーメント Mb＝心部におけるモーメント Ma＋Mb＝Ｍ＝Pz Ia＝硬化層の重心の断面二次モーメント Ib＝心部の重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Ibの値は硬化層の平均深さにそれ故変化量“a"とＲ
の値に関係するのは明らかである。

最初に半径Ｒに曲げたシャフトについては、上記モーメ
ントＭは棒をまっすぐにして極めて少量だけ半径Ｒを増
す傾向をもつ。同様にもし応力の除去によって硬化中に
半径Ｒの曲げが起これば、硬化層の変位は曲げを打消
す。

第３図は本発明の機械の側立面図である。

この機械は台１をもち、この台は柱２と共に垂直のすべ
り面棒３を支持する。この棒はキャリジ４の案内をな
し、上端に心押台６を、下橋に主軸台７をもつ。

加工片５は主軸台とキャリジの心押台の中心に支持さ
れ、主軸台７は下部センタ7aと駆動装置８を備え、これ
らは加工片に固着したキャリヤ９に掛合する。キャリジ
４は電気モータ9aによって垂直に移動し、親ねじ10を回
転させ、その下端はキャリジ４に軸支する。モータ9aを
回転させてキャリジを垂直に移動させて加工片５に所要
の硬化を行なう。加工片５はモータ11によって硬化作業
中回され、その角度位置は回転符号器12によって決定す
る。符号器はプローブから入力を受け、それを本発明法
の制御に使用する電気信号に変換する機能を有するもの
である。別法として加工片の断面が丸くないときは、上
記駆動装置は加工片をコイルに対して正しい向きに確実
に向くようにする。キャリジ４は4bで示す最下端位置へ
移動するか又は4aで示す最上端位置へ移動することがで
きる。両位置は破線で示している。最下端位置4bでは心
押台６の中心6aは焼入リング19の下に突き出て、中心6a
がノブ13によって垂直上方へ動いて、次の加工片を挿入
するために加工片を解放する。

加工片は第４図に示す誘導コイル14に取囲まれ、このコ
イルは単一巻回の銅の導体からなり、これは可撓性パイ
プ６に連結した冷却通路15をもつ。誘導コイル14は変圧
器箱18から延びる母線17に取付ける。

コイル14の直下に置いた焼入リング19はトロイド形通路
20をもち、この通路は加工片に直接可撓性パイプ21aか
ら供給される焼入流体を差向けるための複数の孔21が径
方向内方へ延びている。作業に際しては、丸い加工片を
硬化するとき、この加工片をモータ11によって回転さ
せ、同時にコイルと焼入リングを通して垂直下方へ移動
させ、この移動はモータ９と親ねじ10の作用によって行
なわれる。非円形の加工片の場合には、モータ11は作動
されない。

一旦変圧器18を付勢すると、誘導コイル14が加工片を第
４図に22で示すように局部的に加熱し、その短時間後に
孔21から出る焼入流体が加熱された区域を焼入れして硬
化させる。次いでこの硬化は加工片の全長に沿って行な
われるか又は部品の１部分を焼入れするために焼入前に
加熱して硬化を必要とする前記部分を硬化させる。

第５図に示すように、母線17を介して誘導コイル14を支
持する変圧器箱18は互いに直角をなすすべり面50,53上
に設けられ、親ねじ51,52、サーボモータ23,24によって
駆動される。こうしてコイル14は適当な制御器25によっ
て制御して水平面内で任意方向に動かされ、この制御器
は符号器12,30,31からの信号を入力し、サーボモータ2
3,24へ出力する。

中心6a,7aに対する加工片５の同軸性についての情報を
提供するため２つのプローブ26,27を加工片に対してば
ね押圧する。これらのプローブはベース１に固着したブ
ラケット32上に設けた回転符号器30,31の出力シャフト2
8,29に取付ける。加工片が丸くて、モータ11を付勢する
場合には唯１つのプローブを使用して情報を提供する
が、加工片が非円形であって回されない場合には両方の
プローブを使用する。

硬化工程中に起こる正確な曲げに要するコイルの正確な
片寄り量は所望の平均硬化深さや鋼組成等の多くの要因
に依存するが、通常の場合には片寄りはコイル14や焼入
リング19を動かして加工片の長手方向に凹状の側により
大きな深さの焼入層を作るようになる。正しい片寄り度
は実際上前述の物理的計算式に関係のある試行錯誤によ
って決められる。

加工片が第６図に示すように最初に曲がっている場合、
もっと精巧な方法を必要とする。

例えばもし加工片５の下半分の点37以下が真直ぐである
が上半分が中心35をもつ半径36で曲がっていると、中心
線34は回転したときセンタ6aと7aを結ぶ線33の回りに運
行する。

誘導コイル14はセンタ6a,7aによって垂直に運ばれなが
ら加工片５を硬化し始めようとしている。プローブ27は
中心線34,33の間の次第に増大する片寄りを検出する。
しかし加工片は点37までは真直ぐであるからコイル14は
正確に運行中心線34に追従して、望ましくない曲がりを
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を通して加工片５を予備的に上
向きに動かしてプローブ26,27によって検出されるすべ
ての曲がりをモニタし、これに関する情報を制御器25へ
送り、硬化を行なう間の加工片５の後続の下方移動中に
使用する。

すべての点に予期される正確な片寄りは硬化開始前に制
御器25に記録され、もしプローブ27によって検出した片
寄りが硬化中応力除去に起因して記録された偏りと異な
っておれば、コイル14の運行運動はこの曲がりを補正す
るように変更して点37まで中心線34を真直ぐに保つよう
にする。この点で運行半径38は39まで増して、コイル14
は第７図に示すように加工片５の長手方向で凹状の側に
近づき。点37より上の中心線34が次第に真直ぐにされる
程度まで接近する。

運行半径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に近づくつれて半径36をもつ長さが次第に減
少するからである。制御器25は運行半径39の新しい値を
計算するように配置し、プローブ27がその計算値を実際
値と比較する。例えば加工片中の応力除去又は小さな計
算誤差に起因して差が存在する場合にはコイル14の運行
半径は最初の計算値から適切に変化される。

実際上は、加工片は長さに沿ってかつ軸線36の回りの種
々の平面内で離間した種々の点に中心35をもつ種々の半
径36の幾つかの曲がりをもつものである。もし曲げ半径
36が加工片の仕様によって許される硬化層の最大片寄り
に関して補正できるものより小さければ、初期の矯正作
業を必要とする。

勿論、加工片の初期曲がりは半径として特徴づける必要
はなく、曲がりは連続的に変化する曲率から成る。しか
し上記に関しては最小半径の制限は瞬間半径を連続的に
計算する必要がある。

多くの場合、仕上げた加工片の曲げの局部領域はがまん
できるので、現実に存在するものより大きい半径を含む
ことによって加工片の形状を特徴づけることで十分であ
る。

上記説明では円形加工片の例について述べた。しかし硬
化中に回転させられない非円形の加工片の場合には２つ
のプローブを用いて初期曲がりと硬化工程中に生じる曲
がりの両方について必要な情報を制御器25に与えること
を除けば上記と同様な工程が使用される。

更に、誘導硬化される大部分の加工片はその後応力を除
去されるので、初期又は他の曲がりの或る程度の過剰補
正が必要である。この応力除去は一般に割れを生じるよ
うな最大応力を除去するようなものに過ぎない。それ故
かかる過剰補正は一般に最小限度になされる。

本発明の他の実施例では、必要な運動のすべてを加工片
に与え、コイルは静止したままとすることができる。

実験例 通常の走査誘導硬化機械を変更して、棒の角度位置を測
定する回転符号器、Ｘ軸とＹ軸（棒中心線に直角をな
す）における棒の逸れを測定する２つの直線符号器、Ｚ
軸における棒の移動を測定する直線符号器、Ｘ−Ｙ面内
で棒に対して相対的に誘導硬化コイルを移動させる２つ
のサーボモータを備えるように構成した。

SAE1040鋼の800mm長さ、25mm直径の棒を次の２種の方法
で硬化した。

（１）通常の硬化法：コイルは機械のＺ軸に対して相対
的に移動しない。

（２）本発明法：硬化中の棒の逸れを測定する。コイル
を棒の凹面側に接近するように位置させる。この実験で
は、与えられた矯正量は測定された逸れ量に比例した。

実験結果： 各方法で50本の棒をテストした。

“フィードバック硬化方式”（本発明）では、使用され
た比例ゲインは3.0であった。従ってもし直線からの棒
の逸れが0.5mmであれば、コイルの径方向片寄りは1.5mm
である測定結果は下表の通りであった。

通常の方法： 平均径方向曲がり 標準偏差 （mm） （mm） 0.436 0.187 本発明法： 平均径方向曲がり 標準偏差 （mm） （mm） 0.055 0.024 上表に示すように、本発明を用いた平均径方向曲がりは
通常の硬化法で得られた曲がりの殆ど10分の１であっ
た。かくして本発明法の効果が証明された。

図面の簡単な説明 第１図は本発明法により硬化される丸棒の立面、断面
図； 第２図は第１図のＡ−Ａ線上の断面図； 第３図は本発明法を実施する機械の側立面図； 第４図は第５図のＢ−Ｂ線上の断面図； 第５図は第３図のＣ−Ｃ線上の断面図； 第６図は典型的形状の曲がりをもつ加工片の１例を示す
図； 第７図は第６図の加工片の曲がりに結合する特定の時点
にコイルに与えられる矯正作用を示す図； １……台 ２……柱 ３……すべり面積 ４……キャリジ ５……加工片 ６……心押台 ７……主軸台 ８……駆動装置 ９……キャリヤ 11……モータ 14……誘導コイル 23,24……サーボモータ 25……制御器 26,27……プローブ 28,29……出力シャフト 30,31……回転符号器 51,52……親ねじ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−91324（ＪＰ，Ａ) 特公 昭59−37331（ＪＰ，Ｂ１)

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】交流電流で附勢される誘導コイルを加工片
   の長さに沿って徐々に移動させ、その直後に加工片の加
   熱された部分を冷却手段によって焼入れすることによっ
   て鋼の加工片を表面硬化する走査誘導硬化法において、
   表面硬化される加工片の曲がりの矯正作業が誘導硬化過
   程中加工片の直線度をモニタし、それによって得た情報
   を使用して誘導コイル加工片の相対的位置を制御するこ
   とによって、加工片の加熱を制御し、大きな厚さの硬化
   材料層を加工片のすべての曲がりの凹状側に形成して曲
   がりを除去するように作用する矯正モーメントを生ぜし
   めることを特徴とする走査誘導硬化法。
2. 【請求項２】焼入れは加工片に差向けた焼入噴射流によ
   って行う，特許請求の範囲第１項記載の走査誘導硬化
   法。
3. 【請求項３】前記得られた情報は加工片に対する焼入噴
   射装置の移動又は前記装置から出る噴射流の制御に使用
   する、特許請求の範囲第２項記載の走査誘導硬化法。
4. 【請求項４】丸棒の形をなす加工片を硬化するために、
   加工片は硬化中その長手方向軸線の回りに回され、前記
   棒の直線度はプローブによってモニタされ、前記プロー
   ブは加工片表面に当接しそして符号器を作動させるよう
   に配置し、符号器に出力はこの硬化法を制御するのに使
   用される、特許請求の範囲第１項記載の走査誘導硬化
   法。
5. 【請求項５】硬化法の開示前に加工片は初期曲がりを走
   査され、これにより得た情報もこの硬化法の制御に用い
   る、特許請求の範囲第１項記載の走査誘導硬化法。