JPH08506142A - 高周波焼入れ機械要素用の装置及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ハイポイド歯車（２７）の輪郭を焼入れするための高周波焼入れ機械（２０）は、プログラム可能な論理制御装置ユニット（２１）と、急冷液体源（４０）と、高周波誘導発生器（２２）とを備え、該発生器は、高周波誘導コイル（７０）を作動するように該高周波誘導コイルに接続され、該高周波誘導コイルは、概ね円錐形の下面（７１）を有すると共に、ハイポイド歯車（２７）の上方で該ハイポイド歯車と同心円状に配列される。ハイポイド歯車（２７）用のサポートプレート（２８）が、回転駆動モータ（３０）に接続され、ハイポイド歯車を約９００乃至１８００ＲＰＭで回転させると、誘導コイル（７０）が、継続時間が比較的短い４つの低エネルギパルスで励起される。最終的な加熱工程は、高エネルギパルスであって、その後直ぐに急冷工程が行われる。ハイポイド歯車（２７）の下面（７１）と上面との間には、傾斜角度が形成され、これにより、外端部（７２）から内端部（７３）へのバランスされた熱が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】 高周波焼入れ機械要素用の装置及び方法 関連出願の参照 本件出願は、１９９２年２月２０日に出願された、シリアルＮｏ．０７／８３ ９，３３３及び０７／８３９，３３２の一部継続出願であって、シリアルＮｏ． ０７／８３９，３３３は、分割特許出願であり、シリアルＮｏ．０７／８３９， ３３２は、１９９１年５月３１日に出願され、現在は、１９９２年６月２３日に 発行された米国特許第５，１２４，５１７号である、シリアルＮｏ．０７／７０ ８，８９６の継続特許出願である。 発明の背景 本発明は、概括的には、誘導加熱の技術に関し、より詳細には、誘導加熱を用 いて、歯車の如き機械要素を表面硬化するための技術に関する。 歯車、スプライン付きのシャフト、及び、スプロケットの如き機械要素は、高 いトルク荷重、磨耗、及び、衝撃荷重を受けることが多い。例えば、動力伝達装 置の歯車は、通常の運転の間に、上述の各々の力を受ける。代表的な歯車製造設 備においては、歯車の歯の機械加工の後に、熱処理をして歯を焼入れする。歯車 の熱処理操作は、多くの異なるタイプの作業を含み、そのような作業は総て、あ る最適な性質を有する微粒組織を製造するという、共通のすなわち単一の目的を 有している。しかしながら、そのような焼入れプロセスは、歯に歪みを生じさせ 、歯車の品質を低下させてその品質を変動させる。 従来の熱処理技術に関連する上述の問題を解消すると共に、上述の荷重及び磨 耗力に耐えるように、機械要素（歯車）の機能を改善するために、選択的な焼入 れにより、基材金属すなわち母材に外側硬化層が与えられる。このようにすると 、変質するのは外側面だけであり、母材は、強度及び延性の如き望ましい性質を 維持する。 歯車の如きそのような機械要素のこの外側層部を選択的に焼入れするための１ つの技術は、歯車の歯を別個に高周波焼入れすることである。また、選択的な他 の焼入れ技術は、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、歯車の歯の空間の中で前後に振動する、成形されたインテンシファイア （ｉｎｔｅｎｓｉｆｉｅｒ）で行われる。通常、この焼入れは、歯車を急冷液の 中に浸漬させた状態で行われる。このプロセスは、一時に１つの歯が処理される ので、比較的遅い。選択的な浸炭は、最も広く使用されており、そのプロセスは 、炉の作業の間に活性炭素の通過を阻止する材料で、浸炭から保護すべき表面を 覆う工程を含む。炭素の活性を止めるために最も広く使用されている方法は、銅 メッキである。歯車は、その歯を除く総ての表面に銅メッキが施され、その後浸 炭される。次に、部品から銅を剥がし、仕上げ機械加工を行い、全体に再び銅メ ッキを施し、炉で焼入れし、そして急冷する。 上記浸炭プロセスの困難性及び費用のために、各企業は、単一の歯に行う方法 ではなく、大規模に行うための、誘導加熱の如き、選択的な表面硬化を行うため の代替技術を考えている。１９８７年６月２３日に発行された米国特許第４，６ ７５，４８８号（ムカ他（Ｍｕｃｈａ ｅｔ ａｌ．））は、上述の単一歯プロ セスの変形例を開示しており、このプロセスは、誘導加熱を行う工程と、幾つか の歯を一時に急冷硬化させ、一方、残りの歯を冷却させる工程とを含み、これに より、上述の硬化した歯の欠点を阻止している（第１欄、第５５−６５行）。最 終的には、総ての歯が高周波焼入れされるが、誘導子（インダクタ）は、極めて 複雑で且つ高価である。上記ムカ他の米国特許はまた、包囲する誘導子（インダ クタ）を用いることにより、歯車の外周面を高周波焼入れし、これにより、歯車 を誘導子（インダクタ）によって処理して、歯車の外側面に所望の表面硬化を形 成するための手段を、他の研究者が数年にわたって考案しようとしていることを 述べている。ムカ他の米国特許によって示唆された解決策は、２つの誘導加熱コ イルを設け、被加工物を第１の誘導加熱コイルと同心円状に配列することである 。上記第１のコイルは、第１の交番周波数電流で、一定の時間にわたって励起さ れる。一旦励起されなくなると、被加工物は、時間遅延を受け、その後、第１の 誘導加熱コイルは、第２の交番周波数電流で別の一定時間にわたって再度励起さ れ る。この別の一定時間は、第１の交番周波数電流による上記第１の一定時間より も十分に短い。上記第２の一定時間が終わると、被加工物を、第２の誘導加熱コ イルへ直ちに移して、該第２の誘導加熱コイルと同心円状に配置し、第２の時間 遅延を与える。この工程の次に、第２の誘導加熱コイルを、ラジオ周波数電流で 、第３の時間にわたって励起し、被加工物を第２の誘導加熱コイルにある状態で 、その表面に急冷液を噴霧することにより、外側面を直ちに急冷する。 数年前に、誘導加熱を行うための二重周波数構造が説明されており、そのよう な構造においては、低周波数電流を用いて、歯車の歯を予熱し、次に高周波数（ ラジオ周波数）電流を用いて、急冷硬化の前に、最終的な加熱を行う。上記二重 周波数構造は、上述のムカ他の米国特許において、ある程度採用されている。上 記二重周波数の概念は、本発明者も述べており、その概念は、１９８７年６月に 出版された、Ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｉｎｇ ｍａｇａｚｉｎｅ（第１９巻Ｎｏ． ６）に掲載されている、「二重周波数法による歯車の高周波焼入れ（”Ｉｎｄｕ ｃｔｉｏｎ Ｇｅａｒ Ｈａｒｄｅｎｉｎｇ ｂｙ ｔｈｅ Ｄｕａｌ Ｆｒｅ ｑｕｅｎｃｙ Ｍｅｔｈｏｄ”）という文献に記載されている。この文献におい て説明されているように、二重周波数加熱の原理は、高周波数熱源及び低周波数 熱源を共に使用する。歯車は、最初に、歯車の歯の質量を予熱するに必要なエネ ルギを与える、比較的低い低周波数源（３−１０ｋＨｚ）で加熱される。この工 程の直後に、歯車の寸法及び直径ピッチに応じて、１００−３００ｋＨｚの範囲 の高周波数源による加熱が行われる。高周波数源は、歯の輪郭表面全体を焼入れ 温度まで、迅速に最終加熱する。次に、歯車を、所望の硬度まで急冷し、焼戻し する。 二重周波数加熱は、歯車を加熱するための最も迅速な周知の方法である。加熱 時間は、０．１４から２．０秒の範囲である。この値は、例えば、歯車を歯毎に 走査するレーザが必要とする４−３０分と比較することができる。二重周波数加 熱においては、スピンドル中心決め固定具の上に載せた状態で、回転する被加工 物を予熱する。次に、急速な「パルス」が最適な最終温度を達成する。次に、部 品を、約１５乃至３０秒間の全処理時間にわたって、水ベースの急冷液の中に入 れる。二重周波数は、競合する仕様が同時に存在することを許容する点において 、歯車焼入れ方法の中でも特異な存在である。すなわち、通常の焼入れ方法にお いては、ある硬化深度の要件と歪みの制約がある場合に、一方の要件は他方の要 件を阻害する。二重周波数焼入れは、必要な熱量（通常の高周波焼入れで使用さ れるエネルギの１／２乃至１／１０）だけを部品に与えるので、硬化深度の要件 と歯車の幾何学的な仕様は共に正確に満足される。二重周波数又は単一周波数の いずれの場合でも、誘導加熱プロセスを用いた場合には、部品のタイプ及びその 材質に関係無く、部品の特性は、１又はそれ以上の誘導加熱コイル、及び、最も 適した機械の設定の両方の最適な設計を必要とする。コイルが適正に設計され、 且つ、機械が適正に設定された場合にだけ、磨耗及び荷重耐久性の観点から最も 適正であると思われる、輪郭及び表面硬化の仕様が達成され、同時に、部品全体 の強度、材料の延性、及び、部品の仕様が維持される。脆性の高すぎる歯車は、 多くは、歯のクラック又は歯車の素材の破壊によって、早期に破損する。 高周波焼入れに概ね関連する周知の他の特許は以下の通りである。特許番号 特許権者 発行年月日 4,749,834 ムカ他（Mucha et al.） １９８８年６月７日 4,757,170 ムカ他（Mucha et al.） １９８８年７月１２日 4,785,147 ムカ他（Mucha et al.） １９８８年１１月１５日 4,855,551 ムカ他（Mucha et al.） １９８９年８月８日 4,855,556 ムカ他（Mucha et al.） １９８９年８月８日 米国特許第４，７４９，８３４号は、歯を有する概ね円形の被加工物の半径方 向外方を向いた表面を焼入れする方法を開示しており、上記被加工物は、上記外 方を向いた表面と概ね同心円状の中央軸線を中心をして回転するようになされ、 これにより、上記表面の末端は、被加工物の歯の先端によって、外側の円を形成 する。上記被加工物は、一般に、歯車であり、種々の図面に示されているように 、均一な歯の形態を有する歯車である。 米国特許第４，７５７，１７０号は、中央軸線と一致する概ね円筒形の外側面 を有する細長い被加工物を徐々に焼入れする方法及び装置を開示しており、その ような方法及び装置は、接近して隔置された第１及び第２の誘導加熱コイルを設 ける概念を含んでおり、各々の誘導加熱コイルは、被加工物の軸線と概ね同心円 状の、被加工物収容開口を有している。これは、図１のラック及びピニオン駆動 装置を示す走査型の装置であるが、図示の被加工物は、均一な歯を有する歯車で あることにも注意する必要がある。 米国特許第４，７８５，１４７号は、歯車の外方を向いた歯面を焼入れするた めの装置を開示しており、この米国特許は、現在、米国特許第４，７４９，８３ ４号になっている先行出願の継続出願であり、従って、その開示及び関連性は同 じであると考える。 米国特許第４，８５５，５５１号は、歯車の外方を向いた歯面を焼入れするた めの方法及び装置を開示している。この特許は、現在、米国特許第４，７８５， １４７号になっている先行出願の継続出願であり、従って、その開示は、上に列 挙した特許に比肩しうるものであろう。 米国特許第４，８５５，５５６号は、中央軸線と同心円状で概ね円筒形の外側 面を有する細長い被加工物を徐々に焼入れするための方法及び装置を開示してい る。この特許は、先行特許である米国特許第４，７５７，１７０号の継続出願で あり、従って、その開示は、先行特許の開示に相当するものであろう。 上述の５つの米国特許は各々、不均一な幾何学的形状を有する歯車の歯、すな わち、各々の歯の質量が外端部から内端部まで変化するものを高周波焼入れする 技術にはいずれにしても関係しないと考える。従って、上記５つの米国特許は、 本発明に対する関連性は殆どもっていないものと考える。 従来、一定の設計すなわちデザインのコイルが、広い範囲の種々の部品に使用 されており、機械の設定は、誘導機械のオペレータによる「最善の推測」に基づ いて行われてきた。コイルを固定すると、１つの変数が取り除かれ、オペレータ は、試行錯誤手順によって、許容可能な最終的な部品に合わせようとする。オペ レータは、経験を積むに従って、経験する部品の数及び種類が多くなり、その経 験に照らすことができる範囲において、オペレータは、許容可能な部品に近づけ ることができる可能性があるが、その可能性も、繰り返し試行した後にだけ得ら れる。 上記アプローチは全体的に科学的ではないので、望みうるものは、許容可能な 部品であって、最適な部品ではない。この問題点は、誘導加熱を、例えば、歯車 の如き不規則な形状を有する対象物に適用した場合には、更に倍加される。現在 まで、与えられた部品に対して、最適なコイルの仕様、及び、誘導機械の設定値 を正確に決定することができ、寸法、形状、材質、あるいは他の特性に関係無く 、部品毎に繰り返し使用可能である公式を誘導する試みは全く行われていない。 そうではなく、一般的な部品の寸法に基づき、大まかなパラメータがコイルに対 して選定され、次に、変数の組み合わせが、何等かの許容できるものに近づくま で、機械の設定値が操作されている。 コイルの仕様、並びに、機械の設定値の不確実性を防止し、また、機械要素の 部品のタイプや機械要素の部品の形状及び特徴に関係無く、高周波焼入れを正確 且つ最適に行うことができるようにするために、本発明者は、本発明を案出した 。この発明は、米国特許第４，８４５，３２８号の明細書及び請求の範囲に記載 されており、そのような記載全体が、参考として本明細書に組み込まれているこ とをここに明示する。米国特許第４，８４５，３２８号は、コイルの仕様及び機 械の設定値を確立するために、一連の公式すなわち数式を用いる、高周波焼入れ 機械の構造及び方法を開示しており、上記公式は、要素部品の寸法及び特徴に基 づいている。個々の部品の特性に基づき、特定のコイルの仕様、並びに、機械の 変数（設定値）を科学的に計算する上記プロセスは、順に及び繰り返し可能に高 周波焼入れされる部品に関する予測及び均一な結果を可能とする。 従来、行うことができた計算は、せいぜい、表面積及び進入深さだけに基づく 、初歩的なものであった。米国特許第４，８４５，３２８号の一連の公式すなわ ち数式は、推測作業によってではなく、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、不必要な試行錯誤の手順を省き、同時に、部品の品質を、単 に受け入れ可能なあるいは許容可能なレベルから最適なレベルまで改善する。 より詳細には、米国特許第４，８４５，３２８号は、平行軸歯車装置の高周波 焼入れのための、公式及び解決策に焦点を当てている。ある用途に対して一定の 歯の寸法を用いると、上記公式は、完全な加熱パラメータの回答を与える。横軸 、交差軸、及び、非交差軸の（ハイポイド）歯車の如き、別のタイプすなわち形 状の歯車は、歯のサイズが一定ではなく、従って、上記公式に従わない。 本発明者の上記先行特許においては、数学的なアルゴリズムは、直径ピッチの 如き歯車のパラメータを用いている。このプロセスはまた、各々の歯が外端部か ら内端部まで寸法が均一であることを前提としている。被加工物を誘導コイルの 中に位置させること、及び、被加工物を通って内径から外径までの加熱パターン が一定であることが、歯の寸法が均一であるという事実を表している。上記先行 発明、並びに、米国特許第４，８４５，３２８号の方法及び機械による、平行軸 歯車装置の高周波焼入れは、極めて良好なものであるが、横軸、交差軸及び非交 差軸の歯車装置は、歯車の歯の質量が内端部から外端部まで変化（増大）するの で、独特なすなわち特殊な状況が生ずることが分かった。一例として、後輪駆動 又は四輪駆動の車、あるいは、トラックに見られるハイポイド歯車は、外端部か ら内端部までの幾何学的形状が均一ではない。個々の歯が螺旋型の曲線を有する ことに加えて、各々の歯は、内端部から外端部に向かって外方へ行くに従って、 より大きな質量を有する。本発明者は、１９９２年６月２３日に発行された米国 特許第５，１２４，５１７号（ストーム他（Ｓｔｏｒｍ ｅｔ ａｌ．））にお いて、ハイポイド歯車（及び、関連する横軸、交差軸及び非交差軸の歯車装置） に関して、独特な状況を指摘した。 また、ある製造上の考慮、並びに、あるハイポイド歯車の幾何学的形状が、異 なる誘導コイルの設計、及び、歯車に対するコイルの若干異なる配置に値するこ とも分かった。例えば、歯車の歯先円錐角（あるいは、テーパ角度）が、通常よ りも小さい場合には、被加工物の上に中心決めされた円錐形の誘導コイルが、角 度をなして設置された概ね円筒形の誘導コイルよりも、より適することがある。 歯車が大きく、また、大量生産する場合には、被加工物の歯面に対して所望の角 度をなして誘導コイルを固定する機械的な可変式のコイル用取り付け具とは対照 的に、コイルを一定の傾斜角度にすることが好ましい。本発明の目的は、特定の コイルのデザインや幾何学的形状、若しくは、特定のコイルの被加工物に対する 位置決めには関係無く、金属の質量が小さい歯車の内端部におけるよりも、金属 の質量が大きい歯車の外端部において、電磁結合、従って、熱量が大きくなるよ うに、コイルを設計することである。 発明の摘要 本発明の一実施例による、横軸、交差軸、及び、非交差軸の歯車の輪郭を焼入 れするための高周波焼入れ機械は、 ワークステーション用のサポートであって 、高周波焼入れすべき歯車を受け入れるようになされたサポート手段を有すると 共に、該サポート手段に固定された回転可能な駆動スピンドルを有しており、該 駆動スピンドルが、幾何学的な回転軸線を有している、ワークステーション用の サポートと、歯車の方を向いた概ね円錐形の表面、及び、幾何学的な軸方向の中 心線を有する高周波誘導コイルであって、上記ワークステーション用のサポート の上方に設けられると共に、上記軸方向の中心線が、上記駆動スピンドルの幾何 学的な回転軸線に概ね一致するように配列された、高周波誘導コイルと、上記高 周波誘導コイルに電気的に接続され、該コイルを励起するための、励起手段とを 備える。 本発明の１つの目的は、横軸、交差軸、及び、非交差軸の歯車を高周波焼入れ 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。 図面の簡単な説明 図１は、歯車を高周波焼入れするために使用される、本発明の代表的な実施例 の高周波焼入れ機械の主要な要素を示すブロックダイアグラムである。 図２は、図１の高周波焼入れ機械のワークステーション部分の前方立面図であ る。 図２Ａは、歯車の歯の頂面の角度に対するコイルの傾斜角度を示す、図解的な 前方立面図である。 図３は、歯車に対して誘導コイルがずれている状態を示す、図解的な前方立面 図である。 図４は、歯車に対して誘導コイルがずれている状態を示す、図解的な平面図で ある。 図５は、図３のコイルの一部を完全に断面で示す図解的な断面図である。 図６は、ピニオンギアに使用される、本発明の別の高周波焼入れコイルの図解 的な前方立面図である。 図７は、歯車の上に置かれる、本発明の一実施例の別のコイルの設計を完全に 断面で示す前方立面図である。 好ましい実施例の説明 本発明の原理の理解を図るために、次に、図面に示す実施例を参照し、特定の 用語を用いて本発明を説明する。しかしながら、そのような実施例及び特定の用 語によって、本発明の範囲を限定する意図は全くなく、図示の装置の変形例及び 更なる改善例、並びに、ここに説明する本発明の原理の別の用途は、本発明に関 係する当業者が、通常考えることができるものであることを理解する必要がある 。 図１を参照すると、ハイポイド歯車の如き、横軸、交差軸及び非交差軸の歯車 装置用の高周波焼入れ機械２０の主要な要素及び結線のブロックダイアグラムが 、概略的にすなわち図解的に示されている。以下の記載において、ハイポイド歯 車という用語は、本発明が基本的に関係する３つのカテゴリーの歯車装置の単に 一例を表す。この単一の代表的な例によって、本発明の広い範囲及び用途を何等 限定するものではない。機械２０は、プログラム可能な論理制御装置（ＰＬＣ） ユニット２１と、高周波（Ｒ．Ｆ．）発生器２２と、ワークステーション２３と を備えている。ＰＬＣユニットは、図示の如く結線され且つ情報が搬送される、 コンピュータ２４及びディスクドライブ（ディスク駆動機構）２５の構成によっ て、駆動される。ブロック２４ａによって、データ入力も行うことができ、この データ入力は、例えば、手動のデータ入力とすることができる。上記データ入力 は、ディスクドライブのデータに加えて、あるいは、ディスクドライブの入力に 代えて行うことができる。ワークステーションに接続された破線のボックスすな わちブロックは、ワークステーションの構造的な特徴、及び、該ワークステーシ ョンに設けられる要素を示すためのものである。図面に示すように、ワークステ ーションは、誘導コイル２６と、ハイポイド歯車（被加工物）２７と、サポート プレ ート２８と、駆動スピンドル２９と、モータ３０とを備えている（図２参照）。 発生器制御回路の１つの選択肢が、ブロック２１ａで示されており、この発生 器制御回路は、１９９０年８月６日に出願された、米国特許出願シリアルＮｏ． ５６３、３９８の開示に従って構成されている。この米国特許出願は、その開示 全体が、参考として本明細書に明確に含まれている。図示のように、発生器制御 回路は、コンピュータ２４から信号入力を受信する。 図２に示すように、好ましい実施例の被加工物は、サポートプレート２８の上 に置かれたハイポイド歯車２７である。サポートプレート２８の下側の中央に接 続されたスピンドル２９が、回転駆動モータ３０に直接接続されている。ハイポ イド歯車２７は、実質的に平坦なその底面に予め穿孔された穴を有している。歯 車２７は、プレート２８に取り付けられた状態で実質的に水平な、頂面２７ａを 有しており、この頂面２７ａは、歯車の先端の最内方の部分に対応している。固 定された剛性の位置決めピン２８ａが、サポートプレート２８の一部として組み 込まれており、頂面３１から上方へ伸長している。歯車は、位置決めピンを予め 穿孔された穴の中へ入れることによって、サポートプレートに対して確実に取り 付けられている。回転駆動モータ３０が励起されると、該回転駆動モータは、ス ピンドルを高速で回転させ、一方、該スピンドルは、サポートプレート及びハイ ポイド歯車を回転させる。その回転速度は、約９００−１８００ＲＰＭであり、 回転駆動モータ３０として適宜な要素は、セクト・ボトム・ドライブ（Ｓｅｃｔ ｏ ｂｏｔｔｏｍ ｄｒｉｖｅ）のモデルＮｏ．ＳＰＬ ６１００．５５−１８ Ｍである。 ハイポイド歯車の被加工物に与えられる回転運動は、高周波焼入れ機械２０の 設計の１つの特徴であり、どのような僅かな位置的な変動も平均化する手段であ る。高周波焼入れ機械２０の別の特徴は、誘導コイルをハイポイド歯車２８に対 して位置決めすることである。図２、図２Ａ及び図３に示すように、歯車２７の 頂面２７ａは、サポートプレート２８の頂面と同様に、実質的に水平である。し かしながら、歯車２７は、歯先円錐角を有しており、この歯先円錐角が、線２７ ｂ（図２Ａ参照）に沿って、歯面の成角を形成しており、従って、頂面２７ａに 接触するすなわち形成するのは、歯車の歯の上方且つ最内方の縁部だけである。 本明細書で使用する歯先円錐角とは、線２７ｂと垂直線２７ｃとの間の鋭角の刃 先角である。歯先円錐角に等しいテーパ角度は、線２７ｂと垂直な中心線２７ｄ との間の刃先角である。図２Ａの構成においては、図示のように、コイルは、被 加工物（歯車）に対して角度をなして、該被加工物と同心円状に置かれる。これ により、歯車の加熱は、該歯車の小さなセクタ（扇形部）にだけ生ずる。従って 、歯車全体を均一に加熱するためには、高速回転が必要である。コイルを介する 電磁結合は、歯車のセクタに対してだけ行われるので、ほぼ最適な高周波焼入れ を得ようとする場合には、この方法により高周波焼入れすることのできる歯車の 寸法は、限定される。 傾斜角θは、誘導コイルが最も接近している側において、誘導コイルを歯車の 外端部に近づけて、歯車の内端部から遠ざける。これにより、鋭角αが形成され 、この鋭角は、コイルの下面２６ａと、歯面のテーパ角度を決定し且つ線２７ｂ と一致する歯面とによって形成される。外端部は、より大きな質量を有する歯の 部分を表し、誘導加熱は、コイルに接近しているので、上記歯の部分から始まる 。コイルは、内端部を補足的に加熱するので、外端部の熱は、該外端部が引き続 き加熱される間に、内端部へ移動する。コイルを角度をなして配置しなければ、 大きな質量を有する外端部の部分が、所望の温度まで加熱される前に、内端部の 部分が熱くなり過ぎる。実際は、角度θを選択することにより決定される角度α は、金属の質量が小さい歯車の内端部におけるよりも、金属の質量が大きな外端 部において、電磁結合が大きくなり従って熱が高くなるように選択される。 歯車の幾つかの幾何学的ファクタが、角度αの最適な傾斜に関係する。そのよ うなファクタとしては、例えば、歯車のテーパ角度、及び、歯車のねじれ角が挙 げられるが、最終的には、傾斜角度及び角度αを決定する、外端部から内端部ま での歯の質量の変化率である。図２は、位置決め及びサポートの機械的な特徴に より焦点を当てており、一方、図２Ａ及び図３は、位置的な幾何学的配列及び関 係に焦点を当てている。 図２Ａ及び図４は、歯車２７に対するコイル２６のずれを示している。僅かな ずれ、及び、歯車の高速回転の組み合わせにより、誘導加熱プロセスに対して均 一性が与えられ、各々の歯全体が、誘導加熱プロセスにより適正に加熱されるこ とが保証される。誘導コイル２６とハイポイド歯車の面との間のエアギャップは 、歯車の外端部における約２．５４ｍｍ（約０．１０インチ）から、歯車の内端 部における約２２．９ｍｍ（約０．９０インチ）までの範囲である。実質的に円 筒形で環状のリングの形状を有している誘導コイル２６は、ハイポイド歯車２７ の中心の一方の側へ傾斜しているすなわちずれている。中心の一方の側へのこの ずれが、図２Ａの前方立面図、及び、図４の平面図によって、図解的に示されて いる。 急冷アセンブリ３５が、誘導コイル２６に確実に取り付けられており、これら 急冷アセンブリ及び誘導コイルのアセンブリは、延長アーム３２及びサポートク ランプ３３によって、サポートコラム３４に確実に取り付けられている。アーム ３２は、誘導コイルの延長部として確実に結合され、ハイポイド歯車２７に対し て該コイルを所望の位置及び傾斜で配列するために、クランプ３３に固定されて いる。プラスチックリング３５ａが、Ｌ字型ブラケット３５ｂに固定されており 、一方、該ブラケットは、クランプ３３に固定されている。上記リングは、上記 コイル及び急冷アセンブリの複合体に対して、追加の剛性を与えてる。ハイポイ ド歯車が、適正に位置決めされて、サポートプレート２８に対してピン止めされ 、また、誘導コイル２６が、適所に確実にクランプされて、所望の向き及び傾斜 に設定されると、高周波焼入れプロセスを実行する準備が整う。 高周波焼入れプロセスの第１のステップは、ハイポイド歯車２７の高速回転を 開始させるために、駆動モータ３０を励起することである。ある寸法の歯車、及 び、あるＫｗの発生器に対する相対的な数値の一例として、その回転速度は、９ ００乃至１８００ＲＰＭである。誘導コイル２６による、そのような例の歯車の 加熱は、ＲＦ発生器２２からの、高周波数低パワーの４つのパルスで始まる。発 生器２２は、２３０及び２８０キロヘルツの間で作動する、６５０キロワットの ユニットである。上記４つの低パワーパルスは、６５０キロワットの定格レベル の３０パーセントで運転される。第１のパルスは、４秒間継続され、次に、第１ のパルスと第２のパルスとの間に、２秒間の休止時間がある。第２のパルスは、 ５秒間継続され、次に、第２のパルスと第３のパルスとの間に、別の２秒間の休 止時間がある。第３のパルス及び第４のパルスは各々、６秒間継続され、その間 には、第３の２秒間の休止時間がある。 第４の低パワーパルスの後で、且つ、最終的な加熱パルスとしての単一の高パ ワーパルスが供給される前に、８秒間の休止時間がある。この最終的な加熱パル スのパワーレベルは、ＲＦ発生器の６５０キロワットの定格レベルの７９パーセ ントに設定される。この最終的なパルスは、約２．６５秒間継続され、その後直 ぐに（休止時間あるいは遅延がない）、急冷が開始される。 急冷液体が、誘導コイルと協働するように構成された液体供給装置（急冷アセ ンブリ３５）によって、ハイポイド歯車２７に供給される。急冷アセンブリ３５ は、誘導コイルに取り付けられており、該急冷アセンブリの一部は、上記コイル の上方に配置され、一方、ドーム型の部分３６が、上記コイルの中心を貫通して いる。４つの流体継手３７が、急冷アセンブリ３５の頂部マニホールド３８に取 り付けられている。内部通路が、急冷液体を上記４つの継手からアセンブリのド ーム型の部分へ通過させ、上記ドーム型の部分においては、ハイポイド歯車２７ の面の直ぐ上方で該面に向かって、一連の流体出口（穴）が設けられている。急 冷アセンブリ３５のドーム型の部分３６によって、完全且つ迅速な急冷が可能と なる。上記ドーム型の部分は、歯の総ての表面に多数の液体出口が向かうような 、円形形状及び角度を有している。上記ドーム型の部分も、歯車に対してある角 度をなしているが、急冷サイクルの間でも、歯車の低速回転が、総ての歯を均一 に急冷する。 ４つの流体供給穴３９が、急冷タンク４０（図１参照）を継手３７に接続して いる。上記４つの供給穴は各々、約２５．４ｍｍ（１インチ）の配管であり、ま た、急冷タンクは、約５６８リットル（１５０ガロン）の容量を有している。こ の用途に対する適正な急冷媒体は、イー・エフ・ハウトン（Ｅ．Ｆ．Ｈｏｕｇｈ ｔｏｎ）の３６４アクアクエンチ（ａｑｕａ ｑｕｅｎｃｈ）であり、これは、 ５乃至１０パーセントのグリコール溶液である。 低パワー加熱及び高パワー加熱全体を通じて、誘導コイルに対するハイポイド 歯車の垂直方向の位置は、同じである。急冷の間に、誘導コイルに対して、ハイ ポイド歯車の垂直方向の軸線を若干移動させて、急冷を容易にしても良い。急冷 段階が完了すると、その部品をサポートプレートから取り除き、機械をリセット して、次のハイポイド歯車に対して準備する。ＰＬＣユニット２１は、高周波発 生器２２、急冷流体の供給、及び、供給タイミングを制御する。コンソールが、 ＰＬＣユニットの運転に必要とされる、オペレータの総ての制御及びデータ入力 を提供するが、コンピュータ制御を用いると、オペレータが関与する割合は極め て少ない。ＰＬＣユニットは、必要とされるパワーのパルスの供給、パワーレベ ル、及び、その継続時間を制御する。低パワーパルスの数も、歯車のパラメータ に基づき、コンソールを介してオペレータにより、あるいは、コンピュータプロ グラムによって、選択され、誘導コイルの出力を制御する。 図５を参照すると、誘導コイル２６の一方の側の断面が示されている。コイル ２６は、概ね円筒形であるが、角度を有する上面５０と、下側５２の段付きの表 面５１とを備えている。フラックス集中層５３が、角度を有する上面５０の上、 並びに、コイル２６の外側面５４及び内側面５５の上に設けられている。このフ ラックス集中層は、プラスチックの中に懸濁された粉末鉄によって、形成されて いる。 図６を参照すると、別の実施例の誘導コイル６０及びピニオン歯車６１が示さ れている。ピニオン歯車は、図２及び図３の大きなリングギヤとは異なり、歯の 一端部から他端部に向かって質量が変化する不均一な歯が、頂面の向こう側で対 向するように側部を下方に伸長している。従って、ピニオンの場合には、歯車の 上方にではなく、歯車の周囲に誘導コイルを設ける必要がある。 ピニオン６１は、曲がった（螺旋状の）歯６２を有しており、内端部（頂部） ６３から外端部（基部）６４に向かって、歯の質量が増大している。従って、本 発明によれば、誘導コイル６０の内側面６５は、該コイルが、外端部において歯 の大きな質量に接近し、内端部において離れるような、テーパ形状を有している 。ピニオン６１は、高速で回転され、コイルの高さは、歯の全高にわたって伸長 し ている。図１の構造の設計及び作用の残りの部分は、図２の構成と同様に、実質 的に同じ手順及び態様で、図６のコイル及び歯車の構成に適用することができる 。図２の実施例と図６の実施例との間の実際の唯一の差異は、誘導コイルの形式 及び位置決めに加えて、コイルに対する急冷アセンブリの位置決めである。図６ の構成においては、ピニオンが、コイルの内側に位置するので、急冷アセンブリ を、ピニオンの上方及び周囲に設け、流体出口を歯に向けなければならない。 次に、図２Ａに関する上の説明を参照しながら、コイル７０と、この場合もハ イポイド歯車２７である被加工物との間の異なった位置的な関係を示す図７を参 照する。本発明のこの実施例においては、コイル７０は概ね円錐形の下面７１を 有しており、この下面は、歯車２７とほぼ同心円状に位置している。図面におい て特定された中心線７０ａは、歯車及びコイルの幾何学的な軸方向の中心線を表 すものである。角度αは、図２Ａと同様に、依然として維持されており、これに より、電磁結合を変化させて、歯車の内端部７３とは対照的に金属の質量が大き い外端部７２に、より大きな熱を発生させる。しかしながら、概ね円筒形で同心 円状に配列されたコイル７０を用いると、コイルの導線付近の極めて小さな部分 を除いて、歯車全体の周囲が加熱される。図７の実施例においては、低い回転速 度を用いて、大きな歯車を高周波焼入れ（熱処理）することができ、その理由は 、電磁結合が、歯面のほぼ全周で生じるからである。 図２Ａの実施例と図７の実施例とにおいて、角度αを容易に調節することがで きるので、実験室、及び、少量の部品に関しては、図２Ａの構成が好まれるかも しれない。これは、急冷アセンブリ３５によってコイル２６をサポートコラム３ ４に固定するために、アーム３２及びクランプ３３を使用する図２の機械的な構 造から明らかであろう。 大量生産のように、多数の部品を処理する場合には、図７の実施例が好まれる かもしれない。その理由は、角度αを決定してコイルを円錐形の形態に固定した 後には、その角度は一定で変化することがないからである。従って、運転要員に よって、すなわち、不注意で位置をずらすことにより、角度αが、不注意で変わ ることがない。図７の実施例はまた、より効率的な電磁結合をもたらし、大きな 歯車に対して好ましい。必ずしも否定的ではないが、図７の実施例は、望ましい 各々の異なる角度αに対して、新しいコイルを必要とし、従って、オペレータが 角度αを変えることのできる機械的な固定の自由度が失われる。 また、図７の実施例は、歯車の歯先円錐角が比較的小さい場合にも好まれると 考えられる。実験によれば、歯先円錐角が増大すると、図２、図２Ａ及び図３の コイルの形態が好ましいことが示されている。上記２つの実施例の間のだいたい の分岐点は、３０゜乃至３５゜の歯先円錐角であろう。 以上に説明しまた図示したように、各々の歯の内端部の質量に対して相対的に 、外端部の質量が増大するに従って、図２、図２Ａ及び図３の傾斜コイルの設計 が好ましくなる。外端部から内端部への質量が極めて均一であれば、図７の実施 例が好ましい。歯先円錐角が増大するに従って、内端部に対する外端部の質量も 増大する。従って、質量の相対的な差に基づき、内端部よりも加熱エネルギを必 要とするとき、外端部付近に誘導結合を集中させる必要性が大きくなり、より大 きな割合の加熱エネルギを上記点に当てるすなわち集中させる必要があることは 、理解されよう。 本発明を、図面に示しまた上に詳細に説明したが、そのような図示又は説明は 、例示であって、制限的なものではなく、単に好ましい実施例を図示し且つ説明 したことを理解する必要があり、本発明の精神の範疇にある総ての変形例及び変 更例が保護されることが望まれる。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９４年６月３日 【補正内容】 明細書翻訳文第１０頁第２行から第１１頁第１０行までの記載（原文明細書１３ ページの記載に相当）を以下の通り訂正する。 『発生器制御回路の１つの選択肢が、ブロック２１ａで示されており、この発生 器制御回路は、１９９０年８月６日に出願された、米国特許出願シリアルＮｏ． ５６３、３９８の開示に従って構成されている。この米国特許出願は、その開示 全体が、参考として本明細書に明確に含まれている。図示のように、発生器制御 回路は、コンピュータ２４から信号入力を受信する。 図２に示すように、好ましい実施例の被加工物は、サポートプレート２８の上 に置かれたハイポイド歯車２７てある。ハイポイド歯車２７は、かさ歯車の１つ のタイプであり、従って、本発明は、かさ歯車全般に応用することができる。サ ポートプレート２８の下側の中央に接続されたスピンドル２９が、回転駆動モー タ３０に直接接続されている。ハイポイド歯車２７は、実質的に平坦なその底面 に予め穿孔された穴を有している。歯車２７は、プレート２８に取り付けられた 状態で実質的に水平な、頂面２７ａを有しており、この頂面２７ａは、歯車の先 端の最内方の部分に対応している。固定された剛性の位置決めピン２８ａが、サ ポートプレート２８の一部として組み込まれており、頂面３１から上方へ伸長し ている。歯車は、位置決めピンを予め穿孔された穴の中へ入れることによって、 サポートプレートに対して確実に取り付けられている。回転駆動モータ３０が励 起されると、該回転駆動モータは、スピンドルを高速で回転させ、一方、該スピ ンドルは、サポートプレート及びハイポイド歯車を回転させる。その回転速度は 、約９００−１８００ＲＰＭであり、回転駆動モータ３０として適宜な要素は、 セクト・ボトム・ドライブ（Ｓｅｃｔｏ ｂｏｔｔｏｍ ｄｒｉｖｅ）のモデル Ｎｏ．ＳＰＬ ６１００．５５−１８Ｍである。 ハイポイド歯車の被加工物に与えられる回転運動は、高周波焼入れ機械２０の 設計の１つの特徴であり、どのような僅かな位置的な変動も平均化する手段であ る。高周波焼入れ機械２０の別の特徴は、誘導コイルをハイポイド歯車２８に対 して位置決めすることである。図２、図２Ａ及び図３に示すように、歯車２７の 頂面２７ａは、サポートプレート２８の頂面と同様に、実質的に水平である。し かしながら、歯車２７は、歯先円錐角を有しており、この歯先円錐角が、線２７ ｂ（図２Ａ参照）に沿って、歯面の成角を形成しており、従って、頂面２７ａに 接触するすなわち形成するのは、歯車の歯の上方且つ最内方の縁部だけである。 本明細書て使用する歯先円錐角とは、線２７ｂと垂直線２７ｃとの間の鋭角の刃 先角である。歯先円錐角に等しいテーパ角度は、線２７ｂと垂直な中心線２７ｄ との間の刃先角である。図２Ａの構成においては、図示のように、コイルは、被 加工物（歯車）に対して角度をなして、該被加工物と同心円状に置かれる。これ により、歯車の加熱は、該歯車の小さなセクタ（扇形部）にだけ生ずる。従って 、歯車全体を均一に加熱するためには、高速回転が必要である。コイルを介する 電磁結合は、歯車のセクタに対してだけ行われるので、ほぼ最適な高周波焼入れ を得ようとする場合には、この方法により高周波焼入れすることのできる歯車の 寸法は、限定される。』 請求の範囲翻訳文において、請求項４及び請求項５を以下の通り訂正する。 『 ４．実質的に平坦な後方面と、外端部及び内端部を各々有する複数の歯と、 テーパ角度を形成する上方の歯面と、軸方向の中心線とを有する、高周波焼入れ すべきかさ歯車と、 前記かさ歯車の輪郭を焼入れするための高周波焼入れ機械とを備える装置であ って、 前記かさ歯車を受け入れるためのサポート手段と、該サポート手段に固定され ると共に、幾何学的な回転軸線を有する、回転可能な駆動スピンドルと、該回転 可能な駆動スピンドルに接続され、該駆動スピンドルを回転させるためのスピン ドル駆動手段とを有する、ワークステーション用のサポートと、 歯車の方を向いた概ね円錐形の表面と、円錐の中心軸線とを有する誘導コイル であって、前記ワークステーション用のサポートの上方に位置決めされ、前記円 錐の中心軸線が、前記かさ歯車の軸方向の中心線に概ね一致するように配列され た、誘導コイルであって、当該誘導コイルの歯車の方を向いた表面と前記かさ歯 車の歯面とが、その間に鋭角をなしている、誘導コイルと、 前記誘導コイルに対して電気的に接続されて、前記誘導コイルを励起するため の、励起手段とを備えることを特徴とする装置。 ５．請求項４の装置において、前記誘導コイルが、高周波誘導コイルであるこ とを特徴とする装置。』

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ， ＣＮ，ＣＺ，ＦＩ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，Ｌ Ｋ，ＬＶ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＲＯ ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＫ，ＵＡ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 チャプリン，マイケル・アール アメリカ合衆国インディアナ州46224，ス ピードウェイ，スピードウェイ・ドライブ 5868

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．横軸、交差軸、及び、非交差軸の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、 ワークステーション用のサポートであって、高周波焼入れすべき歯車を受け入 れるようになされたサポート手段を有すると共に、該サポート手段に固定された 回転可能な駆動スピンドルを有しており、該駆動スピンドルが、幾何学的な回転 軸線を有している、ワークステーション用のサポートと、 歯車の方を向いた概ね円錐形の表面、及び、円錐の中心軸線を有する誘導コイ ルであって、前記ワークステーション用のサポートの上方に位置決めされると共 に、前記円錐の中心軸線が、前記駆動スピンドルの幾何学的な回転軸線に概ね一 致するように配列された、誘導コイルと、 前記誘導コイルに電気的に接続され、前記誘導コイルを励起するための、励起 手段とを備えることを特徴とする高周波焼入れ機械。 ２．請求項１の高周波焼入れ機械において、前記誘導コイルが、高周波誘導コ イルであることを特徴とする高周波焼入れ機械。 ３．実質的に平坦な後方面と、外端部及び内端部を各々有する複数の歯と、テ ーパ角度を形成する上方の歯面と、軸方向の中心線とを有する、高周波焼入れす べきハイポイド歯車と、 前記ハイポイド歯車の輪郭を焼入れするための高周波焼入れ機械とを備える装 置であって、 前記ハイポイド歯車を受け入れるためのサポート手段と、該サポート手段に固 定されると共に、幾何学的な回転軸線を有する、回転可能な駆動スピンドルとを 有するワークステーション用のサポートと、 歯車の方を向いた概ね円錐形の表面と、円錐の中心軸線とを有する誘導コイル であって、前記ワークステーション用のサポートの上方に位置決めされ、前記円 錐の中心軸線が、前記ハイポイド歯車の軸方向の中心線に概ね一致するように配 列された、誘導コイルと、 前記誘導コイルに対して電気的に接続されて、前記誘導コイルを励起するため の、励起手段とを備えることを特徴とする装置。 ４．請求項３の装置において、歯車の方を向いた前記誘導コイルの表面と、前 記ハイポイド歯車の歯面とが、その間に鋭角を形成することを特徴とする装置。 ５．請求項４の装置において、前記誘導コイルが、高周波誘導コイルであるこ とを特徴とする装置。 ６．横軸、交差軸、及び、非交差軸の歯車を高周波焼入れするための方法であ って、 （ａ）歯車の方を向くと共に円錐の中心軸線を有する概ね円錐形の表面を具備 する高周波誘導コイルを準備する工程と、 （ｂ）歯先円錐角及び軸方向の中心線を有する、高周波焼入れすべき歯車を位 置決めする工程と、 （ｃ）前記円錐の中心軸線及び前記軸方向の中心線が、実質的に互いに一致す るように、前記高周波誘導コイルを前記歯車の上方に配列する工程と、 （ｄ）前記高周波誘導コイルを高周波電気エネルギ源に接続する工程と、 （ｅ）高周波焼入れすべき歯車に対して、パワーレベル及びパルス継続時間を 選択する工程と、 （ｆ）前記選択されたパワーレベル及びパルス継続時間で前記高周波誘導コイ ルを励起する工程とを備えることを特徴とする方法。