JP3971618B2

JP3971618B2 - 焼入品質管理方法

Info

Publication number: JP3971618B2
Application number: JP2002034924A
Authority: JP
Inventors: 秀明片沼; 木藤　　清明; 洋平粟田
Original assignee: Denki Kogyo Co Ltd
Current assignee: DKK Co Ltd
Priority date: 2002-02-13
Filing date: 2002-02-13
Publication date: 2007-09-05
Anticipated expiration: 2022-02-13
Also published as: JP2003231923A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波誘導加熱コイルを用いて、低歪みを目的として１ｓｅｃ以下の短時間で高周波誘導加熱を行なって、複数の同じ種類の焼入対象物の表面を順次に焼入する際に、ワークを切断せずに焼入品質の良否判別（すなわち、焼入品が良品であるか不良品であるかの判別）をして焼入品の品質管理をするための焼入品質管理方法に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
高周波誘導加熱コイルを用いて焼入対象物の表面を高周波誘導加熱して急冷することにより表面焼入処理をするにあたっては、通常、複数の同じ種類の被加熱体（例えば、自動車のトランスミッション部品等）を連続して順次に焼入処理するようにしている。そして、従来では、一連の焼入処理の前に、高周波誘導加熱コイルの電流，電圧，電力，及び周波数、並びに、加熱時間，冷却水量，高周波誘導加熱コイルから焼入対象物の表面までの距離（すなわち、ギャップ）等の各種の焼入条件を、経験上から得られているような最適条件に予め設定するようにしているのが実状である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、その焼入条件の設定後における一連の焼入においては、焼入対象が同じ種類のものであっても、個々の焼入対象物の寸法のバラツキ等により焼入深さ等が一定にならないという問題点がある。
【０００４】
このような問題点を解決するための方法として、特開平１０-８１３０号及び特開２０００−２３９７３５号公報記載の焼入深さ管理方法が提案されている。この焼入深さ管理方法にあっては、予め設定した電流・電圧にて調査のための高周波焼入（調査焼入）を行ない、この調査焼入の際の高周波誘導加熱時に得られたコイル電圧若しくは電力の経時的な変化パターンと焼入深さとの関係から、焼入深さを規格範囲内に管理するのに必要な電力若しくはコイル電圧の変化パターンの許容範囲を求め、高周波誘導加熱を行なう毎に焼入深さが規格範囲内に管理されているかどうかを判定すると共に、許容範囲から外れる手前の時点で電力若しくはコイル電圧の変化パターンを許容範囲内に戻すべく電力若しくはコイル電圧を制御するような手法を採用している。なお、この場合、電力若しくはコイル電圧の出力波形の立ち上がり期間並びに立ち下がり期間の両期間においては、許容範囲を設定しないようにしている。
【０００５】
しかしながら、このような焼入深さ管理方法では、電力若しくはコイル電圧の上限値と下限値との間の範囲（監視幅領域）内でしか焼入処理後の焼入深さを判定していないので、特に、低歪みを目的とした加熱時間１ｓｅｃ以下というような焼入では、次のような不具合がある。すなわち、加熱時間が１ｓｅｃ以下であるような焼入処理では、高周波電圧の立ち上がり期間の長短や加熱時間の変動が焼入後の焼入品質に大きく影響し、上述の如き方法では所定の焼入深さ及び焼入硬さ等を規格の範囲内に正確に設定するのが困難である。
【０００６】
本発明は、上述の如き実状に鑑みてなされたものであって、その目的は、低歪みを目的とした加熱時間１ｓｅｃ以下というような焼入れを行なうに際し、焼入処理後における焼入品が良品であるか不良品であるかの判定、すなわち、焼入品質の良否判定を厳格（正確）に行なって焼入品質の管理を適切に行なうことができる焼入品質管理方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、本発明では、高周波誘導加熱コイルを用いて、低歪みを目的として１ｓｅｃ以下の短時間で高周波誘導加熱を行なって、複数の同じ種類の焼入対象物の表面を順次に焼入する際に、前記高周波誘導加熱コイルに電力を供給する高周波電源の出力電圧，出力電流又は出力電力及び加熱時間と焼入品質との関係を予め調査するための調査焼入を行ない、この調査焼入によって得られる前記高周波電源の出力波形の経時的な変化パターンを基準として、前記焼入対象物の焼入品質を規格範囲内にするのに必要な前記高周波電源の出力波形の変化パターンの許容範囲を、短時間加熱の場合に焼入品質に大きな影響を及ぼす前記高周波電源の出力波形の立ち上がり期間、並びに、この立ち上がり期間の経過後の飽和期間を含む加熱期間に亘って設定し、前記調査焼入後の本焼入において高周波誘導加熱する毎に前記高周波電源の出力波形の変化パターンが前記許容範囲内に管理されているかどうかの判断に基づいて前記焼入対象物の焼入品質を管理するようにしている。
また、本発明では、焼入品質が、焼入深さ，表面硬さ，又は焼入部の歪み量であるようにしている。
また、本発明では、前記高周波電源の出力波形が、電圧値，電流値，又は電力値の出力波形であるようにしている。
また、本発明では、前記立ち上がり期間を相対的に短く設定することにより、前記加熱時間を短期間にするようにしている。
また、本発明では、前記高周波電源の出力波形の変化パターンの許容範囲を、前記高周波電源の出力波形の立ち下がり期間をも含む全加熱期間に亘って設定している。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について図１〜４を参照して説明する。
【０００９】
図１は、自動車のトランスミッションミッション部品の小孔部（図示せず）を高周波誘導加熱し、その小孔の内径部（内周面）を高周波焼入（表面焼入）するために使用される高周波誘導加熱コイル１を示すものである。この高周波誘導加熱コイル１は、図１に示すように、高周波電源１１（図２参照）から高周波電流を伝達する一対のリード部２ａ，２ｂと、これらのリード部２ａ，２ｂ間に介在された絶縁板３と、前記一対のリード部２ａ，２ｂ間に接続された断面ほぼ円筒形状のコイル頭部（焼入対象物の近傍位置に対応配置されるコイル部分）４とから構成されている。なお、コイル頭部４の外形寸法（外径）は、焼入処理すべきトランスミッション部品の小孔に内径寸法よりも僅かに小さく設定されており、従って前記コイル頭部４がトランスミッション部品の小孔内に僅かな隙間をもって挿入配置されるようになっている。さらに、高周波発振の結合効率を良くするために、磁性材料から成るダストコア５がコイル頭部４の内径中空部内に挿入配置されている。また、上述の一対のリード部２ａ，２ｂのうちの一方のリード部２ａには、冷却水導入用パイプ６が取付けられると共に、その他方のリード部２ｂには冷却水導出用パイプ７が取付けられており、冷却水導入用パイプ６から一対のリード部２ａ，２ｂの内部の中空部を介して冷却水導出用パイプ７に流される冷却水によって高周波誘導加熱コイル１が冷却されるように構成されている。
【００１０】
図２は、上述の高周波誘導加熱コイル１を用いてトランスミッション部品の小孔の内径部を高周波焼入するための高周波焼入装置１０の構成を示すものであって、この装置１０は、所定の電源電圧に基づいて高周波電圧を発生する発振器から成る高周波電源１１と、この高周波電源１１から出力される高周波電圧を低電圧に変換して大電流を得る出力トランス１２と、この出力トランス１２に接続された既述の高周波誘導加熱コイル１（図１参照）と、高周波電源１１の出力側に接続された出力波形検出モニタ１３と、この出力波形検出モニタ１３にて検出された出力波形を画面表示する陰極線管等の表示装置１４と、出力波形検出モニタ１３にて検出された出力波形Ｓ（図４（ｂ）参照）に基づいて高周波電源１１の出力電圧，出力電流若しくは出力電力を制御する制御回路１５とをそれぞれ具備している。
【００１１】
上述の如き高周波誘導加熱コイル１を有する高周波焼入装置１０にてトランスミッション部品の小孔の内径部を高周波焼入する際の操作手順、並びに、高周波焼入に際して焼入品質を管理する方法について述べると、次の通りである。まず、焼入対象物（被焼入体）であるトランスミッション部品を冷却液（浸漬液）中に浸漬させた状態で保持し、トランスミッション部品の小孔内に高周波誘導加熱コイル１のコイル頭部４を僅かな隙間をもった状態で挿入配置する。そして、高周波電源１１から出力トランス１２を介して高周波誘導加熱コイル１に高周波電流を供給して前記小孔の内径部を高周波誘導加熱すると同時に、前記冷却液による焼入冷却を行なう。これにより、前記小孔の内径部（焼入予定部）に焼入硬化層が形成され、焼入処理がなされる。なお、この際の高周波電流は、周波数１ＭＨｚ〜４ＭＨｚの範囲で発振する発振器を高周波電源１１として使用し、高周波電源１１の出力電圧の立ち上がり期間を３５ｍｓｅｃとすることによって０．２ｓｅｃ程度での高周波誘導加熱が可能である。
【００１２】
このような焼入処理工程においては、出力波形検出モニタ１３により高周波電源１１の出力電圧，出力電流、又は出力電力が検出され、トランスミッション部品の小孔の内径部を高周波誘導加熱するときの高周波電圧，高周波電流，又は高周波電力が表示装置１４に表示される。そして、出力波形検出モニタ１３により検出された高周波電源１１の出力電圧，出力電流，又は出力電力の経時的な出力波形が、予め設置してある許容範囲内にあるか否かについて、制御回路１５において判定される。かくして、前記出力波形が前記許容範囲内にある場合には、焼入処理が完了されたトランスミッション部品の焼入品質は規格範囲内のものでありトランスミッション部品は良品であると判定される。
【００１３】
一方、前記出力波形が前記許容範囲から外れている場合には、焼入処理が完了されたトランスミッション部品の焼入品質は規格範囲外のものでありトランスミッション部品は不良品であると判定される。この場合には、出力波形検出モニタ１３から所定の制御信号が制御回路に送られ、これに基づいて、高周波電源１１の出力波形が前記許容範囲内に入るように高周波電源１１の動作条件が変更される。すなわち、次に焼入処理すべきトランスミッション部品の焼入品質が規格範囲内になるように、高周波電源１１の作動条件が適宜に変更され、その結果、高周波電源１１の出力波形ひいては高周波誘導加熱条件が変更される。
【００１４】
ここで、高周波電源１１の出力波形及びその出力波形の許容範囲の設定方法について具体的に説明すると、以下の通りである。まず、高周波電源１１の出力波形に関しては、本実施形態の場合には、その出力波形の立ち上がり期間を相対的に短く設定するようにしている。図３は高周波電源１１の出力波形Ｓを模式的に示したものであり、図３（ａ）は立ち上がり期間が長い場合を示し、図３（ｂ）は立ち上がり期間を短くした場合を示している。図３（ａ）のような出力波形の場合には、立ち上がり期間ｔ₁が長いため、電力が有効に投与されない。従って、この条件の下で所定の焼入深さと表面硬さを確保するためには加熱時間を相当に長くしなければらないが、それでは長時間に亘る加熱により焼入歪みが大きく生じてしまうこととなる。そこで、本実施形態においては、図３（ｂ）に示すように立ち上がり期間ｔ₂を例えば３５ｍｓｅｃ程度の比較的短い時間に設定するようにしている。なお、この加熱時間は、焼入対象物の寸法や材質，投入電力や電源周波数，焼入深さなどに応じて適宜に設定するのが望ましい。
【００１５】
また、既述の出力波形の許容範囲については、次のようにして設定する。まず、高周波誘導加熱コイル１を用いて高周波誘導加熱により複数の同じ種類の焼入対象物の表面を順次に焼入する際に、高周波誘導加熱コイル１に電力を供給する高周波電源（発振器）１１の出力電圧，出力電流又は出力電力及び加熱時間と焼入品質との関係を予め調査するための調査焼入を行なう。そして、この調査焼入によって事前に得られる高周波電源１１の出力波形の経時的な変化パターン（図４（ｂ）に示す出力波形Ｓを参照）を基準として、焼入対象物であるトランスミッション部品の焼入品質を規格範囲内にするのに必要な高周波電源１１の出力波形の変化パターンの許容範囲を、高周波電源１１の出力波形の立ち上がり期間を含む加熱期間に亘って設定し、調査焼入後の本焼入において高周波誘導加熱する毎に高周波誘導加熱コイル１の出力波形の変化パターンが許容範囲内に管理されているかどうかの判断に基づいて前記焼入対象物の焼入品質を管理するようにしている。なお、調査焼入において所定の許容範囲を設定するにあたり焼入品質としては、焼入深さ，表面硬さ，又は焼入部の歪み量を必要に応じて適宜に選択することとしている。
【００１６】
図４は、最適な焼入条件での高周波電源１１の出力波形を出力波形検出モニタ１３に表示させたものであり、図４（ａ）は従来の焼入品質管理方法を施行する際に得られる電圧の変化パターン、図４（ｂ）は本発明に係る焼入品質管理方法を施行する際に得られる電圧の変化パターンである。なお、図４（ａ）に示すような従来の焼入品質管理方法では、電圧の飽和状態における上限値Ｈと下限値Ｌの範囲内において焼入深さの管理を行っているが、既述の如く、出力波形の立ち上がり期間及び立ち下がり期間においては許容範囲Ｗ（図４（ａ）に示すような許容範囲に関する監視幅Ｗ）を設定しないようにしている。一方、図４（ｂ）で示す本発明の場合の出力波形の変化パターンでは、立ち上がり期間Ｔ₁，この立ち上がり期間Ｔ₁経過後の飽和期間Ｔ₂，及びこの飽和期間Ｔ₂に引き続く立ち下がり期間Ｔ₃の全ての加熱期間（Ｔ₁＋Ｔ₂＋Ｔ₃の期間）に亘って上限値Ｈと下限値Ｌを設定しているため、トランススミッション部品（ワーク）に投入される電力量は、高周波誘導加熱の全期間において許容範囲Ｗ内に収まるように監視され、ひいては焼入品質がより厳密に管理される。
【００１７】
以後は、各トランスミッション部品の高周波焼入に際して高周波誘導過熱加熱工程を施行する度に高周波電源１１の出力波形を前記監視幅Ｗと比較し、焼入加工したトランスミッション部品が良品か不良品かを判別する。
【００１８】
次に、本発明の一実施例を以下に示す。
実施例
（１）焼入対象物（ワーク） : ミッション部品

（２）焼入条件

【００１９】
上記加工条件にて予め焼入（調査焼入）を行い、その際の高周波電圧，高周波電流，又は高周波電力の出力波形パターンを出力波形検出モニタ１３に表示させ、その出力波形を基準として上限値Ｈ及び下限値Ｌ（図４（ｂ）参照）を設定する。この場合には、例えば、基準となる条件（基準の出力波形Ｓ）から５％以上のバラツキは不良品とするような判別を行なう。なお、この５％という数値は、限定されるものではなく、焼入対象物の種類等に応じて適宜に変更することが可能である。
【００２０】
また、出力波形検出モニタ１３に表示される出力波形には、電源電圧の変動や焼入部の異物混入等によるインダクタンスの変化も反映される。このようなインダクタンス変化に起因して焼入品質が大きく変化するので、本実施形態では、出力波形の変化パターンに基づいて焼入品質を監視することにより、焼入品質の管理（すなわち、焼入品が良品であるか不良品であるかの判定）を厳格に行なうようにしている。
【００２１】
以上、本発明の一実施形態について述べたが、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可能である。例えば、既述の実施形態では、高周波電源１１の出力波形の立ち上がり期間Ｔ₁、飽和期間Ｔ₂，及び立ち下がり期間Ｔ₃の全期間で監視幅Ｗを設定するようにしたが、立ち下がり期間Ｔ₃においての管理効果はあまり大きくないので、立ち下がり期間Ｔ₃においては監視幅Ｗを設けないで許容範囲の設定を行なうようにしても良く、この場合にも焼入品質の管理を良好に管理することが可能である。また、既述の実施形態では、高周波電源１１の出力波形の変化パターンとして高周波電圧の電圧値を採用するようにしたが、これに限らず、高周波電流の電流値、高周波電力の電力値を測定してその出力波形の経時的な変化パターンを基準として許容範囲（ひいては、監視幅Ｗ）を設定するようにしても良い。また、本発明に係る焼入品質管理方法は、トランスミッション部品の小孔の内径部を高周波焼入する場合に限らず、各種の焼入対象物（被焼入体）を表面焼入する場合にも適用可能であることは言う迄もない。
【００２２】
【発明の効果】
請求項１に記載の本発明は、高周波誘導加熱コイルを用いて、低歪みを目的として１ｓｅｃ以下の短時間で高周波誘導加熱を行なって、複数の同じ種類の焼入対象物の表面を順次に焼入する際に、前記高周波誘導加熱コイルに電力を供給する高周波電源の出力電圧，出力電流又は出力電力及び加熱時間と焼入品質との関係を予め調査するための調査焼入を行ない、この調査焼入によって得られる前記高周波電源の出力波形の経時的な変化パターンを基準として、前記焼入対象物の焼入品質を規格範囲内にするのに必要な前記高周波電源の出力波形の変化パターンの許容範囲（監視幅）を、短時間加熱の場合に焼入品質に大きな影響を及ぼす前記高周波電源の出力波形の立ち上がり期間、並びに、この立ち上がり期間の経過後の飽和期間を含む加熱期間に亘って設定し、前記調査焼入後の本焼入において高周波誘導加熱する毎に前記高周波電源の出力波形の変化パターンが前記許容範囲内に管理されているかどうかの判断に基づいて前記焼入対象物の焼入品質を管理するようにしたものであり、換言すれば、焼入品質が規格範囲内に管理されるように高周波電源の出力波形に「監視幅」を設けて以後の焼入における出力波形のパターンが上述の監視幅内に管理されているか否かを判別することにより焼入品質を管理するようにしたものであるから、高周波電源の出力波形の立ち上がり期間（すなわち、短時間加熱の場合に焼入品質に大きな影響を及ぼす期間）をも含む加熱期間において品質管理を行なうことに伴って焼入品質の管理（焼入品が良品であるか不良品であるかの判定）を従来方法の場合より厳密に管理することができる。また、本発明に係る焼入品質管理方法の場合には、複数の焼入条件の管理が可能である。特に、高周波電圧の立ち上がり期間や立ち下がり期間についての時間幅の変動が焼入処理後の品質に大きく影響するような表面焼入においては、従来よりも厳しい条件監視の下での品質管理が可能となる。
【００２３】
また、請求項２に記載の本発明は、焼入品質が焼入深さ，表面硬さ，又は焼入部の歪み量であるようにしたものであるから、焼入対象物の種類に応じて特に要求される焼入品質をこれらの中から適宜に選択して焼入品質の管理を最適に行なうことができる。
【００２４】
また、請求項３に記載の本発明は、高周波電源の出力波形が電圧値，電流値，又は電力値の出力波形であるようにしたものであるから、焼入対象物の表面焼入部に応じて電圧値，電流値，又は電力値の出力波形のうちの何れか１つ又はそのうちの複数を選択することによって、最適な焼入品質管理を行なうことが可能である。
【００２５】
また、請求項４に記載の本発明は、立ち上がり期間を相対的に短く設定することにより、加熱時間を短期間にするようにしたものであるから、長時間に亘る加熱により焼入歪みが大きく生じてしまうような不具合を回避することができ、ひいては焼入品質をより安定して管理することが可能となる。
【００２６】
また、請求項５に記載の本発明は、高周波電源の出力波形の変化パターンの許容範囲を、高周波電源の出力波形の立ち下がり期間をも含む全加熱期間に亘って設定したものであるから、高周波電源の出力波形の立ち上がり期間，この立ち上がり期間に引き続く飽和期間，及び立ち下がり期間の全加熱期間において出力波形の監視幅に基づく品質管理を施行することによって、品質管理をより一層厳密に行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】トランスミッション部品の小孔の内径部を高周波誘導加熱するために用いられる高周波焼入高周波誘導加熱コイルの斜視図である。
【図２】本発明に係る焼入品質管理方法を施行する高周波焼入装置の構成図である。
【図３】高周波電源の出力波形を模式的に示したものであって、図３（ａ）は出力波形の立ち上がり期間が長い場合を示す波形図、図３（ｂ）は立ち上がり期間を短くした場合を示す波形図である。
【図４】最適な焼入条件での高周波電源の出力波形を出力波形検出モニタに表示させたものであって、図４（ａ）は従来の品質管理法方を施行する際に得られる電圧の変化パターン、図４（ｂ）は本発明に係る品質管理方法を施行する際に得られる電圧の変化パターンである。
【符号の説明】
１高周波誘導加熱コイル
１０高周波誘導加熱装置
１１高周波電源（発振器）
１２出力トランス
１３出力波形検出モニタ
１４表示装置
１５制御回路
Ｈ上限値
Ｌ下限値
Ｓ出力波形
Ｗ許容範囲（監視幅）
Ｔ₁ 立ち上がり期間
Ｔ₂ 飽和期間
Ｔ₃ 立ち下がり期間

Claims

高周波誘導加熱コイルを用いて、低歪みを目的として１ｓｅｃ以下の短時間で高周波誘導加熱を行なって、複数の同じ種類の焼入対象物の表面を順次に焼入する際に、前記高周波誘導加熱コイルに電力を供給する高周波電源の出力電圧，出力電流又は出力電力及び加熱時間と焼入品質との関係を予め調査するための調査焼入を行ない、この調査焼入によって得られる前記高周波電源の出力波形の経時的な変化パターンを基準として、前記焼入対象物の焼入品質を規格範囲内にするのに必要な前記高周波電源の出力波形の変化パターンの許容範囲を、短時間加熱の場合に焼入品質に大きな影響を及ぼす前記高周波電源の出力波形の立ち上がり期間、並びに、この立ち上がり期間の経過後の飽和期間を含む加熱期間に亘って設定し、前記調査焼入後の本焼入において高周波誘導加熱する毎に前記高周波電源の出力波形の変化パターンが前記許容範囲内に管理されているかどうかの判断に基づいて前記焼入対象物の焼入品質を管理するようにしたことを特徴とする焼入品質管理方法。
前記焼入品質が、焼入深さ，表面硬さ，又は焼入部の歪み量であることを特徴とする請求項１に記載の焼入品質管理方法。
前記高周波電源の出力波形が、電圧値，電流値，又は電力値の出力波形であることを特徴とする請求項１又は２に記載の焼入品質管理方法。
前記立ち上がり期間を相対的に短く設定することにより、前記加熱時間を短期間にするようにしたことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の焼入品質管理方法。
前記高周波電源の出力波形の変化パターンの許容範囲を、前記高周波電源の出力波形の立ち下がり期間をも含む全加熱期間に亘って設定したことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の焼入品質管理方法。