JP4396966B2 - 高周波焼入装置 - Google Patents

Description

本発明は、円筒状部材の側壁の内周面に形成された溝の壁面を焼入れする高周波焼入装置及び高周波焼入方法に関する。

車両の部品としてハブ外輪とハブ内輪が広く使用されている。ハブ外輪の側壁の内周面には、例えば２つの溝が形成されている。これら２つの溝は円周方向に延びており、ハブ外輪の高さ方向に所定間隔離れている。２つの溝の壁面には荷重が作用するので、一般には、２つの溝の壁面には硬化層が形成される。２つの溝の壁面に硬化層を形成する技術を、図６を参照して説明する。

図６は、２つの溝の壁面に硬化層を形成する従来の高周波焼入方法を示す模式図である。

ハブ外輪１０は円筒状のものであり、側壁１２の内周面１４には２つの溝１６，１８が形成されている。溝１６，１８の壁面１６ａ，１８ａに硬化層１６ｂ，１８ｂを形成するためには、各溝１６，１８の壁面１６ａ，１８ａに向き合って誘導加熱コイル２０を配置しておき、この誘導加熱コイル２０に高周波電流を通して壁面１６ａ，１８ａを焼入温度に加熱して急冷する。これにより、溝１６，１８の壁面１６ａ，１８ａには硬化層１６ｂ，１８ｂが形成される。硬化層１６ｂ，１８ｂの深さは設計上で決められる。

ところで、側壁１２のうち溝１６を挟んで溝１８とは反対側の反対側部分１２ａの肉厚ｔ１が、溝１８の近傍部分１２ｂの肉厚ｔ２よりも薄いハブ外輪１０がある。このようなハブ外輪１０の場合、硬化層１８ｂを設計上の深さにしたときは、肉厚ｔ１，ｔ２の差と形状に起因して硬化層１６ｂが深くなって上に延び、焼割れが発生することがある。一方、硬化層１６ｂを設計上の深さにしたときは、硬化層１８ｂが浅くなりすぎる。

そこで、誘導加熱コイル２０のうち溝１６に向き合う部分２０ａの直径を、溝１８に向き合う部分２０ｂよりも細くする技術が知られている。また、側壁１２のうち溝１６の反対側の外周面に冷却液２２を噴射しながら誘導加熱する技術も知られている。

上記した技術のうち誘導加熱コイル２０の直径を細くする技術では、２箇所の硬化層１６ｂ，１８ｂの深さは設計上の深さを満たす。しかし、硬化層１６ｂが上に延びることを防止はできず、このため、焼割れが発生することを防止できないことがある。

また、側壁１２のうち溝１６の反対側の外周面に冷却液２２を噴射する技術では、硬化層１６ｂが上に延びることを防止できるものの、壁面１６ａに冷却液を噴射する際に側壁１２の内周面と外周面との応力差に起因して割れが発生するおそれがある。

本発明は、上記事情に鑑み、内周面に溝が形成されたハブ外輪などの円筒状部材に焼割れを発生させずに溝の壁面を設計通りに焼入れする高周波焼入装置及び高周波焼入方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の第１の高周波焼入装置は、その円周方向に延びる溝が側壁の内周面に形成された円筒状部材のうち前記溝の壁面に硬化層を形成するための高周波焼入装置において、
（１）前記溝の壁面に向き合って配置される誘導加熱コイルと、
（２）前記円筒状部材の前記側壁の内周面のうち前記溝の壁面の近傍部分に向き合って配置される、磁束を通し難いシールド部材とを備えたことを特徴とするものである。

また、上記目的を達成するための本発明の第２の高周波焼入装置は、その円周方向に延びる第１溝及び第２溝がその高さ方向に所定間隔離れて側壁の内周面に形成されると共に、この側壁のうち前記第１溝を挟んで前記第２溝とは反対側の反対側部分の肉厚が前記第２溝の近傍部分の肉厚よりも薄い円筒状部材の前記第１及び第２溝の壁面に硬化層を形成するための高周波焼入装置において、
（３）前記第１及び第２溝の壁面に向き合って配置される誘導加熱コイルと、
（４）前記側壁の前記反対側部分の内周面に向き合って配置される、磁束を通し難いシールド部材とを備えたことを特徴とするものである。

ここで、
（５）前記シールド部材は、導電性且つ非磁性の材料から作製されたものである。

さらに、
（６）前記シールド部材は、銅、アルミニウム、銀、及びニッケルのうちのいずれかの材質から作製されたものであってもよい。

さらにまた、
（７）前記シールド部材は、前記側壁の内周面のうち前記第１溝の壁面に隣接する隣接部分に向き合って配置されるものであってもよい。

さらにまた、
（８）前記シールド部材は、前記内周面に接触して配置されるものであってもよい。

さらにまた、
（９）前記反対側部分は環状に形成されたものであり、
（１０）前記シールド部材は、前記反対側部分の内周面に沿って配置される環状のものであってもよい。

さらにまた、
（１１）前記反対側部分の外周面を取り囲んで接触した接触治具を備えてもよい。

さらにまた、
（１２）前記シールド部材は、前記押え治具に着脱自在に固定されたものであってもよい。

また、上記目的を達成するための本発明の高周波焼入方法は、その円周方向に延びる第１溝及び第２溝がその高さ方向に所定間隔離れて側壁の内周面に形成されると共に、この側壁のうち前記第１溝を挟んだ前記第２溝とは反対側の反対側部分の肉厚が前記第２溝の近傍部分の肉厚よりも薄い円筒状部材の前記第１及び第２溝の壁面に硬化層を形成する高周波焼入方法において、
（１３）前記第１及び第２溝の壁面に向き合わせて誘導加熱コイルを配置すると共に、
（１４）前記側壁の前記反対側部分の内周面に向き合わせて、磁束を通し難いシールド部材を配置しておき、
（１５）前記誘導加熱コイルに高周波電流を通して前記第１及び第２溝の壁面を所定の焼入温度まで加熱して急冷することを特徴とするものである。

ここで、
（１６）前記第１及び第２溝の壁面を所定の焼入温度まで加熱して急冷する際に、前記側壁の前記反対側部分の外周面に冷却液を噴射してもよい。

本発明の第１の高周波焼入装置では、誘導加熱コイルが溝の壁面に向き合って配置されているので、この壁面は焼入温度まで誘導加熱される。しかし、側壁の内周面のうち溝の壁面の近傍部分には磁束を通し難いシールド部材が向き合って配置されているので、この近傍部分には磁束が通り難くて誘導加熱され難い。従って、溝の壁面の近傍部分が不用意に硬化されないので、溝の壁面を高周波焼入れすることに起因する割れが発生しない。また、シールド部材が配置される位置を適宜に調整することにより溝の壁面の一部に磁束が通りにくくなってこの一部を誘導加熱されにくくできるので、溝の壁面の一部の硬化層を浅くできる。

また、本発明の第２の高周波焼入装置では、誘導加熱コイルが第１及び第２溝の壁面に向き合って配置されているので、これらの壁面は焼入温度まで誘導加熱される。しかし、側壁の反対側部分の内周面には磁束を通し難いシールド部材が向き合って配置されているので、この反対側部分には磁束が通り難くて誘導加熱され難い。従って、第１溝の壁面のうち反対側部分が不用意に硬化されないので、第１及び第２溝の壁面を高周波焼入れすることに起因する割れが発生しない。また、シールド部材が配置される位置を適宜に調整することにより第１溝の壁面の一部に磁束が通りにくくなってこの一部を誘導加熱されにくくできるので、第１溝の壁面の一部の硬化層を浅くできる。

また、本発明の高周波焼入方法では、誘導加熱コイルが第１及び第２溝の壁面に向き合って配置されているので、これらの壁面は焼入温度まで誘導加熱される。しかし、側壁の反対側部分の内周面には磁束を通し難いシールド部材が向き合って配置されているので、この反対側部分には磁束が通り難くて誘導加熱され難い。従って、第１溝の壁面のうち反対側部分が不用意に硬化されないので、第１及び第２溝の壁面を高周波焼入れすることに起因する割れが発生しない。また、シールド部材が配置される位置を適宜に調整することにより第１溝の壁面の一部に磁束が通りにくくなってこの一部を誘導加熱されにくくできるので、第１溝の壁面の一部の硬化層を浅くできる。

本発明は、例えばハブ外輪の内周面に形成された溝の壁面を焼入れする際に実現される。

図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

図１と図２を参照して、本発明の高周波焼入方法が適用される円筒状部材の一例を説明する。

図１は、円筒状部材の一例であるハブ外輪と上センターとを示す斜視図である。図２は、ハブ外輪の縦断面図であり、ハブ外輪の内部に挿入された誘導加熱コイルも示されている。

ハブ外輪３０は円筒状のものであり、その底部には円板状の鍔３２が形成されている。鍔３２には、ハブ外輪３０を固定するためのボルト孔３２ａが形成されている。ハブ外輪３０は円筒形の側壁３４を有している。図２に示すように、側壁３４のうち下からその高さ方向の約３分の２までの部分３６（厚肉部分３６という）は、この部分よりも上の部分３８（薄肉部分３８といい、本発明にいう反対側部分の一例である）よりも厚い。また、側壁３４の外周面４０のうち下からその高さ方向の約３分の２の位置には段差４２が形成されており、厚肉部分３６の外径は薄肉部分３８の外径よりもやや大きい。側壁３４の内周面５０のうち、下からその高さ方向の約３分の２までの部分（厚肉部分３６に相当する部分）の内径は、この部分よりも上の部分（薄肉部分３８に相当する部分）の内径よりも小さい。

内周面５０のうち厚肉部分３６の高さ方向（矢印Ｈ方向）中央部には、外周方向に延びる環状の溝５２（本発明にいう第２溝の一例である）が形成されている。また、内周面５０のうち厚肉部分３６と薄肉部分３８の境界部には、外周方向に延びる環状の溝５４（本発明にいう第１溝の一例である）が形成されている。溝５２の横断面（外周方向に直角に切断した面）は半円状である。溝５２の壁面５２ａから外周面４０までの距離は、溝５２の開口近くの壁面から、溝５２の底面に相当する壁面に近付くほど短くなる。

溝５４の横断面（外周方向に直角に切断した面）も半円状であるが、溝５２よりも浅い溝である。溝５４のうち下方部分（矢印Ｈ方向上流側部分）は厚肉部分３６に形成されており、溝５４の上方部分（矢印Ｈ方向下流側部分）は薄肉部分３８に形成されている。このため、溝５４の上方部分は非常に浅い溝となっている。また、溝５４の下方部分の壁面５４ａから外周面４０までの距離（肉厚ｔ１）に比べて、溝５４の上方部分の壁面５４ｂから外周面４０までの距離（肉厚ｔ２）は短い。また、溝５４の開口の上端部分には、環状の凸部５６が形成されている。なお、ハブ外輪３０の中空部には、溝５２，５４の壁面を加熱する誘導加熱コイル７０が配置されている。

図３と図４を参照して、ハブ外輪３０の溝５２，５４の壁面に硬化層を形成する高周波焼入装置を説明する。

図３は、ハブ外輪の中空部に配置された誘導加熱コイルとカップ型上センタを示す断面図である。図４は、ある瞬間時に誘導加熱コイルを通る電流の向きを模式的に示す斜視図である。

高周波焼入装置６０は、ハブ外輪３０が載置される円板状の載置台６２と、ハブ外輪３０の中空部に配置されて溝５２，５４の壁面を加熱する誘導加熱コイル７０とを備えている。載置台６２の中央部には大きな開口が形成されており、誘導加熱コイル７０はこの開口を貫通してハブ外輪３０の中空部に到達するように構成されている。なお、載置台６２は所定の回転数で回転するように構成されており、誘導加熱コイル７０がハブ外輪３０の溝５２，５４の壁面を加熱中は載置台６２の回転に伴ってハブ外輪３０も回転する。

誘導加熱コイル７０は、図４に示すように、上段に形成された環状状の上段環状コイル７２、この上段環状コイル７２の下方に形成された環状の下段環状コイル７４、上段環状コイル７２と下段環状コイル７４とを接続する直線状の第１接続コイル７６、上段環状コイル７２を高周波電源８０に接続する第２接続コイル７８、及び下段環状コイル７４を高周波電源８０に接続する第３接続コイル７９を有する。上段環状コイル７２は溝５４に向き合って配置されている。下段環状コイル７４は、溝５２に向き合って配置されている。上段環状コイル７２と下段環状コイル７４の直径は等しく、また線径も等しい。誘導加熱コイル７０に流れる高周波電流は、ある瞬間には図４に示す矢印のようになる。

上段環状コイル７２の上には円板状のコア８２が配置されている。円板状のコア８２の直径は、上段環状コイル７２の直径とほぼ等しい。また、円板状のコア８２の厚さは、上段環状コイル７２の太さとほぼ等しい。コア８２はフェライト（鉄の酸化物を含んだ化合物の結晶体の集まりでできた磁性材料）から形成されている。

また、上段環状コイル７２と下段環状コイル７４の間には円板状のコア８４が配置されている。円板状のコア８４の直径は、上段環状コイル７２の直径とほぼ等しい。また、円板状のコア８４の厚さは、上段環状コイル７２から下段環状コイル７４までの間隔とほぼ等しく、溝５２と溝５４のほぼ間に位置している。コア８４はフェライトから形成されている。コア８４の上部と下部には、複数の冷却液噴射口８２ａ，８２ｂが形成されている。冷却液噴射口８２ａから噴射された冷却液は溝５４に噴射されて溝５４が冷却される。冷却液噴射口８２ｂから噴射された冷却液は溝５２に噴射されて溝５２が冷却される。

下段環状コイル７４の下には円板状のコア８６が配置されている。円板状のコア８６の直径は、下段環状コイル７４の直径とほぼ等しい。また、円板状のコア８６の厚さは、下段環状コイル７４の太さよりもやや厚い。コア８６はフェライトから形成されている。上記した３つのコア８２，８４，８６は、磁束を収束させて拡散させない機能をもつ。

高周波焼入装置６０は、ハブ外輪３０の薄肉部分３８の外周面を取り囲んで接触したカップ型上センタ９０（本発明にいう接触治具の一例である）を有する。カップ型上センタ９０は、カップを伏せたような状態でハブ外輪３０の上方から薄肉部分３８を覆い、環状の接触部９２が薄肉部分３８の外周面に接触している。このカップ型上センタ９０は、加熱や冷却の際に薄肉部分３８を変形させないためのものである。

カップ型上センタ９０の内側部分には、銅製のシールド部材９４が固定されている。シールド部材９４はボルト９５などによって着脱自在にカップ型上センタ９０に固定されている。銅製のシールド部材９４は円板状のものであり、その厚さは、カップ型上センタ９０の底から薄肉部分３８の上端部までの距離にほぼ等しい。シールド部材９４の周縁部９４ａは下方に突出している。この周縁部９４ａは、薄肉部分３８の上部の約３分の１の内周面に向き合って配置されており、薄肉部分３８に接触している。即ち、薄肉部分３８のうち上部の約３分の１の内周面は、シールド部材９４の周縁部９４ａで覆われている。シールド部材９４は、導電性、且つ磁束を通し難い非磁性体から作製されたものであれば良く、銅の他、アルミニウム、銀などから作製してもよい。なお、シールド部材９４を周縁部９４ａだけの環状のものに形成してもよい。

上記した高周波焼入装置６０を使用してハブ外輪３０の溝５２，５４の壁面を焼入れする高周波焼入方法を、図５を参照して説明する。

図５は、誘導加熱コイルによって発生した磁束の一例を示す模式図である。

誘導加熱コイル７０に高周波電源８０から電力を供給することにより、ある瞬間には、図４に示すような電流が誘導加熱コイル７０に流れる。このような交流電流によって、図５に示すように上段環状コイル７２を流れる交流電流によって生成される交番磁束７２ａが溝５４の壁面５４ａを貫通し、これにより、溝５４の壁面５４ａにうず電流が誘導されてこのうず電流のジュール熱によって溝５４の壁面５４ａが焼入れ温度に加熱される。溝５２の壁面５２ａも同様に焼入温度に加熱される。この直後、複数の冷却液噴射口８２ａ，８２ｂから冷却液を噴射することにより、溝５２，５４の壁面５２ａ，５４ａが急冷されて硬化する。

なお、溝５２，５４の壁面５２ａ，５４ａを誘導加熱して急冷する際に、薄肉部分３８の外周面に冷却液を噴射してもよい。この場合、薄肉部分３８が加熱されることをいっそう確実に抑制でき、溝５４の周辺部分が不用意に硬化されることをいっそう確実に防止できる。

ここで、壁面５４ａについて検討する。

上段環状コイル７２を流れる交流電流によって生成されるほとんどの交番磁束７２ａはコア８２に収束されてコア８２を通過する。しかし、一部の交番磁束７２ｂはコア８２に収束されずに薄肉部分３８に向かうが、この薄肉部分３８の近傍にはシールド部材９４が配置されている。このため、薄肉部分３８に向かう磁束はシールド部材９４を通り難いので、薄肉部分３８にはうず電流がほとんど誘導されず、薄肉部分３８はほとんど加熱されないこととなる。この場合、シールド部材９４の周縁部９４ａを溝５４に近付け過ぎたときは、溝５４の壁面５４ａのうち上部が焼入温度に加熱されにくい。薄肉部分３８の下部を加熱させにくくする場合であっても、この下部に周縁部９４ａを直接に向き合わせたり、接触させたりしない。

上記のように薄肉部分３８を硬化させないことにより、溝５４の壁面５４ａの上部に設計通りに浅い硬化層を形成できると共に薄肉部分３８の焼割れを防止できる。

上記の説明ではハブ外輪３０を例に挙げたが、円周方向に延びる溝が側壁の内周面に形成された円筒状部材の上記溝の壁面に硬化層を形成する際に適用できる。

円筒状部材の一例であるハブ外輪と上センターとを示す斜視図である。 ハブ外輪の縦断面図であり、ハブ外輪の内部に挿入された誘導加熱コイルも示されている。 ハブ外輪の中空部に配置された誘導加熱コイルとカップ型上センタを示す断面図である。 ある瞬間時に誘導加熱コイルを通る電流の向きを模式的に示す斜視図である。 誘導加熱コイルによって発生した磁束の一例を示す模式図である。 ２つの溝の壁面に硬化層を形成する従来の高周波焼入方法を示す模式図である。

符号の説明

３０ ハブ外輪
３４ 側壁
３８ 薄肉部分
５０ 側壁の内周面
５２，５４ 溝
６０ 高周波焼入装置
７０ 誘導加熱コイル
９４ シールド部材

Claims (7)

1. その円周方向に延びる溝が側壁の内周面に形成された円筒状部材のうち前記溝の壁面に硬化層を形成するための高周波焼入装置において、
   直立して配置された前記円筒状部材の上側部分を上方から覆い、前記上側部分の外周面を取り囲んで接触するカップ型の接触治具と、
   前記溝の壁面に非接触の状態で向き合って配置される誘導加熱コイルと、
   前記カップ型の接触治具の内側部分に固定され、前記円筒状部材の前記側壁の内周面のうち前記溝の壁面の上側部分に接触した状態で向き合って配置される、導電性且つ非磁性の材料から作製されたシールド部材とを備えたことを特徴とする高周波焼入装置。
2. その円周方向に延びる第１溝及び第２溝がその高さ方向に所定間隔離れて側壁の内周面に形成されると共に、この側壁のうち前記第１溝を挟んで前記第２溝とは反対側の反対側部分の肉厚が前記第１溝と第２溝の間の側壁の肉厚よりも薄い円筒状部材の前記第１溝及び第２溝の壁面に硬化層を形成するための高周波焼入装置において、
   直立して配置された前記円筒状部材の前記反対側部分を上方から覆い、前記反対側部分の外周面を取り囲んで接触するカップ型の接触治具と、
   前記第１溝及び第２溝の壁面に非接触の状態で向き合って配置される誘導加熱コイルと、
   前記カップ型の接触治具の内側部分に固定され、前記側壁の前記反対側部分の内周面に接触した状態で向き合って配置される、導電性且つ非磁性の材料から作製されたシールド部材とを備えたことを特徴とする高周波焼入装置。
3. 前記シールド部材は、 銅、アルミニウム、銀のうちのいずれかの材質から作製されたものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の高周波焼入装置。
4. 前記シールド部材は、 前記側壁の内周面のうち前記第１溝の壁面に隣接する隣接部分に接触した状態で向き合って配置されるものであることを特徴とする請求項１又は３に記載の高周波焼入装置。
5. 前記シールド部材は、 前記内周面に接触して配置されるものであることを特徴とする請求項１から４までのうちのいずれか一項に記載の高周波焼入装置。
6. 前記反対側部分は環状に形成されたものであり、前記シールド部材は、前記反対側部分の内周面に沿って接触状態で配置される環状のものであることを特徴とする請求項２から５までのうちのいずれか一項に記載の高周波焼入装置。
7. 前記シールド部材は、 前記接触治具に着脱自在に固定されたものであることを特徴とする請求項１から６までのうちのいずれか一項に記載の高周波焼入装置。

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