JP6459697B2 - Carburizing and quenching control device and carburizing and quenching method - Google Patents
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Description
本発明は、浸炭焼入れ制御装置および浸炭焼入れ方法に関し、特に、歯車に対し浸炭焼入れを行うために用いて好適なものである。 The present invention relates to a carburizing and quenching control device and a carburizing and quenching method, and is particularly suitable for use in carburizing and quenching a gear.
自動車や産業機械に使用される歯車は、高い応力を繰り返し受ける。したがって、このような歯車には高い耐疲労性および耐摩耗性が要求される。そこで、JIS G 4053 機械構造用合金鋼鋼材に規定されるSCr420、SCM420、SCM435等を用いて形成された歯車に対して浸炭焼入れを施すことが行われる。これにより、歯車の表面を硬化させることができ、歯車の耐疲労性と耐摩耗性を向上させることができる。 Gears used in automobiles and industrial machines are repeatedly subjected to high stress. Therefore, such gears are required to have high fatigue resistance and wear resistance. Therefore, carburizing and quenching is performed on gears formed using SCr420, SCM420, SCM435, and the like defined for JIS G 4053 alloy steel for machine structural use. Thereby, the surface of a gear can be hardened and the fatigue resistance and wear resistance of a gear can be improved.
浸炭焼入れは、次のようにして行われる。まず、鋼部材に対して加熱処理を行う(加熱工程)。加熱処理では、鋼部材をオーステナイト変態温度以上まで加熱する。その後、加熱処理が行われた鋼部材に対して浸炭処理を行う(浸炭工程)。浸炭処理では、鋼部材の表面から内部に炭素を拡散浸透させて鋼部材の表面の炭素濃度を高める。その後、浸炭処理が行われた鋼部材に対して焼入れ処理を行う(冷却工程)。焼入れ処理では、鋼部材を急冷させて鋼部材の表面にマルテンサイト組織を生成させる。以上の加熱処理、浸炭処理、および焼入れ処理を含む浸炭焼入れを行うことにより、表面硬度が高く、且つ、強靱性の鋼部材を得ることができる。 Carburizing and quenching is performed as follows. First, a heat treatment is performed on the steel member (heating process). In the heat treatment, the steel member is heated to an austenite transformation temperature or higher. Then, carburizing process is performed with respect to the steel member by which the heat processing was performed (carburizing process). In the carburizing process, carbon is diffused and penetrated from the surface of the steel member to increase the carbon concentration on the surface of the steel member. Thereafter, a quenching process is performed on the steel member that has been carburized (cooling step). In the quenching process, the steel member is rapidly cooled to generate a martensite structure on the surface of the steel member. By performing carburizing and quenching including the above heat treatment, carburizing treatment, and quenching treatment, a steel member having high surface hardness and toughness can be obtained.
しかしながら、浸炭焼入れを施すと、鋼部材の表面部と内部との温度差に起因する熱応力と、鋼部材の相変態に伴う体積変化による変態応力とが冷却工程(焼入れ処理)において発生する。このため、鋼部材に熱処理歪が生じる。このような熱処理歪の一つに内反り歪がある。内反り歪は、ハイポイドギアやかさ歯車のように、上面および底面のうちの一方の面に歯が形成され、他方の面に歯が形成されていない歯車の品質に影響を与える。内反りとは、歯が形成されていない面において、外周側が内周側よりも、歯が形成されている面とは反対側の方向に反ることをいう。歯が形成されていない平らな面と歯が形成されている面とでは、表面積が異なるので冷却速度が異なる。この冷却速度の違いにより、内反りが発生する。 However, when carburizing and quenching is performed, thermal stress due to a temperature difference between the surface portion and the inside of the steel member and transformation stress due to volume change accompanying the phase transformation of the steel member are generated in the cooling step (quenching treatment). For this reason, heat treatment distortion occurs in the steel member. One such heat treatment strain is an internal warping strain. The warpage distortion affects the quality of a gear that has teeth formed on one of the top surface and the bottom surface and has no teeth formed on the other surface, such as a hypoid gear or a bevel gear. Inward warping means that, on a surface where no teeth are formed, the outer peripheral side warps in a direction opposite to the surface where the teeth are formed, rather than the inner peripheral side. The flat surface on which the teeth are not formed and the surface on which the teeth are formed have different surface areas and thus have different cooling rates. The warpage occurs due to the difference in cooling rate.
そこで、浸炭炉において浸炭処理が施された歯車に対する焼入れを行う手法としてプレスクエンチと称される手法がある。プレスクエンチでは、歯車の内径の変位が生じないようにボアーホルダで歯車を拘束すると共に、歯車の厚み方向の変位が生じないように押え型で歯車を拘束した状態で、歯車に対して焼入れ処理を行う。
しかしながら、プレスクエンチでは、設備に歯車を1つずつセットして焼入れ処理を行わなければならない。したがって、生産効率を向上させることが容易ではない。また、プレスクエンチのための特別な設備が必要になるため、生産コストを抑えることが容易ではない。
Therefore, there is a technique called press quench as a technique for quenching gears that have been carburized in a carburizing furnace. In press quench, the gear is constrained by a bore holder so that the inner diameter of the gear does not change, and the gear is hardened by holding the gear with a presser mold so that displacement in the thickness direction of the gear does not occur. Do.
However, in the press quench, it is necessary to set the gears one by one in the equipment and perform the quenching process. Therefore, it is not easy to improve production efficiency. In addition, since special equipment for press quenching is required, it is not easy to reduce production costs.
そこで、プレスクエンチを用いずに、焼入れ処理に生じる歯車の歪を抑制する技術が求められている。この種の技術として特許文献1、2に記載の技術がある。
特許文献1には、歯車の取付面と外周面との角部に環状の段差を形成する技術が開示されている。
特許文献2には、焼入れ処理に際し、歯車の冷却が進行しにくい部位の表面に極薄の被膜層を被覆し、当該部位の見かけ上の熱伝達係数を上げることが開示されている。また、特許文献2には、歯車の冷却が進行しやすい部位に熱処理治具を設け、当該部位の見かけ上の熱伝達係数を下げることも開示されている。
Therefore, there is a demand for a technique for suppressing gear distortion that occurs in the quenching process without using a press quench. As this type of technology, there are technologies described in Patent Documents 1 and 2.
Patent Document 1 discloses a technique for forming an annular step at a corner between a gear mounting surface and an outer peripheral surface.
Patent Document 2 discloses that, during the quenching process, an extremely thin coating layer is coated on the surface of a portion where gear cooling is difficult to proceed to increase the apparent heat transfer coefficient of the portion. Further, Patent Document 2 discloses that a heat treatment jig is provided at a portion where the gear cooling is likely to proceed to lower the apparent heat transfer coefficient of the portion.
しかしながら、特許文献1に記載の技術では、歯車の形状を本来の形状と異ならせなければならない。さらに、歯車に段差を形成する必要があるため、歯車のコストが増加する。また、特許文献2に記載の技術では、被膜層や熱処理治具が必要になるため、歯車のコストが増加する。 However, in the technique described in Patent Document 1, the shape of the gear must be different from the original shape. Furthermore, since it is necessary to form a step in the gear, the cost of the gear increases. In addition, the technique described in Patent Document 2 requires a coating layer and a heat treatment jig, which increases the cost of gears.
本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、焼入れ後に歯車に生じる反り歪を、歯車のコストを可及的に増加させることなく抑制することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to suppress warping distortion generated in a gear after quenching without increasing the cost of the gear as much as possible.
本発明の浸炭焼入れ制御装置は、上面と底面のうち、一方の面には歯が形成され、他方の面には歯が形成されていない歯車であって、浸炭処理が施された歯車を、前記他方の面が冷却媒体側になるようにし、且つ、その回転軸に沿う方向の動きが拘束されていない状態で前記冷却媒体に浸漬させて焼入れを行うための浸炭焼入れ制御装置であって、
前記歯車を前記冷却媒体に浸漬させる際の前記歯車の移動速度である浸漬速度を一定に制御する制御手段を有し、前記制御手段は、前記歯車を前記冷却媒体に浸漬させる際の前記歯車の移動速度を、以下の(A)式〜(D)式により定まる前記浸漬速度V i [mm/s]で一定に制御することを特徴とする。
δ=a 1 {1−exp(−a 2 V i )}+a 3 ・・・(A)
a 1 =A 1 +A 2 G x +A 3 G y +A 4 w ・・・(B)
a 2 =B 1 +B 2 G x +B 3 G y +B 4 w ・・・(C)
a 3 =C 1 +C 2 G x +C 3 G y +C 4 w ・・・(D)
ここで、δは、前記焼入れによって前記歯車が反ることにより生じる前記歯車の前記他方の面の変位量であって、前記回転軸に沿う方向における変位量である反り歪[mm]であり、A 1 、A 2 、A 3 、A 4 、B 1 、B 2 、B 3 、B 4 、C 1 、C 2 、C 3 、C 4 は、予め定められる係数であり、G x は、前記反り歪が発生していないと仮定した場合の前記歯車を、その回転軸に沿って切った断面の領域のうち、歯が形成されている部分を除いた領域の図心と、当該回転軸との最短距離[mm]で表される形状パラメータであり、G y は、前記反り歪が発生していないと仮定した場合の前記歯車を、その回転軸に沿って切った断面の領域のうち、歯が形成されている部分を除いた領域の図心と、前記歯車の前記他方の面との最短距離[mm]で表される形状パラメータであり、wは、前記反り歪が発生していないと仮定した場合の前記歯車の領域であって、歯が形成されている部分を除いた領域の、内径と外径との差の1/2の長さ[mm]で表される形状パラメータである。
The carburizing and quenching control device of the present invention is a gear in which teeth are formed on one surface of the upper surface and the bottom surface, and teeth are not formed on the other surface, and the gear that has been subjected to carburizing treatment, A carburizing and quenching control device for performing quenching by immersing in the cooling medium in a state in which the other surface is on the cooling medium side and movement in a direction along the rotation axis is not restricted,
Have a control means for controlling a constant immersion speed is the moving speed of the gear at the time of immersing the gear to the cooling medium, said control means of the gear at the time of immersing the gear to the cooling medium The moving speed is controlled to be constant at the immersion speed V i [mm / s] determined by the following formulas (A) to (D) .
δ = a 1 {1-exp (−a 2 V i )} + a 3 (A)
a 1 = A 1 + A 2 G x + A 3 G y + A 4 w (B)
a 2 = B 1 + B 2 G x + B 3 G y + B 4 w (C)
a 3 = C 1 + C 2 G x + C 3 G y + C 4 w (D)
Here, δ is a warp strain [mm] which is a displacement amount of the other surface of the gear caused by warping of the gear due to the quenching and is a displacement amount in a direction along the rotation axis, A 1 , A 2 , A 3 , A 4 , B 1 , B 2 , B 3 , B 4 , C 1 , C 2 , C 3 , C 4 are predetermined coefficients, and G x is the warpage When the gear is assumed to have no distortion, the centroid of the region excluding the portion where the teeth are formed out of the cross-sectional region cut along the rotation axis, and the rotation shaft G y is a shape parameter represented by the shortest distance [mm], and G y is a tooth in a cross-sectional area obtained by cutting the gear along the rotation axis when it is assumed that the warp distortion is not generated. Is expressed by the shortest distance [mm] between the centroid of the region excluding the portion where the is formed and the other surface of the gear. W is the difference between the inner diameter and the outer diameter of the region of the gear excluding the portion where the teeth are formed when it is assumed that the warp distortion has not occurred. Is a shape parameter represented by a length [mm] of [1/2].
本発明の浸炭焼入れ制御方法は、上面と底面のうち、一方の面には歯が形成され、他方の面には歯が形成されていない歯車であって、浸炭処理が施された歯車を、前記他方の面が冷却媒体側になるようにし、且つ、その回転軸に沿う方向の動きが拘束されていない状態で前記冷却媒体に浸漬させて焼入れを行う浸炭焼入れ方法であって、前記歯車を前記冷却媒体に浸漬させる際の前記歯車の移動速度を、以下の(A)式〜(D)式により定まる浸漬速度Vi[mm/s]で一定にすることを特徴とする。
δ=a1{1−exp(−a2Vi)}+a3 ・・・(A)
a1=A1+A2Gx+A3Gy+A4w ・・・(B)
a2=B1+B2Gx+B3Gy+B4w ・・・(C)
a3=C1+C2Gx+C3Gy+C4w ・・・(D)
ここで、δは、前記焼入れによって前記歯車が反ることにより生じる前記歯車の前記他方の面の変位量であって、前記回転軸に沿う方向における変位量である反り歪[mm]であり、A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、B4、C1、C2、C3、C4は、予め定められる係数であり、Gxは、前記反り歪が発生していないと仮定した場合の前記歯車を、その回転軸に沿って切った断面の領域のうち、歯が形成されている部分を除いた領域の図心と、当該回転軸との最短距離[mm]で表される形状パラメータであり、Gyは、前記反り歪が発生していないと仮定した場合の前記歯車を、その回転軸に沿って切った断面の領域のうち、歯が形成されている部分を除いた領域の図心と、前記歯車の前記他方の面との最短距離[mm]で表される形状パラメータであり、wは、前記反り歪が発生していないと仮定した場合の前記歯車の領域であって、歯が形成されている部分を除いた領域の、内径と外径との差の1/2の長さ[mm]で表される形状パラメータである。
The carburizing and quenching control method of the present invention is a gear in which teeth are formed on one surface of the upper surface and the bottom surface, and teeth are not formed on the other surface, and a gear that has been subjected to carburizing treatment, A carburizing and quenching method in which the other surface is on the cooling medium side and is quenched by being immersed in the cooling medium in a state in which movement in a direction along the rotation axis is not restricted. The moving speed of the gear when immersed in the cooling medium is made constant at an immersion speed V i [mm / s] determined by the following expressions (A) to (D).
δ = a 1 {1-exp (−a 2 V i )} + a 3 (A)
a 1 = A 1 + A 2 G x + A 3 G y + A 4 w (B)
a 2 = B 1 + B 2 G x + B 3 G y + B 4 w (C)
a 3 = C 1 + C 2 G x + C 3 G y + C 4 w (D)
Here, δ is a warp strain [mm] which is a displacement amount of the other surface of the gear caused by warping of the gear due to the quenching and is a displacement amount in a direction along the rotation axis, A 1 , A 2 , A 3 , A 4 , B 1 , B 2 , B 3 , B 4 , C 1 , C 2 , C 3 , C 4 are predetermined coefficients, and G x is the warpage When the gear is assumed to have no distortion, the centroid of the region excluding the portion where the teeth are formed out of the cross-sectional region cut along the rotation axis, and the rotation shaft G y is a shape parameter represented by the shortest distance [mm], and G y is a tooth in a cross-sectional area obtained by cutting the gear along the rotation axis when it is assumed that the warp distortion is not generated. Is expressed by the shortest distance [mm] between the centroid of the region excluding the portion where the is formed and the other surface of the gear. W is the difference between the inner diameter and the outer diameter of the region of the gear excluding the portion where the teeth are formed when it is assumed that the warp distortion has not occurred. Is a shape parameter represented by a length [mm] of [1/2].
本発明によれば、歯車を冷却媒体に浸漬させる際の浸漬速度を制御するので、歯車に対して特別な処理を施さなくても、焼入れ後に歯車に生じる反り歪を抑制することができる。したがって、焼入れ後に歯車に生じる反り歪を、歯車のコストを可及的に増加させることなく抑制することができる。 According to the present invention, since the immersion speed when the gear is immersed in the cooling medium is controlled, it is possible to suppress warping distortion generated in the gear after quenching without performing any special treatment on the gear. Therefore, the warp distortion generated in the gear after quenching can be suppressed without increasing the cost of the gear as much as possible.
以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態を説明する。
(焼入れ設備)
図1は、浸炭焼入れにおける焼入れ処理を行う焼入れ設備の一例を示す図である。
図1において、複数の歯車100a〜100dは、浸炭炉で浸炭処理が行われた歯車である。複数の歯車100a〜100dは同じものであるので、以下の説明では、複数の歯車100a〜100dを総称する場合、これらを必要に応じて歯車100と表記する。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
(Hardening equipment)
FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a quenching facility for performing a quenching process in carburizing and quenching.
In FIG. 1, a plurality of gears 100a to 100d are gears that have been carburized in a carburizing furnace. Since the plurality of gears 100a to 100d are the same, in the following description, when the plurality of gears 100a to 100d are collectively referred to, they are referred to as the gear 100 as necessary.
歯車100は、上面と底面のうち、一方の面には歯が形成され、他方の面には歯が形成されていない。このような歯車であれば、歯車100の種類は特に限定されない。例えば、歯車100として、ハイポイドギアやかさ歯車を採用することができる。尚、図1に示す例では、歯車100の他方の面は略平坦な面である。
以下の説明では、このような形状の歯車を必要に応じて単に歯車と略称する。また、以下の説明では、歯が形成されている面を上面とし、歯が形成されていない面を底面と表記する。
The gear 100 has teeth formed on one surface of the upper surface and the bottom surface, and no teeth are formed on the other surface. If it is such a gear, the kind of gear 100 will not be specifically limited. For example, a hypoid gear or a bevel gear can be employed as the gear 100. In the example shown in FIG. 1, the other surface of the gear 100 is a substantially flat surface.
In the following description, such a gear is simply abbreviated as a gear as necessary. In the following description, a surface on which teeth are formed is referred to as an upper surface, and a surface on which teeth are not formed is referred to as a bottom surface.
歯車100を構成する材料として、肌焼鋼が用いられる。より具体的な歯車100の材料は、例えば、JIS G 4053 機械構造用合金鋼鋼材に規定されるクロム鋼鋼材(例えばSCr420)およびクロムモリブデン鋼鋼材(例えばSCM420、SCM435)の何れかである。 As a material constituting the gear 100, case hardening steel is used. A more specific material of the gear 100 is, for example, any one of a chrome steel material (for example, SCr420) and a chrome molybdenum steel material (for example, SCM420, SCM435) defined in JIS G 4053 alloy steel material for machine structure.
複数の歯車100a〜100dは、収容器200に収容される。本実施形態では、収容器200に(浸炭処理前の)複数の歯車100a〜100dを収容する。このようにして収容器200に収容された状態で複数の歯車100a〜100dは浸炭炉の内部に置かれ、公知の浸炭処理が行われる。その後、浸炭処理が施された複数の歯車100a〜100dは、収容器200に収容されたまま図1に示すような焼入れ処理を行うための設備に搬送される。 The plurality of gears 100 a to 100 d are accommodated in the container 200. In the present embodiment, a plurality of gears 100a to 100d (before carburizing treatment) are accommodated in the container 200. The plurality of gears 100a to 100d are placed in the carburizing furnace while being housed in the container 200 in this manner, and a known carburizing process is performed. Thereafter, the plurality of gears 100a to 100d subjected to the carburizing process are conveyed to equipment for performing a quenching process as shown in FIG.
図1に示すように本実施形態では、複数の歯車100a〜100dは、底面102a〜102dが冷却媒体300側になるようにして(複数の歯車100a〜100dの底面102a〜102dと冷却媒体300の表面とが対向するようにして)収容器200に収容される。歯車100の上面101側の領域の方が底面102側の領域よりも表面積が大きい。このため、歯車100の上面101が冷却媒体300側になるようにすると、歯車100の上面101側の領域が底面102側の領域よりも早く冷却され過ぎるようになり、これらの領域における冷却速度が大きく異なることになる。また、歯車100の回転軸が冷却媒体に対して大きく傾くようにすると、歯車100の周方向における冷却速度が大きく異なることになる。したがって、本実施形態では、複数の歯車100a〜100dの底面102a〜102dが冷却媒体300側になるようにする。 As shown in FIG. 1, in the present embodiment, the plurality of gears 100 a to 100 d have bottom surfaces 102 a to 102 d on the cooling medium 300 side (the bottom surfaces 102 a to 102 d of the plurality of gears 100 a to 100 d and the cooling medium 300. It is accommodated in the container 200 (with the surface facing it). The region on the upper surface 101 side of the gear 100 has a larger surface area than the region on the bottom surface 102 side. For this reason, when the upper surface 101 of the gear 100 is on the cooling medium 300 side, the region on the upper surface 101 side of the gear 100 is cooled too much faster than the region on the bottom surface 102 side, and the cooling rate in these regions is increased. It will be very different. In addition, when the rotation shaft of the gear 100 is largely inclined with respect to the cooling medium, the cooling rate in the circumferential direction of the gear 100 is greatly different. Therefore, in the present embodiment, the bottom surfaces 102a to 102d of the plurality of gears 100a to 100d are arranged on the cooling medium 300 side.
また、図1に示すように本実施形態では、複数の歯車100a〜100dは、その回転軸に沿う方向(厚み方向)の動きが治具等により拘束されていない状態で収容器200に収容される。尚、図1に示す例では、複数の歯車100a〜100dの回転軸に沿う方向(厚み方向)の動きに加え、複数の歯車100a〜100dの径方向の動きも拘束されていない。
収容器200の形状は、可及的に広い領域が開口している形状であるのが好ましいが、少なくとも一部の領域が開口している形状であれば、収容器200の構成は特に限定されない。例えば、網目状のかご型の収容器や、トレイ状の収容器を収容器200として用いることができる。また、高さ方向において複数段に分けて歯車を収容する収容器を用いてもよい。また、浸炭処理で使用される収容器を流用しなくてもよい。ただし、前述したように、歯車100の回転軸に沿う方向の動きが拘束されない状態で歯車100が収容器200に収容されるようにする。
As shown in FIG. 1, in the present embodiment, the plurality of gears 100 a to 100 d are accommodated in the container 200 in a state in which movement in the direction along the rotation axis (thickness direction) is not restrained by a jig or the like. The In addition, in the example shown in FIG. 1, in addition to the movement in the direction (thickness direction) along the rotation axis of the plurality of gears 100a to 100d, the movement in the radial direction of the plurality of gears 100a to 100d is not restricted.
The shape of the container 200 is preferably a shape in which a region as wide as possible is open, but the configuration of the container 200 is not particularly limited as long as at least a part of the region is open. . For example, a mesh-shaped cage container or a tray-shaped container can be used as the container 200. Moreover, you may use the container which accommodates a gear divided into several steps in a height direction. Moreover, it is not necessary to divert the container used by the carburizing process. However, as described above, the gear 100 is accommodated in the container 200 in a state where the movement of the gear 100 in the direction along the rotation axis is not restricted.
本実施形態において、冷却媒体300は油である。浸炭焼入れにおける焼入れ処理で一般的に利用される油を冷却媒体300として用いることができる。例えば、JIS K 2242(2012年) 熱処理油剤 に規定される1種1号または2種1号である油を冷却媒体300として用いることができる。 In the present embodiment, the cooling medium 300 is oil. Oil generally used in quenching in carburizing and quenching can be used as the cooling medium 300. For example, oil that is No. 1 or No. 2 specified in JIS K 2242 (2012) heat-treated oil can be used as the cooling medium 300.
図1に示す例では、以上のようにして複数の歯車100a〜100dが収容された収容器200をクレーン装置400により吊り上げて、収容器200を冷却媒体300の上方に位置させる。そして、収容器200をクレーン装置400により吊り下ろし、収容器200に収容されたまま複数の歯車100a〜100dを冷却媒体300に完全に浸漬させる。複数の歯車100a〜100dが冷却媒体300に完全に浸漬された状態を予め設定された時間だけ継続させた後、収容器200をクレーン装置400により吊り上げて、冷却媒体300から複数の歯車100a〜100dを取り出す。
本実施形態では、以上のようにして浸炭焼入れにおける焼入れ処理が行われる。
In the example illustrated in FIG. 1, the container 200 in which the plurality of gears 100 a to 100 d are accommodated as described above is lifted by the crane device 400, and the container 200 is positioned above the cooling medium 300. Then, the container 200 is suspended by the crane device 400, and the plurality of gears 100 a to 100 d are completely immersed in the cooling medium 300 while being accommodated in the container 200. After the state in which the plurality of gears 100a to 100d are completely immersed in the cooling medium 300 is continued for a preset time, the container 200 is lifted by the crane device 400, and the plurality of gears 100a to 100d are lifted from the cooling medium 300. Take out.
In the present embodiment, the quenching process in carburizing and quenching is performed as described above.
本実施形態では、以上のようにして冷却媒体300に歯車100を浸漬する際の歯車100の移動速度である浸漬速度を一定に制御する。歯車100の浸漬速度は、少なくとも、歯車100が冷却媒体300に初めて接触したタイミングから歯車100が冷却媒体300の内部に完全に入るタイミングまでの間における歯車100の移動速度(降下速度)である。 In the present embodiment, the immersion speed that is the moving speed of the gear 100 when the gear 100 is immersed in the cooling medium 300 is controlled to be constant as described above. The immersion speed of the gear 100 is at least the moving speed (lowering speed) of the gear 100 from the timing when the gear 100 first contacts the cooling medium 300 to the timing when the gear 100 completely enters the cooling medium 300.
本実施形態では、複数の歯車100a〜100dは収容器200に収容されるので、収容器200の移動速度(降下速度)を一定にすることにより、歯車100の浸漬速度を一定にする。
詳細は後述するが、本実施形態では、歯車100の浸漬速度を以下の(1)式に基づく浸漬速度Vi[mm/s]で一定にする。
Vi=−(1/a2)×loge{(a1+a3)/a1} ・・・(1)
ここで、a1、a2、a3は、それぞれ以下の(2)式、(3)式、(4)式で表される係数であり、歯車100の形状に依存する変数である。
a1=A1+A2Gx+A3Gy+A4w ・・・(2)
a2=B1+B2Gx+B3Gy+B4w ・・・(3)
a3=C1+C2Gx+C3Gy+C4w ・・・(4)
In this embodiment, since the several gears 100a-100d are accommodated in the container 200, the immersion speed of the gear 100 is made constant by making the moving speed (falling speed) of the container 200 constant.
Although details will be described later, in the present embodiment, the immersion speed of the gear 100 is made constant at an immersion speed V i [mm / s] based on the following equation (1).
V i = − (1 / a 2 ) × log e {(a 1 + a 3 ) / a 1 } (1)
Here, a 1 , a 2 , and a 3 are coefficients represented by the following equations (2), (3), and (4), respectively, and are variables that depend on the shape of the gear 100.
a 1 = A 1 + A 2 G x + A 3 G y + A 4 w (2)
a 2 = B 1 + B 2 G x + B 3 G y + B 4 w (3)
a 3 = C 1 + C 2 G x + C 3 G y + C 4 w (4)
詳細は後述するが、(1)式は、歯車100の反り歪δ[mm]が0(ゼロ)になるときの浸漬速度Viを示す((導出例1)の項の説明を参照)。
すなわち、本実施形態では、歯車100の反り歪δと浸漬速度Viとの関係が、以下の(5)式で表されるものとする(この点についても(導出例1)の項で詳述する)。
δ=a1{1−exp(−a2Vi)}+a3 ・・・(5)
Although details will be described later, the equation (1) indicates the immersion speed V i when the warp strain δ [mm] of the gear 100 becomes 0 (zero) (see the description of (derivation example 1)).
That is, in this embodiment, the relationship between the warp strain δ of the gear 100 and the immersion speed V i is expressed by the following equation (5) (this point is also described in detail in the section of (derivation example 1)). Describe).
δ = a 1 {1-exp (−a 2 V i )} + a 3 (5)
図2は、内反り歪の一例を概念的に説明する図である。図2は、歯車100を、その回転軸に沿って切った断面を示す。また、図2において、実線は、反り歪が発生していない歯車100の断面を示し、破線は、内反り歪が発生している歯車100の断面を示す。
前述したように、内反りとは、歯車100の底面102において、外周側が内周側よりも上面101のある側とは反対側の方向に反ることをいう。逆に、歯車100の底面102において、内周側が外周側よりも上面101のある側とは反対側の方向に反ることを外反りと呼ぶ。
FIG. 2 is a diagram conceptually illustrating an example of the internal warping distortion. FIG. 2 shows a cross section of the gear 100 taken along its rotational axis. In FIG. 2, the solid line indicates a cross section of the gear 100 in which no warp distortion has occurred, and the broken line indicates a cross section of the gear 100 in which an internal warp distortion has occurred.
As described above, the inward warping means that the outer peripheral side of the bottom surface 102 of the gear 100 is warped in the direction opposite to the side where the upper surface 101 is located, rather than the inner peripheral side. On the contrary, when the inner peripheral side of the bottom surface 102 of the gear 100 is warped in the direction opposite to the side where the upper surface 101 is present than the outer peripheral side is referred to as outward warping.
本実施形態では、焼入れによって歯車100が反ることにより生じる歯車100の底面102の変位量であって、回転軸に沿う方向における変位量を反り歪と定義する。図2に示す例では、反り歪が発生していないと仮定した場合の歯車100の底面102の位置21に対する、反り歪が発生している歯車100の底面102の位置22の、歯車100の回転軸23に沿う方向(厚み方向)における変位量の最大値(すなわち、位置21、22の厚み方向における長さ)が反り歪になる。 In the present embodiment, the amount of displacement of the bottom surface 102 of the gear 100 caused by warping of the gear 100 by quenching, and the amount of displacement in the direction along the rotation axis is defined as warp strain. In the example illustrated in FIG. 2, the rotation of the gear 100 at the position 22 of the bottom surface 102 of the gear 100 in which the warp distortion is generated with respect to the position 21 of the bottom surface 102 of the gear 100 when it is assumed that no warp distortion has occurred. The maximum value of the amount of displacement in the direction along the axis 23 (thickness direction) (that is, the length of the positions 21 and 22 in the thickness direction) becomes warp distortion.
図2に示すように、歯車100の底面102の外周端が、内周端よりも図2の下側(歯車100の上面101がある側とは反対側)の方向にある場合に、反り歪の値は正の値をとるものとする。この場合、反り歪は内反り歪となる。
一方、歯車100の底面102の内周端が、外周端よりも図2の下側(歯車100の上面101がある側とは反対側)の方向にある場合に、反り歪の値は負の値をとるものとする。この場合、反り歪は外反り歪となる。
As shown in FIG. 2, when the outer peripheral end of the bottom surface 102 of the gear 100 is in the lower side of FIG. 2 than the inner peripheral end (the side opposite to the side where the upper surface 101 of the gear 100 is present), warping distortion occurs. The value of is assumed to be a positive value. In this case, the warp strain is an internal warp strain.
On the other hand, when the inner peripheral end of the bottom surface 102 of the gear 100 is in the lower side of FIG. 2 than the outer peripheral end (the side opposite to the side where the upper surface 101 of the gear 100 is present), the warp strain value is negative. Take the value. In this case, the warp strain is an outward warp strain.
前述した(2)式〜(4)式において、Gx、Gy、wは、形状パラメータである。
図3は、形状パラメータGx、Gy、wの一例を示す図である。図3は、歯車100を、その回転軸31に沿って切った場合に、回転軸31の両側に現れる2つの断面のうちの1つを示す。
形状パラメータGxは、反り歪が発生していないと仮定した場合の歯車100を、その回転軸31に沿って切った断面の領域のうち、歯が形成されている部分を除いた領域(環状部)の図心32のx座標([mm])である。すなわち、形状パラメータGxは、反り歪が発生していないと仮定した場合の歯車100を、その回転軸31に沿って切った断面の領域のうち、歯が形成されている部分を除いた領域(環状部)の図心32と、回転軸31との最短距離[mm]である。
In the expressions (2) to (4) described above, G x , G y , and w are shape parameters.
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of the shape parameters G x , G y , and w. FIG. 3 shows one of two cross sections that appear on both sides of the rotation shaft 31 when the gear 100 is cut along the rotation shaft 31.
The shape parameter G x is a region (annular region) excluding a portion where teeth are formed in a region of a cross section obtained by cutting the gear 100 along the rotation axis 31 when it is assumed that no warp distortion has occurred. Part) is the x coordinate ([mm]) of the centroid 32. That is, the shape parameter G x is a region excluding a portion where teeth are formed in a cross-sectional region obtained by cutting the gear 100 along the rotation axis 31 when it is assumed that no warp distortion has occurred. This is the shortest distance [mm] between the centroid 32 of the (annular portion) and the rotation shaft 31.
また、形状パラメータGyは、反り歪が発生していないと仮定した場合の歯車100を、その回転軸31に沿って切った断面の領域のうち、歯が形成されている部分を除いた領域(環状部)の図心32のy座標([mm])である。すなわち、形状パラメータGyは、反り歪が発生していないと仮定した場合の歯車100を、その回転軸31に沿って切った断面の領域のうち、歯が形成されている部分を除いた領域(環状部)の図心32と、歯車100の底面102との最短距離[mm]である。
面積Sを持つ或る2次元形状の図心の座標(Gx,Gy)は、以下の(6)式、(7)式のように定義される。尚、座標(Gx,Gy)の原点0は、図3に示す位置である。
Gx=∫SxdS/S ・・・(6)
Gy=∫SydS/S ・・・(7)
The shape parameter G y is a region excluding a portion where teeth are formed in a cross-sectional region obtained by cutting the gear 100 along the rotation axis 31 when it is assumed that no warp distortion is generated. It is y coordinate ([mm]) of the centroid 32 of (annular part). That is, the shape parameter G y is a region excluding a portion where teeth are formed in a cross-sectional region obtained by cutting the gear 100 along the rotation axis 31 when it is assumed that no warp distortion has occurred. This is the shortest distance [mm] between the centroid 32 of the (annular portion) and the bottom surface 102 of the gear 100.
The coordinates (G x , G y ) of a centroid having a certain two-dimensional shape having an area S are defined as the following expressions (6) and (7). The origin 0 of the coordinates (G x , G y ) is the position shown in FIG.
G x = ∫ S xdS / S (6)
G y = ∫ S ydS / S (7)
形状パラメータwは、反り歪が発生していないと仮定した場合の歯車100の歯が形成されている部分を除いた領域(環状部)の、内径と外径との差の1/2の長さ[mm]である。言い換えると、形状パラメータwは、反り歪が発生していないと仮定した場合の歯車100を、その回転軸31に沿って切った断面の領域のうち、歯が形成されている部分を除いた領域(環状部)の、回転軸31に垂直な方向(図3の横方向)の長さ(幅)の最大値である。 The shape parameter w is a length that is ½ of the difference between the inner diameter and the outer diameter of the region (annular portion) excluding the portion where the teeth of the gear 100 are formed when it is assumed that no warp distortion has occurred. [Mm]. In other words, the shape parameter w is a region excluding a portion where teeth are formed in a cross-sectional region obtained by cutting the gear 100 along the rotation axis 31 when it is assumed that no warp distortion has occurred. This is the maximum value of the length (width) of the (annular portion) in the direction perpendicular to the rotation shaft 31 (lateral direction in FIG. 3).
(2)式〜(4)式において、係数A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、B4、C1、C2、C3、C4は、次のようにして導出される。まず、歯車100に対して浸炭焼入れを施した場合の歯車100の浸漬速度と反り歪との関係を、数値解析の結果から導出する。次に、数値解析に使用した形状パラメータGx、Gy、wが与えられた(2)式〜(4)式が、導出した関係に最も近くなるときの係数A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、B4、C1、C2、C3、C4を最小二乗法により導出する。係数A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、B4、C1、C2、C3、C4の導出方法の詳細については後述する((導出例1)の項の説明を参照)。 In the equations (2) to (4), the coefficients A 1 , A 2 , A 3 , A 4 , B 1 , B 2 , B 3 , B 4 , C 1 , C 2 , C 3 , C 4 are as follows: It is derived as follows. First, the relationship between the immersion speed of the gear 100 and the warp distortion when the gear 100 is carburized and quenched is derived from the results of numerical analysis. Next, the coefficients A 1 , A 2 , A 3 when the equations (2) to (4) given the shape parameters G x , G y , w used in the numerical analysis are closest to the derived relationship. , A 4 , B 1 , B 2 , B 3 , B 4 , C 1 , C 2 , C 3 , C 4 are derived by the least square method. Details of the method of deriving the coefficients A 1 , A 2 , A 3 , A 4 , B 1 , B 2 , B 3 , B 4 , C 1 , C 2 , C 3 , C 4 will be described later ((Derivation Example 1 ).
図1の説明に戻り、浸炭焼入れ制御装置500は、歯車100に対して焼入れを施す際のクレーン装置400の動作を制御する。
浸炭焼入れ制御装置500のハードウェアは、例えば、CPU、ROM、RAM、HDD、および各種のインターフェースを備える情報処理装置、PLC(プラグラマブルロジックコントローラ)、または専用のハードウェアを用いることにより実現される。
Returning to the description of FIG. 1, the carburizing and quenching control device 500 controls the operation of the crane device 400 when quenching the gear 100.
The hardware of the carburizing and quenching control device 500 is realized by using, for example, an information processing device including a CPU, ROM, RAM, HDD, and various interfaces, a PLC (pluggable logic controller), or dedicated hardware. .
浸炭焼入れ制御装置500は、速度取得部501と、偏差導出部502と、制御部503とを有する。
速度取得部501は、歯車100の移動速度を取得する。本実施形態では、歯車100を収容器200に収容する。したがって、速度取得部501は、収容器200の移動速度を歯車100の移動速度として取得する。収容器200の移動速度は、例えば、クレーン装置400のワイヤー402の送り出し速度および巻き戻し速度を検出するエンコーダにより測定される。この場合、速度取得部501は、エンコーダの測定値を取得することになる。
The carburizing and quenching control apparatus 500 includes a speed acquisition unit 501, a deviation derivation unit 502, and a control unit 503.
The speed acquisition unit 501 acquires the moving speed of the gear 100. In the present embodiment, the gear 100 is accommodated in the container 200. Therefore, the speed acquisition unit 501 acquires the moving speed of the container 200 as the moving speed of the gear 100. The moving speed of the container 200 is measured by, for example, an encoder that detects the feeding speed and the rewinding speed of the wire 402 of the crane apparatus 400. In this case, the speed acquisition unit 501 acquires the measurement value of the encoder.
偏差導出部502は、(1)式〜(4)式の計算を行うことにより予め導出された浸漬速度Viから、速度取得部501により取得された速度を減算した値である速度偏差を導出する。
制御部503は、クレーン装置400の駆動装置401に備わるモータの回転数の値として、偏差導出部502により導出された速度偏差が0(ゼロ)に近づく値を導出し、導出した値を駆動装置401に出力する。制御部503は、例えばPID制御器を用いることにより、クレーン装置400の駆動装置401に備わるモータの回転数の値として、偏差導出部502により導出された速度偏差が0(ゼロ)に近づく値を導出する。
The deviation deriving unit 502 derives a speed deviation that is a value obtained by subtracting the speed acquired by the speed acquiring unit 501 from the immersion speed V i previously calculated by performing the calculations of Expressions (1) to (4). To do.
The control unit 503 derives a value at which the speed deviation derived by the deviation deriving unit 502 approaches 0 (zero) as the value of the rotation speed of the motor provided in the driving device 401 of the crane device 400, and uses the derived value as the driving device. 401 is output. For example, by using a PID controller, the control unit 503 sets a value at which the speed deviation derived by the deviation deriving unit 502 approaches 0 (zero) as the value of the rotation speed of the motor provided in the driving device 401 of the crane device 400. To derive.
駆動装置401は、制御部503で導出された値に従ってモータを回転させ、クレーン装置400のワイヤー402の送り出しを行う。これにより、収容器200は、(1)式〜(4)式の計算を行うことにより予め導出された浸漬速度Viに近い一定速度で降下する。
制御部503は、歯車100が冷却媒体300の内部に完全に入ると見なせる所定の位置まで収容器200が降下すると、クレーン装置400の駆動装置401に備わるモータの回転の停止を指示する。クレーン装置400の駆動装置401は、この指示に従ってモータの回転を停止させる。これにより、収容器200の動きが止まる。
The driving device 401 rotates the motor according to the value derived by the control unit 503, and feeds the wire 402 of the crane device 400. Thus, the container 200 descends at a constant speed close to the immersion speed V i derived in advance by performing the calculations of Expressions (1) to (4).
When the container 200 descends to a predetermined position where the gear 100 can be regarded as completely entering the inside of the cooling medium 300, the control unit 503 instructs the rotation of the motor provided in the driving device 401 of the crane device 400 to stop. The drive device 401 of the crane device 400 stops the rotation of the motor according to this instruction. Thereby, the movement of the container 200 stops.
制御部503は、歯車100が冷却媒体300の内部に完全に入ると見なせる所定の位置であるか否かを、例えば、クレーン装置400のワイヤー402の送り出し長が所定の長さになったか否かにより判断することができる。
その後、予め設定された時間が経過すると、制御部503は、クレーン装置400の駆動装置401に備わるモータの回転の開始を指示する。クレーン装置400の駆動装置401は、この指示に従ってモータを回転させ、クレーン装置400のワイヤー402の巻き戻しを行う。これにより、収容器200は上昇し、歯車100は冷却媒体300から引き上げられる。この際、収容器200の上昇速度は一定にしてもしなくてもよい。
本実施形態では、以上のようにして焼入れ設備を構成する。
The control unit 503 determines whether or not the gear 100 is at a predetermined position that can be regarded as completely entering the inside of the cooling medium 300, for example, whether or not the feed length of the wire 402 of the crane device 400 has reached a predetermined length. Can be determined.
Thereafter, when a preset time has elapsed, the control unit 503 instructs the start of rotation of the motor provided in the drive device 401 of the crane device 400. The drive device 401 of the crane apparatus 400 rotates the motor according to this instruction, and rewinds the wire 402 of the crane apparatus 400. Thereby, the container 200 rises and the gear 100 is pulled up from the cooling medium 300. At this time, the rising speed of the container 200 may not be constant.
In the present embodiment, the quenching equipment is configured as described above.
尚、ここでは、PID制御を行う場合を例に挙げて説明したが、浸漬速度Viを一定にするフィードバック制御を行うようにしていれば、必ずしもPID制御を行う必要はない。例えば、PI制御を行うようにしてもよい。
また、ここでは、クレーン装置400により、収容器200に収容された複数の歯車100a〜100dを冷却媒体300に浸漬させる場合を例に挙げて説明した。しかしながら、収容器200に収容された複数の歯車100a〜100dの浸漬速度を制御する際の操作対象となり得る設備であれば、必ずしもクレーン装置400を用いる必要はない。
Here, although described as a case where the PID control as an example, if to perform the feedback control for the constant immersion speed V i, it is not always necessary to perform PID control. For example, PI control may be performed.
Here, the case where the plurality of gears 100 a to 100 d housed in the container 200 is immersed in the cooling medium 300 by the crane device 400 has been described as an example. However, it is not always necessary to use the crane device 400 as long as it can be an operation target when controlling the immersion speed of the plurality of gears 100a to 100d accommodated in the container 200.
(数値解析)
本発明者らは、上面と底面のうち、一方の面には歯が形成され、他方の面には歯が形成されていない形状を有する歯車に対して浸炭焼入れを行った場合の歯車の内部に生じる応力および歪の分布を、有限要素法による数値解析(シミュレーション)を行うことにより導出することを試みた。
(Numerical analysis)
The inventors of the present invention have found that the inside of a gear when carburizing and quenching is performed on a gear having a shape in which teeth are formed on one surface of the upper surface and the bottom surface and teeth are not formed on the other surface. We tried to derive the distribution of stress and strain generated by finite element method by numerical analysis (simulation).
以下に、数値解析に用いる主な計算式について説明する。
<<相変態について>>
温度Tに等温保持したときの組織Iにおける相変態開始後の時間τI、変態率ξIの関係は、以下の(8)式、(9)式、(10)式で表される。組織IにおけるF、P、B、M、γは、それぞれ、フェライト、パーライト、ベイナイト、マルテンサイト、オーステナイトを示す。
Hereinafter, main calculation formulas used for numerical analysis will be described.
<< About Phase Transformation >>
Temperature T time after phase transformation initiation in tissue I when the isothermal holding in tau I, the relationship of the transformation rate xi] I, the following equation (8), (9), represented by the formula (10). F, P, B, M, and γ in the structure I represent ferrite, pearlite, bainite, martensite, and austenite, respectively.
ここで、Gは、オーステナイト粒度を識別する番号である。C、Si、Mn、Cr、Ni、Moは、それぞれの合金元素の質量を質量%で表したものである。ここで、炭素濃度Cは、浸炭により生じる、鋼材の深さ方向の分布を考慮して定められる。Qは、拡散変態の活性化エネルギーである。Rは気体定数である。
無拡散変態であるマルテンサイト変態の変態率ξMは、以下の(11)式で表される。
Here, G is a number that identifies the austenite grain size. C, Si, Mn, Cr, Ni, and Mo represent the mass of each alloy element in mass%. Here, the carbon concentration C is determined in consideration of the distribution in the depth direction of the steel material caused by carburization. Q is the activation energy of the diffusion transformation. R is a gas constant.
The transformation ratio ξ M of the martensitic transformation, which is a non-diffusion transformation, is expressed by the following equation (11).
(8)式〜(11)式を用いれば、任意の温度Tにおける任意の変態率ξIに達するまでの時間τIを求めることができる。したがって、温度Tを変化させ、ξI=0.01を変態開始線、ξI=0.99を変態終了線とすることで、図4に示すように、任意の合金元素における鋼材の等温変態線図を予測することができる。 If the equations (8) to (11) are used, the time τ I required to reach an arbitrary transformation rate ξ I at an arbitrary temperature T can be obtained. Therefore, by changing the temperature T, ξ I = 0.01 is the transformation start line, and ξ I = 0.99 is the transformation end line, as shown in FIG. 4, the isothermal transformation of the steel material in an arbitrary alloy element. A diagram can be predicted.
また、(8)式〜(9)式を変態率で微分し、或る微小時間の間は温度が一定であるとの仮定の下に加算則を適用すると、連続冷却変態を予測することができる。変態温度は、以下の(12)式〜(15)式で計算される。 Further, when the equations (8) to (9) are differentiated by the transformation rate and the addition rule is applied under the assumption that the temperature is constant for a certain minute time, the continuous cooling transformation can be predicted. it can. The transformation temperature is calculated by the following formulas (12) to (15).
<<熱歪について>>
組織Iの密度ρIは、以下の(16)式〜(18)式により計算される。
<< About thermal strain >>
The density ρ I of the tissue I is calculated by the following equations (16) to (18).
したがって、温度Tにおける組織Iの熱歪増分dεT Iは以下の(19)式により計算される。 Accordingly, the thermal strain increment dε T I of the tissue I at the temperature T is calculated by the following equation (19).
<<変態歪について>>
相変態を考慮する場合、通常の熱弾塑性解析における弾性歪、塑性歪、熱歪の他に変態歪と変態塑性歪を計算する必要がある。図5は、Ac3点以上まで鋼材を加熱した後、急速冷却し(すなわち焼入れをし)、主にマルテンサイト変態が発生した場合の鋼材の温度と歪の関係の一例を概念的に示す図である。急速冷却時にオーステナイトからマルテンサイトに変態することで、鋼材の密度が減少し、体積が増加する。この相変態に伴う体積変化に起因する歪が変態歪である。オーステナイトから組織Iへの温度Tにおける変態歪増分dεTRは、以下の(20)式により計算される。
<< About transformation distortion >>
When considering phase transformation, it is necessary to calculate transformation strain and transformation plastic strain in addition to elastic strain, plastic strain, and thermal strain in ordinary thermoelastic-plastic analysis. FIG. 5 is a diagram conceptually showing an example of the relationship between the temperature and strain of a steel material when the steel material is heated to Ac3 point or higher and then rapidly cooled (that is, quenched) and martensitic transformation mainly occurs. is there. By transforming from austenite to martensite during rapid cooling, the density of the steel material decreases and the volume increases. The strain resulting from the volume change accompanying this phase transformation is the transformation strain. The transformation strain increment dε TR at a temperature T from austenite to structure I is calculated by the following equation (20).
<<変態塑性歪について>>
図6は、Ac3点以上まで鋼材を加熱した後、急速冷却時(すなわち焼入れ時)に一定の応力を負荷した場合の鋼材の温度と歪との関係の一例を概念的に示す図である。
変態の進行時に応力が鋼材に負荷されている場合、非弾性の歪が鋼材に発生する。この歪が変態塑性歪である。変態塑性歪は、偏差応力に比例して発生する。変態塑性歪増分dεTPは、以下の(21)により計算される。
<< About transformation plastic strain >>
FIG. 6 is a diagram conceptually illustrating an example of the relationship between the temperature and strain of the steel material when a constant stress is applied during rapid cooling (that is, during quenching) after the steel material is heated to the Ac3 point or higher.
When stress is applied to the steel material during the progression of transformation, inelastic strain occurs in the steel material. This strain is the transformation plastic strain. The transformation plastic strain is generated in proportion to the deviation stress. The transformation plastic strain increment dε TP is calculated by the following (21).
(21)式において、KIは、組織Iの変態塑性係数である。Sは偏差応力である。各組織の変態塑性係数は、それぞれ、KF=KP=1.3×10-4、KB=6.3×10-5、KM=7.4×10-5である。偏差応力Sは、応力から等方成分を差し引いたものであり、以下の(22)式により計算される。 (21) In the equation, K I is the transformation plasticity coefficient of the tissue I. S is the deviation stress. The transformation plasticity coefficients of each structure are K F = K P = 1.3 × 10 −4 , K B = 6.3 × 10 −5 , and K M = 7.4 × 10 −5 , respectively. The deviation stress S is obtained by subtracting an isotropic component from the stress, and is calculated by the following equation (22).
(22)式において、σは、応力である。σijは、応力σのij成分である。Iは、単位テンソルである。σmは、静水圧応力であり、以下の(23)式により計算される。 In the equation (22), σ is stress. σ ij is an ij component of the stress σ. I is a unit tensor. σ m is the hydrostatic pressure stress and is calculated by the following equation (23).
以上の式で定義される熱歪、変態歪、および変態塑性歪の計算部分を、汎用の有限要素法パッケージ(アプリケーションソフトウェア)であるAbaqus(商品名)のユーザサブルーチンに追加する。これにより、相変態を考慮した熱弾性解析が可能になる。(8)式〜(18)式には炭素濃度Cの項が含まれる。このため、浸炭による炭素濃度の変化を考慮した解析を行うことができる。 The calculation part of thermal strain, transformation strain, and transformation plastic strain defined by the above equations is added to a user subroutine of Abaqus (trade name) which is a general-purpose finite element method package (application software). Thereby, thermoelastic analysis in consideration of phase transformation becomes possible. Expressions (8) to (18) include a term of carbon concentration C. For this reason, the analysis which considered the change of the carbon concentration by carburization can be performed.
尚、Abaqusのユーザサブルーチンに組み込まれる前述した内容は、例えば、非特許文献1〜4に記載のように公知の技術で実現できる。また、Abaqusのユーザサブルーチン以外の部分(標準的な機能)は、例えば非特許文献5に記載のように公知の技術である。 It should be noted that the above-described contents incorporated into the Abaqus user subroutine can be realized by known techniques as described in Non-Patent Documents 1 to 4, for example. Further, the part (standard function) other than the user subroutine of Abaqus is a known technique as described in Non-Patent Document 5, for example.
Abaqusによる計算の条件の設定の際には、歯車の材料データ(ヤング率、変形抵抗曲線、密度、比熱、熱伝導率、拡散係数等)、歯車の形状データ、浸炭焼入れの際の各工程における温度と時間との関係(いわゆるヒートパターン)、表面炭素濃度、および焼入れ処理に使用する油の熱伝達係数等を入力する。また、ここでは、歯車の表面の冷却される領域が、底面側から浸漬速度に従って徐々に上昇するように、有限要素法における境界条件を設定する。 When setting the calculation conditions by Abaqus, gear material data (Young's modulus, deformation resistance curve, density, specific heat, thermal conductivity, diffusion coefficient, etc.), gear shape data, carburizing and quenching in each process Input the relationship between temperature and time (so-called heat pattern), surface carbon concentration, heat transfer coefficient of oil used for quenching treatment, etc. Here, the boundary condition in the finite element method is set so that the region to be cooled on the surface of the gear gradually rises from the bottom side according to the immersion speed.
以上の相変態を考慮した熱弾塑性解析で得られた焼入れ完了時の歯車の組織分率および温度履歴(冷却速度)を用いて、歯車のビッカース硬さを計算した。焼入れ完了時の各組織Iのビッカース硬さHVIは、歯車の化学成分および冷却速度Vrから以下の(24)式〜(26)式により計算される。尚、焼入れ完了時の各組織Iのビッカース硬さHVIの予測式としては、複数の式が提案されているが、ここでは、非特許文献6に記載の式を用いた。 The Vickers hardness of the gear was calculated using the gear structure fraction and the temperature history (cooling rate) at the time of completion of quenching obtained by thermoelastic-plastic analysis considering the above phase transformation. Vickers hardness HV I of each tissue I during quenching completion is calculated by the following (24) to (26) from the chemical composition and cooling rate V r of the gear. As the prediction expression of Vickers hardness HV I of each tissue I during quenching completed, a plurality of expression is proposed, in which, using the equation described in Non-Patent Document 6.
ここで、冷却速度Vrは、冷却中の歯車の700[℃]における冷却速度[℃/hour]である。歯車の全体のビッカース硬さHVは、以下の(27)式のように、各組織Iの硬さHVIと組織分率ξIとの積の和で計算される。 Here, the cooling rate V r is the cooling rate [° C./hour] at 700 [° C.] of the gear being cooled. The overall Vickers hardness HV of the gear is calculated by the sum of the products of the hardness HV I of each structure I and the structure fraction ξ I as shown in the following equation (27).
(新たな知見について)
本発明者らは、上面と底面のうち、一方の面に歯が形成され、他方の面に歯が形成されていない歯車について、浸炭焼入れが行われた後の内部の応力、塑性歪、および変態塑性歪を、前述した数値解析(シミュレーション)を行うことにより調査した。このような歯車では、発生する反り歪の発生メカニズムは変わらないものとして、ここでは、歯数が「39」、ピッチ円直径が230[mm]であるすぐばかさ歯車を数値解析の対象として用いた。
(About new knowledge)
The inventors of the present invention have a gear formed with teeth on one surface of the upper surface and the bottom surface and not formed with teeth on the other surface, internal stress after carburizing and quenching, plastic strain, and The transformation plastic strain was investigated by performing the numerical analysis (simulation) described above. In such a gear, it is assumed that the generation mechanism of the generated warp strain does not change. Here, a straight bevel gear having a number of teeth of “39” and a pitch circle diameter of 230 [mm] is used as an object of numerical analysis. It was.
図7は、ピッチ円直径PDを説明する図である。図7では、歯車を、その回転軸に沿う方向に切った断面を示す。
ピッチ円とは、相互にかみ合う2つの歯車の接点が描く円である。かさ歯車では、相互にかみ合う2つの歯車の歯の外周端の接点が描く円がピッチ円となる。ピッチ円直径は、このようなピッチ円の直径である。
FIG. 7 is a diagram for explaining the pitch circle diameter PD. In FIG. 7, the cross section which cut the gearwheel in the direction in alignment with the rotating shaft is shown.
A pitch circle is a circle drawn by the contact point of two gears meshing with each other. In the bevel gear, the circle drawn by the contact points of the outer peripheral ends of the teeth of the two gears meshing with each other is the pitch circle. The pitch circle diameter is the diameter of such a pitch circle.
図8は、歯車の3次元モデルの一例を示す図である。
具体的に図8(a)は、数値解析で用いた歯車の3次元モデルの全体モデルを示す図である。また、図8(b)は、数値解析で用いた歯車の3次元モデルを示す図である。図8(a)に示す全体モデルの対称性を利用し、図8(b)に示すように、図8(a)に示す全体モデルの1/78のモデル(1個の歯の半分の領域のモデル)を採用する。このようなモデルの形状を示すデータを歯車の形状データとして用いた。
FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a three-dimensional model of a gear.
Specifically, FIG. 8A is a diagram showing an overall model of the three-dimensional gear model used in the numerical analysis. FIG. 8B shows a three-dimensional model of the gear used in the numerical analysis. Using the symmetry of the whole model shown in FIG. 8A, as shown in FIG. 8B, 1/78 model of the whole model shown in FIG. 8A (half the area of one tooth) Model). Data indicating the shape of such a model was used as gear shape data.
また、歯車の材料データとして、JIS G 4053(2008年) 機械構造用合金鋼鋼材 に規定されるSCr420のデータを用いた。表1に、SCr420の化学成分を示す。 In addition, as the material data of gears, the data of SCr420 specified in JIS G 4053 (2008) alloy steel for machine structural use was used. Table 1 shows chemical components of SCr420.
また、図9に示す熱処理条件(ヒートパターン)を用いた。すなわち、浸炭処理での熱処理温度を930[℃]とし、当該熱処理温度での保持時間を100[min]とし、カーボンポテンシャルCPを0.7とした。またここでは、浸炭処理後に均熱処理を行うこととし、均熱処理での熱処理温度を870[℃]とし、当該熱処理温度での保持時間を65[min]とした。さらにここでは、均熱処理後に油焼入れ処理を行うこととし、油の温度を50[℃]とした。この油はJIS K 2242(2012年) 熱処理油剤 に規定される1種1号の冷却性能を有し、熱伝達係数として図10に示す熱伝達係数を用いた。 Further, the heat treatment conditions (heat pattern) shown in FIG. 9 were used. That is, the heat treatment temperature in the carburizing treatment was 930 [° C.], the holding time at the heat treatment temperature was 100 [min], and the carbon potential CP was 0.7. Here, the soaking process is performed after the carburizing process, the heat treatment temperature in the soaking process is 870 [° C.], and the holding time at the heat treatment temperature is 65 [min]. Further, here, oil quenching is performed after soaking, and the temperature of the oil is 50 [° C.]. This oil has Class 1 No. 1 cooling performance as defined in JIS K 2242 (2012) Heat Treatment Fluid, and the heat transfer coefficient shown in FIG. 10 was used as the heat transfer coefficient.
以上の条件で浸漬速度Viを異ならせて数値解析を行った結果を以下に示す。
図11は、焼入れ後の歯車の形状を示す図である。図11(a)は、歯車全面を均一に(瞬時に)冷却した場合(高速で浸漬を行っ場合)を示し、図11(b)は、浸漬速度Viを5[mm/s]として歯車を冷却した場合(低速で浸漬を行った場合)を示す。尚、図11は、歯車のモデル(図8(b)を参照)を、歯車の回転軸に沿って切った断面の1つを示す。また、図11における変形倍率は50倍である。
At different dipping speeds V i under the above conditions show the results of numerical analysis below.
FIG. 11 is a diagram showing the shape of the gear after quenching. 11 (a) shows, when uniformly (instantly) cooling the gear entire indicates (when subjected to immersion in a high speed), FIG. 11 (b), the gear dipping speed V i as 5 [mm / s] Is shown (when immersion is performed at low speed). FIG. 11 shows one of the cross sections of the gear model (see FIG. 8B) cut along the rotation axis of the gear. Further, the deformation magnification in FIG. 11 is 50 times.
図11(a)、図11(b)において、焼入れ処理後の形状を白抜きで示し、その上に重ねて焼入れ処理後の形状をグレーで示す。図11(a)に示すように、高速で浸漬を行うと、焼入れによって内反り歪が発生するという知見を得た。一方、図11(b)に示すように、低速で浸漬を行うと、高速で浸漬を行った場合とは逆の方向に反り歪(外反り歪)が発生するという知見を得た。 In Fig.11 (a) and FIG.11 (b), the shape after a quenching process is shown by white, and the shape after a quenching process is piled up on it and is shown by gray. As shown to Fig.11 (a), when the immersion was performed at high speed, the knowledge that internal curvature distortion generate | occur | produces by quenching was acquired. On the other hand, as shown in FIG. 11B, it has been found that when immersion is performed at a low speed, warping strain (outward warping strain) is generated in a direction opposite to that performed when immersion is performed at a high speed.
図12は、焼入れ後の歯車の内部に発生する周方向の残留応力を示す図である。図13は、焼入れ後の歯車の内部に発生する周方向の塑性歪を示す図である。図14は、焼入れ後の歯車の内部に発生する周方向の変態塑性歪を示す図である。図12(a)、図13(a)、図14(a)は、歯車全面を均一に(瞬時に)冷却した場合(高速で浸漬を行っ場合)を示し、図12(b)、図13(b)、図14(b)は、浸漬速度Viを5[mm/s]として歯車を冷却した場合(低速で浸漬を行った場合)を示す。尚、図12〜図14は、歯車のモデル(図8(b)を参照)を、歯車の回転軸に沿って切った断面を示す。また、図12〜図14における変形倍率は0倍である。 FIG. 12 is a diagram showing the circumferential residual stress generated in the gear after quenching. FIG. 13 is a view showing the plastic strain in the circumferential direction generated inside the gear after quenching. FIG. 14 is a diagram showing a circumferential transformation plastic strain generated inside the gear after quenching. FIGS. 12 (a), 13 (a), and 14 (a) show the case where the entire gear surface is cooled uniformly (instantaneously) (when immersion is performed at high speed), and FIGS. (b), FIG. 14 (b) shows a case where the cooling wheel (when performing immersion at a low speed) the immersion velocity V i as 5 [mm / s]. 12 to 14 show cross sections of a gear model (see FIG. 8B) cut along the rotation axis of the gear. Further, the deformation magnification in FIGS. 12 to 14 is 0 times.
図12〜図14に示すように、歯車の内部には、引張残留応力、圧縮塑性歪、引張変態塑性歪が発生するという知見を得た。また、図12(a)、図13(a)、図14(a)と、図12(b)、図13(b)、図14(b)とを比較することにより、低速で浸漬を行った方が、高速で浸漬を行った場合よりも、引張残留応力、圧縮塑性歪、引張変態塑性歪の発生位置が、歯が形成されている側(図12〜図14の上側)になるという知見を得た。 As shown in FIGS. 12 to 14, it has been found that tensile residual stress, compressive plastic strain, and tensile transformation plastic strain are generated inside the gear. Also, by comparing FIG. 12 (a), FIG. 13 (a), and FIG. 14 (a) with FIG. 12 (b), FIG. 13 (b), and FIG. The direction where the residual tensile stress, the compressive plastic strain, and the tensile transformation plastic strain are generated is on the side where the teeth are formed (upper side in FIGS. 12 to 14) than when the immersion is performed at a high speed. Obtained knowledge.
図15は、歯車に発生する内反り歪および外反り歪と引張応力の発生位置との関係の一例を概念的に示す図である。図15(a)は、高速で浸漬を行った場合を示し、図15(b)は、低速で浸漬を行った場合を示す。
図15(a)、図15(b)に示すように、歯車の内部に発生する引張残留応力は、歯車の径を縮める方向に働く。このため、図15(a)に示すように、引張残留応力の発生位置1501が、歯が形成されていない側(図15(a)の下側)にあるほど、内反り歪が大きくなると考えられる。一方、図15(b)に示すように、引張残留応力の発生位置1502が、歯が形成されている側(図15(b)の上側)にあると、外反り歪が発生すると考えられる。したがって、高速で浸漬を行うと、引張残留応力の発生位置が、歯が形成されていない側(図15(a)の下側)になることにより、図11(a)に示すように、歯車に内反り歪が発生し、逆に低速で浸漬を行うと、引張残留応力の発生位置が、歯が形成されている側(図15(b)の上側)になることにより、図11(b)に示すように、歯車に外反り歪が発生したと考えられる。
FIG. 15 is a diagram conceptually illustrating an example of the relationship between the inner warp strain and the outer warp strain generated in the gear and the generation position of the tensile stress. FIG. 15A shows a case where immersion is performed at a high speed, and FIG. 15B shows a case where immersion is performed at a low speed.
As shown in FIGS. 15 (a) and 15 (b), the tensile residual stress generated in the gear works in a direction to reduce the gear diameter. For this reason, as shown in FIG. 15A, it is considered that the warp strain increases as the position 1501 where the tensile residual stress is generated is on the side where the teeth are not formed (the lower side in FIG. 15A). It is done. On the other hand, as shown in FIG. 15B, it is considered that when the tensile residual stress generation position 1502 is on the side where the teeth are formed (the upper side of FIG. 15B), outward warping distortion occurs. Therefore, when the immersion is performed at a high speed, the position where the tensile residual stress is generated is on the side where the teeth are not formed (the lower side in FIG. 15A), and as shown in FIG. When an internal warping strain is generated and the immersion is performed at a low speed, the tensile residual stress is generated on the side where the teeth are formed (the upper side of FIG. 15B). ), It is considered that outward warping distortion occurred in the gear.
また、歯車の内部に発生する応力と歪は、以下の(A)〜(C)に示すメカニズムで発生すると考えられる。
(A)焼入れ処理が開始すると、まず、歯車の表面が冷却され熱収縮を開始する。表面が縮んだことで歯車の内部には圧縮の応力が負荷される。歯車の内部は高温であり強度が低いために降伏状態となり、圧縮の塑性歪が発生する。
(B)その後、焼入れ処理により、歯車の内部も冷却されることで、歯車の内部でも熱収縮が始まる。(A)で発生した圧縮の塑性歪によって歯車の内部は表面より縮んでいるために表面からの拘束を受ける。このため、歯車の内部には、引張の応力が発生する。
(C)さらに温度が低下すると、歯車の内部において相変態が始まる。歯車の内部には引張の応力が負荷されているため、引張の変態塑性歪が発生する。
Moreover, it is thought that the stress and distortion which generate | occur | produce in the inside of a gearwheel generate | occur | produce with the mechanism shown to the following (A)-(C).
(A) When the quenching process is started, first, the surface of the gear is cooled and thermal contraction is started. As the surface shrinks, a compressive stress is applied to the inside of the gear. Since the inside of the gear is high temperature and low in strength, it is in a yielding state, and compressive plastic strain occurs.
(B) Thereafter, the inside of the gear is also cooled by the quenching process, and thermal shrinkage also starts inside the gear. Since the inside of the gear is contracted from the surface due to the plastic strain of compression generated in (A), it is restrained from the surface. For this reason, a tensile stress is generated inside the gear.
(C) When the temperature further decreases, phase transformation starts inside the gear. Since tensile stress is applied to the inside of the gear, tensile transformation plastic strain is generated.
高速で浸漬を行う場合には、歯車の全面の冷却が同時に開始され、歯車の表面全体が熱収縮を開始する。特に、歯車の歯が形成されている領域は、歯が形成されていない領域に比べ、表面積が大きい。したがって、歯車の歯が形成されている領域の方が、歯が形成されていない領域よりも熱収縮量が大きくなる。したがって、歯車の内部に発生する圧縮塑性歪は、比較的、歯車の底面よりに発生する。そして、この圧縮塑性歪の発生位置に対応して周方向の引張残留応力が残留する(図15(a)を参照)。 When the immersion is performed at high speed, cooling of the entire surface of the gear is started at the same time, and the entire surface of the gear starts to shrink. In particular, the area where the gear teeth are formed has a larger surface area than the area where the teeth are not formed. Therefore, the amount of heat shrinkage is greater in the region where the gear teeth are formed than in the region where the teeth are not formed. Therefore, the compressive plastic strain generated inside the gear is relatively generated from the bottom surface of the gear. And the tensile residual stress of the circumferential direction remains corresponding to the generation | occurrence | production position of this compressive plastic strain (refer Fig.15 (a)).
一方、低速で浸漬を行う場合には、歯車の底面から徐々に冷却が開始されるために、高速で浸漬を行う場合とは反対に、まず歯車の底面側から熱収縮が始まる。そのため、低速で浸漬を行う場合の冷却過程では、高速で浸漬を行う場合よりも、歯車の底面の熱収縮量が大きい。したがって、低速で浸漬を行う場合には、圧縮塑性歪の発生位置が、高速で浸漬を行う場合よりも、歯車の上面側に押し上げられる。よって、これに対応する周方向の引張残留応力は、低速で浸漬を行う場合の方が高速で浸漬を行う場合よりも、歯車の上面側に発生することとなる(図15(b)を参照)。 On the other hand, when the immersion is performed at a low speed, since cooling is gradually started from the bottom surface of the gear, the thermal contraction starts from the bottom surface side of the gear, contrary to the case where the immersion is performed at a high speed. For this reason, in the cooling process in which immersion is performed at a low speed, the amount of heat shrinkage on the bottom surface of the gear is larger than in the case where immersion is performed at a high speed. Therefore, when the immersion is performed at a low speed, the position where the compressive plastic strain is generated is pushed up to the upper surface side of the gear than when the immersion is performed at a high speed. Accordingly, the corresponding tensile residual stress in the circumferential direction is generated on the upper surface side of the gear when the immersion is performed at a low speed than when the immersion is performed at a high speed (see FIG. 15B). ).
以上より、浸漬速度Viを小さくするほど、歯車の底面側の領域の熱収縮量が大きくなることで、歯車の内部の圧縮塑性歪の発生位置が、歯車の上面側に移動し、これにより、残留引張応力の発生位置も、歯車の上面側に移動するために、内反り歪が負の方向に変化する(すなわち外反り歪が発生する)と考えられる。
以上のことから、高速で浸漬を行う際に歯車に内反り歪が発生するならば、浸漬速度Viを小さくすることで反り歪が0(ゼロ)になる浸漬速度Viを探索し、このような浸漬速度Viで歯車を冷却媒体に浸漬することにより、焼入れ後に歯車に発生する内反り歪を低減できるという知見を得た。このような知見の下、前述した数値解析を行うことにより、浸漬速度Viと反り歪との関係を導出し、導出した結果から、反り歪が0(ゼロ)になる浸漬速度Viを導出することを試みた。その結果を以下に説明する。
As described above, as the immersion speed V i is decreased, the amount of thermal shrinkage in the region on the bottom surface side of the gear increases, so that the generation position of the compressive plastic strain inside the gear moves to the top surface side of the gear. The occurrence position of the residual tensile stress is also considered to move in the negative direction (that is, the outward warping strain is generated) because it moves to the upper surface side of the gear.
From the above, if internal warping distortion occurs in the gear when dipping at a high speed, the immersion speed V i is searched by reducing the immersion speed V i so that the warping distortion becomes 0 (zero). by immersion in a cooling medium the gear dipping speed V i as to obtain a finding that can reduce the warpage distortion inner occurring gear after quenching. Under such knowledge, the above-described numerical analysis is performed to derive the relationship between the immersion speed V i and the warp strain. From the derived result, the immersion speed V i at which the warp strain is 0 (zero) is derived. Tried to do. The results will be described below.
(導出例1)
本例では、形状のみが異なる複数の歯車のそれぞれについて、前述した数値解析を行い、浸漬速度Viと反り歪δとの関係を導出した。本例でも、上面と底面のうち、一方の面に歯が形成され、他方の面に歯が形成されていない歯車であれば、反り歪の発生メカニズムは変わらないものとして、すぐばかさ歯車を数値解析の対象として用いた。また、本例でも、図8(b)に示すように、全体モデルの対称性を利用し、全体モデルの1/n(nは歯数の2倍)のモデル(1個の歯の半分の領域のモデル)を数値解析で用いた。
(Derivation example 1)
In this example, the numerical analysis described above was performed for each of a plurality of gears that differ only in shape, and the relationship between the immersion speed V i and the warp strain δ was derived. Even in this example, if the gear has a tooth formed on one surface of the top surface and the bottom surface and no tooth on the other surface, it is assumed that the generation mechanism of the warp distortion does not change, and the bevel gear is immediately Used as the target of numerical analysis. Also in this example, as shown in FIG. 8 (b), the symmetry of the whole model is used, and a model (1 / n half the number of teeth) of 1 / n (n is twice the number of teeth) of the whole model. Region model) was used in the numerical analysis.
図16は、数値解析の対象とした歯車の形状データを表形式で示す図である。
図16に示す歯車1の形状を基準とし、歯数のみを変化させたものが歯車2、3であり、ピッチ円直径のみを変化させたものが歯車4、5である。また、歯車1の3次元モデルの各節点座標を0.8倍、1.2倍したものが歯車6、7である(歯車1の3次元モデルと歯車6、7の3次元モデルは相似形になる)。また、歯車1の3次元モデルの半径方向の座標のみを0.8倍、1.2倍したものが歯車8、9である(歯車8、9の3次元モデルの内径、外径は、歯車1の3次元モデルの内径、外径の0.8倍、1.2倍である)。また、歯車1の3次元モデルの回転軸方向の節点座標のみを0.8倍、1.2倍したものが歯車10、11である(歯車10、11の3次元モデルの回転軸に沿う方向の長さ(厚み)は、歯車1の3次元モデルの回転軸に沿う方向の長さ(厚み)の0.8倍、1.2倍である)。
FIG. 16 is a diagram showing, in a tabular form, gear shape data to be subjected to numerical analysis.
The gears 2 and 3 change only the number of teeth on the basis of the shape of the gear 1 shown in FIG. 16 and the gears 4 and 5 change only the pitch circle diameter. Gears 6 and 7 are obtained by multiplying the node coordinates of the three-dimensional model of the gear 1 by 0.8 and 1.2 (the three-dimensional model of the gear 1 is similar to the three-dimensional model of the gears 6 and 7). become). The gears 8 and 9 are obtained by multiplying only the radial coordinate of the three-dimensional model of the gear 1 by 0.8 and 1.2 (the inner diameter and the outer diameter of the three-dimensional model of the gears 8 and 9 are the gears). The inner diameter and outer diameter of the three-dimensional model 1 are 0.8 times and 1.2 times as large). Further, gears 10 and 11 are obtained by multiplying only the nodal coordinates of the three-dimensional model of the gear 1 in the rotation axis direction by 0.8 and 1.2 (directions along the rotation axis of the three-dimensional model of the gears 10 and 11). Is 0.8 times and 1.2 times the length (thickness) in the direction along the rotation axis of the three-dimensional model of the gear 1).
また、歯車1〜11のそれぞれについて、浸漬速度Viを100[mm/s]、50[mm/s]、25[mm/s]、12.5[mm/s]、6.25[mm/s]、3.125[mm/s]として、数値解析を行った。その他の解析条件は、前述した(新たな知見について)の項で説明した解析条件と同じである。 Also, for each of the gears 1 to 11, 100 a dipping speed V i [mm / s], 50 [mm / s], 25 [mm / s], 12.5 [mm / s], 6.25 [mm / S], 3.125 [mm / s], and numerical analysis was performed. Other analysis conditions are the same as the analysis conditions described in the above section (about new knowledge).
図17は、本例の数値解析の結果を示し、各歯車1〜11の浸漬速度Viと焼入れによる反り歪δとの関係を示す図である。
図17に示すように、いずれの形状の歯車1〜11においても、浸漬速度Viが25[mm/s]〜100[mm/s]の範囲では、内反り歪の大きさはほとんど変化せず、浸漬速度Viが25[mm/s]以下になると、内反り歪が減少し始める。さらに浸漬速度Viが小さくなると反り歪が負の値になり、外反り歪が発生する。反り歪δが浸漬速度Viによって連続的に変化するならば、反り歪δが0(ゼロ)になる浸漬速度Viが存在することになる。したがって,歯車の形状に依らず、浸漬速度Viを調整することで反り歪を抑えることができると考えられる。図17に示す結果から、浸漬速度が25[mm/s]以下の範囲の反り歪δを指数関数で表すことができるとして、浸漬速度Viと反り歪δの関係を以下の(28)式で近似した。
δ=a1{1−exp(−a2Vi)}+a3 ・・・(28)
FIG. 17 shows the result of the numerical analysis of this example, and is a diagram showing the relationship between the immersion speed V i of each gear 1 to 11 and the warp strain δ due to quenching.
As shown in FIG. 17, in the gear 1 to 11 of any shape, in the range of dipping speed V i is 25 [mm / s] ~100 [ mm / s], the size of the inner warp distortion almost unchanged First, when the immersion speed V i is 25 [mm / s] or less, the internal warpage distortion starts to decrease. Further, when the immersion speed V i is decreased, the warping strain becomes a negative value, and external warping strain is generated. If warp distortion δ varies continuously by immersion velocity V i, so that the immersion speed V i warp distortion δ becomes 0 (zero) is present. Therefore, regardless of the shape of the gear, it is considered possible to suppress the warp distortion by adjusting the immersion velocity V i. From the results shown in FIG. 17, assuming that the warp strain δ in the range where the immersion speed is 25 [mm / s] or less can be expressed by an exponential function, the relationship between the immersion speed V i and the warp strain δ is expressed by the following equation (28). Approximated by
δ = a 1 {1-exp (−a 2 V i )} + a 3 (28)
(28)式は、前述した(5)式と同じである。
図17に示す各歯車1〜11の浸漬速度Viと反り歪δの関係に最も近くなる(28)式の係数a1、a2、a3を、カーブフィッティングにより導出した。ここでは、最小二乗法により、各歯車1〜11の浸漬速度Viと反り歪δの関係に最も近くなる(28)式の係数a1、a2、a3を導出した。
ここで、(2)式〜(4)式に示したように、本実施形態では、係数a1、a2、a3を目的変数、形状パラメータGx、Gy、wを設計変数とする一次式で、係数a1、a2、a3を表現する。尚、形状パラメータGx、Gy、wは、図3を参照しながら説明した通りのものである。
Expression (28) is the same as Expression (5) described above.
The coefficients a 1 , a 2 , and a 3 in the equation (28) that are closest to the relationship between the immersion speed V i and the warp strain δ of each gear 1 to 11 shown in FIG. 17 were derived by curve fitting. Here, the coefficients a 1 , a 2 , and a 3 of Equation (28) that are closest to the relationship between the immersion speed V i and the warp strain δ of each gear 1 to 11 are derived by the least square method.
Here, as shown in the equations (2) to (4), in the present embodiment, the coefficients a 1 , a 2 , and a 3 are objective variables, and the shape parameters G x , G y , and w are design variables. The coefficients a 1 , a 2 , and a 3 are expressed by a linear expression. The shape parameters G x , G y , and w are as described with reference to FIG.
以上の結果、係数a1、a2、a3の回帰式として、以下の(29)式、(30)式、(31)式が得られた。
a1=−2.314×10-1+1.954×10-3Gx−1.665×10-2Gy+1.570×10-2w ・・・(29)
a2=2.085×10-1+4.616×10-5Gx−4.735×10-3Gy+7.155×10-4w ・・・(30)
a3=2.901×10-1−1.144×10-3Gx−8.633×10-3Gy−1.384×10-2w ・・・(31)
As a result, the following equations (29), (30), and (31) were obtained as regression equations of the coefficients a 1 , a 2 , and a 3 .
a 1 = −2.314 × 10 −1 + 1.954 × 10 −3 G x −1.665 × 10 −2 G y + 1.570 × 10 −2 w (29)
a 2 = 2.085 × 10 −1 + 4.616 × 10 −5 G x −4.735 × 10 −3 G y + 7.155 × 10 −4 w (30)
a 3 = 2.901 × 10 −1 −1.144 × 10 −3 G x −8.633 × 10 −3 G y −1.384 × 10 −2 w (31)
歯車の形状以外の条件が同じであれば、任意の形状の歯車について、形状パラメータGx、Gy、wを(29)式、(30)式、(31)式に代入して係数a1、a2、a3を導出し、導出した係数a1、a2、a3を(28)式に代入すれば、反り歪δが0(ゼロ)になる浸漬速度Viを導出することができる。 If conditions other than the shape of the gear are the same, the shape parameter G x , G y , w is substituted into the equations (29), (30), and (31) for a gear of any shape, and the coefficient a 1 , A 2 , a 3 and substituting the derived coefficients a 1 , a 2 , a 3 into the equation (28), it is possible to derive the immersion speed V i at which the warp strain δ becomes 0 (zero). it can.
前述したように、(29)式、(30)式、(31)式は、最小二乗法によって近似された式である。したがって、(29)式、(30)式、(31)式を用いて導出される(28)式の浸漬速度Viと反り歪δとの関係式には、誤差が含まれる。そこで、(29)式、(30)式、(31)式の近似式の妥当性を検証した。 As described above, the expressions (29), (30), and (31) are expressions approximated by the method of least squares. Therefore, an error is included in the relational expression between the immersion speed V i and the warping strain δ in the expression (28) derived using the expressions (29), (30), and (31). Therefore, the validity of the approximate expression of the expressions (29), (30), and (31) was verified.
すなわち、(28)式〜(31)式を用いて、歯車1〜11の形状パラメータGx、Gy、wから反り歪δが0(ゼロ)になると予測される浸漬速度Vioptを導出し、導出した浸漬速度Vioptを用いて各歯車1〜11について前述した数値解析を行って、歯車1〜11の反り歪δoptを導出した。また、通常の焼入れ処理における浸漬速度に相当する浸漬速度が100[mm/s]であるとし、この浸漬速度を用いて各歯車1〜11について前述した数値解析を行って、歯車1〜11の反り歪δ100を導出した。 That is, by using the equations (28) to (31), the immersion speed V iopt that the warp strain δ is predicted to be 0 (zero) is derived from the shape parameters G x , G y , and w of the gears 1 to 11. The above-described numerical analysis was performed on the gears 1 to 11 using the derived immersion speed V iopt to derive the warp strain δ opt of the gears 1 to 11. Further, the immersion speed corresponding to the immersion speed in the normal quenching process is 100 [mm / s], and the numerical analysis described above for each of the gears 1 to 11 is performed using this immersion speed. The warp strain δ 100 was derived.
図18は、各歯車1〜11に発生する反り歪が低減することを説明する図である。具体的に図18は、各歯車1〜11の形状パラメータGx、Gy、wと、反り歪δが0(ゼロ)になると予測される浸漬速度Vioptと、浸漬速度Vioptにおける反り歪δoptと、浸漬速度が100[mm/s]であるときの反り歪δ100と、反り歪の大きさの減少率とを表形式で示す図である。反り歪の大きさの減少率は、以下の(32)式の計算を行うことにより導出される。
{(|δ100|−|δopt|)÷|δ100|}×100 ・・・(32)
図18に示すように、(29)式、(30)式、(31)式のような近似式を用いても、焼入れにより歯車に発生する反り歪を低減することができることが確認された。
FIG. 18 is a diagram for explaining that the warp distortion generated in each of the gears 1 to 11 is reduced. Specifically, FIG. 18 shows the shape parameters G x , G y , w of the gears 1 to 11, the immersion speed V iopt at which the warp strain δ is predicted to be 0 (zero), and the warp strain at the immersion speed V iopt. and [delta] opt, the warp distortion [delta] 100 when the immersion speed is 100 [mm / s], and the reduction rate of the size of the warp distortion is a diagram showing in a tabular form. The reduction rate of the magnitude of the warp strain is derived by calculating the following equation (32).
{(| Δ 100 | − | δ opt |) ÷ | δ 100 |} × 100 (32)
As shown in FIG. 18, it was confirmed that the warp distortion generated in the gear by quenching can be reduced even by using approximate expressions such as Expressions (29), (30), and (31).
図19は、焼入れ後の歯車1の表面からの深さ方向の各位置における炭素濃度を示す図である。図19に示す値は、(28)式〜(31)式を用いて反り歪δが0(ゼロ)になる浸漬速度Viを導出し、導出した浸漬速度Viを用いて歯車1について前述した数値解析を行うことにより得られる。尚、図19において、母相炭素濃度は0.23[%]である。図19に示すように、(28)式〜(31)式を用いて反り歪δが0(ゼロ)になる浸漬速度Viで歯車を冷却媒体に浸漬させるようにしても、表面から1[mm]以上の深さまで浸炭されることが確認された。 FIG. 19 is a diagram showing the carbon concentration at each position in the depth direction from the surface of the gear 1 after quenching. The values shown in FIG. 19 are derived for the gear 1 by using the equations (28) to (31) to derive the immersion speed V i at which the warp strain δ is 0 (zero), and using the derived immersion speed V i. Obtained by performing the numerical analysis. In FIG. 19, the matrix carbon concentration is 0.23 [%]. As shown in FIG. 19, even if the gear is immersed in the cooling medium at the immersion speed V i at which the warp strain δ becomes 0 (zero) using the equations (28) to (31), the surface is 1 [ mm], it was confirmed that the carburization to a depth of more than.
図20は、焼入れ後の歯車1のビッカース硬さの分布を示す図である。図20は、歯車1のモデル(図8(b)を参照)を、歯車の回転軸に沿って切った断面を示す。図20(a)に示す分布は、浸漬速度Viが100[mm/s]として、歯車1について前述した数値解析を行うことにより得られる。図20(b)に示す分布は、浸漬速度Viが6.25[mm/s]として、歯車1について前述した数値解析を行うことにより得られる。 FIG. 20 is a diagram showing a distribution of Vickers hardness of the gear 1 after quenching. FIG. 20 shows a cross section of the gear 1 model (see FIG. 8B) cut along the rotation axis of the gear. The distribution shown in FIG. 20A is obtained by performing the numerical analysis described above for the gear 1 with the immersion speed V i being 100 [mm / s]. The distribution shown in FIG. 20B is obtained by performing the above-described numerical analysis on the gear 1 with the immersion speed V i being 6.25 [mm / s].
図21は、図20に示す歯車1の表面の点A、Bからの深さ方向の各位置におけるビッカース硬さを示す図である。図21(a)は、図20に示す歯車1の表面の点Aからの深さ方向の各位置におけるビッカース硬さを示し、図21(b)は、図20に示す歯車1の表面の点Bからの深さ方向の各位置におけるビッカース硬さを示す。 FIG. 21 is a diagram showing Vickers hardness at each position in the depth direction from points A and B on the surface of the gear 1 shown in FIG. 21A shows the Vickers hardness at each position in the depth direction from the point A on the surface of the gear 1 shown in FIG. 20, and FIG. 21B shows the point on the surface of the gear 1 shown in FIG. Vickers hardness at each position in the depth direction from B is shown.
図22は、図20に示す歯車1の表面の点A、Bにおける最表面硬さおよび有効硬化層深さと、図20に示す歯車1の内部の点Cにおけるビッカース硬さを、浸漬速度Viが100[mm/s]である場合と、6.25[mm/s]である場合とのそれぞれについて表形式で示す図である。ここで、有効硬化層深さは、ビッカース硬さが500[Hv]となる深さである。
図20〜図22に示すように、浸漬速度Viを変えても、歯車の硬さは同等になることが確認された。
22, point A of the surface of the gear 1 shown in FIG. 20, the outermost surface hardness and effective hardened layer depth in B, and Vickers hardness at point C of the internal gear 1 shown in FIG. 20, immersed velocity V i It is a figure shown in a tabular form about the case where is 100 [mm / s] and the case where it is 6.25 [mm / s]. Here, the effective hardened layer depth is a depth at which the Vickers hardness is 500 [Hv].
As shown in FIGS. 20 to 22, it was confirmed that the hardness of the gears was equal even if the immersion speed V i was changed.
(導出例2)
本例では、歯車の材質のみを導出例1と異ならせて、前述した数値解析を行い、浸漬速度Viと反り歪δとの関係を導出した。本例でも、導出例1と同様に、図16に示す歯車1〜11を数値解析の対象として用いた。ただし、本例では、歯車1〜11の材料データとして、JIS G 4053 機械構造用合金鋼鋼材 に規定されるSCM420のデータを用いた。表2に、SCM420の化学成分を示す。この他の解析条件は、導出例1と同じである。
(Derivation example 2)
In this example, only the material of the gear is different from that in the derivation example 1, and the numerical analysis described above is performed to derive the relationship between the immersion speed V i and the warp strain δ. Also in this example, as in the first derivation example, the gears 1 to 11 shown in FIG. However, in this example, as the material data of the gears 1 to 11, the data of SCM420 defined in JIS G 4053 alloy steel for machine structure was used. Table 2 shows the chemical components of SCM420. Other analysis conditions are the same as those in derivation example 1.
図23は、本例の数値解析の結果を示し、各歯車1〜11の浸漬速度Viと焼入れによる反り歪δとの関係を示す図である。図17に示した導出例1の結果(歯車の材質がSCr420である場合の結果)と同様に、浸漬速度Viが大きい範囲では、内反り歪の大きさはほとんど変化せず、浸漬速度Viが小さくなると内反り歪が減少し始め、さらに浸漬速度Viが小さくなると反り歪が負の値になり、外反り歪が発生することが確認された。 FIG. 23 shows the result of the numerical analysis of this example, and is a diagram showing the relationship between the immersion speed V i of each gear 1 to 11 and the warpage distortion δ due to quenching. Similar to the derivation Example 1 of the results shown in FIG. 17 (results for the material of the gears is SCr420), in the range dipping speed V i is large, the size of the inner warp distortion hardly changes, immersion speed V It was confirmed that when i becomes smaller, the inner warping strain starts to decrease, and when the immersion speed V i becomes smaller, the warping strain becomes a negative value and the outer warping strain occurs.
図24は、図23に示す歯車1の浸漬速度Viと焼入れによる反り歪δとの関係を、浸漬速度Viの軸の目盛を対数目盛(自然対数目盛)とする片対数グラフで示す図である。
図24に示すように、浸漬速度Viと反り歪δとの関係を示す曲線の領域において、浸漬速度Viが小さくなり反り歪δが急激に減少する領域では、反り歪δと、自然対数で表した浸漬速度logeViとの関係は直線近似できる。したがって、反り歪δが0(ゼロ)になる浸漬速度Viの近傍では、反り歪δは、(28)式のように指数関数で近似することができ、歯車の材質を異ならせても、導出例1と同様の結果が得られることが確認された。
Figure 24 is a diagram showing a relationship between the warp distortion δ by immersion velocity V i and hardening of the gear 1 shown in FIG. 23, the scale of the axis of the dipping speed V i in semi-log plot of the logarithmic scale (natural log scale) It is.
As shown in FIG. 24, in the region of the curve indicating the relationship between the immersion speed V i and the warp strain δ, the warp strain δ and the natural logarithm are obtained in a region where the immersion speed V i decreases and the warp strain δ decreases rapidly. relationship between the immersion velocity log e V i expressed in can linearly approximated. Accordingly, in the vicinity of the immersion speed V i where the warp strain δ becomes 0 (zero), the warp strain δ can be approximated by an exponential function as shown in Equation (28), and even if the gear material is different, It was confirmed that the same result as in the derivation example 1 was obtained.
(導出例3)
前述した数値解析においては、冷却媒体の特性は熱伝達係数で決まる。そこで、本例では、冷却媒体の熱伝達係数のみを導出例1と異ならせて、前述した数値解析を行い、浸漬速度Viと反り歪δとの関係を導出した。本例でも、導出例1と同様に、図16に示す歯車1〜11を数値解析の対象として用いた。ただし、本例では、油の温度を120[℃]とし、この油はJIS K 2242(2012年) 熱処理油剤に規定される2種1号の冷却性能を有し、熱伝達係数として図25に示す熱伝達係数を用いた。この他の解析条件は、導出例1と同じである。
(Derivation Example 3)
In the numerical analysis described above, the characteristics of the cooling medium are determined by the heat transfer coefficient. Therefore, in this example, only the heat transfer coefficient of the cooling medium is different from that in the derivation example 1, and the above-described numerical analysis is performed to derive the relationship between the immersion speed V i and the warp strain δ. Also in this example, as in the first derivation example, the gears 1 to 11 shown in FIG. However, in this example, the temperature of the oil is 120 [° C.], and this oil has Type 2 No. 1 cooling performance defined in JIS K 2242 (2012) heat treatment oil, and the heat transfer coefficient is shown in FIG. The heat transfer coefficient shown was used. Other analysis conditions are the same as those in derivation example 1.
図26は、本例の数値解析の結果を示し、各歯車1〜11の浸漬速度Viと焼入れによる反り歪δとの関係を示す図である。図17に示した導出例1の結果(歯車の材質がSCr420である場合の結果)と同様に、浸漬速度Viが大きい範囲では、内反り歪の大きさはほとんど変化せず、浸漬速度Viが小さくなると内反り歪が減少し始め、さらに浸漬速度Viが小さくなると反り歪が負の値になり、外反り歪が発生することが確認された。ただし、本例では、冷却媒体の温度が高く、熱伝達係数が小さいため、歯車に熱処理歪が発生しにくい。このため、歯車4、8、11に関しては、浸漬速度Viが大きい範囲でも、反り歪δは小さくなる。このような場合においても、浸漬速度Viを小さくすることで反り歪δが急激に変化する現象は確認された。 FIG. 26 shows the result of the numerical analysis of this example, and is a diagram showing the relationship between the immersion speed V i of each gear 1 to 11 and the warp strain δ due to quenching. Similar to the derivation Example 1 of the results shown in FIG. 17 (results for the material of the gears is SCr420), in the range dipping speed V i is large, the size of the inner warp distortion hardly changes, immersion speed V It was confirmed that when i becomes smaller, the inner warping strain starts to decrease, and when the immersion speed V i becomes smaller, the warping strain becomes a negative value and the outer warping strain occurs. However, in this example, since the temperature of the cooling medium is high and the heat transfer coefficient is small, heat treatment distortion hardly occurs in the gear. For this reason, with respect to the gears 4, 8, and 11, the warp strain δ is reduced even in the range where the immersion speed V i is large. Even in such a case, it was confirmed that the warping strain δ changes rapidly by decreasing the immersion speed V i .
図27は、図26に示す歯車1の浸漬速度Viと焼入れによる反り歪δとの関係を、浸漬速度Viの軸の目盛を対数目盛(自然対数目盛)とする片対数グラフで示す図である。
図27に示すように、浸漬速度Viと反り歪δとの関係を示す曲線の領域において、浸漬速度Viが小さくなり反り歪δが急激に減少する領域では、反り歪δと、自然対数で表した浸漬速度logeViとの関係は直線近似できる。したがって、反り歪δが0(ゼロ)になる浸漬速度Viの近傍では、反り歪δは、(28)式のように指数関数で近似することができ、冷却媒体を異ならせても、導出例1と同様の結果が得られることが確認された。
Figure 27 is a diagram showing a relationship between the warp distortion δ by immersion velocity V i and hardening of the gear 1 shown in FIG. 26, the scale of the axis of the dipping speed V i in semi-log plot of the logarithmic scale (natural log scale) It is.
As shown in FIG. 27, in the region of the curve showing the relationship between the immersion speed V i and the warp strain δ, the warp strain δ and the natural logarithm are obtained in a region where the soak rate V i decreases and the warp strain δ decreases rapidly. relationship between the immersion velocity log e V i expressed in can linearly approximated. Therefore, in the vicinity of the immersion speed V i where the warp strain δ becomes 0 (zero), the warp strain δ can be approximated by an exponential function as shown in Equation (28), and is derived even if the cooling medium is different. It was confirmed that the same result as in Example 1 was obtained.
尚、前述した数値解析に加えて、係数a1、a2、a3の導出と、反り歪δが0(ゼロ)になる浸漬速度Viを導出とを、浸炭焼入れ制御装置500または浸炭焼入れ制御装置500と異なる装置(例えば、CPU、ROM、RAM、HDD、および各種のインターフェースを備える情報処理装置)で行うことができる。この場合、導出に必要な形状パラメータGx、Gy、w等の変数については、例えば、ユーザによるユーザインターフェースの操作に基づいて装置に入力される。 In addition to the numerical analysis described above, the derivation of the coefficients a 1 , a 2 , a 3 and the derivation of the immersion speed V i at which the warp strain δ becomes 0 (zero) are performed by the carburizing and quenching control device 500 or the carburizing and quenching. It can be performed by an apparatus different from the control apparatus 500 (for example, an information processing apparatus including a CPU, a ROM, a RAM, an HDD, and various interfaces). In this case, variables such as shape parameters G x , G y , and w necessary for derivation are input to the apparatus based on a user interface operation by the user, for example.
(まとめ)
以上のように本実施形態では、歯車100の底面102が冷却媒体300側になり、且つ、歯車100の回転軸に沿う方向(厚み方向)における動きが拘束されない状態で、浸炭処理が施された歯車100を冷却媒体300に浸漬させて焼入れを行う。その際、数値解析の結果から得られる反り歪δと浸漬速度Viとの関係式と、形状パラメータGx、Gy、wとから、反り歪δが0(ゼロ)になる浸漬速度Viを予測し、歯車100の浸漬速度Viが、予測した浸漬速度Viで一定になるように制御する。これにより、歯車100の内部における引張残留応力の発生位置を制御することができる。したがって、歯車100の回転軸に沿う方向(厚み方向)における動きを拘束しなくても、焼入れ後の歯車100に発生する反り量を制御することができ、反り歪を低減することができる。よって、歯車の形状を加工したり、被膜層や熱処理治具を歯車に取り付けたりする必要がなくなるので、焼入れ後に歯車に生じる反り歪を、歯車のコストを可及的に増加させることなく抑制することができる。
(Summary)
As described above, in this embodiment, the carburizing process is performed in a state where the bottom surface 102 of the gear 100 is on the cooling medium 300 side and the movement in the direction along the rotation axis of the gear 100 (thickness direction) is not restricted. The gear 100 is immersed in the cooling medium 300 for quenching. At that time, from the relational expression between the warp strain δ obtained from the numerical analysis result and the immersion speed V i and the shape parameters G x , G y , w, the immersion speed V i at which the warp strain δ becomes 0 (zero). And the immersion speed V i of the gear 100 is controlled to be constant at the predicted immersion speed V i . Thereby, the generation | occurrence | production position of the tensile residual stress in the inside of the gearwheel 100 can be controlled. Therefore, even if the movement in the direction (thickness direction) along the rotation axis of the gear 100 is not constrained, the amount of warpage generated in the gear 100 after quenching can be controlled, and warpage distortion can be reduced. Therefore, it is not necessary to process the shape of the gear or attach a coating layer or a heat treatment jig to the gear, so that warpage distortion generated in the gear after quenching can be suppressed without increasing the cost of the gear as much as possible. be able to.
尚、以上説明した本発明の実施形態のうち、浸炭焼入れ制御装置500で行われる処理は、コンピュータがプログラムを実行することによって実現することができる。また、前記プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体及び前記プログラム等のコンピュータプログラムプロダクトも本発明の実施形態として適用することができる。記録媒体としては、例えば、フレキシブルディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、CD−ROM、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ROM等を用いることができる。 In the embodiment of the present invention described above, the processing performed by the carburizing and quenching control device 500 can be realized by a computer executing a program. Further, a computer-readable recording medium in which the program is recorded and a computer program product such as the program can also be applied as an embodiment of the present invention. As the recording medium, for example, a flexible disk, a hard disk, an optical disk, a magneto-optical disk, a CD-ROM, a magnetic tape, a nonvolatile memory card, a ROM, or the like can be used.
また、以上説明した本発明の実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
例えば、本実施形態では、歯車100の反り歪δ[mm]が0(ゼロ)になるときの浸漬速度Viを導出するようにした。しかしながら、例えば、歯車100の仕様等により、多少の反り歪δが許容される場合には、歯車100の反り歪δ[mm]が0(ゼロ)でない値の浸漬速度Viを導出してもよい。この場合、(1)式に代えて、(5)式に反り歪δの値として0(ゼロ)以外の値を代入した式により浸漬速度Viが導出される。
In addition, the embodiments of the present invention described above are merely examples of implementation in carrying out the present invention, and the technical scope of the present invention should not be construed as being limited thereto. Is. That is, the present invention can be implemented in various forms without departing from the technical idea or the main features thereof.
For example, in the present embodiment, the immersion speed V i when the warp strain δ [mm] of the gear 100 becomes 0 (zero) is derived. However, for example, when some warp strain δ is allowed due to the specifications of the gear 100, the immersion speed V i with a value that the warp strain δ [mm] of the gear 100 is not 0 (zero) is derived. Good. In this case, the immersion speed V i is derived from an equation in which a value other than 0 (zero) is substituted for the value of the warping strain δ in the equation (5) instead of the equation (1).
100a〜100d:歯車、200:収容器、300:冷却媒体、400:クレーン装置、401:駆動装置、500:浸炭焼入れ制御装置、501:速度取得部、502:偏差導出部、503:制御部 100a to 100d: gear, 200: container, 300: cooling medium, 400: crane device, 401: drive device, 500: carburizing and quenching control device, 501: speed acquisition unit, 502: deviation derivation unit, 503: control unit
Claims (8)
前記歯車を前記冷却媒体に浸漬させる際の前記歯車の移動速度である浸漬速度を一定に制御する制御手段を有し、
前記制御手段は、前記歯車を前記冷却媒体に浸漬させる際の前記歯車の移動速度を、以下の(A)式〜(D)式により定まる前記浸漬速度V i [mm/s]で一定に制御することを特徴とする浸炭焼入れ制御装置。
δ=a 1 {1−exp(−a 2 V i )}+a 3 ・・・(A)
a 1 =A 1 +A 2 G x +A 3 G y +A 4 w ・・・(B)
a 2 =B 1 +B 2 G x +B 3 G y +B 4 w ・・・(C)
a 3 =C 1 +C 2 G x +C 3 G y +C 4 w ・・・(D)
ここで、δは、前記焼入れによって前記歯車が反ることにより生じる前記歯車の前記他方の面の変位量であって、前記回転軸に沿う方向における変位量である反り歪[mm]であり、
A 1 、A 2 、A 3 、A 4 、B 1 、B 2 、B 3 、B 4 、C 1 、C 2 、C 3 、C 4 は、予め定められる係数であり、
G x は、前記反り歪が発生していないと仮定した場合の前記歯車を、その回転軸に沿って切った断面の領域のうち、歯が形成されている部分を除いた領域の図心と、当該回転軸との最短距離[mm]で表される形状パラメータであり、
G y は、前記反り歪が発生していないと仮定した場合の前記歯車を、その回転軸に沿って切った断面の領域のうち、歯が形成されている部分を除いた領域の図心と、前記歯車の前記他方の面との最短距離[mm]で表される形状パラメータであり、
wは、前記反り歪が発生していないと仮定した場合の前記歯車の領域であって、歯が形成されている部分を除いた領域の、内径と外径との差の1/2の長さ[mm]で表される形状パラメータである。 Of the upper surface and the bottom surface, a gear having teeth formed on one surface and no teeth formed on the other surface, the gear having been subjected to carburizing treatment, the other surface facing the cooling medium side A carburizing and quenching control device for performing quenching by immersing in the cooling medium in a state where movement in the direction along the rotation axis is not constrained,
It has a control means for controlling a constant immersion speed is the moving speed of the gear at the time of immersing the gear to the cooling medium,
The control means controls the moving speed of the gear when the gear is immersed in the cooling medium to be constant at the immersion speed V i [mm / s] determined by the following equations (A) to (D). Carburizing and quenching control device characterized by
δ = a 1 {1-exp (−a 2 V i )} + a 3 (A)
a 1 = A 1 + A 2 G x + A 3 G y + A 4 w (B)
a 2 = B 1 + B 2 G x + B 3 G y + B 4 w (C)
a 3 = C 1 + C 2 G x + C 3 G y + C 4 w (D)
Here, δ is a warp strain [mm] which is a displacement amount of the other surface of the gear caused by warping of the gear due to the quenching and is a displacement amount in a direction along the rotation axis,
A 1 , A 2 , A 3 , A 4 , B 1 , B 2 , B 3 , B 4 , C 1 , C 2 , C 3 , C 4 are predetermined coefficients,
G x is a centroid of a region excluding a portion where teeth are formed out of a cross-sectional region cut along the rotation axis of the gear when it is assumed that no warp distortion has occurred. , A shape parameter represented by the shortest distance [mm] from the rotation axis,
G y is a centroid of a region excluding a portion where teeth are formed in a region of a cross section of the gear when it is assumed that the warp distortion is not generated, along the rotation axis. , A shape parameter represented by the shortest distance [mm] from the other surface of the gear,
w is a region of the gear when it is assumed that the warp distortion has not occurred, and is a length of ½ of the difference between the inner diameter and the outer diameter of the region excluding the portion where the teeth are formed. This is a shape parameter expressed in [mm].
前記反り歪と前記浸漬速度との関係は、前記歯車と材質が同じである歯車を、前記冷却媒体と熱伝達係数が同じである冷却媒体に前記浸漬速度を異ならせて浸漬させた場合に当該歯車に生じる前記反り歪を数値解析により導出した結果に基づいて定まることを特徴とする請求項1または2に記載の浸炭焼入れ制御装置。 The coefficients A 1 , A 2 , A 3 , A 4 , B 1 , B 2 , B 3 , B 4 , C 1 , C 2 , C 3 , C 4 are related to the warping strain and the immersion speed. On the other hand, it is a coefficient derived by curve fitting the equation (A) in which the shape parameters G x , G y , w of the gear are substituted,
The relationship between the warp strain and the immersion speed is obtained when a gear having the same material as that of the gear is immersed in a cooling medium having the same heat transfer coefficient as that of the cooling medium at a different immersion speed. The carburizing and quenching control apparatus according to claim 1 or 2 , wherein the warp distortion generated in the gear is determined based on a result derived by numerical analysis.
前記歯車を前記冷却媒体に浸漬させる際の前記歯車の移動速度を、以下の(A)式〜(D)式により定まる浸漬速度Vi[mm/s]で一定にすることを特徴とする浸炭焼入れ方法。
δ=a1{1−exp(−a2Vi)}+a3 ・・・(A)
a1=A1+A2Gx+A3Gy+A4w ・・・(B)
a2=B1+B2Gx+B3Gy+B4w ・・・(C)
a3=C1+C2Gx+C3Gy+C4w ・・・(D)
ここで、δは、前記焼入れによって前記歯車が反ることにより生じる前記歯車の前記他方の面の変位量であって、前記回転軸に沿う方向における変位量である反り歪[mm]であり、
A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、B4、C1、C2、C3、C4は、予め定められる係数であり、
Gxは、前記反り歪が発生していないと仮定した場合の前記歯車を、その回転軸に沿って切った断面の領域のうち、歯が形成されている部分を除いた領域の図心と、当該回転軸との最短距離[mm]で表される形状パラメータであり、
Gyは、前記反り歪が発生していないと仮定した場合の前記歯車を、その回転軸に沿って切った断面の領域のうち、歯が形成されている部分を除いた領域の図心と、前記歯車の前記他方の面との最短距離[mm]で表される形状パラメータであり、
wは、前記反り歪が発生していないと仮定した場合の前記歯車の領域であって、歯が形成されている部分を除いた領域の、内径と外径との差の1/2の長さ[mm]で表される形状パラメータである。 Of the upper surface and the bottom surface, a gear having teeth formed on one surface and no teeth formed on the other surface, the gear having been subjected to carburizing treatment, the other surface facing the cooling medium side A carburizing and quenching method in which quenching is performed by immersing in the cooling medium in a state where movement in a direction along the rotation axis is not constrained,
Carburization characterized in that a moving speed of the gear when the gear is immersed in the cooling medium is constant at an immersion speed V i [mm / s] determined by the following equations (A) to (D). Quenching method.
δ = a 1 {1-exp (−a 2 V i )} + a 3 (A)
a 1 = A 1 + A 2 G x + A 3 G y + A 4 w (B)
a 2 = B 1 + B 2 G x + B 3 G y + B 4 w (C)
a 3 = C 1 + C 2 G x + C 3 G y + C 4 w (D)
Here, δ is a warp strain [mm] which is a displacement amount of the other surface of the gear caused by warping of the gear due to the quenching and is a displacement amount in a direction along the rotation axis,
A 1 , A 2 , A 3 , A 4 , B 1 , B 2 , B 3 , B 4 , C 1 , C 2 , C 3 , C 4 are predetermined coefficients,
G x is a centroid of a region excluding a portion where teeth are formed out of a cross-sectional region cut along the rotation axis of the gear when it is assumed that no warp distortion has occurred. , A shape parameter represented by the shortest distance [mm] from the rotation axis,
G y is a centroid of a region excluding a portion where teeth are formed in a region of a cross section of the gear when it is assumed that the warp distortion is not generated, along the rotation axis. , A shape parameter represented by the shortest distance [mm] from the other surface of the gear,
w is a region of the gear when it is assumed that the warp distortion has not occurred, and is a length of ½ of the difference between the inner diameter and the outer diameter of the region excluding the portion where the teeth are formed. This is a shape parameter expressed in [mm].
前記反り歪と前記浸漬速度との関係は、前記歯車と材質が同じである歯車を、前記冷却媒体と熱伝達係数が同じである冷却媒体に前記浸漬速度を異ならせて浸漬させた場合に当該歯車に生じる前記反り歪を数値解析により導出した結果に基づいて定まることを特徴とする請求項4または5に記載の浸炭焼入れ方法。 The coefficients A 1 , A 2 , A 3 , A 4 , B 1 , B 2 , B 3 , B 4 , C 1 , C 2 , C 3 , C 4 are related to the warping strain and the immersion speed. On the other hand, it is a coefficient derived by curve fitting the equation (A) in which the shape parameters G x , G y , w of the gear are substituted,
The relationship between the warp strain and the immersion speed is obtained when a gear having the same material as that of the gear is immersed in a cooling medium having the same heat transfer coefficient as that of the cooling medium at a different immersion speed. The carburizing and quenching method according to claim 4 or 5 , wherein the warp distortion generated in the gear is determined based on a result derived by numerical analysis.
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