JP2811492B2 - ギア歯の誘導加熱の方法と装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は誘導加熱の技術に関し、特にギアまたは類似
加工片の歯付き面を誘導加熱および焼入硬化する改良さ
れた方法および装置に関する。

本発明は軸方向に細長いギアの円筒状歯付き面を誘導
加熱および焼入硬化するのに特に適しており、以下特に
これに関して記述する。然しながら、本発明はもっと広
い応用をもち、中心軸にほぼ共心の円筒状面をもち且つ
波状断面（たとえばギア歯によって形成される断面）を
もつ他の細長い加工片を誘導加熱および焼入硬化するた
めに使用することもできる。本発明はまた、雌型歯車リ
ングギア、特に一端が閉じており従って軸方向配列コイ
ルの間に直接にシフトしえない雌型リングギア、の内面
の誘導加熱および焼入硬化に特に有用である。

（従来の技術） 高動力伝達ギア列の操作中の摩耗と接触力に耐えうる
ようにギアの歯付き面を硬化するのが望ましい。他のギ
アの相互のかみ合いによってもたらされる接触力に対し
て耐性であるように硬化させるべき表面は、ギア歯間の
接続面ならびにギア歯自身の側面と先端を包含する。硬
化面の下のギアの体部はギア構造体に強度と柔軟性を付
与するために比較的柔軟な状態にとどまるべきである。
理想的には、ギアは全硬化面を横切る均一で浅い深さに
のびる硬度パターンをもち、硬化に伴う摩耗に耐え然も
同時にギア歯面の下のギア本体において硬化に伴う脆さ
を避けることによって基礎材料の強度を保持する。

誘導加熱を使用してギア歯を硬化する従来の方法はギ
ア歯面を横切って均一に浅い深さにのびる所望の硬度パ
ターンを得るには限られた成功しか収めなかった。硬化
すべき材料は変態温度以上に上昇させ次いで急冷用液体
によって迅速に冷却して硬化を誘起させなければならな
い。えられる硬度パターンに影響を及ぼす因子には材料
を加熱する深さ、加熱温度が変態温度を越える程度、お
よび冷却速度がある。例えば波状ギア歯車を取り囲む円
形誘導コイルにより内側の波状ギア歯車を加熱する場
合、それは殆ど隙間なしに配置されていて一般にはギア
歯の先端部分をギア歯間の接続部分よりも強く誘導し、
その結果誘導された強さに応じてギア歯の温度及び加熱
深さはギア歯の外側（先端）程高く及び深くなる。これ
ら異なって加熱された部分を流体焼入法によって冷却し
てもその速度はそれぞれ異なり、その結果として、生成
する硬度のパターンはギア歯を横切って不均一であり、
ギア面の下の深さに過度の硬化が行われ、ギア歯間の接
続面において不十分な硬化しか行われない。従って、誘
導加熱によってギア歯を成功裡に硬化するためには、焼
入硬化の直前に制御された深さに均一にギアを予め定め
た温度に加熱することが必要である。

ギア歯の表面を横切って均一な深さに硬度パターンを
付与する方法は米国特許第4,675,488号に記載されてい
る（この米国特許の譲受人は本発明の出願人と同一であ
る。）。この方法において、ギアはその軸方向の長さに
対応する軸長または軸高をもつ円形誘導コイル内に密に
収容される。誘導コイルは次いで約50KHz未満の周波数
をもつ交流により短期間付勢されてギアを予熱する。誘
導加熱における加熱の深さは誘導器コイルの電流周波数
に逆比例し、そのために比較的低い周波数での予熱は歯
の基部すなわち接続幹部（以下において「根」と記すこ
とがあるが、接続幹部と根は全く同一である）に浸透し
てギア歯の下のギアのまわりにのびる円形帯を加熱す
る。この内部帯は金属材料の焼入硬化変態温度より下の
昇温にまで加熱される。短い時間遅延が予熱工程につづ
いて生じて歯中の熱エネルギーを消散させ、従って歯の
根に隣接する帯内に高い温度およびエネルギーの水準の
集中を可能にする。好ましくは、第２の低い周波数の予
熱工程が上記の時間遅延につづいて行われ、基部帯を更
に加熱し、またギア歯面を昇温に予備加熱する。このよ
うにして比較的低い周波数の予熱工程はギア歯の根部分
のすべてを通して周囲にのびる内部帯に高エネルギーと
高温を貯蔵し集中させる。この内部帯は歯自身よりも高
温にあり、ギアの基部コアの温度よりも実質的に高い温
度にある。この予熱温度輪郭は非常に動的で不安定であ
り、従って予熱したギアは次いで直ちに第２の円形誘導
器コイルに移され、このコイルには直ちに約100KHz以上
の高周波数電流が短期間付勢される。加えられた高周波
数電流はギア面より下の浅い深さにのみギア温度を焼入
硬化変態温度より高い温度に上昇させる。焼入硬化変態
温度より高い温度でのこの浅い深さの加熱はギア歯の側
面および接続する根部分中にくまなく均一に分布され
る。内部加熱帯は接続する根において予熱エネルギーを
与え、それらの根を誘導器コイルから密に間隔をおいた
側面および先端と共に昇温最終温度に到達させ、そして
更に歯面からギアの歯およびコアに伝わる熱の伝導が他
の場合のように迅速に行われるのを抑制するからであ
る。この最終加熱温度も非常に不安定かつ動的であっ
て、それ故に加熱面の液体焼入が直ちに行われて浅い深
さの高温材料を変態温度以下にもたらし、それによって
均一な硬度パターンが全ギア歯面を横切って対応する浅
い深さで与えられる。

上記の方法は過度の加熱深さによる脆化を起こすこと
なしに、且つ焼入硬化前の低温による歯間の柔軟な非硬
化面を残すことなしに、外側に面する表面に均一にギア
歯を成功裡に硬化させる。然しながら、上記特許に記載
の方法は誘導加熱によってギア歯の硬化を理想的に可能
にするものではなく、いくつかの不利益を受ける。ギア
は２つの予熱サイクル中に可聴周波数加熱のために円形
誘導加熱コイルに軸方向にまず移動し、次いで高い放射
周波数電流における最終加熱のために第２の誘導加熱コ
イルに軸方向にシフトする。この２つの軸方向に間隔を
おいた誘導コイルはそれぞれギアの軸方向の長さを越え
る軸方向の長さをもたなければならず、それによって始
めて全ギアが予熱および最終加熱の両者の期間中に一度
加熱される。この方法の実施中にえられる温度輪郭は非
常に不安定で動的であるため、加熱は非常に迅速に起こ
るにちがいない。誘導器コイルにおいての軸方向の長さ
と迅速な加熱の能力の要件は、加熱される細長い区域に
わたって高い電力密度の要件を課し、このことはまたそ
れぞれの誘導器コイル電力供給の実質的に高い電力割合
の要件をも課す。電力供給の割合が増大するので、特に
100KHzを越える放射線周波数に使用するようなオッシレ
ータでは、電力供給のコストが激しく増大する。この理
由により、上記特許に記載の方法によるギア歯の誘導加
熱は比較的高価であり、そして硬化すべきギアが直径に
おいて又は軸の長さ（もしくは高さ）において大きいと
きには非実用的であることがある。

上記米国特許の譲受人（本発明の出願人）によって既
に特許になった別の方法は上記米国特許に記載の方法に
伴う欠点の多くを克服しているが、それでもなお理想的
に効率的なものとはいえない。その方法として、米国特
許第4,757,170号に記載の方法あげられるが、この方法
はギアを２軸配列の誘導器コイル中に漸進的に移動させ
て予熱し、次いでギア歯面をその軸の長さにそって漸進
的に最終加熱する。これは前述の方法のような２つのコ
イル中で区別して別々にギアの全長を加熱するのとは対
照的である。ギアの長さにそった漸進的走査は誘導コイ
ルを狭い長さ又は軸高にすることを可能にする。ある時
間において、所望の温度輪郭を付与するのに必要な高電
力はギアのまわりに狭い帯において及び相対的に軸方向
に移動するコイルの幅に相当して与えることが必要であ
るにすぎないからである。加熱はギア面で漸進的に且つ
同時に行われるので、高電力密度は予熱および加熱の双
方について減少した寸法の加熱帯からえられ、且つギア
の全長の漸増的な予熱と最終加熱に対して必要とされる
ような実質的に高い電力割合は必要としない。従って、
後者の方法は前者の方法に付随するコスト、効率、およ
び加工片の長さについての欠点を克服するものである。

（発明が解決しようとする課題） 然しながら、後者の方法にもその実施に付随するいく
つかの不利益が依然として存在する。２つの別々のコイ
ルを通して加工片を制御自在に移動させる必要な装置は
複雑であり高価である。その上、２つのコイルを通して
ギアを同時に移動させることは予熱および加熱の両工程
に同じ軸方向走査速度を必然的に課する。これら２つの
別々の加熱工程に使用する加熱パラメータの制御された
変化は従って非常に制限される。更に、ギア歯の誘導加
熱と硬化についての上記の両方法の実施に付随する欠点
は、多くの場合に一端が閉じている内部に遊星ギアを含
む環状内歯歯車では誘導器コイル間を共軸にシフトする
ことができず、又はこれらのコイルを分離させることが
できず、また外側ギアに外側に突出するフランジ、肩な
どを付けることもできないという事実にある。これらの
特許方法はそれ故に外側ギア歯をもつ及び実質的な半径
方向の突起をもたないギアへの応用に限定される。

本発明は上記の欠点を克服し、ギア歯によって形成さ
れるような波状円形面の誘導加熱と硬化を行うための、
且つ高い電力割合を必要とせず、半径方向に突出するフ
ランジもしくは肩を有する内側ギアまたは外側ギアのよ
うな種々の横断面の加工片の下に浅い深さに均一な硬度
パターンを与える、方法と装置を提供しようとするもの
である。

（課題を解決するための手段） 上記課題を解決する本発明は、円筒状部材の内側表面
又は外側表面でかつ該円筒状部材の軸方向に沿って設け
られているギアの歯及び接続幹部を含む歯表面を硬化す
る方法であって、 該方法は （１）当該歯表面をもつ該円筒状部材と同心状に環状の
誘導加熱コイル部材を設けそれによって当該誘導コイル
の外側表面又は内側表面が該歯表面を構成する内側表面
又は外側表面の１つと近接に対向して設けられるととも
に該円筒状部材の軸に沿って該コイルが移動可能なよう
に配列し （２）該誘導コイル部材と該歯表面との間のそれぞれの
共通軸に沿った第１の相対的動きにおいては該誘導コイ
ルによる該歯表面に対する移動状態下における予備加熱
は約50kHz以下の周波数によって実行されそれによって
該接続幹部が焼入れ硬化温度よりも低い温度に均一に加
熱されるようになし （３）該誘導コイル部材と該歯表面との間のそれぞれの
共通軸に沿った第１の相対的動きと同一又は反対方向で
の第２の相対的動きにおいては該予備的に加熱された歯
表面を、該コイルによって約100kHz以上の周波数で最終
的な移動状態での加熱を行い、それによって少なくとも
予備加熱された歯表面の外側部が焼入れ硬化温度に達す
るように十分に加熱するようになし （４）第２の相対的動きの方向と同一又は反対方向での
共通軸に沿った第３の相対的動きにおいては最終加熱さ
れた歯表面を移動状態下において最終加熱につづいて急
速に冷却することから構成された歯表面の硬化方法であ
る。またその主たる特徴によれば、ギア歯および接続す
る根を含み、中心軸の軸方向に細長いギアの歯表面を硬
化する方法であって、第１の軸方向移動帯にそってギア
歯表面を漸進的に十分に予熱して歯表面の根を急冷硬化
温度より低い温度に加熱する工程；次いで予熱表面を第
２の軸方向移動帯にそって漸進的に十分に最終加熱して
予熱表面を急冷硬化温度に加熱する工程；および上記の
最終加熱の直後に最終加熱表面を漸進的に急冷する工
程；から成ることを特徴とする歯表面の硬化方法が提供
される。軸方向移動帯は例えば第３図又は第11図におい
て誘導コイルの外側にある円筒状表面16により形成され
るギアと同心共軸の帯状の領域であって、これがギアの
中心軸方向に移動する。焼入されるギアは第１の移動帯
にそって予熱され、第２の移動帯にそって最終加熱され
る。これらの移動帯は電源スイッチ操作により唯１つの
誘導コイルから得ることも可能である。本発明の更に特
定の特徴によれば、その方法はギア歯の表面から密に間
隔をおいた円形表面をもつ共軸配列の誘導器コイルを付
与する工程を含み、軸方向に移動する第１および第２の
加熱帯が誘導器コイルと加工片の相対的な軸方向移動に
よって形成される。従って本発明は、ギア歯の表面の全
軸長を一度に誘導加熱する漸増加熱法とは対照的に誘導
器コイルの軸高に相当する狭い帯のみを誘導加熱する走
査法の使用することによって、高い電力割合の必要を有
利に避けている。本発明はまた、密閉端部または部分突
出の肩、フランジなどをもつギアを通過させえない別個
の軸方向配列の誘導器コイルを使用するのとは対照的
に、単一の誘導器コイルに対する軸方向の移動を使用し
て予熱および最終加熱を行うことによって、種々の形状
のギアに適合しうるものである。

本発明の別の特定の特徴によれば、予熱工程は初期位
置から末端位置まで第１の軸方向に誘導器コイルを通し
て加工片を通過させることによって行われ、戻し工程を
使用して加工片を末端位置から初期位置に戻すことがで
き、そして最終加熱工程は初期位置から末端位置に同じ
軸方向に誘導器コイルを通して加工片を再び移動させる
ことによって行われ。この系列の軸方向移動は内側のギ
ア歯面の特に一端が閉じている内側ギアの誘導加熱と硬
化を有利に可能にする。密閉端部は予熱工程および最終
加熱工程のための別個の誘導器コイルを直接に通すギア
の軸方向移動を阻止するので、本発明はギアの開放端部
に隣接するコイルをもつ初期位置から密閉端部に隣接す
るコイルをもつ末端位置まで誘導器コイル上にギアを移
動させることによって予熱をまず行い、そして末端位置
から初期位置に戻した後に誘導器コイル上に同様に軸移
動させて最終加熱と焼入硬化を行うという点でそのよう
な加工片に特に適用可能である。

本発明の別の特定の特徴によれば、予熱工程はコイル
を通して軸方向にギアを移動させることによって行わ
れ、そして最終加熱工程は次いで戻し工程を介在させる
ことなしにコイルを通して反対方向にギアを移動させる
ことによって行われる。好ましくは加工片は垂直に移動
され、最終加熱工程は最終加熱帯の相対上昇移動による
加工片の下向移動を伴い、そして焼入硬化用の液体は最
終加熱帯の比較的下に適用される。

本発明の他の特定の特徴は50KHz未満の周波数をもつ
交流電流による予熱工程の実施と約100KHz以上、好まし
くは約200KHz以上の周波数をもつ交流電流による最終加
熱工程の実施を含む。これらの周波数は焼入硬化の準備
において浅い深さにギア歯面を横切って均一に分布され
る最終加熱温度輪郭を有利に与える。本発明に更にもう
１つの特定の特徴は焼入硬化後の全加工片を静的に焼入
して加工片の硬化および未硬化の部分の双方を冷却する
静的焼入工程を含む。

本発明の別の主たる特徴によれば、円筒状部材の内側
表面又は外側表面でかつ該円筒状部材の軸方向に沿って
設けられているギアの歯及び接続幹部を含む歯表面を硬
化する装置であって、 該装置は、 （１）誘導コイルの外側表面又は内側表面が該歯表面を
構成する内側表面又は外側表面の１つと近接して対向し
て設けられるとともに該円筒状部材の軸に沿って該コイ
ルが移動可能なように配列し、該歯表面をもつ該円筒状
部材と同心状に設けられた環状誘導コイル部材、 （２）該誘導コイル部材と該歯表面との間を共軸方向で
相対的な動きを行い、該歯表面を漸進的に予備加熱及び
その後に最終加熱するため該歯表面にそって走査される
該誘導コイルによって加熱帯を形成する走査部材、 （３）約50kHz未満の周波数の第１交流電流により該誘
導コイルを通電する第１電源、 （４）約100kHz以上の周波数の第２交流電流により該誘
導コイルを通電する第２電源、及び、 （５）該歯面の該最終加熱の直後に急冷して該歯面を焼
入れ硬化する部材、 を有する前記装置が提供される。この装置は比較的低い
電力割合の単一誘導器コイルのみを経済的かつ効率的に
使用してギア歯面を上記のように本発明の別々の予熱お
よび最終加熱の本発明でギア歯面を浅い深さに均一に誘
導加熱および焼入硬化し、且つ別個の誘導器コイルを直
接に通して軸方向にシフトさせることのできない加工片
の形状に有利に適合しうるものである。

本発明の更に特定の特徴によれば、スイッチに同調す
る制御器が備えてあり、走査部材がくりかえしの相対的
軸方向移動のえらばれた移動期間中、誘導器コイルを第
１または第２のいずれかの電力供給に接続させ、更に順
次の走査工程の間の戻し工程中のような、相対的軸方向
移動のえらばれた移動の期間中、第１および第２の電力
供給をオンおよびオフにして誘導器コイルの付勢を阻止
しうるようになっている。重要なことに、制御器は反対
の軸方向において及び異なった軸方向速度で順次の操作
工程を行うことができる。従って本発明は前述のような
従来の特許された走査法および装置を用いてえられるよ
りも大きい制御を２つの別個の加熱工程にわたって有利
に提供するものである。

本発明の主な目的はギア歯面によって形成されるよう
な波状円形面を誘導加熱および焼入硬化して波状面を横
切って均一に分布された制御された深さにのびる硬度パ
ターンを生ぜしめる改良された方法と装置を提供するこ
とにある。

本発明の別の目的は従来知られた系において必要とさ
れるような高い電力割合を必要としない、ギア歯面の誘
導加熱および焼入硬化を行う方法と装置を提供すること
にある。

本発明の更に別の目的は漸増的誘導とは対照的に漸進
的軸方向走査誘導を使用する、且つ種々の形状と寸法の
加工片に適合しうる、上記のような方法と装置を提供す
ることにある。

本発明の更になお別の目的は軸方向走査加熱法におい
て単一の誘導加熱のみを有効に且つ効率的に使用する、
上記のような方法と装置を提供することにある。

本発明の更にもう１つの目的は加工片の予熱と最終加
熱を別個に行う米別の走査工程のための独立の制御を与
える、上記のような方法と装置を提供することにある。

これらの及びその他の目的と利点は添付図面を参照し
て以下に述べる実施例から明らかになるであろう。

（実施例） 添付の図面は本発明の好ましい態様を示すためのもの
であって、本発明を限定するものと解すべきではない。

第１図は加工片（Ｗ）の内側円筒状ギア歯面を漸進的
に誘導加熱および焼入硬化するための装置が示してあ
る。この装置は一般に、第１の電力供給（P1）、第２の
電力供給（P2）、誘導器組立体（Ｉ）、およびスイッチ
組立体（Ｓ）から成る。スイッチ組立体（Ｓ）は誘導器
組立体（Ｉ）を第１の電力供給（P1）または第２の電力
供給（P2）のいずれかに係合させるようになっている。

特に第３図〜第６図を参照して、誘導器組立体（Ｉ）
はコイル支持体（10）と誘導器バス（20）とから成るも
のとして示してある。コイル支持体（10）は軸（Ａ）の
まわりの円の中に実質的にのびる単一巻き誘導器コイル
（12）を含み、その周辺に向き合った両端分間に間隙
（14）をもつ。誘導器コイル（12）は外側に面する円筒
状表面（16）、および下方に面する円錐状表面（18）を
備え、この円錐状表面は外側に面する焼入用急冷液体
（以降単に急冷液体とすることがある）の孔（21）をも
つ。内側部材（22）は円形誘導器コイル（12）の周囲に
のびる急冷液体導管（24）を形成し、キャップ・リング
（26）は円形誘導器コイル（12）の周囲にのびる冷却剤
導管（28）を形成する。冷却剤導管（28）は冷却剤の入
口（30）と出口（32）を含み、この入口と出口は冷却剤
の流入管（34）と流出管（36）にそれぞれ連通してい
る。急冷液体導管（24）は４個の急冷液体入口（38）を
もち、これら入口のそれぞれは急冷液体入口通路（40）
に連通している。

コイル支持体（10）は更に上部コイル支持ブロック
（42）、リング形ブロック（44）、下部コイル支持ブロ
ック（46）、およびこれらのブロックを機械スクリュー
（50）によって一緒に締着する中心スリーブ（48）を含
む。急冷液体入口通路（40）はコイル支持体（10）のブ
ロックを通ってのびており、誘導器コイル（12）におい
て急冷液体入口（38）に連通している。急冷液体供給ラ
イン（52）は急冷液体源（53）に連通している。必要に
応じて急冷液体通路（40）中にＯ−リング・シール（5
4,56）を備える。またコイル支持体（10）のブロックを
通ってのびる３個の静的焼入通路（58）があり、これは
環状溝（60）をもつ静的焼入供給ライン（59）に連通し
ている。静的焼入導管（61）は上部コイル支持ブロック
（42）の上部面（64）において静的焼入開口（62）をも
つ溝（60）に連通している。下部コイル支持ブロック
（46）は電気的に非伝導性の基板（68）にボルト（66）
によって取り付けられている。この基板（68）は誘導器
コイル（12）中の間隙（14）に整列し誘導器バス（20）
に向かってのびるスロット（70）を含む。

誘導器バス（20）は接続ボルト（76）によって隣接位
置に保持される一対の誘導器バス棒（72,74）を含む。
誘導器コイル（12）の間隙の中に配置された絶縁材の薄
いシート（15）は全体として又は部分が間隙（14）から
誘導器バス（20）に向かって基板（68）中のスロット
（70）を通って、更に誘導器バス棒（72,74）間を通っ
てのびている。接続ボルト（76）は同様に、たとえは非
伝導性ワッシャ（78）によって、絶縁される。誘導器バ
ス棒（72,74）は、取り付け用ボルト（83）によって誘
導器バス（20）にコイル支持体（10）の基板（68）をと
りつけるための取り付け用の板（80,82）をそれぞれ含
む。冷却剤入口管（34）は誘導器バス棒（72）にそって
冷却剤入口供給開口（84）の尾部（86）から誘導器コイ
ル（12）の点での冷却剤入口開口（30）にのびる。同様
に、冷却剤出口管（36）は隣接する誘導器バス棒（74）
にそって誘導器コイル（12）の点での冷却剤出口開口
（32）から隣接尾部（90）の点の冷却剤出口ドレイン開
口（88）にのびる。冷却剤入口および出口管（34,36）
は誘導器バス棒（72,74）の外側平面に向かって真鍮メ
ッキ平らな側面銅管として形成される。

加工片支持体（92）はコイル支持体（10）および誘導
器バス（20）と共同して加工片（Ｗ）を誘導コイル（1
2）に対して移動させる。加工片支持体（92）は第３図
および第５図に示すように、コイル（12）に共軸の垂直
搬送シャフト（94）を含み、その上に加工片（Ｗ）をは
こぶためのカラー（98）付きのマンドレル（96）が取り
付けてある。垂直通路（100）はコイル支持体（10）の
基板（68）、下部コイル支持ブロック（46）および中心
スリーブ（48）を通ってのびており、それらの間に図示
のように垂直搬送シャフト（94）を通過させる。モータ
（99）が通路（100）中の搬送シャフト（94）に垂直お
よび回転移動を付与するようになっている。この点につ
いては本発明の操作に関連して後に詳しく述べる。

誘導器組立体（Ｉ）の他に、本発明により加工片
（Ｗ）のギア歯面を誘導加熱および焼入硬化するための
装置は第１のバス棒組立体（101）によってスイッチ
（Ｓ）に接続する第１の電力供給（P1）、第２のバス棒
組立体（102）によってスイッチ（Ｓ）に接続する第２
の電力供給（P2）、およびスイッチ（Ｓ）を誘導器組立
体（Ｉ）に接続する第３のバス棒組立体（103）を備え
る。

更に詳しくは第２図〜第７図を参照して、第１のバス
棒組立体（101）は絶縁材料（106）の薄いシートによっ
て分離されボルト（108）によって隣接位置に保持され
る一対の隣接バス棒（104,105）から成る。バス棒（10
4,105）は第9A図および第9B図に示すようにそれぞれブ
ロック端部（110,112）からスイッチ（Ｓ）内の末端に
のびている。バス冷却剤の管（114,115）はそれぞれバ
ス棒（104,105）にそって長手方向に付随ブロック端部
における冷却剤入口開口（118,120）からスイッチ
（Ｓ）に隣接する冷却剤出口開口（122,124）にのびて
いる。第１の電力供給（P1）はブロック端部（110,11
2）を横切ってバス棒（104,105）に接続して約50KHz未
満の周波数をもつ第１の交流電流を約100KW以上の電力
水準で付与するようになっている。

第２のバス棒組立体（102）は同様に絶縁材料のシー
ト（106）の反対側の隣接位置においてボルト（108）に
よって保持される一対のバス棒（126,128）から成る。
バス冷却剤の管（130,132）がそれぞれ付随ブロック端
部（136,137）におけるバス冷却剤入口開口（134,135）
からスイッチ（Ｓ）に隣接するバス冷却剤出口開口（13
8,139）にのびている。第２の電力供給（P2）は第２の
対のブロック端部（136,137）を横切って第２の対のバ
ス棒（126,128）に接続していて、約100KHz以上の周波
数をもつ交流電流を約100KW以上の電力水準で付与する
ようになっている。

第３のバス棒組立体（103）は、絶縁材料（106）の反
対側の隣接位置においてボルト（108）によって同様に
保持され、そして同様に長手方向にのびるバス冷却管を
含む。第３のバス棒（140,142）はスイッチ（Ｓ）内の
末端からブロック端部（144,146）にのびており、これ
らのブロック端部はそれぞれ誘導器バス棒（72,74）の
尾部（86,90）に接続されている。

第8A図〜第10図を参照して、スイッチ組立体（Ｓ）は
接触部品（150）、垂直円筒枠部品（152）、および水平
円筒枠部品（154）から一般に成るものとして示してあ
る。特に第9A図および第9B図に示すように、バス棒組立
体（101,102,103）は接触部品（150）に付随する末端を
もつ。永久電気伝導接続は第１のバス棒組立体（101）
と第３のバス棒組立体（103）との間に作られる。それ
は第１のバス棒組立体（101）のバス棒（105）と第３の
バス棒組立体（103）のバス棒（140）との間に第１のバ
ス接触部品（156）を溶接することによって行われる。
永久伝導性接続はまたバス棒（142）とバス棒（128）と
の間に第２のバス接触部品（158）を溶接することによ
って第３のバス棒組立体（103）と第２のバス棒組立体
（102）との間にも作られる。第１のバス棒組立体（10
1）はバス棒（105,128）の間の第３のバス棒組立体（10
3）からのびる電気絶縁材料（106）によって第２のバス
棒組立体（102）から部分的に隔離される。また、第１
のブラシ（160）がバス棒（105）に溶接され、同様に第
４のバス接続部品（166）がバス棒（126）に溶接され
る。

第8A図および第8B図を参照して、スイッチ組当体
（Ｓ）は垂直円筒枠部品（152）を含む。この垂直円筒
枠部品は垂直部材（168）、その上に取り付けた垂直油
圧流体作動円筒（170）、この作動円筒に備えてある油
圧流体ニップル（172,174）、および垂直ピストン棒（1
76）から成る。垂直ピストン棒（176）は電気的にこの
非伝導性のブラケット（178）をもち、このブラケット
に接触棒（180）が機械スクリュー（182）によって取り
付けてある。接触棒（180）は、第10図に示すように、
伝導性表面区域（184）、比較的狭い第１の絶縁面（18
6）、および第１の絶縁面（186）から垂直および水平に
オフセットされる比較的狭い第２の絶縁面（188）を含
む。接触棒（180）は第8A図に示す垂直上昇位置と第8B
図に示す垂直下降位置との間でピストン棒（176）によ
り垂直にシフト可能である。垂直上昇位置にあるとき、
接触棒（180）の第２の絶縁面（188）は第２のブラシ
（162）と面接触しており、電気的に伝導性の表面（18
4）は第１のブラシ（160）、第３のバス接続部品（16
4）および第４のバス接続部品（166）と面接触してい
る。これらは第9A図に示すとおりである。垂直上昇位置
にあるときには、第9B図に示すように、接触棒（180）
の第１の絶縁面（186）は第１のブラシと面接触してお
り、電気的に伝導性の表面（184）は第２のブラシ（16
2）、第３のバス接続部品（164）および第４のバス接続
部品（166）と面接触している。

スイッチ組立体（Ｓ）は更に水平円筒枠部品（54）、
および横枠部材（194）を備える。水平円筒枠部品（5
4）は電気的に非伝導性の横枠部材（190,192）を含む。
横枠部材（194）には水平油圧流体作動円筒（196）がボ
ルト（197）によって取り付けてある。水平油圧流体作
動円筒（196）は油圧流体ニップル（198,199）および水
平ピストン棒（200）をもつ。第9A図および第9B図に示
すように、水平ピストン棒（200）にはボルト（202）に
よって圧力ブロック（204）が担持されており、このブ
ロックは垂直にシフトしうる接触棒（182）に対して圧
迫されて接触棒（180）を押圧して接触部品（150）の種
々の要素としっかりと面接触させるようになっている。

マイクロプロセッサ（208）がモータ（99）を調節し
て加工片を垂直にシフトさせ、加工片を軸（Ａ）のまわ
りに回転させ；急冷液体（53）から供給される急冷液を
調節し；そして円筒コントローラを調節して垂直油圧シ
リンダ（170）および水平油圧シリンダ（196）を操作さ
せるようになっている。

操 作 前述の本発明の装置は開放端部およびほぼ閉じた端部
をもつ円筒状雌型歯車リング・ギアの内側に面するギア
歯を誘導加熱および焼入硬化するのに適している。本発
明の好ましい態様による操作をそのような加工片に関し
て以下に詳しく述べる。

加工片（Ｗ）は開放端部（210）、ほぼ閉じた端部（2
12）、隆起ギア歯（214）をもつ内側円筒面、および内
側フランジ面（216）を含む。第12図〜第15図に示すよ
うに、ギア歯は頂部（218）、および向き合っているベ
アリング面（220,222）を含み、根の表面（224）によっ
て結合されている。加工片（Ｗ）の内側区域は歯の厚さ
の区域（Ｘ）、根の区域（Ｙ）、およびギアの基部
（Ｚ）から成る。

本発明の方法と装置の操作は第３図に示すようにマン
ドレル（96）上に加工片（Ｗ）を置くことによって始ま
る。加工片（Ｗ）の予熱は円筒形コントローラを通るマ
イクロプロセッサ（208）によって調節されるように第8
B図に示す垂直下降位置中の接触棒（180）により行われ
る。第１の電力供給（P1）は次いでマイクロプロセッサ
（208によって支持されてスイッチ組立体（Ｓ）を介し
て第１のバス棒組立体（101）と第３のバス棒組立体（1
03）との間に交流電流を第9B図に矢印で示すように流れ
させる。この第１の交流電流は遣100KHz以上の電力水準
にあり且つ約50KHz未満、好ましくは約10KHz未満の周波
数をもつ。次いでモータ（99）が作動して加工片（Ｗ）
を第３図に示す上昇位置から第５図に破線で示す下降位
置まで漸進的に移動させる。誘導器コイル（12）を通る
加工片（Ｗ）の漸進的移動は内部の円筒面（214）を第1
1図に示すようにコイル（12）の外側に面する円筒面（1
6）の軸高（Ｈ）に対応する軸方向移動帯にそって焼入
硬化温度より低い温度に予熱させる。詳しくは、第１の
電力供給（P1）によって付与される比較的低い周波数で
の予熱は第12図に示すように歯の厚さの区域（Ｘ）およ
び根の区域（Ｙ）を通して加工片（Ｗ）に熱を浸透させ
る。然しギアは基部構造体区域（Ｚ）において実質的に
加熱されない状態にとどまる。第12図に示す初期の予熱
輪郭は動的であり、第13図に示すようにギア歯面から外
側への熱エネルギーの消散によって第14図に示す予熱輪
郭に迅速にシフトする。歯の厚さの区域（Ｘ）の基礎で
あり根の区域（Ｙ）を接続する連続予熱帯がこの予熱工
程によって発生する。

第１の電力供給（P1）のもとでの内側円形予熱帯の発
生による予熱の直後に、装置は第２の電力供給（P2）の
ものでのギア歯面の最終加熱に迅速にシフトする。第１
の電力供給（P1）はオフになり、加工片（Ｗ）は誘導器
コイル（12）に隣接して開放端部（210）をもつ位置に
迅速に上昇して戻る。水平シリンダ（196）による水平
ピストン棒（200）の除去は圧力ブロック（204）によっ
て接触棒（180）に加わる圧力を解放して垂直シリンダ
（170）を垂直ピストン棒（176）にシフトさせ、接触棒
（180）を第8A図に示す垂直上昇位置の上方にシフトさ
せる。次いで水平ピストン棒（200）が水平シリンダ（1
96）からのびて圧力ブロック（204）を接触棒（180）に
対して圧迫し、それによって接触棒（180）を接触部材
（150）の付属要素に圧縮してそれらの間でのアーキン
グを防ぐ。次いで第２の電力供給（P2）をオンにして交
流電流を第２のバス棒組立体（102）から第３のバス棒
組立体（103）および誘導器組立体（Ｉ）に、第9A図に
矢印で示すように、スイッチ組立体（Ｓ）を介して流れ
させる。

ギア歯面の最終加熱は加工片（Ｗ）をモータ（99）に
よって誘導器面コイル（12）を通して下方に制御された
速度で漸進的に移動させてコイル（12）の外側に面する
円筒面（16）の軸高に相当する軸方向移動帯を焼入硬化
温度より高い温度に漸進的に最終加熱する操作により進
行する。同時に、急冷液が第11図に示すように急冷液源
（53）からコイル支持体（10）を通して且つ急冷液の孔
（20）から外側に送られて、最終加熱したギア歯面を軸
方向に移動する最終加熱帯の直後に焼入硬化する。更に
詳しくは、最終加熱は、予熱した内側帯が歯の厚さの区
域（Ｘ）の下に且つ根の区域（Ｙ）を横切ってのびる第
14図に示す加熱輪郭に達したときに開始される。第２の
電力供給（P2）によって与えられる比較的高い周波数の
交流電流は第15図に示す比較的浅い深さ（Ｄ）にのみ熱
を浸透させる。重要なことに、予熱した内側帯は誘導器
コイル面（16）から半径方向に最も離れた深さに且つベ
アリング面（220,222）および頂面（218）において高周
波数最終加熱を浸透させる。それは内側加熱帯が持続す
る根の区域において熱エネルギーを与え、この区域が該
区域中の電気抵抗を減少させ、その結果として誘導電流
を隣接歯面の間に並びにこれらの歯面を横切って流れさ
せるためである。予熱した内側帯または歯の厚さの区域
（Ｘ）および基部区域（Ｚ）への最終加熱の迅速な伝導
を阻止する。加工片（Ｗ）の内側円筒面（214）はそれ
によって第15図に示すように深さ（Ｄ）に均一に最終加
熱される。最終加熱直後の焼入硬化は第16図に示す均一
な硬度パターンを生ぜしめる。

閉じた端部（212）への熱の過度の伝導を防ぎ及び得
られた最終硬度パターンを保持するために最終加熱及び
焼入硬化の後、依然高温である加工片全体を静的焼入に
よって十分冷却してもよい。加工片が第５図に示すよう
に末端位置に達するとき、マイクロプロセッサ（208）
は急冷液源（53）からの急冷液の流れをコイル支持体
（10）を介して且つ静的焼入開口（62）から外側に流し
て、フラッディング効果をもつ加工片を冷却する。本発
明の重要な特徴は、予熱および最終加熱法を種々の軸方
向速度で行うことができ、所望の予熱および最終加熱の
温度プロフィルを得るために多少の時間を必要とする種
々の加工片の幾何学形状に適合しうるという事実にあ
る。更に、本発明の範囲から逸脱することなしに方法お
よび装置の操作に含まれる工程の系列および実施の変化
を行うことができる。たとえば、予熱工程は短い遅延を
伴う又は伴わない加工片の２つの走査を含み、第14図を
参照して述べたようにギア歯から熱を消散させることが
できる。誘導器コイルを通る走査は更に、加工片を上方
に移動させて予熱を行い、次いで下方に戻して最終加熱
を行って、両工程間の戻し工程を避けるか、あるいは本
発明による予熱と最終加熱を、特定の加工片の幾何学的
形状に適用するように計算された軸方向走査および／ま
たは戻し運動の系列に従って行うこともできる。

本発明を好ましい態様について述べたが、この明細書
を読んで理解した第３者には明らかに変形と変化が想定
されるであろう。そのような変形と変化はそれらが請求
の範囲およびその均等範囲に入る限りすべて本発明に含
まれるものと解すべきである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の好ましい態様を示す図面である。 第２図は第１図の装置の頂面面である。 第３図は第２図の線３−３にそってとった前面立面面で
ある。 第４図は第３図の装置の頂面面である。 第５図は第４図の線５−５にそってとった拡大断面図で
ある。 第６図は第４図の線６−６にそってとった部分拡大断面
図である。 第７図は第２図の線７−７にそってとった前面立面面で
ある。 第8A図は第７図の線8A−8Aにそってとった側面立面面で
ある。 第8B図は第8A図の装置の別の位置を示す側面立面面であ
る。 第9A図は第8A図の線9A−9Aにそってとった部分平面図で
ある。 第9B図は第9A図の装置の別の位置を示す部分平面図であ
る。 第10図は第8A図の線10−10にそってとった部分立面面で
ある。 第11図は本発明による漸進的な予熱、最終加熱および焼
入硬化をほぼ示す加工片の拡大部分断面図である。 第12図〜第15図は本発明による漸進的段階の予熱および
最終加熱をほぼ示す加工片の部分断面図である。 第16図は本発明による最終硬度パターンをほぼ示す加工
片の部分断面図である。 Ｄ……深さ、Ｈ……軸高、Ｉ……誘導器組立体、P1,P2
……電力供給、Ｓ……スイッチ組立体、Ｗ……加工片、
Ｘ……歯の厚さの区域、Ｙ……根の区域、Ｚ……基部構
造体区域、10……コイル支持体、12……誘導器コイル、
16……円筒状表面、20……誘導器バス、24……急冷液導
管、40……急冷液の入口通路、61……静的焼入導管、92
……加工片支持体、94……垂直搬送シャフト、96……マ
ンドレル、99……モータ、101,102,103……バス棒組立
体、150……接触部品、152……垂直円筒枠部品、154…
…水平円筒枠部品、170……垂直油圧流体作動円筒、180
……接触棒、196……水平油圧流体作動円筒、200……水
平ピストン棒、204……圧力ブロック、208……マイクロ
プロセッサ、210……開放端部、212……閉じた端部、21
4……ギア歯、216……内側フランジ面、218……頂部、2
20,222……ベアリング面、224……ギア歯の根の表面。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ノーベルト アール バルザー アメリカ合衆国ミシガン州 48083 ト ロイ エヌ ロビントン 2167 アパー トメント 106 (72)発明者 ジヨージ エム マーサ アメリカ合衆国オハイオ州 44130 パ ーマ ハイツ ブロツサム アベニユー 11187 (72)発明者 ドナルド イー ノーボルスキイ アメリカ合衆国ミシガン州 48069 プ レゼント リツジ エルム パーク ブ ールバード ９ (56)参考文献 特開 昭60−162723（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−207119（ＪＰ，Ａ) 川崎正之著 「工業技術全書・金属材 料の熱処理」 昭和32年５月５日 誠文 堂新光社発行 Ｐ．186〜191

Claims (11)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】円筒状部材の内側表面又は外側表面でかつ
   該円筒状部材の軸方向に沿って設けられているギアの歯
   及び接続幹部を含む歯表面を硬化する方法であって、 該方法は （１）当該歯表面をもつ該円筒状部材と同心状に、環状
   の誘導加熱コイル部材であって且つその幅が当該円筒状
   部材の長さよりも短くなる様に構成された環状の誘導加
   熱コイル部材を設け、それによって当該誘導コイルの外
   側表面又は内側表面が該歯表面を構成する内側表面又は
   外側表面の１つと近接に対向して設けられるとともに該
   円筒状部材の軸に沿って該コイルが移動可能なように配
   列し （２）該誘導コイル部材と該歯表面との間のそれぞれの
   共通軸に沿った第１の相対的動きにおいては該誘導コイ
   ルによる該歯表面に対する移動状態下における予備加熱
   は約50kHz以下の周波数によって実行されそれによって
   該接続幹部が焼入れ硬化温度よりも低い温度に均一に加
   熱されるようになし、 （３）該予備加熱後、当該歯部の下側で且つ歯根区域を
   横切って延展する連続して予熱された内部帯が形成され
   るに要する時間後に、該誘導コイル部材と該歯表面との
   間のそれぞれの共通軸に沿った第１の相対的動きと同一
   又は反対方向での第２の相対的動きにおいては該予備的
   に加熱された歯表面を、該コイルによって約100kHz以上
   の周波数で最終的な移動状態での加熱を行い、それによ
   って少なくとも予備加熱された歯表面の外側部が焼入れ
   硬化温度に達するように十分に加熱するようになし （４）第２の相対的動きの方向と同一又は反対方向での
   共通軸に沿った第３の相対的動きにおいては最終加熱さ
   れた歯表面を移動状態下において最終加熱と同時若しく
   は当該最終加熱につづいて急速に冷却することから構成
   された歯表面の硬化方法。
2. 【請求項２】該予備加熱工程が、第１の所定の速度に設
   定された第１の相対的動きを用いて実行され、該最終加
   熱工程が、該第１の所定速度とは異なる第２の所定速度
   に設定された第２の相対的動きを用いて実行される特許
   請求の範囲第１項記載の方法。
3. 【請求項３】該円筒状部材が、１の末端部に少なくとも
   １の開口を有する中空の円筒であり、該歯面が放射状に
   該中空円筒の内側に面し、そして該環状誘導コイル部材
   が、該開口を通る該円筒状部材の内側に放射状に付与さ
   れていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   方法。
4. 【請求項４】予備加熱及び最終加熱工程の間に該円筒状
   部材が回転することを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の方法。
5. 【請求項５】該環状誘導コイル部材が、互いに異なるそ
   れぞれの温度に該表面を加熱する少なくとも２つの分離
   した誘導コイルを含むことを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の方法。
6. 【請求項６】該漸進的焼入れ工程が更に、該漸進的焼入
   れの後に行われる静的焼入れ工程を含み、焼入れた表面
   を十分に冷却することを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の方法。
7. 【請求項７】円筒状部材の内側表面又は外側表面、でか
   つ該円筒状部材の軸方向に沿って設けられているギアの
   歯及び接続幹部を含む歯表面を硬化する装置であって、 該装置は、 （１）誘導コイルの外側表面又は内側表面が該歯表面を
   構成する内側表面又は外側表面の１つと近接して対向し
   て設けられるとともに該円筒状部材の軸に沿って該コイ
   ルが移動可能なように配列し、該歯表面をもつ該円筒状
   部材と同芯状に設けられた、当該円筒状部材の長さより
   も短い幅を有する環状誘導コイル部材、 （２）該誘導コイル部材と該歯表面との間を共軸方向で
   相対的な動きを行い、該歯表面を漸進的に予備加熱及び
   その後に最終加熱するため該歯表面にそって走査される
   該誘導コイルによって加熱帯を形成する走査部材、 （３）約50kHz未満の周波数の第１交流電流により該誘
   導コイルを通電する第１電源、 （４）約100kHz以上の周波数の第２交流電流により該誘
   導コイルを通電する第２電源、及び、 （５）該歯面の該最終加熱の直後に急冷して該歯面を焼
   入れ硬化する、当該誘導コイルと一体的又はそれと別体
   的に構成された、冷却部材、 を有する前記装置。
8. 【請求項８】該予備加熱が、第１の所定の速度に設定さ
   れた該第１の相対的動きを用いて実行され、一方、該最
   終加熱が、該第１の所定速度とは異なる第２の所定速度
   に設定された第２の相対的動きを用いて実行される特許
   請求の範囲第７項記載の装置。
9. 【請求項９】該円筒状部材が、１の末端部に少なくとも
   １の開口を有する中空の円筒であり、該歯面が放射状に
   該中空円筒の内側に面し、そして該環状誘導コイル部材
   が、該開口を通る該円筒状部材の内側に放射状に付与さ
   れていることを特徴とする特許請求の範囲第７項記載の
   装置。
10. 【請求項１０】予備加熱及び最終加熱の間に該円筒状部
    材を回転させる回転手段を備えることを特徴とする特許
    請求の範囲第７項記載の装置。
11. 【請求項１１】該環状誘導コイル部材が、互いに異なる
    それぞれの温度に該表面を加熱する少なくとも２つの分
    離した誘導コイルであることを特徴とする特許請求の範
    囲第７項記載の装置。