JP6723751B2 - ギア、シャフト、リングおよび類似のワークピースの真空浸炭および焼入れのための多チャンバ炉 - Google Patents

Description

本発明は、ギア、シャフト、リングおよび類似のワークピースの真空浸炭および焼入れのための多チャンバ炉である。

平らなトレイに配置された多数のワークピースが同時に処理される、真空浸炭工程を実行するために設計されたバッチ炉の例は多く文書化されており、このような装置は、数個から約１ダースの間のトレイレベルに増やされる。一体型高圧ガス焼入れシステム（ＨＰＧＱ）を有する単一チャンバ炉がこの目的のために使用され、個別のＨＰＧＱ室を有する二チャンバ炉は、焼入れ油の冷却を可能にする。

大量生産のために、モジュール式システムは、ＨＰＧＱまたは油焼入れのための設備を含む、真空浸炭のための多数のプロセスチャンバおよび個々のプロセスチャンバへ／からの作業負荷の積込み／取り出しのための個別チャンバを有して製造される。直列のプロセスチャンバ配置、または上述の焼入れチャンバの回転軸回りの円形配置による炉構造が文書化されている。産業目的のためにモジュール式システムの様々な変形が適用され、これは特許文献１に記載されたような一方のプロセスチャンバが他方の上にある配置を可能にするものを含む。これらの全てのシステムは、循環ガス（例えば高圧力下での窒素またはヘリウム（ＨＰＧＱ））または焼入れ油における作業負荷焼入れの容積方法を特徴とし、これは、作業負荷体積を通じて非均一および非反復可能な焼入れ媒体の流れにより、およびワークピース面に沿った焼入れ媒体の非均一の流れにより作業負荷の異なる領域における個々のワークピースの非均一の焼入れを伴い、焼入れ応力および最終的には不所望の変形にさらに転換される。

油焼入れに比べて、この場合ガス冷却は、より高い割合の変形の統計的再現性によって特徴付けられる。

一方、特許文献２は、例えば限られた寸法のギアなどのワークピースの直接浸炭および焼入れのために設計されたモジュール式システムを開示しており、迅速なガス加熱および冷却を可能にし、変形、および／または１つの作業負荷内での変形の均一性および連続する作業負荷における再現性をさらに低減するという潜在性を有する。特許文献２によると、加熱チャンバは、単独の真空ハウジングにおいて２〜６個の垂直配置で取り付けられている。このシステムのもとで、ワークピースの積載は、１つのレベルでのみ行われ、ワークピースは、好ましくはＣＦＣ複合材で作られた１つのトレイ面に配置される。これは、加熱段階の間チャンバ加熱システムからの輻射の良好な透過（遮蔽がない）に曝されたワークピースの非常に速い加熱を可能にし、これは、ワークピースを高い温度レベルに滞在させる時間を短縮し、より速い結晶成長における範囲において約１０５０℃の温度でワークピースが費やす安全な（十分な短い）工程時間を保証する。炉は、浸炭のために例えば約０．６ｍｍまでの層厚で設計される。

単一層に配置されたワークピースのガス焼入れは、単純構造の冷却ガス循環システムによる高い再現性および一貫性を有し、トレイ表面に配置されたワークピース上の均一なおよび完全なガス流でのＨＰＧＱ方法を使用することができる。容積のある作業負荷を通る冷却ガスの流れに関連する適切な流速、圧力および温度の高い一貫性を達成することが容易である。単一層に配置されたワークピースの積載は、ワークピースの積み下ろし動作の自動化を容易にしながら、変形の減少および再現性の達成に関連する発展により、粗いギア加工のための機械および仕上げ作業のための機械の間の機械ツールシステムにおいて炉を設置することを許容するとともに、組織的に分離された焼入れ店にワークピースを輸送する必要がなくなる。

ガス浸炭技術に関しては、（焼入れ油における焼入れにより大きな変形を招く大きさ）のチャレンジングなワークピースに対して、作業者によるプレスへの周期的な供給（通常マニピュレータによって供給される）によって、焼入れプレスにおいて、または産業用ロボットが使用される大量生産において、個々のワークピースへの個別焼入れが適用される。

一方、非剛体軸受リングの焼入れ技術においては、冷却マトリックスへのリングの周期的な供給の導入試験があり、それは、冷却面と適切な関係に配置されたノズルを通る冷却媒体の適切な流入、および表面から１０ｍｍの高さで速度５０ｍ／ｓ〜１００ｍ／ｓにおける適切な圧力でのガスまたは圧縮空気での焼入れを可能にし、１００Ｃｒ６鋼から作られる焼入れ鋼鉄リングに関して例えば１５℃／ｓの冷却速度（焼入れ油と同程度）を達成することを保証する。[HTM53(1998)2 “Fixturhartung von Walzlagerringen unter Verwendug von gasformigen Abschreckmedien”].

ガス浸炭技術（真空浸炭を利用する）に関する経験を参照すると、上述のように容積のある作業負荷の大量生産のための炉の設計に対して様々な試みがなされてきたが、炉を通る作業負荷の連続的な流れを特徴としており、その構造は、真空ロックを利用したチャンバが分離された加熱、真空浸炭、拡散、焼入れ前の予冷却、および焼入れチャンバ（例えば油焼入れ）のための機能チャンバを備えている。このようなシステムは、１９９６年の特許文献３、２００４年の特許文献４、２００４年の特許文献５および１９９０年代の技術文献に記載されている。残念ながらこれらの技術は、主に変形レベル、１つの作業負荷内、および作業負荷間におけるこれらの変形の非均一性、システムの連続的な動作を維持することが困難であることにより、一般的にはならなかった。

特に、加熱、浸炭、拡散、予冷却および焼入れのために設計された連続炉システムを通り供給される個々のワークピースの浸炭および焼入れを意図した、連続的に動作する炉を構成する試みがなされてきた。 一例として、１９９０年「Continuous ion-carburizing and quenching system」と題する特許文献６、および１９９７年「Method and apparatus for carburizing, quenching and tempering」と題する特許文献７にシステムが記載されている。また１９９０年代の代わり目に、連続的な炉構造に、ローラーの上に作業負荷供給が作られ、機能チャンバ（積み下ろし、および加熱、浸炭、拡散および予冷却チャンバ）およびＨＰＧＱチャンバに分割されたものが「Multichamber continuous furnaces...」と題してＨＴＭ２／２００１のタイトルページに記載された。この構造の新しい特徴は、機械加工に直列にシステムを設置できるということである。

欧州特許第１３１９７２４号明細書 独国特許発明第１０２００９０４１０４１号明細書 欧州特許出願公開第０７３５１４９号明細書 欧州特許出願公開第０８２８５５４号明細書 欧州特許出願公開第１４８２０６０号明細書 欧州特許出願公開第１９８０６４１号明細書 米国特許第７，９６７，９２０号明細書 ポーランド特許第２１０９５８号明細書

歯付きギアの製造は常に、粗加工および微細加工（通常軟らかい状態での）の段階および熱および化学処理後の個々のギアの仕上げ段階を含む。したがって、機械加工後のさらなる処理のために個々のワークピースの連続的な流れがある。直接焼入れによる真空浸炭の技術が変形および／またはワークピースの形に関するそれらの再現性の反復可能制限効果を提供すると仮定すると、熱−化学処理および仕上げの前の粗加工のための機械加工サイクルに対応するサイクルの間に個々のギアの浸炭および硬化の連続的な工程に対する需要がある。ワークピースの連続的な流れを仮定すると、粗加工後の個々のワークピースの周期的な（連続的な）パージは、技術的または経済的な課題を提起しない。

本発明による多チャンバ炉における重要な特徴は、垂直または水平配置で構成され、ガス密区分を有する共有真空空間に配置された、個々のワークピースの連続的な供給部を有する少なくとも２つのプロセスチャンバ（並列に接続された）を含む構造であり、これらのチャンバの端部においては、移送チャンバが組み込まれ、移送チャンバは、チャンバ端部に取り付けられた断熱およびガス密ドアを通り個々のプロセスチャンバと協働することが可能である積み下ろしシステムを特徴とし、積み下ろしロックを通じて移送チャンバへの外部からのアクセスが保証される。

好都合に、炉は、垂直配置（一方が他方の上にある）で構成された３つのプロセスチャンバ、すなわち加熱、浸炭および拡散チャンバを特徴とする。

各プロセスチャンバにおいて、グラファイト加熱システムを有する熱絶縁された加熱チャンバ、および個々のワークピースの連続的な移送のためのシャフトに組み込まれたステッピング送り機構が組み込まれることがまた好都合である。

ステッピング機構が０．１〜６０分の送り時間フレームで２〜１００ステップの個々のワークピースの位置決めを提供することがさらに好都合である。

好都合に、取出しロックが、炉運転サイクル内での個々のワークピースの油焼入れのための機器を組み込むべきである。

取出しロックが、炉運転サイクル内でのプレスまたは抑制装置における個々のワークピースの油焼入れ装置を組み込んでいることがさらに好都合である。

取出しロックは、炉運転サイクル内でのワークピースのガス焼入れ装置を組み込んでいることがまた好都合である。

個々のワークピースのガス焼入れのための装置が基部および３００ｍ／ｓまでの速度の冷却ガスを流すためのガスノズルシステムを有する２パーツノズルコレクタを構成し、ノズルの構成は、個々のワークピースの形に調整され、ノズル出口は、冷却ワークピース面から１〜１００ｍｍの距離にあることがまた都合が良い。

さらに好都合であるのは、ノズルコレクタが２つの可動部を有し、該可動部は、冷却ワークピースに向かって摺動し、個々のワークピースは、基部に配置され（積込機構によって）、冷却サイクルのためにノズルのノミナル位置近くに配置されることである。

また好都合であるのは、冷却サイクルの間個々のワークピース表面の均一な露出を確実にするために基部が回転駆動機構を有することである。

個々のプロセスチャンバは、加熱、低圧浸炭、および拡散浸漬サイクルのために設計される。この区分は、０．３〜０．６ｍｍの範囲の浸炭層を有するＬＰＣ（低圧浸炭）サイクルに対して可能であり、例えば１０５０℃での高温浸炭を仮定する。個々のチャンバは、熱−化学処理の連続する段階を実行するためのプロセスガスの独立した供給部を有し、チャンバがゾーンチャンバの間の関連する耐熱−ガスドアによって分離されている場合に好都合である。頑丈かつコンパクトな設計のために、３つのプロセスチャンバが上下に重なって配置され、３つのゾーンに接続された２つの積込／取出しチャンバを組み込むことができ、各ゾーンは、積み下ろし接続部を有する。各チャンバには、好都合にステップタイプの、連続的なワークピース供給システムが取り付けられる。

鋼鉄から作られるギアおよび似た形のワークピース（例えばｆ＝２００ｍｍまで、重量＝約１．５ｋｇ）の高圧ガス焼入れを伴う低圧浸炭のための炉の設計は、特許文献６、特許文献７、および特許文献８に記載されたプロセスおよび方法による加熱段階において、温度約１０５０℃への短い露出が可能であるか、または典型的な商用浸炭鋼鉄グレードのための予備窒化プロセスを利用し、０．２５〜１．０ｍｍの範囲の浸炭層を有する。当該方法は、個々のワークピースが３つのプロセスチャンバ、すなわち真空加熱チャンバ、ＬＰＣ（低圧浸炭）チャンバ、および拡散チャンバに分割された炉に（積込ロックを通じて）積み込まれるステップを含み、連続的なタイプの炉を通るワークピースの流れは、積込位置から取出し位置までの各チャンバに沿ったいわゆるステッピングワークピース送り機構によって行われる。

各プロセスゾーンは、真空ハウジングを有する真空炉として構成され、好都合にグラファイト断熱材およびグラファイト加熱要素を組み込んでいる。加熱チャンバの底壁には、上述のように、積込ゾーンから取出し位置まで加熱チャンバを通りステッピングワークピース送り機構が組み込まれている。

各ゾーンは、入口および出口に耐熱およびガス密ドアを有し、ゾーン間でワークピースを移送する機構を有し、チャンバとの熱およびガス分離を提供する。これは、チャンバが積込ロックに接続されており、移送機構がワークピースを浸炭ゾーンに周期的に積み込みながら、また真空浸炭ゾーンから取り出し、最後に拡散ゾーンに積み込むことを意味する。冷却機構が組み込まれたチャンバに接続された移送機構は、加熱ゾーンからのワークピースの取り出し、および浸炭ゾーンへの積み込み、また拡散サイクル後のワークピースの取り出し、および冷却チャンバへの移送を担う。このタイプの移送機構では、一方のゾーンチャンバを他方の上に配置することが好都合である。

積込ロックチャンバには、積込処置後および加熱ゾーンへの移送を担う内部機構によってワークピースが受け取られる前に、外部機構によって各ワークピースのために空気を排出することができる弁が取り付けられている。取出しロックチャンバには、ノズルベースガス冷却のための関連装置を有するガス焼入れセットが取り付けられている。

本発明による炉は、添付図面の例によってより詳細に記載される。

炉の３Ｄ図面である。 加熱チャンバの断面図である。 加熱チャンバ内部でワークピース送りを可能にするステッピング機構の概略図である。 個々のワークピースのためのガス冷却チャンバの断面図である。 真空ポンプシステムおよびプロセスガスシステムの概略図である。

炉は、真空ハウジング１を共有する垂直配置（一方が他方の上にある）で構成された３つのプロセスチャンバのセットを備え、上が加熱チャンバ２ａ、中間は、浸炭チャンバ２ｂ、および下は、拡散チャンバ２ｃであり、それぞれ加熱チャンバを組み込んでいる。

各プロセスチャンバのレベルにおいて、真空ハウジングには、点検および設置ドア３および（加熱チャンバ入口および出口には）また耐熱ガス密ドア４が取り付けられ、ワークピースをそれぞれのチャンバ２ａ，２ｂおよび２ｃへ（から）積み下ろしする機構Ｘ−Ｙ７ａおよび７ｂが組み込まれた真空移送チャンバ５および６からプロセスチャンバを分離する。

積み下ろし機構Ｘ−Ｙ７ａ，７ｂは、３つのプロセスチャンバ２ａ，２ｂおよび２ｃ、チャンバ６のための積込ロック８およびチャンバ５からの取出ロック１４のために垂直に作動する。炉を通るワークピースの連続的な流れは、予め定められた間隔、例えば０．５〜２分で行われる。

処理することを意図したワークピースが外部積込デバイスによって積込ロック８の積込位置に配置される。ロックには、２つの真空弁１０ａおよび１０ｂ、好都合には、スライド直留弁タイプが取り付けられ、またロックは、真空弁１１を有する真空システムに接続されている。上述のようにワークピースが積み込まれた後、積込真空弁１０ｂが閉じられ、かつ０．１ｍｂａｒ以下の真空に達するまでポンプ流出サイクルが行われる。さらに、パージ真空レベルに達した後、出口真空弁１０ａを開き、ワークピースは、移送チャンバ５の垂直移送機構７ａへ移される。弁１０ａを閉じた後、ガス（例えば窒素）がガス弁１２を通じて積込ロックおよび移送機構Ｘ−Ｙ７ａに注入される。上部加熱チャンバ２ａの開いた耐熱およびガス密ドアを通じて、ワークピースは、このゾーンの開始位置に配置される。このチャンバは、ワークピース配置のための例えば１５の位置を有し、ここでワークピースが加熱チャンバのコアに組み込まれたステッピング機構１３ａによって徐々に移送される。

ワークピースが加熱チャンバ２ａ内の最終位置に移動した後、積み下ろし機構Ｘ−Ｙ７ｂ（移送チャンバ６に配置されている）は、ワークピースを収集し、かつ浸炭チャンバ２ｂのステッピング機構１３ｂの第１位置に配置する。そこで炉の運転サイクルの間ワークピースが初期位置から最終位置まで移送される。最終位置に達すると、ワークピースは、耐熱およびガス密ドア４（その時点では開いている）を通じ移送チャンバ５の積込／取出し機構７ａによって収集され、拡散チャンバ２ｃの第１位置に配置される。

加熱チャンバに組み込まれたステッピング機構１３ｃを用いて拡散チャンバ２ｃを通りワークピースを通過させ、移送チャンバ６の積込／取出し機構Ｘ−Ｙ７ｂがワークピースを収集し、かつ取出しロック１４の冷却位置に配置する。

取出しロック１４には、２つの真空−圧力弁１５ａ／１５ｂが装備され、一方は、移送チャンバ６および他方に接続され、冷却後に外部移送デバイスを用いて炉からワークピースを移動させることを確実にする。（ポンプシステム１７に接続された弁が取り付けられた）取出しロック１４において、個々のガス冷却のための装置は、以下のように動作する：冷却するワークピースを基部１８に配置し、２部ノズルコレクタワークピースの周囲に配置し、冷却サイクルの間の移送および閉鎖中に２つの可動部（上部１９および下部２０）を外向きに摺動させる。コレクタは、ワークピースの形に対して個別に適合されるように交換可能である。可動部１９および２０は、冷却ガス分配のためのシステムに取り付けられ、ノズルシステム２１が冷却するワークピース表面に向けられ、表面から短い距離に位置し、ワークピース表面を最大限にカバーし、かつ速い線速度の排出冷却ガスを可能にする。この構造はまた、冷却後のロックハウジング１４領域への膨張ガスの流出が容易であることによって特徴付けられる。ワークピースの周期的な冷却の間、冷却ガスは、規定圧力でバッファタンク２２からノズル２１に供給され、その圧力水準は、冷却ガスのガス消費量および流出速度によって決定される。

ノズル２１から流出してワークピース表面に当たった後で、ガスは、膨張し、次に所望の圧力まで圧縮され（内蔵する圧縮機２３によって）、その後、バッファタンクに再度貯蔵される。ワークピース−ガス熱交換からの熱は、圧縮機２３およびバッファタンク２２の間に好都合に配置された、取付熱交換器２４で取り除かれる。個々のワークピースの周期的な冷却、および高熱交換係数を有するノズルベースの冷却によって、冷却ガスの完全に閉じたループが達成される。

焼入れ可能な速度でワークピースが冷却された後、および冷却ガス再循環システムの弁２５および２６が閉じた後（上述のように）、真空／圧力弁１５ｂが開く。そして、浸炭かつ焼入れされたワークピースは、通路を通り取り除かれる、仕上げ作業に移される。

１ 真空ハウジング
２ａ 加熱チャンバ
２ｂ 浸炭チャンバ
２ｃ 拡散チャンバ
３ 点検および設置ドア
４ 耐熱ガス密ドア
５，６ 移送チャンバ
７ａ，７ｂ 積込／取出し機構Ｘ−Ｙ
８ 積込ロック
１０ａ，１０ｂ 真空弁
１１ 真空弁
１２ ガス弁
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ ステッピング機構
１４ 取出ロック
１５ａ，１５ｂ 真空−圧力弁
１７ ポンプシステム
１８ 基部
１９，２０ ノズルコレクタ
２１ ノズル
２２ バッファタンク
２３ 圧縮機
２４ 熱交換器
２５，２６ 弁

Claims (10)

1. ギア、シャフト、およびリングの真空浸炭および焼入れのための多チャンバ炉であって、炉は、個々のワークピースを連続的に送る、並列に接続された少なくとも２つのプロセスチャンバを備え、該プロセスチャンバは、垂直または水平配置に構成されるとともに、真空ハウジングを共有し、これらのプロセスチャンバの端部においては、チャンバ端部に取り付けられた耐熱およびガス密ドアを通り個々のプロセスチャンバとの連携を可能にする積み下ろしシステムを搭載する移送チャンバが組み込まれ、前記移送チャンバへの外部からのアクセスは、積み下ろしロックを介して確保されていることを特徴とする、炉。
2. 前記炉が、一方が他方の上にある垂直配置で構成された３つのプロセスチャンバを備え、１つは、加熱チャンバ（２ａ）、別の１つは、浸炭チャンバ（２ｂ）、および第３のものは拡散チャンバ（２ｃ）であることを特徴とする、請求項１に記載の炉。
3. 各プロセスチャンバ（２ａ，２ｂ，２ｃ）において、グラファイト加熱システムを有する熱絶縁された加熱チャンバと、個々のワークピースの連続的な移送のためのシャフトに組み込まれたステッピング送り機構（１３ａ，１３ｂ，１３ｃ）とが組み込まれていることを特徴とする、請求項２に記載の炉。
4. 前記ステッピング送り機構（１３ａ，１３ｂ，１３ｃ）は、０．１〜６０分の送り時間フレームで２〜１００ステップの個々のワークピースの位置決めを提供することを特徴とする、請求項３に記載の炉。
5. 取出しロック（１４）が、炉運転サイクル内での個々のワークピースの油焼入れのための機器を組み込んでいることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の炉。
6. 取出しロック（１４）が、炉運転サイクル内でのプレスにおける個々のワークピースの油焼入れのための機器を組み込んでいることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の炉。
7. 取出しロック（１４）が、炉運転サイクル内でのワークピースの個々のガス焼入れのための機器を組み込んでいることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の炉。
8. 個々のワークピースのガス焼入れのための機器が、基部（１８）と、３００ｍ／ｓまでの速度で冷却ガスを流すためのガスノズルシステム（２１）とを有する２パーツノズルコレクタ（１９，２０）を構成し、ノズルの構成は、個々のワークピースの形に適応され、ノズル出口は、冷却ワークピース面から１〜１００ｍｍの距離であることを特徴とする、請求項７に記載の炉。
9. ２パーツノズルコレクタが冷却するワークピースに向かって摺動する２つの可動部（１９および２０）を有し、個々のワークピースが積込機構（７ｂ）によって基部（１８）に配置され、および冷却サイクルのためにノズルコレクタ（１９，２０）のノミナル位置近くに位置決めされることを特徴とする、請求項７または８に記載の炉。
10. 前記冷却サイクル中の個々のワークピース面の均一な露出を確実にするために、前記基部（１８）が回転駆動機構を有することを特徴とする、請求項９に記載の炉。

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