JPH02500920A - 走査誘導硬化法の改良 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 走査誘導硬化法の改良 本発明は誘導コイルとこれに直接並置した焼入噴射装置を加工片の長さに沿って 徐々に移動させて鋼の加工片を表面硬化する方法に関する。加工片の表面層は約 １０００°Ｃに加熱され、焼入れしたときにマルテンサイト相に変移する。

マルテンサイト相は高い表面硬度と大きな耐疲労性を与える。この方法の他の例 では鋼加工片は焼入れ流体槽内に全体が浸される。誘導コイルによって生じた熱 は局部加熱領域の流体を蒸発させ、このため前記コイルがこの領域を通り抜けて しまうまで焼入れを阻止し、通り抜けたときに焼入流体は加工片の加熱領域に接 触し、硬化が起こる。

この方法は“走査誘導硬化”と称される。典型的には誘導コイルは加工片を囲む 大きな断面の銅導体の単一の巻回部（又は単−巻回部の一部）であり、冷却用水 路をもち、低電圧の高周波数の交流を給電される。普通、コイルは静止し、加工 片が硬化中移動する。しかし、コイルを移動させ、加工片を静止させておくこと もできる。本文中で“移動”はコイルと加工片の移動の両方を含むものとする。

加工片は円形断面の場合、通常センタ間で回され、周囲に一様に硬化層を分布さ せる。このようにしないとコイル構造に起因して又は焼入リングの小さな凹凸に 起因して加熱が僅かに非対称的になるため硬化層が不均一に分布することになる 。かかる配置は米国特許第３．５２５．８４２号に記載されているが、この既知 例の場合には導体が加工片を取囲んでいない。

本発明によれば、曲がりが加工片に最初からあっても又は硬化作業によって生じ たものであっても硬化作業中に加工片を矯正する方法が提供される。

多くの場合、加工片は前の矯正作業による長手方向応力の除去に起因して誘導硬 化中に曲がる。前記矯正作業は加工片の初期の製造段階か又は元の棒材を作った ときに行なわれたものである。誘導加熱は外層又は“表面層”の応力のみを除去 するので小部の縦の残留応力が加工片に曲げを生せしめる。

この問題点を解消する種々の方法が例えば米国特許第３、９８８．１７９号に記 載されており、この場合シャフト又は軸はメリーゴーランド装置で硬化され、加 工片の外面層が１つの場所で単一ショッ）　（ｓｈｏｔ）誘導子によって加熱さ れ、次いで第２の場所へ送られ、そこで１つのラム又は複数のラムを赤熱した加 工片に押当てて、焼入れ前に加工片を矯正する。この方法は加熱段階中に外層の 応力を除去することによって生じる曲がりをすべて矯正する利点をもつが重大な ひび割れを生じ、加工片の焼入れ中に起こる曲げを予防することはできない。こ の従来の欠点は矯正装置と加工片間の物理的接触によって矯正力を加えることを 回避する本発明によって解消する。従来の方法によっては割れを生じて部品を曲 げるというような危険性は本発明により実質上除かれる。

従って焼入れ中、外面層に出来るマルテンサイト相の材料は約２％又は３％の容 積変化を起こし、このため外層は圧縮状態に、従って小部の材料は引張状態にと どまる。そこでもし何らかの理由で硬化層の深さく典型的には約２５〜３０直径 のシャフトで１．５ｍｍ）が−側において他側より深ければ、表面層の圧縮応力 は小部の引張応力から打消され、曲げが生じる。この曲げは常に加工片の凸状側 が最も厚いマルテンサイト表面層をもつ側面に関連するようなものとなる。

実際上、表面層の深さの離心率は近接加熱硬化によってもたらされ、即ち加工片 と誘導コイル間のすき間が最小である場合に加工片の加熱が最大になることによ ってもたらされる。この硬化は非線形的に変化する。かかる離心率は加工片の初 期の曲がり、センタの離心率によってもたらされるか、又は硬化中の加工片の曲 がりに起因する。加工片の初期曲がりはかかる普通の走査誘導硬化において増大 する傾向がある。

本発明によれば、マルテンサイト層の深さの差に起因する硬化中の曲がり現象は 硬化中に起こるゆがみを排除することに加えて加工片のあらゆる初期曲がりを矯 正するために利用され、最初に曲げられた加工片は硬化作業を実質上確実にする 。

本発明は交流電流で付勢される誘導コイルを加工片の長さに沿って徐々に移動さ せ、その直後に加工片の加熱された部分を焼入れすることによって鋼の加工片を 表面硬化する走査誘導硬化法において゛、表面硬化される加工片の曲がりの矯正 作業が誘導硬化過程中加工片の直線度をモニタし、それによって得た情報を使用 して加工片の加熱又は焼入れ又は加熱と焼入れの両方を制御し、大きな厚さの硬 化材料層を加工片のすべての曲がりの凹状側に形成して曲がりを除去するように 作用する矯正モーメントを生ぜしめることを特徴とする走査誘導硬化法にある。

この方法は加工片が硬化領域において　円柱形でなく、非円形の誘導コイルを使 用する場合に適用される。このため硬化中加工片を回すことは不可能である。そ れ故加工片に沿って移動する間コイル及び／又は焼入リングに必要な片寄りは加 工片が通常は垂直下向きにコイルを通過するときに生じるゆがみに応じて一方又 は反対方向に片寄ることによって生ぜしめられる。本発明によればこの場合、２ つのプローブがコイルの直上で加工片に接触する。前記プローブは互に直角をな す平面内に置かれてあらゆる方向のゆがみを恩知する。加工片中のすべての初期 曲がりは硬化開始前に別個の検査場所で又は加工片が硬化前にプローブを通過す るときの２つのプローブの動きを記録することによって、加工片が装てん位置か ら硬化が始まる最高位置へ移動するときに記録する必要がある。使用される片寄 りは硬化中に生じるゆがみを打消す要件によって連続的に記録され変更される加 工片の元の形状に基づいてなす計算から予想されるものとなる。

加工片が円柱形の場合には硬化を最も均一になすために加工片を回すのが望まし く、それ故硬化中に矯正を行なうためコイル及び／又は焼入リングは加工片に対 して成る軌道に沿って運行して、加工片が回るときにこれと同期的にコイルと加 工片軸線の間に所望の片寄りを保つことが必要である。加工片と接触する単一の プローブはあらゆる曲げについてこの情報を与えるのに十分であり回転駆動装置 に備えた角度変換器はゆがみの向きを認識するために必要な残余の情報を与える 。非円形加工片の場合のように、片寄りは初期の曲げを矯正するのに必要な片寄 りと硬化ゆがみを矯正するのに必要な片寄りの合計となる。

−ａにかなり広い公差は、例えば硬化層が１．５ｍｍの場合に、硬化深さに許容 され、普通はｌｌｌｌ１１と２１１１ｍの間の硬化層深さ変動が容認される。一 般にこの深さの差はもし本発明を使用すれば、僅かに曲がったシャフトを矯正す るのに十分であり又は適度のレベルの残留応力を除くのに十分である。

加熱深さの差は一般に加工片に対する誘導コイルの近接度を変えることによって 生ぜしめ、その際誘導コイルはその長さに沿って凹状をなす側で加工片に最も近 く、凸状をなす側で加工片から最も遠くなるようになす。しかし凸状の側と凹状 の側に出来るマルテンサイト層の深さの差は他の手段によって、例えば焼入コイ ルを片寄らせることによって、又は焼入コイルの周囲の焼入剤の分布を局部的に 変えて、焼入れ前の期間を長くして熱を径方向内方により深く侵入せしめること によって一側に深いマルテンサイト層を作ることによって、又は焼入コイルの周 囲の焼入剤の分布を局部的に変えることによって作り出すことができる。

本発明をより良く理解し、実施できるようにするため本発明を実施例につき以下 説明する。

図において、 第１図は本発明法により硬化される丸棒の立面、断面図；第２図は第１図のＡ− Ａ線上の断面図；第３図は本発明法を実施する機械の倒立面図；第４図は第５図 のＢ−Ｂ線上の断面図；第５図は第３図のＣ−Ｃ線上の断面図；第６図は典型的 形状の曲がりをもつ加工片の１例を示す図； 第７図は第６図の加工片の曲がりに結合する特定の時点にコイルに与えられる矯 正作用を示す図；第８図は誘導コイルの他の実施例を示す図である。

第１．２図は本発明の硬化された丸シャフトの典型的な断面を示す、この図では 硬化すべきシャフトは矯正することが望まれる初期の湾曲半径Ｒをもつものと仮 定する。本発明によれば硬化は、硬化層の深さ、即ちマルテンサイト層が他側よ り１側においてより大きくなってその重心がシャフト軸線から小さな量“ａ”だ け変位するように実施する。同様に非硬化の小部の重心はシャフト軸線から“ｂ ″だけ反対方向に変位する。従って硬化層中の正味圧縮力Ｐの作用線と小部の反 作用の正味引張力Ｐの作用線は距離“Ｚ”だけ片寄り、曲げモーメン）Ｍ＝Ｐ、 を棒に作用させる。ここでＺ＝ａ＋ｂである。

外層の曲げの曲率半径Ｒは小部の曲げの曲率半径と実質上同じであり、モーメン トＭは硬化層と小部の間に分布しなければならない。

ここで、Ｍａ−硬化層におけるモーメントＭｂ＝小部におけるモーメント Ｍａ＋Ｍｂ＝Ｍ　＝Ｐｚ Ｉａ−硬化層の重心の断面二次モーメントＩｂ−小部の重心の断面二次モーメン トＥ＝材料の弾性係数 Ｒ＝加工片の曲率半径 ＩａとＩｂＯ値は硬化層の平均深さにそれ故変化量“ａ”とＲの値に関係するの は明らかである。

最初に半径Ｒに曲げたシャフトについては、上記モーメントＭは棒をまつすぐに して極めて少量だけ半径Ｒを増す傾向をもつ、同様にもし応力の除去によって硬 化中に半径Ｒの曲げが起これば、硬化層の変位は曲げを打消す。

第３図は本発明の機械の倒立面図である。

この機械は台１をもち、この台は柱２と共に垂直のすべり面棒３を支持する。こ の棒はキャリジ４の案内をなし、上端に心押台６を、下端に主軸台７をもつ。

加工片５は主軸台とキャリジの心押台の中心に支持され、主軸台７は下部センタ ７ａと駆動装置８を備え、これらは加工片に固着したキャリヤ９に掛合する。キ ャリジ４は電気モータ９ａによって垂直に移動し、親ねじ１０を回転させ、その 下端はキャリジ４に軸支する。モータ９ａを回転させてキャリジを垂直に移動さ せて加工片５に所要の硬化を行なう。

加工片５はモータ１１によって硬化作業中回され、その角度位置は回転符号器１ ２によって決定する。別法として加工片の断面が丸くないときは、上記駆動装置 は加工片をコイルに対して正しい向きに確実に向くようにする。キャリジ４は４ ｂで示す最下端位置へ移動するか又は４ａで示す最上端位置へ移動することがで きる。再位置は破線で示している。

最下端位置４ｂでは心押台６ρ中心６ａは焼入リング１９の下に突き出て、中心 ６ａがノブ１３によって垂直上方へ動いて、次の加工片を挿入するために加工片 を解放する。

加工片は第４図に示す誘導コイル１４に取囲まれ、このコイルは単一巻回の銅の 導体からなり、これは可撓性バイブロに連結した冷却通路１５をもつ。誘導コイ ル１４は変圧器箱１８から延びる母線１７に取付ける。

コイル１４の直下に置いた焼入リング１９はトロイド形通路２０をもち、この通 路は加工片に直接可撓性バイブ２１ａから供給される焼入流体を差向けるための 複数の孔２１が径方向内方へ延びている。作業に際しては、丸い加工片を硬化す るとき、この加工片をモータ１１によって回転させ、同時にコイルと焼入リング を通して垂直下方へ移動させ、この移動はモータ９と親ねじ１０の作用によって 行なわれる。非円形の加工片の場合には、モータ１１は作動されない。

−互変圧器１８を付勢すると、誘導コイル１４が加工片を第４図に２２で示すよ うに局部的に加熱し、その短時間後に孔２１から出る焼入流体が加熱された区域 を焼入れして硬化させる。次いでこの硬化は加工片の全長に沿って行なわれるか 又は部品の１部分を焼入れするために焼入前に加熱して硬化を必要とする前記部 分を硬化させる。

第５図に示すように、母線１７を介して誘導コイル１４を支持する変圧器箱１８ は互いに直角をなすすべり面５０．５３上に設けられ、親ねじ５１．５２、サー ボモータ２３．２４によって駆動される。こうしてコイル１４は適当な制御器２ ５によって制御して水平面内で任意方向に動かされ、この制御器は符号器１２． ３０．３１からの信号を入力し、サーボモータ２３．２４へ出力する。

中心６ａ、　７ａに対する加工片５の同軸性についての情報を提供するため２つ のプローブ２６．２７を加工片に対してばね押圧する。これらのプローブはベー ス１に固着したブラケット３２上に設けた回転符号器３０．３１の出力シャツ） ２８．２９に取付ける。加工片が丸くて、モータ１１を付勢する場合には唯１つ のプローブを使用して情報を提供するが、加工片が非円形であって回されない場 合には両方のプローブを使用する。

硬化工程中に起こる正確な曲げに要するコイルの正確な片寄り量は所望の平均硬 化深さや鋼組成等の多くの要因に依存するが、通常の場合には片寄りはコイル１ ４や焼入リング１９を動かして加工片の長手方向に凹状の側により大きな深さの 焼入層を作るようになる。正しい片寄り度は実際上前述の物理的計算式に関係の ある試行錯誤によって決められる。

加工片が第６図に示すように最初に曲がっている場合、もっと精巧な方法を必要 とする。

例えばもし加工片５の下半分の点３７以下が真直ぐであるが上半分が中心３５を もつ半径３６で曲がっていると、中心線３４は回転したときセンタ６ａと７８を 結ぶ線３３の回りに運行する。

誘導コイル１４はセンタ６ａ、　７ａによって垂直に運ばれながら加工片５を硬 化し始めようとしている。プローブ２７は中心線３４．３３の間の次第に増大す る片寄りを検出する。しかし加工片は点３７までは真直ぐであるからコイル１４ は正確に運行中心線３４に追従して、望ましくない曲がりを生じない本装置では 誘導コイル１４を通して加工片５を予備的に上向きに動かしてプローブ２６．２ ７によって検出されるすべての曲がりをモニタし、これに関する情報を制御器２ ５へ送り、硬化を行なう間の加工片５の後続の下方移動中に使用する。

すべての点に予期される正確な片寄りは硬化開始前に制御器２５に記録され、も しプローブ２７によって検出した片寄りが硬化中応力除去に起因して記録された 片寄りと異なっておれば、コイル１４の運行運動はこの曲がりを補正するように 変更して点３７まで中心線３４を真直ぐに保つようにする。

この点で運行半径３８は３９まで増して、コイル１４は第７図に示すように加工 片５の長手方向で凹状の側に近づき。点３７より上の中心線３４が次第に真直ぐ にされる程度まで接近する。

運行半径３９の値は絶えず減少する。それは誘導コイル１４がセンタ６ａに近づ くにつれて半径３６をもつ長さが次第に減少するからである。制御器２５は運行 半径３９の新しい値を計算するように配置し、プローブ２７がその計算値を実際 値と比較する。例えば加工片中の応力除去又は小さな計算誤差に起因して差が存 在する場合にはコイル１４の運行半径は最初の計算値から適切に変化させる。

実際上は、加工片は長さに沿ってかつ軸線３６の回りの種々の平面内で離間した 種々の点に中心３５をもつ種々の半径３６の幾つかの曲がりをもつものである。

もし曲げ半径３６が加工片の仕様によって許される硬化層の最大片寄りに関して 補正できるものより小さければ、初期の矯正作業を必要とする。

勿論、加工片の初期曲がりは半径として特徴づける必要はなく、曲がりは連続的 に変化する曲率から成る。しかし上記に関しては最小半径の制限は瞬間半径を連 続的に計算する必要がある。

多くの場合、仕上げた加工片の曲げの局部領域はがまんできるので、現実に存在 するものより大きい半径を含むことによって加工片の形状を特徴づけることで十 分である。

上記説明では円形加工片の例について述べた。しかし硬化中に回転させられない 非円形の加工片の場合には２つのプローブを用いて初期曲がりと硬化工程中に生 じる曲がりの両方について必要な情報を制御器２５に与えることを除けば上記と 同様な工程が使用される。

更に、誘導硬化される大部分の加工片はその後応力を除去されるので、初期又は 他の曲がりの成る程度の過剰補正が必要である。この応力除去は一般に割れを生 じるような最大応力を除去するようなものに過ぎない、それ故かかる過剰補正は 一般に最小限度になされる。

第８図に示す実施例では、幾つかの又はすべての加工片を取囲む複数の誘導コイ ルセグメント５４を用い、各セグメントは別個に制御できる電力源５５に接続さ れる。セグメント間の電力密度は加工片の凹状側のマルテンサイト層がより深く なるように変化させる。

本発明の他の実施例では、必要な運動のすべてを加工片に与え、コイルは静止し たままとする。

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Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. １．交流電流で付勢される誘導コイルを加工片の長さに沿って徐々に移動させ、 その直後に加工片の加熱された部分を焼入れすることによって鋼の加工片を表面 硬化する走査誘導硬化法において、表面硬化される加工片の曲がりの矯正作業が 誘導硬化過程中加工片の直線度をモニタし、それによって得た情報を使用して加 工片の加熱又は焼入れ又は加熱と焼入れの両方を制御し、大きな厚さの硬化材料 層を加工片のすべての曲がりの凹状側に形成して曲がりを除去するように作用す る矯正モーメントを生ぜしめることを特徴とする走査誘導硬化法。
2. ２．焼入れは加工片に差向けた焼入噴射流によって行なう、請求項１記載の走査 誘導硬化法。
3. ３．前記得られた情報は誘導コイルと加工片の相対位置を制御するのに使用する 、請求項２記載の走査誘導硬化法。
4. ４．前記得られた情報は加工片に対する焼入噴射装置の移動又は前記装置から出 る噴射流の制御に使用する、請求項２記載の走査誘導硬化法。
5. ５．誘導コイルは加工片の一部又はすべてを取囲む複数のセグメントからなり、 各セグメントは個別に制御できる電力源に接続され、セグメント間の電力密度は 加工片の凹状側に深いマルテンサイト層を作るように変えられる、請求項１記載 の走査誘導硬化法。
6. ６．丸棒の形をなす加工片を硬化するために、加工片は硬化中その長手方向軸線 の回りに回され、前記棒の直線度はプローブによってモニタされ、前記プローブ は加工片表面に当接しそして符号器を作動させるように配置し、符号器の出力は この硬化注を制御するのに使用される、請求項１記載の走査誘導硬化法。
7. ７．硬化法の開始前に加工片は初期曲がりを走査され、これにより得た情報もこ の硬化法の制御に用いる、請求項１記載の走査誘導硬化法。