(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
その高さ方向の一端に開口が形成されて他端に底壁が形成された円筒形状の被加熱物を、前記底壁を上にしてその外周方向に回転させながらその内壁を高周波焼入れする際に前記被加熱物を拘束する焼入用治具において、
前記被加熱物の外周面のうち前記開口の近傍部分を全周にわたって外側から拘束する第１拘束部と、
前記被加熱物の高さ方向中央部のうち該被加熱物の前記底壁から該被加熱物の高さの４０％以上６０％以下の範囲内の部分の外周面を全周にわたって外側から拘束する第２拘束部とを備えたことを特徴とする焼入用治具。
【請求項２】
前記第１拘束部と前記第２拘束部との間隔を変更する変更手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の焼入用治具。
【請求項３】
前記第２拘束部は、
前記被加熱物の前記中央部の外径よりも大きい内径を有する外側リングと、
前記被加熱物の前記中央部の外径とほぼ等しい内径を有する、前記外側リングの内側に着脱自在に嵌め込まれた内側リングとを備えたものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の焼入用治具。
【請求項４】
その高さ方向の一端に開口が形成されて他端に底壁が形成された円筒形状の被加熱物を、前記底壁を上にしてその外周方向に回転させながらその内壁を高周波焼入れする焼入方法において、
前記被加熱物の外周面のうち前記開口の近傍部分を全周にわたって外側から拘束すると共に、前記被加熱物の高さ方向中央部のうち該被加熱物の前記底壁から該被加熱物の高さの４０％以上６０％以下の範囲内の部分の外周面を全周にわたって外側から拘束しながら前記被加熱物の前記内壁を高周波焼入れすることを特徴とする焼入方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、円筒形状の被加熱物の内壁を高周波焼入れする際に使用される焼入用治具、及びこの内壁を高周波焼入れする焼入方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
誘導加熱を利用して金属部材などの被加熱物を加熱した後に急冷して硬化させる高周波焼入れが従来から広く行われている。この高周波焼入れの対象となる被加熱物の一つに円筒形状の金属部材がある。円筒形状の金属部材の内壁を高周波焼入するに際しては、通常、図７（ａ）に示すように、円筒形状の金属部材１０を、その底壁１２を上にして回転台（図示せず）に置いて下端部（回転台に近い部分）を外側から治具２０で拘束し、金属部材１０の下方からその中空部１４に誘導加熱コイル（図示せず）を挿入させておき、金属部材１０を治具２０と共に回転させながらその内壁１６を誘導加熱コイルで加熱した後に急冷する。これにより、円筒形状の金属部材１０の内壁１６が硬化される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
円筒形状の金属部材１０ではその中空部１４に相手部品（図示せず）を組み込んで使用することがある。この場合、相手部品が内壁１６に接触して固定されたり内壁１６を摺動したりすることが多い。ところが、上述した従来の方法では、図７（ｂ）に示すように、金属部材１０の高さ方向中央部１８が膨張し、全体として樽形になることが本発明者によって判明された。
【０００４】
このように金属部材１０の高さ方向中央部１８が膨張していると、高さ方向中央部１８の内壁１６ａと相手部品との間に隙間ができることがあり、この隙間に起因して振動や騒音が起こることがある。この振動や騒音を防止する方法としては、例えば高周波焼入れ後の切削加工によって内壁１６を所定形状に成形して内壁１６と相手部品との間の隙間を無くす方法が考えられる。しかし、この方法では、切削加工するための手間がかかりコストアップになる。また、場合によっては切削加工によって内壁１６の硬化層が削り取られてしまい、高周波焼入れが無駄になる。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑み、円筒形状の被加熱物を高周波焼入しても高さ方向中央部の膨張をほとんど無くせる焼入用治具及び焼入方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の焼入用治具は、円筒形状の被加熱物の内壁を高周波焼入れする際に上記被加熱物を拘束する焼入用治具において、
（１）上記被加熱物の高さ方向一端部を外側から拘束する第１拘束部
（２）上記被加熱部の高さ方向中央部のうち、この被加熱物の底部からこの被加熱物の高さの４０％以上６０％以下の範囲内の部分を外側から拘束する第２拘束部
を備えたことを特徴とするものである。
【０００７】
ここで、焼入用治具は、
（３）上記第１拘束部と上記第２拘束部との間隔を変更する変更手段を備えてもよい。
【０００８】
また、上記第２拘束部は、
（４）上記被加熱物の上記中央部の外径よりも大きい内径を有する外側リング
（５）上記被加熱物の上記中央部の外径とほぼ等しい内径を有する、上記外側リングの内側に着脱自在に嵌め込まれた内側リング
を備えてもよい。
【０００９】
また、上記目的を達成するための本発明の焼入方法は、円筒形状の被加熱物の内壁を高周波焼入れする焼入方法において、
（６）上記被加熱物の高さ方向一端部を外側から拘束すると共に、上記被加熱物の高さ方向中央部のうち、この被加熱物の底部からこの被加熱物の高さの４０％以上６０％以下の範囲内の部分を外側から拘束しながら上記被加熱物の上記内壁を高周波焼入れする
ことを特徴とするものである。
【００１０】
ここで、円筒形状の被加熱物とは、高さ方向の一端に開口が形成されて他端に底壁が形成されたもの、この底壁に軸が形成されたもの、外周にフランジが形成されたものなどを含む概念である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００１２】
図１、図２を参照して焼入用治具の一例を説明する。
【００１３】
図１は、本発明の焼入用治具の一実施形態の概略構成を示す斜視図であり、図２は、図１の焼入用治具が備え付けられた高周波焼入装置を示す断面図である。図１に示すように、焼入用治具３０は、中央部に孔４０ａが形成されたリング状の第１拘束部４０と、この第１拘束部４０から所定間隔離れて平行に配置されたリング状の第２拘束部５０を備えている。第１拘束部４０と第２拘束部５０は複数のボルト３２とナット３４（本発明にいう変更手段の一例である）で互いに固定されている。ナット３４の位置を変えることにより第２拘束部５０を移動させて第１拘束部４０との間隔を自在に調節できる。このため、異なる高さの円筒形状の金属部材６０に焼入用治具３０を対応させることができる。
【００１４】
第１拘束部４０は、金属部材６０の高さ方向一端部６２の外径よりもかなり大きい内径を有する第１外側リング部４２と、この一端部６２の外径とほぼ等しい内径を有する第１内側リング４４を備えており、第１内側リング４４は第１外側リング４２の内側に着脱自在に嵌め込まれている。このため、内径の異なる複数個の第１内側リング４４を用意しておくことにより、金属部材６０の高さ方向一端部６２の外径が異なっても対応できる。また、第１拘束部４０には、金属部材６０が安定して載置される載置台４６が形成されている。
【００１５】
第２拘束部５０には、金属部材６０が貫通する孔５０ａが形成されている。また、この第２拘束部５０は、金属部材６０の高さ方向中央部６４の外径よりもかなり大きい内径を有する第２外側リング部５２と、この中央部６４の外径とほぼ等しい内径を有する第２内側リング５４を備えている。第２内側リング５４は第２外側リング５２の内側に着脱自在に嵌め込まれている。このため、内径の異なる複数個の第２内側リング５４を用意しておくことにより、金属部材６０の高さ方向中央部６４の外径が異なっても対応できる。
【００１６】
上述したように、第１拘束部４０の第１内側リング４４及び第２拘束部５０の第２内側リング５４はそれぞれ、第１外側リング４２及び第２外側リング５２の内側に着脱自在に嵌め込まれている。このため、金属部材６０の一端部６２の外径と中央部６４の外径に合わせて第１内側リング４４と第２内側リング５４を取り替えることにより、異なるサイズの金属部材６０の焼入用治具として使用できる。
【００１７】
図２に示すように、高周波焼入装置７０は焼入用治具３０の他、焼入用治具３０と共に金属部材６０を回転させる回転台７２や、金属部材６０の中空部６６に挿入される誘導加熱コイル７４を備えている。焼入用治具３０の第２拘束部５０は、金属部材６０の高さの４０％以上６０％以下の範囲内にある中央部６４に接触する位置に配置されている。また、高周波焼入装置７０は、金属部材６０を外側から冷却する冷却器７６も備えており、冷却器７６には冷却液が噴出する多数の噴出孔７６ａが形成されている。
【００１８】
高周波焼入装置７０を用いて金属部材６０を高周波焼入れするに当っては、底壁６８を上にして金属部材６０を第１及び第２拘束部４０，５０の孔４０ａ，５０ａに貫通させて第１拘束部４０の載置台４６に載置する。上述したように第１拘束部４０の第１内側リング４４の内径は金属部材６０の高さ方向一端部６２の外径とほぼ同じであり、第２拘束部５０の第２内側リング５４の内径は金属部材６０の高さ方向中央部６４の外径とほぼ同じであるので、第１拘束部４０が金属部材６０の高さ方向一端部６２に外側から接触し、一方、第２拘束部５０が金属部材６０の高さ方向中央部６４に外側から接触する。これにより、金属部材６０の高さ方向一端部６２が第１拘束部４０によって外側から拘束されると共に金属部材６０の高さ方向中央部６４が第２拘束部５０によって外側から拘束されながら、金属部材６０の内壁６９が高周波焼入れされることとなる。
【００１９】
このように金属部材６０の高さ方向中央部６４を第２拘束部５０によって外側から拘束しながら金属部材６０の内壁６９を高周波焼入れするので、この高さ方向中央部６４が誘導加熱コイル７４によって誘導加熱されて外側に膨張しようとしても、第２拘束部５０の第２内側リング５４に拘束されてその膨張が妨げられる。この結果、円筒形状の金属部材６０を高周波焼入れしても、金属部材６０はその中央部６４が膨れた樽状にならず高周波焼入れ前とほぼ同様の形状もしくは若干鼓状になる。従って、金属部材６０の中空部６６に相手部品を組み込んでも、高さ方向中央部６６の内壁６９ａと相手部品との間に隙間ができず、隙間に起因する騒音や振動が防止される。
【００２０】
また、焼入用治具３０では、金属部材６０の高さ方向一端部６２及び高さ方向中央部６４をそれぞれ第１及び第２拘束部４０，５０によって外側から拘束できるので、内径の異なる第１内側リング４４及び第２内側リング５４を使用することにより、高周波焼入後の金属部材６０が所定の形状になるように変形（定変形）させることもできる。
【００２１】
上述した高周波焼入装置７０を使用して円筒形状の金属部材６０を高周波焼入れした際の内径の変化について表１を参照して説明する。
【００２２】
ここでは、底壁６８に近い位置、中央部６４、及び一端部６２の３箇所の内径を測定した。内径の測定に際しては、同一の位置で１２０°ずつずらして内径を測定した。表１中のａ、ｂ、ｃは、１２０°ずつずらして内径を測定したときの値を表わす。また、「焼入れ前」の欄は高周波焼入れする前の内径を表わし、「第２拘束部無し」の欄は、図１に示す焼入用治具３０を用いずに金属部材６０の一端部６２だけを外側から拘束しながら高周波焼入れしたときの、「焼入れ前」の内径との差を示す。「第２拘束部有り」の欄は、図２に示すようにして金属部材６０を高周波焼入れしたときの、「焼入れ前」の内径との差を示す。なお、表中の「−」は縮小を表わす。
【００２３】
金属部材６０の材質はＳ５３Ｃ（ＪＩＳ規格）であり、外形寸法は高さ７０ｍｍ、内径８０ｍｍ、肉厚５ｍｍである。金属部材６０の内壁６９を誘導加熱する際の高周波電源の周波数を８０ｋＨｚ、出力を１００ｋＷとして３０秒間加熱した。また、加熱後に冷却するときは、冷却器７０を用いて金属部材の外側から冷却液を５．０秒間噴出して急冷した。
【００２４】
【表１】
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表１に示すように、高周波焼入れする前には８０．００ｍｍであった内径が高周波焼入れすることにより変化した。「第２拘束部無し」の場合、金属部材６０の中央部６４が１０μｍ〜３０μｍの範囲内で膨張した。この膨張の原因は、中央部６４を外側から拘束せずに高周波焼入れしたためだと考えられる。一方、「第２拘束部有り」の場合、中央部６４の変形は−１０μｍ〜１０μｍの範囲内であり、「第２拘束部無し」に比べて変形が小さい。このように変形が小さい原因は、中央部６４を第２拘束部５０で外側から拘束しながら高周波焼入れしたためだと考えられる。なお、表１に示すように、底壁に近い位置や一端部における変形も低減できた。
【００２５】
次に、図４と表２を参照して、第２拘束部５０で拘束する位置を変えた場合の例を説明する。
【００２６】
図４は、図１の焼入用治具の第２拘束部で拘束する位置を示す模式図である。表２中のａ、ｂ、ｃは、１２０°ずつずらして内径を測定したときの値を表わし、数値の前に付された「−」は縮小を表わす。
【００２７】
【表２】
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表２に示すように、金属部材６０の高さ方向中央部のうち、底壁から４０％以上６０％以下の範囲内の部分を拘束したときは、変形量±１０μｍ以下に抑えることができた。一方、この範囲を外れた部分を拘束したときは、変形量が±４０μｍの範囲内のものとなり変形量にばらつきが生じた。
【００２８】
図４を参照して、金属部材の高さ方向中央部の硬さ分布を示す。
【００２９】
図４は、金属部材６０の高さ方向中央部の内壁６９ａの硬さ分布を示すグラフであり、白丸、黒丸共に、金属部材６０の高さ方向中央部の内壁６９ａの硬さを示すが、測定位置は互いに１８０°ずれた位置である。
【００３０】
図４に示すように、第２拘束部で高さ方向中央部を外側から拘束して焼入れしても、１．５ｍｍの深さでの硬さが約ＨＶ５１３であり、ここでは規格を満足した。
【００３１】
次に、図５、図６を参照して、図２に示す円筒形状とは異なる他の円筒形状の金属部材を高周波焼入れしたときの内径の変化と硬さ分布を説明する。
【００３２】
図５（ａ）は、一端部にフランジが形成された円筒形状の金属部材を示す断面図、（ｂ）は、底壁に軸が形成された円筒形状の金属部材を示す断面図であり、（ａ）、（ｂ）共に長手方向中心軸に対して対称であるので半分だけを示す。また、図６（ａ）は、図５（ａ）の金属部材の硬さ分布を示すグラフであり、図６（ｂ）は、図５（ｂ）の金属部材の硬さ分布を示すグラフである。図６（ａ）では、白丸で示す硬さ分布は図５（ａ）におけるａ方向の硬さ分布、三角で示す硬さ分布は図５（ａ）におけるｂ方向の硬さ分布、四角で示す硬さ分布は図５（ａ）におけるｃ方向の硬さ分布である。図６（ｂ）では、白丸で示す硬さ分布は図５（ｂ）におけるｄ方向の硬さ分布、三角で示す硬さ分布は図５（ｂ）におけるｅ方向の硬さ分布、四角で示す硬さ分布は図５（ｂ）におけるｆ方向の硬さ分布である。
【００３３】
金属部材８０，９０の材質はＳ５３Ｃ（ＪＩＳ規格）であり、外形寸法は高さ７０ｍｍ、内径６５ｍｍ、肉厚５ｍｍである。金属部材８０，９０の内壁を誘導加熱する際の高周波電源の周波数を３０ｋＨｚ、出力を２５０ｋＷとして３〜５秒間加熱した。また、加熱後に冷却するときは、金属部材の外側から冷却液を５〜７秒間噴出して急冷した。
【００３４】
図５（ａ）に示す金属部材の内径の変化として、底壁に近い位置、中央部、及びフランジ８４の部分の３箇所の内径を測定した。内径の測定に際しては、同一の位置で１２０°ずつずらして内径を測定した。変形量はいずれも焼入れ前の寸法に対し±１５μｍの範囲内であった。このように変形が小さい理由は、高さ方向中央部を第２拘束部５０（図２参照）で外側から拘束しながら高周波焼入れしたためだと考えられる。
【００３５】
また、図５（ａ）に示すように、一端部８２にフランジ８４が形成された円筒形状の金属部材８０では、１．５ｍｍの深さでの硬さがＨＶ５１３を超えており、ここでは規格を満足した。また、図５（ｂ）に示すように、底壁９２に軸９４が形成された円筒形状の金属部材９０では、１．７５ｍｍの深さでの硬さがＨＶ５１３を超えており、ここでは規格を満足した。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の焼入用治具では、円筒形状の被加熱物の高さ方向中央部のうち、被加熱物の底部からこの被加熱物の高さの４０％以上６０％以下の範囲内の部分を第２拘束部で外側から拘束できるので、この高さ方向中央部の膨張をほとんど無くすことができる。
【００３７】
ここで、焼入用治具が、第１拘束部と第２拘束部との間隔を変更する変更手段を備えた場合は、変更手段で第１拘束部と第２拘束部との間隔を変更することにより、異なる高さの被加熱物にも焼入用治具を対応させることができる。
【００３８】
また、第２拘束部が、被加熱物の中央部の外径よりも大きい内径を有する外側リングと、この中央部の外径とほぼ等しい内径を有する、外側リングの内側に着脱自在に嵌め込まれた内側リングとを備えたものである場合は、異なる内径の内側リングを複数個作製しておくことにより、被加熱物のサイズに応じて内側リングを取り替えることができ、異なるサイズの円筒形状の被加熱物に焼入用治具を使用できる。
【００３９】
また、本発明の焼入方法によれば、被加熱物の高さ方向中央部のうち、被加熱物の底部からこの被加熱物の高さの４０％以上６０％以下の範囲内の部分が外側から拘束されながらこの被加熱物が高周波焼入れされるので、高さ方向中央部の膨張をほとんど無くせる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の焼入用治具の一実施形態の概略構成を示す斜視図である。
【図２】図１の焼入用治具が備え付けられた高周波焼入装置を示す断面図である。
【図３】図１の焼入用治具の第２拘束部で拘束する位置を示す模式図である。
【図４】図２の金属部材の高さ方向中央部の内壁の硬さ分布を示すグラフである。
【図５】（ａ）は、一端部にフランジが形成された円筒形状の金属部材を示す断面図、（ｂ）は、底壁に軸が形成された円筒形状の金属部材を示す断面図である。
【図６】（ａ）は、図５（ａ）の金属部材の硬さ分布を示すグラフであり、（ｂ）は、図５（ｂ）の金属部材の硬さ分布を示すグラフである。
【図７】（ａ）は、従来の焼入用治具に円筒形状の金属部材を取り付けた状態を示す模式図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す金属部材を高周波焼入れした後の変形を示す模式図である。
【符号の説明】
３０  焼入用治具
３２  ボルト
３４  ナット
４０  第１拘束部
５０  第２拘束部
５２  第２内側リング
５４  第２外側リング
６０  被加熱物
６２  被加熱物の高さ方向一端部
６４  被加熱物の高さ方向中央部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
0003642665.tif 000008
【図６】
0003642665.tif 000009
【図７】
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