(57)【要約】【課題】環状ワークが外金型に接触して損傷するのを抑制することができる環状ワークの焼入れ方法及びそれに用いる焼入れ装置を提供する。【解決手段】本発明の環状ワークＷの焼入れ方法は、焼入れ温度で加熱されたワークＷの内周側に内金型２３をセットした状態でワークＷを冷却する工程と、ワークＷの温度が５００℃以下となりかつマルテンサイト変態開始温度まで低下する前において、ワークＷの内周面ｗ２が冷却により収縮して内金型２３に接触することで拘束され始めると、その拘束を継続しながらワークＷを幅方向に低圧で押圧して外金型２２内に挿入する工程と、ワークＷの温度がマルテンサイト変態開始温度以下になると、ワークＷを幅方向に高圧で押圧することで、内金型２３と幅拘束治具２４との間でワークＷを幅方向に拘束するとともに、マルテンサイト変態により体積膨張するワークＷの外周面ｗ１を外金型２２に接触させて拘束する工程とを含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
環状ワークの焼入れ方法であって、
焼入れ温度で加熱された環状ワークの内周側に、内金型をセットした状態で、前記環状ワークを冷却する工程と、
前記環状ワークの温度が５００℃以下となりかつマルテンサイト変態開始温度まで低下する前において、前記環状ワークの内周面が冷却により収縮して前記内金型に接触することで拘束され始めると、その拘束を継続しながら前記環状ワークを幅方向に低圧で押圧して外金型内に挿入する工程と、
前記環状ワークの温度がマルテンサイト変態開始温度以下になると、前記環状ワークを幅方向に高圧で押圧することで、前記内金型と幅拘束治具との間で前記環状ワークを幅方向に拘束するとともに、マルテンサイト変態により体積膨張する前記環状ワークの外周面を前記外金型に接触させて拘束する工程と、をこの順に含むことを特徴とする環状ワークの焼入れ方法。
【請求項２】
前記環状ワークを前記外金型内に挿入する工程では、前記環状ワークの全体が前記外金型内に挿入されたときに、前記環状ワークを幅方向に徐々に加圧しながら押圧する請求項１に記載の環状ワークの焼入れ方法。
【請求項３】
環状ワークを焼入れする焼入れ装置であって、
加熱された環状ワークを冷却する冷却治具と、
前記環状ワークの外周面を拘束する外金型と、
前記環状ワークの内周面を拘束するとともに、その内周面を拘束しながら前記外金型内に前記環状ワークを幅方向に押圧して挿入させるべく前記外金型に対して相対移動可能な内金型と、
前記外金型内に移動された前記環状ワークを、前記内金型との間で幅方向に押圧して拘束する幅拘束治具と、
前記環状ワークに対する幅方向への押圧力を可変調整すべく、前記外金型に対する内金型の相対移動を制御する制御部と、を備えていることを特徴とする焼入れ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、環状ワークの焼入れ方法及びそれに用いる焼入れ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
転がり軸受の軌道輪などの環状部材には、熱処理時に、図４に示されるような寸法変化をする高炭素鋼（以下、「軸受鋼」という）が使用されている。前記転がり軸受は、所望の機械的強度とするために、軸受綱からなる環状ワークに焼入れなどの熱処理を施すことにより製造されている。ところが、前記ワークを焼入れすると、加熱時の応力開放、熱膨張、冷却時の熱収縮とマルテンサイト変態による変態膨脹と、その焼入れの過程で寸法変化を起こす。この寸法変化のタイミングがワーク内でばらつくことにより、歪が発生し、ワークの真円度の低下や寸法バラツキなどを引き起こすことがある。
【０００３】
熱処理したワークの内外径の寸法精度の向上や熱処理歪の低減のために、特許文献１に記載された熱処理方法が提案されている。この熱処理方法では、加熱されたワークの内周側に内金型をセットした状態でワークを冷却し、ワークの内周面が熱収縮して内金型の外周面に接触することで、ワークの内周面を拘束している。そして、冷却工程においてワークの温度がマルテンサイト変態開始温度以下になると、ワークを内金型から取り外し、外金型の内側にワークの外周面側を挿入してセットする。この状態でワークの外周面がマルテンサイト変態による体積膨張により外金型の内周面に接触することで、ワークの外周面が拘束されるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２４８５５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記熱処理方法では、ワークの温度がマルテンサイト変態開始温度以下になったときに、ワークを内金型から取り外して外金型の内側に挿入することで、内径拘束から外径拘束に移行するようになっている。しかし、この移行するタイミングが遅れると、ワークの外周面がマルテンサイト変態による体積膨張により所定の外径寸法よりも大きくなることで、ワークの外周面が外金型の内周面に接触しながら挿入される場合があった。この場合、ワークの外周面には外金型との接触により傷が生じてしまい、ワークの研磨による取り代が多くなることで、研磨工程におけるサイクルタイムが長くなるという問題があった。
本発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであり、環状ワークが外金型に接触して損傷するのを抑制することができる環状ワークの焼入れ方法及びそれに用いる焼入れ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するための本発明の環状ワークの焼入れ方法は、環状ワークの焼入れ方法であって、焼入れ温度で加熱された環状ワークの内周側に、内金型をセットした状態で、前記環状ワークを冷却する工程と、前記環状ワークの温度が５００℃以下となりかつマルテンサイト変態開始温度まで低下する前において、前記環状ワークの内周面が冷却により収縮して前記内金型に接触することで拘束され始めると、その拘束を継続しながら前記環状ワークを幅方向に低圧で押圧して外金型内に挿入する工程と、前記環状ワークの温度がマルテンサイト変態開始温度以下になると、前記環状ワークを幅方向に高圧で押圧することで、前記内金型と幅拘束治具との間で前記環状ワークを幅方向に拘束するとともに、マルテンサイト変態により体積膨張する前記環状ワークの外周面を前記外金型に接触させて拘束する工程と、をこの順に含むことを特徴とする。
【０００７】
本発明によれば、加熱された環状ワークを冷却するときに、環状ワークの温度が５００℃以下となりかつマルテンサイト変態開始温度まで低下する前において、環状ワークの内周面が冷却により収縮して内金型に接触することで拘束され始めると、その拘束を継続しながら環状ワークが外金型内に挿入される。このため、環状ワークの外周面がマルテンサイト変態により体積膨張する前に、環状ワークを外金型内に挿入することができる。また、環状ワークは低圧で押圧されるため、外金型内に無理に挿入されるのを防止することができる。これにより、環状ワークの外周面が外金型に接触して傷が生じるのを抑制することができる。その結果、環状ワークの研磨による取り代が少なくなり、研磨工程におけるサイクルタイムを低減することができる。
【０００８】
前記環状ワークを前記外金型内に挿入する工程では、前記環状ワークの全体が前記外金型内に挿入されたときに、前記環状ワークを幅方向に徐々に加圧しながら押圧するのが好ましい。この場合、環状ワークは幅方向に徐々に加圧されながら押圧されるため、急激に高圧で押圧される場合に比べて、環状ワークの熱収縮が阻害されるのを抑制することができる。
【０００９】
本発明の焼入れ装置は、環状ワークを焼入れする焼入れ装置であって、加熱された環状ワークを冷却する冷却治具と、前記環状ワークの外周面を拘束する外金型と、前記環状ワークの内周面を拘束するとともに、その内周面を拘束しながら前記外金型内に前記環状ワークを幅方向に押圧して挿入させるべく前記外金型に対して相対移動可能な内金型と、前記外金型内に移動された前記環状ワークを、前記内金型との間で幅方向に押圧して拘束する幅拘束治具と、前記環状ワークに対する幅方向への押圧力を可変調整すべく、前記外金型に対する内金型の相対移動を制御する制御部と、を備えていることを特徴とする。
本発明によれば、外金型内に環状ワークを挿入する際に、制御部により外金型に対する内金型の相対移動を制御することにより、環状ワークに対する幅方向への押圧力を可変調整することができる。これにより、環状ワークを幅方向に低圧で押圧しながら外金型内に挿入することができる。したがって、かかる焼入れ装置によれば、上述した作用効果を奏する焼入れ方法を行なうことができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の環状ワークの焼入れ方法及びそれに用いる焼入れ装置によれば、ワークの外周面が外金型に接触して傷が生じるのを抑制することができるため、ワークの研磨による取り代が少なくなり、研磨工程におけるサイクルタイムを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態に係る環状ワークの焼入れ方法に用いる焼入れ装置の概略構成を示す要部断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る環状ワークの焼入れ方法を示す工程図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る環状ワークの焼入れ方法を示す工程図である。
【図４】焼入れ時の軸受鋼における温度と寸法との関係を示すグラフである。
【図５】上記焼入れ装置から取り出された環状ワークの外周面を示す図面代用写真である。
【図６】従来の焼入れ装置から取り出された環状ワークの外周面を示す図面代用写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について添付図面を参照しながら詳述する。
図１は、本発明の一実施形態に係る環状ワークの焼入れ方法に用いる焼入れ装置の概略構成を示す要部断面図である。この焼入れ装置２０は、環状ワーク（以下、単に「ワーク」ともいう）Ｗを搬送する搬送パレット２１と、ワークＷの外周面ｗ１を拘束する外金型２２と、ワークＷの内周面ｗ２を拘束する内金型２３と、内金型２３との間でワークＷを幅方向に押圧して拘束する幅拘束治具２４と、加熱されたワークＷを冷却する冷却治具２５とを備えている。搬送パレット２１は、外金型２２の下方に配置されており、ワークＷの軸方向一端面を載置した状態で、焼入れ装置２０の外部と内部との間で搬送するように構成されている。幅拘束治具２４は、外金型２２内の上側に配置されており、外金型２２に対して上下方向に移動可能とされている。
【００１３】
冷却治具２５は、内金型２３の上面と略同一面上に配置された円板状の第１冷却部２５ａと、幅拘束治具２４の下面と略同一面上に配置された円板状の第２冷却部２５ｂとを有している。第１，第２冷却部２５ａ，２５ｂは、内金型２３及び幅拘束治具２４の各軸心に沿ってそれぞれ形成された供給路２７，２８から供給された冷却水（冷却溶媒）を噴射してワークＷを冷却するように構成されている。第１，第２冷却部２５ａ，２５ｂの外周面には、ワークＷを均一に冷却するために、冷却水が流れる複数の溝２５ａ１，２５ｂ１が周方向等間隔に形成されている。
【００１４】
内金型２３は、搬送パレット２１の下方に配置されており、図示しない移動機構部によって、外金型２２に対して上下方向に移動可能とされている。内金型２３は、環状に形成されている。内金型２３はその外周面から径方向の内方側へ凹むとともに軸方向に貫通する切り欠き３３を３カ所に有する。切り欠き３３は、内金型２３の周方向に等間隔に形成されている。搬送パレット２１は環状に形成されている。搬送パレット２１は、内周面から径方向の内方側へ突出する突出部３１を３カ所に有する。突出部３１は搬送パレット２１の周方向に等間隔に形成されている。突出部３１はそれぞれ鉛直方向の上方側に突出する半球状の突起３２を有し、この突起３２の先端によりワークＷを支持する。切り欠き３３と突出部３１の周方向の位置を一致させているため、内金型２３は、搬送パレット２１の内側を通って内金型２３の軸方向の一方側（鉛直方向の下方側）と、軸方向の他方側（鉛直方向の上方側）とに相対的に移動可能である。これにより、図１の状態から内金型２３が上昇することで、内金型２３のフランジ部がワークＷの端面に当接し、内金型２３の外周面２３ａが搬送パレット２１上のワークＷの内周面ｗ２に遊嵌するとともに、ワークＷが内金型２３とともに上昇して外金型２２内に挿入される。外金型２２内に挿入されたワークＷは、内金型２３の外周面２３ａよりも径方向外側に形成された段差面２３ｂと幅拘束治具２４の下面とにより、幅方向に押圧されて拘束されるようになっている。また、内金型２３は、前記移動機構部を制御する制御部２６によって、外金型２２に対する上下移動が制御されるようになっている。この制御部２６により、ワークＷに対する内金型２３の幅方向への押圧力を可変調整することができる。
【００１５】
次に、上述した焼入れ装置２０を用い、転がり軸受の軌道輪を製造する場合を例として、本発明の一実施形態に係る環状ワークの焼入れ方法を説明する。図２及び図３は、本発明の一実施形態に係る環状ワークの焼入れ方法を示す工程図である。
まず、軸受鋼からなる鋼材から、環状素材を製造し、得られた環状素材それぞれに切削加工などを施して、所定形状に加工して、環状ワークＷを得る（図２の「旋削」）。なお、本実施形態では、軸受鋼として、ＳＵＪ２を用いた場合を説明する。
【００１６】
次に、このワークＷを、高周波加熱装置１０の加熱コイル１１の内周側にセットし、その後、加熱コイル１１に交流電流を流して、ワークＷを８００〜１０００℃の焼入れ温度で誘導加熱する（図２の「誘導加熱」）。これにより、ワークＷを均一に加熱することができるため、ワークＷにおける均一な応力開放およびオーステナイト化を行なうことができる。また、誘導加熱によりワークＷ自体が迅速に加熱するため、熱処理のインライン化が可能なレベルとなるまで加熱に要する時間を短縮することができる。この誘導加熱工程では、ワークＷの体積が膨張する（図４の「加熱膨張」を参照）。
【００１７】
誘導加熱工程後、焼入れ温度で加熱されたワークＷを、搬送パレット２１により焼入れ装置２０の外金型２２の下方位置まで搬送する（図２の「搬送」）。そして、この搬送パレット２１上のワークＷの内周側に内金型２３を上昇移動させ、セットする。この状態で、冷却治具２５の第１，第２冷却部２５ａ，２５ｂから冷却水を噴射してワークＷの冷却を開始する（図２及び図４の「冷却開始」）。冷却中は、冷却治具２５から噴射する冷却水の流量を調整することにより、ワークＷの冷却速度を調整することができる。この冷却により、ワークＷの温度は下降し、これに伴ってワークＷの体積が収縮する（図４の「冷却収縮」を参照）。なお、冷却治具２５によるワークＷの冷却は、後述する幅拘束（高圧）・外径拘束工程まで継続される。
【００１８】
ワークＷは、その温度が５００℃に低下するまでは、径方向及び幅方向に拘束されることなく自由に熱収縮し、ワークＷが５００℃以下に冷却されると、その内径が旋削寸法よりも小さくなることで、ワークＷの内周面ｗ２が内金型２３の外周面２３ａに接触して、ワークＷの内周面ｗ２が内金型２３により拘束され始める。これにより、ワークＷの熱収縮による応力を最大限利用して、ワークＷの内径寸法を所定の寸法とするとともに、歪を低減することができる。
【００１９】
ワークＷの内径拘束が開始されると、ワークＷの温度がマルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ点）まで低下する前に、内金型２３をワークＷとともに上昇移動させ、内径拘束を継続しながらワークＷを外金型２２内に挿入する。その際、制御部２６により内金型２３の上昇速度を制御し、ワークＷの熱収縮を阻害しない程度の低圧（例えば０．５〜２．０ＭＰａ）で、ワークＷを幅方向に押圧しながら外金型２２内に挿入する。これにより、内金型２３の段差面２３ｂと幅拘束治具２４の下面との間でワークＷの幅方向両端面が拘束され始める（図２及び図４の「内径拘束・幅拘束（低圧）」）。
【００２０】
ワークＷの全体が外金型２２内に挿入されると、制御部２６により内金型２３が加速して上昇するように制御し、ワークＷに対する幅方向への圧力を上げていく（図３及び図４の「幅拘束（圧力上昇）」）。本実施形態では、ワークＷに対する幅方向への圧力を０．５〜１．５ＭＰａ／ｓで徐々に加圧するように、内金型２３を上昇させる。
【００２１】
その後、ワークＷの温度がマルテンサイト変態開始温度以下になると、ワークＷは、その温度の低下に伴い、マルテンサイト変態により体積が膨張する（図４の「変態膨脹」）。その際、制御部２６により内金型２３の上昇速度を制御し、ワークＷを幅方向に高圧（例えば２〜１５ＭＰａ）で押圧する。これにより、ワークＷの幅方向両端面は、内金型２３の段差面２３ｂと幅拘束治具２４の下面との間で高圧で拘束される。また、ワークＷの外周面ｗ１は、外金型２２の内周面２２ａに接触して拘束される（図３及び図４の「幅拘束（高圧）・外径拘束」）。これにより、ワークＷのマルテンサイト変態により体積膨張するときの応力を利用して、ワークＷの外径および幅における寸法を所定の寸法とするとともに、歪を低減することができる。
【００２２】
ワークＷの外径拘束及び幅拘束が終了すると、幅拘束治具２４及び内金型２３を下降させ、ワークＷを搬送パレット２１に再び載置させた状態で、焼入れ装置２０の外部に搬送する（図３の「ワーク取り出し」）。
次に、ワークＷに要求特性に応じた品質が得られる焼戻し条件で焼戻し処理を施す（図３の「焼戻し」）。この焼戻し工程では、ワークＷを１６０〜４００℃の焼戻し温度で加熱保持する。その後、ワークＷに、研磨仕上げ加工を施すとともに、軌道面に対して超仕上げ加工を施して、所定精度に仕上げることにより、所望の環状部材である軌道輪を得ることができる（図３の「仕上げ」）。
【００２３】
図５は、本実施形態の焼入れ方法を用いた焼入れ装置から取り出されたワークの外周面を示す図面代用写真である。また、図６（ａ），（ｂ）は、従来の焼入れ装置から取り出されたワークの外周面を示す図面代用写真である。図６（ａ），（ｂ）の従来の焼入れ装置から取り出されたワークの外周面には、図の破線で囲む部分に傷が生じているのが分かる。これに対して、図５の本実施形態の焼入れ装置から取り出されたワークの外周面には、傷が全く生じていないのが分かる。
【００２４】
以上、本発明の実施形態に係る環状ワークの焼入れ方法及びそれに用いる焼入れ装置によれば、加熱されたワークＷを冷却するときに、ワークＷの温度が５００℃以下となりかつマルテンサイト変態開始温度まで低下する前において、ワークＷの内周面ｗ２が冷却により収縮して内金型２３に接触することで拘束され始めると、その拘束を継続しながらワークＷが外金型２２内に挿入される。このため、ワークＷの外周面ｗ１がマルテンサイト変態により体積膨張する前に、ワークＷを外金型２２内に挿入することができる。また、外金型２２内にワークＷを挿入する際に、制御部２６により内金型２３の上昇速度を制御することでワークＷは低圧で押圧されるため、外金型２２内に無理に挿入されるのを防止することができる。これにより、ワークＷの外周面ｗ１が外金型２２に接触して傷が生じるのを抑制することができる。その結果、ワークＷの研磨による取り代が少なくなり、研磨工程におけるサイクルタイムを低減することができる。
また、外金型２２内にワークＷを挿入する際に、ワークＷは幅方向に徐々に加圧されながら押圧されるため、急激に高圧で押圧される場合に比べて、ワークＷの熱収縮が阻害されるのを抑制することができる。
加えて、５００℃以下で拘束すること、及び低圧で拘束することにより、ワークＷ冷却時の本来の冷却曲線に近い状態で寸法変化させることができ、冷却後のマルテンサイト変態膨張時に安定した拘束ができる。このとき、高圧で拘束すると、冷却収縮時に収縮を妨げてしまい、マルテンサイト変態開始時に寸法のばらつきが生じることから安定した拘束焼入れができない。
【００２５】
なお、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく適宜変更して実施可能である。例えば、上記実施形態では、加熱工程において誘導加熱によりワークＷを加熱しているが、炉加熱によってワークＷを加熱してもよい。また、上記実施形態では、冷却工程においてワークＷを冷却水で噴射冷却しているが、ワークＷを油槽に入れて冷却するようにしてもよい。さらに、上記実施形態では、ＳＵＪ２を軸受鋼として用いた場合について説明しているが、本発明では、図４に示されるような寸法変化をする他の軸受鋼を用いてもよい。この場合、焼入れ温度、焼戻し温度などは、用いられる軸受鋼の種類、環状部材の用途などに応じて、適宜設定することができる。
【符号の説明】
【００２６】
２０：焼入れ装置、２２：外金型、２３：内金型、２４：幅拘束治具、２５：冷却治具、２６：制御部、Ｗ：環状ワーク、ｗ１：外周面、ｗ２：内周面
【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】
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【図６】
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