(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークに形成された孔部内に前記孔部の軸線方向に沿う長さよりも短い長さを有し、且つ絶縁材料で被覆した誘導体を装填し、前記孔部の開口部に非磁性材料からなる押さえ部材で前記誘導体を保持し、
前記誘導体を介して磁界を発生させ、前記孔部の軸線方向に沿った中心部の近傍から該孔部の端部側の開口部にかけて略末広がり形状の焼き入れ硬化層を形成することを特徴とする孔部を有するワークの焼き入れ方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、
前記誘導体の形状を選択することにより、孔部の中心部には焼き入れされていない非焼き入れ硬化層を形成し、前記孔部の中心部より開口部側に偏位した位置から開口部にかけて略末広がり状の焼き入れ硬化層が形成されることを特徴とする孔部を有するワークの焼き入れ方法。
【請求項３】
請求項１記載の方法において、
前記誘導体の形状を選択することにより、孔部の中心部を含む孔部全体に焼き入れ硬化層を形成し、前記焼き入れ硬化層は、前記孔部の中心部より開口部側に偏位した位置から開口部にかけて略末広がり状に形成されることを特徴とする孔部を有するワークの焼き入れ方法。
【請求項４】
クランクシャフトのピン部、ジャーナル部等に形成された油孔内に前記油孔の軸線方向に沿う長さよりも短い長さを有し、且つ絶縁材料によって被覆された誘導体を該油孔内に遊嵌された状態で挿入し、導電性材料からなる押さえ部材を前記油孔の開口部に係着することにより前記誘導体を保持した状態で前記クランクシャフトのピン部、ジャーナル部に対して高周波焼き入れ処理を施し、前記高周波焼き入れ処理が終了した後、前記油孔から前記誘導体、絶縁材料および押さえ部材を除去することを特徴とする孔部を有するワークの焼き入れ方法。
【請求項５】
孔部を有するワークに対して高周波焼き入れ処理を施すときの補助具であって、
ワークの孔部内に遊嵌された状態で装填され、且つ前記孔部の軸線方向に沿う長さよりも短い長さを有する誘導体と、
導電性材料によって形成され、前記誘導体をワークの孔部内に保持する押さえ部材と、
前記誘導体と孔部内壁面との間、および前記誘導体と前記押さえ部材との間にそれぞれ介装される複数の絶縁体と、
を備えることを特徴とする焼き入れ用補助具。
【請求項６】
請求項５記載の焼き入れ用補助具において、
前記誘導体は、フェライトコアまたは珪素銅板からなることを特徴とする焼き入れ用補助具。
【請求項７】
請求項５記載の焼き入れ用補助具において、
前記絶縁体は、アルミナファイバを含むセラミックス材料からなり、誘導体の表面を部分的に被覆することを特徴とする焼き入れ用補助具。
【請求項８】
請求項５記載の焼き入れ用補助具において、
前記ワークはクランクシャフトからなり、前記クランクシャフトのピン部およびジャーナル部に形成された油孔に対して高周波焼き入れ処理が施されることを特徴とする焼き入れ用補助具。
【請求項９】
請求項５記載の焼き入れ用補助具において、
前記押さえ部材は、ワークの孔部内のエアーを排気し、且つ前記孔部内に対する冷却液を供給可能とする開放構造に設けられていることを特徴とする焼き入れ用補助具。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、内燃機関を構成するクランクシャフト等の孔部を有するワークに対して硬化処理を好適に行うことが可能な孔部を有するワークの焼き入れ方法および焼き入れ用補助具に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、例えば、車両用等のエンジンにおいて、コネクティングロッドを介してピストンに接続されるクランクシャフトが用いられ、このクランクシャフトは、複数のピン部、ジャーナル部およびバランスウエイトによって構成されている。軸部に支持されて回動自在に設けられた前記ジャーナル部と、コネクティングロッドが回動自在に連結される前記ピン部には、それぞれ、潤滑油を流通させる油孔が形成されている。前記油孔によって構成される潤滑油通路によってベアリングの潤滑油の一部をピン部およびジャーナル部に供給してコネクティングロッドに設けたメタルを潤滑するためである。
【０００３】
また、前記クランクシャフトのピン部やジャーナル部には、強度を増強させるために、その表面に高周波焼き入れ等の硬化処理が施されている。
【０００４】
ところで、前記クランクシャフトでは、潤滑油通路が設けられているため、特に、ジャーナル部から偏位した部位に設けられたピン部のねじり疲労強度が低下するという問題がある。
【０００５】
そこで、クランクシャフトのピン部およびジャーナル部に対する高周波焼き入れ工程と、油孔部分に対する高周波焼き入れ工程とをそれぞれ異なる条件で別途遂行することにより、前記油孔部分における高周波焼き入れ硬化層を深層形成することが考えられる。
【０００６】
さらに、潤滑油通路を有するクランクシャフトの前記潤滑油通路の開口部を含む表面に高周波焼き入れ処理を行い、前記開口部の高周波焼き入れ層の下部にレーザ焼き入れまたはショットピーニングを行うことによって、潤滑油通路の開口部近傍の疲労強度を増大させる技術的思想が知られている（特開平９−１４２５２号公報参照）。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、クランクシャフトのピン部およびジャーナル部と、油孔部分とで条件を変えて高周波焼き入れ処理を施した場合、生産効率が劣るとともに、加熱用コイルの寿命が大幅に低下して歪みが増大するという不具合がある。
【０００８】
また、特開平９−１４２５２号公報に開示された技術的思想では、高周波焼き入れ装置の他にレーザ焼き入れ装置という異なる加熱手段が必要となるため、新たな設備投資によって製造コストが高騰するとともに、生産効率が大幅に低下するという不具合がある。
【０００９】
本発明は、前記の不具合を考慮してなされたものであり、ワークの外表面に対する焼き入れ硬化層の形成と同時に、該ワークに形成された孔部の開口部を含む孔部の内部に対しても焼き入れ硬化層を形成することが可能な孔部を有するワークの焼き入れ方法および焼き入れ用補助具を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明は、ワークに形成された孔部内に絶縁材料で被覆した誘導体を装填し、前記孔部の開口部に非磁性材料からなる押さえ部材で前記誘導体を保持した状態でワークに対して高周波焼き入れ処理を施し、
同時に孔部の内部に装填された誘導体を介して磁界を発生させ、前記孔部の軸線方向に沿った中心部の近傍から該孔部の端部側の開口部にかけて略末広がり形状の焼き入れ硬化層を形成することを特徴とする。
【００１１】
この場合、前記誘導体の形状を選択することにより、孔部の中心部には焼き入れされていない非焼き入れ硬化層を形成し、前記孔部の中心部より開口部側に偏位した位置から開口部にかけて略末広がり状の焼き入れ硬化層を形成し、あるいは、孔部の中心部を含む孔部全体に焼き入れ硬化層を形成することができる。このように誘導体の形状に対応して孔部の一部あるいは全部に対して焼き入れ硬化層を形成することを選択することができる。
【００１２】
なお、クランクシャフトのピン部、ジャーナル部等に形成された油孔内に絶縁材料によって被覆された誘導体を該油孔内に遊嵌された状態で挿入し、導電性材料からなる押さえ部材を前記油孔の開口部に係着することにより前記誘導体を保持した状態で前記クランクシャフトのピン部、ジャーナル部に対して高周波焼き入れ処理を施し、前記高周波焼き入れ処理が終了した後、前記油孔から前記誘導体、絶縁材料および押さえ部材を除去してもよい。
【００１３】
さらに、本発明は、孔部を有するワークに対して高周波焼き入れ処理を施すときの補助具であって、
ワークの孔部内に遊嵌された状態で装填される誘導体と、
導電性材料によって形成され、前記誘導体をワークの孔部内に保持する押さえ部材と、
前記誘導体と孔部内壁面との間、および前記誘導体と前記押さえ部材との間にそれぞれ介装される複数の絶縁体と、
を備えることを特徴とする。
【００１４】
この場合、前記誘導体を、フェライトコアまたは珪素銅板で形成し、前記絶縁体を、誘導体の表面を部分的に被覆する、例えば、アルミナファイバを含むセラミックス材料で形成し、前記押さえ部材を、ワークの孔部の内部のエアーを排気し、且つ孔部内に対する冷却液を供給可能とする開放構造に設けるとよい。
【００１５】
なお、前記クランクシャフトのピン部およびジャーナル部に形成された油孔に対して高周波焼き入れ処理を施してもよい。
【００１６】
本発明によれば、簡素な構造からなる焼き入れ用補助具を用いることにより、ワークの孔部に対して簡便に焼き入れ硬化層を形成することができる。
【００１７】
さらにまた、ピン部および／またはジャーナル部に形成された油孔の軸線方向に沿った中心部近傍から該油孔の開口部にかけて略末広がり状の焼き入れ硬化層が形成されたクランクシャフト、あるいはピン部および／またはジャーナル部に形成された油孔の軸線方向に沿った中心部からその近傍にかけて焼き入れ硬化層が形成され、さらに、前記中心部近傍から該油孔の開口部にかけて前記焼き入れ硬化層に連続する略末広がり状の焼き入れ硬化層が形成されたクランクシャフトが得られる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明に係る孔部を有するワークの焼き入れ方法について好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。
【００１９】
図１において、参照数字１０は、本発明に係る孔部を有するワークの焼き入れ方法が適用されるワークであるクランクシャフトを示す。
【００２０】
このクランクシャフト１０は、高炭素鋼または合金鋼等の焼き入れ性に優れた材料が用いられ、バランスウエイト１２が一体成形された鍛造品によって形成される。前記クランクシャフト１０には、図示しないベアリングに回動自在に軸支される大径な円柱状のジャーナル部１４と、図示しないコネクティングロッドが回動自在に連結される小径な円柱状のピン部１６とがそれぞれ所定間隔離間して複数個形成されている。
【００２１】
前記ジャーナル部１４およびピン部１６には、潤滑油通路として機能する油孔１８がクランクシャフト１０の回転軸線中心に対して略直交する方向に貫通形成され、該ジャーナル部１４の油孔１８とピン部１６の油孔１８とは、それぞれ図示しない連通路を介して連通するように設けられている。なお、前記潤滑油通路は、バランスウエイト１２に形成された油孔１８にも連通するように形成されている。
【００２２】
なお、本実施の形態では、前記油孔１８の直径を約５．０ｍｍに設定し、該油孔１８の開口部２０を面取り形成している。また、前記油孔１８は、クランクシャフト１０の表面に後述する高周波焼き入れ処理が施される前に図示しないドリル等の穿孔手段によって形成される。
【００２３】
高周波焼き入れ処理が施される前に、前記油孔１８に対して焼き入れ用補助具２２が装填される。
【００２４】
この焼き入れ用補助具２２は、図２に示されるように、油孔１８の内部に挿入可能な略円柱状に形成され、耐熱性磁性体からなる磁芯として機能するフェライトコア２４と、前記フェライトコア２４を油孔１８の内部に保持する押さえ部材として機能する導電性材料によって形成された銅線２６と、前記フェライトコア２４の外周面と油孔１８の孔部内壁面との間、および前記フェライトコア２４の軸線方向に沿った両端部と銅線２６との間にそれぞれ装着されるスペーサとして機能し、耐熱性の絶縁材料からなるセラミックス２８とを有する。
【００２５】
本実施の形態では、前記フェライトコア２４を、直径約３．５ｍｍ、長さ約２０．０ｍｍに設定し、無垢材から削り出した円柱状に形成し、セラミックス２８によって所定部分が被覆され、油孔１８の孔部内に遊嵌された状態で保持されている。この場合、前記フェライトコア２４に代替して、例えば、珪素銅板等の導電率、透磁率の優れた誘導体を用いてもよい。
【００２６】
前記セラミックス２８としては、例えば、アルミナファイバー等の耐熱性を有する絶縁材料によって形成され、厚さが約０．２ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲内に設定するとよい。本実施の形態では、厚さが約０．３ｍｍからなる薄板細長状に形成されたセラミックス２８を、フェライトコア２４の外周面に対して、マダラ状、井桁状、マトリックス状等に所定の間隔をおいて張り付けている。
【００２７】
押さえ部材は、フェライトコア２４を支持する導電性材料からなり、簡便に油孔１８内に押し込み可能で且つ取り外し可能に構成され、本実施の形態では、１本の銅線２６を円弧状に湾曲させて油孔１８の入り口部分に係止することにより、油孔１８を閉塞することがなく該油孔１８と外部とが連通可能な状態に設けられている。
【００２８】
このようにして焼き入れ用補助具２２が油孔１８の孔部内に装填された後、図４に示されるようなセミ・ループ式鞍型の高周波加熱コイル３０を用い、クランクシャフト１０を矢印Ａ方向に沿って回動させながらピン部１６（またはジャーナル部１４）に対して高周波焼き入れ処理をそれぞれ施す。
【００２９】
なお、高周波加熱コイル３０は、図示しないアクチュエータの駆動作用下に矢印Ｘ方向または矢印Ｙ方向に沿って変位自在に設けられたリードパイプ３２と、前記リードパイプ３２と一体的に変位し、図示しない高周波電源から給電される円弧状の加熱部導体３４と、冷却液を噴射して被焼き入れ部分の表面を急冷却する冷却液ジャケット３６とを備える。
【００３０】
クランクシャフト１０のピン部１６に対して高周波焼き入れ処理を施す場合を例にして以下説明する。
【００３１】
前記高周波加熱コイル３０に通電してピン部１６の外周面を誘導加熱した場合、油孔１８の孔部内に装填されたフェライトコア２４により磁界が発生し、油孔１８の中心部Ｏから開口部２０にかけて誘導加熱されて温度が上昇し、その結果、図３に示されるように、油孔１８の中心部Ｏから両端側の開口部２０にかけてそれぞれ末広がり形状部３８を有する高周波焼き入れ硬化層４０（図３中の網状部分）が形成される。
【００３２】
なお、高周波加熱コイル３０によってピン部１６に対して加熱処理をした後、冷却液ジャケット３６から被焼き入れ部分および油孔１８に対して冷却液を噴射することにより、前記油孔１８を含むピン部１６が急冷される。
【００３３】
特に、油孔１８の開口部２０近傍では、部分的に、通常の約２倍の層厚からなる８．０ｍｍ〜１０．０ｍｍの高周波焼き入れ硬化層が形成され、油孔１８の中心部Ｏから開口部２０に向かって徐々に幅方向の寸法が増大する末広がり形状部３８を有する高周波焼き入れ硬化層４０となり、ピン部１６の荷重に対する強度を大幅に増大させることができた。
【００３４】
一方、図３に示されるように、油孔１８の中心部Ｏの近傍部分では、高周波加熱による影響がないため焼き入れされていない非高周波焼き入れ硬化層４２（図３中の白地部分）が形成され、油孔１８の中心部Ｏより開口部２０側に偏位した位置から開口部２０側に向かって末広がり状の高周波焼き入れ硬化層４０が形成されていることが了解される。
【００３５】
この結果、ピン部１６の内部の靭性に影響を与えることがなく、ねじり疲労強度が維持される。なお、前記ピン部１６と同様にしてジャーナル部１４に対しても高周波焼き入れ硬化層４０を形成するとよい。
【００３６】
なお、油孔１８内に装填された耐熱性のフェライトコア２４は、油孔１８内にきつく詰め込まれた状態ではなく、油孔１８の空間内に遊嵌された状態が望ましい。
【００３７】
また、押さえ部材は、油孔１８の開口部２０に対して簡単に押し込むことができ、且つ取り外しが可能な形状のものがよく、しかもリサイクルして使用可能なものが望ましい。その際、油孔１８を完全に閉塞するように蓋をするものではなく、油孔１８内のエアーを外部に放出し、急冷効果を発揮させるために開放構造となっていることが必要である。これは、高周波誘導加熱されたワーク（クランクシャフト１０のピン部１６、ジャーナル部１４等）が冷却液によって急冷されてマルテンサイト化されるため、油孔１８にも同様に冷却液が円滑に流入されるようにするためである。
【００３８】
次に、第１変形例に係る焼き入れ用補助具２２ａを図５に示す。なお、以下に示す変形例において、同一の構成要素には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００３９】
第１変形例では、２つに分割されたフェライトコア４４ａ、４４ｂを油孔１８の軸線方向に沿って挿入し、分割されたフェライトコア４４ａ、４４ｂの間、および油孔１８の内周面との間にそれぞれスペーサとして機能するセラミックス４６を複数介装している。また、図７Ａおよび図７Ｂに示されるように、断面略円形状の突起部４７を有する略円盤状に形成された押さえ部材４８を用い、前記押さえ部材４８には相互に対向する一組の断面略三日月状の貫通孔５０ａ、５０ｂが形成されている。なお、前記押さえ部材４８を導電性材料によって形成すると好適である。
【００４０】
第１変形例に係る焼き入れ用補助具２２ａを用いて高周波焼き入れ処理を施した場合、図６に示されるように、油孔１８の中心部Ｏから開口部２０側に向かって徐々に末広がりとなる高周波焼き入れ硬化層４０が得られた。
【００４１】
第２変形例に係る焼き入れ用補助具２２ｂを図８に示す。
【００４２】
第２変形例では、中央部が厚肉で端部側が徐々に薄肉となるように断面略凸レンズ状に形成されたフェライトコア５２を用いている。第２変形例に係る焼き入れ用補助具２２ｂを用いて高周波焼き入れ処理を施した場合、図９に示されるように、油孔１８の一方の開口部２０と他方の開口部２０との間の中心部Ｏの近傍部分に対しても高周波焼き入れ硬化層４０が形成される。
【００４３】
例えば、高負荷出力エンジンが用いられるレース用、あるいはスポーツカー等に適用されるクランクシャフトにおいて、高いねじり強度、全体強度が要求される場合があり、油孔１８全体に高周波焼き入れ硬化層４０が形成されることが望ましく、その際、第２変形例に係る焼き入れ用補助具２２ｂを使用すると好適である。
【００４４】
これに対して、一般的に使用されるクランクシャフトでは油孔１８の全体に高周波焼き入れ硬化層４０が形成される必要がなく、油孔１８の中心部Ｏより偏位した部分から開口部２０にかけて高周波焼き入れ硬化層４０が形成されることにより、十分なねじり強度を有する。
【００４５】
このように、焼き入れ用補助具を適切に選択することにより、種々のクランクシャフトに要求される耐久強度等に対応して油孔１８の全体あるいはその所定部分に対して高周波焼き入れ硬化層４０を形成することができる。
【００４６】
なお、図１０に示されるように、第３変形例に係る焼き入れ用補助具２２ｃでは、中央部が薄肉に形成された断面略凹レンズ状のフェライトコア５４を断面Ｔ字状に形成されたセラミックス５６によって油孔１８内に保持することにより、図３と同様な高周波焼き入れ硬化層４０が得られた（図１１参照）。
【００４７】
【発明の効果】
本発明によれば、以下の効果が得られる。
【００４８】
すなわち、ワークの孔部の中心部から両端側の開口部にかけてそれぞれ末広がり形状を有する焼き入れ硬化層を形成することにより、ワークの孔部の内部の靭性に影響を与えることがなく、ねじり疲労強度が維持される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る孔部を有するワークの焼き入れ方法が適用されるワークであるクランクシャフトの斜視図である。
【図２】前記クランクシャフトのピン部の油孔内に焼き入れ用補助具が装填された状態の縦断面図である。
【図３】前記ピン部の油孔に対して高周波焼き入れ硬化層が形成された状態を示す説明図である。
【図４】前記クランクシャフトのピン部に対して高周波加熱処理を施す高周波加熱コイルの概略構成図である。
【図５】第１変形例に係る焼き入れ用補助具が油孔内に装填された状態の縦断面図である。
【図６】図５に示す焼き入れ用補助具を用い、ピン部の油孔に対して高周波焼き入れ硬化層が形成された状態を示す説明図である。
【図７】図７Ａは、図５に示す焼き入れ用補助具を構成する押さえ部材の斜視図、図７Ｂは、直径方向に沿った縦断面図である。
【図８】第２変形例に係る焼き入れ用補助具が油孔内に装填された状態の縦断面図である。
【図９】図８に示す焼き入れ用補助具を用い、ピン部の油孔に対して高周波焼き入れ硬化層が形成された状態を示す説明図である。
【図１０】第３変形例に係る焼き入れ用補助具が油孔内に装填された状態の縦断面図である。
【図１１】図１０に示す焼き入れ用補助具を用い、ピン部の油孔に対して高周波焼き入れ硬化層が形成された状態を示す説明図である。
【符号の説明】
１０…クランクシャフト          １２…バランスウエイト
１４…ジャーナル部              １６…ピン部
１８…油孔                      ２０…開口部
２２、２２ａ〜２２ｃ…焼き入れ用補助具
２４、４４ａ、４４ｂ、５２、５４…フェライトコア
２６…銅線                      ２８、４６、５６…セラミックス
３０…高周波加熱コイル          ３８…末広がり形状部
４０…高周波焼き入れ硬化層      ４２…非高周波焼き入れ硬化層
４８…押さえ部材
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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