ワークの拘束焼入れ方法および拘束焼入れ装置
【課題】拘束して矯正しつつ焼き入れ温度まで冷却したワークの寸法安定性を一層向上させ得るワークの拘束焼入れ方法および装置を提供する。
【解決手段】この拘束焼入れ装置は、鋼製且つ環状のワークＷをマルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ点）よりも高い矯正開始温度まで冷却する第一冷却部１と、矯正開始温度まで冷却されたワークＷに対しその少なくとも外径を径方向に拘束して矯正する第一矯正部１０を有し且つ該第一矯正部１０で矯正しつつ焼き入れ温度まで冷却する第二冷却部２と、焼き入れ温度まで冷却されたワークＷに対しその少なくとも外径を径方向に拘束して矯正する第二矯正部２０を有し且つ該第二矯正部２０で矯正しつつ更に焼き入れ温度よりも低い温度まで冷却してマルテンサイト変態を進行させる第三冷却部３とを備える。
【解決手段】この拘束焼入れ装置は、鋼製且つ環状のワークＷをマルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ点）よりも高い矯正開始温度まで冷却する第一冷却部１と、矯正開始温度まで冷却されたワークＷに対しその少なくとも外径を径方向に拘束して矯正する第一矯正部１０を有し且つ該第一矯正部１０で矯正しつつ焼き入れ温度まで冷却する第二冷却部２と、焼き入れ温度まで冷却されたワークＷに対しその少なくとも外径を径方向に拘束して矯正する第二矯正部２０を有し且つ該第二矯正部２０で矯正しつつ更に焼き入れ温度よりも低い温度まで冷却してマルテンサイト変態を進行させる第三冷却部３とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ころがり軸受等に使用される鋼製且つ環状のワークを拘束して矯正しつつ冷却して焼入れする方法およびそのための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ワークの矯正を行って研削工程での工数を抑制する等により、部品を安価に製造することが要求されている。そこで、ワークを矯正しつつ冷却して焼入れする方法やそのための装置が多く提案されている。
このような技術の一例として、例えば特許文献１記載の技術が提案されている。同文献には、焼き入れ時にマルテンサイト変態をともなう鋼製且つ環状のワークを加熱して所定温度に保持した後に、まず、一次冷却工程において、マルテンサイト変態開始温度よりも高い温度まで冷却し、次いで、二次冷却工程において、変形を抑制するための矯正をマルテンサイト変態開始温度よりも低い温度で開始するとともにマルテンサイト変態完了温度（Ｍｆ点）よりも高い温度まで冷却する、という熱処理矯正装置が開示されている。また、同文献での変形矯正方法は、環状のワークの外周面を一対の受けロールに接触させた状態で、一対の受けロールの対向側からワークの外周面を加圧ロールで押圧しつつワークを回転させて矯正して真円度を向上させている。同文献記載の技術のメリットは、二次冷却工程を設けることによって焼き入れ冷却時間を短縮できるとともに、変形矯正方法に汎用性があることである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−８４６０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１記載の技術では、二次冷却工程における焼き入れ温度がマルテンサイト変態完了温度（Ｍｆ点）よりも高いため、二次冷却工程後に寸法精度（寸法、真円度）が悪化するという問題があり、焼入れ後のワークの精度を一層向上させる上で未だ改良の余地がある。
つまり、ころがり軸受等に使用される鋼製且つ環状のワークは、ＳＵＪ２，３材等の炭素鋼からなるが、この種の鋼材は、マルテンサイト変態完了温度（Ｍｆ点）が常温以下である。そのため、焼き入れ完了後に次工程（例えば洗浄工程）でワークの温度が常温以下まで低下すると、マルテンサイト変態が更に進行してしまい寸法精度（寸法、真円度）が悪化するのである。
【０００５】
また、特許文献１記載の技術において、二次冷却工程での変形矯正方法は、ローラを回転させながらワークを押圧して真円度を向上させるものであるが、押圧する力によって矯正後のワークの精度が異なってしまうという問題がある。つまり、押圧する力が弱ければ矯正後のワークの精度が向上しない場合があるし、また、押圧する力が強すぎればワークが座屈したり、最悪の場合には割れたりする可能性がある。そのため、押圧する力の設定には十分な経験が必要である。
【０００６】
そこで、本発明は、このような問題点に着目してなされたものであって、焼入れ後のワークの精度を一層向上させつつも製造コストを抑えることができる（サイクルタイムを短縮することができる）ワークの拘束焼入れ方法および装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る拘束焼入れ装置は、所定温度に加熱された鋼製且つ環状のワークを段階的に冷却して焼き入れする複数の冷却部と、該複数の冷却部で焼き入れ中のワークを必要に応じて拘束して所望の寸法に矯正する矯正部とを備える拘束焼入れ装置であって、焼き入れ時にマルテンサイト変態をともなうワークをマルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ点）よりも高い矯正開始温度まで冷却する第一冷却部と、前記矯正開始温度まで冷却されたワークに対しその少なくとも外径を径方向に拘束して矯正する第一矯正部を有し且つ該第一矯正部で矯正しつつ所定の焼き入れ温度まで冷却する第二冷却部と、前記焼き入れ温度まで冷却されたワークに対しその少なくとも外径を径方向に拘束して矯正する第二矯正部を有し且つ該第二矯正部で矯正しつつ更に前記所定の焼き入れ温度よりも低い温度まで冷却してマルテンサイト変態を進行させる第三冷却部とを備えることを特徴とする。
【０００８】
ここで、本発明の一態様に係る拘束焼入れ装置において、前記第一矯正部が、ワークの外径の拘束に加え、更に、ワークの側面を軸方向に拘束する側面矯正部を有することは好ましい。
また、本発明の一態様に係る拘束焼入れ装置において、前記第二矯正部が、ワークの外径の拘束に加え、更に、ワークのいずれか他の部分を拘束して矯正する汎用矯正部を有することは好ましい。
【０００９】
また、本発明の一態様に係る拘束焼入れ装置において、前記第一冷却部が、ワークのいずれかの部分を拘束して矯正する第三矯正部を更に有することは好ましい。
さらに、上記課題を解決するために、本発明の一態様に係るワークの拘束焼入れ方法は、所定温度に加熱された鋼製且つ環状のワークを段階的に冷却して焼き入れするとともに、その焼き入れ中のワークを必要に応じて拘束して所望の寸法に矯正するワークの拘束焼入れ方法であって、焼き入れ時にマルテンサイト変態をともなうワークをマルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ点）よりも高い矯正開始温度まで冷却する第一の冷却工程と、前記矯正開始温度まで冷却されたワークに対しその少なくとも外径を径方向に拘束して矯正しつつ所定の焼き入れ温度まで冷却する第二の冷却工程と、前記所定の焼き入れ温度まで冷却されたワークに対しその少なくとも外径を径方向に拘束しつつ更に前記焼き入れ温度よりも低い温度まで冷却してマルテンサイト変態を進行させる第三の冷却工程とを含むことを特徴とする。
【００１０】
ここで、本発明の一態様に係るワークの拘束焼入れ方法において、前記第二の冷却工程が、ワークの外径の拘束に加え、更に、ワークの側面を軸方向に拘束することは好ましい。
また、本発明の一態様に係るワークの拘束焼入れ方法において、前記第三の冷却工程が、ワークの外径の拘束に加え、更に、ワークのいずれか他の部分を拘束して矯正することは好ましい。
【００１１】
また、本発明の一態様に係るワークの拘束焼入れ方法において、前記第一の冷却工程が、更に、ワークのいずれかの部分を拘束して矯正することは好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、熱処理品質（熱処理特性、および真円度などの機械的精度）に必要な焼き入れ時間を３段階に細分化するとともに必要に応じた矯正を加える構成としており、特に、本発明の一態様に係る拘束焼入れ装置は、３段階目に対応する第三冷却部が、焼き入れ温度まで冷却された鋼製且つ環状のワークに対しその少なくとも外径を径方向に拘束して矯正する第二矯正部を有し且つ該第二矯正部で矯正しつつ更に第二冷却部での所定の焼き入れ温度よりも低い温度まで冷却してマルテンサイト変態を進行させるので、マルテンサイト変態を矯正金型内（第二矯正部）で進行させることができる。そのため、熱処理後の精度（寸法、真円度）、熱処理後の寸法変化を管理して精度を一層向上させることができる。
【００１３】
また、本発明の一態様に係るワークの拘束焼入れ方法は、３段階目に対応する第三の冷却工程が、第二の冷却工程での焼き入れ温度まで冷却された鋼製且つ環状のワークに対しその少なくとも外径を径方向に拘束しつつ更に所定の焼き入れ温度よりも低い温度まで冷却してマルテンサイト変態を進行させるので、ワークに対しその少なくとも外径を径方向に拘束することで、上記装置の発明同様に、ワークを矯正しつつマルテンサイト変態を進行させることができる。そのため、熱処理後の精度（寸法、真円度）、熱処理後の寸法変化を管理して精度を一層向上させることができる。
【００１４】
さらに、本発明によれば、第一若しくは第二矯正部または第二若しくは第三の冷却工程において、ワークに対しその少なくとも外径を径方向に拘束するので、上記例示した特許文献１に記載のような、加圧ロールでワークを押圧しつつ回転させて矯正する方法に比べて、押圧する力の設定などが不要であり、安定した矯正を行うことができる。
よって、本発明によれば、焼入れ後のワークの精度を一層向上させつつも製造コストを抑えることができる（サイクルタイムを短縮することができる）。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一態様に係る拘束焼入れ装置の第一実施形態を説明する概略構成図であり、同図（ａ）はその正面図（一部を搬送方向に沿った軸線を含む面で破断して示す）、（ｂ）は各冷却部の備える搬送部の平面図である。
【図２】図１の各冷却部が備えるワーク載置台（冷却機構部）を説明する概略構成図である。
【図３】芯出し治具を説明する断面図である。
【図４】外径矯正治具を説明する断面図である。
【図５】ワークを矯正している状態を説明する要部拡大図である。
【図６】汎用矯正用治具を説明する斜視図（下方（ワーク載置台側）より見る）である。
【図７】本発明の一態様に係るワークの拘束焼入れ方法を説明する工程フロー図である。
【図８】冷却時間に対するワークの寸法変化の関係を示すグラフであり、同図には、本発明の一態様に係るワークの拘束焼入れ方法で採用する３つの冷却工程の期間を併せて図示している。
【図９】外径寸法の精度に対し、本発明例と比較例（従来）とを比較して示す図である。
【図１０】前工程の旋削寸法のバラツキに対して、本発明例と比較例（従来）とを比較して示す図である。
【図１１】本発明の一態様に係る拘束焼入れ装置の他の例（第二実施形態）を説明する工程フロー図である。
【図１２】本発明の一態様に係る拘束焼入れ装置の他の例（第三実施形態）を説明する工程フロー図である。
【図１３】第三実施形態で採用する芯出し治具（鍔付き）を説明する断面図である。
【図１４】第三実施形態での、ワークを矯正している状態を説明する要部拡大図である。
【図１５】本発明の一態様に係る拘束焼入れ装置の他の例（第四実施形態）を説明する工程フロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の一態様に係る拘束焼入れ装置およびこれを用いたワークの拘束焼入れ方法の実施形態について、図面を適宜参照しつつ説明する。
まず、本発明の一態様に係る拘束焼入れ装置の第一実施形態について説明する。
図１に示すように、この拘束焼入れ装置５は、搬送方向に離隔する複数の搬送路６０を有し、隣接する搬送路６０同士の間には、３つの冷却部１，２，３がそれぞれ配置されている。この例では、搬送方向の上流側から順に、第一冷却部１、第二冷却部２および第三冷却部３となっている。
【００１７】
各冷却部１，２，３は、ワークＷを搬送するための搬送部４０と、ワークＷの搬送路６０の上面よりも下方に配置された載置台５０とをそれぞれ有する。ここで、本実施形態のワークＷは、焼き入れ時にマルテンサイト変態をともなう鋼製且つ環状のものであり、特に、この第一実施形態では、ワークの形状が単純な円筒状の外形を有するものを想定した例である。
【００１８】
搬送部４０は、ワークＷを当接させる略Ｖ字状の凹部４０ｖを有する搬送腕４０ａを備え（同図（ｂ）参照）、この搬送腕４０ａが、不図示のスライド移動機構によって、ワークＷを、搬送方向に沿ったスライド移動により載置台５０の中央まで移動させるように構成されている。また、この搬送部４０は、不図示の回転機構を更に備え、この回転機構によって、搬送腕を９０度回動させることで、搬送腕を、搬送路６０の上面に対して水平な搬送姿勢Ｈと、搬送路６０の上面に対して垂直な待避姿勢Ｖとにそれぞれ位置させるようになっている。
【００１９】
載置台５０は、図２に示すように、平面視が円形の座面５１を有し、この座面５１上に搬送部４０によって搬送されたワークＷが載置される。座面５１の中央にはノズル５２が配置されている。また、座面５１の全周は、円環状の側壁５３によって囲まれており、座面５１と側壁５３との間によって形成された隙間が冷却媒体の排出孔５４になっている。
側壁５３は、その上部にスライド部５３ｓを有する。このスライド部５３ｓは、上下方向（同図に示す矢印の方向）に摺動可能であり、スライド部５３ｓが下方に移動したときには上端部５３ｔが座面５１の表面及び搬送路６０の表面と面一になる位置まで下降する。また、スライド部が上方に移動したときには座面の表面５１ｓ（ワークＷが載置される面）及び側壁５３の内面５３ｎによって座面５１の周囲を取り囲む焼入れ槽（冷却手段）が形成される。このとき、側壁５３のスライド部５３ｓが上方に摺動したときのスライド部５３ｓの上端部５３ｔの高さは、少なくとも座面５１に載置されたワークＷの上部よりも高く設定されている。なお、座面５１の表面５１ｓには、載置されたワークＷの中心軸ＣＬにほぼ同軸となる位置から放射状に溝５５が形成されている。この溝５５は、焼入れ槽に充填された冷却媒体をワークＷの下面に接触させるために設けられる。
【００２０】
そして、上記ノズル５２は、冷却媒体を貯留した不図示の貯留槽などに連結されており、このノズル５２から、座面５１に対して側壁５３が上方に摺動したことで形成される焼入れ槽に冷却媒体を充填するようになっている。そして、焼入れ槽から排出孔５４を通って排出された冷却媒体は、ポンプなどによって前述の貯留槽に循環される構成になっている。冷却媒体としては、焼入れ油や、水溶性冷却剤が挙げられる。
【００２１】
更に、この第一実施形態の例では、図１に示すように、第一冷却部１は、自身の載置台５０上方に、上下方向にスライド移動可能に配置され、ワークＷの芯出しおよびノックアウトを行う（また、更に平面矯正を行うことも可能）ための芯出し治具６を有する。また、第二冷却部２は、自身の載置台５０上方に、上下方向にスライド移動可能に配置された芯出し治具６およびこの芯出し治具６と同軸に設けられた第一矯正部１０を有する。さらに、第三冷却部３は、自身の載置台５０上方に、上下方向にスライド移動可能に配置された第二矯正部２０を有する。
【００２２】
詳しくは、芯出し治具６は、図３に示すように、載置台５０上の中心軸線ＣＬと同軸に設けられた下方に凸のテーパ面６ｔを有する円錐台部６ｄを先端部に備えている。この円錐台部６ｄには、中心軸線ＣＬから放射状に複数のスリット６ｓが形成されており、この複数のスリット６ｓに、上記冷却媒体を通すことができるようになっている。
なお、この芯出し治具６は、ワークＷが、例えば円すいころ軸受の外輪である場合には（後述する第三実施形態参照）、凸のテーパ面６ｔのテーパ角度を、円すいころ軸受の外輪の内周面のテーパ角度と同じ角度とすることが好ましい。このように、芯出し治具６は、ワークＷの形状に応じて芯出し治具６の形状を適宜に変更することができる。但し、芯出し治具６の形状を適宜に変更する場合であっても、ワークＷの円滑な芯出しを行うために、先端部を下方に凸のテーパ面６ｔを有する円錐台部６ｄを備える構成とすることは必要である。なお、テーパ面６ｔは直線状に限らず、円弧状等、曲線状であってもよい。
【００２３】
次に、第一矯正部１０は、図４に示すように、載置台５０上の中心軸線ＣＬと同軸に設けられた円筒状の部材であり、先端部の内周面がワークＷの外周面の矯正部１０ｎになっている。この矯正部１０ｎの先端側の内端は、下方に向けて拡径するテーパ面１０ｔが形成されており、第一矯正部１０を上方から下降させてワークＷの外周面と嵌合させる際に、第一矯正部１０を円滑にワークＷの外周面に挿入可能になっている。
図５に、円筒状のワークＷを、第一矯正部１０により拘束した状態におけるワークＷ、第一矯正部１０および芯出し治具６の様子を要部拡大図で示す。
【００２４】
次に、第二矯正部２０は、図６に斜視図を示すように、上部の円盤状部２０ｅと、この円盤状部２０ｅの下方の面に対して設けられた複数の矯正板２０ｋを有している。複数（この例では１２枚）の矯正板２０ｋは、上記芯出し治具６および第一矯正部１０と同様に、載置台５０上の中心軸線ＣＬを中心として放射状に等配されている。各矯正板２０ｋは同一形状であり、それぞれの内周側の面に下方に向けて拡径する斜面２０ｓを有することで、複数の矯正板全体として凹のテーパ部からなる汎用矯正部２０ｈを内周側に形成している。なお、汎用矯正とは、ワークの外径の拘束に加え、更に、ワークのいずれか他の部分を拘束して矯正可能なものであり、特に、ワークＷの外径および端面（平面）を同時に矯正可能なことをいう。これにより、種々のワークサイズに対応可能となり、その分、矯正部のセット替えが楽になる。特に、後述するワークの拘束焼入れ方法において、第三の冷却工程ではワークＷを矯正しない場合の寸法の変化も少ないため、汎用矯正で十分な場合がある。第三の冷却工程で、より厳格な矯正が必要な場合には、専用の外径矯正型とした第二矯正部２０を使用すればよい。
【００２５】
ここで、上記芯出し治具６、第一矯正部１０および第二矯正部２０の矯正部分の寸法を決定するに際しては、ワークＷの経時的な寸法変化の情報に基づいて決定する。つまり、ワークＷの経時的な寸法変化の情報は、ワークＷの材質、径、肉厚、幅、形状などで変化するので、図８に示す、ワークＷを拘束しない場合における冷却に伴うワークＷの寸法変化の様子を示すグラフのように、特定のワーク毎にこれを測定する。そして、上記の第一矯正部１０や第二矯正部２０などの矯正金型をワークＷに対して挿抜する時間やタイミング、およびワークＷに対する矯正金型の寸法などを、予めサンプリングした寸法変化情報に基づいて決定する。
【００２６】
より詳しくは、本実施形態においては、図８に示す寸法変化の情報から、同図でワーク寸法が極小点ｌａを示すときの寸法を「最適金型寸法」として第一矯正部１０や第二矯正部２０などの各部寸法を設定する。この極小点ｌａのときの時間ｔａを「最適金型挿入タイミング」とし、ワーク寸法が所定時間安定したときの時間ｔｂを「最適冷却時間」としている。ここで、この「ワーク寸法が所定時間安定」とは、マルテンサイト変態が停止したとみなせる状態を指す。例えば、１０秒間のサンプリング期間でのサンプリング平均変化率が寸法マスターの０．０１％以下になった状態を指す。これは、焼き入れ油の温度制御の精度が±５℃であり、ワークと焼き入れ油との温度差が１０℃のとき、ワークの寸法変化がワークの直径の０．０１％程度となることが知られていることから、マルテンサイト変態による寸法変化の測定限界以下となるワークの直径の０．０１％でマルテンサイト変態が停止したとみなすことができるからである。
【００２７】
次に、上記拘束焼入れ装置５を用いたワークの拘束焼入れ方法について、図７および図８等を適宜参照しつつ説明する。このワークの拘束焼入れ方法は、焼き入れ時にマルテンサイト変態をともなう鋼製で環状に形成されているワークＷを、段階的に冷却して焼き入れするとともに、その焼き入れ中に必要に応じて拘束して所望の寸法に矯正するものである。
【００２８】
詳しくは、まず、図７（ａ）に示すように、ワークＷが、上流工程の加熱炉において所定温度に加熱され、その後に、同図（ｂ）に示すように、第一冷却部１において第一の冷却工程が行われる。
この第一の冷却工程では、ワークＷが、第一冷却部１用の搬送部４０（図１参照）により搬送路６０を搬送され、第一冷却部１の載置台５０上に載置される。次いで、側壁５３のスライド部５３ｓが下方から上方に移動して焼入れ槽が画成されるとともに、上方から芯出し治具６が降下され、ワークＷの芯出しがなされる。次いで、ノズル５２から冷却媒体が供給されると焼入れ槽内に冷却媒体が満たされる。この際の冷却媒体としては例えば焼き入れ油が好ましく、また、焼き入れ油の温度としては６０℃が好適である。
【００２９】
ここで、この第一冷却部１での第一の冷却工程では、ワークをマルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ点）よりも高い矯正開始温度まで冷却する（図８の符号Ａ参照）。そして、ワークＷが、マルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ点）よりも高い矯正開始温度まで冷却されると、ノズル５２からの冷却媒体の供給が中止され、芯出し治具６が上方に離隔するとともに、側壁５３のスライド部が上方から下方に移動する。なお、この第一冷却部１での第一の冷却工程において、上記芯出し治具６を矯正部を兼ねて使用し、ワークＷのいずれかの部分を拘束して矯正するようにしてもよい。
その後に、搬送方向下流側の、第二冷却部２において第二の冷却工程が行われる。この第二の冷却工程では、ワークＷが、第二冷却部２用の搬送部４０（図１参照）により搬送路６０を搬送され、図７（ｃ）に示すように、第二冷却部２の載置台５０上に載置される。
【００３０】
次いで、側壁５３のスライド部５３ｓが下方から上方に移動して焼入れ槽が画成されるとともに、上方から芯出し治具６およびこれと同軸の第一矯正部１０がこの順に降下され、ワークＷの芯出しおよびワークＷの外径の拘束がなされる。次いで、ノズル５２から冷却媒体が供給されると焼入れ槽内に冷却媒体が満たされる。この際の冷却媒体としては例えば焼き入れ油が好ましく、また、焼き入れ油の温度としては６０℃が好適である。
【００３１】
ここで、この第二冷却部２での第二の冷却工程では、矯正開始温度まで冷却されたワークＷに対しその外径を径方向に拘束して矯正しつつ焼き入れ温度まで冷却する（図８の符号Ｂ参照）。そして、ワークＷが、焼き入れ温度において所定の時間だけ保持されると、ノズル５２からの冷却媒体の供給が中止され、芯出し治具６および第一矯正部１０が上方に離隔するとともに、側壁５３のスライド部が上方から下方に移動する。
その後に、搬送方向下流側の、第三冷却部３において第三の冷却工程が行われる。この第三の冷却工程では、ワークＷが、第三冷却部３用の搬送部４０（図１参照）により搬送路６０を搬送され、図７（ｄ）に示すように、第三冷却部３の載置台５０上に載置される。
【００３２】
次いで、側壁５３のスライド部が下方から上方に移動して焼入れ槽が画成されるとともに、上方から第二矯正部２０が降下され、ワークＷの芯出しおよびワークの外径および端部の拘束が同時になされる。次いで、ノズル５２から冷却媒体が供給されると焼入れ槽内に冷却媒体が満たされる。この際の冷却媒体としては例えば水溶性冷却剤が好ましく、また、この水溶性冷却剤の温度としては３０℃が好適である。
【００３３】
ここで、この第三冷却部３での第三の冷却工程では、上記第二の冷却工程で焼き入れ温度まで冷却されたワークＷに対しその少なくとも外径を径方向に拘束しつつ更に上記の焼き入れ温度よりも低い温度まで冷却してマルテンサイト変態を進行させる（図８の符号Ｃ参照）。
そして、ワークＷが、上記の焼き入れ温度よりも低い温度まで冷却されてマルテンサイト変態が十分に進行するのに必要な所定の時間（図８の符号Ｔｂに至るまでの時間）だけ保持されると、ノズル５２からの冷却媒体の供給が中止され、第二矯正部２０が上方に離隔するとともに、側壁５３のスライド部５３ｓが上方から下方に移動する。そして、図７（ｅ）に示すように、不図示の搬送装置によってワークＷが次工程（例えば洗浄工程）に搬送される。
【００３４】
次に、上述した拘束焼入れ装置５およびこれを用いた上記拘束焼入れ方法の作用効果について説明する。
この拘束焼入れ装置５およびこれを用いた上記拘束焼入れ方法によれば、熱処理品質（熱処理特性、および真円度などの機械的精度）に必要な焼き入れ時間を３段階に細分化するとともに必要に応じた矯正を加える構成としており、特に、拘束焼入れ装置５は、３段階目に対応する第三冷却部３が、焼き入れ温度まで冷却されたワークＷに対しその外径を径方向に拘束して矯正する第二矯正部２０を有し、且つこの第二矯正部２０で矯正しつつ更に第二冷却部２での焼き入れ温度よりも低い温度までワークＷを冷却してマルテンサイト変態を進行させるので、マルテンサイト変態を矯正金型内（第二矯正部２０）で更に進行させることができる。そのため、熱処理後の精度（寸法、真円度）、熱処理後の寸法変化を管理して精度を一層向上させることができる。
【００３５】
また、この拘束焼入れ装置５を用いた拘束焼入れ方法は、３段階目に対応する第三の冷却工程（図８の符号Ｃ参照）が、第二の冷却工程（図８の符号Ｂ参照）での焼き入れ温度まで冷却されたワークＷに対しその少なくとも外径を径方向に拘束しつつ更に上記焼き入れ温度よりも低い温度まで冷却してマルテンサイト変態を進行させるので、ワークＷに対しその少なくとも外径を径方向に拘束することで、ワークＷを矯正しつつマルテンサイト変態を進行させることができる。そのため、熱処理後の精度（寸法、真円度）、熱処理後の寸法変化を管理して精度を一層向上させることができる。
【００３６】
さらに、上述した拘束焼入れ装置５およびこれを用いた上記拘束焼入れ方法によれば、第一矯正部１０若しくは第二矯正部２０（または第二若しくは第三の冷却工程）において、ワークＷに対しその少なくとも外径を径方向に拘束するので、上記例示した特許文献１に記載のような、加圧ロールでワークを押圧しつつ回転させて矯正する方法に比べて、押圧する力の設定などが不要であり、安定した矯正を行うことができる。
【００３７】
真円度の精度について、上述した拘束焼入れ装置５を用いた上記拘束焼入れ方法（本発明の例）を採用したワークと、比較のため、第三冷却部３での変形矯正を省略した場合の二段階の冷却工程による焼き入れ方法（比較例）を採用したワークとを比較した結果を表１並びに図９および図１０に示す。
【００３８】
【表１】
【００３９】
表１に示すように、本発明の例においては、第三冷却部３での矯正が完了したときの真円度（φ５４．２１μｍ）に対してその後の真円度（φ５５．３０μｍ）がφ１．０９μｍと、真円度の崩れが少なかった。これに対し、比較例おいては、第二冷却工程での矯正が完了したときの真円度（φ５３．３３μｍ）に対してその後の真円度（φ７７．１４μｍ）が大きく、その差がφ２３．８１μｍと真円度が大きく崩れた。このように、本発明の例と比較例とでは、矯正完了時のワーク外径の真円度の精度については同等であるものの、その後の冷却完了時では、比較例において大きく崩れており、一方の本発明の例では、ほとんど崩れていないことがわかる。また、サイクルタイムについても、本発明の例では、冷却工程を３段階に細分化することで、比較例比で３９．４％と大きく短縮することができた。
【００４０】
さらに、図９に示すように、本発明の例と比較例とでは、寸法のばらつきが、比較例（約φ４５μｍ）に対し、本発明例（約φ１５μｍ）と、３３．３％少ないことがわかる。また、図１０に示すように、比較例での矯正方法は、前工程の旋削寸法のばらつきの影響を強く受けしまうのに対し（同図（ａ）参照）、本発明の例では、前工程の旋削寸法のばらつきの影響を受けにくいことが判る（同図（ｂ）参照）。
【００４１】
以上説明したように、上述した拘束焼入れ装置５およびこれを用いた上記拘束焼入れ方法によれば、焼入れ後のワークＷの精度を一層向上させつつも製造コストを抑えることができる（サイクルタイムを短縮することができる）。なお、本発明に係るワークの拘束焼入れ方法およびワークの拘束焼入れ装置は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しなければ種々の変形が可能であることは勿論である。
【００４２】
例えば、上記第一実施形態では、第三冷却部３における矯正が、複数の矯正板全体として凹のテーパ部からなる汎用矯正部２０ｈを内周側に形成してなる、汎用矯正用の第二矯正部２０を用いた例で説明したが、これに限定されず、第二矯正部２０での矯正は、ワークＷに対しその少なくとも外径を径方向に拘束して矯正するものであればよい。例えば図１１に示す第二実施形態のように、第二矯正部２０に替えて、上記第一実施形態での第一矯正部１０と同様の構成の外径専用の矯正型を採用してもよい。なお、この第二実施形態においては、第三冷却部３における冷却媒体として、上記水溶性冷却剤に替えて焼き入れ油を使用し、また、その焼き入れ油の温度としては４０℃（以下）にて供給した。このように、各冷却過程において使用する冷却媒体についても、適宜の変更が可能であり、また、その温度についても、所望する焼き入れ特性に悪影響を及ぼさない範囲であるならば適宜の温度に設定することができる。
【００４３】
また、例えば上記第一実施形態では、専らワークＷの外径の拘束を行う矯正型を第一矯正部１０にて用いた例で説明したが、これに限らず、図１２に示す第三実施形態のように、更に、ワークＷの端面を軸方向に拘束する端面矯正部を（この例では芯出し治具６に）有する構成とすることができる。詳しくは、図１３に示すように、第一矯正部１０と協働する芯出し治具６に対し、その芯出し部となる凸のテーパ面６ｔの基端部に、水平方向に張り出す円環状の鍔部６ｍを形成してもよい。このとき、確実にワークＷの端面に鍔部６ｍが当接するように、凸のテーパ面６ｔの外径は、ワークＷの内径よりも僅かに小さい寸法とすることが好ましい。このような構成によれば、図１４に要部を拡大して示すように、この鍔部６ｍの水平面によって、ワークＷの上側の端面を軸方向から拘束する機能を更に付与することができる。つまり、上記第一実施形態では、ワークＷの形状が単純な円筒状の外形を有するものを想定した例で説明したが、本発明に適用可能なワークＷの形態もこれに限らず、この第三実施形態のように、他の種々の断面形状をもつ環状のワークＷに適用することができる。特に、この第三実施形態の構成は、ワークＷが、薄肉や、円すいころ軸受用の外輪などのように反りが発生し易いものである場合に有効なものである。
【００４４】
また、第三実施形態では、第一冷却部１においても第二冷却部２と同様の鍔部６mを備えた端面矯正機能を有する芯出し治具６を用いている。これにより、円すいころ軸受用外輪や薄肉の円筒状ワークなどでも反りの発生を、より効果的に抑制することができる。
ここで、この第三実施形態の構成を採用した本発明の例と、上記と同様の比較例とを比較した結果の一例を表２に示す。
【００４５】
【表２】
【００４６】
本発明の例と比較例との違いは、上記表１にて説明した例と同様に、本発明の例と比較例とでは矯正完了時のワーク外径の真円度の精度については同等であるものの、その後の冷却完了時では、比較例において大きく崩れている。一方、本発明の例では、ほとんど崩れていないことがわかる。また、この第三実施形態の例で新たに比較した項目である「そり量」についても、比較例においてはφ６０．２１μｍであるのに対し、本発明の例では、φ２０．６７μｍであり、本発明の例の方が優位であることがわかる。この違いは、この第三実施形態の構成で採用した、第一矯正部１０と協働する矯正部となる芯出し治具６の形状を、その凸のテーパ面６ｔの基端部に、端面矯正部として、水平方向に張り出す円環状の鍔部６ｍを形成した点が大きく寄与していると考えられる。
【００４７】
また、更に他の構成例として、例えば図１５に示す第四実施形態のように、上記第二実施形態の構成に対して、更に上記第三実施形態の構成を盛り込んだ構成とすることもできる。つまり、この例では、ワークＷが円すいころ軸受用の外輪などのように反りが発生し易いものであり、芯出し治具６には水平方向に張り出す円環状の鍔部６ｍを形成したものを使用しており、さらに、第三冷却部３の汎用矯正に替えて、第一矯正部１０の外径矯正治具を採用している例である。
【符号の説明】
【００４８】
１ 第一冷却部
２ 第二冷却部
３ 第三冷却部
５ 拘束焼入れ装置
６ 芯出し治具
１０ 第一矯正部
２０ 第二矯正部
４０ 搬送部
５０ 載置台
６０ 搬送路
Ｗ ワーク
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ころがり軸受等に使用される鋼製且つ環状のワークを拘束して矯正しつつ冷却して焼入れする方法およびそのための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ワークの矯正を行って研削工程での工数を抑制する等により、部品を安価に製造することが要求されている。そこで、ワークを矯正しつつ冷却して焼入れする方法やそのための装置が多く提案されている。
このような技術の一例として、例えば特許文献１記載の技術が提案されている。同文献には、焼き入れ時にマルテンサイト変態をともなう鋼製且つ環状のワークを加熱して所定温度に保持した後に、まず、一次冷却工程において、マルテンサイト変態開始温度よりも高い温度まで冷却し、次いで、二次冷却工程において、変形を抑制するための矯正をマルテンサイト変態開始温度よりも低い温度で開始するとともにマルテンサイト変態完了温度（Ｍｆ点）よりも高い温度まで冷却する、という熱処理矯正装置が開示されている。また、同文献での変形矯正方法は、環状のワークの外周面を一対の受けロールに接触させた状態で、一対の受けロールの対向側からワークの外周面を加圧ロールで押圧しつつワークを回転させて矯正して真円度を向上させている。同文献記載の技術のメリットは、二次冷却工程を設けることによって焼き入れ冷却時間を短縮できるとともに、変形矯正方法に汎用性があることである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−８４６０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１記載の技術では、二次冷却工程における焼き入れ温度がマルテンサイト変態完了温度（Ｍｆ点）よりも高いため、二次冷却工程後に寸法精度（寸法、真円度）が悪化するという問題があり、焼入れ後のワークの精度を一層向上させる上で未だ改良の余地がある。
つまり、ころがり軸受等に使用される鋼製且つ環状のワークは、ＳＵＪ２，３材等の炭素鋼からなるが、この種の鋼材は、マルテンサイト変態完了温度（Ｍｆ点）が常温以下である。そのため、焼き入れ完了後に次工程（例えば洗浄工程）でワークの温度が常温以下まで低下すると、マルテンサイト変態が更に進行してしまい寸法精度（寸法、真円度）が悪化するのである。
【０００５】
また、特許文献１記載の技術において、二次冷却工程での変形矯正方法は、ローラを回転させながらワークを押圧して真円度を向上させるものであるが、押圧する力によって矯正後のワークの精度が異なってしまうという問題がある。つまり、押圧する力が弱ければ矯正後のワークの精度が向上しない場合があるし、また、押圧する力が強すぎればワークが座屈したり、最悪の場合には割れたりする可能性がある。そのため、押圧する力の設定には十分な経験が必要である。
【０００６】
そこで、本発明は、このような問題点に着目してなされたものであって、焼入れ後のワークの精度を一層向上させつつも製造コストを抑えることができる（サイクルタイムを短縮することができる）ワークの拘束焼入れ方法および装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る拘束焼入れ装置は、所定温度に加熱された鋼製且つ環状のワークを段階的に冷却して焼き入れする複数の冷却部と、該複数の冷却部で焼き入れ中のワークを必要に応じて拘束して所望の寸法に矯正する矯正部とを備える拘束焼入れ装置であって、焼き入れ時にマルテンサイト変態をともなうワークをマルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ点）よりも高い矯正開始温度まで冷却する第一冷却部と、前記矯正開始温度まで冷却されたワークに対しその少なくとも外径を径方向に拘束して矯正する第一矯正部を有し且つ該第一矯正部で矯正しつつ所定の焼き入れ温度まで冷却する第二冷却部と、前記焼き入れ温度まで冷却されたワークに対しその少なくとも外径を径方向に拘束して矯正する第二矯正部を有し且つ該第二矯正部で矯正しつつ更に前記所定の焼き入れ温度よりも低い温度まで冷却してマルテンサイト変態を進行させる第三冷却部とを備えることを特徴とする。
【０００８】
ここで、本発明の一態様に係る拘束焼入れ装置において、前記第一矯正部が、ワークの外径の拘束に加え、更に、ワークの側面を軸方向に拘束する側面矯正部を有することは好ましい。
また、本発明の一態様に係る拘束焼入れ装置において、前記第二矯正部が、ワークの外径の拘束に加え、更に、ワークのいずれか他の部分を拘束して矯正する汎用矯正部を有することは好ましい。
【０００９】
また、本発明の一態様に係る拘束焼入れ装置において、前記第一冷却部が、ワークのいずれかの部分を拘束して矯正する第三矯正部を更に有することは好ましい。
さらに、上記課題を解決するために、本発明の一態様に係るワークの拘束焼入れ方法は、所定温度に加熱された鋼製且つ環状のワークを段階的に冷却して焼き入れするとともに、その焼き入れ中のワークを必要に応じて拘束して所望の寸法に矯正するワークの拘束焼入れ方法であって、焼き入れ時にマルテンサイト変態をともなうワークをマルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ点）よりも高い矯正開始温度まで冷却する第一の冷却工程と、前記矯正開始温度まで冷却されたワークに対しその少なくとも外径を径方向に拘束して矯正しつつ所定の焼き入れ温度まで冷却する第二の冷却工程と、前記所定の焼き入れ温度まで冷却されたワークに対しその少なくとも外径を径方向に拘束しつつ更に前記焼き入れ温度よりも低い温度まで冷却してマルテンサイト変態を進行させる第三の冷却工程とを含むことを特徴とする。
【００１０】
ここで、本発明の一態様に係るワークの拘束焼入れ方法において、前記第二の冷却工程が、ワークの外径の拘束に加え、更に、ワークの側面を軸方向に拘束することは好ましい。
また、本発明の一態様に係るワークの拘束焼入れ方法において、前記第三の冷却工程が、ワークの外径の拘束に加え、更に、ワークのいずれか他の部分を拘束して矯正することは好ましい。
【００１１】
また、本発明の一態様に係るワークの拘束焼入れ方法において、前記第一の冷却工程が、更に、ワークのいずれかの部分を拘束して矯正することは好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、熱処理品質（熱処理特性、および真円度などの機械的精度）に必要な焼き入れ時間を３段階に細分化するとともに必要に応じた矯正を加える構成としており、特に、本発明の一態様に係る拘束焼入れ装置は、３段階目に対応する第三冷却部が、焼き入れ温度まで冷却された鋼製且つ環状のワークに対しその少なくとも外径を径方向に拘束して矯正する第二矯正部を有し且つ該第二矯正部で矯正しつつ更に第二冷却部での所定の焼き入れ温度よりも低い温度まで冷却してマルテンサイト変態を進行させるので、マルテンサイト変態を矯正金型内（第二矯正部）で進行させることができる。そのため、熱処理後の精度（寸法、真円度）、熱処理後の寸法変化を管理して精度を一層向上させることができる。
【００１３】
また、本発明の一態様に係るワークの拘束焼入れ方法は、３段階目に対応する第三の冷却工程が、第二の冷却工程での焼き入れ温度まで冷却された鋼製且つ環状のワークに対しその少なくとも外径を径方向に拘束しつつ更に所定の焼き入れ温度よりも低い温度まで冷却してマルテンサイト変態を進行させるので、ワークに対しその少なくとも外径を径方向に拘束することで、上記装置の発明同様に、ワークを矯正しつつマルテンサイト変態を進行させることができる。そのため、熱処理後の精度（寸法、真円度）、熱処理後の寸法変化を管理して精度を一層向上させることができる。
【００１４】
さらに、本発明によれば、第一若しくは第二矯正部または第二若しくは第三の冷却工程において、ワークに対しその少なくとも外径を径方向に拘束するので、上記例示した特許文献１に記載のような、加圧ロールでワークを押圧しつつ回転させて矯正する方法に比べて、押圧する力の設定などが不要であり、安定した矯正を行うことができる。
よって、本発明によれば、焼入れ後のワークの精度を一層向上させつつも製造コストを抑えることができる（サイクルタイムを短縮することができる）。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一態様に係る拘束焼入れ装置の第一実施形態を説明する概略構成図であり、同図（ａ）はその正面図（一部を搬送方向に沿った軸線を含む面で破断して示す）、（ｂ）は各冷却部の備える搬送部の平面図である。
【図２】図１の各冷却部が備えるワーク載置台（冷却機構部）を説明する概略構成図である。
【図３】芯出し治具を説明する断面図である。
【図４】外径矯正治具を説明する断面図である。
【図５】ワークを矯正している状態を説明する要部拡大図である。
【図６】汎用矯正用治具を説明する斜視図（下方（ワーク載置台側）より見る）である。
【図７】本発明の一態様に係るワークの拘束焼入れ方法を説明する工程フロー図である。
【図８】冷却時間に対するワークの寸法変化の関係を示すグラフであり、同図には、本発明の一態様に係るワークの拘束焼入れ方法で採用する３つの冷却工程の期間を併せて図示している。
【図９】外径寸法の精度に対し、本発明例と比較例（従来）とを比較して示す図である。
【図１０】前工程の旋削寸法のバラツキに対して、本発明例と比較例（従来）とを比較して示す図である。
【図１１】本発明の一態様に係る拘束焼入れ装置の他の例（第二実施形態）を説明する工程フロー図である。
【図１２】本発明の一態様に係る拘束焼入れ装置の他の例（第三実施形態）を説明する工程フロー図である。
【図１３】第三実施形態で採用する芯出し治具（鍔付き）を説明する断面図である。
【図１４】第三実施形態での、ワークを矯正している状態を説明する要部拡大図である。
【図１５】本発明の一態様に係る拘束焼入れ装置の他の例（第四実施形態）を説明する工程フロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の一態様に係る拘束焼入れ装置およびこれを用いたワークの拘束焼入れ方法の実施形態について、図面を適宜参照しつつ説明する。
まず、本発明の一態様に係る拘束焼入れ装置の第一実施形態について説明する。
図１に示すように、この拘束焼入れ装置５は、搬送方向に離隔する複数の搬送路６０を有し、隣接する搬送路６０同士の間には、３つの冷却部１，２，３がそれぞれ配置されている。この例では、搬送方向の上流側から順に、第一冷却部１、第二冷却部２および第三冷却部３となっている。
【００１７】
各冷却部１，２，３は、ワークＷを搬送するための搬送部４０と、ワークＷの搬送路６０の上面よりも下方に配置された載置台５０とをそれぞれ有する。ここで、本実施形態のワークＷは、焼き入れ時にマルテンサイト変態をともなう鋼製且つ環状のものであり、特に、この第一実施形態では、ワークの形状が単純な円筒状の外形を有するものを想定した例である。
【００１８】
搬送部４０は、ワークＷを当接させる略Ｖ字状の凹部４０ｖを有する搬送腕４０ａを備え（同図（ｂ）参照）、この搬送腕４０ａが、不図示のスライド移動機構によって、ワークＷを、搬送方向に沿ったスライド移動により載置台５０の中央まで移動させるように構成されている。また、この搬送部４０は、不図示の回転機構を更に備え、この回転機構によって、搬送腕を９０度回動させることで、搬送腕を、搬送路６０の上面に対して水平な搬送姿勢Ｈと、搬送路６０の上面に対して垂直な待避姿勢Ｖとにそれぞれ位置させるようになっている。
【００１９】
載置台５０は、図２に示すように、平面視が円形の座面５１を有し、この座面５１上に搬送部４０によって搬送されたワークＷが載置される。座面５１の中央にはノズル５２が配置されている。また、座面５１の全周は、円環状の側壁５３によって囲まれており、座面５１と側壁５３との間によって形成された隙間が冷却媒体の排出孔５４になっている。
側壁５３は、その上部にスライド部５３ｓを有する。このスライド部５３ｓは、上下方向（同図に示す矢印の方向）に摺動可能であり、スライド部５３ｓが下方に移動したときには上端部５３ｔが座面５１の表面及び搬送路６０の表面と面一になる位置まで下降する。また、スライド部が上方に移動したときには座面の表面５１ｓ（ワークＷが載置される面）及び側壁５３の内面５３ｎによって座面５１の周囲を取り囲む焼入れ槽（冷却手段）が形成される。このとき、側壁５３のスライド部５３ｓが上方に摺動したときのスライド部５３ｓの上端部５３ｔの高さは、少なくとも座面５１に載置されたワークＷの上部よりも高く設定されている。なお、座面５１の表面５１ｓには、載置されたワークＷの中心軸ＣＬにほぼ同軸となる位置から放射状に溝５５が形成されている。この溝５５は、焼入れ槽に充填された冷却媒体をワークＷの下面に接触させるために設けられる。
【００２０】
そして、上記ノズル５２は、冷却媒体を貯留した不図示の貯留槽などに連結されており、このノズル５２から、座面５１に対して側壁５３が上方に摺動したことで形成される焼入れ槽に冷却媒体を充填するようになっている。そして、焼入れ槽から排出孔５４を通って排出された冷却媒体は、ポンプなどによって前述の貯留槽に循環される構成になっている。冷却媒体としては、焼入れ油や、水溶性冷却剤が挙げられる。
【００２１】
更に、この第一実施形態の例では、図１に示すように、第一冷却部１は、自身の載置台５０上方に、上下方向にスライド移動可能に配置され、ワークＷの芯出しおよびノックアウトを行う（また、更に平面矯正を行うことも可能）ための芯出し治具６を有する。また、第二冷却部２は、自身の載置台５０上方に、上下方向にスライド移動可能に配置された芯出し治具６およびこの芯出し治具６と同軸に設けられた第一矯正部１０を有する。さらに、第三冷却部３は、自身の載置台５０上方に、上下方向にスライド移動可能に配置された第二矯正部２０を有する。
【００２２】
詳しくは、芯出し治具６は、図３に示すように、載置台５０上の中心軸線ＣＬと同軸に設けられた下方に凸のテーパ面６ｔを有する円錐台部６ｄを先端部に備えている。この円錐台部６ｄには、中心軸線ＣＬから放射状に複数のスリット６ｓが形成されており、この複数のスリット６ｓに、上記冷却媒体を通すことができるようになっている。
なお、この芯出し治具６は、ワークＷが、例えば円すいころ軸受の外輪である場合には（後述する第三実施形態参照）、凸のテーパ面６ｔのテーパ角度を、円すいころ軸受の外輪の内周面のテーパ角度と同じ角度とすることが好ましい。このように、芯出し治具６は、ワークＷの形状に応じて芯出し治具６の形状を適宜に変更することができる。但し、芯出し治具６の形状を適宜に変更する場合であっても、ワークＷの円滑な芯出しを行うために、先端部を下方に凸のテーパ面６ｔを有する円錐台部６ｄを備える構成とすることは必要である。なお、テーパ面６ｔは直線状に限らず、円弧状等、曲線状であってもよい。
【００２３】
次に、第一矯正部１０は、図４に示すように、載置台５０上の中心軸線ＣＬと同軸に設けられた円筒状の部材であり、先端部の内周面がワークＷの外周面の矯正部１０ｎになっている。この矯正部１０ｎの先端側の内端は、下方に向けて拡径するテーパ面１０ｔが形成されており、第一矯正部１０を上方から下降させてワークＷの外周面と嵌合させる際に、第一矯正部１０を円滑にワークＷの外周面に挿入可能になっている。
図５に、円筒状のワークＷを、第一矯正部１０により拘束した状態におけるワークＷ、第一矯正部１０および芯出し治具６の様子を要部拡大図で示す。
【００２４】
次に、第二矯正部２０は、図６に斜視図を示すように、上部の円盤状部２０ｅと、この円盤状部２０ｅの下方の面に対して設けられた複数の矯正板２０ｋを有している。複数（この例では１２枚）の矯正板２０ｋは、上記芯出し治具６および第一矯正部１０と同様に、載置台５０上の中心軸線ＣＬを中心として放射状に等配されている。各矯正板２０ｋは同一形状であり、それぞれの内周側の面に下方に向けて拡径する斜面２０ｓを有することで、複数の矯正板全体として凹のテーパ部からなる汎用矯正部２０ｈを内周側に形成している。なお、汎用矯正とは、ワークの外径の拘束に加え、更に、ワークのいずれか他の部分を拘束して矯正可能なものであり、特に、ワークＷの外径および端面（平面）を同時に矯正可能なことをいう。これにより、種々のワークサイズに対応可能となり、その分、矯正部のセット替えが楽になる。特に、後述するワークの拘束焼入れ方法において、第三の冷却工程ではワークＷを矯正しない場合の寸法の変化も少ないため、汎用矯正で十分な場合がある。第三の冷却工程で、より厳格な矯正が必要な場合には、専用の外径矯正型とした第二矯正部２０を使用すればよい。
【００２５】
ここで、上記芯出し治具６、第一矯正部１０および第二矯正部２０の矯正部分の寸法を決定するに際しては、ワークＷの経時的な寸法変化の情報に基づいて決定する。つまり、ワークＷの経時的な寸法変化の情報は、ワークＷの材質、径、肉厚、幅、形状などで変化するので、図８に示す、ワークＷを拘束しない場合における冷却に伴うワークＷの寸法変化の様子を示すグラフのように、特定のワーク毎にこれを測定する。そして、上記の第一矯正部１０や第二矯正部２０などの矯正金型をワークＷに対して挿抜する時間やタイミング、およびワークＷに対する矯正金型の寸法などを、予めサンプリングした寸法変化情報に基づいて決定する。
【００２６】
より詳しくは、本実施形態においては、図８に示す寸法変化の情報から、同図でワーク寸法が極小点ｌａを示すときの寸法を「最適金型寸法」として第一矯正部１０や第二矯正部２０などの各部寸法を設定する。この極小点ｌａのときの時間ｔａを「最適金型挿入タイミング」とし、ワーク寸法が所定時間安定したときの時間ｔｂを「最適冷却時間」としている。ここで、この「ワーク寸法が所定時間安定」とは、マルテンサイト変態が停止したとみなせる状態を指す。例えば、１０秒間のサンプリング期間でのサンプリング平均変化率が寸法マスターの０．０１％以下になった状態を指す。これは、焼き入れ油の温度制御の精度が±５℃であり、ワークと焼き入れ油との温度差が１０℃のとき、ワークの寸法変化がワークの直径の０．０１％程度となることが知られていることから、マルテンサイト変態による寸法変化の測定限界以下となるワークの直径の０．０１％でマルテンサイト変態が停止したとみなすことができるからである。
【００２７】
次に、上記拘束焼入れ装置５を用いたワークの拘束焼入れ方法について、図７および図８等を適宜参照しつつ説明する。このワークの拘束焼入れ方法は、焼き入れ時にマルテンサイト変態をともなう鋼製で環状に形成されているワークＷを、段階的に冷却して焼き入れするとともに、その焼き入れ中に必要に応じて拘束して所望の寸法に矯正するものである。
【００２８】
詳しくは、まず、図７（ａ）に示すように、ワークＷが、上流工程の加熱炉において所定温度に加熱され、その後に、同図（ｂ）に示すように、第一冷却部１において第一の冷却工程が行われる。
この第一の冷却工程では、ワークＷが、第一冷却部１用の搬送部４０（図１参照）により搬送路６０を搬送され、第一冷却部１の載置台５０上に載置される。次いで、側壁５３のスライド部５３ｓが下方から上方に移動して焼入れ槽が画成されるとともに、上方から芯出し治具６が降下され、ワークＷの芯出しがなされる。次いで、ノズル５２から冷却媒体が供給されると焼入れ槽内に冷却媒体が満たされる。この際の冷却媒体としては例えば焼き入れ油が好ましく、また、焼き入れ油の温度としては６０℃が好適である。
【００２９】
ここで、この第一冷却部１での第一の冷却工程では、ワークをマルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ点）よりも高い矯正開始温度まで冷却する（図８の符号Ａ参照）。そして、ワークＷが、マルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ点）よりも高い矯正開始温度まで冷却されると、ノズル５２からの冷却媒体の供給が中止され、芯出し治具６が上方に離隔するとともに、側壁５３のスライド部が上方から下方に移動する。なお、この第一冷却部１での第一の冷却工程において、上記芯出し治具６を矯正部を兼ねて使用し、ワークＷのいずれかの部分を拘束して矯正するようにしてもよい。
その後に、搬送方向下流側の、第二冷却部２において第二の冷却工程が行われる。この第二の冷却工程では、ワークＷが、第二冷却部２用の搬送部４０（図１参照）により搬送路６０を搬送され、図７（ｃ）に示すように、第二冷却部２の載置台５０上に載置される。
【００３０】
次いで、側壁５３のスライド部５３ｓが下方から上方に移動して焼入れ槽が画成されるとともに、上方から芯出し治具６およびこれと同軸の第一矯正部１０がこの順に降下され、ワークＷの芯出しおよびワークＷの外径の拘束がなされる。次いで、ノズル５２から冷却媒体が供給されると焼入れ槽内に冷却媒体が満たされる。この際の冷却媒体としては例えば焼き入れ油が好ましく、また、焼き入れ油の温度としては６０℃が好適である。
【００３１】
ここで、この第二冷却部２での第二の冷却工程では、矯正開始温度まで冷却されたワークＷに対しその外径を径方向に拘束して矯正しつつ焼き入れ温度まで冷却する（図８の符号Ｂ参照）。そして、ワークＷが、焼き入れ温度において所定の時間だけ保持されると、ノズル５２からの冷却媒体の供給が中止され、芯出し治具６および第一矯正部１０が上方に離隔するとともに、側壁５３のスライド部が上方から下方に移動する。
その後に、搬送方向下流側の、第三冷却部３において第三の冷却工程が行われる。この第三の冷却工程では、ワークＷが、第三冷却部３用の搬送部４０（図１参照）により搬送路６０を搬送され、図７（ｄ）に示すように、第三冷却部３の載置台５０上に載置される。
【００３２】
次いで、側壁５３のスライド部が下方から上方に移動して焼入れ槽が画成されるとともに、上方から第二矯正部２０が降下され、ワークＷの芯出しおよびワークの外径および端部の拘束が同時になされる。次いで、ノズル５２から冷却媒体が供給されると焼入れ槽内に冷却媒体が満たされる。この際の冷却媒体としては例えば水溶性冷却剤が好ましく、また、この水溶性冷却剤の温度としては３０℃が好適である。
【００３３】
ここで、この第三冷却部３での第三の冷却工程では、上記第二の冷却工程で焼き入れ温度まで冷却されたワークＷに対しその少なくとも外径を径方向に拘束しつつ更に上記の焼き入れ温度よりも低い温度まで冷却してマルテンサイト変態を進行させる（図８の符号Ｃ参照）。
そして、ワークＷが、上記の焼き入れ温度よりも低い温度まで冷却されてマルテンサイト変態が十分に進行するのに必要な所定の時間（図８の符号Ｔｂに至るまでの時間）だけ保持されると、ノズル５２からの冷却媒体の供給が中止され、第二矯正部２０が上方に離隔するとともに、側壁５３のスライド部５３ｓが上方から下方に移動する。そして、図７（ｅ）に示すように、不図示の搬送装置によってワークＷが次工程（例えば洗浄工程）に搬送される。
【００３４】
次に、上述した拘束焼入れ装置５およびこれを用いた上記拘束焼入れ方法の作用効果について説明する。
この拘束焼入れ装置５およびこれを用いた上記拘束焼入れ方法によれば、熱処理品質（熱処理特性、および真円度などの機械的精度）に必要な焼き入れ時間を３段階に細分化するとともに必要に応じた矯正を加える構成としており、特に、拘束焼入れ装置５は、３段階目に対応する第三冷却部３が、焼き入れ温度まで冷却されたワークＷに対しその外径を径方向に拘束して矯正する第二矯正部２０を有し、且つこの第二矯正部２０で矯正しつつ更に第二冷却部２での焼き入れ温度よりも低い温度までワークＷを冷却してマルテンサイト変態を進行させるので、マルテンサイト変態を矯正金型内（第二矯正部２０）で更に進行させることができる。そのため、熱処理後の精度（寸法、真円度）、熱処理後の寸法変化を管理して精度を一層向上させることができる。
【００３５】
また、この拘束焼入れ装置５を用いた拘束焼入れ方法は、３段階目に対応する第三の冷却工程（図８の符号Ｃ参照）が、第二の冷却工程（図８の符号Ｂ参照）での焼き入れ温度まで冷却されたワークＷに対しその少なくとも外径を径方向に拘束しつつ更に上記焼き入れ温度よりも低い温度まで冷却してマルテンサイト変態を進行させるので、ワークＷに対しその少なくとも外径を径方向に拘束することで、ワークＷを矯正しつつマルテンサイト変態を進行させることができる。そのため、熱処理後の精度（寸法、真円度）、熱処理後の寸法変化を管理して精度を一層向上させることができる。
【００３６】
さらに、上述した拘束焼入れ装置５およびこれを用いた上記拘束焼入れ方法によれば、第一矯正部１０若しくは第二矯正部２０（または第二若しくは第三の冷却工程）において、ワークＷに対しその少なくとも外径を径方向に拘束するので、上記例示した特許文献１に記載のような、加圧ロールでワークを押圧しつつ回転させて矯正する方法に比べて、押圧する力の設定などが不要であり、安定した矯正を行うことができる。
【００３７】
真円度の精度について、上述した拘束焼入れ装置５を用いた上記拘束焼入れ方法（本発明の例）を採用したワークと、比較のため、第三冷却部３での変形矯正を省略した場合の二段階の冷却工程による焼き入れ方法（比較例）を採用したワークとを比較した結果を表１並びに図９および図１０に示す。
【００３８】
【表１】
【００３９】
表１に示すように、本発明の例においては、第三冷却部３での矯正が完了したときの真円度（φ５４．２１μｍ）に対してその後の真円度（φ５５．３０μｍ）がφ１．０９μｍと、真円度の崩れが少なかった。これに対し、比較例おいては、第二冷却工程での矯正が完了したときの真円度（φ５３．３３μｍ）に対してその後の真円度（φ７７．１４μｍ）が大きく、その差がφ２３．８１μｍと真円度が大きく崩れた。このように、本発明の例と比較例とでは、矯正完了時のワーク外径の真円度の精度については同等であるものの、その後の冷却完了時では、比較例において大きく崩れており、一方の本発明の例では、ほとんど崩れていないことがわかる。また、サイクルタイムについても、本発明の例では、冷却工程を３段階に細分化することで、比較例比で３９．４％と大きく短縮することができた。
【００４０】
さらに、図９に示すように、本発明の例と比較例とでは、寸法のばらつきが、比較例（約φ４５μｍ）に対し、本発明例（約φ１５μｍ）と、３３．３％少ないことがわかる。また、図１０に示すように、比較例での矯正方法は、前工程の旋削寸法のばらつきの影響を強く受けしまうのに対し（同図（ａ）参照）、本発明の例では、前工程の旋削寸法のばらつきの影響を受けにくいことが判る（同図（ｂ）参照）。
【００４１】
以上説明したように、上述した拘束焼入れ装置５およびこれを用いた上記拘束焼入れ方法によれば、焼入れ後のワークＷの精度を一層向上させつつも製造コストを抑えることができる（サイクルタイムを短縮することができる）。なお、本発明に係るワークの拘束焼入れ方法およびワークの拘束焼入れ装置は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しなければ種々の変形が可能であることは勿論である。
【００４２】
例えば、上記第一実施形態では、第三冷却部３における矯正が、複数の矯正板全体として凹のテーパ部からなる汎用矯正部２０ｈを内周側に形成してなる、汎用矯正用の第二矯正部２０を用いた例で説明したが、これに限定されず、第二矯正部２０での矯正は、ワークＷに対しその少なくとも外径を径方向に拘束して矯正するものであればよい。例えば図１１に示す第二実施形態のように、第二矯正部２０に替えて、上記第一実施形態での第一矯正部１０と同様の構成の外径専用の矯正型を採用してもよい。なお、この第二実施形態においては、第三冷却部３における冷却媒体として、上記水溶性冷却剤に替えて焼き入れ油を使用し、また、その焼き入れ油の温度としては４０℃（以下）にて供給した。このように、各冷却過程において使用する冷却媒体についても、適宜の変更が可能であり、また、その温度についても、所望する焼き入れ特性に悪影響を及ぼさない範囲であるならば適宜の温度に設定することができる。
【００４３】
また、例えば上記第一実施形態では、専らワークＷの外径の拘束を行う矯正型を第一矯正部１０にて用いた例で説明したが、これに限らず、図１２に示す第三実施形態のように、更に、ワークＷの端面を軸方向に拘束する端面矯正部を（この例では芯出し治具６に）有する構成とすることができる。詳しくは、図１３に示すように、第一矯正部１０と協働する芯出し治具６に対し、その芯出し部となる凸のテーパ面６ｔの基端部に、水平方向に張り出す円環状の鍔部６ｍを形成してもよい。このとき、確実にワークＷの端面に鍔部６ｍが当接するように、凸のテーパ面６ｔの外径は、ワークＷの内径よりも僅かに小さい寸法とすることが好ましい。このような構成によれば、図１４に要部を拡大して示すように、この鍔部６ｍの水平面によって、ワークＷの上側の端面を軸方向から拘束する機能を更に付与することができる。つまり、上記第一実施形態では、ワークＷの形状が単純な円筒状の外形を有するものを想定した例で説明したが、本発明に適用可能なワークＷの形態もこれに限らず、この第三実施形態のように、他の種々の断面形状をもつ環状のワークＷに適用することができる。特に、この第三実施形態の構成は、ワークＷが、薄肉や、円すいころ軸受用の外輪などのように反りが発生し易いものである場合に有効なものである。
【００４４】
また、第三実施形態では、第一冷却部１においても第二冷却部２と同様の鍔部６mを備えた端面矯正機能を有する芯出し治具６を用いている。これにより、円すいころ軸受用外輪や薄肉の円筒状ワークなどでも反りの発生を、より効果的に抑制することができる。
ここで、この第三実施形態の構成を採用した本発明の例と、上記と同様の比較例とを比較した結果の一例を表２に示す。
【００４５】
【表２】
【００４６】
本発明の例と比較例との違いは、上記表１にて説明した例と同様に、本発明の例と比較例とでは矯正完了時のワーク外径の真円度の精度については同等であるものの、その後の冷却完了時では、比較例において大きく崩れている。一方、本発明の例では、ほとんど崩れていないことがわかる。また、この第三実施形態の例で新たに比較した項目である「そり量」についても、比較例においてはφ６０．２１μｍであるのに対し、本発明の例では、φ２０．６７μｍであり、本発明の例の方が優位であることがわかる。この違いは、この第三実施形態の構成で採用した、第一矯正部１０と協働する矯正部となる芯出し治具６の形状を、その凸のテーパ面６ｔの基端部に、端面矯正部として、水平方向に張り出す円環状の鍔部６ｍを形成した点が大きく寄与していると考えられる。
【００４７】
また、更に他の構成例として、例えば図１５に示す第四実施形態のように、上記第二実施形態の構成に対して、更に上記第三実施形態の構成を盛り込んだ構成とすることもできる。つまり、この例では、ワークＷが円すいころ軸受用の外輪などのように反りが発生し易いものであり、芯出し治具６には水平方向に張り出す円環状の鍔部６ｍを形成したものを使用しており、さらに、第三冷却部３の汎用矯正に替えて、第一矯正部１０の外径矯正治具を採用している例である。
【符号の説明】
【００４８】
１ 第一冷却部
２ 第二冷却部
３ 第三冷却部
５ 拘束焼入れ装置
６ 芯出し治具
１０ 第一矯正部
２０ 第二矯正部
４０ 搬送部
５０ 載置台
６０ 搬送路
Ｗ ワーク
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定温度に加熱された鋼製且つ環状のワークを段階的に冷却して焼き入れする複数の冷却部と、該複数の冷却部で焼き入れ中のワークを必要に応じて拘束して所望の寸法に矯正する矯正部とを備える拘束焼入れ装置であって、
焼き入れ時にマルテンサイト変態をともなうワークをマルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ点）よりも高い矯正開始温度まで冷却する第一冷却部と、前記矯正開始温度まで冷却されたワークに対しその少なくとも外径を径方向に拘束して矯正する第一矯正部を有し且つ該第一矯正部で矯正しつつ所定の焼き入れ温度まで冷却する第二冷却部と、前記焼き入れ温度まで冷却されたワークに対しその少なくとも外径を径方向に拘束して矯正する第二矯正部を有し且つ該第二矯正部で矯正しつつ更に前記所定の焼き入れ温度よりも低い温度まで冷却してマルテンサイト変態を進行させる第三冷却部とを備えることを特徴とする拘束焼入れ装置。
【請求項２】
前記第一矯正部は、ワークの外径の拘束に加え、更に、ワークの端面を軸方向に拘束する端面矯正部を有することを特徴とする請求項１に記載の拘束焼入れ装置。
【請求項３】
前記第二矯正部は、ワークの外径の拘束に加え、更に、ワークのいずれか他の部分を拘束して矯正する汎用矯正部を有することを特徴とする請求項１または２に記載の拘束焼入れ装置。
【請求項４】
前記第一冷却部が、ワークのいずれかの部分を拘束して矯正する第三矯正部を更に有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の拘束焼入れ装置。
【請求項５】
所定温度に加熱された鋼製且つ環状のワークを段階的に冷却して焼き入れするとともに、その焼き入れ中のワークを必要に応じて拘束して所望の寸法に矯正するワークの拘束焼入れ方法であって、
焼き入れ時にマルテンサイト変態をともなうワークをマルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ点）よりも高い矯正開始温度まで冷却する第一の冷却工程と、前記矯正開始温度まで冷却されたワークに対しその少なくとも外径を径方向に拘束して矯正しつつ所定の焼き入れ温度まで冷却する第二の冷却工程と、前記所定の焼き入れ温度まで冷却されたワークに対しその少なくとも外径を径方向に拘束しつつ更に前記焼き入れ温度よりも低い温度まで冷却してマルテンサイト変態を進行させる第三の冷却工程とを含むことを特徴とするワークの拘束焼入れ方法。
【請求項６】
前記第二の冷却工程が、ワークの外径の拘束に加え、更に、ワークの側面を軸方向に拘束することを特徴とする請求項５に記載のワークの拘束焼入れ方法。
【請求項７】
前記第三の冷却工程が、ワークの外径の拘束に加え、更に、ワークのいずれか他の部分を拘束して矯正することを特徴とする請求項５または６に記載のワークの拘束焼入れ方法。
【請求項８】
前記第一の冷却工程が、更に、ワークのいずれかの部分を拘束して矯正することを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載のワークの拘束焼入れ方法。
【請求項１】
所定温度に加熱された鋼製且つ環状のワークを段階的に冷却して焼き入れする複数の冷却部と、該複数の冷却部で焼き入れ中のワークを必要に応じて拘束して所望の寸法に矯正する矯正部とを備える拘束焼入れ装置であって、
焼き入れ時にマルテンサイト変態をともなうワークをマルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ点）よりも高い矯正開始温度まで冷却する第一冷却部と、前記矯正開始温度まで冷却されたワークに対しその少なくとも外径を径方向に拘束して矯正する第一矯正部を有し且つ該第一矯正部で矯正しつつ所定の焼き入れ温度まで冷却する第二冷却部と、前記焼き入れ温度まで冷却されたワークに対しその少なくとも外径を径方向に拘束して矯正する第二矯正部を有し且つ該第二矯正部で矯正しつつ更に前記所定の焼き入れ温度よりも低い温度まで冷却してマルテンサイト変態を進行させる第三冷却部とを備えることを特徴とする拘束焼入れ装置。
【請求項２】
前記第一矯正部は、ワークの外径の拘束に加え、更に、ワークの端面を軸方向に拘束する端面矯正部を有することを特徴とする請求項１に記載の拘束焼入れ装置。
【請求項３】
前記第二矯正部は、ワークの外径の拘束に加え、更に、ワークのいずれか他の部分を拘束して矯正する汎用矯正部を有することを特徴とする請求項１または２に記載の拘束焼入れ装置。
【請求項４】
前記第一冷却部が、ワークのいずれかの部分を拘束して矯正する第三矯正部を更に有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の拘束焼入れ装置。
【請求項５】
所定温度に加熱された鋼製且つ環状のワークを段階的に冷却して焼き入れするとともに、その焼き入れ中のワークを必要に応じて拘束して所望の寸法に矯正するワークの拘束焼入れ方法であって、
焼き入れ時にマルテンサイト変態をともなうワークをマルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ点）よりも高い矯正開始温度まで冷却する第一の冷却工程と、前記矯正開始温度まで冷却されたワークに対しその少なくとも外径を径方向に拘束して矯正しつつ所定の焼き入れ温度まで冷却する第二の冷却工程と、前記所定の焼き入れ温度まで冷却されたワークに対しその少なくとも外径を径方向に拘束しつつ更に前記焼き入れ温度よりも低い温度まで冷却してマルテンサイト変態を進行させる第三の冷却工程とを含むことを特徴とするワークの拘束焼入れ方法。
【請求項６】
前記第二の冷却工程が、ワークの外径の拘束に加え、更に、ワークの側面を軸方向に拘束することを特徴とする請求項５に記載のワークの拘束焼入れ方法。
【請求項７】
前記第三の冷却工程が、ワークの外径の拘束に加え、更に、ワークのいずれか他の部分を拘束して矯正することを特徴とする請求項５または６に記載のワークの拘束焼入れ方法。
【請求項８】
前記第一の冷却工程が、更に、ワークのいずれかの部分を拘束して矯正することを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載のワークの拘束焼入れ方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１３−２３７５１（Ｐ２０１３−２３７５１Ａ）
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６１９１９（Ｐ２０１１−１６１９１９）
【出願日】平成２３年７月２５日（２０１１．７．２５）
【出願人】（０００００４２０４）日本精工株式会社 (8,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２５日（２０１１．７．２５）
【出願人】（０００００４２０４）日本精工株式会社 (8,378)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]