誘導加熱による大型歯車の高品質歯面焼入れの実現
製造業において、大型歯車は重機、風力タービン、産業機器など様々な用途で重要な役割を果たしています。その耐久性と性能を確保するためには、歯車の歯に焼入れ処理を施すことが不可欠です。大型歯車の歯面硬化を実現する最も効果的な方法の1つが誘導加熱です。
誘導加熱 は、電磁誘導を利用して歯車の歯面を急速に加熱するプロセスである。コイルに高周波の交流電流を流すと磁場が発生し、歯車の歯面に渦電流が誘導されます。この渦電流が局所的な加熱を生み出し、個々の歯の精密かつ制御された硬化を可能にします。
誘導加熱による歯ごとの焼入れは、他の焼入れ方法に比べていくつかの利点があります。まず、ギアの歯全体に均一な硬度分布が確保され、耐摩耗性と耐荷重性が向上します。これは、高荷重や過酷な使用条件にさらされる大型ギアにとって特に重要です。
第二に、誘導加熱は選択的硬化を可能にします。つまり、ギアの歯だけが加熱され、ギアの他の部分は比較的影響を受けません。これにより、ギヤ全体を加熱する他の熱処理方法で起こり得る歪みや反りのリスクを最小限に抑えることができます。加熱プロセスを正確に制御することで、狙った硬化が可能となり、高品質で寸法安定性の高いギアが得られます。
高周波焼入れ 小型、中型、大型歯車の高周波焼入れは、歯1枚1枚を焼入れする方法と、歯1枚1枚を焼入れする方法があります。ギヤのサイズ、要求される硬度パターン、形状によって、ギヤ全体をコイルで包囲して高周波焼入れする方法（いわゆる「ギヤのスピン焼入れ」）と、より大きなギヤの場合は、「歯ごと」に加熱する方法があり、より精密な焼入れ結果が得られますが、処理速度はかなり遅くなります。
大型歯車の歯面焼入れ
歯1本1本の方法には、2つの方法がある：
「チップ・バイ・チップ "は、シングルショット加熱モードまたはスキャニング・モードを適用し、インダクターが1本の歯のボディを取り囲む。この方法は、必要な疲労強度と衝撃強度が得られないため、ほとんど使用されていません。
より一般的な「ギャップ・バイ・ギャップ」硬化技術は、スキャニング・モードのみを適用する。これは、インダクターを隣接する歯の2つの側面の間に対称的に配置する必要があります。インダクターの走査速度は、通常6mm/秒から9mm/秒の範囲内です。
使用されるスキャン技術は2つある：
- インダクタは固定され、ギアは可動である。
- ギアが固定でインダクターが可動（大型ギアを焼入れする場合によく使用されます。）
誘導硬化インダクタ
インダクタの形状は、歯の形状と要求される硬度パターンによって決まります。インダクターは、歯根および/または歯面のみを加熱し、歯先と歯芯は柔らかく、強靭で延性があるように設計することができます。
シミュレーションは過熱防止に役立つ
歯ごとの歯車硬化プロセスを開発する場合、電磁的な端部/端部効果と、歯車の端部領域に必要なパターンを提供する能力に特に注意を払う必要があります。
歯車の歯を走査すると、温度は歯根と歯面内で一様に分布します。同時に，渦電流は側面と特に歯先を通って戻るので，特にスキャン硬化の最初と最後には，歯先領域の過熱を防ぐために適切な注意を払う必要があります．プロセスを開発する前にシミュレーションを行うことで、このような望ましくない影響を防ぐことができます。
シミュレーション例
12kHzで歯ごとの歯車硬化ケースをスキャン。
スプレー冷却もシミュレートされるが、結果画像では見えない。冷却効果は、2つのティースの上面と側面に適用され、冷却ゾーンはインダクタに続いて移動します。
グレー色の3D硬化プロファイル：
2D硬化プロファイル垂直スライス：CENOSでは、ギヤの終端付近でパワーを下げたり、スイッチを切ったりしないと、硬化したプロファイルがどのように深くなるかを簡単に視覚化することができます。 
ギアの電流密度：
さらに、誘導加熱は急速な加熱と冷却が可能なため、従来の方法に比べて全体的な処理時間を短縮することができます。これは、生産効率の向上とコスト削減に役立つため、特に大型歯車に有利です。
誘導加熱を使用して大型歯車の歯面硬化を行うには、専用の装置が必要です。誘導加熱システムは通常、電源、コイルまたはインダクタ、および冷却システムで構成されています。ギアはコイル内に配置され、電源が作動して必要な熱が発生します。電力、周波数、加熱時間などのプロセス・パラメータは、所望の硬度プロファイルを達成するために慎重に制御される。
結論として、誘導加熱を使用した大型歯車の歯ごとの硬化は、非常に効果的で効率的な方法です。均一な硬度分布、選択的な硬化、迅速な加工時間を確保し、高品質で耐久性のある歯車を得ることができます。大型歯車の製造に携わっている方は、歯面ごとの焼入れに誘導加熱の導入を検討することで、製品の性能と寿命を大幅に向上させることができます。
