JP2011001575A

JP2011001575A - 高周波焼入方法

Info

Publication number: JP2011001575A
Application number: JP2009143868A
Authority: JP
Inventors: Junji Minoue; 潤二己之上; Tetsumasa Watanabe; 哲正渡邊; Masahiro Inoue; 昌大井上
Original assignee: Fuji Electronics Industry Co Ltd
Current assignee: Fuji Electronics Industry Co Ltd
Priority date: 2009-06-17
Filing date: 2009-06-17
Publication date: 2011-01-06

Abstract

【課題】ワークの温度上昇が鈍化した後も、ワークを効率よく加熱可能な高周波焼入方法の提供を目的とする。
【解決手段】ワーク５に誘導加熱コイル６を対向配置し、当該誘導加熱コイル６に高周波電流を通じることにより、ワーク５に高周波誘導電流を生じさせ、ワーク５を焼入れする高周波焼入方法において、ワーク５の温度が所定温度に到達する及び／又は通電時間が所定時間を経過すると通電を中断し、誘導加熱コイル６に並列にコンデンサｃ１〜ｃ３のいずれか又は全部を追加接続した後、通電が再開される。
【選択図】図１

Description

本発明は、高周波誘導加熱によって金属の被加熱物であるワークを、効率よく昇温させることが可能な高周波焼入方法に関するものである。

高周波誘導加熱焼入は、誘導コイルにワーク（被加熱物）を対向配置し、誘導コイルに高周波電流を流すことによってワークの表面に誘導電流を生じさせる。誘導電流はワークの電気的な抵抗等によって熱エネルギーとなって損失し、発熱する。
高周波誘導加熱焼入は、ワークを非接触で加熱することができ、ワーク自体が発熱するため、燃焼ガス等の発生がなく作業環境に良い。

また、短時間に加熱できるため、ワークの酸化が極めて少ない。さらに、局部加熱が可能であり、焼入条件の調整も容易である等の利点が多く、高精度な加工品質の実現とともに、高効率生産に大きく寄与している。特許文献１には、高周波焼入装置の一例が開示されている。

特開２００７−２３９０４４号公報

しかし、特許文献１に開示されている高周波焼入装置では、炭素鋼で形成されたワークの焼入れが十分に行いにくかった。すなわち、誘導加熱によりワークの温度が上昇するが、ある温度領域に差し掛かると、ワークの温度上昇が鈍化する現象が生じる。

このことにより、従来の高周波焼入方法では、ワークが所定の焼入温度に達するまでに時間を要するという問題があった。

そこで本発明は、ワークの温度上昇が鈍化した後も、ワークを効率よく昇温可能な高周波焼入方法の提供を目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、ワークに誘導加熱コイルを対向配置し、当該誘導加熱コイルに高周波電流を通じることにより、ワークに高周波誘導電流を生じさせ、ワークを焼入れする高周波焼入方法において、ワークの温度が所定温度に到達する及び／又は通電時間が所定時間を経過すると通電を中断し、誘導加熱コイルに並列にコンデンサを追加後、通電を再開することを特徴とする高周波焼入方法である。

請求項１の高周波焼入方法は、通電を中断することで、高周波発振器やコンデンサを破損させることなく、誘導加熱コイルに対して並列にコンデンサを追加することができる。このことにより、並列共振回路を構成できる。並列共振回路を構成した後、通電を再開すると、並列共振回路で電流を増大でき、共振時において、誘導加熱コイルに最大の電流を印加することが可能となり、ワークの温度を速やかに焼入温度まで上昇させることができる。

また、通電の中断（ワークへの電流供給の停止）は、ワークの焼入れ部位の熱分布の斑（むら）をなくし、均熱化を図ることができる。

請求項２の発明は、ワークに誘導加熱コイルを対向配置し、当該誘導加熱コイルに高周波電流を通じることにより、ワークに高周波誘導電流を生じさせ、ワークを焼入れする高周波焼入方法において、誘導加熱コイルの前段には変圧器が備えられており、ワークの温度が所定温度に到達する及び／又は通電時間が所定時間を経過すると通電を中断し、変圧器の変成比を変更した後、通電を再開することを特徴とする高周波焼入方法である。

請求項２の発明は、請求項１の発明と同様に、通電を中断することで、高周波発振器や変圧器を破損させることなく、変圧器の変成比の変更が可能となる。このことにより、誘導コイルに印加する電力を変更することが可能となり、ワークの温度を速やかに焼入温度まで上昇させることができる。
また、焼入れの中断は、焼入れ部位の熱分布の斑（むら）をなくし、均熱化を図ることができる。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、誘導加熱コイルの前段には変圧器が備えられており、変圧器の変成比を変更できることを特徴とする高周波焼入方法である。

請求項３の発明では、誘導加熱コイルに印加される電力が大きくなるように、変圧器の変成比を変更できる。そして、変圧器の変成比を変更することで、誘導コイルに印加する電力を変更することが可能となり、ワークの温度を速やかに焼入温度まで上昇させることができる。

請求項４の発明は、請求項１の発明において、制御手段、温度センサ、及びタイマを備え、温度センサ及びタイマで、ワークの温度が所定温度に到達したこと及び／又は通電時間が所定時間を経過したことを監視し、誘導加熱コイルへの通電及び通電の停止と、コンデンサの接続及び切断とを制御手段によって自動制御することを特徴とする高周波焼入方法である。

請求項４の発明では、制御手段、温度センサ、及びタイマを備えることにより、温度センサにてワークの温度を監視し、またタイマにて通電時間を監視し、制御手段にて誘導加熱コイルへの通電及び通電の停止と、コンデンサの接続及び切断とを自動で制御する。このことにより、ワークの焼入品質の向上と均等化を図ることが可能となる。

請求項５の発明は、請求項２の発明において、制御手段、温度センサ、及びタイマを備え、温度センサ及びタイマにて、ワークの温度が所定温度に到達したこと及び／又は通電時間が所定時間を経過したことを監視し、誘導加熱コイルへの通電及び通電の停止と、変圧器の変成比の変更とを制御手段によって自動制御することを特徴とする高周波焼入方法である。

請求項５の発明では、制御手段、温度センサ、及びタイマを備えることにより、温度センサにてワークの温度を監視し、またタイマにて通電時間を監視し、制御手段にて誘導加熱コイルへの通電及び通電の停止と、変圧器の変成比の変更とを自動で制御することが可能となる。このことにより、ワークの焼入品質の向上と均等化を図ることが可能となる。

請求項６の発明は、請求項３の発明において、制御手段、温度センサ、及びタイマを備え、温度センサ及びタイマにて、ワークの温度が所定温度に到達したこと及び／又は通電時間が所定時間を経過したことを監視し、誘導加熱コイルへの通電及び通電の停止と、コンデンサの接続及び切断と、変圧器の変成比の変更とを制御手段によって自動制御することを特徴とする高周波焼入方法である。

請求項６の発明では、制御手段、温度センサ、及びタイマを備えることにより、温度センサにてワークの温度を監視し、またタイマにて通電時間を監視し、制御手段にて誘導加熱コイルへの通電及び通電の停止と、コンデンサの接続及び切断と、変圧器の変成比の変更とを自動で制御することが可能となる。このことにより、ワークの焼入品質のさらなる向上と均等化を図ることが可能となる。

本発明によれば、ワークの温度上昇が鈍化した後も、ワークを効率よく昇温可能な高周波焼入方法を、提供することができる。

本発明の高周波焼入方法を実施することができる電気回路図である。本発明の高周波焼入方法を実施することができる図１とは別の電気回路図である。本発明の高周波焼入方法を実施することができる図１，図２とは別の電気回路図である。

まず、本発明の第１実施形態の高周波焼入方法の構成について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、説明は、実施形態の理解を容易にするためのものであり、これによって、本願発明が制限して理解されるべきではない。

第１実施形態の高周波焼入方法は、図１に示す高周波回路１０を用いて実施する。高周波回路１０は、高周波発振器８（高周波電力発生装置）、共振回路用コンデンサユニット７、トランス９（変圧器）、温度センサ４０、タイマ５０、固定コンデンサｃ、制御装置６０（制御手段）及び誘導加熱コイル６を備えている。
高周波発振器８は、交流電源１とインバータ２から構成される。インバータ２は、出力電力及び周波数を変更することができ、力率は約１になるように自動調整される。

共振回路用コンデンサユニット７は、固定コンデンサｃと、コンデンサｃ１，ｃ２，ｃ３と、コンデンサｃ１〜ｃ３に対応するスイッチａ１，ａ２，ａ３を備え、コンデンサｃ１とスイッチａ１が直列に接続されて組をなし、同様にコンデンサｃ２，ｃ３とスイッチａ２，ａ３とが各々接続された各組が並列に接続されている。そして、スイッチａ１〜ａ３の切り替えにより、共振回路のコンデンサ容量を変更できる。すなわち、追加するコンデンサは、スイッチのＯＮ，ＯＦＦによって任意に選定でき、共振回路のコンデンサ容量を選定できる。

トランス９は、１次コイル３と２次コイル４から構成され、インピーダンスの整合、及び高周波発振器８と誘導加熱コイル６とを回路的に分離する役目を果たす。これは、誘導加熱コイル６が、万が一、ワークと短絡した際に、高周波発振器８が短絡して破損することを防止できる。なお、２次コイル４には誘導加熱コイル６が接続される。

誘導加熱コイル６は、中空の導体で構成されており、内部には冷却水流路（図示しない）が設けられており、冷却水流路に冷却水を通すことによって誘導加熱コイル６自体の焼損を阻止する。高周波焼入時には、誘導加熱コイル６にワーク５（被加熱物）が対向配置される。
ワーク５の近傍には、温度センサ４０が配置されており、非接触でワーク５の温度の監視が可能である。

トランス９の近傍には、タイマ５０が配置されており、出力電力の印加時間の監視が可能である。
高周波回路１０の近傍には、制御装置６０が設置されており、温度センサ４０及びタイマ５０からの情報（ワークの温度又は通電時間）に基づいて、高周波発振器８（インバータ２）の制御、スイッチａ１，ａ２，ａ３の制御が可能である。

続いて、第１実施形態の高周波焼入方法の動作について説明する。
図１に示すように、高周波発振器８から高周波電流を出力し、トランス９を経由して誘導加熱コイル６に高周波電流を印加する。誘導加熱コイル６に高周波電流を流すことによってワーク５の表面に誘導電流が生じる。誘導電流は、ワーク５の電気的な抵抗等により熱エネルギーとなって損失し、ワーク５が発熱する。ワーク５の発熱温度は、温度センサ４０で監視する。

ワーク５の発熱温度が摂氏７２３度付近になると、ワーク５の温度上昇が鈍化する。この鈍化する温度は、ワーク５の結晶構造が比透磁率の高い組織（フェライトとパーライトの混合組織）から、比透磁率の低い組織（オーステナイトとパーライトの混合組織）に変態する温度（磁気変態点）であると考えられる。このため、ワーク５の表面に誘導電流が流れにくくなり、ワーク５の温度上昇が鈍化するものと思われる。

さて、ワーク５の温度上昇が鈍化した後、制御装置６０により、高周波発振器８からの出力電流を停止（中断）し、スイッチａ１〜ａ３のうちの少なくとも１つを閉じ、誘導加熱コイル６に対して並列にコンデンサｃ１〜ｃ３のいずれか又は全部を追加接続する。このことにより、高周波回路１０内に並列共振回路を再構成できる。

並列共振回路では共振時において、誘導コイル６に最大の電流を印加することが可能となり、比透磁率の低い組織に変態したワーク５の表面に生じる誘導電流も増加し、ワーク５の昇温を十分に行うことが可能となる。

また、高周波発振器８からの出力電流を停止（中断）することで、回路変更に伴う高周波発振器８や固定コンデンサｃの破壊を回避できる。
なお、固定コンデンサｃにコンデンサｃ１〜ｃ３を適宜組み合わせて使用することにより、誘導加熱コイル６と共振可能な容量にすることができる。

第１実施形態では、コンデンサｃ１〜ｃ３を接続する時期を、ワーク５の温度上昇が鈍化した後としているが、接続時期は、この限りではない。例えば、ワーク５の温度上昇が、鈍化しない時点でコンデンサを接続してもよい。具体的には、センサ４０によって検出されるワーク５の温度が、摂氏５００度になるとコンデンサを接続することとしてもよい。

また、高周波回路１０にコンデンサを複数備えている場合には、必ずしも同時に接続しなくてもよい。すなわち、ワーク５の温度上昇率を経過時間に置き換え、所定時間経過後に順次接続してもよい。

なお、タイマ５０にて通電時間を監視し、自動制御とすることも可能である。
つまり、最大の電流及び電力を得る、あるいは大電力が得られるようにコンデンサの接続時期を調整することで、比透磁率の低い組織（オーステナイトとパーライトの混合組織）に変態したワーク５の昇温を高効率且つ十分に行うことが可能となる。

次に、第２実施形態の高周波焼入方法は、図２に示す高周波回路２０を用いて実施する。高周波回路２０は、高周波発振器８（高周波電力発生装置）、切替タップ２１、トランス９、温度センサ４０、タイマ５０、固定コンデンサｃ、制御装置６０及び誘導加熱コイル６を備えている。切り替えタップ２１以外の構成は、第１実施形態と同様の構成であるため、重複する説明を省略する。

切替タップ２１は、スイッチｃｔ１〜ｃｔ４を有し、これらのスイッチの切り替えにより、トランス９の１次コイル３と２次コイル４の巻数比（変成比）を変更することが可能となる。このことにより、誘導加熱コイル６に印加する電力を調整することができる。

つまり、最大の電力を得る、あるいは大電力が得られるようにトランス９の巻数比を調整することで、比透磁率の低い組織（オーステナイトとパーライトの混合組織）に変態したワーク５の焼入れを高効率且つ十分に行うことが可能となる。なお、トランス９の巻数比の調整は、通電を中断してから行い、調整後、通電を再開する。通電を中断することで、回路変更に伴う高周波発振器８やトランス９の破壊を回避できる。

次に、第３実施形態の高周波焼入方法は、図３に示す高周波回路３０を用いて実施する。高周波回路３０は、高周波発振器８（高周波電力発生装置）、共振回路用コンデンサユニット７、切替タップ２１、トランス９、温度センサ４０、タイマ５０、固定コンデンサｃ、制御装置６０及び誘導加熱コイル６を備えている。

高周波回路３０は、第１実施形態の高周波回路１０と、第２実施形態の高周波回路２０の構成を併せ持っている。
要するに、第３実施形態の高周波焼入方法は、コンデンサｃ１〜ｃ３のいずれか又は全部を追加接続する、及びトランス９の１次コイル３と２次コイル４の巻数比を変更することにより、誘導加熱コイル６に印加する電流及び電力を調整することができる。

つまり、最大の電流及び電力を得る、あるいは大電力が得られるようにコンデンサｃ１〜ｃ３の接続時期又はトランス９の巻数比を調整することで、比透磁率の低い組織（オーステナイトとパーライトの混合組織）に変態したワーク５の昇温を高効率且つ十分に行うことが可能となる。

また、コンデンサの切り替え、及び変圧器の切り替えを行うことで、周波数を変えることができ、より適正な周波数で焼入れできる。

１交流電源
２インバータ
３１次コイル
４２次コイル
５ワーク（被加熱物）
６誘導加熱コイル
７共振回路用コンデンサユニット
８高周波発振器（高周波電力発生装置）
９トランス（変圧器）
１０高周波回路（第１実施形態の最小限の構成）
２０高周波回路（第２実施形態の最小限の構成）
３０高周波回路（第３実施形態の最小限の構成）
ａ１スイッチ
ａ２スイッチ
ａ３スイッチ
ｃ固定コンデンサ
ｃ１コンデンサ
ｃ２コンデンサ
ｃ３コンデンサ

Claims

ワークに誘導加熱コイルを対向配置し、当該誘導加熱コイルに高周波電流を通じることにより、ワークに高周波誘導電流を生じさせ、ワークを焼入れする高周波焼入方法において、ワークの温度が所定温度に到達する及び／又は通電時間が所定時間を経過すると通電を中断し、誘導加熱コイルに並列にコンデンサを追加後、通電を再開することを特徴とする高周波焼入方法。
ワークに誘導加熱コイルを対向配置し、当該誘導加熱コイルに高周波電流を通じることにより、ワークに高周波誘導電流を生じさせ、ワークを焼入れする高周波焼入方法において、誘導加熱コイルの前段には変圧器が備えられており、ワークの温度が所定温度に到達する及び／又は通電時間が所定時間を経過すると通電を中断し、変圧器の変成比を変更した後、通電を再開することを特徴とする高周波焼入方法。
誘導加熱コイルの前段には変圧器が備えられており、変圧器の変成比を変更できることを特徴とする請求項１に記載の高周波焼入方法。
制御手段、温度センサ、及びタイマを備え、温度センサ及びタイマで、ワークの温度が所定温度に到達したこと及び／又は通電時間が所定時間を経過したことを監視し、誘導加熱コイルへの通電及び通電の停止と、コンデンサの接続及び切断とを制御手段によって自動制御することを特徴とする請求項１に記載の高周波焼入方法。
制御手段、温度センサ、及びタイマを備え、温度センサ及びタイマにて、ワークの温度が所定温度に到達したこと及び／又は通電時間が所定時間を経過したことを監視し、誘導加熱コイルへの通電及び通電の停止と、変圧器の変成比の変更とを制御手段によって自動制御することを特徴とする請求項２に記載の高周波焼入方法。
制御手段、温度センサ、及びタイマを備え、温度センサ及びタイマにて、ワークの温度が所定温度に到達したこと及び／又は通電時間が所定時間を経過したことを監視し、誘導加熱コイルへの通電及び通電の停止と、コンデンサの接続及び切断と、変圧器の変成比の変更とを制御手段によって自動制御することを特徴とする請求項３に記載の高周波焼入方法。