JP2016089182A - ワークの加熱方法及び焼入方法 - Google Patents

Abstract

【課題】第１形状部と小さい断面形状を有する第２形状部とが段差部を介して軸方向に連続したワークの表面を連続して所定温度範囲に加熱することが容易な加熱方法と、そのようなワークの表面に連続した焼入処理を施すことが容易な焼入方法と、を提供する。【解決手段】第１形状部１１と第２形状部１２とが段差部１３を介して軸方向に連続したワーク１０と、環状の加熱コイル１１０と、を準備し、加熱コイル１１０に電力を供給しながら加熱コイル１１０、ワーク１０の少なくとも一方をワーク１０の長手方向に沿って移動させることで、第１形状部１１及び第２形状部１２並びに段差部１３の各表面を誘導加熱する際、高周波と低周波とを合成した電力により第１形状部１１及び第２形状部１２のうちの一方を加熱し、電力の低周波の割合を増加させて段差部１３を加熱し、再び電力の低周波の割合を減少させて第１形状部１１及び第２形状部１２のうちの他方を加熱する。【選択図】図３

Description

本発明は、第１形状部と第２形状部とが段差部を介して軸方向に連続したワークと環状の加熱コイルとを準備し、少なくともワーク、加熱コイルの何れか一方をワーク長手方向に平行移動させつつ誘導加熱するワークの加熱方法と、焼入方法とに関する。

大径部と小径部とが軸方向に隣接する中実又は中空の丸棒、凹部と凸部とが軸方向に隣接する長尺部材などのワークにおいて、表面を高周波焼入れするには、環状の加熱コイルをワークの長手方向に沿って移動させて加熱する高周波移動焼入れが行われている。

高周波移動焼入れでは、加熱コイルを大径部表面や凸部表面に近接対向させ、大径部と小径部との間の段差部や凸部と凹部との間の段差部を通過させて小径部や凹部まで移動させたり、逆に小径部や凹部から段差部を通過させて大径部や凸部まで移動させて、順次加熱する。その際、段差部を通過後に、加熱コイルと該加熱コイルが対向する小径部表面もしくは凹部表面との間のコイルギャップが、加熱コイルと大径部のエッジ部分や凸部のエッジ部分のとの間の距離より大きくなる領域が、段差部の大きさに従って生じる。

そのため、段差部近傍の領域における小径部表面や凹部表面では、コイルギャップが大きいため、発熱が不十分となって焼入れに必要な温度に達しないなどの問題がある。一方、大径部のエッジ部分や凸部のエッジ部分では、コイルギャップが小さいことから、加熱コイルが通過した後も発熱し続けるために過加熱となり、焼割れの発生のおそれがあるなどの問題がある。

段差部が小さい場合においても、加熱コイルの移動速度や電力の電源出力を制御することで、ワーク表面に連続するように焼入れ処理を施すことはできるものの、非常に複雑な移動速度制御や電力制御が必須であり、しかも実際に焼入試験を複数回行う条件出し作業が必要である。

例えば、下記特許文献１に示すように、段差部近傍の凹部を十分発熱させて先端部の溶損を防止するために、加熱時に低い周波数を使用することが考えられる。ところが、そうなると大径部や凸部を加熱する際は発熱深さが非常に深くなり、表面加熱温度の不足や熱処理仕様のより深い硬化層となり変形が大きくなるなどの問題が生じる。

特許４９２６７２８号公報

本発明は、第１形状部と小さい断面形状を有する第２形状部とが段差部を介して軸方向に連続したワークの表面を連続して所定温度範囲に加熱することが容易なワークの加熱方法及び焼入方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明のワークの加熱方法は、第１形状部と第１形状部より小さい断面形状を有する第２形状部とが段差部を介して軸方向に連続したワークと、環状の加熱コイルと、を準備し、加熱コイルに電力を供給しながら、ワーク、加熱コイルの少なくとも一方をワークの長手方向に沿って平行に移動させることで、第１形状部及び第２形状部並びに段差部の各表面を誘導加熱するワークの加熱方法であって、高周波と低周波とを合成した電力により第１形状部及び第２形状部のうちの一方を加熱し、電力の低周波の割合を増加させて段差部を加熱し、電力の低周波の割合を減少させて第１形状部及び第２形状部のうちの他方を加熱する方法である。

上記目的を達成する本発明のワークの焼入方法は、上記のようなワークの熱処理方法により、ワークを一端側から他端側へ順次加熱し、加熱コイルと共に移動する冷却ジャケットから冷却液を噴射して上記ワークを順次急冷して焼入れする方法である。

本発明のワークの加熱方法によれば、第１形状部と小さい断面形状を有する第２形状部とが段差部を介して軸方向に連続したワークの表面を、連続して所定温度範囲に加熱することが容易である。
また本発明のワークの焼入方法によれば、第１形状部と小さい断面形状を有する第２形状部とが段差部を介して軸方向に連続したワークの表面に、連続して所定深さ範囲に焼入処理を施すことが容易である。

本発明の実施形態における加熱及び焼入方法により加熱及び焼入れしたワークを示す概略断面図である。 （ａ）は本発明の実施形態における電力供給部において、高周波：低周波を１００：０とした場合の表面からの深さに対する電流密度の相関を示し、（ｂ）は高周波：低周波を０：１００とした場合の表面からの深さに対する電流密度の相関を示し、（ｃ）は高周波と低周波とを合成して高周波：低周波を５０：５０とした場合の表面からの深さに対する電流密度の相関を示し、（ｄ）は単一周波数における表面からの深さに対する電流密度の相関を示すグラフである。 （ａ）〜（ｅ）は本発明の実施形態における加熱及び焼入方法の工程を説明する断面図である。

以下、本発明の実施形態について図を用いて説明する。
［ワーク］
この実施形態において加熱及び焼入対象となるワーク１０は、図１に示すように、両端側の第１形状部１１と、この第１形状部１１より小さい断面形状を有する第２形状部１２と、を有するシャフトである。このワーク１０では第１形状部１１と第２形状部１２とが段差部１３を介して軸方向に連続して設けられている。
第１形状部１１及び第２形状部１２における軸と直交する外表面の断面形状はそれぞれ円形状を有しており、例えば第１形状部１１の半径が第２形状部１２の半径より１０ｍｍ以上大きくなっている。

段差部１３は、軸と直交する断面形状が急変する部位であり、軸に対して直交する直交面であってもよいが、ここでは軸方向に傾斜した表面を含んだ曲面となっている。この段差部１３と第１形状部１１との境界部位には、軸方向に沿う外表面の断面形状に角部が形成される程度の角張った段差エッジ部１３ａが設けられている。また、段差部１３と第２形状部１２との間は曲面となっている。

［加熱装置］
ワーク１０の外表面を長手方向である軸方向に沿って連続して加熱及び焼入れする装置は、例えば図１に示すように、ワーク１０の第１形状部１１を取り囲んで装着される環状の加熱コイル１１０と、この加熱コイル１１０に電力を供給する電力供給部１００と、加熱コイル１１０の進行方向後方に配置されて加熱コイル１１０と一体的に移動する冷却ジャケット９０と、加熱コイル１１０及び冷却ジャケット９０を移動速度を調整しつつ軸に沿って一方向きに移動させる駆動装置８０と、を備えている。

電力供給部１００は、高周波と低周波とを割合を調整しつつ合成して電力として加熱コイル１１０に供給可能に構成されている。この電力供給部１００は、例えば周波数が５０Ｈｚ以上５０ｋＨｚ未満の電力を加熱コイル１１０に供給する低周波出力装置と、低周波出力装置の周波数より高い周波数、例えば１ｋＨｚ以上４００ｋＨｚ以下の高周波電力を加熱コイル１１０に供給する高周波出力装置と、を備えている。

ここでは、高周波出力装置および低周波出力装置から加熱コイル１１０に供給する交流電力の大きさがそれぞれ調整可能となっており、高周波出力装置と低周波出力装置との出力割合を調整して加熱コイル１１０に供給可能となっている。

この実施形態の電力供給部１００では、低周波と高周波との出力電力比（ＤＴ）を任意に設定することで擬似的な周波数を調整し、任意のタイミングで出力することができる。擬似的な周波数を調整すると、電流の透過深度を調整することができる。
例えば、この電力供給部１００おいて、高周波：低周波の割合を１００：０として加熱コイル１１０に供給すると、ワーク表面からの深さに対する電流密度の相関が図２（ａ）となり、０：１００とすると、図２（ｂ）となる。出力電力比（ＤＴ）を調整し、５０：５０として高周波と低周波とを合成して加熱コイル１１０に供給すると、図２（ｃ）に実線Ｌ３で示すように、低周波における相関Ｌ１と高周波における相関Ｌ２とを合わせた相関が得られる。この相関Ｌ３は、図２（ｄ）に示すように、高周波と低周波との間の単一周波数における相関と同等となり、擬似的に単一周波数の電力として扱える。
そのため、このような電力供給部１００を高周波移動焼入れに適用することで、ワーク１０の各加熱部分の形状に適した擬似的な周波数を加熱コイル１１０に供給しつつ、移動加熱を行うことが可能となる。

［加熱及び焼入方法］
このような装置を用いてワーク１０の外表面を軸方向に沿って連続して加熱及び焼入れする方法について説明する。
この装置では、図３（ａ）に示すように、まずワーク１０を回転駆動可能に略鉛直方向に支持し、加熱コイル１１０をワーク１０の外周の周囲に所定のギャップで対向配置し、加熱コイル１１０の近接下方に冷却ジャケット９０を配置して装着する。

この状態で、図３（ａ）に示すように、第１形状部１１の加熱領域における端部側の開始位置に、環状の加熱コイル１１０を対向配置する。電力供給部１００にて高周波と低周波とを所定のＤＴ比で合成した電力を加熱コイル１１０に供給しつつ、加熱コイル１１０を開始位置から軸に沿って一方向きに上方へ移動させる。これにより第１形状部１１の表面を順次誘導加熱する。また加熱コイル１１の移動に冷却ジャケット９０を追従させ、加熱直後に冷却ジャケット９０からの冷却液により急冷することで、順次焼入処理する。

図３（ｂ）に示すように、加熱コイル１１０が段差部１３に到達する。その後、電力供給部１００により加熱コイル１１０に供給する電力の低周波の割合を増加させる。これにより段差部１３を誘導加熱し、冷却ジャケット９０による冷却を継続する。
この段差部１３では、低周波の割合を最も増加させるのがよい。その場合、例えば低周波のみからなる電力を加熱コイル１１０に供給することもできる。この実施形態では、第１形状部１１と段差部１３との境界に段差エッジ部１３ａが設けられているため、この部位近傍で低周波の割合を最も増加させている。

また、この実施形態では、段差エッジ部１３ａより第２形状部１２側の段差部１３が軸方向に対して傾斜した表面を有しているため、段差部１３の形状に対応させて、高周波と低周波との割合を徐々に変化させつつ加熱コイル１１０を移動させるのがよい。これにより、段差部１３付近の表面における熱処理組織の厚み方向の分布を滑らかにできる。

加熱コイル１１０が段差部１３を通過して第２形状部１２と対向した後は、電力供給部１００により電力の低周波の割合を再び減少させる。そして図３（ｃ）に示すように、この電力を加熱コイル１１０に供給しつつ移動させることで、第２形状部１２を誘導加熱し、さらに冷却ジャケット９０による冷却を継続して第２形状部１２を順次焼入処理する。第２形状部１２を加熱するときの電力の高周波と低周波との割合と、第１形状部１１を加熱するときの電力の高周波と低周波との割合と、は任意に設定することができ、条件によってはそれらの割合を同じにしてもよい。

その後、図３（ｄ）に示すように、加熱コイル１１０が反対側の段差部１３に到達する。そこで、再び電力供給部１００により加熱コイル１１０に供給する電力の低周波の割合を増加させる。これにより段差部１３を誘導加熱し、冷却ジャケット９０による冷却を継続する。
この段差部１３でも、上述の段差部１３と同様に、軸に対する傾斜が急激な形状変化部分や段差エッジ部１３ａにおいて、低周波の割合を最も増加させるのがよく、低周波のみからなる電力を加熱コイル１１０に供給することもできる。また段差部１３が軸方向に対して傾斜した表面を有しているため、高周波と低周波との割合を徐々に変化させつつ加熱コイル１１０を移動させてもよい。

加熱コイル１１０が段差部１３を通過して他方側の第１形状部１１と対向した後は、電力供給部１００により電力の低周波の割合を再び減少させる。そして、図３（ｅ）に示すように、この電力を加熱コイル１１０に供給しつつ移動させることで、第１形状部１１を終了位置まで誘導加熱し、さらに冷却ジャケット９０による冷却を終了位置まで継続して第１形状部１１を順次焼入処理する。このときの電力の高周波と低周波との割合は、上述の第１形状部１１や第２形状部１２を加熱するときの電力の高周波と低周波との割合を条件により任意に設定することができ、条件によっては同じにすることもできる。

このような一連の加熱期間では、一方側の第１形状部１１の開始位置から第２形状部１２を通して他方側の第１形状部１１の終了位置まで、加熱コイル１１０に電力を常時供給するとともに、加熱コイル１１０を連続して移動させてもよい。好ましくは、加熱コイル１１０を開始位置から終了位置まで等速移動させつつ、即ち、予め設定した所定速度の範囲内で加熱コイル１１０を移動させつつ、擬似的な周波数を上述のようにするとともに、各部に適した電流値となるように調整して電力を供給することで加熱する。

以上のように、ワーク１０を加熱して焼入処理する方法によれば、高周波と低周波とを合成した電力により第１形状部１１を加熱し、電力の低周波の割合を増加させて段差部１３を加熱し、その後、再び電力の低周波の割合を減少させて第２形状部１２を加熱する。そのため、段差部１３の加熱時に供給される電力の擬似的な周波数を、第１及び第２形状部１１，１２の加熱時に供給される電力の擬似的な周波数に比べて低くできる。

これにより第１形状部及び第２形状部１１，１２に比べて段差部１３では表面より深い位置の渦電流密度を増加して加熱することが可能となり、段差部１３に急激な形状変化部分が存在していても、より深く広い範囲を加熱することが可能である。
そのため段差部１３近傍を加熱する際、第１形状部１１の段差エッジ部１３ａに渦電流が集中して段差エッジ部１３ａが過加熱されたり、また段差部１３近傍の第２形状部１２の表面に加熱不足が生じたりすることを防止できる。

さらに、加熱コイル１１０を移動させながら高周波と低周波との割合を適切に変化させることで、断面形状が異なる第１形状部１１と第２形状部１２とが段差部１３を介して連続していても、表面を連続して所定温度範囲に、好ましくは略均一に加熱することが容易である。そのため、従来の単周波加熱のように、部品形状や位置に応じて移動速度を細かく変化させたり、電源出力を細かく調整したりするような、複雑な制御は不要である。

さらに、加熱コイル１１０に追従して冷却ジャケット９０を移動させて、順次加熱しつつ急冷することで焼入処理するため、断面形状が異なる第１形状部１１と第２形状部１２とが段差部１３を介して軸方向に連続したワーク１０の表面に、連続して所定深さ範囲に、好ましくは略均一な硬化層深さとなるように焼入処理を施すことが容易である。

以上のように、ワーク１０を加熱して焼入処理する方法によれば、第１形状部１１と第２形状部１２とを加熱する際の電力における高周波と低周波との割合を条件により任意に設定し、加熱コイル１１０を連続して等速移動させつつ全長の表面を加熱したりすれば、より簡易に段差部付きワーク１０の表面を連続して加熱することができる。

なお上記実施形態は、本発明の範囲内において適宜変更可能である。例えば、上記では両端側に第１形状部１１を有し長手方向中央側に第２形状部１２を有するものを例示したが、ワークの形状は限定されない。
例えば左右非対称形状であってもよく、第１形状部１１及び第２形状部１２の他に単数又は複数の他の形状部分を有していてもよい。その場合、互いに隣接する形状部間の一部又は全部に段差部が設けられていてもよい。

また、各形状部が、非円形の断面形状が軸方向に連続した形状を有していてもよく、さらに中実のものに限らず、中空であってもよい。
さらに、第１又は第２形状部に凸部や凹部が設けられ、これらの凸部や凹部が他の形状部分と段差部を介して軸方向に隣接して配置されているものであっても同様に本発明を適用可能である。その場合、凸部もしくは凹部を高い周波数により移動加熱を行い、凸部から凹部に変化する段差部近傍を低い周波数の割合を増加させることで加熱することも可能である。

また上記実施形態では、第１形状部１１を加熱した後で第２形状部１２を加熱する例について説明したが、ワーク１０に対して加熱コイル１１０がワーク１０の長手方向に沿って平行に移動させつつ加熱できれば、第２形状部１２を加熱した後で第１形状部１１を加熱することも可能である。

さらに上記実施形態では、電力供給部１００として、低周波と高周波とを時間軸にて同時に重畳出力させるオーバーラップ方式（ＯＬＰ）にて合成した電力を加熱コイル１１０に供給する例について説明したが、限定されない。例えば、低周波と高周波とを時間軸にて交互に出力させるホットスイッチング方式（ＨＳＷ）にて合成した電力を、加熱コイル１１０に供給する電力供給部を用いて、ワーク１０を誘導加熱することも当然に可能である。

上記では加熱コイル１１０を長手方向、即ち軸方向に沿って移動させた例について説明したが、ワーク１０を移動させることも可能である。また、加熱コイル１１０の相対的な移動速度は、各形状部１１，１２や段差部１３で適宜変化させても本願発明は適用可能である。例えば、段差部１３近傍で加熱コイル１１０の相対移動速度を遅くしたり停止したりすることで、段差部１３をより確実に加熱することができる。
さらに上記では、ワーク１０を鉛直方向に配置して加熱及び焼入処理を行ったが、水平方向に配置して行ってもよい。

１０ ワーク
１１ 第１形状部
１２ 第２形状部
１３ 段差部
１３ａ 段差エッジ部
９０ 冷却ジャケット
１００ 電力供給部
１１０ 加熱コイル
１３０ 高周波出力装置
１４０ 低周波出力装置
１５０ 制御手段

Claims (4)

1. 第１形状部と該第１形状部より小さい断面形状を有する第２形状部とが段差部を介して軸方向に連続したワークと、環状の加熱コイルと、を準備し、前記加熱コイルに電力を供給しながら、前記ワーク、前記加熱コイルの少なくとも一方を前記ワークの長手方向に平行に移動させることで、前記第１形状部及び第２形状部並びに前記段差部の各表面を誘導加熱するワークの加熱方法であって、
   高周波と低周波とを合成した前記電力により前記第１形状部及び第２形状部のうちの一方を加熱し、前記電力の低周波の割合を増加させて前記段差部を加熱し、前記電力の低周波の割合を減少させて前記第１形状部及び第２形状部のうちの他方を加熱する、ワークの加熱方法。
2. 前記加熱コイルを連続して等速移動させつつ前記第１形状部及び第２形状部並びに前記段差部の各表面を加熱する、請求項１に記載のワークの加熱方法。
3. 軸方向に傾斜した表面からなる前記段差部を、前記加熱コイルを移動させつつ高周波と低周波との割合を徐々に変化させることで加熱する、請求項１又は２に記載のワークの加熱方法。
4. 請求項１乃至３の何れかに記載のワークの加熱方法により前記ワークを加熱しつつ、前記加熱コイルと共に移動する冷却ジャケットから冷却液を噴射して上記ワークを順次急冷する、ワークの焼入方法。

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