JP2018001193A - 焼入れ部材の製造装置および製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鋼管に対する高周波誘導加熱コイルの位置ズレを安定して抑制し、３ＤＱにおける焼入れ部材の焼き入れ性と加工精度をいずれも安定して向上する【解決手段】鋼管２をその軸方向へ移動自在に位置決めする移動支持部材１２と、鋼管２に誘導電流を発生する高周波誘導加熱コイル１３と、高周波電力を発生する変成器１０と、高周波誘導加熱コイル１３と変成器１０との間を結んで高周波誘導加熱コイル１３を懸垂支持するともに変成器１０から高周波誘導加熱コイル１３へ高周波電力を供給するブスバー１４と備え、鋼管２を焼入れて焼入れ部材９を製造する装置１１である。移動支持部材１２に固定されるとともに高周波誘導加熱コイル１３を固定支持する加熱コイル固定部材１５を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、閉じた横断面を有する中空の鋼材、例えば鋼管の焼入装置および焼入れ方法に関する。

特許文献１には、図２に概要を示す熱間三次元曲げ加工装置１（以下、「３ＤＱ装置」という）が開示されている。以下、この３ＤＱ装置１を説明する。

図２に示すように、閉じた横断面を有する中空の鋼材である被加工材２（以降の説明では鋼管を例にとる）を、所定の位置に固定配置された支持ロール３により位置決めしながら、送り装置４により鋼管２の軸方向（図２中の矢印が示す方向）へ送る。なお、３ＤＱ装置１では、鋼管１を軸回りに非回転で軸方向へ送りながら加工を行う。

支持ロール３より鋼管２の送り方向の下流側（以下、単に「下流側」とも称し、反対の位置関係を単に「上流側」とも称する。）には、鋼管２を周囲から加熱する環状の高周波誘導加熱コイル５（以下、単に「コイル」ともいう。）が配置される。コイル５を懸垂支持するブスバー（フィーダ）６からコイル５へ高周波電力を供給して、送られる鋼管２をＡｃ_３点以上に加熱する。コイル５の下流側に配置された環状の水冷装置７から、加熱された鋼管２の外周に冷却水を噴射して、鋼管２を焼入れる。

そして、コイル５で加熱されてから水冷装置７で冷却されるまでの領域に形成される鋼管２の高温部２ａに、水冷装置７よりも下流側に配置された挟持手段または把持手段８と支持ロール３とにより連続的または断続的に曲げモーメントを付与することにより、鋼管２に熱間曲げ加工を行って曲げ部材９を製造する。

なお、高温部２ａの軸方向への長さは曲げ加工可能な範囲で短いことが、曲げ部材９の寸法精度を高めるために望ましい。このため、水冷装置７は、コイル５のすぐ近くに配置される。水冷装置７とコイル５とが接続されて一体物とされることも多く、その方が省スペースの面では有利であるが、水冷装置７とコイル５とを一体にする必要はない。

ところで、３ＤＱ装置１により熱間三次元曲げ加工を行われて製造される製品は、主として自動車用部材（例えばドアーインパクトビームやシートクロスメンバー、更にはサスペンションのアッパアーム）であり、製品には、一例として±０．５ｍｍという厳しい寸法精度が求められる。

特許文献２の段落０００４には、送り出される鋼管２に僅かな曲がり（反り）が存在することが避けられないため、支持ロール３から出た鋼管２がコイル５の内部を通過する時に、鋼管２の外周とコイル５の内周との隙間が周方向で不均一になり、コイル５の内周との距離が近い部分とこの距離が遠い部分とにおいて鋼管２に温度差が発生して曲げ加工の加工精度が低下する可能性があると記載されている。その対策として、特許文献２においては、コイル５を固定した可動架台を、フローティング支持手段を介して固定架台にフローティング支持し、可動架台に鋼管２の外周面に当接する複数のガイド部材を設けることが記載されている。これにより、鋼管２の曲がり（反り）に応じて可動架台とともにコイル５をセンタリングし、鋼管２の外周とコイル５の内周との隙間を均一化できるため、鋼管２を周方向に均一に加熱できるとしている。

なお、３ＤＱ装置１において、稼働時のコイル５の固定、すなわちコイル５の設置位置の変動の影響は、従来、殆ど問題にされていなかった。従来、コイル５に供給する高周波電力を発生する変成器１０とコイル５は、高周波電力を供給するブスバー６で連結されるため、コイル５の固定は、ブスバー６による懸垂支持により行われていた。この支持では、ブスバー６の熱膨張または熱収縮に起因した稼働時のコイル５の位置ズレ、又はコイル５が懸垂支持されて固定されることに起因した稼働時のコイル５の先端の位置ズレが不可避的に生じるものの、これらの位置ズレはこれまで無視されていた。これらの位置ズレがあっても、そのズレの程度が極めて小さいと考えられており、位置ズレによる、鋼管２に発生する誘導電流の偏差も小さく無視できると考えられていたためである。

特開２００８−２３５７３号公報 特開２０１２−５５９６３号公報

しかし、本発明者らが鋭意検討した結果、３ＤＱ装置１により製造される曲げ部材９の焼入れ性には、コイル５の上述の微小な位置ズレが少なからず悪影響を及ぼすことが判明した。すなわち、３ＤＱ装置１では、コイル５やブスバー６や挟持手段または把持手段８といった構成機器との干渉を避けるために、水冷装置７による鋼管２の水冷領域が相当程度制約されるのみならず、鋼管２の送り速度も例えば２０〜１２０mm／秒と比較的速いため、コイル５のわずかな位置ズレにより、鋼管２の断面周方向への温度変化が発生し、鋼管２の冷却特性に大きく影響する。

このため、たとえ、３ＤＱ装置１におけるコイル５の位置ズレが微小であっても、これにより、鋼管２の焼き入れ性が不安定になる。このように、本発明者らは、コイル５の位置ズレは、微小であっても、鋼管２の焼き入れ性を大きく悪化させる要因となることを、初めて知見した。

コイル５を安定的に固定して位置ズレを抑制するには、高い剛性のコイル支持部材を用い、かつできるだけコイル５に近い位置でコイル５を支持すればよいと、一見解される。しかし、このようなコイル支持部材は必然的にコイル５の近くに配置されることになるため、コイル５により誘導加熱され、その結果、コイル支持部材の過加熱や、鋼管２の誘導加熱の効率の低下を招く。このため、稼働時のコイル５を安定的に固定配置して位置ズレを抑制することは、容易なことではない。

本発明者らは、このような状況下にあって鋭意検討を重ねた結果、稼働時のコイル５ができるだけ位置ズレしないようにするためには、
（Ａ）コイル５を、鋼管２をその軸方向へ移動自在に位置決めする移動支持部材（支持ガイド）に例えば締結により固定する構造を採用すること、および
（Ｂ）コイル５へ高周波電力を供給するブスバー６が３次元（水平、垂直、進行）方向にブスバー６の熱収縮および熱膨張を吸収できる構造を採用すること
によって、鋼管２とコイル５との間の位置ズレを実質的に解消でき、これにより、上記課題を解決できることを知見し、さらに検討を重ねて本発明を完成した。

本発明は、閉じた横断面を有する中空の鋼材をこの鋼材の軸方向へ移動自在に位置決めする移動支持部材と、鋼材に誘導電流を発生する高周波誘導加熱コイルと、高周波電力を発生する変成器と、高周波誘導加熱コイルと変成器との間を結んで高周波誘導加熱コイルを懸垂支持するともに変成器から高周波誘導加熱コイルへ高周波電力を供給するブスバーと備え、鋼材を焼入れて焼入れ部材を製造する装置において、移動支持部材に固定されるとともに誘導加熱コイルを固定支持する加熱コイル固定部材を備えることを特徴とする焼入れ部材の製造装置である。

別の観点からは、本発明は、閉じた横断面を有する中空の鋼材を、移動支持部材（支持ガイド）によって、位置決めするとともに鋼材の軸方向へ移動させながら、変成器が発生する高周波電力を供給するブスバーにより懸垂支持されるとともに鋼材の周囲を覆って配置される高周波誘導加熱コイルにより鋼材を誘導加熱することにより、焼入れ部材を製造する方法において、高周波誘導加熱コイルを、移動支持部材に固定される加熱コイル固定部材（加熱コイル固定冶具）により、固定支持することを特徴とする焼入れ部材の製造方法である。

これらの本発明における「閉じた横断面」は、例えば長方形、長円形、楕円形、偏平多角形等の偏平な閉じた横断面であってもよい。この横断面の長辺長さと短辺長さの比は１〜７：１であることが例示される。

これらの本発明において、ブスバーは、水平方向、垂直方向および前記鋼材の長手方向の少なくとも一つの方向への変位を吸収可能な屈曲部を少なくとも一つ有することが望ましい。

これらの本発明において、ブスバーは平面視で略Ｌ字状および略クランク状の一方または双方であることが望ましい。

これらの本発明において、ブスバーは、変成器に接続される第１の部分と、高周波誘導加熱コイルに接続される第２の部分とを有しており、第１の部分および第２の部分は、第１の部分または第２の部分に穿設された長穴を介してボルトにより締結固定されることが望ましい。

これらの本発明において、加熱コイル固定部材は、外周の一部が離断された略環状の形状を有するとともに移動支持部材に固定される第１の部材と、第１の部材に固定されるとともに高周波誘導加熱コイルを固定して搭載する第２の部材とを有することが望ましい。

これらの本発明において、第１の部材は、移動支持部材に当接するための複数の支柱を有することが望ましい。

これらの本発明において、第２の部材は非磁性材料からなることが望ましい。

これらの本発明において、高周波誘導加熱コイルは、第２の部材に固定されるための複数の足を有することが望ましい。

これらの本発明において、前記鋼材として鋼管が例示され、この鋼管の外径Ｄは１００ｍｍ以下、鋼管の肉厚ｔは１〜４ｍｍであることが例示される。また、比（ｔ／Ｄ）の値は０．０３〜０．１６であることが例示される。

本発明により製造される焼入れ部材としては、自動車用部材が例示され、具体的には例えばドアーインパクトビームやシートクロスメンバー、さらにはサスペンションのアッパアームが例示される。本発明によりドアーインパクトビームを製造する場合には、ドアーインパクトビームの外径は例えば３１．８ｍｍであることが例示される。

本発明により製造される焼入れ部材（曲げ部材）の寸法精度は、例えば±０．５ｍｍである。

本発明により、高周波誘導加熱コイルを安定して固定でき、被加熱体である鋼材に対する高周波誘導加熱コイルの位置ズレを安定して抑制でき、これにより、３ＤＱにおける焼入れ部材の焼き入れ性と加工精度をいずれも安定して向上することができる。

図１は、本発明に係る焼入れ部材の製造装置を示す説明図であり、図１（ａ）は製造装置の全体を一部簡略化して示す説明図、図１（ｂ）は製造装置における高周波誘導加熱コイルの周辺を拡大して示す説明図、図１（ｃ）は図１（ｂ）におけるＡ−Ａ断面図である。 図２は、特許文献１に開示された３ＤＱ装置を示す説明図である。

添付図面を参照しながら、本発明を説明する。以降の説明では、閉じた横断面を有する中空の鋼材が鋼管である場合を例にとるが、本発明は、鋼管に限定されるものではなく、閉じた横断面を有する中空の鋼材であれば、鋼管と同様に適用可能である。

１．製造装置
図１は、本発明に係る焼入れ部材の製造装置１１を示す説明図であり、図１（ａ）は製造装置１１の全体を一部簡略化して概念的に示す説明図、図１（ｂ）は製造装置１１における高周波誘導加熱コイル１３の周辺を拡大して詳細に示す説明図、図１（ｃ）は図１（ｂ）におけるＡ−Ａ断面図である。

図１（ａ）に示すように、本発明に係る製造装置１１は、鋼管２を焼入れて焼入れ部材９を製造する装置である。鋼管２の外径Ｄは１００ｍｍ以下、鋼管２の肉厚ｔは１〜４ｍｍであることが例示される。また、比（ｔ／Ｄ）の値は０．０３〜０．１６であることが例示される。

製造装置１１は、鋼管２を、所定の位置に固定配置された移動支持部材（支持ガイド）１２により位置決めしながら、送り装置４により鋼管２の軸方向（図１中の矢印が示す方向）へ送る。移動支持部材（支持ガイド）１２よりも鋼管２の送り方向の下流側には、鋼管２を周囲から加熱する環状の高周波誘導加熱コイル１３が配置される。高周波誘導加熱コイル１３を懸垂支持するブスバー（フィーダ）１４から高周波誘導加熱コイル１３へ高周波電力を供給して、送られる鋼管２をＡｃ_３点以上に加熱する。高周波誘導加熱コイル１３の送り方向の下流側に配置された環状の水冷装置７から、加熱された鋼管２の外周に冷却水を噴射して、鋼管２を焼入れる。

そして、高周波誘導加熱コイル１３で加熱されてから水冷装置７で冷却されるまでの領域に形成されている鋼管２の高温部２ａに、水冷装置７よりも下流側に配置された挟持手段または把持手段８と移動支持部材（支持ガイド）１２とにより連続的または断続的に曲げモーメントを付与することにより、鋼管２に熱間曲げ加工を行って焼入れ部材（曲げ部材）９を製造する。

焼入れ部材９としては、自動車用部材が例示され、具体的には例えばドアーインパクトビームやシートクロスメンバー、さらにはサスペンションのアッパーアームが例示される。本発明によりドアーインパクトビームを製造する場合には、ドアーインパクトビームの外径は例えば３１．８ｍｍであることが例示される。焼入れ部材（曲げ部材）９の寸法精度は、例えば±０．５ｍｍである。

詳しく説明すると、本発明に係る３ＤＱ装置１１は、図１（ｂ）および図１（ｃ）に示すように、移動支持部材（支持ガイド）１２と、高周波誘導加熱コイル１３と、変成器１０と、ブスバー１４と、加熱コイル固定部材（加熱コイル固定治具）１５とを有するので、これらの構成要素を順次説明する。

［移動支持部材（支持ガイド）１２］
移動支持部材（支持ガイド）１２は、図１（ａ）および図１（ｃ）に示すように、その本体１２ｂの内部に、適当な軸支機構により、鋼管２をその軸方向（図１（ａ）における矢印方向）へ移動自在に支持するための一対の孔型ロール１２ａ，１２ａを、鋼管２の送り方向へ２組並んで回転自在に支持する。鋼管２は、一対の孔型ロール１２ａ，１２ａにより、その外面を位置決めされて、軸方向へ送られる。

本体１２ｂは、図示しない適当な位置決め機構により所定の位置に固定配置される。

このように、移動支持部材（支持ガイド）１２は、鋼管２をその軸方向へ移動自在に位置決めする。

［高周波誘導加熱コイル１３］
高周波誘導加熱コイル１３は、移動支持部材（支持ガイド）１２よりも下流側の所定の位置に配置される。高周波誘導加熱コイル１３は、環状の外形を有し、鋼管２の周囲から所定の距離離れて鋼管２を取り囲んで配置される。高周波誘導加熱コイル１３は、高周波磁界を発生して高周波エネルギーを鋼管２に供給することにより、鋼管２をＡｃ_３点以上に加熱する。高周波誘導加熱コイル１３としては、この種のコイルとして周知慣用のものを用いることができる。

高周波誘導加熱コイル１３は、後述する第２の部材１５−２に固定されるための複数の足１３ａを有する。

このように、高周波誘導加熱コイル１３は、鋼管２に誘導電流を発生する。

［変成器１０］
変成器１０は、高周波誘導加熱コイル１３に供給する高周波電力を発生する。変成器１０としては、この種の変成器として周知慣用のものを用いることができる。

［ブスバー１４］
ブスバー１４は、高周波誘導加熱コイル１３と変成器１０との間を結んで変成器１０から高周波誘導加熱コイル１３へ高周波電力を供給する。すなわち、ブスバー１４は、高周波誘導加熱コイル１３が上述の所定の位置に配置されるように、高周波誘導加熱コイル１３を懸垂支持する。また、ブスバー１４は、高電圧・高電流にも耐え得る導体（例えば銅製）からなり、高周波誘導加熱コイル１３および水冷装置７を確実に保持するため板状に構成されている。ブスバー１４は、電流密度が規定値を超えないように所定の断面積を有している。

ブスバー１４の上部は、ブスバー１４の上部に配置された変成器１０に固定されている。このため、ブスバー１４は、熱膨張すると、主に反固定側へ向けて変位する。

ブスバー１４は、図１（ｂ）に示すように、平面視（Ｂ矢視）で略Ｌ字状の外形を有するとともに、平面視（Ｃ矢視）で略クランク状の外形を有する。ブスバー１４は、このような外形を有しており、水平方向、垂直方向および鋼管１の長手方向の少なくとも一つの方向への熱膨張による変位を吸収可能な屈曲部１４ａ，１４ｂ、１４ｃを有している。

ブスバー１４は、誘導加熱のための大電流を流すため、僅かな電気抵抗から電気エネルギーロスを生じ易いが、略クランク状の外形を有することにより斜めの形状を呈するので、略Ｌ字状の外形と比べて電流の経路の長さが短くなり、これにより、電気抵抗を少なくできるとともに電気エネルギーロスを低減できる。このように、ブスバー１４は、上述の形状を有することにより、熱膨張を吸収可能であるとともに、電気エネルギーロスを小さくすることができる。

さらに、ブスバー１４は、変成器１０に接続される第１の部分１４−１と、高周波誘導加熱コイル１３に接続される第２の部分１４−２とを有しており、第１の部分１４−１および第２の部分１４−２は、第１の部分１４−１に穿設された長穴１４ｄを介してボルト１４ｅにより締結固定されている。これにより、誘導加熱を行う前に設置されたブスバー１４は、誘導加熱時に熱膨張しても、この長穴１４ｄに存在する隙間により第１の部分１４−１および第２の部分１４−２の連結部がスライドし、ブスバー１４の熱膨張による伸びが吸収される。このため、ブスバー１４の固定部に加わる荷重が軽減され、高周波誘導加熱コイル１３の位置ズレを抑制することができる。

［加熱コイル固定部材（加熱コイル固定治具）１５］
加熱コイル固定部材１５は、第１の部材１５−１および第２の部材１５−２を有する。

第１の部材１５−１は、外周の一部が切欠き部１６により離断された略環状の形状を有する。第１の部材１５−１は、移動支持部材１２に当接するための複数の支柱１７を有し、これらの支柱１７を介して移動支持部材１２に固定される。

一方、第２の部材１５−２は、例えばグラスファイバ等の非磁性材料からなり、第１の部材１５−１に固定されるとともに、複数の足１３ａを介して高周波誘導加熱コイル１３を固定して搭載する。

このように、加熱コイル固定部材（加熱コイル固定治具）１５は、移動支持部材１２に固定されるとともに、高周波誘導加熱コイル１３を固定支持する。

本発明に係る製造装置１１は以上のように構成される。次に、この製造装置１１を用いて、焼入れ部材（曲げ部材）９を製造する方法を説明する。

２．製造方法
図１（ａ）に示すように、鋼管２を、移動支持部材（支持ガイド）１２によって、位置決めするとともに鋼管２の軸方向へ移動させながら、変成器１０が発生する高周波電力を供給するブスバー１４により懸垂支持されるとともに鋼管２の周囲を覆って配置される高周波誘導加熱コイル１３により鋼管２を誘導加熱することにより、焼入れ部材９を製造する。

本発明では、上述したように、高周波誘導加熱コイル１３を、設置位置が不変であるように固定設置された移動支持部材１２に固定される加熱コイル固定部材（加熱コイル固定冶具）１５により、固定支持する。

すなわち、図１（ｂ）および図１（ｃ）に示すように、高周波誘導加熱コイル１３が、鋼管２をその軸方向へ移動自在に位置決めする移動支持部材１２に固定される。このため、稼働時の高周波誘導加熱コイル１３および加熱コイル固定部材１５が、鋼管２に対して変位することが防止される。

また、図１（ｂ）に示すように、ブスバー１４は、平面視（Ｂ矢視）で略Ｌ字状の外形を有するとともに、平面視（Ｃ矢視）で略クランク状の外形を有し、水平方向、垂直方向および鋼管２の軸方向の少なくとも一つの方向への変位を吸収可能な屈曲部１４ａ〜１４ｃを少なくとも一つ備える形状を有する。このため、高周波誘導加熱コイル１３の稼働時にブスバー１４に発生する３次元（水平、垂直、進行）方向への熱膨張および熱収縮による変位を吸収できる。

このため、本発明によれば、鋼管２と高周波誘導加熱コイル１３との間の位置ズレを実質的に解消でき、これにより、高周波誘導加熱コイル１３を安定して固定でき、鋼管２に対する高周波誘導加熱コイル１３の位置ズレを安定して抑制でき、これにより、３ＤＱにおける焼入れ部材９の焼き入れ性と加工精度をいずれも安定して向上することができる。

２ 鋼管
９ 焼入れ部材
１０ 変成器
１１ 本発明に係る製造装置
１２ 移動支持部材
１３ 高周波誘導加熱コイル
１４ ブスバー
１５ 加熱コイル固定部材

Claims (10)

1. 閉じた横断面を有する中空の鋼材を該鋼材の軸方向へ移動自在に位置決めする移動支持部材と、前記鋼材に誘導電流を発生する高周波誘導加熱コイルと、高周波電力を発生する変成器と、前記高周波誘導加熱コイルと前記変成器との間を結んで前記高周波誘導加熱コイルを懸垂支持するともに前記変成器から前記高周波誘導加熱コイルへ前記高周波電力を供給するブスバーと備え、前記鋼材を焼入れて焼入れ部材を製造する装置において、
   前記移動支持部材に固定されるとともに前記誘導加熱コイルを固定支持する加熱コイル固定部材を備えること
   を特徴とする焼入れ部材の製造装置。
2. 前記ブスバーは、水平方向、垂直方向および前記鋼材の長手方向の少なくとも一つの方向への変位を吸収可能な屈曲部を少なくとも一つ有する請求項１に記載された焼入れ部材の製造装置。
3. 前記ブスバーは平面視で略Ｌ字状である請求項２に記載された焼入れ部材の製造装置。
4. 前記ブスバーは平面視で略クランク状である請求項２または請求項３に記載された焼入れ部材の製造装置。
5. 前記ブスバーは、前記変成器に接続される第１の部分と、前記高周波誘導加熱コイルに接続される第２の部分とを有しており、前記第１の部分および前記第２の部分は、前記第１の部分または第２の部分に穿設された長穴を介してボルトにより締結固定される請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載された焼入れ部材の製造装置。
6. 前記加熱コイル固定部材は、外周の一部が離断された略環状の形状を有するとともに前記移動支持部材に固定される第１の部材と、該第１の部材に固定されるとともに前記高周波誘導加熱コイルを固定して搭載する第２の部材とを有する請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載された焼入れ部材の製造装置。
7. 前記第１の部材は、前記移動支持部材に当接するための複数の支柱を有する請求項６に記載された焼入れ部材の製造装置。
8. 前記第２の部材は非磁性材料からなる請求項６または請求項７に記載された焼入れ部材の製造装置。
9. 前記高周波誘導加熱コイルは、前記第２の部材に固定されるための複数の足を有する請求項６から請求項８までのいずれか１項に記載された焼入れ部材の製造装置。
10. 閉じた横断面を有する中空の鋼材を、移動支持部材によって、位置決めするとともに該鋼材の軸方向へ移動させながら、変成器が発生する高周波電力を供給するブスバーにより懸垂支持されるとともに前記鋼材の周囲を覆って配置される高周波誘導加熱コイルにより前記鋼材を誘導加熱することにより、焼入れ部材を製造する方法において、
    前記高周波誘導加熱コイルを、前記移動支持部材に固定される加熱コイル固定部材により、固定支持すること
    を特徴とする焼入れ部材の製造方法。

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