JP5309684B2 - ワークの冷却方法及びワークの冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、焼入れ等の熱処理を行う時に用いられるワークの冷却方法及びワークの冷却装置に関する。

従来、加熱した鋼及び合金部品（ワーク）を急速に冷却し焼入れ等の熱処理加工する時に、冷却室（冷却槽）を流れる水等で冷却していた（例えば、特許文献１参照）。この時、水の流速を３．０ｍ／ｓｅｃ以上とし、さらに水の流れを調節するための流速分布ガイドを設け、冷却室内の各部の水の流速が規定の流速の±１０％以内となるようにすることで、鋼及び合金部品の冷却が均一になるとされる。
また、処理品（ワーク）を平均速度１．０ｍ／ｓｅｃ以上の流水中で冷却することで、水による蒸気膜を形成させることなしに、処理品の各部を均一に冷却する方法も知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００５−２１３６４６号公報 特開２００２−９７５２０号公報

しかしながら、従来のワークの冷却方法では、ある特定のワークの冷却速度が速くなるように冷却槽内の水の流れを設定すると、他の特定のワークの冷却速度が低下してしまうという問題があった。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、ワークの形状や大きさによらず冷却速度を向上させることが可能なワークの冷却方法及びワークの冷却装置を提供するものである。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明のワークの冷却方法は、内部に冷却液を収容する冷却槽にワークを投入し、該冷却槽の内壁面に設けられたノズルから前記冷却液を噴射し前記ワークを冷却するワークの冷却方法において、前記ワークの形状を把握する形状把握工程と、前記ワークの周囲の前記冷却液の流速が基準値以上になるような前記ノズルの向きを、前記冷却槽の内壁面の形状及び該冷却槽内の所定位置に配置された前記ワークの形状に基づいた流体解析を繰り返し行うことにより求めるノズル・ワーク解析工程と、前記流体解析により得られた前記ノズルの向きに前記冷却槽の内壁面に設けられた前記ノズルを設定するとともに、前記ワークを前記冷却槽内の所定位置に配置させるノズル・ワーク設定工程と、前記ノズルから前記冷却液を噴射し前記ワークを冷却する冷却工程とを備えることを特徴としている。
なお、ここで言う冷却槽の内壁面とは、冷却槽の内部の側面及び冷却槽の内部の底面を少なくとも含む面のことである。

また、本発明のワークの冷却装置は、内部に冷却液を収容し、内壁面に設けられたノズルから前記冷却液を噴射して該冷却液に投入されたワークを冷却する冷却槽と、該ワークを該冷却槽内に搬送する搬送手段と、前記ワークの周囲の前記冷却液の流速が基準値以上になるような前記ノズルの向きを、前記冷却槽の内壁面の形状及び該冷却槽内の所定位置に配置された前記ワークの形状に基づいた流体解析を繰り返し行うことにより求める解析手段と、前記ノズルの向きを調節するノズル向き可変手段とを備えることを特徴としている。

この発明によれば、ワークを実際に冷却する前に、冷却槽の内壁面の形状及び冷却槽内の所定位置に配置されたワークの形状に基づいて、冷却液の流れの流体解析を行う。より詳しくは、ワークの周囲の冷却液の流速が基準値以上になるようなノズルの向きを流体解析を繰り返し行うことにより求める。
そして、流体解析により得られたノズルの向きに冷却槽の内壁面に設けられたノズルを設定するとともに、ワークを冷却槽内の所定位置に配置させ、ノズルから冷却液を噴射しワークを冷却する。
流体解析により得られた結果に基づいてノズルの向きを設定しているので、ワークの形状や大きさによらずワークの周囲の流速は基準値以上になり、ワークの冷却速度を向上させることができる。

また、本発明のワークの冷却方法は、内部に冷却液を収容する冷却槽にワークを投入し、該冷却槽の内壁面に設けられたノズルから前記冷却液を噴射し前記ワークを冷却するワークの冷却方法において、前記ワークの形状を把握する形状把握工程と、前記ワークの周囲の前記冷却液の流速が基準値以上になるような前記ノズルの向き及び前記ワークの位置と向きを、前記冷却槽の内壁面の形状及び該冷却槽内の所定位置と所定の向きに配置された前記ワークの形状に基づいた流体解析を繰り返し行うことにより求めるノズル・ワーク解析工程と、前記流体解析により得られた前記ノズルの向きに前記冷却槽の内壁面に設けられた前記ノズルを設定するとともに、前記流体解析により得られた前記ワークの位置と向きに前記ワークを前記冷却槽内に配置させるノズル・ワーク設定工程と、前記ノズルから前記冷却液を噴射し前記ワークを冷却する冷却工程とを備えることを特徴としている。

この発明によれば、ワークを実際に冷却する前に、冷却槽の内壁面の形状及び冷却槽内に配置されたワークの形状に基づいて、冷却液の流れの流体解析を行う。より詳しくは、ワークの周囲の冷却液の流速が基準値以上になるような、ノズルの向き及びワークの位置と向きを流体解析を繰り返し行うことにより求める。
そして、流体解析により得られたノズルの向きに冷却槽の内壁面に設けられたノズルを設定するとともに、流体解析により得られたワークの位置と向きにワークを冷却槽内に配置させ、ノズルから冷却液を噴射しワークを冷却する。
このように、流体解析により得られた結果に基づいてノズルの向き及びワークの位置と向きを設定するので、ワークの形状や大きさによらずワークの周囲の流速は基準値以上になり、ワークの冷却速度をより向上させることができる。

本発明のワークの冷却装置及びワークの冷却装置によれば、ワークの形状や大きさによらず冷却速度を向上させることできる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。図１から図２は、本発明の実施形態のワークの冷却装置の説明図である。図１はワークの冷却装置の正面図、図２は要部平面図である。
このワークの冷却装置１は、内部に冷却液Ｌを収容する冷却槽２にワークを投入し、冷却槽２の内壁面２ｃに設けられたノズル３から冷却液Ｌを噴射しワークを冷却して焼入れ等を行う装置である。なお、本実施形態では冷却液Ｌとして水を使用する。ただし、冷却液Ｌは水に限ることなく、鉱物油等でもよい。
図１に示すように、ワークの冷却装置１は、内部に水Ｌを収容しワークを冷却する冷却槽２と、ワークを冷却槽１内に搬送して位置決めする搬送手段４と、流体解析を行う解析手段５と、冷却槽１内に設けられたノズル３の向きを調節するノズル向き可変手段６と、ワークの形状を測定する形状測定手段７を備える。
なお、ワークの形状は、図３（ａ）に示すように円筒を半分にした形状のワークＷ１、図３（ｂ）に示すように板状のワークＷ２、図３（ｃ）に示すように中空の１／４球状の形状（以下、「ドーム状」と称する）のワークＷ３等、様々な形状のものがある。

図１に示すように、冷却槽２は、ワークが投入される主タンク２ａと後述するように主タンク２ａから溢れた水Ｌを回収する外周部２ｂとを有する。主タンク２ａは上部が解放された有底円筒状の形状をしていて、その大きさは例えば内部の直径が１０ｍ、内部の高さが１０ｍとなっている。そして冷却槽２は、主タンク２ａの軸線Ｃが鉛直方向Ｄ１と平行になるように配置されている。
主タンク２ａの内壁面２ｃには、図１及び図２に示すように、一つの水平面上に周方向に等間隔に８個のノズル３ａからノズル３ｈが後述するノズル向き可変手段６を介して固定されている。なお、ノズル３ａからノズル３ｈを特に区別しない時には、まとめて「ノズル３」と称することにする。
またこの８つのノズル３を一組にしたものが、鉛直方向Ｄ１に等間隔に８組配置され、主タンク２ａの内壁面２ｃにはノズル３が全部で６４個固定されている。

ノズル向き可変手段６は、図示しないモータにより水平面内でノズル３の向きを変えることができるユニバーサルジョイントを有し、遠隔操作により６４個のノズル３の向きを変更することができるように設定されている。
なお図２では、内壁面２ｃの法線に対するノズル３の角度θが全て４５°に設定されている状態を示している。
また図１に示すように、主タンク２ａから溢れた水Ｌは外周部２ｂで回収され、配管２２を介してノズル用ポンプ２１に送られ、配管２３により６４個の各ノズル３に略等しく分配される。本実施形態ではノズル用ポンプ２１の流量は定格で３６ｔ／ｍｉｎのものを使用しているので、各ノズル３からはおよそ９．３ｋｇ／ｓｅｃの水Ｌが主タンク２ａ内に流入することになる。

図１に示すように、搬送手段４は、構成部品を支える支持ベース４１と、支持ベース４１上を水平面に平行な一方向である搬送方向Ｄ２に図示しないモータにより移動する移動ベース４２と、移動ベース４２に設けられ図示しないモータにより鉛直方向Ｄ１にそれぞれが独立して移動する一対のフック４３とを有する。一対のフック４３はワークの端部等に設けられた図示しない孔部に掛合することにより、ワークの向きを調節できるように設定されている。
また、フック４３は図示しない駆動装置により、鉛直方向Ｄ１及び搬送方向Ｄ２のそれぞれに直交する直交方向Ｄ３にも移動可能になっている。こうして、一対のフック４３に支持されたワークは、搬送手段４により、鉛直方向Ｄ１、搬送方向Ｄ２及び直交方向Ｄ３のいずれの方向にも自由に移動し、その位置で位置決めすることができる。

解析手段５は、ノズル３の向き、ワークの形状及び境界条件等を入力する入力部５１と、後述する条件で流体解析を行う計算部５２と、計算結果等を表示する表示部５３と、流体解析のプログラムや計算結果を記憶する図示しない記憶部を備えている。
流体の解析条件として、基礎方程式はＮａｖｉｅｒ―Ｓｔｏｋｅｓ方程式及び質量保存則、離散化方法は有限体積法、乱流モデルはｋ―εモデル、使用する物性値は水の物性値、を用いた。６４個の各ノズル３の先端には各ノズル３の向きに約５ｍ／ｓｅｃの流速を流入境界条件として与えた。
形状測定手段７は接触式の３次元形状測定器であり、アーム７１の先端７２をワークの表面上を移動させることにより、ワークの形状を計測することができる。

次に、このように構成したワークの冷却装置によるワークの冷却方法について説明する。図４はワークの冷却方法のフローチャートである。なお、ワークとしては図３（ｃ）に示すドーム状のワークＷ３を用いた場合について説明する。
まず、形状把握工程（ステップＳ１）において、形状測定手段７によりワークＷ３の形状を測定する。なお、冷却槽２の内壁面２ｃの形状は前もって知られているものである。本実施形態でのドーム状のワークＷ３の外径は約６ｍである。そして、図３（ｃ）に示すようにワークＷ３の端面Ｗ４が鉛直方向Ｄ１に平行になるような向きでワークＷ３を図１に示す主タンク２ａに投入するとした。
後述するように、数百度に加熱されたワークＷ３を約２０℃の常温の水Ｌで冷却するために、ワークＷ３の表面に接触した水Ｌは瞬時に気化し蒸気の膜になる。水に比べて蒸気の熱伝導率は低いので、ワークＷ３の表面に蒸気が溜まらないようにワークＷ３の向きを設定することが望ましい。
また、図３（ｃ）に示すワークＷ３の中心Ａ１が主タンク２ａの軸線Ｃ上に配置されるとともに、ワークＷ３の中心Ａ１が主タンク２ａの鉛直方向Ｄ１の中央の位置になるようにワークＷ３を主タンク２ａ内で位置決めするとした。なお、ワークＷ３を主タンク２ａに投入する時には、ワークＷ３が完全に水Ｌ中に沈むようにワークＷ３の位置を設定する。

次に、ノズル・ワーク解析工程（ステップＳ２）において、ワークＷ３の周囲の水Ｌの流速が基準値以上になるようなノズル３の向きを、冷却槽２の主タンク２ａの内壁面２ｃの形状及び冷却槽２内の所定位置に配置されたワークＷ３の形状、及び上記の解析条件に基づいた流体解析を繰り返し行うことにより求める。
なお、ここでは水Ｌの流速の基準値は、０．１５ｍ／ｓｅｃであるとした。

ここで、図５に上記条件での解析手段５による解析結果を示す。図５は、ワークＷ３の中心Ａ１を通る水平面における水Ｌの流速の分布を示している。図の右上に示す凡例のように水Ｌの流速は、薄い灰色で示した範囲が０．０ｍ／ｓｅｃ以上〜０．１５ｍ／ｓｅｃ未満、中程度の灰色で示した範囲が０．１５ｍ／ｓｅｃ以上〜０．３５ｍ／ｓｅｃ未満、そして濃い灰色で示した範囲が０．３５ｍ／ｓｅｃ以上〜０．５０ｍ／ｓｅｃ未満となっている。
ワークＷ３の周囲の水Ｌの流速を速くするために、図５に示すノズル３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄの向きを図２に示したノズル３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄの向きから変更している。なお、ノズル３は鉛直方向Ｄ１に等間隔に８組配置されているので、向きを変更したノズル３の数は３２個である。
図５に示すように、ワークＷ３の周囲の水Ｌの流速は全周囲で基準値である０．１５ｍ／ｓｅｃ以上になっていることが分かった。
なお、このように流体解析により得られた結果をデータベースにしておくことで、ワークの周囲の水Ｌの流速が基準値以上になるようなノズル３の向きをより迅速に求めることができるようになる。

また、比較例として、図６にノズル３の向きを図２の状態から変更しないで流体解析を行った結果を示す。ワークＷ３の周囲に薄い灰色で示した０．０ｍ／ｓｅｃ以上〜０．１５ｍ／ｓｅｃ未満の水Ｌの流速が遅い範囲があることが分かる。このようにワークＷ３の周囲の水Ｌの流速が遅いと、ワークＷ３の焼入れを充分行うことができずワークＷ３がもろくなる恐れがある。

次に、ノズル・ワーク設定工程（ステップＳ３）において、流体解析により得られたノズル３の向きに冷却槽２の内壁面２ｃに設けられたノズル３を設定するとともに、ワークＷ３を冷却槽２内の所定位置に配置させる。
最後に、冷却工程（ステップＳ４）において、各ノズル３から水Ｌを噴射し、上流工程で例えば９００℃に加熱されたワークＷ３を３０分位冷却して焼き入れする。

こうして、本発明のワークの冷却装置１によれば、流体解析により得られた結果に基づいてノズル３の向きを設定しているので、ワークＷの形状や大きさによらずワークＷの周囲の流速は基準値以上になり、ワークＷの冷却速度を向上させて焼入れ等に必要な冷却速度を得ることができる。

図７に、本発明のワークの冷却装置の解析手段５で、図３（ｂ）に示す板状のワークＷ２の周囲の水Ｌの流速を解析した結果を示す。板状のワークＷ２は、図３（ｂ）に示すようにワークＷ２の一辺が鉛直方向Ｄ１に平行になるとともに、ワークＷ２の中心Ａ２が主タンク２ａの軸線Ｃから２．０ｍ離れた場所で位置決めされるとした。なお、板状のワークＷ２は約６ｍ×３ｍの矩形状である。そして図７は、ワークＷ２の中心Ａ２を通る水平面における水Ｌの流速の分布を示している。
ワークＷ２の周囲の水Ｌの流速を増加させるため、図７に示すノズル３ｅ、３ｆ、３ｇの向きは、図２に示したノズル３ｅ、３ｆ、３ｇの向きから変更している。
図７に示された解析結果からも分かるように、板状のワークＷ２の周囲の水Ｌの流速が全周囲で基準値である０．１５ｍ／ｓｅｃ以上になっていることが分かる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の構成の変更等も含まれる。
例えば、上記実施形態では、ワークの形状を３次元形状測定器で測定したが、図３（ｂ）に示す板状のワークＷ２のような比較的単純な形状の場合には、３次元形状測定器でなく、巻尺等で測定してもよい。
また、板状のワークＷ２のような比較的単純な形状の場合には、形状把握工程でワークの形状を計測せずに、別途板状のワークＷ２のデータシート等から得たワークＷ２の幅、奥行き、肉厚等の寸法を直接入力部５１に入力してもよい。

また、ノズル・ワーク解析工程において、ワークの周囲の水Ｌの流速が基準値以上になるようなノズル３の向き及びワークの位置と向きを、冷却槽２の内壁面２ｃの形状及び冷却槽２内の所定位置に配置されたワークの形状から流体解析を繰り返し行うことにより求めてもよい。すなわち、ノズル３の向きだけでなく、ワークの位置と向きも変化させてワークの周囲の水Ｌの流速が基準値以上になるような仕様を求める。
この場合、ノズル・ワーク解析工程に引き続き行われるノズル・ワーク設定工程では、流体解析により得られたノズル３の向きに冷却槽２の内壁面２ｃに設けられた各ノズル３を設定するとともに、流体解析により得られたワークの位置と向きにワークを冷却槽２内に配置させる。
流体解析により得られた結果に基づいてノズル３の向き及びワークの位置と向きを設定するので、ワークの形状や大きさによらずワークの周囲の流速は基準値以上になり、ワークの冷却速度をより向上させることができる。

また、上記実施形態では、ノズル・ワーク設定工程において予めワークを冷却槽２内に配置させてからノズル３から水Ｌを噴射しワークを冷却した。しかし、予めノズル３から水Ｌを噴射し冷却槽２内に水Ｌによる流れを生じさせておき、ワークを冷却槽２内に投入してもよい。

また上記実施形態では、ノズル向き可変手段６はモータにより向きを変えることができるユニバーサルジョイントであるとした。しかし、作業者がＬ型のノズル３を溶接等により配管２３に付け替えてノズル３の向きを調整してもよい。なお、噴射される水Ｌの向きを安定させるため、水Ｌを噴射まで導く直管の長さはノズル３の内径の１．５倍以上あることが望ましい。

本発明の実施形態のワークの冷却装置の正面図である。 本発明の実施形態のワークの冷却装置の要部平面図である。 ワークの形状の説明図である。 本発明の実施形態のワークの冷却方法のフローチャートである。 本発明の実施形態のワークの冷却方法でドーム状のワークを冷却する冷却液の流速の解析結果を示す図である。 比較例として計算したドーム状のワークを冷却する冷却液の流速の解析結果を示す図である。 本発明の実施形態のワークの冷却方法で板状のワークを冷却する冷却液の流速の解析結果を示す図である。

符号の説明

１ ワークの冷却装置
２ 冷却槽
２ｃ 内壁面
３ ノズル
４ 搬送手段
５ 解析手段
６ ノズル向き可変手段
Ｌ 水（冷却液）
Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３ ワーク

Claims (3)

1. 内部に冷却液を収容する冷却槽にワークを投入し、該冷却槽の内壁面に設けられたノズルから前記冷却液を噴射し前記ワークを冷却するワークの冷却方法において、
   前記ワークの形状を把握する形状把握工程と、
   前記ワークの周囲の前記冷却液の流速が基準値以上になるような前記ノズルの向きを、前記冷却槽の内壁面の形状及び該冷却槽内の所定位置に配置された前記ワークの形状に基づいた流体解析を繰り返し行うことにより求めるノズル・ワーク解析工程と、
   前記流体解析により得られた前記ノズルの向きに前記冷却槽の内壁面に設けられた前記ノズルを設定するとともに、前記ワークを前記冷却槽内の所定位置に配置させるノズル・ワーク設定工程と、
   前記ノズルから前記冷却液を噴射し前記ワークを冷却する冷却工程と
   を備えることを特徴とするワークの冷却方法。
2. 内部に冷却液を収容する冷却槽にワークを投入し、該冷却槽の内壁面に設けられたノズルから前記冷却液を噴射し前記ワークを冷却するワークの冷却方法において、
   前記ワークの形状を把握する形状把握工程と、
   前記ワークの周囲の前記冷却液の流速が基準値以上になるような前記ノズルの向き及び前記ワークの位置と向きを、前記冷却槽の内壁面の形状及び該冷却槽内の所定位置と所定の向きに配置された前記ワークの形状に基づいた流体解析を繰り返し行うことにより求めるノズル・ワーク解析工程と、
   前記流体解析により得られた前記ノズルの向きに前記冷却槽の内壁面に設けられた前記ノズルを設定するとともに、前記流体解析により得られた前記ワークの位置と向きに前記ワークを前記冷却槽内に配置させるノズル・ワーク設定工程と、
   前記ノズルから前記冷却液を噴射し前記ワークを冷却する冷却工程と
   を備えることを特徴とするワークの冷却方法。
3. 内部に冷却液を収容し、内壁面に設けられたノズルから前記冷却液を噴射して該冷却液に投入されたワークを冷却する冷却槽と、
   該ワークを該冷却槽内に搬送する搬送手段と、
   前記ワークの周囲の前記冷却液の流速が基準値以上になるような前記ノズルの向きを、前記冷却槽の内壁面の形状及び該冷却槽内の所定位置に配置された前記ワークの形状に基づいた流体解析を繰り返し行うことにより求める解析手段と、
   前記解析手段が求めた向きとなるように前記ノズルの向きを調節するノズル向き可変手段と
   を備えることを特徴とするワークの冷却装置。

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