JP5575312B2

JP5575312B2 - 高周波誘導加熱装置

Info

Publication number: JP5575312B2
Application number: JP2013170022A
Authority: JP
Inventors: 力宮崎; 英司鈴木
Original assignee: 株式会社ミヤデン
Priority date: 2013-08-20
Filing date: 2013-08-20
Publication date: 2014-08-20
Anticipated expiration: 2029-09-16
Also published as: JP2014005542A

Description

本発明は、高周波の誘導加熱を利用して各種ワークを焼入れする際に使用される高周波誘導加熱装置に関する。

一般的に、例えばラックギヤ等のワークの表面を焼入れする場合に使用される高周波誘導加熱装置としては、ワークを支持する支持部材と、ワークの焼入れ部位の外側に配置された加熱コイルと、焼入れ部位を冷却する冷却ジャケット等の冷却装置と、所定周波数の高周波電流を発生する高周波電源等を備えている。そして、高周波電源を駆動させて加熱コイルに高周波電流を供給してワークの焼入れ部位を所定温度まで誘導加熱し、この加熱後に焼入れ部位を冷却装置で急速冷却させて焼入れするようにしている。なお、この種の高周波誘導加熱装置（焼入れ装置）としては、例えば特許文献１が開示されている。

特開２０００−２８２１３６号公報

しかしながら、このような高周波誘導加熱装置にあっては、ワークを焼入れする際に、所定温度まで誘導加熱されたワークの焼入れ部位に、例えば冷却ジャケットから冷却水を噴射させて急速冷却しているのみであるため、ワークの焼入れ部位にギヤのように凹凸がある場合、冷却水を焼入れ部位の全域に略均等に噴射させて均一に冷却させることが難しく、焼入れ（冷却）状態にムラが発生する場合がある等、高品質な焼入れ状態を得ることが難しい。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、焼入れ部位の全域を略均等に冷却できて、高品質な焼入れ状態を容易に得ることが可能な高周波誘導加熱装置を提供することにある。

かかる目的を達成すべく、本発明のうち請求項１に記載の発明は、焼入れすべきワークを支持する支持手段と、前記ワークの焼入れ部位の近傍に配置された加熱コイルと、該加熱コイルに高周波電流を供給するトランジスタインバータと、振動モータもしくは振動子からなり前記支持手段を振動させる振動手段と、前記ワークの焼入れ部位を冷却可能な冷却手段と、これらを制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記トランジスタインバータを駆動させて前記焼入れ部位を所定温度まで誘導加熱すると共に、前記振動手段を駆動させ、その振動レベルが振動付与時間の経過と共に低下するような振動を付与した状態で前記冷却手段により前記焼入れ部位を冷却することを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、前記冷却手段が、前記加熱コイルに配設されて冷却水を噴射可能な冷却ジャケットを有することを特徴とする。

本発明の請求項１に記載の発明によれば、制御手段によりトランジスタインバータを駆動させてワークの焼入れ部位を所定温度まで誘導加熱すると共に、振動手段を駆動させて焼入れ部位に振動を付与した状態で、冷却手段により焼入れ部位を冷却するため、ワークの焼入れ部位に凹凸があったとしても、振動により冷却手段の冷却水等を焼入れ部位の全域に接触させて略均等に冷却でき、高品質な焼入れ状態を容易に得ることできる。

また、振動モータや振動子からなる振動手段による振動レベルが時間の経過と共に低下するため、冷却手段の冷却水等をワークの焼入れ部位の全域に効率的に接触させて略均等に冷却でき、高品質な焼入れ状態を一層容易に得ることできる。

また、請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加え、冷却手段が加熱コイルに配設されて冷却水を噴射可能な冷却ジャケットを有するため、加熱コイルで加熱された焼入れ部位に冷却ジャケットにより冷却水を素早く噴射できて、一層高品質な焼入れ状態を得ることができる。

本発明に関連する高周波誘導加熱装置の基本的概念を示す概略構成図同その支持部材の断面図同ロウ付けに使用した場合の工程図同振動の付与状態を示す説明図同変形例を示す図１と同様の概略構成図本発明に係わる高周波誘導加熱装置の具体的な実施形態を示す概略構成図同その焼入れ方法の一例を示す工程図

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１〜図４は、本発明に関連する高周波誘導加熱装置の基本的概念を示している。図１に示すように、高周波誘導加熱装置１は、例えば金属管からなる一対のワークＷ１、Ｗ２を支持する支持手段としての一対の支持部材２、３と、上方の支持部材２を上下動させる支持部材駆動部４と、上方の支持部材２内に配設された振動モータ５（振動手段）を駆動させる振動手段駆動部６と、接合部位にロウ材７を自動的に供給するロウ材供給部８と、一対のワークＷ１、Ｗ２の接合部位の外周側に所定の間隙を有して配置された加熱コイル９と、この加熱コイル９に所定周波数の高周波電流を供給するトランジスタインバータ１０と、制御手段としての制御部１１等を備えている。

前記制御部１１は、ＣＰＵ１１ａ、ＲＯＭ１１ｂ、ＲＡＭ１１ｃ等を有し、その入力側には、図示しない各種センサや入力装置が接続され、その出力側には、前記支持部材駆動部４、振動手段駆動部６、ロウ材供給部８、トランジスタインバータ１０等が接続されている。そして、後述する如く、各種センサの検知信号や入力装置による入力データに基づいて、トランジスタインバータ１０や各部の駆動を制御するようになっている。

前記トランジスタインバータ１０は、トランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子を、例えばフルブリッジ接続したインバータ回路を有し、その入力側が前記制御部１１に接続され、その出力側が前記加熱コイル９に接続されている。また、前記ロウ材供給部８（ロウ材供給手段）は、制御部１１の制御信号で駆動することにより図示しないロールが回転し、該ロールに巻回されたロウ材７が所定スピードで前記接合部位に供給されるようになっている。さらに、前記加熱コイル９は、銅パイプを所定回数巻回することにより平面視形状が馬蹄形状に形成されるか、あるいは略円環状の銅パイプにより形成されて、その両端部が前記トランジスタインバータ９の出力端子に接続されると共に、ワークＷ１、Ｗ２の接合部位の外周側に進退可能かもしくは固定的に配置されている。

また、前記振動モータ５は、図２（ａ）に示すように、そのリード線５ｂが前記振動手段駆動部６に接続されたモータ本体５ａと、このモータ本体５ａの回転軸に固定された回転板５ｃ等を有している。このとき、回転板５ｃは、その先端が支持部材２に形成された取付孔２ａの内面に所定圧で接触可能に構成され、制御部１１の制御信号により振動手段駆動部６を介してモータ本体５ａに駆動信号が入力されることで該モータ本体５ａが後述する如く所定のタイミングで回転し、これに追従して回転板５ｃが図の矢印イの如く回転する。そして、この回転板５ｃの回転が支持部材２の取付孔２ａ内面に伝達され、支持部材２が所定の振動数でかつ所定のタイミングで微振動すると共に、その振動方向が水平面方向（図１及び図２の左右方向）となるように設定されている。なお、振動モータ５の構成は、この例に限定されず、例えば携帯電話等に使用される各種形態の振動モータを採用することができる。

また、この例では、振動手段として振動モータ５を使用したが、例えば図２（ｂ）に示すように、振動手段として振動子１３を使用することもできる。すなわち、支持部材２の例えば下面に取付部２ｂを設け、この取付部２ｂに例えば円盤状の圧電振動子もしくは超音波振動子等からなる振動子１３を固着し、そのリード線１３ａを所定方向に引き出して振動手段駆動部６に接続する。この振動子１３を使用した構成によれば、振動子１３の上下方向の振動を支持部材２を介してワークＷ１、Ｗ２の接合部位に伝達して、接合部位に垂直面方向（図１及び図２の上下方向）の微振動を付与することが可能となる。なお、振動手段による振動方向は、図示した例に限定されず、適宜な振動手段を採用することにより、水平面と垂直面の両面方向とすることも可能である。

次に、前記高周波誘導加熱装置１によるロウ付け方法の一例を図３の工程図及び図４の説明図に基づいて説明する。なお、以下の説明では、振動手段は図２（ｂ）に示す如く構成されているものとする。先ず、支持部材２を上方に退去させた状態で支持部材３に、接合部位を仮接合とした一対のワークＷ１、Ｗ２をセット（Ｋ０１）し、支持部材２を下降（Ｋ０２）させて、ワークＷ１、Ｗ２を上下の支持部材２、３で押さえ付ける。

この状態で、制御部１１の制御信号により振動手段駆動部６を介して振動手段（振動子１３）に駆動信号を出力して、該振動手段を駆動（Ｋ０３）させると共に、制御部１１の制御信号によりトランジスタインバータ１０を駆動させてオン（Ｋ０４）させ、加熱コイル９に高周波電流を供給する。また、加熱コイル９への高周波電流の供給と同期させて、制御部１１の制御信号によりロウ材供給部８を駆動させてロウ材７を接合部位に供給（Ｋ０５）して所定圧で接触させる（押し付ける）。

これにより、誘導加熱された接合部位に接触したロウ材７が溶融し、この溶融したロウ材が図１に示すように、上下のワークＷ１、Ｗ２の接合部位に形成された隙間１４内に侵入する。このロウ材７の溶融時に、振動手段としての振動子１３が垂直面方向に振動して支持部材２を介してワークＷ１、Ｗ２の接合部位に微振動が付与されていることから、ロウ材７が溶融する際にロウ材７自体から発生するガスやロウ材７溶融時に巻き込む外気、あるいはロウ付け時にフラックスが使用される場合はフラックスの気化によるガスが、溶融したロウ材７の内部から微振動によって上方外部に排出される。

なお、振動手段によりロウ材７の溶融時に接合部位に付与される振動は、例えば図４（ａ）に示すように設定されている。すなわち、振動手段による微振動は、その振動レベルが振動付与時間Ｔの経過と共に徐々に低下するように設定され、これにより、溶融が開始されてロウ材７が十分に溶融状態にある時期は、比較的大きな微振動が付与されてガス抜きが促進され、また、ロウ材７が固化する状態に移行する時期には、振動レベルを低下させてロウ材７の固化に悪影響を与えることなく表面側に残存するガスのガス抜きが可能となるように設定されている。この振動形態の場合、振動レベルは振動付与時間Ｔの開始から終了に掛けて連続的に低下させても良いし、段階的に低下させることもできる。

また、振動形態としては、例えば図４（ｂ）に示すように、振動付与時間Ｔの全域において連続ではなく、パルス的に振動させても良く、この場合、振動付与時間Ｔの開始側での振動付与時間幅Ｔ１、Ｔ２を長くし、振動付与時間Ｔの終了側での振動付与時間幅Ｔｉを短くすることで、図４（ａ）と同様の作用効果を得ることができる。なお、振動手段の振動付与形態は、図４（ａ）と（ｂ）のそれぞれに特定されるものではなく、これらを組み合わせた形態とすることも勿論可能である。

前記工程Ｋ０５でロウ材７が所定時間供給されると、制御部１１の制御信号によりトランジスタインバータ１０がオフ（Ｋ０６）すると共に、制御部１１の制御信号により振動手段駆動部６を介して振動手段が停止（Ｋ０７）する。これにより、ワークＷ１、Ｗ２の接合部位のロウ付け作業が終了し、支持部材駆動部４により支持部材２を上昇（Ｋ０８）させて、接合されたワークＷ１、Ｗ２を支持部材３から取り出す（Ｋ０９）ことにより、一連の作業が完了する。つまり、ワークＷ１、Ｗ２の接合部位をロウ付けする際に、支持部材２に配設した振動手段で支持部材２、ワークＷ１を介して接合部位に微振動を所定の形態で付与することにより、溶融したロウ７材内部のガス抜きがロウ付け作業と同時にかつ自動的に行われることになる。

なお、以上の説明においては、振動モータ５や振動子１３からなる振動手段を、ワークＷ１を支持する支持部材２内に配設したが、例えば図５に示すように、ワークＷ２を支持する下方の支持部材３に振動モータ５や振動子１３等の振動手段を所定の形態で配設することもできる。このように振動手段の配設位置は、ワークの形態や支持部材２、３の形態等に応じて、接合部位に効果的な微振動を付与できる構成を採用すれば良い。また、前記高周波誘導加熱装置１におけるロウ材７の供給は、自動供給に限らず手動で供給する構成としても良い。

このように、前記高周波誘導加熱装置１によれば、制御部１１によりトランジスタインバータ１０を駆動させて接合すべき一対のワークＷ１、Ｗ２の接合部位を誘導加熱すると共に、振動手段を駆動させて接合部位に微振動を付与した状態で、該接合部位をロウ付けするため、ロウ材７が溶融する際等に発生するガスが微振動により溶融状態のロウ材７内部から外部に排出され、ガス抜きが良好に行えて、固化後のロウ材７内部にガスが残存することがなくなり、ロウ付け強度を高めることができると共に、ピンホールの発生や表面の凹凸発生等を防止して外観品質的に優れたロウ付け状態を容易に得ることができる。

特に、振動手段による接合部位への微振動の付与が、振動付与時間Ｔの経過と共に変化するように設定したり、振動手段による振動方向を垂直面方向に設定することにより、溶融したロウ材７内のガス抜きを効果的に行うことができると共に、振動手段による微振動が溶融したロウ材７の固化に悪影響を与えない振動数に設定されているため、ワークＷ１、Ｗ２の接合部位に一層良好なロウ付け状態を得ることが可能となる。

また、一対のワークＷ１、Ｗ２の接合部位に、制御部１１の制御によりロウ材７を供給可能なロウ材供給部８を備えるため、ロウ材７を接合部位に自動供給することができて、ロウ付け作業の完全自動化を図ることができる。さらに、振動手段が振動モータ５の駆動により支持部材２を振動させるか、もしくは振動子１３の駆動により支持部材２を振動させるため、振動手段として振動モータ５や圧電振動子・超音波振動子等の振動子１３を使用できて、加熱装置１を安価に形成し得ると共にその取り扱いを容易に行うこと等ができる。

図６及び図７は、本発明に係わる高周波誘導加熱装置の具体的な実施形態を示している。以下、上記基本的概念と同一部位には同一符号を付して説明する。この実施形態の高周波誘導加熱装置１は、所定形状のワークＷ３（図では簡略化した状態を示すが、焼入れ部位に例えば凹凸状のギヤを有するラックギヤ等のワーク）の焼入れに使用されるもので、前記基本的概念と同様に形成された、支持部材駆動部４、振動手段駆動部６、トランジスタインバータ１０及び制御部１１を備えると共に、加熱コイル１６に冷却水１７を供給する冷却水供給部１５を備えている。

また、支持部材２、３の少なくとも一方には、振動モータ５や振動子１３等からなる振動手段が配設されて、支持部材２、３を介してワークＷ３に微振動が付与されるようになっている。さらに、ワークＷ３の焼入れ部位の外周側に所定の間隙を有して配設される加熱コイル１６は、その内部に前記冷却水供給部１５から冷却水が所定圧で供給される図示しない冷却水流路が形成されると共に、冷却水流路の内周面等には冷却水１７を所定方向に噴射可能な噴射孔が所定間隔で複数形成されている。

そして、この高周波誘導加熱装置１は、図７に示すようにしてワークＷ３が焼入れされる。すなわち、ワークＷ３が支持部材３上にセット（Ｋ１１）されると、支持部材駆動部４の駆動で支持部材２を下降（Ｋ１２）させて、ワークＷ３を上下の支持部材２、３で押さえ付ける。この状態でトランジスタインバータ１０が所定時間駆動してオン（Ｋ１３）となり、加熱コイル１６に高周波電流が供給されて、ワークＷ３の焼入れ部位が所定温度まで誘導加熱される。そして、焼入れ部位が誘導加熱されると、トランジスタインバータ１０がオフ（Ｋ１４）となり、この状態で、制御部１１の制御信号により振動手段駆動部６を介して振動手段を駆動（Ｋ１５）させる。

これにより、振動手段による振動が支持部材２を介してワークＷ３に伝達され、ワークＷ３の焼入れ部位に微振動が付与された状態となり、この振動付与状態で冷却水供給部１５が駆動（Ｋ１６）して、加熱コイル１６から冷却水１７が噴射されることにより、ワークＷ３の焼入れ部位が急速冷却されて焼入れされる。このとき、加熱コイル１６から噴射される冷却水１７は、微振動状態のワークＷ３の焼入れ面に噴射されることで、所定方向に噴射された冷却水１７が焼入れ部位の全ての面に均等（均一）に接触することになる。なお、工程Ｋ１５における振動手段の駆動は、図４に示すように振動レベルが変化するようになっている。また、振動手段による振動方向は、冷却水１７の供給方向に対して水平面上でもしくは垂直面上で直交する方向が好ましいが、ワークＷ３の凹凸形状に応じて適宜に設定することもできる。

このようにして冷却水１７が所定時間噴射されて焼入れ部位が冷却されると、振動手段を停止（Ｋ１７）させると共に、冷却水供給部１６を停止（Ｋ０１８）させる。これにより、ワークＷ３の焼入れ作業が終了し、支持部材２を上昇（Ｋ１９）させて、ワークＷ３を支持部材３上から取り出す（Ｋ２０）をことにより、一連の焼入れ作業が完了する。

つまり、凹凸部を有するワークＷ３の焼入れ部位を焼入れする際に、支持部材２に配設した振動手段で支持部材２を介してワークＷ３の焼入れ部位に微振動を所定の形態で付与することにより、加熱コイル１６から噴射される冷却水１７に対して焼入れ部位の位置を微妙にずらしつつ該部位を効果的に冷却できることになる。なお、この例の場合、加熱コイル１６に冷却水１７の噴射孔を設けた構成に限定されず、例えば冷却ジャケットを加熱コイル１６の適宜位置に一体的もしくは別体で配置した構成としても良いし、冷却手段として冷却ジャケット以外の例えば冷却水等の冷却媒体が貯留されたタンク等を使用することも可能である。

この実施形態の高周波誘導加熱装置１においても、上記基本的概念と略同様の作用効果が得られる他に、ワークＷ３の焼入れ時にその焼入れ部位に微振動を付与できるため、ワークＷ３の焼入れ部位に凹凸があったとしても、微振動により焼入れ部位に噴射される冷却水１７で焼入れ部位の全域を略均等に冷却することができて、焼入れ部位に高品質な焼入れ状態を容易に得ることできる。特に、振動手段による振動方向をワークＷ３の焼入れ部位の凹凸に対応して所定に設定することにより、焼入れ部位の全面に冷却水１７を効率的に浴びせることができて、冷却効果を十分に高めることができる。また、振動手段として安価で取扱性に優れた振動モータ５や振動子１３を使用することができて、加熱装置１自体を安価に形成すること等ができる。

なお、前記実施形態においては、加熱コイル５、１６を所定位置に固定して誘導加熱する例について説明したが、ワークのロウ付け部位や焼入れ部位に沿って加熱コイルを移動可能に配設することもできるし、一つの加熱コイルに限らず、複数に分割状態とされた加熱コイルを使用する等、適宜の加熱コイルを使用することができる。また、前記実施形態における、支持部材２、３の形態や制御部１１の構成等は一例であって、本発明の各発明に係わる要旨を逸脱しない範囲において適宜の構成を採用することができる。

本発明は、高周波誘導加熱による焼入れが必要とされる全てのワークに利用できる。

１・・・高周波誘導加熱装置、２、３・・・支持部材、４・・・支持部材駆動部、５・・・振動モータ（振動手段）、６・・・振動手段駆動部、７・・・ロウ材、８・・・ロウ材供給部（ロウ材供給手段）、９・・・加熱コイル、１０・・・トランジスタインバータ、１１・・・制御部（制御手段）、１３・・・振動子（振動手段）、１５・・・冷却水供給部、１６・・・加熱コイル、１７・・・冷却水、Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３・・・ワーク。

Claims

焼入れすべきワークを支持する支持手段と、前記ワークの焼入れ部位の近傍に配置された加熱コイルと、該加熱コイルに高周波電流を供給するトランジスタインバータと、振動モータもしくは振動子からなり前記支持手段を振動させる振動手段と、前記ワークの焼入れ部位を冷却可能な冷却手段と、これらを制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記トランジスタインバータを駆動させて前記焼入れ部位を所定温度まで誘導加熱すると共に、前記振動手段を駆動させ、その振動レベルが振動付与時間の経過と共に低下するような振動を付与した状態で前記冷却手段により前記焼入れ部位を冷却することを特徴とする高周波誘導加熱装置。
前記冷却手段は、前記加熱コイルに配設されて冷却水を噴射可能な冷却ジャケットを有することを特徴とする請求項１に記載の高周波誘導加熱装置。