JP5765684B2 - 熱処理方法 - Google Patents
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Description
このような熱処理方法では、例えば環状の被熱処理領域を複数有するワークを熱処理する場合、複数の被熱処理領域を一度に加熱して冷却しているため、ワークの形状や大きさに応じた加熱コイルが多数種類必要となり、また加熱コイルの形状や構造、ワークの支持構造などが複雑になって、装置構成が複雑であった。
しかも、複数の被熱処理領域を一度に加熱して冷却する構造では、加熱コイルにより加熱する面積が広いため、その分大きな電力が必要となる。大きなワークの場合、十分な電力を給電しなければ、所望の温度まで被加熱領域を昇温することができない。十分な電力を給電するとすれば、ワークの大きさに応じた大電力が必要になり、電源設備が大型化していた。
第1加熱工程では第2被熱処理領域を冷却しつつ第1被熱処理領域を加熱し、第2加熱工程では第1被熱処理領域を冷却しつつ第2被熱処理領域を加熱してもよい。
また好ましくは第1加熱工程及び第2加熱工程では、第1被熱処理領域と第2被熱処理領域とを同じ加熱コイルで誘導加熱する。その場合、第1被熱処理領域と第2被熱処理領域とが面対称形状を有し、第1焼戻工程後にワークを反転させるのがよい。
しかもこの熱処理方法によれば、環形状のワークの複数箇所にワーク形状に沿って局部的に設けた環状の被熱処理領域を順次熱処理する際、第1被熱処理領域を第1加熱工程及び第1冷却工程により熱処理した後、第1焼戻工程により第1被熱処理領域を加熱及び冷却してから第2被熱処理領域を加熱している。そのため第2被熱処理領域を加熱するまでの間や加熱中などに、例えば変形や焼割れのような熱処理欠陥の発生を低減又は防止できる。
本実施形態では、旋回型熱処理装置を用いて熱処理対象のワークWを熱処理する例について説明する。ここで熱処理とは、ワークWに加熱と冷却とを組み合わせて各種の条件で施すことで、ワークWの組織を変化させて硬度や靱性のような性質を変化させる処理であり、例えば焼入処理が含まれる。ここでは、大型の円環形状を有するワークWを焼入れして焼戻し又は焼鈍する。
まず、本発明の熱処理対象であるワークについて説明する。
熱処理対象のワークWは鋼材のように熱処理可能な材料からなり、図1に示すように、環形状を有して表面に被熱処理領域H1,H2が局部的に2カ所以上に設けられている。各被熱処理領域H1,H2はそれぞれワークWの環形状に沿って環状に設けられている。
本実施形態のワークWは円環形状を有し、断面形状では基部W1と基部W1から内側に突出する突出部W2とを備え、突出部W2に内側に向けて逆方向に傾斜する傾斜面W3を有している。一方の傾斜面W3には第1被熱処理領域H1が、他方の傾斜面W3には第2被熱処理領域H2が、それぞれ環形状に沿って無端状に設けられている。第1及び第2被熱処理領域H1,H2は、表面側のみが加熱される領域であっても、内部まで加熱される領域であってもよいが、ここでは表面側のみが加熱される領域となっている。
このワークWは直径が1m以上、ここでは3m以上の円環形状を有した大型の旋回輪や大型の軸受などを構成する外輪の例である。
また被熱処理領域H1,H2が誘導加熱されると、被熱処理領域H1,H2の幅方向における一方の縁側と他方の縁側とで熱膨張による変形量が異なる形状となっている。被熱処理領域H1,H2と直交する断面形状において、被熱処理領域H1,H2の一方の縁側と他方の縁側とで大きく形状が異なるため、被熱処理領域H1,H2の両縁側で誘導加熱されたときの熱膨張による変形量が異なるからである。
次に、本実施形態で使用する熱処理装置について説明する。
熱処理装置10は、図2乃至図4に示すように、ワークWを支持する治具100と、ワークWを搬入及び搬出する搬入搬出セクション300と、治具100を吊り下げて搬送する搬送機構200と、治具100に載置されたワークWを回転させつつ加熱する加熱セクション400と、加熱セクション400の下方に設けられた冷却セクション500と、搬入搬出セクション300とは反対側に設けられた部品交換セクション600と、を備える。
加熱セクション400は、図5に示すように、治具100の放射架台111を下から支持し周方向の移動を規制する治具保持機構410と、治具100に載置されたワークWを加熱する複数の加熱部450と、を備える。治具保持機構410及び加熱部450は、治具100の中心であるワークWの回転中心Cに対して周囲に複数設けられている。ここでは治具100の互いに隣接する放射架台111間に、ワークWの加熱位置P3が設けられており、各加熱部450は加熱位置P3に対応するように配設されている。
各加熱部450は、図5及び図6に示すように、ワークWの表面位置を検出する位置検出手段480と、各加熱位置P3で治具100上に載置されたワークWの被熱処理領域H1,H2に対向配置される加熱コイル451と、加熱コイル451を支持する支持ボックス452と、位置検出手段480の検出結果に基づいて支持ボックス452を変位及び変向させることでワークWに対する加熱コイル451の相対位置を変位させると共に、相対角度を変向させる変位手段460と、一方の被熱処理領域H1,H2を加熱時に他の部位、特に他方の被熱処理領域H1,H2を冷却するように該部位に冷却液を吹き付ける補助冷却部440と、を備えている。
位置検出手段480は、加熱時にワーク表面の位置を検出するものであり、図5に示すように、各加熱位置P3の上流側に配置されている。本実施形態では、2つの加熱位置P3毎に、その上流側に配置される治具100の放射架台111と対応する位置に配置されている。
このように、接触子488の変位量を変化量検出部489において検出することで、ワークW表面の上下方向の変位及び水平方向の変位が検出され、測定位置を示す信号が出力される。
加熱コイル451は、被熱処理領域H1,H2の一方向に沿う全長のうちの一部に対向する大きさに形成され、ワークWの全周のうちの加熱位置P3に配置される部位に対向配置される。各加熱部450の加熱コイル451は互いに所定間隔を開けて、被熱処理領域H1,H2の全長において均等に配置されている。
加熱コイル451の形状は適宜選択可能であり、平面視においてワークWの加熱部位の弧形状に対応した形状であって、ワークWの縦断面形状に対応した縦断面形状となっている。ここでは複数の加熱コイル451、好ましくは全ての加熱コイル451が同じ形状を有する。
そのために被熱処理領域H1,H2の形状と加熱コイル451の被熱処理領域H1,H2と対向する面の形状とが、なるべく広い範囲で一致するのがよい。また加熱コイル451の被熱処理領域H1,H2と対向する面の面積である対向面積が、被熱処理領域H1,H2の幅方向においてなるべく均一になるのがよい。さらに被熱処理領域H1,H2と直交する断面において、加熱コイル451の被熱処理領域H1,H2と対向する面と被熱処理領域H1,H2との間の角度はなるべく小さくするのがよく、好ましくは0度にする。
この実施形態の加熱コイル451は、被熱処理領域H1,H2と対向する面が被熱処理領域H1,H2に対応した形状を有し、被熱処理領域H1,H2と直交する幅が被熱処理領域H1,H2の幅より若干狭く形成されている。
冷却セクション500は、図9に示すように、加熱セクション400の下方に設けられた水槽510と、水槽510内に配置された冷却部としての複数の冷却ジャケット520とを備え、治具100の放射架台111を安定して支持可能となっている。
水槽510は、冷却液の飛散を防止するように治具100及びワークWを囲んで設けられている。複数の冷却ジャケット520は、ワークWに対して大量の冷却液を吐出してワークWに接触させるようにワークWに対向してワークWの周方向の複数位置に略均等に配設されている。
変位手段460は、ワークWと加熱コイル451との相対位置を変位させ、且つ、相対角度を変向するものである。
変位手段460は、図6に示すように、支持ボックス452を上下に変位させる上下変位部462と、支持ボックス452をワークWの回転中心Cからの放射方向に沿って水平方向に変位させる水平変位部463と、支持ボックス452の傾斜を調整する角度変向部492と、を備える。
上下駆動機構465は、下架台464に固定されて上下方向に配置された変位ガイドロッド466及び縦変位ネジ軸467と、変位架台42に固定されて変位ガイドロッド466を上下動可能に支持する変位軸受468と、変位架台42に固定されたサーボモータ等からなる上下駆動モータ469と、変位架台42に設けられて上下駆動モータ469の回転により縦変位ネジ軸467を上下動させる連結体471とを備える。
次に、このような熱処理装置10を用いてワークWを熱処理する方法について説明する。
本実施形態の熱処理方法では、ワークWに応じて各部を設定する準備工程と、ワークWを搬入して治具100に載置する搬入工程と、ワークWを載置した治具100を搬送する搬送工程とを行った後、各被熱処理領域H1,H2の熱処理を行う。その後、ワークWを搬出する搬出工程を行う。
搬入搬出セクション300の搬入搬出位置P1において、治具100にワークWを支持させる。図4に示すように、ワークWは治具100の複数の回転ローラ112上に、中央構造部130を囲むと共に、一方の端面を下向きにして載置する。その後、ワークWが載置された治具100を吊り下げ位置P2に移動して停止させる。
搬送工程では、図3及び図4に示すように、ワークWが載置された治具100を搬送機構200の搬送ローダ部220に接続し、吊り下げて加熱セクション400に搬送する。
具体的には図10に示すように、治具100上に載置されたワークWの第1被熱処理領域H1を加熱する第1加熱工程S11と、加熱された第1被熱処理領域H1を急冷する第1冷却工程S12と、第1冷却工程S12の後に第1被熱処理領域H1を加熱して徐冷する第1焼戻工程S13とを行い、次いで、第1焼戻工程S13の後でワークWを反転させて治具100上に載置する反転工程S14を行う。その後、反転されたワークWの第2被熱処理領域H2を加熱する第2加熱工程S15と、加熱された第2被熱処理領域H2を急冷する第2冷却工程S16と、第2冷却工程S16の後に第2被熱処理領域H2を加熱して徐冷する第2焼戻工程S17とを行う。
各位置検出手段480によりワークWの径方向位置及び軸方向位置を検出することで、各加熱位置P3における第1被熱処理領域H1の位置が算出される。そのため変位手段460を動作させ、各加熱コイル451をワークWに追従させつつ加熱する。例えばワークWが治具100の中心から偏心した状態で配置されるなどにより、ワークWが回動する際に径方向に変位しながら旋回するような場合であっても、加熱コイル451をワークWに追従させて加熱することができる。
所定の加熱完了状態まで加熱を継続し、被熱処理領域H1の全体を均一に加熱する。例えば第1被熱処理領域H1の温度が所望の温度、例えばA3変態点やA1変態点以上の温度に到達して所定の加熱時間が終了したとき、第1加熱工程S11を終了する。
ワークWの第1被熱処理領域H1の温度が十分に低下した段階で冷却工程を終了する。
次いで、ワークWが載置された図6に示す治具100を移動して、ワークWの第2被熱処理領域H2を各加熱位置P3に配置する。
次いで、図9及び図12(d)に示すように、搬送ローダ部220により図6に示す治具100を再び下降させ、冷却セクション500に治具100上のワークWを配置し、ワークWを回転させながら、複数位置に設けられた冷却ジャケット520からワークWに多量の冷却液を噴射し、ワークW全体を冷却する。
また、ワークWの全ての被熱処理領域H1,H2を同時に加熱する場合に比べて、加熱時に同時に必要な電力を抑えられる。そのため給電設備を簡素に構成できる。
する、
しかも第1被熱処理領域H1と第2被熱処理領域H2とが面対称形状を有しており、第1焼戻工程S13後にワークWを反転させて誘導加熱している。そのため、加熱コイル451を共通に使用できることに加え、加熱コイル451の位置調整等を簡略化でき、被熱処理領域H1,H2を複数有するワークWであっても容易に熱処理を行える。
また第1被熱処理領域H1と第2被熱処理領域H2との形状が全く異なるような場合には、第1加熱工程S11と第2加熱工程S15とで加熱コイル451を交換して加熱することで、本発明を同様に適用することが可能である。
上記では、第1焼戻工程S13及び第2焼戻工程S17では170℃〜200℃に加熱して大気中で冷却したが、他の方法により行うことも可能である。
W1 基部
W2 突出部
W3 傾斜面
H 被加熱領域
C 回転中心
P1 搬入搬出位置
P2 吊り下げ位置
P3 加熱位置
S11 第1加熱工程
S12 第1冷却工程
S13 第1焼戻工程
S14 反転工程
S15 第2加熱工程
S16 第2冷却工程
S17 第2焼戻工程
10 熱処理装置
40 加熱冷却架台
42 変位架台
43 位置検出支柱
44 位置検出台
100 治具
110 ワーク支持部
111 放射架台
112 回転ローラ
130 中央構造部
200 搬送機構
210 搬送レール
220 搬送ローダ部
246 回転駆動手段
255 回転駆動モータ
300 搬入搬出セクション
400 加熱セクション
410 治具保持機構
440 加熱冷却部
450 加熱部
451 加熱コイル
452 支持ボックス
460 変位手段
461 位置調整ハンドル
462 上下変位部
463 水平変位部
464 下架台
465 上下駆動機構
466 変位ガイドロッド
467 縦変位ネジ軸
468 変位軸受
469 上下駆動モータ
471 連結体
472 第1変位レール
473 上架台
474 第1変位駆動機構
475 第2変位レール
476 第2変位駆動機構
477 変位駆動モータ
478 横変位ネジ軸
479 変位突部
480 位置検出手段
481 第1進退機構
482 第2進退機構
483 径方向位置検出具
484 軸方向位置検出具
485 進退用駆動手段
486 ロッド
487 ガイドロッド
488 接触子
500 冷却セクション
520 冷却ジャケット
600 部品交換セクション
Claims (5)
- 基部と該基部から突出した突出部とを備えた環形状のワークの前記突出部に、それぞれ環形状に沿って無端状に設けられた第1被熱処理領域と第2被熱処理領域とを有し、前記第1被熱処理領域及び前記第2被熱処理領域を誘導加熱したときに幅方向における一方の縁側と他方の縁側とで熱膨張による変形量が異なる前記ワークに熱処理を施す方法であって、
第1被熱処理領域を加熱する第1加熱工程と、
加熱された該第1被熱処理領域を急冷して焼入れする第1冷却工程と、
該第1冷却工程後に前記第1被熱処理領域を加熱して冷却する第1焼戻工程と、
該第1焼戻工程後に第2被熱処理領域を加熱する第2加熱工程と、
加熱された該第2被熱処理領域を急冷して焼入れする第2冷却工程と、
該第2冷却工程後に前記第2被熱処理領域を加熱して冷却する第2焼戻工程と、
を備える、熱処理方法。 - 前記第1加熱工程では前記第2被熱処理領域を冷却しつつ前記第1被熱処理領域を加熱し、前記第2加熱工程では前記第1被熱処理領域を冷却しつつ前記第2被熱処理領域を加熱する、請求項1に記載の熱処理方法。
- 前記第1加熱工程及び前記第1焼戻工程では、前記第1被熱処理領域を同じ加熱コイルで誘導加熱する、請求項1又は2に記載の熱処理方法。
- 前記第1加熱工程及び前記第2加熱工程では、前記第1被熱処理領域と前記第2被熱処理領域とを同じ加熱コイルで誘導加熱する、請求項1乃至3の何れかに記載の熱処理方法。
- 前記第1被熱処理領域と前記第2被熱処理領域とが面対称形状を有し、前記第1焼戻工程後に前記ワークを反転させる、請求項4に記載の熱処理方法。
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