JP6146139B2 - 多段形状軸部材の加熱装置、加熱方法及び加熱コイル - Google Patents

Description

本発明は、同軸に設けられた大径軸部の外周面と小径軸部の外周面とを誘導加熱する多段形状軸部材の加熱装置、加熱方法、並びに加熱コイルに関する。

同軸に大径部と小径部とが設けられた多段形状軸部材を製造する際、大径部の外周面と小径部の外周面とを加熱コイルにより誘導加熱して焼入れ等の熱処理を施すことが行われている。

例えば下記特許文献１には、段付き軸状ワークに設けられた各外周面部分を、各外周面部分より若干大きな内径を有する複数の円弧部を備えた加熱コイルを用いて加熱する段付き軸状ワーク用高周波加熱装置が提案されている。この加熱装置では、加熱コイルとワークとを相対移動させ、各外周面部分に順次各円弧部を近接させて加熱する。この加熱装置では、加熱コイルを移動させて複数の外周面部分を順次加熱するため、サイクルタイムが長くて生産効率が悪かった。

下記特許文献２には、複数の環状導体が直列に接続され、被加熱部の面積が略等しくなるように各環状導体の軸方向長さを異ならせた多段形状軸部材の誘導加熱コイルが提案されている。この加熱コイルでは、ワークの大径部と対向する環状導体の電流密度を小さくし、ワークの小径部と対向する環状導体の電流密度を大きくすることで、各直径部分を均一に加熱する。そのため、小径部から大径部までの複数の直径部分を一度に加熱することができ、生産効率を向上することが可能である。

特開２００３−１１９５１９ ＷＯ２００５／１０７３２４

しかしながら、特許文献２のような誘導加熱コイルでは、各環状導体の電流密度を調整するために、各環状導体の形状が複雑になり易く、加熱コイルの製造に手間を要していた。また各軸部の直径が同じでも軸方向長さが異なる場合には、別の加熱コイルが必要であり、しかも１種類のワークに対して複数の加熱コイルを用いるため、複数種類のワークを加熱する場合には多種類の加熱コイルを準備しなければならなかった。

そこで本発明では、大径軸部と小径軸部とを同時に同程度に加熱でき、しかも加熱コイルの形状を簡素化できる多段形状軸部材の加熱装置と加熱方法とを提供することを目的とし、その加熱装置及び加熱方法に好適に使用できる加熱コイルを提供することを他の目的とする。

上記目的を達成する本発明の多段形状軸部材の加熱装置は、ワークの大径軸部の外周面に対向させる第１コイルと、大径軸部と同軸に設けられた小径軸部の外周面に対向させる第２コイルと、を備え、ワークを回転させつつ第１コイルと第２コイルとに直列に通電して、大径軸部と小径軸部とを同時に誘導加熱する多段形状軸部材の加熱装置であって、第２コイルは、一方向に延びて小径軸部の径方向両側に対向配置される一対の延長導体部と、一対の延長導体部を先端側で連結する連結導体部と、を備え、小径軸部と第２コイルとを一方向に沿って相対移動させることで、一対の延長導体部間に配置された小径軸部と連結導体部との間の離間距離が調整可能となっている。

上記目的を達成する本発明の多段形状軸部材の加熱方法は、ワークの大径軸部の外周面に第１コイルを対向させ、大径軸部と同軸に設けられた小径軸部の外周面に第２コイルを対向させ、ワークを回転させつつ第１コイルと第２コイルとに直列に通電して大径軸部と小径軸部とを同時に誘導加熱する多段形状軸部材の加熱方法であって、一方向に延びる一対の延長導体部と、一対の延長導体部を先端側で連結する連結導体部と、を備えた第２コイルを準備し、一対の延長導体部間に小径軸部を配置して一対の延長導体部を小径軸部の両側に対向させると共に、小径軸部が大径軸部と同程度に加熱されるように小径軸部と連結導体部との間の離間距離を調整し、第１コイルと第２コイルとに通電する方法である。

上記他の目的を達成する加熱コイルは、ワークの軸部を回転させつつ誘導加熱する加熱コイルであり、一方向に延びる一対の延長導体部と、一対の延長導体部を先端側で連結する連結導体部と、を備え、一対の延長導体部間には空間が設けられ、この空間に軸部が配置されて一対の延長導体部と対向して回転するとともに、空間に配置された軸部と連結導体部との間の離間距離が調整可能となっている。

本発明によれば、ワークの軸と交差する一方向に沿ってワークと第２コイルとを相対移動させることで、一対の延長導体部間に配置された小径軸部と連結導体部との間の離間距離を調整できる。そのため第２コイルと小径軸部とが近接して対向する面積を調整することで、誘導加熱により小径軸部に発生させる熱量を調整することが可能である。これにより第１コイルと第２コイルとに直列に通電して大径軸部と小径軸部とを同時に加熱した際、小径軸部の加熱量を調整して、小径軸部を大径軸部と同程度に加熱することが可能である。

しかも第２コイルは、一方向に延びる一対の延長導体部間に、小径軸部と連結導体部との間の離間距離を調整可能な大きさの空間を形成すればよく、複雑な形状にする必要がない。
従って、大径軸部と小径軸部とを同時に同程度に加熱でき、しかも加熱コイルの形状を簡素化することが可能である。

本発明の実施形態における加熱装置の要部を示す斜視図である。 本発明の実施形態における加熱装置の第１コイル及び第２コイルの配置を示す部分断面図である。 本発明の実施形態における加熱装置の第２コイルの配置を示す要部平面図である。

以下、本発明の実施形態について図を用いて説明する。
本実施形態の加熱対象のワークＷは、図１に示すように、大径軸部Ｗ１と小径軸部Ｗ２とが同軸に設けられた多段形状軸部材である。大径軸部Ｗ１の外周面と小径軸部Ｗ２の外周面とは、それぞれ軸Ｃを中心とした断面円形となっている。大径軸部Ｗ１の軸方向の一部の外周面と小径軸部Ｗ２の軸方向の一部の外周面とには、それぞれ被加熱領域が設けられている。なお、大径軸部Ｗ１の内部は中空に形成されている。

本実施形態の加熱装置は、ワークＷの大径軸部Ｗ１と小径軸部Ｗ２の被加熱領域を加熱及び急冷して各被加熱領域を全周にわたり均一に焼き入れすることができる。
この加熱装置は、図１に示すように、ワークＷを支持して軸Ｃを中心に回転させるワーク支持部１１と、大径軸部Ｗ１を加熱する第１コイル２１と、第１コイル２１と直列に接続されて小径軸部Ｗ２を加熱する第２コイル３１と、第１コイル２１及び第２コイル３１を支持するコイルベース１３と、を備えている。

コイルベース１３は、第１コイル２１を所定位置に固定して支持する固定支持部１４と、第２コイル３１を軸Ｃと交差する方向に移動させて位置調整可能な可動支持部１５と、ワークＷ及び各コイルに応じて調整された高周波電力を第１コイル２１及び第２コイル３１に給電するための給電部１６と、を備えている。
なお、加熱装置には、加熱後のワークＷに冷却液を接触させるジャケット等の冷却部が設けられているが、詳細な図示は省略されている。

加熱装置の第１コイル２１は、図１及び図２に示すように、大径軸部Ｗ１の外周を囲む１ターンの環状導体部２２と、環状導体部２２の両端にそれぞれ接続された一対の第１接続導体部２３と、を備えている。環状導体部２２は、内側面が一定の円形断面に形成されており、大径軸部Ｗ１の外周面の被加熱領域と所定のギャップを設けて精度よく対向して配置可能となっている。一対の第１接続導体部２３のうちの一方は給電部１６に接続され、他方は第２コイルに接続されている。なお環状導体部２２及び第１接続導体部２３は内部に冷却液が通液可能となっている。

第１コイル２１を支持する固定支持部１４は、一対の第１接続導体部２３を固定して環状導体部２２の中心を精度よくワークＷの軸Ｃに一致させることが可能となっている。固定支持部１４は第１コイル２１を着脱可能に固定しており、ワークＷに応じた第１コイル２１が固定できる。

加熱装置の第２コイルは、図１乃至図３に示すように、軸Ｃと交差する方向に延びて小径軸部Ｗ２の外周面の径方向両側に対向配置される一対の延長導体部３２と、一対の延長導体部３２を先端側で連結する連結導体部３３と、一対の延長導体部３２の他端側にそれぞれ設けられた端部導体部３４と、各端部導体部３４と接続された一対の第２接続導体部３５と、を備え、一対の延長導体部３２間に空間Ｓが形成されている。一対の第２接続導体部３５のうちの一方は給電部１６に接続され、他方は第１コイルの第１接続導体部２３に接続されている。なお、各導体部は内部に冷却液が通液可能となっている。

一対の延長導体部３２は、それぞれ直線状に設けられて互いに平行に配置されており、内側面が互いに平行な平面となっている。連結導体部３３は外側に向けて突出した弧形状、具体的には半円形状を有しており、内側面が一定の半円形断面となっている。これらはワークＷの軸Ｃと交差する中心線に対して左右対象となっている。

一対の延長導体部３２及び連結導体部３３のワークＷ側となる内側面は、小径軸部Ｗ２の外周面の被加熱領域に精度よく沿うように形成されている。一対の延長導体部３２の内側面間の離間距離は、小径軸部Ｗ２の直径よりも長く形成されている。一対の延長導体部３２は、小径軸部Ｗ２と最も近接した部位で、小径軸部Ｗ２の外周面の被加熱領域との間に所定のギャップを設けて精度よく対向配置し得るようになっている。

空間ＳのワークＷの軸Ｃと交差する方向の長さは、図３に示すように、空間Ｓの長手方向中央にワークＷを配置したとき、通電時に連結導体部３３で生じる磁場及び端部導体部３４で生じる磁場により、ワークＷが誘導加熱されないか、加熱量を無視できる程度に小さくできる長さとするのが好ましい。
ここでは、連結導体部３３の内側面と端部導体部３４の内側面との間の離間距離が、ワークＷの直径の３倍以上となっている。即ち、空間Ｓの長手方向中央にワークＷを配置したとき、ワークＷと連結導体部３３との間をワークＷの直径に相当する長さ分離間させることができ、同時に、ワークＷと端部導体部３４との間をワークＷの直径に相当する長さ分離間させることができる。
これにより、空間Ｓの長手方向中央に小径軸部Ｗ２を配置すると、通電時に、主として一対の延長導体部３２の対向する部位で生じる磁場により加熱することができる。

第２コイル３１を支持する可動支持部１５は、第２コイル３１をワークＷの軸Ｃと交差する一方向に沿って移動可能に支持できればよい。そのために、第２コイル３１の一対の第２接続導体部３５を固定し、図示しない支持体に進退可能に装着されたスライド部材１７が備えられている。このスライド部材１７は、例えば進退量を作業者が調整して支持体に固定する構造であっても、支持体に装着された駆動機器により進退駆動させることで進退量を調整する構造であってもよい。
なお、可動支持部１５により第２コイル３１が進退可能に構成されているため、一対の第２接続導体部３５は、給電部１６及び第１コイル２１との間がそれぞれ柔軟性を有する接続線により接続されている。

次に、このような構成を有する加熱装置を用いて多数の同じ形状のワークＷを熱処理する方法について説明する。
ワークＷを加熱するには、まず大径軸部Ｗ１及び小径軸部Ｗ２の加熱領域に応じた形状を有する第１コイル２１と第２コイル３１とを準備する。そして第１コイル２１をコイルベース１３の固定支持部１４に固定し、第２コイル３１をコイルベース１３の可動支持部１５に固定し、第１コイル２１と第２コイル３１とを直列に接続すると共に給電部１６に接続する。そして第２コイル３１の位置調整を行った後、多数のワークＷの加熱及び冷却して熱処理を行う。
なお、第２コイル３１の位置調整は、予めワークＷに応じて適切な位置が明らかな場合には、第２コイル３１をコイルベース１３の可動支持部１５に固定することで完了することができる。

第１コイル２１を固定支持部１４に固定するには、ワーク支持部１１に支持されたワークＷの軸Ｃと環状導体部２２の軸とを一致させるように配置して、一対の第１接続導体部２３を固定支持部１４に固定する。その際、第１コイル２１の環状導体部２２が、大径軸部Ｗ１の外周面の被加熱領域に対して第１接続導体部２３付近を除く全周で予め設定されたギャップとなるように、精度よく対向配置させる。

第２コイル３１を可動支持部１５に固定するには、ワーク支持部１１に支持されたワークＷの小径軸部Ｗ２を一対の延長導体部３２間の空間Ｓ内に配置し、一対の第２接続導体部３５を可動支持部１５のスライド部材１７に固定する。一対の延長導体部３２は、小径軸部Ｗ２の外周面の被加熱領域に対し、直径方向の両側において予め設定されたギャップとなるように精度よく対向配置させる。

第２コイル３１の位置調整では、スライド部材１７を軸Ｃと交差する一方向に沿って移動させることで、小径軸部Ｗ２と連結導体部３３との間の離間距離を調整する。
一対の延長導体部３２間の空間Ｓは、図３に示すように、小径軸部Ｗ２をワークＷの軸Ｃと交差する方向に相対移動可能な大きさであるため、空間Ｓ内に配置された小径軸部Ｗ２と第２コイル３１とを相対移動させることで、小径軸部Ｗ２と連結導体部３３との間の離間距離を適宜変更する。

位置調整では、第１コイル２１により大径軸部Ｗ１を加熱した際、大径軸部Ｗ１の被加熱領域が所望の程度に加熱できるように設定された条件下で、第１コイル２１と直列に接続された第２コイル３１により小径軸部Ｗ２の被加熱領域が大径軸部Ｗ１と同程度に加熱できるようにする。
大径軸部Ｗ１の被加熱領域が所望の程度に加熱できるように設定された条件には、例えばワーク支持部１１によるワークＷの回転速度、通電時間、高周波電力の周波数などを含んでいてもよい。
また同程度に加熱するとは、例えば加熱された領域の深さや温度、その後に急冷して得られる焼入れ領域の深さや硬さなどが同等と見なせる程度になることである。

小径軸部Ｗ２と連結導体部３３との間の離間距離を小さくすると、連結導体部３３で生じた磁場により被加熱領域の加熱量を大きくでき、小径軸部Ｗ２と連結導体部３３との間の離間距離を大きくすると加熱量を小さくできる。第２コイル３１により小径軸部Ｗ２の被加熱領域を最も強く加熱する場合には、図３中に仮想線で示すように、小径軸部Ｗ２を連結導体部３３に所定のギャップとなるように近接させればよい。
そして、小径軸部Ｗ２と連結導体部３３との間の離間距離を最適に調整した状態で、スライド部材１７をその位置に固定し、第２コイル３１位置調整を完了する。

位置調整後、多数のワークＷを順次ワーク支持部１１に支持させ、ワークＷを回転させつつ給電部１６から高周波電力を給電し、第１コイル２１と第２コイル３１とに直列に通電して、大径軸部Ｗ１と小径軸部Ｗ２とを同時に誘導加熱する。
さらに加熱後には、冷却液を接触させて急冷することで、各被加熱領域の焼入れ処理を終了する。

以上の加熱装置を用いた加熱方法によれば、第２コイル３１の一対の延長導体部３２間に小径軸部Ｗ２を配置して、軸Ｃと交差する一方向に沿ってワークＷと第２コイル３１とを相対移動させることで、小径軸部Ｗ２と連結導体部３３との間の離間距離を調整することができる。そのため、第２コイル３１と小径軸部Ｗ２とが近接して対向する面積を調整することで、誘導加熱により小径軸部Ｗ２に発生させる熱量を調整することが可能である。これにより第１コイル２１と第２コイル３１とに直列に通電して大径軸部Ｗ１と小径軸部Ｗ２とを同時に加熱した際、小径軸部Ｗ２の加熱量を調整して、小径軸部Ｗ２を大径軸部Ｗ１と同程度に加熱することが可能である。
しかも第１コイル２１は、大径軸部Ｗ１に対応した簡素な形状に形成すればよく、第２コイル３１は、一方向に延びる一対の延長導体部３２間に、小径軸部Ｗ２と連結導体部３３との間の離間距離を調整可能な大きさの空間Ｓを形成すればよく、それぞれ複雑な形状にする必要がない。
従って、大径軸部Ｗ１と小径軸部Ｗ２とを同時に同程度に加熱でき、しかも加熱コイルの形状を簡素化することが可能である。

なお上記実施形態は、本発明の範囲において適宜変更可能である。
例えば上記では、多段形状軸部材として、大径軸部Ｗ１と小径軸部Ｗ２との２個の軸部を有するワークＷの例について説明したが、軸部の数は３個以上であってもよく、その数は限定されない。その場合、最大径の軸部を第１コイル２１により加熱し、他の軸部をそれぞれの軸部に対応した第２コイル３１により加熱すればよく、上述と同様に各軸部を同時に同程度に加熱することが可能である。
また上記では、第２加熱コイルは一対の延長導体部３２が互いに平行に形成されていたが、特に限定されるものではない。例えば、一対の延長導体部３２を回転軸Ｃ方向の互いに異なる位置に配置し、その一対の延長導体部３２間を斜めに傾斜した連結導体部３３により連結した形状や、一対の延長導体部３２間が連結導体部３３側で近接し端部導体部３４側で離間する形状など、適宜変更することができる。
さらに上記では、大径軸部Ｗ１及び小径軸部Ｗ２の被加熱領域がそれぞれ一定円形断面を有する円柱形状であったが、第１コイル２１と第２コイル３１とを対向配置して加熱できる限り、特に限定されるものではない。例えば、大径軸部Ｗ１の全長や小径軸部Ｗ２の全長に被加熱領域が設けられていてもよく、各被加熱領域が軸方向に沿って傾斜したテーパ面やスプライン等の凹凸に形成されていてもよい。その場合、第１コイル２１及び第２コイル３１は基準となる仮想面に精度よく対応したものを使用してもよい。

Ｓ 空間
Ｗ ワーク
Ｗ１ 大径軸部
Ｗ２ 小径軸部
１１ ワーク支持部
１３ コイルベース
１４ 固定支持部
１５ 可動支持部
１６ 給電部
１７ スライド部材
２１ 第１コイル
２２ 環状導体部
２３ 第１接続導体部
３１ 第２コイル
３２ 延長導体部
３３ 連結導体部
３４ 端部導体部
３５ 第２接続導体部

Claims (3)

1. ワークの大径軸部の外周面に対向させる第１コイルと、上記大径軸部と同軸に設けられた小径軸部の外周面に対向させる第２コイルと、を備え、上記ワークを回転させつつ上記第１コイルと上記第２コイルとに直列に通電して、上記大径軸部と上記小径軸部とを同時に誘導加熱する多段形状軸部材の加熱装置であって、
   上記第２コイルは、一方向に延びて上記小径軸部の径方向両側に対向配置される一対の延長導体部と、該一対の延長導体部を先端側で連結する連結導体部と、を備え、
   上記小径軸部と上記第２コイルとを上記一方向に沿って相対移動させることで、上記一対の延長導体部間に配置された上記小径軸部と上記連結導体部との間の離間距離を調整可能である、多段形状軸部材の加熱装置。
2. ワークの大径軸部の外周面に第１コイルを対向させ、上記大径軸部と同軸に設けられた小径軸部の外周面に第２コイルを対向させ、上記ワークを回転させつつ上記第１コイルと上記第２コイルとに直列に通電して上記大径軸部と上記小径軸部とを同時に誘導加熱する多段形状軸部材の加熱方法であって、
   一方向に延びる一対の延長導体部と、該一対の延長導体部を先端側で連結する連結導体部と、を備えた上記第２コイルを準備し、
   上記一対の延長導体部間に上記小径軸部を配置して上記一対の延長導体部を上記小径軸部の両側に対向させると共に、上記小径軸部が上記大径軸部と同程度に加熱されるように上記小径軸部と上記連結導体部との間の離間距離を調整し、
   上記第１コイルと上記第２コイルとに通電する、多段形状軸部材の加熱方法。
3. ワークの軸部を回転させつつ誘導加熱する加熱コイルであり、
   一方向に延びる一対の延長導体部と、該一対の延長導体部を先端側で連結する連結導体部と、を備え、
   上記一対の延長導体部間には空間が設けられ、該空間に上記軸部が配置されて前記一対の延長導体部と対向して回転するとともに、該空間に配置された上記軸部と上記連結導体部との間の離間距離が調整可能である、加熱コイル。

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