JP6179016B2 - 熱処理装置及び熱処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、環形状のワークを誘導加熱する熱処理装置及び熱処理方法に関する。

従来、環形状のワークを加熱するには、例えばチャック機構等の支持部でワークを支持し、ワークを回転させつつ加熱コイルで加熱していた。一方、環形状を有する大きなワークを加熱するために、チャック機構等でワークを挟持せずに加熱する熱処理装置も提案されている。

下記特許文献１には、大きな軸受軌道輪のようなリング状物品を加熱可能な高周波熱処理装置が開示されている。この技術では、リング状物品を回転台に支持し、馬蹄形の加熱コイルをリング状物品の円周方向の複数箇所に配置し、回転台と共にリング状物品を回転させながら複数の加熱コイルにより加熱している。

下記特許文献２には、環状部品全体に高周波熱処理を行う装置が開示されている。この技術では、環状部品を下方から複数の支持ローラで支持し、環状部品の外径面又は内径面を三つ以上の位置決めローラで位置決めし、環状部品を回転させつつ加熱コイルで誘導加熱している。

特開２００５−３２５４０９号公報 特開２００９−２８７０７４号公報

しかしながら、従来の熱処理装置では、環形状のワーク、特に大型の環形状のワークを加熱したり冷却したりする熱処理を施すと、熱膨張や熱収縮による変形を生じ、ワークの熱処理にムラが生じたり、熱処理後のワークの形状に歪みが生じたりしていた。

例えば特許文献１では、加熱時にワークが回転台や支持ローラ上で熱膨張すると、ワークの周方向の各位置において、膨張分だけ外側に位置がずれることになる。その際、全周において均等に外側に位置がずれるのではなく通常は一方側に多くずれるため、ワークの回転中心が偏心していた。その場合、ワークと加熱コイルとの距離がワークの回転に伴い周期的に変動し、誘導加熱による加熱量にムラが生じていた。

また、特許文献２では、位置決めローラによりワークを押圧してワークと加熱コイルとの間隔を所定範囲に保持しているため、このような回転中心が偏心するようなことは抑制できる。ところが環形状のワークでは、熱処理時の熱膨張や熱収縮のため径方向に多少の変形が生じることがある。このような変形は大型のワークの場合顕著になり、直径が３ｍ以上のワークでは変形が１０ｍｍ以上になることもあった。

そこで、本発明では、チャック機構等でワークを挟持せずに加熱する際、加熱ムラを低減できると共に、径方向の不均一な変形を低減できる熱処理装置又は熱処理方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の熱処理装置は、環形状のワークを載置するように周方向に配列した複数の回転ローラを有するワーク支持部と、ワーク支持部に載置されたワークを環形状に沿って回転させる回転駆動部と、ワークを加熱する加熱部とを備えていて、ワーク支持部に載置されたワークの内周又は外周を径方向に加圧する加圧部を環形状に沿う周方向の複数箇所に備え、複数の加圧部は回転するワークを複数位置で加圧するとともに、複数の加圧部の付勢力がそれぞれワークの回転中心からの距離の変化に応じて変化することを特徴とする。

この熱処理装置は、熱処理対象のワークは軸方向の一方側と他方側とで形状が異なる非対称形状を有し、ワークの内周と外周とを軸方向に異なる位置で付勢するものが好適である。

加熱部はワークの表面に無端帯状に設けられた被加熱領域を加熱するものがよい。この加熱部は、ワーク支持部により支持されて回転駆動部により回転駆動されたワークを加熱し、加圧部は加熱時にワークを加圧するのが好適である。

この熱処理装置では、ワーク支持部により支持されて回転駆動部により回転駆動されたワークに冷却液を接触させる冷却部を備え、加圧部は冷却時にワークを加圧するものでもよい。
また加圧部は、ワークを付勢するようにスライドロッドに設けられたローラと、スライドロッドをワーク側に付勢するスプリングと、スライドロッドのスライド位置を規制するストッパと、を備えていてもよい。

上記目的を達成する本発明の熱処理方法は、周方向に配列した複数の回転ローラに環形状のワークを載置し、ワークを複数の回転ローラにより環形状に沿って回転させつつ加熱する際に、ワークの内周又は外周を環形状に沿う周方向の複数箇所で径方向に加圧するとともに、複数箇所でワークを加圧する付勢力をそれぞれワークの回転中心からの距離の変化に応じて変化させることで、ワークの径方向の不均一な変形を抑制することを特徴としている。

本発明の熱処理装置及び熱処理方法によれば、周方向の複数箇所で加圧部により環形状のワークの内周又は外周を径方向に加圧しつつ加熱部で加熱したり、周方向の複数箇所で加圧部により環形状のワークの内周又は外周を径方向に加圧しつつ冷却したりすることができる。

そのため、加熱時又は冷却時の熱膨張や熱収縮によりワークが径方向に拡大縮小した際、複数の回転ローラ上で不均一に位置ずれを生じてワークの中心が複数の回転ローラの中心から偏心することを防止して、自動で求心できる。そして、加圧部の加圧力を十分に大きくすることで、加熱時又は冷却時の熱膨張や熱収縮によりワークが径方向に不均一に変形することを抑制又は防止することができる。

（ａ）本発明の実施形態に係る熱処理装置を示す概略平面図であり、（ｂ）は加熱部の一部を示す概略断面図である。 本発明の実施形態に係る熱処理装置の要部を示す概略正面図である。 本発明の実施形態に係る熱処理装置の加圧部を説明するために一部を断面で示した正面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。
本実施形態では、大型の円環形状の加熱対象を加熱及び冷却して焼入れするための旋回型焼入装置の例を用いて説明する。

［ワーク］
ワークＷは、鋼材のような焼入可能な材料からなり、直径が１ｍ以上、ここでは３ｍ以上の円環形状を有する部材であり、軸方向に沿う断面形状が全周で略一定に形成されている。ワークＷは、表面側のみが加熱されるものであっても、内部まで加熱されるものであってもよいが、ここでは軸方向の一方側と他方側とで形状が異なる非対称形状を有し、ワークＷの外側表面に無端帯状に設けられた被加熱領域Ｗａを有している。

［全体構成］
熱処理装置１０は、図１（ａ）及び図２に示すように、ワークＷを支持する治具１１と、治具１１に支持されたワークＷを環形状に沿って回転させるための回転駆動部１３と、治具１１に載置されたワークＷを加熱する加熱部１５と、加熱部１５の下方に設けられた冷却部１７と、を備える。

［治具］
治具１１は、ワークＷを載置するワーク支持部２１と、ワーク支持部２１の中央に設けられた中央構造部２２と、中央構造部２２から駆動力をワーク支持部２１へ伝達し、ワーク支持部２１に載置されたワークＷを環形状に沿って回転させる回転駆動機構２３と、ワーク支持部２１に載置されたワークＷの内周又は外周を径方向に加圧する加圧部３０と、を備える。

ワーク支持部２１は、中央構造部２２の下部に接合されて放射方向に延びる複数の放射架台２４と、各放射架台２４の先端側に放射方向に沿って配置された回転ローラ２５とを備える。放射架台２４及び回転ローラ２５は、周方向に少なくとも３個以上、ここでは８個設けられ、円周方向に略均等な間隔で配列されている。互いに隣接する放射架台２４間は空間となっている。

各回転ローラ２５は鋼又はセラミックスからなり、各放射架台２４に径方向に配置されて回転可能に支持されている。この実施形態では、側周面が全長に渡り一定直径に形成され、側周面のワークＷとの接触部位が略水平となっている。

中央構造部２２は、ワーク支持部２１の中央から上方に突出して設けられ、上部に仮想線で示す搬送機構が接続可能に構成されている。治具１１は搬送機構により搬送及び昇降可能となっている。中央構造部２２の上端にモータ等の回転駆動部１３が接続されている。この回転駆動部１３は搬送機構に設けられていてもよく、中央構造部２２に設けられていてもよい。

回転駆動機構２３は、中央構造部２２及びワーク支持部２１に設けられ、回転駆動部１３の駆動力を回転ローラ２５まで伝達するように構成されている。回転駆動機構２３は、中央構造部２２内の駆動軸２６と、各放射架台２４上に回転可能に設けられた各従動軸２７とを備え、ユニバーサルジョイントを介して回転ローラ２５に接続されている。

このような治具１１では、ワーク支持部２１の複数の回転ローラ２５上にワークＷが載置され、その状態で治具１１全体を中央構造部２２において搬送機構により吊り下げ及び昇降可能となっている。各回転ローラ２５が回転駆動されることで、ワークＷが環形状に沿って回転することができる。

［加圧部］
加圧部３０は、ワークＷを径方向に加圧するもので、周方向の略均等となる位置に複数設けられている。ここでは４個の放射架台２４の先端側に配設されており、図３に示すように、ワークＷの外側に配置される外側加圧部３０ａとワークＷの内側に配置される内側加圧部３０ｂとが互いに対向して設けられている。

各加圧部３０は、回転駆動機構２３及び回転ローラ２５を跨いで放射架台２４に配設された固定ブラケット３１と、固定ブラケット３１に支持された筒状ガイド３２と、筒状ガイド３２内にスライド可能に収容されたスライドロッド３３と、スライドロッド３３のワークＷ側となる先端にワークＷの回転方向に沿って回転自在に設けられたインナーローラ３４ｂ又はアウターローラ３４ａと、筒状ガイド３２の後端に装着されたキャップ３５と、スライドロッド３３とキャップ３５との間に配置されてスライドロッド３３をワークＷ側に向けて付勢するスプリング３６と、スライドロッド３３の凹部３３ａに遊嵌するように筒状ガイド３２の内側に突設しスライドロッド３３のスライド位置を規制すると共に軸周りの回動を阻止するストッパ３７と、を備えている。

この加圧部３０では、ワーク支持部２１の回転ローラ２５上に載置されたワークＷの外周面を外側加圧部３０ａのアウターローラ３４ａにより内側に向けて付勢でき、ワークＷの内周面を内側加圧部３０ｂのインナーローラ３４ｂにより外側に向けて付勢できる。このとき、筒状ガイド３２によりスライドロッド３３がワーク支持部２１の中心軸Ｃから放射方向に沿ってスライド可能に配置されているため、ワークＷの各位置を中心軸Ｃに向け又は中心軸Ｃ側から外側に向けて加圧することができる。

そのため、ワークＷが回転ローラ２５により回転された状態で、ワークＷの複数位置が加圧されることで、ワークＷの軸心を中心軸Ｃに一致させるような作用が得られる。さらに、十分な加圧力が付与されることで、ワークＷに径方向の変形を防止又は矯正するような作用が得られる。

この加圧部３０では、外側加圧部３０ａのアウターローラ３４ａ及び内側加圧部３０ｂのインナーローラ３４ｂの高さや位置は、ワークＷに応じて適宜調整可能となっている。また筒状ガイド３２に対してキャップ３５の締付量などが調整可能となっており、キャップ３５とスライドロッド３３との間隔を調整することで、スプリング３６による付勢力が調整可能となっている。そのため、ワークＷの加圧力や位置を調整することができ、ワークＷの形状、材質、熱処理条件、冷却条件等に応じて適切な加圧力でワークＷを加圧することができる。
なお、スライドロッド３３はスプリング３６により前進側に付勢されているが、ストッパ３７によりスライド位置が規制されることで所定範囲に配置されている。

この加圧部３０では、外側加圧部３０ａのアウターローラ３４ａ及び内側加圧部３０ｂのインナーローラ３４ｂに予圧を負荷しておくことができ、このアウターローラ３４ａ又はインナーローラ３４ｂを常時ワークＷに接触させておくことで、ワークＷに予圧を負荷しておくことができる。
また、アウターローラ３４ａ又はインナーローラ３４ｂを低温時などにワークＷから離間して配置しておき、ワークＷの変位や変形、膨張等が生じた際にアウターローラ３４ａ又はインナーローラ３４ｂがワークＷに接触して加圧するように配置することも可能である。その場合、各アウターローラ３４ａ又はインナーローラ３４ｂに予圧を負荷しておくことも可能である。

［加熱部］
加熱部１５は、図１（ａ）（ｂ）、図２に示すように、所定高さに配置された治具１１の互いに隣接する放射架台２４の各間隙に設けられている。各加熱部１５は、ワークＷの回転中心に対して周方向に略均等に配設されるのが好適である。

各加熱部１５には、治具１１上のワークＷを誘導加熱するための加熱コイル４１がそれぞれ配設されている。この加熱コイル４１は、図示しない変位手段により進退可能となっており、治具１１が所定位置に配置された状態で、ワークＷの被加熱領域に対向近接するように構成されている。
加熱コイル４１の形状は特に限定されるものではなく、本実施形態では、ワークＷの所定区間の被加熱領域Ｗａ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。

［冷却部］
冷却部１７は、図２に示すように、加熱部１５の下方に設けられており、冷却液吐出部４２が水槽４３内に配設されている。複数の冷却液吐出部４２は、冷却部１７に下降する治具１１における互いに隣接する放射架台２４の各間隙となるように配置されている。

［焼入方法］
次に、このような熱処理装置１０を用いてワークＷを焼入処理する方法について説明する。
まず治具１１を所定位置に配置して、ワーク支持部２１の複数の回転ローラ２５上にワークＷを載置する。
治具１１を搬送或いは昇降してワークＷを所定位置に配置する。そして、各加加熱コイル４１を移動させて、ワークＷの被加熱領域Ｗａに対向配置する。この状態で加圧部３０によりワークＷを加圧すると共に、治具１１の回転ローラ２５によりワークＷを環形状に沿って回転させつつ、加熱コイル４１に給電して誘導加熱することで、帯状の被加熱領域Ｗａ全体を略均一に加熱する。この加熱時には、特に加圧部３０によりワークＷの外周を加圧するのが特に好適である。

加熱終了後、治具１１を下降させて冷却部１７に所定位置に配置し、加圧部３０によりワークＷを加圧すると共に、ワークＷを回転させつつ冷却液吐出部４２から冷却液をワークＷに接触させ、ワークＷ全体を冷却する。
冷却後、再び治具１１を所定の搬出位置に搬送し、ワークＷを搬出することで、焼入処理を終了する。

［熱処理装置及び方法の効果］
以上のような熱処理装置１０を用いて熱処理を行えば、周方向の複数箇所で加圧部３０により環形状のワークＷの内周又は外周を径方向に加圧しつつ加熱部１５で加熱し、或いは、周方向の複数箇所で加圧部３０により環形状のワークＷの内周又は外周を径方向に加圧しつつ冷却することができる。
その際、各加圧部３０では、ワークＷの回転中心からの距離の変化に応じて付勢力が変化するため、ワークＷの位置ずれや変形などによりワークＷの内周又は外周の各部とワークＷの回転中心との距離の変化をより少なく抑えることが可能で、これによりワークの中心をワークＷの回転中心とを合わせる作用が得られる。
そのため、加熱時又は冷却時の熱膨張や熱収縮によりワークＷが径方向に拡大縮小した際、複数の回転ローラ２５上で不均一に位置ずれを生じてワークＷの中心が複数の回転ローラ２５の中心から偏心することを防止して、自動で求心できる。
そして加圧部３０の加圧力を大きくすることで、加熱時又は冷却時の熱膨張や熱収縮によりワークＷが径方向に不均一に変形することを抑制又は防止することが可能である。

この実施形態では、ワークＷが軸方向に非対称形状であるため、加熱時や冷却時に軸方向の一方側と他方側とで変形量が異なり易い。特にワークＷの表面に無端帯状に設けられた被加熱領域Ｗａを加熱するため、より変形量が不均一になり易い。ところがこのような装置を用いて熱処理を施すことで、ワークＷの真円度を向上することが可能である。

上記実施形態は本発明の範囲内において適宜変更可能である。
例えば上記では、加熱対象物のワークＷを加熱して冷却することで焼入処理する熱処理装置について説明したが、冷却を行わない加熱装置であっても本発明は適用可能である。またワークＷの表面の焼入れだけでなくワークＷの深部まで加熱してもよい。
上記では、ワークＷとして断面が略三角形形状のものを用いたが、断面が四角形状や異形形状など他の形状であってもよい。
上記では、加圧部３０として、インナーローラ３４ｂとアウターローラ３４ａとの両方を用いた例について説明したが、何れか一方だけを用いて加熱や冷却を行うことは可能であり、更に加圧部３０により加熱時のみ加圧し、或いは冷却時のみ加圧するようにしてもよい。
上記では、インナーローラ３４ｂとアウターローラ３４ａとを互いに対向配置したが、インナーローラ３４ｂとアウターローラ３４ａとを周方向にずらして配置してもよい。
上記では、加圧部３０の付勢手段としてスプリング３６を用いたが、油圧や空圧等の流体圧シリンダ等、他の付勢手段を用いて加圧してもよい。

Ｗ ワーク
Ｗａ 被加熱領域
１０ 熱処理装置
１１ 治具
１３ 回転駆動部
１５ 加熱部
１７ 冷却部
２１ ワーク支持部
２２ 中央構造部
２３ 回転駆動機構
２４ 放射架台
２５ 回転ローラ
２６ 駆動軸
２７ 従動軸
３０ 加圧部
３０ａ 外側加圧部
３０ｂ 内側加圧部
３１ 固定ブラケット
３２ 筒状ガイド
３３ スライドロッド
３３ａ 凹部
３４ａ アウターローラ
３４ｂ インナーローラ
３５ キャップ
３６ スプリング
３７ ストッパ
４１ 加熱コイル
４２ 冷却液吐出部
４３ 水槽

Claims (7)

1. 環形状のワークを載置するように周方向に配列した複数の回転ローラを有するワーク支持部と、該ワーク支持部に載置された前記ワークを前記環形状に沿って回転させる回転駆動部と、前記ワークを加熱する加熱部とを備えた熱処理装置であって、
   前記ワーク支持部に載置された前記ワークの内周又は外周を径方向に加圧する加圧部を前記環形状に沿う周方向の複数箇所に備え、
   前記複数の加圧部は回転する前記ワークを複数位置で加圧するとともに、前記複数の加圧部の付勢力がそれぞれ前記ワークの回転中心からの距離の変化に応じて変化する、熱処理装置。
2. 前記ワークは、軸方向の一方側と他方側とで形状が異なる非対称形状を有し、前記ワークの内周と外周とを軸方向に異なる位置で付勢する、請求項１に記載の熱処理装置。
3. 前記加熱部は、前記ワークの表面に無端帯状に設けられた被加熱領域を加熱する、請求項１又は２に記載の熱処理装置。
4. 前記加熱部は、前記ワーク支持部により支持されて前記回転駆動部により回転駆動された前記ワークを加熱し、前記加圧部は加熱時に前記ワークを加圧する、請求項１乃至３の何れかに記載の熱処理装置。
5. 前記ワーク支持部により支持されて前記回転駆動部により回転駆動された前記ワークに冷却液を接触させる冷却部を備え、前記加圧部は冷却時に該ワークを加圧する、請求項１乃至４の何れかに記載の熱処理装置。
6. 前記加圧部は、前記ワークを付勢するようにスライドロッドに設けられたローラと、前記スライドロッドをワーク側に付勢するスプリングと、前記スライドロッドのスライド位置を規制するストッパと、を備えている、請求項１乃至５の何れかに記載の熱処理装置。
7. 周方向に配列した複数の回転ローラに環形状のワークを載置し、該ワークを前記複数の回転ローラにより環形状に沿って回転させつつ加熱する熱処理方法であって、
   加熱時及び加熱後の冷却時の少なくとも一方で、前記ワークの内周又は外周を前記環形状に沿う周方向の複数箇所で、ワークの中心をワークの回転中心に合わせるように径方向に加圧するとともに、前記複数箇所で前記ワークを加圧する付勢力をそれぞれ前記ワークの回転中心からの距離の変化に応じて変化させることで、前記ワークの径方向の不均一な変形を抑制する、熱処理方法。
   

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