JP6240970B2

JP6240970B2 - 誘導加熱方法

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Publication number: JP6240970B2
Application number: JP2013112412A
Authority: JP
Inventors: 清澤　裕; 裕清澤
Original assignee: Neturen Co Ltd
Current assignee: Neturen Co Ltd
Priority date: 2013-05-28
Filing date: 2013-05-28
Publication date: 2017-12-06
Anticipated expiration: 2033-05-28
Also published as: JP2014232614A

Description

本発明は、基部に対して凹部と凸部を繰り返して設けてなるワークを誘導加熱する際、凹部と凸部との加熱温度を調整することができる、誘導加熱方法に関する。

加熱コイルから発生する磁束の被処理表面から内部への浸透深度が周波数により異なるため、熱処理層の厚さに応じて周波数が選択される。熱処理層を厚くするためには低い周波数が用いられ、熱処理層を浅くするためには高い周波数が用いられる。異なった周波数によりワークの熱処理層の厚さに応じて誘導加熱するため、出力周波数の異なる電源が配置され、各誘導加熱装置に切替器を介在して各電源に接続してシステム構成されたものがある（例えば、特許文献１）。

特開昭６０−２４９２８８号公報

本発明の一つの目的は、基部に対して凹部と凸部を繰り返して設けてなるワークを一度に誘導加熱する際、凹部と凸部との加熱温度を調整することができる誘導加熱方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の誘導加熱方法は、ワークに対して誘導加熱コイルを配置し、誘導加熱コイルに対し、
第１の電源により高周波電力と第１の周波数の低周波電力とを供給し、第２の電源により前記第１の周波数とは異なる第２の周波数の低周波電力を供給し、前記第１の電源と前記第２の電源とから前記誘導加熱コイルに電力を供給する際、
切替手段を用いて、
前記第１の電源により、前記高周波電力と前記第１の周波数を有する低周波電力を時分割で給電するか、又は、前記第１の電源により前記高周波電力と前記第２の電源により第２の周波数を有する低周波電力とを重畳して給電することを特徴とする。

上記構成において、切替手段は、第１の電源の低周波用出力端子に接続される第１の電源用出力切替器と、第２の電源の出力端子に接続される第２の電源用出力切替器と、高周波用入力切替器及び低周波用入力切替器とを備え、
第１の電源用出力切替器をＯＮにし、第２の電源用出力切替器をＯＦＦにし、高周波用入力切替器及び低周波用入力切替器をＯＮにし、誘導加熱コイルに対し、第１の電源から高周波電力と第１の周波数の低周波電力とを時分割で給電し、高周波電力及び第１の周波数の低周波電力の出力時間に対する高周波電力の出力時間の比率を調整することにより、ワークの凹部及び凸部の各加熱温度を調整するか、
或いは、第１の電源用出力切替器をＯＮにし、第２の電源用出力切替器をＯＮにし、高周波用入力切替器及び低周波用入力切替器をＯＮにし、誘導加熱コイルに対し、第１の電源から高周波と第２の電源から第２の周波数の低周波とを重畳して給電し、高周波電力と第２の周波数の低周波電力の電力比を制御することにより、ワークの凹部及び凸部の各加熱温度を調整してもよい。
ワークは、基部に対して凹部と凸部を繰り返して設けられ、ワークの凹部と凸部が、該ワークの内周面又は外周面に形成されていてもよい。
基部が円環状のリング部であり、リング状の誘導加熱コイルに対して電力を供給する際、リング部をプレスしてもよい。

本発明によれば、単純な誘導加熱コイルを用いても、基部に対して凹部と凸部を繰り返して設けてなるワークの各凹部及び凸部をそれぞれ所定の温度に加熱することができる。

本発明の実施形態に係る誘導加熱方法を実施する際に用いられる誘導加熱システムの構成図である。図１における第１の電源から出力される波形を模式的に示す図である。図１に示す誘導加熱システムにおいて電源系と加熱コイルとの間の回路図である。図１に示す誘導加熱システムにおいて電源系と加熱コイルとの間の別の回路図である。図１に示す誘導加熱システムにおいて、図６に示す誘導加熱機としてのプレス熱処理装置のＸ−Ｘ線に沿う概略断面図である。図１に示す誘導加熱システムにおいて、図５に示すプレス熱処理装置のＹ−Ｙ線に沿う概略断面図である。熱処理が施されるワークを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。実施例の実験条件及び結果を示す図表である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る誘導加熱方法を実施する際に用いられる誘導加熱システムについて詳細に説明する。

〔誘導加熱システムの全体構成〕
図１は、本発明の実施形態に係る誘導加熱方法を実施する際に用いられる誘導加熱システムの構成図である。本発明の実施形態に係る誘導加熱システム１は、図１に示すように、誘導加熱機１０と、第１の電源２１及び第２の電源２６とからなる電源系２０（図３、図４参照）と、電源系２０と誘導加熱機１０との間に介在して接続を切り替える切替手段３０と、を備える。切替手段３０は、第１の電源２１に接続される第１の電源用出力切替器３１と、第２の電源２６に接続される第２の電源用出力切替器３２と、誘導加熱機１０の入力側に接続される高周波用入力切替器３３及び低周波用入力切替器３４とから構成される。

〔誘導加熱機〕
誘導加熱機１０は、高周波用電流変成器１１と低周波用電流変成器１２と加熱コイル１３と加熱機制御部１４とを備える。

高周波用電流変成器１１及び低周波用電流変成器１２は何れも一次巻線と二次巻線とを備えている。巻線は高周波用であるか低周波用であるかにより巻数比が異なっている。高周波用電流変成器１１，低周波用電流変成器１２は何れも鉄心等のコアを有してもよい。高周波用電流変成器１１はコアがなくて空芯であってもよい。高周波用電流変成器１１及び低周波用電流変成器１２の各二次巻線は加熱コイル１３に並列接続されている。

〔電源系〕
電源系２０は、第１の電源２１と第２の電源２６とからなる。
第１の電源２１は、出力周期に対する高周波と低周波の出力時間の比を変えて、異なる周波数の各電力を出力する。第１の電源２１は、例えば２００ｋＨｚという高周波と、例えば１０ｋＨｚの低周波を短時間で交互に出力する。第１の電源２１は、或る時間（「出力周期」と呼ぶ。）Ｔの間において高周波と低周波との出力割合を０以上１００％以下の間で調整する。図２は、第１の電源２１から出力される波形を模式的に示す図である。横軸は時間であり、縦軸は、低周波占有率ＤＴ、出力強度である。図２に示すように、例えば１００ｍ秒という出力周期Ｔにおいて、時間ｔ_Ｌでは低周波を出力し、時間ｔ_Ｈでは高周波を出力する。低周波占有率とは、出力周期において第１の電源２１から出力される電圧、電流であって、低周波のみが出力される場合を低周波占有率１００％とし、高周波のみが出力される場合を低周波占有率０％としている。出力周期Ｔはｔ_Ｌとｔ_Ｈとの和であり、出力周期Ｔに対して低周波のみが出力される時間ｔ_Ｌの割合ｔ_Ｌ／Ｔを出力比と呼び、ｔ_Ｌ／Ｔを０から１の範囲で任意に設定することができる。この出力比は低周波のデューティ比である。なお、高周波のデューティ比は１から低周波のデューティ比を引いた値で定義される。よって、出力割合を０％に設定して第１の電源２１を高周波のみ出力させるようにしてもよいし、出力割合を１００％に設定して第１の電源２１を低周波のみ出力させるようにしてもよい。

第２の電源２６は、第１の電源２１の出力周波数とは異なる周波数の電力を出力する。例えば、数ｋＨｚという低周波の電力を出力する。これにより、第２の電源２６のみから誘導加熱機１０に給電してもよいし、第１の電源２１から高周波を出力し第２の電源から低周波のみを出力することによって、誘導加熱機１０における加熱コイルに高周波と低周波との合成した波で給電してもよい。

本発明の実施形態にあっては、第１の電源２１と第２の電源２６とが異なる周波数で誘導加熱機１０に給電するため、ワーク表面から異なる深さでかつ異なる温度に加熱することができる。さらに詳しい説明については後述する。

〔切替手段〕
切替手段３０は、第１の電源２１及び第２の電源２６の電源系２０と誘導加熱機１０との間の接続を切り替えるものであって複数の切替器からなる。切替手段３０は、第１の電源２１の低周波用出力端子に接続される第１の電源用出力切替器３１と、第２の電源２６の出力端子に接続される第２の電源用出力切替器３２と、誘導加熱機１０における高周波用入力切替器３３及び低周波用入力切替器３４とを備え、切替制御部３５がこれらの各切替器３１〜３４のＯＮ、ＯＦＦ制御を統括的に行う。

誘導加熱機１０において、高周波用入力切替器３３が高周波用電流変成器１１の一次巻線に接続され、低周波用入力切替器３４が低周波用電流変成器１２の一次巻線に接続される。切替制御部３５は、第１の電源用出力切替器３１と、第２の電源用出力切替器３２と、誘導加熱機１０における高周波側入力切替器３３及び低周波側入力切替器３４とを制御する。

〔切替手段による電源系から誘導加熱機への給電の方式〕
低い周波数ではワークの表面から深い領域まで渦電流が流れ、高い周波数ではワークの表面近傍、即ち浅い領域にしか渦電流が流れない。この表皮効果に基いて焼入れ、焼戻しなどの各種の誘導加熱処理において、周波数の違いにより硬化層の深さを制御することができる。本明細書においては、この効果のことを周波数効果と呼ぶことにする。実際に誘導加熱処理を行う際には、電源として、最適な硬化層の厚みが得られるように適切な周波数を出力するものを選択している。

図１に示す誘導加熱システムにおいては、第１の電源２１と第２の電源２６の二種類の電源を組み合わせた電源系２０を備えることによって、第１の電源２１のみを用いて時分割方式で給電することも、第１の電源２１から出力された高周波と第２の電源２６から出力された低周波とを重ね合わせて加熱コイル１３に供給する、所謂重畳方式で給電することもできる。時分割方式を用いた場合にあっては、第１の電源２１から出力される高周波数ｆ_Ｈと低周波数ｆ_Ｌとの出力比を制御している。そのため、高周波数ｆ_Ｈ、低周波数ｆ_Ｌとの間の周波数ｆ（ｆ_Ｌ＜ｆ＜ｆ_Ｈ）による誘導加熱の効果（以下、この効果を「周波数効果」と呼ぶことにする。）が得られる。重畳方式を用いた場合にあっては、第１の電源２１から出力される高周波と第２の電源２６から出力される低周波の周波数の電力比を制御している。そのため、高周波と低周波との間の周波数による誘導加熱効果が得られる。つまり、時分割方式であっても重畳方式であっても単一の電源系２０が多周波電源機能を有することになる。

切替手段３０の中で誘導加熱機１０における高周波用入力切替器３３及び低周波用入力切替器３４をＯＮにすることにより、電源系２０から誘導加熱機１０に給電することができる。

本発明の実施形態においては、このように複数の周波数を出力する電源系２０を完備しているため、電源系２０から誘導加熱機１０に高周波と低周波を同時に出力することも又は交互に出力することもできる。よって、電源系２０から誘導加熱機１０に対して供給される電力のうち低周波成分と高周波成分と任意の割合に選択することができ、誘導加熱による周波数効果が得られる。

しかも、図１に示すように、誘導加熱機１０が、切替制御部３５による接続切替により単一の電源系２０に接続され、切替制御部３５を経由して、例えば周波数選択、出力比の調整、高周波及び低周波の各強度など各種パラメータが設定される。よって、誘導加熱機１０において最適な周波数効果を有するよう誘導加熱を行うことができる。単一の電源系２０としていることにより、電源系２０の利用率が向上し、省スペース化、最適周波数による効率的な誘導加熱で省エネルギー効果を有する。

ここで、誘導加熱機１０には加熱機制御部１４が備えられており、加熱機制御部１４は切替制御部３５に接続されている。切替制御部３５は、第１の電源２１の電源制御部２１ｘ、第２の電源２６の電源制御部２６ｘ、第１の電源用出力切替器３１、第２の電源出力切替器３２並びに誘導加熱機１０に接続されている高周波用入力切替器３３及び低周波用入力切替器３４に接続されている。よって、第１の電源２１及び第２の電源２６並びに誘導加熱機１０の加熱機制御部１４の信号は、全て切替制御部３５に入力される。第１の電源２１、第２の電源２６、誘導加熱機１０の加熱機制御部１４、誘導加熱機１０に接続されている高周波用入力切替器３３及び低周波用入力切替器３４への指令信号は、全て切替制御部３５により出力される。これらのことから、切替制御部３５はシステム制御部と呼んでもよい。

〔図１に示す誘導加熱システムにおける電気回路構成〕
次に、図１に示す誘導加熱システム１において、切替制御部３５が第１の電源用出力切替器３１をＯＮにし、第２の電源用出力切替器３２をＯＦＦにし、誘導加熱機１０Ａにおける高周波用入力切替器３３及び低周波用入力切替器３４をＯＮにした場合において、電源系２０と加熱コイル１３との間の回路構成についてさらに詳細に説明する。

図３は図１に示す誘導加熱システムにおいて電源系２０と加熱コイル１３との間の回路図である。ただし、第１の電源用出力切替器３１並びに誘導加熱機１０における高周波用入力切替器３３及び低周波用入力切替器３４がＯＮ状態である場合を示している。第１の電源２１は、高周波用出力端子と低周波用出力端子を備えている。高周波用出力端子には高周波用電流変成器１１の一次側が接続されている。低周波用出力端子には低周波用電流変成器１２が接続されている。加熱コイル１３は、高周波用電流変成器１１及び低周波用電流変成器１２の各二次側に並列に接続されている。

第１の電源２１は、商用電源２から供給される商用電力を直流に変換する変換部２１ａと変換部２１ａから出力された直流を所定の周波数に変換する逆変換部２１ｂを有する。変換部２１ａ及び逆変換部２１ｂは何れも電源制御部２１ｘとしてのインバータ制御部２１ｃにより制御され、特に、逆変換部２１ｂはインバータ制御部２１ｃからの制御信号によって直流を指定の周波数に変換する。逆変換部２１ｂに対してハイパスフィルタ２１ｄとローパスフィルタ２１ｅとが並列接続されており、高周波用出力端子がハイパスフィルタ２１ｄの出力側に設けられ、低周波用出力端子がローパスフィルタ２１ｅの出力側に設けられている。

高周波用電流変成器１１では、一次巻線１１ａと二次巻線１１ｂとによりトランスが構成されている。図示の場合では、二次巻線１１ｂは二本のコイル１１ｄ，１１ｅが直列接続されている。コイル１１ｄとコイル１１ｅとの間にはコンデンサ１１ｃが介在している。コンデンサ１１ｃは高周波数に対してはインピーダンスが小さく、低周波数に対してはインピーダンスが大きくなるようにコンデンサ１１ｃの容量を設定することにより、高周波と低周波をそれぞれよいバランスで各電力をコイル１３に投入することができる。

低周波用電流変成器１２では、一次巻線１２ａと二次巻線１２ｂとによってトランスが構成されている。図示では、一次巻線１２ａには巻数を調整可能に複数のタップ１２ｃが取り付けられている。鉄心等のコア１２ｄにより一次巻線１２ａと二次巻線１２ｂとを相互に誘導しやすくするよう、鉄心等のコア１２ｄが設けられている。さらに、二次巻線１２ｂの各両端にはブスバーがそれぞれ接続されており、各ブスバーが加熱コイル１３に接続されている。図３ではブスバーが有するインダクタンス１２ｅ,１２ｆとして示している。インダクタンス１２ｅ，１２ｆは一種のフィルタを構成しており、高周波用電流変成器１１から低周波用電流変成器１２に高周波が入力しないようになっている。

上述したように、高周波用電流変成器１１及び低周波用電流変成器１２は、単に一次巻線と二次巻線とによるトランスを有するのみならず、加熱コイル１３と電源系２０との間でのインピーダンス整合をとるための整合回路を備えている。また、高周波用電流変成器１１及び低周波用電流変成器１２は、加熱コイル１３に並列接続されるため、高周波用電流変成器１１の二次側から低周波が流入しても二次巻線１１ｂに入力されないように、また、低周波用電流変成器１２の二次側から高周波が流入しても二次巻線１２ｂに入力されないよう、それぞれフィルタ回路を備えている。よって、各電流変成器は、トランスと整合回路とフィルタ回路とを含む調整回路と呼んでもよい。

図４は、図１に示す誘導加熱システムにおいて電源系２０と加熱コイル１３との間の別の回路図である。ただし、第２の電源用出力切替器３２並びに誘導加熱機１０における高周波用入力切替器３３及び低周波用入力切替器３４がＯＮ状態である場合を示している。

図４に示す回路は、第２の電源２６が第２の電源用出力切替器３２を介して低周波用電流変成器１２に接続されている点において、図３に示す回路と異なっている。第２の電源２６は、例えば、図４に示すように、第１の電源２１と同様の回路構成を備えているが、電源制御部２６ｘとしてのインバータ制御部２６ｃによる変換部２６ａ，逆変換部２６ｂの制御のうち、逆変換部２６ｂの制御が常に特定の周波数の電力を出力するように構成されている点で異なっている。

〔プレス熱処理装置の構成〕
図５及び図６は、図１の誘導加熱機の例としてプレス熱処理装置の構成を示すもので、図５は図６のＸ−Ｘ線に沿う概略断面図、図６は図５のＹ−Ｙ線に沿う概略断面図である。図７は熱処理が施されるワークを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。ワーク７０は、基部としての円環状のリング部７１の内周部に凹部７２と凸部７３とを交互に設けて構成されている。プレス熱処理装置４０は、ワーク７０をプレスしながら誘導加熱コイルの回りに回転させながら誘導加熱する。

プレス熱処理装置４０は、ワーク７０のリング部７１を上下から挟む挟持手段４０Ａと、挟持手段４０Ａに圧力を加えリング部７１を押圧する押圧手段４０Ｂと、リング部７１の内周部に対向して配置される誘導加熱コイル８１と、挟持手段４０Ａを回転駆動する回転駆動手段４０Ｃと、を備える。

以下、図示した形態に沿って説明する。ベースプレート４１に複数本の補助リフト部４２及びガイド部４３が立設され、第１プレート部４４が補助リフト部４２上に載置されている。複数の下側押圧部４５が第１プレート部４４の下面に取り付けされ、下側押圧部４５としてのエアシリンダのピストンロッド４５ａが第２プレート部４６を支持している。第１プレート部４４及び第２プレート部４６の中央部は開口しており、コイルヘッド８０が配置される。

第２プレート部４６の開口縁部には断面Ｌ字状の円環状リング４６ａが装着され、円環状リング４６ａにはクロスローラーリング４７を介在して下側挟持部４８を回転可能に支持する。下側挟持部４８は略円筒形状を呈し、その外周側面が凹凸していることにより、下側挟持部４８の外周下部にはクロスローラーリング４７が取り付けられ、下側挟持部４８の外周上部には円環状のギア４９が取り付けられる。ギア４９の外周面には歯が刻まれている。第２プレート部４６には複数の支持部材６５が立設し、複数の支持部材６５の上端にプレート６２が水平に取り付けられ、プレート６２上に回転駆動手段４０Ｃのユニット６１が配置されている。ユニット６１から鉛直下方に延びた回転軸部６４により駆動ギア６３が回転する。駆動ギア６３とギア４９とが噛み合っている。回転駆動手段４０Ｃから駆動ギア６３及びギア４９を介在して下側挟持部４８が回転する。

第１プレート部４４及び第２プレート部４６の開口と下側挟持部４８には、下側から中空が連通しており、上側挟持部５０とによりコイル収容部が形成されている。コイルヘッド８０がコイル収容部に配置される。コイルヘッド８０には誘導加熱コイル８１と複数の噴射口８２とが設けられ、誘導加熱コイル８１は周状の配線により構成され、噴射口８２は誘導加熱コイル８１の上方、下方の何れか又は双方に放射状に外向きに設けられる。これらの噴射口８２へのパイプ等の流路については図示を省略している。

上側挟持部５０は下側挟持部４８の上方に配置され、下側挟持部４８の上端部と上側挟持部５０の下端部とがワーク７０を挟む。このように、挟持手段４０Ａが上側挟持部５０及び下側挟持部４８で構成され、上側挟持部５０の底部は円周状を呈して底面がフラットに形成され、下側挟持部４８に対向している。一方、下側挟持部４８は、内周部に段差を有しており、ワーク７０のリング部７１がこの段差の部分に載置される。なお、上側挟持部５０の対向面は必ずしもフラットな面である必要はなく、下側挟持部４８と上側挟持部５０の何れの内周部に段差を設け、これらの段差の部分でワーク７０のリング部７１を上下から挟むようにしてもよい。

このような上側挟持部５０は、短円筒体５０ａ、円盤部５０ｂ及びベアリング支持部５０ｃを有している。短円筒体５０ａの底部と下側挟持部４８でがリング部７１を挟み、この短円筒体５０ａ及び円盤部５０ｂがコイル収容部の上部側を形成し、ベアリング支持部５０ｃが円盤部５０ｂ上に設けられている。円筒形状の支持手段５１が後述するように吊り下げられ、ベアリング支持部５０ｃの外周外側に配置されている。支持手段５１とベアリング支持部５０ｃとの間に複数のベアリング５７が介在している。このような構成により、支持手段５１は上側挟持部５０を回転可能に支持する。

支持手段５１を吊り下げるための構造としては種々考えられる。一例として、図示した形態を説明する。第２プレート部４６には、複数本のポスト５２が下側挟持部４８の外側に立設されており、ポスト５２の上端部に第３プレート部５３が固定されている。第３プレート部５３と第２プレート部４６との距離は変化しない。第３プレート部５３の中央部上方には上下駆動手段５４が配備されている。上下駆動手段５４の構成は例えば次の通りである。可動プレート部５５が第３プレート部５３の上方に配置され、エアシリンダ５４ａが可動プレート部５５上に固定され、エアシリンダ５４ａのピストンロッド５４ｂが可動プレート部５５を貫通してピストンロッド５４ｂの下端が第３プレート部５３に固定されている。エアシリンダ５４ａを作動させることにより、可動プレート部５５が上下動する。複数本の上下動ポスト５６が可動プレート部５５を貫通して上下に沿って配置され、複数の上下動ポスト５６の下端に円筒状の支持手段５１が取り付けられている。

よって、支持手段５１が第２プレート部４６上に設けたポスト５２、第３プレート部５３、上下駆動手段５４及び上下動ポスト５６により吊り下げられている。上下駆動手段５４を作動させることにより、上下動ポスト５６及び支持手段５１を上下動する。

このように、プレス熱処理装置４０では、挟持手段４０Ａは上側挟持部５０及び下側挟持部４８で構成され、上側挟持部５０は支持手段５１により回転可能に支持され、下側挟持部４８はクロスローラーリング４７により回転可能に支持され、上側挟持部５０と下側挟持部４８とがワーク７０のリング部７１を上下から挟む。

押圧手段４０Ｂは上下駆動手段５４、上下動ポスト５６及び支持手段５１で構成され、上下駆動手段５４が上下動ポスト５６に下降する力を作用させることにより、支持手段５１及び上側挟持部５０を経由して、ワーク７０を押圧する。つまり、押圧手段４０Ｂが挟持手段４０Ａに圧力を加えリング部７１を押圧する。

コイルヘッド８０は、コイル収容部に配置されることにより、誘導加熱コイル８１がリング部７１の内周部に対向して配置される。

回転駆動手段４０Ｃはユニット６１及び駆動ギア６３などから構成され、ユニット６１が鉛直下方に延びる回転軸部６４を回転し、駆動ギア６３を回転することにより、ギア４９を介在して下側挟持部４８を回転させる。よって、回転駆動手段４０Ｃが挟持手段４０Ａを回転駆動する。

プレス熱処理装置４０によるワーク７０の誘導加熱方法について説明する。先ず、上下駆動手段５４により可動プレート部５５、上下動ポスト５６、支持手段５１及び上側挟持部５０を上昇させ、周状の窪み４８ａにワーク７０のリング部７１を載置する。その後、上下駆動手段５４により、可動プレート部５５、上下動ポスト５６、支持手段５１及び上側挟持部５０を下降させ、ワーク７０のリング部７１を下側挟持部４８及び上側挟持手段５０で挟持する。その際、下側押圧部４５により上方に押圧してもよい。

この状態で、回転駆動手段４０Ｃのユニット６１により、駆動ギア６３を回転させ、クロスローラーリング４７及びベアリング５７を介在して下側挟持部４８及び上側挟持部５０を回転させながら、誘導加熱コイル８１に電流を流す。これにより、ワーク７０の内周部の凹部７２及び凸部７３を誘導加熱する。

その後、誘導加熱コイル８１への電流を停止し、コイルヘッド８０を所定長だけ下降させたり、又は補助リフト部４２で第２プレート部４６と共にワーク７０を所定長だけ上昇させたりすることにより、ワーク７０の高さに噴射口８２が位置することになり、冷却液を噴射する。この一連の処理により、ワーク７０に焼入れなどの熱処理がなされる。

以上の装置構成では、押圧手段４０Ｂが上側挟持部５０を押圧してワーク７０をプレスする場合を示しているが、下側挟持部４８はほぼ固定されているので、下側からもプレスされる。また、下側挟持部４８を押圧手段により上方にプレスしてもよいし、上下双方からプレスするようにしてもよい。

実施例を示して本発明の実施形態を更に詳細に説明する。
電源系２０として、図３に示すような回路を構成するように、第１の電源用出力切替器３１、高周波用入力切替器３３及び低周波用入力切替器３４をＯＮにし、第２の電源用出力切替器４２をＯＦＦとした。第１の電源２１から低周波と高周波とを用い、１０ｋＨｚの低周波占有率を０％、６５％、８０％とした。誘導電流を流す時間を１.５秒とし、その後、０．２秒の動作時間冷却した。実施例では、材質Ｓ５５Ｃ、肉厚１．５ｍｍで歯先内直径１７２．８ｍｍの円環状のワークを用いた。プレス熱処理装置４０を用いてワーク７０を１００ｋｇで荷重をかけた。

図８は実施例の実験条件及び結果を示す図表である。
実施例１として低周波占有率が０％、つまり高周波のみで誘導加熱すると、歯先の温度が約１０７５℃であったが、歯底が約９７５℃であった。
実施例２として低周波占有率が６５％、つまり低周波を６５％、高周波を３５％で誘導加熱すると、歯先の温度が約１０３０℃であったが、歯底が約９７５℃であった。
実施例３として低周波占有率が８０％、つまり低周波を８０％、高周波を２０％で誘導加熱すると、歯先の温度が約９４０℃であったが、歯底が約９７５℃であった。

歯底の方は歯先より温度が高い方が好ましい。これは、歯底となる凹部はリング部７１が下側挟持部４８と上側挟持部５０とで挟持されるため、熱が吸収されることによる。この吸収を加味すると、ワーク７０の凹部７２及び凸部７３がほぼ均一に加熱されることになる。

このことから、低周波占有率を変化させることにより、ワーク７０の凹部７２及び凸部７３をそれぞれ所定の温度に加熱し得ることが分かった。誘導加熱コイル８１をリング状のワンターン又は複数ターンとしても、凹部７２と凸部７３とを所定の温度に加熱することができ、インピーダンス整合をとり易くなる。

プレス熱処理装置４０を用いて、ワーク７０の加圧量を５０ｋｇ〜１２０ｋｇの範囲で可変したが、ワーク７０は殆どフラットのままであり、反りが生じなかった。また、プレスすることにより、窪み４８ａが数ｍｍの深さを有し、上側挟持部５０の下側挟持部４８と対向する面がフラットであるため、ワーク７０を窪み４８ａの深さの厚みにプレスした。一方、加圧しないで誘導加熱すると、反りが生じた。これにより、加圧しながら誘導加熱することが有効であることが分かった。

本発明の実施形態では、ワーク７０は内周面に凹凸が形成されているワークを説明したが、外周面に凹凸が形成されているワークでもあてはまる。また、リング状に形成されていなくても、ラックやレールなど直線状で凹部と凸部が交互に形成されているような凹凸部材の場合であっても、低周波占有率を調整することにより凹部と凸部の各加熱温度を調整することができる。

１：誘導加熱システム
２：商用電源
１０：誘導加熱機
１１：高周波用電流変成器
１１ａ：一次巻線
１１ｂ：二次巻線
１１ｃ：コンデンサ
１１ｄ、１１ｅ：コイル
１２：低周波用電流変成器
１２ａ：一次巻線
１２ｂ：二次巻線
１２ｃ：タップ
１２ｄ：コア
１２ｅ，１２ｆ：リアクタンス
１３：加熱コイル
１４：加熱機制御部
２０：電源系
２１：第１の電源
２１ａ：変換部
２１ｂ：逆変換部
２１ｃ：インバータ制御部
２１ｄ：ハイパスフィルタ
２１ｅ：ローパスフィルタ
２１ｘ：電源制御部
２６：第２の電源
２６ａ：変換部
２６ｂ：逆変換部
２６ｃ：インバータ制御部
２６ｘ：電源制御部
３０：切替手段
３１：第１の電源用出力切替器
３２：第２の電源用出力切替器
３３：高周波用入力切替器
３４：低周波用入力切替器
３５：切替制御部
４０：プレス熱処理装置
４０Ａ：挟持手段
４０Ｂ：押圧手段
４０Ｃ：回転駆動手段
４１：ベースプレート
４２：補助リフト部
４３：ガイド部
４４：第１プレート部
４５：下側押圧部
４５ａ：ピストンロッド
４６：第２プレート部
４６ａ：円環状リング
４７：クロスローラーリング
４８：下側挟持部
４８ａ：窪み
４９：ギア
５０：上側挟持部
５０ａ：円筒体
５０ｂ：円盤部
５０ｃ：ベアリング支持部
５１：支持手段
５２：ポスト
５３：第３プレート部
５４：上下駆動手段
５４ａ：エアシリンダ
５４ｂ：ピストンロッド
５５：可動プレート部
５６：上下動ポスト
５７：ベアリング
６１：ユニット
６２：プレート
６３：駆動ギア
６４：回転軸部
７０：ワーク
７１：リング部（基部）
７２：凹部
７３：凸部
８０：コイルヘッド
８１：誘導加熱コイル
８２：噴射口

Claims

ワークに対し誘導加熱コイルを配置し、
前記誘導加熱コイルに対し、
第１の電源により高周波電力と第１の周波数の低周波電力とを供給し、
第２の電源により前記第１の周波数とは異なる第２の周波数の低周波電力を供給し、
前記第１の電源と前記第２の電源とから前記誘導加熱コイルに電力を供給する際、
切替手段を用いて、
前記第１の電源により前記高周波電力と前記第１の周波数の低周波電力を時分割で給電するか、又は、
前記第１の電源により前記高周波電力と前記第２の電源により第２の周波数の低周波電力とを重畳して給電する、誘導加熱方法。
前記切替手段は、前記第１の電源の低周波用出力端子に接続される第１の電源用出力切替器と、前記第２の電源の出力端子に接続される第２の電源用出力切替器と、高周波用入力切替器及び低周波用入力切替器とを備える、請求項１に記載の誘導加熱方法。
前記第１の電源用出力切替器をＯＮにし、
前記第２の電源用出力切替器をＯＦＦにし、
前記高周波用入力切替器及び前記低周波用入力切替器をＯＮにし、
前記誘導加熱コイルに対し、前記第１の電源から前記高周波電力と前記第１の周波数の低周波電力とを時分割で給電し、
前記高周波電力及び前記第１の周波数の低周波電力の出力時間に対する前記高周波電力の出力時間の比率を調整することにより、前記ワークの凹部及び凸部の各加熱温度を調整する、請求項２に記載の誘導加熱方法。
前記第１の電源用出力切替器をＯＮにし、
前記第２の電源用出力切替器をＯＮにし、
前記高周波用入力切替器及び前記低周波用入力切替器をＯＮにし、
前記誘導加熱コイルに対し、前記第１の電源から前記高周波電力と前記第２の電源から前記第２の周波数の低周波電力とを重畳して給電し、
前記高周波電力と前記第２の周波数の低周波電力の電力比を制御することにより、前記ワークの凹部及び凸部の各加熱温度を調整する、請求項２に記載の誘導加熱方法。
前記ワークが、基部に対して凹部と凸部を繰り返して設けてなる、請求項１〜４の何れかに記載の誘導加熱方法。
前記基部が円環状のリング部であり、
リング状の前記誘導加熱コイルに対して電力を供給する際、前記リング部をプレスする、請求項５に記載の誘導加熱方法。
前記ワークの前記凹部と凸部が、該ワークの内周面又は外周面に形成されている、請求項３〜６の何れかに記載の誘導加熱方法。