JP6523053B2 - 環状ワークの加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、高周波誘導加熱により環状ワークに形成された表面焼入層を焼戻温度範囲に加熱するための加熱装置に関する。

従来、環状ワークをワーク支持部に支持して環形状に沿って回転させつつ、環状ワークの周方向の一部に加熱コイルを対向配置させ、環状ワークの被加熱領域を誘導加熱することで、表面焼入処理を施したり、その表面焼入層に焼戻処理を施す加熱装置が知られている。

例えば下記特許文献１，２等では、ワーク支持部に載置された環状ワークを回転させつつ複数の加熱コイルを対向させて、高周波誘導加熱により焼入処理を施している。ここでは、各加熱コイルの上流側で環状ワークを常時位置検出し、検出結果に基づいて各加熱コイルの位置や角度等を常時制御しつつ加熱していた。

下記特許文献３では、特許文献１，２と同様に高周波誘導加熱により焼入処理を施した後、表面焼入層に焼戻処理を施している。ここでは複数の加熱コイルを用い、各加熱コイルの上流側で環状ワークを常時位置検出し、検出結果に基づいて各加熱コイルの位置や角度等を常時制御しつつ、所定温度範囲まで加熱していた。

特開２０１２−１９３４０１号公報 特開２０１２−２１９３１０号公報 特願２０１２−２５１１８５号公報

しかしながら、従来、被加熱領域に複数の加熱コイルを近接状態に対向配置して所定の焼戻温度範囲まで加熱するには、常時、加熱コイルと被加熱領域との間の微小なギャップや位置等を精度よく保ちつつ加熱しなければならなかった。
そのため、所定温度範囲に加熱することは容易でなく装置構成が複雑であった。しかも、加熱コイルと被加熱領域との間の微小なギャップや位置等を精度よく保つために、加熱可能な環状ワークの形状や大きさに制限があり、汎用性が不足していた。

そこで本発明では、高周波誘導加熱により形成された環状ワークの表面焼入層全体を焼戻温度範囲に加熱することが容易であって、汎用性の高い加熱装置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加熱装置は、高周波誘導加熱により表面焼入層が形成された環状ワークを支持して環形状に沿って回転させるワーク支持部と、環状ワークの周方向の一部に対向配置され、回転する表面焼入層を焼戻温度範囲に加熱する加熱コイルと、を備えた加熱装置であり、加熱コイルは、第１部位と、第１部位の両端側に互いに対向するように設けられた一対の第２部位と、を有し、第１部位及び一対の第２部位により囲まれる内側領域内に、環状ワークの表面焼入層の径方向断面の形状全体を収容した状態で、第１部位との間及び各第２部位との間にそれぞれ調整空間を設けて環状ワークを配置可能であり、第１部位及び一対の第２部位に商用周波数の加熱電力を給電することで表面焼入層を加熱するものである。

この発明の加熱装置は、複数の加熱コイルが分散配置され、複数の加熱コイルの少なくとも一つは周方向に変位可能に配設されていてもよい。

本発明の加熱装置によれば、加熱コイルの第１部位及び一対の第２部位により囲まれる内側領域内に表面焼入層の径方向断面の形状全体を収容した状態で、第１部位及び一対の第２部位に商用周波数の加熱電力を給電し、高周波誘導加熱により形成された表面焼入層を加熱するので、高周波誘導加熱により形成された表面焼入層より深く広い範囲までを加熱でき、表面焼入層の径方向断面の形状全体を焼戻温度範囲に容易に加熱できる。

また、内側領域内に表面焼入層の径方向断面の形状全体を収容した状態で、環状ワークと第１部位との間及び環状ワークと各第２部位との間に、それぞれ調整空間が設けられているので、通電時に磁束が局部的に集中して供給されるようなことを防止でき、表面焼入層の径方向断面の形状全体を焼戻温度範囲に加熱することが容易である。

さらに、環状ワークと第１部位との間及び環状ワークと各第２部位との間にそれぞれ調整空間が設けられていれば、加熱中に環状ワークに膨張や変形が生じても、その変化量は各部位との間隔に比べて格段に小さいため、加熱条件に対する影響が少ない。
しかも十分な調整空間が設けられることで、互いに異なるサイズや形状を有する複数種類の環状ワークであっても共通の加熱コイルで加熱可能であり、装置の汎用性を向上することができる。
その結果、高周波誘導加熱により形成された環状ワークの表面焼入層全体を焼戻温度範囲に加熱することが容易に行え、汎用性の高い加熱装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る加熱装置を備えた熱処理装置の平面図であり、大径の環状ワークを加熱する状態を示す。 本発明の実施形態に係る加熱装置を備えた熱処理装置の部分縦断面図である。 本発明の実施形態に係る加熱装置の加熱コイルを示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る加熱装置を備えた熱処理装置の平面図であり、小径の環状ワークを加熱する状態を示す。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
本実施形態は大型の環状ワークを焼入処理するための旋回型の熱処理装置の例である。環状ワークは、特に限定されるものではないが、例えば直径が１ｍ程度以上の円環形状を有する大型の旋回輪、大型の軸受の内輪や外輪などであってもよい。
また、本実施形態の装置により熱処理される環状ワークＷは、図１及び図２に示すように、予め帯状の被加熱領域を高周波誘導加熱して急冷することで周方向に連続する帯状の表面焼入層Ｗｈが形成されたものである。

［熱処理装置］
図１及び図２に示す熱処理装置１０は、以下のような加熱装置を有している。
この加熱装置は、環状ワークＷを支持して環形状に沿って回転させるワーク支持部３０と、環状ワークＷの周方向の一部に対向配置される加熱コイル５１と、を備えている。

［ワーク支持部］
ワーク支持部３０は、放射方向に延びる着脱可能な複数の放射架台３１と、転動軸を放射方向に向けて周方向に配列した複数の転動ローラ３２と、複数の転動ローラ３２を転動させて環状ワークＷを回転させるワーク駆動部４０と、を備えている。

［加熱コイル］
加熱コイル５１は、図１乃至図３に示すように、コイル支持部５３に装着されて複数配設されている。各加熱コイルは、図３に示すように、ワーク支持部３０の中心軸Ｃに沿う方向に延びる第１部位５１ａと、この第１部位５１ａの上下両端側に突設されて互いに対向する一対の第２部位５１ｂと、を有し、断面コ字状の硬質支持体５１ｃに支持されている。

この実施形態では、第１部位５１ａと両端側の各第２部位５１ｂとは直列に接続されており、リード部５１ｄに給電されることで第１部位及び第２部位に通電されるようになっている。

第１部位５１ａ及び一対の第２部位５１ｂにより囲まれる内側領域５５は広く形成されており、この内側領域５５内に、表面焼入層Ｗｈの径方向断面の形状全体が収容可能である。しかも、内側領域５５内に表面焼入層Ｗｈの径方向断面全体を収容した状態で、環状ワークＷと第１部位５１ａとの間と、環状ワークＷと各第２部位５１ｂとの間と、にそれぞれ調整空間Ｓが設けられている。

この調整空間Ｓの大きさは、加熱コイル５１に通電した際、環状ワークＷの表面焼入層Ｗｈ全体を所定の温度範囲まで加熱可能な範囲で大きいほど好ましい。これにより、例えば、加熱コイル５１が環状ワークＷに不均一に近接する部位が生じて磁束に粗密が生じることが防止し易い。

［コイル支持部］
各加熱コイル５１を支持するコイル支持部５３は、図１及び図２に示すように、ワーク支持部３０の中心部に相対回動可能に連結され円弧状レール５３ａに沿って周方向に変位可能なベース部５３ｂと、ベース部５３ｂの放射状レール５３ｃに支持されて放射方向に進退駆動可能な支柱部５３ｄと、支柱部５３ｄの昇降レール５３ｅに支持されて昇降駆動可能な支持プレート５３ｆと、を備えている。支持プレート５３ｆには硬質支持体５１ｃが固定されており、この硬質支持体５１ｃに加熱コイル５１が支持されている。

このようなコイル支持部５３により、ワーク支持部３０の中心軸Ｃに沿う方向と、中心軸Ｃから放射方向となる径方向と、周方向と、の３方向に、加熱コイル５１が変位可能となっている。必要により加熱コイル５１の上下方向の傾きや径方向の傾きを変化可能となっていてもよい。

［焼戻処理］
次に、このような加熱装置が組み込まれた熱処理装置１０を用いて、焼戻処理を行う方法について説明する。
まず、処理対象の環状ワークＷの被加熱領域に、高周波誘導加熱により表面焼入層Ｗｈを形成し、焼き割れなどが生じる前に以下のような焼戻処理を施す。環状ワークＷが例えば直径が４〜５ｍ程度の大型の環状ワークＷであり、ワーク支持部３０は予め環状ワークＷを支持可能な状態にしており、放射架台３１を多数配置している。

図１及び図２に示すように、表面焼入層Ｗｈが形成された環状ワークＷを搬入して、ワーク支持部３０に位置合わせして載置する。各コイル支持部５３により各加熱コイル５１の位置及び向きを、環状ワークの形状や大きさ、表面焼入層Ｗｈの形状や大きさなどに応じて調整する。

ここでは、大型の環状ワークＷに合わせてより多くの加熱コイル５１を周方向に変位させて均等に分散配置する。また、各加熱コイル５１を環状ワークＷ及び表面焼入層Ｗｈの形状、大きさ、位置に応じて調整する。具体的には、第１部位５１ａ及び一対の第２部位５１ｂにより囲まれる内側領域５５に表面焼入層Ｗｈの径方向断面の形状全体が収容されるように配置した状態で、環状ワークＷと第１部位５１ａとの間、及び環状ワークＷと各第２部位５１ｂとの間に、それぞれ調整空間Ｓを設けるように配置する。

ワーク支持部３０により複数の転動ローラ３２を転動させて環状ワークＷを回転させる。この状態で、図示しない給電設備からリード部５１ｄを介して加熱コイル５１の第１部位５１ａ及び一対の第２部位５１ｂに商用周波数の加熱電力を給電する。
これにより、予め形成されている環状ワークＷの複数の表面焼入層Ｗｈを回転させつつ誘導加熱し、表面焼入層Ｗｈの全体が焼戻温度範囲となるまで加熱する。焼戻温度範囲は予め設定された温度範囲であり、表面焼入層Ｗｈが所望の靭性等を確保できる温度範囲であればよい。

加熱時には、各加熱コイル５１の位置及び給電量を調整しつつ加熱してもよいが、ここでは加熱コイル５１の位置を固定し、商用周波数の電力をオンオフ制御により各加熱コイル５１に給電して焼戻温度範囲まで加熱する。そして表面焼入層Ｗｈ全体を焼戻温度範囲まで加熱した後、徐冷することで焼戻処理を完了する。

次に、この熱処理装置１０を用いて、小径の環状ワークＷを焼戻処理を行う方法について説明する。
まず図４に示すように、ワーク支持部３０が予め小径の環状ワークＷを支持可能な状態にする。ここでは放射架台３１の数を少なくしている。
そしてワーク支持部３０へ環状ワークＷを搬入する前又は後で、各コイル支持部５３により小径の環状ワークＷに応じて加熱コイル５１の数を調整するとともに、各加熱コイル５１の位置及び向きを調整する。

ここでは１つの加熱コイル５１ｘを後退させて加熱に使用せず、残りの加熱コイル５１を周方向に変位させて周方向に均等に分散配置する。また各加熱コイル５１の位置及び向きを調整し、大型の環状ワークＷを加熱する場合と同様に、各加熱コイル５１の第１部位５１ａ及び一対の第２部位と環状ワークＷ及び表面焼入層Ｗｈとの相対位置を調整する。
そして環状ワークＷを回転させつつ、加熱コイル５１に商用周波数の加熱電力を給電することで、表面焼入層Ｗｈを焼戻温度範囲に加熱して徐冷し、焼戻処理を行うこうことができる。

以上のような加熱装置を備えた熱処理装置１０によれば、加熱コイル５１の第１部位５１ａ及び一対の第２部位５１ｂにより囲まれる内側領域５５内に表面焼入層Ｗｈの径方向断面の形状全体を収容した状態で、第１部位５１ａ及び一対の第２部位５１ｂに商用周波数の加熱電力を給電して、高周波誘導加熱により形成された表面焼入層Ｗｈを加熱することから、高周波誘導加熱により形成された表面焼入層Ｗｈより深く広い範囲までを加熱でき、表面焼入層Ｗｈの径方向断面の形状全体を焼戻温度範囲に容易に加熱できる。

また、内側領域５５内に表面焼入層Ｗｈの径方向断面の形状全体を収容した状態で、環状ワークＷと第１部位５１ａとの間及び環状ワークＷと各第２部位５１ｂとの間に、それぞれ調整空間Ｓが設けられているので、通電時に磁束が局部的に集中して供給されることを防止でき、表面焼入層Ｗｈの径方向断面の形状全体を焼戻温度範囲に容易に加熱することができる。

即ち、環状ワークＷの表面焼入層Ｗｈに対して加熱コイル５１を微小ギャップで近接対向させて加熱すると、加熱コイル５１を近接させた部位に集中して磁束が供給されて加熱される。そのため、加熱コイル５１と対向部位との位置関係が僅かでも変化することで加熱部位や加熱温度が変化する。従って、表面焼入層Ｗｈ全体を均等に加熱するには、常時、加熱コイル５１の位置を精密に調整することが必要である。

ところが、微小ギャップに比べて格段に大きい調整空間Ｓを設けて加熱コイル５１の内側領域５５に環状ワークＷを配置し、表面焼入層Ｗｈを加熱可能な位置に配置した状態で商用周波数の加熱電力を給電して加熱すれば、精密な位置調整を行わなくても、表面焼入層Ｗｈ全体を容易に焼戻温度範囲に加熱することができる。

さらに、環状ワークＷと第１部位５１ａとの間及び環状ワークＷと各第２部位５１ｂとの間にそれぞれ調整空間Ｓが設けられていれば、加熱中に環状ワークＷの膨張や変形が生じても、変化量が各部位との間隔に比べて格段に小さいため加熱条件に対する影響は少ない。しかも十分な調整空間Ｓが設けられることで、互いに異なるサイズや形状を有する複数種類の環状ワークＷであっても、共通の加熱コイル５１で加熱可能で、装置の汎用性を向上することができる。

またこの熱処理装置１０では、複数の加熱コイル５１の少なくとも一つが周方向に変位可能に配設されているので、環状ワークＷの表面焼入層Ｗｈを加熱する加熱コイル５１の数を増減した際、一部乃至全部の加熱コイル５１の位置を周方向に変位させ、複数の加熱コイル５１を周方向にできるだけ均等となるように分散配置させることが可能である。
その結果、環状ワークＷの周方向の一部に加熱コイル５１を対向配置させて、環状ワークＷを回転させつつ加熱する加熱装置で、環状ワークＷのサイズや形状に合わせて加熱コイル５１の数を調整しても、環状ワークＷの表面焼入層Ｗｈの全周を効率よく焼戻温度範囲に加熱することができる。

なお、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、上記では環状ワークＷを冷却するための冷却装置を別に設けた熱処理装置の例について説明したが、冷却部を組み込んだ熱処理装置であっても何ら異なることなく本発明を適用可能である。
環状ワークＷを冷却するための冷却部を加熱装置とともに組み込む場合、冷却部は特に限定されるものではなく、例えば冷却ジャケットから冷却液が環状ワークＷに向けて吐出される構成を採用してもよい。
その場合、加熱コイルより下方の位置に冷却ジャケットを設け、ワーク支持部を昇降可能に構成し、加熱後に加熱コイル５１を環状ワークＷよりも径方向外周側に後退させた後でワーク支持部を下降させることで、冷却ジャケットから冷却液が供給されるようにしてもよい。また、各加熱コイル５１と一体的に冷却ジャケットを設けたり、各加熱コイル５１に隣接して設け、加熱終了後に環状ワークＷを同じ位置で回転させつつ冷却ジャケットから冷却液を供給するように構成することもできる。

上記実施形態では、別の熱処理装置を用いて、高周波誘導加熱により表面焼入層を形成した環状ワークＷを焼き戻しする装置の例について説明したが、高周波誘導加熱により表面焼入層を形成する装置は任意である。例えば、第１部位５１ａ及び一対の第２部位５１ｂを有する加熱コイル５１とは周方向の異なる位置に、環状ワークＷに予め設定された帯状の被加熱領域に近接対向する高周波誘導加熱用コイルを設け、上記加熱コイル５１への給電設備とは別に設けた給電設備から高周波電力を給電することで、被加熱領域を誘導加熱するように構成してもよい。

環状ワークＷ及び表面焼入層Ｗｈの形状は何ら限定されず、例えば軸と直交する端面や軸と平行な周面であってもよい。また複数の表面焼入層Ｗｈを有する環状ワークＷであってもよい。

上記実施形態では、環状ワークＷの表面焼入層の温度を検出しつつ、各加熱コイル５１にオン・オフ制御することで表面焼入層を予め設定されている焼戻温度範囲に加熱したが、各加熱コイルへの給電設備や制御方法は何ら限定されるものではなく、例えばインバータ回路等を利用して比例制御することも可能である。

上記では、大径の環状ワークＷを加熱する際には４個の加熱コイル５１を使用し、小径の環状ワークＷを加熱する際には３個の加熱コイルを使用したが、加熱時に使用する加熱コイル５１の数は１個又は２個であっても、５個以上であってもよく、その数や位置は何ら限定されない。さらに複数個の加熱コイル５１を使用する際には、周方向に均等に各加熱コイル５１を配置することで加熱効率を向上させてもよい。また各加熱コイル５１は、環状ワークＷに応じた形状を有し、例えば金属パイプやコイル線材の束などにより第１部位５１ａ及び一対の第２部位５１ｂを直列に鞍型に形成したものでもよい。
上記では、ワーク支持部３０として、環状ワークＷの大きさに応じて放射架台３１を調整する例について説明したが、環状ワークＷの大きさにかかわらず、同じワーク支持部３０を使用することも当然に可能である。さらに放射架台３１や転動ローラ３２等を用いずに、非磁性体材料からなる円板形状の架台に載置するなど、ワーク支持部３０も適宜変更できる。

Ｗ 環状ワーク
Ｗｈ 表面焼入層
Ｃ 中心軸
Ｓ 調整空間
１０ 熱処理装置
３０ ワーク支持部
３１ 放射架台
３２ 転動ローラ
４０ ワーク駆動部
５１ 加熱コイル
５１ａ 第１部位
５１ｂ 第２部位
５１ｃ 硬質支持体
５１ｄ リード部
５１ｘ 不使用加熱コイル
５３ コイル支持部
５３ａ 円弧状レール
５３ｂ ベース部
５３ｃ 放射状レール
５３ｄ 支柱部
５３ｅ 昇降レール
５３ｆ 支持プレート
５５ 内側領域

Claims (2)

1. 高周波誘導加熱により表面焼入層が形成された環状ワークを支持して環形状に沿って回転させるワーク支持部と、前記環状ワークの周方向の一部に対向配置され、回転する前記表面焼入層を焼戻温度範囲に加熱する加熱コイルと、を備えた加熱装置であって、
   前記加熱コイルは、第１部位と、該第１部位の両端側に互いに対向するように設けられた一対の第２部位と、を有し、
   前記第１部位及び一対の第２部位により囲まれる内側領域内に、前記表面焼入層の径方向断面の形状全体を収容した状態で、前記第１部位との間及び前記各第２部位との間にそれぞれ調整空間を設けて前記環状ワークを配置可能であり、
   前記第１部位及び一対の第２部位に商用周波数の加熱電力を給電することで前記表面焼入層を加熱する、加熱装置。
2. 前記加熱コイルが複数分散配置され、該複数の加熱コイルの少なくとも一つは前記周方向に変位可能に配設されている、請求項１に記載の加熱装置。

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