JP6803588B2 - 加熱コイル - Google Patents

Description

本発明は、高周波焼入れするための加熱装置に用いられる加熱コイルに関する。

金属製のギヤ等のワークの表面を硬化させるために、高周波焼入れを行う高周波焼入れ装置が知られている。このような高周波焼入れ装置では、ワークに加熱コイルを巻き付け、加熱コイルに電流を流すことで、コイル内部に磁力を発生させ、この磁力によりワークの表面を加熱している。

特許文献１の加熱コイルでは、外周面に傾斜した方向に延びる凹凸部が形成されたワーク（処理対象物）の凹凸部に焼入れを行うために、凹凸部の傾斜方向に直交する方向に延びる導体部を設けている。

特許第５５７０１４７号公報

特許文献１に記載の加熱コイルは、凹凸部の傾斜方向に直交する方向に延びる導体部を用いることで、凹凸部を均一に焼入れできるようにしているが、加熱時に、凹凸部の凸部での磁束が凹部に流れてしまい、凸部を焼入れすることができないことがあった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、ワークの凹凸部を確実に焼入れすることができる加熱コイルを提供することを目的とする。

本発明の加熱コイルは、円形状に形成され、中心軸に対して傾斜した方向に延びる凹凸部が外周面に形成されたワークの前記凹凸部を加熱する加熱コイルであって、前記ワークの外側に設けられ、前記凹凸部の傾斜方向に直交する方向に延びるように形成され、前記凹凸部に前記加熱コイルの一部が対向する対向面と、前記凹凸部に対向しない非対向面とを有する導体部と、前記導体部の前記非対向面を覆う第１磁性体と、前記第1磁性体に連接して設けられ、前記非対向面と、前記対向面のうちの前記凹凸部に対向している部分の外側となる外側部とを覆う第２磁性体と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、加熱コイルに通電することで発生する電磁誘導による磁力によりワークの凹凸部を加熱する際に、第１磁性体は、導体部を流れる電流により発生する磁束を集束してワークの凹凸部の表面に集中させる。これにより、凹凸部の表面に集中して磁束を誘導することができる。しかし、凹凸部の表面に均等に磁束を誘導する構成では、凸部の磁束が凹部に流れてしまい、凹部が集中して加熱される不具合が生じる。

そこで、電磁誘導によりワークの凹凸部を加熱する際に、第２磁性体は、導体部を流れる電流により発生する磁束を集束して、ワークの凹凸部の凸部の表面に誘導する。これにより、磁束が集中する凹凸部の凹部に加熱が集中するのを防止することができる。したがって、凸部と凹部との両方を確実に加熱することができる。

また、前記第２磁性体は、前記対向面の前記外側部を覆う範囲が、前記第１磁性体から前記ワークの周方向に離れるにつれて大きくなるように形成されていることが好ましい。

この構成によれば、より一層、凹凸部の凹部に加熱が集中するのを防止することができる。

さらに、前記導体部は、螺旋状に延び、且つ、前記対向面の周方向の曲率が前記ワークの外周面の曲率よりも小さいことが好ましい。

この構成によれば、ワークを中心軸方向に移動させた場合でも、導体部の対向面がワークに対向するので、ワークを中心軸方向に移動させながら、ワークの凹凸部を加熱することができる。

本発明によれば、ワークの凹凸部を確実に焼入れすることができる。

本発明の加熱コイルを備える加熱装置を示す概略斜視図である。 左加熱コイルとヘリカルギヤとを示す上面図である。 右加熱コイルとヘリカルギヤとを示す上面図である 左導体部とヘリカルギヤと集束用磁性体と上誘導用磁性体と下誘導用磁性体とを示す正面図である。 左導体部から集束用磁性体と上誘導用磁性体と下誘導用磁性体とを取り外した状態を示す正面図である。 左導体部とヘリカルギヤと集束用磁性体と上誘導用磁性体と下誘導用磁性体と示すＶＩ−ＶＩ線断面図である。 第２実施形態の左導体部とヘリカルギヤと集束用磁性体と上誘導用磁性体と下誘導用磁性体と示す平面図である。 上誘導用磁性体及び下誘導用磁性体を設けた加熱コイルにより加熱したヘリカルギヤを示す図。 上誘導用磁性体及び下誘導用磁性体を設けていない加熱コイルにより加熱したヘリカルギヤを示す図。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

図１〜図３に示すように、加熱装置２は、高周波電流を供給する高周波電源３と、高周波電源３に接続コード（図示せず）を介して接続される左導電板４及び右導電板５とを備える。加熱装置２は、例えば金属製のヘリカルギヤ７（ワーク）のギヤ歯７ａに対して焼入れを行う。

加熱装置２は、両端が左導電板４に接続され、ヘリカルギヤ７のギヤ歯７ａを囲む左加熱コイル１１と、両端が右導電板５に接続され、ギヤ歯７ａを囲む右加熱コイル１２とを備える。以下では、左加熱コイル１１及び右加熱コイル１２をまとめて左右加熱コイル１１，１２と称する。

本実施形態では、予熱の際、左導電板４にのみ、低周波（例えば、４〜８ＫＨｚ）電流を供給する低周波電源（図示せず）を接続しておくことで、左加熱コイル１１には低周波電流、右加熱コイル１２には高周波（例えば、４０〜６０ＫＨｚ）電流を流れるようにする。2つの異なる周波の電流を用いて透磁率に幅を持たせることで、ギヤ歯７ａの表面から所望の深さ予熱することが可能となる。

また、加熱装置２は、ヘリカルギヤ７を支持する支持部１３と、支持部１３を回転及び移動させる回転移動部１４とを備える。回転移動部１４は、支持部１３をヘリカルギヤ７の中心軸方向を中心に回転させ、且つ支持部１３をヘリカルギヤ７の軸方向に移動させる。

左導電板４は、高周波電源３から供給される高周波電流が流れる左入口側導電板４ａと、左入口側導電板４ａ、左加熱コイル１１を通った高周波電流が流れ、内部を流れた高周波電流を高周波電源３に戻す左出口側導電板４ｂとを備える。左入口側導電板４ａと左出口側導電板４ｂとの間には、隙間があいている。

同様に、右導電板５は、高周波電源３から供給される高周波電流が流れる右入口側導電板５ａと、右入口側導電板５ａ、右加熱コイル１２を通った高周波電流を高周波電源３に戻す右出口側導電板５ｂとを備える。右入口側導電板５ａと右出口側導電板５ｂとの間には、隙間があいている。

左加熱コイル１１は、四角筒状で螺旋状に形成された金属（例えば、銅）製の左導体部２１を備える。左導体部２１は、上面２１ａ、下面２１ｂ、外面２１ｃ、内面２１ｄからなる。上面２１ａ、下面２１ｂ及び外面２１ｃは、ギヤ歯７ａに対向しない非対向面であり、内面２１ｄは、一部がギヤ歯７ａに対向する対向面である。左導体部２１は、内面２１ｄの周方向の曲率がヘリカルギヤ７の外周面の曲率よりも小さくなるように形成されている。

右加熱コイル１２は、四角筒状で螺旋状に形成された金属（例えば、銅）製の右導体部２２を備える。右導体部２２は、上面２２ａ、下面２２ｂ、外面２２ｃ、内面２２ｄからなる。上面２２ａ、下面２２ｂ及び外面２２ｃは、ギヤ歯７ａに対向しない非対向面であり、内面２２ｄは、一部がギヤ歯７ａに対向する対向面である。右導体部２２は、内面２２ｄの周方向の曲率がヘリカルギヤ７の外周面の曲率よりも小さくなるように形成されている。

左導体部２１は、上端が左入口側導電板４ａに接続され、下端が左出口側導電板４ｂに接続されている。

右導体部２２は、上端が右入口側導電板５ａに接続され、下端が右出口側導電板５ｂに接続されている。以下では、左導体部２１及び右導体部２２をまとめて左右導体部２１，２２と称する。

左右導体部２１，２２には、冷却液供給機２７が接続されている。冷却液供給機２７から供給された冷却液は、筒状の左右導体部２１，２２の内部を通って、回収機（図示せず）に回収される。

左右導体部２１，２２は、ヘリカルギヤ７のギヤ歯７ａに対向し、ギヤ歯７ａが延びる方向に対して直交する方向に延びるように形成されている。左導体部２１と右導体部２２とは、同じ形状で形成され、ヘリカルギヤ７の中心軸を中心に１８０°回転した位置に対向配置されている。なお、直交する方向とは、直交する方向から少しずれた方向も含む。

図１〜図６に示すように、左加熱コイル１１は、左導体部２１のギヤ歯７ａの対面する部分に設けられ、内面２１ｄを除く上面２１ａ、下面２１ｂ及び外面２１ｃを覆い、左導体部２１での磁束を集束してヘリカルギヤ７のギヤ歯７ａの表面に集中させる集束用磁性体３１（第１磁性体）を備える。

左加熱コイル１１は、左導体部２１の上面２１ａと、外面２１ｃの上部と、内面２１ｄのうちのギヤ歯７ａに対向する部分の上側となる上側部（外側部）とを覆い、ギヤ歯７ａの歯底（凹部）に流れる磁束の一部をギヤ歯７ａの歯先（凸部）に誘導する上誘導用磁性体３２（第２磁性体）を備える。なお、上誘導用磁性体３２は、少なくとも上面２１ａと、内面２１ｄのうちのギヤ歯７ａに対向する部分の上側となる上側部（外側部）とを覆えばよい。

また、左加熱コイル１１は、下面２１ｂと、外面２１ｃの下部と、内面２１ｄのうちのギヤ歯７ａに対向する部分の下側となる下側部（外側部）とを覆い、ギヤ歯７ａの歯底に流れる磁束の一部をギヤ歯７ａの歯先に誘導する下誘導用磁性体３３（第２磁性体）を備える。なお、下誘導用磁性体３３（第２磁性体）は、少なくとも、下面２１ｂと、内面２１ｄのうちのギヤ歯７ａに対向する部分の下側となる下側部（外側部）とを覆えばよい。

また、本実施形態では、上誘導用磁性体３２及び下誘導用磁性体３３は、図６における上下方向の厚みが、集束用磁性体３１の図６における上下方向の厚みよりも厚くなるように形成されているが、これに限らず、集束用磁性体３１、上誘導用磁性体３２及び下誘導用磁性体３３の図６における上下方向の厚みは、少なくとも磁束が発散しない厚みであればよい。

上誘導用磁性体３２及び下誘導用磁性体３３は、集束用磁性体３１に連接して設けられている。なお、図６では、概略的に左導体部２１及び各磁性体３１〜３３を直線状で示し、左導体部２１のみを断面で示している。

同様に、右加熱コイル１２は、集束用磁性体３１と、上誘導用磁性体３２と、下誘導用磁性体３３とを備える（図３参照）。集束用磁性体３１、上誘導用磁性体３２及び下誘導用磁性体３３は、例えば、フェライトから構成されている。また、集束用磁性体３１、上誘導用磁性体３２及び下誘導用磁性体３３は、例えば、接着剤により左右導体部２１，２２に固定されている。

[焼入れ]
ヘリカルギヤ７のギヤ歯７ａに対して焼入れを行う場合、図１に示すように、支持部１３にヘリカルギヤ７をセットする。そして、高周波電源３を駆動して、左導電板４及び右導電板５を介して左右加熱コイル１１，１２の左右導体部２１，２２に高周波電流を流す。また、回転移動部１４は、支持部１３を上下に移動及び回転させる。

左右導体部２１，２２に高周波電流が流れると、左右導体部２１，２２の内部に電磁誘導による磁力が発生し、左右導体部２１，２２により囲まれるヘリカルギヤ７、特にギヤ歯７ａが加熱される。

左右導体部２１，２２は、ギヤ歯７ａが延びる方向に対して直交する方向に延びるように形成されているので、ギヤ歯７ａが延びる方向に対して直交していない方向に延びる加熱コイルを用いて加熱した場合に比べて、ギヤ歯７ａが不均一に加熱されることを抑制することができる。

電磁誘導により加熱する際に、集束用磁性体３１により、左右導体部２１，２２での磁束が集束されてヘリカルギヤ７のギヤ歯７ａの表面に集中する。これにより、確実にギヤ歯７ａを加熱することができる。また、支持部１３は、上下に移動及び回転されているので、ギヤ歯７ａの全体を均一に加熱することができる。なお、均一とは、均一から少しずれたものを含む。

また、電磁誘導により加熱する際に、上誘導用磁性体３２及び下誘導用磁性体３３により、ギヤ歯７ａの歯底に流れる磁束の一部がギヤ歯７ａの歯先に誘導される。

図６に示す実線が、上誘導用磁性体３２及び下誘導用磁性体３３を設けた場合の磁束の向きであり、図６に示す２点鎖線が、上誘導用磁性体３２及び下誘導用磁性体３３を設けていない場合の磁束の向きである。なお、図６に示す磁束の向きは、簡易的に示したものである。

上誘導用磁性体３２及び下誘導用磁性体３３を設けた場合（図６の実線）、上誘導用磁性体３２及び下誘導用磁性体３３を設けていない場合（図６の２点鎖線）に比べて、ギヤ歯７ａの歯先に向かう磁束が増える。これにより、ギヤ歯７ａの歯底に加熱が集中するのを防止することができ、ギヤ歯７ａの歯先と歯底との両方を確実に加熱することができる。

所定時間、電磁誘導によりヘリカルギヤ７を加熱した後、高周波電源３の駆動を停止する。高周波電源３の駆動が停止すると、左右導体部２１，２２への高周波電流の供給が停止され、電磁誘導による加熱が停止する。

そして、冷却液供給機２７を駆動して、左右導体部２１，２２に冷却液を供給する。冷却液供給機２７から供給された冷却液は、筒状の左右導体部２１，２２の内部を通って、回収機に回収される。この冷却液により、左右導体部２１，２２が冷却される。

左右加熱コイル１１，１２の下方には、冷却液タンク（図示せず）が設けられており、ヘリカルギヤ７は、加熱終了後に冷却液タンク内に入れられる。冷却液タンク内では、ヘリカルギヤ７に向けて冷却液が噴射され、ヘリカルギヤ７、特にギヤ歯７ａが冷却される。

ギヤ歯７ａは、加熱された後に冷却されることにより、焼入れされて硬化する。そして、十分に冷却された後、回転移動部１４の駆動を停止し、ヘリカルギヤ７を支持部１３から取り外す。なお、ヘリカルギヤ７を冷却液タンクに入れる前に、回転移動部１４によるヘリカルギヤ７の回転を停止させてもよい。

なお、図７に示すように、上誘導用磁性体４２及び下誘導用磁性体４３を、左加熱コイル１１の内面２１ｄのうちのギヤ歯７ａに対向する部分の上側部及び下側部を覆う範囲が、集束用磁性体３１からヘリカルギヤ７の周方向に離れるにつれて大きくなるように形成してもよい。このような形状にすることにより、より一層、ギヤ歯７ａの歯底に加熱が集中するのを防止することができる。

[実施例]
本発明を実施した左右加熱コイル１１，１２を有する加熱装置２を用いて、ヘリカルギヤ７のギヤ歯７ａに焼入れを行った。図８に、実施例の焼入れ後のヘリカルギヤ７を示す。

比較例として、上誘導用磁性体３２及び下誘導用磁性体３３を設けていない従来の加熱コイルを用いてヘリカルギヤ７のギヤ歯７ａに焼入れを行った。図９に、比較例の焼入れ後のヘリカルギヤ７を示す。なお、図８及び図９では、色が濃い部分が焼入れされて硬化した部分を示している。

図９に示すように、従来の加熱コイルを用いて焼入れを行った比較例では、ギヤ歯７ａの歯底は焼入れできているが、ギヤ歯７ａの歯先は焼入れできていない部分がある。

これに対して、図８に示すように、本発明を実施した左右加熱コイル１１，１２を用いて焼入れを行った実施例では、ギヤ歯７ａの歯先と歯底との両方が焼入れされた。

上記実施形態では、左加熱コイル１１及び右加熱コイル１２を設けているが、いずれか一方のみ設けるようにしてもよい。この場合にも、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。

上記実施形態では、ワークとしてヘリカルギヤを用いているが、これに限定されることなく、外周面に傾斜した凹凸部が形成されたワークであれば実施可能である。

２…加熱装置、３…高周波電源、４…左導電板、５…右導電板、７…ヘリカルギヤ（ワーク）、７ａ…ギヤ歯（凹凸部）、１１…左加熱コイル、１２…右加熱コイル、１３…支持部、１４…回転移動部、２１…左導体部、２１ａ，２２ａ…上面（非対向面）、２１ｂ，２２ｂ…下面（非対向面）、２１ｃ，２２ｃ…外面（非対向面）、２１ｄ，２２ｄ…内面（対向面）、２２…右導体部、３１…集束用磁性体（第１磁性体）、３２…上誘導用磁性体（第２磁性体）、３３…下誘導用磁性体（第２磁性体）

Claims (3)

1. 円形状に形成され、中心軸に対して傾斜した方向に延びる凹凸部が外周面に形成されたワークの前記凹凸部を加熱する加熱コイルであって、
   前記ワークの外側に設けられ、前記凹凸部の傾斜方向に直交する方向に延びるように形成され、前記凹凸部に前記加熱コイルの一部が対向する対向面と、前記凹凸部に対向しない非対向面とを有する導体部と、
   前記導体部の前記非対向面を覆う第１磁性体と、
   前記第1磁性体に連接して設けられ、前記非対向面と、前記対向面のうちの前記凹凸部に対向している部分の外側となる外側部とを覆う第２磁性体と、
   を備えることを特徴とする加熱コイル。
2. 請求項１に記載の加熱コイルにおいて、
   前記第２磁性体は、前記対向面の前記外側部を覆う範囲が、前記第１磁性体から前記ワークの周方向に離れるにつれて大きくなるように形成されていることを特徴とする加熱コイル。
3. 請求項１又は２に記載の加熱コイルにおいて、
   前記導体部は、螺旋状に延び、且つ、前記対向面の周方向の曲率が前記ワークの外周面の曲率よりも小さいことを特徴とする加熱コイル。