JP7151888B2 - 移動焼入れ装置及び移動焼入れ方法 - Google Patents

Description

本発明は、移動焼入れ装置及び移動焼入れ方法に関する。
本願は、２０１９年５月２３日に、日本国に出願された特願２０１９－０９６６２４号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

従来、軸状体を誘導加熱により移動焼入れし、軸状体の疲労強度を高めることが行われている。ここで言う、移動焼入れとは、軸状体に対してコイル部材等を軸状体の軸線方向に移動させながら焼入れすることを意味する。
誘導加熱では、環状に形成された１次コイル部材内に軸状体を挿入し、１次コイル部材に高周波電流を流して誘導加熱により軸状体を加熱する。誘導加熱では、軸状体と１次コイル部材との距離が短いほど軸状体が高い温度で加熱される。このため、軸状体が、本体部と、本体部に設けられ本体部よりも径が小さい小径部と、を備える場合には、本体部に比べて小径部が加熱されにくいという課題がある。

この課題に対して、１次コイル部材の内側に、１次コイル部材の内径よりも小さい外径を有する２次コイル部材を備える移動焼入れ装置が提案されている（例えば下記特許文献１～３参照）。２次コイル部材は、Ｏ字形又はＣ字形に形成されている。提案されている２次コイルを用いた装置では、軸状体と軸状体に近接するコイル部材との距離が、本体部と小径部であまり変わらないため、本体部と小径部とを同等に加熱することができる。
これらの移動焼入れ装置では、複数のコイル部材が同心円状に配置されているため、軸状体と軸状体に近接するコイル部材との距離は周方向に均一になる。巻き数を多くした電流効率の良いコイル部材を用いることができるため、少ない電流でむらなく効率的に軸状体を加熱することができる。

日本国特公昭５２－０２１２１５号公報 日本国特開２０１５－１０８１８８号公報 日本国特開２０００－８７１３４号公報

しかしながら、上記従来技術のようにＯ字形又はＣ字形に形成された２次コイルを使用する場合、１次コイルが軸状体に対して相対的に移動している際中（つまり移動焼入れ中）に、１次コイルと軸状体（とくに小径部）との間の空隙に２次コイルを自由に配置したり取り出したりすることができない。それを実現するためには移動焼入れ装置に複雑な機構を導入する必要があるため、開発コスト等の増加を招くことになる。
そのため、従来から、比較的簡易な構成で、軸線に沿って径が変化する形状を有する軸状体の焼入れを可能とする移動焼入れ装置の開発が要求されていた。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、比較的簡易な構成で、軸線に沿って径が変化する形状を有する軸状体の焼入れを可能とする移動焼入れ装置と、その移動焼入れ装置によって実現可能な移動焼入れ方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決して係る目的を達成するために、以下の手段を採用する。
（１）本発明の一態様に係る移動焼入れ装置は、本体部と、前記本体部の軸線方向の中間部に設けられ前記本体部よりも外径が小さい小径部と、を有する軸状体に、移動焼入れを行うための移動焼入れ装置であって、前記本体部の外径よりも大きい内径を有し且つ円環形状を有する１次コイルと、前記１次コイルに高周波電流を供給する電流供給装置と、前記軸状体が前記１次コイルの半径方向内側を通過するように前記１次コイルを支持した状態で前記軸線方向における前記１次コイルの位置決めを可能とするように構成された一軸アクチュエータと、前記電流供給装置及び前記一軸アクチュエータを制御する制御装置と、を備える。前記１次コイルの周方向に直交する平面内において前記１次コイルの半径方向を横軸とし且つ前記半径方向に直交する方向を縦軸としたとき、前記平面に現れる前記１次コイルの断面像が、縦ｍ個×横ｎ個（ｍ及びｎはいずれも２以上の整数）のマトリクス状に分割された形で現れる。

（２）上記（１）に記載の移動焼入れ装置において、前記平面に現れる前記１次コイルの断面像が、縦２個×横２個のマトリクス状に分割された形で現れてもよい。

（３）上記（１）または（２）に記載の移動焼入れ装置は、前記本体部の外径よりも大きい内径を有し且つ複数のノズルが設けられた内周面を有する冷却環と、前記冷却環に冷却液を供給する冷却液供給装置と、をさらに備えていてもよい。
この場合、前記一軸アクチュエータは、前記軸状体が前記１次コイル及び前記冷却環の半径方向内側を通過するように且つ前記冷却環に対して前記１次コイルが前記軸線方向の一方側に配置されるように前記１次コイル及び前記冷却環を支持した状態で前記軸線方向における前記１次コイルの位置決めを可能とするように構成されていてもよい。
また、前記制御装置は、前記１次コイルに前記高周波電流が供給され且つ前記冷却環に前記冷却液が供給されながら、前記１次コイル及び前記冷却環が前記軸線方向の他方側から前記一方側へ向かって移動するように、前記一軸アクチュエータ、前記電流供給装置及び前記冷却液供給装置を同期制御してもよい。

（４）本発明の一態様に係る移動焼入れ方法は、本体部と、前記本体部の軸線方向の中間部に設けられ前記本体部よりも外径が小さい小径部と、を有する軸状体に、移動焼入れを行うための移動焼入れ方法であって、前記本体部の外径よりも大きい内径を有し且つ円環形状を有する１次コイルを準備する第１工程と、前記１次コイルに高周波電流を供給しながら、前記軸状体が前記１次コイルの半径方向内側を通過するように前記１次コイルを前記軸線方向に沿って移動させる第２工程と、を有する。前記１次コイルの周方向に直交する平面内において前記１次コイルの半径方向を横軸とし且つ前記半径方向に直交する方向を縦軸としたとき、前記平面に現れる前記１次コイルの断面像が、縦ｍ個×横ｎ個（ｍ及びｎはいずれも２以上の整数）のマトリクス状に分割された形で現れる。

（５）上記（４）に記載の移動焼入れ方法において、前記平面に現れる前記１次コイルの断面像が、縦２個×横２個のマトリクス状に分割された形で現れてもよい。

（６）上記（４）または（５）に記載の移動焼入れ方法の前記第１工程では、前記１次コイルに加えて、前記本体部の外径よりも大きい内径を有し且つ複数のノズルが設けられた内周面を有する冷却環を準備してもよい。この場合の前記第２工程では、前記冷却環に対して前記１次コイルを前記軸線方向の一方側に配置した状態で、前記１次コイルに前記高周波電流を供給し且つ前記冷却環に冷却液を供給しながら、前記軸状体が前記１次コイル及び前記冷却環の半径方向内側を通過するように前記１次コイル及び前記冷却環を前記軸線方向の他方側から前記一方側に向けて移動させてもよい。

本発明の上記各態様によれば、比較的簡易な構成で、軸線に沿って径が変化する形状を有する軸状体の焼入れを可能とする移動焼入れ装置と、その移動焼入れ装置によって実現可能な移動焼入れ方法を提供できる。

本発明の基礎となった本願発明者による検討結果を示す図である。 本発明の基礎となった本願発明者による検討結果を示す図である。 本発明の一実施形態に係る移動焼入れ装置の一部を破断して模式的に示す側面図である。 同実施形態に係る１次コイルの一例を示す図である。 同１次コイルの作製手順に関する第１説明図である。 同１次コイルの作製手順に関する第１説明図である。 同１次コイルの作製手順に関する第２説明図である。 同１次コイルの作製手順に関する第２説明図である。 同１次コイルの作製手順に関する第３説明図である。 同１次コイルの作製手順に関する第３説明図である。 同１次コイルの作製手順に関する第４説明図である。 同１次コイルの作製手順に関する第４説明図である。 同１次コイルの作製手順に関する第５説明図である。 本実施形態に係る移動焼入れ方法に関する第１説明図である。 同移動焼入れ方法に関する第２説明図である。 同移動焼入れ方法に関する第３説明図である。 同移動焼入れ方法に関する第４説明図である。 同移動焼入れ方法に関する第５説明図である。 一般的な断面形状を有する１次コイルのみを使って軸状体を誘導加熱した場合（比較例の場合）の軸状体の表面温度分布を、シミュレーションにより解析した結果を示す図である。 特定の断面形状を有する１次コイルを使って軸状体を誘導加熱した場合（本発明例の場合）の軸状体の表面温度分布を、シミュレーションにより解析した結果を示す図である。 特定の断面形状を有する１次コイルの変形例を示す図である。 特定の断面形状を有する１次コイルの他の変形例を示す図である。 特定の断面形状を有する１次コイルの他の変形例を示す図である。

最初に、図１Ａ及び図１Ｂを参照しながら、被加熱体である軸状体５１について説明する。図１Ａ及び図１Ｂに示すように、軸状体５１は、本体部５２と、本体部５２の軸線Ｃ方向の中間部に設けられた小径部５３と、を備えている。本体部５２及び小径部５３は、それぞれ円柱状に形成され、小径部５３の軸線は、本体部５２の軸線Ｃに一致する。
以下では、本体部５２のうち、小径部５３に対して軸線Ｃ方向の一方側Ｄ１に配置された部分を、第１本体部５２Ａと言う。小径部５３に対して軸線Ｃ方向の他方側Ｄ２に配置された部分を、第２本体部５２Ｂと言う。
第１本体部５２Ａ、小径部５３、及び第２本体部５２Ｂは、それぞれ円柱状に形成され、共通の軸線Ｃ上に配置されている。小径部５３の外径は、第１本体部５２Ａ及び第２本体部５２Ｂの外径よりもそれぞれ小さい。

上記のような軸状体５１の焼入れ部位の金属組織をオーステナイト相に変態させるには、通常７００℃を超えるＡｃ１点以上の温度まで加熱する必要がある。軸状体５１の加熱には、一般的に図１Ａに示すような１次コイル１００が用いられる。この１次コイル１００は、円環形状を有するコイルであり、螺旋状に巻かれたコイルの素線によって形成されている。１次コイル１００に高周波電流を流しながら、軸状体５１が１次コイル１００の半径方向内側を通過するように１次コイル１００を軸線Ｃ方向に沿って移動させると、電磁誘導現象により軸状体５１の表面に、順次、渦電流が生じる。その結果、ジュールの法則による発熱により軸状体５１の表面が加熱される。

Ａｃ１点以上の高温まで加熱できるほどの渦電流を軸状体５１の表面に誘起させるためには、１次コイル１００にも大電流を流す必要がある。例えば、一巻コイルに大電流を流すと、電力効率が低下し、コイルもオーバーヒートしやすくなる。そのため、一般的には、図１Ａに示す１次コイル１００のように、軸状体５１の表面に沿うような形で螺旋状に複数回巻かれたコイルを使用することにより、コイル１本当たりの電流値を減じる対策を取っている。軸状体５１の表面に沿うような形で螺旋状にコイルを巻く理由は、コイルと軸状体５１との距離が離れると、コイルにより生じる磁束密度の変化が軸状体５１に与える影響が小さくなるためである。

ここで、例えば、図１Ａに示すように、１次コイル１００が小径部５３の上端部（軸線Ｃ方向の一方側Ｄ１の端部）に対応する位置に到達したとき、第１本体部５２Ａから小径部５３に向かって径が変化し始める部位である角部５４に対して、１次コイル１００の上端部が近接することになる。このとき、表皮効果により、１次コイル１００の上端部に近接する角部５４に磁束が集中する。その一方で、小径部５３を加熱するときには、１次コイル１００と軸状体５１との距離が最大となっているので、１次コイル１００に流す高周波電流の振幅値を増大させる必要がある。その結果、１次コイル１００が図１Ａに示す位置に到達したときに、磁束が集中する角部５４が目標温度を超える高温まで過加熱されることになる。
なお、このような角部５４の過加熱現象は、第２本体部５２Ｂから小径部５３に向かって径が変化し始める部位である角部５５でも同様に起こり得る。

本願発明者らは、２次コイルを使って上記のような角部５４、５５で生じる過加熱現象を抑制する方法について検討した。その結果、過加熱現象を抑制するには、１次コイル１００と軸状体５１（小径部５３）との間の空隙に２次コイルを自由に配置したり取り出したりできる非常に複雑な機械的機構を移動焼入れ装置に導入する必要があることが判明した。

そこで、本願発明者らは、比較的簡易な構成で、軸線に沿って径が変化する形状を有する軸状体の焼入れを可能とする手段について鋭意検討した。その結果、例えば、図１Ｂに示すような形で複数回巻かれたコイルを１次コイル１１０として使用することにより、２次コイルなどを使用せずとも、角部５４、５５で生じる過加熱現象を抑制できることを見出した。

図１Ｂに示すように、１次コイル１１０の周方向に直交する平面内において、１次コイル１１０の半径方向を横軸とし且つその半径方向に直交する方向を縦軸としたとき、上記平面に現れる１次コイル１１０の断面像が、縦２個×横２個のマトリクス状に分割された形で現れている。
このような断面形状を有する１次コイル１１０を使用すると、図１Ｂに示すように、１次コイル１１０が小径部５３の上端部に対応する位置に到達したとき、１次コイル１１０の上端部を角部５４から遠ざけることができる。その結果、角部５４に磁束が集中することを抑制できるため、角部５４で生じる過加熱現象を抑制できる。角部５５で生じる過加熱現象についても同様に抑制できる。

その一方で、このような断面形状を有する１次コイル１１０を使用すると、軸状体５１と１次コイル１１０との距離が増加するため、目標温度まで加熱するのに必要な渦電流を軸状体５１の表面に誘起させることが困難になる懸念がある。しかしながら、本願発明者らによる解析の結果、目標温度まで加熱するのに必要十分な渦電流を軸状体５１の表面に誘起できることが確認された（解析結果については後述する）。

本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

〔移動焼入れ装置〕
図２は、本実施形態に係る移動焼入れ装置１の一部を破断して模式的に示す側面図である。この図２に示すように、移動焼入れ装置１は、鉄道車両用の車軸等の軸状体５１に、高周波電流を用いて移動焼入れを行うための装置である。

軸状体５１は、本体部５２と、本体部５２の軸線Ｃ方向の中間部に設けられた小径部５３と、を備えている。本体部５２及び小径部５３は、それぞれ円柱状に形成され、小径部５３の軸線は、本体部５２の軸線Ｃに一致する。
以下では、本体部５２のうち、小径部５３に対して軸線Ｃ方向の一方側Ｄ１に配置された部分を、第１本体部５２Ａと言う。小径部５３に対して軸線Ｃ方向の他方側Ｄ２に配置された部分を、第２本体部５２Ｂと言う。

第１本体部５２Ａ、小径部５３、及び第２本体部５２Ｂは、それぞれ円柱状に形成され、共通の軸線Ｃ上に配置されている。小径部５３の外径は、第１本体部５２Ａ及び第２本体部５２Ｂそれぞれの外径よりも小さい。
軸状体５１は、フェライト相である、炭素鋼、鉄（Ｆｅ）を９５重量％以上含有する低合金鋼等の導電性を有する材料で形成されている。

移動焼入れ装置１は、支持部材６と、１次コイル１１と、カーレントトランス１２（電流供給装置）と、冷却環３６と、ポンプ３７（冷却液供給装置）、一軸アクチュエータ（３９、４０、４２）と、制御装置４６と、を備えている。

図２に示すように、支持部材６は、下方センター７と、上方センター８と、を備えている。下方センター７は、軸状体５１の第２本体部５２Ｂを、第２本体部５２Ｂの下方から支持している。上方センター８は、軸状体５１の第１本体部５２Ａを、第１本体部５２Ａの上方から支持している。下方センター７及び上方センター８は、軸線Ｃが上下方向に沿い、軸線Ｃ方向の一方側Ｄ１が上方、他方側Ｄ２が下方となるように、軸状体５１を支持している。

１次コイル１１は、本体部５２の外径よりも大きい内径を有し且つ円環形状を有するコイルである。図２に示すように、１次コイル１１の周方向に直交する平面内において、１次コイル１１の半径方向を横軸とし且つその半径方向に直交する方向を縦軸としたとき、上記平面に現れる１次コイル１１の断面像が、縦２個×横２個のマトリクス状に分割された形で現れている。すなわち、図２の軸線Ｃの紙面右側に、１次コイル１１の断面像が、縦２個×横２個のマトリクス状に分割された形で現れている。同様に、図２の軸線Ｃの紙面左側に、１次コイル１１の断面像が、縦２個×横２個のマトリクス状に分割された形で現れている。

上記のような断面形状を有する１次コイル１１の一例を図３に示す。図３は、１次コイル１１の斜視図である。図３に示す１次コイル１１は、以下のような手順で作製することができる。

（１）図４Ａに示すように、まず、符号１１１で示す部位を１次コイル１１の第１引き出し端部としたとき、この第１引き出し端部１１１を始点としてコイル素線を円環状に巻くことにより、１次コイル１１の半径方向外側であって且つ上側（軸線Ｃ方向の一方側Ｄ１）の部位である外側上段部１１０を形成する。外側上段部１１０は、図４Ａにおいてグレーで示す部分である。
（２）続いて、図４Ｂに示すように、外側上段部１１０の先端部１１２（第１引き出し端部１１１の反対側の端部）から第１引き出し端部１１１の直下の位置に向かって下降するように、コイル素線を延ばすことにより、外側上段部１１０と後述の外側下段部１３０との間を接続する第１接続部１２０を形成する。第１接続部１２０は、図４Ｂにおいてグレーで示す部分である。

（３）続いて、図５Ａに示すように、第１接続部１２０の先端部１２１を始点として、外側上段部１１０の先端部１１２の直下の位置までコイル素線を円環状に巻くことにより、１次コイル１１の半径方向外側であって且つ下側（軸線Ｃ方向の他方側Ｄ２）の部位である外側下段部１３０を形成する。この外側下段部１３０は、外側上段部１１０と同じ内径及び外径を有するように形成される。図５Ｂは、外側下段部１３０を下方から見た図である。外側下段部１３０は、図５Ａ及び図５Ｂにおいてグレーで示す部分である。

（４）続いて、図６Ａに示すように、外側下段部１３０の先端部１３１から、第１接続部１２０の先端部１２１の半径方向内側に隣接する位置に向かってコイル素線を曲げ延ばすことにより、外側下段部１３０と後述の内側下段部１５０との間を接続する第２接続部１４０を形成する。第２接続部１４０は、図６Ａにおいてグレーで示す部分である。
（５）続いて、図６Ｂに示すように、第２接続部１４０の先端部１４１を始点として、外側下段部１３０の先端部１３１の半径方向内側に隣接する位置までコイル素線を円環状に巻くことにより、１次コイル１１の半径方向内側であって且つ下側の部位である内側下段部１５０を形成する。内側下段部１５０は、図６Ｂにおいてグレーで示す部分である。

（６）続いて、図７Ａ及び図７Ｂに示すように、内側下段部１５０の先端部１５１から、第１引き出し端部１１１の半径方向内側に隣接する位置に向かって上昇するように、コイル素線を延ばすことにより、内側下段部１５０と後述の内側上段部１７０との間を接続する第３接続部１６０を形成する。第３接続部１６０は、図７Ａ及び図７Ｂにおいてグレーで示す部分である。
（７）最後に、図８に示すように、第３接続部１６０の先端部１６１を始点として、外側上段部１１０の先端部１１２の半径方向内側に隣接する位置までコイル素線を円環状に巻くことにより、１次コイル１１の半径方向内側であって且つ上側の部位である内側上段部１７０を形成する。この内側上段部１７０は、内側下段部１５０と同じ内径及び外径を有するように形成される。内側上段部１７０の先端部が、１次コイル１１の第２引き出し端部１７１となる。内側上段部１７０は、図８においてグレーで示す部分である。

以上のような手順により、図３に示す１次コイル１１を作製できる。本実施形態において、１次コイル１１の外径とは、外側上段部１１０及び外側下段部１３０の外径を意味し、１次コイル１１の内径とは、内側下段部１５０及び内側上段部１７０の内径を意味する。

以下、図２に戻って説明を続ける。
１次コイル１１の各端部（第１引き出し端部１１１及び第２引き出し端部１７１）は、カーレントトランス１２に対して電気的及び機械的に接続されている。カーレントトランス１２は、制御装置４６による制御の下、１次コイル１１に高周波電流を供給する電流供給装置である。すなわち、１次コイル１１の第１引き出し端部１１１と第２引き出し端部１７１との間に高周波電流が流れる。

冷却環３６は、本体部５２の外径よりも大きい内径を有する円環状部材である。冷却環３６内には内部空間３６ａが形成されている。冷却環３６の内周面には、内部空間３６ａに連通する複数のノズル３６ｂが周方向に互いに離間して形成されている。冷却環３６の半径方向内側には、軸状体５１が同軸に挿入される。冷却環３６は、１次コイル１１よりも軸線Ｃ方向の他方側Ｄ２に配置されている。
冷却環３６には、送水管３７ａを介してポンプ３７が連結されている。ポンプ３７は、制御装置４６による制御の下、水等の冷却液Ｌを、送水管３７ａを介して冷却環３６の内部空間３６ａ内に供給する冷却液供給装置である。冷却環３６の内部空間３６ａに供給された冷却液Ｌは、複数のノズル３６ｂを通して軸状体５１の外周面に向かって噴出し、軸状体５１を冷却する。

１次コイル１１、カーレントトランス１２、冷却環３６、及びポンプ３７は、支え板３９に固定されている。支え板３９には、ピニオン３９ａが形成されている。支え板３９には、ピニオン３９ａを駆動するモータ４０が取付けられている。
支え板３９のピニオン３９ａは、ラック４２に噛み合っている。モータ４０を駆動すると、ピニオン３９ａが正回転又は逆回転するので、ラック４２に対して支え板３９が上方又は下方（つまり軸線Ｃ方向）に移動する。
なお、ラック４２はボールねじでもよい。この場合、ピニオン３９ａはボールねじを挟むように複数配置してもよい。

上記のピニオン３９ａを有する支え板３９と、モータ４０と、ラック４２は、本発明の一軸アクチュエータの一例を構成する機械要素である。すなわち、これらの機械要素からなる一軸アクチュエータは、軸状体５１が１次コイル１１及び冷却環３６の半径方向内側を通過するように且つ冷却環３６に対して１次コイル１１が軸線Ｃ方向の一方側Ｄ１に配置されるように１次コイル１１及び冷却環３６を支持した状態で、軸線Ｃ方向における１次コイル１１の位置決めを可能とするように構成されている。

制御装置４６は、図示はしないが、演算回路と、メモリと、を備えている。メモリには、演算回路を駆動するための制御プログラム等が記憶されている。制御装置４６は、カーレントトランス１２、ポンプ３７、及びモータ４０（一軸アクチュエータの機械要素）に接続されており、これらの動作を制御プログラムに従って同期制御する。

〔移動焼入れ方法〕
次に、上記のように構成された移動焼入れ装置１を用いて実現される移動焼入れ方法について、図９～図１３を参照しながら説明する。本実施形態に係る移動焼入れ方法は、基本的なプロセスとして、準備プロセス（第１工程）と焼入れプロセス（第２工程）とを有している。
準備プロセスでは、被加熱体である軸状体５１と上記構成を備える移動焼入れ装置１を準備する。そして、軸状体５１の軸線Ｃが水平面に対して垂直になるように、上方センター８によって第１本体部５２Ａの上方側（軸線Ｃ方向の一方側Ｄ１）の端面を支持すると共に、下方センター７によって第２本体部５２Ｂの下方側（軸線Ｃ方向の他方側Ｄ２）の端面を支持する（図２参照）。この場合、軸線Ｃ方向の一方側Ｄ１（上方側）が１次コイル１１及び冷却環３６の進行方向となる。

焼入れプロセスでは、まず、移動焼入れ装置１の制御装置４６が、初期設定処理として、軸線Ｃ方向に予め設定されている初期位置（移動開始位置）に１次コイル１１を移動させて待機させるための処理を行う。
具体的には、図９に示すように、制御装置４６は、初期設定処理として、第２本体部５２Ｂの下端部に対応する位置に設定された移動開始位置で１次コイル１１が待機するように、前記一軸アクチュエータのモータ４０を制御する。この１次コイル１１の移動開始位置は、第２本体部５２Ｂの下端部に対応する位置に設定されていても良い。または、１次コイル１１の移動開始位置は、第２本体部５２Ｂの下端部からさらに軸線Ｃ方向の他方側Ｄ２（下方側）へ、１次コイル１１の半径方向に直交する方向のコイル幅よりも短い距離で、離れた位置に設定されていてもよい。言い換えれば、１次コイル１１の移動（上昇）によって軸状体５１の全体を誘導加熱できる位置に移動開始位置が設定されていればよい。

上述したように、支え板３９と、モータ４０と、ラック４２を備える一軸アクチュエータは、軸状体５１が１次コイル１１及び冷却環３６の半径方向内側を同軸に通過するように且つ冷却環３６に対して１次コイル１１が軸線Ｃ方向の一方側Ｄ１（上方側）に配置されるように１次コイル１１及び冷却環３６を支持した状態で、軸線Ｃ方向における１次コイル１１の位置決めを可能とするように構成されている。そのため、これらの機械要素からなる一軸アクチュエータを制御することにより、冷却環３６に対して１次コイル１１が上方側（進行方向側）に配置された状態で、１次コイル１１を移動開始位置に移動させて待機させることができる。

続いて、制御装置４６は、上記のような初期設定処理の終了後、図１０に示すように、１次コイル１１が移動開始位置から軸線Ｃ方向の一方側Ｄ１（進行方向側）に向かって移動（上昇）するように一軸アクチュエータのモータ４０を制御する。このとき、冷却環３６に対して１次コイル１１が上方側（進行方向側）に配置された状態を維持したまま、１次コイル１１とともに冷却環３６も上昇する。制御装置４６は、１次コイル１１及び冷却環３６が進行方向に移動している際中に、１次コイル１１に高周波電流が供給され且つ冷却環３６に冷却液Ｌが供給されるように、カーレントトランス１２、ポンプ３７及び一軸アクチュエータのモータ４０を同期制御する。

このようにカーレントトランス１２、ポンプ３７及び一軸アクチュエータのモータ４０を同期制御する。これにより、冷却環３６に対して１次コイル１１を進行方向側に配置した状態で、１次コイル１１に高周波電流を供給し且つ冷却環３６に冷却液Ｌを供給しながら、軸状体５１（第２本体部５２Ｂ）が１次コイル１１及び冷却環３６の半径方向内側を通過するように１次コイル１１及び冷却環３６を進行方向に向けて上昇させることができる。

１次コイル１１が高周波電流の供給を受けながら軸線Ｃ方向に沿って上昇することにより、第２本体部５２Ｂが軸線Ｃ方向に沿って連続的に誘導加熱され、第２本体部５２Ｂの表面の金属組織がオーステナイト相に変態する。このとき、冷却環３６も１次コイル１１に続く形で上昇しているため、第２本体部５２Ｂが誘導加熱された直後に、冷却環３６からの冷却液Ｌの噴射によって第２本体部５２Ｂは軸線Ｃ方向に沿って連続的に冷却される。その結果、第２本体部５２Ｂの表面の金属組織がオーステナイト相から硬質のマルテンサイト相に変態する。このようにして、１次コイル１１及び冷却環３６の上昇に伴い、第２本体部５２Ｂの焼入れがシームレスに行われる。

１次コイル１１が第２本体部５２Ｂを通過した後、次は、軸状体５１の小径部５３が１次コイル１１の半径方向内側を通過する形で１次コイル１１は進行方向側に向かって上昇を続ける。これにより、第２本体部５２Ｂに続いて小径部５３が軸線Ｃ方向に沿って連続的に誘導加熱され、小径部５３の表面の金属組織がオーステナイト相に変態する。なお、小径部５３を加熱するときには、１次コイル１１と軸状体５１との距離が最大となっているので、制御装置４６は、１次コイル１１に流れる高周波電流の振幅値を増大させるようにカーレントトランス１２を制御する。

１次コイル１１が小径部５３を通過している際中、冷却環３６も１次コイル１１に続く形で上昇している。そのため、小径部５３が誘導加熱された直後に、冷却環３６からの冷却液Ｌの噴射によって小径部５３は軸線Ｃ方向に沿って連続的に冷却される。その結果、小径部５３の表面の金属組織がオーステナイト相から硬質のマルテンサイト相に変態する。このようにして、１次コイル１１及び冷却環３６の上昇に伴い、第２本体部５２Ｂに続いて小径部５３の焼入れがシームレスに行われる。

図１１は、１次コイル１１が小径部５３の下端部に対応する位置に到達した状態を示している。符号５５は、第２本体部５２Ｂから小径部５３に向かって径が変化し始める部位である角部を示している。図１１に示すように、１次コイル１１が小径部５３の下端部に対応する位置に到達したとき、１次コイル１１の下端部を軸状体５１の角部５５から遠ざけることができる。その結果、角部５５に磁束が集中することを抑制できるため、角部５５で生じる過加熱現象を抑制できる。

図１２は、１次コイル１１が小径部５３の上端部に対応する位置に到達した状態を示している。符号５４は、第１本体部５２Ａから小径部５３に向かって径が変化し始める部位である角部を示している。図１２に示すように、１次コイル１１が小径部５３の上端部に対応する位置に到達したとき、１次コイル１１の上端部を軸状体５１の角部５４から遠ざけることができる。その結果、角部５４に磁束が集中することを抑制できるため、角部５４で生じる過加熱現象も抑制できる。

１次コイル１１が小径部５３を通過した後、次は、軸状体５１の第１本体部５２Ａが１次コイル１１の半径方向内側を通過する形で１次コイル１１は進行方向に向かって上昇を続ける。これにより、小径部５３に続いて第１本体部５２Ａが軸線Ｃ方向に沿って連続的に誘導加熱され、第１本体部５２Ａの表面の金属組織がオーステナイト相に変態する。なお、第１本体部５２Ａを加熱するときには、１次コイル１１と軸状体５１との距離が最小に戻っているので、制御装置４６は、１次コイル１１に流れる高周波電流の振幅値を元の値に戻すようにカーレントトランス１２を制御する。

１次コイル１１が第１本体部５２Ａを通過している際中、冷却環３６も１次コイル１１に続く形で上昇している。そのため、第１本体部５２Ａが誘導加熱された直後に、冷却環３６からの冷却液Ｌの噴射によって第１本体部５２Ａは軸線Ｃ方向に沿って連続的に冷却される。その結果、第１本体部５２Ａの表面の金属組織がオーステナイト相から硬質のマルテンサイト相に変態する。このようにして、１次コイル１１及び冷却環３６の上昇に伴い、小径部５３に続いて第１本体部５２Ａの焼入れがシームレスに行われる。

そして、制御装置４６は、図１３に示すように、最終的に、第１本体部５２Ａから軸線Ｃ方向の一方側Ｄ１へ離れた位置に設定された移動停止位置まで１次コイル１１が上昇し且つその移動停止位置で１次コイル１１が停止するように、一軸アクチュエータのモータ４０を制御する。なお、制御装置４６は、１次コイル１１が第１本体部５２Ａの上端を超えたときに高周波電流の供給を止める一方で、１次コイル１１が移動停止位置で停止するまで、引き続き冷却環３６に冷却液Ｌが供給されるように、カーレントトランス１２及びポンプ３７を一軸アクチュエータと共に同期制御する。
以上のようなプロセスにより、１次コイル１１が移動停止位置に到達したとき、軸状体５１の全体の焼入れが完了する。

以上説明したように、本実施形態によれば、特定の断面形状を有する１次コイル１１を使用することにより、２次コイルなどを使用せずとも、軸状体５１の角部５４及び角部５５で生じる過加熱現象を抑制できる。すなわち、本実施形態によれば、比較的簡易な構成で、軸線に沿って外径が変化する形状を有する軸状体５１の焼入れを可能とする移動焼入れ装置１と、その移動焼入れ装置１によって実現可能な移動焼入れ方法とを提供できる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態のみに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
例えば、上記実施形態において、軸状体５１は、軸線Ｃが上下方向（鉛直方向）に沿うように配置されなくてもよく、軸線Ｃが上下方向に対して傾くように配置されてもよい。この場合、１次コイル１１及び冷却環３６は、上下方向に対して傾いて移動する。
軸状体５１は、鉄道車両用の車軸であるとしたが、ボールネジ等の他の軸状体であってもよい。

〔解析結果〕
図１４は、一般的な断面形状を有する１次コイル１００（図１Ａ参照）を使って軸状体５１を誘導加熱した場合の軸状体５１の表面温度分布をシミュレーションにより解析した結果を示す。なお、図１４では、軸状体５１の縦断面図のうちの軸線Ｃよりも右半分の解析結果のみを図示している。
このシミュレーションにおいて、本体部５２（第１本体部５２Ａ、第２本体部５２Ｂ）の外径を１９８ｍｍに設定し、小径部５３の外径（最小径）を１８１ｍｍに設定した。また、軸状体５１の材質を炭素鋼に設定した。１次コイル１００に流す高周波電流の周波数を１ｋＨｚとした。なお、小径部５３を加熱する際の周波数と、本体部５２を加熱する際の周波数とは同じである。

そして、高周波電流を１次コイル１００に供給させながら、１次コイル１００を軸状体５１の軸線Ｃ方向の他方側Ｄ２（下方側）から一方側Ｄ１（上方側）に向けて移動させることにより、軸状体５１を軸線Ｃ方向に沿って連続的に誘導加熱した。図１４は、移動焼入れにより軸状体５１に対して一定の深さの焼入れをするために必要な加熱をする際の、軸状体５１の表面温度分布の最高値の解析結果を示している。

図１５は、本実施形態の１次コイル１１を使って（つまり、上記実施形態の移動焼入れ装置１を使って）軸状体５１を誘導加熱した場合の軸状体５１の表面温度分布をシミュレーションにより解析した結果を示す。図１５では、軸状体５１の縦断面図のうちの軸線Ｃよりも右半分の解析結果のみを図示している。
このシミュレーションにおいても、本体部５２（第１本体部５２Ａ、第２本体部５２Ｂ）の外径を１９８ｍｍに設定し、小径部５３の外径（最小径）を１８１ｍｍに設定した。また、軸状体５１の材質を炭素鋼に設定した。１次コイル１１に流す高周波電流の周波数を１ｋＨｚとした。

そして、高周波電流を１次コイル１１に供給させながら、１次コイル１１を軸状体５１の軸線Ｃ方向の他方側Ｄ２（下方側）から一方側Ｄ１（上方側）に向けて移動させることにより、軸状体５１を軸線Ｃ方向に沿って連続的に誘導加熱した。図１５は、移動焼入れにより軸状体５１に対して一定の深さの焼入れをするために必要な加熱をする際の、軸状体５１の表面温度分布の解析結果を示している。

図１４に示されるように、一般的な断面形状を有する１次コイル１００を使って軸状体５１を誘導加熱した場合（比較例の場合）、小径部５３では表面から約３．５ｍｍの深さの領域まで８００℃以上に加熱され、表面温度分布の最高値が１２２５℃となることが判明した。

一方、図１５に示されるように、本実施形態の１次コイル１１を使って（つまり、上記実施形態の移動焼入れ装置１及び移動焼入れ方法を使って）軸状体５１を誘導加熱した場合（本発明例の場合）、小径部５３では表面から約４．８ｍｍの深さの領域まで８００℃以上に加熱され、表面温度分布の最高値が１２１５℃となることが判明した。

以上のような解析結果から、比較例と比較して、本発明例によれば、軸状態５１の全体にわたって表面からより深い領域で８００℃以上の高温で加熱でき、比較的簡易な構成で軸状体５１を必要十分に加熱及び焼入れできることが確認された。また、比較例と比較して、本発明例によれば、軸状体５１の表面温度の最高値を下げて過加熱現象を抑制できることが確認された。

〔１次コイルの変形例〕
上記実施形態では、１次コイル１１の周方向に直交する平面内において、１次コイル１１の半径方向を横軸とし且つその半径方向に直交する方向を縦軸としたとき、上記平面に現れる１次コイル１１の断面像が、縦２個×横２個のマトリクス状に分割された形で現れる場合を例示した。本発明の１次コイルの断面形状はこれのみに限定されず、上記平面に現れる１次コイルの断面像が、縦ｍ個×横ｎ個（ｍ及びｎはいずれも２以上の整数）のマトリクス状に分割された形で現れるものであればよい。

例えば、図１６Ａに示すように、上記平面に現れる１次コイルの断面像が、縦３個×横２個のマトリクス状に分割された形で現れるものであってもよい。または、図１６Ｂに示すように、上記平面に現れる１次コイルの断面像が、縦２個×横３個のマトリクス状に分割された形で現れるものであってもよい。あるいは、図１６Ｃに示すように、上記平面に現れる１次コイルの断面像が、縦３個×横３個のマトリクス状に分割された形で現れるものであってもよい。

本発明によれば、比較的簡易な構成で、軸線に沿って径が変化する形状を有する軸状体の焼入れを可能とする移動焼入れ装置と、その移動焼入れ装置によって実現可能な移動焼入れ方法を提供できる。よって、産業上の利用可能性は大である。

１ 移動焼入れ装置
１１ １次コイル
１２ カーレントトランス（電流供給装置）
３６ 冷却環
３７ ポンプ（冷却液供給装置）
３９ 支え板（一軸アクチュエータの機械要素）
４０ モータ（一軸アクチュエータの機械要素）
４２ ラック（一軸アクチュエータの機械要素）
４６ 制御装置
５１ 軸状体
５２ 本体部
５３ 小径部

Claims (6)

1. 本体部と、前記本体部の軸線方向の中間部に設けられ前記本体部よりも外径が小さい小径部と、を有する軸状体に、移動焼入れを行うための移動焼入れ装置であって、
   前記本体部の外径よりも大きい内径を有し且つ円環形状を有する１次コイルと、
   前記１次コイルに高周波電流を供給する電流供給装置と、
   前記軸状体が前記１次コイルの半径方向内側を通過するように前記１次コイルを支持した状態で前記軸線方向における前記１次コイルの位置決めを可能とするように構成された一軸アクチュエータと、
   前記電流供給装置及び前記一軸アクチュエータを制御する制御装置と、
   を備え、
   前記１次コイルの周方向に直交する平面内において前記１次コイルの半径方向を横軸とし且つ前記半径方向に直交する方向を縦軸としたとき、前記平面に現れる前記１次コイルの断面像が、縦ｍ個×横ｎ個（ｍ及びｎはいずれも２以上の整数）のマトリクス状に分割された形で現れる
   ことを特徴とする移動焼入れ装置。
2. 前記平面に現れる前記１次コイルの断面像が、縦２個×横２個のマトリクス状に分割された形で現れることを特徴とする請求項１に記載の移動焼入れ装置。
3. 前記本体部の外径よりも大きい内径を有し且つ複数のノズルが設けられた内周面を有する冷却環と、
   前記冷却環に冷却液を供給する冷却液供給装置と、
   をさらに備え、
   前記一軸アクチュエータは、前記軸状体が前記１次コイル及び前記冷却環の半径方向内側を通過するように且つ前記冷却環に対して前記１次コイルが前記軸線方向の一方側に配置されるように前記１次コイル及び前記冷却環を支持した状態で、前記軸線方向における前記１次コイルの位置決めを可能とするように構成されており、
   前記制御装置は、前記１次コイルに前記高周波電流が供給され且つ前記冷却環に前記冷却液が供給されながら、前記１次コイル及び前記冷却環が前記軸線方向の他方側から前記一方側へ向かって移動するように、前記一軸アクチュエータ、前記電流供給装置及び前記冷却液供給装置を同期制御する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の移動焼入れ装置。
4. 本体部と、前記本体部の軸線方向の中間部に設けられ前記本体部よりも外径が小さい小径部と、を有する軸状体に、移動焼入れを行うための移動焼入れ方法であって、
   前記本体部の外径よりも大きい内径を有し且つ円環形状を有する１次コイルを準備する第１工程と、
   前記１次コイルに高周波電流を供給しながら、前記軸状体が前記１次コイルの半径方向内側を通過するように前記１次コイルを前記軸線方向に沿って移動させる第２工程と、
   を有し、
   前記１次コイルの周方向に直交する平面内において前記１次コイルの半径方向を横軸とし且つ前記半径方向に直交する方向を縦軸としたとき、前記平面に現れる前記１次コイルの断面像が、縦ｍ個×横ｎ個（ｍ及びｎはいずれも２以上の整数）のマトリクス状に分割された形で現れる
   ことを特徴とする移動焼入れ方法。
5. 前記平面に現れる前記１次コイルの断面像が、縦２個×横２個のマトリクス状に分割された形で現れることを特徴とする請求項４に記載の移動焼入れ方法。
6. 前記第１工程では、前記１次コイルに加えて、前記本体部の外径よりも大きい内径を有し且つ複数のノズルが設けられた内周面を有する冷却環を準備し、
   前記第２工程では、前記冷却環に対して前記１次コイルを前記軸線方向の一方側に配置した状態で、前記１次コイルに前記高周波電流を供給し且つ前記冷却環に冷却液を供給しながら、前記軸状体が前記１次コイル及び前記冷却環の半径方向内側を通過するように前記１次コイル及び前記冷却環を前記軸線方向の他方側から前記一方側に向けて移動させる
   ことを特徴とする請求項４または５に記載の移動焼入れ方法。

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