KR20150052169A

KR20150052169A - 고주파 유도 가열 장치, 가공 장치

Info

Publication number: KR20150052169A
Application number: KR1020157008148A
Authority: KR
Inventors: 노부히로 오카다; 아츠시 도미자와; 히로아키 구보타
Original assignee: 신닛테츠스미킨 카부시키카이샤
Priority date: 2012-09-21
Filing date: 2013-09-11
Publication date: 2015-05-13
Also published as: JP5549791B1; KR101667505B1; WO2014045976A1; CN104620676B; EP2900036B1; US20150239028A1; EP2900036A4; US10005116B2; JPWO2014045976A1; EP2900036A1; CN104620676A

Abstract

피가공재의 판 두께보다도 전자파의 침투 깊이가 커지는 주파수를 이용하여, 외향 플랜지를 가지는 피가공재를 그 전체 둘레에 걸쳐 담금질할 수 있는 고주파 유도 가열 장치를 제공한다. 닫힌 횡단면을 가짐과 더불어 외향 플랜지(12a)를 가지는 장척이고 또한 중공 강제의 피가공재(12)를 소재로 하여 굴곡 부재를 제조하는 3DQ에 있어서 피가공재(12)를 가열하기 위해서 이용되는 고주파 유도 가열 코일(11)을 구비하는 고주파 유도 가열 장치(10)이다. 고주파 유도 가열 코일(11)은, 외향 플랜지(12a)의 양면(12a-1, 12a-2)으로부터 떨어지고, 또한 사이에 끼워 대향하여 배치되는 자성체 코어(13)와, 자성체 코어(13)에 접속됨과 더불어 피가공재(12)의 외주 중의 외향 플랜지(12a)를 제외한 일반부(13b)를 둘러싸고 배치되는 유도 가열 코일(14)을 가진다.

Description

고주파 유도 가열 장치, 가공 장치{HIGH-FREQUENCY INDUCTION HEATING DEVICE AND PROCESSING DEVICE}

본 발명은, 고주파 유도 가열 장치 및 이를 이용한 가공 장치에 관한 것으로, 구체적으로는, 닫힌 횡단면을 가짐과 더불어 외향 플랜지를 가지는 강제의 피가공재에 대하여 고주파 담금질 및 가공을 동시에 행하는 열간 3차원 가공(이하, 이 열간 3차원 가공을 「3DQ」라고 한다)을 행할 때에, 피가공재의 판 두께보다도 전자파의 침투 깊이가 커지는 주파수를 이용하여, 플랜지를 900℃ 이상으로 가열할 수 있음과 더불어 피가공재의 길이 방향(이송 방향)으로의 가열 범위(가열 폭)를 가능한 한 좁게 할 수 있는 고주파 유도 가열 장치, 및 이를 이용한 가공 장치에 관한 것이다.

본 출원인은, 먼저 특허 문헌 1에 의해, 닫힌 폐단면을 가지는 중공 강제의 피가공재에 대하여 고주파 담금질 및 가공을 동시에 행하는 3DQ를 개시했다. 도 11은, 가공 장치(O)를 이용하여 3DQ에 의해 굴곡 부재를 제조하는 상황을 나타내는 설명도이다.

도 11에 나타내는 바와 같이, 가공 장치(O)는, 도시하지 않은 이송 장치, 지지 수단(4), 고주파 유도 가열 장치(5), 수냉 장치(6), 및 관절형 로봇(7)을 구비하고 있다. 여기서 이송 장치는, 닫힌 단면 형상을 가지는 길이가 긴 강관(1)을 그 길이 방향으로 이송하는 장치이다. 즉, 강관(1)은, 파지부(2)에서 유지되어, 이송 장치에 의해, 소정의 이송 속도로 축 방향(길이 방향)으로 이송된다.

지지 수단(4)은, 이송 장치에 의해 그 축 방향으로 이송되는 강관(1)을 이동가능하게 지지한다. 즉, 강관(1)은, 지지 수단(4)의 설치 위치를 통과하여, 축방향으로 이송된다.

고주파 유도 가열 장치(5)는, 이송되는 강관(1)의 이송 방향에 대하여 지지 수단(4)보다도 하류에서 강관(1)을 부분적으로 가열한다. 이에 따라 강관(1)은, 부분적으로 급속히 가열된다.

수냉 장치(6)는, 강관(1)의 이송 방향에 대하여 고주파 유도 가열 장치(5)보다도 하류에 있어서, 가열된 부분을 냉각한다. 강관(1)은 고주파 유도 가열 장치(5)와 수냉 장치(6) 사이에 있어서 고온으로 가열되므로, 변형 저항이 대폭 저하한 상태에 있다. 따라서, 강관(1)은, 수냉 장치(6)에 의해, 고주파 유도 가열 장치(5)에 의해 가열된 부분이 급속히 냉각된다.

관절형 로봇(7)은, 강관(1)의 이송 방향에 대하여 수냉 장치(6)보다도 하류에서, 이송되는 강관(1)을 파지 수단(7a)으로 파지하면서 적어도 강관(1)의 이송 방향을 포함하는 3차원의 방향으로 이동한다. 이에 따라, 강관(1)에 있어서의, 고주파 유도 가열 장치(5)에 의해 가열된 부분에 굽힘 모멘트를 부여하여, 금속재를 3차원적으로 굽힌다. 관절형 로봇(7)을 이용함으로써, 간단히 강관(1)의 이송 방향을 포함하는 3차원 방향으로 이동가능하게 지지할 수 있다.

기본적으로, 관절형 로봇(7)에 의해 그 축 방향으로 이동가능하게 지지된 강관(1)을 상류측으로부터 하류측을 향하여, 이송 장치에 의해 이송하면서, 지지 수단(4)의 하류에서 강관(1)에 예를 들면 굽힘 가공을 행하여 굴곡 부재를 제조한다.

지지 수단(4)의 하류에 배치되는 고주파 유도 가열 장치(5)에 의해 강관(1)을 부분적으로 담금질 가능한 온도역으로 급속히 가열함과 더불어 고주파 유도 가열 장치(5)의 하류에 배치되는 수냉 장치(6)에 의해 강관(1)을 급냉시킴으로써, 강관(1)의 축방향이며 강관(1)의 이송 방향과 반대 방향으로 이동하는 고온부(적열부)를 강관(1)에 형성한다. 그리고, 강관(1)을 이송하면서 관절형 로봇(7)을 2차원 또는 3차원에서 이동하여 적열부에 예를 들면 굽힘 모멘트를 부여함으로써 강관(1)에 가공을 행한다.

이때, 강관(1)의 가열 온도 및 냉각 속도를 적절히 설정해 두면, 강관(1)을 담금질할 수 있다. 이 때문에, 3DQ에 의하면, 높은 작업 능률로 고강도이며 또한 경량의 굴곡 부재를 제조할 수 있다.

도 12는, 닫힌 횡단면을 가짐과 더불어 외향 플랜지(9a)를 가지는 중공이며 또한 강제의 피가공재(9)에 대하여, 3DQ에 의해 고주파 담금질 및 굽힘 가공을 동시에 행하는 상황을 나타내는 설명도이며, 도 12(a)는 사시도, 도 12(b)는 도 12(a)에 있어서의 C-C 단면도이다.

도 12(a) 및 도 12(b)에 나타내는 바와 같이, 피가공재(9)의 전체 둘레를 둘러싸고 배치되는 종래 기술에 의한 통상의 고주파 유도 가열 장치(5)에 의해 피가공재(9)를 그 주방향으로 균일하게 가열하고자 하면, 피가공재(9)의 외향 플랜지(9a)를 가열할 수 없다. 이 이유는, 이하에 설명하는 바와 같이, 전자파의 침투 깊이가 원인이다.

도 13은, 피가공재(9)의 외향 플랜지(9a)가 가열되지 않는 이유를 개념적으로 나타내는 설명도이다. 도 13(a)는 피가공재(9)의 외향 플랜지(9a)를 제외한 일반부(9b)에 있어서의 전자파의 침투 깊이가 일반부(9b)의 판 두께보다도 큰 경우에 있어서의 고주파 유도 가열 코일(5)에 흐르는 코일 전류와 일반부(9b)에 발생하는 와전류의 흐르는 방향을 나타냈다. 도 13(b)는 피가공재(9)의 외향 플랜지(9a)에 있어서의 전자파의 침투 깊이가 외향 플랜지(9a)의 판 두께보다도 큰 경우에 있어서의 코일 전류와 와전류의 흐르는 방향을 나타냈다. 도 13(c)는 피가공재(9)의 일반부(9b)에 있어서의 전자파의 침투 깊이가 일반부(9b)의 판두께보다도 작은 경우에 있어서의 코일 전류와 와전류의 흐르는 방향을 나타냈다. 도 13(d)는 피가공재(9)의 외향 플랜지(9a)에 있어서의 전자파의 침투 깊이가 외향 플랜지(9a)의 판두께보다도 작은 경우에 있어서의 코일 전류와 와전류의 흐르는 방향을 나타냈다.

도 13(a) 내지 도 13(d)에 도시하는 바와 같이, 유도 가열에 의해서 피가공재(9)에 발생하는 와전류는, 흰색 화살표로 나타내는 고주파 유도 가열 장치(5)의 가열 코일의 전류 흐름을 따라 흐른다. 이 경우, 도 13(b)에 있어서의 A부에 의해 나타나는 바와 같이, 외향 플랜지(9a)에서는 와전류가 서로 부정하여 거의 흐르지 않기 때문에, 외향 플랜지(9a)는 가열되지 않는다. 이를 방지하기 위해서는, 와전류에 의한 외향 플랜지(9a)의 가열을 그 표층 부근만으로 하여 와전류가 서로 부정하지 않도록 하기 위해서, 도 13(d)에 있어서의 B부에 나타내는 바와 같이, 코일 전류의 주파수를 올려 전자파의 침투 깊이를 얕게 할 필요가 있다. 그러나, 그러면 당연히, 도 13(c)에 나타내는 바와 같이, 일반부(9b)의 표층만의 가열이 되기 때문에 가열 효율이 저하함과 더불어, 침투 깊이를 너무 얕게 하면 발열량이 부족하여 가열 자체가 불완전해진다. 이 때문에, 도 12에 나타내는 통상의 고주파 유도 가열 장치(5)를 이용하는 경우는, 침투 깊이가 외향 플랜지(9a)의 판 두께와 동일한 정도부터 1/2 정도가 되는 범위의 주파수로 설정하는 것이 적절하다.

여기서, 침투 깊이 δ(m)는, 식(2)에 의해 산출된다. 식(2)에 있어서의 부호 μ는 투자율, 부호 μ’는 비투자율, 부호 μ₀은 진공의 투자율, 부호 ω는 각진동수, 부호 f는 주파수, 부호 σ는 도전율이다.

［수식 1］

식(2)에서, 전자파의 침투 깊이 δ(m)는, 주파수 f가 높고, 투자율 μ 또는 도전율 σ이 클수록 작아진다. 강재는, 실온에서는 비투자율 μ’이 100 내지 1000정도인 강자성체이지만, 자기 변태 온도(780℃ 정도) 이상에서는 자성을 상실하므로, 비투자율 μ’은 1까지 저하한다. 즉, 자기 변태 온도를 경계로 하여, 침투 깊이 δ(m)도 크게 변화한다.

도 14는, 고주파 유도 가열 장치의 전류 주파수와 침투 깊이의 관계를 나타내는 그래프이다. 또한, 도 14의 그래프에서는, 자기 변태 온도 이하인 경우에는 비투자율 100, 도전율 1×10⁷S/m로 하고, 자기 변태 온도 이상인 경우에는 비투자율 1, 도전율 9×10⁵S/m로 했다.

3DQ에 의해 강제의 피가공재의 담금질을 행하기 위해서는, 오스테나이트로 변태하는 A₃점 온도(약 900℃) 이상까지 피가공재를 가열할 필요가 있고, A₃점은 자기 변태 온도 이상이다. 따라서, 피가공재의 고주파 담금질에서는, 자기 변태 온도 이상에서의 침투 깊이를 평가할 필요가 있다. 도 14의 그래프로부터, 판 두께가 예를 들면 1mm인 플랜지의 고주파 담금질을 행하기 위해서는, 와전류의 부정을 억제하기 위해서, 침투 깊이가 판 두께와 동정도인 1mm 이하가 되는 300kHz 이상의 주파수를 이용할 필요가 있는 것을 알 수 있다.

그러나, 고주파 유도 가열에 있어서 가열 목표 온도가 동일한 경우에는, 주파수가 높을수록 고출력의 전원이 필요하다. 고출력 전원은, 설비 비용이 매우 높고, 조업 비용도 높아진다는 문제가 있다. 이 때문에, 피가공재의 자기 변태 온도 이상의 침투 깊이가 판 두께 이상이 되는 주파수를 이용하여, 저출력의 전원을 이용하여, 플랜지를 가열하는 것이 가능한 고주파 유도 가열 코일을 개발할 필요가 있다.

특허 문헌 2에는, 피가공재의 외향 플랜지를 따라, 피가공재의 축 방향으로 오프셋한 형상을 가지는 고주파 유도 가열 코일을 이용하여, 외향 플랜지를 가지는 피가공재를 그 주방향으로 균일하게 가열하는 발명이 개시되어 있다.

특허 문헌 1 : 국제 공개 제 2006/093006호 팜플렛 특허 문헌 2 : 국제 공개 제 2012/005076호 팜플렛

특허 문헌 2에 의해 개시된, 피가공재의 축 방향으로 오프셋한 형상을 가지는 고주파 유도 가열 코일을 이용하여 피가공재를 가열하면, 불가피적으로 피가공재의 축 방향으로의 가열 범위(가열 폭)가 넓어진다.

그러나, 도 11을 참조하면서 상술한 것처럼, 3DQ에서는, 고주파 유도 가열 장치(5)와 그 하류에 배치되는 수냉 장치(6)에 의해 형성된, 강관(1)의 축방향으로 이동하는 고온부(적열부)에, 관절형 로봇(7)을 이용하여 예를 들면 굽힘 모멘트를 부여하여 가공을 행한다. 이 때문에, 3DQ에 있어서, 강관(1)의 축 방향으로의 가열 범위(가열폭)가 넓어지면, 제조되는 굴곡 부재의 칫수 정밀도가 현저하게 저하한다. 여기서, 가열 폭이란, 강관(1)이 연화하는 800℃ 이상으로 가열되는 영역을 의미하고, 고주파 유도 가열 장치(5) 부근으로부터 가열이 개시되어 800℃에 이른 위치부터, 수냉 장치(6)에 의해 강관(1)이 냉각되어 800℃ 이하가 되는 위치까지의 영역이다. 3DQ에 있어서의 가공 정밀도를 확보하기 위해서는, 강관(1)의 가열폭을 가능한 한 좁게 할 필요가 있다.

본 발명의 목적은, 피가공재의 판 두께보다도 전자파의 침투 깊이가 커지는 주파수를 이용하여, 외향 플랜지를 가지는 피가공재를 그 전체 둘레에 걸쳐서 담금질할 수 있는 고주파 유도 가열 장치를 제공하는 것이다. 구체적으로는, 닫힌 횡단면을 가짐과 더불어 외향 플랜지를 구비하는 강제의 피가공재에 대하여 3DQ를 행할 때에, 피가공재의 판 두께보다도 전자파의 침투 깊이가 커지는 주파수를 이용하고, 이에 따라, 피가공재의 판 두께보다도 전자파의 침투 깊이가 작아지는 주파수를 이용한 고출력의 전원 장치보다도 저출력의 전원 장치로 외향 플랜지를 900℃ 이상으로 가열할 수 있음과 더불어 피가공재의 가열 폭을 가능한 한 좁게 할 수 있는 고주파 유도 가열 장치를 제공하는 것이다. 또한, 이를 이용한 가공 장치를 제공한다.

본 발명의 제1의 양태는, 닫힌 횡단면을 가짐과 더불어 외향 플랜지를 가지는 장척이며 또한 중공 강제의 피가공재의 길이 방향으로 이동하는 고온부를 이 피가공재에 형성하면서 고온부에 외력을 부여함으로써 굴곡 부재를 제조하는 열간 3차원 가공에 있어서 피가공재를 가열하기 위해서 이용되는 고주파 유도 가열 코일을 구비하고, 이 고주파 유도 가열 코일이, 외향 플랜지의 양면으로부터 떨어져 이 양면을 사이에 끼고 대향하여 배치되는 자성체 코어와, 이 자성체 코어에 접속됨과 더불어 피가공재의 외주 중 외향 플랜지를 제외한 일반부를 둘러싸고 배치되는 유도 가열 코일을 가지는 것을 특징으로 하는 고주파 유도 가열 장치이다.

본 발명에 있어서의 자성체 코어는, 예를 들면 페라이트 코어이며, 세라믹으로서 소결된 Fe 산화물의 강자성체이며, 자성을 가짐과 더불어 전기 저항이 높은 재질이며, 구체적으로는, 비투자율이 적어도 3이상, 전기 저항율이 적어도 1Ωm 이상인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 10Ωm 이상이다. 또한, 자성체 코어의 재질은, 페라이트 코어에 한정할 필요는 없고, 동등 이상의 물성을 가지는 다른 재질이어도 된다.

본 발명에서는, 유도 가열 코일이, 고주파 전력 발생 장치에 접속되는 제1의 부분과, 제1의 부분에 접속됨과 더불어 피가공재의 길이 방향을 향하여 연장 설치되는 제2의 부분과, 제2의 부분에 접속됨과 더불어 피가공재의 일반부의 주위를 둘러싸고 배치되는 제3의 부분과, 제3의 부분에 접속됨과 더불어 피가공재의 길이 방향을 향하여 연장 설치되는 제4의 부분과, 제4의 부분과 고주파 전력 발생 장치를 접속하는 제5의 부분을 구비하고, 또한, 제5의 부분은 고온부의 이동 방향의 반대 방향(피가공재의 이송 방향)에 대하여 제3의 부분보다도 상류측에 위치하는 것이 바람직하다.

이 경우, 제2의 부분 및 제4의 부분을 흐르는 전류는, 서로 반대 방향으로 흐르는 것이 예시된다.

이들 본 발명에서는, 자성체 코어는, 외향 플랜지에 평행한 2개의 부위를 피가공재에 있어서의 고온부의 이동 방향의 하류측에 구비하고, 이들 2개의 부위가, 외향 플랜지에 대하여 관통하도록, 가장 바람직하게는 외향 플랜지에 대하여 대략 수직 방향으로, 자속을 발생함과 더불어, 제2의 부분 및 제4의 부분 사이에 제4의 부분에 걸치도록, 배치되는 것이 바람직하다.

이들 본 발명에서는, 자성체 코어는, 제3의 부분에 대하여 고온부의 이동 방향의 하류측에만 배치되는 것이 바람직하다.

또한, 피가공재의 길이 방향에 대한 자성체 코어의 길이를 L(mm)로 하고, 유도 가열 코일의 전류 주파수를 f(kHz)로 함과 더불어, 피가공재에 있어서의 고온부의 이동 속도(피가공재의 이송 속도)를 v(mm/s)로 한 경우에, 하기 식(1)의 관계를 만족하는 것이 바람직하다.

[수식 2］

본 발명의 제2의 양태는, 중공 강제의 피가공재의 길이 방향으로 이동하는 고온부를 그 피가공재에 형성하면서 상기 고온부에 외력을 부여함으로써 굴곡 부재를 제조하는 열간 3차원 가공을 하는 가공 장치로서, 상기한 제1의 양태의 고주파 유도 가열 장치와, 고주파 유도 가열 장치의 하류측에 배치되는 냉각 장치와, 상기 냉각 장치의 하류측에 설치되고, 피가공재를 지지하여 외력을 부여하는 장치를 구비하는 가공 장치이다.

본 발명에 의해, 피가공재의 판 두께보다도 전자파의 침투 깊이가 커지는 주파수를 이용하여, 외향 플랜지를 가지는 피가공재를 그 전체 둘레에 걸쳐서 담금질할 수 있는 고주파 유도 가열 장치가 제공된다. 구체적으로는, 본 발명에 의해, 닫힌 횡단면을 가짐과 더불어 외향 플랜지를 구비하는 강제의 피가공재에 대하여 3DQ를 행할 때에, 피가공재의 판 두께보다도 전자파의 침투 깊이가 커지는 주파수를 이용하여, 외향 플랜지를 900℃ 이상으로 가열할 수 있음과 더불어 피가공재의 가열폭을 가능한 한 좁게 할 수 있는 고주파 유도 가열 장치가 제공된다.

또한, 이 고주파 유도 가열 장치를 가공 장치에 이용함으로써 당해 가공 장치도 동일한 효과를 발휘하게 된다.

도 1은 본 발명에 관련된 고주파 유도 가열 장치에 있어서의 고주파 유도 가열 코일을 나타내는 설명도이며, 도 1(a)는 사시도, 도 1(b)는 도 1(a)에 있어서의 A 화살표에서 본 도면, 도 1(c)는 도 1(a)에 있어서의 B 화살표에서 본 도면이다.
도 2는 본 발명에 의해 외향 플랜지를 가열할 수 있는 원리를 나타내는 설명도이며, 도 2(a)는 자성체 코어 및 유도 가열 코일의, 도 1(a)에 있어서의 D 화살표에서 본 도면이며, 도 2(b)는 자성체 코어 및 유도 가열 코일의, 도 1(a)에 있어서의 A 화살표에서 본 도면이다.
도 3은 도 12(a) 및 도 12(b)에 나타내는 종래의 고주파 유도 가열 코일을 이용한 경우의 수치 해석에 의한 계산 결과를 나타내는 그래프이며, 도 3(a)는 고주파 유도 가열 코일의 전류의 주파수와 외향 플랜지의 온도의 관계를 나타내고, 도 3(b)는 주파수와 전력의 관계를 나타낸다.
도 4는 도 1(a) 내지 도 1(c)에 나타내는 본 발명에 관련된 고주파 유도 가열 코일을 이용한 경우의 수치 해석에 의한 계산 결과를 나타내는 그래프이며, 도 4(a)는 피가공재의 길이 방향으로의 자성체 코어의 길이(코어 길이)와 외향 플랜지의 온도의 관계를 나타내고, 도 4(b)는 코어 길이와 소비 전력의 관계를 나타낸다.
도 5는 고주파 유도 가열 코일의 전류 주파수를 50kHz로 한 경우에 있어서의 자성체 코어의 코어 길이와 외향 플랜지의 가열 온도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 6은 고주파 유도 가열 코일의 전류 주파수를 100kHz로 한 경우에 있어서의 자성체 코어의 코어 길이와 외향 플랜지의 가열 온도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7은 표 1 내지 표 3에 나타낸 적절한 자성체 코어의 코어 길이의 최소치를 정리한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 8은 적절한 자성체 코어의 코어 길이의 최대치를 정리한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 9는 도 7, 8의 그래프에 있어서의 계수 a의 주파수 의존성을 검토한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 10은 주파수 50kHz, 이송 속도 20mm/s의 조건에서 고주파 유도 가열 코일을 이용하여 피가공재를 가열한 경우에 있어서의 피가공재의 주방향의 온도 분포를 나타내는 설명도이며, 도 10(a)는 본 발명예를 나타내고, 도 10(b)는 종래예를 나타낸다.
도 11은 3DQ에 의해 굴곡 부재를 제조하는 상황을 나타내는 설명도이다.
도 12는 닫힌 횡단면을 가짐과 더불어 외향 플랜지를 가지는 중공이고 또한 강제의 피가공재에 대하여, 3DQ에 의해 고주파 담금질 및 굽힘 가공을 동시에 행하는 상황을 나타내는 설명도이며, 도 12(a)는 사시도이며, 도 12(b)는 도 12(a)에 있어서의 C-C 단면도이다.
도 13은 피가공재의 외향 플랜지가 가열되지 않는 이유를 개념적으로 나타내는 설명도이며, 도 13(a)는 피가공재의 외향 플랜지를 제외한 일반부에 있어서의 전자파의 침투 깊이가 피가공재의 판 두께보다도 큰 경우에 있어서의 고주파 유도 가열 코일에 흐르는 코일 전류와 피가공재에 발생하는 와전류의 흐르는 방향을 나타내고, 도 13(b)는 피가공재의 외향 플랜지에 있어서의 전자파의 침투 깊이가 피가공재의 판 두께보다도 큰 경우에 있어서의 코일 전류와 와전류의 흐르는 방향을 나타내고, 도 13(c)는 피가공재의 일반부에 있어서의 전자파의 침투 깊이가 피가공재의 판 두께보다도 작은 경우에 있어서의 코일 전류와 와전류의 흐르는 방향을 나타내고, 도 13(d)는 피가공재의 외향 플랜지에 있어서의 전자파의 침투 깊이가 피가공재의 판 두께보다도 작은 경우에 있어서의 코일 전류와 와전류의 흐르는 방향을 나타낸다.
도 14는 고주파 유도 가열 코일의 전류 주파수와 침투 깊이의 관계를 나타내는 그래프이다.

본 발명을, 첨부 도면을 참조하면서 설명한다.

도 1은, 본 발명에 관련된 고주파 유도 가열 장치(10)에 있어서의 고주파 유도 가열 코일(11)을 나타내는 설명도이며, 도 1(a)는 사시도, 도 1(b)는 도 1(a)에 있어서의 A 화살표에서 본 도면, 도 1(c)는 도 1(a)에 있어서의 B 화살표에서 본 도면이다.

도 1(a) 내지 도 1(c)에 나타내는 바와 같이, 고주파 유도 가열 장치(10)는, 고주파 유도 가열 코일(11)을 구비하고, 이 고주파 유도 가열 코일(11)에 의해 피가공재(12)를 고주파 유도 가열한다.

피가공재(12)는, 외향 플랜지(12a) 및 외향 플랜지(12a)를 제외한 일반부(12b)로 이루어지는 닫힌 횡단면을 가지는 장척이고 또한 중공 강제의 부재이다. 외향 플랜지(12a)에서는, 2매의 강판이 겹쳐진 상태에서 적절한 수단(예를 들면, 스폿 용접 등의 용접)에 의해 접합되어 있다.

고주파 유도 가열 코일(11)은, 이 피가공재(12)의 길이 방향으로 이동하는 고온부를 피가공재(12)에 형성하면서 고온부에 외력을 부여함으로써 굴곡 부재를 제조하는 3DQ에 있어서, 피가공재(12)를 가열하기 위해서 이용된다.

고주파 유도 가열 코일(11)은, 자성체 코어(13)와 유도 가열 코일(14)을 가진다.

자성체 코어(13)는, 예를 들면 소위 페라이트 코어이며, 세라믹으로서 소결된 Fe 산화물의 강자성체이다. 자성체 코어(13)는, 자성을 가짐과 더불어 전기 저항이 높은 재질을 가지고, 구체적으로는, 비투자율이 적어도 3이상, 전기 저항율이 적어도 1Ωm 이상이다. 자성체 코어(13)의 재질은, 페라이트 코어에 한정할 필요는 없고, 동등 이상의 물성을 가지는 다른 재질이어도 된다.

자성체 코어(13)는, 도 1(c)에 나타내는 바와 같이 피가공재(12)의 외향 플랜지(12a)의 양면(한쪽의 면(12a-1) 및 다른쪽의 면(12a-2))으로부터 떨어져 이 양면(12a-1, 12a－2)을 사이에 끼고 대향하여 배치된다.

한편, 유도 가열 코일(14)은, 자성체 코어(13)에 접속됨과 더불어, 피가공재(12)의 외주 중의 외향 플랜지(12a)를 제외한 일반부(12b)를 둘러싸고 배치된다. 즉, 유도 가열 코일(14)은, 도시하지 않는 고주파 전력 발생 장치에 접속되는 제1의 부분(14－1)과, 제1의 부분(14－1)에 접속됨과 더불어 피가공재(12)의 길이 방향을 향하여 연장 설치되는 제2의 부분(14－2)과, 제2의 부분(14－2)에 접속됨과 더불어 피가공재(12)의 일반부(12b)의 주위를 둘러싸고 배치되는 제3의 부분(14-3)과, 제3의 부분(14－3)에 접속됨과 더불어 피가공재(12)의 길이 방향을 향하여 연장 설치되는 제4의 부분(14－4)과, 제4의 부분(14－4)과 도시하지 않는 고주파 전력 발생 장치를 접속하는 제5의 부분(14-5)을 구비한다.

또한, 도 1(b)에 있어서의 부호 15는 절연판을 나타낸다. 피가공재(12)의 이송 방향은, 도 1(a) 내지 도 1(c)에 있어서의 유도 가열 코일(14)의 제5의 부분(14－5)을 상류측으로 하고, 유도 가열 코일(14)의 제3의 부분(14－3)을 하류측으로 한 방향이다.

도 1(a) 내지 도 1(c)로부터 알 수 있듯이, 자성체 코어(13)는, 유도 가열 코일(14)의 제4의 부분(14－4)에 걸치도록 배치된다. 또한, 자성체 코어(13)는, 피가공재(12)의 이송 방향의 상류측에, 즉 피가공재(12)에 있어서의 고온부의 이동 방향의 하류측에, 외향 플랜지(12a)에 평행한 부위(13－1, 13－2)를 가지고, 그 부위(13－1, 13－2)가 외향 플랜지(12a)에 대하여 수직 방향으로 자속을 발생한다.

도 1(a)에 있어서의 유도 가열 코일(14)의 근방에 그려진 화살표는, 유도 가열 코일(14)에 흐르는 전류의 방향을 나타낸다. 도 1(a)에 나타내는 바와 같이, 자성체 코어(13)는, 전류가 흐르는 방향이 서로 반대 방향인 유도 가열 코일(14)에 있어서의 2개의 부분(14－2, 14－4)에 의해 끼워지도록, 설치된다.

자성체 코어(13)는, 피가공재(12)의 일반부(12b)의 주위를 둘러싸고 배치되는 제3의 부분(14－3)에 대하여 피가공재(12)의 이송 방향의 상류측에, 즉 피가공재(12)에 있어서의 고온부의 이동 방향의 하류측에만 배치되는 것이 바람직하다. 자성체 코어(13)를, 제3의 부분(14-3)에 대하여 피가공재(12)의 이송 방향의 하류측에, 즉 피가공재(12)에 있어서의 고온부의 이동 방향의 상류측에 설치하면, 가공 장치(O)에 있어서의 수냉 장치(6)에 의한 피가공재(12)의 냉각 개시 위치가, 자성체 코어(13)를, 피가공재(12)의 이송 방향의 하류측에 설치한분 만큼, 유도 가열 코일(14)로부터 멀어지기 때문에, 외향 플랜지(12a) 이외의 일반부(12b)의 가열폭이 넓어져 버리기 때문이다.

도 2는, 본 발명에 의해 외향 플랜지(12a)를 가열할 수 있는 원리를 나타내는 설명도이며, 도 2(a)는 자성체 코어(13) 및 유도 가열 코일(14)의, 도 1(a)에 있어서의 D 화살표에서 본 도면이며, 도 2(b)는 자성체 코어(13) 및 유도 가열 코일(14)의, 도 1(a)에 있어서의 A 화살표에서 본 도면이다.

본 발명에 의해 외향 플랜지(12a)의 가열이 가능해지는 이유를 설명한다.

도 2(a)에 나타내는 바와 같이, 유도 가열 코일(14)의 제2의 부분(14－2)에 있어서의 코일 전류가 흐르는 방향과, 유도 가열 코일(14)의 제4의 부분(14-4)에 있어서의 코일 전류가 흐르는 방향은, 서로 반대 방향이다. 이 때문에, 자성체 코어(13)에 발생하는 자속(B1, B2)(도 2(a)에 있어서 흰색 화살표에 의해 나타낸다)을 서로 강하게 한다. 자성체 코어(13)에 의해, 자속(B1, B2)은 외향 플랜지(12a)를 관통하도록 유도된다.

이 때문에, 외향 플랜지(12a)에 대하여 자속(B1, B2)은 수직으로 입사하므로, 외향 플랜지(12a)에서는 도 2(b)에 나타내는 것과 같은 와전류(X)가 발생한다. 이 경우, 와전류(X)가 흐르는 방향은, 외향 플랜지(12a)의 표면(12a－1) 및 이면(12b-1)에 있어서 동일한 방향이 되므로, 도 13(b)에 의해 나타나는 것과 같은 와전류의 부정이 생기지 않게 되어, 외향 플랜지(12a)의 가열이 가능해진다.

자성체 코어(13)에 의해 유도되는 자속(B1, B2)은, 외향 플랜지(12a)에 대하여 수직으로 입사하는 경우(입사 각도 90도)가 최적이다. 적어도 외향 플랜지(12a)를 관통하는 입사 각도가 필요하고, 입사 각도는 30도 이상으로 하는 것이 바람직하다.

이와 같이, 본 발명에 의해 외향 플랜지(12a)의 가열이 가능하다. 또한, 본 발명은 특허 문헌 2에 의해 개시된 발명과 같이 외향 플랜지(12a)를 따라서 피가공재(12)의 축방향의 양측에 오프셋한 형상을 가지는 고주파 유도 가열 코일을 이용하는 것이 아니라, 피가공재(12)의 이송 방향의 상류측에 자성체 코어(13)를 설치하기 때문에 유도 가열 코일(14)이 피가공재(12)의 이송 방향의 상류측에만 오프셋하여 배치된다. 이 때문에, 가열폭의 증가량은, 피가공재(12)의 이송 방향의 양측에 유도 가열 코일(14)이 오프셋하여 배치되는 특허 문헌 2에 의해 개시된 발명의 반 이하로 된다. 이 때문에, 고주파 유도 가열 코일(11)은 3DQ에 있어서의 피가공재(12)의 가열에 매우 적합하다.

고주파 유도 가열 코일(11)의 효과를 수치 해석 시뮬레이션에 의해 확인했다. 수치 해석 시뮬레이션에서는, 유도 가열에 있어서의 발열량 분포를 전자장 해석에 의해 산출하고, 얻어진 발열량 분포로부터 전열 해석을 행하여, 두께 1mm의 강판으로 이루어지는 중공 피가공재(12)의 온도 분포를 산출했다. 수치 해석의 가열 조건을, 피가공재(12)의 일반부(12b)에 있어서의 저변 중앙부의 온도가 1050℃로 되는 조건으로 하여, 계산을 행했다.

우선, 도 12(a) 및 도 12(b)에 나타내는 종래의 고주파 유도 가열 코일(5)을 이용한 경우에 있어서의 고주파 유도 가열 코일(5)의 전류 주파수와 외향 플랜지(9a)의 온도 관계의 계산 결과를 도 3(a)에 그래프로 나타낸다. 여기서, 외향 플랜지(9a)의 온도는, 외향 플랜지(9a)의 단부에 있어서의 온도이다. 또한, 피가공재(9)의 일반부(9b) 중 저변 중앙부의 온도가 1050℃가 되기까지 가열하는데 필요한 전력을 도 3(b)에 그래프로 나타낸다.

도 3(a)의 그래프로 나타내는 바와 같이, 종래의 고주파 유도 가열 장치(5)를 이용한 경우에는, 외향 플랜지(9a)를 900℃ 이상으로 가열하기 위해서는, 고주파 유도 가열 코일(5)의 전류 주파수를 300kHz 이상으로 높일 필요가 있다. 또한, 도 3(b)의 그래프에 나타내는 바와 같이 높은 주파수가 될수록 가열에 필요한 전력이 증가한다. 예를 들면, 10kHz의 전원을 이용한 경우에는 100kW로 되는 전력이, 300kHz의 경우에는 225kW나 필요해진다. 이와 같이, 고주파 유도 가열 장치(5)의 전류의 주파수가 높아질수록 소비 전력이 증가하는 것은, 주파수가 높을수록 단위 시간당 자계가 교번하는 회수가 증가하기 때문이다. 여기서, 자계가 피가공재(9)에만 발생하고, 자계를 교번하는 에너지가 전부 가열을 위해서 소비되면, 소비 전력이 크게 증가하지 않는다. 그러나, 고주파 유도 가열 장치(5)는, 피가공재(9)뿐만 아니라 주변의 공간에도 자계를 발생하고, 이 공간에 발생한 자계는 가열에 관여하지 않음에도 불구하고 공간의 자계를 교번시켜 에너지를 소비하기 때문에, 소비 전력을 크게 증가시켜 버린다.

도 4는, 도 1(a) 내지 도 1(c)에 나타내는 본 발명에 관련된 고주파 유도 가열 장치(11)를 이용한 경우의 수치 해석에 의한 계산 결과를 나타내는 그래프이며, 도 4(a)는 피가공재(12)의 길이 방향으로의 자성체 코어(13)의 길이(코어 길이)와 외향 플랜지(12a)의 온도의 관계를 나타내고, 도 4(b)는 코어 길이와 소비 전력의 관계를 나타낸다. 여기서, 고주파 유도 가열 코일(11)에 통전하는 전류의 주파수는 10kHz로 하고, 피가공재(12)의 이송 속도는 80mm/s로 했다.

도 4(a)에 그래프로 나타내는 바와 같이, 코어 길이가 길수록 외향 플랜지(12a)가 가열되기 쉬워진다. 도 4(a)의 그래프에 있어서의 코어 길이 0mm는, 자성체 코어(13)를 이용하지 않는 경우이며 종래 기술의 고주파 유도 가열 장치(5)로 가열한 경우를 나타내고, 580℃ 정도밖에 가열할 수 없다.

피가공재(12)에 고주파 담금질을 행하기 위해서는, 피가공재(12)를 900℃ 이상까지 가열할 필요가 있다. 한편, 피가공재(12)를 1200℃를 초과하기까지 가열하면, 결정 입자의 조대화나 산화가 진행하여, 3DQ에 의해 제조되는 굴곡 부재의 표면이 거칠어진다. 이 때문에, 피가공재(12)의 가열 온도는 900℃ 이상 1200℃ 이하의 범위가 적절하다.

여기서, 도 4(a)의 그래프로부터, 피가공재(12)의 외향 플랜지(12a)를 900℃ 이상 1200℃ 이하로 가열하기 위해서는, 자성체 코어(13)의 코어 길이를 19.9mm 이상 30.7mm 이하로 하면 되는 것을 알 수 있다. 또한, 도 4(b)의 그래프로부터, 자성체 코어(13)를 설치하지 않는 경우(코어 길이 0mm의 경우)는 105kW인 소비 전력이, 피가공재(12)를 900℃까지 가열할 수 있는 자성체 코어(13)의 코어 길이를 예를 들면 20mm로 한 경우에는 140kW가 된다. 통상의 유도 가열 코일(5)을 이용하여 주파수를 300kHz로 하여 외향 플랜지(12a)를 900℃까지 가열하는 경우의 소비 전력은 225kW인 것에 비하여, 고주파 유도 가열 코일(11)에 의한 소비 전력은 약 80kW나 작다.

도 3(a)에 그래프로 나타내는 바와 같이, 고주파 유도 가열 코일(11)의 전류의 주파수가 높을수록 외향 플랜지(12a)는 가열되기 쉬워지기 때문에, 고주파 유도 가열 코일(11)의 전류 주파수가 높을수록 자성체 코어(13)의 코어 길이를 짧게 하는 것이 가능하다.

도 5는, 고주파 유도 가열 코일(11)의 전류 주파수를 50kHz로 한 경우에 있어서의 자성체 코어(13)의 코어 길이와 외향 플랜지(12a)의 가열 온도의 관계를 나타내는 그래프이다.

이 경우, 외향 플랜지(12a)를 900℃부터 1200℃로 가열하기 위해서는, 자성체 코어(13)의 코어 길이를 3.4mm 이상 7.5mm 이하로 설정하면 좋다.

마찬가지로, 고주파 유도 가열 코일(11)의 전류 주파수를 100kHz로 한 경우에 있어서의 자성체 코어(13)의 코어 길이와 외향 플랜지(12a)의 가열 온도의 관계를 도 6에 그래프로 나타낸다. 고주파 유도 가열 코일(11)의 전류 주파수가 100kHz인 경우에는, 자성체 코어(13)의 코어 길이를 1.2mm 이상 4.3mm 이하로 설정하면 좋다.

이와 같이, 고주파 유도 가열 코일(11)의 전류 주파수가 높고, 자성체 코어(13)의 코어 길이가 길수록, 외향 플랜지(12a)의 가열 온도는 높아진다. 표 1에, 피가공재(12)의 이송 속도가 80mm/s인 경우에 있어서, 외향 플랜지(12a)를 900℃ 이상 1200℃ 이하로 가열하기 위한 자성체 코어(13)의 코어 길이와 고주파 유도 가열 코일(11)의 전류 주파수의 관계를 정리해 나타낸다.

[표 1]

표 1은, 피가공재(12)의 이송 속도가 80mm/s인 경우의 결과인데, 피가공재(12)의 이송 속도에 의해 적절한 자성체 코어(13)의 코어 길이도 변화한다. 표 2에, 피가공재(12)의 이송 속도가 20mm/s인 경우에 있어서, 외향 플랜지(12a)를 900℃ 이상 1200℃ 이하로 가열하기 위한 자성체 코어(13)의 코어 길이와 고주파 유도 가열 코일(11)의 전류 주파수의 관계를 정리해 나타낸다. 표 3은, 피가공재(12)의 이송 속도가 160mm/s인 경우에 있어서, 외향 플랜지(12a)를 900℃ 이상 1200℃ 이하로 가열하기 위한 자성체 코어(13)의 코어 길이와 고주파 유도 가열 코일(11)의 전류 주파수의 관계를 정리해 나타낸다.

［표 2］

［표 3]

도 7은, 표 1 내지 표 3에 나타낸 적절한 자성체 코어(13)의 코어 길이의 최소치를 정리한 결과를 나타내는 그래프이다. 마찬가지로, 도 8은, 적절한 자성체 코어(13)의 코어 길이의 최대치를 정리한 결과를 나타내는 그래프이다.

도 7, 도 8에 그래프로 나타내는 바와 같이, 적절한 자성체 코어(13)의 코어 길이의 최소치, 최대치는, 모두, 피가공재(12)의 이송 속도(V)의 1/2승에 근사된다. 도 7, 도 8의 그래프로부터, 적절한 자성체 코어(13)의 길이 L(mm)는, a_minV¹ ^/2＜L＜a_maxV¹ ^/2로서 얻어진다.

다음에, 도 9는, 도 7, 도 8의 그래프에 있어서의 계수 a의 주파수 의존성을 검토한 결과를 나타내는 그래프이다.

도 9에 그래프로 나타내는 바와 같이, 계수 a는 고주파 유도 가열 코일의 전류 주파수 f(kHz)의 역수에 의존하는 것이 명백해졌다.

이상에서, 피가공재(12)의 길이 방향에 대한 자성체 코어(13)의 길이를 L(mm)로 하고, 고주파 유도 가열 코일(11)의 전류 주파수를 f(kHz)로 함과 더불어, 피가공재(12)에 있어서의 고온부의 이동 속도(피가공재(12)의 이송 속도)를 v(mm/s)로 한 경우에, 하기 식(1)의 관계를 만족하는 것이, 자성체 코어(13)의 코어 길이를 적절히 설정하기 위해서 바람직하다.

[수식 3］

도 10은, 주파수 50kHz, 전송 속도 20mm/s의 조건으로 고주파 유도 가열 코일(11), 코일(5)을 이용하여 피가공재(12), 피가공재(9)를 가열한 경우에 있어서의 피가공재(12), 피가공재(9)의 주방향의 온도 분포를 나타내는 설명도이며, 도 10(a)는 본 발명예를 나타내고, 도 10(b)는 종래예를 나타낸다.

본 발명을 적용한 경우는, 식(1)에서 자성체 코어(13)의 코어 길이가 1.9mm 이상 3.1mm 이하로 예상되고, 자성체 코어의 길이를 3mm로 했다.

도 10(a) 및 도 10(b)에 나타내는 바와 같이, 본 발명예, 비교예 각각의 피가공재(12), 피가공재(9)의 저부의 온도는 마찬가지로 1050℃이지만, 비교예의 외향 플랜지(9a)의 온도는 900℃ 미만인데 대하여, 본 발명예의 외향 플랜지(12a)의 온도는 900℃ 이상으로 가열되는 것을 알 수 있다.

이상 설명한 고주파 유도 가열 장치(10)를, 도 11에 나타낸 가공 장치(O)의 고주파 유도 가열 장치(5) 대신에 이용함으로써, 이러한 상기 효과를 발휘하는 가공 장치를 제공할 수 있다.

10 : 고주파 유도 가열 장치 11 : 고주파 유도 가열 코일
12 : 피가공재 12a : 외향 플랜지
12a－1, 12a-2 : 면 12b : 일반부
13 : 자성체 코어 13－1, 13－2 : 외향 플랜지에 평행한 부위
14 : 유도 가열 코일
14－1 내지 14－5 : 제1의 부분 내지 제5의 부분

Claims

닫힌 횡단면을 가짐과 더불어 외향 플랜지를 가지는 장척 또한 중공 강제의 피가공재의 길이 방향으로 이동하는 고온부를 상기 피가공재에 형성하면서 상기 고온부에 외력을 부여함으로써 굴곡 부재를 제조하는 열간 3차원 가공에 있어서 상기 피가공재를 가열하기 위해서 이용되는 고주파 유도 가열 코일을 구비하고,
상기 고주파 유도 가열 코일은, 상기 외향 플랜지의 양면으로부터 떨어져 상기 양면을 사이에 끼고 대향하여 배치되는 자성체 코어와, 상기 자성체 코어에 접속됨과 더불어 상기 피가공재의 외주 중의 상기 외향 플랜지를 제외한 일반부를 둘러싸고 배치되는 유도 가열 코일을 가지는 것을 특징으로 하는 고주파 유도 가열 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 유도 가열 코일은, 고주파 전력 발생 장치에 접속되는 제1의 부분과, 상기 제1의 부분에 접속됨과 더불어 상기 피가공재의 길이 방향을 향하여 연장 설치되는 제2의 부분과, 상기 제2의 부분에 접속됨과 더불어 상기 피가공재의 상기 일반부의 주위를 둘러싸고 배치되는 제3의 부분과, 상기 제3의 부분에 접속됨과 더불어 상기 피가공재의 길이 방향을 향하여 연장 설치되는 제4의 부분과, 상기 제4의 부분과 상기 고주파 전력 발생 장치를 접속하는 제5의 부분을 구비하고, 또한, 상기 제5의 부분은 상기 고온부의 이동 방향의 반대 방향(상기 피가공재의 이송 방향)에 대하여 상기 제3의 부분보다도 상류측에 위치하는 것을 특징으로 하는 고주파 유도 가열 장치.
청구항 2에 있어서,
상기 제2의 부분 및 상기 제4의 부분을 흐르는 전류는, 서로 반대 방향으로 흐르는, 고주파 유도 가열 장치.
청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
상기 자성체 코어는, 상기 외향 플랜지에 평행한 2개의 부위를 상기 피가공재에 있어서의 상기 고온부의 이동 방향의 하류측에 구비하고, 상기 2개의 부위가 상기 외향 플랜지에 대하여 관통하는 자속을 발생함과 더불어, 상기 제2의 부분 및 상기 제4의 부분 사이에 상기 제4의 부분에 걸치도록 배치되는 것을 특징으로 하는 고주파 유도 가열 장치.
청구항 2 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 자성체 코어는, 상기 제3의 부분에 대하여 상기 고온부의 이동 방향의 하류측에만 배치되는, 고주파 유도 가열 장치.
청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
상기 피가공재의 길이 방향에 대한 상기 자성체 코어의 길이를 L(mm)로 하고, 상기 유도 가열 코일의 전류 주파수를 f(kHz)로 함과 더불어, 상기 피가공재에 있어서의 상기 고온부의 이동 속도를 v(mm/s)로 한 경우에, 하기 식(1)의 관계를 만족하는, 고주파 유도 가열 장치.
［수식 1］
중공의 강제의 피가공재의 길이 방향으로 이동하는 고온부를 상기 피가공재에 형성하면서 상기 고온부에 외력을 부여함으로써 굴곡 부재를 제조하는 열간 3차원 가공을 하는 가공 장치로서,
청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 기재된 고주파 유도 가열 장치와,
상기 고주파 유도 가열 장치의 하류측에 배치되는 냉각 장치와,
상기 냉각 장치의 하류측에 설치되고, 상기 피가공재를 지지하여 상기 외력을 부여하는 장치를 구비하는, 가공 장치.