TW201347610A - 加熱線圈、加熱處理裝置及長工件的加熱處理方法 - Google Patents

Abstract

一種加熱處理裝置之加熱線圈係組構成感應加熱具有凹陷之側表面的長工件。該加熱線圈包括基底導體以及凸出導體。該凸出導體之寬度係窄於該基底導體之寬度。該凸出導體係配置成由該基底導體之一部份向該凹部凸出。該基底導體及該凸出導體係配置成朝該工件之縱向方向延伸。一種加熱處理裝置包含冷卻部件及該加熱線圈。一種使用如上所述之加熱線圈的加熱處理方法。

Description

加熱線圈、加熱處理裝置及長工件的加熱處理方法

本發明係關於一種加熱線圈，係用於沿工件之縱向方向加熱該長工件之凹陷的側表面，亦關於用於加熱該長工件之凹陷的側表面的一種加熱處理裝置及一種加熱處理方法。

當對具有凹陷的側表面之長工件進行熱處理時，習知技術的加熱線圈係組構成在未加熱該工件之其他側表面下加熱該凹陷的側表面。

舉例而言，JP3924084B2係揭露一種加熱線圈，具有在正交於該工件之縱向方向而在長工件之橫向方向上延伸的桿狀導體，且在該導體上形成有凸部以便插入該側表面上各自之凹部，藉以在該縱向方向上相對地移動該工件時感應加熱該工件之整個凹陷的側表面。該加熱線圈係組構成用以避免對該工件縱向的尾端加熱不足。

JP2004-204248A係揭露一種加熱線圈裝置，具有設置在有關正交於該工件之進給方向之橫向方向 上的長工件之各別的側面的線圈本體，且該線圈本體上形成有凸部以便伸入該工件之側表面上各自之凹部。各凸部係設計成具有其能在該縱向方向上均勻地感應加熱對應之側表面的凹部的尺寸，從而增進加熱效率。

然而，加熱該長工件之整個側表面的該加熱線圈之一部份係設置成在正交於該側表面的縱向方向上延伸。因此，該線圈面向該工件的一部份的面積係為有限的，使得其難以用高速加熱該工件。

為了加速加熱處理，舉例而言，可使用較寬的構件形成加熱線圈以增加該線圈延伸越過及面向該長工件之側表面之一部份的面積。在此例子中，然而，該線圈增加的截面積需要更大的電能，其惡化了效率。

或者，可增加該線圈延伸越過及面向該長工件之側表面之一部份的數量，而不使用較寬的構件。然而，此導致了該加熱線圈的複雜組構。因此，經過該線圈的電流路徑以及冷卻流體路徑亦變得複雜，其增加了該線圈的輸出損耗並使得將該冷卻流體之流速難以保持在特定水準。

本發明之目的在於提供一種加熱線圈、加熱處理裝置、及加熱處理方法，其能夠以低功率消耗加速在長工件的側表面上的加熱處理。

依據本發明之一實施態樣，係提供一種加熱線圈。該加熱線圈係組構成感應加熱長工件，該工件具 有沿角落部分彼此鄰接之第一側表面及第二側表面。該第一側表面具有位於離開該角落部分之位置的凹部。該第一側表面、該第二側表面及該凹部係於該工件之縱向方向上連續地延伸。該加熱線圈包括基底導體，係組構成面向該第一側表面；以及凸出導體，係組構成面向該凹部。該凸出導體之寬度係窄於該基底導體之寬度。該凸出導體係設置成由該基底導體之一部份向該凹部凸出。該基底導體及該凸出導體係配置成朝該縱向方向延伸。

依據本發明之另一實施態樣，係提供一種加熱處理裝置。該加熱處理裝置包括該加熱線圈以及組構成冷卻該工件的冷卻部件。該加熱線圈係配置成感應加熱該工件，該工件係在該縱向方向上相對移動。該冷卻部件係在該縱向方向上配置於該加熱線圈的下游處。該凸出導體之至少一部份係在該縱向方向上設置於該基底導體的上游處。

依據本發明之又一實施態樣，係提供一種加熱處理方法。該加熱處理方法包括藉由在該縱向方向上相對於該加熱線圈來移動該工件，以感應加熱該工件，以及在該縱向方向上位於該加熱線圈的下游處之位置冷卻該工件。該凸出導體係在該縱向方向上位於該基底導體的上游處的位置感應加熱該工件。

10‧‧‧工件

11‧‧‧第一側表面

12‧‧‧第二側表面

13‧‧‧角落部分

14‧‧‧凹部

20‧‧‧加熱處理裝置

21‧‧‧加熱線圈

22‧‧‧冷卻部件

23‧‧‧凸出導體

24‧‧‧基底導體

25‧‧‧磁通量集中構件

26‧‧‧磁通量集中構件

27‧‧‧末端導體

28‧‧‧引腳

28a‧‧‧接觸部

29‧‧‧耦合導體

31‧‧‧冷卻液體入口部

32‧‧‧冷卻液體出口部

第1圖係為依據本發明之實施例之加熱處理裝置的透 視圖；第2圖係為該加熱處理裝置之加熱線圈的前視圖；第3圖係為該加熱線圈之左側視圖；第4圖係為該加熱線圈之平面視圖；第5圖係為例示該加熱線圈之電流路徑的示意圖；第6A圖至第6D圖係為例示依據本發明之實施例之加熱處理方法的示意圖；以及第7圖係為依據參考範例的加熱線圈的透視圖。

以下，將參照圖式詳細說明本發明之實施例。

工件

如第1圖所示，在本發明之實施例中將被加熱處理的工件10係為沿正交於該工件10之縱向方向的平面具有實質上不變的截面的長工件。依下所述之該工件10的軸線係為直線，但可具有弧形或環形。

該工件10具有實質上矩形的截面。在第1圖中，在該工件10的右側及左側上的該工件10之第一側表面具有不規則的形狀，且在該工件10的頂側及底側上的該工件10之第二側表面係為平的。該第一側表面11及該第二側表面12沿角落部分13彼此鄰接。

於該角落部分13，該第一側表面11及該第二側表面12係彼此連接以使該第一側表面11及該第二側表面12形成夾角。該角落部份13之非限定性之範例包含 具有角度之頂點、圓滑表面、傾斜表面、以及收縮表面。熱傳速率在角落部分13係高於在該第一側表面11及該第二側表面12。

各該第一側表面11係形成有位於離開該角落部分13之位置的凹部14，於本實施例中係位於中央的位置。該凹部14係形成為沿該工件10之縱向方向連續地延伸。該凹部14之外形係未受限制的，只要該凹部14係相對於其鄰接側凹陷即可。於本實施例中，該凹部14係形成在設置於該第二側表面12之各別側邊的各該第一側表面11中。

該工件10的該第一側表面11(包含該凹部14)及該第二側表面12係以實質上不變的形狀越過該工件10之整個長度於該工件10之縱向方向上連續地延伸。

加熱處理裝置

加熱處理裝置20係組構成對該工件10實施例如淬火(quenching)的加熱處理。更具體而言，該加熱處理裝置20係組構成對各該第一側表面11的表面層實施淬火。如第1圖所示，該加熱處理裝置20包含組構成用以感應加熱該第一側表面11的加熱線圈21以及設置在該加熱線圈21之下游處藉由噴灑冷卻液體在該工件10上以冷卻該工件10的冷卻部件22。該加熱處理裝置20具有進給機構，係組構成沿該縱向方向以給定之速度將該工件10向一側移動。

加熱線圈

如第1至4圖所示，該加熱線圈21具有複數個凸出導體23及基底導體24，其係在該工件10之該第二側表面的各別側邊設置成面向該第一側表面11(包含該個別凹部14)。該凸出導體23及該基底導體24係結合在一起以形成為單件結構。各該基底導體24具有一寬度，其對應於在正交於該工件10之縱向方向之第一方向上的該第一側表面11的寬度，且係設置成以有一位於兩者之間的空隙的方式面向該對應的第一側表面11。各該凸出導體23係具有一寬度，其窄於各該基底導體在第一方向上之寬度，且係設置成以有一位於兩者之間的空隙的方式面向該對應的凹部14。

各該基底導體24具有柱狀形狀或塊狀形狀，且面向該第一側表面11之該基底導體24的一側具有實質上平的表面。各該基底導體24面向該第一側表面11之表面具有能夠加熱整個該第一側表面11的寬度。各該凸出導體23具有橢圓形形狀，且面向該凹部14之該凸出導體23的一側係由該基底導體24凸出且具有對應該凹部14之形狀的彎曲表面。亦即，該凸出導體23係配置成在正交於該縱向方向及該第一方向兩者之第二方向上由基底導體24的位置凸出向該凹部14。該凸出導體23的凸出部份具有能夠進入該工件10之該凹部14的尺寸。

該基底導體24及該凸出導體23係配置成沿該工件10之縱軸延伸。較佳地，該凸出導體23在該縱向方向上長於該基底導體24。此外，較佳地，該基底導體24 係配置成至少部分、較佳為全部與該凸出導體23重疊。

該基底導體24之一端以及該對應之凸出導體23之一端在該縱向方向上係配置於相同的位置。該凸出導體23之一部分係配置成在該縱向方向上由該對應之基底導體24向一側凸出，亦即，向該基底導體24之上游處凸出。

磁通量集中構件25可設置於該凸出導體23未面向該工件10之一部分，且磁通量集中構件26可設置於該基底導體24未面向該工件10之一部分，以使磁通量更集中在該第一側表面11及該凹部14。

末端導體27係結合至各該凸出導體23之一端。連接至電源之引腳28係設置在各該末端導體27上。該基底導體24之末端係結合至C型耦合導體(C-shaped coupling conductor)29，藉此該基底導體24係彼此耦接。如第5圖所示，電流係由該引腳28之一者供給，並在一端以該末端導體27、該凸出導體23及該基底導體24之順序，以及經過該耦合導體29，在另一端以該基底導體24、該凸出導體23、該末端導體27及該引腳28之順序流經該加熱線圈21。

冷卻液體入口部31係設置於該耦合導體29上，且冷卻液體出口部32係設置於各該引腳28之接觸部28a上。各該導體23、24、27、29係由例如鋼管之空心構件所形成。該些導體23、24、27、29、該冷卻液體入口部31、及該冷卻液體出口部32係彼此互通，藉此形成冷卻液 體流動路徑。依據本實施例，該耦合導體29之中間部分係被阻隔，使得此冷卻液體流動路徑之分別的線路係設置在該第一側表面11之相對側邊上。

加熱處理方法

為了使用如第1圖所示之具有該加熱線圈21之該加熱處理裝置20對該工件10實施加熱處理，該工件10係沿該軸向方向以給定速率相對地向一側移動，以使該工件10經過供給高頻率電能之加熱線圈21以及供給冷卻液體之該冷卻部件22。

第6A圖中所例示之該工件10首先經過該凸出導體23，該凹部14及該第一側表面11接近該凹部14之部分係被感應加熱，如第6B圖所示。之後，該工件10經過該基底導體24，藉此整個該第一側表面11係被感應加熱，如第6C圖所示。

於此狀態下，於經過該加熱線圈21之該耦合導體29之後所緊鄰的位置，該冷卻部件22噴灑冷卻液體於該工件10上以快速冷卻該工件10，藉此各該第一側表面11之表面層係沿該第一側表面11之形狀被淬火，然後該加熱處理結束。在加熱處理之後，該工件10可由其未被淬火之該第二側表面12被切割，例如鑽設螺孔，如第6D圖所示。

依據上述之加熱線圈21，面向該第一側表面11之該基底導體24以及面向該凹部14之該凸出導體23係配置成沿工件10之縱向方向延伸，以使電流在該縱 向方向上流經該基底導體及該凸出導體。因此，該加熱線圈21沿著其面向該工件10的長度可以延伸，故可不增加電能而加熱該第一側表面11。

此外，因為該基底導體24以及該凸出導體23係配置成沿工件10之縱向方向延伸，該加熱線圈21之外形可被製作成以簡單的組構來符合該工件10之外形。因此，電流之流動距離可被製作得較短以抑制損失，且該線圈冷卻液體路徑可被製作得較為簡單且容易進行冷卻。

因此，可以小的電能來加速該工件10之該第一側表面11之加熱處理。

當該基底導體24係配置成與該凸出導體23重疊時，其益處為該加熱線圈21沿著其面向該工件10的長度可以被縮短，故該加熱線圈21可被製作得小型化。

藉由使該凸出導體23在該縱向方向上較該基底導體24長，當加熱該第一側表面11時，該凹部14及於該凹部14附近之該第一側表面11的部分係被該凸出導體23充分地加熱，且該基底導體24可以小量的熱加熱整個該第一側表面11。因此，該第一側表面11可被有效地加熱，同時避免其可能由熱傳導所引起之該第二側表面12之過度加熱。

即，快速的熱傳導發生於該角落部分13，使得該第二側表面12可能被來自該第一側表面11的熱廣泛地加熱。有鑑於此，該基底導體24以小量的熱加熱整個該第一側表面11，藉以最小化該第二側表面12之加熱。

該加熱線圈21加熱其由該凸出導體23相對地移動向該基底導體24的該工件10。即，該凸出導體23首先加熱該凹部14及鄰近該凹部14之部分，且該基底導體24接著加熱該整個第一側表面11。因此，當該加熱結束時的時間，其可能最小化該第二側表面12被過度加熱的風險。

當該凸出導體23及該基底導體24係形成為單件結構時，該加熱線圈之黏附及放置可被輕易地實施。此外，該電流流動距離及該冷卻液體流動路徑可被製作得短且簡單，藉此該工件10之加熱處理可被進一步加速。

當該加熱線圈21具有複數個該凸出導體23及該基底導體24之組合且該複數個組合係以各該組合之該凸出導體或該基底導體彼此耦接時，該複數個該工件10之第一側表面11及該第一側表面11之凹部14的加熱處理可以較小的電能來加速。特別是，藉由在當該加熱結束時的時間抑制該第二側表面12之過度加熱，係避免了該第二側表面12及該第一側表面11之間的組成之改變，藉此確保了該第二側表面12的可加工性(processability)。

根據使用該加熱線圈21之該加熱處理裝置20及該加熱處理方法，係可能以較小的電能加速該工件10之該第一側表面11的加熱處理。該凸出導體23於該基地導體24之上游處的位置加熱該凹部14，且在一旦加熱整個側表面11之後，該工件10係被淬火。因此，該第一側表面11可被加熱處理，同時抑制該第二側表面12被加熱 處理。

雖然本發明係參照其上之特定實施例予以說明，但可在本發明之範圍內對其進行各種修飾及變更。

舉例而言，在上述之實施例中，該基底導體24之至少一部分係配置成與該凸出導體23重疊。然而，該基底導體24及該凸出導體23可被配置在該工件10之該縱向方向上的不同位置。亦在此情況下，該凸出導體23係較佳地配置在該基底導體24之上游處，使得在該凹部14被該凸出導體23加熱之後，該整個第一側表面11係被該基底導體24加熱，且避免該凹部14之溫度在到達該冷卻部件22之前過度下降。

範例

第一範例

以與第一參考範例中之相同方法實施感應加熱及冷卻，除了使用第1圖所示之該加熱線圈21且以10 kHz之頻率供應電能。因此，該第一側表面11及該凹部14係以適當之方法淬火。從入口端到出口端用於該加熱線圈21之冷卻液體之溫度的增加係為8℃。

第二範例

以與第二參考範例中之相同方法實施感應加熱及冷卻，除了使用第1圖所示之該加熱線圈21且該工件10之進給速率係增加30%。因此，該第一側表面11及該凹部14係以適當之方法淬火。從入口端到出口端用於該加熱線圈21之冷卻液體之溫度的增加係為12.5℃。

第一參考範例

準備具有在一對第一側表面11上設置有凹部14之實質上矩形之截面的工件10，準備具有角度之加熱線圈並設置在如第7圖所示之加熱區域，且藉由以25 kHz之頻率供給電能至該加熱線圈來實施感應加熱及冷卻。因此，該第一側表面11及該凹部14係以適當之方法淬火。從入口端到出口端用於該加熱線圈21之冷卻液體之溫度的增加係為21℃。

第二參考範例

以與第一參考範例中之相同方法實施感應加熱及冷卻，除了電能係高了20%且以10 kHz之頻率供應。該第一側表面11及該凹部14並未以適當之方法淬火，且未提供足夠之硬度。

該些範例之結果顯示該第一及第二範例之加熱線圈21能夠以較小的電能適當地執行淬火，同時加速加熱處理。至於第7圖所示之加熱線圈，藉由確保該加熱線圈面向該工件10的面積足夠而同時抑制電交互作用(electrical interaction)，相較於習知技術係提高了加熱處理速度。然而，當相較於該第一及第二範例之加熱線圈21，使用第7圖中之該加熱處理線圈之加熱處理速度較慢。此外，第7圖中之該加熱處理線圈造成冷卻液體之溫度的大量上升以及相較於該些範例中的加熱線圈21所引起者有較大的損失。因此，可見使用第7圖中之該加熱處理線圈之加熱處理效率係低於使用該些範例中的加熱線圈21。

產業利用性

本發明之一個或多個實施例提供一種加熱線圈、加熱處理裝置及加熱處理方法，其能夠以低的功率消耗加速長工件之側表面上之加熱處理。

10‧‧‧工件

11‧‧‧第一側表面

12‧‧‧第二側表面

13‧‧‧角落部分

14‧‧‧凹部

20‧‧‧加熱處理裝置

21‧‧‧加熱線圈

22‧‧‧冷卻部件

23‧‧‧凸出導體

24‧‧‧基底導體

25‧‧‧磁通量集中構件

26‧‧‧磁通量集中構件

29‧‧‧耦合導體

31‧‧‧冷卻液體入口部

Claims (11)

1. 一種加熱線圈，係組構成感應加熱長工件，該工件具有沿角落部分彼此鄰接之第一側表面及第二側表面，其中，該第一側表面具有位於離開該角落部分之位置的凹部，且該第一側表面、該第二側表面及該凹部係於該工件之縱向方向上連續地延伸，該加熱線圈包括：基底導體，係組構成面向該第一側表面；以及凸出導體，係組構成面向該凹部，其中，該凸出導體之寬度係窄於該基底導體之寬度，該凸出導體係配置成由該基底導體之一位置向該凹部凸出，及該基底導體及該凸出導體係配置成朝該縱向方向延伸。
2. 如申請專利範圍第1項所述之加熱線圈，其中，該基底導體係配置成與該凸出導體重疊。
3. 如申請專利範圍第1項所述之加熱線圈，其中，該凸出導體在該縱向方向上係較該基底導體長。
4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之加熱線圈，其中，該凸出導體之至少一部份係配置成從該基底導體朝該縱向方向凸出。
5. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之加熱線圈，其中，該基底導體及該凸出導體係形成為單件結構。
6. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之加熱線圈，其中，複數個該基底導體及該凸出導體之組合係設置成對應設置在該第二側表面之各側的該第一側表面，且該複數個組合係在各該組合之該凸出導體或該基底導體彼此耦接。
7. 如申請專利範圍第1或2項所述之加熱線圈，其中，該凸出導體在該縱向方向上係較該基底導體長，該凸出導體之至少一部份係配置成從該基底導體朝該縱向方向凸出，且該基底導體及該凸出導體係形成為單件結構。
8. 一種加熱處理裝置，包括：加熱線圈，係組構成感應加熱長工件，該工件具有沿角落部分彼此鄰接之第一側表面及第二側表面，其中，該第一側表面具有位於離開該角落部分之位置的凹部，且該第一側表面、該第二側表面及該凹部係朝該工件之縱向方向連續地延伸；以及冷卻部件，係組構成冷卻該工件，其中，該加熱線圈包括：基底導體，係組構成面向該第一側表面；以及凸出導體，係組構成面向該凹部，其中，該凸出導體之寬度係窄於該基底導體之寬度，該凸出導體係配置成由該基底導體之位置向 該凹部凸出，該基底導體與該凸出導體係配置成朝該縱向方向延伸，該加熱線圈係配置成感應加熱該工件，該工件係在該縱向方向上相對移動，該冷卻部件係在該縱向方向上配置於該加熱線圈的下游處，且該凸出導體之至少一部份係在該縱向方向上設置於該基底導體的上游處。
9. 如申請專利範圍第8項所述之加熱處理裝置，其中，該凸出導體在該縱向方向上係較該基底導體長，該凸出導體之所述至少一部份係配置成從該基底導體朝該縱向方向凸出，且該基底導體及該凸出導體係形成為單件結構。
10. 一種加熱處理方法，包括：設置具有沿角落部分彼此鄰接之第一側表面及第二側表面的長工件，其中，該第一側表面具有位於離開該角落部分之位置的凹部，且該第一側表面、該第二側表面及該凹部係朝該工件之縱向方向連續地延伸；藉由在該縱向方向上相對於加熱線圈來移動該工件，以感應加熱該工件；以及在該縱向方向上位於該加熱線圈的下游處之位置冷卻該工件， 其中，該加熱線圈包括：基底導體，係組構成面向該第一側表面；以及凸出導體，係組構成面向該凹部，其中，該凸出導體之寬度係窄於該基底導體之寬度，該凸出導體係配置成由該基底導體之位置向該凹部凸出，該基底導體及該凸出導體係配置成朝該縱向方向延伸，及該凸出導體係在該縱向方向上位於該基底導體的上游處的位置感應加熱該工件。
11. 如申請專利範圍第10項所述之加熱處理方法，其中，該凸出導體在該縱向方向上係較該基底導體長，該凸出導體之至少一部份係配置成從該基底導體朝該縱向方向凸出，且該基底導體及該凸出導體係形成為單件結構。