WO2021006062A1 - 移動焼入れ装置及び移動焼入れ方法 - Google Patents

Abstract

この移動焼入れ装置は、１次コイルと、２次コイルと、一軸アクチュエータと、多軸アクチュエータと、制御装置と、を備える。前記制御装置は、少なくとも小径部の両端間に含まれる軸線方向の特定区間において、複数の２次コイルが小径部の軸線周りに１次コイルに対して軸線方向の一方側の位置に円環状に形成され、且つ複数の２次コイルが１次コイルとの間の軸線方向における空隙を一定に維持した状態で、複数の２次コイル及び１次コイルが軸線方向の一方側に向けて移動するように、一軸アクチュエータ及び多軸アクチュエータを制御する。

Description

移動焼入れ装置及び移動焼入れ方法

　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７月９日に、日本国に出願された特願２０１９－１２７４９５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、本体部に設けられて本体部よりも外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の各位置で均一になる。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（特に小径部）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２次コイルを軸状体の加熱に利用でき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２次コイルを軸状体の加熱に利用でき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、前記小径部の外径よりも大きい内径を有し且つ円弧形状を有する複数の２次コイルと、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２次コイルの中心軸がそれぞれ前記軸線方向に平行となるように前記２次コイルをそれぞれ個別に支持した状態で、前記軸線方向及び前記軸状体の径方向を含む直交座標系における前記２次コイルの位置決めをそれぞれ個別に可能とするように構成された多軸アクチュエータと、前記一軸アクチュエータ及び前記多軸アクチュエータを制御する制御装置と、を備える。
　この移動焼入れ装置において、前記制御装置は、少なくとも前記小径部の両端間に含まれる前記軸線方向の特定区間において、前記複数の２次コイルが前記小径部の軸線周りに前記１次コイルに対して前記軸線方向の一方側の位置に円環状に形成され、且つ前記複数の２次コイルが前記１次コイルとの間の前記軸線方向における空隙を一定に維持した状態で、前記複数の２次コイル及び前記１次コイルが前記軸線方向の前記一方側に向けて移動するように、前記一軸アクチュエータ及び前記多軸アクチュエータを制御する。

（２）上記（１）に記載の移動焼入れ装置において、前記制御装置は、前記複数の２次コイルが前記特定区間の前記一方側の端に到達したとき、円環状に形成された前記複数の２次コイルのそれぞれが前記本体部の径方向外側に退避するように前記多軸アクチュエータを制御した後、前記軸線方向における前記複数の２次コイルと前記１次コイルとの間の空隙が一定に維持された状態で、前記複数の２次コイル及び前記１次コイルが前記特定区間から前記軸線方向の前記一方側へ離れた位置に設定された移動停止位置まで移動するように、前記一軸アクチュエータ及び前記多軸アクチュエータを制御してもよい。

（３）上記（１）または（２）に記載の移動焼入れ装置において、前記制御装置は、初期設定処理として、前記１次コイルが前記特定区間から前記軸線方向の他方側へ離れた位置に設定された移動開始位置で待機するように前記一軸アクチュエータを制御すると共に、前記特定区間で円環状に形成され且つ前記特定区間の前記他方側の端で前記複数の２次コイルが待機するように前記多軸アクチュエータを制御した後、前記１次コイルが前記移動開始位置から前記特定区間へ向けて移動するように前記一軸アクチュエータを制御してもよい。

（４）上記（１）～（３）のいずれか一つ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、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、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前記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次コイル及び前記冷却環の移動中に、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るように、前記一軸アクチュエータ、前記冷却液供給装置及び前記電流供給装置を同期制御してもよい。

（５）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次コイルと、前記小径部の外径よりも大きい内径を有し且つ円弧形状を有する複数の２次コイルとを準備する第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の一方側に向けて移動させる第２工程と、を有する。
　前記第２工程では、少なくとも前記小径部の両端間に含まれる前記軸線方向の特定区間において、前記複数の２次コイルを前記小径部の軸線周りに前記１次コイルに対して前記軸線方向の前記一方側の位置に円環状に形成し、且つ前記複数の２次コイルが前記１次コイルとの間の前記軸線方向における空隙を一定に維持した状態で、前記複数の２次コイル及び前記１次コイルを前記軸線方向の前記一方側に向けて移動させる。

（６）上記（５）に記載の移動焼入れ方法の前記第２工程では、前記複数の２次コイルが前記特定区間の前記一方側の端に到達したとき、円環状に形成された前記複数の２次コイルのそれぞれを前記本体部の径方向外側に退避させた後、前記軸線方向における前記複数の２次コイルと前記１次コイルとの間の空隙を一定に維持した状態で、前記複数の２次コイル及び前記１次コイルを前記特定区間から前記軸線方向の前記一方側へ離れた位置に設定された移動停止位置まで移動させてもよい。

（７）上記（５）または（６）に記載の移動焼入れ方法の前記第２工程では、初期設定処理として、前記１次コイルを前記特定区間から前記軸線方向の他方側へ離れた位置に設定された移動開始位置で待機させると共に、前記特定区間で円環状に形成し且つ前記特定区間の前記他方側の端で前記複数の２次コイルを待機させた後、前記１次コイルを前記移動開始位置から前記特定区間へ向けて移動させてもよい。

（８）上記（５）～（７）のいずれか一つに記載の移動焼入れ方法の前記第１工程では、前記１次コイル及び前記２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前記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、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、を有する軸状体の加熱に際して、２次コイルを軸状体の加熱に利用でき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が可能となる。

本発明の一実施形態において２次コイルとして用いられる一対の円弧形状を有する２次コイルを模式的に示す斜視図である。 同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。 図２中のＩＶ－ＩＶ線矢視断面図である。 同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。 同実施形態に係る移動焼入れ方法に関する第２説明図である。 同実施形態に係る移動焼入れ方法に関する第３説明図である。 同実施形態に係る移動焼入れ方法に関する第４説明図である。 同実施形態に係る移動焼入れ方法に関する第５説明図である。 同実施形態に係る移動焼入れ方法に関する第６説明図である。 ２次コイルを使用せずに、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。 円弧型２次コイルと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。

　本願発明者は、加熱効率が良い２次コイルを使用する方法をベースに、様々な外径や段差を有する軸状体を移動焼入れする方法を鋭意検討した。
　２次コイルの利点は、その周方向に欠損部が存在することにより、２次コイルに生じた渦電流が周方向に閉じずに２次コイルの外周面から内周面に回り込み、その内周面に回り込んだ渦電流によって軸状体の表面を誘導加熱できることにある。その一方で、従来のように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ない。

　そこで、本願発明者らは、図１に示すように、軸状体の小径部の外径よりも大きい内径Ｒ１０を有し且つ円弧形状を有する２次コイル１００を複数準備しておき、軸状体の小径部を誘導加熱する際にこれらの２次コイル１００を小径部の軸線周りに配置する方法を発案した。この方法によれば、複数の２次コイル１００を一体のリングコイルとして見たとき、その周方向に複数の欠損部１１０が形成されるので、各２次コイル１００の内周面に回り込んだ渦電流によって軸状体の表面を誘導加熱できるという機能を保持したまま、移動焼入れ中に、１次コイルと軸状体（小径部）との間の空隙に２次コイル１００を自由に配置したり取り出したりすることが可能となる。

　図１では、一例として、２個（一対）の２次コイル１００を用いた場合を図示しているため、欠損部１１０も２個形成されている。しかしながら、２次コイル１００の数は２個に限らず、３個でも４個でも必要な数だけ用意しても勿論よい。なお、図１において、符号Ｃ１０は各２次コイル１００の中心軸を指し示している。

　上記のように、円弧形状を有する２次コイル１００を利用することにより、１次コイルと軸状体（小径部）との間の空隙に２次コイル１００を自由に配置したり取り出したりすることは理論上可能となるが、それを実現するには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り、その開発コスト及びランニングコストは莫大なものとなる。

　そこで、本願発明者は、比較的簡易な構成で２次コイルを軸状体の加熱に利用できる移動焼入れ装置を鋭意検討した。その結果、１次コイルに対して進行方向側の近接位置に円弧型２次コイルを配置し、軸状体の軸線方向における１次コイルと円弧型２次コイルとの間の空隙を一定に維持した状態で両コイルを進行方向側に向けて移動させる方法を採用することにより、比較的簡易な構成で２次コイルを軸状体の加熱に利用できる移動焼入れ装置を実現できることを見出した。

　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及び図３を参照しながら、本発明の一実施形態に係る移動焼入れ装置１について説明する。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。図３は、図２中のＩＶ－ＩＶ線矢視断面図である。図２及び図３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。

　まず、軸状体５１について説明する。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の外径それぞれよりも小さい。
　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、一対（２つ）の２次コイル１６Ａ，１６Ｂと、多軸アクチュエータ（１９Ａ、１９Ｂ、２３Ａ、２３Ｂ）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。上方センター７及び下方センター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、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１１の内径は、第１本体部５２Ａ及び第２本体部５２Ｂの外径よりも大きい。１次コイル１１の半径方向内側には、軸状体５１が挿入される。１次コイル１１の各端部は、カーレントトランス１２に電気的及び機械的に連結されている。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。

　図３に示すように、２次コイル１６Ａ，１６Ｂは、軸線Ｃ方向に見た平面視で、円弧形状を有する。２次コイル１６Ａ，１６Ｂは、軸状体５１の周方向（以下、単に周方向と言う）に互いに離間して並べて配置されている。この周方向は、１次コイル１１の周方向等に一致する。本実施形態では、図２に示すように、２次コイル１６Ａ，１６Ｂの軸線Ｃ方向の長さは、軸状体５１の小径部５３の軸線Ｃ方向の長さよりもかなり短いとする。
　なお、本実施形態では、２個（一対）の２次コイル１６Ａ，１６Ｂを用いた場合を例示したが、円弧型２次コイルの数は２個に限らず、３個でも４個でも必要な数だけ用意しても勿論よい。

　図３に示すように、２次コイル１６Ａ，１６Ｂの軸線Ｃに対向する各外面に接する内接円の径Ｒ１（つまり２次コイル１６Ａ，１６Ｂの内径Ｒ１）は、軸状体５１の小径部５３の外径よりも大きい。２次コイル１６Ａ，１６Ｂの内径Ｒ１は、第１本体部５２Ａ及び第２本体部５２Ｂの外径よりも小さいことが望ましい。図３において、２次コイル１６Ａ，１６Ｂの軸線Ｃとは反対側の各外面に接する外接円の径Ｒ２（つまり２次コイル１６Ａ，１６Ｂの外径Ｒ２）は、１次コイル１１の内径よりも小さいように図示されているが、２次コイル１６Ａ，１６Ｂの外径Ｒ２はこれに限定されず、１次コイル１１の内径よりも大きくてもよい。

　図２及び図３に示すように、２次コイル１６Ａ，１６Ｂには、第１支持部１９Ａ，１９Ｂが固定されている。
　第１支持部１９Ａは、２次コイル１６Ａから軸線Ｃ方向の一方側Ｄ１に向かって延びる第１支持片２０Ａと、第１支持片２０Ａから軸状体５１の径方向外側に向かって延びる第１連結片２１Ａと、を備えている。第１支持片２０Ａは、２次コイル１６Ａの周方向における中央部に配置されている。第１支持片２０Ａを、２次コイル１６Ａの径方向外側の端部であって、第１本体部５２Ａ及び第２本体部５２Ｂよりも径方向外側となる位置に取付けて、第１支持片２０Ａと第１本体部５２Ａ及び第２本体部５２Ｂとの干渉を避けることが望ましい。第１連結片２１Ａは、第１支持片２０Ａにおける２次コイル１６Ａが固定された端部とは反対の端部から径方向外側に向かって延びている。

　第１支持部１９Ａと同様に、第１支持部１９Ｂは、第１支持片２０Ｂと、第１連結片２１Ｂと、を備えている。第１連結片２１Ａ，２１Ｂは、同一直線上に配置されている。第１支持部１９Ａ，１９Ｂは、例えば電気的な絶縁性を有する棒状部材を折り曲げて形成されている。

　図２及び図３に示すように、第１連結片２１Ａ，２１Ｂには、第１移動部２３Ａ，２３Ｂがそれぞれ接続されている。第１移動部２３Ａ，２３Ｂは、例えば、図示しない３軸ステージ及び駆動モータを備えていて、第１支持部１９Ａ，１９Ｂを介して２次コイル１６Ａ，１６Ｂを、上下方向（軸線Ｃ方向）及び水平面（軸線Ｃに直交する平面）に沿う方向に移動させることができる。

　上記の第１支持部１９Ａ，１９Ｂと、第１移動部２３Ａ，２３Ｂは、本発明の多軸アクチュエータ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多軸アクチュエータは、２次コイル１６Ａ，１６Ｂの中心軸がそれぞれ軸線Ｃ方向に平行となるように２次コイル１６Ａ，１６Ｂをそれぞれ個別に支持した状態で、軸線Ｃ方向及び軸状体５１の径方向を含む直交座標系における２次コイル１６Ａ，１６Ｂの位置決めをそれぞれ個別に可能とするように構成されている。

　図２に示すように、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。

　図２に示すように、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、第１移動部２３Ａ，２３Ｂ（多軸アクチュエータの機械要素）、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４～図９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を準備し、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、１次コイル１１と２次コイル１６Ａ，１６Ｂをそれぞれ予め設定されている初期位置に移動させて待機させるための処理を行う。
　具体的には、図４に示すように、制御装置４６は、初期設定処理として、小径部５３の両端間に含まれる軸線Ｃ方向の特定区間Ｗにおいて、２つの２次コイル１６Ａ，１６Ｂが小径部５３の軸線周りに円環状に（図１及び図３参照）形成され、且つその複数の２次コイル１６Ａ，１６Ｂが特定区間Ｗの下方側の端に設定された初期位置で待機するように多軸アクチュエータの第１移動部２３Ａ，２３Ｂを制御する。

　上述したように、第１支持部１９Ａ，１９Ｂと、第１移動部２３Ａ，２３Ｂを備える多軸アクチュエータは、２次コイル１６Ａ，１６Ｂの中心軸がそれぞれ軸線Ｃ方向に平行となるように２次コイル１６Ａ，１６Ｂをそれぞれ個別に支持した状態で、軸線Ｃ方向及び軸状体５１の径方向を含む直交座標系における２次コイル１６Ａ，１６Ｂの位置決めをそれぞれ個別に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多軸アクチュエータを制御することにより、上記のように複数の２次コイル１６Ａ，１６Ｂを円環状に容易に形成することができ、その複数の２次コイル１６Ａ，１６Ｂを初期位置に移動させて待機させることができる。

　また、図４に示すように、制御装置４６は、初期設定処理として、１次コイル１１が特定区間Ｗから軸線方向Ｃの他方側Ｄ２へ離れた位置に設定された移動開始位置で待機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１次コイル１１の移動開始位置は、図４に示すように、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し、または、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）によって第２本体部５２Ｂ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多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５に示すように、１次コイル１１が移動開始位置から特定区間Ｗに向けて移動（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が進行方向側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を同期制御することにより、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を進行方向側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。

　続いて、１次コイル１１が特定区間Ｗの近接位置（つまり複数の２次コイル１６Ａ，１６Ｂの近接位置）に到達した後、図６に示すように、制御装置４６は、１次コイル１１に対して複数の２次コイル１６Ａ，１６Ｂが進行方向側の位置に形成され且つ軸線Ｃ方向における複数の２次コイル１６Ａ，１６Ｂと１次コイル１１との間の空隙ｇが一定に維持された状態で、複数の２次コイル１６Ａ，１６Ｂ及び１次コイル１１が軸線Ｃ方向の一方側Ｄ１（進行方向側）に向けて移動（上昇）するように、多軸アクチュエータの第１移動部２３Ａ，２３Ｂと、一軸アクチュエータのモータ４０を同期制御する。
　なお、制御装置４６は、引き続き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及びポンプ３７を一軸アクチュエータ及び多軸アクチュエータと共に同期制御する。

　このように各装置を同期制御することにより、進行方向側からみて複数の２次コイル１６Ａ，１６Ｂ、１次コイル１１及び冷却環３６をこの順序で軸状体５１に対して配置し且つ複数の２次コイル１６Ａ，１６Ｂと１次コイル１１との間の空隙ｇを一定に維持した状態で、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（小径部５３）が複数の２次コイル１６Ａ，１６Ｂ、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、複数の２次コイル１６Ａ，１６Ｂ、１次コイル１１及び冷却環３６を進行方向側に向けて上昇させることができる。

　上記のように、複数の２次コイル１６Ａ，１６Ｂと１次コイル１１との間の空隙ｇが一定に維持された状態で、両コイルが特定区間Ｗ内を進行方向側に向けて移動する際、小径部５３は１次コイル１１によって直接誘導加熱されると共に、複数の２次コイル１６Ａ，１６Ｂによっても誘導加熱される。具体的には、図３に示すように、１次コイル１１の方向Ｅ１に電流が流れると、電磁誘導により２次コイル１６Ａ，１６Ｂの外表面に方向Ｅ２，Ｅ３の渦電流が流れ、さらに小径部５３の外表面に方向Ｅ４の渦電流が流れる。その結果、小径部５３は、１次コイル１１及び複数の２次コイル１６Ａ，１６Ｂによって軸線Ｃ方向に沿って連続的に誘導加熱される。
　複数の２次コイル１６Ａ，１６Ｂと１次コイル１１との間の空隙ｇの大きさ（長さ）は、１次コイル１１による電磁誘導によって複数の２次コイル１６Ａ，１６Ｂに渦電流を効果的に生じさせるために、可能な限り小さくすることが好ましい。言い換えれば、複数の２次コイル１６Ａ，１６Ｂと１次コイル１１とを可能な限り近接させることが好ましい。

　続いて、制御装置４６は、図７に示すように、複数の２次コイル１６Ａ，１６Ｂが特定区間Ｗの上方側の端に到達したとき、円環状に形成された２次コイル１６Ａ，１６Ｂのそれぞれが本体部５２の径方向外側に退避するように多軸アクチュエータの第１移動部２３Ａ，２３Ｂを制御する。
　このように、複数の２次コイル１６Ａ，１６Ｂが特定区間Ｗの上方側の端に到達したとき、円環状に形成された２次コイル１６Ａ，１６Ｂのそれぞれを本体部５２の径方向外側に退避させることにより、特定区間Ｗよりも軸線Ｃ方向の一方側Ｄ１（上方側）に２次コイル１６Ａ，１６Ｂを上昇させる際に２次コイル１６Ａ，１６Ｂが本体部５２（第１本体部５２Ａ）に衝突することを防止できる。

　制御装置４６は、２次コイル１６Ａ，１６Ｂのそれぞれを本体部５２の径方向外側に退避させた後、図８に示すように、２次コイル１６Ａ，１６Ｂと１次コイル１１との間の空隙ｇが一定に維持された状態で、再び、２次コイル１６Ａ，１６Ｂ及び１次コイル１１が進行方向側へ向けて上昇するように多軸アクチュエータの第１移動部２３Ａ，２３Ｂと、一軸アクチュエータのモータ４０を同期制御する。

　そして、制御装置４６は、図９に示すように、最終的に、２次コイル１６Ａ，１６Ｂ及び１次コイル１１が特定区間Ｗ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移動するように、多軸アクチュエータの第１移動部２３Ａ，２３Ｂと、一軸アクチュエータのモータ４０を同期制御する。
　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が特定区間Ｗから移動停止位置に移動するまで、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及び多軸アクチュエータと共に同期制御する。

　このように各装置を同期制御することにより、２次コイル１６Ａ，１６Ｂと１次コイル１１との間の空隙ｇを一定に維持した状態で、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１本体部５２Ａ）が２次コイル１６Ａ，１６Ｂ、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、２次コイル１６Ａ，１６Ｂ、１次コイル１１及び冷却環３６を特定区間Ｗから移動停止位置まで上昇させることができる。

　移動停止位置は、図９に示すように、第１本体部５２Ａの上端部からさらに軸線Ｃ方向の一方側Ｄ１へ離れた位置に設定されている。言い換えれば、１次コイル１１及び冷却環３６の移動（上昇）によって第１本体部５２Ａの全体を誘導加熱及び冷却できる位置に移動停止位置が設定されている必要がある。

　図９に示すように、２次コイル１６Ａ，１６Ｂ、１次コイル１１が移動停止位置まで上昇する過程において、小径部５３及び第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、小径部５３及び第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。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、小径部５３及び第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の噴射によって小径部５３及び第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、小径部５３及び第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。
　以上のようなプロセスにより、２次コイル１６Ａ，１６Ｂ、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、１次コイル１１と軸状体５１（小径部５３）との間の空隙に２次コイル１６Ａ，１６Ｂを配置したり取り出したりする構成を採用せずに、１次コイル１１に対して進行方向側の近接位置に２次コイル１６Ａ，１６Ｂを配置し、軸線Ｃ方向における１次コイル１１と２次コイル１６Ａ，１６Ｂ（円環状に形成されたコイル）との間の空隙ｇを一定に維持した状態で両コイルを進行方向側に向けて移動させる方法を採用することにより、比較的簡易な構成で２次コイル１６Ａ，１６Ｂを軸状体５１の加熱に利用できる移動焼入れ装置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を提供することが可能である。

　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１０は、２次コイル１６Ａ，１６Ｂを使用せずに、１次コイル１１のみを使って軸状体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１０では、軸状体５１の縦断面図の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１０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に、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１１は、円弧形状を有する２次コイル１６Ａ，１６Ｂと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１１では、軸状体５１の縦断面図の右半分の解析結果のみを図示している。そのため、２次コイル１６Ａ，１６Ｂのうち、２次コイル１６Ａのみが図示されている。
　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。このとき、上記実施形態で説明した移動焼入れ方法に従って２次コイル１６Ａの位置も制御した。図１１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に、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１０に示されるように、２次コイル１６Ａ，１６Ｂを使用せずに、１次コイル１１のみを使って軸状体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℃以上で加熱され、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１１に示されるように、２次コイル１６Ａ，１６Ｂと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４．２ｍｍの深さの領域まで８００℃以上で加熱され、表面温度分布の最高値が図１０の比較例と同等の１２３２℃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。

　本発明によれば、比較的簡易な構成で、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、を有する軸状体の加熱に際して、２次コイルを軸状体の加熱に利用でき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が可能となる。したがって、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
　１６Ａ，１６Ｂ　２次コイル
　１２　カーレントトランス（電流供給装置）
　１９Ａ，１９Ｂ　第１支持部（多軸アクチュエータの機械要素）
　２３Ａ，２３Ｂ　第１移動部（多軸アクチュエータの機械要素）
　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 (8)

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、
   　前記小径部の外径よりも大きい内径を有し且つ円弧形状を有する複数の２次コイルと、
   　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２次コイルの中心軸がそれぞれ前記軸線方向に平行となるように前記２次コイルをそれぞれ個別に支持した状態で、前記軸線方向及び前記軸状体の径方向を含む直交座標系における前記２次コイルの位置決めをそれぞれ個別に可能とするように構成された多軸アクチュエータと、
   　前記一軸アクチュエータ及び前記多軸アクチュエータを制御する制御装置と、
   　を備え、
   　前記制御装置は、少なくとも前記小径部の両端間に含まれる前記軸線方向の特定区間において、前記複数の２次コイルが前記小径部の軸線周りに前記１次コイルに対して前記軸線方向の一方側の位置に円環状に形成され、且つ前記複数の２次コイルが前記１次コイルとの間の前記軸線方向における空隙を一定に維持した状態で、前記複数の２次コイル及び前記１次コイルが前記軸線方向の前記一方側に向けて移動するように、前記一軸アクチュエータ及び前記多軸アクチュエータを制御する
   ことを特徴とする移動焼入れ装置。
2. 　前記制御装置は、
   　前記複数の２次コイルが前記特定区間の前記一方側の端に到達したとき、円環状に形成された前記複数の２次コイルのそれぞれが前記本体部の径方向外側に退避するように前記多軸アクチュエータを制御した後、
   　前記軸線方向における前記複数の２次コイルと前記１次コイルとの間の空隙が一定に維持された状態で、前記複数の２次コイル及び前記１次コイルが前記特定区間から前記軸線方向の前記一方側へ離れた位置に設定された移動停止位置まで移動するように、前記一軸アクチュエータ及び前記多軸アクチュエータを制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載の移動焼入れ装置。
3. 　前記制御装置は、
   　初期設定処理として、前記１次コイルが前記特定区間から前記軸線方向の他方側へ離れた位置に設定された移動開始位置で待機するように前記一軸アクチュエータを制御すると共に、前記特定区間で円環状に形成され且つ前記特定区間の前記他方側の端で前記複数の２次コイルが待機するように前記多軸アクチュエータを制御した後、
   　前記１次コイルが前記移動開始位置から前記特定区間へ向けて移動するように前記一軸アクチュエータを制御する
   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. 　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、
   　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、
   　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前記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次コイル及び前記冷却環の移動中に、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るように、前記一軸アクチュエータ、前記冷却液供給装置及び前記電流供給装置を同期制御する
   ことを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の移動焼入れ装置。
5. 　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次コイルと、前記小径部の外径よりも大きい内径を有し且つ円弧形状を有する複数の２次コイルとを準備する第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の一方側に向けて移動させる第２工程と、
   　を有し、
   　前記第２工程では、少なくとも前記小径部の両端間に含まれる前記軸線方向の特定区間において、前記複数の２次コイルを前記小径部の軸線周りに前記１次コイルに対して前記軸線方向の前記一方側の位置に円環状に形成し、且つ前記複数の２次コイルが前記１次コイルとの間の前記軸線方向における空隙を一定に維持した状態で、前記複数の２次コイル及び前記１次コイルを前記軸線方向の前記一方側に向けて移動させる
   ことを特徴とする移動焼入れ方法。
6. 　前記第２工程では、
   　前記複数の２次コイルが前記特定区間の前記一方側の端に到達したとき、円環状に形成された前記複数の２次コイルのそれぞれを前記本体部の径方向外側に退避させた後、
   　前記軸線方向における前記複数の２次コイルと前記１次コイルとの間の空隙を一定に維持した状態で、前記複数の２次コイル及び前記１次コイルを前記特定区間から前記軸線方向の前記一方側へ離れた位置に設定された移動停止位置まで移動させる
   ことを特徴とする請求項５に記載の移動焼入れ方法。
7. 　前記第２工程では、
   　初期設定処理として、前記１次コイルを前記特定区間から前記軸線方向の他方側へ離れた位置に設定された移動開始位置で待機させると共に、前記特定区間で円環状に形成し且つ前記特定区間の前記他方側の端で前記複数の２次コイルを待機させた後、
   　前記１次コイルを前記移動開始位置から前記特定区間へ向けて移動させる
   ことを特徴とする請求項５または６に記載の移動焼入れ方法。
8. 　前記第１工程では、前記１次コイル及び前記２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前記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５～７のいずれか一項に記載の移動焼入れ方法。

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