CN114150118A - 热处理装置及热处理方法 - Google Patents

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CN114150118A CN202110679223.5A CN202110679223A CN114150118A CN 114150118 A CN114150118 A CN 114150118A CN 202110679223 A CN202110679223 A CN 202110679223A CN 114150118 A CN114150118 A CN 114150118A
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Abstract

本发明的热处理装置对工件的周面进行加热。热处理装置具有第一线圈部及第二线圈部、第一引线部、第二引线部。第一线圈部及第二线圈部弯曲为环状，并在轴向上相互隔开地配置。第一引线部与第一线圈部的前端连接，并向第一线圈部供给电流。第二引线部与第二线圈部的前端连接，并向第二线圈部供给电流。第一引线部被配置在相对于第二引线部而在第一线圈部的周向上以预定的角度进行了旋转的位置。

Description

热处理装置及热处理方法
技术领域
本发明涉及一种热处理装置及热处理方法，特别地涉及一种使用了基于线圈的感应加热的热处理装置及热处理方法。
背景技术
已知一种使用环状的线圈对长条状的工件的周面进行感应加热的方法。例如。在日本特开平5-148531中，公开了通过使工件与线圈在工件的轴向上相对移动而对工件的周面进行感应加热的技术。
发明内容
在使用这种线圈对工件进行感应加热的情况下，在从线圈引出的相互相向的一对引线中，流动相互反向的电流。由此，引线周边的磁场被抵消，环内的磁通密度降低。在此，在将多个环状的线圈在轴向上隔开使用的情况下，存在磁通密度的降低更显著，难以均匀地加热工件的周面的问题。另外，不限于长条状的工件的周面，对具有其他形状的工件的周面进行感应加热的情况也相同。
本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于，提供一种能够更均匀地加热工件的周面的热处理装置和热处理方法。
本发明的一个方式的热处理装置对工件的周面进行加热。所述热处理装置具有：第一线圈部及第二线圈部，其弯曲为环状，并在轴向上相互隔开地配置；第一引线部，其与所述第一线圈部的前端连接，并向所述第一线圈部供给电流；第二引线部，其与所述第二线圈部的前端连接，并向所述第二线圈部供给电流，所述第一引线部被配置在相对于所述第二引线部而在所述第一线圈部的周向上以预定的角度进行了旋转的位置。
由此，能够抑制线圈部的环内的磁通密度的降低，能够均匀地加热工件的周面。
所述角度优选为90°以上180°以下，更优选为120°以上180°以下。
由此，能够更有效地分散抵除引线部周边的磁场的作用，能够更均匀地加热工件的周面。
所述热处理装置还具有相对移动部，所述相对移动部使所述第一线圈部及所述第二线圈部与所述工件在所述轴向上相对移动。
由此，能够容易地加热长条状的工件。
所述热处理装置还具有相对旋转部，所述相对旋转部使所述第一线圈部及所述第二线圈部与所述工件绕所述第一线圈部及所述第二线圈部的轴相对旋转。
由此，能够更均匀地加热工件的周面。
本发明的一个方式的热处理方法为对工件的周面进行加热的热处理方法。所述热处理方法具有：线圈部配置工序，将弯曲为环状的第一线圈部及第二线圈部配置为在轴向上相互隔开；引线部配置工序，将与所述第一线圈部的前端连接的第一引线部配置在相对于与所述第二线圈部的前端连接的第二引线部而在所述第一线圈部的周向上以预定的角度进行了旋转的位置；电流供给工序，经由所述第一引线部向所述第一线圈部供给电流，经由所述第二引线部向所述第二线圈部供给电流。
由此，能够抑制线圈部的环内的磁通密度的降低，能够均匀地加热工件的周面。
所述角度优选为90°以上180°以下，更优选为120°以上180°以下。
由此，能够更有效地分散抵消引线部周边的磁场的作用，能够更均匀地加热工件的周面。
所述热处理方法还具有使所述第一线圈部及所述第二线圈部与所述工件在所述轴向上相对移动的相对移动工序。
由此，能够容易地加热长条状的工件。
此外，所述热处理方法还具有使所述第一线圈部及所述第二线圈部与所述工件在所述周向上相对旋转的相对旋转工序。
由此，能够更均匀地加热工件的周面。
根据本发明，能够提供一种能够更均匀地加热工件的周面的热处理装置和热处理方法。
附图说明
以下，参考附图，说明本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业意义，在附图中，相同的附图标记表示相同的元件。
图1是本实施方式的热处理装置的电路结构的概要图。
图2是本实施方式的热处理装置的主视图。
图3是用于说明本实施方式的线圈部及引线部的概要立体图。
图4是本实施方式的热处理装置的主要部分的俯视图。
图5是表示基于本实施方式的热处理装置的热处理方法的顺序的流程图。
图6是表示由本实施方式的热处理装置加热的工件的周面温度与加热时间的关系的图。
具体实施方式
以下，通过实施方式说明本发明，但权利要求的范围涉及的发明并不限定于以下的实施方式。另外，在实施方式中说明的全部结构并非作为用于解决问题的必要方法。为了说明的明确，以下的记载以及附图被适当地省略以及简化。另外，在各附图中，相同要素标注相同符号。
图1是本实施方式的热处理装置1的电路结构的概要图。热处理装置1是通过感应加热而对工件W的周面进行加热的装置。
工件W是被加热部件。本附图中的工件W具有长条的圆柱形状，但是不限于此。工件W可以具有任意的长度。此外，工件W也可以是球形状、六面体形状或其他多面体形状。在本实施方式中，工件W是钢铁材料，例如包含S48C、S53C或SCM435等。但是，工件W的材质不限于此。
如该图所示，热处理装置1具有交流电源2、高频振荡器3、变压器4、线圈部5和引线部15。
交流电源2是用于向热处理装置1的线圈部5供给电力的电源。交流电源2可以是商用的交流电源。
高频振荡器3与交流电源2连接，并且是将交流电源2的交流电流转换为高频电流的振荡器。
变压器4与高频振荡器3连接，并且是对从高频振荡器3输出的高频电流进行变流的变流器。变压器4与引线部15连接，并将变流的高频电流经由引线部15供给至线圈部5。
线圈部5是流动被变流的高频电流的导体。线圈部5可以是铜合金等良导体。线圈部5弯曲为环状，并在环内侧的空洞部***工件W。线圈部5通过向工件W施加由高频电流在自身流动而产生的交变磁场而产生涡电流，从而加热工件W的周面。
线圈部5具有第一线圈部6和第二线圈部7。关于第一线圈部6以及第二线圈部7，以其轴向与工件W的轴A方向成为大致平行的方式，在轴A方向上相互隔开地配置。第一线圈部6和第二线圈部7各自的两端开放，第一线圈部6和第二线圈部7的一端彼此相互电连接。在本实施方式中，第一线圈部6和第二线圈部7为大致相同的形状，但也可以是不同的形状。以下，在将第一线圈部6和第二线圈部7总称的情况下，统称为线圈部5，在不区分第一线圈部6和第二线圈部7中的任一个地进行称呼的情况下，有时简称为线圈。
引线部15从线圈部5引出，并且是对线圈部5和变压器4之间的连接以及线圈之间的连接进行中继的导线端子。引线部15具有第一引线部16及第二引线部17。
第一引线部16与第一线圈部6的前端连接，向第一线圈部6供给高频电流。第一引线部16包括作为沿着第一线圈部6的径向相互相向的一对引线的、初级侧第一引线部16a和次级侧第一引线部16b。在初级侧第一引线部16a中，一端与变压器4的正极侧连接，另一端与第一线圈部6的一端连接。在次级侧第一引线部16b中，一端与第一线圈部6的另一端连接，另一端与第二引线部17的初级侧第二引线部17a的一端连接。
第二引线部17与第二线圈部7的前端连接，向第二线圈部7供给高频电流。第二引线部17包括作为沿着第二线圈部7的径向相互相向的一对引线的、初级侧第二引线部17a和次级侧第二引线部17b。在初级侧第二引线部17a中，一端与次级侧第一引线部16b连接，另一端与第二线圈部7的一端连接。在次级侧第二引线部17b中，一端与第二线圈部7的另一端连接，另一端与变压器4的负极侧连接。
在本实施方式中，第一引线部16及第二引线部17是大致相同的形状，但也可以是不同的形状。以下，在将第一引线部16及第二引线部17总称时，有时统称为引线部15。另外，在第一引线部16或第二引线部17中不区分初级侧和次级侧地进行称呼的情况下，有时简称为引线。
以此方式，在热处理装置1中，在线圈部5流动高频电流，对***在线圈部5的环内侧的空洞部中的工件W的外周进行感应加热。
图2是本实施方式的热处理装置1的主视图。本图的X轴方向是纸面左右方向，Y轴方向是纸面进深方向，Z轴方向是纸面上下方向。在本图中，与热处理装置1一起示出了工件W。工件W的长度方向的轴即轴A为与Z轴方向大致平行的方向。
如图所示，热处理装置1具有线圈部5、中心销20、21、缸体22、支承臂23、滚珠丝杠24、上下移动用电机25和旋转用电机26。另外，在本图中，省略了交流电源2、高频振荡器3、变压器4以及引线部15。
中心销20、21是在使工件W的轴A与第一线圈部6及第二线圈部7的轴大致一致的同时对工件W进行把持的部件。中心销20、21在Z轴方向上相互隔开地配置。在中心销20、21中，前端突出，并与设置在工件W的Z轴方向的各端面的凹部卡合。
中心销20与缸体22连接，中心销21与支承臂23的第二支承臂23b连接。中心销21能够通过旋转用电机26进行旋转，并通过自身旋转而使工件W绕轴A旋转。
另外，作为把持工件W的部件，也可以代替中心销20、21而使用卡盘。
缸体22是将中心销20固定在支承臂23的第一支承臂23a的部件。
支承臂23包括在Z轴方向上相互隔开配置的第一支承臂23a和第二支承臂23b。第一支承臂23a及第二支承臂23b通过在保持规定的间隔的同时在Z轴方向上移动，使工件W相对于线圈部5在Z轴方向上移动。
滚珠丝杠24被配置成与Z轴平行，通过螺母部件与第一支承臂23a及第二支承臂23b固定连接。
上下移动用电机25是用于使工件W沿Z轴方向移动的驱动电机。此外，旋转用电机26是用于使工件W绕轴A旋转的驱动电机。
此外，中心销20、21、支承臂23、滚珠丝杠24以及上下移动用电机25由于使第一线圈部6以及第二线圈部7与工件W在Z轴方向上相对移动，所以也被称为相对移动部。由此，能够不扩大线圈数等线圈部5在Z轴方向上的规模地容易地加热长条状的工件W。另外，本实施方式中的移动主体是工件W，但也可以是第一线圈部6及第二线圈部7。
另外，旋转用电机26以及中心销21由于使第一线圈部6以及第二线圈部7与工件W在保持为同心位置的状态下绕轴A相对旋转，所以也被称为相对旋转部。由此，能够均匀地加热工件W的周面。另外，本实施方式中的旋转主体是工件W，但也可以是第一线圈部6以及第二线圈部7。
另外，热处理装置1也可以具有向加热后的工件W喷射淬火液来冷却工件W的冷却套。
图3是用于说明本实施方式的线圈部5及引线部15的概要立体图。在本实施方式中，第一引线部16被配置在相对于第二引线部17而在第一线圈部6的周向上以预定的角度θ进行了旋转的位置。具体而言，角度θ是将初级侧第一引线部16a针对第一线圈部6的连接部分和第一线圈部6的曲率中心连结的直线、与将初级侧第二引线部17a针对第二线圈部7的连接部分和第二线圈部7的曲率中心连结的直线在XY平面上所成的角度。通过设置角度θ，能够分散由于在相互相向的引线中流动的电流I而抵消磁场的作用。由此，抑制了环内的磁通密度的降低，因此热处理装置1能够均匀地加热工件的周面。
在此，角度θ可以是90°以上180°以下。另外，角度θ优选为120°以上180°以下，更优选为180°±5°。在这种情况下，能够更有效地分散抵消磁场的作用，热处理装置1能够更均匀地加热工件的周面。
另外，角度θ也可以根据相互相向的引线间的距离r、流动在线圈部5的电流的强度I、环半径R、以及线圈间在Z轴方向上的距离d中的至少一个来确定。另外，引线间的距离r表示初级侧第一引线部16a与次级侧第一引线部16b之间、以及初级侧第二引线部17a与次级侧第二引线部17b之间的距离。初级侧第一引线部16a与次级侧第一引线部16b之间、以及初级侧第二引线部17a与次级侧第二引线部17b之间的距离相同，但也可以不同。而且，环半径R可以是线圈部5的曲率半径。
另外，角度θ也可以根据线圈部5与工件W之间的相对移动速度、以及线圈部5与工件W之间的相对旋转速度中的至少一个来确定。由此，能够均匀地加热工件的周面，能够缩短循环时间。
在此，在考虑了第一引线部16及第二引线部17的配置的基础上，将这些配线的详细情况表示在图4中。图4是本实施方式的热处理装置1的主要部分的俯视图。另外，在本图中，第一线圈部6和第二线圈部7被图示为环半径R相互不同，但实际的环半径R可以大致相同，也可以相互不同。在本实施方式中，第一线圈部6和第二线圈部7的环半径R大致相同。
负极侧端子110与变压器4的负极侧连接，以包围第一线圈部6和第二线圈部7的外周的方式沿着外周弯曲地形成。在负极侧端子110连接次级侧第二引线部17b。
正极侧端子100与变压器4的正极侧连接，以包围负极侧端子110的外周的方式沿着外周弯曲形成。在正极侧端子100连接初级侧第一引线部16a。
而且，中间端子120在负极侧端子110与正极侧端子100之间弯曲地形成。在中间端子120连接次级侧第一引线部16b及初级侧第二引线部17a。
从正极侧端子100供给的电流I被供给至初级侧第一引线部16a，并流向第一线圈部6和次级侧第一引线部16b。而且，电流I经由中间端子120被供给至初级侧第二引线部17a，经由第二线圈部7以及次级侧第二引线部17b而流向负极侧端子110。
通过采用这样的结构，能够根据设定的角度θ容易地配置第一引线部16及第二引线部17。
图5是表示基于本实施方式的热处理装置1的热处理方法的顺序的流程图。
首先，确定角度θ(步骤S01：角度确定工序)。接着，将第一线圈部6和第二线圈部7配置为在轴向上相互隔开(步骤S02：线圈部配置工序)。此时，根据角度θ，调整第一线圈部6和第二线圈部7的朝向。接着，将第一引线部16配置在相对于第二引线部17而在线圈部5的周向上旋转了角度θ的位置(步骤S03)：引线部配置工序)。另外，第一线圈部6和第一引线部16以及第二线圈部7和第二引线部17可以分别预先连接。在这种情况下，并行地执行步骤S02和S03。接着，将工件W大致同轴地***第一线圈部6和第二线圈部7的环内的空洞部，并以中心销20、21进行固定(步骤S04)：工件***工序)。接着，接通上下移动用电机25以及旋转用电机26，使线圈部5和工件W相对移动以及相对旋转(步骤S05)：相对移动及相对旋转工序)。接着，接通交流电源2和高频振荡器3，经由第一引线部16向第一线圈部6供给电流，经由第二引线部17向第二线圈部7供给电流(步骤S06)：电流供给工序)。
图6是表示由本实施方式的热处理装置1加热的工件W的周面温度与加热时间的关系的图。本图的横轴表示加热时间，即在图5的步骤S06中供给电流的时间t(s)，纵轴表示工件W的周面的任意区域S的温度T(℃)。虚线表示θ＝0(°)时的曲线图，实线表示θ＝θ1(>0°)时的曲线图。
在θ＝0时，初始为T0的区域S的温度由于基于线圈部5的感应加热而急剧上升到T1。另外，由于线圈部5进行旋转，所以在区域S与由于引线部15引起的线圈部5的磁通密度降低的部分相向时，区域S的温度降低ΔT0。本图的虚线的凹陷部分表示由于区域S与线圈部5的磁通密度降低部分相对而温度降低。为了弥补该温度降低而使加热后的工件W的品质均匀，需要在线圈部5穿过区域S的期间使线圈部5旋转规定的必要转数N。例如在θ＝0时，必要转数N为3(转)。
但是，在θ＝θ1时，由于与磁通密度降低部分相向而引起的区域S的温度降低ΔT1比ΔT0小。其原因为，在θ＝θ1时，由于第一引线部16及第二引线部17在周向上隔开，所以磁通密度降低部分被分散，其结果为，抑制了磁通密度的降低。因此，在该情况下，能够将必要转数N设定得较小，例如能够将必要转数N设为1(转)。
在此，必要转数N对于循环时间产生影响。例如，工件W在Z轴方向上的长度为600(mm)，工件W和线圈部5的相对移动速度当前为15(mm/s)。在该情况下，循环时间为600(mm)/15(mm/s)＝40(s)。
在此，Z轴方向上的线圈部5的厚度，即第一线圈部6和第二线圈部7的厚度与它们之间的距离d之和为15(mm)。此时，线圈部5穿过线圈部5的厚度所需的时间为15(mm)/15(mm/s)＝1(s)。
在θ＝0的情况下，由于必要转数N为3(转)，所以工件W与线圈部5的最低相对旋转速度为3(转)/1(s)＝3(转/s)。此时，为了缩短循环时间，考虑增加相对移动速度，但在相对移动速度的增加中，必要转数N成为限速，因此还需要同时增加相对旋转速度。但是，为了使相对旋转速度增加，需要使用高性能的旋转用电机26，成本增加。特别是在工件W为汽车部件等10kg以上的重物的情况下，由于可预见成本严重地增加，所以实际上难以缩短循环时间。
另一方面，在θ＝θ1的情况下，由于必要转数N为1(转)即可，所以工件W与线圈部5的最低相对旋转速度被抑制为1(转)/1(s)＝1(转/s)。这样一来，通过将相对旋转速度设为3(转/s)，理论上能够使相对移动速度增加到3倍，能够使循环时间缩短67％。但是，实际上，此处的相对移动速度的增加应该考虑升温速度成为限速这一点。在此，升温到T1(例如1000℃)所需要的时间当前为10(s)，但最大能够缩短到5.7(s)。在这种情况下，相对移动速度能够增加至15(mm/s)×10(s)/5.7(s)≈26.3(mm/s)。由此，循环时间为600(mm)/26.3(mm/s)＝22.8(s)，即使考虑了升温速度，与θ＝0的情况相比也能够减少43％。
以此方式，根据本实施方式的热处理装置1，使工件W在穿过线圈部5的过程中受到的磁通均匀化，能够在保持均匀的品质的状态下容易地缩短循环时间。
此外，本发明不限于上述实施方式，在不脱离主旨的范围内能够适当变更。例如，在上述实施方式中，热处理装置1具有两组线圈，但线圈的数量n也可以是3以上。此时，角度θ为θn±30°，优选为θn±15°，更优选为θn±5°。其中，θn＝360(°)/n。例如在n＝3的情况下，角度θ可以为90°以上120°以下，优选为105°以上120°以下，更优选为115°以上120°以下。另外，角度θ也可以根据一对引线之间的距离r、电流的强度I、环半径R、线圈间的距离d以及n的值中的至少一个来确定。由此，能够更有效地分散抵消磁场的作用，热处理装置1能够更均匀地加热工件的周面。

Claims (10)

1.一种热处理装置，其为对工件的周面进行加热的热处理装置，具有：
第一线圈部及第二线圈部，其弯曲为环状，并在轴向上相互隔开地配置；
第一引线部，其与所述第一线圈部的前端连接，并向所述第一线圈部供给电流；
第二引线部，其与所述第二线圈部的前端连接，并向所述第二线圈部供给电流，
所述第一引线部被配置在相对于所述第二引线部而在所述第一线圈部的周向上以预定的角度进行了旋转的位置。
2.根据权利要求1所述的热处理装置，其中，
所述角度为90°以上180°以下。
3.根据权利要求2所述的热处理装置，其中，
所述角度为120°以上180°以下。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的热处理装置，其中，
还具有相对移动部，所述相对移动部使所述第一线圈部及所述第二线圈部与所述工件在所述轴向上相对移动。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的热处理装置，其中，
还具有相对旋转部，所述相对旋转部使所述第一线圈部及所述第二线圈部与所述工件绕所述第一线圈部及所述第二线圈部的轴相对旋转。
6.一种热处理方法，其为对工件的周面进行加热的热处理方法，具有：
线圈部配置工序，将弯曲为环状的第一线圈部及第二线圈部配置为在轴向上相互隔开；
引线部配置工序，将与所述第一线圈部的前端连接的第一引线部配置在相对于与所述第二线圈部的前端连接的第二引线部而在所述第一线圈部的周向上以预定的角度进行了旋转的位置；
电流供给工序，经由所述第一引线部向所述第一线圈部供给电流，经由所述第二引线部向所述第二线圈部供给电流。
7.根据权利要求6所述的热处理方法，其中，
所述角度为90°以上180°以下。
8.根据权利要求7所述的热处理方法，其中，
所述角度为120°以上180°以下。
9.根据权利要求6～8中任一项所述的热处理方法，其中，
还具有使所述第一线圈部及所述第二线圈部与所述工件在所述轴向上相对移动的相对移动工序。
10.根据权利要求6～9中任一项所述的热处理方法，其中，
还具有使所述第一线圈部及所述第二线圈部与所述工件在所述周向上相对旋转的相对旋转工序。
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