JP2004277863A

JP2004277863A - 高周波熱処理装置

Info

Publication number: JP2004277863A
Application number: JP2003074016A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Takano; 裕高野; Masaru Yokota; 勝横田; Atsushi Ikeuchi; 淳池内
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-03-18
Filing date: 2003-03-18
Publication date: 2004-10-07

Abstract

【課題】被熱処理材の加熱むらを抑制し得る高周波熱処理装置を提供する。
【解決手段】被熱処理材１０の軸部が装入される誘導加熱コイル３２と、誘導加熱コイルの軸方向（Ｚ軸方向）に対して垂直でありかつ互いに直交する第１方向および第２方向（Ｘ軸方向およびＹ軸方向）に関し、被熱処理材を誘導加熱コイルに対して移動させるための第１駆動機構５２と、第１駆動機構を制御するための制御手段とを有する。制御手段は、第１駆動機構を制御することで、被熱処理材を誘導加熱コイルに対して移動させ、第１方向および第２方向に関する被熱処理材の軸部と誘導加熱コイルとの接触位置を検出し、接触位置に基づいて、被熱処理材の軸部と誘導加熱コイルとの間に形成されるエアーギャップが均等となる平衡位置を算出し、第１駆動機構を制御することで、平衡位置に、被熱処理材の軸部を位置決めする。
【選択図】図６

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波熱処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の高周波熱処理装置においては、被熱処理材の周りにコイルを配置し、当該コイルに電流を流すことにより高周波誘導加熱を引き起こし、被熱処理材を昇温させている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−７３９２７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、被熱処理材が、例えば、機械加工が施されていない鍛造部品であって、寸法ばらつきを有する場合、被熱処理材を均一に加熱することは非常に困難であり、加熱むらを生じる問題を有している。
【０００５】
本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、被熱処理材の加熱むらを抑制し得る高周波熱処理装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための発明は、
断面形状が略同一である軸部を有する被熱処理材を熱処理するための高周波熱処理装置であって、
前記被熱処理材の軸部が装入される誘導加熱コイルと、
前記誘導加熱コイルの軸方向に対して垂直でありかつ互いに直交する第１方向および第２方向に関し、前記被熱処理材を前記誘導加熱コイルに対して移動させるための第１駆動機構と、
前記第１駆動機構を制御するための制御手段とを有し、
前記制御手段は、
前記第１駆動機構を制御することで、前記被熱処理材を前記誘導加熱コイルに対して移動させ、前記第１方向および第２方向に関する前記被熱処理材の軸部と前記誘導加熱コイルとの接触位置を検出し、
前記接触位置に基づいて、前記被熱処理材の軸部と前記誘導加熱コイルとの間に形成されるエアーギャップが均等となる平衡位置を算出し、
前記第１駆動機構を制御することで、前記平衡位置に、前記被熱処理材の軸部を位置決めする
ことを特徴とする高周波熱処理装置である。
【０００７】
【発明の効果】
上記のように構成した本発明によれば、個々の被熱処理材の寸法ばらつきに応じ、エアーギャップが均等となるように最適化された平衡位置に、被熱処理材の軸部が位置決めされるため、被熱処理材は、均一に加熱される。つまり、被熱処理材の加熱むらを抑制し得る高周波熱処理装置を提供することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る被熱処理材の平面図、図２は、図１に示される被熱処理材の側面図である。
【０００９】
被熱処理材は、例えば、炭素鋼からなる鍛造部品であるコンロッド（連接棒）１０であり、内燃機関におけるピストンとクランクシャフトとを連結し、ピストンの往復運動をクランクシャフトに伝達するために使用される。
【００１０】
コンロッド１０は、本体をなす連接部（軸部）１４と、連接部１４の一端側に位置する大端部１１と、連接部１４の他端側に位置する小端部１６とを有する。連接部１４は、断面形状が略同一であり、Ｉ型断面を有する。
【００１１】
大端部１１は、分割式であり、半円状部１２を有し、例えば、ボルトを使用してコンロッドキャップが組み合わされ、クランクシャフトのピンに連結される。小端部１６は、ピストンピンを連結するための開口部１７を有する。
【００１２】
大端部１１と連接部１４との間および連接部１４と小端部１６との間には、つなぎ部１３，１５が形成されている。つなぎ部１３，１５の断面積は、連接部１４に向かって連続的に減少している。大端部１１、つなぎ部１３，１５、小端部１６は、連接部１４の両端から延長する拡径部である。
【００１３】
図３は、本発明の実施の形態に係る被熱処理材の製造方法を説明するための工程図、図４は、図３に示される鍛造工程における熱処理材の寸法ばらつきを説明するための図１の線ＩＶ−ＩＶに関する断面図、図５は、図３に示される焼き入れ工程を説明するための側面図である。
【００１４】
コンロッド１０の製造方法は、鍛造工程、焼き入れ工程、ショットブラスト工程、コイニング工程、および機械加工工程を有する。
【００１５】
鍛造工程においては、素材鋼が熱間鍛造によって成形される。素材鋼は、例えば、炭素鋼（Ｓ４０Ｃ〜Ｓ５０Ｃ）である。コンロッド１０の連接部１４は、図４に示されるように、鍛造による厚み方向の寸法ばらつきＤを有するが、切削加工などの機械加工による矯正をすることなく、次の焼き入れ工程に投入される。
【００１６】
焼き入れ工程においては、寸法ばらつきを有するコンロッド１０に対して、高周波熱処理が適用される。この際、コンロッド１０の連接部１４は、図５に示されるように、誘導加熱コイル３２に装入され、個々のコンロッド１０の寸法ばらつきに応じ、エアーギャップが均等となるように最適化された平衡位置に、位置決めされる。
【００１７】
したがって、コンロッド１０は、均一に加熱され、加熱むらを抑制される。なお、焼き入れ工程は、コンロッド１０の検査工程が組み込まれており、コンロッド１０の軸方向形状の品質検査が、一体的に実行される。
【００１８】
ショットブラスト工程においては、コンロッド１０の表面の酸化スケールが除去される。コイニング工程においては、軽度の冷間鍛造によって、例えば、コンロッド１０の厚さが修正される。
【００１９】
機械加工工程においては、例えば、大端部および小端部の摺動部の仕上げや、大端部および小端部に油穴を形成するために、機械加工が施され、製品部品としてのコンロッドが得られる。なお、コイニング工程と機械加工工程の間に、ショットピーニングを施すことによって、疲労強度を向上させることも可能である。
【００２０】
以上のように製造されたコンロッドは、熱処理による硬度ばらつきが小さく、連接部の強度が全体として向上する。したがって、コンロッドの重量を削減することにより、エンジンの軽量化を図り、自動車の燃費を向上させることが可能になる。
【００２１】
図６は、本発明の実施の形態に係る高周波熱処理装置２０を説明するための概略図、図７は、高周波熱処理装置２０のブロック図である。
【００２２】
高周波熱処理装置２０は、コンロッド１０を昇温および冷却するための熱処理部３０、コンロッド１０を移動および位置決めするための駆動部４０、コンロッド１０を搬入および搬出するための運搬部６０、規格外品の検出を通知するための通知部８０、各部３０，４０，６０，８０を制御するための制御部９０を有する。
【００２３】
熱処理部３０は、コンロッド１０の連接部１４が装入される誘導加熱コイル３２を有する高周波発生装置３１と、冷却液が保管されているタンク３６および冷却液を噴射するためのノズル３７を有する冷却装置３５とを備えている。
【００２４】
高周波発生装置３１は、誘導加熱コイル３２に電流を流すことによって、誘導加熱コイル３２に装入されるコンロッド１０を加熱する。冷却装置３５は、所定の焼き入れ温度に達したコンロッド１０の連接部１４に対し、タンク３６から供給される冷却液を、ノズル３７から噴射することで、コンロッド１０を冷却する。
【００２５】
なお、高周波発生装置３１は、コンロッド１０および誘導加熱コイル３２に電圧を印加することが可能である。したがって、電圧が印加されたコンロッド１０と誘導加熱コイル３２との間で、電気が流れることによって、コンロッド１０と誘導加熱コイル３２との接触を検出することができる。また、誘導加熱コイル３２は、例えば、電線を螺旋状に巻いて構成した後で機械加工することによって、真円度を向上させることが望ましい。
【００２６】
駆動部４０は、誘導加熱コイル３２に装入されているコンロッド１０の大端部１１および小端部１６を把持するための把持装置（クランプ治具）４１と、把持装置４１を移動させるための駆動装置５１とを有する。把持装置４１は、例えば、油圧シリンダを有し、誘導加熱コイル３２の軸方向（Ｚ軸方向）に対して、コンロッド１０の連接部１４が平行になるように位置決めする。
【００２７】
駆動装置５１は、Ｚ軸方向に対して垂直でありかつ互いに直交する第１方向（Ｘ軸方向）および第２方向（Ｙ軸方向）に関し、把持装置４１を移動させるための第１駆動機構５２と、Ｚ軸方向に把持装置４１を移動させるための第２駆動機構５５とを有する。
【００２８】
第１駆動機構５２は、高周波熱処理装置２０のフレームに固定されるガイドレール５３と、ガイドレール５３に連結されるスライダ５４とを有する。ガイドレール５３は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に延長しており、スライダ５４は、例えば、サーボモータにより駆動され、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に移動可能である。
【００２９】
第２駆動機構５５は、第１駆動機構５２のスライダ５４に固定されている。また、第２駆動機構５５は、往復直線運動するアクチュエータを有し、把持装置４１が固定される。したがって、駆動装置５１は、把持装置４１によって保持されているコンロッド１０を、３軸方向（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向）に移動させることが可能である。
【００３０】
そのため、コンロッド１０および誘導加熱コイル３２に電圧を印加して、コンロッド１０を誘導加熱コイル３２に対してＸ軸方向あるいはＹ軸方向に移動させる場合、コンロッド１０の連接部１４と誘導加熱コイル３２との接触を、検出することができる。また、コンロッド１０を誘導加熱コイル３２に対してＺ軸方向に移動させる場合、コンロッド１０の拡径部（例えば、つなぎ部１３，１５）と誘導加熱コイル３２との接触を、検出することができる。
【００３１】
なお、コンロッド１０を固定式に配置し、誘導加熱コイル３２を移動させるように、駆動装置５１を構成することも可能である。また、駆動装置５１をコンロッド１０の大端部側および小端部側の両方に設け、同期させて制御したり、他方を従動式とすることも可能である。
【００３２】
運搬部６０は、搬入コンベア６１、搬出コンベア６２、分別ボックス６５、ロボットアーム７０を有する。
【００３３】
搬入コンベア６１は、鍛造工程から供給されるコンロッド１０をロボットアーム７０に受け渡すために使用される。搬出コンベア６２は、ロボットアーム７０が載置する熱処理後のコンロッド１０を、ショットブラスト工程に送り出すために使用される。分別ボックス６５は、コンロッド１０の軸方向形状の品質検査による不良品である規格外品を、収容するために使用される。
【００３４】
ロボットアーム７０は、数値制御マニピュレータであり、搬出コンベア６２に載置されるコンロッド１０を持ち上げて、把持装置４１にセットし、熱処理後、コンロッド１０を把持装置４１から取外し、搬出コンベア６２に載置するために使用される。また、ロボットアーム７０は、熱処理前において、コンロッドの軸方向形状が規格外品であると判断される場合、コンロッド１０を取り除き、コン分別ボックス６５に投入するために使用される除去手段でもある。
【００３５】
通知部８０は、例えば、ランプを内蔵する表示装置を有し、ランプを点滅させることにより、規格外品が検出され、取り除かれたことを視覚的に通知する。なお、通知部８０は、規格外品を検出したことを音声で通知するためのスピーカを有することも可能である。
【００３６】
制御部９０は、マイクロプロセッサ等から構成される制御回路、各種データやプログラムが保存されている記憶装置、各部３０，４０，６０，８０を制御するために使用されるインターフェースを有する。
【００３７】
データは、例えば、コンロッド１０の標準形状データや公差データ（規格外品を規定するデータ）、ロボットアーム７０の数値制御用データ、誘導加熱出力や誘導加熱時間などの操業条件データである。プログラムは、例えば、各部３０，４０，６０，８０の制御プログラムである。
【００３８】
次に、エアーギャップが均等となる平衡位置の算出方法を説明する。図８は、Ｘ軸方向に関するコンロッドの連接部の移動を示している断面図、図９は、Ｙ軸方向に関するコンロッドの連接部の移動を示している断面図である。
【００３９】
まず、高周波発生装置３１は、コンロッド１０および誘導加熱コイル３２に電圧を印加する。
【００４０】
次に、第１駆動機構５２は、コンロッド１０を保持している把持装置４１を、Ｘ軸方向の一方に向けて移動させる。コンロッド１０の連接部１４と誘導加熱コイル３２との接触は、コンロッド１０と誘導加熱コイル３２との間で電流が流れることで検出されるため、接触位置の座標データ（第１座標値）が取得される。
【００４１】
さらに、第１駆動機構５２は、把持装置４１を、Ｘ軸方向の他方に向けて移動させる。そして、同様にして、コンロッド１０の連接部１４と誘導加熱コイル３２との接触位置の座標データ（第２座標値）が取得される。
【００４２】
第１座標値と第２座標値の中央値は、Ｘ軸方向に関し、コンロッド１０の連接部１４と誘導加熱コイル３２との間に形成されるエアーギャップが均等となる平衡位置である。つまり、第１座標値と第２座標値に基づいて、Ｘ軸方向に関する平衡位置が算出される。そして、第１駆動機構５２は、コンロッド１０を保持している把持装置４１を、Ｘ軸方向に関する平衡位置に位置決めする。
【００４３】
次に、第１駆動機構５２は、把持装置４１をＹ軸方向に移動させる。そして、同様にして、Ｙ軸方向に関するコンロッド１０の連接部１４と誘導加熱コイル３２との接触位置の座標データ（第３座標値および第４座標値）が取得される。そして、第３座標値と第４座標値に基づいて、Ｙ軸方向に関する平衡位置が算出され、第１駆動機構５２は、コンロッド１０を保持している把持装置４１を、Ｙ軸方向に関する平衡位置に位置決めする。
【００４４】
以上の結果、コンロッド１０の連接部１４と誘導加熱コイル３２との間に形成されるエアーギャップが均等となる平衡位置が算出され、図９の一点鎖線によって示されるように、コンロッド１０の連接部１４は、算出された平衡位置に位置決めされる。したがって、コンロッド１０は、寸法ばらつきを有していても、均一に加熱される。
【００４５】
つまり、個々の被熱処理材の寸法ばらつきに応じ、エアーギャップが均等となるように最適化された平衡位置に、被熱処理材の軸部が位置決めされるため、被熱処理材を均一に加熱することが可能である。したがって、被熱処理材の加熱むらを抑制し得る高周波熱処理装置を提供することができる。
【００４６】
また、平衡位置を算出するために使用した第１〜第４座標値は、コンロッド１０の連接部１４の外周を規定する。したがって、第１〜第４座標値を使用して、コンロッド１０の連接部１４の断面形状を算出することが可能である。
【００４７】
一方、コンロッド１０の連接部１４における断面形状のばらつきは、熱処理の効果に大きな影響を及ぼす。したがって、算出された断面形状に応じて、熱処理条件を変更することが望ましい。熱処理条件は、例えば、誘導加熱時間あるいは誘導加熱出力である。また、断面形状のばらつきに対応する誘導加熱時間あるいは誘導加熱出力の調整量は、例えば、実験的に求めることが可能である。
【００４８】
なお、コンロッド１０の連接部１４における断面形状のばらつきは、図４に示されるように、主として中央部の厚み（Ｙ軸方向）である。したがって、第３座標値および第４座標値を使用して、Ｙ軸方向のばらつきを算出し、当該ばらつきに応じて、熱処理条件を変更することも可能である。この場合、計算量が削減される点で望ましい。
【００４９】
次に、コンロッド１０の軸方向形状の品質検査方法を説明する。図１０は、Ｚ軸方向に関する、コンロッドの大端部に係るつなぎ部と誘導加熱コイルとの接触、図１１は、コンロッドの小端部に係るつなぎ部と誘導加熱コイルとの接触を示している。
【００５０】
まず、高周波発生装置３１は、コンロッド１０および誘導加熱コイル３２に電圧を印加する。
【００５１】
次に、第２駆動機構５５は、コンロッド１０を保持している把持装置４１を、Ｚ軸方向の一方（下方）に向けて移動させる。コンロッド１０の大端部１１に係るつなぎ部１３と誘導加熱コイル３２との接触は、電流が流れることで検出され、接触位置の座標データ（第５座標値）が取得される。
【００５２】
さらに、第２駆動機構５５は、コンロッド１０を保持している把持装置４１を、Ｚ軸方向の他方（上方）に向けて移動させる。そして、コンロッド１０の小端部１６に係るつなぎ部１５との接触位置の座標データ（第６座標値）が取得される。
【００５３】
第５座標値と第６座標値は、コンロッドの軸方向形状を規定する。つまり、第５座標値と第６座標値を使用して、コンロッド１０におけるつなぎ部１３，１５の間の長さが算出できる。そして、算出された長さと、コンロッド１０の標準形状データとを比較して、所定の範囲（公差データ）内に収まっているか否かを判断する。
【００５４】
所定の範囲を越えていると判断されたコンロッド１０は、規格外品とされ、熱処理が施されることなく、ロボットアーム７０によって把持装置４１から取外され、分別ボックス６５に投入される。また、通知部８０は、規格外品が検出され、規格外品が取り除かれたことを視覚的に通知する。
【００５５】
以上のように、高周波熱処理装置２０は、コンロッド１０の品質検査を一体的に実行することが可能であり、焼き入れ工程に、コンロッド１０の検査工程が組み込まれている。したがって、生産コストを低減することができる。
【００５６】
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変することができる。
【００５７】
例えば、被熱処理材とコイルとの接触は、通電によって検出することに限定されず、例えば、接触による衝撃や押圧力の発生によっても、検出することが可能である。また、接触位置に基づいて算出される熱処理材の軸部の断面形状における寸法ばらつきを、コンロッドの品質検査に利用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る被熱処理材の平面図である。
【図２】図１の被熱処理材の側面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る被熱処理材の製造方法を説明するための工程図である。
【図４】図３に示される鍛造工程における熱処理材の寸法ばらつきを説明するための図１の線ＩＶ−ＩＶに関する断面図である。
【図５】図３に示される焼き入れ工程を説明するための側面図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る高周波熱処理装置を説明するための概略図である。
【図７】本発明の実施の形態に係る高周波熱処理装置のブロック図である。
【図８】エアーギャップが均等となる平衡位置の算出方法を説明するための断面図であり、Ｘ軸方向に関する、コンロッドの連接部の移動を示している。
【図９】エアーギャップが均等となる平衡位置の算出方法を説明するための断面図であり、Ｙ軸方向に関する、コンロッドの連接部の移動を示している。
【図１０】コンロッドの軸方向形状の品質検査方法を説明するための側面図であり、Ｚ軸方向に関する、コンロッドの大端部に係るつなぎ部と誘導加熱コイルとの接触を示している。
【図１１】コンロッドの軸方向形状の品質検査方法を説明するための側面図であり、Ｚ軸方向に関する、コンロッドの小端部に係るつなぎ部と誘導加熱コイルとの接触を示している。
【符号の説明】
１０…コンロッド（被熱処理材）、
１１…大端部、
１２…半円状部、
１３…つなぎ部、
１４…連接部、
１５…つなぎ部、
１６…小端部、
１７…開口部、
２０…高周波熱処理装置、
３０…熱処理部、
３１…高周波発生装置、
３２…誘導加熱コイル、
３５…冷却装置、
３６…タンク、
３７…ノズル、
４０…駆動部、
４１…把持装置、
５１…駆動装置、
５２…第１駆動機構、
５３…ガイドレール、
５４…スライダ、
５５…第２駆動機構、
６０…運搬部、
６１…搬入コンベア、
６２…搬出コンベア、
６５…分別ボックス、
７０…ロボットアーム、
８０…通知部、
９０…制御部、
Ｄ…寸法ばらつき。

Claims

断面形状が略同一である軸部を有する被熱処理材を熱処理するための高周波熱処理装置であって、
前記被熱処理材の軸部が装入される誘導加熱コイルと、
前記誘導加熱コイルの軸方向に対して垂直でありかつ互いに直交する第１方向および第２方向に関し、前記被熱処理材を前記誘導加熱コイルに対して移動させるための第１駆動機構と、
前記第１駆動機構を制御するための制御手段とを有し、
前記制御手段は、
前記第１駆動機構を制御することで、前記被熱処理材を前記誘導加熱コイルに対して移動させ、前記第１方向および第２方向に関する前記被熱処理材の軸部と前記誘導加熱コイルとの接触位置を検出し、
前記接触位置に基づいて、前記被熱処理材の軸部と前記誘導加熱コイルとの間に形成されるエアーギャップが均等となる平衡位置を算出し、
前記第１駆動機構を制御することで、前記平衡位置に、前記被熱処理材の軸部を位置決めする
ことを特徴とする高周波熱処理装置。
前記制御手段は、検出された接触位置に基づいて、前記被熱処理材の軸部の断面形状を算出し、算出された断面形状に応じて、熱処理条件を変更することを特徴とする請求項１に記載の高周波熱処理装置。
前記熱処理条件は、前記誘導加熱コイルによる誘導加熱時間あるいは誘導加熱出力であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の高周波熱処理装置。
前記被熱処理材は、前記軸部の両端から延長する拡径部を有しており、
前記被熱処理材を、前記誘導加熱コイルの軸方向に対して移動させるための第２駆動機構と、前記被熱処理材を取り除くための除去手段とを有し、
前記制御手段は、
前記第２駆動機構を制御することで、前記被熱処理材を前記軸方向に移動させ、前記軸方向に関する前記被熱処理材の拡径部と前記誘導加熱コイルとの接触位置を検出し、
前記接触位置に基づいて、前記被熱処理材の軸方向形状を算出し、
前記軸方向形状が所定の範囲を越えている場合、前記除去手段を制御することで、前記被熱処理材を取り除く
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の高周波熱処理装置。
前記被熱処理材が取り除かれたことを通知するための通知手段を有することを特徴とする請求項４に記載の高周波熱処理装置。
前記被熱処理材および前記誘導加熱コイルに電圧を印加するための電圧印加手段を有し、電圧が印加された前記被熱処理材と前記誘導加熱コイルとの間で、電気が流れることによって、前記被熱処理材と前記誘導加熱コイルとの接触を検出することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の高周波熱処理装置。
前記誘導加熱コイルは、電線を螺旋状に巻いた後、所定の真円度を得るために機械加工されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の高周波熱処理装置。
前記被熱処理材は、鍛造部品であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の高周波熱処理装置。
前記鍛造部品は、内燃機関におけるピストンとクランクシャフトとを連結し、ピストンの往復運動をクランクシャフトに伝達するために使用されるコンロッドであることを特徴とする請求項８に記載の高周波熱処理装置。