JP2015168837A - 焼き入れコイル - Google Patents

Abstract

【課題】へアピン型コイルヘッドを備えた焼き入れコイルを焼き戻し処理にも有効に使えるようにする。【解決手段】互いに所定の間隔を空けて配置される一対の略半円状の湾曲部３１の一方端が連結部３３によって連結されることで両湾曲部３１の周長が連続するヘアピン形状をなしているコイルヘッド３０と、コイルヘッド３０の湾曲部３１の外周上であって湾曲部３１の中心点から周方向離れた位置に取り付けられる珪素鋼板またはフェライトからなるコア部材５０とを備える焼き入れコイルにおいて、各コア部材５０は湾曲部３１の周方向に位置する２つコア部材分割体５１ａ，５１ｂによって形成され、略半円状の湾曲部３１の周方向中央部の中心点を０?としたときに、外周上の点と円の中心とが作る角度αが＋３０〜４０?、−３０〜４０?の部分で、隣接するコア部材分割体５１ａ，５１ｂの間は空間とされるか非磁性体５２が充填されている。【選択図】図３

Description

本発明は、ワークの焼入れに用いられる焼き入れコイルに関する。

ワーク（例えばエンジンのクランクシャフト等）の磨耗性および疲労強度等を向上させるために、特許文献１に示されるような、焼入装置からの電流によってワークＷを誘導加熱することでワークに焼入れを行うようにした焼き入れコイルが用いられている。図５は特許文献１に示される焼き入れコイルの要部であるコイルヘッド１００の部分を示している。このコイルヘッド１００はへアピン型コイルヘッドと呼ばれており、ワーク（不図示）の軸方向に互いに所定間隔を隔てて配置される略円弧状（略半円状）に形成された一対の湾曲部１０１、１０１と、前記一対の湾曲部１０１、１０１の一方端側を一体に連接する接続部１０２とを備え、前記湾曲部１０１、１０１の外周上であって該湾曲部の周方向の中心点から周方向左右に離れた位置に１つずつ、計４個の磁束を集中させる用途で使用されるコア部材１０３が配置されている。コア部材１０３は、例えば、板状の複数の珪素鋼板あるいはフェライトを重ねてブロック状に形成される。

ワークに焼入れを行うに当たっては、焼入装置から焼き入れコイル（コイルヘッド１００）に電流が供給されることでワークは誘導加熱される。また、ワークを加熱した後、ワークに対して冷却処理が施される。

特開２０１１−２２５９１１号公報

特許文献１に記載される形態の焼き入れコイルは、焼き入れ専用のコイルであり、ワークに対して、高い焼き入れ処理を遂行することができる。例えば、図６（ａ）に示すクランクシャフト２００のピントップ部２０１を焼き入れする場合に、図５に示した形態のへアピン型のコイルヘッド１００の一対の湾曲部１０１、１０１内にピントップ部２０１を挿入し、コイルヘッド１００に電流を供給しながらピントップ部２０１に回転を与えることで、図６（ｂ）に示すように、ピントップ部２０１の所要周面部に焼き入れ処理２０２が施される。

ワークの種類によっては、焼き入れ処理の後に焼き戻し処理を必要とするものがある。例えば、図６に示したクランクシャフト２００の場合、へアピン型のコイルヘッド１００を用いて焼き入れ処理を行うと、ピントップ部２０１の図でＲに示す曲がり部に応力が集中して置き割れが発生する恐れがあるため、少なくともその領域に、焼き入れ後に焼き戻し処理を行うことが必要となる場合がある。その場合、従来は、別途焼き戻し専用の機器を用いるのが一般的であり、焼き戻し機の投資が発生する。

図５に示した形態のヘアピン型コイルヘッド１００を備えた焼き入れコイルを焼き戻しにも使うことができれば、焼き入れ面の全面ではなく、ピントップ部を集中して加熱することができ、コスト面、作業効率の面で大きなメリットがある。しかし、本発明者が実際に焼き戻しの実験をしてみると、図５に示した形態のコイルヘッド１００では、前記コア部材１０３の配置位置との関係で、磁束が略半円状の湾曲部１０１、１０１の一部の領域に部分的に集中しすぎるようになり、湾曲部１０１、１０１の周方向に温度を均一化することができないことを知った。焼き入れ時には全周加熱させるためにワークを回転させるが、焼き戻し処理はピントップ部のみ加熱させるためワークを回転させる必要がない。具体的には、前記半円形状の湾曲部の中心点を０°としたとき、外周上の点と円の中心とが作る角度が＋３０〜４０°、−３０〜４０°の部分で高温となり、０°、９０°付近が低温となってしまい、温度バラツキが２５０〜３１０℃と、焼き戻し時の規格（２５０〜３００℃）から外れてしまうのを経験した。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、特許文献１に記載される形態のへアピン型のコイルヘッド１００を備えた焼き入れコイルを、焼き戻し処理にも使用できるようにした、より改良された焼き入れコイルを開示することを課題とする。

上記の課題を解決すべく、本発明者は多くの実験と研究を継続して行うことにより、磁束を集中させる目的で、コイルヘッドを構成する一対の略半円状の湾曲部に取り付けている前記珪素鋼板等からなるコア部材を、周方向に２つのコア部材分割体として形成し、コア部材分割体の間を空間とするか非磁性体を充填して前記湾曲部に配置することで、ワークのピントップ部の焼き戻し温度分布を周方向に均一化することができ、上記の課題を解決できることを知見して、本発明をなすに到った。

すなわち、本発明による焼き入れコイルは、互いに所定の間隔を空けて配置される一対の略半円状の湾曲部の一方端が連結部によって連結されることで前記両湾曲部の周長が連続するヘアピン形状をなしているコイルヘッドと、前記コイルヘッドの前記湾曲部の外周上であって該湾曲部の中心点から周方向の離れた位置に取り付けられる珪素鋼板またはフェライトからなるコア部材とを備える形態の焼き入れコイルであって、前記各コア部材は前記湾曲部の周方向に位置する２つのコア部材分割体によって形成されており、略半円状の湾曲部の周方向中央部の中心点を０°としたときに、外周上の点と円の中心とが作る角度が、＋３０〜４０°、−３０〜４０°の部分で、隣接するコア部材分割体の間は空間とされるか非磁性体が充填されていることを特徴とする。

本発明によれば、焼き入れコイルを用いながら、磁束が集中する部分に磁性体を設けないことで、磁束の偏りを防ぐことができ、焼き戻し時のワークの温度分布を周方向に均一にすることができる。結果として、ワークにおける焼き戻しが必要な領域に対してほぼ均一な加熱ができるようになり、良好な焼き戻し処理が可能となる。例えばワークとしてクランクシャフトのピントップ部を挿入し、誘導加熱して焼き戻しを行うと、焼き戻しをしたいピントップ部のＲ部を集中してかつほぼ均一に加熱することができ、焼き戻し不要である軸部は相対的に熱量が低くなるようなバランスとなった状態で、全体として適切な温度分布が得られる。また、本発明による焼き入れコイルを焼き入れ処理に用いたときに、焼き入れ深さも均一処理できることが確かめられている。

本発明による焼き入れコイルの正面図。 コイルヘッドの部分を説明するための斜視図。 コイルヘッドの要部を説明するための斜視図。 コイルヘッドの要部を説明するための正面図。 従来のコイルヘッドの要部を説明するための斜視図。 図６（ａ）はワークの一例であるクランクシャフトを示し、図６（ｂ）はそのピントップ部を示す拡大図。

以下、図面を参照して、本発明の焼き入れコイルの一実施の形態を説明する。なお、本発明による焼き入れコイルは、図５に示すように、互いに所定の間隔を空けて配置される一対の略半円状の湾曲部の一方端が連結部によって連結されることで前記両湾曲部の周長が連続するヘアピン形状をなしているコイルヘッドを備えることと、前記コイルヘッドの前記湾曲部の外周上であって該湾曲部の中心点から周方向離れた位置に取り付けられる珪素鋼板またはフェライトからなるコア部材とを備える形態の焼き入れコイルであればよく、以下に説明する焼き入れコイルの具体的形状は、あくまでも一つの例示にすぎない。また、以下の説明では、図１における紙面の上下方向を焼き入れコイル１０の上下方向とし、図１における紙面の左右方向を焼き入れコイル１０の左右方向としている。

図示される焼き入れコイル１０は、カバー部材２０、コイルヘッド３０、スペーサ４０、コア部材５０、コイルリード６０、コイルリード接続部材７０、ガイド部材８０、および配管９０を備えている。

カバー部材２０は、上下方向に移動可能となるように焼入装置に支持され、カバー部材２０は、底部２１および側部２２を備える。底部２１には、コイルヘッド３０およびコイルリード６０等が取り付けられる。底部２１には、ワークＷを配置するために切り欠かれた開口部２１ａが形成される。底部２１はアルミによって成形される。また、コイルヘッド３０は、底部２１の開口部２１ａの部分に取り付けられる。

側部２２は、開口部２１ａの近傍および焼入装置のリード部１００が通る部分を除いて、底部２１の外形に沿って底部２１の厚み方向に突出している。また、側部２２の下端部には、ステンレス鋼によって成形される当接部材２３、２３がボルト等を介して取り付けられる。

コイルヘッド３０には、図２および図３に示すように、略円弧状（本実施形態では略半円状）に形成されワークＷの軸方向（図１における紙面の奥側に向かう方向）に互いに所定間隔を隔てて配置される一対の湾曲部３１、３１と、湾曲部３１、３１の周方向の略中央部に配置される一対のセンタースペーサ取り付け部３２、３２と、湾曲部３１、３１の周方向の一端部（右端部）に配置されるサイドスペーサ取り付け部としても機能する連結部３３とが形成される。コイルヘッド３０は、銅によって構成される。なお、図３では単にわかりやすさの観点からセンタースペーサ取り付け部３２、３２については図示を省略している。

各湾曲部３１、３１は、その形状に沿って周方向に貫通する通路として形成される内部通路３１ａを有する。内部通路３１ａは、左端部において、各湾曲部３１、３１が対向する面で開口し、右端部において、各湾曲部３１、３１の外周面で開口している。

一対のセンタースペーサ取り付け部３２、３２は、各湾曲部３１、３１の上端部（周方向中央部）において、各湾曲部３１、３１が対向する面から、コイルヘッド３０の径方向外側に向かって突出する。各センタースペーサ取り付け部３２、３２には、ボルト孔３２ａ、３２ａが形成される。

サイドスペーサ取り付け部としても機能する連結部３３は、一対の湾曲部３１、３１の右端部において、各湾曲部３１、３１が対向する面からコイルヘッド３０の径方向および周方向沿って突出する。サイドスペーサ取り付け部としても機能する連結部３３には、ボルト孔が形成される。

このような各湾曲部３１、３１と各センタースペーサ取り付け部３２、３２とは一体的に形成される。また、各湾曲部３１、３１とサイドスペーサ取り付け部としても機能する連結部３３とは一体的に形成され、各湾曲部３１、３１はサイドスペーサ取り付け部としても機能する連結部３３によって連結されている。これにより、コイルヘッド３０は、一対の湾曲部３１、３１が略半円状に形成されるとともに、両湾曲部３１、３１の周長がサイドスペーサ取り付け部としても機能する連結部３３を介して連続するヘアピン形状をなす。つまり、湾曲部３１、３１においては、一方の湾曲部３１の左端部→一方の湾曲部３１の右端部→サイドスペーサ取り付け部としても機能する連結部３３→他方の湾曲部３１の右端部→他方の湾曲部３１の左端部といったように、その周長が連続している。

スペーサ４０は、コイルヘッド３０にセットされたワークＷに対して、各湾曲部３１、３１よりも所定の寸法だけ接近した状態（湾曲部３１、３１の円弧形状の半径方向内側に突出した状態）で、コイルヘッド３０に取り付けられる。スペーサ４０は、センタースペーサ４１と一対のサイドスペーサ４２、４２とを備える。

センタースペーサ４１は、コイルヘッド３０の上端部（周方向中央部）に取り付けられる。センタースペーサ４１には、当接部４１ａとボルト孔とが形成される。センタースペーサ４１は、例えばセラミック等の非磁性体によって構成される。当接部４１ａは、センタースペーサ４１のワークＷに接近する側の端部に形成され、ワークＷの外形に沿った形状を有する。ボルト孔は、センタースペーサ取り付け部３２、３２のボルト孔３２ａ、３２ａに対応する位置に形成される。

センタースペーサ４１は、センタースペーサ取り付け部３２、３２の間に配置して、各ボルト孔３２ａ、３２ａに、ボルト４３、４３を螺合することで、各湾曲部３１、３１の間に配置される。このとき、センタースペーサ４１の当接部４１ａは、各湾曲部３１、３１から所定の寸法だけ、コイルヘッド３０にセットされた状態のワークＷに接近する。

一対のサイドスペーサ４２、４２は、コイルヘッド３０の右端部に取り付けられる。各サイドスペーサ４２、４２には、当接部４２ａとボルト孔４２ｂ、４２ｂとが形成される。各サイドスペーサ４２、４２は、例えばセラミック等の非磁性体によって構成される。当接部４２ａは、サイドスペーサ４２のワークＷに接近する側の端部に形成される。ボルト孔４２ｂ、４２ｂは、サイドスペーサ取り付け部としても機能する連結部３３のボルト孔に対応する位置に形成される。

各サイドスペーサ４２、４２は、サイドスペーサ取り付け部としても機能する連結部３３の厚み方向における両側面に配置して、各ボルト孔４２ｂ、４２ｂに、ボルト４３、４３を螺合することで、コイルヘッド３０の右端部に取り付けられる。つまり、サイドスペーサ４２は、コイルヘッド３０に二つ取り付けられる。このとき、各サイドスペーサ４２、４２の当接部４２ａは、各湾曲部３１、３１から所定の寸法だけ、コイルヘッド３０にセットされた状態のワークＷに接近する。

コア部材５０は、基本的に、磁束を集中させる用途で使用されるものであり、例えば、板状の複数の珪素鋼板あるいはフェライトを重ねてブロック状に形成され、各湾曲部３１、３１の外周上における前記センタースペーサ４１の取り付け部の左右両側に１つずつ、一対の湾曲部３１、３１では計４つ取り付けられる。各コア部材５０は、それぞれが２つのコア部材分割体５１ａ、５１ｂによって構成されており、２つのコア部材分割体５１ａ、５１ｂ間には、セラミックスのような非磁性体５２が充填されている。２つのコア部材分割体５１ａ、５１ｂは、同じ形状のものであってもよく、図示のもののように、大きさが異なっていてもよい。なお、図において、５３はコア部材５０を湾曲部３１、３１の外周上に固定するための留め具である。

図示の例において、図４に示すように、略半円状の湾曲部３１、３１の周方向中央部の中心点を０°としたときに、外周上の点と円の中心とが作る角度αが＋３０〜４０°、−３０〜４０°の部分で、隣接するコア部材分割体５１ａ、５１ｂの間に非磁性体５２が充填されている。図示しないが、隣接するコア部材分割体５１ａ、５１ｂの間に非磁性体を充填せずに、空白領域のままとしてもよい。それらは、ワークＷに対して要請される焼き入れ条件と焼き戻し条件に応じて、適宜選択される。

コイルリード６０は、両端部で外部に開口する内部通路を有し、コイルリード６０の右端部は、各湾曲部３１、３１の左端部にロー付けによって取り付けられる。これにより、各湾曲部３１、３１の内部通路３１ａとコイルリード６０の内部通路とが互いに繋がる。図１に示すように、コイルリード６０の左端部は、コイルリード接続部材７０を介して焼入装置のリード部１００に接続される。これにより、焼入装置のリード部１００に形成される内部通路と、コイルリード６０の内部通路とが互いに繋がる。コイルリード接続部材７０は、焼入装置のリード部１００とコイルリード６０とを接続する。これにより、焼入装置のリード部１００からコイルリード６０に電流を供給することが可能となる。

ガイド部材８０は略パイプ状に形成される部材であり、両端部に開口する内部通路を有する。ガイド部材８０の右端部は、配管９０と連結される。また、ガイド部材８０はその途中部で二股に分かれ、ガイド部材８０の左端部にて各湾曲部３１、３１の外周面にロー付けによって接合される。これにより、コイルヘッド３０の各湾曲部３１、３１の内部通路３１ａとガイド部材８０の内部通路とが連通される。配管９０は、ガイド部材８０およびカプラ９１に連結され、その内側を冷却水が流れる。ガイド部材８０と配管９０とは、ワイヤー等で縛ることでその連結状態が固定される。

焼き入れコイル１０は冷却経路を有する。冷却経路は、所定の冷却タンクより供給される冷却水が流れる経路であり、焼入装置のリード部１００の内部通路、コイルリード６０の内部通路、コイルヘッド３０の内部通路等、ガイド部材８０の内部通路、および配管９０の順に流れる。また、コイルヘッド３０においては、冷却水は、各湾曲部３１、３１の内部通路３１ａ、各センタースペーサ取り付け部３２、３２の内部通路、およびサイドスペーサ取り付け部としても機能する連結部３３の内部通路を流れる。

上記の焼き入れコイル１０を用いてワークＷを焼き入れする場合を説明する。まず、カバー部材２０の開口部２１ａがワークＷと嵌合するように、カバー部材２０を配置する。このとき、カバー部材２０の自重による下方向への垂直荷重によって、センタースペーサ４１とワークＷとが当接する。また、焼き入れコイル１０に付与される左方向の水平荷重によって、各サイドスペーサ４２、４２とワークＷとが当接する。これにより、コイルヘッド３０とワークＷとの間にギャップＧが形成される。

この状態で、ワークＷを時計回り方向（図１に示す矢印Ａ方向）に回動させるとともに、焼入装置から焼き入れコイル１０に電流を供給する。これにより、ワークＷは誘導加熱される。また、電流による自己発熱および加熱されるワークＷからの輻射熱により高温となるコイルヘッド３０等に、冷却タンクの冷却水が焼入装置のリード部１００から供給されることで、コイルヘッド３０等が冷却される。焼き入れコイル１０は、冷却経路より少なくとも各湾曲部３１、３１に冷却水を供給することで、コイルヘッド３０およびスペーサ４０を冷却する。ワークＷを加熱した後で、ワークＷに対して冷却液が噴き付けられ、ワークＷが急冷される。これにより、ワークＷに焼入れが行われる。上記のコイルヘッド３０を備えた焼き入れコイル１０では、各コア部材５０が２つのコア部材分割体５１ａ、５１ｂによって構成され、２つのコア部材分割体５１ａ、５１ｂ間に非磁性体５２が充填されていることで、焼き入れ深さも均一処理することができる。

次に、上記の焼き入れコイル１０を用いてワークＷに焼き戻し処理を施す場合を説明する。対象とするワークＷの例として、図６で説明したクランクシャフト２００を用いる。焼き入れの場合と同様に、クランクシャフト２００のピントップ部２０１の部分を、カバー部材２０の開口部２１ａに嵌合するようにして、カバー部材２０を配置する。その状態で、ワークＷを回転させることなく、焼入装置から焼き入れコイル１０に電流を供給して誘導加熱する。これにより、クランクシャフト２００のピントップ部２０１における焼き戻し処理を施したい部分、すなわち、図６（ｂ）にＲで示すピントップ部２０１のＲ部を集中して加熱することが可能となり、焼き戻しが不要である軸部は熱量が低くなるようなバランスとなった状態で、適切な温度分布が得られる。

すなわち、本発明による焼き入れコイル１０では、各コア部材５０が２つのコア部材分割体５１ａ、５１ｂによって構成され、２つのコア部材分割体５１ａ、５１ｂ間に非磁性体５２が充填されていることで、言い換えれば、磁束が集中する部分に磁性体を設けないことで、磁束の集中を防ぐことができ、温度が過度に上昇するのを回避して、焼き戻し時のコイルの温度分布を周方向にほぼ均一にすることができる。結果として、ワークに対して焼き戻しの必要な箇所を均一に加熱ができるようになり、焼き戻し処理が可能となる。

１０…焼き入れコイル、
３０…コイルヘッド、
３１…湾曲部、
３２…センタースペーサ取り付け部（スペーサ取り付け部）、
３３…サイドスペーサ取り付け部としても機能する連結部、
４０…スペーサ、
４１…センタースペーサ、
４２…サイドスペーサ、
５０…磁束を集中させるためのコア、
５１ａ、５１ｂ…コア部材分割体、
５２…非磁性体、
６０…コイルリード、
Ｗ…ワーク。

Claims (1)

1. 互いに所定の間隔を空けて配置される一対の略半円状の湾曲部の一方端が連結部によって連結されることで前記両湾曲部の周長が連続するヘアピン形状をなしているコイルヘッドと、前記コイルヘッドの前記湾曲部の外周上であって該湾曲部の中心点から周方向の離れた位置に取り付けられる珪素鋼板またはフェライトからなるコア部材とを備える形態の焼き入れコイルであって、
   前記各コア部材は前記湾曲部の周方向に位置する２つのコア部材分割体によって形成されており、略半円状の湾曲部の周方向中央部の中心点を０°としたときに、外周上の点と円の中心とが作る角度が、＋３０〜４０°、−３０〜４０°の部分で、隣接するコア部材分割体の間は空間とされるか非磁性体が充填されてことを特徴とする焼き入れコイル。

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