JP5667786B2 - 誘導加熱装置及び誘導加熱方法 - Google Patents

Description

本発明は、誘導加熱装置及び誘導加熱方法に係り、例えば処理対象物と誘導加熱コイルを相対的に移動しながら処理するものに関する。

金属部材に高周波焼き入れ等の熱処理を行う誘導加熱装置において、例えばサイズの大きい処理対象物及び被処理部を対象とする場合等に、被処理部の一部のみに対応する誘導加熱コイルを、被処理部に対して相対的に移動させながら加熱処理する移動式の誘導加熱装置が知られている。

このような移動式の誘導加熱装置において、被処理部が円形である場合には、被処理部を有する処理対象物を回転運動させながら、あるいは加熱装置を被処理部の軌跡に沿って旋回移動させながら、加熱処理を行っている（例えば、特許文献１参照）。

特表２００８−５３０４６０号公報

しかしながら、上記技術には以下のような問題がある。すなわち、上述の移動方法では、サイズの大きな被処理部を対象とした場合に、大型の処理対象物を回転運動させ、あるいは加熱装置を大きな軌跡に沿って旋回移動させる必要があり、移動機構が大型かつ複雑になるという問題がある。また処理対象物と加熱部との位置関係を高精度に維持することも困難となる。

そこで、本発明は、簡単な構造で高精度に移動加熱処理を行うことが可能な誘導加熱装置及び誘導加熱方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様にかかる誘導加熱装置は、被処理部を有する処理対象物を、所定の第１方向に沿って直線移動させる第１移動手段と、前記処理対象物の前記被処理部に対向配置される加熱部を有する一対の加熱ユニットと、一対の前記加熱ユニットを、前記第１方向に交差する第２方向に沿って直線移動させる第２移動手段と、前記加熱ユニットの向きを変える変向手段と、を備える。前記変向手段は、前記加熱部が前記被処理部に向くよう、前記加熱ユニットを変向する。前記第２移動手段は、前記第１移動手段によって前記第１方向に沿って移動される前記処理対象物の前記被処理物と前記加熱部との間のギャップを所定値に維持するよう、前記一対の加熱ユニットを前記第２方向に沿って移動させる。

本発明によれば、簡単な構造で高精度に移動加熱処理を行うことが可能となる。

本発明の第１実施形態に係る誘導加熱装置を示す平面図。 同誘導加熱装置を示す側面図。 同誘導加熱装置の構成を示す平面図。 同誘導加熱装置の動作を示す説明図。 同誘導加熱装置の動作を示す説明図。 本発明の他の実施形態にかかる誘導加熱装置を示す平面図。 同誘導加熱装置を示す側面図。

以下、本発明の一実施形態かかる誘導加熱装置１０について、図１乃至図４を参照して説明する。図中矢印Ｘ，Ｙ，Ｚはそれぞれ互いに直交する３方向を示す。また、各図において説明のため、適宜構成を拡大、縮小または省略して示している。

図１は本実施形態に係る誘導加熱装置１０の全体構成を概略的に示す平面図である。図２乃至図４は、誘導加熱装置１０の側面図、誘導加熱ユニット１２Ａの平面図、及び誘導加熱装置１０の動作説明図を、それぞれ示す。

図１及び図２に示すように、誘導加熱装置１０は、被処理部Ａ１の少なくとも一部を誘導加熱する一対の誘導加熱ユニット１２Ａ，１２Ｂ（加熱ユニット）と、被処理部Ａ１を有する処理対象物としてのワークＰ１を所定の第１方向に直線移動する第１移動手段１３と、誘導加熱ユニット１２Ａ，１２Ｂを互いに接離するように第１方向と交差する第２方向に直線移動させる第２移動手段１４と、誘導加熱ユニット１２Ａ，１２Ｂの向きを変える変向手段１５と、を備えて構成される。

処理対象物の一例としてのワークＰ１は厚さ２５ｍｍ以上の肉厚部品であり、例えばここでは、中心Ｃ１を軸心とした、外側半径ｒ１＝２５０ｍｍ、内側半径ｒ２＝２００ｍｍ、肉厚寸法ｔ１＝５０ｍｍ、軸方向（第１方向）長さｌ１＝１００ｍｍの円筒状部材である。

本実施形態においては、例えば、ワークＰ１の外周面の軸方向中央部分の円形の帯状の領域を被処理部Ａ１とし、この被処理部Ａ１を周方向Ｒに沿って全周にわたって熱処理する場合を示す。被処理部Ａ１は、ワークＰ１の外周面における周方向Ｒに沿って連続する円形の無端のループ形状の帯状の領域を成す。

一対の誘導加熱ユニット１２Ａ，１２Ｂは、ワークＰ１の外側に配置され、その加熱導体部３１がワークＰ１の被処理部Ａ１における一部分に所定のギャップ寸法Ｇ１を確保して対向するように、内側に向かって配置される。図１乃至図３に示すように、各誘導加熱ユニット１２Ａ，１２Ｂは、図３に示す電源供給手段としての高周波電源２１と、高周波電源２１に接続されるリード線２２、２３と、リード線２２，２３に接続される一対の導電板２４，２４を備えるスペーサ２８と、両端が一対の導電板２４，２４（一方のみ図３に示す）にそれぞれ接続された誘導加熱コイル２６と、誘導加熱コイル２６の加熱導体部３１の裏側に配置されるコア２７と、高周波電源２１に接続された変成器２９と、を備えて構成されている。

誘導加熱コイル２６は、ワークＰ１の被処理部Ａ１に対向する加熱導体部３１（加熱部）と、加熱導体部３１の一端３１ａ側に連続する第１の接続導体部３２と、加熱導体部３１の他端３１ｂ側に連続する第２の接続導体部３３と、を連続して一体に備えている。

加熱導体部３１は、平面視において周方向Ｒに沿って湾曲した形状を成し、所定の間隙を確保して、被処理部Ａ１の一部に対向配置される。加熱導体部３１は円形の被処理部Ａ１の中心線上において、被処理部Ａ１の中心Ｃ１に向かって、配置されている。

第１の接続導体部３２の端部及び第２の接続導体部３３の端部には冷却液用のホースなどの部品を接続するためのカップラ３６が設けられている。第１の接続導体部３２と第２の接続導体部３３とは、スペーサ２８を挟んで厚さ（Ｚ軸）方向に離間して配置されている。スペーサ２８は、それぞれ矩形の平板状を成す一対の導電板２４，２４と、これら一対の導電板２４，２４の間に挟まれる矩形の平板状の絶縁板３８とがＺ方向に重ねて配置されるとともに、これら導電板２４，２４及び絶縁板３８が絶縁ブッシュを介してボルト及びナットにより固定されて構成されている。各導電板２４，２４は、リード線２２、２３を介して高周波電源２１に接続されている。

誘導加熱コイル２６は銅などの材質から例えば矩形の中空形状に形成されている。この中空部分は冷却液が流通する通路となる。コア２７は、ケイ素鋼板、ポリアイアンコア、フェロトン等の高透磁率を有する材質からなり、加熱導体部３１の裏側、すなわち被処理部Ａ１とは反対側に、配置されている。

図１及び図２に示すように、第１移動部（第１移動手段）１３は、図中Ｙ軸に沿うガイドレール１３ａ（第１通路）と、ワークＰ１を支持するとともにガイドレール１３ａ上を移動するワーク支持レール１３ｂと、を備えている。ガイドレール１３ａはＹ軸に沿って延びる一対のレール部材からなる。第１移動部１３は、ワークＰ１をガイドレール１３ａに係合支持した状態でＹ軸に沿って直線移動（第１移動）させる。

第２移動部（第２移動手段）１４は、図中Ｘ軸に沿うガイドレール１４ａと、一対の誘導加熱ユニット１２Ａ，１２Ｂを支持するとともにガイドレール１４ａ上を移動する一対のユニット支持レール１４ｂと、を備えている。ガイドレール１４ａはＸ軸に沿って延びる一対のレール部材からなる。第２移動部１４は、一対の誘導加熱ユニット１２Ａ，１２Ｂをガイドレール１４ａに係合支持した状態で図中Ｘ軸に沿って直線移動（第２移動）させる。

変向部（変向手段）１５は、例えばＸ軸上の所定の中心Ｃ２を軸心として加熱ユニット１２Ａ，１２Ｂを回転させる回転部１５ａを備える。この回転部１５ａにより、変成器２９を回転させることで加熱導体部３１が被処理部Ａ１の中心Ｃ１に向かうように加熱ユニット１２Ａ，１２Ｂの向きを変化させる。変向部１５は、それぞれ移動するワークＰ１と加熱ユニット１２Ａ，１２Ｂとの移動に応じて、加熱導体部３１がワークＰ１の被処理部Ａ１に常に対向するように加熱ユニット１２Ａ，１２Ｂの向きを調節する（変向動作）。このとき、加熱導体部３１とワークＰ１との間のギャップ寸法Ｇ１は所定値に維持される。

以下、本実施形態にかかる誘導加熱方法について図４を参照して説明する。本実施形態の誘導加熱方法は、一対の誘導加熱ユニット１２Ａ，１２Ｂにより被処理部Ａ１を加熱しながら相対移動させる移動加熱工程を備える。

移動加熱工程において、被処理部Ａ１のうち一部に加熱導体部３１を対向させた状態で、高周波電源２１をＯＮ状態とすると、高周波電流が、リード線２２、上側の導電板２４、第１の接続導体部３２、加熱導体部３１、第２の接続導体部３３、下側の導電板２４（不図示）、及びリード線２３、を順に経て、高周波電源２１に戻る。このとき、加熱導体部３１において高周波電流は図３中に矢印で示すように一端３１ａ側から他端３１ｂ側へ向かって流れ、加熱導体部３１の表面に誘導電流が発生し、対向配置される被処理部Ａ１の一部が加熱される。

移動加熱工程では、上記の誘導加熱処理を行いながら、ワークＰ１の被処理部Ａ１の表面と加熱導体部３１の表面との間のギャップ寸法Ｇ１を所定値に維持した状態で、被処理部Ａ１に対して加熱導体部３１を所定の速度で相対移動させる。例えばここでは、電力を１００〜１５０ｋＷ、ギャップ寸法Ｇ１＝２．５ｍｍを維持しながら、ワークＰ１の周方向に、相対移動させる。

ワークＰ１の周方向における相対移動について、図４のＳ１〜Ｓ５を参照して説明する。この相対移動は、ワークＰ１を第１方向であるＹ軸に沿って移動させる第１移動と、一対の誘導加熱ユニット１２Ａ，１２Ｂを互いに接離するように第２方向であるＸ軸に沿って直線移動させる第２移動と、加熱ユニット１２Ａ，１２Ｂを回転させて向きを変更する変向動作とを同時に行うことで、実現される。

まず初期状態において、ワークＰ１のＹ方向一端側に一対の誘導加熱ユニット１２Ａ，１２Ｂをセットする。このとき一対の加熱導体部３１が中心Ｃ１を向いた状態にセットする。この状態から、ワークＰ１をＹ方向他端側に移動させつつ（第１移動）、一対の誘導加熱ユニット１２Ａ，１２Ｂを互いに離間するようにＸ方向に移動させ（第２移動）、加熱導体部３１が常に被処理部Ａ１に対向するように変向し（変向動作）、Ｓ１、Ｓ２，Ｓ３の状態に順番に変位させていく。

ワークＰ１の両側部にそれぞれ加熱ユニット１２Ａ，１２Ｂが離間して配置されるＳ３の状態を過ぎると、さらにワークＰ１をＹ方向他端側に移動させるとともに（第１移動）、今度は一対の誘導加熱ユニット１２Ａ，１２Ｂを互いに近接するようにＸ方向に移動させ（第２移動）、加熱導体部３１が常に被処理部Ａ１に対向するように変向し（変向動作）、Ｓ４，Ｓ５の状態に順番に変位させていく。

なお、本実施形態では被処理部Ａ１は円形状であるため、加熱導体部３１が常に中心Ｃ１を向くように角速度ωで変向し続ける。図５に示すように、本実施形態において初期位相α、変向動作の角速度ω、加熱導体部３１の中心Ｃ１からの距離（半径）Ｒ、時刻ｔ、とすると、中心Ｃ１から加熱導体部３１のＹ方向における距離ｙ（ｔ）＝Ｒsin（ωｔ+α）が成り立つ。ここではα＝-π／２であるので、距離ｙ（ｔ）＝Ｒｃｏｓ（-ωｔ）となる。一方、中心Ｃ１から加熱導体部３１のＸ方向における距離ｘ（ｔ）＝Ｒcos（ωｔ+α）が成り立つ。

ガイドレール１４ａはガイドレール１３ａに直交し、一対の誘導加熱ユニット１２Ａ，１２Ｂはガイドレール１３ａを挟んで接離するように配置されているため、Ｓ１〜Ｓ５に順番に推移していく間にワークＰ１は一対の誘導加熱ユニット１２Ａ，１２Ｂの間を通過することになる。

これらの第１移動、第２移動及び変向動作の組み合わせにより、誘導加熱ユニット１２Ａ，１２ＢがワークＰ１の外周に沿ってそれぞれ半周ずつ相対移動することとなる。このとき、誘導熱ユニット１２Ａ，１２Ｂを回転して加熱導体部３１の向きが調節されることで、常に加熱導体部３１が中心Ｃ１に向かうよう調整され、被処理部Ａ１と加熱導体部３１との相対的な位置関係が維持される。以上により、加熱導体部３１に対向配置されるワークＰ１の外周面の帯状の領域である被処理部Ａ１全域が均一に加熱される。被処理部Ａ１の全周にわたって加熱処理が行われ、移動加熱工程が終了する。

移動加熱工程の終了後には、例えば被処理部Ａ１を冷却する冷却工程を行う。冷却工程では、例えばワークＰ１を図示しない冷却部に移動させ、冷却部にてワークＰ１を冷却液で冷却する。さらに、誘導加熱コイル２６の内側の中空部分を通って、第１の接続導体部３２、加熱導体部３１、第２の接続導体部３３、の中空部分を経由して冷却液を流すことにより、誘導加熱コイル２６及び導電板２４，２４を冷却する。

本実施形態にかかる誘導加熱装置及び誘導加熱方法によれば、以下のような効果が得られる。すなわち、第１移動、第２移動及び変向動作により、大型のワークを対象とした場合であっても、複数の単純な動作の組み合わせで容易かつ高精度に熱処理を行うことができる。すなわち、誘導加熱ユニット１２Ａ，１２Ｂを大きな円形の軌跡に沿って旋回移動させる必要がなく、また大型のワークＰ１を回転移動させる必要もないため、移動のための装置が単純化及び小型化できる。また単純な直線運動の組み合わせであるため位置関係を高精度に管理しやすい。

また、被処理部Ａ１の一部のみに対応する加熱導体部３１を相対移動させながら加熱処理を行うこととしたので、被処理部Ａ１及びワークＰ１が大型となる場合であっても加熱導体部３１のサイズを小さく抑えることができ、複数の誘導加熱ユニット１２Ａ，１２Ｂを小型にすることができる。このため、必要な電力を低くするとともに製造コストを低く抑えることが可能となる。

また、被処理部Ａ１の一部のみに対向させつつ相対移動させながら加熱処理を行うこととしたので、円形などの曲部を有する部材をワークとした場合に、熱膨張等の要因によりワークＰ１が変形しても、容易に、適性なギャップ寸法を維持することができる。例えば円形の被処理部に対応する円環状の誘導加熱コイルを用いて一発加熱方式で熱処理を行う場合には、熱膨張によりワークＰ１が変形すると誘導加熱コイルの形状も変更して追従させる必要が生じるが、本実施形態のようにカバー率が小さい場合には、曲部の変形の影響が少ないので、ワークとの配置を調整するだけで適正なギャップを維持することが出来る。

なお、本発明は上記各実施形態に限られるものではなく、各構成は適宜変形実施可能である。また、前記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。例えば、処理条件や、各構成要素の形状、材質、寸法などは上記実施形態で例示したものに限られず、適宜変更可能である。

上記実施形態においては、円筒状のワークＰ１の外周面を被処理部Ａ１としたが、これに限られるものではない。例えば図６及び図７に示す誘導加熱装置１００のように円筒状のワークＰ２の内周面を被処理部Ａ２とした場合にも本発明を適用できる。この場合にも、ワークＰ２を第１方向に移動させ、加熱ユニット１２Ａ，１２Ｂを第２方向に移動させるとともに、加熱ユニット１２Ａ，１２Ｂの向きを調節するだけの単純な動作で高精度に熱処理が可能となる。このとき、例えば比較的サイズの大きい変成器２９をワークＰ２の外周側に配置するとともに、誘導加熱コイル２６がワークＰ１を乗越えるように屈曲形成され、加熱導体部３１がワークＰ２の内周面の被処理部Ａ２に対向するように配置される。このとき、加熱導体部３１は円形の被処理部Ａ２の中心Ｃ１を通る中心線上において外方を向くように配置される。

例えば加熱導体部３１の形状は、被処理部の大きさや形状等の各種条件に応じて適宜変更可能である。

上記実施形態では、Ｚ方向において一様な帯状の被処理部Ａ１、Ａ２を例示したが、これに限られるものではなく、被処理部の表面が傾斜していてもよい。

また、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を組合せてもよい。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］
被処理部を有する処理対象物を、所定の第１方向に沿って直線移動させる第１移動手段と、
前記処理対象物の前記被処理部に対向配置される加熱部を有する一対の加熱ユニットと、
一対の前記加熱ユニットを、前記第１方向に交差する第２方向に沿って直線移動させる第２移動手段と、
前記加熱ユニットの向きを変える変向手段と、
を備えたことを特徴とする誘導加熱装置。
［２］
前記被処理部は円形状に連続する領域であり、
一対の前記加熱ユニットは、第１方向に沿って前記処理対象物が通過する第１通路を挟んで配置されるとともに、前記被処理部の中心を通る中心線上において回転して変向され、
前記処理対象物は前記一対の加熱ユニットの間を通って前記第１方向に移動することを特徴とする［１］記載の誘導加熱装置。
［３］
前記加熱ユニットは、前記加熱部に接続される高周波電源と、変成器と、を備えることを特徴とする［１］記載の誘導加熱装置。
［４］
一対の加熱ユニットの加熱部をそれぞれ被処理部のうち一部に対向させて誘導加熱により前記被処理部を加熱し、前記被処理部を有する処理対象物を所定の第１方向に沿って直線移動させるとともに、前記加熱部の向きを変えながら、一対の前記加熱ユニットを前記第１方向と交差する第２方向に沿って直線移動させる、移動加熱工程を備えたことを特徴とする、誘導加熱方法。

Ｐ１、Ｐ２…ワーク（処理対象物）、Ａ１、Ａ２…被処理部、Ｃ１…ワーク中心、Ｒ…周方向、Ｃ２…回転中心、１０…誘導加熱装置、
１２Ａ，１２Ｂ…誘導加熱ユニット、１３…第１移動部（第１移動手段）、
１３ａ…ガイドレール（第１通路）、１４…第２移動部（第２移動手段）、
１４ａ…ガイドレール（第２通路）、１５…変向部（変向移動手段）、
３１…加熱導体部（加熱部）。

Claims (4)

1. 被処理部を有する処理対象物を、所定の第１方向に沿って直線移動させる第１移動手段
   と、
   前記処理対象物の前記被処理部に対向配置される加熱部を有する一対の加熱ユニットと、
   一対の前記加熱ユニットを、前記第１方向に交差する第２方向に沿って直線移動させる第２移動手段と、
   前記加熱ユニットの向きを変える変向手段と、
   を備え、
   前記変向手段は、前記加熱部が前記被処理部に向くよう、前記加熱ユニットを変向し、
   前記第２移動手段は、前記第１移動手段によって前記第１方向に沿って移動される前記処理対象物の前記被処理物と前記各加熱ユニットの前記加熱部との間のギャップを所定値に維持するよう、前記一対の加熱ユニットを前記第２方向に沿って互いに接離するよう移動させる
   ことを特徴とする誘導加熱装置。
2. 前記被処理部は円形状に連続する領域であり、
   一対の前記加熱ユニットは、第１方向に沿って前記処理対象物が通過する第１通路を挟んで配置されるとともに、前記被処理部の中心を通る中心線上において回転して変向され、
   前記処理対象物は前記一対の加熱ユニットの間を通って前記第１方向に移動することを特徴とする請求項１記載の誘導加熱装置。
3. 前記加熱ユニットは、前記加熱部に接続される高周波電源と、変成器と、を備えることを特徴とする請求項１記載の誘導加熱装置。
4. 一対の加熱ユニットの加熱部をそれぞれ被処理部のうち一部に対向させて誘導加熱により前記被処理部を加熱し、前記被処理部を有する処理対象物を所定の第１方向に沿って直線移動させるとともに、前記加熱部の向きを変えながら、前記第１方向に沿って移動される前記処理対象物の前記被処理部と前記各加熱ユニットの前記加熱部との間のギャップを所定値に維持するよう、一対の前記加熱ユニットを前記第１方向と交差する第２方向に沿って互いに接離するよう直線移動させる、移動加熱工程を備えたことを特徴とする、誘導加熱方法。

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