JP4502334B2 - 多段形状軸部材の誘導加熱コイル及び加熱方法 - Google Patents

Description

本発明は、多数の段部を有する軸部材を誘導加熱焼入れなどする場合に使用される誘導加熱コイル及び加熱方法に関するものである。

従来、多段形状軸部材の誘導加熱焼入れにおいては、各段ごとか、あるいは何段かに分けて、各段に対応する環状の加熱コイルを使用して加熱し、冷却焼入れする方法が行われていた。しかし、この従来方法では、手間がかかってコストが高くなり、また段の付け根部が加熱され難いという問題点があった。
そこで、これを解決した誘導加熱コイルとして特許文献１の加熱コイルが開示されている。
特開平１１−１６２６２６号

前記特許文献１の加熱コイルは、図３に示すように軸方向に延長された直線導体により軸表面を加熱するものであり、１個のコイルで多数の段を１回で加熱焼入れでき効率的である。

しかしながら、特許文献１の加熱コイルは、加熱の際に軸の段ごとに温度上昇に差が生ずるので、温度を均一にするためには加熱時間が長くかかるという問題点がある。そして、加熱時間が長くなると焼入れ歪みが大きくなるという欠点が生じた。また軸方向導体により加熱するので大電力を入力することが困難で、軸の長さが長くなると一層加熱時間が長くかかり、加熱効率が下がるという問題点があった。さらに、加熱コイルの冷却水量に制限を受けるので、加熱コイルの温度上昇が生じて投入電力に制限が生じたり、構造上コイル強度が低くなりやすくコイル寿命が短くなるという問題点があった。

このために、さらに大電力を投入できて、急速短時間加熱を行うことにより焼入れ歪みを小さくし、構造的にも強固で寿命の長いコイルの要望があった。
そこで本発明は、上記問題点を解決して、加熱熱効率を向上し、大電力が投入できて急速短時間加熱により焼入れ歪みを減少し、寿命の長い多段形状軸部材の誘導加熱コイルを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の多段形状軸部材の誘導加熱コイルと加熱方法は、被加熱軸部材の加熱部外周と所定の隙間を持つ内径を有する環状導体が軸方向に複数に分割されて配設され、それぞれの環状導体の軸方向の長さが、分担する加熱部の面積がほぼ等しくなるように設定され、該複数の環状導体が直列に接続されて、被加熱軸部材の各段軸部を均等に昇熱することを特徴とするものである。

このように、多段形状軸部材の加熱コイルに直線導体でなく環状導体を使用して加熱することにより、特許文献１の軸方向直線導体を使用する加熱コイルより大電力が投入できて、短時間加熱により焼入れ歪みを減少することができ、また冷却水量を増加することができてコイル寿命が延長される。

一方、多段形状軸部材の各段軸部を分割しない１個の環状導体で加熱すると、大径部が小径部より加熱され難く大径部の温度上昇が遅くなる。そこで本発明は、各環状導体の軸方向長さを分担する加熱部の面積がほぼ等しくなるように設定した複数の環状導体を直列に接続することにより、各段軸部の均一な温度上昇を図るものである。すなわち、複数の環状導体を直列に接続すると各環状導体の電流は等しくなるので、環状導体の軸方向長さを、大径部は短くして電流密度を大きく、小径部は長くして電流密度を小さくして均一な温度上昇を図るものである。各環状導体の複数の分割数と軸方向の長さは、被加熱軸部材の形状に基づき経験と実験値により決定される。

前記複数の環状導体の１以上が、被加熱軸部材の外径の異なる段軸にまたがる形状にされ、被加熱軸部材の各段軸部を均等に昇熱することをが望ましい。このようにすれば、環状導体の数を少なくして、多い段数の軸材を均一に加熱することができる。

また、前記環状導体の被加熱軸部材の段の軸の付け根に対応する部分に環状の凸部が設けられ、該段の軸の付け根を併せて加熱することが望ましい。こうすれば、段の付け根部に電流が集中するので、付け根の底まで加熱焼入れすることができる。

ここでいう多段形状軸部材とは、各段が平滑な軸のみでなく、一部の段に歯車、セレーション、スプラインなどが加工された形状の軸材をも含むものである。また、軸部材の加熱部の形状と外径に合わせた形状、内径とは、例えば軸部がストレートでなくテーパーの場合は環状導体の内径もテーパーにし、段付き軸の段にまたがる場合は環状導体の内径も段付きにするなどをいう。

本発明の多段形状軸部材の誘導加熱コイルは、多段軸材においても各段の温度上昇を均一にできるので加熱時間が減少できる。これにより加熱効率が向上し省電力が達成できる。また大電力が入力できるので短時間加熱ができて、焼入れ歪みを減少することができる。また、コイル形状が構造的に強固で大量の冷却水が使用できるのでコイルの温度上昇が少なくコイルの寿命が延長され、コスト低減を図ることができる。

［図１］本発明実施形態の直列接続した多段形状軸部材の誘導加熱コイルの斜視図である。
［図２］本発明実施形態の多段形状軸部材の誘導加熱コイルの断面図である。
［図３］従来の多段形状軸部材の誘導加熱コイルの斜視図である。

符号の説明

１ 上環状導体、２ 中環状導体、３ 下環状導体、１０ 誘導加熱コイル、１１、１２、２１、２２、３１、３２、３４ リード部、１３、２３、３３ 縦リード部、Ｗ ワーク（被加熱軸部材）

以下、本発明の多段形状軸部材の誘導加熱コイルについて、図示の１実施形態について具体的に説明する。図１は本発明の環状導体を直列に配設した誘導加熱コイルの斜視図、図２はその断面図である。

以下、これらの図を用いて３段の軸部材を加熱する本発明の誘導加熱コイルの構成について説明する。本実施形態の被加熱軸部材（以下ワークという）Ｗは、図２に示すように小径部Ｗ１、中径部Ｗ２、大径部Ｗ３を有し、各段の寸法が、ｄ_１×ｈ_１＋ｄ_２×ｈ_２＋ｄ_３ｈ_３の直径と長さを有する３段の軸部材である。

図２において、誘導加熱コイル１０は、軸方向に３つに分割された上、中、下の３個の環状導体１、２、３からなる。３個の環状導体１、２、３は、ワークＷの外周との間に一定の隙間Ｇが形成される内径を有し、直列に接続されている。上環状導体１は図２のワークの小径部Ｗ１の長さ方向のｈ_０１の範囲を加熱する。中環状導体２は１個の導体で小径部Ｗ１の下部と、中径部Ｗ２の２段に亘って加熱し、図２の（ｈ_１１＋ｈ_２）の長さの範囲を加熱する。このために中環状導体２の内周は、加熱部と隙間Ｇを設けた段付きの形状になっている。また、中環状導体２には、小径部Ｗ１の付け根部Ｗ１ａに対応する位置に凸部２ａが、中径部Ｗ２の付け根部Ｗ２ａに対応する位置に凸部２ｂが設けられている。これによって、軸の付け根部の昇温が不十分になるのを防止している。下環状導体３は大径部Ｗ３のｈ_３の長さの範囲を加熱する。

図１の誘導加熱コイル１０において、加熱電力は上環状導体のリード部１１から上環状導体１を回り、上環状導体のリード部１２を通って縦リード１３から中環状導体のリード部２１に通ずる。そして、中環状導体２を回って中環状導体のリード部２２を通り、縦リード２３から下環状導体のリード部３１に通じて下環状導体３を回る。さらに下環状導体のリード部３２を通って縦リード３３からリード部３４に導通する。これにより、３個の環状導体１、２、３は直列に接続され、各環状導体に同一方向に電流が流れるようになっている。

図２の各段軸部Ｗ_１，Ｗ_２，Ｗ_３の径はｄ_１＜ｄ_２＜ｄ_３である。この各段軸部をそれぞれ１個の環状導体で加熱するとすると、大径部Ｗ_３が中径部Ｗ_２より加熱され難く、温度上昇が遅い。一方、小径部Ｗ_１は径ｄ_１が小さく温度は上がりやすいが、軸部長さｈ_１に対応した一個の環状導体にすると軸部長さｈ_１が長いために電流密度が小さくなり、中径部Ｗ_２に比して加熱され難く温度が上がり難い。そこで本発明は、環状導体の電流密度を被加熱部の径にほぼ比例するように設定することにより、各段軸部の均一な温度上昇を図った。

その方法として本発明は、被加熱部の面積がほぼ等しくなるように各環状導体の軸方向長さを変えて、各段部の均一な温度上昇を図るものである。すなわち、原則的には環状導体の軸方向長さを、大径部は短くして電流密度を大きく、小径部は長くして電流密度を小さくして均一温度上昇を図るが、これに加熱部の長さも考慮して環状導体の軸方向長さを決定した。

本実施形態の、図２のワークＷを３個の環状導体で加熱する場合、各段軸部の径ｄ_１，ｄ_２，ｄ_３に対応させて各環状導体の軸方向長さＨ_１、Ｈ_２、Ｈ_３を定めた。そして、３個の各環状導体の加熱分担範囲を図２のように、上環状導体１はｈ_０１、中環状導体２は（ｈ_１１＋ｈ_２）、下環状導体３はｈ_３とした。
なお、中環状導体２の内径は、図２のようにワークの各段の外周と所定の隙間を有する段付き形状の径にされている。これにより各導体による軸の加熱面積当りの付加電力量がほぼ等しくなるので、加熱の際の温度上昇が均一になり、加熱効率が向上する。
また、図２の中環状導体２のワークＷの段の付根Ｗ_１ａ，Ｗ_２ａに対応する部分に凸部２ａ，２ｂを設けて、段の付根Ｗ_１ａ，Ｗ_２ａを加熱するようにした。図では凸部２ａ，２ｂは中環状導体２の内径と等しく下方に伸びているが、段の付根Ｗ_１ａ，Ｗ_２ａの方向に向けて内周側に環状に突出させた形状にしてもよい。

上記本発明の加熱コイルを用いて、図２の各寸法が
（φｄ_１×ｈ_１）＋（φｄ_２×ｈ_２）＋（φｄ_３×ｈ_３）
＝（φ５０×８０）＋（φ８０×１８）＋（φ１３０×２２）ｍｍの３段軸部材について加熱試験した。
加熱コイルは図２に示すような３個の環状導体を直列に接続して加熱した。その加熱部長さとこれに対応する各環状導体の長さＨ_１、Ｈ_２、Ｈ_３を表１のように設定した。
すなわち、図２に示すように中環状導体を２段にまたがる段付きの形状にして、表１に示すように３個の環状導体の加熱面積をほぼ等しくした。また、中環状導体２には凸部２ａ，２ｂを設けた。

図３に示す従来の加熱コイルと上記本発明の加熱コイルとを用いて、上記寸法の軸材について焼入れ温度まで加熱して比較加熱実験を行った。その結果を表２に示す。

結果は、表に示すように、均一な焼入れ温度になるまでの時間が約１／２になり、冷却水量を２倍に増やすことができてコイルの温度を下げることができ、この効果と構造的に強度が高いためにコイル寿命を上げることができた。なお、中環状導体２に設けられた凸部２ａ及び２ｂにより軸の付け根まで十分に加熱された。

以上説明したように、本発明の多段形状軸部材の誘導加熱コイルは、被加熱軸部材の外周に配設した複数の環状導体により加熱するので、従来の軸方向導体の加熱コイルより大電力が投入でき、かつ冷却水量を増加することができるので、コイルの温度上昇を抑え変形が防止できる。また、各環状導体が分担する加熱部面積が等しいように各環状導体の軸方向の長さが設定されているので、軸部材の各段の加熱温度上昇が均一になる。このために、従来のコイルよりも各部の温度が均一になるまでの時間が短縮されて所要電力量が減少し加熱効率が上昇する。併せて短時間加熱により焼入れ歪みが低減される。

前記複数の環状導体は、形状、内径を軸部材の加熱部の形状と外径に合わせ、軸部材の外径の異なる段にまたがる形状にすることにより各段が均一に加熱されやすく、かつ環状導体の軸部材の段の付け根に対応する部分に環状の凸部を設けることにより、軸の付け根部まで均一に加熱されるという利点がある。

以上述べたように本発明の多段形状軸部材の誘導加熱コイルは、急速加熱できて加熱時間が短縮されるので焼入れ歪みが低減されるとともに、加熱効率が向上して省電力が達成でき、生産性が向上する。また、コイルの寿命が延長されてコストが低減されるので、誘導加熱焼入れなどの原価低減が可能になり産業の発展に貢献する。

Claims (6)

1. 多段形状軸部材の誘導加熱コイルにおいて、被加熱軸部材の加熱部外周と所定の隙間を持つ内径を有する環状導体が軸方向に複数に分割されて配設され、それぞれの環状導体の軸方向の長さが、分担する加熱部の面積がほぼ等しくなるように設定され、該複数の環状導体が直列に接続されて、被加熱軸部材の各段軸部を均等に昇熱することを特徴とする多段形状軸部材の誘導加熱コイル。
2. 前記複数の環状導体の１以上が、被加熱軸部材の外径の異なる段軸にまたがる形状にされ、被加熱軸部材の各段軸部を均等に昇熱することを特徴とする請求項１に記載の多段形状軸部材の誘導加熱コイル。
3. 前記環状導体の被加熱軸部材の段の軸の付け根に対応する部分に環状の凸部が設けられ、該段の軸の付け根を併せて加熱することを特徴とする請求項１又は２に記載の多段形状軸部材の誘導加熱コイル。
4. 多段形状軸部材の誘導加熱において、被加熱軸部材の加熱部外周と所定の隙間を持つ内径を有する環状導体が軸方向に複数に分割されて配設され、それぞれの環状導体の軸方向の長さが、分担する加熱部の面積がほぼ等しくなるように設定され、該複数の環状導体が直列に接続された誘導加熱コイルを用いて、被加熱軸部材の各段軸部を均等に昇熱することを特徴とする多段形状軸部材の誘導加熱方法。
5. 前記複数の環状導体の１以上が、被加熱軸部材の外径の異なる段軸にまたがる形状を有する誘導加熱コイルを用いて、被加熱軸部材の各段軸部を均等に昇熱することを特徴とする請求項４に記載の多段形状軸部材の誘導加熱方法。
6. 前記環状導体の被加熱軸部材の段の軸の付け根に対応する部分に環状の凸部が設けられた誘導加熱コイルを用いて、該段の軸の付け根を併せて加熱することを特徴とする請求項４又は５に記載の多段形状軸部材の誘導加熱方法。

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