特開2020-204081(P2020-204081A)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2020-204081(P2020-204081A)
(43)【公開日】2020年12月24日
(54)【発明の名称】焼入装置
(51)【国際特許分類】
   C21D 1/10 20060101AFI20201127BHJP
   C21D 9/28 20060101ALI20201127BHJP
   C21D 1/667 20060101ALI20201127BHJP
【FI】
   C21D1/10 J
   C21D9/28 B
   C21D1/667
【審査請求】未請求
【請求項の数】1
【出願形態】OL
【全頁数】8
(21)【出願番号】特願2019-113286(P2019-113286)
(22)【出願日】2019年6月19日
(71)【出願人】
【識別番号】000003207
【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100103894
【弁理士】
【氏名又は名称】家入 健
(72)【発明者】
【氏名】佐藤 羊治
【テーマコード(参考)】
4K042
【Fターム(参考)】
4K042AA14
4K042BA10
4K042DA01
4K042DB01
4K042DD04
4K042DF01
4K042DF02
4K042EA01
4K042EA02
(57)【要約】
【課題】周方向に回転しながら軸方向に移動する長尺棒状のワークの歪みを抑制することが可能な焼入装置を提供する。
【解決手段】焼入装置(1)は、周方向に回転しながら軸方向に移動する長尺棒状のワーク(W)を焼入れする装置であり、ワーク(W)の変形量を検出する変形量検出部(20)と、ワーク(W)を加熱する加熱部(30)と、加熱されたワーク(W)に対して冷却液を噴射して、ワーク(W)を冷却する冷却部(40)と、ワーク(W)と冷却部(40)との間にない第1の位置とワーク(W)と冷却部(40)との間にある第2の位置との間で移動可能で、必要なときに冷却部(40)からワーク(W)への冷却液の噴射を遮蔽する遮蔽材(51)と、変形量検出部(20)により検出されたワーク(W)の変形量のデータに基づいて、遮蔽材(51)の移動を制御する制御部(60)とを有する。
【選択図】図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
周方向に回転しながら軸方向に移動する長尺棒状のワークの焼入装置であって、
前記ワークの変形量を検出する変形量検出部と、
前記ワークを加熱する加熱部と、
前記加熱部により加熱された前記ワークに対して冷却液を噴射して、前記ワークを冷却する冷却部と、
前記ワークと前記冷却部との間にない第1の位置と、前記ワークと前記冷却部との間にある第2の位置との間で移動可能で、かつ、少なくとも前記第2の位置にあるときに前記ワークの周方向に回転移動可能であり、前記第2の位置にあるときに、前記冷却部から前記ワークへの前記冷却液の噴射を遮蔽する遮蔽材と、
前記変形量検出部により検出された前記ワークの変形量のデータを取得し、前記ワークの最大変形量が規定値以上であるときに、前記ワークの前記冷却部に最も近接する最大変形部分を特定し、当該最大変形部分と前記冷却部との間に前記遮蔽材が位置するよう、前記遮蔽材の移動を制御する制御部とを有する、焼入装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、焼入装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、長尺棒状のワークの表面焼入には、移動焼入が広く採用されている。移動焼入では、ワークは軸方向に移動されながら、表面焼入に必要な処理、具体的には加熱処理および冷却処理を受ける。
一般的に、長尺棒状のワークの移動焼入では、ワークの長さが断面積に比して大きいため、ワークの材質のばらつきおよび加工残留応力のばらつき等により、軸心線に対する歪みが発生しやすい。本明細書において、「軸心線」とは、長尺棒状のワークの歪みがない場合のワークの中心軸である。
【0003】
特許文献1は、長尺棒状のワークを軸方向に移動させながら焼入を行う高周波焼入装置に関する。特許文献1には、ワークの両側を誘導加熱する加熱コイルと、加熱されたワークの両側に対して焼入液を噴射する右側、左側冷却ジャケットと、軸方向の右側又は左側に歪むワークの歪みの量を検出するセンサと、センサにより検出されたデータと基準データとの偏差を求め、この偏差に基づいて前記冷却ジャケットの焼入液の噴射量を各々制御する制御部とを備えた高周波焼入装置が開示されている(請求項1)。
特許文献1に記載の高周波焼入装置では、移動焼入中にワークの歪みをリアルタイムで検出し、歪みが解消されるように焼入液のワーク軸回りの噴射量分布をリアルタイムで変更することができる(段落0011、0032)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特許第3452832号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、特許文献1に記載の焼入装置では、歪みの測定データの変動が大きい場合、冷却ジャケットから噴射される焼入液の噴射量をリアルタイムで適切に制御することは難しい。例えば、長尺棒状のワークが軸方向に回転しながら移動する場合、ワークの回転移動に合わせて歪みの測定データが大きく変動する。この場合、センサによる検出時間、制御回路の応答時間、焼入液の噴射量を調整する調整バルブの動作時間、および配管の容積に応じて変動する実流量変化の遅れ時間等が影響し、上記測定データの変動に合わせて、冷却ジャケットから噴射される焼入液の噴射量をリアルタイムで適切に制御することは難しい。特許文献1に記載の焼入装置では、ワークの歪みが検出されたときに、即座に冷却ジャケットから噴射される焼入液の噴射量を制御することが難しい。
【0006】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、周方向に回転しながら軸方向に移動する長尺棒状のワークの歪みを抑制することが可能な焼入装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の焼入装置は、
周方向に回転しながら軸方向に移動する長尺棒状のワークの焼入装置であって、
前記ワークの変形量を検出する変形量検出部と、
前記ワークを加熱する加熱部と、
前記加熱部により加熱された前記ワークに対して冷却液を噴射して、前記ワークを冷却する冷却部と、
前記ワークと前記冷却部との間にない第1の位置と、前記ワークと前記冷却部との間にある第2の位置との間で移動可能で、かつ、少なくとも前記第2の位置にあるときに前記ワークの周方向に回転移動可能であり、前記第2の位置にあるときに、前記冷却部から前記ワークへの前記冷却液の噴射を遮蔽する遮蔽材と、
前記変形量検出部により検出された前記ワークの変形量のデータを取得し、前記ワークの最大変形量が規定値以上であるときに、前記ワークの前記冷却部に最も近接する最大変形部分を特定し、当該最大変形部分と前記冷却部との間に前記遮蔽材が位置するよう、前記遮蔽材の移動を制御する制御部とを有するものである。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、周方向に回転しながら軸方向に移動する長尺棒状のワークの歪みを抑制することが可能な焼入装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
図1】本発明に係る一実施形態の焼入装置とこの装置を通過しているワークを示す模式図である。
図2】ワークの中心位置が軸心線よりずれた状態で、冷却部の内部をワークが通過している様子を進行方向先から見た模式断面図である。
図3】歪み解消制御を行わない場合の変形量の検出データの例である。
図4】歪み解消のための遮蔽材の移動制御の手順の例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0010】
図面を参照して、本発明に係る一実施形態の焼入装置の構造とこれを用いた焼入方法について、説明する。図1は、本実施形態の焼入装置とこの装置を通過しているワークを示す模式図である。図中、ワークW、加熱部30、冷却部40、遮蔽材51、および支持部材52は、断面図で図示してある。
【0011】
本実施形態の焼入装置1は、周方向に回転しながら軸方向に移動する長尺棒状のワークWの表面焼入を行う装置である。
図1中、符号CLは、長尺棒状のワークWの軸心線であり、ワークWの歪みがない場合のワークWの中心軸である。矢印D1はワークWの移動方向の例を示す。ワークWは、公知の移動機構(図示略)により、図示上側から図示下側に向かって矢印D1の方向に移動(搬送とも言う)されながら、焼入れに必要な各種の処理を順次受けるようになっている。
本実施形態において、ワークWは、回転モータ11により周方向に回転されるようになっている。矢印D2はワークWの回転方向の例を示す。
【0012】
本実施形態の焼入装置1は、ワークWを加熱する加熱部30と、加熱部30により加熱されたワークWに対して冷却液を噴射して、ワークWを冷却する冷却部40とを有する。
本実施形態において、加熱部30は、コイルとコイルに交流電流を供給する高周波電源とを含み、コイルの中を通るワークWを誘導加熱する高周波誘導加熱装置を含む。
本実施形態において、冷却部40は、ワークWの表面に対して冷却水等の冷却液を噴射する筒状等の冷却ジャケットを含む冷却装置を含む。
高周波誘導加熱装置および冷却ジャケットとしては、公知のものを用いることができる。なお、加熱部30および冷却部40の構成は、適宜設計変更可能である。
【0013】
本実施形態の焼入装置1は、ワークWの変形量を検出する変形量検出部20を有する。本実施形態では、加熱部30による加熱処理を受ける前に、変形量検出部20によりワークWの変形量が検出される。本実施形態において、変形量検出部20は変形量検出センサを含む。変形量検出センサとしては、ワークWの外周端の位置変化を検出することが可能な公知のセンサを用いることができる。図示例では、変形量検出部20は、ワークWの図示右側の外周端の位置変化を経時的に検出する。
【0014】
図3に、歪み解消制御を行わない場合の変形量の検出データの例を示す。この例では、周方向に回転しながら軸方向に移動する長尺棒状のワークWの変形量は、sinカーブまたはそれに近い変動で、周期的に変動している。この例では、図1において、歪みがない場合のワークWの図示右側の外周端の位置を基準位置とし、ワークWの図示右側の外周端の位置が基準位置にあるときのワークWの変形量をゼロとする。ワークWの図示右側の外周端の位置が基準位置よりずれた場合、その位置の基準位置からのずれ量を変形量とする。なお、ワークWの図示右側の外周端の位置が基準位置より図示右側にずれた場合の変形量をプラス、ワークWの図示右側の外周端の位置が基準位置より図示左側にずれた場合の変形量をマイナスで表している。
【0015】
図2は、ワークWの移動方向に対して垂直な断面において、ワークWの中心位置が軸心線CLより図示右側にずれ、ワークWの変形量がプラス側で最大である場合の模式断面図である。この図は、冷却部40の内部をワークWが通過している様子を進行方向先から見た模式断面図である。
【0016】
従来技術では、図2に示すワークWの断面の中で、図示右側の外周端は、冷却部40に最も近接するため、最も速く冷却され、最も速く焼入れが完了する。
「焼入れ」とは、鋼を硬化させるために、変態点以上の温度に加熱した後(オーステナイト領域まで加熱した後)に急冷する操作である。炭素を含む鋼を焼入れすると、面心立方晶のオーステナイトが体心正方晶のマルテンサイトに変わることで、体積が膨張し、硬さが非常に高くなる。
従来技術では、上記のように、図2に示すワークWの断面の中で、図示右側の外周端は、図示左側の外周端より先に冷却され、先に体積膨張および硬化する結果、もともと図示右に凸の歪みがさらに増幅される。図3に示したように、ワークWの変形量がsinカーブまたはそれに近い変動で周期的に変動している場合、従来技術では、変形量が最大となる位相では、常に、図示右側の外周端が図示左側の外周端より先に体積膨張する結果、周期の繰返し数の増加に伴って最大変形量は増幅され、歪みが増幅される。
【0017】
図1に示すように、本実施形態の焼入装置1は、ワークWの歪みを解消するために、必要なときに、冷却部40からワークWへの冷却液の噴射を遮蔽する遮蔽材51を有する。遮蔽材51の形状は、冷却部40からワークWへの冷却液の噴射を遮蔽することができる形状であればよく、板状および棒状等が挙げられる。
本実施形態の焼入装置1は、遮蔽材51を支持する支持部材52と、支持部材52に接続され、遮蔽材51および支持部材52をワークWの移動方向に対して平行方向(図示上下方向)に移動させる移動機構53と、ワークWの周方向に遮蔽材51を回転移動させる回転モータ54とを有する。図中、符号D3は、遮蔽材51の移動方向の例を示す。
【0018】
変形量検出部20により検出されたワークWの変形量が規定値未満であるとき、図示するように、遮蔽材51は、冷却部40の外側(図示例では、冷却部40より下方)に配置され、ワークWと冷却部40との間には配置されない。この状態では、遮蔽材51は、冷却部40からワークWへの冷却液の噴射を遮蔽しない。このときの遮蔽材51の位置を第1の位置と定義する。この位置は、初期位置または非遮蔽位置とも言う。
【0019】
変形量検出部20により検出されたワークWの変形量が規定値以上であるとき、遮蔽材51は、移動機構53によりワークWの移動方向に対して平行方向(図示上下方向)に移動され、ワークWと冷却部40との間に配置される。この状態では、遮蔽材51は、冷却部40からワークWへの冷却液の噴射を遮蔽する。このときの遮蔽材51の位置を第2の位置と定義する。この位置は、遮蔽位置とも言う。
本実施形態において、遮蔽材51は、少なくとも第2の位置(遮蔽位置)にあるときに、ワークWの回転方向D2と同じ方向に回転移動することができる。
【0020】
本実施形態の焼入装置1はまた、変形量検出部20により検出されたワークWの変形量のデータを取得し、ワークWの最大変形量が規定値以上であるときに、ワークWの冷却部40に最も近接する最大変形部分(図3に示す例のデータでは、ピークトップに対応)を特定し、最大変形部分と冷却部40との間に遮蔽材51が位置するよう、遮蔽材51の移動を制御する制御部60を有する。
【0021】
本実施形態の焼入装置1では例えば、図4に示すフローチャートのように、遮蔽材51の移動を制御することができる。
はじめに、回転モータ11を用いて周方向に回転させながら、公知方法にて、長尺棒状のワークWを軸方向に移動させ、焼入れを開始する。
次いで、変形量検出部20は、ワークWの変形量を経時的に検出し、図3に示すようなワークWの変形量のデータを取得する。
次いで、変形量が検出されたワークWを加熱部30により加熱する。
次いで、加熱されたワークWを冷却部40により冷却する。
【0022】
制御部60は、変形量検出部20からワークWの変形量のデータを受け取る。制御部60はまた、回転モータ11からワークWの回転情報を受け取る。制御部60は、ワークWの最大変形量が規定値以上であるか否かを判断し、規定値以上であれば、ワークWの歪みを解消するよう、以下の制御を行う。
【0023】
制御部60は、ワークWの変形量のデータとワークWの回転情報に基づいて、ワークWが最大変形する位相(図3に示す例のデータでは、ピークトップの位相)を特定し、ワークWの最大変形部分の回転タイミングを特定する。
制御部60は、回転モータ54を制御し、ワークWの最大変形部分と遮蔽材51とが、同一位相、同一回転数で回転するよう、第1の位置(初期位置、非遮蔽位置)にある遮蔽材51をワークWの周方向に回転移動させる。例えば、ワークWの移動方向に対して垂直な断面において、軸心に対して、遮蔽材51の初期位置と変形量検出部20の位置とを同一位相に設定しておき、変形量のデータが図3に示すようなデータのピークトップの位相にあるときに、遮蔽材51の位置が遮蔽材51の回転の初期位置となるように、回転モータ54を制御することが好ましい。
次いで、制御部60は、移動機構53を制御し、遮蔽材51を回転移動させたままワークWの移動方向に対して平行方向に移動させ、ワークWの最大変形部分と冷却部40との間の位置(第2の位置、遮蔽位置)に遮蔽材51を移動させる。
【0024】
以上の操作により、遮蔽材51は、ワークWの最大変形部分と冷却部40との間に位置した状態で、ワークWの最大変形部分と同一位相、同一回転数で回転移動することができる。この状態では、遮蔽材51の存在により、冷却部40から、ワークWの最大変形部分への冷却液の噴射が遮蔽されるため、最大変形部分に対して冷却液がかかりづらく、最大変形部分の冷却が遅れる。図2に示すワークWの断面の中で、図示右側の外周端に対して、冷却部40からの冷却液の噴射が遮蔽された場合、反対側の図示左側の外周端の方が先に冷却され、先に体積膨張および硬化する。このように、図2において図示右側より図示左側が大きく膨張する結果、もともと図示右に凸の歪みを有するワークWに対して、逆方向に歪ませる力が作用し、歪みが低減される。
【0025】
制御部60は、ワークWの最大変形量が規定値未満であると判断した時点で、移動機構53を制御し、遮蔽材51を元の位置(第1の位置、初期位置、非遮蔽位置)に戻し、ワークWに対する冷却液の噴射の遮蔽を解除する。
【0026】
遮蔽材51の第1の位置(初期位置、非遮蔽位置)と第2の位置(遮蔽位置)との間の移動方向は、ワークWの移動方向に平行な直線方向に限らず、適宜設計変更可能である。例えば、第1の位置(初期位置、非遮蔽位置)から第2の位置(遮蔽位置)に遮蔽材51を円弧状に曲線移動させてもよい。
遮蔽材51は、少なくとも第2の位置(遮蔽位置)にあるときにワークWの周方向に回転移動可能であればよく、遮蔽材51の回転開始は、遮蔽材51を第2の位置(遮蔽位置)に移動させた後でもよい。
【0027】
以上説明したように、本実施形態によれば、周方向に回転しながら軸方向に移動する長尺棒状のワークWの歪みを抑制することが可能な焼入装置1を提供することができる。
本実施形態では、特許文献1に記載の技術のように複雑な冷却液の流量制御の必要がなく、必要なときにワークWに対する冷却液の噴射を遮蔽するだけでよいので、ワークWの冷却の制御がしやすく、ワークWの歪みが検出されたときに即座に歪みを解消する制御を行うことができる。
【0028】
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、適宜設計変更が可能である。
焼入装置1は、上記実施形態で説明した冷却液の遮蔽機構に合わせて、ワークの最大変形量が規定値以上であるときに、ワークの最大変形部分に対して、歪みを解消する方向に機械的に力をかける機械的歪み解消機構を有していてもよい。この場合も、変形量検出部により検出されたワークの変形量のデータに基づいて、制御部は機械的歪み解消機構を制御することができる。
【符号の説明】
【0029】
1 焼入装置
11 回転モータ
20 変形量検出部
30 加熱部
40 冷却部
51 遮蔽材
52 支持部材
53 移動機構
54 回転モータ
60 制御部
W ワーク
図1
図2
図3
図4