(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基部と該基部から突出した突出部とを備えた円環形状のワークの前記突出部に、円環形状に沿って無端状の被加熱領域が設定され、該被加熱領域が誘導加熱されたときに該被加熱領域の一方の縁側と他方の縁側とで熱膨張による変形量が異なる前記ワークを誘導加熱する加熱装置であって、
前記被加熱領域の周方向の一部となる加熱位置に対向する加熱コイルと、前記ワークを円環形状に沿って回転させる相対移動手段と、加熱時に前記加熱位置の上流側における前記ワークの前記被加熱領域以外の位置で軸方向と径方向との表面位置を検出する位置検出手段と、該位置検出手段の検出結果に基づいて前記ワークと前記加熱コイルとの相対位置を変位させる変位手段と、を備え、
前記変位手段は、前記加熱時に前記位置検出手段でそれぞれ検出された軸方向と径方向との基準位置からの位置ずれ量を、少なくともワーク形状に基づいて補正し、補正により得られた位置ずれ補正量に対応するように前記ワークと前記加熱コイルとの相対位置を変位させる、誘導加熱装置。
【請求項２】
前記位置ずれ補正量は前記位置ずれ量を少なくともワーク形状に対応した補正係数倍することで求める、請求項１に記載の誘導加熱装置。
【請求項３】
前記変位手段は、前記被加熱領域が予め定めた設定加熱状態に達したときに前記補正係数を変更する、請求項２に記載の誘導加熱装置。
【請求項４】
前記変位手段は、前記位置ずれ補正量に対応するように前記変位手段の動作を制御する姿勢制御部を備え、
該姿勢制御部は、前記ワークの加熱条件を入力する設定入力部と、前記被加熱領域の設定加熱状態における前記補正係数を記憶する記憶部と、前記被加熱領域の加熱状態が前記設定加熱状態に達したことを判定する加熱状態判定部と、前記位置ずれ量と前記補正係数から前記位置ずれ補正量を演算する演算処理部と、前記位置ずれ補正量に対応するように前記変位手段を駆動する駆動制御部と、を備え、
前記演算処理部は、予め設定されたシミュレーション処理により前記加熱条件に基づいて前記設定加熱状態における前記補正係数を演算し、前記記憶部は前記演算処理部で得られた前記補正係数を前記設定加熱状態に対応させて記憶する、請求項２又は３に記載の誘導加熱装置。
【請求項５】
基部と該基部から突出した突出部とを備えた円環形状のワークの前記突出部に、円環形状に沿って無端状の被加熱領域が設定され、該被加熱領域が誘導加熱されたときに該被加熱領域の一方の縁側と他方の縁側とで熱膨張による変形量が異なる前記ワークを誘導加熱する加熱方法であって、
前記被加熱領域の周方向の一部となる加熱位置に加熱コイルを対向させ、前記ワークを円環形状に沿って回転させつつ前記加熱コイルにより前記ワークを加熱する加熱工程を備え、
加熱期間中に前記加熱位置の上流側における前記ワークの前記被加熱領域以外の位置で軸方向と径方向との表面位置を検出し、
それぞれ検出された軸方向と径方向との基準位置からの位置ずれ量を、少なくともワーク形状に基づいて補正し、補正により得られた位置ずれ補正量に対応するように前記ワークと前記加熱コイルとの相対位置を変位させる、誘導加熱方法。
【請求項６】
予め設定されたシミュレーション処理により加熱条件に基づいて設定加熱状態における補正係数を演算し、前記設定加熱状態に対応する前記補正係数を用いて前記基準位置からの位置ずれ量を補正する、請求項５に記載の誘導加熱方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一方向に延びて被加熱領域が設定されたワークを誘導加熱する誘導加熱装置及び誘導加熱方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一方向に延びる被加熱領域が設定されたワークを、加熱コイルにより誘導加熱することが行われている。例えば環形状を有する大きなワークを加熱する場合、ワークの一方向に延びる被加熱領域の一部に加熱コイルを対向させて、例えばワークを回転させることで、このワークの被加熱領域の全長を加熱する熱処理装置が提案されている。
【０００３】
下記特許文献１では、大きな軸受軌道輪のようなリング状ワークを加熱可能な高周波熱処理装置が開示されている。この技術では、複数の馬蹄形の加熱コイルをリング状ワークの円周方向の複数箇所に配置し、リング状ワークを回転させながら複数の加熱コイルにより誘導加熱している。
【０００４】
下記特許文献２では、環状部品全体に高周波熱処理を行う装置が開示されている。この技術では、環状部品の外径面又は内径面を位置決めローラで位置決めし、環状部品の内周面、外周面、側面等の一部にそれぞれ加熱コイルを配置し、環状部品を回転させつつ誘導加熱している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３２５４０９号公報
【特許文献２】特開２００９−２８７０７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の誘導加熱による加熱装置では、大型のワークを焼入処理する場合に、被加熱領域を所望の加熱温度まで昇温させることが容易でなかった。大型のワークの場合、被加熱領域の全体に対向するように加熱コイルを配設することは、著しくコストが嵩んで実用的でない。そのため被加熱領域の一部に対向する加熱コイルを用いて加熱すると、被加熱領域に対する鋼材量が大きいため、長時間加熱することが必要となることに加え、経時的にワークの熱膨張による変形量が大きくなり、最適な加熱条件を保ち難い。
【０００７】
特に、ワークの一方向に連続した被加熱領域の一方の縁側と他方の縁側とで加熱時の熱膨張による変形量が異なる場合、ワークが不均一に変形する。そのため大型のワークでは加熱コイルにより被加熱領域全体を均一に所定の高温まで昇温することが困難であった。
【０００８】
そこで、本発明は、大型のワークであっても、ワークの被加熱領域全体を略均一に所定の高温まで容易に昇温でき、しかも加熱時にワークの不均一な変形が生じても均一に加熱し得る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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成する本発明の加熱装置は、基部と基部から突出した突出部とを備えた円環形状のワークの突出部に、円環形状に沿って無端状の被加熱領域が設定され、被加熱領域が誘導加熱されたときに被加熱領域の一方の縁側と他方の縁側とで熱膨張による変形量が異なるワークを誘導加熱する加熱装置であって、被加熱領域の周方向の一部となる加熱位置に対向する加熱コイルと、ワークを円環形状に沿って回転させる相対移動手段と、加熱時に加熱位置の上流側におけるワークの被加熱領域以外の位置で軸方向と径方向との表面位置を検出する位置検出手段と、位置検出手段の検出結果に基づいてワークと加熱コイルとの相対位置を変位させる変位手段と、を備え、変位手段は、加熱時に位置検出手段でそれぞれ検出された軸方向と径方向との基準位置からの位置ずれ量を、少なくともワーク形状に基づいて補正し、補正により得られた位置ずれ補正量に対応するようにワークと加熱コイルとの相対位置を変位させるものである。
【００１０】
位置ずれ補正量は位置ずれ量を少なくともワーク形状に対応した補正係数倍することで求めるのがよい。
補正係数は被加熱領域が予め定めた設定加熱状態に達したときに変更されるのがよい。
【００１１】
変位手段は、位置ずれ補正量に対応するように変位手段の動作を制御する姿勢制御部を備え、姿勢制御部は、好ましくは、ワークの加熱条件を入力する設定入力部と、被加熱領域の設定加熱状態における補正係数を記憶する記憶部と、被加熱領域の加熱状態が設定加熱状態に達したことを判定する加熱状態判定部と、位置ずれ量と補正係数から位置ずれ補正量を演算する演算処理部と、位置ずれ補正量に対応するように変位手段を駆動する駆動制御部と、を備え、演算処理部は、予め設定されたシミュレーション処理により加熱条件に基づいて設定加熱状態における補正係数を演算し、記憶部は演算処理部で得られた補正係数を設定加熱状態に対応させて記憶する。
【００１２】
上記目的を達成する本発明の加熱方法は、基部と基部から突出した突出部とを備えた円環形状のワークの突出部に、円環形状に沿って無端状の被加熱領域が設定され、被加熱領域が誘導加熱されたときに被加熱領域の一方の縁側と他方の縁側とで熱膨張による変形量が異なるワークを誘導加熱する加熱方法であって、被加熱領域の周方向の一部となる加熱位置に加熱コイルを対向させ、ワークを円環形状に沿って回転させつつ加熱コイルによりワークを加熱する加熱工程を備え、加熱期間中に加熱位置の上流側におけるワークの被加熱領域以外の位置で軸方向と径方向との表面位置を検出し、それぞれ検出された軸方向と径方向との基準位置からの位置ずれ量を、少なくともワーク形状に基づいて補正し、補正により得られた位置ずれ補正量に対応するようにワークと加熱コイルとの相対位置を変位させるように構成されている。
【００１３】
予め設定されたシミュレーション処理により加熱条件に基づいて設定加熱状態における補正係数を演算し、設定加熱状態に対応する補正係数を用いて基準位置からの位置ずれ量を補正するのが好適である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の誘導加熱装置及び誘導加熱方法によれば、ワークが誘導加熱されたときに、被加熱領域の一方の縁側と他方の縁側とで変形量が異なり、これにより位置検出手段にて検出される測定位置の誤差が大きくなっても、測定位置を少なくともワーク形状に基づいて補正してワークと加熱コイルとの相対位置を調整するので、被加熱領域全体を略均一に所定の温度まで昇温することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の加熱対象のワークを示す部分断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る熱処理装置の平面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る熱処理装置の側面図であり、手前側に設けられた加熱部を省略して示している。
【図４】本発明の実施形態に係る熱処理装置の治具を搬送ローダに連結した状態を示す断面図である。
【図５】本発明の実施形態に係る熱処理装置の操作部におけるメインメニューの画面を示す図である。
【図６】本発明の実施形態に係る熱処理装置の操作部における携帯端末器を示す図である。
【図７】本発明の実施形態に係る熱処理装置の加熱セクションを示す概略平面図である。
【図８】（ａ）は実施形態の加熱セクションにおける加熱部及び変位手段の側面図、（ｂ）は背面図、（ｃ）は部分平面図である。
【図９】本発明の実施形態の加熱セクションにおける位置検出部の部分側面図である。
【図１０】（ａ）は実施形態の熱処理装置における加熱コイルを示す正面図、（ｂ）は変形例の加熱コイルにおけるワークとの対向部分の形状を示す部分正面図、（ｃ）は変形例の加熱コイルにおけるワークとの対向部分の形状を示す部分正面図である。
【図１１】本発明の実施形態に係る熱処理装置の給電設備に関する回路図である。
【図１２】給電設備の操作部の入出力画面に表示されるステップデータ設定画面を模式的に示す図である。
【図１３】図１２に示すステップデータ設定画面に続いて表示される回路設定条件の設定画面を模式的に示す図である。
【図１４】図１１とは異なる回路構成において、加熱の途中でインバータからの出力の周波数を変えないで比較的短時間で誘導加熱を行ったときのインバータの出力特性を模式的に示す図である。
【図１５】ワークの不均一な変形を説明するための概略断面図であり、変形を誇張して示している。
【図１６】本発明の実施形態に係る姿勢制御部を示すブロック図である。
【図１７】本発明の実施形態に係る加熱工程を示すフローチャートである。
【図１８】本発明の実施形態に係る熱処理装置におけるワークの加熱状態を示す概略断面図であり、変形を誇張して示している。
【図１９】本発明の実施形態に係る熱処理装置におけるコイルの配置を示す展開図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について図を用いて詳細に説明する。
本実施形態では、大型の円環形状の加熱対象物を加熱及び冷却して焼入れするための旋回型焼入装置の例を用いて説明する。
【００１７】
［ワーク］
まず本発明の加熱対象であるワークについて説明する。
加熱対象のワークは、鋼材のような焼入可能な材料からなり、表面側のみが加熱されるものであっても、内部まで加熱されるものであってもよく、ワークの表面の一部には加熱される面からなる被加熱領域が、一方向に略一定形状で延びて設定されている。特に被加熱領域の両側縁間の距離である幅に比べ、被加熱領域Ｈの全長が長いワーク形状のものに適用するのが好適である。ここで一方向とは、有端のワークの場合、両端間に延びる直線、波線、曲線等に沿う方向であり、環形状のワークの場合、環形状に沿う方向である。
【００１８】
ワークの形状は任意であるが、被加熱領域が誘導加熱されたときに、被加熱領域の幅方向における一方の縁側と他方の縁側とで熱膨張による変形量が異なる形状のワークに適している。例えば被加熱領域と直交する断面形状において、被加熱領域の一方の縁側と他方の縁側とで大きく形状が異なるような場合には、被加熱領域の両縁側で誘導加熱されたときの熱膨張による変形量が異なる。
【００１９】
本実施形態のワークＷは、図１に示すように、円環形状を有し、断面形状が基部Ｗ１と基部Ｗ１から内側に突出する突出部Ｗ２とを備える。突出部Ｗ２は内側に向けて逆方向に傾斜する傾斜面Ｗ３を有しており、この傾斜面Ｗ３に無端状の被加熱領域Ｈが設定されている。このワークＷは直径が１ｍ以上、ここでは３ｍ以上の円環形状を有した大型の旋回輪や大型の軸受などを構成する外輪の例である。
【００２０】
［熱処理装置］
次に、本実施形態の熱処理装置について説明する。
【００２１】
熱処理装置１０は、図２乃至図４に示すように、ワークＷを支持する治具１００と、ワークＷを搬入及び搬出する搬入搬出セクション３００と、治具１００を吊り下げて搬送する搬送機構２００と、治具１００に載置されたワークＷを回転させつつ加熱する加熱セクション４００と、加熱セクション４００の下方に設けられた冷却セクション５００と、搬入搬出セクション３００とは反対側に設けられた部品交換セクション６００と、各セクションを駆動するための電気設備と、を備える。
【００２２】
治具１００は、図４に示すように、ワークＷを載置するワーク支持部１１０と、ワーク支持部１１０の中央に設けられた中央構造部１３０とを備える。ワーク支持部１１０は、放射方向に延びる複数の放射架台１１１の先端側に放射方向に沿って配置された相対移動手段としての回転ローラ１１２を備える。回転ローラ１１２は中央構造部１３０へ入力される駆動力で回転駆動可能である。ワークＷは各回転ローラ１１２を回転させることで環形状に沿って移動可能である。
【００２３】
搬入搬出セクション３００は、図２及び図３に示すように、搬入搬出位置Ｐ１でワークＷを治具１００のワーク支持部１１０に載置し、吊り下げ位置Ｐ２へ移動させて治具１００を吊り下げ位置Ｐ２に精度よく配置できる構造となっている。
【００２４】
搬送機構２００は、図２及び図３に示すように、各セクションの上方に配設された搬送レール２１０と、搬送レール２１０に沿って移動する搬送ローダ部２２０とを有する。搬送ローダ２２０は、図４に示すように治具１００の中央構造部１３０に連結可能で、連結した状態で治具１００を吊り下げて搬送する構造を有する。搬送ローダ２２０には回転駆動手段２４６が設けられており、搬送ローダ２２０が治具１００の中央構造部１３０に連結することで、回転駆動手段２４６により治具１００の各回転ローラ１１２が回転駆動可能となる。
【００２５】
加熱セクション４００は、図２及び図３に示すように、治具１００を所定位置に配置した状態で、治具１００に載置されたワークＷを回転させつつ均一に加熱するように本発明を適用した構造となっている。詳細は後述する。
【００２６】
冷却セクション５００は、図３に示すように、加熱セクション４００の下方に設けられ、治具１００を下降して配置した状態で、ワークＷを回転させつつ冷却ジャケット５２０か冷却液を供給して冷却する構造を有する。
【００２７】
部品交換セクション６００は、図２及び図３に示すように、部品交換治具６２０に加熱セクション４００や冷却セクション５００の部品を支持させて搬送し、各セクションの部品を交換できる構造を有している。
【００２８】
電気設備は、全セクションに給電可能に構成されており、全セクションの各動作部位を制御及び操作するための操作部７１０が設けられている。操作部７１０は図５に示すようなタッチパネルが設けられ、各セクションのための情報を入力したり、動作を監視することが可能となっている。操作部７１０のメインメニューには、図５に示すように、各セクションのモニタ、機種選択、加熱条件設定、測定データ、パラメータを入力したり表示したりする画面が選択できるようになっている。
【００２９】
この操作部７１０には、図６に示すように作業者が容易に持ち運びできる携帯端末器７０１を備える。この携帯端末器７０１は操作部７１０と同じ操作ができるように、各セクションのモニタ、機種選択、加熱条件設定、測定データ、パラメータを入力したり表示したりする画面が選択できるようになっている。この携帯端末器７０１は熱処理装置１０の周囲の複数位置に設けられた接続部にケーブル７０２を介して有線で接続することで使用することができる。
ここでは熱処理装置１０の複数の位置に接続部が設けられているため、作業者が熱処理装置１０の様々な場所で操作部７１０の操作パネルまで移動せずに、各種の入力や操作を行うことができる。またケーブル７０２により有線で接続するため、高周波を用いて熱処理を行う装置であっても、通信障害を防止して正常に操作することができる。
【００３０】
［加熱セクションの全体構成］
加熱セクション４００は、図７に示すように、治具１００の放射架台１１１を下から支持し周方向の移動を規制する治具保持機構４１０と、治具１００に載置されたワークＷを加熱する複数の加熱部４５０と、を備える。治具保持機構４１０及び加熱部４５０は、治具１００の中心であるワークＷの回転中心Ｃに対して周囲に複数設けられている。ここでは治具１００の互いに隣接する放射架台１１１間にワークＷの加熱位置Ｐ３が設けられており、各加熱部４５０は加熱位置Ｐ３に対応するように配設されている。
【００３１】
［加熱部］
各加熱部４５０は、図７及び図８に示すように、ワークＷの表面位置を検出する位置検出手段４８０と、各加熱位置Ｐ３で治具１００上に載置されたワークＷの被加熱領域Ｈに対向配置される加熱コイル４５１と、電気設備の一部からなり加熱部４５０の各部を制御すると共に加熱コイル４５１に高周波電力を給電するための給電設備７００と、加熱コイル４５１を接続して支持する支持ボックス４５２と、支持ボックス４５２を変位及び変向させることでワークＷに対する加熱コイル４５１の相対位置を変位させると共に相対角度を変向させる変位手段４６０と、変位手段４６０の動作を制御してワークＷと加熱コイル４５１との相対位置及び相対角度を調整する姿勢制御部４９０と、給電設備７００の一部からなり加熱コイル４５１に供給される高周波電力を調整するための電力調整手段４９１と、を備えている。
【００３２】
［位置検出手段］
位置検出手段４８０は、加熱時にワーク表面の位置を検出するものであり、図７に示すように、各加熱位置Ｐ３の上流側に配置されている。本実施形態では２つの加熱位置Ｐ３毎に、その上流側に配置される治具１００の放射架台１１１と対応する位置に配置されている。
【００３３】
具体的には、各位置検出手段４８０は、図９に示すように、加熱冷却架台４０の位置検出支柱４３上に設けられた位置検出台４４に装着されている。各位置検出手段４８０は、位置検出支柱４３に第１進退機構４８１を介して装着された径方向位置検出具４８３と、第２進退機構４８２を介して装着された軸方向位置検出具４８４とを備える。径方向位置検出具４８３と軸方向位置検出具４８４とは互いに直交方向に配設されている。
【００３４】
第１及び第２進退機構４８１，４８２は、エアーシリンダ等からなる進退用駆動手段４８５と、進退用駆動手段４８５のロッド４８６と平行な複数のガイドロッド４８７と、を備える。各進退機構４８１，４８２は、ロッド４８６及びガイドロッド４８７により、各位置検出具４８３，４８４の検出方向に沿う倒れが防止されている。
【００３５】
径方向位置検出具４８３及び軸方向位置検出具４８４は、それぞれワークＷの表面に当接して転動可能な耐熱性の接触子４８８と、接触子４８８をワークＷ側に付勢しつつ接触子４８８の進退量を検出する変化量検出部４８９とを備える。各変化量検出部４８９としては、例えばリニアセンサ付エアーシリンダを使用できる。
【００３６】
加熱時に被加熱領域Ｈの温度が高温となるため、被加熱領域Ｈ以外の位置に接触子４８８を当接させて検出する。径方向位置検出具４８３では、接触子４８８をワークＷの外周面の中間部位に当接させ、ワークＷの回転中心Ｃから放射方向に沿うワークＷの表面位置を検出する。軸方向位置検出具４８４では、接触子を治具１００に載置されたワークＷの上面の外側部位に当接させ、ワークＷの回転中心Ｃの軸線に沿うワークの表面位置を検出する。
【００３７】
加熱時には、各位置検出手段４８０では、径方向位置検出具４８３及び軸方向位置検出具４８４の接触子４８８をワークＷに当接させる。ワークＷが回転すると、表面に接した接触子４８８が転動しつつワークＷ表面の変位に応じて進退する。例えばワークＷの周方向における任意の位置を基準位置とし、接触子４８８の進退量を測定することで、ワークＷの周方向の各位置における基準位置からの変位量が検出される。ワークＷが環状体であるため、ワークＷが１回転することで元の位置にもどる。
このように接触子４８８の変位量を変化量検出部４８９において検出することで、ワークＷ表面の上下方向の変位及び水平方向の変位が検出され、測定位置を示す信号が出力される。
【００３８】
［加熱コイル］
加熱コイル４５１は、被加熱領域Ｈの一方向に沿う全長のうちの一部に対向する大きさに形成され、ワークＷの全周のうちの加熱位置Ｐ３に配置される部位に対向配置される。各加熱部４５０の加熱コイル４５１は互いに所定間隔を開けて、被加熱領域Ｈの全長において均等に配置されている。
加熱コイル４５１の形状は適宜選択可能であり、平面視においてワークＷの加熱部位の弧形状に対応した形状であって、ワークＷの縦断面形状に対応した縦断面形状となっている。ここでは複数の加熱コイル４５１、好ましくは全ての加熱コイル４５１が同じ形状を有する。
【００３９】
例えば、各加熱コイル４５１は、ワークＷの周方向の所定領域において、略一定断面のパイプ状、棒状或いは板状のコイル材料を上下に繰り返し蛇行させた形状としてもよい。具体的には、図１０（ａ）に示すように、全長で中空部が連続するように角パイプを接合し、両端に冷却液の入口４５１ｂ及び出口４５１ｃを設け、ワークＷと対向する部位が複数の屈曲部４５１ｄで屈曲したジグザク形状であってもよい。図１０（ｂ）に示すように、ワークＷに対向する部位が、断面丸形のパイプ状のコイル材料を複数の湾曲部４５１ｅで湾曲させたジグザグ形状であってもよい。
【００４０】
被加熱領域Ｈの内側と外側とで周長が異なるような場合には、加熱コイル４５１としては、図１０（ｃ）に示すようなものを使用してもよい。この加熱コイル４５１は、ワークＷに対向する部位が角パイプからなり、角パイプをワーク内側及び外側の複数の屈曲部４５１ｆと、屈曲部４５１ｆ間に設けられた屈曲部４５１ｇとで屈曲させてジグザク形状に形成したものであってもよい。この加熱コイル４５１では、回転中心Ｃから遠い部位における周方向の長さが回転中心Ｗから近い部位における周方向の長さに比べて長く構成されていてもよい。
【００４１】
このような加熱コイル４５１では、被加熱領域Ｈをより均一に加熱するためには、加熱コイル４５１と被加熱領域Ｈとの間の間隙であるギャップが全体でなるべく均一となるのが望ましい。
そのために被加熱領域Ｈの形状と加熱コイル４５１の被加熱領域Ｈと対向する面の形状とが、なるべく広い範囲で一致するのがよい。また加熱コイル４５１の被加熱領域Ｈと対向する面の面積である対向面積が、被加熱領域Ｈの幅方向においてなるべく均一になるのがよい。さらに被加熱領域Ｈと直交する断面において、加熱コイル４５１の被加熱領域Ｈと対向する面と被加熱領域Ｈとの間の角度はなるべく小さくするのがよく、好ましくは０度となる。
加熱コイル４５１の被加熱領域Ｈと直交する方向の幅は被加熱領域Ｈの幅と同等にするのがよい。加熱コイル４５１の幅が狭い場合、複数の加熱コイル４５１の配置を幅方向にずらすことで被加熱領域Ｈの全幅により均一に加熱できる。
【００４２】
この実施形態の加熱コイル４５１は、被加熱領域Ｈと対向する面が被加熱領域Ｈに対応した形状を有し、被加熱領域Ｈと直交する幅が被加熱領域Ｈの幅より若干狭く形成されている。
【００４３】
［給電設備］
給電設備７００は、図１１に示すように、複数の変成器７２２と複数の整合器７２３とインバータ７２４とインバータ制御部７２５とスイッチ群７２６などにより、加熱コイル４５１毎に設けられる。
インバータ７２４は、商用電源７２９からの商用電圧を直流電圧に変換する順変換部７２４Ａと、順変換部７２４Ａから出力された直流電圧を指定の周波数の電圧に変換する逆変換部７２４Ｂと、を備えている。
インバータ制御部７２５は、順変換部７２４Ａを制御する順変換制御部７２５Ａと、逆変換部７２４Ｂを制御することにより指定の周波数の電圧を逆変換部７２４Ｂから出力させる逆変換制御部７２５Ｂと、を備える。複数の逆変換制御部７２５Ｂが備えられ、ワークＷの誘導加熱開始からの時間に応じてインバータ７２４から出力される電力の周波数を換えることができる。
スイッチ群７２６として、複数の整合器７２３の一つをインバータ２４に接続するためにスイッチ７２６Ｄが設けられ、複数の整合器７２３の一つを複数の変成器７２２の一つに接続するためのスイッチ７２６Ｂ，７２６Ｃが設けられ、複数の変成器７２２の一つを加熱コイル４５１に接続するためのスイッチ７２６Ａが設けられ、逆変換制御部７２５Ｂの一つを逆変換部７２４Ｂに接続するスイッチ７２６Ｅが設けられる。
ここで、複数の整合器７２３はそれぞれ異なる容量を備えるコンデンサにより構成されたものであり、複数の変成器７２２はそれぞれ一次巻線と二次巻線の巻き数及び比が異なるものである。各整合器７２２にはコンデンサのほかコイルを含んでいてもよい。各変成器７２２Ａ，７２２Ｂ，７２２Ｃ及び各整合器７２３Ａ，７２３Ｂ，７２３Ｃ内のスイッチは、各変成器、各整合器のインダクタンス、リアクタンスを調整するためのものであり、切り替え制御部７２７によって切り替えられる。
【００４４】
操作部７１０は、誘導加熱開始からの時間に伴って、インバータ７２４から出力される電圧の周波数及び大きさとその周波数に合った整合インピーダンスとして整合器７２３及び変成器７２２の組み合わせとを回路設定条件として設定できるように構成されている。こうして、誘導加熱によりワークＷの透磁率などの物性値が変化したことを見込んで誘導加熱開始から所定時間経過した際、一旦誘導加熱を停止し、その後直ちに、インバータ７２４から出力される電圧として別の周波数を用いてその別の周波数に合った整合インピーダンスとして整合器７２３及び変成器７２２の組み合わせに交換するように、操作部７１０に設定することができる。
【００４５】
切り替え制御部７２７は、操作部７１０に設定されている回路設定条件に従って、誘導加熱開始からの経過時間に伴ってスイッチ群７２６を選択的に切り替えるものである。これにより、インバータ７２４から出力される電圧の値及び周波数並びに整合インピーダンスとして整合器７２３及び変成器７２２の組み合わせが設定される。
【００４６】
以下、具体的に説明すると、例えば、図５に示す操作部７１０の入出力画面７１１のメインメニューにおいて、「加熱条件設定」を選択する。すると、入出力画面７１１に例えば図１２に示すようなステップデータ設定画面が表示される。このステップデータ設定画面において、ステップ単位で、ステップの時間、ワーク回転速度、加熱コイル毎に接続されるインバータからの出力条件として電力、電圧を設定することができる。また、ある特定のステップにおいて、何れのインバータからも電力が供給されない状態として、インバータからの出力条件として電力、電圧がゼロに設定され、変成器７２２及び整合器７２３の組み合わせからなる整合回路の切り替えの選択をすることができる。「整合回路の切替」を選択すると、図１３のような画面が表示され、変成器７２２及び整合器７２３の種類を選択することができる。例えば図１３に示されているように、加熱コイル４５１の番号毎に、変成器を選択するために巻き数を選択するための「ＭＴｒ電圧選択」の選択肢と、整合器を選択するための「コンデンサ容量」の選択肢と、逆変換制御部の選択肢とが、回路設定条件として表示される。
【００４７】
このようにして操作部７１０における入出力画面７１１のメインメニューで、加熱条件設定を選択することにより、誘導加熱開始から時間単位で、インバータ７２４からの出力設定及び整合回路を選択することができる。よって、切り替え制御部７２７は、操作部７１０により誘導加熱開始の入力を受けると、操作部７１０に設定されている回路設定条件に従って、誘導加熱開始からの経過時間毎に、インバータ制御部７２５の順変換制御部７２５Ａと選択された逆変換制御部７２５Ｂによりインバータ７２４が制御され、指定された周波数の電圧がインバータ７２４から出力され、さらに、選択された整合器７２３及び変成器７２２の組み合わせでその周波数に見合ったインピーダンスの整合がとれる。よって、ワークが誘導加熱により組織変形して透磁率等の物性値が変化しても、操作部７１０により設定された回路設定条件に従って、切り替え制御部７２７によりスイッチ群７２６が切り替えられる。
【００４８】
図１１に示す給電設備７００によれば、操作部７１０が、加熱コイル４５１、つまり誘導加熱回路毎に、誘導加熱時間を複数に区分して区分毎に、インバータ７２４から出力される電圧の周波数の設定情報と、複数の整合器７２３及び複数の変成器７２２の選択による組み合わせで構成される整合回路の選択情報と、を回路設定条件として設定することができる。そして、切り替え制御部７２７が、誘導加熱回路毎に、操作部７１０で設定された回路設定条件に従って、区分毎に、複数の逆変換制御部７２５Ｂの何れかを選択して逆変換部７２４Ｂを制御して指定の周波数の電圧を出力すると共に、スイッチ群７２６により一の整合器７２３をインバータ７２４に接続し、この一の整合器７２３を一の変成器７２２に接続し、この一の変成器７２２を加熱コイル４５１に接続する。よって、誘導加熱によりワークＷの組織変化に対応してインピーダンス整合を取り直し、ワークＷに誘導電流を流すことができ、所望の温度まで十分給電することができる。
【００４９】
また、直径が１ｍ以上の大型の旋回輪や大型の軸受などを構成する外輪のような大きなワークＷを走行させながら誘導加熱する際、全体の誘導加熱時間が長時間とならざるを得ない。すると、ワークＷが昇温されて組織変化したことで、インピーダンスの整合がとれずに、インバータ７２４から加熱コイル４５１に電力が投入されなくなるという問題を解決することもできる。
【００５０】
以下、具体的に説明する。図１１に示す回路とは異なり、インバータに一つの整合器と一つの変成器とが順に接続されて変成器に加熱コイルが接続されているとする。つまり、加熱の途中でインバータからの出力の周波数を変えないで比較的短時間で誘導加熱を行ったときのインバータの出力特性を模式的に示すと図１４のようになる。比較的小さいワークでは、図１４から分かるように、誘導加熱の時間の経過に伴って、インバータからの出力インピーダンスが一旦低下して極小値をとったのち、ワークの温度が約７００℃〜８００℃前後で出力インピーダンスが一定となる。その出力インピーダンスが上昇しなくなったときインバータの出力電圧がピークとなり、その後低下する。よって、それ以降では、インバータからの出力がワークに投入されなくなる。
【００５１】
そこで、図１１に示すように、切り替え制御部７２７により誘導加熱の途中でインバータからの出力の周波数を変えてそれに伴って整合器７２３及び変成器７２２の組み合わせをスイッチ群７２６により切り替える。例えば誘導加熱前半、誘導加熱後半の２つの区分に誘導加熱時間を区分けして、誘導加熱時間単位でインバータ７２４と加熱コイル４５１との間で整合をとり、最もふさわしい周波数の値の誘導電流をワークＷに流すことができる。ワークＷの温度が７００℃〜８００℃になるとワークの組織変化が生じるため、その温度より低い時間帯で、周波数、整合条件等を切り替えるのが好ましい。以上の説明では誘導加熱時間単位で切り替えを行なっているところ、ワークＷの加熱温度を非接触式センサでモニタリングして所定の温度になったら、回路設定条件を変えるようにしてもよい。
【００５２】
［変位手段］
変位手段４６０は、ワークＷと加熱コイル４５１との相対位置を変位させ、且つ、相対角度を変向するものである。
変位手段４６０は、図８に示すように、支持ボックス４５２を上下に変位させる上下変位部４６２と、支持ボックス４５２をワークＷの回転中心Ｃからの放射方向に沿って水平方向に変位させる水平変位部４６３と、支持ボックス４５２の傾斜を調整する角度変向部４９２と、を備える。
【００５３】
上下変位部４６２は、加熱冷却架台４０上に固定された変位架台４２と、変位架台４２上に配置された下架台４６４と、変位架台４２に対して下架台４６４を上下動させる上下駆動機構４６５とを備える。
上下駆動機構４６５は、下架台４６４に固定されて上下方向に配置された変位ガイドロッド４６６及び縦変位ネジ軸４６７と、変位架台４２に固定されて変位ガイドロッド４６６を上下動可能に支持する変位軸受４６８と、変位架台４２に固定されたサーボモータ等からなる上下駆動モータ４６９と、変位架台４２に設けられて上下駆動モータ４６９の回転により縦変位ネジ軸４６７を上下動させる連結体４７１とを備える。
【００５４】
水平変位部４６３は、下架台４６４上にワークＷの放射方向に対して略直交方向に配設された第１変位レール４７２と、第１変位レール４７２上を移動可能な上架台４７３と、上架台４７３を第１変位レール４７２に沿って移動させる第１変位駆動機構４７４と、上架台４７３上にワークＷの放射方向に沿って配設された第２変位レール４７５とを備え、第２変位レール４７５上に移動可能に支持された支持ボックス４５２を第２変位レール４７５に沿って移動させる第２変位駆動機構４７６とを備える。
【００５５】
第１及び第２変位駆動機構４７４，４７６は、それぞれサーボモータ等からなる変位駆動モータ４７７と、変位駆動モータ４７７と連結されて第１又は第２変位レール４７２，４７５に沿って配設され回転駆動される横変位ネジ軸４７８と、上架台４７３又は支持ボックス４５２に設けられて横変位ネジ軸４７８と螺合した変位突部４７９とを備える。ワークＷの放射方向に対して略直交方向に加熱コイル４５１を予め位置合わせ可能であれば、第１変位駆動機構４７４を設けなくてもよい。
【００５６】
角度変向部４９２は、支持ボックス４５２に設けられており、例えば第１又は第２変位レール４７２，４７５に支持された支持ボックス４５２の下部に対し、支持ボックス４５２の上部を前側と後側とで異なる高さに上昇又は下降させることで、支持ボックス４５２の傾斜を変化するようになっている。詳細な図示は省略しているが、支持ボックス４５２の各位置を上昇又は下降するために、上部及び下部にステップモータにより回動する雄ネジ部を設け、他方に雄ネジ部に螺合する雌ネジ部を設けている。
【００５７】
角度変向部４９２により、支持ボックス４５２のワークＷ側とその反対側とで高さを異ならせることで、加熱コイル４５１を被加熱領域Ｈの長手方向の一方向に沿う軸周りに変向させることができる。ここで一方向に沿う軸とは、ワークＷが直線的な場合、ワークＷと平行な軸であり、ワークＷが環形状の場合、環形状の接線に平行な軸である。
【００５８】
［姿勢制御部］
変位手段４６０には、位置検出手段４８０の検出結果に基づいて変位手段４６０の動作を制御することで、ワークＷと加熱コイル４５１との相対位置及び相対角度を調整する姿勢制御部４９０が設けられている。この姿勢制御部４９０は、図８に示すように、電気設備の操作部７１０内に組み込まれた状態で設けられており、変位手段４６０の各駆動機器を制御するように構成されている。
【００５９】
この姿勢制御部４９０では、各位置検出具４８３，４８４により測定されたワークＷの測定位置を示す信号により、ワークＷの変位量と回転駆動モータ２５５の回転速度に基づいて、各検出位置を通過したワークＷ表面の各部位が、直後の下流で各加熱部４５０を通過するタイミングとその位置とが得られる。そのため、各部位が加熱位置Ｐ３を通過する際、変位手段４６０によりその位置に対応するように変位させることで、加熱コイル４５１の位置をワークＷに追従させることが可能となる。
【００６０】
ところで、本実施形態のようなワークＷの被加熱領域Ｈを、被加熱領域Ｈに対して所定ギャップで対向する加熱コイル４５１により誘電加熱すると、被加熱領域Ｈの一方の縁側と他方の縁側とで変形量が異なるため、ワークＷが不均一に変形する。
図１５に実線で示すような常温状態のワークＷを回転させつつ、加熱コイル４５１によりワークＷの内周面のｃ１−ｄ１間の被加熱領域Ｈを、図中破線で示す内周面の下側を冷却液で冷却しつつ加熱する。すると、被加熱領域Ｈの昇温と共に、図中に仮想線で示すようにワークＷが不均一に熱膨張し、被加熱領域Ｈの一方の縁側と他方の縁側とで異なる変形量となる。その結果、被加熱領域Ｈはｃ２−ｄ２間の位置となる。なお、理解容易のために図では変形を誇張して記載している。
【００６１】
このとき、径方向位置検出具４８３の接触子４８８は低温時にはワークＷの外周面におけるａ１を測定し、ワークＷが変形することで昇温後にはａ２を測定することになる。また軸方向位置検出具４８４の接触子４８８は、低温時にはワークＷの側周面におけるｂ１を測定し、昇温後にはｂ２を測定することになる。そのため、位置検出手段４８０ではａ１，ｂ１として測定されていた測定位置が、昇温後にはａ２，ｂ２として測定される。その場合、低温時の測定位置から高温時の測定位置までの変化に対応して、加熱コイル４５１を変位させて加熱することになる。
【００６２】
ところが、ワークＷが不均一に変形しているため、実際の被加熱領域Ｈはｃ１−ｄ１の位置からｃ２−ｄ２の位置に変化している。ここでは図からも明らかな通り、ａ１とａ２との間の変化量やｂ１とｂ２との間の変化量に比べ、ｃ１とｃ２との間の変化量やｄ１とｄ２との間の変化量は大きい。
【００６３】
従って、単に位置検出手段４８０により測定された測定位置だけに基づいて、各加熱コイル４５１によりワークＷを加熱するとすれば、測定位置にそのまま対応させた図中の仮想線で示すような位置に加熱コイル４５１が配置され、高温で加熱コイル４５１と被加熱領域Ｈとの相対位置が不均一にずれた状態で加熱されることになる。しかも、加熱コイル４５１との距離が遠い側の被加熱領域Ｈの上側の縁側は、ワークＷの体積が下側の縁側に比べて大きく熱容量が大きい。その結果、被加熱領域Ｈの下側の縁側では、所望の温度に昇温できたときに上側の縁側では所望の温度まで昇温できないなど、被加熱領域Ｈを均一に加熱することができなくなる。
【００６４】
そこで、本実施形態の熱処理装置１０では、このような被加熱領域Ｈの不均一な昇温を防止するために、ワークＷの加熱条件及び加熱期間中の加熱状態に基づいて、加熱コイル４５１の位置及び傾き角度を調整することで、均一な加熱ができるようにする機能が設けられている。
ここで加熱条件とは、例えばワークＷの形状、大きさ、材質、加熱コイル４５１の形状、対向面積、ワークＷの移動速度、加熱コイル４５１に供給する高周波電力の電圧、電流、周波数、加熱時のワークＷの冷却位置、冷却液温度などである。また加熱状態とは、被加熱領域Ｈの表面温度、加熱経過時間などである。
この姿勢制御部４９０では、予め設定された加熱条件で加熱コイル４５１により誘導加熱を開始してから、適宜な加熱状態で、好ましくは予め設定された設定加熱状態で、加熱コイル４５１の位置及び傾き角度を調整する。これにより被加熱領域Ｈの全体を出来るだけ均一に加熱することが可能となり、ギャップのずれなどに起因した供給電力に対する加熱効率を向上することができる。
【００６５】
具体的には、次のような機能を備えている。
まず、加熱時に各位置検出手段４８０の検出結果、即ち、被加熱領域Ｈ以外の部分で測定された検出結果から得られた測定位置を、少なくともワーク形状に基づいて補正し、補正により得られた補正位置に対応するように変位手段４６０の動作を制御する機能を有する。
基準位置は、加熱コイル４５１と被加熱領域Ｈとの間のギャップが加熱コイル４５１全体で均一な場合、加熱コイル４５１の被加熱領域Ｈに対向する面と被加熱領域Ｈの表面との間の距離が所定値となる位置であるのがよい。加熱コイル４５１と被加熱領域Ｈとの間のギャップが不均一となる場合には、加熱コイル４５１の被加熱領域Ｈに対向する面の適宜な地点と被加熱領域Ｈの地点に対向する地点との間の距離が所定値となる位置とすることができる。
【００６６】
本実施形態では、位置検出手段４８０において、径方向位置検出手段４８３と軸方向位置検出手段４８４とでそれぞれ検出された測定位置は基準位置からの位置ずれ量であり、補正位置はこの位置ずれ量を補正した位置ずれ補正量である。この姿勢制御部４９０では、位置ずれ補正量に対応するように変位手段４６０の動作を制御している。
【００６７】
測定位置を補正するためには、補正係数を用いて測定位置のデータを補正することができ、例えば測定位置を示す信号を補正係数倍することで補正位置を求めることができる。この補正係数は少なくともワーク形状に対応した値となっており、より多くの加熱条件に対応した補正係数とすることで、被加熱領域Ｈに対してより的確に加熱コイル４５１を配置することができる。
このような補正係数は経験上で得られたものであってもよい。また加熱条件、設定加熱状態等に基づいて加熱時の設定加熱状態におけるワークＷの変形を演算し、位置検出手段４８０の径方向位置検出手段４８３及び軸方向位置検出手段４８４において測定される部位の変形量と、演算により求められる被加熱領域Ｈの変位量とから補正係数を求めてもよい。さらに姿勢制御部４９０に予め補正係数を求めるシミュレーション処理のステップを設定しておき、このシミュレーション処理により補正係数を求めてもよい。
このような補正係数は加熱時又は加熱前に入力してもよく、姿勢制御部４９０に記憶してもよい。
【００６８】
この補正係数は低温時と高温時とで異ならせるのがよく、設定加熱状態に達したとき、例えば被加熱領域Ｈの温度が７００度〜８００度のような所定温度範囲に到達したとき、或いは加熱開始後所定時間経過したときに、手動又は自動で変更することができる。
【００６９】
次に、この実施形態の姿勢制御部４９０では、加熱期間中に複数の加熱コイル４５１の一部又は全部の位置を変位させる機能を有する。
姿勢制御部４９０により制御して変位手段４６０により各加熱コイル４５１を変位させることで、複数の加熱コイル４５１と被加熱領域Ｈとの対向面積を、被加熱領域の幅方向に変化するように調整する。例えば各加熱コイル４５１を、加熱期間開始時点ではワークＷの被加熱領域Ｈの幅方向において略同じ位置に配置しておき、所定の加熱状態に達した時点で各加熱コイル４５１を被加熱領域Ｈの幅方向における位置を個々に、又は複数組み合わせて変位させる。全ての加熱コイル４５１を変位させてもよい。
【００７０】
複数の加熱コイルの配置や変位量は、経験に基づいて決定してもよい。また被加熱領域Ｈと各加熱コイル４５１との間のギャップや加熱期間中のギャップの変化に対応させるように決定してもよく、加熱条件、設定加熱状態等に基づいて加熱時の設定加熱状態におけるワークＷの変形を演算して演算結果に対応するように決定してもよい。被加熱領域Ｈの幅方向における温度分布に対応させて、低温側に加熱コイル４５１のより多くの面積を配置するように決定してもよい。さらに姿勢制御部４９０に予め複数の加熱コイル４５１の配置を決定するシミュレーション処理のステップを設定しておき、このシミュレーション処理により決定することも可能である。ここではシミュレーション処理により被加熱領域Ｈの幅方向における変形量を求めて、この変形量に対応させるように面積を調整したり、配置に関する蓄積データから選択してもよい。
【００７１】
加熱コイル４５１を加熱期間中に変位させるには、全加熱コイル４５１のうちの一部の加熱コイル４５１を縁側にずらして配置してもよい。また予め変位させる配置を設定加熱条件に対応して記憶させ、設定加熱条件に達した段階で手動又は自動で変位させてもよい。
なお、各加熱コイル４５１の配置を変位させた状態では、互いに異なる加熱コイル４５１の一部が被加熱領域Ｈの幅方向における同じ位置に配置され、被加熱領域Ｈの幅方向における同じ位置を重畳的に加熱する配置とすることも可能である。
これにより、被加熱領域Ｈの幅方向における複数の加熱コイル４５１の配置分布を加熱コイル４５１の変位前と変位後とで異ならせて調整し、誘導加熱の際の発熱量を適切に調整することができる。
【００７２】
次に、本実施形態の姿勢制御部４９０では、支持ボックス４５２の姿勢を変化させることで、加熱コイル４５１の被加熱領域Ｈに対する相対角度である姿勢を調整し、加熱コイル４５１の被加熱領域Ｈに対向する面が加熱期間中の被加熱領域Ｈに沿うように配置させる機能を有する。ここでは加熱期間中に、加熱コイル４５１の被加熱領域Ｈに対向する面と被加熱領域Ｈとの間の角度の差を小さく又は無くすように調整する。加熱コイル４５１の被加熱領域Ｈに対向する面と被加熱領域Ｈとの形状が同じ形状でない場合、姿勢を調整することで、加熱コイル４５１の被加熱領域Ｈに対向する面と被加熱領域Ｈとの間の角度の差をできるだけ小さくするのがよい。
【００７３】
加熱コイル４５１の姿勢の調整量は、経験に基づいて決定してもよい。また被加熱領域Ｈと各加熱コイル４５１との間のギャップや加熱期間中のギャップの変化に対応させたり、加熱条件、設定加熱状態等に基づいて、加熱時の設定加熱状態におけるワークＷの変形を演算して演算結果に対応するように決定してもよい。被加熱領域Ｈの幅方向における温度分布に対応させて、低温側で加熱コイル４５１をより近づけるように決定してもよい。
さらに姿勢制御部４９０に予め複数の加熱コイル４５１の姿勢を決定するためのシミュレーション処理のステップを設定しておき、このシミュレーション処理により決定することも可能である。ここではシミュレーション処理により被加熱領域Ｈの幅方向における変形量を求め、この変形量に対応させるように姿勢の調整量を決定してもよい。
【００７４】
加熱コイル４５１を加熱期間中に変向して姿勢を調整するには、経験に基づいて加熱期間中に姿勢制御部４９０を操作して行ってもよい。また予め姿勢を設定加熱条件に対応して記憶させ、設定加熱条件に達した段階で手動又は自動で変向させてもよい。
【００７５】
本実施形態の姿勢制御部４９０は、図１６に示すように、ワークＷの加熱条件及び設定加熱状態を入力する設定入力部４９３と、ワークＷの加熱条件及び設定加熱状態などに基づいて変位手段の制御量を演算する演算処理部４９４と、設定入力部４９３に入力された各種設定値や演算処理部で得られた演算結果を記憶する記憶部４９５と、被加熱領域Ｈの加熱状態が設定加熱状態に達したことを判定する加熱状態判定部４９６と、設定加熱状態に達したときに変位手段４６０を駆動する駆動制御部４９７と、を備えている。
ここでは加熱状態として加熱経過時間を用いるが、加熱状態として被加熱領域Ｈの温度を用いることも可能である。その場合、図１６に破線で示すように、被加熱領域Ｈの温度を非接触式の温度センサにより検出し、加熱状態判定部４９６により検出温度が予め設定した温度に到達したことで設定加熱状態を判定してもよい。
【００７６】
記憶部４９５には、加熱開始後に位置検出手段４８０からの信号に基づき加熱位置Ｐ３でのワークＷの位置に加熱コイル４５１を追従させて変位させるためのステップが記憶されている。また加熱条件と、加熱コイル４５１の被加熱領域Ｈに対する相対位置及び相対角度を調整するための情報が設定加熱状態と組み合わせて記憶されている。これらは設定入力部４９３で入力されたものであっても、演算により求めたものでもよい。
【００７７】
さらに記憶部４９５には、シミュレーション処理のための処理ステップ情報が記憶されている。
シミュレーション処理のステップは、加熱条件下で被加熱領域Ｈが設定加熱状態に達した際の変形状態を演算するためのものであり、その手法は特に限定されるものではない。例えば二次元ＦＥＭ（Ｆｉｎｉｔｅ  Ｅｌｅｍｅｎｔ  Ｍｅｔｈｏｄ）解析モデルにより熱変形を求めるシミュレーション処理などを採用してもよい。
【００７８】
［電力調整手段］
電力調整手段４９１は、給電設備７００の操作部７１０の一部として設定されている。この電力調整手段４９１では、複数の加熱コイル４５１に供給する高周波電力を加熱コイル４５１毎に別々に調整する。高周波電力の調整は予め設定された設定加熱状態に到達した時点及びそれ以後に、設定加熱状態に対応して設定されている高周波電力に調整してもよい。
この電力調整手段４９１では、姿勢制御部４９０により各加熱コイル４５１と被加熱領域Ｈとの間の相対位置及び相対角度を調整することと組み合わせて、各加熱コイル４５１に給電する高周波電力を異ならせることで、複数の加熱コイル４５１により被加熱領域Ｈを加熱する。
【００７９】
［焼入方法］
次に、このような熱処理装置１０を用いてワークＷを焼入処理する方法について説明する。
本実施形態の焼入方法では、ワークＷに応じて各部を設定する準備工程と、ワークＷを搬入して治具１００に載置する搬入工程と、ワークＷを載置した治具１００を搬送する搬送工程と、治具１００上のワークＷを誘導加熱する加熱工程と、治具１００上のワークＷを冷却する冷却工程と、焼入れ後のワークＷを搬出する搬出工程とを備える。
【００８０】
準備工程では、加熱処理対象のワークＷの大きさや形状に応じて各部の設定を行う。加熱コイル４５１のような加熱部４５０の構成部品を加熱部４５０に装着するには、図２及び図３に示す部品交換セクション６００及び部品交換治具６２０を利用して行うことができる。
【００８１】
搬入工程では、図２及び図３に示す搬入搬出セクション３００で加熱処理対象のワークＷを搬入し、治具１００に載置して搬送可能な状態にする。
搬入搬出セクション３００の搬入搬出位置Ｐ１において、治具１００にワークＷを支持させる。図４に示すように、ワークＷは治具１００の複数の回転ローラ１１２上に、中央構造部１３０を囲むと共に、一方の端面を下向きにして載置する。その後、ワークＷが載置された治具１００を吊り下げ位置Ｐ２に移動して停止させる。
搬送工程では、図３及び図４に示すように、ワークＷが載置された治具１００を搬送機構２００の搬送ローダ部２２０に接続し、吊り下げて加熱セクション４００に搬送する。
【００８２】
加熱工程では、図１及び図２に示す加熱セクション４００で治具１００を所定位置に配置し、治具１００を上下方向及び周方向の移動を規制して配置することで、治具１００上に載置されたワークＷを各加熱位置Ｐ３に配置し加熱する。
加熱工程では、図１７に示すような加熱処理ステップが実行される。
【００８３】
まず加熱処理開始前、入力工程Ｓ１にて、設定入力部４９３から前述のような加熱条件を入力する。この入力は操作部７１０のタッチパネルや携帯端末器７０１から入力可能であり、図５に示すようなメインメニューからそれぞれの項目を選択し、入力可能画面において各種の加熱条件を入力する。このとき予め、ワークＷの不均一な変形が大きくなることで、位置検出手段４８０により測定される測定位置と実際に加熱されたワークＷの被加熱領域Ｈの位置とのずれが大きくなることが予測される単数又は複数の設定加熱状態が設定される。
【００８４】
シミュレーション工程Ｓ２にて、入力された加熱条件に基づき、演算処理部４９４で記憶部４９５に記憶されたシミュレーション処理のステップに基づいてシミュレーション処理を行う。この処理では、各設定加熱状態における補正係数、被加熱領域Ｈの幅方向における複数の加熱コイル４５１のそれぞれの配置、各加熱コイル４５１の傾きを演算し、得られた各演算結果をそれぞれ設定加熱状態に対応させた状態で記憶部４９５に記憶する。
【００８５】
シミュレーション工程Ｓ２を行った後、処理開始工程Ｓ３にて、ワークＷが各加熱位置Ｐ３に配置された状態で、回転ローラ１１２を回転させてワークＷを環形状に沿って回転させ、回転駆動部３０によりワークＷの周速を一定に保つ。このとき回転ローラ１１２で送り出す機構であるため、各回転ローラ１１２の回転速度の調整によりワークＷの直径に拘わらず容易に所定の周速でワークＷを回転できる。また、各回転ローラ１１２の周面の上側にワークＷの直径方向の傾斜、特に外向きに低くなる傾斜が設けられていれば、ワークＷを回転させることで、ワークＷの調心を行うことができる。
図９に示すように、位置検出具４８３，４８４の接触子４８８をワークＷの外周面の中腹と上面とに当接させて測定位置の測定を行う。図８に示すように、加熱される被加熱領域Ｈに隣接する下部側に、加熱冷却部４４０から冷却液を噴射して冷却を開始する。
【００８６】
姿勢制御部４９０により制御して変位手段４６０を動作させて加熱コイル４５１を変位させ、ワークＷの被加熱領域Ｈに所定のギャップとなるように加熱コイル４５１を対向配置する。このとき加熱開始時点では、ワークＷの変形と位置検出手段４８０により測定される測定位置と略一致するため補正係数は１とすることができる。また加熱コイル４５１が予め被加熱領域Ｈの幅方向の傾斜に対応する傾斜となるように支持ボックス４５２に支持されているため、変位手段４６０の支持ボックス４５２は略水平状態となっており、加熱コイル４５１と被加熱領域Ｈとの相対角度の差はない。さらに、複数の加熱コイル４５１の配置は全てが被加熱領域Ｈの幅方向の中心線を中心に配置しておいてもよい。
【００８７】
この状態で誘導加熱処理工程Ｓ４を開始する。誘導加熱処理工程Ｓ４では、ワークＷの回転、冷却、測定位置の測定を継続しつつ、加熱コイル４５１に高周波電力を給電し、被加熱領域Ｈを誘導加熱する。
各位置検出手段４８０の径方向位置検出具４８３及び軸方向位置検出具４８４の接触子４８８の変位量を変化量検出部４８９で検出することで、各加熱位置Ｐ３における被加熱領域Ｈの測定位置が測定されている。そのため各加熱コイル４５１をワークＷに追従させつつ加熱することができる。例えばワークＷが治具１００の中心から偏心した状態で配置されるなどにより、ワークＷが回動する際に径方向に変位しながら旋回するような場合であっても、加熱コイル４５１をワークＷに追従させて加熱することができる。
この誘導加熱処理工程Ｓ４では、加熱開始後から加熱状態を継続的に検出しており、加熱開始後からの加熱経過時間を加熱状態として検出している。
【００８８】
ワークＷが大型であり、周方向に間隔を開けて配置された複数の加熱コイル４５１により加熱するため、誘導加熱処理工程Ｓ４の加熱期間が数分間に及ぶこともある。この加熱期間中には加熱状態やワークＷの位置が監視されており、操作部７１０や携帯端末器７０１においてモニタ画面等で作業者が確認できる。
このような誘導加熱処理が継続されることで、被加熱領域Ｈ及びワークＷが昇温される。それと同時にワークＷが熱膨張により徐々に不均一に変形する。
【００８９】
そして加熱状態判定部４９６において、加熱状態が設定加熱状態に到達したことが判定されると、演算処理部４９４では記憶部４９５に記憶されている設定加熱状態における補正係数に変更される。この補正係数を用いて、位置検出手段４８０により測定された測定位置が補正されて補正位置が演算される。これにより、設定加熱条件以後の高温状態では、次の設定加熱条件に到達するまでの間、各加熱位置Ｐ３における被加熱領域Ｈの位置を補正位置と見なして追従動作が行われる。即ち、姿勢制御部４９０により補正位置の変化に対応するように変位手段４６０の動作が制御されて、加熱コイル４５１と被加熱領域との相対位置が安定に維持される。
【００９０】
また、加熱状態が設定加熱状態に到達したことが判定されると、演算処理部４９４では、記憶部４９５に記憶されている設定加熱状態における各加熱コイル４５１の傾きとなるように、姿勢制御部４９０により変位手段４６０の動作が制御される。ここでは、角度変向部４９２において、支持ボックス４５２の上部を前側と後側とで異なる高さに上昇又は下降させることで、加熱コイル４５１の被加熱領域Ｈに対向する面の傾斜角度を設定加熱状態における各加熱コイル４５１の傾きの角度に調整される。
例えば図１８に示すように、設定加熱状態に到達するまでの間は各加熱コイル４５１が図中に実線で示すような傾きで配置されている。設定加熱状態に到達した後は、ワークＷの不均等な変形により被加熱領域Ｈの傾斜が変化するため、この変化に対応するように、図中の仮想線で示すように角度θで傾斜を変化させ、各加熱コイル４５１と被加熱領域Ｈとの間のギャップをより均一にする。
そして設定加熱条件以後の高温状態では、次の設定加熱条件に到達するまでの間、この角度が維持される。
【００９１】
さらに加熱状態が設定加熱状態に到達したことが判定されると、演算処理部４９４では、記憶部４９５に記憶されている複数の加熱コイル４５１の配置となるように、姿勢制御部４９０により変位手段４６０の動作が制御される。ここでは、被加熱領域の幅方向の縁側、特に上部の縁側が例えばワークＷの不均等な変形により各加熱コイル４５１から離間する方向に変位するため、誘導加熱による発熱量が中間部分等に比べて低下し易いなどの理由により、被加熱領域Ｈの表面温度にむらが生じて中間部分よりも温度が低くなり易い。
そのため、図１９に実線で示すように、設定加熱状態に到達する前には被加熱領域Ｈの幅方向における複数の加熱コイル４５１の位置が同等に配置されていたところを、図中の仮想線で示すように、一部の加熱コイル４５１の位置を被加熱領域Ｈの縁側にずらして配置する。必要により、複数の加熱コイル４５１の全部を縁側にすらして配置してもよい。これにより、被加熱領域Ｈの幅方向における加熱コイル４５１の対向面積の分布を調整し、被加熱領域Ｈの低温側がより多い対向面積となるように各加熱コイル４５１を配置し、低温側の発熱量をより大きくする。
そして、設定加熱条件以後の高温状態では、次の設定加熱条件に到達するまでの間この角度が維持される。
【００９２】
このような制御を１回又は複数回繰り返すことで、加熱完了状態まで誘導加熱処理工程Ｓ４を行い、被加熱領域Ｈの全体を均一に加熱する。被加熱領域Ｈの温度が所望の温度に到達したとき、或いは、所定の加熱時間が終了したとき、誘導加熱処理工程Ｓ４を終了する。
【００９３】
誘導加熱処理工程Ｓ４が終了した後、冷却工程では、搬送ローダ部２２０により治具１００を下降させ、冷却セクション５００に治具１００上のワークＷを配置し、ワークＷを回転させながら、複数位置に設けられた冷却ジャケット５２０からワークＷに多量の冷却液を噴射し、ワークＷ全体を冷却する。ここでは、加熱セクション４００の下方に冷却セクション５００が設けられているため、加熱後短時間の間に冷却が開始される。これによりワークＷの所望の焼入処理が行われる。
ワークＷの被加熱領域Ｈの温度が十分に低下した段階で冷却工程を終了する。
【００９４】
その後、焼入されたワークＷは治具１００と共に搬送ローダ部２２０に吊り下げられ、搬入搬出セクション３００に搬送されて、ワークＷの焼入処理が完了する。
【００９５】
以上のような熱処理装置１０及びその加熱方法によれば、ワークＷが誘導加熱されたときに、加熱領域Ｈの一方の縁側と他方の縁側とで変形量が異なり、これにより位置検出手段４８０により検出される測定位置の誤差が大きくなっても、測定位置を少なくともワーク形状に基づいて補正して、ワークＷと加熱コイル４５１との相対位置を調整するので、被加熱領域Ｈ全体を均一に所望の温度まで昇温することができる。
【００９６】
ここでは姿勢制御部４９０が、測定位置と補正係数から補正位置を演算する演算処理部４９４を備え、演算処理部４９４において、予め設定されたシミュレーション処理により、ワークＷを実施予定の加熱条件で加熱処理した場合の補正係数を求めている。そのため補正係数を決定する準備が不要であり、ワークＷを加熱するための準備の装置や手間を簡略化できる。
【００９７】
測定位置は基準位置からの位置ずれ量であり、補正位置は位置ずれ量を補正した位置ずれ補正量であり、姿勢制御部４９０は、位置ずれ補正量をなくすように変位手段４６０の動作を制御している。そのため測定位置及び補正位置を示すデータを簡素化でき、位置検出手段４８０により測定位置を測定する構成や変位手段４６０により加熱コイル４５１を補正位置に移動させる構成を簡素化できる。また処理速度も向上でき、加熱コイル４５１をより短い時間で適切な位置に配置して効率よく被加熱領域Ｈを加熱できる。
【００９８】
補正位置は、測定位置を少なくともワーク形状に対応した補正係数により補正した位置となっている。そのため補正位置を容易に演算できる。
姿勢制御部４９０は、加熱期間中に被加熱領域Ｈが予め定めた設定加熱状態に達したときに補正係数を変更する。これによりワークＷの不均一な変形量が昇温するほど大きくなるのであっても、加熱コイル４５１を適切な位置に配置できる。
【００９９】
なお、上記実施形態は本発明の範囲内において適宜変更可能である。
例えば、上記では位置検出手段４８０により検出される測定位置を補正すると共に、被加熱領域Ｈの幅方向における複数の加熱コイル４５１の配置分布を調整したり、加熱時の被加熱領域Ｈに沿うように加熱コイル４５１の角度を調整して配置しているが、加熱コイル４５１の配置分布や角度の調整をせずに、位置検出手段４８０により検出される測定位置をより適切に補正することで、被加熱領域の不均一な加熱状態のむらを小さくして均一化を図ることは可能である。
上記では加熱コイル４５１に対してワークＷを回転させることで加熱コイル４５１とワークＷとを相対移動させる例について説明したが、加熱コイル４５１を回転させることで相対移動させることも可能である。
【符号の説明】
【０１００】
Ｗ  ワーク
Ｗ１  基部
Ｗ２  突出部
Ｗ３  傾斜面
Ｈ  被加熱領域
Ｃ  回転中心
Ｐ１  搬入搬出位置
Ｐ２  吊り下げ位置
Ｐ３  加熱位置
１０  熱処理装置（加熱装置）
４０  加熱冷却架台
４２  変位架台
４３  位置検出支柱
４４  位置検出台
１００  治具
１１０  ワーク支持部
１１１  放射架台
１１２  回転ローラ（相対移動手段）
１３０  中央構造部
２００  搬送機構
２１０  搬送レール
２２０  搬送ローダ部
２４６  回転駆動手段
２５５  回転駆動モータ
３００  搬入搬出セクション
４００  加熱セクション
４１０  治具保持機構
４４０  加熱冷却部
４５０  加熱部
４５１  加熱コイル
４５２  支持ボックス
４６０  変位手段
４６１  位置調整ハンドル
４６２  上下変位部
４６３  水平変位部
４６４  下架台
４６５  上下駆動機構
４６６  変位ガイドロッド
４６７  縦変位ネジ軸
４６８  変位軸受
４６９  上下駆動モータ
４７１  連結体
４７２  第１変位レール
４７３  上架台
４７４  第１変位駆動機構
４７５  第２変位レール
４７６  第２変位駆動機構
４７７  変位駆動モータ
４７８  横変位ネジ軸
４７９  変位突部
４８０  位置検出手段
４８１  第１進退機構
４８２  第２進退機構
４８３  径方向位置検出具
４８４  軸方向位置検出具
４８５  進退用駆動手段
４８６  ロッド
４８７  ガイドロッド
４８８  接触子
４８９  変化量検出部
４９０  姿勢制御部
４９１  電力調整手段
４９２  角度変向部
４９３  設定入力部
４９４  演算処理部
４９５  記憶部
４９６  加熱状態判定部
４９７  駆動制御部
５００  冷却セクション
６００  部品交換セクション
７００  給電設備
７０１  携帯端末器
７０２  ケーブル
７１０  操作部
７１１  入出力画面
７２２，７２２Ａ，７２２Ｂ，７２２Ｃ  変成器
７２３，７２３Ａ，７２３Ｂ，７２３Ｃ  整合器
７２４  インバータ
７２４Ａ  順変換部
７２４Ｂ  逆変換部
７２５  インバータ制御部
７２５Ａ  順変換制御部
７２５Ｂ  逆変換制御部
７２６  スイッチ群
７２６Ａ，７２６Ｂ，７２６Ｃ，７２６Ｄ，７２６Ｅ  スイッチ
７２７  切り替え制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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