(57)【要約】【課題】不良品の発生を抑え、材料コストの低減及び作業効率の向上を図ることができる高周波熱処理設備の監視システムを提供する【解決手段】監視域の範囲内に予防域を設定する。被処理物の熱処理状態の取得値がこの予防域の範囲外となったら注意報を発して作業者に知らせることにより、実際に不良品が発生する前に対処することが可能となる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波熱処理設備において被処理物の熱処理状態を監視する監視システムであって、
被処理物の熱処理状態に関する監視項目の取得値を記録する監視部に、前記取得値に許容される上限値及び下限値からなる監視域を設定すると共に、監視域の範囲内に予防上限値及び予防下限値からなる予防域を設定したことを特徴とする高周波熱処理設備の監視システム。
【請求項２】
前記監視域及び予防域が、被処理物のサンプルを熱処理することにより得られた取得値に基づいて設定された請求項１記載の高周波熱処理設備の監視システム。
【請求項３】
被処理物のサンプルの取得値の標準偏差をσとしたとき、前記予防域の設定幅をσ以上、３σ以下の範囲内に設定した請求項２記載の高周波熱処理設備の監視システム。
【請求項４】
被処理物の熱処理状態の取得値の履歴を全数記録した請求項１記載の高周波熱処理設備の監視システム。
【請求項５】
前記取得値が予防域から外れたときに注意報を発する請求項１記載の高周波熱処理設備の監視システム。
【請求項６】
注意報が発せられたとき、熱処理を続けるか停止するかを任意に選択することができる請求項５記載の高周波熱処理設備の監視システム。
【請求項７】
前記取得値が予防域から外れたときに、該取得値を予防域の範囲内に戻すように熱処理条件を自動的に制御する請求項１記載の高周波熱処理設備の監視システム。
【請求項８】
自動車用シャフト部品に熱処理を施す高周波熱処理設備に組み込まれた請求項１〜７の何れかに記載の高周波熱処理設備の監視システム。
【請求項９】
請求項１〜８の何れかに記載の監視システムと、被処理物を高周波誘導加熱する加熱装置と、被処理物を冷却するための冷却水を供給する冷却装置と、加熱装置及び冷却装置を制御する制御装置とを備え、被処理物に焼入れを施す高周波熱処理設備。
【請求項１０】
請求項１〜８の何れかに記載の監視システムと、被処理物を高周波誘導加熱する加熱装置と、加熱装置を制御する制御装置とを備え、被処理物に焼戻しを施す高周波熱処理設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波誘導加熱による熱処理を自動車用シャフト部品等の被処理物に施す高周波熱処理設備において、被処理物の熱処理状態を監視する監視システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
高周波誘導加熱による焼入れは、自動車等の各種機械に用いられるシャフトや、その他金属部品を熱処理するために用いられる。一般に、高周波誘導加熱による熱処理では、加熱コイルに高周波電流を流すことで、部品を誘導加熱する。この高周波誘導加熱による熱処理では、加熱炉の場合のように部品全体が均一に加熱されるのではなく、硬化させたい部分のみを局部的に加熱することが可能であり、加熱効率が高められるという利点が得られる。
【０００３】
このような高周波誘導加熱による熱処理では、熱処理条件、例えば加熱コイルに供給する電力や、焼入れ用の冷却水の供給時間等を適当な値に設定する必要がある。これらの熱処理条件を設定する方法として、一般には、加工した部品の焼入れ品質を確認しながら最適な条件を導出する。
【０００４】
しかし、上記に示されている方法により熱処理条件を設定したとしても、その後の熱処理の量産過程における設備の状態や周辺環境の変化に伴って、熱処理条件が変化することがある。例えば、供給する電力を任意の値に設定していても、系統電圧の変動や、加熱コイルの劣化などにより実際に投入される電力が変化する場合がある。また、冷却する時間を任意の値に設定していても、水圧の変動やフィルターの詰まりなどにより必要な冷却水量が得られてない事態が生じる恐れがある。
【０００５】
このような不具合を回避するために、例えば特許文献１に示されている熱処理設備では、量産過程における各監視項目の取得値に許容される上限値及び下限値を設定し、監視項目の取得値がこの監視域を外れたとき、警報を発して作業を停止することにより、不良品を確実に除去している。具体的には、図７に示すように、監視項目の取得値が予め設定した良否判定の監視域を外れたときに、その被処理物を不良品と判定し、警報を発するものである。
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１４４１２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１の監視方法によると、実際に不良品が発生して初めて作業者が対処することとなるため、不良品の発生は避けられない。不良品の発生数が多くなると、材料の無駄が生じてコストがかかるだけでなく、作業効率の低下にもつながる。
【０００８】
本発明は、高周波熱処理設備における被処理物の熱処理状態の監視システムにおいて、不良品の発生を抑えることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するために、本発明は、被処理物を高周波誘導加熱により加熱した後、冷却することにより焼入れ硬化させる高周波熱処理設備において、被処理物の熱処理状態を監視する監視システムであって、被処理物の熱処理状態に関する監視項目の取得値を記録する監視部に、前記取得値に許容される上限値及び下限値からなる監視域を設定すると共に、監視域の範囲内に予防上限値及び予防下限値からなる予防域を設定したことを特徴とする。
【００１０】
このように、本発明の監視システムでは、被処理物の熱処理状態の取得値に許容される監視域の範囲内にさらに予防域を設定する。これにより、取得値が予防域から外れた時点で、実際に不良品が発生する前に対処することが可能となるため、不良品の発生数を抑え、材料コストの低減及び作業効率の向上を図ることができる。
【００１１】
ところで、高周波加熱以外の熱処理方法（例えばずぶ焼入れによる熱処理）であれば、被処理物の温度変化が比較的緩やかであるため、被処理物ごとの熱処理条件を一定にすることが比較的容易である。一方、高周波加熱による熱処理の場合、被処理物の温度変化が急激であるため、熱処理設備の状態や周辺環境等の影響を受けやすい。このような場合、本発明のように取得値の予防域を設けることにより注意報を発することが効果的となる。
【００１２】
この監視域及び予防域の設定は、例えば被処理物のサンプルを熱処理することにより得られた取得値に基づいて行うことができる。また、予防域の幅は、例えば、各監視項目における取得値の標準偏差をσとしたとき、σ以上、３σ以下に設定することが好ましい。予防域の設定幅をσ未満とすると、設定幅が過小であるため、監視システムが取得値の誤差範囲の変化にも反応し、却って作業効率を低下させる。一方、予防域の設定幅が３σを超えると、監視域の設定幅は一般に３σ以上、４σ以下程度に設定されるため、予防域の設定幅が監視域の設定幅よりも大きくなり、予防域がその機能を果たさない恐れがある。
【００１３】
この熱処理方法において、被処理物の取得値の履歴を全数記録すると、予防域を外れた取得値を示した被処理物が、一時的に生じたものか、熱処理状態の時間的変化に伴って生じたものかを判断することができる。これにより、注意報が発せられたときに作業者は的確に対処することができる。
【００１４】
また、前記取得値が予防域が外れたときに注意報を発するようにしておくと、取得値の異常を作業者に知らせることができる。このとき、熱処理を続けるか停止するかを任意に選択することができるようにしておくことが好ましい。これによると、例えば、取得値が予防域を外れた原因が一時的なもので、特に熱処理条件の設定を変更しなくても支障がないと判断すれば、熱処理を停止することなくそのまま続ければよいので、作業の停止による作業効率の低下を避けることができる。また、取得値が予防域を外れた原因が熱処理状態の時間的変化に伴うものであっても、熱処理を続けながら対応可能なものであれば、そのまま熱処理を続ければよい。一方、取得値が予防域を外れた原因が特定できない場合や、原因が熱処理状態の時間的変化に伴うものであって熱処理を停止しなければ対応できない場合は、熱処理を一旦停止して対応すればよい。
【００１５】
一方、前記取得値が予防域から外れたときに、該取得値を予防域の範囲内に戻すように熱処理条件を自動的に制御するようにしておくと、作業者が対応することなく取得値を常に予防域の範囲内に収めることができる。
【００１６】
上記のような監視システムは、例えば、被処理物を高周波誘導加熱する加熱装置と、被処理物を焼入れするための冷却水を供給する冷却装置と、加熱装置及び冷却装置を制御する制御装置とを備え、被処理物に焼入れを施す高周波熱処理設備や、あるいは、被処理物を高周波誘導加熱する加熱装置と、加熱装置を制御する制御装置とを備え、被処理物に焼戻しを施す高周波熱処理設備に適用することができる。これらの高周波熱処理設備によると、不良品の発生を抑え、作業効率良く且つ低コストに焼入れ、焼戻し等の熱処理を行うことができる。
【発明の効果】
【００１７】
以上のように、本発明の高周波熱処理設備の監視システムによると、不良品の発生を抑え、材料コストの低減及び作業効率の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１に、本発明にかかる監視システムを組み込んだ高周波熱処理設備１００を示す。この高周波熱処理設備１００は、主要な構成要素として、被処理物（ワークピースＷ）を高周波誘導加熱する加熱装置１０と、加熱したワークピースＷを冷却する冷却装置２０と、加熱装置１０及び冷却装置２０を制御する制御装置３０と、ワークピースＷの誘導加熱工程及び冷却工程を監視する監視部４０とを備える。加熱装置１０は、高周波発振機１２と、高周波発振機１２接続された加熱コイル１４を備え、冷却装置２０は、ポンプ２２と、ポンプ２２により送られた冷却水をワークピースＷへ向けて吐出する水冷ジャケット２４と、冷却水の流量を検知する流量センサ２６と、冷却水の圧力を検知する圧力センサ２８と、ワークピースＷを冷却した後の冷却水の温度を検知する温度センサ２９とを備える。また、ワークピースＷの近傍には温度測定器１８が設けられ、この温度測定器１８により熱処理時におけるワークピースＷの温度を検知する。
【００１９】
制御装置３０は、加熱装置１０の高周波発振機１２に接続され、高周波発振機１２から加熱コイル１４に供給される電力量、電圧、及び電流等を制御する。また、制御装置３０は、冷却装置２０にも接続され、冷却水の吐出の開始・終了、冷却水の温度、冷却水の流量、及び冷却水の圧力等を制御する。
【００２０】
監視部４０は、加熱コイル１４と、冷却装置２０の流量センサ２６、圧力センサ２８、及び温度センサ２９とにそれぞれ接続され、所定の監視項目の取得値を記録する。この取得値をもとに、制御装置３０が上記の項目を制御する。
【００２１】
図２に、熱処理設備１００のワークピースＷ周辺の詳細を示す。本実施形態では、ワークピースＷとして自動車用シャフト部品を熱処理する場合を示す。加熱コイル１４及び水冷ジャケット２４は、ワークピースＷを加熱・冷却可能な位置に配され、且つ、ワークピースＷに対して軸方向で相対移動可能に設けられる。図２に示す例では、２個の加熱コイル１４と１個の水冷ジャケット２４とをワークピースＷの軸方向に並べてユニットＵを構成し、２組のユニットＵがワークピースＷを挟んだ両側に、互いに対向して配されている。ワークピースＷは、その両端部をセンターピン１７で回転可能に支持されている。尚、本実施形態ではワークピースＷが自動車用シャフト部品である場合を示しているが、これに限らず、他の形状や用途の金属部品であっても良い。
【００２２】
次に、上記の熱処理設備１００による熱処理工程を説明する。この熱処理工程では、ワークピースＷをセンターピン１７、１７を中心に回転させた状態で、ユニットＵ（加熱コイル１４及び水冷ジャケット２４）をワークピースＷの軸方向一方（図２の上方）へ向けて平行移動させながら行う。このとき、高周波発振機１２から加熱コイル１４に高周波電力を供給して磁場を発生させ、この磁場によりワークピースＷを誘導加熱する（誘導加熱工程）。このように、高周波誘導加熱でワークピースＷを加熱することで、ワークピースＷのうち高硬度が必要な部分のみに局部的な加熱が可能となる。また、ワークピースＷを回転させながら上記の誘導加熱を行うことにより、ワークピースＷの表層部分を均一に加熱することができる。
【００２３】
この誘導加熱工程に続いて、冷却装置２０より供給された冷却水を水冷ジャケット２４からワークピースＷへ吐出することにより、ワークピースＷの加熱部分が順次冷却される（冷却工程）。この冷却水は、ワークピースＷを冷却した後、冷却水戻り流路２７を介して冷却装置２０に戻される。
【００２４】
以上のように、本実施形態では、誘導加熱工程及び冷却工程が同一設備内において連続的に行われる。尚、自動車用のシャフト部品として用いられるワークピースＷは、図２に示すように軸方向でその外周形状が異なるため、場所によって加熱条件（例えば加熱コイル１４への投入電力量等）や冷却条件（例えば冷却水の流量等）を異ならせて設定される。
【００２５】
以上の誘導加熱工程及び冷却工程を経て、ワークピースＷの熱処理が完了する。
【００２６】
この高周波熱処理設備１００によるワークピースＷの熱処理状態は、本発明にかかる監視システムで監視される。この監視システムは、上記の誘導加熱工程及び冷却工程における所定の監視項目について、監視部４０が取得したワークピースＷの熱処理状態の取得値が、予め設定された予防域の範囲を外れたら注意報を発し（図３参照）、監視域を外れたら警報を発するものである。
【００２７】
以下、この監視システムについて詳しく説明する。
【００２８】
まず、ワークピースＷの熱処理条件の設定方法を、図４のブロック図を用いて以下に説明する。はじめに、ワークピースＷの熱処理に先立って、サンプルの熱処理加工を行う。サンプルの加熱工程（ブロック５１）において、高周波発振機から加熱コイル１４に供給される電力および周波数、電力を投入している時間、サンプルの位置、回転数、加熱コイル１４（ユニットＵ）の相対移動速度、及びワークピースＷの加熱温度等の初期値を適宜設定（ブロック５２）する。尚、ワークピースＷの外周形状は軸方向で異なるため、熱処理温度も加熱場所によって異なる。従って、加熱コイル１４に供給される電力は、加熱場所に応じた値に設定される。一方、サンプルの冷却工程（ブロック５３）において、冷却水の吐出の開始・終了、冷却水の温度、流量、圧力、ワークピースＷの冷却温度等の初期値を適宜設定（ブロック５４）する。加熱工程（ブロック５１）で加熱されたサンプルは、冷却工程（ブロック５３）で冷却され、焼入れされる。焼入れされた部品は破壊検査により硬さ、焼入れ位置、焼入れ金属組織などを調査して、要求される熱処理品質を満足しているか確認する（ブロック５５）。満足していない場合は、加熱工程、冷却工程の各設定値（ブロック５２，５４）を調整して上記手順を繰り返して行い、要求される熱処理品質を満足したときの条件で、熱処理条件を決定する（ブロック５６）。
【００２９】
次に、以上の工程で決定した熱処理条件で所定個数のサンプルを加工し（ブロック５７）、熱処理状態に関する監視項目の取得値を記録（ブロック５８）し、取得値の標準偏差σを算出する（ブロック５９）。この標準偏差σに基づいて、各熱処理条件に許容される上限値及び下限値からなる監視域を設定し、さらに、この監視域の範囲内に予防上限値及び予防下限値からなる予防域を設定する（以上、ブロック６０）。監視域は、設定幅が３σ以上、４σ以下となるように設定され、予防域は、設定幅がσ以上、３σ以下となるように設定される。
【００３０】
こうして熱処理条件を決定し、監視項目の監視域ならびに予防域を設定した後、図５のブロック図で示すワークピースＷの熱処理、すなわちワークピースＷの誘導加熱工程（ブロック７１）及び冷却工程（ブロック７４）が行われる。これらの工程における所定の監視項目の取得値を、監視部４０により記録する。本実施形態では、高周波発振機から加熱コイル１４に供給される電力及び周波数、加熱コイル１４に電力を投入している加熱時間、熱処理中のワークピースＷの位置及び回転数（これらの項目を加熱パラメータと称する）に関する取得値を、監視部４０により全数記録している。
【００３１】
この誘導加熱工程（ブロック７１）において、ワークピースＷの熱処理状態の取得値が予防域の範囲から外れたとき、すなわち、取得値が予防上限値を超えるか、あるいは予防下限値を下回ったとき、注意報が発せられる（ブロック７２、図３参照）。この注意報が発せられたときでも、熱処理の作業は中断せずに次の工程に進み、このワークピースＷの熱処理が完了した時点で、作業者は続けて次のワークピースの熱処理を行うか、待機状態とするかを選択する。本実施形態では、上記のように監視項目ごとの取得値を全数記録しているため、その取得値と履歴データとを比較評価することにより、予防域を超えたワークピースが一時的に生じたものであるか、熱処理状態の時間変化により生じたものかを判断することができる。従って、作業者は取得値の履歴を調べて注意報が一時的なものであるか否かを判断し、一時的に生じたものであれば続けて作業を行えばよい。一時的なものでなければ、熱処理状態の時間変化により生じた可能性があるため、必要に応じて作業を待機状態とし、設備やワークピースＷの状態を点検して取得値が予防域を超えた要因を特定し、その要因を除去すべく対応する。このように、取得値の監視域の範囲内に予防域を設定しておくことにより、実際に不良品が発生する前に対応することができるため、不良品の発生が確実に防止され、材料及び作業時間の無駄を省くことができる。
【００３２】
一方、ワークピースＷの熱処理状態の取得値が監視域の範囲から外れたとき、すなわち、取得値が上限値を超えるか、あるいは下限値を下回ったとき、警報が発せられ（ブロック７３）、その時点で熱処理が終了する（ブロック７７）。このように、各監視項目における取得値が監視域の範囲外となり、不良品が発生したとみなされた場合に作業を中断することで、無駄な作業を省略できると共に、不良品を確実に排除することができる。この警報による作業の中断は、監視部４０と制御装置３０とを接続しておき、警報と同時に制御装置３０が高周波発振機１２による電力の供給を自動的にストップするような制御システムを設けても良い。
【００３３】
誘導加熱工程に続いて、冷却装置２０から水冷ジャケット２４を介してワークピースＷに冷却水が吐出され、ワークピースＷが急速冷却される（冷却工程）。この冷却工程においても、上記の誘導加熱工程と同様に、加工中の状態を監視する（ブロック７４）。本実施形態では、監視項目として、例えば冷却水の流量・温度・圧力、及び冷却時間、すなわち冷却水の吐出開始時点及び終了時点を監視し、これらの項目を冷却パラメータと称する。この冷却パラメータに関するワークピースＷの熱処理状態の取得値の履歴が、監視部４０により全数記録されている。
【００３４】
この冷却工程においても、上記の誘導加熱工程と同様に、ワークピースＷの熱処理状態の取得値が予防域の範囲から外れたとき、注意報が発せられる（ブロック７５）。この注意報が発せられたときでも、熱処理の作業は中断せずに最後まで行われ、熱処理工程が終了する（ブロック７７）。一方、ワークピースＷの熱処理状態の取得値が監視域の範囲から外れたとき、警報が発せられ（ブロック７６）、その時点で熱処理が終了する（ブロック７７）。
【００３５】
以上で示したように、本発明の監視システムでは、ワークピースＷが不良品と判定される監視域の範囲内にさらに予防域を設定し、取得値が予防域を外れたときに注意報を発する。これにより、実際に不良品が発生する前に制御装置３０の設定の変更等の対処をすることが可能となるため、不良品の発生を未然に防止し、材料コストの低減および作業効率の向上が図られる。
【００３６】
本発明は以上の実施形態に限られない。例えば、監視部４０による監視項目は、上記で示した加熱パラメータ及び冷却パラメータに限らず、熱処理の量産に伴って変動し得るその他の項目であってもよい。
【００３７】
また、上記の実施形態では、取得値が予防域を外れたときに注意報を発しているが、これに限らず、取得値が予防域を外れたとき、熱処理条件（加熱パラメータ、冷却パラメータ）を自動的に制御して取得値を予防域の範囲内に戻すような制御システムを設けても良い。これによると、自動的に不良品の発生を予防することができ、生産効率の向上及び製造コストの低減を図ることができる。
【００３８】
また、上記の実施形態では、ワークピースＷに焼入れを施す熱処理設備に本発明の監視システムを適用した場合を示したが、これに限らず、例えば、ワークピースＷに焼戻しを施す熱処理設備に本発明の監視システムを適用してもよい。この場合、図６に示すように、ワークピースＷを挟んだ両側に焼戻し用コイル８０が設けられ、ワークピースＷをセンターピン１７を中心に回転させながら、ワークピースＷの全長に亘って焼戻しが施される。このような焼戻し用の熱処理設備においても、上記と同様に、ワークピースＷが不良品と判定される監視域の範囲内にさらに予防域を設定することにより、不良品の発生を未然に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】高周波熱処理設備を概略的に示す平面図である。
【図２】高周波熱処理設備におけるワークピースの周辺を拡大した平面図である。
【図３】本発明の監視システムにおける監視域及び予防域を説明するグラフである。
【図４】熱処理条件の設定方法を示すブロック図である。
【図５】高周波熱処理設備の熱処理工程を示すブロック図である。
【図６】他の例の高周波熱処理設備のワークピース周辺を拡大した平面図である。
【図７】従来の監視システムにおける被処理品の良否判定を説明するグラフである。
【符号の説明】
【００４０】
１０   加熱装置
１２   高周波発振機
１４   加熱コイル
１７   センターピン
１８   温度測定器
２０   冷却装置
２２   ポンプ
２４   水冷ジャケット
２６   流量センサ
２７   流路
２８   圧力センサ
２９   温度センサ
３０   制御装置
４０   監視部
１００ 高周波熱処理設備
Ｗ     ワークピース
【図１】
2008267786.tif 000003
【図２】
2008267786.tif 000004
【図３】
2008267786.tif 000005
【図４】
2008267786.tif 000006
【図５】
2008267786.tif 000007
【図６】
2008267786.tif 000008
【図７】
2008267786.tif 000009