(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
同軸上に複数の歪形ワーク熱処理部が各々異なる角度で軸方向に間隔を置いて設置されているワークを熱処理する高周波熱処理装置であって、
各歪形ワーク熱処理部の周囲に配置する加熱部材と、該加熱部材の加熱量を制御する制御手段とを備えており、
軸が回転すると、前記各歪形ワーク熱処理部から加熱部材までの最短距離が一様に変化するように前記加熱部材が構成されていることを特徴とする高周波熱処理装置。
【請求項２】
制御手段は、各歪形ワーク熱処理部から加熱部材までの最短距離が長くなるほど加熱量を増加させることを特徴とする請求項１に記載の高周波熱処理装置。
【請求項３】
加熱部材は環状であって各歪形ワーク熱処理部の外周に個々に配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の高周波熱処理装置。
【請求項４】
高周波電源を一つ備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちのいずれかに記載の高周波熱処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多気筒エンジンに使用されるカムシャフトのカムのように、熱処理部が同軸の複数箇所に存在するワークを焼き入れする高周波熱処理装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
カムシャフトのカムのような歪な外形の熱処理部を、従来の環状の加熱コイルを備えた高周波加熱装置で熱処理（焼き入れ）すると、最も加熱コイルに近い部位の加熱量が他の部位の加熱量よりも多くなり、焼き入れ深さに差異が生じてしまう。熱処理部の全周囲の焼き入れが一様に行われないと割れの原因となる。これを回避することができる高周波加熱装置が特許文献１に開示されている。すなわち、特許文献１に開示されている高周波加熱装置は、ワークの熱処理部の全周囲が均一に加熱されるように熱処理することができる。
【特許文献１】特開２００１−１３１６３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、特許文献１に開示されている高周波加熱装置では、環状の加熱コイルが、小径部と大径部とを備えたいわゆるだるま形状に構成されている。そして、ワークが回転して熱処理部の半径方向外方へ最も突出した部位が加熱コイルの小径部に対向しているときには加熱コイルの加熱量を減少させ、突出した部位が逆に大径部に対向しているときには加熱コイルの加熱量を増加させることによって、熱処理部の全周囲の熱処理の均一化を図っている。
【０００４】
しかし、特許文献１に開示されている構成では、熱処理部（カム）が一つだけの場合には効果を奏するが、軸周りに設置角度の異なる熱処理部が複数個設けられたワークを熱処理するには相当な時間が必要である。すなわち、特許文献１に開示されている高周波加熱装置では、軸周りに設置角度の異なる複数の熱処理部を順に一つずつ熱処理しなければ、全ての熱処理部の全周囲の焼き入れ深さを均一にすることはできない。よって、特許文献１に開示されている高周波加熱装置では、ワークの複数の熱処理部の熱処理を完了するまでに相当な時間が掛かってしまう。
【０００５】
また、特許文献１に開示されている高周波加熱装置で、複数の熱処理部を同時に熱処理するためには、熱処理部と同数の高周波電源（インバータ）が必要であり、さらに、該高周波電源の出力を個別に制御する制御機構が必要である。そのため、装置構成が複雑化すると共に、非常にコスト高となる。
【０００６】
上述のような特許文献１に開示されている高周波加熱装置を採用する代わりに、簡易な構成でワークの各熱処理部（カム）の全周囲の焼き入れ深さの均一化を図る方法として、例えば、ワークの複数の熱処理部の周囲に各々配置した環状の加熱コイルを、熱処理部の回転角度位置に応じて個々に一方向に往復移動させることが考えられる。しかし、これでは高周波加熱装置を簡易に構成することはできても、ワークの熱処理部の焼き入れ深さの均一化は不十分である。
【０００７】
そこで本発明は、同軸上に同形の複数の歪形ワーク熱処理部が各々異なる角度で設置されているワークの各歪形ワーク熱処理部を、簡単な構成で同時に短時間で熱処理することができる高周波熱処理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】
【０００８】
上記課題を解決するための請求項１の発明は、同軸上に複数の歪形ワーク熱処理部が各々異なる角度で軸方向に間隔を置いて設置されているワークを熱処理する高周波熱処理装置であって、各歪形ワーク熱処理部の周囲に配置する加熱部材と、該加熱部材の加熱量を制御する制御手段とを備えており、軸が回転すると、前記各歪形ワーク熱処理部から加熱部材までの最短距離が一様に変化するように前記加熱部材が構成されていることを特徴とする高周波熱処理装置である。
【０００９】
請求項１の発明では、軸が回転する際に、前記各歪形ワーク熱処理部から加熱部材までの最短距離が一様に変化するように前記加熱部材を構成した。これにより、各歪形ワーク熱処理部から加熱部材までの最短距離を同期させることができる。
よって、請求項１の発明を実施した高周波加熱装置は、各歪形ワーク熱処理部を同時に同様に熱処理することができる。各歪形ワーク熱処理部の全周囲を同時に熱処理可能なので、短時間で熱処理を完了することができる。
請求項１の発明は、軸に対する各歪形ワーク熱処理部の設置角度が、任意の角度でずれていても実施可能であるが、各歪形ワーク熱処理部の設置角度が、所定角度ずつずれている場合に好適に実施することができる。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１の高周波熱処理装置の発明において、制御手段が、各歪形ワーク熱処理部から加熱部材までの最短距離が長くなるほど加熱量を増加させるようにした。
【００１１】
請求項２の発明では、制御手段が、各歪形ワーク熱処理部から加熱部材までの最短距離が長くなるほど加熱量を増加させるようにしたので、各歪形ワーク熱処理部の全周囲の熱処理を均一化することができる。
すなわち請求項２の発明では、制御手段が高周波電源の出力調整を行う。その出力調整は、各歪形ワーク熱処理部から加熱部材までの最短距離が長くなるほど加熱量を増加させるように行うので、各歪形ワーク熱処理部の全周囲の熱処理を均一化することができる。
歪形ワーク熱処理部から加熱部材までの最短距離は、歪形ワーク熱処理部のトップ部が加熱部材に最接近する際に最も短くなり、歪形ワーク熱処理部のベース部が加熱部材に最接近する際に最も長くなるように各歪形ワーク熱処理部と加熱部材は配置されている。
【００１２】
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２の発明の高周波熱処理装置において、加熱部材を環状とし、各歪形ワーク熱処理部の外周に個々に配置した。
【００１３】
請求項３の発明では、加熱部材を各歪形ワーク熱処理部毎に設けるので、各歪形ワーク熱処理部を同時に熱処理することができる。また、各加熱部材毎に位置の微調整が可能である。
【００１４】
請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のうちのいずれの高周波熱処理装置の発明において、高周波電源を一つ備えた。
【００１５】
請求項４の発明では、一つの高周波電源でワークの各歪形ワーク熱処理部を同時に熱処理する。すなわち、各歪形ワーク熱処理部から加熱部材までの最短距離を同期させることができるので、一つの高周波電源の出力調整で同時に各歪形ワーク熱処理部の全周囲を均一に熱処理することができる。
よって、請求項４の発明を実施すると、高周波熱処理装置の構成を簡素化することができる。また、安価に高周波熱処理装置を構成することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の高周波熱処理装置は、同軸上に同形の複数の歪形ワーク熱処理部が各々異なる角度で設置されているワークの各歪形ワーク熱処理部の全周囲を同時に短時間で一様に熱処理することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は、本発明の高周波熱処理装置の全体概略図であり、図２（ａ）〜（ｄ）は、各々各加熱コイルとワークの位置関係を示す正面図であり、図３（ａ），（ｂ）は、各々高周波熱処理装置の各加熱コイルとワーク（カムシャフト）の平面図及び側面図である。また、図４は、ワークを配置した高周波熱処理装置の各加熱コイルの正面図である。
まず、図１を参照しながら高周波熱処理装置１の概要を説明し、その後に本発明の特徴的な構成である加熱コイル２ａ〜２ｄについて図２〜図４等を参照しながら説明する。
【００１８】
図１に示すように高周波熱処理装置１は、インバータ６（高周波発振器），制御装置１５，駆動装置１６，出力トランス７ａ〜７ｄ，導体８〜１１等で構成されている。
【００１９】
インバータ６は、三相交流電源５と接続されており、電圧ＡＣ４００ボルト，周波数５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの交流を高周波電流に変換し、出力トランス７ａ〜７ｄへ高周波電流を供給する。制御装置１５は、後述するカムシャフト１４（ワーク）を回転駆動する駆動装置１６の回転角度位置を検出し、インバータ６の出力トランス７ａ〜７ｄへの出力を制御する。
【００２０】
出力トランス７ａ〜７ｄは、インバータ６に対して並列に接続されており、インバータ６から高周波電流の供給を受けて導体８〜１１に高周波の誘導電流を生じさせる。導体８〜１１の内部には冷却液を通す冷却液通路１２（図３）が設けられている。また、各導体８〜１１によって、各々環状型の加熱コイル２ａ〜２ｄが形成されている。
【００２１】
図２（ａ）〜（ｄ）に示すように、加熱コイル２ａ〜２ｄは、各々環状型のコイルであって大きさと形状は同じであるが、図４に示すように各加熱コイル２ａ〜２ｄの中心４ａ〜４ｄは一致していない。図３（ａ），（ｂ）に示すように加熱コイル４ａ〜４ｄを個別に見ると、加熱コイル２ａの中心４ａと加熱コイル２ｂの中心４ｂは、水平方向と鉛直方向にそれぞれ距離Ｌ１だけずれている。すなわち、加熱コイル２ａは、図４で見て加熱コイル２ｂよりも右斜め上方に位置している。
加熱コイル２ａの中心４ａと加熱コイル２ｃの中心４ｃは、水平方向には一致しているが、鉛直方向には距離（Ｌ１＋Ｌ１）だけずれており、加熱コイル２ａの中心４ａの方が上方にある。
加熱コイル２ｂの中心４ｂと加熱コイル２ｃの中心４ｃは、水平方向に距離Ｌ１だけずれており、さらに鉛直方向に距離Ｌ１だけずれている。そのため加熱コイル２ｂは、図４で見て加熱コイル２ｃの左斜め上方に位置している。
加熱コイル２ｄの中心４ｄは、加熱コイル２ａの中心４ａよりも水平方向に距離Ｌ１だけ加熱コイル２ｂの中心４ｂとは反対側にずれており、また、加熱コイル２ａの中心４ａよりも鉛直方向に距離Ｌ１だけ下方にずれている。
【００２２】
その結果、各加熱コイル２ａ〜２ｄは、図４に示すように上下左右にずれている。
なお、熱処理を行う対象のワークの各歪形ワーク熱処理部（後述するカム１３ａ〜１３ｄ）の想定する形状及び大きさが同じであり、各歪形ワーク熱処理部の周囲に配置される加熱コイル２ａ〜２ｄが同じ大きさであるので、各加熱コイル２ａ〜２ｄの中心４ａ〜４ｄは、回転軸３の軸心３ａから上下左右のいずれかに距離Ｌ１だけずれている。
以上、説明した高周波熱処理装置１によって、複数のカム１３ａ〜１３ｄ（歪形ワーク熱処理部）を同時に熱処理する。
【００２３】
次に、高周波熱処理装置１によって熱処理されるワークについて説明する。
ワークは、４つのカム１３ａ〜１３ｄを備えたカムシャフト１４である。カムシャフト１４は、回転軸３に対して各カム１３ａ〜１３ｄが軸方向に所定の間隔を置いて９０度ずつ向きを変えて固着されて構成されている。すなわち各カム１３ａ〜１３ｄの回転軸３に対する取付角度は９０度ずつ相違している。
ここで、回転軸３に固着されるカムの数及び設置角度は、ワークの使用目的に応じて任意に設定されるものである。例えばカム数が３つであれば、各カムの設置角度の間隔は１２０度とすることができるが、各カムの設置角度は、必ずしも等間隔である必要はない。
【００２４】
各カム１３ａ〜１３ｄの周囲には、各々加熱コイル２ａ〜２ｄが配置される。すなわち、カムシャフト１４は、各加熱コイル２ａ〜２ｄの内部を貫通し、両端が図示しない支持機構によって回転可能に支持される。また、カムシャフト１４（回転軸３）は、駆動装置１６（図１）によって回転駆動が可能となっている。
図２（ａ）に示すようにカムシャフト１４の回転軸３の軸心３ａ（回転中心）は、前述したように各加熱コイル２ａ〜２ｄの中心４ａ〜４ｄとは一致していない。すなわち、回転軸３の軸心３ａと各加熱コイル２ａ〜２ｄの中心４ａ〜４ｄとは、各々カムの突出部側に距離Ｌ１だけ離れている。言い換えると、各加熱コイル２ａ〜２ｄは、カムの突出部側に距離Ｌ１だけ中心４ａ〜４ｄが軸心３ａから離間するように配置されている。
【００２５】
各カム１３ａ〜１３ｄは、同一の回転軸３に一体に固着されているので、回転軸３が回転すると各カム１３ａ〜１３ｄも一体に回転する。その様子を主に図２（ａ）〜図２（ｄ）を参照しながら説明する。
【００２６】
インバータ６から出力トランス７ａ〜７ｄへ高周波電流が供給されると、導体８〜１１には高周波誘導電流が生じる。そして、導体８〜１１（各加熱コイル２ａ〜２ｄ）には同時に高周波誘導電流が流れ、各カム１３ａ〜１３ｄ上にも高周波誘導電流が生じ、各カム１３ａ〜１３ｄが同時に加熱される。ここで、導体８〜１１内には冷却液通路１２が設けられていて、冷却液通路１２内を冷却液が流れるので、導体８〜１１の加熱昇温は抑制されるが、各カム１３ａ〜１３ｄは生じた高周波誘導電流の大きさに応じて加熱昇温する。
【００２７】
ところで、図２（ａ）に示す状態では、カム１３ａから加熱コイル２ａの内壁までの最短距離，カム１３ｂから加熱コイル２ｂの内壁までの最短距離，カム１３ｃから加熱コイル２ｃの内壁までの最短距離，及びカム１３ｄから加熱コイル２ｄの内壁までの最短距離は、いずれも距離Ｘ１である。
図２（ｂ）は、カムシャフト１４の回転軸３が、図２（ａ）に示す状態から９０度回転した状態を示している。このときの各カムから加熱コイルの内壁までの最短距離は、いずれもＸ２である。
図２（ｃ）は、カムシャフト１４の回転軸３が、図２（ｂ）に示す状態から９０度回転した状態を示している。このときの各カムから加熱コイルの内壁までの最短距離は、いずれもＸ３である。
そして図２（ｄ）は、カムシャフト１４の回転軸３が、図２（ｃ）に示す状態から９０度回転した状態を示している。このときの各カムから加熱コイルの内壁までの最短距離は、いずれもＸ４である。
【００２８】
すなわち、カムシャフト１４の回転軸３が回転し、各カム１３ａ〜１３ｄが一体に回転すると、各カムから各加熱コイルの内側までの最短距離は一様に変化する。この最短距離が、各カム１３ａ〜１３ｄのトップ部Ｔ（図２）が加熱コイル２ａ〜２ｄに最接近する際に最も短い最短距離Ｘ３となり、各カム１３ａ〜１３ｄのベース部Ｅ（図２）が加熱コイル２ａ〜２ｄに最接近する際に最も長い最短距離Ｘ１となるように各カム１３ａ〜１３ｄと加熱コイル２ａ〜２ｄは配置されている。そして、図１に示す制御装置１５は、駆動装置１６によって回転駆動されるカムシャフト１４の回転角度位置を検出し、前述の最短距離Ｘ１〜Ｘ４を間接的に検出してインバータ６の出力調整を行う。すなわち、カムシャフト１４の回転軸３の回転角度位置に応じて、インバータ６の出力調整（パワーリダクション）を行うと、各カム１３ａ〜１３ｄの全周囲の熱処理（焼き入れ処理）を一様に行うことができるようになる。
【００２９】
よって、高周波熱処理装置１は、一基のインバータ６で、各カム１３ａ〜１３ｄの焼き入れ処理を同時に行うことができ、しかも各カム１３ａ〜１３ｄの全周囲を一様に焼き入れすることができる。
【００３０】
インバータ６のパワーリダクションの仕方を、図５を参照しながら説明する。図５は、前述の最短距離Ｘ１〜Ｘ４（図２）とインバータ６によって調整される出力（電力）の関係を示すグラフである。図５に示すように、時刻ｔ１における最短距離はＸ１，時刻ｔ２における最短距離はＸ２，時刻ｔ３における最短距離はＸ３，そして時刻ｔ４における最短距離はＸ４となっている。最短距離は、Ｘ１が最も長く、Ｘ３が最も短い。そしてＸ２とＸ４とが等しく、両者の長さはＸ１とＸ３の間である。
【００３１】
一方、最短距離が長くなるほど電力（加熱量）が大きくなり、逆に最短距離が短くなるほど電力（加熱量）が小さくなるようにインバータ６はパワーリダクションを行う。よって、時刻ｔ１ではインバータ６から供給される電力は最大のＷ１となっており、時刻ｔ３における電力は最小のＷ３となっている。
【００３２】
電力の切替（Ｗ１からＷ３へ、及び、Ｗ３からＷ１への切替）は、時刻ｔＢと時刻ｔＣにおいて行う。時刻ｔＢは、前述の最短距離がＸ２になる時刻ｔ２よりも若干手前の時刻であり、時刻ｔ２よりどの程度手前にするかはワークの形状等を勘案すると共に予め実験により求めておく。また、時刻ｔＣは、前述の最短距離がＸ４になる時刻ｔ４よりも若干経過した時刻であり、時刻ｔ４よりどの程度経過した時刻に設定するかは、ワークの形状等を勘案すると共に予め実験により求めておく。このように最短距離がＸ２又はＸ４になるタイミングで電力を切り替えるだけでワーク（歪形ワーク熱処理部１３ａ〜１３ｄ）の周面を略均一に加熱することができるようになる。
【００３３】
時刻ｔＡにおいて電力をＷ１からＷ２に切り替え、さらに時刻ｔＢにおいて電力をＷ２からＷ３に切り替えると、カム（歪形ワーク熱処理部）１３ａ〜１３ｄの周面を、より均一に加熱することができるようになる。ここで時刻ｔＡは、時刻ｔ１と時刻ｔＢの中間の時刻であるのが好ましい。また、電力Ｗ２は、電力Ｗ１と電力Ｗ３の中間（すなわち、Ｗ３＜Ｗ２＜Ｗ１）の電力である。
【００３４】
すなわち、電力をいきなりＷ１からＷ３に切り替えるのではなく、Ｗ１からＷ２を経てＷ３に至るように時間経過と連動して段階的に変化させると、カム（歪形ワーク熱処理部）１３ａ〜１３ｄの周面をより均一に加熱（焼入）することができるようになる。時刻ｔＣ以降においても、同様に今度は電力Ｗ３から電力Ｗ２を経て電力Ｗ１へ時間経過と連動して段階的に切り替える（例えば時刻ｔＣで電力をＷ３からＷ２へ切り替え、さらに時刻ｔＤでＷ１に切り替える）と、カム（歪形ワーク熱処理部）１３ａ〜１３ｄの周面の加熱（焼入）をより均一化することができるようになる。
【００３５】
電力をＷ１からＷ３へ、又はＷ３からＷ１へ切り替える際に、複数段階に細かく切り替えるほどカム（歪形ワーク熱処理部）１３ａ〜１３ｄの周面の加熱をより均一化することができる。しかし、電力の切替を、二段階又は三段階でＷ１からＷ３へ、又はＷ３からＷ１へ切り替えるようにすると、カム（歪形ワーク熱処理部）１３ａ〜１３ｄの周面の加熱の均一化を好ましく行えると共に、電力の切替が煩雑化せず、両者の利点を兼ね備えた高周波熱処理装置１を構成することができる。
【００３６】
上述した例では、各カム１３ａ〜１３ｄ（歪形ワーク熱処理部）の形状と大きさとが同じである場合を示したが、仮に、いずれかのカムの大きさ又は形状が他のカムと異なっていれば、該カムを熱処理する加熱コイルの中心位置のずれ（距離Ｌ１）又は加熱コイルの大きさ，形状のいずれかが、他のカムを熱処理する加熱コイルと相違する。
すなわち、カムシャフト１４の回転軸３の回転角度位置毎の各カムから加熱コイル内壁までの最短距離が同じになるように加熱コイルの中心位置をずらしたり、加熱コイルの形状や大きさを変更することにより、各カムの全周囲の熱処理を均一化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の高周波熱処理装置の全体概略図である。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は、各々各加熱コイルとワークの位置関係を示す正面図である。
【図３】（ａ），（ｂ）は、各々高周波熱処理装置の各加熱コイルとワーク（カムシャフト）の平面図及び側面図である。
【図４】加熱コイルの正面図である。
【図５】加熱コイルからカムまでの最短距離とインバータによって調整される出力（電力）の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３８】
１    高周波熱処理装置
２ａ〜２ｄ  加熱コイル（加熱部材）
３    回転軸
３ａ  軸心
４ａ〜４ｄ  加熱コイルの中心
６    インバータ（高周波電源）
７    出力トランス
８〜１１  導体
１３ａ〜１３ｄ  カム（歪形ワーク熱処理部）
１４  カムシャフト
１５  制御装置
【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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