(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
大型球面を有する被焼入部材を回転して移動焼入れする際に、被焼入球面を頭頂部円周、頭頂部と側面部の中間部円周及び側面部円周に３分割し、該加熱面に向けて被焼入球面に沿った曲線の導体を有する３個の平面加熱型コイルを使用して、第１コイルで前記頭頂部円周を焼入れし、第２コイルにより前記頭頂部と側面部の中間部円周を焼入れし、第３コイルにより前記側面部円周を焼入れする３分割焼入れをすることを特徴とする大型球面の誘導加熱焼入方法。
【請求項２】
大型球面を有する被焼入部材を回転して移動焼入れする際に、第１コイルで被焼入球面の頭頂部円周を焼入れし、第２コイルにより該頭頂部と側面部の中間部円周を焼入れし、第３コイルにより側面部円周を焼入れする３分割焼入れをする誘導加熱コイルにおいて、前記３個の加熱コイルは、加熱面に向けて被焼入球面に沿った曲線の導体を有する平面加熱型コイルであり、前記第１および第２コイルは、球面の経度線に沿う短弧状曲線の２本の軸方向導体と、焼入部の緯度線に沿い前記２本の軸方向導体の経度線間を結ぶ短弧状曲線の円周方向導体により形成される底辺と頂辺とを有する扇形コイルであることを特徴とする大型球面の誘導加熱コイル。
【請求項３】
前記第１コイルは、大径の扇形コイルの内周側に小径の扇形コイルを配設して両コイルを直列に接続した２巻コイルであることを特徴とする請求項２に記載の大型球面の誘導加熱コイル。
【請求項４】
前記加熱コイルの少なくも一つ以上のコイルには、コイルの内周側に磁束集中材が設けられることを特徴とする請求項２又は３に記載の大型球面の誘導加熱コイル。
【請求項５】
前記磁束集中材には、冷却液が導入される中空部と、該中空部に導入された冷却液を被焼入球面に噴射する噴射口とが設けられたことを特徴とする請求項４に記載の大型球面の誘導加熱コイル。
【請求項６】
前記加熱コイルには、移動する後方側に冷却液を噴射する冷却ジャケットが設けられたことを特徴とする請求項２から５のいずれかに記載の大型球面の誘導加熱コイル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大型の球面を有する部材、例えばトンネル掘削機に使用するグリッパージャッキなどの５００ｍｍφの大型の球面部を有する大型部材の球面部を焼入れする大型球面の誘導加熱焼入方法および加熱コイルに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
通常の球面部材の表面焼入れにおいては、軸方向に球面に沿った曲線の導体を有する１個の加熱コイルを用いて、被加熱体を回転しながら誘導加熱して、加熱後冷却して焼入れする方法がとられている。これを改良したものとして、本出願人は先に実公昭５２−４９１６２号公報や実公平１−４１１９２号公報の発明を開示した。
【０００３】
このような加熱方法では、加熱部を均等に加熱するためには被処理材の回転にある程度の高速回転が必要である。しかし、例えば前記グリッパージャッキ部材のように重量が８トンもある軸部材では、回転加熱するために高速回転させることは困難である。そのために、このような大型部材では、被処理部位を加熱冷却しながら移動して焼入れする移動焼入れが採用される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記のような大型部材では、移動焼入れによっても、全球面を一つのコイルで一度に加熱するためには、非常に大きな電力設備を要することになり、十分な加熱負荷をかけることが困難である。そのため、加熱温度の部分的むらが生じたり、加熱時間が長くなり熱効率が低下するという問題点があり、通常設備では誘導加熱焼入れは不可能に近いものであった。また、大型球面の広い面を一度に均等な温度に加熱することは難しく、均等な表面硬さを得ることが困難であった。
【０００５】
さらに、前記実公平１−４１１９２号公報の球面の頭頂部と側面部が一体の導体のコイルで球面を移動焼入れすると、球面の頭頂部の小径の円周より側面部の大径の円周の加熱速度が遅いために、一度焼入れされた頭頂部が再加熱されて焼戻しされることになり、頭頂部に高い硬さが得られないという問題点がある。
【０００６】
また、一般に移動焼入れにおいては、焼入れ始めと焼入れ終わりとの間にソフトゾーンを形成させて焼入れ始め部が再加熱されないようにされる。このソフトゾーンは、図６Ｘ−Ｘ線上部に示すように平行な等幅のゾーン１ａ，２ａの形が望ましい。しかし、図６のＸ−Ｘ線下部に破線で示す従来の直線型コイルで球面を焼入れすると、図に示すように等幅にならず扇形のソフトゾーン１ａ´，２ａ´が形成される。
【０００７】
一方、大型球面の焼入れにおいては、全面焼入れでなくても耐力を支える部分が焼入れされていれば良い場合が多い。そこで本発明は、大型の球面焼入れにおいて、小容量の電力設備で焼入れができ、かつ等幅のソフトゾーンができる大型球面の誘導加熱焼入方法と加熱コイルを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の大型球面の誘導加熱焼入方法は、大型球面を有する被焼入部材を回転して移動焼入れする際に、被焼入球面を頭頂部円周、頭頂部と側面部の中間部円周及び側面部円周に３分割し、該加熱面に向けて被焼入球面に沿った曲線の導体を有する３個の平面加熱型コイルを使用して、第１コイルで前記頭頂部円周を焼入れし、第２コイルにより前記頭頂部と側面部の中間部円周を焼入れし、第３コイルにより前記側面部円周を焼入れする３分割焼入れをすることを特徴とするものである。
【０００９】
即ち、このように頭頂部と中間部と側面部などを少なくも２以上に分割して移動焼入れすることにより、小さい電力設備で大型の球面の加熱焼入れができる。また、前記のような頭頂部の再加熱による軟化を防止して均等な球面焼入れが可能になる。
【００１０】
前記の大型球面を加熱焼入れする３個の誘導加熱コイルは、いずれも加熱面に向けて被焼入球面に沿った曲線の導体を有する平面加熱型コイルであり、前記第１および第２コイルは、球面の経度線に沿う短弧状曲線の２本の軸方向導体と焼入部の緯度線に沿い前記２本の軸方向導体の経度線間を結ぶ短弧状曲線の円周方向導体により形成される底辺と頂辺とを有する扇形コイルであることを特徴とするものである。
【００１１】
通常の平面の誘導加熱に使用される角型のコイルにより前記頭頂部と中間部の球面を加熱焼入れすると、前述のように図６のＸ−Ｘ線下部に示す扇形に開いたソフトゾーン１ａ´が生ずる。これに対し本発明の扇形コイルによれば、円周方向導体の底辺と頂辺の長さが軸方向導体がなす経度線の間隔に相当する長さの扇形をなしているので、図６のＸ−Ｘ線上部に示すように等幅のソフトゾーン１ａの形状になる。なお、実用的には、第３コイルは扇形でなく被焼入球面に沿った矩形の形状の導体のコイルでも良い。
【００１２】
また、前記第１コイルは、大径の扇形コイルの内周側に小径の扇形コイルを配設して両コイルを直列に接続した２巻コイルであることが望ましい。こうすれば、磁束密度を上げることができて、加熱効率を上げることができる。
【００１３】
また、前記加熱コイルの少なくも一つ以上のコイルには、コイルの内周側に磁束集中材が設けられることが望ましい。こうすれば、磁束集中材を適切に配設することにより、加熱むらをなくすることができる。
【００１４】
さらに、前記磁束集中材には、冷却液が導入される中空部と、該中空部に導入された冷却液を被焼入球面に噴射する噴射口とが設けられることが望ましい。このようにすれば、加熱直後に加熱面に直接かつ均一に冷却液を噴射できるので、急冷が容易で均一な焼入れ硬さが得られる。
【００１５】
また、前記加熱コイルの移動する後方側に冷却液を噴射する冷却ジャケットを設けることにより、移動焼入れにおいて、加熱後の急冷が一層容易になり均一な焼入れ硬さが得られる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の一実施形態について具体的に説明する。図１は本発明の誘導加熱焼入れについて説明する図、図２は被焼入球面の頭頂部円周を加熱する第１コイルの斜視図、図３はその頭頂部と側面部の中間部円周を加熱する第２コイルの斜視図、図４は同様側面部円周を加熱する第３コイルの斜視図である。図５は本発明の磁束集中材の構造を示す一部断面図、図６は本発明と従来焼入れにおけるソフトゾーンの形状の比較を示す図、図７は冷却手段の１例を示す図、図８は本発明実施例に使用した被焼入部材の形状を示す図である。
【００１７】
図１について説明すると、本発明の誘導加熱焼入れは、被焼入部材（以下ワークという）Ｗの頭部Ｗ１の被焼入球面を焼入れするものである。ワークの一例は図８に示すように球面径５９０ｍｍφで長さ３３００ｍｍ、８ｔｏｎという大型の部材である。
【００１８】
焼入方法は、まずワークＷの被焼入球面の頭頂部を第１コイル１０により加熱・冷却しながらワークＷを１回転して頭頂部を移動焼入れして焼入面１を形成させる。次に頭頂部と側面部の中間部を第２コイル２０により加熱・冷却しながら同様にワークＷを回転して中間部を移動焼入れして焼入面２を形成させた後、側面部３を第３コイル３０により加熱・冷却しながら同様にワークＷを回転して移動焼入れして焼入面３を形成させる。
【００１９】
このとき、１回転した位置では、焼入れ始めの部分に熱影響を与えないようにソフトゾーン１ａ，２ａ等を形成させる。図１に示す本実施形態では、ワークの球面部に貫通孔Ｐが設けられているので、貫通孔Ｐの両側にソフトゾーン３ａが形成される。また、頭頂部の焼入面１と中間部の焼入面２との間、中間部の焼入面２と側面部の焼入面３の間にもソフトゾーンが形成される。これらの頭頂部、中間部、側面部の焼入面１、２、３のソフトゾーン１ａ，２ａ，３ａの位置は図のように円周方向にずらすことが望ましい。このソフトゾーンについては詳細を後述する。
【００２０】
図２に示す本発明の第１コイル１０は扇形のコイルをなし、円周方向導体１１ａ，１１ｂと１３および軸方向導体１２，１４とが交互に接続された大径扇形コイルと、その内周側に配設された円周方向導体１５ａ，１５ｂと１７および軸方向導体１６，１８とが交互に接続された相似形の小径扇形コイルとが１１ｂと１５ａにより直列に接続された２巻コイルからなる。そして、大径コイルの円周方向導体１１ａに接続されたリード部Ｌ１１にターミナルＴ１１が接続され、小径コイルの円周方向導体１５ｂに接続されたリード部Ｌ１２にターミナルＴ１２が接続されて、ターミナルＴ１１，Ｔ１２から電力が入力されるようになっている。
【００２１】
これらのコイルの導体は、ワークの球面との間に所定の隙間を形成するような球面に沿った曲線をなす。大径コイルと小径コイルの軸方向導体１２，１４および１６，１８は、図の破線に示すようにそれぞれ球面の経度線に沿った曲線の短弧状導体からなり、所定の間隔におかれる。
【００２２】
また、大径コイルと小径コイルの円周方向導体１１ａ，１１ｂと１３および１５ａ，１５ｂと１７は、同様に破線で示すようにそれぞれの位置の球面上の緯度線に沿った曲線の短弧状導体からなり、焼入面の幅の間隔におかれ、両端が前記軸方向導体と接続される。これにより円周方向導体の長さは、それぞれ軸方向導体がなす経度線の間隔に相当する長さになり、コイルは扇形を形成する。そして、それぞれの導体は、電流が矢印のようにリードＬ１１から導体１１ａ−１２−１３−１４−１１ｂ−１５ａ−１６−１７−１８−１５ｂを通ってリードＬ１２に流れるように接続される。
【００２３】
図３に示す第２コイル２０も第１コイルと同様であるが、第２コイル２０は１巻コイルである。軸方向導体２２，２４は、それぞれ球面の中間面の経度線に沿った曲線の短弧状導体からなる。また、円周方向導体２１ａ，２１ｂと２３は、球面の中間面２の緯度線に沿った曲線の短弧状導体からなり、それぞれの円周方向導体の長さは、それぞれ軸方向導体がなす経度線の間隔に相当する長さにされている。これにより第２コイル２０も扇形のコイルをなす。そして、それぞれの導体は、電流が図の矢印に流れるように接続されている。
【００２４】
図４に示す球面側面を加熱する第３コイル３０も、第２コイル２０と同様であるが、軸方向導体３２，３４が上半球と下半球にまたがるようにされており、実用上矩形コイルで良い。その他は第２コイル２０と同様である。
【００２５】
第２コイル２０には、図５に示すようにコイルの内周側に磁束集中材が装着されている。図５（ａ）は第２コイル２０に装着された磁束集中材の平面の一部断面図、（ｂ）は図（ａ）のＹ−Ｙ断面図である。
【００２６】
図において、磁束集中材４０は、ベース体４１と蓋４２からなる。ベース体４１には中空部４１ａが掘り込まれ、中空部４１ａからワークに向けて冷却液を噴射する多数の噴射口４１ｂが貫通されている。ベース体４１の上に磁性体の蓋４２が接着され、中空部４１ａが空洞を形成するようになっている。蓋４２には導入管４３が接着されている。これにより、ワークを加熱後、導入管４３から中空部４１ａに導入された冷却液を噴射口４１ｂからワーク表面に噴射して急冷する。
【００２７】
冷却手段としては、上記磁束集中材から冷却する他に、一例を図７に示す冷却ジャケットが装着されている。図７は第３コイル３０に装着された冷却ジャケットを示す図であるが、第１、第２コイルにおいても同様である。即ち、第３コイル３０の導体３２、３４の進行方向の後方に冷却ジャケット４５を配設して、ワークを移動しながら第３コイルで加熱した直後に冷却ジャケット４５により急冷して焼入れするものである。
【００２８】
冷却ジャケット４５は、第３コイル３０の進行方向後方に導体３４に平行に配設された三角形断面の中空管４６に噴射口４７が設けられ、導水管４８から中空管４６の中空部に導入された冷却液を噴射口４７からワークに噴射して冷却するようになっている。
【００２９】
以下、上記構成の焼入コイルによる焼入作業について図１、２を用いて説明する。まず第１コイル１０のターミナルＴ１１，Ｔ１２を図示しない高周波電源に接続し、その導体１１ａ，１１ｂ，１２，１３，１４…などがワークＷの被焼入球面と所定の間隔を有するように頭頂部の所定位置に配設する。そして、ターミナルＴ１１，Ｔ１２に電力を入力して頭頂部を誘導加熱する。被焼入面が焼入温度に上昇するとワークを回転して冷却ジャケット４５により加熱された面を冷却して焼入れする。以後は焼入面が焼入温度に加熱されるような速度でワークを回転させ、連続して回転移動させながら加熱・冷却して焼入れしていく。ワークを１回転すると、図１、６に示すようなソフトゾーン１ａを形成させてワークの回転を止める。これにより、図６のＸ−Ｘ線上部に示すような焼入硬化面が形成されるが、本発明では、扇形の加熱コイルを使用するので、図に示すようにソフトゾーン１ａが等幅になる。なお、冷却の際に、第２コイルでは磁束集中材４０の噴射口４１ｂからも冷却液を噴射して冷却するので一層急冷効果が得られる。
【００３０】
頭頂部の焼入面１が形成されると、次に中間部の焼入面２を形成させる。第１コイルと同様に、第２コイル２０を図示しない高周波電源に接続して、ワークの中間部の所定位置に配設する。そして、前記頭頂部の焼入面１と同様の動作で中間部の焼入面２を形成させる。この場合もソフトゾーン２ａは等幅になる。なお、前述したように頭頂部の焼入面１のソフトゾーン１ａと中間部の焼入面２のソフトゾーン２ａの位置は円周方向にずらすことが望ましい。
【００３１】
頭頂部の焼入面１および中間部の焼入面２を形成させると、次に同様の動作で第３コイルにより側面部の焼入面３を形成させる。図１の本実施形態のワークは球面部に貫通ピン孔Ｐが設けられているので、孔の両側にソフトゾーン３ａを形成させてある（図６では孔のない場合を示してある）。
【００３２】
上記方法により焼入面１、２、３を焼入れして焼入作業が完了する。焼入面の形状は、図に示すように前記ソフトゾーンの他、頭頂部の焼入面１と中間部の焼入面２の間と、中間部の焼入面２と側面部の焼入面３との間にもソフトゾーンが形成された形になる。
【００３３】
［実施例］
上記方法により下記の条件で焼入れを行った実施例について説明する。
ワークの形状寸法：  図８に示す５９０ｍｍφの球状頭部に貫通ピン孔Ｐを有する長さ３３００ｍｍの部材、約８トン
ワークの材質：ＳＣＭ４４０
加熱条件：  表１に示す通り
【００３４】
【表１】
0003936532.tif 000002
【００３５】
焼入れの結果を図９、図１０および表２、表３に示す。図９は焼入面の側面形状の詳細を示す図、図１０は図９のＺ視図である。表２は図９、図１０の焼入面の寸法の規格値と実測値を示す。表から分かるように、本発明の方法によれば焼入面の所定の幅と目標としたソフトゾーンが得られた。
【００３６】
【表２】
0003936532.tif 000003
【００３７】
また、表３は図９、図１０の各位置における焼入硬さの実測値を示すが、焼入硬さも規格値を満足する。以上、これらの表から分かるように、本発明によれば、焼入面寸法、焼入硬さともに十分規格を満足し、予定のソフトゾーンが得られることが分かった。
【００３８】
【表３】
0003936532.tif 000004
【００３９】
なお、本実施形態では、球面を頭頂部、中間部、側面部に３分割して分割焼入れしたが、球面の大きさによっては頭頂部と中間部を一度に焼入れし側面部と併せて２分割焼入れすることもでき、さらに４分割以上の分割焼入れすることもできる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の大型球面の誘導加熱焼入方法及び加熱コイルによれば、被焼入部材を回転しながら第１コイル、第２コイル、第３コイルにより被焼入球面の頭頂部円周、中間部円周、側面部円周を分割焼入れするので、大型球面を小さい容量の設備で誘導加熱焼入れすることができる。
【００４１】
また、使用コイルは加熱面に向けて被焼入球面に沿った曲線の導体を有する平面加熱型コイルであり、この第１および第２コイルは、扇形コイルであるので、従来の矩形コイルのように、扇形のソフトゾーンを生ずることなく等幅のソフトゾーンを得ることができる。
【００４２】
また、第１コイルは２巻コイルを使用し、少なくも一つ以上のコイルには磁束集中材が設けられる（本実施例では第２コイル）ので、加熱面を均一加熱する適正な磁束が得られ、かつこの磁束集中材には、冷却液を被焼入球面に噴射する噴射口が設けられているので、急冷が容易であり均一な焼入硬さが得られる。さらに加熱コイルの後方側に冷却液を噴射する冷却ジャケットが設けられて噴射冷却されるので、一層完全な焼入れ冷却を行うことができる。
【００４３】
以上により、従来焼入れが困難であった大型球面の誘導加熱焼入れが比較的小容量の設備で簡易に行うことができ、大型球面部材の原価低減に寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施形態の誘導加熱焼入れについて説明する図である。
【図２】被焼入球面の頭頂部円周を加熱する第１コイルの斜視図である。
【図３】被焼入球面の中間部円周を加熱する第２コイルの斜視図である。
【図４】被焼入球面の側面部円周を加熱する第３コイルの斜視図である。
【図５】本発明実施形態の磁束集中材の構造を示す一部断面図である。
【図６】本発明と従来焼入れにおけるソフトゾーンの形状の比較を示す図である。
【図７】本発明実施形態の冷却手段の１例を示す図である。
【図８】本発明実施例に使用した被焼入部材の形状を示す図である。
【図９】本発明実施例の焼入面の側面形状の詳細を示す図である。
【図１０】図９のＹ視図である。
【符号の説明】
１  頭頂部焼入面、２  中間部焼入面、３  側面部焼入面、１ａ，２ａ，３ａ，ソフトゾーン、１０  第１コイル、１１ａ，１１ｂ、１５ａ，１５ｂ、１３、１７  円周方向導体、１２、１４、１６、１８  軸方向導体、Ｌ１１，Ｌ１２  リード、２０  第２コイル、２１ａ，２１ｂ、２３  円周方向導体、２２、２４軸方向導体、Ｌ２１，Ｌ２２  リード、３０  第３コイル、３１ａ，３１ｂ、３３  円周方向導体、３２、３４  軸方向導体、Ｌ３１，Ｌ３２  リード、４０磁束集中材、４１  ベース体、４１ａ  中空部、４１ｂ  噴射口、４２蓋、４３  導入管、４５  冷却ジャケット、４６  中空管、４７  噴射口、４８  導入管  Ｗ  ワーク（被焼入部材）、Ｐ  貫通ピン孔
【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】
0003936532.tif 000011
【図８】
0003936532.tif 000012
【図９】
0003936532.tif 000013
【図１０】
0003936532.tif 000014