(57)【要約】      （修正有）【課題】クエンチによる加工対象物の歪み及び反りを防止し、かつオペレーターが極端に熱い材料と相互作用することなく、加工対象物に対して載置することができるクエンチプラグシステムの提供【解決手段】加工対象物１６の熱処理に使用するためのクエンチプラグシステム１０であって、縦方向のコア軸１８を有するテーパプラグ１２と、テーパプラグ１２と加工対象物１６との間に挟まれるように構成されたマンドレル１４とを備え、テーパプラグ１２は、加工対象物１６が加熱されるときに、マンドレル１４をテーパプラグ１２のコア軸１８に沿って移動可能にするように構成される、クエンチプラグシステム１０。【選択図】図１
2017101317.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工対象物（１６）の熱処理に使用するためのクエンチプラグシステム（１０）であって、
縦方向のコア軸（１８）を有するテーパプラグ（１２）と、
前記テーパプラグと前記加工対象物との間に挟まれるように構成されたマンドレル（１４）と
を備え、前記テーパプラグは、前記加工対象物が加熱されるときに、前記マンドレルを前記テーパプラグの前記コア軸に沿って移動可能にするように構成される、クエンチプラグシステム（１０）。
【請求項２】
前記テーパプラグ（１２）が、第１の端（２６）及び第２の端（２８）を有し、前記第２の端が、前記第１の端の外周より大きな外周を有している、請求項１に記載のクエンチプラグシステム（１０）。
【請求項３】
前記テーパプラグ（１２）が、前記加工対象物（１６）の熱膨張率又は前記マンドレル（１４）の熱膨張率より低い熱膨張率を有している、請求項１又は２に記載のクエンチプラグシステム（１０）。
【請求項４】
前記テーパプラグ（１２）が、外側テーパ角度（２４）を有しており、前記マンドレル（１４）が、内側テーパ角度（３０）を有しており、前記テーパプラグの前記外側テーパ角度が、前記マンドレルの前記内側テーパ角度（３０）の補角である、請求項１から３の何れか一項に記載のクエンチプラグシステム（１０）。
【請求項５】
前記テーパプラグ（１２）が、実質的に円錐台形であり、前記マンドレル（１４）が、実質的に円筒形である外面（１５）を有しており、前記加工対象物（１６）が、実質的に円筒形である内面（１７）を有している、請求項１から４の何れか一項に記載のクエンチプラグシステム（１０）。
【請求項６】
前記マンドレル（１４）が、前記テーパプラグ（１２）の前記コア軸（１８）に沿って移動すると、前記マンドレルの外径が増加するような、複数の別個のマンドレル構成要素（５０）を含む、請求項１から５の何れか一項に記載のクエンチプラグシステム（１０）。
【請求項７】
前記マンドレル（１４）が、前記マンドレルの上面（５６）及び下面（５８）から交互に生じる複数の縦方向のスリット（５２）を含み、各縦方向のスリットが前記マンドレルの高さ（６０）の一部に沿って延びる、請求項１から５の何れか一項に記載のクエンチプラグシステム（１０）。
【請求項８】
前記テーパプラグ（１２）に連結されるように構成される基部（６４）を更に含む、請求項１から７の何れか一項に記載のクエンチプラグシステム（１０）。
【請求項９】
前記テーパプラグ（１２）が、実質的な非導電性材料を含み、前記クエンチプラグシステムが、前記テーパプラグを実質的に加熱せずに、前記加工対象物及び前記マンドレルを加熱するように構成された誘導ヒータを更に含む、請求項１から８の何れか一項に記載のクエンチプラグシステム（１０）。
【請求項１０】
加工対象物（１６）を熱処理するための方法であって、
前記加工対象物が加熱される前に、マンドレル（１４）を前記加工対象物に挿入することと、
前記マンドレルが加熱される前に、コア軸（１８）を有するテーパプラグ（１２）を前記マンドレルに挿入することと、
前記テーパプラグが、加熱ステップ中に、前記コア軸に沿って更に前記マンドレル内に移動するように、前記加工対象物を加熱することと、
前記加工対象物の最終形状を形成するために、前記加工対象物を冷却することと
を含む方法。
【請求項１１】
前記テーパプラグ（１２）が、第１の端（２６）及び第２の端（２８）を含み、前記第２の端が、前記第１の端の外周より大きな外周を有しており、かつ前記マンドレル（１４）及び前記加工対象物（１６）を加熱することが、前記マンドレルを前記コア軸（１８）に沿って前記テーパプラグの前記第２の端の方へ移動させることを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記加熱ステップ中に、前記加工対象物（１６）及び前記マンドレル（１４）を前記コア軸（１８）に沿って前記テーパプラグ（１２）に対して移動させることを更に含み、前記加工対象物及び前記マンドレルが、前記テーパプラグに対して一緒に又は別々に移動する、請求項１０又は１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記マンドレル（１４）及び前記加工対象物（１６）を加熱することが、前記テーパプラグ（１２）を前記テーパプラグの前記コア軸（１８）に沿って、前記マンドレル及び前記加工対象物の両方に対して移動させることを含む、請求項１０から１２の何れか一項に記載の方法。
【請求項１４】
少なくとも部分的に重力に起因して、前記マンドレル（１４）及び前記加工対象物（１６）を前記コア軸（１８）に沿って、前記テーパプラグ（１２）に対して移動させることを更に含む、請求項１０から１３の何れか一項に記載の方法。
【請求項１５】
少なくとも部分的に機械力に起因して、前記マンドレル（１４）及び前記加工対象物（１６）を前記テーパプラグ（１２）に対して移動させることを更に含む、請求項１０から１４の何れか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、金属加工用のシステム及び装置に関する。より具体的には、本開示は、金属加工対象物の熱処理及びクエンチに関する。
【背景技術】
【０００２】
金属加工は、個々の部品、アセンブリ、又は大規模な構造を作り上げるために、金属又は金属合金を扱う様々な加工方法を含む。多くの金属加工技術の１つの態様は、クエンチ、又は金属の温度を迅速に低下させることである。クエンチ速度が低下すればするほど（例えば、金属の温度を低下させる時間が比較的長くなれば）、力学的力の金属微細運動を変更する機会が長くなり、これは所望であり得る。他の場合には、金属の微細構造が、冷却中に低温の範囲を通過する際に、著しく変化するのを防止するために、より迅速なクエンチ速度が使用される。加熱及びクエンチは、所与の製造された構成要素を硬化させるために、最もよく行われている。
【０００３】
製造された構成要素が薄型及び／又は平らである場合、迅速なクエンチの応力が、時に加工対象物の歪み及び反りを生じさせる可能性がある。そのような歪みは、加工対象物の寸法及び／又は幾何学形状における高精度に見合わない可能性がある。
【０００４】
そのような歪みを防止又は低減する１つの方法は、加工対象物が高温である間にクエンチプラグを加工対象物の内部空洞に挿入し、続いて組み立てられた加工対象物／クエンチプラグをクエンチすることである。クエンチプラグは、構成要素がクエンチされている間に、構成要素の成形を防止するように構成され得る。またクエンチプラグがあることにより、構成要素が冷却され縮小すると、構成要素のある程度の塑性変形が生じることもあり、これにより、加工対象物の金属構造における応力が軽減される。
【０００５】
このプロセスでは、典型的には、加工対象物が高温である、おそらく１６００°Ｆ（８７０°Ｃ）ほどの高温である間に、室温で加工対象物に挿入されるクエンチプラグが使用される。加えて、そのような高温材料の手作業は厳しいので、プラグツールを載置する際に又はクエンチのタイミングが遅延する際に不整合が生じることがある。更に、位置ずれしたクエンチプラグ周囲の加工対象物の収縮により、プラグが加工対象物によって硬く締められ、クエンチプラグを除去するためにかなりの力が印加されるため、加工対象物の変造リスクが増加し、ひいては熱処理プロセスのコストが増大する可能性がある。
【発明の概要】
【０００６】
本開示は、クエンチプラグシステム、及び加工対象物を熱処理するための方法を提供する。
【０００７】
幾つかの態様では、本開示は、加工対象物の熱処理に使用するためのクエンチプラグシステムであって、縦方向のコア軸を有するテーパプラグと、テーパプラグと加工対象物との間に挟まれるように構成されたマンドレルとを備え、テーパプラグは、加工対象物が加熱されるときに、マンドレルをテーパプラグのコア軸に沿って移動可能にするように構成される、クエンチプラグシステムを提供する。
【０００８】
幾つかの態様では、本開示は、加工対象物を熱処理するための方法であって、加工対象物が加熱される前に、マンドレルを加工対象物に挿入することと、マンドレルが加熱される前に、コア軸を有するテーパプラグをマンドレルに挿入することと、テーパプラグが、加熱ステップ中に、コア軸に沿って更にマンドレル内に移動するように、加工対象物を加熱することと、加工対象物の最終形状を形成するために、加工対象物を冷却することとを含む方法を提供する。
【０００９】
幾つかの態様では、本開示は、加工対象物を熱処理する方法であって、プラグを加工対象物内部に挿入することと、加工対象物が所望の寸法に膨張するまで、加工対象物を加熱することと、加工対象物を冷却することと、プラグを加工対象物から除去することとを含み、加工対象物が、加熱ステップ又は冷却ステップのどちらかの間に、任意の構造を加工対象物に挿入することなく、所望の寸法まで膨張し、その寸法を維持する方法を提供する。
【００１０】
特徴、機能、及び利点は、本開示の様々な実施形態で個別に実現され得るか、又は、後述の説明及び図面を参照して更なる詳細が理解可能である、更に別の実施形態において組み合わされ得る。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】加熱前の、本開示によるクエンチプラグシステムと連結された加工対象物の断面図である。
【図２】加熱後の、図１の加工対象物及びクエンチプラグシステムの断面図である。
【図３】本開示によるクエンチプラグシステムを使用した加工対象物を熱処理する方法の概略図である。
【図４】膨張前の、本開示による例示的マンドレルの上面図である。
【図５】膨張後の、図４の例示的マンドレルの上面図である。
【図６】膨張前の、本開示による例示的マンドレルの斜視図である。
【図７】膨張後の、図６の例示的マンドレルの斜視図である。
【図８】加熱前の、本開示によるクエンチプラグシステムと連結された加工対象物の断面図である。
【図９】加熱後の、図８の加工対象物及びクエンチプラグシステムの断面図である。
【図１０】分解プロセスにおける、図９の加工対象物及びクエンチプラグシステムの断面図である。
【図１１】分解プロセスにおける、図１０の加工対象物及びクエンチプラグシステムの断面図である。
【図１２】加熱前の、本開示によるクエンチプラグシステムと連結された加工対象物の断面図である。
【図１３】加熱後の、図１２の加工対象物及びクエンチプラグシステムの断面図である。
【図１４】加熱前の、本開示によるクエンチプラグシステムと連結された加工対象物の断面図である。
【図１５】加熱後の、図１４の加工対象物及びクエンチプラグシステムの断面図である。
【図１６】本開示による加工対象物を熱処理するための例示的方法のフローチャートである。
【図１７】本開示による加工対象物を熱処理するための例示的方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
概要
オペレーターが極端に熱い材料と相互作用することなく、加工対象物に対して載置することができるクエンチプラグシステムが、本明細書に記載される。本明細書に記載のクエンチプラグシステムは、加熱中の加工対象物の膨張を収容し、クエンチ中の加工対象物の収縮に少なくとも実質的に抵抗する。更に、クエンチプラグシステムは、クエンチが完了した後すぐに除去され得る。
【００１３】
クエンチプラグシステム及び加工対象物を熱処理する方法の様々な実施形態が、以下に記載され、関連図面に示される。特別の定めのない限り、本開示のクエンチプラグシステム及び／又はそれらの様々な構成要素は、本明細書に記載され、例示され、及び／又は組み込まれた、構造、構成要素、機能、及び／又は変形例のうちの少なくとも１つを包含し得るが、それらを含有することが必要というわけではない。また更に、本教示に関連して本明細書に記載され、例示され、及び／又は本明細書に組み込まれた、構造、構成要素、機能、及び／又は変形例は、他の類似のクエンチプラグシステムに含まれ得るが、それらに含まれることが必要というわけではない。以下に記載される、選択された態様により保有又は表示される利点は、実際には例示的なものである。様々な実施形態の下記の記載は、実際には例示的なものであり、本開示、その適用又は用途を限定することを意図するものではない。
【００１４】
関連図に示されたクエンチプラグシステムの実施形態が、本開示の例示的な種々の態様を示すために選択され、図示されたクエンチプラグ構成要素の割合、配向、及び相対間隔のうちの一又は複数が、その例示目的のために強調されることもある。特に、図示したクエンチプラグシステムの加工対処物及び選択された構成要素の膨張量が、強調されることもある。
【００１５】
本明細書に記載のクエンチプラグシステム及び加工対象物熱処理の方法は、特に加工対象物が内部空洞を画定し得ない場合に限らず、選択された金属加工対象物の熱処理の特定の有用性を保有し得る。開示されたシステム及び方法は、高温まで加熱され、引き続きクエンチされる加工対象物が、室温又は室温に近いときに、クエンチプラグシステムを加工対象物に挿入することを含む、加工対象物の熱処理を可能にし得る。本明細書で開示されたクエンチプラグシステムは、加えて、加工対象物のクエンチ後に除去することが容易であり得る。
【００１６】
図１は、マンドレル１４の中心空洞１３に挿入されるように構成されたテーパプラグ１２を含む、例示的クエンチプラグシステム１０の断面図である。例示的クエンチプラグシステム１０は、少なくとも実質的に、加工対象物１６により画定された空洞内部に挿入されるように構成される。テーパプラグ１２は、実質的に円錐台形であり、マンドレル１４は、実質的に円筒形である外面１５を有し、加工対象物１６により画定される空洞は、実質的に円筒形である内面１７を有し得る。
【００１７】
テーパプラグ１２及びマンドレル１４は、マンドレル１４がテーパプラグ１２より高速で膨張できるように構築される。この差動膨張は、マンドレル１４及びテーパプラグ１２が差動熱膨張速度を示すように、マンドレル１４及びテーパプラグ１２を差動加熱することなどの任意の満足な方法によって生じ得る。代替的には、又は加えて、テーパプラグ１２及びマンドレル１４を形成する材料は、同一の加熱プロセスを受けると、実質的に異なる熱膨張率を示すように選択され得る。例えば、テーパプラグ１２は、インバ合金及び／又はチタン金属などの比較的小さな熱膨張率を有する一又は複数の材料を含み得る。マンドレル１４は、例えば、鋼合金などの比較的大きな熱膨張率を有する材料を含む。代替的には、又は加えて、マンドレル１４は、径方向に機械的に膨張できるように構築され得る。
【００１８】
代替的には、又は加えて、テーパプラグ１２は、実質的な非導電材料を含み得、マンドレル１４及び加工対象物１６は、導電材料を含み、誘導ヒータの中にクエンチプラグシステム１０及び加工対象物１６を載置することによって、加工対象物１６及びマンドレル１４は、テーパプラグ１２の加熱速度と比較して、加速した加熱速度にさらされることになる。同様に、テーパプラグ１２及びマンドレル１４の両方が、実質的に非導電材料を含み得る一方で、加工対象物１６は、導電材料を含み、したがって誘導加熱は、マンドレル１４かテーパプラグ１２かのどちらかが受けるより大きな加熱速度で、加工対象物１６を加熱する。
【００１９】
図１に示されるように、マンドレル１４は、テーパプラグ１２と加工対象品１６との間に挟まれるように構成され得る。図１は、加工対象物１６の熱処理前の、テーパプラグ１２、マンドレル１４及び加工対象物１６の初期状態を表している。この初期状態において、クエンチプラグシステム１０及び加工対象物１６は、熱処理プロセスが加工対象物１６で実行される前には、実質的に室温である。熱処理プロセス中に、加工対象物１６は、テーパプラグ１２により示される熱膨張より大きな熱膨張を受ける可能性があり、これにより、テーパプラグ１２の外周に対する、加工対象物１６の内部空洞の増加した内周は、加工対象物１６及びマンドレル１４を、図２に示されるように、テーパプラグ１２に沿って下に向かって移動させることができる。マンドレル１４がテーパプラグ１２に沿って下に向かって移動すると、マンドレル１４は、対応する径方向への膨張を受け得る。
【００２０】
加工対象物１６が続く冷却、又はクエンチにさらされると、加工対象物１６は収縮し得る。しかしながら、加工対象物１６が膨張したマンドレル１４と接触するようになると、加工対象物１６は、更なる収縮が物理的に妨げられ得、その結果、加工対象物１６が冷却し続けられると、加工対象物１６のある程度の塑性変形が生じることになる。加工対象物１６の塑性変形は、加工対象物１６が冷却される際に形成及び／又は補正されると、加工対象物１６の金属構造の応力を軽減する。
【００２１】
図１及び図２により示された単純化された実施形態について示されたように、テーパプラグ１２、マンドレル１４、及び加工対象物１６は、テーパプラグ１２、マンドレル１５、及び加工対象物１６が、テーパプラグ１２の中心コア軸１８に対して回転対象を示すように構築され得る。要するに、テーパプラグ１２、マンドレル１４、及び加工対象物１６は、実質的に同心円状に入れ子式である。
【００２２】
テーパプラグ１２は、外側テーパ角度２４を有する外側テーパを含む。テーパプラグ１２は、実質的に円錐台形であってもよく、又は、三角錐、正方錐、若しくはクエンチプラグシステム１０を実質的に本明細書に記載されるように機能させることができる任意の他の適する形状などの切頂多角形錐体であってもよい。テーパプラグ１２は、第１の端２６及び第２の端２８を有し得、外側テーパ角度２４が、第１の端２６の外周より大きな外周を有する第２の端２８をもたらす。マンドレル１４及び加工対象物１６が加熱され、ゆえに膨張すると、マンドレル１４及び加工対象物１６は、テーパプラグ１２に沿って、テーパプラグ１２の大きな第２の端２８の方へ移動し得る。テーパプラグ１２の第１の端２６の外周に対する、テーパプラグ１２の幅広い第２の端２８におけるテーパプラグ１２の増加した外周は、加工対象物１６が冷却されると、加工対象物１６の任意の実質的に後続の径方向への収縮を防止するために機能し得る。
【００２３】
テーパプラグ１２は、任意選択的に、プラグ開口２２を介してアクセス可能であり得る内部空洞２０を含み得る。プラグ開口２２は、テーパプラグ１２のコア軸１８にセンタリングされ得る。
【００２４】
加工対象物１６が加熱されると、マンドレル１４は、コア軸１８に平行なテーパプラグ１２に沿って、テーパプラグ１２の第２の端２８の方へ移動するように、膨張するよう構成され得る。コア軸１８に沿ったマンドレル１４の移動は、マンドレル１４が、実質的にテーパプラグ１２の外側テーパ角度２４の補角である内側テーパ角度３０を有するときに、促進され得、内側テーパ角度３０及び外側テーパ角度２４は、図１に示されるように、コア軸１８に直交する平面３１に対して測定される。内側テーパ角度３０及び外側テーパ角度２４は、それらの角度の合計が実質的に１８０度に等しいときに、補角である。代替的には、テーパプラグ１２のコア軸１８が垂直軸として画定される場合、次に内側テーパ角度３０の垂直軸からの絶対偏差と、外側テーパ角度２４の垂直軸からの絶対偏差とは、実質的に同等である。
【００２５】
マンドレル１４は、再利用できる。例えば、膨張後、マンドレル１４は、テーパプラグ１２から除去され、例えば、内側への径方向圧縮によって、マンドレルの元の外周に戻るように機械的に再構成され得る。代替的には、マンドレル１４は、非可逆的に膨張するように構成され得る。幾つかの態様では、各熱処理プロセス中に、新しいマンドレルが使用されてもよい。
【００２６】
本開示によるクエンチプラグシステム１０を使用した加工対象物１６の熱処理プロセスが、図３に概略的に示される。図示されたように、クエンチプラグシステム１０の構成要素は、円錐台形型テーパプラグ１２と、テーパプラグ１２を補完する、要するに、マンドレル１４の内側テーパ角度３０がテーパプラグ１２の外側テーパ角度２４の補角である、マンドレル１４とを含み得る。マンドレル１４は、その下縁の外周に沿った周辺リップ４０を含み得る。周辺リップ４０は、加工対象物１６の、コア軸１８に沿ったマンドレル１４の下縁を越えた移動を防止するように構成され得る。
【００２７】
図３のプロセスのステップＡで示されるように、マンドレル１４は、加工対象物１６の加熱前に、加工対象物１６とテーパプラグ１２との間に挟まれ得る。ステップＢで、加工対象物１６とクエンチプラグシステム１０の組み合わせは、例えば、炉又は誘導ヒータなどの加熱デバイス４２に露出され得る。ステップＣでは、加工対象物１６及びクエンチプラグシステム１０は、加工対象物１６が急速に膨張すると、加工対象物１６及びマンドレル１４がテーパプラグ１２のコア軸１８に平行にかつコア軸１８に沿って移動させた熱源４２によって十分に加熱され得る。これにより、マンドレル１４が急速に膨張可能になる。ステップＤでは、加工対象物１６及びクエンチプラグシステム１０が、加熱デバイス４２から除去され、室温など比較的低温まで冷却可能とされる。加工対象物１６が比較的低温までいったん冷却されると、ステップＥに示されるように、テーパプラグ１２は、マンドレル１４から除去され、マンドレル１４は、加工対象物１６から除去され得る。ステップＥでは、加工対象物１６は、所望の形状を有している。
【００２８】
図４及び図５は、本開示によるマンドレル１６用の選択構成を概略的に示す。図４の上面図により示されるように、マンドレル１４は、テーパプラグ１２と加工対象物１６との間に挟まれ得る。マンドレル１４は、複数の別個のマンドレル構成要素５０を含み得る。マンドレル構成要素５０は、マンドレル構成要素５０を互いに隣接して周方向に配置することによって、マンドレル１４が形成されるように構成され得る。マンドレル構成要素５０は、互いに隣接して周方向に適切に配置されると、所望のマンドレル１４が形成されるという条件で、複数の構成要素のサイズ及び／又は形状を含み得る。マンドレル構成要素５０は、実質的に類似のサイズ及び形状を有しているマンドレル１４の半径断面に対応し得る。代替的には、マンドレル構成要素５０は、組み立ててマンドレル１４になるなら、別個の形状及び／又はサイズを有していてもよい。図４及び図５に示されるように、再び、マンドレル構成要素５０が互いに隣接して周方向に適切に配置されると、所望のマンドレル１４が形成されるならば、マンドレル１４は、マンドレル１４の半径と一致する側壁５２、又はマンドレル１４の半径に対してある角度で設置される側壁５４を有する、別個のマンドレル構成要素５０を含み得る。
【００２９】
加工対象物１６が加熱され膨張すると、加工対象物１６及びマンドレル１は、テーパプラグ１２のコア軸１８に沿って下に向かって移動し得る。マンドレル１４がテーパプラグ１２に沿って移動すると、マンドレル１４の個々のマンドレル構成要素５０は、互いから分離し、図５に示されるように、個々のマンドレル構成要素５０の間に空間５６を導入し得る。マンドレル構成要素５０の材料は同時に熱膨張し得るが、図５のマンドレル１４の膨張は、主として、個々のマンドレル構成要素５０の間の空間５６の導入によるものである。図５に示された加工対象物１６及びマンドレル１４の径方向への膨張は、図示する目的で強調され得る。
【００３０】
図６及び図７は、本開示によるマンドレル用の選択構成を概略的に示す。図６の斜視図に示されるように、マンドレル１４は、マンドレル１４の上面５９と下面６０から交互に開始する、複数の縦方向のスリット５８を組み込み得る。各縦方向のスリット５８は、マンドレル１４の中心空洞１３を占めるテーパプラグ１２のコア軸１８に平行な方向に延びる。各縦方向のスリット５８は、マンドレル１６の高さ６１に沿って部分的に延びるが、スリットの開始表面からマンドレル１４の対向面までは延びていない。スリット構築のおかげで、マンドレル１４が、テーパプラグ１２のコア軸１８に沿って、テーパプラグ１２の第１の端２６から、テーパプラグ１２の第２の端２８に向かって移動すると（図１に示される）、マンドレル１４は、図７に示されるように、縦方向のスリット５４の幅が広がると、機械的に径方向に外に向かって延び得る。
【００３１】
本開示のクエンチプラグシステムの幾つかの構成では、マンドレル１４は、加工対象物のクエンチを支援するために、クエンチ流体の使用を促進するように構成され得る。例えば、マンドレル構成要素の外面は、クエンチ流体が、マンドレルの外面と周囲の加工対象物の内面との間を循環できるように構成され得る、一又は複数の凹型チャネルを組み込み得る。このように、クエンチ流体と加工対象物との間の接触は増加し得、したがって加工対象物の冷却速度も、結果として増加し得る。マンドレル外面の凹型チャネルは、例えば、数ある中で、水、一又は複数の添加剤と混合された水、有機オイル若しくは無機オイル、又は不活性ガスを含む、任意の適切なクエンチ流体を循環させるように構成され得る。
【００３２】
本開示のクエンチプラグシステムは、限定されないが、マンドレルがクエンチプラグシステムのテーパプラグと対象となる加工対象物との間に適切に挟まれ得、更に加工対象物及び任意選択的にクエンチプラグシステムが加熱されると、マンドレルがテーパプラグのコア軸に沿って移動するように追加的に構成されているならば、追加的又は代替的構成を有するマンドレルを組み込み得る。
【００３３】
実施例、構成要素及び代替手段
続く節には、例示的クエンチプラグシステム及びそのような例示的クエンチプラグシステムを用いる加工対象物を熱処理する方法の選択された態様が記載される。これらの節の実施例は、例示を目的とし、本開示の範囲全体を限定するものと解釈すべきではない。
【実施例１】
【００３４】
本実施例には、図８から図１１の断面図に示されたように、本開示の実施形態による例示的クエンチプラグシステム１０が記載される。
【００３５】
図８は、テーパプラグ１２及びマンドレル１４を含む例示的クエンチプラグシステム１０の断面図である。テーパプラグ１２は、加えて、テーパプラグ１２のコア軸１８に直交して配向されるプレート６２を含む。プレート６２は、テーパプラグ１２に固定され得る。テーパプラグ１２は、加えて、基部６４からコア軸１８に沿って延びるように、テーパプラグ１２のプレート６２を基部６４の下に連結することによって、基部６４に固定され得る。図８及び図９に示されるように、水平なプレート６２は、ファスナ６６によって基部６４に固定され得る。ファスナ６６は、ねじ、ボルト、又はプレート６２を基部６４に固定する任意の他の適切な締結デバイスであり得る。
【００３６】
マンドレル１４は、加工対象物１６の周辺リップ４０を越えた移動を防止するために、マンドレル１４の縁に沿って基部６４に隣接した周辺リップ４０を含み得る。
【００３７】
図８及び図９に示されるように、加工対象物１６を加熱すると、加工対象物１６及びマンドレル１４は、重力の影響下で、テーパプラグ１２のコア軸１８に沿って移動する。マンドレル１４は、図９に示されるように、ただ基部６４に接触するようになるまで、コア軸１８に沿って移動し得る。クエンチプラグシステム１０の例示的構成は、加工対象物１６の膨張の程度を限定することが望ましい場合に、有益であり得る。
【００３８】
冷却後、ファスナ６６は、図１０に示されるように、基部６４及びプレート６２から除去され得る。テーパプラグ１２は、次に、図１１に示されるように、コア軸１８に沿ってテーパプラグ１２を移動させることによって、マンドレル１４から除去され得る。
【実施例２】
【００３９】
本実施例には、図１２及び図１３の断面図に示されたように、本開示の実施形態による例示的クエンチプラグシステム１０が記載される。
【００４０】
図１２は、テーパプラグ１２及びマンドレル１４を含み得る例示的クエンチプラグシステム１０の断面図である。テーパプラグ１２は、加えて、テーパプラグ１２のコア軸１８に直交して配向されるプレート６２を含み得る。マンドレル１４は、テーパプラグ１２と加工対象物１６との間に挟まれ得る。図１２は、加工対象物１６が加熱される前のクエンチプラグシステム１０を図示している。
【００４１】
図１及び図２のクエンチプラグシステム１０とは異なり、クエンチプラグシステム１０は、加工対象物１６が加熱されると、マンドレル１４及び加工対象物１６が、コア軸１８に沿って、テーパプラグ１２に対して互いに別々に移動するように構成される。特に、加工対象物１６が加熱され膨張すると、マンドレル１４は、重力の影響下で、テーパプラグ１２のコア軸１８に沿って、下に向かって移動し得る。マンドレル１４は、マンドレル１４とプレート６２との間の接触によって、その下方への移動が限定され得る。
【実施例３】
【００４２】
本実施例には、図１４及び図１５の断面図に示されたように、本開示の実施形態による例示的クエンチプラグシステム１０が記載される。
【００４３】
図１４は、テーパプラグ１２及びマンドレル１４を含む例示的クエンチプラグシステム１０の断面図である。テーパプラグ１２は、加工対象物１６が加熱されると、マンドレル１４をテーパプラグ１２のコア軸１８に沿って移動可能にするように構成される。テーパプラグ１２は、第１の端２６及び第２の端２８を含み、第２の端２８が、第１の端２６の外周より大きな外周を有している。クエンチプラグシステム１０は、テーパプラグ１２のコア軸１８に直交して配向されるプレート６２を更に含む。しかしながら、図１２及び図１３のクエンチプラグシステム１０とは対照的に、プレート６２は、テーパプラグ１２の第１の端２６に隣接しているが、第１の端２６から間隔を空けている。
【００４４】
クエンチプラグシステム１０は、加工対象物１６が加熱されると、テーパプラグ１２がプレート６２に向かって移動するように構成され得る。テーパプラグ１２がプレート６２に向かって移動すると、マンドレル１４は、テーパプラグ１２のコア軸１８に沿って、テーパプラグ１２の第２の端２８に向かって移動し、膨張し得る。テーパプラグ１２は、その第１の端２６がプレート６２に接触するまで、コア軸１８に沿って移動することができる。図１５に示されるように、その時点で、クエンチプラグシステム１０及び加工対象物１６は、冷却され得る。
【００４５】
クエンチプラグシステム１０は、テーパプラグ１２のプレート６２への移動を支援するために力（重力に加えて）を印加するように構成されたプレス９０を更に含み得る。力は、特定のクエンチプラグシステム１０のテーパプラグ１２、マンドレル１４、又は両構成要素のうちの一又は複数に印加され得、そのような力は、特定のクエンチプラグシステム１０のテーパプラグ１２のコア軸１８と平行に印加され得る。
【実施例４】
【００４６】
加工対象物１６を熱処理する例示的方法が、図１６のフローチャート９２によって示される。図示されるように、例示的方法は、加工対象物１６が加熱される前に、マンドレル１４を加工対象物１６に挿入すること（フローチャート９２の９４）と、マンドレル１４が加熱される前に、コア軸１８を有するテーパプラグ１２をマンドレル１４に挿入すること（フローチャート９２の９６）と、加熱ステップ中にテーパプラグ１２がコア軸１８に沿って更にマンドレル１４内に移動するように、加工対象物１６を加熱すること（フローチャート９２の９８）と、加工対象物１６の最終形状を形成するために、加工対象物１６を冷却すること（フローチャート９２の１００）とを含む。
【実施例５】
【００４７】
加工対象物１６を熱処理する代替的例示的方法が、図１７のフローチャート１０２によって示される。図示されるように、例示的方法は、テーパプラグ１２を加工対象物１６内部に挿入すること（フローチャート１０２の１０４）と、加工対象物１６が所望の寸法に膨張するまで、加工対象物１６を加熱すること（フローチャート１０２の１０６）と、加工対象物１６を冷却すること（フローチャート１０２の１０８）と、テーパプラグ１２を加工対象物１６から除去すること（フローチャート１０２の１１０）とを含み、加工対象物１６が、加熱ステップ又は冷却ステップのどちらかの間に、任意の構造を加工対象物に挿入することなく、所望の寸法まで膨張し、その寸法を維持する。
【実施例６】
【００４８】
この節では、一連の段落として限定されることなく提示される、クエンチプラグシステム及び加工対象物の熱処理方法の追加の態様及び特徴が記載され、その一連の段落の一部又は全部は、明確性及び有効性のために英数字で指定されることがある。これらの段落の各々は、一又は複数の他の段落と、及び／又は任意の適した方法における、関連出願参照により組み込まれる材料を含む本出願の他の部分からの開示と、組み合わせることができる。以下の段落の幾つかは、適した組み合わせの幾つか例を限定しない条件で、明確に他の段落に言及し、更に他の段落を限定する。
【００４９】
Ａ０．  加工対象物（１６）の熱処理に使用するためのクエンチプラグシステム（１０）であって、
縦方向のコア軸（１８）を有するテーパプラグ（１２）と、
テーパプラグと加工対象物との間に挟まれるように構成されたマンドレル（１４）と
を備え、テーパプラグ（１２）は、加工対象物（１６）が加熱されると、マンドレル（１４）をテーパプラグ（１２）のコア軸（１８）に沿って移動可能にするように構成される、クエンチプラグシステム（１０）。
Ａ１．  テーパプラグ（１２）が、第１の端（２６）及び第２の端（２８）を有し、第２の端（２８）が、第１の端（２６）の外周より大きな外周を有している、段落Ａ０に記載のクエンチプラグシステム（１０）。
Ａ２．  テーパプラグ（１２）が、加工対象物（１６）の熱膨張率又はマンドレル（１４）の熱膨張率より低い熱膨張率を有している、段落Ａ０又はＡ１に記載のクエンチプラグシステム（１０）。
Ａ３．  テーパプラグ（１２）が、インバ合金及びチタン金属の少なくとも１つを含む、段落Ａ０からＡ２の何れか一段落に記載のクエンチプラグシステム（１０）。
Ａ４．  テーパプラグ（１２）が、外側テーパ角度（２４）を有しており、マンドレル（１４）が、内側テーパ角度（３０）を有しており、テーパプラグ（１２）の外側テーパ角度（２４）が、マンドレル（１４）の内側テーパ角度（３０）の補角である段落Ａ０からＡ３の何れか一段落に記載のクエンチプラグシステム（１０）。
Ａ５．  テーパプラグ（１２）が、実質的に円錐台形であり、マンドレル（１４）が、実質的に円筒形である外面（１５）を有しており、加工対象物（１６）が、実質的に円筒形である内面（１７）を有している、段落Ａ０からＡ３の何れか一段落に記載のクエンチプラグシステム（１０）。
Ａ６．  マンドレル（１４）が、テーパプラグ（１２）のコア軸（１８）に沿って移動すると、マンドレル（１４）の外径が増加するような、複数の別個のマンドレル構成要素（５０）を含む、段落Ａ０からＡ５の何れか一段落に記載のクエンチプラグシステム（１０）。
Ａ７．  マンドレル（１４）が、マンドレル（１４）の上面（５６）及び下面（５８）から交互に生じる複数の縦方向のスリット（５２）を含み、各縦方向のスリット（５２）がマンドレル（１４）の高さ（６０）に沿って延びる、段落Ａ０からＡ５の何れか一段落に記載のクエンチプラグシステム（１０）。
Ａ８．  加工対象物（１６）が加熱されると、マンドレル（１４）及び加工対象物（１６）が、コア軸（１８）に沿って、テーパプラグ（１２）に対して一緒に移動する、段落Ａ０からＡ７の何れか一段落に記載のクエンチプラグシステム（１０）。
Ａ９．  加工対象物（１６）が加熱されると、マンドレル（１４）及び加工対象物（１６）が、コア軸（１８）に沿って、テーパプラグ（１２）に対して互いに別々に移動する、段落Ａ０からＡ８の何れか一段落に記載のクエンチプラグシステム（１０）。
Ａ１０．  加工対象物（１６）が加熱されると、加工対象物（１６）及びマンドレル（１４）が、重力下でテーパプラグ（１２）に沿って移動するように構成される、段落Ａ０からＡ９の何れか一段落に記載のクエンチプラグシステム（１０）。
Ａ１１．  テーパプラグ（１２）に連結されるように構成される基部（６４）を更に含む、段落Ａ０からＡ１０の何れか一段落に記載のクエンチプラグシステム（１０）。
Ａ１２．  テーパプラグ（１２）が、実質的な非導電性材料を含み、クエンチプラグシステム（１０）が、テーパプラグを実質的に加熱せずに、加工対象物及びマンドレルを加熱するように構成された誘導ヒータを更に含む、段落Ａ０からＡ１１の何れか一段落に記載のクエンチプラグシステム（１０）。
Ｂ０．  加工対象物（１６）を熱処理するための方法であって、
加工対象物（１６）が加熱される前に、マンドレル（１４）を加工対象物（１６）に挿入することと、
マンドレル（１４）が加熱される前に、コア軸（１８）を有するテーパプラグ（１２）をマンドレル（１４）に挿入することと、
テーパプラグ（１２）が、加熱ステップ中に、コア軸（１８）に沿って移動し、更にマンドレル（１４）内に移動するように、加工対象物（１６）を加熱することと、
加工対象物（１６）の最終形状を形成するために、加工対象物（１６）を冷却することと
を含む方法。
Ｂ１．  テーパプラグ（１２）が、第１の端（２６）及び第２の端（２８）を含み、第２の端が、第１の端（２６）の外周より大きな外周を有しており、かつマンドレル（１４）及び加工対象物（１６）を加熱することが、マンドレル（１４）をコア軸（１８）に沿ってテーパプラグ（１２）の第２の端（２８）の方へ移動させることを含む、段落Ｂ０に記載の方法。
Ｂ２．  加熱ステップ中に、加工対象物（１６）及びマンドレル（１４）をコア軸（１８）に沿ってテーパプラグ（１２）に対して移動させることを更に含み、加工対象物（１６）及びマンドレル（１４）が、テーパプラグ（１２）に対して一緒に又は別々に移動する、段落Ｂ０及びＢ１に記載の方法。
Ｂ３．  マンドレル（１４）及び加工対象物（１６）を加熱することが、テーパプラグ（１２）をテーパプラグのコア軸（１８）に沿って、マンドレル（１４）及び加工対象物（１６）の両方に対して移動させることを含む、段落Ｂ０からＢ２の何れか一段落に記載の方法。
Ｂ４．  少なくとも部分的に重力に起因して、マンドレル（１４）及び加工対象物（１６）をコア軸（１８）に沿って、テーパプラグ（１２）に対して移動させることを更に含む、段落Ｂ０からＢ３の何れか一段落に記載の方法。
Ｂ５．  少なくとも部分的に機械力に起因して、マンドレル（１４）及び加工対象物（１６）をテーパプラグ（１２）に対して移動させることを更に含む、段落Ｂ０からＢ４の何れか一段落に記載の方法。
Ｂ６．  冷却ステップ後に、テーパプラグ（１２）及びマンドレル（１４）を加工対象物（１６）から除去することを更に含む、段落Ｂ０からＢ５の何れか一段落に記載の方法。
Ｃ０．  加工対象物を熱処理するための方法であって、
テーパプラグ（１２）を加工対象物（１６）内部に挿入することと、
加工対象物（１６）が所望の寸法に膨張するまで、加工対象物（１６）を加熱することと、
加工対象物（１６）を冷却することと、
テーパプラグ（１２）を加工対象物（１６）から除去することと
を含み、加工対象物１６が、加熱ステップ又は冷却ステップのどちらかの間に、任意の構造を加工対象物（１６）に挿入することなく、所望の寸法まで膨張し、その寸法を維持する方法。
【００５０】
利点、特徴、利益
本明細書に記載のクエンチプラグシステム及び加工対象物の熱処理方法の様々な実施形態は、金属構成要素が熱処理及びクエンチされるときに反りを防止するために、既知の手法と比較して幾つかの利点を提供する。
【００５１】
金属構成要素の熱処理におけるクエンチプラグの現在の使用では、冷たいクエンチプラグが、既に高温の加工対象物に挿入されることが必要である。高温を避けるために、クエンチプラグの載置は早急に行われ、ゆえに任意選択的には、クエンチプラグが加工対象物内に位置付けられないこともある。クエンチ後、クエンチプラグは、加工対象物の収縮によって加工対象物の中に保持され、除去するのが難しいこともある。
【００５２】
本開示のクエンチプラグシステムにより、クエンチプラグシステム又は加工対象物の加熱前に、クエンチプラグシステムを加工対象物に挿入することが可能になる。組み合わされた加工対象物及びクエンチプラグシステムは、人手を介さずに、一緒に加熱され、次に直接クエンチされ得る。その構造のため、クエンチプラグシステムは、冷却されると実質的に収縮せず、クエンチプラグシステムが、クエンチ中に加工対象物の所望の形状を維持し、そうでなければ加工対象物の金属構造の中で形成される可能性のある応力を軽減することができるようにする。
【００５３】
既知のクエンチプラグシステム又はデバイスで、これらの機能を実行できるものはない。しかしながら、本明細書に記載の実施形態すべてが、同一の利点又は同程度の利点を提供し得るわけではない。
【００５４】
結論
本明細書で開示及び例示される特定の実施形態は、数多くの変形例が可能であることから、限定的な意味で捉えるべきものではない。節の見出しが本開示の範囲で使用される限り、そのような見出しは、構成上の目的に過ぎず、いかなる特許請求された発明の特性を構成するものではない。本実施形態の主題は、本開示様々な要素、特徴、機能、及び／又は特性の、新規的かつ進歩的な組み合わせ及び部分的組み合わせのすべてを含む。下記の特許請求の範囲は、新規的かつ進歩的であると見なされる、特定の組み合わせ及び部分的組み合わせを特に指し示すものである。特徴、機能、要素、及び／又は特性のその他の組み合わせ及び部分的組み合わせにおいて具現化される発明は、本出願又は関連出願からの優先権を主張する出願において特許請求され得る。かかる特許請求の範囲はまた、異なる実施形態を対象とするか、又は同一の実施形態を対象とするかにかかわらず、かつ、もとの特許請求の範囲より広いか、狭いか、等しいか、又はそれと異なるかにかかわらず、本開示の実施形態の主題の範囲に含まれると見なされる。
【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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【外国語明細書】
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