加热装置和加热方法与流程

本发明涉及用于感应加热工件的加热装置和加热方法。

背景技术：

在现有技术的热处理中，利用被供给有交流电力的线圈所形成的磁场来感应加热工件。

在感应加热中，用于处理工件的润滑剂、形成在工件的加热表面上的结垢(氧化层)等附着于线圈。当结垢沉积在线圈上时，例如，可能在线圈与工件之间通过结垢发生短路，从而损坏工件或线圈。

因此，根据现有技术的感应加热装置，在加热完成之后将冷却液喷射到工件上时，诸如水这样的冷却液也喷射到线圈上，使得附着于线圈的结垢被去除(例如，参见JP 5504516B2)。

在该感应加热装置中，为了防止由于向线圈喷射的冷却液被散布到正被加热的工件上而引起的工件的温度不均匀，在完成工件的加热并且将工件从线圈取出之后，再将冷却液喷射到线圈。

当通过使线圈相对于在工件的纵向上被供给的工件相对移动从而连续地感应加热细长工件时，要求相应的时间，直到完成工件的加热。如果在加热期间未通过喷射冷却液而去除结垢，则结垢沉积在线圈上，并且工件或线圈可能由于短路而损坏。

依据工件而形成线圈。存在各种形状的工件。有时，工件的加热目标部包括能够容易被过度加热的部分，诸如角部、突部或孔。为了防止加热目标部的局部过热，通常地，将线圈设计成具有适当的形状，并且/或者使用磁屏蔽来控制加热目标部上的每个部位的加热温度，但是这引起线圈的制造成本的升高或者设施的复杂化。

技术实现要素：

本发明的目的是提供能够保护线圈的加热装置和加热方法。

本发明的另一个目的是提供能够利用简单构造来调整工件的加热目标部中的加热温度分布的加热装置和加热方法。

根据本发明的方面，一种加热装置包括：线圈，该线圈构造成接收交流电力，以形成感应加热工件的磁场；和喷射单元，该喷射单元构造成至少在将交流电力供给到所述线圈的期间内，将包含液体的冷却液以雾状喷射到所述线圈。

根据本发明的另一个方面，一种加热方法包括：利用被供给有交流电力的线圈所形成的磁场来感应加热工件；和至少在将交流电力供给到所述线圈的期间内，将包含液体的冷却液以雾状喷射到所述线圈。

根据本发明的另一个方面，一种加热装置包括：线圈，该线圈构造成接收交流电力，以形成感应加热工件的磁场；和喷射单元，该喷射单元构造成至少在将交流电力供给到所述线圈的期间内，将包含液体的冷却液以雾状喷射到置于所述磁场中的所述工件的加热目标部。

根据本发明的另一个方面，一种加热方法包括：利用被供给有交流电力的线圈所形成的磁场来感应加热工件；和至少在将交流电力供给到所述线圈的期间内，将包含液体的冷却液以雾状喷射到置于所述磁场中的所述工件的加热目标部。

附图说明

图1是示意性地图示出根据本发明的实施例的加热装置的一个实例的构造的图。

图2是图示出图1的加热装置的构造的图。

图3是加热装置的线圈的立体图。

图4是图示出在使用图3的线圈的感应加热期间在工件中流动的涡流的图。

图5A是示意性地图示出淬火处理中的工件的硬化形态(hardening patterns)的图。

图5B是示意性地图示出淬火处理中的工件的另一硬化形态的图。

图5C是示意性地图示出淬火处理中的工件的另一硬化形态的图。

图5D是示意性地图示出淬火处理中的工件的另一硬化形态的图。

图6是示意性地图示出根据本发明的实施例的加热装置的另一个实例的构造的图。

图7是沿着图6的线VII-VII截取的截面图。

图8是示意性地图示出根据测试实例的工件的硬化形态的图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。

图1是示意性地图示出根据本发明的实施例的加热装置的一个实例的构造的图。

图1所示的加热装置1构造成感应加热细长工件W，并且包括构造成感应加热工件W的线圈10，和喷射单元11。

工件W是具有矩形截面形状的矩形部件，并且工件W的左右侧面Wa、Wb经受加热。工件W的形状不受特别限制，并且工件W可以是圆杆或者具有矩形截面形状或圆形截面形状的管部件。矩形工件W的整个外周部可以被加热。

由于通常使用模具来拉伸材料而使细长工件W成型，所以毛刺和磷化残留物随着拉伸处理而附着于工件W。

工件W在纵向上被进给并且被连续地放入到加热装置1。加热装置1构造成将交流电力供给到线圈10，并且在使线圈10在工件W的进给方向上移动的同时连续地感应加热工件W。

喷射单元11具有：喷嘴30，其构造成喷射包含雾状液体的冷却液；和供给单元31，其构造成将冷却液供给到喷嘴30。

雾状的冷却液的喷射是指将冷却液喷射为能够在大气中漂浮的微细颗粒。

供给单元31包括：泵32，其构造成对冷却液加压；阀33，其构造成切断对喷嘴30的冷却液的供给；和控制单元34。控制单元34构造成驱动泵32，从而至少在将交流电力供给到线圈10期间从喷嘴30喷射冷却液，并且打开和闭合阀33。

在利用控制单元34进行的泵32的驱动控制和阀33的打开和闭合控制之下，从喷嘴30喷射的冷却液的颗粒喷射到被供给有交流电力且发热的线圈10，并且喷射到置于由线圈10形成的磁场中并且由磁场加热的工件W的加热目标部。

图2图示出加热装置1的构造，图3图示出线圈10的构造，并且图4图示出在工件W中流动的涡流。

线圈10形成为具有取决于工件W的适当结构。在该矩形工件W的左右侧面Wa、Wb经受加热的实例中，线圈10包括沿着一个侧面Wa设置的第一加热区段20和沿着另一个侧面Wb设置的第二加热区段21。

第一加热区段20包括：多个加热导体部22，其与工件W的纵向大致垂直地布置；和多个连接导体部23，其连接在纵向上互相相邻的两个加热导体部22的端部，使得导体部设置成沿着工件W的纵向迂回(meander)。第二加热区段21也包括多个加热导体部22和多个连接导体部23，并且与第一加热区段20大致对称。

第一加热区段20的一端20a与第二加热区段21的一端21a互相电连接。第一加热区段20的另一端20b与第二加热区段21的另一端21b连接于电源，并且交流电流在第一加热区段20和第二加热区段21中流动。

当交流电流在第一加热区段20和第二加热区段21中流动时，在加热导体部22或连接导体部23的周围形成交变磁场。形成在加热导体部22的周围的交变磁场的磁通量与工件W的侧面Wa或侧面Wb互连，在侧面Wa或侧面Wb的互连部中产生涡流I，并且加热互连部(加热目标部)。

在图示出的实例中，芯部24安装在每个加热导体部22上。芯部24调整形成在相应的加热导体部22周围的磁场的磁通量的放大，并且使磁通量与工件W的加热目标部同心地互连，从而提高加热目标部的加热效率。

导体部22、23由管状部件形成，并且在第一加热区段20和第二加热区段21中形成流动通道。第一加热区段20和第二加热区段21利用其中的电流流动来发热，诸如水这样的冷却液流经第一加热区段20和第二加热区段21的内部，并且从内部冷却加热区段。

根据线圈10或工件W适当地设定喷射雾状的冷却液的喷嘴30的数量或布置。在图示出的实例中，多个喷嘴形成为在线圈10的两侧大致对称，并且包括安置在工件W的进给方向上从线圈10起的上游的喷嘴30a和安置在线圈10的后面的喷嘴30b。

安置在工件W的进给方向上的从线圈10起的上游的喷嘴30a的喷射方向指向线圈10的第一加热区段20与工件W之间的间隙，或者线圈10的第二加热区段21与工件W之间的间隙。

以雾状从喷嘴30a和30b喷射的冷却液的颗粒在线圈10和工件W的加热目标部的周围是充足的，并且从其外表面冷却线圈10或工件W的加热目标部。

由于高频率下的趋肤效应或邻近效应，在线圈10中流动的电流趋向于在线圈10的外表面侧上流动。因此，线圈10的外表面侧的温度容易相对升高。因此，通过使用线圈10周围充足的冷却液的颗粒，从外表面冷却线圈10，能够有效地冷却和保护线圈10，并从而延长线圈10的寿命。

从工件W分离的结垢和磷化残留物被线圈10周围充足的雾状冷却液捕获，并且防止结垢等附着于线圈10。因此，能够防止由于结垢等的沉积而引起的线圈10的损坏或线圈10与工件W之间的短路，并从而保护线圈10。

从防止结垢等附着于线圈10的角度来看，如在图示出的实例中一样，优选地形成喷射方向指向线圈10与工件W之间的间隙的喷嘴30a。根据该构造，利用喷射的冷却液颗粒的漂浮，能够有效地去除附着到工件W的毛刺或磷化残留物或者主动附着到线圈10的结垢。特别地，在包括芯部24的线圈10中，毛刺附着到面对工件W的加热目标部的芯部24的开口端面，但是利用已经以雾状喷射的冷却液颗粒的漂浮，能够有效地去除主动附着到芯部24的毛刺。

在连续地感应加热细长工件W的情况下，所述的通过将冷却液以雾状喷射到线圈10以在将交流电力供给到线圈10的期间冷却线圈10并且去除附着于线圈10的结垢的方法是特别有用的。

另一方面，利用加热目标部周围充足的冷却液颗粒，工件W的加热目标部也从外表面侧被冷却。由于已经以雾状喷射的冷却液颗粒具有很小的热容，并且通过冷却液颗粒从加热目标部带走的汽化热也很小，所以通过与已经以雾状喷射的冷却液颗粒接触，加热目标部不被过度冷却。

在工件W的加热目标部中流动的涡流趋向于以与在线圈10中流动的电流相同的方式在加热目标部的外表面侧上流动，并且加热目标部的外表面侧上的温度容易相对升高。因此，通过利用工件W的加热目标部周围充足的冷却液颗粒而从外表面侧冷却加热目标部，例如，通过使加热目标部的外表面侧和内部的加热温度均匀，能够防止外表面侧上的晶体颗粒的粗化。

通过调整已经以雾状喷射的冷却液的喷射方向或喷射量，能够主动地调整工件W的加热目标部的部分的加热温度，如图5A至5D所示。

图5A至5D示意性地图示出淬火处理中的工件W的硬化形态。在图5A至5D所示的实例中，假设使用环状的加热线圈C加热工件W的整个外周。

图5A图示出当不将冷却液喷射到工件W的加热目标部时的硬化形态。在具有矩形截面形状的矩形工件W中，加热目标部的角部E是容易过热的部分，并且硬化层由于过热而到达比较深的部分。另一方面，通过将冷却液以薄雾形式喷射到角部E，如图5B所示，角部E的硬化层的深度变小，即，抑制了角部E的过热。

图5C和5D图示出当将冷却液以雾状喷射到侧面Wa时的硬化形态。图5D图示出的实例示出当冷却液的喷射量比图5C图示出的实例中的冷却液的喷射量大时的硬化形态。如图5A、5C和5D所示，随着以雾状喷射的冷却液的喷射量的增加，促进了侧面Wa的冷却，并且侧面Wa的硬化层的深度变小。

以这种方式，通过调整已经以雾状喷射的冷却液的喷射方向或喷射量，能够防止工件W的加热目标部的局部过热，并且能够局部地改变热处理规格。因此，能够节省线圈形状的设计或用于防止诸如角部这样的容易过热的部分的过热的磁屏蔽的使用。即使当加热装置的输出具有比与工件W相关的适当频率或功率高的频率或功率时，也能够进行期望的热处理，并且能够使用通用线圈对具有不同尺寸的相同种类的工件进行热处理。因此，能够降低线圈的制造成本并且能够简化设施。

例如，从控制线圈10或工件W的加热目标部的冷却速度的角度来看，能够将水适当地用作包含在冷却液中的液体，并且可以包含各种添加剂作为液体。除了液体之外，冷却液还可以包含气体。通过将气体添加到冷却液，能够提升冷却液的喷射速度，并从而提高附着到工件W的毛刺或磷化残留物或者附着到线圈10的结垢的去除效果。用于冷却液的气体的实例包括诸如氮气或氩气这样的惰性气体。使用惰性气体可能能够防止线圈10或工件W的氧化。

图6和7是图示出根据本发明的实施例的加热装置的另一个实例的构造的图。

图6和7所示的加热装置用于感应加热作为工件的齿轮G，并且包括线圈110以及喷射单元，该喷射单元具有喷射包含雾状液体的冷却液的喷嘴130。

线圈110具有环状形状，并且安置成围绕齿轮G的外周。当电流在线圈110中流动时，在齿轮G中产生在外周部中循环的涡流，并且加热齿轮G的齿面。为了使齿轮G的齿面的加热温度均匀，在将交流电力供给到线圈110期间，线圈110与齿轮G相对地旋转。

在图示出的实例中，多个喷嘴130以适当的间隔形成在线圈110的周向上，每个喷嘴130安置成在径向上贯穿线圈110，并且其喷射孔口露出于线圈110的内周面。

至少在将交流电力供给到线圈110的期间内，以雾状从喷嘴130喷射冷却液，并且喷射的冷却液颗粒喷射到置于由线圈110形成的磁场中并且由该磁场加热的齿轮G的齿面。

如上所述，通过调整已经以雾状喷射的冷却液的喷射方向或喷射量，能够调整工件的加热目标部的部分的加热温度。因此，能够防止容易过热的齿尖的角部过热，并且还能够使用通用线圈对具有不同模数的齿轮进行热处理。

虽然以上已经描述了在使线圈与工件相对移动的同时感应加热工件的实例，但是本发明可以应用于线圈和工件固定的固定式感应加热。

下面将描述这样的测试实例：将冷却液以雾状喷射到图1所示的加热装置1中的线圈10和工件W的加热目标部，并且验证线圈10的冷却质量和工件W的热处理质量。

在测试实例1至3中，使用加热装置1对工件W的两侧面Wa、Wb进行淬火处理，并且将淬火冷却剂以预定流速喷射到工件W，以冷却在工件W的进给方向上的线圈10的下游侧的工件W。在表1中描述了测试实例1至3的加热条件，并且在图8中示意性地图示出了在测试实例1至3中的工件W的硬化形态。

表1

关于线圈10的冷却，测量在线圈10中流动的线圈冷却剂的供给口与排出口之间的温度差，即，线圈冷却剂的温度上升程度。关于工件W的热处理质量，测量从工件W取出的试样的截面中的硬化层的深度和外表面侧上的晶体颗粒尺寸。同样在表1中描述了测量结果。晶体颗粒尺寸(GS No.)是在JIS G 0551中定义的颗粒尺寸数。

关于线圈10的冷却，与不将冷却液喷射到线圈10和工件W的加热目标部的测试实例1相比，在与测试实例1相同的加热条件下将冷却液以雾状喷射到线圈10和工件W的加热目标部的测试实例2中，线圈冷却剂的温度上升的程度小。在设定功率比测试实例1中的设定功率高并且将冷却液以雾状喷射到线圈10和工件W的加热目标部的测试实例3中，温度上升的程度等同于测试实例1中的温度上升的程度。即，能够看出：通过将冷却液以雾状喷射到线圈10和工件W的加热目标部而冷却了线圈10。

在不将冷却液喷射到线圈10和工件W的加热目标部的测试实例1中，在处理了大约300米的工件W大约300米的时间点，从线圈10产生火花。然而，在将冷却液喷射到线圈10和工件W的加热目标部的测试实例2和3中，即使当处理了10000米的工件W时，也不从线圈10产生火花。

关于工件W的热处理质量，在与不将冷却液喷射到线圈10和工件W的加热目标部的测试实例1相同的加热条件下，在将冷却液以雾状喷射到线圈10和工件W的加热目标部的测试实例2中，得到与测试实例1中的硬化层的深度相等的硬化层的深度。在加工进给速度比测试实例1中的进给速度高的测试实例3中，为了得到与测试实例1中的硬化层的深度相等的硬化层的深度，需要通过提升设定功率而以较高的温度加热工件，并且晶体颗粒通常由于以较高的温度加热工件而粗化。然而，在将冷却液喷射到线圈10和工件W的加热目标部的测试实例3中，抑制了晶体颗粒的粗化。

本申请基于2014年7月10日提交的日本专利申请No.2014-142614和No.2014-142615，这两个专利申请的全部内容通过引用并入此处。