高周波加熱装置、高周波加熱方法および表面温度センサ
【課題】本発明は、熱間鍛造部材においてその素材を目標加熱温度に精度よく均一にかつ迅速に加熱する高周波加熱装置と高周波加熱方法と、また、このために用いる計器誤差の小さい安定した測定値の得られる表面温度センサを提供することを課題とする。
【解決手段】本発明の高周波加熱装置１は、鍛造素材１０を加熱する高周波加熱コイル２０と、この鍛造素材１０の表面温度を測定する表面温度センサ３０と、鍛造素材１０の表面温度によって高周波加熱コイル２０の出力および／又は加熱時間を制御する制御手段５０とを備える。加熱コイル２０は鍛造素材１０の形状に合わせて２個のコイル２２，２４に分割されており各加熱コイルを個別に制御する。また、表面温度は接触式の表面温度センサ３０を用いて測定する。
【解決手段】本発明の高周波加熱装置１は、鍛造素材１０を加熱する高周波加熱コイル２０と、この鍛造素材１０の表面温度を測定する表面温度センサ３０と、鍛造素材１０の表面温度によって高周波加熱コイル２０の出力および／又は加熱時間を制御する制御手段５０とを備える。加熱コイル２０は鍛造素材１０の形状に合わせて２個のコイル２２，２４に分割されており各加熱コイルを個別に制御する。また、表面温度は接触式の表面温度センサ３０を用いて測定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鍛造部材においてその素材を加熱する高周波加熱装置と高周波加熱方法およびこれに用いる表面温度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
鍛造部材は、予め棒状素材をロール鍛造機に供して、ロール成形を施し段付き形状の棒状粗形材を成形し、次にこの棒状粗形材をトランスファプレスに供して、荒地鍛造や仕上げ鍛造などを行って順次鍛造成形し、最終的にトリミングを施して所望の鍛造部材を得ることができる。上記のような鍛造部材製造工程において、棒状素材や段付き形状の棒状粗形材は変形抵抗を小さくするために所定の温度まで加熱されてからロール鍛造機やトランスファプレスに供される。
【０００３】
このような棒状粗形材を加熱するために抵抗加熱による電気炉やガスまたは燃料油などを熱源とするバーナ式加熱炉が一般的に用いられている。これらの加熱炉は、比較的簡単かつ迅速に温度制御が可能であり、真空中や雰囲気ガス中でも加熱できるために広く採用されている。しかし、これら従来の加熱炉では装入した素材が所定温度に均一に昇温するまでに長時間を要し生産のリードタイムが長い。このため、仕掛かり材を削減し生産のリードタイムを短縮して生産性を向上させるためのネック工程となっていた。
【０００４】
上記の問題を解決する加熱方法として高周波加熱が知られている（例えば、特許文献１参照）。高周波加熱は鍛造素材を短時間で所望の温度にまで昇温することができるので鍛造部材製造工程を連続工程として大幅な仕掛かり材の削減と生産リードタイムの短縮とを実現することができる。しかし、従来の高周波加熱方法は１個の加熱コイルで一定出力、一定時間加熱するというもので、素材の形状や加熱開始時の素材温度などは考慮されていなかった。このため、段付き形状の棒状粗形材など異形状のワークでは、局部加熱が発生して目標加熱温度を上回るオーバーヒートを起こしたり、異形状ワークの成形部と未成形部とでは温度差があるために部位によって加熱到達温度が異なることがあった。また、頻発停止などのライン状態の変化により素材間の加熱開始温度がばらつき、結果的に素材間の加熱到達温度のバラツキを大きくするという問題があった。
【０００５】
また、従来は鍛造素材の表面温度を知るために非接触の赤外線放射温度計が用いられていた。しかし、赤外線放射温度計は被測定物の表面性状により認識誤差が大きく、さらに測定値のバラツキも大きい。このため加熱開始時の素材温度を測定したとしても得られた測定値を基に加熱条件を制御することができなかった。
【特許文献１】特開２００３−１５５５１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上記のような従来の問題点を解決するためになされたものであり、熱間鍛造部材においてその素材を目標加熱温度に精度よく均一にかつ迅速に加熱する高周波加熱装置と高周波加熱方法とを提供することを課題とする。また、このために計器誤差の小さい安定した測定値の得られる表面温度センサを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の高周波加熱装置は、熱間鍛造で成形される鍛造部材の鍛造素材を加熱する高周波加熱装置であって、鍛造素材を加熱する高周波加熱コイルと、この鍛造素材の表面温度を測定する表面温度センサと、鍛造素材の表面温度によって高周波加熱コイルの出力および／又は加熱時間を制御する制御手段とを備えることを特徴とする。
【０００８】
本発明の高周波加熱装置は、鍛造素材の表面温度を測定する表面温度センサと、鍛造素材の表面温度によって高周波加熱コイルの出力および／又は加熱時間を制御する制御手段とを備えているので、表面温度に沿った加熱が可能となるので加熱到達温度のバラツキを小さくすることができる。従って、鍛造作業の安定化と鍛造部材の品質を安定化することができる。また、加熱開始温度がばらついても到達温度と時間とを制御できるので、鍛造素材の前工程の残熱を利用することができ加熱時間を短縮するとともに省エネルギ化に寄与することができる。
【０００９】
また、本発明の高周波加熱装置は、複数の高周波加熱コイルを備え、制御手段によって各々の加熱コイルの出力と加熱時間とを個別に制御することが望ましい。このような高周波加熱装置においては、鍛造素材が外径の異なる複数の段部を有する段付き軸状ワークであってもよい。例えば、相対的に外径が大きい大径部と、相対的に外径が小さい小径部とを有する軸状ワークを１個の加熱コイルで同時に加熱すると、大径部と小径部とでは昇温速度が異なり、小径部に比べて大径部では昇温速度が遅く、目標加熱温度に到達する時間が遅れることになる。このため、段付き軸状ワークにおいては、ワークの形状に合わせて分割した複数個の高周波加熱コイルを備えることが望ましい。上記のように大径部と小径部とを有するワークでは分割された２個の加熱コイルを用い、それぞれの出力や加熱時間を制御手段で制御することにより鍛造素材全体を均一に加熱昇温することができる。
【００１０】
本発明の第１の高周波加熱方法は、熱間鍛造で成形される鍛造部材の鍛造素材を加熱する高周波加熱方法であって、鍛造素材の表面温度を測定しながら加熱し、昇温途中の所定の温度で高周波加熱コイルの出力を段階的に変更することを特徴とする。この第１の高周波加熱方法によれば、鍛造素材の表面温度を測定しながら加熱し、昇温途中の所定の温度で高周波加熱コイルの出力を段階的に変更するので、鍛造素材の過加熱を回避できるとともに素材間の加熱のバラツキを小さくできる。また、部位により加熱開始温度が異なっても部位毎の到達温度のバラツキを抑制することができる。
【００１１】
本発明の第２の高周波加熱方法は、熱間鍛造で成形される鍛造部材の鍛造素材を加熱する高周波加熱方法であって、高周波加熱前の鍛造素材の表面温度を測定し、この表面温度を加熱開始温度として予め記憶されている加熱パターンに沿って高周波加熱の出力と加熱時間とを制御することを特徴とする。この第２の高周波加熱方法によれば、高周波加熱前の鍛造素材の表面温度のみを測定すればよいので、鋼鍛造部材など高温加熱を要する鍛造素材にも所望の加熱を精度よく施すことができる。
【００１２】
本発明の高周波加熱方法において、鍛造部材はアルミ鍛造部材であることが望ましい。従来の高周波加熱方法では部位によって形状の異なる異形の素材を均一に加熱することが困難であった。このため軟化点や融点の低いアルミ鍛造部材に高周波加熱を採用することは適当ではないと考えられていた。しかし、本発明の第１の高周波加熱方法では加熱中の表面温度を常時測定し、また、第２の高周波加熱方法では予め設定された加熱パターンに沿って加熱することができ、複数の外径を持つ段付き軸状ワーク等の異形の素材についても各外径に対応するように加熱コイルを分割して備えているので、各加熱コイルを個別に昇温制御することでワークの温度分布を比較的均一にすることができる。従って、アルミ鍛造部材についても安定して迅速に加熱することができ、従来、困難であった仕掛かり部材の削減やリードタイムを短縮して生産性を向上することができる。
【００１３】
本発明の表面温度センサは、熱間鍛造で成形される鍛造部材の鍛造素材の表面温度を検出する表面温度センサであって、表面温度を検出する熱電対と、鍛造素材の表面に接触させる感温部と、熱電対を収容し感温部を支持する支持体とを備え、感温部は熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上の受熱体を有することを特徴とする。 本発明の高周波加熱装置では高周波加熱前に鍛造素材の表面温度を精度よく測定しなければならない。従来用いられていた非接触の赤外線放射温度計による測定では実温に対する認識誤差（計器誤差ともいう）が大きく、また、被測定物の表面状態などによる測定値のバラツキも大きいために不適当である。従って、本発明の高周波加熱方法では精度の高い接触式の熱電対で鍛造素材の表面温度を測定することが望ましい。本発明の表面温度センサは、感温部に熱伝導率の高い受熱体を有しているので、受熱体は鍛造素材の表面温度と迅速に平衡して表面温度を精度よく測定することができる。ここで、受熱体は鍛造素材表面に接触する一端面が凸状球面であり他端面の中心部に熱電対の接続点を固着していることが望ましい。鍛造素材表面に接触する一端面が凸状球面であるので、鍛造素材の曲面に受熱体を確実に当接することができる。また、受熱体の他端面の中心部に熱電対の接続点を固着しているので、鍛造素材の表面温度を迅速にかつ精度よく測定することができる。
【００１４】
上記のような受熱体は銅、銅合金、モリブデン、マグネシウム、銀、アルミニウム、アルミニウム合金、あるいは金のうちのいずれかを形成したものであることが好ましい。これらの材料からなる受熱体は熱伝導率が高いので鍛造素材の表面温度を迅速にかつ精度よく測定することができる。
【００１５】
また、支持体の感温部近傍に所定形状の窓部を開設することが好ましい。感温部近傍に窓部を設けることで、鍛造素材の熱の支持体への移動が抑制され、表面温度測定による表面温度の大幅な変動を回避することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の好適な実施の形態について図を参照しながら高周波加熱装置、高周波加熱方法、表面温度センサの順に詳しく説明する。
【００１７】
（１）高周波加熱装置
図１は好適な実施の形態の構成を説明する一部断面概略構成図である。高周波加熱装置１は、鍛造素材１０を加熱する高周波加熱コイル２０と、鍛造素材１０の表面温度を測定する表面温度センサ３０と、鍛造素材１０の表面温度によって高周波加熱コイル２０の出力および／又は加熱時間を制御する制御手段５０とを備えている。
【００１８】
本実施の形態においては、鍛造素材１０はアルミ鍛造部材のトランスファプレスに供する棒状粗形材であり、棒状素材をロール鍛造機に供してロール成形を施し段付き軸状ワークＷとしたものである。
【００１９】
また、高周波加熱コイル２０は、段付き軸状ワークＷの形状に合わせて、ロール成形を施されていない未成形部分である大径部１２を加熱する第１の加熱コイル２２と、ロール成形されたロール成形部分である小径部１４を加熱する第２の加熱コイル２４とに分割されている。そして大径部１２の表面温度は第１の表面温度センサ３２で、また、小径部１４の表面温度は第２の表面温度センサ３４をそれぞれの適宜の被測定表面に当接して測定できるようになっている。
【００２０】
制御部５０は高周波加熱装置１全体を制御するマイクロコンピュータ（ＥＣＵともいう）であり、マイクロコンピュータの入力ポートには、操作パネルやキーボードあるいは各種センサなどが接続されており、ワークの種類などの所望の情報や各センサによる測定値などのデータを入力することができる。また、出力ポートには各加熱コイル２２、２４の出力（電圧）や加熱時間などを制御するのに必要な各種信号を生成する回路（図示せず）を介して高周波電源４０が接続されている。
【００２１】
マイクロコンピュータのメモリには、例えば、ワークの形状データや段付き軸状ワークＷの大径部１２と小径部１４の加熱パターン（加熱条件）などがワークの種類毎に予め格納されている。また、これらのデータや加熱パターンなどによって高周波加熱コイルの出力（電圧）や加熱時間を変化させて加熱温度を制御するプログラムなどが格納されている。
【００２２】
本実施の形態ではワークの所定の温度で高周波加熱コイルの出力を段階的に変更するようにプログラムされている。例えば、ワークを所定の温度まで迅速に加熱するように高電圧を印可する第１ステップと、加熱目標温度に対して過加熱を回避するように印可電圧を下げる第２ステップと、加熱目標温度を維持する第３ステップとであり、測定温度に合わせて加熱電圧を切り替える。つまり、加熱目標温度をＴｍとした場合に、ワークの温度が常温から第１ステップ温度Ｔ１までは加熱コイルの出力をＶ１とし、第１ステップ温度Ｔ１を超えて第２ステップ温度Ｔ２までは加熱コイルの出力をＶ２とし、さらに第２ステップ温度Ｔ２を越えて加熱目標温度Ｔｍまでの第３ステップでは加熱コイルの出力をＶ３に切り替えて加熱するようにする。このようにワークの温度上昇に合わせて段階的に出力を変化させて加熱することでワークを短時間にかつ精度よく加熱目標温度まで昇温することができる。
【００２３】
（２）高周波加熱方法
本発明の第１の高周波加熱方法は、熱間鍛造で成形される鍛造部材の鍛造素材を加熱する高周波加熱方法であって、鍛造素材の表面温度を測定しながら加熱し、昇温途中の所定の温度で高周波加熱コイルの出力を段階的に変更することを特徴とする。
【００２４】
この第１の高周波加熱方法を、第１加熱コイル２２と第２加熱コイル２４とを有し、段付き軸状ワーク（以降、単にワークともいう）Ｗの大径部１２を第１加熱コイル２２で、また、小径部１４を第２加熱コイル２４で加熱する場合を例に説明する。段付き軸状ワークＷは加熱した棒状素材をロール成形して得られるので、ロール成形された小径部は成形時に成形ロールに熱を奪われる。従って、一般的に再加熱工程前では小径部は未成形部である大径部に比べて温度が低い。ここでは、表面温度が大径部で４００℃、また、小径部では２５０℃となっている段付き軸状ワークＷを高周波加熱装置１を用いて加熱目標温度４５０±１５℃に再加熱する場合を例に図２に示すフローチャートに沿って具体的に説明する。
【００２５】
まず、ステップＳ１でワークＷを加熱コイル２０の所定の位置へ配置する。加熱コイル内へはロボットハンドなど適宜の手段を用いて搬入し、ワークＷの両端部をコイル内位置決めストッパーなどで挟持してワークＷを加熱コイル内の所定の位置に配置する。
【００２６】
次に、ステップＳ２では表面温度センサ３２、３４をワークＷの所定表面に当接させて大径部と小径部の表面温度を測定する。表面温度センサは後述する先端の受熱体が表面温度と平衡となるまで被測定表面に当接する。例えば、当接してから３秒後の測定値を加熱開始温度とする。（この例では加熱開始温度は大径部では４００℃、小径部では２５０℃である。）
【００２７】
ステップＳ３でＥＣＵは表面温度を測定しながら高周波加熱コイル２２、２４に通電してワークの加熱を開始する。メモリには第１ステップ温度Ｔ１＝２８０℃、第１ステップ加熱電圧（出力）Ｖ１＝５６０Ｖ、第２ステップ温度Ｔ２＝３００℃、第２ステップ加熱電圧（出力）Ｖ２＝５００Ｖ、第３テップ温度Ｔ３＝４３０℃、第３ステップ加熱電圧（出力）Ｖ３＝３００Ｖと設定されているので、ＥＣＵは、まず大径部を加熱する第１加熱コイル２２には３００Ｖ（大径部の加熱開始温度は４００℃）を、また、小径部を加熱する第２加熱コイル２４には５６０Ｖ（小径部の加熱開始温度は２５０℃）を印可する。
【００２８】
次に、ステップＳ４では、ＥＣＵは小径部の温度が２８０℃に到達したら第２加熱コイル２４の加熱電圧を５００Ｖに切り替える。しかし、第１加熱コイル２２の加熱電圧は３００Ｖを維持する。
【００２９】
ステップＳ５では、ＥＣＵは小径部の温度が３００℃に到達したら第２加熱コイル２４の加熱電圧を３００Ｖに切り替える。なお、第１加熱コイル２２の加熱電圧は引き続き３００Ｖを維持する。
【００３０】
所定時間経過後、大径部の表面温度と小径部の表面温度とが加熱目標温度４５０℃で一致したら、ＥＣＵはステップＳ６で各加熱コイルの加熱を終了する。
【００３１】
ステップＳ７では、ＥＣＵは加熱終了後速やかにワークＷを加熱コイル２０から取り出し、トランスファプレスなど次工程へ送るようにする。加熱コイルからのワークの取り出しと次工程への搬送は、ステップＳ１と同様にロボットハンドなど適宜の手段を用いればよい。なお、ワークＷは１個ずつ加熱して順次次工程へ搬送するようにする。
【００３２】
このようにして得られたワークＷの大径部と小径部との昇温曲線を図３に示す。図中◆は大径部の昇温曲線Ａ’であり、▲は小径部の昇温曲線Ｂ’である。図３では再加熱開始後約３０秒で昇温曲線Ａ’とＢ’とが破線で示す加熱目標温度４５０℃で一致することが分かる。
【００３３】
また、本発明の第２の高周波加熱方法は、熱間鍛造で成形される鍛造部材の鍛造素材を加熱する高周波加熱方法であって、高周波加熱前の鍛造素材の表面温度を測定し、この表面温度を加熱開始温度として予め記憶されている加熱パターンに沿って高周波加熱の出力と加熱時間とを制御することを特徴とする。
【００３４】
第１の高周波加熱方法では、ワークの表面温度を測定しながら到達温度によってそれぞれの加熱コイルの加熱電圧を制御する温度制御としたが、本第２の方法は、各部分の加熱開始温度のみを測定して予め設定されている加熱条件を基に加熱パターンを決定して、この加熱パターンに沿って加熱コイルの加熱電圧と加熱時間とを制御する方法である。図４の昇温曲線Ａのグラフを参照しながら第２の高周波加熱方法を詳細に説明する。
【００３５】
図４で縦軸は表面温度Ｔ（℃）、横軸は加熱時間ｔ（秒）であり、Ｔ１は第１ステップ温度、Ｔ２は第２ステップ温度、Ｔ３は第３ステップ温度である。なおＴ３は加熱目標温度Ｔｍとしてもよい。また、Ｖ１は第１ステップにおける加熱電圧、Ｖ２は第２ステップにおける加熱電圧、Ｖ３は第３ステップにおける加熱電圧であり、ｔ１〜ｔ１はそれぞれのステップにおける加熱時間である。
【００３６】
すなわち、常温から目標温度Ｔｍまでこの昇温曲線Ａに沿って加熱する加熱パターンは、Ｖ１×ｔ１（第１ステップ：常温〜Ｔ１）＋Ｖ２×ｔ２（第２ステップ：Ｔ１〜Ｔ２）＋Ｖ３×ｔ３（第３ステップ：Ｔ２〜Ｔｍ）である。
【００３７】
ここで、このワークの加熱開始温度をＴｓとすると、昇温曲線Ａではａ点となり第１ステップの途中から加熱を開始することになので第１ステップの加熱時間はｔｓとすればよい。従って、この場合の加熱コイルの加熱パターンは、Ｖ１×ｔｓ＋Ｖ２×ｔ２＋Ｖ３×ｔ３となる。すなわち、加熱開始温度Ｔｓを測定して、メモリに格納されている加熱パターン（Ｖ１×ｔ１＋Ｖ２×ｔ２＋Ｖ３×ｔ３）から第１ステップの加熱時間ｔｓを算出すれば加熱開始温度Ｔｓ測定部位に対応する加熱コイルの加熱パターンを決定することができる。加熱コイルが複数個に分割されている場合には、各加熱コイル毎に同様にして加熱パターンを決定して、このパターンに沿って加熱すればよい。
【００３８】
以上のような高周波加熱方法によれば、鋼の熱間鍛造のように熱電対の仕様限界を超えるような１２００〜１３００℃という高温加熱に対しても加熱前の温度測定精度のみを考慮すればよいので、精度よく加熱することができる。
【００３９】
（３）表面温度センサ
図５にプローブタイプの表面温度センサ３０の一例を示す。表面温度センサ３０は先端の表面温度を検知する感温部３０２と、この感温部３０２を支持する支持体３０４とを備えている。支持体３０４はステンレス管など所定の強度と耐熱性とを有し誘導加熱の影響を受けにくい非磁性体の中空材からなり、この中空材の軸芯部にシース熱電対３０６が挿通されている。熱電対３０６は一端側がスリーブ（位置決め用のブロックを兼ねる）３０８の内部でリード線３１０に接続され、リード線３１０の端部にはコネクタ３１２が接続されており温度計を介して制御手段などへ測定温度を入力できるようになっている。
【００４０】
図７に示すように従来の表面温度センサ３０のセンサヘッド３０ｂでは、感温部３０２ｂは小径の管にマグネシアなどの断熱材３０５を充填しその軸芯部にシース熱電対３０６が挿通され、シース熱電対３０６の先端の接続部３０７が感温部３０２ｂ先端の表面から僅かに露出して直接被測定物の表面に接触するようになっている。また、支持体３０４ｂは感温部３０２ｂよりも大きい径のパイプからなり、段差部３０３で感温部３０２ｂと一体的に接続している。このような従来の表面温度センサ３０ｂでは、熱電対３０６の先端（接続部３０７）を被測定物に直接接触させるので、応答は早いものの熱電対先端部の熱容量が小さいので不安定であるとともに、感温部３０２ｂと支持体３０４ｂとが一体的に形成されているので、支持体３０４ｂを通じて被測定部位の熱が移動することによって安定して精度の高い表面温度を測定することができなかった。
【００４１】
本発明の表面温度センサ３０のセンサヘッド３０ａ（図５の円内）の断面を図６に模式的に示す。センサヘッド３０ａの感温部３０２ａは熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上の受熱体３２０を有している。この受熱体３２０は鍛造素材表面に接触する一端面３２１が凸状球面であり他端面３２２の中心部にはシース熱電対３０６の接続点３０７が埋め込まれ耐熱接着剤などで固着されている。シース熱電対３０６の先端に金属半球の受熱体３２０を付けるのは、熱電対先端の温度を被測定物の表面温度に等しくさせるためである。このため受熱体３２０は１００Ｗ／ｍＫ以上の高い熱伝導率を持つ材料であることが望ましい。このような高い熱伝導率を持つ材料としては、銅、銅合金、モリブデン、マグネシウム、銀、アルミニウム、アルミニウム合金、あるいは金等を例示することができる。受熱体３２０は小さい方が被測定物の表面温度に対する応答性が高くて好ましいが、余り小さいと被測定物の表面と安定的な熱平衡状態を作ることができないのでノイズが大きくなり好ましくない。受熱体３２０としては、直径が２〜４ｍｍ、厚さが０．５〜１．５ｍｍ程度のものが適当である。また、シース熱電対３０６も細い方が誘導加熱の影響が小さく応答性も早いので好ましく、例えば、その外径が０．５ｍｍ程度のものが適当である。
【００４２】
また、支持体３０４ａには、窓部３０９を設けて、受熱体３１０を通じて支持体３０４ａへの被測定物の熱の移動を小さくしている。支持体３０４ａへの熱の移動を少なくすることで温度センサ３０ａは表面温度を実温に近似して認識することができ、かつ測定値のバラツキを小さくすることができる。
【００４３】
以下、具体的な態様により本発明をさらに詳しく説明する。図５に示す構造を有し、センサヘッド部のみが異なる本態様の表面温度センサＣと従来の表面温度センサＤとを準備し、直径８０ｍｍ×長さ４１５ｍｍのアルミニウム鍛造素材（ＪＩＳ６０６１材）を周波数２．５ｋＨｚの高周波加熱装置１で加熱し、各表面温度センサＣ、Ｄの昇温特性を求めた。また、シース熱電対Ｅの先端をワークＷの表面から０．５ｍｍの深さに埋め込み、同時に加熱して実温の変化とした。
【００４４】
本態様の表面温度センサＣは図６に示すセンサヘッド３０ａとなっている。受熱体３２０は真鍮（Ｃ３６０４ＢＤ−Ｆ）とし、直径４ｍｍ×厚さ１．５ｍｍで接触面３２１の曲面は１０ｍｍＲの球面であり、反対面３２２の中心部にシース熱電対（φ０．０９ｍｍのアロメルクロメル（Ｋ（ＣＡ）熱電対線を外径０．５ｍｍのインコネル（ＮＣＦ６００）のシースに封入したもの）３０６ａを軸心方向に延伸するように耐熱接着剤で固定してある。また、支持体３０４ａは外径４ｍｍ×内径２ｍｍのＳＵＳ３０４のパイプからなり、先端に受熱体３２０をカシメて支持している。支持体３０４ａの受熱体３２０近傍には幅２ｍｍ×長さ１０ｍｍの軸方向に長い窓部３０９、３０９が軸に対して対称に２個穿設されている。なお、上記のセンサヘッド３０ａを除くその他の部分は図５で示す構成となっており、コネクタ３１２が図示しない温度記録計に接続されている。
【００４５】
また、従来の表面温度センサＤは図７に示すセンサヘッド３０ｂとなっている。感温部３０２ｂは外径６ｍｍ×内径４ｍｍ×長さ１６５ｍｍのＳＵＳ３０４のパイプにマグネシアを断熱材３０５として充填し、平面状の断熱材３０５の先端面からシース熱電対（φ０．５１ｍｍアロメルクロメル（Ｋ（ＣＡ）熱電対線を外径３．２ｍｍのステンレス（ＳＵＳ３１６）のシースに封入したもの）３０６ｂを先端を僅かに（約０．５ｍｍ）突出させて軸心上に配置してある。感温部３０２ｂは段差部３０３を介して支持体３０４ｂに一体的に接続されている。なお、上記のセンサヘッド３０ｂを除くその他の部分は表面温度センサＣと同様に図５に示す構成となっている。
【００４６】
上記の表面温度センサＣとＤとを鍛造素材の実温を測定するシース熱電対Ｅの近傍表面に当接して、高周波加熱コイルの加熱電圧を段階的に変化させながら実温が４５０℃に到達するまで素材を加熱して表面温度センサＣとＤとの昇温特性を比較した。加熱電圧は本態様の表面温度センサＣの測定温度が常温〜３５０℃までは５６０Ｖ（ＳＴＥＰ１）、３５０℃〜４３０℃までは５００Ｖ（ＳＴＥＰ２）、４３０℃以上は３５０Ｖ（ＳＴＥＰ３）とした。結果を図８に示す。図８でＣは本態様の表面温度センサＣ、Ｄは従来技術になる表面温度センサＤ、Ｔは実温Ｔを示す熱電対Ｅの昇温曲線である。
【００４７】
図８から分かるように、表面温度センサＣが目標温度の４５０℃を表示したＳＴＥＰ３終了時には、実温Ｔは表面温度センサＣの表示温度よりも約１５℃高い４６５℃であり、表面温度センサＤは実温Ｔよりも５０℃以上も低い４１０℃を表示した。
【００４８】
また、上記の測定試験を３０回繰り返して（Ｎ＝３０）、ＳＴＥＰ３終了時における実温Ｔに対する表面温度センサＣとＤの平均表示温度の差ΔＴ（認識差ともいう）とバラツキ（３σ）とを求めた。従来の表面温度センサＤではΔＴ＝６８．６℃、３σ＝２２．５℃であり、本態様の表面温度センサＣではΔＴ＝１５．０℃、３σ＝１１．５℃であった。本態様の表面温度センサＣは従来の表面温度センサＤに比べて表面温度の認識差とバラツキとを大幅に改善できることが分かる。
【００４９】
なお、本発明の高周波加熱装置、高周波加熱方法および表面温度センサは上記の実施の形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で変更することができる。例えば、上記の表面温度センサの実施の形態では、受熱体の先端形状を凸状球面としたが、ワークの被測温部が平面の場合には受熱体の先端形状を平面としてもよい。平面は加工が容易であるので表面センサの加工費を低減することができる。また、実施の形態では、棒状粗形材を段付き軸状ワークとしたが、軸状ワークに制約されることなく単に異形のワークでもよい。なお加熱コイルも形状に合わせて２個以上に分割して設けることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明の高周波加熱装置は熱間鍛造部材の棒状素材を加熱したり、あるいはロール成形後の段付き軸状ワーク等の異形素材を再加熱する加熱装置として好適である。特に本発明の高周波加熱方法によれば、従来困難であった自動車部材であるナックル、キャリアあるいはアームなどのアルミ鍛造部材の熱間鍛造に高周波加熱を採用することができるので、仕掛かり品の削減と大幅なリードタイムの短縮を実現することができ生産性の向上に寄与すること大である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の高周波加熱装置の好適な実施の形態を説明する概要図である。
【図２】本発明の高周波加熱方法の手順を説明するフローチャートである。
【図３】第１の高周波加熱方法により段付き軸状ワークを加熱した場合の大径部（Ａ’）と小径部（Ｂ’）との昇温曲線を示すグラフの一例である。
【図４】第２の高周波加熱方法を概念的に説明する昇温曲線を示すグラフである。
【図５】本発明の高周波加熱装置に用いる表面温度センサのプローブ形状の概要を説明する説明図である。
【図６】本発明の実施態様における表面温度センサのセンサヘッドの断面概要図である。
【図７】従来技術になる表面温度センサのセンサヘッドの断面概要図である。
【図８】各表面温度センサの昇温特性を実温の変化と比較して示したグラフである。
【符号の説明】
【００５２】
１０：ロール成形素材 １２：大径部 １４：小径部 ２０：高周波加熱コイル
２２：第１の加熱コイル ２４：第２の加熱コイル ３０：表面温度センサ ４０：高周波電源 ５０：制御手段 ３０２：感温部 ３０４：支持体 ３０６：シース熱電対 ３０９：窓部 ３１０：リード線 ３２０：受熱体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鍛造部材においてその素材を加熱する高周波加熱装置と高周波加熱方法およびこれに用いる表面温度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
鍛造部材は、予め棒状素材をロール鍛造機に供して、ロール成形を施し段付き形状の棒状粗形材を成形し、次にこの棒状粗形材をトランスファプレスに供して、荒地鍛造や仕上げ鍛造などを行って順次鍛造成形し、最終的にトリミングを施して所望の鍛造部材を得ることができる。上記のような鍛造部材製造工程において、棒状素材や段付き形状の棒状粗形材は変形抵抗を小さくするために所定の温度まで加熱されてからロール鍛造機やトランスファプレスに供される。
【０００３】
このような棒状粗形材を加熱するために抵抗加熱による電気炉やガスまたは燃料油などを熱源とするバーナ式加熱炉が一般的に用いられている。これらの加熱炉は、比較的簡単かつ迅速に温度制御が可能であり、真空中や雰囲気ガス中でも加熱できるために広く採用されている。しかし、これら従来の加熱炉では装入した素材が所定温度に均一に昇温するまでに長時間を要し生産のリードタイムが長い。このため、仕掛かり材を削減し生産のリードタイムを短縮して生産性を向上させるためのネック工程となっていた。
【０００４】
上記の問題を解決する加熱方法として高周波加熱が知られている（例えば、特許文献１参照）。高周波加熱は鍛造素材を短時間で所望の温度にまで昇温することができるので鍛造部材製造工程を連続工程として大幅な仕掛かり材の削減と生産リードタイムの短縮とを実現することができる。しかし、従来の高周波加熱方法は１個の加熱コイルで一定出力、一定時間加熱するというもので、素材の形状や加熱開始時の素材温度などは考慮されていなかった。このため、段付き形状の棒状粗形材など異形状のワークでは、局部加熱が発生して目標加熱温度を上回るオーバーヒートを起こしたり、異形状ワークの成形部と未成形部とでは温度差があるために部位によって加熱到達温度が異なることがあった。また、頻発停止などのライン状態の変化により素材間の加熱開始温度がばらつき、結果的に素材間の加熱到達温度のバラツキを大きくするという問題があった。
【０００５】
また、従来は鍛造素材の表面温度を知るために非接触の赤外線放射温度計が用いられていた。しかし、赤外線放射温度計は被測定物の表面性状により認識誤差が大きく、さらに測定値のバラツキも大きい。このため加熱開始時の素材温度を測定したとしても得られた測定値を基に加熱条件を制御することができなかった。
【特許文献１】特開２００３−１５５５１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上記のような従来の問題点を解決するためになされたものであり、熱間鍛造部材においてその素材を目標加熱温度に精度よく均一にかつ迅速に加熱する高周波加熱装置と高周波加熱方法とを提供することを課題とする。また、このために計器誤差の小さい安定した測定値の得られる表面温度センサを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の高周波加熱装置は、熱間鍛造で成形される鍛造部材の鍛造素材を加熱する高周波加熱装置であって、鍛造素材を加熱する高周波加熱コイルと、この鍛造素材の表面温度を測定する表面温度センサと、鍛造素材の表面温度によって高周波加熱コイルの出力および／又は加熱時間を制御する制御手段とを備えることを特徴とする。
【０００８】
本発明の高周波加熱装置は、鍛造素材の表面温度を測定する表面温度センサと、鍛造素材の表面温度によって高周波加熱コイルの出力および／又は加熱時間を制御する制御手段とを備えているので、表面温度に沿った加熱が可能となるので加熱到達温度のバラツキを小さくすることができる。従って、鍛造作業の安定化と鍛造部材の品質を安定化することができる。また、加熱開始温度がばらついても到達温度と時間とを制御できるので、鍛造素材の前工程の残熱を利用することができ加熱時間を短縮するとともに省エネルギ化に寄与することができる。
【０００９】
また、本発明の高周波加熱装置は、複数の高周波加熱コイルを備え、制御手段によって各々の加熱コイルの出力と加熱時間とを個別に制御することが望ましい。このような高周波加熱装置においては、鍛造素材が外径の異なる複数の段部を有する段付き軸状ワークであってもよい。例えば、相対的に外径が大きい大径部と、相対的に外径が小さい小径部とを有する軸状ワークを１個の加熱コイルで同時に加熱すると、大径部と小径部とでは昇温速度が異なり、小径部に比べて大径部では昇温速度が遅く、目標加熱温度に到達する時間が遅れることになる。このため、段付き軸状ワークにおいては、ワークの形状に合わせて分割した複数個の高周波加熱コイルを備えることが望ましい。上記のように大径部と小径部とを有するワークでは分割された２個の加熱コイルを用い、それぞれの出力や加熱時間を制御手段で制御することにより鍛造素材全体を均一に加熱昇温することができる。
【００１０】
本発明の第１の高周波加熱方法は、熱間鍛造で成形される鍛造部材の鍛造素材を加熱する高周波加熱方法であって、鍛造素材の表面温度を測定しながら加熱し、昇温途中の所定の温度で高周波加熱コイルの出力を段階的に変更することを特徴とする。この第１の高周波加熱方法によれば、鍛造素材の表面温度を測定しながら加熱し、昇温途中の所定の温度で高周波加熱コイルの出力を段階的に変更するので、鍛造素材の過加熱を回避できるとともに素材間の加熱のバラツキを小さくできる。また、部位により加熱開始温度が異なっても部位毎の到達温度のバラツキを抑制することができる。
【００１１】
本発明の第２の高周波加熱方法は、熱間鍛造で成形される鍛造部材の鍛造素材を加熱する高周波加熱方法であって、高周波加熱前の鍛造素材の表面温度を測定し、この表面温度を加熱開始温度として予め記憶されている加熱パターンに沿って高周波加熱の出力と加熱時間とを制御することを特徴とする。この第２の高周波加熱方法によれば、高周波加熱前の鍛造素材の表面温度のみを測定すればよいので、鋼鍛造部材など高温加熱を要する鍛造素材にも所望の加熱を精度よく施すことができる。
【００１２】
本発明の高周波加熱方法において、鍛造部材はアルミ鍛造部材であることが望ましい。従来の高周波加熱方法では部位によって形状の異なる異形の素材を均一に加熱することが困難であった。このため軟化点や融点の低いアルミ鍛造部材に高周波加熱を採用することは適当ではないと考えられていた。しかし、本発明の第１の高周波加熱方法では加熱中の表面温度を常時測定し、また、第２の高周波加熱方法では予め設定された加熱パターンに沿って加熱することができ、複数の外径を持つ段付き軸状ワーク等の異形の素材についても各外径に対応するように加熱コイルを分割して備えているので、各加熱コイルを個別に昇温制御することでワークの温度分布を比較的均一にすることができる。従って、アルミ鍛造部材についても安定して迅速に加熱することができ、従来、困難であった仕掛かり部材の削減やリードタイムを短縮して生産性を向上することができる。
【００１３】
本発明の表面温度センサは、熱間鍛造で成形される鍛造部材の鍛造素材の表面温度を検出する表面温度センサであって、表面温度を検出する熱電対と、鍛造素材の表面に接触させる感温部と、熱電対を収容し感温部を支持する支持体とを備え、感温部は熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上の受熱体を有することを特徴とする。 本発明の高周波加熱装置では高周波加熱前に鍛造素材の表面温度を精度よく測定しなければならない。従来用いられていた非接触の赤外線放射温度計による測定では実温に対する認識誤差（計器誤差ともいう）が大きく、また、被測定物の表面状態などによる測定値のバラツキも大きいために不適当である。従って、本発明の高周波加熱方法では精度の高い接触式の熱電対で鍛造素材の表面温度を測定することが望ましい。本発明の表面温度センサは、感温部に熱伝導率の高い受熱体を有しているので、受熱体は鍛造素材の表面温度と迅速に平衡して表面温度を精度よく測定することができる。ここで、受熱体は鍛造素材表面に接触する一端面が凸状球面であり他端面の中心部に熱電対の接続点を固着していることが望ましい。鍛造素材表面に接触する一端面が凸状球面であるので、鍛造素材の曲面に受熱体を確実に当接することができる。また、受熱体の他端面の中心部に熱電対の接続点を固着しているので、鍛造素材の表面温度を迅速にかつ精度よく測定することができる。
【００１４】
上記のような受熱体は銅、銅合金、モリブデン、マグネシウム、銀、アルミニウム、アルミニウム合金、あるいは金のうちのいずれかを形成したものであることが好ましい。これらの材料からなる受熱体は熱伝導率が高いので鍛造素材の表面温度を迅速にかつ精度よく測定することができる。
【００１５】
また、支持体の感温部近傍に所定形状の窓部を開設することが好ましい。感温部近傍に窓部を設けることで、鍛造素材の熱の支持体への移動が抑制され、表面温度測定による表面温度の大幅な変動を回避することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の好適な実施の形態について図を参照しながら高周波加熱装置、高周波加熱方法、表面温度センサの順に詳しく説明する。
【００１７】
（１）高周波加熱装置
図１は好適な実施の形態の構成を説明する一部断面概略構成図である。高周波加熱装置１は、鍛造素材１０を加熱する高周波加熱コイル２０と、鍛造素材１０の表面温度を測定する表面温度センサ３０と、鍛造素材１０の表面温度によって高周波加熱コイル２０の出力および／又は加熱時間を制御する制御手段５０とを備えている。
【００１８】
本実施の形態においては、鍛造素材１０はアルミ鍛造部材のトランスファプレスに供する棒状粗形材であり、棒状素材をロール鍛造機に供してロール成形を施し段付き軸状ワークＷとしたものである。
【００１９】
また、高周波加熱コイル２０は、段付き軸状ワークＷの形状に合わせて、ロール成形を施されていない未成形部分である大径部１２を加熱する第１の加熱コイル２２と、ロール成形されたロール成形部分である小径部１４を加熱する第２の加熱コイル２４とに分割されている。そして大径部１２の表面温度は第１の表面温度センサ３２で、また、小径部１４の表面温度は第２の表面温度センサ３４をそれぞれの適宜の被測定表面に当接して測定できるようになっている。
【００２０】
制御部５０は高周波加熱装置１全体を制御するマイクロコンピュータ（ＥＣＵともいう）であり、マイクロコンピュータの入力ポートには、操作パネルやキーボードあるいは各種センサなどが接続されており、ワークの種類などの所望の情報や各センサによる測定値などのデータを入力することができる。また、出力ポートには各加熱コイル２２、２４の出力（電圧）や加熱時間などを制御するのに必要な各種信号を生成する回路（図示せず）を介して高周波電源４０が接続されている。
【００２１】
マイクロコンピュータのメモリには、例えば、ワークの形状データや段付き軸状ワークＷの大径部１２と小径部１４の加熱パターン（加熱条件）などがワークの種類毎に予め格納されている。また、これらのデータや加熱パターンなどによって高周波加熱コイルの出力（電圧）や加熱時間を変化させて加熱温度を制御するプログラムなどが格納されている。
【００２２】
本実施の形態ではワークの所定の温度で高周波加熱コイルの出力を段階的に変更するようにプログラムされている。例えば、ワークを所定の温度まで迅速に加熱するように高電圧を印可する第１ステップと、加熱目標温度に対して過加熱を回避するように印可電圧を下げる第２ステップと、加熱目標温度を維持する第３ステップとであり、測定温度に合わせて加熱電圧を切り替える。つまり、加熱目標温度をＴｍとした場合に、ワークの温度が常温から第１ステップ温度Ｔ１までは加熱コイルの出力をＶ１とし、第１ステップ温度Ｔ１を超えて第２ステップ温度Ｔ２までは加熱コイルの出力をＶ２とし、さらに第２ステップ温度Ｔ２を越えて加熱目標温度Ｔｍまでの第３ステップでは加熱コイルの出力をＶ３に切り替えて加熱するようにする。このようにワークの温度上昇に合わせて段階的に出力を変化させて加熱することでワークを短時間にかつ精度よく加熱目標温度まで昇温することができる。
【００２３】
（２）高周波加熱方法
本発明の第１の高周波加熱方法は、熱間鍛造で成形される鍛造部材の鍛造素材を加熱する高周波加熱方法であって、鍛造素材の表面温度を測定しながら加熱し、昇温途中の所定の温度で高周波加熱コイルの出力を段階的に変更することを特徴とする。
【００２４】
この第１の高周波加熱方法を、第１加熱コイル２２と第２加熱コイル２４とを有し、段付き軸状ワーク（以降、単にワークともいう）Ｗの大径部１２を第１加熱コイル２２で、また、小径部１４を第２加熱コイル２４で加熱する場合を例に説明する。段付き軸状ワークＷは加熱した棒状素材をロール成形して得られるので、ロール成形された小径部は成形時に成形ロールに熱を奪われる。従って、一般的に再加熱工程前では小径部は未成形部である大径部に比べて温度が低い。ここでは、表面温度が大径部で４００℃、また、小径部では２５０℃となっている段付き軸状ワークＷを高周波加熱装置１を用いて加熱目標温度４５０±１５℃に再加熱する場合を例に図２に示すフローチャートに沿って具体的に説明する。
【００２５】
まず、ステップＳ１でワークＷを加熱コイル２０の所定の位置へ配置する。加熱コイル内へはロボットハンドなど適宜の手段を用いて搬入し、ワークＷの両端部をコイル内位置決めストッパーなどで挟持してワークＷを加熱コイル内の所定の位置に配置する。
【００２６】
次に、ステップＳ２では表面温度センサ３２、３４をワークＷの所定表面に当接させて大径部と小径部の表面温度を測定する。表面温度センサは後述する先端の受熱体が表面温度と平衡となるまで被測定表面に当接する。例えば、当接してから３秒後の測定値を加熱開始温度とする。（この例では加熱開始温度は大径部では４００℃、小径部では２５０℃である。）
【００２７】
ステップＳ３でＥＣＵは表面温度を測定しながら高周波加熱コイル２２、２４に通電してワークの加熱を開始する。メモリには第１ステップ温度Ｔ１＝２８０℃、第１ステップ加熱電圧（出力）Ｖ１＝５６０Ｖ、第２ステップ温度Ｔ２＝３００℃、第２ステップ加熱電圧（出力）Ｖ２＝５００Ｖ、第３テップ温度Ｔ３＝４３０℃、第３ステップ加熱電圧（出力）Ｖ３＝３００Ｖと設定されているので、ＥＣＵは、まず大径部を加熱する第１加熱コイル２２には３００Ｖ（大径部の加熱開始温度は４００℃）を、また、小径部を加熱する第２加熱コイル２４には５６０Ｖ（小径部の加熱開始温度は２５０℃）を印可する。
【００２８】
次に、ステップＳ４では、ＥＣＵは小径部の温度が２８０℃に到達したら第２加熱コイル２４の加熱電圧を５００Ｖに切り替える。しかし、第１加熱コイル２２の加熱電圧は３００Ｖを維持する。
【００２９】
ステップＳ５では、ＥＣＵは小径部の温度が３００℃に到達したら第２加熱コイル２４の加熱電圧を３００Ｖに切り替える。なお、第１加熱コイル２２の加熱電圧は引き続き３００Ｖを維持する。
【００３０】
所定時間経過後、大径部の表面温度と小径部の表面温度とが加熱目標温度４５０℃で一致したら、ＥＣＵはステップＳ６で各加熱コイルの加熱を終了する。
【００３１】
ステップＳ７では、ＥＣＵは加熱終了後速やかにワークＷを加熱コイル２０から取り出し、トランスファプレスなど次工程へ送るようにする。加熱コイルからのワークの取り出しと次工程への搬送は、ステップＳ１と同様にロボットハンドなど適宜の手段を用いればよい。なお、ワークＷは１個ずつ加熱して順次次工程へ搬送するようにする。
【００３２】
このようにして得られたワークＷの大径部と小径部との昇温曲線を図３に示す。図中◆は大径部の昇温曲線Ａ’であり、▲は小径部の昇温曲線Ｂ’である。図３では再加熱開始後約３０秒で昇温曲線Ａ’とＢ’とが破線で示す加熱目標温度４５０℃で一致することが分かる。
【００３３】
また、本発明の第２の高周波加熱方法は、熱間鍛造で成形される鍛造部材の鍛造素材を加熱する高周波加熱方法であって、高周波加熱前の鍛造素材の表面温度を測定し、この表面温度を加熱開始温度として予め記憶されている加熱パターンに沿って高周波加熱の出力と加熱時間とを制御することを特徴とする。
【００３４】
第１の高周波加熱方法では、ワークの表面温度を測定しながら到達温度によってそれぞれの加熱コイルの加熱電圧を制御する温度制御としたが、本第２の方法は、各部分の加熱開始温度のみを測定して予め設定されている加熱条件を基に加熱パターンを決定して、この加熱パターンに沿って加熱コイルの加熱電圧と加熱時間とを制御する方法である。図４の昇温曲線Ａのグラフを参照しながら第２の高周波加熱方法を詳細に説明する。
【００３５】
図４で縦軸は表面温度Ｔ（℃）、横軸は加熱時間ｔ（秒）であり、Ｔ１は第１ステップ温度、Ｔ２は第２ステップ温度、Ｔ３は第３ステップ温度である。なおＴ３は加熱目標温度Ｔｍとしてもよい。また、Ｖ１は第１ステップにおける加熱電圧、Ｖ２は第２ステップにおける加熱電圧、Ｖ３は第３ステップにおける加熱電圧であり、ｔ１〜ｔ１はそれぞれのステップにおける加熱時間である。
【００３６】
すなわち、常温から目標温度Ｔｍまでこの昇温曲線Ａに沿って加熱する加熱パターンは、Ｖ１×ｔ１（第１ステップ：常温〜Ｔ１）＋Ｖ２×ｔ２（第２ステップ：Ｔ１〜Ｔ２）＋Ｖ３×ｔ３（第３ステップ：Ｔ２〜Ｔｍ）である。
【００３７】
ここで、このワークの加熱開始温度をＴｓとすると、昇温曲線Ａではａ点となり第１ステップの途中から加熱を開始することになので第１ステップの加熱時間はｔｓとすればよい。従って、この場合の加熱コイルの加熱パターンは、Ｖ１×ｔｓ＋Ｖ２×ｔ２＋Ｖ３×ｔ３となる。すなわち、加熱開始温度Ｔｓを測定して、メモリに格納されている加熱パターン（Ｖ１×ｔ１＋Ｖ２×ｔ２＋Ｖ３×ｔ３）から第１ステップの加熱時間ｔｓを算出すれば加熱開始温度Ｔｓ測定部位に対応する加熱コイルの加熱パターンを決定することができる。加熱コイルが複数個に分割されている場合には、各加熱コイル毎に同様にして加熱パターンを決定して、このパターンに沿って加熱すればよい。
【００３８】
以上のような高周波加熱方法によれば、鋼の熱間鍛造のように熱電対の仕様限界を超えるような１２００〜１３００℃という高温加熱に対しても加熱前の温度測定精度のみを考慮すればよいので、精度よく加熱することができる。
【００３９】
（３）表面温度センサ
図５にプローブタイプの表面温度センサ３０の一例を示す。表面温度センサ３０は先端の表面温度を検知する感温部３０２と、この感温部３０２を支持する支持体３０４とを備えている。支持体３０４はステンレス管など所定の強度と耐熱性とを有し誘導加熱の影響を受けにくい非磁性体の中空材からなり、この中空材の軸芯部にシース熱電対３０６が挿通されている。熱電対３０６は一端側がスリーブ（位置決め用のブロックを兼ねる）３０８の内部でリード線３１０に接続され、リード線３１０の端部にはコネクタ３１２が接続されており温度計を介して制御手段などへ測定温度を入力できるようになっている。
【００４０】
図７に示すように従来の表面温度センサ３０のセンサヘッド３０ｂでは、感温部３０２ｂは小径の管にマグネシアなどの断熱材３０５を充填しその軸芯部にシース熱電対３０６が挿通され、シース熱電対３０６の先端の接続部３０７が感温部３０２ｂ先端の表面から僅かに露出して直接被測定物の表面に接触するようになっている。また、支持体３０４ｂは感温部３０２ｂよりも大きい径のパイプからなり、段差部３０３で感温部３０２ｂと一体的に接続している。このような従来の表面温度センサ３０ｂでは、熱電対３０６の先端（接続部３０７）を被測定物に直接接触させるので、応答は早いものの熱電対先端部の熱容量が小さいので不安定であるとともに、感温部３０２ｂと支持体３０４ｂとが一体的に形成されているので、支持体３０４ｂを通じて被測定部位の熱が移動することによって安定して精度の高い表面温度を測定することができなかった。
【００４１】
本発明の表面温度センサ３０のセンサヘッド３０ａ（図５の円内）の断面を図６に模式的に示す。センサヘッド３０ａの感温部３０２ａは熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上の受熱体３２０を有している。この受熱体３２０は鍛造素材表面に接触する一端面３２１が凸状球面であり他端面３２２の中心部にはシース熱電対３０６の接続点３０７が埋め込まれ耐熱接着剤などで固着されている。シース熱電対３０６の先端に金属半球の受熱体３２０を付けるのは、熱電対先端の温度を被測定物の表面温度に等しくさせるためである。このため受熱体３２０は１００Ｗ／ｍＫ以上の高い熱伝導率を持つ材料であることが望ましい。このような高い熱伝導率を持つ材料としては、銅、銅合金、モリブデン、マグネシウム、銀、アルミニウム、アルミニウム合金、あるいは金等を例示することができる。受熱体３２０は小さい方が被測定物の表面温度に対する応答性が高くて好ましいが、余り小さいと被測定物の表面と安定的な熱平衡状態を作ることができないのでノイズが大きくなり好ましくない。受熱体３２０としては、直径が２〜４ｍｍ、厚さが０．５〜１．５ｍｍ程度のものが適当である。また、シース熱電対３０６も細い方が誘導加熱の影響が小さく応答性も早いので好ましく、例えば、その外径が０．５ｍｍ程度のものが適当である。
【００４２】
また、支持体３０４ａには、窓部３０９を設けて、受熱体３１０を通じて支持体３０４ａへの被測定物の熱の移動を小さくしている。支持体３０４ａへの熱の移動を少なくすることで温度センサ３０ａは表面温度を実温に近似して認識することができ、かつ測定値のバラツキを小さくすることができる。
【００４３】
以下、具体的な態様により本発明をさらに詳しく説明する。図５に示す構造を有し、センサヘッド部のみが異なる本態様の表面温度センサＣと従来の表面温度センサＤとを準備し、直径８０ｍｍ×長さ４１５ｍｍのアルミニウム鍛造素材（ＪＩＳ６０６１材）を周波数２．５ｋＨｚの高周波加熱装置１で加熱し、各表面温度センサＣ、Ｄの昇温特性を求めた。また、シース熱電対Ｅの先端をワークＷの表面から０．５ｍｍの深さに埋め込み、同時に加熱して実温の変化とした。
【００４４】
本態様の表面温度センサＣは図６に示すセンサヘッド３０ａとなっている。受熱体３２０は真鍮（Ｃ３６０４ＢＤ−Ｆ）とし、直径４ｍｍ×厚さ１．５ｍｍで接触面３２１の曲面は１０ｍｍＲの球面であり、反対面３２２の中心部にシース熱電対（φ０．０９ｍｍのアロメルクロメル（Ｋ（ＣＡ）熱電対線を外径０．５ｍｍのインコネル（ＮＣＦ６００）のシースに封入したもの）３０６ａを軸心方向に延伸するように耐熱接着剤で固定してある。また、支持体３０４ａは外径４ｍｍ×内径２ｍｍのＳＵＳ３０４のパイプからなり、先端に受熱体３２０をカシメて支持している。支持体３０４ａの受熱体３２０近傍には幅２ｍｍ×長さ１０ｍｍの軸方向に長い窓部３０９、３０９が軸に対して対称に２個穿設されている。なお、上記のセンサヘッド３０ａを除くその他の部分は図５で示す構成となっており、コネクタ３１２が図示しない温度記録計に接続されている。
【００４５】
また、従来の表面温度センサＤは図７に示すセンサヘッド３０ｂとなっている。感温部３０２ｂは外径６ｍｍ×内径４ｍｍ×長さ１６５ｍｍのＳＵＳ３０４のパイプにマグネシアを断熱材３０５として充填し、平面状の断熱材３０５の先端面からシース熱電対（φ０．５１ｍｍアロメルクロメル（Ｋ（ＣＡ）熱電対線を外径３．２ｍｍのステンレス（ＳＵＳ３１６）のシースに封入したもの）３０６ｂを先端を僅かに（約０．５ｍｍ）突出させて軸心上に配置してある。感温部３０２ｂは段差部３０３を介して支持体３０４ｂに一体的に接続されている。なお、上記のセンサヘッド３０ｂを除くその他の部分は表面温度センサＣと同様に図５に示す構成となっている。
【００４６】
上記の表面温度センサＣとＤとを鍛造素材の実温を測定するシース熱電対Ｅの近傍表面に当接して、高周波加熱コイルの加熱電圧を段階的に変化させながら実温が４５０℃に到達するまで素材を加熱して表面温度センサＣとＤとの昇温特性を比較した。加熱電圧は本態様の表面温度センサＣの測定温度が常温〜３５０℃までは５６０Ｖ（ＳＴＥＰ１）、３５０℃〜４３０℃までは５００Ｖ（ＳＴＥＰ２）、４３０℃以上は３５０Ｖ（ＳＴＥＰ３）とした。結果を図８に示す。図８でＣは本態様の表面温度センサＣ、Ｄは従来技術になる表面温度センサＤ、Ｔは実温Ｔを示す熱電対Ｅの昇温曲線である。
【００４７】
図８から分かるように、表面温度センサＣが目標温度の４５０℃を表示したＳＴＥＰ３終了時には、実温Ｔは表面温度センサＣの表示温度よりも約１５℃高い４６５℃であり、表面温度センサＤは実温Ｔよりも５０℃以上も低い４１０℃を表示した。
【００４８】
また、上記の測定試験を３０回繰り返して（Ｎ＝３０）、ＳＴＥＰ３終了時における実温Ｔに対する表面温度センサＣとＤの平均表示温度の差ΔＴ（認識差ともいう）とバラツキ（３σ）とを求めた。従来の表面温度センサＤではΔＴ＝６８．６℃、３σ＝２２．５℃であり、本態様の表面温度センサＣではΔＴ＝１５．０℃、３σ＝１１．５℃であった。本態様の表面温度センサＣは従来の表面温度センサＤに比べて表面温度の認識差とバラツキとを大幅に改善できることが分かる。
【００４９】
なお、本発明の高周波加熱装置、高周波加熱方法および表面温度センサは上記の実施の形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で変更することができる。例えば、上記の表面温度センサの実施の形態では、受熱体の先端形状を凸状球面としたが、ワークの被測温部が平面の場合には受熱体の先端形状を平面としてもよい。平面は加工が容易であるので表面センサの加工費を低減することができる。また、実施の形態では、棒状粗形材を段付き軸状ワークとしたが、軸状ワークに制約されることなく単に異形のワークでもよい。なお加熱コイルも形状に合わせて２個以上に分割して設けることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明の高周波加熱装置は熱間鍛造部材の棒状素材を加熱したり、あるいはロール成形後の段付き軸状ワーク等の異形素材を再加熱する加熱装置として好適である。特に本発明の高周波加熱方法によれば、従来困難であった自動車部材であるナックル、キャリアあるいはアームなどのアルミ鍛造部材の熱間鍛造に高周波加熱を採用することができるので、仕掛かり品の削減と大幅なリードタイムの短縮を実現することができ生産性の向上に寄与すること大である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の高周波加熱装置の好適な実施の形態を説明する概要図である。
【図２】本発明の高周波加熱方法の手順を説明するフローチャートである。
【図３】第１の高周波加熱方法により段付き軸状ワークを加熱した場合の大径部（Ａ’）と小径部（Ｂ’）との昇温曲線を示すグラフの一例である。
【図４】第２の高周波加熱方法を概念的に説明する昇温曲線を示すグラフである。
【図５】本発明の高周波加熱装置に用いる表面温度センサのプローブ形状の概要を説明する説明図である。
【図６】本発明の実施態様における表面温度センサのセンサヘッドの断面概要図である。
【図７】従来技術になる表面温度センサのセンサヘッドの断面概要図である。
【図８】各表面温度センサの昇温特性を実温の変化と比較して示したグラフである。
【符号の説明】
【００５２】
１０：ロール成形素材 １２：大径部 １４：小径部 ２０：高周波加熱コイル
２２：第１の加熱コイル ２４：第２の加熱コイル ３０：表面温度センサ ４０：高周波電源 ５０：制御手段 ３０２：感温部 ３０４：支持体 ３０６：シース熱電対 ３０９：窓部 ３１０：リード線 ３２０：受熱体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱間鍛造で成形される鍛造部材の鍛造素材を加熱する高周波加熱装置であって、
前記鍛造素材を加熱する高周波加熱コイルと、
前記鍛造素材の表面温度を測定する表面温度センサと、
前記鍛造素材の表面温度によって前記高周波加熱コイルの出力および／又は加熱時間を制御する制御手段とを備えることを特徴とする高周波加熱装置。
【請求項２】
複数の前記高周波加熱コイルを備え、前記制御手段は前記各高周波加熱コイルの出力と加熱時間とを個別に制御する請求項１に記載の高周波加熱装置。
【請求項３】
前記鍛造素材は外径の異なる複数の段部を有する段付き軸状ワークである請求項２に記載の高周波加熱装置。
【請求項４】
熱間鍛造で成形される鍛造部材の鍛造素材を加熱する高周波加熱方法であって、
前記鍛造素材の表面温度を測定しながら加熱し、昇温途中の所定の温度で高周波加熱コイルの出力を段階的に変更することを特徴とする高周波加熱方法。
【請求項５】
熱間鍛造で成形される鍛造部材の鍛造素材を加熱する高周波加熱方法であって、
高周波加熱前の前記鍛造素材の表面温度を測定し、該表面温度を加熱開始温度として予め記憶されている加熱パターンに沿って高周波加熱コイルの出力と加熱時間とを制御することを特徴とする高周波加熱方法。
【請求項６】
前記鍛造部材はアルミ鍛造部材である請求項４又は５に記載の高周波加熱方法。
【請求項７】
熱間鍛造で成形される鍛造部材の鍛造素材の表面温度を検出する表面温度センサであって、
前記表面温度を検出する熱電対と、
前記鍛造素材の表面に接触させる感温部と、
前記熱電対を収容し前記感温部を支持する支持体と、を備え、
前記感温部は熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上の受熱体を有することを特徴とする表面温度センサ。
【請求項８】
前記受熱体は一端面が前記鍛造素材表面に接触する凸状球面であり他端面の中心部に前記熱電対の接続点を固着している請求項７に記載の表面温度センサ。
【請求項９】
前記受熱体は銅、銅合金、モリブデン、マグネシウム、銀、アルミニウム、アルミニウム合金、あるいは金のうちのいずれかを形成したものである請求項７又は８に記載の表面温度センサ。
【請求項１０】
前記支持体の前記感温部近傍に窓部を開設した請求項７〜９のいずれかに記載の表面温度センサ。
【請求項１】
熱間鍛造で成形される鍛造部材の鍛造素材を加熱する高周波加熱装置であって、
前記鍛造素材を加熱する高周波加熱コイルと、
前記鍛造素材の表面温度を測定する表面温度センサと、
前記鍛造素材の表面温度によって前記高周波加熱コイルの出力および／又は加熱時間を制御する制御手段とを備えることを特徴とする高周波加熱装置。
【請求項２】
複数の前記高周波加熱コイルを備え、前記制御手段は前記各高周波加熱コイルの出力と加熱時間とを個別に制御する請求項１に記載の高周波加熱装置。
【請求項３】
前記鍛造素材は外径の異なる複数の段部を有する段付き軸状ワークである請求項２に記載の高周波加熱装置。
【請求項４】
熱間鍛造で成形される鍛造部材の鍛造素材を加熱する高周波加熱方法であって、
前記鍛造素材の表面温度を測定しながら加熱し、昇温途中の所定の温度で高周波加熱コイルの出力を段階的に変更することを特徴とする高周波加熱方法。
【請求項５】
熱間鍛造で成形される鍛造部材の鍛造素材を加熱する高周波加熱方法であって、
高周波加熱前の前記鍛造素材の表面温度を測定し、該表面温度を加熱開始温度として予め記憶されている加熱パターンに沿って高周波加熱コイルの出力と加熱時間とを制御することを特徴とする高周波加熱方法。
【請求項６】
前記鍛造部材はアルミ鍛造部材である請求項４又は５に記載の高周波加熱方法。
【請求項７】
熱間鍛造で成形される鍛造部材の鍛造素材の表面温度を検出する表面温度センサであって、
前記表面温度を検出する熱電対と、
前記鍛造素材の表面に接触させる感温部と、
前記熱電対を収容し前記感温部を支持する支持体と、を備え、
前記感温部は熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上の受熱体を有することを特徴とする表面温度センサ。
【請求項８】
前記受熱体は一端面が前記鍛造素材表面に接触する凸状球面であり他端面の中心部に前記熱電対の接続点を固着している請求項７に記載の表面温度センサ。
【請求項９】
前記受熱体は銅、銅合金、モリブデン、マグネシウム、銀、アルミニウム、アルミニウム合金、あるいは金のうちのいずれかを形成したものである請求項７又は８に記載の表面温度センサ。
【請求項１０】
前記支持体の前記感温部近傍に窓部を開設した請求項７〜９のいずれかに記載の表面温度センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００６−３５１４７７（Ｐ２００６−３５１４７７Ａ）
【公開日】平成１８年１２月２８日（２００６．１２．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１７９５０７（Ｐ２００５−１７９５０７）
【出願日】平成１７年６月２０日（２００５．６．２０）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（５９２０８２７７８）豊通エンジニアリング株式会社 (8)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１２月２８日（２００６．１２．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年６月２０日（２００５．６．２０）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（５９２０８２７７８）豊通エンジニアリング株式会社 (8)
【Ｆターム（参考）】
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