JP5549791B1 - 高周波誘導加熱装置、加工装置 - Google Patents

Abstract

被加工材の板厚よりも電磁波の浸透深さが大きくなる周波数を用いて、外向きフランジを有する被加工材をその全周にわたって焼入れすることができる高周波誘導加熱装置を提供する。
閉じた横断面を有するとともに外向きフランジ１２ａを有する長尺かつ中空の鋼製の被加工材１２を素材として屈曲部材を製造する３ＤＱにおいて被加工材１２を加熱するために用いられる高周波誘導加熱コイル１１を備える高周波誘導加熱装置１０である。高周波誘導加熱コイル１１は、外向きフランジ１２ａの両面１２ａ−１、１２ａ−２から離れ、かつ挟んで対向して配置される磁性体コア１３と、磁性体コア１３に接続されるとともに被加工材１２の外周のうちの外向きフランジ１２ａを除いた一般部１３ｂを取り囲んで配置される誘導加熱コイル１４とを有する。

Description

本発明は、高周波誘導加熱装置、およびこれを用いた加工装置に関し、具体的には、閉じた横断面を有するとともに外向きフランジを有する鋼製の被加工材に対して高周波焼入れおよび加工を同時に行う熱間三次元加工（以下、この熱間三次元加工を「３ＤＱ」という。）を行う際に、被加工材の板厚よりも電磁波の浸透深さが大きくなる周波数を用いて、フランジを９００℃以上に加熱することができるとともに被加工材の長手方向（送り方向）への加熱範囲（加熱幅）を可能な限り狭くすることができる高周波誘導加熱装置、およびこれを用いた加工装置に関する。

本出願人は、先に特許文献１により、閉じた閉断面を有する中空の鋼製の被加工材に対して高周波焼入れおよび加工を同時に行う３ＤＱを開示した。図１１は、加工装置０を用いて３ＤＱにより屈曲部材を製造する状況を示す説明図である。

図１１に示すように、加工装置０は、不図示の送り装置、支持手段４、高周波誘導加熱装置５、水冷装置６、及び関節型ロボット７を備えている。ここで送り装置は、閉じた断面形状を有する長尺の鋼管１をその長手方向へ送る装置である。すなわち、鋼管１は、つかみ部２で保持され、送り装置により、所定の送り速度で軸方向（長手方向）へ送られる。
支持手段４は、送り装置によりその軸方向へ送られる鋼管１を移動自在に支持する。すなわち、鋼管１は、支持手段４の設置位置を通過して、軸方向へ送られる。
高周波誘導加熱装置５は、送られる鋼管１の送り方向について支持手段４よりも下流で鋼管１を部分的に加熱する。これにより鋼管１は、部分的に急速に加熱される。
水冷装置６は、鋼管１の送り方向について高周波誘導加熱装置５よりも下流において、加熱された部分を冷却する。鋼管１は高周波誘導加熱装置５と水冷装置６との間において高温に加熱されるので、変形抵抗が大幅に低下した状態にある。従って、鋼管１は、水冷装置６により、高周波誘導加熱装置５により加熱された部分を急速に冷却される。
関節型ロボット７は、鋼管１の送り方向について水冷装置６よりも下流で、送られる鋼管１を把持手段７aで把持しながら少なくとも鋼管１の送り方向を含む三次元の方向へ移動する。これにより、鋼管１における、高周波誘導加熱装置５により加熱された部分に曲げモーメントを与え、金属材を３次元的に曲げる。関節型ロボット７を用いることにより、簡単に鋼管１の送り方向を含む三次元の方向へ移動自在に支持することができる。

基本的に、関節型ロボット７によりその軸方向へ移動自在に支持された鋼管１を上流側から下流側へ向けて、送り装置により送りながら、支持手段４の下流で鋼管１に例えば曲げ加工を行って屈曲部材を製造する。

支持手段４の下流に配置される高周波誘導加熱装置５により鋼管１を部分的に焼入れが可能な温度域に急速に加熱するとともに高周波誘導加熱装置５の下流に配置される水冷装置６により鋼管１を急冷することによって、鋼管１の軸方向であって鋼管１の送り方向と反対方向へ移動する高温部（赤熱部）を鋼管１に形成する。そして、鋼管１を送りながら関節型ロボット７を二次元または三次元で移動して赤熱部に例えば曲げモーメントを付与することにより鋼管１に加工を行う。

この際、鋼管１の加熱温度および冷却速度を適切に設定しておけば、鋼管１を焼入れることができる。このため、３ＤＱによれば、高い作業能率で高強度かつ軽量の屈曲部材を製造できる。

図１２は、閉じた横断面を有するとともに外向きフランジ９ａを有する中空かつ鋼製の被加工材９に対して、３ＤＱにより高周波焼入れおよび曲げ加工を同時に行う状況を示す説明図であり、図１２（ａ）は斜視図、図１２（ｂ）は図１２（ａ）におけるＣ−Ｃ断面図である。

図１２（ａ）および図１２（ｂ）に示すように、被加工材９の全周を取り囲んで配置される従来技術による通常の高周波誘導加熱装置５により被加工材９をその周方向に均一に加熱しようとすると、被加工材９の外向きフランジ９ａを加熱することができない。この理由は、以下に説明するように、電磁波の浸透深さが原因である。

図１３は、被加工材９の外向きフランジ９ａが加熱されない理由を概念的に示す説明図である。図１３（ａ）は被加工材９の外向きフランジ９ａを除く一般部９ｂにおける電磁波の浸透深さが一般部９ｂの板厚よりも大きい場合における高周波誘導加熱コイル５を流れるコイル電流と一般部９ｂに発生する渦電流の流れ方を示した。図１３（ｂ）は被加工材９の外向きフランジ９ａにおける電磁波の浸透深さが外向きフランジ９ａの板厚よりも大きい場合におけるコイル電流と渦電流の流れ方を示した。図１３（ｃ）は被加工材９の一般部９ｂにおける電磁波の浸透深さが一般部９ｂの板厚よりも小さい場合におけるコイル電流と渦電流の流れ方を示した。図１３（ｄ）は被加工材９の外向きフランジ９ａにおける電磁波の浸透深さが外向きフランジ９ａの板厚よりも小さい場合におけるコイル電流と渦電流の流れ方を示した。

図１３（ａ）乃至図１３（ｄ）に示すように、誘導加熱によって被加工材９に発生する渦電流は、白抜き矢印で示す高周波誘導加熱装置５の加熱コイルの電流流れに沿うように流れる。この場合、図１３（ｂ）におけるＡ部により示すように、外向きフランジ９ａでは渦電流が互いに打ち消し合って殆ど流れないため、外向きフランジ９ａは加熱されない。これを防止するためには、渦電流による外向きフランジ９ａの加熱をその表層付近のみとして渦電流が互いに打ち消し合わないようにするために、図１３（ｄ）におけるＢ部に示すように、コイル電流の周波数を上げて電磁波の浸透深さを浅くする必要がある。しかし、そうすると当然のことながら、図１３（ｃ）に示すように、一般部９ｂの表層のみの加熱となるために加熱効率が低下するとともに、浸透深さを浅くし過ぎると発熱量が不足して加熱自体が不完全になる。このため、図１２に示される通常の高周波誘導加熱装置５を用いる場合は、浸透深さが外向きフランジ９ａの板厚と同程度から１／２程度となる範囲の周波数に設定することが適切である。

ここで、浸透深さδ（ｍ）は、式（２）により算出される。式（２）における符号μは透磁率、符号μ’は比透磁率、符号μ_０は真空の透磁率、符号ωは角振動数、符号ｆは周波数、符号σは導電率である。

式（２）から、電磁波の浸透深さδ（ｍ）は、周波数ｆが高く、透磁率μまたは導電率σが大きいほど小さくなる。鋼材は、室温では比透磁率μ’が１００乃至１０００程度の強磁性体であるが、磁気変態温度（７８０℃程度）以上では磁性を喪失するため、比透磁率μ’は１まで低下する。すなわち、磁気変態温度を境として、浸透深さδ（ｍ）も大きく変化する。

図１４は、高周波誘導加熱装置の電流の周波数と浸透深さとの関係を示すグラフである。なお、図１４のグラフでは、磁気変態温度以下の場合には比透磁率１００、導電率１×１０^７Ｓ／ｍとし、磁気変態温度以上の場合には比透磁率１、導電率９×１０^５Ｓ／ｍとした。

３ＤＱにより鋼製の被加工材の焼入れを行うためには、オーステナイトに変態するＡ_３点温度（約９００℃）以上まで被加工材を加熱する必要があり、Ａ_３点は磁気変態温度以上である。よって、被加工材の高周波焼入れでは、磁気変態温度以上での浸透深さを評価する必要がある。図１４のグラフから、板厚が例えば１ｍｍのフランジの高周波焼入れを行うためには、渦電流の打ち消し合いを抑制するために、浸透深さが板厚と同程度の１ｍｍ以下となる３００ｋＨｚ以上の周波数を用いる必要があることが分かる。

しかし、高周波誘導加熱において加熱目標温度が同じである場合には、周波数が高いほど高出力な電源が必要となる。高出力な電源は、設備費用が非常に高く、操業費用も高くなるという問題がある。このため、被加工材の磁気変態温度以上の浸透深さが板厚以上となる周波数を用いて、低出力の電源を用いて、フランジを加熱することが可能な高周波誘導加熱コイルを開発する必要がある。

特許文献２には、被加工材の外向きフランジに沿って、被加工材の軸方向にオフセットした形状を有する高周波誘導加熱コイルを用いて、外向きフランジを有する被加工材をその周方向へ均一に加熱する発明が開示されている。

国際公開第２００６／０９３００６号パンフレット 国際公開第２０１２／００５０７６号パンフレット

特許文献２により開示された、被加工材の軸方向にオフセットした形状を有する高周波誘導加熱コイルを用いて被加工材を加熱すると、不可避的に被加工材の軸方向への加熱範囲（加熱幅）が広くなる。

しかし、図１１を参照しながら上述したように、３ＤＱでは、高周波誘導加熱装置５とその下流に配置される水冷装置６とにより形成された、鋼管１の軸方向へ移動する高温部（赤熱部）に、関節型ロボット７を用いて例えば曲げモーメントを付与して加工を行う。このため、３ＤＱにおいて、鋼管１の軸方向への加熱範囲（加熱幅）が広くなると、製造される屈曲部材の寸法精度が著しく低下する。ここで、加熱幅とは、鋼管１が軟化する８００℃以上に加熱される領域を意味しており、高周波誘導加熱装置５付近から加熱が開始されて８００℃に達した位置から、水冷装置６により鋼管１が冷却されて８００℃以下となる位置までの領域である。３ＤＱにおける加工精度を確保するためには、鋼管１の加熱幅を可能な限り狭くする必要がある。

本発明の目的は、被加工材の板厚よりも電磁波の浸透深さが大きくなる周波数を用いて、外向きフランジを有する被加工材をその全周にわたって焼入れることができる高周波誘導加熱装置を提供することである。具体的には、閉じた横断面を有するとともに外向きフランジを備える鋼製の被加工材に対して３ＤＱを行う際に、被加工材の板厚よりも電磁波の浸透深さが大きくなる周波数を用い、これにより、被加工材の板厚よりも電磁波の浸透深さが小さくなる周波数を用いた高出力の電源装置よりも低出力の電源装置で外向きフランジを９００℃以上に加熱することができるとともに被加工材の加熱幅を可能な限り狭くすることができる高周波誘導加熱装置を提供することである。また、これを用いた加工装置を提供する。

本発明の第一の態様は、閉じた横断面を有するとともに外向きフランジを有する長尺かつ中空の鋼製の被加工材の長手方向へ移動する高温部をこの被加工材に形成しながら高温部に外力を与えることによって屈曲部材を製造する熱間３次元加工において被加工材を加熱するために用いられる高周波誘導加熱コイルを備え、この高周波誘導加熱コイルが、外向きフランジの両面から離れてこの両面を挟んで対向して配置される磁性体コアと、この磁性体コアに接続されるとともに被加工材の外周のうちの外向きフランジを除いた一般部を取り囲んで配置される誘導加熱コイルとを有することを特徴とする高周波誘導加熱装置である。

本発明における磁性体コアは、例えばフェライトコアであり、セラミックとして焼結されたＦｅ酸化物の強磁性体であり、磁性を有するとともに電気抵抗が高い材質であって、具体的には、比透磁率が少なくとも３以上、電気抵抗率が少なくとも１Ωｍ以上であることが好ましく、さらに好ましくは１０Ωｍ以上である。また、磁性体コアの材質は、フェライトコアに限定する必要はなく、同等以上の物性を有する他の材質でもよい。

本発明では、誘導加熱コイルが、高周波電力発生装置に接続される第１の部分と、第１の部分に接続されるとともに被加工材の長手方向へ向けて延設される第２の部分と、第２の部分に接続されるとともに被加工材の一般部の周囲を取り囲んで配置される第３の部分と、第３の部分に接続されるとともに被加工材の長手方向へ向けて延設される第４の部分と、第４の部分と高周波電力発生装置とを接続する第５の部分とを備え、かつ、第５の部分は高温部の移動方向の反対方向（被加工材の送り方向）について第３の部分よりも上流側に位置することが好ましい。

この場合、第２の部分および第４の部分を流れる電流は、互いに反対方向へ流れることが例示される。

これらの本発明では、磁性体コアは、外向きフランジに平行な２つの部位を被加工材における高温部の移動方向の下流側に備え、これら２つの部位が、外向きフランジに対して貫通するように、最も好ましくは外向きフランジに対して略垂直方向に、磁束を発生するとともに、第２の部分および第４の部分の間に第４の部分を渡すように、配置されることが好ましい。

これらの本発明では、磁性体コアは、第３の部分に対して高温部の移動方向の下流側にだけ配置されることが好ましい。

さらに、被加工材の長手方向についての磁性体コアの長さをＬ（ｍｍ）とし、誘導加熱コイルの電流周波数をｆ（ｋＨｚ）とするとともに、被加工材における高温部の移動速度（被加工材の送り速度）をｖ（ｍｍ／ｓ）とした場合に、下記式（１）の関係を満足することが望ましい。

本発明の第２の態様は、中空の鋼製の被加工材の長手方向へ移動する高温部を該被加工材に形成しながら前記高温部に外力を与えることによって屈曲部材を製造する熱間３次元加工をする加工装置であって、上記した第１の態様の高周波誘導加熱装置と、高周波誘導加熱装置の下流側に配置される冷却装置と、前記冷却装置の下流側に設けられ、被加工材を支持して外力を与える装置と、を備える加工装置である。

本発明により、被加工材の板厚よりも電磁波の浸透深さが大きくなる周波数を用いて、外向きフランジを有する被加工材をその全周にわたって焼入れることができる高周波誘導加熱装置が提供される。具体的には、本発明により、閉じた横断面を有するとともに外向きフランジを具備する鋼製の被加工材に対して３ＤＱを行う際に、被加工材の板厚よりも電磁波の浸透深さが大きくなる周波数を用いて、外向きフランジを９００℃以上に加熱することができるとともに被加工材の加熱幅を可能な限り狭くすることができる高周波誘導加熱装置が提供される。
また、この高周波誘導加熱装置を加工装置に用いることにより当該加工装置も同様の効果を奏するものとなる。

図１は、本発明に係る高周波誘導加熱装置における高周波誘導加熱コイルを示す説明図であり、図１（ａ）は斜視図、図１（ｂ）は図１（ａ）におけるＡ矢視図、図１（ｃ）は図１（ａ）におけるＢ矢視図である。 図２は、本発明により外向きフランジを加熱できる原理を示す説明図であり、図２（ａ）は磁性体コアおよび誘導加熱コイルの、図１（ａ）におけるＤ矢視図であり、図２（ｂ）は磁性体コアおよび誘導加熱コイルの、図１（ａ）におけるＡ矢視図である。 図３は、図１２（ａ）および図１２（ｂ）に示す従来の高周波誘導加熱コイルを用いた場合の数値解析による計算結果を示すグラフであり、図３（ａ）は高周波誘導加熱コイルの電流の周波数と外向きフランジの温度との関係を示し、図３（ｂ）は周波数と電力との関係を示す。 図４は、図１（ａ）乃至図１（ｃ）に示す本発明に係る高周波誘導加熱コイルを用いた場合の数値解析による計算結果を示すグラフであり、図４（ａ）は被加工材の長手方向への磁性体コアの長さ（コア長さ）と外向きフランジの温度との関係を示し、図４（ｂ）はコア長さと消費電力との関係を示す。 図５は、高周波誘導加熱コイルの電流周波数を５０ｋＨｚとした場合における磁性体コアのコア長さと外向きフランジの加熱温度との関係を示すグラフである。 図６は、高周波誘導加熱コイルの電流周波数を１００ｋＨｚとした場合における磁性体コアのコア長さと外向きフランジの加熱温度との関係を示すグラフである。 図７は、表１乃至表３に示した適切な磁性体コアのコア長さの最小値を整理した結果を示すグラフである。 図８は、適切な磁性体コアのコア長さの最大値を整理した結果を示すグラフである。 図９は、図７、８のグラフにおける係数aの周波数依存性を検討した結果を示すグラフである。 図１０は、周波数５０ｋＨｚ、送り速度２０ｍｍ／ｓの条件で高周波誘導加熱コイルを用いて被加工材を加熱した場合における被加工材の周方向の温度分布を示す説明図であり、図１０（ａ）は本発明例を示し、図１０（ｂ）は従来例を示す。 図１１は、３ＤＱにより屈曲部材を製造する状況を示す説明図である。 図１２は、閉じた横断面を有するとともに外向きフランジを有する中空かつ鋼製の被加工材に対して、３ＤＱにより高周波焼入れおよび曲げ加工を同時に行う状況を示す説明図であり、図１２（ａ）は斜視図であり、図１２（ｂ）は図１２（ａ）におけるＣ−Ｃ断面図である。 図１３は、被加工材の外向きフランジが加熱されない理由を概念的に示す説明図であり、図１３（ａ）は被加工材の外向きフランジを除く一般部における電磁波の浸透深さが被加工材の板厚よりも大きい場合における高周波誘導加熱コイルを流れるコイル電流と被加工材に発生する渦電流の流れ方を示し、図１３（ｂ）は被加工材の外向きフランジにおける電磁波の浸透深さが被加工材の板厚よりも大きい場合におけるコイル電流と渦電流の流れ方を示し、図１３（ｃ）は被加工材の一般部における電磁波の浸透深さが被加工材の板厚よりも小さい場合におけるコイル電流と渦電流の流れ方を示し、図１３（ｄ）は被加工材の外向きフランジにおける電磁波の浸透深さが被加工材の板厚よりも小さい場合におけるコイル電流と渦電流の流れ方を示す。 図１４は、高周波誘導加熱コイルの電流の周波数と浸透深さとの関係を示すグラフである。

本発明を、添付図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係る高周波誘導加熱装置１０における高周波誘導加熱コイル１１を示す説明図であり、図１（ａ）は斜視図、図１（ｂ）は図１（ａ）におけるＡ矢視図、図１（ｃ）は図１（ａ）におけるＢ矢視図である。

図１（ａ）乃至図１（ｃ）に示すように、高周波誘導加熱装置１０は、高周波誘導加熱コイル１１を備え、この高周波誘導加熱コイル１１により被加工材１２を高周波誘導加熱する。

被加工材１２は、外向きフランジ１２ａおよび外向きフランジ１２ａを除く一般部１２ｂからなる閉じた横断面を有する長尺かつ中空の鋼製の部材である。外向きフランジ１２ａでは、２枚の鋼板が重ね合わされた状態で適宜手段（例えば、スポット溶接等の溶接）により接合されている。

高周波誘導加熱コイル１１は、この被加工材１２の長手方向へ移動する高温部を被加工材１２に形成しながら高温部に外力を与えることによって屈曲部材を製造する３ＤＱにおいて、被加工材１２を加熱するために用いられる。

高周波誘導加熱コイル１１は、磁性体コア１３と誘導加熱コイル１４とを有する。
磁性体コア１３は、例えばいわゆるフェライトコアであり、セラミックとして焼結されたＦｅ酸化物の強磁性体である。磁性体コア１３は、磁性を有するとともに電気抵抗が高い材質を有し、具体的には、比透磁率が少なくとも３以上、電気抵抗率が少なくとも１Ωｍ以上である。磁性体コア１３の材質は、フェライトコアに限定する必要はなく、同等以上の物性を有する他の材質でもよい。

磁性体コア１３は、図１（ｃ）に示すように被加工材１２の外向きフランジ１２ａの両面（一方の面１２ａ−１および他方の面１２ａ−２）から離れてこの両面１２ａ−１、１２ａ−２を挟んで対向して配置される。

一方、誘導加熱コイル１４は、磁性体コア１３に接続されるとともに、被加工材１２の外周のうちの外向きフランジ１２ａを除いた一般部１２ｂを取り囲んで配置される。すなわち、誘導加熱コイル１４は、図示しない高周波電力発生装置に接続される第１の部分１４−１と、第１の部分１４−１に接続されるとともに被加工材１２の長手方向へ向けて延設される第２の部分１４−２と、第２の部分１４−２に接続されるとともに被加工材１２の一般部１２ｂの周囲を取り囲んで配置される第３の部分１４−３と、第３の部分１４−３に接続されるとともに被加工材１２の長手方向へ向けて延設される第４の部分１４−４と、第４の部分１４−４と図示しない高周波電力発生装置とを接続する第５の部分１４−５とを備える。

なお、図１（ｂ）における符号１５は絶縁板を示す。被加工材１２の送り方向は、図１（ａ）乃至図１（ｃ）における誘導加熱コイル１４の第５の部分１４−５を上流側とし、誘導加熱コイル１４の第３の部分１４−３を下流側とした方向である。

図１（ａ）乃至図１（ｃ）からわかるように、磁性体コア１３は、誘導加熱コイル１４の第４の部分１４−４を渡すように配置される。また、磁性体コア１３は、被加工材１２の送り方向の上流側に、すなわち被加工材１２における高温部の移動方向の下流側に、外向きフランジ１２ａに平行な部位１３−１、１３−２を有し、その部位１３−１、１３−２が外向きフランジ１２ａに対して垂直方向に磁束を発生する。

図１（ａ）における誘導加熱コイル１４の近傍に描かれた矢印は、誘導加熱コイル１４を流れる電流の向きを示す。図１（ａ）に示すように、磁性体コア１３は、電流が流れる方向が互いに反対方向である誘導加熱コイル１４における二つの部分１４−２、１４−４により挟まれるように、設置される。

磁性体コア１３は、被加工材１２の一般部１２ｂの周囲を取り囲んで配置される第３の部分１４−３に対して被加工材１２の送り方向の上流側に、すなわち被加工材１２における高温部の移動方向の下流側にだけ配置されることが望ましい。磁性体コア１３を、第３の部分１４−３に対して被加工材１２の送り方向の下流側に、すなわち被加工材１２における高温部の移動方向の上流側に設置すると、加工装置０における水冷装置６による被加工材１２の冷却開始位置が、磁性体コア１３を、被加工材１２の送り方向の下流側に設置した分だけ、誘導加熱コイル１４から遠くなるため、外向きフランジ１２ａ以外の一般部１２ｂの加熱幅が広くなってしまうからである。

図２は、本発明により外向きフランジ１２ａを加熱できる原理を示す説明図であり、図２（ａ）は磁性体コア１３および誘導加熱コイル１４の、図１（ａ）におけるＤ矢視図であり、図２（ｂ）は磁性体コア１３および誘導加熱コイル１４の、図１（ａ）におけるＡ矢視図である。

本発明により外向きフランジ１２ａの加熱が可能となる理由を説明する。図２（ａ）に示すように、誘導加熱コイル１４の第２の部分１４−２におけるコイル電流の流れる方向と、誘導加熱コイル１４の第４の部分１４−４におけるコイル電流の流れる方向とは、互いに反対向きである。このため、磁性体コア１３に発生する磁束Ｂ１、Ｂ２（図２（ａ）において白抜き矢印により示す）を強め合う。磁性体コア１３により、磁束Ｂ１，Ｂ２は外向きフランジ１２ａを貫通するように誘導される。

このため、外向きフランジ１２ａに対して磁束Ｂ１、Ｂ２は垂直に入射するため、外向きフランジ１２ａでは図２（ｂ）に示すような渦電流Ｘが発生する。この場合、渦電流Ｘの流れる方向は、外向きフランジ１２ａの表面１２ａ−１および裏面１２ｂ−１において同じ方向となるため、図１３（ｂ）により示すような渦電流の打ち消しが生じなくなり、外向きフランジ１２ａの加熱が可能になる。

磁性体コア１３により誘導される磁束Ｂ１、Ｂ２は、外向きフランジ１２ａに対して垂直に入射する場合（入射角度９０度）が最適である。少なくとも外向きフランジ１２ａを貫通するような入射角度が必要であり、入射角度は３０度以上とすることが望ましい。

このように、本発明により外向きフランジ１２ａの加熱が可能である。また、本発明は特許文献２により開示された発明のように外向きフランジ１２ａに沿って被加工材１２の軸方向の両側にオフセットした形状を有する高周波誘導加熱コイルを用いるものではなく、被加工材１２の送り方向の上流側に磁性体コア１３を設置するために誘導加熱コイル１４が被加工材１２の送り方向の上流側にのみオフセットして配置される。このため、加熱幅の増加量は、被加工材１２の送り方向の両側に誘導加熱コイル１４がオフセットして配置される特許文献２により開示された発明の半分以下となる。このため、高周波誘導加熱コイル１１は３ＤＱにおける被加工材１２の加熱に極めて適している。

高周波誘導加熱コイル１１の効果を数値解析シミュレーションにより確認した。数値解析シミュレーションでは、誘導加熱における発熱量分布を電磁場解析により算出し、得られた発熱量分布から伝熱解析を行い、厚さ１ｍｍの鋼板からなる中空の被加工材１２の温度分布を算出した。数値解析の加熱条件を、被加工材１２の一般部１２ｂにおける底辺中央部の温度が１０５０℃となる条件として、計算を行った。

まず、図１２（ａ）および図１２（ｂ）に示す従来の高周波誘導加熱コイル５を用いた場合における高周波誘導加熱コイル５の電流の周波数と外向きフランジ９ａの温度との関係の計算結果を図３（ａ）にグラフで示す。ここで、外向きフランジ９ａの温度は、外向きフランジ９ａの端部における温度である。また、被加工材９の一般部９ｂのうちの底辺中央部の温度が１０５０℃となるまで加熱するのに必要な電力を図３（ｂ）にグラフで示す。

図３（ａ）のグラフに示すように、従来の高周波誘導加熱装置５を用いた場合には、外向きフランジ９ａを９００℃以上に加熱するためには、高周波誘導加熱コイル５の電流の周波数を３００ｋＨｚ以上に高める必要がある。また、図３（ｂ）のグラフに示すように高い周波数になるほど加熱に必要な電力が増加する。例えば、１０ｋＨｚの電源を用いた場合には１００ｋＷで済んだ電力が、３００ｋＨｚの場合には２２５ｋＷも必要になる。このように、高周波誘導加熱装置５の電流の周波数が高くなるほど消費電力が増加するのは、周波数が高いほど単位時間当たりに磁界が交番する回数が増えるためである。ここで、磁界が被加工材９にのみに発生し、磁界を交番するエネルギーが全て加熱のために消費されていれば、消費電力が大きく増加することはない。しかし、高周波誘導加熱装置５は、被加工材９のみならず周辺の空間にも磁界を発生し、この空間に発生した磁界は加熱に関与しないにも関わらず空間の磁界を交番させてエネルギーを消費するため、消費電力を大きく増加させてしまう。

図４は、図１（ａ）乃至図１（ｃ）に示す本発明に係る高周波誘導加熱装置１１を用いた場合の数値解析による計算結果を示すグラフであり、図４（ａ）は被加工材１２の長手方向への磁性体コア１３の長さ（コア長さ）と外向きフランジ１２ａの温度との関係を示し、図４（ｂ）はコア長さと消費電力との関係を示す。ここで、高周波誘導加熱コイル１１に通電する電流の周波数は１０ｋＨｚとし、被加工材１２の送り速度は８０ｍｍ／ｓとした。

図４（ａ）にグラフで示すように、コア長さが長いほど外向きフランジ１２ａが加熱され易くなる。図４（ａ）のグラフにおけるコア長さ０ｍｍは、磁性体コア１３を用いない場合であって従来技術の高周波誘導加熱装置５で加熱した場合を示しており、５８０℃程度しか加熱することができない。

被加工材１２に高周波焼入れを行うためには、被加工材１２を９００℃以上まで加熱する必要がある。一方、被加工材１２を１２００℃超まで加熱すると、結晶粒の粗大化や酸化が進行し、３ＤＱにより製造される屈曲部材の表面が荒れる。このため、被加工材１２の加熱温度は９００℃以上１２００℃以下の範囲が適切である。

ここで、図４（ａ）のグラフから、被加工材１２の外向きフランジ１２ａを９００℃以上１２００℃以下に加熱するためには、磁性体コア１３のコア長さを１９．９ｍｍ以上３０．７ｍｍ以下とすればよいことがわかる。また、図４（ｂ）のグラフから、磁性体コア１３を設置しない場合（コア長さ０ｍｍの場合）は１０５ｋＷであった消費電力が、被加工材１２を９００℃まで加熱できる磁性体コア１３のコア長さを例えば２０ｍｍとした場合には１４０ｋＷとなる。通常の誘導加熱コイル５を用いて周波数を３００ｋＨｚとして外向きフランジ１２ａを９００℃まで加熱する場合の消費電力は２２５ｋＷであることに比べて、高周波誘導加熱コイル１１による消費電力は約８０ｋＷも小さい。

図３（ａ）にグラフで示すように、高周波誘導加熱コイル１１の電流の周波数が高いほど外向きフランジ１２ａは加熱され易くなるため、高周波誘導加熱コイル１１の電流の周波数が高いほど磁性体コア１３のコア長さを短くすることが可能である。

図５は、高周波誘導加熱コイル１１の電流の周波数を５０ｋＨｚとした場合における磁性体コア１３のコア長さと外向きフランジ１２ａの加熱温度との関係を示すグラフである。

この場合、外向きフランジ１２ａを９００℃から１２００℃に加熱するためには、磁性体コア１３のコア長さを３．４ｍｍ以上７．５ｍｍ以下に設定すればよい。

同様に、高周波誘導加熱コイル１１の電流の周波数を１００ｋＨｚとした場合における磁性体コア１３のコア長さと外向きフランジ１２ａの加熱温度との関係を図６にグラフで示す。高周波誘導加熱コイル１１の電流周波数が１００ｋＨｚである場合には、磁性体コア１３のコア長さを１．２ｍｍ以上４．３ｍｍ以下に設定すればよい。

このように、高周波誘導加熱コイル１１の電流の周波数が高く、磁性体コア１３のコア長さが長いほど、外向きフランジ１２ａの加熱温度は高くなる。表１に、被加工材１２の送り速度が８０ｍｍ／ｓである場合において、外向きフランジ１２ａを９００℃以上１２００℃以下に加熱するための磁性体コア１３のコア長さと高周波誘導加熱コイル１１の電流の周波数との関係をまとめて示す。

表１は、被加工材１２の送り速度が８０ｍｍ／ｓである場合の結果であるが、被加工材１２の送り速度により適切な磁性体コア１３のコア長さも変化する。表２に、被加工材１２の送り速度が２０ｍｍ／ｓである場合において、外向きフランジ１２ａを９００℃以上１２００℃以下に加熱するための磁性体コア１３のコア長さと高周波誘導加熱コイル１１の電流の周波数との関係をまとめて示す。表３は、被加工材１２の送り速度が１６０ｍｍ／ｓである場合において、外向きフランジ１２ａを９００℃以上１２００℃以下に加熱するための磁性体コア１３のコア長さと高周波誘導加熱コイル１１の電流の周波数との関係をまとめて示す。

図７は、表１乃至表３に示した適切な磁性体コア１３のコア長さの最小値を整理した結果を示すグラフである。同様に、図８は、適切な磁性体コア１３のコア長さの最大値を整理した結果を示すグラフである。

図７、図８にグラフで示すように、適切な磁性体コア１３のコア長さの最小値、最大値は、いずれも、被加工材１２の送り速度Ｖの１／２乗で近似される。図７、図８のグラフから、適切な磁性体コア１３の長さＬ（ｍｍ）は、a_ｍｉｎＶ^１／２＜Ｌ＜a_ｍａｘＶ^１／２として得られる。

次に、図９は、図７、図８のグラフにおける係数ａの周波数依存性を検討した結果を示すグラフである。

図９にグラフで示すように、係数ａは高周波誘導加熱コイルの電流の周波数ｆ（ｋＨｚ）の逆数に依存することが明らかとなった。

以上から、被加工材１２の長手方向についての磁性体コア１３の長さをＬ（ｍｍ）とし、高周波誘導加熱コイル１１の電流の周波数をｆ（ｋＨｚ）とするとともに、被加工材１２における高温部の移動速度（被加工材１２の送り速度）をｖ（ｍｍ／ｓ）とした場合に、下記式（１）の関係を満足することが、磁性体コア１３のコア長さを適切に設定するために望ましい。

図１０は、周波数５０ｋＨｚ、送り速度２０ｍｍ／ｓの条件で高周波誘導加熱コイル１１、コイル５を用いて被加工材１２、被加工材９を加熱した場合における被加工材１２、被加工材９の周方向の温度分布を示す説明図であり、図１０（ａ）は本発明例を示し、図１０（ｂ）は従来例を示す。

本発明を適用した場合は、式（１）から磁性体コア１３のコア長さが１．９ｍｍ以上３．１ｍｍ以下と予想され、磁性体コアの長さを３ｍｍとした。

図１０（ａ）および図１０（ｂ）に示すように、本発明例、比較例それぞれの被加工材１２、被加工材９の底部の温度は等しく１０５０℃であるが、比較例の外向きフランジ９ａの温度は９００℃未満であるのに対し、本発明例の外向きフランジ１２ａの温度は９００℃以上に加熱されることがわかる。

以上説明した高周波誘導加熱装置１０を、図１１に示した加工装置０の高周波誘導加熱装置５の代わりに用いることにより、このような上記効果を奏する加工装置を提供することができる。

１０ 高周波誘導加熱装置
１１ 高周波誘導加熱コイル
１２ 被加工材
１２ａ 外向きフランジ
１２ａ−１、１２ａ−２ 面
１２ｂ 一般部
１３ 磁性体コア
１３−１、１３−２ 外向きフランジに平行な部位
１４ 誘導加熱コイル
１４−１乃至１４−５ 第１の部分乃至第５の部分

Claims (7)

1. 閉じた横断面を有するとともに外向きフランジを有する長尺かつ中空の鋼製の被加工材の長手方向へ移動する高温部を該被加工材に形成しながら前記高温部に外力を与えることによって屈曲部材を製造する熱間３次元加工において該被加工材を加熱するために用いられる高周波誘導加熱コイルを備え、
   該高周波誘導加熱コイルは、前記外向きフランジの両面から離れて該両面を挟んで対向して配置される磁性体コアと、該磁性体コアに接続されるとともに前記被加工材の外周のうちの前記外向きフランジを除いた一般部を取り囲んで配置される誘導加熱コイルとを有することを特徴とする高周波誘導加熱装置。
2. 前記誘導加熱コイルは、高周波電力発生装置に接続される第１の部分と、該第１の部分に接続されるとともに前記被加工材の長手方向へ向けて延設される第２の部分と、該第２の部分に接続されるとともに前記被加工材の前記一般部の周囲を取り囲んで配置される第３の部分と、該第３の部分に接続されるとともに前記被加工材の長手方向へ向けて延設される第４の部分と、前記第４の部分と前記高周波電力発生装置とを接続する第５の部分とを備え、かつ、前記第５の部分は前記高温部の移動方向の反対方向（前記被加工材の送り方向）について前記第３の部分よりも上流側に位置することを特徴とする請求項１に記載された高周波誘導加熱装置。
3. 前記第２の部分および前記第４の部分を流れる電流は、互いに反対方向へ流れる請求項２に記載された高周波誘導加熱装置。
4. 前記磁性体コアは、前記外向きフランジに平行な２つの部位を前記被加工材における前記高温部の移動方向の下流側に備え、該２つの部位が前記外向きフランジに対して貫通する磁束を発生するとともに、前記第２の部分および前記第４の部分の間に該第４の部分を渡すように配置されることを特徴とする請求項２または請求項３に記載された高周波誘導加熱装置。
5. 前記磁性体コアは、前記第３の部分に対して前記高温部の移動方向の下流側にだけ配置される請求項２から請求項４までのいずれか１項に記載された高周波誘導加熱装置。
6. 前記被加工材の長手方向についての前記磁性体コアの長さをＬ（ｍｍ）とし、前記誘導加熱コイルの電流周波数をｆ（ｋＨｚ）とするとともに、前記被加工材における前記高温部の移動速度をｖ（ｍｍ／ｓ）とした場合に、下記式（１）の関係を満足する請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載された高周波誘導加熱装置。
   

   
7. 中空の鋼製の被加工材の長手方向へ移動する高温部を該被加工材に形成しながら前記高温部に外力を与えることによって屈曲部材を製造する熱間３次元加工をする加工装置であって、
   請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載された高周波誘導加熱装置と、
   前記高周波誘導加熱装置の下流側に配置される冷却装置と、
   前記冷却装置の下流側に設けられ、前記被加工材を支持して前記外力を与える装置と、を備える加工装置。

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