WO2015186337A1 - 焼入れ装置及び金属材の製造方法 - Google Patents

Abstract

　焼入れ性を高めることができる焼入れ装置を提供する。焼入れ装置中の循環装置（５０）は、焼入れ使用後の冷却液を回収して消泡槽（４３１）に供給する。消泡装置（４）の層流堰（４３３）は、消泡槽（４３１）を層流槽（４３４）と浅瀬槽（４３５）とに区画し、層流槽（４３４）の側壁よりも低い。層流槽（４３４）には、循環装置（５０）から冷却液が供給され、浅瀬槽（４３５）には、層流槽（４３４）から層流堰（４３３）を伝って冷却液が注がれる。フィルタ（４３２）は板状又はシート状であり、網目構造を有し、浅瀬槽（４３５）の底部の開口を覆う。浅瀬槽（４３５）の液面高さは、層流堰（４３３）の高さ未満である。供給槽（４４１）は、フィルタ（４３２）を通過した冷却液を貯留し、金属材に冷却液を噴射する冷却装置に冷却液を供給する。

Description

焼入れ装置及び金属材の製造方法

　本発明は、焼入れ装置に関し、さらに詳しくは、金属材に対して冷却液を噴射して焼入れを実施する焼入れ装置、金属材の製造方法、及び焼入れ方法に関する。

　焼入れ装置には、加熱された金属材に対して冷却液を噴射して焼入れを実施するタイプがある。たとえば、国際公開第２００６／０９３００６号（特許文献１）に開示された３次元熱間曲げ焼入れ加工装置（３　Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　Ｈｏｔ　Ｂｅｎｄｉｎｇ　ａｎｄ　Ｑｕｅｎｃｈ：以下、３ＤＱ装置という）は、把持機構と、焼入れ装置とを備える。把持機構は、回転及び移動自在な把持部を備える。把持機構は、加熱された金属材を把持部で把持しながら回転及び移動して、金属材に曲げモーメントを与える。焼入れ装置は、加熱装置と冷却装置とを備える。加熱装置は、金属材の一部を加熱する。加熱装置はたとえば、高周波加熱炉である。冷却装置は、冷却液を噴射して金属材を冷却する。

　把持機構により、加熱された金属部分に対して曲げ加工が実施される。曲げ加工された金属部分は、冷却装置から噴射される冷却液により焼入れされる。

　しかしながら、冷却液を噴射して焼入れを実施するタイプの焼入れ装置では、十分な量の冷却液が噴射されていても、焼入れが安定しにくい場合がある。また、３ＤＱ装置により曲げ加工を実施する場合、焼入れが安定せず、加工精度が安定しにくい場合がある。

　本発明の目的は、安定した焼入れが得られる焼入れ装置及び金属材の製造方法を提供することである。

　本実施形態による焼入れ装置は、金属材に対して冷却液を噴射して焼入れを実施する。焼入れ装置は、消泡装置と、供給槽と、冷却装置とを備える。消泡装置は、冷却液から気泡を取り除く。供給槽は、気泡が取り除かれた冷却液を貯留する。冷却装置は、供給槽から供給された冷却液を金属材に向けて噴射する。消泡装置は、消泡槽と、循環装置とを備える。循環装置は、焼入れ使用後の冷却液を回収して消泡槽に供給する。消泡槽は、層流堰を含む。層流堰は、消泡槽を層流槽と浅瀬槽とに区画し、層流槽の側壁よりも低い。層流槽には、循環装置から冷却液が供給され、浅瀬槽には、層流槽からオーバーフローにより層流堰を越えて冷却液が注がれる。浅瀬槽は、開口を有する底部と、フィルタとを含む。フィルタは板状又はシート状であり、網目構造を有する。フィルタは、底部の開口を覆う。浅瀬槽の液面高さは、層流堰の高さ未満である。供給槽は、フィルタを通過した冷却液を貯留する。

　本実施形態による金属材の製造方法は、上述の焼入れ装置を利用する。製造方法は、金属材を加熱する工程と、加熱された金属材に対して冷却液を噴射して金属材に対して焼入れを実施する工程とを備える。焼入れを実施する工程は、消泡装置により冷却液から気泡を取り除く工程と、加熱された金属材に対して、気泡が取り除かれた冷却液を噴射する工程とを含む。

　本実施形態による焼入れ装置及び金属材の製造方法は、安定した焼入れ性が得られる。

図１は、本実施形態の焼入れ装置が利用される３次元熱間曲げ焼入れ加工装置の斜視図である。 図２は、図１中の焼入れ装置の断面図である。 図３は、本実施形態の焼入れ装置に含まれる消泡装置の模式図である。 図４は、図３に示す消泡装置に含まれる消泡槽の平面図である。 図５は、図４中の供給部材の正面図である。

　本実施形態による焼入れ装置は、金属材に対して冷却液を噴射して焼入れを実施する。焼入れ装置は、消泡装置と、供給槽と、冷却装置とを備える。消泡装置は、冷却液から気泡を取り除く。供給槽は、気泡が取り除かれた冷却液を貯留する。冷却装置は、供給槽から供給された冷却液を金属材に向けて噴射する。消泡装置は、消泡槽と、循環装置とを備える。循環装置は、焼入れ使用後の冷却液を回収して消泡槽に供給する。消泡槽は、層流堰を含む。層流堰は、消泡槽を層流槽と浅瀬槽とに区画し、層流槽の側壁よりも低い。層流槽には、循環装置から冷却液が供給され、浅瀬槽には、層流槽からオーバーフローにより層流堰を越えて冷却液が注がれる。浅瀬槽は、開口を有する底部と、フィルタとを含む。フィルタは板状又はシート状であり、網目構造を有する。フィルタは、底部の開口を覆う。浅瀬槽の液面高さは、層流堰の高さ未満である。供給槽は、フィルタを通過した冷却液を貯留する。

　冷却液を噴射して焼入れするタイプの焼入れ装置では、冷却液中の気泡量が多ければ、冷却液の冷却能力が低下する。具体的には、気体の熱伝達効率は、液体の熱伝達効率よりも低い。そのため、冷却液の気泡含有率が高ければ、冷却能力に対する気泡の影響が大きくなり、冷却能力が低下する。本実施形態による焼入れ装置では、焼入れに使用される前の冷却液から気泡を取り除く。そのため、本実施形態の焼入れ装置は、冷却液の冷却能力を高めることができ、金属材を十分に焼入れすることができる。そのため、焼入れ性が安定化する。本実施形態の焼入れ装置が３ＤＱ装置に利用される場合、３ＤＱ装置により曲げ加工された金属材部分の焼入れが実質的に均一に安定して得られる。そのため、３ＤＱ装置により加工された金属材の加工形状の精度が安定する。

　本実施形態ではさらに、次の方法により、焼入れ使用後に回収された冷却液に含まれる気泡を低減する。冷却液を噴射して焼入れするタイプの焼入れ装置では、金属材を効率良く焼き入れするために、冷却伝熱面積が大きくなるように、冷却液を金属材と衝突させる。この場合、衝突により冷却液の流れが乱れる。さらに、冷却液は大気中で飛散するため、このときに冷却液に気泡が含まれる。したがって、焼入れ使用後の冷却液には、多くの気泡が含まれる。

　本実施形態では、焼入れ使用後であって多くの気泡を含んだ冷却液を循環装置に回収して消泡槽中の層流槽に供給する。層流槽に供給された冷却液の流れは乱流状態である。そのため、層流槽に供給された冷却液には、多くの気泡が含まれる。層流槽では、冷却液を一時的に貯留する。貯留中の冷却液に含まれる気泡は、上方に自然浮上し、液面で消滅する。気泡がある程度低減した冷却液は、層流槽の側壁よりも低い層流堰をオーバーフローし、層流堰を越えて浅瀬槽に注がれる。このとき、層流堰を越えて流れ落ちる冷却液は、流速が遅く一方向に流れるため、層流状態となっている。そのため、層流堰を伝って流れ落ちる冷却液と、浅瀬槽の底部又は浅瀬槽に貯留される冷却液の液面との衝突を緩和し、衝突時に渦が発生して新たな気泡が含まれるのを抑制する。以上のとおり、層流槽では、焼入れ使用後に回収された冷却液から気泡をある程度除去し、さらに、気泡の新たな巻き込みを抑制するために冷却液を層流状態とする。

　層流槽から冷却液が注がれた浅瀬槽は、冷却液内の気泡をさらに短時間で除去する。浅瀬槽は、網目構造のフィルタを底部に有し、注がれた冷却液をフィルタを通して供給槽に供給する。浅瀬槽では、フィルタを底部に配置することにより、次の２つの機能が発揮される。第１に、フィルタにより、気泡を含む冷却液が供給槽に供給されるのを抑制し、フィルタが冷却液内の気泡の除去を促進する。第２に、フィルタにより、浅瀬槽の液面高さを層流堰の高さよりも低く維持する。そのため、浅瀬槽の液面高さは、層流槽内の冷却液の液面高さよりも低い。液面高さが低い方が、冷却液中の気泡が液面に自然浮上する時間が短くなる。したがって、浅瀬槽は、冷却液から短時間で気泡を除去できる。

　以上の２段階の気泡除去ステップにより、本実施形態の焼入れ装置では、多量に循環する冷却液中の気泡量を短時間で低減し、焼入れに再度利用する。そのため、冷却液の冷却能力を高めることができる。

　フィルタはたとえば、不織布、多孔板（金属板、非金属板）、金網等である。

　好ましくは、浅瀬槽の底部のうち、フィルタが覆う部分は、層流槽から離れるにしたがって下方に傾斜する。

　この場合、傾斜により、浅瀬槽の冷却液の流れを一方向とすることができる。これにより、冷却液の流れが乱れて渦が発生するのを抑制でき、気泡が発生するのを抑制できる。

　さらに、傾斜により次の効果が得られる。フィルタの上流部分（層流槽側）では、気泡の少ない冷却液がフィルタを通過する。一方、気泡の多い冷却液は、フィルタの上流部分で通過できない。そのため、傾斜に沿ってフィルタの下流部分に流れる。その結果、浅瀬槽の下方に、気泡の多い冷却液が溜まる。上述のとおり、浅瀬槽の液面高さは低いため、浅瀬槽の下方において、冷却液中の気泡が自然浮上して消滅する。このように、傾斜に沿った冷却液の流れから、層流の冷却液がフィルタに対し、接触域（冷却液が通過する面積）を広く得ることができる。

　仮に、フィルタが覆う部分が傾斜していなければ、層流堰を越えた冷却液は、層流堰近傍のフィルタに集中的に衝突する。気泡を含む冷却液であっても、フィルタに対して鉛直方向に侵入すれば、気泡を含む冷却液がフィルタを通過してしまう可能性が高くなる。一方、浅瀬槽の底部を上記のとおり傾斜させた場合、傾斜していない場合と比較して、冷却液速度の鉛直方向成分が小さくなる。この場合、流路抵抗が同一であれば、浅瀬槽の底部を傾斜させた場合の方が、底部が傾斜していない場合と比較して、気泡を含む冷却液がフィルタを通過しにくい。さらに、フィルタに対して冷却液の通過面積を大きくすることができるため、冷却液中の気泡をより効率的に除去できる。

　好ましくは、焼入れ装置はさらに、搬送部材を備える。搬送部材は、フィルタの下方に配置され、傾斜した流路を有する。搬送部材は、フィルタを通過した冷却液を供給槽に注ぐ。

　この場合、流路が傾斜しているため、フィルタを通った冷却液が一方向に流路を伝って流れる。そのため、供給槽へ鉛直方向に冷却液が自然落下する場合と比較して、搬送部材の流路抵抗から、冷却液の流速が低下する。その結果、供給槽の液面に衝突するスピードを抑えることができ、消泡装置以降であって冷却装置に至る前の冷却液に泡が発生するのを抑制できる。

　好ましくは、供給槽は、側壁と、第１流路堰とを備える。側壁は下部に排出口を有する。第１流路堰は、供給槽内において、フィルタの真下よりも側壁寄りに配置される。第１流路堰は、下部に開口部を有する。フィルタを通過して供給槽内に供給された冷却液は、第１流路堰の前記開口部を通って排出口に至る。

　この場合、冷却液は第１流路堰の下部に形成された開口部を通過しなければ、排出口に至らない。そのため、第１流路堰を通過するとき、冷却液は供給槽内の下部を流れる。このとき、冷却液中の泡が上方に浮上するため、開口部通った冷却液から泡が除去されやすい。

　好ましくは、供給槽はさらに、第２流路堰を備える。第２流路堰は、第１流路堰と排出口を有する側壁との間に配置され、側壁よりも低い。フィルタを通過して供給槽内に供給された冷却液は、第１流路堰の開口部を通った後、第２流路堰を超えて排出口に至る。

　この場合、第１及び第２流路堰により、供給槽内の冷却液の流路をさらに長くすることができる。さらに、冷却液の流路中、冷却液が垂直方向に移動する回数も増加する。そのため、気泡がさらに浮上しやすくなる。

　好ましくは、循環装置は、冷却液を通す主管と、主管から分岐しており、各々が供給口を有する複数の分岐管とを含む。冷却液は、分岐管から層流槽に注がれる。各分岐管の横断面積の合計は、主管の横断面積よりも大きい。

　この場合、主管中の冷却液が分岐される。このとき、各分岐管の横断面積（分岐管の中心軸に垂直な断面）の合計は、主管の横断面積（主管の中心軸に垂直な断面）よりも大きいため、層流槽に供給される際の冷却液の流速が小さくなる。そのため、既に貯留されている冷却液との衝突が和らぐ。その結果、冷却液に気泡が発生するのを抑制できる。

　好ましくは、循環装置はさらに、貯留槽を備える。貯留槽は、焼入れ使用後に回収された冷却液を貯留する。循環装置は、貯留槽内の冷却液を、消泡槽に供給する。

　この場合、消泡槽に供給される前に、冷却液は貯留槽に貯留される。貯留槽では、焼入れ使用後の冷却液に含まれる気泡だけでなく、スケール等も自然浮上し、除去される。そのため、消泡槽に冷却液が供給される前に、冷却液中に含まれる気泡及びスケールをある程度事前に除去できる。

　本実施形態の金属材の製造方法は、上述の焼入れ装置を利用する。製造装置は、金属材を加熱する工程と、加熱された金属材に対して冷却液を噴射して金属材に対して焼入れを実施する工程とを備える。焼入れを実施する工程は、消泡装置により、冷却液から気泡を取り除く工程と、加熱された金属材に対して、気泡が取り除かれた冷却液を噴射する工程とを含む。

　本実施の形態による金属材の製造方法では、焼入れに使用される前の冷却液から気泡を取り除く。そのため、冷却液の冷却能力が高まり、金属材は十分に焼入れされる。その結果、金属材の焼入れのばらつきを低減できる。本実施形態の金属材の製造方法が３ＤＱ装置を用いて実施される場合、３ＤＱ装置により曲げ加工された金属材部分の焼入れが実質的に均一に安定して得られる。そのため、３ＤＱにより加工された金属材の加工形状の精度が安定する。

　以下、本実施の形態による焼入れ装置の詳細を説明する。

  ［第１の実施の形態］
　［３ＤＱ装置］
　本実施形態の焼入れ装置は、たとえば、３ＤＱ装置に利用される。図１は、３ＤＱ装置１００の斜視図である。図１を参照して、３ＤＱ装置１００は、送り装置１１０と、支持装置１２０と、焼入れ装置１と、把持装置１３０とを備える。

　送り装置１１０は、金属材１０を所定の送り速度で、金属材１０の軸方向Ｘに搬送する。金属材１０はたとえば、金属管であり、たとえば、鋼管である。送り装置１１０は、把持部材１１１と搬送装置１１２とを備える。把持部材１１１は、搬送装置１１２と接続される。把持部材１１１は、金属材１０を、金属材１０の中心軸周りに回転可能に把持する。搬送装置１１２は把持部材１１１とともに、金属材１０を軸方向Ｘに移動する。搬送装置１１２はたとえば、電動サーボシリンダ、ボールねじを用いた機構等である。

　支持装置１２０は、送り装置１１０よりも下流（Ｘ方向）側に配置される。支持装置１２０は、軸方向（Ｘ方向）に搬送される金属材１０を支持する。支持装置１２０はたとえば、一対のロール群１２１を備える。一対のロール群１２１は金属材１０をはさみ、金属材１０を軸方向Ｘに移動可能に支持する。支持装置１２０は一対のロール群１２１に替えて、他の構成を備えてもよい。

　焼入れ装置１は、支持装置１２０の下流側に配置される。焼入れ装置１は、加熱装置２と冷却装置３とを備える。冷却装置３は、加熱装置２の下流側に配置される。

　焼入れ装置１は、搬送された金属材１０の一部を加熱する。金属材１０の加熱部分には、把持装置１３０により曲げモーメントが与えられる。つまり、３ＤＱ装置では、金属材１０をＸ方向に移動しながら、金属材１０の加熱部分に対して曲げ加工が実施される。曲げ変形した加熱部分は、冷却装置３により焼入れされる。

　把持装置１３０は、金属材１０を把持しながら、移動及び回転する。これにより、把持装置１３０は、金属材１０の加熱部分に曲げモーメントを与える。把持装置１３０はたとえば、図１に示す一対の可動ローラダイスである。把持装置１３０は可動ローラダイスに替えて、多軸ロボットアームであってもよい。

　［焼入れ装置１］
　図２は、図１中の焼入れ装置１の断面図である。上述のとおり、焼入れ装置１は、加熱装置２と冷却装置３とを備える。

　加熱装置２は環状又は筒状である。加熱装置２は、内部に金属材１０を通す。つまり、曲げ加工時において、加熱装置２は、金属材１０の周りに配置される。加熱装置２はたとえば、高周波加熱コイルである。

　冷却装置３は、環状又は筒状である。冷却装置３は、内周面に複数の噴射口３１を有する。複数の噴射口３１は、冷却装置３の中心（中心軸Ｘ）に向かって冷却液を噴射する。複数の噴射口３１は、下流側に向いていても良い。この場合、噴射口３１は、下流側の中心軸Ｘに向かって冷却液を噴射する。冷却装置３は、複数の噴射ノズルを備えてもよい。この場合、上記複数の噴射口３１は、噴射ノズル口に相当する。冷却液はたとえば、水、不凍液等である。

　［消泡装置４］
　焼入れ装置１はさらに、図３に示す消泡装置４と、供給槽４４１とを備える。消泡装置４は、冷却装置３に供給される前の冷却液から気泡を取り除く。供給槽４４１は、消泡装置４により気泡が取り除かれた冷却液を貯留する。冷却装置３は、供給槽４４１から供給させた冷却液を、金属材に向けて噴射して冷却する。

　冷却液に含まれる気泡が多ければ、噴射時の冷却液の冷却能力が低下する。気泡は冷却液よりも冷却能力が低いためである。冷却液に含まれる気泡が多ければさらに、冷却能力が低下する。そのため、冷却液を噴射して焼入れを実施する場合において、焼入れが安定して得られにくい。３ＤＱ装置１００において焼入れが均一に安定して得られなければ、曲げ加工された金属材１０の加工形状の精度が安定して得られにくい。

　本実施形態の焼入れ装置１では、消泡装置４が焼入れに利用される前の冷却液から気泡を取り除く。そのため、焼入れ時の冷却能力が高まり、安定する。その結果、焼入れ性を高め、焼入れ効果が安定して得られる。この場合、３ＤＱ装置１００においては、曲げ加工された金属材１０の加工形状の精度が安定して得られる。以下、消泡装置４の詳細を説明する。

　消泡装置４は、循環装置５０と、消泡槽４３１とを備える。

　焼入れ時に冷却装置３から噴射された冷却液は、金属材１０、冷却液同士、又は装置の構成部材と衝突する。この衝突により、冷却液には多量の気泡が含有される。

　上述のとおり、冷却液を噴射して焼入れを実施する場合、冷却液中の気泡はなるべく少ない方が好ましい。そこで、消泡装置４中の消泡槽４３１は、冷却液中の気泡を取り除く。循環装置５０中の貯留機構４２は、消泡槽４３１へ供給する冷却液中の気泡量を減らす。供給槽４４１は、消泡槽４３１で気泡が取り除かれた冷却液中の気泡量をさらに減らす。以下、消泡装置４の各構成について詳述する。

　［循環装置５０］
　循環装置５０は、焼入れ使用後の冷却液を回収して消泡槽４３１に供給する。循環装置５０は、回収機構４１と、貯留機構４２とを備える。

　［回収機構４１］
　本実施形態の焼入れ装置１では、焼入れに使用された冷却液を循環利用する。回収機構４１は、焼入れに使用された冷却液を回収する。回収機構４１はさらに、回収された冷却液を貯留機構４２に供給する。回収機構４１はたとえば、収集槽４１１と、配管４１２とを備える。収集槽４１１はたとえば、冷却装置３の下方に配置され、使用後の冷却液を収集する。収集された冷却液は、配管４１２を介して、貯留機構４２に供給される。供給にはたとえば、図示しないポンプが利用される。回収機構４１は図３に示す構成以外の他の構成であってもよい。

　［貯留機構４２］
　貯留機構４２は、回収機構４１から供給された冷却液を貯留する。貯留機構４２は、貯留槽４２１と、ポンプ４２２と、供給部材４２３とを備える。

　貯留槽４２１は、回収機構４１により回収された冷却液を貯留する。回収された冷却液が貯留槽４２１でいったん貯留されたとき、貯留槽４２１内で冷却液中の気泡が自然浮上する。したがって、貯留槽４２１は、冷却液中の気泡量を減らすことができる。貯留槽４２１ではさらに、冷却液の気泡だけでなく、焼入れ使用後の冷却液に含まれるスケール等も自然浮上する。そのため、スケール等を除去した冷却液を消泡槽４３１に供給できる。

　供給部材４２３は、下流に供給口を有する配管である。供給口から流れ出た冷却液が消泡槽４３１に供給される。ポンプ４２２は、貯留槽４２１にいったん貯留された冷却液を、供給部材４２３を介して消泡槽４３１に供給する。

　［消泡槽４３１］
　消泡槽４３１は、フィルタを用いて冷却液から気泡を取り除く。消泡槽４３１は、層流堰４３３を備える。層流堰４３３は消泡槽４３１を、層流槽４３４と浅瀬槽４３５とに区画する。供給部材４２３の供給口は、層流槽４３４に配置される。そのため、貯留槽４２１から搬送された冷却液は、層流槽４３４に供給される。層流槽４３４は冷却液を一時的に貯留する。冷却液中の気泡は、貯留期間中に自然浮上して液面で消滅する。したがって、層流槽４３４により、冷却液中の気泡量が減少する。

　好ましくは、供給部材４２３の供給口は、層流槽４３４内であって、層流堰４３３の上端よりも低い位置に配置される。この場合、供給口は、層流槽４３４の液面よりも下方に配置される。そのため、供給口を出た冷却液は空気を接触することなく、層流槽４３４に貯留された冷却液に注がれる。そのため、気泡が入りにくい。

　浅瀬槽４３５は、開口を有する底部と、フィルタ４３２とを含む。底部の開口には、フィルタ４３２が配置される。フィルタ４３２は板状又はシート状であり、網目構造を有する。より具体的には、フィルタ４３２は複数の孔（貫通孔）を有する。好ましくは、複数の孔は、冷却液中の気泡が通過しにくいサイズを有する。

　液体や気体といった流体がフィルタ４３２の孔を通過するとき、流路抵抗が発生する。冷却液中の気泡の比率が高ければ、流路抵抗が大きくなる。したがって、気泡の少ない冷却液はフィルタ４３２を通過しやすく、気泡の多い冷却液はフィルタ４３２を通過しにくい。このような原理から、層流堰４３３からの冷却液がフィルタ４３２を通過するときに、気泡が除去される。その結果、フィルタ４３２を通過した後の冷却液中の気泡量は少ない。そのため、冷却液の冷却能力が高まる。さらに、フィルタ４３２は流路抵抗を有するため、浅瀬槽４３５に冷却液の浅瀬を形成する。浅瀬の液面高さは低いため、冷却液中の気泡が水面まで浮上する距離が短い。そのため、冷却液中の気泡を短時間で水面まで浮上でき、除去できる。浅瀬槽４３５内の底部の冷却液は、気泡を除去され、フィルタ４３２を通過可能であるため、供給槽４４１に供給される。

　フィルタ４３２は、気泡の通過を抑制可能な孔を有していれば、特に限定されない。フィルタ４３２はたとえば、不織布、金網、多孔板である。多孔板は金属板でもよいし、非金属の板でもよい。

　層流堰４３３の高さは、層流槽４３４の側壁の高さよりも低い。そのため、層流槽４３４に貯留された冷却液の高さが層流堰４３３を越えると、冷却液が層流槽４３４からオーバーフローして浅瀬槽４３５に流れ出す。このとき、冷却液は層流堰４３３を伝って、自然流下によりフィルタ４３２に至る。

　消泡槽４３１では、次の２段階の気泡除去ステップを実施することにより、冷却液に残存する気泡を低減する。

　第１の気泡除去ステップでは、層流槽４３４で、循環装置５０から供給された冷却液の気泡を除去し、さらに、冷却液の流れを整える（層流化）。具体的には、回収された冷却液を、循環装置５０により層流槽４３４に供給する。循環装置５０により供給された冷却液は、乱流状態であり、多くの気泡を含む。層流槽４３４では、冷却液を一時的に貯留する時間を与えることができる。その結果、貯留中の冷却液に含まれる気泡は、上方に自然浮上し、液面で消滅する。したがって、層流槽４３４により、冷却液中の気泡がある程度除去される。

　上述のとおり、層流堰４３３は層流槽４３４の側壁よりも低い。そのため、気泡がある程度低減した冷却液は、層流槽４３４の側壁よりも低い層流堰４３３の上端を越え、層流堰４３３をオーバーフローして浅瀬槽４３５に注がれる。このとき、層流堰４３３を伝って流れ落ちる冷却液は、流速を低下させ、一方向に流れ、層流状態となっている。好ましくは、層流堰４３３の幅は広い方が好ましい。この場合、層流堰４３３を流れ落ちる冷却液がさらに層流状態になりやすい。

　以上のとおり、層流槽４３４は、焼入れ使用後に回収された冷却液から気泡をある程度除去する。さらに、乱流状態の冷却液を層流状態で浅瀬槽４３５に注ぐため、冷却液が浅瀬槽４３５に注がれるときの冷却液と浅瀬槽４３５内に溜まった冷却液との衝突を和らげ、衝突により冷却液に気泡がさらに入るのを抑制する。

　第２の気泡除去ステップでは、浅瀬槽４３５で、冷却液の気泡をさらに除去する。浅瀬槽４３５は、上述のとおり、網目構造（多孔質）のフィルタ４３２を底部に有する。浅瀬槽４３５では、このフィルタ４３２を底部に配置することにより、次の２つの機能が発揮される。第１に、フィルタ４３２により、気泡を含む冷却液が供給槽４４１に供給されるのを抑制し、フィルタ４３２が冷却液中の気泡の除去を促進する。第２に、浅瀬槽４３５では、フィルタ４３２により、液面高さを層流堰４３３よりも低く維持する。そのため、浅瀬槽４３５の液面高さは、層流槽４３４よりも低い。液面高さが低い方が、冷却液中の気泡が表面に浮上する時間が短くなる。したがって、浅瀬槽は、層流状態の冷却液から、短時間で気泡をさらに除去できる。

　浅瀬槽４３５の液面高さは、層流堰４３３の高さよりも低ければ、とくに限定されないが、好ましくは３０ｃｍ以下であり、さらに好ましくは２０ｃｍ以下である。浅瀬槽４３５の液面高さが上述の好ましい範囲であれば、浅瀬槽４３５に溜まる冷却液中の気泡が、自然浮上して水面に至るまでの時間が短い。そのため、より効果的に気泡を除去できる。浅瀬槽４３５のフィルタ４３２の面積は広い方が好ましい。フィルタ４３２の面積が広いほど、浅瀬槽４３５の液面高さは低くなる。

　好ましくは、浅瀬槽４３５の底部のうち、フィルタ４３２が覆う部分は、層流槽４３４から離れるにしたがい下方に傾斜する。具体的には、浅瀬槽４３５の底部のうちフィルタ４３２が覆う部分は、層流槽４３４側の縁Ｅ１よりも、縁Ｅ１と反対側の縁Ｅ２の方が下方に配置される。

　この場合、層流堰４３３を伝って流れ落ちた冷却液は、縁Ｅ１から縁Ｅ２に向かって一方向に流れやすい。冷却液の流れる方向が一定でなければ、冷却液の流れが乱れ、渦が発生する場合がある。この場合、冷却液に気泡が入り込みやすい。本実施形態の浅瀬槽４３５の底は傾斜しているため、冷却液の流れが乱れにくい。そのため、冷却液に気泡が入り込みにくい。

　さらに、浅瀬槽４３５では、傾斜により、次の効果が得られる。フィルタ４３２の上流部分（層流槽側）では、気泡の少ない冷却液がフィルタ４３２を通過する。一方、気泡の多い冷却液は、フィルタ４３２の上流部分で通過できない。そのため、気泡を多く含む冷却液は、傾斜に沿ってフィルタ４３２の下流部分に流れる。その結果、浅瀬槽４３５の下方に、気泡の多い冷却液が溜まる。上述のとおり、浅瀬槽４３５の液面高さは低いため、浅瀬槽４３５の下方において、冷却液中の気泡が自然浮上して消滅する。このように、傾斜に沿った冷却液の流れから、層流の冷却液がフィルタ４３２に対し、接触域（冷却液が通過する面積）を広く得ることができる。

　仮に、フィルタ４３２が覆う部分が傾斜していなければ、層流堰４３３を越えた冷却液は、層流堰４３３近傍のフィルタに集中的に衝突する。気泡を含む冷却液であっても、フィルタに対して鉛直方向に侵入すれば、気泡を含む冷却液がフィルタ４３２を通過してしまう可能性が高くなる。一方、浅瀬槽４３５の底部を上記のとおり傾斜させた場合、傾斜していない場合と比較して、冷却液速度の鉛直方向成分が小さくなる。この場合、流路抵抗が同一であれば、浅瀬槽４３５の底部を傾斜させた場合の方が、底部が傾斜していない場合と比較して、気泡を含む冷却液がフィルタ４３２を通過しにくい。さらに、フィルタ４３２に対して冷却液の通過面積を大きくすることができるため、冷却液中の気泡をより効率的に除去できる。

　要するに、浅瀬槽４３５を傾斜した場合、冷却液中で気泡の少ない部分は早期にフィルタ４３２を通過させることができ、気泡の多い冷却液については、浅瀬槽４３５の下方において、自然浮上を利用して気泡を除去する。そのため、気泡の少ない、多量の冷却液を短時間に効率的に供給槽４４１に供給できる。

　消泡装置４はさらに、搬送部材４３６を備える。搬送部材４３６はフィルタ４３２の下方に配置される。搬送部材４３６の上面は、傾斜した流路を有する。具体的には、流路は、層流槽４３４から離れるにしたがい下方に傾斜する。搬送部材４３６はたとえば、溝（流路）が形成された部材であってもよい。また、搬送部材４３６は側壁が形成された板状であってもよい。

　流路の傾斜角はフィルタ４３２の傾斜角と異なっていてもよいし、同じであってもよい。フィルタ４３２を通過した冷却液は、搬送部材４３６の流路を伝って供給槽４４１に流れ落ちる。このとき、冷却液の流れる方向は一定となりやすく、流下中に渦が発生しにくい。そのため、冷却液に気泡が入り込みにくい。

　［供給槽４４１］
　供給槽４４１は、消泡槽４３１により気泡が除去された冷却液を冷却装置３に供給する。このとき、供給槽４４１は、消泡槽４３１から供給された冷却液に気泡が入り込むのを抑制しつつ、冷却装置３に冷却液を供給する。

　供給槽４４１は、下部に排出口ＥＸを有する側壁ＳＷ１を備える。好ましくは、供給槽４４１はさらに、流路堰４４２及び４４３を備える。好ましくは、供給槽４４１は、消泡槽４３１よりも下に配置される。

　好ましくは、搬送部材４３６の流路の下端は、供給槽４４１内であって、供給槽４４１の側壁の上端よりも下方に配置される。この場合、搬送部材４３６の流路の下端は、供給槽４４１内の液面の近傍、又は、液面より下方に配置される。そのため、流路をつたって流れ落ちる冷却液と液面との衝突を和らげ、気泡が発生するのを抑制できる。

　供給槽４４１は、流路堰４４２により、槽４４４と槽４４５とに区画される。流路堰４４２は、フィルタ４３２の真下よりも側壁ＳＷ１よりに配置される。好ましくは、流路堰４４２は、搬送部材４３６の流路の下端と、排出口ＥＸとの間に配置される。図３では、流路堰４４２は、流路堰４４３と側壁ＳＷ１との間に配置される。流路堰４４２は、供給槽４４１の底に立てて配置される。排出口ＥＸは、槽４４５の側壁ＳＷ１の下部に形成される。排出口ＥＸが下部に形成されることにより、上方に浮上した気泡を取り込むことなく、冷却液を冷却装置３に供給できる。

　流路堰４４２は、供給槽４４１の側壁よりも低い。そのため、フィルタ４３２を通過した冷却液、より好ましくは、搬送部材４３６の流路から供給槽４４１に流れた冷却液は、流路堰４４２を越えて、排出口ＥＸに至る。

　流路堰４４３は、供給槽４４１内において、フィルタ４３２の真下よりも側壁ＳＷ１寄りに配置される。図３では、流路堰４４３は、搬送部材４３６の流路の下端と、流路堰４４２との間に配置される。つまり、流路堰４４３は、槽４４４をさらに２つ槽に区画する。流路堰４４３は、下部に開口部を有する。流路堰４４３は、下部の一部が開口していてもよいし、下部全体が開口していてもよい。好ましくは、流路堰４４３の上端は、供給槽４４１の側壁の上端以上の位置に配置される。

　流路堰４４２及び４４３は、供給槽４４１内の冷却液の流路を形成する。具体的には、搬送部材４３６の流路から供給槽４４１に流れた冷却液は、流路堰４４３により、下方に流れる。冷却液は、流路堰４４３の下部の開口部を通る。その後、冷却液は流路堰４４２により、上昇する。冷却液は流路堰４４２を越えた後、再び下方に流れ、排出口ＥＸに至る。

　要するに、冷却液は、供給槽４４１内で上昇及び下降を繰り返して排出口ＥＸに至る。そのため、流路堰４４２及び流路堰４４３を設けない場合と比較して、供給槽４４１は、長い流路を形成する。通過流路が長ければ、気泡が自然浮上するための時間を与えることができる。そのため、冷却液中の気泡が浮上しやすく、除去されやすい。さらに、流路堰４４２及び流路堰４４３により、この流路は、垂直方向の流れを含む。垂直方向の流れは、気泡の浮上を助長する。その結果、冷却液中の気泡が除去されやすい。

　排出口ＥＸから出た冷却液は、図示しないポンプ等により、冷却装置３に供給される。そして、冷却液は、冷却装置３の噴射口から噴射され、金属材を焼入れする。

　［金属材の製造方法］
　本実施の形態による金属材の製造方法は、３ＤＱ装置１００中の焼入れ装置１を用いて、金属材を焼入れする。

　初めに、加熱装置２により、金属材１０を加熱する。加熱された金属材１０は、把持装置１３０を用いて曲げモーメントが与えられ、曲げ加工される。曲げ加工された金属材１０に対して、冷却装置３から冷却液を噴射して焼入れを実施する（焼入れ工程）。

　焼入れ工程は、気泡除去工程と、冷却工程とを備える。気泡除去工程では、消泡装置４を用いて、焼入れに使用された後の冷却液内の気泡を除去する。冷却工程では、気泡が取り除かれ、気泡量が減少した冷却液を冷却装置３から噴射して金属材１０を冷却する。その結果、実質的に均一な焼入れが安定して得られる。３ＤＱ装置１００において焼入れが均一に安定して得られれば、曲げ加工された金属材１０の加工形状の精度も安定して得られる。以上の工程により、焼入れされた金属材を製造することができる。

　［第２の実施の形態］
　循環装置５０内の供給部材４２３の排出部分は、複数の分岐管に分岐されていてもよい。図４は、第２の実施の形態による焼入れ装置１の供給部材４２３及びその周辺部分の平面図である。図５は、供給部材４２３の正面図である。

　図４及び図５を参照して、供給部材４２３は、主管４２６と、複数の分岐管４２５とを含む。複数の分岐管４２５は、主管４２６から分岐する。各分岐管４２５の端部は開口しており、供給口を構成する。各分岐管４２５の横断面積（分岐管４２５の中心軸に垂直な断面の面積）の合計は、主管４２６の横断面積（主管４２６の中心軸に垂直な断面の面積）よりも大きい。

　本実施の形態では、主管４２６を通って搬送される冷却液は、複数の分岐管４２５に分岐する。上述のとおり、各分岐管４２５の横断面積の合計は主管４２６の横断面積よりも大きい。そのため、各分岐管４２５での冷却液の流量は、主管４２６を流れる冷却液の流量よりも少なくなる。その結果、供給口近傍での冷却液の流速は、主管４２６内での冷却液の流速よりも遅くなる。流速が遅くなれば、分岐管４２５から排出された冷却液と、層流槽４３４内での液面との衝突が和らげられる。そのため、冷却液に、気泡の発生を抑制できる。

　好ましくは、複数の分岐管４２５の内径の断面積の合計は、主管４２６の内径の断面積よりも大きい。この場合、分岐管４２５内の冷却液の流速は、主管４２６での流速よりも小さくなる。

　［他の実施の形態］
　上述の実施の形態では、焼入れ装置は、循環装置５０と消泡槽４３１とを含む消泡装置４と、供給槽４４１とを備える。しかしながら、焼入れ装置は少なくとも消泡槽４３１及び供給槽４４１を備えればよい。この場合、冷却装置３から噴射された冷却液は消泡槽４３１に直接供給される。そして、消泡槽４３１で気泡が取り除かれた冷却液は、供給槽４４１を経由して、冷却装置３に供給される。

　浅瀬槽４３５の底の一部が傾斜していなくてもよく、フィルタ４３２が覆う底部が傾斜して配置されていなくてもよい。この場合においても、フィルタ４３２は冷却液の気泡を除去することができる。

　搬送部材４３６は配置されなくてもよい。この場合、フィルタ４３２を通った冷却液は、下方に配置された供給槽４４１に自然落下する。フィルタ４３２により冷却液の気泡は除去されている。そのため、搬送部材４３６が配置されていなくても、フィルタ４３２による気泡除去の効果はある程度維持される。

　供給槽４４１の流路堰４４２及び／又は４４３は配置されてなくてもよい。この場合であっても、供給槽４４１が貯留槽４２１と同様に、一時的に冷却液を貯留する。そのため、冷却液中の気泡が浮上しやすく、気泡がある程度除去される。たとえば、供給槽４４１に、流路堰４４３が配置され、流路堰４４２が配置されなくてもよい。冷却液が流路堰４４３の下部の開口部を通るとき、冷却液は供給槽４４１内の下部を流れる。このとき、冷却液中の気泡は浮上し、冷却液中の気泡が除去されやすい。

　上述の実施の形態において、循環装置５０内の供給部材４２３は配管である。しかしながら、供給部材４２３は配管以外の他の構成であってもよい。たとえば、貯留槽４２１が消泡槽４３１よりも上方に配置される場合、供給部材４２３は搬送部材４３６と同様の構成であってもよい。

　上述の実施の形態では、焼入れ装置１は３ＤＱ装置１００に適用される。３ＤＱ装置１００の種類は特に限定されない。図１では、支持装置１２０及び把持装置１３０はいずれも一対又は複数対のローラを備える。しかしながら、支持装置１２０及び／又は把持装置１３０は、多軸ロボットアームであってもよい。

　上述の実施の形態では、焼入れ装置１は３ＤＱ装置１００に適用される。しかしながら、上述の焼入れ装置１は、３ＤＱ装置１００以外の他の装置に利用されてもよいし、焼入れ装置１単体で利用されてもよい。

　以上、本発明の実施の形態を説明した。しかしながら、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。したがって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変更して実施することができる。
 

Claims (8)

1. 　冷却液を噴射して金属材を焼入れする焼入れ装置であって、
   　前記冷却液から気泡を取り除く消泡装置と、
   　気泡が取り除かれた前記冷却液を貯留する供給槽と、
   　前記供給槽から供給された前記冷却液を前記金属材に向けて噴射する冷却装置とを備え、
   　前記消泡装置は、
   　消泡槽と、
   　焼入れ使用後の前記冷却液を回収して前記消泡槽に供給する循環装置とを備え、
   　前記消泡槽は、
   　前記消泡槽を層流槽と浅瀬槽とに区画する層流堰を含み、前記層流堰は、前記層流槽の側壁よりも低く、
   　前記層流槽には、前記循環装置から前記冷却液が供給され、前記浅瀬槽には、前記層流槽から前記層流堰をオーバーフローして前記冷却液が注がれ、
   　前記浅瀬槽は、
   　開口を有する底部と、
   　前記開口を覆い、網目構造を有する板状又はシート状のフィルタとを含み、
   　前記浅瀬槽の液面高さは、前記層流堰の高さ未満であり、
   　前記供給槽は、前記フィルタを通過した前記冷却液を貯留する、焼入れ装置。
2. 　請求項１に記載の焼入れ装置であって、
   　前記浅瀬槽の前記底部のうち、前記フィルタが覆う部分は、前記層流槽から離れるにしたがって下方に傾斜する、焼入れ装置。
3. 　請求項１に記載の焼入れ装置であってさらに、
   　前記フィルタの下方に配置され、傾斜した流路を有し、前記フィルタを通過した前記冷却液を前記供給槽に注ぐ搬送部材を備える、焼入れ装置。
4. 　請求項１に記載の焼入れ装置であって、
   　前記供給槽は、
   　下部に排出口を有する側壁と、
   　前記供給槽内において、前記フィルタの真下よりも前記側壁寄りに配置され、下部に開口部を有する第１流路堰とを備え、
   　前記フィルタを通過して前記供給槽内に供給された前記冷却液は、前記第１流路堰の前記開口部を通って前記排出口に至る、焼入れ装置。
5. 　請求項４に記載の焼入れ装置であって、
   　前記供給槽はさらに、
   　前記第１流路堰と前記側壁の間に配置され、前記側壁よりも低い第２流路堰を備え、
   　前記フィルタを通過して前記供給槽内に供給された前記冷却液は、前記第１流路堰の前記開口部を通った後、前記第２流路堰を超えて前記排出口に至る、焼入れ装置。
6. 　請求項１に記載の焼入れ装置であって、
   　前記循環装置は、
   　前記冷却液を通す主管と、
   　前記主管から分岐しており、各々が前記冷却液を前記層流槽に供給する供給口を有する複数の分岐管とを含み、
   　前記各分岐管の横断面積の合計は、前記主管の横断面積よりも大きい、焼入れ装置。
7. 　請求項１に記載の焼入れ装置であって、
   　前記循環装置はさらに、
   　焼入れ使用後に回収された前記冷却液を貯留する貯留槽を備え、
   　前記循環装置は、前記貯留槽内の前記冷却液を前記消泡槽に供給する、焼入れ装置。
8. 　請求項１～請求項７のいずれか１項に記載の焼入れ装置を用いた金属材の製造方法であって、
   　前記金属材を加熱する工程と、
   　加熱された前記金属材に対して冷却液を噴射して前記金属材に対して焼入れを実施する工程とを備え、
   　前記焼入れを実施する工程は、
   　前記消泡装置により前記冷却液から気泡を取り除く工程と、
   　加熱された前記金属材に対して、前記気泡が取り除かれた前記冷却液を噴射する工程とを含む、金属材の製造方法。

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