JP2013123752A - 均一通電加熱装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】通電加熱技術で、非矩形のブランクの全体均一加熱を実現する。
【解決手段】ブランク１へ通電する電極対群５０と、各電極対1a1b,‥‥,8a8bへ電力を供給する単一の電源と、電源から各電極対への電流の分岐関門として開閉するゲート手段と、所与の通電条件に則りゲート手段の開閉を制御するゲート開閉制御手段とを用い、ブランク１の周縁部に電極対群５０を、個々の電極対によりブランク１上につくられる通電経路である各電極対の通電経路１１〜１８の個々同士が互いに交差しないように配置し、ゲート開閉制御手段により各電極対へ順次交番的に給電し、給電した電力の総量が目標電力値に達したら給電を終了する通電条件を設定し、電極対群1a1b,‥‥,8a8bへの給電を開始する。
【選択図】図１

Description

本発明は均一通電加熱装置及び方法に関し、特に、プレス成形の被加工材として金属板例えば高強度鋼板から裁断したブランクを、プレス成形する前に加熱して熱間又は温間でプレス成形するホットプレス（別名：ホットスタンピング）工程において、特に非矩形のブランク（平面形状が矩形状でないブランク）全体を均一かつ短時間で有利に加熱できる均一通電加熱装置及び方法に関する。

（Ａ） ホットプレス工程において、特にそれが自動車部品の製造に適用される場合、ブランクの加熱装置としては電気炉やガス炉等の輻射式加熱炉が汎用されている（例えば図３(a)）。また、ブランクの両端に電極を１つずつ配置し、配置した電極でブランクをクランプして通電加熱する方法もある(例えば図３(b))。
尚、図３(a)の例では、ブランク１は、これを輻射式加熱炉２で所定の温度に全体加熱し、金型であるパンチ３とダイ４との間にセットし、これら金型にてプレス加工する事により、成形品１０とされる。又、図３(b)の例では、ブランク１は、これを金型であるパンチ３とダイ４との間にセットし、ブランク両端部を１組の電極５の一方と他方とで夫々クランプして電源６から給電して所定の温度に全体加熱し、該加熱後電極５を外して（アンクランプして）、前記金型にてプレス加工する事により、成形品１０とされる。
（Ｂ） 一方、矩形ブランクを通電加熱して高温とし、高温状態に保持したまま必要な外形形状に打抜くと同時に成形を行うプレス装置が公知である（特許文献１参照）。
（Ｃ） 又、金属帯板を打抜き、得られたブランクをプレス加工して小物部品に成形する、高速・多段工程の順送プレスをホットプレス成形法にて行う為に、特定のブランク形状に合わせた専用の特殊形状電極を設置し、金属帯板内の必要な部分のみを局部加熱する技術が公知である（特許文献２参照）。

特開２００７−２６０７６１号公報 特開２００５−１３１６６５号公報

背景技術（Ａ）において、炉加熱方式と比べて通電加熱方式は、通電加熱時間が極めて短時間であり、９００℃以上の高温に到達可能で、設備設置の為のスペースも小さく、既存のプレス成形ラインへの導入が容易であるという長所があるにも拘らず適用事例は少ない。この理由として、従来の通電加熱は１組のみの電極を用いるため、ブランク平面形状が矩形に限定される点を挙げる事ができる。

この欠点を補う手段として背景技術（Ｂ）（加熱-打抜き-成形同時方式）が提案されたが、この方式の場合、打抜き工程での金型とブランクの直接接触によるブランクの温度変化が大きくて、成形工程まで充分な高温を維持できないという難点がある。又、プレス機と金型とは専用の構造とする必要があり、各成形品の形状に対応させた新たな設備導入、投資がその都度必要となり問題である。

背景技術（Ｃ）では、製造対象がブラケット類など小物部品であるから、加熱範囲も小さくて、局部的な加熱から熱伝導により必要部位全体を加熱する事が容易であると推察される。然し、本発明が対象とする自動車骨格として高強度が必要とされる部品は、何れもサイズが大きく、高速・多段の順送プレスでの製造は困難である。然も、素板の局部加熱と熱伝導による全体加熱は、放熱と伝導のバランスから勘案しても現実的ではなく、その結果、背景技術（Ｂ）の如き提案がなされる所以でもある。

つまり、従来の通電加熱技術では、非矩形ブランクの短時間での全体均一加熱が困難であるという課題があった。

発明者らは前記課題を解決する為に鋭意検討し、その結果、互いに平行な通電経路をブランク上につくる電極対群に１つの電源からの電力を通電経路毎に設定した通電条件で供給する事により、非矩形のブランクであっても単一の装置で全体均一加熱が短時間に実現可能であるという知見を得て、以下の要旨構成になる本発明を成した。
（１） 熱間又は温間プレス成形において、ブランクへ通電する電極対群と、各電極対へ電力を供給する単一の電源と、該電源から各電極対への電流の分岐関門として開閉するゲート手段と、所与の通電条件に則り前記ゲート手段の開閉を制御するゲート開閉制御手段とを有することを特徴とする均一通電加熱装置。
（２） 前記ゲート手段が半導体パワースイッチ素子であり、前記ゲート開閉制御手段がマルチプレクサ制御回路であることを特徴とする前記（１）に記載の均一通電加熱装置。
（３） 前記（１）又は（２）に記載の均一通電加熱装置を用いた均一通電加熱方法であって、ブランクの周縁部に前記電極対群を、個々の電極対によりブランク上につくられる通電経路である各電極対の通電経路の個々同士が互いに交差しないように配置し、前記ゲート開閉制御手段に、各電極対へ順次交番的に給電し、給電した電力の総量が目標電力値に達したら給電を終了する通電条件を設定し、前記電極対群への給電を開始することを特徴とする均一通電加熱方法。
（４） 前記電源として定電流電源を用い、各電極対の通電経路の幅を一定の幅とし、前記通電条件を、各電極対の通電経路の長さに応じて該各電極対に対する前記ゲート手段の開時間を与えるものとすることを特徴とする前記（３）に記載の均一通電加熱方法。
以下、本発明（１）又は（２）に係る均一通電加熱装置は本発明装置とも云い、本発明（３）又は（４）に係る均一通電加熱方法は本発明方法とも云う。

本発明によれば、ホットプレス成形工程において、ブランクが非矩形である場合でも、ブランク全体を均一に通電加熱することが可能である。

本発明の実施形態の一例を示す概略図である。 本発明の実施形態の一例を示すブロック図である。 従来のホットプレス成形工程を示す概略図である。

図１は、本発明の実施形態の１例を示す概略図であり、図２は、本発明の実施形態の一例を示すブロック図である。これらの図を用いて本発明の実施形態を説明する。
図１において、１はブランク（非矩形のブランク；素材は鋼板である）、５は電極（本例では計１６個）、1a〜8a,1b〜8bは電極５の個体識別記号（以下、個体識別記号Nの電極５は、電極Nとも記し、個体識別記号NとMの電極５を対にした電極対は、電極対NMと記す）、５０は電極対群（電極対群の要素は、電極対1a1b,2a2b,‥‥,8a8bの計８対である）、１１〜１８は夫々電極対1a1b,2a2b,‥‥,8a8bの各々によってブランク１上につくられる通電経路（略して、電極対の通電経路と云う）である。

ここで、１つの電極対内の一電極から他電極への通電経路（設定時）は一電極のブランク接触部を他電極のブランク接触部位置へ直線的に移動させてなる移動軌跡であり、該移動軌跡の前記移動の方向と板厚方向とに直交する方向の幅が通電経路の幅である。
鋼板を流れる電流は、板厚、材質が等しく、抵抗率が変化しなければ、最短経路をとる。該最短経路が前記通電経路に相当する。

図２において、１００は通電条件設定用基礎データ（ブランク形状、加熱位置,温度）、１０１は通電条件を設定する準備ステップ、３１はゲート開閉制御手段、３２はゲート手段である。
図１,図２に示す様に、本発明装置はブランク１へ通電する電極対群５０と、各電極対1a1b,2a2b,‥‥,8a8bへ電力を供給する単一の電源６と、該電源６から各電極対1a1b,2a2b,‥‥,8a8bへの電流の分岐関門として開閉（オンオフ）するゲート手段３２と、所与の通電条件に則り前記ゲート手段の開閉を制御するゲート開閉制御手段３１とを有する。ゲート手段３２としては、大容量で応答の速い、サイリスタ等に代表される半導体パワースイッチ素子（以下、半導体パワースイッチ素子３２とも記す）が好ましい。ゲート開閉制御手段３１としては、LED発光表示板等の制御に広範囲に使用されていて、設定された通電条件（オンオフスイッチング仕様）通りに、高速での多接点同時スイッチングが可能なマルチプレクサ制御回路（以下、マルチプレクサ制御回路３１とも記す）が好ましい。このように、マルチプレクサ制御回路３１に半導体パワースイッチ素子３２を組み合わせる事で、大容量の単一の電源６により複数の電流回路を制御可能とする。

本発明方法では、まず、対象とするブランク（鋼板）１の周縁部に電力供給用の複数の電極５を配置して電極対群５０を構成する。この配置形態は、個々の電極対1a1b,2a2b,‥‥,8a8bによりブランク１上につくられる通電経路１１〜１８の個々同士が互いに交差しない（好ましくは互いに平行となる）配置形態とする。この配置形態は、均一な温度分布を得る為に重要な点である。通電経路が交差する配置形態であると、その交差部がホットスポットとなって、不均一な温度分布が発生し易くなる。

そして、準備ステップ１０１において、通電条件設定用基礎データ１００を参照して、マルチプレクサ制御回路３１に通電条件を設定する。この通電条件は、各電極対へ順次交番的に給電し、給電した電力の総量が目標値に達したら給電を終了するというものとする。
各電極対への順次交番的給電は、給電中に通電経路が交差してしまうのを避ける為に必要な条件である。例えば、順次交番せずに相異なる電極対1a1bと電極対2a2bとへ同時に給電した場合、交差しない通電経路１１，１２の他に、電極1a電極2b間の最短経路と電極1b電極2a間の最短経路とが交差する通電経路を生じさせてしまい、不均一な温度分布となり易い。

又、各電極対への順次交番的給電は、複数回繰り返し行うのがよい。各電極対への順次交番的給電が１回のみでは、目標温度まで加熱する必要があることから、複数回の場合の各回に比べてその１回のみの給電時間が長くならざるを得ず、然も、最終順番の通電経路箇所が目標温度に達するまで、先行通電を終えた通電経路箇所は周囲への熱拡散により温度低下しながら待たされるから、ブランク面内温度偏差が大きくなり、ブランクサイズによっては充分に均一な温度分布とはなり難い場合が生じる。

そして、給電した電力の総量が目標電力値に達したら給電を終了する。目標電力値は、各通電経路毎に、そこが目標温度に達するまでの所要発熱量から算出できる。
通電制御の精度を良くする観点から、電源６として定電流電源例えば大容量低電圧の直流電源を用い、各電極対の通電経路幅を一定の幅に揃えておくとよい。こうしておけば、通電条件として、各電極対の通電経路の長さに応じた該各電極対に対する前記ゲート手段の開時間を与えるだけで、各通電経路における発生熱量を同一の値に揃えることが容易となり、単位体積当たりの発熱量をブランク全体で、より高精度に、均一にすることができる。

ホットプレス工程へ本発明を適用するには、当然ながら、図３(b)において、図３(b)の電極５、電源６の組合わせを廃し、これに代えて、図１、図２の電極対群５０、電源６、ゲート手段としての半導体パワースイッチ素子３２、ゲート開閉制御手段としてのマルチプレクサ制御回路３１の組合わせを採用すればよい。

図１、図２に示した実施形態例に則り、ブランク１を直接通電加熱し、所定時間後の表面温度分布をサーモビュワーで観測した。ブランク１には、板厚１．６ｍｍのJSC590（JFS A 2001相当）クラスの冷延鋼板から図１の様な非矩形状に切り出したサンプルを用い、目標到達温度は９００℃に設定した。尚、電源６として定電流電源を用い、各電極対の通電経路の幅を一定の幅とし、通電条件は、各電極対への順次交番的給電を複数回繰り返すものとし、且つ、各電極対の通電経路の長さに応じて該各電極対に対するゲート手段の開時間を与えるものとした。

その結果、通電合計時間１０秒で、９００℃±２５℃の均一な温度分布が達成された。

１ ブランク（例：鋼板）
２ 輻射式加熱炉
３ パンチ
４ ダイ
５ 電極
６ 電源
１０ 成形品
１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７，１８ 通電経路
３１ ゲート開閉制御手段（マルチプレクサ制御回路）
３２ ゲート手段(半導体パワースイッチ素子)
５０ 電極対群
１００ 通電条件設定用基礎データ
１０１ 通電条件設定準備ステップ

Claims (4)

1. 熱間又は温間プレス成形において、ブランクへ通電する電極対群と、各電極対へ電力を供給する単一の電源と、該電源から各電極対への電流の分岐関門として開閉するゲート手段と、所与の通電条件に則り前記ゲート手段の開閉を制御するゲート開閉制御手段とを有することを特徴とする均一通電加熱装置。
2. 前記ゲート手段が半導体パワースイッチ素子であり、前記ゲート開閉制御手段がマルチプレクサ制御回路であることを特徴とする請求項１に記載の均一通電加熱装置。
3. 請求項１又は２に記載の均一通電加熱装置を用いた均一通電加熱方法であって、ブランクの周縁部に前記電極対群を、個々の電極対によりブランク上につくられる通電経路である各電極対の通電経路の個々同士が互いに交差しないように配置し、前記ゲート開閉制御手段に、各電極対へ順次交番的に給電し、給電した電力の総量が目標電力値に達したら給電を終了する通電条件を設定し、前記電極対群への給電を開始することを特徴とする均一通電加熱方法。
4. 前記電源として定電流電源を用い、各電極対の通電経路の幅を一定の幅とし、前記通電条件を、各電極対の通電経路の長さに応じて該各電極対に対する前記ゲート手段の開時間を与えるものとすることを特徴とする請求項３に記載の均一通電加熱方法。

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