JP4494666B2 - 複合円筒・円柱体の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はスリーブ付ロールのような複合円筒体（或いは複合円柱体）の、芯材とスリーブ材とが相互に接合された形で複合された製品を、安価な技術を集約して製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
以下、電気メッキラインにおいて被メッキ体である金属薄板にカソード給電を行うためのコンダクタロールに例をとって説明する。コンダクタロールは、前記金属薄板への転動接触通電端となるロール胴部の劣化・消耗が激しく、頻繁な修復を要するため、上記修復がスリーブ材の交換によって安価に行えるスリーブ付ロールが多用されている。スリーブ付のコンダクタロールにおいては、芯材−スリーブ材界面を横切って数千アンペアの大電流が流れるので、上記界面には均一な良導電性が要求される。また、スリーブ材の着脱が容易に行えることが好ましい要件となる。
【０００３】
このため、上記芯材とスリーブ材の複合は、従来、焼嵌めによって行っていた。しかしながら、焼嵌めは工程が複雑でコストがかかるという問題点があった。何故なら、焼嵌めは、ロール胴部の外周面を所定の外径寸法、真直度、真円度、粗度となるように機械加工し、また、スリーブ材についてもその内面を所定の内径寸法、真直度、真円度、粗度となるように機械加工してロール胴部の外周面に焼嵌め可能な寸法、形状に正確に整え、その後、スリーブ材を、不都合な変質が生じない程度の低めの好適温度に加熱して熱膨張させた状態で、遊挿するという諸工程を経てロール胴部外周面に嵌合させるものであり、上記高精度の機械加工と、スリーブ材を終始好適な昇温状態に維持して嵌合のためのクリアランスを確保し続けることに、熟練工による多大な注力を要するからである。
【０００４】
また、スリーブ材が銅などの軟質金属である場合には、ロールとして使用するうちにスリーブ材の拡径変形が徐々に進んでロール胴部に対する嵌着力が早期に低下するという問題もあった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、コンダクタロールのように、ロール胴部等の芯材にスリーブ材を嵌合した構成の複合円筒・円柱体を容易に製造可能で、しかも、製造した複合円筒・円柱体における芯材とスリーブ材との機械的接合強度及び導電性を従来よりも増すことのできる、複合円筒・円柱体の製造方法を提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、円筒状又は円柱状の金属製芯材に円筒状の金属製スリーブ材を同心状に複合させた構造の複合円筒・円柱体を製造するに当たって、両者をろう接する方法を採用し、そのろう接方法として、前記芯材とスリーブ材とをろう材介在スペースを見込んだ寸法関係で用意し、その芯材とスリーブ材を同心配置した状態でほぼ垂直状態に立てて支持台上に乗せ、前記芯材とスリーブ材の間の間隙の下端を閉じると共に、ろう材溶湯を収容した溶湯浴を配管を介して前記間隙の下端に連通させ、溶湯浴内のろう材溶湯のヘッドによって前記間隙にろう材溶湯を供給可能な状態とし、前記芯材とスリーブ材の一方若しくは双方をろう材の融点以上の温度に加熱した状態で前記溶湯浴内のろう材溶湯のヘッドによって前記芯材とスリーブ材の間の間隙をろう材溶湯で満たし、その後、全体を冷却してろう材を凝固させて前記芯材とスリーブ材とをろう接するという方法を採用したものである。この構成により、芯材とスリーブ材とを嵌合させる操作は、上記ろう材介在スペース分の間隙の存在により、従来の焼嵌めに比べてはるかに容易であり、且つろう接に際しては、ろう材溶湯を芯材とスリーブ材との間に、その下端から溶湯浴内のろう材溶湯のヘッドによって安定して且つ途中で凝固させることなく良好に供給でき、また、ろう材中の気泡や不純物は自動的に浮上して上端から排出され、芯材とスリーブ材とを気泡や不純物の少ないろう材で良好に接合できる。かくして、得られた複合円筒・円柱体は、芯材とスリーブ材とが良好にろう接されているので、芯材とスリーブ材との機械的接合強度が大きく、長期に亘って安定して使用でき、且つ芯材とスリーブ材との間の導電性にも優れている。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明で製造対象とする複合円筒・円柱体は、円筒状又は円柱状の金属製芯材と円筒状の金属製スリーブ材とを同心状に複合した形のものであれば、その構造、用途等は任意であり、例えば、ロール胴部の外周にスリーブ材を配した各種のロール、シャフト本体の外周にスリーブ材を配した各種のシャフト等を挙げることができる。特に、本発明によって製造した複合円筒・円柱体は、芯材とスリーブ材との間に優れた導電性を備えているので、コンダクタロール等の電気的導通が要求される用途に好適である。また、複合円筒・円柱体を構成する金属製芯材及び金属製スリーブ材の材質や形状も、特に限定されるものではなく、複合円筒・円柱体の用途に応じて適宜定めれば良い。更に、金属製芯材は、新規に製造したものに限らず、既存のものを利用してもよい。例えば、既存のスリーブ付ロールの補修に当たって、表面が摩耗或いは損傷したスリーブ材を除去した後のロール本体を芯材とし、その上に新規に製造したスリーブ材を配してスリーブ付ロールを補修する場合に本発明を適用できる。以下、コンダクタロールの胴部として使用する、鋼製の中空円筒状の芯材と銅製のスリーブ材とを備えた複合円筒体を製造する場合を例にとって、本発明の実施形態を説明する。
【０００８】
図１、図２は本発明の一実施形態を示すものである。まず、図１（ａ）に示すように、鋼製の芯材１と銅製のスリーブ材２を用意し、芯材１の外周面及びスリーブ材２の内周面を所定の寸法、真直度、真円度、粗度となるように機械加工する。この際の加工精度は、従来のコンダクタロールの製造において焼嵌めを行う場合の加工精度に比べて低くてよく、このため、機械加工工数を大幅に削減できる。また、芯材１の外径とスリーブ材２の内径は、両者を常温で同心状に配置した際、両者の間にろう材を満たしてろう接することができるように適当な間隙が生じるように設定する。同心配置状態での芯材−スリーブ材間の間隙の寸法としては、間隙内にろう材溶湯を供給して間隙を確実に満たすことができるように溶湯を流れ易くし、且つ間隙を満たした溶湯内の気泡や不純物の浮上を容易にする上から、０．５ｍｍ以上に設定することが好ましく、また、ろう材使用量を削減する上からは２ｍｍ以下とすることが好ましい。
【０００９】
次に、芯材１とスリーブ材２とを同心配置するが、それに先立って、図１（ｂ）に示すように、芯材１の外周面及びスリーブ材２の内周面の一方若しくは双方に、ろう材溶湯を適用し、あるいは、ろう材を溶射した後再溶融処理を施してろう材メッキ層３を形成しておくことが望ましい。上記ろう材のメッキはフラックスを用いて行ってよい。ここでメッキ層を形成する主目的は、芯材１とスリーブ材２をろう接する際のろう材と芯材１及びろう材とスリーブ材２との接合性を向上させるためであるが、芯材１とスリーブ材２の間にろう材溶湯を供給する際の溶湯の流れを容易とするのにも有用である。メッキ層の厚さは、前記目的に見合ったごく薄いもの（たとえば５０〜２００μｍ）でよい。なお、芯材１やスリーブ材２の材質が、ろう材溶湯に対する濡れ性に優れる場合、或いは、ろう接に際して芯材１やスリーブ材２の表面にフラックスを適用してろう材の濡れ性を向上させることができる場合などには、ろう材３のメッキ層を省略することも可能である。
【００１０】
次に、図１（ｃ）に示すように、芯材１とスリーブ材２とを嵌合して同心配置する。ここで、芯材１とスリーブ材２にろう材３をメッキし、その合計厚さを厚目（たとえば３００〜５００μｍ）に選定した場合には、嵌合操作を容易とするため、ろう材３の融点以下の温度で焼嵌めする。この焼嵌めは、従来のコンダクタロールの製造において芯材（ロール胴部）とスリーブ材とを直接焼嵌めして接合した場合に比べてはるかに容易である。すなわち、本実施形態における焼嵌めは、単に芯材１とスリーブ材２とをろう材３のメッキ層を介して嵌合させるのみでよく、強固に接合させる必要はないので、スリーブ材２の加熱温度を通常の焼嵌め温度まで高くして間隙を拡大させなくてもろう材３のメッキ層は柔らかくて潤滑剤の役割を果たすため、容易に焼嵌めできる。更に焼嵌めを行うことで、芯材１とスリーブ材２とを同心配置することができる。
【００１１】
なお、芯材１とスリーブ材２とに形成したろう材３のメッキ層が薄い場合には、単に芯材１とスリーブ材２とを嵌合しただけでは、正確に同心配置できるとは限らないので、両者を適当な方法で同心配置する必要がある。この同心配置する方法としては、例えば、芯材１とスリーブ材２の間の間隙内に、一定厚みの複数個の埋殺しスペーサを軸線方向にも作用する形で周方向に飛石配置する方法を挙げることができ、この埋殺しスペーサを用いることで、芯材１とスリーブ材２を容易に同心状に保持することができる。埋殺しスペーサの具体的な形態としては、周方向の４個所程度に金属線を全長配置した形態、あるいは、Ｌ字形の金属板切片を両端部に配置した形態を例示できる。また埋殺しスペーサは、芯材１とスリーブ材２の間にろう材を満たしてろう接した際、そのまま埋め込んだままとしておくものであるので、材質としては、それ自体がろう接されやすい銅系金属製のものが適している。埋殺しスペーサを配置する方法としては、ろう材をメッキする前の芯材１又はスリーブ材２に埋殺しスペーサを機械的に取り付けておく方法、メッキ層を形成した芯材１とスリーブ材２を嵌合させる際にあるいは嵌合させた後に埋殺しスペーサを両者間に挿入してゆく方法等を挙げることができる。
【００１２】
次に、図２に示すように、芯材１とスリーブ材２の嵌合体をほぼ垂直に立てて支持台５に保持させる。ここで使用する支持台５は、その上に垂直に乗せた芯材１及びスリーブ材２の間の間隙６に通じる通路７を円周方向に適宜間隔をあけて複数個設けており、且つその通路７以外の領域では間隙６の下端を閉じ、間隙６内の溶湯が周囲に漏れ出さないようにシールする機構（図示せず）を設けた構成となっている。また、この支持台５には、芯材１及びスリーブ材２を支持台５に固定するための、押え板１１、連結棒１２、ばね１３等を備えた固定治具１０を取り付けるブラケット１４を備えている。なお、図面では固定治具１０を１組示しているが、固定治具１０は複数個が支持台５の周囲に配置される。支持台５に形成している通路７には分配管１６が配管１７によって接続され、その分配管１６にはろう材３の溶湯を収容した溶湯浴１８が配管１９によって接続されている。溶湯浴１８は高さを調整可能となっており、その高さを適宜調整することで、ろう材溶湯をヘッドによって間隙６にその下端から供給することが可能である。溶湯浴１８の湯面の高さとしては、間隙６の上端よりも少し高い位置に設定しておく。この高さを採用することで、溶湯浴１８の溶湯のヘッドにより間隙６を溶湯で満たすと共に、その上端から溶湯を少し押すことで、溶湯の上面にあるスカムを排出できる。なお、溶湯浴１８の湯面の高さは上例のような定位置ではなく、間隙６への溶湯注入時に間隙６内の湯面の上昇に合わせて変化させてもよい。このようにすることで、溶湯の注入速度を一定にするのが容易となる。
【００１３】
図２に示すように、芯材１とスリーブ材２の嵌合体をほぼ垂直に立てて支持台５に保持させ、間隙６下端の、通路７に面する領域以外の部分を閉じると共にその間隙６に通路７によって溶湯浴１６からの溶湯を供給しうる状態とした後、全体を、加熱炉に入れ、加熱炉内温度をろう材の融点より少し高い温度（たとえば、融点＋５０°Ｃ程度）に昇温、保持する。これにより、芯材１及びスリーブ材２が加熱され、その間にあったろう材３のメッキ層が加熱されて溶融し、メッキ層が厚目の場合には、その一部が流下して間隙６の下部を満たす。同時に溶湯浴１６からろう材溶湯が供給され、間隙６を確実に満たし且つその間隙６の上端から少し押し出され、スカムを間隙外に押し出す。この時、間隙６は垂直に配置されているため、間隙６を満たした溶湯中の気泡や不純物は自動的に上昇し、上端から系外に排出される。その後、炉内温度を下降させて嵌合体を、間隙６内のろう材３共々、ろう材融点を下回る温度に下降させ、ろう材３を凝固させてろう接体を得る。ろう接体が取り扱いやすい温度（たとえば１５０°Ｃ前後）にまで下降した後、全体を炉から取り出し、放冷する。なお、芯材１とスリーブ材２の同心配置に先立って、両者の被ろう接面にフラックスを塗布しておくことにより、上記間隙内のろう材溶湯が被ろう接面を確実に濡らすところとなって、良好なろう接が行える。特に、同心配置前にメッキ層を施していない場合にはフラックスの適用がとりわけ望ましい。この際、前述のように芯材−スリーブ材間の間隙を前述のように大きい目にとっておくことでフラックスの上昇排出も確実に進む。
【００１４】
以上によって、芯材１とスリーブ材２は、気泡や不純物の少ないろう材層によってろう接され、芯材１とスリーブ材２がろう接された複合円筒体が製造される。得られた複合円筒体では、芯材１とスリーブ材２が気泡や不純物の少ないろう材層によってろう接されているので、芯材１とスリーブ材２の接合強度が大きく且つ両者間の通電抵抗が均一且つ極小となっており、優れた導電性を発揮する。かくして、コンダクタロールとして使用するのにきわめて有効な複合円筒体を得ることができる。
【００１５】
以上のろう接操作を行うに当たって、使用する加熱炉内雰囲気は、通常の雰囲気（通常の大気の存在する雰囲気）でもよいが、無酸素雰囲気とすることが好ましい。無酸素雰囲気を使用することで、ろう材メッキ層の酸化を防止し、より高品質のろう接構造を得ることができる。特に同心配置前にメッキ層を施していない場合には無酸化雰囲気とすることがとりわけ望ましい。また、芯材１とスリーブ材２の間へのろう材の鋳込みは、通常は常圧下で行うが、必要に応じ、加熱炉内雰囲気を減圧するとか、芯材１とスリーブ材２の間の間隙６の上端のみに負圧を作用させるなどして、鋳込みを減圧下で行っても良い。減圧下で鋳込みを行うと、間隙６内のろう材溶湯からの気泡の逸出を更に容易とすることができ、敏速に高品質のろう接を行うことができる。また、間隙６の上端のみに負圧が作用する構成とした場合には、間隙６の下端からの溶湯の供給を敏速に行うことも可能となる。更に、鋳込み時に対象物に振動を加えることで、気泡の逸出を促進させることができる。特に、超音波振動が効果的である。
【００１６】
上記した実施形態では、間隙６に対してろう材溶湯を補充するため、溶湯浴１８を間隙６の下端に連結し、溶湯のヘッドによって間隙６内に溶湯を補充しており、この構成により、溶湯を間隙６内に安定して且つ確実に補充できる利点が得られる。なお、上記した実施形態では、嵌合した状態の芯材１とスリーブ材２を炉内に置いて加熱する構成としているが、加熱方法は炉加熱に限らず、他の方法、例えば、誘導加熱、バーナーによる加熱等を利用してもよい。ただし、炉内で加熱する方法を採用すると、作業が容易であり、且つ全体的に均一な加熱が可能であるという利点が得られる。
【００１７】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明は、金属製の芯材と金属製のスリーブ材とをろう材介在スペースを見込んだ寸法関係で用意し、その芯材とスリーブ材を同心配置した状態でほぼ垂直状態に立てて支持台上に乗せ、前記芯材とスリーブ材の間の間隙の下端を閉じると共に、ろう材溶湯を収容した溶湯浴を配管を介して前記間隙の下端に連通させ、溶湯浴内のろう材溶湯のヘッドによって前記間隙にろう材溶湯を供給可能な状態とし、前記芯材とスリーブ材の一方若しくは双方をろう材の融点以上の温度に加熱した状態で前記溶湯浴内のろう材溶湯のヘッドによって前記芯材とスリーブ材の間の間隙をろう材溶湯で満たし、その後、全体を冷却してろう材を凝固させて前記芯材とスリーブ材とをろう接するという構成としたことにより、芯材とスリーブ材とをろう材で良好に接合し、機械的接合強度が大きく且つ導電性にも優れたた複合円筒・円柱体を製造でき、しかもその製造工程で用いる技術はいずれも従来知られた安価に実施可能な技術であるので、結局、低コストで複合円筒・円柱体を製造できるという効果を有している。また、本発明で製造した複合円筒・円柱体は、芯材とスリーブ材とが良好にろう接されていて機械的接合強度が大きいので、長期に亘って安定して使用でき、しかも芯材とスリーブ材との間の導電性にも優れているので、コンダクタロールのように大電流を流す用途にきわめて好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は本発明の一実施形態の工程を説明する概略断面図
【図２】ろう材の溶融、凝固を行う状態を示す概略断面図
【符号の説明】
１ 芯材
２ スリーブ材
３ ろう材
５ 支持台
６ 間隙
７ 通路
１０ 固定治具
１１ 押え板
１２ 連結棒
１３ ばね
１６ 分配管
１８ 溶融浴

Claims (6)

1. 円筒状又は円柱状の金属製芯材と円筒状の金属製スリーブ材とをろう接した複合円筒・円柱体を製造する方法であって、前記芯材とスリーブ材とをろう材介在スペースを見込んだ寸法関係で用意し、その芯材とスリーブ材を同心配置した状態でほぼ垂直状態に立てて支持台上に乗せ、前記芯材とスリーブ材の間の間隙の下端を閉じると共に、ろう材溶湯を収容した溶湯浴を配管を介して前記間隙の下端に連通させ、溶湯浴内のろう材溶湯のヘッドによって前記間隙にろう材溶湯を供給可能な状態とし、前記芯材とスリーブ材の一方若しくは双方をろう材の融点以上の温度に加熱した状態で前記溶湯浴内のろう材溶湯のヘッドによって前記芯材とスリーブ材の間の間隙をろう材溶湯で満たし、その後、全体を冷却してろう材を凝固させて前記芯材とスリーブ材とをろう接する、複合円筒・円柱体の製造方法。
2. 前記芯材とスリーブ材の同心配置に先立って、芯材の外周面とスリーブ材の内周面の一方若しくは双方にろう材メッキ層を形成しておく、請求項１記載の複合円筒・円柱体の製造方法。
3. 前記スリーブ等の、ろう材の融点以上の温度への加熱を、全体を炉内に置くことで行う、請求項１又は２記載の複合円筒・円柱体の製造方法。
4. 前記同心配置状態での芯材−スリーブ材間の間隙の寸法を０．５ｍｍ以上に設定して、該間隙内を満たしたろう材溶湯内の気泡や不純物の浮上を容易にする、請求項１、２又は３記載の複合円筒・円柱体の製造方法。
5. 前記間隙内に埋殺しスペーサを周方向に飛石配置して前記同心配置を容易にした、請求項１から４のいずれか１項記載の複合円筒・円柱体の製造方法。
6. 前記ろう材の鋳込みを減圧下で行って、間隙内を満たしたろう材溶湯からの気泡の逸出を容易にする、請求項１から５のいずれか１項記載の複合円筒・円柱体の製造方法。

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