JP5574772B2 - ばねの通電加熱方法及びその装置 - Google Patents

Description

本願は、ばねを通電加熱するための技術に関する。

ばねに所望の機械的特性を付与するために、熱処理（例えば、焼入れ、焼戻し、テンパー等）が行われる。ばねの熱処理には、一般的に加熱炉が用いられるため、設備が大型化し易い。そこで、通電加熱によりばねを熱処理することが検討されている。通電加熱では、加熱対象となるばねの一端に電極を接触させると共にばねの他端に他の電極を接触させ、ばねの両端に接触させた電極間に電圧を印加する。これによって、ばね内を一端側から他端側へ電流が流れ、そのジュール熱によってばねが加熱される。しかしながら、このような通電加熱方法では、ばねの電極と接触する部分の近傍に電流が流れ難く、ばね全体を均一に加熱することが難しい。このため、ばねの熱処理に通電加熱を用いると、電極と接触する部分の近傍が加熱されず、また、電極（一般的にはＣｕ系電極）からの放熱により端末部の温度が上がらず、この部分に十分な熱処理が施されないという問題があった。その結果、所望の機械的特性を得ることができない。

上記の問題を解決するための技術が、例えば、特許文献１，特許文献２に提案されている。これらの特許文献に開示された技術では、ワークの一端に複数の電極を接触させると共に、ワークの他端に複数の電極を接触させる。ワークを加熱する際は、まず、ワークの一端に接触させた複数の電極からワークの他端に接触させた複数の電極に電流が流れるようにし、端部（電極と接触する部分の近傍）を除いてワーク全体を通電加熱する。次いで、ワークの一端に接触させた電極間で電流が流れると共に、ワークの他端に接触させた電極間で電流が流れるようにし、ワークの端部のみを通電加熱する。これによって、ワークの全体が均一に加熱される。

特開平６−１３６４３２号公報 特開２００４−１９３０３３号公報

上述した従来技術では、ワークの一端から他端に電流を流してワーク全体（電極の近傍を除く部分）を加熱する工程と、ワークの端部に局所的に電流を流してワークの端部を加熱する工程とを行わなければならない。このため、通電加熱工程を複数回に分けて行わなければならないといった問題があった。

本願は、上記した実情に鑑みてなされたものであり、１回の通電加熱によって、電極の近傍を含むワーク全体を加熱することができる技術を提供することを目的とする。

本願のばねを通電加熱する方法は、ばねに少なくとも一対の電極を接触させる工程と、ばねに接触させた一対の電極間に電圧を印加してばねを通電加熱する工程と、を有している。そして、電極が、ばねの電気抵抗値よりも低い第１の電気抵抗値を有する第１部分と、第１の電気抵抗値より高く、かつ、ばねの電気抵抗値以上となる第２の電気抵抗値を有する第２部分を有している。一対の電極を接触させる工程では、第１部分がばねに接触する一方で、第２部分がばねと接触していない。
この方法で用いられる電極は、電気抵抗値の低い第１部分と、電気抵抗値の高い第２部分を有している。このため、ばねに電極を介して通電すると、第２部分が発熱し、この発熱によってばねの電極に接触する部分の近傍が加熱される。また、第２部分の発熱により、ばねの電極近傍からの放熱が抑えられる。その結果、１回の通電加熱によって、電極の近傍を含むばねの全体を加熱することができる。

上記の通電加熱方法では、ばねの抵抗値をＲ_Ｗとし、ばねの重量をｍ_Ｗとし、ばねの比熱をＣｐ_Ｗとし、電極の第２部分の抵抗値をＲ_Ｅとし、電極の第２部分の重量をｍ_Ｅとし、電極の第２部分の比熱をＣｐ_Ｅとし、通電開始時における電極の第２部分の温度に応じて決まる係数をαとしたときに、α×Ｒ_Ｗ／（ｍ_Ｗ×Ｃｐ_Ｗ）≦Ｒ_Ｅ／（ｍ_Ｅ×Ｃｐ_Ｅ）が成立する条件で、通電加熱工程を実行することが好ましい。このような条件で通電加熱を行うことで、電極の温度をワークの温度と略同程度まで昇温することができ、ワークの電極の近傍の部分を好適に加熱することができる。

ここで、上記の係数αは、通電開始時における電極の第２部分の温度が、当該電極が用いられる通電加熱装置の運転状況に応じて変化することを考慮するための係数である。すなわち、通電加熱装置の運転状況が始動時や間欠運転時であるときは、電極の第２部分の温度が低いため、電極の第２部分の昇温量を大きくする必要がある。一方、通電加熱装置の運転状況が連続運転時であるときは、電極の第２部分の温度が高いため、電極の第２部分の昇温量を大きくする必要はない。このため、通電加熱装置の運転状況に応じて変化する係数α（通電開始時における電極の第２部分の温度に応じた係数α）を導入することで、適切な運転条件を決定することができる。この係数αは、０．７〜１．０の範囲とすることができる。例えば、電極の第２部分の温度が高いとき（すなわち、通電加熱装置が連続運転時のとき）は、係数αを０．７〜０．８とする。一方、電極の第２部分の温度が低いとき（すなわち、通電加熱装置が始動時又は間欠運転時のとき）は、係数αを１．０とする。これによって、適切な条件でワークを加熱することができる。

上記の通電加熱方法では、電極は、ばねと接触する側から順に、Ｃｕ系材料を材料とする第１部分と、ばねと同一の材料又はばねの電気抵抗値以上の電気抵抗値を有する材料を材料とする第２部分と、Ｃｕ系材料を材料とする第３部分を有していることが好ましい。このような構成によると、ばねと接触する側にＣｕ系材料を材料とする第１部分を配置するため、ばねと電極との接触抵抗を下げることができる。これによって、ばねに好適に電流を流すことができる。

また、本願は、上記の通電加熱方法に好適に使用できる通電加熱装置を提供する。すなわち、本願の通電加熱装置は、ばねを通電加熱する装置であって、ばねに接触させる一対の電極と、一対の電極間に電圧を印加する電源装置と、を有している。そして、電極が、ばねの電気抵抗値よりも低い第１の電気抵抗値を有する第１部分と、第１の電気抵抗値より高く、かつ、ばねの電気抵抗値以上となる第２の電気抵抗値を有する第２部分を有している。第１部分は電極と接触する側に配置されており、第２部分は電極と接触しない側に配置されている。

実施例１の通電加熱装置の概略構成を示す図。 電極の構成を拡大して示す図。 実施例２の通電加熱装置の側面図。 図３に示す通電加熱装置の平面図。

本発明を具現化した一実施例に係る通電加熱装置１０を図面に基づいて説明する。図１に示すように、通電加熱装置１０は、電源１２と、電源１２に配線１３ｂを介して接続された電極１６ａ，１６ｂと、電源１２にスイッチ１４及び配線１３ａを介して接続された電極１６ｃ，１６ｄを有している。電源１２には、直流電源と交流電源のいずれをも用いることができる。スイッチ１４のオン／オフは、図示しない制御装置によって制御されるようになっている。

電極１６ａ，１６ｂはワークＷの一端をクランプし、電極１６ｃ，１６ｄはワークＷの他端をクランプする。ワークＷは、導電性の材料（例えば、ばね鋼）によって形成されたトーションバーである。電極１６ａ〜１６ｄがワークＷをクランプすると、電極１６ａ〜１６ｄとワークＷが電気的に接触する。これによって、電源１２と、配線１３ａ，１３ｂと、スイッチ１４と、電極１６ａ〜１６ｄと、ワークＷによって一つの電気回路が形成される。このため、制御装置がスイッチ１４をオンすると、ワークＷに電流が流れ、ワークＷが通電加熱される。制御装置がスイッチ１４をオフすると、ワークＷに流れる電流が遮断される。

電極１６ａ〜１６ｄのそれぞれは同一構成を有しており、図２に示すように、第１電極部１８ａと、第２電極部２０と、第３電極部１８ｂから構成されている。第１電極部１８ａは、電気抵抗値の低い材料（例えば、Ｃｕ系材料（Ｃｕ合金等））によって形成されている。第１電極部１８ａには、ワークＷの表面形状に倣った接触面が形成されている。これによって、第１電極部１８ａとワークＷとの接触抵抗の低減が図られている。第２電極部２０は、第１電極部１８ａよりも電気抵抗値の高い材料（例えば、Ｆｅ系材料）によって形成されている。なお、第２電極部２０の材料は、ワークＷがばね鋼の場合は、ばね鋼と同等の電気抵抗値を有するＦｅ系材料を用いることができる。さらには、線径の細いワークに対して電極を大きくしたい場合等には、Ｆｅ系材料より電気抵抗値の大きいステンレスやインコネルなどを用いることもできる。第２電極部２０は、第１電極部１８ａのワークＷと接触しない側の面に接続されている。このため、第２電極部２０が、ワークＷと直接接触することはない。第３電極部１８ｂは、第１電極部１８ａと同一の材料（例えば、Ｃｕ系材料（Ｃｕ合金等））によって形成されている。第３電極部１８ｂは、第２電極部２０の第１電極部１８ａと接続する側と反対の面に接続されている。

本実施例では、ワークＷの抵抗値をＲ_Ｗ、重量をｍ_Ｗ、比熱をＣｐ_Ｗとし、電極１６ａ〜１６ｄのそれぞれの第２電極部２０の抵抗値をＲ_Ｅ、重量をｍ_Ｅ、電極の比熱をＣｐ_Ｅとし、通電加熱装置１０の運転状況に応じて変化する係数α（すなわち、通電開始時における第２電極部２０の温度に応じた係数α）としたときに、α×Ｒ_Ｗ／（ｍ_Ｗ×Ｃｐ_Ｗ）＜Ｒ_Ｅ／（ｍ_Ｅ×Ｃｐ_Ｅ）が成立するように、各電極１６ａ〜１６ｄの第２電極部２０の材料、重量比及び寸法が決定されている。ここで、通電加熱装置１０が連続運転しているとき（第２電極部２０の温度が高いとき）は、係数αを０．７〜０．８とする。一方、通電加熱装置１０が始動時又は間欠運転時のとき（第２電極部２０の温度が低いとき）は、係数αを１．０とする。また、ワークＷの抵抗値Ｒ_Ｗは、ρ_ｗ×Ｌ_ｗ／Ａ_ｗ（ρ_ｗ：ワークＷの抵抗率，Ｌ_ｗ：ワークＷの長さ，Ａ_ｗ：ワークＷの断面積）で算出することができる。なお、第２電極部２０の抵抗値Ｒ_Ｅも、ワークＷの抵抗値Ｒ_Ｗと同様に算出することができる。
このような条件が成立するように各電極１６ａ〜１６ｄの第２電極部２０を構成することで、ワークＷの通電加熱時に、ワークＷの温度と略同程度の温度まで各電極１６ａ〜１６ｄの第２電極部２０を昇温することができる。例えば、ワークＷの抵抗値が大きく、ワークＷが高温となり易い場合は、各電極１６ａ〜１６ｄの第２電極部２０の寸法及び重量を小さくして、各電極１６ａ〜１６ｄの温度が高い温度まで昇温されるように調整する。また、上述の説明から明らかなように、係数αは通電加熱装置１０の運転状況に応じて変化するため、第２電極部２０に求められる条件も通電加熱装置１０の運転状況に応じて変化する。

上述した通電加熱装置１０によりワークＷを通電加熱する際は、ワークＷの一端を電極１６ａ，１６ｂでクランプし、ワークＷの他端を電極１６ｃ，１６ｄでクランプする。次いで、スイッチ１４をオンし、ワークＷに電流を流す。例えば、電源１２に直流電源を用いている場合は、ワークＷの一端（電極１６ａ，１６ｂ）から他端（電極１６ｃ，１６ｄ）、又は、ワークＷの他端（電極１６ｃ，１６ｄ）から一端（電極１６ａ，１６ｂ）に向かって電流が流れる。ワークＷ内を電流が流れることによって、ワークＷの端部（電極１６ａ〜１６ｄと接触する部分の近傍）を除く全体が加熱される。同時に、各電極１６ａ〜１６ｄは、電気抵抗値の高い第２電極部２０を有しており、通電加熱時に各電極１６ａ〜１６ｄの温度がワークＷの温度と略同程度まで昇温される。このため、ワークＷの端部（（電極１６ａ〜１６ｄと接触する部分の近傍）は、各電極１６ａ〜１６ｄの発熱によって加熱または保温される。これによって、ワークＷの全体が端末も含めて所定温度に加熱される。ワークＷへの通電加熱を終了するときは、スイッチ１４をオフ状態とする。

上述したように、本実施例の通電加熱装置１０では、電極１６ａ〜１６ｄのそれぞれが、電気抵抗値の高い第２電極部２０を有しており、通電加熱時にはワークＷの温度と略同程度の温度まで電極１６ａ〜１６ｄが昇温されるように構成されている。このため、電極１６ａ〜１６ｄの発熱によって、ワークＷの端部（電極１６ａ〜１６ｄと接触する部分の近傍）を加熱または保温することができる。その結果、ワークＷに１回通電する（すなわち、ワークＷの一端から他端に向かって電流を流す）だけで、ワークＷの全体を加熱することができる。したがって、本実施例の通電加熱装置１０を用いてワークＷに熱処理（焼入れ、焼戻し、テンパー等）を行えば、ワークＷの全体に所望の熱処理を行うことができる。これによって、ワークＷへの熱処理が局所的に不十分となって生じる、硬さや組織の異常や、いわゆる置き割れ等を防止することができる。

また、電極１６ａ〜１６ｄは、ワークＷと接触する部分に電気抵抗値の低い第１電極部１８ａが形成され、その第１電極部１８ａにはワークＷの表面形状に倣った接触面が形成されている。このため、ワークＷと第１電極部１８ａとの接触抵抗が低く抑えられ、ワークＷに電流を好適に流すことができる。なお、ワークＷの硬さや形状によっては、第２電極部２０だけでも接触抵抗が問題とならない場合がある。かかる場合は、第１電極部１８ａを省略した構成としてもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

すなわち、上述した実施例では、トーションバーのような棒状のばね材（ワークＷ）を通電加熱したが、本発明はこのような形態に限られない。例えば、図３，４に示すように、本発明に係る技術は、コイルばね２２を通電加熱する通電加熱装置に適用することができる。この通電加熱装置は、コイルばね２２の上端２２ａをクランプするクランプ機構（２４ａ，２６ａ）と、コイルばね２２の下端２２ｂをクランプするクランプ機構（２４ｂ，２６ｂ）を備えている。

クランプ機構（２４ａ，２６ａ）は、クランプ部材２４ａ，２６ａを備えている。図４に示すように、クランプ部材２４ａ，２６ａには、電極２５ａ，２３ａがそれぞれ取付けられている。電極２３ａ，２５ａは、上述した第１実施例と同様の構成をしている。すなわち、電極２３ａ，２５ａは、第１電極部、第２電極部及び第３電極部を有しており、第２電極部の電気抵抗値が第１，第３電極部の電気抵抗値より高くされている。また、第１電極部には、コイルばね２２の形状に倣った接触面が形成されている。

クランプ部材２４ａ，２６ａは、図示しないアクチュエータによって、互いに近接した位置（クランプ位置）と、互いに離間した位置（開放位置）との間を移動できるようになっている。クランプ部材２４ａ，２６ａがクランプ位置に移動すると、コイルばね２２の上端２２ａが電極２５ａ，２３ａでクランプされる。これによって、コイルばね２２と電極２５ａ，２３ａが電気的に接続される。一方、クランプ部材２４ａ，２６ａが開放位置に移動すると、コイルばね２２の上端２２ａと電極２５ａ，２３ａとが非接触の状態となる。なお、クランプ機構（２４ａ，２６ａ）は、コイルばね２２の軸線周りに回転可能とされている。これによって、通電加熱によってコイルばね２２が変形しても、その変形に対応できるようになっている。

コイルばね２２の下端をクランプするクランプ機構（２４ｂ，２６ｂ）は、上述したクランプ機構（２４ａ，２６ａ）と略同一の構成を有している。ただし、クランプ機構（２４ｂ，２６ｂ）は、クランプ機構（２４ａ，２６ａ）と異なり、図示しないアクチュエータによって、図３の上下方向に駆動されるようになっている。クランプ機構（２４ｂ，２６ｂ）が上下に駆動されることで、通電加熱装置へのコイルばね２２のセットと取出しを可能としている。なお、クランプ機構（２４ｂ、２６ｂ）は、上述したクランプ機構（２４ａ，２６ａ）と同様に、図示しないアクチュエータによって、クランプ位置と開放位置との間を移動可能とされると共に、コイルばね２２の軸線周りに回転可能とされている。

また、この通電加熱装置は、図３，４に示すように、コイルばね２２の下端２２ｂを支持する冶具２８と、コイルばね２２の上端２２ａを支持する冶具４２を有している。冶具２８には、コイルばね２２の下端２２ｂの形状に倣った接触面２８ａが形成されている。冶具２８は、油圧装置３４によって上下に駆動される。油圧装置３４は、シリンダ３０と、シリンダ３０に対して進退動するピストンロッド３２を備えている。ピストンロッド３２の先端に冶具２８が取付けられている。冶具４２も、上述した冶具２８と同様に構成されている。すなわち、冶具４２は、コイルばね２２の上端２２ａの形状に倣った接触面４２ａを有しており、シリンダ３６とピストンロッド３８を備えた油圧装置４０によって上下に駆動されるようになっている。冶具２８及び冶具４２によってコイルばね２２の両端を支持することで、コイルばね２２を所望の位置に精度良く位置決めすることができる。なお、コイルばね２２の上端は必ずしも冶具によって支持する必要はなく、コイルばね２２の上端２２ａを支持する冶具４２については省略することもできる。

上述した通電加熱装置によってコイルばね２２を通電加熱する際は、まず、クランプ機構（２４ｂ，２６ｂ）及び冶具２８を下方に退避した状態とする。次いで、図示しないロボットハンドによって、コイルばね２２を冶具４２に対してセットする。すなわち、コイルばね２２の上端２２ａが冶具４２に当接するまでロボットハンドを駆動し、コイルばね２２を冶具４２に対して位置決めする。これと同時に、クランプ機構（２４ａ，２６ａ）がコイルばね２２の上端２２ａをクランプする。次に、冶具２８及びクランプ機構（２４ｂ，２６ｂ）が上方に移動し、その後に、コイルばね２２の下端２２ｂをクランプ機構（２４ｂ，２６ｂ）がクランプする。コイルばね２２の上端２２ａと下端２２ｂがクランプされると、この状態でコイルばね２２の上端と下端の間に電圧を印加し、コイルばね２２に通電する。これによって、コイルばね２２の端部（電極と接触する部分の近傍）を除く全体が加熱される。同時に、電極の発熱によって、コイルばね２２の端部（電極と接触する部分の近傍）が、コイルばね２２の温度と略同程度まで昇温される。コイルばね２２の通電加熱が終了すると、クランプ機構（２４ｂ，２６ｂ）はコイルばね２２の下端２２ｂを開放し、その後、冶具２８及びクランプ機構（２４ｂ，２６ｂ）が下方に退避する。次いで、図示しないロボットハンドがコイルばね２２を把持すると、クランプ機構（２４ａ，２６ａ）がコイルばね２２の上端２２ａを開放し、その後、ロボットハンドが装置外にコイルばね２２を搬送する。

なお、コイルばね２２を通電加熱すると、その熱によってコイルばね２２が変形する。本実施例では、コイルばね２２の変形に応じて、クランプ機構（２４ｂ，２６ｂ）が上下方向に移動すると共に、クランプ機構（２４ａ，２６ａ），（２４ｂ，２６ｂ）がコイルばね２２の軸線周りに回転する。これによって、コイルばね２２の熱変形が吸収される。

上述したことから明らかなように、図３，４の通電加熱装置を用いれば、コイルばね２２を１回の通電処理で、その全体を加熱することができる。また、通電加熱中は、コイルばね２２の熱変形に応じてクランプ機構が自由に移動できるため、コイルばね２２に不要な外力が作用することを防止することができる。これによって、コイルばね２２の熱処理を好適に行うことができる。なお、上述の通電加熱装置においては、コイルばね２２の上端をクランプするクランプ機構（２４ａ，２６ａ）を上下方向に移動可能としてもよい。

なお、本発明の技術は、ばねとして機能しない先端部分を有するばねを熱処理する場合に好適に適用することができる。すなわち、ばねとして機能しない先端部分は、熱処理時の温度を厳しく管理する必要性が低い。このため、この先端部分を電極でクランプして通電加熱することで、ばねとして機能する部分が電極でクランプされず、ばねとして機能する部分の熱処理温度を精度良く制御することができる。なお、このようなばねの例としては、コイルばね、スナップリング、スタビライザ、トーションバー、渦巻きばね等がある。
また、本願の通電加熱装置では、電極部分を予め加熱器（例えば、抵抗加熱器、プラズマ加熱器、誘導加熱器）により加熱した後に、ワークに通電加熱するようにしてもよい。これによって、ワークの電極部分と接触する部分の近傍を十分に加熱することができる。
さらに、サーモグラフ等の非接触式温度計によってワークの温度を計測し、その計測した温度に基づいて通電加熱量を制御するようにしてもよい。

また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０：通電加熱装置
１２：電源
１３ａ，１３ｂ：配線
１４：スイッチ
１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ：電極

Claims (4)

1. ばねを通電加熱する方法であって、
   ばねに少なくとも一対の電極を接触させる工程と、
   ばねに接触させた一対の電極間に電圧を印加してばねを通電加熱する工程と、を有しており、
   前記電極が、ばねの電気抵抗値よりも低い第１の電気抵抗値を有する第１部分と、第１の電気抵抗値より高く、かつ、ばねの電気抵抗値以上となる第２の電気抵抗値を有する第２部分を有しており、
   前記一対の電極を接触させる工程では、第１部分がばねに接触する一方で、第２部分がばねと接触していないことを特徴とするばねの通電加熱方法。
2. ばねの抵抗値をＲ_Ｗとし、ばねの重量をｍ_Ｗとし、ばねの比熱をＣｐ_Ｗとし、電極の第２部分の抵抗値をＲ_Ｅとし、電極の第２部分の重量をｍ_Ｅとし、電極の第２部分の比熱をＣｐ_Ｅとし、通電開始時における電極の第２部分の温度に応じて決まる係数をαとしたときに、
   α×Ｒ_Ｗ／（ｍ_Ｗ×Ｃｐ_Ｗ）≦Ｒ_Ｅ／（ｍ_Ｅ×Ｃｐ_Ｅ）
   が成立する条件で、通電加熱工程を実行することを特徴とする請求項１に記載のばねの通電加熱方法。
3. 電極は、ばねと接触する側から順に、Ｃｕ系材料を材料とする第１部分と、ばねと同一の材料又はばねの電気抵抗値以上の電気抵抗値を有する材料を材料とする第２部分と、Ｃｕ系材料を材料とする第３部分を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載のばねの通電加熱方法。
4. ばねを通電加熱する装置であって、
   ばねに接触させる一対の電極と、
   一対の電極間に電圧を印加する電源装置と、を有しており、
   前記電極が、ばねの電気抵抗値よりも低い第１の電気抵抗値を有する第１部分と、第１の電気抵抗値より高く、かつ、ばねの電気抵抗値以上となる第２の電気抵抗値を有する第２部分を有しており、
   第１部分が電極と接触する側に配置されており、第２部分が電極と接触しない側に配置されていることを特徴とするばねの通電加熱装置。

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