JP6477550B2 - 積層鉄心の製造方法及び製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、積層鉄心の製造方法及び製造装置に関する。

近年、電気自動車やハイブリッド電気自動車を中心にモータや発電機の軽量化を目的として鉄心の小型化が志向されており、出力確保のためにモータや発電機の高回転数化（高周波数化）が進んでいる。このため、鉄心の鉄損の観点から板厚０．３０ｍｍ以下といった以前よりも板厚の薄い電磁鋼板に対する要請が高まっている。一般に、モータや発電機用の鉄心は、渦電流損抑制のために板厚の薄い電磁鋼板を母材として、これを打抜き加工することによって製造されている。

打抜き加工では、打抜き加工用の金型をプレス機に設置し、送り装置を用いて所定幅にスリット加工した電磁鋼板鋼帯を金型内に送り込みながら鉄心の各部を打抜く。そして、金型内でカシメを施して鉄心用素片を一体化させる、又は、打抜き加工後の鉄心用素片を金型から取り出した後に溶接やボルト固定で一体化することによって、鉄心を製造する。このような板厚の薄い電磁鋼板鋼帯を積層・一体化させて製造される鉄心を以下では“積層鉄心”と呼ぶこととする。

上記のような打抜き加工が一般的に用いられている理由は生産性に優れているためである。しかしながら、通常の打ち抜き加工では鉄心用素片を１枚ずつ打抜く必要があるため、電磁鋼板鋼帯の板厚が薄くなると効率が急激に低下する。このような背景から、複数枚の電磁鋼板鋼帯を重ね合わせた状態で電磁鋼板鋼帯を打ち抜く技術が提案されている（特許文献１，２参照）。以下では、複数枚を重ね合わせて接合する前の状態である電磁鋼板鋼帯を“母材鋼帯”、複数枚の電磁鋼板鋼帯が接合された後の電磁鋼板鋼帯を“接合鋼帯”と呼ぶこととする。

特開昭５２−３９８８０号公報 特開昭５２−１２６７０４号公報 特許第４４７２３８６号公報

工業的な鉄心の製造工程では、金型内に複数の打抜き加工工程を有し、金型内で母材鋼帯を順次送りながら最終的な鉄心を製造する順送金型と呼ばれる金型が一般的に用いられている。このような高効率生産を志向した金型による鉄心の製造工程に上述した従来技術を適用した場合、母材鋼帯の板厚が薄いため、母材鋼帯が金型内部で垂れ下がり、母材鋼帯が下側の金型と干渉して安定的に連続打抜き加工工程ができないという課題が生じる。

なお、このような課題に対しては、金型内部で上記課題が発生する前に複数枚の母材鋼帯の一部又は全部を互いに接合して接合鋼帯とすることによって、母材鋼帯の剛性を向上させ、金型内部での垂れ下がりを抑制することが考えられる。必ずしもこのような観点に基づくものではないが、特許文献１，３には母材鋼帯同士を互いに接合してから打抜き加工を行う技術が記載されている。

詳しくは、特許文献１には、２枚重ねして鋼板を送りプレスする方法において、スクラップとなる部分をカシメ又は溶接により一体化した後に鋼板をプレス加工する方法が記載されている。また、特許文献３には、鉄心形成部及び鉄心非形成部に固定のための合体係止部を設け、プッシュバックによって平面化する技術が記載されている。特許文献１，３記載の技術は、複数枚の鋼板を同時に金型内に送り込む場合に鋼板同士が一体化されていないことによって生じる各種課題を回避しようとするものである。

重ね合わされた複数枚の母材鋼帯同士を接合する場合には、プレス機の上下動作を利用することが簡便性の点で優れており、プレス機内に設置した金型の前段又は金型に入る直前にカシメを設ける又は接着剤を塗布することによって母材鋼帯同士を接合するとよい。特にカシメを設ける場合には、母材鋼帯の表面に凹凸ができるので、送りロールよりも下流側で母材鋼帯同士を接合するとよい。

ところが、母材鋼帯同士を接合する場合、重ね合わせた複数枚の母材鋼帯同士が接合される前に幅方向にずれてしまうと、幅方向にずれた状態のままで母材鋼帯同士が接合されてしまう。結果、金型が想定した接合鋼帯の幅よりも接合鋼帯の幅が増加し、接合鋼帯がプレス機の金型の内壁に衝突する等のトラブルが誘発され、連続打抜き加工工程を停止せざるを得なくなる。

ここで、母材鋼帯同士の幅方向のずれを許容するように金型の内壁を広げることも考えられるが、金型の内壁を広げた場合には、母材鋼帯の位置が不安定になる。結果、プレス位置を決定するパイロットピンとパイロット穴との位置関係がずれたり、縁桟の幅が十分に確保できなくなったりする等の問題が生じる。

以上のことから、板厚の薄い母材鋼帯を高速、且つ、高効率で打抜き加工するために母材鋼帯同士を接合してから打抜き加工する方法において、送りロールで高速で母材鋼帯を送っても複数の母材鋼帯が幅方向にずれないようにしつつ母材鋼帯同士を接合する必要がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、送りロールで高速で電磁鋼板鋼帯を送っても複数の電磁鋼板鋼帯が幅方向にずれないようにしつつ電磁鋼板鋼帯同士を接合して積層鉄心を製造可能な積層鉄心の製造方法及び製造装置を提供することにある。

本発明の発明者らは、板厚の薄い母材鋼帯を複数枚重ね合わせて打抜き加工を行う場合の剛性不足によるトラブルの解決方法を鋭意検討した結果、送りロールから送り出された後、金型に入る前、又は、金型の前段工程において母材鋼帯同士の一部又は全部を互いに接合してから打抜き加工を行うことが望ましく、またこのとき複数枚の母材鋼帯同士が幅方向にずれて接合されることによるトラブルが頻発することを知見した。そして、本発明の発明者らは、このような母材鋼帯の幅方向のずれの原因を鋭意検討した結果、通常使用されている送りロールの構造に問題があることを知見した。

すなわち、図１に示すように、一般的な送りロールでは、下側のロール２ａのみが駆動装置によって駆動されており、上側のロール２ｂは連れ回っているのみである。通常の打抜き加工では、母材鋼帯１は１枚の状態で送られるので、片側のロールのみが駆動される送りロールを使用した場合であっても問題はない。これに対して、図２に示すように、複数枚の母材鋼帯１ａ〜１ｃを同時に送りロールに噛み込ませて金型に送り出す場合において、下側のロール２ａが駆動ロールであり、上側のロール２ｂが連れ回りロールである場合、下側のロール２ａ側の母材鋼帯１ａは下側のロール２ａに直接接触することによって送り力を与えられる。一方、下側のロール２ａに接触していない母材鋼帯１ｂは母材鋼帯１ａとの間の摩擦力によって送り方向への力を受ける。同様に、母材鋼帯１ｃは母材鋼帯１ｂとの間の摩擦力によって送り方向への力を受け、上側のロール２ｂは母材鋼帯１ｃとの間の摩擦力により力を受けて回転する。

このように複数枚の母材鋼帯を重ね合わせた状態で送り出す際、下側のロールのみが駆動されている場合には、送り力が摩擦力によって下側の母材鋼帯から上側の母材鋼帯へと順次伝達される。このとき、母材鋼帯の表面には微小なうねりがあるために、母材鋼帯の全面が均一に密着されている訳ではない。このため、本発明の発明者らは、送り力の伝達のされ方が送りロールの軸方向（母材鋼帯の幅方向）で非対称となり、このような非対称性が下側の母材鋼帯から上側の母材鋼帯に送り力が順次伝達されるにつれて助長され、母材鋼帯の幅方向のずれに発展すると考えた。

そこで、本発明の発明者らは、このような現象の解決策として、下側のロールと同期して能動的に回転する機構を上側のロールに持たせることを想到した。すなわち、本発明の発明者らは、下側のロールからは上方向に向かって送り力を順次伝達し、同時に上側のロールからは下方向に向かって送り力を順次伝達することによって、摩擦力による母材鋼帯間の送り力の非対称性を無くし、母材鋼帯間の幅方向のずれを抑制することを想到した。

ここで、上側及び下側の双方の送りロールを駆動する送り装置は従来から存在していたが、このような送り装置は母材鋼帯の送り出し量を細かく制御することを目的としており、本発明のように複数枚の母材鋼帯を重ね合わせて送り出す打抜き加工に用いた例は存在しない。本発明は、上記技術思想に基づくものであるが、上記のような送りロールに加えて、送りロールの表面粗度を制御したり、母材鋼帯の幅方向のずれを抑制する機構を設置したり、さらに送りロールの圧下力を制御したりすることによって、複数枚の母材鋼帯が幅方向にずれる現象を十分に抑制して安定的な打抜き加工を行うことができる。

上記技術思想に基づき想到された本発明に係る積層鉄心の製造方法は、複数枚の電磁鋼板鋼帯を重ね合わせた状態で上下一対の送りロールに挿入することによって複数枚の電磁鋼板鋼帯を重ね合わせた状態で複数の打抜き加工工程を有する金型内に順次送り、金型内において複数枚の電磁鋼板鋼帯を重ね合わせた状態で同時に打ち抜くことによって、積層鉄心を製造する積層鉄心の製造方法であって、前記上下一対の送りロールとして上側及び下側の送りロールが共に駆動装置によって駆動される送りロールを用い、前記複数枚の電磁鋼板鋼帯が前記上下一対の送りロールから送り出された後、前記金型に入る前、又は、前記金型の前段部分で、重ね合わせた前記複数枚の電磁鋼板鋼帯の一部又は全部を接合する処理を行うことを特徴とする。

また、本発明に係る積層鉄心の製造方法は、上記発明において、前記上下一対の送りロールの表面粗度Ｒａが０．３μｍ以上であることを特徴とする。

また、本発明に係る積層鉄心の製造方法は、上記発明において、前記上下一対の送りロールの噛み込み位置から電磁鋼板鋼帯の搬送方向に７００ｍｍ以内の位置に前記複数枚の電磁鋼板鋼帯の幅方向のずれを修正するずれ修正機構を配置することを特徴とする。

また、本発明に係る積層鉄心の製造方法は、上記発明において、前記上下一対の送りロールにかける圧下力を１０００Ｎ以上、２５００Ｎ以下の範囲内に制御することを特徴とする。

また、上記技術思想に基づき想倒された本発明に係る積層鉄心の製造装置は、本発明に係る積層鉄心の製造方法を利用して積層鉄心を製造することを特徴とする。

本発明に係る積層鉄心の製造方法及び製造装置によれば、送りロールで高速で電磁鋼板鋼帯を送っても複数枚の電磁鋼板鋼帯が幅方向にずれないようにしつつ電磁鋼板鋼帯同士を接合して積層鉄心を製造することができる。

図１は、母材鋼帯を１枚送る場合の上下一対の送りロールの構成を示す模式図である。 図２は、母材鋼帯を複数枚送る場合の上下一対の送りロールの構成を示す模式図である。 図３は、ずれ修正機構の一例の構成を示す模式図である。 図４は、ずれ修正機構の他の例の構成を示す模式図である。

板厚の薄い母材鋼帯から高効率（速い生産速度）で鉄心を生産する手法として、複数枚の母材鋼帯を重ね合わせて打抜き加工を行うにあたり、金型の直前又は金型の前段で複数枚の母材鋼帯を互いに接合する方法が適している。ここで、母材鋼帯の板厚が薄い程、金型内での剛性が不足して打抜き加工中のトラブルに結びつきやすいので、母材鋼帯を互いに接合してから金型内で搬送することが望ましい。なお、ここで述べた打抜き加工中のトラブルは、母材鋼帯の板厚だけでなく、打抜き加工によって得られる鉄心の寸法にもよるが、概略として板厚０．３０ｍｍ以下、外形１２０ｍｍ以上の鉄心の打抜き加工で起こりやすい。

まず、本発明では、打抜き加工の際に用いる上下一対の送りロールを上下駆動式のものとする。従来、標準的に用いられてきた上側及び下側の一方のみを駆動させる送りロールを用いた場合、母材鋼帯間の摩擦力によって重ね合わされた母材鋼帯間及び母材鋼帯と連れ回りロールとの間で送り力が伝わる間に、母材鋼帯の表面のうねりや摩擦係数の不均一性によって送り力が幅方向で不均一となり、母材鋼帯の幅方向にずれが生じる。

これに対して、上下駆動式の送りロールを用いた場合には、母材鋼帯の表面にうねりや摩擦係数の不均一性が存在している場合であっても、送りロール位置で複数の母材鋼帯が幅方向にずれる現象が抑制され、重ね合わされた母材鋼帯の見かけ上の幅が広がることによって発生する課題が発生しにくい。ここで、上下駆動式の送りロールとは、上下一対にて母材鋼帯に接触する送りロールの両方が駆動装置に繋がれて能動的に駆動され、両者の動作タイミングが同時になるように調整されているものを指す。送りロールの駆動をサーボモータにより行い、母材鋼帯の送り量や送りパターンを最適に制御することにより、本発明の効果をより高めることができる。

上下一対の送りロールの表面粗度Ｒａを０．３０μｍ以上とすることが望ましい。上下一対の送りロールの表面粗度Ｒａを０．３０μｍ以上とすることにより、連続打抜き加工の安定性をより高めることができる。送りロールの表面粗度を高めることにより、上側及び下側から母材鋼帯に接触した送りロールからの送り力が母材鋼帯に精度よく伝達され、母材鋼帯のずれが抑制される。

送りロールの表面粗度Ｒａが０．３０μｍを下回ると、送りロールと母材鋼帯との間の摩擦係数が低下し、上下一対の送りロールによる送り量が安定せず、母材鋼帯が幅方向にずれやすくなる。送りロールの表面粗度Ｒａの上限値は３μｍとすることが望ましい。送りロールの表面粗度Ｒａが３μｍを超えると、母材鋼帯と送りロールとの間の接触状態及び押圧状態が不均一になり、磁気特性が劣化する。

送りロールの上下駆動及び表面粗度の要件に加えて、母材鋼帯の幅方向のずれを修正するずれ修正機構を設けることが望ましい。ずれ修正機構を設けることにより、連続打抜き加工の安定性がさらに向上する。これは、上側及び下側の送りロールを共に駆動し、さらに送りロールの表面粗度を適正に制御した場合であっても、母材鋼帯の板厚偏差等によって母材鋼帯の幅方向のずれが生じやすいためである。この場合、上下駆動式の送りロールを使用していると、基本的なずれ量が小さいためにずれ修正機構が有効に作用し、複数の母材鋼帯の幅方向位置を正確に揃えることができる。

ずれ修正機構としては、図３及び図４に示すように、母材鋼帯の幅方向端部に部材３（図３参照）や回転するロール４（図４参照）を押し付ける方法が有効である。このような方法において、元の母材鋼帯の幅方向のずれ量が大きいと、ずれた後の母材鋼帯の剛性の不足のために、母材鋼帯の位置が矯正される前に母材鋼帯自身が変形して幅方向位置の修正が困難になる。これに対して、送りロールを上下駆動式として母材鋼帯のずれのベース量を低減させた場合には、ずれ修正機構により幅方向端部から押し付けた場合であっても母材鋼帯の変形を抑制しつつ幅方向位置を修正できる。

このようなずれ修正機構は、送りロールの噛み込み位置から電磁鋼板鋼帯の搬送方向に７００ｍｍ以下、望ましくは４００ｍｍ以下の範囲内に設置することが望ましい。母材鋼帯の幅方向のずれは送りロールの噛み込み位置で発生しているため、送りロールの噛み込み位置から離れた位置で強制的に幅方向の位置ずれを修正したとしても、抜本的な改善には繋がらない。これに対して、送りロールの噛み込み位置から７００ｍｍ以下の近接位置にずれ修正機構を設置することにより、送りロールの噛み込み位置での母材鋼帯の幅方向のずれを抑制できる。

なお、送りロールの噛み込み位置から７００ｍｍを超える位置にずれ修正機構を設置した場合であっても効果はあるが、ずれ修正機構と送りロールとの間で母材鋼帯が側方に撓んでしまうので、送りロールの噛み込み位置での幅方向ずれの修正作用は低下する。また、ずれ修正機構は送りロールの入側及び出側の両方に設置することがさらに効果的である。さらに、送りロールの入側及び出側のそれぞれに複数のずれ修正機構を設けることによって、ずれが生じた母材鋼帯を変形させることなく母材鋼帯の幅方向位置を容易に修正できる。ずれ修正機構を複数設ける場合には、できだけ多くのずれ修正機構を送りロールの入側及び出側から７００ｍｍ以内の位置に設定することが有効である。

送りロールにかける圧下力は１０００〜２５００Ｎの範囲内とすることが望ましい。従来の打抜き加工での母材鋼帯の送りに関しては、圧下力は特に限定されず、磁気特性に悪影響を及ぼさない範囲で強い圧下力をかければ、母材鋼帯と送りロールとの間の滑りが抑制されるため、送りロールにかける圧下力は３０００Ｎ以上とすることが一般的であった。これに対して、本発明の発明者らは、送りロールを上下駆動式とした場合には、送りロールにかける圧下力を従来よりも低下させることによって連続プレス性が安定することを知見した。

これは、上下駆動式の送りロールでは、重ね合わされた母材鋼帯の上下方向から送りロールを接触させるので、従来に比べて大きな圧下力が不要になることに加えて、使用する母材鋼帯が板厚偏差等の幅方向均一性を有する場合において圧下力が大きいと、かえって幅方向へのずれが助長されるためではないかと考えられた。これに対して、本発明の発明者らの検討結果によれば、送りロールの圧下力を低下させることによって、むしろ母材鋼帯同士の幅方向のずれが少なくなり、連続プレス性が安定した。また、ずれ修正機構を追加して母材鋼帯の幅方向位置を高精度に揃えようとする場合には、送りロールの圧下力を従来よりも弱めた方が、ずれ修正機構によってずれようとする母材鋼帯の幅方向位置を送りロールの噛み込み位置で修正する機能が有効に作用する。

以上の理由により、送りロールの圧下力を従来よりも低下させることによって、重ね合わせた母材鋼帯に対して同時に打抜き加工を施す場合に母材鋼帯同士の幅方向のずれを防止できる。よって、圧下力の上限値は２５００Ｎとすることが好ましく、より好ましくは２０００Ｎとする。一方、圧下力を弱めすぎると、送りロールでの保持力が不十分となり、母材鋼帯の送り量が不安定になったり、母材鋼帯の幅方向のずれが生じやすくなったりする。このため、送りロールの圧下力の下限値は１０００Ｎとする。

上記の機能を有する積層鉄心の製造装置は、以下に示すように構成される。すなわち、本発明に係る積層鉄心の製造装置は、複数枚の母材鋼帯をコイルから払い出し、複数枚の母材鋼帯を重ね合わせて送りロールに送り出す、母材鋼帯の払い出し及び送り出しの機能を有する装置と、上下一対の送りロールと、複数枚の母材鋼帯を送りロールから金型に入るまでの間、又は、金型内の前段工程で一体化する機能を有する装置と、複数枚の母材鋼帯に対して重ね合わされた状態で打抜き加工を施す金型と、上下一対の送りロールを能動的に駆動する駆動装置と、を備えている。

ここで、送りロールの表面粗度Ｒａが０．３μｍ以上であることが望ましい。また、送りロールの入側及び出側の少なくとも一方に重ね合わせた複数枚の母材鋼帯の幅方向のずれを修正するずれ修正機構を備え、ずれ修正機構が送りロールの噛み込み位置から母材鋼帯の搬送方向に７００ｍｍ以内の位置に配置されていることが望ましい。さらに、送りロールの圧下力を１０００〜２５００Ｎの範囲内に制御することが望ましい。

〔実施例１〕
鉄心外径２００ｍｍ、バックヨーク幅１４ｍｍ、ティース長さ２５ｍｍの固定子鉄心について、板厚０．２ｍｍの母材鋼帯（幅２０５ｍｍ）２枚をプレス機の入側前（送りロール前）で重ね合わせてから順次金型内に送り込み、金型内のプレス１工程目で２枚の母材鋼帯に対して同時にカシメ加工を施して２枚の母材鋼帯を接合してから、打抜き速度１７０ＳＰＭ（Strokes Per Minute）で連続的な打抜き加工を行った。この時、送りロールの駆動方式を（ａ）片側ロールのみの駆動と（ｂ）両側ロールの駆動との２方式で実施し、両者を比較した。また、（ｂ）両側ロールの駆動において、送りロールの表面粗度と送りロールに対する圧下力を変化させた。また、送りロールの前後（前：母材鋼帯が送りロールに入る前、後：母材鋼帯が送りロールから送り出された後）の位置に２枚の母材鋼帯の幅方向のずれを防止、修正するためのガイドを設け、ガイド位置を変化させた。以上の方法により行ったプレス加工において、プレス数の上限を５０００回とし、トラブルの発生によってプレスが停止するまでの打抜き回数を計数した。計数結果を以下の表１に示す。

表１に示すように、本発明に適合する条件（装置）でプレス加工を行った場合、１０００回以上のプレス加工の間、トラブルが発生せず、連続的にプレス加工を行うことができた。また、本発明で規定した複数の条件を組み合わせることによって、３０００回以上の連続プレスを行うことができた。

〔実施例２〕
鉄心外径１８０ｍｍ、バックヨーク幅１０ｍｍ、ティース長さ１８ｍｍの固定子鉄心について、板厚０．１２ｍｍの母材鋼帯（幅１９０ｍｍ）３枚をプレス機の入側前（送りロール前）で層間に接着剤を塗布して重ね合わせてから回転する送りロールによって上下方向からピンチすることによって、母材鋼帯の送りと接着剤の進展とを兼ねた処理を行った後、順次金型内に送り込み、打抜き金型により打抜き速度１５０ＳＰＭで連続的な打抜き加工を行った。この時、接着剤の硬化（母材鋼帯間の接着）は送りロールから送り出された直後に完了していた。そして、送りロールの駆動方式を（ａ）片側ロールのみの駆動と（ｂ）両側ロールの駆動との２方式で実施し、両者を比較した。また、（ｂ）両側ロールの駆動において、送りロールの表面粗度と送りロールに対する圧下力を変化させた。また、送りロールの前後の位置に３枚の母材鋼帯の幅方向のずれを防止、修正するためのガイドを設け、ガイド位置を変化させた。以上の方法により行ったプレス加工において、プレス数の上限を５０００回とし、トラブルの発生によってプレスが停止するまでの打抜き回数を計数した。計数結果を以下の表２に示す。

表２に示すように、本発明に適合する条件（装置）でプレス加工を行った場合、２０００回以上のプレス加工の間、トラブルが発生せず、連続的にプレス加工を行うことができた。

１，１ａ，１ｂ，１ｃ 母材鋼帯
２ａ，２ｂ 送りロール
３，４ ずれ修正機構

Claims (4)

1. 複数枚の電磁鋼板鋼帯を重ね合わせた状態で上下一対の送りロールに挿入することによって複数枚の電磁鋼板鋼帯を重ね合わせた状態で複数の打抜き加工工程を有する金型内に順次送り、金型内において複数枚の電磁鋼板鋼帯を重ね合わせた状態で同時に打ち抜くことによって、積層鉄心を製造する積層鉄心の製造方法であって、
   前記上下一対の送りロールとして、表面粗度Ｒａが０．３μｍ以上であり、且つ、上側及び下側の送りロールが共に駆動装置によって駆動される送りロールを用い、前記複数枚の電磁鋼板鋼帯が前記上下一対の送りロールから送り出された後、前記金型に入る前、又は、前記金型の前段部分で、重ね合わせた前記複数枚の電磁鋼板鋼帯の一部又は全部を接合する処理を行うことを特徴とする積層鉄心の製造方法。
2. 前記上下一対の送りロールの噛み込み位置から電磁鋼板鋼帯の搬送方向に７００ｍｍ以内の位置に前記複数枚の電磁鋼板鋼帯の幅方向のずれを修正するずれ修正機構を配置することを特徴とする請求項１に記載の積層鉄心の製造方法。
3. 前記上下一対の送りロールにかける圧下力を１０００Ｎ以上、２５００Ｎ以下の範囲内に制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の積層鉄心の製造方法。
4. 請求項１〜３のうち、いずれか１項に記載の積層鉄心の製造方法を利用して積層鉄心を製造することを特徴とする積層鉄心の製造装置。

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