JP2006239712A

JP2006239712A - 加熱成形方法及びシステム

Info

Publication number: JP2006239712A
Application number: JP2005055931A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Sato; 佐藤　　寛
Original assignee: Daiichi Electric Co Ltd
Current assignee: Daiichi Electric Co Ltd
Priority date: 2005-03-01
Filing date: 2005-03-01
Publication date: 2006-09-14
Also published as: WO2006093112A1

Abstract

【課題】ワークを効果的に加熱することを目的としている。
【解決手段】加熱成形システム１０は、水を沸騰させて水蒸気を発生させるボイラ２０と、このボイラ２０から発生した水蒸気を加熱し設定温度に制御する加熱槽２２と、ワーク１１をコンベア３６から金型４６に挿入する前に加熱槽２２により過熱水蒸気をワーク１１に噴射するノズル４４と、このノズル４４を搬送面に向けて形成しワーク１１を急速加熱する噴気槽３４と、加熱したワーク１１に塑性変形を与えて所定の形状に成形する塑性加工機械１６とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は加熱成形方法及びシステムに係り、特にワークの加熱に好適な加熱成形方法及びシステムに関する。

素材（ワーク）に塑性変形を与えて立体形状品を製造する塑性加工機械がある。この塑性加工機械で広く用いられているプレス機は、一対の金型を用い、この金型間に挿入したワークを金型間に強い力で挟み込むことによってワークを加工することができる。プレス加工は加工温度の違いによって熱間プレス加工あるいは温間プレス加工がある。

熱間プレス加工では、予め加熱したワークを金型に挿入して加工する場合と、加熱しておいた金型にワークを挿入する場合がある。また、加熱しておいた金型に加熱済みのワークを挿入する場合もある。
特許文献１に記載の熱間プレス加工では、金型近傍で金属板の両端に電極を配置し、この電極間に電流を印加して金属板を加工温度まで加熱した後、熱間プレス加工することが開示されている。
特開２００２−１８５３１号公報

熱間プレスによる成形の場合、ワークの加熱温度を上げれば上げるほど加工性が良くなる。しかし、加熱温度を上げすぎてワークの融点に近くなると、今度は金型に密着するか、または金型から取り出す工程で変形してしまうという問題がある。また、取り扱うワークによって、加熱温度を上げるためワークの酸化による変質が発生することもある。

ワークの加熱方法としては、これまで特許文献１のような電熱による加熱、または電磁誘導、高温不活性ガス等による加熱が適用されている。しかしながら、電熱、電磁誘導による加熱方法では、周囲の空気によってワークの急激な酸化が発生してしまうとともに、加熱に必要な消費電力が大容量となり高価となるという問題があった。また、高温不活性ガスによる加熱方法では、用いるガスが高価となるという問題があった。

したがって、プレス加工において、ワークの加熱には、低コストでしかも急速に加熱することができ、さらにワークの酸化防止を行うことが必須課題となっている。
そこで本発明は、従来の上記問題点を改善するため、ワークを効果的に加熱する加熱成形方法及びシステムを提供することを目的としている。

本発明に係る加熱成形方法は、ワークに過熱水蒸気を接触させて前記ワークを加熱し、加熱した前記ワークを所定の形状に塑性変形することを特徴としている。
本発明に係る加熱成形システムは、水を蒸発させて過熱水蒸気を生成する過熱水蒸気生成部と、前記過熱水蒸気をワークに接触させ、前記ワークを予め定めた温度に加熱するワーク加熱部と、加熱した前記ワークに塑性変形を与える所定の形状に成形する塑性加工機械と、を有することを特徴としている。

過熱水蒸気は水蒸気を加熱した高温状態の乾燥した気体であり、空気よりも比熱が大きいという特質が知られている。そこで発明者はこの特質に着目し、本発明の加熱成形方法及びシステムでは、過熱水蒸気によりワークの効果的な加熱を行っている。

これにより、例えば、４００℃における過熱水蒸気の安定比熱Ｃｐは、１．０６×１０^−４ｋＪ／ｋｇ・℃（４４．３×１０^−２ｋｃａｌ／ｋｇ・℃）であり、一方、空気の場合は０．５８×１０^−４ｋＪ／ｋｇ・℃（２４．４×１０^−２ｋｃａｌ／ｋｇ・℃）であり、過熱水蒸気の方が空気に比べ２倍の比熱効果がある。比熱が大きいと温度変化が起こりにくいため、放熱が少なく温度を一定に保つことができる。よって、過熱水蒸気はワークを短時間で急速加熱することができる。また、加熱媒体は安価な水を沸騰させた水蒸気であるため、ワークの加熱処理の大幅な低コスト化を図ることができる。

また、ワーク加熱部で過熱水蒸気をワークに噴射して設定温度に制御している。これにより、ワーク加熱部の過熱水蒸気雰囲気中では槽内の酸素が追い出されて無酸素状態となり金属の酸化防止の効果がある。このため、急速加熱を行ってもワークの酸化のおそれがない。

本発明の加熱成形方法及びシステムの実施形態を添付の図面を参照しながら、以下詳細に説明する。
図１は実施形態に係る加熱成形システムの構成概略を示す図である。図示のように、本発明に係る加熱成形システム１０は、水を蒸発させて過熱水蒸気を生成する過熱水蒸気生成部１２と、過熱水蒸気をワーク１１に接触させ、ワーク１１を予め定めた温度に加熱するワーク加熱部１４と、加熱したワーク１１に塑性変形を与えて所定の形状に成形する塑性加工機械１６と、を基本的な構成としている。

本実施形態に用いるワーク１１の材質は、金属、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂等を用いることができ、これに限定されるものではない。
過熱水蒸気生成部１２は、水を沸騰させて水蒸気を発生させるボイラ２０と、このボイラ２０から発生した水蒸気を加熱する加熱槽２２とから構成されている。
ボイラ２０は水を沸騰させて水蒸気を発生させる。ボイラ２０には水位計２４を設置し、水の沸騰によってボイラ２０内の水位が低下して沸騰させる水が不足しないように一定の設定値を設け、この設定値未満の場合には給水源２６から水を自動補給するようにしている。

前記ボイラ２０で生成した水蒸気は配管３０ａを介して加熱槽２２に供給している。加熱槽２２では、供給された水蒸気をヒータ２７で加熱している。ヒータによる加熱で過熱水蒸気が発生する。なおヒータ２７の替わりに熱交換器等を用いることもできる。

また、加熱槽２２内には温度センサ２５を設置してある。温度センサ２５は制御部３２に接続し、制御部３２はヒータ２７の電源２８に接続している。制御部３２は温度センサ２５の検出値に基づいて予め加工するワーク１１毎に設定してある設定温度となるように電源２８の電流量を調整して槽内の温度制御を行っている。なお、水蒸気の加熱温度は１００℃〜８００℃の範囲で任意に設定することができる。

温度制御された過熱水蒸気は、配管３０ｂによってワーク加熱部１４となる墳気槽３４に供給している。墳気槽３４には、コンベア３６ａによって供給されたワーク１１を挿入する開口部３８が一方の側部に形成してある。また、墳気槽３４内には挿入されたワーク１１を他方の側部に形成した排出口４０に向けて移動するローラコンベア４２を形成してある。ローラコンベア４２は、ワーク１１の加熱時間を考慮して移動速度を任意に調整できるようにしてある。

なお、ローラコンベア４２は、図示のようにワーク１１を上下方向から挟み込むようにように形成することができる。また、ローラコンベア４２は槽内下方側のみ形成しローラコンベア４２上部をワーク１１が移動するように形成することもできる。さらに、この他にも金網式のコンベアなどを適用するようにしてもよい。

墳気槽３４内には、上下に設置したローラコンベア４２間を移動するワーク１１に向けて複数のノズル４４を形成してある。ノズル４４は、加熱槽２２からの配管３０ｂと接続してあり温度制御された過熱水蒸気を噴射する。また、ノズル４４の噴射量は墳気槽３４に設けた図示しない制御弁によって噴射量を任意に調整することができる。

なお、過熱水蒸気の噴射は、過熱水蒸気の供給配管を墳気槽３４内に延長してＵ字形状の配管を平面上に複数回折り返して形成し、管壁に噴射口となる孔を複数形成し、この噴射部から水蒸気を噴射するように形成してもよい。さらに、噴気槽３４内にファンを設置して、ファンによって水蒸気を均一に吹き付ける構成にしても良い。

墳気槽３４で加熱されたワーク１１はコンベア３６ｂを介して塑性加工機械１６に搬送する。本実施形態に係る塑性加工機械１６は熱間プレス機を用いた塑性加工について説明する。なお、塑性加工機械１６はプレス機のほか、圧延機、押し出し機等を用いても良い。
塑性加工機械１６の金型４６（４６ａ、４６ｂ）は、加熱したワーク１１の温度低下を防止するために予め加熱しておくのが望ましい。金型４６の加熱方法としては、例えば、上型４６ａ及び下型４６ｂに内蔵した図示しないヒータ等によって加熱しておくとよい。

上記構成による加熱成形システム１０の作用について、以下に説明する。
ボイラ２０で水を沸騰させて水蒸気を発生させる。ボイラ２０には水位計２４を設置してあり、ボイラ２０内の水位が設定値未満の場合には給水源２６から自動補給するようにしている。

発生した１００℃前後の水蒸気は配管３０ａを介して加熱槽２２に供給され、加熱槽２２に設置したヒータ２７により温度を上昇させる。このとき、槽内の出口付近に設置した温度センサ２５により測定温度が制御部３２に送られる。制御部３２では予め加工するワーク１１毎に設定してある１００℃〜８００℃の温度範囲内の設定温度となるように過熱水蒸気の温度制御を行う。

温度制御された過熱水蒸気は配管３０ｂを介してワーク加熱部１４に供給される。墳気槽３４内には、コンベア３６ａによってワーク１１が槽内のローラコンベア４２に搬送される。墳気槽３４内上下に設置したローラコンベア４２間をワーク１１が移動するとともに、槽内に複数形成してあるノズル４４から過熱水蒸気が噴射される。搬送中のワーク１１に過熱水蒸気が吹き付けられ、ワーク１１は過熱水蒸気により急速に加熱される。このとき、噴射した過熱水蒸気によって槽内の空気が外部に追い出され過熱水蒸気雰囲気となり、槽内は無酸素状態となってワーク１１の酸化を防止することができる。なお、ワークの加熱温度は、ワーク１１のローラコンベア４２による墳気槽３４内の移動時間及び過熱水蒸気の噴射量によって、予め定めた温度に制御することができる。

加熱されたワーク１１は墳気槽３４の排出口４０に接続するコンベア３６ｂによって塑性加工機械１６の金型４６に移動する。金型４６は予め内蔵したヒータ等によって予熱しておく。
ワーク１１は上型４６ａと下型４６ｂの間に挿入され、図示しない型開閉手段の開閉運動により塑性変形が与えられ所定の形状に成形できる。成形後、上下金型（４６ａ、４６ｂ）間からロボットアーム等を用いて成形品が取り出され後段の加工処理に送られる。

このような加熱成形システムでは、温度制御した過熱水蒸気によってワークを加熱しているので、空気に比べ比熱が大きく、温度を一定に保持する効果のある水蒸気によってワークを急速加熱することが可能となる。そして、ワーク加熱部１４はこの過熱水蒸気雰囲気となるので空気中の酸素が追い出され無酸素状態となり、ワーク１１の酸化を防止することが可能となる。
なお、本加熱成形システムは温感プレス加工等にも適用することができる。

実施形態に係る加熱成形システムの構成概略を示す図である。

符号の説明

１０………加熱成形システム、１１………ワーク、１２………過熱水蒸気生成部、１４………ワーク加熱部、１６………塑性加工機械、２０………ボイラ、２２………加熱槽、２４………水位計、２５………温度センサ、２６………給水源、２７………ヒータ、２８………電源、３０………配管、３２………制御部、３４………墳気槽、３６………コンベア、３８………開口部、４０………排出口、４２………ローラコンベア、４４………ノズル、４６………金型。

Claims

ワークに過熱水蒸気を接触させて前記ワークを加熱し、加熱した前記ワークを所定の形状に塑性変形することを特徴とする加熱成形方法。
水を蒸発させて過熱水蒸気を生成する過熱水蒸気生成部と、
前記過熱水蒸気をワークに接触させ、前記ワークを予め定めた温度に加熱するワーク加熱部と、
加熱した前記ワークに塑性変形を与えて所定の形状に成形する塑性加工機械と、
を有することを特徴とする加熱成形システム。