JP5717957B2 - キャプスタン及びキャプスタン装置 - Google Patents

Description

本発明は、外周側に線材が巻き付けられるキャプスタンと、このキャプスタンを備えたキャプスタン装置に関する。

ダイスで線材を引き抜く際、キャプスタン装置でキャプスタンを回転させて線材を巻き取りながら引き抜くことが行われている。

ここで、生産性を挙げるためには線材を引き出す速度（線速）を上げることが有効であるが、線速を上げると塑性加工や摩擦によるダイス内での発熱量が増大する。このため、発生した熱を除去して線材に熱が蓄積されることを防ぎ、線材が次のダイスに低温で入るようにする必要がある。

この熱除去として最も一般的に行われていることは、キャプスタンのうち線材が当接する部位を介して、伝熱による熱交換で除去することである（例えば特許文献１参照）。この手法の利点は線材表面を変化させる心配がないことである。そして、伸線工程の途中や伸線工程の最終段階で熱除去することができ、その上、線材表面の潤滑剤を変化させることがないため、ダイスに入線するときの線材温度を下げる作用に加え、ダイス内での摩擦抵抗を下げる効果もある。

ＵＳ５６７８４４３

ところで、特許文献１に開示されているように、キャプスタン装置には、通常、回転することにより線材を引き出しつつ巻き付ける中空円筒状のキャプスタンが設けられている。そして、このキャプスタンの内側を流体（水）で冷却することにより線材の熱を除去することが行われている。

しかし、線材を引き出すことによって形成した伸線の長さ、線材の引き出し速度、線材の硬さなどが増大するにつれて、キャプスタンのうち線材が当接する部位で表面摩耗が進行する。その結果、ついには線材とキャプスタンとが充分に接触することができなくなり、線材を冷却する能力（線材冷却能力）の低下や、線材がキャプスタンにうまく巻き付かない事態が生じるという不具合があった。

線材との接触によるキャプスタンの摩耗を抑制するために、キャプスタン本体の外周面に、溶射による摩耗抑制層を形成することが考えられるが、摩耗抑制層の材質等によっては、熱伝導率が低いために線材冷却性能が低下することが懸念される。

本発明は、上記事実を考慮して、キャプスタン本体の外周面の摩耗を抑制し、且つ線材冷却性能の低下を抑えたキャプスタンと、このキャプスタンを備えたキャプスタン装置を提供することを課題とする。

請求項１に記載の発明では、キャプスタン装置を構成し回転力が与えられて回転するキャプスタン本体と、前記キャプスタン本体の外周面のうち少なくとも線材が巻き付けられる領域に形成された熱処理硬化層と、を有し、前記キャプスタン本体が、機械構造用炭素鋼鋼材のＳ５５Ｃで構成されている。

このキャプスタンでは、キャプスタン本体は、機械構造用炭素鋼鋼材のＳ４８Ｃ、Ｓ５０Ｃ、Ｓ５３Ｃ、Ｓ５５Ｃのいずれかで構成されている。この機械構造用炭素鋼鋼材は、ＪＩＳ Ｇ ４０５１に規定される種類の記号によって特定されるものであり、種類に応じて所定範囲の化学成分（Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ）を有している。しかも、キャプスタン本体の外周面のうち少なくとも線材が巻き付けられる領域には熱処理硬化層が形成されている。したがって、キャプスタン本体の耐磨耗性を維持して外周面の摩耗を抑制しつつ、高い熱伝導率により線材冷却性能の低下を抑えることができる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載のキャプスタンと、前記キャプスタンを構成するキャプスタン本体を内周側から冷却する冷却機構と、を有する。

すなわち、請求項２に記載の発明では、請求項１に記載のキャプスタンを有するキャプスタン装置であり、キャプスタン本体を冷却機構により内周側から冷却する。従って、キャプスタン本体を効率的に冷却することができる。なお、冷却方式としては水冷が代表的であるが、水以外の他の液体による冷却であってもよいし、空冷することも考えられる。また、ペルチェ素子を用いた冷却方式であってもよい。

本発明は上記構成としたので、キャプスタン本体の外周面の摩耗を抑制し、且つ線材冷却性能の低下を抑えることが可能となる。

本発明の一実施形態のキャプスタン装置の構成を示す側面断面図である。 本発明の一実施形態のキャプスタン装置の変形例の構成を示す側面断面図である。 本発明の一実施形態のキャプスタン装置の変形例の構成を示す側面断面図である。 機械構造用炭素鋼鋼材の材質と摩耗深さとの関係を示すグラフである。 キャプスタン巻き高さワイヤー温度の関係を示すグラフである。 キャプスタン巻き高さワイヤー温度の関係を示すグラフである。

以下、線材としてワイヤを用いた実施形態を挙げ、本発明の実施形態について説明する。なお、ワイヤ以外のコードなどの線材を用いることも可能である。

図１に示すように、本実施形態に係るキャプスタン装置１０は、回転中心軸Ｃが鉛直方向に向けられた本実施形態に係るキャプスタン１２と、キャプスタン１２を回転させる回転機構１４と、キャプスタン１２を冷却する冷却機構１６と、を備えている。
キャプスタン１２は、回転機構１４に取付けられて回転するキャプスタン本体２０と、キャプスタン本体２０（母材）の外周側のうちワイヤＷが巻き付けられる領域に形成された熱処理硬化層２２と、を有する。

キャプスタン本体２０は、ＪＩＳ Ｇ ４０５１規定される機械構造用炭素鋼鋼材のなかで、特にＳ４８Ｃ、Ｓ５０Ｃ、Ｓ５３Ｃ、Ｓ５５Ｃのいずれかの鋼材を鍛造することにより構成されている。このキャプスタン本体２０は、熱処理硬化層２２が外周側に形成されている中空の円筒状部２４と、円筒状部２４の上側に形成され、周縁部２６Ｅが円筒状部２４の外周側に鍔状に張り出す円盤状の上部２６と、円筒状部２４の下側に形成され、周縁部２６Ｅが円筒状部２４の外周側に鍔状に張り出す下部２８と、を有する。円筒状部２４の内周側２４Ｓは波状とされていて、波の凸部２４Ｐ及び凹部２４Ｄがキャプスタン本体２０の内周方向（円周方向）に沿っている。キャプスタン１２の外周には、熱処理硬化層２２の下部からワイヤＷが入線し、熱処理硬化層２２の上部からワイヤＷが出線するように巻き付けられる。また、本実施形態では、熱処理硬化層２２は、キャプスタン本体２０の外周面を加熱した後、浸炭焼入れ、窒化、高周波焼入れ、炎焼入れなどの所定の処理を行って、硬化された層である。

回転機構１４は、鉛直方向に立てられた回転軸部３０と、回転軸部３０の下部を支えるベアリング部３２とを備えている。ベアリング部３２は、キャプスタン装置１０に設けられた支持部３４で支えられている。キャプスタン本体２０は、回転軸部３０に取付けられており、回転軸部３０が回転することによってキャプスタン１２が回転する構成になっている。

冷却機構１６は、円筒状部２４のうち、外周側に熱処理硬化層２２が形成されている内周側部分２４Ｂの上部に向けて冷却水Ｌを噴出するノズル４０を備えている。また、冷却機構１６は、キャプスタン本体２０の内周よりも内側（回転中心軸Ｃの側）に鉛直方向に沿って配置された支持部材４２と、支持部材４２の外周側に固定され、キャプスタン本体の内周に沿って螺旋状に形成された案内板４４と、を有しており、ノズル４０から噴出した冷却水Ｌを、キャプスタン本体２０の内周側下部へ徐々に案内する構成になっている。支持部材４２は、円筒状であってもよいし、複数本の柱状部材で構成されていてもよい。

以上説明したように、本実施形態では、キャプスタン１２のキャプスタン本体２０は、ＪＩＳ Ｇ ４０５１規定される機械構造用炭素鋼鋼材のうち、Ｓ４８Ｃ、Ｓ５０Ｃ、Ｓ５３Ｃ、Ｓ５５Ｃのいずれかの鋼材で構成されており、このキャプスタン本体２０の外周側のうちワイヤＷが巻き付けられる領域に熱処理硬化層２２が形成されている。

ここで、単に表面の摩耗を抑制するためだけであれば、表面を熱硬化処理すれば済むが、キャプスタン本体２０を構成している鋼材の炭素量（以下「Ｃ量」とする）が多くなると、熱伝導度が低下する、表１には、機械構造用炭素鋼鋼材の種類と、熱伝導度の関係が示されている。

なお、表１の材質における最下段の「ピアノ線溶射」とは、Ｓ５５ＣまたはＦＣＤ５００の表面に、熱処理硬化を形成することに代えて、ピアノ線材溶射を用いた際の、ピアノ線溶射層部分の熱伝導度を示している。

この表１からは、Ｓ３５Ｃ、Ｓ４５Ｃ、Ｓ４８Ｃ、Ｓ５０Ｃ、Ｓ５３Ｃ、Ｓ５５Ｃでは、熱伝導度が４５（Ｗ／ｍ・ｋ）あるいはそれ以上であり、キャプスタン本体２０として用いたときに、他の材質と比較して、線材冷却性能の低下を効果的に抑えることが可能であることが分かる。

一方、Ｃ量が異なると、耐摩耗性（摩耗しづらさの程度）も異なる。図４には、Ｃ量が異なる機械構造用炭素鋼鋼材で摩耗評価を行った結果の一例が示されている。この図４から、Ｓ４８Ｃよりも番号の小さい（すなわちＣ量の少ない）機械構造用炭素鋼鋼材では、それ以外の機械構造用炭素鋼鋼材よりも耐摩耗性が低下していることが分かる。

以上より、熱伝導率と耐摩耗性を両立できる機械構造用炭素鋼鋼材として、Ｓ４８Ｃ、Ｓ５０Ｃ、Ｓ５３Ｃ、Ｓ５５Ｃを用いることが好ましいことが分かる。たとえば、キャプスタン本体２０の外周面（ワイヤＷが巻き付けられる領域）に摩耗抑制のためにピアノ線溶射を施すことも考えられる。本発明では、ピアノ線溶射層を設けた構成よりもさらに高い冷却性能が得られるため、ピアノ線溶射層を設ける必要がなく、しかも、耐磨耗性も高いキャプスタン本体２０とすることができる。

特に、本実施形態では、キャプスタン装置１０が、キャプスタン本体２０を内周側２４Ｓから水冷する冷却機構１６を備えている。上記したＳ４８Ｃ、Ｓ５０Ｃ、Ｓ５３Ｃ、Ｓ５５Ｃの機械構造用炭素鋼鋼材の熱伝導率は高いので、キャプスタン１２を効率的に冷却することができる。

また、キャプスタン本体２０の回転中心軸Ｃが鉛直方向に向けられ、冷却機構１６は、キャプスタン本体の内周に沿って螺旋状に形成された案内板４４と、この案内板４４を回転中心軸Ｃの側から支える支持部材４２と、を有している。これにより、内周側部分２４Ｂの上部に向けて噴出した冷却水Ｌが、キャプスタン本体２０の内周に沿って接触しながら徐々に下方へ流れる。従って、冷却水Ｌの噴出流量をあまり多くしなくても効率的にキャプスタン１２を冷却することができて冷却水Ｌの噴出機構の小型化を図ることができ、しかも、キャプスタン本体２０の内周全体にわたって確実に冷却することができる。

また、キャプスタン本体２０の内周側２４Ｓが波状であって波の凸部２４Ｐ及び凹部２４Ｄ（何れも図１（Ｂ）参照）がキャプスタン本体の内周方向（回転中心軸回り方向）に沿っている。従って、ノズル４０から噴出した冷却水Ｌは、案内板４４に沿って下方へ流れる際に凸部２４Ｐ及び凹部２４Ｄを経由して流れるので、冷却水Ｌの内壁面への接触面積が大きくなり、効率的に冷却することができる。また、凸部２４Ｐ及び凹部２４Ｄがキャプスタン本体２０の内周方向に沿っているので、ワイヤＷが巻き付くことによる引張り力がキャプスタン本体２０に作用しても、この引張り力に対する強度が強い。

なお、本実施形態では、キャプスタン本体２０が全体にわたってＳ４８Ｃ、Ｓ５０Ｃ、Ｓ５３Ｃ、Ｓ５５Ｃの機械構造用炭素鋼鋼材からなる例で説明したが、キャプスタン本体のうち熱処理硬化層２２の内周側のみがこれらの機械構造用炭素鋼鋼材からなる例であっても、同様の効果を奏することができる。

また、本実施形態では、キャプスタン本体２０の内周側上部に向けて噴出した冷却水をキャプスタン本体２０の内周側下部へ徐々に案内する案内手段として、キャプスタン本体２０の内周に沿って螺旋状に形成された案内板４４を支持部材４２の外周側に固定した例で説明したが、図２に示すように、キャプスタン本体２０の内周に沿ってリング状に配置された案内板４８を支持部材４２の外周側に固定してもよい。これにより、冷却水をキャプスタン本体２０の内周側下部へ更に徐々に案内することができる。この場合、図２に示すように、上下方向に等間隔で離隔した複数の案内板４８を配置すると、より均一にかつ効果的にキャプスタン本体２０を冷却し易い。

また、本実施形態では、キャプスタン本体２０の内周側２４Ｓに凸部２４Ｐ及び凹部２４Ｄが形成されている例で説明したが、図３に示すように、キャプスタン本体２０に代えて、外周側に熱処理硬化層２２が形成されている内周側部分５４Ｂの内壁が通常の円筒内面状であるキャプスタン本体５０としても、冷却機構のノズル５１から冷却水Ｌを噴出してキャプスタン本体５０の冷却効果を充分に得ることが可能である。なお、ノズル５１の高さ位置を固定している支持部材５２は、内周側部分５４Ｂに沿って冷却水Ｌが流れるように円筒状とされていてもよい。

以下に、本発明の実施例を挙げて、より詳細に説明するが、本発明がこれらの実施例に限定されないことはもちろんである。
発明者らは、まず、以下の各材質及び各処理を施した同一形状のキャプスタン本体を作製した。

＜試験例１＞
キャプスタンＡ：鍛造のＳ５５Ｃのキャプスタン本体に、熱処理硬化層２２を形成したもの
キャプスタンＢ：鍛造のＳ５５Ｃのキャプスタン本体に、ピアノ線材を溶射して耐摩耗層（厚さ３ｍｍ）を形成したもの
キャプスタンＣ：鍛造のＦＣＤ５００（球状黒鉛鋳鉄）のキャプスタン本体にピアノ線材を溶射して耐摩耗層（厚さ３ｍｍ）を形成したもの

以上の各構成のキャプスタン本体に対し、キャプスタンの巻き高さとワイヤ温度との関係をそれぞれ調べた。結果を図５に示す。
この図５のグラフから、材質及び表面性状によって冷却性能が大きく異なることが分かる。すなわち、ピアノ線材を溶射して耐摩耗層を形成したキャプスタン本体（比較例１及び比較例２）では、熱処理硬化層２２を形成したキャプスタン本体（実施例１）に対し、冷却性能が低くなっていることが分かる。特に、材料としてＦＣＤ５００（球状黒鉛鋳鉄）を用いたキャプスタン本体（比較例２）では、５５Ｃを用いたキャプスタン本体（比較例１）よりも、さらに冷却性能が低い。

＜試験例２＞
実施例１：鍛造のＳ５５Ｃのキャプスタン本体に、熱処理硬化層２２を形成したもの
実施例２：鍛造のＳ４８Ｃのキャプスタン本体に、熱処理硬化層２２を形成したもの
比較例１：鍛造のＳ４０Ｃのキャプスタン本体に、熱処理硬化層２２を形成したもの
比較例２：鍛造のＳ３０Ｃのキャプスタン本体に、熱処理硬化層２２を形成したもの
比較例３：鍛造のＳ４０Ｃのキャプスタン本体に、ピアノ線材を溶射して耐摩耗層（厚さ２ｍｍ）を形成したもの

以上の各構成のキャプスタン本体に対し、試験例１と同様に、キャプスタンの巻き高さとワイヤ温度との関係をそれぞれ調べた。この結果を図６に示す。また、これらのキャプスタン本体の摩耗深さについても調べた。この結果を表２に示す。

まず、耐磨耗性については、表２から、Ｓ５５Ｃのキャプスタン本体に、熱処理硬化層２２を形成した実施例１、及び、Ｓ４８Ｃのキャプスタン本体に、熱処理硬化層２２を形成した実施例２、さらに、Ｓ４０Ｃのキャプスタン本体にピアノ線材の耐摩耗層を形成した比較例３では、実質的に摩耗が生じていない（摩耗深さが０ｍｍである）のに対し、Ｓ４０Ｃのキャプスタン本体に、熱処理硬化層２２を形成した比較例１、及び、Ｓ３０Ｃのキャプスタン本体に、熱処理硬化層２２を形成した比較例２では、摩耗が生じている。

また、冷却性能については、図６のグラフから、Ｓ５５Ｃのキャプスタン本体に、熱処理硬化層２２を形成した実施例１、及び、Ｓ４８Ｃのキャプスタン本体に、熱処理硬化層２２を形成した実施例２では、Ｓ４０Ｃのキャプスタン本体に、熱処理硬化層２２を形成した比較例１、及び、Ｓ３０Ｃのキャプスタン本体に、熱処理硬化層２２を形成した比較例２と同程度の冷却性能となっていることが分かる。特に、Ｓ４０Ｃのキャプスタン本体にピアノ線材の耐摩耗層を形成した比較例３に対しては、より高い冷却性能が得られることが分かる。なお、Ｓ４８ＣとＳ５５Ｃの間の材料であるＳ５０Ｃ及びＳ５３Ｃについては、耐磨耗性はＳ４８Ｃ及びＳ５５Ｃと同様の耐磨耗性（摩耗が生じない）を有し、冷却性能については、これらの間の特性を示すことが推測できる。

以上から、機械構造用炭素鋼鋼材として、Ｓ４８Ｃ、Ｓ５０Ｃ、Ｓ５３Ｃ、Ｓ５５Ｃを用い、これらに熱処理硬化層を形成することにより、必要とされる熱伝導率と耐摩耗性を両立できることがわかる。

１０ キャプスタン装置
１２ キャプスタン
１６ 冷却機構
２０ キャプスタン本体
２２ 熱処理硬化層
２４Ｐ 凸部
２４Ｄ 凹部
２４Ｓ 内周側
４４ 案内板（案内手段、案内板）
４８ 案内板（案内手段、案内板）
５０ キャプスタン本体
Ｃ 回転中心軸
Ｗ ワイヤ（線材）

Claims (2)

1. キャプスタン装置を構成し回転力が与えられて回転するキャプスタン本体と、
   前記キャプスタン本体の外周面のうち少なくとも線材が巻き付けられる領域に形成された熱処理硬化層と、
   を有し、
   前記キャプスタン本体が、機械構造用炭素鋼鋼材のＳ５５Ｃで構成されているキャプスタン。
2. 請求項１に記載のキャプスタンと、
   前記キャプスタンを構成するキャプスタン本体を内周側から冷却する冷却機構と、
   を有するキャプスタン装置。

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