JP5786945B2 - 通電加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、平板状のワークに通電することにより、当該ワークを加熱する通電加熱装置に関する。

従来、鋼板等のワークをオーステナイト組織が現れる温度以上に加熱し、冷却した金型により前記ワークに対してプレス加工を行うと同時に、焼入れを施すホットプレス成形が公知である。

上記のようなホットプレス成形において、ワークを加熱する技術として、通電加熱が広く知られている（例えば、特許文献１参照）。
通電加熱は、ワークに取り付けられた一対以上の電極間で通電を行うことによって発生するジュール熱により、ワークを加熱する技術である。

通電加熱においては、加熱されたワークに熱膨張が生じ、ワークが変形する。そのため、電極を所定の圧力でワークに接触させて、ワークを固定することにより、ワークの変形を抑制させる必要がある。

しかしながら、通電加熱に用いられる電極は、上記のように、ワークの変形を抑制するような比較的高い圧力でワークに接触するため、摩擦等によって摩耗が生じる。電極に摩耗が生じた場合には、電極における摩耗部分がワークと密着しないため、ワークに対する均一な通電が不可能となる。また、電極における摩耗部分、つまり電極におけるワークと密着しない部分にスパークが発生し、電極が溶けて欠損する等の問題が生じるおそれがある。

特開２００９−１４２８５３号公報

本発明は、電極が摩耗することなく、ワークに対する均一な通電が可能な通電加熱装置を提供することを課題とする。

本発明の通電加熱装置は、平板状のワークに通電することにより、当該ワークを加熱する通電加熱装置であって、互いに通電方向に所定の間隔を空けて配置され、前記ワークに対して通電を行うための一対の電極と、前記ワークを固定する一対のクランプと、を具備し、各電極は、一定の通電方向の長さを保持しつつ、前記ワークの表面に沿って通電方向に直交する方向に延出し、前記ワークの表裏両面を挟むように設けられ、各クランプは、各電極の近傍にて、前記ワークの被加熱部分以外の部分における表裏両面を挟むように設けられ、各クランプが前記ワークを挟む圧力は、各電極が前記ワークを挟む圧力よりも高い値に設定される。

本発明の通電加熱装置において、各クランプが前記ワークを挟む圧力は、前記一対の電極によって前記ワークに対する通電が行われた際における加熱されたワークの変形を抑制できる程度の高い値に設定され、各電極が前記ワークを挟む圧力は、前記一対の電極がワークに対して通電を行える程度の低い値に設定されることが好ましい。

本発明の通電加熱装置において、各電極の通電方向の長さは、各電極の剛性が保てる程度の小さい値に設定されることが好ましい。

本発明の通電加熱装置において、各電極の通電方向の長さは、０．５〜３［ｍｍ］に設定されることが好ましい。

本発明によれば、電極が摩耗することなく、ワークに対して均一に通電できる。

本発明に係る通電加熱装置を示す図。 実験におけるワークの計測点を示す図。 電極の左右寸法と、三回分の温度幅の平均値との関係を示す図。 電極の左右寸法と、三回分の温度幅の最小値との関係を示す図。 シミュレーションにおける電極とワークとの接触部分を示す図。 従来の電極によってワークに通電した際の電流密度の分布を示す図。 本発明に係る電極によってワークに通電した際の電流密度の分布を示す図。 通電加熱装置の別形態を示す図。

以下では、図１を参照して、本発明に係る通電加熱装置の一実施形態である通電加熱装置１について説明する。
通電加熱装置１は、ワークＷを通電により加熱する装置である。
なお、説明の便宜上、図１における矢印Ｘの指す方向をワークＷの右方向として左右方向を規定し、図１における矢印Ｙの指す方向をワークＷの前方向として前後方向を規定し、図１における矢印Ｚの指す方向をワークＷの上方向として上下方向を規定する。

図１に示すように、ワークＷは、左右方向を長手方向とする矩形状の平板部材であり、その表面及び裏面を上下方向に向けて配置される。ワークＷは、通電加熱装置１の加熱対象であり、鋼材等の導電性を有する素材からなる。

通電加熱装置１は、電極１０・１０、及びクランプ２０・２０を具備する。

電極１０・１０は、ワークＷに通電する際に使用される電極であり、互いに左右方向に所定の間隔を空けて配置される。電極１０・１０は、ワークＷの左右方向における両端部近傍に取り付けられる。電極１０・１０は、一方をプラス電極とし、他方をマイナス電極として、二つ一組で用いられ、交流電源を用いる場合においても同様である。なお、電極１０・１０は、所定の電源装置に接続されており、当該電源装置が作動することによってワークＷに左右方向に沿って電流を付与する。つまり、通電加熱装置１における通電方向は、左右方向に一致する。

電極１０は、銅、ステンレス鋼、黒鉛等の導電性を有する素材からなる。ただし、耐久性の高さ、及び電気抵抗の低さ等の観点から、銅（特に、クロム銅、又はベリリウム銅）を電極１０の素材として採用することが好ましい。
電極１０は、ワークＷの下方に位置する下部電極１１と、ワークＷの上方に位置する上部電極１２とから構成されている。

下部電極１１は、直方体形状を有しており、一定の上下寸法、及び一定の左右寸法（通電方向の長さ）を保持しつつ、ワークＷの前後寸法よりも大きい前後寸法となるように、前後方向に延出している（ワークＷの表面に沿って通電方向に直交する方向に延出している）。下部電極１１は、ワークＷを載置できるように、所定の位置に固定されている。下部電極１１には、その上面とワークＷの下面とが接触し、かつ、下部電極１１の前後方向における両端部間にワークＷの前後方向における両端部が位置するように、ワークＷが載置される。下部電極１１におけるワークＷとの接触面、つまり下部電極１１の上面は、ワークＷの下面と密着するような平坦面となっている。

上部電極１２は、下部電極１１と略同様の直方体形状を有しており、下部電極１１の上下寸法と同一の上下寸法、及び下部電極１１の左右寸法と同一の左右寸法を保持しつつ、下部電極１１の前後寸法と同一の前後寸法となるように、前後方向に延出している。上部電極１２は、ワークＷを介して、下部電極１１と対向するように配置される。上部電極１２は、エアシリンダ等のアクチュエータによって上下方向に移動可能となっており、下面をワークＷの上面に接触させることで、下部電極１１と共にワークＷを上下方向から挟むように構成されている。上部電極１２におけるワークＷとの接触面、つまり上部電極１２の下面は、ワークＷの上面と密着するような平坦面となっている。
なお、本実施形態においては、下部電極１１を固定し、上部電極１２を移動可能としたが、下部電極１１を移動可能とし、上部電極１２を固定すること、又は下部電極１１及び上部電極１２の双方を移動可能とすることも可能である。

電極１０の左右寸法（通電方向の長さ）は、従来の電極の左右寸法と比較して、小さく設定されている。
詳細には、下部電極１１の左右寸法、及び上部電極１２の左右寸法は、電極１０（下部電極１１及び上部電極１２）の剛性が保てる程度の小さい値（例えば、０．５〜３［ｍｍ］）に設定される。つまり、下部電極１１の左右寸法、及び上部電極１２の左右寸法は、下部電極１１及び上部電極１２によってワークＷを挟んだ際に、下部電極１１及び上部電極１２が座屈しない程度の小さい値に設定される。

クランプ２０・２０は、ワークＷを固定する部材である。クランプ２０・２０は、電極１０・１０の近傍に配置され、ワークＷの被加熱部分（電極１０・１０間に位置する部分）以外の部分を固定する。詳細には、一方のクランプ２０は、左側の電極１０と若干の距離を空けて当該電極１０の左方に配置され、他方のクランプ２０は、右側の電極１０と若干の距離を空けて当該電極１０の右方に配置される。つまり、クランプ２０・２０は、それぞれ電極１０・１０の左右外側に配置されている。

クランプ２０は、ステンレス鋼、炭素鋼等の高硬度の素材からなる。
クランプ２０は、ワークＷの下方に位置する下部クランプ２１と、ワークＷの上方に位置する上部クランプ２２とから構成されている。

下部クランプ２１は、直方体形状を有しており、一定の上下寸法、及び一定の左右寸法を保持しつつ、ワークＷの前後寸法よりも大きい前後寸法となるように、前後方向に延出している。下部クランプ２１は、ワークＷを載置できるように、下部クランプ２１の上面の上下位置と、下部電極１１の上面の上下位置とが一致する位置に固定されている。下部クランプ２１には、その上面とワークＷの下面とが接触し、かつ、下部クランプ２１の前後方向における両端部間にワークＷの前後方向における両端部が位置するように、ワークＷが載置される。

上部クランプ２２は、下部クランプ２１と略同様の直方体形状を有しており、下部クランプ２１の上下寸法と同一の上下寸法、及び下部クランプ２１の左右寸法と同一の左右寸法を保持しつつ、下部クランプ２１の前後寸法と同一の前後寸法となるように、前後方向に延出している。上部クランプ２２は、ワークＷを介して、下部クランプ２１と対向するように配置される。上部クランプ２２は、エアシリンダ等のアクチュエータによって上下方向に移動可能となっており、下面をワークＷの上面に接触させることで、下部クランプ２１と共にワークＷを上下方向から挟むように構成されている。

上部クランプ２２がワークＷを押圧する圧力（クランプ２０がワークＷを挟む圧力）は、上部電極１２がワークＷを押圧する圧力（電極１０がワークＷを挟む圧力）よりも高い値に設定されることが好ましい。
更に好ましくは、上部クランプ２２がワークＷを押圧する圧力（クランプ２０がワークＷを挟む圧力）は、電極１０・１０によってワークＷに対する通電が行われた際における加熱されたワークＷの変形を抑制できる程度の比較的高い値に設定される。つまり、上部クランプ２２は、電極１０・１０によってワークＷに対する通電が行われた際に、加熱されたワークＷが変形し、ワークＷと電極１０・１０との接触面が減少することを抑制できる程度の圧力でワークＷを押圧することで、ワークＷを固定する。
こうして、ワークＷが電極１０・１０による通電によって加熱された際に、ワークＷの熱膨張による変形が抑制され、電極１０・１０によるワークＷに対する均一な通電が可能となる。
なお、本実施形態においては、下部クランプ２１を固定し、上部クランプ２２を移動可能としたが、下部クランプ２１を移動可能とし、上部クランプ２２を固定すること、又は下部クランプ２１及び上部クランプ２２の双方を移動可能とすることも可能である。

また、クランプ２０におけるワークＷとの接触面、つまり下部クランプ２１の上面、及び上部クランプ２２の下面は、摩擦係数が比較的高い形状（例えば、凹凸面）となっている。
これにより、熱膨張によって変形しようとするワークＷを良好に固定することができ、ワークＷの熱膨張による変形を更に抑制できる。

通電加熱装置１においては、クランプ２０によってワークＷが固定されているため、上部電極１２がワークＷを押圧する圧力（電極１０がワークＷを挟む圧力）は、上部電極１２の下面と、ワークＷの上面とが密着し、電極１０・１０がワークＷに対して通電を行える程度の比較的低い値に設定される。つまり、上部電極１２は、その下面と、ワークＷの上面とが密着し、電極１０・１０がワークＷに対して通電を行うことのできる最小限の圧力でワークＷを押圧する。
これにより、電極１０がワークＷに接触することによって生じる電極１０の摩耗を抑制することができる。

このように、従来の通電加熱装置においては、電極がワークに電圧を印加する機能とワークを固定する機能との双方を有しており、ワークの変形を抑制するために、電極が通電に必要な圧力よりも大きい圧力でワークを押圧しているのに対して、本実施形態に係る通電加熱装置においては、電極がワークに電圧を印加する機能を有し、クランプがワークを固定する機能を有しており、それらの機能を分離させているのである。

なお、本実施形態においては、隣接する電極１０及びクランプ２０は、互いに若干の距離を空けて配置したが、互いに接触するように配置してもよい。
つまり、電極１０の「近傍」とは、電極１０にクランプ２０が接触しているか否かを問わず、加熱されたワークＷの変形をクランプ２０が抑制可能な位置を意味する。

以下では、図２〜図７を参照して、電極の左右寸法を従来よりも小さくすることによってもたらされる効果について説明する。
なお、説明の便宜上、図２における左右方向をワークの左右方向と規定する。また、図２における上方をワークの後方、同じく下方をワークの前方と規定する。更に、図２における紙面手前側をワークの上方、同じく紙面奥側をワークの下方と規定する。

まず、左右寸法が５［ｍｍ］である従来の一組の電極と、左右寸法をそれぞれ、０．５［ｍｍ］、１［ｍｍ］、３［ｍｍ］とした、三組の電極とを用意し、各電極によってワークに通電する実験を行った。
本実験においては、前後寸法が３００［ｍｍ］、左右寸法が３７５［ｍｍ］、上下寸法が１．４［ｍｍ］であるワークを用い、電極間の距離（一対の電極における対向面同士の距離）を３２５［ｍｍ］とした。

図２に示すように、本実験においては、計測点Ｐ１、計測点Ｐ２、計測点Ｐ３、計測点Ｐ４、及び計測点Ｐ５における通電後のワークの温度を計測した。
計測点Ｐ１〜計測点Ｐ５は、ワークにおける左側の電極から（詳細には、左側の電極の右端面から）３５［ｍｍ］離れた位置である。
ワークの後端から計測点Ｐ１までの距離、及びワークの前端から計測点Ｐ５までの距離は、２０［ｍｍ］であり、計測点Ｐ１から計測点Ｐ２までの距離、計測点Ｐ２から計測点Ｐ３までの距離、計測点Ｐ３から計測点Ｐ４までの距離、及び計測点Ｐ４から計測点Ｐ５までの距離は、６５［ｍｍ］である。

本実験においては、電流値を１２［ｋＡ］として、１１．５秒間の通電を行い、計測点Ｐ１〜計測点Ｐ５における温度の最小値と最大値との差を温度幅として算出する作業を電極ごとに三回行った。

図３は、電極ごとに算出された三回分の温度幅の平均値（以下、「平均温度幅」と記す）を示す図である。
図３に示すように、電極の左右寸法が３［ｍｍ］以下である場合には、平均温度幅が比較的低い値となって、どの電極においても略同等の平均温度幅となっている。

図４は、電極ごとに算出された三回分の温度幅の最小値（以下、「最小温度幅」と記す）を示す図である。
図４に示すように、電極の左右寸法が３［ｍｍ］以下である場合には、最小温度幅が比較的低い値となって、電極の左右寸法が小さくなるのに伴い、最小温度幅が小さくなっている。

以上のように、左右寸法が３［ｍｍ］以下である電極を用いてワークに通電することで、左右寸法が５［ｍｍ］である従来の電極を用いた場合と比較して、ワークにおける温度幅を減少、つまりワークの温度のばらつきを小さくできることが明らかとなった。

次に、左右寸法が５［ｍｍ］である従来の一組の電極によってワークに通電すること、及び左右寸法が１［ｍｍ］である一組の電極によってワークに通電することを想定したシミュレーションを行った。
本シミュレーションは、前記実験と同様の条件（ワークの寸法等）で行った。

本シミュレーションにおいては、電極とワークとの間に非接触部分が存在することを想定し、図５の如く、電極をワークと部分的に接触するような形状に設定した。
図５における黒塗り部分は、電極とワークとの接触部分を示し、白塗り矢印は、電流を示している。

図６は、左右寸法が５［ｍｍ］である従来の電極によって通電されたワークにおける電流密度の分布を示す図であり、図７は、左右寸法が１［ｍｍ］である電極によって通電されたワークにおける電流密度の分布を示す図である。
図６及び図７における二点鎖線Ｌは、ワークにおける左側の電極から（詳細には、左側の電極の右端面から）３５［ｍｍ］離れた位置を示す線である。
図６に示すように、左右寸法が５［ｍｍ］である従来の電極によってワークに通電した場合には、ワークにおける左側の電極から３５［ｍｍ］離れた位置（二点鎖線Ｌで示された位置）において、電流密度のばらつきが比較的大きい。
図７に示すように、左右寸法が１［ｍｍ］である電極によってワークに通電した場合には、ワークにおける左側の電極から３５［ｍｍ］離れた位置（二点鎖線Ｌで示された位置）において、電流密度のばらつきが比較的小さくなっている。

このように、従来の電極よりも左右寸法を小さくすること、特に電極の左右寸法を０．５〜３［ｍｍ］にすることによって、電極のワークに対する非接触部分の影響を軽減し、不均一な通電を抑制できることが明らかとなった。

以下では、図８を参照して、通電加熱装置１００について説明する。
通電加熱装置１００は、ワークＷを通電により加熱する装置である。
なお、以下では、通電加熱装置１と共通する部分には同一の符号を付して、その説明は省略する。

通電加熱装置１００は、電極１０・１０を具備する。つまり、通電加熱装置１００は、クランプ２０・２０を具備しない点で、通電加熱装置１と異なる。

通電加熱装置１００においては、上部電極１２がワークＷを押圧する圧力（電極１０がワークＷを挟む圧力）は、従来の電極と同程度、つまり電極１０・１０によってワークＷに対する通電が行われた際の加熱されたワークＷの変形を抑制できる程度に設定されている。

前述のように、電極１０の左右寸法（通電方向の長さ）は、従来の電極の左右寸法と比較して、小さく設定されている。
これにより、従来の電極と比較して、電極１０におけるワークＷとの接触面積が小さくなり、電極１０とワークＷとの面圧を高めることができる。
したがって、電極１０がワークＷを挟む圧力を上げることなく、ワークＷの熱膨張による変形を良好に抑制することができる。

本発明は、平板状のワークに通電することにより、当該ワークを加熱する通電加熱装置に利用できる。

１ 通電加熱装置
１０ 電極
１１ 下部電極
１２ 上部電極
２０ クランプ
２１ 下部クランプ
２２ 上部クランプ
Ｗ ワーク

Claims (4)

1. 平板状のワークに通電することにより、当該ワークを加熱する通電加熱装置であって、
   互いに通電方向に所定の間隔を空けて配置され、前記ワークに対して通電を行うための一対の電極と、
   前記ワークを固定する一対のクランプと、を具備し、
   各電極は、一定の通電方向の長さを保持しつつ、前記ワークの表面に沿って通電方向に直交する方向に延出し、前記ワークの表裏両面を挟むように設けられ、
   各クランプは、各電極の近傍にて、前記ワークの被加熱部分以外の部分における表裏両面を挟むように設けられ、
   各クランプが前記ワークを挟む圧力は、各電極が前記ワークを挟む圧力よりも高い値に設定される、
   ことを特徴とする通電加熱装置。
2. 各クランプが前記ワークを挟む圧力は、前記一対の電極によって前記ワークに対する通電が行われた際における加熱されたワークの変形を抑制できる程度の高い値に設定され、
   各電極が前記ワークを挟む圧力は、前記一対の電極がワークに対して通電を行える程度の低い値に設定される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の通電加熱装置。
3. 各電極の通電方向の長さは、各電極の剛性が保てる程度の小さい値に設定される、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の通電加熱装置。
4. 各電極の通電方向の長さは、０．５〜３［ｍｍ］に設定される、
   ことを特徴とする請求項３に記載の通電加熱装置。

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