JP5865246B2 - ばねの製造方法及び通電加熱装置 - Google Patents

Description

本願は、ばねの製造技術に関する。詳しくは、ばね鋼材に生じた加工歪みを取除くための熱処理を短時間化するための技術に関する。

ばね鋼材を塑性加工（例えば、曲げ加工、ねじり加工）することでばね形状に成形すると、ばね鋼材には加工歪みが生じる。加工歪みはばね特性（例えば、耐久性、耐へたり性）に悪影響を与えるため、ばね鋼材をばね形状に成形した後に、ばね鋼材に生じた加工歪みを除去するための熱処理（いわゆる焼鈍処理）が行われる（日本ばね学会編「ばね」第４版，４６３〜４６６ページ，丸善株式会社）。この熱処理には、通常、熱風炉や赤外線加熱炉のような加熱炉が用いられる。このような加熱炉を用いて熱処理を行う場合、ばね形状に成形されたばね鋼材を加熱炉の一端から加熱炉内に投入する。加熱炉内に投入されたばね鋼材は、加熱炉の他端に向かって搬送されながら加熱され、加熱炉の他端より加熱炉外に搬出される。これによって、ばね鋼材に熱処理が施され、ばね鋼材から加工歪みが除去される。なお、この熱処理では、一般的に、処理温度が３８０〜４３０℃に設定され、処理時間が２０〜６０分に設定される。

ライン生産方式でばねを製造する場合（すなわち、ばねを量産する場合）、ばね鋼材をばね形状に成形する工程が行われると、その成形したばね鋼材は熱処理工程に搬送され、熱処理工程において熱処理が施される。従来の製造方法では、成形工程に要する時間と比較して、熱処理工程に要する時間が長時間となるという問題がある。すなわち、従来の製造方法では、成形工程に要する時間が４〜６０秒であるのに対して、熱処理工程に要する時間は２０〜６０分となっている。このため、成形工程に合せてばねを製造すると、熱処理工程には同時に多量のワークが投入されていることとなる。例えば、成形工程に要する時間が３０秒で、熱処理工程に要する時間が３０分の場合、熱処理工程には３０秒毎にばね鋼材が投入され、熱処理工程には同時に６０個のばね鋼材が存在することとなる。その結果、熱処理用の加熱炉が大型化し、加熱効率が低下する等の問題を招くこととなる。本願の目的は、成形工程により生じた加工歪みを除去する熱処理工程を短時間化することができる技術を提供することである。

本明細書は、ばねの製造方法を開示する。この製造方法は、ばね鋼材をばね形状（予め設定された形状）に成形する成形工程と、成形工程によってばね鋼材に生じる加工歪みを除去する熱処理工程を有している。熱処理工程は、ばね鋼材に電流を流すことでばね鋼材を加熱する通電加熱によって行われ、ばね鋼材を予め設定された設定温度まで加熱する第１工程と、第１工程後に、ばね鋼材を設定温度で予め設定された設定時間だけ保持する第２工程を有している。そして、設定温度が４３０℃より高く、かつ、５００℃以下に設定されている。ここで、設定温度とは、ばね鋼材のうち電流が流れる部位における表面の温度を意味する。

この製造方法では、通電加熱によってばね鋼材を加熱するため、ばね鋼材を短時間で設定温度まで加熱することができる。また、ばね鋼材の熱処理温度（設定温度）は４３０℃より高く、かつ、５００℃以下に設定され、従来の熱処理温度（３８０〜４３０℃）と比較して高温とされている。これらのため、成形工程によってばね鋼材に生じた加工歪みを短時間で除去することができ、熱処理工程を短時間で行うことができる。

なお、設定温度を４３０℃より高く、かつ、５００℃以下に設定するのは、次の理由による。設定温度が４３０℃以下であると、熱処理時間の短縮を十分に図ることができないためである。一方、設定温度が５００℃を超えると、ばね鋼材の組織が変態し、その機械的特性が変化してしまうためである。

上記の製造方法においては、第１工程と第２工程に要する時間が１分以内で、かつ、第２工程の設定時間が５秒以上となるように、設定温度が設定されていることが好ましい。このような構成によると、成形工程に要する時間と熱処理工程に要する時間の差が小さくなり、効率的にばねを製造することができる。

また、上記の熱処理工程では、ばね鋼材の温度を計測し、その計測した温度に基づいてばね鋼材に流す電流量と時間を制御することが好ましい。熱処理温度（設定温度）を高くすると短時間で所望の量の熱処理を行うことができるが、その分、熱処理温度がばらついたときの熱処理量のばらつきも大きくなる。このため、計測したばね鋼材の温度に基づいて電流量と時間を制御することで、ばね鋼材に適正な量の熱処理を施すことができる。

また、本明細書は、好適にコイルばねを通電加熱することができる装置を開示する。この通電加熱装置は、コイルばねの一端に電気的に接続可能な第１の電極を備えると共に、該コイルばねの一端をクランプ可能な第１のクランプ機構と、コイルばねの他端に電気的に接続可能な第２の電極を備えると共に、該コイルばねの他端をクランプ可能な第２のクランプ機構と、第１の電極と第２の電極の間に電圧を印加する電源装置を有している。そして、第１のクランプ機構と第２のクランプ機構の少なくとも一方が、他方のクランプ機構に対して、コイルばねの軸線方向に移動可能であると共にコイルばねの軸線周りに回転可能となっている。この装置では、通電加熱によってコイルばねが熱変形しても、一方のクランプ機構が他方のクランプ機構に対して変位することで、コイルばねに過大な応力が発生することを防止することができる。

実施例に係るばねの製造方法を示すフローチャート。 図１のステップＳ１２の間の温度プロファイルを模式的に示す図。 ステップＳ１２の処理に用いることができる通電加熱装置を模式的に示す側面図。 図３の通電加熱装置の平面図。 熱処理量（熱処理後の残留応力と硬さ）が同一となるときの熱処理温度と時間の関係を示す図。

実施例に係るばねの製造方法について説明する。本実施例では、ばねの一種である自動車懸架用コイルばね（以下、懸架用コイルばねという）を製造する場合を例に説明する。懸架用コイルばねは、車体と車輪の間に配置され、車輪を路面に対して押圧する力を発生する。懸架用コイルばねは、ばね鋼材をらせん状に成形することで製造される。ばね鋼材には、軸方向に直交する断面の断面積が一定のばね線材を用いることができる。このようなばね線材としては、例えば、線径＝φ３〜２０ｍｍのオイルテンパー線（ＳＵＰ１２（日本工業規格ＪＩＳ Ｇ ４８０１），ＳＷＯＳＣ−Ｂ（日本工業規格ＪＩＳ Ｇ ３５６０）等）を用いることができる。

懸架用コイルばねを製造するには、図１に示すように、まず、ばね鋼材を冷間又は温間で曲げ加工してらせん状に成形する（Ｓ１０）。ばね鋼材の成形には、溝付きの心金（リードスクリュー）にばね鋼材を巻きつけるリードスクリュー方式や、ガイドローラを使用するＮＣコイリング方式を用いることができる。このステップＳ１０の成形工程によって、ばね鋼材には加工歪みが発生する。

次に、らせん状に成形されたばね鋼材に熱処理（焼鈍処理）が実施される（Ｓ１２）。この熱処理は通電加熱によって行われる。通電加熱では、処理対象となるばね鋼材に電流を流し、これによってばね鋼材を加熱する。通電加熱を用いることで、ばね鋼材を短時間で所望の温度まで昇温することができる。なお、懸架用コイルばねに用いるばね鋼材を断面積一定のばね線材とすると、ばね鋼材の全体が均一に加熱され、ばね鋼材の全体に均一に熱処理を施すことができる。

ステップＳ１２の熱処理では、図２に示すように、ばね鋼材を予め設定された設定温度Ｔ_１まで加熱する第１工程（０〜ｔ_１）と、設定温度Ｔ_１まで加熱されたばね鋼材を設定温度Ｔ_１で予め設定された設定時間だけ保持する第２工程（ｔ_１〜ｔ_２）を有する。第２工程が終了すると（すなわち、ステップＳ１２の熱処理が終了すると）、ばね鋼材に流れる電流が遮断され、ばね鋼材は自然冷却される（ｔ_２以降）。

上記の設定温度Ｔ_１は、４３０℃より高く、かつ、５００℃以下に設定されている。設定温度を４３０℃より高くすることで、従来の熱処理温度（３８０〜４３０℃）と比較して高温までばね鋼材が加熱され、短時間で熱処理を終了することができる。一方、設定温度を５００℃以下とすることで、ばね鋼材の組成が変態することが防止され、熱処理によってばね鋼材の機械的特性が変化してしまうことが防止される。

また、設定温度Ｔ_１は、ステップＳ１２の熱処理を実施する時間（０〜ｔ_２）に応じて設定される。図５は、熱処理後のばね鋼材（ＳＵＰ１２）の残留応力及び硬さが同一となる熱処理条件（すなわち、ばね鋼材に同一の量の熱処理が付与される条件）を示している。図中の○と●とでは、熱処理後の残留応力及び硬さが異なる値となるが、○同士又は●同士では、熱処理後の残留応力及び硬さが同一の値となっている。図５から明らかなように、熱処理温度が上昇すると、処理時間は短くなる。したがって、処理時間を短くしたい場合は熱処理温度（設定温度Ｔ_１）を高くし、処理時間を長くしたい場合は熱処理温度（設定温度Ｔ_１）を低くすればよい。このため、まず、ステップＳ１２の熱処理時間を設定し、その設定した熱処理時間に合せて設定温度Ｔ_１を設定することで、ばね鋼材に適切な量の熱処理を設定した熱処理時間で施すことができる。なお、ステップＳ１２の熱処理時間は、ステップＳ１０の成形工程に要する時間に応じて適宜決定することが好ましい。このように決定することで、成形装置の台数と熱処理装置の台数とをバランスさせることができる。

例えば、第１工程と第２工程に要する時間（すなわち、０〜ｔ_２）が１分以内となり、かつ、第２工程の時間（ｔ_１〜ｔ_２）が５秒以上となるように、ステップＳ１２の熱処理時間を設定し、その設定時間に応じて設定温度Ｔ_１を設定することができる。第１工程と第２工程に要する時間を１分以内とすることで、ステップＳ１０の成形処理の時間とステップＳ１２の熱処理の時間とを同一、又は、その差を小さくすることができる。これによって、懸架用コイルばねを量産する製造ラインに配置される熱処理装置の数を少なくすることができる。具体例を挙げて説明する。例えば、成形装置が３０秒毎に１個のコイルばねを製造する場合に、熱処理装置の処理時間が５分毎に１個であると、成形装置１台につき熱処理装置が１０台必要となる。一方、熱処理装置の処理時間が１分毎に１個であれば、成形装置１台につき熱処理装置が２台でよく、必要となる熱処理装置の数を減らすことができる。

ここで、ステップＳ１２の熱処理に用いられる通電加熱装置の一例について説明しておく。図３，４に示すように、通電加熱装置は、ばね鋼材２２の上端２２ａをクランプするクランプ機構（２４ａ，２６ａ）と、ばね鋼材２２の下端２２ｂをクランプするクランプ機構（２４ｂ，２６ｂ）と、電源装置５０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２５ａ，２３ａには、ばね鋼材２２の形状に倣った接触面が形成されている。電極２５ａ，２３ａは電源装置５０に接続されている。

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、ばね鋼材２２の上端２２ａが電極２５ａ，２３ａでクランプされる。これによって、ばね鋼材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、ばね鋼材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、ばね鋼材２２の巻回軸線（すなわち、懸架用コイルばねの軸線）回りに回転可能とされている。これによって、通電加熱によってばね鋼材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。

ばね鋼材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、通電加熱装置へのばね鋼材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、ばね鋼材２２の巻回軸線回りに回転可能とされている。

この通電加熱装置は、図３，４に示すように、ばね鋼材２２の下端２２ｂを支持する冶具２８と、ばね鋼材２２の上端２２ａを支持する冶具４２を有している。冶具２８には、ばね鋼材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、ばね鋼材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によってばね鋼材２２の両端を支持することで、ばね鋼材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、上述した通電加熱装置によってばね鋼材２２を通電加熱する際は、次の手順で行うことができる。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、ばね鋼材２２を冶具４２に対してセットする。すなわち、ばね鋼材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、ばね鋼材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）がばね鋼材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、ばね鋼材２２の下端２２ｂをクランプ機構（２４ｂ，２６ｂ）がクランプする。ばね鋼材２２の上端２２ａと下端２２ｂがクランプされると、この状態でばね鋼材２２の上端と下端の間に電源装置５０によって電圧を印加し、ばね鋼材２２に通電する。これによって、ばね鋼材２２が加熱される。ばね鋼材２２の通電加熱が終了すると、クランプ機構（２４ｂ，２６ｂ）は、ばね鋼材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ばね鋼材２２を把持すると、クランプ機構（２４ａ，２６ａ）がばね鋼材２２の上端２２ａを開放し、その後、ロボットハンドが装置外にばね鋼材２２を搬送する。

なお、ばね鋼材２２を通電加熱すると、その熱によってばね鋼材２２が変形する。本実施例では、ばね鋼材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）がばね鋼材２２の巻回軸線回りに回転する。これによって、ばね鋼材２２の熱変形が吸収される。

上述した熱処理が実施されると、次に、ばね鋼材の表面にショットピーニングが行われる（図１のＳ１４）。これによって、ばね鋼材の表面に圧縮残留応力が付与され、懸架用コイルばねの耐久性の向上が図られる。また、ステップＳ１２の熱処理工程においてばね鋼材の表面に形成される表面酸化スケールが除去され、塗装の付き具合を向上することができる。

次に、ショットピーニング処理後のばね鋼材が加熱される（Ｓ１６）。これによって、懸架用コイルばねの耐へたり性が改善される。この加熱処理では、ばね鋼材の表面温度が予め設定された設定温度（例えば、１９０〜３００℃）まで加熱される。なお、この加熱処理には、種々の加熱方法を採用することができ、例えば、高速熱風加熱（風速１０ｍ／ｓ以上）、誘導加熱、赤外線加熱、通電加熱等を用いることができる。

ステップＳ１６のばね鋼材の加熱が終了すると、ばね鋼材は自然冷却され、次いで、ばね鋼材の表面に塗料を吹付ける（Ｓ１８）。塗料の吹付けには、例えば、塗料を霧状にして高圧空気で吹付ける吹付け塗装を用いることができる。あるいは、静電塗装によって塗料の吹付けをすることもできる。

ばね鋼材の表面への塗料の吹付けが終了すると、ばね鋼材を加熱して、ばね鋼材の表面に吹付けた塗料をばね鋼材の表面に焼付ける（Ｓ２０）。ばね鋼材の加熱には、加熱炉又はヒートガン等を利用することができる。

上述したように本実施例の懸架用コイルばねの製造方法では、ステップＳ１２の処理に通電加熱を用いると共に、従来技術と比較して高温でばね鋼材を熱処理するため、ステップＳ１２の処理時間を短くすることができる。このため、ステップＳ１０の成形工程に要する時間とステップＳ１２の熱処理工程に要する時間差を小さくすることができる。その結果、生産ラインに設置される熱処理設備の数を減らすことができ、効率的に懸架用コイルばねを製造することができる。

以上、本願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。
例えば、上述した実施例では、懸架用コイルばねを製造する例であったが、本願に係る技術は懸架用コイルばね以外のばねを製造する場合にも適用することができる。例えば、スタビライザ、トーションバー等の製造に用いることもできる。
また、ステップＳ１２の熱処理を適切に行うために、非接触温度計（例えば、放射温度計、サーモグラフ）でばね鋼材の表面温度を測定し、その測定した表面温度に基づいてばね鋼材への電流量と時間を制御してもよい。これによって、ばね鋼材の温度が精度よく制御され、ばね鋼材に適切な量の熱処理を実施することができる。
また、上述した実施例は、ばね鋼材を冷間又は温間でばね形状に成形することで生じた加工歪みを除去する熱処理（焼鈍処理）に本願の通電加熱方法を適用した例であったが、本明細書に開示の技術はこのような例に限られない。例えば、ばね鋼材を熱間でばね形状に成形し、焼入れ後に行われる熱処理工程（焼戻し処理）に、本明細書に開示の通電加熱方法を適用することもできる。

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。

Claims (4)

1. コイルばねを製造する方法であって、
   ばね鋼材をコイルばね形状に成形する成形工程と、
   コイルばね形状に成形されたばね鋼材の一端を第１の電極でクランプする工程と、
   コイルばね形状に成形されたばね鋼材の他端を第２の電極でクランプする工程と、
   第１の電極からばね鋼材を介して第２の電極に電流を流してばね鋼材を通電加熱することによって、成形工程によってばね鋼材に生じる加工歪みを除去する熱処理工程と、を有しており、
   熱処理工程は、ばね鋼材を予め設定された設定温度まで加熱する第１工程と、第１工程後に、ばね鋼材を設定温度で予め設定された設定時間だけ保持する第２工程を有しており、
   前記設定温度が４３０℃より高く、かつ、５００℃以下に設定されており、
   熱処理工程では、ばね鋼材の一端をクランプする第１の電極がばね鋼材の他端をクランプする第２の電極に対してコイルばね形状の軸線方向に移動可能であると共に軸線周りに回転可能な状態で行われることを特徴とするばねの製造方法。
2. 第１工程と第２工程に要する時間が１分以内で、かつ、前記設定時間が５秒以上となるように、前記設定温度が設定されていることを特徴とする請求項１に記載のばねの製造方法。
3. 熱処理工程では、ばね鋼材の温度を計測し、その計測した温度に基づいてばね鋼材に流す電流量と時間を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載のばねの製造方法。
4. コイルばねを通電加熱する装置であって、
   コイルばねの一端に電気的に接続可能な第１の電極を備えると共に、該コイルばねの一端をクランプ可能な第１のクランプ機構と、
   コイルばねの他端に電気的に接続可能な第２の電極を備えると共に、該コイルばねの他端をクランプ可能な第２のクランプ機構と、
   第１の電極と第２の電極の間に電圧を印加する電源装置と、を有しており、
   第１の電極からばね鋼材を介して第２の電極に電流を流してばね鋼材を通電加熱する際に、第１のクランプ機構と第２のクランプ機構の少なくとも一方が、他方のクランプ機構に対して、コイルばねの軸線方向に移動可能であると共にコイルばねの軸線周りに回転可能であることを特徴とする通電加熱装置。

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