JP6391164B2 - 線材が巻回されるスプール - Google Patents

Description

本発明は、溶接ワイヤなどの線材が巻回されるスプールに関する。

溶接ワイヤなどの線材が巻回されるスプールは、一般に、円筒状の巻胴部と、この巻胴部の軸方向の両端部からそれぞれ巻胴部の径方向外方へ延びる円環状のフランジ部とを有している。このようなスプールにおいては、線材の送給不良を引き起こす「段落ち」が発生する。「段落ち」とは、本来なら線材の最外層の端にあるべき線材が、下方に食い込み一層以上内側の層に入り込んだ状態のことをいう。

この段落ちを発生させる主原因としては、例えば線材の送給時に線材に何らかの原因で大きな張力がかかることなどに起因して、スプールのフランジ部が外側へ無理に押し拡げられることが挙げられる。この段落ちによって線材が絡み合って送給不良が起こると、作業を一時中断するなどしなければならない。

そこで、特許文献１には、円環状のフランジ部の内面の、定格重量分の溶接ワイヤが巻回されたときの最外ワイヤ層に対応する位置におけるフランジたわみ量δＡ、および、最外ワイヤ層に対応する位置を中心として半径方向長さ１０ｍｍあたりのフランジたわみ量δＢを、特定の値以下となるよう規制した溶接ワイヤ用スプールが開示されている。２種類のフランジたわみ量δＡ，δＢをそれぞれ規制することで、溶接ワイヤの段落ちの発生が極めて少なくなる。

また、フランジ部に補強リブ板材を設けたり、フランジ部を部分的に厚肉化したりして、フランジ部の曲げ剛性を向上させることで、「段落ち」の発生を低減させることが行われている。

特許第３３７８１４９号明細書

しかしながら、フランジ部に補強リブ板材を設けたり、フランジ部を部分的に厚肉化したりすると、重量が増加してコストアップになる。そこで、曲げ剛性を確保しながら軽量化することが望まれる。

本発明の目的は、曲げ剛性を確保しながら軽量化することが可能な線材が巻回されるスプールを提供することである。

本発明は、円筒状の軸部と、前記軸部の径方向外方に、当該軸部と同軸に設けられ、線材が多層に巻回される円筒状の巻胴部と、前記軸部と前記巻胴部との間において前記軸部の周方向に複数設けられ、前記軸部の径方向に延びて前記軸部と前記巻胴部とを連結する連結板部と、前記巻胴部の軸方向の両端部からそれぞれ前記巻胴部の径方向外方へ延びる円環状のフランジ部と、を有し、前記フランジ部における、前記連結板部の延長線上に位置する部分同士の間の部分には、薄肉部分または穴抜き部分が設けられており、前記薄肉部分または前記穴抜き部分の形状は、前記巻胴部の径方向に延びる仮想線を中心にして線対称であって、前記巻胴部側に凸な三角形に形成されていることを特徴とする。
また、本発明は、円筒状の軸部と、前記軸部の径方向外方に、当該軸部と同軸に設けられ、線材が多層に巻回される円筒状の巻胴部と、前記軸部と前記巻胴部との間において前記軸部の周方向に複数設けられ、前記軸部の径方向に延びて前記軸部と前記巻胴部とを連結する連結板部と、前記巻胴部の軸方向の両端部からそれぞれ前記巻胴部の径方向外方へ延びる円環状のフランジ部と、を有し、前記フランジ部における、前記連結板部の延長線上に位置する部分同士の間の部分には、薄肉部分または穴抜き部分が設けられており、前記薄肉部分または前記穴抜き部分の形状は、前記巻胴部の径方向に延びる仮想線を中心にして線対称であって、前記フランジ部の外周側が湾曲したＵ字型に形成されていることを特徴とする。

本発明によると、フランジ部における、連結板部の延長線上に位置する部分同士の間の部分に、薄肉部分または穴抜き部分を設ける。フランジ部に、薄肉部分または穴抜き部分を設けることで、軽量化を図ることができる。また、フランジ部に作用する荷重は、連結板部と巻胴部との接続箇所に向かって伝達される。よって、連結板部の延長線上に位置する部分同士の間の部分は、フランジ部に作用する荷重の伝達にあまり寄与しない部分である。そこで、この部分に薄肉部分または穴抜き部分を設けることで、軽量化を図りながら、フランジ部に作用する荷重を連結板部と巻胴部との接続箇所に効率的に伝達することができる。これにより、フランジ部の曲げ剛性を確保しながら軽量化することができる。

溶接ワイヤ用スプールの正面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 図１の要部Ｂの拡大図である。 図１の要部Ｂの拡大図である。 フランジたわみ量について説明するための図である。 図１の要部Ｂの拡大図である。 図１の要部Ｂの拡大図である。 図１の要部Ｂの拡大図である。 たわみ量の評価結果を示す図である。 重量の評価結果を示す図である。 溶接ワイヤ用スプールの正面図である。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、本発明の線材が巻回されるスプールを、消耗電極式アーク溶接において消耗電極である溶接ワイヤを連続的に溶接部へ供給するために使用される溶接ワイヤ用スプールとして説明するが、これに限定されず、クレーンなどの建設機械においてブームを起伏させるためのワイヤが巻回される金属製のドラムなどであってもよい。

［第１実施形態］
（溶接ワイヤ用スプールの構成）
本発明の第１実施形態による溶接ワイヤ用スプール（線材が巻回されるスプール）は、合成樹脂により一体成形されている。合成樹脂としては、ＰＰ（ポリプロピレン），ＰＳ（ポリスチレン），ＡＢＳ樹脂（アクリルニトリル・ブタジエン・スチレンの共重合体）などを挙げることができる。溶接ワイヤ用スプールに巻回される線材としての溶接ワイヤ（ソリッドワイヤまたはフラックス入りワイヤ）は、ワイヤ径（直径）が１．２，１．４，１．６ｍｍのいわゆる細径のものである。溶接ワイヤ用スプールには、定格重量（１５ｋｇ、２０ｋｇなど）の溶接ワイヤが多層に巻回される。

溶接ワイヤ用スプール１は、正面図である図１、および、図１のＡ−Ａ断面図である図２に示すように、円筒状の軸部２と、円筒状の巻胴部３と、連結板部４と、円環状のフランジ部５と、を有している。

軸部２は、図示しないワイヤ送給装置のスプール軸に装着される。巻胴部３は、軸部２の径方向外方に、軸部２と同軸に設けられている。巻胴部３には、溶接ワイヤ（図示せず）が多層に巻回される。連結板部４は、軸部２と巻胴部３との間において軸部２の周方向に複数設けられている。本実施形態においては、６０°間隔で６つ設けられている。連結板部４は、軸部２の径方向に延びて軸部２と巻胴部３とを連結している。

フランジ部５は、巻胴部３の軸方向の両端部からそれぞれ巻胴部３の径方向外方へ延びている。フランジ部５同士の間隔は一様にされている。また、フランジ部５の厚みは、端に向かって漸減されている。フランジ部５の外縁には、軸方向外方に突出する外周リブ部５ａが全周にわたって形成されている。

また、フランジ部５の外面には、フランジ部５の径方向に延びて巻胴部３と外周リブ部５ａとを連結する補強用リブ５ｂが、フランジ部５の周方向に複数設けられている。本実施形態では、補強用リブ５ｂは、６０°間隔で６つ設けられている。また、連結板部４と補強用リブ５ｂとは、フランジ部５の径方向に連続している。即ち、補強用リブ５ｂは、フランジ部５における、連結板部４の延長線上に位置する部分（延長部分）１１に設けられている。

フランジ部５における、延長部分１１同士の間の部分（中間部分）１２の外面には、他の部分よりも厚みが薄い薄肉部分６が設けられている。これにより、溶接ワイヤ用スプール１の軽量化が図られている。なお、薄肉部分６の代わりに穴が開いた穴抜き部分を設けてもよい。

図１の要部Ｂの拡大図である図３に示すように、薄肉部分６の形状は、三角形に形成されている。この三角形は、巻胴部３の径方向に延びる仮想線Ｄを中心にして線対称であって、巻胴部３側に凸である。

ここで、フランジ部５に作用する荷重は、矢印で示すように、連結板部４と巻胴部３との接続箇所Ｃに向かって伝達される。よって、中間部分１２は、フランジ部５に作用する荷重の伝達にあまり寄与しない部分である。そこで、この中間部分１２に薄肉部分６を設けることで、軽量化を図りながら、フランジ部５に作用する荷重を連結板部４と巻胴部３との接続箇所Ｃに効率的に伝達することができる。これにより、フランジ部５の曲げ剛性を確保しながら軽量化することができる。

また、薄肉部分６の形状を、巻胴部３の径方向に延びる仮想線Ｄを中心にして線対称であって、巻胴部３側に凸な三角形に形成することで、薄肉部分６が設けられた中間部分１２において、巻胴部３側における減肉量をフランジ部５の外周側における減肉量よりも少なくすることができる。これにより、減肉量が少ない巻胴部３側の曲げ剛性が強くなるので、曲げ剛性を好適に確保することができる。

なお、図１の要部Ｂの拡大図である図４に示すように、薄肉部分６の形状は、Ｕ字型であってもよい。このＵ字型は、巻胴部３の径方向に延びる仮想線Ｄを中心にして線対称であって、フランジ部５の外周側が湾曲している。このような形状であっても、薄肉部分６が設けられた中間部分１２において、巻胴部３側における減肉量をフランジ部５の外周側における減肉量よりも少なくすることができる。これにより、減肉量が少ない巻胴部３側の曲げ剛性が強くなるので、曲げ剛性を好適に確保することができる。

（フランジ曲げ試験）
次に、「フランジ曲げ試験」により、フランジ部５の曲げ剛性を評価した。この試験では、構造的に、溶接ワイヤ用スプール１のフランジ部５を、その基端が巻胴部３に固定・支持された片持ち梁であると仮定している。説明図である図５に示すように、フランジ部５を水平姿勢にして、巻胴部３の端が台２１の端に一致するように台２１上に溶接ワイヤ用スプール１を載せて固定し、溶接ワイヤ用スプール１の上に重さ２０ｋｇの錘２２を載置した。そして、重さ１０ｋｇのＣ型おもり２３による点荷重を、フランジ部５の内面部分であって、図３に示す仮想線Ｄ上に下向きにかけ、巻胴部３の基端から１０ｍｍピッチで点荷重のかかる位置を異ならせて、載荷前後のフランジ部５の内面の最外周部内幅寸法Ｌの差を「たわみ量」として評価した。

軽量化構造の検討に当っては、上記のフランジ曲げ試験を模擬した数値計算モデルを作成し、薄肉部分６を設けた構造での計算上でのたわみ量を、薄肉部分６を設けない構造の計算上でのたわみ量と相対比較することで行った。

ここで、軽量化構造を検討する上で、まずはフランジ部５の板厚および補強用リブ５ｂの板厚を変更して上記数値計算を行った。その結果、曲げ剛性（たわみ量）・重量に最も影響を与えているのは、円環状のフランジ部５であることが判明した。この最適化結果の解釈として、フランジ部５において、荷重伝達に対する寄与度が低い部分を薄肉部分６または穴抜き部分として重量を軽くしつつ、薄肉部分６または穴抜き部分を設けたことによる曲げ剛性の低下分を、残りのフランジ部５で補い、連結板部４と巻胴部３との接続箇所Ｃに効率的に荷重を伝達する構造となっていると理解できる。

そこで、軽量化しつつ曲げ剛性を高めるためには、フランジ部５にかかる荷重を接続箇所Ｃ（図３参照）に効率的に伝達することができるように、薄肉部分６または穴抜き部分を配置する必要がある。しかし、薄肉部分６または穴抜き部分を設けると、当然、フランジ部５の剛性は低下するため、フランジ部５や補強用リブ５ｂの板厚寸法を調整する必要がある。そこで、最適化計算を用いて効率的に荷重伝達ができるフランジ部５の部材配置を検討した結果、軸部２と巻胴部３とを連結する連結板部４の延長線上に位置する部分である延長部分１１にフランジ部５を設け、延長部分１１同士の間に位置する中間部分１２にはフランジ部５を設けない計算結果が得られた。

そこで、図３に示すように、フランジ部５における中間部分１２に、薄肉部分６をそれぞれ設けた。また、図３および図４に示すように、薄肉部分６の形状を三角形にしたものと、Ｕ字型にしたものとを用意した。また、図６乃至図８に示すように、薄肉部分６の形状を、四角形にしたものと、半円形にしたものと、円形にしたものとを用意した。ここで、図６に示すように、四角形は、巻胴部３の径方向に延びる仮想線Ｄを中心にして線対称であって、巻胴部３側とフランジ部５の外周側とに角が２つずつ配置されるものである。また、図７に示すように、半円形は、巻胴部３の径方向に延びる仮想線Ｄを中心にして線対称であって、巻胴部３側に凸なものである。

上記の計算モデルにおいて、薄肉部分６を設けない構造と、薄肉部分６を設けた構造とで、フランジ曲げ試験を模擬した数値計算を行い、たわみ量と重量とを評価した。各部材の寸法を表１に示す。ここで、薄肉部分６を設けない構造を初期形状とし、薄肉部分６を設けた構造では、薄肉部分６の形状を５種類に異ならせた。

たわみ量の評価結果を図９に示す。ここで、荷重負荷位置は、巻胴部３の基端から６０ｍｍの位置である。また、重量の評価結果を図１０に示す。

図９から、薄肉部分６の形状が円形である場合は、たわみ量は初期形状とほぼ同等であるが、それ以外の形状では、たわみ量は初期形状よりも減少しており、フランジ部５の剛性が高くなっていると言える。薄肉部分６の形状が三角形であると、最もたわみ量が小さくなり、初期形状から約４．４％減少する。一方で、図１０から、薄肉部分６を設けると、その形状に関わらず重量は初期形状よりも軽くなる。薄肉部分６の形状がＵ字型であると、重量は初期形状から約６．３％減少する。

以上から、重量の５％軽量化を閾値として考えた場合、曲げ剛性の観点で言えば、薄肉部分の形状は三角形が好ましい。また、たわみ量の閾値を初期形状以下（約４．１ｍｍ以下）として考えた場合、重量の観点でいえば、薄肉部分の形状はＵ字型が好ましい。

なお、要求される曲げ剛性（たわみ量の許容値）や重量によって、当然、フランジ部５の板厚や補強用リブ５ｂの板厚などは変わってくることから、薄肉部分６の形状とフランジ部５や補強用リブ５ｂなどの板厚寸法とは、適切に組み合わせる必要がある。

（効果）
以上に述べたように、本実施形態に係る溶接ワイヤ用スプール１によると、フランジ部５における、連結板部４の延長線上に位置する部分（延長部分）１１同士の間の部分（中間部分）１２に、薄肉部分６または穴抜き部分を設ける。フランジ部５に、薄肉部分６または穴抜き部分を設けることで、軽量化を図ることができる。また、フランジ部５に作用する荷重は、連結板部４と巻胴部３との接続箇所Ｃに向かって伝達される。よって、連結板部４の延長線上に位置する部分１１同士の間の部分１２は、フランジ部５に作用する荷重の伝達にあまり寄与しない部分である。そこで、この部分１２に薄肉部分６または穴抜き部分を設けることで、軽量化を図りながら、フランジ部５に作用する荷重を連結板部４と巻胴部３との接続箇所Ｃに効率的に伝達することができる。これにより、フランジ部５の曲げ剛性を確保しながら軽量化することができる。

また、薄肉部分６または穴抜き部分の形状を、巻胴部３の径方向に延びる仮想線Ｄを中心にして線対称であって、巻胴部３側に凸な三角形に形成することで、薄肉部分６または穴抜き部分が設けられた部分において、巻胴部３側における減肉量をフランジ部５の外周側における減肉量よりも少なくすることができる。これにより、減肉量が少ない巻胴部３側の曲げ剛性が強くなるので、曲げ剛性を好適に確保することができる。

なお、薄肉部分６または穴抜き部分の形状を、巻胴部３の径方向に延びる仮想線Ｄを中心にして線対称であって、フランジ部５の外周側が湾曲したＵ字型に形成してもよい。これによっても、薄肉部分６または穴抜き部分が設けられた部分において、巻胴部３側における減肉量をフランジ部５の外周側における減肉量よりも少なくすることができる。これにより、減肉量が少ない巻胴部３側の曲げ剛性が強くなるので、曲げ剛性を好適に確保することができる。

［第２実施形態］
（溶接ワイヤ用スプールの構成）
次に、本発明の第２実施形態に係る溶接ワイヤ用スプールについて説明する。なお、上述した構成要素と同じ構成要素については、同じ参照番号を付してその説明を省略する。本実施形態の溶接ワイヤ用スプール２０１が第１実施形態の溶接ワイヤ用スプール１と異なる点は、正面図である図１１に示すように、フランジ部５における、薄肉部分６または穴抜き部分が設けられた中間部分１２の外面に、リブ部材７が設けられている点である。

リブ部材７は、補強用リブ５ｂと同様に、巻胴部３からフランジ部５の端まで巻胴部３の径方向に延びている。薄肉部分６または穴抜き部分が設けられた中間部分１２の外面にリブ部材７を設けることで、中間部分１２が補強される。これにより、軽量化を図りながら、フランジ部５の曲げ剛性を好適に確保することができる。

（効果）
以上に述べたように、本実施形態に係る溶接ワイヤ用スプール２０１によると、フランジ部５における、薄肉部分６または穴抜き部分が設けられた部分（中間部分）１２の外面に、巻胴部３からフランジ部５の端まで径方向に延びるリブ部材７を設けることで、薄肉部分６または穴抜き部分が設けられた部分が補強される。
これにより、軽量化を図りながら、フランジ部５の曲げ剛性を好適に確保することができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、具体例を例示したに過ぎず、特に本発明を限定するものではなく、具体的構成などは、適宜設計変更可能である。また、発明の実施の形態に記載された、作用及び効果は、本発明から生じる最も好適な作用及び効果を列挙したに過ぎず、本発明による作用及び効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。

１，２０１ 溶接ワイヤ用スプール
２ 軸部
３ 巻胴部
４ 連結板部
５ フランジ部
５ａ 外周リブ部
５ｂ 補強用リブ
６ 薄肉部分
７ リブ部材
１１ 延長部分
１２ 中間部分
２１ 台
２２ 錘

Claims (4)

1. 円筒状の軸部と、
   前記軸部の径方向外方に、当該軸部と同軸に設けられ、線材が多層に巻回される円筒状の巻胴部と、
   前記軸部と前記巻胴部との間において前記軸部の周方向に複数設けられ、前記軸部の径方向に延びて前記軸部と前記巻胴部とを連結する連結板部と、
   前記巻胴部の軸方向の両端部からそれぞれ前記巻胴部の径方向外方へ延びる円環状のフランジ部と、
   を有し、
   前記フランジ部における、前記連結板部の延長線上に位置する部分同士の間の部分には、薄肉部分または穴抜き部分が設けられており、
   前記薄肉部分または前記穴抜き部分の形状は、前記巻胴部の径方向に延びる仮想線を中心にして線対称であって、前記巻胴部側に凸な三角形に形成されていることを特徴とする線材が巻回されるスプール。
2. 前記フランジ部における、前記薄肉部分または前記穴抜き部分が設けられた部分の外面に、前記巻胴部から前記フランジ部の端まで前記巻胴部の径方向に延びるリブ部材が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の線材が巻回されるスプール。
3. 円筒状の軸部と、
   前記軸部の径方向外方に、当該軸部と同軸に設けられ、線材が多層に巻回される円筒状の巻胴部と、
   前記軸部と前記巻胴部との間において前記軸部の周方向に複数設けられ、前記軸部の径方向に延びて前記軸部と前記巻胴部とを連結する連結板部と、
   前記巻胴部の軸方向の両端部からそれぞれ前記巻胴部の径方向外方へ延びる円環状のフランジ部と、
   を有し、
   前記フランジ部における、前記連結板部の延長線上に位置する部分同士の間の部分には、薄肉部分または穴抜き部分が設けられており、
   前記薄肉部分または前記穴抜き部分の形状は、前記巻胴部の径方向に延びる仮想線を中心にして線対称であって、前記フランジ部の外周側が湾曲したＵ字型に形成されていることを特徴とする線材が巻回されるスプール。
4. 前記フランジ部における、前記薄肉部分または前記穴抜き部分が設けられた部分の外面に、前記巻胴部から前記フランジ部の端まで前記巻胴部の径方向に延びるリブ部材が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の線材が巻回されるスプール。

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