JP7497386B2 - コイルばね - Google Patents

Description

この発明は、コイルばねに関する。

コイルばねを製造する装置として、例えば特許文献１に記載されているコイルばね成形機が知られている。このコイルばね成形機は、螺旋状に成形されるワイヤの長さに基づいて切断部位の位置を予め算出し、その切断部位を高周波加熱によって軟化させた状態でワイヤを切断する。

一方、特許文献２に記載されているばね製造装置のように、螺旋状に成形されるワイヤをレーザ光により切断するコイリングマシンも知られている。

特開昭６２－５００２８号公報 特開平６－２１８４７６号公報

特許文献１のコイルばね成形機では、高周波加熱によって切断部位を加熱していることから、切断部位の加温の応答性が良くない。しかも、高周波加熱によって切断部位の加熱を継続している状態で切断することから、切断に用いる部材に高周波加熱の影響が及ぶことがある。さらに、高周波加熱は、切断部位の加熱の応答性が十分でないことや、ワイヤが部分的に加熱された状態でコイリングされることから、ばねの成形精度を一定に維持することが難しくなる虞がある。

一方、特許文献２のばね製造装置では、ワイヤを切断することが可能な高出力のレーザ光が必要となる。この場合、レーザ光の照射に起因したスパッタが発生し得るし、レーザ光がワイヤだけでなくばね製造装置の各部にも照射され得るため、これらの対策を講じなければならない。

本発明は、品質に優れたコイルばねを提供することを目的の一つとする。

本発明に係るコイルばねは、第１端末と、前記第１端末の反対側の第２端末とを有する金属製のワイヤにより形成され、前記第１端末は、レーザ光の第１照射痕と、打痕とを有し、前記第１照射痕は、前記ワイヤの母材よりも軟らかい第１熱影響部を含み、前記第１熱影響部は、前記第１端末の端面の少なくとも一部に及んでいる。前記第１照射痕は、前記第１端末における前記ワイヤの外周面の周方向における一部に形成されている。さらに、前記第２端末は、打痕を有していない。

本発明によれば、品質に優れたコイルばねを提供することができる。

図１は、第１実施形態に係るコイリングマシンの概略的な斜視図である。 図２は、図１のコイリングマシンの概略的な正面図である。 図３は、第１実施形態に係るコイリングマシンの動作に関するフローチャートである。 図４は、第１実施形態に係るコイリングマシンによりワイヤを螺旋状に成形する工程を示す概略的な斜視図である。 図５は、加熱ユニット（レーザ加熱機）によってワイヤの一部を加熱して軟化させる工程を示す概略的な斜視図である。 図６は、ワイヤの一部を加熱して軟化させる方法の第１例を示す斜視図である。 図７は、図６のＶＩＩ－ＶＩＩ線に沿うワイヤの断面図である。 図８は、ワイヤの一部を加熱して軟化させる方法の第２例を示す斜視図である。 図９は、図８のＩＸ－ＩＸ線に沿うワイヤの断面図である。 図１０は、切断ユニットによってワイヤを切断する工程を示す概略的な斜視図である。 図１１は、第２実施形態に係るコイリングマシンにおいてレーザ光が照射されたワイヤの概略的な断面図である。 図１２は、カッタ、マンドレルおよびレーザ光の照射領域の好適な位置関係の一例を示す断面図である。 図１３は、図１２に示す状態からカッタを下降させてワイヤを切断した状態を示す断面図である。 図１４は、ワイヤから切断されたコイルばねの概略的な側面図である。 図１５は、第１照射痕、第２照射痕および打痕の第１例を示すコイルばねの概略的な断面図である。 図１６は、第１照射痕、第２照射痕および打痕の第２例を示すコイルばねの概略的な断面図である。 図１７は、第１照射痕、第２照射痕および打痕の第３例を示すコイルばねの概略的な断面図である。 図１８は、図６に示した形状のレーザ光が照射された後のワイヤの概略的な平面図である。

以下、コイリングマシン、コイルばねの製造方法およびコイルばねに関するいくつかの実施形態につき、図面を参照しながら説明する。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係るコイリングマシン１００の要部を示す概略的な斜視図である。図２は、図１のコイリングマシン１００の概略的な正面図である。図１および図２に示すように、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向およびθ方向を定義する。Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向は、互いに直交する。Ｘ方向は、ワイヤの送り出し方向である。Ｚ方向は、コイルばねの螺旋が形成される方向である。θ方向は、コイルばねを構成するワイヤが巻かれる方向である。

コイリングマシン１００は、螺旋成形ユニット１０と、加熱ユニット（レーザ加熱機２０）と、切断ユニット３０と、制御ユニット４０とを備えている。

螺旋成形ユニット１０は、図１および図２に示すように、コイルばねの材料であるワイヤ１を送りながら螺旋状に成形する。このような螺旋成形ユニット１０は、一対の駆動ローラ１１、一対の従動ローラ１２、ワイヤガイド１３、第１成形ローラ１４、第２成形ローラ１５およびピッチツール１６を備えている。

各駆動ローラ１１と各従動ローラ１２は、隙間を介して対向している。各駆動ローラ１１が回転すると、ワイヤ１を介して各従動ローラ１２が回転する。各駆動ローラ１１と各従動ローラ１２によって挟み込まれたワイヤ１は、図１および図２に示すＸ方向に移動する。ワイヤガイド１３には、ワイヤ１が挿入されている。ワイヤガイド１３は、ワイヤ１がＸ方向に直進するようにガイドして、ワイヤ１を第１成形ローラ１４に導く。

第１成形ローラ１４、第２成形ローラ１５およびピッチツール１６は、θ方向において順に配置され、かつ、上方から見た場合にＺ方向に向かってこれらの位置が異なっている。第１成形ローラ１４は、Ｘ方向に移動するワイヤ１を図１に示すＹ方向に円弧状に湾曲させながら移動させつつ、第２成形ローラ１５に導く。第２成形ローラ１５は、円弧状に移動するワイヤ１をさらに円弧状に湾曲させながら、ピッチツール１６に導く。ピッチツール１６によってガイドされたワイヤ１は、螺旋状に成形された状態で、図１に示すＺ方向に移動する。

レーザ加熱機２０は、図２に示すように、螺旋状に成形されたワイヤ１の一部が加熱されるようにレーザ光を照射する。このレーザ光の照射により、ワイヤ１に他の部分よりも高温の加熱部位１Ｖが形成される。このようなレーザ加熱機２０は、レーザ発振器２１、光ファイバ２２およびビームスポット調整器２３を備えている。

レーザ発振器２１には、例えば、レーザ光を生成する半導体レーザを用いることができる。光ファイバ２２は、レーザ発振器２１で生成されたレーザ光をビームスポット調整器２３まで伝送する。ビームスポット調整器２３は、レーザ光のビーム形状を矩形や円形に調整する。ビームスポット調整器２３としては、例えば、ビームホモジナイザなどの光学素子を用いることができる。

レーザ加熱機２０は、加熱部位１Ｖの温度を測定する測定器２４をさらに備えてもよい。測定器２４は、例えば、ワイヤ１の加熱部位１Ｖの温度を検出するセンサを備えている。測定器２４は、切断ユニット３０との干渉を避けるために、切断ユニット３０の側方に設けられてもよい。測定器２４は、後述するカッタ３１との干渉を避けるために、カッタ３１の作動と連動して、カッタ３１から離れるように移動させる構成とすることもできる。測定器２４による測定結果は、例えば、切断ユニット３０によるワイヤ１の切断タイミングの制御に用いることができる。

なお、測定器２４は、必須の構成ではない。すなわち、測定器２４を用いることなく、予めワイヤ１の切断に関する各種の条件を設定しておき、当該条件に基づいて切断ユニット３０が加熱部位１Ｖを切断してもよい。

レーザ加熱機２０は、ビームスポット調整器２３をワイヤ１の加熱部位１Ｖに接近および離間させる移動ステージをさらに備えてもよい。移動ステージは、例えば、直動ステージやロボットハンドによって構成することができる。ビームスポット調整器２３の作動距離を十分に長く設定したり、切断ユニット３０との干渉が回避できたりすれば、移動ステージを用いる必要はない。

切断ユニット３０は、図２に示すように、レーザ光の照射が停止された後においてレーザ光が照射される前よりも高温になっているワイヤ１の加熱部位１Ｖを切断する。このような切断ユニット３０は、カッタ３１およびマンドレル３２を備えている。

カッタ３１は、第２成形ローラ１５とピッチツール１６との間であって、それらよりのＹ方向の上方に配置されている。カッタ３１は、刃先がＺ軸方向に沿う鋭利な切断刃を先端に有している。カッタ３１は、図示せぬ直動ステージによってＹ方向に沿って上下に移動可能に構成されている。マンドレル３２は、円弧状に配置された第１成形ローラ１４、第２成形ローラ１５およびピッチツール１６の内側に配置されている。マンドレル３２は、例えば図２に示すようにＸ－Ｙ平面に沿う形状が半円状であり、Ｚ方向に長尺に延びている。マンドレル３２は、螺旋状に成形されたワイヤ１の内周面を円弧面の上方で支持する。

制御ユニット４０は、螺旋成形ユニット１０、レーザ加熱機２０および切断ユニット３０を制御する。このような制御ユニット４０は、コントローラ４１を備えている。

コントローラ４１は、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＣＰＵ（Central Processing Unit）およびＲＡＭ（Random Access Memory）を含んでいる。ＲＯＭは、螺旋成形ユニット１０、レーザ加熱機２０および切断ユニット３０を制御するためのコンピュータプログラムを格納している。ＣＰＵは、ＲＯＭに格納されているコンピュータプログラムを実行する。ＲＡＭは、ＣＰＵによるコンピュータプログラムの実行中に、当該コンピュータプログラムの実行に伴って発生する様々なデータを一時的に記憶する。

続いて、本実施形態に係るコイリングマシン１００を用いたコイルばね２の製造工程を、図３から図１０を参照して説明する。

図３は、コイリングマシン１００の動作に関するフローチャートである。このフローチャートに示す動作は、主にコントローラ４１がコンピュータプログラムを実行することにより実現される。コイリングマシン１００によるコイルばね２の製造工程は、螺旋成形工程Ｓ０１と、加熱工程Ｓ０２と、切断工程Ｓ０３とを含む。

螺旋成形工程Ｓ０１においては、ワイヤ１が螺旋状に成形される。螺旋成形工程Ｓ０１が完了した後の加熱工程Ｓ０２においては、ワイヤ１の一部にレーザ光が照射され、これによりワイヤ１に加熱部位１Ｖが形成される。加熱部位１Ｖは、ワイヤ１の他の部分（母材）よりも軟化した部分を含む。加熱工程Ｓ０２が完了した後の切断工程Ｓ０３においては、ワイヤ１の加熱部位１Ｖが切断される。

図４は、螺旋成形工程Ｓ０１の具体例を示すコイリングマシン１００の概略的な斜視図である。螺旋成形工程Ｓ０１において、螺旋成形ユニット１０は、駆動ローラ１１と従動ローラ１２によってワイヤ１をＸ方向に直進させてワイヤガイド１３に導く。ワイヤガイド１３から導出されたワイヤ１は、第１成形ローラ１４および第２成形ローラ１５によって円弧状に成形される。円弧状に成形されたワイヤ１は、ピッチツール１６によって所定のピッチの螺旋状に成形されるようにガイドされる。このような動作により、螺旋状のワイヤ１がＺ方向に徐々に伸長する。

図５から図９を参照して、加熱工程Ｓ０２について説明する。図５は、加熱工程Ｓ０２の具体例を示すコイリングマシン１００の概略的な斜視図である。加熱工程Ｓ０２において、レーザ加熱機２０は、例えば螺旋状に成形されたワイヤ１のうちマンドレル３２の端部の上方（カッタ３１の下方）に位置する部分に対して直接的にレーザ光を照射する。このレーザ光のエネルギーによってワイヤ１の母材が加熱されるとともに軟化した加熱部位１Ｖが形成される。

加熱工程Ｓ０２の実行時には、螺旋成形ユニット１０によるワイヤ１の送り出しが停止している。レーザ加熱機２０は、例えば所定位置に固定的に配置されており、この位置から停止したワイヤ１の一部に向けてレーザ光を照射する。他の例として、上述の移動ステージをレーザ加熱機２０が有する場合、レーザ加熱機２０は、図５に示すようにビームスポット調整器２３をワイヤ１に対して近づけてからレーザ光を照射してもよい。また、加熱工程Ｓ０２の実行時に、螺旋成形ユニット１０によるワイヤ１の送り出しを停止させず、コイリングによる切断位置の移動に追従してレーザ光の照射位置が移動するように、レーザ加熱機２０の動きを制御してもよい。

図６は、ワイヤ１の一部を加熱して軟化させる方法の第１例を示すワイヤ１の斜視図である。レーザ加熱機２０は、ワイヤ１の表面にレーザ光Ｌ１を照射する。レーザ光Ｌ１は、ワイヤ１の幅方向に長尺なビームプロファイルを有している。このレーザ光Ｌ１が照射されたワイヤ１の照射領域１ａやその周囲には、加熱部位１Ｖが形成される。

図７は、図６におけるＶＩＩ－ＶＩＩ線に沿うワイヤ１の断面図である。加熱部位１Ｖは、ワイヤ１の表面における照射領域１ａの周囲だけでなく、ワイヤ１の内部にも及んでいる。この図の例において、ワイヤ１の幅方向におけるレーザ光Ｌ１の幅ＷＤ１は、ワイヤ１の直径Ｒよりも小さい。したがって、レーザ光Ｌ１のほとんどがワイヤ１に照射される。

図８は、ワイヤ１の一部を加熱して軟化させる方法の第２例を示すワイヤ１の斜視図である。レーザ加熱機２０は、ワイヤ１の表面にレーザ光Ｌ２を照射する。レーザ光Ｌ２は、例えば円形のビームプロファイルを有している。このレーザ光Ｌ２が照射されたワイヤ１の照射領域１ａやその周囲には、第１例と同様に加熱部位１Ｖが形成される。

図９は、図８におけるＩＸ－ＩＸ線に沿うワイヤ１の断面図である。加熱部位１Ｖは、ワイヤ１の表面における照射領域１ａの周囲だけでなく、ワイヤ１の内部にも及んでいる。例えば、レーザ光Ｌ２の幅ＷＤ２は、ワイヤ１の直径Ｒよりも十分に小さい。したがって、レーザ光Ｌ２のほとんどがワイヤ１に照射される。

なお、図６ないし図９の例においては、Ｙ方向と平行なレーザ光Ｌ１，Ｌ２がワイヤ１のＹ方向における上面に照射されているが、レーザ光Ｌ１，Ｌ２の照射方向はこれに限られない。例えば、レーザ光Ｌ１，Ｌ２は、Ｙ方向と交差する方向からワイヤ１に照射されてもよい。また、レーザ光Ｌ１，Ｌ２は、ワイヤ１のＹ方向における下面に照射されてもよい。

加熱部位１Ｖは、図７および図９に示した例よりもワイヤ１のより内部にまで及んでもよい。レーザ加熱機２０が発するレーザ光の形状は、第１例および第２例に限られない。レーザ光は、ワイヤ１の１箇所にのみ照射されてもよいし、複数個所に照射されてもよい。

第１例および第２例の双方において、加熱部位１Ｖは、ワイヤ１の母材がレーザ光のエネルギーにより溶融した溶融プールを含んでもよい。この場合において、溶融プールは、照射領域１ａだけでなくその周囲に広がってもよい。

図１０を参照して、切断工程Ｓ０３について説明する。図１０は、切断工程Ｓ０３の具体例を示すコイリングマシン１００の概略的な斜視図である。切断工程Ｓ０３は、レーザ光の照射が停止された後に実行される。切断工程Ｓ０３においては、レーザ光が照射される前よりも高温になっているワイヤ１の加熱部位１Ｖが切断ユニット３０により切断される。これにより、コイルばね２が製造される。

具体的には、切断工程Ｓ０３では、ワイヤ１のマンドレル３２によって支持されている部分の近傍に向けてカッタ３１を下降させる。このときカッタ３１によって与えられる衝撃により、ワイヤ１が切断される。

加熱部位１Ｖが溶融プールを含む場合、レーザ光の照射が停止してからカッタ３１が動作するまでの間に当該溶融プールが凝固してもよい。また、カッタ３１の動作後、カッタ３１がワイヤ１の表面に接触した際に加熱部位１Ｖの熱がカッタ３１により奪われることで溶融プールが凝固してもよい。このように、カッタ３１の動作前あるいは動作中に溶融プールが凝固することで、溶融した金属がカッタ３１に付着することを抑制できる。

切断工程Ｓ０３では、測定器２４による加熱部位１Ｖの温度の測定結果に基づいてカッタ３１を動作させることもできる。すなわち、レーザ光の照射の後、加熱部位１Ｖの温度が予め定められた目標温度まで低下した際にカッタ３１が動作してもよい。上記目標温度は、例えば溶融した母材が凝固する温度であってもよい。もちろん、切断工程Ｓ０３では、レーザ光の照射停止からカッタ３１の動作開始までの遅延時間を予め定めておくことで、測定器２４を用いることなく加熱部位１Ｖが切断されてもよい。

切断されたコイルばね２は、第１端面５１ａを含む第１端末５１と、第２端面５２ａを含む第２端末５２とを有している。１つのコイルばね２が製造された後、上述の螺旋成形工程Ｓ０１、加熱工程Ｓ０２および切断工程Ｓ０３が再度実行されて次のコイルばね２が製造される。そのため、第１端末５１および第２端末５２は、いずれも上述の各工程を経て切断されている。

ワイヤを切断するために必要なせん断力は、ワイヤを加熱して昇温させる程低下する。また、ワイヤが融点に達していない場合であってもせん断力を低下させることができる。さらに、このような傾向はワイヤの直径によらない。一例として、カッタ３１によりワイヤ１を切断する際に、加熱部位１Ｖの少なくとも一部の温度が５００℃以上であることが好ましい。

続いて、本実施形態に係るコイリングマシン１００およびコイルばね２の製造方法の効果について説明する。本実施形態においては、螺旋状に成形されたワイヤ１の一部がレーザ光によって加熱され、レーザ光の照射が停止された後においてレーザ光が照射される前よりも高温になっている部位（加熱部位１Ｖ）が切断部品（カッタ３１およびマンドレル３２）により切断される。ワイヤ１が加熱されていれば切断に要するせん断力も小さくなる。したがって、本実施形態によればワイヤ１を容易に切断することができる。

本実施形態のようにレーザ加熱機２０を用いる場合、切断すべき部位をレーザ光によって選択的かつ急速に加熱することができる。レーザ加熱機２０を用いる場合、レーザ発振器２１の駆動電流の調整により、レーザ光を照射する部位に対する入熱量を任意に設定することができる。また、駆動電流の調整に速やかに追随してレーザ光の出力を上下させることができる。さらに、レーザ加熱機２０によるレーザ光の照射を止めることで、加熱部位１Ｖを急速に自己冷却させることができる。なお、急速な自己冷却とは、冷却のための部材や装置を用いて積極的に加熱部位１Ｖを冷却しなくても、加熱部位１Ｖが急冷することを意味する。また、レーザ加熱機２０は、ワイヤ１に対するレーザ光の照射角度を調整したり、レンズやミラーを用いたりすることによって、ワイヤ１におけるレーザ光の照射領域１ａおよび加熱部位１Ｖを任意に設定することができる。したがって、レーザ加熱機２０は、ワイヤ１の太さや材料および要求されているタクト等に合せて、ワイヤ１の任意の領域を高い応答性によって任意の温度に加熱することができる。

また、本実施形態の構成によれば、高温で軟化している状態の加熱部位１Ｖを切断することから、カッタ３１やマンドレル３２が切断時にワイヤ１から受ける反力が低減される。このため、カッタ３１およびマンドレル３２の消耗や破損を抑制することができる。その結果、カッタ３１およびマンドレル３２の交換周期を従来よりも伸ばしてランニングコストを削減したり、カッタ３１およびマンドレル３２の材料に必要とされる耐摩耗性等の仕様を下げて従来よりも廉価にこれらを形成したりすることができる。また、カッタ３１およびマンドレル３２の交換に伴ってコイリングマシン１００の稼働率が低下することを抑制できる。

また、本実施形態の構成によれば、直径が相対的に太いワイヤ１を用いる場合であっても、切断に必要な時間を過剰に増大させることなく当該ワイヤ１を切断することができる。さらに、コイリングマシン１００は、直径が相対的に太いワイヤ１を用いる場合であっても、カッタ３１やマンドレル３２に相対的に高い切断機能を与える必要がない。したがって、相対的に太いワイヤ１を用いる場合においても、量産性を保つことができるとともに、カッタ３１やマンドレル３２に必要なコストを抑制することができる。

また、本実施形態においてはレーザ光の照射のみでワイヤ１を切断するのではなく、カッタ３１をさらに用いてワイヤ１を切断する。このような構成によれば、レーザ光の強度を抑制することができる。すなわち、レーザ加熱機２０は、ワイヤ１を切断するためではなく軟化させるためにレーザ光を照射することから、レーザ光のみでワイヤ１を切断する場合と比較してレーザ光の強度を低くすることができる。この結果、強いレーザ光をワイヤ１に照射する場合に生じ得るスパッタやドロスを抑制することができ、さらにアシストガスの吹き付けのための設備やコストが不要となる。したがって、製造されるコイルばね２の清浄度を保って洗浄を不要としたり、コイリングマシン１００自体に付着したスパッタの除去に関するメンテナンスの作業等を軽減したりして、コイリングマシン１００の稼働率を上げることができる。さらに、スパッタの除去に必要な吸引装置等の設備を簡略化したり、廃止したりすることができる。

また、本実施形態の構成によれば、ワイヤ１に対するレーザ光の照射範囲を限定することができる。すなわち、レーザ加熱機２０は、ワイヤ１を切断するためではなく軟化させるためにレーザ光を照射することから、切断が予定される位置の全面にレーザ光を照射する必要はなく、例えば図６ないし図９に示すようにワイヤ１の幅方向における一部に対してレーザ光を照射できればよい。具体的には、レーザ加熱機２０は、例えば、図６および図８に示したように、ワイヤ１の幅方向における両端部を避けて中央部にレーザ光を照射することができる。この場合、ワイヤ１に対してレーザ光を照射する位置がずれたとしても、ワイヤ１の両端部からレーザ光がはみ出してワイヤ１へのレーザ光の照射量が不足したり、コイリングマシン１００自体に熱的な影響を及ぼしたりすることを抑制できる。

また、ワイヤ１に照射されるレーザ光がワイヤ１の反対側から漏れることも抑制できる。すなわち、レーザ加熱機２０は、ワイヤ１を切断するためではなく軟化させるためにレーザ光を照射することから、ワイヤ１を貫通して分断するようにレーザ光を照射する必要がない。したがって、レーザ光によりワイヤを切断する従来のコイリングマシンと比較して、レーザ光の遮蔽のための構成を大幅に簡略化したり、廃止したりすることができる。

また、本実施形態の構成によれば、特に、冷間加工によって螺旋状に成形された後のワイヤ１を加熱して切断する場合、温間加工の場合と比較して、コイルばね２の形状精度を高く保つことができる。

仮にレーザ光のみによってワイヤ１を切断する場合、レーザ光の強度を相対的に高める必要があることから、第１端面５１ａおよび第２端面５２ａを平らに形成することは難しい。また、レーザ光を用いずにカッタのみによってワイヤ１を切断する場合、強いせん断力をワイヤ１に加える必要があることから各端面５１ａ，５２ａに大きな凹凸が生じやすい。これらに対し、本実施形態においてはレーザ光の照射だけでなくカッタ３１を用いてワイヤ１を切断することから、レーザ光の強度を低くかつカッタ３１によるせん断力を小さくできるので、各端面５１ａ，５２ａを平らに形成することが可能となる。結果として、品質に優れたコイルばね２を得ることができる。

上述のようにカッタ３１による切断時において加熱部位１Ｖが少なくとも部分的に５００℃以上の温度に加熱されていれば、十分に軟化している（加工抵抗が十分に低減されている）高温の固体状態においてワイヤ１を切断することができる。ワイヤ１の材料として一般的な炭素鋼は、約５００℃以上に加熱することによって引張強度（TS：Tensile Strength）が常温時の約１／２以下になり、カッタ３１によって容易に切断することができる。

上述のように加熱部位１Ｖに溶融プールが形成される場合には、加熱部位１Ｖをワイヤ１の深部まで到達させることができる。これにより、ワイヤ１が深部まで軟化し、カッタ３１による切断が一層容易になる。
以上の他にも、本実施形態からは種々の好適な効果を得ることができる。

［第２実施形態］
第２実施形態について説明する。本実施形態においては主に、上述のコイリングマシン１００を用いてワイヤ１を切断するにあたっての好適な条件を開示する。コイリングマシン１００の構成や、コイリングマシン１００によるコイルばねの製造方法の流れは、第１実施形態と同様である。

図１１は、レーザ光が照射されたワイヤ１の概略的な断面図である。ここでは、図８に示した形状のレーザ光（Ｌ２）がワイヤ１の表面に照射され、溶融プールが形成される場合を想定する。図中のＯは、ワイヤ１の外周面におけるレーザ光の照射領域の中心を示す。一例として、この照射中心Ｏは、レーザ光のビームプロファイルにおいて最も高強度のピーク部分が照射される位置に相当する。また、照射中心Ｏは、溶融プールの中心と考えることもできる。

上述の通り、レーザ光がワイヤ１に照射されると加熱部位１Ｖが形成される。レーザ光の照射中あるいは照射直後においては、照射中心Ｏの周囲に溶融プールが形成される。その後の冷却により、溶融プールが凝固して焼入硬化部１Ｃが形成される。溶融プールの周囲には、溶融はしていないがレーザ光の照射時の熱によりワイヤ１の母材から特性が変化した熱影響部１Ｈ（ＨＡＺ：Heat Affected Zone）が形成される。このように、加熱部位１Ｖは、焼入硬化部１Ｃおよび熱影響部１Ｈを含む。

図１１においては、焼入硬化部１Ｃ、熱影響部１Ｈおよびワイヤ１の母材のそれぞれについてビッカース硬さ［ＨＶ］を測定した結果を示している。焼入硬化部１Ｃは、全体的に母材に比べて大きい硬さを有している。一方、熱影響部１Ｈは、全体的に母材に比べて小さい硬さを有している。熱影響部１Ｈの硬さは、焼入硬化部１Ｃの近傍から母材に向けて徐々に大きくなる。

このように、加熱部位１Ｖにおいても硬さの分布が一様でない。そのため、カッタ３１およびマンドレル３２の位置と、レーザ光の照射領域との関係を適切に定める必要がある。

図１２は、カッタ３１、マンドレル３２およびレーザ光の照射領域の好適な位置関係の一例を示す断面図である。上述の螺旋成形工程Ｓ０１においては、螺旋状に成形されたワイヤ１がカッタ３１とマンドレル３２の間に送られる。ワイヤ１の送り方向（θ方向）において、カッタ３１の端部３１ａとマンドレル３２の端部３２ａの間には、クリアランスＧが設けられている。以下、θ方向におけるクリアランスＧの中心を、クリアランス中心Ｃと呼ぶ。

図１２の例においては、クリアランス中心Ｃと照射中心Ｏとがθ方向にずれている。具体的には、照射中心Ｏは、クリアランス中心Ｃよりもカッタ３１側（θ方向の下流側）に位置している。

図１２の例において、加熱部位１Ｖは、凝固後に上述の焼入硬化部１Ｃとなる溶融プール１Ｐを含む。例えば、溶融プール１Ｐは、クリアランス中心Ｃと重なっている。また、溶融プール１Ｐは、カッタ３１の端部３１ａとＹ方向において重なっている。

一方で、溶融プール１Ｐは、マンドレル３２の端部３２ａとＹ方向において重なっていない。図１２の例においては、マンドレル３２の端部３２ａと、熱影響部１Ｈのうち溶融プール１Ｐよりもθ方向の上流側に位置する部分とがＹ方向において重なっている。

図１３は、図１２に示す状態からカッタ３１をＹ方向に下降させてワイヤ１を切断した状態を示す断面図である。上述のように、カッタ３１によってワイヤ１を切断する際には、既に溶融プール１Ｐが凝固しているか、あるいはカッタ３１との接触により熱が奪われて溶融プール１Ｐが凝固する。したがって、切断中には焼入硬化部１Ｃが形成されている。なお、切断に際し、加熱部位１Ｖの内部に溶融プール１Ｐが一部残存していてもよい。

マンドレル３２の端部３２ａから突出したワイヤ１の外周面に対してカッタ３１の先端部が衝撃を与えると、加熱部位１Ｖとその周囲にせん断力が加わり、ワイヤ１が破断する。カッタ３１は、例えば最大でワイヤ１の軸付近まで降下する。切断されたワイヤ１、すなわちコイルばね２には、カッタ３１による打痕Ｂ（凹部）が形成される。図１３の例においては、焼入硬化部１Ｃおよび熱影響部１Ｈが打痕Ｂと重なっているが、これらが互いにずれていてもよい。

上述のように、熱影響部１Ｈは、焼入硬化部１Ｃおよびワイヤ１の母材よりも軟らかい。そのため、カッタ３１がワイヤ１に衝撃を与えた際に、加熱部位１Ｖにおいては熱影響部１Ｈが破断しやすい。特に、図１２に示したように照射中心Ｏがクリアランス中心Ｃよりもカッタ３１側にずれていれば、熱影響部１Ｈのうち溶融プール１Ｐよりもθ方向の上流側に位置する部分に効果的に負荷を与え、当該部分に沿ってワイヤ１を破断させることができる。

図１４は、図１２および図１３に示した方法でワイヤ１から切断されたコイルばね２の概略的な側面図である。コイルばね２は、第１端面５１ａを含む第１端末５１と、第２端面５２ａを含む第２端末５２とを有している。

第１端面５１ａは、図１３においてワイヤ１から切り離されたコイルばね２の破断面に相当する。第１端末５１は、レーザ光の第１照射痕Ｍ１と、カッタ３１の打痕Ｂとを有している。第１照射痕Ｍ１は、焼入硬化部１Ｃおよび熱影響部１Ｈ（第１熱影響部）を含む。

第２端面５２ａは、このコイルばね２の前に製造されるコイルばね２を切り離した際に、マンドレル３２の上方に残されたワイヤ１の破断面に相当する。第２端末５２は、レーザ光の第２照射痕Ｍ２を有している。第２照射痕Ｍ２は、熱影響部１Ｈ（第２熱影響部）を含む。図１３に示したようにワイヤ１が切断された場合、第２照射痕Ｍ２は焼入硬化部１Ｃを含まない。ただし、第２照射痕Ｍ２は、例えば第１照射痕Ｍ１よりも少量の焼入硬化部１Ｃを含んでもよい。

第１照射痕Ｍ１に含まれる熱影響部１Ｈは、第１端面５１ａの少なくとも一部に及んでいる。また、第２照射痕Ｍ２に含まれる熱影響部１Ｈは、第２端面５２ａの少なくとも一部に及んでいる。一方で、第１照射痕Ｍ１に含まれる焼入硬化部１Ｃは、第１端面５１ａに及んでいない。ただし、焼入硬化部１Ｃの一部が第１端面５１ａに及んでいてもよい。この場合、第１端面５１ａにおいて、焼入硬化部１Ｃの面積が熱影響部１Ｈの面積より小さいことが好ましい。

続いて、第１照射痕Ｍ１、第２照射痕Ｍ２および打痕Ｂの位置関係につき、いくつかの態様を例示する。
図１５は、第１照射痕Ｍ１、第２照射痕Ｍ２および打痕Ｂの第１例であり、第１端末５１および第２端末５２の各々におけるコイルばね２の概略的な断面図を示している。図中左側に示す断面は、図１４におけるＣＡ－ＣＡ線に沿う第１端末５１の断面に相当する。図中右側に示す断面は、図１４におけるＣＢ－ＣＢ線に沿う第２端末５２の断面に相当する。第１端末５１および第２端末５２の各々において、図中上方の面はコイルばね２の外周面２ａであり、図中下方の面はコイルばね２の内周面２ｂである。

図中の破線矢印は、加熱時におけるレーザ光の照射方向Ｄ１を表す。実線矢印は、切断時におけるカッタ３１の移動方向Ｄ２を表す。この図の例においては、照射方向Ｄ１および移動方向Ｄ２がいずれも図中の上方から各端末５１，５２に向かっている。ただし、図１５に示す断面とは異なる方向から各端末５１，５２を見た場合に、これら方向Ｄ１，Ｄ２が交差していてもよい。

図中左側に示す第１端末５１において、第１照射痕Ｍ１は、焼入硬化部１Ｃおよび熱影響部１Ｈを含む。また、第１照射痕Ｍ１の表面全体が打痕Ｂと重なっている。図中右側に示す第２端末５２において、第２照射痕Ｍ２は、熱影響部１Ｈを含み、焼入硬化部１Ｃを含んでいない。また、第２端末５２には打痕Ｂが形成されていない。第１照射痕Ｍ１、第２照射痕Ｍ２および打痕Ｂは、いずれも外周面２ａに形成されている。

図１６は、第１照射痕Ｍ１、第２照射痕Ｍ２および打痕Ｂの第２例であり、図１５と同じく第１端末５１および第２端末５２の各々におけるコイルばね２の概略的な断面図を示している。この図の例においては、照射方向Ｄ１と移動方向Ｄ２が鋭角（例えば４０度）を成している。そのため、第１端末５１においては、第１照射痕Ｍ１が打痕Ｂと重なる部分と打痕Ｂと重ならない部分を含んでいる。このような構成の場合、切断時にカッタ３１が加熱部位１Ｖ以外の硬い部分（母材）にも触れるので、第１例に比べて打痕Ｂを小さくできる。

図１７は、第１照射痕Ｍ１、第２照射痕Ｍ２および打痕Ｂの第３例であり、図１５と同じく第１端末５１および第２端末５２の各々におけるコイルばね２の概略的な断面図を示している。この図の例においては、照射方向Ｄ１と移動方向Ｄ２が互いに反対方向である。第１照射痕Ｍ１および第２照射痕Ｍ２は、内周面２ｂに形成されている。打痕Ｂは、外周面２ａに形成されている。第１端末５１においては、第１照射痕Ｍ１の全体が打痕Ｂと重なっていない。このような構成の場合、切断時にカッタ３１が加熱部位１Ｖに触れないので、第２例に比べて打痕Ｂをさらに小さくできる。

以上の他にも、第１照射痕Ｍ１、第２照射痕Ｍ２および打痕Ｂは種々の態様で形成され得る。例えば、打痕Ｂは、第１端末５１だけでなく、第２端末５２に及んでもよい。この場合において、第２端末５２の打痕Ｂは、第１端末５１の打痕Ｂより小さくてもよい。

なお、ここまでは図８に示した形状のレーザ光（Ｌ２）がワイヤ１に照射される場合を想定したが、図６に示した形状のレーザ光（Ｌ１）がワイヤ１に照射される場合であっても同様の構成を適用できる。

図１８は、図６に示した形状のレーザ光が照射された後のワイヤ１の概略的な平面図である。レーザ光の照射中心Ｏは、ワイヤ１の軸方向と直交する方向に延びている。したがって、このレーザ光の照射により形成される加熱部位１Ｖにおいて、溶融プール１Ｐ（または凝固後の焼入硬化部１Ｃ）は、ワイヤ１の幅方向に長尺な形状を有している。同様に、焼入硬化部１Ｃの周囲の熱影響部１Ｈは、ワイヤ１の幅方向に長尺な形状を有している。図１８の例においては、熱影響部１Ｈがワイヤ１の幅方向における一端から他端まで広がっているが、この例に限られない。

このような加熱部位１Ｖが形成されたワイヤ１の切断に際して、照射中心Ｏをクリアランス中心Ｃよりもカッタ３１側（図中左側）にずらすことにより、照射中心Ｏとクリアランス中心Ｃの間に距離Ｄを設ける。図１８の例においては、クリアランス中心Ｃが溶融プール１Ｐと重なっている。また、マンドレル３２の端部３２ａが熱影響部１Ｈのうち溶融プール１Ｐよりもθ方向の上流側に位置する部分と重なっている。

このような状態でカッタ３１によりワイヤ１を切断すると、図１２および図１３の例と同じく熱影響部１Ｈのうち溶融プール１Ｐよりもθ方向の上流側に位置する部分に効果的にせん断力を与え、当該部分を破断させることができる。

以上説明したように、本実施形態においては、照射中心Ｏとクリアランス中心Ｃとをずらすことにより、他の部分に比べて軟らかい熱影響部１Ｈにおいてワイヤ１を破断させることができる。この場合、例えば焼入硬化部１Ｃでワイヤ１を破断させる場合に比べ、ワイヤ１のせん断力を小さくすることができる。

なお、発明者らは、照射中心Ｏとクリアランス中心Ｃを一致させた場合、照射中心Ｏをクリアランス中心Ｃよりもカッタ３１側にずらした場合、照射中心Ｏをクリアランス中心Ｃよりもマンドレル３２側にずらした場合の各々につきワイヤ１を切断する実験を複数回にわたって行った。その結果、照射中心Ｏをクリアランス中心Ｃよりもカッタ３１側にずらした場合の破断面が最も平坦となり、次いで照射中心Ｏとクリアランス中心Ｃを一致させた場合の破断面が平坦となった。この結果から、本実施形態のように照射中心Ｏをクリアランス中心Ｃよりもカッタ３１側にずらすことで、より平坦な第１端面５１ａおよび第２端面５２ａを有するコイルばね２を得られることが分かる。

ワイヤ１を螺旋状に成形してさらにカッタ３１によりワイヤ１を切断する場合、コイルばね２の第１端面５１ａおよび第２端面５２ａには一定の残留応力が発生する。このような残留応力は、各端面５１ａ，５２ａの割れの原因となる。また、コイルばね２を通電により昇温させる工程を経れば残留応力を除去し得る。ただし、この手法においてはコイルばね２の端末の温度が上昇しづらいので、種々の工夫を凝らす必要がある。

この点に関し、本実施形態のような条件でワイヤ１を切断して製造されたコイルばね２においては、第１端面５１ａおよび第２端面５２ａに熱影響部１Ｈが広範囲に及んでいる。この場合、熱影響部１Ｈが他の部分に比べて軟らかいことから、残留応力が低減される。また、上述のような残留応力を除去するための工程も省略することができる。

図１８に示した例においては、熱影響部１Ｈがワイヤ１の幅方向における一端から他端まで広がっている。この場合においては、破断面のより広い範囲に熱影響部１Ｈが及ぶ。したがって、各端面５１ａ，５２ａの割れを抑制する効果をより顕著に得ることができる。

なお本発明を実施するに当たり、コイリングマシン１００が備える各要素の構成や配置等の態様を必要に応じて種々に変更して実施できることは言うまでもない。

各実施形態においては、コイリングマシン１００がカッタ３１を用いてワイヤ１の加熱部位１Ｖを切断する構成を例示した。コイリングマシン１００は、このような構成に限定されることなく、回転鋸刃を用いた切削によってワイヤ１の加熱部位１Ｖを切断してもよい。

コイリングマシン１００によって製造されるコイルばね２の形態は様々であり、例えばコイル径とピッチがコイルばねの軸線方向に変化していてもよい。すなわち、コイリングマシン１００によって製造されるコイルばね２は、円筒コイルばねをはじめとして、たる形コイルばね、鼓形コイルばね、テーパコイルばね、不等ピッチコイルばね、マイナスピッチの部分を有するコイルばね等など、様々な形態のコイルばねであってもよい。

［付記］
原出願の特許請求の範囲の記載を以下に付記する。
［請求項１］
螺旋状に成形されたワイヤに対してレーザ光を照射することにより前記ワイヤの一部を加熱するレーザ加熱機と、
前記レーザ光の照射が停止された後において、前記レーザ光が照射される前よりも高温になっている前記ワイヤの部位を切断する切断部品と、
を備えるコイリングマシン。
［請求項２］
前記切断部品は、５００℃以上に加熱された前記ワイヤの前記部位を切断する、
請求項１に記載のコイリングマシン。
［請求項３］
前記レーザ加熱機は、前記ワイヤに前記レーザ光を照射することにより、前記ワイヤに溶融プールとその周囲の熱影響部とを形成し、前記ワイヤの前記熱影響部を切断する、
請求項１に記載のコイリングマシン。
［請求項４］
前記切断部品は、
螺旋状に成形された前記ワイヤの内周面を支持するマンドレルと、
前記マンドレルの端部から突出した前記ワイヤの外周面に対して衝撃を与えて前記ワイヤを切断するカッタと、
を備える、請求項１に記載のコイリングマシン。
［請求項５］
前記カッタと前記マンドレルの前記端部との間には、前記ワイヤの送り方向においてクリアランスが設けられ、
前記カッタが前記ワイヤに対して衝撃を与える際に、前記クリアランスの中心と、前記ワイヤにおける前記レーザ光の照射領域の中心とが前記送り方向においてずれている、
請求項４に記載のコイリングマシン。
［請求項６］
前記照射領域の中心は、前記送り方向において前記クリアランスの中心よりも前記カッタ側に位置する、
請求項５に記載のコイリングマシン。
［請求項７］
前記レーザ加熱機は、前記ワイヤに前記レーザ光を照射することにより、前記ワイヤに溶融プールとその周囲の熱影響部とを形成し、
前記カッタが前記ワイヤに対して衝撃を与える際に、前記マンドレルの前記端部と、前記熱影響部のうち前記溶融プールよりも前記送り方向の上流側に位置する部分とが前記カッタの移動方向において重なる、
請求項６に記載のコイリングマシン。
［請求項８］
螺旋状に成形されたワイヤに対してレーザ光を照射し、前記ワイヤの一部を加熱することと、
前記レーザ光の照射が停止された後において、前記レーザ光が照射される前よりも高温になっている前記ワイヤの部位を切断することと、
を含むコイルばねの製造方法。
［請求項９］
前記ワイヤの前記部位を切断する際に、前記部位が５００℃以上に加熱されている、
請求項８に記載のコイルばねの製造方法。
［請求項１０］
螺旋状に成形された前記ワイヤの内周面を支持するマンドレルとカッタの間に前記ワイヤを送ることと、
前記ワイヤの切断に際し、前記マンドレルの端部から突出した前記ワイヤの外周面に対して衝撃を与えることと、
をさらに含む、請求項８に記載のコイルばねの製造方法。
［請求項１１］
前記カッタと前記マンドレルの前記端部との間には、前記ワイヤの送り方向においてクリアランスが設けられ、
前記カッタが前記ワイヤに対して衝撃を与える際に、前記クリアランスの中心と、前記ワイヤにおける前記レーザ光の照射領域の中心とが前記送り方向においてずれている、
請求項１０に記載のコイルばねの製造方法。
［請求項１２］
前記照射領域の中心は、前記送り方向において前記クリアランスの中心よりも前記カッタ側に位置する、
請求項１１に記載のコイルばねの製造方法。
［請求項１３］
前記ワイヤに前記レーザ光が照射されることにより、前記ワイヤに溶融プールとその周囲の熱影響部とが形成され、
前記カッタが前記ワイヤに対して衝撃を与える際に、前記マンドレルの前記端部と、前記熱影響部のうち前記溶融プールよりも前記送り方向の上流側に位置する部分とが前記カッタの移動方向において重なる、
請求項１２に記載のコイルばねの製造方法。
［請求項１４］
第１端末と、前記第１端末の反対側の第２端末とを有するワイヤにより形成されたコイルばねであって、
前記第１端末は、レーザ光の第１照射痕を有し、
前記第１照射痕は、前記ワイヤの母材よりも硬い焼入硬化部と、前記母材よりも軟らかい前記焼入硬化部の周囲の第１熱影響部と、を含み、
前記第１熱影響部は、前記第１端末の端面の少なくとも一部に及んでいる、
コイルばね。
［請求項１５］
前記第２端末は、前記第１照射痕よりも小さいレーザ光の第２照射痕を有し、
前記第２照射痕は、前記母材よりも軟らかい第２熱影響部を含み、
前記第２熱影響部は、前記第２端末の端面の少なくとも一部に及んでいる、
請求項１４に記載のコイルばね。
［請求項１６］
前記第１端末は、前記第１照射痕と重なる打痕を外周面に有している、
請求項１４に記載のコイルばね。

１…ワイヤ、１Ｖ…加熱部位、１Ｐ…溶融プール、１Ｃ…焼入硬化部、１Ｈ…熱影響部、２…コイルばね、１０…螺旋成形ユニット、１１…駆動ローラ、１２…従動ローラ、１３…ワイヤガイド、１４…第１成形ローラ、１５…第２成形ローラ、１６…ピッチツール、２０…レーザ加熱機、２１…レーザ発振器、２２…光ファイバ、２３…ビームスポット調整器、２４…測定器、３０…切断ユニット、３１…カッタ、３２…マンドレル、４０…制御ユニット、４１…コントローラ、５１…第１端末、５１ａ…第１端面、５２…第２端末、５２ａ…第２端面、１００…コイリングマシン、Ｌ１，Ｌ２…レーザ光、Ｓ０１…螺旋成形工程、Ｓ０２…加熱工程、Ｓ０３…切断工程、Ｍ１…第１照射痕、Ｍ２…第２照射痕、Ｂ…打痕。

Claims (6)

1. 第１端末と、前記第１端末の反対側の第２端末とを有する金属製のワイヤにより形成されたコイルばねであって、
   前記第１端末は、レーザ光の第１照射痕と、打痕とを有し、
   前記第１照射痕は、前記ワイヤの母材よりも軟らかい第１熱影響部を含み、
   前記第１熱影響部は、前記第１端末の端面の少なくとも一部に及んでおり、
   前記第１照射痕は、前記第１端末における前記ワイヤの外周面の周方向における一部に形成され、
   前記第２端末は、打痕を有していない、
   コイルばね。
2. 前記第２端末は、レーザ光の第２照射痕を有し、
   前記第２照射痕は、前記母材よりも軟らかい第２熱影響部を含み、
   前記第２熱影響部は、前記第２端末の端面の少なくとも一部に及んでおり、
   前記第２照射痕は、前記第２端末における前記ワイヤの外周面の周方向における一部に形成されている、
   請求項１に記載のコイルばね。
3. 第１端末と、前記第１端末の反対側の第２端末とを有する金属製のワイヤにより形成されたコイルばねであって、
   前記第１端末は、レーザ光の第１照射痕と、打痕とを有し、
   前記第１照射痕は、前記ワイヤの母材よりも軟らかい第１熱影響部を含み、
   前記第１熱影響部は、前記第１端末の端面の少なくとも一部に及んでおり、
   前記第２端末は、打痕を有しておらず、レーザ光の第２照射痕を有し、
   前記第２照射痕は、前記母材よりも軟らかい第２熱影響部を含み、
   前記第２熱影響部は、前記第２端末の端面の少なくとも一部に及んでおり、
   前記第２照射痕は、前記第１照射痕よりも小さい、
   コイルばね。
4. 第１端末と、前記第１端末の反対側の第２端末とを有する金属製のワイヤにより形成されたコイルばねであって、
   前記第１端末は、レーザ光の第１照射痕と、打痕とを有し、
   前記第１照射痕は、前記ワイヤの母材よりも軟らかい第１熱影響部を含み、
   前記第１熱影響部は、前記第１端末の端面の少なくとも一部に及んでおり、
   前記第１照射痕の全体が前記打痕と重なっており、
   前記第２端末は、打痕を有していない、
   コイルばね。
5. 第１端末と、前記第１端末の反対側の第２端末とを有する金属製のワイヤにより形成されたコイルばねであって、
   前記第１端末は、レーザ光の第１照射痕と、打痕とを有し、
   前記第１照射痕は、前記ワイヤの母材よりも軟らかい第１熱影響部を含み、
   前記第１熱影響部は、前記第１端末の端面の少なくとも一部に及んでおり、
   前記第１照射痕は、前記打痕と重なる部分と、前記打痕と重ならない部分とを含み、
   前記第２端末は、打痕を有していない、
   コイルばね。
6. 第１端末と、前記第１端末の反対側の第２端末とを有するワイヤにより形成されたコイルばねであって、
   前記第１端末は、レーザ光の第１照射痕と、打痕とを有し、
   前記第１照射痕は、前記ワイヤの母材よりも軟らかい第１熱影響部を含み、
   前記第１熱影響部は、前記第１端末の端面の少なくとも一部に及んでおり、
   前記第１照射痕の全体が前記打痕と重なっていない、
   コイルばね。

Images