JPH0375243B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、たとえばコイルばねやトーシヨンバ
ー、車両用スタビライザなどに用いられる長手方
向に断面積が変化するばね用素材の製造方法に関
する。

［従来の技術］ たとえばテーパコイルばねにおいては、所望の
ばね特性を得るためにコイル端末部分の線径を先
細テーパ状に加工する場合がある。一方、トーシ
ヨンバーではその端部にセレーシヨン等の端部加
工を施す必要上、この端部を他の部位よりも局部
的に太くするようにしている。

このように長手方向に断面積が変化するばね用
素材を得るには、従来、たとえばたる形テーパコ
イルばねの場合、素材の端部を切削加工によつて
テーパ状に加工するようにしている。そしてテー
パ状に加工したのち、コイリングを行ない、その
のち焼入れおよび焼戻しを行なうようにしてい
る。従つてこの場合、切削によるため材料歩留り
が悪いとともにバイト等のように消耗する工具を
必要とし加工工数も多いため、コスト高であり加
工に要する時間も長い。また、コイリング後に熱
処理を行なうため線径の異なる部位にて焼入れむ
らを生じることがある。

一方、トーシヨンバーの場合には現状では端部
をアプセツト加工によつて拡径させたのち、焼入
れ、焼戻し等の熱処理を行なつている。従つてこ
の場合も加工工数が非常に多く、また素材径の異
なる部位にて焼入れむらを生じることがあるとい
う問題がある。

ところで以上のように長手方向に断面積が変化
する素材を得るための他の手段として、素材を高
温度域、例えばA₃点直下、750℃〜800℃付近ま
で加熱した状態で素材の長手方向に温度分布を付
与したのち張力を与え、この引張りにより素材を
縮径させてテーパロツドを得るといつた温度勾配
を与えた状態での引張によるテーパ成形方法（先
行技術１・例えば特開昭58−16728号公報）も提
案されている。

上記先行技術１を利用してたる形テーパコイル
ばねを得るには、第１図に例示したように、ま
ず、前述した温度勾配を与えた状態での引張りに
よるテーパ成形工程ａにおいて素材を750℃〜800
℃に加熱し、張力を加えてテーパ状に成形したの
ち、コイリング工程ｂで所望の形にコイリング
し、そののち焼入れ工程ｃと焼戻し工程ｄを経て
製品を得る。

また、特開昭50−73855号公報（先行技術２）
に見られるように、棒状の金属材料を材料の長手
方向に局部的に急速加熱しながら引張り力を与え
ることによつて、加熱部を縮径させるといつたダ
イレス加工も提案されている。

［発明が解決しようとする課題］ 上述した先行技術１によれば、切削を殆ど行な
わずに済むため材料歩留りが向上する利点がある
が、素材を一旦高温に加熱してテーパ加工したの
ちコイリングし、そののち更に焼入れと焼戻しを
行なう必要があるから、多くの加熱工程を必要と
し、エネルギー消費が大であるとともに、コイリ
ング後に熱処理を行なうものであるから、前述し
た切削による場合と同様に線径の互いに異なる部
位で焼入れむらを生じることがある。

一方、先行技術２のダイレス加工において、市
販のばね鋼鋼材を用いた場合、通常のばね鋼鋼材
は焼入れ・焼戻しがなされた状態で入荷されるた
め、このようなばね鋼鋼材をそのまま焼戻し温度
まで急速加熱して引張つても大きな延性を得るこ
とはできない。従つて、たる形テーパコイルばね
用素材のような大きな減面率を必要とする素材の
加工はできない。また、加熱された箇所を急冷す
ることによつて焼きが入つたとしても、その後に
焼戻し処理を行なう必要があり、加熱工程が多く
なる。

なお本発明者らは、本発明に先立つて、炭素鋼
における「焼戻し温間鍛造に関する研究」の発表
を当業界の講演会等において行なつた。しかしな
がら、そこではS45C等の鋼材の鍛造を対象とし
ており、しかも焼戻しについての技術が確立され
ていなかつた。当時の技術水準では、ばね鋼鋼材
にいかなる温間加工処理を施せばばねとして優れ
た諸性質を発揮できるようになるかについて知ら
れていなかつた。

従つて本発明の目的は、ばね鋼からなる素材
を、ばねとして優れた性質を発揮できるように処
理できかつ加工工程を簡略化でき、熱エネルギー
の消費が少なくてすみ、素材の全長にわたつて均
一な熱処理を施すことができるとともに、大きな
減面率（高加工度）が得られるような製造方法を
提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を果たすために開発された本発明は、
直線状のばね鋼からなるばね用素材を焼入れした
のち、このばね用素材を焼きが入つた状態のまま
高周波誘導加熱コイルによつて素材の長手方向に
順次焼戻し温度まで急速加熱するとともに、素材
を縮径させる部分が上記加熱コイルによつて加熱
されている時に素材に張力を加えることにより素
材の加熱されている部分を焼戻し温間域で素材の
長手方向に順次縮径させつつ当該部位を冷却ノズ
ルから噴出させた冷却媒体によつて冷却すること
を特徴とする長手方向に断面積が変化するばね用
素材の製造方法である。

［作用］ 本発明において、焼入れされた状態にあるばね
用素材は、上記加熱コイルによつて囲まれる部位
が高周波誘導により所定の焼戻し温度まで急速加
熱されるとともに、この加熱コイルが素材の長手
方向に移動させられる。従つて加熱部も素材の長
手方向に移動してゆく。

そして加熱コイルが素材の縮径予定部を加熱し
ている時に、引張力が加えられることにより、上
記焼戻し温度域で所要部分が縮径させられるとと
もに、冷却ノズルから噴出する冷却媒体によつて
冷却がなされる。縮径させる必要のない部位を加
熱している時には引張力は与えない。

本発明によれば、焼戻し温間域で引張りによる
テーパ加工を行なうから、焼戻し温度という比較
的低い温度（例えば300℃〜600℃前後）であつて
も、焼入れ組織のマルテンサイトが焼戻しにより
ソルバイトに分解するに至る過程での低変形抵
抗、高延性の効果により、引張りによるテーパ加
工を容易にしかも良好な寸法精度で行なうことが
できる。

なお、従来から行なわれている鋼の焼戻しにお
いては、加熱時間が30分ないし60分と長いのに対
し、本発明における焼戻しはきわめて短時間（数
秒以下）の加熱のもとで行なわれる。このため従
来と同程度の焼戻し後の硬さを得るには、従来の
焼戻し温度（300℃〜400℃前後）に比べると、や
や高温側にシフトする傾向があり、600℃程度ま
で加熱することも有り得る。

また本発明におれば、テーパ加工と同時に短時
間の焼戻しを行なえるから、省エネルギー化が図
れるとともに、線径が長手方向に変化していても
焼入れむらを生じることがなく、高品質のばね用
素材を寸法精度良く得ることができる。また、焼
戻しと同時に引張りによる塑性加工を行なうた
め、転位の生成とそれに続くひずみ時効によつて
素材の高強度化が期待できるものである。

本発明に使用されるばね鋼は、JIS Ｇ 4801で
規定されているように、例えばSUP3，４，６，
７，９，9A，10，11A等の鋼材、あるいはこれ
らに近似した化学成分を含有するSUP相当材で
ある。

第６図は、ばね鋼（SUP7）の「焼入れ材」と
「焼入れ・焼戻し材」をそれぞれ焼戻し温間域ま
で加熱して引張りを行なつた場合の変形のしやす
さを比較したものである。この第６図において縦
軸で示される破断ひずみεfは、上記２種類の素材
を、それぞれ横軸で示される加工温度のもとで温
間加工する際に、その加工温度において破断ひず
みがどのように変化したかを表している。従つて
縦軸は各加工温度ごとの実験データである。

この第６図に示されるように、焼入れ材を使用
した方が、焼入れ・焼戻し材を使用する場合に比
べて破断ひずみが大きく高加工度である。このた
めばね鋼のように比較的加工しにくいと考えられ
ていた鋼材であつても、所望のテーパ形状への加
工が容易にしかも高精度で行なえる。

第７図は、焼入れ材であるばね鋼を焼戻し温間
域まで再加熱して引張りを行なつた場合の加工後
の弾性限と、焼入れ・焼戻しがなされたばね鋼を
上記温度間域まで加熱して引張りを行なつた場合
の加工後の弾性限を示している。この第７図にお
いて横軸は、２種類の素材（SUP7の焼入れ材と
SUP7の焼入れ・焼戻し材）を温間加工した時の
加工温度を示している。縦軸は、上記２種類の素
材の温度が温間加工後に室温まで戻つた際に、温
間加工時の温度に応じてどのような弾性限を示す
かを表わしており、室温での実験データである。
この図に示されるように、焼入れ材に温間引張り
加工を行なつた方が、焼入れ・焼戻し材に温度引
張り加工を行なつた場合に比べて室温での弾性限
が大きく、ばねとして優れた強度を発揮できるよ
うになる。

第８図は、上記２種類のばね鋼素材（SUP7の
焼入れ材と、焼入れ・焼戻し材）に関し、本発明
方法と従来法によつて一定の加工度で加工したの
ちの、室温での強度・延性バランスを比較したも
のである。つまりこの第８図は室温での実験デー
タである。この図において右上に位置する材料ほ
ど、同一強度であれば高延性、同一延性であれば
高強度であることを意味する。一般に強度と延性
とは相反する関係にあり、強度が大きいほど延性
が小さくなる傾向があるが、この図に示されるよ
うに、同じSUP7を用いていながら、本発明によ
る焼入れ材の温間ダイレス引抜き材は、従来法に
よる焼入れ・焼戻し材の場合に比べて高強度でか
つ高延性材が得られる。

［実施例］ 以下に本発明の一実施例について、第２図ない
し第５図を参照して説明する。本実施例は、ばね
用素材１を第２図に示すような形状に加工したの
ち、この素材１を所定の長さｌに切断してコイリ
ングを行ない、例えばたる形テーパコイルばねを
得る場合に適用される。

第２図において、図中１ａは大径部、１ｃは小
径部であつて、これら大径部１ａと小径部１ｃと
の間にテーパ部１ｂが位置している。上記素材１
は鋼製の中実材またはパイプ材のいずれであつて
もよい。

上記素材１は、まずテーパ加工前の直線状の状
態で焼入れ工程１０（第５図参照）が行なわれ
る。この焼入れ工程１０では、連続する長尺な素
材１を通電加熱用の一対の電極輪（図示せず）を
通過させてこれら電極輪間に電圧を印加し、直接
通電によつて素材１を焼入れ温度まで加熱する。
そして素材１を送りつつ、上記電極輪の出口側に
配置した焼入れ冷却ノズル（図示せず）から冷却
水または低温度空気等の冷却材を素材１に直接噴
射してマルテンサイト生成温度まで急冷し焼入れ
を行なう。なお、焼入れは、第３図に示される装
置のような高周波加熱コイル３を用い、送りロー
ル２，２により素材１を長手方向に送りながら加
熱し、冷却ノズル５で急冷することによつて行な
つてもよい。

次に、第３図に示すように送りロール２，２に
よつて素材１を矢印v₁方向に送りつつ、高周波加
熱コイル３によつて素材１をその長手方向に順次
焼戻し温度まで加熱してゆく。この時、高周波加
熱コイル３は静止状態にあり、また、チヤツク
４，４は素材１から離した状態にして素材１の送
りを阻害しないようにしておく。

上記のように素材１に張力を与えることなく焼
戻し温間域まで加熱を行なうことにより、大径部
１ａの焼戻しが行なわれる。なお、焼戻し温度は
200℃〜600℃、好ましくは300℃〜400℃が一般的
であるが、具体的な温度値は素材１の材質や焼入
れ組織の状態等に応じて適宜設定される。

以上のごとく素材１をロール２，２によつて連
続的に送りながら大径部１ａの焼戻しを行なつた
ら、素材１を送りつつ今度はテーパ部１ｂと小径
部１ｃの縮径加工を行なう。すなわち、第４図に
示されるように、チヤツク４，４により素材１を
挟み、矢印v₂方向に強制的に移動させて素材１に
引張り力を与えるとともに、高周波加熱コイル３
を矢印V₃方向に移動させつつ素材１を長手方向
に順次焼戻し温度まで加熱する。

素材１はコイル３の近傍が局部的に焼戻し温度
まで加熱されて他の部位と温度勾配を生じるか
ら、コイル３の移動方向後ろ側に設けた冷却ノズ
ル５により焼戻し部の温度を制御しつつ、ロール
２，２とチヤツク４，４および高周波加熱コイル
３の各移動速度v₁，v₂，v₃を適宜制御することに
よつて、焼戻し温間域での素材１の引張りに伴な
い、長手方向に順次所望の径に縮径させてゆくこ
とができる。

第２図に示されるように、素材１の長手方向に
加工度が異なる形状に上記加工を行なう場合、素
材入口側の速度v₁と、出口速度v₂、および加熱コ
イルの移動速度v₃によつて、加工度が制御され
る。第４図において、加工後の断面減少率は （v₂−v₁）／｛（v₂−v₁）＋v₃｝ で表される。従来の通常の焼戻しでは、焼戻し温
度において一定時間（30分ないし60分程度）保持
されるが、本発明では加工中に焼戻し温度が保持
される時間は長くても数秒｛１／（v₁＋v₃）秒｝
以下である。

上述したように、焼入れ後の焼戻し温間域で引
張りによる縮径加工を行なうようにしたから、焼
戻し温間域という比較的低い温度であつても、焼
入れ組織のマルテンサイトが焼戻しによつてソル
バイトに分解するに至る過程での低変形抵抗、高
延性の効果により、容易に縮径させることがで
き、素材１の長手方向に温度勾配をつけることに
よつて容易に所望の形状、寸法のテーパ加工を高
精度で行なうことが可能である。また、焼戻しの
同時に引張りによる塑性加工を行なうため、テー
パ部１ｂと小径部１ｃでは転位の生成とそれに続
くひずみ時効によつて素材１の高強度化が期待で
きる。また、大径部１ａを焼戻す際にも張力を与
えて大径部１ａを多少縮径（塑性変形）させるよ
うにすれば、上記と同様の理由により、大径部１
ａの高強度化も期待できる。

なお第５図に示した工程図では、説明の都合
上、焼戻し温度まて加熱する工程１１とテーパ加
工等の縮径を行なう工程１２とを別けて図示した
が、上記したように実際にはこれらの工程１１，
１２はほぼ同時に連続して行なわれる。

以上のように、大径部１ａの焼戻しとテーパ部
１ｂ、小径部１ｃの焼戻し温間域での縮径加工を
繰返し行なうことにより、第２図に示されるよう
に１本の素材１に大径部１ａとテーパ部１ｂ、小
径部１ｃが順次繰返して表われる形状となる。そ
して所定の長さｌに切断し、必要に応じて切削に
よる若干の仕上げ加工を行なつたのち、コイリン
グ工程１３において所望のコイル形状に冷間コイ
リングし、コイルばねを得る。なお、連続材のま
まコイリングを行ない、コイリング後に素材１を
所定の長さに切断するようにしてもよい。また、
場合によつてはテーパ加工を行なう工程１２の終
了後またはコイリング工程１３の終了後に再度十
分に焼戻しを行なうこともありうる。

以上述べたように、本実施例方法によれば、１
本に連続する素材１を未加工の状態から連続的に
供給しつつ焼入れ、焼戻し、テーパ成形、コイリ
ング等の一連の工程を順次１つの生産ラインで実
施することができるから、連続生産によつて高能
率でコイルばねを得ることができる。また、素材
１の加熱は焼入れと焼戻し時に計２回行なうだけ
でよいから、例えば第１図に例示した従来例に比
べて加熱回数が少なくて済み、その分エネルギー
コストを節減することができる。

しかもテーパ加工前に焼入れを行なうため、従
来のようにテーパ加工後に焼入れを行なう場合に
見られた焼入れむらの発生がなく、高品質のばね
を得ることができる。

なお、成形すべきばね用素材１の形状は実施例
に限るものではなく、要するに長さ方向に断面積
が変化しかつ熱処理が必要とされる素材であれば
同様に適用できる。また、コイルばねに限らず、
例えばトーシヨンバーのように両端部に比べて中
間のねじり部が細くなつているもの、あるいは車
両用スタビライザのように局部的に高い応力が生
じる部位があつてこの部位を太くすることが考え
られているものなどにも適用可能である。

［発明の効果］ 本発明によれば、優れたばね性を発揮できる高
品質のばね用素材を、簡単な工程でかつ少ない熱
エネルギーを用いて熱処理むらを生じることなく
製造することができる。また、バイト等の工具を
用いた切削加工を殆ど省略化できるから、材料歩
留りを大幅に向上できるのは勿論のこと、大きな
加工度と、ばねとして好適な高強度化が図れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のコイルばね製造方法の一例を示
す工程説明図、第２図ないし第５図は本発明の一
実施例を示し、第２図はテーパ加工後のばね用素
材の側面図、第３図および第４図はそれぞれ互い
に異なる工程における素材とテーパ加工装置の概
略図、第５図は工程説明図、第６図はばね鋼の加
工温度と破断ひずみとの関係を示す図、第７図は
ばね鋼の加工温度と弾性限との関係を示す図、第
８図は引張り強さと破断ひずみとの関係を示す図
である。 １……ばね用素材、１ａ……大径部、１ｂ……
テーパ部、１ｃ……小径部、２……ロール、３…
…高周波加熱コイル、４……チヤツク、５……冷
却ノズル。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 直線状のばね鋼からなるばね用素材を焼入れ
   したのち、このばね用素材を焼きが入つた状態の
   まま高周波誘導加熱コイルによつて素材の長手方
   向に順次焼戻し温度まで急速加熱するとともに、
   素材を縮径させる部分が上記加熱コイルによつて
   加熱されている時に素材に張力を加えることによ
   り素材の加熱されている部分を焼戻し温間域で素
   材の長手方向に順次縮径させつつ当該部位を冷却
   ノズルから噴出させた冷却媒体によつて冷却する
   ことを特徴とする長手方向に断面積が変化するば
   ね用素材の製造方法。