JP6148148B2 - ばね成形装置および成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、たとえば鋼線材を送りながらコイルばねなどのばねを連続的に熱間成形するばね成形装置に係り、特に、鋼線材の切断時に鋼線材の送りを停止することなく連続的に切断することで鋼線材の加熱むらを軽減する技術に関する。

近年、地球温暖化を背景に輸送機器、特に自動車への低燃費化要求が年々厳しくなっており、自動車部品に対する小型・軽量化がこれまで以上に強く求められている。この小型・軽量化要求に対し、例えばエンジン内で使用されるバルブスプリングや、クラッチ内で使用されるクラッチダンパースプリングをはじめとする圧縮コイルばね部品においては、これまで材料の高強度化や表面処理による表面強化によって、コイルばねの特性として重要な耐疲労性の向上や、耐へたり性の向上を図ってきている。

バルブスプリングやクラッチダンパースプリングといった比較的小さいコイルばねは、一般にはコイル材を用い、冷間成形によって製造される。一方、懸架ばねのような比較的大きいばねは、バー材を用い、熱間成形によって製造されるのが一般的である。これは、用いる線材が太いため、冷間成形では加工性が悪く成形が困難であるためである。

コイルばねの冷間成形と熱間成形には一長一短があり、いずれが優れているとは一概に言うことはできない。たとえば、比較的線径が細い、あるいはばね指数が大きいなどの要因から冷間成形が可能な形状のコイルばねについては、加工技術の容易さや、加工速度や設備費等に拠る量産性（タクト、寸法精度、コスト）の観点から、一般的に冷間成形が採用されている。また、冷間成形では、無芯金での成形技術が確立されており、コイルばねの形状自由度が高いことも冷間成形が用いられる大きな一因となっている。一般には、バルブスプリングクラスのばねは冷間成形により製造されている。

一方、熱間成形は加工時のコイリング歪みが発生しないといった点で冷間成形に対し有利であり、線径ｄが大きい場合や、コイル平均径Ｄと線径ｄとの比であるばね指数Ｄ／ｄが小さい場合など、その加工性の悪さから冷間成形が困難であるコイルばねの成形に用いられる。しかしながら、熱間成形では、材料が軟らかいため芯金に巻き付けてコイルばね形状にコイリングする必要があるため、形状の自由度が低く、しかも、製品ごとに芯金を揃える必要がある。

熱間成形では、成形時の鋼線材の加熱温度が製品の形状や性能に大きく影響を及ぼす。そのため、製品の品質（形状精度、結晶粒度）を維持するためには、全体に亘って均一に加熱された状態で成形されることが望まれる。すなわち、加熱温度に影響を与える鋼線材の送り速度をできるだけ均一にすることが望まれている。

特許文献１には、切断工具駆動用モータがコイルばねの切断位置を中間点として往復回転運動し、切断工具駆動用モータの往動時だけでなく復動時にもコイルばねの切断がなされるようにして、より高速な切断が可能となる機構が開示されている。

特開２００８−０８０３８６号公報

冷間成形用コイリングマシンでは、ばね切断時は鋼線材の供給を停止させることが一般的であり、特許文献１に記載の技術においても切断時には鋼線材の供給を停止させている。

しかしながら、熱間成形の場合には、切断時に鋼線材の送りを停止してしまうと、送りを行っているときと送りを停止しているときで線材の加熱時間が異なるため、均一に加熱されず、要求された品質を確保することができないという問題があった。また、上述のように、熱間成形はバー材に対して行われ、コイル材に対しては冷間成形が行われるのが普通であり、コイル材を材料とするバルブスプリングクラスのばね成形において無理に熱間成形を行うと、上記のような問題があることから熱間成形はこれまで採用されていないのが実情である。

したがって、本発明は、鋼線材の切断時に鋼線材の送りを停止することなく連続的に切断することができ、鋼線材を均一に加熱することができるばね成形装置を提供することを目的としている。

本発明は、複数対のフィードローラにより円相当直径が１．５〜９ｍｍの鋼線材を供給する線材供給機構と、鋼線材を加熱する加熱機構と、加熱された鋼線材をコイル状に成形するコイリング機構と、所定巻数コイリングされた鋼線材を後方の鋼線材と切離する切断機構とを備え、コイリング機構は、フィードローラにより供給された鋼線材を加工部の適切な位置へ誘導するためのワイヤガイドと、ワイヤガイドを経由して供給された鋼線材をコイル形状に加工するためのコイリングツールと、コイル形状のピッチを付けるピッチツールとを備え、切断機構は、所定巻数コイリングされたコイルを後方の鋼線材と切離する切断刃と、切断刃と対向配置されて鋼線材を支える受け刃とを備え、加熱機構により鋼線材を加熱する領域がフィードローラとワイヤガイドとの中間に設けられ、切断刃は、鋼線材を切断する際に、受け刃の方向へ向かう速度Ｖａと、コイリングされた鋼線材の軸方向へ向かう速度Ｖｃとを備える軌跡をなし、鋼線材を切断する際の該鋼線材の送り速度をＶｗとしたときに、Ｖｃ／Ｖｗ≧１．１であることを特徴とする。

本発明においては、鋼線材を切断する際に、切断刃は受け刃の方向へ向かう速度Ｖａとコイリングされた鋼線材の軸方向へ向かう速度Ｖｃとを備える軌跡をなすから、鋼線材は、切断するときも例えば速度Ｖｃに近い速度で送り続けることができる。したがって、加熱機構による鋼線材の加熱時間のばらつきが抑制され、鋼線材の加熱温度がより均一となる。

ここで、鋼線材を切断するときに鋼線材の送り速度を遅くすることもできる。しかしながら、鋼線材を切断する際の鋼線材の送り速度が極端に遅いと、切断時の加熱温度とそれ以外のときの加熱温度に大きな差が生じる。このため、熱間成形されるコイルばねの部位によって温度差が生じ、コイルばね個体内での品質（形状、組織など）が不均一となる。あるいは、温度差がより大きい場合には、過剰加熱により線材が座屈する。したがって、切断する際の鋼線材の送り速度は、それ以外のときの送り速度の５０％以上であることが好ましく、より好ましくは９０％以上がよい。

本発明においては、鋼線材を切断する際の鋼線材の送り速度をＶｗとすると、Ｖｃ＞Ｖｗとする。すなわち、鋼線材の送り速度Ｖｗよりも切断刃の同方向へ向かう速度Ｖｃが小さいと、鋼線材の切断面が切断刃の逃げ面によって押圧されるため、鋼線材が座屈してコイリングが不可能となる。１．１＞Ｖｃ／Ｖｗ＞１では、鋼線材の切断面が切断刃の逃げ面によって押圧される度合いが低減されるため、コイリングは可能であるが、端末のコイル径の真円度が悪化する。したがって、このような不都合を確実に回避するために、本発明においては、Ｖｃ／Ｖｗ≧１．１とする。また、２．５≧Ｖｃ／Ｖｗであることが望ましい。Ｖｃ／Ｖｗが２．５を超えても更なる改善は期待できない一方、切断刃を高速で移動させるための設備費用が割高となる。

切断刃の鋼線材の軸方向へ向かう速度Ｖｃは、鋼線材を切断するまで一定であってもよい。切断刃が受け刃の方向へ向かう速度Ｖａが一定の場合には、切断刃は鋼線材に対して斜めに直線的に移動する。あるいは、切断刃は、楕円や円を描くように移動させることもできる。

まず、加熱機構は高周波加熱機構であることが望ましく、鋼線材と同心となるように配置される加熱コイルのコイル長は１００〜３５０ｍｍであることが望ましい。加熱コイルのコイル長が１００ｍｍ未満であると、鋼線材を内部まで均一に加熱するための十分な加熱能力を確保できず、鋼線材の供給速度が速い場合や、鋼線材径が太い場合には鋼線材をオーステナイト域まで昇温することが困難となる。そして、加熱コイルのコイル長を１００ｍｍ以上としてオーステナイト域まで２．５秒以内で昇温させることにより、オーステナイト結晶粒の粗大化が抑制されるとともに、急速加熱による微細化効果が得られる。これにより、耐久性に優れたばねの製造が可能となる。なお、コイルばねは、オーステナイト域まで加熱しコイリングした後に焼入れされ、その後焼戻しされる。

一方、加熱コイルのコイル長が３５０ｍｍを超えると、鋼線材を支持しているフィードローラとワイヤガイドとの間の距離も長くなるため、その間、すなわち加熱コイルの中において鋼線材がうねって座屈が生じるおそれがある。

上記のような加熱コイルを配置するために、フィードローラと受け刃との間の空間距離は２００〜５００ｍｍであることが望ましい。フィードローラと受け刃との間の空間距離が２００ｍｍ未満であると、十分な加熱能力を有する長さの加熱コイルと、鋼線材をコイリング加工部の適切な位置へ誘導するためのワイヤガイドを備えるための領域を確保することができない。一方、フィードローラと受け刃との間の空間距離が５００ｍｍを超えると、ワイヤガイドの長さを必要以上に長くしなければならなくなるため非経済的である。

本発明によれば、鋼線材の切断時に鋼線材の送りを停止することなく連続的に切断することができ、鋼線材をより均一に加熱することができ、また、熱間成形によってバルブスプリングクラスのばねを成形することができる等の効果が得られる。

本発明の実施形態におけるコイリングマシンの側面図である。 本発明の実施形態におけるコイリング機構の側面図である。 本発明の実施形態におけるコイリング機構の斜視図である。 本発明の実施形態における切断刃の軌跡を示す側面図である。

以下、本発明の実施形態を図１〜図４を参照して説明する。図１において符号１０は線材供給機構である。線材供給機構１０は、水平方向に連設された複数のフィードローラ１１を備えている。フィードローラ１１の間には、鋼線材Ｗを案内するワイヤガイド１２が配置されている。

線材供給機構１０の下流側には、加熱機構２０が配置されている。加熱機構２０は、鋼線材Ｗと同軸に配置された螺旋状の高周波加熱コイル２１を備えている。高周波加熱コイル２１は、鋼線材Ｗを２．５秒以内でオーステナイト域に昇温させる。なお、高周波加熱コイル２１は図１に示すような螺旋状のものに限らず、側方が開放された軸断面がコ字状のものなど、加熱性能と段取性を考慮して適宜相応な形状のものを用いればよい。

加熱機構２０の下流側には、コイリング機構３０が配置されている。図において符号３１はワイヤガイドであり、ワイヤガイド３１は、フィードローラ１１により供給された鋼線材Ｗをコイリング機構３０の適切な位置に誘導する。ワイヤガイド３１の下流側には、コイリングピン（もしくはコイリングローラ）からなる２つのコイリングツール３２と、ピッチを付けるためのピッチツール３３が配置されている。ワイヤガイド３１を抜けた鋼線材Ｗは、最初のコイリングツール３２に当接して所定の曲率で曲げられ、さらに下流のコイリングツール３２に当接して所定の曲率で曲げられる。そして、鋼線材Ｗは、ピッチツール３３に当接して、所望のコイル形状となるようにピッチが付与される。なお、コイリングツール３２は、１つのコイリングピン（もしくはコイリングローラ）の形態のものも用いることができる。

図において符号４０は切断機構である。切断機構４０は、図示しないクランク機構によって上下方向に移動可能とされた切断刃４１を備えている。また、切断刃４１は、図示しない移動機構により水平方向にも移動可能とされている。これにより、切断刃４１は、図４（Ａ）に示すように、下降するときには下方へ向かう速度Ｖａと水平方向（図中左方向）へ向かう速度Ｖｃをもった運動をし、切断刃４１の刃先４１ａは、鋼線材Ｗに対して斜め下方へ向けて直線の軌跡をもって突入する。また、速度Ｖｃは、鋼線材Ｗの切断時の送り速度Ｖｗよりも速く設定されている。

切断刃４１の下方には受け刃４２が配置されている。受け刃４２は、下刃の機能をなすもので、図３に示すように切断機構４０内において片持ち状態で支持されている。そして、鋼線材Ｗがコイリングツール３２によって曲げられて所定の巻数となったところで切断刃４１が下降し、受け刃４２の直線部分との間でせん断によって切断して、後方より供給される鋼線材Ｗとコイリングされた鋼線材Ｗとが切り離される。なお、切断刃４１は、図４（Ａ）に示すように、鋼線材Ｗを切断するとそれまでの移動方向とほぼ直角方向に逃げて鋼線材Ｗとの干渉を回避する。

上記構成のばね成形装置にあっては、鋼線材Ｗを切断する際に、切断刃４１は下方へ向かう速度Ｖａと水平方向へ向かう速度Ｖｃとを持った軌跡をなし、鋼線材Ｗは、その送りを停止させることなく速度Ｖｗで送られる。したがって、加熱機構２０による鋼線材Ｗの加熱時間のばらつきが抑制され、鋼線材Ｗの加熱温度がより均一となる。そして、鋼線材Ｗが送られて加熱およびコイリングされるときの送り速度に切断時の速度Ｖｗが近ければ近い程、鋼線材Ｗの加熱時間のばらつきがより一層抑制される。

特に、上記実施形態においては、切断刃４１は、下方へ向かう速度Ｖａと水平方向へ向かう速度Ｖｃをもった運動をするが、鋼線材Ｗの切断時の軸方向の送り速度ＶｗはＶｃよりも小さい。これにより、切断刃４１は鋼線材Ｗの切断面よりも速い速度で送り方向へ進み、このため切断刃４１の逃げ面４１ｂに鋼線材Ｗの切断面が押圧されることなく、切断面の変形が防止され、コイル径の真円度が向上する。

なお、上記実施形態では切断刃４１は斜め下方に向かう直線運動をするが、これに限定されるものではなく、切断刃４１は任意の運動をするように構成することができる。たとえば、図４（Ｂ）に示すように、切断刃４１が楕円運動をするように構成してもよい。あるいは、図４（Ｃ）に示すように、円運動をするように構成してもよい。このような切断刃４１の運動は、上死点と下死点との間の往復運動において切断刃４１をガイドすることで実現することができる。

次に、本発明の好ましい態様の数値限定を検証した実施例について説明する。実施例におけるばね成形装置および作製ばねの条件は以下のとおりである。

・加熱コイル長：１７０ｍｍ
・フィードローラと受け刃の間の空間距離：４００ｍｍ
・高周波加熱コイルの発振周波数：２００ｋＨｚ
・コイル成形時の鋼線材の送り速度：４０〜５０ｍ／分
・コイル切離時の鋼線材の送り速度：８〜５０ｍ／分
・切断刃の水平方向の速度Ｖｃ：４０〜１２０ｍ／分
・鋼線材径：２〜５ｍｍ
・加熱温度：９００℃
・コイル平均径／鋼線材径：６．０
・巻数：５．７５巻

［実施例１］
表１にコイル切離時の鋼線材の送り速度を８〜５０ｍ／分の範囲で変化させて作製したコイルばねの結晶粒度とコイル外径を示す。発明例のうち、鋼線材の送り速度が切離時（a）と成形時（b）で同じ場合と切離時（a）が成形時（b）の９０％の場合では、試料の結晶粒度は両端部と有効部で差が無く、粒度番号は１２．２となった。また、コイル外径はコイルの両端部と有効部で同じであった。また、切離時（a）の鋼線送り速度が成形時（b）の５０％の場合では、粒度番号は１０．５で充分であり、コイルの両端部と有効部でのコイル外径の差は許容範囲であった。したがって、鋼線材を切断する際の鋼線材の送り速度はコイリング時の送り速度の５０〜１００％であることが好ましく、より好ましくは９０〜１００％であることが確認された。

一方、切離時（a）の鋼線送り速度が成形時（b）の５０％未満である比較例では、コイルの両端部と有効部の加熱温度差が大きくなり、両端部で過剰に加熱されるため、結晶粒は粗大化し、粒度番号は１０以下となった。また、コイル外径は、０．４ｍｍ以上の差が生じ、要求品質を満足するものが得られなかった。特に、切離時（a）の鋼線送り速度が成形時（b）の２０％である比較例では、座屈が生じてコイリングは不可能であった。

［実施例２］
表２にＶｃ／Ｖｗを１．００〜３．００の範囲で変化させて作製したコイルばねの巻始側端末のコイル径の真円度を示す。

Ｖｃ／Ｖｗが１．０５〜２．５０である発明例１〜９では、鋼線材径が２〜５ｍｍ（本発明においては、鋼線材の横断面の面積から算出した真円とした場合の直径であり、角形や楕円などの非円形断面も含めた円相当直径が２〜５ｍｍの場合を含む）において、真円度が０．９９５〜１．０００でコイリングが可能であった。特にＶｃ／Ｖｗが１．１０〜２．５０である発明例１〜８では、真円度が１．０００であり、端末変形が全く無くコイリング可能であった。

表２に示す例以外では、鋼線材径は、１．５〜９ｍｍまで熱間コイリングが可能である。すなわち、鋼線材径が１．５ｍｍ未満の場合には、鋼線材としての強度が低いためコイリング中に変形したり座屈したりしてコイリングができないことがある。したがって、歩留まりを向上させる上で鋼線材径は１．５ｍｍ以上であることが望ましいが、コイリング中の変形や座屈をより確実に防止して歩留まりを一層向上させるためには、鋼線材径は２ｍｍ以上がより望ましい。

一方、鋼線材径が９ｍｍを超える場合は、負荷応力が高い鋼線材の表面近傍から鋼線材の内部にかけて、不完全焼入れ部が残存する。したがって、鋼線材径は９ｍｍ以下であることが望ましい。鋼線材径が５ｍｍを超え９ｍｍ以下の場合には、鋼線材の中心部近傍に不完全焼入れ部が残存するが、鋼線材中心部近傍は負荷応力が低いため、コイルばねとして使用する上での問題は無い。ただし、鋼線材内部まで全域に亘り均質な組織を有するばねを成形するために鋼線材径は５mm以下がより望ましい。

Ｖｃ／Ｖｗが１．００である比較例１０では、鋼線材の座屈が生じ、コイリングが不可能であった。Ｖｃ／Ｖｗが３．００の発明例８では、真円度は発明例１〜７と同じであるが、Ｖｃを高くするための設備がオーバースペックとなって非経済的である。すなわち、発明例８では、切断刃を駆動するモータを高性能なものとする必要があり、経済的ではない。よって、Ｖｃ／Ｖｗは、発明例１〜７、９のように１．００を超え２．５０以下であることが望ましく、精度（真円度）の高いコイルばねを成形するためには、発明例１〜７のように１．１０〜２．５０であることがより望ましい。

１０…線材供給機構、１１…フィードローラ、２０…加熱機構、２１…高周波加熱コイル、３０…コイリング機構、３１…ワイヤガイド、３２…コイリングツール、３３…ピッチツール、４０…切断機構、４１…切断刃、４２…受け刃、Ｗ…鋼線材

Claims (7)

1. 複数対のフィードローラにより円相当直径が１．５〜９ｍｍの鋼線材を供給する線材供給機構と、前記鋼線材を加熱する加熱機構と、加熱された前記鋼線材をコイル状に成形するコイリング機構と、所定巻数コイリングされた前記鋼線材を後方の前記鋼線材と切離する切断機構とを備え、
   前記コイリング機構は、前記フィードローラにより供給された前記鋼線材を加工部の適切な位置へ誘導するためのワイヤガイドと、前記ワイヤガイドを経由して供給された前記鋼線材をコイル形状に加工するためのコイリングツールと、前記コイル形状のピッチを付けるピッチツールとを備え、
   前記切断機構は、所定巻数コイリングされたコイルを後方の前記鋼線材と切離する切断刃と、該切断刃と対向配置されて前記鋼線材を支持する受け刃とを備え、
   前記加熱機構により鋼線材を加熱する領域が前記フィードローラと前記ワイヤガイドとの中間に設けられ、
   前記切断刃は、前記鋼線材を切断する際に、前記受け刃の方向へ向かう速度Ｖａと、コイリングされた前記鋼線材の軸方向へ向かう速度Ｖｃとを備える軌跡をなし、
   前記鋼線材を切断する際の該鋼線材の送り速度をＶｗとしたときに、Ｖｃ／Ｖｗ≧１．１であることを特徴とするばね成形装置。
2. 前記フィードローラと前記受け刃との間の空間距離が２００〜５００ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載のばね成形装置。
3. 前記加熱機構が高周波加熱を用いており、前記鋼線材と同心となるように配置される加熱コイルのコイル長が１００〜３５０ｍｍであることを特徴とする請求項１または２に記載のばね成形装置。
4. 前記切断刃が前記鋼線材を切断する際の鋼線材の送り速度は、それ以外のときの前記鋼線材の送り速度の５０〜１００％であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のばね成形装置。
5. 前記切断刃が前記鋼線材を切断する際の鋼線材の送り速度は、それ以外のときの前記鋼線材の送り速度の９０〜１００％であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のばね成形装置。
6. 前記鋼線材を切断する際の該鋼線材の送り速度をＶｗとしたときに、２．５≧Ｖｃ／Ｖｗであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のばね成形装置。
7. 円相当直径が１．５〜９ｍｍの鋼線材を送りながら加熱する加熱工程と、
   加熱された前記鋼線材をコイル形状にコイリングするコイリング工程と、
   所定巻数コイリングされたコイルを後方の前記鋼線材と切離する切断工程とを備え、
   前記切断工程は、受け刃と、この受け刃に対して接近離間する切断刃によって行い、前記切断刃は、前記コイルを切断する際に、前記受け刃の方向へ向かう速度Ｖａと、コイリングされた前記鋼線材の軸方向へ向かう速度Ｖｃとを備える軌跡をなし、
   前記鋼線材を切断する際の該鋼線材の送り速度をＶｗとしたときに、Ｖｃ／Ｖｗ≧１．１であることを特徴とするばね成形方法。

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