JPS6032529B2 - テ−パ−材の製造方法並びにその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は断面が丸形若しくは角形などのロッド状または
パイプ状のテーパ材の製造方法並びにその装置に係り、
特に軸方向に直径の変化するテーパー材を所定の金属素
材から材料の。

スを少なくし且つ極めて高能率に、生産性高く製造し得
る方法と装置を提供するものである。近年、自動車や鉄
道車両などの乗心地改善のために、従来の線径が一定な
コイルバネに代って、軸万向に直径の変化するテーパー
ロッド（テーパー材）を使用したテーパーコィルバネが
普及してきた。

このテーパーコィルバネは、荷重に対して従来のコイル
バネの一定割合の高さ変化に比し、非線型的な高さ変化
を行なうバネ特性を有しており、これが上記乗心地の改
善に大きく寄与しているのである。ところで、このよう
な優れた特性を示すテーパーコィルバネ等に用いられる
テーパ−材は、従来より、主として切削加工手法にて所
定の線材あるいは樺材などの金属素材を所望のテーパー
形状に切削することによって製造されているが、あくま
でも金属素材を切削するものであるが故に、材料のロス
が大となることは避けられず、またその切削加工作業に
長時間を要してその生産性を著しく悪化せしめている。

また、その他、スウヱージングマシンを使用してロータ
リースウェ−ジング方式と称される熱間鍛造手法による
製造方法も一部では採用されているが、この方法でも、
材料のロスが少なくなる利点がある反面、依然としてテ
ーパ−加工に長時間を要するという問題は解決されてい
なかったのである。

このように、従来のテーパー材の製造手法はいずれも生
産性の低いものであったのであり、また当然のことなが
らかかる問題を解決し得るに有効な装置も開発されては
いなかったのである。

このため、本願出願人は、先に特願昭５５−３４３４５
号として従来とは全く異なる観点に立つ新しいテーパー
材の製造手法を提案した。この新しい製造手法は「所定
の金属素材に対してその軸方向に温度勾配を付与し、そ
してかかる温度勾配のある素材に引張力を加えることに
より、かかる温度勾配に応じて該素材の軸方向に直径の
変化した７ーパー部分を形成せしめるようにしたもので
あり、これによって従来から問題とされていた材料ロス
の解消は勿論のこと、テーパ一部分の一挙の形成による
加工時間の著しい短縮が可能となりその作業能率、ひい
ては生産性が著しく高められ得ることとなったのである
。本発明者らは、かかる事実に鑑み、上記新しい７ーパ
ー材の製造手法を実施するに好適な方法、装置について
更に検討を進めた結果、ここに本発明を確立するに至っ
たのである。

すなわち、本発明は、 線状の金属素材の軸万向の二点間に電流を流して直接通
電加熱すると同時に、該二点間に形成された複数の冷却
ゾーンのそれぞれにおける冷却量をそれぞれ制御せしめ
ることにより、該二点間の金属素材に所定の温度分布を
付与せしめた後「該二点間に引張力を作用させて、該金
属素材の敵方向に直径の変化したテーパ一部分を形成せ
しめるにあたり、該金属素材の二点間にいずれかの箇所
における表面温度を測定し、その得られる温度データに
基づいて通電加熱量を制御せしめて、該温度測定箇所の
加熱温度が目標とする温度となるように調節せしめるこ
とを特徴とするものであり、これによって材料歩蟹りが
著しく向上され、且つ加工時間が短縮され得ることとな
ったことば勿論、実用的プロセスとして、目標とするテ
ーパー形状により近付けることが出来、また最終的に目
的とするテーパー形状に合致したテーパ−村が極めて容
易に得られることとなったのである。

以下、図面に示す実施例に基づいて本発明を更に詳細に
説明する。

第１図及び第２図において「 １は丸樺鋼材であり、そ
の両端部がチャック２，２′にてそれぞれ掴まれ、油圧
シリンダなどの適当な手段（図示せず）によってそれら
チャック２，２′の間隔が離隔される方向に、換言すれ
ば該丸棒１の長さが長くなる方向（矢印Ａで示す）に引
張せしめられるようになっている。

また、これらチャック２，２′は該丸棒１を直接通電加
熱するための接点としての機能をも併せ有しており、電
力調節器５を介して導かれた所定の電流が該チャック２
，２′から丸棒１内を流されることによって、該丸榛ｉ
が直接通電加熱されるようになっているのである。そし
てトこれらチャック２，２′間の丸棒１に対して、それ
ぞれ所定長さの冷却ゾーンを形成する断面Ｃ字形のＮ個
の風冷冷却器Ｃ，〜ＣＮが、その軸方向に配列、設置さ
れ、それぞれ該丸棒１の軸方向の各部位に対して所定の
冷却作用が及ぼされるようになっている。即ち、これら
風冷冷却器Ｃ，〜ＣＮには気体供給装置（コンブレッサ
）４からそれぞれの通路Ｐ．〜ＰＮを通じて冷却気体（
例えば空気）が流量調節器Ｓ，〜ＳＮによる風量調節下
に導かれ、以てそれぞれの冷却器に対する丸棒１の各部
位に対してそれぞれ所定の冷却作用を為すのである。ま
た、チャック２，２′にてチャックされた丸棒１の中央
部に位置する冷却器にｍに対応する該丸棒１部分の表面
温度が少なくとも測定され得るように、該丸棒１の表面
温度をその長さ方向に亘つて検出することが可能なしン
ズ６とイメージ・センサー７からなる公知の温度検出器
が配備され、該丸棒１の表面から出る放射ェネルギを集
光してその温度に応じた信号として出力するようになっ
ている。

そして、該温度検出器６，７から出力される、該丸棒１
の表面温度に応じた信号は、温度変換器９に入力され、
そこで所定の電気的信号に変換された後、それぞれ電力
調節器５及び冷却制御装置８に導かれるのである。電力
調節器５では、かかる入力される温度信号に基づき、そ
こにセットされている制御値、換言すれば当該側温場所
における目標とする加熱温度に従って丸棒１に流される
電力が制御される。また、冷却制御装置８では、該温度
変換器９から入力される電気的信号に基づき、該装置８
にセットされている制御パターンに従って所定の指令が
モータＭ，〜ＭＮに出され、そして各モータＭ，〜ＭＮ
によって流量調節器Ｓ．〜ＳＮがそれぞれ作動せしめら
れることにより、各冷却器に，〜ＣＮに導かれる風量ｖ
，〜ｖＮがそれぞれ調節され、以て丸棒１の車由方向に
対する所定の冷却「換言すれば所定の制御加熱が行なわ
れて、そこに所定の温度分布が付与せしめられるように
なっているのである。従って、かかる構成において、冷
却器（装置）Ｃ．，Ｃ２…を奇数個Ｎだけ配置した場合
を例にとって説明するならば、先ず丸榛１の中央部の位
置ｍ部分の温度が加熱制御（通電加熱量による制御）に
よって調節せしめられる。

この加熱制御は目標値Ｔｍとなるように電力調節器５に
よって、当該中央部の表面温度の検出器６，７における
検出値（温度データ）に従う温度変換器９からの入力値
に基づいて、丸榛１に通電する電力をＰｍ制御すること
によって行なわれる。そして、この丸棒１の中央部に対
する加熱制御をもって、該丸棒１全体の加熱状態が把握
されることとなるが、特に直接通電加熱が丸棒１の中央
部に最も高い加熱領域を形成せしめる特性があるところ
から第３図ａに示される如き中央部に高い山形の温度分
布（パターン）を丸棒１に形成せしめる場合には、上記
の如き丸棒１の中央部に対する加熱制御手法が好適に採
用されるのである。尤も、中央部以外の丸棒１の他の部
分（箇所）の表面温度を検出し、該丸棒１全体の加熱状
態を推定して加熱制御することも可能であり、また丸棒
１に付与される温度パターンが変われば、一般に表面温
度の検出箇所も変えられ、更に必要に応じて丸棒１の複
数箇所において表面温度を検出して、所定の目標値に対
する加熱制御を行なうことも可能である。なお、かかる
丸棒１の中央部ｍの最高温度部分を基準とした加熱制御
において、該中央部ｍ位置に対する冷却制御（通電加熱
＋風冷）は通常は行なわれない。ｍ位置での温度Ｔｍが
大中にオーバーシュートしたときのみ通路Ｐｍを通じて
冷却気体が冷却器Ｃｍ内に吹き込まれることとなる。尤
も、温度パターンによっては、通電加熱と風冷を併用し
てｍ位置の加熱制御、ひいては丸榛１の他の位置の加熱
制御を行なうのが望ましい場合もある。また、ｍ位置以
外の温度は、通常はｍ位置の温度Ｔｍが目標値Ｔｍ‘こ
達した時点から冷却によつて調節される。

これは、ｍ位置が最高加熱温度位置であるからである。
勿論、、必要に応じてかかるｍ位置以外の温度が加熱開
始時点から嵐冷による冷却制御下の加熱制御によって調
節せしめられても何等差支えない。冷却は、モータＭ，
，地，…ＭＮによって流量調節器Ｓ，，・・・，ＳＮの
開閉弁あるいはスリットの開閉度を調節して冷却器Ｃ，
，…，ＣＮに送る冷却気体（空気）の流量ｖ，，・・・
，ｖＮを制御することによって、行なわれる。また、各
冷却器Ｃ，，…ＣＮへの冷却気体の流量（供給量）はそ
れぞれの温度パターンに応じて、予め実験などによって
設定され得るものである。このように、丸棒１に流され
る電流が「実際の丸棒１の表面温度を測定しつつそれが
目標温度値となるように、制御されることにより、該丸
綾１に対しては直接通電加熱における実質的な加熱制御
が行なわれることとなり、そして軸方向に配列された多
段の冷却器に，，・・・，ＣＮでは、それぞれ予め設定
された量の冷却気体の吹込みにより冷却量が変化せしめ
られ、そこに加熱制御並びに冷却制御の併用による、例
えば第３図ａに示される如き温度パターンの有効な形成
が可能となったのである。そして、このような温度分布
を有する素材（丸棒１）に、チャック２，２′を介して
「それらの間に所定の引張力を作用させればト該素材の
各部分の伸びが異なるために、換言すれば温度の高い部
分では伸びが大きく、一方温度が低い部分では伸びが小
さく、それ故かかる伸びの大きい部分の直径は小さく、
また伸びが小さい部分においては直径はそれぞれ減少せ
ず、比較的大きな直径のままとなるために、結果的に第
３図Ｍこ示される如きテーパ一部ｌａの付いたテーパ−
材官′が得られることとなるのである。

なお、かかる構成によれば、切削などによって材料を捨
てることがないので材料歩鰯りがなくなることは勿論、
加熱制御と冷却制御の組合せによって一挙に所望の温度
パターン（勾配）が付与され、そして一段の引張操作に
よって一挙にテーパー部分が形成せしめられるので加工
時間も著しく短縮され得、以てテーパー材の製造コスト
が効果的に低下せしめられ得たのである。また「かかる
構成にあっては「加熱制御の基準となった丸棒１の側塩
位置ｍの温度は、目標値Ｔｍの温度に正確に制御される
こととなるが、その他の丸棒１位置（部分）の温度は予
め実験等で求められている冷却器に，，・・・，ＣＮに
よる冷却量と通電加熱量とによって調節されるため、該
他の丸棒１位置における目標温度値と実際の加熱温度と
の間にいくらかのズレを生じ易く、それ故該丸榛１に付
与される実際の温度分布が目標とする分布形状から外れ
る場合があるので、本発明では、特に好適には、各冷去
に，，・・・，ＣＮへ導かれる冷却気体のそれぞれの流
量の設定も、温度検出器６，７にて測定される温度デー
タに基づいて行なわれるのである。尤も、この冷却制御
も、先の加熱制御と同様に、当該丸棒１に対する温度分
布与時に同時に行なうのが理想的であるが」通電加熱が
数秒間のオーダーで終了してしまうことや、風袷などに
よる丸榛１の冷却速度が遅いことなどから、本発明では
、一つの加熱、引張操作によるテーパー形成工程におい
て得られた温度データに基づいて、次回のテーパー形成
工程における冷却量を制御する手法が採用されることと
なるのである。このようにしても、多数回のテーパー形
成工程において、その回を重ねるに従って、目標とする
温度分布により近付けることが出来、以て最終的に目的
とするテーパ−形状に合致せしめ得るのである。なお、
このためにト第１図及び第２図に示す実施例にあっては
、温度検出器６，７は丸棒１の軸方向の複数箇所の表面
温度を測定し得るようになっており、また冷却制御装置
８からの指令が一つのテーパー形成工程（サイクル）が
終る裏に出されて次回のテーパー形成工程における各冷
却器に，，…，ＣＮでの冷却量の制御が行なわれ得るよ
うになっている。換言すれば、冷却気体の流量の設定は
、一つのテーパー形成工程における丸棒１の加熱、昇温
の都度変更されるが、加熱・昇溢中は変更されない間欧
的な制御によって行なわれるようになっているのである
。より具体的には、各冷却器に，，・・０，ＣＮへの冷
却気体のそれぞれの流量の設定は例えば次のようにして
行なわれる。

丸棒１のｉ位置の冷却について説明するならば、先ず前
回のテーパ−形成工程での冷却制御の結果得られたｉ位
置での丸棒１の温度Ｔギ‐１、またｉ−１，ｉ＋１位置
での温度をそれぞれＴにデ，ＴＲ３とする。また、これ
と各１，ｉ−１，ｉ＋１位置の目標温度Ｔｉ、Ｔｉ−，
，Ｔｉ＋，との偏差を各々ｅｒ‐１，ｅも１，ｅＡｒと
する。この関係が第４図に図示されている。第４図中、
破線で示したものが目標とする温度分布であり、実線で
示したものが前回の制御結果の分布データである。そう
すると、冷却器Ｃｉへの次回の冷却気体流量ｖｒを決め
るモーターＭｉの設定値ｕｒは、次の式を冷却制御装置
８にて演算することによって決定されるのである。

ｕｒ＝ｕｒ−１十ｋｅｒ‐１十ｋ′（ｅｒ：ｆ＋ｅ柚１
）なお、ここでｕｒ‐１は前回の冷却制御時におけるモ
−夕Ｍｉの設定値であり、ｋ，ｋ′は調節の定数である
。従って、各冷却器に，，…，ＣＮに対応する丸棒１の
各部位の表面温度を測定しておけば、上記手法に従って
演算が可能であり、そしてそれによって次回のテーパー
形成工程では目標とする温度分布に合致するより正確な
冷却制御を為し得ることとなるのである。

また、このように丸棒１の各部位の表面温度を測定して
それぞれ演算するのに代えて、単に丸棒１の複数箇所（
部位）の温度を測定するだけにして、その得られた温度
データから実際の温度分布を外挿し、そしてその温度分
布から目標とする温度分布に対する各冷却器Ｃ，，・・
・，ＣＮでのそれぞれの冷却量（冷却気体量）を求める
ようにすることも可能である。そして、かくの如き冷却
制御は、目標温度分布に達したとき、最卓設定の変更は
行なわれず、そのままの設定条件下にてテーパ−形成工
程が繰り返えされるのであり、以て目的とするテーパー
形状の製品が得られるのである。

また、本発明の更に優れた実施例が、第５図に示されて
いる。

これまでの実施例では、丸棒１の表面温度を基準にして
テーパー形状のコントロールを行なっているが、第５図
の装置では、実際に得られるテーパー形状の寸法データ
をも入力してより実際のテーパー形状に合致する冷却制
御を行なうとするところに特徴がある。前例と同様な部
分には同一の符号を付して説明を省略することとして異
なる部分についてのみ説明する。なお、３は前例と同様
なしンズとイメージ。センサーとを含む温度検出器であ
り、丸樺１の軸万向に配列された冷却器Ｃのそれぞれに
は、冷却制御装置８からの指令に基づいて制御された所
定量の冷却気体が導かれるようになっている。かかる第
５図の装置において「一つのテーパ−形成工程において
形成されたテーパ一部分（製品）は、寸法測定装置１川
こおいてその実際の寸法（テーパ−形状）が測定される
。

そして、この得られた寸法デー外ま温度パターン調節装
置１１に入力され、そこにおいて目標とする温度パター
ン（分布）の調節（修正）が行なわれる。より具 ‐体
的には、該温度パターン調節装置１ １にセットされて
いる目標寸法パターンと、入力される実際の寸法データ
とを比較し、そしてそれに基づいて、これまでの冷却制
御の基準となっていた温度パターン（分布）を修正する
ものであり、これによってテーパー寸法と温度分布との
間の対応関係をより一層向上せしめるのである。これは
、実験などで求められる目標寸法パターンに対する温度
パターンの関係が、必ずしもそれらの実際の関係に完全
に一致せず或は何等かの要因によって変動したりするか
らである。ついで、かかる温度パターン調節装置１１に
おける温度パターン調節情報は、冷却制御装置８に入力
され、そして、そこにおいて、修正された温度パターン
（分布）を基準として温度変換器９から入力される温度
データに基づいて次回のテーパー形成工程における各冷
却器Ｃへの冷却気体流量のそれぞれの制御指令が行なわ
れるのである。このように、実際のテーパー形状からの
寸法データを入力し、そしてそれに基づいて目標とする
温度パターンの修正を行なって、次回のテーパー形成工
程における冷却制御の基準とすることにより、実際のテ
ーパ−形状と温度パターンとの間の相関関係がより向上
せしめられ、それ故目標とするテーパー形状により近似
したテーパー材が得られることとなったのであり、また
かかる温度パターンの修正ステップの繰返し、換言すれ
ばテーパー形成サイクルの繰返しにより、最終的に目標
とするテーパー形状に完全に一致したテーパー材が得ら
れることとなったのである。

なおトかくの如き寸法デー外こ基づく温度パターンの修
正ステップの繰返し１こよって目標とする形状のテーパ
−材が得られるようになった後は、最早温度パターンの
修正は行なわれず、従って寸法データの測定は行なわれ
ることなく、先に述べたように、単なる加熱制御のみに
よるテーパー形成サイクルの操返しか「或は加熱制御と
共に、固定された温度パターン（最終的に修正されたも
の）による冷却制御を併用したテーパー形成サイクルの
繰返しで実施されるのである。なお、本発明は「上記例
示の具体例にのみ限定されるものでは決してなく、本発
明の趣旨を逸脱しない限り‘こおいて当業者の知識に基
づいて種々なる変更、改良等を加え得るものである。

例えば、本発明に従ってテーパー化される線状の金属素
材は一般に線村乃至は榛材、或は中空状のパイプ材の形
態を為しまた丸材の他「角材などであってもよく、更に
材質としては通常鋼材からなるものであるが、他の非鉄
金属系の材料からなるものであっても何等差支えない。

そしてもこのような金属素材に対して本発明に従って付
与される温度分布は該素材の材質、寸法ｔ加熱温度、引
張条件などや「 目的とするテーパー形状によって適宜
決定されることとなる。また、本発明はち上例の如く所
定長さの金属素材をそれぞれチャックにセットし、加熱
「引張せしめる方式の他、コイルなどの長尺の連続した
金属素材を’順次所定長さだけ前進せしめ、そして本発
明に従ってテーパー成形加工する方式をも採用すること
が出釆、特に後者の方式によれば所定の間隔をおいてテ
ーパ一部分が形成された製品が連続的に得られ、それ故
かかる製品を必要に応じて適当な部分で切断するように
すれば、定長のテーパ−線村を有利に得ることが出来る
のである。

さらに、上例では、丸棒１の全長に亘って各部位の表面
温度の測定が可能なイメージ・センサー７としンズ６を
含む温度検出器が用いられているが、これに代えて他の
適当な温度検出器を、表面温度の測定が必要な丸棒１の
所定の部位に、或は風冷冷却器Ｃ，，…７ ＣＮの一つ
若しくはその複数個に設けて、必要な温度データが検出
されるようにすることも可能である。加えて、冷却器に
，，・・・？ ＣＮとしても、上例の如き空冷式「特に
空気の吹き込みによる空冷式の他、他の適当な冷却気体
を使用する方式であってもよく「また風冷式以外の他の
適当な冷却方式であっても何等差支えないものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す配置図、第２図は第１
図における０一０断面視図、第３図ａは丸棒の加熱温度
パターンの一例を示すグラフ、第３図ｂは第３図ａの温
度パターンによって得られるテーパ−材の形状を示す正
面図、第４図は目標温度パターンと実測温度データ（パ
ターン）との関係を示すグラフ、第５図は本発明の他の
実施例を示す配置図である。 】：丸榛鋼材「 ２， ２′：チャック、３：温度検出
器「 ４：気体供給装置、５：電力調節器、７三イメー
ジ・センサー、８：冷却制御装置、９：温度変換器、１
０：寸法測定装置「 １１：温度パターン調節装置、Ｃ
，，…，ＣＮ：風冷冷却器、Ｓ，．…，ＳＮ：流量調節
器、Ｍ，，・・・，ＭＮ：モータ。 第１図 第２図 第３図〔ａ） 第３図（ｂ） 第４図 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 線状の金属素材の軸方向の二点間に電流を流して直
   接通電加熱すると同時に、該二点間に形成された複数の
   冷却ゾーンのそれぞれにおける冷却量をそれぞれ制御せ
   しめることにより、該二点間の金属素材に所定の温度分
   布を付与せしめた後、該二点間に引張力を作用させて、
   該金属素材の軸方向に直径の変化したテーパー部分を形
   成せしめるにあたり、 該金属素材の二点間のいずれか
   の箇所における表面温度を測定し、その得られる温度デ
   ータに基づいて通電加熱量を制御せしめて、該温度測定
   箇所の加熱温度が目標とする温度となるように調節せし
   めることを特徴とするテーパー材の製造方法。 ２ 前記表面温度の測定が、前記金属素材の二点間の中
   央部分において行なわれる特許請求の範囲第１項記載の
   方法。 ３ 前記通電加熱量の制御と共に、前記表面温度の測定
   を該金属素材の二点間の複数箇所で行ない、そしてその
   得られた温度データーに基づいて、次回のテーパー形成
   工程におけるそれぞれの冷却ゾーンでの冷却量を制御す
   るようにした特許請求の範囲第１項記載の方法。 ４ 加熱、引張して形成されたテーパー部分の実際の寸
   法を測定し、この得られた寸法データに基づいて目標と
   する温度パターンを調節し、そしてかかる調節された温
   度パターンに従つて前記温度データに基づく次回のテー
   パー形成工程におけるそれぞれの冷却ゾーンの冷却量制
   御を行なうようにした特許請求の範囲第３項記載の方法
   。 ５ 線状の金属素材をその軸方向の二点でチヤツクし、
   該二点間の長さが長くなる方向に引張せしめる引張機構
   と、 該金属素材の二点間に所定の電流を流して直接通
   電加熱せしめる通電機構と、 該金属素材のチヤツクさ
   れた二点間に配列され、それぞれの冷却量が調節され得
   るように構成された多段の冷却手段と、 該金属素材の
   二点間の少なくとも一箇所における表面温度を測定し得
   る測温手段と、 該測温手段からの入力に基づいて、前
   記通電機構による通電加熱量を制御する加熱制御機構と
   を、含むことを特徴とするテーパー材の製造装置。 ６ 前記測温手段からの入力に基づいて、前記多段の冷
   却手段におけるそれぞれの冷却量を制御する冷却制御機
   構を、更に有する特許請求の範囲第５項記載の装置。 ７ 加熱、引張して形成されたテーパー部分の実際の寸
   法を測定する寸法測定機構と、該寸法測定機構から入力
   される寸法データに基づいて目標とする温度パターンを
   調節する調節機構とを更に含み、該調節機構において調
   節された温度パターンに従つて、前記冷却制御機構にお
   ける測温手段からの入力に基づく各冷却手段での冷却量
   制御を行なうようにした特許請求の範囲第６項記載の装
   置。 ８ 前記引張機構が、前記金属素材をチヤツクして引張
   せしめる機能と同時に、前記通電機構にて該金属素材を
   直接通電加熱するための接点としての機能をも有する特
   許請求の範囲第５項乃至第７項のいずれかに記載の装置
   。