WO2024142977A1 - コイルばねおよびその製造方法 - Google Patents

コイルばねおよびその製造方法 Download PDF

Info

Publication number
WO2024142977A1
WO2024142977A1 PCT/JP2023/044883 JP2023044883W WO2024142977A1 WO 2024142977 A1 WO2024142977 A1 WO 2024142977A1 JP 2023044883 W JP2023044883 W JP 2023044883W WO 2024142977 A1 WO2024142977 A1 WO 2024142977A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layer
wire
hardness
coil spring
hardness distribution
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2023/044883
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
啓太 高橋
聡史 岡部
良信 美濃
慎太郎 熊井
透 白石
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NHK Spring Co Ltd
Original Assignee
NHK Spring Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by NHK Spring Co Ltd filed Critical NHK Spring Co Ltd
Priority to EP23911758.3A priority Critical patent/EP4644723A4/en
Priority to MX2025007039A priority patent/MX2025007039A/es
Priority to JP2024567477A priority patent/JPWO2024142977A1/ja
Priority to CN202380086461.2A priority patent/CN120359364A/zh
Publication of WO2024142977A1 publication Critical patent/WO2024142977A1/ja
Priority to US19/250,563 priority patent/US20250320902A1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21F—WORKING OR PROCESSING OF METAL WIRE
    • B21F35/00—Making springs from wire
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21F—WORKING OR PROCESSING OF METAL WIRE
    • B21F3/00—Coiling wire into particular forms
    • B21F3/02—Coiling wire into particular forms helically
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/06—Surface hardening
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/18—Hardening; Quenching with or without subsequent tempering
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/18—Hardening; Quenching with or without subsequent tempering
    • C21D1/25—Hardening, combined with annealing between 300 degrees Celsius and 600 degrees Celsius, i.e. heat refining ("Vergüten")
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/34—Methods of heating
    • C21D1/40—Direct resistance heating
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D7/00—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation
    • C21D7/02—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working
    • C21D7/04—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working of the surface
    • C21D7/06—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working of the surface by shot-peening or the like
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D7/00—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation
    • C21D7/13—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by hot working
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D8/00—Modifying the physical properties of ferrous metals or ferrous alloys by deformation combined with, or followed by, heat treatment
    • C21D8/06—Modifying the physical properties of ferrous metals or ferrous alloys by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of rods or wires
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/02—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for springs
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/52—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for wires; for strips ; for rods of unlimited length
    • C21D9/525—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for wires; for strips ; for rods of unlimited length for wire, for rods
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F1/00—Springs
    • F16F1/02—Springs made of steel or other material having low internal friction; Wound, torsion, leaf, cup, ring or the like springs, the material of the spring not being relevant
    • F16F1/024—Covers or coatings therefor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F1/00—Springs
    • F16F1/02—Springs made of steel or other material having low internal friction; Wound, torsion, leaf, cup, ring or the like springs, the material of the spring not being relevant
    • F16F1/04—Wound springs
    • F16F1/06—Wound springs with turns lying in cylindrical surfaces
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F2226/00—Manufacturing; Treatments
    • F16F2226/02—Surface treatments
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F2226/00—Manufacturing; Treatments
    • F16F2226/04—Assembly or fixing methods; methods to form or fashion parts
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F2238/00—Type of springs or dampers
    • F16F2238/02—Springs
    • F16F2238/026—Springs wound- or coil-like

Definitions

  • the wire may have a first layer and a second layer inside the first layer, and the hardness of the first layer may be less than the hardness of the second layer.
  • the first hardness distribution and the second hardness distribution may be different.
  • the difference between the first hardness distribution and the second hardness distribution is caused by a difference in at least one of the width of the first layer, the width of the second layer, and the minimum value of the hardness in the first layer.
  • the method of manufacturing a coil spring includes forming the wire into a spiral shape, attaching a first terminal and a second terminal connected to a power source capable of supplying alternating current to the wire, and passing an alternating current through the wire via the first terminal and the second terminal to heat the wire, thereby forming a hardness distribution that varies in the circumferential direction in at least a portion of the wire.
  • the manufacturing method may further include, before passing the AC current through the strand, placing an electrically floating conductor in a position that will cause a proximity effect when the AC current is passed through the strand.
  • the manufacturing method may further include subjecting the wire formed into a spiral shape to shot peening to impart compressive residual stress to the wire.
  • the present invention provides a coil spring with improved circumferential characteristics of the wire and a method for manufacturing the same.
  • FIG. 8 is a flowchart showing an example of a method for manufacturing a coil spring.
  • FIG. 9 is a diagram showing a schematic configuration of an AC current heating device that can be used in surface hardening.
  • FIG. 10 is a schematic side view of the strands, conductors and ferromagnetic bodies assembled as shown in FIG.
  • FIG. 11 is a schematic diagram for explaining the proximity effect.
  • FIG. 12 is a graph showing another example of the hardness distribution that can be imparted to the wire.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a coil spring 1 according to this embodiment.
  • the coil spring 1 has a wire 2 wound in a spiral shape around a coil axis X1.
  • the wire 2 is made of spring steel, and its surface 20 is entirely covered with a coating 21.
  • an axial direction DX parallel to the coil axis X1 and a radial direction DR centered on the coil axis X1 are defined.
  • the coil spring 1 has an effective portion 10, a first winding seat portion 11, and a second winding seat portion 12.
  • the effective portion 10 is located between the first winding seat portion 11 and the second winding seat portion 12.
  • the first winding seat portion 11 is in a range of about one turn from the first terminal 2a of the wire 2
  • the second winding seat portion 12 is in a range of about one turn from the second terminal 2b of the wire 2.
  • the wire 2 is wound multiple times.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an example of a structure that can be applied to the coil spring 1.
  • This cross-section corresponds to a transverse section perpendicular to the axis X2 of the wire 2.
  • a circumferential direction D ⁇ is defined with the axis X2 as the center.
  • at least a portion of the wire 2 has a hardness distribution that changes in the circumferential direction D ⁇ .
  • the wire 2 has a first layer L1, a second layer L2 on the inside of the first layer L1, and a third layer L3 on the inside of the second layer L2.
  • the hardness of the second layer L2 is smaller than the hardness of the first layer L1 and the third layer L3.
  • the hardness of the second layer L2 has a gradient in the radial direction DR, as will be described later with reference to FIG. 3 etc.
  • the above-mentioned surface 20 corresponds to the outer surface of the first layer L1.
  • the first layer L1 and the second layer L2 are, for example, annular as shown in the figure, but are not limited to this example. In other words, the first layer L1 and the second layer L2 may be provided in a portion of the circumferential direction D ⁇ .
  • the surface 20 of the wire 2 is, for example, a perfect circle centered on the axis X2.
  • the boundary between the first layer L1 and the second layer L2, and the boundary between the second layer L2 and the third layer L3 are elliptical, the centers of which are offset from the axis X2.
  • these boundaries may be perfect circles offset from the axis X2.
  • the hard first layer L1 and third layer L3 ensure the settling resistance of the coil spring 1. Furthermore, the soft second layer L2 reduces the risk of breakage and also increases the corrosion fatigue resistance of the coil spring 1.
  • the hardness distribution changes in the circumferential direction D ⁇ in at least a portion of the inside of the wire 2.
  • a first line segment V1 and a second line segment V2 shown in FIG. 2 are defined.
  • the first line segment V1 is a straight line connecting the first position Q1, which is located on the inner diameter side of the wire 2 on the surface 20, to the axis X2.
  • the second line segment V2 is a straight line connecting the second position Q2, which is located on the outer diameter side of the wire 2 on the surface 20, to the axis X2.
  • the first position Q1 is the part of the surface 20 that is closest to the coil axis X1.
  • the second position Q2 is the part of the surface 20 that is farthest from the coil axis X1.
  • the first position Q1, the axis X2, and the second position Q2 are aligned in the radial direction DR.
  • FIG. 3 is a graph showing an example of a first hardness distribution H1 along a first line segment V1.
  • FIG. 4 is a graph showing an example of a second hardness distribution H2 along a second line segment V2.
  • the vertical axis is hardness (e.g., Vickers hardness HV)
  • the horizontal axis is depth from the surface 20 of the wire 2 (distance from the surface 20).
  • the width of the first layer L1 in the first hardness distribution H1 is defined as a1, the width of the second layer L2 as b1, the width of the third layer L3 as c1, the minimum value of hardness in the second layer L2 as d1, and the depth from the surface 20 (first position Q1) of the position of the minimum value as e1.
  • the first hardness distribution H1 and the second hardness distribution H2 are different.
  • such a difference between the hardness distributions H1 and H2 occurs because at least one of the widths a1 and a2, widths b1 and b2, widths c1 and c2, minimum values d1 and d2, and depths e1 and e2 is different.
  • width a1 is smaller than width a2 (a1 ⁇ a2)
  • width b1 is smaller than width b2 (b1 ⁇ b2)
  • width c1 is larger than width c2 (c1>c2).
  • depth e1 is smaller than depth e2 (e1 ⁇ e2).
  • Minimum values d1 and d2 are, for example, equal, but may be different.
  • the hardness distribution inside the wire 2 varies depending on the position in the circumferential direction D ⁇ .
  • the hardness distribution of the wire 2 can be determined, for example, taking into consideration other characteristics required for each part in the circumferential direction D ⁇ .
  • One example of the other characteristics is compressive residual stress imparted to the wire 2 by shot peening or the like.
  • An example of the relationship between the residual stress distribution and hardness distribution of the wire 2 is described below.
  • FIG. 5 is a graph showing an example of a first hardness distribution H1 and a first residual stress distribution ⁇ 1 along the first line segment V1.
  • FIG. 6 is a graph showing an example of a second hardness distribution H2 and a second residual stress distribution ⁇ 2 along the second line segment V2.
  • the left vertical axis is hardness
  • the right vertical axis is residual stress
  • the horizontal axis is depth from the surface 20 of the wire 2.
  • the position where the residual stress is zero coincides with the hardness of the first layer L1 and the third layer L3.
  • the hardness distributions H1 and H2 shown in FIGS. 5 and 6 are similar to those shown in FIGS. 3 and 4.
  • the shot material when shot peening is performed on a spirally wound wire 2, the shot material is likely to strike the outer diameter portion of the surface 20, but is unlikely to strike the inner diameter portion of the surface 20 or the portion located between adjacent wires 2 in the axial direction DX.
  • compressive residual stress is imparted to a deep position in the outer diameter portion, but compressive residual stress is only imparted to a shallow position in the inner diameter portion, etc.
  • the compressive residual stress imparted by shot peening can be non-uniform in the circumferential direction D ⁇ .
  • compressive residual stress is imparted from the surface 20 (first position Q1) to the first range f1.
  • compressive residual stress is imparted from the surface 20 (second position Q2) to the second range f2.
  • the second range f2 extends to a deeper position than the first range f1.
  • the first range f1 to which compressive residual stress is imparted overlaps the entire first layer L1 and extends into part of the second layer L2.
  • the first range f1 does not extend into the third layer L3.
  • the first range f1 may extend into part of the third layer L3.
  • the peak of the compressive residual stress in the first range f1 is located closer to the surface 20 (first position Q1) than the position where the hardness is at a minimum in the first hardness distribution H1.
  • the second range f2 to which compressive residual stress is imparted overlaps the entire first layer L1 and extends into part of the second layer L2.
  • the second range f2 does not extend into the third layer L3.
  • the second range f2 may extend into part of the third layer L3.
  • the peak of the compressive residual stress in the second range f2 is located closer to the surface 20 (towards the second position Q2) than the position where the hardness is at a minimum in the second hardness distribution H2.
  • hardness distributions H1, H2 are formed according to the residual stress distributions ⁇ 1, ⁇ 2.
  • the second range f2 of the compressive residual stress extends to a position deeper than the first range f1, and the portion of the second layer L2 along the second line segment V2 is formed at a position deeper from the surface 20 than the portion of the second layer L2 along the first line segment V1. This results in substantially the same overlap between the first range f1 and the second layer L2, and between the second range f2 and the second layer L2.
  • FIG. 7 is a graph showing the hardness distribution Hx and residual stress distribution ⁇ x for the comparative example.
  • compressive residual stress is imparted from the surface 20 to the range fx.
  • the range fx overlaps with the first layer L1, but does not overlap with the second layer L2 or the third layer L3.
  • the risk of breakage due to inclusions is reduced in areas where compressive residual stress is applied and areas where hardness is reduced.
  • an area with low compressive residual stress and high hardness is generated near the boundary between the first layer L1 and the second layer L2. In this area, the risk of breakage due to inclusions increases.
  • the relationship between hardness distribution Hx and residual stress distribution ⁇ x as shown in the comparative example in Figure 7 can arise, for example, when a uniform hardness distribution is imparted to wire 2 in the circumferential direction D ⁇ .
  • the range in which compressive residual stress is imparted by shot peening is shallow on the inner diameter side and deep on the outer diameter side as described above, but if the hardness distribution in wire 2 is uniform in the circumferential direction D ⁇ , there is a possibility that the range in which hardness is reduced at any position in the circumferential direction D ⁇ and the range in which compressive residual stress is imparted will not overlap favorably.
  • the width of the second layer L2 is increased at each position in the circumferential direction D ⁇ , the area with low compressive residual stress will overlap with the area with low hardness. However, if the proportion of the soft second layer L2 is increased in this way, the settling resistance of the coil spring 1 may decrease.
  • the hardness distribution and residual stress distribution described using Figures 2 to 6 can be applied to any of the effective portion 10, the first winding portion 11, and the second winding portion 12.
  • the hardness distribution and residual stress distribution in the effective portion 10, the first winding portion 11, and the second winding portion 12 may be substantially the same or different from each other.
  • the second layer L2 may be provided on a portion of the wire 2 in the longitudinal direction along the axis X2.
  • the wire 2 may be formed of two layers, a hard layer in the center and a soft layer around it, or may be formed of four or more layers in which adjacent layers have different hardnesses.
  • the hardness distribution of the wire 2 in the circumferential direction D ⁇ does not necessarily need to be adjusted according to the compressive residual stress, but may be adjusted according to other characteristics of the wire 2, such as its structure.
  • the hardness distribution of the wire 2 as illustrated in Figures 3 to 6 does not necessarily have to be different at all positions in the circumferential direction D ⁇ .
  • the hardness distribution along the third line segment may be the same as either the first hardness distribution H1 or the second hardness distribution H2.
  • FIG. 8 is a flow chart showing an example of a method for manufacturing the coil spring 1. This example corresponds to so-called hot forming, in which the straight wire 2 is first heated (step P1). Furthermore, the wire 2, which has become hot due to heating in step P1, is formed into a spiral shape by a coiling machine (step P2). In these steps P1 and P2, the wire 2 is quenched.
  • step P2 surface hardening is performed to reduce the hardness of the inside of the wire 2 near the surface 20 (step P3).
  • step P3 a second layer L2 with reduced hardness is formed as shown in Figures 3 to 6. Then, the wire 2 is tempered (step P4).
  • step P4 the wire 2 is heated and subjected to hot setting, which applies an overload to the wire 2 (step P5). Furthermore, the wire 2 is subjected to shot peening (step P6). In this shot peening, compressive residual stresses such as those shown in Figures 5 and 6 are imparted to the wire 2.
  • the wire 2 is pre-set (process P7). Furthermore, a coating film 21 is formed over the entire wire 2 (process P8). The coil spring 1 is completed at process P8.
  • the conductor 3 is, for example, cylindrical and made of a metal material with excellent conductivity, such as copper or aluminum.
  • the conductor 3 may have a laminated structure of a conductive layer made of a metal material and an insulating layer made of a resin or the like.
  • the control device 5 is equipped with a power supply 51 that supplies alternating current.
  • the first terminal 4A and the second terminal 4B are connected to the power supply 51 via wiring.
  • the frequency of the alternating current supplied by the power supply 51 is not particularly limited, but as an example, a high frequency of 1 kHz or more may be used.
  • the first terminal 4A and the second terminal 4B are each divided into a lower portion 41 and an upper portion 42.
  • the first terminal 4A and the second terminal 4B can be attached to the wire 2 by sandwiching a part of the wire 2 between the lower portion 41 and the upper portion 42.
  • the structure for attaching the first terminal 4A and the second terminal 4B to the wire 2 is not limited to this example.
  • the first terminal 4A and the second terminal 4B are attached to the strand 2 formed into a spiral shape, and the strand 2 is placed inside the conductor 3. Note that there is no particular restriction on the order in which the process of attaching the first terminal 4A and the second terminal 4B to the strand 2 and the process of placing the strand 2 inside the conductor 3 are performed.
  • the vicinity of the first terminal 2a and the second terminal 2b of the wire 2 protrudes from both ends of the conductor 3.
  • This example is not limited, and the entire wire 2 may be surrounded by the conductor 3.
  • the frequency, amplitude and duration of the alternating current can be determined appropriately depending on the shape of the wire 2 (e.g., wire diameter, cross-sectional shape, coil diameter, pitch, number of turns, coil length, material), the part to be heated and the target heating temperature.
  • the control device 5 stops the current supply from the power source 51.
  • a gap G1 is formed between the conductor 3 and the wire 2. That is, the inner surface of the conductor 3 faces the outer diameter side portion of the surface 20 of the wire 2 (the portion including the second position Q2 described above) via the gap G1.
  • a gap G2 is formed between the ferromagnetic body 7 and the wire 2. That is, the outer surface of the ferromagnetic body 7 faces the inner diameter side portion of the surface 20 of the wire 2 (the portion including the first position Q1 described above) via the gap G2.
  • the conductor 3s is positioned so that it faces only a portion of the workpiece Ws in the longitudinal direction of the workpiece Ws, it is possible to obtain a current density distribution and a heating temperature distribution that change depending on the longitudinal position on the surface and inside of the workpiece Ws.
  • the current density distribution and heating temperature distribution can also be controlled by the material of the ferromagnetic body 7 and the gap G2 between the wire 2 and the ferromagnetic body 7.
  • the ferromagnetic body 7 has the function of influencing the magnetic flux generated when a current is passed through the wire 2, spreading the current density toward the outer diameter.
  • Fig. 12 is a graph showing another example of a hardness distribution that can be imparted to the wire 2.
  • the hardness is low near the surface 20, and increases smoothly as it approaches the axis X2.
  • the wire 2 has a first layer L1 and a second layer L2 inside it, and the hardness of the first layer L1 is smaller than the hardness of the second layer L2.
  • the hardness distribution in the circumferential direction D ⁇ may change as in the examples described using FIG. 2 to FIG. 6.
  • 1...coil spring 2...wire, X1...coil axis, X2...wire axis, DX...axial direction, DR...radial direction, D ⁇ ...circumferential direction, L1...first layer, L2...second layer, L3...third layer, H1...first hardness distribution, H2...second hardness distribution, ⁇ 1...first residual stress distribution, ⁇ 2...second residual stress distribution, 100...heating device.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Wire Processing (AREA)

Abstract

一実施形態に係るコイルばねは、螺旋状に巻かれた素線により形成されたものであって、前記素線の少なくとも一部は、前記素線の軸を中心とした周方向に変化する硬度分布を有している。

Description

コイルばねおよびその製造方法
　本発明は、コイルばねおよびその製造方法に関する。
　例えば特許文献１に記載されたように、コイルばねの素線の硬度分布を表面からの深さに応じて変化させる技術が知られている。具体的には、特許文献１に記載の方法においては、素線（ばね用鋼線）が高周波加熱コイルに通されてその表層のみがオーステナイト変態点よりも高い温度に加熱されるとともにその中心部が次工程での焼戻し温度よりも低い温度の状態から冷却される焼入れ工程を実施し、さらに素線の全体を加熱する焼戻工程が実施される。これにより、素線の内部において、表層や中心付近よりも硬度が低い層が形成される。
特許第６０５３９１６号公報
　例えばコイルばねのコイル軸に面した内径側とその反対の外径側など、素線の周方向における位置によって求められる特性が異なることがある。例えば、一般的なコイルばねの製造工程においては素線に圧縮残留応力を付与するためのショットピーニングが実施されるが、このショットピーニングにより付与される圧縮残留応力の分布は素線の周方向において不均一となり得る。このような圧縮残留応力の分布の変化を考慮し、他の特性を調整すれば、より優れた性能を発揮するコイルばねを実現し得る。
　本発明は、このような事情に基づいてなされたものであり、素線の周方向における特性が改善されたコイルばねおよびその製造方法を提供することを目的の一つとする。
　一実施形態に係るコイルばねは、螺旋状に巻かれた素線により形成されたものであって、前記素線の少なくとも一部が前記素線の軸を中心とした周方向に変化する硬度分布を有している。
　例えば、前記素線は、第１層と、前記第１層の内側の第２層と、前記第２層の内側の第３層とを有している。この場合において、前記第２層の硬度が前記第１層および前記第３層の硬度よりも小さくてもよい。
　前記素線の表面は、第１位置と、前記周方向において前記第１位置と離間した第２位置とを含む。さらに、前記第１位置と前記軸を繋ぐ第１線分に沿う第１硬度分布と、前記第２位置と前記軸を繋ぐ第２線分に沿う第２硬度分布とが異なる。
　例えば、前記第１硬度分布および前記第２硬度分布において、前記第１層の幅、前記第２層の幅、前記第３層の幅、前記第２層における硬度の最小値、および、当該最小値の位置の前記表面からの深さの少なくとも一つが異なる。
　前記第１線分に沿う第１範囲および前記第２線分に沿う第２範囲のそれぞれに圧縮残留応力が付与されてもよい。この場合において、前記第２範囲が前記第１範囲よりも前記表面から深い位置に及び、前記第２層のうち前記第２線分に沿う部分が前記第２層のうち前記第１線分に沿う部分よりも前記表面から深い位置に形成されてもよい。
　一例では、前記第１位置は前記素線の内径側に位置し、前記第２位置は前記素線の外径側に位置している。
　前記素線が第１層とその内側の第２層とを有し、前記第１層の硬度が前記第２層の硬度よりも小さくてもよい。この場合において、前記第１硬度分布と前記第２硬度分布とが異なってもよい。例えば、前記第１硬度分布および前記第２硬度分布の相違は、前記第１層の幅、前記第２層の幅、および、前記第１層における硬度の最小値の少なくとも一つが異なることにより生じる。
　一実施形態に係るコイルばねの製造方法は、前記素線を螺旋状に成形し、交流電流を供給可能な電源に接続された第１端子および第２端子を前記素線に取り付け、前記第１端子および前記第２端子を通じて前記素線に交流電流を流して前記素線を加熱することにより、前記素線の少なくとも一部に前記周方向に変化する硬度分布を形成することを含む。
　前記製造方法は、前記素線に前記交流電流を流す前に、電気的にフローティング状態である導体を前記素線への前記交流電流の通電時に近接効果を生じる位置に配置することをさらに含んでもよい。
　前記製造方法は、螺旋状に成形された前記素線にショットピーニングを施して前記素線に圧縮残留応力を付与することをさらに含んでもよい。
　本発明によれば、素線の周方向における特性が改善されたコイルばねおよびその製造方法を提供することができる。
図１は、一実施形態に係るコイルばねの概略的な斜視図である。 図２は、コイルばねに適用し得る構造の一例を示す概略的な断面図である。 図３は、第１線分に沿う第１硬度分布の一例を示すグラフである。 図４は、第２線分に沿う第２硬度分布の一例を示すグラフである。 図５は、第１線分に沿う第１硬度分布および第１残留応力分布の一例を示すグラフである。 図６は、第２線分に沿う第２硬度分布および第２残留応力分布の一例を示すグラフである。 図７は、比較例に係る硬度分布および残留応力分布を示すグラフである。 図８は、コイルばねの製造方法の一例を示すフローチャートである。 図９は、表面焼入れにおいて利用し得る交流通電加熱装置の概略的な構成を示す図である。 図１０は、図９に示したように組み立てられた素線、導体および強磁性体の概略的な側面図である。 図１１は、近接効果を説明するための模式図である。 図１２は、素線に付与し得る硬度分布の他の例を示すグラフである。
　一実施形態について図面を参照しながら説明する。本実施形態において開示するコイルばねの用途は特に限定されないが、一例では車両用の懸架装置に用いることができる。
　図１は、本実施形態に係るコイルばね１の概略的な斜視図である。コイルばね１は、コイル軸Ｘ１を中心に螺旋状に巻かれた素線２を有している。例えば、素線２はばね鋼により形成されており、その表面２０は全体的に塗膜２１により覆われている。以下の説明においては、コイル軸Ｘ１と平行な軸方向ＤＸと、コイル軸Ｘ１を中心とした半径方向ＤＲとを定義する。
　コイルばね１は、有効部１０と、第１座巻部１１と、第２座巻部１２とを有している。有効部１０は、第１座巻部１１および第２座巻部１２の間に位置している。例えば、第１座巻部１１は素線２の第１端末２ａから約１巻分の範囲であり、第２座巻部１２は素線２の第２端末２ｂから約１巻分の範囲である。有効部１０においては、素線２が複数回巻かれている。
　図２は、コイルばね１に適用し得る構造の一例を示す概略的な断面図である。この断面は、素線２の軸Ｘ２と垂直に交わる横断面に相当する。図示したように、軸Ｘ２を中心とした周方向Ｄθを定義する。本実施形態において、素線２の少なくとも一部は、周方向Ｄθに変化する硬度分布を有している。以下、図２に基づき、このような構造の一例について説明する。
　図２の例において、素線２は、第１層Ｌ１と、第１層Ｌ１の内側の第２層Ｌ２と、第２層Ｌ２の内側の第３層Ｌ３とを有している。第２層Ｌ２の硬度は、第１層Ｌ１および第３層Ｌ３の硬度よりも小さい。なお、第２層Ｌ２の硬度は、図３などを参照して後述するように、半径方向ＤＲにおける勾配を有している。
　上述の表面２０は、第１層Ｌ１の外面に相当する。第１層Ｌ１および第２層Ｌ２は、例えば図示したような環状であるが、この例に限られない。すなわち、第１層Ｌ１および第２層Ｌ２は、周方向Ｄθの一部に設けられてもよい。
　素線２の表面２０は、例えば軸Ｘ２を中心とした正円形である。一方で、図２の例においては、第１層Ｌ１と第２層Ｌ２の境界、および、第２層Ｌ２と第３層Ｌ３の境界が楕円形であり、その中心が軸Ｘ２からずれている。他の例として、これらの境界が軸Ｘ２からずれた正円形であってもよい。
　一般に、コイルばねの耐へたり性を確保するためには、素線の硬度を高める必要がある。一方で、素線の硬度が高いと、表面付近で腐食ピットが発生した場合にき裂の進行が速くなることから、コイルばねの早期折損のリスクが高まる。
　これに対し、図２の構成においては、硬い第１層Ｌ１および第３層Ｌ３によりコイルばね１の耐へたり性が確保される。さらに、柔らかい第２層Ｌ２により折損のリスクが低減され、コイルばね１の耐腐食疲労性も高まる。
　図２に示す構成においては、素線２の内部の少なくとも一部において、硬度分布が周方向Ｄθに変化する。このような硬度分布の変化を説明するために、図２に示す第１線分Ｖ１および第２線分Ｖ２を定義する。
　第１線分Ｖ１は、表面２０のうち素線２の内径側に位置する第１位置Ｑ１と軸Ｘ２とを繋ぐ直線である。第２線分Ｖ２は、表面２０のうち素線２の外径側に位置する第２位置Ｑ２と軸Ｘ２とを繋ぐ直線である。例えば、第１位置Ｑ１は、表面２０のうちコイル軸Ｘ１に最も近い部分である。また、第２位置Ｑ２は、表面２０のうちコイル軸Ｘ１から最も遠い部分である。図２の例においては、第１位置Ｑ１、軸Ｘ２および第２位置Ｑ２が半径方向ＤＲに並んでいる。
　図３は、第１線分Ｖ１に沿う第１硬度分布Ｈ１の一例を示すグラフである。図４は、第２線分Ｖ２に沿う第２硬度分布Ｈ２の一例を示すグラフである。これらのグラフにおいて、縦軸は硬度（例えばビッカース硬さＨＶ）であり、横軸は素線２の表面２０からの深さ（表面２０からの距離）である。
　第１硬度分布Ｈ１および第２硬度分布Ｈ２のいずれにおいても、第２層Ｌ２で硬度が低下している。例えば、第１層Ｌ１と第３層Ｌ３の硬度は同一である。ただし、第１層Ｌ１と第３層Ｌ３の硬度が異なってもよい。
　図３および図４の例においては、第２層Ｌ２の硬度分布がＶ字型である。この例に限られず、第２層Ｌ２の硬度分布は、滑らかな曲線状に変化してもよい。また、第２層Ｌ２の硬度分布は、硬度が第１層Ｌ１および第３層Ｌ３よりも低い値で概ね一定となる範囲を含んでもよい。
　ここで、図３に示すように、第１硬度分布Ｈ１における第１層Ｌ１の幅をａ１、第２層Ｌ２の幅をｂ１、第３層Ｌ３の幅をｃ１、第２層Ｌ２における硬度の最小値をｄ１、当該最小値の位置の表面２０（第１位置Ｑ１）からの深さをｅ１と定義する。
　さらに、図４に示すように、第２硬度分布Ｈ２における第１層Ｌ１の幅をａ２、第２層Ｌ２の幅をｂ２、第３層Ｌ３の幅をｃ２、第２層Ｌ２における硬度の最小値をｄ２、当該最小値の位置の表面２０（第２位置Ｑ２）からの深さをｅ２と定義する。
　図３および図４の比較から分かるように、本実施形態においては、第１硬度分布Ｈ１と第２硬度分布Ｈ２が異なる。例えば、このような硬度分布Ｈ１，Ｈ２の相違は、幅ａ１，ａ２、幅ｂ１，ｂ２、幅ｃ１，ｃ２、最小値ｄ１，ｄ２および深さｅ１，ｅ２の少なくとも一つが異なることにより生じる。
　図３および図４の例においては、幅ａ１が幅ａ２よりも小さく（ａ１＜ａ２）、幅ｂ１が幅ｂ２よりも小さく（ｂ１＜ｂ２）、幅ｃ１が幅ｃ２よりも大きい（ｃ１＞ｃ２）。さらに、深さｅ１が深さｅ２よりも小さい（ｅ１＜ｅ２）。最小値ｄ１，ｄ２は例えば同等であるが、異なってもよい。
　このように、図２乃至図４に示した例においては、素線２の内部の硬度分布が周方向Ｄθにおける位置によって異なる。素線２の硬度分布は、例えば、周方向Ｄθにおける各部に求められる他の特性を考慮して定めることができる。他の特性の一例としては、ショットピーニングなどにより素線２に付与される圧縮残留応力が挙げられる。以下、素線２の残留応力分布と硬度分布の関係の一例について説明する。
　図５は、第１線分Ｖ１に沿う第１硬度分布Ｈ１および第１残留応力分布σ１の一例を示すグラフである。図６は、第２線分Ｖ２に沿う第２硬度分布Ｈ２および第２残留応力分布σ２の一例を示すグラフである。これらのグラフにおいて、左縦軸は硬度であり、右縦軸は残留応力であり、横軸は素線２の表面２０からの深さである。なお、図５および図６の例においては、残留応力が零の位置と、第１層Ｌ１および第３層Ｌ３の硬度とを一致させている。図５および図６に示す硬度分布Ｈ１，Ｈ２は、図３および図４に示したものと同様である。
　例えばショットピーニングを螺旋状に巻かれた素線２に施す場合、表面２０のうち外径側の部分には投射材が当たりやすいが、表面２０のうち内径側の部分や軸方向ＤＸに隣り合う素線２の間に位置する部分には投射材が当たりにくい。この場合、外径側の部分には深い位置まで圧縮残留応力が付与されるが、内径側の部分などには浅い位置までしか圧縮残留応力が付与されない。このように、ショットピーニングによって付与される圧縮残留応力は、周方向Ｄθにおいて非均一となり得る。
　図５の例においては、表面２０（第１位置Ｑ１）から第１範囲ｆ１にわたって圧縮残留応力が付与されている。また、図６の例においては、表面２０（第２位置Ｑ２）から第２範囲ｆ２にわたって圧縮残留応力が付与されている。第２範囲ｆ２は、第１範囲ｆ１よりも深い位置に及んでいる。
　図５の例において、圧縮残留応力が付与された第１範囲ｆ１は、第１層Ｌ１の全体と重なるとともに、第２層Ｌ２の一部に及んでいる。第１範囲ｆ１は、第３層Ｌ３には及んでいない。他の例として、第１範囲ｆ１が第３層Ｌ３の一部に及んでもよい。第１範囲ｆ１における圧縮残留応力のピークは、第１硬度分布Ｈ１において硬度が最小値となる位置よりも表面２０側（第１位置Ｑ１側）に位置している。
　また、図６の例においても、圧縮残留応力が付与された第２範囲ｆ２は、第１層Ｌ１の全体と重なるとともに、第２層Ｌ２の一部に及んでいる。第２範囲ｆ２は、第３層Ｌ３には及んでいない。他の例として、第２範囲ｆ２が第３層Ｌ３の一部に及んでもよい。第２範囲ｆ２における圧縮残留応力のピークは、第２硬度分布Ｈ２において硬度が最小値となる位置よりも表面２０側（第２位置Ｑ２側）に位置している。
　このように、図５および図６の例においては、残留応力分布σ１，σ２に応じた硬度分布Ｈ１，Ｈ２が形成されている。具体的には、圧縮残留応力の第２範囲ｆ２が第１範囲ｆ１よりも深い位置に及ぶとともに、第２層Ｌ２のうち第２線分Ｖ２に沿う部分が第２層Ｌ２のうち第１線分Ｖ１に沿う部分よりも表面２０から深い位置に形成されている。これにより、第１範囲ｆ１と第２層Ｌ２の重なり方、および、第２範囲ｆ２と第２層Ｌ２の重なり方が実質的に同様となる。
　図７は、比較例に係る硬度分布Ｈｘおよび残留応力分布σｘを示すグラフである。この比較例においては、表面２０から範囲ｆｘにわたって圧縮残留応力が付与されている。範囲ｆｘは、第１層Ｌ１と重なっているが、第２層Ｌ２および第３層Ｌ３とは重なっていない。
　一般に、圧縮残留応力が付与された領域および硬度が低下した領域においては、介在物に起因した折損のリスクが低減される。この点に関し、図７の比較例においては、第１層Ｌ１と第２層Ｌ２の境界付近において、圧縮残留応力が低くかつ硬度も高い領域が生じている。この領域においては、介在物に起因した折損のリスクが高まってしまう。
　図７の比較例のような硬度分布Ｈｘと残留応力分布σｘの関係は、例えば、周方向Ｄθに一様な硬度分布を素線２に付与した場合に生じ得る。すなわち、ショットピーニングによって圧縮残留応力が付与される範囲は上述のように内径側で浅く、かつ外径側で深くなるところ、素線２における硬度分布が周方向Ｄθに一様であると、周方向Ｄθのいずれかの位置において硬度が低下した範囲と圧縮残留応力が付与された範囲とが好適に重ならない可能性がある。
　仮に、周方向Ｄθの各位置において第２層Ｌ２の幅を広げれば、圧縮残留応力が低い領域が低硬度の領域と重なる。しかしながら、このように柔らかい第２層Ｌ２の割合を増やした場合には、コイルばね１の耐へたり性が低下する可能性がある。
　これに対し、図５および図６の例のように残留応力分布σ１，σ２に応じた硬度分布Ｈ１，Ｈ２を形成した場合には、耐へたり性を確保しつつも、介在物に起因した折損のリスクを抑えて耐腐食疲労性を高めることができる。
　なお、図２乃至図６を用いて説明した硬度分布および残留応力分布は、有効部１０、第１座巻部１１および第２座巻部１２のいずれに対しても適用できる。有効部１０、第１座巻部１１および第２座巻部１２における硬度分布および残留応力分布は実質的に同じであってもよいし、互いに異なってもよい。
　第２層Ｌ２は、軸Ｘ２に沿う長さ方向における素線２の一部に設けられてもよい。また、素線２は、中心の硬い層と、その周囲の柔らかい層の２つで形成されてよいし、隣り合う層の硬度が異なる４つ以上の層で形成されてもよい。
　周方向Ｄθにおける素線２の硬度分布は、必ずしも圧縮残留応力に応じて調整される必要はなく、素線２の組織などの他の特性に応じて調整されてもよい。
　図３乃至図６に例示したような素線２の硬度分布は、必ずしも周方向Ｄθの全ての位置で異なっている必要はない。例えば、図２に示した第１線分Ｖ１および第２線分Ｖ２に加え、表面２０の第３位置と軸Ｘ２を繋ぐ第３線分を想定した場合に、第３線分に沿う硬度分布が第１硬度分布Ｈ１および第２硬度分布Ｈ２の一方と同じであってもよい。
　続いて、コイルばね１の製造方法について説明する。ここでは一例として、図２乃至図６に示した構成を有するコイルばね１を製造する場合を想定する。
　図８は、コイルばね１の製造方法の一例を示すフローチャートである。この例は、いわゆる熱間成形に相当するものであり、先ず直線状の素線２が加熱される（工程Ｐ１）。さらに、工程Ｐ１の加熱によって高温となった素線２がコイリングマシンにより螺旋状に成形される（工程Ｐ２）。これら工程Ｐ１，Ｐ２において、素線２が焼入れされる。
　工程Ｐ２の後、素線２の表面２０寄りの内部の硬度を低下させるための表面焼入れが施される（工程Ｐ３）。工程Ｐ３によって、図３乃至図６に示したように硬度が低下した第２層Ｌ２が形成される。その後、素線２に対して焼戻しが施される（工程Ｐ４）。
　工程Ｐ４の後、素線２を加熱した状態で、素線２に対し過荷重を加えるホットセッチングが施される（工程Ｐ５）。さらに、素線２に対してショットピーニングが施される（工程Ｐ６）。このショットピーニングにおいては、例えば図５および図６に示したような圧縮残留応力が素線２に付与される。
　工程Ｐ６の後、素線２に対してプリセッチングが施される（工程Ｐ７）。さらに、素線２に対して全体的に塗膜２１が形成される（工程Ｐ８）。工程Ｐ８を以ってコイルばね１が完成する。
　図９は、工程Ｐ３の表面焼入れにおいて利用し得る交流通電加熱装置１００（以下、加熱装置１００という。）の概略的な構成を示す図である。加熱装置１００は、導体３と、第１端子４Ａと、第２端子４Ｂと、制御装置５とを備えている。
　導体３は、例えば筒状であり、銅やアルミニウムなどの導電性に優れた金属材料によって形成されている。導体３は、金属材料で形成された導電層と、樹脂などで形成された絶縁層との積層構造を有してもよい。
　制御装置５は、交流電流を供給する電源５１を備えている。第１端子４Ａおよび第２端子４Ｂは、配線を介して電源５１に接続されている。電源５１が供給する交流電流の周波数は特に限定されないが、一例では１ｋＨｚ以上の高周波を用い得る。
　図９の例においては、第１端子４Ａおよび第２端子４Ｂの各々が下部４１と上部４２に分割されている。第１端子４Ａおよび第２端子４Ｂは、これら下部４１および上部４２の間に素線２の一部を挟み込むことにより素線２に対して取り付け可能である。ただし、第１端子４Ａおよび第２端子４Ｂを素線２に取り付けるための構造は、この例に限られない。
　加熱装置１００によって加熱処理を実施する際には、螺旋状に成形された素線２に第１端子４Ａおよび第２端子４Ｂが取り付けられるとともに、素線２が導体３の内側に配置される。なお、第１端子４Ａおよび第２端子４Ｂを素線２に取り付ける工程と、素線２を導体３の内側に配置する工程との実施順は特に限定されない。
　図９の例においては、素線２の第１端末２ａおよび第２端末２ｂ付近（座巻部１１，１２の少なくとも一部）が導体３の両端部から突出している。この例に限られず、素線２の全体が導体３によって囲われてもよい。
　図９の例においては、第１端子４Ａの下部４１と上部４２によって素線２の第１端末２ａ付近が挟持されている。また、第２端子４Ｂの下部４１と上部４２によって素線２の第２端末２ｂ付近が挟持されている。
　第１端子４Ａおよび第２端子４Ｂを素線２に取り付けると、これらの要素と電源５１とを直列に接続した回路が形成される。制御装置５は、作業員によるスイッチの操作や外部からの制御信号の受信に応じて、素線２への通電を開始する。図９においては、実線矢印によって電流の流れる方向の一例を示している。この方向は、電源５１の周波数に応じて周期的に切り替わる。
　このような通電により、素線２の少なくとも一部が加熱される。このとき、導体３と素線２の間には、後述する近接効果が生じる。導体３は、このような近接効果が生じる位置に配置されている。
　交流電流の周波数、振幅および通電時間は、素線２の形状（例えば線径、断面形状、コイル径、ピッチ、巻き数、コイル長、材質）、加熱すべき部位および加熱の目標温度などに応じて適宜に定め得る。加熱を停止すべきタイミングが到来すると、制御装置５は電源５１からの電流供給を停止する。
　その後、素線２が冷却される。この冷却は、自然冷却であってもよいし、急速な冷却を要する場合には水や空気などの流体を素線２に吹き付けることにより行われてもよい。図９の例において、加熱装置１００は、このような流体の吹き付けを行うための冷却機構６を備えている。
　例えば、冷却機構６は、導体３の内面に配置された多数のノズル６１と、制御装置５に設けられた流体供給源６２と、各ノズル６１を流体供給源６２に接続する配管６３とを備えている。流体供給源６２は、例えば制御装置５の制御の下で、配管６３を介して各ノズル６１に流体を供給する。このとき、各ノズル６１からは素線２に向けて流体が噴射される。なお、ノズル６１は必ずしも導体３に設けられる必要はなく、導体３とは異なる部材に設けられてもよい。
　加熱装置１００は、素線２の近傍に配置可能な強磁性体７をさらに備えてもよい。強磁性体７は、例えばフェライトによって形成することができるが、この例に限られない。図９の例においては、強磁性体７が螺旋状に成形された素線２の内側に挿入されている。
　図１０は、図９に示したように組み立てられた素線２、導体３および強磁性体７の概略的な側面図である。導体３は、例えばコイル軸Ｘ１を中心とした円筒状である。導体３は、電気的にフローティング状態であり、素線２などの他の導電性の要素と絶縁されている。導体３は、例えば図示せぬ絶縁性の部材によって支持されている。
　導体３と素線２の間には、隙間Ｇ１が形成されている。すなわち、導体３の内面は、素線２の表面２０のうち外径側の部分（上述の第２位置Ｑ２を含む部分）と隙間Ｇ１を介して対向している。
　強磁性体７は、例えばコイル軸Ｘ１を中心とした円柱状である。強磁性体７は、コイル軸Ｘ１を中心とした円筒状などの他の形状を有してもよい。強磁性体７も電気的にフローティング状態であり、素線２や導体３などの他の導電性の要素と絶縁されている。強磁性体７は、例えば図示せぬ絶縁性の部材によって支持されている。
　強磁性体７と素線２の間には、隙間Ｇ２が形成されている。すなわち、強磁性体７の外面は、素線２の表面２０のうち内径側の部分（上述の第１位置Ｑ１を含む部分）と隙間Ｇ２を介して対向している。
　続いて、導体３の役割について説明する。素線２のようなワークに電流が流れたとき、その近傍に電気的にフローティング状態の導体が配置されていると、いわゆる近接効果が生じる。本実施形態においては、この近接効果を利用して素線２の電流密度分布（加熱温度分布）が制御される。
　図１１は、近接効果を説明するための模式図であり、棒状のワークＷｓとその近傍に配置された導体３ｓを示している。ワークＷｓに電源からの電流ＩＡが流れると、ワークＷｓの周囲に磁界ＨＩＡが発生する（アンペールの法則）。
　導体３ｓにおいては、この磁界ＨＩＡに起因した渦電流ＩＥ１が発生する（レンツの法則）。さらに、渦電流ＩＥ１に起因した磁界ＨＩＥが導体３ｓの周囲に発生する。この磁界ＨＩＥがワークＷｓに作用すると、ワークＷｓにおいては渦電流ＩＥ２が発生する。
　電流ＩＡ、渦電流ＩＥ１および渦電流ＩＥ２が流れる方向は、図中に矢印で示す通りである。すなわち、ワークＷｓにおいては、導体３ｓから遠い側の側面の近傍では電流ＩＡが流れる方向と渦電流ＩＥ２が流れる方向とが逆となる。一方で、導体３ｓに近い側の側面の近傍では、電流ＩＡが流れる方向と渦電流ＩＥ２が流れる方向とが一致する。これにより、ワークＷｓの電流密度は、導体３ｓに近い側の側面付近において高くなる。
　このような近接効果を利用することで、ワークＷｓの電流密度分布および加熱温度分布を制御することが可能である。例えば、図１１のようにワークＷｓの外面の一部に対向するように導体３ｓを配置した場合、ワークＷｓの表面および内部において、周方向の位置によって変化する電流密度分布および加熱温度分布を得ることができる。これらの分布は、例えば導体３ｓとワークＷｓの間の距離によって適宜に調整し得る。
　また、ワークＷｓの長さ方向において、導体３ｓをワークＷｓの一部にのみ対向するように配置した場合には、ワークＷｓの表面および内部にて長さ方向の位置によって変化する電流密度分布および加熱温度分布を得ることができる。
　交流電流が素線２に流れる際には、表皮効果により、その表面２０付近における電流密度が高まる。これを利用することで、表面２０寄りの部分を集中的に加熱し、当該加熱された部分に図２に示したような第２層Ｌ２を形成することができる。なお、表面２０からの第２層Ｌ２の深さは、例えば通電時間（加熱時間）、交流電流の周波数、素線２と導体３の隙間Ｇ１などによって調整可能である。
　螺旋状に成形された素線２においては、表面２０のうち内径側の部分を通る電流経路が短いために、当該内径側の部分付近の電流密度が高まりやすい。加熱装置１００は、このような電流密度分布を導体３の近接効果によって制御することで、素線２の少なくとも一部に対し、周方向Ｄθに変化する所望の硬度分布を付与する。
　電流密度分布および加熱温度分布は、強磁性体７の材質や、素線２と強磁性体７の隙間Ｇ２などによっても制御可能である。強磁性体７は、素線２への通電時に生じる磁束に影響を与え、電流密度を外径側に広げる機能を有している。導体３による近接効果に加え、さらに強磁性体７の磁束誘導機能を用いることで、素線２の電流密度分布をより精度よく制御することができ、結果として好適な硬度分布を得ることができる。
　なお、加熱装置１００により素線２に付与される硬度分布は、図３乃至図６に示したものに限られない。図１２は、素線２に付与し得る硬度分布の他の例を示すグラフである。図１２の例においては、表面２０付近において硬度が低く、軸Ｘ２に近づくに連れて滑らかに硬度が上昇している。
　すなわち、図１２の例においては、素線２が第１層Ｌ１とその内側の第２層Ｌ２とを有し、かつ第１層Ｌ１の硬度が第２層Ｌ２の硬度よりも小さい。このような半径方向ＤＲの硬度分布を有する素線２において、図２乃至図６を用いて説明した例と同様に周方向Ｄθの硬度分布が変化してもよい。
　具体的には、図２乃至図６の例と同様に、第１位置Ｑ１と軸Ｘ２を繋ぐ第１線分Ｖ１に沿う第１硬度分布Ｈ１と、第２位置Ｑ２と軸Ｘ２を繋ぐ第２線分Ｖ２に沿う第２硬度分布Ｈ２とが異なってもよい。第１位置Ｑ１および第２位置Ｑ２は、図２に示したように素線２の表面２０の内径側と外径側にそれぞれ位置してもよいし、表面２０の他の部分に位置してもよい。
　第１硬度分布Ｈ１および第２硬度分布Ｈ２の相違は、図１２に示す第１層Ｌ１の幅ａ、第２層Ｌ２の幅ｂ、および、第１層Ｌ１における硬度の最小値ｄの少なくとも１つが異なることにより生じてもよい。
　加熱装置１００を用いれば、図１２の例のような硬度分布を形成することもできる。さらに、このような形状の硬度分布を周方向Ｄθにおいて変化させることも可能である。その他にも、加熱装置１００による熱処理を取り入れた製造方法によれば、素線２の周方向Ｄθにおける特性が種々の態様に改善されたコイルばね１を得ることができる。
　以上の実施形態は、本発明の範囲を当該実施形態にて開示した構成に限定するものではない。本発明は、当該実施形態にて開示した構成を種々の態様に変形して実施することができる。
　１…コイルばね、２…素線、Ｘ１…コイル軸、Ｘ２…素線の軸、ＤＸ…軸方向、ＤＲ…半径方向、Ｄθ…周方向、Ｌ１…第１層、Ｌ２…第２層、Ｌ３…第３層、Ｈ１…第１硬度分布、Ｈ２…第２硬度分布、σ１…第１残留応力分布、σ２…第２残留応力分布、１００…加熱装置。

Claims (12)

  1. 　螺旋状に巻かれた素線により形成されるコイルばねであって、
    　前記素線の少なくとも一部は、前記素線の軸を中心とした周方向に変化する硬度分布を有している、
    　コイルばね。
  2. 　前記素線は、第１層と、前記第１層の内側の第２層と、前記第２層の内側の第３層とを有し、
    　前記第２層の硬度は、前記第１層および前記第３層の硬度よりも小さい、
    　請求項１に記載のコイルばね。
  3. 　前記素線の表面は、第１位置と、前記周方向において前記第１位置と離間した第２位置とを含み、
    　前記第１位置と前記軸を繋ぐ第１線分に沿う第１硬度分布と、前記第２位置と前記軸を繋ぐ第２線分に沿う第２硬度分布とが異なる、
    　請求項２に記載のコイルばね。
  4. 　前記第１硬度分布および前記第２硬度分布において、前記第１層の幅、前記第２層の幅、前記第３層の幅、前記第２層における硬度の最小値、および、当該最小値の位置の前記表面からの深さの少なくとも一つが異なる、
    　請求項３に記載のコイルばね。
  5. 　前記第１線分に沿う第１範囲および前記第２線分に沿う第２範囲のそれぞれに圧縮残留応力が付与されており、
    　前記第２範囲は、前記第１範囲よりも前記表面から深い位置に及び、
    　前記第２層のうち前記第２線分に沿う部分は、前記第２層のうち前記第１線分に沿う部分よりも前記表面から深い位置に形成されている、
    　請求項３に記載のコイルばね。
  6. 　前記第１位置は、前記素線の内径側に位置し、
    　前記第２位置は、前記素線の外径側に位置する、
    　請求項５に記載のコイルばね。
  7. 　前記素線は、第１層と、前記第１層の内側の第２層とを有し、
    　前記第１層の硬度は、前記第２層の硬度よりも小さい、
    　請求項１に記載のコイルばね。
  8. 　前記素線の表面は、第１位置と、前記周方向において前記第１位置と離間した第２位置とを含み、
    　前記第１位置と前記軸を繋ぐ第１線分に沿う第１硬度分布と、前記第２位置と前記軸を繋ぐ第２線分に沿う第２硬度分布とが異なる、
    　請求項７に記載のコイルばね。
  9. 　前記第１硬度分布および前記第２硬度分布において、前記第１層の幅、前記第２層の幅、および、前記第１層における硬度の最小値の少なくとも一つが異なる、
    　請求項８に記載のコイルばね。
  10. 　請求項１乃至９のうちいずれか１項に記載のコイルばねの製造方法であって、
    　前記素線を螺旋状に成形し、
    　交流電流を供給可能な電源に接続された第１端子および第２端子を前記素線に取り付け、
    　前記第１端子および前記第２端子を通じて前記素線に交流電流を流して前記素線を加熱することにより、前記素線の少なくとも一部に前記周方向に変化する硬度分布を形成する、
    　ことを含むコイルばねの製造方法。
  11. 　前記素線に前記交流電流を流す前に、電気的にフローティング状態である導体を前記素線への前記交流電流の通電時に近接効果を生じる位置に配置することをさらに含む、
    　請求項１０に記載のコイルばねの製造方法。
  12. 　螺旋状に成形された前記素線にショットピーニングを施して前記素線に圧縮残留応力を付与することをさらに含む、
    　請求項１０に記載のコイルばねの製造方法。
PCT/JP2023/044883 2022-12-27 2023-12-14 コイルばねおよびその製造方法 Ceased WO2024142977A1 (ja)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP23911758.3A EP4644723A4 (en) 2022-12-27 2023-12-14 Helical spring and method of manufacturing the latter
MX2025007039A MX2025007039A (es) 2022-12-27 2023-12-14 Resorte helicoidal y metodo para su fabricacion
JP2024567477A JPWO2024142977A1 (ja) 2022-12-27 2023-12-14
CN202380086461.2A CN120359364A (zh) 2022-12-27 2023-12-14 螺旋弹簧及其制造方法
US19/250,563 US20250320902A1 (en) 2022-12-27 2025-06-26 Coil spring and manufacturing method of the same

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2022-210049 2022-12-27
JP2022210049 2022-12-27

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
US19/250,563 Continuation US20250320902A1 (en) 2022-12-27 2025-06-26 Coil spring and manufacturing method of the same

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2024142977A1 true WO2024142977A1 (ja) 2024-07-04

Family

ID=91717340

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2023/044883 Ceased WO2024142977A1 (ja) 2022-12-27 2023-12-14 コイルばねおよびその製造方法

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20250320902A1 (ja)
EP (1) EP4644723A4 (ja)
JP (1) JPWO2024142977A1 (ja)
CN (1) CN120359364A (ja)
MX (1) MX2025007039A (ja)
WO (1) WO2024142977A1 (ja)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010133558A (ja) * 2008-11-21 2010-06-17 Muhr & Bender Kg 硬化されたばね鋼、ばねエレメント及びばねエレメントを製造する方法
JP6053916B2 (ja) 2013-03-12 2016-12-27 本田技研工業株式会社 ばね用鋼線およびその製造方法
WO2018163541A1 (ja) * 2017-03-10 2018-09-13 住友電気工業株式会社 斜め巻きばね用線材および斜め巻きばね

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102004037721A1 (de) * 2004-08-04 2006-02-23 Robert Bosch Gmbh Druckfeder zum Ansteuern eines dynamisch beanspruchten Elements
CN107387620A (zh) * 2017-06-29 2017-11-24 太仓市惠得利弹簧有限公司 一种长寿命螺旋弹簧
DE112018007004T5 (de) * 2018-02-01 2020-10-29 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Kupferbeschichteter Stahldraht und geneigte Spiralfeder

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010133558A (ja) * 2008-11-21 2010-06-17 Muhr & Bender Kg 硬化されたばね鋼、ばねエレメント及びばねエレメントを製造する方法
JP6053916B2 (ja) 2013-03-12 2016-12-27 本田技研工業株式会社 ばね用鋼線およびその製造方法
WO2018163541A1 (ja) * 2017-03-10 2018-09-13 住友電気工業株式会社 斜め巻きばね用線材および斜め巻きばね

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP4644723A4

Also Published As

Publication number Publication date
US20250320902A1 (en) 2025-10-16
CN120359364A (zh) 2025-07-22
EP4644723A4 (en) 2026-04-29
JPWO2024142977A1 (ja) 2024-07-04
MX2025007039A (es) 2025-07-01
EP4644723A1 (en) 2025-11-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7317177B2 (en) Electric induction heat treatment of an end of tubular material
JP7358607B2 (ja) コイルばね、懸架装置およびコイルばねの製造方法
US2556243A (en) Means and method of simultaneous hardening of opposite surfaces of thin metallic members
JP2012515430A (ja) 複雑形状の加工品の誘導加熱処理
WO2024142977A1 (ja) コイルばねおよびその製造方法
KR101822508B1 (ko) 복합 워크피스의 싱글 샷 유도 가열을 위한 인덕터
JP6586924B2 (ja) カムシャフトの高周波焼入れ方法
EP3770284B1 (en) Traverse hardening device and traverse hardening method
WO2024204183A1 (ja) コイルばねの製造方法
EP3998360A1 (en) Mobile quenching device and mobile quenching method
JP5896106B2 (ja) 高周波熱処理装置及び高周波熱処理方法
KR20250086784A (ko) 코일 스프링, 현가 장치 및 코일 스프링의 제조 방법
WO2025134521A1 (ja) コイルばね、懸架装置およびコイルばねの製造方法
JP7746605B2 (ja) 交流通電加熱方法および交流通電加熱装置
JPH0328486B2 (ja)
US20260022432A1 (en) Manufacturing method of stabilizer and stabilizer
JP2025100171A (ja) 交流通電加熱装置およびコイルばねの製造方法
JP5346368B2 (ja) 高周波誘導加熱コイル
KR20230085366A (ko) 고주파 열처리 워크코일
JP2004536721A (ja) 二軸スクリュー押出機のバレルを製造する方法およびその装置
CA3287582A1 (en) Method for manufacturing stabilizer, and stabilizer
EP4589030A1 (en) Mobile hardening method and mobile hardening device
WO2025105386A1 (ja) ばね部材の製造方法および制御装置
JPH04254516A (ja) 長軸形状部材の高周波焼入装置
JP2004277821A (ja) クランクシャフトの高周波焼入焼戻装置及びその装置に用いられる高周波焼戻コイル体

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 23911758

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2024567477

Country of ref document: JP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 202380086461.2

Country of ref document: CN

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2501004062

Country of ref document: TH

WWP Wipo information: published in national office

Ref document number: 202380086461.2

Country of ref document: CN

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2023911758

Country of ref document: EP

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2023911758

Country of ref document: EP

Effective date: 20250728

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2023911758

Country of ref document: EP

Effective date: 20250728

WWP Wipo information: published in national office

Ref document number: 2023911758

Country of ref document: EP