(57)【要約】【課題】ビス穴等の孔が穿設されている伝導性の構造体（ワーク）をプレス成形する際に、その孔周辺を含めて構造体全体を均一に所定の温度まで昇温させることができる通電加熱方法および装置、ならびにこれを備えたプレス機械を提供する。【解決手段】孔が穿設されている伝導性の構造体に対して、前記孔を通過する少なくとも２方向の通電方向を有するように複数の電極を配し、かつ、該複数の電極に対して、所定のパターンで電流を通電するようにした。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
孔が穿設されている伝導性の構造体を所定の温度まで昇温させる通電加熱方法であって、
前記構造体に対して、前記孔を通過する少なくとも２方向の通電方向を有するように複数の電極を配するステップと、
前記複数の電極に対して、所定のパターンで電流を通電するステップと
を含んでいることを特徴とする通電加熱方法。  
【請求項２】
前記複数の電極を、異なる２方向で相対する前記構造体の端部に配し、かつ、
前記複数の電極に対して、異なる２方向のうちの一方向の電極間への印加と他方向の電極間への印加とを所定の時間間隔で交互に切り替えながら直流電流を通電する請求項１に記載の通電加熱方法。
【請求項３】
前記孔の断面は、正円形状であり、かつ、
前記一方向の電極間に通電する時間間隔と前記他方向の電極間に通電する時間間隔との比は、１：１に設定されている請求項２に記載の通電加熱方法。
【請求項４】
前記孔の断面は、長円形状であり、
前記一方向の電極間の通電方向は、前記長円形状の長手方向と平行に設定されるとともに、前記他方向の電極間の通電方向は、前記長穴形状の長手方向に対して垂直な短手方向と平行に設定され、かつ、
前記一方向の電極間に通電する時間間隔と前記他方向の電極間に通電する時間間隔との比は、前記長円形状の長手方向寸法と短手方向寸法との比に応じて調整されている請求項２に記載の通電加熱方法。
【請求項５】
前記直流電流の通電方向を切り替える時間間隔は、０．０１〜０．２０［ｓｅｃ］である請求項２ないし４のいずれかに記載の通電加熱方法。
【請求項６】
前記通電パターンの異なる複数の電極を、異なる２方向で相対する前記構造体の端部にそれぞれ配し、かつ、
前記複数の電極に対して、それぞれ交流電流を印加する請求項１に記載の通電加熱方法。
【請求項７】
前記電極は、一方向の電極間の通電方向と他方向の電極間の通電方向とが垂直に交わるように配設されている請求項２ないし６のいずれかに記載の通電加熱方法。
【請求項８】
前記通電ステップによって前記構造体が所定の温度まで昇温された後に、該構造体を所定の形状にプレス成形するステップをさらに含んでいる請求項１ないし７のいずれかに記載の通電加熱方法。
【請求項９】
孔が穿設されている伝導性の構造体を所定の温度まで昇温させる通電加熱装置であって、
前記構造体に対して、前記孔を通過する少なくとも２方向の通電方向を有するように配された複数の電極と、
前記複数の電極に対して、所定のパターンで電流を通電する通電制御手段と
を備えていることを特徴とする通電加熱装置。
【請求項１０】
前記複数の電極は、異なる２方向で相対する前記構造体の端部に配され、かつ、
前記通電制御手段は、前記複数の電極に対して、異なる２方向のうちの一方向間の電極間への印加と他方向の電極間への印加とを所定の時間間隔で交互に切替ながら直流電流を通電する請求項９に記載の通電加熱装置。
【請求項１１】
前記孔の断面は、正円形状であり、かつ、
前記一方向の電極間に通電する時間間隔と前記他方向の電極間に通電する時間間隔との比は、１：１に設定されている請求項１０に記載の通電加熱装置。
【請求項１２】
前記孔の断面は、長円形状であり、
前記一方向の電極間の通電方向は、前記長円形状の長手方向と平行に設定されるとともに、前記他方向の電極間の通電方向は、前記長穴形状の長手方向に対して垂直な短手方向と平行に設定され、かつ、
前記一方向の電極間に通電する時間間隔と前記他方向の電極間に通電する時間間隔との比は、前記長円形状の長手方向寸法と短手方向寸法との比に応じて調整されている請求項１０に記載の通電加熱装置。
【請求項１３】
前記通電制御手段は、前記直流電流の通電方向を０．０１〜０．２０［ｓｅｃ］の時間間隔で切り替える請求項１０ないし１２のいずれかに記載の通電加熱装置。
【請求項１４】
前記通電パターンの異なる複数の電極は、異なる２方向で相対する前記構造体の端部にそれぞれ配され、かつ、
前記通電制御手段は、前記複数の電極に対して、それぞれ交流電流を印加する請求項９に記載の通電加熱装置。
【請求項１５】
前記複数の電極は、一方向の電極間の通電方向と他方向の電極間の通電方向とが垂直に交わるように配設されている請求項１０ないし１４のいずれかに記載の通電加熱装置。
【請求項１６】
前記請求項９ないし１５のいずれかに記載の通電加熱装置を備えたプレス機械であって、
前記通電手段によって前記構造体が所定の温度まで昇温された後に、該構造体を所定の形状に成形するプレス手段をさらに備えていることを特徴とするプレス機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車等の構造部材に適用される金属板などの伝導性構造体（ワーク）をプレスする際に適用される通電加熱方法および装置、ならびにこれを備えたプレス機械に関し、より詳細には、ビス穴等の孔が穿設されたワークを通電加熱した場合に、その孔周辺を含めてワーク全体を均一に所定の温度まで昇温させることができる通電加熱方法および装置、ならびにこれを備えたプレス機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、自動車等の構造材料に用いられる金属板などの伝導性構造体（ワーク）は、プレス加工により所定の形状に加工された後に組み付けられる。このプレス加工は、上下動可能に設けられたパンチと、該パンチと対向するように配設されたダイとを備えているプレス機械によって実行される。
【０００３】
近年、自動車の車体部品では、衝突時の安全性の向上ならびに車体重量の軽減化を図るために、これらのワーク材として高張力鋼板（引張強さ４９０［ＭＰａ］以上、降伏点２９４［ＭＰａ］以上で、炭素量が０．２［％］以下の構造用鋼）を使用する傾向にある。このような高張力鋼板からなる板状ワークをプレス加工する場合には、まず、板状ワークを６００〜１０００［℃］程度に加熱し、その後、この加熱されたワークを上述したようなプレス機械で成形加工するのが一般的である。
【０００４】
プレス加工前にワークを加熱する方法としては、従来より、加熱炉を利用したものが知られていた。ところが、この加熱炉とプレス機械とは、互いに離れた場所に設置されるため、加熱した板状ワークをプレス機械に搬送する間にワークの温度が低下し、ワーク内の温度分布にムラが生じてしまうという問題があった。
【０００５】
そこで、近年、例えば特許文献１に開示されているように、プレス機械に設けられた電極を介してワークに所定の電流を流し、この電流による通電加熱によってワークを電気的に加熱する方法が用いられている。この通電加熱方法では、ワーク（ブランク）を均一に高温域に加熱して、形状精度が良好な超高強度のプレス成形品を容易に得るために、ワークの両端部に電極を取り付けて該電極に供給する電力を電極毎に調整し、これにより、ワークの温度分布を調整するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−２４８５２５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
実際に自動車等の構造材料として適用されるワークの中には、ビス穴等の孔が全く穿設されていない平板だけではなく、この孔がプレス成形前に穿設されている平板も含まれている。しかしながら、上述した特許文献１の通電加熱方法では、上述した孔を有していない板状ワークを加熱対象としており、孔を有する板状ワークについては全く想定されていなかった。以下、図１および図２を参照にしながら、孔が穿設された伝導性構造体（ワーク）を上記従来の方法で通電加熱した場合について説明する。
【０００８】
図１では、同図（ａ）に示すように、ワーク１の左側から右側に一様電流Ｃが流れている。この場合、ワーク１に穿設されたビス穴２の上部および下部で電流Ｃが密になるとともに、ビス穴２の左部および右部で電流Ｃが疎となり、同図（ｂ）に示すように、その電流密度に応じて、ビス穴２周辺の温度分布に高低差（高温部ＨＩ，低温部ＬＷ）が生じる。
【０００９】
一方、図２では、同図（ａ）に示すように、ワーク１の下側から上側に一様電流Ｃが流れている。この場合、ワーク１に穿設されたビス穴２の左部および右部で電流Ｃが密になるとともに、ビス穴２の上部および下部で電流Ｃが疎となり、同図（ｂ）に示すように、その電流密度に応じて、ビス穴２周辺の温度分布に高低差（高温部ＨＩ，低温部ＬＷ）が生じる。
【００１０】
図１および図２から明らかなように、ビス穴２が穿設されたワーク１を上記従来の通電加熱方法で加熱すると、そのビス穴２周辺で電流分布が疎になる箇所と密になる箇所とが生じ、ワーク１の温度分布にバラツキが生じてしまう。特に、ワーク１として高張力鋼板を適用し、これを全体平均温度が高張力鋼板の加工に適した所望値（約９００［℃］）になるまで通電加熱した場合、電流Ｃが密になった箇所ＨＩの温度が高張力鋼板の制限温度（約１４００［℃］）を超えて溶解する虞があり、その結果、ワーク１の成形精度を低下させるとともに、作業効率を悪化させてしまうという問題があった。
【００１１】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ビス穴等の孔が穿設されている伝導性の構造体（ワーク）をプレス成形する際に、その孔周辺を含めて構造体全体を均一に所定の温度まで昇温させることができる通電加熱方法および装置、ならびにこれを備えたプレス機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の上記目的は、孔が穿設されている伝導性の構造体を所定の温度まで昇温させる通電加熱方法であって、前記構造体に対して、前記孔を通過する少なくとも２方向の通電方向を有するように複数の電極を配すステップと、前記複数の電極に対して、所定のパターンで電流を通電するステップとを含んでいることにより、達成される。
【００１３】
また、本発明の上記目的は、孔が穿設されている伝導性の構造体を所定の温度まで昇温させる通電加熱装置であって、前記構造体に対して、前記孔を通過する少なくとも２方向の通電方向を有するように配される複数の電極と、前記複数の電極に対して、所定のパターンで電流を通電する通電制御手段とを備えていることにより、達成される。
【００１４】
また、本発明の上記目的は、前記複数の電極を、異なる２方向で相対する前記構造体の端部に配し、かつ、前記複数の電極に対して、異なる２方向のうちの一方向の電極間への印加と他方向の電極間への印加とを所定の時間間隔で交互に切り替えながら直流電流を通電することにより、効果的に達成される。
【００１５】
また、本発明の上記目的は、前記孔の断面が正円形状であり、かつ、前記一方向の電極間に通電する時間間隔と前記他方向の電極間に通電する時間間隔との比が１：１に設定されていることにより、効果的に達成される。
【００１６】
また、本発明の上記目的は、前記孔の断面が長円形状であり、前記一方向の電極間の通電方向が前記長円形状の長手方向と平行に設定されるとともに、前記他方向の電極間の通電方向が前記長穴形状の長手方向に対して垂直な短手方向と平行に設定され、かつ、前記一方向の電極間に通電する時間間隔と前記他方向の電極間に通電する時間間隔との比が前記長円形状の長手方向寸法と短手方向寸法との比に応じて調整されていることにより、効果的に達成される。
【００１７】
また、本発明の上記目的は、前記直流電流の通電方向を切り替える時間間隔が０．０１〜０．２０［ｓｅｃ］であることにより、効果的に達成される。
【００１８】
また、本発明の上記目的は、前記通電パターンの異なる複数の電極を、異なる２方向で相対する前記構造体の端部にそれぞれ配し、かつ、前記複数の電極に対して、それぞれ交流電流を印加することにより、効果的に達成される。
【００１９】
また、本発明の上記目的は、前記電極が前記一方向の電極間の通電方向と前記他方向の電極間の通電方向とが垂直に交わるように配設されていることにより、効果的に達成される。
【００２０】
さらに、本発明の上記目的は、上述した通電加熱方法において、前記通電ステップによって前記構造体が所定の温度まで昇温された後に、該構造体を所定の形状にプレス成形するステップをさらに含んでいることにより、効果的に達成される。
【００２１】
また、本発明の上記目的は、上述した通電加熱装置を備えたプレス機械であって、前記通電手段によって前記構造体が所定の温度まで昇温された後に、該構造体を所定の形状に成形するプレス手段をさらに備えていることにより、達成される。
【発明の効果】
【００２２】
本発明に係る通電加熱方法および装置、ならびにこれを備えたプレス機械によれば、ビス穴等の孔が穿設されている伝導性の構造体に対して孔を通過する少なくとも２方向に通電可能な複数の電極を備え、この複数の電極に対して所定のパターンで電流を印加するようになっている。これにより、一方向に一様電流を通電した場合に生じていた孔周辺の温度分布のバラツキが解消され、構造体全体を均一に加熱することができる。その結果、構造体の加工性が大幅に向上され、高精度なプレス成形加工が可能となり、かつ、構造体を短時間で所望の温度状態にすることができるので、作業効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】従来の通電加熱方法をビス穴付き伝導性構造体（ワーク）に適用した場合を示す第１説明図である。
【図２】従来の通電加熱方法をビス穴付き伝導性構造体（ワーク）に適用した場合を示す第２説明図である。
【図３】本発明の実施形態に係る通電加熱装置を備えたプレス機械の概略構造を示す要部断面図である。
【図４】図３のプレス機械のプレス時の状態を概略的に示す要部断面図である。
【図５】図３のプレス機械のダイ上にビス穴付き伝導性構造体（ワーク）が配設された状態を概略的に示す斜視図である。
【図６】本発明の実施形態に係る通電加熱装置における通電方向の切り替え制御例を示す説明図である。
【図７】本発明の実施形態に係る通電加熱装置の変形例を概略的に示す要部上面図である。
【図８】ビス穴付き伝導性構造体（ワーク）に対して横方向に一様電流を通電した場合の説明図である。
【図９】ビス穴付き伝導性構造体（ワーク）に対して縦方向に一様電流を通電した場合の説明図である。
【図１０】実施例１および比較例１に係る評価実験シミュレーションの解析対象モデルとして用いた肉薄鋼板を示す概略斜視図である。
【図１１】図１０の肉薄鋼板を示す概略上面図である
【図１２】評価実験シミュレーションの比較例１の結果を示す温度−時間特性グラフである。
【図１３】評価実験シミュレーションの実施例１の結果を示す温度−時間特性グラフである。
【図１４】実施例２および比較例２−１，２−２に係る評価実験シミュレーションの解析対象モデルとして用いた肉薄鋼板を示す概略上面図（ａ）および概略側面図（ｂ）である。
【図１５】図１４の肉薄鋼板に穿設された孔を示す要部拡大図である。
【図１６】評価実験シミュレーションの比較例２−１の結果を示す温度−時間特性グラフである。
【図１７】評価実験シミュレーションの比較例２−２の結果を示す温度−時間特性グラフである。
【図１８】評価実験シミュレーションの実施例２の結果を示す温度−時間特性グラフである。
【図１９】図１６ないし図１８の結果を示す温度−時間特性グラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図面を参照にしながら本発明の実施形態について説明する。
【００２５】
図３は、本発明の実施形態に係る通電加熱装置を備えたプレス機械の概略構造を示す要部断面図であり、図４は、図３のプレス機械のプレス時の状態を概略的に示す要部断面図である。また、図５は、図３のプレス機械のダイ上にビス穴付き伝導性構造体（ワーク）が配設された状態を概略的に示す斜視図である。
【００２６】
本実施形態に係るプレス機械１０は、板状の伝導性構造体（ワーク）１を所定の形状にプレス成形する装置であり、上下動可能に配設されたパンチ部１１と、該パンチ部１１と対向するように配設されたダイ部１２とを有する成形型を備えている。加工対象となるワーク１は、自動車の車体部品などに適用される高張力鋼板等からなり、表面にはビス穴として適用される円孔２が穿設されている。なお、図３ないし図５に示すワーク１には、その中央付近に１つの孔２が穿設されているが、本発明はこれに限定されず、例えばワーク１の表面上に複数の孔２が穿設されていてもよい。
【００２７】
プレス機械１０の成形型は、パンチ部１１の下面中央部に長手方向に沿って形成された凸部１１ａと、該凸部１１ａに対応するようにダイ部１２の上面中央部に長手方向に沿って形成された凹部１２ａとを有している。プレス機械１０は、図４に示すように、上述したパンチ部１１およびダイ部１２からなる金型でワーク１をプレスすることにより、ワーク１を断面ハット形状に成形する。
【００２８】
また、本実施形態に係るプレス機械１０は、電気的に発生させたジュール熱によってダイ部１２上に配されたワーク１を加熱する通電加熱装置を備えている。この通電加熱装置は、加熱対象であるワーク１の端部に離間して配された複数の電極１３と、該電極１３に通電制御手段１４を介して電流を供給する直流電源１５とを有している。
【００２９】
通電加熱装置の電極１３は、図５に示すように、通電方向が異なる２種類の電極、すなわち、ワーク１の左右方向（短手方向）に通電するようにその両端部の外縁（辺）に沿って配された第１電極１３ａと、ワーク１の前後方向（長手方向）に通電するようにその両端部の外縁（辺）に沿って配された第２電極１３ｂとから構成されている。また、この第１電極１３ａおよび第２電極１３ｂは、互いの通電方向が垂直に交わり、かつ、互いの電極間に孔２が位置するように配されている。
【００３０】
通電制御手段１４は、ワーク１の左右方向に通電する各第１電極１３ａと接続している第１スイッチ１６ａと、ワーク１の前後方向に通電する各第２電極１３ｂと接続している第２スイッチ１６ｂと、直流電源１５からそれぞれの電極１３ａ，１３ｂに供給する電流の強さ（電流量）を調整する電力調整部１７とを有している。通電制御手段１４の各スイッチ１６ａ，１６ｂは、第１電極１３ａと第２電極１３ｂとが交互に通電するように、所定の時間間隔でそれぞれのＯＮ／ＯＦＦが切り替えられるように制御される。
【００３１】
図６は、本発明の実施形態に係る通電加熱装置における通電方向の切り替え制御例を示す説明図である。
【００３２】
同図（ａ）に示す切り替え制御例では、第１スイッチのＯＮ時間と第２スイッチのＯＮ時間との比が１：１であり、かつ、第１スイッチ１６ａがＯＮされると同時に第２スイッチ１６ｂがＯＦＦされ、一方、第２スイッチ１６ｂがＯＮされると同時に第１スイッチ１６ａがＯＦＦされるようになっている。なお、この第１スイッチ１６ａおよび第２スイッチ１６ｂを切り替える所定の時間間隔は、０．０１〜０．２０［ｓｅｃ］の範囲であることが好ましい。
【００３３】
また、同図（ｂ）に示す切り替え制御例では、第１スイッチのＯＮ時間と第２スイッチのＯＮ時間との比は、同図（ａ）の制御例と同様に１：１であるが、第１スイッチ１６ａのＯＦＦから第２スイッチ１６ｂのＯＮまでの間、および第２スイッチ１６ｂのＯＦＦから第１スイッチ１６ａのＯＮまでの間に、両スイッチ１６ａ，１６ｂがＯＦＦになる所定のインターバルが設けられている。
【００３４】
さらに、本実施形態に係る通電加熱装置では、ワーク１に穿設された孔２の断面形状やワーク１の材料特性などに応じて、第１スイッチのＯＮ時間と第２スイッチのＯＮ時間との割合を適宜調整することができ、同図（ｃ），（ｄ）に示す切り替え制御例では、第１スイッチのＯＮ時間と第２スイッチのＯＮ時間との比が２：１になっている。
【００３５】
図示されていないが、通電加熱装置の各電極１３ａ，１３ｂは、それぞれを２次元または３次元方向に移動させる電極移動手段に連結されている。この電極移動手段は、例えば、図３に示すようにワーク１に通電加熱する際には、ダイ部１２上に配されたワーク１に接触するように各電極１３ａ，１３ｂを移動させ、一方、図４に示すようにワーク１をプレス加工する際には、パンチ部１１とダイ部１２との間のスペースから各電極１３ａ，１３ｂを退避させる。
【００３６】
また、本実施形態に係るプレス機械１０は、通電加熱装置によって加熱されたワーク１の温度を測定する温度センサや、上述した成形型のプレス、通電加熱装置および電極移動手段の作動を制御する制御ユニットをさらに備えている。この制御ユニットは、マイクロコンピュータなどで構成され、入力装置を介して入力された信号あるいは予め記憶領域に記憶されているプログラムに基づいて、各手段の制御を実行するようになっている。そして、通電加熱装置によって加熱されたワーク１が所定の温度まで昇温したことが確認されると、パンチ部１１をダイ部１２に向かって可動し、ワーク１を所定の形状にプレス成形する。
【００３７】
以上のように、本実施形態に係る通電加熱装置によれば、孔２が穿設されている板状ワーク１に対して、第１電極１３ａによる横方向通電および第２電極１３ｂによる縦方向通電を所定の時間間隔で交互に切り替えながら加熱するようになっている。これにより、一方向に一様電流Ｃを通電した場合に生じていた孔２周辺の温度分布のバラツキが解消され、ワーク全体を均一に加熱することができる。この効果については、後述する実施例１，２において詳細に説明する。
【００３８】
なお、本実施形態では、本発明による効果が最も発揮されるように、異なる２つの通電方向が直交するように第１電極１３ａおよび第２電極１３ｂが配設されているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、ワーク１が矩形以外の形状で形成されているために異なる２つの通電方向が直交するように設定できない場合でも、上述した実施形態より多少効果は落ちるものの、孔２周辺の温度分布のバラツキを解消することができる。
［実施形態の変形例］
図７は、本発明の実施形態に係る通電加熱装置の変形例を概略的に示す要部上面図である。なお、同図において、上述した実施形態と同一の部材には同一の符号を付して、その説明を省略する。
【００３９】
上述した実施形態に係る通電加熱装置は、通電方向が異なる第１電極１３ａおよび第２電極１３ｂに対して、所定の時間間隔で交互に直流電流を通電する構成になっていたが、本変形例では、この通電加熱装置の構成が上記実施形態とは相違している。
【００４０】
図７に示すように、本変形例に係る通電加熱装置は、ワーク１の左右方向（横方向）に通電するようにその両端部に相対して配された第１電極１３Ａａと、ワーク１の上下方向（縦方向）に通電するようにその両端部に相対して配された第２電極１３ｂとを備え、それぞれの電極１３Ａａ，１３Ａｂが、交流電源１８ａ，１８ｂに接続されている。そして、ワーク１を通電加熱する際には、上述した実施形態と同様の電極移動手段によって、ダイ部１２上に配されたワーク１の端部に接触するように各電極１３Ａａ，１３Ａｂが移動され、両方向の電極１３Ａａ，１３Ａｂに対して交流電流が印加される。この通電によってワーク１が所望の温度に到達すると、電極移動手段によって各電極１３Ａａ，１３Ａｂがパンチ部１１とダイ部１２との間のスペースから退避され、パンチ部１１およびダイ部１２からなる成形型によって、ワーク１のプレス加工が実行される。
【００４１】
なお、ここでは図示されていないが、各電極１３Ａａ，１３Ａｂと各交流電源１８ａ，１８ｂとの間に電力調整部が配設され、該電力調整部によって、供給電流の強さ（電流量）が任意に調整できるようになっていてもよい。
【００４２】
以上のように、本発明の実施形態の変形例では、位相を９０°ずらした異なる２方向の交流電流をワーク１に通電することにより、上述した実施形態と同様、一方向に一様電流Ｃを通電した場合に生じていた孔２周辺の温度分布のバラツキが解消され、ワーク全体を均一に加熱することができる。この効果については、後述する実施例３において詳細に説明する。
【実施例】
【００４３】
以下、本発明の実施例について説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で任意に変形して実施することができる。
【００４４】
図１および図２に示したように、孔２が穿設された伝導性構造体（ワーク）１に所定の方向に沿って一様電流Ｃを通電した場合、幾何的条件により孔２の周辺に電流密度の疎密が生じ、その通電方向に応じてジュール熱の分布には規則性が見られる。したがって、一方向に通電し続けると、孔２の周辺に高温部ＨＩと低温部ＬＷとができてしまう。そこで、本発明の実施形態では、上述したように通電方向を切り替えることにより、この孔２周辺における温度分布のバラツキの抑制を図っている。後述する各実施例では、コンピュータを用いたＦＥＭ（有限要素法）解析による評価実験シミュレーションによって、本発明の実施形態および変形例の有効性について検証している。
【００４５】
本実施例における評価実験シミュレーションの数値解析には、電気−熱連成解析が用いられる。まず、電場問題の数理モデルとして、通電時におけるワーク１の材料内部の電位ν［Ｖ］は、下記の数１に示す定常伝導微分方程式を満足する。
【００４６】
【数１】
2011125897.tif 000003
ここで、上記数１の境界条件は、下記の数２で与えられる。
【００４７】
【数２】
2011125897.tif 000004
なお、各数式において、σは電気伝導率［１／（Ω・ｍ）］，∂／∂ｎは外向きを正とした法線方向微分である。また、通電時におけるワーク１の材料内部に発生するジュール熱ΔＨ［Ｗ／（ｓｅｃ・ｍ３）］は、下記の数３を満足する。
【００４８】
【数３】
2011125897.tif 000005
一方、非定常熱伝導問題の数理モデルとして、ワーク１の材料内部の温度Ｔ［Ｋ］は、下記の数４に示すジュール熱を用いた非定常熱伝導方程式を満足する。
【００４９】
【数４】
2011125897.tif 000006
ここで、上記数４の境界条件は、下記の数５で与えられる。  
【００５０】
【数５】
2011125897.tif 000007
なお、各数式において、λは熱伝導率［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］，Ｃは定圧比熱［Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）］，ρは密度［ｋｇ／ｍ３］，ｈは熱伝達率［Ｗ／（ｍ２・Ｋ）］，Ｔ∞は外部温度［Ｋ］，ｔは時間［ｓｅｃ］である。
【００５１】
次に、ワーク１に穿設された円孔２周辺の支配方程式について説明する。ワーク１の材料物性値等が一定である条件下において、図８に示すようにビス穴付き伝導性構造体（ワーク）１の横方向に一様電流（点線矢印Ｃ）を通電した場合、半径ａを有する円孔２周辺の電流密度（極座標表示）は、下記の数６，数７で表される。
【００５２】
【数６】
2011125897.tif 000008
【００５３】
【数７】
2011125897.tif 000009
なお、上記数１，数２において、Ｊ０は無限遠での一様電流Ｃの密度である。よって、図８に示すようにワーク１の横方向に一様電流Ｃを通電した場合のジュール熱は、上記数３より下記の数８を満足する。
【００５４】
【数８】
2011125897.tif 000010
一方、図９に示すようにワーク１の縦方向に一様電流Ｃを通電した場合のジュール熱は、下記の数９を満足する。
【００５５】
【数９】
2011125897.tif 000011
ワーク１に対する通電方向の切り替えを、横方向、縦方向、横方向、縦方向、・・・と微小時間（例えば０．１［ｓｅｃ］）間隔で繰り返し行った場合のジュール熱は、下記の数１０のように近似することができる。
【００５６】
【数１０】
2011125897.tif 000012
よって、非定常熱伝導方程式は、上記数４から下記の数１１を満足する。
【００５７】
【数１１】
2011125897.tif 000013
上記数１０および数１１から明らかなように、ワーク１に対する通電方向を、微小時間間隔で異なる２方向（横方向および縦方向）に切り替えることにより、ジュール熱が同心円状に分布する。また、ｒが∞（無限大）の領域では、ジュール熱が一様に分布するため、均一な温度分布となる。
【実施例１】
【００５８】
図１０は、実施例１および比較例１の評価実験シミュレーションの解析対象モデルとして用いたワーク（肉薄鋼板）１（１）を示す概略斜視図であり、図１１は、その上面図である。同図において、このワーク１（１）の各種寸法は、以下のとおりである。
【００５９】
縦幅（長手方向の幅）Ｌ：  １００［ｃｍ］
横幅（短手方向の幅）Ｗ：  ５０［ｃｍ］
板厚ｔ：  １．２［ｃｍ］
孔直径Ｄ：  ０．５［ｃｍ］
また、このワーク１（１）の材料物性値は、以下の表１に示すとおりである。
【００６０】
【表１】
2011125897.tif 000014
図１２は、上述した数理原理を適用した評価実験シミュレーションの比較例１の結果を示す温度−時間特性グラフである。この比較例１では、従来の加熱方法と同様に、ワーク１（１）に対して２．４×１０４［Ａ］の一様電流Ｃを一定方向（横方向）に沿って通電し、この通電を合計３秒間実行した後にそのワーク１を６秒間放冷した場合をシミュレーションしている。同図グラフにおいて、実線（ＭＡＸ（１−１））は、ワーク１（１）中の最高温度箇所（主に図１（ｂ）に示す高温部ＨＩ）の温度変位を示し，同図グラフ中に示されている点線（ＭＩＮ（１−１））は、ワーク１（１）中の最低温度箇所（主に図１（ｂ）に示す低温部ＬＷ）の温度変位を示している。
【００６１】
同図グラフには示されていないが、３秒間の通電後、孔２（１）周辺以外のワーク１（１）全体領域の温度は、約９００［℃］で均一化されていた。その一方で、孔２（１）周辺部では、図１（ｂ）に示すような局所的な温度差が生じていた。特に、高温部ＨＩの温度は約１４００［℃］であり、一方、低温部ＬＷの温度は約６５０［℃］であった。また、この高温部ＨＩおよび低温部ＬＷの温度は、６秒間の放冷後でもワーク１（１）全体の均一化温度（約９００［℃］）に対して誤差平均値が５％程度あった。
【００６２】
このように、孔２（１）周辺部の温度分布にバラツキが生じている状態でワーク１（１）をプレス成形した場合、そのワーク１（１）を高い成形精度でプレス成形するのは非常に困難である。また、ワーク１（１）の温度分布が均一化するまで放冷するにしても、その状態に達するまでに長い時間を要してしまう。
【００６３】
図１３は、評価実験シミュレーションの実施例１の結果を示す温度−時間特性グラフである。この実施例１では、上述した実施形態と同様、図６（ａ）に示すスイッチング制御によって、ワーク１（１）に対して２．４×１０４［Ａ］の一様電流Ｃを０．１［ｓｅｃ］間隔で交互に切り替えながら横方向と縦方向（すなわち第１電極１３ａと第２電極１３ｂ）に通電し、この通電を合計０．８秒間実行した後にそのワーク１（１）を６秒間放冷した場合をシミュレーションしている。
【００６４】
同図グラフにおいて、実線（ＭＡＸ（１））は、ワーク１（１）中の最高温度箇所の温度変位を示し，同図グラフ中に示されている点線（ＭＩＮ（１））は、ワーク１（１）中の最低温度箇所の温度変位を示している。なお、図１，図２を参照にしながら説明したように、ワーク１（１）の孔２（１）周辺の温度分布は、通電方向により異なる。したがって、図１３中のＭＡＸ（１）およびＭＩＮ（１）の数値は、その瞬間時における最高温度箇所および最低温度箇所の温度を示している。
【００６５】
同図グラフには示されていないが、０．８秒間通電した時点で、孔２（１）周辺以外のワーク１（１）全体領域の温度は、約９００［℃］で均一化されていた。この時点の最高温度箇所の温度は、約１３００［℃］であり、最低温度箇所の温度は、上記ワーク１（１）全体領域と同様、約９００［℃］であった。また、６秒間放冷させた時点の最高温度箇所および最低温度箇所の温度は、ワーク１（１）全体の均一温度（約９００［℃］）に対して誤差平均値が２％以内に抑えられていた。
【００６６】
さらに、上述した比較例１では、高温部ＨＩおよび低温部ＬＷが、ワーク１（１）の孔２（１）中心から半径ａの２倍以上の領域まで及んでいたが、本実施例１では、通電加熱中に高温または最低となる箇所は、ワーク１（１）の孔２（１）中心から半径ａの２倍未満の領域であり、半径ａの２倍以上の領域は、均一温度分布になっていた。
【００６７】
以上のように、本発明の実施形態に係る通電加熱方法を用いた実施例１によれば、一方向に一様電流Ｃを通電した比較例に較べ、ワーク１（１）全体を均一に加熱することができるとともに、ワーク１（１）を短時間で所望の温度（ここでは約９００［℃］）まで昇温させることができる。
【００６８】
なお、ここでは具体的に検討されていないが、複数の孔２（１）がワーク１（１）に穿設されている場合であっても、本実施形態に係る通電加熱方法を適用してワーク１（１）を加熱することにより、各孔２（１）周辺のジュール熱が上記数１０のように近似されるので、温度分布のバラツキを解消して、ワーク１（１）全体を均一に昇温させることができる。
【００６９】
また、本実施例では、加熱対象であるワーク１（１）が平板形状に設定されているが、本実施形態に係る通電加熱方法は、表面に多少の曲面や凹凸が形成されているワークに対しても適用可能であり、上述した実施例１と同様の効果を得ることができる。
【実施例２】
【００７０】
次に、ワークに穿設された孔の断面形状が正円ではない例について説明する。以下で説明する実施例２および比較例２−１，２−２の評価実験シミュレーションに用いる数理モデルの原理は、上記数１〜数９と同様であるため、ここではその説明を省略する。
【００７１】
図１４は、本実施例２および比較例２の評価実験シミュレーションの解析対象モデルとして用いたワーク（肉薄鋼板）を示す概略上面図（ａ）および概略側面図（ｂ）であり、図１５は、そのワークに穿設された孔を示す要部拡大図である。
【００７２】
図１４において、このワーク１（２）の各種寸法は、以下のとおりである。
【００７３】
縦幅（長手方向の幅）Ｌ：  １００［ｃｍ］
横幅（短手方向の幅）Ｗ：  ５０［ｃｍ］
板厚ｔ：  １．２［ｃｍ］
また、図１５において、ワーク１（２）の中央付近に穿設された孔２（２）の断面形状は、直径φ＝０．５［ｃｍ］の２つの正円が隣接した状態で納まる長穴であり、各種寸法は以下のとおりである。
【００７４】
孔縦幅Ｄ１：  ０．５［ｃｍ］
孔横幅Ｄ２：  １．０［ｃｍ］
さらに、このワーク１（２）の材料物性値は、以下の表２に示すとおりである。
【００７５】
【表２】
2011125897.tif 000015
図１６は、上述した数理原理を適用した評価実験シミュレーションの比較例２−１の結果を示す温度−時間特性グラフである。この比較例２−１では、従来の加熱方法と同様に、ワーク１（２）に対して電流密度４．７５Ｅ＋０７［Ａ／ｍ２］の一様電流Ｃを横方向に沿って３秒間通電した場合をシミュレーションしている。
【００７６】
同図グラフにおいて、黒塗り丸形のプロット（ＭＡＸ（２−１））は、孔２（２）の周縁上下部に生じるワーク１（２）中の最高温度箇所の温度変位を示し，同図グラフ中に示されている白抜き丸形のプロット（ＭＩＮ（２−１））は、孔２（２）の周縁左右部に生じるワーク１（２）中の最低温度箇所の温度変位を示している。この比較例２−１では、孔２（２）周辺の温度分布に大きなバラツキが生じ、３秒経過時点における最高温度箇所および最低温度箇所の温度は、それぞれ９４４．４［℃］および６５２．８［℃］であった。一方、３秒経過時点における孔２（２）周辺以外のワーク１（２）全体領域の温度は、約７２０［℃］で均一化されていた。
【００７７】
図１７は、上述した数理原理を適用した評価実験シミュレーションの比較例２−２の結果を示す温度−時間特性グラフである。この比較例２−２では、従来の加熱方法と同様に、ワーク１（２）に対して電流密度４．７５Ｅ＋０７［Ａ／ｍ２］の一様電流Ｃを縦方向に沿って３秒間通電した場合をシミュレーションしている。
【００７８】
同図グラフにおいて、黒塗り三角形のプロット（ＭＡＸ（２−２））は、孔２（２）の周縁左右部に生じるワーク１（２）中の最高温度箇所の温度変位を示し，同図グラフ中に示されている白抜き三角形のプロット（ＭＩＮ（２−２））は、孔２（２）の周縁上下部に生じるワーク１（２）中の最低温度箇所の温度変位を示している。この比較例２−２においても、ワーク１（２）の孔２（２）周辺の温度分布に大きなバラツキが生じ、３秒経過時点における最高温度箇所および最低温度箇所の温度は、１１２４［℃］および５６７．６［℃］であった。一方、３秒経過時点における孔２（２）周辺以外のワーク１（２）全体領域の温度は、約７２０［℃］で均一化されていた。
【００７９】
図１６に示した比較例２−１の結果と図１７に示した比較例２−２の結果とを対比すると、縦方向に通電した比較例２−２は、横方向に通電した比較例２−１よりも最高温度（ＭＡＸ）と最低温度（ＭＩＮ）との差が大きくなっている。したがって、ワーク１（２）に対して、実施例１のように一様電流Ｃを０．１［ｓｅｃ］間隔で交互に切り替えながら横方向と縦方向とに通電した場合、すなわち、横方向の電極間に通電する時間間隔と縦方向の電極間に通電する時間間隔との比が１：１に設定されている場合、孔２（２）周辺の温度分布のバラツキを十分に解消することはできない。そこで、比較例２−１，２−２における孔２（２）周辺のジュール熱、ならびに孔２（２）の孔縦幅Ｄ１と孔横幅Ｄ２の比に着目し、後述する実施例２における横方向の電極間に通電する時間間隔と縦方向の電極間に通電する時間間隔との比を、２：１に決定した。
【００８０】
図１８は、上述した数理原理を適用した評価実験シミュレーションの実施例２の結果を示す温度−時間特性グラフであり、この実施例２では、上述した実施形態の図６（ｃ）に示すスイッチング制御によって、ワーク１（２）に対して電流密度４．７５Ｅ＋０７［Ａ／ｍ２］の一様電流Ｃを縦方向と横方向とに、それぞれ２：１の時間間隔で交互に通電した場合をシミュレーションしている。
【００８１】
図１８のグラフにおいて、黒塗り四角形のプロット（ＭＡＸ（２））は、その瞬間時における最高温度箇所の温度を示し、そのうち小さいプロットは横方向通電のインターバル終了時における最高温度箇所の温度であり、大きいプロットは縦方向通電のインターバル終了時における最高温度箇所の温度である。一方、白抜き四角形のプロット（ＭＡＸ（２））は、その瞬間時における最高温度箇所の温度を示し、そのうち小さいプロットは横方向通電のインターバル終了時における最低温度箇所の温度であり、大きいプロットは縦方向通電のインターバル終了時における最低温度箇所の温度である。この実施例２では、３秒経過時点における最高温度箇所の温度は８４０［℃］であり、最低温度箇所の温度は７０４［℃］であった。この最低温度箇所に該当する孔２（２）周辺領域の温度は、孔２（２）周辺以外のワーク１（２）全体領域の温度と略同値であった。
【００８２】
図１９は、図１６ないし図１８の結果を示す温度−時間特性グラフである。同図から明らかなように、実施例２の通電加熱方法では、一方向に一様電流Ｃを通電した比較例２−１，２−２の通電加熱方法に較べ、通電加熱時の最高温度箇所と最低温度箇所の温度差を緩和することができ、ワーク１（１）全体を均一に加熱することができる。すなわち、本実施例２のように、孔２の断面形状が正円ではない場合でも、通電方向の切替タイミングを孔２の断面形状に応じて適宜調整すれば、上述した実施例１と同様の効果を得ることができる。また、本実施例２では、最小温度箇所の温度を比較例２−１，２−２に較べて高くすることができるので、通電加熱時間の短縮化を図る上でも有用である。
【実施例３】
【００８３】
次に、図７を参照にしながら説明した本発明の実施形態の変形例に係る通電加熱方法について検証する。図８，９に示した半径ａの円孔２が穿設されたワーク１に対し、図７に示すような装置によって、直交する異なる２方向の交流電流を通電した場合、ワーク１の材料物性値等が一定である条件下においては、円孔２周辺の電流密度（極座標表示）は、下記の数１２，数１３で表される。
【００８４】
【数１２】
2011125897.tif 000016
【００８５】
【数１３】
2011125897.tif 000017
なお、上記数１２，数１３において、Ｊ０は無限遠での電流密度である。よって、この場合のジュール熱は、上記数３より下記の数１４を満足する。
【００８６】
【数１４】
2011125897.tif 000018
ここで、ワーク１に対して印加する交流電流の周波数が十分に大きいとすると、数１４の式を下記の数１５のように近似することができる。
【００８７】
【数１５】
2011125897.tif 000019
よって、この場合の非定常熱伝導方程式は、上記数４から下記の数１６を満足する。
【００８８】
【数１６】
2011125897.tif 000020
以上のように、実施例３に係る通電加熱方法によれば、上記数１６の非定常熱伝導方程式が上述した実施例の数１１と同一になることから、直交する異なる２方向の交流電流をワーク１に印加しても、孔２周辺の発熱量の偏りを解消できることは自明であり、上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００８９】
以上、本発明の実施形態および実施例について具体的に説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【符号の説明】
【００９０】
１・・・伝導性構造体（ワーク）
２・・・孔（ビス穴）
１０・・・プレス機械
１１・・・パンチ部
１２・・・ダイ部
１３，１３Ａ・・・電極
１３ａ，１３Ａａ・・・第１電極（横方向通電用）
１３ｂ，１３Ａｂ・・・第２電極（縦方向通電用）
１４・・・通電制御手段
１５・・・直流電源
１６・・・スイッチ
１６ａ・・・第１スイッチ（横方向通電用）
１６ｂ・・・第２スイッチ（縦方向通電用）
１７・・・電力調整部
１８ａ，１８ｂ・・・交流電源
【図１】
2011125897.tif 000021
【図２】
2011125897.tif 000022
【図３】
2011125897.tif 000023
【図４】
2011125897.tif 000024
【図５】
2011125897.tif 000025
【図６】
2011125897.tif 000026
【図７】
2011125897.tif 000027
【図８】
2011125897.tif 000028
【図９】
2011125897.tif 000029
【図１０】
2011125897.tif 000030
【図１１】
2011125897.tif 000031
【図１２】
2011125897.tif 000032
【図１３】
2011125897.tif 000033
【図１４】
2011125897.tif 000034
【図１５】
2011125897.tif 000035
【図１６】
2011125897.tif 000036
【図１７】
2011125897.tif 000037
【図１８】
2011125897.tif 000038
【図１９】
2011125897.tif 000039
【手続補正書】
【提出日】平成21年12月22日(2009.12.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７５】
【表２】
2011125897.tif 000040
図１６は、上述した数理原理を適用した評価実験シミュレーションの比較例２−１の結果を示す温度−時間特性グラフである。この比較例２−１では、従来の加熱方法と同様に、ワーク１（２）に対して電流密度４．７５Ｅ＋０７［Ａ／ｍ２］の一様電流Ｃを横方向に沿って３秒間通電した場合をシミュレーションしている。