(57)【要約】【課題】【解決手段】被処理部品の加熱を含む製造工程のための装置および方法が提供されている。抵抗加熱装置は、成形性を改善するため耐熱性めっきを施された高張力鋼のシートを有している加工部品へ電流を加える。加熱制御システムは、加工部品の温度を制御するため加工部品への電流を調整する。温度検出器は、加工部品の温度を検出し、電流を調節するために加熱制御システムへのフィードバックを生成する。電気抵抗検出器は、加工部品内の電気抵抗を計測し、電流を調節するために加熱制御システムへのフィードバックを生成する。【選択図】図１
2011515572.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
成形性を改善するため耐熱性めっきを施された高張力鋼のシートを有している加工部品へ電流を加える抵抗加熱装置；
加工部品の温度を制御するため加工部品への電流を調節する加熱制御システム；
加工部品の温度を検出し、電流を調節するため加熱制御システムへのフィードバックを生成する温度検出器；および
加工部品内の電気抵抗を計測し、電流を調節するため加熱制御システムへのフィードバックを生成する電気抵抗検出器を有する、製造工程のための装置。
【請求項２】
請求項１記載の装置は、さらに
打ち抜き加工部品を形成するため抵抗加熱中同時にめっきシートを打ち抜く打ち抜き装置；および
強度を増加するため加工部品を急速冷却して焼き入れする冷却槽を有する。
【請求項３】
請求項１記載の装置において、上記抵抗加熱装置は、抵抗加熱のため加工部品へ電流を供給するため加工部品の対向端に取り付けられる第一および第二の端部クランプを有する。
【請求項４】
請求項３記載の装置において、少なくとも上記第一および第二の端部クランプの一つは、加工部品中に不均一な加熱を引き起すことになるそれぞれの端部クランプにおける温度上昇を低減するための冷却機構を有している。
【請求項５】
請求項４記載の装置において、上記冷却機構は、それぞれの端部クランプを包囲し、それぞれの端部クランプへ冷却液を供給する流体ジャケットを有している。
【請求項６】
請求項１記載の装置において、加工部品上の耐熱性めっきは高溶融点めっき材料である。
【請求項７】
請求項１記載の装置において、上記温度検出器は、加工部品と接触状態にある熱センサを有している。
【請求項８】
請求項１記載の装置において、上記温度検出器は、加工部品から放射する熱放射を計測する放射センサを有している。
【請求項９】
抵抗加熱のため加工部品へ電流を供給するため加工部品の対向端に取り付けられる第一および第二の端部クランプを有する抵抗加熱装置；
加工部品の温度を検出し、電流を調節するため温度のフィードバックを生成する温度検出器；
加工部品内の電気抵抗を計測し、電流を調節するため電気抵抗のフィードバックを生成する電気抵抗検出器；および
加工部品中に不均一な加熱を引き起すことになるそれぞれの端部クランプにおける温度上昇を低減するため少なくとも上記第一および第二の端部クランプの一つに係合する冷却機構を有している、製造工程のための装置。
【請求項１０】
請求項９記載の装置において、上記冷却機構は、それぞれの端部クランプを包囲し、それぞれの端部クランプへ冷却液を供給する流体ジャケットを有している。
【請求項１１】
請求項９に記載の装置は、さらに、
加工部品の温度を制御するため、加工部品への電流を調節するため温度検出器および電気抵抗検出器からのフィードバックを受け取る加熱制御システムを有する。
【請求項１２】
請求項９記載の装置において、上記加工部品は、成形性を改善するため耐熱性めっきを施された高張力鋼のシートを有している。
【請求項１３】
請求項９記載の装置において、加工部品上の耐熱性めっきは高溶融点めっき材料である。
【請求項１４】
請求項９記載の装置は、さらに
打ち抜き加工部品を形成するため抵抗加熱中同時に加工部品を打ち抜く打ち抜き装置；および
強度を増加するため加工部品を急速冷却して焼き入れする冷却槽を有する。
【請求項１５】
請求項９記載の装置において、上記温度検出器は、加工部品と接触状態にある熱センサを有している。
【請求項１６】
請求項９記載の装置において、上記温度検出器は、加工部品から放射する熱放射を計測する放射センサを有している。
【請求項１７】
抵抗加熱のために加工部品の対向端に電流を供給すること；
加工部品の温度を計測し、電流を調節するための温度のフィードバックを生成すること；および
加工部品内の電気抵抗を計測し、電流を調節するための電気抵抗のフィードバックを生成すること、を有する製造方法。
【請求項１８】
請求項１７記載の方法は、さらに
加工部品中の不均一加熱を引き起こすことがある局部的な温度上昇を低減することを有する。
【請求項１９】
請求項１７記載の方法は、さらに
加工部品の温度を制御するため、温度のフィードバックおよび電気抵抗のフィードバックの両方に応じて加熱を制御することを有する。
【請求項２０】
請求項１７記載の方法は、さらに
打ち抜き加工部品を形成するため抵抗加熱中同時に加工部品を打ち抜くこと；および
強度を増加するため加工部品を急速冷却して焼き入れすることを有する。
【発明の詳細な説明】
【発明の背景】
【０００１】
［発明の分野］
本発明は、全体として金属部品を製造するための打ち抜きおよび加熱操作に関する。この発明は、特に、重量を低減し強度を増加した打ち抜き金属部品の形成にその適用性を有している。
【０００２】
［関連する技術の説明］
本発明は、打ち抜き金属部品の製造のための方法および装置を提供するものであり、これは、多量のエネルギーを消費し、環境に大きな影響を与える大規模な加熱炉中での対流によって加熱が行われる従来の方法および装置に伴う問題点を解消するものである。
【発明の開示】
【０００３】
本発明の幾つかの実施例は、製造工程中での被処理部品を加熱するための装置に関する。抵抗加熱装置は、成形性を改良するための耐熱性めっきを施された高張力鋼のシートを含んでいる加工部品に電流を流す。加熱制御システムは、加工部品の温度を制御するため、加工部品への電流を調節する。温度検出器は、加工部品の温度を検出し、その電流を調節するため加熱制御システムへのフィードバックを生成する。電気抵抗検出器は、加工部品内の電気抵抗を計測し、その電流を調節するため加熱制御システムへのフィードバックを生成する。
【０００４】
本発明のその他の実施例は、製造工程中での被処理部品を加熱するための装置に関する。抵抗加熱のため加工部品に電流を供給するため加工部品の対向端に取り付けられる第一および第二の端部クランプを有している抵抗加熱装置が設けられており。加工部品の温度を検出し、その電流を調節するための温度のフィードバックを生成する温度検出器がまた設けられている。加工部品内の電気抵抗を計測し、その電流を調節するため電気抵抗のフィードバックを生成する電気抵抗検出器がさらに設けられている。加工部品中に不均一な加熱を引起すことのあるそれぞれのクランプ中での温度上昇を低減するため少なくとも第一および第二のクランプの一つと係合するための冷却機構がさらに設けられている。
【０００５】
本発明のさらにその他の実施例は、製造工程中での被処理部品を加熱するための方法に関する。電流が抵抗加熱のため加工部品の対向端に供給される。加工部品の温度が検出され、電流を調節するため温度のフィードバックが生成される。加工部品内の電気抵抗が計測され、その電流を調節するため電気抵抗のフィードバックが生成される。
【０００６】
その他の利点および長所は、以下の詳細な明細書を読みかつ理解すれば、当業者には明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
本発明は、ある部分における物理的な形態および部分の配置を採用しており、その実施例は、この明細書に詳しく説明されておりまた明細書の一部を形成している添付の図面に図示されている、そこでは：
【０００８】
【図１】本発明の実施例に従った抵抗加熱システムを表している概略平面図である。
【０００９】
【図２】本発明の実施例に従った加熱および打ち抜きシステムを表している側断面図である。
【００１０】
【図３】本発明の実施例に従った耐熱性めっきで覆われた薄鋼板を示している側断面図。
【００１１】
【図４】本発明の実施例に従った製造方法における工程を表すフローチャートである。
【発明の詳細な説明】
【００１２】
本発明は、全体として金属部品の加熱および打ち抜きのためのシステムおよび方法に関している。特に、本発明は、打ち抜き操作の一部としての金属部品の加熱のためのシステムおよび方法に関しており、ここでは、金属部品中の温度および電気抵抗の両方を同時に計測することによって、加熱が調節される。この金属部品は、成形性を改善しかつめっき層の溶解あるいは消散無しに急速な加熱を可能とする耐熱性めっきを施されたシートである。
【００１３】
本発明は、材料の効率および製造工程におけるエネルギー消費に関連する問題を解消するものである。特に、本発明は、高強度、軽重量の製造部品を生産することによって自動車産業への具体的な応用可能性を有しており、それは、結果として製造中のエネルギー消費も少なく改良された燃料経済性を有しまた衝突時の安全性についての規制に関して改良された順応性をも有する車両に繋がる。
【００１４】
本発明は、大きな空間と多量のエネルギーの消費を必要とする、従って、環境への多大な影響を有する従来の大規模な炉を使うのではなく、薄鋼板の電気抵抗加熱工程を利用している。被加熱部品中の温度および電気抵抗の両方の同時計測は、計測温度値と論理値の比較を可能とし、従って、加工部品の正確な加熱制御が可能となる。この加熱工程は、加熱工程と同時に行われる打ち抜き工程を含む製造工程の一部であり、これに続いて、その部品の冶金学的な強度を増すため、焼き入れ工程での急速冷却が行われる。
【００１５】
さて、図面を参照するが、ここで示したものは、本発明の実施例を図示するのみのためのものであり、発明を限定するためのものではなく、またここでは同様な構成要素には同様な参照番号が付されていると理解されたい。図１は、被処理部品の加熱を含む製造工程のための装置１０を図示している。抵抗加熱装置１２ａ、１２ｂは、加工部品１４へ電流を流す。この加工部品は、成形性を改善するための耐熱性めっきを施された高張力鋼のシートである。この望ましい実施例では、抵抗加熱装置１２ａ、１２ｂは、望ましくは、第一の端部クランプ１２ａおよび第二の端部クランプ１２ｂを有している。これら端部クランプ１２ａ、１２ｂは加工部品１４の対向端に取り付けられており、抵抗加熱のために加工部品１４へ電流を供給する。
【００１６】
（当分野では周知の）抵抗加熱の技術の使用に際しては、加工部品１４は発電機２０を有する電気回路中にある。電流は端部クランプ１２ａ、１２ｂ間を通過させられ、従って、加工部品１４を通る。このようにして、電気エネルギーは熱の形で加工部品１４に与えられる。熱エネルギーは、従って、一つの加工部品を加熱するため炉の全容積が加熱される従来型の加熱とは対照的に、直接加工部品１４に正確かつ効率的な方法で加えられる。
【００１７】
加工部品の温度を制御するため加工部品１４への電流を調節する加熱制御システム２２が設けられている。加工部品１４の温度を検出し、かつ電流調節のため加熱制御システム２２へのフィードバックを生成する温度検出器２４が設けられている。電気抵抗検出器２６は、加工部品１４内の電気抵抗を計測し、電流調節のため加熱制御システム２２へのフィードバックを生成する。
【００１８】
温度検出器２４は、加工部品１４中の加熱状態を計測しかつ加熱制御システム２２へのフィードバックを生成する温度検出技術を採用している。この温度検出器２４は、加工部品１４からの放射熱を計測するため加工部品１４の表面から離れた放射熱センサでよい。加熱制御システム２２は、計測した放射熱と加工部品１４の温度を関連付けるための演算部を含んでいる。代案として、この温度検出器２４は、加工部品１４と直接接触するセンサでもよい。この温度検出器２４は、一つの選択された領域の温度を計測するように適合された単一のセンサでも良いし、あるいはそれは、加工部品１４の多数の点からの温度を表すデータを収集するため少なくとも加工部品１４の長さあるいは面部分をそれぞれ計測する線状あるいは面状のセンサ列であっても良い。いずれにしても、この温度検出器２４は、加工部品１４への急速かつ均一な加熱を与えるため温度をモニターする。
【００１９】
さらに、加熱制御システム２２は、加工部品１４を計算した温度とするため加工部品１４に所定の電流を所定の期間流す、ここで、加工部品１４の抵抗および熱容量は事前に求められている。計算された温度は、計算されたおよび計測されたデータを比較するため計測された温度と関連付けることができ、従って、加工部品１４の正確な温度制御を与える。このようにして、希望する温度が、短期間加工部品１４に大電流を流すことによって急速に達成出来る。
【００２０】
温度検出に加えて、電気抵抗検出器２６は、加工部品１４内の電気抵抗を計測し、電流調節のため加熱制御システム２２へのフィードバックを生成する。図１に示すように、電気抵抗検出器２６は、加工部品１４によって引き出される電流を計測する回路中で加工部品１４と直列な要素である。これに加えて、あるいは代案として、電気抵抗検出器２６は、加工部品１４に跨る電圧降下を計測するため各端部クランプ１２ａ、１２ｂに形成しても良い。
【００２１】
電気抵抗は温度の関数で変化するのが導体の特性である。従って、加工部品１４の電気抵抗の計測はその金属の温度を直接示すことになる。加熱制御システム２２は、特定の寸法を有する加工部品の薄鋼板に対する公知の抵抗値を使ってプログラムされており、また電気抵抗の関数としての温度の理論値に達するように温度に対する抵抗の変化をモデル化したアルゴリズムをも含んでいる。
【００２２】
加熱制御システム２２は、電気抵抗検出器２６からフィードバックを受け取り、この情報を加工部品１４の温度について別の独立した計算をするため追加のデータとして処理する。加熱制御システム２２は、加工部品１４の温度の正確な値に到達するため、温度検出器２４および電気抵抗検出器２６からの独立した温度データを比較する。加工部品１４中の温度および電気抵抗の両方の同時計測は、理論値と計測温度の比較を可能とし、従って、加工部品１４の正確な加熱制御を与える。
【００２３】
第一および第二の端部クランプ１２ａ、１２ｂの近傍での局部的な加熱を排除するため、第一および第二の端部クランプ１２ａ、１２ｂの一方あるいは両方は、それぞれのクランプにおける温度上昇を低減するため冷却機構２８ａ、２８ｂを有している。これらの局部的温度上昇は、状況によっては加工部品１４中に不均一な加熱を引起し、そして最終製品の成形性あるいは冶金学的な特性に悪影響を与えることがある。この冷却機構２８ａ、２８ｂは、端部クランプ１２ａ、１２ｂをすっぽりと包みそれに冷却液を供給する流体ジャケットでよい。冷却流体は、焼き入れ冷却槽（以下で説明する）のようなとのような流体源からでも良い。
【００２４】
図２に示すように、製造装置１０は、望ましくは、被処理部品を同時に加熱、打ち抜きを行うものである。抵抗加熱装置１２が加工部品１４に電流を流している時、打ち抜き装置３０ａ、３０ｂは、打ち抜き加工部品を形成するため抵抗加熱中に同時にめっきシート１４を打ち抜く。焼き入れ槽３２は、加工部品１４の機械的強度を冶金学的に増すために加工部品１４を急速に冷却する。
【００２５】
図２に示すように、打ち抜き装置は、大きな力を加えるため加工部品１４上で一緒になる第一の型３０ａおよび第二の型３０ｂを有している。第一および第二の型３０ａ、３０ｂは、最終製品の形状に合うそれぞれの噛み合い面を有している。型３０ａ、３０ｂは、望ましくは、この分野で通常知られているような油圧装置（図示せず）によって一緒に駆動される。本発明で考えられているように、加工部品１４は、端部クランプ１２ａ、１２ｂ中に挿入され、そしてその温度が希望するレベルに急速に上昇するように加工部品１４に電気が加えられる。それと同時に、打ち抜き型３０ａ、３０ｂが、最終打ち抜き製品を形成するため加工部品１４上で一緒になる。
【００２６】
熱の制御された適用および加工部品の温度のモニタリングは、加熱装置１２によって急速に加えられるべき所定の高温を可能とする。このようにして、加工部品の薄鋼板は、薄鋼板の高強度マルテンサイト相の温度に到達する。高温で達成された加工部品１４のこのマルテンサイト冶金学的状態は、加工部品１４の急速な焼き入れによって保存、維持される。
【００２７】
特に、図３に示すように、加工部品１４は、その上面、底面が耐熱性めっき層４２ａ、４２ｂ、でめっきされた薄鋼板から形成されている。耐熱性めっき層４２ａ、４２ｂは、マルテンサイト相への加工部品の急速な加熱を可能とするより高いよう融点温度を有している、通常のアルミニウムめっきは、これらの温度では溶融し、消散する。
【００２８】
耐熱性めっき層４２ａ、４２ｂは、アルミニウム金属より高い溶融点を有し、従って、鋼の硬化に適切な運転温度においても溶融あるいは消散に耐える酸化アルミニウムを有してもよい。この酸化物層は、薄鋼板４０にアルミニウムめっきし、次にアルミニウム層４２ａ、４２ｂを化学処理して酸化することによって形成できる。酸化アルミニウム層４２ａ、４２ｂは、希望する温度でシートの成形性を維持し、従って、希望する冶金学的特性を有する金属部品を生産するための打ち抜き操作を可能とする。
【００２９】
めっき層の溶融、消散は、また、アルミニウムめっきされた加工部品１４を鋼板基板の境界に沿って合金層が形成されるまでゆっくりと加熱する工程によって制御できる。この合金は、非合金アルミニウムよりも高い溶融点を有している。しかし、この合金相に到達するため相当な加熱時間が必要であり、従って、これは生産性および効率に悪影響を及ぼす。従って、耐熱性めっき層４２ａ、４２ｂは、鋼の硬化に適切な運転温度においても溶融あるいは消散に耐えるため、非合金アルミニウムより高い溶融点を有するアルミニウム合金から形成されることが望ましい。アルミニウム合金は、アルミニウム／鋼合金、亜鉛／鋼合金あるいは合金マトリックス中に鋼があっても無くても良いアルミニウム亜鉛の合金で良い。合金層４２ａ、４２ｂは、適切な冶金学的特性を有する金属部品を生産する打ち抜き操作を可能とするよう、希望する温度での鋼の成形性を維持している
【００３０】
図４は、本発明による製造工程中で被処理部品を加熱する方法５０を表しているフローチャートである。ステップ５２は、抵抗加熱を生成するため加工部品の対向端に電流の供給を行う。このようにして、電気エネルギーが鋼の加工部品内で熱に変換される。
【００３１】
ステップ５４は、加工部品の温度の計測および電流を調節するため温度フィードバックの生成を行う。同時に、ステップ５６は、加工部品内の電気抵抗の計測および電流を調節するため電気抵抗フィードバックの生成を行う。温度および電気抵抗を計測するステップ５４、５６は、加工部品の温度を制御するため温度フィードバックおよび電気抵抗フィードバックに応じて加熱を制御することを有している。
【００３２】
不均一加熱は、加工部品の温度が、電流が加えられる端部において高い場合に起こることがある。従って、加工部品中に不均一加熱を引起す対向端部における局部的温度上昇を低減する中間のステップが行われる。これは、液体のような冷却剤を装置に即ち加工部品の各端部に適用することによって実行出来る。
【００３３】
方法５０は、望ましくは、打ち抜き加工部品を形成するため抵抗加熱中に同時に加工部品を打ち抜く追加のステップ５８を有することが望ましい。ちょうど型がその打ち抜き位置に来た時、加工部品がその希望する温度に達し、時間の節約およびエネルギー効率を改善するように、それが加熱されている間に第一および第二の打ち抜き型は、加工部品を跨ぐような位置に一緒に持って来られている。打ち抜かれた加工部品を急速冷却によって焼き入れするもう一つのステップ６０は、従って、その冶金学的強度を増加するため行われる。このようにして、軽量で強く、また素早くかつ高いレベルのエネルギー効率で製造される、最終部品が形成される。
【００３４】
温度検出のステップ５４は、加工部品からの放射熱を計測することによって行うことができる。代案として、温度は、加工部品との直接の接触によって計測できる。加工部品の熱的な状態は、多数の点の温度を表しているデータを収集するよう、一つの選択した領域で、加工部品の長さあるいは面に沿って計測することができる。  
【００３５】
加工部品上の抵抗計測のステップ５６は、加工部品によって引き出された電流の連続した計測によって行われる。代案としては、電気抵抗は、加工部品を跨ぐ電圧降下を計測することによって求めることができる。導体の電気抵抗は、温度の関数として変化するので、加工部品の電気抵抗の計測は、金属の温度を直接表している。抵抗計測のステップ５６は、また、加工部品の薄鋼板に対する抵抗値の比較を有しており、また電気抵抗の関数としての温度に対する理論値に達するように温度に関する抵抗の変化をモデル化した処理アルゴリズムを有している。
【００３６】
以上、実施例を説明したが、上記の方法および装置は、本発明の一般的な範囲から逸脱することなく変更および修正を持ち込むことが出来ることは当業者にとっては明らかであろう。従って、変更例および修正例が添付の請求項あるいはその均等物の範囲に入る限りそのようなものの総てを包含することを意図している。
【００３７】
以上本発明を説明したので、次のようにその範囲を請求する。
【図１】
2011515572.tif 000003
【図２】
2011515572.tif 000004
【図３】
2011515572.tif 000005
【図４】
2011515572.tif 000006
【国際調査報告】
2011515572.tif 000007
2011515572.tif 000008