(57)【要約】【課題】薄板を変形させることなく、安定して加熱できる電極を提供する。【解決手段】薄板の加熱中に生じる長手方向と幅方向の熱膨張を吸収させる様に、複数の自在に移動可能なクランプ電極構造とするとともに、電極表面が通電電流により発熱するように抵抗の高い層を設ける。【選択図】　　図４
2004106035.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属薄板を挟持可能な一対のクランプ電極が、電源を介して対向して設置され、該対向する電極が並列に２系列以上設置され、さらに各電極が任意の方向に可動自在としてなることを特徴とする金属薄板用加熱電極。
【請求項２】
少なくとも被加熱物と接触する面が、電極母材の電気抵抗より大きな材質からなることを特徴とする電極部材。
【請求項３】
電極母材から被加熱物と接触する面まで、順に電気抵抗が大きくなる様に複数の層を設けたことを特徴とする電極部材。
【請求項４】
請求項２または３に記載の電極部材を用い、被加熱物である金属薄板を挟持可能とする一対のクランプ電極が、電源を介して対向して設置され、該対向する電極が並列に２系列以上設置され、さらに各電極が任意の方向に可動自在であることを特徴とする金属薄板用静止加熱電極。
【請求項５】
請求項１または４に記載の金属薄板用加熱電極を用いて、金属薄板を挟持しながら通電して加熱し、加熱に伴う金属薄板の熱膨張によるしわや延びを吸収する様に各電極を移動させることを特徴とする金属薄板加熱方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属薄板材をプレスなどで加工する場合に、あらかじめ通電加熱により薄板材を加熱する場合等の薄板材加熱用の通電加熱電極に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シート状の金属は、自動車などのボディーや電化製品等日常の様々なものに使われ、その形状は複雑多岐にわたる。これらの製品は、通常鉄板やアルミおよびその合金などが使われるが、特に加工性や強度を持たせる場合には、シート状金属を一定温度以上に加熱してから加工を行う場合がある。
【０００３】
通常、シート状金属の加熱は、加熱炉でガスや重油用のバーナーを用いた燃焼ガスや電気ヒーターによる輻射加熱によることが多い。シート状金属は、酸化雰囲気で加熱されることが多く、あるいは、非酸化雰囲気で加熱していてもプレスなどの加工を行う場合には炉外へ出され大気にさらされた状態で加工を行うことになる。そのため、加工されるまでに加熱されたシート状金属は、放散熱によりシート内で温度偏差がつき、温度偏差によりシート内に強度のばらつきが生じるため加工精度を悪化させる原因の一つになっている。
【０００４】
また、高温で大気にさらされたシート状金属は、表面に酸化スケールが発生するため、スケール除去のための後処理が必要となり、スケール除去のための設備、処理費用、時間がかかる。
【０００５】
そのため、例えば、熱間加工する物体に不活性ガスを吹き付けて、酸化を防止する方法が公開されている（特許文献１参照）。また、鋼板表面にアルミをメッキし、鋼板の酸化を防止するとともに、高温に加熱した時にアルミが溶融しないように徐々に加熱し鉄との合金化を進める方法などが提案されている（特許文献２参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平５−３０９４２６号公報
【特許文献２】
特開２０００−３８６４０号公報
【０００７】
しかし、前者の方法では不活性ガスを吹き付ける時、まわりの空気を巻き込むため酸素濃度を下げることができず、効果的な酸化防止にはならないという問題がある。また、加熱した金属をガスで冷やすことにもなり、加熱効果が薄れるとともに、温度偏差を増長し、加工精度の悪化にもつながる可能性がある。また、後者の方法では、メッキのための設備が必要であり製造コストの増加が避けられない。
【０００８】
また、上記方法における問題点を解決すべく、例えば、金型の近傍で通電加熱することが提唱されている（特許文献３参照）。
しかし、薄板材を通電加熱するときには、大きな２つの課題がある。その一つは、加熱により薄板材が膨張することにより薄板材が垂れてしまい、金型に接触しスパークしたり、垂れた被加熱材が電極に不安定接触してスパークが発生したりするという問題であり、もう一つは、電極近傍では被加熱材が薄いため電極により熱が奪われることにより、薄板内に大きな温度偏差が生じ熱応力が生じることと電極が薄板の幅方向の延びを拘束することにより、電極近傍にしわが入り薄板が変形を起こしてしまうことである。
【０００９】
前者の問題については、電極間で薄板材に張力を与えて伸ばすことが提唱されており（特許文献３および特許文献４参照）、また、後者の電極近傍の問題については、半径２０ｍｍ以下の球状電極で通電することにより、電極近傍の温度を上昇させる方法が提唱されている（特許文献５参照）。
【００１０】
【特許文献３】
特開２００２−１８５３１号公報
【特許文献４】
特開昭５３−１０９８０８号公報
【特許文献５】
特開２００２−１８５３１号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前者の加熱された薄板材の延びについては、電極間で張力を与えても、厚みが薄いので厚み方向の膨張は無視できるものの、熱膨張は電極間方向だけではなく平面的に一様に広がろうとするため、電極間方向だけに張力を与えても、しわ発生防止の解決にはならない。
【００１２】
また、後者の電極近傍の問題についても解決が困難である。すなわち、小電極にしても電極の接触面積が小さくなり電極近傍は、電流密度が高くなるため容易に薄板材の温度が上昇するが、電極近傍のみが加熱され過加熱となりやすく時には溶断する場合があること、電極が球であるため、加熱で延びた薄板材が電極面と不安定接触することによりスパークが発生しやすくなるなどの問題が生じる。また、電極が幅方向に広がろうとするのを拘束することによる薄板材の変形を防止することはできない。
本発明は、上記課題を解決し金属薄板材を変形や温度偏差無く加熱できる電極を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、以下の通りである。
（１）金属薄板を挟持可能な一対のクランプ電極が、電源を介して対向して設置され、該対向する電極が並列に２系列以上設置され、さらに各電極が任意の方向に可動自在としてなることを特徴とする金属薄板用加熱電極。
（２）少なくとも被加熱物と接触する面が、電極母材の電気抵抗より大きな材質からなることを特徴とする電極部材。
（３）電極母材から被加熱物と接触する面まで、順に電気抵抗が大きくなる様に複数の層を設けたことを特徴とする電極部材。
（４）前記（２）または（３）に記載の電極部材を用い、被加熱物である金属薄板を挟持可能とする一対のクランプ電極が、電源を介して対向して設置され、該対向する電極が並列に２系列以上設置され、さらに各電極が任意の方向に可動自在であることを特徴とする金属薄板用加熱電極。
（５）前記（１）または（４）に記載の金属薄板用加熱電極を用いて、金属薄板を挟持しながら通電して加熱し、加熱に伴う金属薄板の熱膨張によるしわや延びを吸収する様に各電極を移動させることを特徴とする金属薄板加熱方法。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明を図面に基いて詳細に説明する。
図１は、加熱前後金属薄板材の変化を説明する図である。金属薄板材とは通常鋼板であるが、アルミ等の他の金属でも良い。図１の点線で示す薄板材ＡＢＣＤを加熱し、拘束無く自由に平面上で膨張させた場合、金属薄板材（以降は薄板材と記載する）は細線Ａ’Ｂ’Ｃ’Ｄ’の様に広がろうとする。しかし、電極が両端で薄板材を拘束することにより、電極間方向の熱膨張による延びは、薄板材を水平にして加熱する場合には重力により下方に垂れることで応力の発生を吸収しようとする。
【００１５】
一方、幅方向の延びは、板中央付近は自由に延びることができるものの、両端は電極で拘束されるため延びることができず、しわを発生させ、図中の実線ＡＥＦＢＣＧＨＤの様な形状になろうとする。電極は、通常冷却されていることもあり、加熱された薄板材と電極部間では熱応力も加わり、容易に座屈し、薄板材両端に変形を与えてしまう。この様な変形は、薄板材が加熱後プレスされる様な場合には、重大な欠陥となってしまう。
【００１６】
そこで、この様な変形を生じさせず、板内の温度偏差を最小とするための電極について検討を行った。まず、加熱により生じる熱膨張については、従来の様に電極間方向の延びは、電極間方向に張力を加えるように電極を動かすことで解消できるが、それだけでは不十分で幅方向の延びも考慮しなければならない。そのため、本発明では、電極間に薄板を挟むクランプ電極とし、熱膨張に合わせ電極間方向だけではなく幅方向にも移動できる電極とした。
【００１７】
図２、図３で、本発明による電極について説明する。図２は、本発明による電極の作用を説明する模式図であり、図３は、本発明による電極構造例を説明する模式図である。被加熱材である薄板１は、電源４に導電部材５、電流分配器６で接続された一方の電極２，２’と、同じく電源４に導電部材５、電流分配器７で接続された対向するもう一方の電極３，３’間で、電流を通じジュール加熱される。
【００１８】
薄板１は、先に述べた様に図１の加熱前ＡＢＣＤが、加熱されるとＡ’Ｂ’Ｃ’Ｄ’になろうとする。従来の電極は、板幅一杯に拘束する構造であるため辺ＡＤ、ＢＣが拘束されてしまうが、本発明例である図２では、片方の電極を２つとし、薄板１の４隅近傍をクランプして通電することから、薄板１が拘束されるのはこの４隅の電極だけとなり、他は自由に膨張しようとする。膨張すると薄板１は垂れようとすることから、電極２を図１のＡからＡ’の方向へ、電極２’を図１のＤからＤ’の方向へ，電極３を図１のＢからＢ’の方向へ、電極３’を図１のからＣ’の方向へ移動させると、薄板１は、垂れることなく、また、しわを発生することなく加熱することができる。
【００１９】
電極構造としては、例えば図３に示すように、薄板１の電極による圧下と開放は、電極支持機構８’の内部に電動シリンダや油圧シリンダ、エアシリンダなどの圧下機構を持たせ、この圧下機構に先端に上下の電極２’がついたアーム１０を接続し、前記圧下機構のシリンダの移動で行う。電極２’は、アーム１０と絶縁板および絶縁ボルトで接合され、圧下機構とは電気的に絶縁する。
【００２０】
電極の材質は、薄板と接触する表面の材質は溶着しにくく酸化のしにくいセラミックスやサーメットを溶射などで設けるのが望ましく、内部の材質は電流による発熱を抑えるため電気抵抗が小さく、比透磁率の小さな銅や銅の合金を用いるのが望ましい。また、水冷等により電極全体が発熱するのを防止することも必要である。
【００２１】
この電極全体を移動させる手段としては、例えば図３ではベース１３を土台に固定し、その上に長手方向、板幅方向に電極支持機構８’全体を移動させるためのモーター１１，１２を設ければ良い。電極の移動量は、薄板１の温度に応じた熱膨張量を計算しておきその計算値に合わせ移動させても良いし、あるいは薄板の温度に応じ薄板が塑性変形しない様にトルクを測定しながら移動させる方法でも良い。
【００２２】
本例では、モーターを用いて電極を移動させる例を示したが、油圧シリンダやエアシリンダなどでも構わない。
【００２３】
以上は、比較的通電電流量が小さく電極近傍の発熱が問題にならない場合には、極めて有効であるが、通電電流量が多い場合には、片側電極２個では電極近傍の電流密度が高く発熱が問題になる場合がある。この様な場合、煩雑になるため電源との接続は省略してあるが、図４の様に電極を複数（２，２’，３，３’，１４〜１９）に分け、各々の電極が上記同様自在に可動できるようにしておけば、熱膨張を吸収させることができる。
ここで、図中２０〜２５は電極支持機構を示す。
【００２４】
この場合、片側電極が偶数個でも奇数個のどちらでも良いが、偶数個と奇数個とでは電極の動きが多少異なる。具体的には、奇数個の場合には、板幅中央に設置する電極は、電極間方向にのみ引っ張る様にし、この中央に設置した電極の両側の電極は、薄板の延びに合わせて板幅方向と電極間方向に動き結果的には斜めの方向に引っ張るようにすれば良いし、偶数個の場合には、同様に板幅中央を挟んで薄板の延び方向に斜めに引っ張るようにするのが望ましい。
【００２５】
次に、電極による薄板からの抜熱による薄板の変形防止法について説明する。
薄板は、厚みが薄いことから容易に電極から抜熱され、温度偏差が生じやすい。温度偏差が生じ、電極の拘束があると容易に変形し座屈してしまう場合が多い。電極からの抜熱を防止するためには、薄板と接触する電極表面温度が加熱された薄板の温度に近ければ良い。電極表面温度を高温にするために、本発明では図５の様に抵抗の小さな電極母材２６（例えば銅など）を電極フォルダー３３にロウづけした水冷銅パイプ３１，３２で冷却する一方、少なくとも電極表面には抵抗の大きい材質（例えばニクロムなど）の層３０を設け、電極から薄板へ流れる電流により電極表面部を発熱させる。このことで、上記薄板と電極との温度偏差を小さくする、あるいはなくすことができる。
【００２６】
この場合、母材から表面部までの間は徐々に抵抗が大きくなるように複数の層（本例では層２７，２８，２９）にすると良好な場合が多い。すなわち、抵抗の大きな材質は、一般に熱伝導率も小さく、熱膨張率も大きいという性質を有することから、物性値の傾斜をつけることで熱膨張差による層間剥離等のトラブルを回避することができるためである。
【００２７】
抗層の設け方は、溶射が施工しやすく物性値変化もつけやすい。その他としてはメッキや焼きばめなども有効である。この様にして、電極表面を加熱することにより、加熱された薄板から電極への伝熱量が小さくなるため、当然のことながら薄板内の温度偏差も小さくなり熱応力が生じにくくなり、座屈の発生を防止することができる。
【００２８】
【実施例】
本発明による効果を実験で確認した。実験は、厚さ０．１８ｍｍ、幅３００ｍｍ、長さ６００ｍｍの冷延鋼板を室温から８００℃まで加熱し、加熱中の鋼板の変形ならびに加熱終了後の鋼板の変形状態について、本発明による電極と比較例として固定電極を用いた場合について比較した。
【００２９】
本発明による電極は、電極全体が鋼板長手方向、幅方向に移動可能な様にリニアガイド上にエアシリンダで、任意の方向へ移動できるようにし、鋼板のクランプも、エアシリンダにより行う様にした。用いた電極は、水冷した銅母材の電極（幅５０ｍｍ、奥行き４０ｍｍ）の表面にクロムカーバイドのニッケルクロムサーメットを２５０μｍ溶射したものを片側２個用い、幅方向、長手方向に加熱に合わせて移動させた場合（実施例１）、片側の電極３個を用い幅方向、長手方向に加熱に合わせて移動させた場合（実施例２）、電極表面にニクロムをワイヤー溶射で１ｍｍ施工し片側３個の電極を用い、幅方向、長手方向に加熱に合わせて移動させた場合（実施例３）と、比較例として幅４００ｍｍの水冷銅電極用い、電極を固定した場合（比較例１）、比較例１と同様にしながら電極を長手方向に移動させた場合（比較例２）で比較を行った。電源は、５０Ｖ／８０００Ａのサイリスタ制御盤を用いた。
【００３０】
結果を表１に示す。本発明による実施例１では、鋼板の両端４隅に電極を配置し４隅を引っ張るように電極を動かしたことから、電極近傍は電流密度が高くなり、電極部だけがやや高温になったものの、鋼板は平面を保とうとし鋼板形状の不良は加熱中、加熱後も見られなかった。
【００３１】
実施例２は、実施例１で電極近傍の電流密度が高かったことから、電流密度を低減する目的で幅方向中央に電極を１つ増やし電極数を３個としたもので、端の電極は長手方向幅方向ともに動かし、中央の電極は長手方向に引っ張る様に移動させたものであるが、極めて小さく実用上問題無いレベルではあるが、中央の電極近傍に小さなしわが加熱中に発生し、冷却後もわずかなしわが残ったものの、電極近傍の温度偏差は緩和され８０℃が４０℃に低減した。
【００３２】
実施例３は、実施例２と同様の電極配置、移動をさせたもので、電極のみ表面が抵抗の高い材質としたものであるが、電極近傍では加熱中も加熱後も形状の異常は見られないとともに、温度偏差も極めて小さなものであった。
【００３３】
それに対し、従来の固定電極で加熱した比較例１では鋼板に大きなしわと垂れが発生し、このしわはそのまま冷却後にも残ってしまった。また、熱膨張による延びを吸収する目的で提唱されている電極間で鋼板を引っ張る比較例２では、垂れは無くなりしわの幅が若干改善されるものの、やはり大きなしわが残ってしまった。
この様に、本発明の電極を用いれば、品質の良い薄板の加熱を可能とすることができた。
【００３４】
【表１】
2004106035.tif 000003
【００３５】
【発明の効果】
本発明の電極を用いれば、形状悪化しやすい薄板の加熱であっても、形状不良を発生することなく品質の良い加熱が可能となるため、特に形状が問題になる熱間プレスなどに本加熱電極を用いて薄板を通電加熱すれば、温度偏差も小さく強度ばらつきの無い状態でプレスができるため、精度の良い製品を製造することができるとともに、歩留まり生の低下もなく生産性も向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】薄板の静止加熱を説明する模式図である。
【図２】本発明による、２つの自在に移動可能な電極を使う例を示す平面模式図である。
【図３】本発明による、電極の構造例を説明する断面模式図である。
【図４】本発明による、複数の自在に移動可能な電極を使う例を示す平面模式図である。
【図５】本発明による、電極構造を説明する断面模式図である。
【符号の説明】
１：薄板
２，２’：電極
３，３’：電極
４：電源
５：導電部材
６：電流分配器
７：電流分配器
８，８’：電極支持機構
９，９’：電極支持機構
１０：アーム
１１：モーター
１２：モーター
１３：ベース
１４：電極
１５：電極
１６：電極
１７：電極
１８：電極
１９：電極
２０：電極支持機構
２１：電極支持機構
２２：電極支持機構
２３：電極支持機構
２４：電極支持機構
２５：電極支持機構
２６：電極母材
２７：高抵抗層
２８：高抵抗層
２９：高抵抗層
３０：表面高抵抗層
３１：水冷パイプ
３２：水冷パイプ
３３：電極フォルダー
【図１】
2004106035.tif 000004
【図２】
2004106035.tif 000005
【図３】
2004106035.tif 000006
【図４】
2004106035.tif 000007
【図５】
2004106035.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成14年10月8日(2002.10.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2004106035.tif 000009
【図２】
2004106035.tif 000010
【図３】
2004106035.tif 000011
【図４】
2004106035.tif 000012
【図５】
2004106035.tif 000013