JP2005219090A - 長尺材の曲げ加工装置及び加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来の６軸パラレルリンク機構を用いた押通し曲げ加工で問題となる、曲げ加工中に発生する圧縮応力そのものを低減させた長尺材の曲げ加工装置及び加工方法を提供する。
【解決手段】 ６軸パラレルリンク機構により可動ダイスのオフセット量とダイス角度が与えられる長尺材（ワーク材１）の曲げ加工装置及び加工方法において、曲げ加工される長尺材の圧縮領域に引っ張り力を付与できるように、曲げ加工される長尺材の送りをクランプする手段と、可動ダイスを長尺材に沿って軌道制御により移動させる引き通し曲げ加工手段とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、６軸パラレルリンク機構により、可動ダイスのオフセット量とダイス角度とが与えられる長尺材の曲げ加工装置及び加工方法に関する。

６軸パラレルリンク機構を用いた長尺材の曲げ加工を開示した先行技術文献として、特許文献１がある。この特許文献１には、３次元曲げ加工ヘッドに６軸パラレルリンク機構を設け、この６軸パラレルリンク機構の姿勢制御により、６軸パラレルリンク機構に支持された可動ダイスのオフセット量とダイス角度を所定の値に設定し、長尺ワーク材を曲げ加工する曲げ加工装置が開示されている。

図７は上記曲げ加工装置の上面図であり、この曲げ加工装置は曲げ加工ヘッド２及びワーク材供給装置３を備えている。
曲げ加工ヘッド２は、長尺材であるワーク材１を挿通させるガイド穴５ａをもつガイドパイプ６を中心部に固定されたベース部材７と、ガイドパイプ６から前方に送られる長尺ワーク材１に曲げ力を加えるための可動ダイス８を中心部に固定された可動板９と、自在継手１０ａ，１０ｂを介してそれぞれベース部材７，可動板９に端部が連結された６個の油圧シリンダ（伸縮装置）１０とから構成されている。

６個の油圧シリンダは、リンク長が可変のリンクを構成するもので、図１１に示すようにＶ字状に配置されている。これにより、油圧シリンダ１０と油圧シリンダ１０に連結されたベース部材７及び可動板９とは、６軸パラレルリンク機構を構成することになり、油圧シリンダ１０の伸縮制御により、ベース部材７に対する可動板９の位置（距離、ずれ）や傾斜等を任意に設定できる。すなわち、油圧シリンダ１０の伸縮によって並進３自由度で回転３自由度の計６自由度の運動を行なうことができる６軸パラレルリンク機構が形成されている。

図８は、曲げ加工の原理説明図である。可動ダイス８とガイドパイプ６の２つの金型において、中心軸の相対的なずれであるオフセット量（Ｕ）を与え、更に円滑に加工が行えるように、曲げ半径Ｒに応じてダイス角度（θ）の傾きを与え、そこに送り推力ＰＬで押し通すことによって、曲げ加工が行われる。

ワーク材１にはオフセット量（Ｕ）の大きさに対応した加工荷重Ｐが働き、金型間距離Ｖによって曲げモーメントＭ＝ＰＶが作用して塑性変形を起こす。
ガイドパイプ６は固定とし、可動ダイス８だけを移動・傾斜させて、所望のオフセット量（Ｕ）とダイス角度（θ）、金型間距離Ｖを与える。この可動ダイス８を動作させるために、上記６軸パラレルリンク機構を用いている。

２つのパラメータのうち、オフセット量（Ｕ）は加工するワーク材１の曲げ半径を決める役割を持ち、一般的にはオフセット量（Ｕ）を増やすと曲げ半径Ｒは小さくなり、オフセット量を減らすと曲げ半径Ｒは大きくなる。

もうひとつのパラメータであるダイス角度（θ）は、直接に曲げ半径を決める因子とはならないが、長尺ワーク材１が可動ダイス８を通り抜けるときに、長尺ワーク材１の長手方向に直角な方向（即ちダイス角度（θ））に傾いていることが重要である。

従来の６軸パラレルリンク機構を用いた押通し曲げ加工では、送り装置から送られたパイプ状のワーク材が可動ダイス部で力を受けることによりワーク材に発生する曲げ力でワーク材を加工している。

可動ダイスは、ワーク材の形状・寸法・材質およびワーク材の曲げ条件に応じて最適な位置、姿勢（角度）に制御・保持され、送り装置から送られるワーク材の押通し曲げ加工を行なっている。

従って、この押通し曲げ加工においては、ワーク材の形状・寸法・材質およびパイプの曲げ条件に応じてダイスを最適な位置、姿勢（角度）に制御・保持することが曲げ加工の重要なポイントの一つである。

一方、非特許文献１には、薄肉角管の曲げ加工における坐屈によるしわ発生の抑制に関する技術開示がある。ここでは、しわ抑制の直接的な方法として、原因となる圧縮歪を低く抑えるために、軸引っ張り負荷を与えることが合理的であるとの記述がある。具体的には、第６８頁の図１に示すように、形材を左右から２枚の摩擦板で挟み、形材先頭部が固定された巻付けダイを回転することにより発生する摩擦力で軸引っ張り負荷を実現している。
特開２００２−３４６６４０号公報 東京都立科学技術大学紀要第１５巻（2001.11）P67-P72 坂木修次 「薄肉角管の回転曲げ加工における変形特性」

６軸パラレルリンク機構を用いた従来の押通し曲げ加工では、ワーク材の形状・寸法・材質・曲げ条件に応じてダイスが最適な位置、姿勢（角度）に制御・保持されていたとしても、加工するパイプ状ワーク材の肉厚を薄くしていくと加工中に座屈やしわを発生しやすくなるという問題点がある。図６は、押通し曲げ加工で坐屈を発生したワーク材表面の中間調画像を示す図である。

図９は、押通し曲げ加工における応力発生の説明図である。本図により加工中の座屈やしわ発生のメカニズムを説明する。座屈やしわ発生の原因は、押通し曲げ加工の加工原理に基づく現象によるものある。

即ち、ダイス８がワーク材１に及ぼす力ＦＰにより、ガイドパイプ６からワーク材１が押し出される端部のワーク材断面Ａにおいて生ずる圧縮応力（ＦＰの水平分力ＦＰｈ）が過大になると、この端部の圧縮領域（図９では下側）が部分的に座屈を起こし易くなる。

図１０は、ワーク材断面Ａにおける応力分布の説明図であり、矢印の長さが応力の大きさを表し、矢印の右向きが圧縮応力、左向きが引っ張り応力を示している。図１０（Ａ）は、押通し曲げ加工においてダイス８がワーク材１に対して常にその軸方向に水平分力ＦＰｈによる圧縮荷重が与えられていることを示す。この水平分力ＦＰｈによる応力がワーク材１の圧縮応力として作用する。

図１０（Ｂ）は、ワーク材１に及ぼす力ＦＰの垂直分力ＦＰｖの曲げモーメントにより生ずる応力分布を示すものであり、中立軸の上下に引っ張り応力と圧縮応力が発生している。

図１０（Ｃ）は、（Ａ）と（Ｂ）を合成した応力分布を示すものであり、圧縮応力の最大値は、水平分力によるものと垂直分力によるものが加算されるために、引っ張り応力の最大値に比較して大きくなり、押通し曲げ加工において坐屈やしわが発生し易くなる。

こうして発生した部分的な座屈や座屈によりワーク材の表面に発生したしわは、図６に示したように外観上も目につきやすく製品の品質を低下させ、商品価値を下げる要因となっている。

部分的な座屈や座屈によりワーク材表面に発生したしわは、外観上の問題だけでなく、ワーク材加工そのものに重大な悪影響を及ぼす。即ち、座屈やしわを発生したワーク材部分がダイスを通るときに、ダイスが適切な位置、姿勢（角度）に保持されていても、ワーク材がダイスを正常に通り抜けることが困難となり、ダイスに異常な力を及ぼす。

この結果、ダイスを通り抜けたワーク材には、坐屈やしわを一層増大させることになる。更に、ダイス部で発生する力の水平成分が、正常時に比べて異常に大きくなるため、ガイドパイプよりワーク材が押し出される端部のワーク材断面Ａに発生する圧縮応力がさらに増大するという悪循環を生じ、ワーク材の曲げ加工そのものが不能になる場合も発生する。

６軸パラレルリンク機構を用いた従来の押通し曲げ加工機では、以上の問題点に対する対策として、パイプ状のワーク材の内部に種々の心材を入れて、座屈やしわを防止する対策が行なわれている。

しかしながらこの対策は、ワーク材に生ずる圧縮応力そのものを減らす対策ではなく、圧縮応力がかかっても座屈やしわを発生しないようにする対策であり、根本的な対策とはいえない。

非特許文献１には、上記の通り、薄肉角管の曲げ加工における坐屈によるしわ発生の抑制に関する技術開示があり、そこには、しわ抑制の直接的な方法として、原因となる圧縮歪を低く抑えるために、軸引っ張り負荷を与えることが合理的であるとの記述がある。

この文献開示の技術は、回転曲げ加工であり、本発明の対象である６軸パラレルリンク機構で移動制御される可動ダイスを用いる曲げ加工とは異なる加工手法を取るものであるが、曲げ加工一般において圧縮歪に起因する坐屈によるしわ発生の抑制方法に有効な示唆を与えるものである。

本発明の解決しようとする課題は、従来の６軸パラレルリンク機構を用いた押通し曲げ加工で問題となる、曲げ加工中に発生する圧縮応力そのものを低減させた長尺材の曲げ加工装置及び加工方法を提供することにある。

このような課題を達成する各発明の構成は次の通りである。
（１）６軸パラレルリンク機構により可動ダイスのオフセット量とダイス角度が与えられる長尺材の曲げ加工装置において、曲げ加工される前記長尺材の圧縮領域に引っ張り力を付与する手段を備えたことを特徴とする長尺材の曲げ加工装置。
（２）曲げ加工される前記長尺材の送りをクランプする手段と、前記可動ダイスを前記長尺材に沿って軌道制御により移動させる引き通し曲げ加工手段とを備えたことを特徴とする（１）に記載の長尺材の曲げ加工装置。
（３）前記可動ダイスの動作範囲に応じて前記クランプ位置を変更する手段を備えたことを特徴とする（２）に記載の長尺材の曲げ加工装置。
（４）６軸パラレルリンク機構により可動ダイスのオフセット量とダイス角度が与えられる長尺材の曲げ加工方法において、曲げ加工される前記長尺材の圧縮領域に引っ張り力を付与しつつ曲げ加工を行う工程を有することを特徴とする長尺材の曲げ加工方法。
（５）曲げ加工される前記長尺材の送りをクランプする工程と、前記可動ダイスを前記長尺材に沿って軌道制御により移動させる引き通し曲げ加工工程とを有することを特徴とする（４）に記載の長尺材の曲げ加工方法。
（６）前記可動ダイスの動作範囲に応じて前記クランプ位置を変更する工程を有することを特徴とする（５）に記載の長尺材の曲げ加工方法。

本発明によれば次のような効果を得ることができる。
（１）ワーク材を固定してダイスを軌道制御で移動させる引通し曲げ加工を行なうことにより、曲げ加工されるワーク材の圧縮領域に引っ張り力を付与させた曲げ加工が可能となるので、曲げ加工中に発生する圧縮応力そのものを大幅に低減させることができる。
（２）これにより、従来の押通し曲げ加工で生じた部分的な座屈や座屈により表面に発生するしわは低減され、製品の品質が向上すると共に加工障害の要因が排除される。

本発明の実施形態を図面により詳細に説明する。図１は本発明を適用した長尺材の曲げ加工装置の一実施形態を示す図である。図７、図８で説明した従来装置と同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。以下、本発明の特徴部分につき説明する。

図１において、１００は主制御装置であり、曲げ加工制御全体を管理する。１０１は主制御装置１００と通信する６軸パラレルリンク機構制御装置であり、６本の油圧シリンダ１０のストロークを制御し、可動ダイスを固定した可動板９の位置及び軌道制御を実行する。

１０２は同じく主制御装置１００と通信するクランプ力・ガイド位置制御装置、１０３は油圧制御のための圧力源である。
１０４は第１の可変クランプ式ガイド部材であり、ワーク材１をワーク材供給装置３の内側においてクランプし、そのクランプのオンオフが圧力制御弁１０５を介してクランプ力・ガイド位置制御装置１０２で制御される。

１０６は第２の可変クランプ式ガイド部材であり、ワーク材１をワーク材供給装置３の外側（可動ダイス側）においてクランプし、そのクランプのオンオフが圧力制御弁１０７を介してクランプ力・ガイド位置制御装置１０２で制御される。

１０８は第３の可変クランプ式ガイド部材であり、ダイスが固定された可動板９に取り付けられ、ワーク材１を摩擦摺動により引っ張り力を加えながら軌道制御を実行して移動できる力でクランプする。そのクランプ力は、圧力制御弁１０９を介してクランプ力・ガイド位置制御装置１０２で設定制御される。

１１０は第１のガイド部材移動装置であり、第１の可変クランプ式ガイド部材１０４をクランプオフ状態のときにワーク材１の送り軸方向に移動操作する。その移動量は、方向制御弁１１１を介してクランプ力・ガイド位置制御装置１０２で制御される。

１１２は第２のガイド部材移動装置であり、第２の可変クランプ式ガイド部材１０６をクランプオフ状態のときにワーク材１の送り軸方向に移動操作する。その移動量は、方向制御弁１１３を介してクランプ力・ガイド位置制御装置１０２で制御される。

次に、このような構成を有する本発明の加工方法の手順を説明する。図２は、第１工程であり、各要素は加工開始前の初期位置状態である。図２（Ａ）は可動板９側から見た側面図、図２（Ｂ）は上面図を示す。

この初期状態では、可動ダイス８に対するオフセット量並びにダイス角度の設定はゼロであり、第１，第２，第３可変クランプ式ガイド部材１０４，１０６，１０８のクランプはオフに制御され、ワーク材１は所定位置まで送られている。この段階で、第１，第２ガイド部材移動装置１１０及び１１２がワーク材の送り軸方向に操作され、第１，第２可変クランプ式ガイド部材１０４，１０６の最適クランプ位置が設定される。

図３により第２工程及び第３工程を説明する。第２工程では、第１及び第２可変クランプ式ガイド部材１０４及び１０６のクランプはオンとなり、ワーク材１はこれらのガイド部材位置で固定される。第１及び第２可変クランプ式ガイド部材１０４及び１０６の機能は、加工中にワーク材１が移動しないように固定することが目的のため、クランプ力の微妙な調節は不要である。

第３工程は、引通し曲げ加工の工程であり、可動ダイス８の軌道制御による移動中に、可動ダイス８がワーク材１に与える摺動摩擦による引っ張り力を加えながら移動することにより、ワーク材１が第２可変クランプ式ガイド部材１０６で支持される端部のワーク材断面Ａにおいて生ずる圧縮応力の低減を行なう。

従って、可動ダイス８を有する可動板９に固定された第３可変クランプ式ガイド部材１０８のクランプ力設定は重要である。この設定は、ワーク材の材質、形状、加工条件等に応じて、理論的にまたは経験的に得られた最適な値に設定する必要がある。

引き通し曲げ加工では、図９で説明した押通し曲げ加工とは反対の引っ張り方向に可動ダイス８がワーク材１に及ぼす力ＦＰが発生する。
これにより、ワーク材１が第２可変クランプ式ガイド部材１０６で支持される端部のワーク材断面Ａには引っ張り応力（ＦＰの水平分力ＦＰｈ）が発生し、これが部分的な座屈の発生を抑制する。

図４は、ワーク材断面Ａにおける応力分布の説明図であり、矢印の長さが応力の大きさを表している。図４（Ａ）は、引通し曲げ加工において可動ダイス８がワーク材１に対して常にその軸方向に水平分力ＦＰｈによる引っ張り応力が与えられている。

図４（Ｂ）は、ワーク材１に及ぼす力ＦＰの垂直分力ＦＰｖに起因する曲げモーメントにより生ずる応力分布を示すものであり、中立軸の上下に引っ張り応力と圧縮応力が発生している。

図４（Ｃ）は、（Ａ）と（Ｂ）を合成した応力分布を示すものである。これから明らかなように、引っ張り応力の最大値は増すものの、坐屈やしわの発生に関与する圧縮応力の最大値が減少するため、坐屈やしわの発生を抑制できる。

図５は、本発明の曲げ加工方法により製造した製品表面の中間調画像を示す図である。図６に示した従来加工品に比較して部分的な座屈や座屈によりワーク材の表面に発生するしわは著しく軽減され、製品の品質が向上していることがわかる。

本発明を適用した長尺材の曲げ加工装置の一実施形態を示す図である。 本発明に係る加工方法の第１工程を示す各要素の配置図である。 本発明に係る加工方法の第２工程及び第３工程を示す各要素の配置図である。 引押通し曲げ加工におけるワーク材断面の応力分布説明図である。 本発明に係る加工装置及び加工方法による製品表面の中間調画像を示す図である。 従来の押通し曲げ加工による製品表面の中間調画像を示す図である。 従来の長尺ワーク材の曲げ加工装置の上面図である。 曲げ加工の原理説明図である。 押通し曲げ加工における応力発生説明図である。 従来の押通し曲げ加工におけるワーク材断面の応力分布説明図である。 油圧シリンダの配置を示す図である。

符号の説明

１ ワーク材
３ ワーク材供給装置
７ ベース部材
９ 可動板
１０ 油圧シリンダ
１００ 主制御装置
１０１ ６軸パラレルリンク機構制御装置
１０２ クランプ力・ガイド位置制御装置
１０３ 圧力源
１０４，１０６，１０８ 第１，第２，第３可変クランプ式ガイド部材
１１０，１１２ 第１，第２ガイド部材移動装置
１０５，１０７，１０９ 圧力制御弁
１１１，１１３ 方向制御弁

Claims (6)

1. ６軸パラレルリンク機構により可動ダイスのオフセット量とダイス角度が与えられる長尺材の曲げ加工装置において、
   曲げ加工される前記長尺材の圧縮領域に引っ張り力を付与する手段を備えたことを特徴とする長尺材の曲げ加工装置。
2. 曲げ加工される前記長尺材の送りをクランプする手段と、前記可動ダイスを前記長尺材に沿って軌道制御により移動させる引き通し曲げ加工手段とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の長尺材の曲げ加工装置。
3. 前記可動ダイスの動作範囲に応じて前記クランプ位置を変更する手段を備えたことを特徴とする請求項２に記載の長尺材の曲げ加工装置。
4. ６軸パラレルリンク機構により可動ダイスのオフセット量とダイス角度が与えられる長尺材の曲げ加工方法において、
   曲げ加工される前記長尺材の圧縮領域に引っ張り力を付与しつつ曲げ加工を行う工程を有することを特徴とする長尺材の曲げ加工方法。
5. 曲げ加工される前記長尺材の送りをクランプする工程と、前記可動ダイスを前記長尺材に沿って軌道制御により移動させる引き通し曲げ加工工程とを有することを特徴とする請求項４に記載の長尺材の曲げ加工方法。
6. 前記可動ダイスの動作範囲に応じて前記クランプ位置を変更する工程を有することを特徴とする請求項５に記載の長尺材の曲げ加工方法。
   

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