JP2006142322A - 押し通し曲げ加工方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 加工する三次元形状の外周面の位置の制御が可能な押し通し曲げ加工方法及び装置を提供することを課題とする。
【解決手段】 固定ダイス１０３が設けられた平面上での可動ダイス１０７の開口１０７ａの重心と固定ダイスの開口１０３ａの重心とのずれ量であるオフセットと、固定ダイスが設けられた平面と直交し固定ダイスの開口の重心を通る軸上での、固定ダイスの開口の重心と可動ダイスの開口の重心との距離であるダイス間距離と、可動ダイスが設けられた平面に対する可動ダイスの傾き角であるダイス角度と、可動ダイスが設けられた平面と直交し可動ダイスの開口の重心を通る軸まわりの可動ダイスの回転角であるダイスねじり角度とで、形成される三次元形状の長尺材の軌道を決定し、可動ダイスの固定ダイスが設けられた平面上での可動ダイスのオフセット方向の角度であるダイスオフセット角度で形成される三次元形状の長尺材の曲げの方向を決定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、長尺材を固定ダイスから可動ダイスへ押し通しながら、前記可動ダイスを前記固定ダイスに対して移動させて前記長尺材を三次元形状に曲げる押し通し曲げ加工法及び装置に関する。

図９に押し通し曲げ加工装置の一例を示す。図９は押し通し曲げ加工装置の上面図である。図において、固定ベース１には、開口を有した固定ダイス３が設けられている。可動ベース５には、開口を有した可動ダイス７が設けられている。また、固定ベース１側には、長尺材９を固定ダイス３から可動ダイス７へ向かって送り出す送り手段１１が設けられている。

そして、固定ベース１と可動ベース５との間には、可動ダイス７を固定ダイス７に対して移動・傾斜させる移動手段１３が設けられている。
移動手段１３は、固定ダイス３が設けられる固定ベース１と、可動ダイス７が設けられる可動ベース５と、固定ベース１と可動ベース５との間に渡って設置された油圧シリンダ１７及びこの油圧シリンダ１７の両端に設けられた自在継手１９，２１からなる６つの伸縮装置２３とから構成されている。

６つの伸縮装置２３は、略トラス状になるよう自在継手１９，２１を固定ベース１、可動ベース５の周縁部に結合して、油圧シリンダ１７の伸縮によって固定ベース１に設定されたＸＹＺ座標に対する可動ベース５の並進３自由度及び回転３自由度の運動を行なうパラレルリンク機構となっている。

このため、油圧シリンダ１７の伸縮制御により、固定ベース１に対する可動ベース５の位置（距離、ずれ）や傾斜等を任意に設定できる。
このような装置では、送り手段１１を用いて、長尺材９を固定ダイス３の開口から可動ダイス７の開口へ押し通しながら、移動手段１３を用いて可動ダイス７を固定ダイス３に対して移動・傾斜させ、長尺材９を三次元形状に曲げ加工する。

図１０は、押し通し曲げ加工の原理説明図である。まず、長尺材９の軸方向の断面を示す図１０（ａ）に示すように、直角座標ｘ，ｙ，ｚは、固定ダイス３が設けられる平面方向をｘ−ｙ平面とし、固定ダイス３の開口３ａの重心を通る軸方向をｚ軸としている。

固定ダイス３が設けられた平面（ｘ−ｙ平面）上での、可動ダイス７の開口７ａ の重心と固定ダイス３の開口３ａの重心とのずれ量をオフセット量（ｕ）、固定ダイス３が設けられた平面（ｘ−ｙ平面）に対する可動ダイス７の傾き角をダイス角度（θ）、固定ダイス３の重心を通る軸（ｚ軸）上での、固定ダイス３の開口３ａの重心と可動ダイス７の開口７ａの重心との距離をダイス間距離（Ｖ）とし、送り手段１１の推力を送り力（ＰＬ）とする。ｙ−ｚ平面を示す図１０（ｂ）に示すように、固定ダイス３と可動ダイス７との間の長尺材９の長さをダイス間の材料長さ（Ｌｖ）とする。

また、ｘ−ｙ平面を示す図１０（ｃ）に示すように、可動ダイス７の開口７ａのｚ軸まわりの回転角をダイスねじり角度（θｚ）とする。
長尺材９にはオフセット（ｕ）の大きさに対応した加工荷重Ｐａが働き、ダイス間距離（Ｖ）によって曲げモーメントＭ＝ＰＡｃｏｓθ・Ｖ＋ＰＬ・ｕが作用して塑性変形を起こす。

固定ダイス３は固定とし、可動ダイス７だけを移動・傾斜させて、所望のオフセット量（ｕ），ダイス角度（θ），ダイス間距離（Ｖ），ダイスねじり角（θｚ）を与える。
これらの可動ダイス７を作動させるパラメータ（オフセット量（ｕ），ダイス角度（θ），ダイス間距離（Ｖ），ダイスねじり角（θｚ））のうち、オフセット（ｕ）は加工する長尺材９の曲げ半径を決める役割を持ち、一般的にはオフセット（ｕ）を増やすと曲げ半径（Ｒ）は小さくなり、オフセット（ｕ）を減らすと曲げ半径Ｒは大きくなる。

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、長尺材９が可動ダイス８を通り抜けるときに、長尺材９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。

また、ダイスねじり角（θｚ）は長尺材９のねじりを決める役割を持っている（たとえば、特許文献１参照）。
特開２００２−３４６６４０号公報（明細書第３頁−第４頁、図１、図５、図６参照）

しかし、図９に示すような構成の押し通し曲げ加工装置で、上述したオフセット（ｕ）ダイス角度（θ）、ダイス間距離（Ｖ）、ダイスねじり角（θｚ）を決めて、断面形状が矩形の長尺材９を図１１（ａ）に示すような螺旋半径（ｒ）、螺旋ピッチ（Ｐ）の円柱螺旋状に曲げ加工しようとすると、図１１（ｂ）に示すような形状となる。すなわち、図１１（ａ）の部分Ａ，図１１（ｂ）部分Ｂに示すように、長尺材９の側面９ａが円柱螺旋の円柱の外周面と平行になるようにしようとしても、スプリングバック（曲げ加工しても、加工後、弾性によって曲げ変形が幾分元に戻る現象）により、長尺材９の側面が円柱螺旋の円柱の外周面に対して傾く問題点がある。

即ち、オフセット（ｕ）ダイス角度（θ）、ダイス間距離（Ｖ）、ダイスねじり角（θｚ）だけでは、加工する三次元形状の外周面の位置の制御ができない問題点がある。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、その課題は、加工する三次元形状の外周面の位置の制御が可能な押し通し曲げ加工方法及び装置を提供することにある。

上記課題を解決する請求項１に係る発明は、長尺材を固定ダイスから可動ダイスへ押し通しながら、前記可動ダイスを前記固定ダイスに対して移動させて前記長尺材を三次元形状に曲げる押し通し曲げ加工法において、前記固定ダイスが設けられた平面上での、前記可動ダイスの開口の重心と前記固定ダイスの開口の重心とのずれ量であるオフセットと、前記固定ダイスが設けられた平面と直交し前記固定ダイスの開口の重心を通る軸上での、前記固定ダイスの開口の重心と前記可動ダイスの開口の重心との距離であるダイス間距離と、前記可動ダイスが設けられた平面に対する前記可動ダイスの傾き角であるダイス角度と、前記可動ダイスが設けられた平面と直交し前記可動ダイスの開口の重心を通る軸まわりの前記可動ダイスの回転角であるダイスねじり角度とで、形成される前記三次元形状の長尺材の軌道を決定し、前記可動ダイスの前記固定ダイスが設けられた平面上での前記可動ダイスのオフセット方向の角度であるダイスオフセット角度で、形成される前記三次元形状の前記長尺材の曲げの方向を決定することを特徴とする押し通し曲げ加工方法である。

請求項２に係る発明は、長尺材を固定ダイスから可動ダイスへ押し通しながら、前記可動ダイスを前記固定ダイスに対して移動させて前記長尺材を三次元形状に曲げる押し通し曲げ加工装置において、前記可動ダイスを前記固定ダイスに対して移動・傾斜させる移動手段と、前記長尺材を固定ダイスから可動ダイスへ向かって送り出す送り手段と、前記固定ダイスが設けられた平面上での、前記可動ダイスの開口の重心と前記固定ダイスの開口の重心とのずれ量であるオフセット，前記固定ダイスが設けられた平面と直交し前記固定ダイスの開口の重心を通る軸上での、前記固定ダイスの開口の重心と前記可動ダイスの開口の重心との距離であるダイス間距離，前記可動ダイスが設けられた平面に対する前記可動ダイスの傾き角であるダイス角度，前記固定ダイスが設けられた平面と直交し前記固定ダイスの開口の重心を通る軸まわりの前記可動ダイスの回転角であるダイスねじり角度で形成される前記三次元形状の長尺材の軌道を算出し、前記可動ダイスの前記固定ダイスが設けられた平面上での前記可動ダイスのオフセット方向の角度であるダイスオフセット角度で形成される前記三次元形状の長尺材の曲げの方向を算出し、これら算出結果に応じて、前記移動手段、前記送り手段を駆動する制御部とを有することを特徴とする押し通し曲げ加工装置である。

尚、本願明細書で、「軌道」とは、長尺材の長手方向と直交する方向の断面（横断面）の重心を通る軸、すなわち図心軸である。

請求項１、請求項２に係る発明によれば、前記可動ダイスの前記固定ダイスが設けられた平面上での前記可動ダイスのオフセット方向の角度であるダイスオフセット角度で、長尺材の曲げの方向を制御することができ、加工する三次元形状の外周面の位置の制御が可能となる。

最初に、図６〜図８を用いて、本形態例の押し通し曲げ加工装置の全体構成を説明する。図６は押し通し曲げ加工装置の正面図、図７は図６の上面図、図８は図６の左側面図である。

これらの図において、フレーム１００に設けられたベース部材１０１には、固定ダイス１０３が設けられている。可動ベース１０５には、可動ダイス１０７が設けられている。また、フレーム１００には、長尺材１０９を固定ダイス１０３から可動ダイス１０７へ向かって送り出す送り手段としての油圧シリンダ１１１が設けられている。

そして、固定ベース１０１と可動ベース１０５との間には、可動ダイス１０７を固定ダイス１０７に対して移動・傾斜させる移動手段１１３が設けられている。
移動手段１１３は、固定ダイス１０３が設けられる固定ベース１０１と、可動ダイス１０７が設けられる可動ベース１０５と、固定ベース１０１と可動ベース１０５との間に渡って設置された油圧シリンダ１１７及びこの油圧シリンダ１１７の両端に設けられた自在継手１１９，１２１からなる６つの伸縮装置１２３とから構成されている。

６つの伸縮装置１２３は、略トラス状になるよう自在継手１１９，１２１を固定ベース１０１、可動ベース１０５の周縁部に結合して、油圧シリンダ１１７の伸縮によって固定ベース１０１に設定されたＸＹＺ座標に対する可動ベース１０５の並進３自由度及び回転３自由度の運動を行なうパラレルリンク機構となっている。

このため、油圧シリンダ１１７の伸縮制御により、固定ベース１０１（固定ダイス１０３）に対する可動ベース１０５（可動ダイス１０７）の位置（距離、ずれ）や傾斜等を任意に設定できるようになっている。

そして、送り手段１１１を用いて、長尺材１０９を固定ダイス１０３から可動ダイス１０７へ押し通しながら、移動手段１１３を用いて可動ダイス１０７を固定ダイス１０３に対して移動・傾斜させ、長尺材１０９を三次元形状に曲げ加工する。

次に、上記構成の押し通し曲げ加工装置の電気的構成を図３により説明する。図において、１５１は加工しようとする三次元形状の形状（螺旋ピッチ、螺旋半径、外周面の位置：加工パラメータ）を入力するキーボード、１５３は加工しようとする三次元形状の形状から、可動ダイス１０７を作動させるパラメータ（ダイス作動パラメータ）を算出し、算出結果に応じて、油圧シリンダ（送り手段）１１１と移動手段１１３とを駆動する制御部、１５５は、キーボード１５１で入力したデータ、制御部１５３が算出した算出結果等を表示するＣＲＴ等の表示部である。

次に、制御部１５３の作動を図４に示すフロー図により説明する。
最初に、制御部１５３には、加工しようとする三次元形状の形状（加工パラメータ）がキーボード１５１で入力される（ステップ１）。

次に、制御部１５３は、入力された加工パラメータによりダイス作動パラメータを算出する（ステップ２）。
そして、ステップ２で得られたダイス作動パラメータの算出結果に応じて、油圧シリンダ（送り手段）１１１と移動手段１１３とを駆動し、長尺材１０９を三次元形状に曲げ加工する（ステップ３）。

ここで、ステップ２のダイス作動パラメータの算出方法を説明する。得ようとする三次元形状は、円柱螺旋状とする。
図１、図２は図６〜図８に示す押し通し曲げ加工装置で曲げ加工を行う場合のダイス作動パラメータを説明する図である。

直角座標(静止座標系)ｘ，ｙ，ｚは、固定ダイス１０５が設けられる平面方向をｘ−ｙ平面とし、固定ダイス１０５の開口１０５ａの重心を通る軸をｚ軸としている。尚、図１（ｂ）図は各パラメータがわかりやすいように、可動ダイス１０７の移動量を図１（ａ）、図２より大きく示している。

図１（ａ）、図２に示すように、固定ダイス１０３が設けられた平面（ｘ−ｙ平面）上での、可動ダイス１０７の開口１０７ａの重心と固定ダイス１０５の開口１０５ａの重心とのずれ量をオフセット量（ｕ）、固定ダイス１０３が設けられた平面（ｘ−ｙ平面）に対する可動ダイス１０７の傾き角をダイス角度（θ）、固定ダイス１０３の開口１０３ａの重心を通る軸（ｚ軸）上での、固定ダイス１０３の開口１０３ａの重心と可動ダイス１０７の開口１０７ａの重心との距離をダイス間距離（Ｖ）とし、油圧シリンダ１１１の推力を送り力（ＰＬ）とし、固定ダイス１０５と可動ダイス１０７との間の長尺材１０９の長さをダイス間の材料長さ（Ｌｖ）とする。

また、図１（ｂ）、図２に示すように、可動ダイス１０７の固定ダイス１０５が設けられた平面（ｘ−ｙ平面）上での可動ダイス１０７のオフセット方向の角度をダイスオフセット角度（θα）とする。

更に、図２に示すように、直角座標（オイラー座標系）ｘ’，ｙ’，ｚ’は、可動ダイス１０７が設けられる平面方向をｘ’−ｙ’平面とし、可動ダイス１０７の開口１０７ａの重心を通る軸をｚ’軸としている。そして、ｚ’軸まわりの可動ダイス１０７の回転角をダイスねじり角度（θｚ'）とする。

尚、オフセット（ｕ）は加工する長尺材１０９の曲げ半径を決める役割を持ち、一般的にはオフセット（ｕ）を増やすと曲げ半径（Ｒ）は小さくなり、オフセット（ｕ）を減らすと曲げ半径Ｒは大きくなる。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、長尺材１０９が可動ダイス８を通り抜けるときに、長尺材１０９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。ダイスねじり角（θｚ'）は長尺材１０９のねじりを決める役割を持っている。そして、ダイスオフセット角度（θα）は、長尺材１０９の曲げの方向を決める役割を持っている。

得ようとする円柱螺旋は、螺旋半径r、螺旋ピッチPとする。又、曲率κ、ねじれ率τとする。円柱螺旋はFrenet‐Serretの公式を用いて、

となる。
（１）、（２）式から螺旋成形要素である曲率κ、ねじれ率τを算出する。
次に、算出した曲率κ、ねじれ率τを用いて、ダイス作動パラメータを求める。

図１に示すように、固定ダイス１０５と可動ダイス１０７との幾何学的配置より。各ダイス作動パラメータは、以下のように表される。

（３）、（４）、（５）、（５）´式からダイス作動パラメータであるダイスオフセット（ｕ）、ダイス角度（θ）、ダイスねじり角度（θｚ’）を求める。ここまでの手法は、例えば特許文献１に示された手法と同一であり、算出されたダイス作動パラメータ（ダイスオフセット（ｕ）、ダイス角度（θ）、ダイスねじり角度（θｚ’）、ダイス間距離（Ｖ））で、得ようとする長尺材１０９の三次元形状（螺旋円柱）の軌道が決定される。

ここで、三次元形状の外周面の位置の決定を行う。即ち、算出したダイスオフセット（ｕ）、ダイス角度（θ）、ダイスねじり角度（θｚ’）を満たし、さらにダイスオフセットの方向要素（ダイスオフセット角度（θα））を有したパラメータを算出する。

算出したダイスオフセット（ｕ）を満たし、且つ、ダイスオフセット角度（θα）を満たすためには、オフセットｕをｘ軸方向成分オフセットｕｘと、ｙ軸方向成分オフセットｕｙとに分解して、ダイス作動パラメータとして与える必要がある。

幾何学的配置より任意の方向θα時におけるダイスオフセット（ｕ）のｘ軸、ｙ軸方向成分ｕｘ、ｕｙは下記の式を用いることにより算出する

次に、算出したダイス角度（θ）を満たし、且つ、ダイスオフセット角度（θα）を満たすためには、ダイス角度（θ）をｘ軸まわりのダイス角度θｘ、ｙ軸まわりのダイス角度θｙとに分解し、ダイス作動パラメータとして与える必要がある。ｘ軸周りのダイス角度θｘ、ｙ軸まわりのダイス角度θｙの算出法を図５を参照して説明する。

まず、直角座標（静止座標系）ｘ，ｙ，ｚと同一の軸方向をもち座標原点が可動ダイス１０７の動作とともに変化する原点を持つ新しい直角座標（運動座標系）を設ける。ただし、変化する原点は、可動ダイス１０７の加工が行われる中心、即ち、可動ダイス１０７が設けられる平面上で、可動ダイス１０７の開口１０７ａの重心とする。可動ダイス１０７が設けられる平面方向をｘ''−ｙ''平面とし、可動ダイス１０７の開口１０７ａの重心を通る軸方向をｚ''軸とする。

可動ダイス１０７の開口１０７ａの重心を仮想原点（０,０,０）とし、仮想原点（０，０，０）と、任意のダイス角度（θ）、ダイスオフセット角度（θα）をみたす原点からのベクトル（α）の先端の座標点｛cos(θα),sin(θα),tanθ｝｝と、ベクトル（α）と直交する原点からのベクトル（β）の先端の座標点｛cos(θα+90),sin(θα+90),０｝との３点を有する平面を平面の方程式（式（８）参照）により算出する。算出結果を式（９）に示す。

次に、求めた平面とｘ”−ｚ”平面とが交わる点を式（９）にｙ”＝０を代入して算出する。

式（１０）に示されるように線形の値をとりその傾きより、ｘ”−ｚ”平面上の任意平面の傾き角度すなわちダイス角度θｘ”を求めると、式（１１）となる。

ダイス角度θｙ”の算出は、式（９）にｘ”＝０を代入し同様に算出する。

式（１２）に示されるように線形の値をとりその傾きより、ｙ”−ｚ”平面上の任意平面の傾き角度すなわちダイス角度θy”を求めると式（１３）となる。

このようにして、可動ダイスの作動パラメータ、即ち、オフセット量（ｕ（ｕｘ，ｕｙ））、ダイス角度（θ（θｘ”，θｙ”））、ダイス間距離（Ｖ）、ダイスねじり角度（θｚ’）を求める。

このような手法によれば、式（６），式（７）、式（１１），式（１３）に示すようにオフセット量（ｕ（ｕｘ，ｕｙ））、ダイス角度（θ（θｘ”，θｙ”））には、長尺材１０９の曲げの方向をコントロールする要素であるダイスオフセット角度（θα）が加えられているので、長尺材の曲げの方向をコントロールすることができ、加工する三次元形状の外周面の位置の制御が可能となる。

尚、本発明は、上記形態例に限定するものではない。上記形態例では、長尺部材１０９として断面形状が矩形のものを用いたが、断面形状が非円形のものであればどのような形状であっても本発明は適用できる。更に、得ようとする三次元形状も円柱螺旋に限定するものではない。

形態例の押し通し曲げ加工装置で曲げ加工を行う場合のダイス作動パラメータを説明する図である 形態例の押し通し曲げ加工装置で曲げ加工を行う場合のダイス作動パラメータを説明する図である。 形態例の押し通し曲げ加工装置の電気的な構成を説明するブロック図である。 図３の制御部の作動を説明するフロー図である。 図４のステップ２での新しい座標軸を説明する図である。 押し通し曲げ加工装置の正面図である。 図６の上面図である。 図６の左側面図である。 従来の押し通し曲げ加工装置の一例を示す図である。 押し通し曲げ加工の原理説明図である。 問題点を説明する図である。

符号の説明

１０３ 可動ダイス
１０３ａ，１０７ａ 開口

Claims (2)

1. 長尺材を固定ダイスから可動ダイスへ押し通しながら、前記可動ダイスを前記固定ダイスに対して移動させて前記長尺材を三次元形状に曲げる押し通し曲げ加工法において、
   前記固定ダイスが設けられた平面上での、前記可動ダイスの開口の重心と前記固定ダイスの開口の重心とのずれ量であるオフセットと、
   前記固定ダイスが設けられた平面と直交し前記固定ダイスの開口の重心を通る軸上での、前記固定ダイスの開口の重心と前記可動ダイスの開口の重心との距離であるダイス間距離と、
   前記可動ダイスが設けられた平面に対する前記可動ダイスの傾き角であるダイス角度と、
   前記可動ダイスが設けられた平面と直交し前記可動ダイスの開口の重心を通る軸まわりの前記可動ダイスの回転角であるダイスねじり角度とで、形成される前記三次元形状の長尺材の軌道を決定し、
   前記可動ダイスの前記固定ダイスが設けられた平面上での前記可動ダイスのオフセット方向の角度であるダイスオフセット角度で、形成される前記三次元形状の前記長尺材の曲げの方向を決定することを特徴とする押し通し曲げ加工方法。
2. 長尺材を固定ダイスから可動ダイスへ押し通しながら、前記可動ダイスを前記固定ダイスに対して移動させて前記長尺材を三次元形状に曲げる押し通し曲げ加工装置において、
   前記可動ダイスを前記固定ダイスに対して移動・傾斜させる移動手段と、
   前記長尺材を固定ダイスから可動ダイスへ向かって送り出す送り手段と、
   前記固定ダイスが設けられた平面上での、前記可動ダイスの開口の重心と前記固定ダイスの開口の重心とのずれ量であるオフセット，前記固定ダイスが設けられた平面と直交し前記固定ダイスの開口の重心を通る軸上での、前記固定ダイスの開口の重心と前記可動ダイスの開口の重心との距離であるダイス間距離，前記可動ダイスが設けられた平面に対する前記可動ダイスの傾き角であるダイス角度，前記可動ダイスが設けられた平面と直交し前記可動ダイスの開口の重心を通る軸まわりの前記可動ダイスの回転角であるダイスねじり角度で形成される前記三次元形状の長尺材の軌道を算出し、前記可動ダイスの前記固定ダイスが設けられた平面上での前記可動ダイスのオフセット方向の角度であるダイスオフセット角度で形成される前記三次元形状の長尺材の曲げの方向を算出し、これら算出結果に応じて、前記移動手段、前記送り手段を駆動する制御部と、
   を有することを特徴とする押し通し曲げ加工装置。

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