JP2012161813A

JP2012161813A - 転造装置

Info

Publication number: JP2012161813A
Application number: JP2011023928A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Aoyama; 剛青山
Original assignee: M H CENTER KK; M H CT KK
Current assignee: M H CENTER KK; M H CT KK
Priority date: 2011-02-07
Filing date: 2011-02-07
Publication date: 2012-08-30

Abstract

【課題】所定の歯数の歯溝を正確に刻むことが可能な転造装置を提供することにある。
【解決手段】内歯を有する部品成形用の筒状素材１０を整合挿入する従動回転自在なコンテナ２１と、コンテナ２１をラジアル軸受を介して載置するベース２８と、筒状素材１０の内側から押し当て内歯を転造する外歯を有する転造工具３６と、転造工具３６を回転駆動する転造工具回転軸と、転造工具回転軸を強制移動させてコンテナ回転軸と転造工具回転軸の間の距離を強制変化させる移動機構４０とを備えた転造機械において、コンテナ２１の従動回転をモニタリングする機構を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、内歯を有する部品の製作に用いられる転造装置に関する。

従来、内歯を有する部品の製作に用いられる転造装置として、筒状素材を従動回転自在なコンテナ内に略整合挿入し、駆動回転する転造工具回転軸とコンテナ回転軸間の距離を逐次変化させながら転造工具の外周とコンテナの内周の間で筒状素材を挟圧変形させることで順次歯形を成長させ、延展による外径拡大の結果コンテナの内側に充満拘束された状態で転造完了するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１の転造装置の基本的な加工要領は、図８に示すように、リング状の被加工材１の内側から例えば外歯車状の駆動回転する工具歯車２を半径方向（図中Ｘ軸方向）に強
く押付け被加工材１の内側に凹凸を成形するもので、この時工具歯車２により押付けられる力を受ける機構として被加工材１をコレットなどでチヤッキングするのでなく剛性の高いコンテナ３に被加工材１を整合挿入することで構成されている。

特許第３９４７２０４号公報

しかし、特許文献１の内歯を有する部品の製作法およびその転造装置は、ヘリカルインターナル歯車の成形などに一定の効果を発揮しているが、その実施段階でいくつかの改良必要点が浮上している。

その一つは、内面がまったく平滑で歯数を窺わせる溝などを一切持たない筒状素材を用意した場合、その内面に所定の教の歯溝を正確に刻むには相当吟味した設計の工具歯車とその工具と素材の接触に関する少々のノウハウを反映したプログラムが必要であった。かつ、この歯溝の正確な配置は成形中にはその確認が難しく成形完了した歯車の精度検査まで待たなければならなかった。

また、その歯溝の正確な配置を刻むために特別に設計された工具歯車はおのずから本来の所定の歯車を成形するための工具歯車とは諸元が異なり、必然的に複数の工程が要求されると同時に工具交換と被加工材のコンテナへの着脱が複数回必要となっていた。

本発明は斯かる従来の問題点を解決するために為されたもので、その目的は、所定の歯数の歯溝を正確に刻むことが可能な転造装置を提供することにある。

請求項１に係る発明は、内歯を有する部品成形用の筒状素材を整合挿入する従動回転自在なコンテナと、前記コンテナをラジアル軸受を介して載置するベースと、前記筒状素材の内側から押し当て内歯を転造する外歯を有する転造工具と、前記転造工具を回転駆動する転造工具回転軸と、前記転造工具回転軸を強制移動させて前記コンテナ回転軸と前記転造工具回転軸の間の距離を強制変化させる移動機構とを備えた転造機械において、前記コンテナの従動回転をモニタリングする機構を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、従動回転自在なコンテナの回転角を浮動起点的に把握する機構を付加し、転造成形中のあらゆる段階で工具の回転角とコンテナと一体回転する被加工材の回転角の比を把握し、その情報をもとに次の成形段階を決定することで歯溝の配置精度を確保することが可能となった。

また、本発明によれば、従動回転自在なコンテナの回転角を浮動起点的に把握する機構を付加する機構に従動回転自在なコンテナの回転角を制御空転可能とするサーボモータを併設することで、転造運転途中に瞬時工具と被加工材の係合を解き、工具あるいはコンテナのいずれかまたは両者の空転の後、任意の組合せで再度工具と被加工材の係合を図ることを可能とした。

さらに、本発明によれば、歯形成形時に工具歯車の回転方向に対しコンテナ回転を援助させたりブレーキをかけたりして工具と被加工材の歯面の接触圧をコントロールすることも可能になった。

本発明の一実施形態に係る転造装置を示す上面図である。図１の側面図である。図１の転造装置で得られる底フランジ付ヘリカルインターナル歯車を示す図である。図１におけるコンテナの回転をモニタリングする機構の原理を説明する図である。本実施形態におけるコンテナの回転をモニタリングする機構の動作を説明するフローである。本実施形態に適用するタワミ制御機構を示す図である。図６の上面図である。転造装置の基本的な加工要領を示す図である。

以下、本発明を図面に示す実施形態に基づいて説明する。

図１、図２は、本発明に係る転造機械２０を示す。ここでは、図３に示す底フランジ付ヘリカルインターナル歯車（内歯１１を有する部品）１２の製作法に用いる場合について説明する。

この転造機械２０は、内歯１１を有する底フランジ付ヘリカルインターナル歯車１２を成形するための筒状素材１０を整合挿入する従動回転自在なコンテナ２１と、このコンテナ２１にコンテナケース２１ｂを介して係合するラジアル軸受２９を備えた固定ベース２８と、筒状素材１０の内側から押し当て内歯１１を転造する外歯３６ａを有する転造工具３６と、転造工具３６を回転駆動する転造工具回転軸３７と、転造工具回転軸３７を回転駆動する工具軸用サーボモータ３７ａと、転造工具回転軸３７を強制変化させてコンテナ２１の回転軸２１ａと転造工具回転軸３７の間の距離を強制変化させる移動機構４０と、コンテナ２１の回転をモニタリングする装置６０とを備えている。

固定ベース２８は、コンテナケース２１ｂを介してコンテナ２１を転造工具回転軸３７が発するＸ軸方向の挟圧に対向して強固に位置し、回転は従動回転自在に保持することが
できるように転造機械本体２０ａに支持されている。

移動機構４０は、Ｘ軸用テーパウェッジ４１と固定ベース２８に設けた側距センサ４２とで構成されている。

Ｘ軸用テーパウェッジ４１は、転造工具回転軸３７をＸ軸方向に確実に移動させること
ができるように転造機械本体２０ａに水平方向に対向して備えられている。

Ｘ軸用テーパウエッジ４１は、転造装置本体２０ａに固定されるサーボモータ４３と、このサーボモータ４３のねじ軸４４に設けられるテーパウエッジ４５と、テーパウエッジ４５と対向するようにスライダ３９に固定されるテーパスペーサ４６と、転造装置本体２０ａに固定される反力ブロック４７とで構成されている。

コンテナ２１は、固定ベース２８の下方に位置する棚部２６に昇降自在に設置された昇降用ＮＣ軸２２の上部に固定したテーブル２３の上部にスラスト軸受２４を介して回転自在に配されている。テーブル２３には、棚部２６に昇降自在に軸支された昇降ガイドロッド２５が設けてある。昇降用ＮＣ軸２２は、Ｚ軸用ＮＣモータによって昇降自在に運転される。

固定ベース２８は、ラジアル軸受２９を装着するための穴部３０と、転造工具３６を備えた転造工具用サーボモータ３７ａを支持固定するスライダ３９を摺動自在に載置するスライダ載置面と、スライダ載置面の両側に設けた４つのスライダガイド（図示せず）と、スライダ３９の端部を監視する側距センサ４２とを備えている。

側距センサ４２は、スライダ３９の位置を直接モニタし、そのデータを図示しない制御装置に対しフィードバックする。制御装置は、制御函４９内に配置されている。

コンテナ２１の回転をモニタリングする装置６０は、従動回転するコンテナ２１に同軸で設置されたタイミングベルトプーリ６１と、タイミングベルト６２で係合されたコンテナ回転制御サーボモータ６３と、コンテナ回転制御サーボモータ６３と併設されたロータリーエンコーダ６４とで構成されている。

ロータリーエンコーダ６３は駆動回転する転造工具３６の歯車により従勧回転する筒状素材１０と一体として回転するコンテナ２１の回転角速度を必要に応じて検出フィードバックし、Ｘ軸を変化させることで転造工具回転軸３７とコンテナ軸２１ａの軸間距離を結果として歯数比が正確に成立する方向に制御するものである。

この情報の処理に関しては両回転軸の瞬時の回転角速度を計算利用する場合と転造工具３６の交番往復回転に基底をおいた中程度の回転角を比較する場合とさらには被加工品の殆ど一回転に近いロングスパンの累積ピッチ誤差をトリガーにする場合があり、一個の製品の転造中に取り混ぜて活用することになる。最終的に既設歯溝の（Ｎ−１）歯において歯数比が成立していることを確認すれば最後の一歯のピッチは自動的に保証される。

なお、制御装置では、例えば、下記のような制御を行う。
・押圧力（ＮＣモータの電流値、すなわちトルク）を制御して挟圧加工するか。
・工具回転軸回転角に対する軸間距離を制御するか。
・工具回転軸の右回転と左回転をどのように組合せるか。
・回転角変更時の一時停止後の立ち上がり回転加速度をどうするか。

勿論、制御装置における制御は、転造開始時、転造加工推進中および終了時のプログラムに伴って実行されるが、ここでは詳細を省略する。

なお、制御装置では、転造工具３６の回転角に応じた狭圧の強制推進のみならず、転造工具回転軸３７の反転時間（あるいは回転数）、反転立上がりの回転加速度、各個伸縮軸の最終到達位置の設定等、転造推進諸条件の設定は、勿論、ＮＣモータ電流値を介しての押圧力の異常値監視、測距センサからのデータを転造終了ルーチン（全周一様転造のための空走回転等）のトリガとしたり、再現性の高い自動運転を行うために必要な情報のすべてを処理することになる。

次に、斯くして構成された本実施形態に係る転造機械２０を用いた底フランジ付ヘリカルインターナル歯車（内歯を有する部品）１２の製作法について説明する。

先ず、固定ベース２８より降下しているコンテナ２１内に、内歯１１を有する部品成形用の筒状素材１０を整合挿入する。

次に、Ｚ軸用ＮＣモータを駆動して昇降用ＮＣ軸２２を上昇し、コンテナ２１を固定ベース２８のラジアル軸受２９に嵌入し、コンテナ２１をラジアル軸受２９と係合するコンテナケース２１ｂに係合する。

次に、工具軸用サーボモータ３７ａおよび移動機構４０を駆動する。これにより、転造工具３６の回転する外歯３６ａを筒状素材１０の内面に押し当てた状態で、スライダ３９が、移動機構４０のＸ軸用テーパウエッジ４１のテーパウエッジ４５の移動に伴って、転造工具回転軸３７をＸ軸方向へ強制変化させる。

以下、この２つの方向への強制変化を転造工具回転軸３７に与えることによって、挟圧転造を行う。

次に、Ｚ軸用ＮＣモータを駆動して昇降用ＮＣ軸２２を下降し、コンテナ２１とコンテナケース２１ｂとの係合を解除し、コンテナ２１を元の位置に戻し、加工品を排出する。

以上によって、図３に示すように、内歯１１を有する部品である底フランジ付ヘリカルインターナル歯車１２を得ることができる。

次に、本実施形態におけるコンテナ２１の回転をモニタリングする装置６０について説明する。

図４に示すように、転造工具３６の角速度ωＴおよび筒状素材１０の角速度ωＷとの関係は、筒状素材１０の歯数ＺＷが正確に割り出されておれば、下記の（１）式が成り立つ。

ωＷ＝（ＺＴ／ＺＷ）・ωＴ・・・（１）式
ここで、ＺＴは、転造工具３６の歯数である。

平滑な内周の筒状素材１０に駆動回転する転造工具３６がＸ軸方向に移動しながら接触し、成形が始まった時点では、筒状素材１０は転造工具３６の回転送りを比較的小径部で受け、従って、筒状素材１０の角速度ωＷは、下記のようになる。

ωＷ＞（ＺＴ／ＺＷ）・ωＴ
プログラムにより転造工具３６が、その数歯（かみ合い率に関係する）分の角度内を時計回りと反時計回りと繰り返しながらＸ軸を進めていくと、受ける筒状素材１０のピッチ径らしきものが拡大するため、筒状素材１０の角速度ωＷは少しずつ減少し、ある時点で（１）式が成立する。

その後は、転造工具３６の回転範囲を拡大し、例えば、時計回りに５歯分回転させ、反時計回りに４歯分逆戻りさせる等を繰り返し、歯溝を全周に分配していく。

この際の筒状素材１０の角速度ωＷの把握にコンテナ２１の従動回転をモニタリングする装置６０が必要となる。

図５に示すフローに基づいてコンテナ２１の従動回転をモニタリングする装置６０について説明する。

先ず、スタートボタン（図示しない）を押する（スタート）。

次に、転造工具３６がある速度で例えば±１２°の範囲を交番に回転させられる（ステップＳ１）。

次に、Ｘ軸を例えば秒速０．１ｍｍで進行させ、Ｘ軸荷重が上がるまで転造工具３６と筒状素材１０とを接触させる（ステップＳ２、Ｓ３）。

次に、Ｘ軸の進行速度を２カ所の角速度、即ち、転造工具３６の角速度ＷＴと筒状素材１０の角速度ωＷとの把握必要精度に応じて例えば秒速約０．０２ｍｍ迄減速し、（１）式の成立を待つ（ステップＳ４、Ｓ５）。

次に、（１）式の成立後は、例えば時計回り４０°〜反時計回り３０°を繰り返しながら例えば工具軸最大回転の１７０°をめざす（ステップＳ６）。

その間、（１）式が成立すれば、Ｘ軸を調整する（ステップＳ７、Ｓ８）。

次に、工具回転１７０°で一旦作業を中断し、転造工具３６が回転しても筒状素材１０は回転しない位置(≒初期位置)までＸ軸を戻す（ステップＳ９）。

次に、工具回転軸を例えば１２．５°に戻しＸ軸を再び進める（ステップＳ１０）。

次に、Ｘ軸荷重が上昇すれば、ステップＳ３に戻る（ステップＳ１１）。

次に、ステップＳ４〜Ｓ９を４回繰り返して粗加工を終了する（ステップＳ１２）。

ここでは、一つのプログラマブルコントローラ（通称シーケンス）と６個のサーボモータ（サーボドライバ）により２個のリニアーエンコーダと４個のロータリーエンコーダの情報を元に構成されている。

なお、本実施形態では、転造加圧位置に対しＺ軸方向にオフセットされた片持軸受の工具軸は挟圧力によるモーメントで撓み、その結果傾斜する。この傾斜を実質相殺するために片持軸受のコンテナに近い方を基準に適度に離れたもう１箇所をＸ軸上で相対移動させ
る転造工具軸の曲がりタワミ制御機構が設けられている。

図６、図７に基づいてタワミ制御機構７０について説明する。

転造を進行させるスライダ３９を前進させて待ち受けるコンテナ２１の内壁と転造工具３６の間に挟圧力を発揮させるために、転造工具回転軸３７の工具直近に配置された主軸受け７１とスライダ３９に搭載され転造工具３６あるいは転造工具回転軸３７の曲りタワミに対応して転造工具回転軸３７の傾きを自由に変え得る操縦部として転造工具回転軸３７の転造工具３６と反対側に配置された副軸受け函７２を有する。副軸受け函７２は転造工具回転軸３７に配置された副軸受け８０と接している。

主軸受け７１を包含するスライダ３９とその位置を制御する転造挟圧力制御ピストン７３の間、および副軸受け函７２とその位置を制御する軸タワミ修正制御ピストン７４の間に、各々の瞬時の応力を知り得るロードセル７５，８１を配するとともにその各々の位置を位置センサー７６，７７で感知し得るようにしてある。

転造挟圧力制御ピストン７３および軸タワミ修正制御ピストン７４の各々が応力および位置情報をフィードバック可能な数値制御ピストンで構成されている。

タワミ制御機構７０は、転造機械２０において被加工品のヘリカルインターナル歯車の精度に大きく関わる片持支持工具軸の曲がりタワミを転造加工中常時監視し、コンテナ内壁と工具歯部の平行度を常時相応しい状態に保持することができる。

本装置を活用して転造加工最終段階において、意識して二つの数値制御ピストンをプログラム運転することで任意のクラウニングを被加工歯車に転写することも可能になる。

以上説明したように、工具軸タワミ修正システムを組み込んだ転造盤は、内歯車を精度よく、かつ、クラウニング加工を含めて成形するためのプログラム運転を可能にした。

本件における転造加工はその挟圧力の方向が常に一定なので、使用する数値制御ピストンは戻る方向には力は不要である。従って、スライダ３９および副軸受け函７２はバネ戻り機構７８，７９の採用が可能である。このため二つの数値制御ピストンはバックラッシのない構造をとることが可能になる。

本実施形態によれば、下記のような利点がある。
・押圧力に対しＮＣ軸２２，４２の出力が数分の一に減らせる。
・テーパウエッジ４１の角度変更により２部品の取り替えで押圧力の限界を加減できる。
・転造時の必要押圧力の変化、あるいは転造反力の変動をテーパウエッジ４１を介した摩擦力で吸収し（ＮＣ軸２２，４２の低剛性を補って）、転造工具回転軸３７とコンテナ２１の回転軸２１ａの軸間距離を剛性高く保持する。
・ＮＣ軸２２，４２側に存在するバックラッシに拘わらず、転造工具回転軸３７とコンテナ２１の回転軸２１ａの軸間距離方向のバックラッシをなくする。
・ＮＣモータ２７，４３の回転角によらず直接軸間距離をモニタすることで精度の高い軸間距離の制御を可能にする。
・距離センサ４２のデータから歯車噛合い試験に準ずる製品精度の確認が可能になる。

１０筒状用素材
１１内歯
１２底フランジ付ヘリカルインターナル歯車
２０転造機械
２０ａ転造装置本体
２１コンテナ
２１ａ回転軸
２１ｂコンテナケース
２３テーブル
２４スラスト軸受
２５昇降ガイドロッド
２８固定ベース
２９ラジアル軸受
３６転造工具
３７転造工具回転軸
３７ａ工具軸用サーボモータ
３９スライダ
４０移動機構
４１Ｘ軸用テーパウェッジ
４２側距センサ
４３サーボモータ
４４ねじ軸
４５テーパウエッジ
４６テーパスペーサ
４７反力ブロック
６０コンテナ２１の回転をモニタリングする装置
６１タイミングベルトプーリ
６２タイミングベルト
６３コンテナ回転制御サーボモータ
６４ロータリーエンコーダ

Claims

内歯を有する部品成形用の筒状素材を整合挿入する従動回転自在なコンテナと、
前記コンテナをラジアル軸受を介して載置するベースと、
前記筒状素材の内側から押し当て内歯を転造する外歯を有する転造工具と、
前記転造工具を回転駆動する転造工具回転軸と、
前記転造工具回転軸を強制移動させて前記コンテナ回転軸と前記転造工具回転軸の間の距離を強制変化させる移動機構と
を備えた転造機械において、
前記コンテナの従動回転をモニタリングする機構を備えた
ことを特徴とする転造機械。