JP2014133254A - 鍛造装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】寸法精度の低下を抑制することができる鍛造装置及びその制御方法を提供すること。
【解決手段】本発明にかかる揺動鍛造装置１は、上型１５と、下型１６と、シリンダ１１と、型間距離検出部２３と、加圧制御部２４と、を備える。シリンダ１１は、上型１５及び下型１６を用いてワークを加圧する。型間距離検出部２３は、シリンダ１１が上型１５及び下型１６を用いてワークを加圧しているときに、上型１５と下型１６との間の距離である型間距離を検出する。加圧制御部２４は、型間距離と所定の閾値との比較結果に基づいて、シリンダ１１によるワークの加圧を停止させる。
【選択図】図１

Description

本発明は鍛造装置及びその制御方法に関する。

上型と下型を備え、その間に配置されたワークを押圧し、鍛造する鍛造装置が知られている。このような鍛造装置を用いて粗形材を生産する場合、常に同一寸法の粗形材（ワーク）が成形されることが求められる。

特許文献１には、マンドレルを有する揺動鍛造装置が開示されている。当該鍛造装置は、押圧時におけるマンドレルの動きを規制するストッパを備える。マンドレルがストッパに当接することにより、押圧時におけるマンドレルの上動限界を規定することができる。これにより、押圧時におけるマンドレルの動きを一定になり、粗形材の寸法のバラツキを低減する。

実開昭６２−２５０２８号公報

しかしながら、揺動鍛造を繰り返し行うと、熱膨張等の影響で金型や設備が変形する。そのため、特許文献１のようにストッパを設けて下型の位置を規制しても、金型等が変形した分だけワークの寸法に誤差が生じてしまうという問題があった。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、寸法精度の低下を抑制することができる鍛造装置及びその制御方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様にかかる鍛造装置は、上型と、下型と、前記上型及び前記下型を用いてワークを加圧する加圧手段と、前記加圧手段が前記上型及び前記下型を用いてワークを加圧しているときに、前記上型と前記下型との間の距離である型間距離を検出する型間距離検出手段と、前記型間距離と所定の閾値との比較結果に基づいて、前記加圧手段による前記ワークの加圧を停止させる加圧制御手段と、を備えるものである。これにより、鍛造装置は、金型が変形した場合であっても、型間距離と所定の閾値との比較結果に基づいて加圧を停止する。このため、ロット内で型間距離（下死点）が変化することを抑制できる。その結果、寸法精度の低下を抑制することができる。

また、前記型間距離検出手段は、前記上型の押圧面と前記下型の押圧面との距離を前記型間距離として検出してもよい。これにより、型間距離としてワークに接する面の間の距離を用いるため、上型及び下型の寸法が変化した場合であっても、より高精度で型間距離を検出することができる。

また、前記加圧制御手段は、前記ワークの加圧停止時の前記型間距離を前記所定の閾値として設定してもよい。これにより、ロット内で型間距離が変動することを抑制することができる。

また、前記加圧制御手段は、１ロットの前記ワークのうち、最初の前記ワークを加圧する場合、所定時間に基づいて前記加圧手段による前記ワークの加圧を停止させ、前記最初のワークの加圧停止時の前記型間距離を前記所定の閾値として設定してもよい。

また、前記加圧制御手段は、前記型間距離が前記所定の閾値以下となった場合、前記ワークの加圧を停止させてもよい。これにより、常に一定の型間距離で加圧が終了するため、寸法精度の低下を抑制することができる。

また、前記加圧制御手段は、前記型間距離に応じて、前記ワークの加圧時間を変更してもよい。これにより、上型及び下型の寸法変化に応じて、加圧時間を変更することができる。

本発明の一態様にかかる鍛造装置の制御方法は、上型と、下型と、前記上型及び前記下型を用いてワークを加圧する加圧手段と、を備える鍛造装置の制御方法であって、前記加圧手段が前記上型及び前記下型を用いてワークを加圧しているときに、前記上型と前記下型との間の距離である型間距離を検出し、前記型間距離と所定の閾値との比較結果に基づいて、前記加圧手段による前記ワークの加圧を停止させるものである。これにより、鍛造装置は、金型が変形した場合であっても、型間距離と所定の閾値との比較結果に基づいて加圧を停止する。このため、ロット内で型間距離（下死点）が変化することを抑制できる。その結果、寸法精度の低下を抑制することができる。

本発明により、寸法精度の低下を抑制することができる鍛造装置及びその制御方法を提供することができる。

実施の形態にかかる揺動鍛造装置の構成を示す断面図の図である。 実施の形態にかかる揺動鍛造装置の構成を示す断面図の図である。 実施の形態にかかる揺動鍛造装置のブロック図である。 実施の形態にかかる揺動鍛造装置の動作を説明するためのフローチャートである。 実施の形態にかかる揺動鍛造装置の各部の位置を示すグラフである。 実施の形態にかかる揺動鍛造装置の動作を説明するための模式図である。 実施の形態にかかる揺動鍛造装置の下型の位置を示すグラフである。 比較例にかかる揺動鍛造装置の動作を説明するためのフローチャートである。 比較例にかかる揺動鍛造装置の下型の位置を示すグラフである。 実施の形態にかかる揺動鍛造装置の下型の位置を示すグラフである。 実施の形態にかかる揺動鍛造装置及び比較例の実験結果を示すグラフである。 実施の形態にかかる揺動鍛造装置及び比較例の実験結果を示すグラフである。 実験対象のワークの形状を説明するための図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１及び図２は、本実施の形態にかかる揺動鍛造装置１の構成を示す断面図である。図１は、揺動鍛造装置１がワークを成形する前の状態を示す。図２は、揺動鍛造装置１がワークを成形中の状態を示す。また、図３に揺動鍛造装置１のブロック図を示す。揺動鍛造装置１は、シリンダ１１と、ダイセット１２と、上側ホルダ１３と、下側ホルダ１４と、上型１５と、下型１６と、ワーク検出部２１と、シリンダ位置検出部２２と、型間距離検出部２３と、加圧制御部２４と、記憶部２５と、を備える。

シリンダ１１（加圧手段）は、例えば油圧シリンダであり、図示しない油圧ポンプから送られてくる圧油に応じて、シリンダ１１内部のピストンが直線運動（上昇または下降）する。

ダイセット１２は、上側ベース１２１と、下側ベース１２２と、を備える。上側ベースは、上側ホルダ１３を有する。下側ベース１２２は、下側ホルダ１４を有する。上側ベース１２１と下側ベース１２２とは、図示しないガイドピンを介して連結されている。

上側ホルダ１３は、上型１５を保持し、上型１５を上側ベース１２１に位置固定する。同様に、下側ホルダ１４は、下型１６を保持し、下型１６を下側ベース１２２に位置固定する。

上型１５と下型１６との間には、成形対象であるワークが配置される。上型１５及び下型１６は、金型であり、ワークを加圧することにより成形を行う。具体的には、揺動鍛造装置１は、シリンダ１１を上昇させ、下型１６を上型１５に押し付けることにより、その間に配置されたワークを成形する。

ワーク検出部２１は、下型１６にワークが配置されているか否かを検出するセンサである。シリンダ位置検出部２２は、シリンダ１１（ピストン）の位置を検出するセンサである。

型間距離検出部２３は、上型１５と下型１６との間の距離（以下、型間距離と称す。）を検出する。型間距離検出部２３は、例えば、渦電流変位センサである。型間距離検出部２３は、上型１５の押圧面に設けられている。このため、型間距離検出部２３は、上型１５のワークに対する押圧面と、下型１６のワークに対する押圧面と、の間の距離を型間距離として検出する。つまり、型間距離検出部２３は、シリンダ１１内のピストンの位置やダイセット１２の位置から、間接的に型間距離を算出するのではなく、上型１５のワークに対する押圧面と、下型１６のワークに対する押圧面と、の間の距離を直接的に検出する。これにより、上型１５、下型１６、及びシリンダ１１等の装置が熱膨張等の影響により変形した場合でも、型間距離検出部２３は、それらの変形を考慮して型間距離を検出できる。その結果、より高精度で型間距離を検出でき、寸法精度の低下を抑制することができる

なお、型間距離検出部２３は、型間距離が検出できれば他のセンサでもよいが、油が飛び散るような悪環境でもセンサとして機能することや、鉄（金型）のみに反応するという特徴から、型間距離検出部２３として渦電流変位センサを用いることが好ましい。また、渦電流変位センサは、サイズが小さく、取り付けに際して上型１５に特別な加工がいらないことや、測定レンジが適当であること等のメリットもある。

加圧制御部２４は、シリンダ１１の油圧を制御することにより、ワークにかかる圧力を調整する。また、加圧制御部２４は、型間距離に関する閾値の設定を行う。具体的には、加圧制御部２４は、１ロットのワークうち、初めのワークの成形時において、ドエル終了時点の型間距離を取得する。そして、加圧制御部２４は、取得した型間距離を閾値として記憶部２５に格納する。なお、当該型間距離は、型間距離検出部２３により検出される。

さらに、加圧制御部２４は、１ロットのワークうち、２番目以降のワークの成形時において、加圧中に取得された型間距離と、記憶部２５に格納した閾値と、の比較結果に基づいて、シリンダ１１による加圧を停止させる。つまり、加圧制御部２４は、比較結果に基づいて、ワークにかかる圧力が低下するように、シリンダ１１の油圧を制御する。より詳細には、加圧制御部２４は、型間距離が記憶部２５に格納された閾値以下になった場合、シリンダ１１による加圧を停止させる。

続いて、図４に示すフローチャート及び図５に示すグラフを参照して、本実施の形態にかかる揺動鍛造装置１の動作例について説明する。なお、図５に示すグラフは、揺動鍛造装置１の各部の距離や位置を示すグラフである。縦軸は、距離または位置（ｍｍ）を示す。横軸は、時間（秒）を示す。グラフの実線が型間距離を示す。破線がダイセット間距離を示す。一点鎖線がシリンダ位置を示す。なお、シリンダ位置とは、シリンダ１１内のピストンの位置を意味する。矩形のパルス信号がドエル加工の制御信号を示す。また、揺動鍛造装置１においては、上型１５の位置が固定されており、下型１６の上昇に伴って、型間距離が縮まる。このため、図５のシリンダ位置のグラフは、上に行く程、上型１５に近づいていることを意味する。また、図５のダイセット間距離及び型間距離のグラフは、上に行く程、距離が短くなることを意味する。

はじめに、ワーク検出部２１は、下型１６にワークが配置されているか否かを検出する（ステップＳ１０１）。ワークが配置されていない場合（ステップＳ１０２：Ｎｏ）、ワーク検出部２１は、ワークの検出を続ける。

一方、ワークが配置されている場合（ステップＳ１０２：Ｙｅｓ）、揺動鍛造装置１は、ワークの成形を開始する（ステップＳ１０３）。具体的は、加圧制御部２４は、シリンダ１１の油圧を制御して、ピストンの位置を上昇させる（図５の一点鎖線参照）。これにより、ダイセット１２の下側ベース１２２の位置が上昇する（図５の破線参照）。つまり、ダイセット１２の上側ベース１２１と下側ベース１２２との距離（ダイセット間距離）が短くなる。それに伴い、ワークが配置された下型１６が、上型１５に接近する。そして、揺動鍛造装置１は、上型１５及び下型１６を用いてワークを加圧することにより、ワークの成形を行う。

次に、シリンダ位置検出部２２は、シリンダ１１のピストンの位置を検出する（ステップＳ１０４）。そして、シリンダ位置検出部２２は、ピストンの位置が所定の位置まで到達したか否かを判定する（ステップＳ１０５）。ここで、所定の位置とは、ワークに対して十分な加圧が行われ、ドエル（加圧保持）加工に移行できるピストンの位置を意味する。ピストンの位置が所定の位置に来ていない場合（ステップＳ１０５：Ｎｏ）、シリンダ位置検出部２２は、ピストンが所定の位置に来るまで検出を続ける（ステップＳ１０４）。

ピストンが所定の位置に来た場合（ステップＳ１０５：Ｙｅｓ）、揺動鍛造装置１は、ドエル加工を開始する（ステップＳ１０６）。具体的には、図５に示すように、加圧制御部２４は、ドエル加工を行うための制御信号を出力する。これにより、図示しない回転駆動部が上型１５を回転させ、ドエル加工が行われる。

ドエル加工が始まると、型間距離検出部２３は、型間距離を検出する（ステップＳ１０７）。型間距離検出部２３は、検出した型間距離を加圧制御部２４に出力する。加圧制御部２４は、取得した型間距離と閾値との大小関係を比較する。このとき、閾値は、加圧制御部２４により既にメモリ２５に格納されているものとする。なお、図５の一点鎖線で示すように、ドエル加工において、下型１６の位置（シリンダの位置）は振動していない。しかし、揺動鍛造装置１は、ワーク上面において、上型１５を基準軸（装置の中心軸、つまり鉛直方向と一致する軸）に対して傾斜させて揺動させる。そのため、上型１５が揺動する度に、上型１５に設けられた型間距離検出部２３と下型１６との距離が変化する。したがって、型間距離のグラフは上下に振動している（図５の実線参照）。

型間距離が閾値をより大きい場合（ステップＳ１０８：Ｎｏ）、加圧制御部２４は、ドエル加工を行うための制御信号を出力し続ける。これにより、ドエル加工が継続して行われる。なお、型間距離検出部２３は、型間距離の検出を続ける（ステップＳ１０７）。

一方、型間距離が閾値以下の場合（ステップＳ１０８：Ｙｅｓ）、揺動鍛造装置１は、ドエル加工を終了する（ステップＳ１０９）。具体的には、図５に示すように、加圧制御部２４は、ドエル加工を行うための制御信号の出力を停止する。これにより、ドエル加工が終了する。

ここで、図６に示す模式図及び図７に示すグラフを参照して、ドエル加工における動作及び型間距離について詳細に説明する。図６は、ドエル加工前からドエル加工終了までの揺動鍛造装置１の動作を示す模式図である。図７は、図５のグラフにおいて円で囲まれた部分（下死点付近）の拡大図である。

まず、ワークの成形前においては、揺動鍛造装置１は、シリンダ１１のピストン１１２を徐々に上昇させる。シリンダ１１の上昇に伴い、型間距離は減少する。このとき、未だワークに圧力はかかっていない。つまり、上型１５、下型１６、及びシリンダ１１等にも負荷はかかっていない（図６（ａ）参照）。

ピストン１１２が上昇していくと、ワーク（図示省略）が上型１５及び下型１６に挟まれて、成形が始まる。成形時においては、ワークが上型１５及び下型１６によって加圧される。このとき、シリンダ１１は、圧力Ｔでワークを加圧する。つまり、ワークには成形力Ｔの負荷がかかる。また、ピストン１１２は未だストッパ１１１に当たっていないため、下型１６及びシリンダ１１にも同様に成形力Ｔの負荷がかかる。したがって、下型１６及びシリンダ１１は微小なたわみ量ｄだけたわむ（図６（ｂ）参照）。このとき、下型１６の位置はピストン１１２の上昇と共に上昇している（図７参照）。つまり、型間距離は減少している。なお、ストッパ１１１とは、シリンダ１１の筒内に設けられており、シリンダ１１内のピストン１１２と当接することにより、ピストン１１２の上昇を規制する。

その後、ピストン１１２がストッパ１１１に当たると、揺動鍛造装置１は、ドエル加工を開始する。つまり、ピストン１１２が所定位置に来たことをシリンダ位置検出部２２が検出すると、加圧制御部２４は、ドエル加工を行うための制御信号を出力する。このとき、ピストン１１２は、ストッパ１１１に当接しているため、ストッパ１１１から反力ｌを受ける。このため、成形力は減少し、Ｔ−ｌになる。したがって、下型１６及びシリンダ１１のたわみが減少する（図６（ｃ））。しかし、シリンダ１１による加圧は継続されているため、下型１６の位置も上昇する（図７参照）。つまり、型間距離は減少し続ける。

１秒間のドエル加工が終了すると、シリンダ１１による加圧が停止する。つまり、シリンダ１１の圧力は徐々に抜ける。ただし、ドエル加工の制御信号の出力が停止しても、シリンダ１１の油圧はすぐには低下しない。そのため、ドエル加工の終了直後も僅かの時間ピストン１１２は上昇する。これに伴い、下型１６の位置も上昇する（図７参照）。その後、シリンダ圧力Ｌとストッパ１１１にかかる力ｌが釣り合うまで成形が行われる（図６（ｄ））。

＜比較例＞
ここで、比較例にかかる揺動鍛造装置の動作について説明する。図８は、比較例にかかる揺動鍛造装置の動作を示すフローチャートである。なお、図８のフローチャートにおいて、ステップＳ２０１以外のステップは、図４に示したフローチャートと同様であるため、説明を省略する。また、図９は、比較例にかかるドエル加工前からドエル加工終了までの型間距離を示すグラフである。図９において、二点鎖線のグラフが、１ロットのうちの最初のワークの加工時における型間距離を示す。実線のグラフが、１ロットのうちの最後のワークの加工時における型間距離を示す。

比較例にかかる揺動鍛造装置は、ドエル加工を開始すると、タイマ等を用いて計時する。そして、所定時間が経過すると（ステップＳ２０１：Ｙｅｓ）、揺動鍛造装置は、ドエル加工を終了する（ステップＳ１０９）。

図９のグラフにおいては、所定時間を１秒としている。このため、比較例にかかる揺動鍛造装置は、最初のワーク加工時及び最後のワーク加工時において、いずれもドエル加工の時間は１秒間である。

図９のグラフから明らかなように、最後のワークのドエル加工時の型間距離は、最初のワークのドエル加工時の型間距離に比べて全体的に上方に移動している。つまり、最後のワークのドエル加工時の型間距離は、最初のワークのドエル加工時の型間距離よりも狭くなっている。言い換えると、最後のワーク加工時における下死点位置は、最初のワーク加工時における下死点位置よりも上方に位置している。これは、揺動鍛造装置の金型やシリンダが熱膨張等の影響により変形したことに起因する。このため、ロット内で成形後のワークの寸法に誤差が生じてしまう。

これに対して、本実施の形態にかかる揺動鍛造装置１の動作について説明する。図１０は、ドエル加工前からドエル加工終了までの型間距離を示すグラフである。図１０において、二点鎖線のグラフが、１ロットのうちの最初のワークの加工時における型間距離を示す。実線のグラフが、１ロットのうちの最後のワークの加工時における型間距離を示す。また、破線のグラフは、上記の比較例にかかる最後のワークの加工時における型間距離を示す。

なお、加圧制御部２４は、加圧停止時の型間距離に基づいて所定の閾値を設定する。つまり、最初のワークのドエル加工終了時における型間距離を所定の閾値として記憶部２５に格納する。具体的には、加圧制御部２４は、図１０の交点Ｓ（最初のドエル加工終了時の時間とその時の型間距離との交点）の位置を、所定の閾値として設定する。なお、所定の閾値として設定する型間距離は、最初のワークのドエル加工終了時の型間距離に限られず、２個目以降のワークのドエル加工終了時の型間距離でもよい。ただし、最初のワークのドエル加工終了時における型間距離を用いた方が、ロット内の全てのワークに対して同じ型間距離でドエル加工を終了できるため、最も寸法精度の低下を抑制できる。

図４のフローチャートにおいて説明した通り、揺動鍛造装置１は、最初のワーク加工時よりも後のワークを成形する際には、ワークの加圧中に、型間距離が所定の閾値以下となった場合、ドエル加工を停止する（加圧を停止する）。このため、ドエル加工の時間（加圧時間）は、型間距離に応じて変化する。図１０からも明らかなように、最初のワークのドエル加工時間は１秒間であるが、最後のワークのドエル加工時間は０．５秒程度である。これにより、ドエル加工停止後に若干のオーバーシュートは生じるものの、最初のワーク加工時と同様の型間距離で加圧が停止する。つまり、下型１６の上昇が止まる。このため、最後のワーク加工時における下死点位置が、最初のワーク加工時における下死点位置と同様の位置となる。したがって、揺動鍛造装置１は、下死点位置の変化を抑制することができる。その結果、揺動鍛造装置１は、ロット内でのワークの寸法精度の低下を抑制することができる。

ここで、比較例にかかる揺動鍛造装置により成形されたワークの寸法変化量と、本実施の形態にかかる揺動鍛造装置１により成形されたワークの寸法変化量と、の推移について説明する。図１１及び図１２に、実験結果のグラフを示す。図１１及び図１２に示した実験結果は、ワーク３００個を型打ちしたときの寸法変化量を示している。図１１及び図１２の横軸は、いずれも型打ち個数である。図１１の縦軸は、ワークの厚み（ｍｍ）である。図１２の縦軸は、ワークの外径（ｍｍ）である。なお、図１１及び図１２の縦軸において、０はワークの規格基準値を意味している。また、ワークは図１３に示したシーブである。ワークの厚み及び外径は、図１３に示す部分の寸法を意味する。

図１１に示すように、比較例にかかるワーク厚み変化量は、型打ち個数が増えるに従って増加し、最終的に０．２８ｍｍとなる。これに対して、本実施の形態にかかるワーク厚み変化量は、０．０９ｍｍである。したがって、本実施の形態にかかる揺動鍛造装置１は、比較例よりもロット内におけるワーク厚み変化量を０．１９ｍｍ低減することができた。

また、図１２に示すように、比較例にかかるワーク外径変化量は、型打ち個数が増えるに従って増加し、最終的に４．０ｍｍとなる。これに対して、本実施の形態にかかるワーク外径変化量は、０．９ｍｍである。したがって、本実施の形態にかかる揺動鍛造装置１は、比較例よりもロット内におけるワーク外径変化量を３．１ｍｍ低減することができた。

以上のように、本実施の形態にかかる揺動鍛造装置１の構成によれば、型間距離検出部２３が、上型１５と下型１６との間の距離（型間距離）を検出する。そして、加圧制御部２４が、型間距離と所定の閾値との比較結果に基づいて、シリンダ１１によるワークの加圧を停止させる。これにより、揺動鍛造装置１は、金型やシリンダ等に熱膨張が生じた場合であっても、型間距離を維持したままワークを成形することができる。その結果、揺動鍛造装置１は、ロット内の寸法精度の低下を抑制することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、本実施の形態においては、鍛造装置として揺動鍛造装置について説明したが、本発明は他の鍛造装置にも適用することができる。

１ 揺動鍛造装置
１１ シリンダ
１２ ダイセット
１３ 上側ホルダ
１４ 下側ホルダ
１５ 上型
１６ 下型
２１ ワーク検出部
２２ シリンダ位置検出部
２３ 型間距離検出部
２４ 加圧制御部
２５ 記憶部
１１１ ストッパ
１１２ ピストン
１２１ 上側ベース
１２２ 下側ベース

Claims (7)

1. 上型と、
   下型と、
   前記上型及び前記下型を用いてワークを加圧する加圧手段と、
   前記加圧手段が前記上型及び前記下型を用いてワークを加圧しているときに、前記上型と前記下型との間の距離である型間距離を検出する型間距離検出手段と、
   前記型間距離と所定の閾値との比較結果に基づいて、前記加圧手段による前記ワークの加圧を停止させる加圧制御手段と、
   を備える鍛造装置。
2. 前記型間距離検出手段は、前記上型の押圧面と前記下型の押圧面との距離を前記型間距離として検出する請求項１に記載の鍛造装置。
3. 前記加圧制御手段は、前記ワークの加圧停止時の前記型間距離を前記所定の閾値として設定する請求項１または２に記載の鍛造装置。
4. 前記加圧制御手段は、１ロットの前記ワークのうち、最初の前記ワークを加圧する場合、所定時間に基づいて前記加圧手段による前記ワークの加圧を停止させ、前記最初のワークの加圧停止時の前記型間距離を前記所定の閾値として設定する請求項３に記載の鍛造装置。
5. 前記加圧制御手段は、前記型間距離が前記所定の閾値以下となった場合、前記ワークの加圧を停止させる請求項１〜４のいずれか一項に記載の鍛造装置。
6. 前記加圧制御手段は、前記型間距離に応じて、前記ワークの加圧時間を変更する請求項１〜５のいずれか一項に記載の鍛造装置。
7. 上型と、下型と、前記上型及び前記下型を用いてワークを加圧する加圧手段と、を備える鍛造装置の制御方法であって、
   前記加圧手段が前記上型及び前記下型を用いてワークを加圧しているときに、前記上型と前記下型との間の距離である型間距離を検出し、
   前記型間距離と所定の閾値との比較結果に基づいて、前記加圧手段による前記ワークの加圧を停止させる鍛造装置の制御方法。