JP2015054341A

JP2015054341A - 高圧捻り成形機

Info

Publication number: JP2015054341A
Application number: JP2013188999A
Authority: JP
Inventors: 田渡　正史; Masashi Tawatari; 正史田渡
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2013-09-12
Filing date: 2013-09-12
Publication date: 2015-03-23
Anticipated expiration: 2033-09-12
Also published as: JP6069145B2

Abstract

【課題】素材に高い加圧力を付与できる高圧捻り成形機を提供する。
【解決手段】一対の金型５１、５２と、筒部４１と摺動部４２とを有し素材に圧縮応力を加える加圧シリンダ４と、摺動部４２を回転させ素材に剪断応力を加える回転手段８とを備え、一方の金型５１は摺動部４２に対し固定されている。回転手段８は、摺動部４２に同心に設けられたメインギヤ８１と、メインギヤ８１と噛み合うピニオンギヤ８２と、スライド６に固定されピニオンギヤ８２を回転させるモータ８３とを備える。モータ８３の駆動により摺動部４２を回転せることで、一方の金型５１を回転できるため、金型５１を支持するスラストベアリングが不要であり、素材に高い加圧力を付与できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、高圧捻り成形機に関する。さらに詳しくは、高圧捻り法により素材を結晶微細化するための高圧捻り成形機に関する。

結晶微細化とは、金属のような多結晶体に物理的な力や加熱処理を施して結晶粒を分断、細分化することである。結晶粒を微細化することによって、強度や延性などの力学的特性を向上できる。結晶微細化を行う方法として強ひずみ加工法がある。強ひずみ加工法とは、通常の塑性加工では与えることのできない非常に大きなひずみを付与することにより、結晶粒を物理的に分断、細分化する方法である。

代表的な強ひずみ加工法としては、高圧捻り法（HPT: High Pressure Torsion）、繰返し押出し加工法（ECAP: Equal Channel Angular Pressing）、繰返し重ね圧延法（ARB: Accumulative Roll Bonding）、多軸鍛造法（MDF: Multi Directional Forging）などが知られている。このうち高圧捻り法は、素材に圧縮応力を加えながら、捻り変形によって剪断応力を加える方法である（例えば、特許文献１）。

特開２００６−２４７７３４号公報

一般に、高圧捻り法により素材を結晶微細化するための高圧捻り成形機は、素材を挟む一対の金型を有しており、一方の金型側に加圧力を付与する加圧シリンダが設けられ、他方の金型を回転させる構造となっている。回転側の金型はスラストベアリングを介してフレームに設けられ、加圧シリンダによる加圧力を受けた状態で回転できるよう構成されている。しかし、スラストベアリングは大きな加圧力に耐えることができない。したがって、従来の高圧捻り成形機は小型のものであり、加圧力が数百トン以上の大型の成形機は存在しなかった。

本発明は上記事情に鑑み、素材に高い加圧力を付与できる高圧捻り成形機を提供することを目的とする。

第１発明の高圧捻り成形機は、素材を挟む一対の金型と、筒部と、該筒部内で摺動可能な摺動部とを有し、前記素材に圧縮応力を加える加圧シリンダと、前記摺動部を回転させ、前記素材に剪断応力を加える回転手段と、を備え、前記一対の金型のうち一方の金型は、前記摺動部に対し固定されていることを特徴とする。
第２発明の高圧捻り成形機は、第１発明において、クラウンと、ベッドと、アップライトとを有するフレームを備え、前記筒部は、前記フレームに固定されるとともに、前記摺動部を回転可能に支持することを特徴とする。
第３発明の高圧捻り成形機は、第２発明において、前記摺動部の摺動に追従して前記フレームに対して摺動し、該摺動部を回転可能に支持するスライドを備え、前記回転手段は、前記摺動部の回転中心と同心に設けられ、該摺動部に設けられたメインギヤと、前記メインギヤと噛み合うピニオンギヤと、前記スライドに固定され、前記ピニオンギヤを回転させるモータと、を備えることを特徴とする。
第４発明の高圧捻り成形機は、第３発明において、前記スライドの傾きを制限するスライドガイドを備えることを特徴とする。
第５発明の高圧捻り成形機は、第３または第４発明において、前記ピニオンギヤは、前記メインギヤの周囲に等角度間隔で複数設けられていることを特徴とする。

第１発明によれば、回転手段により摺動部を回転せることで、一方の金型を回転できるため、金型を支持するスラストベアリングが不要であり、素材に高い加圧力を付与できる。
第２発明によれば、筒部がフレームに固定され回転しないので、加圧シリンダの全体を回転させる場合に比べて回転側の重量を減らすことができる。
第３発明によれば、モータの駆動により摺動部を回転せることで、一方の金型を回転できる。また、回転手段が簡易な構造であるので、全体をコンパクトにできる。
第４発明によれば、スライドが傾かないよう制限されているので、金型に偏心負荷が作用しても、金型の傾きが制限されるため、偏心負荷性能がよい。
第５発明によれば、ピニオンギヤがメインギヤの周囲に等角度間隔で設けられているので、摺動部の軸心がズレることを防止できる。そのため、金型がズレることを防止でき、加工精度がよい。

本発明の一実施形態に係る高圧捻り成形機の部分縦断面図である。図１におけるII-II線矢視断面図である。同高圧捻り成形機の加圧状態の部分縦断面図である。

つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
図１に示すように、本発明の一実施形態に係る高圧捻り成形機Ａは、クラウン１と、ベッド２と、それらの間に立設する４本のアップライト３とから構成されるフレームｆを有している。クラウン１にはラム形の加圧シリンダ４が設けられている。加圧シリンダ４は、シリンダチューブ４１と、シリンダチューブ４１内で摺動可能なラム４２とを有する。シリンダチューブ４１はラム４２を回転可能に支持している。シリンダチューブ４１がクラウン１に固定されている。なお、シリンダチューブ４１およびラム４２が、それぞれ特許請求の範囲に記載の「筒部」および「摺動部」に相当する。また、加圧シリンダ４としては、油圧シリンダのほか種々のシリンダを用いることができる。

高圧捻り成形機Ａは、素材Ｍを挟む一対の金型５１、５２、すなわち上型５１と下型５２とを備えている。加圧シリンダ４のラム４２の先端部はスライド６の貫通孔６１に挿し通されており、その先端面に上型５１が固定されている。上型５１はラム４２に対して回転しないようにインロウ構造で取り付けられている。なお、上型５１はラム４２に直接固定されるほか、他の部材を介してラム４２に対して間接的に固定されてもよい。

一方、ベッド２の上面には下型５２が固定されている。下型５２はベッド２に対して回転しないようにインロウ構造で取り付けられている。上型５１および下型５２には、それぞれ素材Ｍを収容する凹状の収容部５１ａ、５２ａが形成されている。加圧シリンダ４を伸長することで上型５１が下降し、上型５１に加圧力を付与することができる。これにより、収容部５１ａ、５２ａに収容された素材Ｍに圧縮応力を加えることができる。

スライド６の貫通孔６１とラム４２の先端部との間にはブッシュまたはラジアルベアリング等の回転支持部材が設けられている。ラム４２は、その摺動方向と平行な中心軸周りにスライド６に対して回転可能に支持されている。また、スライド６はラム４２の摺動に追従してフレームｆに対して昇降するよう構成されている。ラム４２とスライド６との間のクリアランスは最小限に構成されており、ラム４２がスライド６に対して傾かないよう制限されている。

図２に示すように、スライド６とアップライト３との間にはスライドガイド６２が設けられている。スライドガイド６２により、スライド６をアップライト３に沿って昇降可能とし、かつフレームｆに対して回転しないよう制限している。また、スライドガイド６２のクリアランスは最小限に構成されており、スライド６がフレームｆに対して傾かないよう制限されている。

以上のように、ラム４２がスライド６に対して傾かないよう制限されており、スライド６がフレームｆに対して傾かないよう制限されているので、加圧時に素材Ｍにより上型５１に偏心負荷が作用しても、上型５１の傾きが制限され、水平に維持できる。そのため、偏心負荷性能がよく、素材Ｍの加工精度がよくなる。

図１にもどり説明する。クラウン１の左右両側には引戻シリンダ７が設けられている。引戻シリンダ７のピストンロッド先端にはスライド６が連結されている。加圧シリンダ４を伸長させスライド６を下降させた後、引戻シリンダ７を収縮させることで、スライド６を上昇させ加圧シリンダ４を収縮させることができる。

高圧捻り成形機Ａは、加圧シリンダ４のラム４２をその中心軸周りに回転させる回転手段８を備えている。回転手段８は、メインギヤ８１と、ピニオンギヤ８２と、モータ８３とからなる。メインギヤ８１はラム４２の外周に沿って設けられており、ラム４２の軸心（回転中心）とメインギヤ８１の中心とは同心となっている。また、メインギヤ８１は、ラム４２におけるスライド６より上方位置であって、加圧シリンダ４の最収縮状態においてもシリンダチューブ４１より出ている位置に設けられている。

モータ８３はスライド６の上部に固定されており、その駆動軸にピニオンギヤ８２が固定されている。ピニオンギヤ８２はメインギヤ８１と噛み合う位置に配置されている。そのため、モータ８３の駆動によりピニオンギヤ８２およびメインギヤ８１を回転させ、ラム４２をその中心軸周りに回転させることで、上型５１を回転できる。なお、モータ８３としては、油圧モータや電動モータのほか種々のモータを用いることができる。

図２に示すように、本実施形態ではピニオンギヤ８２が２つ設けられている。また、２つのピニオンギヤ８２のそれぞれにモータ８３が設けられている。２つのピニオンギヤ８２、８２は、メインギヤ８１の周囲に等角度間隔（180°間隔）で設けられている。換言すれば、２つのピニオンギヤ８２、８２は、メインギヤ８１の中心（ラム４２の軸心）を中心として対称の位置に配置されている。

メインギヤ８１とピニオンギヤ８２との間には、メインギヤ８１を回転させる接線方向の力のほかに、互いに離間させる法線方向の力も加わる。この法線方向の力はラム４２とスライド６とが相対的に水平方向にズレる要因となる。本実施形態では、２つのピニオンギヤ８２、８２がメインギヤ８１の周囲に等角度間隔で設けられているので、法線方向の力が相殺され、接線方向の力のみ作用する。そのため、ラム４２の軸心がズレることを防止できる。その結果、上型５１が下型５２に対して水平方向にズレることを防止でき、素材Ｍの加工精度がよくなる。

なお、ピニオンギヤ８２を３つ以上設けてもよい。この場合であっても、複数のピニオンギヤ８２をメインギヤ８１の周囲に等角度間隔で設ければ、上型５１が下型５２に対して水平方向にズレることを防止できる。

つぎに、高圧捻り成形機Ａによる素材Ｍの結晶微細化処理を説明する。
まず、図１に示すように、加圧シリンダ４を引き戻した状態で下型５２の収容部５２ａに素材Ｍを置く。一般に、素材Ｍは円盤状または円柱状をしている。素材Ｍの中心に孔を開けてドーナツ状または円筒状とすることで、剪断応力を均等に作用させる場合もある。

つぎに、図３に示すように、加圧シリンダ４を伸長して、素材Ｍを上型５１と下型５２とで挟んで圧縮応力を加える。この状態でモータ８３を駆動し、ラム４２とともに上型５１を回転させることで、素材Ｍを捻り変形させ剪断応力を加える。ここで、ラム４２はスライド６に対して回転可能であり、スライド６はスライドガイド６２により回転が制限されているため、ラム４２を回転させてもスライド６が回転することはない。また、スライド６はラム４２に追従して昇降するのみであり、加圧シリンダ４による加圧力は加わらない。したがって、スライド６により加圧力を支持する必要はない。

以上より、素材Ｍに圧縮応力を加えながら剪断応力を加えることができ、高圧捻り法による結晶微細化ができる。なお、上型５１の回転速度や回転回数は適宜調整すればよいが、例えば、1rpmで10〜20回転させる。

素材Ｍの結晶微細化の終了後、引戻シリンダ７により加圧シリンダ４を収縮させ、素材Ｍを取り出す。

以上のように、回転手段８によりラム４２自体を回転せることで上型５１を回転できるため、上型５１を回転可能に支持するスラストベアリングが不要である。そのため、高出力の加圧シリンダ４を採用でき、素材Ｍに高い加圧力を付与できる。したがって、加圧力が数百トン以上の大型の成形機とすることができる。なお、本発明は大型の成形機のみならず、小型の成形機にも適用できる。

また、回転手段８が簡易な構造であるので、高圧捻り成形機Ａの全体をコンパクトにできる。しかも、複数のモータ８３を備えるので、小型のモータ８３で高い剪断応力を加えることができる。

さらに、シリンダチューブ４１がフレームｆに固定され回転しないので、加圧シリンダ４の全体を回転させる場合に比べて回転側の重量を減らすことができる。

（その他の実施形態）
上記実施形態の高圧捻り成形機Ａにおけるラム形の加圧シリンダ４を、ピストン形の加圧シリンダ４に代えてもよい。加圧シリンダ４のピストンロッドが特許請求の範囲に記載の「摺動部」に相当する。この場合、回転手段８のメインギヤ８１は加圧シリンダ４のピストンロッドに設けられる。ピストンロッドの軸心とメインギヤ８１の中心とは同心とする。ピストン形の加圧シリンダ４を用いても、上記実施形態と同様の効果を奏することができる。なお、ピストン形の加圧シリンダ４は自力で上昇可能であるので引戻シリンダ７を設ける必要はない。

また、上記実施形態の高圧捻り成形機Ａにおいて、回転手段８をスライド６の下方に設けてもよい。すなわち、ラム４２の先端部をスライド６の下方に突出するよう構成し、その突出部にメインギヤ８１を設ける。そして、ピニオンギヤ８２およびモータ８３をスライド６の下部に設ける。このような構成でも、上記実施形態と同様の効果を奏することができる。

さらに、上型５１をフレームｆに固定し、下型５２に加圧シリンダ４および回転手段８を設けてもよい。また、一対の金型５１、５２を水平に配置し、一方の金型５１（５２）を水平方向にスライドさせるように構成してもよい。

１クラウン
２ベッド
３アップライト
４加圧シリンダ
４１シリンダチューブ
４２ラム
５１上型
５２下型
６スライド
６１貫通孔
６２スライドガイド
７引戻シリンダ
８回転手段
８１メインギヤ
８２ピニオンギヤ
８３モータ

Claims

素材を挟む一対の金型と、
筒部と、該筒部内で摺動可能な摺動部とを有し、前記素材に圧縮応力を加える加圧シリンダと、
前記摺動部を回転させ、前記素材に剪断応力を加える回転手段と、を備え、
前記一対の金型のうち一方の金型は、前記摺動部に対し固定されている
ことを特徴とする高圧捻り成形機。
クラウンと、ベッドと、アップライトとを有するフレームを備え、
前記筒部は、前記フレームに固定されるとともに、前記摺動部を回転可能に支持する
ことを特徴とする請求項１記載の高圧捻り成形機。
前記摺動部の摺動に追従して前記フレームに対して摺動し、該摺動部を回転可能に支持するスライドを備え、
前記回転手段は、
前記摺動部の回転中心と同心に設けられ、該摺動部に設けられたメインギヤと、
前記メインギヤと噛み合うピニオンギヤと、
前記スライドに固定され、前記ピニオンギヤを回転させるモータと、を備える
ことを特徴とする請求項２記載の高圧捻り成形機。
前記スライドの傾きを制限するスライドガイドを備える
ことを特徴とする請求項３記載の高圧捻り成形機。
前記ピニオンギヤは、前記メインギヤの周囲に等角度間隔で複数設けられている
ことを特徴とする請求項３または４記載の高圧捻り成形機。