JP2016097423A - 軸肥大加工機及び軸肥大加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】軸肥大加工における加工精度を高める。
【解決手段】軸肥大加工機は、軸材Ｗを軸方向に圧縮する圧力を該軸材の両端部に印加する加圧装置３と、軸方向と交差する方向の交番負荷を軸材Ｗの中間部分に印加する負荷発生装置４と、加圧装置３による圧力及び負荷発生装置４による交番負荷の印加によって軸方向の圧縮を伴って肥大される軸材Ｗの中間部分の外径を検出する検出装置５と、加圧装置３及び負荷発生装置４を制御する制御装置６と、を備え、検出装置５は、軸材Ｗの中間部分の外周面に接触する接触子１４を有し、接触子１４の変位を利用して中間部分の外径を検出し、制御装置６は、検出装置５によって検出される外径に基づき、加圧装置３による圧力を調整し、軸材Ｗの中間部分の圧縮を停止させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、軸肥大加工機及び軸肥大加工方法に関する。

軸材の中間部分に相対的に大径な部分を形成する加工方法の一つとして軸肥大加工が知られており、軸肥大加工方法の一例として、軸材を軸方向に圧縮する圧力を軸材の両端部に印加した状態で曲げ角度を付加して軸材を回転させることにより軸材の一部を肥大させ、それにより大径部を形成する方法が知られている。

上記の軸肥大加工を行う軸肥大加工機は、一般に、軸材の端部を保持するスリーブをそれぞれ有し、軸材が配置される基準線に沿って配置された駆動側ホルダユニット及び従動側ホルダユニットを備え、従動側ホルダユニットを基準線に沿って移動させて軸材を軸方向に圧縮しつつ、駆動側ホルダユニットを基準線に対して傾斜させて回転させ、軸材の一部を肥大させる。そして、駆動側ホルダユニット及び従動側ホルダユニットのスリーブ間の間隔が所定の間隔となったところで圧縮が停止され、軸材の一部を肥大させる拡径プロセスが終了される。

また、特許文献１に記載された軸肥大加工機では、駆動側ホルダユニット及び従動側ホルダユニットのスリーブ間の間隔に替えて、軸材の中間部分の外径を測定し、中間部分の外径が目標とする外径に達したところで圧縮が停止され、拡径プロセスが終了される。

特許第４９２７５９９号公報

スリーブ間の間隔は、典型的には、従動側ホルダユニットの移動距離から間接的に検出される。ここで、繰り返しの軸肥大加工により、例えば塑性変形による軸材の発熱などに起因してスリーブの温度が次第に上昇し、スリーブが熱膨張する場合がある。スリーブが熱膨張すると従動側ホルダユニットの移動距離から間接的に検出されるスリーブ間の間隔が変化してしまい、スリーブ間の間隔に基づいて拡径プロセスが制御される場合に、成形品における大径部の寸法精度が低下する虞がある。

肥大される軸材の中間部分の外径に基づいて拡径プロセスを制御すれば、上記の繰り返しの軸肥大加工に伴うスリーブ間の間隔の変化、それによる成形品における大径部の寸法精度の低下を解消可能であるが、この場合に、軸材の中間部分の外径を高精度に測定する必要がある。

軸材の外径は、例えば非接触型の測距計を用いて測定することができ、この種の測距計には典型的にはレーザー光や超音波が用いられる。しかし、軸材とスリーブとが固着することを防止するため、軸材の表面には一般に潤滑剤が塗布されており、潤滑剤によってレーザー光や超音波の反射が乱れ、軸材の中間部分の外径の検出精度が低下する可能性がある。また、雰囲気の温度などによっても検出精度が低下する可能性がある。それにより、成形品における大径部の寸法精度が低下する虞がある。

本発明は、上述した事情に鑑みなされたものであり、軸肥大加工における加工精度を高めることを目的とする。

本発明の一態様の軸肥大加工機は、軸材を軸方向に圧縮する圧力を該軸材の両端部に印加する加圧装置と、前記軸方向と交差する方向の交番負荷を前記軸材の中間部分に印加する負荷発生装置と、前記加圧装置による圧力及び前記負荷発生装置による交番負荷の印加によって、前記軸方向の圧縮を伴って肥大される前記軸材の中間部分の外径を検出する検出装置と、前記加圧装置及び前記負荷発生装置を制御する制御装置と、を備え、前記検出装置は、前記軸材の中間部分の外周面に接触する接触子を有し、該接触子の変位を利用して前記中間部分の外径を検出し、前記制御装置は、前記検出装置によって検出される外径に基づき、前記加圧装置による圧力を調整し、前記軸材の中間部分の圧縮を停止させる。

また、本発明の一態様の軸肥大加工方法は、軸材を軸方向に圧縮する圧力を該軸材の両端部に印加し、且つ前記軸方向と交差する方向の交番負荷を前記軸材の中間部分に印加して、前記軸方向の圧縮を伴って前記軸材の中間部分を肥大させ、前記軸材の中間部分の外周面に接触子を接触させ、該接触子の変位を利用して前記軸材の中間部分の外径を検出し、検出した前記中間部分の外径に基づき、前記軸材の両端部に印加する圧力を調整し、前記軸材の中間部分の圧縮を停止させる。

本発明によれば、軸肥大加工における加工精度を高めることができる。

本発明の実施形態を説明するための、軸肥大加工機の一例の構成を示す図である。 図１の軸肥大加工機を用いた軸肥大加工方法を示す図である。 図１の軸肥大加工機の検出装置の一例の構成を示す図である。 図１の軸肥大加工機の変形例の構成を示す図である。 本発明の実施形態を説明するための、軸肥大加工方法の他の例を示す図である。 本発明の実施形態を説明するための、軸肥大加工方法の他の例を示す図である。 本発明の実施形態を説明するための、軸肥大加工方法の他の例を示す図である。 本発明の実施形態を説明するための、軸肥大加工方法の他の例を示す図である。 実験例の成形品における大径部の外径の変動を示すグラフである。 実験例の成形品における大径部の外径の変動を示すグラフである。

図１は、本発明の実施形態を説明するための、軸肥大加工機の一例の構成を示す。

図１に示す軸肥大加工機は、軸材Ｗを軸方向に圧縮する圧力を軸材Ｗの両端部に印加した状態で曲げ角度を付加して軸材Ｗを回転させることにより軸材Ｗの中間部分を肥大させるものである。

この軸肥大加工機は、軸材Ｗが配置される基準線Ａに沿って配置される一対のホルダユニット１，２と、軸材Ｗを軸方向に圧縮する圧力を軸材Ｗの両端部に印加する加圧装置３と、軸材Ｗの軸方向に交差する交番負荷を軸材Ｗに印加する負荷発生装置４と、肥大される軸材Ｗの中間部分の外径を検出する検出装置５と、制御装置６とを備える。

ホルダユニット１は、軸材Ｗの端部が挿嵌されるスリーブ１０と、スリーブ１０に挿嵌された軸材Ｗの端部を受け止める排出ロッド１１とを有する。ホルダユニット２もまた同様に構成され、スリーブ１２と、排出ロッド１３とを有する。

軸材Ｗは一端をホルダユニット１の排出ロッド１１に支持され、他端をホルダユニット２の排出ロッド１３に支持されて、ホルダユニット１，２によって挟持される。

ホルダユニット１，２の間に位置する軸材Ｗの中間部分は、軸肥大加工によって肥大され、成形品における大径部に成形される。加工前の軸材Ｗの中間部分の軸方向長さＤは、大径部の厚み及び外径に応じて適宜決定される。

加圧装置３は、基準線Ａに沿って一方のホルダユニット２を並進移動させ、ホルダユニット１，２を介して軸材Ｗを軸方向に圧縮する圧力を軸材Ｗの両端部に印加する。

負荷発生装置４は、一方のホルダユニット１の回転軸が基準線Ａに斜交するようにホルダユニット１を傾斜させ、軸材Ｗに曲げ角度を付加する。そして、負荷発生装置４は、傾斜されたホルダユニット１の上記回転軸まわりにホルダユニット１を回転させ、軸材Ｗの軸方向と交差する方向の交番負荷を軸材Ｗの中間部分に印加する。

検出装置５は、ホルダユニット１，２の間に位置する軸材Ｗの中間部分の外径を検出する。図示の例では、検出装置５は、軸材Ｗの中間部分におけるホルダユニット１側の部位の外周面に接触する接触子１４を有し、接触子１４の変位を利用して軸材Ｗの中間部分の外径を検出する。

制御装置６は、加圧装置３及び負荷発生装置４を制御し、軸材Ｗの中間部分を肥大させる軸肥大加工を行う。そして、制御装置６は、検出装置５によって検出される軸材Ｗの中間部分の外径に基づき、加圧装置３による圧力を調整して軸材Ｗの圧縮を停止し、軸肥大加工において軸材Ｗの中間部分を肥大させる拡径プロセスを終了する。

図２は、上述した軸肥大加工機を用いた軸肥大加工方法を示す。

図２（Ａ）に示すように、軸材Ｗがホルダユニット１，２によって挟持される。

続いて、図２（Ｂ）に示すように、ホルダユニット２が加圧装置３（図１参照）によって基準線Ａに沿って並進移動され、ホルダユニット１，２によって挟持された軸材Ｗに、軸材Ｗを軸方向に圧縮する圧力が印加される。また、ホルダユニット１が負荷発生装置４（図１参照）によって基準線Ａに対して傾斜され、回転駆動される。ホルダユニット１の傾斜角度は、軸材Ｗの曲げが弾性限度の変形内に収まる角度とされ、典型的には２°〜３°程度である。

ホルダユニット１，２に挟持された軸材Ｗは、基準線Ａ上の曲げ中心Ｏを中心に曲げられ、且つ軸材Ｗの軸線まわりに回転される。軸材Ｗの曲げ及び回転に伴い、曲げられた軸材Ｗの中間部分には、曲げ方向における内側と外側とで軸材Ｗの軸方向と交差する方向に交番負荷が加えられる。

図２（Ｃ）に示すように、加圧された軸材Ｗの中間部分は、曲げ方向における内側が塑性流動によって膨出する。そして、軸材Ｗの軸線まわりの回転に伴い、塑性流動による膨出が全周に亘って成長し、軸材Ｗの中間部分が肥大する。軸材Ｗの中間部分の外径は検出装置５によって逐次検出される。

図２（Ｄ）に示すように、軸材Ｗの中間部分の外径が所定の径に到達すると、制御装置６は、検出装置５の出力信号に基づいて軸材Ｗの中間部分の外径が所定の径に到達したことを検知する。そして、制御装置６（図１参照）は、加圧装置３による圧力を調整し、軸材Ｗの圧縮を停止させる。以上で軸材Ｗの中間部分を肥大させる拡径プロセスが終了する。

圧縮が停止された軸材Ｗには、引き続き加圧装置３によって所定の成形圧力が印加される。そして、負荷発生装置４により、ホルダユニット１が再び基準線Ａに沿って配置され、軸材Ｗが曲げ戻しされる。軸材Ｗの曲げ戻しにより、肥大された軸材Ｗの中間部分の厚みが全周に亘って均される。

図示の例では、ホルダユニット１，２が基準線Ａに沿って配置された状態で、軸材Ｗの中間部分を軸方向に挟み込むスリーブ１０の端面１０ａとスリーブ１２の端面１２ａとの距離が径方向に一定であり、軸材Ｗの中間部分は、両端面１０ａ，１２ａに拘束されることによって略円形状で且つ一定厚みに成形される。

以上のプロセスを経て軸材Ｗに対する軸肥大加工が完了し、軸材Ｗの回転が停止される。この後、図２（Ｅ）に示すように、ホルダユニット１の排出ロッド１１及びホルダユニット２の排出ロッド１３がそれぞれ駆動され、軸材Ｗの中間部分が肥大されてなる大径部Ｐａを有する成形品Ｐがホルダユニット１，２から取り外される。

上述した軸肥大加工において、成形品Ｐがスリーブ１０，１２の内周面や端面１０ａ，１２ａに固着することを抑制するため、軸材Ｗは予め表面に潤滑剤が塗布された状態で軸肥大加工される。軸材Ｗの表面に潤滑剤を塗布しておくことにより、軸材Ｗとスリーブ１０，１２との摩擦力を低減して、成形品Ｐがスリーブ１０，１２に固着することを抑制し、成形品Ｐを取り外す際に成形品Ｐが損傷することを抑制することができる。それにより、成形品Ｐを取り外す際の作業性及び成形品Ｐの品質を高めることができる。

ここで、軸材Ｗの中間部分の外径を検出する検出装置５は、軸材Ｗの中間部分の外周面に接触する接触子１４を有し、接触子１４の変位を利用して軸材Ｗの中間部分の外径を検出する。軸材Ｗの中間部分の外周面に接触する接触子１４の変位を利用して検出することにより、軸材Ｗの表面に塗布される潤滑剤や雰囲気の温度などの影響を低減でき、検出精度を高めることができる。

図３は、接触子１４を有する検出装置５の一例の構成を示す。

検出装置５は、上記の接触子１４と、支持部１５と、測定部１６とを有する。

接触子１４は棒状に形成されており、先端部１４ａにおいて軸材Ｗの中間部分の外周面に接触している。支持部１５は、基準線Ａと平行な回転軸１７まわりに揺動可能に接触子１４を支持している。支持部１５は、固定部材１８を介して、ホルダユニット１の非回転部に適宜固定されている。軸材Ｗの中間部分が肥大すると、回転軸１７まわりの接触子１４の揺動を伴って接触子１４の先端部１４ａが変位し、回転軸１７を間に挟んで反対側に位置する接触子１４の基端部１４ｂもまた変位する。

測定部１６は接触子１４の基端部１４ｂの変位量を測定する。図示の例では、測定部１６としてダイヤルゲージが用いられており、接触子１４の基端部に接触する測定子１９の上下動で接触子１４の基端部１４ｂの変位量を測定する。

軸材Ｗの中間部分の外径は、接触子１４の先端部１４ａ（軸材Ｗとの接触点）から回転軸１８までの距離と接触子１４の基端部１４ｂ（測定子１９との接触点）から回転軸１８までの距離との比に応じ、測定部１６によって測定される変位量を接触子１４の先端部１４ａの変位量に変換して検出される。

なお、レーザー変位計や超音波変位計などの非接触式の変位計を用いて接触子１４の基端部１４ｂの変位を測定してもよいが、図示の例のようにダイヤルゲージなどの接触式の変位計を用いることが好ましく、それによれば、温度等の雰囲気の影響を低減し、軸材Ｗの中間部分の外径の検出精度を高めることができる。

次に、軸材Ｗの中間部分の外径に基づいて軸材Ｗの圧縮を停止させることによる効果について説明する。

加圧装置３によって並進移動されるホルダユニット２の移動量に基づいて軸材Ｗの圧縮を停止させる場合において、繰り返しの軸肥大加工によってスリーブ１０，１２が熱膨張すると、ホルダユニット２の一定の移動量に対してスリーブ１０の端面１０ａとスリーブ１２の端面１２ａとの間隔が次第に狭まる。

スリーブ１０の端面１０ａとスリーブ１２の端面１２ａとの間隔が狭まると、成形品Ｐの大径部Ｐａの厚みは減少する。肥大される軸材Ｗの中間部分の体積はスリーブ１０，１２の熱膨張にかかわらず略一定であるから、軸材Ｗの中間部分が肥大されてなる大径部Ｐａは、厚みの減少に伴って拡径されることになる。

厚みの減少分に相当する体積は、大径部Ｐａの所期の拡径率（成形品Ｐの大径部Ｐａの外径／加工前の軸材Ｗの中間部分の外径）が大きくなるほどに増加する。したがって、厚みの減少に伴う拡径は、大径部Ｐａの所期の拡径率が大きくなるほどに助長される。

これに対し、肥大される軸材Ｗの中間部分の外径に基づいて軸材Ｗの圧縮を停止させるようにすれば、繰り返しの軸肥大加工によっても、大径部Ｐａの外径の寸法精度を安定して維持することができる。

図４は、上述した軸肥大加工機の変形例の構成を示す。

図４に示す軸肥大加工機では、ホルダユニット１，２が基準線Ａに沿って配置された状態で、軸材Ｗの中間部分を軸方向に挟み込むスリーブ１０の端面１０ａとスリーブ１２の端面１２ａとの距離が外径側に向けて小さくなっている。軸材Ｗの中間部分が両端面１０ａ，１２ａに拘束されながら肥大されてなる成形品Ｐの大径部Ｐａは、外径側に向けて厚みが薄くなる形状に成形される。

この場合に、大径部Ｐａの厚みの減少に伴う拡径が一層助長されるので、肥大される軸材Ｗの中間部分の外径に基づいて圧縮を停止させることが特に好適であり、それにより、繰り返しの軸肥大加工によっても、大径部Ｐａの外径の寸法精度を安定に維持することができる。

軸肥大加工機及び軸肥大加工方法は上述した構成に限られない。

図５に示す例は、軸材Ｗの曲げ及び軸線まわりの回転によって軸材Ｗの中間部分に交番負荷を加える点で図１の軸肥大加工方法と共通するが、一方のホルダユニット１の基準線Ａに対する傾動に替えて、基準線Ａと交差する方向へのホルダユニット１のスライドにより、軸材Ｗを曲げるようにしたものである。

図６に示す例は、一方のホルダユニット１にて軸材Ｗの端部を回転可能に非拘束状態にて保持し、他方のホルダユニット２にて軸材Ｗの端部を回転不能に拘束状態にて保持し、ホルダユニット１及びホルダユニット１に保持された軸材Ｗの端部を基準線Ａまわりに旋回させることにより、軸材Ｗを曲げ、且つ曲げられた軸材Ｗの中間部分に交番負荷を加えるようにしたものである。

図７に示す例は、ホルダユニット１，２の各々にて軸材Ｗの端部を回転不能に拘束状態にて保持し、一方のホルダユニット１を基準線Ａまわりに往復回転させることにより、軸材Ｗの中間部分に交番負荷を加えるようにしたものである。

図８に示す例は、振動発生器ＯＳＣから軸材Ｗに曲げ又は捻り振動を与えることにより、軸材Ｗの中間部分に交番負荷を加えるようにしたものである。

図５から図８に示した各軸肥大加工方法においても、肥大される軸材Ｗの中間部分の外径に基づいて軸材Ｗの圧縮を停止させるようにすることにより、大径部Ｐａの外径の寸法精度を安定に維持することができる。

図９及び図１０は、図１に示した軸肥大加工機を用いて軸肥大加工を繰り返し行った際の成形品Ｐにおける大径部Ｐａの外径の変動を示す。

図９に示す外径の変動は、ホルダユニット２の移動量に基づいて軸材Ｗの圧縮を停止させるようにした場合のものであり、図１０に示す外径の変動は、肥大される軸材Ｗの中間部分の外径に基づいて軸材Ｗの圧縮を停止させるようにした場合のものである。

ホルダユニット２の移動量に基づいて軸材Ｗの圧縮を停止させるようにした場合には、図９に明らかなとおり、時間の経過、即ち、軸肥大加工の繰り返しに伴って大径部Ｐａの外径が漸増している。

これに対して、肥大される軸材Ｗの中間部分の外径に基づいて軸材Ｗの圧縮を停止させるようにした場合には、図１０に明らかなとおり、軸肥大加工の繰り返しによっても大径部Ｐａの外径が安定に維持されている。

以上の結果から、肥大される軸材Ｗの中間部分の外径に基づいて軸材Ｗの圧縮を停止させることにより、繰り返しの軸肥大加工によっても、大径部Ｐａの外径の寸法精度を安定して維持できることが確認された。

以上、説明したとおり、本明細書に開示された軸肥大加工機は、軸材を軸方向に圧縮する圧力を該軸材の両端部に印加する加圧装置と、前記軸方向と交差する方向の交番負荷を前記軸材の中間部分に印加する負荷発生装置と、前記加圧装置による圧力及び前記負荷発生装置による交番負荷の印加によって、前記軸方向の圧縮を伴って肥大される前記軸材の中間部分の外径を検出する検出装置と、前記加圧装置及び前記負荷発生装置を制御する制御装置と、を備え、前記検出装置は、前記軸材の中間部分の外周面に接触する接触子を有し、該接触子の変位を利用して前記中間部分の外径を検出し、前記制御装置は、前記検出装置によって検出される外径に基づき、前記加圧装置による圧力を調整し、前記軸材の中間部分の圧縮を停止させる。

また、本明細書に開示された軸肥大加工機は、前記軸材の中間部分を軸方向に挟み込む拘束面をそれぞれ有し、拘束面間の距離が外径側に向けて小さくなる一対の拘束部材をさらに備える。

また、本明細書に開示された軸肥大加工方法は、軸材を軸方向に圧縮する圧力を該軸材の両端部に印加し、且つ前記軸方向と交差する方向の交番負荷を前記軸材の中間部分に印加して、前記軸方向の圧縮を伴って前記軸材の中間部分を肥大させ、前記軸材の中間部分の外周面に接触子を接触させ、該接触子の変位を利用して前記軸材の中間部分の外径を検出し、検出した前記中間部分の外径に基づき、前記軸材の両端部に印加する圧力を調整し、前記軸材の中間部分の圧縮を停止させる。

また、本明細書に開示された軸肥大加工方法は、一対の拘束部材によって前記軸材の中間部分を軸方向に挟み込み、外径側に向けて厚みが薄くなる形状に前記軸材の中間部分を肥大させる。

１ ホルダユニット
２ ホルダユニット
３ 加圧装置
４ 負荷発生装置
５ 検出装置
６ 制御装置
１０ スリーブ（拘束部材）
１０ａ 端面（拘束面）
１２ スリーブ（拘束部材）
１２ａ 端面（拘束面）
１４ 接触子
Ｗ 軸材
Ｐ 成形品
Ｐａ 大径部

Claims (4)

1. 軸材を軸方向に圧縮する圧力を該軸材の両端部に印加する加圧装置と、
   前記軸方向と交差する方向の交番負荷を前記軸材の中間部分に印加する負荷発生装置と、
   前記加圧装置による圧力及び前記負荷発生装置による交番負荷の印加によって、前記軸方向の圧縮を伴って肥大される前記軸材の中間部分の外径を検出する検出装置と、
   前記加圧装置及び前記負荷発生装置を制御する制御装置と、
   を備え、
   前記検出装置は、前記軸材の中間部分の外周面に接触する接触子を有し、該接触子の変位を利用して前記中間部分の外径を検出し、
   前記制御装置は、前記検出装置によって検出される外径に基づき、前記加圧装置による圧力を調整し、前記軸材の中間部分の圧縮を停止させる軸肥大加工機。
2. 請求項１記載の軸肥大加工機であって、
   前記軸材の中間部分を軸方向に挟み込む拘束面をそれぞれ有し、拘束面間の距離が外径側に向けて小さくなる一対の拘束部材をさらに備える軸肥大加工機。
3. 軸材を軸方向に圧縮する圧力を該軸材の両端部に印加し、且つ前記軸方向と交差する方向の交番負荷を前記軸材の中間部分に印加して、前記軸方向の圧縮を伴って前記軸材の中間部分を肥大させ、
   前記軸材の中間部分の外周面に接触子を接触させ、該接触子の変位を利用して前記軸材の中間部分の外径を検出し、検出した前記中間部分の外径に基づき、前記軸材の両端部に印加する圧力を調整し、前記軸材の中間部分の圧縮を停止させる軸肥大加工方法。
4. 請求項３記載の軸肥大加工方法であって、
   一対の拘束部材によって前記軸材の中間部分を軸方向に挟み込み、外径側に向けて厚みが薄くなる形状に前記軸材の中間部分を肥大させる軸肥大加工方法。

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