JP2016153127A - 逐次成形装置及び逐次成形方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】逐次成形装置10は、ワーク12の両端を保持するチャック20a、20bと、チャック20a、20bの動作を制御するチャック制御手段30a、30bと、z軸の周囲に対称に配置された円板状の加工ロール60a、60aと、加工ロール60a、60bの動作を制御する加工ロール制御手段70a、70bとを備えている。チャック制御手段30a、30bは、チャック20a、20bの自転、公転、及びz軸方向への移動を制御する機能を持つ。加工ロール制御手段は70a、70bは、加工ロール60a、60bの回転、r軸方向への移動、及び回転面の傾斜を制御する機能を持つ。このような装置を用いてワーク12を逐次加工すると、非対称回転体形状の成形や、螺旋溝の形成が可能となる。
【選択図】図1
Description
さらに、一軸回転体形状だけでなく、非回転体形状であっても作製可能な転造装置、あるいは転造方法が提案された例は、従来にはない。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、非回転体形状であっても作製可能な逐次成形装置、及びこれを用いた逐次成形方法を提供することにある。
(1)前記逐次成形装置は、
柱状のワークの両端を保持するための一対のチャックと、
前記チャックの動作を制御するチャック制御手段と、
z軸(前記ワークの中心軸に対して平行な軸)の周囲に対称に配置された、前記ワークを塑性加工するための複数個の円板状の加工ロールと、
前記加工ロールの動作を制御する加工ロール制御手段と
を備えている。
(2)前記チャック制御手段は、
前記チャックの中心軸を自転軸として前記チャックを自転させる自転機能と、
前記自転軸に対して平行な軸を公転軸として前記チャックを公転させる公転機能と、
前記自転軸と前記公転軸との距離(オフセット量(x))を一定に保ったまま前記チャックをz軸方向に移動させるチャック移動機能と
を備えている。
(3)前記加工ロール制御手段は、
前記加工ロールを回転させる回転機能と、
前記加工ロールをr軸(前記ワークの径方向に対して平行な軸)方向に移動させる圧下機能と、
前記加工ロールの回転面とz−r面(前記z軸と前記r軸とを含む平面)に対して垂直な面とのなす角(傾斜角(θ))を調節する傾斜機能と、
必要に応じて、前記加工ロールをz軸方向に移動させる加工ロール移動機能と
を備えている。
本発明に係る逐次成形装置を用いて、
(a)前記オフセット量(x)をΔxだけ増加させる工程と、
(b)前記公転軸に対して前記加工ロールを対称に配置し、加工後に圧下量(d)がΔdだけ増加するように、前記加工ロールで前記ワークを押圧する工程と、
(c)前記傾斜角(θ)をゼロに保ち、かつ前記オフセット量(x)を一定に保った状態で、前記加工ロールを回転させ、前記圧下量(d)をΔdだけ増加させる工程と
を繰り返すことを要旨とする。
本発明に係る逐次成形装置を用いて、
(a)前記加工ロールの前記傾斜角(θ)をΔθだけ増加させる工程と、
(b)前記公転軸に対して前記加工ロールを対称に配置し、加工後に圧下量(d)がΔdだけ増加するように、前記加工ロールで前記ワークを押圧する工程と、
(c)前記オフセット量(x)をゼロに保ち、かつ、前記傾斜角(θ)を一定に保った状態で、前記加工ロールを前記ワークに対してz軸方向に相対移動させながら前記加工ロールを回転させ、前記圧下量(d)をΔdだけ増加させる工程と
を繰り返すことを要旨とする。
そのため、圧下量(d)及びオフセット量(x)を徐々に大きくする工程と、傾斜角(θ)をゼロに保ち、かつ、オフセット量(x)を一定に保った状態で、加工ロールを用いて柱状のワークを塑性加工する工程とを逐次繰り返すと、ワークの元の中心軸と縮径部の中心軸とが異なるクランク状の非回転体形状を作製することができる。
そのため、圧下量(d)及び傾斜角(θ)を徐々に大きくする工程と、オフセット量(x)をゼロに保ち、かつ、傾斜角(θ)を一定に保った状態で、加工ロールを用いて柱状のワークを塑性加工する工程とを逐次繰り返すと、ワークの表面に螺旋溝を形成することができる。
[1. 逐次成形装置]
図1に、本発明に係る逐次成形装置の模式図を示す。図1において、逐次成形装置10は、ワーク12の両端を保持するための一対のチャック20a、20bと、チャック20a、20bの動作を制御するチャック制御手段30a、30bと、ワーク12を塑性加工するための加工ロール60a、60bと、加工ロール60a、60bの動作を制御する加工ロール制御手段70a、70bとを備えている。
ワーク12は、柱状を呈している。ワーク12の断面形状や長さは、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適なものを選択することができる。加工を円滑に行うためには、ワーク12は、円柱状が好ましい。
チャック20a、20bは、柱状のワーク12の両端を保持するためのものである。一対のチャック20a、20bの構造や形状は、特に限定されるものではなく、ワーク12を確実に保持できるものであれば良い。
チャック制御手段30a及び30bは、それぞれ、チャック20a及び20bの動作を制御するためのものである。
チャック制御手段30a、30bは、具体的には、
(a)チャック20a、20bの中心軸を自転軸14としてチャック20a、20bを自転させる自転機能と、
(b)自転軸14に対して平行な軸を公転軸16としてチャック20a、20bを公転させる公転機能と、
(c)自転軸14と公転軸16との距離(オフセット量(x))を一定に保ったままチャック20a、20bをz軸方向に移動させるチャック移動機能と
を備えている。
チャック移動機能は、加工中に生じるワーク12のz軸方向の伸びを吸収するため、及び、加工中にワーク12に対して加工ロール60a、60aをz軸方向に相対移動させるために用いられる。
ここで、「z軸方向」とは、ワーク12の中心軸に対して平行な軸方向をいう。
主軸34a、34bは、チャック20a、20bを自転及び公転させるためのものである。主軸34a、34bの基端側には、これらを強制的に回転させるための駆動手段が接続されていても良く、あるいは、接続されていなくても良い。
例えば、ワーク12が円柱状である場合、圧下量(d)が所定の値となるように、加工ロール60a、60bをワーク12に押し付け、加工ロール60a、60bを回転させると、摩擦力によってワーク12及びチャック20a、20bが回転し、これによって主軸34a、34bも回転する。このような場合、主軸34a、34bを回転させる駆動手段は、必ずしも必要ではない。
さらに、加工ロール60a、60bを回転させる駆動手段と主軸34a、34bを回転させる駆動手段の双方を備えている場合には、より複雑な加工も可能となる。
可撓性を持つ主軸34a、34aとしては、例えば、
(a)剛性の高い複数の軸が複数のユニバーサルジョイントで連結されているもの、
(b)主軸そのものが可撓性を持つフレキシブルシャフト、
などがある。
支持手段36a、36bは、主軸34a、34bの先端側(チャック側)の中心軸が自転軸14となり、主軸34a、36bの基端側(チャック側とは反対側)の中心軸が公転軸16となるように、主軸34a、34bの基端側を支持するためのものである。
図1に示す例において、支持手段36a、36bは、副軸48a、48bに設けられており、副軸48a、48bを回転可能な状態で支持している。支持手段36a、36bは、ベース54a、54b上に設置されている。副軸48a、48bは、支持手段36a、36bに対してz軸方向にスライドすることはできないが、支持手段36a、36bは、ベース54a、54bに対してz軸方向にスライド可能(オフセット量調節手段)になっている。
リンク機構38a、38bは、チャック20a、20bを公転軸16の周りに偏心運動させるためのものであり、主軸34a、34bの先端側に設けられている。
図1に示す例において、リンク機構38a、38bは、副軸44a、44bに設けられており、副軸44a、44bを回転可能な状態及び偏心運動可能な状態で支持している。リンク機構38a、38bの基端側は、ベース54a、54b上に固定されている。副軸44a、44bは、リンク機構38a、38bに対してz軸方向にスライドすることはできず、リンク機構38a、38bの基端側は、ベース54a、54bに対して移動できない。しかし、リンク機構38a、38bの先端側は、ベース54a、54bに対して鉛直方向及び水平方向にスライド可能(オフセット量調節手段)になっている。リンク機構38a、38bの詳細については、後述する。
オフセット量調節手段40a、40bは、支持手段36a、36bとリンク機構38a、38bとの間の距離を変えることによって、オフセット量(x)を調節するためのものである。
図1に示す例において、上述したように、支持手段36a、36bは、z軸方向にスライド可能となるように、ベース54a、54b上に設置されている。一方、リンク機構38a、38bの先端側は、公転軸16の周りに偏心運動可能になっている。そのため、ベース54a、54b上において支持手段36a、36bをz軸方向にスライドさせると、主軸34a、34bが屈曲し、リンク機構38a、38bの先端側が公転軸16から離間する。この時、支持手段36a、36bのz軸方向への移動量を調節すると、オフセット量(x)を任意に制御することができる。
チャック移動手段42a、42aは、自転軸14と公転軸16との距離(オフセット量(x))を一定に保ったままチャック20a、20bをz軸方向に移動させるためのものである。
図1に示す例においては、ベース54a、54b上には、支持手段36a、36b、及びリンク機構38a、38aが設置されており、これらの位置関係を一定に保ったままベース54a、54bごと、z軸方向に移動可能になっている。
加工ロール60a、60bは、ワーク12を塑性加工するためのものであり、円板状を呈している。また、逐次成形装置10は、複数個の加工ロール60a、60bを備え、複数個の加工ロール60a、60bは、z軸の周囲に対称に配置されている。実際に加工する際には、加工ロール60a、60bは、公転軸16に対して対称に配置される。
なお、図1に示す例において、2個の加工ロール60a、60bを対向させているが、これは単なる例示である。例えば、3個の加工ロールを120°間隔で配置しても良く、あるいは、4個の加工ロールを90°間隔で配置しても良い。
加工ロール制御手段70a、70bは、それぞれ、加工ロール60a、60bの動作を制御するためのものである。
加工ロール制御手段70a、70bは、具体的には、
(a)加工ロール60a、60bを駆動手段(図示せず)により回転させる回転機能と、
(b)加工ロール60a、60bをr軸方向に移動させる圧下機能と、
(c)加工ロール60a、60bの回転面とz−r面に対して垂直な面とのなす角(傾斜角(θ))を調節する傾斜機能と、
(d)必要に応じて、加工ロール60a、60bをz軸方向に移動させる加工ロール移動機能と
を備えている。
ここで、「r軸方向」とは、ワーク12の径方向に対して平行な軸方向をいう。
「z−r面」とは、z軸とr軸とを含む平面をいう。
一方、加工ロール移動機能と、チャック移動機能の双方を備えていても良い。双方の機能を備えていると、ワーク12や加工ロール60a、60bのz軸方向の位置制御の自由度が増すため、より複雑な加工も可能となる。
例えば、加工ロール60a−60b間の距離を一定に保ったまま加工すると、縮径部の断面形状を円形にすることができる。
一方、ワーク12の回転角度に同期させて加工ロール60a−60b間の距離を変動させると、縮径部の断面形状を非円形(例えば、楕円形)にすることができる。
左右のリンク機構38a、38bは、同一の構造を備えている。以下、一方のリンク機構38aの構造について、詳細に説明する。
図2に、リンク機構38aの一例を示す。図2において、リンク機構38aは、スライダー82aと、連結ロッド84aとを備えている。
連結ロッド84aの一端には、ピン88aが固定されている。ピン88aは、長穴86aに遊挿されており、長穴86の長手方向に沿って上下動可能になっている。連結ロッド84aの他端は、主軸34aの先端側(副軸44a)に遊挿されており、ピン88aを支点として、左右に揺動できるようになっている。
ワーク12の回転に伴い、チャック20a、及び主軸34の先端部分は、自転軸14を中心として自転する。一方、自転軸14と公転軸16とはオフセット量(x)だけ離間しているため、自転軸14は、公転軸16を中心として回転(偏心運動)する。
本発明の第1の実施の形態に係る逐次成形方法は、非回転体形状を成形する方法に関するものである。具体的には、第1の方法は、本発明に係る逐次成形装置を用いて、
(a)前記オフセット量(x)をΔxだけ増加させる工程と、
(b)前記公転軸に対して前記加工ロールを対称に配置し、加工後に圧下量(d)がΔdだけ増加するように、前記加工ロールで前記ワークを押圧する工程と、
(c)前記傾斜角(θ)をゼロに保ち、かつ前記オフセット量(x)を一定に保った状態で、前記加工ロールを回転させ、前記圧下量(d)をΔdだけ増加させる工程と
を繰り返すことを特徴とする。
初期状態においては、オフセット量(x)、圧下量(d)、及び傾斜角(θ)は、いずれもゼロの状態にある。これらの内、傾斜角(θ)については、この加工例において常にゼロに保たれる。
この状態から、オフセット量調節手段40a、40bを用いて、支持手段36a、36bをリンク機構38a、38bに近づけ、オフセット量(x)をΔxだけ増加させる。この時、オフセット量の増分Δxが大きくなりすぎると、加工時に加工ロール60a、60bに強い応力や衝撃が加わる。そのため、オフセット量の増分Δxは、加工に支障を来さない程度の小さな値に設定する。
次に、公転軸16に対して加工ロール60a、60bを対称に配置し、加工後に圧下量(d)がΔdだけ増加するように、加工ロール60a、60bでワーク12を押圧する。この時、圧下量の増分Δdが大きくなりすぎると、変形抵抗が過度に大きくなる。そのため、圧下量の増分Δdは、加工に支障を来さない程度の小さな値に設定する。
次に、傾斜角(θ)をゼロに保ち、かつオフセット量(x)を一定に保った状態で、加工ロールを60a、60bを回転させる。その結果、加工ロール60a、60bの圧下量の増分Δd及びオフセット量の増分Δxに応じて、ワーク12が縮径する。
なお、ワーク12の直径が部分的に小さくなると、その分だけワーク12のz軸方向の長さが伸びる。そのため、加工時には、チャック移動機能(チャック移動手段42a、42b)を用いて長さの増分を吸収する。具体的には、チャック移動手段42a、42bを用いて、ワーク12に一定の張力を付加した状態で、加工を行うのが好ましい。
また、縮径部の長さが相対的に長くなった場合において、必要があるときは、チャック移動機能、及び/又は、加工ロール移動機能を用いて、加工ロール60a、60bをワーク12に対してz軸方向に相対移動させ、縮径部の直径が均一になるように加工する。
上述したような工程を逐次繰り返すと、ワーク12の元の中心軸と縮径部の中心軸とが異なるクランク状の非回転体形状を作製することができる。なお、実際の加工においては、上述した各工程を段階的に行っても良く、あるいは、各部の動作をコンピュータで制御しながら、連続的に行っても良い。
この状態で、必要に応じて、加工ロール60a、60bをz軸方向に移動させながら、加工ロール60a、60bを回転させると、図3(b)に示すように、ワーク12のほぼ中央部には、公転軸16を中心軸とする縮径部12aが形成される。
本発明の第2の実施の形態に係る逐次成形方法は、表面に螺旋状の溝を形成する方法に関するものである。具体的には、第2の方法は、本発明に係る逐次成形装置を用いて、
(a)前記加工ロールの前記傾斜角(θ)をΔθだけ増加させる工程と、
(b)前記公転軸に対して前記加工ロールを対称に配置し、加工後に圧下量(d)がΔdだけ増加するように、前記加工ロールで前記ワークを押圧する工程と、
(c)前記オフセット量(x)をゼロに保ち、かつ、前記傾斜角(θ)を一定に保った状態で、前記加工ロールを前記ワークに対してz軸方向に相対移動させながら前記加工ロールを回転させ、前記圧下量(d)をΔdだけ増加させる工程と
を繰り返すことを特徴とする。
初期状態においては、オフセット量(x)、圧下量(d)、及び傾斜角(θ)は、いずれもゼロの状態にある。これらの内、オフセット量(x)については、この加工例において常にゼロに保たれる。
この状態から、傾斜機能を用いて、加工ロール60a、60bの回転面を所定の傾斜角(θ)で傾斜させる。1回目の加工の際には、傾斜機能を用いて傾斜角(θ)を自由に設定することができる。1回目の加工時の傾斜角(θ)は、最終的に得られる螺旋のピッチを決定するため、その大きさは、大きくても良い。
一方、2回目以降の加工の際には、傾斜機能を用いて傾斜角(θ)をΔθだけ増加させる。加工が進行するに伴い、ワーク12がz軸方向に伸びるため、直前の加工で形成された螺旋のピッチが若干広がる。そのため、傾斜角の増分Δθは、ワーク12のz軸方向の伸びを考慮して決定される。
次に、公転軸16に対して加工ロール60a、60bを対称に配置し、加工後に圧下量(d)がΔdだけ増加するように、加工ロール60a、60bでワーク12を押圧する。このとき、圧下量の増分Δdが大きくなりすぎると、変形抵抗が過度に大きくなる。そのため、圧下量の増分Δdは、加工に支障を来さない程度の小さな値に設定する。また、この例において、公転軸16は、自転軸14に等しくなる。
次に、オフセット量(x)をゼロに保ち、かつ、傾斜角(θ)を一定に保った状態で、加工ロール60a、60bをワーク12に対して軸方向に相対移動させながら、加工ロールを60a、60bを回転させる。その結果、加工ロール60a、60bの圧下量の増分Δdに応じて、ワーク12の表面の螺旋溝の深さが深くなる。
なお、ワーク12の表面に螺旋溝が形成されると、その分だけワーク12のz軸方向の長さが伸びる。そのため、加工時には、チャック移動機能(チャック移動手段42a、42b)を用いて長さの増分を吸収する。具体的には、チャック移動手段42a、42bを用いて、ワーク12に一定の張力を付加した状態で、加工を行うのが好ましい。
また、加工ロール60a、60bのz軸方向への送り速度は、目的とするピッチが得られるように決定する。
上述したような工程を逐次繰り返すと、ワーク12の表面に、所定のピッチ及び深さを持つ螺旋溝を形成することができる。なお、実際の加工においては、上述した各工程を段階的に行っても良く、あるいは、各部の動作をコンピュータで制御しながら、連続的に行っても良い。
この状態で、加工ロール60a、60bをz軸方向に移動させながら、加工ロール60a、60bを回転させると、図4(b)に示すように、ワーク12の表面には、所定のピッチ及び深さを持つ螺旋溝12bが形成される。
なお、図4(a)においては、2個の加工ロール60a、60bにより2本の螺旋溝が形成されているが、例えば、3個の加工ロールを用いると、ワーク12表面に3本の螺旋溝を形成することができる。
チャックを自転させる自転機能と、チャックを公転させる機能と、加工ロールの回転面を傾ける機能とを備えた逐次成形装置を用いて、自転軸と公転軸との距離(オフセット量(x))がゼロより大きい状態で主軸を回転させると、チャック及びこれに保持されるワークは、その中心軸の周りに自転すると同時に、加工ロールに対して偏心運動する。
そのため、圧下量(d)及びオフセット量(x)を徐々に大きくする工程と、傾斜角(θ)をゼロに保ち、かつ、オフセット量(x)を一定に保った状態で、加工ロールを用いて柱状のワークを塑性加工する工程とを逐次繰り返すと、ワークの元の中心軸と縮径部の中心軸とが異なるクランク状の非回転体形状を作製することができる。
そのため、圧下量(d)及び傾斜角(θ)を徐々に大きくする工程と、オフセット量(x)をゼロに保ち、かつ、傾斜角(θ)を一定に保った状態で、加工ロールを用いて柱状のワークを塑性加工する工程とを逐次繰り返すと、ワークの表面に螺旋溝を形成することができる。
12 ワーク
14 自転軸
16 公転軸
20a、20b チャック
30a、30b チャック制御手段
60a、60b 加工ロール
70a、70b 加工ロール制御手段
Claims (4)
- 以下の構成を備えた逐次成形装置。
(1)前記逐次成形装置は、
柱状のワークの両端を保持するための一対のチャックと、
前記チャックの動作を制御するチャック制御手段と、
z軸(前記ワークの中心軸に対して平行な軸)の周囲に対称に配置された、前記ワークを塑性加工するための複数個の円板状の加工ロールと、
前記加工ロールの動作を制御する加工ロール制御手段と
を備えている。
(2)前記チャック制御手段は、
前記チャックの中心軸を自転軸として前記チャックを自転させる自転機能と、
前記自転軸に対して平行な軸を公転軸として前記チャックを公転させる公転機能と、
前記自転軸と前記公転軸との距離(オフセット量(x))を一定に保ったまま前記チャックをz軸方向に移動させるチャック移動機能と
を備えている。
(3)前記加工ロール制御手段は、
前記加工ロールを回転させる回転機能と、
前記加工ロールをr軸(前記ワークの径方向に対して平行な軸)方向に移動させる圧下機能と、
前記加工ロールの回転面とz−r面(前記z軸と前記r軸とを含む平面)に対して垂直な面とのなす角(傾斜角(θ))を調節する傾斜機能と、
必要に応じて、前記加工ロールをz軸方向に移動させる加工ロール移動機能と
を備えている。 - 前記チャック制御手段は、
前記チャックを自転及び公転させるための、可撓性を持つ主軸と、
前記主軸の先端側(前記チャック側)の中心軸が前記自転軸となり、前記主軸の基端側(前記チャック側とは反対側)の中心軸が前記公転軸となるように、前記主軸の基端側を支持するための支持手段と、
前記主軸の先端側に設けられた、前記チャックを前記公転軸の周りに偏心運動させるためのリンク機構と、
前記支持手段と前記リンク機構との間の距離を変えることによって、前記オフセット量(x)を調節するオフセット量調節手段と
を備えている請求項1に記載の逐次成形装置。 - 請求項1又は2に記載の逐次成形装置を用いて、
(a)前記オフセット量(x)をΔxだけ増加させる工程と、
(b)前記公転軸に対して前記加工ロールを対称に配置し、加工後に圧下量(d)がΔdだけ増加するように、前記加工ロールで前記ワークを押圧する工程と、
(c)前記傾斜角(θ)をゼロに保ち、かつ前記オフセット量(x)を一定に保った状態で、前記加工ロールを回転させ、前記圧下量(d)をΔdだけ増加させる工程と
を繰り返す逐次成形方法。 - 請求項1又は2に記載の逐次成形装置を用いて、
(a)前記加工ロールの前記傾斜角(θ)をΔθだけ増加させる工程と、
(b)前記公転軸に対して前記加工ロールを対称に配置し、加工後に圧下量(d)がΔdだけ増加するように、前記加工ロールで前記ワークを押圧する工程と、
(c)前記オフセット量(x)をゼロに保ち、かつ、前記傾斜角(θ)を一定に保った状態で、前記加工ロールを前記ワークに対してz軸方向に相対移動させながら前記加工ロールを回転させ、前記圧下量(d)をΔdだけ増加させる工程と
を繰り返す逐次成形方法。
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