JP2017119301A - 線材の螺旋状加工装置および線材の螺旋状加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明では、スプリングバックが発生する線材においても、所望の螺旋径を持った螺旋形状に加工できる線材の螺旋状加工装置を得ることを目的とする。
【解決手段】回転軸を中心軸とする回転体で回転軸に沿って径が広くなる芯金１と、芯金１に巻きつける線材７の材料特性と線材７の巻き数と線材７の螺旋ピッチとにより、線材７のスプリングバックを補正して算出される芯金１の径を有する位置に芯金１を移動させる線材芯金移動部と、芯金１を回転軸回りに回転させて、前記位置に線材７を巻きつける回転機構とを備えることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

この発明は、線材を螺旋状に加工するための技術に関する。

従来技術として、芯金に線材を巻き付けて、線材を螺旋状に加工する技術が知られている。例えば特許文献１には、線材を円錐状の芯金に巻きつけて線材を螺旋形状に加工する技術が開示されている。

特開昭６０−５４２３９号公報

線材に張力をかけながら芯金に巻き付けた後、芯金から取り外すと、芯金から取り外されることにより線材にかける張力が除荷され、スプリングバックが生じる。このスプリングバックにより、線材の螺旋径が芯金に巻きつけた状態の径（芯金の径）よりも広がる。スプリングバックが生じる線材の径を所望の径を持った螺旋形状に加工することが困難である。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、スプリングバックが発生する線材において、所望の螺旋径を持った螺旋形状に加工することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明に係る線材７の螺旋状加工装置では、回転軸を中心軸とする回転体で回転軸に沿って径が広くなる芯金１と、芯金１に巻きつける線材７の材料特性と線材７の巻き数と線材７の螺旋ピッチとにより、線材７のスプリングバックを補正して算出される芯金１の径を有する位置に芯金１を移動させる線材芯金移動部と、芯金１を回転軸回りに回転させて、前記位置に線材７を巻きつける回転機構とを備えたことを特徴とする。

この発明に係る線材の螺旋状加工装置によれば、線材の材料特性と線材の巻き数と線材の螺旋ピッチとにより算出される芯金の径を有する位置に、線材を巻き付けるように芯金を移動させる線材芯金移動部を備えるので、スプリングバックを考慮して線材を所望の螺旋形状に加工できる。

本発明の実施の形態１による線材の螺旋状加工装置の要部を示す正面図である。 本発明の実施の形態１による線材の螺旋状加工装置の要部を示す側面図である。 本発明の実施の形態１による線材の螺旋状加工装置により加工された線材を示す平面図である。 本発明の実施の形態１による線材の螺旋状加工装置に備えられた芯金を斜め上方向からみた図である。 本発明の実施の形態１による線材の螺旋状加工装置にワイヤーガイドとプーリーを設置した場合の要部を示す側面図である。 本発明の実施の形態２による線材の螺旋状加工装置の要部を示す正面図である。 本発明の実施の形態３による線材の螺旋状加工装置による加工物を示す平面図である。 本発明の実施の形態３による線材の螺旋状加工装置に備えられる芯金の正面図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による線材７の螺旋状加工装置を示す正面図である。この正面図は、断面が円形でワイヤ状の金属の線材７を巻きつけることで螺旋形状に塑性変形させる芯金１、芯金１に線材７を巻き取らせるための回転機構を有する駆動モーター２、駆動モーター２の回転軸上における芯金１の位置を変化させるための線材芯金移動部であるリニアアクチュエータ３により構成される。線材７の螺旋状加工装置は、駆動モーター２に芯金１を取り付け、駆動モーター２をリニアアクチュエータ３の可動部上に設置した状態にて構成される。芯金１は回転軸を中心軸とする回転体であり、回転軸に沿って径が広くなるものであり、広くなる方向は限定されない。

図２は本発明の実施の形態１による加工装置を示す側面図である。この側面図で示す線材７の螺旋状加工装置では、供給時における線材７のボビン形状に対応した巻き癖を３本のローラーにて塑性変形させることで矯正するストレイテナー４、３本のローラーの真ん中のローラーひとつに力をくわえることにより線材７を引っ張り、任意の張力を与えるテンションローラー５、本装置にて螺旋形状に加工した後に線材７を切断し、線材７にかかる張力を除荷させることで本装置より分離させるカッティングツール６から構成される。

芯金１には線材７を固定する機構（図示せず）を備える。当該機構により、線材７の一端を芯金１に固定することができる。線材７の一端を芯金１に固定した状態にて駆動モーター２により芯金１を回転させることで、線材７を芯金１の溝部に巻き付け、螺旋状加工を行う。ここで、溝部とは、線材７を芯金１に巻きつけるガイドラインとなる芯金１に掘られた溝をいい、線材７を巻きつけられるように引っかかりのあるものであれば溝部に限定されない。巻き付け方向は、芯金１の径の小さい方からでも大きい方からでも構わない。その際、線材７を固定する機構は巻き付けを開始する側に備える。線材７の供給部から芯金１の間にテンションローラー５を設けることで、巻き付け時に線材７に加わる張力を一定にしている。また、ストレイテナー４を設けることで、線材７の加工装置への供給時に生じる巻き癖を矯正している。

仮に芯金１の径が小さい方から線材７を巻き付けた場合、芯金１に巻き付け加工を行う際に、芯金１における線材７の巻き付け位置は、巻き数が増加するにつれ、巻き付け位置が芯金１の回転軸方向の固定する機構の逆側および回転径の外側へと移動する。つまり、図１でいうと芯金１が固定される駆動モーター２側へ移動する。芯金１は回転軸に沿って径が広くなるので、径の小さい方から大きい方へと線材７を巻き付ける。しかしながらこれに限定されるものではなく、芯金１の径の大きい側から小さい側へと巻きつけるようにしてもよい。線材７を巻きつける場合に、リニアアクチュエータ３を芯金１の溝のピッチ、つまり線材７が芯金１に巻きつけられる間隔である線間ピッチｄと同期させて駆動させることで、芯金１における線材７の巻き付けが行われる位置は一定の位置となり、巻付け位置を芯金１に対して移動させなくてもよい。この線間ピッチｄは一定の場合もあるし、巻き数に応じて変化するものも考えられる。

線材７を芯金１に巻き付けた後、カッティングツール６を用いて線材７を切断することで、テンションローラー５によって付与された張力が除荷され、線材７が螺旋形状への加工が完了する。

張力を除荷した際に線材７の弾性変形領域にて元の形状に戻ろうとするスプリングバックが生じる。特にスプリングバックが無視できない材質、例えばタングステン線、硬ろう線等や、バネ指数が大きい螺旋形状の製作においては、このスプリングバックによる変形の問題が顕著に現れる。線材７を巻き付ける芯金１の径が大きくなるほどスプリングバックが大きくなるために、線材７を芯金１に巻きつけて加工し、螺旋状に加工された線材７の巻き数毎のピッチである螺旋ピッチが等ピッチとなる螺旋形状を製作するためには、製作する螺旋の径に応じて芯金１の径を、スプリングバック分を考慮して変化させる必要がある。

図３は、線材７の螺旋状加工装置による加工物を、平面上に置いた場合に上から見た平面図である。xは、螺旋の中心からの距離を表すもので極座標系のrと同意義のものである。本図で示す各巻き数毎の螺旋と隣接する螺旋の間を螺旋ピッチと呼ぶ。また、螺旋径とは図３で図示する螺旋の中心と線材７の中心の間の距離を2倍したものをいう。螺旋径は、内側から外側の巻き数に応じて、少しずつ大きくなる。螺旋ピッチは巻き数毎の螺旋径の差分になるところで図３のP/2で表される部分の2倍をいう。螺旋ピッチはＰで表さられ、隣接する螺旋径の差をいうもので、P/2で図示される部分は、螺旋径の半分の差になっているのでP/2としている。

図４は芯金１を真横からみた図を示す。図４に図示する母線１５を放物線とするお椀型の形状を特徴とする芯金１を本装置に備えることで、カッティングツール６を用いて切断し張力を除荷した際に、スプリングバックにより螺旋形状へと成形された線材７の螺旋ピッチＰが巻き付け位置の芯金１の径からなるピッチよりも大きくなることを予め加味した成形が可能となり、除荷後に図３に示す線材７の間隔（螺旋ピッチＰ）が一定となる螺旋形状に加工することが可能となる。ここで母線１５とは芯金１の外形となる線のことで、図４のように芯金１を真横から見た場合の輪郭線のうち左右の線を言う。本実施の形態では、芯金１の母線１５を放物線とするお椀型としたがこれに限定されるものではなく、製作する所望の螺旋形状によって、芯金１の形、もしくは芯金１に巻きつける位置が変化する。

線材７の巻き数がｎであるとき、すなわちｎ巻き目の芯金１の径をｘ（ｎ）、線材７を加工して製作するｎ巻き目の螺旋の径である螺旋径をｘ’（ｎ）、線材７の材料における降伏応力、ヤング率および線材７の線径により決定される材料特性をＡ、図３で示すような製作する螺旋形状における螺旋ピッチをＰとしたときに、線材７のスプリングバックにより、芯金１の径ｘと螺旋径ｘ’の関係は次に示す数式１により表される。なおここで螺旋ピッチＰは定数であるがこれに限定されるものではなく、巻き数ｎの関数となるようにしてもよい。また、材料特性Aは具体的には、ヤング率をE、引っ張り強さをδ、係数をλ、線材７の線径をａとした場合に、A=λ・σ/(E・ａ)で表される値をいう。ここでλとは、実験値と解析値を合わせるための係数であり、おおよそ１．７の値をとるが、実験値と一致しない場合に値を調整する。

螺旋ピッチＰとなる螺旋形状を製作するとき、隣り合う螺旋の径の差は次に示す数式２により表される。

ｎ巻き目の螺旋の径と初期の螺旋の径の関係は次に示す数式３により表される。

隣り合う芯金１の径の差は次に示す数式４により表される。

数式３と数式４からｘ（ｎ）を変形させることにより、ｎ巻き目の芯金１の径が次に示す数式５により表される。

数式１から数式５のｎを自然数ではなく、小数を含む正の数とすることで、螺旋形状の溝が連続的な溝として表現される。芯金１の径もしくは溝を線材７の材料特性Ａ、螺旋ピッチＰ、線材７を巻き付け始める螺旋径ｘ’（０）を用いて、上記のように設定する。ここで線材７を巻き付け始める螺旋径とは、巻き数ｎが０であるときの螺旋径をいうがこれに限定されるものではない。ｎが０とは、スプリングバックを考慮した芯金１の径をｎが０から特定することを意味しているが、線材７の任意の地点においてｎを０とし、当該地点から本実施の形態を適用してもよい。

数式５より、芯金１の径もしくは溝は巻き数ｎの二次関数となることから、巻き数が増大するとその変化量が小さくなり、形状は上に凸の放物線形状を持つお椀型となる。本実施の形態では、製作する螺旋形状の螺旋ピッチＰが一定値をとり、線材７が芯金１に等間隔の線間ピッチｄで巻きつけられることを前提している。螺旋ピッチＰや巻きつける場合の線間ピッチｄが変化する場合は、後述する。ここで図４において、線間ピッチｄは巻き数ｎとｎ−１の間隔をいう。

芯金１の数式５によって決定される径の部分に線材７を巻き付けるか、もしくは決定される当該芯金１の径の部分に溝を切り、当該溝に線材７を巻き付けて加工することで線材７を等ピッチの螺旋ピッチＰを持つ螺旋形状に加工することが可能となる。

ここで、螺旋ピッチＰは一定値をとることを前提にして前述の式を導き出しているが、巻き数ごとに螺旋ピッチＰが広がるようなものや、狭まるようなものも考えられる。それ故、Ｐが一定値だけでないような場合、例えばＰが巻き数に対して比例増加するなど、Ｐがｎの関数となっている場合を含めて、数式５を考えると、数式５のＰに、Ｐがｎの関数であるＰ（ｎ）を代入して、芯金１の径ｘ（ｎ）は数式６のように表すことが出来る。

芯金１に数式６によって決定される径ｘ（ｎ）上に溝を切るなどして、線材７を巻きつけていくことで、スプリングバックしてしまう線材７に対しても、任意の螺旋ピッチＰを持つ所望の螺旋状に加工することができる。

巻き数ｎに応じた芯金１の径ｘ（ｎ）が数式６によって決定され、すなわち、巻き数に応じて数式６で決定される芯金１の径上に線材７を巻き付ける。芯金１の径が一定に変化する場合は、線材７を巻き付ける位置を数式６で算出される径になる部分に巻きつけるので、線材７を芯金１に巻きつける位置は、所望の螺旋形状によって変化するので、線間ピッチｄは巻き数ごとに変化する。また、芯金１の径が一定ではなく、線材７を芯金１に巻きつける線間ピッチｄを一定にする場合は、線間ピッチｄ毎に数式６で算出される径になるように芯金１の径を変えることになり、数式６の値により様々な芯金１の形が想定される。

その場合、芯金１は螺旋ピッチＰが固定されている場合には、数式５で表されるような母線が２次関数となるような椀型をしたものが用いられる。

芯金１の形を作る場合、本実施の形態では線材７を巻き付ける線間ピッチｄが等間隔であることを想定している為、前述のような形になっているが、これに限定されるものではない。また、算出される芯金１の径を有する位置に線材７を巻きつけるために、当該位置に溝を切っているが、これに限定されるものではなく、当該位置に線材７を巻けるように凹凸を設けるか、そのまま巻きつけるようにしてもよい。

このような構成によれば、複雑な位置制御が駆動モーター２とリニアアクチュエータ３にて行うことが可能となる。

図５はワイヤーガイド１２とプーリー１３を設置した線材７の螺旋状加工装置の要部を示す側面図である。ストレイテナー４と芯金１の巻き付け位置の同期化をとる場合、図５に示すように芯金１の前に線材７の供給位置を決定するワイヤーガイド１２および張力の加わる方向を変化させるプーリー１３を設置してもよい。この場合、ワイヤーガイド１２に対して、芯金１の軸方向および垂直方向に可動するための２軸のリニアアクチュエータ（図示せず）を備える。この構成によれば、２軸のリニアアクチュエータを稼動させることでワイヤーガイド１２およびプーリー１３の位置を変化させ、常に芯金１における巻き付け位置とワイヤーガイド１２を通過した後の線材７の同軸化を行うことが可能となる。

２軸のリニアアクチュエータにより可動するワイヤーガイド１２およびプーリー１３の動作により、芯金１の巻き付け位置の接線方向に線材７が常に設置される。線材７に加わる張力が常に芯金１の巻き付け位置に対して同じ方向に働くため、スプリングバックのバラつきの要因となりうる張力方向のバラつきが減少し、除荷後の螺旋径のバラつきを低減させるような螺旋加工が行える。

また、ワイヤーガイド１２とプーリー１３の間にストレイテナー４を設置してもよい。その場合、ワイヤーガイド１２とストレイテナー４の動作が同期するために、ワイヤーガイド１２とストレイテナー４を一体とし、両者を同一のリニアアクチュエータ３にて動作させる。この構成によれば、プーリー１３を通過させたことにより生じる線材７の塑性変形をストレイテナー４にて矯正することが可能となり、プーリー１３の位置の変化により生じる線材７の塑性変形のバラつきが低減されるために、より精度よく螺旋状に加工することが可能となる。

また、芯金１における線材７を巻き付ける溝と駆動モーター２の回転軸が直交し、かつ線材７の軸と芯金１が有する溝が一致するような角度を持つように駆動モーター２の回転軸に対して芯金１の軸を傾けた状態にて芯金１を設置してもよい。そのような構成によると、ストレイテナー４を通過した後の線材７の軸と芯金１が有する溝が常に同一直線状となることから、いずれの巻き数時においても芯金１の溝における巻き付け位置を基準とした場合の張力のかかる方向が一定となる。

その場合、張力の方向に関して、線材７の螺旋加工における塑性変形および弾性変形がいずれの巻き数時において等しい条件下で成されるため、スプリングバックのバラつきの要因となりうる張力方向のバラつきが減少し、除荷後の線材７の螺旋径のバラつきを低減させるような螺旋加工が行える。

前述してきた線材７を螺旋状に加工する場合、スプリングバックによる線材７の変形量は線材７の材料特性、螺旋ピッチＰ等により異なるが、本実施の形態を用いた線材７の螺旋状加工装置によれば、このような仕組みにより、スプリングバックを考慮して線材７を所望の螺旋形状に加工できる効果を達成することができる。

実施の形態２．
図６は、実施の形態２による線材７の螺旋状加工装置の要部を示す正面図である。実施の形態２では、線材芯金移動部をリニアアクチュエータ３としたが実施の形態２では線材芯金移動部の仕組みが実施の形態１とは異なる。実施の形態２では線材芯金移動部に、固定ナット８とボールネジ１０とナット１１を設ける。ストレイテナー４を通過した線材７の軸の位置と芯金１の巻き付け位置の同期化をとる場合、図６のように駆動モーター２と固定された台座９に設置した固定ナット８の間に芯金１を駆動させるため、ボールネジ１０の回転量と、芯金１の位置をナット１１によって同期させる。

この構成によれば、芯金１の形状によりボールネジ１０の回転と移動量を決定し、駆動モーター２によりボールネジ１０を回転させることで、芯金１が回転しながらボールネジ１０上を移動することとなり、線材７の巻き付け位置が一定の回転軸に垂直な平面上になる。そのため、テンションローラー５およびストレイテナー４を通過させた後の線材７の位置と芯金１の巻き付け位置の同期化をとることが可能となり、図１に示したリニアアクチュエータ３が不要となるため、より装置の小型化が可能となる。

なお、本実施の形態では実施の形態１と異なる部分を説明した。それ以外の部分については実施の形態１と同様であるとする。

実施の形態３．
図７は、実施の形態３による線材７の螺旋状加工装置により加工される線材７を示す平面図である。実施の形態１では線材７を螺旋状に加工してできる加工物の螺旋ピッチＰを一定としているが、実施の形態３では、この螺旋ピッチＰが一定とならないことが異なっている。

図１における芯金１に対し、加工して製作する螺旋形状の螺旋ピッチＰを巻き数に応じて変化させるような溝を切るもしくは芯金形状を変化させ、線材７を芯金１に巻きつけ螺旋形状に加工することで、張力を除荷した後の線材７の形状を、異なる螺旋ピッチＰを持つ螺旋形状にするように加工する。

例として、巻き数ｎが増加すると螺旋ピッチＰも増加していくように、螺旋ピッチＰを巻き数ｎの一次関数と置いた場合、加工後の線材７の螺旋形状は図７に示すような巻き数が増加するにつれ、隣り合う螺旋の径の差が大きくなるような螺旋形状に加工される。図８は、本発明の実施の形態３による線材７の螺旋状加工装置に備えられる芯金１の正面図である。芯金１の線間ピッチｄの増加量を巻き数に対して一定とした場合、芯金１の形状は図８に示すように、母線が3次関数のように変化する形状となる。このような構成によれば、数式５の螺旋ピッチＰの値を加工したい螺旋形状に対応するよう芯金１の溝を調整することで、線材７の螺旋形状の螺旋ピッチＰの変化させた加工が可能となる。本実施の形態の場合は、実施の形態１の数式６のＰ（ｎ）が巻き数ｎの１次関数となるようなものをいう。

なお、本実施の形態では実施の形態１又は２と異なる部分を説明した。それ以外の部分については実施の形態１又は２と同様であるとする。

実施の形態４．
実施の形態４は、実施の形態１，２および３においては、線材７を螺旋形状に加工するためにお椀型の芯金１により構成したが、円錐形状の芯金１に数式６を満たすような溝を切った芯金１とした部分が異なる。この場合、芯金１は円錐形状で固定されるので、前述したように、数式６で算出される芯金１の径の位置に線材７を巻き付ける為に、線材７を巻き付ける線間ピッチｄを変化させることになる。

具体的には、芯金１の径が大きくなるにつれ、芯金１の隣り合う径の差が小さくなる場合には、高さ方向の溝間の線間ピッチｄが、巻き数が増加するにつれ小さく変化していくことになる。

なお、本実施の形態では実施の形態１、２、３と異なる部分を説明した。それ以外の部分については実施の形態１、２、３と同様であるとする。

１ 芯金、２ 駆動モーター、３ リニアアクチュエータ、４ ストレイテナー、５ テンションローラー、６ カッティングツール、７ 線材、８ 固定ナット、９ 台座、１０ ボールネジ、１１ ナット、１２ ワイヤーガイド、１３ プーリー。

Claims (8)

1. 回転軸を中心軸とする回転体で前記回転軸に沿って径が広くなる芯金と、
   前記芯金に巻きつける線材の材料特性と前記線材の巻き数と前記線材の螺旋ピッチとにより、前記線材のスプリングバックを補正して算出される前記芯金の径を有する位置に前記芯金を移動させる線材芯金移動部と
   前記芯金を前記回転軸回りに回転させて、前記位置に前記線材を巻きつける回転機構と
   を備えた線材の螺旋状加工装置。
2. 前記線材芯金移動部は、前記線材を巻きつけ始める螺旋径により前記芯金の径を算出する
   ことを特徴とする請求項１に記載の線材の螺旋状加工装置。
3. 前記線材芯金移動部は、前記芯金に前記線材を巻き付ける線間ピッチが一定間隔になるように移動させる
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の線材の螺旋状加工装置。
4. 前記材料特性を表すA、前記巻き数を表すn、前記巻き数nでの前記螺旋ピッチを表すP(n)、前記巻き数が0での前記螺旋径である初期の螺旋径を表すx’(0)、で規定される、前記巻き数がnでの前記芯金の径x(n)が以下の数式１で表される
   ことを特徴とする請求項２に記載の線材の螺旋状加工装置。
   

   
5. 前記螺旋ピッチが一定値Pであり、前記芯金の径x(n)が以下の数式２で表される
   ことを特徴とする請求項４に記載の線材の螺旋状加工装置。
   

   
6. 前記螺旋ピッチP(n)が前記巻き数ｎの１次関数で表される
   ことを特徴とする請求項４に記載の線材の螺旋状加工装置。
7. 前記線材芯金移動部が、台座に設置した固定ナットとボールねじを備え、前記芯金の位置を前記ボールねじの回転量と同期させて、前記芯金の位置を等ピッチで変化させる
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の線材螺旋状加工装置。
8. 回転軸を中心軸とする回転体で前記回転軸に沿って径が広くなる芯金に巻きつける線材の材料特性と前記線材の巻き数と前記線材の螺旋ピッチとにより、前記線材のスプリングバックを補正して算出される前記芯金の径を有する位置に前記芯金を移動させ、前記芯金を前記回転軸回りに回転させて前記位置に前記線材を巻きつけるステップを
   備えた線材の螺旋状加工方法。

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