JP2022010436A - 打抜き装置、および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アライメント誤差を短時間に無くすことができる打抜き装置を提供する。【解決手段】平板状の被加工物を対向したパンチとダイによって打抜く打抜き装置であって、打抜き方向と直交する同一平面上に備えられ、３軸方向の荷重を計測する少なくとも４つのセンサと、前記打ち抜き方向と直交する２軸方向、および前記打ち抜き方向まわりの回転方向に、積載した前記ダイおよび前記センサを駆動させる駆動テーブルと、制御部と、を備えたことを特徴とする打抜き装置。【選択図】図９

Description

本開示は、金属やプラスチック、複合材料等の被加工物を打抜く打抜き装置、およびせん断加工装置に関するものである。

板状の材料を、精密に位置合わせした一対の金型を用いて打抜く方法は、きわめて一般的なものであり、広く産業分野で用いられている。しかしながら、同分野における技術は時代とともに進化しているが、本質的な課題は変わらないことが多い。

雌雄一対からなる金型のパンチとダイの最適なクリアランスに関して、打抜き対象の材料厚みによって変わることが良く知られており、その具体的な値としては材料厚みの７％程度がクリアランスの値となる。近年において、厚みが３０マイクロメートル以下のアモルファス金属やフィルム樹脂が加工対象になる場合があり、その様な薄い材料では金型のクリアランスが１～３マイクロメートルになる。クリアランス値は、金型組立後に実現される値なので、各要素部品の加工精度や再現性を超えることができない。加えて、金型組立後のクリアランス値の実用的な精度確認の方法が無いのが現状である。特に金型の組立後のクリアランス精度は、金型寿命や加工品質と強い相関があるので非常に重要である。しかしながら、これらの金型の高精度な組み立て技術については、熟練技能者に任されていることはもとより、定量化の術も確立されていない。よって金型組立後、打抜き試験して、異常を発見した場合、再度金型を分解し、各部を削ったりして組立調整しなおすのが一般的である。

パンチとダイがアライメント誤差を生じた場合、パンチとダイのクリアランスは一様にならず、同様に加工品質についても一様にならない。クリアランスの不均一度合いにより異なるが、工具寿命についても短くなることが予想される。またアライメント誤差が相対的に大きい場合、パンチとダイの衝突が生じ、たちまち壊れることとなる。

一般的に金型部品の加工精度の累積値が軸芯のずれになるので、初回の組立調整において、アライメント誤差が無い状態となることは稀である。

その様な現状を鑑みて、金型組立後にパンチとダイが同芯となるように、容易にアライメント可能な打抜き装置が提案されている（特許文献１参照）。特許文献１に記載された、パンチとダイが同芯となるように調整する方法について説明する。

特許文献１に記載された開示内容には、位置ズレが生じると打抜き荷重が大きいとある。一方、位置ズレが生じない場合は、荷重が小さいとある。すなわち、パンチとダイのアライメント誤差が生じた状態で打抜き加工すると、加工抵抗が高くなる。一方、アライメント誤差が無い状態で打抜き加工すると、加工抵抗が低くなる。このようにアライメント誤差の有無により加工抵抗値の大小が変化するので、最も加工抵抗値が小さくなるように、ダイ下方に設置した位置調整部を操作して、１マイクロメートル以下の精度で軸芯のずれを調整すれば良いことが記載されている。

特開２０１５－１７８１２９号公報

しかしながら、前記従来の構成では、その打抜き時にアライメント誤差が生じているか、いないのか不明な状態で打抜き荷重を測定したとしても、荷重が大きいか、小さいかを判断することは困難である。何かの荷重値と比較しなければ、打抜き荷重の大小を判断できない。即ち、本従来例では根本的にアライメント誤差の発生の有無を判断できないという致命的欠陥がある。さらには「アライメント誤差がある」と判断できたとしても、どの方向に、どの程度の距離だけ動かせばアライメント誤差を解消できるのか、全くわからないという問題がある。よって、従来例のように金型内に高精度な調整部材を内在させたとしても、それによってパンチとダイのずれを解消することはできないのである。

それに加えて、従来例においてはダイの直下に位置調整部が設置してあるため、打抜いた“抜きカス”を金型外に排出できないという問題があり、このままでは一般的な打抜き装置として量産現場で使用することができない。

本開示は、前記従来の課題を解決するもので、パンチとダイのアライメント誤差の大きさと方向を求めることで、アライメント誤差を短時間に無くすことができる打抜き装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本開示の打抜き装置は、平板状の被加工物を対向したパンチとダイによって打抜く打抜き装置であって、打抜き方向と直交する同一平面上に備えられ、３軸方向の荷重を計測する少なくとも４つのセンサと、前記打ち抜き方向と直交する２軸方向、および前記打ち抜き方向まわりの回転方向に、積載した前記ダイおよび前記センサを駆動させる駆動テーブルと、制御部と、を備える。

以上のように、本開示の打抜き装置、および方法によれば、パンチとダイのアライメント誤差の大きさと方向を求めることで、アライメント誤差を短時間に無くすことができる。

打抜き加工におけるパンチとダイのアライメント誤差の概念図 本発明の実施の形態１における並進（Ｘ、Ｙ）方向のアライメント誤差検出原理を説明する図 本実施の形態１におけるＺ軸まわり回転方向のアライメント誤差検出原理を説明する図 本実施の形態１における荷重センサの配置例を説明する図 本実施の形態１における校正方法を説明する図 本実施の形態１における３軸（Ｘ、Ｙ、γ）駆動テーブルの例を説明する図 本実施の形態１における３軸駆動テーブルの上に、荷重センサを配置した例を説明する図 本実施の形態１におけるパンチとダイを軸芯に一致させる調整例を説明する図 本実施の形態１における打抜き装置の例を説明する図 本実施の形態１における３軸駆動テーブルの制御方法の例を説明する図

本開示の打ち抜き装置は、平板状の被加工物を対向したパンチとダイによって打抜く打抜き装置であって、打抜き方向と直交する同一平面上に備えられ、３軸方向の荷重を計測する少なくとも４つのセンサと、前記打ち抜き方向と直交する２軸方向、および前記打ち抜き方向まわりの回転方向に、積載した前記ダイおよび前記センサを駆動させる駆動テーブルと、制御部と、を備える。

このように、打ち抜き装置が、３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）方向の荷重測定器を４個備えることで、３軸方向の並進力に加えて、３軸まわり（α軸、β軸、γ軸）のモーメント（Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ）を演算することが可能となる。この結果から合力ベクトルを演算することで、パンチとダイのアライメント誤差が生じていた場合のずれている方向を計算により求めることが可能となる。

更には、本案の打抜き装置においては、Ｘ軸、Ｙ軸、γ軸（Ｚ軸まわり）方向に可動可能な３軸駆動テーブルを搭載している。この３軸駆動テーブルを使えば、前記のパンチとダイのアライメント誤差が生じた場合の影響係数を求めることが可能となる。即ち、ずれ量と荷重の関係が求まるので、ずれを解消するための移動量が求まる。よって、搭載された荷重測定器にて求めた並進力やモーメントに基づいて打ち抜き装置のパンチとダイのずれを調整することができる。これにより、高品質な打ち抜き加工に寄与する打ち抜き装置を提供することができる。３軸駆動テーブルの中央部には貫通穴が設けてあるので、打抜いたカス（もしくは、製品）を従来と同様の方法で排出可能である。

本開示における第２の打抜き装置は、前記制御部が、第１打ち抜き時に生じる荷重のうち、前記打ち抜き方向と直交する１軸方向の荷重を前記センサから取得する取得ステップと、前記第１打ち抜き時の前記パンチと前記ダイとの相対位置とを記憶する記憶ステップと、所定の距離だけ、前記パンチと前記ダイとの相対位置を、前記１軸方向に移動させるよう前記駆動テーブルを駆動させる駆動ステップと、前記駆動ステップの後の第２打ち抜き時に生じる荷重のうち、前記打ち抜き方向と直交する１軸方向の荷重を前記センサから取得する再取得ステップと、を行うことで前記１軸方向の校正を行う。

本ステップを実施することによって、アライメント誤差が１軸方向に生じた場合に１軸方向の荷重変化から、アライメント誤差した距離を算出することができるようになる。

本開示における第３の打抜き装置は、前記制御部が、前記取得ステップおよび前記再取得ステップにおいて取得した荷重と、前記所定の距離と、に基づき、前記１軸方向における単位距離あたりの荷重変化量を算出する。

この一連の作業を行うことでパンチとダイがずれた場合の影響係数を求める作業となる。すなわちずれた方向にアライメント誤差を生じた場合の校正を行う。

本開示における第４の打抜き装置は、前記制御部が、前記センサから取得した、打ち抜き時に生じる前記打ち抜き方向と直交する１軸方向の打抜き荷重と、前記荷重変化量に基づき、前記パンチと前記ダイとの相対位置を、前記１軸方向かつ前記打ち抜き荷重を小さくする方向へ移動させるよう前記駆動テーブルを駆動させる。

本ステップを実施することによって、パンチとダイのアライメント誤差の方向と距離が求まるので、その方向に３軸駆動テーブルを駆動することで、パンチとダイの軸芯を完全に一致させることができる。

本開示における第５の打抜き装置は、前記制御部がさらに、前記取得ステップで取得した前記打ち抜き方向と直交する１軸方向の荷重に基づき、前記１軸方向まわりのモーメントを算出する算出ステップと、前記再取得ステップで取得した前記打ち抜き方向と直交する２軸のうち少なくとも１軸方向の荷重に基づき、前記１軸方向まわりのモーメントを算出する再算出ステップと、を行うことで前記１軸方向まわりのモーメントの校正を行う。

本ステップを実施することによって、アライメント誤差が１軸方向に生じた場合に１軸まわりのモーメント変化から、アライメント誤差した１軸方向の距離を算出することができるようになる。

本開示における第６の打抜き装置は、前記制御部が、前記算出ステップおよび前記再算出ステップにおいて算出したモーメントと、前記所定の距離と、に基づき、前記１軸方向における単位距離あたりのモーメント変化量を算出する。

この一連の作業を行うことでパンチとダイがずれた場合の影響係数を求める作業となる。すなわちずれた方向にアライメント誤差を生じた場合の校正を行う。

本開示における第７の打抜き装置は、前記制御部が、前記センサから取得した、打ち抜き時に生じる前記打ち抜き方向と直交する１軸方向の打抜き荷重と、前記モーメント変化量に基づき、前記パンチと前記ダイとの相対位置を、前記１軸方向かつ前記モーメントを小さくする方向へ移動させるよう前記駆動テーブルを駆動させる。

本ステップを実施することによって、パンチとダイのアライメント誤差の方向と距離が求まるので、その方向に３軸駆動テーブルを駆動することで、パンチとダイの軸芯を完全に一致させることができる。

本開示における第８の打抜き装置は、前記制御部が、第１打ち抜き時に生じる前記打ち抜き方向の荷重に基づき、前記打ち抜き方向まわりのモーメントを算出する打ち抜き算出ステップと、前記第１打ち抜き時の前記パンチと前記ダイとの相対位置とを記憶する記憶ステップと、所定の角度だけ、前記パンチと前記ダイとの相対位置を、前記打ち抜き方向に回転させるよう前記駆動テーブルを駆動させる駆動ステップと、前記駆動ステップの後の第２打ち抜き時に生じる前記打ち抜き方向の荷重に基づき、前記打ち抜き方向まわりのモーメントを算出する打ち抜き再算出ステップと、を行うことで前記打ち抜き方向の校正を行う。

本ステップを実施することによって、軸芯の打ち抜き方向まわりの回転ずれが生じた場合に打ち抜き方向まわりのモーメント変化から、回転ずれした打ち抜き方向の角度を算出することができるようになる。

本開示における第９の打抜き装置は、前記制御部が、前記打ち抜き算出ステップおよび前記打ち抜き再算出ステップにおいて算出したモーメントと、前記所定の角度と、に基づき、前記１軸方向における単位角度あたりの打ち抜きモーメント変化量を算出する。

この一連の作業を行うことでパンチとダイがずれた場合の影響係数を求める作業となる。すなわちずれた角度にアライメント誤差を生じた場合の校正を行う。

本開示における第１０の打抜き装置及び方法は、前記制御部が、打ち抜き時に生じる前記打ち抜き方向まわりのモーメントと、前記打ち抜きモーメント変化量に基づき、前記パンチと前記ダイとの相対位置を、前記打ち抜き方向まわりかつ前記モーメントを小さくする方向へ回転させるよう前記駆動テーブルを駆動させる。

本ステップを実施することによって、パンチとダイの打ち抜き方向まわり回転ずれの角度が求まるので、その方向に３軸駆動テーブルを駆動することで、パンチとダイの角度ずれを完全に一致させることができる。

本発明は、ますます高精度化が求められる打抜き加工において、熟練技能者の経験と膨大な時間によって達成されている高精度な組立技術を、数値的に管理し、制御することで、金型組立精度を、金型部材の加工精度に近づけることである。その結果、打抜き金型の組立精度が飛躍的に向上したので、高精度な打抜き部品が提供できるようになった。加えて、金型寿命のバラつきが減少したので、金型のメンテナンスサイクルや、コスト管理が非常に容易になるという副次効果が見いだせるようになった。

（実施の形態１）
以下、実施の形態１における打抜き装置について、図を用いて説明する。図１には、打抜き加工におけるパンチ１とダイ２を用いて、被加工物３を打抜いたときに発生するアライメント誤差（以降、場合によりＸ、Ｙ軸については“偏芯”誤差、γ軸については“回転”誤差と呼ぶ）を説明する図である。図１（ａ）には、打抜き加工時の側面断面図、図１（ｂ）には、打抜き後の上面図を模式的に描いた。打抜き金型は、熟練した技能者によって組み立てられるが、一般的にパンチ１とダイ２のクリアランスが１０マイクロメートル以下の精度を要求される場合、干渉して衝突することは無いにしても、クリアランスが均一であることを測定する術がない。即ち、図１（ｂ）に示すようにパンチ１とダイ２のクリアランスが一様で無い状態となる。ましてや昨今の、クリアランスが３マイクロメートル以下の組見立て精度の要求に至っては、金型部品の単体加工精度と近くなるために、非常に困難で、実現できたとしても長い時間を要する。

このような状態で量産の打抜き加工を開始すると、打抜き後の加工物４に規格以上のバリが発生したりして、不良の原因になる。但し、バリの不良は気づきやすいので、問題となる場合は、金型の組立直し等による再調整がなされる。一方、パンチ１やダイ２の型寿命が短いという問題が生じることがある。型寿命が本来の設計寿命より短くなると、製造コストが上昇することになる。よって、常に安定した製造コストを維持するためには、金型の組立に伴う誤差を極力減らすことが、重要となる。

図１（ｂ）に示すパンチ１とダイ２のクリアランスが均一とならないアライメント誤差は、Ｘ並進方向、Ｙ並進方向、Ｚ軸回りの回転方向（γ軸）、Ｘ軸回り回転方向（α軸）、Ｙ軸回り回転方向（β軸）の５自由度の誤差が考えられる。しかしながら、打抜き後のパンチ１とダイ２の干渉量（押し込み深さ）が、実際の打抜き加工の中では被加工物厚みの２、３倍程度が一般的であり、α軸（後述するＭｘの出力）、β軸（Ｍｙの出力）の誤差が問題となることは実用上少ないので以下においては、Ｘ並進（後述するＸ）、Ｙ並進（後述するＹ）、γ軸回転（後述するＭｚ）の３自由度の誤差の検出方法や解消方法について説明する。しかしながら、以下に詳述する本案の構成においては、α回転やβ回転の誤差についても同様に検出できることは言うまでもない。

パンチ１とダイ２のアライメント誤差は、通常図１（ｂ）に示すように、Ｘ並進、Ｙ並進、γ軸回転の３つの誤差が、同時に含まれるのが一般的であるが、ここではそれぞれを分離して説明する。

図２にＸ、Ｙ並進方向のアライメント誤差検出原理を示す。図２（ａ）には、パンチ１に対してダイ２がΔＸだけ偏芯した状態を示す。ここでは問題を単純化するために、パンチ１とダイ２の中心軸がＸ軸方向にのみ偏芯が生じ、Ｙ軸方向やγ軸回転方向に誤差が無い状態を示す。

次に、並進誤差の検出原理を図２（ｂ）に示す。同図中上段の［検出原理ａ］では、打抜き時に生じる並進方向（この例ではＸ軸方向）の荷重を検出すればよい。パンチ１とダイ２が偏芯してセッチングされた状態で打抜き加工すると、パンチ１とダイ２の間でダイ２がパンチ１から離れようとする並進力（図では、Ｘ方向の荷重）が生じるが、右側と左側では逆方向に並進力が生じる。しかしながら、パンチ１とダイ２に偏芯が生じていると、偏った側の並進力が大きくなるので、ダイ２の下方に荷重センサを設置すれば（図示せず）、並進力を検出することができる。言い換えると、パンチ１とダイ２に偏芯が生じていない場合、打抜き加工時に生じる並進力は、右側と左側で釣り合う。よって、ダイ２下方での並進力がゼロの場合、偏芯が生じていないと考えられる。

図２（ｂ）下段には［検出原理ｂ］を記す。ここではパンチ１とダイ２の間で生じる打抜き荷重を利用する。具体的にはパンチ１とダイ２が偏芯してセッチングされた状態で打抜き加工すると、ダイ２の右側の切れ刃部と左側の切れ刃部で、打抜き荷重が生じる。パンチ１とダイ２に偏芯が生じているので、偏った側の打抜き荷重が大きくなる。よって、ダイ２の下方に荷重センサを設置すれば（図示せず）、左側に生じた打抜き荷重と右側に生じた打抜き荷重を検出することができる。その検出した打抜き荷重から、同図の例ではＹ軸まわり（β軸）のモーメントを算出できる。言い換えると、パンチ１とダイ２に偏芯が無い場合、打抜き加工時に生じる左右の打抜き荷重は、右側と左側で同じ値となる。よって、ダイ２下方でのモーメントがゼロの場合、偏芯が生じていないと考えられる。

図３（ａ）（ｂ）には、γ軸（Ｚ軸まわり回転方向）の誤差検出方法を示す。ここでは板状の被加工物が、あるものとして描いていない。図３（ａ）は、γ軸の誤差のみが生じた模式図である。図３（ｂ）には、γ軸の誤差のみが生じているので打抜き加工するとパンチ１とダイ２とのクリアランスに応じてＸ－Ｙ面内での打抜き荷重が生じ、その結果図中に記すようにＺ軸まわり（γ軸）のモーメント（Ｍｚ）となって現れる。よって、Ｘ－Ｙ面内での打抜き荷重を検出すれば、モーメントＭｚは計算により求めることができる。

本案の荷重センサの配置例を図４に示す。荷重センサ５（ａ～ｄ）は、３軸方向の荷重が計測でき、ダイ２を含む下型２２の下方に設置してある。打抜き時にダイ２に生じた荷重は、下型２２を介して４つの荷重センサ５に掛かるようになっている。荷重センサ５の配置は、ダイ２の重心に対して、対称に配置すると後で詳述するモーメントの計算が容易になる。図４の例では、Ｙ軸に対称に距離ａ、同様にＸ軸に対称に距離ｂ離して４個のセンサを配置してある。荷重センサの数は少なくとも３個あれば、本案と同様の機能が実現できることは言うまでもない。

Ｘ軸方向の荷重Ｘは、以下の数式１の通り、４つの荷重センサ５のＸ方向成分を合算した値となる。

Ｙ軸方向の荷重Ｙは、以下の数式２の通り、４つの荷重センサ５のＹ方向成分を合算した値となる。

Ｚ軸方向の荷重Ｚは、即ち打抜き荷重Ｚである。荷重Ｚは、以下の数式３の通り、４つの荷重センサ５のＺ方向成分を合算した値である。

Ｘ軸まわり（α軸）のモーメントＭｘは、以下の数式４の通り、４つの荷重センサ５のＺ方向成分と距離から計算される。

Ｙ軸まわり（β軸）のモーメントＭｙは、以下の数式５の通り、４つの荷重センサ５のＺ方向成分と距離から計算される。

Ｚ軸まわり（γ軸）のモーメントＭｚは、以下の数式６の通り、４つの荷重センサ５のＸ方向成分、Ｙ方向成分と距離から計算される。

打抜き加工すると、図４に示した４つの荷重センサからの出力は、後述するチャージアンプなどの荷重検出装置３４を介して、図５に示した計算式に基づいて演算され、６自由度方向の荷重およびモーメントが出力される。図４、５からわかるように、完全な対称構造の金型で打抜き加工した場合、(式（１）)、(式（２）)
、(式（４）)、(式（５）)、(式（６）)の値はゼロとなり、打抜き荷重である(式
（３）)のみが生じることになる。冒頭で説明したように、(式（４）)、(式（５）)
の出力であるモーメントＭｘ、Ｍｙについては、本実施の例では使用しないので、これ以上の説明はしない。

一方、現実の金型はパンチ１とダイ２のアライメント誤差を有している場合がほとんどなので、(式（１）)のＸ方向の並進力、(式（２）)のＹ方向の並進力、(式
（６）)からモーメントＭｚが出力される。はじめに(式（１）)、(式（２）)の合ベ
クトル方向が、Ｘ－Ｙ平面内での偏芯方向となる。しかし、このままでは偏芯方向が分かるだけで、その偏芯量（距離）については不明である。γ軸回転誤差成分であるＭｚについても同様に、誤差の生じている回転方向が分かるだけで、定量的な角度は不定である。

次に偏芯量（距離）と水平分力の関係を求める方法（校正方法）について、以降説明する。図５に水平分力方向（同図中では、Ｙ軸方向）の、校正方法について示す。ここでの作業は、図４、５で説明した荷重センサと、後述する３軸駆動テーブル（図６、８）を用いる。また図５（ａ）においては打抜き加工するが、被加工物は存在するものとして、描いていない。

初めに図５（ａ）に示すダイ２の初期位置として、パンチ１に対してＹ軸方向の中央となるように設置し（この中央に設置する方法については、図８で説明する）、打抜き加工を実施する。この時検出されたＹ軸方向の並進力（図５の式（２））を、Ｐ０とする。

次にダイ２を後述する３軸駆動テーブルを使ってΔＹ１だけ移動して、そこで打抜き加工を実施する。この時検出されたＹ軸方向の並進力をＰ１とする。

同様にダイ２を、３軸駆動テーブルを使って－ΔＹ２の位置に移動して、そこで打抜き加工を実施する。この時検出されたＹ軸方向の並進力をＰ２とする。

図５（ｂ）に先ほど３回の実験結果をまとめて、校正曲線とする。同図中では横軸に距離、縦軸にＹ軸荷重として、３カ所の点をプロットしてある。この３点を直線（線形近似）、もしくは多項式で表現される多項式近似によって結ぶ。もちろん、正確を期すためにもっと実験データを加えて、正確な校正曲線を描いてもよいことは言うまでもない。このようにすることで、Ｙ軸方向の微小距離とＹ軸方向の並進力の関係が明らかになる。図５ではＹ軸を例にとって説明したが、Ｘ軸についても同様に描くことができる。

更には、図５で説明した式（６）のモーメントＭｚについても同様に校正曲線を描くことができる。図５（ｂ）の例と同様に説明すると、横軸にＺ軸まわりの微小な回転角度をとり、縦軸にモーメントＭｚとなるように校正曲線を描けばよい。

同様に図２（ｂ）の［検出原理ｂ］で説明した方法についても、同様に考えることができる。図５（ｂ）の例と同様に説明すると、Ｙ軸方向の校正を実施する場合、横軸にＹ方向の微小距離をとり、縦軸にＸ軸まわりのモーメントＭｘとなるように校正曲線を描けばよい。

同様にＸ軸方向の校正を実施する場合、横軸にＸ軸方向の微小距離をとり、縦軸にＹ軸まわりのモーメントＭｙとなるように校正曲線を描けば、Ｘ軸方向の校正が可能となる。このようにすることで、Ｘ軸方向の微小距離とモーメントＭｙの関係が明らかになる。

図６、図７に本実施の例で使用した３軸駆動テーブルの一例を示す。本駆動テーブルの目的は、パンチとダイのアライメント用途なので、Ｘ並進、Ｙ並進、γ軸回転の３軸が可動する必要がある。更には、その可動単位は金型の組立調整レベルなので、１マイクロメートルはもとより、０。１マイクロメートル以下の分解能を有することは言うまでもない。しかしながら、打抜き加工で使用するものであるから、可動面のＺ軸方向（打抜き軸方向）には、加工対象物にもよるが、１００００Ｎ以上の衝撃的な荷重が生じることは言うまでもない。よって３軸駆動テーブルの構成としては、精密に動けば良いだけとは言えない。衝撃的な打抜き荷重がかかったとしても壊れたり、壊れないまでも弾性変形を容易にする構成では、打抜き加工用途に使用することができない。また金型を搭載する可動面の中央部には、貫通穴が開いていることが望ましい。何故ならば、打抜きカス（場合によっては、製品そのもの）を排出し、下方に落とす穴が必要だからである。よって一般的な可動テーブルのように、可動部の中央に送り機構（例えば、ボールねじ）を内在するために中空部を設けた構成では、剛性面や中央部の貫通穴が必須等の要求仕様を満足することはできない。図６に示した３軸駆動テーブルは、先述した要求仕様を満たす構成であり、打抜き加工用途に適していると考えられるので、以下に詳細に説明する。

図６に３軸駆動テーブル６の基本構成を示す。板状のフレーム６ａの内部に、中央に貫通穴部を有した可動部６ｂがある。可動部６ｂは、後述するように荷重センサや下型（ダイを含む）を搭載可能な大きさとなっている。可動部６ｂは板状であり、打抜き方向となるＺ軸方向には機構部や中空部を有しない構成である。

本案の３軸駆動テーブル６では、中央の可動部６ｂがフレーム６ａと弾性ヒンジを介して支持されている。更に駆動源となるに圧電素子（ＰＺＴ）６ｃは、与圧用のばねを介してフレーム６ａと可動部６ｂに接している。この圧電素子により駆動される可動部６ｂの動作時の変位は、距離センサ６ｄにより測長されている。

図５にあるように、Ｙ軸方向は、対向して配置された２個の圧電素子と、１個の変位センサのセットになっている。Ｘ軸方向は、図のように対向して配置された４本の圧電素子と２個の変位センサの組合せになっている。γ軸回転は、Ｘ軸方向に配置した圧電素子を駆動することで回転動作を与えることができる。同様にγ軸の回転角度については、Ｘ軸に配置した２個の変位センサにより、回転角度を精度よく検出できるようになっている。またこれらの一連の動作については、外部に設けた圧電素子コントローラ３５によって制御されることは言うまでもない。

図７に３軸駆動テーブル６の上に設置した４個の荷重センサと更にその上に下型２２を配置し、パンチ１ダイ２の配置が分かるように描いた図を示す。本案においては、先述したように打抜き加工を行うと、下型の下方に設置した４個の３軸荷重を検出する荷重センサ５が荷重を検出し、その結果を図示しない演算装置によって算出し、３軸駆動テーブルを動作させて、パンチ１とダイ２のアライメント誤差が解消する位置となるように動作させることができる。

図８に、本案の打抜き装置の構成で実現できるパンチ１とダイ２のアライメント誤差を解消する例である。図２および図３とは異なる方法である。図８（ａ）にはアライメント誤差調整方法の模式図であり、図８（ｂ）は、そのアライメント誤差調整時の変位量と荷重の関係を示す。本方式によるアライメント調整作業は、打ち抜き加工は実施しないので、被加工物は不要である。本調整作業は、図８（ａ）に示すように、打抜き装置内で３軸駆動テーブル６の上に４個の荷重センサ５を設置し、更にその上に下型２２、および図示しない上型２１、パンチ１を取り付けた状態で実施する。

図８（ａ）はダイの中にパンチを挿入する位置（例えば、打抜き加工時の“下死点”）に下した状態で実施する。この状態から、例えばＹ方向に少しずつ（例えば、０。５マイクロメートル毎）に動作させると、いずれパンチ１とダイ２の内壁面が接触する。その時の荷重センサ５の値をモニターして出力すると、図８（ｂ）に示すような図が描ける。横軸に３軸駆動テーブルで移動した距離、縦軸に移動方向の荷重センサ５の出力値を描く。パンチ１とダイ２の間には、クリアランスが存在して、例え３軸駆動テーブルを０。５マイクロメートルステップで動作させたとしても、即接触するわけではない。パンチ１とダイ２が接触しない位置では、荷重はゼロである。しかしながら、それらが接触すると、荷重が上昇するので、どの位置で接触したのか判別容易である。図８（ｂ）の例では‐２～３マイクロメートルの間の５マイクロメートルが、パンチ１とダイ２のクリアランスであることがわかる。このことから、どの位置が、クリアランスが均等になる位置かわかる。この作業をＸ軸方向、次にＹ軸方向に行うと、パンチ１とダイ２のアライメント誤差としては、γ軸まわりの回転のみが残る。γ軸まわりの回転誤差についても、図８（ｂ）の横軸が回転角度、縦軸がモーメントＭｚとなるだけで、同様に作業できる。

図２、３で示したアライメント誤差の検出原理と図５で示した校正作業を実施すれば、加工中においてもアライメント誤差を解消することができるメリットがある。一方、図８におけるアライメント誤差の解消方法は、打抜き加工をすることなく、静的な状態でアライメント誤差を解消できるメリットがある。これらの使い分けについては、同じ打抜き装置の構成の中で実施できることなので、適宜、最適方法を選んで実施すればよい。

図９に、本案実施の形態における打抜き装置を示す。図９において、主要な構成を説明する。

図９において、サーボスクリュー式の打抜き装置１１である。本案における打抜き装置としては、サーボスクリュー式である必要は無いが、制御性が非常に良いことから、本案を実施するにあたって適していると考える。サーボスクリュー式の打抜き装置１１は、上プレート１３部に設置されたサーボモータ１２と、サーボモータ１２の回転部と結合されたボールねじ１７と、その先に可動プレート１４があり、サーボモータ１２が正転、逆転することで、可動プレート１４がシャフト１６に沿って、動作する構成である。サーボモータ１２は、打抜き装置のコントローラ１８の指令に基づいて回転動作するようになっている。

可動プレート１４には、金型の半分である上型２１が取り付けられる。上型２１の主要な構成は、パンチ１を内在し、先端に材料押さえの役割をするストリッパー２３がある。ストリッパー２３は、圧縮ばねであるストリッパーばね２４により、所定の初期荷重が与えられている。

上型２１の下方には、ダイ２を内在した下型２２が架台１５上に設置される。架台１５は上部の上プレート１３と４本のシャフト１６によって連結され、可動プレート１４に締結された上型２１と、下型２２が相対的に上下動作する仕組みである。対向配置される上型２１と下型２２の間には、被加工物３が設置されている。

下型２２の下部に４個の３軸荷重を検出する荷重センサ５が設置されている。更に、荷重センサは、３軸駆動テーブル６の可動部６ｂに締結されている。荷重センサ５は、外部に設けた荷重検出装置３４に接続され、４個の各３軸の荷重値が演算され、モーメントの計算もなされる。

３軸駆動テーブルのフレーム６ａは、ベースプレート２５に締結されている。本構成において、３軸駆動テーブルの可動部６ｂは、圧電素子６ｃが動くと、それに伴ってベースプレート２５上を、滑るように動作する。ベースプレート２５と可動部６ｂの間は、滑らかな動作が可能なように、ベースプレートを砲金で製作してある。先述したように可動部には打抜き荷重が、条件によって１００００Ｎ以上の衝撃的な荷重がかかることは先述したとおりであるが、可動部６ｂ自体は厚い板状の金属部材なので、打抜き荷重によって問題となる変形等が生じないことは、見ての通りである。また駆動部である圧電素子６ｃは、破損しやすい精密部品であるが、打抜き加工時の打抜き荷重の影響のない位置に配置されるので、破損が生じることもない。また、図９より見てわかる通り、打抜き加工時において被加工物３の打抜かれたカスは、ダイ２の内部および下型内部から３軸駆動テーブルの可動部６ｂの中央を通って、さらに下方に排出される構成となっている。

３軸駆動テーブルは、各々の圧電素子６ｃ、各々の距離センサ６ｄ（ここでは、図示せず）が、圧電素子コントローラ３５に接続されている。

次に可動プレート１４の上下動作を高精度に測長する目的で、外部に設けたギャップセンサ３２を設けている。このギャップセンサ３２も、外部に設けたギャップセンサーアンプ３３に接続されている。

本案の実施の例に示した制御装置類（１８、３３、３４、３５）は、コンピュータ３１にすべて接続され、コンピュータ内で偏芯量の演算や、その結果に基づいた３軸駆動テーブルの移動量を演算し、それぞれの制御装置に指令を行う。

次に本案の打抜き装置への金型の設置について説明する。一般の打抜き金型は、上型と下型をガイドポストで連結して、そのガイドに沿って上型が上下動作する。一方、本案の打抜き装置においては、３軸駆動テーブル６を搭載し、上型に対して下型が相対的に動く構造といなっている。そのため、一般的な金型と同様なガイドポストは不要であるばかりか、パンチ１とダイ２のクリアランス調整機能である動きを阻害するものである。その代わりに、精度良く上型と下型を打抜き装置に搭載し、その打抜き装置のガイドポストの精度を利用して、精度確保する構成となっている。初期の精度があまりにも悪いと、初めにパンチ１とダイ２の衝突が生じる可能性がある。そこで上型と下型の搭載にあたっては、上型のパンチの代わりにパイロットパンチ（図示せず）と呼ばれるダイとの粗調整用のガイド機能を有するパンチを用いて、パンチ１のダイ２への挿入時に、衝突が生じない程度の精度で組み付けて、その後確実に固定する。その後、パイロットパンチを正式なパンチ１に入れ替える。この状態で、パンチ１がダイ２に衝突することなく挿入されることを、確認する。具体的には、荷重センサ５の出力をモニターし、パンチ１のダイ２への挿入位置においても、荷重が生じないようにすればよい。本金型構成は、金型単体で評価した場合、ガイドポストとその構成部材が不必要なので、低コストな金型構成が実現できるという特徴もある。

次に本実施例における打抜き加工動作について、一連の流れを説明する。パンチ１とダイ２は衝突（干渉）しないレベルで、組み立てられているものとする。パンチ１とダイ２の間には、被加工物３が設置されている。被加工物３については、量産においては、巻き出し、巻取り等のローディング装置を有しているが、本案においては重要でないので省略するものとする。

打抜き動作においては、指定された動作パターン（加工プログラム）に基づいて、打抜き装置のコントローラ１８からサーボモータ１２に指令が送られ、可動プレート１４に搭載された上型２１が下降する。所定の位置に達すると、ギャップセンサ３２から、荷重検出装置３４に計測開始信号が入り、荷重計が計測開始される。但し、この段階では、荷重が生じていない。更に、下降が進むと、ストリッパー２３が被加工物３を挟持し、この時点から荷重が発生する。更に下降が進むと、その位置に合わせてストリッパーばね２４が圧縮されてストリッパー荷重が増加すると同時に、パンチ１がストリッパー２３と相対動作して、パンチ先端が被加工物３と接した段階で打ち抜きが開始され、打抜き荷重も急増する。更にパンチ１が下降し、被加工物３を打抜いた後も下死点まで動作する。その後反転動作して、パンチは上昇して、更にはストリッパー２３が被加工物３と離れ、更に上昇すると、ギャップセンサ３２からの位置情報に基づいて、荷重計測が終了する。この一連の動作は、加工条件にもよるが１秒以下でなされることが一般的である。

次に、先述した一連のプロセスの中でデータ取得した荷重の取り扱いについて説明する。設置された４つの荷重センサ５（ａ）～（ｄ）のデータは、瞬時に荷重検出装置３４に送られ、図５に示した演算がなされ、特にその中で、Ｘ、Ｙ、Ｍｚ、もしくは、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚについては、コンピュータ３１内で図２、図３で説明したアライメント誤差の検出原理に基づいて、演算、判定がなされ、圧電素子コントローラ３５を介して３軸駆動テーブル６を駆動する仕組みになっている。但し、打抜き加工毎に、このようなシーケンスを実行するか、トレンドデータをまとめて実行するか、などは適宜最適方法でなされる。

また、このような打抜き荷重の計測後、パンチとダイのアライメント誤差を演算し、動作させる一連のプロセスは、事前に図５で説明した校正データに基づいて、即ち校正データがコンピュータ３１部に記憶され、その結果に基づて並進荷重と距離の関係、モーメントＭｘ、Ｍｙと距離の関係、モーメントＭｚと角度の関係がデータとして内臓しているから実現できていることは、言うまでもない。

また精度の高い荷重計測データ取得方法として、図１０に示す方法も取り入れているので説明する。３軸駆動テーブルは、ナノメートルオーダで動作可能な仕様になっているため、加工直前にストリッパー荷重で被加工物３が挟持されるとき、不要に動作する場合がある。これはストリッパー面と下型面が完全に平行でない等の加工、組立誤差もあり、ストリッパー荷重としてはＺ軸方向以外のＸ、Ｙ軸成分が含まれる。この時、ストリッパー荷重のＸ、Ｙ成分により下型２２を動かさそうとする力が生じるので、３軸可動テーブルは押し戻そうとして不必要に動作する問題が生じる。そこで、上型の下降時の任意の位置で、３軸駆動テーブルを、クローズドループ制御から、オープンループ制御に瞬間的に切り替えることで、不要動作を無くすことができるようになった。この３軸駆動テーブルのクローズドループ制御からオープンループ制御に切り替え、打抜き加工後は再度クローズドループ制御に戻す工程を図１０に示している。但し、図１０の中のクローズドループ制御からオープンループ制御に切り替える位置、およびオープンループ制御からクローズドループ制御に変更する位置は、加工対象などによって変わるので、必ずしも図１０に示す位置とは限らないことは言うまでもない。図１０に示すような工夫を取り入れることで、より高精度で、再現性の高い荷重計測が可能となる。

また、図８で説明したパンチ１とダイ２のアライメント誤差の解消方法は、上述した方法とは異なる。図８で説明したパンチ１とダイ２のアライメント方法は、再度説明すると、打抜き加工する必要が無い。事前にパンチ１とダイ２の軸芯を合わせて、その後に打抜き加工する方法である。基本的に、金型におけるパンチ１とダイ２の取り付けは、非常に強固に取り付けているので、組立後こそずれが生じていたとしても、調整さえすれば打抜き加工の衝撃があったとしても変化するものでは無いからである。よしんば、加工中にパンチ１とダイ２のアライメントがずれるようなことがある場合、図８の方法で初期調整を実施し、その後の加工中に関しては、図２、３の方法を併用しても良い。いずれの方法であったとしても本案の装置構成であれば、同様のことが実現可能である。

また、本開示の打抜き装置および方法は、パンチとダイのアライメント誤差を解消する機能があることから、金型の長寿命化と高品質な打抜き加工を実現する打抜き装置および方法である。したがって、工具のクリアランスを適宜変更することが可能であるから、切断装置においても使用することができる。例えば、非常に薄い、例えば数マイクロメートルの厚みを有するフィルムを切断する場合、非常に高精度なクリアランス調整が必要となるが、本開示を切断装置等に適用できる。

本発明の打抜き装置および方法は、打抜き加工時の並進力やモーメントを演算することで、パンチとダイのアライメント誤差を検出し、加えて３軸駆動テーブルを備えることで、アライメント誤差を自動的解消することができる機能を有し、金属やプラスチック、複合材料等の被加工物を打抜く装置は基より、切断装置としても広く適用できる。

１ パンチ
２ ダイ
３ 被加工物
４ 加工物
５ 荷重センサ
６ ３軸駆動テーブル
６ａ フレーム
６ｂ 可動部
６ｃ 圧電素子
６ｄ 距離センサ
１１ 打抜き装置
１２ サーボモータ
１３ 上プレート
１４ 可動プレート
１５ 架台
１６ シャフト
１７ ボールねじ
１８ コントローラ
２１ 上型
２２ 下型
２３ ストリッパー
２４ ストリッパーばね
２５ ベースプレート
３１ コンピュータ
３２ ギャップセンサ
３３ ギャップセンサーアンプ
３４ 荷重検出装置
３５ 圧電素子コントローラ

Claims (10)

1. 平板状の被加工物を対向したパンチとダイによって打抜く打抜き装置であって、
   打抜き方向と直交する同一平面上に備えられ、３軸方向の荷重を計測する少なくとも４つのセンサと、
   前記打ち抜き方向と直交する２軸方向、および前記打ち抜き方向まわりの回転方向に、積載した前記ダイおよび前記センサを駆動させる駆動テーブルと、
   制御部と、を備える、打抜き装置。
2. 前記制御部は、
   第１打ち抜き時に生じる荷重のうち、前記打ち抜き方向と直交する１軸方向の荷重を前記センサから取得する取得ステップと、
   前記第１打ち抜き時の前記パンチと前記ダイとの相対位置とを記憶する記憶ステップと、
   所定の距離だけ、前記パンチと前記ダイとの相対位置を、前記１軸方向に移動させるよう前記駆動テーブルを駆動させる駆動ステップと、
   前記駆動ステップの後の第２打ち抜き時に生じる荷重のうち、前記打ち抜き方向と直交する１軸方向の荷重を前記センサから取得する再取得ステップと、
   を行うことで前記１軸方向の校正を行う、請求項１に記載の打抜き装置。
3. 前記制御部は、
   前記取得ステップおよび前記再取得ステップにおいて取得した荷重と、前記所定の距離と、に基づき、前記１軸方向における単位距離あたりの荷重変化量を算出する、
   請求項２に記載の打抜き装置。
4. 前記制御部は、
   前記センサから取得した、打ち抜き時に生じる前記打ち抜き方向と直交する１軸方向の打抜き荷重と、前記荷重変化量に基づき、
   前記パンチと前記ダイとの相対位置を、前記１軸方向かつ前記打ち抜き荷重を小さくする方向へ移動させるよう前記駆動テーブルを駆動させる、
   請求項３に記載の打抜き装置。
5. 前記制御部は、さらに、
   前記取得ステップで取得した前記打ち抜き方向と直交する１軸方向の荷重に基づき、前記１軸方向まわりのモーメントを算出する算出ステップと、
   前記再取得ステップで取得した前記打ち抜き方向と直交する２軸のうち少なくとも１軸方向の荷重に基づき、前記１軸方向まわりのモーメントを算出する再算出ステップと、
   を行うことで前記１軸方向まわりのモーメントの校正を行う、
   請求項２～４のいずれか１項に記載の打抜き装置。
6. 前記制御部は、
   前記算出ステップおよび前記再算出ステップにおいて算出したモーメントと、前記所定の距離と、に基づき、前記１軸方向における単位距離あたりのモーメント変化量を算出する、
   請求項５に記載の打抜き装置。
7. 前記制御部は、
   前記センサから取得した、打ち抜き時に生じる前記打ち抜き方向と直交する１軸方向の打抜き荷重と、前記モーメント変化量に基づき、
   前記パンチと前記ダイとの相対位置を、前記１軸方向かつ前記モーメントを小さくする方向へ移動させるよう前記駆動テーブルを駆動させる、
   請求項３に記載の打抜き装置。
8. 前記制御部は、
   第１打ち抜き時に生じる前記打ち抜き方向の荷重に基づき、前記打ち抜き方向まわりのモーメントを算出する打ち抜き算出ステップと、
   前記第１打ち抜き時の前記パンチと前記ダイとの相対位置とを記憶する記憶ステップと、
   所定の角度だけ、前記パンチと前記ダイとの相対位置を、前記打ち抜き方向に回転させるよう前記駆動テーブルを駆動させる駆動ステップと、
   前記駆動ステップの後の第２打ち抜き時に生じる前記打ち抜き方向の荷重に基づき、前記打ち抜き方向まわりのモーメントを算出する打ち抜き再算出ステップと、
   を行うことで前記打ち抜き方向の校正を行う、
   請求項１～７のいずれか１項に記載の打抜き装置。
9. 前記制御部は、
   前記打ち抜き算出ステップおよび前記打ち抜き再算出ステップにおいて算出したモーメントと、前記所定の角度と、に基づき、前記１軸方向における単位角度あたりの打ち抜きモーメント変化量を算出する、
   請求項８に記載の打抜き装置。
10. 前記制御部は、
    打ち抜き時に生じる前記打ち抜き方向まわりのモーメントと、前記打ち抜きモーメント変化量に基づき、
    前記パンチと前記ダイとの相対位置を、前記打ち抜き方向まわりかつ前記モーメントを小さくする方向へ回転させるよう前記駆動テーブルを駆動させる、
    請求項９に記載の打抜き装置。

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