JP2022109533A - 成形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】座屈による曲げ方向を制御することで、安定した曲げ成形を可能とする成形装置を提供する。【解決手段】柱状の金属材料を加圧し曲げ成形する成形装置であって、金属材料の軸方向の両端を加圧する据え込み型を構成し、金属材料の軸方向の一端面を据え込み型の押圧方向に押圧する第１押圧面を有し、金属材料の軸方向の一端を保持する第１押え型と、第１押え型とともに据え込み型を構成し、金属材料の軸方向の他端面を押圧方向に押圧する第２押圧面を有し、金属材料の軸方向の他端を保持する第２押え型と、第１押え型と第２押え型とによって保持された金属材料の両端の間の側部の少なくとも一部を、押圧方向と交差する交差方向に押圧し、金属材料を交差方向へ曲げる曲げ部材と、を備え、第１押圧面および第２押圧面のうち少なくとも一方の押圧面は、押圧面の法線が押圧方向を基準として交差方向に傾くように、傾斜している。【選択図】図１

Description

本開示は、成形装置に関する。

近年、自動車分野において、車両の足廻り部品に対するアルミ鍛造材料の適用が進んでいる。例えば、特許文献１には、長尺円柱形状をなすアルミ部材を加圧することで、車両のステアリングナックルを製造する技術が記載されている。

特開２０１７－１４０６３２号公報

こうしたアルミ部材の鍛造工程では、長尺円柱形状から所望の部品形状となるように、例えば、増肉曲げ工程、潰し工程、荒地工程、仕上げ工程、およびバリ取り工程等の複数の工程が経られる。初工程として実施される増肉曲げ工程では、アルミ部材の軸方向と、軸方向に垂直な方向とにおいて、アルミ部材を加圧する。

しかし、この増肉曲げ工程時には、長尺形状のアルミ部材を軸方向に加圧するため、軸方向の中央部やその近傍に、曲げ方向が制御できない「座屈」が成り行きで生じる。座屈が生じると、アルミ部材は所望の方向とは異なる方向に曲がってしまい、所望の製品形状にならない虞があった。すなわち、安定した製品形状の部品生産が困難であるという問題が生じていた。

本開示は、以下の形態として実現することが可能である。

本開示の一形態によれば、成形装置が提供される。この成形装置は、柱状の金属材料を加圧し曲げ成形する成形装置であって、前記金属材料の軸方向の両端を加圧する据え込み型を構成し、前記金属材料の前記軸方向の一端面を前記据え込み型の押圧方向に押圧する第１押圧面を有し、前記金属材料の前記軸方向の一端を保持する第１押え型と、前記第１押え型とともに前記据え込み型を構成し、前記金属材料の前記軸方向の他端面を前記押圧方向に押圧する第２押圧面を有し、前記金属材料の前記軸方向の他端を保持する第２押え型と、前記第１押え型と前記第２押え型とによって保持された前記金属材料の前記両端の間の側部の少なくとも一部を、前記押圧方向と交差する交差方向に押圧し、前記金属材料を前記交差方向へ曲げる曲げ部材と、を備え、前記第１押圧面および前記第２押圧面のうち少なくとも一方の前記押圧面は、前記押圧面の法線が前記押圧方向を基準として前記交差方向に傾くように、傾斜している。
この形態によれば、第１押え型および前記第２押え型のうち少なくとも一方の押圧面は、押圧面の法線が押圧方向を基準として交差方向に傾くように、傾斜している。このため、据え込み型により金属材料に軸方向に圧縮荷重を加えたときに生じる座屈による曲げ方向を、曲げ部材による加圧方向である交差方向にできる。このように、据え込み型の据え込み加工によって発生する座屈の曲げ方向を制御できるので、金属材料を製品形状に沿う方向に確実に曲がるようにでき、金属材料を所望の製品形状へ安定して成形することができる。

本開示の実施形態における成形装置の概略構成を模式的に示す側面図である。 本開示の実施形態における成形装置の概略構成を模式的に示す側面図である。 曲げ成形過程を説明する側面図である。

Ａ．実施形態：
Ａ１．成形装置の全体構成：
本開示の第１実施形態における成形装置１００について、図１～図３を参照して説明する。図１は、本開示の実施形態における成形装置１００の概略構成を模式的に示す側面図であり、曲げ成形前の状態を示す図である。図２は、本開示の実施形態における成形装置１００の概略構成を模式的に示す側面図であり、曲げ成形後の状態を示す図である。本実施形態の成形装置１００は、柱状の金属材料を、上下方向に据え込み鍛造するとともに、側方から横パンチ２６で押し込んで、曲げ成形を行う。以下、本実施形態において加工対象となる金属材料を「ワーク１０」という。

本実施形態において、成形装置１００は、アルミニウム合金からなる円柱状のワーク１０を、側部に突出部１１（図２参照）を有する形状となるように成形する。本実施形態における成形装置１００による曲げ加工は、車両のステアリングナックルの製造において、所謂「増肉曲げ工程」と呼ばれる予備成形として実施される。本実施形態では、据え込み型２２の押圧方向Ａ１は重力上下方向と一致しており、横パンチ２６によるワーク１０の側部１６の加圧方向Ａ２は水平方向と一致している。水平方向は、「押圧方向と交差する交差方向」に相当する。以下、「加圧方向Ａ２」は、適宜「交差方向Ａ２」ともいう。

図１，図２に示すように、成形装置１００は、ボルスタプレート２１、据え込み型２２、上側固定プレート２３、案内治具２４、リンク機構部２５、および横パンチ２６を備えている。なお、図１～図３において、わかりやすくするため、ワーク１０にはハッチを施して図示している。

ボルスタプレート２１は、成形装置１００の土台となるプレート部材であって、成形装置１００の下部に位置する。据え込み型２２は、下型３１と上型４１とを備えている。下型３１は、ボルスタプレート２１の上面の一方側（各図における右側）寄り位置に固定されている。なお、以下の説明において、方向を示す「一方」とは水平方向の一方（各図における右方）を意味し、「他方」とは水平方向の他方（各図における左方）を意味する。下型３１の上面には、ワーク１０の軸方向の下端１２を受ける下受孔３２が、下側へ凹んで形成されている。下受孔３２の底には、平坦な下側押圧面３３が形成されている。

下側押圧面３３は、側面視において、水平方向における他方から一方へ向けて、すなわち横パンチ２６による加圧方向Ａ２へ向かうほど、下降するように傾斜している。図３に示すように、下側押圧面３３は、下側押圧面３３上の任意の点Ｐ１における法線Ｎ１が、点Ｐ１を通り据え込み型２２の押圧方向Ａ１に沿う線Ｌを基準として交差方向Ａ２に傾くように、傾斜している。

下側押圧面３３は、ワーク１０の軸方向の下端面１４を上向きの押圧方向Ａ１に押圧する。下型３１は、ワーク１０の軸方向の下端１２を保持する。下型３１は、ワーク１０の「軸方向の一端」である下端１２を保持する「第１押え型」に相当する。下側押圧面３３は、ワーク１０の「軸方向の一端面」である下端面１４を押圧する「第１押圧面」に相当する。案内治具２４は、円柱形状をなし、ボルスタプレート２１の他方側端部に立てられている。案内治具２４は、上側固定プレート２３を上下方向にガイドする。

上側固定プレート２３は、ボルスタプレート２１の上方に対向して配置され、案内治具２４の外周に沿って上下動可能に設けられている。上型４１は、上側固定プレート２３の下面の一方側寄り位置に、下型３１と対向して固定されている。上型４１の下面には、ワーク１０の軸方向の上端１３を受ける上受孔４２が、上側へ凹んで形成されている。上受孔４２は、製品の形状に倣うように、上側が細い絞り形状をなしている。上受孔４２の底には、平坦な上側押圧面４３が形成されている。上側押圧面４３は、側面視において、水平方向における他方から一方へ向けて、すなわち横パンチ２６による加圧方向Ａ２へ向かうほど、上昇するように傾斜している。

図３は、曲げ成形過程を説明する側面図であり、図１に示す曲げ成形前と、図２に示す曲げ成形後の間の状態を示している。なお、図３では、ワーク１０、据え込み型２２、および横パンチ２６のみを拡大して図示している。図３に示すように、上側押圧面４３は、上側押圧面４３の法線Ｎ２が据え込み型２２の押圧方向に沿う仮想的な線Ｌを基準として、交差方向Ａ２に傾くように、押圧方向に対して傾斜している。

上側押圧面４３は、押圧面４３上の任意の点Ｐ２における法線Ｎ２が、点Ｐ２を通り据え込み型２２の押圧方向Ａ１に沿う線Ｌを基準として交差方向Ａ２に傾くように、傾斜している。押圧方向Ａ１に沿う線Ｌと各押圧面３３，４３の法線Ｎ１，Ｎ２とのなす角度、すなわち押圧面３３，４３における水平面から傾斜角度θ１，θ２は、ともに３度程度である。なお、図３において、わかりやすくするため、各押圧面３３，４３の角度θ１，θ２は誇張して大きめに図示している。

上側押圧面４３は、ワーク１０の軸方向の上端面１５を下向きの押圧方向Ａ１に押圧する。上型４１は、ワーク１０の軸方向の上端１３を保持する。上型４１は、ワーク１０の「軸方向の他端」である上端１３を保持する「第２押え型」に相当する。上側押圧面４３は、ワーク１０の「軸方向の他端面」である上端面１５を押圧する「第２押圧面」に相当する。上型４１と下型３１とで、ワーク１０の軸方向の両端１２，１３を加圧する据え込み型２２が構成されている。なお、「据え込み型２２の押圧方向Ａ１」は、本実施形態では「鉛直方向」に相当する。上記したように下型３１における押圧方向Ａ１は鉛直方向上向きであり、上型４１における押圧方向Ａ１は鉛直方向下向きであり、互いに対向する向きとなる。

成形装置１００は、ワーク１０の上下端１２，１３を上下型３１，４１の各受孔３２，４２にそれぞれ嵌め入れることで、ワーク１０をボルスタプレート２１と上側固定プレート２３との間に略鉛直に支持するようになっている。上側固定プレート２３は、図示しない油圧シリンダを含む周知の油圧装置やクランク式の装置等により上下に往復駆動されるようになっている。

リンク機構部２５は、上側固定プレート２３の往動作に連動して、横パンチ２６を水平方向へ移動させる。横パンチ２６は、水平方向においてワーク側の一方側端部が半球形状をなす柱状部材である。横パンチ２６は、その軸方向が水平方向と一致する姿勢で、かつ、据え込み型２２によって保持されたワーク１０の軸方向の略中間部の側方に位置するように、リンク機構部２５によって保持されている。横パンチ２６は、「曲げ部材」に相当する。

リンク機構部２５は、ボルスタプレート２１と上側固定プレート２３との間の空間において、据え込み型２２と案内治具２４の間に位置して設けられている。リンク機構部２５は、下リンク保持部材５１、上リンク保持部材５２、および３つのリンク部材５３，５４，５５を有している。下リンク保持部材５１は、ボルスタプレート２１の上面の略中央に固定されている。

第１下リンク部材５３および第２下リンク部材５４は、下リンク保持部材５１と横パンチ２６との間に設けられ、下リンク保持部材５１と横パンチ２６とを接続する。第１下リンク部材５３は、その上端が横パンチ２６の一方側端部に接続し、下端が下リンク保持部材５１の一方側端部に接続する。第２下リンク部材５４は、その上端が横パンチ２６の他方側端部に接続し、下端が下リンク保持部材５１の他方側端部に接続する。第１下リンク部材５３および第２下リンク部材５４は、略同形状である。

上リンク部材５５は、上リンク保持部材５２と横パンチ２６との間に設けられ、上リンク保持部材５２と横パンチ２６とを接続する。上リンク部材５５は、その上端が上リンク保持部材５２に接続し、下端が横パンチ２６の一方側端部に接続する。リンク同士の接続部は回動可能である。

以上のリンク機構部２５により、横パンチ２６は、２つの下リンク部材５３，５４により軸方向が水平方向と一致する姿勢が維持されつつ、上側固定プレート２３の上下動に伴い、水平方向へ往復動する。詳細には、上側固定プレート２３が下降すると、上リンク部材５５が水平方向の一方側、すなわちワーク１０側へ押し出される。上リンク部材５５のワーク１０側への移動に従動して、横パンチ２６は徐々に水平方向の一方側へ移動する。このとき、横パンチ２６の姿勢は、２つの下リンク部材５３，５４により軸方向が水平方向と一致するように維持される。上側固定プレート２３が上昇するときは、上記とは逆の作用で、横パンチ２６は徐々に水平方向の他方側、すなわちワーク１０から離れる方向へ移動する。

Ａ２．成形時の動作：
次に、上記成形装置１００を用いたワーク１０の曲げ加工について説明する。本実施形態においては鍛造として、ワーク１０の加熱を伴う熱間鍛造を用いるが、鍛造の種類としては、冷間鍛造であっても、温間鍛造であってもよい。

まず、据え込み型２２に、ワーク１０の長手方向が略鉛直方向となるようにワーク１０が設置される。図１に示す成形前の状態においては、ワーク１０の下端１２は、下端面１４が下側押圧面３３に接した状態で下受孔３２に支持され、ワーク１０の上端１３は、上端面１５と上側押圧面４３との間に隙間を有した状態で上受孔４２に支持される。このとき、ワーク１０は傾斜した下側押圧面３３に接しているため、ワーク１０の軸線Ｃは鉛直方向から水平方向に僅かに傾いている。

加工が開始され、下型３１に対して上型４１が下降すると、ワーク１０の上端面１５と上側押圧面４３との間の隙間が徐々になくなり、図３に示すように、上側押圧面４３がワーク１０の上端面１５に接触する。上型４１がさらに下降することで、ワーク１０は軸方向に圧縮される。すなわち、ワーク１０は上下型３１，４１により据え込み加工される。なお、ワーク１０の上端１３は、据え込み加圧と同時に上受孔４２の形状に絞り加工される。

図２，図３に示すように、据え込みの過程で、ワーク１０の形状は、座屈により横パンチ２６による加圧方向Ａ２である水平方向に徐々に曲がっていく。以下、この「曲げ」によって一方側に突出した部位を「増肉した部位」ともいう。「座屈」とは、棒状の物体の上部から、ある一定以上の荷重を加えた際に、物体の一部が急激に折れ曲がる現象である。本来、座屈する方向は制御することができない。しかし、本実施形態では、上下型３１，４１の各押圧面３３，４３が加圧方向Ａ２に傾斜しているため、図３に白抜き矢印Ｂに示すように、押圧方向Ａ１の力が、ワーク１０に対して加圧方向Ａ２への曲げ変形を導くように作用する。このため、据え込み時において、ワーク１０に生じる座屈の方向は加圧方向Ａ２である水平方向と一致する。

図３から図２に示す状態へとさらに上型４１が下降する間に、横パンチ２６は、増肉した部位に対応するワーク１０の側部１６に他方側から接触し、ワーク１０を水平方向の一方側に押圧する。これにより、増肉した部位は、さらに加圧方向Ａ２へ押し出され、成形後には突出部１１（図２参照）として成形される。突出部１１は、上下型３１によって形成される空間に成形される。

（１）上記実施形態の成形装置１００によれば、上型４１および下型３１の押圧面３３，４３は、押圧面３３，４３の法線Ｎ１，Ｎ２が押圧方向Ａ１を基準として交差方向Ａ２に傾くように、押圧方向Ａ１に対して傾斜している。このため、据え込み型２２によりワーク１０の軸Ｌと略一致する方向に圧縮荷重を加えたときに生じる座屈による曲げ方向は、横パンチ２６による加圧方向Ａ２と一致する。

このように、据え込み型２２の据え込み加工によって発生する座屈の曲げ方向を制御することで、ワーク１０を製品形状に沿う方向に確実に曲がるようにできるため、ワーク１０を所望の製品形状へ安定して成形することができる。

（２）また、上型４１と下型３１の両方の押圧面３３，４３を上記のように傾斜させることで、どちらか一方のみ傾斜させる場合と比較して、より確実に狙った方向へ曲げ加工することができる。

（３）また、横パンチ２６による加圧がなくても、据え込み加工のみで加圧方向Ａ２に曲がるように制御できるため、横パンチ２６による押し込み量を適宜調整することができる。曲げ加工では、パンチによる押し込み量が大きいと、ひび割れなどのクランクが生じやすいが、例えば、横パンチ２６が接触するタイミングをなるべく遅らせることで、クランクの発生を極力抑制することができる。

Ｂ．他の実施形態：
（Ｂ１）上記実施形態の成形装置１００では、下側押圧面３３および上側押圧面４３は、ともに各押圧面３３，４３の法線Ｎ１，Ｎ２が押圧方向Ａ１を基準として交差方向Ａ２に傾くように傾斜しているものとしたが、どちらか一方の押圧面３３，４３のみが、上記のように傾斜している形態でもよい。

（Ｂ２）上記実施形態の成形装置１００では、据え込み型２２による据え込み加工後に、横パンチ２６がワーク１０に接触して側方から加圧するものとしたが、横パンチ２６による接触のタイミングは適宜変更可能である。

（Ｂ３）上記実施形態の成形装置１００では、据え込み型２２の押圧方向は重力上下方向と一致し、横パンチ２６による加圧方向Ａ２は水平方向と一致するものとしたが、この形態に限られない。例えば、水平方向に据え込み加工し、横パンチ２６に相当する曲げ部材により上方からワーク１０の側部１６を加圧する形態でもよい。また、押圧方向Ａ１と交差方向Ａ２とは垂直でなくてもよい。

（Ｂ４）上記実施形態において、各押圧面３３，４３の水平方向からの傾斜角度θ１，θ２は、ともに３度程度としたが、成形後の製品形状に影響のない範囲で、かつ、据え込みによる座屈方向が交差方向Ａ２と一致すればよく、概ね１．５度～１０度の範囲で設定変更可能である。

（Ｂ５）上記実施形態では、ワーク１０はアルミニウム合金であるとしたが、加工できる柱状の金属材料であれば、どのような金属であってもよい。

（Ｂ６）上記実施形態の成形装置１００では、車両のステアリングナックルの製造における予備成形として曲げ成形を行うものとして説明したが、その他の製品において実施してもよい。

本開示は、上記各実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する各実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…ワーク、１１…突出部、１２…下端、１３…上端、１４…下端面、１５…上端面、１６…側部、２１…ボルスタプレート、２２…据え込み型、２３…上側固定プレート、２４…案内治具、２５…リンク機構部、２６…横パンチ、３１…下型、３２…下受孔、３３…下側押圧面、４１…上型、４２…上受孔、４３…上側押圧面、５１…下リンク保持部材、５２…上リンク保持部材、５３…第１下リンク部材、５４…第２下リンク部材、５５…上リンク部材、１００…成形装置、Ａ１…押圧方向、Ａ２…加圧方向（交差方向）、Ｃ…軸線、Ｎ１，Ｎ２…法線

Claims (1)

1. 柱状の金属材料を加圧し曲げ成形する成形装置であって、
   前記金属材料の軸方向の両端を加圧する据え込み型を構成し、前記金属材料の前記軸方向の一端面を前記据え込み型の押圧方向に押圧する第１押圧面を有し、前記金属材料の前記軸方向の一端を保持する第１押え型と、
   前記第１押え型とともに前記据え込み型を構成し、前記金属材料の前記軸方向の他端面を前記押圧方向に押圧する第２押圧面を有し、前記金属材料の前記軸方向の他端を保持する第２押え型と、
   前記第１押え型と前記第２押え型とによって保持された前記金属材料の前記両端の間の側部の少なくとも一部を、前記押圧方向と交差する交差方向に押圧し、前記金属材料を前記交差方向へ曲げる曲げ部材と、
   を備え、
   前記第１押圧面および前記第２押圧面のうち少なくとも一方の前記押圧面は、前記押圧面の法線が前記押圧方向を基準として前記交差方向に傾くように、傾斜している、成形装置。

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