JP2022118324A

JP2022118324A - モータ駆動粉末成形機

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Publication number: JP2022118324A
Application number: JP2021014759A
Authority: JP
Inventors: 誠渡辺; Makoto Watanabe
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2021-02-02
Filing date: 2021-02-02
Publication date: 2022-08-15
Anticipated expiration: 2041-02-02
Also published as: CN114833921A; JP7567522B2; US20220242078A1

Abstract

【課題】急激な加圧速度上昇に対する制御遅れを抑制するモータ駆動粉末成形機を提供すること。【解決手段】本発明にかかるモータ駆動粉末成形機１は、上型３０と下型２０を用いて成形を行うものであって、上型３０と下型２０それぞれに、主軸１１を介して型を動作させるメインラムと、メインラムと同期して、補助軸１２、１３を介して型を動作させる補助ラムを備える。また、メインラム及び補助ラムの少なくとも一方に、軸方向の圧力を検出する圧力検出手段を備える。さらに、検出した圧力に基づいて、圧力が所定範囲に収まるようにメインラムと補助ラムの少なくとも一方による型の動作速度を制御する制御手段を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、モータ駆動粉末成形機に関する。

近年、Ｃｏ_２排出低減及び環境対策の観点から、粉末を金型に充填及び圧縮して機械部品を製造する粉末成形機の電動化が求められている。このような背景により、粉末成形機はこれまでのような油圧駆動式から、電動機器を用いて構成された、電動粉末成形機が開発されるようになった。電動粉末成形機は、設備調整の時間を大幅に短縮可能である。

電動粉末成形機は、上型１軸、下型１軸の装置構成の場合、単純な構成の焼結部品を成形できるに過ぎない。そのため、上下に段をもたせることによって、より複雑な焼結部品を成形できる電動粉末成形機の開発が、さらに求められる。特許文献１には、上型の移動速度を取得して、所定の速度比を乗算して下型の目標速度を設定することにより、下型の追従を行う電動粉末成形機の技術が開示されている。

特開２０１７－２０５７６９号公報

上型の移動速度に応じて下型の追従を行う場合であっても、下型又は上型のいずれかの型が可動範囲の限界位置に到達してしまうと急激な加圧速度上昇に対する制御遅れに伴う過重上昇が発生し、金型あるいは設備の構成部が破損する恐れがある。

本発明は、このような問題点を解決するためのモータ駆動粉末成形機を提供することを目的とする。

本発明にかかるモータ駆動粉末成形機は、上型と下型を用いて成形を行うものであって、前記上型と前記下型それぞれに、主軸を介して型を動作させるメインラムと、前記メインラムと同期して、補助軸を介して型を動作させる補助ラムを備え、前記メインラム及び前記補助ラムの少なくとも一方に、軸方向の圧力を検出する圧力検出手段を備え、検出した前記圧力に基づいて、前記圧力が所定範囲に収まるように前記メインラムと前記補助ラムの少なくとも一方による型の動作速度を制御する制御手段を備える。

本発明により、急激な加圧速度上昇に対する制御遅れを抑制するモータ駆動粉末成形機を提供することができる。

本発明における実施形態１にかかるモータ駆動粉末成形機の構成を示した断面図である。本発明における実施形態１にかかる補助ラムサーボユニットの構成を示した断面図である。本発明における実施形態２にかかるモータ駆動粉末成形機の構成を示した断面図である。関連するモータ駆動粉末成形機を用いて粉末成形する手順を示した図である。

以下、図面を参照しつつ、実施の形態について説明する。なお、図面は簡略的なものであるから、この図面の記載を根拠として実施の形態の技術的範囲を狭く解釈してはならない。また、同一の要素には、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む。）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。

＜実施形態にかかるモータ駆動粉末成形機に想到するまでの検討経緯＞
まず、関連技術にかかるモータ駆動粉末成形機について、図４を用いて説明する。図４は、実施形態に至る前の構想段階のモータ駆動粉末成形機を用いて、上型及び下型を用いて形成されるキャビティ内に粉末成形する手順を示した図である。

前提として、１軸の駆動に２つのボールネジを対格に配置した設備構成の場合、サーボユニット使用数が大幅に増えるため、設備の簡易化が課題となる。しかし、設備の簡易化のために、１軸駆動に単一モータ、ボールネジ駆動にする必要があるが、下記の理由から設備の破損が懸念される。

すなわち、製品の段の数だけ金型を分割し、加圧中の部位ごとの圧縮率を適正な範囲内に維持しながら加圧する多段成形を想定する。多段成形を行う場合、加圧中の制御圧力を監視しながらＰＩＤ（ＰｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌＩｎｔｅｇｒａｌＤｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）速度制御を行う浮動軸が対向する配置とすると、下型又は上型のいずれかの型が可動範囲の限界位置に到達した場合、急激な加圧速度上昇に対する制御遅れが発生し得る。制御遅れに伴う圧力の上昇により、金型あるいは設備の構成部が破損し得る。

図４におけるグラフは、上型及び下型を用いて成形する際に、軸にかかる圧力を模式的に表示したものである。図４に示すように、成形中に製品からの圧力により、上軸は上側に向けて、下軸は下側に向けて動作する。ロードセルを用いて圧力を監視した場合であっても、下型又は上型のいずれかの型が可動範囲の限界位置に達したことにより、急激な圧力上昇が起こり得る。さらに、ロードセルへの圧力が急激に上昇した場合にあっては、制御が追いつかない場合もあり得る。このとき、モータ駆動粉末成形機及び周辺機器の破損につながる恐れがある。

そこで、そのような問題を解決することが可能な、以下の実施の形態にかかるモータ駆動粉末成形機が見いだされた。

＜実施形態１＞
本実施形態に係るモータ駆動粉末成形機１を、図１及び図２を用いて説明する。図１は、本実施形態に係るモータ駆動粉末成形機１の構成を示した断面図である。図２は、本実施形態に係るモータ駆動粉末成形機１の補助ラムサーボユニットの構成を示した断面図である。なお、図２は、後に説明するＵＲ補助ラムサーボユニット８０であって、ＬＩ補助ラムサーボユニット７０と同じ構成である。そのため、ＬＩ補助ラムサーボユニット７０の構成に関する説明は省略する。

図１に示すように、モータ駆動粉末成形機１は、例えば、基台６０上に設置されている。モータ駆動粉末成形機１は、基台６０に垂直な方向に延びた直方体状の形状をしている。モータ駆動粉末成形機１は、ＬＩメインラムサーボユニット１０、下型（ＬＩ）２０、上型（ＵＲ）３０、ＵＲメインラムサーボユニット４０及び制御装置５０を備える。

モータ駆動粉末成形機１において、上型（ＵＲ）３０及び下型（ＬＩ）２０を用いて形成されるキャビティ内に粉末材料が充填される。そして、充填された粉末材料に、ＵＲメインラムサーボユニット４０及びＬＩメインラムサーボユニット１０によって圧力をかけることによって圧縮成形を行う。ＵＲメインラムサーボユニット４０は、主軸を介して上型（ＵＲ）３０を動作させる。また、ＬＩメインラムサーボユニット１０は、主軸を介して下型（ＬＩ）２０を動作させる。その際、上型（ＵＲ）３０及び下型（ＬＩ）２０は一方向、例えば、鉛直方向に移動する。

下型（ＬＩ）２０の下部に回転機構を設けてもよい。このとき、回転機構は、下型（ＬＩ）２０を水平面上において回転させてもよい。なお、水平面とは、厳密に水平な面に限らず、技術的目的に照らして、ある程度傾いた面を含む。

図１に示すように、ＬＩメインラムサーボユニット１０は、モータ駆動粉末成形機１の下部に設けられてもよい。ＬＩメインラムサーボユニット１０は、サーボモータを備えてもよい。このとき、サーボモータは下型（ＬＩ）２０を移動させる。サーボモータは、下型（ＬＩ）２０の移動及び粉末材料の圧縮成形に用いられる。

図１に示すように、上型（ＵＲ）３０は、下型（ＬＩ）２０上に配置されている。上型（ＵＲ）３０及び下型（ＬＩ）２０は、キャビティ内に充填された粉末材料を圧縮成形する金型である。

ＵＲメインラムサーボユニット４０は、上型（ＵＲ）３０上に設けられている。ＵＲメインラムサーボユニット４０は、サーボモータを備えてもよい。また、サーボモータは複数設けられてもよい。ＵＲメインラムサーボユニット４０は、上型（ＵＲ）３０を移動させる。

制御装置５０は、モータ駆動粉末成形機１の上型（ＵＲ）３０及び下型（ＬＩ）２０の移動速度を制御する。制御装置５０は、サーボモータを制御することによって、下型（ＬＩ）２０及び上型（ＵＲ）３０を移動させる。

ＬＩ補助ラムサーボユニット７０は、下型（ＬＩ）２０の下部に設けられる。ＬＩ補助ラムサーボユニット７０は、補助ラム駆動スライドを備えてもよい。このとき、補助ラム駆動スライド上に直動ボールネジを配置してもよい。ＬＩ補助ラムサーボユニット７０は、ＬＩメインラムサーボユニット１０と同期して動作することによって、下型（ＬＩ）２０の動作速度を制御する。ＬＩ補助ラムサーボユニット７０は、充填された粉末材料に、補助軸を介して下型（ＬＩ）２０を動作させることによって圧力をかけ、圧縮成形を行う。

ＵＲ補助ラムサーボユニット８０は、上型（ＵＲ）３０の上部に設けられる。ＵＲ補助ラムサーボユニット８０は、補助駆動スライドを備えてもよい。このとき、補助ラム駆動スライド上に直動ボールネジを配置してもよい。ＵＲ補助ラムサーボユニット７０は、ＵＲメインラムサーボユニット４０と同期して動作することによって、上型（ＵＲ）３０の動作速度を制御する。ＵＲ補助ラムサーボユニット８０は、充填された粉末材料に、補助軸を介して上型（ＵＲ）３０を動作させることによって圧力をかけ、圧縮成形を行う。

主軸ロードセル１４ａは、主軸に設けられ、補助軸ロードセル１４ｂ、１４ｃは、補助軸に設けられる。ロードセル１４ａ、１４ｂ、１４ｃは、軸方向にかかる圧力の圧力検出手段として用いられる。そのため、ロードセル１４ａ、１４ｂ、１４ｃに代わって圧力計等の圧力検出手段を用いてもよい。また、ロードセルは主軸又は補助軸のいずれか一方に設けられてもよい。

このとき、制御装置５０はロードセル１４ａ、１４ｂ、１４ｃを用いてそれぞれの軸方向にかかる圧力を監視する。制御装置５０は、ロードセル１４ａ、１４ｂ、１４ｃが検出した圧力に基づいて、これらの圧力が所定範囲に収まるように、ＬＩメインラムサーボユニット１０とＬＩ補助ラムサーボユニット７０の少なくとも一方の動作速度を制御してもよいし、ＬＩメインラムサーボユニット１０とＬＩ補助ラムサーボユニット７０の両方の動作速度を制御してもよい。制御装置５０は、ロードセル１４ａ、１４ｂ、１４ｃが検出した圧力に基づいて、これらの圧力が所定範囲に収まるように、ＵＲメインラムサーボユニット４０とＵＲ補助ラムサーボユニット８０の少なくとも一方の動作速度を制御してもよいし、ＵＲメインラムサーボユニット４０とＵＲ補助ラムサーボユニット８０の両方の動作速度を制御してもよい。

また、ロードセル１４ａ、１４ｂ、１４ｃに急激な加圧速度上昇が起こる場合、設備の破損を防止するため、上下それぞれの主軸及び補助軸のボールネジとロードセル１４ａ、１４ｂ、１４ｃの間に、主軸用圧力吸収部材１５ａ及び補助軸用圧力吸収部材１５ｂ、１５ｃを備える。主軸用圧力吸収部材１５ａ及び補助軸用圧力吸収部材１５ｂ、１５ｃは、機械的な衝撃吸収部材であって、例えば簡易的な油圧シリンダによって構成されてもよい。主軸用圧力吸収部材１５ａ及び補助軸用圧力吸収部材１５ｂ、１５ｃは、主軸１１及び補助軸１２、１３の少なくとも一方に、軸方向にかかる圧力が所定値以上の場合に作動してもよい。このとき、それぞれの圧力吸収部材の作動を検知するセンサを備えて、主軸用圧力吸収部材１５ａ及び補助軸用圧力吸収部材１５ｂ、１５ｃの作動を、制御装置５０が検知してもよい。

ここで、所定値は、制御装置５０が型の動作速度を制御する際の、軸方向にかかる圧力の所定範囲の上限値よりも高い値である。また、所定値は、上型（ＵＲ）３０又は下型（ＬＩ）２０の一方の型が移動することにより、弾性的に後退する圧力がかかる方向に移動する他方の型が、可動範囲の限界位置に達したときに前記軸方向にかかる圧力よりも小さい値である。

さらに、上型（ＵＲ）３０及び下型（ＬＩ）２０の位置を、リニアセンサを用いて監視する構成を採用してもよい。このとき、制御装置５０は、リニアセンサを用いて上型（ＵＲ）３０及び下型（ＬＩ）２０の実速度を取得してもよい。ここで、実速度とは実際の速度を示し、例えば上型の位置の移動に基づいて算出した上型の実際の速度をいう。補助軸１２，１３を主軸１１と同期して動作させることにより、綿密な成形を可能とし、複雑な焼結部品を高精度に型打ちすることができる。

モータ駆動粉末成形機１の動作として、粉末材料の成形方法及び粉末成形におけるモータ駆動粉末成形機１の制御方法を説明する。キャビティ内に充填させた粉末材料の成形方法として、例えば、比例成形を用いる。比例成形とは、上型（ＵＲ）３０に対し、下型（ＬＩ）２０を一定の割合で遅延させ、圧縮を行う成形方法である。

本実施形態におけるモータ駆動粉末成形機１によれば、設備の破損の原因となる急激な加圧速度上昇を抑制することができる。また、主軸用圧力吸収部材１５ａ及び補助軸用圧力吸収部材１５ｂ、１５ｃを備えることにより、フェールセーフ機能として設備の破損を防止することができる。

＜実施形態２＞
本実施形態に係るモータ駆動粉末成形機１を、図３を用いて説明する。図３は、本実施形態に係るモータ駆動粉末成形機１の構成を示した断面図である。本実施形態におけるモータ駆動粉末成形機１は、実施形態１の場合と異なり、ＬＩメインラムサーボユニット１０を２基備える。

図３に示すように、ＬＩメインラムサーボユニット１０は、モータ駆動粉末成形機１の下部に設けられてもよい。ＬＩメインラムサーボユニット１０は、サーボモータを備えてもよい。２基のＬＩメインラムサーボユニット１０は、下型（ＬＩ）２０の下方に配置され、水平方向に間隔を空けて配置されている。なお、ＬＩメインラムサーボユニット１０は、２基に限らず、３基以上の複数基備えてもよい。

図３に示すように、２基のＬＩメインラムサーボユニット１０は、水平方向に延びたＬＩメインラムサーボユニット連結バー１６の両端に、それぞれ接続され、リンクされている。このように、連結バー１６は、２基のＬＩメインラムサーボユニット１０のリンク機構となっている。よって、２基のＬＩメインラムサーボユニット１０は同期して動作する。リンク機構は、２基のサーボモータの間を鉛直方向に移動してもよい。

本実施形態におけるモータ駆動粉末成形機のように、２基のＬＩメインラムサーボユニット１０を、連結バー１６を介して配置することによって、下型（ＬＩ）２０の移動及び粉末材料の圧縮に必要な力を、２基のＬＩメインラムサーボユニット１０に分担させることができ、ＬＩメインラムサーボユニット１０を小型化することができる。

また、下型（ＬＩ）２０又は上型（ＵＩ）３０のいずれかの型が可動範囲の限界位置に達したことにより、急激な圧力上昇が起こった場合には、連結バー１６が弾性変形することによって、成形後の製品に対するクッションの役割を果たす。よって、連結バー１６を用いたリンク機構を有することによって設備が破損する恐れを軽減することができる。

以上、本発明を上記実施形態に即して説明したが、本発明は上記実施形態の構成にのみ限定されるものではなく、本願特許請求の範囲の請求項の発明の範囲内で当業者であればなし得る各種変形、修正、組み合わせを含むことは勿論である。

１モータ駆動粉末成形機
１０ＬＩメインラムサーボユニット
１１主軸
１２、１３補助軸
１４ａ主軸ロードセル
１４ｂ、１４ｃ補助軸ロードセル
１５ａ主軸用圧力吸収部材
１５ｂ、１５ｃ補助軸用圧力吸収部材
１６連結バー
２０下型（ＬＩ）
３０上型（ＵＲ）
４０ＵＲメインラムサーボユニット
５０制御装置
６０基台
７０ＬＩ補助ラムサーボユニット
８０ＵＲ補助ラムサーボユニット

Claims

上型と下型を用いて成形を行うモータ駆動粉末成形機であって、
前記上型と前記下型それぞれに、主軸を介して型を動作させるメインラムと、前記メインラムと同期して、補助軸を介して型を動作させる補助ラムを備え、
前記メインラム及び前記補助ラムの少なくとも一方に、軸方向の圧力を検出する圧力検出手段を備え、
検出した前記圧力に基づいて、前記圧力が所定範囲に収まるように前記メインラムと前記補助ラムの少なくとも一方による型の動作速度を制御する制御手段と、
を備えたモータ駆動粉末成形機。
前記モータ駆動粉末成形機は、前記主軸及び前記補助軸の少なくとも一方に、軸方向にかかる圧力が所定値以上の場合に作動し、当該圧力を吸収する圧力吸収部材を備えた、
請求項１に記載のモータ駆動粉末成形機。
前記所定値は、前記所定範囲の上限値よりも高い値である、
請求項２に記載のモータ駆動粉末成形機。
前記所定値は、一方の型が移動することにより、弾性的に後退する前記圧力がかかる方向に移動する他方の型が、可動範囲の限界位置に達したときに前記軸方向にかかる圧力よりも小さい値である、
請求項２又は３に記載のモータ駆動粉末成形機。
前記圧力吸収部材は、油圧シリンダにより構成される、
請求項２～４のいずれか１項に記載のモータ駆動粉末成形機。
前記圧力検出手段は、
前記メインラムと前記補助ラムの両方に対して設けた、
請求項１～５のいずれか１項に記載のモータ駆動粉末成形機。
前記圧力検出手段は、
前記上型と前記下型のそれぞれに設けられた前記メインラムと前記補助ラムの全てに対して設けた、
請求項６に記載のモータ駆動粉末成形機。
前記制御手段は、
前記全ての圧力検出手段により検出された圧力が所定範囲に収まるように前記動作速度を制御する、
請求項７に記載のモータ駆動粉末成形機。