JP2022190927A - 被加工材の不良検出装置及び被加工材の不良検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被加工材に発生する異常をより確実に検出できると共に、異常が発生している箇所の特定も容易になる被加工材の不良検出装置を提供する。【解決手段】圧力センサ７をプレス機１のパンチ３に、被加工材６との接触面圧を測定するように配置し、ロガー１３によって圧力センサ７より出力される信号の電圧値をデータとして記録する。データ処理装置１４は、ロガー１３に記録されたデータを処理することで被加工材６にワレが発生したか否かを判定する。【選択図】図１

Description

本発明は、被加工材を塑性加工する装置に適用され、被加工材の不良検出する装置及び
方法に関する。

例えば特許文献１では、プレス加工を行う装置において塑性加工材の良否を判別するため、ＡＥセンサをプレス装置のプレスベッド側に配置し、そのセンサにより検知される弾性波の波形を評価することで異常を判別している。

特許第４７２４５８号公報

しかしながら、特許文献１の構成では、ＡＥセンサを配置する位置がプレス加工が行われる位置から離れているため、センサ信号の強度が低下して不良品の判別が困難であると共に、不良が発生している箇所の判別も困難であるという問題があった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、被加工材に発生する異常をより確実に検出できると共に、異常が発生している箇所の特定も容易になる被加工材の不良検出装置及び被加工材の不良検出方法を提供することにある。

請求項１記載の被加工材の不良検出装置によれば、圧力センサを、パンチ及びダイの一方又は両方に被加工材との接触面圧を測定するように配置し、データ記録部は、圧力センサより出力される信号の電圧値をデータとして記録する。データ処理部は、データ記録部に記録されたデータを処理することで被加工材にワレが発生したか否かを判定する。このように構成すれば、パンチ又はダイの少なくとも一方に配置されたに圧力センサよって、被加工材に加えられる圧力をより直接的に測定できる。そして、その圧力が変化する態様に基づいて、被加工材にワレが発生したか否かをより確実に判定できる。

請求項２記載の被加工材の不良検出装置によれば、圧力センサに薄膜圧力センサを用いるので、実働状態の系を変化させることなく、被加工材の接触面圧を高精度に測定できる。

請求項３記載の被加工材の不良検出装置によれば、薄膜圧力センサの感圧部を、被加工材の接触面に係るように配置する。データ処理部には、ワレが発生していない被加工材について得られた圧力センサの出力信号の電圧波形を、標準電圧波形として予め記憶しておく。そして、データ処理部は、被加工材の加工中に得られる前記信号の電圧波形及び前記標準電圧波形について、パンチと被加工材との接触面積が急激に拡大する期間における圧力の低下率を比較することで前記判定を行う。

本願発明の発明者らは、被加工材の加工中において、パンチとの接触面積が急激に拡大する期間に被加工材にワレが発生すると、その接触面圧は、ワレが発生しない被加工材に比較して急激に低下することを見出した。そこで、データ処理部が上記のように判定を行うことで、被加工材にワレが発生したことを確実に判定できる。

第１実施形態であり、据え込み加工を行うプレス機及び被加工材の不良検出装置の構成を示す図 パンチに圧力センサが取り付けられた状態を示す側面図 図２に示す圧力センサを、下方から見た図 薄膜圧力センサの層構造を模式的に示す図 被加工材にパンチが接触した後の変位量に応じた、圧力センサにより検出される圧力値及びロードセル荷重の変化を示す図 被加工材にワレが発生しない場合と発生した場合との圧力低下率を示す図 被加工材にパンチが接触した後の変位量に応じた、接触面積及び被加工材の直径の変化を示す図 不良判定処理を示すフローチャート 被加工材の外周部と中央部とで検出される圧力の変化を示す図 第２実施形態であり、圧力センサの配置のバリエーションを示す図 第３実施形態であり、押し出し加工を行うプレス機に適用した場合を示す図（加工前） 押し出し加工を行うプレス機に適用した場合を示す図（加工後） 第４実施形態であり、前方押し出し加工を行うプレス機に適用した場合を示す図（加工前） 押し出し加工を行うプレス機に適用した場合を示す図（加工後） 第５実施形態であり、側方押し出し加工を行うプレス機に適用した場合を示す図（加工前） 側方押し出し加工を行うプレス機に適用した場合を示す図（加工後） 第６実施形態であり、絞り加工を行うプレス機に適用した場合を示す図（加工前） 絞り加工を行うプレス機に適用した場合を示す図（加工後） 第７実施形態であり、曲げ加工を行うプレス機に適用した場合を示す図（加工前） 押し出し加工を行うプレス機に適用した場合を示す図（加工後）

（第１実施形態）
図１に示すように、プレス機１は、上側ダイ２に配置されたパンチ３と、下側ダイ４に配置されたカウンタパンチ５とを備えている。カウンタパンチ５の上面部には、例えば円柱状の金属である被加工材６が載置される。プレス機１では、パンチ３が被加工材６に上方より圧力を加えることで、被加工材６を据え込み加工する。パンチ３の加工面である下面部には、圧力センサ７が配置されている。

図２から図４に示すように、圧力センサ７は例えば薄膜圧力センサであり、円柱状のパンチ３の下面部を覆うように配置されている。圧力センサ７は、例えば２つの感圧部８ａ，８ｂを有しており、感圧部８ａはパンチ３の中央部に配置され、感圧部８ｂは、図３に波線で示す、被加工材６がパンチ３に接触する面の端部に係る位置，つまり被加工材６の上面外周部６ａに係る位置に配置される。尚、感圧部８は、外周部６ａに係る位置に２つ以上配置しても良い。感圧部８には、圧力の変化を電気抵抗の変化として検出するピエゾ抵抗効果を有する感圧膜を用いる。

図４に示すように、圧力センサ７は、約１０μｍ程度の薄膜で構成され、上記の感圧部８に相当し、パターン形成された感圧膜１０１の上下を、絶縁膜１０２Ｕ，１０２Ｄにより挟み込んだ層構造となっている。また、絶縁膜１０２Ｕ側には、パンチ３との密着性を向上させるために密着膜１０３が配置され、圧力センサ７は、密着膜１０３を介してパンチ３の下面に密着されている。一方、絶縁膜１０２Ｄ側には、必要に応じて、パンチ３による加工圧力への耐久性を確保するための保護膜１０４を配置しても良い。

圧力センサ７の感圧部８に対して、一対の電流印加端子９ａ及び９ｂと、一対の電圧測定端子１０ａ及び１０ｂとが設けられており、これらの端子９及び１０とが感圧部８と４本の配線１１により接続されている。電流印加端子９には、図示しない電流源が接続される。電圧測定端子１０は、図１に示すアンプ１２の入力端子に接続される。これにより、４端子法によって、感圧部８における感圧膜１０１の抵抗値変化を高精度に検出する。また、感圧部８から片側１本ずつ計２本の配線１１を有する構成でも検出可能であるが、その際に配線１１の抵抗値は、感圧部８の抵抗値に対して１％以下であると良い。

アンプ１２は、圧力センサ７より出力される電圧信号を増幅して、データ記録部の一例であるロガー１３に出力する。ロガー１３は、入力される電圧信号をＡ／Ｄ変換したデータを内部のメモリに時系列で記録する。データ処理部であるデータ処理装置１４は、ロガー１３に記録されているデータの時系列変化に基づいて、プレス機１により加工が行われている被加工材６にワレが発生したか否かを判定する。例えば、ロガー１３及びデータ処理装置１４としての機能は、パーソナルコンピュータで実現しても良い。

次に、本実施形態において、被加工材６にワレが発生したことを判定するための原理について説明する。プレス機１のパンチ３により被加工材６の据え込み加工を行う際には、圧力センサ７によって、被加工材６の接触面の接触圧力を計測し、加工中の圧力波形４１を取得する。図５は、感圧部８ｂにより検出される圧力の波形を示したものである。

被加工材６がパンチ３により押しつぶされ始めると、被加工材６が径方向に拡がることで接触面積が急拡大するため、図６に示すように接触圧力が大きく低下する。図７にも示すように、被加工材を６パンチ３により押し込んで行くと、接触面積が急増し始めるタイミングが存在する。その接触面積が増加するタイミングと同時に被加工材６のワレが発生することを、本発明の発明者らは確認した。また、被加工材６にワレが発生した近傍の感圧部８は荷重を受け持たなくなるため、前記圧力低下率が更に低下する。よって、接触面積が増加する領域の圧力低下率を、ワレが発生しなかった標準状態の低下率と比較することでワレ検出が可能となる。

そこで、接触面積が拡大し始める初期区間４２における圧力波形４１について、変位に対する圧力低下率を算出する。図５では、初期区間４２が、例えば接触開始後の変位が５ｍｍ超から６．５ｍｍ未満となっている。初期区間４２や圧力低下率は、被加工材６の材料や加工条件により決まるため、それらの条件に応じて適宜変更すれば良い。

そして、本発明の発明者らは、初期区間４２における圧力低下率は、加工中にワレが発生しなかったものに比較して、加工中にワレが発生したものは圧力低下率がより大きくなることを見出した。

次に、本実施形態の作用について説明する。図８に示すように、加工中にワレが発生しなかった被加工材６の圧力波形４１を標準圧力波形４１ａとして取得し、予めデータ処理装置１４に記憶する（Ｓ１）。そして、標準圧力波形４１ａから圧力低下率Ｒ_ｓを算出する（Ｓ２）。また、実際に被加工材６を加工している際の圧力波形４１ｂを取得し（Ｓ３）、その圧力波形４１ｂから圧力低下率Ｒ_ｎを算出する（Ｓ４）。尚、低下率Ｒ_ｓ，Ｒ_ｎは絶対値とする。

そして、圧力低下率Ｒ_ｎ，Ｒ_ｓを比較し、（Ｒ_ｎ≧Ｒ_ｓ）であれば（ＹＥＳ）被加工材６にワレは発生しておらず「正常」と判定し（Ｓ６）、（Ｒ_ｎ＜Ｒ_ｓ）であれば（ＮＯ）被加工材６にワレが発生しており「不良」と判定する（Ｓ７）。

また、図９に示すように、パンチ３の中央部に配置した圧力センサ７の感圧部８ａにより検出される接触圧力の最大値は、感圧部８ｂにより検出される接触圧力の最大値よりも高くなる。感圧部８ａより得られる接触圧力を計測することで、パンチ３の損傷の有無も検知することが可能となる。

以上のように本実施形態によれば、圧力センサ７をプレス機１のパンチ３に、被加工材６との接触面圧を測定するように配置し、ロガー１３によって圧力センサ７より出力される信号の電圧値をデータとして記録する。データ処理装置１４は、ロガー１３に記録されたデータを処理することで被加工材６にワレが発生したか否かを判定する。

このように構成すれば、パンチ３に配置された加工圧力に耐え得る薄膜圧力センサ７よって、実働状態の系を変化させることなく、被加工材６に加えられる接触面圧を直接的に測定できる。そして、その圧力が変化する態様に基づいて、被加工材６にワレが発生したか否かを高精度に判定できる。

また、圧力センサ７の感圧部８を被加工材６の接触面に係るように配置し、データ処理装置１４には、ワレが発生していない被加工材６について圧力センサ７より出力された信号の電圧波形を、標準電圧波形として予め記憶する。そして、データ処理装置１４は、被加工材６の加工中に得られる前記信号の電圧波形及び前記標準電圧波形について、パンチと被加工材との接触面積が急激に拡大する期間における圧力の低下率を比較することで前記判定を行う。すなわち、被加工材６の加工中にパンチ３との接触面積が急激に拡大する期間に被加工材６にワレが発生すると、その接触面圧はワレが発生しない被加工材６に比較して急激に低下する。したがって、データ処理装置１４が上記のように判定を行うことで、被加工材６にワレが発生したことを確実に判定できる。

加えて、圧力センサの感圧部８ａをパンチ３の中央部に配置し、感圧部８ｂを被加工材６ａに係る位置に配置した。これにより、被加工材６におけるワレの発生を精度良く検出できると共に、パンチ３の損傷の有無についても検出できる。

（第２実施形態）
以下、第１実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明する。図１０に示すように、第２実施形態では、圧力センサ７が７つの感圧部８ａ～８ｇを備えている場合に、そのうち６つの感圧部８ｂ～８ｇを、被加工材６の上面外周部６ａに係る位置に、開き角６０°毎に配置している。このように配置することで、被加工材６のワレが発生した個所が、それぞれ感圧部８ｂ～８ｇに対応する６つの領域の何れに属するかを判定できる。

また、被加工材６の加工前の上面外周部６ａに対して、加工後には上面外周部６ｂまで接触面積が広がることが想定される場合、６つの感圧部８ｂ～８ｇを、外周部６ａから外周部６ｂまでの間に配置したり、外周部６ｂ上に配置しても良い。

（第３実施形態）
図１１及び図１２に示すように、第３実施形態は、パンチ２１並びにダイ２２及びボトムダイ２３により、被加工材２４を押し出し加工するプレス機に適用した場合である。被加工材２４は、ボトムダイ２３上に配置され、パンチ２１によりで押し込み加工されると、ダイ２２とパンチ２１との間において上方に向かって押し出される。

圧力センサ７は、第１実施形態等と同様に、パンチ２１の下面部を覆うように配置されるが、感圧部８の１つを、被加工材２４の不良が発生しやすい部位に対応するＲ部２１Ｒに設けることで、不良検出を精度良く行うことができる。

（第４実施形態）
図１３及び図１４に示すように、第４実施形態は、パンチ３１並びにダイ３２及びボトムダイ３３により、被加工材３４を前方押し出し加工するプレス機に適用した場合である。ボトムダイ３３の中央部には、テーパ部３５及び絞り部３６からなる絞り穴３７が形成されている。ダイ３２側に保持されている被加工材３４に対し、図１４に示すように、パンチ３１により押し出し加工を行うことで、被加工材３４の下部が絞り穴３４に押し出されて、絞り穴３４に嵌合する形状に加工される。

この場合、被加工材３４がボトムダイ３３の絞り部３６を通過する際に、ワレ等の不良が発生し易い。そこで、圧力センサ７を、感圧部８ａ，８ｂがそれぞれテーパ部３５や、テーパ部３５と絞り部３６との境界部に位置するように、それらの内面に貼り付けるように配置する。これにより、被加工材３４の不良検出が可能になる。

（第５実施形態）
図１５及び図１６に示すように、第５実施形態は、パンチ４１並びにダイ４２及びボトムダイ４３により、被加工材４４を側方押し出し加工するプレス機に適用した場合である。ダイ４２及びボトムダイ４３が対向する部分には、図中の左右方向に延びるように絞り穴４５Ｌ，４５Ｒが形成されている。

被加工材４４は、底面部がボトムダイ４３に接する状態で保持されている。図１６に示すように、パンチ４１により押し出し加工を行うことで、被加工材４４の一部が絞り穴４５Ｌ，４５Ｒに押し出される。この場合、被加工材４４が側方に拡大する箇所で被加工材の不良が発生し易い。そこで、圧力センサ７を、ダイ４２及びボトムダイ４３と被加工材４４との接触面に感圧部８が位置するように配置することで、被加工材４４の不良検出が可能になる。

（第６実施形態）
図１７及び図１８に示すように、第６実施形態は、パンチ５１並びにダイ５２及びホルダ５３により、被加工材５４を絞り加工するプレス機に適用した場合である。板状の被加工材５４の端部は、下側のホルダ５３Ｄの上に配置されたダイ５２と、上側のホルダ５３Ｕとの間に挟持されている。そして、図１８に示すように、パンチ５１が被加工材５４の中央部に圧力を加えることで、絞り加工が行われる。尚、抜き加工についても同様の構成で可能である。

この場合、被加工材５４の変形が大きくなるダイ５２のＲ部５２Ｒや、パンチ５１の中央部やＲ部５１Ｒで、被加工材５４の不良が発生し易い。そこで、圧力センサ７を、感圧部８がそれらの位置に係るように配置することで、被加工材５４の不良検出が可能になる。

（第７実施形態）
図１９及び図２０に示すように、第７実施形態は、パンチ６１並びにダイ６２及びホルダ６３により、被加工材６４を曲げ加工するプレス機に適用した場合である。板状の被加工材６４の一端部は、下側のホルダ６３Ｄの上に配置されたダイ６２と、上側のホルダ６３Ｕとの間に挟持されている。そして、図２０に示すように、パンチ６１が被加工材６４他端部に圧力を加えることで、曲げ加工が行われる。

この場合、被加工材６４の変形が大きくなるダイ６２のＲ部６２Ｒやパンチ６１及びダイ６２の側面部で被加工材６４の不良が発生し易い。そこで、圧力センサ７を、感圧部８がそれらの位置に係るように配置することで、被加工材６４の不良検出が可能になる。

（その他の実施形態）
必ずしも感圧部８ａを、パンチ３等の中央部に配置する必要はない。
圧力センサ７は、必ずしも薄膜圧力センサに限らない。プレス機の加工圧力に耐え得るセンサであれば良い。
第２実施形態において、複数の感圧部を配置する開き角は６０°に限らない。
本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

図面中、１はプレス機、２は上側ダイ、３はパンチ、４は下側ダイ５はカウンタパンチ、６は被加工材、７は圧力センサ、８は感圧部、１３はロガー、１４はデータ処理装置を示す。

Claims (12)

1. パンチ（３，２１，３１，４１，５１，６１）及びダイ（４，２２，３２，４２，５２，６２）を用いて被加工材（４，２４，３４，４４，５４，６４）を塑性加工する装置に適用され、
   前記被加工材との接触面圧を測定するように、前記パンチ及びダイの一方又は両方に配置される圧力センサ（７）と、
   この圧力センサより出力される信号の電圧値をデータとして記録するデータ記録部（１３）と、
   このデータ記録部に記録されたデータを処理することで、前記被加工材にワレが発生したか否かを判定するデータ処理部（１４）とを備える被加工材の不良検出装置。
2. 前記圧力センサは、薄膜圧力センサである請求項１記載の被加工材の不良検出装置。
3. 前記薄膜圧力センサは、感圧部が前記被加工材の接触面に係るように配置されており、
   前記データ処理部は、ワレが発生していない被加工材より得られた前記信号の電圧波形を標準電圧波形として予め記憶しており、
   被加工材の加工中に得られる前記信号の電圧波形及び前記標準電圧波形について、前記パンチと前記被加工材との接触面積が急激に拡大する期間における圧力の低下率を比較することで前記判定を行う請求項２記載の被加工材の不良検出装置。
4. 前記圧力センサは、前記被加工材の外形において、加工前に係る位置と、加工後に係る位置との間に配置されている請求項１から３の何れか一項に記載の被加工材の不良検出装置。
5. 前記圧力センサの感圧部（８ｂ～８ｇ）を、前記被加工材が前記パンチに接触する面の端部に係る位置に配置する請求項１から４の何れか一項に記載の被加工材の不良検出装置。
6. 前記圧力センサは複数の感圧部を有しており、
   前記感圧部（８ａ）の１つを、前記パンチの加工面の中央部に係る位置に配置する請求項１から５の何れか一項に記載の被加工材の不良検出装置。
7. パンチ及びダイを用いて被加工材を塑性加工する際に、
   前記被加工材との接触面圧を測定するように、前記パンチ及びダイの一方又は両方に圧力センサを配置し、
   前記圧力センサより出力される信号の電圧値をデータとして記録し、
   記録されたデータを処理することで、前記被加工材にワレが発生したか否かを判定する被加工材の不良判定方法。
8. 前記圧力センサに、薄膜圧力センサを用いる請求項７記載の被加工材の不良検出方法。
9. ワレが発生していない被加工材より得られた前記信号の電圧波形を標準電圧波形として予め記憶し、
   前記薄膜圧力センサの感圧部が、前記被加工材の接触面に係るように配置し、
   被加工材の加工中に得られる前記信号の電圧波形及び前記標準電圧波形について、前記パンチと前記被加工材との接触面積が急激に拡大する期間における圧力の低下率を比較することで前記判定を行う請求項８記載の被加工材の不良検出方法。
10. 前記圧力センサを、前記被加工材の表面において、加工前と加工後との双方に係る位置に配置する請求項７から９の何れか一項に記載の被加工材の不良検出方法。
11. 前記圧力センサの感圧部を、前記被加工材が前記パンチに接触する面の端部に係る位置に配置する請求項７から１０の何れか一項に記載の被加工材の不良検出方法。
12. 複数の感圧部を有する圧力センサを用いる際に、
    前記感圧部の１つを、前記パンチの加工面の中央部に係る位置に配置する請求項７から１１の何れか一項に記載の被加工材の不良検出方法。

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