JP3769612B2

JP3769612B2 - スピニング加工方法

Info

Publication number: JP3769612B2
Application number: JP2001379875A
Authority: JP
Inventors: 裕彦荒井
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2001-12-13
Filing date: 2001-12-13
Publication date: 2006-04-26
Anticipated expiration: 2021-12-13
Also published as: JP2003181555A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スピニング加工方法及びスピニング加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スピニング加工は、成形型に板材のワークをセンタリングして成形型とともに回転させ、それを加工ローラで押し付けて成形加工を行う方法である。金属板を素材とする製品の成形加工法として、家庭用容器、装飾工芸品、照明器具、通信（パラボラアンテナなど）、ボイラ、タンク、ノズル、エンジン部品、タイヤホイールなどの部品・製品の製造に広く用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
スピニング加工では成形型およびワークを回転させながら加工するため、一般には加工ローラの回転軸に平行な方向（回転軸方向という。）へのある送り量に対して、成形型の成形面に対する加工ローラ位置（成形面に対する距離）は一定に保たれる。そのため従来は回転軸に直交する断面形状が回転軸を中心とする円形の製品しか加工することができなかった。
【０００４】
加工ローラをボールねじや油圧シリンダ等のアクチュエータにより一定の力でワークに押し付けることによって加工ローラを成形型に倣わせ、断面が円形以外の製品を加工する方法も発明されている。しかし、成形型の半径方向長さの変化にアクチュエータの応答、例えば油圧シリンダ伸縮の応答が追いつくように、成形型およびワークの回転速度を通常よりも低く抑える必要があり、加工速度が低下する原因となる。
【０００５】
本発明は、従来のスピニング加工における上記問題点を解決することを目的とするものであり、回転軸に直交する断面形状が多角形、楕円など円形ではない製品を、加工速度を低下させることなくスピニング加工する方法を実現することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために、回転する成形型に板材のワークを加工ローラで押し付けて成形加工を行うスピニング加工方法において、角度検出器を備えたモータを用いて上記成形型および上記ワークを回転させ、予め記憶された製品の形状データに基づいて、上記成形型の回転軸方向への加工ローラ送り量および成形型の回転角度に応じ、上記加工ローラを上記成形型の成形面に対して前進または後退させ、成形型の断面形状に沿って上記ワークを加工ローラで成形することにより、断面形状が円形ではない製品をも成形可能なことを特徴とするスピニング加工方法を提供する。
【０００７】
上記加工ローラがワークに接している点の形状に応じて成形型およびワークを回転させるモータの回転速度を制御し、適切な速度で加工を行うことを特徴とする。
【０００８】
上記加工ローラに装着した力センサからのフィードバック信号により加工ローラのワークへの加圧力の補正を行うことを特徴とする。
【０００９】
成形加工前にワークを装着しない成形型に加工ローラを押し付け、成形型を回転させつつ回転軸方向に加工ローラを走査し、成形型の形状データを取得してそれに基づき成形加工時の加工ローラ軌跡を算出することを特徴とする。
【００１０】
本発明は上記課題を解決するために、角度検出器を備えたモータと、該モータにより回転される成形型と、該モータにより回転される板材をワークに押し付けて成形加工を行う加工ローラとを備えたスピニング加工装置において、上記加工ローラは、予め記憶された製品の形状データに基づいて、上記成形型の回転軸方向への加工ローラ送り量および成形型の回転角度に応じ、上記成形型の成形面に対して前進または後退し、上記成形型の断面形状に沿って上記ワークを成形することにより、断面形状が円形ではない製品が成形可能であることを特徴とするスピニング加工装置を提供する。
【００１１】
上記モータは、上記加工ローラが上記ワークに接している点の形状に応じて、回転速度が制御されることを特徴とする。
【００１２】
上記アクチュエータは、上記加工ローラに装着した力センサからのフィードバック信号により制御されて上記ワークへの加圧力の補正を行うことを特徴とする。
【００１３】
上記製品の形状データは、上記ワークを装着しない成形型に加工ローラを押し付け、上記成形型を回転させつつ回転軸方向に上記加工ローラを走査して取得されるものであり、上記製品の形状データに基づき成形加工時の加工ローラ軌跡が算出されることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明に係る実施の形態を実施例に基づいて図面を参照して以下説明する。図１は、本発明のスピニング加工方法及びこの方法を行う装置の概略図である。ワーク１は芯押棒２ａによって成形型２にセンタリングされ、エンコーダ・レゾルバなどの角度検出器３ａを備えたモータ３で駆動される成形型２とともに回転する。成形型２は、モータ３で駆動される回転軸８（以下、成形型の「回転軸」という。）にチャック等の取り付け手段で装着可能である。モータ３は、その回転速度がサーボ制御されるように構成されている。
【００１５】
加工ローラ４が押圧方向直動テーブル５に設置されている。この押圧方向直動テーブル５は、図示しないボールねじや油圧シリンダ等のアクチュエータで駆動され、加工ローラ４を、成形型２の成形面に対して（正確には、成形型２がセンターリングして取り付けられる回転軸８の軸芯に一定の角度をもっており、成形型２の成形面に対して接近したり離れたりする方向Ａである「押圧方向」に対して）前進あるいは後退させる。軸方向直動テーブル６は、回転軸８に平行な方向（以下、回転軸方向という）Ｂに移動可能である。
【００１６】
なお、軸方向直動テーブル６に対して、軸方向直動テーブル６の面に平行な面内で押圧方向直動テーブル５を回転方向の位置を調整可能とする構成を採用すれば、押圧方向直動テーブル５の直動方向（図１中の矢印Ａ方向）を成形型２の成形面２’に対する角度を調整することができる。これにより、各種形状の成形型２に対してその成形面２’に直角方向に直動できるように予め設定できる。
【００１７】
押圧方向直動テーブル５及び軸方向直動テーブル６は、夫々送り量を検出するエンコーダ・ポテンショメータなどの変位センサを備えるものとする。また加工ローラ４はロードセルなどの力センサ７を備え、ワーク１に加える加圧力を検出できる。加工ローラ４によりワーク１を成形型２に押し付け、初期形状である平板１ａから最終的には成形型２に沿った形状１ｂにワーク１を加工する。
【００１８】
成形型２の回転軸８に直交する断面形状が回転軸を中心とする円でない場合、押圧方向直動テーブル５の押圧方向の移動ストロークは回転角に応じて変動する。そこで、成形加工の開始前に、製品のCADデータあるいは成形型２の形状測定結果などに基づき、加工中の加工ローラ４の軌跡を算出する。
【００１９】
製品の形状が角錐台（角錐形）である場合の例を図２に示す。図２において、角錐形の成形型２の断面９における半径長の変動から、それに対応する加工ローラ４の回転軸方向の送り量に対して、加工ローラ４が製品形状に接するための加工ローラ４の成形型２の成形面２’に対する送り量（押圧方向の送り量）１１が算出される。
【００２０】
また、角錐形の成形型２の別の断面１０に対応する回転軸方向の送り量に対しては、成形型２の成形面２’に対する送り量（押圧方向の送り量）１２が算出される。このように加工ローラ４の軌跡データは回転軸方向の送り量と成形型２の回転角を引数とする加工ローラ４の押圧方向の送り量の表として算出され記憶される。また、絞り加工においては初期形状である平板からワーク１を徐々に変形して最終的に成形型２に密着させることが望ましい。
【００２１】
そこで、加工の始まりから最終仕上げまでの途中経過における各段階のワーク１の目標形状を補間などによって求め、そのそれぞれについてこうした加工ローラ軌跡データの表を用意する。
【００２２】
図３に成形加工中における制御の概要を示す。回転軸コントローラ１４は、成形型２を回転させるモータ３に装着された角度検出器３ａから回転角信号を取得し、目標回転角との偏差に基づいてモータ３の回転速度をサーボ制御する。回転軸方向送りコントローラ１５は軸方向直動テーブル６から変位センサ信号を取得し、目標送り量との偏差に基づいて回転軸方向直動テーブル６の移動をサーボ制御する。
【００２３】
回転軸８に平行な方向の送り量および回転角信号に基づき、加工ローラ軌跡データ１６のテーブルルックアップにより加工ローラ４の押圧方向の送り量を読み出し、これを目標値として押圧方向送りコントローラ１７に送る。押圧方向送りコントローラＤは押圧方向直動テーブル５から変位センサ信号を取得し、目標送り量との偏差に基づいて押圧方向直動テーブル５を駆動することにより加工ローラ４の図１における矢印Ａ方向送り量を制御する。
【００２４】
以上により加工ローラ４は、ワーク１の目標形状に沿って制御され、最終的に成形型２に密着する形状に成形加工される。ここでは加工ローラ４の軌跡を成形加工前に予め算出して記憶したが、成形加工中に製品形状データに基づき回転角と回転軸方向の送り量から、図１における矢印Ａ方向の送り量を計算することも可能である。
【００２５】
製品形状がテーパーやくびれを持つ場合、加工ローラがワークと接触する点の送り方向の位置が変化する。回転軸の回転速度が一定の場合、回転半径が大きいほどワーク表面に対する加工ローラの相対速度が大きくなり、場所によって速度に差が出る。また回転軸に直交する断面形状が円形でない場合は、同じ断面周上でも加工ローラ速度が変化する。こうした不均一な加工ローラ速度は加工むらの原因となる恐れがある。
【００２６】
さらに、製品形状が曲率半径の小さな角を持つ場合、そこを加工ローラが通過する際には、図２のグラフ上の点１３に示すように送り方向の送り速度が急激に変化する。こうした変化は送り方向送りの軸方向直動テーブル６の応答が追いつかないなど制御上好ましくない。
【００２７】
そこで、加工ローラ４がワーク１に接している点の回転半径が大きいほどワーク１の回転速度を小さくする、またワーク１の曲率半径が小さな点の近辺ではワーク１の回転速度を小さくするなど、加工ローラ４がワーク１に接している点の形状に応じて成形型２およびワーク１を回転させるモータ３の回転速度を制御し、適切な速度で加工を行う。
【００２８】
ワーク１が最終形状に近づき、成形型２と密着した状態で加工ローラ４を押し付ける段階では、加工ローラ軌跡データ１６に誤差が存在すると、加工ローラ４やワーク１に過大な力が加わる、あるいは逆に加工ローラ４やワーク１が成形型２から浮くなどの恐れがある。CADデータに対する成形型２の製作誤差、成形型２の測定誤差、加工による成形型２の熱膨張、制御における応答の遅れなどによりこうした誤差が生ずる可能性がある。
【００２９】
そこで、図１に示すように加工ローラ４にロードセルなどの力センサ７を装着し、加圧力を検出する。検出された力信号を押圧方向送りコントローラ１７にフィードバックし、押圧方向直動テーブル５を駆動することによって加圧力を補正する。
【００３０】
また、この力センサ７を利用し、成形加工前に成形型２から直接加工ローラ軌跡１６を取得することもできる。図１の力センサ７で検出された力信号により、加工ローラ４に一定の加圧力が加わるようにフィードバック制御を行い、押圧方向直動テーブル５を駆動する。成形型２にワーク２を取り付けない状態で加工ローラ４を密着させ、成形型２をモータ３により低速で回転させつつ軸方向直動テーブル６で回転軸方向に加工ローラ４を走査する。
【００３１】
その際の回転軸方向直動テーブル６による回転軸方向の送り量とモータ３の回転角に対応する押圧方向直動テーブル５の押圧方向の送り量を記憶する。このデータを製品肉厚を考慮して補正すれば、最終仕上げ段階における加工ローラ軌跡データ１６が得られる。
【００３２】
また、加工前の平板のワーク１ａを成形型２に取り付け、ワーク１ａが変形しない程度の加圧力で加工ローラ４を押し付け、同様に軸方向直動テーブル６による回転軸方向送り量とモータ３の回転角に対応する押圧方向直動テーブル５の押圧方向の送り量を記憶する。このときの加工ローラ軌跡データと最終仕上げ段階における加工ローラ軌跡データを補間することにより、加工途中の段階における加工ローラ軌跡データが簡便に算出できる。
【００３３】
以上本発明に係るスピニング加工方法を実施例に基づいて説明したが、本発明はこのような実施例に限定されることなく、特許請求の範囲記載の技術的事項の範囲内でいろいろな実施の態様があることは言うまでもない。
【００３４】
【発明の効果】
以上の構成による本発明によれば次のような効果が生じる。
（１）回転軸に直交する断面形状が多角形、楕円など円形ではない製品のスピニング加工が可能となる。加工ローラは成形型の断面形状に応じて前進／後退するため加工ローラに過大な力が加わらず、成形型およびワークの回転速度を必要以上に低下させる必要がない。
【００３５】
（２）加工ローラのワークに対する相対速度が均一になり、曲率半径の小さな角の部分も正確に加工できるなど、適切な速度で加工が行われる。
【００３６】
（３）加工ローラの軌跡データに多少の誤差が存在する場合にも加工ローラは適切な加圧力でワークを成形型に押し付け、均一な加工が行われる。
【００３７】
（４）成形型から直接簡便な方法で加工ローラの軌跡データが取得できる。加工とほぼ同じ状態で測定を行うため、原点合わせや加工ローラ形状によるデータ補正を行う必要がない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のスピニング加工方法を行う装置の概略図を示す。
【図２】本発明の製品の断面形状と押圧方向の送り量の関係を示す図である。
【図３】本発明の成形加工中における制御の概要を示す図である。
【符号の説明】
１ワーク
１ａワーク初期形状
１ｂワーク最終形状
２成形型
２’ 成形面
２ａ芯押棒
３モータ
３ａ角度検出器
４加工ローラ
５押圧方向直動テーブル
６軸方向直動テーブル
８回転軸
７力センサ
９、１０成形型断面
１１、１２加工ローラの押圧方向の送り量
１３成形型の角における送り量
１４回転軸コントローラ
１５回転軸方向送りコントローラ
１６加工ローラ軌跡データ
１７押圧方向送りコントローラ

Claims

回転する成形型に板材のワークを加工ローラで押し付けて成形加工を行うスピニング加工において、角度検出器を備えたモータを用いて上記成形型および上記ワークを回転させ、予め記憶された形状データに基づいて、上記成形型の回転軸方向への加工ローラ送り量および成形型の回転角度に応じ、上記加工ローラを上記成形型の成形面に対して前進または後退させ、成形型の断面形状に沿って上記ワークを加工ローラで成形することにより、断面形状が円形ではない製品をも成形可能なスピニング加工方法であって、
成形加工前に上記ワークを装着しない上記成形型に上記加工ローラを押し付け、上記成形型を回転させつつ回転軸方向に上記加工ローラを走査し、上記成形型の回転軸方向への加工ローラの送り量および成形型の回転角度の両者に依存する加工ローラの押圧方向の送り量に対応する上記成形型の形状データを取得してそれに基づき成形加工時の上記加工ローラ軌跡を算出することを特徴とするスピニング加工方法。
角度検出器を備えたモータと、該モータにより回転される成形型と、該モータにより回転される板材をワークに押し付けて成形加工を行う加工ローラとを備えたスピニング加工装置において、上記加工ローラは、予め記憶された形状データに基づいて、上記成形型の回転軸方向への加工ローラ送り量および成形型の回転角度に応じ、上記成形型の成形面に対して前進または後退し、上記成形型の断面形状に沿って上記ワークを成形することにより、断面形状が円形ではない製品が成形可能なスピニング加工装置であって、
上記ワークを装着しない上記成形型に上記加工ローラを押し付け、上記成形型を回転させつつ回転軸方向に上記加工ローラを走査して取得される、上記成形型の回転軸方向への加工ローラの送り量および成形型の回転角度の両者に依存する加工ローラの押圧方向の送り量に対応する上記成形型の形状データに基づき成型加工時の上記加工ローラ軌跡が算出されることを特徴とするスピニング加工装置。