JP3849027B2 - プレス加工用金型台およびプレス機 - Google Patents

Description

本発明は、プレス用金型台とプレス機に関し、特に転写加工などを行うプレス機の金型を支持する金型台に関する。

プレス用金型は、剛性を高めることで変形を防止し寿命を確保する必要があった。したがって、加工中や加工後に材料自体が不測の変形をして形状精度や成形結果に不足が生じた場合などに金型形状を修正する必要が生じると、膨大な手間と時間を要することになる。また、本格生産前の試し加工において金型の修正を必要とするときにも、同様に加工の困難性が障害となっていた。

本願出願人は、既に特願２００３−３７５８７７により、表面形状を調整することができる金型を開示している。
開示した金型は、非特許文献１に記載されたようなＩＴ親和性加工技術に適合するように開発された、形状可変金型である。
ちなみに、ＩＴ親和性加工技術とは、加工技術自体の精度向上を目的として加工技術を改良する観点ではなく、ＩＴ、特にデータベース、シミュレーション、エキスパートシステムにおける解の正確性、安定性、再現性に都合がよいように加工プロセスを改良する観点に基づいて改良する加工技術である。

こうしたＩＴ親和性加工技術により、加工技術そのものの精度は向上しなくても、ＩＴアプリケーションの実行結果を精密に再現することができるため、トータルの加工精度や、作業工数・時間を減少させることができる。
開示された金型は、塑性加工に関して蓄積したデータベースを活用してシミュレーションにより解析した結果に適合するように加工条件を調整できるようにしたものであるから、一般のプレス加工において金型形状を修正しようとする場合にもこの要求に対応することができる。
大橋隆弘「ものづくり・ＩＴ融合化推進事業とネットワーク加工技術データベースシステム」精密工学会主催第２８４回講習会「２１世紀のモノづくりと技能・技術の伝承」テキスト

そこで、本発明が解決しようとする課題は、新しい原理に基づいて金型形状を調整することができる金型台を提供することである。また、新しい原理の金型台を組み込んだプレス機を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明の金型台は、プレス機における金型と金型取り付けプレートの間に介装するものであって、軸方向に弾性変形する起歪体を複数配置して金型を支持し、プレス加工時に押圧により起歪体が変形して生ずる支持位置の沈み込みによって金型の実質的な表面形状を調整することを特徴とする。ここで起歪体とは、圧力を受けると周囲の物体より大きなひずみを生じる物体を広く指すもので、周囲の物体と対比した材料・材質の差によるばかりでなく形状によっても構成することができる。
プレス機により被加工部材を金型台に載せられた金型の表面に押し付けると、金型を介して起歪体が圧力を受けてバネ定数に従って沈み込みを起こすので、プレス機の押圧に対応して金型表面が所定の形状になり、その変形された金型にしたがって被加工部材の表面が塑性加工され固定される。

たとえば、プレス機に平面ジグを取り付けて押圧すれば、金型の中央部分に力が集まりプレス加工に偏倚を生じるので、この圧力集中効果を相殺するように金型を修正する必要がある。しかし、本発明の起歪体で支持する金型台を使用するときは、起歪体を中央部分の密度が高くなるように分配して配置することにより中央部の起歪体が受ける圧力が周辺部のものと比較して小さくなるため、金型面上の応力分布を平準化することができる。
本発明の金型台は、起歪体の変位によって金型表面形状を調整するものであるから、本発明の金型台を使用するときは、従来のように剛性の高い金型よりむしろ適当に柔軟性を有して起歪体の沈み込みを反映しやすいものを使うことが好ましい。

本発明の金型台では、さらに、起歪体と直列に加圧装置を配設して、プレス加工時の押圧を起歪体と加圧装置で分担することにより、起歪体の弾性変形量を調整するようにすることが好ましい。
なお、加圧装置の圧力源として、油圧発生装置、空気圧発生装置、ピエゾ素子、磁歪素子、リニアモータ、モータとギアの組み合わせ、モータとカム機構の組み合わせ、熱源と熱膨張子の組み合わせ、熱源と遅延弾性物質の組み合わせなどが利用できる。
加圧装置を設置したものでは、加圧装置で加える圧力とプレス圧力の差が起歪体に掛かる圧力になるので、起歪体を変えなくても加圧装置の圧力を調整することによって希望の金型表面形状を形成することができる。

起歪体は、バネ定数に基づいて選択して利用することができる。バネ定数の差は、例えば円柱形状であれば外径と材質によりもたらされる。また円筒形の起歪体であれば同じ材質でも径と肉厚によりバネ定数を調整することができる。あるいは、金型に接する部材とプレス機に接する部分の間にバネを介装して構成された起歪体では、バネの特性を選択することにより簡単にバネ定数を選択することができる。

起歪体はプレス変位に応じてバネ定数が変化するようなものを利用しても良い。起歪体が錐体として形成されたときは、変位が小さいときは小さい力で大きく変化しバネ定数も小さいが、変位が増加するにつれて僅かな変位にも大きな力が必要になりバネ定数が大きくなる。
また、起歪体を２段に分けて、たとえば円柱の周囲に円柱より短い円筒を被せて構成したものでは、変位が円筒の端に達するまではバネ定数が小さいが、その後は円筒のバネ定数が加わるためバネ定数が増加するので、たとえば深絞りでしわなどが生じないように仕上げ加工する場合などに効果がある。

起歪体が弾性部材に歪み検出器を取り付けたロードセル構造のものとして、荷重測定あるいは変位測定ができるようにすることもできる。
さらに、起歪体にロードセル構造のものを選択し、起歪体と直列に加圧装置を配設し、調節装置を備えて、調節装置が起歪体から得られる圧力測定信号を入力して加圧装置の圧力を調整することによって起歪体の支持位置における沈み込み量を制御して金型表面を所望の形状に形成するするようにしてもよい。

本発明の金型台を設備したプレス機は、金型表面形状を容易に調整することができるので、試し加工に基づいてより適正な金型形状に修正する場合も起歪体の設置位置やバネ定数を調整したり、加圧装置が発生する圧力を調整すれば足りるので、従来必要とされた膨大な手間と時間を節約することができる。
特に、転写加工を対象とするときには、金型がほぼ平面上になっており、プレス機はほぼ平面に押圧するので、本発明の金型台によって容易に適切な押圧分布状態を形成することができ、大きな効果を得ることができる。

また、蓄積したデータベースを活用したシミュレーションにより被加工材の形状に適合した金型の最適値を実現するために利用することもできる。被加工材料の試し加工をしたときに、金型の各点において期待した値と異なる現象が生じたときには、起歪体が配置された位置で加圧装置を用いて可動点の浮き沈み量を調整したり、起歪体を再配置して期待値に合うように調整することができ、この調整後の金型は、ＩＴ技術を駆使して予測した塑性加工を実現できるものとなる。こうして、ＩＴ技術と本発明の金型を有機的に融合することにより、ＩＴ技術において得られる解を正確に再現性よく実現させる加工装置となる。

なお、加圧装置を備えて金型表面形状を変化させるようにしたものは、射出成形やダイカストにおいて可塑体を注入する際に金型内に生じる内力を受け止める力で金型を締め付け、成形後に金型を開いて成形品を取り出す型締め装置にも適用することができる。

以下、本発明に係るプレス用金型台およびプレス機を図面を用いて詳細に説明する。
図１は本発明の１実施例における金型台の側面図、図２は金型台の起歪体の配置図、図３は別の配置例を示す金型台の起歪体の配置図、図４は別の態様を持った金型台の側面図、図５はさらに別の態様における起歪体の側面断面図、図６は別の態様を持った起歪体の側面断面図、図７は錐体を起歪体とした金型台の側面図である。

本発明の金型台は、軸方向に弾性変形する起歪体を複数配置して金型を支持し、プレス加工時に押圧により起歪体が変形して生ずる支持位置の沈み込みによって金型の実質的な表面形状を調整する。
起歪体は、圧力を受けて大きなひずみを生じる物体である。沈み込み量はバネ定数に基づいて決まり、バネ定数は起歪体の材質と形状によって選択することができる。起歪体の形状に、円柱、角柱、円筒など、断面が変化しない柱体を選択すると、歪みと圧力の関係が単純で扱いやすい。起歪体にはまた球や錐体など任意の形状を選択することができる。

図１に本発明の１実施例に係る金型台を示す。
本実施例の金型台１は、プレス機のベッド１２と金型支持板１３の間に起歪体１１が複数配置されている。ここでは図示されていないが、金型支持板１３の上に金型が載置され、その上に被加工体を載せて、プラテンで押圧して被加工体に金型表面の凹凸を転写する。
起歪体１１は、金型支持板１３の下に多数配置されていて下面から支持する。起歪体１１は、円柱、角柱、円筒など、軸方向に断面積が変化しない柱状体で構成されている。起歪体１１は、材質や形状寸法に基づいて特定のバネ定数を持ち、プレスの必要に応じて最適のバネ定数を持った起歪体を選択して用いることができる。なお、起歪体にバネを仕込むことによって適宜のバネ定数を有するようにしても良い。

多数配置された起歪体は、プレス圧力が作用しないときには金型支持板１３をほぼ水平に支持していて、押圧が掛かると、起歪体１１のバネ定数によって決まる縮みが生じて、金型支持板１３を支持している位置が沈み込む。
たとえば、プレス時に、金型が有効な面の全てにおいて等高であるためには、適当に配置された起歪体がそれぞれ同じ歪みになればよい。
このため、特に起歪体に歪みゲージを添貼してロードセルと同じ構成として、歪み量あるいは応力を測定できるようにしてもよい。歪みの測定値を比較して、同じ水準に調整することにより金型面の平準化を図り、またその成果を確認することができる。

図２と図３は、起歪体１１の配置例を示す図面である。上側に平面図、下側に側面図を示してある。
起歪体１１は、図２の平面図に示すように、金型台１３の下に均等な密度で配置しても良い。ただし、プレス力が印加されたときに、配置された起歪体１１に発生する歪みあるいは変位に差異がある場合には、起歪体１１の位置を若干ずらして均一な応力分布を得られるように調整すると、金型支持板１３は、支持位置における沈み込み量が等しくなるので水平姿勢を保持することができる。

なお、プラテンの中央部で押圧が高くなるプレス機を使用するときは、図３に示すように、金型が中央部でより大きく沈み込むのを相殺するため、起歪体１１を中央部に相対的に多く配置して、１個の起歪体１１が分担する圧力を弱めることによって、それぞれの支持位置における沈み込み量を均等化して金型を水平に保つようにすることができる。
なお、上記説明では、金型の下に金型支持板１３を配置したが、金型支持板１３を省いて、起歪体の上に金型を直接搭載してもよいことはいうまでもない。

起歪体には能動的素子を組み込むことができる。
図４は、起歪体１５それぞれに加圧装置１６を加えて金型支持板１３の支持装置１４を構成した金型台を示すものである。加圧装置１６は起歪体１５と直列に介装され、プレス加工時の押圧を分担する。加圧装置１６で圧力を発生させる圧力源として、油圧発生装置、空気圧発生装置、ピエゾ素子、磁歪素子、リニアモータ、モータとギアの組み合わせ、モータとカム機構の組み合わせ、熱源と熱膨張子の組み合わせ、熱源と遅延弾性物質の組み合わせなど、様々の圧力発生装置が利用できる。

起歪体１５にはプレス圧力Ｆと加圧装置１６の圧力ｐの差が印加される。したがって、起歪体１５の歪みｘは、起歪体１５のバネ定数をｋとすれば、
ｘ＝（Ｆ−ｐ）／ｋ
となる。
したがって、加圧装置１６で発生する圧力ｐによって、起歪体１５で支持される金型の面の高さを調整することができる。
加圧装置１６を用いると、たとえば金型の水平姿勢が崩れたときにも、圧力調整により容易に適正な姿勢にさせることができる。

また、起歪体のバネ定数は、その値ばかりでなく、力の大きさに従って歪み量が変化するような関係についても、適宜選択することができる。
図５は、起歪体の構成を選択して、歪み量がある値に達するとバネ定数が不連続に変化するようにしたものの断面を表す図面である。
起歪体２１は、円柱２２と円筒２３から構成される。円柱２２は円筒２３より高く、図５（ａ）に示すよう、金型支持板１３は始め円柱２２に支持されている。図示しないプレス機により力Ｆで押圧されると、円柱２２がそのバネ定数に従って縮んで、やがて図５（ｂ）に示すように金型支持板１３が円筒２３にも支持されるようになる。すると、金型支持板１３は、円柱２２のバネ定数と円筒２３のバネ定数を加えて実効的に大きくなったバネ定数にしたがって、プレス機の押圧Ｆにより、それまでより小さな変位を生ずるようになる。

この装置は、たとえば深しぼり加工などで、絞り位置までは急速に変形し、絞り部分では大きな圧力でゆっくりした変形速度で加工するようにすることにより、しわの発生を抑えて美観と強度を確保するようにする場合などに利用することができる。
図５では、中高の円柱と周囲を囲む円筒で形成したが、円筒を高くして、円筒内に円筒より低い円柱を据えることによって構成しても全く同じ効果を得ることができる。また、高さの異なる角柱や円柱を近接して配置したものであっても良い。

図６は、同様の機能を一体のバネ２５で達成するようにした起歪体２４で、プレス機のベッド１２と金型支持板１３の間に多数設けられるバネ２５はＧ字形をしていて、開口部に当り面２６，２７が設けられている。当り面２６，２７が接触するまでは金型支持板１３がバネ２４の腰部の曲がりによる比較的小さなバネ常数に基づいて比較的簡単に沈み込むが、開口部の当り面２６，２７が接触した後はバネ材の圧縮変形に基づく大きなバネ定数に基づいて少ししか変形しないようになっている。
図５の起歪体と同じ機能を、より簡単な構成で達成することができる。

さらに、図７には、起歪体として柱体ではなく錐体を用いた金型台を示した。
図７の金型台１は、プレス機のベッド１２と金型支持板１３の間に起歪体３１が複数配置されている。
起歪体３１は、圧力が作用しないときには金型支持板１３をほぼ水平に支持しているが、押圧が掛かると、バネ定数によって決まる縮みが生じて、金型支持板１３を支持している位置が沈み込む。起歪体３１は錐体であるので、縮むにつれて実効的なバネ定数が大きくなり、圧力が増加する割に沈み量が増加しないようになる。
したがって、錐体で構成された金型台は、プレス力がばらついてもほぼ同じ沈み込み量を示すようになり、形状の安定性が向上する。

本発明の金型台は、上記のような水平姿勢ばかりでなく、適宜な表面形状を持ったベッドの上に起歪体を分配することにより、金型に合わせた任意の金型底面形状であっても、対応できることは言うまでもない。

本発明の１実施例における金型台の側面図である。 本実施例の金型台の起歪体の配置例を示す配置図である。 本実施例の金型台の起歪体の別の配置例を示す配置図である。 本実施例の別の態様を持った金型台の側面図である。 本実施例のさらに別の態様における起歪体の側面断面図である。 本実施例の別の態様を持った起歪体の側面断面図である。 本実施例において錐体を起歪体とした金型台の側面図である。

符号の説明

１ 金型台
１２ プレス機のベッド
１３ 金型支持板
１１，１５，２１，２４，３１ 起歪体
１６ 加圧装置
１４ 支持装置
２２ 円柱
２３ 円筒
２５ バネ
２６，２７ 当り面

Claims (6)

1. プレス機における金型を載置する金型台であって、該金型台は、金型を載置する金型支持板と該金型支持板を支持するベッドとの間にプレス加工時のプレス圧力により弾性変形する起歪体を複数配置してなり、プレス加工時のプレス圧力による該起歪体の変形によって生ずる金型支持板の沈み込みによって該金型の実質的な表面形状を調整することを特徴とする金型台。
2. 前記起歪体は形状と材質の異なるものから選択して配設することによってバネ定数を調整することを特徴とする請求項１記載の金型台。
3. 前記起歪体はプレス変位に応じてバネ定数が変化することを特徴とする請求項１又は２記載の金型台。
4. 前記起歪体が弾性部材に歪み検出器を取り付けたロードセル構造のものであって、荷重測定ができることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の金型台。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の金型台を備えて金型の形状を調整できるようにしたプレス機。
6. 転写加工を行うことを特徴とする請求項５のプレス機。

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