JP3991188B2 - パイプ状の段付部品の成形方法および装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パイプ状素材から段付部品を成形する方法およびそのための装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のパイプ状素材から段付部品を成形する方法は、パイプ状素材をプレス加工により成形して、さらに内歯成形工程を行うものであった。このようなプレス加工によるパイプ状の段付部品の成形方法は、成形すべき部品に精密に対応した下型及び上型が必要となり、これらの型製作に時間を要するので、多種少量部品には不向きである。また、この成形方法では、素材を瞬時に矯正的に成形するため、内部組成の破断が生じ易く、成形部品の強度確保が課題となる。
【０００３】
また、素材の肉をローラ工具の移動により流動化させ、下型に沿った形状に成形するフローフォーミング技術も知られており、このようなフローフォーミング技術を用いてパイプ状素材から段付部品を成形することも試みられている。このフローフォーミング技術による成形では、プレス加工に対し加工能率は低いが、上型を用いずに成形すべき部品と形状が正確に対応している必要がない下型のみを使用するので下型の汎用性があり、この点で多種少量部品に適している。また、フローフォーミング技術により成形部品の内部組成が流動化して成形されるため、部品内部の亀裂がなく、強度が均一化される利点がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らは、このフローフォーミング技術を使用し、同軸線上に配置した回転主軸とクランプ軸との間にパイプ状素材を挟持し、クランプ軸に加圧力を付与した状態で、主軸及びクランプ軸と共に回転するパイプ素材にローラ工具を押し当てながらローラを主軸の軸線方向に移動させて図４（Ｃ）に示すような段付部品を成形することに想到した。しかしながら、小径部を成形する工程においては、素材組成を緩やかに流動させながら成形させることが困難となる問題が生じる。つまり、この小径部成形工程は、下型の小径部外周とパイプ素材内周との間隔である絞り深さが大きいため深絞り工程となり、この工程を進める過程においてクランプ軸によるパイプ素材への加圧力がローラ工具による素材組織の流動速度を超えて素材を組成変形させてしまう問題が生じる。
【０００５】
従って、本発明の目的は、フローフォーミング技術によりパイプ素材から段付部品を成形する場合に、絞り工程におけるクランプ軸による素材への軸方向へのクランプ加圧力がローラ工具による素材組織の緩やかな流動化を阻害しないようにすることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明（請求項１に記載の第１発明）によるパイプ状の段付部品の成形方法は、パイプ形状の素材を該素材内に挿入される素材の内径より小さい外径の下型が固定された回転主軸とこの主軸と同軸のクランプ軸との間に挟持してクランプし、ローラ工具を主軸の回転と共に回転する素材の外周に対して押し当てながら素材の軸方向に移動することにより加工を行うに当たり、素材の加工部位の加工に応じて加工動作中においてクランプ軸の制御モードを切り換えることを特徴とするものである。
【０００７】
本発明（請求項１に記載の第１発明）によるパイプ状の段付部品の成形方法は、パイプ素材を大きく凹ませて下型に沿わせる絞り加工においてはクランプ軸を位置制御するが、前記素材を下型になじませるしごき加工においてはクランプ軸を力制御することを特徴とする。
【０００８】
本発明（請求項２に記載の第２発明）によるパイプ状の段付部品の成形装置は、パイプ形状の素材の一端に当接されるとともに素材内に挿入される下型が固定された回転主軸と、前記回転主軸と同軸に設けられ前記素材の他端に当接してこの素材を回転主軸との間に挟持してクランプするクランプ軸と、前記クランプ軸を軸方向に移動してこのクランプ軸を素材に押圧する流体圧シリンダと、この流体圧シリンダを駆動する駆動機構と、前記クランプ軸の位置を検出する位置センサと、前記流体圧シリンダの圧力を検出する圧力センサと、前記主軸の回転と共に回転する素材の外周に対して押し当てながら前記下型に押しつけて軸方向に移動することにより加工を行うローラ工具を含む工具ヘッドと、この工具ヘッドを前記主軸の軸方向及び径方向に送る送り装置と、この送り装置を制御する一方、前記位置センサによって検出されたクランプ軸の位置および前記圧力センサによって検出された前記流体圧シリンダの圧力に基づき、素材の加工部位に応じてクランプ軸の位置制御および力制御を行うように前記駆動機構を制御するコントローラとから成ることを特徴とする。
【０００９】
本発明（請求項３に記載の第３発明）によるパイプ状の段付部品の成形装置は、第２発明において、前記駆動機構が、前記流体圧シリンダの両室を連通する流体路上に配置され一方の室内の圧力流体を他方の室内へ直接移動する流体ポンプと、この流体ポンプを前記コントローラにより制御された状態で作動するサーボモータとから成ることを特徴とする。
【００１０】
【発明の作用および効果】
上記構成より成る第１発明のパイプ状の段付部品の成形方法は、パイプ形状の素材を下型が挿入固定された主軸とクランプ軸との間にクランプさせ、ローラ工具を回転する素材の外周に対して押し当てながら軸方向に移動することにより加工を行う下型が固定されたパイプ状の段付部品の成形方法において、素材の加工部位の加工に応じて加工動作中においてクランプ軸の制御モードを切り換えるので、加工動作中における前記素材の加工部位の加工に応じたクランプ軸の制御モードによる制御が可能となり、その結果、素材組成をローラ工具の移動に応じて緩やかに流動させることができ、成形部品に内部亀裂などの欠陥が生じることを防止できる。
【００１１】
上記構成より成る本第１発明のパイプ状の段付部品の成形方法は、クランプ軸の加圧動作を絞り加工では位置制御すると共にしごき加工では力制御するようにしたので、絞り加工工程において、素材の過度の縮みを防止できると共に素材組織がローラ工具に導かれる流動速度を大きく超えて急激に塑性変形することを防止でき、一方しごき加工工程においてはクランプ力を一定に保持してローラ工具により素材が下型へ均一になじむことを促進できる。
好ましくは、絞り加工工程におけるクランプ軸の位置は、いわゆる押し気味の位置に制御され、これによりローラ工具による素材組織の流動が促進され、素材を目的とする形状へ精密かつ容易に成形できるようなる。
【００１２】
上記構成より成る第２発明によるパイプ状の段付部品の成形装置は、位置センサにより検出されたクランプ軸の位置および圧力センサにより検出されたクランプ軸作動用流体圧シリンダの圧力に基づき、コントローラが素材の加工部位に応じてクランプ軸作動用流体圧シリンダを位置制御或いは力制御するようにしたので、第１発明と同様な効果が奏せられる。
【００１３】
上記構成より成る第３発明によるパイプ状の段付部品の成形装置は、クランプ軸作動用流体圧シリンダの駆動機構として、サーボモータとこれにより駆動され前記シリンダの前後室の流体を一方の室から他方の室へ或いはその逆方向に直接移動させるように配置したポンプユニットとで構成したので、コントローラからの指令に対するクランプ軸作動用流体圧シリンダの動作応答性が向上され、特に絞り加工におけるローラ工具の制御位置とクランプ軸の制御位置とが調和され、素材組織を滑らかに流動させることができる付加的な特徴が奏せられる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態につき、図面を用いて説明する。
【００１５】
（実施形態）
本実施形態のパイプ状の段付部品の成形方法および装置は、図１ないし図４に示されるようにパイプ形状の素材Ｗの一端が当接されると共に素材Ｗ内に挿入される下型１１が固定された主軸１と、前記パイプ形状の素材Ｗの他端を押圧して主軸１との間で挟持してクランプするクランプ軸２と、該クランプ軸２の位置を検出する位置センサ３と、クランプ用油圧シリンダ２０の圧力を検出する圧力センサ４と、前記主軸１の回転と共に回転する素材Ｗの外周に対して押し当てながら前記下型１１に押しつけて軸方向に移動することにより加工を行うローラ工具５を自由回転可能に支持する工具ヘッド５３と、前記位置センサ３によって検出されたクランプ軸２の位置および前記圧力センサ４によって検出されたクランプ用油圧シリンダ２０の圧力に基づき、素材Ｗの加工部位に応じてクランプ軸２を位置制御或いは力制御するための制御信号を出力するコントローラ６とから成るものである。
【００１６】
前記主軸１は、図略のフレームに回転可能に支持され、主軸サーボモータ１０によってプーリ機構１２を介して回転駆動される。サーボモータ１０は、コントローラ６としてのＮＣコントローラからの制御信号に基づきモータドライバ７から出力される駆動信号により駆動される。
【００１７】
前記クランプ軸２は、図１および図２に示されるように前記パイプ形状の素材Ｗの他端を油圧によってクランプするクランパ２１を図示下端に有する。クランプ軸２は、その上端において推力軸受箱２６により図略のスラストベアリングを介して油圧シリンダ２０のピストンロッド２７と結合され、このロッド２７に対しては一体的に軸方向移動するが、相対回転可能とされている。クランパ２１を軸方向に移動する図２中上下の前後室を備えた油圧シリンダ２０は、このシリンダ２０の前後室を連通する流体路上に配置され、一方の室から他方の室へ或いはこの逆方向に作動油を直接給送する正逆回転可能な油圧ポンプ２２により駆動される。該油圧ポンプ２２はカップリング２３を介して後述するサーボモータ２４と回転を連絡され、サーボモータ２４はコントローラ６としてのＮＣコントローラからの制御信号に基づきモータドライバ７から出力される駆動信号により正逆回転される。サーボモータ２４は、回転量を検出するロータリエンコーダ２５を備える。
【００１８】
前記位置センサ３は、リニアスケール３０より成り、前記クランプ軸２を構成するクランパ２１の一端、より正確には、推力軸受箱２６に配設されてクランパ２１とともに移動する検出バー２８に取り付けられ、この検出バー２８の位置を検出して、前記ＮＣコントローラに信号を出力する。
前記圧力センサ４は、前記油圧シリンダ２０上に配設され、クランプ軸２の位置制御時および力制御時におけるクランプ用油圧シリンダ２０の図示上方の後室の圧力を検出して、前記ＮＣコントローラに圧力信号を出力するように構成されている。
【００１９】
前記ローラ工具５は、図略のベアリングによって工具ヘッド５３上に自由回転自在に支持されている。工具ヘッド５３は、前記主軸１の回転と共に一体回転する素材Ｗの外周に対して押し付ける方向（半径方向）の移動及びこれと直交する方向の移動ができるように図略のフレームに案内されている。工具ヘッド５３を移動する送り機構は、コントローラ６としてのＮＣコントローラからの制御信号に基づきモータドライバ７から出力される駆動信号により駆動される半径方向サーボモータ５１と軸方向サーボモータ５２とからなり、これらサーボモータ５１及び５２をそれぞれ周知の送りねじ機構を介して工具ヘッド５３と動力伝達し、これにより、ローラ工具５を素材Ｗの外周に対して押し当てながら軸方向に移動するようになっている。
【００２０】
前記コントローラ６は、前記位置センサ３としての前記リニアスケール３０によって検出されたクランプ軸２の位置および前記圧力センサ４によって検出されたクランプ用油圧シリンダ２０の圧力に基づき、モータドライバ７を介してサーボモータ２４を制御し、前記素材Ｗの加工部位に応じてクランプ軸２を位置制御或いは力制御する。また、コントローラ６は、モータドライバ７を介してサーボモータ１０、５１及び５２を制御し、主軸１の回転角度位置の制御と同期してローラ工具５の素材Ｗに対する半径方向位置と軸方向位置を制御し、この同時３軸制御により素材Ｗの表面に素材の３次元の塑性変形を成形できるようになっている。
なお、図示省略してあるが、サーボモータ１０、５１、５２にはサーボモータ２４と同様にロータリエンコーダを設け、主軸１の回転角度位置情報、ローラ工具５の半径及び軸方向位置情報をモータドライバ７にフィードバックできるように構成してある。
【００２１】
本実施形態においては、素材Ｗをパイプ形状またはチューブ形状の鋼製のものとし、図４（Ａ）に示されるように素材Ｗは主軸１とクランプ軸２との間に挟持されクランプされる。クランプ力は、上述した前記油圧シリンダ２０によって発生させている。このクランプ状態では、前記主軸１の端面に固着したチューブの素材Ｗの内径よりわずかに小さい外径を持つ下型１１が素材Ｗ内に挿入され、またクランパ２１の端面から突出する素材Ｗの内径よりわずかに小さい外径を持つクランパボス２１１が素材Ｗ内に挿入されている。
【００２２】
加工は、図４（Ｂ）に示されるように前記主軸１がサーボモータ１０により回転され、これにより主軸１、クランプ軸２及びこれら間に挟持クランプされたパイプまたはチューブの素材Ｗの３者が一体回転され、この状態でローラ工具５を素材Ｗの外周に押し付けながら軸方向に移動させることにより実行される。この場合、素材Ｗと主軸１及びクランプ軸２との結合は、素材Ｗの両端面における摩擦力により得られる。
素材Ｗのクランプ軸２側の端部が径方向内方に絞られてボスが成形されると素材Ｗの軸方向長さは短くなるが、クランプ軸２は素材Ｗ全長の縮み変形に見合う分移動することにより、素材Ｗのクランプ力が保たれる。
【００２３】
ローラ工具５による加工が終了すると、主軸１の回転が停止され、クランプ軸２が後退されてクランパボス２１１が素材Ｗから抜き出され、例えば工業用ロボットのような適宜ハンドリング装置により素材Ｗは主軸１の下型１１から取り外される。その後、素材Ｗは、図４（Ｃ）に示されるように、下型１１のボス成形部１１１からクランプ軸２側に残る余分な部分が旋盤加工等により切り落とされ、最終製品ＦＷとされる。本実施例における最終製品ＦＷは、概ね下型１１の全長と匹敵する全長を持つ。
【００２４】
なお、工具ヘッド５３に突っ切りバイトをローラ工具５と併設し、前記余分な部分を除去する加工を本実施例の成形装置上で行って、加工工程を一層短くしてもよい。また、主軸１に周知のノックアウトピン手段を内蔵し、ローラ工具５による成形加工の後に適宜アクチエータによりこのノックアウトピン手段を駆動して素材Ｗを下型１１から容易に取り外しできるようにしてもよい。
【００２５】
本発明による成形装置は、クランプ軸２の移動制御として、素材Ｗの加工部位に応じて切り換えて制御される位置制御および力制御の両方を行うことが出来るように構成されている。この位置制御および力制御について、さらに詳細に説明する。
先ず、図３（Ａ）および図４（Ａ）に示されるように、前記クランプ軸２において力制御を行い、一定圧でワークである前記素材Ｗの上下端をクランプする。次に図３（Ｂ）に示されるようにワークである前記素材Ｗの接触位置を前記ＮＣコントローラ６におけるプログラム上で認識しておき、前記ローラ工具５がワークＷに当接する位置において位置制御に切り換えられる。
【００２６】
図３（Ｂ）、（Ｃ）及び（Ｄ）のように、素材Ｗの円筒外周をへこませてボス部を深絞り成型する工程においては、クランプ軸２は位置制御され、成型に伴う素材Ｗの長手方向の縮み分を追跡するように軸方向の位置が制御される。この位置制御においては、前記リニアスケール３０からのフィードバック信号は前記ＮＣコントローラ６へ入力され、内部の偏差カウンタで処理され目標位置との偏差分だけの指令が前記モータドライバ７に出力される。
【００２７】
つまり、この深絞り工程におけるローラ工具５の径方向及び軸方向の制御目標位置と関連してクランプ軸２の制御目標位置がＮＣプログラムにプログラムされているので、ローラ工具５が占める径方向及び軸方向位置に対応してクランプ軸２の目標位置が時時刻刻と設定され、この目標位置を追跡するようにサーボモータ２４が正逆回転制御される。この結果、クランプ軸２が目標位置に対し遅れるときは油圧ポンプ２２の正転速度が増速されてクランプ軸２の図示下降前進速度が高められ、逆に目標位置を超えて前進するときは油圧ポンプ２２の正転速度が減速されてクランプ軸２の下降前進速度が低下される。
【００２８】
これにより、ローラ工具５による深絞り動作位置に連携してクランプ軸２のクランプ位置が制御されるため、素材Ｗの深絞り部はクランプ軸２により過度に押される結果としてローラ工具５による絞り速度を超えて半径方向内方へ屈曲されることから防止される。このため、この深絞り部の半径方向内方への塑性変形はローラ工具５の径方向及び軸方向への移動に正確に追従される。この深絞り工程においては、素材Ｗの組成が流動し、下型１１のボス成形部１１１の外周面と下型１１の大径部とボス成形部１１１との間の端面に密着される。
さらに、この深絞り工程においては、クランプ軸２はこの工程中に常に素材Ｗに対し目標クランプ力を超えて押し気味となるように、即ち素材Ｗの図示上端部が軸方向の下方に縮む速度よりも若干速い速度で下方に押圧されるように位置制御され、このように位置制御することにより適正なクランプ力が確保されると共にローラ工具５による深絞り固定における素材Ｗ組成の流動化が促進される。
【００２９】
次に図３（Ｅ）に示されるように、スプライン溝等のしごき開始位置が前記ＮＣコントローラ６におけるプログラム上で認識されると、クランプ軸２のクランプ制御は位置制御から力制御に切り換えられる。このため、図３（Ｅ）及び（Ｆ）に示すように、上記深絞り工程に続いて素材Ｗのスプライン等の歯溝部分のしごき加工工程が行われ、この工程においては、クランプ力を一定に保つための力制御が行われる。この力制御においては、前記圧力センサ４からのフィードバック信号は、前記ＮＣコントローラ６に入力されてこのコントローラ６内に予め設定された設定圧力と比較され、設定圧力を維持するように前記モータドライバ７からサーボモータ２４に出力が与えられる。
【００３０】
つまり、圧力センサ４の検出圧力が設定圧力よりも低いときは油圧ポンプ２２が正転されてクランプ軸２の加圧力が増強され、圧力センサ４の検出圧力が設定圧力よりも高くなると油圧ポンプ２２の回転速度が減速されるか或いは逆転されてクランプ軸２の加圧力が減少される。よって、素材Ｗは前記設定圧力によって決められる所定のクランプ力にて主軸１とクランプ軸２との間でクランプされた状態でしごき加工が進められる。
このしごき加工工程において、ローラ工具５は回転中の素材Ｗ外周に押し付けられ、下型１１の外周に形成されたスプライン等の歯溝部分の溝内へ素材Ｗの組成を流動させる。これにより、この歯溝部分と対応する素材Ｗの内面にスプライン等の歯型が成形される。
【００３１】
上述した深絞り工程及びこれに続くしごき加工工程は、ローラ工具５を図３（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）及び（Ｆ）の順で移動させるローラ工具５の１モーションにより行われるが、図３（Ｂ）〜（Ｄ）の深絞り工程を数回に分けて行い、その後に図３（Ｅ）及び（Ｆ）のしごき加工工程を１回又は数回行って全ての加工工程を完了するようにしてもよい。深絞り工程を数回に分けて行う場合では、工程回数の増加に連れてローラ工具５の半径方向前進位置及び軸方向の加工幅を次第に拡大するようにＮＣプログラムが作成される。
【００３２】
本実施形態のパイプ状の段付部品の成形方法および装置は、上述したように本実施形態の上述加工を１チャックするだけで、加工できるものである。
また、本実施形態においては、１チャックによりボス出しと内歯成形ができるので、段取り替えが必要なくなり、加工時間が非常に短くなり、加工コストも低減することが出来る。
【００３３】
上述の実施形態は、説明のために例示したもので、本発明としてはそれらに限定されるものでは無く、特許請求の範囲、発明の詳細な説明および図面の記載から当業者が認識することができる本発明の技術的思想に反しない限り、変更および付加が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の下型が固定されたパイプ状の段付部品の成形方法および装置の要部を示す要部断面図である。
【図２】本実施形態の下型が固定されたパイプ状の段付部品の成形方法および装置の全体を示す全体ブロック断面図である。
【図３】本実施形態における加工の各段階を説明するための説明図である。
【図４】本実施形態におけるクランプ時、加工時、最終製品切り出し時を説明するための説明図である。
【符号の説明】
１ 主軸
２ クランプ軸
３ 位置センサ
４ 圧力センサ
５ ローラ工具
６ コントローラ
Ｗ 素材
１１ 下型
２０ クランプ用油圧シリンダ

Claims (3)

1. パイプ形状の素材を、該素材内に挿入される素材の内径より小さい外径の下型が固定された回転主軸とこの主軸と同軸のクランプ軸との間に挟持してクランプし、
   ローラ工具を主軸の回転と共に回転する素材の外周に対して押し当てながら素材の軸方向に移動することにより加工を行うに当たり、素材の加工部位の加工に応じて加工動作中においてクランプ軸の制御モードを切り換え、
   前記素材を大きく凹ませて前記下型に沿わせる絞り加工においてはクランプ軸を位置制御するが、前記素材を前記下型になじませるしごき加工においてはクランプ軸を力制御する
   ことを特徴とするパイプ状の段付部品の成形方法。
2. パイプ形状の素材の一端に当接されるとともに素材内に挿入される下型が固定された回転主軸と、
   前記回転主軸と同軸に設けられ前記素材の他端に当接してこの素材を回転主軸との間に挟持してクランプするクランプ軸と、
   前記クランプ軸を軸方向に移動してこのクランプ軸を素材に押圧する流体圧シリンダと、
   この流体圧シリンダを駆動する駆動機構と、
   前記クランプ軸の位置を検出する位置センサと、
   前記流体圧シリンダの圧力を検出する圧力センサと、
   前記主軸の回転と共に回転する素材の外周に対して押し当てながら、前記下型に押しつけて軸方向に移動することにより加工を行うローラ工具を含む工具ヘッドと、
   この工具ヘッドを前記主軸の軸方向及び径方向に送る送り装置と、
   この送り装置を制御する一方、前記位置センサによって検出されたクランプ軸の位置および前記圧力センサによって検出された前記流体圧シリンダの圧力に基づき、素材の加工部位に応じてクランプ軸の位置制御および力制御を行うように前記駆動機構を制御するコントローラと
   から成ることを特徴とするパイプ状の段付部品の成形装置。
3. 請求項２において、
   前記駆動機構は、前記流体圧シリンダの両室を連通する流体路上に配置され一方の室内の圧力流体を他方の室内へ直接移動する流体ポンプと、
   この流体ポンプを前記コントローラにより制御された状態で作動するサーボモータと、
   から成ることを特徴とするパイプ状の段付部品の成形装置。

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