JP4953453B2 - 鍛造プロセスを最適化するための方法及び装置 - Google Patents

Description

鍛造プレスの上部及び下部型の間に金属加工部材を形成しかつ引抜くために開放型鍛造を使用することはとりわけ、(例えば、発電機械装置、クランクシャフトのための)大サイズ加工部材の鍛造操作に関して公知である。鍛造製品の質に関して一つの重要な面は、品質を害するところの加工部材中の空洞及び他の含有物を除去するために加工部材のコアの均一かつ完全な鍛造である。中心線の均一な圧密を達成するために、中心線は、加工部材が前後に移動するところの方向にあり、ここで、加工部材の質量中心は、加工部材の中心線が鍛造されることを考慮されている。「分塊(cogging)」として知られている一つの方法は、粗い粒状の鋳造インゴットを細かい粒状の精錬されたビレットに転化するため、即ち言い換えれば、粗い鋳造構造を分解しそして加工部材中の内部欠陥を圧密するために使用される。多くの鍛造工場において、赤熱加工部材の大規模鍛造操作により負わされる種々の拘束の故に、鍛造プロセスは人間のオペレーターにより制御されている。そのようなプロセスにおいて、オペレーターは目視点検により中心線圧密を制御して、加工部材の側面に輝いた構造として現れるところの、最後の鍛造パスの圧密領域を決定する。経験から、オペレーターは次いで、中心線圧密を改善するために、次の分塊ブローの配置、即ち、「セットアップポイント」を評価する。

しかし、プロセス制御におけるペレータに関係した変化及びまた達成された圧密の質の変化が結果として生じ得、これは質の管理及び節約に関して高い拒絶をもたらし得る。更に、加工部材が最初に引抜かれ又は変形されるまで、もし、加工部材がそのような欠陥の不存在について点検されないなら、鋳造プロセスにおいて生じる空洞及び他の含有物は、鍛造プロセス後に残存し得る。これらの欠陥は典型的には、作業時間、材料及び/又はエネルギーコストの損失をもたらし得るところの加工部材の更なる鍛造及び/又は捨てることを要求する。

上記のことは、現在の鍛造制御装置及び方法に存在するために知られている制限を説明している。従って、上記の制限の1つ以上を克服するために向けられる代替物を提供することが有利であろうことは明らかである。従って、以下により十分に開示される特徴を含む代わりの鍛造制御装置及び方法が述べられる。

本発明は、鍛造プレスの長手軸に沿って移動するところの加工部材の鍛造を最適化するための方法及び装置である。

該方法は、長手方向の軸に沿って加工部材の第一及び第二の端の相対的な位置を検出し、そしてその間の加工部材の長さを計算することを含む。

上記及び他の面は、添付図面と共に考慮されるとき、下記の発明の詳細な説明から明らかになるであろう。

本発明は、類似する参照番号が類似する部分を指すところの添付図面を参照することにより最もよく理解される。通常の実施に従って、図面中に示されているような装置の構成要素部分の種々の寸法は、縮尺ではなくかつ明確化のために拡大されていることが強調される。また、方向の指示「左」又は「右」は、任意の特定の方向に限定されるように解釈されるべきではなく、しかし、むしろ、それらは、描かれている図において示されているような光景に関係する参考目的のためである。

本明細書に述べされている本発明の装置及び方法によれば、非接触法及び装置が非接触レーザー輪郭測定を使用して鍛造操作を制御するために提供される。該方法及び装置は特に、分塊操作の間に加工部材の中心線圧密を制御することに有用である。

簡単に言えば、本発明の方法は鍛造パスの間に加工部材の実時間の長さを測定する。この測定は、中心線圧密領域の正確な記録のために必要である。この測定はまた、該長さが、加工部材の不均一な質、例えば、化学的及び物理的性質のために理論的及び/又は先のデータベース測定から導かれ得ない故に必要である。それ故、夫々のストローク後の伸びは予測され得ない。この測定は、加工部材の端が測定面を横切るときに加工部材の端の横方向の輪郭を測定するところの二次元レーザースキャナーにより達成される。該方法はまた、中心線圧密の現在の程度、並びに次の鍛造パスのために噛み合わせ変動及び/又はセットアップポイントを計算することを含む。次の鍛造パスの位置が次いで、中心線圧密の程度を示すために鍛造ストロークの全ての先のパスと共にプロセスディスプレイ中に記録される。これは、リアルタイムグラフィック中に、次のセットアップポイントの可能な位置と共に加工部材に沿って先のセットアップポイントを表示するところのコンピュータープログラムによりなされる。プログラムは次いで、次のセットアップポイントを鍛造オペレーターに示唆するか又は鍛造オペレーターのために自動的に選択する。これは、鍛造工場のための全ての通常及び特別の境界条件を考慮する。

類似の参照番号は全て類似の構造を示すところの図を参照して、図1は、鍛造プレスの上部型32と下部型34との間で鍛造されているところの加工部材30と連結して使用されるところの本発明の鍛造制御システム10の斜視図を示す。鍛造プレスと一緒に使用するために配列されているところの鍛造制御システム10は、図2における平面図からより明らかに理解され得、そして加工部材30を支持及び操作するためのマニピュレーターグリッパー35及びハンドリングチェーン36を有する。

図1のシステム10は、ラインスキャンモードに形成されておりかつコントロールルーム12内に配置されている支持装置15に接続されているところのレーザースキャンニングヘッド14を使用する。図1から分かるように、支持装置15は、ビデオカラーティスプレイモニター16、カラーイメージプリンター20、中央操作ユニット22、及びインターフェースエレクトロニクス24を使用する。支持装置15に接続された、キーボード又は他のコマンドエントリー手段28を使用するところのワークステーション17がまた備えられている。

レーザースキャンニングヘッド14、支持装置15、並びに加工部材の非接触測定そして従ってその寸法及び/又は形状の計算を実行するためのソフトウエアは、LACAM(レーザーカメラ)イメージングシステム、Model E113として、Minerals Technologies Inc.の部門である、ドイツ国、MoersのFERROTRON Technologies, GmbH,Industrial Measurement Technologyから市販されている。そのような非接触測定装置は、二つの主要な構成部分、即ち、
1) レーザー距離測定ユニット、例えば、パルス半導体レーザーの時間測定の操縦、及び
2) 光一軸光線偏向ユニット、例えば、回転角度センサーを持つ連続回転ミラーホイール
を使用するところのLaser Line Scannerを含む。

他の発明者と共に本発明者は、彼らの刊行された国際特許出願WO/01/38900A1において、冶金容器における耐火ライニングの非接触測定に有用なLACAMレーザー輪郭測定を以前に開示した。この開示は、引用することにより本明細書に組み込まれる。この技術は、測定されるべき耐火物表面にパルスレーザー光線の偏向を迅速にスキャンすることに基づいている。該測定を実行するために、測定値の三次元グリッドが記録される。この目的のために要求されるところのレーザーの周期的な偏向は、水平及び垂直軸の両方の回りを回転するミラーにより、夫々、垂直及び水平方向の両方において達成される。

「Laser Measurements on Large Open Die Forging(LACAM-FORGE)」と題された論文において、他の発明者と共に本発明者はまた、鍛造プロセス後の熱加工部材の三次元測定のためのLACAM輪郭測定システムの使用、及び該加工部材の輪郭が得られることを開示している。該開示は、引用することにより本明細書に組み込まれる。これらの測定から導かれたデータは、加工部材の重要な幾何学情報、即ち、長さ、幅、高さ、平滑性等を決定するために使用される。加えて、そこに記載された加工部材の測定は、スキャニングヘッドが、垂直又は水平方向の少なくとも一つにおいて回転するために固定された位置に据え付けられて、それにより、Laser Line Scannerにより引起されるようなラインスキャンを提供することを除いて、WO/01/38900A1に開示されたようなLACAM測定ヘッドを使用して達成される。

図1及び図2に示されているLACAMスキャニングヘッド14はまた、側から加工部材の輪郭を測定しかつ加工部材の端が測定面を横切るときはいつでも加工部材の端を検出するために二次元ラインスキャンモードにおいて操作される。ラインスキャンモードを使用して、レーザーパルスの偏向が回転軸に垂直の面において生ずる。もし、鍛造されている加工部材がこの測定面を横切るなら、スキャンニングヘッドのレーザーパルスは、図1に示されているように加工部材の表面を打つ。もし、スキャンニングヘッド中のミラーの回転速度が一定及び/又は変化せず、かつレーザー反復速度が一定及び/又は変化しないなら、夫々のレーザー光線の偏向角度は等角距離を有する。夫々の単一のレーザー測定の距離値は、鍛造プレスのための座標系を提供するためにミラーの回転角度と一緒に同時に記録される。両方の値を一緒にすることにより、二次元デカルト座標マップが、レーザー光線により打たれるところの任意のターゲット表面のために得られ得る。もし、これらの点が、二次元グラフ上にプロットされるなら、測定面を横切る加工部材30の測定された輪郭が表示され得る。

測定面に垂直に加工部材の端を長手方向に移動することにより、図3に示されているような三次元輪郭を提供するために輪郭が得られかつ一緒にされる。この測定された表面を分析することにより、加工部材端38の湾曲における屈曲点を決定し得る(図2)。図1及び図2に示されている加工部材30の場合に、ハンドリングチェーン36により保持されている加工部材左端38の屈曲点は、左端38の位置を決定するために図3に示されている測定輪郭から計算される。参照端39(右側端)と長さ測定のための端との位置の間の相違が次いで、夫々の鍛造パス後の加工部材の実時間長を決定するために計算される。加工部材30の右端は、加工部材30の右端を下部型34の右側端と整列させることにより該プロセスの開始時に測定される。ここで、これは図2に示されている参照端39である。参照端は通常一定及び/又は不変のままである。該方法はまた、該参照端が左側端であるように配列されることができる。

結果として、夫々の単一ストロークの間に増加されるところの加工部材30の現在の長さが、製造条件下に鍛造操作の間に実時間に測定され得る。非接触測定のためのLACAM測定システム及びこれらの操作が、WO/01/38900A1及び「Laser Measurements on Large OpenDie Forging (LACAM-FORGE)」に詳細に開示されている故に、この測定法は、鍛造プロセスにおける中心線圧密のための制御をもたらすための必要な変形に関して下記において議論されるであろう。

本発明の方法はまた、下記のパラメーター、即ち、
a) 図7における視覚ディスプレイに示されているところの噛み合わせ変動は、提案されたセットアップ位置44(即ち、加工部材長に沿った型と加工部材との間の接触面積の中心位置)と前のパスの最も接近したセットアップ位置42との間の距離41である。前のパスの最も接近したセットアップ位置は、夫々の単一鍛造ストローク後に生ずるところの加工部材長の増加(伸び)により影響され、かつ該加工部材長の増加(伸び)の原因のために再度位置付けされる。
b) 図4に示されているところの噛み合わせ比(S_b/H₀)は、上部型32及び下部型34と加工部材30との間の接触面積の幅(有効平型幅、S_b)と加工部材高さ(H₀)との比である。少なくとも0.5の噛み合わせ比が、適切な圧密効果を得るために要求される。
を制御することにより、中心線圧密の現在の程度を計算することを含む。

加えて、本発明の方法及び装置は、下記の段落において記載された、図5に示されているような測定ソフトウエアシステムのフローダイヤグラムに従って、次の鍛造ストロークのための噛み合わせ変動を計算することにより中心線圧密をもたらす。

ワークステーション17(1)のスタートボタンを押すことにより装置を作動すると、加工部材30の右端39(参照端)が、下部型34及び/又は上部型32の右端と整列され、そして該位置が記録される。測定(100)が今開始する。システムは、ゼロにパス数及びストローク数をリセットすることにより初期化される(110)。

加工部材30の左端は、加工部材30の左端38の屈曲点がどこに配置されるかを決定するためにラインスキャナー測定面を通過される(130)。これらの測定のために加工部材の長さが得られる。

もし、現在のパス数がゼロなら、パス数は1だけ増加され、さもなければ、該システムは、加工部材が90度の角度だけ長手軸に回転されまで待ち(140)、そしてパス数が1だけ増加される(142)。

第一のパス後、加工部材の伸びが、前のパスの長さにより加工部材の現在の長さを除すことにより計算される(144)。前のセットアップポイントの位置は、加工部材の決定された伸びに基づいて修正される(146)。

噛み合わせ変動の最適化ルーチン(200)は、オペレーターのモニター16に表示されるところの次のセットアップポイントの位置のための提案をもたらすために開始される。オペレーターは、次のセットアップポイントの位置のための提案を受け入れるか、又は異なるセットアップポイントを選ぶか否かを決定する。噛み合わせの最適化は、最も良好な中心線圧密を探索することにより計算され、これは下記式により表され得る。即ち、

i) d_n=S_b−H₀/F、ここで、(d_n <0)なら、そのときd_n =0であり、かつF≧2である
上記式中、d_nは、ストロークの中心線圧密領域の幅であり、かつ「n」はストローク数、即ち、1、2、3等であり、かつ「F」は、2の最小値を持つ経験値ファクターである。図6に示されているように、中心線圧密面積の幅は、レーザーラインスキャナー測定から得られ得るところの有効型幅(S_b)と加工部材高さ(H₀)とに依存する(図6)。

ii) D= d_nの総合計
上記式中、Dは、中心軸に沿う圧密領域の一緒にされた合計幅であり、重複する領域は計算に含まれない(図8)。

iii) Q=100%・D/L
ここで、Qは、中心線圧密のパーセンテージで表示された質であり、かつLは、加工部材の長さである。D=Lなら、そのとき、加工部材の全長に沿う圧密が達成された(図8)。

システムは、上部型32が加工部材30上を向きに圧縮している信号を待つ(148)。該信号を検出した後、システムは噛み合わせ比を確認する(149)。もし、噛み合わせ比が0.5未満なら、システムは次の信号を待つ(148)。さもなければ、ストローク数は1だけ増加される(150)。

マニピュレーター35の位置は、現在のストロークのセットアップポジションを決定するために記録されかつ加工部材30の左端38及び右端39の位置と比較される(152)。

該システムは今、全体の加工部材が鍛造されたか否かを確認する(154)。もし、加工部材が、完全には鍛造されていないなら、新しい噛み合わせ変動の最適化(200)が計算されて、次のセットアップポイントのための提案をもたらす。もし、加工部材が現在のパスにおいて完全に鍛造されたなら、プログラムは、加工部材30の左端38がレーザーラインスキャナー測定面を横切るために待ち(130)、そして該加工部材の長さが決定される。

最後のパスが鍛造された後、追跡及び噛み合わせ変動の最適化が終了される(164)。レポートが、セットアップポイントの分布及び中心線圧密の質を示して作成される(160)。

測定ファイルは中央操作ユニット22に蓄積され(162)、そして蓄積されたプロセスデータは、オフラインの視覚化のために使用され得る。

図6は、中心線圧密領域の幅がどのようにして計算され得るかを説明する。

図7に、噛み合わせ追跡及び噛み合わせ変動41が、前のストローク42の圧密領域及び次の鍛造ストロークのための提案されたセットアップポイント位置44 (即ち、提案された鍛造位置)の両方のために示されているところの、プロセスを視覚化することにおいて鍛造オペレーターを助ける追跡及び噛み合わせ変動の最適化記録40が示されている。加工部材30の現在のパス及び実時間の位置における前のストロークのインプレッション47が、上部型32、下部型34及びレーザーラインスキャナー測定面45に関して示されている。鍛造オペレーターにより選ばれ得るところの現在の可能なセットアップ位置を表示するところのカーソル46がまた示されている。カーソル46位置のセットアップ位置のための中心線圧密の計算された質インデックスを示すところの情報欄48が示されている。前の及び提案されたセットアップポイント位置及びカーソルは、少なくとも一つの色、形状及び/又は他の印により区別される。

図8に、(水平線として示され)かつ示されたような鍛造ブローのパス及びストローク数に従って標識された圧密領域のストローク及び幅の(垂直線として示された)セットアップポイントを追跡することにより中心線圧密領域条件を追跡するところの追加のオペレーターディスプレイが示されている。夫々の鍛造ストロークのための加工部材の位置付け角度は線を色分けすることによりグラフ的に示されている。

現在の中心線圧密に関する実時間情報が、全ての前のセットアップポイントがコンピュータースクリーン上に表示されることにおいて提供される故に、本教示に従う方法及び装置は、オペレーターがセットアップポイントのための決定をすることを助ける。次の可能なセットアップポイントの位置が表示され、そしてこのセットアップポイントのための質ファクターが計算される。該方法は、通常及び顧客固有の規則並びに境界条件を使用して計算されるところの、最適なセットアップポイントのための提案を提供する。本発明の教示は、プロセス並びに、更なる分析のために使用され得るところのオフライン視覚化のためのプロセスデータを貯蓄するため、例えば、オペレーターの仕事を評価するためそしてそれ故プロセスを改善するための可能性の実時間視覚化を含む。

人間のオペレーターによる対話式制御のための性能を有するように上で記載されたけれども、該プロセスはまた、オペレーターがスタート信号を与えた後、ソフトウエアが定義された数のパスまで自動的に作動し、そして測定レポートが自動的に作成されるように十分に自動化されるために設定され得る。

本発明の態様及び適用が示されかつ述べられた一方、多くのより一層の変更が、本明細書に開示された発明性のある概念から逸脱することなしに可能であることが当業者に明らかであろう。例えば、LACAM測定装置を使用することに関して上に開示されているけれども、本発明に従う最適化された鍛造法は、他の電気光学法及び装置、例えば、イメージプロセシングを伴うCCDカメラ、単純な切断端を有する小さな加工部材の場合に簡単な光センサーを使用して、及び/又は伸び方向における加工部材端上に直接にレーザースキャナーを使用することにより実行され得ることが想像される。それ故、本発明は変更可能であり、そしてそれ故、示された正確な詳細に限定されないことが理解される。むしろ、種々の変形は、本発明の境界及び限界から逸脱することなしに請求項の等価物の範囲及び領域内において詳細になされ得る。

図1は、本発明に従う鍛造プレスと組み合わせて使用される鍛造制御システムの斜視図である。 図2は、本発明に従う鍛造プレスと組み合わされて使用される鍛造制御システムの平面図である。 図3は、ターゲット表面が本発明に従って測定面を横切るときにターゲット表面を測量することにより生じた加工部材の測定された輪郭のグラフである。 図4は、鍛造プロセスの噛み合わせ比を説明する概略図である。 図5は、本発明に従う方法を実行するために使用されるルーチンを示しているフローチャートである。 図6は、中心線圧密のモデルを説明する概略図である。 図7は、本発明に従う噛み合わせ追跡及び噛み合わせ変動の最適化データを目視的に表示するためのグラフ式オペレーターディスプレイである。 図8は、本発明に従う鍛造ストローク及び型幅のセットアップポイントを追跡することにより中心線圧密領域条件を目視的に表示するためのグラフ式オペレーターインターフェースである。

Claims (16)

1. 鍛造プレスの長手軸に沿って移動され、かつそれを横切る第一及び第二の端を有するところの加工部材の鍛造方法であって、
   第一の端及び第二の端の夫々が長手軸を横切る測定面を横切る時に夫々の端の存在を検出することにより、長手軸に沿う加工部材の第一及び第二の端の相対的な位置を検出すること、
   第一及び第二の端の間の加工部材の長さを計算すること、
   長手軸を横切る加工部材の初期高さ(H ₀ )を決定すること、
   加工部材上の予期された鍛造位置のための噛み合わせ比(S _b / H ₀ )を計算すること、ここで、S _b は鍛造プレスの有効平型幅である、そして
   噛み合わせ比が0.5より大きいか否かを決定すること
   を含む方法。
2. 第一の端及び第二の端の相対的な位置を検出することが、レーザースキャンニング装置を使用して達成されるところの請求項１記載の方法。
3. 計算された噛み合わせ比が0.5より大きいなら、予期された鍛造位置を提案された鍛造位置として規定するところの請求項１記載の方法。
4. 鍛造ブローが鍛造プレスにより達成された後、
   長手軸に沿った加工部材の第一及び第二の端の相対的な位置が検出され、そして第一及び第二の端の間の加工部材の長さを計算し、そして
   新しく提案された鍛造位置に長手軸に沿って加工部材を移動し、そして噛み合わせ比が0.5より大きいか否かを決定することを繰返す
   ところの請求項３記載の方法。
5. 計算された噛み合わせ比が0.5以下なら、計算された噛み合わせ比が0.5より大きくなるまで新しく提案された鍛造位置に長手軸に沿って加工部材を繰り返し移動し、そして予期された鍛造位置を提案された鍛造位置として規定する段階であるところの請求項１記載の方法。
6. 鍛造ブローが鍛造プレスにより達成された後、
   長手軸に沿った加工部材の第一及び第二の端の相対的な位置を検出し、そして第一及び第二の端の間の加工部材の長さを計算し、そして
   新しく提案された鍛造位置に長手軸に沿って加工部材を移動し、そして噛み合わせ比が0.5より大きいか否かを決定することを繰返す
   ところの請求項５記載の方法。
7. 鍛造ブローを達成するに先立って、提案された鍛造位置のための中心線圧密を計算することをさらに含むところの請求項４記載の方法。
8. 鍛造ブローを達成するに先立って、提案された鍛造位置のための中心線圧密を計算することをさらに含むところの請求項６記載の方法。
9. 中心線圧密が、式
   d_n=S_b−H₀/F、ここで、(d_n <0)なら、そのときd_n =0であり、かつF≧2である
   (上記式中、d_nは、ストロークの中心線圧密領域の幅であり、かつ
   nはストローク数であり、
   S_bは有効平型幅であり、
   H₀は加工部材高さであり、かつ
   Fは2の最小値を持つ経験値ファクターである)
   により計算されるところの請求項７記載の方法。
10. 中心線圧密が、式、
    D= d_nの総合計
    (上記式中、Dは、中心軸に沿う圧密領域の一緒にされた合計幅であり、ここで、重複する領域は計算に含まれない)
    により計算されるところの請求項９記載の方法。
11. 中心線圧密が、式、
    Q=100%・D/L
    (上記式中、Qは、中心線圧密の、パーセンテージで表示された質であり、かつ
    Lは、加工部材の長さである)
    により計算されるところの請求項１０記載の方法。
12. 鍛造ブローの位置がグラフ的に出力されるところの請求項６記載の方法。
13. 中心線圧密がグラフ的に出力されるところの請求項１０記載の方法。
14. 予期された鍛造位置が、実際の鍛造位置として自動的に選ばれるところの請求項３記載の方法。
15. 鍛造プレスの長手軸に沿って移動され、かつそれを横切る第一及び第二の端を有するところの加工部材の、請求項１に従う鍛造方法を行う鍛造システムであって、
    第一の端及び第二の端の夫々が長手軸を横切る測定面を横切る時に夫々の端の存在を検出することにより、長手軸に沿う加工部材の第一及び第二の端の相対的な位置を検出する手段、
    第一及び第二の端の間の加工部材の長さを計算する手段、
    長手軸を横切る加工部材の初期高さ(H ₀ )を決定する手段、
    加工部材上の予期された鍛造位置のための噛み合わせ比(S _b / H ₀ )を計算する手段、ここで、S _b は鍛造プレスの有効平型幅である、および
    噛み合わせ比が0.5より大きいか否かを決定する手段
    を有する鍛造システム。
16. 第一の端及び第二の端の相対的な位置を検出する手段が、レーザースキャンニング装置であるところの請求項１５記載のシステム。

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