JP5516256B2

JP5516256B2 - 速度制御による打抜き装置

Info

Publication number: JP5516256B2
Application number: JP2010199823A
Authority: JP
Inventors: 明広嶋田; 佳幸服部; 和秋安藤; 徹小川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-09-07
Filing date: 2010-09-07
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2030-09-07
Also published as: JP2012055915A

Description

本発明は、ワーク（鋼板等の加工物）を打抜いて板金部品やモータ固定子鉄心等を製造する打抜き装置に関するものである。

一般的に、従来の打抜き装置は、プレス機に代表するようにワークを打抜く際には、ワークのせん断力以上の荷重をワークに与えることで打抜きを行っている。
そのため、装置の機構としては回転駆動するクランク軸に取付けられたコネクティングロッドのストローク下死点で打抜きを行う。
その他、上下往復運動するスライドに打抜き型を取付け、リニアモータと移動位置検出する位置検出器を設けて、位置データと速度データを順に読み出し、位置データの示す位置を目標位置として速度データの示す速度でリニアモータを駆動制御する制御手段とを備えたものがある（例えば特許文献１参照）。

特開平１１−２５４１９１号公報

従来のプレス機の場合、打抜くエネルギーはせん断力とワーク厚みの積で求まり、せん断力はワーク周長と厚みとせん断応力で決まるが、一般的にせん断力は非常に大きいため、プレス機にて打抜くために大きなエネルギーが必要となり、荷重で打抜く従来方式の場合、大きな荷重を得るため打抜き型サイズを大きくして質量を増し、同時にそれを受ける装置土台のサイズも大きくなる。そのため、装置は極めて重厚量大となり、また打抜き型・装置の過剰サイズ・スペースともなりうる。
また、ワークによっては過剰なせん断力が加わりワークの寸法精度を損なうことや材料特性を劣化させることがある。

一方、リニアモータを駆動制御する制御手段を備えた特許文献１の場合においては、スライドの各移動位置におけるスライド速度を任意に且つ簡単に変更できるが、ワークの加工は、スライドに固定された打抜き型のストロークの下死点近傍で行っている。そのため、打抜くために必要なエネルギーは、運動エネルギー（Ｅｖ）ではなく、従来通りの荷重に頼る打抜きが行われている。
そこで、必要荷重を与えるために大きな推力を必要とするので、リニアモータサイズの大型化や、数台のリニアモータで同時制御する等の手段がとられ、その結果、装置サイズは従来通り大きくなる。

仮に、リニアモータの最高速度でワークを打抜けたとしても、リニアモータの減速区間（打抜き点から下死点まで）が必ず必要となるため、ある一定の減速用ストロークを要することとなり、打抜き型の刃研部分（研磨部分）のストロークが長くなるため打抜き型の寿命が極端に短くなる。
また、リニアモータの最高速度でワークを打抜けて、打抜き後に打抜き時の衝撃によりリニアモータが急停止したとしても、その衝撃に耐えうる堅牢な装置とする必要があるため、装置サイズは従来通り大きいままとなる。
さらには、急停止することで短時間に大きな回生エネルギーを発生させるため、処理できる制御装置が必要となり制御装置のサイズアップに影響する。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、打抜き装置の小型化、省資源化、省スペース化、省エネルギー化、更には加工サイクルタイム短縮による加工能率を向上させる打抜き装置を提供する。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の打抜き装置は、ガイドフレームと、前記ガイドフレームに設置され、上死点から打抜き点までの加速区間、及び打抜き点から下死点までの減速区間を有し、上死点と下死点との間の移動区間を往復するリニアモータと、下部に打抜き型を保持しリニアモータに連結され、リニアモータが上死点から打抜き点に至る加速区間において最高速度まで加速されるヘッドユニットと、ワークを設置し、前記ヘッドユニットが最高速度となる打抜き点で打抜き型に当接するように下型と、を備え、ワークに必要な打ち抜きエネルギーを、主としてヘッドユニットの最高速度時の運動エネルギーから得、リニアモータはリニアブラケットに結合され、ヘッドユニットはガイドシャフト及び押しばねを介してリニアブラケットに連結され、ヘッドユニットとリニアブラケットとは押しばねにより互いに離間するように取付けされ、ガイドシャフトにより、所定距離以上離間しないように拘束されている。

この発明によれば、ワーク（鋼板等の加工物）を高速で運動エネルギーを主に打抜くことが可能となり、打抜き装置自体の小型化、省資源化、省スペース化に貢献できる。
また、被打抜き部の切断面の精度、品質がよく、残留応力が小さく、また、打抜き型の磨耗低減による長寿命化、省エネルギー化も可能となる。

本発明にかかる打抜きプレス機の実施の形態を示す縦断面図である。リニアブラケットが上死点位置にある状態を示す縦断面図である。リニアブラケットが上死点位置から下降してワーク打抜き点にある状態を示す縦断面図である。リニアブラケットがさらに下降して下死点位置にある状態を示す縦断面図である。従来技術の場合におけるリニアモータ、及び打抜き型の変位線図と速度線図である。

以下に、本発明にかかる速度制御による打抜き装置の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明にかかる打抜き装置の実施の形態を示す縦断面図である。
図１に示すように、実施の形態の打抜き装置１００は、垂直面１０ａ、１０ａを互いに対向させて立設されたガイドフレーム１０、１０と、ガイドフレーム１０、１０の垂直面１０ａ、１０ａに設置され垂直方向に移動するリニアモータ１５、１５と、リニアモータ１５、１５に結合されたリニアブラケット２０と、リニアブラケット２０の下側に連結されたヘッドユニット２５と、ヘッドユニット２５の上ブラケット２５ｅに保持された打抜き型２５ｆと、下ブラケット３１に保持されて打抜き型２５ｆと対向するように設置されたダイス下型３０と、を備えている。

ガイドフレーム１０の垂直面１０ａ、１０ａに、リニアモータ１５の磁石レール１５ａ、１５ａが、片側に２本ずつ垂直方向に設置されている。リニアブラケット２０の両側に、リニアモータ１５のコイルスライダ１５ｂが、磁石レール１５ａ１本につき上下２個ずつ結合されている。

ヘッドユニット２５は、ヘッドブラケット２５ａと、ヘッドブラケット２５ａの下側に取付けられた上ブラケット２５ｅと、上ブラケット２５ｅに保持された打抜き型２５ｆと、打抜き型２５ｆの下側に、押えばね２５ｈにより連結されたワーク押え２５ｇと、ヘッドブラケット２５ａの上側にボルト２５ｄにより取付けられた３本のガイドシャフト２５ｂと、を備えている。

ガイドシャフト２５ｂは、軸部２５ｂａと軸部２５ｂａより径が大きい頭部２５ｂｂとから成っている。ガイドシャフト２５ｂの軸部２５ｂａには、押しばね２５ｃが装着されている。ガイドシャフト２５ｂの頭部２５ｂｂは、リニアブラケット２０の下部に設けられたシリンダ部２０ａ内に挿入されている。ガイドシャフト２５ｂの軸部２５ｂａを挿通させた状態でリニアブラケット２０の下端に取付けられたホルダ２１により、頭部２５ｂｂが保持されることにより、ヘッドユニット２５がリニアブラケット２０に連結される。

ヘッドユニット２５がリニアブラケット２０に連結された状態で、押しばね２５ｃは、ホルダ２１とヘッドブラケット２５ａの間に挟持され、初期圧縮たわみが与えられている。そのため、互いに離間するように取り付けされ、ガイドシャフトにより所定距離以上は離間しないように拘束されている。

ヘッドユニット２５とリニアブラケット２０とは、押しばね２５ｃにより、互いに離間するように取付けされ、ガイドシャフト２５ｂにより、所定距離以上離間しないように拘束されている。ヘッドユニット２５とヘッドブラケット２５ａは、リニアモータ１５の磁石レール１５ａ、１５ａにガイドされ、リニアモータ１５の移動に伴って垂直方向に移動する。

次に、図２〜図５を参照して、打抜き製造装置１００の作用、動作について説明する。図２は、リニアモータ、リニアブラケット及びヘッドユニットが上昇して上死点にある状態を示す縦断面図であり、図３は、リニアモータ、リニアブラケット及びヘッドユニットが上死点から下降して打抜き点にある状態を示す縦断面図であり、図４は、リニアモータ及びリニアブラケットがさらに下降して下死点位置にある状態を示す縦断面図であり、図５は、従来技術のリニアモータ変位線図、及び速度線図である。

図２に示すように、リニアブラケット２０が、リニアモータ１５により駆動されて上昇し、リニアブラケット２０の下端が上死点（最高位置）にあるとき（このときリニアモータ１５も同様に上死点にある）、ヘッドユニット２５は、３本のガイドシャフト２５ｂにより吊上げられて上死点にあり、ワーク押え２５ｇとダイス３０上のワーク（加工物）４０とは離間している。同様に、ガイドフレーム１０の最下部に設けられた第１ストッパ１０ｂとヘッドブラケット２５ａも離間し、下ブラケット３１上に立設された第２ストッパ３２と上ブラケット２５ｅも離間している。

上記のリニアモータ１５、リニアブラケット２０及びヘッドユニット２５の上死点から、リニアモータ１５を下方向推力により駆動させ、リニアブラケット２０を下降させ、押しばね２５ｃの反発力も利用して、ヘッドユニット２５に下降加速度を与え、ヘッドユニット２５を下降させる。

ヘッドユニット２５が下降すると、まず、ワーク押え２５ｇがワーク４０に当接してワーク４０をダイス下型３０上に押えつける。
続いて、図３に示すように、押えばね２５ｈが圧縮されて打抜き型２５ｆがワーク押え２５ｇに当接する直前に、打抜き型２５ｆのポンチ２５ｆｐにより、ワーク４０の被打抜き部４０ａを打ち抜き、被打抜き部４０ａをダイス下型３０の落し孔３０ａに落し込む。

ポンチ２５ｆｐによりワーク４０を打抜くときのヘッドユニット２５の下降速度Ｖが最高速度Ｖ_ｍａｘとなる位置になるように、そして最高速度Ｖ_ｍａｘは打抜きに必要最小限の速度となるように、上死点から打抜き点までのリニアモータ１５の加速区間を設定する。

すなわち、実施の形態の打抜き製造装置１００は、リニアモータ１５の推力でワーク４０を打抜くのではなく、ワーク４０の打抜きに必要なエネルギーを、主として、ヘッドユニット２５（打抜き型２５ｆを含む）の最高速度時の運動エネルギーＥｖから得ることにより、高速でワーク４０を打抜くようになっている。

ワーク４０の厚さをｔ、ワーク４０から打抜かれる被打抜き部４０ａの周長をＳ、ワーク４０のせん断応力をτ、安全率をＡ、とすると、せん断力Ｆ及び打抜きに必要なエネルギーＥｐは、
せん断力：Ｆ＝Ａ・Ｓ・ｔ・τ （１）
打抜きエネルギー：Ｅｐ＝Ｆ・ｔ＝Ａ・Ｓ・ｔ^２・τ （２）
で表される。

ヘッドブラケット２５ａと、上ブラケット２５ｅと、打抜き型２５ｆと、３本のボルト２５ｄと、３本のガイドシャフト２５ｂと、から成るヘッドユニット２５の質量をｍ、打抜き型２５ｆのポンチ２５ｆｐがワーク４０に当接するときのヘッドユニット２５の下降速度をＶ_ｍａｘとすると、ヘッドユニット２５の運動エネルギーＥｖは、
運動エネルギー：Ｅｖ＝ｍ・Ｖ_ｍａｘ ^２／２（３）
で表される。

ワーク４０から被打抜き部４０ａを打抜くために、
Ｅｐ＜Ｅｖ
となるように、ヘッドユニット２５が上死点から打抜き点に到達するまで（リニアモータ１５が上死点から打抜き点に到達するまで）の加速区間において、リニアモータ１５の推力によりヘッドユニット２５を最高速度Ｖ_ｍａｘまで加速するようにする。

上記したリニアモータ１５の制御装置は、リニアモータ１５の制御装置５０（図１参照）に、ワーク４０のせん断応力τ、厚さｔ及びワーク４０の被打抜き部４０ａの周長Ｓを入力し、制御装置５０により、上記（２）式に基づいて打抜きエネルギーＥｐを演算し、ヘッドユニット２５の質量ｍや押しばねのばね定数等必要諸条件も予め記憶しておき、ヘッドユニット２５の打抜き点における最高速度Ｖ_ｍａｘが、打抜きエネルギーＥｐ＜ｍ・Ｖ_ｍａｘ ^２／２となるように、リニアモータの加速区間を設定させるようにするとよい。

図３に示すように、打抜き型２５ｆのポンチ２５ｆｐによりワーク４０が打抜かれると、打抜き時の衝撃によりヘッドユニット２５が急減速すると同時に、打抜き型２５ｆがワーク押え２５ｇに当接し、その後、上ブラケット２５ｅが第２ストッパ３２に当接し、ヘッドブラケット２５ａが第１ストッパ１０ｂに当接することにより、ヘッドユニット２５は下降を停止する。

同時に、制御装置５０により、リニアモータ１５も減速停止する。この時、リニアモータの打抜き点から下死点までの減速区間に発生する回生エネルギーを制御装置側で蓄積することで、再度運動エネルギーとして再利用することもできる。

続いて、リニアモータ１５は逆方向（上昇方向）へ駆動され、リニアブラケット２０は、リニアモータ１５の上昇方向推力及び押しばね２５ｃの反発力により上昇方向の力を付与され、図２に示す上死点位置まで上昇して、第１回目のワーク打抜き工程を終了する。ワーク４０の位置を移動させながら第２回目以降のワーク打抜き工程を実施する。

図５は、従来技術の場合におけるリニアモータ、及び打抜き型の変位線図と速度線図を示す。リニアモータと打抜き型は常に同期して駆動するので図５に示す通りの線図となる。
従って、打抜き点での打抜き速度はＶaで示す箇所となり、最高速度Ｖ_ｍａｘではない。

以上説明した実施の形態の打抜き装置１００によれば、速度制御できる制御装置と位置検出器を備えることで、ワーク打抜き形状の情報から必要エネルギーを算出し必要最小限の運動エネルギーでワークを打抜くことができ、ワーク４０を高速で運動エネルギーにより打抜くので、打抜き装置に用いるリニアモータの小型化が可能となり、装置の小型化、省資源化、省スペース化に貢献できる。
なお、リニアモータと連結するリニアブラケットと打抜き型を保持するヘッドユニットとの間には押しばね機構が設けられているため、リニアモータの加速と押しばねの弾力の相乗効果により、ヘッドユニットがリニアモータの運動とは同期せずに、リニアモータの最高速度以上の加速度・速度を生じることができ、より大きな運動エネルギーを得ることができる。同時に、必要速度に到達するまでの時間を短縮できるので加工サイクルタイムの短縮化にも貢献できる。また、押しばね機構により、最高速度に達したヘッドユニットが、打抜き時リニアモータの運動とは同期せずに、ばねの弾力により急激に減速停止するので、打抜き後、減速停止するまでのストロークは非常に短くできる。

その他、速度制御できる制御装置を用いて必要最小限の運動エネルギーで打抜くため、打抜き直後のヘッドユニット速度はほぼゼロとなる。従って、打抜き型の刃研部分は必要最小限のストロークとなるので打抜き型の長寿命化に貢献できる。且つ、打抜き後のヘッドユニットのストロークが少ないため加工サイクルタイム短縮化にも貢献できる。ここで、押しばね機構の効果は、打抜き時の衝撃をリニアモータ本体部へ伝えにくくする緩衝材の役目も果たすので、打抜き装置の堅牢化が不要であり、打抜き装置の簡素化、小型化、省資源化、省スペース化に寄与する。
また、ガイドフレームとガイドフレームに設置され、上死点から打抜き点までの加速区間、及び打抜き点から下死点までの減速区間を有し、上死点と下死点との間の移動区間を往復するリニアモータが両側の各ガイドフレームに対向設置することもできる。

以上のように、本発明にかかる打抜き装置は、ワーク（鋼板等の加工物）を打抜いて板金部品やモータ固定子鉄心等を製造する打抜き装置として有用である。
また、ダイス下型３０をｘ軸方向、ｙ軸方向に駆動できるアクチュエータを設けると様々な形状に加工できる打抜き装置にも応用できる。

１０ガイドフレーム、１０ｂ第１ストッパ、１５リニアモータ、１５ａ磁石レール、１５ｂコイルスライダ、２０リニアブラケット、２０ａシリンダ部、２１ホルダ、２５ヘッドユニット、２５ａヘッドブラケット、２５ｂガイドシャフト、２５ｃ押しばね、２５ｄボルト、２５ｅ上ブラケット、２５ｆ抜き型、２５ｆｐポンチ、２５ｇワーク押え、２５ｈ押えばね、３０ダイス下型、３０ａ落し孔、３１下ブラケット、３２第２ストッパ、４０ワーク（鋼板）、４０ａ被打抜き部、５０制御装置、１００打抜きプレス機。

Claims

ガイドフレームと、
前記ガイドフレームに設置され、上死点から打抜き点までの加速区間、及び打抜き点から下死点までの減速区間を有し、上死点と下死点との間の移動区間を往復するリニアモータと、
下部に打抜き型を保持しリニアモータに連結され、リニアモータが上死点から打抜き点に至る加速区間において最高速度まで加速されるヘッドユニットと、
ワークを設置し、前記ヘッドユニットが最高速度となる打抜き点で打抜き型に当接するように下型と、を備え、
ワークに必要な打ち抜きエネルギーを、主としてヘッドユニットの最高速度時の運動エネルギーから得、
リニアモータはリニアブラケットに結合され、ヘッドユニットはガイドシャフト及び押しばねを介してリニアブラケットに連結され、ヘッドユニットとリニアブラケットとは押しばねにより互いに離間するように取付けされ、ガイドシャフトにより、所定距離以上離間しないように拘束されていることを特徴とする打抜き装置。
ワークの打抜き後に、ヘッドユニットの移動を停止させるストッパをさらに備え、停止した前記ヘッドユニットは、慣性により該ヘッドユニットに接近するリニアブラケットを、押しばねの反発力により減速させることを特徴とする請求項１に記載の打抜きプレス機。
リニアモータは、一対のガイドフレーム間に設置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の打抜き装置。
リニアモータの打抜き点から下死点までの減速区間に発生する回生エネルギーを蓄積する回生エネルギー蓄積手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至３何れかに記載の打抜き装置。
リニアモータは、ワークのせん断応力τ、厚さｔ、及びワークの打抜き部周長Ｓに基づいて打抜きエネルギーＥｐを算出し、ヘッドユニット質量ｍとリニアモータの打抜き点における最高速度Ｖmaxが打抜きエネルギーＥｐ＜ｍ・Ｖmax2／2となるように上死点から打抜き点までの加速区間で加速させる制御ユニットにより制御されることを特徴とする請求項１乃至４何れかに記載の打抜き装置。