JP5578910B2 - スピニング加工装置 - Google Patents

Description

本発明は筒状のワークを加工するためのスピニング加工装置に関する。

各種高圧ガスを充填する容器には鉄製やステンレス製の圧力容器（ボンベ）が使用されている。また、次世代の自動車である燃料電池車では水素燃料を充填して搭載するための軽量で耐圧性能が高い圧力容器が求められているが、このような要求を満足できる圧力容器として、アルミ合金製の金属ライナーの外側に補強樹脂層を形成した圧力容器が利用されている。

金属製の圧力容器や金属ライナーは、円筒状の胴部の両端に、胴部よりも径が小さくなる湾曲面（例えば椀状、半円状、楕円状の湾曲面）を有するドーム部が形成されており、このドーム部を介して底部が形成されたり、ドーム部を介して口金取付部が形成されたりしている。一般に、ドーム部から底部、口金取付部に至る部分は、成形ローラを押し当てて加工するスピニング加工により成形されることが多い（特許文献１参照）。

ところで、特許文献１に図示されているようなスピニング加工では、１つの成形ローラを使用し、加工対象である円筒部材を回転させておき、成形ローラを回転中の円筒部材の加工部分（ドーム部や口金取付部など）に対して一方向から押し当てるようにして所望の形状に変形させている。
しかしながら、この加工方法では、加工中に成形ローラによる押圧力が円筒部材を回転軸から偏心させるように作用することになり、その結果、スピニング加工によって形成されるワークの安定性は悪くなり、ワークがチャックから逃げやすくなっていた。

また、特許文献１に図示されているようなスピニング加工では、円筒部材の外周面を、チャック機構で把持するようにして固定し、回転機構で円筒部材を回転させるのが一般的である。その場合、回転により遠心力が働くと、チャック機構による円筒部材の保持力が弱まるようになり、加工中に位置ずれが生じて外周面に傷が生じたり、加工精度の不具合が発生したりすることになる。
そのため、ワークの安定性が問題とならない程度になるようにローラの押圧力を制限し、また、遠心力による位置ずれが問題とならない程度になるように回転機構の回転速度を制限するようにしてスピニング加工を行うようにしている。

また、別のスピニング成形機の従来例として、円筒状ワークの外周面に沿って旋回しつつ旋回半径を縮小するようにしてスピニング加工を行う成形ローラと、成形ローラによって成形されたワークの外周面に沿って旋回することにより不要部分を切断するカッターとを備えた構造とし、ワークをクランプ部で固定し、成形ローラとカッターとの双方を旋回駆動する１つの回転軸と、成形ローラとカッターを、別々に、前記回転軸に対し離間接近自在に支持するリニアスライドと、当該リニアスライドのうち前記成形ローラまたは前記カッターに係るいずれか一方のリニアスライドを前記回転軸に対し変位させる駆動手段（具体的には回転軸の内部を貫通して軸方向に変位するドローバー）と、当該一方のリニアスライドの変位を、これと逆方向の変位として他方のリニアスライドに伝達するリンク機構とを備えるようにしたものが開示されている（特許文献２参照）。

これによれば、成形ローラおよびカッターのそれぞれに係るリニアスライドを、リンク機構によってつなぐようにしたので、成形ローラとカッターの旋回時にそれぞれに作用する遠心力を、互いの遠心力を打ち消す力として作用させることができ、遠心力に起因する振動発生などの問題を解決するようにしている。

特開２００７−１１３５９０号公報 特開２００４−２９１０４８号公報

特許文献１に記載のスピニング加工に対し、特許文献２に記載のスピニング成形機では、ワーク（筒状部材）を回転させずにクランプ部で固定しているため、ワークに遠心力が働かなくなり、ワークの保持力が遠心力で弱まることによって位置ずれが発生したり傷が発生したりする問題はなくなる。また、成形ローラに働く遠心力を、カッターに働く遠心力で打ち消すようにしているので、成形ローラに働く遠心力による問題を低減させることができる。

しかしながら、特許文献２に記載のスピニング成形機では、成形ローラに加わる遠心力は成形ローラの位置によって変化することになる。
すなわち、遠心力Ｆは質量ｍ、半径ｒ、角速度ωとすると、次式（１）で表すことができる。

Ｆ＝ｍｒω^２ ・・・（１）

そのため、一定の角速度で回転させている成形ローラやカッターは、旋回半径（ｒ）が変化すると、それぞれに加わる遠心力も変化するようになる。

特許文献２に記載されているように、成形ローラとカッターとがリンク機構で結合されていると、成形ローラが半径方向内側に移動させるとカッターは外側に移動することになるが、その場合には、成形ローラに働く遠心力は減少し、カッターに働く遠心力が増大することとなる。その結果、成形ローラの半径方向の位置に応じて遠心力の差分が変動することとなり、成形ローラがワークを押圧する成形力は、遠心力の変化の影響を受けて変動することとなる。

そこで、本発明は、成形ローラの半径方向の位置が変動したとしても、遠心力による影響を、その変動分を含めて打ち消すようにすることで、半径方向の位置に依存して成形力が大きく変動することがないようにしたスピニング加工装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、遠心力の変動の影響を低減することで、高速回転下でも精度のよいスピニング加工を実現でき、加工時間を短縮するのに適したスピニング加工装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本発明のスピニング加工装置は、円筒状のワークを固定するクランプ機構と、前記ワークの軸線に沿った回転軸を中心に回転する回転ドラムと、前記ワークの軸線を中心にして回転対称となる位置関係で対をなすように配置される複数の成形ローラと、前記回転ドラムに固定され、前記成形ローラを前記回転ドラムの半径方向に移動可能に支持する成形ローラスライド機構とからなり、前記ワークに対し旋回半径を変化させながら前記成形ローラを押し当てることによりスピニング加工を行うスピニング加工装置であって、前記回転ドラムに支持され、旋回半径の変化に応じて増減する成形ローラの遠心力に対し、遠心力の増減分も含めて打ち消すように変化する付勢力を前記成形ローラスライド機構とは別に成形ローラよりも外周側から成形ローラに付勢する付勢機構を備えるようにしてある。

ここで、「クランプ機構」は、円筒状のワークが軸線を中心にして回転しないように固定することができるものであればよく、例えばワークの外周を把持するクランプ機構が用いられる。
「回転ドラム」は、回転軸を中心に回転する円板部分と円筒側壁とからなり、これらが一体に形成された形状が好ましい。
「軸線を中心にして回転対称となる位置関係で対をなすように配置される」とは、具体的には、２回対称の位置関係では、軸線を中心にして互いに１８０度回転した位置関係となる２つの位置に配置されることをいう。３回対称の位置関係では、軸線を中心にして互いに１２０度回転した位置関係となる３つの位置に配置されることをいう。また、４回対称の位置関係では、軸線を中心にして互いに９０度回転した位置関係となる４つの位置に配置されることをいう。５回対称以上の位置関係についても同様の配置をいうが装置が複雑になるので、実用上は２回対称、３回対称となる位置関係が最も好ましい。
本発明でいう「付勢機構」は、成形ローラの遠心力に対し、遠心力の増減分も含めて打ち消すように変化する付勢力を前記成形ローラスライド機構とは別に成形ローラに付勢する付勢機構をいう。すなわち、特許文献２に記載されるような成形ローラが外側に移動して遠心力が大きくなったときに、成形ローラに働く付勢力が逆に小さくなるような付勢機構は含まれず、成形ローラが外側に移動して遠心力が大きくなったときに付勢力も大きく働く付勢機構をいう。具体的には、成形ローラの外周側から成形ローラに弾性力を与えることができ、成形ローラが外側に移動するほど弾性力が大きくなる弾性手段（スプリング等）を適用することで実現できる。

本発明によれば、成形ローラは、回転ドラムおよび成形ローラスライド機構によってワークに対し、互いに回転対称の位置で旋回しながら半径方向の位置を変化させて加工するので、ワークの軸線を中心にして、バランスよく成形力を加えることができるようになり、真円度の高い加工を行うことができる。そして、加工時に成形ローラの半径方向の位置が変動すると、その半径方向の位置に応じて成形ローラに加わる遠心力が変化する。
すなわち、既述のように（式１）に基づいて一定角速度での回転下で、成形ローラが半径方向外側に移動すると、遠心力は大きく働くようになり、半径方向内側に移動すると遠心力は小さく働くようになる。

そこで、付勢機構によって、成形ローラよりも外周側から成形ローラに付勢し、成形ローラが半径方向外側に移動して遠心力が増加したときは、増大した分だけ付勢力を増やすようにして、遠心力を打ち消す付勢力を与えるようにし、成形ローラが半径方向内側に移動して遠心力が減少したときは減少した分だけ付勢力も減らすようにして、遠心力を打ち消す付勢力を与えるようにする。

本発明によれば、成形ローラの半径方向の位置が変化して成形ローラに働く遠心力が変化しても、その変化分も含めて遠心力を打ち消す付勢力を与えることができるので、成形ローラの半径方向の位置の変動にかかわらず、安定した成形力でスピニング加工を行うことができる。また、外周側から与える付勢力によって遠心力による成形力の減衰を抑えることができる。

上記発明において、前記付勢機構は、前記回転ドラムに支持されたシリンダ内に封入されたガスをピストンで圧縮することにより発生する反発力を、前記ピストンおよび前記成形ローラに連結されたピストンロッドを介して付勢力として成形ローラに与えるガススプリング機構としてもよい。
これによれば、成形ローラが回転中心から外側に変動することによってピストンロッドが外側に押されると、その変動量に応じてピストンがシリンダに封入されたガスを圧縮するようになり、成形ローラにはシリンダからの反発力が付勢力として働くようになる。成形ローラの回転で加わる遠心力が作用して成形ローラの位置が変動したときにも、付勢力が遠心力の増減と連動して増減し、増減分も含めた遠心力を打ち消すように働くようになる。また、封入するガスの圧力を調整することで適切な付勢力に調整することもできる。

上記発明において、前記ガススプリング機構のシリンダは、連通管で接続され並列に並んだ第一シリンダと第二シリンダとからなり、第一シリンダおよび第二シリンダの一端側はそれぞれ閉口端にして回転ドラムに固定され、第一シリンダは前記ピストンが摺動可能に挿入されるとともに当該ピストンに連結されたピストンロッドが第一シリンダの他端から突出して前記成形ローラに固定され、第二シリンダは他端を閉口端にするととともに摺動可能な隔壁が挿入され、第二シリンダの前記他端と隔壁との間にはガスが封入され、第一シリンダのピストンと第二シリンダの隔壁とに挟まれ連通管によって連通される空間には非圧縮性液体が封入してあるようにしてもよい。
これによれば、ガスを封入するシリンダ（第二シリンダ）の空間を大きくすることができ、遠心力に対する付勢力を大きくすることができ、成形ローラの半径方向の移動距離となるストロークを大きくすることができる。このとき第二シリンダの径を太くしたり細くしたりすることでストロークを調整することもできる。

上記発明において、前記成形ローラスライド機構は、前記回転ドラムの半径方向に向けて配置され、前記回転ドラムの中心側と外周側とで軸支され、前記成形ローラが前記回転ドラムの半径方向に沿って移動可能に螺合されるボールネジと、前記回転ドラムの回転軸に対し同軸に支持され、一端が前記ボールネジ端とベベルギアで螺合し、前記ボールネジに回転運動を与えて前記成形ローラを半径方向に移動させる成形ローラ調整軸とを備えるようにしてもよい。
これによれば、成形ローラの半径方向の位置の調整を、成形ローラ調整軸を用いて精度よく調整することができ、上述したガススプリング機構による付勢力を再現性よく与えることができる。また、成形ローラに作用する遠心力をボールネジ部全体で支持するため、応力を分散することができ耐久性に有利である。

上記発明において、前記回転ドラムの外周面は補助ローラによって支持されるようにしてもよい。
これにより、回転ドラムを安定して回転させることができる。また、回転ドラムに遠心力が加わることによる回転ドラムの外側への変形による影響を抑制することができるので、付勢力を一層安定して与えることができる。

上記発明において、前記補助ローラのローラ面には、回転軸から遠ざかるにつれて広がるテーパ面が形成され、前記回転ドラムにおける補助ローラとの接触面は回転軸に近づくにつれて広がるテーパ面が形成されるようにしてもよい。
これにより、ワークを後退させながらスピニング加工を行う際に、成形ローラがワークの方向に引かれる力が働いても、回転ドラムが軸方向に移動することを防止することができ、安定してスピニング加工を行うことができる。さらに、回転ドラムに遠心力が作用し、回転ドラムが回転軸と反対の方向に逃げようした場合でも、回転ドラムが軸方向に移動することを防止することができ、安定してスピニング加工を行うことができる。

本発明に係るスピニング加工装置の一実施例を示す正面から見た断面図。 図１のスピニング加工装置の左側面図。 図１のスピニング加工装置の一部を拡大した部分断面図。

以下において本発明に係るスピニング加工装置を、図面に基づいて詳細に説明する。

図１は金属ライナーを製造する際に使用されるスピニング加工装置の一実施形態を正面から見た断面図である。図２は図１のスピニング加工装置の左側面図である。
スピニング加工装置１は、主として、成形ローラ１１を旋回可能、かつ、径方向に移動可能に保持する成形ローラ駆動装置１２、アルミライナーである円筒状のワークＷの胴部を保持するクランプ装置１３、このクランプ装置１３をワークＷの軸線Ｊの方向（Ｘ方向とする）に前進、後退してワークＷの位置を成形ローラ１１に対し相対的に移動させるＸ軸駆動装置１４とからなる。なお、Ｘ軸駆動装置１４は、成形ローラ駆動装置１２を駆動するようにしてもよい。

成形ローラ駆動装置１２について説明する。成形ローラ駆動装置１２は、中空のフレーム２１の右側部分に、距離を隔てて平行に配置された支持板２２，２３が設けてあり、これらの支持板２２，２３に取り付けたベアリングによって回転軸２４が軸支される。回転軸２４は、軸線Ｊに一致するように配置される。回転軸２４の左端には回転ドラム２５が固定される。回転軸２４の右端にはモータ（図示せず）が接続されており、回転ドラム２５を回転駆動する。
回転軸２４の内側は中空にしてあり、成形ローラ調整軸２６が回転軸２４と同軸状に挿入してある。回転軸２４と成形ローラ調整軸２６とは独立して回転することができるようにしてある。成形ローラ調整軸２６の回転ドラム側の端部にはベベルギア２６ａが固定してある。

回転ドラム２５は円板部２５ａと円筒側壁２５ｂとからなる。円板部２５ａの中心近傍には貫通孔２５ｃが形成された支持体２５ｄが固定してある。また、円筒側壁２５ｂには貫通孔２５ｅが形成してある。そしてボールネジ２７が貫通孔２５ｃ，２５ｅで軸支されるようにしてある。ボールネジ２７は回転軸側（回転中心）から径方向に沿って放射状に配置してある。
ボールネジ２７の回転軸２４側の端部にはベベルギア２７ａが固定してあり、成形ローラ調整軸２６のベベルギア２６ａと螺合してある。
また、ボールネジ２７には成形ローラ１１を支持するハウジング１１ａが螺合してある。成形ローラ調整軸２６を回転すると、ベベルギア２６ａ，２７ａを介してボールネジ２７が回転するようになり、これにより成形ローラ１１が径方向に移動することができる。
したがって、成形ローラ調整軸２６、ベベルギア２６ａ，２７ａ、ボールネジ２７により、成形ローラ１１を径方向にスライドさせる成形ローラスライド機構が構成される。

回転ドラム２５には、成形ローラ１１よりも外側に、第一シリンダ３１、第二シリンダ３２、連通管３３、ピストン３４、ピストンロッド３５、隔壁３６、オイル３７（非圧縮性液体）、窒素ガス３８からなるガススプリング４０が設けてある。
第一シリンダ３１と第二シリンダ３２は、連通管３３で接続してあり、連通管３３に近い側の端は閉口端にされ、円筒側壁２５ｂに並べて固定してある。第一シリンダ３１の他端は成形ローラ１１のハウジング１１ａに向けてある。第一シリンダ３１内のピストン３４に連結されたピストンロッド３５は、第一シリンダ３１の他端から突き出し、先端が成形ローラ１１（ハウジング１１ａ）に固定してある。したがって、成形ローラ１１が径方向に移動するとピストンロッド３５を介してピストン３４が摺動するようにしてある。

第二シリンダ３２の連通管３３から遠い側の端部３２ａは閉口端にしてある。第二シリンダ３２内に挿入された隔壁３６と端部３２ａとの間の空間はガス室３２ｂであり、所望の圧力で窒素ガス３８が封入してある。封入されるガスは窒素ガスに限られず空気などであってもよい。封入ガス圧やシリンダ容積（シリンダ径）を適宜に設定することで、成形ローラ１１に与える付勢力やピストンロッド３５の可動範囲であるストロークを調整することができる。また、ガス室３２ｂ内のガス圧は加工中に最適な付勢力を得られるように制御されてもよい。

第一シリンダ３１のピストン３４と第二シリンダ３２の隔壁３６とによって挟まれ、連通管３３で接続される空間には、非圧縮性の液体であるオイル３７が充填してある。したがって、ピストン３４が摺動するとオイル３７を介して隔壁３６が摺動するようになる。

回転ドラム２５の円筒側壁２５ｂの外側には４つの補助ローラ４１が軸線Ｊを中心に対称に配置してある。補助ローラ４１はそれぞれテーパ面で円筒側壁２５ｂと接触するようにしてあり、回転ドラム２５を支持するとともに回転運動を補助するようにしてある。さらに、接触面をテーパ面にすることにより、回転ドラム２５に対しクランプ装置１３側に引く力が作用したときに、回転ドラム２５が軸線Ｊの方向に移動するのを防ぐようにしてある。

次に、スピニング加工装置１による加工動作について説明する。
成形ローラ調整軸２６により成形ローラの径方向の位置を調整し、回転軸２４を駆動して成形ローラ１１を旋回させる。
加工対象のワークＷをクランプ装置１３で固定し、Ｘ軸駆動装置１４により、旋回中の成形ローラ１１に対し、前進、後退させる。このとき、成形ローラ調整軸２６を調整することで、随時成形ローラ１１の径方向の位置を調整する。これにより、ワークＷにはスピニング加工が施される。

一定の角速度でスピニング加工中に、成形ローラ１１を径方向に移動させると、成形ローラ１１に加わる遠心力は、旋回半径に比例して変化する。
具体的には、成形ローラ１１を径方向外側に移動させると、遠心力は増大する。このとき、成形ローラ１１のハウジング１１ａに固定されたピストンロッド３５は、径方向外側への移動量に応じて変位し、ピストン３４を外周側に摺動させる。ピストン３４の変位は、オイル３７、隔壁３６を介してガス室３２ｂの窒素ガス３８をさらに圧縮するようになり、移動量に応じた反発力を発生する。反発力は隔壁３６、オイル３７、ピストン３４、ピストンロッド３５を介して、成形ローラ１１のハウジング１１ａに、付勢力として伝達される。すなわち、成形ローラ１１が外側に移動すると、遠心力が増加するが、ガススプリング４０による付勢力も増加するため、平衡を保つことができるようになる。
成形ローラ１１を径方向内側に移動させたときは、遠心力が減少するが、ガススプリングによる付勢力も減少するため、やはり平衡を保つことができるようになる。

（変形実施形態）
以上、本発明の代表的な実施形態について説明したが、本発明は必ずしも上記の実施形態に特定されるものではない。
例えば、上記実施形態では、回転ドラム２５は、円板部２５ａと円筒側壁２５ｂとにより形成され、これが好ましい形状であるが、円筒側壁２５ｂは完全な円筒形状でなくてもよく、一部が欠如していてもよい。すなわち、円筒側壁２５ｂは、付勢力を与えるガススプリング４０の一端を、成形ローラ１１の外側で固定するために用いられ、また、成形ローラスライド機構のボールネジ２７の一端を軸支するために用いられるが、これらの取り付けに必要な側壁部分があればよいので、完全な円筒側壁でなくてもよい。したがって、本発明でいう回転ドラムは、完全な円筒形状の側壁を有していない場合も含まれる。

上記実施形態では、ガススプリング機構４０を用いたが、ガスの反発力に代えて、弾性バネ等の反発力で付勢することもできる。
その他本発明では、その目的を達成し、請求の範囲を逸脱しない範囲内で適宜修正、変更することが可能である。

本発明のスピニング加工装置は、金属ライナー等の加工に用いられる。

Ｗ ワーク
１ スピニング加工装置
１１ 成形ローラ
１２ 成形ローラ駆動装置
１３ クランプ装置
１４ Ｘ軸駆動装置
２４ 回転軸
２５ 回転ドラム
２６ 成形ローラ調整軸
２６ａ ベベルギア
２７ ボールネジ
２７ａ ベベルギア
３１ 第一シリンダ
３２ 第二シリンダ
３３ 連通管
３４ ピストン
３５ ピストンロッド
３６ 隔壁
３７ オイル（非圧縮性液体）
３８ 窒素ガス

Claims (6)

1. 円筒状のワークを固定するクランプ機構と、
   前記ワークの軸線に沿った回転軸を中心に回転する回転ドラムと、
   前記ワークの軸線を中心にして回転対称となる位置関係で対をなすように配置される複数の成形ローラと、
   前記回転ドラムに固定され、前記成形ローラを前記回転ドラムの半径方向に移動可能に支持する成形ローラスライド機構とからなり、
   前記ワークに対し旋回半径を変化させながら前記成形ローラを押し当てることによりスピニング加工を行うスピニング加工装置であって、
   前記回転ドラムに支持され、旋回半径の変化に応じて増減する成形ローラの遠心力に対し、遠心力の増減分も含めて打ち消すように変化する付勢力を前記成形ローラスライド機構とは別に成形ローラよりも外周側から成形ローラに付勢する付勢機構を備えたことを特徴とするスピニング加工装置。
2. 前記付勢機構は、前記回転ドラムに支持されたシリンダ内に封入されたガスをピストンで圧縮することにより発生する反発力を、前記ピストンおよび前記成形ローラに連結されたピストンロッドを介して付勢力として成形ローラに与えるガススプリング機構である請求項１に記載のスプリング加工装置。
3. 前記ガススプリング機構のシリンダは、連通管で接続され並列に並んだ第一シリンダと第二シリンダとからなり、第一シリンダおよび第二シリンダの一端側はそれぞれ閉口端にして回転ドラムに固定され、第一シリンダは前記ピストンが摺動可能に挿入されるとともに当該ピストンに連結されたピストンロッドが第一シリンダの他端から突出して前記成形ローラに固定され、第二シリンダは他端を閉口端にするととともに摺動可能な隔壁が挿入され、第二シリンダの前記他端と隔壁との間にはガスが封入され、第一シリンダのピストンと第二シリンダの隔壁とに挟まれ連通管によって連通される空間には非圧縮性液体が封入してある請求項２に記載のスプリング加工装置。
4. 前記成形ローラスライド機構は、前記回転ドラムの半径方向に向けて配置され、前記回転ドラムの中心側と外周側とで軸支され、前記成形ローラが前記回転ドラムの半径方向に沿って移動可能に螺合されるボールネジと、
   前記回転ドラムの回転軸に対し同軸に支持され、一端が前記ボールネジ端とベベルギアで螺合し、前記ボールネジに回転運動を与えて前記成形ローラを半径方向に移動させる成形ローラ調整軸とを備えた請求項１〜請求項３のいずれかに記載のスピニング加工装置。
5. 前記回転ドラムの外周面は補助ローラによって支持される請求項４に記載のスピニング加工装置。
6. 前記補助ローラのローラ面には、回転軸から遠ざかるにつれて広がるテーパ面が形成され、前記回転ドラムにおける補助ローラとの接触面は回転軸に近づくにつれて広がるテーパ面が形成される請求項５に記載のスピニング加工装置。

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