JP5822285B2 - 熱間三次元曲げ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、直線状の金属管を長手方向に移動自在に案内する金属管案内手段と、前記金属管案内手段の下流側に配置されて前記金属管を加熱する加熱装置と、前記加熱装置の下流側に配置されて前記金属管を冷却する冷却装置と、前記冷却装置の下流側で前記金属管の把持点を把持して三次元空間内で移動する曲げ装置とを備える熱間三次元曲げ加工装置に関する。

閉断面の長尺金属材をその長手方向に送出する送り装置と、金属材を送り方向に移動自在に支持する支持装置と、支持装置を通過した金属材を加熱する高周波加熱装置と、高周波加熱装置を通過した金属材を冷却する冷却装置と、金属材の送り方向先端を把持して高周波加熱装置で加熱された部分に曲げモーメントを加える把持手段とを備える曲げ加工製品の製造装置が、下記特許文献１により公知である。

国際出願公開ＷＯ２０１０／０５０４６０号

ところで、上記特許文献１に記載された発明は、送り装置で長尺金属材を長手方向に押し出しながら、把持装置で金属材に曲げモーメントを加えて曲げ加工を行うものであり、送り装置による金属材の送り速度と、曲げモーメントを加えるための把持装置の移動軌跡とを協調制御する必要があるため、その協調制御が極めて複雑なものになって製品の加工精度を高めるのが難しいという問題があった。また送り装置による金属材の送り量に制約があるため、把持手段側の能力に余裕があっても、送り装置の送り量によって製品の長さが制約されてしまうという問題があった。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、熱間三次元曲げ加工装置による製品の加工精度を高めるともに、長尺の製品の加工を可能にすることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明によれば、直線状の金属管を長手方向に移動自在に案内する金属管案内手段と、前記金属管案内手段の下流側に配置されて前記金属管を加熱する加熱装置と、前記加熱装置の下流側に配置されて前記金属管を冷却する冷却装置と、前記冷却装置の下流側で前記金属管の把持点を把持して引き出しながら三次元の移動軌跡で移動する曲げ装置とを備え、前記曲げ装置は前記金属管の前記把持点を該曲げ装置に対して相対移動不能に把持した状態で、前記金属管を前記金属管案内手段から引き出し速度が略一定になるように引き出す引き出し荷重と、前記金属管を前記加熱装置の近傍の加工点で曲げる曲げ荷重とを加え、三次元の湾曲形状の金属管の製品を製造する熱間三次元曲げ加工装置であって、
前記曲げ装置の移動軌跡は、所定形状の製品を得るための基本移動軌跡を、前記加工点および前記把持点間の直線部の移動軌跡で補正した第１の移動軌跡を、加工中の前記加工点から前記把持点の間において前記金属管に生じる弾性撓みが解放されることにより発生する戻り分を補償するための補正量で更に補正した第２の移動軌跡であることを特徴とする熱間三次元曲げ加工装置が提案される。

また本発明によれば、前記第１の特徴に加えて、前記補正量は、前記金属管の材料、前記金属管の加熱温度、前記金属管の曲げ方向および前記加工点から前記把持点までの距離の少なくとも一つに応じて設定されることを第２の特徴とする熱間三次元曲げ加工装置が提案される。また、前記補正量は、加工点および把持点間における金属管の弾性撓み量、金属管の断面形状および加工点からの距離に応じて設定することを特徴とする、熱間三次元曲げ加工装置が提案される。更に、前記三次元の湾曲形状の金属管の製品は、自動車のフロントサイドフレームであることを特徴とする、熱間三次元曲げ加工装置が提案される。

尚、実施の形態のガイドローラ１２は本発明の金属管案内手段に対応する。

本発明の第１の特徴によれば、曲げ装置が金属管の把持点を把持して金属管案内手段から引き出しながら三次元空間内で所定の移動軌跡に沿って移動すると、加熱装置により加熱された金属管が加工点において曲げモーメントを受けて曲げられた後に冷却装置により冷却されることで、所定形状の製品を得ることができる。金属管案内手段は金属管を押し出す必要がなく、曲げ装置が金属管を引き出す機能を有するので、金属管送り出し手段および曲げ装置を協調制御する必要がなくなって製品の加工精度が高められるだけでなく、製品の長さが金属管送り出し手段の能力によって制限されることがなくなり、曲げ装置による金属管の引き出し量に応じた長尺の製品を加工することができる。また曲げ装置が金属管の把持点を相対移動可能に支持する従来のものでは、金属管の加工点に該加工点と把持点間の距離に応じたモーメントしか加えられないが、曲げ装置が金属管を該曲げ装置に対して相対移動不能に把持することで、曲げ装置で金属管の把持点を捻ることで更なる曲げモーメントを加えることが可能になり、加工点に加える曲げモーメントの自由度を増加させることができる。

また、曲げ装置の移動軌跡を、所定形状の製品を得るための基本移動軌跡を、加工点および把持点間の直線部の移動軌跡で補正した第１の移動軌跡とすることで、製品の先端部に不要な直線部が繋がっていても、その直線部によって製品の加工精度が低下するのを防止することができる。

また、曲げ装置の移動軌跡を、加工点から把持点の間において金属管に生じる弾性撓みの解放に伴う戻り分を補償するための補正量で補正した第２の移動軌跡とすることで、戻り分による製品の加工精度の低下を防止することができる。

また本発明の第２の特徴によれば、戻り分の補正量を、金属管の材料、金属管の加熱温度、金属管の曲げ方向および加工点から把持点までの距離の少なくとも一つに応じて設定するので、戻り分の補正量を適切に設定して製品の加工精度を更に高めることができる。

図１は金属管の熱間三次元曲げ加工装置の全体構成を示す図である。（第１の実施の形態） 図２は図１の２方向拡大矢視図である。（第１の実施の形態） 図３は図２の３−３線矢視図である。（第１の実施の形態） 図４は図３の４方向矢視図である。（第１の実施の形態） 図５は曲げ装置のチャックの第１の移動軌跡を求める手法の説明図である。（第１の実施の形態） 図６は金属管の送り出し経過時間の時点ごとの戻り量を説明する図である。（第２の実施の形態） 図７は第１の移動軌跡と弾性撓みの戻り量との関係を説明する図である。（第２の実施の形態） 図８は第１の移動軌跡とそれに弾性撓みの戻り量を加えた第２の移動軌跡との関係を説明する図である。（第２の実施の形態） 図９は種々の断面形状を有する金属管を所定の方向に曲げ加工する際の加工点から把持点までの距離に対する金属管の弾性撓み量の関係を示すグラフである。（第２の実施の形態）

１２ ガイドローラ（金属管案内手段）
１３ 加熱装置
１４ 冷却装置
１５ 曲げ装置
２４ 把持点
２５ 加工点
２６ 直線部
Ｗ 金属管
Ｗ′ 製品
Ｔ 基本移動軌跡
Ｔ１ 第１の移動軌跡
Ｔ２ 第２の移動軌跡

本発明の実施の形態を添付図面に基づいて以下に説明する。

第１の実施の形態

先ず、図１〜図５に基づいて本発明の第１の実施の形態を説明する。

図１に示すように、本実施の形態のワークである金属管Ｗは、例えば自動車のフロントサイドフレームを構成する中空部材である。金属管Ｗを加熱して所定形状に曲げ加工すると同時に熱処理する熱間加工装置１１は、ロールフォーミング加工等により閉断面に形成された金属管Ｗをその長手方向に移動自在に案内する複数のガイドローラ１２…と、ガイドローラ１２…の下流側に設けられた高周波加熱コイルよりなる加熱装置１３と、加熱装置１３の下流側に設けられた冷却装置１４と、冷却装置１４の下流側に設けられたロボットよりなる曲げ装置１５とを備える。金属管Ｗは長手方向に一定の断面を有する直線状の部材であるが、それを加熱装置１３で加熱した状態で曲げ装置１５で曲げモーメントを加えることで所定形状に湾曲させた後に、冷却装置１４から噴出する冷却水で急冷して焼き入れ処理を行うようになっている。

図２〜図４に示すように、加熱装置１３は、ガイドローラ１２…から金属管Ｗの送出方向の下流側に所定距離離間した位置に配置されるもので、中央に開口１６ａが形成された板状の架台１６に支持される。加熱装置１３に近い架台１６は、加熱装置１３からの磁束で加熱されて損傷しないように、耐熱性を有するベークライト、ガラスエポキシ、硬質プラスチック等で構成される。

加熱装置１３は２ターンのコイルで構成され、その内周と金属管Ｗの外周との間に略一定の隙間が形成されるように、２個の取付ステー１７，１７を介して架台１６に固定される。加熱装置１３の両端には、それに電力を供給するための２本のケーブル１８，１８が接続される。加熱装置１３は内部にウオータジャケットが形成されており、そのウオータジャケットの両端には、冷却水を供給するための２本のホース１９，１９が接続される。通電により加熱装置１３自体も発熱して高温になるが、その内部にホース１９，１９を介して冷却水を供給することで、加熱装置１３の過熱を防止することができる。

冷却装置１４は金属管Ｗの外周を囲む円環状の冷却水タンク２０と、冷却水タンク２０の外周面に接続された４本の冷却水供給パイプ２１…と、冷却水タンク２０の内周面に形成された多数の冷却水噴出孔２０ａ…とを備える。加熱装置１３を通過して高温に加熱された金属管Ｗは、その直後に冷却装置１４を通過する際に冷却水噴出孔２０ａ…から噴出する冷却水によって冷却される。

ロボットよりなる曲げ装置１５は、関節により屈曲可能に連結された複数のアーム２２…の先端に金属管Ｗを把持するチャック２３を備えるもので、チャック２３は金属管Ｗの把持点２４の外表面に密着する把持面を有しており、チャック２３で把持点２４を把持した状態ではチャック２３および把持点２４は相対移動不能に一体化される。従って、チャック２３の位置を金属管Ｗの長手方向に移動させることで、金属管Ｗをガイドローラ１２…に沿って長手方向に引き出すことができる。またチャック２３の位置を金属管Ｗの長手方向に対して直交する方向に移動させたり、チャック２３の位置で捻りを加えることで、金属管Ｗに曲げモーメントを発生させることができる。

次に、上記構成を備えた本発明の実施の形態の作用について説明する。

ガイドローラ１２…から引き出された金属管Ｗは、加熱装置１３および冷却装置１４を通過した位置で曲げ装置１５のチャック２３により把持される。この状態が加工開始時の状態となる。高周波コイルよりなる加熱装置１３にケーブル１８，１８を介して高周波電流を供給すると、加熱装置１３の周囲に形成される磁界によって金属管Ｗの内部に渦電流が発生し、金属管Ｗがジュール熱によりＡ３変態点以上の温度に加熱される。

加熱装置１３を通過した直後の加工点２５（図１参照）で金属管Ｗの温度は最も高温になり、その加工点２５で曲げモーメントを受けた金属管Ｗは所望の形状に曲げ加工される。加工点２５において曲げ加工された金属管Ｗは直ちに冷却装置１４に供給され、冷却水タンク２０の冷却水噴出孔２０ａ…から噴出する冷却水で急冷されて焼き入れ処理されるため、それ以後は曲げモーメントを受けても永久変形することはない。

加工点２５の位置は金属管Ｗの引き出し速度に応じて変化するが、引き出し速度が略一定になるように曲げ装置１５のチャック２３の移動軌跡を設定することにより、加工点２５の位置は実質的に一定であると見做すことができる。また加工点２５と冷却装置１４との間の金属管Ｗも高温の状態にあるが、曲げ装置１５のチャック２３により金属管Ｗに加えられる曲げモーメントはチャック２３から遠いほど大きくなるため、加工点２５において一旦曲げられた金属管Ｗが、加工点２５を通過した後に再び曲げられることはない。

このようにして曲げ装置１５のチャック２３を所定の移動軌跡に沿って移動させることで、金属管Ｗの曲げ加工および焼き入れ処理を連続的に行い、所定形状に曲げ加工された所定長さの製品Ｗ′（図５参照）を得ることができる。得られた製品Ｗ′は、その上流側の未加工の金属管Ｗから切り離された後、両端の不要部分が切除される。

以上のように、従来の金属管Ｗの送り装置を廃止して金属管Ｗを移動自在に案内するガイドローラ１２…だけを設け、曲げ装置１５に金属管Ｗを引き出す機能を持たせたので、送り装置および曲げ装置を協調制御する必要がなくなって製品Ｗ′の加工精度が高められるだけでなく、製品Ｗ′の長さが送り装置の能力によって制限されることがなくなり、曲げ装置１５による金属管Ｗの引き出し量に応じた長尺の製品Ｗ′を加工することができる。仮に、曲げ装置１５が金属管Ｗの把持点２４を相対回転可能に支持する場合には、金属管Ｗに把持点２４からの距離に応じたモーメントしか加えられないが、チャック２３が金属管Ｗを該チャック２３に対して相対移動不能に把持することで、チャック２３で金属管の把持点２４を捻ることで更なる曲げモーメントを加えることが可能になり、加工点２５に加える曲げモーメントの自由度を増加させることができる。

次に、図５に基づいて曲げ装置１５のチャック２３の移動軌跡について説明する。

図５（Ａ）は加工を開始するときの状態を示すもので、直線状の金属管Ｗの先端部２７が加熱装置１３および冷却装置１４を通過した位置で、その先端部２７の手前の把持点２４が曲げ装置１５のチャック２３によって把持されている。このとき、加熱装置１３の近傍の加工点２５から先端部２７までの間の部分は、加熱装置１３によって加熱されることがないために曲がらない部分であり、このうち加工点２５から把持点２４までの部分を直線部２６（黒く塗り潰した部分参照）と定義する。金属管Ｗの曲げ加工されていない部分は白抜きで示され、曲げ加工された部分は灰色で示される。

仮に、加工開始時にチャック２３が金属管Ｗの把持点２４を把持するのでなく、金属管Ｗの加工点２５を把持し円弧状に湾曲した場合、曲げ加工中のチャック２３の移動軌跡は、図５（Ｂ）に示す製品Ｗ′のような形状となり、曲げ加工を終えた製品Ｗ′の形状に一致する。例えば、製品Ｗ′が円弧状に湾曲する部材であれば、チャック２３の移動軌跡も同一半径の円弧状となる。しかしながら、実際には加工開始時にチャック２３は金属管Ｗの加工点２５ではなく把持点２４を把持するため、直線部２６の分だけチャック２３の移動軌跡が製品Ｗ′の形状からずれることになる。

即ち、図５（Ｂ）は加工を終了するときの状態を示すもので、灰色の部分が円弧状の製品Ｗ′の形状を示している。金属管Ｗの下流側に連なる直線部２６の先端（つまり把持点２４）は、製品Ｗ′の形状のラインから常に円弧の接線方向に突出しているため、把持点２４の移動軌跡（つまりチャック２３の第１の移動軌跡Ｔ１）は製品Ｗ′の形状には一致しない。製品Ｗ′がＯを中心とする曲率半径Ｒの円弧形状であれば、チャック２３の第１の移動軌跡は製品Ｗ′の曲率半径ＲよりもΔＲだけ大きい曲率半径Ｒ＋ΔＲを有してＯを中心とする円弧形状となる。

つまり、曲げ装置１５のチャック２３の第１の移動軌跡Ｔ１は、製品Ｗ′の形状に等しい基本移動軌跡Ｔを、それに直線部２６の移動軌跡を加えて補正したものとなる。このように、加工開始時に加熱装置１３や冷却装置１４と干渉するためにチャック２３で加工点２５を把持できず、やむを得ず把持点２４を把持することで製品Ｗ′の先端部に直線部２６が形成されても、チャック２３の移動軌跡を前記第１の移動軌跡Ｔ１のように補正することで、製品Ｗ′の加工精度を高めることができる。

尚、図５（Ｂ）の状態で製品Ｗ′の加工は一応終了するが、更に金属管Ｗを所定長さだけ引き出した後に、図５（Ａ）に示す把持点２４の位置で製品Ｗ′を切断する。そして製品Ｗ′の先端の直線部２６と、製品Ｗ′の後端の余分に引き出した部分を切断することで、製品Ｗ′の加工が全て終了する。

第２の実施の形態

次に、図６〜図９に基づいて第２の実施の形態を説明する。

第１の実施の形態は、製品Ｗ′が高剛性かつ全長が比較的に短い場合に好適であるが、金属管Ｗの断面形状、板厚、長さ等によっては、曲げ加工が終了してチャック２３を開放した瞬間にチャック２３の開放前に製品Ｗ′と直線部２６とに生じていた弾性撓みが解放されることになり、曲率が減少する方向に製品Ｗ′が変形する場合があり、この場合には更なる対策を施して製品Ｗ′の加工精度を高める必要がある。

図９は種々の断面の製品Ｗ′の弾性撓み量を示すグラフであって、横軸が加工点２５から加工途中の把持点２４までの距離であり、縦軸が弾性撓み量である。加工点２５からの距離が増加するのに伴い、弾性撓み量が次第に増加することが分かる。加工を完了した製品Ｗ′から弾性撓みによる誤差を取り除くには、予め弾性撓み量を見越して金属管Ｗを目標とする曲率よりも強く曲げておき、弾性撓みが解放されて曲率が減少した時点での製品Ｗ′の形状が目標の形状に一致するようにすれば良い。

図６は、金属管Ｗの送り出し経過時間［ｔ＝１、２、３…ｎ（加工終了）］の時点ごとの戻り量を説明する図である。また図７は、加工終了時の第１の移動軌跡Ｔ１と弾性撓みの戻り量との関係を説明する図である。更に、図８は、第１の移動軌跡Ｔ１とそれに弾性撓みの戻り量を加えた第２の移動軌跡Ｔ２との関係を説明する図である。

図７中の太い実線は目標とする製品Ｗ′の形状であり、太い破線は第１の実施の形態で説明した把持点２４の第１の移動軌跡Ｔ１である。把持点２４を第１の移動軌跡Ｔ１で引き出して移動させると、弾性撓みの解放によって細い実線のように変形した製品Ｗ′の形状が目標とする形状からずれてしまい、その各位置または時間毎のずれ量ｒ１，ｒ２，ｒ３…ｒｎが図６および図７に示す弾性撓みの解放に伴う戻り分になる。よって、図８に示すように第１の移動軌跡を製品Ｗ′の各位置毎に前記ずれ量ｒ１，ｒ２，ｒ３…ｒｎで補正したものを第２の移動軌跡Ｔ２（細い破線参照）とすることで、加工完了後の製品Ｗ′の形状の精度を確保することができる。

図９に示すように、加工点２５および把持点２４間における金属管Ｗの弾性撓み量、金属管Ｗの断面形状および加工点２５からの距離に応じて設定するだけでなく、金属管Ｗの板厚、金属管Ｗの材料、加熱装置１３による加熱温度、金属管Ｗの曲げ方向等に応じて設定することで、製品Ｗ′の加工精度を更に高めることができる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、実施の形態では曲げ装置１５のチャック２３の基本移動軌跡Ｔを製品Ｗ′の形状に一致させているが、チャック２３の基本移動軌跡Ｔは任意の手法で算出することができる。

また実施の形態では製品Ｗ′の湾曲形状を円弧形状としたが、製品Ｗ′の湾曲形状は任意の三次元とすることができる。

また本発明の金属管案内手段は実施の形態のガイドローラ１２…に限定されず、金属管Ｗを長手方向に移動自在に案内する任意の手段を採用することができる。

また実施の形態の金属管Ｗは自動車のフロントサイドフレームに限定されず、任意の用途の部材であっても良い。

Claims (4)

1. 直線状の金属管（Ｗ）を長手方向に移動自在に案内する金属管案内手段（１２）と、前記金属管案内手段（１２）の下流側に配置されて前記金属管（Ｗ）を加熱する加熱装置（１３）と、前記加熱装置（１３）の下流側に配置されて前記金属管（Ｗ）を冷却する冷却装置（１４）と、前記冷却装置（１４）の下流側で前記金属管（Ｗ）の把持点（２４）を把持して引き出しながら三次元の移動軌跡で移動する曲げ装置（１５）とを備え、前記曲げ装置（１５）は前記金属管（Ｗ）の前記把持点（２４）を該曲げ装置（１５）に対して相対移動不能に把持した状態で、前記金属管（Ｗ）を前記金属管案内手段（１２）から引き出し速度が略一定になるように引き出す引き出し荷重と、前記金属管（Ｗ）を前記加熱装置（１３）の近傍の加工点（２５）で曲げる曲げ荷重とを加え、三次元の湾曲形状の金属管の製品を製造する熱間三次元曲げ加工装置であって、
   前記曲げ装置（１５）の移動軌跡は、所定形状の製品（Ｗ′）を得るための基本移動軌跡（Ｔ）を、前記加工点（２５）および前記把持点（２４）間の直線部（２６）の移動軌跡で補正した第１の移動軌跡（Ｔ１）を、加工中の前記加工点（２５）から前記把持点（２４）の間において前記金属管（Ｗ）に生じる弾性撓みが解放されることにより発生する戻り分を補償するための補正量で更に補正した第２の移動軌跡（Ｔ２）であることを特徴とする熱間三次元曲げ加工装置。
2. 前記補正量は、前記金属管（Ｗ）の材料、前記金属管（Ｗ）の加熱温度、前記金属管（Ｗ）の曲げ方向および前記加工点（２５）から前記把持点（２４）までの距離の少なくとも一つに応じて設定されることを特徴とする、請求項１に記載の熱間三次元曲げ加工装置。
3. 前記補正量は、加工点（２５）および把持点（２４）間における金属管（Ｗ）の弾性撓み量、金属管（Ｗ）の断面形状および加工点（２５）からの距離に応じて設定することを特徴とする、請求項１または４に記載の熱間三次元曲げ加工装置。
4. 前記三次元の湾曲形状の金属管（Ｗ）の製品は、自動車のフロントサイドフレームであることを特徴とする、請求項１，４，５のいずれかに記載の熱間三次元曲げ加工装置。

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