JP6087665B2 - 切断機具及び切断方法 - Google Patents

Description

本発明は、切断機具及び切断方法、特に鋳物の湯口や押湯部などを切断することが出来る切断機具及び切断方法に関する。

ダイカスト (die casting) は、ダイキャストとも言われる金型鋳造法のひとつであり、金型に溶融した金属を圧入することにより、高い寸法精度の鋳物を短時間に大量に生産する鋳造方式である。

ダイカストの使用素材としては、亜鉛、アルミニウム、マグネシウムなどの非鉄金属とその合金が主に用いられ、優れた寸法精度の製品を短時間に大量生産できることから、自動車関連部品に多く使用されている。ダイカスト用の金型には耐熱鋼が使われているが、反復使用による熱衝撃によって破損することがあるため、溶融点の高い合金はダイカストには不向きである。そこで、特にアルミニウム合金（例えばAl-Cu-Si系など）は、溶融点が低く、機械的性質や成型鋳造性に優れており、もっとも経済的で鋳造しやすいため生産量が多い。

このようなダイカストにより鋳造された成型品（特に自動車部品）には、湯口や押湯部が３次元的に複雑に存在し、最終製品化にあたってはこれらの切断等が必要になる。このように３次元的に複雑に存在する湯口や押湯部の切断には、例えばバイトや鋸刃による切削加工（例えば、特許文献１参照）、シャーリング・ニッパー切断等の剪断加工（例えば、特許文献２参照）、プラズマ切断といった特殊切断方法などが使用されている（例えば、特許文献３参照）。

このうち、切削加工については、切粉が飛散するため、周辺機械や床、環境の保全状態に悪影響がある。また切削には時間がかかり、相応の電力を必要とする。さらに、たとえ産業用ロボット等に搭載したとしても、３次元的な可動範囲や稼働条件に制限がある。

剪断加工においては、特に自動車部品など硬い材料を切断する場合、高い加圧力をかける必要が生じる。例えば、20mm程度の厚さのアルミニウム合金をニッパー切断するには、通常５ｔ程度の加圧力が必要になる。さらに、産業用ロボットに搭載した場合でも、把持しながらの加工では、産業用ロボットにかかる反力に対する対応も必要になる。したがって、制御が難しく、製品自体の欠損影響が生じやすい。また、設備が大きくなり多大な電力等も必要とし、各種費用も大きくなってしまうという問題点がある。

プラズマ切断などの特殊切断は制御が難しい。さらに、切断物がアルミニウム合金である場合は、アルミニウム合金の溶融温度が低く（アルミニウムの融点は６６０度）、熱伝導率が高いために、製品に影響を与える可能性があり、制御装置や対応する産業用ロボットが高価になり設備費用的に見合わない。

特開２０１０−５２０ 特開２００５−１９３２６３ 特開２０００−３１７６２２

そこで、本発明は、切粉が飛散せず、軽量かつ低い力で切断が可能であり、安全で取り扱いが容易な切断機及び切断方法を提供することを目的とする。さらには、産業用ロボットに搭載することが可能な湯口等の切断機及び切断方法を提供することを目的とする。

そこで、本発明の切断器具は、加圧機構を有する抵抗加熱装置に備えられる電極からなり、抵抗加熱装置へのジョイント部と、切断刃ホルダーと、切断刃ホルダーに設けられた切断刃とを備えていることからなる。
さらに、本発明の切断器具は、産業用ロボットへ接続可能なロボットマウント部と、切断物への加圧力を調整する加圧機構と、電極支持アームとを備えた、所定のスポットを通電により加熱可能な抵抗加熱装置に設置可能な電極であって、抵抗加熱装置へのジョイント部と、水冷管を内蔵したチップホルダーと、チップホルダーの先端に設けられた切断刃ホルダーと、切断刃ホルダーに設けられた切断刃とを備えた電極からなる。

また、切断刃ホルダーは銅又は銅合金からなり、切断刃はタングステン，カーボン，ステンレス又はその合金からなることが好適である。
また、切断刃ホルダーの外側面に、片刃状の切断刃が備えられていることが好適である。
また、切断刃の内側面に凸部又は凹部が設けられ、切断刃ホルダーにスライド又は嵌め込みにより着脱可能であることが好適である。

さらに、本発明は、上記の切断器具を備えた抵抗加熱装置からなる。
また、抵抗加熱装置が、Ｃ型又はＸ型のスポット抵抗加熱装置であることが好適である。
また、加圧機構がサーボモーターであり、電極又は切断物の温度を測る温度センサーがさらに設けられていることが好適である。

さらに、本発明は、上記の抵抗加熱装置を使用した切断方法であって、
第１加圧により、切断物を挟む工程と、
第１加圧の加圧値が設定加圧値となったら通電を開始する工程と、
通電のオン・オフを繰り返すことで、切断刃又は切断物の温度を一定値まで上げて、電極又は切断物の温度を一定範囲内に維持する工程と、
通電をオフし、切断のための第２加圧を加える工程とからなる。
また、通電のオン・オフを繰り返し、切断刃又は切断物の温度を一定値まで上げて、一定範囲内に維持する工程が、
（１）温度センサーにより電極又は切断物の温度を監視し、
（２）電極又は切断物の温度が一定値以上になると通電をオフし、
（３）電極又は切断物の温度が一定値以下になると通電をオンし、
上記（１）〜（３）の工程を繰り返すことで電極又は切断物の温度を一定時間、一定値以上に維持する工程からなることが好適である。
また、通電をオフし、切断のための第２加圧を加える工程が、切断刃による切断物への一定値以上の動きを感知次第、開始されることが好適である。

すなわち、本発明は、従来は溶接用に使用されてきた抵抗加熱装置の電極を、切断刃として構成し、当該切断刃と接触した切断物を抵抗加熱により加熱し、軟度が増した状態で切断を行うものである。また、従来より溶接のために使用されている抵抗加熱装置（最も代表的な例としてスポット溶接装置）は、３次元的に自在に駆動する産業用ロボットに搭載され、自動車部品の生産に使用されていることから、本発明においても、産業用ロボットに搭載された３次元的に自在に切断刃を扱うことが出来るものである。

そのため、本発明の切断器具は、電極でワーク（切断物）を加圧して挟み、通電によってジュール熱を発生させる抵抗加熱装置、特には産業用ロボットへ接続可能なロボットマウント部と、切断物への加圧力を調整する加圧機構と、電極支持アームとを少なくとも備えた、所定のスポットを通電により加熱可能な抵抗加熱装置に対して使用することができる。このようなスポット抵抗加熱装置は、特に自動車産業においてはスポット溶接装置として、Ｃ型又はＸ型など、様々な形態のものが流通・使用されている。本発明の切断器具においてはこれら公知の様々な装置において利用することが出来るため、汎用性が高いものである。より具体的には、本発明の切断器具は、抵抗加熱装置へのジョイント部により、抵抗加熱装置に設置されるものである。そして、ジョイント部から切断刃ホルダーに至るまでは、水冷管を内蔵したチップホルダーが設けられている。そして、切断刃ホルダーには切断刃が設けられ、電極かつ切断器具として構成されているものである。チップホルダー，切断刃ホルダー，切断刃は一体的に形成されることを除く趣旨ではないが、後述の通り切断刃は切断刃ホルダーとは別材料で交換可能に設けられることが好ましい。また、十分な冷却のため切断刃ホルダーまで水冷管が伸長していても良い。

切断刃は、本発明の性質上、切断物よりも融点が高い材料が選択される。したがって、例えばタングステン，カーボン，ステンレス又はその合金など、融点が高く硬い材料からなることが好適である。これに対し、切断刃ホルダーにおいては、水冷管により水冷が可能であるため、銅又は銅合金など、電極としてより一般的に汎用され入手しやすい材料を使用することが可能である。

切断刃の切断刃ホルダーへの装着は、例えばＳＵＳで構成されたネジにより装着する構成とすることができる。さらには、装着だけでなく取り外しもより容易にし、切断刃の交換を可能にするために、切断刃の内側面に凸部又は凹部が設けられることが好適である。即ち、切断刃の内側面の凸部又は凹部を、切断刃ホルダーの外側面の形状と噛み合うように構成し、切断刃をスライド等することで切断刃ホルダーに脱着させることが可能である。このために、切断刃ホルダーの外側面に凸部又は凹部を設けても良いし、別途固定部材を使用しても良い。

切断刃の形状は、本発明の目的を達することが出来る限り、両刃状や片刃状など特に限定されるものではないが、切断刃ホルダーの外側面を相対する両側から挟むように両刃状に形成すれば、加圧時に力の分散が均等に行われやすく、消耗が少なく済むので好適である。その一方、湯口等の切断においては、より成型品本体（根本）に近い点から切断を行うことが望ましい場合がある。そのような場合には、切断刃は、片刃状か、刃先までの刃体が１枚の板状又は少なくとも片面が平面状の形状であり、切断刃ホルダーの一方側の外側面に設けられ、成型品本体（根本）に近い点から切断物を垂直に切ることが出来ることが望ましい。また、切断刃は、Ｃ型やＸ型のスポット溶接装置における電極と同様に、上下に同じ切断刃を対向させて設けることがより好適である。

本発明の切断器具は、電極として抵抗加熱装置に備えられ、ロボットマウント部を介して、市販のスポット溶接装置と同様に、産業用ロボットに搭載される。したがって、３次元上をほぼ自在に動き、あらゆる点を狙うことが可能である。なお、場合によっては産業用ロボットが切断物を持ち取り回し、定置式の抵抗加熱装置に本発明の切断器具を使用して切断することも可能である。そして、切断物を挟んで通電を行うと、切断物は加熱されて軟化する。この状態で切断刃に加圧を加えれば、飛散物が生じることなく、かつ低い加圧力で容易に切断を行うことができる。また、軟化した状態で切断を行うため、切断刃の消耗が少なく、メンテナンスも容易である。さらに、産業用ロボット及び抵抗加熱装置のいずれも、従来の剪断装置等よりも軽量・小型となるため、よりコストパフォーマンスが高く、かつ省スペースで配置が可能である。

切断において必要な電力・加圧力・通電時間等は、スポット溶接における場合と同様に、切断物に応じて適宜設定されるもので、本発明の目的を達する限り特に制限されるものではない。しかしながら、切断物が例えばアルミニウム合金の場合、熱伝導の良いこととあいまって，融点を超えると一気に溶融しやすい。このため、加熱状態で一気に加圧を加えてしまうと爆発に近い状態を起こしてしまう可能性がある。また、他の材料であっても、より少ない力で適切に切断を行うためには、材料の芯まで加熱されてから切断を行うことがより望ましい。したがって、いずれの場合でも、一気に加圧を加える又は加圧を加え続ける方法以外の良好な切断方法を選択することが好ましい。そこで、特に好適な切断方法としては、第１加圧により、切断物を挟む工程と、第１加圧の加圧値が設定加圧値となったら通電を開始する工程と、通電のオン・オフを繰り返すことで、切断刃又は切断物の温度を一定値まで上げて、電極又は切断物の温度を一定範囲内に維持する工程と、通電をオフし、切断のための第２加圧を加える工程とからなることを特徴とする切断方法からなることが好適である。

まず第１加圧により、切断物を挟む。そして、切断物を挟んだ後、通電を開始する。すなわち、この第１加圧は、切断の為の加圧ではなく、切断物を挟み、通電による加熱が可能な状態にするものであるから、設定加圧値は低い値でよい。加圧のコントロールは、例えばサーボモーターなど、公知のスポット溶接において行われている手段と同様の手段で行うことが可能である。

そして、通電のオン・オフを繰り返すことで、切断刃又は切断物の温度を一定値まで上げて、電極又は切断物の温度を一定範囲内に維持する。なお、本願において通電のオン・オフは、実質的なヒート・クール状態を意味し、通電のオフは完全なゼロのみを意味する趣旨ではなく、強弱によって制御する方法など、必ずしも他の手段を排するものではない。そして、通電のオン・オフを繰り返すことで、切断刃又は切断物は、一気に加熱されることなく徐々に加熱され、かつ一定範囲内の温度に維持される。この維持は、計算上制御装置により適宜設定しても良いし、抵抗加熱装置に設けた温度センサーを利用して計測しても良い。設定温度は通常切断物の溶解温度近辺に設定される。いずれにしても、ある程度加熱された状態で維持されることにより、急激な溶解を防ぐとともに、芯まで加熱を行うことを可能にするものである。この加熱状態で、通電をオフした上で、切断のための第２加圧を加え、切断物を切断するものである。なお、この結果、数十キロ〜数百キロ程度の軽い加圧力で、飛散物を発生させることなく良好に切断を行うことができるものである。

さらに、通電のオン・オフを繰り返し、切断刃又は切断物の温度を一定値まで上げて、一定範囲内に維持する工程については、
（１）温度センサーにより電極又は切断物の温度を監視し、
（２）電極又は切断物の温度が一定値以上になると通電をオフし、
（３）電極又は切断物の温度が一定値以下になると通電をオンし、
上記（１）〜（３）の工程を繰り返すことで電極又は切断物の温度を一定時間、一定値以上に維持する工程とすることで、切断物が厚い場合であっても、芯まで十分に軟らかくすることが可能である。このため、維持される設定温度は、例えばアルミニウム合金であれば６６０度など、切断物の温度の溶融温度程度に設定することが好適である。

また、切断物が軟らかくなるか溶融が始まると、第１加圧により電極は切断物へ押し込まれる。この動き（切断刃による切断物への一定値以上の動き）の感知により、通電をオフし、切断のための第２加圧を加える時期については、切断刃による切断物への一定値以上の動きを感知次第、開始されることが好適である。電極の動きの感知については、例えばサーボモータやセンサーを使用したスポット溶接装置などにおいて公知の技術であり、それら公知の装置及び手段を使用出来るものである。

本発明の切断器具の１例である。 本発明の切断器具の他の１例である。 本発明の切断器具を備えた抵抗加熱装置の一例である。 本発明の切断器具を備えた抵抗加熱装置の他の一例である。

本発明の実施の形態の１例を図面にしたがって説明する。

図１は、本発明の切断器具１の１例である。上下一対に設けられた切断器具１は、抵抗加熱装置９へのジョイント部２を介して抵抗加熱装置に接続される。チップホルダー３は、銅合金からなり、水冷管４を内蔵しているため、使用中の冷却を行うことができる。チップホルダー３の先端には銅合金からなる切断刃ホルダー５が設けられている。タングステン合金で構成された切断刃６は、両刃状になっており、内側面上部の凸部７を介して切断刃ホルダー５に噛み合って構成されている。一対の切断器具１によって、切断物８を挟んでいる。そして、上述の方法で切断を行うことができる。

図２は、本発明の切断器具１の他の１例である。切断器具１は、抵抗加熱装置９へのジョイント部２を介して抵抗加熱装置に接続される。チップホルダー３は、銅合金からなり、水冷管４を内蔵しているため、使用中の冷却を行うことができる。チップホルダー３の先端には銅合金からなる切断刃ホルダー５が設けられている。タングステン合金で構成された切断刃６は、片刃状になっており、ネジ２１によって切断刃ホルダー５の外側面に取り付けられている。使用時には、切断刃ホルダー５及び切断刃６の形状により、刃先を最も外側に位置させることができるため、刃先が湯口等の根本に近い位置から切断を行うことができる。

図３は、本発明の切断器具１を備えた抵抗加熱装置９の一例である。抵抗加熱装置９は、所謂Ｘ型の構成をしている。抵抗加熱装置９は、ロボットマウント１０を介して産業用ロボットに搭載される。抵抗加熱装置９は、トランス１１，整流器１２，水冷チャンバ１３などを備え、上アーム１４と下アーム１５に、ジョイント部２を介して切断器具１が上下対向して設けられている。上アーム１４はサーボモーター１６により稼働し、切断物８への加圧力の調整が可能である。温度センサー１７は、切断刃６又は切断物８の温度を監視することが可能である。

切断器具１を備えた上記Ｘ型の抵抗加熱装置９を使用した切断方法の１例としては、サーボモーター１６により上アーム１４を稼働し、20mm程度の厚さのアルミニウム合金で構成された切断物８へ向けて弱い加圧力で第１加圧を行い（例えば数キロ〜数十キロ）、切断器具１で切断物８を挟む。切断器具１で切断物８を挟んだ後、通電を開始する。

そして、温度センサー１７で切断刃６又は切断物８の温度を監視しながら、通電のオン状態を維持し、切断刃６又は切断物８が例えば６３０〜６６０℃の所定の温度になったら通電をオフする（クール工程の開始）。
切断刃６又は切断物８の温度が例えば６２０〜６５０℃の所定の値以下になると通電をオンする（ヒート工程の開始）。
上記工程を繰り返し、一定時間（数秒〜数十秒など）維持する。これにより、切断物８の芯までの入熱を確保する。

そして、切断物８が軟らかくなった結果、第１加圧により切断刃６の切断物８への動き（例えば数ミリ以下の一定値の動き）を感知次第、通電をオフし、切断のための第２加圧（例えば２００キロ）を加える。その結果、何ら飛散物を生じることなく、切断刃６の消耗も少なく、低い加圧力で、切断を容易に行うことができる。さらに、抵抗加熱装置９を軽量かつ小型に構成できるので、産業用ロボットによる取り回し及び取り回しに必要とされる電力も少なくて済むものである。

図４は、本発明の切断器具１を備えた抵抗加熱装置９の他の一例である。抵抗加熱装置９は、所謂Ｃ型の構成をしている。抵抗加熱装置９は、ロボットマウント１０を介して産業用ロボットに搭載される。抵抗加熱装置９は、トランス１１，整流器１２，水冷チャンバ１３などを備え、サーボモーター１６及びスライド機構１８により上下に稼働するスライド軸１９にジョイント部２を介して切断器具１が設けられ、さらに固定アーム２０に、ジョイント部２を介してもう一つの切断器具１が対向して設けられている。温度センサー１７は、切断刃６又は切断物８の温度を監視することが可能である。切断方法については上記と同様である。

１ 切断器具
２ ジョイント部
３ チップホルダー
４ 水冷管
５ 切断刃ホルダー
６ 切断刃
７ 凸部
８ 切断物
９ 抵抗加熱装置
１０ ロボットマウント
１１ トランス
１２ 整流器
１３ 水冷チャンバ
１４ 上アーム
１５ 下アーム
１６ サーボモーター
１７ 温度センサー
１８ スライド機構
１９ スライド軸
２０ 固定アーム
２１ ネジ

Claims (11)

1. 加圧機構を有する抵抗加熱装置に備えられる電極からなり、切断刃ホルダーと、切断刃ホルダーに設けられた切断刃とを有する切断器具を備えた抵抗加熱装置を使用した切断方法であって、
   第１加圧により、切断物を挟む工程と、
   通電を開始する工程と、
   通電のオン・オフを繰り返すことで、切断刃又は切断物の温度を一定値まで上げて、電極又は切断物の温度を一定範囲内に維持する工程と、
   通電をオフし、切断のための第２加圧を加える工程とからなることを特徴とする切断方法。
2. 通電のオン・オフを繰り返し、切断刃又は切断物の温度を一定値まで上げて、一定範囲内に維持する工程が、
   （１）温度センサーにより電極又は切断物の温度を監視し、
   （２）電極又は切断物の温度が一定値以上になると通電をオフし、
   （３）電極又は切断物の温度が一定値以下になると通電をオンし、
   上記（１）〜（３）の工程を繰り返すことで電極又は切断物の温度を一定時間、一定値以上に維持する工程からなることを特徴とする請求項１に記載の切断方法。
3. 通電をオフし、切断のための第２加圧を加える工程が、切断刃による切断物への一定値以上の動きを感知次第、開始されることを特徴とする請求項２に記載の切断方法。
4. 抵抗加熱装置を使用した切断方法であって、
   前記抵抗加熱装置は、所定のスポットを通電により加熱可能な抵抗加熱装置であり、
   産業用ロボットへ接続可能なロボットマウント部と、
   切断物への加圧力を調整する加圧機構と、
   電極支持アームとを備え、
   さらに、抵抗加熱装置に設置された電極が、
   水冷管を内蔵したチップホルダーと、
   チップホルダーの先端に設けられた切断刃ホルダーと、
   切断刃ホルダーに設けられた切断刃からなり、
   第１加圧により、切断物を挟む工程と、
   通電を開始する工程と、
   通電のオン・オフを繰り返すことで、切断刃又は切断物の温度を一定値まで上げて、電極又は切断物の温度を一定範囲内に維持する工程と、
   通電をオフし、切断のための第２加圧を加える工程とからなることを特徴とする切断方法。
5. 通電のオン・オフを繰り返し、切断刃又は切断物の温度を一定値まで上げて、一定範囲内に維持する工程が、
   （１）温度センサーにより電極又は切断物の温度を監視し、
   （２）電極又は切断物の温度が一定値以上になると通電をオフし、
   （３）電極又は切断物の温度が一定値以下になると通電をオンし、
   上記（１）〜（３）の工程を繰り返すことで電極又は切断物の温度を一定時間、一定値以上に維持する工程からなることを特徴とする請求項４に記載の切断方法。
6. 通電をオフし、切断のための第２加圧を加える工程が、切断刃による切断物への一定値以上の動きを感知次第、開始されることを特徴とする請求項４又は５に記載の切断方法。
7. 加圧機構を有する抵抗加熱装置に備えられる電極からなり、切断刃ホルダーと、切断刃ホルダーに設けられた切断刃とを備えた切断器具を備えており、
   当該抵抗加熱装置が、
   第１加圧により、切断物を挟む手段と、
   電極又は切断物の温度を監視する手段と、
   電極又は切断物の温度が一定値以上になると通電をオフする手段と、
   電極又は切断物の温度が一定値以下になると通電をオンする手段と、
   上記（１）〜（３）の手段を繰り返すことで電極又は切断物の温度を一定時間、一定値以上に維持する手段と、
   通電をオフし、切断のための第２加圧を加える手段とを備えていることを特徴とする抵抗加熱装置。
8. 前記切断刃ホルダーは銅又は銅合金からなり、切断刃はタングステン，カーボン，ステンレス又はその合金からなることを特徴とする請求項７に記載の抵抗加熱装置。
9. 切断刃ホルダーの外側面に、片刃状の切断刃が備えられていることを特徴とする請求項７又は８に記載の抵抗加熱装置。
10. 切断刃の内側面に凸部又は凹部が設けられ、切断刃ホルダーにスライド又は嵌め込みにより着脱可能であることを特徴とする請求項７から９のいずれか１項に記載の抵抗加熱装置。
11. 前記加圧機構がサーボモーターを備えており、Ｃ型又はＸ型のスポット抵抗加熱装置であることを特徴とする請求項７から１０のいずれか１項に記載の抵抗加熱装置。

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