JP6832015B2 - プレス加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、金属を所定の形状に成形するプレス加工装置に関する。

プレス加工において、加圧面積に対し加圧方向の厚みが薄い低アスペクト比断面の被加工物は、摩擦の影響が顕著となり大きな加圧荷重が必要となる。加圧荷重を抑制する手法には、摩擦力の低減化（以下、「手法１」と言う）、加圧面積の低減化（以下、「手法２」と言う）、及び、変形抵抗の低減化（以下、「手法３」と言う）がある。
手法１の具体例として、潤滑剤の性能改善や、振動鍛造による潤滑剤の膜切れ防止（非特許文献１参照）が挙げられる。手法２の具体例として、刀鍛冶のように小さな工具によって逐次的に加圧することや、図８に示すように、加圧盤１００を回転させながら被加工物１０１を圧下する揺動鍛造法（非特許文献２参照）が存在する。手法３について、非特許文献３には、圧縮とせん断の複合応力下で加圧に必要な応力が低下することが示唆され、ねじりを与えながら加圧することによって加圧荷重を低減する事例が示されている。

前野智美、小坂田宏造、森謙一郎：「荷重振動による板鍛造における摩擦低減」、論文誌「塑性と加工」、Ｖｏｌ．５０−Ｎｏ．５８５（２００９）、ｐ９５１−９５５ 河合望：新版 塑性加工学、（１９８８）、ｐ１３９、朝倉書店 松本良、康仁漢、宇都宮裕：「ねじり付加による冷間据込み圧縮における軸方向荷重の低減」、第６７回塑性加工連合講演会予稿集、（２０１６）、ｐ８５−８６

しかしながら、手法１、３では、プレス加工装置と被加工物が接触する面積を減少させることができないため、加圧面積に対して加圧方向の厚みが薄いほど摩擦力が大きくなり、加圧荷重の低減効果が限定的となる。また、手法２の揺動鍛造法や手法３では、回転用の駆動機構と加圧用の駆動機構が必要なため、プレス加工装置の大型化や構造の複雑化を招来させる。そして、手法２は、実用化されているものの特殊な用途での利用に限られ、手法３は、大学での研究成果としての報告である。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、回転用の駆動機構を有することなく、加圧荷重を抑制可能なプレス加工装置を提供することを目的とする。

前記目的に沿う本発明に係るプレス加工装置は、第１、第２の金型片で被加工物を挟んで加圧し加工するプレス加工装置において、電動式駆動源、該電動式駆動源の作動により移動して、前記第２の金型片に接触している前記被加工物に前記第１の金型片の加圧面を押し付ける可動体、及び、前記可動体の移動を案内する直線ガイド部をそれぞれ有する複数の押圧機構と、前記各電動式駆動源の作動を制御して、該電動式駆動源の作動により移動する前記可動体の移動長を調整し、前記加圧面の前記被加工物に対する角度を変える制御手段と、前記第１の金型片の変位を制限して、該加圧面の前記被加工物への接触状態を維持する変位制限機構とを備え、前記変位制限機構は、前記第１の金型片、又は、該第１の金型片が固定されたスライドブロックに連結された自在継手を有し、前記各可動体は、前記第１の金型片、及び、前記スライドブロックに非連結である。

本発明に係るプレス加工装置において、３つ以上の前記押圧機構を備えるのが好ましい。

本発明に係るプレス加工装置は、電動式駆動源、電動式駆動源の作動により移動して、被加工物に第１の金型片の加圧面を押し付ける可動体、及び、可動体の移動を案内する直線ガイド部をそれぞれ有する複数の押圧機構と、各電動式駆動源の作動を制御する制御手段とを備えるので、直線ガイド部に案内される可動体の移動によって被加工物がプレス加工されることとなり、回転用の駆動機構は用いられない。また、制御手段は、各電動式駆動源の作動を制御して、電動式駆動源の作動により移動する可動体の移動長を調整し、加圧面の被加工物に対する角度を変えることから、加圧面の被加工物に対する角度を変えながら被加工物をプレス加工することができ、被加工物との接触面積を減じて被加工物にかかる加圧荷重を低減可能である。

本発明の一実施の形態に係るプレス加工装置の説明図である。 （Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ、被加工物を加圧する様子を示す説明図である。 制御手段の接続を示すブロック図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は、揺動加圧１の説明図である。 （Ａ）〜（Ｅ）は、揺動加圧２の説明図である。 実験に用いたプレス加工装置の説明図である。 （Ａ）は被加工物に生じる荷重と圧下率の関係を示すグラフであり、（Ｂ）はパターン２〜５の荷重低減率を示すグラフである。 揺動鍛造法の説明図である。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
図１、図２に示すように、本発明の一実施の形態に係るプレス加工装置１０は、上型１１（第１の金型片の一例）及び下型１２（第２の金型片の一例）で被加工物Ｗを挟んで加圧し加工する装置であって、それぞれ上型１１に力を作用させて被加工物Ｗを加圧した状態にする複数（ここでは４つ）の押圧機構１３、１４、１５、１６を備えている。以下、詳細に説明する。

プレス加工装置１０は、図１に示すように、矩形のベースプレート１７に取り付けられた押圧機構１３、１４、１５、１６と、ベースプレート１７の下方に配置され、上型１１が装着された板状のスライドブロック１８と、スライドブロック１８の下方に配置され、下型１２が取り付けられた板状のボルスタ１９を備えている。それぞれ水平配置されたベースプレート１７及びボルスタ１９は、図示しない支持部材によって固定されている。

下型１２は、図２（Ａ）に示すように、板状であり、ボルスタ１９の上側中央に設けられた凹部２０に嵌め込まれ、水平状態でボルスタ１９に固定されている。下型１２の上面側中央には窪み２１が形成されており、被加工物Ｗは、窪み２１の上方に重心が配された状態で下型１２に載置されている。
上型１１は、板状であり、スライドブロック１８の下側中央に設けられた凹部２２に嵌め込まれて、スライドブロック１８に固定されている。

押圧機構１３、１４、１５、１６は、ベースプレート１７の四隅にそれぞれ固定されている。押圧機構１３は、図１に示すように、電動式駆動源１３ａと、鉛直方向に長い棒状の可動体１３ｂと、鉛直方向に長く、可動体１３ｂが昇降可能に取り付けられた筒状部材１３ｃと、電動式駆動源１３ａの駆動力を可動体１３ｂに伝える図示しない動力伝達手段を備えている。筒状部材１３ｃの内側には、鉛直方向に長く、可動体１３ｂの昇降移動を案内する内孔部１３ｄ（直線ガイド部の一例）が形成されており、可動体１３ｂは、電動式駆動源１３ａの作動により上昇又は下降（移動）する。なお、動力伝達手段は主として回転軸、カム及びカムフォロアによって構成可能である。

押圧機構１４、１５、１６は押圧機構１３と同じ構造を有し、押圧機構１４は、電動式駆動源１４ａ、可動体１４ｂ及び内孔部１４ｄ（直線ガイド部の一例）が形成された筒状部材１４ｃを備え、押圧機構１５は、電動式駆動源１５ａ、可動体１５ｂ、内孔部１５ｄ（直線ガイド部の一例）が形成された筒状部材１５ｃを備え、押圧機構１６は、電動式駆動源１６ａ、可動体１６ｂ及び内孔部１６ｄ（直線ガイド部の一例）が形成された筒状部材１６ｃを備えている。本実施の形態では、電動式駆動源１３ａ、１４ａ、１５ａ、１６ａとして電動モータが採用されている。

電動式駆動源１３ａ、１４ａ、１５ａ、１６ａには、図３に示すように、各電動式駆動源１３ａ、１４ａ、１５ａ、１６ａの作動を制御する制御手段２３が接続されている。制御手段２３は、電動式駆動源１３ａ、１４ａ、１５ａ、１６ａの作動をそれぞれ制御して、可動体１３ｂ、１４ｂ、１５ｂ、１６ｂの昇降動作を個別に制御することが可能である。制御手段２３は、例えば、電動式駆動源１３ａ、１６ａを停止させて電動式駆動源１４ａ、１５ａを作動させることで、可動体１３ｂ、１６ｂを停止させた状態で可動体１４ｂを上昇させながら可動体１５ｂを下降させる。
本実施の形態では制御手段２３が主としてマイクロコンピュータによって構成されているが、これに限定されない。

可動体１３ｂ、１４ｂ、１５ｂ、１６ｂがそれぞれ基準位置に配された状態で、スライドブロック１８は水平配置され、上型１１は被加工物Ｗの上方、即ち、被加工物Ｗに非接触な高さ位置で水平に配される。
上型１１の下面（加圧面）２４は、被加工物Ｗに接触する面であり、可動体１３ｂ、１４ｂ、１５ｂ、１６ｂが基準位置から下降することで、上型１１はスライドブロック１８と共に下降し、下面２４が、図２（Ａ）に示すように、被加工物Ｗに上から接して負荷をかける。よって、可動体１３ｂ、１４ｂ、１５ｂ、１６ｂは、下降（移動）して、下型１２に載置されて（接触して）いる被加工物Ｗに上型１１の下面２４を上から押し付ける。
被加工物Ｗは、金属物であり、上型１１及び下型１２に挟まれた状態で負荷を与えられて圧下され、被加工物Ｗの上面及び底面はそれぞれ上型１１の下面２４及び下型１２の上面に対応した形状となる。

可動体１３ｂ、１４ｂ、１５ｂ、１６ｂそれぞれの基準位置からの移動方向が等しく、基準位置からの移動長が等しければ、スライドブロック１８及び上型１１（上型１１全体及び上型１１の下面２４を意味する）は、図２（Ａ）に示すように、水平状態が保たれる。それ以外の場合（例えば、可動体１３ｂ、１４ｂ、１５ｂ、１６ｂそれぞれの基準位置からの下降距離が異なる場合）、スライドブロック１８及び上型１１（上型１１の下面２４も）は、図２（Ｂ）に示すように、水平方向に対し傾く。

被加工物Ｗに対する上型１１の下面２４の角度は、可動体１３ｂ、１４ｂ、１５ｂ、１６ｂそれぞれの基準位置からの移動方向及び移動長によって決定される。よって、制御手段２３は、電動式駆動源１３ａ、１４ａ、１５ａ、１６ａの作動を制御して、各可動体１３ｂ、１４ｂ、１５ｂ、１６ｂの移動長を調整し、上型１１の下面２４の被加工物Ｗに対する角度を変えることとなる。

また、ベースプレート１７の下側中央には、図１に示すようにスライドブロック１８の上側中央に連結された自在継手２５を下端側（一端側）に有する変位制限機構２６の上端側（他端側）が連結されている。変位制限機構２６は、ベースプレート１７に固定された鉛直方向に長いガイド部材２７と、ガイド部材２７に昇降可能に取り付けられ、下端側に自在継手２５が連結された鉛直方向に長い棒材２８とを備えている。棒材２８はガイド部材２７によって水平方向の移動が防止されている。なお、ベースプレート１７には、棒材２８に上向きの復元力を与える図示しない引張バネが取り付けられており、スライドブロック１８は、この引張バネの復元力によって、可動体１３ｂ、１４ｂ、１５ｂ、１６ｂの少なくとも１つに下から接触した状態が維持されている。

棒材２８、自在継手２５、スライドブロック１８の中央（上型１１が固定された領域）及び上型１１は、可動体１３ｂ、１４ｂ、１５ｂ、１６ｂの昇降によって、一体的に昇降する。スライドブロック１８及び上型１１は、スライドブロック１８への自在継手２５の連結によって、ガイド部材２７に対する角度が所定範囲内で変化可能な状態となっている。
ここで、変位制限機構２６は、自在継手２５が連結されているスライドブロック１８の中央及び上型１１の水平方向の移動（変位）を制限していることから、可動体１３ｂ、１４ｂ、１５ｂ、１６ｂの昇降により被加工物Ｗに対する角度が変えられている上型１１の下面２４の被加工物Ｗへの接触状態を維持することができる。

本実施の形態では、スライドブロック１８の下降によって上型１１及び下型１２に挟まれた状態となった被加工物Ｗを、以下の４つの方法で加圧することができる。また、加圧の途中で以下の４つの方法を任意に切り替えることも可能である。
＜通常加圧＞
被加工物Ｗに下面２４が接触している上型１１を、可動体１３ｂ、１４ｂ、１５ｂ、１６ｂを一体的に下降させて、水平状態で下降させ被加工物Ｗを加圧する。

＜振動加圧＞
可動体１３ｂ、１４ｂ、１５ｂ、１６ｂの下降と上昇を交互に行って、上型１１が水平状態で下降と上昇を繰り返すようにし、被加工物Ｗを加圧する。

＜揺動加圧１＞
可動体１４ｂ、１５ｂを同速度で下降させつつ、可動体１３ｂを下降させながら可動体１６ｂを上昇させる動作と、可動体１３ｂを上昇させながら可動体１６ｂを下降させる動作とを交互に行うことによって（あるいは、可動体１３ｂ、１６ｂを同速度で下降させつつ、可動体１４ｂを下降させながら可動体１５ｂを上昇させる動作と、可動体１４ｂを上昇させながら可動体１５ｂを下降させる動作とを交互に繰り返すことによって）、図４（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、上型１１の下面２４をシーソのように動作させ、被加工物Ｗを加圧する。

＜揺動加圧２＞
１）可動体１４ｂ、１５ｂを同速度で下降させつつ、可動体１３ｂを下降させながら可動体１６ｂを上昇させて、図５（Ａ）、（Ｂ）に示すように、水平状態だった上型１１の下面２４を傾けた後、２）可動体１３ｂ、１６ｂを同速度で下降させつつ、可動体１４ｂを下降させながら可動体１５ｂを上昇させて、図５（Ｃ）に示すように、上型１１の下面２４の水平方向に対する傾き角度を一定に保った状態で上型１１の下面２４の傾き方向を変える。そして、３）可動体１４ｂ、１５ｂを同速度で下降させつつ、可動体１３ｂを上昇させながら可動体１６ｂを下降させて、図５（Ｄ）、（Ｅ）に示すように、上型１１の下面２４の水平方向に対する傾き角度を一定に保った状態で上型１１の下面２４の傾き方向を変え続け、以降も、上型１１の下面２４の水平方向に対する傾き角度を一定に保った状態で上型１１の下面２４の傾き方向を変え続けて、被加工物Ｗを加圧する。

ここで、振動加圧、揺動加圧１及び揺動加圧２は、通常加圧に比べ、被加工物Ｗを加圧して加工する際に生じる加圧荷重を低減できることが確認されている。また、電動式駆動源１３ａを有する押圧機構１３、電動式駆動源１４ａを有する押圧機構１４、電動式駆動源１５ａを有する押圧機構１５、及び、電動式駆動源１６ａを有する押圧機構１６は、油圧シリンダを主とする押圧機構に比べ、応答性が高く、可動体１３ｂ、１４ｂ、１５ｂ、１６ｂの昇降移動の制御が安定的であることから、振動加圧、揺動加圧１及び揺動加圧２を正確に行うことが可能であり、更に、設計や構造の簡素化を図ることができる。

次に、本発明の作用効果を確認するために行った実験について説明する。
直径８ｍｍ、高さ１２ｍｍの円柱状の純アルミニウム軟質材からなる被加工物を、図６に示すプレス加工装置３０を用いて、高さが５０％になるまで圧下した。

プレス加工装置３０は、図６に示すように、第１の金型片３１が第２の金型片３２の直下で矩形のスライドブロック３３に固定されている。スライドブロック３３の一の角部とその対角部には下方から可動軸（可動体の一例）３４、３５が接触しており、スライドブロック３３の残り２つの角部にはベースプレート３６に固定された固定軸３７、３８が下方から接触している。ベースプレート３６の下方には、可動軸３４、３５をそれぞれ昇降させる電動モータ（電動式駆動源の一例）３９、４０が設けられている。第２の金型片３２は、図示しない万能試験機から円柱体４１を介して下向きの力を与えられるボルスタ４２に取り付けられている。

実験では、万能試験機の作動により、ボルスタ４２と共に第２の金型片３２を押し下げて被加工物を圧下しながら、円柱体４１と万能試験機の間に生じている荷重をロードセルで計測した。
被加工物の圧下は以下に記載する５つのパターンで行った。

パターン１：可動軸３４、３５を固定した状態で第２の金型片３２を押し下げて（通常加圧に相当）、圧下率が５０％になるまで被加工物を圧下する。
パターン２〜５：可動軸３４、３５を固定した状態で第２の金型片３２を押し下げて（通常加圧に相当）、圧下率が約２５％になるまで被加工物を圧下した後、可動軸３４を上昇させながら可動軸３５を下降させる動作と、可動軸３４を下降させながら可動軸３５を上昇させる動作とを交互に行って（揺動加圧１に相当）、圧下率が５０％になるまで被加工物を圧下する。

パターン２〜５については、第１の金型片の加圧面が最も傾いた際の水平方向に対する角度をθとし、揺動加圧１の繰り返し回数をＮとして（但し、第１の金型片の加圧面の一側が上昇し他側が下降した状態から、第１の金型部の加圧面の一側が下降し他側が上昇した状態を経て、再び第１の金型片の加圧面の一側が上昇し他側が下降した状態となるまでの動作を１回とする）、パターン２がθ＝２°、Ｎ＝５回、パターン３がθ＝２°、Ｎ＝１０回、パターン４がθ＝３°、Ｎ＝５回、パターン５がθ＝３°、Ｎ＝１０回とする。

実験結果を図７（Ａ）、（Ｂ）に示す。図７（Ａ）、（Ｂ）において、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５はそれぞれパターン１、２、３、４、５を示し、Ｆはパターン１による加圧によって被加工物の圧下率を５０％にした時点で被加工物に生じていた荷重を示し、△Ｆは、パターン２〜５による加圧によって被加工物の圧下率を５０％にした時点でそれぞれ被加工物に生じていた荷重を、Ｆから差し引いた荷重であり、△Ｆ／Ｆはパターン１に対する荷重低減率を示す。なお、図７（Ａ）にはパターン２に対応する△Ｆのみを記載している。
実験結果より、被加工物の圧下率が５０％となった時点で被加工物に生じていた荷重は、パターン２〜５がパターン１より小さくなり、パターン５が最小でパターン１の約５０％となった。また、パターン２〜５については、θやＮが大きい値ほど、荷重低減率が大きくなった。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上記した形態に限定されるものでなく、要旨を逸脱しない条件の変更等は全て本発明の適用範囲である。
例えば、下型を第１の金型片とし、上型を第２の金型片として、下型を押し上げることによって被加工物を加圧してもよい。
また、自在継手を有さない変位制限機構を採用可能である。
変位制限機構を設けなくてもよい。但し、変位制限機構を設けた場合、変位制限機構を設けない場合に比べ、第１の金型片の加圧面が被加工物に接触した状態を安定的に維持できるため、変位制限機構を設けるのが好ましい。

そして、スライドブロックを設けず、第１の金型片に各押圧機構の可動体を直接接触させて第１の金型片の加圧面の角度を変えるようにしてもよく、その場合において、自在継手を有する変位制限機構を採用する際には、自在継手を第１の金型片に直接連結すればよい。
また、プレス加工装置が備える押圧機構は複数個であればよく、４つである必要はない。但し、押圧機構が２つの場合、通常加圧、振動加圧、揺動加圧１は可能であるが、揺動加圧２を行うことはできない。従って、押圧機構は３つ以上が好ましい。

更に、押圧機構の可動体（先側）はスライドブロックに連結されていてもよく、その場合、押圧機構の基側はベースプレートに対する角度が変化可能な状態でベースプレートに取り付けられる。
また、第１、第２の金型片は、プレス加工後の被加工物の形状に応じた形状に設計され、その形状は特に限定されるものではない。第１、第２の金型片の一方もしくは双方に窪みを設けることで、被加工物の位置ずれを防止することができる。

１０：プレス加工装置、１１：上型、１２：下型、１３：押圧機構、１３ａ：電動式駆動源、１３ｂ：可動体、１３ｃ：筒状部材、１３ｄ：内孔部、１４：押圧機構、１４ａ：電動式駆動源、１４ｂ：可動体、１４ｃ：筒状部材、１４ｄ：内孔部、１５：押圧機構、１５ａ：電動式駆動源、１５ｂ：可動体、１５ｃ：筒状部材、１５ｄ：内孔部、１６：押圧機構、１６ａ：電動式駆動源、１６ｂ：可動体、１６ｃ：筒状部材、１６ｄ：内孔部、１７：ベースプレート、１８：スライドブロック、１９：ボルスタ、２０：凹部、２１：窪み、２２：凹部、２３：制御手段、２４：下面、２５：自在継手、２６：変位制限機構、２７：ガイド部材、２８：棒材、３０：プレス加工装置、３１：第１の金型片、３２：第２の金型片、３３：スライドブロック、３４、３５：可動軸、３６：ベースプレート、３７、３８：固定軸、３９、４０：電動モータ、４１：円柱体、４２：ボルスタ、Ｗ：被加工物

Claims (2)

1. 第１、第２の金型片で被加工物を挟んで加圧し加工するプレス加工装置において、
   電動式駆動源、該電動式駆動源の作動により移動して、前記第２の金型片に接触している前記被加工物に前記第１の金型片の加圧面を押し付ける可動体、及び、前記可動体の移動を案内する直線ガイド部をそれぞれ有する複数の押圧機構と、
   前記各電動式駆動源の作動を制御して、該電動式駆動源の作動により移動する前記可動体の移動長を調整し、前記加圧面の前記被加工物に対する角度を変える制御手段と、
   前記第１の金型片の変位を制限して、該加圧面の前記被加工物への接触状態を維持する変位制限機構とを備え、
   前記変位制限機構は、前記第１の金型片、又は、該第１の金型片が固定されたスライドブロックに連結された自在継手を有し、前記各可動体は、前記第１の金型片、及び、前記スライドブロックに非連結であることを特徴とするプレス加工装置。
2. 請求項１記載のプレス加工装置において、３つ以上の前記押圧機構を備えることを特徴とするプレス加工装置。