JP6914886B2

JP6914886B2 - 圧縮ねじり成形装置

Info

Publication number: JP6914886B2
Application number: JP2018082431A
Authority: JP
Inventors: 啓山内; 伸也石外
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd; Japan Aeroforge Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd; Japan Aeroforge Ltd
Priority date: 2018-04-23
Filing date: 2018-04-23
Publication date: 2021-08-04
Anticipated expiration: 2038-04-23
Also published as: WO2019208209A1; EP3785818A1; US20210039151A1; CN112004619A; US11826808B2; EP3785818A4; JP2019188429A; RU2764985C1; CN112004619B; EP3785818B1

Description

本発明は、圧縮ねじり成形装置に関する。

金属等の加工材料を分断・細粒化し材料特性を向上させる方法として、高圧ねじり法（High Pressure Torsion）が知られている。この高圧ねじり法とは、加工材料に対して圧縮応力を与えながらせん断変形を与える方法である。このような加工を行う装置は、一般的に、加工材料を挟む一対の金型を有し、一方の金型側から圧力を付与すると共に、他方の金型側が回転可能とされている。回転する側の金型は、回転軸受を介してフレームに対して回転可能に取り付けられる（例えば、特許文献１）。

特開２００６−２４７７３４号公報

上記の構造を有する装置では、回転軸受が加圧側の金型からの加圧力を受けることとなる。しかしながら、回転軸受は、構造的に大きな加圧力に耐えることができないため、加圧力を上昇させることが困難であった。

本発明は上記を鑑みてなされたものであり、加工材料に対する加圧力を大きくすることが可能な圧縮ねじり成形装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る圧縮ねじり成形装置は、対向する第１金型及び第２金型によって加工材料の加工を行う圧縮ねじり成形装置であって、第１油圧室を有し、当該第１油圧室の内圧の変化に応じて摺動し、前記第１金型を軸線の方向に移動させる摺動部と、前記第２金型が設けられる回転テーブルと、前記軸線の方向に沿って前記回転テーブルを挟んで前記第２金型とは逆側に設けられたテーブル支持部と、前記テーブル支持部に対して前記回転テーブルを回転可能に支持すると共に、前記回転テーブルに作用する前記第２金型から前記回転テーブルへ向かう向きの力を受ける回転軸受と、前記回転テーブルと前記テーブル支持部との間に設けられて、前記第１油圧室と連通する第２油圧室と、を有する。

上記の圧縮ねじり成形装置によれば、第１油圧室と連通する第２油圧室が、摺動部の摺動により生じ従来は回転軸受にかかっていたスラスト荷重の一部を負担し、残りの荷重を回転軸受が負担する構成となり、回転軸受が負担するスラスト荷重を減らすことができる。したがって、加工材料に対する加圧力を大きくしても、回転軸受が受けるスラスト荷重を加圧力に対して小さくすることができるため、従来の圧縮ねじり成形装置と比較して加圧力を大きくした加工することができる。

ここで、前記回転軸受は、前記第２油圧室の内部に設けられている態様とすることができる。

上記の構成とすることで、回転軸受を配置するためのスペースを少なくすることができると共に、第２油圧室内の圧油により回転軸受の潤滑性を向上させることができる。

また、前記回転テーブルの回転を制御する回転機構をさらに有する態様とすることができる。

上記のように、回転テーブルの回転を制御する回転機構を備えることで、加工材料にかかる加圧力を大きくしながら、加圧圧縮変形及びねじり変形を行うことができる。

また、前記回転機構は、外輪が前記回転テーブルに対して取り付けられた外歯付旋回ベアリングを含む態様とすることができる。

上記のように、回転テーブルに対して外歯付旋回ベアリングが取り付けられていることで、外歯付旋回ベアリングが反スラスト荷重方向の荷重を受け止めることができ、反スラスト荷重方向に荷重が生じることを防ぐことができる。

本発明によれば、加工材料に対する加圧力を大きくすることが可能な圧縮ねじり成形装置が提供される。

実施形態に係る圧縮ねじり成形装置の概略構成のうち、油圧系統に係る部分を模式的に示したものである。圧縮ねじり成形装置の主要部の正面図である。回転テーブル及び加圧シリンダ近傍の構成を説明する平面図である。回転テーブルの動作機構を説明する一部断面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明の一実施形態に係る圧縮ねじり成形装置の概略構成のうち、油圧系統に係る部分を模式的に示したものである。また、図２〜図４は、圧縮ねじり成形装置の機械構造を示すものであり、図２は、圧縮ねじり成形装置の主要部の正面図であり、図３は、回転テーブル及び加圧シリンダ近傍の構成を説明する平面図であり、図４は、回転テーブルの動作機構を説明する一部断面図である。

本実施形態に係る圧縮ねじり成形装置１は、加工材料Ｏを一対の金型である上金型１１（第１金型）と下金型１２（第２金型）とで挟んだ状態で、上金型１１と下金型１２とにより加圧及び回転を加える。上金型１１は、加工材料Ｏを加圧することで、加工材料Ｏに対して圧縮応力を付与する。一方、下金型１２は、回転することにより加工材料Ｏに対してせん断応力を付与する。

圧縮ねじり成形装置１は、上部フレーム２と、下部フレーム３と、垂直方向に延びて上部フレーム２と下部フレーム３とを連結して支持する４本の支柱４（図２、３参照）と、を有し、これらの内部に加工材料に対して圧縮及びねじりを加えるための機構を備える。

上部フレーム２には、ラム型の加圧シリンダ５が設けられる。加圧シリンダ５は、チューブ５１と、チューブ５１内で摺動可能なラム５２（摺動部）とを備えている。チューブ５１の内部が第１油圧室Ｒ１である。第１油圧室５３には、加圧シリンダ５における加圧力を制御するための圧油（作動油）を供給する加圧油路Ｌ１が接続されている。加圧油路Ｌ１は、圧油を供給可能な作動油供給源（不図示）に接続されている。作動油供給源からの圧油の供給伴い第１油圧室Ｒ１の内圧が変化し、第１油圧室Ｒ１の内圧の変化に応じてラム５２が移動する。

上金型１１は、ラム５２に対してスライド６を介して固定されている。スライド６には、上部フレーム２に対して連結された引戻シリンダ６１が設けられている。引戻シリンダ６１は、加圧シリンダ５を収縮させる際に用いられる。なお、上金型１１は、ラム５２に対して直接固定されていてもよい。

下部フレーム３に対してはテーブル支持部８が取り付けられており、テーブル支持部８上には回転テーブル７が軸線Ａを中心に回転可能に設けられている。回転テーブル７上には、下金型１２が固定される。また、回転テーブル７の周囲には、軸線Ａを中心に回転させるための回転機構９（図２〜図４参照）が設けられる。軸線Ａは、ラム５２が移動する方向に沿った向きの軸であり、ラム５２の中心と一致する軸である。

図３及び図４等に示すように、回転テーブル７は軸線Ａを中心とした円盤状であり、下面（下金型１２が固定される側とは逆側の面）の中央部には軸線Ａを中心とした円環状の突出部７１が設けられる。テーブル支持部８は、回転テーブル７の突出部７１の形状に対応した円環状の収容部８１を有し、回転テーブル７の突出部７１がテーブル支持部８の収容部８１内に入り込んだ状態で取り付けられる。また、回転テーブル７の下面において、突出部７１よりも外周側では、テーブル支持部８と回転テーブル７とが離間していて、その隙間となる円環状の領域に回転機構９の一部を構成する外歯付旋回ベアリング９１が取り付けられる。

回転機構９は、外歯付旋回ベアリング９１、ラック軸９２、及びラック軸９２を移動させる油圧シリンダ９３を含んで構成される。外歯付旋回ベアリング９１は、内輪９１ａと、外輪９１ｂと、外歯９１ｃと、を有している。内輪９１ａはテーブル支持部８に対して固定され、外輪９１ｂは回転テーブル７に対して固定される。外歯９１ｃは、外輪９１ｂの外周側に設けられる。外歯９１ｃは、回転テーブル７が回転する際のギアとして機能する。

外歯付旋回ベアリング９１の外歯９１ｃの外側には、外歯９１ｃに対して嵌合するラック歯９２ａを有するラック軸９２が設けられる。図４では、１本のラック軸９２のみを示しているが、図３に示すように、軸線Ａを中心として点対称となるように２つのラック軸９２が設けられる。２つのラック軸９２は、軸線Ａに対して直交する軸線Ｂ方向に延びる。また、２つのラック軸９２は、それぞれ軸線Ｂ方向に延びる油圧シリンダ９３と連結されていて、支柱４に対して固定された油圧シリンダ９３の伸長及び収縮に伴って軸線Ｂ方向に往復する。

図４に戻り、回転テーブル７における円環状の突出部７１には、軸線Ａを中心とした円環状の凹部７２が設けられる。凹部７２は、突出部７１の下面から上側に向かって窪む形状となっている。また、テーブル支持部８にも、凹部７２と対向して軸線Ａを中心とした円環状の凹部８２が設けられている。凹部８２は、テーブル支持部８の上面から下側に向かって窪む形状となっている。凹部７２と凹部８２とにより形成される空間には、スラスト軸受７０（回転軸受）が設置される。スラスト軸受７０は、上金型１１による加圧によって下金型１２が受けて回転テーブル７に作用する、下金型１２から回転テーブル７へ向かう向きの力（スラスト荷重）を受ける機能を有する。

また、回転テーブル７における円環状の突出部７１の内周側端部と外周側端部とにはそれぞれローターシール（回転シール）７３，７４が設けられていて、ローターシール７３，７４により、回転テーブル７と、回転テーブル７と対向するテーブル支持部８との間が塞がれる。これにより、回転テーブル７の下方には、内周端及び外周端がローターシール７３，７４によって区切られると共に、天面（上面）が回転テーブル７の突出部７１であり、底面がテーブル支持部８の収容部８１によって形成された円環状の密閉した空間である第２油圧室Ｒ２が形成される。図４に示すように、第２油圧室Ｒ２には凹部７２と凹部８２とにより形成される空間が含まれることから、第２油圧室Ｒ２内にスラスト軸受７０が設置されることになる。

なお、図２〜図４では図示を省略しているが、図１に示すように、圧縮ねじり成形装置１には、第１油圧室Ｒ１と第２油圧室Ｒ２とを接続する（連通させる）導圧用油路Ｌ２が設けられている。図４に示すように、テーブル支持部８には、第２油圧室Ｒ２に連通する配管が設けられている。この配管８４は、導圧用油路Ｌ２の一部分である。テーブル支持部８に設けられた配管８５を経て第１油圧室Ｒ１からの圧油が第２油圧室Ｒ２へ供給される。導圧用油路Ｌ２によって第１油圧室Ｒ１と第２油圧室Ｒ２とが連通することにより、第１油圧室Ｒ１と第２油圧室Ｒ２とは内圧が常時等しい状態で保持される。

上記の圧縮ねじり成形装置１では、加工材料Ｏの加工を行う際には、加圧シリンダ５に対して加圧油路Ｌ１を介して圧油を供給する。これにより、ラム５２が下方に押し込まれるため、ラム５２に対してスライド６を介して固定された上金型１１が加工材料Ｏを下方に押圧することで、圧縮ねじり成形装置１は加工材料Ｏに対して圧縮応力を付与する。つまり、圧縮ねじり成形装置１は加工材料Ｏを圧縮変形させる。

また、油圧シリンダ９３の動作により２つのラック軸９２が互いに対向する方向へ移動する。これにより、外歯付旋回ベアリング９１では、ラック歯９２ａと嵌合する外歯９１ｃが設けられた外輪９１ｂが所定の方向へ回転する。この結果、外輪９１ｂが固定されている回転テーブル７も外輪９１ｂと共に回転するため、回転テーブル７に取り付けられた下金型１２が回転し、圧縮ねじり成形装置１は加工材料Ｏに対してせん断応力を付与する。つまり、圧縮ねじり成形装置１は加工材料Ｏをせん断変形させる。

ここで、従来の圧縮ねじり成形装置では、上金型による加圧によって下金型が受けるスラスト荷重が、全てスラスト軸受にかかっていた。したがって、上金型による加圧力が大きくなると、それに応じてスラスト軸受にかかるスラスト荷重が大きくなる。通常、スラスト軸受は、高い荷重を受けた状態においては低トルクでの回転が困難であるだけでなく、高い荷重を受けると破損する可能性があった。したがって、上金型による加圧力をスラスト軸受が破損しない範囲に制限する必要があった。

これに対して、本実施形態に係る圧縮ねじり成形装置１では、上金型１１による加圧によって下金型１２が受けるスラスト荷重を、スラスト軸受７０だけでなく、第２油圧室Ｒ２内の圧油に対しても分散することができる。すなわち、第２油圧室Ｒ２は、回転テーブル７に対する流体軸受として機能する。上述のように、導圧用油路Ｌ２によって、第１油圧室Ｒ１と第２油圧室Ｒ２とは内圧が等しい状態で保持されるためである。つまり、第１油圧室Ｒ１に対して圧油を供給して第１油圧室Ｒ１の内圧を大きくし、ラム５２に対する加圧力を大きくすると、同時に第２油圧室Ｒ２の内圧も大きくなるため、第２油圧室Ｒ２内の圧油はラム５２によって生じる荷重の一部をスラスト軸受７０の代わりに受けることができる。

第２油圧室Ｒ２における受圧能力、すなわち、第２油圧室Ｒ２による流体軸受が受けることのできる荷重は、第１油圧室Ｒ１の有効受圧面積Ｓ１と、第２油圧室Ｒ２の有効受圧面積Ｓ２との関係に基づく。有効受圧面積とは、図１に示すように、スラスト荷重がかかる方向（本実施形態では、軸線Ａ方向）に対して垂直な面の面積のことである。第１油圧室Ｒ１の有効受圧面積Ｓ１に対する第２油圧室Ｒ２の有効受圧面積Ｓ２の割合Ｓ２／Ｓ１が、加圧力に対して第２油圧室Ｒ２による流体軸受が受けることのできる荷重の割合である。

圧縮ねじり成形装置１では、第２油圧室Ｒ２の有効受圧面積Ｓ２とは、図４に示すように、ローターシール７３，７４によって区切られた円環状の第２油圧室Ｒ２における軸線Ａに対して垂直な面の面積となる。圧縮ねじり成形装置１では、Ｓ２／Ｓ１が０．９とされている。この結果、ラム５２による加圧力のうちの９０％を第２油圧室Ｒ２による流体軸受が受けることができる。したがって、残りの１０％の荷重のみがスラスト軸受７０への負荷となる。Ｓ２／Ｓ１を大きくすると、スラスト軸受が負担する荷重の割合を小さくすることができるが、Ｓ２／Ｓ１は１以下となるように設計する必要がある。

このように、本実施形態に係る圧縮ねじり成形装置１では、第１油圧室Ｒ１と連通する第２油圧室Ｒ２が流体軸受としてスラスト荷重の一部を負担し、残りの荷重をスラスト軸受７０が負担するため、スラスト軸受７０が負担するスラスト荷重を減らすことができる。すなわち、加工材料Ｏに対する加圧力を大きくしても、スラスト軸受７０にかかるスラスト荷重を加圧力に対して小さくすることができるため、従来の圧縮ねじり成形装置と比較して加圧力を大きくした状態でせん断変形を与える加工を行うことができる。

また、本実施形態に係る圧縮ねじり成形装置１では、スラスト軸受７０が、第２油圧室Ｒ２の内部に設けられている。スラスト軸受７０は、第２油圧室Ｒ２とは独立した位置に設けることもできる。しかしながら、上記のように、第２油圧室Ｒ２のスペースを利用してスラスト軸受７０を設ける構成とすることで、スラスト軸受７０を設けるためのスペースを別途確保する必要がなくなり、スペースを有効活用することができる。また、上記の構成とした場合には、第２油圧室Ｒ２内の圧油によりスラスト軸受７０の潤滑性を向上させることができる。したがって、スラスト軸受７０に対してスラスト荷重とは異なる摩擦力等がかかることを防ぐことができる。

また、本実施形態に係る圧縮ねじり成形装置１では、ラック軸９２及び油圧シリンダ９３を用いて回転テーブル７の回転を制御する構成を備えている。これにより、第１油圧室Ｒ１と連通する第２油圧室Ｒ２が流体軸受としてスラスト荷重の一部を負担することで、スラスト軸受７０によって生じる転がり抵抗力を低減した状態で、回転テーブル７の回転制御を行うことができる。このように、回転テーブル７の回転を制御する回転機構９を備えることで、加工材料Ｏに与える加圧力を大きくした状態でせん断変形を与える加工を行うことができる。

また、本実施形態に係る圧縮ねじり成形装置１では、下金型１２が取り付けられている回転テーブル７の回転機構９として、外歯付旋回ベアリング９１が用いられていることで、反スラスト荷重方向（本実施形態では上方）に係る力を抑制することができる。回転テーブル７の回転機構９としては、例えば、回転テーブル７自体に歯車を設ける構成を採用することもでき、その場合でも、第２油圧室Ｒ２を設けることで、スラスト軸受７０が負担するスラスト荷重を減らすことができるという効果が得られる。ただし、第１油圧室Ｒ１の内圧を低下させる速度が大きくて第２油圧室Ｒ２の内圧の低下に遅れが発生する場合、反スラスト荷重方向（下金型１２から上金型１１へ向かう方向）に荷重が生じる可能性がある。反スラスト荷重方向に荷重が生じた場合、加圧シリンダ５の破損等が生じることも考えられる。

これに対して、回転テーブル７に対して外歯付旋回ベアリング９１が取り付けられていることで、外歯付旋回ベアリング９１が反スラスト荷重方向の荷重を受け止めることができ、反スラスト荷重方向に荷重が生じることを防ぐことができる。

以上、本発明に係る実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られず、種々の変更を加えることができる。

例えば、上記実施形態で説明した圧縮ねじり成形装置１で説明した各部の形状及び配置等は適宜変更することができる。また、上記実施形態では、加圧シリンダ５がラム型である場合について説明したが、ピストン型であってもよい。ピストン型の加圧シリンダを用いる場合には、引戻シリンダ６１を備えていなくてもよい。また、第１油圧室Ｒ１及び第２油圧室Ｒ２の形状を変更してもよく、スラスト軸受７０の配置等についても変更することができる。

また、回転機構９は、上記実施形態で説明したような歯車を用いた機構とは異なっていてもよい。さらに、回転テーブル７の回転を制御する回転機構９を備えていない場合であっても、回転テーブル７にかかるスラスト荷重を受ける第２油圧室Ｒ２を設けることで、スラスト軸受７０が負担するスラスト荷重を減らすことができるという効果が得られる。

また、上記実施形態では、上金型１１（第１金型）が加工材料Ｏを加圧して圧縮応力を付与し、下金型１２（第２金型）が軸線Ａを中心に回転することにより加工材料Ｏに対してせん断変形を付与する場合について説明したが、上金型１１と下金型１２との機能を逆転させてもよい。すなわち、下金型１２が加工材料Ｏを加圧して圧縮応力を付与し、上金型１１が軸線Ａを中心に回転することにより加工材料Ｏに対してせん断変形を付与する構成としてもよい。また、一対の金型が配置される方向及び軸線Ａの延びる方向は適宜変更することができる。

１…圧縮ねじり成形装置、２…上部フレーム、３…下部フレーム、５…加圧シリンダ、７…回転テーブル、８…テーブル支持部、９…回転機構、１１…上金型、１２…下金型、７０…スラスト軸受、９１…外歯付旋回ベアリング、９２…ラック軸、９３…油圧シリンダ。

Claims

対向する第１金型及び第２金型によって加工材料の加工を行う圧縮ねじり成形装置であって、
第１油圧室を有し、当該第１油圧室の内圧の変化に応じて摺動し、前記第１金型を軸線の方向に移動させる摺動部と、
前記第２金型が設けられる回転テーブルと、
前記軸線の方向に沿って前記回転テーブルを挟んで前記第２金型とは逆側に設けられたテーブル支持部と、
前記テーブル支持部に対して前記回転テーブルを回転可能に支持すると共に、前記回転テーブルに作用する前記第２金型から前記回転テーブルへ向かう向きの力を受ける回転軸受と、
前記回転テーブルと前記テーブル支持部との間に設けられて、前記第１油圧室と連通する第２油圧室と、
を有する圧縮ねじり成形装置。
前記回転軸受は、前記第２油圧室の内部に設けられている請求項１に記載の圧縮ねじり成形装置。
前記回転テーブルの回転を制御する回転機構をさらに有する請求項１又は２に記載の圧縮ねじり成形装置。
前記回転機構は、外輪が前記回転テーブルに対して取り付けられた外歯付旋回ベアリングを含む請求項３に記載の圧縮ねじり成形装置。