JP6998251B2

JP6998251B2 - 回転塑性加工用ローラ及びそれを備える回転塑性加工装置

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Publication number: JP6998251B2
Application number: JP2018061259A
Authority: JP
Inventors: 克也平野
Original assignee: KYB Corp
Current assignee: KYB Corp
Priority date: 2018-03-28
Filing date: 2018-03-28
Publication date: 2022-01-18
Anticipated expiration: 2038-03-28
Also published as: JP2019171410A

Description

本発明は回転塑性加工用ローラ及びそれを備える回転塑性加工装置に関する。

特許文献１は従来の回転塑性加工について開示している。この加工では、加工対象のパイプ材に芯金を挿入して回転させると共に、パイプ材の外周面にローラを押し当てつつパイプ材の回転に従動させて回転させながら送り方向（回転軸に平行な方向）に移動させるスピニング加工を行う。加工後のパイプ材には部分的に薄肉な部分が形成される。このようにして形成された薄肉部と、薄肉部よりも厚肉な厚肉部との間にはテーパ面が形成されて異なる径の外周面を連続的に接続している。

特開２００５－７４２１号公報

特許文献１において加工に用いられるローラは、中央部が最も拡径され、軸方向両側は端部に向けて縮径するテーパ状に形成されている。このようなローラを用いたスピニング加工において、良好な加工面を得るには、ローラの送り方向後方のテーパ面（逃げ面）の角度をより小さく設定することが好ましい。しかしながら、ローラのテーパ面の角度を小さくすると、ワーク加工面にテーパ面を形成する場合には、ローラのテーパ面の角度よりも大きなテーパ面を形成することが困難である。

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、加工面の美観とテーパ面の加工性の両立を図ることができる回転塑性加工用ローラ及びそれを備える回転塑性加工装置を提供することを解決すべき課題としている。

本発明の回転塑性加工用ローラは、成形面部、第１逃げ面部、及び第２逃げ面部を備えている。成形面部は、送り方向後方に向かって拡径するテーパ状に形成されている。第１逃げ面部は、成形面部の後端に連続して形成されている。また第１逃げ面部は、送り方向後方に向かって縮径するテーパ状に形成されている。第２逃げ面部は、第１逃げ面部の後端に連続して形成されている。また、第２逃げ面部は、第１逃げ面部のテーパ角よりも大きいテーパ角で、送り方向後方に向かって縮径するテーパ状に形成されている。第１逃げ面部の送り方向の長さは、成形面部の送り方向の長さよりも小さく設定されている。

このような構成により、本発明の回転塑性加工用ローラは、第１逃げ面部のテーパ角は加工面が良好な美観を得られる角度に設定することができ、第２逃げ面部のテーパ角は加工面に所望の角度のテーパ面を得られる角度に設定することができる。すなわち、第１逃げ面部のテーパ角は、加工面に形成するテーパ面の角度に関わらず、塑性変形による加工面の盛り上がりを好適に押さえ込むことのできる角度に設定することができるので、凹凸が抑制された良好な美観の加工面を得ることができる。また、第２逃げ面部のテーパ角は、加工面のテーパ角の形成に好適な角度に設定することができる。

したがって、本発明の回転塑性加工用ローラは、加工面の美観とテーパ面の加工性の両立を図ることができる。

本発明の回転塑性加工用ローラは、第１逃げ面部の送り方向の長さが、加工時における加工対象のワーク１回転当たりの送り方向への移動量より大きく設定され得る。この場合、塑性変形による加工面の盛り上がりを第１逃げ面部によって確実に押さえ込むことができ、より良好な美観の加工面を得ることができる。

本発明の回転塑性加工装置は、ワーク支持部、上記回転塑性加工用ローラ、ローラ支持部、及び相対移動部を備えている。ワーク支持部は、加工対象のワークを支持しつつ所定の回転軸周りに回転させる。ローラ支持部は、回転塑性加工用ローラを回転自在に支持しつつワークの外周面に向けて移動させる。相対移動部は、ワークと回転塑性加工用ローラを送り方向に相対移動させる。

本発明の回転塑性加工装置は、上記回転塑性加工用ローラを備えていることにより、加工面の美観とテーパ面の加工性を両立させた加工を行うことができる。

本発明の回転塑性加工装置は、回転塑性加工用ローラを複数備え得る。この場合、より良好な美観の加工面を得ることが出来る。

実施形態に係る回転塑性加工装置の概略を模式的に示す図である。図１のＩＩ－ＩＩ線矢視図である。実施形態に係る回転塑性加工用ローラを示す側面図である。実施形態に係る回転塑性加工用ローラの部分拡大図である。実施形態の作用を説明するための図である。

次に、本発明の回転塑性加工用ローラ及び回転塑性加工装置を具体化した実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

本実施形態の回転塑性加工装置１は、いわゆるスピニング加工やフローフォーミング加工等を行う装置であり、回転する円筒状のワークＷの外周面に回転塑性加工用ローラ（以下、単にローラとも表記する）１０を押し当てることにより塑性変形させて所望の形状を得る装置である。回転塑性加工装置１は、図１及び図２に示すように、ローラ１０、ワーク支持部２０、及びローラ支持移動部（本発明に係るローラ支持部及び相対移動部として例示する）３０を備えている。

ワーク支持部２０はワークＷを支持しつつ軸Ｃ周りに回転させる。図１に示すように、ワーク支持部２０は、主軸部２１及びマンドレル部２２を有している。主軸部２１は、図示しない駆動手段により駆動されて軸Ｃ周りに回転する。主軸部２１はチャック部２１Ａを具備している。チャック部２１Ａは、軸Ｃを中心にすり鉢状に窪んで形成されている。チャック部２１ＡはワークＷを支持する際にワークＷの一端に当接する。マンドレル部２２は円柱形状に形成され、その中心軸が軸Ｃに沿う形態で配置されている。マンドレル部２２はその一端２２Ａを回転自在に支持されて軸Ｃ周りに回転する。また、マンドレル部２２の他端２２Ｂが主軸部２１に対向して設けられている。更に、マンドレル部２２は軸Ｃに沿って移動自在に設けられている。ワーク支持部２０は、円筒形状のワークＷの一端側からマンドレル部２２を挿通するとともに、ワークＷの他端側を主軸部２１とマンドレル部２２との間で挟持する形態でワークＷを支持する。そして、主軸部２１が駆動回転されることによりワークＷを軸Ｃ周りに回転させる。

ローラ支持移動部３０は、ローラ１０をワークＷの外周面に向けて移動自在に支持する。また、ローラ支持移動部３０は、ワークＷとローラ１０を送り方向Ｚに相対移動させる。本実施形態において、ローラ支持移動部３０は、ローラ１０を軸Ｃに直交する方向であるｘ方向、及び軸Ｃに平行な方向であるｚ方向に移動自在に支持している。そして、本実施形態の場合、ワークＷの外周面に向けた方向とはｘ方向の一方の方向であり、送り方向Ｚとはｚ方向の一方の方向である。ローラ支持移動部３０は、加工時には、ローラ１０を所定の送り量Ｑで送り方向Ｚに移動させる。なお、本実施形態において、送り量Ｑとは、ワークＷ１回転当たりの送り方向Ｚへのローラ１０の移動量である。加工時において、送り量Ｑは、小さくすると加工面の美観を向上させることができるが加工時間は長くなり、大きくすると加工時間を短くすることができるが加工面の仕上げが粗くなる。

また、図２に示すように、本実施形態において、ローラ支持移動部３０は、２つ（３１，３２）が設けられており、ローラ１０は３つ（１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ）が設けられている。各ローラ支持移動部３１，３２は、ｘ方向及びｚ方向の２軸平面移動可能な図示しないステージを夫々具備して構成されている。ローラ支持移動部３１，３２は、ｘ方向及びｚ方向の夫々に、所定の移動速度で移動自在である。ローラ支持移動部３１，３２は、軸Ｃを挟んで対向して配置されている。２つのローラ支持移動部３１，３２のうち、一方のローラ支持移動部３１は１つのローラ１０Ａを支持している。このローラ支持移動部３１は、ｘ方向に移動したときのローラ１０Ａの中心である点Ｐ１の移動軌跡の延長線が軸Ｃと交差する形態で、ローラ１０Ａを支持している。また、他方のローラ支持移動部３２は２つのローラ１０Ｂ，１０Ｃを支持している。このローラ支持移動部３２は、２つのローラ１０Ｂ，１０Ｃの中心を通過する仮想直線がｘ方向に対して直交する形態で、ローラ１０Ｂ，１０Ｃを支持している。また、ローラ支持移動部３２は、ｘ方向に移動したときの２つのローラ１０Ｂ，１０Ｃの中心を結ぶ仮想線分の中点である点Ｐ２の移動軌跡の延長線が軸Ｃと交差する形態で、２つのローラ１０Ｂ，１０Ｃを支持している。そして、２つのローラ支持移動部３１，３２は、点Ｐ１及び点Ｐ２が軸Ｃの直交平面上に軸Ｃを挟んで対向する形態で配置されているとともに、各ローラ１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃは、軸Ｃ方向（ｘ方向）における略同一位置の軸Ｃ周りに配置されている。

ローラ１０は所定の回転軸周りに回転自在に設けられている。本実施形態の場合、ローラ１０の回転軸は軸Ｃに平行な軸である。上述のように、本実施形態ではローラ１０は３つ設けられており、２つのローラ支持移動部３０に振り分けられて支持されている。図３及び図４に示すように、各ローラ１０は、成形面部１１、第１逃げ面部１２、及び第２逃げ面部１３を夫々備えている。ローラ１０は稜部Ｄ１，Ｄ２を形成している。稜部Ｄ１は成形面部１１と第１逃げ面部１２との境界部である。稜部Ｄ２は第１逃げ面部１２と第２逃げ面部１３との境界部である。成形面部１１は、送り方向Ｚの後方に向かって拡径するテーパ状に形成されている。本実施形態における成形面部１１のテーパ角θ１は１５°としている。

第１逃げ面部１２は、成形面部１１の後端に連続して形成されている。また、第１逃げ面部１２は、送り方向Ｚの後方に向かって縮径するテーパ状に形成されている。本実施形態の場合、第１逃げ面部１２のテーパ角θ２は３°としている。また、本実施形態において、第１逃げ面部１２は、送り方向Ｚの長さＬで形成されている。第１逃げ面部１２の長さＬは加工時のワークＷ１回転当たりの送り方向Ｚへの移動量である送り量Ｑよりも大きく、約２倍に設定している。

第２逃げ面部１３は、第１逃げ面部１２の後端に連続して形成されている。第２逃げ面部１３は、第１逃げ面部１２のテーパ角よりも大きいテーパ角で、送り方向Ｚの後方に向かって縮径するテーパ状に形成されている。本実施形態における第２逃げ面部１３のテーパ角θ３は１５°であり、第１逃げ面部１２のテーパ角θ２よりも大きい。

次に、本実施形態に係る回転塑性加工用ローラ１０及び回転塑性加工装置１の作用について説明する。ワークＷを加工するにあたっては、最初に、ワークＷをワーク支持部２０のマンドレル部２２に挿入する。次に、マンドレル部２２を主軸部２１に向かって移動させてワークＷを主軸部２１のチャック部２１Ａとの間で挟持する。そして、主軸部２１を駆動してワークＷを軸Ｃ周りに回転させる。この状態で、各ローラ支持移動部３０をｘ方向に移動させ、各ローラ１０をワークＷの外周面Ｓ１に当接させる（図５参照）。ワークＷに当接したローラ１０は、ワークＷが軸Ｃ周りに回転していることにより、その回転に伴って、ワークＷの回転方向と反対の方向に回転する。

そして、各ローラ１０をワークＷの加工前の外周面Ｓ１に当接させた状態で各ローラ支持移動部３０をｘ方向に更に移動させると、各ローラ１０がワークＷの外周面に押し当てられるとともに、その押し当て量に応じてワークＷが塑性変形し、加工前の外周面Ｓ１における肉厚ｔ１が減少し、ワークＷに縮径した部位が形成される。このとき、ワークＷは３つのローラ１０により３方から押圧されるが（図２参照）、各ローラ１０が異なる方向から押圧しているため、夫々のローラ１０からのラジアル荷重が互いに打ち消される。これにより、ワークＷの軸Ｃからの芯ずれが抑制される。

なお、図３に示すように、各ローラ１０において径が最大となる部位は稜部Ｄ１である。したがって、各ローラ支持移動部３０をｘ方向に移動させた際にワークＷの外周面に最初に当接するローラ１０の部位はこの稜部Ｄ１である。ワークＷはこのローラ１０の稜部Ｄ１と軸Ｃとの距離に応じて縮径される。

次に、この状態で各ローラ支持移動部３０を送り方向Ｚに移動させると、各ローラ１０の成形面部１１によってワークＷの外周面が軸Ｃの方向に沿って更に塑性変形する。これにより、ローラ１０の送り方向Ｚへの移動量に応じた幅で肉厚ｔ２の縮径された部位が形成される（図５参照）。この時、第１逃げ面部１２によって稜部Ｄ１よりも後方側におけるワークＷの外周面の盛り上がりが抑制されるので、ワークＷの加工後の外周面Ｓ２は良好な外観となる。また、上述のように、ローラ１０の加工時の送り量Ｑと第１逃げ面部１２の送り方向Ｚの長さＬとを１：２に設定していることにより、第１逃げ面部１２によって稜部Ｄ１よりも送り方向Ｚの後方側における加工面の盛り上がりが確実に抑制される。

次に、テーパ面部の形成について説明する。図５に示すように、ワークＷの外周面にテーパ面部ＳＴを形成するには、ローラ１０を送り量Ｑで移動させつつ、押し当て方向であるｘ方向にも同時に移動させる。これにより、ローラ１０の送り量Ｑとｘ方向への押し当て量との比に応じた傾きのテーパ角θ４のテーパ面部ＳＴが形成される。

このテーパ面部ＳＴの形成においては、ローラ１０が第１逃げ面部１２のテーパ角θ２よりも大きなテーパ角θ３の第２逃げ面部１３を備えていることにより、第１逃げ面部１２のテーパ角θ２よりも大きなテーパ角のテーパ面部ＳＴをワークＷの外周面に形成することが可能となっている。また、テーパ面部ＳＴの形成において、ワークＷのテーパ面部ＳＴのテーパ角θ４が第１逃げ面部１２のテーパ角θ２以上の大きさの場合には、テーパ面部ＳＴはローラ１０の稜部Ｄ２により形成される。この稜部Ｄ２は、第１逃げ面部１２と第２逃げ面部１３との接続部位である。このように、ローラ１０によるワークＷの外周面のテーパ面部ＳＴの形成では、テーパ角θ４は、０＜θ４≦θ３の大きさで形成可能であり、第１逃げ面部１２のテーパ角θ２よりも大きなテーパ角で形成可能である。

以上のように、本実施形態に係る回転塑性加工用ローラ１０は、成形面部１１、第１逃げ面部１２、及び第２逃げ面部１３を備えている。成形面部１１は、送り方向Ｚの後方に向かって拡径するテーパ状に形成されている。第１逃げ面部１２は、成形面部１１の後端に連続して形成されている。また第１逃げ面部１２は、送り方向Ｚの後方に向かって縮径するテーパ状に形成されている。第２逃げ面部１３は、第１逃げ面部１２の後端に連続して形成されている。また、第２逃げ面部１３は、第１逃げ面部１２のテーパ角θ２よりも大きいテーパ角θ３で、送り方向Ｚの後方に向かって縮径するテーパ状に形成されている。

このような構成により、ローラ１０は、第１逃げ面部１２のテーパ角θ２は加工面が良好な美観を得られる角度に設定することができ、第２逃げ面部１３のテーパ角θ３は加工面に所望の角度のテーパ面を得られる角度に設定することができる。すなわち、第１逃げ面部１２のテーパ角θ２は、加工面に形成するテーパ面部ＳＴの角度θ４に関わらず、塑性変形による加工面の盛り上がりを好適に押さえ込むことのできる角度に設定することができるので、凹凸が抑制された良好な美観の加工面を得ることができる。また、第２逃げ面部１３のテーパ角θ３は、加工面のテーパ角θ４の形成に好適な角度に設定することができる。

したがって、本実施形態の回転塑性加工用ローラ１０は、加工面の美観とテーパ面の加工性の両立を図ることができる。

また、本実施形態の回転塑性加工用ローラ１０は、第１逃げ面部１２の送り方向Ｚの長さＬは、加工時におけるワークＷ１回転当たりの送り方向Ｚへの移動量である加工時の送り量Ｑより大きく設定されている。このため、塑性変形による加工面の盛り上がりを加工時の送り量Ｑよりも大きな長さＬに形成された第１逃げ面部１２によって確実に押さえ込むことができ、より良好な美観の加工面を得ることができる。

また、第１逃げ面部１２によって塑性変形による加工面の盛り上がりを好適に押さえ込むことで、上述の特許文献１のような従来のローラによる加工面と同等の美観の加工面をより大きな送り量Ｑで得ることができるので、加工時間の短縮することができる。その結果、加工面の美観と加工時間の短縮の両立を図ることができる。

本実施形態に係る回転塑性加工装置１は、ワーク支持部２０、回転塑性加工用ローラ１０、ローラ支持部及び相対移動部としてのローラ支持移動部３０を備えている。ワーク支持部２０は、加工対象のワークＷを支持しつつ所定の回転軸としての軸Ｃ周りに回転させる。ローラ支持移動部３０は、ローラ１０を回転自在に支持しつつワークＷの外周面に向けて移動させるとともに、ワークＷとローラ１０の送り方向Ｚに相対移動として、ローラ１０を送り方向Ｚに移動させる。

このように、本実施形態の回転塑性加工装置１は、回転塑性加工用ローラ１０を備えていることにより、加工面の美観とテーパ面の加工性を両立させた加工を行うことができる。

また、本実施形態の回転塑性加工装置１は、回転塑性加工用ローラ１０を複数備えている。このため、より良好な美観の加工面を得ることが出来る。

本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
（１）上記実施形態では、第１逃げ面部のテーパ角及び第２逃げ面部のテーパ角を夫々３°及び１５°とする形態の回転塑性加工用ローラを例示したが、これらは必須ではない。第１逃げ面部及び第２逃げ面部の各テーパ角は、第２逃げ面部のテーパ角が第１逃げ面部のテーパ角よりも大きく設定されている限り、種々の形態を選択することができる。特に、第１逃げ面部のテーパ角θ２としては、０°＜θ２≦５°の範囲であることが好ましい。
（２）上記実施形態では、第１逃げ面部の送り方向の長さを加工時における加工対象のワーク１回転当たりの送り方向への移動量である加工時の送り量よりも大きい約２倍に設定したが、これは必須ではない。第１逃げ面部の送り方向の長さＬを加工時の送り量Ｑよりも大きく設定する場合には、１．５Ｑ≦Ｌ≦２．５Ｑの範囲であることができる。そしてこの場合、第１逃げ面部によって加工面の塑性変形による盛り上がりを良好に押さえ込むことができて好ましい。
（３）上記実施形態では、回転塑性加工装置が３つの回転塑性加工用ローラを備える形態を例示したが、これは必須ではない。回転塑性加工装置は、１つ、２つ又は４つ以上のローラを備える形態であってもよい。
（４）上記実施形態では、相対移動部としてのローラ支持移動部を備えてローラを移動させることによりワークとローラとを送り方向に相対移動させる形態を例示したが、ワークを移動させる形態の相対移動部としてもよい。
（５）上記実施形態では、３つのローラに対して、２つのローラ支持移動部を設ける形態を例示したが、複数のローラの夫々に対応する複数のローラ支持移動部を設けてもよい。
（６）上記実施形態では、ローラの回転軸が軸Ｃに平行な形態を例示したが、軸Ｃに対して傾きを生じていてもよい。
（７）上記実施形態では、複数のローラが軸Ｃ方向（ｘ方向）における略同一位置の軸Ｃ周りに配置されている形態を例示したが、複数のローラが軸Ｃ方向にオフセットして配置されている形態であってもよい。

１…回転塑性加工装置、１０（１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ）…回転塑性加工用ローラ、１１…成形面部、１２…第１逃げ面部、１３…第２逃げ面部、２０…ワーク支持部、２１…主軸部、２１Ａ…チャック部、２２…マンドレル部、２２Ａ…マンドレル部の一端、２２Ｂ…マンドレル部の他端、３０（３１，３２）…ローラ支持移動部、Ｃ…軸（ワークの回転中心となる軸）、Ｄ１，Ｄ２…稜部、Ｐ１…点（ローラ１０Ａの中心点）、Ｐ２…点（ローラ１０Ｂ，１０Ｃの中心を結ぶ線分の中点）、Ｑ…送り量、Ｓ１…加工前のワーク外周面、Ｓ２…加工後のワーク外周面、ＳＴ…ワークのテーパ面部、Ｗ…ワーク、Ｚ…送り方向、ｔ１…加工前の肉厚、ｔ２…加工後の肉厚、θ１…成形面部のテーパ角、θ２…第１逃げ面部のテーパ角、θ３…第２逃げ面部のテーパ角、θ４…ワークのテーパ面部のテーパ角

Claims

送り方向後方に向かって拡径するテーパ状に形成された成形面部と、
前記成形面部の後端に連続して形成されるとともに、前記送り方向後方に向かって縮径するテーパ状に形成された第１逃げ面部と、
前記第１逃げ面部の後端に連続して形成されるとともに、前記第１逃げ面部のテーパ角よりも大きいテーパ角で、前記送り方向後方に向かって縮径するテーパ状に形成された第２逃げ面部と、を備え、
前記第１逃げ面部の前記送り方向の長さは、前記成形面部の前記送り方向の長さよりも小さく設定されていることを特徴とする回転塑性加工用ローラ。
前記第１逃げ面部の前記送り方向の長さは、加工時における加工対象のワーク１回転あたりの前記送り方向への移動量より大きく設定されていることを特徴とする請求項１記載の回転塑性加工用ローラ。
加工対象のワークを支持しつつ所定の回転軸周りに回転させるワーク支持部と、
請求項１又は２記載の回転塑性加工用ローラと、
前記回転塑性加工用ローラを回転自在に支持しつつ、前記ワークの外周面に向けて移動させるローラ支持部と、
前記ワークと前記回転塑性加工用ローラを前記送り方向に相対移動させる相対移動部と、
を備えることを特徴とする回転塑性加工装置。
前記回転塑性加工用ローラを複数備えることを特徴とする請求項３記載の回転塑性加工装置。