JPWO2006043316A1

JPWO2006043316A1 - 樹脂チューブの高速曲げ方法とこの方法に用いる三次元曲げ型

Info

Publication number: JPWO2006043316A1
Application number: JP2005518941A
Authority: JP
Inventors: 小林　武; 武小林
Original assignee: 株式会社早川製作所
Priority date: 2004-10-20
Filing date: 2004-10-20
Publication date: 2008-05-22
Also published as: CN100551674C; KR101112503B1; TWI365133B; WO2006043316A1; CN101044012A; TW200630204A; KR20070065339A

Abstract

【課題】垂直方向と水平方向に力を加える曲げ加工ヘッドを曲げ軌道に倣って移動させるだけで、チューブを３次元曲げ成形できる手法を提供すること。【解決手段】三次元曲げ成形された形態におけるチューブＰの手前側の端末（以下、前端末という）をＸ，Ｙ，Ｚ軸による直交座標の原点に置いて加工基準点にし、そのチューブの前端末から向こう側の端末（以下、後端末という）までの曲げ部を含む複数点について、前記座標の各軸上での位置と各位置における前記座標上での２つの垂直面３に対する角度と水平面に対する角度を求め、得られた位置データと角度データに基づいて前記チューブＰの曲げ軌道をブロック状の型部材に三次元曲げの軌道溝１として形成することにより三次元曲げ型Ｇとし、曲げようとする直管状のチューブＰの前端末を前記曲げ型Ｇの軌道溝１の始端部にセットして当該チューブＰの前端末から後端末へ向けて水平ローラ４を前記軌道溝１に倣わせながら移動させることにより、前記チューブＰを軌道溝１に押込んで三次元曲げ成形すること。

Description

本発明は、主として合成樹脂チューブを高速で３次元曲げ加工することができるチューブの曲げ方法と、この方法に用いるチューブの三次元曲げ型に関する。

チューブを３次元に曲げる工程は、特に燃料チューブやブレーキチューブ等のように高精度が要求される分野や３次元曲げ工程による多品種少量生産が要求される産業分野において広く利用される工程である。

従来の曲げ方法によるチューブの３次元曲げ成形では、曲げ方向と同一方向から加圧する、換言すれば、曲げ部を含む同じ面内においてその曲げ部に曲げ力を作用させる必要があった。例えば、図６に例示したロール曲げでは、３つの曲げ機構Ｂ１〜Ｂ３をそれぞれのチューブＴに付与される各曲げ部の曲げ姿勢に応じて複数組設置したり、産業ロボットで曲げ装置そのものを３次元制御する必要があった。このため３次元曲げ加工設備が専用化したり、複雑で精巧な装置が必要になり、多くの設備投資を余儀なくされていた。

一方、図７に例示したように、曲げ機構Ｂを一箇所のみとし、チューブＴの直線部をチャックＣｈで握り、該チャックＣｈでチューブＴを捻りながら送り出して曲げを行うＮＣベンダーによる３次元曲げも広く普及している。しかし、この曲げ方法は、チャックＣｈによるチューブＴの送り込み（推進）と回転（捻り）の複合作業を繰り返す機構であるため、作業が断続的となって、曲げ作業に時間を要するほか、曲げ軌道が旋回して接近している場合、例えば、２つの曲げ部が接近し、しかも同じ面内にない場合等には使用できないなどの原理的な限界もある。

上記のように、従来の３次元曲げ技術では、それぞれの曲げ部にその曲げ平面内で曲げ方向に応じた力を加えることを不可欠としているので、この点が従来技術における問題点の主な原因となっている。

本発明は、上記のような従来技術における問題点に鑑み、垂直方向と水平方向に力を加える曲げ加工ヘッドを曲げ軌道に倣って移動させるだけで、チューブを３次元曲げ成形できる手法を提供することを課題とするものである。

上記の課題を解決することを目的としてなされた本発明３次元曲げ方法の構成は、三次元曲げ成形された形態におけるチューブの手前側の端末（以下、前端末という）をＸ，Ｙ，Ｚ軸による直交座標の原点に置いて加工基準点にし、そのチューブの前端末から向こう側の端末（以下、後端末という）までの曲げ部を含む複数点について、前記座標の各軸上での位置と各位置における前記座標上での２つの垂直面に対する角度と水平面に対する角度を求め、得られた位置データと角度データに基づいて前記チューブの曲げ軌道をブロック状の型部材に三次元曲げの軌道溝として形成することにより三次元曲げ型とし、曲げようとする直管状のチューブの前端末を前記曲げ型の軌道溝の始端部にセットして当該チューブの前端末から後端末へ向けて水平ローラを前記軌道溝に倣わせながら移動させることにより、前記チューブを軌道溝に押込んで三次元曲げ成形することを特徴とするものである。

本発明方法では、３次元曲げ成形された形態の樹脂チューブを、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸による直交座標上の原点においてそのチューブの中心軸の回りに回転させ、当該座標上のＸＹ面、ＸＺ面、ＹＺ面に関し、それぞれθＸＹ度、θＸＺ度、θＹＺ度（θ＞１°）を単位として回転させることにより、当該樹脂チューブの中心軸の回りの３６０度について、このチューブの曲げ軌道を３次元空間上（直交座標上）での位置データと角度データにより表現し、これによりそのチューブが３次元曲げ成形された姿勢を定義する。

次に、前記樹脂チューブの中心軸の回り３６０度についての全ての曲げ軌道のデータについて、この樹脂チューブの曲げ軌道上の曲げ部を含む各点での方向ベクトルが、ＸＺ面方向においてＸ軸となす角度（以下、θ_１という）と、ＸＹ面方向において方向ベクトルの起点を通り、Ｘ軸と並行な直線とのなす角度で、方向ベクトル後端がこの直線と最も接近する側に挟まれる角度（以下、θ_２という）を算出する。

この２つの角度θ_１，θ_２を、中心軸の回りに３６０度回転させて得られるこの樹脂チューブの全ての曲げ軌道について求め、その最大値を算出する。中心軸の回りの３６０度における各姿勢での最大値を基準値として定義し、この値が最小となるチューブの姿勢、つまり、チューブの中心軸の回りにおける回転角を算出して、前記座標上でのチューブの姿勢（向き）を決める。

即ち、本発明では、チューブの曲げ部を含む複数点についての直交座標上での位置データと各位置での垂直面と水平面に対する角度データを、そのチューブを基準点において当該チューブの中心軸の回り３６０度について適宜角度ピッチで回転させて形成し、各回転位置での垂直面と水平面に対する角度データの和が最小となる角度データにおける前記チューブの回転角の姿勢を型部材に軌道溝として形成することにより、チューブの三次元曲げ型を形成し、この曲げ型とこの曲げ型の軌道溝にチューブを押込む力を付与する水平ローラを用いてチューブの三次元高速曲げが実現できるのである。

本発明では、三次元曲げ型を、三次元曲げ成形された形態におけるチューブの手前側の端末（以下、前端末という）をＸ，Ｙ，Ｚ軸による直交座標の原点に置いて加工基準点にし、そのチューブの前端末から向こう側の端末（以下、後端末という）までの曲げ部を含む複数点について、前記座標の各軸上での位置と各位置における前記座標上での２つの垂直面に対する角度と水平面に対する角度を求め、得られた位置データと角度データに基づいて前記チューブの曲げ軌道をブロック状の型部材に軌道溝として形成することにより三次元曲げ型として形成したので、曲げようとする直管状のチューブの前端末を前記曲げ型の軌道溝の始端部にセットして当該チューブの前端末から後端末へ向けて水平ローラを前記軌道溝に倣わせながら移動させることにより、前記チューブを高速で軌道溝に押込み三次元曲げ成形することができる。

上記の本発明方法を実施する例について、図１〜図３を参照して説明する。なお、以下の説明においては、説明の便宜上、直角座標はブロックＢにおいて溝が延びる方向をＸ軸、溝と直交する方向をＹ軸、垂直方向をＺ軸とし、溝の始点を原点とする。
図３において、まず、金属，樹脂，セラミックなど、目的に応じた素材によるブロックＢに、３次元曲げしようとするチューブの３次元曲げ成形した形態での軌道を溝１として彫込む。次に、前記溝１の中心線を通過し、且つ、鉛直下方と溝の中心線の両方に対し垂直を保ち、且つ、溝の中心線から等距離にあって適宜の幅を有する軌道の面２を作成する。（以下、この面を型の上面２という）。更に、型の上面２以外の部分のブロックＢは鉛直下方に切削することにより、チューブの曲げ軌道と水平方向において等距離にある垂直面３（以下、この面を型の垂直面３という）を作成する。こうして素材ブロックＢに作成された溝１，型上面２，垂直面３を備えた部品全体を曲げ型Ｇという。本発明における曲げ型Ｇの機能は、上記形状に依拠するため、その製法は、上記の切削加工のほか、注型成型や光成形などにより形成することができ、その形成手法は限定されない。

同じく、図３において、前記型Ｇの上面２の上方側に、円柱形の水平ローラー４を設置し、水平ローラー４の中心軸の延長線上において、鉛直下方を中心軸とする垂直ローラー５を当該水平ローラ４の両側に設け、垂直ローラー５が前記垂直面３を挟み込むことにより姿勢が固定されると共に、当該垂直ローラ５と水平ローラー４をローラ支持部材６に保持させることにより、支持部材６に水平ローラー４，垂直ローラー５が組み込まれた曲げ加工ヘッドＨを作成する。加工ヘッドＨは、鉛直方向の上部に回転軸７を有しその軸７がホルダ８のベアリング８ａに保持されている。加工ヘッドＨは、その上方から押下げ力を受けるためのシリンダ９をそのホルダ９ａに具備している。また、加工ヘッドＨは、前記保持部材６に水平を保ったまま支持され、支持部材６をシリンダ１０により水平方向へ、及び、シリンダ９により垂直方向に移動させるように形成することによって、前記ヘッドＨを型Ｇの上面２を倣って移動しつつ水平ローラ４によりチューブＰをその上面から溝１の内部に押付ける構造に形成されている。

加工ヘッドＨをチューブの３次元曲げ加工において水平移動、及び、垂直移動させるためのシリンダ９，１０の制御方法に関しては、カム機構の機械制御、電気的なＮＣ駆動制御、シリンダとシーケンサによる制御などを利用でき、本発明においては制御方法は限定されない。また、上記ホルダ８のベアリング８ａは、軸７を回転させる回転制御機器を用いても対応可能であり、この場合には垂直ローラー５の省略が可能になる。更に、水平ローラー４自体に駆動力を持たせると駆動機構やその制御機構を簡略化することができる場合もある。このようにして本発明方法を実施することができる曲げ装置の一例が形成されるが、その使用態様は以下の通りである。

まず、型Ｇの軌道溝１の始端に、曲げ成形前の直管状のチューブＰの前端末を挿入してこの上にヘッドＨを降ろし、水平ローラー４と型Ｇの上面２を密着させシリンダ９により一定の押下げ圧力をかける。この状態で、シリンダ１０を作動させてヘッドＨ全体を軌道溝１の始端部から終端側に向けて当該溝１に沿わせ移動させると、水平ローラー４の溝１に沿った転動によってチューブＰが逐次軌道溝１へ押し込まれる力が発生する。軌道溝１が直線の部分ではこの力が直接チューブＰを直下に押下げるように作用し、チューブＰを軌道溝１に順次挿入してゆく。軌道溝１が直線でない部分では、前記水平ローラ４の力がチューブＰを軌道溝１の両側の壁面に押しつける力を発生させ、その応力によって、チューブＰが曲げられながら曲がった軌道溝１の中に順次曲げられ乍ら挿入されていく。このようにして、ヘッドＨを軌道溝１に沿わせ移動させることにより、型Ｇに形成された任意の３次元軌道溝１に沿ってチューブＰを曲げることができるのである。

本発明方法では、上記態様によってチューブＰを３次元曲げ成形することが可能であるが、本発明では、チューブＰを曲げに先立って予め加熱処理しておき、チューブＰのヤング率と、限界ひずみの大きさを低下させておくと、より高速での３次元曲げ成形が可能となり、その効果は、従来の公知技術による三次元曲げ処理に比べきわめて顕著である。

また、本発明では、予熱して遡性変形を容易にした樹脂チューブＰを上記手法で３次元曲げ成形するいわば予熱曲げ手法のほか、加熱しない常温下のチューブＰを曲げ成形するとき、乃至は、曲げ成形後に軌道溝１の中でチューブＰを加熱することもできる。なお、加熱の方法としては、電気抵抗式ヒーター，熱交換管，マイクロ波などによる加熱、高周波加熱，遠赤外線加熱などその熱源と加熱手法は限定されない。

一方、本発明では、チューブＰの物性に応じての対応も可能である。即ち、ヤング率の大きなチューブＰへの対応としては曲げ装置の機械的な強度を強化することにより対応可能であるが、図３に例示したように水平ローラー４にチューブＰの径に応じた窪み４ａをつけると曲げ加工に有効である。更に、ヘッドＨにガイドローラーを設置することも有効である。即ち、図３において、ホルダ８の延長部８ｂに垂直軸８ｃを介して設けたローラホルダー１１の両側に、垂直ローラ５，５と同じ向きのガイドローラ１２，１２を設け、ヘッドＨの軌道溝１に沿った移動を、その移動先端側でガイドし、支持するようにするのである。

また、樹脂チューブＰのように弾性限度内のひずみが大きい材料では、加熱等の前処理によりその物性を変化させると、きわめて高速での３次元曲げ成形が可能となる。更に、多層構造チューブなどの複合材料を用いたチューブＰや、付属するゴム製プロテクターを備えた樹脂チューブＰにおいても、本発明の曲げ方法は有効であるが、特に、表面に摩擦抵抗の大きな材料を有するチューブＰでは、曲げ治具Ｇの溝１の内表面に硬質メッキ，樹脂コート，シリコンコート等の摩擦低減処理を施すことが有効である。

以上の説明は、型Ｇに形成した軌道溝１が、水平ローラ４（又は、加工ヘッドＨ）の進行方向（移動方向、Ｘ軸方向）に関し、常時、正方向側に変位（移動）する平面形状を具備した例である。
しかし、チューブＰの三次元曲げ成形上りの形態によっては、そのチューブＰを座標の原点において中心軸の回りに３６０度回転させても、軌道溝１が反転する（換言すれば、図４，図５に実線で示すように、直線ＡＢで示す方向に関し水平ローラ４の移動方向が後退側（逆方向に戻る）ことがある。
水平ローラ４には、そのヘッドＨにＸ軸（直線ＡＢ）の正方向の移動力が加えられるので、軌道溝１が型Ｇの上で反転していると、高速曲げが実現できない（図４のＣ部参照）。この点は、曲げ角が大きい場合にも、同様な問題を惹起する。

そこで本発明では、軌道溝１が反転したり曲げ角が大きい（例えば、９０度程度乃至はそれに近い角など）場合には、その溝１が形成された型Ｇ自体を、平面内で旋回させるようにした。即ち、図４，図５に仮想線で示すように、図４の場合には、型Ｇをこの型Ｇ溝１の始点乃至はその近傍の点Ｐ１で時計回り方向に回転させ、また、図５の場合には、型Ｇをその型Ｇの中心又はその近傍の点Ｐ２で時計回り方向に回転させることにより、軌道溝１の反転を解消するようにした。本発明では、反転や大きな曲げ角が解消されればよいので、点Ｐ１，Ｐ２における回転方向は、時計回り方向、反時計回り方向のいずれの方向でもよい。

外形８ｍｍ，内径６ｍｍ，長さ２７０ｍｍの直管のナイロン製燃料チューブを、表１の条件で曲げ成形した。
使用機器は、図１〜図３により説明した本発明方法を実施する３次元曲げ装置である。
曲げるべきチューブを予め常温から一例として１５０℃〜１６０℃程度に加熱した。このチューブの前端末を上記曲げ装置の溝１にセットし、加工ヘッドＨを溝１の始端部から終端部に向け３秒で移動させた。ヘッドＨの移動後、チューブ内部を約１５秒間冷却して常温に戻した。
このチューブの曲げに要したサイクルタイムは、予熱時間を除き約２０秒であった。

本発明は以上の通りであって、三次元曲げ成形された形態におけるチューブの手前側の端末（以下、前端末という）をＸ，Ｙ，Ｚ軸による直交座標の原点に置いて加工基準点にし、そのチューブの前端末から向こう側の端末（以下、後端末という）までの曲げ部を含む複数点について、前記座標の各軸上での位置と各位置における前記座標上での２つの垂直面に対する角度と水平面に対する角度を求め、得られた位置データと角度データに基づいて前記チューブの曲げ軌道をブロック状の型部材に三次元曲げの軌道溝として形成することにより三次元曲げ型とし、曲げようとする直管状のチューブの前端末を前記曲げ型の軌道溝の始端部にセットして当該チューブの前端末から後端末へ向けて水平ローラを前記軌道溝に倣わせながら移動させることにより、前記チューブを軌道溝に押込んで三次元曲げ成形されるようにしたから、合成樹脂製チューブや金属製チューブを容易かつ低コストで３次元曲げ成形することができる。

また、本発明方法は上記の通りであるから、曲げた後の戻りが少ないアルミニウムなどの金属チューブにも適用できるほか、特に、加熱軟化処理を伴う樹脂チューブの曲げに適用して極めて有効である。

［図１］本発明方法を実施するための曲げ装置の一例の平面図。
［図２］図１の曲げ装置の正面図。
［図３］本発明方法を説明するための曲げ機構の概要を示す斜視図。
［図４］本発明方法に用いる曲げ型Ｇを水平面内で回転させる一例の平面図。
［図５］本発明方法に用いる曲げ型Ｇを水平面内で回転させる別例の平面図。
［図６］従来のロール曲げ装置を説明するための斜視図。
［図７］従来のＮＣベンダーを説明するための斜視図。

符号の説明

Ｇ曲げ型
１軌道溝
２上面
３垂直面
４水平ローラー
５垂直ローラー
６保持部材
７回転軸
８，９ホルダ
８ａベアリング
９，１０シリンダ
Ｈヘッド
Ｐチューブ

Claims

三次元曲げ成形された形態におけるチューブの手前側の端末（以下、前端末という）をＸ，Ｙ，Ｚ軸による直交座標の原点に置いて加工基準点にし、そのチューブの前端末から向こう側の端末（以下、後端末という）までの曲げ部を含む複数点について、前記座標の各軸上での位置と各位置における前記座標上での２つの垂直面に対する角度と水平面に対する角度を求め、得られた位置データと角度データに基づいて前記チューブの曲げ軌道をブロック状の型部材に三次元曲げの軌道溝として形成することにより三次元曲げ型とし、曲げようとする直管状のチューブの前端末を前記曲げ型の軌道溝の始端部にセットして当該チューブの前端末から後端末へ向けて水平ローラを前記軌道溝に倣わせながら移動させることにより、前記チューブを軌道溝に押込んで三次元曲げ成形することを特徴とするチューブの高速曲げ方法。
チューブの曲げ部を含む複数点についての直交座標上での位置データとその各位置での垂直面と水平面に対する角度データを、基準点で当該チューブをその中心軸の回りに適宜角度のピッチで回転させた各回転角において形成し、各回転角の位置における垂直面と水平面に対する角度データの和が最小となる角度において前記チューブの姿勢を型部材に軌道溝として形成する請求項１のチューブの高速曲げ方法。
水平ローラの移動方向に関し、軌道溝が反転したり大きな曲げ角であるときは、軌道溝を設けた三次元曲げ型を平面内で角回転させることにより、前記反転を解消するか又は大きな曲げ角を見かけ上小さくする請求項１又は２のチューブの高速曲げ方法。
チューブの径に応じた窪みを付けた水平ローラを使用する請求項１〜３のいずれかのいずれかのチューブの高速曲げ方法。
水平ローラーの移動方向に関する両側に縦向きのローラーを設け、該縦向きローラを軌道溝の外壁面に倣わせて曲げ成形する請求項１〜４のいずれかのチューブの高速曲げ方法。
軌道溝の表面を摩擦低減処理した請求項１〜５のいずれかのチューブの高速曲げ方法。
チューブは、樹脂チューブ又はゴムプロテクタを付けた樹脂チューブ若しくは金属製チューブである請求項１〜６のいずれかのチューブの高速曲げ方法。
チューブの曲げ部を含む複数点についての直交座標上での位置データとその各位置での垂直面と水平面に対する角度データを、基準点で当該チューブをその中心軸の回りに適宜角度のピッチで回転させた各回転角において形成し、各回転角の位置における垂直面と水平面に対する角度データの和が最小となる角度において前記チューブの姿勢を型部材に軌道溝として形成したことを特徴とするチューブの三次元曲げ型。