KR20170081669A - 액압 단조 프레스 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

단조 하중의 서징(surging)이나 단조 속도가 영(零)이 되는 불감대(不感帶)의 발생을 억제하고, 또한, 종래 보다도 저하중으로부터 고하중까지의 광범위에 걸쳐서 고정밀도로 단조할 수 있는, 액압 단조 프레스 장치 및 그 제어 방법을 제공한다. 복수의 가압 실린더(가압 실린더군(2))를 구비하며, 가압 실린더군(2)은, 단조시에 항상 작동유를 공급 가능하게 구성된 주가압 실린더(21)와, 단조 하중에 따라 작동유의 공급 및 정지를 전환 가능하게 구성된 복수의 부가압 실린더(22~25)를 구비하며, 부가압 실린더(22~25)는, 헤드측 유압실(22h~25h)이 주가압 실린더(21)의 헤드측 유압실(21h)과 전자 전환 밸브(2a)를 매개로 하여 접속되어 있고, 단조 하중이 소정의 설정 하중을 초과할 때까지는 주가압 실린더(21)만을 사용하고, 단조 하중이 설정 하중을 초과한 후, 단조 하중이 증가함에 따라서 부가압 실린더(22~25)의 사용 갯수를 순차적으로 증가하도록 한 것을 특징으로 한다.

Description

액압 단조 프레스 장치 및 그 제어 방법{HYDRAULIC FORGING PRESS DEVICE AND METHOD FOR CONTROLLING SAME}
본 발명은, 액압(液壓) 단조(鍛造) 프레스 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이며, 특히, 저하중으로부터 고하중까지의 광범위에 걸쳐서 고정밀도로 단조할 수 있는, 액압 단조 프레스 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
예를 들면, 항공기 부품 등을 단조하는 대형(大型) 단조 공장에서는, 가압 능력 5만톤급의 초대형 단조 프레스 장치가 설치되어 있다. 한편으로, 예를 들면, 1만톤 이하의 하중밖에 필요가 없는 부품을 생산하는 경우에는, 예를 들면, 1만 5000톤급의 가압 능력을 가지는 중형(中型) 단조 프레스 장치를 별도로 설치하여 성형 가공을 하고 있었다. 즉, 종래의 대형 단조 공장에서는, 단조 하중에 따라 대형으로부터 소형(小型)까지 여러 종류의 단조 프레스 장치를 설치하거나, 저하중으로 단조할 수 있는 재료는 중소형 단조 프레스 장치가 설치되어 있는 다른 단조 공장으로 반송하여, 단조하고 있었다.
상술한 바와 같이, 대형 단조 공장에 필요한 종류의 단조 프레스 장치를 전부 설치하는 경우에는, 고액의 초기 투자를 필요로 하고, 1기업만으로 대응하는 것은 곤란했다. 또, 대형 액압 단조 프레스 장치는, 단조시에 사용하는 작동유(作動油)의 양이 막대하기 때문에, 에너지의 소비가 다대(多大)하게 된다. 그 때문에, 대형 액압 단조 프레스 장치에 대해서, 에너지 절약화라고 하는 면(面)으로부터 기술적인 개량이 원해지고 있었다.
여기서, 도 6은, 종래의 대형 액압 단조 프레스 장치의 일례를 나타내는 전체 구성도이다. 도시한 액압 단조 프레스 장치는, 상부 금형(D1)을 가지는 슬라이드(S)와, 하부 금형(D2)을 가지는 베드(bed)(B)와, 슬라이드(S)를 가압하는 5개의 가압 실린더(C1~C5)와, 가압 실린더(C1~C5)에 작동유를 공급하는 복수의 펌프(P)와, 가압 실린더(C1~C5)에 보조적으로 작동유를 공급하는 프리필(prefill) 탱크(Tp)와, 슬라이드(S)를 하부로부터 지지하는 서포트 실린더(Cs)와, 작동유를 저류(貯留)하는 오일 탱크(To)를 구비하고 있다. 각 펌프(P)는, 사용 조건에 따라 차단 밸브를 개폐하는 것에 의해 사용하는 펌프(P)를 선택할 수 있도록 구성되어 있다. 또, 가압 실린더(C1~C5)는, 각각 체크 밸브를 매개로 하여 프리필 탱크(Tp)와 접속되어 있고, 펌프(P)로부터의 작동유의 공급과 동시에 프리필 탱크(Tp)로부터도 작동유가 보조적으로 공급된다. 또, 서포트 실린더(Cs)에 작동유를 공급하는 펌프에 대해서는 도면을 생략하고 있다.
이러한 종래예에서는, 단조 조건에 따라 펌프(P)의 사용 대수를 변경할 수 있지만, 작동유는 모든 가압 실린더(C1~C5)에 동시에 공급되고, 슬라이드(S)는 항상 5개의 가압 실린더(C1~C5)에 의해 가압되도록 구성되어 있다. 따라서, 5개의 가압 실린더(C1~C5)를 동일 속도로 움직이기 위해서는, 대형의 펌프에 의해 대량의 작동유를 공급할 필요가 있어, 에너지 소비가 과대하게 된다. 또, 가압 실린더의 갯수가 많기 때문에, 가압 실린더의 단면적의 총합이 커지므로, 이하에 설명하는 바와 같이, 단조 하중의 제어 정밀도에 관하여 불리하게 된다.
도 7은, 가압 실린더의 갯수와 가압력과의 관계를 나타내는 설명도이며, (a)는 가압 실린더가 1개인 경우, (b)는 가압 실린더가 3개인 경우를 나타내고 있다. 도 7의 (a)에 나타낸 바와 같이, 가압 실린더(C)는, 실린더 내의 작동유를 압축하는 것에 의해 가압력을 발생시킨다. 여기서, κ을 작동유의 체적 탄성 계수, A를 가압 실린더(C)의 수압(受壓) 면적, L을 가압 실린더(C) 내의 작동유의 초기 높이로 하면, 작동유의 스프링 정수(定數)는, Ko=κ·A/L에 의해 나타내어진다. 따라서, 가압 실린더(C) 내에 작동유가 Δx만큼 유입하면, 발생하는 힘 F는, F=Ko×Δx=κ·A·Δx/L가 된다. 즉, 1개의 가압 실린더(C)에서 F라고 하는 힘을 발생시키려면, Δx의 작동유의 압축이 필요하게 된다.
여기서, 도 7의 (b)에 나타낸 바와 같이, 3개의 가압 실린더(C1~C3)를 동시에 사용하는 경우에는, 동일한 F의 힘을 발생시키기 위해서는, 각 가압 실린더(C1~C3)에서 Δx/3만큼 기름을 압축시킬 필요가 있다. 환언하면, 도 7의 (a)에 나타낸 바와 같이, 1개의 가압 실린더(C)에 의해 제어하는 경우와 비교하면, 작동유의 압축량이 1/3이 된다. 즉, 제어해야 할 양이 1/3로 작아지므로, 작동유의 유량을 제어하는 대형 펌프의 제어 분해능을 3배 높게 할 필요가 있다. 마찬가지로, 5개의 가압 실린더를 동시에 사용하는 경우에는, 펌프의 제어 분해능을 1개의 실린더를 사용하는 경우와 비교하여 5배 높게 해야만 한다. 이 때문에, 일반적으로, 가압 실린더를 복수개 사용하는 대형 단조 프레스 장치에서는, 최저 단조 하중은 최대 하중의 10% 정도가 한계였다.
특허 문헌 1에 기재된 대형 액압 단조 프레스 장치에서는, 슬라이드를 가압하는 실린더를 대용량 실린더(대구경(大口徑)의 실린더)와 소용량 실린더와의 조합으로 구성하고 있다. 그리고, 단조의 1주기를 시작으로부터 종료까지, 고속 하강→저출력 가압 하강(저단조 하중)→중출력 가압 하강(중단조 하중)→고출력 가압 하강(고단조 하중)→압발(壓拔)→상승의 6개의 공정으로 나누어, 사용하는 가압 실린더를 구분하여 사용하는 것을 특징으로 하고 있다.
고속 하강(무하중) 공정에서는, 소용량 실린더에만 작동유를 공급하여 슬라이드를 하강시키고 있다. 이러한 처리에 의해서, 모든 실린더에 작동유를 공급하는 것보다도 작은 유량으로 동일 속도를 낼 수 있어, 펌프나 프리필(prefill) 밸브 등을 소형화할 수 있다. 또, 저출력 가압 하강(저단조 하중) 공정에서는, 단조 하중이 낮고, 가압 속도가 빠르기 때문에, 소용량 실린더에만 작동유를 공급하고, 또한, 소용량 실린더만에 의해 가압하고 있다. 중출력 가압 하강(중단조 하중) 공정에서는, 소용량 실린더 및 대용량 실린더의 헤드측에 작동유를 공급한 후에, 대용량 실린더의 로드측의 작동유를 헤드측으로 되돌려 작동압 회로로서 사용하여, 중출력의 하중을 발생시키고 있다. 또, 이 작동압 회로에 의해 하강 속도를 빠르게 하고 있다.
또, 고출력 가압 하강(고단조 하중) 공정에서는, 소용량 실린더 및 대용량 실린더의 헤드측에 펌프로부터 작동유를 공급하고, 모든 실린더의 로드측은 오픈으로 하여 헤드측의 압력을 모두 단조로 사용하도록 하고 있다. 압발(壓拔) 공정에서는, 모든 실린더의 헤드측의 작동유를 탱크로 되돌리는 것에 의해, 헤드측 압력을 영으로 하고 있다. 상승 공정에서는, 소용량 실린더의 로드측에만 작동유를 공급하고, 소용량 실린더의 헤드측의 작동유를 탱크로 되돌리도록 하고 있다. 또, 대용량 실린더의 헤드측의 작동유는, 로드측에 유입되어 상승을 보조하고, 헤드측의 작동유는 프리필 탱크로 되돌리게 된다.
상술한, 고속 하강→저출력 가압 하강(저단조 하중)→중출력 가압 하강(중단조 하중)→고출력 가압 하강(고단조 하중)→압발→상승까지의 단조 중의 일련의 상태의 전환은, 특허 문헌 1의 도 4에 기재된 바와 같이, 프레스 슬라이드의 일련의 동작과 그 때의 솔레노이드 밸브의 여자(勵磁) 상태를 나타내는 성적표에 나타내어진 바와 같이, 솔레노이드 밸브의 여자 상태를 시간에 따라서 변경하는 것에 의해 행하고 있다.
또, 특허 문헌 2에 기재된 대형 액압 단조 프레스 장치는, 상술한 특허 문헌 1에 기재된 작업 공정을 단조 하중에 따라서 자동적으로 전환하도록 한 것에 지나지 않는다. 여기서, 특허 문헌 2에 기재된「작동유가 공급되고 있는 전환원(元) 가압 실린더」는, 특허 문헌 1에 기재된「소용량 실린더」에 상당하고,「가압 능력이 높아지는 조합인 전환처 가압 실린더」는, 특허 문헌 1에 기재된「소용량 실린더와 대용량 실린더를 조합시킨 것」에 상당한다.
특허 문헌 1 : 일본실용신안등록 제2575625호 공보 특허 문헌 2 : 일본특허 제5461206호 공보
상술한 특허 문헌 2에서, 사용하는 가압 실린더를「작동유가 공급되고 있는 전환원 가압 실린더」로부터「가압 능력이 높아지는 조합인 전환처 가압 실린더」로 전환할 때,「작동유가 공급되고 있는 전환원 가압 실린더」에 접속되어 있는 압발 밸브를「전환원 가압 실린더」내의 유압이 부압(負壓)이 되기 직전에 개방 상태로 하고 있다. 이것은, 단조 하중이 작을 때에 사용하고 있던 가압 실린더의 압력을, 다른 실린더의 조합으로 전환했을 때, 일단, 영으로 하는 것을 의미한다. 따라서, 특허 문헌 2의 도 3의 (A)에 나타내어지는 바와 같이, 가압력에 서징(surging)이 발생함과 아울러, 단조 속도가 영이 되는 불감대(不感帶)가 발생하게 된다.
또, 특허 문헌 2에는, 이 불감대를 조금이라도 경감하기 위해서, 전환원 가압 실린더와 전환처 가압 실린더를 연통 밸브에 의해 접속하고, 전환시에 연통 밸브를 개방으로 하여, 펌프로부터 압유(壓油)를 공급함과 동시에, 압력을 가지고 있는 전환원 가압 실린더로부터도 전환처 가압 실린더에 압유를 공급하는 것이 제안되어 있다. 그렇지만, 상술한 불감대는, 특허 문헌 2의 도 3의 (B)에 나타내어지는 바와 같이, 완전하게는 해소할 수 없다.
본 발명은, 상술한 문제점을 감안하여 창안된 것이며, 단조 하중의 서징이나 단조 속도가 영이 되는 불감대의 발생을 억제하고, 또한, 종래 보다도 저하중으로부터 고하중까지의 광범위에 걸쳐 고정밀도로 단조할 수 있는, 액압 단조 프레스 장치 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 의하면, 복수의 가압 실린더를 구비한 액압(液壓) 단조(鍛造) 프레스 장치에 있어서, 상기 복수의 가압 실린더는, 단조시에 항상 작동유(作動油)를 공급 가능하게 구성된 주(主)가압 실린더와, 단조 하중에 따라 작동유의 공급 및 정지를 전환 가능하게 구성된 적어도 1개 이상의 부(副)가압 실린더를 구비하며, 상기 부가압 실린더는, 헤드측 유압실이 상기 주가압 실린더의 헤드측 유압실과 전환 밸브를 매개로 하여 접속되어 있고, 단조 하중이 소정의 설정 하중을 초과할 때까지는 상기 주가압 실린더만을 사용하고, 단조 하중이 상기 설정 하중을 초과한 후, 단조 하중이 증가함에 따라서 상기 부가압 실린더의 사용 갯수를 순차적으로 증가하도록 한 것을 특징으로 하는 액압 단조 프레스 장치가 제공된다.
또, 본 발명에 의하면, 복수의 가압 실린더를 구비한 액압 단조 프레스 장치의 제어 방법에 있어서, 상기 복수의 가압 실린더는, 단조시에 항상 작동유를 공급 가능하게 구성된 주가압 실린더와, 단조 하중에 따라 작동유의 공급 및 정지를 전환 가능하게 구성된 적어도 1개 이상의 부가압 실린더를 구비하며, 상기 주가압 실린더에 작동유를 공급하고, 사용중의 주가압 실린더의 단조 하중이 소정의 설정 하중을 초과하기 전에 상기 부가압 실린더 중 적어도 1개에도 작동유를 공급하고, 사용중의 가압 실린더의 단조 하중이 소정의 설정 하중을 초과하기 전에 또 다른 부가압 실린더 중 적어도 1개에도 작동유를 공급해 간다고 하는 시퀀스에 의해, 사용하는 상기 가압 실린더의 갯수를 자동적으로 증가시킴과 아울러, 상기 부가압 실린더의 증가시에, 상기 가압 실린더의 사용 갯수에 비례하는 상기 가압 실린더의 단면적의 총합에 따라, 가압 속도 제어계의 제어 게인(gain)을 변경하도록 한 것을 특징으로 하는 액압 단조 프레스 장치의 제어 방법이 제공된다.
본 발명에 관한 액압 단조 프레스 장치 및 그 제어 방법에 의하면, 단조 하중이 소정의 설정 하중을 초과할 때까지는 상기 주가압 실린더만을 사용하고, 단조 하중이 상기 설정 하중을 초과한 후, 단조 하중이 증가함에 따라서 상기 부가압 실린더의 사용 갯수를 순차적으로 증가하도록 한 것에 의해, 가압 실린더의 사용 갯수의 변경을, 예를 들면, 특허 문헌 2에 기재된 바와 같이, 가압 실린더의 가압력을 영으로 하지 않고, 연속적으로 행할 수 있다. 즉, 종래 기술과 같이, 가압 실린더의 전환에 의해서 사용 갯수를 증가시키는 것이 아니라, 가압 실린더의 사용 갯수를 순차적으로 부가해 가는 것에 의해, 단조 하중의 서징이나 단조 속도가 영이 되는 불감대의 발생을 억제할 수 있다.
또, 주가압 실린더만에 의해서도 단조할 수 있기 때문에, 극저하중(최대 하중의 1% 정도)의 단조에도 적응할 수 있음과 아울러, 부가압 실린더의 증가 갯수에 의해서 소망의 최대 하중까지 적응할 수 있어, 종래 보다도 극저하중(최대 하중의 1% 정도)으로부터 최대 하중까지의 광범위에 걸쳐서 고정밀도로 단조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 기본적인 실시 형태에 관한 액압 단조 프레스 장치를 나타내는 전체 구성도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 액압 단조 프레스 장치의 실린더 압력과 단조 하중과의 관계를 나타내는 설명도이다.
도 3은 도 1에 나타낸 액압 단조 프레스 장치의 가압 속도 제어계의 특성을 나타내는 블록선도이다.
도 4는 도 1에 나타낸 액압 단조 프레스 장치의 다른 하나의 실시예를 나타내는 설명도이며, (a)는 제1 대기 공정, (b)는 제1 프레스 공정, (c)는 제2 대기 공정, (d)는 제2 프레스 공정을 나타내고 있다.
도 5는 도 1에 나타낸 액압 단조 프레스 장치의 슬라이드 평형도 제어에 관한 설명도이다.
도 6은 종래의 대형 액압 단조 프레스 장치의 일례를 나타내는 전체 구성도이다.
도 7은 가압 실린더의 갯수와 가압력과의 관계를 나타내는 설명도이며, (a)는 가압 실린더가 단수인 경우, (b)는 가압 실린더가 3개인 경우를 나타내고 있다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대해 도 1~도 5를 이용하여 설명한다. 여기서, 도 1은, 본 발명의 기본적인 실시 형태에 관한 액압(液壓) 단조(鍛造) 프레스를 나타내는 전체 구성도이다. 도 2는, 도 1에 나타낸 액압 단조 프레스 장치의 실린더 압력과 단조 하중과의 관계를 나타내는 설명도이다.
본 발명의 기본적인 실시 형태에 관한 액압 단조 프레스 장치(1)는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 복수의 가압 실린더(이하, '가압 실린더군(群)(2)'이라고 칭함)를 구비하며, 가압 실린더군(2)은, 단조시에 항상 작동유를 공급 가능하게 구성된 주(主)가압 실린더(21)와, 단조 하중에 따라 작동유의 공급 및 정지를 전환 가능하게 구성된 복수의 부(副)가압 실린더(22~25)를 구비하며, 단조 하중이 소정의 설정 하중을 초과할 때까지는 주가압 실린더(21)만을 사용하고, 단조 하중이 설정 하중을 초과한 후, 단조 하중이 증가함에 따라서 자동적으로 부가압 실린더(22~25)의 사용 갯수를 순차적으로 증가하도록 한 것을 특징으로 한다.
액압 단조 프레스 장치(1)는, 상부 금형(31)을 가지는 슬라이드(3)와, 하부 금형(41)을 가지는 베드(bed)(4)와, 가압 실린더군(2)에 작동유를 공급하는 복수의 펌프(5)와, 부가압 실린더(22~25)에 보조적으로 작동유를 공급하는 프리필(prefill) 탱크(Tp)와, 작동유를 저류(貯留)하는 오일 탱크(To)를 구비하고 있다. 프리필 탱크(Tp)에는, 영압(零壓)에 가까운 작동유가 채워져 있고, 단조에 사용하지 않은 부가압 실린더(22~25)에 슬라이드(3)의 상하 이동에 따라서, 작동유를 공급하거나, 부가압 실린더(22~25)로부터 배출되는 작동유를 받아 들이거나 하는 것이다.
또, 액압 단조 프레스 장치(1)는, 보조 어큐물레이터(6)를 구비하고 있어도 괜찮다. 보조 어큐물레이터(6)는, 주가압 실린더(21)에 부가압 실린더(22~25)를 부가하여 갈 때, 단조 속도가 빠른 경우에 펌프(5)로부터의 작동유의 공급을 도와, 가압된 작동유를 부가압 실린더(22~25)에 공급하여 압력의 확립을 빠르게 하는 역할을 하는 것이며, 단조 조건에 따라서는 사용하지 않는 경우도 있다. 또, 슬라이드(3)에는, 슬라이드(3)를 지지하는 복수의 서포트 실린더(7)가 구비되어 있다. 또, 가압 실린더(2)를 지지하는 크라운(crown)이나 프레임 등의 구조물에 대해서는 도시를 생략하고 있다.
펌프(5)는, 예를 들면, 4대의 대형 유압 펌프(제1 펌프(51), 제2 펌프(52), 제3 펌프(53), 제4 펌프(54))에 의해 구성되어 있고, 각 펌프(5)는, 오일 탱크(To)에 접속되어 있다. 제1 펌프(51)는, 작동시에 오일 탱크(To)로부터 제1 공급 라인(L1)을 경유하여 작동유를 가압 실린더군(2)에 공급할 수 있도록 구성되어 있다. 마찬가지로, 제2 펌프(52)는 제2 공급 라인(L2)을 경유하여 작동유를 가압 실린더군(2)에 공급할 수 있도록 구성되며, 제3 펌프(53)는 제3 공급 라인(L3)을 경유하여 작동유를 가압 실린더군(2)에 공급할 수 있도록 구성되고, 제4 펌프(54)는 제4 공급 라인(L4)을 경유하여, 작동유를 가압 실린더군(2)에 공급할 수 있도록 구성되어 있다.
또, 제1 공급 라인(L1)~ 제4 공급 라인(L4)에는, 각각 전자(電磁) 전환 밸브(5a)가 접속되어 있고, 이들 전자 전환 밸브(5a)의 개폐를 제어하는 것에 의해, 사용하는 펌프(5)의 대수를 제어할 수 있다. 따라서, 가압 실린더군(2)(주가압 실린더(21), 부가압 실린더(22~25))은, 작동유를 공급하는 복수의 펌프(5)(제1 펌프(51)~ 제4 펌프(54))에 접속되어 있고, 가압 실린더군(2)의 사용 갯수 및 필요 가압 속도에 따라, 펌프(5)의 사용 대수를 단조중에 변경할 수 있도록 구성되어 있다. 또, 펌프(5)는, 4대로 한정되는 것이 아니라, 2대 이상의 복수대를 설치할 수 있는 것은 말할 필요도 없다.
또, 제1 공급 라인(L1)~ 제4 공급 라인(L4)은, 도중에 합류하여 공통 공급 라인(L5)을 형성하고 있다. 공통 공급 라인(L5)으로부터 가압 실린더군(2)(주가압 실린더(21), 부가압 실린더(22~25))의 각각에 작동유를 공급하는 분기 공급 라인(L6~L10)이 접속된다.
또, 부가압 실린더(22~25)에 접속된 분기 공급 라인(L7~L10)에는, 각각 전자 전환 밸브(2a) 및 압력계(2b)가 배치되어 있다. 또, 이들 분기 공급 라인(L7~L10)에는, 펌프(5)로부터의 작동유의 공급과 동시에 부가압 실린더(22~25)에 작동유를 보조적으로 공급 가능한 보조 공급 라인(L11~L14)이 접속되어 있다. 보조 공급 라인(L11~L14)에는, 각각 체크 밸브(6a) 및 전자 전환 밸브(6b)를 매개로 하여 보조 어큐물레이터(6)가 접속되어 있다. 즉, 부가압 실린더(22~25)는, 헤드측 유압실(22h~25h)이 보조 어큐물레이터(6)에 접속되어 있고, 부가압 실린더(22~25)의 가압시에 보조 어큐물레이터(6)로부터 헤드측 유압실(22h~25h)에 작동유를 공급 가능하게 구성되어 있다.
도시한 유압 회로에 의하면, 주가압 실린더(21)와 부가압 실린더(22~25)는, 각각 분기 공급 라인(L6), 공통 공급 라인(L5) 및 분기 공급 라인(L7~L10)을 매개로 하여 작동유를 유통 가능하게 접속되어 있다. 즉, 부가압 실린더(22~25)는, 헤드측 유압실(22h~25h)이 주가압 실린더(21)의 헤드측 유압실(21h)과 전자 전환 밸브(2a)를 매개로 하여 접속되어 있게 된다.
가압 실린더군(2)은, 도시한 바와 같이, 1개의 주가압 실린더(21)와, 4개의 부가압 실린더(22~25)를 가지고 있다. 부가압 실린더의 갯수는, 4개로 한정되는 것이 아니라, 적어도 1개 이상이면 좋고, 2개라도 좋고, 3개라도 좋고, 5개 이상이라도 좋다. 또, 주가압 실린더(21) 및 부가압 실린더(22~25)의 배치는 임의로 설정할 수 있고, 슬라이드(3)에 대해서 균등하게 가압력을 작용시킬 수 있으면, 어떠한 배치라도 상관없다.
또, 본 실시 형태에서, 가압 실린더군(2) 중 1개의 가압 실린더(즉, 주가압 실린더(21))만에 의해 가압 가능한 단조 하중을「저하중」, 가압 실린더군(2) 중 3개의 가압 실린더(즉, 주가압 실린더(21) 및 부가압 실린더(22, 23))에 의해 가압 가능한 단조 하중을「중하중」, 가압 실린더군(2) 중 5개의 가압 실린더(즉, 주가압 실린더(21) 및 부가압 실린더(22~25))에 의해 가압 가능한 단조 하중을「대하중」이라고 하기로 한다. 예를 들면, 가압 실린더군(2)(주가압 실린더(21) 및 부가압 실린더(22~25))의 최대 가압 능력이 각각 1만톤인 경우에는, 1만톤까지의 단조 하중을「저하중」, 1만톤~3만톤까지의 단조 하중을「중하중」, 3만톤~5만톤까지의 단조 하중을「고하중」이라고 한다.
또, 본 실시 형태에서, 특히, 최대 하중(예를 들면, 5만톤)의 1% 정도의 단조 하중을「극저하중」이라고 하고, 본 실시 형태에서는, 이 극저하중으로부터 최대 하중까지의 넓은 범위에 걸쳐 단조 하중을 고정밀도로 제어할 수 있다. 이하, 도 1에 나타낸 액압 단조 프레스 장치(1)의 작용에 대해서, 도 1~도 2를 참조하면서 설명한다.
먼저, 단조 하중이 저하중→중하중→고하중으로 변화하는 경우에서의, 단조 하중이 저하중의 경우에 대해 설명한다. 단조 하중이 저하중의 경우, 주가압 실린더(21)만을 사용하기 때문에, 분기 공급 라인(L7~L10)에 배치된 전자 전환 밸브(2a)는 모두 폐쇄 상태로 설정되어 있다. 또, 이 때, 제1 공급 라인(L1), 제2 공급 라인(L2), 제3 공급 라인(L3) 및 제4 공급 라인(L4)에 배치된 전자 전환 밸브(5a)는 개방 상태로 설정되어 있다. 또, 보조 공급 라인(L11~L14)에 배치된 전자 전환 밸브(6b)는 폐쇄 상태로 설정되어 있다.
따라서, 제1 펌프(51)~ 제4 펌프(54)로부터 공급되는 작동유는, 제1 공급 라인(L1) 및 제2 공급 라인(L2)으로부터 공통 공급 라인(L5) 및 분기 공급 라인(L6)을 경유하여 주가압 실린더(21)에 공급되어, 도 2에 나타낸 시간 t1에서 실린더 압력이 오르기 시작한다. 이와 같이, 주가압 실린더(21)만을 사용하여, 모든 펌프(5)로부터의 작동유를 주가압 실린더(21)에 공급하므로, 슬라이드(3)를 고속으로 하강시키면서 저하중 단조를 실시할 수 있다.
또, 주가압 실린더(21)의 압력은, 분기 공급 라인(L6)에 배치된 압력계(2b)에 의해 계측되고, 그 신호는 시시각각으로 제어 장치(도시하지 않음)에 송신되며, 그 계측치에 실린더 단면적을 곱하는 것에 의해 가압력이 산출된다.
다음으로, 단조 하중이 저하중으로부터 중하중으로 이행하는 경우에 대해 설명한다. 주가압 실린더(21)에는, 소정의 설정 하중 W1(도 2 참조)가 설정되어 있고, 주가압 실린더(21)의 가압력이 설정 하중 W1를 초과하기 직전(도 2의 시간 t2)에, 부가압 실린더(22, 23)에 작동유를 공급하여, 2개의 부가압 실린더(22, 23)의 압력을 상승시킨다. 구체적으로는, 분기 공급 라인(L7, L8)에 배치된 전자 전환 밸브(2a)를 폐쇄 상태로부터 개방 상태로 변경하는 것에 의해, 공통 공급 라인(L5)으로부터 부가압 실린더(22, 23)에 작동유가 공급된다.
또, 공통 공급 라인(L5)에는, 주가압 실린더(21)도 접속되어 있기 때문에, 주가압 실린더(21)와 부가압 실린더(22, 23)와의 압력은, 파스칼의 원리에 의해 동일하게 되려고 한다. 따라서, 주가압 실린더(21)의 압력은 강하(降下)하고, 부가압 실린더(22, 23)의 압력은 상승하게 된다. 이와 같이, 본 실시 형태에서는, 부가압 실린더(22, 23)을 추가하는 것만으로, 그 압력이 자동적으로 조정되기 때문에, 도 2에 나타낸 바와 같이, 특허 문헌 2에 기재된 실린더 추가시에 생기는 단조 하중의 서징(surging)이나 단조 속도가 영이 되는 불감대가 발생하지 않는다.
또, 단조 속도가 빠른 경우에는, 부가압 실린더(22, 23)의 압력을 신속하게 목표치에 가까이 하기 위해서, 보조 공급 라인(L11, L12)에 배치된 전자 전환 밸브(6b)를 폐쇄 상태로부터 개방 상태로 변경하고, 보조 어큐물레이터(6)로부터 부가압 실린더(22, 23)에 작동유를 공급하여 압력의 조기 확립을 돕는다.
또, 여기에서는, 부가압 실린더(22, 23)를 추가하는 경우에 대해 설명했지만, 이 조합에 한정되는 것이 아니라, 부가압 실린더(22~25) 중에서 임의의 2개의 가압 실린더를 선택하여 추가할 수 있고, 1개의 가압 실린더만을 추가해도 되는 것은 말할 필요도 없다.
또, 단조 하중의 증가에 따라서, 단조 속도는 느려지므로, 펌프(5)의 사용 대수를 순차적으로 줄여 갈 수도 있다. 제3 공급 라인(L3)에 배치된 전자 전환 밸브(5a)를 개방 상태로부터 폐쇄 상태로 변경하는 것에 의해, 제3 펌프(53)로부터 제3 공급 라인(L3)을 매개로 하여 공통 공급 라인(L5)에 공급되는 작동유를 정지시킬 수 있다.
또, 주가압 실린더(21) 및 부가압 실린더(22, 23)의 개개의 압력은, 분기 공급 라인(L6~L8)에 배치된 압력계(2b)에 의해 계측되고, 그 신호는 시시각각으로 실린더 선택 제어 장치(8)에 송신되며, 그 계측치에 실린더 단면적을 곱하는 것에 의해 개개의 가압력이 산출되고, 그 합을 계산하는 것에 의해 사용중의 가압 실린더군(2)에 의한 가압력을 산출할 수 있다.
다음으로, 단조 하중이 중하중으로부터 고하중으로 이행하는 경우에 대해 설명한다. 가압 실린더군(2)의 사용 갯수가 3개(주가압 실린더(21) 및 부가압 실린더(22, 23))의 경우에는, 소정의 설정 하중 W2(도 2 참조)가 설정되어 있고, 이들 가압 실린더군(2)의 가압력(주가압 실린더(21) 및 부가압 실린더(22, 23)의 가압력의 합계)이 설정 하중 W2를 초과하기 직전(도 2의 시간 t3)에, 부가압 실린더(24, 25)에 작동유를 공급하여, 2개의 부가압 실린더(24, 25)의 압력을 더 상승시킨다. 구체적으로는, 분기 공급 라인(L9, L10)에 배치된 전자 전환 밸브(2a)를 폐쇄 상태로부터 개방 상태로 변경하는 것에 의해, 공통 공급 라인(L5)으로부터 부가압 실린더(24, 25)에 작동유가 공급된다.
이 때, 상술한 바와 같이, 파스칼의 원리에 의해, 사용중의 주가압 실린더(21) 및 부가압 실린더(22, 23)와 추가된 부가압 실린더(24, 25)는, 동일한 압력이 되려고 하기 때문에, 주가압 실린더(21) 및 부가압 실린더(22, 23)의 압력은 강하하고, 부가압 실린더(24, 25)의 압력은 상승하게 된다. 따라서, 도 2에 나타낸 바와 같이, 특허 문헌 2에 기재된 실린더 추가시에 생기는 단조 하중의 서징이나 단조 속도가 영이 되는 불감대가 발생하지 않는다.
또, 단조 속도가 빠른 경우에는, 부가압 실린더(24, 25)의 압력을 신속하게 목표치에 가까이 하기 위해서, 보조 공급 라인(L13, L14)에 배치된 전자 전환 밸브(6b)를 폐쇄 상태로부터 개방 상태로 변경하고, 보조 어큐물레이터(6)로부터 부가압 실린더(24, 25)에 작동유를 공급하여 압력의 조기 확립을 돕는다.
또, 여기에서는, 마지막에 부가압 실린더(24, 25)를 추가하는 경우에 대해 설명했지만, 이 조합에 한정되는 것이 아니라, 앞서 추가된 부가압 실린더에 의해서 적절히 변경되는 것이다. 또, 상술한 바와 같이, 단조 하중의 증가에 따라서, 단조 속도는 느려지므로, 펌프(5)의 사용 대수를 순차적으로 줄여 갈 수 있는 것은 말할 필요도 없다.
또, 주가압 실린더(21) 및 부가압 실린더(22~25)의 개개의 압력은, 분기 공급 라인(L6~L10)에 배치된 압력계(2b)에 의해 계측되고, 그 신호는 시시각각으로 실린더 선택 제어 장치(8)에 송신되며, 그 계측치에 실린더 단면적을 곱하는 것에 의해 개개의 가압력이 산출되고, 그 합을 계산하는 것에 의해 사용중의 가압 실린더군(2)에 의한 가압력을 산출할 수 있다.
따라서, 사용중의 가압 실린더군(2)의 실린더 압력을 계측하고, 실린더 선택 제어 장치(8)에 의해 가압 실린더군(2)에 접속된 전자 전환 밸브(2a)의 개폐를 제어하는 것에 의해, 예를 들면, 도 2에 나타낸 바와 같이, 단조 하중을 최대 하중까지 서서히 증대시켜, 일정 시간, 그 최대 하중을 유지하도록, 가압 실린더군(2)으로의 작동유의 공급을 제어할 수 있다.
상술한 실시 형태에서는, 부가압 실린더(22~25)를 2개씩 증가시키는 경우에 대해 설명했지만, 부가압 실린더(22~25)를 1개씩 증가하도록 해도 괜찮고, 그 외의 임의의 조합에 의해서 부가압 실린더(22~25)를 증가시키도록 해도 괜찮다. 예를 들면, 가압 실린더의 사용 갯수를, 1개→3개→4개→5개로 증가시켜도 괜찮고, 1개→2개→4개→5개로 증가시켜도 괜찮으며, 1개→3개→4개→5개로 증가시켜도 괜찮다. 즉, 부가압 실린더(22~25)는, 1개씩 또는 복수개씩 증가 가능하게 구성되어 있다.
또, 상술한 실시 형태에서는, 가압 실린더의 사용 갯수가 1개 및 3개에 따른 설정 하중 W1, F2가 설정되어 있고, 이 설정 하중 W1, F2를 초과하기 전(시간 t2, t3)에 부가압 실린더(22~24)의 사용 갯수를 증가하는 경우에 대해 설명했지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 가압 실린더군(2)의 사용 갯수를 1개씩 증가해 가는 경우에는, 사용 갯수가 1개(주가압 실린더(21)만)의 설정 하중, 사용 갯수가 2개(주가압 실린더(21) 및 부가압 실린더(22)의 설정 하중, 사용 갯수가 3개(주가압 실린더(21) 및 부가압 실린더(22, 23))의 설정 하중, 사용 갯수가 4개(주가압 실린더(21) 및 부가압 실린더(22~24))의 설정 하중을 설정한다.
또, 상술한 실시 형태에서, 가압 실린더군(2)에 작동유를 공급하는 펌프(5)의 사용 대수는, 가압 실린더군(2)의 사용 갯수 및 필요 가압 속도에 따라 임의로 변경할 수 있다.
여기서, 도 2에 대해 상술하여 둔다. 도 2는, 도 1에 나타낸 액압 단조 프레스 장치(1)를 이용한 단조중에, 가압 실린더군(2)의 사용 갯수를 1개→3개→5개로 자동적으로 증가시킨 경우에서의, 실린더 압력 및 단조 하중의 변화의 측정 차트를 나타내고 있다. 가로축은 시간 T(sec)를 나타내고, 왼쪽 세로축은 실린더 압력 P(MPa), 오른쪽 세로축은 단조 하중 Fp(MN)를 나타내고 있다. 또, 실선은 단조 하중, 점선은 1개의 가압 실린더에 의한 실린더 압력, 일점 쇄선은 3개의 가압 실린더에 의한 실린더 압력, 2점 쇄선은 5개의 가압 실린더에 의한 실린더 압력을 나타내고 있다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 저하중으로부터 중하중으로의 전환시에, 주가압 실린더(21)의 압력이 설정 하중 W1 상당(相當)에 도달하기 직전에 하강하고, 부가압 실린더(22, 23)의 압력이 상승하기 시작한다. 이것은, 부가압 실린더(22, 23)에 펌프(5) 및 주가압 실린더(21)로부터 동시에 작동유가 유입되기 때문이다. 그리고, 주가압 실린더(21)와 부가압 실린더(22, 23)의 압력이 동일하게 되면, 주가압 실린더(21)로부터 부가압 실린더(22, 23)로의 작동유의 유입은 멈춰지고, 3개의 가압 실린더군(2)(주가압 실린더(21) 및 부가압 실린더(22, 23))의 작동유의 양은 펌프(5)로부터 토출하는 작동유의 양에 의해 제어되게 된다.
마찬가지로, 중하중으로부터 고하중으로의 전환시에, 3개의 가압 실린더군(2)의 합계 압력이 설정 하중 W2 상당에 도달하기 직전에 하강하고, 부가압 실린더(24, 25)의 압력이 상승하기 시작한다. 이것은, 부가압 실린더(24, 25)에 펌프(5) 및 사용중의 3개의 가압 실린더군(2)으로부터 작동유가 동시에 유입되기 때문이다. 그리고, 주가압 실린더(21)와 부가압 실린더(22~25)의 압력이 동일해지면, 사용중의 가압 실린더군(2)으로부터 부가압 실린더(24, 25)로의 작동유의 유입은 멈춰지고, 5개의 가압 실린더군(2)(주가압 실린더(21) 및 부가압 실린더(22~25))의 작동유의 양은 펌프(5)로부터 토출하는 작동유의 양에 의해 제어되게 된다.
이와 같이, 본 실시 형태에 의하면, 가압 실린더군(2)의 사용 갯수의 증가 또는 부가는, 연속적이고 순조롭게 행하여지기 때문에, 가압 실린더의「부가」가 아니라「전환」을 행하는 특허 문헌 2에 기재되어 있는 가압 속도의 불감대나 단조 하중의 저하 등은 발생하지 않아, 도 2에 나타낸 바와 같이, 단조 하중의 상승도 연속적이고 순조롭게 된다. 또, 최대 하중에 이른 후, 일시적으로 단조 하중이 저하하고 재차 증가하고 있는 것은, 이와 같이 단조 하중을 의도적으로 제어한 것이다.
상술한 본 실시 형태에 관한 액압 단조 프레스 장치(1)는, 예를 들면 5만톤이라고 하는 큰 단조 하중을 생성할 수 있는 대형의 액압 단조 프레스 장치임에도 불구하고, 단조 하중이 저하중의 경우라도 정밀도 좋게 단조할 수 있다. 종래의 대형 단조 액압 프레스에서는, 도 6에 나타낸 바와 같이, 가압 실린더(C1~C5)를 처음부터 사용하기 때문에, 저하중의 영역에서는 제어해야 할 작동유의 양이 소량이 되어, 실질적으로 제어할 수 없다.
그것에 대해서, 본 실시 형태에 관한 액압 단조 프레스 장치(1)는, 저하중의 영역에서는 1개의 가압 실린더(주가압 실린더(21))만을 사용하고 있기 때문에, 제어해야 할 작동유의 양을 일정량 확보할 수 있어, 충분히 제어하는 것이 가능해진다. 그 결과, 최대 하중(예를 들면 5만톤)의 1% 정도의 단조 하중인 극저하중의 영역이라도 제어 가능해진다.
다음으로, 펌프(5)의 제어 정밀도 측면에서 단조 하중의 제어에 대해 설명한다. 일반적으로, 대형의 액압 단조 프레스 장치에 사용되는 대형 펌프는, 통상 2% 정도의 히스테리시스(hysteresis)를 가지고 있다. 환언하면, 2%라고 하는 극소량을 제어하는 것은 기본적으로 불가능한 것을 의미하고 있다. 예를 들면, 450kgf/cm2의 최대 사용 압력에서 5만톤이라고 하는 최대 단조 하중을 출력하는 액압 단조 프레스 장치의 경우, 2%를 하중으로 변환하면 1000톤에 상당한다. 즉, 종래의 액압 단조 프레스 장치에서 정밀도를 얻을 수 있는 것은 높은 수천톤의 오더가 된다.
그것에 대해서, 본 실시 형태에 관한 액압 단조 프레스 장치(1)에서는, 처음은 1개의 가압 실린더밖에 사용하지 않기 때문에, 저하중의 영역에서는 최대 하중이 1/5인 1만톤이 된다. 이 2%는 200톤의 하중에 상당하고, 수백톤의 오더의 단조 하중의 제어가 가능해진다. 즉, 5만톤의 최대 하중을 가지는 대형의 액압 단조 프레스 장치(1)에서, 수백톤의 단조가 가능해지기 때문에, 저하중의 영역 뿐만 아니라, 극저하중(500톤 정도)의 영역에서도 고정밀의 단조를 행할 수 있다. 따라서, 본 실시 형태에 관한 액압 단조 프레스 장치(1)에 의하면, 극저하중으로부터 고하중의 광범위에서 고정밀도로 단조할 수 있다.
또, 펌프(5)는, 설정 압력을 변경할 수 있게 구성되어 있어도 괜찮다. 예를 들면, 최초로 35MPa로 사용하고 있던 펌프(5)를 단조가 진행함에 따라 고하중이 필요하게 되었을 때에, 35MPa로부터 44MPa로 변경하면, 단조 하중을 1.26배로 상승시키는 것이 가능해진다. 즉, 4대의 펌프(5)를 35MPa로 사용하여 78.5MN(8000톤중)의 단조 하중을 행하고 있을 때에, 4대의 펌프(5)의 설정 압력을 최대 토출압(예를 들면, 44MPa)으로 끌어올리는 것에 의해, 단조 하중을 98.3MN(1만톤중(重))까지 상승시킬 수 있다.
따라서, 펌프(5)의 토출압을 최대치 미만의 설정 압력으로 사용하여 단조를 개시하고, 단조가 진행하여 모든 가압 실린더를 사용한 후, 단조 하중을 더 올리기 위해서, 펌프(5)의 설정 압력을 최대치로 변경할 수도 있다. 또, 가압 실린더군(2)의 사용 갯수가 증가할 때마다 펌프(5)의 설정 압력을 변경하도록 해도 괜찮다. 예를 들면, 1개의 가압 실린더만을 사용할 때에 낮은 설정 압력으로 펌프(5)를 사용하고, 설정 하중 W1에 도달하기 전에 펌프(5)의 설정 압력을 높은 설정 압력(최대치)으로 변경하며, 사용하는 가압 실린더가 3개로 변경된 후, 펌프(5)의 설정 압력을 낮은 설정 압력으로 되돌리고, 설정 하중 W2에 도달하기 전에 펌프(5)의 설정 압력을 높은 설정 압력(최대치)으로 변경하며, 사용하는 가압 실린더가 5개로 변경된 후, 펌프(5)의 설정 압력을 낮은 설정 압력으로 되돌리도록 해도 괜찮다.
이와 같이, 설정 압력을 변경 가능하게 구성된 펌프(5)를 사용하는 것에 의해, 펌프(5)의 설정 압력을 변경하는 것에 의해 가압 실린더군(2)의 가압력을 변경할 수 있다. 상술한 설명에서는, 펌프(5)의 설정 압력을 2단계로 변경하는 경우에 대해 설명했지만, 설정 압력을 3단계 또는 그것 이상의 단계로 변경하는 것이 가능한 펌프(5)를 사용하도록 해도 괜찮다.
그런데, 대형의 액압 단조 프레스 장치에 의해 열간 단조를 실시하는 경우, 재료나 금형의 온도 관리가 중요하게 되고, 단조 시간에 직접적으로 영향을 주는 슬라이드(3)의 가압 속도를 정밀하게 제어하는 것이 중요하게 된다. 여기서, 도 3은, 도 1에 나타낸 액압 단조 프레스 장치의 가압 속도 제어계의 특성을 나타내는 블록선도이다. 또, 도 3에서, Vref는 슬라이드 속도의 설정치, Vs는 슬라이드 속도, e는 편차, Kp는 비례 제어 게인(gain), KI는 적분 제어 게인, s는 라플라스(laplace) 연산자, ｖp는 비례 제어에 의한 수정량(修正量), ｖi는 적분 제어에 의한 수정량, KQ는 펌프 유량 게인, kq는 편차 e를 수정하는 펌프의 유량, A는 가압 실린더의 단면적, Ko는 작동유의 스프링 정수(가압 실린더군(2) 내의 작동유와 배관(분기 공급 라인(L6~L10)) 내의 작동유의 용적을 고려한 유압계의 스프링 정수), m은 슬라이드(3)의 질량, b는 슬라이드 기계계의 마찰, Xs는 슬라이드 변위이다.
슬라이드 속도의 설정치 Vref는, 시시각각으로 단조 조건에 따라서 변경된다. 이 슬라이드 속도의 설정치 Vref는 실제의 슬라이드 속도 Vs와 비교되고, 그 편차 e에 비례 제어 게인 Kp가 곱하여져, 가압 속도 제어계의 비례 제어에 의한 수정량 ｖp가 된다. 한편, 슬라이드 속도의 편차 e는 적분되어, 그것에 적분 제어 게인 KI가 곱하여져, 가압 속도 제어계의 적분 제어에 의한 수정량 ｖi가 된다. 비례 제어에 의한 수정량 ｖp와 적분 제어에 의한 수정량 ｖi의 합이 펌프 유량 게인 KQ에 작용하여, 편차 e를 수정하는 펌프의 유량 kq가 결정된다.
이 유량 kq가 사용중의 가압 실린더군(2)에 작용하여, 유압 스프링이 휘어져 가압력이 발생하며, 그 결과, 슬라이드(3)가 가속되어 하강한다. 사용중의 가압 실린더군(2)이 발생시키는 가압력은 슬라이드(3)를 움직이게 함과 아울러, 재료를 단조하는 힘이 된다. 또, 도 3에 나타낸 블록선도는, 가압 속도 제어계의 특성을 조사하는 것을 주목적으로 하고 있기 때문에 재료의 특성은 고려하고 있지 않다.
도 3의 블록선도에 의해, 슬라이드 속도 Vs를 구하면 수식 1을 얻을 수 있다.
[수식 1]
Figure pct00001
여기서, 적분 제어 게인 KI=0으로 하면, 수식 2를 얻을 수 있다.
[수식 2]
Figure pct00002
슬라이드 속도의 설정치 Vref에 스텝 입력을 인가했을 때, 최종적으로 슬라이드 속도 Vs가 도달하는 값은, 제어 이론에서 일반적으로 알려져 있는 최종치의 정리를 사용하여, 시간 t→∞, 즉, s→0으로 하는 것에 의해, 수식 3을 얻을 수 있고, 슬라이드 속도 Vs는 설정치 Vref에 일치하지 않는다.
[수식 3]
Figure pct00003
여기서, KQ·Ko·Kp＜A·Ko＋KQ·Ko·Kp, 즉, 우변 제1항＜1이기 때문에, 슬라이드 속도 Vs는 설정치 Vref보다 작은 값으로밖에 도달하지 않는다. 즉, 본 제어계에서는, 비례 제어에서는 가압 속도를 제어할 수 없는 것을 알 수 있다. 여기서, 비례 제어 게인 Kp=0으로 하면, 수식 1로부터 수식 4를 얻을 수 있다. 수식 4에서는, 분모에 s의 3차, 2차, 1차, 0차의 항이 구비되어 있기 때문에 안정된다.
[수식 4]
Figure pct00004
또, 슬라이드 속도의 설정치 Vref의 스텝 입력에 대해서, 앞과 동일하게 최종치의 정리를 사용하여, 시간 t→∞, 즉, s→0으로 하는 것에 의해, 수식 5를 얻을 수 있다. 수식 5에서, 분모와 분자는 동일한 식이 되고, 약분하여 1이 되기 때문에, 슬라이드 속도 Vs는 설정치 Vref에 일치하는 것을 알 수 있다.
[수식 5]
Figure pct00005
또, 수식 1에서, 비례 제어 게인 Kp=0으로 하면, 상술한 바와 같이, 수식 4를 얻을 수 있다. 여기서, 수식 4의 분모가 안정 판별식이 되고, 제어 이론에서 일반적으로 알려져 있는 Routh의 안정 판별 조건보다, A·m＞0, A·b＞0, A·Ko＞0, KQ·Ko·KI＞0, 또한, A·b·A·Ko＞A·m·KQ·Ko·KI의 조건이 제어계의 안정을 위해서는 필요하다. 여기서, A·m＞0, A·b＞0, A·Ko＞0, KQ·Ko·KI＞0의 조건식은 자연히 만족되고 있기 때문에, A·b·A·Ko＞A·m·KQ·Ko·KI의 조건식으로부터, KI＜A·b/(m·KQ)의 조건식 α를 얻을 수 있다.
이 조건식 α가, 적분 제어 게인 KI가 만족해야 할 조건이며, 조건식 α에 의해, 적분 제어 게인 KI는 이하의 조건 (1)~(4)를 만족하는 것이 필요하다.
(1) 적분 제어 게인 KI는, 실린더 단면적 A에 비례하여 크게 할 필요가 있고, 가압 실린더가 부가되는 타이밍에서 변경한다. 예를 들면, 가압 실린더군(2)이 3개일 때에는 1개일 때의 3배로 한다.
(2) 적분 제어 게인 KI는, 슬라이드(3)의 질량 m이 클수록 작게 해야 한다.
(3) 적분 제어 게인 KI는, 펌프(5)의 용량이 클수록, 즉, 펌프(5)의 사용 대수가 증가할수록, 그것에 따라 작게 한다. 구체적으로는, 펌프(5)의 사용 대수를 변경할 때에, 그것에 따라 적분 제어 게인 KI도 변경한다.
(4) 슬라이드 기계계의 마찰 b(여기에서는, 속도에 비례하는 것을 고려하고 있음)로, 기계의 움직임을 안정화한다. 따라서, 조건식 α로부터 이해되는 바와 같이, b를 포함하는 항이 클수록 적분 제어 게인 KI를 크게 할 수 있다.
조건 (2) 및 (4)는, 기계적 조건이며 변경할 수 없다. 한편, 조건 (1) 및 (3)은, 가압 실린더를 부가해 갈 때, 즉, 실린더 단면적 A가 증가해 갈 때, 및, 펌프(5)의 사용 대수를 변경했을 때에는, 적분 제어 게인 KI를 그것에 따라 변경할 필요가 있는 것을 나타내고 있다. 본 실시 형태에 관한 액압 단조 프레스 장치(1)에서는, 가압 실린더군(2)의 사용 갯수를 증가하거나, 펌프(5)의 사용 대수를 증가하거나 했을 때에, 그 사용 갯수나 사용 대수에 따라 가압 속도 제어계나 후술하는 평형도 제어계에서의 제어 회로의 각 설정 파라미터를 변경한다.
도 4는, 도 1에 나타낸 액압 단조 프레스 장치의 다른 하나의 실시예를 나타내는 설명도이며, (a)는 제1 대기 공정, (b)는 제1 프레스 공정, (c)는 제2 대기 공정, (d)는 제2 프레스 공정을 나타내고 있다. 또, 이하의 설명에서, 제1 대기 공정 및 제1 프레스 공정을 합쳐서 제1 공정, 제2 대기 공정 및 제2 프레스 공정을 합쳐서 제2 공정이라고 하기로 한다.
도 4의 (a)~(d)에 나타낸 실시예는, 액압 단조 프레스 장치(1)에서, 금형 유지 장치(31c)에 복수의 금형, 본 실시예에서는 제1 상부 금형(31a) 및 제2 상부 금형(31b)을 배치하고, 제1 상부 금형(31a) 및 제2 상부 금형(31b)을 이동시켜 전환하면서 연속 단조하도록 한 것이다. 본 실시 형태에 관한 액압 단조 프레스 장치(1)는, 일반의 단조 프레스 장치 보다도 단조 가능한 하중 범위가 10배 이상 넓기 때문에, 한번 가열한 재료를 재가열하지 않고 원 히트(one heat)로 복수 공정의 단조를 행하는 것이 가능하다.
도 4의 (a)에 나타낸 바와 같이, 슬라이드(3)에 금형 시프트 장치(32)를 장착한 중간 다이(33)를 설치하고 있다. 금형 시프트 장치(32)는, 예를 들면, 금형 유지 장치(31c)를 슬라이드시키는 유압 실린더(32a)와, 중간 다이(33)측에 설치된 가이드 장치(32b)를 가지고 있으며, 유압 실린더(32a)를 작동시키는 것에 의해, 제1 상부 금형(31a) 및 제2 상부 금형(31b)이 배치된 금형 유지 장치(31c)를 가이드 장치(32b)를 따라서 슬라이드시킬 수 있다.
구체적으로는, 먼저, 도 4의 (a)에 나타낸 바와 같이, 하부 금형(41)의 상부에 제1 상부 금형(31a)를 배치한다(제1 대기 공정). 다음으로, 도 4의 (b)에 나타낸 바와 같이, 슬라이드(3)를 하강시켜 프레스 가공전(前) 제품(Mp)을 제1 상부 금형(31a) 및 하부 금형(41)에 의해 성형한다(제1 프레스 공정). 다음으로, 도 4의 (c)에 나타낸 바와 같이, 금형 유지 장치(31c)를 슬라이드시켜 하부 금형(41)의 상부에 제2 상부 금형(31b)을 배치한다(제2 대기 공정). 다음으로, 도 4의 (d)에 나타낸 바와 같이, 슬라이드(3)를 하강시켜 프레스 가공전 제품(Mp)을 제2 상부 금형(31b) 및 하부 금형(41)에 의해 성형한다(제2 프레스 공정).
이러한 실시예에 의하면, 이런 종류의 대형 단조 프레스 장치에서는 단조할 수 없는 극저하중의 단조를 제1 공정에서 실시하고, 재가열하지 않고 제2 상부 금형(31b)에 의해 제2 공정의 고하중의 단조를 실시할 수 있다. 본 실시 형태에 관한 액압 단조 프레스 장치(1)에서는, 제1 공정과 제2 공정의 하중비를 100배 이상으로 설정할 수 있기 때문에, 원 히트로 극저하중 및 고하중 양쪽 모두의 단조를 실시할 수 있다.
도시한 실시예에서는, 상부 금형(31)으로서 2종류의 금형, 제1 상부 금형(31a) 및 제2 상부 금형(31b)을 배치한 경우에 대해 설명했지만, 상부 금형(31)에 배치되는 금형은 3종류 이상이라도 좋다. 또, 상부 금형(31)에 복수의 금형을 배치하는 경우에 대해 설명했지만, 베드(4) 상을 주행하는 볼스터(bolster)(도시하지 않음)에 금형 시프트 장치를 설치하여 하부 금형(41)에 복수의 금형을 배치하여, 하부 금형(41)을 시프트시키도록 해도 괜찮다. 또, 상부 금형(31) 및 하부 금형(41) 양쪽 모두에 각각 복수의 금형을 배치하여 상부 금형(31) 및 하부 금형(41) 양쪽 모두를 시프트시키도록 해도 괜찮다.
도 5는, 도 1에 나타낸 액압 단조 프레스 장치의 슬라이드 평형도 제어에 관한 설명도이다. 도 1에 나타낸 액압 단조 프레스 장치(1)는, 슬라이드(3)의 중량을 유지함과 아울러 슬라이드(3)의 평형도를 제어하는 4개의 서포트 실린더(7)를 가지고 있다. 또, 서포트 실린더(7)에 작동유를 공급 또는 배출하는 라인에는, 각각 소형의 펌프(7a) 및 스로틀(throttle) 밸브(7b)가 배치되어 있다. 또, 도 5에서, 설명의 편의상, 슬라이드(3)를 일점 쇄선으로 도시하고 있다.
지금, 도 5에 나타낸 바와 같이, 슬라이드(3)의 기계 중심을 O로 하고, 이 기계 중심 O를 중심으로 하여 4개의 서포트 실린더(7)가 균등한 간격으로 슬라이드(3)의 하면에 배치되어 있다. 단조중에 하중 중심 Oe가 슬라이드(3)의 기계 중심 O로부터 어긋난 경우, 편심 하중 Fm이 슬라이드(3)에 작용하여, 슬라이드(3)는 기울어질려고 한다. 슬라이드(3)가 기울어지면, 슬라이드(3)의 가이드(도시하지 않음)가 액압 단조 프레스 장치의 지지부(도시하지 않음)와 접촉하여 슬라이딩하기 때문에, 장치가 정지하거나, 장치가 멈추지 않고 단조할 수 있었다고 해도, 제품의 형상이 일그러져 제품 불량이 발생하거나 한다.
따라서, 액압 단조 프레스 장치(1)에서, 슬라이드(3)의 평형도를 제어하는 것은 단조 작업의 안정을 위해서 중요하다. 이 때문에, 본 실시 형태에 관한 액압 단조 프레스 장치(1)에는, 슬라이드(3)의 중량을 지지하는 4개의 서포트 실린더(7)의 가압력을 조절하여 슬라이드(3)의 기울기를 수정하는 제어 장치(도시하지 않음)가 마련되어 있다.
단조중에는, 도 1에 나타낸 슬라이드(3)가 가압 실린더군(2)에 의해 압압되어 하강하기 때문에, 슬라이드(3)를 지지하는 4개의 서포트 실린더(7)로부터는 작동유가 유출된다. 그 유출량은, 스로틀 밸브(7b)의 개도를 조절하여 제어하는 것에 의해, 편심 하중 Fm에 의해서 슬라이드(3)의 기울어짐을 일으키게 하는 회전 모멘트를, 4개의 서포트 실린더(7)의 힘 F1~F4에 의해 생성되는 회전 모멘트에 의해 없애도록 제어한다. 구체적으로는, 4개의 서포트 실린더(7)의 근방에 마련한 변위 센서(도시하지 않음)가 계측한 슬라이드(3)의 세로 방향 변위 x1~x4의 평균치(x1＋x2＋x3＋x4)/4를 구하고, 각 세로 방향 변위 x1~x4가 그 평균치와 일치하도록, 각 서포트 실린더(7)로부터 배출되는 작동유의 유량을 스로틀 밸브(7b)에 의해 제어한다.
이상의 설명에서는, 보조 공급 라인(L11~L14)마다 보조 어큐물레이터(6)가 배치되어 있는 경우에 대해 설명했지만, 예를 들면, 보조 공급 라인(L11, L12)에서 1개의 보조 어큐물레이터(6)를 사용하고, 보조 공급 라인(L13, L14)에서 1개의 보조 어큐물레이터(6)를 사용하도록 해도 괜찮고, 보조 공급 라인(L11~L14)에서 1개의 보조 어큐물레이터(6)를 사용하도록 해도 괜찮다.
또, 가압 실린더군(2)으로서 주가압 실린더(21)와 부가압 실린더(22~25)를 배치하여, 이들 5개의 가압 실린더(2)를 모두 사용하는 경우에 대해 설명했지만, 가압 실린더군(2)은, 단조 하중의 최대치에 따라 가압 실린더군(2)의 사용 갯수의 상한을 설정 가능하게 구성되어 있어도 괜찮다. 즉, 저하중의 단조만을 실시하는 경우에는, 가압 실린더군(2)의 사용 갯수의 상한을 1개로 설정해도 괜찮고, 중하중까지의 단조를 실시하는 경우에는, 가압 실린더군(2)의 사용 갯수의 상한을 3개로 설정해도 괜찮다.
이상의 액압 단조 프레스 장치(1)에 의하면, 복수의 가압 실린더(가압 실린더군(2))를 구비한 액압 단조 프레스 장치의 제어 방법으로서, 가압 실린더군(2)은, 단조시에 항상 작동유를 공급 가능하게 구성된 주가압 실린더(21)와, 단조 하중에 따라 작동유의 공급 및 정지를 전환 가능하게 구성된 적어도 1개 이상의 부가압 실린더(22~25)를 구비하며, 주가압 실린더(21)에 작동유를 공급하고, 사용중의 주가압 실린더(21)의 단조 하중이 소정의 설정 하중 W1를 초과하기 전에 부가압 실린더(22, 23)에도 작동유를 공급하고, 사용중의 가압 실린더군(2)(예를 들면, 주가압 실린더(21) 및 부가압 실린더(22, 23))의 단조 하중이 소정의 설정 하중 W2를 초과하기 전에 또 다른 부가압 실린더(24, 25)에도 작동유를 공급하여 간다고 하는 시퀀스에 의해, 사용하는 가압 실린더군(2)의 갯수를 자동적으로 증가하도록 한 것을 특징으로 하는 액압 단조 프레스 장치(1)의 제어 방법이 실현 가능하다.
이러한 액압 단조 프레스 장치(1)의 제어 방법에서, 부가압 실린더(22~25)는, 상술한 바와 같이 2개씩 증가해도 괜찮지만, 1개씩 증가하도록 해도 괜찮고, 그 외의 임의의 조합으로 늘리는 것이 가능하다. 또, 부가압 실린더(22~25)를 부가해 갈 때, 가압 실린더군(2)의 사용 갯수에 비례하는 실린더 단면적 A의 총합에 따라, 가압 속도 제어계의 제어 게인(예를 들면, 적분 제어 게인 KI)을 변경하도록 해도 괜찮다.
상술한 본 실시 형태에 관한 액압 단조 프레스 장치(1) 및 그 제어 방법에 의하면, 단조 하중이 소정의 설정 하중 W1를 초과할 때까지는 주가압 실린더(21)만을 사용하고, 단조 하중이 설정 하중 W1를 초과한 후, 단조 하중이 증가함에 따라서 부가압 실린더(22~25)의 사용 갯수를 순차적으로 증가하도록 한 것에 의해, 가압 실린더군(2)의 사용 갯수의 변경을, 가압 실린더군(2)의 가압력을 영으로 하지 않고, 연속적으로 행할 수 있다. 즉, 종래 기술과 같이, 가압 실린더의 전환에 의해서 사용 갯수를 증가하는 것이 아니라, 가압 실린더군(2)의 사용 갯수를 순차적으로 부가해 가는 것에 의해, 특허 문헌 2에 기재된 실린더 추가시에 생기는 단조 하중의 서징이나 단조 속도가 영이 되는 불감대가 발생하지 않는다.
또, 주가압 실린더(21)만에 의해서도 단조할 수 있기 때문에, 극저하중(최대 하중의 1% 정도)의 단조에도 적응할 수 있음과 아울러, 부가압 실린더(22~25)의 증가 갯수에 의해서 소망의 최대 하중까지 적응할 수 있어, 종래 보다도 극저하중(최대 하중의 1% 정도)으로부터 최대 하중까지의 광범위에서 고정밀도로 단조할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시 형태에 한정되지 않고, 예를 들면, 작동유의 공급 라인(배관)의 구성은 본 발명을 실시 가능한 범위 내에서 적절히 변경할 수 있어, 전환 밸브는 시판되고 있는 것을 적절히 선택하여 사용할 수 있는 등, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지 변경이 가능한 것은 물론이다.

Claims (12)

  1. 복수의 가압 실린더를 구비한 액압(液壓) 단조(鍛造) 프레스 장치에 있어서,
    상기 복수의 가압 실린더는, 단조시에 항상 작동유(作動油)를 공급 가능하게 구성된 주(主)가압 실린더와, 단조 하중에 따라 작동유의 공급 및 정지를 전환 가능하게 구성된 적어도 1개 이상의 부(副)가압 실린더를 구비하며,
    상기 부가압 실린더는, 헤드측 유압실이 상기 주가압 실린더의 헤드측 유압실과 전환 밸브를 매개로 하여 접속되어 있고,
    단조 하중이 소정의 설정 하중을 초과할 때까지는 상기 주가압 실린더만을 사용하고, 단조 하중이 상기 설정 하중을 초과한 후, 단조 하중이 증가함에 따라서 상기 부가압 실린더의 사용 갯수를 순차적으로 증가하도록 한 것을 특징으로 하는 액압 단조 프레스 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 부가압 실린더는, 1개씩 또는 복수개씩 증가 가능하게 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 액압 단조 프레스 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 가압 실린더는, 상기 가압 실린더의 사용 갯수에 따라 설정 하중이 설정되어 있고, 상기 설정 하중을 초과하기 전에 상기 부가압 실린더의 사용 갯수가 증가되는 것을 특징으로 하는 액압 단조 프레스 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 부가압 실린더는, 헤드측 유압실이 보조 어큐물레이터(accumulator)에 또한 접속되어 있고, 상기 부가압 실린더의 가압시에 상기 보조 어큐물레이터로부터 상기 헤드측 유압실에 작동유를 공급 가능하게 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 액압 단조 프레스 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 가압 실린더는, 작동유를 공급하는 복수의 펌프에 접속되어 있고, 상기 가압 실린더의 사용 갯수 및 필요 가압 속도에 따라, 상기 펌프의 사용 대수를 단조중에 변경하도록 한 것을 특징으로 하는 액압 단조 프레스 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 펌프는, 설정 압력을 변경 가능하게 구성되어 있고, 상기 펌프의 설정 압력을 변경하는 것에 의해 상기 복수의 가압 실린더의 가압력을 변경하도록 한 것을 특징으로 하는 액압 단조 프레스 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 가압 실린더는, 단조 하중의 최대치에 따라 상기 가압 실린더의 사용 갯수의 상한을 설정 가능하게 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 액압 단조 프레스 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 부가압 실린더의 증가시에, 상기 가압 실린더의 사용 갯수에 따라 제어 회로의 파라미터를 변경하도록 한 것을 특징으로 하는 액압 단조 프레스 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 액압 단조 프레스 장치는, 상부 금형을 가지는 슬라이드와, 하부 금형을 가지는 베드(bed)를 구비하며, 상기 상부 금형 및 상기 하부 금형 중 적어도 일방에 복수의 금형을 배치하고, 상기 금형을 이동시켜 전환하면서 연속 단조하도록 한 것을 특징으로 하는 액압 단조 프레스 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 액압 단조 프레스 장치는, 상부 금형을 가지는 슬라이드와, 하부 금형을 가지는 베드를 구비하며, 상기 슬라이드를 유지함과 아울러 상기 슬라이드의 평형도(平衡度)를 제어하는 복수의 서포트 실린더를 가지는 것을 특징으로 하는 액압 단조 프레스 장치.
  11. 복수의 가압 실린더를 구비한 액압 단조 프레스 장치의 제어 방법에 있어서,
    상기 복수의 가압 실린더는, 단조시에 항상 작동유를 공급 가능하게 구성된 주가압 실린더와, 단조 하중에 따라 작동유의 공급 및 정지를 전환 가능하게 구성된 적어도 1개 이상의 부가압 실린더를 구비하며,
    상기 주가압 실린더에 작동유를 공급하고, 사용중의 주가압 실린더의 단조 하중이 소정의 설정 하중을 초과하기 전에 상기 부가압 실린더 중 적어도 1개에도 작동유를 공급하고, 사용중의 가압 실린더의 단조 하중이 소정의 설정 하중을 초과하기 전에 또 다른 부가압 실린더 중 적어도 1개에도 작동유를 공급해 간다고 하는 시퀀스(sequence)에 의해,
    사용하는 상기 가압 실린더의 갯수를 자동적으로 증가시킴과 아울러, 상기 부가압 실린더의 증가시에, 상기 가압 실린더의 사용 갯수에 비례하는 상기 가압 실린더의 단면적의 총합에 따라, 가압 속도 제어계의 제어 게인(gain)을 변경하도록 한 것을 특징으로 하는 액압 단조 프레스 장치의 제어 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 부가압 실린더는, 1개씩 또는 복수개씩 증가 가능하게 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 액압 단조 프레스 장치의 제어 방법.

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