JP7672138B2

JP7672138B2 - プレス加工装置

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Publication number: JP7672138B2
Application number: JP2021164837A
Authority: JP
Inventors: 健治廣田
Original assignee: fukuokakougyoudaigaku
Current assignee: fukuokakougyoudaigaku
Priority date: 2021-10-06
Filing date: 2021-10-06
Publication date: 2025-05-07
Anticipated expiration: 2041-10-06
Also published as: JP2023055446A

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。

プレス加工装置による金属の圧縮成形において、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加工物は、摩擦の影響が顕著となり大きな圧縮荷重を要する。圧縮荷重の抑制には、（１）工具と加工物の間に生じる摩擦の低減、（２）工具の接触面積の低減、（３）変形抵抗の低減が考えられ、（１）～（３）についてそれぞれ以下のような対策が試みられている。

（１）潤滑剤の性能を改善することや、加圧時に振動を付与して潤滑剤の膜切れを回避すること（非特許文献１参照）によって、摩擦を低減し、圧下に伴う荷重の増加を低減する。
（２）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７に示すように、加圧盤１００を回転させながら加工物１０１を圧下する回転鍛造（非特許文献２参照）の採用によって、接触面積を低減する。複数の直動アクチュエータで加圧盤（スライドブロック）を多点支持してフレキシブルな傾斜加圧により接触面積を低減する多動揺動加圧が、特許文献１に記載されている。
（３）非特許文献３では、図８（Ａ）、（Ｂ）に示すように、圧縮とせん断の複合応力下で加工物１０２の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圧縮荷重を低減するねじり負荷鍛造が示されている。

特開２０１９－１５５４４３号公報

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」、日本塑性加工学会誌「塑性と加工」、Ｖｏｌ．５０－Ｎｏ．５８５（２００９－１０）、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、（１）、（３）の方法では、プレス加工装置と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、圧縮荷重の低減効果が得にくくなる。また、（２）の回転鍛造及び（３）のねじり負荷鍛造では回転動作を利用するため軸対称の形状への加工に適用範囲が限定される。しかも、ねじり負荷鍛造では、図８（Ａ）、（Ｂ）において仮想線で記載した特定領域の変形に示されるように、作用するせん断応力が半径方向外側に比べ半径方向内側で小さくなるため、回転中心近辺に十分なせん断応力を与えられない。

これに対し、（２）の多動揺動加圧は、加工形状が軸対称に限定されるという制約は無いが、加圧面を傾斜させて加工するため、加工物の端面に傾斜が残る傾向がある。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、加工物の端面に傾斜が残るのを防止した上で圧縮荷重を抑制して様々な形状の加工に対応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の金型をＰ方向に移動させて第２の金型に近付け、該第１、第２の金型の間に配された加工物を圧縮成形するプレス加工装置において、前記第１、第２の金型のいずれか一方を、前記Ｐ方向に対し垂直な方向に往復動させる直動機構Ｅと、前記第１、第２の金型のいずれか一方を、前記Ｐ方向に対し垂直な方向、かつ、前記直動機構Ｅによる往復動の方向とは異なる方向に往復動させる直動機構Ｆとを備える。

本発明に係るプレス加工装置は、第１、第２の金型のいずれか一方を、Ｐ方向に対し垂直な方向に往復動させる直動機構Ｅと、第１、第２の金型のいずれか一方を、Ｐ方向に対し垂直な方向、かつ、直動機構Ｅによる往復動の方向とは異なる方向に往復動させる直動機構Ｆとを備えるので、第１、第２の金型のいずれか一方又は双方をＰ方向に垂直な方向に往復動させながら加工物の圧縮成形ができ、加工後の加工物の端面に傾斜が生じるのを防止した上で圧縮成形時の圧縮荷重を抑制可能である。

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。下型の移動の様子を示す説明図である。圧縮荷重の計測を行った実験機の説明図である。下型の往復動による圧縮荷重の低減を実験した結果を示すグラフである。下型の往復動の速度の荷重低減率に対する影響を実験した結果を示すグラフである。変形例に係るプレス加工装置の説明図である。第１の従来例に係る回転鍛造の説明図である。（Ａ）、（Ｂ）は共に、第２の従来例に係るねじり負荷鍛造による圧縮加工の様子を示す説明図である。

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（第１の金型の一例）１１を鉛直方向（Ｐ方向の一例）に移動させて下型（第２の金型の一例）１２に近付け、上型１１及び下型１２の間に配された加工物Ｗを圧縮成形する装置である。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、ベース台１３上に固定された無給油式のスライドプレート１４と、スライドプレート１４上に載せられた下型１２と、下型１２の上方に設けられた可動台１５に固定された上型１１を備えている。スライドプレート１４は、一面側に図示しない多数の穴が形成された平面視して矩形（正方形を含む、以下の矩形についても同じ）状の銅合金板及び各穴に埋設された固形潤滑剤を有している。スライドプレート１４は、穴が形成された一面側を上側に配した状態で下側に配された他面側がベース台１３に固定されている。下型１２は平面視して矩形の板状金属で、スライドプレート１４の一面側に水平移動可能な状態で載せられている。

ベース台１３には、それぞれ鉛直方向に長い複数（本実施の形態では２本）のガイド部材１６、１６ａの下端部が固定されている。板状の可動台１５は、ベース台１３から距離を有する位置に水平に配された状態で各ガイド部材１６、１６ａに昇降自在に取り付けられている。平面視して矩形の板状金属である上型１１は、下型１２から距離を有する下型１２の上方位置で可動台１５の下面に固定されている。
可動台１５は、図示しない油圧シリンダにより押し下げられて（Ｐ方向に移動させられて）、上型１１と共に下降し、上型１１及び下型１２に挟まれている金属製の加工物Ｗを鉛直方向に圧縮する。下型１２は上型１１に近付く方向に移動しないように設けられている。

ベース台１３が一部に載せられた支持部材１７には、図１、図２に示すように、可動ロッド１８を有する電動シリンダ１９（直動機構Ｅの一例）が取り付けられている。可動ロッド１８は軸心が水平に配され、電動シリンダ１９は可動ロッド１８が下型１２の高さ位置で水平に進退する。可動ロッド１８の先端部には、スライダ２０が移動可能に装着されたリニアガイド２１が連結されている。リニアガイド２１は平行配置された対となるレール２２、２３を具備し、スライダ２０はレール２２、２３に沿って水平に往復動可能である。可動ロッド１８はスライダ２０が往復動する方向に対して垂直な方向に進退する。

同じく、ベース台１３が一部に載せられた支持部材２４には、可動ロッド２５を有する電動シリンダ２６（直動機構Ｆの一例）が取り付けられている。可動ロッド２５は軸心が水平に配され、電動シリンダ２６は可動ロッド２５が下型１２の高さ位置で水平に進退する。可動ロッド２５の先端部には、スライダ２７が移動可能に装着されたリニアガイド２８が連結されている。リニアガイド２８は平行配置された対となるレール２９、３０を具備し、スライダ２７はレール２９、３０に沿って水平に往復動可能である。

可動ロッド２５はスライダ２７が往復動する方向及び可動ロッド１８が進退する方向に対して垂直な方向に進退する。レール２９、３０の延設方向はレール２２、２３の延設方法に対して垂直であり、スライダ２７はスライダ２０が往復動する方向に対し垂直な方向に往復動する。本実施の形態では、可動ロッド１８、２５が１～１０μｍ幅で進退する。
スライダ２０は４つの側壁部を有する下型１２の一の側壁部（以下、「第１側壁部」と言う）に連結され、スライダ２７は下型１２の第１側壁部に対し垂直に隣接する第２側壁部に連結されている。

下型１２は、可動ロッド２５が停止した状態で可動ロッド１８が進退することによって可動ロッド１８の進退方向（水平方向）に往復動し、可動ロッド１８が停止した状態で可動ロッド２５が進退することによって可動ロッド２５の進退方向（水平方向で、可動ロッド１８の進退方向に対し垂直な方向）に往復動する。よって、電動シリンダ１９はＰ方向に対し垂直な方向に下型１２を往復動させることができ、電動シリンダ２６はＰ方向に対し垂直な方向、かつ、電動シリンダ１９による往復動の方向とは異なる方向に下型１２を往復動させることができる。

ここで、電動シリンダ１９の作動による下型１２の往復動の方向と、電動シリンダ２６の作動による下型１２の往復動の方向とは非平行であることから、可動ロッド１８、２５それぞれの進退動作の組み合わせによって、下型１２を仮想水平面に沿っていずれの方向にも移動させることができる。例えば、下型１２を旋回運動させることや、下型１２を可動ロッド１８、２５の各進退方向に非平行な方向に往復動させることができる。そのため、加工物Ｗの加工後の目標とする形状に応じた適切な下型１２の移動を実現することが可能である。

本実施の形態では、電動シリンダ１９の作動による下型１２の往復動の方向が電動シリンダ２６による下型１２の往復動の方向に対し垂直であることから、下型１２に所定の動作をさせるための電動シリンダ１９、２６の各制御（可動ロッド１８、２５それぞれについての進退長、進退のタイミング、進退速度等の制御）が容易である。

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。実験では、図３に示すように、可動ロッド３２が下型（第２の金型）３３に連結された電動シリンダ（直動機構）３４と、下型３３の上方に配された上型（第１の金型）３５が固定された可動台３６とを有する実験機３７を用いた。可動ロッド３２は軸心が水平配置され、可動ロッド３２及び下型３３は可動ロッド３２の軸心に沿って水平に進退する。下型３３は、ベース台３８に固定されたローラ式の軸受ブロック３９に載った状態で設けられ、下型３３の進退動作の際に下型３３及び軸受ブロック３９の間に生じる摩擦力は抑制される。

可動台３６は図示しない電動シリンダによって押し下げられて、上型３５及び下型３３の間に配されたアルミニウム軟質材からなる加工物Ｗ′を圧縮成形する。加工物Ｗ′は直径６ｍｍ、高さ１２ｍｍの円柱状であった。実験では、加工物Ｗ′の上端部（軸心方向に３ｍｍの領域）及び下端部（軸心方向に３ｍｍの領域）を上型３５及び下型３３でそれぞれ拘束した状態で加工物Ｗ′を軸心方向に３ｍｍ圧縮した。可動ロッド３２の進退幅（振幅）は７５μｍであった。可動台３６及び油圧シリンダの間にロードセルを設けて圧縮荷重を計測した。

まず、（ケース１）可動ロッド３２を静止させた状態で加工物Ｗ′を３ｍｍ圧縮した場合と、（ケース２）可動ロッド３２を静止させた状態で加工物Ｗ′を１．５ｍｍ圧縮した後、可動ロッド３２を連続的に進退させた状態にして加工物Ｗ′を更に１．５ｍｍ圧縮（合計で３ｍｍ圧縮）した場合とでそれぞれ圧縮荷重を連続的に計測した（第１の実験）。
計測結果を図４に示す。図４において横軸は加工物Ｗ′の圧縮量を示し、縦軸は圧縮荷重を示す。計測結果より、可動ロッド３２（下型３３）の連続的な進退動作により、圧縮荷重が低減できることが確認できた。更に、加工後の加工物Ｗ′の上面及び下面には傾斜が生じなかった。

次に、ケース２の圧縮荷重の計測を可動ロッド３２の進退速度を変えて行い、可動ロッド３２の進退速度の荷重低減率に対する影響を求めた（第２の実験）。第２の実験の結果を図５に示す。ここで、図４に示すように、ケース１、２において加工物Ｗ′を３ｍｍ圧縮した時点での圧縮荷重をそれぞれＦ、Ｆ’とし、Ｆ－Ｆ’＝△Ｆとして、荷重低減率は△Ｆ／Ｆである。図５における「直交速度比Ｕ／Ｖ」の「Ｕ」は可動ロッド３２の進退速度を示し、「Ｖ」は油圧シリンダによって押し下げられる上型３５の下降速度を示す。

また、第２の実験では、実際の計測結果（実測結果）とＦＥＭ（有限要素法）による解析結果との比較も行った。図５に示す実測結果及びＦＥＭによる解析結果より、実測結果の傾向がＦＥＭによる解析結果の傾向と同様であること、直交速度比が大きくなる（可動ロッド３２の進退速度が上昇する）のに伴って荷重低減率が大きくなること、直交速度比が５以下で直交速度比の上昇に伴う荷重低減率の上昇が顕著となること、直交速度比が５を超えると直交速度比の上昇に伴う荷重低減率の上昇が鈍化することが確認できた。

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、第１、第２の金型はそれぞれ上型及び下型でなくてもよく、第１、第２の金型が距離を有して同一高さに配置されていてもよい。この場合、第１の金型の移動方向（Ｐ方向）は水平方向となる。
また、第２の金型をＰ方向に対して逆方向（第１の金型の配置された方向）に移動可能にし、第１の金型をＰ方向に移動させる際に、第２の金型をＰ方向の逆方向に移動させて、第１、第２の金型を接近させるようにしてもよい。

また、直動機構Ｅ、Ｆが共に第１の金型を往復動させるようにしてもよく、直動機構Ｅ、Ｆのいずれか一方が第１の金型の一例である上型を往復動させ、他方が第２の金型の一例である下型を往復動させるようにしてもよい。例えば、図６に示すプレス加工装置４０は、直動機構Ｅの一例である電動シリンダ４１が第２の金型の一例である下型４２を往復動させ、直動機構Ｆの一例である電動シリンダ４３が第１の金型の一例である上型４４を往復動させるように設計されている。下型４２及び上型４４はそれぞれ、軸受ブロック４５、４６に接した状態で設けられ、往復動する際の摩擦力の発生が抑制されている。なお、Ｗ″は加工物である。

ここで、第１、第２の金型がそれぞれ上型及び下型であり、上型がＰ方向に移動可能で、下型が上型に近付く方向（Ｐ方向の反対方向）に移動しないように設計されている場合は、上述したプレス加工装置１０のように、直動機構Ｅ、Ｆが共に下型を往復動するような設計が好ましい。これは、Ｐ方向に移動する上型を直動機構Ｅによって往復動させる場合、直動機構Ｅの自重によるモーメントが上型に偏心荷重としてかかるためである（この点、直動機構Ｆについても同様）。
更に、直動機構Ｅ、Ｆを共に下型を往復動するようにする場合、直動機構Ｅ、Ｆのいずれか一方が上型を、他方が下型をそれぞれ往復動する場合に比べて、設計の簡素化を図ることができる。

１０：プレス加工装置、１１：上型、１２：下型、１３：ベース台、１４：スライドプレート、１５：可動台、１６、１６ａ：ガイド部材、１７：支持部材、１８：可動ロッド、１９：電動シリンダ、２０：スライダ、２１：リニアガイド、２２、２３：レール、２４：支持部材、２５：可動ロッド、２６：電動シリンダ、２７：スライダ、２８：リニアガイド、２９、３０：レール、３２：可動ロッド、３３：下型、３４：電動シリンダ、３５：上型、３６：可動台、３７：実験機、３８：ベース台、３９：軸受ブロック、４０：プレス加工装置、４１：電動シリンダ、４２：下型、４３：電動シリンダ、４４：上型、４５、４６：軸受ブロック、Ｗ、Ｗ′、Ｗ″：加工物

Claims

第１の金型をＰ方向に移動させて第２の金型に近付け、該第１、第２の金型の間に配された加工物を圧縮成形するプレス加工装置において、
前記第１、第２の金型のいずれか一方を、前記Ｐ方向に対し垂直な方向に往復動させる直動機構Ｅと、
前記第１、第２の金型のいずれか一方を、前記Ｐ方向に対し垂直な方向、かつ、前記直動機構Ｅによる往復動の方向とは異なる方向に往復動させる直動機構Ｆとを備えることを特徴とするプレス加工装置。
請求項１記載のプレス加工装置において、前記第１、第２の金型はそれぞれ上型及び下型であり、前記下型は前記上型に近付く方向に移動せず、前記直動機構Ｅ、Ｆは共に前記下型を往復動させることを特徴とするプレス加工装置。
請求項１又は２記載のプレス加工装置において、前記直動機構Ｅによる往復動の方向は、前記直動機構Ｆによる往復動の方向に対し垂直であることを特徴とするプレス加工装置。