JP2015221443A - スピニング加工装置、タンク鏡部の製造方法、タンク胴部の製造方法、タンクの製造方法、及びタンク - Google Patents
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Abstract
Description
前記ワークを回転させながら前記ワークの開口縁部を内面と外面から成形用ローラ及び成形受け用ローラで挟み込んで成形し、前記ワークの被加工部の形状を光学式プロファイル測定器で測定し、前記被加工部の寸法と前記両ローラ間の隙間の寸法の関係に基づいて、前記両ローラ間の隙間が前記被加工部の目標となる形状に対応する値になるように前記両ローラの軌道を補正し、前記補正した軌道で前記両ローラを駆動することにより、前記ワークの開口縁部にL字状継手又はZ字状継手を成形する工程と、を備えたものである。
前記ワークを回転させながら前記ワークの開口縁部を内面と外面から成形用ローラ及び成形受け用ローラで挟み込んで成形し、前記両ローラの隙間を透過式レーザセンサで測定し、前記透過式レーザセンサにより測定された前記両ローラの隙間の測定値と、予め設定されている前記両ローラの隙間との差異に応じて前記両ローラの加工軌道を補正し、前記補正した加工軌道で前記両ローラを駆動することにより前記ワークの開口縁部にL字状継手又はZ字状継手を成形する工程と、を備えたものである。
図1はこの発明の実施の形態1によるスピニング加工装置を示す平面図、図2は図1のスピニング加工装置にワークを装着した状態を示す平面図、図3は図1のスピニング加工装置のローラユニットを示す側面図である。
まず、第1の工程は、図2に示すように、スピニング加工装置201の鏡内治具203にワーク301を装着すると共にワーク301を芯押し治具204で所定の荷重で押し付けることよってワークを固定する工程である。これはワーク301が鏡内治具203や芯押し治具204との間で空転することを防止するためである。
図6は、ワークの直径拡大加工の工程を説明するためのワーク付近を示す断面図である。図6に示すように、給湯器用タンクの鏡部であるワーク301をモータの回転主軸202周りに回転させながら成形用ローラ205を用いてワーク301の開口部周縁を半径方向外側に押し広げ、ワーク301の開口部周縁の直径が拡大するように塑性加工する。この塑性加工によって、以下に説明する理由によりワーク301の開口部周縁の真円度を向上することができるとともに、給湯器用タンクとして組み立てる際の相手方すなわち給湯器用タンクの胴部との直径差を修正することができる。
図7の縦軸の真円度の直径比は、ワークの開口縁部に外接及び内接する最大及び最小の2つの同心円の直径の比率を示す。図7の横軸の直径拡大率は、絞り成形後のワーク開口縁部の直径D0と直径拡大・継手成形後のワーク開口縁部の直径D1の比率を示し、{(D1−D0)/D0}×100(%)で表される。
図7に示すように、ワークの開口縁部の真円度の直径比と直径拡大率(塑性加工量)には略線形関係が成り立ち、組立工程で求められる真円度と貯湯量等の設計で求められる給湯器用タンクの直径とを勘案して直径拡大率(塑性加工量)が決められる。直径拡大率(塑性加工量)が小さ過ぎるとワーク301の円周で加工ムラが発生し、直径拡大率(塑性加工量)が大き過ぎると次工程で絞りフランジを切断した後にワーク301の開口縁部に反りが発生するなどの問題があるため、φ200mm〜φ700mmの給湯器用タンクの鏡部に対しては、塑性加工前後でワーク開口縁部の直径が元直径よりも0.5〜1.3%程度大きくすることが望ましい。
図9(a)はワーク(鏡部)と成形用ローラの座標系を示す概略図である。図9(b)は図9(a)のQ部拡大断面図であり成形用ローラの直径拡大加工の標準軌道の座標設定、図9(c)は同じく図9(a)のQ部拡大断面図でありワークの直径を標準軌道より変更する場合の成形用ローラの軌道と座標設定を示している。
ワークの直径拡大加工の工程において、成形用ローラ205は、図9(b)(c)に示すような軌道に沿って動作し、ワーク(鏡部)301を半径方向外側へ押し広げることで、ワーク(鏡部)301の開口部周縁の直径を拡大する。成形用ローラ205の軌道は、ワーク(鏡部)301の半径方向をX軸座標、ワーク(鏡部)301の回転軸方向をZ軸座標として、成形用ローラ205の待機位置から加工動作に至る工程、さらに加工完了後に待機位置に戻るまでの工程を、複数の通過点の座標点と、座標点間の移動速度およびその間のワーク(鏡部)301の回転速度を与えることにより制御しており、成形用ローラ205は通過点に沿って直線補間で動作する。
なお、直径拡大率を変更する場合は、図9(b)に示すように前記座標点のうち加工軌道のX軸座標の値のみを一定量だけオフセットする。
この工程は、ワーク301の絞り工程で発生したフランジ(絞りフランジと呼ぶ)を所定の位置で切断する工程である。絞りフランジの切断位置は、ワーク(鏡部)301の深さ及び第4の工程で成形する継手の高さの設計値により決められるが、第4の工程の継手成形後に、第2の工程で加工した直径拡大範囲が10mm程度残ることが望ましい。
絞りフランジの切断工程は、図10に示すように、切断受け用ローラ402をワーク301の外周面の所定の位置に配置するとともに、モータの回転主軸202によりワーク301を回転させながら、切断用ローラ401をワーク301の内周面より半径方向外向きに所定の軌道で動かすことにより行われる。このとき、切断受け用ローラ402と切断用ローラ401の間にワーク301が挟まれ、ワーク301がせん断加工される。絞りフランジ切断後のワーク301は、絞り成形時の残留応力が開放される影響で、ワーク開口縁部が内すぼみになったり、ラッパ状になったりすることがある。ワーク開口縁部が内すぼみやラッパ状になると、第4の工程の継手成形において継手形状が所定の形状に成形できなかったり、継手の周溶接時に突合せ不良となり溶接不良となるなどの問題があった。しかしながら、前記のように第2の工程でワーク開口周縁部に適切な量の塑性加工(直径拡大加工)を施すとともに、第3の工程で絞りフランジを適切な位置で切り離すことにより、絞りフランジを切断した後もワーク開口部が回転軸に対して略平行となるように成形でき、ワークの成形不良や溶接不良を低減することができる。
ワークの継手成形工程では、図11に示すように、ワーク(鏡部)301の開口側端部より距離Aだけワーク頂部側の外周面に接するように成形受け用ローラ206を配置する。そして、モータの回転主軸202によりワーク301を回転させながら成形用ローラ205を成形受け用ローラ206との隙間Sが所定の距離になる位置で、ワーク301の内面より成形用ローラ205を半径方向外側に移動させる。その結果、図12のワークの継手成形の拡大図に示すように、ワーク301の開口縁部にL字状の継手301Aを成形することができる。なお、隙間Sは例えばワーク板厚の30〜50%程度である。このとき、後で説明するように、ワーク301の継手高さを光学式プロファイル測定器100によって測定する。そして、この測定結果を基に成形用ローラ205の軌道を補正することで、寸法ばらつきの小さい継手成形が可能となる。給湯器用タンクの継手の突合せ溶接構造においては、突合される板同士に板厚方向の位置ズレが生じると、溶接時に溶融池が溶け落ちてしまい溶接できなかったり、溶接後に段差が生じて応力集中部となり疲労強度が低下する問題があった。しかしながら、下記に説明する本実施の形態の継手成形のローラ軌道補正方法によれば、継手寸法のばらつきを小さく抑えることができ、溶接不良を低減できる顕著な効果がある。
そして、各ワーク材料に対するL字状継手寸法とローラ隙間寸法の関係(図13の近似式:Y=AX+B)を、あらかじめスピニング加工装置の制御部208に入力しておく。そして、光学式プロファイル測定器100により測定された継手の高さHを、スピニング加工装置の制御部208に入力する。スピニング加工装置の制御部208は、測定された継手の高さHが入力されると図13の縦軸(Y軸)の継手の基準高さからの増減率が決まり、この増減率に対して前記近似式のS/T(隙間寸法/板厚)が決まり、測定された継手高さHに対応するローラ間の隙間Sが求まる。そして、スピニング加工装置の制御部208は、前記求まったローラ間の隙間Sが目標となる継手高さに対応するローラ間の隙間になるように成形用ローラ205と成形受け用ローラ206の位置を補正する。
図14において、まず、ワークの継手成形の予成形を実施する(ステップS01)。予成形では、スピニング加工装置201の成形用ローラ205及び成形受け用ローラ206をあらかじめ設定された軌道で駆動し、ワーク301のL字状の継手301Aを成形する。この予成形工程は、本成形工程の前に予めスピニング加工装置によるワーク301のL字状継手301Aの加工具合を確かめるための予備的工程である。
次に、ステップS02により、予成形工程で成形されたL字状の継手301Aの継手高さHを光学式プロファイル測定器100により測定する。
次に、ステップS03により、スピニング加工装置の制御部208において、前述のように光学式プロファイル測定器100で測定された継手高さHに対応する成形用ローラ205と成形受け用ローラ206間の隙間Sを求める。
次に、ステップS04により、スピニング加工装置の制御部208は、ステップS03で求めたローラ間の隙間Sが目標となる継手高さに対応するローラ間の隙間になるように成形用ローラ205と成形受け用ローラ206の加工軌道を修正する。
そして、ステップS05により、ワークの継手成形の仕上げ成形を実施する。仕上げ成形では、スピニング加工装置201の成形用ローラ205及び成形受け用ローラ206をステップS04で修正した軌道で駆動し、ワーク301のL字状の継手301Aを本成形する。
ステップS06では、ステップS05の仕上げ成形の回数をカウントし、成形回数Nが所定の回数Nkに達すれば、ステップS02に戻り継手高さを測定し、隙間Sの算出(ステップS03)、ローラ軌道の決定(ステップS04)、仕上げ成形(ステップS05)を実施する。ステップS06で仕上げ成形の回数Nが所定数Nzになれば、ワークの継手成形を終了する。
図16(a)に示すように、光学式プロファイル測定器100の光源101と受光部104を、ワーク301のL字状継手301Aの立上げ方向に設置する。そして、光源101から例えば帯状に照射されるレーザ光が、ワーク301のL字状継手301Aを通過すると、図16(b)の測定結果によりL字状継手301Aの立上げ高さhを測定できる。
図17は光学式プロファイル測定器100の設置位置を示すものであり、ワーク301の回転方向に関して成形用ローラ205の通過後に設置することが望ましいが、必ずしもこの位置に限定されるものではない。L字状継手301Aの高さ寸法はワークの円周でバラツキがあるので、光学式プロファイル測定器100はワーク301の回転数に応じて適当な時間間隔で継手高さを測定することで円周の複数個所で測定し平均化して算出する。
図18はこの発明の実施の形態2によるスピニング加工装置を示す平面図、図19は図18のスピニング加工装置にワークを装着した状態を示す平面図、図20は図18のスピニング加工装置の把持部の構成を示す概略図である。
まず第1の工程は、図18及び図19に示すように、ワーク601を胴内治具703と把持治具704に挿入するとともに、端面ストッパ706と胴芯押し治具705によって軸方向の位置決めを行い、さらに把持治具704でワーク601を把持する。
そして、各ワーク材料に対するZ字状継手寸法とローラ隙間寸法の関係を、あらかじめスピニング加工装置の制御部208に入力しておく。そして、光学式プロファイル測定器100により測定されたZ字状継手601Aの継手幅及び継手高さを、スピニング加工装置の制御部208に入力する。スピニング加工装置の制御部208は、測定された継手の幅及び継手の高さが入力されると、測定された継手幅及び継手の高さに対応するローラ間の隙間Sが求まる。そして、スピニング加工装置の制御部208は、前記求まった隙間Sが目標となる継手幅及び継手の高さに対応するローラ間の隙間になるように胴成形用ローラ801と胴成形受け用ローラ802の軌道を補正する。
図25において、まず、ワークの継手成形の予成形を実施する(ステップS11)。予成形では、スピニング加工装置201の胴成形用ローラ801及び胴成形受け用ローラ802をあらかじめ設定された軌道で駆動し、ワーク601のZ字状継手601Aを成形する。この予成形は、本成形の前に予めスピニング加工装置によるワーク601のZ字状継手601Aの加工具合を確かめるための予備的工程である。
次に、ステップS12により、予成形工程で成形されたZ字状継手601Aの継手幅及び継手高さを光学式プロファイル測定器100により測定する。
次に、ステップS13により、スピニング加工装置の制御部208において、胴成形用ローラ801と胴成形受け用ローラ802間の隙間Sを求める。
次に、ステップS14により、スピニング加工装置の制御部208は、前記求まった隙間Sが目標となる継手幅及び継手の高さに対応するローラ間の隙間になるように胴成形用ローラ801と胴成形受け用ローラ802の加工軌道を補正する。
そして、ステップS15により、ワークの継手成形の仕上げ成形を実施する。仕上げ成形では、スピニング加工装置201の胴成形用ローラ801及び胴成形受け用ローラ802をステップS14で補正した軌道で駆動し、ワーク601のZ字状継手601Aを本成形する。
ステップS16では、ステップS15の仕上げ成形の回数をカウントし、成形回数Nが所定の回数Nkに達すれば、ステップS12に戻り継手幅及び継手高さを測定し、隙間Sの算出(ステップS13)、ローラ軌道の決定(ステップS14)、仕上げ成形(ステップS15)を実施する。ステップS16で仕上げ成形の回数Nが所定数Nzになれば、ワークの継手成形を終了する。
この発明の実施の形態3は、成形用ローラ及び成形受け用ローラの隙間を透過式レーザセンサで測定し、この透過式レーザセンサにより測定された両ローラの隙間の測定値と、予め設定されている両ローラの隙間との差異に基づき両ローラの加工軌道を補正し、この補正した加工軌道で両ローラを駆動するものである。
図27において、まず、ステップS21により、ワークを取り除いた状態で、成形用ローラ205及び成形受け用ローラ206を予め設定された加工軌道で駆動する。
そして、ステップS22において、透過式レーザセンサ1000により成形用ローラ205及び成形受け用ローラ206間の隙間Sを測定する。
次に、ステップS23により、スピニング加工装置の制御部208において、ステップS22により測定した両ローラ205及び206間の隙間Sと、予め設定されている両ローラ間の隙間との差異に応じて、両ローラ205及び206の加工軌道を修正する。
そして、ステップS24により、ワークの継手成形を実施する。この成形では、成形用ローラ205及び成形受け用ローラ206をステップS23で修正した加工軌道で駆動し、ワークの継手を成形する。
ステップS25では、ステップS24のワーク成形の回数をカウントし、成形回数Nが所定の回数Nkに達すれば、ステップS22に戻り両ローラの隙間Sを測定し、ローラ軌道の修正(ステップS23)、ワーク成形(ステップS24)を実施する。ステップS25で仕上げ成形の回数Nが所定数Nzになれば、ワークの継手成形を終了する。
この発明の実施の形態4は、ワークを搭載する治具の位置を光学式プロファイル測定器で測定し、成形用ローラ及び成形受け用ローラの位置を透過式レーザセンサで測定し、光学式プロファイル測定器で測定した治具の位置と透過式レーザセンサで測定した両ローラの位置に基づいて、治具及び両ローラの位置決めを行うものである。
図29において、ステップS31により、ワークを搭載する治具の位置を光学式プロファイル測定器で測定する。
一方、ステップS32により、成形用ローラ及び成形受け用ローラの位置を透過式レーザセンサで測定する。
そして、ステップS33により、ステップS31で測定した治具の位置及びステップS32で測定した成形用ローラ及び成形受け用ローラの位置に基づき、治具及び両ローラの位置決めを行う。
実施の形態5は、上記実施の形態で製造されたタンクの鏡部と胴部を接合してタンクを製造するものである。
図30は、実施の形態1又は実施の形態3により製造されたタンクの鏡部301のL字状継手301Aと、実施の形態2又は実施の形態3により製造されたタンクの胴部601のZ字状継手601Aとを突き合わせて、タンクの全周に渡って溶接機1100により周溶接するところを示す概略図である。そして、図31は、タンクの鏡部301と胴部601を周溶接して出来上がったタンクを示す概略図である。なお、前記したように、タンクの鏡部301にZ字状継手を成形すると共に、タンクの胴部601にL字状継手を成形して、このZ字状継手とL字状継手とを突き合わせて、全周に渡って周溶接することにより、タンクを製造しても良い。
103 受光素子、104 受光部、201 スピニング加工装置、202 回転主軸、203 鏡内治具、204 芯押し治具、205 成形用ローラ、
206 成形受け用ローラ、207 シリンダ、208 制御部、
209 駆動用レール、210 駆動用サーボモータ、211 支持アーム、
212 芯押し軸、213 モータ、301 ワーク、401 切断用ローラ、
402 切断受け用ローラ、404 ローラユニット、
501 スピニング加工装置の土台、601 ワーク、703 胴内治具、
704 把持治具、705 胴芯押し治具、706 端面ストッパ、
801 胴成形用ローラ、802 胴成形受け用ローラ1901 把持ブロック、
902 支持部、903 被駆動部、1000 透過式レーザセンサ、
1001 発光部、1002 受光部。
Claims (11)
- ワークを治具に搭載した状態で前記ワークを回転させる回転機構と、前記ワークの被加工部を内面と外面から挟み込んで前記被加工部を成形する成形用ローラ及び成形受け用ローラと、前記被加工部の形状を測定する光学式プロファイル測定器と、前記光学式プロファイル測定器の測定値を入力し、予め入力されている前記被加工部の寸法と前記両ローラ間の隙間の寸法の関係に基づいて、前記両ローラ間の隙間が前記被加工部の目標となる形状に対応する値になるように前記両ローラの軌道を補正し、前記補正した軌道で前記両ローラを駆動する制御部を備えたスピニング加工装置。
- 前記被加工部の成形はL字状継手の成形であり、前記光学式プロファイル測定器は前記L字状継手の高さを測定し、前記制御部は、前記光学式プロファイル測定器の測定値を入力し、予め入力されている前記L字状継手の高さ寸法と前記両ローラ間の隙間の寸法の関係に基づいて、前記両ローラ間の隙間が目標となるL字状継手に対応する値になるように前記両ローラの軌道を補正し、前記補正した軌道で前記両ローラを駆動する請求項1に記載のスピニング加工装置。
- 前記被加工部の成形はZ字状継手の成形であり、前記光学式プロファイル測定器は前記Z字状継手の幅及び高さを測定し、前記制御部は、前記光学式プロファイル測定器の測定値を入力し、予め入力されている前記Z字状継手の幅及び高さ寸法と前記両ローラ間の隙間の寸法の関係に基づいて、前記両ローラ間の隙間が目標となるZ字状継手に対応する値になるように前記両ローラの軌道を補正し、前記補正した軌道で前記両ローラを駆動する請求項1に記載のスピニング加工装置。
- ワークを治具に搭載した状態で前記ワークを回転させる回転機構と、前記ワークの被加工部を内面と外面から挟み込んで前記被加工部を成形する成形用ローラ及び成形受け用ローラと、前記両ローラの隙間を測定する透過式レーザセンサと、前記透過式レーザセンサにより測定された前記両ローラの隙間の測定値と、予め設定されている前記両ローラの隙間との差異に応じて前記両ローラの加工軌道を補正し、前記補正した加工軌道で前記両ローラを駆動する制御部を備えたスピニング加工装置。
- ワークを治具に搭載した状態で前記ワークを回転させる回転機構と、前記ワークの被加工部を内面と外面から挟み込んで前記被加工部を成形する成形用ローラ及び成形受け用ローラと、前記治具の位置を測定する光学式プロファイル測定器と、前記両ローラの位置を測定する透過式レーザセンサとを備え、前記測定した治具の位置と前記測定した両ローラの位置に基づいて前記治具及び前記両ローラの位置決めを行うスピニング加工装置。
- タンクの鏡部を製造する方法であって、
椀形状に成形されたワークを回転させながら前記ワークの内面から成形用ローラを押し当てて前記ワークの開口部周縁の直径を拡大する工程と、
前記ワークを回転させながら前記ワークの開口縁部を内面と外面から成形用ローラ及び成形受け用ローラで挟み込んで成形し、前記ワークの被加工部の形状を光学式プロファイル測定器で測定し、前記被加工部の寸法と前記両ローラ間の隙間の寸法の関係に基づいて、前記両ローラ間の隙間が前記被加工部の目標となる形状に対応する値になるように前記両ローラの軌道を補正し、前記補正した軌道で前記両ローラを駆動することにより、前記ワークの開口縁部にL字状継手又はZ字状継手を成形する工程と、を備えたタンク鏡部の製造方法。 - タンクの胴部を製造する方法であって、
円筒形状に成形されたワークを回転させながら前記ワークの開口縁部を内面と外面から成形用ローラ及び成形受け用ローラで挟み込んで成形し、前記ワークの被加工部の形状を光学式プロファイル測定器で測定し、前記被加工部の寸法と前記両ローラ間の隙間の寸法の関係に基づいて、前記両ローラ間の隙間が前記被加工部の目標となる形状に対応する値になるように前記両ローラの軌道を補正し、前記補正した軌道で前記両ローラを駆動することにより、前記ワークの開口縁部にZ字状継手又はL字状継手を成形する工程、を備えたタンク胴部の製造方法。 - タンクの鏡部を製造する方法であって、
椀形状に成形されたワークを回転させながら前記ワークの内面から成形用ローラを押し当てて前記ワークの開口部周縁の直径を拡大する工程と、
前記ワークを回転させながら前記ワークの開口縁部を内面と外面から成形用ローラ及び成形受け用ローラで挟み込んで成形し、前記両ローラの隙間を透過式レーザセンサで測定し、前記透過式レーザセンサにより測定された前記両ローラの隙間の測定値と、予め設定されている前記両ローラの隙間との差異に応じて前記両ローラの加工軌道を補正し、前記補正した加工軌道で前記両ローラを駆動することにより前記ワークの開口縁部にL字状継手又はZ字状継手を成形する工程と、を備えたタンク鏡部の製造方法。 - タンクの胴部を製造する方法であって、
円筒形状に成形されたワークを回転させながら前記ワークの開口縁部を内面と外面から成形用ローラ及び成形受け用ローラで挟み込んで成形し、前記両ローラの隙間を透過式レーザセンサで測定し、前記透過式レーザセンサにより測定された前記両ローラの隙間の測定値と、予め設定されている前記両ローラの隙間との差異に応じて前記両ローラの加工軌道を補正し、前記補正した加工軌道で前記両ローラを駆動することにより前記ワークの開口縁部にZ字状継手又はL字状継手を成形する工程、を備えたタンク胴部の製造方法。 - 請求項6又は請求項8に記載の製造方法により製造されたタンク鏡部の開口部と、請求項7又は請求項9に記載の製造方法により製造されたタンク胴部の開口部を向き合わせ、一方の開口縁部に形成されたL字状継手と他方の開口縁部に形成されたZ字状継手を周溶接により接続したタンクの製造方法。
- 椀形状の鏡部の開口部と円筒形状の胴部の開口部とを接合したタンクであって、前記鏡部の開口部周縁には、その直径が拡大している直径拡大範囲を有し、前記直径拡大範囲の円筒断面の直径は前記直径拡大範囲に隣接する円筒断面の直径よりも0.5%〜1.3%大きいタンク。
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