JP4616917B2 - 管体切断装置及び管体切断方法 - Google Patents

管体切断装置及び管体切断方法 Download PDF

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Description

この発明は、薄肉管体を軸方向における任意の切断位置で切断する管体切断装置及び管体切断方法に関する。
所定長さの金属製薄肉管体は、所定長さよりも長い金属薄板を平行な2端面が互いに近接するように丸めた後、2端面の間を溶接して円筒形状の管体とし、所定長さに切断して製造される。管体の切断に用いられる管体切断装置として、管体の外周面に当接する切断用バイトを管体の内部に向かって管体の半径方向に移動させるものがある(例えば、特許文献1参照。)。
ところが、切断用バイトを管体の外周面から内部に向かって移動させる装置で強度の弱い薄肉管体を切断しようとすると、薄肉管体が半径方向に変形し、製品の真円度が低下する。このため、薄肉管体の切断に用いられる従来の管体切断装置として、薄肉管体の外周面に接触させて外刃を配置するとともに、薄肉管体の内部に内刃を配置し、内刃を回転させつつ薄肉管体の外側に向かって移動させる装置が提案されている。
例えば、中空軸体及び傾斜カムを用いることで、内刃に回転力を供給しつつ、管体の半径方向の移動力を与えることが考えられる。中空軸体は、管体内に管体と同軸上に挿入し、内刃を中空軸体に保持部材を介して軸方向の所定位置で半径方向に移動自在に軸支するとともに、保持部材に当接する傾斜カムを軸方向に移動自在にして内部に備える。中空軸体を回転させつつ、傾斜カムを中空軸体の軸方向に移動させると、管体の半径方向における保持部材と傾斜カムとの当接位置が変位し、内刃は回転しつつ管体の半径方向に移動する。
但し、内刃ダイスを管体の半径方向に移動自在に軸支した中空軸体を回転させながら、中空軸体の内部で傾斜カムを軸方向に移動させるためには、管体の内部に挿入すべき中空軸体の構造が複雑化、大型化し、直径100mm前後の比較的小径の薄肉管体の切断に適用できない。
また、内刃を回転させながら管体の半径方向に移動させる構成として、管体の軸方向に直交する面内で揺動自在に支持されたリンク機構を用いることも考えられるが、この場合にもリンク機構を動作させるための構造が複雑化、大型化し、比較的小径の薄肉管体の切断には適さない。
そこで、出願人は、管体外部に配置した駆動機構を用いて内刃を回転させつつ管体の半径方向に移動させる管体切断装置及び管体切断方法を提案した(特許文献2参照。)。特許文献2に記載された発明では、内刃を回転させつつ管体の半径方向に移動させる駆動機構としてリングギアとプラネタリギアとからなる遊星ギア機構を用いている。
プラネタリギアをリングギアのピッチ円に沿って公転移動させると、プラネタリギアはリングギアとの歯数差により、公転時の角速度よりも早い角速度で自転する。プラネタリギアの自転により、内刃を軸支した第2の軸が第1の軸に偏心して回転し、第2の軸に軸支された内刃の外周面で管体の中心から最も離れた部分の位置が徐々に変化する。
内刃の外周面で管体の中心から最も離れた部分の位置が管体の中心からさらに離れる方向に移動することで、内刃の外周面は管体の内周面に当接した後、管体の外側に露出し、外刃との間で管体が切断される。
リングギアの歯数をZ1、リングギアとプラネタリギアとの歯数差をZ2として、プラネタリギアがNP(但し、NP=Z1/Z2)回転だけ公転したときに、内刃が初期位置に戻る。この間に、内刃の一部が管体の周面に沿うN個の位置で管体の外側に露出する結果、管体が全周にわたって切断される。
特開平7−136981号公報 特許第4264908号公報
特許文献2に記載された発明では、管体内に複雑な機構を配置する必要が無いため、比較的小径の薄肉管体の切断を行うことができる。しかし、特許文献2に記載された発明は、遊星ギア機構を用いて内刃を回転させつつ管体の半径方向に移動させるものであるためリングギアとプラネタリギアとのピッチ円径の差は、内刃の半径方向の移動量の2倍とする必要があり、歯数差Z2を十分に大きくできない。このため、内刃が管体の全周を切断するまでに長時間を要する。
また、設計上、リングギア及びプラネタリギアの各歯数を歯数差Z2の整数倍にすることは困難である。このため、プラネタリギアの公転位置を初期位置に早期に戻すためには、プラネタリギアを逆回転させる必要があり、制御が複雑になる。
これらの結果、特許文献2に記載された発明では、比較的長尺の管体を軸方向の複数の位置で連続して切断する作業を短時間で行うことができない問題があった。
この発明の目的は、管体の全周を短時間で切断できるとともに、内刃を動作させる機構を初期位置まで戻す作業を不要にし、長尺の管体を軸方向の複数の位置で連続して切断する作業の短時間化を実現できる管体切断装置及び管体切断方法を提供することにある。
上記の課題を解決するために、この発明の管体切断装置は、内刃、第1及び第2の外刃、駆動源、主軸体、偏心軸体、回転伝達手段を備えている。内刃は、円盤状を呈し、管体の内部で管体の中心軸である主軸に対して管体の第1の半径方向に沿って管体の半径と内刃の半径との差より大きい所定長さだけ偏心した偏心軸から、第1の半径方向の逆方向の第2の半径方向に沿って所定長さだけ偏心した回転軸に軸支されている。第1及び第2の外刃は、管体の外周面に全周にわたって内周面が当接する環状を呈し、管体の軸方向における互いに対向する側面のそれぞれの位置を内刃の両側面の位置に略一致させて配置される。駆動源は、回転を出力する。主軸体は、開放端側を管体の内部に挿入するとともに、管体の外部に露出した基端側で主軸を中心に回転自在に支持され、主軸から所定長さだけ偏心した位置で両端に開放した円形断面の貫通孔を有する。偏心軸体は、円柱状を呈し、貫通孔に軸支され、管体の内部で主軸体の開放端から露出した第1の端部に内刃の中心位置を主軸位置に一致させて内刃を固定するとともに、第2の端部が管体の外部に露出している。回転伝達手段は、主軸体の基端側及び偏心軸体の第2の端部のそれぞれに駆動源の回転をN対M(N及びMは互いに異なる自然数)の比率で伝達する。
この構成では、駆動源の回転が、切断すべき管体の外部で、主軸体と主軸体に対して所定長さだけ偏心した偏心軸体とのそれぞれに、N対Mの比率で伝達される。偏心軸体が主軸体の回転によって主軸から所定長さ離れた円周上をN回移動する間に、偏心軸体に固定された内刃が偏心軸体の中心から所定長さ離れた円周上をM回移動する。内刃は主軸に対して2重に偏心して回転しつつ移動するとともに、所定長さは管体の半径と内刃の半径との差より大きいため、偏心軸体がN回移動する間に内刃の周面の一部が管体の円周方向における互いに異なる複数の位置で回転しつつ内部から外部に複数回露出する。これによって、管体が内刃と外刃とによって全周にわたって切断される。管体内の内部には、偏心軸体を軸支した主軸体が挿入されるのみで、複雑な機構が配置されることがない。
この構成において、回転伝達手段は、駆動源の回転を主軸体に第1の減速比で伝達する第1伝達部と、主軸回りに軸支された中間軸体と、駆動源の回転を第1の減速比のM/Nの減速比で中間軸体に伝達する第2伝達部と、中間軸体の回転を偏心軸体に1の減速比で常時伝達する喰違い軸継手と、を含むものとすることが好ましい。管体の外部で、主軸体及び偏心軸体のそれぞれに駆動源の回転をN対Mの比率で回転を容易に供給することができ、構造を簡略化できる。
また、喰違い軸継手は、中間軸体に同心状に固定された第1円盤と、偏心軸に同心状に固定されて第1円盤に偏心軸を通る直径方向にのみ摺動する第2円盤と、を含むものとすることが好ましい。主軸体に対して偏心した円周上を移動する偏心軸体に、主軸体と同一の駆動源から容易に回転を供給することができる。
この発明の管体切断方法は、3工程を含む。第1の工程は、円盤状の内刃を、切断すべき管体の中心軸である主軸に対して管体の第1の半径方向に沿って管体の半径と内刃の半径との差より大きい所定長さだけ偏心した偏心軸から、第1の半径方向の逆方向の第2の半径方向に沿って前記所定長さだけ偏心した位置で、前記管体の内部に配置する工程である。第2の工程は、第1及び第2の外刃を、その内周面が管体の外周面に全周にわたって当接するとともに、管体の軸方向における互いに対向する側面のそれぞれの位置を内刃の両側面の位置に略一致するように配置する工程である。第3の工程は、主軸を中心に偏心軸をN(Nは自然数)回転させる間に回転軸を中心に内刃をM(MはNと異なる自然数)回転させる工程である。
この発明によれば、管体の全周を短時間で切断できるとともに、内刃を動作させる機構を初期位置まで戻す作業を不要にし、長尺の管体を軸方向の複数の位置で連続して切断する作業の短時間化を実現できる。
この発明の実施形態に係る管体切断装置の側面断面図である。 同管体切断装置の喰違い軸継手を示す斜視図である。 同管体切断装置における主軸体、偏心軸体及び内刃の移動を示す図である。
以下に、この発明の実施形態に係る管体切断装置について、図面を参照しつつ説明する。
図1に示すように、この発明の実施形態に係る管体切断装置100は、一例として、ステンレス等の金属製の薄肉管体であるワークWから所定の長さの管体製品を製造する製造作業に用いられ、主軸体1、偏心軸体2、内刃3、外刃4,5、中間軸体6、喰違い軸継手7、駆動軸体8、第1伝達ギア列9、第2伝達ギア列10、モータ50を備えている。
主軸体1は、ワークWより小径の管体であり、主軸体1の開放端12から軸方向の中間部までの間にワークWが外嵌する。主軸体1の基端11側には、フランジ部13を挟んで径を拡大された軸支部14が形成されている。主軸体1は、軸支部14の外周面を軸受111に軸支されている。軸受111は、ベアリング34,35を備え、前面側のフレーム101に固定されている。主軸体1には、基端11及び開放端12に開放した貫通孔15が形成されている。貫通孔15の中心軸は、主軸体1の中心軸である主軸20に対して所定長さLだけ偏心した偏心軸30に一致している。主軸体1の外周面における基端11側には、全周にわたってストッパ16が形成されている。ストッパ16は、開放端12側から外嵌するワークWの位置を規定する。
偏心軸体2は、主軸体1の貫通孔15に回転自在に嵌入している。偏心軸体2の基端21側には、順に径を拡大された段部24及び大径部25が形成されている。偏心軸体2は、ベアリング31〜33を介して段部24及び大径部25の外周面を軸支部14に軸支されている。偏心軸体2の開放端22には、小径の軸部26が形成されている。軸部26の中心軸は、偏心軸30に対して所定長さLだけ偏心しており、初期位置で主軸20に一致している。
内刃3は、中空円盤状を呈し、偏心軸体2の軸部26に外嵌している。内刃3は、固定具27、固定ネジ28及びロックナット29を介して偏心軸体2の開放端22に固定される。内刃3の外径は、管体Wの内径よりも僅かに小さくされている。なお、所定長さLは、管体Wの半径と内刃3の半径との差より大きくされている。
外刃4及び5は、この発明の第1及び第2の外刃であり、それぞれ環状を呈し、内周面が管体Wの外周面に全周にわたって当接する。外刃4及び外刃5は、それぞれの対向面が主軸Lに沿う方向について内刃3の両面の位置に略一致する位置に配置されている。外刃4,5のそれぞれは、一例として左右2分割に構成されており、内周面が管体Wの外周面に当接する位置と水平方向について管体Wの外周面の位置に重複しない位置との間に移動自在にされている。
中間軸体6は、中心軸を主軸20一致させて、ベアリング36,37を備えた軸受112に軸支されている。軸受112は、背面側のフレーム102に固定されている。
喰違い軸継手7は、一例としてオルダム継手であり、図2に示すように、駆動側円盤71、中間円盤72及び従動側円盤73からなる。駆動側円盤71は、中間軸体6の一端面に同心状に固定されている。従動側円盤73は、ボス部732に嵌入した偏心軸2の基端部に、図示しないキーを介して同心状に固定されている。中間円盤72は、駆動側円盤71と従動側円盤73との間に配置されている。
駆動側円盤71の中間円盤72に対向する面には、中心線が偏心軸30を通る凸条711が突出して形成されている。中間円盤72の駆動側円盤71に対向する面には、凸条711が長手方向に沿って摺動自在に嵌入する溝721が形成されている。中間円盤72の従動側円盤73に対向する面には、凸条722が形成されている。中間円盤72において、溝721及び凸条722は、主軸20及び偏心軸30を法線方向とする面内で互いに直交する。従動側円盤73の中間円盤72に対向する面には、凸条722が長手方向に沿って摺動自在に嵌入する溝731が形成されている。
駆動側円盤71の回転は、凸条711と溝721との嵌合によって中間円盤72に伝達される。中間円盤72の回転は、凸条722と溝731との嵌合によって従動側円盤73に伝達される。従動側円盤73は、駆動側円盤71と同一の回転数で回転する。
喰違い軸継手7は、凸条711,722と溝721,731との嵌合によって回転を伝達するものに限らず、互いに偏心した2軸の間で回転を伝達できることを条件に、丸孔とピンとの係合やリンク機構を備えたものであってもよい。
駆動軸体8は、両端を軸受113及び軸受114に軸支されている。軸受113は、ベアリング38を備え、フレーム101に固定されている。軸受114は、ベアリング39,40を備え、フレーム102に固定されている。
第1伝達ギア列9は、この発明の第1伝達部に相当し、ギア51〜53からなり、フレーム101とフレーム102との間でフレーム101側に配置されている。ギア51は、この発明の駆動源であるモータ50の出力軸に固定されており、ギア52に噛合している。ギア52は、駆動軸体8のフレーム101側端部にキー61を介して固定されており、ギア51及びギア53に噛合している。ギア53は、主軸体1の基端部にキー62を介して固定されており、ギア52に噛合している。一例として、ギア52及びギア53の歯数は70にされている。第1伝達ギア列9は、モータ50の出力軸の回転をギア51〜53を介して主軸体1に供給する。
第2伝達ギア列10は、この発明の第2伝達部に相当し、ギア54,55からなり、フレーム101とフレーム102との間でフレーム102側に配置されている。ギア54は、駆動軸8のフレーム102側にキー63を介して固定されており、ギア54に噛合している。ギア55は、キー64を介して中間軸6に固定されている。一例として、ギア54の歯数は60、ギア55の歯数は80にされている。第2伝達ギア列10は、モータ50の出力軸の回転を駆動軸体8、ギア51〜53を介して中間軸体6に供給する。
ギア52及びギア53の歯数は同一であるため、主軸体1は駆動軸体8と同一の速度で回転する。ギア54の歯数はギア55の歯数の3/4であるため、中間軸体6は駆動軸体8の3/4の速度で回転する。したがって、ギア54,55で構成された第2伝達ギア列10は、モータ50の回転を第2伝達ギア列9の減速比の3/4の減速比で中間軸体6に伝達する。
中間軸体6の回転は、喰違い軸継手7を介して偏心軸体2に伝達される。喰違い軸継手7は、中間軸体6の回転を同一の回転数で偏心軸体2に伝達する。主軸体1の回転により、偏心軸体2は、主軸20を中心として所定長さLを半径とする円周上を移動する。この間に、偏心軸体2に喰違い軸継手7から主軸体1の回転速度の3/4の速度で回転が供給され、偏心軸体2は主軸体1の回転速度の3/4の速度で回転しつつ主軸20を中心として所定長さLを半径とする円周上を移動する。
喰違い軸継手7は、中間円盤72の溝721内を駆動側円盤71の凸条711が第1の直径方向に沿って摺動し、中間円盤72の凸条722が従動側円盤73の溝731内を第1の直径方向に直交する第2の直径方向に沿って摺動する。これによって、中間軸体6の回転を偏心軸体2とともに主軸20を中心として所定長さLを半径とする円周上を移動する従動側円盤73に駆動側円盤71の主軸20回りの回転を常時伝達することができる。
偏心軸体2の開放端12から突出した軸部26に固定された内刃3は、偏心軸体2の回転により、偏心軸30を中心として所定長さLを半径とする円周上を移動する。このため、内刃30は、管体Wの中心軸に一致する主軸20に対して、所定長さLだけ偏心した円周上を移動する偏心軸30から更に所定長さLだけ偏心した円周上を移動する。
管体切断装置100では、図3(A)に示すように、軸部26及び内刃3の中心の初期位置が主軸20上に設定されている。
円盤状の内刃を、切断すべき管体の中心軸である主軸に対して前記管体の第1の半径方向に沿って前記管体の半径と前記内刃の半径との差より大きい所定長さだけ偏心した偏心軸から、前記第1の半径方向の逆方向の第2の半径方向に沿って前記所定長さだけ偏心した位置で、前記管体の内部に配置する工程と、
第1及び第2の外刃を、その内周面が前記管体の外周面に全周にわたって当接するとともに、前記管体の軸方向における互いに対向する側面のそれぞれの位置を前記内刃の両側面の位置に略一致するように配置する工程と、
前記主軸を中心に前記偏心軸をN(Nは自然数)回転させる間に前記回転軸を中心に前記内刃をM(Mは自然数)回転させる工程と、
この発明に係る管体切断方法により、管体切断装置100を用いて管体Wを切断する際には、内刃3をその中心位置が主軸20に一致する初期位置に配置する。この状態で、外刃4,5を左右に分割して内周面を主軸体1の外周面から離間させ、管体Wを一端がストッパ16に当接するまで主軸体1に外嵌させる。
これによって、内刃3は、主軸20に対して管体Wの第1の半径方向に沿って管体Wの半径と内刃3の半径との差より大きい所定長さLだけ偏心した偏心軸30から、第1の半径方向とは逆方向の第2の半径方向に沿って所定長さLだけ偏心した位置で、管体Wの内部に配置される。
次いで、外刃4,5のそれぞれを、内周面が管体Wの外周面に当接するように一体化する。これによって、外刃4,5は、その内周面が管体Wの外周面に全周にわたって当接するとともに、管体Wの軸方向における互いに対向する側面のそれぞれの位置を内刃3の両側面の位置に略一致するように配置される。
管体Wを外刃4,5によって把持した状態で、モータ50を駆動する。モータ50の出力軸の回転が第1伝達ギア列9、第2伝達ギア列10及び喰違い軸継手7を介して主軸体1及び偏心軸体2に供給される。主軸20を中心に偏心軸30が4回転するようにモータ50を駆動することで、偏心軸30を中心に内刃3が3回転する。
図3(A)に示す位置からモータ50を駆動すると、内刃3は、所定長さLだけ偏心した円周上を第1の速度で移動する偏心軸30から更に所定長さLだけ偏心した円周上を第2の速度で同一方向に移動する。第2の速度は第1の速度の3/4の速度であるため、主軸体1が1〜3回転したときに、偏心軸体2はそれぞれ図3(E)、(I)、(M)に示すように3/4回転、3/2回転、9/4回転する。
これによって、内刃3は、管体Wに対して回転しつつ周面の位置を徐々に変え、管体Wの外周面における複数の位置で周面の一部を管体Wの外部に露出させながら移動していく。内刃3の周面の一部が管体Wの外部に露出すると、管体Wが内刃3の両側面と外刃4,5の各対向面との間に挟持され、管体Wが切断される。
偏心軸体2は、主軸体1が1/4回転するごとに、3/16回転する。図3(P)に示す状態では、主軸体1が図3(A)の初期位置から3+3/4回転しており、偏心軸体2は図3(A)の初期位置から2+13/16回転している。図3(P)に示す状態から、主軸体1がさらに1/4回転して初期状態から4回転すると、偏心軸体2は初期状態から3回転し、図3(A)に示す初期状態に戻る。
主軸体1が4回転する間に、偏心軸体2が3回転し、図3(C)と図3(D)との間の位置、図3(E)に示す位置、図3(N)と図3(O)との間の位置の3箇所で、内刃3の外周面が管体Wの外部の最も外側に露出する。これによって、管体Wが全周にわたって完全に切断されるとともに、主軸体1及び偏心軸体2が初期位置に復帰する。
管体Wの切断後に、ストッパ16の位置を主軸20に沿って開放端11側に移動させると、装置を初期状態に復帰させる作業を行うことなく、管体Wを軸方向における複数の位置で切断することができる。これを繰り返すことで、単一の管体Wから軸長の短い複数の短管を短時間で容易に作製することができる。
管体Wの内部には、偏心軸体2が貫通した主軸体1及び偏心軸体2に固定された内刃3のみが存在する。管体Wの内部に複雑な機構を配置する必要がなく、内径の細い管体Wを切断することができる。
なお、主軸体1の外径を切断すべき最小径の管体Wより小径にすることで、内刃3及び外刃4,5の交換によって切断すべき管体Wの径の変化に対応できる。また、主軸体1と偏心軸体2との回転速度比は4対3に限るものではなく、主軸体1が自然数回回転する間に、偏心軸体2が主軸体1と異なる自然数回回転すればよい。
上記の実施形態はいずれも一例であり、この発明はこれらに限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々の変更を加えることが可能である。
1−主軸体
2−偏心軸体
3−内刃
4,5−外刃
6−中間軸体
7−喰違い軸継手
8−駆動軸体
9−第1伝達ギア列(第1伝達部)
10−第2伝達ギア列(第2伝達部)
11−基端
12−開放端
50−モータ(駆動源)
100−管体切断装置
W ワーク(管体)

Claims (5)

  1. 切断すべき管体の内部で前記管体の中心軸である主軸に対して前記管体の第1の半径方向に沿って所定長さだけ偏心した偏心軸から、前記第1の半径方向の逆方向の第2の半径方向に沿って前記所定長さだけ偏心した回転軸に軸支された円盤状の内刃と、
    前記管体の外周面に全周にわたって内周面が当接する環状の第1及び第2の外刃あって、前記管体の軸方向における互いに対向する側面のそれぞれの位置を前記内刃の両側面の位置に略一致させて配置される第1及び第2の外刃と、
    回転を出力する駆動源と、
    開放端側を前記管体の内部に挿入するとともに、前記管体の外部に露出した基端側で前記主軸を中心に回転自在に支持され、前記主軸から前記所定長さだけ偏心した位置で両端に開放した円形断面の貫通孔を有する主軸体と、
    前記貫通孔に軸支され、前記管体の内部で前記主軸体の開放端から露出した第1の端部に前記内刃の中心位置を前記主軸位置に一致させて前記内刃を固定するとともに、第2の端部が前記管体の外部に露出した円柱状の偏心軸体と、
    前記主軸体の基端側及び前記偏心軸体の第2の端部のそれぞれに前記駆動源の回転をN対M(N及びMは互いに異なる自然数)の比率で伝達する回転伝達手段と、
    を備え、前記所定長さは、前記管体の半径と前記内刃の半径との差より大きい管体切断装置。
  2. 前記回転伝達手段は、
    前記駆動源の回転を前記主軸体に第1の減速比で伝達する第1伝達部と、
    前記主軸回りに軸支された中間軸体と、
    前記駆動源の回転を前記第1の減速比のM/Nの減速比で前記中間軸体に伝達する第2伝達部と、
    前記中間軸体の回転を前記偏心軸体に常時伝達する喰違い軸継手と、
    を含む請求項1に記載の管体截断装置。
  3. 前記喰違い軸継手は、前記中間軸体に同心状に固定された駆動側円盤と、前記偏心軸に同心状に固定された従動側円盤と、前記駆動側円盤に直径する第1の直径方向にのみ摺動するとともに前記従動側円盤に前記第1の直径方向に直交する第2の直径方向にのみ摺動する中間円盤と、を含む請求項2に記載の管体切断装置。
  4. 前記Nは4、前記Mは5である請求項1乃至3の何れかに記載の管体切断装置。
  5. 円盤状の内刃を、切断すべき管体の中心軸である主軸に対して前記管体の第1の半径方向に沿って前記管体の半径と前記内刃の半径との差より大きい所定長さだけ偏心した偏心軸から、前記第1の半径方向の逆方向の第2の半径方向に沿って前記所定長さだけ偏心した位置で、前記管体の内部に配置する工程と、
    第1及び第2の外刃を、その内周面が前記管体の外周面に全周にわたって当接するとともに、前記管体の軸方向における互いに対向する側面のそれぞれの位置を前記内刃の両側面の位置に略一致するように配置する工程と、
    前記主軸を中心に前記偏心軸をN(Nは自然数)回転させる間に前記偏心軸を中心に前記内刃をM(MはNと異なる自然数)回転させる工程と、
    を含む管体切断方法。
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