JP5734170B2 - ベンディングロール機およびそれによる曲げ加工方法 - Google Patents

Description

この発明は、例えば、回転式電動機やスクロール圧縮機、スライドベーン圧縮機などの機械要素に用いられる円筒筐体を成形するベンディングロール機およびそれによる曲げ加工方法に関するものである。

この種円筒筐体を形成する円筒成形物の製造方法は、様々なものがあり、円筒成形物の形状（直径、厚み、長さ）の他、生産台数を考慮したコストなどから、製造方法が決定される。製造方法は、投入材料の形状の違いから大きく鋳造、継目無鋼管、溶接鋼管の３種類に分類される。

鋳造は、最終形状よりも一回り大きな形状にて製作した鋳型に溶融金属を流し込んで形を作る製造方法である。鋳造後、バリ取りや湯口切りの他、平面や精度が欲しい箇所に対して切削加工などの機械加工により最終形状が実現される。
継目無鋼管は、丸鋼片を加熱後、マンネスマン穿孔機で中空素間とし、プラグミルあるいはマンドレルミルにて圧延され、成形される製造方法である。
溶接鋼管は、板状鋼材あるいはコイルに対してロールあるいはプレスによって管状に成形後、継目を鍛接あるいは溶接によって接続し、鋼管とする製造方法である。

回転式電動機やスクロール圧縮機、スライドベーン圧縮機などでは、円筒筐体を構成する円筒成形物の内径真円度をある精度以上に確保する必要がある。これは、放熱特性や効率、騒音などの製品仕様を満足させるためである。
内径真円度は、上記各種の製造方法で製作された円筒成形物の内径を切削加工することにより確保可能であるが、製造コストを考慮すると、機械加工は極力削除する必要がある。そこで、鋳造品では、湯口位置や形状を工夫したり、温度制御をしたりして形状精度を向上させ、切削する機械加工量を低減し、コスト低減を図っている。

一方、継目無鋼管の場合も、鋳造品と同様、ロールあるいはプレス加工時における成形精度を向上させることによりコスト低減が可能である。しかし、所望の真円度は確保できないため、機械加工量を０とすることはできず、加工精度向上によるコスト低減には限界がある。

また、溶接鋼管に対しては、内側から金型を押付け広げることなどにより、広げる前よりも内径の真円度を向上させることができる。この製造方法を拡管あるいは拡径と呼び、機械加工なしで所望の内径真円度が確保できる。この拡管は、製造コストの観点からも鋳造品以外の鋼管などの円筒成形物に対し、真円度を確保するための製造方法としてよく利用される。

ここで、溶接鋼管には、平材を曲げてＣ字形状にした後、Ｃ字形状の開いた部分(以後
、開口部と呼ぶ)に対して突合せ溶接を行い、鋼管を形作る電縫管やＵＯプレス管、ベン
ディングロール管などがある。この突合せ溶接前における開口部の大きさが溶接品質などに大きな影響を及ぼすことから、如何に開口部の大きさを安定させるかが重要となる。さらに、上述した内径真円度の観点からも、如何により真円に近い形状とすることができるかも重要となる。

これらを解決するために、突合せ溶接も含めた弾性変形を考慮し、領域毎に曲げＲを変化させ、最終形状がより真円に近い形状になるように制御するものがある（例えば特許文献１）。さらには、４本ベンディングロール機を利用し、所望の領域を所望の曲げＲとする装置も提案されている（例えば特許文献２）。
さらに、材料の曲げ剛性の違いにより、開口部の大きさが変化してしまうことから、曲げ加工中に曲げＲを測定したり（例えば特許文献３）、曲げ加工後の開口巾を音圧によって検出したり(例えば特許文献４)して、この情報をフィードバックしながら、追加曲げ加工を繰り返すことにより所望の開口巾を実現するものがある。

ここで、特許文献１、３では、スプリングバック量の理論式や、事前に取得した物性データなどを利用している。
また、特許文献２では、ロール軸は４本有るものの、１本は受け部のみの機能しかなく、曲げＲを制御する曲げロールが１本のため、３本ベンディングロール機に相当する。このままでは、円筒形状を製作するためには、逆向きに平材を投入し直す必要があるものの、考え方を４本ベンディングロール機に適用することは可能である。
以上のことから、４本ベンディングロール機を使用し、成形時までの弾性変形量を理論式や事前に取得した物性データから想定するとともに、曲げＲや開口巾を加工終了時に測定し、ベンディングロール機における曲げロールへの指令値にフィードバックすることにより、安定した開口部寸法及び成形後の真円度の確保が可能となる。

特開平９−１０８５０号公報（３頁左欄９〜２１行、図１） 特開昭６２−１６８６１６号公報（２頁左下欄７〜１８行、図１） 特開平６−１９０４５３号公報（３頁左欄２６〜右欄４９行、図１） 特開昭６１−１８９８２２号公報(２頁左下欄５〜１５行、図３）

上述した先行文献の組み合わせにより、安定した開口部寸法及び成形後の真円度の確保が可能となると考えられるが、実際には、これらの組み合わせだけでは、開口巾のバラツキが大きくなってしまう欠陥が生じることになる。下記にその要因を説明する。
特許文献２での４本ベンディングロール機は、平材挟み込み(ピンチ)を油圧制御により実現している。４本ベンディングロール機の曲げ原理から、曲げ加工時において曲げロールが受ける反力と平材を挟み込んでいるピンチ力などがつりあいの関係に有る。平材の曲げ剛性に差異が有る場合、また、平材自身に曲げ剛性に差異が無くてもスリット穴などの存在により領域毎に見かけ上の曲げ剛性に差異が発生する場合においても、この曲げロールが受ける反力、ひいては、ピンチ力が変化することになる。更に、追加曲げ加工を行う際にも、曲げ始め前の曲げＲに応じて曲げロールが受ける反力が変動することから、ピンチ力が変化することになる。
ここで、油圧制御の場合、油温による粘性変化に伴い応答性が変動することから、一定でないピンチ力に対するバラツキも大きくなってしまう。以上の結果、同じ曲げ剛性であっても開口部がばらつくことになる。

なお、ピンチ力を大きな値に設定し、上記の影響度合いを低減することも考えられるが、スリット穴などが存在する平材の場合には、圧延されないようにピンチ力を低減させる必要があり、機種毎に設定値を変更させる必要があるとともに、最適な値が設定できず曲げ加工できない機種が発生する可能性がある。

また、特許文献１、２では、理論式のモデル化に対する誤差は必ず存在すること、同一平材内でも物性が不均一であること、変種変量生産システムでは事前物性データの取得が困難であることなどから理論式や事前に取得した物性データの利用には限界があり、より現実に適した制御方法が必要である。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、平材の曲げ剛性あるいは平材内の曲げ剛性に違いが発生しても、安定した曲げ加工を実現することが可能なベンディングロール機およびそれによる曲げ加工方法を提供することを目的としている。

この発明に係るベンディングロール機は、４本のロール軸を備えたものにおいて、ロール軸に供給される平材の板厚を測定する板厚測定部と、４本のロール軸により曲げ加工された平材の開口幅を測定する開口測定器と、板厚測定部の出力に基づき平材を挟み込む一方のロール軸の位置を制御するとともに、開口測定器の測定した開口幅情報から追加曲げ加工の要否を決定する制御器を備え、追加曲げ加工時、制御器により上記ロール軸を追加曲げ加工前の押上量に対し一定量だけ増加させた昇降量とし、曲げ形状が相似形を保ったまま上記開口幅を狭めることを特徴としたものである。

また、この発明に係るベンディングロール機による曲げ加工方法は、４本のロール軸を備えたものにおいて、ロール軸に供給される平材の板厚を測定し、この出力に基づき平材を挟み込む一方のロール軸の位置を制御するとともに、４本のロール軸により曲げ加工された平材の開口幅を測定してこの測定した開口幅情報から追加曲げ加工の要否を決定し、追加曲げ加工時、開口幅情報に基づきロール軸を追加曲げ加工前の押上量に対し一定量だけ増加させた昇降量とし、曲げ形状が相似形を保ったまま上記開口幅を狭めるようにしたものである。

この発明によれば、理論式や事前の曲げ測定を利用することなく、曲げ剛性に差異があっても、安定した曲げ加工を実現できるという効果を得ることができる。

本発明の実施の形態１による４本ベンディングロール機を上方から見た概観図である。 図１における４本ベンディングロール機を側面から見た概観図である。 本発明の実施の形態１によるワークテーブルを上面から見た概観図である。 本発明の実施の形態１による板厚測定装置を示す概観図である。 本発明の実施の形態１による曲げ加工工程の外観を示す断面図である。 本発明の実施の形態１による板厚測定装置の動作過程を示す概観図である。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１に係る４本ベンディングロール機について図に基づいて説明する。
図１は本発明の実施の形態１である４本ベンディングロール機を上方から見た概観図、図２は図１における側面概観図である。図において、４本ベンディングロール機１は、平材供給部２と、曲げ加工部３と、排出機構部４と、供給される平材５に応じて各機構部を制御する制御器（図示せず）などから構成されている。
平材供給部２は、一枚の平材５を設置し、曲げ加工部３へ供給するワークテーブル２1
と、その両側に複数枚の平材５を仮置することが可能なフレーム構造を有する保管フレーム２２と、保管フレーム２２の下方に取り付けられ、保管フレーム２２を移動可能とする台車２３と、保管フレーム２２内の平材５をワークテーブル２１上に設置する平材搬送部２４とから構成されている。

ここで、ワークテーブル２１は、図３に示すようにテーブル上に設置された一枚の平材５を曲げ加工部３へ供給する平材押出機構部２１ａと、平材５の幅方向の位置を決める複数の幅決め機構部２１ｂとが設置されている。なお、平材押出機構部２１ａは、図示しない電動モータとボールねじなどから構成される直動システムで、ワークテーブル２１上に設置された平材５を曲げ加工部３へ押込む初期の押込み量を決定している。
また、幅決め機構部２１ｂは、平材５が曲げ加工部３と正しい姿勢を保つよう、平材押出機構部２１ａの平材５の押出量と連動して動作するとともに、平材５の幅方向寸法を測定して測定した幅が設定された機種と同一であるかを判断し、異なる場合には図示しないアラームを動作させるとともに装置を停止する。さらに、ワークテーブル２１上には複数の近接センサ２１ｃが設置され、平材５がワークテーブル２１上に存在するかはもちろんのこと、平材５にスリット穴が開いている機種などの判別が可能となるように構成されている。
なお、左右の保管フレーム２２には異なる機種に対応した平材５を設置することも可能であり、複数機種に対応できるように構成されている。

また、平材搬送部２４は、平材５を真空吸着するための吸着パッド２４ａと、吸着パッド２４ａを略鉛直方向に移動させる上下動作軸２４ｂと、これらの吸着機構をワークテーブル２１上および保管フレーム２２上の間を移動させる左右移動機構２４ｃとから構成されている。また、平材搬送部２４の前方には、平材５の板厚測定部６が設置されている。
この板厚測定部６は、図４に示すように、平材搬送部２４の曲げ加工部３側先端に回動可能に設けられ、平材５の供給路から退避させる回転駆動部６ａと、回転駆動部６ａに支持され、平材５の板厚方向に移動される直動駆動部６ｂと、この直動駆動部６ｂの移動量を計測して平材５の板厚を把握する移動量センサ部６ｃと、直動駆動部６ｂの動作停止時に移動量センサ部６ｃを平材５から解放するばね６ｄと、板厚測定時に直動駆動部６ｂによって平材５を挟み込む上部接点６ｅおよび可動側の下部接点６ｆとから構成されている。ここで、回転駆動部６ａには、回転式電動機を直接利用したものや、エアシリンダを用いたリンク機構を利用するなど一般的な構成で実現可能であり、同様に、直動駆動部６ｂには、一般的なエアシリンダや回転電動機とボールねじなどの組み合わせによる構成が利用可能である。

曲げ加工部３は、主要部概観である図５に示すように、平材５の設置位置より下方に３つのロール軸３１、３２、３３が配置され、上方に１つのロール軸３４、合計４本のロール軸が設置されている。ここで、平材５の挟み込みは、軸中心が略鉛直方向同一直線上に設置されるロール軸３２とロール軸３４で実現される。このロール軸３２は、図示しない昇降機構により、ロール軸３４側へ移動して平材５を挟み込むことになる。この図示しない昇降機構は、電動モータと台形ねじなどの直動システムで構成されるとともに、電動モータに付随のモータ回転量を検出するセンサにて移動量を制御可能となっている。また、ロール軸３４の一端は、曲げ加工時に軸支持部３５によって支持され、曲げ加工完了後、解放されるように構成されており、ロール軸３４の回転も図示しない電動モータにより行い、この回転量を制御することによって平材５の送り量を制御することができる。

さらに、ロール軸３１、ロール軸３３は、図示しない電動モータと台形ねじなどからなる昇降機構により略鉛直方向に移動可能であり、これらのロール軸高さにより、平材５の曲げ加工時における曲がり方を制御することができる。
また、平材５の排出時には、軸支持部３５がロール軸３４を開放し、軸支持部３５方向に平材５を搬送させる排出機構部４が設置されている。
この排出機構部４は、Ｃ字状に曲げ加工された平材５を浮かせながら搬送するために、略円弧状の受け部４１がロール軸３４上方に図示しない直動システムにて昇降可能に設置され、曲げ加工時には、ロール軸３４と平材５間の空間に位置する。この昇降軸により、最終内径が異なる機種にも対応可能となっている。
さらに、曲げ加工後のＣ字形状の開口部の幅を測定するため、開口部を照明する複数の照明３６とカメラなどの開口測定器３７とが設置されている。なお、各装置は、各種センサの入力に基づき図示しない制御器によってその制御量が決定されている。

次に、曲げ加工の工程を図５、図６に基づいて説明する。
まず、平材搬送部２４が左右移動機構２４ｃにより加工対象の保管フレーム２２上方に移動され、上下動作軸２４ｂにより吸着パッド２４ａが保管フレーム２２内に収納された平材５と接触する。ここで、上下動作軸２４ｂは、空気駆動のエアシリンダなどから構成されており、収納されている平材５の量によらず、一定力にて吸着パッド２４ａを平材５に押し付け、その後、吸着パッド２４ａを真空引きして平材５を吸着パッド２４ａに吸着させる。次に、上下動作軸２４ｂにより平材５を上方に移動して保持し、板厚測定部６にて平材５の板厚を図６に示すようにして測定する。

図６（a）は、板厚測定部６の初期状態を示すもので、回転駆動部６ａにより平材５の
供給路から離れた姿勢を取っており、また、ばね６ｄの反力により直動駆動部６ｂは最も開いた状態に維持されている。この状態から、左右移動機構２４ｃにより平材搬送部２４が保管フレーム２２上に移動され、上下動作軸２４ｂの動作により平材５表面へ吸着パッド２４ａを押し付け、真空引きされることにより一枚の平材５が吸着される。その後、上下動作軸２４ｂにより平材５は引き上げられ、図６（ｂ）に示すように移動量センサ６ｃに対応する位置に保持される。

次いで、回転駆動部６ａを動作させ、図６（ｃ）に示すように平材５を挟み込める姿勢となる。このとき、移動量センサ６ｃは、平材５に対して隙間を有する。次に、直動駆動部６ｂを動作させると、ばね６ｄの付勢力が緩和され、直動可能に設置された直動駆動部６自身も平材５に接近する方向に移動し、図６（ｄ）に示すように平材５を挟み込むことになる。このときの移動量を移動量センサ６ｃにより計測し、平材５の板厚を把握することが可能となる。
なお、センサ出力には測定バラツキが必ず存在するため、このバラツキ低減を目的として、同一箇所において、一定時間測定後、その平均値を板厚とみなすことにしている。
その後、直動駆動部６ｂを駆動すると、ばね６ｄにより上部接点６ｅと下部接点６ｆが平材５からより離れた位置に保持されることになるため、直動駆動部６ｂ、ひいては、板厚測定部６を損傷する恐れがなくなり、この結果、確実な板厚測定を行なわせることができる。

次いで、ワークテーブル２１へ平材５を供給することになるが、測定結果が加工予定の板厚から大きく異なる場合、例えば、平材５に付着しているプレス加工油などにより平材５が接着して２枚同時に持ち上げられたり、保管フレーム２２に加工予定以外の平材５が設置された場合には、アラームを動作させて装置を停止する。

板厚測定後、問題がなければ、平材５を左右移動機構２４ｃにてワークテーブル２１の上方まで移動し、上下動作軸２４ｂにてワークテーブル２１上に平材５を押し付ける。その後、吸着パッド２４ａへの真空供給を停止するとともに、真空破壊を行い、平材５をワークテーブル２１上にセットする。この後、吸着パッド２４ａを上下動作軸２４ｂにて上方にて待機させる。

次に、複数の幅決め機構部２１ｂによりワークテーブル２１上の平材５の幅決め（姿勢決め）を行なうとともに、平材５の幅が測定され、次いで、平材押出機構部２１ａが動作して平材５を所望の位置まで押出す。このとき、ワークテーブル２１上に設置された近接センサ２１ｃにより、平材５に設置された穴などの存在を検出して平材５の機種を判別し、予定通りの平材５が供給されているかを確認する。
平材５を平材押出機構部２１ａにより所望位置に移動した後、軸支持部３５が図示しない油圧駆動などにより閉じられてロール軸３４を支持するとともに、先に測定した板厚情報に基づいて所定の位置までロール軸３２が移動し、平材５をロール軸３４とともに挟み込む（ピンチする）。また、受け部４１が図示しない昇降軸により所望の高さとなり、曲げ加工の準備が完了する。
その後、ロール軸３４の移動量つまり平材５の送り量と、ロール軸３１あるいはロール軸３３の位置を制御してロール軸３２、３４を回転させることにより、所望の曲げＲが実現される。

この曲げ加工完了後に、図５に示すように、開口測定器３７にて開口部の開口幅を測定し、この幅が所望範囲内であれば、ロール軸３１、ロール軸３２、ロール軸３３を所定位置まで降下させて平材５の挟み込みを解除するとともに、軸支持部３５を開放させ、受け部４１を所望の位置まで上昇させて加工後の平材５（Ｃ字形状ワーク）を持ち上げる。この状態で、排出機構部４を駆動させ、開放された軸支持部３５側へ平材５を押し出すことによりＣ字形状ワークが次工程へ供給されることになる。

ここで、Ｃ字形状ワークの開口幅が所望範囲外であれば、追加曲げ加工を行なうことになるが、この追加曲げ加工は、ロール軸３１、３３の押上量を制御することで実現する。すなわち、追加加工前の押上量に対して、開口幅の大きさに応じた一定量だけ、ロール軸３１、３３を追加曲げ加工時に押し上げることにより、曲げ形状が相似形を保ったまま、開口幅を狭めることが可能となる。なお、上記一定量は、実験的に求めた追加の押上量と開口幅の変化量との関係から算出される。

上述の実施例においては、平材５を真円に曲げ加工する場合について説明したが、真円でない形状にする場合もあり、以下にその実施例について説明する。
曲げ加工されたＣ字形状ワークは、次工程にて突合せ溶接が行われ、パイプ形状を形成することになるが、この突合せ溶接時には開口部を閉じる方向に外力を加える必要がある。
この突合せ動作と溶接により、パイプ形状ワークの曲げ半径が変形する。これらの変形量を見越した曲げ形状を実現する場合もあり、このような場合には、平材５の領域毎に目標曲げ半径を変化させることで対応する。これも、領域毎に曲げロール軸３１、３３の押上量を変化させることとなる。これらの目標曲げ半径は、実験的に所望の曲げ半径を特定する。
この場合においても、追加曲げ加工時には、領域毎に設定した曲げロール軸３１、３３の押上量を一定量だけ押し上げ、曲げ半径を一定量だけ小さくすることにより、相似形を保ったまま開口幅を狭めることが可能となる。

なお、平材５の領域毎に異なる目標曲げ半径を設定する場合においても、このような繰
り返し曲げ加工を行うことにより、追加曲げ加工時における追加曲げ加工前の曲げＲとの関係が維持でき、安定した曲げＲを実現することができ、結果として、開口幅のバラツキを低減することが可能となる。
また、ロール軸３１、３２、３３、３４を略鉛直方向に動作させる場合について説明したが、略円弧状に動作させる場合であっても、同様な曲げ加工を行なわせることができる。
また、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１：ベンディングロール機 ２：平材供給部 ２１：ワークテーブル
２１ａ：平材押出機構部 ２１ｂ：幅決め機構部 ２１ｃ：近接センサ
２２：保管フレーム ２３：台車 ２４：平材搬送部
２４ａ：吸着パッド ２４ｂ：上下動作軸 ２４ｃ：左右移動機構
３：曲げ加工部 ３１、３２、３３、３４：ロール軸 ３５：軸支持部
３７：開口測定器 ４：排出機構部 ４１：受け部 ５：平材
６：板厚測定部 ６ａ：回転駆動部 ６ｂ：直動駆動部
６ｃ：移動量センサ

Claims (4)

1. 平材を挟み込む２つのロール軸と、これらロール軸の前後に設置されるとともに、昇降動作が可能な２つのロール軸とからなるベンディングロール機において、
   上記ロール軸に供給される平材の板厚を測定する板厚測定部と、上記４本のロール軸により曲げ加工された平材の開口幅を測定する開口測定器と、上記板厚測定部の出力に基づき上記平材を挟み込む一方のロール軸の位置を制御するとともに、上記開口測定器の測定した開口幅情報から追加曲げ加工の要否を決定する制御器を備え、上記追加曲げ加工時、上記制御器により上記ロール軸を追加曲げ加工前の押上量に対し一定量だけ増加させた昇降量とし、曲げ形状が相似形を保ったまま上記開口幅を狭めることを特徴としたベンディングロール機。
2. 上記板厚測定部は、平材搬送部に設けられ、平材の供給路から退避させる回転駆動部と、平材の板厚方向に移動され、平材を挟み込ませる直動駆動部と、この直動駆動部の移動量を計測し、平材の板厚を把握する移動量センサとを備えたことを特徴とする請求項１記載のベンディングロール機。
3. 上記ロール軸に供給される平材の種類、幅を検出するセンサを備えたことを特徴とする請求項２記載のベンディングロール機。
4. 平材を挟み込む２つのロール軸と、これらロール軸の前後に設置されるとともに、昇降動作が可能な２つのロール軸とからなるベンディングロール機による曲げ加工方法であって、
   上記ロール軸に供給される平材の板厚を測定し、この出力に基づき上記平材を挟み込む一方のロール軸の位置を制御するとともに、上記４本のロール軸により曲げ加工された平材の開口幅を測定し、この測定した開口幅情報から追加曲げ加工の要否を決定し、追加曲げ加工時、上記開口幅情報に基づき上記ロール軸を追加曲げ加工前の押上量に対し一定量だけ増加させた昇降量とし、曲げ形状が相似形を保ったまま上記開口幅を狭めるようにしたことを特徴とするベンディングロール機による曲げ加工方法。

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