JP6424555B2 - 熱間三次元曲げ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱間三次元曲げ加工装置に関する。

特許文献１には、図１に概要を示す熱間三次元曲げ加工装置１（以下、「３ＤＱ装置」という）が開示されている。以下、この３ＤＱ装置１を説明する。

図１に示すように、閉じた断面を有する中空の被加工材２（以降の説明では鋼管を例にとる）を、所定の位置に固定配置された支持ロール３により位置決めしながら、送り装置４により鋼管２の軸方向（図１中の矢印が示す方向）へ送る。支持ロール３より鋼管２の送り方向の下流側（以下、単に「下流側」とも称し、反対の位置関係を単に「上流側」とも称する。）には、鋼管２を周囲から加熱する環状の高周波誘導加熱コイル５（以下、単に「コイル」ともいう。）が配置される。コイル５を懸垂支持するブスバー（フィーダ）６からコイル５へ高周波電力を供給して、送られる鋼管２をＡｃ_３点以上に加熱する。コイル５の送り方向の下流側に配置された環状の水冷装置７から、加熱された鋼管２の外周に冷却水を噴射して、鋼管２を焼入れる。

そして、コイル５で加熱されてから水冷装置７で冷却されるまでの領域に形成されている鋼管２の高温部２ａに、水冷装置７よりも下流側に配置された挟持手段または把持手段８と支持ロール３とにより連続的または断続的に曲げモーメントを付与することにより、鋼管２に熱間曲げ加工を行って曲げ部材９を製造する。

なお、高温部２ａの軸方向の長さは曲げ加工可能な範囲で短いことが、曲げ部材９の寸法精度を高めるために望ましい。このため、水冷装置７は、コイル５のすぐ近くに配置される。水冷装置７とコイル５とが接続されて一体物とされることも多く、その方が省スペースの面では有利である。

ところで、３ＤＱ装置１により熱間三次元曲げ加工を行われて製造される製品は、主として自動車用部材（例えばサスペンションアーム）であり、製品には、一例として±０．５ｍｍという厳しい寸法精度が求められる。

特許文献２の段落０００４には、送り出される鋼管２に僅かな曲がり（反り）が存在することが避けられないため、支持ロール３から出た鋼管２がコイル５の内部を通過する時に、鋼管２の外周とコイル５の内周との隙間が周方向で不均一になり、コイル５の内周との距離が近い部分とこの距離が遠い部分とにおいて鋼管１に温度差が発生して曲げ加工の加工精度が低下する可能性があると記載されている。

その対策として、特許文献２においては、コイルを固定した可動架台を、フローティング支持手段を介して固定架台にフローティング支持し、可動架台に鋼管の外周面に当接する複数のガイド部材を設けることが記載されている。これにより、鋼管の曲がり（反り）に応じて可動架台とともにコイルをセンタリングし、鋼管の外周とコイルの内周との隙間を均一化することができるので、鋼管を周方向に均一に加熱できるとしている。

特開２００８−２３５７３号公報 特開２０１２−５５９６３号公報

本発明者らが、鋭意検討を重ねた結果、３ＤＱ装置により製造される曲げ部材が、断面形状が高さ方向への強度が小さい偏平な断面形状を有するとともに、例えば±０．５ｍｍといった極めて高い寸法精度を要求される部品である場合には、特許文献２により開示された曲げ装置を用いても、所望の寸法精度を有する曲げ部材を製造できないことを知見した。

本発明の目的は、部材の断面形状が高さ方向への強度が小さい偏平形状であって、例えば±０．５ｍｍといった極めて高い寸法精度を満足する曲げ部材を製造することができる３ＤＱ装置を提供することである。

本発明者らは、３ＤＱ装置１について詳細に検討した。この検討では、３ＤＱ装置１による被加工材２が、偏平な閉じた断面を有する中空の角管であることを前提とした。この検討の結果、以下に列記の新規な知見Ａ，Ｂを得て、本発明を完成した。

（Ａ）３ＤＱ装置１の稼働時に、コイル５による発熱により、コイル５に高周波電力を供給するとともにコイル５を懸垂支持するブスバー６が膨張する。ブスバー６の膨張により、ブスバー６の下部に固定されるコイル５と、コイル５と一体化された水冷装置７とが、当初の設置位置から主に下方へ変位し、コイル５および水冷装置７が角管２に対して偏芯する。

図２（ａ）は、上下方向長さが６００ｍｍのブスバー６によりコイル５を懸垂支持してコイル５の加熱をＯＮ，ＯＦＦした場合におけるコイル５の変位量を示すグラフであり、図２（ｂ）は、コイル５およびブスバー６付近を抜き出して示す説明図である。

図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、コイル５の加熱をＯＮするとブスバー６が熱膨張し、これにより、コイル５が加熱前の位置から下方へおよそ０．５ｍｍ変位する。このため、コイル５および水冷装置７が角管２に対して偏芯する。

この偏芯が発生すると、製品（曲げ部材）９の寸法精度が大幅に低下する。
（Ｂ）コイル５の偏芯と水冷装置７の偏芯とのどちらが曲げ部材９の寸法精度の低下により影響するのかを調査するために、水冷装置７とコイル５とを一体化せずに別部品とし、角管２に対して、コイル５を偏芯させずに水冷装置７だけを偏芯させた。

図３（ａ）は、偏平断面を有する角管７において、コイル５および水冷装置７をいずれも偏芯させた場合の高さ方向の寸法精度の低下の程度を▲印で示すとともに水冷装置７のみ偏芯させた場合の高さ方向の寸法精度の低下の程度を○印で示すグラフであり、図３（ｂ）は、角管２の断面寸法を示す説明図である。

図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、水冷装置７のみ偏芯させた場合の曲げ部材９の寸法精度の低下の程度は、意外にも、コイル５および水冷装置７をいずれも偏芯させた場合の曲げ部材９の寸法精度の低下の程度と、同程度であった。

このことから、曲げ部材９の寸法精度の低下に主に影響するのは、特許文献１に開示されるように角管２に対するコイルの偏芯ではなく、角管２に対する水冷装置７の偏芯であることが判明した。

本発明は、以下に列記の通りである。
（１）扁平な閉じた断面を有する中空の被加工材を長手方向へ送る送り機構と、
前記送り機構よりも前記被加工材の送り方向の下流側の所定の位置に固定配置されて前記被加工材を位置決めする支持機構と、
前記支持機構の下流側の所定の位置に配置され、前記被加工材を加熱する高周波誘導加熱コイルと、
前記高周波誘導加熱コイルを支持するとともに、該高周波誘導加熱コイルに電力を供給するブスバーと、
前記被加工材の送り方向について前記高周波誘導加熱コイルの下流側に前記高周波誘導加熱コイルと一体化されて、加熱された前記被加工材の外周に冷却水を噴射する水冷装置と、
前記水冷装置よりも下流側に三次元に移動自在に配置され、前記被加工材を移動自在に挟持する挟持機構または前記被加工材を固定して把持する把持機構とを備え、
前記挟持機構または前記把持機構と前記支持機構とは、前記高周波誘導加熱コイルにより加熱されてから前記水冷装置により冷却されるまでの領域に形成される前記被加工材の高温部に曲げモーメントを付与し、さらに、
前記高周波誘導加熱コイルへの電力の供給による前記ブスバーの膨張に起因する前記水冷装置の変位を相殺するように前記水冷装置の位置を制御する制御機構を備え、
前記制御機構は、前記ブスバーに接続された高周波電源装置を支持するマニピュレータを有するロボットを備え、
前記制御機構は、前記水冷装置の配置位置の変化パターンを予め求め、求めた該変化パターンに応じて前記マニピュレータの動作を制御すること
を特徴とする３ＤＱ装置。

（２）扁平な閉じた断面を有する中空の被加工材を長手方向へ送る送り機構と、
前記送り機構よりも前記被加工材の送り方向の下流側の所定の位置に固定配置されて前記被加工材を位置決めする支持機構と、
前記支持機構の下流側の所定の位置に配置され、前記被加工材を加熱する高周波誘導加熱コイルと、
前記高周波誘導加熱コイルを支持するとともに、該高周波誘導加熱コイルに電力を供給するブスバーと、
前記被加工材の送り方向について前記高周波誘導加熱コイルの下流側に前記高周波誘導加熱コイルと一体化されて、加熱された前記被加工材の外周に冷却水を噴射する水冷装置と、
前記水冷装置よりも下流側に三次元に移動自在に配置され、前記被加工材を移動自在に挟持する挟持機構または前記被加工材を固定して把持する把持機構とを備え、
前記挟持機構または前記把持機構と前記支持機構とは、前記高周波誘導加熱コイルにより加熱されてから前記水冷装置により冷却されるまでの領域に形成される前記被加工材の高温部に曲げモーメントを付与し、さらに、
前記高周波誘導加熱コイルへの電力の供給による前記ブスバーの膨張に起因する前記水冷装置の変位を相殺するように前記水冷装置の位置を制御する制御機構を備え、
前記制御機構は、前記ブスバーに接続された高周波電源装置を支持するマニピュレータを有するロボットを備え、
前記制御機構は、稼働時における前記水冷装置の配置位置の変化を測定し、該測定の結果に基づいて前記マニピュレータの動作をフィードバック制御すること
を特徴とする熱間三次元曲げ加工装置。
（３）前記ブスバーは、前記高周波誘導加熱コイルを懸垂して支持する（１）項または（２）項に記載された３ＤＱ装置。

（４）前記ブスバーは、略上下方向へ延設される第１の部分と、該第１の部分につながるとともに略水平方向へ延設される第２の部分とからなる略Ｌ字状の外形を有する（１）項から（３）項までのいずれか１項に記載された熱間三次元曲げ加工装置。

本発明により、例えば±０．５ｍｍといった極めて高い寸法精度を満足する偏平な閉じた断面を有する中空の曲げ部材、特に自動車用部材（例えばサスペンションアーム）を製造することができるようになる。

図１は、３ＤＱ装置の概要を示す説明図である。 図２（ａ）は、上下方向長さが６００ｍｍのブスバーによりコイルを懸垂支持してコイルをＯＮ，ＯＦＦした場合におけるコイルの変位量を示すグラフであり、図２（ｂ）は、コイルおよびブスバー付近を抜き出して示す説明図である。 図３（ａ）は、偏平断面を有する角管において、コイルおよび水冷装置をいずれも偏芯させた場合の高さ方向の寸法精度の低下の程度を▲印で示すとともに水冷装置のみ偏芯させた場合の高さ方向の寸法精度の低下の程度を○印で示すグラフであり、図３（ｂ）は、角管の断面寸法を示す説明図である。 図４は、本発明に係る３ＤＱ装置におけるコイル、ブスバー、水冷装置および制御機構を抜き出して示す説明図である。 図５は、変形例のブスバーを示す説明図である。

本発明を、添付図面を参照しながら、説明する。なお、略述すると、図１に示す３ＤＱ装置１に対する本発明に係る３ＤＱ装置１０の相違点はブスバー６の支持態様であるので、以降の説明は図１も参照しながら行うことにする。

図１に示すように、本発明に係る３ＤＱ装置１０は、送り機構４と、支持機構３と、高周波誘導加熱コイル５と、ブスバー６と、水冷装置７と、挟持機構または把持機構８とを有する。

図４は、本発明に係る３ＤＱ装置１０におけるコイル５、ブスバー６、水冷装置７および制御機構１１を抜き出して示す説明図である。

３ＤＱ装置１０は、偏平な閉じた断面を有する中空の被加工材２に熱間三次元曲げ加工を行って、偏平な閉じた断面を有する中空の曲げ部材９を製造する。被加工材２の断面形状としては、矩形、楕円形、長円形等が例示される。以降の説明では、被加工材２が、矩形の断面形状を有する中空かつ鋼製の角管２である場合を例にとる。

［送り機構４］
送り機構４は、角管２をその長手方向へ送ることが可能なものであればよく、特定の送り機構には制限されない。送り機構としては、この種の送り機構として周知慣用のものを用いることができ、具体的には、ボールネジを用いるものや搬送ローラを用いるもの等が例示される。さらに、送り機構４として産業用ロボットを用いてもよい。

［支持機構３］
支持機構３は、送り機構４よりも角管２の送り方向の下流側の所定の位置に固定して配置される。支持機構３は、角管２を、位置決めしながらその長手方向へ送る。支持機構３としては、この種の支持機構として周知慣用のものを用いることができ、具体的には、角管４の外面に当接する一対の駆動ロールが例示される。図１に示す例では、一対の駆動ロール３を２組タンデムに配置している。

［コイル５］
高周波誘導加熱コイル５は、支持機構３よりも下流側の所定の位置に配置される。コイル５は、角管２の周囲から所定の距離離れて角管２を取り囲んで配置される。コイル５は、高周波磁界を発生して高周波エネルギーを角管２に供給することにより、角管２をＡｃ_３点以上に加熱する。コイル５としては、この種のコイルとして周知慣用のものを用いることができる。

［ブスバー６］
ブスバー６は、コイル５が上述の所定の位置に配置されるように、コイル５を懸垂支持する。また、ブスバー６は、高電圧・高電流にも耐え得る導体（例えば銅製）からなり、コイル５および水冷装置７を確実に保持するため板状に構成されている。ブスバー６は、電流密度が規定値を超えないように所定の表面積を有している。

ブスバー６の上部は、ブスバー６の上部に配置された高周波電源装置６−１に固定されている。このため、ブスバー６は、熱膨張すると、主に下方へ向けて変位する。

［水冷装置７］
水冷装置７は、角管２の送り方向についてコイル５よりも下流側の所定の位置に配置される。上述のように、角管２に形成される高温部２ａの軸方向の長さが曲げ加工可能な範囲で短いことが曲げ加工精度を高めるために有利である。このため、水冷装置７は、コイル５に近接して設置される。したがって、水冷装置７はコイル５と一体に設けられている。水冷装置７は、角管２の全周に冷却水を噴射することにより、コイル５によりＡｃ_３点以上に加熱された角管２を急速に冷却して焼入れる。

［挟持機構または把持機構８］
挟持機構または把持機構８は、水冷装置７よりも下流側に、三次元に移動自在に配置される。挟持機構８は、角管２を移動自在に挟持するものであり、例えば、角管２の外面に当接する一対の駆動ロールにより構成されることが例示される。一方、把持機構８は、角管２の内面または外面に固定して装着されることにより角管２を把持するものであり、例えば角管２の内部に固定して配置されるチャック機構が例示される。

３ＤＱ装置１０では、挟持機構または把持機構８のいずれも用いることができ、状況に応じて適宜選択すればよい。挟持機構または把持機構８を三次元で移動自在に配置するには、挟持機構または把持機構８を産業用ロボットにより保持することが簡便である。

挟持機構または把持機構８と支持機構３とが、コイル５により加熱されてから水冷装置７により冷却されるまでの領域に形成される角管２の高温部２ａに曲げモーメントを付与する。これにより、矩形の閉じた断面を有する中空の曲げ部材９が製造される。

［制御機構１１］
上述したように、３ＤＱ装置１０の稼働時に、コイル５による発熱により、コイル５を懸垂支持するブスバー６が膨張する。ブスバー６の膨張により、水冷装置７がコイル５と一体に構成されているため、ブスバー６の下部に固定されるコイル５と、コイル５と一体化された水冷装置７とが当初の位置から主に下方へ変位する。このため、コイル５および水冷装置７が角管２に対して偏芯する。そして、角管２に対する水冷装置７の偏芯により、３ＤＱ装置１０により製造される曲げ部材９の寸法精度が低下する。

そこで、３ＤＱ装置１０は、制御機構１１を有する。制御機構１１は、コイル５への電力の供給によるブスバー６の膨張に起因する水冷装置７の変位を相殺するように、水冷装置７の位置を制御することにより、角管２に対する水冷装置７の偏芯を防ぐ機能を有するものである。

制御機構１１は、このような機能を有するものであれば、如何なる機構であってもよく特定の機構には制限されない。しかし、図４に示すように、制御機構１１は、産業用ロボット１１のマニピュレータ１１ａによってブスバー６の上部に接続された高周波電源装置６−１を懸垂支持するように構成することが、最も簡便であり望ましい。

産業用ロボット１１は、コイル５への電力の供給によるブスバー６の膨張に起因する水冷装置７の変位を相殺するように、高周波電源装置６−１、ブスバー６、コイル５および水冷装置７を、水冷装置７の変位量と同じ量だけ水冷装置７の変位方向とは反対方向へ変位させる。このようにして、産業用ロボット１１は、水冷装置７の位置を制御することにより、角管２に対する水冷装置７の偏芯を防ぐ。

産業用ロボット１１を動作させるために、
（Ｉ）水冷装置７の変位のパターンを予め求めておき、求めたこの変化パターンに応じるように産業用ロボット１１をティーチングすることにより、産業用ロボット１１のマニピュレータ１１ａを動作させることや、
（ＩＩ）稼働時における水冷装置７の配置位置の変化を、慣用される適当な位置測定装置により測定し、この測定の結果に基づいて、産業用ロボット１１のティーチングプログラムを修正して産業用ロボット１１のマニピュレータ１１ａを動作させること
が例示される。

図５は、変形例のブスバー６−１を示す説明図である。
図５に示すように、ブスバー６−１が、略上下方向へ延設される第１の部分１２と、第１の部分１２につながるとともに略水平方向へ延設される第２の部分１３とからなる略Ｌ字状の外形を有することが望ましい。ブスバー６−１は、略Ｌ字状の外形を有するために、上下方向への熱膨張を上方へ逃がすことができる。

２ 角管
２ａ 高温部
３ 支持機構
４ 送り機構
５ 高周波誘導加熱コイル
６ ブスバー
６−１ 高周波電源装置
７ 水冷装置
８ 挟持機構または把持機構
９ 曲げ部材
１０ 本発明の３ＤＱ装置
１１ 産業用ロボット
１１ａ マニピュレータ

Claims (4)

1. 扁平な閉じた断面を有する中空の被加工材を長手方向へ送る送り機構と、
   前記送り機構よりも前記被加工材の送り方向の下流側の所定の位置に固定配置されて前記被加工材を位置決めする支持機構と、
   前記支持機構の下流側の所定の位置に配置され、前記被加工材を加熱する高周波誘導加熱コイルと、
   前記高周波誘導加熱コイルを支持するとともに、該高周波誘導加熱コイルに電力を供給するブスバーと、
   前記被加工材の送り方向について前記高周波誘導加熱コイルの下流側に前記高周波誘導加熱コイルと一体化されて、加熱された前記被加工材の外周に冷却水を噴射する水冷装置と、
   前記水冷装置よりも下流側に三次元に移動自在に配置され、前記被加工材を移動自在に挟持する挟持機構または前記被加工材を固定して把持する把持機構とを備え、
   前記挟持機構または前記把持機構と前記支持機構とは、前記高周波誘導加熱コイルにより加熱されてから前記水冷装置により冷却されるまでの領域に形成される前記被加工材の高温部に曲げモーメントを付与し、さらに、
   前記高周波誘導加熱コイルへの電力の供給による前記ブスバーの膨張に起因する前記水冷装置の変位を相殺するように前記水冷装置の位置を制御する制御機構を備え、
   前記制御機構は、前記ブスバーに接続された高周波電源装置を支持するマニピュレータを有するロボットを備え、
   前記制御機構は、前記水冷装置の配置位置の変化パターンを予め求め、求めた該変化パターンに応じて前記マニピュレータの動作を制御すること
   を特徴とする熱間三次元曲げ加工装置。
2. 扁平な閉じた断面を有する中空の被加工材を長手方向へ送る送り機構と、
   前記送り機構よりも前記被加工材の送り方向の下流側の所定の位置に固定配置されて前記被加工材を位置決めする支持機構と、
   前記支持機構の下流側の所定の位置に配置され、前記被加工材を加熱する高周波誘導加熱コイルと、
   前記高周波誘導加熱コイルを支持するとともに、該高周波誘導加熱コイルに電力を供給するブスバーと、
   前記被加工材の送り方向について前記高周波誘導加熱コイルの下流側に前記高周波誘導加熱コイルと一体化されて、加熱された前記被加工材の外周に冷却水を噴射する水冷装置と、
   前記水冷装置よりも下流側に三次元に移動自在に配置され、前記被加工材を移動自在に挟持する挟持機構または前記被加工材を固定して把持する把持機構とを備え、
   前記挟持機構または前記把持機構と前記支持機構とは、前記高周波誘導加熱コイルにより加熱されてから前記水冷装置により冷却されるまでの領域に形成される前記被加工材の高温部に曲げモーメントを付与し、さらに、
   前記高周波誘導加熱コイルへの電力の供給による前記ブスバーの膨張に起因する前記水冷装置の変位を相殺するように前記水冷装置の位置を制御する制御機構を備え、
   前記制御機構は、前記ブスバーに接続された高周波電源装置を支持するマニピュレータを有するロボットを備え、
   前記制御機構は、稼働時における前記水冷装置の配置位置の変化を測定し、該測定の結果に基づいて前記マニピュレータの動作をフィードバック制御すること
   を特徴とする熱間三次元曲げ加工装置。
3. 前記ブスバーは、前記高周波誘導加熱コイルを懸垂して支持する請求項１または請求項２に記載された熱間三次元曲げ加工装置。
4. 前記ブスバーは、略上下方向へ延設される第１の部分と、該第１の部分につながるとともに略水平方向へ延設される第２の部分とからなる略Ｌ字状の外形を有する請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載された熱間三次元曲げ加工装置。

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