JP6625391B2

JP6625391B2 - 加熱炉へのワーク搬出入装置

Info

Publication number: JP6625391B2
Application number: JP2015203652A
Authority: JP
Inventors: 健治櫛田; 信是川原
Original assignee: Toyoda Iron Works Co Ltd
Current assignee: Toyoda Iron Works Co Ltd
Priority date: 2015-10-15
Filing date: 2015-10-15
Publication date: 2019-12-25
Anticipated expiration: 2035-10-15
Also published as: US11224976B2; EP3363605B1; JP2017074643A; CN108136598A; CN108136598B; EP3363605A1; EP3363605A4; US20180304476A1; WO2017065254A1

Description

本発明は、加熱炉へのワーク搬出入装置に関する。特に、ロボットの操作リンク機構の先端部に備えられ、ワークを加熱炉へ搬出入するためのフォークに関する。

自動車車体の構成部品、例えば、ピラー部品は一般に鋼板製とされており、プレス成形により成形される。プレス成形は熱間で行われるため、成形部品の素材（以下、ワークと称する）はプレス成形に先立って、加熱炉により加熱されて温められる。加熱炉にワークを搬入したり、加熱炉からワークを搬出するのは、ロボット操作により行われる。具体的には、ロボットによるワークの加熱炉への搬出入は、ロボットの操作リンク機構の先端部に装備されるフォーク（爪とも称される）の上面にワークが載置されて行われる。なお、フォークは、長尺形状のフォーク形成部材が、複数本並行に配列されて構成されている。フォーク形成部材は、通常、パイプ形状で、長手方向に直交する断面が四角形とされている。

加熱炉は、通常、生産効率の観点から多段式加熱炉が用いられている。その加熱炉には、ワークはフォークによりロボット制御されて搬出入される。なお、加熱炉はワークを所定温度に加熱するため高温（約９００℃）とされている。加熱炉によりワークを所定温度に加熱したら、次工程のプレス成形工程に送られて、製品形状にプレス成形される。

特開２０１４−７７５６７号公報特開２０１４−３４６８９号公報特開２００４−１６２９６７号公報

上述において、加熱炉へのワークの搬出入時には、フォークも加熱炉の高温に晒されることになり加熱される。特に、加熱炉により加熱されたワークをフォークにより搬出する際には、フォークのワークを載置する上面には高温に加熱されたワークの高温度影響をも受けることになる。なお、搬出時におけるフォークへのワークの高温度影響は次工程のプレス成形工程にワークを渡すまで受ける。なお、フォークはフォーク形成部材が並行に配列されて構成されていることから、具体的には、個々のフォーク形成部材が加熱炉及びワークの高温度影響を受けることにより、フォーク全体として影響を受けるものである。

したがって、フォーク形成部材は、ワークを載置する上面（ワーク載置面）は、上面（ワーク載置面）と対面となる下面より高温の影響を受けやすく、上下面で温度差を生じる。このため、フォーク形成部材は全体が同じ材質で形成されている場合には、上下面で熱膨張が異なり、温度の高い上面の方が下面より熱膨張する。すると、フォーク形成部材は長手方向で見て下方に垂れ下がり変形する。この現象は、フォークを構成するフォーク形成部材全てについて行われる。その結果、フォーク全体としても下方に垂れ下がり変形する。すなわち、フォークの先端部が予め設定された位置状態より垂れ下がった位置状態となる。

加熱炉の各段へのフォークを挿入する際の高さ位置は、通常、フォークの正規の形状状態で設定されている。このため、フォークが前述のように熱変形により垂れ下がり変形を生じると、ワークを搬出入するためにフォークを加熱炉に侵入させるとき、加熱炉の出入口に接触して、加熱炉及びフォークを破損させることがある。

上記の問題解決のため、上掲特許文献１に示すワーク搬送棒の中に冷却水を流す方法が提案されている。しかし、この方法による場合には、ワーク搬送棒（フォーク形成部材）に冷却水を外部から取り入れて処理する必要がある。そのため構成がどうしても複雑になるという不都合があり、外部と連携することなく、フォーク形成部材の構成自体で解決を図ることが望まれている。

而して、本発明は上述した点に鑑みて創案されたものであって、本発明が解決しようとする課題は、フォーク形成部材の構成自体でワーク載置面と該ワーク載置面の対面との熱膨張を略等しくすることにより、フォークの垂れ下がりを防止ないし抑制することにある。

上記課題を解決するため、本発明は次の手段をとる。

本発明に係る加熱炉へのワーク搬出入装置は、ワークを加熱する加熱炉と、該加熱炉に前記ワークを搬出入するロボットとを備える。前記ロボットの操作リンク機構の先端部には長尺形状のフォーク形成部材を複数本並行に配列された状態として構成されるフォークを備える。そして、前記フォークを構成するフォーク形成部材は、長手方向に直交する断面が四角形とされており、該四角形におけるワークを載置するワーク載置面と該ワーク載置面の対面との長手方向の熱膨張を等しくする熱膨張均等手段が当該フォーク形成部材の構成自体として備えている。これにより、該フォークの上面にワークを載置してワークを加熱炉に搬出入する。

上記の本発明によれば、フォークを構成する個々のフォーク形成部材には、熱膨張均等手段を備える。これにより、フォーク形成部材が加熱炉による加熱の影響を受けたり、ワーク載置面が加熱されたワークの熱的影響を受けても、フォーク形成部材のワーク載置面と該載置面の対面との熱膨張は等しく行われる。このため、長尺形状のフォーク形成部材の下方への垂れ下がりを防止ないし抑制することができる。その結果、フォーク形成部材で構成されるフォーク全体としても垂れ下りを防止ないし抑制することができ、フォークの加熱炉への侵入時に加熱炉に接触して破損したりすることがない。

また、本発明によれば、フォーク形成部材に備えられる熱膨張均等手段は、当該フォーク形成部材の構成自体として備えられている。これにより、従来（上掲特許文献１）のように、冷却水等の外部の構成要素を用いて行うのと比べて、構成自体を簡素なものとすることができる。

なお、上記の本発明は次の態様とするのが好ましい。

先ず、前記熱膨張均等手段は、前記フォーク形成部材のワーク載置面の少なくともワークを載置する箇所に断熱材を配設した構成であるのが好ましい。この実施態様によれば、熱膨張均等手段はワーク載置面に配設される断熱材で行われる。この断熱材によりワーク載置面が加熱炉の加熱雰囲気温度及び加熱されたワークの高温度の影響を受けることが抑制されて、ワーク載置面とその対面との温度が略同じ温度状態とされる。これによりワーク載置面とその対面との熱膨張も等しく行われることになり、フォーク形成部材ひいてはフォーク全体の垂れ下りを防止ないし抑制することができる。

次に、前記ワーク載置面に配設する断熱材はセラミック断熱塗料であるのが好ましい。断熱材をセラミック断熱塗料とすることにより、ワーク載置面にセラミック断熱塗料を塗布することにより容易に熱膨張均等手段を構成することができる。そして、ワーク載置面とその対面との等しい熱膨張が精度良く行われる。

また、前記熱膨張均等手段は、前記フォーク形成部材を前記ワーク載置面と該ワーク載置面の対面とを分割した別部材で構成し、該分割した別部材を熱膨張係数の異なる部材とした構成であるのが好ましい。この実施態様によれば、熱膨張均等手段は分割した別部材の熱膨張係数を異なる部材とすることにより構成される。これによりワーク載置面を形成する部材と該ワーク載置面の対面を形成する部材の熱膨張係数を異ならせることができ、該両面の加熱される温度が異なる場合でも、その温度に対応させた熱膨張係数の部材を選定して、長手方向へ伸びる熱膨張を等しくすることができる。したがって、ワーク載置面とその対面との熱膨張も等しく行われることができ、フォーク形成部材ひいてはフォーク全体の垂れ下りを防止ないし抑制することができる。

次に、前記分割した別部材の熱膨張係数は、ワーク載置面側の部材に比べ対面側の部材の方が大きくされているのが好ましい。フォーク形成部材は、通常、ワーク載置面側の温度が加熱されたワークが載置されることもあって、対面側の温度より高い。したがって、熱膨張係数は温度が低い対面側の部材を大きくすることにより、両面の熱膨張を等しくするのを、好適に行わせることができる。

また、前記フォーク形成部材は中空のパイプ形状に形成されているのが好ましい。中空のパイプ形状は汎用に用いられているものであり、その製作も容易であると共に、容易に入手（調達）が可能であり、安価である。

上述した手段の本発明によれば、フォーク形成部材の構成自体でワーク載置面と該ワーク載置面の対面との熱膨張を略等しくすることにより、フォークの垂れ下がりを防止ないし抑制することができる。

本実施形態のワークの製造工程図である。加熱炉の正面図である。加熱炉へのワーク搬出入用ロボットの操作リンク機構の先端部に備えられるフォークの側面図である。図３に示すフォークの平面図である。熱膨張均等手段の第1実施形態を示す断面図である。熱膨張均等手段の第２実施形態を示す断面図である。第２実施形態に適用が予定される材料の高温物性の熱膨張係数を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、本実施形態におけるワークは自動車車体を構成する部品である。

図１は本実施形態のワークの製造工程を示す。ワークの製造工程は、せん断工程（Ａ）、加熱炉への搬入工程（Ｂ）、加熱炉による加熱工程（Ｃ）、加熱炉からの搬出工程（Ｄ）、プレス成形工程（Ｅ）から成っている。なお、各工程の設備はイメージとして示されており、設備の大きさや、設備の寸法関係は正確には示されていない。ワークＷとしてのピラー部品は、先ず、せん断工程（Ａ）で、せん断機１０によりコイル材１２から所定の大きさの板材に切断される。切断されたワークＷは，加熱炉への搬入工程（Ｂ）を経て、加熱炉２０に搬入される。本実施形態の加熱炉２０は多段加熱炉となっている。したがって、ワークＷの搬入は、多段の各段全てに搬入可能である。

加熱炉への搬入工程（Ｂ）は、搬入用ロボット１４Ａにより行われる。搬入用ロボット１４Ａの搬入用の操作リンク機構１６Ａの先端部には搬入用のフォーク（爪とも称される）１８Ａが備えられている。せん断工程（Ａ）で切断されたワークＷはこの搬入用のフォーク１８Ａに載置されて、加熱炉２０内に搬入される。搬入用のフォーク１８Ａに載置されて搬入されたワークＷは加熱炉内の各段の所定の棚に置かれて、搬入用のフォーク１８Ａのみが搬出される。この搬入用のフォーク１８ＡのワークＷの搬入に伴う作動は、搬入用ロボット１４Ａの制御操作により行われる。

加熱炉による加熱工程（Ｃ）では、加熱炉２０の各段に置かれたワークＷを後工程のプレス成形工程（Ｅ）で成形するに適した温度（通常約９００℃）に加熱する。加熱されたワークＷは、加熱炉２０からの搬出工程（Ｄ）により加熱炉２０から搬出される。

加熱炉からの搬出工程（Ｄ）は、搬出用ロボット１４Ｂにより行われる。この搬出用ロボット１４Ｂは前述の搬入用ロボット１４Ａと同様の構成のものである。したがって、以後の説明において、搬入用ロボット１４Ａと搬出用ロボット１４Ｂの両方を総称して説明する際は、符号末尾の“Ａ”“Ｂ”を省略した符号を付して説明する。関連する構成の符号も同様とする。しかるところ、搬出用ロボット１４Ｂの搬出用の操作リンク機構１６Ｂの先端部には搬出用のフォーク１８Ｂが備えられており、加熱炉２０で加熱されたワークＷは搬出用のフォーク１８Ｂにより搬出される。詳細には、搬出用のフォーク１８Ｂは加熱炉２０の搬出口から加熱炉２０内に挿入して、各段の棚に置かれて加熱されたワークＷを搬出用のフォーク１８Ｂに載置して、加熱炉２０外に搬出する。なお、搬出用のフォーク１８ＢのワークＷの搬出に伴う作動は、搬出用ロボット１４Ｂの制御操作により行われる。

前述の加熱炉からの搬出工程（Ｄ）により加熱炉２０から取り出されたワークＷは、プレス成形工程（Ｅ）に送られ、プレス機２２により成形される。プレス機２２は、通常、最終製品形状の型面とされている上型２４と下型２６とを備え、この上型２４と下型２６により所定形状の製品形状に成形する。必要に応じて、ワークＷのプレス成形後、製品の最終形状とするために、余肉を切断する切断加工が行われることがある。

図２は前述の加熱炉による加熱工程（Ｃ）で用いられる加熱炉２０の詳細構成を示す。本実施形態の加熱炉２０は多段加熱炉となっている。各段にはワークＷを置くための棚３６が設置されている。棚３６の上部と下部には電熱ヒータ等の加熱源３８が設置されており、加熱炉２０内を高温の雰囲気状態として、棚３６に置かれたワークＷ（図２には不図示）を加熱する。本実施形態では、炉内の雰囲気温度は約９００℃とされている。なお、ワークＷが置かれる棚３６は、後述するフォーク１８のフォーク形成部材３０が搬出入時に挿入できるように間隔を置いて並行に配列されて構成されている。

図３及び図４はフォーク１８の構成を示す。図３は側面視を示し、図４は平面視を示している。図４に良く示されるように、フォーク１８は、複数本の単品のフォーク形成部材３０が並行に配列されて構成されている。複数本のフォーク形成部材３０は図３及び図４で見て左端部で連結部材２８により一体的に連結されている。この連結された端部がロボット１４の操作リンク機構１６の先端部に連結されている。これにより、フォーク１８はロボットにより制御操作可能とされている。

フォーク１８を構成する単品のフォーク形成部材３０は、長尺形状であり、一端で支持され他端が開放された片持ち支持の構成とされている。このため、フォーク形成部材３０は加熱炉２０内の高温の熱的影響により、図３の仮想線で示すように、長手方向の下方に反りを生じて、下方への垂れ下がりを生じることがある。これは本発明者らは次の理由によると考えた。すなわち、フォーク形成部材３０は、通常、その長手方向に直交する断面が中空の四角形とされている。そして、ワークＷが載置される四角形の上面のワーク載置面３２は加熱炉２０の雰囲気温度に加えて加熱されたワークＷの温度影響を受けて、ワーク載置面３２は対面の下面３４より温度が高い状態となる。測定結果によれば約３０℃の温度差があった。これによりワーク載置面３２の上面の方が下面３４より熱膨張をして反りを生ずると考えた。

そこで本発明者らは、フォーク１８を構成するフォーク形成部材３０の四角形の上下面、すなわち、ワーク載置面３２とその対面の下面３４とへの熱的影響が異なる場合でも、上下面３２，３４の熱膨張を等しくする手段（熱膨張均等手段）を施せば、反りが生じないことに着目した。そのための方策として、先ず、フォーク形成部材３０の上下面３２，３４の温度状態を同じ状態にして熱膨張を等しくする方法を考えた。次に、上下面３２，３４の温度状態が異なる場合でも熱膨張係数の異なる部材を用いることにより上下面３２，３４の熱膨張を等しくする方法を考えた。

図５は熱膨張均等手段の第１実施形態を示す。この第１実施形態は、フォーク形成部材３０の単品の長手方向に直交する断面が中空の四角形とされており、上面のワーク載置面３２にセラミック断熱塗料４０を塗布して構成したものである。セラミック断熱塗料４０は具体的にはＮＡＳＡ塗料（商品名）である。これにより、上面のワーク載置面３２にワークＷを載置する場合でもセラミック断熱塗料４０により断熱されて、下面３４と略同じ温度状態となり、熱膨張を等しくすることができる。その結果、フォーク１８の垂れ下がりを防止ないし抑制することができて、フォーク１８を加熱炉２０に侵入させる際に、加熱炉２０に接触して、加熱炉２０及びフォーク１８を破損させることがない。

なお、本第１実施形態では、ワーク載置面３２へのセラミック断熱塗料４０の塗布は、ワーク載置面３２となる上面の全面に塗布されている。しかし、セラミック断熱塗料４０の塗布は、ワークＷが載置される面積箇所にのみ塗布する構成でもよい。

図６は熱膨張均等手段の第２実施形態を示す。この第２実施形態も、フォーク形成部材３０の断面形状は中空の四角形とされている。しかし、上面のワーク載置面３２を構成する上部部材４２と、下面３４を構成する下部部材４４とを別部材として分割形成し、両部材４２，４４を溶接５０により接合して一体化した構成である。上部部材４２と下部部材４４は熱膨張係数の異なった部材とされており、本実施形態では、上部部材４２より下部部材４４の方が熱膨張係数が大きい部材とされている。例えば、上部部材４２はＳＵＳ３１０Ｓ，下部部材４４はＡＨ―４（新日鉄住金の製品名）とされている。

図７は第２実施形態の分割形成する部材として適用が予定される材料の高温物性を示すグラフであり、熱膨張係数の温度に対する変化を示している。比較材料としては、ＳＵＳ３１０Ｓ，インコネル６００（登録商標）、インコロイ８００ＨＴ（登録商標），ＡＨ−４の４種類を挙げた。これらの高温物性から、図６に示す第２実施形態の上部部材４２と下部部材４４の材料を好適に組み合わせて選定する。なお、図７におけるデータの出典は次の通りである。ＳＵＳ３１０Ｓはステンレス協会及び新日鉄住金の資料による。インコネル６００（登録商標）とインコロイ８００ＨＴ（登録商標）は日本冶金工業の資料による。ＡＨ−４は新日鉄住金の資料による。

上述した第２実施形態の場合は、上面のワーク載置面３２の温度状態が下面３４より高くても、上部部材４２は下部部材４４より熱膨張係数の小さい部材が用いられていることにより、上部部材４２と下部部材４４の長手方向の熱膨張を等しくすることができる。その結果、フォーク１８の垂れ下がりを防止ないし抑制することができて、フォーク１８を加熱炉２０に侵入させる際に、加熱炉２０に接触して、加熱炉２０を破損させることがない。

上記第１実施形態及び第２実施形態の熱膨張均等手段の場合は、従来のように外部から冷却水を取り入れるなど、外部との連携を図って行うものではないため、その構成を簡素なものとすることができる。

以上、本発明を特定の実施形態について説明したが、本発明はその他各種の形態でも実施可能なものである。

例えば、加熱炉２０の段数は製品の生産数に応じて適宜設定すれば良い。

また、上述した第１実施形態では、フォーク形成部材３０は中空のパイプ形状の場合であったが、中実形状のものであってもよい。しかし、温度の影響を制御する観点からは中空形状が好ましい。

また、上述した熱膨張均等手段の第１実施形態におけるワーク載置面３２に塗布する断熱材は、セラミック断熱塗料に限らず、温度を断熱することのできる断熱材であればよい。

１０せん断機
１２コイル材
１４ロボット
１４Ａ搬入用ロボット
１４Ｂ搬出用ロボット
１６操作リンク機構
１６Ａ搬入用の操作リンク機構
１６Ｂ搬出用の操作リンク機構
１８フォーク
１８Ａ搬入用のフォーク
１８Ｂ搬出用のフォーク
２０加熱炉
２２プレス機
２４上型
２６下型
２８連結部材
３０フォーク形成部材
３２ワーク載置面（上面）
３４対面（下面）
３６棚
３８加熱源
４０セラミック断熱塗料（断熱材）
４２上部部材
４４下部部材
５０溶接

Claims

ワークを加熱する加熱炉と、該加熱炉に前記ワークを搬出入するロボットとを備え、前記ロボットの操作リンク機構の先端部には長尺形状のフォーク形成部材を複数本並行に配列された状態として構成されるフォークを備え、該フォークの上面にワークを載置してワークを加熱炉に搬出入する加熱炉へのワーク搬出入装置であって、
前記フォークを構成するフォーク形成部材は、長手方向に直交する断面が四角形とされており、該四角形におけるワークを載置するワーク載置面と該ワーク載置面の対面との長手方向の熱膨張を等しくする熱膨張均等手段が当該フォーク形成部材の構成自体として備えられており、
前記熱膨張均等手段は、前記フォーク形成部材の前記ワーク載置面の少なくともワークを載置する箇所に断熱材を配設した構成であり、
前記熱膨張均等手段は、前記断面が四角形のフォーク形成部材の、前記ワーク載置面の対面及び両側面を除く、前記ワーク載置面の全面に断熱材を配設した構成である加熱炉へのワーク搬出入装置。
請求項１に記載の加熱炉へのワーク搬出入装置であって、
前記ワーク載置面に配設する断熱材はセラミック断熱塗料である加熱炉へのワーク搬出入装置。
請求項１又は請求項２に記載の加熱炉へのワーク搬出入装置であって、
前記フォーク形成部材は中空のパイプ形状に形成されている加熱炉へのワーク搬出入装置。