(57)【要約】【課題】廃棄金型に肉盛り溶接することで、新たな金型素材を製造する。【解決手段】溶接部と溶接制御部とを有する溶接装置における金型素材の製造方法であって、前記溶接制御部における、破棄金型（ワーク）Ｗと金型素材２０との外形データの差分を求める工程と、前記外形データ差分と肉盛り溶接のビード形状に基づき、肉盛り溶接のビード形状で前記差分を埋めるための溶接パスＰを前記破棄金型上に生成する工程と、前記溶接部における、生成された溶接パスＰに肉盛り溶接を行い金型素材２０を生成する工程と、を有する。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接部と溶接制御部とを有する溶接装置における金型素材の製造方法であって、
前記溶接制御部における、破棄金型と金型素材との外形データの差分を求める工程と、前記外形データ差分と肉盛り溶接のビード形状に基づき、肉盛り溶接のビード形状で前記差分を埋めるための溶接パスを前記破棄金型上に生成する工程と、
前記溶接部における、生成された溶接パスに肉盛り溶接を行い金型素材を形成する工程と、
を有することを特徴とする金型素材の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載された金型素材の製造方法であって、
前記溶接制御部における、前記肉盛り溶接のビード形状を所定の溶接条件に基づき決定し、前記決定したビード形状に基づき前記溶接パスを生成する工程を有することを特徴とする金型素材の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載された金型素材の製造方法であって、
前記各金型はいずれも円筒状金型であることを特徴とする金型素材の製造方法。
【請求項４】
請求項３に記載された金型素材の製造方法であって、
前記溶接パスを前記破棄金型上に生成する工程では、前記溶接パスを破棄金型の周方向に生成することを特徴とする金型素材の製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載された金型素材の製造方法であって、
前記溶接パスを一定の溶接長さで、かつ直前の溶接位置と連続しない位置で肉盛り溶接を繰り返し行うことを特徴とする金型素材の製造方法。
【請求項６】
請求項５に記載された金型素材の製造方法であって、
前記肉盛り溶接を前記溶接パスの異なる対角位置間で断続的に行うことを特徴とする金型素材の製造方法。
【請求項７】
請求項４に記載された金型素材の製造方法であって、
前記肉盛り溶接を離隔したパス間で予め定めた順序にしたがって行うことを特徴とする金型素材の製造方法。
【請求項８】
請求項４に記載された金型素材の製造方法であって、
前記肉盛り溶接を、複数の連続した溶接パスからなる溶接パスグループの隣接溶接パスグループ間において、溶接方向が異なるように行うことを特徴とする金型素材の製造方法。
【請求項９】
請求項４に記載された金型素材の製造方法であって、
肉盛り溶接を行った溶接面に溶接による反りが発生したとき、当該反りを相殺する肉盛り溶接を当該溶接面の背面に施すことを特徴とする金型素材の製造方法。
【請求項１０】
溶接部と溶接制御部とを有する溶接装置における金型素材の製造装置であって、
破棄金型と金型素材との外形データの差分を求める演算部と、前記外形データ差分と肉盛り溶接のビード形状に基づき、肉盛り溶接のビード形状で前記差分を埋めるための溶接パスを前記破棄金型上に生成する溶接パス生成部とを備えた前記溶接制御部と、
生成された溶接パスに肉盛り溶接を行い金型素材を形成する溶接手段を備えた前記溶接部と、
を有することを特徴とする金型素材の製造装置。
【請求項１１】
請求項１ないし９のいずれかに記載された金型素材の製造方法又は請求項１０に記載された金型素材の製造装置であって、前記各金型は、いずれもタイヤ成形用金型であることを特徴とする金型素材の製造方法又は金型素材の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は金型素材の製造方法及び同製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、金型素材、例えばタイヤ成形用金型素材は鋳造又は鍛造で製造されており、製造の都度鋳型や鍛造型を形成している。しかし、鋳型や鍛造型の手配からタイヤ成形用金型素材の納入まで一品一様のため、成形の都度鋳型や鍛造型が必要であり、そのリードタイムが長い（通常５日間が必要であった）。また、加工コストが高い、廃棄材料が有効に活用されていないなどの問題がある。
【０００３】
ここで、リードタイムが長い問題に関しては、鋳型や鍛造型を用いない金型素材の製造方法が既に提案されている。
例えば、特許文献１には、ＮＣ加工機に溶接トーチを取り付け、溶加ワイヤを溶融してテーブル上に溶着ビード層を形成することで、鋳造を経ずに型素材を製作することが開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、型素材のプロフィール加工と肉盛りと肉盛りした部分の仕上げ加工とを、同じ装置で行うようにしたプレス型の加工方法が開示されている。この発明は、先ず、加工ヘッドに加工工具を取付けた状態で型素材にプロフィール加工を施し、次に、加工ヘッドに肉盛り器具を付け換えて所要の材料を肉盛りする。次いで、加工ヘッドに再び加工工具を付け換えて肉盛り部を所定の形状に仕上加工を施すものである。
【０００５】
特許文献３には、ダイブロックを形成したのち、これに肉盛り溶接を施すことで金型を製造する方法が記載されている。
以上の各方法は、鋳型や鍛造型を要しないためリードタイムが短縮される点では改善がみられる。しかし、いずれも廃棄材料についてはとくに考慮されておらず、この問題の解決はなされていない。
【０００６】
この廃棄材料の問題に対しては、廃棄されるタイヤ成形用金型を再利用することが考えられる。しかし、廃棄されるタイヤ成形用金型の再利用は、タイヤ成形用金型は円筒形をなしているため、溶接による変形が起こりやすく、変形を低減させないと余分な肉盛りが必要になるなどの問題がある。そのため、これまで実用されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−１５３６３号公報
【特許文献２】特開平８−５７５５９号公報
【特許文献３】特開平１−１６２５７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、本発明は、従来は廃棄されていた使用済み金型（廃棄金型）を溶接によるビード形状を利用して、廃棄金型の上に必要な箇所のみ自動で溶接パスを生成し、当該必要な箇所のみに断続的に肉盛り溶接を施すことにより金型素材を得ることで、廃棄物利用による省エネルギ環境対策、およびコスト削減を可能にする外、従来に比べてタクトタイムを短縮することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本願発明は、溶接部と溶接制御部とを有する溶接装置における金型素材の製造方法であって、前記溶接制御部における、破棄金型と金型素材との外形データの差分を求める工程と、前記外形データ差分と肉盛り溶接のビード形状に基づき、肉盛り溶接のビード形状で前記差分を埋めるための溶接パスを前記破棄金型上に生成する工程と、前記溶接部における、生成された溶接パスに肉盛り溶接を行い金型素材を形成する工程と、を有することを特徴とする。
本願の他の発明は溶接部と溶接制御部とを有する溶接装置における金型素材の製造装置であって、破棄金型と金型素材との外形データの差分を求める演算部と、前記外形データ差分と肉盛り溶接のビード形状に基づき、肉盛り溶接のビード形状で前記差分を埋めるための溶接パスを前記破棄金型上に生成する溶接パス生成部とを備えた前記溶接制御部と、生成された溶接パスに肉盛り溶接を行い金型素材を形成する溶接手段を備えた前記溶接部と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、廃棄物利用による省エネ環境対策、及びコスト削減が可能である外、従来に比べてそのタクトタイムを短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施形態に係る金型素材の製造方法を実行する金型製造装置を概略的に示す図である。
【図２】金型素材と廃棄金型との形状データの差分値を説明するための図であって、破線は素材としてのワークの輪郭を、また実線は金型素材の輪郭を示す断面図である。
【図３】作成された溶接パスによる第１層（１層目）の溶接層を示す断面図である。
【図４】ワークについて作成した溶接パスを示すワークの断面図である。
【図５】金型素材の製造の手順を説明するフロー図である。
【図６】ワークの肉盛り溶接時に発生する反りを説明するワークの断面図である。
【図７】同一のテストワークを用いて行った、溶接パスにおける一回の溶接長さを変化させたときのテストワークの反りの検証結果を示すグラフである。
【図８】反りを防止するための溶接手順を説明するためのワークの斜視図であり、図８Ａは同一溶接パスにおける最初の４箇所の溶接位置を示す斜視図であり、図８Ｂは同一溶接パスを全て溶接したときの溶接順序を示す図である。
【図９】異なる溶接パス間における肉盛り溶接の順序を説明するワークの断面図である。
【図１０】ワークの異なる部分毎に溶接パスを連続して肉盛り溶接を行う場合における溶接順序を説明するワークの断面図である。
【図１１】溶接時に発生したワークの反りを軽減又は相殺する方法を説明するワークの断面図であって、図１１Ａは肉盛り溶接を行った状態を示し、図１１Ｂは図１１Ａで示す肉盛り溶接により発生した反りを相殺するために行った裏面の肉盛り溶接を行った状態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は、本実施形態に係る金型素材の製造方法を実行する金型製造装置を概略的に示す図である。
本実施形態で用いる金型製造装置は任意であるが、ここでは、溶接部である溶接ロボット１０と、溶接ロボット１０の動作及びワークＷの動作を制御する溶接制御部１２であるＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭから成るコンピュータと、表示部１４であるディスプレイと、入力部１６であるキーボード、マウスなどを備えている。
【００１３】
ここで、溶接制御部１２自体は従来公知又は周知のものであるが、プログラムによって実現される機能実現手段として、ここでは演算部１２ａと、溶接パス生成部１２ｃとを有している。
前記演算部１２ａは、例えば入力部１６を用いるなどして適宜入力された、製造する円筒状の金型素材２０の形状データと、円筒状の廃棄金型（以下、ワークという）Ｗの形状データから、その差分値を求め、その差分値を溶接制御部１２の記憶部１２ｂに記憶する。
【００１４】
図２は、その差分値を説明するための図であって、破線は素材としてのワークＷの輪郭を、また実線は金型素材２０の輪郭を示す断面図である。
ワークＷ及び金型素材２０は、いずれも円筒状で断面形状は全周にわたり同一である。したがって、前記差分値は、図２に示すそれぞれの断面の断面形状の輪郭線の高さの差として表される。
即ち、図２において、縦方向にＹ軸、横方向にＸ軸をとったＸ−Ｙ平面におけるＸ軸を円筒状の金型の幅（径）方向、Ｙ軸を高さ方向にとり、差分はそのＹ方向における高さの差、つまり実線と破線のＹ軸方向の差として表される。
【００１５】
ここでは、溶接制御部１２の溶接パス生成部１２ｃはその差分値をビードＢで埋めるに必要な溶接パスＰをワーク上に生成する。即ち、溶接パス生成部１２ｃは、記憶部１２ｂに記憶された製造する金型素材とワークＷとの差分値と、溶接条件（溶接電圧、溶接電流、溶接速度等）に基づき決定した肉盛りできるビードＢの形状により溶接パスＰを生成する。
溶接パス生成部１２ｃにおける溶接パスＰの生成自体は従来の手法により行う。例えば、各溶接パスＰに設定された溶接条件に基づいて溶接部位に積層される溶着金属部の断面形状を算出し、次の溶接パスＰの位置を生成する（特開２００１−１０５１３７号公報）、或いは各溶接部の全体断面積を予め設定された基準断面積で除算して溶接パス数を求めるとともに、この溶接パス数に基づき溶接層数およびこれら各溶接層における溶接パス数を決定する方法（特開２００３−３３４６５９号公報）等の、任意の方法で行うことができる。生成した溶接パスＰは、図２の差分値に基づくものであるが、差分値が０又は負の部分には溶接パスＰは生成されない。
【００１６】
溶接パスＰが生成されると、次に、溶接制御部１２は、溶接パスＰに沿ってロボットアーム１０ａに取り付けた溶接トーチ１０ｂを移動させる移動経路と、溶接トーチ１０ｂによる肉盛り溶接のタイミングを決定し、移動経路に沿って溶接トーチ１０ｂの肉盛り溶接制御を行う。
ここでは、ワークＷを回転台（図示せず）に固定した冶具１８に固定して一定速度で回転させ、ワークＷ上に生成された円形の溶接パスＰに、静止させた溶接トーチ１０ｂで肉盛り溶接を行う手法を採る。
【００１７】
この場合、溶接ロボット１０のロボットアーム１０ａを駆動して、その先端に取り付けた溶接トーチ１０ｂを、溶接制御部１２が設定した移動経路に沿って、溶接制御部１２が生成した溶接パスＰまで移動させて、１回転するワークＷに対して、ワイヤ１０ｃで第１層目の最初の溶接パスＰの肉盛り溶接を行う。続いて、溶接制御部１２は、ロボットアーム１０ａを駆動して溶接トーチ１０ｂを生成された次の溶接パスＰまで移動させて、その溶接パスＰの肉盛り溶接を行う。
以上の動作を、繰り返し、図３に示すようにワークＷ上に第１層の溶接層を形成し、第１層の溶接層の形成が終了したときは、続いて、第２層の溶接パスＰの肉盛り溶接を行うという手順により順次肉盛り溶接を行っていく。
【００１８】
図４は、ワークＷ上に作成した溶接パスＰとワークＷの断面図である。
肉盛り溶接は、具体的には、溶加材を供給して、溶接トーチ１０ｂが最初の溶接パスＰの肉盛り溶接を行うと、続いて、溶接制御部１２はロボットアーム１０ａを移動させて溶接トーチ１０ｂを所定距離だけＸ−Ｙ平面内で移動させて、次の溶接パスＰの溶接を行う。ここで、溶接パスＰが生成されていない領域では、ロボットアーム１０ａにより溶接トーチ１０ｂを次の溶接パスＰまで移動させる。
このようにして第１層の溶接層が溶着ビードＢで形成されと、続いて、溶接トーチ１０ｂを第１層の溶接層に重ねた移動経路に沿って移動し、溶加材を第１層の溶接層（ビードＢ）の上に重ねていく。この上重ねによって上下のビードＢが一体化されて最終的には求める金型素材２０の形状が得られる。
【００１９】
図５は、本実施形態に係る金型素材２０の製造の手順を説明するフロー図である。
本実施形態では、金型素材２０の製造方法は以下の手順による。
即ち、まず、ワークＷには、タイヤ成形時（加硫時）におけるエア抜き用のベントホールやタップ穴、パネル溝などが形成されているので、これらの孔等を塞ぐ事前処理を行う（Ｓ１０１）。次に、溶接制御部１２は、入力された金型素材の形状データと、ワークＷの形状データとの差分値を演算してその記憶部１２ｂに記憶する（Ｓ１０２）。続いて、記憶された前記差分値に基づき溶接範囲を設定し（Ｓ１０３）、かつ入力された一層毎の肉盛りできるビードＢ形状（即ち、ビードＢ幅、ビードＢ高さ、Ｒ（ビードＢ径））及び、溶接条件（溶接電圧、溶接電流、溶接速度等）に基づき、ワークの溶接範囲つまり必要な部分に溶接パスＰを自動生成する（Ｓ１０４）。続いて、溶接制御部１２は、ワークＷを回転させると共に溶接トーチ１０ｂを溶接パスＰ上に移動させ、回転するワークＷ上に生成された溶接パスＰを自動で肉盛り溶接し（Ｓ１０５）、これにより目的とする金型素材２０を製造する。
【００２０】
以上は、ワークＷから金型素材２０を製造する方法の概要であるが、既に述べたように、金型素材２０に使用するワークＷは円筒状を成しており、ワークＷ周上で肉盛りを行った場合、溶接箇所が熱を持ち膨張し、その冷却時の収縮により反りが生じる。即ち、図６は、ワークＷの肉盛り溶接時に発生する反りを説明するワークＷの断面図である。
図示のように、ワークＷの表面に形成した溶接パスＰを複数層重畳して肉盛り溶接すると、肉盛り部分の表面が冷却に伴い収縮する結果、全体としては図中矢印で示す方向に引っ張り力が作用して溶接面が収縮して反った形状になる。そのため、前記方法で金型素材２０を製造する際には、前記反りが生じないように溶接手順を考慮する必要がある。
【００２１】
そこで、次に、本実施形態の自動溶接時に生じる金型素材２０の変形防止方法について説明するが、その説明に当たり、まず、本出願人が行った検証及びその結果について説明する。
即ち、本出願人は、同一のテストワークを用いて、自動溶接でテストワークの溶接パスを肉盛りし、その際、溶接パスにおける溶接長さを変化させてそれぞれの反りを調べ、反りに対する溶接長さの影響について検証を行った。
【００２２】
テストワークＷは、実際のワークＷと同じ材料、即ちＳＳ４00で形成された外径φ200ｍｍ、内径φ73ｍｍ、厚さ25ｍｍの中実円筒状とし、その反り量は３次元測定器（端部４箇所の反り量を３次元測定器で測定）で測定し検証を行った。
図７は、その検証結果を示すグラフである。
図７のグラフにおいて、横軸は前記テストワークＷにおける溶接長さ（ｍｍ）、縦軸は反り量（ｍｍ）を示したものである。このグラフでは溶接長さ６ｍｍ、３０ｍｍ、６０ｍｍの三つのケースについてワークＷの反り量が示されている。このグラフに示すように、溶接長さ６ｍｍでは、反り量は０〜０．０２５ｍｍの範囲であるが、溶接長さ３０ｍｍでの反り量は０．０５〜０．１９ｍｍ、溶接長さ６０ｍｍでは、０．２〜０．３１ｍｍであった。
【００２３】
その検証の結果から、溶接長さにより溶接箇所の温度が変化し、それに伴う反り量が異なることが分かった。つまり、溶接パスＰの肉盛り溶接を行う場合、その溶接パスＰの長さに比して短い一定の溶接長さ（ここでは、例えば溶接パスＰの長さ5ｍｍに対して6ｍｍ）で断続的に溶接することで、溶接箇所の温度上昇を抑制し、反りを低減することができることが分かった。
ここで、断続的に行う溶接回数を増やせば、反りは小さくなるが肉盛り溶接の効率が低下し、また前記回数を減らせば肉盛り溶接の効率は上がるが反りは大きくなる。したがって、前記溶接パスＰの場合は、30ｍｍ〜60ｍｍが好ましい範囲である。
【００２４】
また、前記一定の長さで断続的に溶接を行う場合であっても、溶接箇所をできるだけ離しておく方が相互の熱の影響が小さく、したがって熱による反りの発生を抑制することができる。
そこで、本実施形態では、断続的に対角位置で60ｍｍ以下の一定長さの溶接を行う。即ち、例えば溶接トーチ１０ｂで円筒状をなすワークＷの一定長さ分肉盛り溶接を行った段階で一旦溶接を停止し、次に、溶接箇所の対角位置の溶接を行う。続いて、その溶接を一定長さ行ったとき溶接を一旦中断して、今度は以上で行った溶接位置間で溶接を行う。この断続的な肉盛り溶接は溶接トーチ１０ｂを静止した状態でワークＷを回転させて行う。なお、肉盛り必要箇所を、現状１周分ずつ溶接を実施してもよい。
【００２５】
図８Ａはこの溶接手順を説明するためのワークＷの斜視図であり、同一溶接パスＰにおける最初の４箇所の溶接位置を示している。また、図８Ｂは同一溶接パスＰを全て溶接したときの溶接順序を示す図である。
肉盛り溶接は、既に述べたように、ワークＷを載せた回転台の回転と溶接トーチ１０ｂでの溶接動作を制御することで行う。即ち回転台を駆動する回転駆動装置、例えばステッピングモータの回転角を制御する。その回転角の制御は、円筒状ワークＷの１溶接パスＰの円周を、例えば図８Ｂに示すよう８等分割してそれぞれに溶接順に１〜８の番号を付した場合、図示のように直前の溶接箇所から離れた箇所とそれの対角位置にある箇所を選択して、回転するワークＷが溶接トーチ１０ｂの位置に達したとき肉盛り溶接を開始して前記一定の長さの溶接を行う。多層の肉盛り溶接を行うときも上記溶接順序動作を繰り返す。
【００２６】
このように、円筒状のワークＷの一周分の溶接パスＰを一定長さで複数区間に区切り、各区間のうち周上の対角位置の区間を次溶接区間とするよう溶接順序を設定し、その溶接順序にしたがって溶接を実行する。これによりワークＷの反りを無くするか又は大幅に緩和することができる。
【００２７】
図９は、異なる溶接パスＰ間における肉盛り溶接の順序を説明するワークＷの断面図である。
図９に示すよう、溶接パスＰ間においても、溶接時に熱が分散するように、隣接した溶接パスＰを連続して肉盛り溶接を行わず、出来るだけ離れた溶接パスＰを溶接することで、ワークＷの反りを抑制することができる。
即ち、図９は溶接順序を模式的に示す図であって、図中の番号で示すように、飛び飛びの溶接パスＰを肉盛り溶接しながら、図示例では、（１）、（２）、（３）の順番で全体の肉盛りを行う。
【００２８】
図１０は、ワークＷの異なる部分毎に溶接パスＰを連続して肉盛り溶接を行う場合における溶接順序を説明するワークＷの断面図である。
即ち、図１０に示すように、ワークＷの異なる部分毎に溶接パスＰを連続して肉盛り溶接を行う場合は、ワークＷの各ワークＷ面毎に溶接方向を変更して肉盛り溶接を行うことで、溶接に伴う熱を分散することができる。
【００２９】
つまり、溶接長さだけではなく、溶接方向、ワークＷの初期状態（余熱や冷却）を変えても歪みの発生を抑制できる。
例えば、図１０に矢印で示すように、溶接方向を、一定の連続する複数の溶接パスＰ毎に変化させることもできる。これによって溶接による熱を分散させることができるため、熱による歪みの発生を一層抑制することができる。
【００３０】
以上は、溶接時に反りの発生を抑制するものであるが、次に、これとは別に、事後において、即ち溶接時に発生した反りを相殺して軽減又は相殺する方法について説明する。
図１１は溶接時に発生したワークＷの反りを軽減又は相殺する方法を説明するワークＷの断面図であって、図１１Ａは肉盛り溶接を行った状態を示し、図１１Ｂは図１１Ａで示す肉盛り溶接により発生した反りを相殺するために行った裏面の肉盛り溶接を行った状態を示す。
つまり、溶接熱によるワークの歪みを逆に利用して、溶接面と反対側（裏面）から歪みを与えることにより表側の歪みを相殺するもので、図示矢印Ｆで示すように、溶接熱によりワークＷの前面（表面）が歪んだとき、その背面（裏面）に肉盛り溶接を施すことで反りを軽減又は相殺することができる。
更に、別の方法として、ワークＷに冶具に依る機械的拘束を与えて、熱による反りを機械的に抑制してもよい。これは溶接時にワークＷを歪みが発生しないように強制的に拘束することで行う。
【００３１】
以上説明したように、本実施形態によれば、従来廃棄されていたタイヤ成形用金型素材を利用することで、低コストでタイヤ成形用金型素材が得られるほか、従来のように鋳型や鍛造型を製造する必要がないから、そのタクトタイムを大幅に短縮することができる。
得られたタイヤ成形用金型素材は加工されて目的とするタイヤ成形用金型が製造される。
【符号の説明】
【００３２】
１０・・・溶接ロボット、１０ａ・・・ロボットアーム、１０ｂ・・・溶接トーチ、１０ｃ・・・ワイヤ、１２・・・溶接制御部、１４・・・表示部、１６・・・入力部、１８・・・冶具、２０・・・金型素材、Ｂ・・・ビード、Ｐ・・・溶接パス、Ｗ・・・ワーク。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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