(57)【要約】【課題】手作業による鍛金作業のような自由鍛造も行うことができ、また塑性粘土や厚みのある板材でも塑性変形を行うことができる塑性変形型造形方法及びその装置を提供すること。【解決手段】ハンマ１１の打撃により被加工材２１に塑性変形を与えて加工を行う塑性変形型造形方法であって、ハンマ１１の打撃方向に対して等高線加工を行うように、複数の加工層ごとに工具経路を生成する場合に、あらかじめ設定している複数の経路モードの中から被加工材２１に応じて最適経路モードを決定することを特徴とする塑性変形型造形方法。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハンマの打撃により被加工材に塑性変形を与えて加工を行う塑性変形型造形方法であって、前記ハンマの打撃方向に対して等高線加工を行うように、複数の加工層ごとに工具経路を生成する場合に、あらかじめ設定している複数の経路モードの中から前記被加工材に応じて最適経路モードを決定することを特徴とする塑性変形型造形方法。
【請求項２】
前記経路モードとして、加工面の一方向から多方向に向けて折り返しながら経路を生成するスキャンニングモードと、外周から内周に向けて又は内周から外周に向けて渦巻き状に経路を生成するコンタリングモードとを有することを特徴とする請求項１に記載の塑性変形型造形方法。
【請求項３】
前記最適経路モードを、前記被加工材の材質、厚さ、及び加工形状の中のいずれかによって決定することを特徴とする請求項１に記載の塑性変形型造形方法。
【請求項４】
任意の前記加工層に対する塑性加工の終了後、又はすべての前記加工層に対する塑性加工の終了後に前記加工面の形状を検出する検査工程と、あらかじめ設定した所定の形状と検出した前記形状とを比較する比較工程と、前記比較工程において、あらかじめ設定した所定の深さまで塑性変形していない箇所又は隆起箇所を検出した場合に修正経路を決定する修正経路決定工程と、決定された前記修正経路に基づいて修正加工を行う修正工程とを有することを特徴とする請求項１に記載の塑性変形型造形方法。
【請求項５】
ハンマリングユニットに装着したハンマの打撃により、被加工材側ユニットに装着した被加工材に塑性変形を与えて加工を行う塑性変形型造形装置であって、前記ハンマリングユニットには、前記ハンマを打撃方向に往復動作させる駆動部材と、前記ハンマを前記被加工材の方向に付勢する弾性部材と、前記ハンマの打撃方向の位置を規制する位置決め部材とを備えたことを特徴とする塑性変形型造形装置。
【請求項６】
前記駆動部材が、回転部材と、前記回転部材の外周部に設けたカム部材とから構成され、前記回転部材の回転によってカム部材が回動し、前記カム部材の上昇時に前記ハンマと係合して前記ハンマを上昇させ、前記カム部材が所定の高さで前記ハンマとの係合を解除して前記ハンマを降下させ、前記ハンマの上昇時に前記弾性部材を変形させ、前記ハンマの降下時に前記弾性部材を復元させることを特徴とする請求項５に記載の塑性変形型造形装置。
【請求項７】
前記被加工材側ユニットには、前記ハンマの打撃方向に前記被加工材を近接離間させるＺ軸移動手段と、前記ハンマの打撃方向と垂直な面方向に前記被加工材を移動させるＸ−Ｙ軸移動手段とを備えたことを特徴とする請求項５に記載の塑性変形型造形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハンマの打撃により被加工材に塑性変形を与えて加工を行う塑性変形型造形方法およびそれに使用される塑性変形型造形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
今日、工業製品のほとんどがＣＡＤ／ＣＡＭシステムによって設計され、生産されている。現在の製造現場では、従来型の大量生産ではなく多品種少量生産に移り変わって来ており、設計から試作、生産に至るまで迅速な対応を要求されている。そのような状況に対して、ＣＡＤ／ＣＡＭシステムやコンピュータを製品設計段階だけでなく、積極的に生産設計段階にも取り入れ、試作やシミュレーション等も迅速且つ正確に行えるようになってきている。
商品開発の現場では、設計の初期の段階から実物に近い３次元模型を用いて評価や干渉チェックなどを行う必要がある。今日の３次元ＣＡＤの普及に伴い、３次元模型製作についてはラピッドプロトタイピング技術が注目され、発達してきている。ラピッドプロトタイピングは３次元データに基づいて迅速に３次元の立体を造形する技術であるが、現在のところ、そのようなプロトタイプや試作部品の加工においては、光造形法や粉体焼結法に代表される積層造形ラピッドプロトタイピング技術や高速ＣＮＣ工作機械によってある程度の解決を見ている。
一方、生産現場においてもＣＮＣ工作機械や産業用ロボットに代表されるように、迅速で精密な部品の加工の自動化が進んでいるが、一部には熟練工による手作業でしか行えない加工が残っていることもまた事実である。
塑性加工である自由鍛造や鍛金加工は、工業的には金型を用いて大量生産が行われる。しかし単品や試作品の場合、コスト、時間的に金型を用いるのは得策ではないため、多くの場合、熟練工による手作業に頼っているのが現状である。現在、この自由鍛造、鍛金加工分野において、金型を用いないで加工を行ういくつかの加工法が考案され、研究あるいは使用されている。
金型を用いないで加工を行うものとして例えば特許文献１に示される技術が提案されている。特許文献１では、被加工材の下側に弾塑性板を有する部材を配置し、等高面部位ごとに繰り返し打撃を与えて順次加工面を形成するものである。
【特許文献１】特開平１０−２６３７４０号公報（特許請求の範囲など）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、特許文献１における装置では、一つの等高面を凹ませた後に、被加工材の下側に配置した弾塑性板を復元させる工程を有しているので、弾塑性板の復元工程に時間が必要であり、被加工材の板圧が厚かったり、手作業による鍛金作業のような自由鍛造を行うことは困難である。
【０００４】
そこで本発明は、手作業による鍛金作業のような自由鍛造も行うことができ、また塑性粘土や厚みのある板材でも塑性変形を行うことができる塑性変形型造形方法及びその装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１記載の本発明の塑性変形型造形方法は、ハンマの打撃により被加工材に塑性変形を与えて加工を行う塑性変形型造形方法であって、前記ハンマの打撃方向に対して等高線加工を行うように、複数の加工層ごとに工具経路を生成する場合に、あらかじめ設定している複数の経路モードの中から前記被加工材に応じて最適経路モードを決定することを特徴とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載の塑性変形型造形方法において、前記経路モードとして、加工面の一方向から多方向に向けて折り返しながら経路を生成するスキャンニングモードと、外周から内周に向けて又は内周から外周に向けて渦巻き状に経路を生成するコンタリングモードとを有することを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項１に記載の塑性変形型造形方法において、前記最適経路モードを、前記被加工材の材質、厚さ、及び加工形状の中のいずれかによって決定することを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項１に記載の塑性変形型造形方法において、任意の前記加工層に対する塑性加工の終了後、又はすべての前記加工層に対する塑性加工の終了後に前記加工面の形状を検出する検査工程と、あらかじめ設定した所定の形状と検出した前記形状とを比較する比較工程と、前記比較工程において、あらかじめ設定した所定の深さまで塑性変形していない箇所又は隆起箇所を検出した場合に修正経路を決定する修正経路決定工程と、決定された前記修正経路に基づいて修正加工を行う修正工程とを有することを特徴とする。
請求項５記載の本発明の塑性変形型造形装置は、ハンマリングユニットに装着したハンマの打撃により、被加工材側ユニットに装着した被加工材に塑性変形を与えて加工を行う塑性変形型造形装置であって、前記ハンマリングユニットには、前記ハンマを打撃方向に往復動作させる駆動部材と、前記ハンマを前記被加工材の方向に付勢する弾性部材と、前記ハンマの打撃方向の位置を規制する位置決め部材とを備えたことを特徴とする。
請求項６記載の本発明は、請求項５に記載の塑性変形型造形装置において、前記駆動部材が、回転部材と、前記回転部材の外周部に設けたカム部材とから構成され、前記回転部材の回転によってカム部材が回動し、前記カム部材の上昇時に前記ハンマと係合して前記ハンマを上昇させ、前記カム部材が所定の高さで前記ハンマとの係合を解除して前記ハンマを降下させ、前記ハンマの上昇時に前記弾性部材を変形させ、前記ハンマの降下時に前記弾性部材を復元させることを特徴とする。
請求項７記載の本発明は、請求項５に記載の塑性変形型造形装置において、前記被加工材側ユニットには、前記ハンマの打撃方向に前記被加工材を近接離間させるＺ軸移動手段と、前記ハンマの打撃方向と垂直な面方向に前記被加工材を移動させるＸ−Ｙ軸移動手段とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、あらかじめ複数の経路モードを設定し、工具軌跡による影響を少なくするモードを被加工材に応じて選択することで、打撃箇所の周辺に生じる隆起を残さず、所定の形状に加工を行うことができる。
また本発明によれば、弾性部材によって衝撃力を高めるとともに、所定の衝撃力を与えることができ、また位置決め部材によってハンマによる押し込み量を一定に維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の第１の実施の形態による塑性変形型造形方法は、ハンマの打撃方向に対して等高線加工を行うように、複数の加工層ごとに工具経路を生成する場合に、あらかじめ設定している複数の経路モードの中から被加工材に応じて最適経路モードを決定するものである。変形加工である塑性加工を行う場合、必ずしも工具軌跡と工作物の変形は一致しないが、本実施の形態によれば、あらかじめ複数の経路モードを設定し、工具軌跡による影響を少なくするモードを被加工材に応じて選択することで、打撃箇所の周辺に生じる隆起を残さず、所定の形状に加工を行うことができる。
本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態による塑性変形型造形方法において、経路モードとして、加工面の一方向から多方向に向けて折り返しながら経路を生成するスキャンニングモードと、外周から内周に向けて又は内周から外周に向けて渦巻き状に経路を生成するコンタリングモードとを有するものである。本実施の形態によれば、例えば被加工材が塑性粘土の場合にはスキャンニングモードを選択することで、工具経路に沿った隆起の影響を少なくすることができる。
本発明の第３の実施の形態は、第１の実施の形態による塑性変形型造形方法において、最適経路モードを、被加工材の材質、厚さ、及び加工形状の中のいずれかによって決定するものである。本実施の形態によれば、工具経路にそって発生する隆起を、被加工材の材質、厚さ、及び加工形状から判断して最適経路モードを選択することができる。
本発明の第４の実施の形態は、第１の実施の形態による塑性変形型造形方法において、任意の加工層に対する塑性加工の終了後、又はすべての加工層に対する塑性加工の終了後に加工面の形状を検出する検査工程と、あらかじめ設定した所定の形状と検出した形状とを比較する比較工程と、比較工程において、あらかじめ設定した所定の深さまで塑性変形していない箇所又は隆起箇所を検出した場合に修正経路を決定する修正経路決定工程と、決定された修正経路に基づいて修正加工を行う修正工程とを有するものである。変形加工である塑性加工を行う場合、必ずしも工具軌跡と工作物の変形は一致しないが、本実施の形態によれば、所定の塑性加工の終了後、又はすべての塑性加工の終了後に、隆起箇所を検出して修正加工を行うことで、あらかじめ設定した形状に加工することができる。
本発明の第５の実施による塑性変形型造形装置は、ハンマリングユニットには、ハンマを打撃方向に往復動作させる駆動部材と、ハンマを被加工材の方向に付勢する弾性部材と、ハンマの打撃方向の位置を規制する位置決め部材とを備えたものである。本実施の形態によれば、弾性部材によって衝撃力を高めるとともに、所定の衝撃力を与えることができ、また位置決め部材によってハンマによる押し込み量を一定に維持することができる。
本発明の第６の実施の形態は、第５の実施の形態による塑性変形型造形装置において、駆動部材が、回転部材と、回転部材の外周部に設けたカム部材とから構成され、回転部材の回転によってカム部材が回動し、カム部材の上昇時にハンマと係合してハンマを上昇させ、カム部材が所定の高さでハンマとの係合を解除してハンマを降下させ、ハンマの上昇時に弾性部材を変形させ、ハンマの降下時に弾性部材を復元させるものである。本実施の形態によれば、回転部材の回転によって簡単な構成で連続的なハンマの打撃を行うことができるとともに、ハンマの自重による加速落下に弾性部材による弾性力を加えることができる。
本発明の第７の実施の形態は、第５の実施の形態による塑性変形型造形装置において、被加工材側ユニットには、ハンマの打撃方向に被加工材を近接離間させるＺ軸移動手段と、ハンマの打撃方向と垂直な面方向に被加工材を移動させるＸ−Ｙ軸移動手段とを備えたものである。本実施の形態によれば、被加工材側ユニット側に、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向への移動を行わせることで、ハンマの打撃衝撃による移動誤差を防止することができる。
【実施例】
【０００８】
以下本発明の一実施例による塑性変形型造形装置について説明する。
図１は本実施例による塑性変形型造形装置の構成図、図２は同装置の動作を示す構成図である。
本実施例による塑性変形型造形装置は、ハンマ１１を装着したハンマリングユニット１０と、被加工材２１を装着した被加工材側ユニット２０と、被加工材２１の立体モデルを設計又は入力するＣＡＤなどからなる設計手段３０と、設計手段３０で設計された立体モデルの塑性加工制御を行う制御手段４０とを備えている。設定手段４１では、ハンマ１１の工具や被加工材２１の素材などの条件設定を行い、記憶手段４２にあらかじめ設定したデータや条件に基づいて、ピックフィード、押し込み量などの動作環境を設定する。また設定した動作環境は記憶手段４２に記憶され、制御手段４０に対して所定のデータを出力する。なお、ピックフィード、押し込み量、経路モード、及び検査回数や検査対象とする加工層は、設定手段４１で設定してもよい。また、同装置は、図示はしないが、非接触又は接触によって被加工材の形状を検出する形状検出手段を備えている。
ハンマ１１には、例えば直径６mm程度の高速度鋼製の汎用工具を用いる。また、ハンマ１１の先端部には、弾性体のキャップ１１ａを設ける。このキャップ１１ａは、着脱可能な構成とし、例えばポリプロピレンで構成する。キャップ１１ａは被加工材２１の材質や加工面の仕上げに応じて用いる。ハンマ１１は加工具固定部材１２によって保持され、加工具固定部材１２の近傍には、ハンマ１１を打撃方向に往復動作させる駆動部材１３を配置している。この駆動部材１３は、回転部材１３Ａと、回転部材１３Ａの外周部に設けたカム部材１３Ｂとから構成され、回転部材１３Ａの回転によってカム部材１３Ｂが回動する。
また、ハンマリングユニット１０は、ハンマ１１を被加工材２１の方向に付勢する弾性部材１４と、ハンマ１１の打撃方向の位置を規制する位置決め部材１５とを備えている。
【０００９】
一方、被加工材２１を装着する被加工材側ユニット２０は、被加工材２１を保持する被加工材固定部材２２と、被加工材２１を移動させる移動部材２４とを備えている。被加工材２１が例えば薄いアルミ板の場合には、被加工材２１は、脂材２３を介して被加工材固定部材２２に保持される。ここで脂材２３は、粘土のような被加工材よりも塑性変形し易い塑性材料や砂を袋詰めしたような脂台と称される材料である。移動部材２４は、ハンマ１１の打撃方向に被加工材２１を近接離間させるＺ軸移動手段と、ハンマ１１の打撃方向と垂直な面方向に被加工材２１を移動させるＸ−Ｙ軸移動手段とを備えている。
【００１０】
以下に同装置の動きについて説明する。
図示しないＤＣモータによりカム部材１３Ｂを取り付けた回転部材１３Ａを回転させ、加工具固定部材１２によってハンマ１１を上昇させる。カム部材１３Ｂは、最下位置から所定の高さで加工具固定部材１２と係合し、上昇時に加工具固定部材１２と係合してハンマ１１を上昇させ、カム部材１３Ｂが所定の高さに位置すると、加工具固定部材１２との係合を解除してハンマ１１を降下させる。なお、弾性部材１４は、ハンマ１１の上昇時に変形され、ハンマ１１の降下時に復元させられることで、弾性部材１４による加速落下により打撃を行わせる。回転部材１３Ａの回転によって連続的にハンマ１１の打撃が行なわれ、被加工材２１に打撃による局部的塑性変形が施される。ハンマ１１の終端加速度は手作業でハンマを振り下ろす時にかかる加速度とほぼ同等とされる約１０００Ｇとし、その時の概算等価打撃力を約０．３ｋＮとする。打撃数は例えば毎秒約１回から５回以内で変更可能に設定できることが好ましい。
【００１１】
次に、同装置の制御方法について図３及び図４を用いて説明する。図３及び図４は同装置の制御方法を示すフローチャートである。
まず、図１に示す設計手段４１によって、被加工材２１の立体モデルの設計が行われる（ステップ１）。次に、図１に示す設定手段４１によって、工具形状の決定（ステップ２）、ピックフィードの決定（ステップ３）、押し込み量の決定（ステップ４）、経路モードの決定（ステップ５）、検出回数・加工層の決定（ステップ６）がそれぞれ行われる。ステップ２では、ハンマ１１の形状やハンマ１１の先端部に装着するキャップ１１ａの設定が行われる。工具形状の設定は、形状に関するデータを直接入力する他、被加工材２１に関する素材や加工形状に関するデータから設定されるものでもよい。ステップ３では、ハンマ１１の打撃間隔の設定が行われる。打撃間隔の設定は、間隔データを直接入力する他、被加工材２１に関する素材や加工形状に関するデータ、更にはステップ２において設定された工具形状から設定されるものでもよい。ステップ４では、１回の打撃で予定するＺ軸方向の変形量（押し込み量）の設定が行われる。押し込み量の設定は、寸法に関するデータを直接入力する他、被加工材２１の素材他の加工形状に関するデータから設定されるものでもよい。ステップ５では、経路モードの設定が行われる。
ステップ６では、加工面の形状を検出する検査工程を、終了までの間に何回行うか、又はその検査を行う加工層の設定が行われる。検査回数や加工層の設定は、直接入力する他、被加工材２１の素材や加工形状のデータから、また加工精度のレベルから設定されるものでもよい。
ステップ７においては、特にステップ４で設定された押し込み量によって加工層が決定され、それぞれの加工層ごとに、工具経路が生成される。工具経路の生成にあたっては、ステップ５で設定された経路モードを基準軌跡として生成される。生成された工具経路のデータは図１に示す記憶手段４２に記憶される。
ステップ７において、工具経路の生成が行われると、動作開始指示を待って塑性加工が行われる（ステップ８）。
【００１２】
ステップ８において動作開始指示がなされると、図１に示す制御手段によって、まず第１番目の加工層のデータが読み込まれる（ステップ９）。
ステップ９において、第１番目の加工層のデータが読み込まれると、押し込み量に相当するＺ軸方向の位置変更動作が行われる。本実施例においては、図１に示す移動部材２４が基準面から押し込み量だけ上昇する（ステップ１０）。
ステップ１０において、Ｚ軸方向の位置変更が完了すると、ハンマリング動作を行うとともに（ステップ１１）、Ｘ−Ｙ軸位置の変更動作が行われ（ステップ１２）、第１番目の加工層に対する塑性加工が行われる。
第１番目の加工層の塑性加工の工程が終了すると（ステップ１３）、この第１番目の加工層に対する検査工程の設定がなされているか否かを判断する（ステップ１４）。検査工程の設定がなされていない場合には、最終の加工層が終了したか否かが判断され（ステップ１５）、最終の加工層でないと判断された場合には、カウントアップ（ステップ１６）の後に、ステップ９に戻って第２番目の加工層のデータが読み込まれる。
ステップ１４において、検査工程の設定がなされている場合には形状検出手段によって加工層の表面高さを検出する（ステップ１７）。
そして、あらかじめ設定しているＣＡＤデータ上の加工面の高さと検出した加工面の高さを比較し（ステップ１８）、スプリングバックなどの盛り上がりの有無を検出する。ステップ８の比較工程において、スプリングバックなどの盛り上がりがあると判断された場合には、修正の必要有りと認識し（ステップ１９）、修正経路が決定される（ステップ２０）。ステップ２０の修正経路決定工程において修正経路が決定されると、修正加工動作が行われる（ステップ２１）。
ステップ１９において、修正の必要がないと判断された場合には、ステップ１５によって最終の加工層であるか否かが判断される。最終の加工層でないと判断された場合には、カウントアップ（ステップ１６）の後に、ステップ９に戻って第２番目の加工層のデータが読み込まれる。
【００１３】
図５は、経路モードを示す。図５（Ａ）は、加工面の一方向から多方向に向けて折り返しながら経路を生成するスキャンニングモード、図５（Ｂ）は、外周から内周に向けて渦巻き状に経路を生成するアウトからインのコンタリングモード、図５（Ｃ）は内周から外周に向けて渦巻き状に経路を生成するインからアウトのコンタリングモードである。これら３つの経路モードを代表例として示したが、これら以外の経路モードを更に備えていることが好ましい。またこれらの経路モードの中で少なくとも２つの経路モードを備えることで所定の効果を得ることができる。
最適な経路モードは、被加工材２１の材質、厚さ、及び加工形状の中のいずれかによって設定する。例えば、被加工材２１として塑性粘土を用いた場合で、コンタリングモードで加工した場合には、工具経路に沿って盛り上がりの影響が大きく、スキャンニングモードが適している。
【００１４】
変形加工である塑性加工を行う場合、必ずしも工具軌跡と工作物の変形は一致しないが、本実施例によれば、あらかじめ複数の経路モードを設定し、工具軌跡による影響を少なくするモードを被加工材に応じて選択することで、打撃箇所の周辺に生じる隆起を残さず、所定の形状に加工を行うことができる。
また、本実施例によれば、所定の塑性加工の終了後、又はすべての塑性加工の終了後に、隆起箇所を検出して修正加工を行うことで、あらかじめ設定した形状に加工することができる。
なお、本実施例ではハンマ１１の打撃方向を固定の場合で説明したが、ハンマ１１の打撃方向であるＺ軸を変更することで、より自由度の高い鍛造加工を行うことができる。また、鍛造後に仕上げ切削加工を行う加工機を組み合わせることで、ハイブリッド化を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００１５】
本発明の装置は、小規模な打ち刃物等の生産に用いられる手作業によるハンマリングに代わって加工を行うことができる塑性変形型造形方法及びその装置として利用でき、ハンマの打撃方向を変更して被加工材に塑性変形を与えることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施例による塑性変形型造形装置の構成図
【図２】同装置の動作を示す構成図
【図３】同装置の制御方法を示すフローチャート
【図４】同装置の制御方法を示すフローチャート
【図５】本実施例による経路モードを示し、（Ａ）はスキャンニングモード、（Ｂ）はアウトからインのコンタリングモード、（Ｃ）はインからアウトのコンタリングモードを示す図
【符号の説明】
【００１７】
１０  ハンマリングユニット
１１  ハンマ
１３  駆動部材
１４  弾性部材
１５  位置決め部材
２０  被加工材側ユニット
２１  被加工材
２２  被加工材固定部材
２３  脂材
２４  移動部材
３０  設計手段
４０  制御装置
４１  設定手段
４２  記憶手段
【図１】
2006110595.tif 000003
【図２】
2006110595.tif 000004
【図３】
2006110595.tif 000005
【図４】
2006110595.tif 000006
【図５】
2006110595.tif 000007