(57)【要約】【課題】装置全体の設置スペースの小型化及び設備コストの抑制と、動作速度の抑制とを図ることができ、これにより、寸法精度が優れた曲げ部材を高い生産性でかつ低コストで製造できる曲げ加工装置及び曲げ部材の製造方法を提供する。【解決手段】(i)鋼管25の一端側を固定するクランプ22と、(ii)鋼管25を加熱し、加熱された部分を冷却する加熱冷却ユニット23と、(iii)少なくとも６自由度を有し、鋼管25の他端部を保持しながら並進３自由度及び回転３自由度の荷重を与えることにより、鋼管25における高温部分に曲げモーメントを与える第１マニピュレータ24と、(iv)加熱冷却ユニット23を保持し、第１マニピュレータ24が曲げモーメントを与える際に、加熱冷却ユニット23の位置を鋼管25の多端側から一端側に接近する位置へ変更する第２マニピュレータ29とを有する曲げ加工装置20である。【選択図】図１
2011224606.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
閉じた断面を有する中空の金属材の一端側を固定するクランプと、
前記金属材を加熱する加熱手段と、前記加熱手段により加熱された部分を冷却する冷却手段とを有する加熱冷却ユニットと、
前記金属材の他端側を保持し、前記金属材における前記加熱手段により加熱された高温部分に曲げモーメントを与える第１マニピュレータと
を有することを特徴とする曲げ加工装置。
【請求項２】
前記第１マニピュレータは少なくとも６自由度を有し、前記金属材の前記他端部に並進３自由度及び回転３自由度の荷重を与えることを特徴とする請求項１記載の曲げ加工装置。
【請求項３】
前記加熱冷却ユニットを保持し、前記第１マニピュレータが前記曲げモーメントを与える際に、前記加熱冷却ユニットを前記金属材の所定の部位に移動させる第２マニピュレータを有する
ことを特徴とする請求項１又は２記載の曲げ加工装置。
【請求項４】
前記第２マニピュレータは、
前記加熱手段及び前記冷却手段の配置位置を、前記多端側から前記一端側に接近する位置へ変更する
ことを特徴とする請求項３記載の曲げ加工装置。
【請求項５】
閉じた断面を有する中空の金属材の一端側をクランプによって固定し、
前記金属材を加熱手段により加熱し、
前記金属材の他端側を保持し、前記金属材における前記加熱手段により加熱された高温部分に第１マニピュレータにより曲げモーメントを与え、
前記加熱手段により加熱された部分を冷却手段により冷却する
ことを特徴とする曲げ部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、曲げ加工装置及び曲げ部材の製造方法に関し、具体的には、閉断面を有する長尺の金属製の素材に曲げ加工を行って曲げ部材を製造する方法と、そのための曲げ加工装置とに関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、自動車や各種機械等に用いられる、屈曲した形状を有する金属製の強度部材、補強部材又は構造部材には、高強度、軽量かつ小型であること等が求められる。従来より、この種の曲げ部材は、例えば、プレス加工品の溶接、厚板の打ち抜き、さらには鍛造等により製造されてきた。しかし、これらの製造方法により製造される曲げ部材の軽量化及び小型化には限界があり、その実現は容易なことではない。
【０００３】
近年では、例えば非特許文献１に開示されるように、いわゆるチューブハイドロフォーミングによりこの種の曲げ部材を製造することも積極的に検討されている。非特許文献１の２８頁にも記載されているように、チューブハイドロフォーミング工法は、素材となる材料の開発や成形可能な形状の自由度の拡大等といった様々な課題があり、今後よりいっそうの開発が必要である。
【０００４】
一方、これまでにも金属管に曲げ加工を行って、所望の形状を有する曲げ部材を製造するための発明が多数提案されている。
特許文献１には、金属管等を熱処理しながら曲げ加工する発明が開示され、特許文献２には、湾曲した異形断面らせん条材を製造する発明が開示され、特許文献３には、押し曲げ方式の高周波加熱ベンダーに係る発明が開示され、特許文献４には、金属部材の曲げ加工装置に係る発明が開示されている。
【０００５】
本出願人も、先に、特許文献５により、金属材の曲げ加工方法及び曲げ加工装置に係る発明を開示した。図４は、この曲げ加工装置０の概略を示す説明図である。
【０００６】
図４に示すように、この発明は、基本的に、支持手段２及びチャック機構７によりその軸方向へ移動自在に支持された鋼管１を上流側から下流側へ向けて、例えばボールネジを用いた送り装置３により送りながら、支持手段２の下流で曲げ加工を行う曲げ加工方法を用いて曲げ部材８を製造するものである。すなわち、支持手段２の下流で高周波加熱コイル５により鋼管１を部分的に焼入れが可能な温度域に急速に加熱するとともに高周波加熱コイル５の下流に配置される水冷装置６により鋼管１を急冷する。そして、鋼管１を送りながら支持可能であるロール対４ａを少なくとも一組有する可動ローラーダイス４の位置を二次元又は三次元で変更して鋼管１の高温部分に曲げモーメントを付して曲げ加工を行う。このため、この発明によれば、十分な曲げ加工精度を確保しながら高い作業能率で曲げ部材を製造することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭５０−５９２６３号公報
【特許文献２】特許第２８１６０００号明細書
【特許文献３】特開２０００−１５８０４８号公報
【特許文献４】特許第３１９５０８３号明細書
【特許文献５】特開２００７−８３３０４号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】自動車技術  Ｖｏｌ．５７，Ｎｏ．６，２００３  ２３〜２８頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
図５（ａ）〜図５（ｄ）は、本出願人が特許文献５により開示された発明をさらに改良すべく、特願２００８−２７６４９４号により提案した発明により曲げ部材１３を製造する状況を経時的に示す説明図である。
【００１０】
図５（ａ）〜図５（ｄ）に示すように、送り装置１０により素材である金属材９をその軸方向へ送りながら、加熱および冷却装置１１により急速に加熱および冷却し、例えば多関節型の産業用ロボット１４により把持手段１２を支持し、この把持手段１２の位置を、破線矢印で示すように、二次元または三次元の方向へ変更して金属材９における加熱された高温部分に曲げモーメントを与えることによって、曲げ部材１３を製造する。
【００１１】
しかし、特願２００８−２７６４９４号により提案した発明では、把持手段１２を広い範囲で移動させる必要があり、把持手段１２を支持する産業用ロボット１４には、リーチが長いロボットを用いざるを得なくなり、設備全体を大型化せざるを得ない。
【００１２】
すなわち、特願２００８−２７６４９４号により提案した発明のみならず、特許文献１〜５により開示されたいずれの発明も、素材である金属材の送り方向は、すべて金属材の軸方向であって曲げ加工の間は変更されない。このため、曲げ加工を行うための装置の設置スペースが嵩んで装置全体が大型化し、省スペース化の要請に反するという問題がある。
【００１３】
また、特願２００８−２７６４９４号により提案した発明では、把持手段１２を支持する産業用ロボット１４を高速から低速までの広い速度域で動作させることとなるので動作速度の変化が大きくなり、動作時に振動が発生し易くなり、曲げ部材１３の寸法精度が低下する。振動を抑制するためには、動作速度を低く設定すればよいが、これでは、生産速度すなわち生産性が低下してしまう。
さらに、この発明では、素材である金属材９の供給装置の設置スペースも嵩んでしまう。
【００１４】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、装置全体の設置スペースの小型化を図りながら、特に特願２００８−２７６４９４号により提案した発明においては、把持手段の動作範囲を可及的抑制することによって装置のコンパクト化及び設備コストの抑制と、把持手段の動作速度を可及的抑制することによる動作速度の変化及び動作時の振動の抑制とを図ることができ、これにより、寸法精度が優れた曲げ部材を高い生産性でかつ低コストで製造することができる曲げ加工装置及び曲げ部材の製造方法を提供することを、目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、閉じた断面を有する中空の金属材の一端側を固定するクランプと、金属材を加熱する加熱手段と、加熱手段により加熱された部分を冷却する冷却手段とを有する加熱冷却ユニットと、金属材の他端側を保持し、金属材における加熱手段により加熱された高温部分に曲げモーメントを与える第１マニピュレータとを有することを特徴とする曲げ加工装置である。
【００１６】
別の観点からは、本発明は、閉じた断面を有する中空の金属材の一端側をクランプによって固定し、金属材を加熱手段により加熱し、金属材の他端側を保持し、金属材における加熱手段により加熱された高温部分に第１マニピュレータにより曲げモーメントを与え、加熱手段により加熱された部分を冷却手段により冷却することを特徴とする曲げ部材の製造方法である。
【００１７】
これらの本発明では、第１マニピュレータは少なくとも６自由度を有し、金属材の他端部に並進３自由度及び回転３自由度の荷重を与えることが好ましい。
また、加熱冷却ユニットを保持し、第１マニピュレータが金属材に曲げモーメントを与える際に、加熱冷却ユニットを金属材の所定の部位に移動させる第２マニピュレータを有していることが好ましい。
また、これらの本発明では、第２マニピュレータは、加熱手段及び冷却手段の配置位置を、鋼管の多端側から一端側に接近する位置へ変更することが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、曲げ部材の製造にかかる装置全体の設置スペースの小型化を図りながら、特に特願２００８−２７６４９４号により提案した発明に比較して、送り装置を設ける必要がないため、把持手段の動作範囲を可及的抑制することによって装置のコンパクト化及び設備コストの抑制と、把持手段の動作速度を可及的抑制することによる動作速度の変化及び動作時の振動の抑制とを図ることができる。
【００１９】
これにより、寸法精度が優れた曲げ部材を高い生産性でかつ、設備コストの上昇を可及的に抑制して、製造することができるようになる。
このため、本発明によれば、例えば自動車用の、屈曲した形状を有する金属製の強度部材、補強部材又は構造部材を、優れた寸法精度で、かつ低コストで供給できることとなり、本発明の実用上の意義は極めて著しい。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態に係る曲げ加工装置の全体構成を模式的に示す説明図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る曲げ加工装置の全体構成を模式的に示す説明図である。
【図３】図３（ａ）〜図３（ｄ）は、いずれも本発明の一実施形態に係る曲げ加工装置により曲げ部材を製造する状況を、経時的に示す説明図である。
【図４】特許文献５により開示された曲げ加工装置の概略を示す説明図である。
【図５】図５（ａ）〜図５（ｄ）は、特願２００８−２７６４９４号により提案した発明により曲げ部材を製造する状況を経時的に示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明を実施するための形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以降の説明では本発明における「閉じた断面を有する中空の金属材」が鋼管である場合を例にとるが、本発明の適用対象が鋼管に限定されるものではなく、閉じた断面を有する中空の金属材であれば鋼管以外でも等しく適用される。
【００２２】
［全体構成］
図１、２は、いずれも、本発明の一実施形態に係る曲げ加工装置２０の全体構成を模式的に示す説明図である。
図１に示すように、曲げ加工装置２０は、クランプ２２と、加熱冷却ユニット２３と、第１マニピュレータ２４と、第２マニピュレータ２９とを備えている。
【００２３】
［クランプ２２］
クランプ２２は、フロアから立設された基台に取り付けられたチャッキング装置を有しており、鋼管２５の一端側が保持され固定されるように構成されている。即ち、クランプ２２は、保持された鋼管２５に与えられた負荷（モーメント負荷も含む）に対して、十分な反力を与えるようになっている。
【００２４】
クランプ２２は、後述する第１マニピュレータ２４とともに、鋼管２５の両端側を保持して、鋼管２５に曲げモーメントを与えて、加熱冷却ユニット２３により加熱された部分を曲げ変形させて鋼管２５を予め設定された形状に曲げ加工するためのものである。
【００２５】
[第１マニピュレータ２４]
第１マニピュレータ２４は、７軸の垂直多関節型ロボットであり、フロアに固定された基台３０と、基台３０から先端にかけて順々に第１構造材３１，第２構造材３２，第３構造材３３，第４構造材３４，第５構造材３５，第６構造材３６，フランジ３７が第１〜７のアクチュエータ（ここでは、サーボモータを有して構成される）により形成される回転関節（第１〜７関節）を介して連結されている。
【００２６】
より詳細に説明すると、基台３０とアーム構造材３１とは、第１アクチュエータ（図示省略）を介して連結されており、第１アクチュエータの駆動により、アーム構造材３１が回転するようになっている。アーム構造材３１とアーム構造材３２とは、第２アクチュエータ（図示省略）を介して連結されており、第２アクチュエータの駆動により、アーム構造材３２が旋回するようになっている。
【００２７】
アーム構造材３２とアーム構造材３３とは、第３アクチュエータ（図示省略）を介して連結されており、第３アクチュエータの駆動により、アーム構造材３３が回転するようになっている。アーム構造材３３とアーム構造材３４とは、第４アクチュエータ（図示省略）を介して連結されており、第４アクチュエータの駆動により、アーム構造材３４が旋回するようになっている。
【００２８】
アーム構造材３４とアーム構造材３５とは、第５アクチュエータ（図示省略）を介して連結されており、第５アクチュエータの駆動により、アーム構造材３５が回転するようになっている。アーム構造材３５とアーム構造材３６とは、第６アクチュエータ（図示省略）を介して連結されており、第６アクチュエータの駆動により、アーム構造材３６が旋回するようになっている。
【００２９】
アーム構造材３６とフランジ３７とは、第７アクチュエータ（図示省略）を介して連結されており、第７アクチュエータの駆動により、フランジ３７が回転するようになっている。
【００３０】
第１マニピュレータ２４には、先端のフランジ３７に鋼管２５の他端側（一端側の反対側）を保持するエンドエフェクタ２４Ａが取り付けられており、第１マニピュレータ２４が動作することにより鋼管２５の他端側に３次元的に曲げモーメントを与えられるようになっている。
【００３１】
なお、上述のように第１マニピュレータ２４は７個のアクチュエータにより７つの自由度を有しているので、エンドエフェクタ２４Ａを並進３軸（Ｘ,Ｙ,Ｚ）及び回転３軸（θＸ,θＹ,θＺ）の６自由度で動作させることができる。また、上述の６自由度に加えてさらに1自由度を有しているのでエンドエフェクタ２４Ａを６自由度で移動させながらも第１マニピュレータ２４の各アーム構造材３１〜３６の姿勢を適宜変更させることができるので、各アーム構造材３１〜３６をコンパクトに折り畳んで、曲げ加工が施される鋼管２５や加熱冷却ユニット２３等の周囲の物体との干渉を避ける姿勢をとることができる。
【００３２】
［加熱冷却ユニット２３］
加熱冷却ユニット２３は、鋼管２５の送り方向（鋼管２５が加熱冷却ユニット２３に対して相対的に送られる方向であり、鋼管２５の一端側から多端側に向かう方向である）について第１の位置Ａよりも下流の第２の位置Ｂに配置されて、鋼管２５の一部又は全部を加熱する加熱手段と、鋼管２５の送り方向について第２の位置Ｂよりも下流の第３の位置Ｃに配置されて、鋼管２５における加熱手段により加熱された部分を冷却する冷却手段とにより構成されるものである。
【００３３】
また、加熱冷却ユニット２３の一端側（上流側）近傍には、支持機構２６が第２マニピュレータ２９によって支持されている。支持機構２６は、図４における支持手段２と同様に、回転可能に配置された２組の支持ローラにより構成されており、鋼管２５を支持して鋼管２５の自重等に起因する撓みを低減するようになっている。また、支持機構２６は、鋼管２５に与えられた負荷（モーメント負荷も含む）に対して、十分な反力を与えるようになっている。
【００３４】
なお、今回の説明は、支持機構２６が回転可能な２組の支持ローラにより構成される場合を例にとったが、被加工材を支持する機構を有すればよく、被加工材の寸法に合わせた孔型を油圧やエアーにより両側あるいは複数の方向により押し付ける方式のものとしても良い。
【００３５】
なお、説明を簡略化するため、この説明では、加熱冷却ユニット２３として一体に示すが、加熱手段及び冷却手段は独立した装置であることはいうまでもない。
加熱手段は、送られる鋼管２５の一部又は全部を加熱するためのものであり、本発明では、加熱手段として、鋼管２５の周囲に離れて配置される加熱コイルを有する誘導加熱装置（例えば高周波加熱装置）を用いる。この種の加熱コイルは、当業者にとっては周知慣用であるので、加熱コイルに関するこれ以上の説明は省略する。
【００３６】
また、冷却手段は、鋼管２５における加熱手段より加熱された部分を冷却するためのものである。本発明では、冷却手段として、鋼管２５の外面に離れて配置される冷却水噴射ノズルを有する水冷装置を用いる。このような冷却水噴射ノズルは、当業者にとっては周知慣用であるので、水冷装置に関するこれ以上の説明は省略する。
【００３７】
また、加熱冷却ユニット２３は、その配置位置を、クランプ２２の位置に接近する位置へ変更しながら、曲げ部材２１を製造すること、換言すれば、加熱冷却ユニット２３は、その配置位置を、クランプ２２に接近する位置へ変更する機能を有する。このため、本発明に係る曲げ加工装置２０は、省スペース化が図られている。製品の形状にもよるが、例えば、加熱冷却ユニット２３を軸方向へ移動することにより、従来の送り装置のスペースが不要になるため、設置スペースを約１／２〜２／３に抑制することができる。
【００３８】
［第２マニピュレータ２９］
図１及び図２に示すように、第２マニピュレータ２９は、６軸の垂直多関節型ロボットであり、フロアに固定された基台４０と、基台４０から先端にかけて順々に第１構造材４１，第２構造材４２，第３構造材４３，第４構造材４４，第５構造材（図示省略），フランジ（図示省略）が第１〜６のアクチュエータにより形成される回転関節（第１〜６関節）を介して連結されている。
【００３９】
また、第２マニピュレータ２９のフランジには加熱冷却ユニット２３を保持するためのエンドエフェクタ（図示省略）が取り付けられている。これにより、加熱冷却ユニット２３は第２マニピュレータ２９に支持されるとともに、第２マニピュレータ２９の各アクチュエータの駆動により加熱冷却ユニット２３を並進３軸（Ｘ,Ｙ,Ｚ）及び回転３軸（θＸ,θＹ,θＺ）の６自由度で動作できるようになっている。
【００４０】
［作用説明］
本発明に係る曲げ加工装置２０は、以上のように構成される。次に、この曲げ加工装置２０により、曲げ部材２１を製造する状況を説明する。
【００４１】
図３（ａ）〜図３（ｄ）は、いずれも、曲げ加工装置２０により曲げ部材２１を製造する状況を、経時的に示す説明図である。
まず、図３（ａ）に示すように、第１マニピュレータ２４が図示省略のストッカにある鋼管２５の他端側を保持して鋼管２５を取り出し、鋼管２５の一端側をクランプ２２に保持させる。そして、第２マニピュレータ２９が動作し、加熱冷却ユニット２３を鋼管２５の他端側の開始位置に位置決めする。
【００４２】
なお、加熱冷却ユニット２３の加熱コイルは、加熱対象が円形断面の鋼管２５であるので、環状の外形を有する。このため、（ｉ）鋼管２５の一端側をクランプに保持させる前に第２マニピュレータ２９を動作させて加熱コイルに鋼管２５を通すか、あるいは、（ｉｉ）鋼管２５の一端側をクランプに保持させた後に一旦第１マニピュレータ２４を鋼管２５から離して第２マニピュレータ２９を動作させて加熱コイルに鋼管２５を通すことが必要である。
【００４３】
そして、第２マニピュレータ２９は加熱冷却ユニット２３をクランプ２２側に移動させる。これと同時に加熱冷却ユニット２３により鋼管２５を部分的に急速に加熱及び冷却する。
【００４４】
この際、図３（ｂ）中に破線矢印で示すように、第１マニピュレータ２４を動作させて鋼管２５の他端側に予め教示された方向に負荷をかけて鋼管２５に曲げモーメントを与えることにより、加熱冷却ユニット２３により加熱された箇所が曲げ変形され、その後加熱冷却ユニット２３の移動により曲げ変形された箇所が急速に冷却される。
【００４５】
さらに、第２マニピュレータ２９の動作により、加熱冷却ユニット２３の配置角度を、鋼管２５の主軸方向の変更に応じて、変更することにより、図３（ｂ）に示すように、鋼管２５に一回目の曲げ加工を行う。
【００４６】
これによれば、加熱冷却ユニット２３が鋼管２５の他端側から一端側（クランプ２２側）にかけて移動しながら鋼管２５を加熱し、鋼管２５の加熱箇所に応じて第１マニピュレータ２４により鋼管２５に曲げモーメントが与えられることで鋼管２５を自由な方向に曲げ加工することができる。また、鋼管２５の角度（主軸方向）の変更に応じて加熱冷却ユニット２３の配置角度も変更されるので、第１マニピュレータ２４の動作範囲を可及的抑制しながらも所望の曲げ加工を施すことができる。
【００４７】
次に、図３（ｂ）に示すように、加熱冷却ユニット２３の配置位置を、クランプ２２の位置に接近する位置へ変更し、さらに、図３（ｃ）及び図３（ｄ）に示すように加熱位置を二次元又は三次元で変更するとともに第１マニピュレータ２４の位置を二次元又は三次元で変更することによって、鋼管２５に二回目の曲げ加工を行う。
【００４８】
これによれば、加熱冷却ユニット２３の配置位置を、クランプ２２側に接近する位置へ変更しながら二回目の曲げ加工を行うので第１マニピュレータ２４の動作範囲を可及的抑制することができる。
【００４９】
このため、本発明に係る曲げ加工装置２０によれば、装置のコンパクト化及び設備コストの抑制と、第１マニピュレータ２４及び第２マニピュレータ２９の動作態様を精度良くすることにより、動作時の振動の抑制とを図ることができ、これにより、寸法精度が優れた曲げ部材２１を高い生産性でかつ低コストで製造することができるようになる。
【００５０】
このようにして、本発明によれば、曲げ加工装置２０の全体の設置スペースの小型化を図りながら、特に特願２００８−２７６４９４号により提案した発明における把持手段２４の動作範囲を可及的抑制することによって装置のコンパクト化及び設備コストの抑制と、把持手段２４の動作速度を可及的抑制することによる動作速度の変化及び動作時の振動の抑制とを図ることができ、これにより、寸法精度が優れた曲げ部材２１を高い生産性でかつ、設備コストの上昇を可及的に抑制して、製造することができるようになる。
【００５１】
このため、本発明によれば、例えば自動車用の、屈曲した形状を有する金属製の強度部材、補強部材又は構造部材を、優れた寸法精度で、かつ低コストで供給できる。
【符号の説明】
【００５２】
０  曲げ加工装置
１  鋼管
２  支持手段
３  送り装置
４  可動ローラーダイス
４ａ  ロール対
５  高周波加熱コイル
６  水冷装置
８  曲げ部材
９  金属材
１０  送り装置
１１  加熱及び冷却装置
１２  把持手段
１３  曲げ部材
１４  産業用ロボット
２０  曲げ加工装置
２１  曲げ部材
２２  クランプ
２３  加熱冷却ユニット（加熱手段，冷却手段）
２４  第１マニピュレータ
２５  鋼管
２６  支持機構
２９  第２マニピュレータ
【図１】
2011224606.tif 000003
【図２】
2011224606.tif 000004
【図３】
2011224606.tif 000005
【図４】
2011224606.tif 000006
【図５】
2011224606.tif 000007