(57)【要約】      （修正有）【課題】  金属パイプの端部を、短時間で滑らかに楕円形や多角形等の非軸対称形状の断面に縮径することができるパイプ成形方法およびパイプ成形装置を提供。【解決手段】  金属パイプ１１を把持するためのチャック１２を備えた主軸モータ１３と、前記主軸モータに取り付けられた回転角センサ１４と、前記チャックに装着された金属パイプを加工するための加工ローラ１５と、前記加工ローラを金属パイプの主軸方向および半径方向に駆動可能な駆動手段１６と、前記駆動手段を制御する制御手段とを備え、前記加工ローラと前記パイプとの接触点が予め設定した断面形状になるように前記主軸モータの回転角に同期して前記加工ローラを半径方向に進退させながら、前記加工ローラの主軸方向送りに同期して前記設定断面形状を変化させる工程を順次繰り返し、前記金属パイプを所望の断面形状まで滑らかに縮径する。【選択図】  図１
2007014983.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属パイプの端部を楕円形や多角形等の非軸対称形状の断面に縮径する成形方法であって、前記金属パイプを回転角センサ付モータによって駆動される主軸に取り付けて回転させる工程と、前記金属パイプの外周に配置した主軸方向および半径方向に駆動可能な複数の加工ローラを前記主軸の回転角に同期して半径方向に進退させる工程と、前記加工ローラと前記金属パイプとの接触点が予め設定した断面形状の軌道に接するように制御し、前記加工ローラの主軸方向送りに同期して前記軌道の形状を滑らかに変化させる工程を順次繰り返し、前記金属パイプを所望の断面形状まで縮径することを特徴とするパイプ成形方法。
【請求項２】
前記加工ローラを前記主軸の回転角に同期して半径方向に進退させる工程において、前記金属パイプの初期断面形状と目標とする縮径後の断面形状から、前記加工ローラの主軸方向往復回数ならびに主軸方向送り変位に基づく補間計算により、縮径部テーパ部分の成形における前記加工ローラの半径方向送り変位を決定することを特徴とする請求項１に記載のパイプ成形方法。
【請求項３】
金属パイプの端部を楕円形や多角形等の非軸対称形状の断面に縮径するパイプ成形装置であって、前記金属パイプを把持するためのチャックを備えた主軸モータと、前記主軸モータに取り付けられた回転角センサと、前記チャックに装着された金属パイプを加工するための加工ローラと、前記加工ローラを金属パイプの主軸方向および半径方向に駆動可能な駆動手段と、前記駆動手段を制御する制御手段とを備え、前記加工ローラと前記パイプとの接触点が予め設定した断面形状になるように前記主軸モータの回転角に同期して前記加工ローラを半径方向に進退させながら、前記加工ローラの主軸方向送りに同期して前記設定断面形状を変化させる工程を順次繰り返し、前記金属パイプを所望の断面形状まで滑らかに縮径することを特徴とするパイプ成形装置。
【請求項４】
前記制御手段は、素材である前記金属パイプの初期断面形状と目標とする縮径後の断面形状から、前記加工ローラの主軸方向往復回数ならびに主軸方向送り変位に基づく補間計算により、縮径部テーパ部分の成形における前記加工ローラの半径方向送り変位を決定することを特徴とする請求項３に記載のパイプ成形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピニング加工による金属パイプの成形に関し、特に金属パイプの端部を楕円形や多角形等の非軸対称形状の断面に縮径する成形方法および成形装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
スピニング加工では、ワークを回転させながら加工するため、一般には加工ローラの回転軸方向へのある送り量に対して、半径方向の加工ローラ位置は一定に保たれる。そのため、従来は回転軸に直交する断面形状が回転軸を中心とする円形となる軸対称形状の製品しか加工することができなかった。
そこで、スピニング加工により断面が楕円形や多角形等の非軸対称形状の製品を成形するための方法として、例えば特開昭６２−２１４８３０号、特開２００３−１８１５５５が提案されている。
【特許文献１】特開昭６２−２１４８３０号公報
【特許文献２】特開２００３−１８１５５５公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、これら従来の方法は、素材として金属板が想定されており、またワークの内側に成形型を必要とするため、金属パイプを中空のまま縮径する用途に用いることはできない。
また、他の加工法として、プレス加工やスウェージング加工によりパイプ端部を非軸対称形状に成形する方法もあるが、これらの方法では一つ一つの製品形状に応じて金型や特殊な形状のローラ等が必要となり、製造コストがかかると云う問題が存在した。
【０００４】
この発明は、上記に鑑み提案されたもので、金属パイプの端部を関数制御された複数の加工ローラを使用したスピニング加工により、所望の非軸対称形状まで順次滑らかに短時間で縮径するパイプ成形方法およびパイプ成形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】
上記の目的を達成するために、本発明のパイプ成形方法は、金属パイプの端部を楕円形や多角形等の非軸対称形状の断面に縮径するパイプ成形方法であって、前記金属パイプを回転角センサ付モータによって駆動される主軸に取り付けて回転させる工程と、前記金属パイプの外周に配置した主軸方向および半径方向に駆動可能な複数の加工ローラを前記主軸の回転角に同期して半径方向に進退させる工程と、前記加工ローラと前記金属パイプとの接触点が予め設定した断面形状の軌道に接するように制御し、前記加工ローラの主軸方向送りに同期して前記軌道の形状を滑らかに変化させる工程を順次繰り返し、前記金属パイプを所望の断面形状まで縮径することを特徴としている。
【０００６】
また、請求項２に記載の発明において、前記加工ローラを前記主軸の回転角に同期して半径方向に進退させる工程において、前記金属パイプの初期断面形状と目標とする縮径後の断面形状から、前記加工ローラの主軸方向往復回数ならびに主軸方向送り変位に基づく補間計算により、縮径部テーパ部分の成形における前記加工ローラの半径方向送り変位を決定することを特徴とする。
【０００７】
また、請求項３に記載の発明のパイプ成形装置は、金属パイプの端部を楕円形や多角形等の非軸対称形状の断面に縮径するパイプ成形装置であって、前記金属パイプを把持するためのチャックを備えた主軸モータと、前記主軸モータに取り付けられた回転角センサと、前記チャックに装着された金属パイプを加工するための加工ローラと、前記加工ローラを金属パイプの主軸方向および半径方向に駆動可能な駆動手段と、前記駆動手段を制御する制御手段とを備え、前記加工ローラと前記パイプとの接触点が予め設定した断面形状になるように前記主軸モータの回転角に同期して前記加工ローラを半径方向に進退させながら、前記加工ローラの主軸方向送りに同期して前記設定断面形状を変化させる工程を順次繰り返し、前記金属パイプを所望の断面形状まで滑らかに縮径することを特徴とする。
【０００８】
また、請求項４に記載の発明において、前記制御手段は、素材である前記金属パイプの初期断面形状と目標とする縮径後の断面形状から、前記加工ローラの主軸方向往復回数ならびに主軸方向送り変位に基づく補間計算により、縮径部テーパ部分の成形における前記加工ローラの半径方向送り変位を決定することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
この発明は上記した構成からなるので、以下に説明するような効果を奏することができる。
請求項１に記載の発明では、金属パイプの端部を楕円形や多角形等の非軸対称形状の断面に縮径する成形方法であって、前記金属パイプを回転角センサ付モータによって駆動される主軸に取り付けて回転させる工程と、前記金属パイプの外周に配置した主軸方向および半径方向に駆動可能な複数の加工ローラを前記主軸の回転角に同期して半径方向に進退させる工程と、前記加工ローラと前記金属パイプとの接触点が予め設定した断面形状の軌道に接するように制御し、前記加工ローラの主軸方向送りに同期して前記軌道の形状を滑らかに変化させる工程を順次繰り返し、前記金属パイプを所望の断面形状まで縮径するので、加工ローラは常にパイプと接触しつつ連続的に加工力を加えるため、成形後の断面形状は滑らかに変化し、製品に歪みを与えることなく縮径することができる。また製品形状に応じた金型や特殊な形状のローラ等も必要ない。
【００１０】
請求項２に記載の発明では、前記加工ローラを前記主軸の回転角に同期して半径方向に進退させる工程において、前記金属パイプの初期断面形状と目標とする縮径後の断面形状から、前記加工ローラの主軸方向往復回数ならびに主軸方向送り変位に基づく補間計算により、縮径部テーパ部分の成形における前記加工ローラの半径方向送り変位を決定するので、金属パイプの縮径部全体の形状の三次元データを用いることなく、簡易な補間計算により加工ローラの運動を制御して滑らかに金属パイプ端部を縮径することができる。
【００１１】
請求項３に記載の発明では、金属パイプの端部を楕円形や多角形等の非軸対称形状の断面に縮径するパイプ成形装置であって、前記金属パイプを把持するためのチャックを備えた主軸モータと、前記主軸モータに取り付けられた回転角センサと、前記チャックに装着された金属パイプを加工するための加工ローラと、前記加工ローラを金属パイプの主軸方向および半径方向に駆動可能な駆動手段と、前記駆動手段を制御する制御手段とを備え、前記加工ローラと前記パイプとの接触点が予め設定した断面形状になるように前記主軸モータの回転角に同期して前記加工ローラを半径方向に進退させながら、前記加工ローラの主軸方向送りに同期して前記設定断面形状を変化させる工程を順次繰り返し、前記金属パイプを所望の断面形状まで滑らかに縮径するので、加工ローラは常にパイプと接触しつつ連続的に加工力を加えるため、成形後の断面形状は滑らかに変化し、製品に歪みを与えることなく縮径することができる。また製品形状に応じた金型や特殊な形状のローラ等も必要ない。
【００１２】
請求項４に記載の発明では、前記制御手段は、素材である前記金属パイプの初期断面形状と目標とする縮径後の断面形状から、前記加工ローラの主軸方向往復回数ならびに主軸方向送り変位に基づく補間計算により、縮径部テーパイプ成形方法および装置パ部分の成形における前記加工ローラの半径方向送り変位を決定するので、金属パイプの縮径部全体の形状の三次元データを用いることなく、簡易な補間計算により加工ローラの運動を制御して滑らかに金属パイプ端部を縮径することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
金属パイプの端部を楕円形や多角形等の非軸対称形状の断面に歪みを生じることなく、滑らかに縮径するという目的を関数制御された複数の加工ローラを使用したスピニング加工により、順次短時間で実現することができる。
【実施例】
【００１４】
以下、本発明のパイプ成形方法を実施するためのパイプ成形装置の一実施例について図面を参照して説明する。図１は、本発明に係わるパイプ成形装置の一例を示す概略平面図である。ここで、パイプ成形装置１０は、金属パイプ１１の端部を楕円形や多角形等の非軸対称形状の断面に縮径するものであって、金属パイプ１１を把持するためのチャック１２を備えた主軸モータ１３と、前記主軸モータ１３に取り付けられた回転角センサ１４と、前記チャック１２に装着された金属パイプ１１を加工するための加工ローラ１５と、前記加工ローラ１５を金属パイプ１１の主軸方向および半径方向に駆動可能な駆動手段１６と、前記駆動手段１６を制御する制御手段１７とを備えている。
【００１５】
金属パイプ１１は、例えば、図２、３に示すように断面が円形であり、チャック１２に装着固定される。主軸モータ１３の後端には、回転角センサ１４が取り付けられており、主軸回転角θを実測することができる。また、駆動手段１６は、金属パイプ１１の両側に配置され、それぞれ直交配置された直動テーブル１８、１８’と直動テーブル１９、１９’とから構成されている。直動テーブル１８、１８’はボールねじ等で駆動され、それぞれ主軸半径方向に前進あるいは後退するよう構成されている。また、直動テーブル１８、１８’はそれぞれ直動テーブル１９、１９’によって主軸方向に前進あるいは後退する。直動テーブル１９、１９’は、図１に示すように独立となっていても良く、または一体的に構成された直動テーブルで直動テーブル１８、１８’を駆動しても良い。各直動テーブルは送り量を検出するエンコーダ等の変位センサを備えるものとする。
【００１６】
次に、以上のように構成されたパイプ成形装置の動作について説明する。金属パイプ１１は、端部を楕円形や多角形等の非軸対称形状の断面に縮径する成形加工の対象として、チャック１２により回転角センサ１４を有する主軸モータ１３に固定されて回転する。加工ローラ１５、１５’は直動テーブル１８、１８’によってそれぞれ主軸半径方向に駆動される。また、直動テーブル１８、１８’はそれぞれ直動テーブル１９、１９’によって主軸方向に駆動される。
【００１７】
加工ローラ１５、１５’を主軸モータ１３の回転角に同期して直動テーブル１８、１８’により半径方向に前進または後退させ、加工ローラ１５、１５’と金属パイプ１１との接触点が目標とする断面形状の軌道に接するように制御する。一方、直動テーブル１９、１９’により直動テーブル１８、１８’を主軸と平行に往復させる。直動テーブル１９、１９’の往復回数ならびに送り変位に応じて前記軌道の形状を滑らかに変化させ、金属パイプ１１を目標とする楕円形や多角形等の非軸対称の断面形状１１’まで縮径する。
【００１８】
図２は、金属パイプ１１と加工ローラ１５の接触の様子を主軸に直交する断面図で示したものである。金属パイプ１１と加工ローラ１５の接触点の軌跡が図２に示すように目標とする断面形状１１ｄとなるよう加工ローラ１５の半径方向の送り変位Ｘを決定する。そのとき、送り変位Ｘは主軸の回転角θの関数Ｘ（θ）として表される。目標とする断面形状１１ｄは、素材の金属パイプの断面形状１１Ａからパイプ先端の断面形状１１Ｂまで、加工ローラ１５の主軸方向の往復回数ｎならびに主軸方向の送り変位Ｚの増加に従って徐々に変化する。断面形状が１１Ａのときの送り変位Ｘの関数をＸＡ（θ）、断面形状が１１Ｂのときの送り変位Ｘの関数をＸＢ（θ）として表す。
【００１９】
図３は、本発明のパイプ成形装置における加工ローラの主軸方向への往復毎の縮径状態を示す説明図である。図３の左は往復毎のパイプ形状を、主軸を含む断面で示したものである。ローラとパイプの接触点の軌跡は主軸の１回転毎にこの曲線と交差する。また、図３の右は往復毎のパイプ先端の主軸に直交する断面形状を示したものである。本実施例では、加工ローラが主軸方向のパイプ先端に向かって、あるいはパイプ根元に向かって、合計Ｎ回通過すると縮径が完了し、パイプ先端は目標とする楕円形や多角形等の非軸対称の断面形状となる。中間の過程において、往復回数が第ｎ回目のパイプ先端での加工ローラ送り変位Ｘの関数をＸＭ（ｎ，θ）とすると、ＸＭ（ｎ，θ）は例えば、
ＸＭ（ｎ，θ）＝｛（Ｎ−ｎ）・ＸＡ（θ）＋ｎ・ＸＢ（θ）｝／Ｎ……（１）
によって求めることができる。この場合、パイプ先端の断面形状は、元の断面形状１１Ａから加工ローラの主軸方向の往復毎に均等に縮径されてゆく。ＸＭ（ｎ，θ）は第Ｎ回目にＸＢ（θ）と等しくなるため、パイプ先端の断面形状は目標の断面形状１１Ｂとなる。
【００２０】
図４は、加工ローラの半径方向送り変位Ｘの補間計算の方法を示す。成形開始点における主軸方向の送り変位ＺをＺＡ、パイプ先端における主軸方向の送り変位ＺをＺＢとする。図４（ａ）のような補間のための関数Ｋ（Ｚ）を考える。
Ｋ（Ｚ）は、
Ｋ（ＺＡ）＝１、Ｋ（ＺＢ）＝０
を満たす滑らかな単調減少関数とする。加工ローラの主軸方向の往復回数が第ｎ回目、主軸方向の送り変位がＺ、主軸の回転角がθのとき、加工ローラの半径方向の送り変位Ｘを
Ｘ＝Ｋ（Ｚ）ＸＡ（θ）＋｛１−Ｋ（Ｚ）｝ＸＭ（ｎ，θ）………（２）
によって計算する。このとき、成形開始点（Ｚ＝ＺＡ）においてはＸ＝ＸＡ（θ）となり、またパイプ先端（Ｚ＝ＺＢ）においてはＸ＝ＸＭ（ｎ，θ）となる。その中間においては図４（ｂ）のように半径方向送り変位Ｘの変動はＫ（Ｚ）に従って滑らかに変化する。これによりパイプ端部を成形開始点から先端まで滑らかに縮径することができる。成形部分の主軸を含む断面の形状（図３左）はＫ（Ｚ）を伸縮したものと相似形となる。これを繰り返して、加工ローラを主軸方向にＮ回往復させれば、ＸＭ（ｎ，θ）はＸＢ（θ）と等しくなり、最終的に目標とする断面形状のパイプ端部が得られる。なお、加工ローラ１５’の半径方向変位に関しても、全く同様に計算することができる。
【００２１】
図５は、本発明による金属パイプの成形を行うための制御手段の構成を示す。制御手段１７には、加工ローラ１５の主軸方向送り変位指令値Ｚｄ（ｔ）および主軸回転角指令値θｄ（ｔ）が与えられる。θｄ（ｔ）は時間ｔの経過に従って増加する。またＺｄ（ｔ）を時間ｔの経過に従って増減することで、加工ローラ１５は主軸方向に往復する。主軸回転角指令値θｄ（ｔ）はサーボアンプに入力され、主軸モータ１３を駆動して金属パイプ１１を回転させる。主軸方向送り変位指令値Ｚｄ（ｔ）もサーボアンプに入力され、直動テーブル１９を駆動して直動テーブル１８および加工ローラ１５を主軸と平行に送る。
【００２２】
また、予め記憶された加工開始点における加工ローラ１５の半径方向送り変位ＸＡ（θ）および金属パイプ先端における半径方向送り変位ＸＢ（θ）に基づいて、現在の主軸回転角指令値θｄ（ｔ）に対応するそれぞれの半径方向送り変位ＸＡ（θｄ（ｔ））、ＸＢ（θｄ（ｔ））を求める。これらと現在の主軸方向往復回数ｎおよび主軸方向送り変位指令値Ｚｄ（ｔ）から（１）式および（２）式の補間計算により加工ローラ１５の半径方向送り変位指令値Ｘｄを計算する。半径方向の送り変位指令値Ｘｄはサーボアンプに入力され、直動テーブル１８を駆動して加工ローラ１５を半径方向に前進または後退させる。図４では加工ローラ１５’に関する制御器の構成は省略したが、上記と同様に直動テーブル１８’、１９’を駆動する制御器を構成することができる。
【００２３】
なお、図５では補間計算に主軸回転角指令値θｄ（ｔ）を用いたが、その代わりに主軸モータ１３の回転角センサ１４で計測された主軸回転角θの実測値を用いて補間計算を行うことも可能である。また、図５では実時間で補間計算を行いながら装置を駆動して成形加工を行っているが、予めすべての補間計算を行って計算結果のデータを計算機等に記憶しておき、それを再生しながら成形加工を行うことももちろん可能である。
【００２４】
以上、説明したパイプ成形方法およびパイプ成形装置を用いて、断面が円形の金属パイプの端部を楕円形断面に縮径したサンプルの写真を図６に示す。素材は、Ａ１１００−Ｏアルミニウム管で、直径５０ｍｍ、長さ１００ｍｍ、厚さ１．５ｍｍである。端部を長径４０ｍｍ、短径３０ｍｍの楕円形に縮径してある。加工ローラの主軸方向送りピッチは１回転当たり０．５ｍｍ、主軸回転数１８０ｒｐｍで加工を行った。
【００２５】
また、同じ金属パイプの端部を３４ｍｍ×３４ｍｍの正方形断面に縮径したサンプルの写真を図７に示す。加工ローラの主軸方向送りピッチは０．５ｍｍ、主軸回転数は３０ｒｐｍである。
【００２６】
以上本発明に係わるパイプ成形方法および装置を実施例に基づいて説明したが、本発明はこのような実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した技術的事項の範囲内で種々の実施の態様があることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に係わるパイプ成形装置の一例を示す概略平面図である。
【図２】同パイプ成形装置における金属パイプと加工ローラとの関係を示す説明図である。
【図３】同パイプ成形装置における加工ローラの主軸方向への往復毎の縮径状態を示す説明図である。
【図４】（ａ）は、同パイプ成形装置における補間のための関数Ｋ（Ｚ）を示す説明図、（ｂ）は、半径方向送り変位Ｘの変動を示す説明図である。
【図５】同パイプ成形装置における制御手段の構成を示す説明図である。
【図６】同パイプ成形装置を用いて、断面が円形の金属パイプの端部を楕円形断面に縮小したサンプルの写真である。
【図７】同パイプ成形装置を用いて、断面が円形の金属パイプの端部を正方形断面に縮小したサンプルの写真である。
【符号の説明】
【００２８】
１０  パイプ成形装置
１１  金属パイプ
１２  チャック
１３  主軸モータ
１４  回転角センサ
１５  加工ローラ
１６  駆動手段
１７  制御手段
１８  直動テーブル
１９  直動テーブル
【図１】
2007014983.tif 000003
【図２】
2007014983.tif 000004
【図３】
2007014983.tif 000005
【図４】
2007014983.tif 000006
【図５】
2007014983.tif 000007
【図６】
2007014983.tif 000008
【図７】
2007014983.tif 000009