给水工程课程计算说明

プレス機械の発展とサーボプレスの事例紹介コマツ産機㈱鍛圧KBU安藤弘行①はじめに2001年以降、日本メーカの自動車生産量が急激な伸びを見せ、2005年には世界生産量が1,900万台を超えて2006年には2,000万台を超えようとしている。1960年代のはじめ、自動車の生産台数は100万台程度であったことを考えると、45年間で約20倍にも及ぶ生産量の増加となった。1990年代後半からは、国内需要が600万台でほぼ安定していることから国内生産量も横ばいであるが、海外での生産台数の大幅な増加が見られ2005年には1,000万台に迫ろうとしている。図１1)に1987年以降の自動車生産量の推移を示す。図1日本メーカの自動車生産量の推移1)２．サーボプレスの開発地球環境の問題に始まった自動車の軽量化は、アルミニウム・プラスチックの利用へと広がっていった。これに危機感を抱いた鉄鋼メーカは、(2)グローバル化、フレキシブル生産化最適生産拠点車種、形状の多様化フレキシブルな生産装置の要求プレスは進歩したのか？(自動車)業界は今(1)環境問題、エネルギー保存問題ハイテンの利用増加Al，Ｔｉ合金、Mg-合金の多用素材が変わる鋼材の開発を進め高剛性で軽量化が可能な鋼板を使った試作ボディを完成させ、ULSAB（UltraLightSteelAutoBody）計画の積極的な推進をすすめた2)。これを機会としてハイテン材などの難加工材がプレス素材として使われるようになり、安定した製品の加工精度が求められるのをはじめ、グローバル化、フレキシブル生産化、騒音・振動など作業環境の改善などに対するプレス機械への要望も増加してきた。図2サーボプレス開発の背景図２に示すような環境の中で考え出されたのがサーボモータ駆動のプレス機械である。サーボプレスは高精度、高生産、低騒音、省エネなどの他、加工に最適なモーションカーブを自由に設定できる機構も開発されるなどの特徴をもち、これらのメリット生かした部品の生産が市場で急速に拡大している。３．サーボプレスの現状サーボプレスの駆動機構には大きく分けて3種類の構造が使われている。図3は、ボールスクリューとタイミングベルトを使って直接スライドを上下させる直動タイプで、油圧プレスと同様にスライドを任意の位置で作動させたり、スライドのどの位置からも最大加圧能力を発揮できるなど、従来の機械プレスには無い大きな特徴をもっている。サーボモータボールスクリュスライドﾎﾞﾙｽﾀリニアスケールタイミングベルトスライドは、フレームの左右に設置されたリニアスケールにより、下降中の位置を逐次検出・補正制御する回路をもっており、時間の経過に伴うダイハイトの変動や、偏心荷重が作用したときのスライド傾きは±10μ以内に補正することができる。ボールスクリュリンクサーボモータタイミングベルト図3直動式サーボプレス図4リンク式サーボプレス直動式サーボプレスはボールスクリューの大きさの制約で加圧能力の大きなプレスを造ることができないため、図4に示すようなリンク機構を組み合わせたハイブリッドタイプのサーボプレスが開発され、6000KNクラスのサーボプレスまで生産されている。サーボモータの回転運動はタイミングベルトを介してボールスクリューに伝えられキャリヤを往復運動させ、その動きをリンク機構に伝えてスライドを上下させている。サーボモータ特殊リンク機構リンクサーボモータﾒｲﾝｷﾞｱドライブギア図5小型サーボプレスの駆動部図6大型サーボプレスの駆動部図5、図6は、エキセンシャフトと特殊リンクを組合せたタイプである。このタイプは、大きな能力を発揮させるための構造的な制約条件が少なく、構造が簡単であるため小型のプレスから大型のサーボプレスまで採用されている。図7は、コマツが開発した各種サーボプレスの歴史である。10年前、油圧サーボモータで駆動するフリーモーションプレスを開発した。その後、マーケットのニースに答え図3～図6に示したような駆動機構を持った各種のサーボプレスが開発され、現在では加圧能力が350KNから20000KNまでのサーボプレスが生産されている。2005マイプレスサーボ化2005マイプレスサーボ化能力:6300kNH１C630鍛造プレス世界初サーボ化2001ハイブリッドACｻｰﾎﾞﾌﾟﾚｽH2F/H4F2001ハイブリッドACｻｰﾎﾞﾌﾟﾚｽH2F/H4F高精度・高負荷能力:2000–6000kNH2F/H4FHAF100,1601994油圧ｻｰﾎﾞﾌﾟﾚｽHAF1994油圧ｻｰﾎﾞﾌﾟﾚｽHAF能力:1000,1600kN初のﾌﾘｰﾓｰｼｮﾝDevelopmentofFreeMotionPressDevelopmentofFreeMotionPressHCP30001998ACｻｰﾎﾞﾌﾟﾚｽHCP1998ACｻｰﾎﾞﾌﾟﾚｽHCP能力:800kN高精度メカサーボ1994年コマツはフリーモーションプレスを提唱2004モジュールＡＣサーボプレス2004モジュールＡＣサーボプレス能力:42000kN大型化とフレキシブル化H７-７M42002002ハイブリッドACｻｰﾎﾞﾌﾟﾚｽH1F2002ハイブリッドACｻｰﾎﾞﾌﾟﾚｽH1F高付加価値能力:350–2000kNH1FH2FB/H4FB2003ハイブリッドACｻｰﾎﾞﾌﾟﾚｽH2FB/H4FB2003ハイブリッドACｻｰﾎﾞﾌﾟﾚｽH2FB/H4FB大能力と高生産性能力:4000–16000kN図7サーボプレスの発展４．サーボモータ駆動の鍛造プレス図8は、冷間鍛造用として開発したサーボモータ駆動のプレスである。表１は、メインスペックである。ストローク長さは、400mmと長尺製品を対象としたプレス機械である。ッドノックアウトにも、サーボモータを使ったフレキシブルなダイクッションが装置されており、機械式ベッドノックアウトと同じ使われ方もできるほかダイクッション図8鍛造用サーボプレスとして背圧を付加したりする機能も有仕様明細単位見積仕様加圧能力kN(tonf)6300(630)能力発生位置(下死点上）mm18ｽﾄﾛｰｸ長さmm400ｽﾄﾛｰｸ数min-1(spm)5&15～30断続ｽﾄﾛｰｸ数min-1(spm)12ﾀﾞｲﾊｲﾄmm660ｽﾗｲﾄﾞ調整量mm50ﾍﾞｯﾄﾞﾉｯｸｱｳﾄ能力kN(tonf)ﾀﾞｲｸｯｼｮﾝ400(40)ﾍﾞｯﾄﾞﾉｯｸｱｳﾄｽﾄﾛｰｸ長さmm150ﾒｲﾝﾓｰﾀ出力Kwｻｰﾎﾞﾓｰﾀ100Kw,2台許容仕事量　連続J(kgf･m)107900（11000)　　　　　　断続J(kgf･m)122600（12500）ｽﾗｲﾄﾞﾉｯｸｱｳﾄ能力kN(tonf)油圧式392(40)している。図9は、サーボノックアウト（ダイクッション）の構造をあらわしたものである。圧力センサを内蔵しノックアウトを位置で制御したり、背圧を付加するときのように圧力で制御することができきるようになっており、従来の油圧式ノックアウトやダイクッションに比べ色々な使い方ができるのが特徴である。　m　　　ｽﾄﾛｰｸ長さm100本体総重量ton67図10、はその動きについてモデル化したものである。従来の機械式ノック表１冷間鍛造用サーボプレスの仕様アウトと同じ機能で使うことができるのを始めとし、ダイクッションの機能を兼ね備えている。サーボダイクッションは、位置制御と圧力制御によって衝突による騒音と振動を低減するための予備加速を行ったり、加工中に必要に応じた圧力制御をすることができるようになっている。加工完了後の上昇時にも位置制御することによって任意のタイミングで上昇させることができるのは自動化装置圧力センサダンパサーボモータボルスタボールスクリュ大プーリナットガイドポストパッド吊下げロッド球面ポイントプレスフレームスクリュー圧力センサにとって安定した搬送を可能にしている。図9サーボダイクッション図10サーボノックアウト（ダイクッション）スライドモーション①予備加速絞りストローク最大クッションストローク④ロッキング機能③補助ﾘﾌﾄ位置制御圧力制御位置制御ダイクッションモーション②任意の圧力指令⑥ショックレス停止⑤待機点復帰スライドモーション①予備加速絞りストローク最大クッションストローク④ロッキング機能③補助ﾘﾌﾄ位置制御圧力制御位置制御ダイクッションモーション②任意の圧力指令⑥ショックレス停止⑤待機点復帰５．サーボプレスによる部品の加工５－１．板鍛造加工図11、は外周が歯形形状の部品である。歯形状のしごき加工では、局部的に加工率が高く金型との間で焼付きが発生するため、従来はプレス機械の回転数を落として生産していた。サーボプレスを使った加工では、図12に示すようなモーションに設定することにより加工中のみ低速にして型表面の温度を低く抑えて焼付きを防ぐことができるため、部品の形状によっては生産の効率を50%以上も向上させることができる。下死点手前50mmで速度を25%に落とす下死点まで70mm/secでゆっくり加工03060901201501802102402703003303603904200306090120150180210240270300330360クランク角度[deg]ストローク[mm]-800-700-600-500-400-300-200-1000100200300400500600700800速度[mm/sec]図11外周に歯形を有するドラム図12加工中のスライド速度を遅くしたモーション５－２．サーボプレスによる高精度加工図13は、サーボプレスを使って厚板から順送加工した製品である。図14は、この部品を従来のプレス機械で生産した場合とサーボプレスで生産した場合について製品精度の推移を調べたものである。3.69753.7053.71253.723.72753.7353.74253.750102030405060708090100110時間[分]曲げ幅W[mm]H1F35OBS35アジャスト調整公差外れ！曲げ幅の変化３５μ以内図13曲げ精度が厳しい順送加工品図14曲げ精度の推移従来のプレス機械では時間の経過とともに寸法が変化し、公差を外れるため生産を中断し調整しなければならないが、下死点位置を補正しているサーボプレスでは、時間の経過に伴って曲げ精度が変化することは少なく、精度の良い状態を長時間にわたって維持する事ができる。図15は、非金属のエンボス加工を行なったものである。下死点での精度とゆっくりとした加工が要求されているため、従来は油圧プレスなどでおこなわれていたがサーボプレスによる成形で生産性の向上と精度の安定が確保されている。図16は、ヒートシンクで中央部分の厚み精度が15μ以下と厳しいためサーボプレスの下死点位置制御が有効に使われ安定した精度を維持することができる。図15非金属のエンボス加工品図16ヒートシンク５－３．サーボプレスによる鍛造加工冷間鍛造で生産性の向上を阻害しているストローク線図H1F150S-220-200-180-160-140-120-100-80-60-40-200204060801001201401601802002200306090120150180210240270300330360クランク角度[deg]ストローク[mm]-900-800-700-600-500-400-300-200-1000100200300400500600700800900速度[mm/sec]No.6ﾓｰｼｮﾝﾊﾟﾀｰﾝによる速度線図ﾍﾞｰｽ速度線図(100%)要因として、加工速度が速いことが挙げられる。板材の加工に比べ変形による発熱が大きく潤滑剤の劣化による型の焼付きから破損にいたっている。図17は、内部が異形で数μの精度が要求されるため機械加工が難く、低速で安定した製品精度を得るためにサーボプレスが採用されている。図18は、これらの部品を生産するために設定したモーションで、加工中は従来の図17電子機器