JP4470190B2 - 材料クランプ方法および該方法に用いられる材料クランプ装置 - Google Patents

Description

本発明は材料クランプ方法および該方法に用いられる材料クランプ装置に関する。さらに詳しくは、加熱炉内で所定温度に加熱し軟化された熱可塑性シート材料を上下成形型により熱成形または真空成形する成形装置に用いられる材料クランプ方法および該方法に用いられる材料クランプ装置に関する。

従来、前記熱可塑性シート材料の長手方向の両端縁（２つの長辺）を一対のクランプ装置によりクランプしたのち、加熱炉内で熱可塑性シート材料を所定温度に加熱し軟化させ、予め加熱軟化状態の繊維質基材をその型面上所定箇所にセットしてあるコールドプレス成形用金型内に、軟化状態の熱可塑性シート材料を位置決めし、一方端縁側のクランプ装置により熱可塑性シート材料を保持するとともに、プレス成形直前（成形上型が下死点直前）に他方端縁側のクランプ装置のクランプ状態を解除して、熱可塑性シート材料と繊維質基材とを一体プレス成形して積層成形体を所要形状に成形する積層成形体の成形方法がある（特許文献１参照）。
また、他の従来の成形装置として、加熱された材料を搬送クランプから下型全周にわたり設置される型内のクランプ用アクチュエータに移し替えてから成形をするものがある。

特開平８−１１２８６９号公報

しかしながら、前記成形方法の場合には片方のクランプ装置を開放してしまうため、複雑な形状の場合、製品（成形品）にしわが発生する原因になりやすい。また、最近の材料の歩留まり向上のために、寸法が小さいシート材料を用いてプレス時に引張り成形させる場合には、前記成形方法は適応することができないため、かかる歩留まりの向上の要求に対応できないという問題がある。
さらに、他の従来の成形装置では、製品毎に作製された成形型の昇降機構とこの成形型周りに設置されるアクチュエータによるシート材料の把持およびテンション機能を装備しているものがある。これらのアクチュエータの位置は製品毎に違うため、下型全周にアクチュエータを設置すると、多数のアクチュエータが必要となることから、成形型の費用を高騰させる原因となっている。

そこで、本発明は、叙上の事情に鑑み、複雑な形状な製品でも、しわが発生せずに、歩留まりを向上させることができるとともに、成形型の費用を削減することができる材料クランプ方法および該方法に用いられる材料クランプ装置を提供することを目的とする。

本発明の材料クランプ方法は、加熱炉内で所定温度に加熱し軟化させた熱可塑性シート材料を上下成形型により成形する成形装置に用いられる材料クランプ方法であって、前記熱可塑性シート材料の走行方向の両端縁を把持したのち前記成形装置の上成形型と下成形型とのあいだに搬送する工程と、前記熱可塑性シート材料の走行方向に直交する前後端縁を把持する工程と、前記上成形型の形状に合わせて前記熱可塑性シート材料の走行方向の両端縁および前記熱可塑性シート材料の走行方向に直交する前後端縁を下降する工程とを含むことを特徴としている。

また、本発明の材料クランプ装置は、前記材料クランプ方法に用いられる材料クランプ装置であって、前記熱可塑性シート材料の両端縁に沿って設置される、前記熱可塑性シート材料の走行方向の端縁を把持する所定の個数の第１クランプ手段、該第１クランプ手段をそれぞれ昇降する第１クランプ昇降機構および該第１クランプ昇降機構を前記熱可塑性シート材料の走行方向に直交する幅方向に移動させて幅調整を行う第１幅調整機構を具備する一対の幅クランプ装置と、前記成形装置における下成形型の前後位置に配置される、前記熱可塑性シート材料の走行方向に直交する端縁を把持する所定の個数の第２クランプ手段、該第２クランプ手段をそれぞれ昇降する第２クランプ昇降機構および該第２クランプ昇降機構を前記熱可塑性シート材料の走行方向に移動させて該走行方向の前後幅調整を行う第２幅調整機構を具備する一対の前後クランプ装置と、前記一対の幅クランプ装置を前記成形装置の上成形型と下成形型とのあいだに搬送する搬送機構と、前記上成形型の形状に合わせて前記一対の幅クランプ装置と前記一対の前後クランプ装置の動作を制御する制御装置とを備えてなることを特徴としている。

本発明によれば、成形装置の上成形型の形状に合わせて昇降式の一対の幅クランプ装置と一対の前後クランプ装置の動作を制御、たとえば一対の幅クランプ装置と一対の前後クランプ装置で把持して、成形時の上成形型の下降速度に同調させながら、上成形型が下死点まで熱可塑性シート材料を把持するため、最後まで熱可塑性シート材料に適度のテンションが加わり、複雑な形状でも、しわのない製品を得ることができる。
また、歩留まり向上のために寸法が小さいシート材料を用いても、加熱された熱可塑性シート材料を前後幅調が自在な一対の前後クランプ装置で把持するため下成形型内に入り該小さい材料でも把持できることから、この小さい材料を外側に拡幅して成形することにより歩留まりを向上させることができる。
さらに、従来のように、成形時に加熱された熱可塑性シート材料を下成形型に移載し、下成形型の全周に設置するアクチュエータにより把持させる必要がないので、アクチュエータの数が少なくなり、成形型の費用を削減させることができる。

以下、添付図面に基づいて本発明の材料クランプ方法および該方法に用いられる材料クランプ装置を説明する。本発明の一実施の形態にかかわる材料クランプ装置は、図１〜３に示されるように、加熱炉（図示せず）内にて加熱軟化された熱可塑性シート材料Ｓを上下成形型Ｍ１、Ｍ２により成形する成形装置Ｍに用いられ、走行式の一対の幅クランプ装置Ａａ、Ａｂ、一対の前後クランプ装置Ｂａ、Ｂｂ、搬送機構Ｃおよび制御装置Ｄを備えている。なお、前記下成形型Ｍ２には、クション材のフェルトＦがセットされている。本実施の形態における前記熱可塑性シート材料Ｓは、長辺の長さ（前後幅）がＳ１であり、短辺の長さ（幅）がＳ２である長方形のシート材料が用いられているが、本発明においては、正方形のシート材料を用いることもができる。

前記一対の幅クランプ装置Ａａ、Ａｂは、熱可塑性シート材料Ｓの両端縁Ｓａに沿って設置されている。そして、この幅クランプ装置Ａａ、Ａｂは、前記熱可塑性シート材料Ｓの走行方向の端縁Ｓａを把持する所定の個数の第１クランプ手段Ａ１と、該第１クランプ手段Ａ１をそれぞれ昇降する第１クランプ昇降機構Ａ２と、該第１クランプ昇降機構Ａ２を前記熱可塑性シート材料Ｓの走行方向（矢印Ｘ方向）に直交する幅方向（矢印Ｙ方向）に移動させて幅調整を行う第１幅調整機構Ａ３とから構成されている。本実施の形態においては、第１クランプ手段Ａ１の所定の個数は５個に設定されている。

前記一対の前後クランプ装置Ｂａ、Ｂｂは、前記成形装置Ｍにおける下成形型Ｍ２の前後位置Ｐａ、Ｐｂに配置されている。そして、この前後クランプ装置Ｂａ、Ｂｂは、前記熱可塑性シート材料Ｓの走行方向に直交する端縁Ｓｂを把持する所定の個数の第２クランプ手段Ｂ１と、該第２クランプ手段Ｂ１をそれぞれ昇降する第２クランプ昇降機構Ｂ２と、該第２クランプ昇降機構Ｂ２を前記熱可塑性シート材料Ｓの走行方向に移動させて該走行方向の前後幅調整を行う第２幅調整機構Ｂ３とから構成されている。本実施の形態においては、第２クランプ手段Ｂ１の所定の個数は４個に設定されている。
前記搬送機構Ｃは、前記一対の幅クランプ装置Ａを前記成形装置Ｍの上成形型Ｍ１と下成形型Ｍ２とのあいだに搬送できる構成であれば、本発明においては、とくに限定されるものではない。

さらに図１〜３を参照にして、成形装置１、幅クランプ装置Ａａ、Ａｂおよび前後クランプ装置Ｂａ、Ｂｂの設置について説明する。
本実施の形態の成形装置Ｍは、門型フレーム１の上方に上成形型Ｍ１を固定した上テーブル２を昇降可能にする電動アクチュエータ３とその両側にはガイドピン４が配置されている。また、下方には、下成形型Ｍ２を固定した下テーブル５が床に固定されている。また、幅クランプ装置Ａａ、Ａｂは、門型フレーム１の下部両側に設置される搬送機構Ｃに連結されている。本実施の形態において、前記電動アクチュエータ３のモータは後述するサーボモータ１０５との同調を考慮すると、サーボモータ６が好ましい。なお、本発明においては、サーボモータの代わりに汎用モータを用いる場合、後述するサーボドライバの代わりにインバータを用いて同調させることもできる。

また、本実施の形態では、幅クランプ装置Ａａ、Ａｂは、前記門型フレーム１の下面両側から加熱炉内まで固設される一対のフレーム７に配設された前記搬送機構Ｃを構成する直線ガイド部材８に搬送可能に連結されている。また、該幅クランプ装置Ａａ、Ａｂは、前記搬送機構Ｃの構成である駆動部（図示せず）と従動部９とのあいだにかけられた駆動ベルト１０と連結具１１により接続されており、成形装置Ｍと加熱炉（図示せず）とのあいだを往復可能にされている。また、下成形型Ｍ２の前後位置Ｐａ、Ｐｂには、前後クランプ装置Ｂａ、Ｂｂがそれぞれ対向する形で配置されている。

つぎに、図４〜７を参照にして、前記一対の幅クランプ装置Ａａ、Ａｂの構造を詳述するが、本実施の形態では、ともに同じ構成とすることができるため、幅クランプ装置Ａａについて説明する。
まず、図４〜５に示されるように、前記第１幅調整機構Ａ３は、台車フレーム２１の下部両側に直線ガイド部材２２が第１クランプ昇降機構Ａ２を固定しているフレーム２３と走行可能に固定され、その中央に２個の軸受２４で支持されるボールねじ機構２５が配置されている。このボールねじ機構２５の軸先端のベルトプーリ２６とボールねじ機構２５を正逆転させるサーボモータ２７の軸先端のベルトプーリ２８とをタイミングベルト２９で駆動力を伝達している。なお、ボールねじ機構２５の軸とベルトプーリ２６およびサーボモータ２７の軸とベルトプーリ２８はそれぞれロック手段（図示せず）で締結されている。また、原位置確認センサ３１と検知部材３２がそれぞれの台車フレーム２１とフレーム２３に取り付けられている。なお、図中における符号８ａ、２２ａは直線ガイド部材８、２２のガイドレールであり、符号３３はストッパーであり、符号２５ａはボールねじ機構２５のナットである。

ついで、前記第１クランプ昇降機構Ａ２は、図６〜７に示されるように、中空形状の固定フレーム５０の中にはブラケット５１を介して下向きにアクチュエータ、たとえばエアシリンダ５２が内蔵されており、可動フレーム５３の先端アーム５３ａには第１クランプ手段Ａ１が固定されている。また、この固定フレーム５０と可動フレーム５３のフレーム同士は２個の直線ガイド部材５５によって昇降可能に固定されている。エアシリンダ５２と可動フレーム５３は、芯ズレを吸収できるフローティングジョイント５６で連結されている。このエアシリンダ５２のエア供給口５７には高圧とバランス圧力（熱可塑性シート材料Ｓの自重を保持するのに似合う圧力）の２種類のエアを供給するようになっており、また、エア供給口５８は大気開放になっている。前記第１クランプ手段Ａ１へのエア供給は、２組の伸縮自在のスパイラルホース５９を介してエアホース６０が接続されている。なお、図中における符号Ｓは記熱可塑性シート材料である。
また、本実施の形態では、第１クランプ昇降機構Ａ２としてエアシリンダ５２が用いられているが、本発明においては、これに限定されるものではなく、エアシリンダに代えてサーボモータとボールねじ機構を用いることができる。

また、前記第１クランプ手段Ａ１は、図８に示されるように、ベース７０にアクチュエータ、たとえばエアシリンダ７１のピン７２の軸受金具７３と押え７４のピン７５の軸受金具７６が固定されている。エアシリンダ７１のロッド先端にはナックルジョイント７７が締めこんであり、ピン７８を介して押え７４と回転可能に連結されている。押え７４には、記熱可塑性シート材料Ｓの固定のためのトガリ先ピン７９がナット８０により固定されている。第１クランプ手段Ａ１の押え７４の開閉動作は、エア供給部８１にエアを供給してクランプ閉状態にされ、エア供給部８２にエアを供給するとクランプ開状態にすることにより行うことができる。

つぎに、図８〜１１を参照にして、前記一対の前後クランプ装置Ｂａ、Ｂｂの構造を詳述するが、ともに同じ構成とすることができるため、前後クランプ装置Ｂｂについて説明する。
まず、前記第２幅調整機構Ｂ３は、ベースフレーム９０の上に配置される一対の直線ガイド部材９１と、その中央に２個の軸受９３で支持されるボールねじ機構９４と、サーボモータ９６とを具備している。この直線ガイド部材９１は前後方向に走行させる走行フレーム９２に連結されている。図中における符号９１ａはレールである。また、このボールねじ機構９４の軸先端のベルトプーリ９５とボールねじ機構９４を正逆転させるサーボモータ９６の軸先端のベルトプーリ９７とはタイミングベルト９８が巻き付けられており、駆動力が伝達できるようにされている。なお、ボールねじ機構９４の軸とベルトプーリ９５およびサーボモータ９６の軸とベルトプーリ９８はそれぞれロック手段（図示せず）で締結されている。また、原位置確認センサ９９がベースフレーム９０に取り付けられている。

ついで、前記第２クランプ昇降機構Ｂ２は、走行フレーム９２の柱９２ａの側面に設けられる直線ガイド部材１００と、該直線ガイド部材１００に固定される昇降可能な一対の昇降フレーム１０１と、その中央に２個の軸受１０２で軸支されるボールねじ機構１０３と、サーボモータ１０５とを具備している。このボールねじ機構１０３の軸先端のベルトプーリ１０４とボールねじ機構１０３を正逆転させるサーボモータ１０５の軸先端のベルトプーリ１０６とはタイミングベルト１０７が巻き付けられており、駆動力が伝達できるようにされている。なお、ボールねじ機構１０３の軸とベルトプーリ１０４およびサーボモータ１０５の軸とベルトプーリ１０６はそれぞれロック手段（図示せず）で締結されている。また、原位置確認センサ１０８は走行フレーム９２の柱９２ａに取り付けられ、検知部材（図示せず）は昇降フレーム１０１に取り付けられている。

また、前記第２クランプ手段Ｂ１は、本実施の形態では、昇降フレーム１０１のアーム１０１ａに位置調整が可能に固定されている。なお、第２クランプ手段Ｂ１は前記第１クランプ手段Ａ１と同じ構造にされているので、詳細は省略する。

なお、前記制御装置Ｄは、前記上成形型Ｍ１の形状に合わせて前記一対の幅クランプ装置Ａと前記一対の前後クランプ装置Ｂの動作を制御できる構成であれば、本発明においては、とくに限定されるものではないが、前記上成形型Ｍ１の下降速度と前記第１クランプ昇降機構Ａ２の下降速度および前記第２クランプ昇降機構Ｂ２の下降速度を同期させる制御とするのが好ましい。たとえば、図１２に示されるように、制御装置Ｄは、前記エアシリンダ５２のエア供給圧の切替回路１５１、サーボモータ６、サーボモータ１０５のサーボドライバ１５２、１５３および同期ユニット１５４を搭載するとともに、シーケンス演算を実行する上位の、たとえばプログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）の指令に従ってサーボドライバ１５２、１５３に同期信号を与えて下降速度を同期させる構成とすることができる。

なお、本実施の形態における同期手段は前記切替回路１５１および同期ユニット１５４であって、まず成形開始時にエアシリンダ５２を低圧のバランス圧力に切替えることにより、各エアシリンダ５２をシート材料の自重に合わせて下降動作させて、つづいてサーボモータ６とサーボモータ１０５とが同期して上成形型Ｍ１と第２クランプ手段Ｂ１を下降させる。これにより、上成形型の下降速度に同調しながら上成形型の形状に合わせてシート材料を上から押し下げる。

また、前記制御装置Ｄは、図１３に示されるように、熱可塑性シート材料の端縁Ｓａを把持する前記５個の第１クランプ手段Ａ１と端縁Ｓｂ（図３参照）を把持する前記４個の第２クランプ手段Ｂ１（図３参照）を該上成形型Ｍ１ａの形状に合わせてそれぞれ独立して制御する制御部１５５を具備しているのが好ましい。図１３における符号Ｍ２ａは下成形型である。
たとえば５個の第１クランプ手段Ａ１は、各第１クランプ手段Ａ１を昇降させるエアシリンダ５２のエア圧によりストロークを調整することができる。そして、下降する上成形型に押され各シリンダのストロークが伸びる状態になる。
また、５個の第１クランプ手段Ａ１の把持動作は、しわが発生しやすい成形型の形状の曲率が大きい箇所を把持している第１クランプ手段の解除を早めに行うことができるように閉き可能に独立している。
さらに、４個の第２クランプ手段Ｂ１の把持動作は、成形型の中側の２つと両側の２つが別々の電磁弁で開き可能に独立している。

なお、本実施の形態における制御装置Ｄでは、切替回路１５１および同期ユニット１５４を同期手段として備えているが、本発明においては、これに限定されず、制御装置は、昇降動作と把持動作などを制御できるように適宜選定することができる。

以下、このように構成された材料クランプ装置の作動について説明する。
最初に、図１〜２に示されるように、作業者（図示せず）がフェルトＦを下成形型Ｍ２の所定の位置にセットして、起動する。加熱炉（図示せず）内で所定温度に加熱し軟化させた熱可塑性シート材料Ｓの長手方向の両端縁Ｓａを昇降と幅方向幅調が自在な一対の幅クランプ装置Ａａ、Ａｂのサーボモータ２７とボールねじ機構２５を動作させ、第１クランプ昇降機構Ａ２を所定の位置まで縮小して第１クランプ手段Ａ１で把持する。そして、駆動ベルト１０を正転させて成形装置１へ搬送する。

ついで、一対の前後クランプ装置Ｂａ、Ｂｂの第２クランプ手段Ｂ１が下成形型Ｍ２の上面と水平方向に動作しても干渉しない位置まで上昇する。そして、熱可塑性シート材料Ｓを把持可能な位置まで縮小する。ついで、第２クランプ手段Ｂ１をクランプ位置まで上昇して熱可塑性シート材料Ｓの端縁Ｓｂを把持して、成形時に干渉しない下成形型Ｍ２の外側まで拡幅する。

ついで、電動アクチュエータ３を伸長させると同時に第１クランプ昇降機構Ａ２のエアシリンダ５２への供給圧力を低圧にしてバランス圧力に切替えて、各エアシリンダ５２をシート材料の自重に合わせて下降動作させたのち、上成形型Ｍ１が熱可塑性シート材料Ｓを押し下げる。
また、前後クランプ装置Ｂａ、Ｂｂのサーボモータ１０５と電動アクチュエータ３のサーボモータ６とに同期信号を与え、上成形型Ｍ１の下降速度と前記第２クランプ昇降機構Ｂ２の下降速度を同期させながら第２クランプ手段Ｂ１を下降する。

そして、前記上成形型Ｍ１が下死点まで下降した時点で、第１クランプ昇降機構Ａ２の第１クランプ手段Ａ１による端縁Ｓａの把持を解除してから、サーボモータ２７を動作させる。そして、第１クランプ昇降機構Ａ２を所定の拡大端まで拡幅して、第１クランプ昇降機構Ａ２の供給圧力を高圧に切替えて上昇端まで上昇する。

ついで、一対の幅クランプ装置Ａａ、Ａｂを駆動ベルト１０を逆転させて加熱炉へ搬送する。この搬送と同時に一対の前後クランプ装置Ｂａ、Ｂｂは、第２クランプ手段Ｂ１による端縁Ｓｂの把持を解除して待機する。

ついで、所定の加圧時間完了後、電動アクチュエータ３を伸縮させて上成形型Ｍ１を上昇端まで上昇して、作業者が下成形型Ｍ２の上の製品を取出して成形を終了する。

以上の説明から明らかなように、本実施の形態では、加熱し軟化させた熱可塑性シート材料Ｓを一対の幅クランプ装置Ａａ、Ａｂと一対の前後クランプＢａ、Ｂｂで把持して、上成形型Ｍ１の形状にあわせて成形時の上成形型Ｍ１の下降速度に同調することにより、熱可塑性シート材料Ｓの複雑な形状の成形でも、しわのない製品を提供することができる。これにより、材料の歩留まりを向上させることができるなど産業界に与える効果は著大である。

本発明の一実施の形態にかかわる材料クランプ装置の構成を示す正面図である。 図１の幅クランプ装置と前後クランプ装置との位置関係を示す側面図である。 図１の幅クランプ装置と前後クランプ装置との位置関係を示す平面図である。 図１の幅クランプ装置の第１幅調整機構を示す平面図である。 図４の左側面図である。 図１の第１クランプ手段と第１クランプ昇降機構の正面図である。 図６の第１クランプ手段の拡大図である。 図１の前後クランプ装置の平面図である。 図８の正面図である。 図９のＩ−Ｉ線断面図である。 図８の側面図である。 制御装置を説明するブロック図である。 第１クランプ手段の動作を説明する図である。

符号の説明

Ａａ、Ａｂ 幅クランプ装置
Ａ１ 第１クランプ手段
Ａ２ 第１クランプ昇降機構
Ａ３ 第１幅調整機構
Ｂａ、Ｂｂ 前後クランプ装置
Ｂ１ 第２クランプ手段
Ｂ２ 第２クランプ昇降機構
Ｂ３ 第２幅調整機構
Ｃ 搬送機構
Ｄ 制御装置
Ｆ フェルト
Ｍ 成形装置
Ｍ１ 上成形型
Ｍ２ 下成形型
Ｓ 熱可塑性シート材料
３ 電動アクチュエータ
６ サーボモータ
５２ エアシリンダ
１０５ サーボモータ

Claims (4)

1. 加熱炉内で所定温度に加熱し軟化させた熱可塑性シート材料を上下成形型により成形する成形装置に用いられる材料クランプ方法であって、
   前記熱可塑性シート材料の走行方向の両端縁を把持したのち前記成形装置の上成形型と下成形型とのあいだに搬送する工程と、
   前記熱可塑性シート材料の走行方向に直交する前後端縁を把持する工程と、
   前記上成形型の形状に合わせて前記熱可塑性シート材料の走行方向の両端縁および前記熱可塑性シート材料の走行方向に直交する前後端縁を下降する工程
   とを含む材料クランプ方法。
2. 請求項１記載の材料クランプ方法に用いられる材料クランプ装置であって、
   前記熱可塑性シート材料の両端縁に沿って設置される、前記熱可塑性シート材料の走行方向の端縁を把持する所定の個数の第１クランプ手段、該第１クランプ手段をそれぞれ昇降する第１クランプ昇降機構および該第１クランプ昇降機構を前記熱可塑性シート材料の走行方向に直交する幅方向に移動させて幅調整を行う第１幅調整機構を具備する一対の幅クランプ装置と、
   前記成形装置における下成形型の前後位置に配置される、前記熱可塑性シート材料の走行方向に直交する端縁を把持する所定の個数の第２クランプ手段、該第２クランプ手段をそれぞれ昇降する第２クランプ昇降機構および該第２クランプ昇降機構を前記熱可塑性シート材料の走行方向に移動させて該走行方向の前後幅調整を行う第２幅調整機構を具備する一対の前後クランプ装置と、
   前記一対の幅クランプ装置を前記成形装置の上成形型と下成形型とのあいだに搬送する搬送機構と、
   前記上成形型の形状に合わせて前記一対の幅クランプ装置と前記一対の前後クランプ装置の動作を制御する制御装置
   とを備えてなる材料クランプ装置。
3. 前記制御装置が、前記上成形型の下降速度と前記第１クランプ昇降機構の下降速度および前記第２クランプ昇降機構の下降速度を同期させる同期手段を具備してなる請求項２記載の材料クランプ装置。
4. 前記所定の個数の第１クランプ手段および前記所定の個数の第２クランプ手段が前記上成形型の形状に合わせてそれぞれ独立している請求項２または３記載の材料クランプ装置。