自動チューブ端成形の可能性を解き放つ

Jan 07, 2024

マルチステーションの端部成形機がサイクルを完了し、銅管の端部に閉じたビードを形成します。

パイプやチューブが切断され、曲げられるバリュー ストリームを想像してください。 工場の別のエリアでは、リングやその他の機械加工部品が加工された後、組立てに送られ、ろう付けまたはその他の方法でチューブの端に取り付けられます。 次に、同じバリュー ストリームを想像してください。今回は端部の形成が行われます。 この場合、端部成形では、チューブ端の直径を拡大または縮小するだけでなく、複雑な溝から、事前に所定の位置にろう付けされたリングを複製するビーディングまで、他のさまざまな形状も作成します。

チューブ＆パイプ製造分野では、端部成形は静かに進化しており、製造技術によりプロセスに 2 つのレベルの自動化が導入されています。 まず、複数の精密端部成形ステップを 1 つの作業範囲内で組み合わせることができ、実質的には 1 つのセットアップで完了します。 第二に、このような複雑な端部の成形は、切断や曲げなどの他のチューブやパイプの製造プロセスと統合されています。

このような自動端部成形を使用するアプリケーションのほとんどは、自動車や HVAC などの業界における、通常は銅、アルミニウム、またはステンレス鋼で構成されるハイエンドの精密チューブ製造に使用されています。 ここで、端部成形により、空気または流体の流れに対して漏れのない接続を確保するために設計された機械加工された接続が不要になります。 このようなチューブの外径は通常 1.5 インチ以下です。

最先端の自動セルの一部は、コイルに入れて送られる小径チューブから始まります。 まず矯正機を通過し、その後所定の長さに切断されます。 その後、ロボットや機械装置がワークを搬送し、成形や曲げを終了します。 発生する順序は、曲げと最終形状自体の間の距離などのアプリケーション要件によって異なります。 アプリケーションで両端に端部形状を備えたチューブが必要な場合、ロボットは単一のワークピースを端部成形から曲げ、そして端部成形に戻るまで搬送できる場合があります。

このようなセルの生産性をさらに高めるのは、特定のハイエンドのチューブ端形成システムに組み込むことができる製造ステップの数です。 一部のシステムでは、最大 8 つの端部形成ステーションを通してチューブを搬送します。 このようなセットアップを開発するには、最新のエンドフォーミングが何を達成できるかを知ることから始まります。

精密端部成形ツールにはいくつかの種類があります。 ラムパンチは、管端を形成するための「ハードツール」であり、管端を所望の直径まで縮小または拡張します。 回転ツールはチューブの面取りや面取りを行うことができ、バリのない表面と一貫したプロセスを保証します。 他の回転ツールは、溝、バーブ、その他の形状を作成するためにローリング プロセスを実行します (図 1 を参照)。

端部の成形シーケンスは、面取りから始まる場合があります。これにより、きれいな表面が提供され、クランプとチューブの端部の間の一貫したハングオーバー長さが保証されます。 次に、ラム パンチでビーディング プロセス (図 2 を参照) を実行し、チューブを拡張および圧縮して、余分な材料を強制的に外径 (OD) の周囲にリングを形成します。 形状によっては、他のラム パンチによってチューブの外径にバーブが挿入される場合があります (ホースをチューブに固定するのに役立ちます)。 回転工具で外径の一部に溝を切り、続いて工具で表面のねじ山を切ります。

使用されるツールとプロセスの正確な順序は、アプリケーションによって異なります。 また、エンド フォーミング マシンの作業範囲内に最大 8 つのステーションがあるため、シーケンスは非常に広範囲にわたる可能性があります。 たとえば、一連のパンチでチューブの端にビードを徐々に形成し、1 つのラムでチューブの端を拡張し、続いてさらに 2 つのラムで端を圧縮してビードを作成します。 多くの場合、操作を 3 つのステップで実行すると、より高品質のビードを作成できます。マルチステーション エンド フォーミング システムにより、このような段階的な操作が可能になります。

エンド形成プログラムは、最適な精度と再現性を実現するために操作を順序付けします。 最新の全電動エンドフォーミングマシンは、ツールの位置を正確に制御できます。 しかし、面取りやタップ加工を除けば、ほとんどの最終成形加工ステップは成形です。 金属の形状は、材料の種類と品質によって異なります。

ビーディングプロセスをもう一度考えてみましょう (図 3 を参照)。 板金の閉じたヘムと同様、エンド フォーミングの閉じたビードにはギャップがありません。 これにより、パンチが正確な位置にビードを形成できるようになります。 パンチは事実上、ビードを特定の形状に「スタンピング」します。 しかし、板金の開いた裾に似たオープン ビーズについてはどうでしょうか? ビードの中央にギャップがあると、少なくとも閉じたビードと同じ方法で形成された場合、アプリケーションによっては再現性の問題が発生する可能性があります。 ラム パンチでオープン ビードを形成することはできますが、チューブの内径 (ID) からビードを支えるものが何もないため、あるビードの形状が次のビードの形状とわずかに異なる可能性があり、許容差が許容できる場合と許容できない場合があります。

図 1. 回転ツールはチューブ外径の周囲に溝を形成し、ホースを確実に接続するための返しを作成します。

ほとんどの場合、マルチステーションの端部成形機は別のアプローチを取ることができます。 まずラムパンチでチューブの内径を拡張し、材料内に波状のプリフォームを作成します。 次に、必要なビードのネガ形状に合わせて設計された 3 ロール エンド フォーム ツールを使用して、チューブの外径の周りをクランプし、ビードを回転させます。

精密端部成形機は、非対称のものを含むさまざまな形状を作成できます。 とはいえ、端部成形には制限があり、そのほとんどは材料の成形方法に関係しています。 材料は特定の割合の変形のみに耐えることができます。

パンチ表面の熱処理は、形成するように設計されている材料の種類によって異なります。 設計と表面処理は、材料によって変化するさまざまなレベルの摩擦やその他の端部形成変数を考慮しています。 ステンレス鋼管の端部成形用に設計されたラムパンチは、アルミニウム管の端部成形用に設計されたパンチとは異なる特性を持ちます。

材質が異なれば、必要な潤滑の種類も異なります。 ステンレスなどの硬い材料には濃厚な鉱物油が使用される場合がありますが、アルミニウムや銅には無毒の油が使用される場合があります。 潤滑剤の塗布方法も異なります。 回転切断および圧延プロセスでは多くの場合ミストが使用されますが、ラム成形ではフラッド潤滑剤またはミスト潤滑剤が使用されます。 一部のパンチでは、オイルがパンチからチューブ内径に直接出てきます。

マルチステーションの端部成形機には、さまざまなレベルのラムとクランプ力があります。 他のすべての変数が等しい場合、高強度ステンレス鋼は軟質アルミニウムよりも多くのクランプ力とラム力を必要とします。

動作中のチューブ端部の形成を拡大して見ると、クランプがチューブを所定の位置に固定する前に、機械がチューブを前進させるのがわかります。 一貫したハングオーバー、つまりクランプを超えた金属の長さを維持することが重要です。 定義された停止位置まで移動できる直管の場合、ハングオーバーを維持するのは簡単です。

事前に曲げたチューブの端部を形成する場合、状況は変わります (図 4 を参照)。 曲げ加工によりチューブがわずかに伸びる可能性があり、これにより寸法の変動がさらに大きくなります。 これらのセットアップでは、軌道カットオフおよびフェーシングツールを使用してチューブ端を切断して仕上げ、プログラムに従って正確に位置するようにすることができます。

ここで、なぜチューブを曲げた後に端部を形成するのかという疑問が生じます。 それは工具とワークホールディングに関係します。 多くの場合、最終フォームは曲げ自体の非常に近くに配置され、曲げサイクル中に曲げ工作機械がクランプする直線部分が残りません。 このような場合、チューブを曲げて端部成形に移し、曲げ半径に一致するクランプで固定する方がはるかに簡単です。 そこから、端部成形機が余分な材料を切り取り、必要な端部成形形状を作成します (これも最終的には曲げに非常に近くなります)。

他の場合には、特に端部の形状が曲げ工具と干渉する場合、曲げの前に端部の成形を行うと、回転絞りプロセスで複雑さが発生する可能性があります。 たとえば、チューブをクランプして曲げると、以前に作成した端部の形状が歪んでしまう可能性があります。 最終形状の形状に損傷を与えない曲げセットアップを作成することは、価値がある以上に面倒なことになります。 このような場合、曲げた後にチューブの端部を形成する方が簡単でコスト効率が高くなります。

端部成形を組み込んだセルには、他の多くのチューブ製造プロセスが含まれる場合があります (図 5 を参照)。 一部のシステムでは曲げ加工と端部成形の両方が行われますが、これら 2 つのプロセスの関連性を考慮すると、一般的な組み合わせとなります。 一部の用途では、真っ直ぐなチューブの端部の成形から始まり、次にロータリードロー曲げを行って半径を形成し、その後、端部成形機に戻ってチューブの反対側の端部を加工します。

図 2. マルチステーションの端部成形機は、ラム パンチで ID を拡張し、別のラム パンチで材料を圧縮してビードを形成し、これらの端部成形ビードを製造しました。

この場合、シーケンスがプロセス変数を制御します。 たとえば、2 番目の端部成形操作は曲げ後に行われるため、端部成形機での軌道カットオフおよび面削り操作により、一貫したハングオーバー長さとより高品質の端部形状が保証されます。 材料の一貫性が高ければ高いほど、最終成形プロセスの再現性が向上します。

自動セルのプロセスの組み合わせがどのようなものであっても、単に曲げて端部を形成するだけであっても、チューブをコイル状にして開始するセルであっても、チューブが各ステージを進む方法はアプリケーションの要件によって異なります。 一部のシステムでは、チューブはコイルからレベリング システムを介してロータリー ドロー ベンダーのクランプに直接供給されます。 これらのクランプは、端部成形システムが所定の位置に移動するときにチューブを固定します。 端部成形システムのサイクルが完了すると、ロータリー ドロー ベンダーが開始されます。 曲げ加工後、完成したワークを工具で切断します。 このシステムは、エンドフォーマーに専用のラムパンチを備え、左右のロータリードローベンダーに積み重ねられたツールを備え、さまざまな直径に対応できるように設計できます。

ただし、曲げ加工でチューブ ID にボール マンドレルが必要な場合、曲げプロセスに供給されるチューブはコイルから直接供給されるため、セットアップは機能しません。 この配置は、両端にフォームが必要なチューブにも機能しません。

このような場合、機械的搬送とロボット工学を組み合わせたセルで十分な場合があります。 たとえば、チューブをデコイルし、水平にし、切断し、その後、ロボットが切断片を回転ドローベンダーに配置するようにステージングすることができ、そこでボールマンドレルを挿入して、曲げ中のチューブ壁の歪みを防ぐことができます。 そこから、ロボットは曲がったチューブをエンドフォーマーに移すことができます。 もちろん、操作の順序はジョブの要件に応じて変わる可能性があります。

このようなシステムは、大量生産や小ロットサイズ向けにセットアップでき、たとえば、ある形状を 5 個、別の形状を 10 個、さらに別の形状を 200 個処理することができます。 機械の設計も、特に位置クランプやさまざまなワークピースに必要なクリアランスの提供に関しては、一連の操作に応じて変化する可能性があります (図 6 を参照)。 たとえば、曲げチューブを受け入れるエンド フォーミングの位置クランプには、曲げチューブを安定して配置するために十分なクリアランスが必要です。

適切なシーケンスにより、同時操作が可能になります。 たとえば、ロボットは端部成形機にチューブを配置できます。 その後、エンドフォーマーが循環するにつれて、ロボットは別のチューブを回転式ドローベンダーに輸送できます。

新しく設置されたシステムの場合、プログラマーはジョブ ミックスのテンプレートをセットアップします。 端部成形の場合、これには、パンチ ストロークの送り速度、パンチとクランプの間の中心、ローリング操作の回転数などの詳細が含まれる場合があります。 ただし、これらのテンプレートを設定すると、プログラマーがシーケンスを調整し、手元のアプリケーションに合わせてパラメータを最初に設定するため、プログラミングは迅速かつ簡単になります。

このようなシステムは、モーターの温度やその他の詳細を測定する予知保全ツールや、機械の監視 (特定の期間に生産される部品の数など) を備えたインダストリー 4.0 環境にも接続できるようにセットアップされています。

近い将来、端部成形はさらに柔軟になるでしょう。 繰り返しになりますが、このプロセスには変形の割合に関して制限があります。 それでも、クリエイティブ エンジニアが独自のエンド フォーミング セットアップを設計することを妨げるものは何もありません。 一部の操作では、ラム パンチがチューブ ID に挿入され、クランプ自体内のキャビティに対してチューブを拡張します。 特定のツールでは、45 度に延びる端部形状を作成でき、その結果、非対称な形状が得られます。

これらすべての基盤は、マルチステーション エンド フォーミング マシンの機能から生まれます。 操作が「1 つで完了」できる場合、あらゆる種類の最終形成の機会が生じます。