CN101668598A - 金属材料的倒角装置及倒角方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供能经济而高效地、并且在良好作业环境下对金属材料、金属结构部件的角部实施倒角的倒角装置。该金属材料的倒角装置，具有倒角用振动端子和振动装置；上述振动端子设于振动装置的振动方向的顶端部、具有槽，该槽沿与振动方向正交的方向延伸、且与该延伸方向正交方向的剖面具有曲率半径R的底部、向顶端侧开放；上述振动装置使该振动端子在其轴方向以10Hz～50kHz的频率、并且以0.1～4kW的功率振动。

Description

金属材料的倒角装置及倒角方法

技术领域

本发明涉及金属材料、金属结构部件的角部的倒角装置及倒角方法，涉及利用击打振动进行倒角的装置及方法。

背景技术

对于作为桥梁、钢构架或造船用构架使用的钢板、钢部件等的金属材料、金属结构部件，在组装前或组装后，根据需要，多实施各种涂敷。例如，在船体的组装时，对钢部件至少要实施防锈用的涂敷。

另一方面，钢板、钢部件的端缘，是尖锐的角部，所以，实施了涂敷时，涂膜容易从该角部脱落。为了防止该涂膜脱落，要对角部实施倒角，把尖锐的角部变成为平滑的具有曲率的曲面。公知的该倒角方法有：用磨削机磨削的方法，用带超硬刀片的切刀切削的方法等(该超硬刀片具有曲面形状的切削部)。

另外，作为处理金属材料的边缘部的方法，日本特开昭49-59768号公报中，揭示了在冲切或剪断了金属薄板后，将残留的飞边去掉的飞边去除装置。该装置备有带颚片的工具、和使该工具对向于金属薄板边缘而起到锤子作用的敲击工具，上述颚片用于纳入金属薄板的边缘部。该飞边去除装置，是以金属薄板为对象，如日本特开昭49-59768号公报的图1、图3所示，颚片形成为同时地与金属薄板边缘部的表背两面抵接，即，在边缘部夹住表背的角部。另外，作为振动装置的起到锤子作用的敲击工具，其构造是，锤子可绕轴旋转地插入在筒状体中，在该锤子的底面设有若干个凹坑，被放入在筒状体底的硬球，随着电动机引起的锤子的轴方向的旋转，出入上述凹坑，这样，产生轴线方向的振动，借助该振动，用颚片同时击打金属薄板的板厚方向的表背面，将飞边去除。

另外，日本特开平4-210824号公报中，揭示了边缘辊压加工装置。该加工装置中，设有若干组夹着金属板材移送路的、在水平方向对向的2个一组的V型辊，该若干组V型辊在移送方向并排配置，在各辊组上设有辊加压机构，并且，V型辊的角度各不相同。其边缘辊压加工方法是，一边移送金属板，一边将V型辊抵压在金属板的两侧端面，对上下角部阶段地实施角度不同的平面的压缩加工。

在日本实开昭62-77616号公报中，揭示了振动成形加工装置。该加工装置由产生低频上下振动的振动源、成形工具、将上述低频上下振动传递给上述成形工具的传递部、和模具构成，该模具由备有被弹性部件可往复动地保持着的传递部和上述成形工具的上模、和将被加工物定位固定的下模构成。利用低频的上下振动，对固定在下模上的被加工材实施弯曲、拉深(絞り)等的塑性加工。

近年来，通过对金属材料的焊接终端部实施超声波冲击处理、锤击处理等的击打处理，同时减低对该部位的应力集中和残留应力，可改善焊接接头的疲劳强度，例如，日本特开2003-113418号公报中，揭示了对金属材料的易疲劳部位进行超声波冲击处理，提高金属材料的疲劳寿命的方法。通过实施超声波冲击处理，焊接终端部以预定的曲率变形，应力集中的问题得以缓和。

发明内容

但是，用磨削机磨削的方法中，倒角面的曲率半径、倒角宽度的调节，取决于作业者的熟练程度，不容易保持为一定。另外，作业中产生磨削屑、粉尘，作业环境很不好。另外，用切刀切削的方法中，为了保持一定的切削性，必须要更换刀片，要处理产生的切削屑，这些需要一定的费用。切削粉尘的产生等造成作业环境不好。另外，日本特开昭49-59768号公报的装置中，颚片形成为同时与金属薄板的边缘部的表背面的角部抵接，即，夹着表背的角部，所以，金属薄板的表背的各角部，只能与颚片的倾斜面接触，因此，不能把表背的各角部倒角成为具有平滑曲率的面。另外，金属薄板的一面与其它部件焊接或连接、用颚片不能夹住板厚方向时，该装置就不适用。另外，振动装置，是用电动机使锤轴旋转，随着该旋转，钢球出入于设在锤轴底部的凹部，这样产生轴线方向的振动，该振动数(频率)、振幅自然是有限的，要用高频率振动、用高的功率除去飞边是很困难的。

另外，日本特开平4-210824号公报的装置，是以在预定宽度设置有缝隙的金属板材为对象，必须备有金属板材的运送装置、在金属板的运送方向备有多级的改变了V型角度的辊对，设备费用高。另外，对于形状复杂的金属板材、构造物等不适用。

另外，日本实开昭62-77616号公报记载的成形装置，是把电子零件、机械零件等的小型零件固定在下模上，利用上模的振动，在上模与下模之间进行弯曲、拉深等的塑性加工，并不是进行金属部件或结构部件的倒角。

另外，日本特开2003-113418号公报中，虽然揭示了改善焊接终端部的形状，但是，对于金属部件角部的倒角，并未提及。

本发明的课题是，解决上述问题，提供能经济而高效地、并且能在良好作业环境下对金属材料、金属结构部件的角部实施倒角的装置。

本发明是为了解决上述课题而作出的，利用顶端部备有预定形状槽的振动端子，击打金属材料、金属结构部件的角部，实施倒角，其要旨如下。

(1)一种金属材料的倒角装置，其特征在于，具有倒角用振动端子和振动装置；上述振动端子设于振动装置的振动方向的顶端部、具有槽，该槽沿与振动方向正交的方向延伸、且与该延伸方向正交方向的剖面具有曲率半径R的底部、向顶端侧开放；上述振动装置使该振动端子在其轴方向以10Hz～50kHz的频率、并且以0.1～4kW的功率振动。

(2)如(1)记载的金属材料的倒角装置，其特征在于，上述倒角用振动端子的槽的张开角度是90°±10°。

(3)如(1)或(2)记载的金属材料的倒角装置，其特征在于，上述倒角用振动端子的槽的底部的曲率半径R是0.5～5mm。

(4)如(1)至(3)中任一项记载的金属材料的倒角装置，其特征在于，上述倒角用振动端子是棒状体。

(5)如(1)至(3)中任一项记载的金属材料的倒角装置，其特征在于，上述倒角用振动端子，是旋转自如地轴支承在上述振动装置的销保持件的圆盘状体，上述槽在该圆盘状振动端子的外周以在圆盘的直径方向的剖面中向其外径方向开放的方式形成。

(6)一种金属材料的倒角方法，其特征在于，使用(1)至(5)中任一项记载的倒角装置，使振动端子以10Hz～50kHz的频率振动，用0.1～4kW的功率对金属材料的角部实施倒角。

附图说明

图1是表示本发明倒角装置的概要的剖面示意图。

图2是表示本发明倒角装置的棒状倒角用振动端子之一例的图，(a)是立体图，(b)是从槽的延伸方向看的侧面图，(c)是从与槽的延伸方向正交的方向看的侧面图，(d)是顶面图。

图3是表示图2中的棒状倒角用振动端子的槽的张开角度α的图。

图4是表示本发明倒角装置的棒状倒角用振动端子的另一例的立体图，(a)是表示在方棒的顶端部设有槽的例子，(b)是表示在设在圆柱上的四边形部的顶端部，设有槽的例子。

图5是表示本发明的倒角用振动端子的另一形态的剖面示意图。

图6是表示用本发明的倒角装置、将钢部件的角部倒角的状况的示意图。

图7是实施例中使用的棒状倒角用振动端子的从槽的延伸方向看的侧面图，分别表示槽底部的曲率半径是：(a)1.0mm，(b)2.0mm，(c)3.0mm时的情形。

图8是表示实施例中在倒角前后的钢部件试样剖面形状的示意图，(a)是倒角前的状况，(b)是倒角后的状况。

图9是实施例中被倒角过的钢部件试样2的剖面的宏观组织照片。

图10是实施例中被倒角过的钢部件试样2的角部的剖面的微观组织照片，(a)是倒角前(未处理部)的状况，(b)是使用槽底部的曲率半径为1.0mm的倒角用振动端子，实施了倒角的情形。

图11是实施例中被倒角过的钢部件试样2的角部的剖面的微观组织照片，(a)是使用槽底部的曲率半径为2.0mm的倒角用端子，实施了倒角的情形，(b)是使用槽底部的曲率半径为3.0mm的倒角用端子，实施了倒角的情形。

具体实施方式

图1是表示本发明倒角装置之一例的概要构造的剖面示意图。图1中，倒角装置1基本包括振动装置2、和安装在其振动方向顶端的倒角用振动端子3(下面也称为倒角销)。该例中，振动装置2是具有振动部(発振部)6和导波体7的超声波振动装置。振动部6具有由磁致伸缩芯或压电元件构成的振动体(発振体)4和缠绕在振动体周围的振动线圈5。导波体7连接在振动体的前方(下面，把振动体的振动方向的前方、安装倒角用振动端子即倒角销的一侧，称为前方，或称为顶端侧)。

振动部6、导波体7收容在筒体8内，导波体7通过弹簧9保持在筒体8内。在从筒体向前方突出的导波体7的顶端，设有销保持件10，这样，倒角销3可振动地安装在导波体上。即，倒角用振动端子安装在振动装置的振动方向的顶端侧(前方侧)。

在导波体7与筒体8的周方向间隙，设有密封件11，把冷却水从冷却装置12经过冷却水管13，从设在筒体8后端的给水口14、排水口15，供给到筒体内、排出，将振动装置2冷却。另外，在筒体的后端，安装着倒角作业用的手柄16。

作为振动装置，除了上述的超声波振动装置外，也可以采用气压振动(气动振动)装置、偏心马达(偏芯モ一タ)等的加振装置等。

图2(a)～(d)是表示本发明倒角装置的倒角用振动端子、即倒角销3的一个形态的形状的图，该图中，例示出圆柱状(棒状)的销的情况。(a)是立体图，(b)是从槽的延伸方向看的侧面图，(c)是从与(b)正交的方向看的侧面图，(d)是顶面图。在倒角销3的顶端部形成了槽20，该槽20，直线状地沿着与振动方向正交的方向延伸、并且与该延伸方向正交的剖面朝顶端侧开放。

槽20沿着与振动方向正交的方向延伸，为了高效地将击打力供给于倒角用，最好设置成通过倒角销的轴中心C。

另外，槽20的与延伸方向正交的剖面的形状，是以张开角度α朝顶端侧、图中朝上方开放的形状(V字形或凹形状)。

槽20的侧面21，如图6所示，在倒角时，对于处理对象部件19的形成角部27的两侧面，起到一种导引的作用，该张开角度α，最好根据处理对象部件的角部27的角度进行调节。

通常金属部件上形成的角部的角度大致是直角，所以，该张开角度α优选是90°。但是，因金属部件的切断、切削方法，所形成的角部的角度会有偏差，所以，该张开角度α更优选为90°～90°±10°。如果不足80°或超过100°，则如后所述，不容易使倒角面的宽度Wc均匀。

另外，金属部件的角部的角度是锐角或钝角时，该张开角度α设定为与该锐角或钝角对应的角度，由此同样地可实施倒角。

图3表示槽20的张开角度α，该张开角度，最好相对于槽延伸方向的面对称，即如图3所示，相对于通过中心轴的线左右为α/2的角度。如果张开角度相对于槽延伸方向的面不对称，则不容易使倒角面的宽度Wc均匀。另外，倒角宽度(Wc)，如后述图6所示，是在与角部的延长方向正交的剖面中，倒角面的两端部的距离。

如图2(b)所示，与槽20的延伸方向正交的剖面的底部22，具有曲率半径R。该曲率半径R，在倒角了时，被基本复制到处理对象部件19的角部的剖面形状上。该曲率半径R，可根据处理对象部件的角部的所需倒角形状选择。

如果该曲率半径R过小，则倒角了的角部的倒角宽度Wc狭窄，成为锐角那样，倒角效果小。另一方面，如果过大，则因倒角作业而流动的金属量多，流动的金属使得在倒角过的角部的周边形成大的台阶(在与角部的延伸方向垂直的剖面中，被倒角过的角部(宽度Wc)与角部以外部分的厚度差)，另外，处理时间加长等等，所以不优选。

从该观点考虑，如果曲率半径不足0.5mm，则倒角的效果不够，如果超过了5mm，则在角部附近容易形成大的台阶，所以，曲率半径优选为0.5～5mm左右，更优选为1～3mm。

图4(a)、(b)，是表示本发明倒角装置中使用的倒角用振动端子、即倒角销的其它形态例的立体图。

图4(a)、(b)都是棒状的倒角销，(a)中，在方柱棒的振动方向(轴方向)顶端部，形成了直线状的槽20。(b)中，在圆柱棒的振动方向(轴方向)顶端部，设有四边形部23，在该四边形部23的顶端，形成了直线状的槽20。这些倒角销，与图2的圆柱棒时相比，可以改善槽的强度。

槽20的长度(圆柱棒时，是其直径d(见图3(d))，方柱棒或在圆柱棒的顶端设有四边形部时，与方柱棒或四边形部的边长l(见图4(a)(b)大致对应)没有特别限定。如果槽长，则能够一次地对角部的长范围实施倒角，但是，相对于来自振动装置的一定的击打能量，作用到每单位长度角部上的击打能量小，所以，为了得到预定曲率半径的倒角形状，需要时间。但是，槽长时，倒角销的谷部与角部的抵接稳定，所以容易得到均匀的倒角宽度Wc。另一方面，槽的长度如果短，则与上述相反地，每单位长度的击打能量大，所以，可在短时间内得到预定曲率半径的倒角形状，但对预定长度实施倒角所需要的时间，与上述约相同。另外，槽的长度短时，与角部的抵接容易变得不稳定，所以，不容易得到均匀的倒角宽度。可以根据振动装置的输出、所需的角部的曲率半径、倒角销的大小等进行选择，最好为3～30mm。

另外，槽20的深度t，可根据倒角宽度(Wc)决定。但是，该倒角宽度受倒角销的曲率半径R的大小、或进而受张开角度α等的影响，所以，可以考虑这些因素，同时从倒角销的强度方面看，也要适当考虑倒角销顶端部的垂直于轴的剖面(与振动方向垂直的剖面)的形状(圆柱棒的直径d、方柱棒的宽度W)，来决定深度t。另外，倒角销的轴方向长度h没有特别限定，只要考虑保持件的长度、销的强度、作业性等设定即可。

图5是表示倒角销3的另一形态例的剖面示意图。该例中，倒角销是圆盘状体，沿该圆盘24的外周设有槽20，该槽20的直径方向的剖面形状，朝上述圆盘的外径方向(顶端侧)开放。即，是形成有朝外径方向开放的环状槽的形态。在圆盘体24的中心设有轴孔25，支承轴26穿过该轴孔25，该支承轴26安装在销保持件10上，这样，圆盘体24可旋转自如地被支承着。

该形态例中，由于可以使倒角销一边在振动方向振动一边旋转，所以，一边振动，一边沿着处理对象部件的角部推压滚动由此使倒角销移动，可极为高效地进行倒角作业。另外，这时的槽20的形状(槽的张开角度α、槽底部的曲率半径等)，可以与上述棒状销同样地设定。

倒角销的材质没有特别限定，但是至少要有击打处理对象部件的角部而使其变形的硬度(强度)。例如，最好是HRC硬度为62以上的SKH材等的工具用碳素钢、或者是WC(碳化钨)等的超硬材。

另外，倒角销的槽的表面由于与角部摩擦，磨耗大，所以，最好实施表面覆盖处理、表面硬化处理等的表面处理。

图6是表示用本发明的倒角装置，将角部倒角的状况的立体图。下面，参照图1和图6，说明其动作。

图1中，从电源、控制单元17，通过电缆18向振动装置2的振动线圈5供给电流，该电流使得振动体4振动，轴方向(振动方向，见图1)的振动传递给导波体。该振动传递到导波体的顶端，安装在顶端的倒角销3在轴方向(振动装置的振动方向)振动。

如上所述，倒角销3上形成了槽20，所以，如图6所示，使倒角销3的槽，以槽的延伸方向与角部的长度方向相同的方式，与作为处理对象的金属部件19的角部27抵接，一边振动，一边沿角部27的长度方向移动。利用上述振动，倒角销击打角部27，使该部分的金属朝侧方流动，这样进行倒角。

由于倒角销的槽的底部有预定的曲率半径，所以，角部被倒角成具有与该曲率半径大致相仿的曲率半径的角部28。另外，槽的两侧面分别与处理对象部件的角部的两侧面抵接，以槽的底部的中心与角部的顶部大致对向的方式导引，另外，张开角度相对于槽延伸方向的面左右对称，所以，借助这些因素，进行沿着角部大致均等宽度的倒角。

用本发明的倒角装置，如上所述地操作，进行倒角时，优选振动装置2使倒角用振动端子3以10Hz～50kHz的频率振动，以0.01～4kW的功率实施。即，用10Hz～50kHz的频率振动，用0.01～4kW的功率振动击打，实施倒角，由此角部的金属塑性流动，倒部被倒角，同时角部附近的表面因加工而发热，在该加工发热不散失的绝热状态下反复进行倒角击打，所以，对角部实施了与热锻造同样的作用，结果，角部附近的结晶组织微细化(细化)。

之所以将倒角用振动端子3的振动频率定为10Hz以上，是因为如果不足10Hz，在由击打进行的倒角时得不到绝热效果。之所以将频率定为50kHz以下，是因为适用于工业的超声波的频率通常在50kHz以下。

另外，之所以将振动端子3的功率定为0.01kW以上，是因为如果不足0.01kW，倒角所需的时间过长。之所以定为4kW以下，是因为即使用超过了4kW的功率实施倒角处理，时间缩短的效果也会饱和，经济性降低。

实施例

下面，用实施例更具体说明本发明。

用图1所示的倒角装置，对剖面为约正方形(角部的角度约为90°)、强度等级呈400～600MPa而不同的5种钢部件试样1～5的3个角部实施倒角。倒角销是HRC62的SKH材制、直径为4.8mm、长度为35mm的圆柱棒状，顶端部的槽的张开角度是90°，槽的底部的曲率半径如图7(a)～(c)所示地呈1R～3R变化。分别用槽的底部的曲率半径不同的、如上述图7(a)～(c)所示的倒角销，对上述钢部件试样的3个角部实施倒角。为了进行比较，一个角部维持倒角前的角部状况，作为未处理部留下。倒角处理的条件(所用的倒角销的底部的曲率半径)和处理过的角部部位的对应关系，如图8(a)(b)所示。

倒角装置的振动装置的振动数是27kHz，功率是1.2kW。

测定钢部件试样的倒角后的角部、和倒角前的角部(未处理部)的曲率半径。

钢部件试样的种类、钢部件试样的倒角前、以及用各倒角销倒角后的角部的曲率半径，如表1所示。

另外，钢部件试样2的倒角后的剖面宏观组织照片，如图9所示。微观组织照片如图10(a)、(b)、图11(c)、(d)所示。

另外，在宏观照片和微观照片中，钢部件试样2的剖面中的倒角处理条件(所用的倒角销的槽底部曲率半径)以及角的未处理部与角部位的对应关系，与图8(b)对应，图10(a)是未处理部的微观组织照片。

表1

从表1可知，在角部，与倒角前(未处理部)相比，具有极大的曲率半径，被切实地倒角。在该被倒角过的角部的剖面上，形成了具有与倒角销的槽底部曲率半径相R大致相仿的曲率半径的曲面。因此，适当地选择倒角销的曲率半径，就可以得到被倒角为所需曲率半径的角部。

图9中，将倒角过的角部的剖面形状与未处理部比较可知，分别形成了极为平滑的、具有约1mm(1R)、2mm(2R)、3mm(3R)的曲率半径的、倒角过的角部。

另外，将图10(a)和图10(b)、图11(c)、(d)比较可知，用本发明的倒角装置倒角过的角部，表层的结晶组织都变得微细化。这种形状平滑、且结晶组织微细化的倒角部，是用已往的磨削、切削等的已往倒角方法得不到的。用本发明的倒角装置，可得到很好的倒角部。

工业实用性

根据本发明，可以不使用磨削盘、切削刀片等磨耗性大的工具，对金属材料、金属结构部件的角部实施倒角，不需要磨削盘、切削刀片的更换作业，也不需要对磨削、切削产生的切屑屑进行处理等。因此，可经济而高效地实施倒角。另外，可以抑制因磨削、切削产生的粉尘、切屑引起的作业环境恶化，可以使作业环境更好。

另外，根据本发明的倒角装置，角部的被倒角过的面，借助振动端子的具有曲率的底部而形成为平滑状，使得实施了涂敷等时不容易脱落。另外，用本发明方法实施倒角，被倒角处理过的角部的表层金属结晶组织微细化，所以，与已往用切削倒角过的角部相比，可以减少从角部产生的疲劳裂缝等。

另外，作为倒角对象的金属材料、金属结构部件，不限于钢铁，也可以是不锈钢铝合金、钛合金、镁合金等。

Claims (6)

1.一种金属材料的倒角装置，其特征在于，具有倒角用振动端子和振动装置；上述振动端子设于振动装置的振动方向的顶端部、具有槽，该槽沿与振动方向正交的方向延伸、且与该延伸方向正交方向的剖面具有曲率半径R的底部、向顶端侧开放；上述振动装置使该振动端子在其轴方向以10Hz～50kHz的频率、并且以0.1～4kW的功率振动。

2.如权利要求1所述的金属材料的倒角装置，其特征在于，上述倒角用振动端子的槽的张开角度是90°±10°。

3.如权利要求1或2所述的金属材料的倒角装置，其特征在于，上述倒角用振动端子的槽的底部的曲率半径R是0.5～5mm。

4.如权利要求1至3中任一项所述的金属材料的倒角装置，其特征在于，上述倒角用振动端子是棒状体。

5.如权利要求1至3中任一项所述的金属材料的倒角装置，其特征在于，上述倒角用振动端子，是旋转自如地轴支承在上述振动装置的销保持件的圆盘状体，上述槽在该圆盘状振动端子的外周以在圆盘的直径方向的剖面中向其外径方向开放的方式形成。

6.一种金属材料的倒角方法，其特征在于，使用权利要求1至5中任一项记载的倒角装置，使振动端子以10Hz～50kHz的频率振动，用0.1～4kW的功率对金属材料的角部实施倒角。

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