JP2005177847A - 三次元波板構造およびその成形金型ならびに成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 剛性の高い三次元波板構造を低コストで得るに好適な三次元波板構造およびその成形金型ならびに成形方法を提供する。
【解決手段】 平面を互いに合同な平行四辺形の区画４に分割してその境界に山折り若しくは谷折りによる折曲げ部を備える三次元波板構造１を製造する成形金型５であり、素材Ｗの平行四辺形の区画４に同様の形状をもって接触する剛体の保持部６と前記保持部６間の境界にあって保持部６同士を柔軟に連結する連結部７とを順次面方向に配列させて素材Ｗの両面に夫々配置する金型８、９を構成し、素材Ｗを前記金型８、９によって両面から保持して素材Ｗの面方向に圧縮荷重を印加して、前記連結部７において素材Ｗを山折りおよび谷折りに折曲げ加工するようにした。
【選択図】 図４

Description

本発明は、三次元波板構造およびその成形金型ならびに成形方法に関するものである。

従来から構造物の軽量化や剛性を向上させるため、三次元構造体としてハニカムコアを備えるハニカム構造体が知られている（特許文献１参照）。
特開平７−３９９６８号公報

しかしながら、上記従来例のようなハニカムコアを備える三次元構造体では、素材となる折曲げたブレージングプレートを互いに接合させて必要な大きさのハニカムコアを形成するため、多くの手間と時間を要し、非常にコスト高となる不具合があった。

そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、剛性の高い三次元波板構造を低コストで得るに好適な三次元波板構造およびその成形金型ならびに成形方法を提供することを目的とする。

本発明は、平面を互いに合同な平行四辺形の区画に分割してその境界に山折り若しくは谷折りによる折曲げ部を備える三次元波板構造を製造する成形金型であり、三次元波板素材の平行四辺形の区画に同様の形状をもって接触する剛体の保持部と前記保持部間の境界にあって保持部同士を柔軟に連結する連結部とを順次面方向に配列させて三次元波板素材の両面に夫々配置する金型を構成し、前記三次元波板素材を前記金型によって両面から保持して三次元波板素材の面方向に圧縮荷重を印加して、前記連結部において三次元波板素材を山折りおよび谷折りに折曲げ加工するようにした。

したがって、本発明では、平面を互いに合同な平行四辺形の区画に分割してその境界に山折り若しくは谷折りによる折曲げ部を備える三次元波板構造を製造する成形金型であり、三次元波板素材の平行四辺形の区画に同様の形状をもって接触する剛体の保持部と前記保持部間の境界にあって保持部同士を柔軟に連結する連結部とを順次面方向に配列させて三次元波板素材の両面に夫々配置する金型を構成し、前記三次元波板素材を前記金型によって両面から保持して三次元波板素材の面方向に圧縮荷重を印加して、前記連結部において三次元波板素材を山折りおよび谷折りに折曲げ加工するため、三次元波板素材に同時に山折りおよび谷折りの折曲げ加工を施すことができ、剛性の高い三次元波板構造を低コストで得ることができる。

以下、本発明の三次元波板構造およびその成形金型ならびに成形方法を各実施形態に基づいて説明する。

図１および図２は、本発明を適用した三次元波板構造の第１実施形態を示す斜視図および展開図であり、図３は金型の部分断面図、図４は金型の作動状態図、図５は金型素材の断面図、図６は金型の上下保持型へのセット状態を示す断面図、図７は上下保持型の型開き状態の断面図、図８は上下保持型の作動状態の断面図である。

図１において、三次元波板構造１は、複数の節を４本の折れ線を合流させて形成しており、実線で示す山折り線２と破線で示す谷折れ線３とを組合わせることでジクザグ状の山筋および谷筋を備える波板形状をなしている。このような形状は、図２に示すように、平面状態から山折り線と谷折り線とにより折りたたんで構成することができ、文部省宇宙科学研究所の三浦教授によって発案された平面の折り畳み方であって、「三浦折り」と呼ばれている。この「三浦折り」は、平面を互いに合同な平行四辺形の区画４に分割し、適正に山折りと谷折りとを繰り返すことにより、歪みのしわ寄せを生じることなく三次元的に折りたたむ平面の折り畳み方法である。「三浦折り」によって折り畳まれた平面は、その平面のうちどの区画４をとっても等価であって、通常の折り畳み方のように局部的に延びや圧縮が生じることがない。

本発明においては、このような三次元波板構造１を、金属板材、例えば、アルミニウム板若しくは鋼板で形成して、折れ線２、３によって金属板材Ｗを弾性限度を超えて歪変形させており、その際の折れ線２、３および平行四辺形の区画４部分が三次元的に配置されているため、平板状態の金属板材Ｗに比較して著しく剛性を向上させることができる。従って、この三次元波板構造１を板状体に補強接合させたり板状体で挟んだりすることで一体化させると、構造体の重量増加を伴うことなく曲げ剛性を向上させることができる。

このような三次元波板構造１を成形する場合には、複数の山折り線２や谷折り線４からなる折線の両側に存在する各一対の平行四辺形の区画４部分を変形させることなく保持し、各折線部分２、３に山折りや谷折りの折れ角が生ずるよう各平行四辺形の区画４部分を各々の最終角度まで相対変位させる必要がある。しかも、各平行四辺形の区画４部分の平面状態からの角度変位に応じて、板材の平面上の投影面積（大きさ）が小さくなってゆくため、通常行われる上下方向からのプレス成形では、板材に部分的に伸びや圧縮が生じ、このような三次元波板構造１への折り畳み成形には不適当である。

そこで、本実施形態の成形金型５においては、成形しようとする板材Ｗの両面に配置して、当該板材Ｗに平行四辺形の区画４部分を形成するよう両面から当該板材Ｗを挟んで保持するよう設けた平行四辺形の区画４数量分の保持部６と、当該板材Ｗに折れ線２、３を形成するために前記複数の保持部６同士を互いに回動可能に連結するよう設けた折れ線２、３の数量分の連結部７とを、上下金型８、９に備えるよう構成する。

図３は、前記上下金型８、９の保持部６および連結部７の拡大図であり、前記保持部６はゴムや合成樹脂等の弾性体１０の両面に金属板１１を接着等により接合して一体化した剛体に形成し、前記連結部７は前記保持部６の弾性体１０同士を連結させることで柔軟に形成している。この上下金型８、９においては、上下金型８、９に平面方向から圧縮力を加えることで、上下金型８、９の連結部７で折れ曲がりつつ上下金型８、９の保持部６を起立させることができ、図４に示すように、上下金型８、９の保持部６で成形しようとする板材Ｗを保持しつつ上下金型８、９の連結部７が折れ曲ることで成形しようとする板材Ｗを折り線をつけて折り曲げることができる。また、上下金型８、９の板材Ｗを保持する保持部６は金属面とすることができるため、金属製の板材Ｗの数理折り成形に使用することができる。

前記上下金型８、９は、上下面から押え板１２により板材Ｗに接触させる方向に付勢力を付与されており、押え板１２により上下方向が夫々弾性的に規制されることで、板材Ｗを精度よく三次元波板形状に折りたたむことができる。また、図４に示すように、上下金型８、９の連結部７が折れ曲る際に、連結部７を構成する金属板１１が押え板１２に接触するものであるため、連結部７が押え板１２に接触することがなく、上下金型８、９の強度および耐久性を向上させることができる。

前記連結部７は折れ曲るときに、山折り側となる側の隣接する金属板１１同士の間隔を、図３に示すように、谷折り側となる側の隣接する金属板１１同士の間隔より狭く形成することにより、平面方向から圧縮力を加えられた際に、金属板１１同士の間隔が狭い側が山折り側となるよう折れ曲り方向を確定させることができる。即ち、上下金型８、９の連結部７に山折りおよび谷折りの曲げ癖をつけることを必要としない。

前記上下金型８、９は、図５に示すように、二枚の金属板１１をゴムや合成樹脂等の弾性体１０を介在させて接着等により接合した素材に対して、成形しようとする板材Ｗの折れ線２、３を形成する部分に沿う連結部７を構成するよう両面から金属板１１に対して弾性体１０のみが残る深さまで溝加工を施して形成することができる。この溝加工には数値制御の機械加工を適用することができ、上下金型８、９の形状精度を向上させることができ、また、上下金型８、９の製造コストも低減することができる。なお、上下金型８、９は、上記方法による製造方法以外に、例えば、平行四辺形の金属片を弾性体の両面に規則的に貼付けることによっても製造することができる。

前記上下金型８、９は、図６に示すように、上下保持型１５、１６に収容保持される。前記上下保持型１５、１６は、上保持型１５と下保持型１６とに分離されており、型閉じ時に上下金型８、９の一端部を保持する固定壁１７Ａ、１７Ｂおよび他端部を保持する可動壁１８Ａ、１８Ｂと、前記固定壁１７Ａ、１７Ｂを固定し且つ可動壁１８Ａ、１８Ｂを摺動自在に保持するベース１９Ａ、１９Ｂと、により上下金型８、９を収容し、この収容空間には上下金型８、９を上下面から押付けて保持する押え板１２を備える。

前記上下保持型１５、１６の固定壁１７Ａ、１７Ｂ同士はベース１９Ａ、１９Ｂに固定され、上下保持型１５、１６を閉じた際にはノックピン２０により互いの位置が位置合せされる。固定壁１７Ａ、１７Ｂの合せ面の可動壁１８Ａ、１８Ｂと対面する部分（収容空間側）には、上側固定壁１７Ａにおいては、上金型８をその板材Ｗとの接触面が合せ面と面一となるよう上側固定壁１７Ａに固定している。同じく下側固定壁１７Ｂにおいても収容空間側において、下金型９および成形しようとする板材Ｗの板厚に相当するスペーサ２１を、そのスペーサ２１上面が合せ面と面一となるよう下側固定壁１７Ｂに固定している。前記両固定壁１７Ａ、１７Ｂの上下金型８、９の収容空間の壁面には、スライダ２２が配置され、このスライダ２２を介して押え板１２が昇降自在に当接している。

前記上下保持型１５、１６の可動壁１８Ａ、１８Ｂ同士はベース１９Ａ、１９Ｂにスライダ２３を介して摺動自在に保持され、上下保持型１５、１６を閉じた際にはノックピン２４により互いの位置が位置合せされる。可動壁１８Ａ、１８Ｂの合せ面の固定壁１７Ａ、１７Ｂと対面する部分には、上側可動壁１８Ａにおいては、上金型８をその板材Ｗとの接触面が合せ面と面一となるよう上側可動壁１８Ａに固定している。同じく下側可動壁１８Ｂにおいては、下金型９および成形しようとする板材Ｗの板厚に相当するスペーサ２１を、そのスペーサ２１上面が合せ面と面一となるよう下側可動壁１８Ｂに固定している。前記両可動壁１８Ａ、１８Ｂの収容空間側壁面には、押え板１２の他方の端面との間に可動壁１８Ａ、１８Ｂを初期位置に復帰させるスプリング等の弾性体２５を配置している。

前記上下金型８、９は、前記可動壁１８Ａ、１８Ｂが収容空間側に前進移動する際には、その上下金型８、９の連結部７が一斉に山折り側および谷折り側に折れ曲ることにより保持部６が起ち上がり、上下金型８、９間に挟んだ板材Ｗを折れ線に沿って折り曲げるよう作動する。

前記押え板１２は、固定壁１７Ａ、１７Ｂ側端面を固定壁１７Ａ、１７Ｂに設けたスライダ２２に当接させ、他方の端面は前記弾性体２５を介して可動壁１８Ａ、１８Ｂに臨んでいる。また、ベース１９Ａ、１９Ｂとの間に押え板１２を上下金型８、９側に付勢するスプリング等の弾性体２６を配置している。このため、ベース１９Ａ、１９Ｂとの間に配置した弾性体２６により押え板１２は、上下金型８、９を、その間に配置する板材Ｗに接触させるよう互いを接近させる。押え板１２は、弾性体２６により付勢されることにより、上下金型８、９と板材Ｗとの間に隙間を生じることを防止して、より形状精度のよい三次元波板構造１を得るように機能する。

以上の構成になる成形金型５による三次元波板構造の製造工程について以下に説明する。

型開きした上下保持型１５、１６は、図７に示すように、上保持型１５の固定壁１７Ａおよび可動壁１８Ａに上金型８が固定され、可動壁１８Ａは弾性体２５による付勢により後退位置に位置することで、上金型８は平板状に伸ばされている。また、同様に、下保持型１６の固定壁１７Ｂおよび可動壁１８Ｂに下金型９が固定され、可動壁１８Ｂは弾性体２５による付勢により後退位置に位置することで、下金型９は平板状に伸ばされている。

三次元波板構造１を製造する場合には、上記型開き状態において、下保持型１６の下金型９の上面に成形しようとする板材Ｗをセットする。

次に、ノックピン２０、２４をガイドとして上下保持型１５、１６を、図６に示すように、型閉じする。上下金型８、９は上下から板材Ｗを挟み保持する。押え板１２は弾性体２６により接近方向に付勢されて上下金型８、９を成形しようとする板材Ｗに押付ける。

次に、収容空間を狭める方向に可動壁１８Ａ、１８Ｂを前進させて、上下金型８、９および板材Ｗに板材Ｗ面方向の圧縮荷重を加える。上下金型８、９は夫々の保持部６で板材Ｗを保持しつつ夫々の連結部７が所期した山折れおよび谷折れを発生させることで、夫々の保持部６を水平状態から起立させてゆき、板材Ｗに山折り部２および谷折り部３に曲げ変形を生じさせる。また、押え板１２は弾性体２６の付勢力に対抗して上下金型８、９により後退されることで、互いの間隔を拡大させて、上下金型８、９の上下方向の拡大を許容する。

前記可動壁１８Ａ、１８Ｂの前進移動が所定ストロークに達した時点で停止させると、図８に示すように、各保持部６は所定の角度を持って起立し、連結部７では保持部６間の板材Ｗが折り曲がった状態となる。この状態においては、可動壁１８Ａ、１８Ｂへの押し圧力を解除しても、板材Ｗの山折り部２および谷折り部３において、板材Ｗの曲げ変形が弾性限度を超えて歪変形状態となっているため、若干のスプリングバックにより可動壁１８Ａ、１８Ｂが戻るのみとなり、板材Ｗの曲げ状態が維持される。

次いで、上下保持型１５、１６を型開きさせると、下保持型１６上に三浦折り状態となった三次元波板構造１を得ることができる。同時に、型開きされたことにより、下保持型１６の弾性体２５、２６の付勢力により押え板１２および可動壁１８Ｂが初期位置に復帰し、それに伴い下金型９が平板状に延ばされ、各要素は初期位置に復帰し、成形された三次元波板構造１が下保持型１６より離脱させることができる。上保持型１５においても、同様に、弾性体２５、２６の付勢力により押え板１２および可動壁１８Ａが初期位置に復帰し、それに伴い上金型８も平板状に延ばされ、各要素は初期位置に復帰する。

本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。

（ア）平面を互いに合同な平行四辺形の区画４に分割してその境界に山折り若しくは谷折りによる折曲げ部を備える三次元波板構造１を製造する成形金型５であり、三次元波板素材Ｗの平行四辺形の区画４に同様の形状をもって接触する剛体の保持部６と前記保持部６間の境界にあって保持部６同士を柔軟に連結する連結部７とを順次面方向に配列させて三次元波板素材Ｗの両面に夫々配置する金型８、９を構成し、前記三次元波板素材Ｗを前記金型８、９によって両面から保持して三次元波板素材Ｗの面方向に圧縮荷重を印加して、前記連結部７において三次元波板素材Ｗを山折りおよび谷折りに折曲げ加工するため、三次元波板素材Ｗに同時に山折りおよび谷折りの折曲げ加工を施すことができ、剛性の高い三次元波板構造１を低コストで得ることができる。

（イ）上下金型８、９を、弾性体１０の両面に互いに合同な平行四辺形の金属板１１を接合して形成した保持部６と、金属板１１同士の間の金属板１１を接合していない部分で構成する連結部７とで形成することにより、金属板１１で三次元波板素材Ｗを挟むことができ、アルミニウムや鋼板製の三次元波板構造１を得ることができる。

（ウ）上下金型８、９を、弾性体１０の両面に金属板１１を接合した金型素材から連結部７に沿って両面の金属板１１部分を溝加工により取り除くことで連結部７および保持部６を構成するようにすると、溝加工には数値制御の機械加工を適用することができ、上下金型８、９の形状精度を向上させることができ、また、上下金型８、９の製造コストも低減することができる。

（エ）上下金型８、９の連結部は、山折り側となる側での隣接する金属板１１同士の間隔を、谷折り側となる側での隣接する金属板１１同士の間隔より狭く形成することにより、連結部７に山折りおよび谷折りの曲げ癖をつけることを必要とせずに、金属板１１同士の間隔が狭い側が山折り側となるよう折れ曲り方向を確定させることができる。

（オ）上下金型８、９は、両面から三次元波板素材Ｗに密着する方向に押え板１２により押圧力を付与されているため、押え板１２により上下方向が夫々弾性的に規制されることで、板材Ｗを精度よく三次元波板形状に折りたたむことができる。また、上下金型８、９に面方向の高い加圧力をかけることが可能になり、曲げ強さの高い板材Ｗでも三次元波板構造１を得ることができる。

（カ）板状素材Ｗの両面において、平面を互いに合同な平行四辺形の区画４に分割して剛体を接触させ、前記板状素材Ｗの面方向に圧縮荷重を印加して、前記剛体に接触している領域の板状素材Ｗの変形を抑制しつつ隣接する前記剛体間の板状素材Ｗに山折りおよび谷折りの折曲げ加工を施すことにより得られる三次元波板構造１は、金属板材、例えば、アルミニウム板若しくは鋼板で形成して、折れ線によって金属板材Ｗを弾性限度を超えて歪変形させており、その際の折れ線２、３および平行四辺形の区画４部分が三次元的に配置されているため、平板状態の金属板材に比較して著しく剛性を向上させることができる。従って、この三次元波板構造１を板状体に補強接合させたり板状体で挟んだりすることで一体化させると、構造体の重量増加を伴うことなく曲げ剛性を向上させることができる。

本発明の一実施形態を示す三次元波板構造の斜視図。 同じく三次元波板構造の展開図。 フレキシブル金型の保持部および連結部の拡大断面図。 フレキシブル金型の作動状態を示す断面図。 フレキシブル金型素材の断面図。 フレキシブル金型の上下保持型へのセット状態を示す断面図。 上下保持型の型開き状態の断面図。 上下保持型の作動状態の断面図。

符号の説明

１ 三次元波板構造
２ 山折り部
３ 谷折り部
４ 平行四辺形の区画
５ 成形金型
６ 保持部
７ 連結部
８、９ 金型、上下金型
１０、２５、２６ 弾性体
１１ 金属板
１２ 押え板
１５、１６ 上下保持型
１７ 固定壁
１８ 可動壁
１９ ベース

Claims (8)

1. 平面を互いに合同な平行四辺形の区画に分割してその境界に山折り若しくは谷折りによる折曲げ部を備える三次元波板構造を製造する成形金型であり、
   三次元波板素材の平行四辺形の区画に同様の形状をもって接触する剛体の保持部と前記保持部間の境界にあって保持部同士を柔軟に連結する連結部とを順次面方向に配列させて三次元波板素材の両面に夫々配置する金型を構成し、
   前記三次元波板素材を前記金型によって両面から保持して三次元波板素材の面方向に圧縮荷重を印加して、前記連結部において三次元波板素材を山折りおよび谷折りに折曲げ加工することを特徴とする三次元波板構造を得る成形金型。
2. 前記金型は、弾性体の両面に互いに合同な平行四辺形の金属板を接合して形成した保持部と、金属板同士の間の金属板を接合していない部分で構成する連結部とで形成したことを特徴とする請求項１に記載の成形金型。
3. 前記金型は、弾性体の両面に金属板を接合した金型素材から連結部に沿って両面の金属板部分を溝加工により取り除くことで連結部および保持部を構成することを特徴とする請求項１に記載の成形金型。
4. 前記連結部は、山折り側となる側での隣接する金属板同士の間隔を、谷折り側となる側での隣接する金属板同士の間隔より狭く形成したことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一つに記載の成形金型。
5. 前記金型は、両面から三次元波板素材に密着する方向に押え板により押圧力を付与されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一つに記載の成形金型。
6. 平面を互いに合同な平行四辺形の区画に分割してその境界に山折り若しくは谷折りによる折曲げ部を備える三次元波板構造の成形方法であり、
   三次元波板素材の平行四辺形の区画に同様の形状をもって両面から剛体を接触させ、
   前記三次元波板素材の面方向に圧縮荷重を印加して、前記剛体に接触している領域の三次元波板素材の変形を抑制しつつ隣接する前記剛体間の三次元波板素材に山折りおよび谷折りの折曲げ加工を施すことを特徴とする三次元波板構造の成形方法。
7. 前記三次元波板素材の両面に接触させる剛体は、三次元波板素材への接触状態が維持されるよう両側から付勢力が付与されていることを特徴とする請求項６に記載の三次元波板構造の成形方法。
8. 板状素材の両面において、平面を互いに合同な平行四辺形の区画に分割して剛体を接触させ、
   前記板状素材の面方向に圧縮荷重を印加して、前記剛体に接触している領域の板状素材の変形を抑制しつつ隣接する前記剛体間の板状素材に山折りおよび谷折りの折曲げ加工を施すことにより得られることを特徴とする三次元波板構造。

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