JP2006000861A - 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】 三次元波板素材の互いに合同な平行四辺形の各区画４の夫々の隅の節部分１５に当接する加圧ピン１６を夫々配列して金型８、９を構成し、前記三次元波板素材を前記金型８、９の加圧ピン１６によって両面から保持し、各加圧ピン１６により各節部分１５を三次元波板素材の面直方向に荷重を印加して当該節部分１５が構成する三次元波板の頂点方向に変形移動させつつ加圧ピン１６を平面内の初期位置から加工位置へ夫々移動させ、節部分１５間の三次元波板素材を山折りおよび谷折りに折曲げ加工して三次元波板構造１を製造するようにした。
【選択図】 図７

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、折曲げた素材となる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、非常に高コスト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各区画の夫々の隅の節部分に当接する加圧ピンを夫々配列して金型を構成し、前記三次元波板素材を前記金型の加圧ピンによって両面から保持し、各加圧ピンにより各節部分を三次元波板素材の面直方向に荷重を印加して当該節部分が構成する三次元波板の頂点方向に変形移動させつつ加圧ピンを平面内の初期位置から加工位置へ夫々移動させ、節部分間の三次元波板素材を山折りおよび谷折りに折曲げ加工して三次元波板構造を製造するようにした。

したがって、本発明では、三次元波板素材の互いに合同な平行四辺形の各区画の夫々の隅の節部分に当接する加圧ピンを夫々配列して金型を構成し、前記三次元波板素材を前記金型の加圧ピンによって両面から保持し、各加圧ピンにより各節部分を三次元波板素材の面直方向に荷重を印加して当該節部分が構成する三次元波板の頂点方向に変形移動させつつ加圧ピンを平面内の初期位置から加工位置へ夫々移動させ、節部分間の三次元波板素材を山折りおよび谷折りに折曲げ加工して三次元波板構造を製造するようにした。このため、成形ストロークが一般のプレスと同様の方向となり、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一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は金型の平面図、図４は金型の保持部および連結部の部分断面図、図５は金型素材の断面図、図６は金型の節部分の拡大断面図、図７は金型の作動状態を示す断面図、図８は金型を上下保持型へセットして型開きした状態の断面図、図９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、山折り線２と谷折れ線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、平面状態から実線で示す山折り線と破線で示す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して一体化させると、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、図３に示すように、成形しようとする板材の両面に配置して、当該板材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、備えるよう上下金型８、９を構成する。また、各折れ線２、３を形成する連結部７が合流する節部分１５は、保持部６の隅の一部を切欠き且つ連結部７を貫通する貫通穴１５Ａを形成している。

図４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。

このような上下金型は、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。

また、上下金型８、９の連結部７同士の合流点である節部分１５においては、図６に示すように、当該節部分１５が山の頂点を形成する場合には、下金型９の節部分１５の谷折り側から保持部６の隅に係合する加圧ピン１６を配置し、加圧ピン１６の先端を弾性体１０の貫通穴１５Ａに係合し、その先端がワークＷに当接可能としている。また、当該節部分１５が谷底を形成する場合には、図示しないが、上金型８の節部分１５の谷折り側から保持部６の隅に係合する加圧ピン１６を配置し、加圧ピン１６の先端を弾性体１０の貫通穴１５Ａに係合し、その先端がワークＷに当接可能としている。なお、図示しないが、加圧ピン１６の先端と上下金型８、９との係合は、図示しないが、何らかの抜け止め手段により、係合状態が解除されないように構成している。

この上下金型８、９においては、上下金型８、９の各節部分１５を、当該節部分１５が山の頂点を形成する場合には下型９側から加圧ピン１６により押上げ且つ当該節部分１５が谷の頂点（谷底）を形成する場合には上型８側から加圧ピン１６により押下げる、言換えれば、谷折り側から面直方向に加圧ピン１６による押圧力を加えることで、各保持部６の四隅を夫々の方向に移動させて、上下金型８、９の連結部７で折れ曲がらせつつ上下金型８、９の保持部６を夫々起立させることができる。即ち、図７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。図７では、加圧ピン１６の先端は、貫通穴１５Ａを通って直接ワークＷを変形させるようにもしている。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、図８に示すように、上下保持型１７、１８に複数配列した加圧ピン１６の先端に節部分１５を係合させた状態で夫々の上下保持型１７、１８に保持される。上下保持型１７、１８に配列した加圧ピン１６は、上下保持型１７、１８に対して直立した状態を保ちつつ水平方向に移動可能に保持されている。この保持方法としては、例えば、図示するように、上下保持型１７、１８に沿って水平方向に伸縮可能に保持した弾性体１９に、基部を固定することで構成し、加圧ピン１６は弾性体１９により初期位置に復帰される方向に付勢され、加工に連れて弾性体１９を変形させつつ加工位置に移動可能としている。また、別の方法では、各加圧ピン１５を初期位置と加工位置との間で水平方向に移動可能に配置し、ばね等の付勢手段により初期位置に復帰する方向に付勢して構成する。上金型８は上保持型１７から下方へ突出する複数の加圧ピン１６の先端に節部分１５を係合させて保持され、下金型９はした保持型１８から上方へ突出する加圧ピン１６の先端に節部分１５を係合させて保持される。

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１７、１８は、図８に示すように、弾性体１９により加圧ピン１６同士の間隔を初期位置に位置させて、各上下金型８、９を平板状に展ばした状態としている。上下金型８、９間はワークＷを投入可能に間隔が空けられている。

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１８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、型閉じして、上下金型８、９により上下から板材Ｗを挟み保持する。さらに、上下保持型１７、１８を互いに接近させると、各加圧ピン１６は各々の係合している各節部分１５を構成する保持部６の隅を板材Ｗに押付け、板材Ｗを挟んで向こう側の対向する金型９、８の節部分１５を構成する保持部６の隅も含めて対向する保持型１８、１７がある側に押出すよう作用する。各保持部６はその四隅が山の頂点を形成する場合には上保持型１７側へ、また、谷底を形成する場合には下保持型１８側へ、夫々強制移動される。このため、上下金型８、９の夫々の保持部６は、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、夫々の保持部６は水平状態から起立されてゆき、各連結部７の板材Ｗに山折り部２および谷折り部３の曲げ変形を生じさせる。

上記変形過程において、各保持部６の水平状態からの起立に連れて各節部分１５は互いの水平面内の間隔が狭められ、各節部分１５に係合している加圧ピン１６の間隔も狭められる。この加圧ピン１６の水平面内の移動は、加圧ピン１６を保持している弾性体１９の水平方向の弾性変形により吸収され、加圧ピン１６による加圧位置のずれが生じずに成形を行わせることができる。

前記上下保持型１７、１８による型閉じ移動が所定ストロークに達した時点で停止させると、図９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。

次いで、上下保持型１７、１８を型開きさせると、上下金型８、９は加圧ピン１６により成形した板材Ｗから引離されつつ加圧ピン１６同士の間隔が弾性体１９の弾性力により元の間隔に戻されることにより、成形加工前の平板状に展ばされ、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から夫々離脱させることができる。そして、下保持型１８の下金型９上には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。成形終了後は加圧ピン１６および上下金型８、９が弾性体１９により初期状態に戻るため、成形品Ｗを取り出して次の板材Ｗを投入すれば、すぐに次の成形を行うことができる。

なお、上記実施形態においては、三次元波板構造１として山折りおよび谷折りの稜線を直線ではっきりと出るように構成するものであったが、図示しないが、上下金型８、９を省略して複数の加圧ピン１６を上下保持型１７、１８に配置し、各加圧ピン１６の先端により直接板材Ｗを挟み、上下保持型１７、１８による型閉じにつれて加圧ピン１６自体により板材Ｗを変形させつつ、夫々の加圧ピン１６の平面内の位置を夫々の加工位置に移動させるように構成してもよい。ただし、この方法では、三次元波板の山折りおよび谷折りの稜線が必ずしも直線とならないが、三次元に折り曲げた構造体であるため、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、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して一体化させると、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）三次元波板素材の互いに合同な平行四辺形の各区画４の夫々の隅の節部分１５に当接する加圧ピン１６を夫々配列して金型８、９を構成し、前記三次元波板素材を前記金型８、９の加圧ピン１６によって両面から保持し、各加圧ピン１６により各節部分１５を三次元波板素材の面直方向に荷重を印加して当該節部分１５が構成する三次元波板の頂点方向に変形移動させつつ加圧ピン１６を平面内の初期位置から加工位置へ夫々移動させ、節部分１５間の三次元波板素材を山折りおよび谷折りに折曲げ加工して三次元波板構造１を製造するようにした。このため、成形ストロークが一般のプレスと同様の方向となり、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。しかも、成形ストロークは成形品の高さに成形品の取り出しに必要な高さを加えた程度となり、一般のプレスでも効率よく生産が可能であり、設備サイズを大型化することがなく、サイクルタイムを短縮して低コストで三次元波板構造１を製造することができる。

（イ）また、金型８、９として、三次元波板素材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、前記保持部６の隅の節部分１５を前記加圧ピン１６に係合させて三次元波板素材の両面に夫々配置して備えるものであると、金型８、９の剛体の保持部６で波板素材を確実に保持でき、板厚の大きい強度の高い材料からなる波板素材でも三次元波板構造１に成形することができる。また、同様の理由により、波板素材が保持部６により確実に保持されるため、稜線が直線状となり、平行四辺形の区画４内にしわや曲がりがない平面を備える品質の高い三次元波板構造１を安定して生産することができる。

（ウ）金型８、９は、初期位置から加工位置へ平面内で移動可能な加圧ピン１６を初期位置に復帰するよう付勢しているため、型閉め時には型閉めストロークに応じて平面状態から保持部６が立上るに連れて加圧ピン１６を付勢力に抗して加工位置に移動させることができ、型開き時には型開きストロークに応じて付勢力により加圧ピン１６を初期位置に戻しつつ保持部６を平面状態に復帰させることができ、加圧ピン１６の初期位置と加工位置との間での移動手段を不要とでき、設備が単純化できてコストダウンできるとともに材料投入および成形品取出し等の作業性が向上できる。

（エ）金型８、９は、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とで形成したため、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を製造することができる。しかも、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を構成することができ、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。

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。 金型の平面図。 金型の保持部および連結部の拡大断面図。 金型素材の断面図。 金型の節部分の拡大断面図。 金型の作動状態を示す断面図。 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、１９ 弾性体
１１ 金属板
１５ 節部分
１６ 加圧ピン
１７、１８ 上下保持型

Claims (7)

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各区画の夫々の隅の節部分に当接する加圧ピンを夫々配列して金型を構成し、
   前記三次元波板素材を前記金型の加圧ピンによって両面から保持し、各加圧ピンにより各節部分を三次元波板素材の面直方向に荷重を印加して当該節部分が構成する三次元波板の頂点方向に変形移動させつつ加圧ピンを平面内の初期位置から加工位置へ夫々移動させ、節部分間の三次元波板素材を山折りおよび谷折りに折曲げ加工して三次元波板構造を製造することを特徴とする成形金型。
2. 前記金型は、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、前記保持部の隅の節部分を前記加圧ピンに係合させて三次元波板素材の両面に夫々配置して備え、
   前記三次元波板素材を前記金型の加圧ピンおよび保持部によって両面から保持し、加圧ピンおよび保持部により各節部分を三次元波板素材の面直方向に荷重を印加して当該節部分が構成する三次元波板の頂点方向に変形移動させつつ加圧ピンを平面内の初期位置から加工位置へ夫々移動させ、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して三次元波板構造を製造する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、初期位置から加工位置へ平面内で移動可能な加圧ピンを初期位置に復帰するよう付勢していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の成形金型。
4. 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から請求項３のいずれか一つに記載の成形金型。
5. 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節部分に面直方向から加圧ピンの先端を接触させ、
   前記加圧ピンにより三次元波板素材の節部分を面直方向に荷重を印加して、当該節部分が構成する三次元波板の頂点方向に変形移動させつつ加圧ピンを平面内の初期位置から加工位置へ夫々移動させることにより、
   前記節部分間の三次元波板素材を山折りおよび谷折りに折曲げ加工して三次元波板構造を製造することを特徴とする成形方法。
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且つ前記剛体の隅に係合する加圧ピンの先端を三次元波板素材の平行四辺形の節部分に面直方向から接触させ、
   前記加圧ピンおよび剛体により各節部分を三次元波板素材の面直方向に荷重を印加して当該節部分が構成する三次元波板の頂点方向に変形移動させつつ加圧ピンを平面内の初期位置から加工位置へ夫々移動させることにより、
   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して三次元波板構造を製造することを特徴とするの成形方法。
7. 三次元波板素材の平面を互いに合同な平行四辺形の区画に分割してその節部分に面直方向から加圧ピンの先端を接触させ、
   三次元波板素材の節部分を加圧ピンよりの面直方向の荷重により、当該節部分が構成する三次元波板の頂点方向に変形移動させ、
   前記節部分間の三次元波板素材を山折りおよび谷折りに折曲げ加工して得られることを特徴とする三次元波板構造。

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