JP2006088227A - 曲面構造体の製作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】曲面構造体の製作方法に関し鉄道車両等の比較的大きな曲面構造体を安価に高精度で製作する曲面構造体の製作方法を提供する。
【解決手段】隣接する小ブロック５０Ａ，５０Ｃのリブ５５，５５同士をそれらの端面で突き合わせ、リブ５５，５５をそれらに形成されている孔ｈに締め付け金具（ボルト６１及びナット６２）を通して入れて締め付けることで結合し、面板５１，５１の外面の位置合わせを行う。リブ５５，５５同士をその直下又は直近で第１支持台であるジャッキ台７１で支持する。小ブロック５０Ａ，５０Ｃの突き合わされたリブとは反対側のリブ５５，５５を第２支持台７２，７２に載せ、当該リブ５５，５５に形成されている孔ｈ，ｈに入れられた押さえ金具７４，７４で押さえた状態で第２支持台７２，７２に支持する。小ブロック５０Ａ，５０Ｃの面板５１，５１は正確に位置合わせされ、その状態で外面５１，５１の境界線部分を摩擦攪拌接合する。
【選択図】図８

Description

本発明は、複数の曲面板を結合して比較的大きな構造体を製作する方法に関する。例えば、鉄道車両の先頭車，航空機，船体等の先頭部分のように、流体特性向上などから３次元の曲面を有する構造体の製作に好適である。

鉄道車両の先頭車の先頭部分は空気抵抗や意匠の観点で３次元曲面を有する。それもかなり複雑な曲面を必要としている。このような曲面構造体の製作方法として、特許文献１がある。これは先頭車の先頭部分を構成する個々のブロックにして、板をプレスして曲面板を製作し、次に曲面板の一方の面を切削して格子状のリブを設ける。このブロックを架台に載せて車内外から溶接して一体にし、これを台枠に載せて溶接が行われる。ブロックの端部の４辺のリブにボルト穴が設けてあり、ブロック同士をボルト・ナットで連結し、次に、外面側から溶接される。

特許文献２のように、接合手段として摩擦攪拌接合がある。接合変形，寸法変化が少ないという特長がある。
特開２０００−３０１３６５号公報 特開平９−３０９１６４号公報（ＥＰ０７９７０４３Ａ２）

前記特許文献１には、板をプレスして曲面板を製作し、次に曲面板の一方側の面を切削してリブを設けたブロックを溶接や摩擦攪拌接合で接合して組み立てて構造体を製作する構造体の製作方法及び構造体が記載されている。しかしながら、きつい曲面部分を含む複雑な大形ブロックでは曲面板のプレス成形が困難であり、成形精度が低下するため素材板の厚さを大きくして切削加工代を確保する必要がある。このため、材料費が増加するとともに、加工時間が増大する。また、大形部品での複雑曲面の切削加工は材料の心出しおよび位置決めが困難である。また、大形な加工機の工具の位置決めは時間がかかる。これらにより、大形ブロックの加工は能率の低い加工になるなどの問題があった。

一方、上記公報においては、ブロックの接合手段として、摩擦攪拌接合について説明しているが、接合部の凹みを防止するために、面板外面に凸部を設けている。このため、素材の板厚が大きくなるとともに、凸部を設けるための加工が必要である。

本発明は、曲面構造体の製作方法に関し、鉄道車両等の比較的大きな曲面構造体を安価に高精度で提供することを目的とする。

上記目的は、構造体を構成する複数の大ブロックの各々が複数の小ブロックからなり、前記小ブロックは曲面状の面板と、外周部において前記面板の一方の面に設けた複数のリブと、からなり、前記リブには相対する同じ座標位置に複数個の孔を設けてあり、前記小ブロック同士を隣接する前記外周部の前記リブで組み合わせて前記小ブロックの前記リブの一部が端部のリブとなる前記大ブロックとし、前記大ブロック同士を接合することで曲面構造体を製作する曲面構造体の製作方法において、隣接する前記小ブロックの前記リブ同士をそれらの端面で突き合わせ、突き合わされた前記リブに形成されている前記複数個の孔に締め付け金具を通して入れて締め付けることで、突き合わされた前記リブ同士を結合して前記面板外面の位置合わせを行うとともに、前記リブ同士をその直下又は直近において第１支持台で支持し、隣接する前記小ブロックの突き合わされた前記リブとは反対側の前記リブを第２支持台に載せ、当該リブに形成されている前記孔に入れられた押さえ金具で押さえた状態で前記第２支持台に支持し、この後に、前記小ブロックの前記面板外面の境界線部分を摩擦攪拌接合すること、を特徴とする曲面構造体の製作方法によって達成できる。

この発明によれば、小ブロックは、曲面状の面板と、外周部において前記面板の一方の面に設けた複数のリブとからなり、複数の小ブロックの外周部に設けられているリブには、相対する同じ座標位置に複数個の孔を設けてある。複数の小ブロックを支持台に載せるが、この際、隣接する小ブロックのリブ同士をそれらの端面で突き合わせ、突き合わされたリブをその直下又は直近において第１支持台で受けるとともに、突き合わされたリブに形成されている複数個の孔に締め付け金具を入れて締め付けて、突き合わされたリブ同士を結合して前記面板外面の位置合わせを行い、かつ、隣接する小ブロックの突き合わされたリブとは反対側のリブを、当該リブに形成されている孔に入れられた押さえ金具で押さえて第２支持台で支持する。この後に、小ブロックの面板外面の境界線部分を摩擦攪拌接合する。小ブロック同士を隣接する外周部のリブで組み合わせ、小ブロックのリブの一部が端部のリブとなる大ブロックとされる。大ブロック同士を接合することで、曲面構造体が製作される。

本発明によれば、単純化・小形化した小パネルブロックを、突き合わされたリブでは互いに締め付け金具で締めつけた状態で、第１支持台に載せられて支持され、突き合わされたリブとは反対側のリブでは押さえ金具で第２支持台上に押さえられた状態で第２支持台に支持される。そうした結合・支持状態で、小ブロックを摩擦攪拌接合で組み立てて高精度の大ブロックを合理的に形成するので、車両や構造体を精度良く安価に製作することができる。

以下、本発明を鉄道車両の先頭車の先頭部分に適用する場合について、図１〜図１２によって説明する。摩擦攪拌接合部の形状は模式的に示すものである。

図１において、車両の大きさに対するブロック５０の大きさ等は模式的に示したものである。ブロック５０はアルミニウム合金製の板である。

図４のように、車体の先頭部分Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３は、車体の長手方向および幅方向に沿って曲がった３次元曲面を有する。部分Ｓ３には運転席の窓Ｃがある。部分Ｓ３には曲面から更に突出する曲面があることが多い。このため、部分Ｓ３には複雑な曲面を有することが多い。部分Ｓ４は客室部分であり、出入り口Ｄ１，Ｄ２，窓Ｗがある。この部分の外面は車体の長手方向に沿って直線状であるので、従前の構成である。先頭車は、床を構成する台枠１００，台枠１００の上に載せた曲面部Ｓ３，直線部Ｓ４、および曲面部Ｓ３の先端に設置した曲面部Ｓ１，Ｓ２からなる。

図１から図１４の実施例は比較的大きな曲面部（車体の高さが高い部分）Ｓ３に適用した場合である。曲面部Ｓ１，Ｓ２も同様に製作できる。曲面部Ｓ３は、複数の大ブロック５０を車両の長手方向および幅方向に接続して構成している。

大ブロック５０を車内側からみた図３、ブロック５０同士の結合部分の図２のように、大ブロック５０は、車両の外面を成す面板５１と、面板５１の内面に突出させた複数のリブ５５とからなる。リブ５５は、車体の縦方向（垂直方向）に沿った複数の縦リブと、横方向（水平方向）に沿った複数の横リブとからなる。リブ５５同士は接続し、格子状になっている。リブ５５の突出代は一定である。個々の大ブロックは端部にリブ５５を有している。

一方の大ブロック５０の面板５１の端部は他方の大ブロック５０の端部のリブ５５に突き合わされている。大ブロック５０，５０同士はこの部分で車外側から溶接Ｗ１が施されている。この溶接Ｗ１には溶接用開先が設けられている。溶接ビードの上端は面板５１の外面の延長線上に位置する。溶接後、溶接ビードの外面を切削して面板５１の外面の延長線上に位置するようにする。端部のリブ５５，５５同士には車内側から溶接Ｗ２が施されている。

複数のブロック５０からなる部分Ｓ３の下端は車体の台枠１００に載っている。他の部分Ｓ４も同様である。

鉄道車両の先頭車の先頭部分は先頭に行くにしたがって高さが低くなり、また、幅が小さくなっている。また、面形状も空気力学的な観点から複雑な曲面になっている。このため、ブロック５０の形状は台形状の曲面板であることが多い。

大ブロック５０は、図５のように小ブロック５０Ａ，５０Ｂ， ５０Ｃ， ５０Ｄで構成する。このように小ブロックに分割して構成すると、きつい曲面部分５０Ａ，５０Ｂと、緩やかな曲面部分５０Ｃ，５０Ｄとに分けることができ、かつ、サイズも小さくなる。

これらにより、成形精度が向上するので素材板の厚さが小さくなり、材料費と成形加工時間が少なくなる。また、切削加工時の材料の心出し位置決めが容易になるとともに、小形の加工機により工具の位置決めが短時間でできるようになり、能率の高い加工ができる。

小ブロック５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ，５０Ｄはお互いに組み合わせられ、それぞれの境界線ｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４において摩擦攪拌接合により接合される。

図６は、大ブロック５０を２つの小ブロック５０ＡＢ，５０ＣＤで構成するものである。ｆ０は境界線である。図７は、小ブロック５０ＡＢをリブ側から見た状態を表す。境界線ｆのきつさの判定は各断面での接線が成す角度θによる。θが概１２０度以下になる場合には、曲面の曲がりがきつ過ぎるので、ブロックを分割する。

小ブロック同士を摩擦攪拌接合する場合の組み合わせ，及び位置決め方法を図８で説明する。

小ブロック５０Ａ，５０Ｃのそれぞれの外周リブ５５，５５にはそれぞれ複数の孔ｈがある。それぞれの孔ｈの対は、面板５１の外面から同じ距離に設けてある。この複数の孔ｈの部分で突き合わせたリブ５５，５５同士を締め付け金具であるボルト・ナット６１，６２で結合する。この結合部は摩擦攪拌接合部ｆとなる。孔ｈとボルト６１の軸部の直径の差は概略０． ３ｍｍ程度とする。これによってリブ５５，５５同士を密着できるとともに、面板５１外面の段差製品として必要な段差にできる。

前記結合の後、摩擦攪拌接合部ｆの直下のリブ５５，５５を第１支持台であるジャッキ台７１で支持する。また、ブロック外端のリブ５５，５５を第２支持台であるジャッキ台７２，７２に載せる。ジャッキ台７１，７２，７２は、支持高さを調節可能であり、ブロックの曲がりに応じて高さを変えることにより、小ブロック５０Ａ，５０Ｃを適切に支持することができる。この状態で、該端のリブ５５の孔ｈに押さえ金具７４を入れ、ボルト７５で架台に締め付ける。ボルト７５を締め付けたとき、孔ｈに入れられた押さえ金具７４は孔ｈの内壁エッジに押し当てられ、リブ５５をジャッキ台７２に押さえ付ける。これらにより、摩擦攪拌接合の大きな力を安定的に支持できる。

図９は、小ブロック同士を摩擦攪拌接合する場合の位置決め方法の第２の方法である。前記のように小ブロック同士を締め付け金具であるボルト・ナット６１，６２で仮止めし、これを第１支持台であるジャッキ台７１、及び第２支持台であるジャッキ台７２に載せる。この状態で、ブロック５０Ａ，５０Ｃの摩擦攪拌接合部の面板の外面の段差がなくなるように、位置合わせし、ボルト・ナット６１，６２を結合する。同時に、複数子個の孔ｈに入れた押さえ金具７４をボルト７５で架台に固定する。位置決めはボルト・ナット６１，６２，７４、ジャッキ台７１，７２等によって行う。

図１０は、摩擦攪拌接合部の形状と工具８０との関係を示す。回転工具８０は大径部８１の先端に小径部８２を有する。小径部８２と大径部８１のうち小径部８２の近傍の部分とを接合すべき部材の突き合わせ部ｅ（図９）に挿入して、回転工具８０を回転させながら、境界線ｆ（ｆ０，ｆ１，ｆ２，ｆ３，Ｆ４）に沿って移動させて、接合する。摩擦攪拌接合は図８や図９の状態で行う。摩擦攪拌接合部のリブ５５，５５同士はボルト・ナット６１，６２で結合されている。

大径部８１は突き合わせ部ｅに挿入代としての深さｇだけ挿入している。挿入代ｇは接合部の曲率半径、突き合わせ部ｅの隙間を考慮する。小径部８２はねじである。

小径部８２の先端近傍からリブ５５や面板５１の裏面側までの距離ｔ２、特に、リブ５５と面板５１との接続部の近傍から小径部８２までの距離ｔ２は摩擦攪拌接合時の力で膨れない程度の厚さにしている。例えば、接続部の半径Ｒを大きくしたり、直線状にしたりする。または、前記接続部は摩擦攪拌接合部側に向けて凹んでいるが、反対側に突出させる。摩擦攪拌接合部の２つのリブ５５，５５を合わせた幅は大径部８１の径ｄよりも大きいが、小さくてもよい。リブ５５の厚さは、前記膨れがなく、また、摩擦攪拌接合時の力でリブ５５，５５が座屈しない厚さとする。

摩擦攪拌接合すると、摩擦攪拌接合部に挿入代ｇの深さの溝ができる。これはパテで埋め、塗装する。なお、溝ｇの深さを考慮して外面に突出する凸部を設けておき、摩擦攪拌接合後、この凸部を切削して除くようにできる。これは公知のとおりである。

摩擦攪拌接合後、突き合わせ部のリブ５５，５５の端部を溶接する。溶接は間欠的な溶接でよい。その後ボルト・ナット６１，６２を除く。軽量にできる。

図１１は、リブ５５，５５の端を摩擦攪拌接合したものである。９０は摩擦攪拌接合部を示す。事前に、面板５１側の突き合わせ部を溶接しておく。１０１はこの事前の溶接部を示す。溶接部１０１が施される位置は断続的であるので、入熱が少なく、変形や寸法変化が小さい。

かかる小ブロック５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ，５０Ｄ、および大ブロック５０の加工組み立て手順を図１２とともに説明する。

まず、小ブロック５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ，５０Ｄを前出公知例と同様にして製作する（ステップＳ１００）。即ち、板を切断し、プレスして所定の曲面に曲げ曲面板を作り、焼鈍する。次に、５軸マシニングセンタ等で曲面板を切削してリブを形成し、さらに、面板を仕上げ加工した後トリミングしてブロック形状に加工し、リブ端面を仕上げ、孔を明ける。これによって、正確な曲面を有する面板の外面と、正確な寸法精度で剛性が高いリブ構造が得られる。また、ＮＣ加工でトリミングと孔明けを行うので、正確な外形と組み立て基準を有する曲面板（小ブロック）が得られる。

次に、小ブロック５０Ａと５０Ｂを接合機に載せる（ステップＳ２００）。接合機は前記５軸マシニングセンタ、または同時５軸以上の動きができるマシンを使用する。小ブロック同士を位置決め固定し、摩擦攪拌接合を行う（ステップＳ２１０，Ｓ２２０）。位置決め固定、および摩擦攪拌接合は前記のように行う。小ブロック５０Ｃと５０Ｄも同様に作業する。次に、ブロック５０Ａ，５０Ｂとブロック５０Ｃ，５０Ｄを同様に摩擦攪拌接合で組み立てる。

摩擦攪拌接合後に、リブ側を溶接して大ブロック５０を完成させる（ステップＳ２３０）。溶接はＭＩＧ溶接やＴＩＧ溶接等のアーク溶接を使用する。

次に、車両の外面形状に沿った架台複数の大ブロック５０を、リブが下方になるようにして載せる（ステップＳ２６０）。それぞれの大ブロックを架台に載せ、前記したように、隣接するブロック同士の外周リブ５６の孔ｈに、締め付け金具を取り付け、孔径と棒径の差の範囲内でブロックの位置決めする。孔径と棒径の差は、例えば１ｍｍにすると、外面の段付きは最大でも１ｍｍに制限できる。更に、孔径と棒径の差を縮小することや、締め付け金具の先端部分をテーパ状にすること、などにより、外面段付き量を縮小することができる。

次に、大ブロック外面の境界線部分（開先）を溶接する（ステップＳ２７０）。溶接はＭＩＧ溶接やＴＩＧ溶接等のアーク溶接、あるいは摩擦攪拌接合を使用する。

次に、大ブロック同士の境界のリブ端部を溶接する（ステップＳ２８０）。

次に、構造体を台枠１００に載せ、結合する（ステップＳ２９０）。結合の方法は前記ステップと同様である。

次に、外面を塗装する。台枠と結合後に塗装するのが普通であるが、台枠と結合する前に塗装する場合もある。

これによって、複数のブロックを正確に容易に組み立てることができ、内外面で気密性がある構造体が得られる。構造体の精度が良いので、塗装の仕上がりも良く、見栄えの良い外観曲面が得られる。即ち、面板が３次元の曲面を持つ小ブロック同士に攪拌摩擦接合や溶接を施す場合に、特に曲面状の面板の位置決めが重要であるが、突き合わせたリブを締め付け金具で締めつけて結合して面板外面の位置合わせを行っているので、３次元の曲面に形成された面板を精度よく摩擦攪拌接合で接合させることができる。また、組み合わせ線について、小ブロックの突き合わされたリブの一側における摩擦攪拌接合される側とは反対側で断続又は連続の溶接により組み立てられる。小ブロックを結合させた大ブロックについても、複数の大ブロックを架台に載せ、隣接する大ブロック同士の端部のリブをそれらの端面で突き合わせて、隣接する大ブロックの面板同士を接合するとともに、端部のリブ同士を接合することにより、曲面構造体が製作される。

本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲の請求事項に記載の文言あるいは課題を解決するための手段の項に記載の文言に限定されず、当業者がそれから容易に置き換えられる範囲にも及ぶものである。例えば、リブの形状が部分的に異なる場合も含まれる。

本発明の一実施例の先頭部分の斜視図である。 図１の２−２断面図である。 ブロックの構造図である。 図１の車体の側面図である 大ブロックの組み立て図の第１の例である。 大ブロックの組み立て図の第２の例である。 小ブロックの形状を説明する図である 小ブロック同士の組み立て図の第１の例である。 小ブロック同士の組み立て図の第２の例である。 ブロック組み立ての接合状態図の第１の例である。 ブロック接合組み立て図の第２の例である。 ブロックの製作方法を説明するフローチャートである。

符号の説明

５０…大ブロック、５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ，５０Ｄ，５０ＡＢ，５０ＣＤ…小ブロック、５１…面板、５５…リブ、５６…外周リブ、６１，７５…ボルト（締め付け金具）、６２…ナット、７１，７２…ジャッキ台（支持台）、７４…押さえ金具、８０…摩擦攪拌接合工具、８１…ピン部、８２…ショルダー部、９０…摩擦攪拌接合部、９１…接合凹み部、９２…パテ埋め、１００…台枠、１０１…溶接。

Claims (5)

1. 構造体を構成する複数の大ブロックの各々が複数の小ブロックからなり、
   前記小ブロックは曲面状の面板と、外周部において前記面板の一方の面に設けた複数のリブと、からなり、前記リブには相対する同じ座標位置に複数個の孔を設けてあり、
   前記小ブロック同士を隣接する前記外周部の前記リブで組み合わせて前記小ブロックの前記リブの一部が端部のリブとなる前記大ブロックとし、
   前記大ブロック同士を接合することで曲面構造体を製作する曲面構造体の製作方法において、
   隣接する前記小ブロックの前記リブ同士をそれらの端面で突き合わせ、突き合わされた前記リブに形成されている前記複数個の孔に締め付け金具を通して入れて締め付けることで、突き合わされた前記リブ同士を結合して前記面板外面の位置合わせを行うとともに、前記リブ同士をその直下又は直近で第１支持台で支持し、
   隣接する前記小ブロックの突き合わされた前記リブとは反対側の前記リブを第２支持台に載せ、当該リブに形成されている前記孔に入れられた押さえ金具で押さえた状態で前記第２支持台に支持し、
   この後に、前記小ブロックの前記面板外面の境界線部分を摩擦攪拌接合すること、
   を特徴とする曲面構造体の製作方法。
2. 前記小ブロックの前記曲面状の面板は、３次元の曲面に形成された面板であること、
   を特徴とする請求項１に記載の曲面構造体の製作方法。
3. 前記小ブロックの外面両端部における曲面の接線のなす角度は１２０度よりも大きく１８０度よりも小さい角度であること、
   を特徴とする請求項１に記載の曲面構造体の製作方法。
4. 前記大ブロックは、前記小ブロックの突き合わされた前記リブの前記摩擦攪拌接合される側とは反対側で断続又は連続の溶接により組み立てられ、
   前記複数の大ブロックを架台に載せ、隣接する前記大ブロック同士の前記端部のリブをそれらの端面で突き合わせて、隣接する前記大ブロックの前記面板同士を接合するとともに、前記端部のリブ同士を接合すること、
   を特徴とする請求項１に記載の曲面構造体の製作方法。
5. 前記第１支持台及び前記第２支持台は、上下位置を調整可能なジャッキ台であること、
   を特徴とする請求項１に記載の曲面構造体の製作方法。

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