JP2006102777A

JP2006102777A - ひずみ矯正方法とその装置

Info

Publication number: JP2006102777A
Application number: JP2004293178A
Authority: JP
Inventors: Koji Ezaki; 公二江崎
Original assignee: Hitachi Industries Co Ltd
Current assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Priority date: 2004-10-06
Filing date: 2004-10-06
Publication date: 2006-04-20

Abstract

【課題】
単純で小型化な装置により加工硬化の問題を起すことなくひずみを矯正することができるようにしたい。
【解決手段】
定盤１２の上にひずみのある被処理材Ｍを設置し、所望となる形状となるよう拘束治具１４ａ〜１４ｄを用いて拘束力を与え、定盤１２に密着するようにする。回転工具２３を回転させながら、被処理材Ｍに接触させ押し付ける。このとき回転工具２３と被処理材Ｍとの接触により発生する摩擦熱および押し付け力を利用して、ひずみ矯正を行なう。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属材におけるひずみを除去し所望な形状に矯正するひずみ矯正方法とその装置に関する。

アルミニウム合金押出形材などの長尺材においては、その成形工程や熱処理工程において、長手方向において曲げ変形やねじれといったひずみが生じる。

これら材料のひずみ矯正方法として、例えば、下記特許文献１に示すような、多数の２列に並んだ矯正ローラーの間に被処理材を挟みこんで矯正する方法（従来技術１）や両端から降伏点（素材に応力を加えたとき弾性限度を越えて永久歪を生じる限界点）以上の圧縮応力もしくは引張応力を与えて直線状に矯正する方法（従来技術２）がある。
また、下記特許文献２に示されるような、プレスを用いて直線状に矯正する方法（従来技術３）がある。

さらには、下記特許文献３で示すように、被処理材を治具により所望の形状になるように押し付け、ガスバーナーにて被処理材を部分的に加熱してから冷間圧延装置を通すことで矯正する方法（従来技術４）もある。

特開平６−１７０４４６号公報特開平１０−２８６６２４号公報特開平１１−１９７２４号公報

従来技術１乃至４の矯正方法は、それらを実行する装置が複雑で大型になる。

また、従来技術１乃至３の矯正方法は、ひずみを与えた曲げ応力とは反対方向から新たな曲げ応力を加えるもので、いずれの方法でも矯正のために応力を加えれば加えるほど加工硬化を起す問題がある。

特に、従来技術１では、被処理材を多数の矯正ローラー間を移動する間に何回もの矯正の応力を与えている。また、従来技術２では、被処理材降伏点以上の圧縮応力や引っ張り応力を加えるにあたり、それら応力の付加方向とは異なる方向から被処理材に圧縮応力を与えて矯正をしている。さらに従来技術３は、被処理材降伏点以上の圧縮応力や引っ張り応力を加えないこととひずみの程度をセンサで確認することを除けば、従来技術２と同様な手法である。

また、従来技術４の部分加熱法では、加熱場所，加熱時間により矯正のための変形度合いが大きく変わるために熟練作業者の技能を要求され、安定して矯正された被処理材が得られない。そして、アルミニウム合金などのように被処理材の種類によっては、前以て設定された固さ，強度などの特性を矯正処理において失うことがある。

それゆえ本発明の目的は、従来の手法とは全く異なる手法により加工硬化の問題を起すことなくひずみを矯正することができるひずみ矯正方法を提供することである。

また本発明の目的は、従来の手法とは全く異なる手法に基づいて加工硬化の問題を起すことなくひずみを矯正することができる単純で小型化なひずみ矯正装置を提供することである。

上記目的を達成する本発明ひずみ矯正方法の特徴とするところは、ひずみを持つ被処理材を定盤に固定し、被処理材のひずみ個所に回転工具を押し付けて、当該押付個所の被処理材に塑性流動を生ぜしめてひずみを除去することにある。

また、上記目的を達成する本発明ひずみ矯正装置の特徴とするところは、ひずみ矯正後の被処理材の下面形状と同様な面形状の上面を備えた定盤と該上面に被処理材を固定する拘束治具と該上面に固定された該被処理材のひずみ個所に押し付けてその押付個所の被処理材に塑性流動を生ぜしる回転工具を有することにある。

固相接合方法の一つに摩擦攪拌接合法がある。この接合法は、接合したい部材（接合部材）より硬くて大きな径を持ち、先端に小径の突起がある円柱形状の回転工具を２つの接合部材の接合したい箇所に押し付け力を付与し、回転させながら回転工具と接合部材との間に挿入させる。その際、発生する摩擦熱により接合部材を塑性流動させ,ピンが接合部に埋まった形になったら、接合部に沿って回転工具を回転させながら移動させることによって,接合部材を固相接合するものである（特許公報第２７１２８３８号参照）。

本発明は、摩擦攪拌接合法において起こる現象を応用したもので、ひずみのある被処理材を定盤上に拘束し、この被処理材に回転工具を接触させ、そのときに発生する摩擦熱と押し付け力により材料を矯正するものである。

被処理材における応力は回転工具による押し付け力により、新たに圧縮応力になるように応力分布は再構成されることになり、引張り残留応力によって発生していたひずみは解消される。

本発明によれば、回転工具で被処理材を定盤に押し付けつつ回転させているときの押し付け力にて圧縮応力を付与すれば、新たな応力分布となってひずみは消滅するので、ひずみの程度や素材の種類に係らず、単純で小型な装置により、確実にひずみを除去矯正することができる。

塑性流動は動的再結晶を生じ、結晶粒が微細化するために加工硬化を起さず、回転工具によるひずみ矯正をしていない個所の被処理材よりも特性劣化を生じ難くなる利点がある。

回転工具で被処理材に塑性流動が起これば、ひずみの矯正ができるので、ひずみ矯正に熟練した技術を必要としない。

以下、図に示した本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明になるひずみ矯正装置１００を示しており、このひずみ矯正装置１００は加工部１０と制御部３０から構成される。加工部１０では、作業台１１上に上面が平坦な定盤１２を固定してある。定盤１２上には、図２（ａ）に示すような、ひずみを有する金属製の被処理材Ｍが置かれる。

図２（ａ）はひずみ矯正をする被処理材Ｍの一例を示したものであり、被処理材Ｍはｍで示す位置辺りでへ字状に折れ曲がるようにひずんでおり、そのひずみ量をＤで示している。図２（ｂ）は、ひずみのない矯正後の金属材Ｎを示している。

被処理材Ｍはひずみ矯正後に下面を平坦なものとすることを想定しているので定盤１２の上面は平坦面としているが、被処理材が異形材であれば、定盤１２の上面は矯正後の下側の面形状と同様な面形状を持つものとすることが望ましい。これは定盤１２の上面がひずみ矯正の型枠として機能するためである。また、定盤１２は、被処理材Ｍの矯正すべき範囲を拘束することができ、ひずみ矯正の作業ができる大きさがあればよい。

定盤１２には４個の開孔１３ａ〜１３ｄがあり、各開孔１３ａ〜１３ｄには下方から突き出て上下することができるフック部を有する拘束治具１４ａ〜１４ｄがある。

作業台１１の内部には各拘束治具１４ａ〜１４ｄを幅方向（図１の左右方向）と上下方向に移動させる駆動部があり、その移動で被処理材Ｍを定盤１２の平坦面にフック部により固定する。固定のための駆動指令は制御部３０から出される。

作業台１１の中央に門型フレーム２０がある。この門型フレーム２０は作業台１１上のレール２１ａ，２１ｂ上を長手方向（前記した幅方向に直交する方向）に移動できる。移動機構は図示を省略したが、駆動指令は制御部３０から出される。この門型フレーム２０は固定し、作業台１１上の定盤１２を作業台１１上で長手方向に移動するようにしてもよい。

門型フレーム２０の横梁部には幅方向に移動し得るひずみ矯正機構２２を設けてある。即ち、門型フレーム２０の横梁部内部にスクリュウネジがあり、サーボモータなどによる精密な正逆回転でスクリュウネジを介してひずみ矯正機構２２が幅方向（図の左右方向）に正確に移動する。

ひずみ矯正機構２２の内部には正逆方向に回転するサーボモータとこのサーボモータを上下に移動させる油圧駆動部がある。また、サーボモータの主軸下端部には回転工具２３を着脱可能に設けてある。回転工具２３は円筒形状で底面が平らであり、被処理材Ｍより硬質である。

門型フレーム２０やひずみ矯正機構２２などは、回転工具２３を被処理材Ｍに押し付けたときに発生する反力に耐えることができる剛性を持たせてある。

回転工具２３は、門型フレーム２０の長手方向の移動により長手方向に移動し、門型フレーム２０の横梁部におけるサーボモータの駆動で幅方向に移動し、ひずみ矯正機構２２の内部における油圧駆動部の作動により上下に移動するので、３次元方向に移動することができ、被処理材Ｍのどこにひずみがあってもそのひずみ個所のところに回転工具２３を移動させることができ、その移動指令は制御部３０から出される。

制御部３０は、パソコンを主体としたもので、処理フローやデータの記憶部（ＲＯＭ，ＲＡＭ）とか演算部（ＣＰＵ）を内蔵し外部記憶装置を備えた処理装置３１と各種データなどの入力を行なうキーボード３２および入力データの表示や加工部１０の駆動状況などを表示する表示部３３を有している。

加工部１０と制御部３０はケーブル４０で接続してあり、制御部３０から加工部１０に出す各種指令や加工部１０における駆動状況に関する情報などを伝送している。

なお、ひずみ矯正量は、被処理材が同じ素材，板厚，断面形状の場合、回転工具２３の径，回転数，移動速度によりほぼ一定に決まる。従って、ひずみ矯正量がひずみ量に等しくなる条件を１回のひずみ矯正処理で達成する条件とするか、任意の回数に分けて繰り返すことで達成する条件とするかは、予め求めておいて、図１に示した制御部３０の処理装置３１に登録しておけばよい。

次に、ひずみ矯正を行なう一実施例を説明する。

先ず、図２（ａ）の被処理材Ｍを図１に示したひずみ矯正装置１００の定盤１２の平坦面上に設置する。

定盤１２に設置した被処理材Ｍは、拘束治具１４ａ〜１４ｄを移動させて定盤１２に密着するように拘束する。

以下、図３，図４によりひずみ矯正の実施状況を説明する。なお、図３，図４では、簡略化のために被処理材Ｍと回転工具２３のみを示した。

そして、図３（ａ）に示すように、被処理材Ｍにおけるひずみがある個所の上方に回転工具２３を配置する。続いて、回転工具２３に回転を与え、被処理材２３に向けて回転工具２３を下降させ、被処理材Ｍに回転工具２３の先端を押し付ける。この場合の押し付け力で、被処理材２３を定盤１２に完全に接触させる。

このとき、回転工具２３と被処理材Ｍとの間に発生する摩擦熱と被処理材Ｍに対する回転工具２３の押し付け力をひずみ矯正に利用する。

次に、図３（ｂ）に示すように、回転工具２３を被処理材Ｍにおけるひずみが伸びた方向に回転させながら移動させる。このとき回転工具２０は被処理材Ｍに摩擦熱と押し付け力を与え続けており、ひずみ矯正がなされる。

図４（ａ）に示すように、さらに回転工具２３を被処理材Ｍにおけるひずみが伸びた方向に回転させながら移動させ、図４（ｂ）に示すように所望距離を移動させたら、移動を停止し、回転工具２３を上方向に引き上げて、回転工具２３の回転を停止させる。

図４（ｂ）に示すように，摩擦熱を受け、回転工具３０との接触により攪拌された領域には回転工具２３の底面形状が連続的となったビードＢとして残留するが、これは、必要に応じて除去加工してもよいし、そのままでもかまわない。

ひずみ矯正された被処理材Ｍ（図２（ｂ）では被処理材Ｎ）は、摩擦熱が十分に定盤１２０に伝導され、もしくは空冷などにより冷却された後に、拘束治具１４ａ〜１４ｄによる固定から開放する。これは、ひずみ矯正された被処理材Ｍが充分な冷却を受ける前に定盤１２から開放すると、残留した熱により被処理材Ｍに収縮が発生し、新たなひずみを生じることによる。

図５，図６は、ひずみ矯正を行なう他の実施例を示したものである。

始めに図５（ａ）に示すように，被処理材Ｍのひずみを有する部分の真上に回転工具２３を配置する。回転工具２３に回転を与え、回転工具２３を被処理材Ｍに接触するまで下降させ先端を押し付ける。

このとき回転工具２３は被処理材Ｍに摩擦熱と押し付け力を与えており、ひずみ矯正がなされる。続いて，図５（ｂ）に示すように、回転工具２３は時間被処理材Ｍと一定接触を保持させた後、上方向に引き上げる。

次に、図６（ａ）に示すように、すでにひずみ矯正処理を実施した箇所とは別の箇所に図５（ｂ）と同様な作業を実施する。

この動作を必要回数実施すると、図６（ｂ）に示すよう矯正された被処理材Ｍとなる。

なお、摩擦熱を受け回転工具２３との接触により攪拌された個所には、回転工具の底面形状と同形状の跡Ｐが残留するが、これは、必要に応じて除去加工してもよいし、そのままでもかまわない。

この実施例は、被処理材Ｍの形状が複雑であるため、回転工具２３の連続した移動が不可能であるか、ひずみ矯正に用いる摩擦熱の入熱量を最低限にして摩擦熱による材料特性の劣化を防止するする必要がある場合に、有効である。

この場合にも、ひずみ矯正された被処理材Ｍは摩擦熱が十分に定盤１２に伝導しもしくは空冷などにより冷却した後に、拘束治具１４ａ〜１４ｄによる固定を解いて定盤１２から離す。

上記両実施例では回転工具として被処理材Ｍと接触する個所を平坦な面としたものを用いたが、厚い個所にひずみがある被処理材Ｍを矯正したい場合には、上記の摩擦攪拌接合法で用いている回転工具のように、先端部に突起があり、この突起を被処理材Ｍに押し込むような回転工具を用いても良い。

以上説明した本発明において、熱処理型アルミニウム合金を処理する場合には、加熱量及び加熱部分が必要最低限となるため、熱処理によって得られた固さ、強度などの特性劣化を最小限にすることが可能である。

本発明の一実施形態になるひずみ矯正装置を示す図である。ひずみ矯正を行なう被処理材の一例を示す図である。ひずみ矯正の一実施例の前半を示した図である。ひずみ矯正の一実施例の後半を示した図である。ひずみ矯正の他の実施例の前半を示した図である。ひずみ矯正の他の実施例の後半を示した図である。

符号の説明

１０‥加工部
１２‥定盤
１４ａ〜１４ｄ‥拘束治具
２２‥ひずみ矯正機構
２３‥回転工具
３０‥制御部
３１‥処理装置
１００‥ひずみ矯正装置
Ｍ‥被処理材

Claims

金属製の被処理材におけるひずみを除去し所望な形状に矯正するひずみ矯正方法において、
ひずみを持つ被処理材を定盤に固定し、被処理材のひずみ個所に回転工具を押し付けて、当該押付個所の被処理材に塑性流動を生ぜしめてひずみを除去することを特徴とするひずみ矯正方法。
上記請求項１のひずみ矯正方法において、該被処理材への回転工具の押し付けはひずみ個所に沿って移動させながら行なうことを特徴とするひずみ矯正方法。
上記請求項１のひずみ矯正方法において、該被処理材への回転工具の押し付けはひずみ個所に対し任意な間隔を持って飛び飛びに行なうことを特徴とするひずみ矯正方法。
上記請求項１のひずみ矯正方法において、該定盤への該被処理材の固定は該被処理材を冷却した後に解くことを特徴とするひずみ矯正方法。
金属製の被処理材におけるひずみを除去し所望な形状に矯正するひずみ矯正装置において、
ひずみ矯正後の被処理材の下面形状と同様な面形状の上面を備えた定盤と該上面に被処理材を固定する拘束治具と該上面に固定された該被処理材のひずみ個所に押し付けてその押付個所の被処理材に塑性流動を生ぜしる回転工具を有することを特徴とするひずみ矯正装置。
上記請求項５のひずみ矯正装置において、該回転工具は該被処理材より硬いものであることを特徴とするひずみ矯正装置。
上記請求項５のひずみ矯正装置において、該回転工具は該被処理材に押し当てる先端部が平坦であるか突起を有したものであることを特徴とするひずみ矯正装置。