JP2007160318A - プレス型およびそれを用いた金属板の成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構造で、作業工程の省力化および製造コストの低減化が図れて汎用性にも優れている、プレス型およびそれを用いた金属板の成形方法を提供する。
【解決手段】被加工物としての板状の金属板Ｗにプレス加工を施して所望の３次元曲面を有する金属板Ｗに成形するためのプレス機械１００に用いられ、金属板Ｗが載置される平坦面１２Ａを有するダイ１２と、金属板Ｗに押し付けられるポンチ１４とを備えたプレス型１０であって、ポンチ１４は、軸方向を有するたとえば円柱状のポンチ本体１６と、ポンチ本体１６の軸方向の一方側に形成され、所定のテーパ角度θを有する円すい状部１８とを含み、円すい状部１８の小径端部２６が、金属板Ｗに押し付けられる押圧面２８として形成されている。押圧面２８は、小径端部２６と略同じ径を有し、且つ、所定の軸線長さをもって、小径端部２６から円すい状部１８の先端側に突出して形成されている。
【選択図】図３

Description

本願発明は、プレス型およびそれを用いた金属板の成形方法に関し、特に、鉄道車両の先頭車、船舶、航空機等の先頭部分の外板に採用される様な３次元曲面を有する金属板の曲面加工に用いられる、プレス型およびそれを用いた金属板の成形方法に関する。

鉄道車両の先頭車や航空機等の先頭部分は、空気抵抗をなるべく小さくするために、また、意匠上の美感の点からも、複雑な３次元曲面を有する部位となっている。この複雑な３次元曲面を有する部位を製作するにあたっては、例えば、先ず、当該先頭部分が複数のブロックに細分化され、次に、細分化された各ブロックをつなぎ合わせて当該先頭部分が製作されている。個々のブロックは、その曲面形状に応じた３次元曲面を有する金属板で形成され、それらの金属板が溶接等の手段で接続されている。
このような複雑な３次元曲面を有する金属板は、従来、その多くが、多種多様な３次元曲面に応じて、ベンディングローラおよびプレス機械等の各種加工装置による複数の各種成形手段（機械加工）と、成形曲面の修正あるいは成形曲面の変形等による精度低下に伴って行われるハンマー等を用いた手作業による再加工（手加工）とが、組み合わされて加工されている。
また、３次元曲面を有する金属板のプレス成形に用いられるプレス型としては、通常、例えば、雄型および雌型のそれぞれに所望する３次元曲面に近似したプレス成形面が形成された一体の総形型、あるいは、格子を組み合わせて雄型および雌型のそれぞれに所望する３次元曲面に近似したプレス成形面が形成された格子構造総形型などが一般的に用いられている。
さらに、３次元曲面を有する金属板のプレス成形に用いられるプレス型には、上述したような総形型を用いないものとして、例えば、上型および下型の各フレーム内に、高さ調整が可能で且つ３次元曲面を形成する球頭を備えた多数の上型ポンチと下型ポンチを配設し、該上型ポンチおよび下型ポンチの高さを調整することで、所望の曲面形状に対応したプレス型があった（例えば、特許文献１参照）。このプレス型では、各ポンチの球頭の高さ位置を調整し、先ず、ダミープレートと素板（鋼板等の金属板）とを共に所望する３次元曲面にプレス成形し、次に、成形されたダミープレートをプレス機械に固着してユニバーサル型として使用するものである。
また、３次元曲面を有する金属板のプレス成形に用いられるプレス機械には、多点支持による曲げ加工を行うもので、プレス機械の一部として上下の加圧テーブルの一部に昇降機能を有する多数の支持ロッドが前後左右方向に所定のピッチで立て向きに配設され、この多数の支持ロッドの先端に取付けた球面軸受式支持ヘッド（金型ヘッド）により金属板を加圧し、最小３点以上の曲げ支点を構成して曲げ形成を行うユニバーサル金型付きプレス機械があった（例えば、特許文献２参照）。
一方、３次元曲面を有する金属板の製造方法には、例えば、金属板の表面に熱を加えることにより起こる角変形、および／または金属板の表面から裏面にかけて熱を加えることにより起こる熱収縮を用いて、金属板を３次元曲面の有する所望の形状に加工していく方法で、金属板の表面に、幾何学的解析により得られた、角変形を起させる加熱線、および／または熱収縮を起させる加熱線および／または加熱点を予め設定しておき、これらの加熱線および／または加熱点に沿って加熱していく金属版の製造方法があった（例えば、特許文献３参照）。

特開平１−９５８２９号公報（第３頁、図１，図４） 特公平４−４０４９号公報（第２頁、図１〜図２，図７〜図８） 特開２００４−７４２００号公報（第４〜５頁、図１，図４〜図６）

しかしながら、上述した背景技術の内、ベンディングローラ，プレス機械等の各種加工装置を用いた複数に及ぶ各種機械加工とハンマー等を用いた手加工とを組合せた加工方法では、多くの作業工程を要して加工しなければならないため、加工費が高くつき製造コストを低減することが困難なものとなっていた。この場合、成形曲面の修正または成形曲面の変形等による精度低下に伴って再加工をする場合でも、多くの作業工程が必要となり、修正および再加工等の保守面における経済性にも問題があった。しかも、これらの作業工程の多くは、熟練技術を有する作業者の経験と勘に頼っているのが実情であるため、作業工程の省力化も極めて困難なものであった。
また、一体の総形型および格子構造総形型を用いたプレス成形では、それぞれ異なった３次元曲面を有する複数の金属板を製作する場合、それぞれの３次元曲面に対応した複数の総形型が必要となる。すなわち、３次元曲面を有する１つの金属板毎に一対の雄型および雌型の金型を製作しなければならない。この場合、たとえば１枚の金属板においても、異なった種類の複雑なアールをもつ複曲面有する金属板の場合には、各複曲面ごとに金型を製作しなければならない。そのため、金型を製作するための金型費用が高くなると共に、金型交換等の段取り変えの作業にも長時間を要するため、大量生産以外の場合は、製造コストを低減することができないという問題点を有していた。さらに、この総形型を用いたプレス成形においても、未だ、熟練技術を有する作業者の経験と勘に頼っているのが実情であった。
さらに、特許文献１に記載のユニバーサル成形型では、総形型を必要しないので、総形型を用いることによる上述の問題点は克服できるものとなっているが、プレス形状が異なる度にダミープレートによりユニバーサル型をプレス成形する必要があり、手間の掛かるものとなっていた。さらに、素板の支持、スプリングバック等に対するインプロセスでの制御が困難であるなど、操作性の点でも不具合を有するものであった。
また、特許文献２に記載のユニバーサル金型付きプレス機械では、上述のダミープレートは不要となるものの、その構成上、専用のプレス機械を必要とするため、汎用のプレス機械を利用することはできないという問題点があった。
一方、特許文献３に記載の曲面を有する金属板の製造方法およびその製造装置では、現在の金属板の形状を三次元的に計測する三次元形状計測手段、所望の形状を画像として作成・処理することができ且つ金属板上に加熱位置を設定することができる画像作成処理手段、加熱条件最適化手段、加熱手段、制御手段、ギャップ計測手段などが必要なため、装置全体が複雑化し、各手段に用いられる各種機器も高価なものとなっていた。

それゆえに、本願発明の主たる目的は、簡単な構造で、作業工程の省力化および製造コストの低減化が図れて汎用性にも優れている、プレス型およびそれを用いた金属板の成形方法を提供することである。

請求項１にかかる本願発明は、被加工物としての板状の金属板にプレス加工を施して所望の３次元曲面を有する金属板に成形するためのプレス機械に用いられ、金属板が載置される平坦面を有する雌型と、金属板に押し付けられる雄型とを備えたプレス型であって、雄型は、軸方向を有する柱状の雄型本体と、雄型本体の軸方向の一方側に形成され、所定のテーパ角度を有する円すい状部とを含み、円すい状部の小径端部が、金属板に押し付けられる押圧面として形成されていることを特徴とする、プレス型である。
この請求項１にかかる本願発明では、所定のテーパ角度を有する円すい状部の小径端部が押圧面として形成されているので、プレス加工の際に、プレス機械の加圧力をこの雄型の押圧面に集中させることが可能となる。押圧面が板状の金属板の一部分に押し付けられると、押圧面によって押し付けられた部分が押し潰されて圧力作用中心から外側へ移動・排除される。つまり、押圧面が金属板に押し込まれることによって移動・排除された金属材料は、たとえば図５に示すように、矢印の方向に流れ、圧力作用中心の周辺の表面が、押圧面に作用する押圧力（圧力）に応じてはね上がる。このはね上がりを利用して、３次元曲面を有する金属板が成形される。
また、この請求項１にかかる本願発明では、円すい状部が所定のテーパ角度を有するため、雄型の押圧面が板状の金属板の一方主面に押し込まれるときに、当該金属板の一方主面と円すい状部の胴部との間に、上述したはね上がり部分と円すい状部の胴部との衝突を回避するための逃がし部を設けることが可能となる。発明者の試験によれば、円すい状部のテーパ角度をθとしたとき、θ＝７０°〜１１０°が好ましく、また、θ＝９０°〜１０５°がより好ましく、さらに、θ＝１００°〜１０５°が最も好ましい。この場合、θ＜７０°でθが小さければ小さいほど、雄型の押圧面にプレス機械の加圧力がかかり過ぎて、雄型の破損につながる恐れが高くなり、一方、θ＞１１０°でθが大きければ大きいほど、たとえば図８に示すように、上述したはね上がり部分が円すい状部の胴部に衝突して元に戻るため、所望する量のはね上がりが起こらず、目標とする３次元曲面が得られない可能性が高くなる。
請求項２にかかる本願発明は、請求項１にかかる発明に従属する発明であって、押圧面は、小径端部と略同じ径を有し、且つ、所定の軸線長さをもって、小径端部から円すい状部の軸線方向の先端側に突出して形成されていることを特徴とする、プレス型である。
この請求項２にかかる本願発明では、小径端部から当該小径端部と略同じ径を有する押圧面が円すい状部の軸線方向の先端側に突出して形成されているので、上述したはね上がり部分と円すい状部の胴部との衝突を回避する逃がし部をより一層大きく設けることが可能となる。また、押圧面は、小径端部から所定の軸線長さをもって突出しているため、当該突出した部位が、板状の金属板への喰い込みを良好にする喰い込み部としての機能を有する。発明者の試験によれば、喰い込み部の軸線長さをＨ（ｍｍ）としたとき、Ｈ≦０．５（ｍｍ）に設定されることが好ましく、Ｈ＝０．５（ｍｍ）に設定されることがより好ましい。喰い込み部の軸線長さＨが０．５（ｍｍ）を超えて長くなりすぎると、喰い込み部にプレス機械の加圧力が集中し過ぎて、喰い込み部が破損してしまう恐れがある。
請求項３にかかる本願発明は、請求項１または請求項２にかかる発明に従属する発明であって、押圧面には、鏡面加工が施されていることを特徴とする、プレス型である。
この請求項３にかかる本願発明では、押圧面に鏡面加工が施されて押圧面が鏡面に形成されるため、プレス機械により押圧面が板状の金属板に押し付けられた場合、押圧面によって押し付けられた部分の金属材料の圧力作用中心から外側への移動・排除がスムーズに行われる。すなわち、図５に示す矢印の方向への金属材料の流れがスムーズなものとなり、押圧面周辺のはね上がりが良好となる。したがって、このはね上がりを利用した３次元曲面の成形をより効果的に行うことが可能となる。
請求項４にかかる本願発明は、請求項１〜請求項３のいずれかにかかるプレス型を用いて、３次元曲面を有する金属板を成形する金属板の成形方法であって、プレス型が装着されたプレス機械で、被加工物としての板状の金属板に雄型の押圧面を押し付ける押し込み加工を繰り返し、板状の金属板に多数の凹みを付けることにより生じる金属板のはね上がりを利用することによって、板状の金属板を所望の３次元曲面を有する金属板に成形することを特徴とする、金属板の成形方法である。
この請求項４にかかる本願発明では、プレス型が装着されたプレス機械による押し込み加工によって、雄型の押圧面が押圧された部位に多数の凹みが配設される。この場合、押圧面に作用する押圧力に応じて、押し付けられた部分の金属材料が圧力作用中心から外側へ移動・排除されることによって、凹みの周辺部に金属板のはね上がりが形成される。このはね上がりによって、板状の金属板に所望する３次元曲面が成形される。
本願発明にかかるプレス型およびそれを用いた金属板の成形方法では、上記した雄型および雌型を有するプレス型を用い、板状の金属板に押し込み加工を繰り返すだけで、簡単に板状の金属板を所望の３次元曲面を有する金属板に成形することが可能となるため、従来のように、多種多様な３次元曲面に応じて、ベンディングローラおよびプレス機械等の各種加工装置による複数の各種成形手段を用いることなく、また、雄型，雌型にプレス成形面が形成された一体の総形型や格子構造総形型等の総形型を用いることなく、さらに、特許文献１に記載されたユニバーサル型のように、プレス形状が異なる度にユニバーサル型を成形する必要が無く、さらに、特許文献２に記載されたユニバーサル金型付きプレス機械のように、専門のプレス機械を必要とすることも無く、さらにまた、特許文献３に記載された金属板の製造方法および製造装置のように、装置全体が複雑化することも無い。

本願発明によれば、簡単な構造で、作業工程の省力化および製造コストの低減化が図れて汎用性にも優れている、プレス型およびそれを用いた金属板の成形方法が得られる。

この発明の上述の目的、その他の目的、特徴および利点は、図面を参照して行う以下の発明を実施するための最良の形態の説明から一層明らかとなろう。

本願発明は、簡単な構造で、作業工程の省力化および製造コストの低減化が図れて汎用性にも優れている、プレス型およびそれを用いた金属板の成形方法を提供するという目的を、金属板が載置される平坦面を有する雌型と、金属板に押し付けられる雄型とを備えたプレス型を採用し、この場合、雄型は、軸方向を有する柱状の雄型本体と、雄型本体の軸方向の一方側に形成され、所定のテーパ角度を有する円すい状部とを含み、円すい状部の小径端部が、金属板に押し付けられる押圧面として形成されていることによって実現し、特に、たとえば図９に示すような鉄道車両の先頭車の先頭部分の外板Ｐに採用される、多種類の３次元曲面を有する金属板の曲面加工に好適なものとなっている。

図１は、本願発明にかかるプレス型の実施形態の一例を示す要部斜視図解図であり、図２は、図１に示したプレス型の雄型を示す正面図解図である。また、図３は、本願発明にかかるプレス型が装着されたプレス機械の一例および当該プレス機械に板状の金属板をセットした状態を示す斜視図解図であり、図４は、図３に示したプレス機械により板状の金属板にプレス加工を施して３次元曲面を有する金属板に成形している状態を示す要部斜視図解図である。
本願発明にかかるプレス型は、被加工物としての板状の金属板にプレス加工を施して所望の３次元曲面を有する金属板に成形するためのプレス機械に用いられるプレス型である。この場合、当該プレス型が装着されたプレス機械で、被加工物としての板状の金属板に雄型の押圧面を押し付ける押し込み加工を繰り返し、板状の金属板に多数の凹みを付けることにより形成される金属板のはね上がりを利用することによって、板状の金属板を所望の３次元曲面を有する金属板に成形するものである。

プレス型１０は、図１に示すように、雌型としてのダイ１２と雄型としてのポンチ１４とを含む。ダイ１２は、その上面に平坦面１２Ａを有し、平坦面１２Ａは、たとえば図３に示すように、被加工物（ワーク）としての板状の金属板Ｗが載置される載置面となっている。本実施形態例にかかるダイ１２では、たとえば１辺が５０〜１００ｍｍの平坦面１２Ａを有するものである。一方、ポンチ１４は、たとえば図３および図４に示すように、プレス機械１００に装着されて、金属板Ｗに押圧されるものである。
なお、ダイ１２は、ポンチ１４よりも硬度が大きく形成されている。また、被加工物（ワーク）となる金属板Ｗは、炭素鋼、合金鋼、鋳鉄、非鉄金属等の金属材料で形成され、たとえば冷間圧延鋼板，熱延鋼板，熱間圧延鋼板，ステンレス鋼板，アルミ板，銅板などが用いられている。

プレス型１０のポンチ１４は、図２に示すように、軸方向を有する円柱状のポンチ本体１６を含む。ポンチ本体１６は、その軸方向の一方端側に所定のテーパ角度θを有する円すい状部１８を有し、その軸方向の他方端側にプレス機械に取り付けられる円柱状の取り付け挿入部２０を有する。円すい状部１８を円すいの要素としてみたとき、ポンチ本体１６の軸方向の一方端部が、円すい状部１８の大端径を有する大径端部２２として構成されるように、ポンチ本体１６と円すい状部１８とが連接されている。

また、取り付け挿入部２０の直径は、たとえばポンチ本体１６の直径よりも略２分の１程度小さく設定され、取り付け挿入部２０は、その軸線がポンチ本体１６の軸線と同一直線上に配置されるように、ポンチ本体１６の他方端部の中心部に連接されている。この場合、ポンチ本体１６の他方端部において、ポンチ本体１６と取り付け挿入部２０との連接面を除く平面視円環状の面２４は、該取り付け挿入部２０を図３に示すようにプレス機械１００に装着したときに、プレス機械１００の装着部と密着する密着面となり、プレス機械１００による加圧（押圧力）を支え受ける支持面として構成されている。

さらに、取り付け挿入部２０の軸方向の先端部周縁には、取り付け挿入部２０をプレス機械１００に装着する際に、該取り付け挿入部２０の先端部周縁の変形や破損を防止するための面取り部Ｃが形成されている。

このプレス型１０のポンチ１４では、円すい状部１８を円すいの要素としてみたとき、円すい状部１８の小端径を有する小径端部２６が、ダイ１２の上面に配置された金属板Ｗに押し付けられる押圧面として形成されている。この場合、本実施形態例にかかるポンチ１４では、特に、図２の一点鎖線で囲まれた小径端部２６の拡大詳細図に示すように、当該押圧面２８が、小径端部２６と略同じ直径Ｄ₁を有し、且つ、所定の軸線長さＨをもって、該小径端部２６から円すい状部１８の軸線方向の先端側に突出して形成されている。
また、本実施形態例にかかるポンチ１４では、押圧面２８を含む円すい状部１８の部分および円すい状部１８の大径端部２２からポンチ本体１６側にたとえば１０ｍｍ程度入った部分にかけて、焼入れ加工を施すことによって、当該部分の硬度が高くなるように形成されている。これによって、押圧面２８の中心付近に割れ等が発生することを防止している。さらに、この押圧面２８の全面には、鏡面加工が施されている。そのため、当該押圧面２８は、その全面が鏡面部に形成されている。なお、押圧面２８の周縁端部には、糸面取りが施され、所定のアール部Ｒが形成されている。

次に、上述したプレス型１０が装着されたプレス機械１００によって、金属板に所望の３次元曲面が成形されるときの当該プレス型１０の作用について、たとえば図３，図４，図５および図６を参照しながら詳細に説明する。
プレス型１０は、図３および図４に示すように、プレス機械１００に装着され、被加工物としての板状の金属板Ｗにポンチ１４の押圧面２８を押圧（加圧）する押し込み加工が繰り返し行われる。この場合、本実施形態例にかかるプレス型１０では、ポンチ１４に所定のテーパ角度θを有する円すい状部１８の小径端部２６が押圧面２８として形成されているため、プレス機械１００の押圧力（加圧力）を該押圧面２８に集中させることができる。板状の金属板Ｗにポンチ１４の押圧面２８が押し付けられると、押圧面２８により金属板Ｗの押し付けられた部分が押し潰されて、押圧中心点（圧力作用中心点）から３６０°方向外側へ移動・排除される。すなわち、ポンチ１４の押圧面２８が押し込まれることによって移動・排除された金属材料は、特に、図５に示すように、矢印の方向に流れ、押圧中心点（圧力作用中心点）の周辺の表面が、押圧面２８に作用する押圧力（圧力）に応じて、押圧方向とは反対側、つまり、上方向にはね上がる。このはね上がりを利用して、３次元曲面を有する金属板Ｗが成形される。

また、このプレス型１０では、円すい状部１８が所定のテーパ角度θを有するため、ポンチ１４の押圧面２８が板状の金属板Ｗの表面（一方主面）に押し込まれるとき、たとえば図６に示すように、当該金属板Ｗの表面（一方主面）と円すい状部１８の胴部１８ａとの間に、金属板Ｗのはね上がり部分と円すい状部１８の胴部１８ａとの衝突を回避するための逃がし部３０を設けることができる。そのため、上述した金属板Ｗのはね上がり部分が円すい状部１８の胴部１８ａに衝突して元に戻ることが防止される。したがって、所望するはね上がり量が得られ、目標とする３次元曲面を成形することができる。なお、円すい状部１８が所定のテーパ角度θを有することによって、ポンチ１４を金属板Ｗに押し付ける押し込み加工（プレス加工）の際に、押圧面２８と金属板Ｗとの当たり面が作業者から目視し易くなり、異物の排除等にも役立つものとなっている。

発明者の試験によれば、円すい状部１８のテーパ角度θは、７０°〜１１０°が好ましく、また、９０°〜１０５°がより好ましく、さらに、１００°〜１０５°が最も好ましいものである。この場合、テーパ角度θは、７０°よりも小さければ小さいほど、ポンチ１４の押圧面２８にプレス機械１００の押圧力（加圧力）がかかり過ぎて、ポンチ１４の破損につながる恐れが高いものとなる。一方、テーパ角度θが１１０°よりも大きければ大きいほど、図７に示すように、逃がし部３０が小さいものとなり、図８に示すように、上述した金属板Ｗのはね上がり部分が円すい状部１８の胴部１８ａに衝突して元に戻るため、所望する量のはね上がりが起こらず、つまり、図８で示した想定曲線まで金属板Ｗを曲げることができないため、目標とする３次元曲面が得られない恐れが高いものとなる。

さらに、本実施形態例にかかるプレス型１０では、ポンチ１４の押圧面２８が、小径端部２６と略同じ直径Ｄ₁を有し、所定の軸線長さＨをもって、該小径端部２６から円すい状部１８の軸線方向の先端側に突出して形成されているので、金属板Ｗのはね上がり部分と円すい状部１８の胴部１８ａとの衝突を回避する逃がし部３０をより一層大きく設けることができる。そのため、金属板Ｗのはね上がり部分と円すい状部１８の胴部１８ａとの衝突をより一層効果的に回避することができる。また、この押圧面２８は、小径端部２６から所定の軸線長さＨをもって突出して形成されているので、当該突出した押圧面２８の部位が、板状の金属板Ｗに喰い込む喰い込み部としての機能を有し、より効果的に、押圧面２８を金属板Ｗに押圧させることができる。

発明者の試験によれば、喰い込み部の軸線長さＨは、０．５ｍｍ以下に設定されることが好ましく、特に、０．５ｍｍに設定されることがより好ましいものである。この場合、喰い込み部の軸線長さＨが０．５ｍｍを超えて長くなりすぎると、喰い込み部にプレス機械の加圧力が集中し過ぎて、喰い込み部が破損してしまう恐れがある。

また、ポンチ１４の押圧面２８の大きさ（以下、「直径Ｄ₁」という。）は、プレス機械１００の能力的なものと、被加工物としての板状の金属板Ｗの厚みおよび３次元曲面のアールの種類などによって適宜変更され得るものである。
発明者の試験によれば、この押圧面２８の直径Ｄ₁は、通常、特殊な曲面形状でない限り、たとえば１０〜２０ｍｍ程度が好ましいものとなり、プレス機械１００による押圧力は、数トン〜２０トン程度で容易に３次元曲面を成形することができる。この場合、数トンの低圧力から徐々に加圧していき、当該金属板Ｗに異形変形が起こらないかどうか常に状態を観察しながらプレス加工が行われる。

発明者の試験によれば、被加工物としての板状の金属板Ｗが金属材料ないし非鉄金属材料で形成され、且つ、その厚みがたとえば１〜２．３ｍｍ程度の場合であって、複曲面のアールがきつく、多様なアールが重なり合っている複雑な３次元曲面を有する金属板Ｗにプレス加工するのであれば、押圧面２８の直径Ｄ₁は、たとえば１０〜１５ｍｍまでが好ましく、プレス機械１００による押圧力は、数トン〜２０トン程度で容易に３次元曲面を成形することができる。なお、金属板Ｗが非鉄金属材料で形成される場合には、その硬度にもよるので、数トンの低圧力から徐々に加圧していき、当該金属板Ｗに異形変形が起こらないかどうか状態を見ながら十分に注意して作業しなければならない。
また、発明者の試験によれば、被加工物としての板状の金属板Ｗが金属材料ないし非鉄金属材料で形成され、且つ、その厚みがたとえば２．３〜４．５ｍｍ程度の場合、押圧面２８の直径Ｄ₁は、たとえば１５〜２０ｍｍまでが好ましい。

以下に示す［表１］は、本実施形態例にかかるプレス型１０のポンチ１４に適用される好適な寸法の一例を示すものである。［表１］中に記載された、Ｄ₁は円すい状部１８の小径端部２６の直径（押圧面の直径）を示し、Ｈはポンチ１４（雄型）の押圧面２８の軸線長さを示し、θは円すい状部１８のテーパ角度を示し、Ｌ₁は円すい状部１８の軸線長さ（円すい状部１８の円すい長さ）を示し、Ｄ₂はポンチ本体１６（雄型本体）の直径（円すい状部１８の大径端部２２の直径）を示し、Ｌ₂はポンチ本体１６（雄型本体）の軸線長さを示し、Ｄ₃は取り付け挿入部２０の直径を示し、Ｌ₃は取り付け挿入部２０の軸線長さを示し、Ｒはポンチ１４（雄型）の押圧面２８のアール部を示し、Ｃは取り付け挿入部２０の面取り部を示し、Ｌ₀はポンチ１４（雄型）の全長［ポンチ１４全体（雄型全体）の軸線長さ）］を示すものである。

この場合、円すい状部１８の小径端部２６の直径（押圧面の直径）Ｄ₁が、１０ｍｍないし２０ｍｍに設定され、且つ、円すい状部１８のテーパ角度θが７０°〜１１０°の範囲に設定されたとき、それらのテーパ角度θに対応して、円すい状部１８の軸線長さ（円すい状部１８の円すい長さ）Ｌ₁が決定される。なお、それ以外の寸法は、［表１］に示されているように一定の寸法に設定されていることが好ましいものとなる。

さらに、本実施形態例にかかるプレス型１０では、ポンチ型１４の押圧面２８に鏡面加工が施されて押圧面２８が鏡面に形成されているので、プレス機械１００により押圧面２８が板状の金属板Ｗに押し付けられた際に、押圧面２８によって押し付けられた金属板Ｗの金属材料が、金属板Ｗの押圧中心点（圧力作用中心点）から３６０°外側への移動・排除がスムーズに行われる。この場合、図５に示す矢印の方向への金属材料の流れがスムーズなものとなり、押圧面２８の周辺の金属板Ｗのはね上がりが良好なものとなる。すなわち、金属板Ｗのはね上がりを利用した３次元曲面の曲面成形がより効果的に行われる。

次に、本実施形態例にかかるプレス型１０を用いた３次元曲面を有する金属板を成形する金属板の製造方法の一例について説明する。
当該製造方法は、図３に示すように、上述したプレス型１０がプレス機械１００に装着される［プレス型装着工程］。この場合、プレス型１０のダイ１２の平坦面１２Ａ上に被加工物としての板状の金属板Ｗが配置され、ポンチ１４がダイ１２の上方に所定の間隔を隔てて装着・配置される。
さらに、プレス機械１００によって、ポンチ１４の押圧面２８が、図４に示すように、金属板Ｗに押し付けられる押し込み加工（プレス加工）が繰り返し行われる［押し込み工程］。この押し込み工程によって、図４に示すように、板状の金属板Ｗの一方主面に、ポンチ１４の押圧面２８が押し付けられた部分が、多数の凹み５０として形成される。これら多数の凹み５０が付けられることで生じた金属板Ｗのはね上がりを利用することによって、板状の金属板Ｗが所望の３次元曲面を有する金属板Ｗに成形される。この場合、押圧面２８に作用するプレス機械１００の押圧力（加圧力）に対応して、押し付けられた部分（凹み５０部分）の金属材料が圧力作用中心から外側へ移動・排除されることによって、凹み５０の周辺部に金属板Ｗのはね上がりが形成される。このはね上がりによって、板状の金属板Ｗに所望する３次元曲面が成形される。
しかも、本実施形態例にかかるプレス型１０では、ポンチ１４の円すい状部１８が所定のテーパ角度θを有しているので、テーパ角度θが設けられていないものと比べて、円すい状部１８の先端部側の押圧面２８と金属板Ｗとの接触面積を小さくすることができる。そのため、当該接触面積が大きいものと比べて、曲げ力が小さいものとなり、所謂、スプリングバックを比較的小さなものとすることができる。この場合、本実施形態例では、ダイ１２が平坦面１２Ａを有し、その平坦面１２Ａの上に金属板Ｗが配置された状態でポンチ１４の押圧部２８が押圧されるため、たとえば凹部を有する通常のダイの上に金属板Ｗを配置してポンチ１４の押圧部２８を押圧するときに比べて、曲げ力が小さいものとなり、スプリングバックを比較的小さくすることができる。

上述の押し込み加工（プレス加工）で行われるポンチ１４の押圧面２８が押圧される板状の金属板Ｗ上面の箇所は、予め準備された合わせ型６０によって、その押圧基準面が設定される。合わせ型は、たとえば図１０に示すように、たとえば鉄道車両の先頭車の先頭部分の形状に応じて製作され、多種多様な骨組みリブ６２を用いてたとえばバードゲージ形状をした凸型の合わせ型６０に形成されている。この合わせ型６０の多数の骨組みリブ６２の上端部で形成される線状部で構成される部位が、ゲージ形状として、所望する３次元曲面を有する金属板Ｗの曲面形状に近似した押圧基準面の押圧基準線を構成している。すなわち、この凸型の合わせ型６０に所望する３次元曲面を有した金属板Ｗを当接させた場合、合わせ型６０と金属板Ｗとの接点となる部分は、合わせ型６０の各骨組みリブ６２の上端部となり、実質的に、３次元曲面を有する金属板Ｗの押圧基準面の押圧基準線として想定されることになる。

そして、上述した押圧基準面の押圧基準線が、被加工材としての板状の金属板Ｗの一方主面（表面）に印される。次に、合わせ型６０の各骨組みリブ６２の上端部にチョーク等で印が付けられる。さらに、骨組みリブ６２の各骨組みリブ６２の上端部に印が付けられた合わせ型６０の上に、被加工材としての板状の金属板Ｗが載置され、擦りあわされることによって、金属板Ｗの一方主面（表面）に押圧基準面の押圧基準線の印が付けられる。
その後、当該押圧基準面の押圧基準線に沿って、目標とする３次元曲面に近づくように、プレス機械１００によりポンチ１４の押圧面２８を金属板Ｗに押し付けていく押し込み加工が繰り返し行われる。

この場合、合わせ型６０と金属板Ｗとの合い具合が目視によって確認される。合わせ型６０に最も接している部分には、チョーク等で印された当該押圧基準面の押圧基準線が金属板Ｗの一方主面に付着し、合わせ型６０に沿った所望の３次元曲面形状に金属板Ｗが加工されていることがわかり、合わせ型６０に接していない部分には、チョーク等の印（当該押圧基準面の押圧基準線）が金属板Ｗに付着せず、金属板Ｗに所望する３次元曲面形状が加工されていないことが確認される。
そこで、チョーク等で印された当該押圧基準面の押圧基準線の全てが金属板Ｗに付着するように、つまり、目標とする３次元曲面形状が金属板Ｗに形成されるように、最適な押圧力でポンチ１４の押圧面２８が金属板Ｗに押圧される押し込み加工が必要なだけ繰り返し行われる。

本実施形態例にかかるプレス型１０およびそれを用いた金属板Ｗの成形方法では、上述したダイ１２およびポンチ１６をプレス機械１００に装着して、板状の金属板Ｗに押し込み加工（プレス加工）を必要なだけ繰り返すことによって、板状の金属板Ｗを所望の３次元曲面を有する金属板Ｗに成形することができる。そのため、従来のように、多種多様な３次元曲面に応じて、ベンディングローラおよびプレス機械等の各種加工装置による複数の各種成形手段を用いることなく、また、雄型，雌型にプレス成形面が形成された一体の総形型や格子構造総形型等の総形型を用いることなく、さらに、特許文献１に記載されたユニバーサル型のように、プレス形状が異なる度にユニバーサル型を成形する必要がなく、さらに、特許文献２に記載されたユニバーサル金型付きプレス機械のように、専門のプレス機械を必要とすることもなく、さらにまた、特許文献３に記載された金属板の製造方法および製造装置のように、装置全体が複雑化することもなく、簡単な構造で、作業工程の省力化および製造コストの低減化が図れて汎用性にも優れたものとなっている。
さらに、合わせ型６０の板割についても、板割りする箇所を広くとることができ、複雑なアールが重なり合った部分の板割り作業が容易で且つ短時間で行うことができる。

なお、本実施形態例にかかるプレス型１０およびそれを用いた金属板Ｗの成形方法では、板状の金属板Ｗに押し込み加工（プレス加工）を行う場合、金属板Ｗの周縁端から所定の幅（たとえば３０ｍｍ程度）をもった矩形環状部分には、当該押し込み加工（プレス加工）を施さないようにしている。当該矩形環状部分は、所望の３次元曲面を有する金属板Ｗに成形した後の切断および接ぎ溶接等の後工程ための遊び代（逃げ代）として形成されている。すなわち、この遊び代（逃げ代）を形成することにより、後工程において行われる切断作業や溶接作業の角変形（溶接変形）による形状変化を防止することができ、目標とする３次元曲面形状を保持することができる。
また、合わせ型としては、図１０に示した凸型の合わせ型６０以外にも、たとえば図１１に示すように、多数の骨組みリブ７２を用いた凹型の合わせ型７０も適宜採用され得るものである。

本願発明にかかるプレス型は、鉄道車両の先頭車、船舶、航空機等の先頭部分の外板以外にも、例えば、工作機械の防塵カバーおよび安全カバー、飛行機の発動機カバー、車輌の泥除け等に採用される様な３次元曲面を有する金属板の曲面加工、あるいは、各種の板金作業および製かん作業の際に採用される３次元曲面を有した金属板の曲面加工にも適用され得るものである。

本願発明にかかるプレス型の実施形態の一例を示す要部斜視図解図である。 図１に示したプレス型のポンチ（雄型）を示す正面図解図である。 本願発明にかかるプレス型が装着されたプレス機械の一例および当該プレス機械に板状の金属板をセットした状態を示す斜視図解図である。 図３に示したプレス機械により板状の金属板にプレス加工を施して３次元曲面を有する金属板に成形している状態を示す要部斜視図解図である。 図４に示したプレス加工の際、プレス型のダイ（雌型）の上面に配置された板状の金属板にプレス型のポンチ（雄型）が押圧されたときの作用を説明するための要部拡大図解図である。 図５に示した金属板のはね上がり部分とポンチ（雄型）の円すい状部の胴部との衝突を回避する逃がし部を説明するための要部拡大図解図である。 金属板のはね上がり部分とポンチ（雄型）の円すい状部の胴部との衝突を回避する逃がし部が小さくて不十分となるプレス型のポンチ（雄型）の一例を示す要部拡大図解図である。 図７に示したプレス型のポンチ（雄型）がプレス型のダイ（雌型）の上面に配置された板状の金属板に押圧されたときの状態を説明するための要部拡大図解図である。 本願発明にかかるプレス型により成形された３次元曲面を有する金属板が使用される鉄道車両の先頭車の一例を示す要部斜視図解図である。 本願発明にかかるプレス型を用いて３次元曲面を有する金属板を成形するときに用いられる合わせ型の一例を示す斜視図解図である。 合わせ型の他の例を示す斜視図解図である。

符号の説明

１０ プレス型
１２ ダイ（雌型）
１４ ポンチ（雄型）
１６ ポンチ本体（雄型本体）
１８ 円すい状部
２０ 取り付け挿入部
２２ 大径端部
２４ 円環状の面
２６ 小径端部
２８ 押圧面
５０ 凹み
６０ 凸型の合わせ型
６２，７２ 骨組みリブ
７０ 凹型の合わせ型
１００ プレス機械
Ｐ 外板
θ 円すい状部のテーパ角度
Ｃ 取り付け挿入部の面取り部
Ｈ ポンチ（雄型）の押圧面の軸線長さ
Ｒ ポンチ（雄型）の押圧面のアール部
Ｄ₁ 円すい状部の小径端部の直径（押圧面の直径）
Ｄ₂ ポンチ本体（雄型本体）の直径（円すい状部の大径端部の直径）
Ｄ₃ 取り付け挿入部の直径
Ｌ₀ ポンチ（雄型）の全長［ポンチ全体（雄型全体）の軸線長さ）］
Ｌ₁ 円すい状部の軸線長さ（円すい状部の円すい長さ）
Ｌ₂ ポンチ本体（雄型本体）の軸線長さ
Ｌ₃ 取り付け挿入部の軸線長さ

Claims (4)

1. 被加工物としての板状の金属板にプレス加工を施して所望の３次元曲面を有する金属板に成形するためのプレス機械に用いられ、前記金属板が載置される平坦面を有する雌型と、前記金属板に押し付けられる雄型とを備えたプレス型であって、
   前記雄型は、
   軸方向を有する柱状の雄型本体、および
   前記雄型本体の軸方向の一方側に形成され、所定のテーパ角度を有する円すい状部を含み、前記円すい状部の小径端部が、前記金属板に押し付けられる押圧面として形成されていることを特徴とする、プレス型。
2. 前記押圧面は、前記小径端部と略同じ径を有し、且つ、所定の軸線長さをもって、前記小径端部から前記円すい状部の軸線方向の先端側に突出して形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のプレス型。
3. 前記押圧面には、鏡面加工が施されていることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のプレス型。
4. 請求項１〜請求項３のいずれかに記載のプレス型を用いて、３次元曲面を有する金属板を成形する金属板の成形方法であって、
   前記プレス型が装着されたプレス機械で、被加工物としての板状の金属板に前記雄型の押圧面を押し付ける押し込み加工を繰り返し、前記板状の金属板に多数の凹みを付けることにより生じる金属板のはね上がりを利用することによって、前記板状の金属板を所望の３次元曲面を有する金属板に成形することを特徴とする、金属板の成形方法。

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