JP2007229750A

JP2007229750A - 金属板の成形方法および装置

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Publication number: JP2007229750A
Application number: JP2006053077A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Ozaki; 芳宏尾崎; Takao Iguchi; 貴朗井口
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2006-02-28
Filing date: 2006-02-28
Publication date: 2007-09-13

Abstract

【課題】凹凸のあるパネルの製造など、金属板を複雑な形状に成形するために好適な方法および装置を提供する。
【解決手段】先ず、凹部３１が形成された型３を、凹部３１側を上に向けて置き、その上に金属板２を載せる。次に、投射ノズル４を型３の上方に、金属板２と投射ノズル４がある一定の間隔となるように配置し、ＮＣマニュピレータで凹部３１の開口面内の上方を満遍なく移動させながら、投射ノズル４から金属板２に向けてショット粒を投射する。このショット粒の投射を続けることにより、型３の凹部３１と上面３２に金属板２を沿わせる。
【選択図】図２

Description

この発明は、凹凸のあるパネル等の製造に好適な金属板の成形方法および装置に関する。

従来より、自動車のボディや電気機器のハウジングなどは、多くの場合、薄鋼板等の金属板をプレス成形して製造されている。
このように金属板の成形方法として一般的なプレス成形に関しては、加工限界（破断を生じずに成形できる形状の限界）を向上させるために、種々の提案がなされている。その例として、図８（ａ）に示すように、フランジ部２１０を加熱し、縦壁部２２０を冷却しながらプレス成形する方法の他、金属板を加熱した上でプレス成形する（温間プレス）などがある（下記の特許文献１および特願２００６−４９５７８号明細書等を参照）。

また、特許文献２および３に、ショットピーニング（ショット粒を投射すること）で板材を成形する方法が開示されている。
特許文献２には、ショットピーニングで板材（金属板）を任意の曲面形状に自由に成形するために、予め実験を行って、ショットピーニング条件と残留応力との関係を示す図を作成し、この図を用いて、板材を所望の変形量とするためのショットピーニング条件を決定する方法が記載されている。

特許文献３には、金属板の主表面（表面または裏面）に、エネルギーコントロールしたショット粒を投射して衝撃を与え、その主表面側に凸となる形状に金属板を成形する方法が記載されている。
特開平１１−３０９５１８号公報特公昭５９−２７２４７号公報特開２００４−１３０３６８号公報

しかしながら、前述の温間プレスでは、例えば図８（ｂ）に示すように、金属板を、複数の山部２３０の間にフランジ部２４０を有する形状に成形するような場合には、以下の理由で、加工限界の向上（山部の開口部の径に対する高さの比を大きくする）効果が得られ難くなる。
先ず、山部２３０を構成する縦壁部２２３の方に金属板が流入し、山部２３０の間のフランジ部２４０には、周囲からの金属板の流れ込みが期待できない（フランジ部２４０は張り出し成形となる）。温間プレスでは金属板が高温になるために、よく延びることが期待されるが、実際には、フランジ部２４０が軟らかくなった状態で両方の山部２３０から引っ張られるため、却って破断し易くなる。特に、「ハイテン」と呼ばれる高張力鋼板やステンレス鋼板などは、軟鋼板に比べて延性が小さいため、破断し易い。

なお、叩き出し法やインクレメンタル法と呼ばれる方法は、プレス成形法と比較して、金属板を、上述のような、複数の山部の間にフランジ部を有する形状に成形する方法として適しているが、殆どが手作業で行う叩き出し法は成形に時間がかかる。インクレメンタル法も、叩き出し法ほどではないが成形に時間がかかるため、生産性の向上が課題となっている。
また、特許文献２および３では、金属板を、上述のような、複数の山部の間にフランジ部を有する形状に成形することを想定していない。

本発明は、金属板を、例えば、複数の山部の間にフランジ部を有する形状のように、入り組んだ複雑な形状に成形する場合であっても、簡単に成形することができ、山部の開口部の径に対する高さの比が大きくなっても山部の間のフランジ部などに破断が生じ難く、叩き出し法やインクレメンタル法などと比較して高い生産性が確保できる、金属板の成形方法および装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の金属板の成形方法は、金属板にショット粒を投射して所望の形状に成形する金属板の成形方法であって、金属板のショット粒が投射される面とは反対側に、該所望の形状に対応する型を配置し、該型に金属板を沿わせることを特徴とする。
図１（ａ）に示すように、ショット粒１を金属板２に投射すると、投射されたショット粒１が金属板２に衝突して、表面（ショット粒が投射される面）２ａから内部に入る。これに伴って、先ず、表面２ａ側の表層部が伸ばされ、続いて、図１（ｂ）に示すように、ショット粒１の衝突方向に表面２ａが凹む。これにより、反対側の面（裏面）２ｂは大きく伸ばされ、表面２ａ側は圧縮される。

そのため、ショット粒１が金属板２から離れると、表面２ａ側の圧縮が解放されて、図１（ｃ）に示すように、金属板２には表面２ａから裏面２ｂに向けて漸減する引っ張り力が生じる。その結果、表面２ａの凹みの程度が図１（ｂ）より少し小さい状態となって、塑性変形が終了する。このようなショット粒１の衝突による金属板２の微小な塑性変形が、無数のショット粒で累積的に行われることにより、金属板２が裏面２ｂの側に凸になるように変形する。
しかしながら、この変形は、金属板２の表面２ａにほぼ垂直な方向へのショット粒１の衝突によるものであるため、個々のショット粒１の衝突方向の、金属板２の表面２ａに垂直な方向からのずれや、個々のショット粒１の大きさや形状、質量などの違いにより、不均一なものとなり易い。

よって、金属板の裏面の側に、所望の形状に対応する型を配置し、この型に金属板が沿うのに十分な程度、金属板を変形させるのに足りる投射エネルギーをショット粒に付与して、ショット粒を金属板の表面に投射することで、金属板を、例えば、先述の、複数の山部の間にフランジ部を有する形状のような複雑な形状に成形することができる。そして、金属板の裏面の側に、所望の形状に対応する型を配置することで、ショット粒による衝突によって金属板の変形が不均一になり易い問題も解決される。また、山部の開口部の径に対する高さの比が大きくなっても、山部の間のフランジ部に破断が生じ難くなり、加工限界が向上する。

本発明の方法で、金属板を、複数の山部の間にフランジ部を有するような形状に成形する場合には、前記山部に対応する凹部と前記フランジ部に対応する前記凹部の周囲に設けた面を備えた型を用い、この型の前記凹部とその周囲に設けた面に金属板を沿わせるように、ショット粒の投射を、金属板を変形させる量に応じた投射エネルギーで行えばよい。この方法によれば、山部の開口部の径に対する高さの比を大きくしても、山部の間のフランジ部に破断が生じ難い。

ショット粒の投射エネルギーは、ショット粒の材質、平均粒径、金属板の単位面積当たりの投射量、投射速度などによって決まる。
ショット粒の材質としては、鉄系金属、非鉄系金属、セラミックス、ガラス、樹脂などがある。
ショット粒の選定は、加工対象である金属板の材質や板厚、目標形状等に応じて行えばよいが、加工対象である金属板よりも硬質のもので、形状が球に近く（板面の研削作用が小さいため) 、板厚と同程度以上の平均粒径のものを選定することが好ましい。

本発明の方法で使用する型は、通常のプレス成形で使用する金型とは異なり、強度、剛性、および表面摺動性が重視されないため、比較的安価な（素材費、型製作費、補修・維持費等が金型に比べて安い）合成樹脂製のものが使用できる。また、必要に応じて、複数の段階で成形を行い、各段階で別の型を使用してもよい。
本発明の方法においては、金属板のショット粒が投射される面内で、ショット粒の投射される位置が移動するよう、ショット粒の投射ノズルをＮＣ（Numerical Control ）マニュピレータ等により、金属板の面に沿って移動させながらショット粒の投射を行うことが好ましい。また、入り組んだ複雑な形状に成形する場合には、ショット粒の投射角度（ショット粒が金属板に投射される角度）が変化するよう、ショット粒の投射ノズルの向きをＮＣマニュピレータ等により変化させながらショット粒の投射を行うことが好ましい。

本発明の方法は、金属板の背面に配置する型と、ショット粒を投射する装置を備えた金属板の成形装置により実施することができる。また、この成形装置は、ショット粒の投射ノズルの位置や角度を制御する装置（ＮＣマニュピレータ等）と、ショット粒の投射量や投射速度を制御する装置を備えていることが好ましい。
本発明の方法は、厚さが２．０ｍｍ以下の金属板の成形方法として好ましく、厚さが１．０ｍｍ以下の金属板の成形方法として特に好ましい。
本発明の方法は、高剛性で重量のある工具を必要とせず、軽量の投射ノズルをＮＣマニュピレータなどで動かすことによる非接触加工であるため、比較的高速で行うことができるという理由で、叩き出し法やインクレメンタル法と比べて生産性が高い。

本発明の金属板の成形方法によれば、金属板を、例えば、複数の山部の間にフランジ部を有する形状のように、入り組んだ複雑な形状に成形する場合であっても、簡単に成形することができ、山部の開口部の径に対する高さの比が大きくなっても山部の間のフランジ部などに破断が生じ難いため、加工限界が向上する。また、本発明の方法は、叩き出し法やインクレメンタル法と比べて生産性が高い。
よって、本発明の方法は、凹凸のあるパネル等の製造に好適である。

以下、本発明の一つの実施の形態について図２を用いて説明する。
この実施の形態に係る方法では、金属板２の背面に配置された型３と、ショット粒の投射ノズル４を備えた成形装置により、金属板２を、図３に示す山部２２とフランジ部２１からなる形状に成形する。なお、投射ノズル４は、図示されないＮＣマニュピレータで移動可能に保持されており、金属板２は、図示されない「しわ押さえ」と型３との間に挟まれている。

この実施の形態に係る方法では、先ず、図２（ａ）に示すように、図３の山部２２の形状に対応させた凹部３１が形成された型３を、凹部３１側を上に向けて置き、その上に金属板２を載せる。次に、投射ノズル４を型３の上方に、金属板２と投射ノズル４がある一定の間隔となるように配置し、ＮＣマニュピレータで凹部３１の開口部の上方を満遍なく移動させながら、投射ノズル４から金属板２に向けてショット粒を投射する。

このショット粒の投射を続けることで、図２（ｂ）〜（ｄ）に示すように、金属板２を少しずつ変形させて、型３の凹部３１とその周囲に設けた面（上面）３２に金属板２を沿わせる。
この実施の形態に係る方法によれば、図３（ｂ）で、金属板２の材質がＳＵＳ４３０、厚さが０．８ｍｍ、山部２２の開口部の径（Ｄ）が１５ｍｍで、山部２２の頂側の径（ｄ）が０．７５Ｄの場合、山部２２の開口部の径Ｄに対する高さＨの比ａ（＝Ｈ／Ｄ）が０．７以下であれば成形できる。

これに対して、通常のプレス成形では、例えば図４に示すように、ダイ５１とパンチ５２としわ押さえ５３とバネ５４からなる金型５を用い、金属板２をパンチ５２の突起５２ａで伸ばしながらダイ５１の凹部５１ａに沿わせている。このプレス成形で金属板２を図３の形状に成形する際には、前記と同じ場合で、山部２２の開口部の径Ｄに対する高さＨの比ａ（＝Ｈ／Ｄ）が０．４以下であれば成形できるが、０．４を超えると破断が生じる場合がある。

なお、本発明の方法で金属板を成形することにより、図５に示すような凹凸のあるパネルを製造することができる。このパネルは、図５（ａ）に示すように、複数の山部２２の間にフランジ部を有する形状であり、各山部２２が碁盤格子状に等間隔で配置されている。各山部２２は、平面視で正方形の四つの角が丸められた形状である。図５（ｂ）は図５（ａ）のＡ−Ａ断面図に相当する。

例えば、本発明の方法で、以下の条件でショット粒を投射することにより、厚さ０．２ｍｍのＳＵＳＵ４３０からなる金属板を、図５に示すような凹凸のあるパネルであって、各寸法が下記の値であるパネルに成形することができる。これに対して、通常のプレス成形で同じ形状に成形しようとすると、図６に破線で示すように、山部２２の頂側の丸みの近くに破断が生じる。

＜ショット粒の投射条件＞
ショット粒の材質：硬質スチール
ショット粒の形状：球状
ショット粒の平均粒径：０．３ｍｍ
金属板の単位面積当たりのショット粒の投射量：２５００ｋｇ／ｍｉｎ／ｍ²
ショット粒の投射速度：６０ｍ／ｓｅｃ
なお、投射ノズルの走査速度を２０ｍｍ／ｓｅｃとし、１回の投射で所望の形状に達しない部分には、必要な加工量に応じて繰り返し投射を行った。

＜寸法＞
山部２２をなす正方形の一辺（Ｌ₁＝Ｌ₃）：２０．０ｍｍ
山部２２同士の間隔（Ｌ₂＝Ｌ₄）：１０．０ｍｍ
正方形の角の丸みの曲率半径（Ｒ₁）：５．０ｍｍ
山部２２の高さ（ｈ）：３．０ｍｍ
山部２２の頂側の丸みの曲率半径（Ｒ₂）：１．０ｍｍ
山部２２の開口部側の丸みの曲率半径（Ｒ₃）：１．０ｍｍ

また、本発明の方法によれば、金属板を任意の形状に成形することができる。例えば、図２の型３を用い、金属板２を型３の凹部３１と上面３２に加えて側面３３に沿わせた形状にすることができる。また、図７に示すような、プレス成形では成形不可能な入り組んだ複雑な形状に成形することもできる。
図７に示す実施の形態では、図７（ａ）に示すように、所望の形状に対応させて複雑に入り組んだ凹部と凸部が連続した曲面を有する型３０を用意し、この型３０の上に金属板２を置いて、投射ノズル４からこの金属板２へのショット粒の投射を開始し、投射ノズル４を移動させて投射位置を移動する。そして、凹部Ｂを形成する際には、図７（ｂ）に示すように、投射角度が変化するように投射ノズル４の向きを変化させながら、ショット粒を投射する。

ショット粒により金属板が変形する様子を説明するための図である。本発明の一つの実施の形態に係る発明を説明するための図である。この実施の形態に係る方法で成形する金属板の形状を示す斜視図（ａ）と、断面図（ｂ）である。通常のプレス成形法を説明するための図である。本発明の方法で得ることのできる、凹凸のあるパネルの形状を示す平面図（ａ）と、（ａ）のＡ−Ａ断面図（ｂ）である。図５に示すパネルを通常のプレス成形で形成する場合に生じる破断を説明する斜視図である。本発明の方法により入り組んだ複雑な形状を成形する実施の形態を説明するための断面図である。従来技術について説明する図である。

符号の説明

１ショット粒
２金属板
２ａ金属板の表面（ショット粒が投射される面）
２ｂ金属板の裏面（反対側の面）
２１フランジ部
２２山部
２１０フランジ部
２２０縦壁部
２２１〜２２４縦壁部
２３０山部
２４０山部の間のフランジ部
３型
３０型
３１凹部
３２上面
３３側面
４投射ノズル
５金型
５１ダイ
５１ａダイの凹部
５２パンチ
５２ａパンチの突起
５３しわ押さえ
５４バネ

Claims

金属板にショット粒を投射して所望の形状に成形する金属板の成形方法であって、
金属板のショット粒が投射される面とは反対側に、該所望の形状に対応する型を配置し、該型に金属板を沿わせることを特徴とする金属板の成形方法。
金属板のショット粒が投射される面内で、ショット粒の投射される位置が移動するよう、ショット粒の投射ノズルを移動させながらショット粒を投射することを特徴とする請求項１記載の金属板の成形方法。
ショット粒が金属板に投射される角度が変化するよう、ショット粒の投射ノズルの向きを変化させながらショット粒を投射することを特徴とする請求項１または２記載の金属板の成形方法。
金属板の背面に配置する型と、ショット粒を投射する装置を備えたことを特徴とする金属板の成形装置。