JP2009514679A - チタンストレッチフォーミング装置並びに方法 - Google Patents

Abstract

挟持部間でダイス型の収納体を取り付けた主フレーム体を含むストレッチフォーミング装置が解説されている。絶縁ダイス型が収納体内に収納されている。部品を成形加工する方法は対象部品を収納体内に入れるステップと、電気抵抗加熱を利用して対象部品を加工温度にまで加熱するステップと、その後に加工面上で対象部品を延伸加工するステップとを含んでいる。本発明の成形加工方法は特にチタン製部品の成形加工に適している。
【選択図】図１

Description

本発明は金属部品の製造に関し、特にチタン及びチタン合金のホットストレッチフォーミング（ストレッチテンパ）並びにクリープフォーミング（クリープテンパ）に関する。

ストレッチフォーミングは金属部品の湾曲形状の成形に広く利用されている加工方法であり、ダイス型上で成形加工しながら降伏点にまで対象部品をプレストレッチさせるものである。この加工方法は大型アルミ部品及びアルミ合金部品の製造に多用され、工具コストが安価で、反復精度が高い。

チタンまたはチタン合金は特殊部品、特に航空機用部品においてアルミの代用として利用される。その理由にはチタンの対重量強度、高臨界強度、並びに複合材料との良好な冶金学的共立性が含まれる。

しかし、室温でチタンをストレッチフォーミングするには困難が伴う。なぜなら、その降伏点は臨界引張り強度に非常に近く、伸び率（％）が小さいからである。よって、チタン部品は普通、大型ビレットから打撃加工及び機械加工により成形され、加工コストが高くて加工時間が長い。

従って、チタン及びチタン合金のストレッチフォーミング装置並びに方法が所望されている。

本発明の１目的は高温にてチタンをストレッチフォーミング及び/又はクリープフォーミングする方法の提供である。

本発明の別目的は高温でチタンをストレッチフォーミング及び/又はクリープフォーミングする装置の提供である。

本発明の別目的はフォーミング加工中に対象部品を絶縁する装置の提供である。

これら及び他の目的は、ストレッチフォーミング方法を提供する本発明によって達成される。この方法は、選択された非方形断面形状を有した長形金属対象部品を準備するステップと、その断面形状と相補的な形状である加工面を含み、少なくともその加工面は断熱材料を含んでいるダイス型を準備するステップと、電流を通流させて対象部品を作業温度に抵抗加熱するステップと、対象部品が加工温度であるうちに対象部品とダイス型を相対的に動かすことで、加工面上にて対象部品を成形加工して塑性延伸及び湾曲変形させ、選択された最終形状に成形するステップとを含んでいる。

本発明の別特徴によれば対象部品はチタンを含んでいる。

本発明の別特徴によれば断面形状は約２０未満のアスペクト比を有している。

本発明の別特徴によれば断面形状は押出し加工、プレス・ブレーキフォーミング加工、ロールフォーミング加工、機械加工並びにそれらの組み合わせから選択される加工方法で成形される。

本発明の別特徴によれば加工方法は成形加工装置の挟持部に対象部品の端部を受領させるステップを含む。

本発明の別特徴によれば加工方法は挟持部を介して対象部品に電流を通電するステップを含む。

本発明の別特徴によれば挟持部は旋回アームに取り付けられており、対象部品の成形加工ステップは対象部品を表面の周囲で包み込むように旋回アームを移動するステップを含む。

本発明の別特徴によれば加工方法は成形加工の実施中に加工温度を制御するステップを含む。

本発明の別特徴によれば加工方法は成形加工された対象部品を加工面上に保持し、選択作業時間だけ制御された温度下にて対象部品をクリープフォーミング加工するステップを含む。

本発明の別特徴によれば加工方法はダイス型と対象部品の第１部分を収納体に収納するステップを含む。

本発明の別特徴によれば収納体は成形加工ステップの実施中に対象部品の第２部分を収納体から突出させる開口部を含んでいる。

本発明の別特徴によればストレッチフォーミング装置は、長形金属対象部品を受領して成形するように設計された所定の非方形断面形状を有した加工面を備えたダイス型を含み、少なくともその加工面は断熱材を含む。この装置はさらに対象部品を加工温度に電気抵抗加熱する加熱手段と、ダイス型と対象部品とを相対的に移動させ、加工面上で対象部品に延伸加工及び曲げ加工を施す移動手段とを含む。

本発明の別特徴によればダイス型はセラミック材料製である。

本発明の別特徴によれば装置はさらに対象部品の端部を受領する挟持部を含んでいる。

本発明の別特徴によれば加熱手段は挟持部に電気的に接続された電流源と、挟持部と対象部品との間に電気接続部とを含む。

本発明の別特徴によれば挟持部は対象部品を加工面周囲で包み込むように設計された移動式旋回アームに取り付けられている。

本発明の別特徴によれば成形装置は成形加工の実行中に加工温度を制御する温度制御手段をさらに含んでいる。

本発明の別特徴によれば成形装置は選択時間中に加工温度にて対象部品を加工面上にて保持する手段をさらに含む。

本発明の別特徴によれば成形装置はダイス型と対象部品の第１部分とを収納する収納体をさらに含む。

本発明の別特徴によれば収納体は対象部品の第２部分を収納体から突出させる開口手段を含む。

本発明の別特徴によればストレッチフォーミング装置は、長形金属対象部品を受領して成形するように設計された加工面を有するダイス型を含み、少なくともその加工面は断熱材を含む。この装置はさらに対象部品を加工温度にまで電気抵抗加熱する加熱手段と、ダイス型と長形対象部品の第１部分とを成形加工中に収納し、対象部品の第２部分をそこから突出させるように設計された収納体と、ダイス型と対象部品とを相対移動させて対象部品に対して加工面上で延伸加工及び曲加工を施す移動手段とを含む。

本発明の別特徴によれば収納体は対象部品を収納体内に配置させるための開位置と閉位置との間で移動する第１扉部を含んでいる。

本発明の別特徴によれば収納体は、収納体に対して対象部品の外側端部を移動させる開口部を含んだ少なくとも１つの側壁を含んでいる。

本発明の別特徴によれば成形装置は側壁開口部を実質的に覆う移動式扉部をさらに含んでいる。この扉部は対象部品を通過させるように設計された対象部品の開口部を有している。この開口部は側壁開口部よりも小さい。

本発明の別特徴によれば収納体は上壁及び底壁、前壁及び後壁、両側の側壁、並びに開位置と閉位置との間で移動する壁部の１つに設けられた扉部を有した箱型構造を含む。

本発明は以下の添付図面を利用した詳細な解説によってその理解がさらに深まろう。

図１は本発明に従って構成されたストレッチフォーミング装置１０を例示的対象部品Ｗと共に図示する。図１０で示すように対象部品ＷはＬ状断面を有した押出成形加工物である。

本発明は様々なタイプの対象部品に対して使用するのに適している。例えばロール状平坦体またはロール形状体、棒体、プレスブレーキ型形状体、押出形状体、機械加工体、等々である。本発明は特に非方形断面形状を有した対象部品及び約２０未満のアスペクト比を有した断面形状の対象部品に対して有用である。図１０で示すようにアスペクト比とは断面形状体の外周を囲む長方形の箱体Ｂの辺Ｌ１と辺Ｌ２との比のことである。

装置１０は実質的に硬質である主フレーム１２を含む。この主フレーム１２はダイス型取付面１４を提供し、装置１０の主要作動部材（機器）を支持する。第１旋回アーム１６Ａと第２旋回アーム１６Ｂは主フレーム１２に回動式に取り付けられており、油圧式成形シリンダ１８Ａと１８Ｂにそれぞれ連結されている。旋回アーム１６Ａと１６Ｂには油圧式張力シリンダ２０Ａと２０Ｂが取り付けられており、これらは油圧作動式挟持構造体２２Ａと２２Ｂとを取り付けている。張力シリンダ２０は固定方向性にて旋回アーム１６に取り付けが可能である。あるいは垂直軸周囲で旋回アーム１６に対して回動する。後述するように、ダイス型収納体２４は挟持構造体２２Ａと２２Ｂとの間でダイス型取付面１４に取り付けられる。

適したポンプ、バルブ及び制御機器（図示せず）が成形シリンダ１８、張力シリンダ２０及び挟持構造体２２に加圧状態の油圧液を供給するように利用される。あるいは上記の油圧部品は電気装置または電気機械式装置のごとき他タイプのアクチュエータと置換することができる。装置１０の制御形態は手動であっても、あるいは、例えばＰＬＣまたはＰＣタイプのコンピュータによる自動であってもよい。

本発明の原理は全形式のストレッチフォーミング装置に同様に適している。そこで対象部品とダイス型は相対的に移動しながら成形加工を実行する。知られたタイプの成形装置は固定ダイス型または移動ダイス型を有しており、水平載置式や垂直載置式が存在する。

図２は挟持構造体２２Ａの構造を示す。これは他方の挟持顎構造体２２Ｂと同構造である。挟持構造体２２Ａは対象部品の端部を掴むための、環状フレーム体３０内に設置されている両楔形コレット２８間に取り付けられている離間状態の２つの挟持顎部２６を含む。油圧式シリンダ３２はそれら挟持部２６とコレット２８とに軸方向の圧力を付与し、挟持部２６によってコレット２８に対象部品Ｗを強固に挟持させる。挟持構造体２２Ａまたはその大部分は対象部品Ｗから電気絶縁されている。この電気絶縁は絶縁層または酸化物種のコーティング材で挟持部２６あるいはコレット２８またはそれら両方の表面を膜加工することで達成できる。もしコーティング３４が挟持部２６の全体に被膜されていれば挟持構造体２２Ａは完全に絶縁状態となる。もし挟持部２６を介して加熱用電流を通電するなら、それらの表面３６を露出状態（非塗膜状態）に残し、適した電気接続部を取り付ける。あるいは挟持部２６またはコレット２８を、ダイス型５８に関して以下で解説するようにセラミック材料のごとき絶縁材料で製造することもできる。挟持部２６と２８とを絶縁型固定具５９を使用して取り付け、挟持構造体２２Ａの残り部分への漏電または漏熱を回避させることもできる。

図３から図５にかけて図示するダイス型収納体２４は上壁３８及び底壁４０と、後壁４２並びに側壁４４Ａ及び４４Ｂと、図２で示すように開位置から閉位置にまで旋回できる前扉部４６と含む箱型構造体である。もちろんその特定形状及び特定寸法は成形対象部品のサイズと形状比率によって変動する。ダイス型収納体２４は鋼材等の材料から製造され、一般的に対象部品Ｗからの漏空気及び熱放射を最低限とするように密閉状態である。必要であればダイス型収納体２４に熱絶縁加工を施すことができる。

ダイス型５８はダイス型収納体２４内に置かれる。ダイス型５８は、対象部品Ｗがダイス型５８の周囲で曲加工されているときに選択された湾曲形状または断面形状が対象部品Ｗに付与されるように形状化されている加工面６０を備えた比較的に大きな物体である。加工面６０の断面は対象部品Ｗの断面形状とほぼ合致し、フランジまたはレール体のごとき対象部品Ｗの突起部を収容する凹部６２を含むことができる。望むならば、ダイス型５８またはその一部は加熱が可能である。例えばダイス型５８の加工面６０は鋼材層または電気抵抗加熱に適応できる他の熱伝導性材料で製造することができる。

図６は側壁４４Ａの１つを図示する。これは他方の側壁４４Ｂとも実質的同一形状であるが細部で異なる。側壁４４Ａは比較的に大型である側壁開口部５０Ａを形成する固定パネル４８Ａを含む。側扉部５２Ａは例えばＺ型ブラケット５４Ａにより固定パネル４８Ａに取り付けられ、固定パネル４８Ａと密着しながら成形加工中に対象部品Ｗに対して前後方向にスライドすることができる。側扉部５２Ａは、側開口部５０Ａよりも実質的に小さいが、理想的には対象部品Ｗを挿通させる程度の大きさの対象部品開口部５６Ａを有している。対象部品の露出を最低限に抑えながら度対象部品の端部を移動させることができる他の構造体を、ダイス型収納体２４の基本原理に影響を及ぼすことなく側壁４４の代用として利用することができる。

ストレッチ成形加工時に対象部品Ｗは約５３８℃（１０００°Ｆ）以上に加熱される。従って、ダイス型５８は断熱加工された単材料または複数材料の組み合わせで製造される。これら材料の主要特性は対象部品Ｗとの接触による加熱に対して抵抗性を有し、高温でも寸法的に安定しており、対象部品Ｗからの熱移動を最少化できることである。好適にはダイス型５８が電気絶縁体であり、対象部品Ｗからの抵抗加熱電流をダイス型５８に通流させない。この実施例ではダイス型５８は溶融シリカのごときセラミック材料製の複数部品で製造されている。ダイス型５８は耐熱材料、または後に絶縁層によりコーティングまたは内包加工する非絶縁材料でも製造できる。

対象部品Ｗはストレッチフォーミング装置１０から電気絶縁されているため、対象部品Ｗは電気抵抗加熱効果を利用して加熱することができる。電流源から電流を流すためのコネクタ６４（図７）が対象部品Ｗの各端部に設置される。あるいは加熱電流接続を前述のように挟持部２６から直接的に得ることもできる。熱電対装置または他の温度センサー装置（図示せず）を使用することで温度フィードバック信号を使用して電流源をＰＬＣ制御型とすることもできる。この構成により、急速ではあるが均質な加熱のための適正な温度勾配率が提供され、対象部品Ｗが目標温度に到達したときに電流の低減化も可能にする。知られたタイプのＰＩＤ制御ループを、成形サイクル中に加対象品の温度を自動調整させるように利用することが可能である。この制御は能動式とし、成形サイクル中にプログラムできるようにすることもできる。

ストレッチフォーミング装置１０を使用する例示的な成形法は図７と図８及び図９Ａと図９Ｂに含まれるブロック図を利用して解説されている。まずブロック６８で、対象部品Ｗはダイス型収納体２４内に入れられ、その端部を対象部品の開口部５６から突出状態にし、前扉部４６を閉じる。側扉部５２は最前方位置にする。この状態を図７で示す。上述のようにこの方法はチタン及びチタン合金で製造された対象部品Ｗに特に有効である。しかしながら熱成形加工が望ましい他の材料に対しても利用が可能である。対象部品の断面形状によってはフレキシブルなバッキング部品すなわち“蛇型部品”を使用して成形サイクル中に対象部品の断面が歪変形することを防止しなければならない。この適用例では蛇型部品は可能であれば高温でフレキシブルな絶縁材料製である。必要であれば蛇型部品は対象部品Ｗからのヒートロスを防止するために高温加熱材料製としてもよい。

制御システムのための熱電対または追加フィードバック装置への接続はこの工程中に実行される。ダイス型収納体２４に入れられると対象部品Ｗの端部は挟持部２６内に入れられ、挟持部２６はブロック７０で閉じられる。別の電気加熱接続部６４が使用されると、良好な伝導性の達成のため、必要に応じてそれらは導熱性及び導電性ペーストを使用して対象部品Ｗに取り付けられる。

ブロック７２と７４で示すループにおいて電流は対象部品Ｗに通流され、その抵抗加熱を行う。対象部品Ｗの閉ループ制御型加熱は、望む加工温度の設定値が達成されるまで熱電対または他の温度センサーからのフィードバックを利用して継続される。設定温度までの対象部品の加熱速度は対象部品の断面並びに長さと、熱電対フィードバックを考慮して決定される。

加工温度に到達すると、対象部品の成形加工が開始できる。その設定温度に到達するまで対象部品Ｗの閉ループ加熱は継続する。

ブロック７６と７８で図示されているループでは引張シリンダ２０が対象部品Ｗを縦方向に望むところまで延伸させ、主シリンダ１８は旋回アーム１６を内側に回動させ、必要に応じて加工温度を制御しながらダイス型５８上で対象部品Ｗを包込ませる。側扉部５２は対象部品の端部の動きを収容するように後方スライドする。この状況は図８で図示されている。延伸率、様々な位置での滞在時間及び温度変化は成形加工時に制御システムへのフィードバックを介して制御することが可能である。旋回アーム１６からの位置フィードバックにより対象部品Ｗがその最終位置に到達したことが示されると、制御手段は位置及び/又は張力を対象部品Ｗが解放準備状態となるまで維持する。その設定値に到達するまで制御手段はダイス型の周囲で対象部品Ｗの加熱及び成形加工を継続する。クリープフォーミング加工は、加工温度が必要に応じて制御されている間、対象部品Ｗをダイス型５８に圧接させた状態にて選択された滞在時間だけ維持することで提供される。

ブロック８０と８２で示すループでは電流源を介して補充熱を追加することにより自然冷却の場合よりもゆっくりとしたペースで対象部品Ｗは冷却される。この温度低下率はプログラムされており、温度フィードバックを介して温度をモニターしながら対象部品Ｗを冷却させる。

温度が最終設定温度に到達すると、対象部品Ｗに付与される圧力は解放され、電流源からの電流は停止される。その最終設定温度値に到達するまで、制御手段は設定速度で対象部品Ｗの冷却を継続するのに充分な閉ループ加熱を維持する。

圧力が対象部品Ｗから除去されると挟持部２６は開かれ、電気による掴力は排除される（ブロック８４）。

挟持部２６が開かれ、電気コネクタ６４が外された後に、ダイス型収納体２４は開かれ、対象部品Ｗは取り出される。その後に対象部品Ｗは機械加工、熱処理等の追加処理工程に回される。

前述の加工方法は安価な工具の使用可能性及び優れた再現性等、チタン部品に対するストレッチフォーミング並びにクリープフォーミングの利点を提供する。この方法は従来のチタン部品成形方法に較べて迅速で安価である。さらに対象部品の外部環境からの隔離によって均質な加熱が可能になり、環境へのヒートロスが最少化し、全体的な使用エネルギーが減少する。さらにダイス型収納体２４の使用によって加工中に作業員が対象部品Ｗと接触することが防止され、安全性が向上している。

以上、チタンのストレッチフォーミング装置及び方法を解説した。本発明の範囲を逸脱することなく本発明の様々な細部に変更を加えることは可能である。本発明の好適実施例と最良形態の前述の解説は本発明の説明のみを意図して提供されており、その限定は意図されていない。

図１は本発明に従って構成された例示的ストレッチフォーミング装置の斜視図である。 図２は図１で示すストレッチフォーミング装置の挟持構造体の平面図である。 図３は図１で示すストレッチフォーミング装置の一部を構成するダイス型の収納体の斜視図であり、その扉部は開位置にある。 図４は図３で示すダイス型の収納体の断面図であり、内部構造を図示している。 図５は図３で示すダイス型の収納体の平面図である。 図６はダイス型の収納体の一部分解図であり、側壁扉部の構造を図示している。 図７は図１で示すストレッチフォーミング装置の斜視図であり、対象部品が載置されており、成形加工準備が完了している状態を図示する。 図８は対象部品が完成した状態のストレッチフォーミング装置の斜視図である。 図９Ａはストレッチフォーミング装置を使用した例示的成形方法を示すブロック図である。 図９Ｂは図９Ａのブロック図の続きである。 図１０は図１で示す対象部品の端面図である。

Claims (28)

1. ストレッチフォーミング方法であって、
   (a)選択された非方形断面形状を有した長形金属製対象部品を準備するステップと、
   (b)前記断面形状と相補的な形状であり、断熱材料を含む加工面を有したダイス型を準備するステップと、
   (c)電流を通電させて前記対象部品を加工温度にまで抵抗加熱するステップと、
   (d)前記対象部品が加工温度であるうちに該対象部品と前記ダイス型とを相対的に移動させることで該対象部品を前記加工面に圧接し、該対象部品を塑性延伸加工及び曲げ加工して設定最終形状に成形加工するステップと、
   を含んでいることを特徴とする方法。
2. 対象部品はチタンを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 断面形状は２０未満のアスペクト比を有していることを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 断面形状は押出成形、プレス・ブレーキ成形、ロール成形及び機械成形並びにそれらの組み合わせによって成形されていることを特徴とする請求項１記載の方法。
5. 成形装置の挟持部に対象部品の両端を受領させるステップを含んでいることを特徴とする請求項１記載の方法。
6. 挟持部を介して電流を通電させるステップを含んでいることを特徴とする請求項６記載の方法。
7. 挟持部は旋回アームに取り付けられており、対象部品の成形加工ステップは該旋回アームを移動し、加工面周囲で対象部品を包込むステップを含んでいることを特徴とする請求項５記載の方法。
8. 成形加工中に加工温度を制御するステップをさらに含んでいることを特徴とする請求項１記載の方法。
9. 加工面上で圧接成形状態にて対象部品を加工温度にて選択された時間だけ維持することで対象部品をクリープフォーミングするステップをさらに含んでいることを特徴とする請求項１記載の方法。
10. ダイス型と対象部品の第１部分を収納体で包囲するステップをさらに含んでいることを特徴とする請求項１記載の方法。
11. 収納体は、成形加工ステップ時に対象部品の第２部分を収納体から突出させるための開口部を含んでいることを特徴とする請求項１０記載の方法。
12. ダイス型の加工面は加熱されることを特徴とする請求項１記載の方法。
13. ストレッチフォーミング装置であって、
    (a)長形金属製対象部品を受領して成形するように設計されている選択された非方形断面を備えた加工面を有しており、少なくとも該加工面は断熱材料製であることを特徴とするダイス型と、
    (b)前記対象部品を加工温度にまで電気抵抗加熱する加熱手段と、
    (c)前記ダイス型と前記対象部品とを相対移動させて前記加工面に圧接させ、前記対象部品に延伸加工及び曲げ加工を施す移動手段と、
    を含んでいることを特徴とする装置。
14. 断面形状は２０未満のアスペクト比を有していることを特徴とする請求項１３記載の装置。
15. ダイス型は主としてセラミック材料製であることを特徴とする請求項１３記載の装置。
16. 対象部品のそれぞれの両端を受領する対面状態の挟持部をさらに含んでいることを特徴とする請求項１３記載の装置。
17. 電気抵抗加熱手段は、
    (a)挟持部に電気的に接続されている電流源と、
    (b)前記挟持部と対象部品との間の電気接続部と、
    を含んでいることを特徴とする請求項１３記載の装置。
18. 挟持部は対象部品を加工面周囲で包込むように設計された旋回アームに取り付けられていることを特徴とする請求項１７記載の装置。
19. 成形加工時に加工温度を制御する温度制御手段をさらに含んでいることを特徴とする請求項１３記載の装置。
20. 加工面上で圧接成形状態にて対象部品を加工温度にて選択された時間だけ維持する手段をさらに含んでいることを特徴とする請求項１３記載の装置。
21. ダイス型と対象部品の第１部分を包囲する収納体をさらに含んでいることを特徴とする請求項１３記載の装置。
22. 収納体は対象部品の第２部分を収納体から突出させるためのポート手段を含んでいることを特徴とする請求項１３記載の装置。
23. ダイス型の加工面を加熱する手段をさらに含んでいることを特徴とする請求項１３記載の装置。
24. ストレッチフォーミング装置であって、
    (a)長形金属製対象部品を受領して成形するように設計されている加工面を有しており、少なくとも該加工面は断熱材料製であることを特徴とするダイス型と、
    (b)前記対象部品を加工温度にまで電気抵抗加熱する加熱手段と、
    (c)成形加工時に前記ダイス型と前記対象部品の第１部分とを包囲し、該対象部品の第２部分を突出させるように設計された収納体と、
    (d)前記ダイス型と前記対象部品とを相対移動させて前記加工面に圧接させ、前記対象部品に延伸加工及び曲げ加工を施す移動手段と、
    を含んでいることを特徴とする装置。
25. 収納体は、対象部品を該収納体内に入れさせる開位置と、閉位置との間で移動可能な第１扉部を含んでいることを特徴とする請求項２４記載の装置。
26. 収納体は、対象部品の外側端部分を該収納体に対して移動させる側開口部を含んだ少なくとも１つの側壁を含んでいることを特徴とする請求項２４記載の装置。
27. 側壁の側開口部をカバーする移動可能な扉部をさらに含んでおり、該扉部は対象部品を通過させるように設計された対象部品開口部を有しており、該対象部品開口部は前記側開口部よりも小さいことを特徴とする請求項２６記載の装置。
28. 収納体は上壁及び底壁と、前壁及び後壁と、両側壁と、該側壁の一方に設けられた開位置と閉位置との間で可動な扉部とを有した箱型構造を含んでいることを特徴とする請求項２４記載の装置。

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