JP2011194425A - 板状ワークの成形方法および成形体 - Google Patents

Abstract

【課題】加工効率の向上を図ることができるうえ、産業廃棄物の発生を抑えることができ、しかも成形精度に優れた再現性をもたせることができる。
【解決手段】板状ワーク１の凹面１ａ側の面方向に所定の間隔をおいて複数のポケット１１を設けて減肉加工をし、ポケット１１に対応する形状で、且つ板状ワーク１よりヤング率が小さいシム３をポケット１１に挿入した後、プレス機を用いて板状ワーク１を凸面１ｂ（一方の面）から凹面１ａ（他方の面）側へ曲げる曲げ加工を行うようにした。
【選択図】図５

Description

本発明は、板状ワークの成形方法および成形体に関する。

従来、民間航空機の胴体部に適用される外板等はアルミニウム合金板が用いられて軽量化が図られており、さらなる軽量化のために減肉加工が施されている。そして、航空機の胴体形状となる外板は、所定の曲率をもった形状で成形されており、一般的には平板をプレス曲げした後にケミカルミーリングで減肉加工を行う方法により成形されている。また、他の成形方法として、例えば、特許文献１、２に開示されている方法がある。

特許文献１は、平板状態で成形した後に、機械加工で減肉加工を実施する方法について記載したものである。
特許文献２には、板状ワークにショット材を投射して所定の曲率を与える板状ワークの成形方法であって、所定の曲率を与える成形を行う前の板状ワークに、その板状ワークが成形後に製品として機能するために必要となる板厚加工による前加工を行う工程と、その前加工を施した板状ワークにショット材を投射して所定の曲率を与える工程と、を含む成形方法について提案されている。

特表２００７−５０８９５２号公報 特開２００３−２５０２１号公報

しかしながら、従来の一般的な成形方法においては、平板をプレス曲げした後のケミカルミーリングは加工時間が長く、加工溶液などの産業廃棄物が発生するという問題があった。
また、特許文献１では、曲率を有する外板を機械加工するため、ボールエンドミルを使用する必要があり、加工効率が低下するという不具合が生じていた。
また、特許文献２では、ショット材を投射して成形する方法であり、加工精度に再現性をもたせるのが困難であり、修正加工が必要となっていた。
したがって、上述したような問題のない成形方法が求められており、その点で改良の余地があった。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、加工効率の向上を図ることができるうえ、産業廃棄物の発生を抑えることができる板状ワークの成形方法および成形体を提供することを目的とする。
また、本願発の別の目的は、成形精度に優れた再現性をもたせることができる板状ワークの成形方法および成形体を提供することである。

上記目的を達成するため、本発明に係る板状ワークの成形方法では、板状ワークの凹面側の面方向に所定の間隔をおいて複数の凹部を設ける工程と、プレス又はロール曲げにより板状ワークを一方の面から他方の面の側へ曲げる工程とを有することを特徴としている。

また、本発明に係る成形体では、上述した板状ワークの成形方法によって製造されたことを特徴としている。

本発明では、板状ワークの凹面側の面方向に所定の間隔をおいて凹部を設ける減肉加工を平板の状態で行うことができるので、通常の３軸機械加工装置でエンドミルを使用した機械加工が可能となる。しかも、大径のエンドミルを使用できるので、機械加工時間の短縮が図れ、加工効率を向上させることができる。
また、減肉加工した板状ワークに対してプレス機、或いはロール曲げ機を使用して曲げ加工を行うため、ショット材を投射する従来の方法に比べて、成形精度の再現性に優れ、修正加工が不要となり、成形時間の短縮を図ることができる。
さらに、機械加工による減肉であるので、ケミカルミーリングを使用する場合のように加工溶液の廃液が無く、しかもエンドミルの切削によって生じる切屑がスクラップとして再利用も可能であることから、産業廃棄物の発生を抑えられる利点がある。

また、本発明に係る板状ワークの成形方法では、凹部に対応する形状で、且つ板状ワークよりヤング率が小さいシムを、凹部に挿入する工程を有していることが好ましい。
本発明では、板状ワークに設けた凹部に板状ワークよりヤング率が小さいシムを挿入することにより、曲げ加工時にシムが板状ワークの曲げに追従して弾性変形により湾曲するため、板状ワークの成形後の曲げ半径を大きくすることが可能となる。そのため、凹部を形成する減肉部での曲げ半径が凹部でない一般部の曲げ半径に近づくので、減肉部と一般部との曲げ形状に差が無くなり、多角形状に湾曲することがなく、滑らかな凹面形状を得ることができる。

また、本発明に係る板状ワークの成形方法では、シムは、凹部に対して緩み嵌めされていることが好ましい。
本発明では、板状ワークを曲げたときに、凹部に対するシムのマイナス公差によって、シムの弾性変形が吸収されるので、シムと凹部との密着性が高められる、そのため、曲げ加工時であっても凹部からシムが外れることを防ぐことができる。

また、本発明に係る板状ワークの成形方法では、シムは、加工物よりもヤング率が低いことが望ましく、ヤング率が７〜１０ＧＰａのベークライトであることがより好ましい。
本発明では、ヤング率が７〜１０ＧＰａのベークライトからなるシムを用いることで凹部に対してより優れた密着性能を得ることができる。つまり、シムの曲がりが少なく凹部に対する追従性が悪くなって密着性が低下したり、反対にシムが曲がり過ぎて凹部から抜け出してしまうといった不具合を抑制することができる。

また、本発明に係る板状ワークの成形方法では、凹部は、階段状に形成されていることが好ましい。
本発明では、シムにも凹部の階段状の段差部に対応する段部を設けることで、この段差部分での密着性をより一層高めることができ、追従性を高めることができ、板状ワークを滑らかに曲げることができる。

本発明の板状ワークの成形方法および成形体によれば、板状ワークに凹部を設ける減肉加工を平板の状態で行うことができるので、通常の３軸機械加工装置でエンドミルを使用した機械加工が可能となるから、加工効率の向上を図ることができるうえ、ケミカルミーリングによる減肉加工に比べて産業廃棄物の発生を抑えることができる。
また、曲げ加工においてもプレス又はロール曲げによる機械加工となるので、成形精度に優れた再現性をもたせることができる利点がある。

本発明の第１の実施の形態による板状ワークの減肉加工状態を示す断面図である。 図１に示す板状ワークに曲げ加工を施した状態を示す断面図である。 プレス機による曲げ加工工程を示す部分断面図である。 第２の実施の形態による板状ワークの減肉加工状態を示す断面図である。 図４に示す板状ワークに曲げ加工を施した状態を示す断面図である。 第３の実施の形態による板状ワークの曲げ加工工程を示す部分断面図である。 図６に示す板状ワークの凹部の部分拡大断面図である。 実施例によるシムのヤング率と曲率の関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態による板状ワークの成形方法および成形体について、図面に基づいて説明する。かかる実施の形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。また、以下の図面においては、各構成をわかりやすくするために、実際の構造と各構造における縮尺や数等が異なっている。

（第１の実施の形態）
図１および図２に示す符号１は、例えば航空機の胴体部分に用いられる円筒形の外板の一部（以下、「板状ワーク１」という）であり、本第１の実施の形態の成形方法によって所定の曲率に曲げ加工する適用対象である。板状ワーク１は、アルミニウム合金が使用される。なお、板状ワーク１は、本願発明の「成形体」に相当する。
ここで、図１乃至図３に示す板状ワーク１において、上側を凹面１ａとし、下側を凸面１ｂとして以下統一して説明する。

板状ワーク１の成形方法は、板状ワーク１の凹面１ａ側の面方向に所定の間隔をおいて複数のポケット１１（凹部）を設けて減肉加工をする第１工程と、プレスによる板状ワーク１を凸面１ｂ（一方の面）から凹面１ａ（他方の面）側へ曲げる曲げ加工を行う第２工程とを有している。
ポケット１１は、板状ワーク１の凹面１ａの所定位置に配置され、例えば平面視略四角形状をなし、上述した減肉加工の第１工程により適宜な厚さ寸法となるように形成されている。

次に、板状ワーク１の成形方法についてさらに具体的に説明する。
先ず、第１工程において、図１に示す平板状態の板状ワーク１に対して例えばエンドミルを備えた通常の３軸機械加工装置を用いて、予め設定した箇所を所定深さ（厚さ寸法）により減肉加工を施し、複数のポケット１１を形成する。

続いて、第２工程では、図３に示すように、プレス機２の下金型２１の上に第１工程で減肉加工した板状ワーク１を載置する。ここで、プレス機２は、上下一対の金型（下金型２１、上金型２２）を有し、固定される下金型２１に対して上金型２２が上下動する構造となっている。下金型２１および上金型２２の幅寸法は、それぞれ板状ワーク１の幅寸法よりも大きな寸法となっている。そして、下金型２１には、上金型２２に対応する位置に開口凹部２１ａが設けられている。

そして、板状ワーク１に対して、上金型２２を下金型２１側に押し込み、下金型２１の上に載置させた板状ワーク１を局部的に押圧することで湾曲させる。そして、板状ワーク１を湾曲させる周方向（図３で矢印Ｘ方向）に送りつつ、上金型２２による押圧する動作を順次繰り返すことで平板状の板状ワーク１に円筒曲げを施すことができ、滑らかな凹面１ａを形成することができる。

このような成形方法の具体例として、板状ワーク１として幅寸法２ｍ、長さ寸法６ｍ、板厚寸法ｔ１が約４ｍｍの形状で、２０２４−Ｔ３のアルミニウム合金のものを用い、局部的に板厚寸法ｔ２が２ｍｍとなるように、工具径５０ｍｍのエンドミルを使用して機械加工により第１工程の減肉を行い、次いでプレス機２を用いて順次第２加工となる曲げ加工により曲げ半径で約３ｍの円筒形状に曲げることができる。

上述した本第１の実施の形態による板状ワークの成形方法および成形体では、板状ワーク１の凹面１ａ側の面方向に所定の間隔をおいてポケット１１を設ける減肉加工を平板の状態で行うことができるので、通常の３軸機械加工装置でエンドミルを使用した機械加工が可能となる。しかも、大径のエンドミルを使用できるので、機械加工時間の短縮が図れ、加工効率を向上させることができる。

また、減肉加工した板状ワーク１に対してプレス機２を使用して曲げ加工を行うため、ショット材を投射する従来の方法に比べて、成形精度の再現性に優れ、修正加工が不要となり、成形時間の短縮を図ることができる。
さらに、機械加工による減肉であるので、ケミカルミーリングを使用する場合のように加工溶液の廃液が無く、しかもエンドミルの切削によって生じる切屑がスクラップとして再利用も可能であることから、産業廃棄物の発生を抑えられる利点がある。

次に、本発明の板状ワークの成形方法および成形体による他の実施の形態について、添付図面に基づいて説明するが、上述の第１の実施の形態と同一又は同様な部材、部分には同一の符号を用いて説明を省略し、実施の形態と異なる構成について説明する。

（第２の実施の形態）
図４および図５に示すように、第２の実施の形態による板状ワークの成形方法および成形体では、上述した第１の実施の形態で第１工程の後、その減肉加工により設けたポケット１１に対応する形状で、且つ板状ワーク１よりヤング率が小さいシム３を挿入する工程を有するものである。なお、第２工程の曲げ加工については、上述した実施の形態と同様でプレス機２（図３参照）を用いる方法であるので、ここでは詳しい説明は省略する。

シム３としては、嵌合されるポケット１１に対して密着性が高く、なじみ易い材料が良く、またヤング率が５〜２５ＧＰａである部材が好ましく、より好ましくは７〜１０ＧＰａのベークライトが良い。
そして、シム３は、ポケット１１の内空寸法より僅かに小さいマイナス公差で設けられ、ポケット１１に対して緩み嵌めされている。つまり、ポケット１１内に嵌合されたシム３は、ポケット１１に対して密着しつつ、外部から受ける力に応じて弾性変形により滑りが生じる状態となっている。

本第２の実施の形態では、シム３を設けることで、減肉加工を施していない一般部の第１板厚寸法ｔ１（図４）と、ポケット１１を設けた減肉部分の第２板厚寸法ｔ２（図４）との差（板厚寸法差Δｔ）を無くした状態で、第２工程の曲げ加工を行うことができる。

具体的には、板状ワーク１に設けたポケット１１に板状ワーク１よりヤング率（例えば上述したように５〜２５ＧＰａ）が小さいシム３を挿入することにより、曲げ加工時にシム３が板状ワーク１の曲げに追従して弾性変形により湾曲するため、板状ワーク１の成形後の曲げ半径を大きくすることが可能となる。
そのため、ポケット１１を形成する減肉部での曲げ半径がポケット１１でない一般部の曲げ半径に近づくので、減肉部と一般部との曲げ形状に差が無くなり、多角形状（板厚寸法の大きな一般部を頂点とした多角形を形成するような曲げ）に湾曲することがなく、滑らかな凹面形状を得ることができる。

また、シム３がポケット１１に対して緩み嵌めされているので、板状ワーク１を曲げたときに、ポケット１１に対するシム３のマイナス公差によって、シム３の弾性変形が吸収されるので、シム３とポケット１１との密着性が高められる、そのため、曲げ加工時であってもポケット１１からシム３が外れることを防ぐことができる。

また、上述したようなヤング率が７〜１０ＧＰａのベークライトを使用することで、より優れた密着性能を得ることができる。

なお、シム３のヤング率が２５ＧＰａ以上の場合には、シム３の弾性変形が小さく、曲がりが少なく、ポケット１１の曲がりに対してシム３の追従性が悪くなって、両者間に隙間が発生し、密着性が低くなる。一方、シム３のヤング率が５ＧＰａ未満の場合には、シム３が曲がり過ぎてしまい、多角形形状の抑制の効果は期待できない。

（第３の実施の形態）
図６および図７に示すように、第３の実施の形態による板状ワークの成形方法および成形体は、上述した第２の実施の形態による成形方法のポケット１１およびシム３の形状を代えた方法であって、板状ワーク１のポケット１１に角部に階段状（本実施の形態では１段）の段差部１１ａを形成する減肉加工を行い、この段差部１１ａに対応する段部３ａを有するシム３をポケット１１に嵌合させるものである。また、減肉加工したポケット１１にシム３を嵌合させた状態で、板状ワーク１の凹面１ａにウレタンゴム等からなるシート状の保護材４を配置している。
なお、第２工程の曲げ加工については、上述した実施の形態と同様でプレス機２を用いる方法であるので、ここでは詳しい説明は省略する。

この場合、ポケット１１の段差部１１ａでシム３の段部３ａの追従性が高まり、この段差部分での密着性をより一層向上させることができ、板状ワーク１を滑らかに曲げることができる。
なお、保護材４は、凹面１ａに載せておくだけのものであり、曲げ加工時に曲がるシム３がポケット１１から突出するのを抑える当て止めの機能をもたせている。

次に、上述した第２及び第３の実施の形態による板状ワークの成形方法および成形体による効果を裏付けるために行った試験例について以下説明する。

本実施例では、ベークライトからなるシムをポケットに嵌合させたときの、板状ワークの曲げ加工による曲率を確認した。具体的には、ＦＥＭ解析を用い、板状ワークとシムのモデルを作成し、所定の形状、大きさのポケットにシムを嵌合させた状態で、板状ワークを下記の条件で曲げて解析をし、シム毎にヤング率を変えて板状ワークの曲率を求めた。なお、解析により得られる曲率が大きい値ほど効率よく曲げることができる。

解析条件としては、板状ワーク１の第１板厚寸法ｔ１を６．８７ｍｍ、第２板厚寸法ｔ２を２．５１ｍｍとし、板状ワーク１は、ヤング率を７２Ｐａ、ポアソン比を０．３３とし、密度２．７７ｇ／ｃｍ^３、降伏応力を３２４ＭＰａとした弾塑性体とした。シム３の密度は１．３２ｇ／ｃｍ^３とした。さらに曲げ加工の条件としては、金型と素材、素材同士の摩擦係数を０．２とし、成形速度（送り速度）を１０ｍｍ／ｓｅｃ、送りストロークを約８．９ｍｍとした。

図８に示すように、本解析結果によると、シムのヤング率が７〜１０ＧＰａで曲率が大きくなっていることが確認できる。なお、比較するために、減肉加工がない場合（中実材）も示している。

以上、本発明による板状ワークの成形方法および成形体の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本実施の形態では第２工程の曲げ加工にプレス機２を採用しているが、これに限定されることはなく、ロール曲げ機を用いた曲げ加工であっても良い。

また、本実施の形態ではシム３として、ベークライトを採用しているが、この部材であることに制限されることはなく、他の部材として例えばエポキシ樹脂、不飽和ポリエステル等や、これらにガラス繊維を充填した部材であってもかまわない。

また、シム３はポケット１１に対して脱落防止を目的として両面テープ等で仮止めするようにしてもよい。要は、ポケット１１に緩み嵌めされたシム３がその公差の範囲内で滑りが生じて曲げによる弾性変形が可能な状態となればよいのである。
さらに、本実施の形態ではポケット１１に１段の段差部１１ａを設ける構成としているが、段差数は任意に設定することが可能であり、２段以上の段差部１１ａであってもよい。例えば、板状ワーク１の板厚寸法が大きい場合には多段の段差部とし、板厚寸法が小さい場合には１段、あるいは段差無しとすることができる。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した実施の形態を適宜組み合わせてもよい。

１ 板状ワーク（成形体）
１ａ 凹面

２ プレス機
３ シム
３ａ 段部
４ 保護材
１１ ポケット（凹部）
１１ａ 段差部

Claims (6)

1. 板状ワークの凹面側の面方向に所定の間隔をおいて複数の凹部を設ける工程と、
   プレス又はロール曲げにより前記板状ワークを一方の面から他方の面の側へ曲げる工程と、
   を有することを特徴とする板状ワークの成形方法。
2. 前記凹部に対応する形状で、且つ前記板状ワークよりヤング率が小さいシムを、前記凹部に挿入する工程を有していることを特徴とする請求項１に記載の板状ワークの成形方法。
3. 前記シムは、前記凹部に対して緩み嵌めされていることを特徴とする請求項２に記載の板状ワークの成形方法。
4. 前記シムは、ヤング率が７〜１０ＧＰａのベークライトであることを特徴とする請求項２又は３に記載の板状ワークの成形方法。
5. 前記凹部は、階段状に形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の板状ワークの成形方法。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の板状ワークの成形方法によって製造されたことを特徴とする成形体。

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