JP2011194426A - 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、ストレッチ成形機を用いて板状ワーク１の凹面１ａ側に凸面状の下金型を当接させつつ引張力を作用させるストレッチ成形を行うようにした。
【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、板状ワークの凹面側に凸状の冶具を当てつつ引張力を作用させ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引張力を与えるストレッチ成形加工を行うため、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、凹部を設けた板状ワークは、引張方向の垂直断面の最大断面積／最小断面積の第１比率が、材料の引張強さ／耐力の第２比率と同等または小さくなることが好ましい。
本発明では、第１比率が第２比率よりも大きい場合のように、最小断面部に引張強さ以上の応力が発生して、破断や局部減肉が発生するのを防止することができる。

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、引張力を作用させるストレッチ成形が行えるので、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。 ストレッチ成形機によるストレッチ成形工程を示す側断面図である。 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。

以下、本発明の実施の形態による板状ワークの成形方法について、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、板状ワーク１の凹面側に凸面状の下金型２１（冶具）を当接させつつ引張力を作用させるストレッチ成形を行う第２工程とを有している。

ここで、ポケット１１を有する板状ワーク１として、ストレッチ成形が可能な強度を有する必要があり、第１工程の減肉加工後の引張方向の垂直断面の最大断面積／最小断面積の第１比率ｅ１が材料の引張強さ／耐力の第２比率ｅ２と同等或いは小さくなる成形部材を使用する。
これにより、第１比率ｅ１が第２比率ｅ２よりも大きい場合（ｅ１＞ｅ２）のように、最小断面部に引張強さ以上の応力が発生して、破断や局部減肉が発生するのを防止することができる。

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、上述した第１工程の減肉加工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。
例えば、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部材を用い、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減肉加工を行うことができる。

続いて、第２工程によるストレッチ成形では、図３に示すように、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。

図３に示すように、ストレッチ成形を行うためのストレッチ成形機２は、上面に適宜な曲率の凸曲面２１ａを有する前記下金型２１と、下金型２１上に配置した板状ワーク１を両端部１ｃ、１ｃを把持して凸曲面２１ａに沿って引張力Ｆを与える一対の引張機２２、２３とを備えている。引張機２２、２３は、それぞれ下金型２１を挟んで互いに対向位置であって、下金型２１の凸曲面２１ａの湾曲方向（接線方向）の両側に配置され、下金型２１上にセットされた板状ワーク１の端部１ｃを把持可能であるとともに、互いに近接離反するようにして前記接線方向に往復移動可能となっている。

そして、下金型２１上に置いた板状ワーク１の両端部１ｃ、１ｃを引張機２２、２３によって把持した後、引張機２２、２３を互いに離反する方向へ移動させて板状ワーク１に引張力Ｆを与えることで、板状ワーク１が前記接線方向に伸びつつ凸曲面２１ａに沿って湾曲することになり、平板状の板状ワーク１に円筒曲げを施すことができ、凹面１ａを形成することができる。

ここで、板状ワーク１には、ストレッチ成形機２０による引張力Ｆによる張力が全面にわたって均等に作用するので、減肉された肉厚の薄い部分（減肉部）では大きな応力がかかり、肉厚の大きい部分（減肉加工を施していない一般部）では小さい応力しかかからない。そのため、板状ワーク１としては、前記一般部の断面の応力を部材の耐力以上、且つ降伏応力以上とし、減肉部の応力を引張強さ以下とする必要がある。
これに対して、本実施の形態では、上述したように、第１工程の減肉加工後の引張方向の垂直断面の最大断面積／最小断面積の第１比率ｅ１が材料の引張強さ／耐力の第２比率ｅ２と同等或いは小さくなる成形部材を使用することで、局部減肉や割れ等が発生しない好適なストレッチ成形を行うことができる。

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に対してストレッチ成形機２を使用して引張力を与えたストレッチ成形加工を行うため、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工程のストレッチ成形加工については、上述した実施の形態と同様でストレッチ成形機２０（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工程のストレッチ成形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、ストレッチ成形による曲げ加工時にシム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。

なお、シム３のヤング率が５ＧＰａ未満の場合には、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２５ＧＰａを超える場合には、シム３が加工物に十分になじまないため，曲げ形状が不良（曲げ半径が多く）なる。

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、本実施の形態で第２工程のストレッチ成形に使用したストレッチ成形機２の構成は、これに限定されることはない。
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。
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（ワーク）
１ａ 凹面
２ ストレッチ成形機
３ シム
１１ ポケット（凹部）
２１ 下金型（冶具）

Claims (4)

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、
   前記板状ワークの凹面側に凸状の冶具を当てつつ引張力を作用させる工程と、
   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. 前記凹部を設けた前記板状ワークは、引張方向の垂直断面の最大断面積／最小断面積の第１比率が、材料の引張強さ／耐力の第２比率と同等または小さくなることを特徴とする請求項１又は２に記載の板状ワークの成形方法。
4. 請求項１乃至３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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