JP2013538692A - スピン成形によって物品を製造するスピン成形プロセス及び装置 - Google Patents

Abstract

スピン成形プロセス及び装置が開示される。加工物を所要の形状に向かって変形させるために、加工物（例えば、シートメタル）が、加工物の外表面及び内表面の一方を圧迫する成形ローラに対して回転される。第１及び第２の支持ローラが加工物の反対の表面を圧迫する。成形ローラ並びに第１及び第２の支持ローラの位置のコンピュータ制御が、スピン成形によって非軸対称の形状が製造されることを可能にする。

Description

本発明は、スピン成形(spin forming)によって物品を製造するスピン成形プロセス及び装置に関する。本発明は、金属スピニング(metal spinning)に特別な用途を有するが、必ずしもそれに限定されない。

金属スピニングは、中空の軸方向に対称的な（軸対称の）シートメタル構成部品の製造を可能にする一群の成形プロセスを指す。この一群のプロセスに共通するスピニングの基本的な技法は、単一のステップにおいて或いは一連のステップにおいて、回転旋盤のマンドレルに対してシートメタルブランクを締め付けること、及び、ローラによってマンドレル表面にブランクを漸進的に成形することで構成される。

スピン成形に関する学術文献の詳細な検討が、Music et al (2010) [O. Music, J.M. Allwood, K. Kawai “A review of the mechanics of metal spinning” Journal of Materials Processing Technology 210 (2010) 3-23] によって行われ且つ開示されており、その全文を個々に参照として援用する。

従来的なスピニング、剪断スピニング、及びチューブスピニングは、全てスピン成形プロセスである考えられており、ここで、それらの用語の間に区別を付けることは興味深い。それらの３つのプロセスの共通の機能は、それらが典型的には中空の回転的に対称な部品の製造を可能にすることである。それらの３つのプロセスの間の主な相違は、成形部品の壁厚において明らかである。従来的なスピニングでは、壁厚がプロセスを通じてほぼ一定なままであるので、成形部品の最終的な壁厚はブランクの厚さと実質的に等しいことである。対照的に、剪断スピニング及びチューブスピニングでは、壁厚が減少させられる。剪断スピニングにおいて、部品厚さは、構成部品の壁と回転の軸との間の角度によって規定される。チューブスピニングにおいて、最終的な厚さは、加工物の長さの増大によって定められる。更に、従来的なスピニング及びチューブスピニングでは、部品を単一のステップ又は多数のステップにおいて成形し得るが、剪断スピニングでは、成形は単一のステップで行われる。

従来的なスピニングプロセスを図１に例示する。図１では、初期的なシートメタル加工物１０が、心押台１２とマンドレル１４との間に締め付けられた状態で、金属スピニング装置内に保持されている。マンドレル１４、シートメタル加工物１０、及び心押台１２は、主回転軸Ａについて回転可能である。回転するシートは、ローラアーム１８によって支持され且つローラ軸Ｘについて回転可能なローラ１６を使用して、マンドレル１４に向かって押圧される。図２は、既知の従来的な金属スピニングプロセスによって成形可能な実行可能な幾何学的形状の例を示している。図面から分かるように、全ては軸対称であり、実行可能な軸対称形状の範囲は比較的広い。

剪断スピニングプロセスを図３に例示する。初期的なシートメタル加工物２０は、厚さｔ_０を有する。初期的なシートメタル加工物２０は、心押台２２とマンドレル２４との間に締め付けられた状態で、金属スピニング装置内に保持されている。マンドレル２４、シートメタル加工物２０、及び心押台２２は、主回転軸Ａについて回転可能である。回転するシート２０ａは、ローラアーム２８によって支持されたローラ２６を使用して、マンドレル２４に向かって押圧される。剪断スピニングプロセスにおいて、金属加工物の厚さは、実質的にｔ_１まで減少させられ、ここで、ｔ_１＜ｔ_０である。一部の剪断スピニングプロセスでは、（主回転軸Ａに対して垂直に測定される）スピニングプロセス後の加工物の全体的な直径は、スピニングプロセス前と同じである。剪断スピニングの限界は、最終的な幾何学的幾何学的形状において達成し得る最小の角度αによってもたらされ、そこでは、

である。

αが増大させられると、αのための所要の値を達成するのに必要とされる壁厚の減少は極めて有意となり、加工物の失敗を招き、そこでは、αのための所要の値は低すぎる。図４は、剪断スピニングプロセスによって成形可能な実行可能な幾何学的形状の例を示している。

一部の作業者は、金属スピニングが軸対称の幾何学的形状の製造に限定されることを認識している。従って、非軸対称の幾何学的形状を製造するために、金属スピニングプロセスの改変を試みる何らかの作業が行われている。

例えば、ＵＳ２００５／０１８３４８４は、加工物に対するローラ工具の押圧力を制御するために、制御システムの使用を開示しており、そこでは、マンドレルは、非軸対称の幾何学的形状を有する。プロセス中、加工物はマンドレルの外側形状に従う。類似のプロセスがＵＳ２００８／００２２７４１に示されている。

本発明者が認識したことは、ＵＳ２００５／０１８３４８４及びＵＳ２００８／００２２７４１は、非軸対称の幾何学的形状を備える物品の製造のためのプロセスをもたらし得るが、それらのプロセスは、金属スピニングプロセスが遂行される前に、特別な所要の非軸対称の幾何学的形状が成形マンドレルの形態において先ず提供されなければならないという不利を抱えるということである。これは多くの同一の形状の物品を製造するためにマンドレルを多数回使用する場合には受け入れ得るが、このプロセスは、所要の幾何学的形状に対する小さな変更さえも新しいマンドレルの製造を必要とするという点において、柔軟性を欠く。

本発明者は、類似の問題が軸対称の幾何学的形状を有する物品の製造に関して存在することを認識している。

従って、本発明者は、上記問題の１つ又はそれよりも多くに取り組むことに努め、好ましくは、これらの問題の１つ又はそれよりも多くを改善し或いは克服しさえする。

スピン成形に関する一般的な特徴において、本発明は、従来的なマンドレルを、加工物の表面を圧迫する少なくとも２つの支持体と置換し、加工物は２つの支持体に対して回転可能である。

第１の好適な特徴において、本発明は、加工物から所要の形状の物品を製造するスピン成形プロセスを提供し、加工物は、物品の所要の形状に関して、外表面と内表面とを有し、加工物は、所要の形状に向かって加工物を変形するよう、加工物の外表面及び内表面の一方を圧迫する成形工具に対して回転され、第１の支持体が、加工物の内表面及び外表面の一方を圧迫し、第２の支持体が、成形工具と比べた加工物の反対の表面を圧迫し、加工物は、第１及び第２の支持体に対して回転する。

第２の好適な特徴において、本発明は、スピン成形によって加工物から所要の形状の物品を製造する装置を提供し、加工物は、物品の所要の形状に関して、外表面と内表面とを有し、当該装置は、加工物を当該装置内に回転可能に取り付けるための取付け手段と、加工物を所要の形状に向かって変形するために、加工物の外表面及び内表面の一方を圧迫する成形工具と、加工物の内表面及び外表面の一方を圧迫する第１の支持体と、成形工具と比べた加工物の反対の表面を圧迫する第２の支持体とを有し、当該装置は、加工物が第１及び第２の支持体に対して回転することを可能にするよう動作可能である。

本発明の好適且つ／或いは任意的な機能を今や示す。文脈がその他を規定しない限り、これらは単独で或いは本発明の任意の特徴との任意の組み合わせにおいて適用可能である。

加工物は金属で形成されるのが好ましい。任意の適切な金属、例えば、鋼、真鍮、アルミニウム（及び／又はアルミニウム合金）、チタン（及び／又はチタン合金）等を使用し得る。しかしながら、他の使用可能な開始材料、例えば、ＰＶＣのようなプラスチック材料を使用してスピン成形を実施することが可能である。

加工物は、典型的には、シート（薄板）形態である。よって、初期的な加工物の内表面及び外表面は、装置内の加工物の向きによって並びに成形されるべき物品の所要の形状によって指定される。

加工物は、均一な初期的な厚さを有し得る。しかしながら、これは必ずしも本質的ではない。何故ならば、非均一な初期的な厚さの加工物を使用してスピン成形プロセスを実施し得るからである。

本発明の少なくとも一部の実施態様のためには、スピン成形プロセスが加工物の厚さを実質的に変更しないことが好ましい。よって、上記に導入した用語に関して、スピン成形プロセスは、剪断スピニングというよりもむしろ、ある種の従来的なスピニングであるのが好ましい。

スピン成形プロセス中に加工物の内表面と加工物の回転軸との間の角度を考慮することが可能である。より一般的には（この角度が加工物における位置と共に変化する場合には）、角度αを加工物の回転軸Ａと特定の位置での加工物の内表面に対する接線との間の角度として定めることが可能であり、接線は、加工物の回転軸Ａを含む平面内に引かれる。その特定の位置で、加工物の初期的な厚さがｔ_０であり、加工物の最終的な厚さがｔ_１である場合には、９０°未満のαの値のために、以下の不等式（１）が満足されることが好ましく、

不等式（１）が満足される場合、スピン成形後の加工物の厚さは、スピン成形プロセスが剪断スピニングプロセスであった場合に予想される厚さよりも大きい。

スピン成形によって形成される物品上の少なくとも一部の位置で、角度αは、４５°以下であり、より好ましくは、４０°以下、３５°以下、３０°以下、２５°以下、２０°以下、１５°以下、１０°以下、５°以下、０°以下、−１０°以下、又は−２０°以下であり得る。物品の内表面総面積の少なくとも５％に対応する物品の内表面の面積のために、角度αに関する上記限定の何れかを満足し得るのが好ましい。物品の内表面総面積の少なくとも１０％、少なくとも２０％、少なくとも３０％、又は少なくとも４０％に対応する物品の内表面の面積のために、角度αに関する上記限定の何れかを満足し得るのがより好ましい。

物品の所要の形状は、軸対称の形状であり得る。しかしながら、一部の好適な実施態様では、物品の所要の形状は、非軸対称の形状であってもよい。

例えば、断面が回転軸に対して垂直に取られる物品の断面形状を考えるとき、断面形状は、典型的には、非円形である。その形状は、例えば、楕円形、長円形、規則的な円弧形状、不規則な円弧形状、三角形、四角形、規則的な多角形、不規則な多角形、又はこれらの形状の任意の組み合わせ（例えば、少なくとも１つの直線壁部分を含む概ね円弧の形状、又は少なくとも１つの湾曲壁部分を含む概ね多角形の形状）であってもよい。一部の実施態様において、（回転軸に対して垂直に取られる）断面形状は、凹入(re-entrant)部分を含む。角度αは、断面形状の周辺の周りで、例えば、５％以上だけ、異なり得る。

断面が回転軸に沿って（或いは平行に）取られる物品の断面形状を考えるとき、回転軸に沿う距離に伴う角度αの変化に関して、その形状を考え得る。この変化は、回転軸に沿う距離Ｄの直線変化の少なくとも一部（例えば、回転軸に沿う物品の高さの少なくとも５％）を含み得る。追加的に或いは代替的に、この変化は、少なくとも一部（例えば、回転軸に沿う物品の高さの少なくとも５％）を含んでもよく、その場合、第１の導関数ｄα／ｄＤは正又は負である。追加的に或いは代替的に、この変化は、少なくとも一部（例えば、回転軸に沿う物品の高さの少なくとも５％）を含んでもよく、その場合、第２の導関数ｄ^２α／ｄＤ^２は正又は負である。

第２の支持体は、成形工具と比べた加工物の反対（内又は外）側を圧迫するのが好ましい。よって、成形工具が外表面を圧迫するならば、第２の支持体は、好ましくは、内表面を圧迫し、或いは、その逆である。

同様に、一部の実施態様において、第１の支持体は、成形工具と比べた加工物の反対の（内側又は外側）表面を圧迫する。しかしながら、第１及び第２の支持体が加工物の同じ表面を圧迫することは、全ての実施態様において本質的であるとは考えられない。

スピン成形中に、並びに／或いは、最終物品に関して、加工物及び／又は最終物品の近位端部及び遠位端部を定めることが可能である。近位端部は、遠位端部に比べて、加工物の取付け領域により近接し、加工物の回転軸に沿って考えるとき、加工物は、上記領域で、装置内に（例えば、締付けによって）回転可能に取り付けられる。第１の支持体は、第２の支持体の近位に配置されるのが好ましい。

加工物の内表面又は外表面を圧迫する第３の支持体が設けられるのが好ましい。第１及び第２の支持体と同様に、加工物は、第１及び第２の支持体に対して回転するのが好ましい。第３の支持体は、第１の支持体の遠位に配置されるのが好ましい。第３の支持体は、第２の支持体の横方向に配置されるのが好ましい。

第２及び第３の支持体は、好ましくは、第１の支持体から横方向に片寄らされる。より好ましくは、第２及び第３の支持体が、第１の支持体から反対方向に、横方向に片寄らされる。第２及び第３の支持体に関して、この第１の支持体からの横方向の偏り（片寄り）は実質的に等しい。第２及び第３の支持体の間の距離は、第１及び第２の支持体の間の距離よりも少ないのが好ましい。第２及び第３の支持体の間の距離は、第１及び第３の支持体の間の距離よりも少ないのが好ましい。第１及び第２の支持体の間の距離は、第１及び第３の支持体の間の距離と実質的に等しいのが好ましい。

よって、一部の実施態様において、第１、第２、及び第３の支持体は、三角形の形状に配置される。

物品の所要の形状に依存して、第２及び／又は第３の支持体を、第１の支持体から横方向に片寄らせてもよい。

本発明者は、既知のスピン成形プロセスの注意深い分析に基づき、既知のスピン成形プロセスにおいて使用されるマンドレルは、３つの主要な場所で加工物と接触するに過ぎないことを発見した。これらの場所は、加工物の上での成形工具の相対的な位置に依存して並びに加工物の回転に依存して異なる。よって、本発明において使用される支持体がマンドレルの役割を果たし得る。更に、以下に説明するように、内部支持体の位置の適切な制御によって、異なる形状のマンドレルの使用を模擬（シミュレート）することが可能である。よって、一般的には、第１、第２、及び第３の支持体は、加工物と、成形工具を使用して物品を加工物から所要の形状に成形するのに必要とされる概念上のマンドレルとの間に設けられるのが好ましい。

成形工具は、物品の所要の形状をもたらすために配置されるのが好ましい。成形工具を第２及び／又は第３の支持体の遠位に配置し得る（例えば、その場合、角度αは、９０°未満である）。しかしながら、一部の実施態様において、角度αは、（少なくとも局所的に）９０°より大きくてもよく、その場合には、成形工具を第２及び／又は第３の支持体のために近位に配置し得る。成形工具は、第２及び／又は第３の支持体から径方向に片寄らされるのが典型的である。第１の支持体と実質的に整列して成形工具を配置し得る。第２及び第３の支持体を成形工具から横方向に片寄らせ得る。

成形工具は、少なくとも１つの成形ローラを含むのが好ましい。成形ローラは、典型的には、成形ローラアームに対して回転可能である。成形ローラの使用は、成形工具と回転する加工物との間の摩擦損失を削減する。成形工具は、機械制御の下で、回転する加工物に対して位置付け可能であるのが好ましい。典型的には、この機械制御は、計算機数値制御（ＣＮＣ）である。そのようなアプローチの使用は、成形工具の位置が、加工物の回転速度に対応する速度で、極めて精密に制御されることを可能にする。成形工具の位置は、（加工物の回転軸と平行な）近位−遠位方向において、及び／又は、径方向において、及び／又は（径方向に対して垂直且つ近位−遠位方向に対して垂直な）横方向において制御可能であるのが好ましい。

第１の支持体は、少なくとも１つの第１の支持ローラを含むのが好ましい。典型的には、第１の支持ローラは、第１の支持ローラアームに対して回転可能である。第１の支持ローラの使用は、第１の支持体と回転する加工物との間の摩擦損失を削減する。第１の支持体は、機械制御の下で、回転する加工物に対して位置付け可能であるのが好ましい。典型的には、この機械制御は、計算機数値制御（ＣＮＣ）である。そのようなアプローチの使用は、第１の支持体の位置が高速に極めて精密に制御されるのを可能にするので、第１の支持体は、加工物の回転速度に対応する速度で、加工物の周りの所要の経路に従い得る。第１の支持体の位置は、（加工物の回転軸と平行な）近位−遠位方向において、及び／又は、径方向において、及び／又は（径方向に対して垂直且つ近位−遠位方向に対して垂直な）横方向において制御可能であるのが好ましい。

第２の支持体は、少なくとも１つの第２の支持ローラを含むのが好ましい。典型的には、第２の支持ローラは、第２の支持ローラアームに対して回転可能である。第２の支持ローラの使用は、第２の支持体と回転する加工物との間の摩擦損失を削減する。第２の支持体は、機械制御の下で、回転する加工物に対して位置付け可能であるのが好ましい。典型的には、この機械制御は、計算機数値制御（ＣＮＣ）である。そのようなアプローチの使用は、第２の支持体の位置が高速に極めて精密に制御されるのを可能にするので、第２の支持体は、加工物の回転速度に対応する速度で、加工物の周りの所要の経路に従い得る。第２の支持体の位置は、（加工物の回転軸と平行な）近位−遠位方向において、及び／又は、径方向において、及び／又は（径方向に対して垂直且つ近位−遠位方向に対して垂直な）横方向において制御可能であるのが好ましい。

第３の支持体は、少なくとも１つの第３の支持ローラを含むのが好ましい。典型的には、第３の支持ローラは、第３の支持ローラアームに対して回転可能である。第３の支持ローラの使用は、第３の支持体と回転する加工物との間の摩擦損失を削減する。第３の支持体は、機械制御の下で、回転する加工物に対して位置付け可能であるのが好ましい。典型的には、この機械制御は、計算機数値制御（ＣＮＣ）である。そのようなアプローチの使用は、第３の支持体の位置が高速に極めて精密に制御されるのを可能にするので、第２の支持体は、加工物の回転速度に対応する速度で、加工物の周りの所要の経路に従い得る。第３の支持体の位置は、（加工物の回転軸と平行な）近位−遠位方向において、及び／又は、径方向において、及び／又は（径方向に対して垂直且つ近位−遠位方向に対して垂直な）横方向において制御可能であるのが好ましい。

第１及び第２の支持ローラアームは、近位構造から加工物内に遠位に延びるのが好ましい。同様に、第２の支持ローラアームは、近位構造から加工物内に遠位に延びるのが好ましい。同様に、第３の支持ローラアームは、近位構造から加工物内に遠位に延びるのが好ましい。第２及び第３の支持ローラアームの近位構造を互いに接続し得るが、第２及び第３の支持体の位置が独立的に制御可能であるのが好ましい。

一部の実施態様において、プロセスは、従来技術の剪断スピニングプロセスから既知のマンドレルが上記に議論した支持体によって置換される剪断スピニングプロセスに従い得る。そのようなプロセスでは、加工物の厚さは、以下の等式（２）に示すような角度αに依存して減少されるのが典型的である。

上述の第１、第２、及び（任意的に）第３の支持体を使用して剪断スピニングプロセスを実施することが可能である。しかしながら、その剪断スピニングプロセスは、第４の支持体を更に有するのが好ましく、加工物は、第４の支持体に対して回転する。第４の支持体は、主成形工具と実質的に一致して配置されるのが好ましい。よって、第４の支持体は遠位に配置されるが、第１の支持体と軸方向に整列されるのが好ましい。更に、第４の支持体は、第２及び第３の支持体の間に配置されるのが好ましい。

第４の支持体の適切な制御は、成形プロセス中に加工物の厚さが変更させられるのを可能にする。

第４の支持体は、典型的には、第２及び第３の支持体に関して示したのと同様に、第４の支持ローラを含み、同様に、好ましくは、独立的に制御可能である。

角度αを０°に設定することによって、チューブスピニングプロセスを遂行するためにも本装置を使用し得る。

一部の好適な実施態様において、第１及び第２の支持体は、加工物の内表面を圧迫する。この関係において、第１及び第２の支持体を第１及び第２の内部支持体と考え得る。従って、成形工具は、加工物の外表面を圧迫するのが好ましい。装置が第３及び／又は第４の支持体を含む場合、これらは加工物の内表面も圧迫するのが好ましい。このようにして、上記に議論したように、これらの好適な実施態様は、所要の物品形状を製造するために、より柔軟性のある成形手順をもたらし得る。

本発明者は、本発明が必ずしも内部支持体の使用に限定されないことを認識した。代わりに、成形工具を加工物の内表面に適用することが可能である。その場合には、第２の支持体が加工物の外表面を圧迫するのが好ましい。この関係において、第２の支持体を第２の外部支持体と考え得る。第１の支持体は、所要の構造に依存して、加工物の内表面を圧迫し得る。装置が第３及び／又は第４の支持体を含む場合、これらは加工物の外表面を圧迫するのが好ましい。より複雑な形状の製造において、或いは、比較的より凹面の加工物からの比較的より平坦な物品の製造、例えば、カップ状の加工物からの薄板状の物品の製造において、これは興味深い。

プロセス中に加工物の形状の精密な制御をもたらすために、本発明の一部の好適な実施態様は、プロセス中に加工物の形状を検知するよう構成される少なくとも１つのセンサを利用する。製造される加工物の幾何学的形状を加工物の所要の（或いは計算される）幾何学的形状と比較するためのフィードバック制御をもたらすために、制御システムを設け得る。よって、目標とする加工物形状と実際の加工物形状との間の差を比較するための手段が設けられる。有意な差が検出される場合、装置はこの差を低減するために制御される。適切な制御は、成形工具及び／又は支持体の位置、加工物の回転速度等であり得る。

本発明者はこの種類の制御がスピン成形プロセスに必ずしも限定されないと考える。

従って、本発明の更なる特徴では、シートメタル加工物がシートメタル成形装置を使用して初期構成から最終的な構成に変形されるシートメタル成形プロセスが提供され、その場合、シートメタル成形装置は、少なくとも１つのセンサを含み、シートメタル成形プロセスは、初期構成から最終構成に向かう変形中にセンサを使用して加工物の形状を感知し、加工物の感知形状を加工物の所要の（或いは計算される）形状と比較し、且つ、加工物の感知形状と加工物の所要の（或いは計算される）形状との間の差を減少させるよう装置を制御することを含む。

本発明の更なる特徴では、初期構成から最終構成に向かってシートメタル加工物を変形するためのシートメタル成形装置が提供され、当該シートメタル成形装置は、
初期構成から最終構成に向かう変形中にセンサを使用して加工物の形状を感知するよう構成される少なくとも１つのセンサと、
加工物の感知形状を加工物の所要の（或いは計算される）形状と比較し、加工物の感知形状と加工物の所要の（或いは計算される）形状との間の差を減少させるよう装置を制御するよう構成される制御システムとを有する。

本発明の更なる好適な機能を以下に詳説する。

以下に、以下の図面を参照して、本発明の好適な実施態様を記載する。

既知の従来的なスピン成形プロセスを概略的に示す断面図である。 図１のプロセスを使用して成形し得る典型的な軸対称の形状を示す概略図である。 既知の剪断スピニングプロセスを概略的に示す断面図である。 図３のプロセスを使用して成形し得る典型的な軸対称の形状を示す概略図である。 本発明のある実施態様に従ったスピン成形プロセス及び装置を概略的に示す（回転軸と平行な）断面図である。 図５のスピン成形プロセス及び装置を概略的に示す（回転軸に対して垂直な）端面図である。 スピン成形プロセスの有限要素モデリングの結果を示す概略図である。 本発明の実施態様を使用して形成し得る幾つかの三次元形状及び壁プロファイルを示す概略図である。 図５に対応する断面図であり、混合ローラ（第１の内部支持ローラ）アームと、支持ローラ（第２及び第３の内部支持ローラ）アームとを含む。 図６に対応する端面図であり、混合ローラ（第１の内部支持ローラ）アームと、支持ローラ（第２及び第３の内部支持ローラ）アームとを含む。 本発明のある実施態様に従った組立後の装置を概略的に示す等角図である。 図１１の装置を示す平面図である。 図１１の装置において使用される成形ローラモジュールを示す斜視分解図である。 図１１の装置において使用される混合ローラ（第１の内部支持ローラ）モジュールを示す斜視分解図である。 図１１の装置において使用される支持ローラ（第２及び第３の内部支持ローラ）モジュールを示す斜視図である。 本発明の他の実施態様に従ったスピン成形プロセス及び装置を概略的に示す（回転軸と平行な）断面図である。 図１６の成形プロセス及び装置を概略的に示す（回転軸に対して垂直な）端面図である。 図１６に基づく変形実施態様を示す断面図である。 図１７に基づく変形実施態様を示す端面図である。 図５に基づく変形実施態様を示す断面図である。 図６に基づく変形実施態様を示す端面図である。 図１８に基づく変形実施態様を示す断面図である。 図１９に基づく変形実施態様を示す端面図である。

本発明の好適な実施態様は、修正されたスピン成形プロセスをもたらす。この開示において、「スピン成形」という用語は、「金属スピニング」と交換可能に使用されるが、好適な実施態様は、金属以外の開始材料、例えば、可鍛性のプラスチック材料と協働し得ることが認められる。しかしながら、本発明の最も好適な実施態様では、開始材料は、金属材料、典型的には、シートメタル（板金）である。

本発明の好適な実施態様では、マンドレルの役割が内部支持ローラの適切な配置によってもたらされる、柔軟性のあるスピン成形プロセスが提供される。所望であれば、これは非軸対称の構成部品の製造も可能にする。

図７を参照すると、成形ローラ５２を使用する加工物５０のスピン成形プロセスの有限要素モデリングは、加工物５０に対するローラ５２の各位置に関して、加工物５０が３つの場所だけでマンドレルと接触することを明らかにしている。これらは、加工物の回転可能な取付け位置に近接して配置され且つローラ５２と軸方向に整列される第１の場所５４、並びに、第２の場所５６及び第３の場所であり、第２の場所及び第３の場所は、夫々、第１の場所から遠位に離間され且つ第１の場所及びローラ５２の位置から横方向に片寄らされている。

従って、本発明のある好適な実施態様によれば、内部支持体の対応する配置を使用してマンドレルを置換可能であり、加工物は内部支持体に対して回転することが可能にされる。

図５は、本発明のある好適な実施態様に従ったスピン成形プロセス及び装置の（回転軸と平行な）概略的な断面図を示している。図６は、この実施態様の概略的な端面図を示している。これらの図面において、初期的な加工物３０はシートメタルで形成される。プロセス中、この初期的な加工物は、物品３３の所望の最終的な形状に向かって漸進的に変形される。加工物３０は、回転軸Ａについての回転のために心押片３２によって回転可能に保持される。成形ローラ３６が成形ローラアーム３８によって回転可能に保持され、加工物の外表面４０を圧迫する。

内部支持ローラの配置が、加工物の内表面４２を圧迫する。第１の内部支持ローラ４４（ここでは混合ローラとも呼ぶ）が、物品３３の心押台端部に近接して設けられている。第２の内部支持ローラ４６（及び第３の内部支持ローラ４８−図６を参照）が、第１の内部支持ローラ４４から遠位に、第１の内部支持ローラ４４から横方向に片寄らされて設けられている。成形ローラ３６は、第１、第２、及び第３の内部支持ローラから遠位に離間しているが、第１の内部支持ローラ４４から横方向に片寄らされていない。

図５及び図６に例示する構造は、従来的なスピニングプロセスと比べて２つの主要な利点を有する。第１に、最終物品の各々の所望の形状のために特別なマンドレルが不要なので、その構造は柔軟性を有する。第２に、回転軸と平行な移動を可能にすることに加えて、ローラの移動を径方向に（並びに、任意的に、横方向に）制御することが可能であり、それは非軸対称の物品の製造が可能であることを意味する。

図８は、本発明の好適な実施態様を使用して可能な、異なる複雑性を有する三次元形状の幾つかの実施例を示している。本発明を使用して円形のカップを成形し得るが、従来的なスピン成形を使用しても成形し得る。しかしながら、従来的なスピン成形によっては楕円形のカップ及び長方形のカップを成形し得ない。更に、インゲン豆形状のカップは高度に複雑な形状であり、凹入を含む断面を有する。この形状も本発明の好適な実施態様を使用して可能である。

図８は、本発明の実施態様を使用して成形し得る壁プロファイルも示している。従来的なスピン成形を使用して直線プロファイルを成形し得る。二次プロファイルを成形し得るのと同様に、従来的なスピン成形を使用して段付き直線プロファイルも成形し得る。しかしながら、もちろん、そのようなプロセスのためには、特別なマンドレル形状が生成されなければならない。従来的なスピン成形を使用して図８に示す凹入プロファイルを成形するのはより困難である。何故ならば、適切に成形されるマンドレルを完成製品から取り除くのは困難だからである。本発明の好適な実施態様を使用して、そのような形状を簡単な方法において成形し得る。何故ならば、内部支持体は、所要のマンドレルのような支持をもたらすが、それらの位置の制御が、これらの複雑な形状の成形を可能にするからである。

図９及び図１０は、図５及び図６に対応する図面を示しているが、混合ローラアーム６０及び支持ローラアーム６２，６４を示している。図１０中の直線矢印は、混合ローラアーム６０及び支持ローラアーム６２，６４を回転軸Ａと平行に移動させるよう、混合ローラアーム６０及び支持ローラアーム６２，６４を制御し得ることを示している。これに加えて、好適な実施態様では、内部支持ローラの位置の対応する制御をもたらすために、混合ローラアーム６０及び支持ローラアーム６２，６４を径方向に移動し得る。更に、一層更なる好適な実施態様では、加工物の内表面の適切な支持のために、所要の場所で内部支持ローラの精密な位置付けをもたらすために、混合ローラアーム６０及び支持ローラアーム６２，６４を追加的に横方向に（即ち、回転軸Ａに対して垂直で径方向に対して垂直な方向に）移動し得る。ここで、「横」方向への言及は、支持ローラアーム６２，６４の間の回転角を調節するための支持ローラアーム６２，６４の制御を含み、よって、「横方向の偏り（片寄り）」は、「円周方向の偏り（片寄り）」と同じ意味を有する。

加工物の回転速度、成形ローラ３６の位置、及び内部支持ローラ４４，４６，４８の位置の制御は、当業者によって理解される方法において、計算機数値制御（ＣＮＣ）によってもたらされるのが典型的である。

図１１乃至１５は、本発明のある実施態様に従った完全な装置の図面を示している。

図１１は、本発明のある実施態様に従った組立後の装置８０の概略的な等角図を示している。装置８０はベースプレート８２の上に支持され、次いで、ベースプレート８２は、支持フレーム８４の上に支持されている。図１２は、装置８０の平面図を示している。加工物９４がスピンドル９２によって回転可能に支持されている。３つの認識し得るモジュールが加工物９４と相互作用する。これらは、混合ローラモジュール８６、支持ローラモジュール８８、及び成形ローラモジュール９０である。図１３乃至１５を参照して、これらをより詳細に記載する。

図１３は、成形ローラモジュール９０を示している。成形ローラ９２が成形ローラアーム９４によって回転可能に支持されている。成形ローラアーム９４は、成形ローラアームプレート９６に剛的に取り付けられている。成形ローラアームプレート９６は、径方向位置決め手段９８から取り外された状態で示されているが、使用中、成形ローラアームプレート９６は、径方向位置決め手段９８に取り付けられる。径方向ボールネジ及び径方向直線ガイド１０６との組み合わせにおける径方向モータ１００の適切な制御によって、成形ローラ９２の径方向位置を調節し得る。次いで、径方向位置決め手段９８は、軸方向位置決め手段１０６の上で支持される。従って、成形ローラ９２の軸方向位置は、軸方向モータ１０８、軸方向ボールネジ１１０、及び軸方向直線ガイド１１２の適切な制御によって制御される。図１４は、混合ローラモジュール８６を示している。この実施態様において、混合ローラ１１４の径方向動作は電動であるが、混合ローラ１１４の径方向動作は手動で制御される。更なる好適な実施態様において、混合ローラの軸方向動作は電動制御の下にあってもよく、当業者によって理解される方法において実施される。

図１４において、混合ローラ１１４は、混合ローラアーム１１６の上に保持され、混合ローラ１１４の径方向動作は、径方向直線ガイド１２０及び径方向ボールネジ１２２との組み合わせにおける径方向モータ１１８の適切な制御によって制御される。軸方向直線ガイド１２４は、混合ローラ１１４の軸方向位置の制御をもたらす。図１５は、支持ローラモジュール８８を示しており、第２及び第３の支持ローラ１２６，１２８が、夫々の内部支持ローラアーム１３０，１３２に対して回転可能に取り付けられている。第２及び第３の支持ローラ１２６，１２８の径方向位置は、径方向モータ１３４，１３６によって独立的にもたらされ、径方向ボールネジ１３８及び径方向直線ガイド１４０は、径方向モータ１３６に対してのみ示されている。この実施態様において、第２及び第３の内部支持ローラ１２６，１２８の軸方向位置は、単一の軸方向モータ１４２並びに対応する軸方向ボールネジ１４４及び軸方向直線ガイド１４６によってもたらされる。当業者に明らかであるように、代替的な実施態様では、独立した対応する軸方向モータ、ボールネジ、及び直線ガイドを設けることによって、第２及び第３の内部支持ローラ１２６，１２８の直線位置を独立的にもたらし得る。

図１１乃至１５の装置中の様々なローラの位置の適切な制御を使用するならば、成形ローラ９２が加工物の外表面を圧迫し、混合ローラ１１４並びに第２及び第３の内部支持ローラ１２６，１２８がマンドレルの代わりに加工物の内表面を圧迫する状態で、加工物１９４をスピン成形に晒し得る。従って、異なるマンドレルを必要とすることなく、ローラの位置の適切な数値制御を必要とするだけで、装置の運転中に物品の形状を変更し得る。更に、上記に議論したように、非軸対称の物品も製造し得る。

本発明者は剪断スピニング及び／又はチューブスピニングプロセスを遂行するために本発明の実施態様を使用し得ることも認識した。図３は、従来的な剪断スピンニングプロセスを例示している。従来的なスピニングプロセスからの２つの主要な相違がある。即ち、壁角度（α）によって規定される厚さの変化があり、剪断スピニングは単一通過(single pass)において遂行され、ローラがマンドレルプロファイルに従い、剪断スピニングローラ（成形工具）はその先端に鋭い半径を有する。

よって、本発明の更なる実施態様では、マンドレルがローラと交換される剪断スピニングプロセスが提供される。このために異なる選択肢がある。図１６及び１７に例示する１つの実施態様では、加工物２３０は、マンドレル２３２に近接して配置される第１の内部支持ローラ２４４によって内表面で支持され、第２及び第３の内部支持ローラ２４６，２４８は、互いに横方向に片寄っている。主成形ローラ２３６が成形アーム２３８によって保持されている。主成形ローラは、剪断スピニングローラであり、端部に鋭い「ノーズ」(“nose”)半径を備える。プロセス中、第２及び第３の支持ローラは、主成形ローラと共に径方向及び軸方向の両方に移動し、主成形ローラからの径方向の片寄り（偏り）は、加工物の最終厚さと等しい。工具経路が単一通過であるのは可能であるが、これは必ずしも本質的ではない。他の実施態様では、ローラアーム力を減少させるために、加工物の厚さを段階的に減少させ得る。

本発明者は、本発明の剪断スピニング実施態様では、工具経路の注意深い制御が重要であることを考慮した。剪断スピニング工具経路は、従来的なスピニング実施態様よりも「攻撃的」(“aggressive”)であり、主として直線で構成される。

図１８及び図１９は、本発明の他の実施態様を例示しており、それは図１６及び図１７に例示する実施態様の変更である。従って、ここには類似の機能を記載せず、類似の機能のために類似の参照番号を使用する。この実施態様では、第４の内部支持ローラ２５０が追加されている。加工物の最終的な厚さに対するより良好な制御をもたらすために、これは主成形ローラの下に直接的に位置付けられる。従って、第４の内部支持ローラ２５０は、第１の内部支持ローラ２４４から遠位に配置されるが、第１の内部支持ローラ２４４と軸方向に整列され、第２及び第３の内部支持ローラ２４６，２４８は、その両側で横方向に片寄らされる。留意されるべきことは、この構造はローラアームに対して高い力を加えるので、典型的には、比較的堅固な機械が必要とされることである。

ここで留意されるべきことは、典型的には、加工物の厚さを制御するために第４の内部支持ローラの動作を制御することによって、図１８及び図１９に示すような方法において４つの内部支持ローラを有する装置を従来的なスピニング又は剪断スピニング「モード」において作動し得ることである。一部の実施態様では、構成部品を製造するための単一のプロセス中に、第４の内部支持ローラの使用及び不使用を切り換え得る。これは最終加工物の厚さにおける変化を達成するための制御を可能にする。

更なる実施態様では、チューブスピニングを達成するために、壁角度がα＝０°に設定された状態で、４つの内部支持ローラを備える装置を使用することが可能である。再び留意されるべきことは、この構造はローラアームに対して高い力を加えるので、典型的には、比較的堅固な機械が必要とされることである。

本発明者は、本発明を、加工物の内表面を圧迫する成形工具と共に使用し得ることも認識した。従来的なスピニングプロセスに基づくある実施態様において、これは図２０及び２１に例示されており、そこには、内部成形工具、内部支持体、及び外部支持体を使用して、カップ形状の加工物を平坦なプレートにスピン成形することが示されている。

剪断スピニングに関して類似のアプローチを試み得る。これは図２２及び図２３に例示されており、そこでは、第１の内部支持ローラ、第２の外部支持ローラ、並びに、第３及び第４の支持ローラを備える、内部剪断スピニング成形工具が使用される。

図２２及び図２３に示すアプローチは、従来的なスピン成形に基づくプロセスを剪断スピニングに基づくプロセスとどのように組み合わせ得るかを示している。図２２では、先ず、従来的なスピン成形に基づくプロセスを使用して、加工物をカップ形状に成形する。次に、内部成形後部を使用して、加工物を剪断スピン成形に晒す。これは加工物の厚さが減少させられることを可能にする。

よって、軽量の構成部品を製造するために、両方向における成形を使用し得る。複合スピン成形（即ち、従来的なスピン成形及び剪断スピン成形の両方に基づくスピン成形）を実施するならば、単一の構成部品において異なる壁厚を備える構成部品を製造することが可能である。厚さを構造的に最適化して、構造的に最適化された軽量の構成部品の製造を可能にし得る。

一例として、（軸に沿って）異なる厚さを備える４５度コーン（円錐）を製造することが可能である。これは、先ず、壁に沿って異なる厚さを得るために、異なる壁角度を備える構成部品を剪断スピニング成形することによって行われる。次に、加工物を「真っ直ぐ」にして４５度に戻すために、（内部成形工具並びに第２及び第３の外部支持ローラを使用して）「逆の」従来的なスピニングを遂行する。従来的なスピニングは既存の厚さを維持するので、このプロセスの組み合わせは、結果的に、異なる厚さを備える４５度コーンをもたらす。

プロセス中に加工物の形状の精密な制御をもたらすために、本発明の好適な実施態様は、プロセス中に加工物の形状を感知するよう構成される少なくとも１つのセンサ（図示せず）を利用する。測定される加工物の幾何学的形状を所要の（或いは計算される）加工物の幾何学的形状と比較するためのフィードバック制御をもたらすために、個制御システムを設け得る。よって、目標とする加工物形状と実際の加工物形状との間の差を比較するための手段が設けられる。有意な差が検出されるならば、この差を減少させるために、装置を制御する。適切な制御は、成形工具及び／又は支持体の位置、加工物の回転の速度等の制御であり得る。

本発明の好適な実施態様を一例によって記載した。この開示を判読した後、これらの実施態様に対する変更、更なる実施態様、及びそれらの変形が当業者に明らかであり、従って、それらは本発明の範囲内にある。

Claims (20)

1. 加工物から所要の形状の物品を製造するスピン成形プロセスであって、
   前記加工物は、前記物品の前記所要の形状に関して、外表面と内表面とを有し、前記加工物は、前記所要の形状に向かって前記加工物を変形するよう、前記加工物の前記外表面及び前記内表面の一方を圧迫する成形工具に対して回転され、第１の支持体が、前記加工物の前記内表面及び前記外表面の一方を圧迫し、第２の支持体が、前記成形工具と比べた前記加工物の反対の表面を圧迫し、前記加工物は、前記第１及び第２の支持体に対して回転する、
   スピン成形プロセス。
2. 前記物品の前記所要の形状が成形されるとき、前記加工物の厚さは、実質的に不変である、請求項１に記載のスピン成形プロセス。
3. 前記加工物の初期的な厚さは、Ｔ_０であり、前記加工物の最終的な厚さは、Ｔ_１であり、９０°未満のαの値に関して、以下の不等式（１）が満足され、
   

   

   ここで、角度αは、前記加工物の回転軸Ａと前記加工物の前記内表面に対する接線との間の角度であり、前記接線は、前記加工物の回転軸Ａを含む平面内に引かれる、請求項１又は２に記載のスピン成形プロセス。
4. 前記物品の前記所要の形状は、軸対称の形状である、請求項１乃至３のうちのいずれか１項に記載のスピン成形プロセス。
5. 前記物品の前記所要の形状は、非軸対称の形状である、請求項１乃至３のうちのいずれか１項に記載のスピン成形プロセス。
6. 前記第１の支持体は、前記第２の支持体の近傍に配置される、請求項１乃至５のうちのいずれか１項に記載のスピン成形プロセス。
7. 前記第２の支持体と同じ前記加工物の平面を圧迫する第３の支持体が設けられ、前記加工物は、前記第３の支持体に対して回転される、請求項１乃至６のうちのいずれか１項に記載のスピン成形プロセス。
8. 前記第３の支持体は、前記第１の支持体の遠位に配置され、且つ、前記第２の支持体の横方向に配置される、請求項７に記載のスピン成形プロセス。
9. 前記第２及び第３の支持体は、前記第１の支持体から横方向に片寄る、請求項７又は８に記載のスピン成形プロセス。
10. 前記第１、第２、及び第３の支持体は、少なくとも、前記加工物と、成形工具を使用して前記物品を前記加工物から前記所要の形状に成形するのに必要とされる概念上のマンドレルとの間の、最も近接した接触地点に設けられる、請求項７乃至９のうちのいずれか１項に記載のスピン成形プロセス。
11. 前記成形工具は、機械制御の下で、前記回転する加工物に対して位置付け可能である、請求項１乃至１０のうちのいずれか１項に記載のスピン成形プロセス。
12. 前記第１及び第２の支持体の、並びに、もし存在するならば、第３の支持体の１つ又はそれよりも多くは、機械制御の下で、前記回転する加工物に対して独立的に位置付け可能である、請求項１乃至１１のうちのいずれか１項に記載のスピン成形プロセス。
13. 第４の支持体が設けられ、前記加工物は、前記第４の支持体に対して回転し、前記第４の支持体は、前記成形工具と実質的に一致して配置される、請求項１乃至１２のうちのいずれか１項に記載のスピン成形プロセス。
14. 前記第４の支持体は、当該成形プロセス中に、前記加工物の厚さを変更するよう制御される、請求項１乃至１３のうちのいずれか１項に記載のスピン成形プロセス。
15. 当該成形プロセスは、剪断スピニングプロセス又はチューブスピニングプロセスである、請求項３に従属する場合を除く請求項１３又は１４に記載のスピン成形プロセス。
16. 前記成形工具は、前記加工物の前記外表面を圧迫し、前記第１及び第２の支持体は、前記加工物の前記内表面を圧迫する、請求項１乃至１５のうちのいずれか１項に記載のスピン成形プロセス。
17. 前記成形工具は、前記加工物の前記内表面を圧迫し、前記第１及び第２の支持体は、前記加工物の前記外表面を圧迫する、請求項１乃至１５のうちのいずれか１項に記載のスピン成形プロセス。
18. スピン成形によって加工物から所要の形状の物品を製造する装置であって、
    前記加工物は、前記物品の前記所要の形状に関して、外表面と内表面とを有し、
    当該装置は、
    前記加工物を当該装置内に回転可能に取り付けるための取付け手段と、
    前記加工物を前記所要の形状に向かって変形するために、前記加工物の前記外表面及び前記内表面の一方を圧迫する成形工具と、
    前記加工物の前記内表面及び前記外表面の一方を圧迫する第１の支持体と、
    前記成形工具と比べた前記加工物の反対の表面を圧迫する第２の支持体とを有し、
    当該装置は、前記加工物が前記第１及び第２の支持体に対して回転することを可能にするよう動作可能である、
    装置。
19. 前記加工物の前記内表面及び前記外表面の一方を圧迫する第３の支持体が設けられ、当該装置は、前記加工物が前記第３の支持体に対して回転することを可能にするよう動作される、請求項１８に記載の装置。
20. 第４の支持体が設けられ、前記加工物は、前記第４の支持体に対して回転し、前記第４の支持体は、前記成形工具と実質的に一致して配置される、請求項１９に記載の装置。

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