JP2015104740A - スピニング成形装置およびスピニング成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】板材の中心部を支持する受け治具を用いたスピニング成形において、板材の周縁部の変形を抑制できるようにする。
【解決手段】スピニング成形装置１は、成形されるべき板材９の中心部９１を支持する受け治具３と、受け治具３が取り付けられた回転軸２を含む。また、スピニング成形装置１は、板材９における変形対象部位９２を誘導加熱により局所的に加熱する加熱器６と、変形対象部位９２を押圧して板材９を変形させる加工具７を含む。さらに、スピニング成形装置１は、板材９における変形対象部位９２よりも外側部分を挟み込む一対の保持ローラ８１，８２を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、板材を回転させながら所望の形状に成形するスピニング成形装置およびスピニング成形方法に関する。

従来から、板材を回転させながらその板材に加工具を押圧して当該板材を変形させるスピニング成形装置が知られている。このようなスピニング成形装置は通常は回転軸に取り付けられたマンドレル（成形型）を有し、板材が加工具によってマンドレルに押し付けられることにより成形が行われる。

近年では、板材を局所的に加熱しながらスピニング成形を行うスピニング成形装置が提案されている。例えば、特許文献１には、チタン合金用のスピニング成形装置として、板材におけるヘラ（加工具）によってマンドレルに押し付けられる部位を高周波誘導加熱により加熱するスピニング成形装置が開示されている。

特開２０１１−２１８４２７号公報

ところで、本発明の発明者らは、誘導加熱によって板材を局所的に加熱すれば、マンドレルを用いなくても、板材を大気中で最終形状に合わせて変形できることを見出した。このような観点から、本件出願の出願人は、本件出願に先立つ出願（特願２０１２−１７８２６９号）において、マンドレルの代わりに、板材の中心部を支持する受け治具を用いてスピニング成形を行うことを提案した。このスピニング成形では、板材における変形対象部位が、受け治具から離れた位置で、加熱器によって加熱されるとともに加工具によって押圧される。

マンドレルを用いた場合には、加工具によって板材の変形対象部位がマンドレルに押し付けられるため、板材の周縁部が変形することはほとんどない。これに対し、加工具によって板材が押し付けられない受け治具、換言すれば成形面を有しない受け治具を用いた場合には、変形対象部位が空中に浮いた状態で板材の加工が行われるため、板材の周縁部が変形することがある。このような板材の周縁部の変形（例えば、反り）は、板材の周縁部と加熱器などの周囲の機器との接触や、最終形状の精度（成形精度）の悪化を招来するおそれがある。

そこで、本発明は、板材の中心部を支持する受け治具を用いたスピニング成形において、板材の周縁部の変形を抑制できるようにすることを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明のスピニング成形装置は、成形されるべき板材の中心部を支持する受け治具と、前記受け治具が取り付けられた回転軸と、前記板材における変形対象部位を誘導加熱により局所的に加熱する加熱器と、前記変形対象部位を押圧して前記板材を変形させる加工具と、前記板材における前記変形対象部位よりも外側部分を挟み込む一対の保持ローラと、を備える、ことを特徴とする。

上記の構成によれば、一体の保持ローラによって板材の変形対象部位よりも外側部分が挟み込まれた状態で板材の加工が行われるので、板材の周縁部の変形を抑制することができる。

前記一対の保持ローラは、前記板材の周縁部を挟み込むものであり、前記加工具が前記変形対象部位を押圧する際に前記加工具と共に前記回転軸の軸方向に移動させられてもよい。この構成によれば、保持ローラを移動させる手段として一軸の移動機構を用いることができるので、構成をシンプルにすることができる。

前記一対の保持ローラの一方は、前記板材の一方面と線接触する円筒状の形状を有し、他方は、前記板材の他方面と点接触する、前記回転軸から遠ざかる方向に向かって縮径するテーパー状の形状を有していてもよい。この構成によれば、保持ローラの一方が板材と線接触し、他方が板材と点接触するため、板材の外側部分を安定的に保持しつつ、板材の回転に必要な負荷を小さくすることができる。

前記加熱器は、前記板材を挟んで前記加工具と反対側に配置されていてもよい。この構成によれば、加工中の板材の形状に拘らずに、加熱器を板材の変形対象部位の直近に位置させることができ、変形対象部位を適切に加熱することができる。

また、本発明のスピニング成形方法は、成形されるべき板材における変形対象部位よりも外側部分を一対の保持ローラで挟み込んだ状態で、前記変形対象部位を誘導加熱により局所的に加熱しながら、前記変形対象部位に加工具を押圧して前記板材を変形させる、ことを特徴とする。この構成によれば、一体の保持ローラによって板材の変形対象部位よりも外側部分が挟み込まれた状態で板材の加工が行われるので、板材の周縁部の変形を抑制することができる。

本発明によれば、板材の中心部を支持する受け治具を用いたスピニング成形において、板材の周縁部の変形を抑制することができる。

本発明の一実施形態に係るスピニング成形装置の概略構成図である。 （ａ）は加熱器の平面図、（ｂ）は（ａ）のII−II線に沿った断面図である。 図１に示すスピニング成形装置の要部の拡大図である。

図１に、本発明の一実施形態に係るスピニング成形装置１を示す。このスピニング成形装置１は、回転軸２と、回転軸２に取り付けられた受け治具３と、固定治具４を備えている。受け治具３は、成形されるべき板材９の中心部９１を支持し、固定治具４は、受け治具３と共に、板材９を挟持する。さらに、スピニング成形装置１は、板材９における回転軸２の軸心２０から所定距離Ｒだけ離れた変形対象部位９２を誘導加熱により局所的に加熱する加熱器６と、変形対象部位９２を押圧して板材９を変形させる加工具７を備えている。

回転軸２の軸方向（軸心２０が延びる方向）は、本実施形態では鉛直方向である。ただし、回転軸２の軸方向は、水平方向や斜め方向であってもよい。回転軸２の下部は基台１１に支持されており、基台１１内には回転軸２を回転させるモータ（図示せず）が配置されている。回転軸２の上面はフラットであり、この上面に受け治具３が固定されている。

板材９は、例えばフラットな円形状の板である。ただし、板材９の形状は、多角形状や楕円状であってもよい。また、板材９は、必ずしも全面に亘ってフラットである必要はなく、例えば中心部９１の厚さが周縁部９３の厚さよりも厚かったり、全体または一部が予めテーパー状に加工されたりしてもよい。板材９の材質は、特に限定されるものではないが、例えばチタン合金である。

受け治具３は、板材９における成形開始位置によって規定される円に収まるサイズを有している。例えば、受け治具３が円盤状である場合は、受け治具３の直径は、板材９における成形開始位置によって規定される円の直径以下である。また、従来のマンドレルと異なり、板材９は、受け治具３の径方向外側を向く側面に押し付けられて、変形されることはない。

固定治具４は、加圧ロッド５１に取り付けられている。加圧ロッド５１は、駆動部５２によって上下方向に駆動されることにより、固定治具４を介して板材９を受け治具３に押し付ける。例えば、加圧ロッド５１および駆動部５２は油圧シリンダであり、基台１１上に立てられた門型フレーム１２に駆動部５２が固定され、駆動部５２には加圧ロッド５１を回転可能に支持するベアリングが内蔵される。

なお、加圧ロッド５１および駆動部５２は必ずしも必要ではない。例えば、固定治具４は、ボルトやクランプなどの締結部材によって板材９と共に受け治具３に固定されてもよい。あるいは、固定治具４を省略し、例えばボルトによって板材９を受け治具３に直接的に固定してもよい。

本実施形態では、板材９の変形対象部位９２を押圧する加工具７が板材９の上方に配置され、加工具７によって板材９が受け治具３を収容するような下向きに開口する形状に加工される。すなわち、板材９の上面が表面であり、板材９の下面が裏面である。ただし、加工具７が板材９の下方に配置され、加工具７によって板材９が固定治具４を収容するような上向きに開口する形状に加工されてもよい。あるいは、板材９に凹凸を付与するために、板材９の加工の途中で加工具７の位置が板材９の上方から下方またはその逆に変更されてもよい。

また、本実施形態では、板材９の変形対象部位９２を加熱する加熱器６が、板材９の下方に配置されている。換言すれば、加熱器６が板材９を挟んで加工具７と反対側に位置している。ただし、加熱器６は、加工具７と同じ側に位置するように板材９の上方に配置されていてもよい。

図１では、説明の便宜上、加熱器６が加工具７の真下に位置するレイアウトが描かれている。ただし、加熱器６と加工具７の相対位置は、それらが回転軸２の軸心２０を中心とするほぼ同一円周上に位置している限り、特に限定されるものではない。例えば、加熱器６と加工具７は、回転軸２を挟んで互いに反対側に位置していてもよい。

加熱器６は、第１移動機構１３により、回転軸２の軸方向および径方向に移動させられる。加工具７は、第２移動機構１４により、回転軸２の軸方向および径方向に移動させられる。板材９の加工が進行するにつれて、変形対象部位９２が回転軸２の軸方向および径方向に推移するため、加熱器６および加工具７は、板材９の加工中は互いに連動して移動させられる。

本実施形態では、加工具７として、板材９の回転に追従して回転するローラが用いられている。ただし、加工具７は、ローラに限定されず、例えばヘラであってもよい。

加熱器６は、図２（ａ）および（ｂ）に示すように、回転軸２の周方向に延びる二重円弧状のコイル部６２を有する導線６１と、コイル部６２の周囲に発生する磁束を集約するためのコア６５を備える。より詳しくは、コイル部６２は、板材９に沿って互いに平行な、換言すれば回転軸２の径方向に互いに離間する一対の円弧部を含む。コア６５は、図略の支持板によって支持される。

導線６１に流される交流電流の周波数は、特に限定されるものではないが、５ｋ〜４００ｋＨｚの高周波数であることが望ましい。すなわち、加熱器６による誘導加熱は、高周波誘導加熱であることが望ましい。誘導加熱では、表皮効果により、変形対象部位９２におけるコイル部６２と対向する下面が最も高温になる。例えば、板材９の材質がチタン合金である場合、変形対象部位９２の下面の温度は５００〜１０００℃程度である。

さらに、本実施形態のスピニング成形装置１は、板材９における変形対象部位９２よりも外側部分を板材９の厚さ方向の両側から挟み込む一対の保持ローラ８１，８２を備えている。保持ローラ８１，８２は、加熱器６および加工具７と干渉しない位置であれば、どのような位置に配置されていてもよい。

本実施形態では、一対の保持ローラ８１，８２が板材９の周縁部を挟み込む。つまり、一対の保持ローラ８１，８２は、板材９の周縁部を板材９の厚み方向に押圧するように挟み込む。そして、保持ローラ８１，８２は、第３移動機構１５により、加工具７が板材９の変形対象部位９２を押圧する際に加工具７と共に回転軸２の軸方向に移動させられる。なお、保持ローラ８１，８２の移動機構は、単一に限定されず、保持ローラ８１，８２それぞれに対して個別に設けてもよい。

また、本実施形態では、保持ローラ８１，８２のうち、板材９の下方に配置された保持ローラ８１が円筒状の形状を有し、板材９の上方に配置された保持ローラ８２が回転軸２から遠ざかる方向に向かって縮径するテーパー状の形状（すなわち、断面台形状の形状）を有している。図３に示すように、下側の保持ローラ８１の軸心８３は、板材９の周縁部９３と平行である。このため、保持ローラ８１は板材９の下面と線接触する。一方、上側の保持ローラ８２の軸心８４は、軸心８４と板材９の周縁部９３とがなす角度をα、保持ローラ８２の大径先端面と周側面とがなす角度をθとしたときに、α＜９０°−θとなる方向に延びている。換言すれば、保持ローラ８２の軸心８４は、保持ローラ８２の周側面が板材９の上面と線接触する状態から水平に近くなるように傾けられている。このため、保持ローラ８２は、大径先端面と周側面の間の先端周縁部で板材９の上面と点接触する。ただし、保持ローラ８２の軸心８４は、水平方向に延びていてもよいし、保持ローラ８２の大径先端面と板材９の周縁部９３とがなす角度が鋭角となるように図３とは逆向きに傾けられていてもよい。

ただし、保持ローラ８１，８２の形状は、これに限定されるものではない。例えば、本実施形態とは逆に、下側の保持ローラ８１がテーパー状の形状を有し、上側の保持ローラ８１が円筒状の形状を有していてもよい。あるいは、双方の保持ローラ８１，８２が、円筒状の形状またはテーパー状の形状を有していてもよい。さらには、保持ローラ８１，８２の一方または双方は、板材９に点接触する球状の形状を有していてもよい。

以上説明したスピニング成形装置１を用いれば、板材９における変形対象部位９２よりも外側部分を一対の保持ローラ８１，８２で挟み込んだ状態で、変形対象部位９２を誘導加熱により局所的に加熱しながら、変形対象部位９２に加工具７を押圧して板材９を変形させる、スピニング成形方法を実行することができる。このように、本実施形態では、保持ローラ８１，８２によって板材９の変形対象部位９２よりも外側部分が挟み込まれた状態で板材９の加工が行われるので、板材９の周縁部９３の変形を抑制することができる。

また、本実施形態では、保持ローラ８１，８２の一方が板材９と線接触し、他方が板材９と点接触するため、板材９の外側部分（本実施形態では周縁部９３）を安定的に保持しつつ、板材９の回転に必要な負荷を小さくすることができる。

さらに、本実施形態では、加熱器６が板材９を挟んで加工具７とは反対側に配置されているので、加工中の板材９の形状に拘らずに、加熱器６を板材９の変形対象部位９２の直近に位置させることができる。これにより、変形対象部位９２を適切に加熱することができる。

（その他の実施形態）
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

例えば、保持ローラ８１，８２の少なくとも一方は、常に板材９の変形対象部位９２の直ぐ外側部分に当接するように、回転軸２の径方向にも移動させられてもよい。この場合でも、保持ローラ８１，８２は、板材９における変形対象部位９２よりも外側部分を挟み込む。ただし、前記実施形態のように、保持ローラ８１，８２が板材９の周縁部９３を挟み込む構成であれば、保持ローラ８１，８２を移動させる手段として一軸の移動機構を用いることができるので、構成をシンプルにすることができる。

本発明は、種々の素材からなる板材をスピニング成形する際に有用である。

１ スピニング成形装置
２ 回転軸
３ 受け治具
６ 加熱器
７ 加工具
８１，８２ 保持ローラ
９ 板材
９１ 中心部
９２ 変形対象部位
９３ 周縁部

Claims (5)

1. 成形されるべき板材の中心部を支持する受け治具と、
   前記受け治具が取り付けられた回転軸と、
   前記板材における変形対象部位を誘導加熱により局所的に加熱する加熱器と、
   前記変形対象部位を押圧して前記板材を変形させる加工具と、
   前記板材における前記変形対象部位よりも外側部分を挟み込む一対の保持ローラと、
   を備える、スピニング成形装置。
2. 前記一対の保持ローラは、前記板材の周縁部を挟み込むものであり、前記加工具が前記変形対象部位を押圧する際に前記加工具と共に前記回転軸の軸方向に移動させられる、請求項１に記載のスピニング成形装置。
3. 前記一対の保持ローラの一方は、前記板材の一方面と線接触する円筒状の形状を有し、他方は、前記板材の他方面と点接触する、前記回転軸から遠ざかる方向に向かって縮径するテーパー状の形状を有している、請求項１または２に記載のスピニング成形装置。
4. 前記加熱器は、前記板材を挟んで前記加工具と反対側に配置されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載のスピニング成形装置。
5. 成形されるべき板材における変形対象部位よりも外側部分を一対の保持ローラで挟み込んだ状態で、前記変形対象部位を誘導加熱により局所的に加熱しながら、前記変形対象部位に加工具を押圧して前記板材を変形させる、スピニング成形方法。
   

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