JP2019076913A - 電磁成形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】長尺状部材の成形において、形状不良の発生を抑制し、精度の高い成形を可能にすることを目的とする。【解決手段】電磁成形装置１は、電磁コイル２と、電磁コイル２に沿って設置され、長尺状を有する被成形材料に対して成形形状を付与する成形型４とを備え、電磁コイル２によって発生する電磁力を、被成形材料に作用させて、成形型４に被成形材料を押し付ける電磁成形装置１であって、成形型４は、被成形材料の長手方向に沿って一端側から他端側に向けて異なる断面形状を有し、成形型４は、被成形材料が長手方向に対して平行に移動することによって、被成形材料が所望の形状へ段階的に変化するように形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、電磁成形装置に関するものである。

航空機の胴体や主翼等の航空機部品は、例えば板状のスキン、長尺状のフレーム及びストリンガーなどの構造部材が組み合わされて構成される。長尺状の構造部材（長尺状部材）は、型材であり、断面が例えばＺ型の断面形状を有する。長尺状部材のなかには、図１６（Ｂ）に示すように、長手方向に沿って部位ごとに板厚が変化した複数の段差（ジョグル）が形成されたものがある。図１６（Ｂ）に示す長尺状部材６０は、厚板部６１と、薄板部６２を有する。

Ｚ型等の屈曲した断面形状を有する長尺状部材を製作する場合、図１６（Ａ）に示すような、屈曲のない平板状の長尺状材料５０に対してロール成形を施す。ロール成形を行うロール成形装置には、間に長尺状部材を挟む二つのロールが、ライン上に沿って複数組設置される。複数組のロールが設置されたラインの一端側から他端側へ、長尺状材料を順次通過させていくことによって、平板状の断面形状から製品として要求される断面形状へと段階的に成形する。このように複数組のロールによって段階的に成形することで、急激な断面形状の変化による割れなどの不具合発生を防止できる。

特開２００７−２９６５５３号公報 特開平６−２３４４２号公報

しかし、上述したロール成形によって長尺状材料を成形する場合、ロールの摩耗やロールに圧力を付与する圧力機構の微妙な変化によって、成形された長尺状部材に歪みと残留応力が生じ、ねじれやそり（横そり、縦そり）、波打ち等の形状不良が発生する。また、摩耗の程度や、付与する圧力の変化に応じて、材料ごとに生じる歪みや残留応力が異なり、ねじれ、そり又は波打ちなど、さまざまに形状が変化する可能性がある。

さらに、ロール成形装置では、成形後に得ようとする断面形状を変更する場合、形状に応じてロールを取り換える必要があり、取り換え後の初期段階では、上述した形状不良が発生しやすく、ロールや圧力機構の調整が必要になる。

またさらに、長手方向に複数の段差が形成された長尺状部材の場合、厚板部と薄板部とでロールの当たり方が異なる。そのため、部位ごとに曲げ角度が所定の角度にならない場合がある。また、ロール成形では、上下に配置された二つのロールの間を長尺状部材が通過するため、図１７（Ａ）に示すように、一面側を段差面、他面側を平面のままとしづらく、図１７（Ｂ）に示すように、他面側にも段差面が形成されてしまう。その結果、複数の段差が形成された長尺状部材を他の部材と組み合わせて航空機部品として組み立てる際、長尺状部材と他の部材との間に隙間が発生する。

一方、ロール成形装置ではなく、電磁成形装置を用いて被成形材料を成形する技術が知られているが、長尺状材料に対してＺ型等の屈曲した断面形状を有するように成形することや、複数の段差が形成された長尺状部材に対して成形を実施することは知られていない。なお、上記の特許文献１には、電磁成形装置によって薄板を所望の形状に成形することが記載され、特許文献２には、電磁塑性加工法によって中空材の所定部分に電磁力を多段階に付与することによって成形加工することが記載されている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、長尺状部材の成形において、形状不良の発生を抑制し、精度の高い成形を可能にする電磁成形装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の電磁成形装置は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明の一態様に係る電磁成形装置は、電磁コイルと、前記電磁コイルに沿って設置され、長尺状を有する被成形材料に対して成形形状を付与する成形型とを備え、前記電磁コイルによって発生する電磁力を、前記被成形材料に作用させて、前記成形型に前記被成形材料を押し付ける電磁成形装置であって、前記成形型は、前記被成形材料の長手方向に沿って一端側から他端側に向けて異なる断面形状を有し、前記成形型は、前記被成形材料が前記長手方向に対して平行に移動することによって、前記被成形材料が所望の形状へ段階的に変化するように形成されている。

この構成によれば、電磁コイルによって発生する電磁力が、長尺状を有する被成形材料に作用し、成形型によって、被成形材料に対して成形形状が付与される。成形型は、被成形材料の長手方向に沿って一端側から他端側に向けて異なる断面形状を有し、被成形材料が長手方向に対して平行に移動することによって、被成形材料が所望の形状へ段階的に変化するように形成されている。これにより、被成形材料を長手方向に対して平行に移動させ、被成形材料に対して電磁力を作用させることを繰り返すことによって、成形型に押し付けられて変形する被成形材料が、所望の形状へ段階的に変化する。

上記態様において、前記電磁コイルは、前記成形型に沿って連続的に形成されてもよい。

上記態様において、前記電磁コイルは、複数設置され、複数の前記電磁コイルは、それぞれ前記被成形材料よりも短く、前記被成形材料の前記長手方向に沿って設置されてもよい。

上記態様において、前記成形型は、複数設置され、複数の前記成形型は、それぞれ前記被成形材料よりも短く、前記被成形材料の前記長手方向に沿って設置されてもよい。

上記態様において、複数の前記成形型は、端部において傾斜面が形成されてもよい。

上記態様において、複数の前記成形型は、前記被成形材料において前記長手方向に凹形状又は凸形状が付与されるように形成されてもよい。

本発明によれば、長尺状部材の成形において、形状不良の発生を抑制し、精度の高い成形を可能にする。

本発明の第１実施形態に係る電磁成形装置を示す概略構成図である。 本発明の第１実施形態に係る電磁成形装置の電磁コイルの変形例を示す概略構成図である。 本発明の第１実施形態に係る電磁成形装置の成形型を示す斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る電磁成形装置の成形型を示す平面図である。 本発明の第１実施形態に係る電磁成形装置の成形型を示す正面図である。 本発明の第１実施形態に係る電磁成形装置の成形型を示す平面図である。 本発明の第１実施形態に係る電磁成形装置の成形型を示す正面図である。 本発明の第１実施形態に係る電磁成形装置の成形型を示す平面図である。 本発明の第１実施形態に係る電磁成形装置の成形型を示す正面図である。 本発明の第１実施形態に係る電磁成形装置の成形型を示す縦断面図であり、図６のX−X線矢視図である。 本発明の第１実施形態に係る電磁成形装置の成形型を示す縦断面図であ、図８のXI−XI線矢視図である。 本発明の第１実施形態に係る電磁成形装置の成形型を示す縦断面図であ、図８のXII−XII線矢視図である。 本発明の第２実施形態に係る電磁成形装置の成形型を示す斜視図である。 本発明の第２実施形態に係る電磁成形装置の成形型を示す平面図である。 本発明の第２実施形態に係る電磁成形装置の成形型を示す正面図である。 図１６（Ａ）は、長尺状材料を示す斜視図であり、図１６（Ｂ）は、長尺状部材を示す斜視図である。 図１７（Ａ）及び図１７（Ｂ）は、それぞれ長尺状部材を示す斜視図及び部分側面図である。

以下に、本発明に係る実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１〜図１２を用いて説明する。
本実施形態に係る電磁成形装置１は、図１６（Ａ）に示すような、例えばアルミニウム合金製の被成形材料である長尺状材料５０に対して、成形型４を用いて、例えばＺ型などの断面形状を付与する装置である。図１６（Ｂ）に示すような、電磁成形装置１によって形成された長尺状部材６０は、航空機の胴体や主翼等の航空機部品を構成するフレーム及びストリンガーなどの構造部材として用いられる。

本実施形態に係る電磁成形装置１は、図１に示すように、電磁コイル２と、電磁コイル２に電流を供給する電源部３と、成形型４などを有する。

電磁コイル２は、成形型４に沿って連続的に形成される。電磁コイル２は、図１に示すように、例えば円筒形状を有し、断面が円形状でもよいし、図２に示すように、電磁コイル２が成形型４の表面に沿って配置されてもよい。

電磁コイル２には、電源部３から大電流が供給される。電源回路５は、例えば、図１に示すように、電磁コイル２と並列にコンデンサ６が設置され、電源部３及びコンデンサ６の接続点と電磁コイル２との間にスイッチ７が設置される回路で構成される。この構成において、スイッチ７が開かれているとき、電源部３から電気抵抗８を介してコンデンサ６に電荷が充電される。そして、スイッチ７を閉じて、コンデンサ６に充電された電荷を放電することによって、電磁コイル２への大電流が発生する。

電磁コイル２に瞬時に大電流を流すことによって、電磁コイル２に沿って配置された長尺状材料５０の表面に誘導電流が発生する。その結果、長尺状材料５０の表面に電磁力が作用し、長尺状材料５０が成形型４の方向へ移動して、成形型４へ押し付けられる。

成形型４は、被成形材料である長尺状材料の長手方向に沿って設置される。成形型４は、長尺状材料に対して成形形状を付与する。急激な断面形状の変化による割れなどの不具合発生を防止するため、成形型４は、図３〜図５に示すように、長尺状材料５０の長手方向に沿って一端４ａ側から他端４ｂ側に向けて異なる断面形状を有する。すなわち、図４〜図９に示すように、長尺状材料５０が長手方向に対して平行に移動することによって、長尺状材料５０が所望の形状へ段階的に変化するように形成されている。

電磁コイル２と成形型４は、例えば、長尺状材料５０とほぼ同一の長さを有する。なお、電磁コイル２は、長手方向に連続的に一つのみで形成されている場合に限られず、長手方向に複数に分割されていてもよい。この場合、複数の電磁コイル２は、互いに離隔して設けられる。

図３及び図１０〜図１２を参照して、成形後の長尺状部材６０（図１６（Ｂ）参照）の成形方法について説明する。長尺状部材６０は、水平なフランジ部６３，６４と、フランジ部６３，６４に対するなす角度が９０°となるウェブ部６５を有する。
図３に示すように、成形型４における一端４ａ側の成形面９ａの形状は、水平な平板面である。そして、成形型４の成形面９のうちウェブ部６５を成形するための成形面９ｂは、一端４ａ側から他端４ｂ側にかけて同一幅を有し、傾斜角は水平のまま一定である。フランジ部６３，６４を成形するための成形面９ｃ，９ｄは、一端４ａ側から他端４ｂ側にかけて同一幅を有し、傾斜角は水平から次第に垂直へと傾く。

本実施形態に係る電磁成形装置１を用いた電磁成形方法では、まず、図４及び図５に示すように、平板状の長尺状材料５０の一端５０ａ側のみを成形型４の一端４ａ側に設置する。そして、電磁コイル２に電流を供給し、長尺状材料５０を成形型４へ押し付ける。その結果、図４及び図５に示すように、平板状の長尺状材料５０の一端５０ａが成形型４に沿って成形される。

その後、図６及び図７に示すように、長尺状材料５０を長手方向に沿って所定の距離だけ他端側へずらす。そして、電磁コイル２に電流を供給し、長尺状材料５０を成形型４へ押し付ける。その結果、長手方向にずらされたことによって電磁コイル２の範囲に入った平板状の長尺状材料５０と、先に成形型４に沿って成形された長尺状材料５０の一端５０ａ側が、成形型４に沿って成形される。

上記の手順を繰り返すことによって、長尺状材料５０が一端５０ａ側から他端５０ｂ側にかけて次第に最終形状へと変形されていく。成形型４の他端４ｂ側を通過した長尺状材料５０は、電磁成形によって得られる最終形状となっており、長尺状材料５０の他端５０ｂが通過し終えるまで、長尺状材料５０の位置ずらしと、電磁コイル２への電流供給による成形を繰り返す。長尺状材料５０の他端５０ｂが通過し終えると、対象とする長尺状材料５０の長手方向すべてにわたって、電磁成形によって得られる最終形状を有する長尺状部材６０となる（図１６（Ｂ）参照）。

以上、本実施形態に係る電磁成形装置１を用いた電磁成形よれば、ロール成形に比べて金型の磨耗が少なく、ロール成形装置のような圧縮機構を備えないため、成形時において、圧縮機構の微妙な変化が生じない。そのため、電磁成形によって形成された長尺状部材６０には、形状不良が発生しにくい。また、成形型４は、長手方向に連続的な形状を有するため、ロール成形装置におけるロールクリアランス調整などの段取り時間が削減できる。

さらに、電磁力を利用して高速度に成形されるため、スプリングバック量が低減され、精度の高い成形が可能となり、成形後のひずみ修正作業も削減できる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について、図１３〜図１５を用いて説明する。
上記第１実施形態では、長手方向に連続的な形状を有する成形型４を用いる場合について説明したが、本発明はこの例に限定されない。

本発明の第２実施形態に係る成形型４は、長手方向に複数に分割され、各分割金型１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃは互いに離隔して配置される。これにより、長手方向に連続的な形状を有する成形型４を用いる場合に比べてコストを低減することができる。

電磁コイル２は、各分割金型１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃに対応した位置にそれぞれ分割されて互いに離隔したものが設置される。成形型４及び電磁コイル２の分割数は、図１３に示す例では、３分割であるが、２分割でもよいし、４分割以上でもよい。

分割金型１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの成形面１１は、ウェブ部６５を成形するための成形面１１ａ、フランジ部６３を成形するための成形面１１ｂ、フランジ部６４を成形するための成形面１１ｃを有する。各分割金型１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃにおいて、成形面１１ａ，１１ｂ，１１ｃは、一端側から他端側にかけて同一幅を有する。なお、本発明はこの例に限定されず、第１実施形態と同様に、成形面１１ｂ，１１ｃが一端側から他端側にかけて、傾斜角が水平側から次第に垂直側へと傾くようにしてもよい。

各分割金型１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃにおけるウェブ部６５を形成するための成形面１１ａの端部は、隣接する分割金型１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃへ向けて傾いたテーパー面１１ｄが形成されてもよい。これにより、長尺状材料５０が引っ掛かることなく、長尺状材料５０の移動をスムーズに行うことができる。

本実施形態でも第１実施形態と同様に、電磁コイル２に電流を供給し、長尺状材料５０を成形型４へ押し付けた後、長尺状材料５０を長手方向に沿って所定の距離だけ他端側へずらすという手順を繰り返す。図１４及び図１５には、成形中の長尺状材料５０と分割金型１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの配置関係の一例を示している。そして、長尺状材料５０を一端５０ａ側から他端５０ｂ側にかけて次第に最終形状へと変形していく。

本実施形態で成形する長尺状材料５０は、長手方向の肉厚が均等であるものでもよいし、図１６（Ａ）に示すように、長手方向に沿って部位ごとに板厚が変化した複数の段差（ジョグル）が形成されたものでもよい。この場合、長尺状材料５０に対して電磁成形によって成形を施す際、長手方向に複数の段差が形成されるように、各分割金型１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの成形面１１ａ，１１ｂ，１１ｃには、複数の段差の形状に対応して凹状形状又は凸状形状が形成されていてもよい。これにより、電磁成形装置１によって、Ｚ型などの断面形状を付与するだけでなく、長手方向に複数の段差が同時に形成される。したがって、成型工程を削減することができ、コストの低減を図ることも可能になる。

本実施形態の場合、長手方向に連続的な形状を有する成形型４を用いる第１実施形態に比べて、成形型４の製作にかかるコストを低減できる。また、第１実施形態と同様に、ロール成形に比べて金型の磨耗が少なく、ロール成形装置のような圧縮機構を備えないため、成形時において、圧縮機構の微妙な変化が生じない。そのため、電磁成形によって形成された長尺状部材６０には、形状不良が発生しにくい。また、電磁力を利用して高速度に成形されるため、スプリングバック量が低減され、精度の高い成形が可能となり、成形後のひずみ修正作業も削減できる。

１ ：電磁成形装置
２ ：電磁コイル
３ ：電源部
４ ：成形型
５ ：電源回路
６ ：コンデンサ
７ ：スイッチ
８ ：電気抵抗
９ ：成形面
９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ ：成形面
１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ ：分割金型
１１ ：成形面
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ ：成形面
１１ｄ ：テーパー面
５０，６０ ：長尺状材料
６１ ：厚板部
６２ ：薄板部
６３，６４ ：フランジ部
６５ ：ウェブ部

Claims (6)

1. 電磁コイルと、
   前記電磁コイルに沿って設置され、長尺状を有する被成形材料に対して成形形状を付与する成形型と、
   を備え、
   前記電磁コイルによって発生する電磁力を、前記被成形材料に作用させて、前記成形型に前記被成形材料を押し付ける電磁成形装置であって、
   前記成形型は、前記被成形材料の長手方向に沿って一端側から他端側に向けて異なる断面形状を有し、
   前記成形型は、前記被成形材料が前記長手方向に対して平行に移動することによって、前記被成形材料が所望の形状へ段階的に変化するように形成されている電磁成形装置。
2. 前記電磁コイルは、前記成形型に沿って連続的に形成されている請求項１に記載の電磁成形装置。
3. 前記電磁コイルは、複数設置され、複数の前記電磁コイルは、それぞれ前記被成形材料よりも短く、前記被成形材料の前記長手方向に沿って設置されている請求項１に記載の電磁成形装置。
4. 前記成形型は、複数設置され、複数の前記成形型は、それぞれ前記被成形材料よりも短く、前記被成形材料の前記長手方向に沿って設置されている請求項１に記載の電磁成形装置。
5. 複数の前記成形型は、端部において傾斜面が形成されている請求項４に記載の電磁成形装置。
6. 複数の前記成形型は、前記被成形材料において前記長手方向に凹形状又は凸形状が付与されるように形成されている請求項４又は５に記載の電磁成形装置。
   

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