JP2024006565A - 逐次成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の逐次成形方法では、成形品の形状精度を高めることが難しいという問題点があった。【解決手段】周囲を保持した金属板Ｗの一方の主面に棒状工具Ｔの先端を押し付けて移動させることにより、金属板Ｗを三次元形状に成形する逐次成形方法において、金属板Ｗの他方の主面側に配置した受台２を用い、受台２が、棒状工具Ｔの先端面に相対向する平面２Ｓを有すると共に、少なくとも金属板Ｗに対して進退可能であり、棒状工具Ｔと受台１とで金属板Ｗを挟んだ状態にして棒状工具Ｔの移動に受台２を追従させて、金属板Ｗを成形することにより、設備費や製造コストを抑制しつつ、棒状工具Ｔの接触部分における金属板ｗの表裏の歪み差を小さくして、成形品の形状精度や品質を向上させた。【選択図】図１

Description

本発明は、金属板に棒状工具を押し付けて移動させることにより金属板を三次元形状に成形する逐次成形方法及び逐次成形装置に関するものである。

従来の逐次成形方法としては、例えば、特許文献１に記載されているものがある。特許文献１に記載の逐次成形方法は、板状の被成形材の一方の面側に配置した第１工具と、被成形材の他方の面側に配置した第２工具とを用いる。第１工具は、被成形材に向けて半球状に突出した第１曲面を有する。第２工具は、環状を成すと共に、その開口部に沿って第１曲面と線接触する凸状の第２曲面を有する。そして、上記の逐次成形方法は、第１曲面と第２曲面を被成形材の成形面に接触させつつ、第１工具と第２工具を相対的に移動させることにより、被成形材を成形することにより、板厚の減少を抑制し得る成形装置及び成形方法を提供する。

特開２０１７－１４４４５７号公報

しかしながら、上記したような従来の逐次成形方法では、球面状の第１曲面を有する棒状の第１工具と、環状の第２曲面を第２曲面を有する第２工具とを用いていたため、成形品の形状精度を高めることが難しいと共に、工具痕が残り易いという問題点があった。なお、工具痕が残りにくい逐次成形方法としては、金属板の片面のみに棒状工具を接触させて成形を行う方法や、棒状工具の反対側に下型を配置し、棒状工具の押し付け及び移動により金属板を下型に沿って成形する方法がある。ところが、前者の場合には、棒状工具の接触部分における表裏の歪み差が大きくなって、成形品の形状精度を高めることが難しく、後者の場合は、成形品に応じた下型を用意する必要があるので、設備費や製造コストが嵩むという問題点がある。

本発明は、上記従来の状況に鑑みて成されたものであって、設備費や製造コストを抑制しつつ、棒状工具の接触部分における金属板の表裏の歪み差を小さくして、成形品の形状精度や品質を高めることができる逐次成形方法及び逐次成形装置を提供することを目的としている。

本発明に係わる逐次成形方法は、周囲を保持した金属板の一方の主面に棒状工具の先端を押し付けて移動させることにより、金属板を三次元形状に成形する。この逐次成形方法では、金属板の他方の主面側に配置した受台を用いる。この受台は、棒状工具の先端面に相対向する平面を有すると共に、少なくとも金属板に対して進退可能である。そして、逐次成形方法は、棒状工具と受台とで金属板を挟んだ状態にして棒状工具の移動に受台を追従させることにより金属板を成形することを特徴としている。

本発明に係わる逐次成形装置は、上記の逐次成形方法に用いる逐次成形装置であって、金属板の周囲を保持するクランプ装置と、金属板の一方の主面側に配置した棒状工具と、金属板の他方の主面側に配置した受台と、予め設定した棒状工具の移動経路データに基づいて、受台の位置を制御する制御装置とを備えたことを特徴としている。

本発明に係わる逐次成形方法及び逐次成形装置は、上記構成を採用したことにより、成形品の様々な形状に対応可能な受台を用いることで、設備費や製造コストの抑制を実現しつつ、棒状工具の接触部分における金属板の表裏の歪み差を小さくして、成形品の形状精度や品質を高めることができる。

本発明に係わる逐次成形方法の第１実施形態において、同方法が適用可能な逐次成形装置を示す側面図である。 図１に示す受台の駆動機構を説明する平面図である。 棒状工具と受台との関係を示す側面図（Ａ）、及び平面図（Ｂ）である。 図１に続いて金属板の成形過程を示す側面図である。 図４に続いて金属板の成形過程を示す側面図である。 棒状工具と金属板の成形角度との関係を示す要部の側面図である。 棒状工具の各形状と受台との関係を示す各々側面図（Ａ）～（Ｃ）である。 成形角度が大きい場合における棒状工具と金属板との関係を示す要部の断面説明図（Ａ）、成形時の金属板の変化を示す断面説明図（Ｂ）、及び成形後の金属板の変化を示す断面説明図（Ｃ）である。 成形角度が小さい場合における棒状工具と金属板との関係を示す要部の断面説明図（Ａ）、成形時の金属板の変化を示す断面説明図（Ｂ）、及び成形後の金属板の変化を示す断面説明図（Ｃ）である。 本発明に係わる逐次成形方法の第２実施形態において、同方法が適用可能な逐次成形装置を示す側面図である。 図１１に続いて金属板の成形過程を示す側面図である。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明に係わる逐次成形方法が適用可能な逐次成形装置を示す図である。図示の逐次成形装置は、基本構成として、金属板Ｗの周囲を保持するクランプ装置１と、金属板Ｗの一方の主面側（図１中で上側）に配置した棒状工具Ｔと、金属板Ｗの他方の主面側（下側）に配置した受台２と、予め設定した棒状工具Ｔの移動経路データに基づいて受台２の位置を制御する制御装置３とを備えている。

金属板Ｗは、成形品の素材である平板であり、この実施形態では、水平状態にしてクランプ１で周囲を保持する。なお、本発明に係わる逐次成形方法は、成形型を使用しないダイレスフォーミングである。この逐次成形方法では、金属板Ｗを垂直状態や傾斜状態に保持することも可能であり、金属板Ｗの姿勢に応じて、棒状工具Ｔや受台２を配置する。クランプ装置１は、固定した下枠部１Ａと、この下枠部１Ａに対して昇降可能な上枠部１Ｂとを備え、下枠部１Ａと上枠部１Ｂとの間で金属板Ｗの周囲を強固に挟持する。

棒状工具Ｔは、図示例では軸線を上下方向にした姿勢で保持してあり、下側の先端部が球面状等の適宜形状を有する周知のものであり、工具駆動装置４により直交する３軸方向に駆動される。

工具駆動装置４には、多軸制御型の作業ロボットやＮＣ工作機械などを用いることができる。図示例の工具駆動装置４は、装着した棒状工具Ｔを水平方向であるＸ及びＹ方向、並びに垂直方向であるＺ方向に移動させる。なお、棒状工具Ｔは、各軸回りに回転させることも可能である。

受台２は、棒状工具Ｔの先端面に相対向する平面２Ｓを有すると共に、少なくとも金属板Ｗに対して進退可能であって、この実施形態では、金属板Ｗに対して進退する方向をＺ軸方向として、互いに直交するＸ，Ｙ，Ｚの３軸方向に移動可能である。つまり、受台２は、成形品の様々な形状に関係なく、平面２Ｓを有していれば良いのであって、図１及び図２に示す受台駆動装置５により互いに直交する３軸方向に駆動される。

また、この実施形態の受台２は、図３（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、平面視で概略正方形状を成し、棒状工具Ｔの軸線方向の投影面積と同等又は若干広い大きさの平面２Ｓを有すると共に、平面２Ｓの周囲である肩部分に面取り部Ｒを有している。

受台駆動装置５は、正方形の枠状を成すフレーム５Ａと、フレーム５Ａを水平状態にして昇降駆動するリフタ５Ｂと、フレーム５Ａの一方の対向辺（図２中で上下の対向辺）間に架設したビーム５Ｃと、ビーム５Ｃ上に配置したスライド５Ｄを備えている。ビーム５Ｃは、図示しない駆動機構により対向辺の長手方向（図２中で左右方向）に往復動可能である。また、スライド５Ｄは、図示しない駆動機構により、ビーム５Ｃの長手方向（図２中で上下方向）に往復動可能であり、その上部に受台２が固定してある。

これにより、受台２は、図２において、ビーム５ＣによりＸ軸方向に移動可能であると共に、スライド５ＤによりＹ軸方向に移動可能であり、さらに、図１において、リフタ５ＢによりＺ軸方向に移動可能である。

制御装置３は、コンピュータであって、金属板Ｗを成形品に成形するための棒状工具Ｔを駆動するためのデータとして、成形開始点から成形終了点に至る全ての移動経路、移動速度、及び金属板Ｗに対する押圧量等々が予め入力してある。この制御装置３は、予め設定した棒状工具Ｔの移動経路データに基づいて、棒状工具Ｔの移動に追従するように受台２の位置を制御する機能を有する。

より正確には、制御装置３は、棒状工具Ｔが設定した移動経路に沿って移動するように工具駆動装置４を制御すると共に、受台２が棒状工具Ｔの移動に追従するように受台駆動装置５を制御する。

次に、上記の逐次成形装置の動作とともに逐次成形方法を説明する。周知の逐次成形方法では、図１に示すように、周囲をクランプ１で保持した金属板Ｗに対して、棒状工具Ｔの先端部を押し付けて移動させる。具体的には、棒状工具Ｔを周回経路に沿って移動させた後、棒状工具Ｔを内側及び下方向に所定分だけ変位させるピッチ送りを行い、次の周回経路に沿った移動とピッチ送りの動作を繰り返す。これにより、逐次成形方法は、等高線状に棒状工具Ｔを移動させて、図４及び図５に示すように、底部を徐々に押し下げるように金属板Ｗを成形し、最終的に三次元形状の成形品を得る。

ここで、逐次成形方法では、金属板Ｗにおいて、棒状工具Ｔが接する面が延ばされるので、棒状工具Ｔが接する面の残留応力とその反対面の残留応力との差、すなわち表裏の歪み差が大きくなり、捻れなどの寸法悪化の現象が生じ易くなる。

これに対して、本発明に係わる逐次成形方法では、上記の如く逐次成形を行うに際し、棒状工具Ｔと受台２とで金属板Ｗを挟んだ状態にして棒状工具Ｔの移動に受台２を追従させる。図示例では、図４に示すように、棒状工具Ｔの周回移動及びピッチ送りに追従するように受台２をＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に移動させて、金属板Ｗに外側の傾斜面Ｋ１を成形する。その後、図５に示すように、棒状工具Ｔと受台２との協働により内側の傾斜面Ｋ２を形成し、段階的な凹部形状を有する成形品を得る。

つまり、上記の逐次成形方法では、棒状工具Ｔとその反対側に配置した受台２とで金属板Ｗを挟み、金属板Ｗを表裏からしごくように成形することで、金属板Ｗの表裏の歪み差を小さくし、歪み差により生じる捩れ等の成形不良を抑制する。

また、逐次成形方法では、より好ましい実施形態として、金属板Ｗの成形前の主面と成形した傾斜面（Ｋ１．Ｋ２）との成す角度を成形角度θとし、成形角度θの大きさに応じて、棒状工具Ｔと受台２との間隔ｄを金属板Ｗの板厚ｔ_０以下の範囲で制御する。

棒状工具Ｔは、図７（Ａ）に示すように先端部が球面状を成すもの、図７（Ｂ）に示すように先端部が平坦でその周囲に面取り部を有するもの、図７（Ｃ）に示すように先端部と面取り部の曲率が異なるものなどがある。上記の逐次成形方法では、様々な先端部を有する棒状工具Ｔを採用することができ、いずれの場合も棒状工具Ｔと受台２との間隔ｄを金属板Ｗの板厚ｔ_０以下の範囲で制御する。

さらに、逐次成形方法では、上記の間隔ｄを制御するに際し、より好ましい実施形態として、金属板Ｗの降伏応力若しくは０．２％耐力をＹｓ（Ｎ／ｍｍ^２）、ヤング率をＥ（Ｎ／ｍｍ^２）、及び板厚をｔ_０（ｍｍ）としたとき、成形角度θが、θ＜ａｒｃｔａｎ（４０×Ｙｓ／（Ｅ×ｔ_０ ^３））となる範囲を成形する際に、棒状工具Ｔと受台２との間隔ｄが、金属板Ｗの板厚ｔ_０以下となるように制御する。

これは、先述したように、棒状工具Ｔの周回経路に沿った移動とピッチ送りの動作を繰り返して金属板Ｗを次第に成形していくと、金属板Ｗの材質や成形角度θにより、棒状工具Ｔから付与される変形のうちの弾性変形が占める割合が増加するからである。

図８（Ａ）は、成形角度θが１０度である場合の金属板Ｗの変形量を示す図である。棒状工具Ｔは、実線で示す位置で周回経路を移動をした後、送り量Ｌ_１０でピッチ送りされ、点線で示す位置で次の周回経路を移動する。この際、金属板Ｗは、図８（Ｂ）に示すように、棒状工具ＴのＺ方向の押し込み量に相当する変位Ｐｚが与えられる。つまり、金属板Ｗは、白色の部分から灰色の部分に変位する。その後、金属板Ｗには、図８（Ｃ）に示すようにスプリングバックが生じるが、成形角度θが１０度の場合では、スプリングバックの量が少ないので、最終変形量（塑性変形量）Ｐｚ’が大きくなり、棒状工具Ｔの押し込み量（Ｐｚ）と最終変形量（塑性変形量）Ｐｚ’との差が小さくなる。

図９（Ａ）は、成形角度θが５度である場合の金属板Ｗの変形量を示す図である。棒状工具Ｔは、図８と同様に、実線で示す位置で周回経路を移動をした後、送り量Ｌ_５でピッチ送りされ、点線で示す位置で次の周回経路を移動する。この際、金属板Ｗは、図９（Ｂ）に示すように、棒状工具Ｔの押し込み量に相当する変位Ｐｚが与えられるが、成形角度θが５度の場合には、図９（Ｃ）に示すようにスプリングバックの量が多いので、最終変形量（塑性変形量）Ｐｚ’が小さくなり、棒状工具Ｔの押し込み量（Ｐｚ）と最終変形量Ｐｚ’との差が大きくなる。

逐次成形方法において、金属板Ｗに設定通りの最終変形量（塑性変形量）Ｐｚ’を与えられるか否かは、金属板Ｗのヤング率Ｅ、降伏応力又は０．２％耐力Ｙｓ、板厚ｔ_０によって変わる。つまり、ヤング率Ｅが小さい場合、降伏応力又は０．２％耐力Ｙｓや板厚ｔ_０が大きい場合は、同じ変位を与えても塑性変形し難くなる。これらの関係を実験的に求めた結果、成形角度θが、θ＜ａｒｃｔａｎ（４０×Ｙｓ／（Ｅ×ｔ_０ ^３））の条件になると、金属板Ｗに充分な最終変形量（塑性変形量）Ｐｚ’を与えられないことが判明した。

そこで、上記の逐次成形方法では、先述したように、成形角度θが、θ＜ａｒｃｔａｎ（４０×Ｙｓ／（Ｅ×ｔ_０ ^３））となる範囲を成形する際に、棒状工具Ｔと受台２との間隔ｄが、金属板Ｗの板厚ｔ_０以下となるように制御することで、金属板Ｗに充分な最終変形量（塑性変形量）Ｐｚ’を与えることを実現した。なお、棒状工具Ｔと受台２との間隔ｄの制御は、棒状工具Ｔ及び受台２の少なくとも一方のＺ軸方向の変位量を調整すれば良い。

さらに、逐次成形方法では、成形角度θが上記範囲である場合、より好ましい実施形態として、棒状工具Ｔと受台２との間隔ｄを、０．９ｔ_０≦ｄ≦０．９５ｔ_０の範囲で制御する。これは、上記間隔ｄを変えて試験的に逐次成形を行ったところ、金属板Ｗの板厚ｔ_０が０．９ｔ_０～０．９５ｔ_０の範囲において成形精度が良好であることが判明したからである。また、間隔ｄを０．９ｔ_０未満にすると、金属板Ｗが横方向に移動する現象が生じ、しわ状の模様が発生するため、間隔ｄを０．９ｔ_０よりも圧縮方向に狭めるのは望ましくないことも判明した。

このように、上記実施形態で説明した逐次成形方法及び逐次成形装置によれば、成形品の様々な形状に対応可能な受台２を用いることで、設備費や製造コストの抑制を実現しつつ、棒状工具Ｔの接触部分における金属板Ｗの表裏の歪み差を小さくして、成形品の形状精度を高めると共に、工具痕の無い高品質の成形品を得ることができる。

また、上記の逐次成形方法は、成形角度θの大きさに応じて、棒状工具Ｔと受台２との間隔ｄを金属板Ｗの板厚ｔ_０以下の範囲で制御し、望ましくは、成形角度θが、θ＜ａｒｃｔａｎ（４０×Ｙｓ／（Ｅ×ｔ_０ ^３））となる範囲を成形する際に、棒状工具Ｔと受台２との間隔ｄが、金属板Ｗの板厚ｔ_０以下となるように制御し、より望ましくは、棒状工具Ｔと受台２との間隔ｄを、０．９ｔ_０≦ｄ≦０．９５ｔ_０の範囲で制御する。

これにより、上記の逐次成形方法は、成形品の表面品質を良好に保ちながら、形状精度の高い成形品を得ることができ、例えば、金属板Ｗがアルミニウム等の低ヤング率の材料であっても、高品質の成形品を製造することができる。

さらに、上記の逐次成形方法は、Ｘ，Ｙ，Ｚの３軸方向に移動可能な受台２を採用することで、受台２を必要最小限の大きさにすることができ、駆動装置の省力化などを図ることができる。

さらに、上記の逐次成形方法は、棒状工具Ｔの軸線方向の投影面積と同等の大きさの平面２Ｓと、その周囲の面取り部Ｒとを有する受台２を用いることで、受台２の小型化や駆動装置の省力化の実現に加えて、受台２のＸ及びＹ方向への移動を円滑にし、金属板Ｗの損傷を防止する。

＜第２実施形態＞
図１０は、本発明に係わる逐次成形方法の第２実施形態として、同方法に適用可能な逐次成形装置を示す図である。なお、第２実施形態では、第１実施形態と同等の構成部位に同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図示例の逐次成形装置は、受台１２が、金属板Ｗの被成形範囲と同等の大きさの平面１２Ｓを有しており、受台駆動装置１５により駆動される。この場合、受台駆動装置１５は、リフタ１５Ｂを備え、金属板Ｗに対して受台１２を進退するＺ方向のみに駆動する。この受台１２は、先の実施形態と同様に、成形品の様々な形状に関係なく、平面１２Ｓを有するものであれば良い。

上記の受台１２を用いた逐次成形方法にあっても、棒状工具Ｔと受台１２とで金属板Ｗを挟んだ状態にして棒状工具Ｔの移動に受台１２を追従させることにより、金属板Ｗを成形する。すなわち、上記の逐次成形方法では、棒状工具Ｔを水平方向であるＸ及びＹ方向に移動させている間は、金属板Ｗの被成形範囲の全域に受台１２が接触しているので、受台１２を駆動する必要はない。

そして、上記の逐次成形方法では、図１１に示すように、棒状工具ＴがＺ方向に下降するのに伴って、棒状工具Ｔとの間で金属板Ｗを挟みつつ受台１２を下降させる。また、この実施形態の逐次成形方法においても、第１実施形態と同様に、成形角度θに応じて棒状工具Ｔと受台１２との間隔ｄを制御する。

上記実施形態の逐次成形方法及び逐次成形装置は、第１実施形態と同様に、成形品の様々な形状に対応可能な受台１２を用いることで、設備費や製造コストの抑制を実現しつつ、棒状工具Ｔの接触部分における金属板Ｗの表裏の歪み差を小さくして、成形品の形状精度や品質を高めることができる。そして、上記の逐次成形方法及び逐次成形装置は、とくに、金属板Ｗの被成形範囲と同等の大きさの平面１２Ｓを有する受台１２を採用したことにより、受台１２を金属板Ｗに対する進退方向（Ｚ方向）のみに駆動すれば良いので、受台１２の受台駆動装置１５の構造の簡略化や、同装置１５の制御プログラムの簡素化などを図ることができる。

本発明に係わる逐次成形方法及び逐次成形装置は、その構造が上記各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適宜変更することが可能である。

１ クランプ装置
２，１２ 受台
２Ｓ，１２Ｓ 平面（受台の平面）
３ 制御装置
４ 工具駆動装置
５，１５ 受台駆動装置
Ｒ 面取り部
Ｔ 棒状工具
Ｗ 金属板

Claims (8)

1. 周囲を保持した金属板の一方の主面に棒状工具の先端を押し付けて移動させることにより、前記金属板を三次元形状に成形する逐次成形方法において、
   前記金属板の他方の主面側に配置した受台を用い、
   前記受台が、前記棒状工具の先端面に相対向する平面を有すると共に、少なくとも前記金属板に対して進退可能であり、
   前記棒状工具と前記受台とで前記金属板を挟んだ状態にして前記棒状工具の移動に前記受台を追従させることにより前記金属板を成形することを特徴とする逐次成形方法。
2. 前記金属板の成形前の主面と成形した傾斜面との成す角度を成形角度θとし、
   前記成形角度θの大きさに応じて、前記棒状工具と前記受台との間隔ｄを前記金属板の板厚以下の範囲で制御することを特徴とする請求項１に記載の逐次成形方法。
3. 前記金属板の降伏応力若しくは０．２％耐力をＹｓ（Ｎ／ｍｍ^２）、ヤング率をＥ（Ｎ／ｍｍ^２）、及び板厚をｔ_０（ｍｍ）としたとき、
   前記成形角度θが、θ＜ａｒｃｔａｎ（４０×Ｙｓ／（Ｅ×ｔ_０ ^３））となる範囲を成形する際に、前記棒状工具と前記受台との間隔ｄが、前記金属板の板厚ｔ_０以下となるように制御することを特徴とする請求項２に記載の逐次成形方法。
4. 前記棒状工具と前記受台との間隔ｄを、０．９ｔ_０≦ｄ≦０．９５ｔ_０の範囲で制御することを特徴とする請求項３に記載の逐次成形方法。
5. 前記受台が、前記金属板に対して進退する方向をＺ軸方向として、互いに直交するＸ，Ｙ，Ｚの３軸方向に移動可能であることを特徴とする請求項１に記載の逐次成形方法。
6. 前記受台が、前記棒状工具の軸線方向の投影面積と同等の大きさの平面を有すると共に、前記平面の周囲に面取り部を有することを特徴とする請求項５に記載の逐次成形方法。
7. 前記受台が、前記金属板の被成形範囲と同等の大きさの平面を有することを特徴とする請求項１に記載の逐次成形方法。
8. 請求項１に記載の逐次成形方法に用いる装置であって、
   前記金属板の周囲を保持するクランプ装置と、
   前記金属板の一方の主面側に配置した前記棒状工具と、
   前記金属板の他方の主面側に配置した前記受台と、
   予め設定した前記棒状工具の移動経路データに基づいて、前記受台の位置を制御する制御装置とを備えたことを特徴とする逐次成形装置。

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