JP3717426B2

JP3717426B2 - 曲面板の製作方法

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Publication number: JP3717426B2
Application number: JP2001192153A
Authority: JP
Inventors: 文雄吉永
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-06-26
Filing date: 2001-06-26
Publication date: 2005-11-16
Anticipated expiration: 2021-06-26
Also published as: JP2003010934A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、比較的大きな板状曲面付きの部品や構造体を製作する方法に関する。例えば、鉄道車両の先頭車，航空機，船体等の先頭部分のように、流体特性向上などから３次元の曲面を有する部分の製作に好適である。
【０００２】
【従来の技術】
鉄道車両の先頭車の先頭部分は空気抵抗や意匠の観点で３次元曲面を有する。それもかなり複雑な曲面を必要としている。このような曲面板の製作方法として、特開２０００−３０１３６５号がある。これは先頭車を構成する個々のブロックとして、板をプレスして曲面板を製作し、次に曲面板の一方側の面を切削して格子状のリブを設けている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前記特開２０００−３０１３６５号には、板をプレスして曲面板を製作し、次に曲面板の一方側の面を切削して格子状のリブを設けているが、曲面板の製作方法については明らかにされていない。
【０００４】
本発明は、車両等の比較的大きな曲面板を安価に高精度に提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、
上型または下型の少なくとも一方の型において、曲面板に接する端部であって、型の外面に、実質的に直交する基準面からなる基準位置を複数設けておき、
前記上型と下型とで板をプレスして曲面板を成形し、
前記基準面に基づいての前記曲面板にポイントマークを設け、
前記ポイントマークに基づいて前記曲面板を基準位置のジャッキに載せると共に、基準高さに位置合わせして、前記曲面板を加工機に固定し、
次に、前記加工機によって前記曲面板の切削を行うこと、
によって達成できる。
【０００６】
また、上記目的は、
環状の枠板と、該枠板の内側に間隔で配置した複数の押し板と、からなり、前記枠板と前記押し板の一方の面を曲面に構成した第１の型と、同じく第２の型とを用い、
前記第１の型と前記第２の型との間に板を配置し、前記板をプレスすること、
によって達成できる。
【０００７】
また、上記目的は、
環状の枠板と、該枠板の内側に間隔で配置した複数の押し板と、からなり、金型に対して、被成形品のＣＡＤデータに基づいて、被成形品の板に接する面を切削すること、
によって達成できる。
【０００８】
また、上記目的は、
環状の枠板と、該枠板の内側に間隔で配置した複数の押し板と、からなり、金型に対して、被成形品が接する面を切削するに当たって、被成形品のＣＡＤデータから被成形品の素材の板厚をオフセットした値によって、前記面を切削すること、
によって達成できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を鉄道車両の先頭車の先頭部分のブロック製作に適用する場合について、図１〜図８，図１１〜図１４によって説明する。図１１において、車両の大きさに対するブロック５０の大きさ等は模式的に示したものである。
【００１０】
図１４のように、車体の先頭部分Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３は、車体の長手方向および幅方向に沿って曲がった３次元曲面を有する。部分Ｓ３には運転席の窓Ｃがある。部分Ｓ３には曲面から更に突出する曲面があることが多い。このため、部分
Ｓ３には複雑な曲面を有することが多い。部分Ｓ４は客室部分であり、出入り口Ｄ１，Ｄ２，窓Ｗがある。この部分の外面は車体の長手方向に沿って直線状であるので、従前の構成である。
【００１１】
先頭車は、床を構成する台枠１００，台枠１００の上に載せた曲面部Ｓ３，直線部Ｓ４、および曲面部Ｓ３の先端に設置した曲面部Ｓ２，Ｓ３からなる。
【００１２】
Ｓ３の部分は複数個のブロック５０で構成されている。ブロック５０は面板５１とリブ５５とで構成される曲面板状である。ブロック５０はアルミニウム合金製である。
【００１３】
図１１において、ブロック５０同士は各ブロックの外周に設けたリブ５０同士を接触させて溶接ｗ１，ｗ１で結合されている。
【００１４】
図１３は、ブロック５０を内側（リブ側）から見た外観と途中断面を表している。面板５１とリブ５５とで曲面板状のブロック５０を形成している。
【００１５】
このブロックは板をプレスして曲面板を製作し、次に曲面板の一方側の面を切削して格子状のリブを設けている。
【００１６】
図１は、板をプレスして曲面板を製作するときに使用する金型の全体図である。６０は上型（ポンチ）、７０は下型（ダイ）である。それぞれ四角形の環状の枠板６１，７１、枠板６１，７１内に配置した押し板６２，７２、枠板６１，７２および押し板６２，７２に接した基板６３，７３とで構成されている。押し板６２，７２は枠板６１，７２の内側に所定の間隔で配置している。押し板６２，７２は枠板６１，７１および基板６３，７３に溶接されている。上型６０と下型７０とを重ねたとき、枠板６１と７１、押し板６２と７２とは対向する。
【００１７】
上記のようにして上型６０，下型７０を構成した後、成形品に接触する面ｆ（作用面ｆという。）を数値制御加工機によって切削する。作用面ｆは金型の幅方向および長手方向に円弧状である。作用面ｆは、枠板６１，７１、押し板６２，７２によって形成される。
【００１８】
この作用面の切削について説明する。上記のように溶接した上型６０（下型７０）を数値制御加工機に載せ、先頭車の外面を設計したＣＡＤデータを用いて、金型の作用面を切削する。但し、上型６０または下型７０の一方の金型は前記ＣＡＤデータから加工すべき素材の板厚をオフセットしたデータを基準として切削する。例えば、車外側を基準としたＣＡＤデータであって、下型７０の作用面ｆが車外側であれば、下型７０は前記ＣＡＤデータで切削する。上型６０は、前記ＣＡＤデータから加工すべき素材の板厚を減じた値で、作用面を切削する。
【００１９】
切削部位は枠板６１，７１と押し板６２，７２であるので、一体型よりも短時間で加工することができ、型の製作期間と加工費を低減できる。
【００２０】
比較的少量生産用の型では材料の耐摩耗性は高くなくてもよいので、材料は廉価な一般構造用鋼を使用できる。また、枠板と押し板、押し板同士は間隔をあけることができるので、一体型よりも質量が小さい。これらのことから、材料費が低減される。なお、金型はねずみ鋳鉄による鋳造で製作してもよい。
【００２１】
また、下型７０の枠板７１の４つの角部の上端ａ，ｂ，ｃ，ｄは基準位置として表現されている。基準位置ａ，ｂ，ｃ，ｄは機械加工によって表示している。基準位置ａ，ｂ，ｃ，ｄは４つあるが、少なくとも３つあればよい。基準位置ａ，ｂ，ｃ，ｄはそれぞれ、原点Ａからの高さ位置ｚ，幅方向位置ｘ，長さ方向位置ｙからなる。原点Ａは下型７１の底面である。
【００２２】
図４，図５等において、基準位置ａ，ｂ，ｃ，ｄの高さ位置ｚは作用面ｆの切削によって定まる。つまり、角部の上端が高さ位置ｚの基準位置となる。幅方向位置ｘおよび長さ方向位置ｙは枠板７１の外面によって定めてもよいが、枠板
７１の外面は正確でないので、角部の外面を切削によって定める。このため、角部は、幅（Ｘ）方向に沿った外面、および長手（Ｙ）方向に沿った外面の２面が切削されている。この２面は接続しており、作用面ｆにも接続している。つまり２面が切削によって凹んでいる。幅方向位置ｘおよび長さ方向位置ｙは通常、曲面板８０の完成サイズ、又は完成サイズよりも大きくしたサイズで設定する。
【００２３】
図２，図３は上記のように製作した上型６０，下型７０を用いて曲面板８０を成形する手順を説明するものである。下型７０に素材の板８０を載せ、上型６０によって加圧し、成形する。
【００２４】
素材の板８０は曲面板を展開した平板であるので、成形型６０，７０の外縁よりも大きい。下型７０の枠板７１の四隅の基準位置ａ，ｂ，ｃ，ｄの高さ位置ｚは、例えば、円筒面や円錐面（但し、いずれも半円状である。）のように中心対称形状では四隅を同じ高さにする。自由複曲面のように非対称形状では少なくとも三隅を同じ高さにする。図２の場合は、三隅ａ，ｂ，ｃが同じ高さ、すなわち水平レベルである。
【００２５】
上型６０が降下してくると、まず、上型６０の最も低い部位ｅが板８０に当たる。この時点では、板８０は下型７０の３点（ａ，ｂ，ｃ）で支持されて、上型６０の１点（ｅ）で押されるが、前記３点で支持するので、板８０の姿勢を安定に保持できる。上型６０の降下が進むにつれて上下型の成形作用面が拡張されながら、板の成形加工が進行する。図３は、上型６０の降下が進み、上下型の作用面ｆの全体が板８０に当たり、成形工程が終了した状態である。
【００２６】
枠板６１，７１によって成形品の外周を環状に包むようにして成形しているので、成形品の外周部をこの部分で確実に形成させることができる。枠板６１，７１内の押し板６２，７２は成形加工の要所，要所に配置しているので、前記外周部内を確実に形成させることができる。
【００２７】
押し板６２，７２の配置は、上型６０と下型７０の全体が板８０に当たったときに板に発生する応力が降伏点以上になる間隔で配置する。また、成形品のひとつの曲面部分が、２つの押し板６２，７２にまたがるように配置する。複曲面では図１のように一方向に押し板を配置しただけでは、これらの条件を満足できない場合が考えられる。この場合には、図９に示すように、交叉する方向にも押し板６４，７４を設ける。
【００２８】
このようにして曲面板８０を成形したら、基準位置ａ，ｂ，ｃ，ｄの４点において、切削によって設けた凹部に沿って曲面板８０の下面にけがき線を引く。つまり、凹部の２面に沿ってけがき線を引く。このけがき線の交点にポイントマークを表示する。ポイントマークをけがき線で設けてもよいし、凹部の角部にポイントマークのみを打ってもよい。ポイントマークの位置の誤差はできるだけ少なくする。例えば、曲面板８０の製作誤差が３mmであるので、１mm未満にする。けがきではなく、他の手段でポイントマークを表示するようにすることができる。個々ではこれらを含めてけがき線を符すると称している。凹部はけがき線を符するための基準面である。この基準面は２面からなり、実質的に直交している。
【００２９】
次に、曲面板８０の一方の面にリブ５５を設けるための機械加工を行う。これは数値制御式加工機（５軸マシニングセンター等）で行う。このためには、曲面板８０を正確に加工機にセットしなければならない。曲面板８０は複雑な曲面であり、加工代は例えば約５mmと少ないので、正確な基準が無いと正確な加工ができない。このため、曲面板８０に符したポイントマークａ，ｂ，ｃ，ｄを原点とする。
【００３０】
図６は前記けがき線を符した曲面板の斜視図である。けがき線を符した面を上面にしている。図７は加工機にセットして行う位置決めの作業を説明する図である。基準位置ａ，ｂ，ｃ，ｄを上面に示しているが、理解を容易にするために上面に示したもので、本来は下面にある。
【００３１】
位置決め作業は、ポイントマーク（基準位置ａ，ｂ，ｃ，ｄ）を加工機２００のジャッキ２１０Ａ，２１０Ｂ，２１０Ｃ，２１０Ｄに載せる。それぞれのジャッキをそれぞれの幅方向位置，長さ方向位置の基準位置にセットしている。そして、それぞれのジャッキの高さを基準高さｚにする。曲面板８０の基準位置ａ，ｂ，ｃ，ｄがそれぞれの基準位置になるように、それぞれのジャッキを駆動させて行う。
【００３２】
この基準位置（ジャッキによる支持位置）は少なくとも３点あればよいが、切削時の荷重等を考慮して、支持数を定める。例えば、曲面板８０の長さが長い場合は、ａとｂの間，ｃとｄの間、また、ａ，ｂ，ｃ，ｄの４点の中間にも支持位置を設ける。その後、曲面板８０を加工機に固定する。
【００３３】
ジャッキ２１０は、加工機の定盤と、定盤と曲面板８０との間に挿入するシム等と、による手段を含むものである。
【００３４】
また、ジャッキ２１０はポイントマークａ，ｂ，ｃ，ｄの位置を支持することが望ましいが、その近傍を支持するようにすることができる。
【００３５】
次に、曲面板８０の外面側の形状を測定し、確認してから、リブ５５のための加工を行う。これによれば、正確な加工を行うことができる。また、この切削の前に、曲面板８０の四隅部を切削して基準面（ｚ座標）を設ける。また、切削等によってポイントマーク（ｘ，ｙ座標）を設ける。
【００３６】
次に、曲面板８０を反転させて、前記切削による基準面のポイントマークを用いて、前記のように位置合わせを行う。そして、切削する。
【００３７】
これによれば、正確な切削ができ、また、誤差が少なくなるので、素材の板厚を薄くでき、安価にできるものである。切削量も少なくできるものである。
【００３８】
なお、基準面の凹部を上型６０に設け、曲面板８０の上面にポイントマークを設け、反転させて加工機に載せ、このポイントマークを位置合わせの基準点にすることができる。また、上下の面にポイントマークを設け、上側のポイントマークを切削による基準面、ポイントマークの代用にすることができる。
【００３９】
次に、ブロック５０の製作方法を図８とともに説明する。まず、ブロック５０の大きさよりも若干大きく素材の板８０を切断する（ステップＳ２００）。板８０はアルミニウム合金製で、板のサイズは例えば、厚さ４０mm，幅１５００mm，長さ２５００mmである。成形後の板８０の加工代は約５mmである。
【００４０】
次に、板８０を成形型６０，７０でプレスして所定の曲面板を作る。成形後の曲面板の形状精度は、約３mmである。次に、焼鈍する。このプレスは板８０を約３００℃に加熱して行う。次に、成形型６０，７０に曲面板８０を所定圧力で挟んだ状態で、約３５０℃に約４０分間保持して焼鈍する（ステップＳ２１０）。
【００４１】
次に、４つの基準位置ａ，ｂ，ｃ，ｄに基づいて、板８０に前記のようにけがいてポイントマークを符する(ステップＳ２３０)。
【００４２】
次に、上型７０を除き、曲面板８０を取り出す（ステップＳ２５０）。なお、けがいた後、曲面板８０を取り出し、その後、けがき線に基づいてポイントマークを符してもよい。
【００４３】
次に、加工機に曲面板８０を前記のようにして位置合せし、固定する（ステップＳ３００）。
【００４４】
次に、曲面板８０を前記のように測定し、曲面板８０を切削し、リブ５５を設ける。また、基準面を設ける切削を行う（ステップＳ３３０）。リブ５５の寸法は例えば、高さ３０mmで、厚さ６mm、ピッチは２００mmである。リブ５５と面板５１の付け根の丸みは例えば５mmである。また、外周部に溶接用の開先を設ける。
【００４５】
次に、曲面板８０を反転して、固定し、面板５１の外面を切削して所定の厚さに仕上げる（ステップＳ３５０）。加工機への固定，測定は前記のように行われる。切削後の面板の厚さは、例えば２mmである。また、要求される強度条件によって部分で厚さを変化することもできる。
【００４６】
最後に、外周をトリミングしてブロック５０を完成させる(ステップＳ３７０)。溶接用の開先も設ける。
【００４７】
上記によれば、安価な成形型で精度良く曲面板を製作でき、少ない加工代で切削加工できる。このため、複雑な曲面のリブ付き大形ブロックを精度良く、安価に製作することができるものである。
【００４８】
図１０の実施例を説明する。この実施例は曲面板８０の端部が円弧状であって、その円弧が小半径である場合に好適である。曲面板の端部が円弧状であって、その円弧が小半径の場合は、曲面板の固定が困難である。また、反転させた場合の基準面を水平に設けることが望ましいが、小半径であると、切削代が大きくなって、残った板厚が薄くなり、支持が困難になる。そこで、プレスした後、所定の位置に片２２０Ａ，２２０Ｂ,２２０Ｃ,２２０Ｄを溶接する。この片２２０は水平方向に突出している。片２２０はポイントマークの近傍にある。片２２０をジャッキ２１０で前記と同様に支持し、同様に固定する。この状態で片２２０Ａ，２２０Ｂ，２２０Ｃ，２２０Ｄの上面ｕを任意の高さ（ｚ）で切削加工する。同時に曲面板８０の四隅には切削等によってポイントマーク（ｘ，ｙ座標）を設ける。仮に、リブ５５の加工により曲面板８０に少し変形が発生しても、反転時に押え金２２０Ａ，２２０Ｂ，２２０Ｃ，２２０Ｄのｕ面をジャッキ２１０Ａ，２１０Ｂ，２１０Ｃ，２１０Ｄに拘束することにより、変形を修正して加工機に固定することができる。
【００４９】
本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲の各請求事項に記載の文言あるいは課題を解決するための手段の項に記載の文言に限定されず、当業者がそれから容易に置き換えられる範囲にも及ぶものである。
【００５０】
【発明の効果】
本発明によれば、切削した曲面板を安価に高精度に製作することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の成形型の全体斜視図である。
【図２】図１の下型に素材の板を載せた状態の斜視図である。
【図３】成形型による成形終了時の斜視図である。
【図４】図１の下型の基準位置の正面図である。
【図５】図４の平面図である。
【図６】成形した曲面板の斜視図である。
【図７】曲面板を加工機に載せた状態の斜視図である。
【図８】成形および切削の手順を説明するフローチャートである。
【図９】本発明の他の実施例の成形型の斜視図である。
【図１０】本発明の他の実施例の曲面板を加工機に載せた状態の斜視図である。
【図１１】本発明の一対象部品例の先頭車両先頭部分の斜視図である。
【図１２】図１１の１２−１２断面図である。
【図１３】図８の曲面ブロックの部分図である。
【図１４】本発明の一対象部品例の先頭車両先頭部分の側面図である。
【符号の説明】
５０…ブロック、５１…面板、５５…リブ、６０，７０…上型、６１，７１…枠板、６２，６４，７２，７４…押し板、６３，７３…基板、８０…板、ａ，ｂ，ｃ，ｄ…基準位置。

Claims

上型または下型の少なくとも一方の型において、曲面板に接する端部であって、型の外面に、実質的に直交する基準面からなる基準位置を複数設けておき、
前記上型と下型とで板をプレスして曲面板を成形し、
前記基準面に基づいての前記曲面板にポイントマークを設け、
前記ポイントマークに基づいて前記曲面板を基準位置のジャッキに載せると共に、基準高さに位置合わせして、前記曲面板を加工機に固定し、
次に、前記加工機によって前記曲面板の切削を行うこと、
を特徴とする曲面板の製作方法。
請求項１の曲面板の製作方法において、前記ポイントマークを前記ジャッキに載せて固定すること、を特徴とする曲面板の製作方法。
請求項１の曲面板の製作方法において、
前記曲面板の複数の位置の上面を切削して基準面を設けると共に、その他の切削を行い、
次に、前記曲面板を反転させ、
前記切削によって設けた基準面に基づいて該曲面板を基準位置に固定し、
次に、前記曲面板を切削すること、
を特徴とする曲面板の製作方法。
請求項１の曲面板の製作方法において、
前記曲面板の端部に実質的に水平方向に突出する複数の片を溶接し、
該片を用いて前記位置合わせおよび固定を行うこと、
を特徴とする曲面板の製作方法。
請求項４の曲面板の製作方法において、
前記曲面板の複数の前記片の上面を切削して基準面を設けると共に、その他の切削を行い、
次に、前記曲面板を反転させ、
前記切削によって設けた基準面に基づいて該曲面板を基準位置に固定し、
次に、前記曲面板を切削すること、
を特徴とする曲面板の製作方法。