JP3807856B2

JP3807856B2 - インクリメンタル押圧成形装置

Info

Publication number: JP3807856B2
Application number: JP32559598A
Authority: JP
Inventors: 篤信村田; 文憲松田
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1998-11-16
Filing date: 1998-11-16
Publication date: 2006-08-09
Anticipated expiration: 2018-11-16
Also published as: JP2000153313A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はインクリメンタル押圧成形装置、特に所望の形状加工時の板厚減少に伴う割れを防止するインクリメンタル押圧成形装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば自動車のホイールキャップは、プレス加工により大量生産されるのが一般的であるが、注文生産で多種類のホイールキャップを少量又は一品生産する場合がある。このような少量又は一品物のホイールキャップを製作する場合、従来はそれらの形状ごとに成形型を製作すると製作費用がかさむため、通常板金職人により一品ずつ生産していた。しかしながら、かかる場合一品を製作する時間が長時間化し、製造コストがかさむという問題があった。
【０００３】
そこで、少量多品種の生産の場合において、形状ごとに成形型を製作することなく、生産コストを削減する成形方法が、特開平７−１３２３２９号公報の「板材の成形方法及びその成形装置」に提案されている。すなわち、図１７に示すような数値制御立型フライス盤（以下、「ＮＣ立型フライス盤」という）を用いて板材を加工する方法であるが、このＮＣ立型フライス盤のテーブル３０には、板材の周縁を保持する治具２０が固定され、ＮＣ立型フライス盤には、板材を徐々に押圧成形するインクリメンタル成形工具５が装着されている。
【０００４】
上記治具２０は、図１８に示すように、ベースプレート１の四隅にそれぞれガイドポスト１２が取り付けられ、ベースプレート１の中心には、板材を下から支える下側工具１３が取り付けられている。上側プレート１４の四隅には、それぞれガイドポスト穴１４ａが設けられ、上側プレート１４の中心には、下側工具穴１４ｂが設けられている。従って、ガイドポスト１２及び下側工具１３は、それぞれガイドポスト穴１４ａ及び下側工具穴１４ｂに嵌め込まれる。これにより、上側プレート１４は上下にスムーズにスライドすることができる。成形用の板材である被加工材４は、上側プレート１４上に置かれ、更に被加工材４の上に中央部に大きく開口した開口１６ａを有する被加工材固定枠１６が載せられる。ボルトを被加工材固定枠１６の四隅に設けられた穴１６ｂ及び上側プレート１４に設けられた穴１４ｃを貫通しネジ止めされることによって、被加工材４が固定される。
【０００５】
一方、ＮＣ立型フライス盤には、予め作成しておいた計画形状に等高線データが記憶されている。
【０００６】
従って、図１９に示すように、治具２０一式をＮＣ立型フライス盤のテーブル３０に載せ固定し、ＮＣ立型フライス盤に取り付けられた棒状のインクリメンタル成形工具５を移動させながら、予め作成しておいた計画形状に等高線データに従って、上から一層毎に押圧成形していくことによって、板材が所望の形状に加工される。上側プレート１４には上向きあるいは下向きの力が付与されるようになっており、この押圧成形時に、上側プレート１４は、インクリメンタル成形工具５の押圧成形に応じて、図２０に示すように下方にスライドする。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の特開平７−１３２３２９号公報の板材の成形方法及びその成形装置に用いられている先端形状が半球状のインクリメンタル工具を用いて、例えば成形される面の傾斜が急な場合には、成形に必要な被加工材の伸び量が大きくなり、被加工材の伸び能力を超えてしまうため、成型時に割れが発生するおそれがあった。
【０００８】
また、上記先端形状が半球状のインクリメンタル成形工具の押付け力によって発生する引っ張り力により、既成形部分を変形させるおそれがあった。その結果、形状が崩れ、目的の形状が得られにくいという問題があった。
【０００９】
また、上記形状くずれを防止すべく、サポータである総型（雄型のみ、あるいは雌型のみ）を用いると、所望の部品毎に専用のサポータを作成する必要があり、このサポータの製作の手間、製作期間、製作費用等が更にかかるという問題があった。
【００１０】
また、上記公報記載の成形方法の場合には、しわの発生を抑制した絞り成形を行うことができなかった。
【００１１】
本発明は上記従来の課題に鑑みたものであり、その目的は、所望の形状加工時の板厚減少に伴う割れを防止するインクリメンタル押圧成形装置を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
以上のような課題を解決するために、本発明に係るインクリメンタル押圧成形装置は、以下の特徴を有する。
【００１３】
最終製品形状に基づき作成された等高線加工データに則りインクリメンタル成形工具により被加工材を押圧成形し所望の形状に加工するインクリメンタル押圧成形装置であって、前記被加工材を挟んで前記インクリメンタル成形工具と対向し、前記被加工材を支持しつつ前記等高線データに則り前記インクリメンタル成形工具と連動して移動可能な支持工具を有し、前記インクリメンタル成形工具は、工具の軸線に直角な断面が真円でない形状を有し、前記インクリメンタル成形工具を自転させながら前記支持工具との間で挟んだ被加工材を断続的に押圧成形するインクリメンタル成形工具であり、前記インクリメンタル成形工具の自転方向と、前記インクリメンタル成形工具と前記支持工具の移動方向とを合わせ、前記等高線データに則り、前記支持工具で支持された前記被加工材の支持面を断続的に前記インクリメンタル成形工具で押圧し、被加工材を逐次外側から内側に寄せていき押圧成形するインクリメンタル押圧成形装置である。
【００１４】
上記インクリメンタル成形工具を回転させながら押圧していくことにより、成形量が分断され、１回の成形量を小さくできると共に、成形工具の回転方向を適切に選ぶことにより被加工材を逐次外側から内側に寄せていく作用もある。このため、局部の板厚が大幅に減少するおそれがなくなり、割れの発生を防止できると共に、形状精度を向上させることができる。
【００１５】
また、等高線加工データに則り上記インクリメンタル成形工具と連動して移動可能な支持工具によって、押圧成形する被加工材の裏面を支持するので、製品毎のサポータ（総型）を製作する必要がなくなり、経済性が著しく向上する。更に、しわ発生を抑制した絞り成形を行うことができる。
【００１６】
更に、本発明に係るインクリメンタル成形方法の他の好ましい態様は以下の通りである。
【００１７】
（１）最終製品形状に基づき作成された等高線加工データに則りインクリメンタル成形工具により被加工材を押圧成形し所望の形状に加工するインクリメンタル押圧成形方法において、工具を回転することにより被加工材を断続的に押圧するような、工具の軸線に直角な断面が真円でない形状を有する回転しながら成形するインクリメンタル成形工具と、前記被加工材を挟んで前記インクリメンタル成形工具と対向し、前記被加工材を支持しつつ前記等高線データに則り前記インクリメンタル成形工具と連動して移動可能な支持工具とを有する一対の工具である。
【００１８】
（２）最終製品形状に基づき作成された等高線加工データに則りインクリメンタル成形工具により被加工材を押圧成形し所望の形状に加工するインクリメンタル押圧成形方法であって、前記被加工材を挟んで前記インクリメンタル成形工具と対向し、前記被加工材を支持しつつ前記等高線データに則り前記インクリメンタル成形工具と連動して移動可能な支持工具を有し、前記インクリメンタル成形工具は、工具を回転することにより被加工材を断続的に押圧するような、工具の軸線に直角な断面が真円でない形状を有する回転しながら成形するインクリメンタル成形工具であり、前記インクリメンタル成形工具を回転させながら、前記支持工具で支持された前記被加工材の支持面を断続的に押圧成形するインクリメンタル押圧成形方法である。
【００１９】
上述の成形装置と同様に、上記（１）および（２）により、上記インクリメンタル成形工具を回転させながら押圧していくことにより、成形量が分断され、１回の成形量を小さくできると共に、成形工具の回転方向を適切に選ぶことにより被加工材を逐次外側から内側に寄せていく作用もある。このため、局部の板厚が大幅に減少するおそれがなくなり、割れの発生を防止できると共に、形状精度を向上させることができる。
【００２０】
また、等高線加工データに則り上記インクリメンタル成形工具と連動して移動可能な支持工具によって、押圧成形する被加工材の裏面を支持するので、製品毎のサポータ（総型）を製作する必要がなくなり、経済性が著しく向上する。更に、しわ発生を抑制した絞り成形を行うことができる。
【００２１】
（３）上記インクリメンタル成形工具の先端横断面は、花びら状、半円状、三角等の多角形状、星形状等、工具の回転によって断続的に被加工材を押圧できる形状であればよい。
【００２２】
これにより、上述したように、成形量が分断され、１回の成形量を小さくできると共に、回転方向を適切に選ぶことにより被加工材を逐次外側から内側に寄せていく作用もある。このため、局部の板厚が大幅に減少するおそれがなくなり、割れの発生を防止できると共に、形状精度を向上させることができる。
【００２３】
（４）また、上記インクリメンタル成形工具の被加工材を押圧する面の稜線が、工具の軸線を含む平面である必要はなく、工具先端の溝は、工具軸線方向に傾きを持たせて形成されてもよく、又は波状に形成されてもよい。
【００２４】
従来は、製品の成形面の傾きの大きさに応じて、工具先端の球半径を選択する必要があったが、工具先端の形状を上記形状にすることにより、等高線の位相軌跡方向の工具半径をそのままで、送り方向の工具半径を大きくすることができ、割れを発生させないで対応可能な製品の成形面の傾きの範囲を拡大することができる。その結果、工具先端の球半径を選択する機会が従来に比べて減少し、省力化が図れる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な一実施の形態を説明する。
【００２６】
実施の形態１．
図１〜図１１を用いて、本実施の形態のインクリメンタル押圧成形装置（以下「押圧成形装置」と略す）について説明する。尚、本実施の形態では、従来技術で説明した特開平７−１３２３２９号公報の板材の成形方法及びその成形装置を基本的に用いて、インクリメンタル押圧成形を行っているので、従来の押圧成形装置と同様の構成要素には同一の符号を付しその説明を省略する。
【００２７】
本実施の形態の押圧成形装置に用いるインクリメンタル成形工具（以下「工具」という）は、工具を回転することにより、被加工材を断続的に押圧するような工具の軸線に直角な断面が真円でない形状を有する回転しながら成形する工具で、例えば従来のインクリメンタル成形工具の半球状頂部に、工具軸線方向に少なくとも１つ以上の溝が形成された工具である。
【００２８】
例えば、図１（ａ）に示す工具５ａは、中心軸に直角な横断面において、山側の肩に相当する部分が頂部と滑らかな曲線で繋がれ、図１（ｂ）に示すＡ−Ａ横断面図のように、工具軸線方向に４つの溝が形成された、いわゆる「花びら形状」に形成されている。また、上記工具５ａの溝及び山部分は、工具の軸線を含む平面上に形成されている。また山の部分の軸線方向の形状に、段差・切欠き等があると成型品に傷等が形成されるので、連続的な形状とした。
【００２９】
本実施の形態の押圧成形装置の全体の概要が、図２に示されている。図２に示すように、上述したＮＣ立て型フライス盤のテーブル３０の上には治具２０（図１７）の代わりに、支持工具台５０が載置されている。この支持工具台５０には、被加工材４の中心を支持する支持柱２３と、被加工材４を挟んで工具５ａと対向するように配置される支持工具２５とが設けられている。
【００３０】
上記支持工具２５は、最終製品形状に基づき作成された等高線データに則り、工具５ａと連動して移動し、押圧成形する被加工材の裏面を支持する。従って、本実施の形態では、製品毎のサポータ（総型）を製作する必要がなくなり、経済性が著しく向上する。
【００３１】
次に、本実施の形態の押圧成形装置による成形方法を図３を用いて説明する。
【００３２】
本実施の形態では、被加工材４の中心と支持柱２３の上面には、穴が設けられ、ねじ３３によって両者はねじ止めされる。これにより、被加工材４は、支持柱２３にのみ固定保持される。なお、被加工材４を支持柱２３に固定保持する手段はねじ止めに限るものではなく、固定保持可能なものであれば、何れの手段を用いてもよい。
【００３３】
被加工材４を固定保持した後、ＮＣ立型フライス盤により、工具５ａを回転させながら、目的の形状の等高線加工データに従って水平面内で移動させる。また、支持工具２５を、工具５ａの移動に連動させ、常に被加工材４を挟んで工具５ａと対向するように移動させる。すなわち、支持工具２５を、工具５ａと対向しながら、目的の形状の等高線データに則って、被加工材４の板厚を加味した軌跡で水平面内で移動させる。そして、一層目の成形が終了したら、垂直方向に工具５ａおよび支持工具２５を移動させ、次層を上記同様に等高線加工データに沿って水平方向の成形および支持を行い、その後垂直方向に工具を移動させ、同様にして順次等高線データに従って一層毎に押圧成形を行う。
【００３４】
なお、本実施の形態において、工具５ａと支持工具２５との隙間は、成形品の板厚付近の値（後述する実施例では０．９ｍｍ）とした。これにより、工具５ａと支持工具２５との間で被加工材の板厚を極端に減少させないように被加工材４を押圧成形することが可能となる。
【００３５】
以下に示す実施例において、工具５ａの移動速度は３００ｍｍ／ｍｉｎであり、工具５ａの回転数は６０ｒｐｍ、垂直方向の送りは０．４ｍｍ／回、工具５ａの移動方向及び回転方向は右回転とした。また、本実施の形態の工具５ａ頂部の基本球の半径は、５ｍｍとし、支持工具頂部の基本球の半径は、５ｍｍとした。
【００３６】
一方、溝のない頂部半球状の従来工具は、本実施の形態のように回転させることなく固定させて移動させる以外は、上記本実施の形態と同様にインクリメンタル成形を行った。
【００３７】
両者とも、被加工材４には、板厚１．０ｍｍ、直径８０ｍｍの軟鋼板を用いて、図４に示すような形状に成形した。図５に示すように、曲げ加工された面の板厚を２ｍｍ間隔で測定し、その結果を表１に示す。
【００３８】
【表１】

本実施の形態によれば、しわの発生がなく成形できた。更に張り出し成形のような成形面の傾斜角度により決まる板厚減少も防止できた。
【００３９】
一方、図６に示すように、溝のない頂部半球状の従来工具５あるいは工具を用い、支持工具２５を用いないこと以外は、上記本実施の形態と同様にインクリメンタル成形を行った場合、図７に示すように、被加工材４は、座屈して、全く成形できなかった。
【００４０】
以上より、上記支持工具２５により支持しつつ上記工具５ａを回転させながら押圧していくことにより、座屈やしわの発生を防止して絞り成形を行うことができ、かつ板厚減少を防止することができた。これは、被加工材を逐次外側から内側に寄せていく作用によるものである。
【００４１】
なお、半球状の成形工具と支持工具２５を用いた場合には、被加工材４の座屈は防止できてほぼ成形できたが、やはり一部にしわが発生した。
【００４２】
更に、図８に示すような、上面と斜面の境界のはっきりした形状の場合にも、本実施の形態の押圧成形方法によれば、境界の肩部におけるダレは全く見られなかった。
【００４３】
工具と支持工具を用いる対向工具方式では、押圧力によって既加工部分を引っ張る力が軽減するの対して、従来の半球状の成形工具のみでは、工具の押圧力による張力で既加工部分の形状が崩れてしまう。従って、本実施の形態の対向工具方式は、従来の半球状の成形工具のみのでの押圧成形に比べて、形状精度も向上する。
【００４４】
この既成形部分の崩れを防止すべく、従来、図９に示すような最終製品形状を有するサポータ１８を被加工材４の下敷きにしてインクリメンタル押圧成形を行う方法が採用されていた。サポータ１８によって、成形工具の押し付け力によって生じる張力による既成形部分の形状の崩れは受け止められ、形状精度は向上する。しかしながら、サポータ方式は、製品毎に専用のサポータを作る必要があり、この製作の手間と期間と費用がかさむ。従って、製品の納期、コストの面の点で、本実施の形態の対向工具方式がサポータ方式より有意である。
【００４５】
実施の形態２．
図１０に示すように、被加工材４を上下方向に固定された枠状保持具６０で保持する。工具５ａと支持工具２５は、その頭部が半径５ｍｍの半球状のものを用いた。上記実施例１と同様に、被加工材４を挟んで工具５ａに対向するように支持工具２５を配置した。工具５ａを回転させながら、目的の形状の等高線加工データに従って水平面内で移動させる。また、支持工具２５を、工具５ａの移動に連動させ、常に被加工材４を挟んで工具５ａと対向するように移動させる。そして、一層目の成形が終了したら、垂直方向に工具５ａおよび支持工具２５を移動させ、次層を上記同様に等高線加工データに沿って水平方向の成形および支持を行い、その後垂直方向に工具を移動させ、同様にして順次等高線データに従って一層毎に押圧成形を行う。
【００４６】
工具５ａの移動速度は３００ｍｍ／ｍｉｎであり、工具５ａの回転数は３００ｒｐｍ、垂直方向の送りは０．４ｍｍ／回、工具５ａの移動方向は左右交互、回転方向は右回転とした。
【００４７】
被加工材４に板厚１．０ｍｍの軟鋼板を用いて図１０に示す形状を成形した。結果は、図１１の実線で示すような形状に成形できた。図１１における波線の形状は、支持工具を用いずに半球状の成形工具のみを用いた以外は、上記押圧成形方法で成形した場合の成形形状である。
【００４８】
以上より、被加工材の周囲を固定して水平方向に移動させる方法であっても、本実施の形態の対向工具方式であれば、工具軌跡に近い形状に成形することができる。
【００４９】
実施の形態３．
本発明のインクリメンタル押圧成形装置に用いられる工具は、上記実施の形態１の花びら形状に限るものではなく、図１２〜図１５に示すように、半円状（図１２）、多角形状、例えば図１３の四角形状、星形状（図１４）、楕円形状（図１５）等、工具の回転によって断続的に被加工材を押圧できる形状であれば、どのような形状であってもよい。なお、本実施の形態の工具５ｂ〜５ｅの溝及び山部分は、工具の軸線を含む平面上に形成されている。
【００５０】
工具の頂部を上記形状にすることにより、成形量が分断され、１回の成形量を小さくできると共に回転方向を適切に選べば、被加工材を逐次外側から内側に寄せていく作用もある。このため、局部の板厚が大幅に減少するおそれがなくなり、割れの発生を防止できると共に、形状精度を向上させることができる。
【００５１】
実施の形態４．
上記実施の形態の１〜３は、工具の溝及び山部分が、工具の軸線を含む平面上に形成されていたが、本実施の形態では、図１６に示すように、工具５ｆの被加工材を押圧する面の稜線が、工具の軸線を含む平面上でなく、工具先端の溝が、工具軸線方向に傾きを持たせて形成されている。すなわち、本実施の形態の工具５ｆは、工具軸中心に斜めに沿ったＫ−Ｋ横断面図が、いわゆる花びら形状になるように形成されている。
【００５２】
本実施の形態では、花びらの形状に工具の頂部が形成されているが、これに限るものではなく、波状に形成されていてもよい。
【００５３】
従来の頂部半球状の成形工具では、製品の成形面の傾きが大きい場合には、工具の球半径を小さくした方が有利である。一方、成形面の傾きが小さい（水平に近い）場合には、球半径は大きい方が割れに対して有利である。
【００５４】
これは、球半径を大きくすると、等高線に沿った工具の移動軌跡の法線方向に、工具の送りに向き合う被加工材の盛り上がりを緩和する効果が高いためである。
【００５５】
本実施の形態の工具５ｆでは、等高線の移動軌跡方向の工具半径はそのままで、送り方向の工具半径を大きくすることができ、割れを発生させないで対応可能な製品の成形面の傾きの範囲を拡大することができる。その結果、工具先端の球半径を選択する機会が従来に比べて減少し、省力化が図れる。
【００５６】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係るインクリメンタル押圧成形装置によれば、被加工材を介して支持工具と対向するインクリメンタル成形工具を回転させながら断続的に押圧していくことにより、成形量が分断され、１回の成形量を小さくできると共に回転方向を適切に選べば、被加工材を逐次外側から内側に寄せていく。このため、局部の板厚が大幅に減少するおそれがなくなり、割れの発生を防止できると共に、形状精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のインクリメンタル押圧成形装置に用いるインクリメンタル成形工具の一例の構造を説明する図である。
【図２】本発明の対向工具方式を用いたＮＣ立型フライス盤の構造を示す斜視図である。
【図３】本実施の形態１の対向工具方式を用いた押圧成形を示す図である。
【図４】本実施の形態１の対向工具方式を用いて押圧成形された製品の斜視図である。
【図５】本実施の形態１の対向工具方式により曲げ加工された部分の板厚測定を説明する図である。
【図６】本実施の形態１の押圧成形方法で支持工具を用いず従来の半球状の成形工具のみでの押圧成形を説明する図である。
【図７】図６の方法で押圧成形したときの加工品の形状を示す斜視図である。
【図８】上面と斜面の境界のはっきりした形状の斜視図である。
【図９】従来のインクリメンタル成形方法において、被加工材の直下にサポータを配置する場合の構成を示す図である。
【図１０】被加工材を上下方向に固定された枠状保持具で保持して本発明の対向工具方式で押圧成形する状態を示す図である。
【図１１】本発明の対向工具による逐次押圧成形方法と従来の張出し成形方法との形状精度の差を示す図である。
【図１２】本発明に係るインクリメンタル成形方法に用いるインクリメンタル成形工具の他の例の構造を説明する図である。
【図１３】本発明に係るインクリメンタル成形方法に用いるインクリメンタル成形工具の他の例の構造を説明する図である。
【図１４】本発明に係るインクリメンタル成形方法に用いるインクリメンタル成形工具の他の例の構造を説明する図である。
【図１５】本発明に係るインクリメンタル成形方法に用いるインクリメンタル成形工具の他の例の構造を説明する図である。
【図１６】本発明に係るインクリメンタル成形方法に用いるインクリメンタル成形工具の他の例の構造を説明する図である。
【図１７】ＮＣ立型フライス盤の構造を示す斜視図である。
【図１８】ＮＣ立型フライス盤のテーブルに載せる治具の分解拡大図である。
【図１９】ＮＣ立型フライス盤を用いたインクリメンタル成形方法を説明する図である。
【図２０】ＮＣ立型フライス盤を用いたインクリメンタル成形方法を説明する図である。
【符号の説明】
１ベースプレート、４被加工材、５インクリメンタル成形工具、５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆインクリメンタル成形工具（工具）、１２ガイドポスト、１３下側工具、１４上側プレート、１４ｂ下側工具穴、１６被加工材固定枠、１６ａ開口、１８サポータ、２０治具、２３支持柱、２５支持工具、３０ＮＣ立型フライス盤のテーブル、３３ねじ、４２穴、４４固定部、４０，４６，４８成形品。

Claims

最終製品形状に基づき作成された等高線加工データに則りインクリメンタル成形工具により被加工材を押圧成形し所望の形状に加工するインクリメンタル押圧成形装置であって、
前記被加工材を挟んで前記インクリメンタル成形工具と対向し、前記被加工材を支持しつつ前記等高線データに則り前記インクリメンタル成形工具と連動して移動可能な支持工具を有し、
前記インクリメンタル成形工具は、工具の軸線に直角な断面が真円でない形状を有し、前記インクリメンタル成形工具を自転させながら前記支持工具との間で挟んだ被加工材を断続的に押圧成形するインクリメンタル成形工具であり、
前記インクリメンタル成形工具の自転方向と、前記インクリメンタル成形工具と前記支持工具の移動方向とを合わせ、前記等高線データに則り、前記支持工具で支持された前記被加工材の支持面を断続的に前記インクリメンタル成形工具で押圧し、被加工材を逐次外側から内側に寄せていき押圧成形するインクリメンタル押圧成形装置。