JP3883947B2 - 金属板の成形方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
車輌、金属製家具、電化製品、建築物などの構造物に用いられる金属板の成形方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
車輌、家具、電化製品、建築物などの構造物に用いられる金属板の成形に関していえば、金型を用いてプレス加工するのが一般的である。ただし、試作品を作製する場合や少量生産品の場合は金型費用を捻出するのが難しいので、叩き出しによる成形方法を採用することが多い。これらに関しては、周知の事項であるからいちいち文献を明示しない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
プレス加工により製品を大量生産する場合には金型費用も十分に償却できるが、少量生産する場合には製品１台当たりの金型費用が高くなるため、製品の価格も必然的に高くなってしまう。また、叩き出しにより成形を行うには高度な技術が必要であるし、時間もかかる。
【０００４】
そこで本発明は、車輌、家具、電化製品、建築物などの試作品や多種少量生産品の製造に適した金属板の成形方法を提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上記課題を解決するために本発明の金属板の成形方法は、
車輌、金属製家具、電化製品、建築物のいずれかの一部を構成するべき金属板の主表面を、エネルギーをコントロールしたショットで衝撃し、その主表面側に凸となるように前記金属板を成形するために、第一の態様として、
前記金属板は、成形を施すべき被成形金属板と、それを裏側から覆うとともに、その被成形金属板に直接または他部材を介して間接に接合されて一体となった裏側接合材とを含んで構成され、前記裏側接合材との間に成形用工具類を介挿して成形不能な部位であって、前記裏側接合材との非接合部において、前記被成形金属板の表側から前記ショットを投射することを特徴とする。
また、第二の態様として、
前記金属板を、成形を施すべき複数の金属板を組付けた組付け金属板として構成し、組付けの境界を横断する形でその組付け金属板の主表面を前記ショットで衝撃することにより、前記組付けの境界にまたがる統一的な線状または一定の意匠を形成することを特徴とする。
【０００６】
ショット（投射体）の投射エネルギーを利用した加工方法として、一般的にスケールを除去したり疲労強度の増大を図ったりする際に用いるショットピーニングが知られている。上記本発明は、この方法を金属板の成形に応用したものであり、ショットを投射して金属板を衝撃したとき、衝撃した面側に凸状となるように金属板が変形する現象を利用した成形方法である。本発明の方法によれば、高価な金型を使用しないため、特に、金型費用の償却が難しい少量生産品、試作品等に好適である。また、プレス加工で金属板を成形する場合にしばしば問題になるスプリングバックも発生しない。
【０００７】
具体的に金属板としては、被成形金属板と、それを裏側から覆うとともに、その被成形金属板に直接または他部材を介して間接に接合されて一体となった裏側接合材とを含んで構成されたものとすることができる。そして、裏側接合材との間に成形用工具類を介挿して成形不能な部位であって、裏側接合材との非接合部において、被成形金属板の表側からショットを投射することにより成形を行う形態は好適である。
【０００８】
一般には、被成形金属板に所期の形状をプレス加工等により付与したあとで、裏側接合材を接合することが考えられる。ところが、上記した形態においては、裏側接合材が一体となったままで、表側からショットを投射して被成形金属板の成形を行うようにしている。つまり、裏側接合材が一体のままでは工具や型を使用して成形をすることが全くできないような場合に、上記のような方法が極めて有効となる。
【０００９】
好適な態様においては、金属板を、複数の金属板を組付けた組付け金属板として構成し、組付けの境界を横断する形でその組付け金属板を衝撃することにより、組付けの境界にまたがる統一的な線状または一定の意匠を形成することができる。このような方法では複数の金属板を組付けた後で成形を行うため、意匠部分が組付けの境界の左右で不統一になる、といった不具合も生じにくい。
【００１０】
また、その場合の金属板の成形装置は、
車輌、金属製家具、電化製品、建築物のいずれかの一部を構成するべき金属板の主表面を、エネルギーをコントロールしたショットで衝撃し、その主表面側に凸となるように前記金属板を成形するために、第一の態様として、
前記金属板は、成形を施すべき被成形金属板と、それを裏側から覆うとともに、その被成形金属板に直接または他部材を介して間接に接合されて一体となった裏側接合材とを含んで構成され、前記金属板の搬送経路上に設けられた密閉された投射室と、
その投射室内に配置されたショット投射部と、
前記裏側接合材との間に成形用工具類を介挿して成形不能な部位であって、前記裏側接合材との非接合部において、前記被成形金属板の表側から前記ショットを投射してその被成形金属板を成形する際に、前記金属板と前記ショット投射部とを相対的に移動させる移動機構と、
投射後のショットを回収するショット回収手段とを含むことができる。
また、第二の態様として、
前記金属板を、成形を施すべき複数の金属板を組付けた組付け金属板として構成し、その組付け金属板の搬送経路上に設けられた密閉された投射室と、
その投射室内に配置されたショット投射部と、
前記組付け金属板の組付けの境界を横断する形でその組付け金属板の主表面に前記ショットを投射して衝撃することにより、前記組付けの境界にまたがる統一的な線状または一定の意匠を形成する際に、前記組付け金属板と前記ショット投射部とを相対的に移動させる移動機構と、
投射後のショットを回収するショット回収手段とを含むことができる。
【００１１】
上記の成形装置によると、投射室内においてショットを投射するので、投射後のショットが周囲に散乱せず、安全である。投射後のショットは、ショット循環機構によって自動的にショット投射部に還元されるようにすることで、作業者がいちいちショットの量をチェックしたり、補給したりする手間が省ける。
【００１２】
【発明の実施の形態】
ピーンフォーミングは、金属板１に多数のショット３を投射した際、図１（ａ）に示すように投射方向と逆方向に金属板１が盛り上がる現象を利用した成形方法である。ただし、図１（ａ）のように金属板１に盛り上がりが生じるのは、ショット３の投射エネルギー（運動エネルギー）を比較的小さく調整した場合であって、ショット３の投射エネルギーを高めれば、当然ながら図１（ｂ）のように、ショット３の投射方向に落ち込みが生じる。盛り上がりの高さは、一般にはショットピーニングの程度を表すＡｌｍｅｎの値として知られている。
【００１３】
図１中の符号１ａ，１ｂは、一つのショット３によってもたらされる塑性変形域を概念的に示している。塑性変形域１ａと１ｂの差異は、金属板１に生じる圧縮応力場の違いに起因している。多数のショット３が投射されると微小な塑性変形が累積され、金属板１の上面１ｐ（表面）と下面１ｑ（裏面）とで塑性変形量に差が生じる。つまり、上面１ｐの伸びが下面１ｑの伸びよりも大きい場合、金属板１は図１（ａ）のように盛り上がり、下面１ｑの伸びが上面１ｐの伸びよりも大きい場合、金属板１は図１（ｂ）のように落ち込むことになる。
【００１４】
次に、図２に示すのは、本発明にかかる成形装置１００の概略を示す全体図である。成形装置１００は、金属板１の搬送経路上に設けられた投射室５と、投射室５内に配置されたショット投射部１１と、金属板１とショット投射部１１とを相対的に移動させる移動機構（搬送機構９に兼用）と、投射後のショット３を回収してショット投射部１１に循環させるショット循環機構７とを含んで構成されている。
【００１５】
投射室５は、被加工物である金属板１に投射したショット３を回収し易いように底面５ａがショット回収部７ａに向かって下るように傾斜している。また、投射室５には、金属板１にショット３を投射したとき、ショット３や粉塵が周囲に飛散することを抑止する役割や、ショット３が金属板１を衝撃する際に発生する騒音を緩和する役割もある。したがって、投射室５は、内壁に防音材等をライニングした密閉室とするのが好ましい。
【００１６】
金属板１は、搬送機構９によって投射室５に搬入されるようになっている。搬送機構９は、たとえばレール９ｂとホイスト９ａにより構成することができる。レール９ｂは、紙面と垂直な方向に延びているものである。ピーンフォーミングの終了した金属板１は、搬送機構９により投射室５の外に搬出される。搬送機構９は、ショット投射部１１（具体的にはノズル１１ａ）と金属板１との相対位置を調整するための移動機構に兼用されている。
【００１７】
なお、図２に示す形態では、金属板１をほぼ鉛直に立てて水平方向からショット３を投射するようにしているが、これ以外にも、たとえば主表面が略水平となるように金属板１を保持し、鉛直上方よりショット３を投射する形態も考え得る。その場合、ショット３の自然落下によるエネルギーをピーンフォーミングのために利用できるという利点がある。なお、主表面とは、金属板１のうち面積の最も広い表面（おもてめん）と裏面（うらめん）を意味する。
【００１８】
ショット投射部１１は、圧縮空気によりショット３を加速するブロワー型、羽根車の回転力によりショット３を加速するインペラー型のいずれも採用できる。取り扱いの容易さではブロワー型が、投射エネルギーの制御の正確さではインペラー型が優れる。図２の例では、ブロワー型を採用している。具体的にショット投射部１１は、ショット３を蓄えるためのホッパ８、ホッパ８からのショット供給量を調整する可変シャッタ１７、ノズル１１ａを含んで構成されている。また、成形装置１００は、ノズル１１ａに送給するべき圧縮空気を生成する圧縮機３６、圧縮空気の圧力を調整する圧力調整器３７、圧縮機３６を作動させるアクチュエータ３８、アクチュエータ３８および圧力調整器３７を制御するためのコントローラ３９、コントローラ３９に命令を入力するための入力部３５を含むものとして構成されている。図２の形態では、ノズル１１ａは一つのみ設けているが、複数設けるようにしてもよい。その場合、複数のノズル１１ａから多数のショット３を一斉に投射して金属板１をピーンフォーミングできることはもちろん、ショット３の投射に供するノズル１１ａを適宜切り換えながら金属板１をピーンフォーミングすることができるので、成形効率の向上が期待できる。
【００１９】
金属板１の盛り上がり高さ、曲げ角等の変形量は、投射密度によらず総投射エネルギーによって決まる。一つのショット３から金属板１に付与されるエネルギーは、ショット３のサイズ、硬さ、投射速度、投射角度、投射距離などのパラメータにより決まるので、それらのパラメータを適宜調整して金属板１を所望の形状にピーンフォーミングすることになる。具体的に図２の装置では、圧力調整器３７による圧縮空気の圧力調整により、ショット３のエネルギー調整をするようにしている。
【００２０】
次に、ショット循環機構７は、投射後のショット３を回収するためのショット回収部７ａと、そのショット回収部７ａからショット３を取得して上方に搬送するための揚送手段７ｂとを含んで構成されている。揚送手段７ｂは、エレベータやバケット、あるいはコンベアのような装置を包含する。揚送手段７ｂにてホッパ８に還元されたショット３は、ノズル１１ａに順次供給される仕組みである。
【００２１】
なお、ショット３には、金属、ガラスおよび樹脂からなる材料群より選択された１種または２種以上で構成された小粒体を用いることができる。具体的には、金属球、ガラスビーズ、プラスチックビーズなどを用いることができる。ショット３の耐久性の面では、金属板１よりも硬質（ビッカース硬さが大きい）かつ靭性の大きい材料からなる金属球が優れる。投射対象である金属板１の厚さが概ね直径に等しい球状のショット３を用いると成形効率が良いため、特に推奨される。また、金属板１に投射した後のそれらショット３は回収され、一定の大きさを下回るまで再使用される。ショット３が一定の大きさよりも小さくなると、変形に十分なエネルギーを金属板１に付与するのが困難になるため好ましくない。そのため、ショット回収部７ａをふるい等により構成し、使用できなくなったショット３を分別除去するのがよい。
【００２２】
また、金属板１は、たとえば車輌、金属製家具、電化製品、建築物のいずれかの一部となるべき部材とされる。金属板１の材質としては、特に限定されるものではないが、たとえば鉄、鋼、アルミ、銅などを例示できる。なお、ピーンフォーミング後の金属板１の表面粗さが重要になる場合は、サンダーなどで研磨仕上げをするとよい。
【００２３】
また、実際に金属板１をピーンフォーミングするにあたっては、所望の形状を得るために必要な全領域にショット３を一斉に投射することはできないため、投射する位置を順次移動させることになる（走査型投射法）。走査型投射法では、投射条件を適切に選択することにより、ピーンフォーミングに必要な全領域に一斉にショット３を投射する場合と同じ効果を得ることができる。図３は、いくつかの成形形態を示す模式図である。
【００２４】
一つの成形形態▲１▼は、ショット投射部１２を自在可動に構成した成形装置１０１を用い、方形状の金属板１の一辺から向かい合う他辺にわたって投射位置を少しずつずらしながら、ショット３を金属板１に投射する例である。図中の破線矢印で示すように、走査を繰り返すことにより、滑らかに湾曲した形状を金属板１に付与することができる。
【００２５】
次に▲２▼には、金属板１の一部に線状の凹部と凸部、すなわちビード２０とビード２２を形成する形態を示している。ショット３のエネルギーが一定値よりも大きい場合には投射方向に凹んだビード２２が形成される。他方、ショット３のエネルギーが上記一定値よりも小さく、かつ金属板１に圧縮応力場を形成するのに十分な場合には、投射方向と逆向きに盛り上がったビード２０が形成される。ショット３を投射しない部分は、ゴムシート等の保護部材１５を用いて衝撃が加わらないように保護するとよい。
【００２６】
これまでは一枚の金属板１をピーンフォーミングすることについて述べたが、ピーンフォーミングが極めて有効な成形方法となり得る場合として、成形用工具類や型を使用することができない場合がある。たとえば、図４に示すような場合である。図４に示すのは、成形を施すべき金属板６１（被成形金属板６１）が他の金属板６３（裏側接合材６３）に接合部材６ｃを介して接合されて一体となることにより構成された組付け金属板６をピーンフォーミングする例である。
【００２７】
被成形金属板６１の裏側面６ｑは、他の金属板６３によって覆われる形となっており、両者（金属板６１，６３）の間には若干の中空スペースＳＨが形成されている。この中空スペースＳＨにハンマーなどの成形用工具を介挿して被成形金属板６１を成形することはできない。また、両者（金属板６１，６３）を分離させることもできない。このような状況に置かれた被成形金属板６１について、成形用工具で成形不能な部位であって金属板６３との非接合部６ａを成形する場合、被成形金属板６１の表側面６ｐにショット３を投射してピーンフォーミングを行い、盛り上がり部６ｄを形成することができる。なお、接合部材６ｃを介さずに、溶接などにより直接接合されていても同様である。
【００２８】
また、図５に示すようにして複数の金属板を溶接により接合したり、ボルト／ナットのような締結手段で組付けたりした後でピーンフォーミングを施す形態も好適である。つまり、図５（ａ）に示すように、第１の金属板２ａと第２の金属板２ｂとを、主面同士が略平行となる位置関係で組付けて組付け金属板２を構成し、組付けの境界ＨＬを横断する形でショット３によりその組付け金属板２を衝撃してピーンフォーミングを行い、組付けの境界ＨＬの左右にまたがって統一的な線状または一定の意匠３０（ビード）を形成する。具体例を挙げると、図５（ｂ）に示すように、自動車４０のドア３２（第１の金属板）をボディ本体３３（第２の金属板）に組付けてこれを最終形態とし、その後ピーンフォーミングを施し、ドア３２とボディ本体３３とにまたがる渾然一体な盛り上がり部３４（ビード）を形成する。この手法によれば、位置ズレを生じさせること無く盛り上がり部３４を形成できる。なお、組付けの境界ＨＬは、組付け前の第１の金属板２ａと第２の金属板２ｂとの境目として定義される。
【００２９】
また、極めて高い成形精度が要求される場合には、図６（ａ）に示すように当て治具２５を金属板１に当接させて、金属板１のピーンフォーミングを行うようにすることもできる。具体的には、金属板１を当て治具２５に沿わせつつ、当て治具２５の配置されている側とは反対側からショット３を投射する。このようにして、当て治具２５の形状を金属板１に転写するのである。
【００３０】
また、図６（ｂ）に示すように、ショット３を投射する以前から金属板１を弾性変形させる形で当て治具２５に強制的に沿わせるとともに、固定具２７を用いて互いを固定し、その後にショット３を投射してピーンフォーミングを行うようにする方法も採用できる。この方法によると、生じた弾性応力が金属板１の変形を促進する一方、所望の形状に達したときにちょうど弾性応力が消失し、成形の震度が停留するため、そこで成形を終えれば極めて高い成形精度が得られる。もちろん、図２に示した成形装置１００を使用してピーンフォーミングを行う場合において、当て治具２５を金属板１の背後に配置できるようにしてもよい。その場合は、図６（ｂ）に示した固定具２７をホイスト９ａ（図２参照）で吊下げつつ、金属板１にショット３を投射することができる。なお、当て治具２５は、プレス金型のような強度や耐久性は必要ないため、たとえば木材や石膏などの材料により比較的安価に作製することができる。
【００３１】
次に、前述した移動式の成形装置１０１の概要を図７に示す。ショットを圧縮空気によって加速するブロワー型の成形装置１０１は、主にショット投射部１２と本体部７０を有して構成されている。本体部７０は、ショットを蓄えるためのホッパ６２、ショットに運動エネルギーを付与するための圧縮空気を生成する圧縮機６０、圧縮空気とショットとをショット投射部１２に送るための送給機６４、送給機６４とショット投射部１２とを連通する連通管１８、当該成形装置１０１を動作させるための操作部５２を備えている。また、本体部７０の底部に車輪５０，５０を設けたため、容易に移動可能になっている。
【００３２】
ショット投射部１２は、モータ等のアクチュエータ１２ｂと、そのアクチュエータ１２ｂによって揺動される首振部１２ａとを含んで構成された角度可変機構を備えている。この角度可変機構により、ショット３の投射方向が調整される。また、圧縮機６０にて生成された圧縮空気は連通管１８に送られる。連通管１８には、樹脂製あるいは金属製のフレキシブルホースを採用するとよい。一方、ホッパ６２はＡ，Ｂ，ＣおよびＤで示される複数の区画に分かれてその各々にショットを蓄えるとともに、各区画から個別にショットを供給できるようになっている。つまり、形状、材質等の異なる複数種類のショットを状況に応じて使い分けることが可能である。なお、操作部５２からの入力はコントローラ５４に伝送され、コントローラ５４は入力された命令に応じて、アクチュエータ１２ｂ、圧縮機６０および送給機６４の動作を制御する。また、ショット投射部１２は、作業者が直接把持して扱えるハンドツールの形態としてもよいし、マニピュレータ等に固定する形態としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】ピーンフォーミングの原理説明図。
【図２】固定設置式の成形装置の概略を示す全体図。
【図３】いくつかの成形形態を説明する図。
【図４】複数の金属板を互いに組付けた後でピーンフォーミングを行う形態の説明図。
【図５】複数の金属板を互いに組付けた後でピーンフォーミングを行う別形態の説明図。
【図６】当て治具を用いてピーンフォーミングを行う形態の説明図。
【図７】移動式の成形装置の概要を説明する図。
【符号の説明】
１，２ａ，２ｂ 金属板
１ｐ 上面
１ｑ 下面
２，６ 組付け金属板
３ ショット
５ 投射室
７ ショット循環機構
７ａ ショット回収部（ショット回収手段）
１１，１２ ショット投射部
３０ 意匠（ビード）
４０ 自動車
６１ 被成形金属板
６ｐ 表側面
６ｑ 裏側面
６３ 他の金属板（裏側接合材）
１００，１０１ 成形装置
ＨＬ 組付けの境界

Claims (5)

1. 車輌、金属製家具、電化製品、建築物のいずれかの一部を構成するべき金属板の主表面を、エネルギーをコントロールしたショットで衝撃し、その主表面側に凸となるように前記金属板を成形するために、
   前記金属板は、成形を施すべき被成形金属板と、それを裏側から覆うとともに、その被成形金属板に直接または他部材を介して間接に接合されて一体となった裏側接合材とを含んで構成され、前記裏側接合材との間に成形用工具類を介挿して成形不能な部位であって、前記裏側接合材との非接合部において、前記被成形金属板の表側から前記ショットを投射することを特徴とする金属板の成形方法。
2. 車輌、金属製家具、電化製品、建築物のいずれかの一部を構成するべき金属板の主表面を、エネルギーをコントロールしたショットで衝撃し、その主表面側に凸となるように前記金属板を成形するために、
   前記金属板を、成形を施すべき複数の金属板を組付けた組付け金属板として構成し、組付けの境界を横断する形でその組付け金属板の主表面を前記ショットで衝撃することにより、前記組付けの境界にまたがる統一的な線状または一定の意匠を形成することを特徴とする金属板の成形方法。
3. 前記ショットは、金属、ガラスおよび樹脂からなる材料群より選択される１種または２種以上で構成された小粒体であり、前記金属板に投射した後の前記小粒体は回収して再度投射に使用する請求項１または２記載の金属板の成形方法。
4. 前記金属板のうち前記ショットを投射しない部分には、ゴムシート等の保護部材を用いて衝撃が加わらないように保護する請求項１または２記載の金属板の成形方法。
5. 前記金属板を当て治具に沿わせつつ、その当て治具の配置されている側とは反対側から前記ショットを投射して、前記当て治具の形状を前記金属板に転写する請求項１または２記載の金属板の成形方法。

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