JP4530301B1 - 逐次成形方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】逐次成形において、従来難しかった製品の成形を可能にする。
【解決手段】非加工板材を支持枠20、21の間に置いて固定機構22により固定し、成形型支持装置10の上部平面に成形型を取り付ける。成形型に沿ってワークを挟むように、上から工具30をXY方向へ移動させながら押し付けるとともにシリンダ23を下げ、成形型傾斜機構11、12により、成形型を所望の角度に傾けながらZ方向へ逐次成形する。非加工材が工具30と成形型によって十分に支持されるようになった場合は、固定機構22による固定を緩和し、ワークが水平方向に動けるようにする。非加工材が管状の場合は、支持枠20、21を使用せず、工具を管の外形状にそってXY方向に押し付け、成形型傾斜機構11、12により非加工管を所望の角度に傾けながらZ方向に逐次成形する。
【選択図】図１

Description

本発明は、被加工材を所定の立体形状に成形する逐次成形方法及びその装置に関するものである。

従来から、薄鋼板やアルミ板、銅板などに塑性的な変形を与えて凹凸やカップ型の形状を得る方法として、絞り加工や対向液圧成形が知られている。また、管材に塑性的な変形を与えて製品を作る方法としては、チューブハイドロフォーミングが知られている。これらの成形は、製品を比較的高速に成形できる反面で、いずれも成形に高価格な金型を用意する必要があり、少量生産では製品価格に占める金型費用の割合が大きいことが課題であった。

これに対して、近年では、被加工材に逐次的な変形を連続的に与えて成形するいわゆる逐次張出し成形によって、この問題の解決しようとする提案がある。逐次張出し成形とは、支持枠に固定された素板を、ちょうどフライス盤の主軸に取り付けたような棒状の工具を用いて、成形型に沿って等高線状の軌道を描くような工具軌道で動かすことで、板材を成形する方法である。この加工法では、成形型が一部分のみでよい場合や、汎用的な成形型によって代用できる場合が多くあり、成形型にかかる費用を抑えることが可能で、特に試作品や特注品などの多品種少量生産に適している。成形型を省略した部分の形状は、おもに工具の運動様式によってその形が決定されるという特徴がある。

特開平９−８５３５５ 特開平１０−３１４８５５

逐次張出し成形は、成形型の費用を抑えられるので、特に多品種少量生産において、他の加工法に比べてコスト上で有利である。しかし、この加工法では、被加工材のおかれた平面に対する被加工部分の傾きが急であるほど、被加工部分の肉厚が減少して破断しやすい。このため、垂直壁や窪んだ壁をもつ形状の加工は不可能であるか、成形できるとしても試行錯誤や特別な工夫を必要としたり、加工に特に時間を要したりするなど困難であった。そこで本発明の目的は、このような成形の困難であった形状の肉厚減少を抑制して、破断などの成形不良を発生することなく、容易かつ高速に成形できる逐次成形方法と、加工法の実施のための装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本願発明の逐次成形方法にかかわる請求項１は、板状の被加工材をワーク支持装置に固定し、所定の形状に対して工具を相対的に３次元方向に移動させることにより、被加工材を成形する逐次成形方法において、工具を板状被加工材が固定された平面に平行なＸＹ平面上で運動し、被加工材をＸＹ平面に平行となるように保つとともに、加工時には成形型をＸＹ平面に対して傾け、所定の立体形状の成形型に対して相対的にＺ方向に移動させることにより、加工時に工具の運動するＸＹ平面を所定の立体形状に対して相対的にＺ方向に移動させ少なくとも１方向に相対的に傾けて加工することを特徴とする。

請求項２は、請求項１記載の板材の逐次成形方法において、加工時に被加工材を工具の運動するＸＹ平面に平行に保ちながら所定の立体形状に対して相対的にＺ方向に移動させるとともに、ワーク支持装置で被加工材を固定しながら成形型をＸＹ平面に対して相対的に傾けることにより、ワークにゆがみが発生する場合に、支持装置による被加工材の固定を解除し、加工時にＸＹ平面上のワークの移動を自由にすることで加工することを特徴とする。

本願発明の逐次成形装置に係わる請求項３は、成形型もしくは部分的な成形型と、主軸に取り付けられた工具と、工具を成形型に対して相対的に３次元方向に駆動する駆動機構及び成形型支持部を備えた、板状の被加工材を成形する逐次成形装置において、請求項１記載の板材の逐次成形方法を実施するために、成形型を固定する取付け部と、この取付け部を傾斜させるための少なくとも１つの傾斜機構と、傾斜機構の駆動装置を備えたことを特徴とする。

請求項１の発明によれば、板状の被加工材をワーク支持装置に固定し、所定の形状に対して工具を相対的に３次元方向に移動させることにより、被加工材を成形する逐次成形方法において、工具を板状被加工材が固定された平面に平行なＸＹ平面上で運動し、被加工材をＸＹ平面に平行となるように保つとともに、加工時には成形型をＸＹ平面に対して傾け、所定の立体形状の成形型に対して相対的にＺ方向に移動させることにより、加工時に工具の運動するＸＹ平面を所定の立体形状に対して相対的にＺ方向に移動させ少なくとも１方向に相対的に傾けて加工することにしたので、工具の運動やワークの材料流動に無理がなく、従来は成形の難しかった形状を、破断などの成形不良を発生することなく容易かつ高速に成形できる。

請求項２の発明によれば、請求項１記載の板材の逐次成形方法において、加工時に被加工材を工具の運動するＸＹ平面に平行に保ちながら所定の立体形状に対して相対的にＺ方向に移動させるとともに、ワーク支持装置で被加工材を固定しながら成形型をＸＹ平面に対して相対的に傾けることにより、ワークにゆがみが発生する場合に、支持装置による被加工材の固定を解除し、加工時にＸＹ平面上のワークの移動を自由にすることで加工することにしたので、成形型もしくは成形型の一部を成形中に連続的に傾斜させても、加工中のワークに意図しない力がかかって所定の形状に成形できないことを防ぐことができる。

請求項３の発明によれば、成形型もしくは部分的な成形型と、主軸に取り付けられた工具と、工具を成形型に対して相対的に３次元方向に駆動する駆動機構及び成形型支持部を備えた、板状の被加工材を成形する逐次成形装置において、請求項１記載の板材の逐次成形方法を実施するために、成形型を固定する取付け部と、この取付け部を傾斜させるための少なくとも１つの傾斜機構と、傾斜機構の駆動装置を備えたので、加工中に成形型や成形型の一部を傾けるとともに、高い剛性で支持することが可能で、上記の請求項１および請求項２の発明を精度よく実施できる。

本発明に係る逐次成形方法における、装置の立体図である。 加工時に成形型あるいはワークを傾斜させる装置の構造を示す図である。 本発明で用いることのできる工具の例である。 本発明を実施できる加工機械の例である。 本発明を実施できる加工機械の例である。 本発明を実施できる加工機械の例である。 本発明の実施例の手順を示す図である。（実施例１） 本発明の実施によって成形される製品の形状の例である。（実施例１） 本発明の実施例の手順を示す図である。（実施例２） 本発明の実施によって成形される製品の形状の例である。（実施例２） 本発明の実施例の手順を示す図である。（実施例３） 本発明の実施によって成形される製品の形状の例である。（実施例３） 本発明の実施例の手順を示す図である。（実施例４） 本発明の実施によって成形される製品の形状の例である。（実施例４） 本発明の実施例の手順を示す図である。（実施例５） 本発明の実施によって成形される製品の形状の例である。（実施例５）

図１に示すように、本願発明の逐次成形装置は、請求項３記載の加工時に成形型あるいはワークを傾斜させる装置と、加工時に板状の被加工材を水平に支持する装置からなる。以下の説明では、請求項３記載の加工時に成形型あるいはワークを傾斜させる装置を傾斜支持装置、加工時に板状の被加工材を水平に支持する装置を水平支持装置と呼ぶ。

請求項１および請求項２記載の板材の逐次成形方法を実施するためには、この傾斜支持装置と水平支持装置を用いる。立体形状被加工材の逐次成形方法を実施するためには、傾斜支持装置のみを用いる。

傾斜支持装置は、図２に示す構造をしている。成形型あるいはワークを取り付ける面盤１０には、傾斜機構と駆動部１１、１２によって、傾斜装置の土台１３の上方に離れた回転中心１４に沿って直交な２方向に任意の傾斜を与えることができる。

図１に示すように、水平支持装置は、加工開始時に素板をワーク支持枠２０、２１の間に挟み、ワーク固定機構２２によってＸＹ方向の移動を拘束することができ、必要に応じて固定を解除し、ワークのＸＹ方向の移動を自由にすることができる。また、加工時のワークの位置を、シリンダ２３によって、適切に保つことができる。

図１に示す工具３０は、水平・垂直方向あるいは回転などの３次元方向に動かすことができる。また、図１の形状に限らず、用途ごとに適した形に付け替えることができる。図３は付け替えることができる工具の例である。これらは従来の逐次成形方法においても用いることができたので、それぞれについてその使用法を説明することはしない。

図４、図５、図６は、工具を３次元方向に動かすことによって本発明を実施することのできる加工機械の例である。図４の加工機械では、工具を高い剛性で支持することができるので、硬い材質の被加工材を加工するのに適している。図５の加工機械では、工具の接触角度を柔軟に変えることができるので、表面の品質のよい製品を加工できる。図６の加工機械は、いわゆる縦型旋盤のような構造をしており、本願発明の傾斜支持装置を回転させることができるので、円形に近いシェル形状の成形を高速に行うことができる。

本加工法に適用できるこれらの加工機械に共通する特徴は、本加工法の装置と工具の位置関係を相対的に3次元方向に運動させることが可能なことである。つまり、本加工法にとって、固定された本装置に対して工具を動かすことと、固定された工具に対して工具を動かすこと、あるいはその両方を動かすことは、同じ意味をもつ。近年のいわゆる多軸複合加工機を用いることもできる。また、それぞれの装置に工具自体を回転させる軸が備わっている場合には、後述する実施例５の図１５の手順７のように、被加工材を切削する工具を回転させて、製品の形状を調整したり、余計な部分を切削したりすることができる。

図７に本発明の実施の形態の例を示す。また、この例によって成形される製品の形状の例を図８に示す。

まず、図７の手順１のように被加工材を水平支持装置のワーク支持枠２０、２１に挟み、ワーク固定機構によってＸＹ方向の移動を拘束する。また、傾斜支持機構の面盤１０に部分的な成形型４２を取り付ける。加工機には加工に適した工具３０を取り付ける。

つぎに、工具３０を垂直方向に所定の微小量だけ降下させたのち、所定の製品形状４３の表面をなぞるように工具を水平方向に周回させる。必要であればこれを数回にわたって繰り返す。その後、傾斜をつけるために、工具３０を干渉しない位置に退避したのち、傾斜機構を所定の微小量傾け、工具をワークに接触する位置に復帰させて、垂直方向に所定の微小量だけ降下させたのち、所定の製品形状４３の表面をなぞるように工具を水平方向に周回させる。

これを繰り返すと、図７の手順２、手順３、手順４に示すように、所定の製品形状が得られる。ただし、加工中、ワークを支持枠２０で固定しながら傾斜を与えることによって、ワークにゆがみが発生する場合がある。このため、ワークの水平方向の移動が成形型によって十分抑制されるようになった時に、ワーク固定機構２２による固定を解除することでこれを防ぐ。

図８は、この実施形態によって成形される製品の形状の例で、被加工材の位置していた元の面に対して、加工終了時の断面が並進・傾斜した関係にある形状である。この加工による効果として、製品の被加工材の元の面における肉厚は、被加工材の元の板厚のまま保たれる。

図９に本発明の実施の形態の別の例を示す。また、この例によって成形される製品の形状の例を図１０に示す。

まず、図９の手順１のように被加工材を水平支持装置のワーク支持枠２０、２１に挟み、ワーク固定機構によってＸＹ方向の移動を拘束する。また、傾斜支持機構の面盤１０に部分的な成形型４２を取り付ける。加工機には加工に適した工具３０を取り付ける。

つぎに、工具３０を垂直方向に所定の微小量だけ降下させたのち、所定の製品形状４３の表面をなぞるように工具を水平方向に周回させる。必要であればこれを数回にわたって繰り返す。その後、傾斜をつけるために、工具３０を干渉しない位置に退避したのち、傾斜機構を所定の微小量傾け、工具をワークに接触する位置に復帰させて、垂直方向に所定の微小量だけ降下させたのち、所定の製品形状４３の表面をなぞるように工具を水平方向に周回させる。

これを繰り返すと、図９の手順２、手順３、手順４に示すように、所定の製品形状が得られる。ただし、加工中、ワークを支持枠２０で固定しながら傾斜を与えることによって、ワークにゆがみが発生する場合がある。このため、ワークの水平方向の移動が成形型によって十分抑制されるようになった時に、ワーク固定機構２２による固定を解除することでこれを防ぐ。

図１０は、この実施形態によって成形される製品の形状の例で、被加工材の位置していた元の面と加工終了時の断面が同心円かつ相似で水平な関係にある形状である。この加工による効果として、製品の側面における肉厚を、加工時の傾斜機構の傾け方によって制御できる。すなわち、形状が同じであっても製品の肉厚分布が異なる製品を成形することができる。

図１１に本発明の実施の形態の別の例を示す。また、この例によって成形される製品の形状の例を図１２に示す。

まず、図１１の手順１のように被加工材を水平支持装置のワーク支持枠２０、２１に挟み、ワーク固定機構によってＸＹ方向の移動を拘束する。また、傾斜支持機構の面盤１０に部分的な成形型４２を取り付ける。加工機には加工に適した工具３０を取り付ける。

つぎに、工具３０を垂直方向に所定の微小量だけ降下させたのち、所定の製品形状４３の表面をなぞるように工具を水平方向に周回させる。必要であればこれを数回にわたって繰り返す。その後、傾斜をつけるために、工具３０を干渉しない位置に退避したのち、傾斜機構を所定の微小量傾け、工具をワークに接触する位置に復帰させて、垂直方向に所定の微小量だけ降下させたのち、所定の製品形状４３の表面をなぞるように工具を水平方向に周回させる。

これを繰り返すと、図１１の手順２、手順３、手順４に示すように、所定の製品形状が得られる。ただし、加工中、ワークを支持枠２０で固定しながら傾斜を与えることによって、ワークにゆがみが発生する場合がある。このため、ワークの水平方向の移動が成形型によって十分抑制されるようになった時に、ワーク固定機構２２による固定を解除することでこれを防ぐ。

図１２は、この実施形態によって成形される製品の形状の例で、支持枠に残った平面からの単純な投影では表せない形状である。このような形状は、従来の成形方法においては、成形が難しいか、時間がかかったが、本発明のこの加工によれば高速かつ容易に成形できる。

図１３に本発明の実施の形態の別の例を示す。また、この例によって成形される製品の形状の例を図１４に示す。

まず、図１３の手順１に示すように被加工材を水平支持装置のワーク支持枠２０、２１に挟み、ワーク固定機構によってＸＹ方向の移動を拘束する。また、傾斜支持機構の面盤１０に成形型４１を取り付ける。加工機には加工に適した工具３０を取り付ける。図１３の手順２に示すように、成形型４１あらかじめ加工されるべき部分がある場合は、従来の逐次成形方法の例に倣って加工する。

つぎに、工具３０を垂直方向に所定の微小量だけ降下させたのち、ワークを成形型４１に沿って押しつけるように工具を水平方向に周回させる。必要であればこれを数回にわたって繰り返す。その後、傾斜をつけるために、工具３０を干渉しない位置に退避したのち、傾斜機構を所定の微小量傾け、工具をワークに接触する位置に復帰させて、垂直方向に所定の微小量だけ降下させたのち、所定の製品形状４３の表面をなぞるように工具を水平方向に周回させる。

これを繰り返すと、図１３の手順２、手順３、手順４、手順５、手順６に示すように、所定の製品形状が得られる。ただし、加工中、ワークを支持枠２０で固定しながら傾斜を与えることによって、ワークにゆがみが発生する場合がある。このため、ワークの水平方向の移動が成形型によって十分抑制されるようになった時に、ワーク固定機構２２による固定を解除することでこれを防ぐ。

図１４は、この実施形態によって成形される製品の形状の例で、頭部のくぼみと頭部平面に対して垂直な壁面をもつ形状である。このような形状は、従来の成形方法においては、成形が難しいか、時間がかかったが、本発明のこの加工によれば高速かつ容易に成形できる。図１３の手順３から手順５に至る過程において、傾斜支持機構により成形型の傾きを変えることで、垂直な壁面の部分の肉厚を調整することができる。

図１５に本発明の実施の形態の別の例を示す。また、この例によって成形される製品の形状の例を図１６に示す。

まず、図１５の手順１に示すように傾斜支持機構の面盤１０に取り付けられたチャック４４に被加工材を取り付ける。水平支持装置は用いない。加工機には加工に適した工具３０を取り付ける。

つぎに、工具３０を垂直方向に所定の微小量だけ降下させたのち、ワークを成形型４１に沿って押しつけるように工具を水平方向に周回させる。必要であればこれを数回にわたって繰り返す。その後、傾斜をつけるために、工具３０を干渉しない位置に退避したのち、傾斜機構を所定の微小量傾け、工具をワークに接触する位置に復帰させて、垂直方向に所定の微小量だけ降下させたのち、所定の製品形状４３の表面をなぞるように工具を水平方向に周回させる。

図１５に示すような、管状などの３次元形状の被加工材の場合は、被加工材の強度が高く、１サイクルだけでは所定の成形量を与えることができない。このため、以上のサイクルを手順１から手順２、手順３から手順４、手順５から手順６、というように、複数回繰り返して変形を与える。元の被加工材の形状によるが、図１５の手順６に示すように、所定の形状に対して余分な部分が発生することがあるので、工具３０を付け替えてから図１５の手順７のように不要な部分をカットし、手順８に至る。

図１６は、この実施形態によって成形される製品の形状の例で、素材の中心軸に対して傾斜した、断面が円形でない被加工部をもつ形状である。このような形状は従来の成形方法においては、ワークの周に対して工具を垂直方向にも積極的に動かさなくてはならなかったために、工具の軌道を決めることが容易ではなく、余計な時間とエネルギーを要したが、本加工法を用いることで、この形状を比較的容易かつ高速に成形できる。

本願発明の加工法の実施により、特殊な形状にかぎらず、従来成形が難しかった製品の成形を容易かつ高速に成形できる。また、本願発明の加工装置は、従来加工装置に組み合わせることで容易に用いることができるという特長をもつので、加工装置自体が製品になるか、本装置を組み込んだ加工機械自体を製品とすることができる。

１０ 成形型あるいはワークを取り付ける面盤
１１、１２ 傾斜機構と駆動部
１３ 傾斜装置の土台
１４ 傾斜機構の回転中心
２０、２１ ワーク支持枠
２２ ワーク固定機構
２３ ワーク支持枠を上下させるシリンダ
３０ 工具
３１ 加工機械
３２ 加工機械のワーク位置
４０ ワーク
４１ 成形型
４２ 部分的な成形型
４３ 所定の製品形状
４４ ワークを固定するチャック

Claims (3)

1. 板状の被加工材をワーク支持装置に固定し、所定の形状に対して工具を相対的に３次元方向に移動させることにより、被加工材を成形する逐次成形方法において、
   工具を板状被加工材が固定された平面に平行なＸＹ平面上で移動させ、被加工材をＸＹ平面に平行となるように保つとともに、加工時には成形型をＸＹ平面に対して傾け、所定の立体形状の成形型に対して前記の板状被加工材が固定された平面を相対的にＺ方向に移動させるために工具の移動する前記ＸＹ平面をＺ方向に移動させることにより，
   加工時に工具の移動するＸＹ平面を所定の立体形状に対して相対的にＺ方向に移動させ少なくとも１方向に相対的に傾けて加工することを特徴とする板材の逐次成形方法。
2. 請求項１記載の板材の逐次成形方法において、
   加工時に被加工材を工具の移動するＸＹ平面に平行に保ちながら所定の立体形状に対して相対的にＺ方向に移動させるとともに、ワーク支持装置で被加工材を固定しながら成形型をＸＹ平面に対して相対的に傾けることにより、ワークにゆがみが発生する場合に、支持装置による被加工材の固定を解除し、加工時にＸＹ平面上のワークの移動を自由にすることで加工することを特徴とする板材の成形方法。
3. 成形型もしくは部分的な成形型と、主軸に取り付けられた工具と、工具を成形型に対して相対的に３次元方向に駆動する駆動機構及び成形型支持部を備えた、板状の被加工材を成形する逐次成形装置において、
   請求項１記載の板材の逐次成形方法を実施するために、
   板状の被加工材を支持・固定するワーク支持部・固定機構と，被加工材を前記ＸＹ平面に平行となるように保つシリンダを備えた前記ワーク支持装置と併用する装置であって，
   成形型を固定する取付け部と、この取付け部を傾斜させるための少なくとも１つの傾斜機構と、傾斜機構の駆動装置を備えたことを特徴とする、板状の被加工材を成形する逐次成形装置。