JP4704933B2 - 金属部材の成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属部材の成形方法に関し、詳しくは、鋼球等のショットを金属部材の表面に高速で投射して塑性歪みを持たせることにより、該金属部材を所望形状に成形するショットピーニングによる金属部材の成形方法であって、特に、鉄道車両の先頭部のような複雑な三次元曲面形状を有する外板を成形するのに適した金属部材の成形方法に関する。

金属部材を曲げ加工する方法として、直径数ｍｍの鋼球等からなるショットを高速で金属部材の表面に衝突させ、衝突時のエネルギーで金属部材の表面部分を変形させることにより、金属部材に塑性歪みを発生させて金属部材を曲げ加工するショットピーニング法が知られている。このショットピーニング法では、ショットの投射条件を適当に設定することにより、金属部材の曲率を調節することができる。

ショットの投射条件を設定する方法として、熱弾塑性有限要素法により、仮想的な熱膨張差を用いて金属部材におけるショットの投射部分に、ピーニング強度に応じた塑性歪み量を発生させ、成形する形状を予測して成形条件を選定する方法が提案されている。この方法によれば、成形条件を簡単なモデル試験と数値解析とで選定できるとしている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００３−１９１０２８号公報

しかし、前記特許文献１記載の方法は、モデル全体を一旦熱変形させた後に温度を元に戻すという操作を行っており、昇温させてから降温させるというプロセスをとる必要があるため、数値解析に多大な手間と時間とを要する。さらに、曲率の異なる曲面を連続して成形する多段階成形を正確に表現することは不可能といえる。すなわち、実際に成形する形状と同等の大きさを有した３次元の有限要素法解析モデルを求め、このモデル全体に対して仮想的な加熱と冷却とを行っているため、金属製品に曲率が異なる曲面を連続して成形する必要があるときには、成形する金属部材を、板厚及び成形後の曲率が大きく変化しない範囲に区切って分割する必要がある。

また、航空機の主翼は、鉄道車両の先頭部に用いられる外板に比べて極めて大きな金属製品であるから、数十の部材に分割しても、一つひとつの分割領域はかなりの大きさとなり、しかも、隣接する分割領域の曲率変化は比較的小さくてなだらかな形状を有しているので、分割数を多くしても製作上の問題は大きくはない。これに対し、鉄道車両の先頭部に用いられる外板は、航空機の主翼に比べるとかなり小さなものであるから、数多く分割すると一つひとつの分割領域が小さくなり、金属部材全体を所望の曲面に仕上げるのが困難となり、特に、近年の高速鉄道車両の先頭部のような複雑な三次元曲面を形成することは極めて困難である。

したがって、鉄道車両の先頭部に用いられる外板のように、様々な曲率を有する曲面が連続する金属製品を製造する場合には、前記特許文献１記載の方法を適用するのが極めて困難であり、たとえ適用したとしても、数値解析に長時間を必要とするという問題がある。

そこで本発明は、様々な曲率を有する面が連続する金属製品を製造する際にも適用が可能で、各部へのショットの投射条件を容易に設定することができる金属部材の成形方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の金属部材の成形方法は、金属部材の表面にショットを高速で投射して塑性歪みを持たせることにより、該金属部材を曲げ加工するショットピーニングによる金属部材の成形方法において、前記金属部材の表面に投射したショットによる金属部材の塑性歪みの状態を、該金属部材の表面に温度境界条件を設定したときの熱歪みの状態に置き換えて、金属部材の材料特性及び成形形状に応じた温度境界条件を数値計算によってシミュレートするステップと、前記金属部材に対するショットの投射条件と温度境界条件との関係の基礎データを予め採取しておくステップと、前記シミュレートするステップにより得られた温度境界条件を、前記基礎データを予め採取しておくステップで得られた基礎データに基づいてショットの投射条件に変換するステップと、を有することを特徴としている。

さらに、本発明の金属部材の成形方法は、前記金属部材の成形方法によって前記金属部材に曲率の異なる曲面を連続して形成する方法であって、前記金属部材の表面を、成形後の曲率が同一乃至近似する領域毎に分割し、各分割領域の曲率に応じて得られたシミュレート結果に基づいて各分割領域におけるショットの投射条件をそれぞれ設定し、設定した各投射条件に切り換えながら前記金属部材に連続的にショットを投射して該金属部材に曲率の異なる曲面を連続して形成することを特徴としている。

本発明の金属部材の成形方法は、各種の金属部材の曲げ加工に適用可能であるが、特に、鉄道車両の先頭部分に用いられる外板のような三次元曲面を有する金属製品を成形するのに最適である。

本発明の金属部材の成形方法によれば、ショットが金属部材表面に衝突したときの金属部材の塑性変形状態を、金属部材表面に温度境界条件を課した熱変形問題として置き換え、数値計算によってシミュレートするものであるから、ショットの投射条件と数値シミュレーションで設定する温度負荷等とをあらかじめ対応させておくことにより、ショットによる実際の試作を行わずに数値計算で成形形状を予測できる。これによって数値計算上で投射条件をチューニングできるので、作業コストを低減することができる。

また、ショット１個ずつの衝突自体をシミュレートせずに、ショットの衝突によって生じる表面の塑性歪みをマクロにモデル化することにより、計算コストを大幅に軽減することができる。これにより、１回のシミュレーションに要する時間が短くなるので、繰り返し計算によって適切な投射条件を自動的に探索することが可能となる。したがって、従来は投射条件の設定に要する作業時間の面で現実的ではなかった複雑な曲面の成形も可能となり、鉄道車両における先頭部形状のデザインの多様性にも対応することができる。

図１はショットの衝突によって金属部材に発生する塑性歪みの状態と、表面を加熱したときの金属部材に発生する熱歪みの状態とを比較して示す説明図、図２はショットの両面投射を模擬した熱変形モデルの一例を示す説明図、図３はショットの片面投射を模擬した熱変形モデルの一例を示す説明図、図４はショット投射条件と温度境界条件との関係の一例を示す説明図、図６は数値シミュレーションによる熱変形モデルの熱歪みの状態を示す説明図、図７は数値シミュレーションの結果に基づいて設定した投射条件によりショットピーニングを行った金属板の成形後の状態を示す斜視図である。

まず、本発明では、図１（Ａ）に示すように、金属板１１の表面にショット１２を高速で投射すると、金属板１１の表面を面内方向に一様に押し広げるような塑性歪み１３が発生すると考え、このような変形状態を、図１（Ｂ）に示すように、金属板１１の表面に温度境界条件を設定した熱変形モデルにおける熱歪み１４として置き換える。

また、図２に示すように、ショットの両面投射を模擬した熱変形モデル２１の場合は、両表面部分２２，２２が弾性体として熱変形した状態となり、これらに挟まれた内層部分２３が弾塑性体として変形した状態となる。また、片面投射の場合は、図３の熱変形モデル２６に示すように、投射側表面部分２７が弾性体として熱変形した部分となり、他の部分２８が弾塑性体として変形した状態なる。

表面にショット１２を投射したときの金属板１１の塑性歪み量（変形量、曲率）は、ショット１２のサイズ、質量、材質、投射密度、投射速度、投射距離、投射角度、投射パターンと、金属板１１の材質、厚さといった条件によって決まる。金属板１１の材質及び厚さが決まれば、ショット１２の投射条件を適切に設定することにより、金属板１１に所望の塑性歪みを与えることができる。通常、金属板１１に対して連続的にピーン成形する場合には、ショット１２のサイズ、質量、材質を変更することはほとんど行われないことから、投射条件の選定は、主として投射密度や投射速度を調整することによって金属板１１の塑性歪み量を制御することが可能となる。

このとき、金属板１１へのショットの投射密度以外の投射速度等の条件を一定とすれば、投射条件は投射密度のみを変数として扱うことが可能となる。そして、投射密度は、単位面積当たりのショット数であるから投射時間で調整することが可能であり、他の投射条件を一定とすれば投射時間のみを調整することによって所望の投射条件が得られることになる。あるいは、投射速度以外の条件を一定とすれば、投射条件は、投射速度のみを変数として扱うことが可能となり、さらに、投射密度、投射速度の２変数を組み合わせることによっても、金属板１１に所望の塑性歪みを与えることができる。

また、金属板１１の表面をある温度に加熱したときの熱歪み量（変形量、曲率）は、弾性体として熱変形する金属板１１の表面部分と、弾塑性体として変形する内層部分との温度差によって決まるものであるから、金属板１１の材質及び厚さが変わらなければ、温度境界条件をどのように設定するかによって決まることになる。この熱歪みを含む解析は、熱応力解析といわれて構造解析の一機能として頻繁に利用されている。

温度境界条件は、加熱形態、温度、時間、その他の要因を適宜選択することによって設定されるものであるから、特定の金属板を特定の熱源を使用して表面全体を均等に加熱すると仮定すれば、主として加熱温度及び温度履歴からなる温度負荷を選択することによって金属板１１の熱歪み量をシミュレート可能な状態となる。

このことから、特定の金属板１１に対する投射条件と温度境界条件との関係、最も単純化すれば投射条件における投射時間（投射密度）と、熱変形モデルの温度境界条件における温度負荷とは、図４に示すような相関関係を有していると考えられるので、成形対象となる各金属部材と、ショットの投射条件と、熱変形モデルにおける温度境界条件との関係を、金属試験片を使用した実験によってあらかじめ基礎データを採取しておくことにより、各種金属部材の表面に投射したショットによる金属部材の塑性歪み量を、該金属部材に温度境界条件を設定したときの熱歪み量に対応させることができる。

したがって、金属部材をショットピーニングによって所定の曲率に成形する際には、この金属部材に対応した熱変形モデルを用いて数値シミュレーション（熱変形解析）を行い、この数値シミュレーションから得られた金属部材表面の温度負荷を、あらかじめ採取した前記基礎データに基づいてショットの投射条件、例えば投射密度に変換することにより、前記金属部材を所定の曲率に成形するためのショットの投射条件を設定することができる。

これにより、実際の試作を行わずに数値計算によって成形形状を予測できることになるので、数値計算上で投射条件をチューニングすることができ、試作に伴う多大な作業に要するコストを大幅に低減できる。また、原理的には、一つのショットの衝突に対する塑性歪みを熱歪みに置き換えているが、実際のショットピーニング成形時の状態を考慮し、ショット１個ずつの衝突自体をシミュレートせずに、ショットの衝突によって生じる表面の塑性歪みをマクロにモデル化してシミュレートすることにより、数値計算の簡略化を図ることができ、計算時間の大幅な短縮及び計算コストの大幅な軽減が図れる。特に、モデル全体ではなく、モデルの表面部分に温度境界条件を設定して解析することにより、モデル全体を加熱・冷却した状態を解析するものに比べて数値解析を容易にかつ短時間で行うことができる。

さらに、計算時間の大幅な短縮により、各種成形形状を数値計算によって繰り返しシミュレートできるので、曲率の異なる曲面が連続した複雑な形状であっても、各部のショットの投射条件を適切に設定することができる。また、成形後の曲率が同一乃至近似する領域毎に分割し、各分割領域の曲率に応じてショットの投射条件を適切に設定できるので、各投射条件に切り換えながらショットピーニングを行うことにより、曲率の異なる曲面を１回のショットピーニングで連続して形成することができる。

投射条件に応じて金属部材の所定位置に確実にショットピーニングを行う方法として、図５に示す方法も好適である。例えば図５（ａ）に示すように、平板状の金属部材３１に、曲率の小さな曲面部分３２と、曲率の大きな曲面部分３３と、平面部分３４とを形成する場合、まず、図５（ｂ）に示すように、曲率の小さな曲面部分３２を形成する部分を除いて、曲率の大きな曲面部分３３及び平面部分３４に対応する部分にマスキング３５を施した状態で、曲率の小さな曲面部分３２を形成するための投射条件で金属部材３１の表面全体に均一にショットを投射する。

次に、前記マスキング３５を取り除いた後、曲率の小さな曲面部分３２及び平面部分３４に対応する部分にマスキング３６を施し、曲率の大きな曲面部分３３を形成するための投射条件で金属部材３１の表面全体に均一にショットを投射する。

このようにマスキング３５，３６を利用してショットピーニング加工を行うことにより、曲率の小さな曲面部分３２を加工する際には、該曲面部分３２にのみ確実に所定の投射条件でショットの投射を行うことができ、また、曲率の大きな曲面部分３３を加工する際には、該曲面部分３３にのみ確実に所定の投射条件でショットの投射を行うことができ、さらに、平面部分３４は、いずれの場合もマスキング３５，３６によって覆われているので、ショットによる変形を生じることがない。

したがって、各曲面部分３２，３３を、それぞれに対応した投射条件でショットピーニングすることができるので、金属部材３１を所望の形状に確実に成形することが可能となる。しかも、各加工時には、ショットの投射条件や金属部材３１の移動条件等を一定にしてショットの投射を行うことができるので、加工途中で投射条件や移動条件等を変更するのに比べて条件設定が容易であり、高精度なショットピーニングを行うことができる。

なお、マスキングの順番は任意に選択することができ、先に曲率の小さな曲面部分３２にマスキングを施して曲率の大きな曲面部分３３を加工するようにしてもよい。また、金属部材３１の表面全体に均一にショットを投射せずに、加工部分とその周辺のみにショットを投射するようにしてもよい。

さらに、最初に平面部分３４のみにマスキングを施し、曲率の小さな曲面部分３２と曲率の大きな曲面部分３３とを同時に小さな曲率の曲面を形成する投射条件で加工し、次に、曲率の小さな曲面部分３２にもマスキングを施し、曲率の大きな曲面部分３３を小さな曲率から大きな曲率になるように加工することもできる。

また、マスキングは、マスキングテープやクッション材等、ショットの衝撃を吸収可能で、金属部材３１の表面に対して着脱可能なものならば各種のものを使用可能である。

ここで、図６及び図７に示すように、板厚が２．５ｍｍ、サイズが１５０ｍｍ×２５０ｍｍのアルミニウム合金平板（ＪＩＳ Ａ ５０８３Ｐ−Ｏ）４１をショットピーニングにより成形する実験を行った結果を説明する。まず、前記平板４１を模擬した熱変形モデル４２が図６に示す形状となるように数値シミュレーションを行った。なお、図６において、黒色部分４３は元の平板状態であり、白色に近付くのに従って表面側（ショット側）に盛り上がり、白色部分４４が最も盛り上がった状態になっていることを表している。

そして、前述のように、この数値シミュレーションから得られた金属部材表面の温度負荷を、あらかじめ採取した前記基礎データに基づいてショットの投射密度と投射速度とに変換し、得られた投射条件に基づいて、市販のピーン成形装置を使用して実際の平板４１にショットを投射し、平板４１の曲げ加工を行った。その結果、平板４１は、図７に示す曲面４５を有する形状となり、数値シミュレーションから得られた結果と同じ成形形状を得ることができた。このときの投射密度の調整は、平板をショット投射部に送る速度とショット投射部に通す回数とを調節することにより行った。

なお、成形対象となる金属部材は、ショットピーニングによって成形可能ならば、任意の形状、構造の金属部材を成形対象とすることができる。また、金属部材へのショットの投射は、市販の各種ピーン成形装置を使用可能であり、ショットの投射条件の調整は、各ピーン成形装置における投射条件の設定操作に応じて選択することができる。

ショットの衝突によって金属部材に発生する塑性歪みの状態と、表面を加熱したときの金属部材に発生する熱歪みの状態とを比較して示す説明図である。 ショットの両面投射を模擬した熱変形モデルの一例を示す説明図である。 ショットの片面投射を模擬した熱変形モデルの一例を示す説明図である。 ショット投射条件と温度境界条件との関係の一例を示す説明図である。 ショットピーニングにより金属部材を成形する手順の一例を示す説明図である。 数値シミュレーションによる熱変形モデルの熱歪みの状態を示す説明図である。 数値シミュレーションの結果に基づいて設定した投射条件によりショットピーニングを行った金属板の成形後の状態を示す斜視図である。

符号の説明

１１…金属板、１２…ショット、１３…塑性歪み、１４…熱歪み、２１…熱変形モデル、２２…表面部分、２３…内層部分、２６…熱変形モデル、２７…投射側表面部分、２８…他の部分、３１…金属部材、３２…曲率の小さな曲面部分、３３…曲率の大きな曲面部分、３４…平面部分、３５，３６…マスキング、４１…アルミニウム合金平板、４２…熱変形モデル、４３…黒色部分、４４…白色部分、４５…曲面

Claims (3)

1. 金属部材の表面にショットを高速で投射して塑性歪みを持たせることにより、該金属部材を曲げ加工するショットピーニングによる金属部材の成形方法において、
   前記金属部材の表面に投射したショットによる金属部材の塑性歪みの状態を、該金属部材の表面に温度境界条件を設定したときの熱歪みの状態に置き換えて、金属部材の材料特性及び成形形状に応じた温度境界条件を数値計算によってシミュレートするステップと、
   前記金属部材に対するショットの投射条件と温度境界条件との関係の基礎データを予め採取しておくステップと、
   前記シミュレートするステップにより得られた温度境界条件を、前記基礎データを予め採取しておくステップで得られた基礎データに基づいてショットの投射条件に変換するステップと、を有することを特徴とする金属部材の成形方法。
2. 請求項１記載の金属部材の成形方法によって前記金属部材に曲率の異なる曲面を連続して形成する方法であって、前記金属部材の表面を、成形後の曲率が同一乃至近似する領域毎に分割し、各分割領域の曲率に応じて得られたシミュレート結果に基づいて各分割領域におけるショットの投射条件をそれぞれ設定し、設定した各投射条件に切り換えながら前記金属部材に連続的にショットを投射して該金属部材に曲率の異なる曲面を連続して形成することを特徴とする金属部材の成形方法。
3. 請求項１又は２記載の金属部材の成形方法で成形される前記金属部材が、鉄道車両の先頭部分に用いられる外板であることを特徴とする金属部材の成形方法。

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