JP4731019B2 - 線状加熱による金属板の鞍型曲面加工方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は造船における船殻曲がり外板の加工の如き金属板を素材から鞍型曲面形状へ曲げ加工するための線状加熱による金属板の鞍型曲面加工方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、船舶等に用いられる金属板の曲げ加工には、線状加熱による曲げ加工方法が採用されている。
【０００３】
線状加熱は、金属板をガスバーナ等の点熱源で線状に局所加熱すると周囲から拘束を受けて塑性歪を発生して変形する性質を利用し、金属板上に加熱個所を適当に配置することで対象金属板を目的曲面に曲げ加工する技術である。
【０００４】
従来、線状加熱による金属板の曲げ加工は長い経験を経て修得する技能とされていて、熟練者が勘や技能により加熱位置、方向、加熱条件などを定めて行われていたが、近年では、線状加熱を機械的に行う方法として、有限要素法（ＦＥＭ）を応用して、曲げ加工すべき金属板表面を多数の領域に分割すると共に、該各分割領域毎に、目的形状に曲げ加工するために要する目的固有歪を求め、該目的固有歪の面内収縮歪成分と曲げ歪成分を与えるべく、金属板表面における上記分割領域に加熱線を配置して、該加熱線に沿って加熱源を移動させながら、該加熱源の移動速度を制御パラメータとして所定の入熱量となるように局所加熱することにより、各分割領域を目的形状に曲げて金属板全体を目的曲面に曲げるようにする手法が採られるようになってきている。
【０００５】
かかる線状加熱により、たとえば、図３（イ）に示す如き矩形状の金属板１を図３（ニ）に示す如き鞍型曲面形状に曲げ加工する場合は、図３（イ）に示す如く、金属板１をほぼ水平となるように配置した状態において、先ず、上側となる該金属板１の表面１ａに長手方向にほぼ平行に配置されている複数の加熱線２ａを、ガスバーナ等の図示しない加熱源にて上方より局所加熱して、該各加熱線２ａ部分において、面内収縮歪と、加熱線２ａを中心に上に向かってＵ字型に曲る方向の曲げ歪とを主として与えることにより、図３（ロ）に示す如く金属板１を幅方向に湾曲させるように、上に向けてＵ字型のシリンダ壁形状（半円筒形状）となるように曲げ加工し、次に、該シリンダ壁形状に曲げ加工した金属板１を、図３（ハ）に示す如く、上下方向に反転させて、新たに上側となった金属板１の裏面１ｂにおける中央部を、幅方向にほぼ平行に配置された複数の加熱線２ｂに沿って加熱源にて上方より局所加熱し、これにより該各加熱線２ｂ部分において、面内収縮歪と、加熱線２ｂを中心に上に向かってＵ字型に曲る方向の曲げ歪とを主として与えることにより、最初の曲り方向とは直交する方向への曲り変形を付与して、図３（ニ）に示す如き鞍型曲面形状を形成させるようにしてある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来の線状加熱による鞍型曲面加工方法では、２度目の曲り変形を付与するために、一旦、上に向けてＵ字型のシリンダ壁形状に曲げ加工した金属板１を反転させなければならず、該反転作業は、作業対象が大きく、且つ不安定な形状のため、クレーン等を用いて行わなければならず、そのため大掛りな作業となると共に、作業工数が嵩むという問題があり、又、上記線状加熱作業を自動化した装置により行う場合には、上記金属板１の反転作業を行うために、装置の自動運転を一旦中断しなければならず、装置の運用が妨げられて作業効率が低下するという問題もある。
【０００７】
そこで、本発明は、片面からの加熱のみにより金属板を鞍型形状に曲げることができて、加熱作業の途中で金属板を反転させる必要のない線状加熱による金属板の鞍型曲面加工方法を提供しようとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために、金属板の表面に一方向に配置した加熱線を上方より局所加熱して、該金属板を上に向けてＵ字型となるシリンダ壁形状に湾曲させ、しかる後、該シリンダ壁形状に湾曲させた金属板の軸心方向を上下に曲げる場合の中立面よりも下方位置の該金属板の表面に上記加熱線と直交するように配置した加熱線を上方より局所加熱して、該加熱部に生じる面内収縮歪に基づいて上記シリンダ壁形状に湾曲させた金属板の軸心方向を下方へ向けてＵ字型に変形させ、金属板を鞍型曲面形状に曲げ加工するようにする。
【０００９】
金属板の表面の加熱線を局所加熱して金属板を一旦上方にＵ字型のシリンダ壁形状に曲げた後、該シリンダ壁形状の金属板の中性面よりも下方に配置された表面の加熱線を上方より局所加熱すると、該加熱線部分には面内収縮歪と、加熱線を中心として上に向かってＵ字型に曲る方向の曲げ歪が主として付与されるが、この際、該加熱線はシリンダ壁形状の金属板の中性面よりも下方にあることから、最初の曲げ変形によりＵ字型とした金属板の撓みが十分あれば上記曲げ歪は発現されない。このため上記面内収縮歪のみが、シリンダ壁形状の金属板の中性面よりも下方を収縮させるように発現され、これにより金属板は最初の曲げ方向と直交する方向に曲げ変形されて、鞍型曲面形状が形成される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１１】
図１（イ）（ロ）は本発明の線状加熱による金属板の鞍型曲面加工方法の実施の一形態における要部を示すもので、先ず、図３（イ）に示したものと同様に、ほぼ水平方向に配した矩形の金属板１の上側となる表面１ａに長手方向にほぼ平行に配置されている複数の加熱線２ａを、図示しない加熱源にて上方より局所加熱して、図１（イ）（ロ）に示す如き上に向けてＵ字型のシリンダ壁形状となるように曲げ加工して金属板１を幅方向に湾曲させた後、該シリンダ壁形状に曲げ加工された金属板１の表面１ａにおいて、軸心方向を上下に曲げる場合の中性面（中立面）３、すなわち、軸心方向に沿う中性面３よりも下方となる長手方向所要間隔個所に、幅方向にほぼ平行するように配置した複数の加熱線２ｃを、加熱源４にて上方より局所加熱するようにする。なお、図１（ロ）では加熱源４の記載は省略してある。又、図３（イ）（ロ）（ハ）（ニ）に示したものと同一のものには同一符号が付してある。
【００１２】
これにより金属板１の該各加熱線２ｃ部分には、面内収縮歪と、加熱線２ｃを中心に上に向かってＵ字型に曲る方向の曲げ歪が主として与えられる。しかし、このうち加熱線２ｃを中心とする曲げ歪に関しては、最初の曲げ変形により形成されるシリンダ壁形状の金属板１の撓み量が十分あれば、各加熱線２ｃは中性面３よりも下方に位置しているので、曲げ変形としては発現されない。このため面内収縮歪のみが、シリンダ壁形状の金属板１の中性面３よりも下側にて長手方向の面内収縮変形として発現されるので、金属板１に、最初の曲り方向とは直交する方向への曲り変形を付与することができて、図１（ロ）に二点鎖線で示す如き鞍型曲面形状を形成させることができる。
【００１３】
上記金属板の鞍型曲面加工方法を実施するための加熱方案は、従来と同様に有限要素法を応用して加熱方案を算出する際、選択できる加熱線の加熱条件として、板の上面からのみの加熱条件をデータベースとして与えることにより求めることができる。
【００１４】
すなわち、図２にその一例の概略のフローチャートを示す如く、先ず、金属板１の初期形状と、目的とする鞍型曲面形状に関する幾何情報をインプット（ステップＳ１）した後、金属板１の初期形状のＦＥＭメッシュ分割を行い（ステップＳ２）、その分割形状を、適当な写像方法によって金属板の目的形状の上に写像し（ステップＳ３）、次に、初期形状における各要素節点位置を目的形状における対応する各要素節点位置にＦＥＭ計算によって強制的に弾性変形させ、各要素内での歪分布（目的固有歪分布）を計算し（ステップＳ４）し、次いで、加熱方法の策定として、上記ステップＳ２で求められた要素内での目的固有歪分布を複数の加熱線の適当な配置あるいは加熱条件の調整によって生成される集中的な歪分布（生成固有歪）で近似的に表現するようにする（ステップＳ５）。
【００１５】
この場合、上記ステップＳ５で目的固有歪分布を実現する際に、加熱条件（単位時間あたりの入熱量、加熱時間等）と生成固有歪との定量的関係が必要とされるので、該定量的関係をデータベースより与える際、板の上面からのみの加熱条件に限定して与えるようにする（ステップＳ６）。なお、上記データベースは、単一加熱線のような基本的加熱による加熱実験を行って収縮量や角変形を直接的に測定するか、あるいは熱弾塑性ＦＥＭ解析により入熱条件（入熱分布又は時系列的に変化する温度分布）を与えたときの金属板上の生成固有歪を計算するか、更には予め系統的な実験や解析を行って、それらの結果を相似則を導入して蓄積してある。
【００１６】
次に、上記各要素について物理的に妥当な結果が得られるような加熱強度の組み合わせと加熱方向と加熱線間隔を求めて金属板１の表面１ａ上に加熱線配置として表示（ステップＳ７）し、ステップ５とステップ６で求められた加熱条件が与えられたときの生成固有歪を初期形状に付与することによって、曲り形状の弾性シミュレーションを行い確認を行うことにより加熱方案を算出するようにしてある（ステップＳ８）。
【００１７】
なお、最初の曲げ変形によりシリンダ壁形状となる金属板１の形状が、幅方向の曲率が緩やかで、上面側からでは、中性面３の下側に十分加熱するスペースが取れない等の理由で上記の方法では目的の鞍型曲面形状が得られない場合には、計算の結果、適当な加熱方案の回答が存在しないことがシミュレーションにより回答されるので、この場合には、裏面からの加熱を許容する条件を新たに選択可能な条件としてデータベースより与えた上で、再度加熱方案を算出して、加熱作業途中で金属板１を反転させることを要求する従来と同様の加熱方案を求めるようにすればよい。
【００１８】
このように、本発明の方法によれば、金属板１の鞍型曲面形状への曲げ加工を、上方からの加熱、すなわち、金属板１の片面からの加熱のみにより実施できるので、従来要していた如き加熱作業途中で金属板１を反転させる必要をなくすことができて、作業工数の削減を図ることができ、又、線状加熱を自動化した装置で行う場合には、金属板１の反転作業のために従来行っていた装置の自動運転を中断する必要がなくなることから、装置の運用が妨げられることはなく、作業効率の向上を図ることができる。
【００１９】
なお、本発明は上記実施の形態のみに限定されるものではなく、金属板１の鞍型曲面形状への曲げ加工を要する部分であれば、いかなる初期形状の金属板１にも適用できること、加熱方案の算出方法は、上記以外の手順によるものであってもよいこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００２０】
【発明の効果】
以上述べた如く、本発明の線状加熱による金属板の鞍型曲面加工方法によれば、金属板の表面に一方向に配置した加熱線を上方より局所加熱して、該金属板を上に向けてＵ字型となるシリンダ壁形状に湾曲させ、しかる後、該シリンダ壁形状に湾曲させた金属板の軸心方向を上下に曲げる場合の中立面よりも下方位置の該金属板の表面に上記加熱線と直交するように配置した加熱線を上方より局所加熱して、該加熱部に生じる面内収縮歪に基づいて上記シリンダ壁形状に湾曲させた金属板の軸心方向を下方へ向けてＵ字型に変形させ、金属板を鞍型曲面形状に曲げ加工するようにしてあるので、上方からの加熱により上に向けてＵ字型のシリンダ壁形状に曲げ加工された金属板の中性面よりも下方個所に、上方からの加熱により面内収縮歪を付与することができ、上記Ｕ字型の金属板の中性面よりも下方を面内収縮変形させて、金属板を最初の曲げ方向と直交する方向に曲げ変形させて鞍型曲面形状を形成させることができ、よって、金属板の鞍型曲面形状への曲げ加工を、金属板の片面からの加熱のみにより実施でき、このため従来要していた如き加熱作業途中での金属板の反転作業の必要をなくすことができて、作業工数の削減を図ることができ、又、線状加熱を自動化した装置で行う場合には、金属板の反転作業のために装置の自動運転を中断する必要がなくなることから、装置の運用が妨げられることはなく、作業効率の向上を図ることができるという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の線状加熱による金属板の鞍型曲面加工方法の実施の一形態における手順の要部を示すもので、（イ）はＵ字型に曲げ加工された金属板の中性面よりも下方に配置した加熱線を上方から加熱する状態を示す概略側面図、（ロ）は（イ）のＡ−Ａ方向矢視図である。
【図２】図１の方法を実施するための加熱方案を算出する手順のフローチャートを示す図である。
【図３】従来の線状加熱による金属板の鞍型曲面加工方法の手順を示すもので、（イ）は長手方向に沿う加熱線を加熱する状態を、（ロ）は上に向けてＵ字型となるシリンダ壁形状に曲げ加工された状態を、（ハ）はシリンダ壁形状の金属板を反転させた後、その中央部にて幅方向に配された加熱線を加熱する状態を、（ニ）は鞍型曲面に曲げ加工された状態をそれぞれ示す概略斜視図である。
【符号の説明】
１ 金属板
１ａ 表面
１ｂ 裏面
２ａ，２ｂ，２ｃ 加熱線
３ 中性面（中立面）
４ 加熱源

Claims (1)

1. 金属板の表面に一方向に配置した加熱線を上方より局所加熱して、該金属板を上に向けてＵ字型となるシリンダ壁形状に湾曲させ、しかる後、該シリンダ壁形状に湾曲させた金属板の軸心方向を上下に曲げる場合の中立面よりも下方位置の該金属板の表面に上記加熱線と直交するように配置した加熱線を上方より局所加熱して、該加熱部に生じる面内収縮歪に基づいて上記シリンダ壁形状に湾曲させた金属板の軸心方向を下方へ向けてＵ字型に変形させ、金属板を鞍型曲面形状に曲げ加工することを特徴とする線状加熱による金属板の鞍型曲面加工方法。

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