JP5330951B2 - 板状部材の成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、板状部材の成形方法、特に、板状部材の表面に複数の凹部が形成される板状部材の成形方法に関する。

一般に、航空機の外板は、その最終成品形状に倣って成形された板状部材で構成される。通常、航空機の外板に使用されるワークの厚みは、例えば２〜４ｍｍ程度であり、このワークの表面に、０．５〜１ｍｍ程度の深さでほぼ全面に亘るポケットとよばれる比較的浅底の凹部が複数形成されて、外板部材の軽量化が図られている。図６は、このようなワークＷの概略を説明する図であり、曲面Ｒを有するワークＷの表面には、複数のポケット１０１が形成されている。

このような外板を成形する技術として、例えば、ポケットが形成された平板状ワークにショットピーニングを行って曲面を有する外板を成形する技術が知られている。この成形方法は、まず、３軸のミーリング加工機で、平板状のワークにポケットを形成し、続いて、ワークを複数のクリップで曲面を有するワーク支持板に固定し、ショットピーニング装置からショット材を投射して板状ワークをワーク支持板の曲面に倣った曲面に加工を行う。これにより、外板の最終成品形状に倣ったワーク支持板から板状ワークを取り外すと、ショット材が投射された板状ワークの表面の圧縮応力が開放されて、板状ワークが所望の形状に成形される（例えば、特許文献１参照）。

しかし、上記特許文献１に記載された板状ワークの成形方法によると、ショット材が投射された板状ワークの表面が加工硬化したり、ショット材の投射にばらつきが生じて加工精度が低下したりすることで、品質の低下を招来することが懸念される。

一方、図７に示すように、プレス成形装置１１０のダイ１１１とパンチ１１２との間にワークＷを設置し、ダイ１１１を下降させてダイ１１１とパンチ１１２との間でワークＷを航空機の外板の最終形状に倣った形状にプレス成形した後に、板状ワークのポケット形成部分以外を耐薬品皮膜で被覆し、この板状ワークをエッチング液、マスカント液といったケミカルミーリング薬液中に浸して、耐薬品皮膜で被覆されていないポケット形成部分を溶解除去して外板を形成することもできる。

しかし、エッチング液、マスカント液といったケミカルミーリング薬液は有害物質を含んでおり、ワークＷの洗浄処理及び洗浄処理の際のかかる薬液の廃棄処理に困難を伴い、環境に影響を及ぼす要因となることが懸念される。また、板状ワークのポケット非形成領域を耐薬品皮膜で被覆する必要があるので、板状ワークの成形工程が複雑化するとともに多くの作業工数を要することが懸念される。

また、上述のように、プレス成形装置１１０によって航空機の外板の最終形状に倣った形状にワークＷをプレス成形した後に、その曲面に５軸のミーリング加工機を用いてポケットを切削形成することで外板を成形することが考えられる。

しかし、一般に、５軸のミーリング加工機による切削加工は、その制御が複雑で多くの作業工数を要し、かつ、５軸のミーリング加工機は高価であるので、板状ワークの成形コストが増大して外板の生産性が低下することが懸念される。

そこで、これらの不具合を解消すべく、３軸のミーリング加工機を用いて平板状のワークＷにポケット１０１を形成した後、生産性に優れたプレス成形装置１１０によって航空機の外板の最終形状に倣った形状、例えば湾曲にワークＷをプレス成形する成形方法が一般的に知られている。この成形方法によれば、プレス成形によってワークＷが外板の最終形状として成形されるので、ショット材の投射による加工硬化及び加工精度の低下といった問題を生じることがない。また、３軸のミーリング加工機を用いることで、５軸のミーリング加工機を用いる場合に比べて成形コストを大幅に抑制することができるとともに、ケミカルミーリング薬液を用いたポケット形成に伴う薬液の廃棄処理の困難性及び二次公害の招来を回避することができる。

特開２００３−２５０２１号公報

上記した、３軸のミーリング加工機を用いて平板状のワークＷにポケット１０１を形成した後、プレス成形装置１１０によって航空機の外板の最終形状に倣った湾曲形状にワークＷをプレス成形する成形方法によると、図８で示すように、ワークＷがプレス成形装置１１０でプレスされると、ワークＷの中立面Ｃを境界として、ワークＷの上部側に引張応力Ｆ＋が付与され、ワークＷの下部側に圧縮応力Ｆ−が付与され、板厚方向に異なる応力が生じる。ワークＷは、ポケット１０１の形成部分において断面形状が不連続となっており、剛性が急激に変化しているので、ポケット１０１が形成されたワークＷの下部側に付与される圧縮応力Ｆ−により、図９で示すように、ワークＷの上面Ｗ１に、ポケット１０１の端縁に沿った折れ曲がりであるキンク１０２が発生することとなる。このキンク１０２が発生した場合、修正加工作業によって完全に除去することはできないので、品質の低下を招来することとなり、例えばこのワークＷを航空機の外板に用いると、空力的な不具合が生じることが懸念される。

そこで、発明者は、キンク１０２の発生を抑制すべく、鋭意研究の結果、ワークＷの中立面Ｃを境界として板厚方向に異なる応力が生じることに着目して、本発明をなすに至った。

従って、かかる点に鑑みてなされた本発明の目的は、生産性に優れて高品質に成形することができ、かつ製造コストを抑制することのできる板状部材の成形方法を提供することにある。

上記課題を解決するための請求項１に記載の発明による板状部材の成形方法は、一方の表面に凹面状の凹部が複数形成されるとともに湾曲した板状部材の成形方法において、平板状の板状部材に切削加工によって前記凹部を形成する凹部形成工程と、該凹部形成工程で凹部が形成された前記板状部材に板状冶具を積層して、前記板状冶具及び前記板状部材をプレス成形装置に載置して前記プレス成形装置で前記板状部材を湾曲成形するプレス成形工程と、を備え、前記プレス成形装置によるプレス成形によって発生する圧縮応力が作用する前記板状部材の圧縮応力発生側に前記板状冶具を積層することを特徴とする。

この発明によると、プレス成形の際に、凹部が形成された板状部材に板状冶具が積層されるので、板状部材と板状冶具とが積層された境界部分が形成される。そして、板状冶具は板状部材の圧縮応力発生側に積層されているので、かかる状態において、板状部材及び板状冶具をプレス成形装置によってプレスすると、板状部材への圧縮応力の付与が抑制されるとともに、板状部材に付与される引張応力が増大される。

その結果、板状部材の圧縮応力発生側への圧縮応力の作用が抑制されるので、板状部材がプレス成形装置によってプレスされても、その板状部材にキンクが形成されることがなく、平滑な曲面を有する高品質で生産性に優れた板状部材を成形することができる。

また、平板状の板状部材をミーリングによって凹部を機械的に加工することができるので、板状部材の加工性に優れるとともに、加工コストを抑制したうえで板状部材を成形することができる。

請求項２に記載の発明による板状部材の成形方法は、請求項１に記載の板状被加工物の成形方法において、前記板状部材の圧縮応力発生側と前記板状冶具とが積層されて前記板状部材の圧縮応力発生側と前記板状冶具との間に境界部分が形成され、前記プレス成形装置によるプレス成形によって前記境界部分を中立面として前記板状冶具側に前記圧縮応力が付与され、前記板状部材側に引張応力が付与されることを特徴とする。

この発明によると、板状部材と板状冶具を積層させるという簡易な手法によって、プレス成形装置によって成形される板状部材と板状冶具とを積層させた境界部分を、プレス成形がなされた際の内部応力の中立面として作用させることができる。これにより、板状部材側に付与される引張応力が増大されるとともに、板状冶具側に圧縮応力が付与されて、板状部材側への圧縮応力の作用が抑制される。その結果、板状部材におけるキンクの発生が抑制されるので、請求項１に係る発明の効果を効率的に達成することができる。

請求項３に記載の発明による板状部材の成形方法は、請求項１または２に記載の板状部材の成形方法において、前記板状冶具は、前記板状部材と略同一の板厚で形成されたことを特徴とする。

この発明によると、板状部材の板厚と板状冶具の板厚とを略同一とすることで、内部応力の中立面を分岐点とした引張応力と圧縮応力の大きさが略同一となり、板状部材への圧縮応力の作用が更に抑制される。

請求項４に記載の発明による板状部材の成形方法は、請求項１または２に記載の板状部材の成形方法において、前記板状冶具は、前記板状部材の板厚に対して板厚が増大されて形成されたことを特徴とする。

この発明によると、板状部材の板厚に対して板状冶具の板厚を増大させることで、板状冶具の板厚を板状部材の板厚と略同一とした場合と対比すると、板状部材に付与される引張応力が更に増大される。その結果、板状部材の圧縮応発生側への圧縮応力の作用が抑制されるので、請求項１に係る発明の目的を効率的に達成することができる。

請求項５に記載の発明による板状部材の成形方法は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の板状部材の成形方法において、前記板状冶具は、前記プレス成形装置により前記板状部材がプレス成形される際の曲げ剛性が前記板状部材と略同一であることを特徴とする。
この発明によると、板状部材と板状冶具の材料を同材料とすることで、材料の相違による応力分布のバラツキを抑制して、板状部材と板状冶具の曲げ剛性を均一にすることができる。

請求項６に記載の発明による板状部材の成形方法は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の板状部材の成形方法において、前記板状冶具及び前記板状部材は、アルミニウム合金で形成されたことを特徴とする。この発明によると、板状冶具及び板状部材を塑性変形性に優れるアルミニウム合金とすることで、板状部材の生産性を向上させることができる。

請求項７に記載の発明による板状部材の成形方法は、請求項１〜６のいずれか１項に記載の板状部材の成形方法において、前記プレス成形工程は、前記凹部が形成された前記板状部材の前記表面が前記板状冶具に積層されて前記プレス成形装置に載置されることを特徴とする。

この発明によると、凹部が形成された板状部材の表面に板状冶具を積層するという簡易な手法によって、板状部材にキンクが発生することを抑制することができる。従って、コストを低減した上で加工性のよい板状部材を得ることができる。

この発明によれば、プレス成形の際に、凹部が形成された板状部材に板状冶具が板状部材に積層されるので、板状部材と板状冶具とが積層された境界部分が形成される。そして、板状冶具は板状部材の圧縮応力発生側に積層されているので、かかる状態において、板状部材及び板状冶具をプレス成形装置によってプレスすると、板状部材への圧縮応力の付与が抑制されるとともに、板状部材に付与される引張応力が増大される。

その結果、板状部材の圧縮応力発生側への圧縮応力の作用が抑制されるので、板状部材がプレス成形装置によってプレスされても、その板状部材にキンクが形成されることがなく、平滑な曲面を有する高品質で生産性に優れた板状部材を成形することができる。

また、平板状の板状部材をミーリングによって凹部を機械的に加工することができるので、板状部材の加工性に優れるとともに、加工コストを抑制したうえで板状部材を成形することができる。

本発明の実施の形態における板状部材の成形方法で使用されるプレス成形装置の概略を説明する図である。 同じく、板状部材の成形方法を用いた板状部材の成形過程の概略を説明する図であり、（ａ）は成形前の板状部材の断面図、（ｂ）は板状部材に凹部を形成する断面図、（ｃ）は板状部材がプレス成形機によりプレスされている状態を示す断面図、（ｄ）は成形された板状部材の概略を説明する断面図である。 板状部材の成形過程の概略を説明する図である。 ３軸ミーリング加工機による凹部の形成過程を説明する図である。 板状部材に付与される応力の分布状態を説明する図である。 最終成品形状に倣って成形された板状部材の概略を説明する図である。 従来の板状部材の成形方法で使用されるプレス成形装置の概略を説明する図である。 従来の板状部材の成形方法によって板状部材に付与される応力の分布状態を説明する図である。 従来の板状部材の成形方法によって最終成品形状に倣って成形された板状部材の概略を説明する図である。

次に、本発明の実施の形態について、図１〜図５に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態における板状部材の成形方法で使用されるプレス成形装置の概略を説明する図であり、図２（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態における板状部材の成形方法を用いた板状部材の成形過程の概略を説明する図であり、（ａ）は成形前の板状部材の断面図、（ｂ）は板状部材に凹部を形成する断面図、（ｃ）は板状部材がプレス成形装置によりプレスされている状態を示す断面図、（ｄ）は成形された板状部材の概略を説明する断面図である。図３は、本実施の形態に係る板状部材の成形過程の概略を説明する図である。

まず、本発明の実施の形態に係る板状部材の成形方法で使用されるプレス成形装置の概略を説明する。

図１で示すように、プレス成形装置１０は、板状部材となるワークＷを支持するホルダ先端１１ｃが形成されたブランクホルダ１１、及び、互いに対向するダイ１３とパンチ１４とを備え、パンチ１４の上面１４ａ、ダイ１３の下面１３ａには、成品の最終形状に倣った成形面が形成されている。そして、ブランクホルダ１１及びパンチ１４の上方に配置された上型を構成するダイ１３が、上死点位置と下死点位置との間においてパンチ１４と接離して移動して、ブランクホルダ１１と協働してワークＷを押圧保持し、かつパンチ１４と協働してワークＷを成形する。

ブランクホルダ１１の上面１１ａには、上方に突出する突条の突起部１１ｂが形成されている。そして、ダイ１３のホルダ部分１３ｂには、ブランクホルダ１１の突起部１１ｂと嵌合する凹溝状の突起嵌合部１３ｃが形成される。

次に、本実施の形態に係る板状部材の成形方法について説明する。

図２（ａ）で示すように、ワークＷは、上面Ｗ１及び下面Ｗ２を有するとともに２〜４ｍｍの厚みを有するアルミニウム合金製であり、図２（ｂ）〜（ｄ）及び図３で示すように、凹部形成工程Ｓ１、プレス成形工程Ｓ２、外形トリミング工程Ｓ３を経て、成品の最終形状に倣った形状に成形される。

凹部形成工程Ｓ１では、図２（ａ）で示す加工及び成形前のワークＷの上面Ｗ１側に、図２（ｂ）で示すように、３軸ミーリング加工機（図示しない）に装着されたカッター１２０によって、凹部となるポケット１０１が複数形成される。

図４は、３軸ミーリング加工機による切削加工によって凹部の形成過程を説明する図である。図示のように、３軸ミーリング加工機に装着されたカッター１２０によるポケット１０１の形成は、カッター１２０がＺ軸方向に沿って所定距離下降されるとともに、Ｘ軸及びＹ軸方向に交互に移動されて、ワークＷの表面に沿って延在するポケット１０１が形成される。そして、カッター１２０がＺ軸方向に沿って所定距離上昇されて、Ｘ軸またはＹ軸方向に所定距離移動されて、Ｚ軸方向への下降及びＸ軸及びＹ軸方向の交互の移動が繰り返し実行されて、ワークＷの表面の全面に亘って複数のポケット１０１が形成される。

ワークＷの表面上に複数のポケット１０１が形成された後、プレス成形工程Ｓ２に移行する。プレス成形工程Ｓ２では、図１で示すように、プレス成形装置１０のダイ１３が上昇した上死点に位置する状態で、ブランクホルダ１１のホルダ先端１１ｃ及びパンチ１４の上部１４ａに、下面２２及び上面２１を有する板状であって、ワークＷと同様に２〜４ｍｍの厚みを有し、プレス成形装置１０に載置されるワークＷと同じ板厚またはそれ以上の板厚で板状冶具となるアルミニウム合金製のダミー材２０を載置する。

その後、ホルダ先端１１ｃ及びパンチ１４の上部１４ａに載置されたダミー材２０の上面２１に、ワークＷを積層する。すなわち、ダミー材２０の上面２１に、ポケット１０１が形成されたワークＷの圧縮応力発生側となる上面Ｗ１が接触して載置されて、積層されたワークＷとダミー材２０との間に境界部分が形成される。

ダミー材２０の上面２１に、ワークＷの下面Ｗ２が接触されて載置された後、ダイ１３を上死点位置から下降させる。そして、ブランクホルダ１１のホルダ先端１１ｃとダイ１３のホルダ部分１３ｂとによって、ワークＷの外周部が押圧保持される。

更に、ダイ１３を下降させて、ワークＷの外周部が押圧保持された状態が維持されつつ、ブランクホルダ１１がダイクッションによる付勢力に抗して押し下げられて成形面となるパンチ１４の上面１４ａとダイ１３によってワークＷのクランプがなされ、図２（ｃ）で示すように、ワークＷのプレス成形が開始される。

このとき、ブランクホルダ１１の突起部１１ｂとダイ１３の突起嵌合部１３ｃとは、ワークＷの外周部を介して嵌合されるので、ワークＷがプレス成形によって位置ずれを生じることなくプレス成形装置１０に押圧保持される。そして、ワークＷが位置ずれを生じることなくプレス成形装置１０に押圧保持されるので、ワークＷの上面Ｗ１の全方向に引張応力Ｆ＋が付与される。

ワークＷがプレス成形される際に、ワークＷ及びダミー材２０に付与される応力について、図５で示す板状部材の応力分布図を参照して説明する。

図示のように、プレス成形装置１０によるワークＷのプレス成形において、ワークＷとダミー材２０とが積層されて形成された境界部分が内部応力の中立面Ｃとして作用し、ダミー材２０側に圧縮応力Ｆ−が付与され、中立面Ｃを介してワークＷ側に引張応力Ｆ＋が付与される。すなわち、ダミー材２０を介在させないでワークＷのみをプレス成形した場合に、ワークＷに発生する内部応力の中立面Ｃが、ワークＷとダミー材２０とが積層されて形成された境界部分に変位するので、ワークＷに付与される引張応力Ｆ＋が増大されるとともに、ダミー材２０の上部側から下部側に圧縮応力Ｆ−が付与されて、ワークＷの上部側への圧縮応力Ｆ−の作用が抑制される。

プレス成形の後、ダイ１３が上死点位置まで上昇されてワークＷ及びダミー材２０が離型可能な状態となり、このワークＷ及びダミー材２０がプレス成形装置１０から取り出される。そして、ダミー材２０とワークＷとの重ね合わせが解除される。

その後、外形トリミング工程Ｓ３に移行し、ワークＷの外周部が切り離されて、図２（ｄ）に示すように、ワークＷは、成品の最終形状に倣った形状に成形される。

以上のような構成とすることにより、プレス成形の際に、ワークＷにこのワークＷとほぼ同じ板厚を有するダミー材２０が重ね合わせられるので、ワークＷとダミー材２０とが積層された境界部分が形成される。かかる状態において、ワークＷ及びダミー材２０をプレス成形装置１０によってプレスすると、ワークＷに作用する引張応力Ｆ＋が増大され、中立面Ｃを境界としてダミー材２０側に圧縮応力Ｆ−が作用する。

その結果、ワークＷ側への圧縮応力Ｆ−の作用が抑制されるので、ワークＷがプレス成形装置１０によってプレスされても、その上面Ｗ１にキンク１０２が形成されることがなく、平滑な曲面を有するワークＷが得られる。従って、高品質で生産性に優れたワークＷを成形することができる。その結果、例えば、上記工程によって成形されたワークＷを航空機の外板に用いても、空力的な不具合が生じることがないので、航空機の航空性能の向上を図ることができる。

そして、ワークＷとダミー材２０を積層させるという簡易な手法によって、プレス成形装置１０によって成形されるワークＷとダミー材２０とを積層させた境界部分を、プレス成形がなされた際の内部応力の中立面Ｃとして作用させることができる。これにより、ワークＷに付与される引張応力Ｆ＋が増大されるとともに、ダミー材２０側に圧縮応力Ｆ−が付与されて、ワークＷへの圧縮応力Ｆ−の作用が抑制される。その結果、ワークＷの上面Ｗ１でのキンク１０２の発生が抑制される。

また、ワークＷの板厚とダミー材２０の板厚とを略同一とすることで、内部応力の中立面Ｃを分岐点とした引張応力Ｆ＋と圧縮応力Ｆ−の大きさが略同一となり、ワークＷへの圧縮応力Ｆ−の作用が更に抑制される。更に、ワークＷの板厚に対してダミー材２０の板厚を増大させると、ワークＷに作用する引張応力Ｆ＋が更に増大される。

また、ワークＷとダミー材２０の材料を同材料とする、本実施の形態ではアルミニウム合金とすることで、材料の相違による応力分布のバラツキを抑制して、ワークＷとダミー材２０の曲げ剛性を均一にすることができる。また、ダミー材２０をアルミニウム合金とすることで、ワークＷを成形した後のダミー材２０の再利用も容易に図ることができる。

また、制御が複雑で多くの作業工数を要し、かつ高価な５軸のミーリング加工機を用いないで、３軸のミーリング加工機によってポケット１０１を形成することができるので、作業が容易化及び簡素化されて作業効率の向上が図られるとともに、ワークＷを成形して成品化する際のコストを抑制することができる。

更に、ケミカルミーリング薬液を使用しないで、ワークＷにポケット１０１を形成することができるので、有害物質を含む薬液の使用を抑制することができる。また、ケミカルミーリング薬液が付着したワークＷの洗浄を行う必要がないので、有害な化学物質を含んだ洗浄水の廃棄処理を行う必要がなくなり、環境負荷を削減することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されることはなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、上記実施の形態では、ワークＷが２〜４ｍｍの厚みを有するアルミニウム合金である場合を例として説明したが、材料の厚み及び材質はこれに限定されるものではない。

また、上記実施の形態では、ワークＷの最終形状として下に凸となる形状であることを例として説明したが、上に凸となる形状であってもよい。この場合は、ワークＷにおけるポケット１０１が形成された表面を上面Ｗ１としてプレス成形装置に載置し、ダミー材２０の下面２２をワークＷの上面Ｗ１に接触させて載置することで、ワークＷに付与される圧縮応力Ｆ−を抑制することが可能となり、ワークＷにキンク１０２が発生することを防止することができる。

更に、上記実施の形態では、ポケット１０１を３軸ミーリング加工機で形成する場合を例として説明したが、フライス盤による切削加工等のその他の機械加工によってポケット１０１を形成することもできる。

１０ プレス成形装置
１１ ブランクホルダ
１１ｂ 突起部
１１ｃ ホルダ先端
１３ ダイ
１３ｃ 突起嵌合部
１４ パンチ
２０ ダミー材（板状冶具）
２１ 上面（倣い面）
２２ 下面
Ｓ１ 凹部形成工程
Ｓ２ プレス成形工程
Ｓ３ 外形トリミング工程
Ｗ ワーク（板状部材）
Ｗ１ 上面（圧縮応力発生側）
Ｗ２ 下面

Claims (7)

1. 一方の表面に凹面状の凹部が複数形成されるとともに湾曲した板状部材の成形方法において、
   平板状の板状部材に切削加工によって前記凹部を形成する凹部形成工程と、
   該凹部形成工程で凹部が形成された前記板状部材に板状冶具を積層して、前記板状冶具及び前記板状部材をプレス成形装置に載置して前記プレス成形装置で前記板状部材を湾曲成形するプレス成形工程と、を備え、
   前記プレス成形装置によるプレス成形によって発生する圧縮応力が作用する前記板状部材の圧縮応力発生側に前記板状冶具を積層することを特徴とする板状部材の成形方法。
2. 前記板状部材の圧縮応力発生側と前記板状冶具とが積層されて前記板状部材の圧縮応力発生側と前記板状冶具との間に境界部分が形成され、
   前記プレス成形装置によるプレス成形によって前記境界部分を中立面として前記板状冶具側に前記圧縮応力が付与され、前記板状部材側に引張応力が付与されることを特徴とする請求項１に記載の板状部材の成形方法。
3. 前記板状冶具は、
   前記板状部材と略同一の板厚で形成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の板状部材の成形方法。
4. 前記板状冶具は、
   前記板状部材の板厚に対して板厚が増大されて形成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の板状部材の成形方法。
5. 前記板状冶具は、
   前記プレス成形装置により前記板状部材がプレス成形される際の曲げ剛性が前記板状部材と略同一であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の板状部材の成形方法。
6. 前記板状冶具及び前記板状部材は、アルミニウム合金で形成されたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の板状部材の成形方法。
7. 前記プレス成形工程は、
   前記凹部が形成された前記板状部材の前記表面が前記板状冶具に積層されて前記プレス成形装置に載置されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の板状部材の成形方法。

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