JP5429513B2 - 成形方法 - Google Patents

Description

本発明は成形方法に関する。例えば、超塑性材料などを用いて、航空機・自動車などの輸送機器のボディ、建材、橋梁などの構造体、その他にもパイプ等の各種の製品を成形する方法に関する。

周辺を固定した金属板に対して棒状工具を押圧させ、該棒状工具を移動させて金属板を所望形状に成形加工する逐次張出成形法が提案されている。例えば、「半球等工具による薄板の逐次逆張出し成形、日本塑性学会誌、３５巻、４０６号、１３１１頁〜１３１６頁（１９９４−１１）」、「ボールローラによるフレキシブルな逐次張出し成形に関する研究、日本機械学会論文集（Ｃ編）、５８巻、５５４号、３１４７頁〜３１５５頁（１９９２）」、「反転プロセスによる鋭凸部輪郭製品のＣＮＣインクリメンタル張出し成形、日本塑性加工学会誌、３５巻、４０６号、１３４８頁〜１３５３頁（１９９４−１１）」「単純工具によるフレキシブル薄板逐次成形機の試作、平成６年日本塑性加工学会春季講演論文集、５７３頁〜５７６頁（１９９４−５）」等において、逐次張出成形技術が提案されている。

又、金属板を固定し、かつ、水平方向に移動可能な支持枠を設け、前記金属板の上下面に垂直方向の移動機構を持った成形工具を設け、又、下面の成形工具には前記支持枠より小さい移動量の水平移動機構を設け、上側の成形工具と下側の成形工具の板厚方向への相対移動により金属板を押し込み、前記支持枠および上下面の成形工具を相対移動させて前記金属板を成形する逐次張出成形方法が提案（特開平９−８５３５５号公報）されている。

又、金属板を挟んで上パンチと下パンチとを対向位置をずらせて配置し、該金属板の周辺を拘束して前記上パンチと下パンチとのいずれか一方もしくは双方を前記金属板に対してその板厚方向に相対移動させると共に前記上パンチと下パンチとを予め定められた移動軌跡に沿って前記金属板に対して相対移動させて、前記金属板に、該金属板の法線に対して所定の成形角度をなす傾斜面部を持つ張出部を形成する金属板材の逐次張出成形方法において、上パンチ、下パンチの何れか一方もしくは両方の先端に、張出成形加工時に前記傾斜面部に沿う角度に、形成された傾斜面を、前記金属板に当接させながら前記移動軌跡に沿う移動を行うことを特徴とする金属板の逐次張出成形方法が提案（特開２０００−２４６３５７号公報）されている。

又、被加工金属板を載置・固定したテーブルと、前記テーブル上に載置した前記被加工金属板の上面に接触して、前記金属板を下方向に成形する上パンチと、前記テーブルの開口部を通して、前記金属板の下面に接触して、前記金属板を上方向に成形する下パンチとを備え、前記上パンチと前記下パンチのそれぞれを独立して、前記テーブルに対して相対的に水平、垂直、または組合わせた方向に移動制御を可能とした金属板形成装置を使用して、前記上パンチの先端を、前記金属板に成形する３次元シェル形状の底部の輪郭部に沿って接触・移動し、前記下パンチの先端を、前記金属板に成形する３次元シェル形状の頂部の輪郭部に沿って接触・移動し、前記上パンチと前記下パンチの連動した押圧によって、前記３次元シェル形状の側面を成形することを特徴とする板金製品の製造方法が提案（特開２００６−２１２５３号公報）されている。
特開平９−８５３５５号公報 特開２０００−２４６３５７号公報 特開２００６−２１２５３号公報

ところで、これまでに提案されて来た逐次張出成形技術を用いて成形した場合において、加工度が大きくなって来ると、成形品に割れなどの欠陥が起きていた。従って、逐次張出成形技術を用いて成形する場合でも、その加工に限度が有った。例えば、側壁面が垂直に近い角度の製品を逐次張出成形技術によって得たいと思っても、それは出来ないものであった。

又、工具を等高線移動させて逐次張出成形が行なわれるのであるが、この時、等高線ピッチを小さくしてなければ、綺麗な成形面が得られ難い。すなわち、等高線ピッチを大きなものとすると、等高線移動する棒状工具の移動軌跡が目立つ凹凸として表面に表れ、外観性が大きく低下する。この為、表面が綺麗なものを得ようとした場合、これまでの逐次張出成形加工は能率が低い。

従って、本発明が解決しようとする課題は、前記問題点を解決することである。
すなわち、側壁面（傾斜面）が垂直に近い角度を持つような逐次張出成形の場合でも成形品に割れ等の問題が起き難く、或いは逐次張出成形を行なう為の工具の移動ピッチを大きくしても成形品が比較的綺麗な成形面を持つ逐次張出成形技術を提供することである。

前記の課題は、
逐次張出成形により成形する方法において、
複数枚の板材を重ねて配置する板材複数枚配置工程と、
前記板材複数枚配置工程の後、前記板材に対して逐次張出成形を行なう逐次張出成形工程
とを具備することを特徴とする逐次張出成形方法によって解決される。

特に、逐次張出成形により成形する方法において、
複数枚の板材を、より変形し易い板材が逐次張出成形用工具側に位置するように重ねて配置する板材複数枚配置工程と、
前記板材複数枚配置工程の後、前記板材に対して逐次張出成形を行なう逐次張出成形工程
とを具備することを特徴とする逐次張出成形方法によって解決される。

例えば、逐次張出成形により成形する方法において、
複数枚の板材を、より薄い板厚の板材が逐次張出成形用工具側に位置するように重ねて配置する板材複数枚配置工程と、
前記板材複数枚配置工程の後、前記板材に対して逐次張出成形を行なう逐次張出成形工程
とを具備することを特徴とする逐次張出成形方法によって解決される。

或いは、逐次張出成形により成形する方法において、
複数枚の板材を、より小さな剛性の板材が逐次張出成形用工具側に位置するように重ねて配置する板材複数枚配置工程と、
前記板材複数枚配置工程の後、前記板材に対して逐次張出成形を行なう逐次張出成形工程
とを具備することを特徴とする逐次張出成形方法によって解決される。

又、上記逐次張出成形工程の後、超塑性材からなる板材に対して超塑性成形を施す超塑性成形工程を更に具備することを特徴とする成形方法によって解決される。

例えば、二枚の板を重ねて配置し、この重なった板に対して逐次張出成形を行なったので、断面がＵ形状（傾斜面が略垂直面）の如きの大きな加工であっても、製品に割れ等が起き難いものであった。

又、等高線移動する工具の移動ピッチを大きくしても、工具が直接には当って無い板は、その成形加工面が綺麗であった。

本発明は成形方法である。例えば、受体（型：素板保持台）と工具（等高線移動する棒状工具）とが用いられて行なわれる逐次張出成形工程を有する成形方法である。そして、逐次張出成形工程の前に、前記受体と前記工具との間に複数枚の板材を重ねて配置する板材複数枚配置工程を有する。この板材複数枚配置工程の後で、板材に対して逐次張出成形が行なわれる。複数枚の板材は互いに異なった特性を持つ。例えば、板材が同質（同系統）のものである場合には、その厚さが異なる。そして、厚さが厚い板材の上に厚さが薄い板材を重ねて配置し、厚さが薄い板材に対して工具を押圧せしめ、逐次張出成形が行なわれる。或いは、剛性が異なる材質の板材を重ねて配置する。例えば、剛性が大きな板材の上に剛性が小さな板材を重ねて配置し、剛性が小さな板材に対して工具を押圧せしめ、逐次張出成形が行なわれる。要するに、変形し難い板材の上に変形し易い板材を重ねて配置し、変形し易い板材に対して工具を押圧せしめ、逐次張出成形が行なわれる。このようにして逐次張出成形加工を施した場合に得られた製品と、一枚の板に対して逐次張出成形加工を施した場合に得られた製品とを比べると、全く異なるものであった。例えば、一枚の板に対して逐次張出成形加工を施して断面がＵ形状の製品を得た場合と、上記の如きの二枚の板に対して逐次張出成形加工を施して断面がＵ形状の製品を得た場合とを対比すると、本発明の場合には、得られた断面Ｕ形状製品（上側に位置した板材から得られた製品）における側面の立ち上がり角度が大きくても、該立ち上がり部に割れなどの欠損が認められなかった。すなわち、加工度を厳しくして行っても、割れ等の問題が起き難いものであった。又、等高線移動する工具の移動ピッチを大きくしても、得られた断面Ｕ形状製品（下側に位置した板材から得られた製品）には、凹凸度が少なく、綺麗な成形面を持つものであった。

以下、本発明の成形方法について詳しく説明する。
図１は逐次張出成形装置に板材をセットした段階での状態を示す斜視図、図２は本発明の逐次張出成形方法の実施途中での状態を示す斜視図、図３は本発明の逐次張出成形方法の実施後における板材の断面図である。

図１，２から判る通り、逐次張出成形を行う工具（棒状工具）１と受体との間に、二枚の板材２，３（板材３は板材２の下に配置されている為、図１，２では示されず。）が配置されている。二枚の板材２，３の中の工具１側（図中、上側）に位置する板材２は、その材質がＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−Ｃｕ合金（７０７５Ｃ−０）であって、厚さが１．０ｍｍである。二枚の板材２，３の中の受体側（図中、下側）に位置する板材３は、その材質がＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−Ｃｕ合金（７０７５Ｃ−０）であって、厚さが２．０ｍｍである。従って、二枚の板材２，３の中、工具によって、直接、押圧される上側に位置している板材２の方が、下側に位置している板材３よりも、厚さが薄い分だけ、変形し易い（剛性が小さい）。すなわち、より変形し易い板材２が、工具１によって、直接、押圧されるように二枚の板材２，３が配置されている。

そして、上記のように配置された二枚の板材２，３に対して、室温（０〜４０℃）下において、伸び率が４〜２５％の冷間加工である逐次張出成形が行われた。このような逐次張出成形が行われた状態が図２，３に示される。

この図３から判る通り、上側に位置していた板材２と下側に位置していた板材３とは、その成形具合（形状）が異なっている。すなわち、（上側に位置していた板材２の側面部における立設角度（立ち上がり角度））＞（下側に位置していた板材３の側面部における立設角度（立ち上がり角度））である。尚、一枚の板材に対して同様な逐次張出成形を行い、図３に示される上側の板材の形状と同様な形状の成形品を得ようとした場合、側面の立ち上がり部に割れ等の亀裂が生じてしまい、図３に示される如きの良好な成形品は得られなかった（図４参照）。従って、二枚の板材を重ねて配置し、この重なった板材に対して逐次張出成形を行う本発明の特長が理解できるであろう。

尚、上記特長「（上側に位置していた板材の側面部における立設角度）＞（下側に位置していた板材の側面部における立設角度）であり、かつ、立設角度が大きくても割れ等が起き難い」が奏される理由は、次のようなことであろうと考えている。
逐次張出し成形の変形形態は、工具通過による板厚減少分が工具進行方向に垂直方向の伸びとなる平面歪問題である。従って、大きな立設角度の面を形成する為には、素板に大きな板厚減少を与える必要が有る。大きな板厚減少を誘導する為には、大きな張出し変形を与える必要が有り、工具先端を強く素板に食い込ませることになる。すなわち、工具先端球面と素板の接触荷重は、立設角度が大きくなる程、大きくなる。しかしながら、張出し変形が材料の延性限界に達すると、素板は割れを生じ、これが成形限界となる。
ところで、二枚の板材を重ねて成形する場合、下側に配置された板に関しては、上側の板を介して工具球面の荷重がそのまま伝えられ、板外周の拘束状態も一枚で成形する場合と差が無く、従来通りの逐次張出し成形が進行する。しかしながら、上側に配置された板に関しては、その様相が大きく異なる。先ず、工具から板面に作用する荷重は、下側の板の変形抵抗が累積し、一枚で成形を行なう場合に比較して、大きく増加する。上側の板は、工具と下側の板に挟まれ、板面の両側から圧縮力を受けることになる。尚、上側の板は、成形の進行に伴って、下側の板から浮き上がる為、外周は拘束されているものの、面内の引張が発生していない。
このようなことから、通常の一枚で成形を行なう板、或いは二枚重ねで成形を行なう下側の板は、面内の引張により工具進行方向に垂直方向の伸び変形が発生し、材料の張出し限界に達すると、破断が生じる。一方、二枚重ねの上側の板については、工具と下側の板との圧縮により板厚が減少し、伸びが発生していると考えられ、割れの発生する限界は材料の張出し限界の制約を受けない。そして、立設角度が大きくなっても、工具と下側板で圧縮される力は大きくなり、板厚を減少させる効果は維持され、破断の発生しない成形が継続すると考えられる。すなわち、圧延の効果（静水圧効果）により、破断を生じないで大きな板厚減少が達成されると考えらたのである。

又、図３に示される下側に位置していた板材３は、その側面部における立設角度（立ち上がり角度）が小さいものの、この板材の表面は棒状工具の等高線移動による逐次張出成形の跡（凹凸）が目立たないものであった。すなわち、上側に位置していた板材２の表面は、直接に押圧した棒状工具１の等高線移動軌跡（凹凸）が残っており、しかもこの凹凸は目立つものであった。特に、逐次張出成形の効率を高める為、棒状工具の等高線移動ピッチを大きくした為、前記凹凸は目立つものとなっていた。しかしながら、下側に位置していた板材に棒状工具が直接には当っていないことからと思われるが、棒状工具の等高線移動軌跡である凹凸が板材表面には目立つことが無いものであった。従って、求めようとする成形品が、下側に位置していた板材のものである場合には、等高線移動ピッチを大きくしたことから、表面凹凸が目立ち難い成形品の成形効率が良いものとなる。

さて、上記のようにして逐次張出成形が行なわれて得られた超塑性材からなる成形品（予備成形品：冷間加工品）は、逐次張出成形を受けた箇所が傾斜面となっている。そして、この逐次張出成形（冷間加工）を受けた箇所は超塑性変形能を喪失したものとなっていた。そこで、この成形品（予備成形品：冷間加工品）を超塑性成形型に配設し、再結晶温度以上の温度（超塑性温度）下でガスブロー成形による超塑性成形を行なった。尚、超塑性成形については従来からも良く知られているので、詳細は省略される。

そして、逐次張出成形に続いての超塑性成形によって、逐次張出成形を受けていない箇所では、超塑性変形能が喪失しておらず、超塑性成形によって超塑性変形を受け、その伸びが著しいことから、厚さが一段と薄くなっていた。すなわち、逐次張出成形を受けた箇所でも、逐次張出成形によって肉厚が薄くなっているものの、当該箇所では超塑性変形能が喪失していることから、超塑性成形によっても当該箇所では超塑性変形をせず、その板厚が殆ど変わらず、よって超塑性成形を受けた箇所の肉厚は逐次張出成形を受けた箇所の肉厚よりも更に薄いものとなっていた。従って、場所によって肉厚が異なる成形品が得られたと言うことが出来る。勿論、場所に寄らずに肉厚が同じものとすることも出来る。すなわち、成形品の肉厚の制御が容易になったと言える。

尚、超塑性を示す合金としては、例えばＡｌ−７８％Ｚｎ，Ａｌ−３３％Ｃｕ，Ａｌ−６％Ｃｕ−０．４％Ｚｒ（ＳＵＰＵＲＡＬ），Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−Ｃｕ合金（７４７５，７０７５），Ａｌ−４．５％Ｍｇ−０．７％Ｍｎ−０．１５％Ｃｒ（５０８３）等のＡｌ−Ｚｎ系合金、Ａｌ−Ｃｕ系合金、Ａｌ−Ｍｇ系合金、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−Ｃｕ系合金、Ａｌ−Ｌｉ系合金、Ａｌ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金と言ったＡｌ系合金などが知られている。その他にも、Ｔ系合金やＮｉ系合金なども知られている。又、上記の如きの金属材料に限られず、難加工性材料であるセラミックスや金属間化合物、その他にも複合材料にあっても超塑性変形を起こすことが知られている。そして、この種の超塑性合金材料は、数百％以上に飴の如くに伸びる現象が得られることから、複雑な成形体やそれによる構造体の材料として好適である。例えば、航空・宇宙部門の成形品には好適である。又、超塑性成形の特徴は高温で成形することから、低応力で変形が可能であり、一般的には、ガスブロー成形により成形される。すなわち、加熱した超塑性合金板に空気、窒素ガス或いはＡｒ等の不活性ガスを加えて静水圧を負荷し、超塑性合金板を雌型あるいは雄型に押し付けることによって、成形が行われる。この為、金型は雌型または雄型のみで良い場合が多く、又、金型の材質にも一般の冷間プレスの如くの高強度超硬材質の必要が無く、金型費が安価（例えば、１／２程度で済む。）である。

逐次張出成形装置に板材をセット段階での状態を示す斜視図 本発明の逐次張出成形方法の実施途中での状態を示す斜視図 本発明の逐次張出成形方法の実施後における板材の断面図 従来の逐次張出成形による成形品の欠陥を示す説明図

符号の説明

１ 逐次張出成形用工具（棒状工具）
２，３ 板材


特許出願人 日本飛行機株式会社
代 理 人 宇 高 克 己

Claims (5)

1. 逐次張出成形により成形する方法において、
   複数枚の板材を重ねて配置する板材複数枚配置工程と、
   前記板材複数枚配置工程の後、前記板材に対して逐次張出成形を行なう逐次張出成形工程とを具備し、
   前複数枚の板材の中、より変形し易い板材が、逐次張出成形用工具側に配置される
   ことを特徴とする逐次張出成形方法。
2. 前記複数枚の板材の中、板厚がより薄い板材が、逐次張出成形用工具側に配置される
   ことを特徴とする請求項１の逐次張出成形方法。
3. 前記複数枚の板材の中、剛性がより小さな板材が、逐次張出成形用工具側に配置される
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２の逐次張出成形方法。
4. 逐次張出成形用工具を等高線移動させて逐次張出成形する方法である
   ことを特徴とする請求項１〜請求項３いずれかの逐次張出成形方法。
5. 請求項１〜請求項４いずれかの逐次張出成形方法と、
   逐次張出成形工程を経た超塑性材からなる板材に対して超塑性成形を施す超塑性成形工程
   とを具備することを特徴とする成形方法。