JP6352703B2 - スピニング成形装置 - Google Patents

Description

本発明は、板材を回転させながら所望の形状に成形するスピニング成形装置に関する。

従来から、板材を回転させながらその板材に加工具を押圧して当該板材を変形させるスピニング成形装置が知られている。このようなスピニング成形装置は通常は回転シャフトに取り付けられたマンドレル（成形型）を有し、板材が加工具によってマンドレルに押し付けられることにより成形が行われる。

近年では、板材を局所的に加熱しながらスピニング成形を行うスピニング成形装置が提案されている。例えば、特許文献１には、チタン合金用のスピニング成形装置として、板材におけるヘラ（加工具）によってマンドレルに押し付けられる部位を高周波誘導加熱により加熱するスピニング成形装置が開示されている。

特開２０１１−２１８４２７号公報

ところで、本発明の発明者らは、加工具を径方向外向きに移動させながら板材の表面に押し付けた場合には、板材の表面における加工具が押し付けられる部分の外側に隆起が形成されることを発見した。特に、この隆起は、板材が厚い場合に、板材への入熱量が大きくなるとともに加工具の板材への押付力が大きくなるため、顕著に起こる。そのような隆起は、時には成形が進むにつれて削りくずのように渦を巻くことがある。

そこで、本発明は、板材の隆起を抑制することができるスピニング成形装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明のスピニング成形装置は、成形されるべき板材を回転させる回転シャフトと、前記回転シャフトの径方向外向きに移動させられながら、前記板材の表面を押圧する加工具と、前記加工具と同一円周上に位置するように移動させられて、前記板材を誘導加熱により局所的に加熱する加熱器と、前記板材の表面を冷却する冷却装置と、を備える、ことを特徴とする。

上記の構成によれば、板材の加工具が押し付けられる表面が冷却されるため、板材の表面の降伏強度(yield strength)低下を抑制することができる。その結果、板材の隆起を抑制することができる。

前記加熱器は、前記回転シャフトの軸方向において前記加工具と重なり合わない位置に配置されており、前記冷却装置は、前記板材の回転方向において、前記加工具の上流側であって前記加熱器の下流側の位置で前記板材の表面を冷却してもよい。この構成によれば、加熱器によって適温に加熱された板材の表面近傍にのみ冷却の効果を保った状態で、すなわち、冷却の効果が板材の表面から内部に進行する前に、加工具によって板材を変形させることができる。これにより、板材を良好に成形することができる。

例えば、前記冷却装置は、前記板材の表面に向かって冷却剤を吹き付けるように構成されていてもよいし、前記板材の表面に冷却剤を塗布するように構成されていてもよい。あるいは、前記冷却装置は、前記板材の表面に接触する冷却ローラを含んでもよい。

前記加工具は成形ローラであり、前記冷却装置は、前記成形ローラを支持する支持部材または前記加熱器に取り付けられていてもよい。この構成によれば、冷却装置を加工具または加熱器と共に移動させることができる。その結果、冷却装置を局所的な冷却を行うコンパクトな構成とすることができる。

前記成形ローラは、前記回転シャフトから遠ざかる方向に向かって縮径する断面台形状の形状を有し、前記成形ローラの軸心が、前記成形ローラの大径部が前記板材に点接触し、かつ、前記成形ローラの側面と前記回転シャフトの径方向とのなす角度が１度以上３０度以下となるように、設定されていてもよい。この構成によれば、板材における加工具が押圧される位置よりも外側部分の反り上がりを成形ローラの側面で規制しつつ、板材の隆起を抑制することができる。

上記のスピニング成形装置は、前記回転シャフトに取り付けられた、前記板材の中心部を支持する受け治具をさらに備え、前記加熱器は、前記板材の裏面に対向するように配置される裏側加熱器と、前記板材の表面に対向するように配置される表側加熱器の少なくとも一方であってもよい。例えば、加熱器が裏側加熱器と表側加熱器の双方であれば、板材が厚くても板材を良好に成形することができる。

本発明によれば、板材の隆起を抑制することができる。

本発明の第１実施形態に係るスピニング成形装置の概略構成図である。 裏側加熱器および表側加熱器の断面図である。 （ａ）は裏側加熱器の平面図、（ｂ）は表側加熱器の下面図である。 （ａ）および（ｂ）はそれぞれ第１実施形態における冷却装置を示す正面図および側面図である。 板材の隆起を示す断面図である。 本発明の第２実施形態における冷却装置を示す正面図である。 本発明の第３実施形態における冷却装置を示す正面図である。 本発明の第４実施形態における冷却装置を示す平面図である。 本発明の第５実施形態における冷却装置を示す側面図である。

（第１実施形態）
図１に、本発明の第１実施形態に係るスピニング成形装置１を示す。このスピニング成形装置１は、成形されるべき板材９を回転させる回転シャフト２１と、回転シャフト２１と板材９の間に介在する受け治具２２と、固定治具３１を備えている。受け治具２２は、回転シャフト２１に取り付けられて板材９の中心部を支持し、固定治具３１は、受け治具２２と共に板材９を挟持する。さらに、スピニング成形装置１は、板材９の裏側に配置された裏側加熱器４と、板材９の表側に配置された表側加熱器５および加工具６を備えている。

回転シャフト２１の軸方向は、本実施形態では鉛直方向である。ただし、回転シャフト２１の軸方向は、水平方向や斜め方向であってもよい。回転シャフト２１の下部は基台１１に支持されており、回転シャフト２１は図略のモータによって回転させられる。回転シャフト２１の上面はフラットであり、この上面に受け治具２２が固定されている。

板材９は、例えばフラットな円形状の板である。ただし、板材９の形状は、多角形状や楕円状であってもよい。また、板材９は、必ずしも全面に亘ってフラットである必要はなく、例えば中心部の厚さが周縁部の厚さよりも厚かったり、全体または一部が予めテーパー状に加工されたりしてもよい。板材９の材質は、特に限定されるものではないが、例えばチタン合金である。

本実施形態では、板材９の表面９ａが上面、裏面９ｂが下面であり、裏側加熱器４が板材９の下方、表側加熱器５および加工具６が板材９の上方に配置されている。ただし、板材９の表面９ａが下面、裏面９ｂが上面であり、裏側加熱器４が板材９の上方、表側加熱器５および加工具６が板材９の下方に配置されていてもよい。

受け治具２２は、板材９における成形開始位置によって規定される円に収まるサイズを有している。例えば、受け治具２２が円盤状である場合は、受け治具２２の直径は、板材９における成形開始位置によって規定される円の直径以下である。また、従来のマンドレルと異なり、板材９は、受け治具２２の径方向外向きの側面に押し付けられて変形されることはない。

固定治具３１は、加圧ロッド３２に取り付けられており、加圧ロッド３２は、支持部３３によって回転可能に支持されている。支持部３３は、駆動部３４によって上下方向に駆動される。駆動部３４は、回転シャフト２１の上方に配置されたフレーム１２に取り付けられている。ただし、固定治具３１を省略し、例えばボルトによって板材９を受け治具２２に直接的に固定してもよい。

加工具６は、回転シャフト２１の径方向外向きに移動させられながら、板材９の表面９ａを押圧する。本実施形態では、加工具６として、板材９の回転に追従して回転する成形ローラが用いられている。ただし、加工具６は、成形ローラに限定されず、例えばヘラであってもよい。

より詳しくは、加工具６は、支持部材７によって支持されている。そして、加工具６は、第１径方向移動機構１４により支持部材７を介して回転シャフト２１の径方向に移動させられるとともに、第１軸方向移動機構１３により径方向移動機構１４および支持部材７を介して回転シャフト２１の軸方向に移動させられる。第１軸方向移動機構１３は、上述した基台１１とフレーム１２を橋架するように延びている。

裏側加熱器４は、板材９の裏面９ｂに対向するように配置され、表側加熱器５は、板材９の表面９ａと対向するように配置されている。これらの加熱器４，５は、板材９を誘導加熱により局所的に加熱するものであり、加工具６と同一円周上に位置するように移動させられる。ここで、「同一円周上」とは、回転シャフト２１の中心軸を中心とするある程度の幅のリング状範囲内に加熱器４，５の加熱中心と加工具６の中心とがあることをいう。

より詳しくは、加熱器４，５は、第２径方向移動機構１６により回転シャフト２１の径方向に移動させられるとともに、第２軸方向移動機構１５により径方向移動機構１６を介して回転シャフト２１の軸方向に移動させられる。第２軸方向移動機構１５は、上述した基台１１とフレーム１２を橋架するように延びている。

例えば、裏側加熱器４および表側加熱器５の少なくとも一方には、板材９までの距離を計測する変位計（図示せず）が取り付けられる。裏側加熱器４および表側加熱器５は、その変位計の計測値が一定となるように、回転シャフト２１の軸方向および径方向に移動させられる。

回転シャフト２１の周方向における加熱器４，５と加工具６との相対位置は、特に限定されるものではない。例えば、加熱器４，５は、回転シャフト２１を挟んで加工具６の真向かいの位置に配置されていてもよいし、その真向かいの位置からずれた位置（例えば、回転シャフト２１の周方向において加工具６から９０度離れた位置）に配置されてもよい。本実施形態では、裏側加熱器４および表側加熱器５は、回転シャフト２１の軸方向において加工具６と重なり合わない位置であって互いに対向する位置に配置されている。

図２および図３（ａ）に示すように、裏側加熱器４は、コイル部４２を有する電通管４１と、コイル部４２の周囲に発生する磁束を集約するためのコア４５を含む。電通管４１内には、冷却液が流れる。コイル部４２は、板材９の回転方向に延びる、板材９に沿った二重円弧状をなしている。コイル部４２の開き角度（両端部間の角度）は、例えば６０〜１２０度である。コア４５は、コイル部４２の内側円弧部４３を板材９と反対側から覆う１つの内周側ピース４６と、コイル部４２の外側円弧部４４を板材９と反対側から覆う２つの外周側ピース４７とで構成されている。

同様に、図２および図３（ｂ）に示すように、表側加熱器５は、コイル部５２を有する電通管５１と、コイル部５２の周囲に発生する磁束を集約するためのコア５５を含む。電通管５１内には、冷却液が流れる。コイル部５２は、板材９の回転方向に延びる、板材９に沿った二重円弧状をなしている。コイル部５２の開き角度（両端部間の角度）は、例えば６０〜１２０度である。コア５５は、コイル部５２の内側円弧部５３を板材９と反対側から覆う１つの内周側ピース５６と、コイル部５２の外側円弧部５４を板材９と反対側から覆う２つの外周側ピース５７とで構成されている。

上述したように、裏側加熱器４および表側加熱器５のそれぞれは板材９の回転方向に延びるコイル部（４２または５２）を含んでいるので、板材９の局所的な加熱を板材９の回転方向に連続的に行うことができる。これにより、良好な成形性を得ることができる。ただし、裏側加熱器４および表側加熱器５のそれぞれは、必ずしも二重円弧状のコイル部（４２または５２）を有する必要はない。例えば、裏側加熱器４および／または表側加熱器５は、円弧状に並べられた複数の円形のコイル部を有していてもよいし、１つの円形のコイル部のみを有していてもよい。

裏側加熱器４および表側加熱器５の電通管４１，５１には、交流電圧が印加される。交流電圧の周波数は、特に限定されるものではないが、５ｋ〜４００ｋＨｚの高周波数であることが望ましい。すなわち、裏側加熱器４および表側加熱器５による誘導加熱は、高周波誘導加熱であることが望ましい。

次に、図４（ａ）および（ｂ）を参照して、加工具６の周辺構成を詳細に説明する。本実施形態では、加工具６を支持する支持部材７に、板材９の表面９ａを冷却する冷却装置８が取り付けられている。なお、冷却装置８は、図面の簡略化のため、図１では作図を省略している。

本実施形態では、加工具６である成形ローラ６０が、回転シャフト２１から遠ざかる方向に向かって縮径する断面台形状の形状を有している。すなわち、成形ローラ６０は、回転シャフト２１側の大径の底面、回転シャフト２１と反対側の小径の頂き面、およびそれらをつなぐテーパー状の側面を有している。つまり、側面と底面の間のコーナー部が大径部、側面と頂き面の間のコーナー部が小径部である。

成形ローラ６０の軸心は、成形ローラ６０の大径部が板材９に点接触し、かつ、成形ローラ６０の側面と回転シャフト２１の径方向とのなす角度が１度以上３０度以下となるように、設定されている。本実施形態では、成形ローラ６０の頂き面が回転シャフト２１の径方向と垂直ではなく斜め下方を向くように、成形ローラ６０が回転シャフト２１の径方向外向きに少し倒されている。ただし、成形ローラ６０の軸心は、回転シャフト２１の径方向と平行であってもよいし、図４（ｂ）とは逆に傾けられていてもよい。

支持部材７は、回転軸６１および図略のベアリングを介して成形ローラ６０を回転可能に支持する。すなわち、上述した成形ローラ６０の軸心は、回転軸６１の中心線でもある。

具体的に、支持部材７は、回転シャフト２１の径方向に延びる本体７１と、成形ローラ６０の頂き面および底面と対向するように本体７１から斜め下向きに突出する一対の突出片７２を含む。上述した回転軸６１の両端部は、一対の突出片７２に支持されている。図略のベアリングは、回転軸６１と成形ローラ６０の間に介在していてもよいし（回転軸６１が非回転）、回転軸６１と突出片７２の間に介在していてもよい（回転軸６１が回転）。

冷却装置８は、板材９の回転方向において、成形ローラ６０の上流側であって裏側加熱器４および表側加熱器５の下流側の位置で板材９の表面９ａを冷却する。本実施形態では、冷却装置８が、板材９の表面９ａに向かって冷却剤を吹き付けるように構成されている。

具体的に、冷却装置８は、板材９の表面９ａに向かって冷却剤を噴射する噴出管８１を含む。噴出管８１には、図略の供給装置から冷却剤が供給される。噴出管８１は、支持部材７の本体７１に固定されている。

冷却剤は、気体、液体および粉末のいずれであってもよい。例えば、気体としては、空気、二酸化炭素、窒素などを用いることができ、液体としては、水、油などを用いることができる。液体や粉末として潤滑性を有するものを使用すれば、成形ローラ６０と板材９との間の潤滑効果も期待できる。

例えば、板材９がチタン合金（例えば、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ）からなる場合、裏側加熱器４および表側加熱器５によって板材９は９００〜９５０℃となるように加熱される。このとき、冷却装置８は、板材９の表面９ａの温度が７５０℃を下回らないように表面９ａを冷却することが望ましい。表面９ａの温度が７５０℃を下回ると、板材９の表面９ａ近傍の変形抵抗が急激に大きくなるからである。

以上説明したように、本実施形態のスピニング成形装置１では、板材９の加工具６が押し付けられる表面９ａが冷却装置８によって冷却されるため、板材９の表面９ａの降伏強度低下を抑制することができる。その結果、図５に示すように板材９の表面９ａにおける加工具６が押し付けられる部分の外側に形成される隆起９１を抑制することができる。

なお、図５に示すように、板材９における加工具６が押圧される位置よりも外側部分は、下向きに傾斜することがある。このような板材９の変形を抑制するには、例えば、板材９の裏面９ｂの周縁部をローラなどで支持することが望ましい。

逆に、板材９における加工具６が押圧される位置よりも外側部分は、成形ローラ６０に向かって反り上がることもある。これに対し、断面台形状の成形ローラ６０を用い、成形ローラ６０の軸心を本実施形態のように設定すれば、板材９の外側部分の反り上がりを成形ローラ６０の側面で規制しつつ、板材９の隆起９１を抑制することができる。

また、本実施形態では、冷却装置８が成形ローラ６０の上流側であって加熱器４，５の下流側の位置で板材９の表面９ａを冷却する。この構成により、加熱器４，５によって適温に加熱された板材９の表面９ａ近傍にのみ冷却の効果を保った状態で、すなわち、冷却の効果が板材９の表面９ａから内部に進行する前に、加工具６によって板材９を変形させることができる。これにより、板材９を良好に成形することができる。

さらに、本実施形態では、冷却装置８が加工具６の支持部材７に取り付けられているので、冷却装置８を加工具６と共に移動させることができる。その結果、冷却装置８を局所的な冷却を行うコンパクトな構成とすることができる。また、冷却装置８を支持部材７に取り付ける場合は、例えば、噴出管８１に分岐管を設け、その分岐管の先端を成形ローラ６０に向ければ、冷却装置８を利用して成形ローラ６０を冷却することもできる。

＜変形例＞
前記実施形態では、裏側加熱器４と表側加熱器５の双方を用いたが、裏側加熱器４と表側加熱器５のどちらか一方のみを用いることも可能である。例えば、表側加熱器５のみを用いる場合は、受け治具２２に代えて、側面が板材に対する成形面であるマンドレルを用いてもよい。ただし、裏側加熱器４と表側加熱器５の双方を用いれば、板材９が厚くても板材９を良好に成形することができる。

また、成形ローラ６０の断面形状は、板材９の成形条件によっては、略菱形状、長丸状、角丸長方形状などの他の形状であってもよい。

（第２実施形態）
次に、図６を参照して、本発明の第２実施形態に係るスピニング成形装置を説明する。なお、本実施形態のスピニング成形装置が第１実施形態のスピニング成形装置１と異なるのは、冷却装置８の構成だけであるので、以下では冷却装置８についてのみ説明する（後述する第３〜第５実施形態でも同様）。

本実施形態では、冷却装置８が、成形ローラ６０の上流側であって加熱器４，５の下流側の位置で、板材９の表面９ａに冷却剤を塗布するように構成されている。また、本実施形態でも、冷却装置８が加工具６の支持部材７に取り付けられている。

具体的に、冷却装置８は、板材９の表面９ａと接触するブラシ８３と、ブラシ８３に液体または粉末である冷却剤を供給する供給管８２を含む。供給管８２は、支持部材７の本体７１に固定されている。

本実施形態でも、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第３実施形態）
次に、図７を参照して、本発明の第３実施形態に係るスピニング成形装置を説明する。本実施形態では、冷却装置８が冷却ローラ８５を含む。また、本実施形態でも、冷却装置８が加工具６の支持部材７に取り付けられている。

冷却ローラ８５は、成形ローラ６０の上流側であって加熱器４，５の下流側の位置に配置されており、板材９の表面９ａに接触して板材９の回転に追従して回転する。冷却ローラ８５は、アーム８４に回転可能に支持されており、アーム８４は、支持部材７の本体７１に固定されている。

冷却ローラ８５は、金属または耐熱性樹脂からなる。例えば、冷却ローラ８５内には熱媒体を流通させる流路が形成され、アーム８４内には、冷却ローラ８５内の流路に熱媒体を送り込む往路と冷却ローラ８５内の流路から熱媒体を回収する復路が形成される。熱媒体としては、空気、二酸化炭素、窒素などの気体を用いてもよいし、水や油などの液体を用いてもよい。

本実施形態でも、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第４実施形態）
次に、図８を参照して、本発明の第４実施形態に係るスピニング成形装置を説明する。本実施形態では、冷却装置８が表側加熱器５に取り付けられている。ただし、冷却装置８は、裏側加熱器４に取り付けられていてもよい。

本実施形態では、冷却装置８が、第１実施形態と同様に板材９の表面９ａに向かって冷却剤を噴射する噴出管８１を含み、成形ローラ６０の上流側であって加熱器４，５の下流側の位置で板材９の表面９ａを冷却する。ただし、冷却装置８は、第２実施形態と同様にブラシ８３および供給管８２を含んでいてもよいし、第３実施形態と同様に冷却ローラ８５を含んでいてもよい。

本実施形態でも、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、本実施形態では、冷却装置８が表側加熱器５に取り付けられているので、冷却装置８を加熱器４，５と共に移動させることができる。その結果、冷却装置８を局所的な冷却を行うコンパクトな構成とすることができる。

（第５実施形態）
次に、図９を参照して、本発明の第５実施形態に係るスピニング成形装置を説明する。本実施形態では、板材９の表面９ａを冷却する冷却装置８が、地面に設置されたスタンド８６で支持されている。

本実施形態でも、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。ただし、本実施形態では、冷却装置８による冷却位置が固定されているため、冷却装置８によってある程度広い範囲を冷却することが望ましい。

本発明は、種々の素材からなる板材をスピニング成形する際に有用である。

１ スピニング成形装置
２１ 回転シャフト
２２ 受け治具
４ 裏側加熱器
５ 表側加熱器
６ 加工具
６０ 成形ローラ
７ 支持部材
８ 冷却装置
８５ 冷却ローラ
９ 板材
９ａ 表面
９ｂ 裏面

Claims (7)

1. 成形されるべき板材を回転させる回転シャフトと、
   前記回転シャフトの径方向外向きに移動させられながら、前記板材の表面を押圧する加工具と、
   前記加工具と同一円周上に位置するように移動させられて、前記板材を誘導加熱により局所的に加熱する加熱器と、
   前記板材の表面を冷却する冷却装置と、を備え、
   前記加熱器は、前記回転シャフトの軸方向において前記加工具と重なり合わない位置に配置されており、
   前記冷却装置は、前記板材の回転方向において、前記加工具の上流側であって前記加熱器の下流側の位置で前記板材の表面を冷却する、スピニング成形装置。
2. 前記冷却装置は、前記板材の表面に向かって冷却剤を吹き付けるように構成されている、請求項１に記載のスピニング成形装置。
3. 前記冷却装置は、前記板材の表面に冷却剤を塗布するように構成されている、請求項１に記載のスピニング成形装置。
4. 前記冷却装置は、前記板材の表面に接触する冷却ローラを含む、請求項１に記載のスピニング成形装置。
5. 前記加工具は成形ローラであり、
   前記冷却装置は、前記成形ローラを支持する支持部材または前記加熱器に取り付けられている、請求項１〜４のいずれか一項に記載のスピニング成形装置。
6. 前記成形ローラは、前記回転シャフトから遠ざかる方向に向かって縮径する断面台形状の形状を有し、前記成形ローラの軸心が、前記成形ローラの大径部が前記板材に点接触し、かつ、前記成形ローラの側面と前記回転シャフトの径方向とのなす角度が１度以上３０度以下となるように、設定されている、請求項５に記載のスピニング成形装置。
7. 前記回転シャフトに取り付けられた、前記板材の中心部を支持する受け治具をさらに備え、
   前記加熱器は、前記板材の裏面に対向するように配置される裏側加熱器と、前記板材の表面に対向するように配置される表側加熱器の少なくとも一方である、請求項１〜６のいずれか一項に記載のスピニング成形装置。

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