JP7539252B2

JP7539252B2 - 金属加工装置

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Publication number: JP7539252B2
Application number: JP2020078077A
Authority: JP
Inventors: 孝邦岩瀬; 紘敬三輪; 健二宮本
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2020-04-27
Filing date: 2020-04-27
Publication date: 2024-08-23
Anticipated expiration: 2040-04-27
Also published as: JP2021171797A

Description

本発明は、金属板を熱塑性変形させる際に用いられる金属加工装置に関する。

従来から、金属板の加工技術として、金属板の表面にレーザ光を断続的に照射し金属板に局所的な熱塑性変形を起こさせて曲げ加工を行うレーザフォーミングといった熱応力加工が知られている。

レーザフォーミングは、金属板にレーザ光を所定パターンで走査しながら照射し、レーザ照射部分の加熱に基づく熱塑性変形によって金属板に反り（曲げ）を形成する加工技術である。レーザフォーミングは、変形部分がスプリングバックすることなく所望の反りを維持することが可能であり、またプレス金型が不要となるため、多品種少量生産に有効である。そして、レーザフォーミングによる金属板の加工方法としては、例えば下記特許文献１に開示される技術が知られている。

特開２０１１－７３０１３号公報

しかし、特許文献１の技術は、２次元曲げ加工のような単純な曲げ加工に適用され、金属板のレーザ照射面（第１面）にレーザ光を照射して反対側の面（第２面）に至るまで液相状態としている。そのため、この技術は、第２面に溶接ビートのような凹凸部が形成されてしまう。よって、この凹凸部により塗装品質が不適格となる虞があり、複雑な３次元曲げ加工が必要な自動車外板パネルの加工には適さない。

また、一般的なレーザフォーミングにおいても、金属板の端部の両面（第１面および第２面）を挟持して、金属板を浮かせて保持した状態で曲げ加工を行う場合は、面方向の熱塑性変形が抑制されるため、レーザ光の照射部分近傍に局所的な意図しない変形（凹または凸な変形）となり、目的とする比較的大きな変形が抑制されてしまう。また、平坦な台上に金属板を置き、金属板の端部の両面を挟持せずにレーザ光を照射した場合は、金属板の自重による撓みにより加工部から金属板端部にかけて金属板が垂れ下るような変形などの意図しない変形が生じ得る。さらに、これらの意図しない変形によってレーザ光の焦点距離のずれが発生する虞もあり、改善の余地が残る。

本発明の一実施形態に係る端子台は、加工対象の金属板の加工部分にレーザ光を照射するレーザ照射部を備え、前記レーザ光により加熱されて熱影響を受けた熱影響部を熱膨張・収縮させることにより前記加工部分を塑性変形させる金属加工装置であって、前記金属板における前記レーザ光の照射側となる第１面を開放した状態で前記第１面の反対側の第２面を保持する複数の保持部材を有する保持部と、前記金属板の塑性変形に追従するように、該当する前記保持部材を前記金属板の厚み方向に沿う第１方向に沿って移動させる駆動部と、前記保持部材を冷却して前記金属板の前記第２面を冷却する冷却部と、を備え、前記冷却部は、複数の前記保持部材の間に冷媒を流通させて前記保持部材を直接冷却し、前記保持部材を介して前記金属板を冷却する。

本発明の一実施形態によれば、加工対象の金属板の加工部分にレーザ光を照射するレーザ照射部を備え、前記レーザ光により加熱されて熱影響を受けた熱影響部を熱膨張・収縮させることにより前記加工部分を塑性変形させる金属加工装置であって、前記金属板における前記レーザ光の照射側となる第１面を開放した状態で前記第１面の反対側の第２面を保持する複数の保持部材を有する保持部と、前記金属板の塑性変形に追従するように、該当する前記保持部材を前記金属板の厚み方向に沿う第１方向に沿って移動させる駆動部と、を備えている。

本発明の一実施形態によれば、レーザフォーミングなどの熱塑性変形による曲げ加工において意図しない金属板の変形を防止することができる。

本実施形態に係る金属加工装置の構成を示す図である。本実施形態に係る金属加工装置の部分断面図である。本実施形態に係る金属加工装置の機能ブロック図である図１の矢印Ａ方向からみた金属加工装置の部分側面図である。本実施形態に係る保持部の先端形状の一形態を示す図である。本実施形態に係る保持部の先端形状の他の形態を示す図である。本実施形態に係る保持部の先端形状の他の形態を示す図である。本実施形態に係る保持部の先端形状の他の形態を示す図である。本実施形態に係る冷却部の一形態を示す図である。本実施形態に係る冷却部の他の形態を示す図である。本実施形態に係るレーザ照射部のレーザ照射により加熱された金属板を部分的に示した図である。本実施形態に係る金属加工装置の加工時の流れを示す図である。本実施形態に係る金属加工装置の加工時の流れを示す図である。本実施形態に係る金属加工装置の加工時の流れを示す図である。本実施形態に係る金属加工装置の加工時の流れを示す図である。本実施形態に係る金属加工装置の加工時の流れを示す図である。本実施形態に係る金属加工装置の加工時の流れを示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ここで示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するために例示するものであって、本発明を限定するものではない。よって、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者などにより考え得る実施可能な他の形態、実施例および運用技術などは全て本発明の範囲、要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

また、本明細書に添付する図面は、図示と理解のしやすさの便宜上、適宜縮尺、縦横の寸法比、形状などについて、実物から変更し模式的に表現される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。

本明細書では、説明の便宜上、図示のようにＸＹＺ座標を設定する。すなわち、「Ｚ方向」は鉛直方向に沿った方向であり、「Ｘ方向」はＺ方向と直交して水平面に平行な一方向であり、「Ｙ方向」はＺ方向と直交して水平面に平行な別の一方向（Ｘ方向に直交する方向）である。そのため、本実施形態に係る金属加工装置１において、Ｚ方向は矩形状の金属板Ｗの厚み方向（上下方向）と一致し、Ｘ方向は金属板Ｗの長手方向（前後方向）と一致し、Ｙ方向は金属板Ｗの短手方向（幅方向）と一致する。また、Ｚ方向を「第１方向」としたとき、第１方向と直交する「第２方向」はＸ方向およびＹ方向となる。

さらに、金属板Ｗにおける第１面は、加工対象となる金属板Ｗのレーザ光Ｌが照射される側の面である内面Ｓ１に相当し、第１面の反対側の面となる第２面は、内面Ｓ１の反対側の面（すなわち、レーザ照射面側ではない面）である外面Ｓ２に相当する。

なお、方向および面において付した「第１」、「第２」の序数詞は、便宜上用いるものであって何らかの順序を示すものではない。

[構成]
本実施形態に係る金属加工装置１の構成について説明する。金属加工装置１は、概説すると、所定波長のレーザ光Ｌを金属板Ｗの加工部分に操作しながら照射するレーザ照射部７０と、レーザ照射部７０によって加熱された加工部分の熱塑性変形に合わせて金属板Ｗの保持位置が規定される保持部２０を備え、保持部２０を構成する複数の保持部材２１のぞれぞれは、レーザ照射面となる内面Ｓ１（第１面）を開放した状態とし内面Ｓ１と反対側の外面Ｓ２（第２面）と当接した状態で保持する。そして、保持部材２１のそれぞれは、レーザ光Ｌが照射された内面Ｓ１の加工部分が急激に加熱されて熱膨張した後、自然冷却により収縮する際に変形すると、この変形に沿って外面Ｓ２と当接した状態を維持したまま上下動可能な構成となっている。

図１～３のいずれかに示すように、本実施形態の金属加工装置１は、固定部１０と、保持部２０と、駆動部３０と、冷却部４０と、制御部５０と、記憶部６０と、レーザ照射部７０を備えている。図１に示すように、本実施形態の金属加工装置１において、少なくとも固定部１０、保持部２０および駆動部３０は、本体１ａに搭載され、レーザ照射部７０は、本体１ａ上を３次元方向に移動可能に設けられている。

本実施形態において、制御部５０および記憶部６０は、金属加工装置１に搭載される構成として説明するが、例えば外部端末（一例として、タブレット端末、スマートフォンのような携帯端末）に具備される制御機能および記憶機能を利用し所定のアプリケーションを起動した状態で制御信号を各部に出力させる構成など、必ずしも金属加工装置１に搭載させなくてもよい。

本実施形態に係る金属加工装置１において、加工対象となる「金属板Ｗ」は、一例として自動車外板パネルに適用可能な比較的大判で薄肉な矩形状または多角形状（外周縁の一部が曲線のものも含む）の鋼板である。しかし、金属加工装置１は、レーザフォーミングによる熱塑性変形可能な他種の金属板にも適用可能である。

〈固定部〉
固定部１０は、保持部２０に保持された状態の金属板Ｗを固定する。固定部１０は、金属板Ｗの意図しない方向への移動（保持部２０上のＸ方向またはＹ方向への位置ずれ、すなわち金属板Ｗの前後方向および幅方向へのずれのような略水平方向への移動）を防止すると共に、金属板Ｗの熱塑性変形が阻害されないようにするため、金属板Ｗの外周縁をなす一辺のみを固定する。金属板Ｗの固定位置は、加工時の変形の妨げとならない位置に設定されればよく、例えば非加工部分に相当する金属板Ｗの一辺における縁部近傍が好ましい。

固定部１０による金属板Ｗの固定方法は、図４に示されるように、一例として金属板Ｗの非加工部分（図中における縁部近傍）に形成された固定用孔ＷＨが嵌合される固定ピン１２によって固定する構成としてよい。

固定ピン１２は、固定部１０の基部１１の上面に所定の間隔を空けて複数立設され、加工対象となる金属板Ｗの板厚よりも所定長さだけ長い円柱形状の棒状部材で形成される。固定ピン１２の先端側には、図４に示すように、嵌合された金属板Ｗの抜けを防ぐための抜け止め部１３が取り付けられる。固定部１０において、固定ピン１２と抜け止め部１３は、金属板Ｗの留め具として機能する。

固定部１０に固定された金属板Ｗは、図４に示すように、その内面Ｓ１から抜け止め部１３の底部までの間に所定の間隙Ｇが設けられることとなる。この間隙Ｇにより、金属板Ｗは、例えば保持部材２１が上下方向に移動して金属板Ｗが傾いた際に、その傾きに沿って金属板Ｗの縁部が持ち上がるため、その傾きによるモーメントが金属板Ｗに加わることを抑制することができる。よって、金属板Ｗは、余計なモーメントが掛からなくなるため、変形が阻害されずに済む。

なお、本実施形態において、固定ピン１２は、円柱形状で複数本（図４では４本）設けられた構成としたが、形状および本数はこれに限定されない。また、固定ピン１２は、少なくとも金属板Ｗが上下方向に移動可能であって保持部２０の上で前後方向および幅方向のような略水平方向への移動が防止される構成であればよい。そのため、固定ピン１２は、例えば平面視において角丸長方形の柱体のように、金属板Ｗの非加工部分がある程度の範囲で固定される構成とすれば１つでも効果を奏することができる。

〈保持部〉
保持部２０は、加工時に金属板Ｗの意図しない変形が防止されるように保持する。保持部２０は、具体的には、少なくとも熱塑性変形時において、金属板Ｗの内面Ｓ１側を開放した状態で熱塑性変形の変形に追従して外面Ｓ２を下方から支えた状態で保持する。

ここで、「開放」とは、金属板Ｗのレーザ光Ｌの被照射面に相当する面（内面Ｓ１）側が保持部材２１によって保持されていない状態を意味する。また、「保持」とは、金属板Ｗのレーザ光Ｌの被照射面と反対側の面（外面Ｓ２）側から金属板Ｗの撓みによる垂れ下がりのような意図しない変形を防止するために金属板Ｗを所定方向から支えた状態が維持されることを意味する。そのため、保持部２０において、少なくとも金属板Ｗが加工されている間（詳細には、レーザ光Ｌが照射されて金属板Ｗが熱塑性変形している間）に、金属板Ｗを内面Ｓ１および外面Ｓ２の両側から挟持した状態で保持されるような構成は、金属板Ｗの変形が阻害されてしまうため含まれないものとする。

なお、保持部材２１は、金属板Ｗの加工が始まり、保持部材２１が加工前の初期位置（金属板Ｗが載置された位置）から移動すると、金属板Ｗは斜めになって保持部材２１による金属板Ｗの保持は、金属板Ｗの厚み方向に対して必ずしも直交せず交差する方向になる。このことから、保持部材２１による金属板Ｗの移動方向は、金属板Ｗの厚み方向に対して少なくとも交差する方向に移動されればよい。

また、保持部２０は、本体１ａの上面から突出して延びるように設けられた複数本の保持部材２１で構成される。保持部材２１は、駆動部３０によって、金属板Ｗの変形に追従して外面Ｓ２と当接した状態が維持されるように上下方向へと移動する。保持部材２１は、金属板Ｗを所定方向に押して変形を促進させるためのものではなく、あくまで変形に追従して金属板Ｗを支えて意図しない変形が防止されるように所定方向から保持するためのものである。

保持部材２１は、所定長を有する棒状部材であり、金属板Ｗの外面Ｓ２側と当接した状態で金属板Ｗの熱塑性変形に合わせて上下方向に移動可能に設けられている。保持部材２１の配置間隔は、熱塑性変形する金属板Ｗの意図しない変形（撓みによる垂れ下がりなど）が防止されるように保持可能な間隔で配置されている。一例として、保持部材２１は、１ｍ四方の自動車用鋼板を加工する構成であれば、５０ｍｍ～１００ｍｍピッチで本体１ａ上に配置されてよい。

保持部材２１の先端形状は、少なくとも変形時に摺動する金属板Ｗの外面Ｓ２に損傷を与えるような鋭利な部分を有さない形状が好ましい。保持部材２１の先端形状の形態例としては、図５Ａに示すような半球形状、図５Ｂに示すような平面視において長方形などの多角形、図５Ｃに示すような平面視において円形状、図５Ｄに示すような角錐台状などが挙げられる。

これら形態のうち、保持部材２１は、変形時の摺動によって保持部材２１の先端部と金属板Ｗの外面Ｓ２が摺動したときに、外面Ｓ２と点接触となって外面Ｓ２の損傷を防止する効果が比較的高い「半球形状」とするのが好ましい。これにより、金属加工装置１は、保持部材２１が外面Ｓ２と接触したときの損傷が防止され、外面Ｓ２の傷が品質問題へとつながる自動車外板パネルなどの加工に適した装置となる。なお、半球形状以外の他の形状については、例えば角部をＲ形状に丸めることで外面Ｓ２の損傷を極力防止させる効果を奏することができる。

〈駆動部〉
駆動部３０は、電気信号または気体、液体のなどの作動流体の流体動力を機械的な動力に変換する公知のアクチュエータで構成される。駆動部３０は、制御部５０からの制御信号に従って保持部材２１を所定量だけＺ方向に沿って上下移動させる。これにより、駆動対象となる保持部材２１は、金属板Ｗの変形に追従させて外面Ｓ２と当接した状態が維持されるように、所定方向（上方向または下方向）に所定量だけ移動することができる。

駆動部３０は、保持部材２１の移動が個別に制御可能な構成であればよく、例えば図２に示すように保持部材２１毎に設けられてもよいし、複数本の保持部材２１と連結されて移動量を個々に制御する構成としてもよい。

〈冷却部〉
冷却部４０は、レーザ照射部７０から照射されたレーザ光Ｌによって加熱された金属板Ｗの少なくとも一部を冷却する。冷却部４０は、レーザ照射部７０から照射されたレーザ光Ｌによって加熱された内面Ｓ１の加熱部分と対向する外面Ｓ２側の非加熱部分を冷却して加熱部分と非加熱部分との温度差（板厚方向の温度勾配）を大きくして熱塑性変形を促進させる。

冷却部４０の形態としては、図６Ａに示すように、第１の形態として、保持部２０の保持部材２１の間に冷媒を流通させて保持部材２１を冷却させる冷媒供給装置で構成されてよい。第１の形態の冷却部４０は、冷媒によって冷却されて比較的低温となった保持部材２１の先端側と、保持部材２１の先端側と当接する比較的高温な金属板Ｗとが熱交換されることで、金属板Ｗの非加熱部分を冷却している。

冷却部４０の他の形態としては、図６Ｂに示すように、第２の形態として、保持部材２１の内部に設けた管路４１に冷媒を流通させて保持部材２１を冷却させる冷媒循環装置で構成されてよい。第２の形態の冷却部４０は、内部循環する冷媒によって比較的低温となった保持部材２１の先端側と、保持部材２１の先端側と当接する比較的高温な金属板Ｗとが熱交換されることで、金属板Ｗの非加熱部分を冷却している。

なお、第１の形態および第２の形態で流通される冷媒は、熱交換可能な流体（液体、気体およびこれらの混合体）であれば、その種類は特に限定されない。また、冷却部４０は、第１の形態および第２の形態の両方を備えた構成としてよい。つまり、保持部材２１の内部に冷媒を流通させた状態で、保持部２０において隣接する保持部材２１の間に冷媒を流通させることにより、金属板Ｗの冷却効果を高めてより短時間で温度勾配を増大させることができる。

〈制御部〉
制御部５０は、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭのような各種プロセッサで構成され、操作入力部（図示せず）からの操作信号に基づく制御量または予め設定された制御プログラムに従って、金属加工装置１の駆動部３０、冷却部４０およびレーザ照射部７０の駆動制御を統括的に行う。

制御部５０は、予め設定された変形予測データに基づいて保持部２０の保持部材２１を駆動する制御信号を出力する。駆動部３０は、制御部５０からの制御信号に基づいて駆動対象の保持部材２１を所定方向（上方向または下方向）に所定量だけ移動させて、金属板Ｗの変形に追従させて外面Ｓ２と当接した状態を維持させる。

制御部５０は、変形予測データに基づく金属板Ｗの変形が得られるように、冷却部４０を駆動制御するための制御信号を生成して冷却部４０に出力する。冷却部４０に出力される制御信号には、冷却部４０を効果的に駆動させるために必要な制御条件（冷媒の単位時間あたりの冷媒の流通量、冷媒の流通方向など）に応じた制御パラメータも含まれる。

また、制御部５０は、変形予測データに基づく変形が得られるように、レーザ照射部７０を駆動制御するための制御信号を生成してレーザ照射部７０に出力する。レーザ照射部７０に出力される制御信号には、変形予測データに基づいて決定されるレーザ光Ｌを照射する際に必要な加工条件に応じた制御パラメータも含まれる。

〈記憶部〉
記憶部６０は、公知の記憶装置で構成され、金属加工装置１の駆動に関する各種処理プログラム、制御データなどを記憶している。

また、記憶部６０は、加工対象となる金属板Ｗの変形前後における変形状態をシミュレーションした変形予測データを記憶する。変形予測データは、金属板Ｗの加工条件（金属板Ｗの材質、金属板Ｗのサイズおよび板厚、金属板Ｗにおける加工部分の位置、レーザ光Ｌの出力条件（波長、照射時間など）、レーザ光Ｌにより加熱された金属板Ｗの温度、冷却部４０による金属板Ｗの非加熱部分の冷却度合いなど）に基づいてシミュレーションして導き出される、熱塑性変形前後における金属板Ｗの変形の仕方を予測したデータである。

変形予測データは、事前にコンピュータなどでシミュレーションソフトを用いて解析処理されたデータを用いてもよいし、制御部５０がシミュレーションに関する解析処理を行って取得してもよい。

〈レーザ照射部〉
レーザ照射部７０は、金属板Ｗに対して吸収性を有する波長のレーザ光Ｌを走査しながら金属板Ｗの加工部分に照射する。使用されるレーザ種としては、金属板Ｗに対するレーザフォーミングが可能なレーザであれば特に限定されないが、例えば固体レーザ（ＹＡＧレーザなど）、気体レーザ（ＣＯ_２レーザなど）が適用され得る。金属板Ｗの変形度合いは、レーザ照射部７０から照射されるレーザ光Ｌの波長、レーザ出力、スポット径、レーザ種、レーザ走査するラインの数、ライン幅、ライン間ピッチなどの加工条件を適宜設定することで調整可能である。

レーザ照射部７０は、制御部５０からの制御信号に基づいて変形予測データに応じた３次元方向（ＸＹＺ方向）の任意の方向に移動（走査）しながら金属板Ｗの加工部分における厚み方向の一部を照射する。

レーザ照射部７０から照射されたレーザ光Ｌは、金属板Ｗの加工部分を加熱して部分的に熱影響部を設ける。本実施形態の金属板Ｗの加工部分（レーザ光Ｌの被照射部分）は、図７に示すように、金属板Ｗの外面Ｓ２に及ばないように加熱される。図７において、レーザ光によって加熱されて熱影響を受けた金属板Ｗの領域（熱影響部）は、ハッチング領域で表されている。このように、金属板Ｗの加工部分は、金属板Ｗの厚み方向において内面Ｓ１側から外面Ｓ２に及ばない範囲において、所定の加工が実施可能に熱影響を受けた状態となる。

そのため、レーザ照射部７０は、使用される金属板Ｗの種類、厚み、加工部分の位置などを考慮して熱影響部が外面Ｓ２に及ばないように加熱される最適な加工条件が設定されることとなる。なお、この加工条件については、変形予測データに基づいて条件の各パラメータが設定されてよい。

[動作]
次に、図８Ａ～８Ｆを参照しながら本実施形態に係る金属加工装置１の加工処理時の動作例について説明する。なお、以下に説明する動作については、例示的な順序で処理工程を提示しており、提示した特定の順序に限定されない。

図８Ａに示すように、金属加工装置１は、準備工程として金属板Ｗを固定部１０に固定させた状態とする。このとき、金属板Ｗは、一辺が固定部１０に固定された状態で他辺は固定されていない状態となる。また、金属板Ｗは、保持部２０によって外面Ｓ２側のみ支えられた状態で保持される。

図８Ｂに示すように、加工工程が開始されると、制御部５０は、レーザ照射部７０に制御信号を出力する。レーザ照射部７０は、金属板Ｗの加工部分の上方まで移動し、所定の曲げとなるように走査しながらレーザ光Ｌを照射する。

また、制御部５０は、加工対象の金属板Ｗを加工するための変形予測データに基づいて、金属板Ｗの変形に追従するように保持部２０を駆動させるための制御信号を駆動部３０に出力する。

図８Ｂには、レーザ光Ｌの照射によって金属板Ｗが下方に変形することが予測されているため、該当する保持部材２１が下方に所定量ずつ移動した状態が示されている。このように、金属板Ｗにおいて熱塑性変形する領域近傍の保持部材２１は、金属板Ｗの変形に追従して所定方向に移動して金属板Ｗの外面Ｓ２と当接した状態が維持される。

続いて、図８Ｃに示すように、制御部５０は、金属板Ｗの変形に追従するように駆動部３０に対して制御信号を出力する。図８Ｃに示すように、金属板Ｗは、図８Ｂの状態から一部が上方に曲がるように変形することが予測されているため、駆動部３０は、該当する保持部材２１を金属板Ｗの変形に合わせて上方に移動させ、保持部材２１の先端と金属板Ｗの外面Ｓ２が当接した状態を維持させる。

続いて、図８Ｄに示すように、制御部５０は、変形予測データに基づいて、金属板Ｗの変形に追従するように保持部２０を駆動させるための制御信号を駆動部３０に出力する。図８Ｄには、図８Ｂと同様に、レーザ光Ｌの照射によって金属板Ｗが下方に変形することが予測されているため、該当する保持部材２１が下方に所定量ずつ移動した状態が示されている。これにより、保持部材２１は、金属板Ｗの変形に追従して所定方向に移動して金属板Ｗの外面Ｓ２と当接した状態が維持される。

続いて、図８Ｅに示すように、制御部５０は、レーザ照射部７０に制御信号を出力する。レーザ照射部７０は、金属板Ｗの他の加工部分の上方まで移動し、レーザ光Ｌを照射させるため金属板Ｗの制御信号をレーザ照射部７０に出力する。

そして、図８Ｆに示すように、制御部５０は、金属板Ｗの更なる変形に追従するように駆動部３０に対して制御信号を出力する。図８Ｆに示すように、金属板Ｗは、図８Ｅの状態から一部が上方に曲がるように変形することが予測されているため、駆動部３０は、該当する保持部材２１を金属板Ｗの変形に合わせて上方に移動させ、金属板Ｗの外面Ｓ２と当接した状態を維持している。

なお、本実施形態に係る金属加工装置１は、金属板Ｗを最終形状とするために必要な加工が行われる度に、上述したような加工工程が繰り返し行われる。この際にも、保持部２０の保持部材２１は、金属板Ｗの加工部分の変形に追従するように外面Ｓ２と当接した状態が維持されるように移動する。そのため、金属板Ｗは、変形時に常に下方から支えられた状態が維持され、熱塑性変形における意図しない変形を防止されることとなる。

[作用効果]
以上説明したように、本実施形態に係る金属加工装置１は、加工対象の金属板Ｗの加工部分にレーザ光Ｌを照射するレーザ照射部７０を備え、レーザ光Ｌにより加熱されて熱影響を受けた熱影響部を熱膨張・収縮させることにより加工部分を塑性変形させる金属加工装置１であって、金属板Ｗにおけるレーザ光Ｌの照射側となる内面Ｓ１（第１面）を開放した状態で内面Ｓ１の反対側の外面Ｓ２（第２面）を保持する複数の保持部材２１を有する保持部２０と、金属板Ｗの塑性変形に追従するように、該当する保持部材２１を金属板Ｗの厚み方向に沿った第１方向（上下方向）に沿って移動させる駆動部３０と、を備えた構成となっている。

このような構成とすることで、保持部２０による金属板Ｗの保持は、金属板Ｗの内面Ｓ１側を固定せずに開放した状態で外面Ｓ２側からのみ保持しているため、金属板Ｗの面方向への動きが自由となり、金属板Ｗの意図しない変形およびレーザ光Ｌの焦点ずれを抑制することができる。そのため、金属板Ｗが自動車外板パネルのような比較的大判で薄肉な鋼板であっても、加熱後に自重により撓んで垂れ下がるような意図しない変形を防止しながら、所望の形状となるように３次元的に変形させることができる。さらに、プレス加工のように、金型を作製する費用と手間を省くことができるため、多品種少量生産に適する加工が可能となる。

また、本実施形態に係る金属加工装置１は、好適には、金属板Ｗの外周縁をなす一辺のみを固定する固定部１０を備えた構成としてもよい。

このような構成とすることで、金属加工装置１は、固定部１０によって固定された１辺以外の他の辺については移動可能な状態となっているため、金属板Ｗの意図しない変形を防止しながら、金属板Ｗの熱塑性変形に追従して保持部材２１を移動させることができる。

また、本実施形態に係る金属加工装置１は、好適には、固定部１０は、第１方向となる上下方向には移動可能とし、第１方向と直交する第２方向（例えば前後方向、幅方向などの略水平方向）には移動しないように金属板Ｗを固定する構成としてもよい。

このような構成とすることで、金属加工装置１は、保持部材２１が上下方向に移動して金属板Ｗが傾いた際に、その傾きに沿って金属板Ｗの端部が持ち上がるため、モーメントが金属板Ｗに加わることを抑制することができる。よって、金属板Ｗは、余計なモーメントが掛からなくなるため、変形し易くなる。

また、本実施形態に係る金属加工装置１は、好適には、保持部材２１の先端は、半球形状とした構成としてもよい。

このような構成とすることで、保持部材２１は、上下動によって保持部材２１の先端部と金属板Ｗの外面Ｓ２が摺動したときに、外面Ｓ２と点接触となって外面Ｓ２の損傷を防止する効果を奏することができる。

また、本実施形態に係る金属加工装置１は、好適には、レーザ照射部７０は、金属板Ｗの厚み方向において、レーザ光Ｌによって加熱された熱影響部が第２面となる外面Ｓ２に及ばないようにレーザ光Ｌを照射する構成としてもよい。

このような構成とすることで、レーザ照射により金属板Ｗの一部を熱膨張状態になるまで加熱するが、金属板Ｗの厚み方向において、熱影響部は、第２面となる外面Ｓ２に及ばないようにレーザ光Ｌが照射されるため、金属板Ｗの厚み方向の温度勾配が生じる。そのため、金属板Ｗは、加工部分における内面Ｓ１と外面Ｓ２の熱収縮量の違いによって内面Ｓ１が大きく収縮して所望の形状に変形する。よって、金属板Ｗが自動車外板パネルのような大型の鋼板であっても、容易に変形させることができる。

また、本実施形態に係る金属加工装置１は、好適には、保持部材２１を冷却して金属板Ｗの第２面となる外面Ｓ２を冷却する冷却部４０を備える構成としてもよい。

このような構成とすることで、レーザ照射によって加熱された内面Ｓ１側の温度と、レーザ照射されていない外面Ｓ２側の温度との温度勾配を大きくすることができるため、熱塑性変形を促進させる効果が得られる。例えば、金属板Ｗを大きく変形させるために、レーザ照射の回数を複数回行うと、金属板Ｗの内面Ｓ１と外面Ｓ２の温度差が小さくなってしまうことがあり、所望する変形が得られない虞がある。本実施形態に係る金属加工装置１では、冷却部４０により金属板Ｗの外面Ｓ２を冷却することができるため、金属板Ｗの板厚方向の温度勾配を大きくすることができ、変形を促進させることができる。

また、本実施形態に係る金属加工装置１は、好適には、冷却部４０は、保持部材２１の間に冷媒を流通させて保持部材２１を冷却する構成としてもよい。

このような構成とすることで、保持部材２１の間に流通される冷媒によって保持部材２１のそれぞれが冷却されて、レーザ照射によって加熱された内面Ｓ１側の温度と、レーザ照射されていない外面Ｓ２側の温度との温度勾配を大きくすることができるため、熱塑性変形を促進させる効果が得られる。

また、本実施形態に係る金属加工装置１は、好適には、冷却部４０は、保持部材２１の内部に冷媒を流通させて保持部材２１を冷却する構成としてもよい。

このような構成とすることで、保持部材２１のそれぞれの内部に冷媒を流通させることで保持部材２１を冷却することができるため、レーザ照射によって加熱された内面Ｓ１側の温度と、レーザ照射されていない外面Ｓ２側の温度との温度勾配が大きくなり、熱塑性変形を促進させる効果が得られる。

［他の実施形態］
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下に示すように使用環境などに応じて適宜変更して実施することもできる。また、以下の変形例を本発明の要旨を逸脱しない範囲の中で任意に組み合わせて実施することもできる。

上述した形態において、制御部５０は、予め設定された変形予測データに基づいて保持部２０を駆動制御しているが、金属加工装置１に金属板Ｗの変形前後の変形量を検出する検出部を具備させてもよい。このとき、制御部５０は、検出部により検出された変形量と、変形予測データとを照合して実際の変形量に合わせて保持部材２１の移動量を補正する構成とすることができる。

このような構成とすることで、予測よりも変形度合いが大きい（または小さい）ときに、保持部材２１により金属板Ｗが適切に保持されないことが防止され、意図しない変形の防止効果をさらに高めることができる。また、変形予測データにおける変化量と、実際に検出された変化量との誤差に関するデータと、加工対象となる金属板Ｗに関するデータなどに基づいて機械学習させておくことで、高精度な変形予測データを作成することが可能となる。

また、上述した形態において、固定部１０は、金属板Ｗの外周縁をなす一辺を厚み方向に間隙Ｇを持たせた状態で固定しているが、金属板Ｗの外周縁をなす一辺を厚み方向に動かないように固定してもよい。このような固定状態とする場合、固定部１０は、金属板Ｗの固定位置が、加工部分から離隔して固定部１０の近傍に金属板Ｗの熱塑性変形に伴う余計なモーメントが掛からない位置に設定される。

また、上述した形態において、レーザ照射部７０は、金属加工装置１に具備された構成として説明したが、これに限定されず、レーザ照射部７０を金属加工装置１に具備させずに別体とし、レーザ照射部７０の機能を備えるレーザ照射装置と本実施形態に係る金属加工装置１とを含む金属加工システムとしても同様の効果を奏することができる。このシステムの場合、金属加工装置１は、金属板Ｗを保持して金属加工を補助する補助装置として機能することとなる。

１金属加工装置、
１０固定部、
１１基部、
１２固定ピン、
１３抜け止め部、
２０保持部、
２１保持部材、
３０駆動部、
４０冷却部、
４１冷媒が流通する管路、
５０制御部、
６０記憶部、
７０レーザ照射部、
Ｇ間隙、
Ｓ１金属板の内面（レーザ照射面に相当）、
Ｓ２金属板の外面（レーザ照射面と反対側の面に相当）、
Ｗ金属板、
ＷＨ固定用。

Claims

加工対象の金属板の加工部分にレーザ光を照射するレーザ照射部を備え、前記レーザ光により加熱されて熱影響を受けた熱影響部を熱膨張・収縮させることにより前記加工部分を塑性変形させる金属加工装置であって、
前記金属板における前記レーザ光の照射側となる第１面を開放した状態で前記第１面の反対側の第２面を保持する複数の保持部材を有する保持部と、
前記金属板の塑性変形に追従するように、該当する前記保持部材を前記金属板の厚み方向に沿う第１方向に沿って移動させる駆動部と、
前記保持部材を冷却して前記金属板の前記第２面を冷却する冷却部と、を備え、
前記冷却部は、複数の前記保持部材の間に冷媒を流通させて前記保持部材を直接冷却し、前記保持部材を介して前記金属板を冷却する、金属加工装置。
前記金属板の外周縁をなす一辺のみを固定する固定部を備える、請求項１に記載の金属加工装置。
前記固定部は、前記第１方向には移動可能とし、前記第１方向と直交する第２方向には移動しないように前記金属板を固定する、請求項２に記載の金属加工装置。
前記保持部材の先端は、半球形状である、請求項１～３のいずれか１項に記載の金属加工装置。
前記レーザ照射部は、前記金属板の厚み方向において、前記熱影響部が前記第２面に及ばないように前記レーザ光を照射する、請求項１～４のいずれか１項に記載の金属加工装置。
前記駆動部は、予め加工対象となる前記金属板の変形前後における変形状態をシミュレーションした変形予測データに基づき駆動する、請求項１～５のいずれか１項に記載の金属加工装置。