JPH0542337A - レーザによる自由曲面成形方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 特別な金型を使用することなく、所要の自由
曲面を形成することを目的とする。 【構成】 被加工材の所定点を中心とする同心円状ある
いは渦巻状または適宜形状の閉曲線を多重に描く態様に
前記被加工材に加熱用ビームを照射して球面を含む自由
曲面を形成し、あるいは円筒形状の被加工材の一端側に
ほぼ三角形状の複数個の突起片を備えた態様に形成しこ
の円筒形状の前記各突起片の先端部側から基部側へ加熱
用ビームを照射して各突起片を内側へ湾曲せしめ前記各
突起片の隣接辺を接合せしめて円筒形状の一端側を半球
状に形成し、または加熱用ビームの照射部の出力の変化
を自由に被加工材へ与えながら任意の自由曲面形状を形
成するレーザ自由曲面成型装置を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被加工材の曲げ加工を
行う部分へ加熱用ビームを照射し、局部的に高温に加熱
して塑性変形を生じせしめ、前記被加工材の曲げ加工を
行うことにより自由曲面を成形するレーザによる自由曲
面成形方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、被加工材に自由曲面を形成する方
法は、一般的に平板に深絞り加工またはヘラ絞り加工等
による機械的なの外力を加えて曲げる方法が採用されて
いた。

【０００３】深絞り加工装置は、ダイス上に円板状被加
工材を載置し、所要の自由曲面に形成されたポンチで上
方向からプレスにより、ダイス穴に押込み、ポンチの作
用により被加工材が内方向に絞り込まれ同時にダイス穴
中に張出し所要の自由曲面を形成する方法である。

【０００４】ヘラ絞り加工装置は、マンドレルと被加工
材とをヘッドに取付け回転させる。スピニング工具とレ
バーとを操作してスピニング工具の先端のローラを被加
工材に押付け、マンドレルに沿わせて所要の自由曲面を
形成する方法である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の深絞
り加工、ヘラ絞り加工等はともに各種製品に応じたポン
チおよびマンドレル等の金型を必要とし、これらの金型
の製作には多大の労力および経費を要するものであっ
て、大型製品または多種少量製品の製作には適正な方法
ではなかった。

【０００６】ところが、本発明の発明者等は長年の研究
と実験との繰り返しの結果、高エネルギ密度のレーザビ
ームを被加工材に照射することにより、被加工材の降伏
応力以上の熱応力を被加工材中に発生させ、外力を加え
ないでこの熱応力のみで被加工材を塑性変形させ、所要
の形状の曲げ加工、例えば自由球面を形成し得ることに
着目した。

【０００７】本発明の目的は、上記問題点を解決するた
めに、特別な金型を使用することなく、所要の自由曲面
を形成するレーザによる自由曲面成形方法を提供するこ
とにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、被加工材の曲げ加工を行う部分へ加熱用
ビームを照射し、局部的に高温に加熱して塑性変形を生
じせしめ、前記被加工材の曲げ加工を行うことにより自
由曲面を成形する方法にして、前記被加工材の所定点を
中心とする同心円状あるいは渦巻状または適宜形状の閉
曲線を多重に描く態様に前記被加工材に加熱用ビームを
照射して球面を含む自由曲面を形成することを特徴とす
るレーザによる自由曲面成形方法である。

【０００９】また、本発明の他の態様によれば、円筒形
状の被加工材の一端側にほぼ三角形状の複数個の突起片
を備えた態様に形成し、この円筒形状の前記各突起片の
先端部側から基部側へ加熱用ビームを照射して各突起片
を内側へ湾曲せしめ、前記各突起片の隣接辺を接合せし
めて円筒形状の一端側を半球状に形成することを特徴と
するレーザによる自由曲面成形方法である。

【００１０】なお、本発明の他の態様によれば、加熱用
ビームの照射部の出力の変化を自由に被加工材へ与えな
がら任意の自由曲面形状を形成することを特徴とするレ
ーザによる自由曲面成形方法である。

【００１１】

【作用】本発明のレーザによる自由曲面成形方法を採用
することにより、被加工材の所定点を中心とする同心円
状あるいは渦巻状または適宜形状の閉曲線を多重に描く
態様に前記被加工材に加熱用ビームを照射して球面を含
む自由曲面を形成し、あるいは円筒形状の被加工材の一
端側にほぼ三角形状の複数個の突起片を備えた態様に形
成し、この円筒形状の前記各突起片の先端部側から基部
側へ加熱用ビームを照射して各突起片を内側へ湾曲せし
め、前記各突起片の隣接辺を接合せしめて円筒形状の一
端側を半球状に形成し、または加熱用ビームの照射部の
出力の変化を自由に被加工材へ与えながら任意の自由曲
面形状を形成することによって、特別な金型を使用する
ことなく、所要の自由曲面を形成するものである。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて、詳
細に説明する。

【００１３】図１は本発明のレーザ自由曲面成形装置に
よる一実施例の概要説明図を示す。図においてレーザ自
由曲面成型装置１は、主としてレーザ発振機３と、反射
鏡５および集光レンズ７からなる加工ヘッド部９と、可
動テーブル１１およびテーブル制御装置１３とから構成
されている。被加工材１５は可動テーブル１１上の保持
具１７に載置され、レーザ発振機３からレーザビーム１
９が発振され、反射鏡５および集光レンズ７を経て照射
される。

【００１４】この際、テーブル制御装置１３により可動
テーブル１１は、レーザビーム１９が同心円状（図２
（ａ））にあるいは渦巻き状（図２（ｂ））にまたは楕
円状（図２（ｃ））に内側から外側に向けてまたはその
逆に外側から内側に被加工材１５に向けて照射されるよ
うに２次元的な回転移動だけでなく、３次元的な回転移
動制御が行われている。

【００１５】例えば、図２（ａ）の同心円状に照射する
場合に、Ａ印をスタート点としエンド点とするときレー
ザビーム１９により与えられる照射熱量が他の照射ライ
ンに比較して多くなり易い。すなわち、均一な照射熱量
が供給されず部分的に変形した曲げ成形になる恐れがあ
る。また、照射方向がＸ方向とＹ方向との２方向に分力
されると、被加工材１５の圧延方向であるＸ方向にスキ
ャニングすれば、その曲げ加工が容易で、圧延方向に直
角なＹ方向にスキャニングすることはその曲げ加工が困
難である。

【００１６】従って、被加工材１５にはこのような組織
の不均一な部分があるのが通常であるから、その組織を
予め調べて、図２（ａ）のみでなく図２（ｂ）および図
２（ｃ）においても、照射半径および板厚さを考慮した
実験式に基づく、レーザ出力が制御されるものとする。

【００１７】一般に、レーザビーム１９を被加工材１５
に照射するとき、この被加工材１５には図３に示すよう
なレーザ熱変形が発生するものである。

【００１８】図３（ａ）ではレーザ照射により被加工材
１５はその表面でレーザビーム１９を吸収し、そのエネ
ルギが伝導により被加工材１５中に拡散し、急激な温度
分布を生じる。一般の被加工材１５は正の熱膨脹係数を
有するから、温度上昇とともに加熱部１５ａは膨脹し、
上方向に凸状に変形する。さらに、図３（ｂ）では高温
加熱によって被加工材１５の降伏応力が低下し、局部的
に高温加熱された領域の一部が塑性変形を起し、レーザ
照射後、冷却し加熱部１５ａが収縮を起しても、元の形
状には戻らず上方向に凹状に変形するものである。

【００１９】このように照射されるレーザビーム１９に
よって、被加工材１５は同心円状、渦巻き状あるいは楕
円状に、または適宜の閉曲線を多重に描くように内側か
ら外側に向けてまたは外側から内側に向けて照射され、
局部的に高温加熱され塑性変形が発生し、冷却後の被加
工材１５に例えば球状、卵状、ラグビーボール状等の所
要の自由曲面を形成し得るものである。

【００２０】次に、図４は本発明のレーザ自由曲面成型
装置による他の実施例の概要説明図、図５は図４に適用
される予め形成された被加工材の概要図を示す。図にお
いて被加工材２３は円筒状に形成され、その一端側にほ
ぼ三角形状の複数個の突起片２５が設けられている。レ
ーザ自由曲面成型装置１の加工ヘッド部９は、可動テー
ブル１１上の回転保持具２９に回転自在に横置された被
加工材２３の内部に挿入され、被加工材２３に回転を付
与しながら各突起片２５の先端部側から基部側へとレー
ザビーム１９を移動し照射することによって、各突起片
２５を内側へ湾曲させ、かつ各突起片２５の隣接辺をレ
ーザビーム１９により接合せしめることによって、この
被加工材２３の一端側に半球状曲面３１を地球儀状に形
成することができる。

【００２１】次に、図６は本発明のレーザ自由曲面成型
装置によるさらに他の実施例の概要説明図を示す。図に
おいて円筒状に形成された被加工材２７は、可動テーブ
ル１１上に回転移動自在に直設され、レーザ自由曲面成
型装置１の加工ヘッド部９が被加工材２７の内側に挿入
され上下方向に移動自在に設けられている。このように
構成することにより、被加工材２７に任意の個数の波形
曲面３３を形成することが可能である。

【００２２】次に、図７は本発明のレーザ自由曲面成形
装置によるさらに他の実施例の概要説明図を示す。図に
おいてレーザ照射部（加工ヘッド部）９から照射される
レーザビーム１９によって、被加工材３５が半球状に形
成されるために、加工ヘッド部９は上下方向に移動自在
であると共に、被加工材３５に対して回転自在である。
従って、レーザ加工部９の出力の変化が自由に被加工材
３５に与えられながら、半球状曲面が形成される。

【００２３】このように、レーザビーム１９による被加
工材１５，２３，２７，３５の自由曲面成形（レーザ・
フォーミング）は、塑性加工の条件がレーザビーム１９
の照射熱量、すなわちレーザ加工部９のレーザ出力、形
状、照射速度および回数等により制御され、被加工材１
５，２３，２７，３５の溶融熱、熱膨脹、レーザビーム
吸収率等の条件により、コンピュータによる熱変形をシ
ュミレーションすることも可能で、容易にプログラム化
され、各種の自由曲面が成形される。

【００２４】なお、本発明は、上記実施例に限定される
ものではなく、適宜の設計的変更を行うことにより、他
の態様においても実施し得るもので、主として例えば前
記可動テーブルの２次元的のみならず３次元的な回転移
動制御によるものとするも、加工ヘッド部の２次元的の
みならず３次元的な回転移動制御としてもよい。

【００２５】

【発明の効果】上記説明ですでに明らかなように、本発
明のレーザによる自由曲面成形方法は、被加工材の所定
点を中心とする同心円状あるいは渦巻状または適宜形状
の閉曲線を多重に描く態様に前記被加工材に加熱用ビー
ムを照射して球面を含む自由曲面を形成し、あるいは円
筒形状の被加工材の一端側にほぼ三角形状の複数個の突
起片を備えた態様に形成し、この円筒形状の前記各突起
片の先端部側から基部側へ加熱用ビームを照射して各突
起片を内側へ湾曲せしめ、前記各突起片の隣接辺を接合
せしめて円筒形状の一端側を半球状に形成し、または加
熱用ビームの照射部の出力の変化を自由に被加工材へ与
えながら任意の自由曲面形状を形成することによって、
従来技術の問題点が有効に解決され、特別な金型を使用
することなく、所要の自由曲面を形成するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のレーザ自由曲面成形装置における一実
施例の概要説明図である。

【図２】レーザビームの被加工材への照射状態説明図で
ある。

【図３】レーザビームの被加工材への照射による被加工
材の塑性変形説明図である。

【図４】本発明のレーザ自由曲面成型装置による他の実
施例の概要説明図である。

【図５】図４に適用される予め形成された被加工材の概
要図である。

【図６】本発明のレーザ自由曲面成型装置によるさらに
他の実施例の概要説明図である。

【図７】本発明のレーザ自由曲面成型装置によるさらに
他の実施例の概要説明図である。

【符号の説明】

１ レーザ自由曲面成型装置 ３ レーザ発振機 ９ 加工ヘッド部 １１ 可動テーブル １５，２３，２７，３５ 被加工材 ２５ 突起片 ３１半球状曲面 ３３波形曲面

フロントページの続き (72)発明者 織田 直樹 東京都町田市成瀬台３−23−27

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被加工材の曲げ加工を行う部分へ加熱用
   ビームを照射し、局部的に高温に加熱して塑性変形を生
   じせしめ、前記被加工材の曲げ加工を行うことにより自
   由曲面を成形する方法にして、前記被加工材の所定点を
   中心とする同心円状あるいは渦巻状または適宜形状の閉
   曲線を多重に描く態様に前記被加工材に加熱用ビームを
   照射して球面を含む自由曲面を形成することを特徴とす
   るレーザによる自由曲面成形方法。
2. 【請求項２】 円筒形状の被加工材の一端側にほぼ三角
   形状の複数個の突起片を備えた態様に形成し、この円筒
   形状の前記各突起片の先端部側から基部側へ加熱用ビー
   ムを照射して各突起片を内側へ湾曲せしめ、前記各突起
   片の隣接辺を接合せしめて円筒形状の一端側を半球状に
   形成することを特徴とする請求項１に記載のレーザによ
   る自由曲面成形方法。
3. 【請求項３】 加熱用ビームの照射部の出力の変化を自
   由に被加工材へ与えながら任意の自由曲面形状を形成す
   ることを特徴とするレーザによる自由曲面成形方法。