JPH06210362A

JPH06210362A - シートブランクを成形加工するための方法および装置

Info

Publication number: JPH06210362A
Application number: JP5261183A
Authority: JP
Inventors: Erich Sieger; ジーガーエリッヒ
Original assignee: Zeppelin Metallwerke GmbH
Current assignee: Zeppelin Metallwerke GmbH
Priority date: 1992-10-19
Filing date: 1993-10-19
Publication date: 1994-08-02
Anticipated expiration: 2014-08-30
Also published as: EP0593799A1; US5426964A; DE59204955D1; EP0593799B1; JP2942121B2

Abstract

(57)【要約】【目的】指数関数的応力ひずみ特性を有する材料から
なるシートブランク（２’）を薄壁中空シェル（２）に
冷間成形加工するための方法および装置を提供する。【構成】該シートブランク（２’）はその周縁がクラ
ンプ装置（３）で把持されそしてその中心線（６）のま
わりに回転させられる。成形加工は該シートブランク
（２’）の一方の側と係合している第一の通路制御され
たプレスロール（１６）と他方の側と係合している第二
の通路制御されたプレスロール（１７）とによって局所
押圧力のみによって実施され、この際加工片（２’、
２）とプレスロールとの間の相対速度ならびに該プレス
ロールによって該加工片に印加される力は該加工片に加
えられる引張力がその材料の降伏点以下となるような態
様で調節される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本発明は指数関数的応力ひずみ特性を有す
る材料からなる板状素材すなわちシートブランクを成形
加工するための方法ならびにその方法を実施するために
適当な装置に関する。

【０００２】宇宙航空産業においては、チタンとその合
金が軽量なことと耐摩耗性が優れていることのために燃
料容器等にますます多く使用されてきている。この用途
のためにはチタン−β−合金が特に適当であるが、しか
しながら、この合金は満足できるようには冷間成形しが
たい。この合金は、添付図１の概略応力ひずみ図に示す
ような指数関数的応力ひずみ特性を有している。図に見
られるように、チタン−β−合金は通常のひずみ硬化性
を有しておらず、室温の引張試験において、見かけの降
伏点以上、塑性変形の範囲内で、くぼみ（圧痕）が生じ
そしてそのあと応力をさらに増加させることなしに破断
が起こる。このことはこの材料の冷間成形性に大きな影
響をもつ。すなわち、その材料をごくわずかな成形段階
ごとに熱処理にかけない場合には、極めて低成形度の冷
間成形であっても、疲労破断が起こるか、あるいは材料
が制御されない仕方でくぼむ危険がある。最も問題のな
い冷間成形法は冷間圧延法であるが、この方法ではただ
平坦なシートが製造できるにすぎない。

【０００３】特に、大直径（６０ｍｍ以上）で小壁厚
（３ｍｍ以下）および／または高わん曲（半球）の胴す
なわちシェルはこれまで熱間成形によって製造されてき
た。この場合、後から切削加工によって所望の壁厚を達
成しなければならない。

【０００４】高温では、チタンとその合金は空気成分と
の親和性がより高くなり、このために、一方において
は、その加工片の表面に腐食層が形成され、また他方に
おいては、水素吸収により材料の脆性が増す。これは共
に所望されざることである。これを回避または除去する
ためには加熱（熱間成形のためまたは熱処理のための）
を保護ガス雰囲気下で実施するか、あるいは腐食層を機
械的に除去するか、あるいは熱処理によって脆性をなく
すこと以外に方法がない。

【０００５】したがって、本発明の目的は指数関数的応
力ひずみ特性を有する材料を薄い壁厚の中空シェルに冷
間成形するための簡単かつ安価な方法ならびに装置を提
供することである。

【０００６】この目的は請求項１に記載した方法によっ
て達成される。すなわち、本発明によって、上記材料に
塑性範囲の引張力を加えないで、成形を２つの互いに対
向するプレスロールによって加工片に加えられる圧力に
よってのみ実施すれば、該材料を４０％以上の高い成形
度で冷間成形した場合でも、前記のごとき問題、たとえ
ば、疲労破断やくぼみが起こらないことが見い出された
のである。本発明の方法によれば、中空シェルをその最
終寸法の大直径かつ比較的薄い壁厚まで疲労破断やくぼ
みを生じることなくかつ材料加熱時に起きる問題を伴う
ことなく冷間成形によって製造することが可能である。
本発明の方法によれば高い成形度の冷間成形が達成可能
であるからチタン−β−合金組織内の粒子はより微細と
なり、強度と剛性が増し、その結果として支持断面積、
したがってまた重量も一層減少可能となる。さらに、そ
の高い冷間成形度は円周方向において冷間圧延シートブ
ランクの元の圧延方向の組織の変化をもたらし、その結
果その組織に関連する固有引張ドラフトの危険を減少さ
せる。プレスロールを通じて加えられる圧力は非常に正
確に与えることができるから壁厚一定のシェルのみなら
ずシェルの円周全体にわたって変化する壁厚を有してい
るシェルも容易に製造することができる。さらにまた、
シートを曲げる時に生じる弾性エネルギーが２つのロー
ルを使用することによって制御することができるから、
シェルは非常に高い精度をもって製造することもでき
る。保護ガス雰囲気も繰り返される中間アニーリングも
必要でないからして、本発明による方法は簡単かつ容易
に実施することができる。

【０００７】本発明による方法をさらに有利に発展させ
たものが請求項２乃至４である。本発明の目的はさらに
請求項５記載の装置によって達成される。本発明による
装置においては、加工片は回転駆動されそして２つのプ
レスロールは通路制御されて駆動される。この相対運動
の分離は成形中の塑性範囲での引張応力を防止するため
に役立つ。加工片の反対側でそれぞれ加工片と係合する
２つのスピニングロールによってタンクの底を成形する
ことは米国特許第３８１５３９５号明細書からすでに公
知となっている。この米国特許明細書に記載されている
装置では、加工片は中央で把持されそして自由に動ける
状態で支持され、他方、スピニングロールは回転駆動さ
れかつ予め定められた半径方向通路（それによって加工
片が回転する）を介して案内される。このように運動制
御を重ね合わせると局所的引張応力の発生が避けられな
い。このような装置は熱間成形のために適するかあるい
は通常の冷間硬化特性を有する加工片の成形のために適
するものである。

【０００８】本発明の装置をさらに有利に発展させたも
のが請求項６乃至１１に記載されている。以下、本発明
の１つの実施例を添付の図面を参照しながら説明する。
図２はシートブランク２’（破線で図示されている）を
中空シェル２に冷間成形するための装置を示している。
なお、中空シェル２は図示の半球形のほか球形キャップ
の形状、円錐形、楕円形など他の任意の断面形状を有す
るように成形されうるものである。シートブランク２’
は図１に示した指数関数的応力ひずみ特性を有する材料
から製造された円形のシートブランクである。この材料
が属する金属はチタン−β−合金Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn(T
i15-3)および Ti-3Al-15Mo-2.7Nb-0.2Si( β- 21S)であ
る。このブランク２’のシート厚さは通常仕上げられる
シェルの所望シート厚さよりも大きい。しかしながら、
ブランクがある特定の領域（開口近辺や極領域）におけ
るシェルの最終厚み寸法を最初から有していることもで
きる。出来上がったシェル２が大きな壁厚差をを有すべ
き場合には、前もって、たとえば旋削または研磨によっ
て、シートブランクに異なる壁厚を持たせておくのが有
利である。シートブランク２’の直径は仕上がりシェル
の所望開口幅プラス掴み寸法を考慮して選択される。本
発明の方法を使用すると、これまで冷間成形では製造不
可能であった６００ｍｍ以上の開口幅を有するシェルを
製造することができる。１５００ｍｍあるいは２５００
ｍｍの開口幅を持つシェルの製造さえも可能である。本
発明の方法は特に０．３乃至３ｍｍの壁厚を有する薄壁
シェルの製造に好適である。シートブランク２’はクラ
ンプ装置３によって装置１に保持される。このクランプ
手段はシートブランクの周縁を均等に把持するクランプ
リング４を含む。このクランプ装置は異なる直径のシー
トブランク２’を把持することができるよう調節可能で
ある。クランプリング４は矢印６ａの方向に中心線６の
まわりを回転するベアリングとしてつくられている回転
ベアリング５を介して回転可能に支持されている。回転
は駆動装置７によって行われる。この駆動装置はモータ
８と駆動ピニオン９を包含し、該駆動ピニオンはクラン
プリング４側の対応する歯車とかみ合っている。

【０００９】クランプ装置３の一方の側には工具キャリ
ヤー１０が、そして他方の側には工具キャリヤー１１が
配置されている。各工具キャリヤー１０、１１は中心線
６に平行な第一の方向に両方向矢印１０ａ，１１ａに示
したごとく線形移動可能であると共に、中心線６に垂直
な第二の方向に両方向矢印１０ｂ，１１ｂに示したごと
くそれぞれ移動可能である。なお、運動方向１０ａと１
０ｂおよび１１ａと１１ｂはそれぞれ１つの平面上に存
在している。各工具キャリヤー１０、１１のクランプ装
置３に面している方の端部にはそれぞれ１つのアーム１
２、１３が設けられている。アーム１２は両方向矢印１
２ａの方向に軸１２’を中心として回転可能であり、ア
ーム１３は両方向矢印１３ａの方向に軸１３’を中心と
して回転可能である。軸１２’と１３’は前記線形移動
１０ａ，１０ｂと１１ａ，１１ｂの運動平面上に垂直に
のびているものであり、したがってねじり運動１２ａ，
１３ａは線形運動１０ａ，１０ｂと１１ａ，１１ｂの面
内で行われる。アーム１２を両方向矢印１２ａの方向に
旋回させるために適当なセッティングドライブ１４が、
そしてアーム１３を両方向矢印１３ａの方向に旋回させ
るために適当なセッティングドライブ１５がそれぞれ設
けられている。これらのセッティングドライブは同時に
成形力を行使する。また、図示されていないが、工具キ
ャリヤー１０、１１を両方向矢印１０ａ，１０ｂおよび
１１ａ，１１ｂの方向に移動するためにそれぞれ１つの
駆動装置が設けられている。

【００１０】旋圧またはプレスロール１６、１７はそれ
ぞれアーム１２、１３の遊端に軸１６’，１７’を中心
に回転可能なように支持されている。これらの軸１６’
と１７’はアーム１２、１３の旋回軸１２’と１３’に
対してそれぞれ垂直にのびておりそして各プレスロール
１６、１７の円周が対応するアーム１２、１３を越えて
突出しそしてその円周突出部分が加工片２’、２と接触
されるように配置されている。さらに、プレスロール１
６、１７は回転している加工片２’、２によって軸１
６’、１７’のまわりに回転されうるように加工片の回
転方向に配置されている。

【００１１】被加工湾曲面の内側に係合している第一の
プレスロール１６は比較的幅が狭くそして面取りされた
円周が与えられていて、加工片の湾曲が非常に小さい場
合、第一プレスロールの円周のみが加工片２’、２と接
触するようになっている。被加工湾曲面の外側に配置さ
れている第二のプレスロール１７は第一のプレスロール
１６がそれに向かって作用する対抗ロールとしてつくら
れている。

【００１２】クランプ装置３の駆動装置、セッティング
ドライブ１４と１５、ならびに工具キャリヤー１０、１
１をそれぞれ１０ａ，１０ｂおよび１１ａ，１１ｂの方
向に運動させるための図示してない駆動装置は６’、１
７’は図示されていない１つの共通の制御装置に接続さ
れている。この制御装置は電算機化された数値制御装
置、テンプレート付き写し取り制御装置または他のタイ
プの公知制御装置でありうる。２つのプレスロール１６
と１７は成形中この制御装置によって成形位置において
この２つのプレスロールが常に相互に対向して働くよう
同期的に案内される。両プレスロール１６と１７は両方
向矢印１０ａ，１０ｂと１１ａ、１１ｂに沿った線形運
動と両方向矢印１２ａ，１３ａに沿った旋回運動との組
み合わせによって、成形によって形成されるふくれ出し
（湾曲）の輪郭に追従する両方向矢印１６ａと１７ａに
沿う通路上を動くよう制御される。このプレスロール１
６の通路１６ａとプレスロール１７の通路１７ａはシー
トブランク２’に対して半径方向かつ湾曲の子午線上に
延びており、通路１６ａと１７ａが位置している共通面
は中心線６と交わる。成形の方向はクランプリング４近
傍の領域から極で加工片２’、２を貫通する中心線６の
貫通点までおよびその逆の方向であり、図２において実
線で図示されているプレスロール１６、１７の位置は通
路制御装置の１つの反転点に近い位置であり、破線で図
示されている位置は通路制御装置のいま１つの反転点に
近い位置である。この通路制御は２つのプレスロール１
６と１７が互いに相対する位置にある時に摩擦が発生し
なようにするため、プレスロールがそれらの円周面の湾
曲（半径Ｒ）の中心のまわりに旋回のみをするような態
様で行われる。

【００１３】さらに、制御装置はプレスロール１６が対
向ロール１７に接近および遠ざかる方向の運動も制御
し、これによって２つのプレスロール１６と１７の間の
距離を成形の間に減少する加工片２’、２の壁厚に合わ
せて調整する。この間隔調整は成形中、たとえば、プレ
スロールの圧力センサーを使用して実施することができ
る。さらにまた、たとえば、壁厚の異なるシェル２を製
造するため加工片２’、２を領域により異なる強度で成
形しようとする場合には、制御装置において予めロール
間隔を設定しておくことも可能である。

【００１４】本発明による装置１の作動の仕方を次に説
明する。シートブランク２’を把持した後、駆動装置７
によってクランプリング４が中心線６のまわりに矢印６
ａの方向に回転される。次に、プレスロール１６と１７
が互いに反対側から互いに向かってある距離だけシート
ブランクに接近させられそしてシートブランク２’に対
して半径方向に該ブランク上を第１成形段階のために予
め定められた通路１６ａ、１７ａに沿って案内される。
しかして該ブランク２’の回転と関連して、中心線６の
まわりにらせん状成形ラインが描かれる。クランプリン
グの回転数、２つのプレスロール１６、１７の距離なら
びに矢印１６ａ、１７ａの方向の通路制御装置の形と速
度は、互いに関してかつ使用された材料に関して、プレ
スロール１６と１７によってその材料の成形のために押
圧力のみが加えられ、場合によっては生じる引張力はそ
の材料の降伏点以下にとどまって塑性成形工程には寄与
しないように変更される。すなわち、素材はプレスロー
ラ１６と１７の間で圧搾されるだけであり、その材料は
容易に圧力の方向に実質的に垂直な方向に伸長すること
ができる。プレスロール１６、１７の通路制御装置によ
って、この材料の伸びがくぼみの形成をもたらさず、従
来の旋圧成形法の場合のごとく引張力によって材料にひ
ずみを加えることなしに、所望の湾曲を成形することが
保証される。

【００１５】一例として本発明の方法によってタンク半
胴がチタン合金 Tｉ１５−３から成形された。使用され
た直径５１０ｍｍの円形シートブランクは切削圧延機に
より冷間圧延され、溶液熱処理されそして急冷された、
厚さ２．０８ｍｍの圧延シートから切り取られたもので
ある。このシートブランクが２つのプレスロールによっ
て押圧力のみを使用して中間焼き入れなしで２８の成形
段階で半球形シェルに成形された。この成形されたシェ
ルは開口直径が４４４．８ｍｍ，極に直接するところの
壁厚がブランクと同じ２．０８ｍｍ、極に対して約５^。
の角距離のところの壁厚が２ｍｍ，シェル開口のクラン
プ位置に直接するところの壁厚が１．３２ｍｍであり、
そして壁厚はシェル開口と極の間で約０．７６ｍｍまで
連続的に減少そして最後に再び連続的に増加していた。
仕上がったタンク半胴には疲労破断も形状の不連続たと
えば皺やくぼみも見あたらなかった。予定された形状お
よび壁厚の寸法のずれ許容範囲内であった（得られた最
小壁厚は０．７６ｍｍで、その許容壁厚は０．８ｍｍ；
得られた開口直径４４４．８ｍｍで、その許容数値は４
４５ｍｍ）。これらの寸法偏差は使用された装置内でプ
レスロール１６、１７がピボット回転できなかった、す
なわち、工具キャリヤーにおいて軸１２ａ，１３ａで支
持されていなかったという事実に起因するものである。
さらに、シェルの内側と係合していたプレスロール１６
は写し取りテンプレートによる誘導写し取り手段によっ
て通路制御されそして対向ロール１７は水圧弁を介して
人手によって通路制御されていた。

【００１６】さらに、開口直径９５０ｍｍのタンク半胴
シェルがいま１つの実施例として製造された。予備輪郭
成形された円形シートブランクが出発材料として使用さ
れ、そのシート厚さは中心点近傍で３．２ｍｍ、残りの
外部リム部分で２．１ｍｍであった。２つの壁厚領域の
間の移行領域は面取りされた。予備輪郭成形はは特にチ
タン合金のために開発された研磨法または旋削法を使用
して実施された。この予備輪郭成形された円形シートブ
ランクが中間アニーリング工程なしで本発明の方法によ
って開口直径が９５０ｍｍのタンク半胴シェルに冷間成
形された。材料はシェルの極域でも成形を受けて延伸さ
れ、その結果、極のところの壁厚は３．０ｍｍまで減少
された。シェル開口領域の壁厚は１．２ｍｍであった。
シェル開口と極の間で壁厚は０．８ｍｍまで減少されそ
してその後再び連続的に増加された。予備輪郭成形され
たシートブランクの厚さのはね上りはいずれも平衡化さ
れたが、なお見ることができた。このタンク半胴の場合
にも、疲労亀裂や成形後の皺やくぼみのごとき形状の不
連続はまったくなかった。た（得られた最小壁厚は０．
７６ｍｍで、その許容壁厚は０．８ｍｍ；得られた開口
直径４４４．８ｍｍで、その許容数値は４４５ｍｍ）。
これらの寸法偏差は使用された装置内でプレスロール１
６、１７がピボット回転できなかった、すなわち、工具
キャリヤーにおいて軸１２ａ，１３ａで支持されていな
かったという事実に起因するものである。さらに、シェ
ルの内側と係合していたプレスロール１６は写し取りテ
ンプレートによる誘導写し取り手段によって通路制御さ
れそして対向ロール１７は水圧弁を介して人手によって
通路制御されていた。

【００１７】プレスロールの適当な通路制御手段を使用
することによって、上記の連続的に変化する壁厚を有す
るシェルのみならず、ほぼ一定の壁厚を有するシェルも
製造可能である。

【００１８】図示して前記した実施例の変形例として、
大きい製造許容範囲が与えられる場合には、２つのプレ
スロールを前記したような２つの軸上のみを線形移動さ
せるようにすることもできる。プレスロールの形状と寸
法は実施されるべき成形加工に対応して変更することが
できる。２つのプレスロールは同じ形状を有することが
できる。特定の条件のもとででは、円形シートブランク
の代わりにすでに予備成形された素材を使用することも
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】チタン−β−合金の実際の概略的応力ひずみ図
である。

【図２】本発明による装置の概略断面図である。

【符号の説明】

１本発明による冷間成形装置２’ 素材のシートブランク２成形シェル３クランプ装置４クランプリング５回転ベアリング７駆動装置８モータ１０，１１工具キャリヤー１４，１５セッティングドライブ１６、１７プレスロール

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】指数関数的応力ひずみ特性を有する材
料、特にチタン−β−合金からなるシートブランク
（２’）を薄壁、特に０．３乃至３ｍｍの壁厚を有する
中空シェル（２）に成形加工するための方法において、
該シートブランク（２’）をその周縁で把持し、その中
心線（６）のまわりに回転駆動しそして該シートブラン
ク（２’）の一方の側と係合している第一の通路制御さ
れたプレスロール（１６）と他方の側と係合している第
二の通路制御されたプレスロール（１７）との間で局所
押圧力のみによってシェルを冷間成形し、この際加工片
（２’、２）とプレスロール（１６、１７）との間の相
対速度ならびに該プレスロール（１６、１７）によって
該加工片（２’、２）に印加される力を該加工片
（２’、２）に加えられる引張力が該材料の降伏点以下
となるよう相互に調節することを特徴とする方法。
【請求項２】プレスロール（１６、１７）の通路制御
が少なくとも２つの方向（１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１
１ｂ）において実施されることを特徴とする請求項１記
載の方法。
【請求項３】プレスロール（１６、１７）が該加工片
（２’，２）の円周部成形の間，該中心線（６）を実質
的に貫通して延びる平面内で該中心線（６）に向かう方
向およびその反対の方向（１６ａ，１７ａ）に移動され
ることを特徴とする請求項１または２記載の方法。
【請求項４】プレスロール（１６、１７）がそれらの
ロール軸（１６’、１７’）のまわりに自由に回転可能
であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記
載の方法。
【請求項５】請求項１乃至４のいずれかに記載の方法
を実施するための装置において、シートブランク
（２’）の円周部を把持するために環状に配置されたク
ランプ装置（３）、該クランプ装置（３）を該シートブ
ランク（２’）の面に対して実質的に垂直に延びる中心
線のまわりを回転するよう駆動する駆動装置（７）、該
クランプ装置（３）の一方の側に配置された第一の通路
制御されるプレスロール（７）と該クランプ装置（３）
の他方の側に配置された第二の通路制御されるプレスロ
ール（１７）、および該プレスロール（１６、１７）の
通路を制御するための制御装置を包含することを特徴と
する装置。
【請求項６】該プレスロール（１６、１７）が少なく
とも２つの移動方向（１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１
ｂ）を含むことを特徴とする請求項５記載の装置。
【請求項７】該プレスロール（１６、１７）が少なく
とも３つの移動方向（１０ａ，１０ｂ，１２ａ，１１
ａ，１１ｂ，１３ａ）を含むことを特徴とする請求項５
記載の装置。
【請求項８】各プレスロール（１６、１７）が工具キ
ャリヤー（１０、１１）上に回転軸（１２’、１３’）
のまわりを運動可能なアーム（１２、１３）を介して配
置されており、該工具キャリヤーは互いに垂直な２つの
方向（１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂ）に、該中心線
（６）と平行にさらにまたそれに対して横に線形移動可
能であることを特徴とする請求項７記載の装置。
【請求項９】プレスロール（１６、１７）がアーム
（１２、１３）の回転軸（１２’、１３’）に対して垂
直に延びるロール軸（１６’、１７’）を介して自由に
回転可能にアーム（１６、１７）に配置されていること
を特徴とする請５乃至８のいずれかに記載の装置。
【請求項１０】制御装置が電算機化された数値制御装
置であることを特徴とする請求項５乃至９のいずれかに
記載の装置。
【請求項１１】制御装置がテンプレートによる写し取
り制御装置を包含することを特徴とする請求項５乃至９
のいずれかに記載の装置。