JPWO2014196127A1 - スピニング増肉成形方法およびスピニング増肉成形装置 - Google Patents

Abstract

スピニング増肉成形方法は、中心部（８３）が固定治具（３）に固定された板材（８）を回転させながら板材（８）の周縁部（８１）の肉厚を増大させる方法である。具体的には、板材（８）における少なくとも固定治具（３）に隣接する部分（８２）に剛性が保持されるように板材（８）の周縁部（８１）を局所的に加熱しながら、板材（８）の周縁部（８１）に成形ローラ（６）を押圧して周縁部（８１）を少なくとも当該周縁部（８１）の厚み方向と直交する方向に押し込む。

Description

本発明は、板材を回転させながら前記板材の周縁部の肉厚を増大させるスピニング増肉成形方法、およびこのスピニング増肉成形方法に好適なスピニング増肉成形装置に関する。

スピニング成形は、一般にしごき加工や絞り加工に利用されることが多いが、板材の周縁部の肉厚を増大させる方法として用いられることもある。例えば、特許文献１には、図９に示すように、固定台１１０と押圧板１２０で板材１００を挟み込み、この板材１００を回転させながら当該板材１００における固定台１１０および押圧板１２０から張り出す張り出し部１０１の肉厚を増大させる方法が開示されている。

特許文献１に開示された方法では、固定台１１０および押圧板１２０が増肉形状の金型としても機能する。具体的には、固定台１１０および押圧板１２０は同程度の大きさを有し、固定台１１０の側面の上部および押圧板１２０の側面の下部には、板材１００に向かって縮径するテーパー面が形成されている。

そして、特許文献１に開示された方法では、まず、板材１００の張り出し部１０１全体が高周波加熱装置により加熱され、その後に、断面略三角形状の成形溝が形成されたスエージングダイ１３０が固定台１１０および押圧板１２０に当接するまで張り出し部１０１を押し込むことにより、当該張り出し部１０１が断面矢じり状に成形される。なお、特許文献１の他の図からは、スエージングダイ１３０は板材１００に追従して回転するローラであると推測される。

特開平７−２９０１８１号公報

しかしながら、固定台１１０および押圧板１２０を増肉形状の金型として機能させる場合は、固定台１１０および押圧板１２０を同程度の大きさにし、固定台１１０および押圧板１２０を高精度に製造する必要がある。従って、成形装置のコストが高くなる。

そこで、本発明は、板材の周縁部の肉厚を安価に増大させることができるスピニング増肉成形方法を提供するとともに、その成形方法に好適なスピニング増肉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増肉成形方法は、中心部が固定治具に固定された板材を回転させながら前記板材の周縁部の肉厚を増大させるスピニング増肉成形方法であって、前記板材における少なくとも前記固定治具に隣接する部分に剛性が保持されるように前記板材の周縁部を局所的に加熱しながら、前記板材の周縁部に成形ローラを押圧して前記周縁部を少なくとも当該周縁部の厚み方向と直交する方向に押し込むことを特徴とする。

上記の構成によれば、板材の周縁部を局所的に加熱する際に、板材における少なくとも固定治具の近傍に剛性が保持された部分が残されるために、この剛体部分で成形ローラの押し込み力に耐えながら、換言すれば固定治具から離れた位置で、周縁部の肉厚を増大させることができる。従って、固定治具としては単に板材の中心部が固定可能な機能を有するものを用いることができ、成形装置のコストを低く抑えることができる。

例えば、前記板材の周縁部を、高周波誘導加熱により加熱してもよい。

前記高周波誘導加熱による加熱を、前記板材の周縁部に沿って延びる二重円弧状のコイル部と、前記コイル部が嵌め込まれる溝が形成された、前記コイル部を前記板材の周縁部と反対側から覆うコアと、を含む加熱器を用いて行ってもよい。この構成によれば、板材の周縁部に磁束を集中させることができ、周縁部を効率的に加熱することができる。

前記成形ローラの回転軸方向を前記板材の周縁部の厚み方向と平行にした状態で、前記成形ローラを前記板材の周縁部に押圧してもよい。この構成によれば、成形ローラを回転可能に支持する軸受に過度な負荷がかかることを防止することができる。

前記成形ローラは、当該成形ローラの回転軸方向に延びる円筒状の押圧面と、前記押圧面の少なくとも一方の端部から立ち上がるガイド面と、を有してもよい。この構成によれば、円筒状の押圧面により、板材の周縁部の厚み方向に平行な端面を形成することができるとともに、ガイド面により、押し込みによる周縁部の厚み方向の拡張を規制することができる。

前記成形ローラを、前記板材の周縁部の厚み方向と直交する方向に対して傾斜する押圧方向に沿って前記板材の周縁部に押圧して、前記ガイド面は、前記押圧面における前記押圧方向が傾斜する側と反対側の端部に、前記押圧面と鈍角をなすように設けられていてもよい。この構成は、板材の周縁部を厚み方向の一方に膨らむように成形する際に好適である。

前記板材は、チタン合金からなってもよい。鋼やアルミニウム合金などは、温度が上昇するにつれて耐力（塑性変形を開始する応力）が徐々に低下するが、チタン合金では、ある温度域で耐力が大きく低下する。従って、その温度域よりも高い温度で板材の周縁部を加熱すれば、板材の周縁部を含む狭い範囲のみを変形させることができる。

また、本発明のスピニング増肉成形装置は、板材の中心部が固定される固定治具と、前記固定治具が取り付けられた回転シャフトと、前記板材の周縁部を局所的に加熱する加熱器と、加熱された前記板材の周縁部に、当該周縁部の厚み方向と直交する方向に対して傾斜する押圧方向に沿って押圧されることにより、前記周縁部を少なくとも当該周縁部の厚み方向と直交する方向に押し込む成形ローラと、を備え、前記成形ローラは、当該成形ローラの回転軸方向に延びる円筒状の押圧面と、前記押圧面における前記押圧方向が傾斜する側と反対側の端部から前記押圧面と鈍角をなすように立ち上がるガイド面と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、板材の周縁部の肉厚を安価に増大させることができる。

本発明の一実施形態に係るスピニング増肉成形方法に用いられるスピニング増肉成形装置の概略構成図である。 図２Ａは加熱器の平面図、図２Ｂは図２ＡのII−II線に沿った断面図である。 図３Ａおよび３Ｂは成形ローラの部分的な断面図であり、図３Ａは増肉加工前の状態を示し、図３Ｂは増肉加工後の状態を示す。 図４Ａ〜４Ｄは板材の周縁部の形状を示す図である。 チタン合金であるＴｉ−６Ａｌ−４Ｖの温度と耐力の関係を示すグラフである。 変形例の成形ローラおよび板材の断面図である。 補助ローラを含むスピニング増肉成形装置の構成図である。 図８Ａおよび８Ｂは変形例の補助ローラを示す図である。 従来のスピニング増肉成形装置の部分的な断面図である。

図１に、本発明の一実施形態に係るスピニング増肉成形方法に用いられるスピニング増肉成形装置１を示す。この装置１によれば、中心部８３が固定治具３に固定された板材８を回転させながら板材８の周縁部８１の肉厚を増大させる方法が実行される。より詳しくは、装置１は、板材８における少なくとも固定治具３に隣接する部分に剛性が保持されるように板材８の周縁部８１を局所的に加熱しながら、板材の周縁部８１に成形ローラ６を押圧して周縁部８１を少なくとも当該周縁部８１の厚み方向と直交する方向に押し込む。周縁部８１の肉厚が増大された板材８は、その後に機械加工により所望の形状に切削されてもよい。

具体的に、装置１は、回転シャフト２と、回転シャフト２に取り付けられた固定治具３と、固定治具３と共に板材８を挟み込む押え治具４と、を備えている。固定治具３には板材８の中心部８３が固定される。さらに、装置１は、板材８の周縁部８１を局所的に加熱する加熱器７と、加熱された周縁部８１に押圧される成形ローラ６と、を備えている。

本実施形態では、回転シャフト２の回転軸方向は鉛直方向である。ただし、回転シャフト２の回転軸方向は、水平方向や斜め方向であってもよい。回転シャフト２の下部は基台１１に支持されており、基台１１内には回転シャフト２を回転させるモータ（図示せず）が配置されている。

板材８の形状は、回転シャフト２の回転軸方向から見て（以下、単に「平面視で」という。）円形状である限り、特に限定されるものではない。本実施形態では、板材８が下向きに拡径する皿状であるが、板材８は底壁の周縁から周壁が垂直に垂れ下がるカップ状であってもよい。板材８が皿状やカップ状である場合は、板材８は、上向きに開口する姿勢で固定治具３に固定されてもよい。あるいは、板材８は、全体的に湾曲するボウル状であってもよいし、フラットな板状（図６参照）であってもよい。

本実施形態では、板材８は、チタン合金からなる。チタン合金には、耐食合金（例えば、Ｔｉ−０．１５Ｐｄ）、α合金（例えば、Ｔｉ−５Ａｌ−２．５Ｓｎ）、α＋β合金（例えば、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ）、β合金（Ｔｉ−１５Ｖ−３Ｃｒ−３Ｓｎ−３Ａｌ）などがある。ただし、板材８の材質は、チタン合金に限られるものではなく、例えば、鋼やアルミニウム合金であってもよい。

固定治具３は、例えば平面視で板材８よりも小さな円形状の台であり、板材８の中心部８３に沿う形状の支持面（本実施形態では上面）を有している。すなわち、板材８における平面視で固定治具３の周囲に位置するリング状の部分が固定治具３に隣接する近位部（proximal portion）８２であり、周縁部８１は近位部８２から見た先端部（distal end）である。固定治具３の支持面には、中心に位置決めピンが設けられていてもよく、この場合には、板材８の中心に位置決めピンと嵌合する貫通穴が設けられる。

押え治具４は、昇降機構５２によって昇降される加圧ロッド５１に取り付けられている。昇降機構５２によって押え治具４が固定治具３上の板材８に押し付けられることにより、板材８が固定治具３に固定される。昇降機構５２は回転シャフト２の上方に配置されたフレーム１２に固定され、昇降機構５２には加圧ロッド５１を回転可能に支持する軸受が内蔵される。ただし、押え治具４は必ずしも必要ではなく、板材８がネジ止めによって固定治具３に固定されてもよい。

加熱器７と成形ローラ６は、例えば、回転シャフト２を挟んで互いに反対側に配置される。例えば、加熱器７は、第１水平動機構１３により、回転シャフト２の回転軸を中心とする径方向に移動させられ、第１水平動機構１３は、第１上下動機構１４により鉛直方向に移動させられる。同様に、例えば、成形ローラ６は、第２水平動機構１５により、回転シャフト２の回転軸を中心とする径方向に移動させられ、第２水平動機構１５は、第２上下動機構１６により鉛直方向に移動させられる。第１上下動機構１４および第２上下動機構１６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。

本実施形態では、加熱器７として、高周波誘導加熱により板材８の周縁部８１を加熱する加熱器が用いられている。ここで、「高周波誘導加熱」とは、周波数が５ｋＨｚ〜４００ｋＨｚの誘導加熱をいう。ただし、加熱器７としては、例えばガスバーナーなどを用いることも可能である。

具体的に、加熱器７は、図２Ａおよび２Ｂに示すように、コイル部７２を有する導線７１と、コイル部７２の周囲に発生する磁束を集約するためのコア７５を含む。板材８の材質がチタン合金である本実施形態では、加熱器７は、例えば、誘導加熱による表皮効果により、板材８の周縁部８１を５００〜１０００℃程度に加熱する。導線７１は、内部を冷却液が流れる中空の管である。例えば、板材８の周縁部８１の温度が計測され、この計測温度が目標温度となるように、導線７１に印加される交流電圧が制御される。

本実施形態では、板材８の周縁部８１は、図４Ａに示すように水平方向にカットされた形状となっているが、図４Ｂに示すように鉛直方向にカットされた形状であってもよいし、図４Ｃに示すように先端が丸められた形状であってもよいし、図４Ｄに示すように厚さ方向にカットされた形状であってもよい。

コイル部７２は、板材８の周縁部８１に沿って延びる二重円弧状をなしている。本実施形態では、加熱器７が周縁部８１の真下に配置されている（周縁部８１を下方から加熱する）ため、コイル部７２の２つの円弧部が並ぶ方向は水平方向である。ただし、加熱器７が周縁部８１の真横に配置される（周縁部８１を径方向外側から加熱する）場合は、コイル部７２の２つの円弧部が並ぶ方向は鉛直方向であってもよい。

コア７５は、コイル部７２を板材８の周縁部８１と反対側から覆う円弧状の部材である。コア７５の板材８の周縁部８１と対向する面（本実施形態では上面）には、コイル部７２が嵌め込まれる溝が形成されている。本実施形態では、コア７５は、コイル部７２の内側円弧部が嵌め込まれる溝７６ａが形成された１つの内周側ピース７６と、外側円弧部が嵌め込まれる溝７７ａが形成された２つの外周側ピース７７で構成されている。ただし、コア７５は、内周側ピース７６と外周側ピース７７とが絶縁体を介して一体となった構成を有していてもよい。

板材８の材質がチタン合金である本実施形態では、板材８における少なくとも近位部８２に剛性が保持されるように板材８の周縁部８１を局所的に加熱するには、チタン合金の熱伝導率が非常に低いために、固定治具３から周縁部８１までの距離をある程度確保するだけでよい。このようにすれば、近位部８２の温度が比較的に低く保たれるために、少なくとも近位部８２に剛性が保持される。

板材８の材質が鋼やアルミニウム合金である場合は、板材８における少なくとも近位部８２に剛性が保持されるように板材８の周縁部８１を局所的に加熱するには、例えば、固定治具３に冷却手段を設けるなどの対策を施せばよい。

加熱された板材８の周縁部８１に押圧される成形ローラ６は、図３Ａに示すように、中心に貫通穴を有し、その貫通穴にシャフト６５が挿通されている。シャフト６５と貫通穴の間には、成形ローラ６を回転可能に支持する一対の軸受が配置される。なお、図３Ａでは、図面の簡略化のために、成形ローラ６をシャフト６５に嵌合するように描き、軸受の作図を省略している。シャフト６５の両端部は、図１に示すように、第２水平動機構１５に取り付けられたブラケット６７（図３Ａでは作図を省略）に支持されている。

成形ローラ６は、複数設けられていてもよい。例えば、２つの成形ローラ６を、回転シャフト２を挟んで互いに反対側に配置してもよい。この場合、加熱器７は、回転シャフト２の回転軸を中心として、両成形ローラ６と９０度をなす位置に配置してもよい。

図３Ａに戻って、成形ローラ６は、当該成形ローラ６の回転軸方向Ｙが周縁部８１の厚み方向Ｔと平行にされた状態で、周縁部８１に押圧されることが望ましい。成形ローラ６を回転可能に支持する軸受に過度な負荷がかかることを防止するためである。なお、回転軸方向Ｙは、必ずしも厚み方向Ｔと完全に平行である必要はなく、例えば厚み方向Ｔに対する角度が５度以下などの、厚み方向Ｔと実質的に平行であればよい。

成形ローラ６を板材８の周縁部８１に押圧する押圧方向Ｐは、周縁部８１の厚み方向Ｔと直交する直交方向Ｘと平行であってもよいし、直交方向Ｘに対して傾斜する方向であってもよい。前者の構成は、周縁部８１を厚み方向Ｔの両方に膨らむように成形する際に好適であり、後者の構成は、周縁部８１を厚み方向Ｔの一方に膨らむように成形する際に好適である。本実施形態では、周縁部８１を内側に膨らませるために、押圧方向Ｐは、直交方向Ｘよりも水平に近い方向である。このような押圧方向Ｐに沿って成形ローラ６を周縁部８１に押圧することにより、図３Ｂに示すように周縁部８１を内側に膨らむ増肉形状に成形することができる。当然ながら、周縁部８１を外側に膨らませることも可能である。

押圧方向Ｐが直交方向Ｘに対して傾斜する場合、それらのなす角度θは、２０度以下であることが望ましい。角度θが２０度を超えると、周縁部８１の曲げ変形に多くの力が費やされるため、成形ローラ６の押し込みに大きな力が必要となるからである。

成形ローラ６は、より詳しくは、当該成形ローラ６の回転軸方向Ｙに延びる円筒状の押圧面６１と、押圧面６１における直交方向Ｘに対して押圧方向Ｐが傾斜する側と反対側の端部から立ち上がるガイド面６２と、を有している。本実施形態では、ガイド面６２が押圧面６１と鈍角をなしている。ガイド面６２の角度は、図３Ｂに示すように成形ローラ６が押し込まれたときに、ガイド面６２の径方向外側の端部が板材８と干渉するのを防止するように設定される。

押圧面６１とガイド面６２の間には、それらを滑らかに連結する丸み部６３が形成されている。本実施形態のように水平方向にカットされた形状の周縁部８１を内側に膨らませる場合は、周縁部８１の先端の初期接触位置は、丸み部６３の中央からガイド面６２側の端点までの範囲内であることが望ましい。

丸み部６３の曲率半径Ｒは、大きすぎると成形ローラ６の押し込み力が大きくなり、小さすぎると周縁部８１に割れやしわなどが発生しやすくなる。従って、丸み部６３の曲率半径Ｒは、周縁部８１の厚みをｔとしたときに、ｔ／２０以上、ｔ／２以下であることが望ましい。例えば、ｔ＝３０ｍｍの場合、１．５ｍｍ≦Ｒ≦１５ｍｍである。

以上説明したように、本実施形態では、板材８の周縁部８１を局所的に加熱する際に、板材８における少なくとも固定治具３の近傍に剛性が保持された部分が残されるために、この剛体部分で成形ローラ６の押し込み力に耐えながら、換言すれば固定治具３から離れた位置で、周縁部８１の肉厚を増大させることができる。従って、固定治具３としては単に板材８の中心部８３が固定可能な機能を有するものを用いることができ、成形装置１のコストを低く抑えることができる。

また、本実施形態では、コイル部７２を板材８の周縁部８１と反対側から覆うコア７５を含む加熱器７を用いているので、板材８の周縁部８１に磁束を集中させることができ、周縁部８１を効率的に加熱することができる。

さらに、本実施形態では、成形ローラ６の円筒状の押圧面６１により、板材８の周縁部８１の厚み方向Ｔに平行な端面を形成することができるとともに、ガイド面６２により、押し込みによる周縁部８１の厚み方向Ｔの拡張を規制することができる。

ところで、鋼やアルミニウム合金などは、温度が上昇するにつれて耐力（塑性変形を開始する応力）が徐々に低下するが、チタン合金では、図５に示すように、ある温度域（約３２０℃〜４００℃）で耐力が大きく低下する。従って、その温度域よりも高い温度で板材８の周縁部８１を加熱すれば、周縁部８１を含む狭い範囲のみを変形させることができる。

（その他の実施形態）
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

例えば、ガイド面６２は、押圧面６１の少なくとも一方の端部から立ち上がっていればよい。また、ガイド面６２が押圧面６１となす角度は鈍角に限られない。例えば、図６に示すように、ガイド面６２は、押圧面６１の両端部に、押圧面６１と垂直に設けられていてもよい。

また、例えば図７に示すように、成形ローラ６の押圧によって板材８の周縁部８１が径方向外側へ流動することが抑制されるように、補助ローラ９を板材８の周縁部８１に補助的に押圧してもよい。補助ローラ９は、図７に示すように回転軸方向が鉛直方向と平行な、側面の断面形状が略二等辺三角形となる形状を有していてもよい。あるいは、補助ローラ９は、図８Ａに示すように、回転軸方向が板材８の周縁部８１の厚さ方向と直交する円盤状であってもよいし、図８Ｂに示すように台形状の断面形状を有し、回転軸方向が周縁部８１の厚さ方向と平行になっていてもよい。

本発明は、板厚の小さな板材を用いて実製品に近い形状を得ることができ（ニアネットシェイプ化）、材料費低減に有用である。

１ スピニング増肉成形装置
２ 回転シャフト
３ 固定治具
６ 成形ローラ
６１ 押圧面
６２ ガイド面
７ 加熱器
７２ コイル部
７５ コア
７５ａ，７５ｂ 溝
８ 板材
８１ 周縁部
８２ 近位部
８３ 中心部

Claims (8)

1. 中心部が固定治具に固定された板材を回転させながら前記板材の周縁部の肉厚を増大させるスピニング増肉成形方法であって、
   前記板材における少なくとも前記固定治具に隣接する部分に剛性が保持されるように前記板材の周縁部を局所的に加熱しながら、前記板材の周縁部に成形ローラを押圧して前記周縁部を少なくとも当該周縁部の厚み方向と直交する方向に押し込む、スピニング増肉成形方法。
2. 前記板材の周縁部を、高周波誘導加熱により加熱する、請求項１に記載のスピニング増肉成形方法。
3. 前記高周波誘導加熱による加熱を、前記板材の周縁部に沿って延びる二重円弧状のコイル部と、前記コイル部が嵌め込まれる溝が形成された、前記コイル部を前記板材の周縁部と反対側から覆うコアと、を含む加熱器を用いて行う、請求項２に記載のスピニング増肉成形方法。
4. 前記成形ローラの回転軸方向を前記板材の周縁部の厚み方向と平行にした状態で、前記成形ローラを前記板材の周縁部に押圧する、請求項１〜３のいずれか一項に記載のスピニング増肉成形方法。
5. 前記成形ローラは、当該成形ローラの回転軸方向に延びる円筒状の押圧面と、前記押圧面の少なくとも一方の端部から立ち上がるガイド面と、を有する、請求項４に記載のスピニング増肉成形方法。
6. 前記成形ローラを、前記板材の周縁部の厚み方向と直交する方向に対して傾斜する押圧方向に沿って前記板材の周縁部に押圧し、
   前記ガイド面は、前記押圧面における前記押圧方向が傾斜する側と反対側の端部に、前記押圧面と鈍角をなすように設けられている、請求項５に記載のスピニング増肉成形方法。
7. 前記板材は、チタン合金からなる、請求項１〜６のいずれか一項に記載のスピニング増肉成形方法。
8. 板材の中心部が固定される固定治具と、
   前記固定治具が取り付けられた回転シャフトと、
   前記板材の周縁部を局所的に加熱する加熱器と、
   加熱された前記板材の周縁部に、当該周縁部の厚み方向と直交する方向に対して傾斜する押圧方向に沿って押圧されることにより、前記周縁部を少なくとも当該周縁部の厚み方向と直交する方向に押し込む成形ローラと、を備え、
   前記成形ローラは、当該成形ローラの回転軸方向に延びる円筒状の押圧面と、前記押圧面における前記押圧方向が傾斜する側と反対側の端部から前記押圧面と鈍角をなすように立ち上がるガイド面と、を有する、スピニング増肉成形装置。
   

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