WO2018012494A1

WO2018012494A1 - スピニング成形方法

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Publication number: WO2018012494A1
Application number: PCT/JP2017/025261
Authority: WO
Inventors: 憲井川; 嘉秀今村; 恒平三上; 勇人岩崎; 岳生平川
Original assignee: 川崎重工業株式会社
Priority date: 2016-07-13
Filing date: 2017-07-11
Publication date: 2018-01-18
Also published as: JP6705711B2; JP2018008289A; CN109414744B; EP3485993A1; US20200298299A1; US11117177B2; EP3485993A4; CN109414744A

Abstract

スピニング成形方法は、外周縁に沿うリング状の突起（１３）が裏面（２）に形成された板材（１）であって、突起の先端での厚さに対する裏面における突起の先端に向かう部分の傾きが４５度以上となる基準位置（２０）での厚さの比が０．７以下の板材を準備する工程と、板材を回転させる工程と、回転する板材の表面に加工具を押圧しながら、突起の内側から突起の上方に至るように加工具を径方向外向きに移動させる工程と、板材における加工具が押圧される部分を局所的に加熱する工程と、を含む。

Description

スピニング成形方法

　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方法に関する。

　従来から、スピニング成形方法により、軸対称な種々の形状の製品が製造されている。例えば、特許文献１には、テーパー部の大径側端部に内向き膨出部を有する中空構造体を製造するためのスピニング成形方法が開示されている。

　具体的に、特許文献１に開示されたスピニング成形方法は、しごき加工工程と増肉加工工程を含む。しごき加工工程では、回転する板材の表面に加工具を押圧しながら径方向外向きに移動させるとともに、板材における加工具が押圧される部分を局所的に加熱する。これにより、板材の所定範囲がテーパー部となる。増肉加工工程では、テーパー部の周縁部を局所的に加熱しながら、テーパー部の周縁部が内向きに膨らむようにテーパー部の周縁部に成形ローラを押圧する。これにより、テーパー部の大径側端部に内向き膨出部が形成される。

特開２０１５－２０５３０６号公報

　しかしながら、特許文献１に開示されたスピニング成形方法では、加工具を用いるしごき加工工程と、成形ローラを用いる増肉加工工程が必要である。従って、より簡易な方法でテーパー部の大径側端部に内向き膨出部を有する中空構造体を製造することが望まれる。

　そこで、本発明は、テーパー部の大径側端部に内向き膨出部を有する中空構造体を容易に製造できるスピニング成形方法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、本発明の発明者らは、しごき加工で用いる加工具を利用して曲げ加工を行えば、連続した作業でテーパー部の形成と内向き膨出部の形成とを行うことができると考え、鋭意研究の結果、それを実現するための条件を見出した。本発明は、このような観点からなされたものである。

　すなわち、本発明のスピニング成形方法は、外周縁に沿うリング状の突起が裏面に形成された板材であって、前記突起の先端での厚さに対する前記裏面における前記突起の先端に向かう部分の傾きが４５度以上となる基準位置での厚さの比が０．７以下の板材を準備する工程と、前記板材を回転させる工程と、回転する前記板材の表面に加工具を押圧しながら、前記突起の内側から前記突起の上方に至るように前記加工具を径方向外向きに移動させる工程と、前記板材における前記加工具が押圧される部分を局所的に加熱する工程と、を含む、ことを特徴とする。

　上記の構成によれば、突起の内側では、加工具の押圧によってしごき加工が行われる。これにより、板材における突起の内側の所定範囲はテーパー部となる。一方、リング状の突起の内周面の基点となる基準位置での厚さは、突起の先端での厚さに対して十分に小さい。しかも、板材における加工具が押圧される部分が局所的に加熱される。それ故に、加工具が基準位置の上方を超えたときには、その基準位置の内側近傍部分であって局所的な加熱によって軟化した部分を支点として曲げ加工が行われ、突起が径方向内側に倒れ込む。これにより、テーパー部の大径側端部に内向き膨出部が形成される。すなわち、加工具を連続的に径方向外向きに移動させるだけで、しごき加工と曲げ加工を順次に行うことができる。従って、テーパー部の大径側端部に内向き膨出部を有する中空構造体を容易に製造することができる。

　前記板材における前記加工具が押圧される部分を加熱する際には、前記板材の表面側から加熱してもよい。この構成によれば、板材の裏面側から加熱する場合に比べ、基準位置付近を支点とする曲げ加工を良好に行うことができる。

　前記板材は、前記突起の内側に、径方向外側に向かって厚さが減少する減肉部を有してもよい。この構成によれば、しごき加工が進むにつれて板材の厚さが薄くなるため、しごき加工中の加工具にかかる負荷を徐々に低減することができる。

　例えば、前記板材の表面は、少なくとも成形開始点から前記突起の上方まではフラットであり、前記板材の裏面は、前記成形開始点と前記突起の間に、径方向外側に向かって前記表面に近づくように傾斜する外向き傾斜面を有してもよい。

　前記板材の裏面は、前記外向き傾斜面と前記突起との間に、径方向外側に向かって前記表面から遠ざかるように傾斜する内向き傾斜面を有してもよい。この構成によれば、板材の裏面には基準位置よりも内側に凹部が形成される。その結果、特に板材を表面側から加熱する場合に、しごき加工から曲げ加工に移る際、その熱をテーパー部の法線方向において裏面近くまで深く浸透させることができる。これにより、基準位置の内側近傍部分が高温に保たれ、この部分を支点とする曲げ加工をさらに良好に行うことができる。

　前記板材の前記突起の先端での厚さに対する前記基準位置での厚さの比は、０．２以上であってもよい。板材の突起の先端での厚さに対する基準位置での厚さの比が小さすぎると板材の材質によっては曲げ加工時に板材が破断するおそれがあるが、その比が０．２以上であればそのような破断の可能性を低減することができる。

　例えば、前記板材は、チタン合金からなってもよい。

　例えば、前記板材の最小厚さは、１０ｍｍ以上であってもよい。

　本発明によれば、テーパー部の大径側端部に内向き膨出部を有する中空構造体を容易に製造することができる。

本発明の一実施形態に係るスピニング成形方法で用いる板材の断面図である。図２Ａおよび２Ｂは、前記スピニング成形方法を説明するための図である。前記スピニング成形方法を実行するスピニング成形装置の概略構成図である。図４Ａおよび４Ｂは、加熱器の断面図および平面図である。変形例の板材の断面図である。図６Ａは図５に示す板材を用いたときのしごき加工から曲げ加工に移る際の板材内の温度分布を示し、図６Ｂは図１に示す板材を用いたときのしごき加工から曲げ加工に移る際の板材内の温度分布を示す。別の変形例の板材の断面図である。さらに別の変形例の板材の断面図である。

　本発明の一実施形態に係るスピニング成形方法は、図２Ｂに示すようなテーパー部１４の大径側端部に内向き膨出部１５を有する中空構造体を製造するためのものである。テーパー部１４の断面形状は、直線状であってもよいし、曲線状であってもよい。本実施形態のスピニング成形方法では、まず、図１に示すような板材１を準備する。

　板材１は、図２Ｂに示す中空構造体の内面となる裏面２と、中空構造体の外面となる表面３を有している。板材１は、中心軸１１回りに対称であり、平面視で円形状の輪郭を有する。板材１の中心には、円形状の貫通穴１２が設けられている。この貫通穴１２は、例えば、後述する受け治具５２に対する位置決めに利用される。ただし、板材１には必ずしも貫通穴１２が設けられている必要はない。板材１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。

　板材１の裏面２には、板材１の外周縁に沿うリング状の突起１３が形成されている。本実施形態では、突起１３が板材１の外周面の一部を構成するように形成されている。ただし、突起１３は、板材１の外周面から内側に離間するように形成されてもよい。また、突起１３は、必ずしも周方向に連続している必要はなく、周方向に分割された複数の円弧片で構成されてもよい。

　板材１の表面３は、少なくとも成形開始点３０から突起１３の上方まではフラットであることが望ましい。成形開始点３０は、後述する加工具７が板材１の表面３に最初に押圧される位置である。つまり、成形開始点３０から外側の所定範囲がテーパー部１４（図２Ａ参照）となる。

　本実施形態では、表面３の全体がフラットである。ただし、表面３は、成形開始点３０よりも内側で窪んでもよいし盛り上がってもよい。あるいは、突起１３が板材１の外周面から内側に離間するように形成される場合には、突起１３と板材１の外周面との間で表面３が窪んでもよいし盛り上がってもよい。

　裏面２は、より詳しくは、突起１３の内側に、基準面２１、外向き傾斜面２２、環状面２３および内向き傾斜面２４を有している。これらの面２１～２４は、中心側から外側に向かってこの順に並んでいる。

　基準面２１および環状面２３は、表面３と平行である。環状面２３は、基準面２１よりも表面３近くに位置している。つまり、環状面２３と表面３との間の厚さＣが、板材１の最小厚さである。板材１の最小厚さは、例えば１０ｍｍ以上である。

　外向き傾斜面２２は、表面３の成形開始点３０と突起１３の間に存在する。本実施形態では、基準面２１の外周縁が、表面３の成形開始点３０の真下よりも径方向外側に位置している。ただし、基準面２１の外周縁は、表面３の成形開始点３０の真下に位置してもよいし、成形開始点３０の真下よりも径方向内側に位置してもよい。

　外向き傾斜面２２は、基準面２１の外周縁から、径方向外側に向かって表面３に近づくように傾斜する。つまり、外向き傾斜面２２と表面３との間の部分が、径方向外側に向かって厚さが減少する減肉部である。表面３に対する外向き傾斜面２２の傾斜角度は、比較的に小さい（例えば、３０度以下）。環状面２３は、外向き傾斜面２２の外周縁と内向き傾斜面２４の内周縁とを連結している。ただし、環状面２３が省略され、外向き傾斜面２２の外周縁が内向き傾斜面２４の内周縁と直接的に連結されてもよい。

　外向き傾斜面２２と突起１３の間に存在する内向き傾斜面２４は、環状面２３の外周縁から、径方向外側に向かって表面３から遠ざかるように傾斜する。表面３に対する内向き傾斜面２４の傾斜角度は、比較的に小さい（例えば、３０度以下）。

　本実施形態では、突起１３の断面形状が下向きに尖る略台形状となっている。つまり、突起１３は、板材１の表面３と平行な先端面１３ｂと、板材１の外周縁上に位置する筒状の外周面１３ｃと、先端面１３ｂに向かって外周面１３ｃに近づくように傾斜する内周面１３ａを有する。内周面１３ａおよび先端面１３ｂは、板材１の裏面２の一部でもある。外周面１３ｃは、先端面１３ｂに向かって内周面１３ａに近づくように傾斜してもよく、この場合には外周面１３ｃも板材１の裏面２の一部となる。表面３に対する内周面１３ａの傾斜角度は、例えば６０～６５度である。

　板材１は、突起１３の先端での厚さをＡ、裏面２における突起１３の先端に向かう部分の傾きが４５度以上となる基準位置２０での厚さをＢとしたときに、Ａに対するＢの比Ｒ（Ｒ＝Ｂ／Ａ）が０．７以下となるように構成されている。基準位置２０は、本実施形態では内向き傾斜面２４と突起１３の内周面１３ａの交点である。

　本実施形態のスピニング成形方法では、板材１を準備した後に、図３に示すスピニング成形装置４を用いて板材１を回転させながらしごき加工および曲げ加工を行う。なお、図面の簡略化のために、図３では板材１を簡易形状で描いている。

　具体的に、スピニング成形装置４は、板材１を回転させる回転シャフト５１と、回転シャフト５１と板材１の間に介在する受け治具５２と、固定治具６１を含む。受け治具５２は、回転シャフト５１に取り付けられて板材１の中心部を支持し、固定治具６１は、受け治具５２と共に板材１を挟持する。さらに、スピニング成形装置４は、板材１の表面を押圧するための加工具７と、板材１における加工具７が押圧される部分を局所的に加熱するための加熱器８を含む。

　本実施形態では、加熱器８が、誘導加熱により、板材１の一部（加工具７が押圧される部分）を局所的に加熱する。ただし、加熱器８は、レーザーにより板材１の一部を局所的に加熱してもよい。あるいは、板材１の一部を局所的に加熱する加熱器８は、例えばガスバーナー等であってもよい。また、本実施形態では、加熱器８が、板材１の表面３と対向するように配置されている。つまり、加熱器８は、板材１における加工具７が押圧される部分を板材１の表面３側から加熱する。加熱器８による加熱は、加工具７による押圧と同時に行われる。なお、加熱器８による加熱は、加工具７が板材１を押圧している間、常に行われてもよいし断続的に行われてもよい。

　回転シャフト５１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５１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５１の下部は基台４１に支持されており、回転シャフト５１は図略のモータによって回転される。回転シャフト５１の上面はフラットであり、この上面に受け治具５２が固定されている。

　固定治具６１は、加圧ロッド６２に取り付けられており、加圧ロッド６２は、支持部６３によって回転可能に支持されている。支持部６３は、駆動部６４によって上下方向に駆動される。駆動部６４は、回転シャフト５１の上方に配置されたフレーム４２に取り付けられている。ただし、固定治具６１を省略し、例えばボルトによって板材１を受け治具５２に直接的に固定してもよい。

　加工具７は、回転する板材１の表面３に押圧されながら径方向外向きに移動される。本実施形態では、加工具７として、板材１の回転に追従して回転する、断面台形状のローラが用いられている。ただし、加工具７として用いられるローラは、例えば菱形状や長丸状の断面形状を有してもよい。あるいは、加工具７としては、例えばヘラ等が用いられてもよい。

　より詳しくは、加工具７は、第１径方向移動機構４４により回転シャフト５１の径方向に移動されるとともに、第１軸方向移動機構４３により第１径方向移動機構４４を介して回転シャフト５１の軸方向に移動される。第１軸方向移動機構４３は、上述した基台４１とフレーム４２を橋架するように延びている。

　成形中、加熱器８は、加工具７とほぼ同一円周上に配置されるとともに、加工具７と同調して移動される。より詳しくは、加熱器８は、第２径方向移動機構４６により回転シャフト５１の径方向に移動されるとともに、第２軸方向移動機構４５により第２径方向移動機構４６を介して回転シャフト５１の軸方向に移動される。第２軸方向移動機構４５は、上述した基台４１とフレーム４２を橋架するように延びている。

　回転シャフト５１の周方向における加熱器８と加工具７との相対位置関係は、特に限定されるものではない。例えば、加熱器８は、回転シャフト５１を挟んで加工具７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５１の周方向において加工具７から９０度離れた位置）に配置されてもよい。

　図４Ａおよび４Ｂに示すように、加熱器８は、コイル部８２を有する電通管８１と、コイル部８２の周囲に発生する磁束を集約するためのコア８５を含む。コイル部８２は、板材１の回転方向に延びる、板材１に沿った二重円弧状をなしている。コイル部８２の開き角度（両端部間の角度）は、例えば６０～１２０度である。コア８５は、コイル部８２の内側円弧部８３を板材１と反対側から覆う１つの内周側ピース８６と、コイル部８２の外側円弧部８４を板材１と反対側から覆う２つの外周側ピース８７とで構成されている。

　電通管８１内には、冷却液が流れる。また、電通管８１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、加熱器８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、スピニング成形装置４の動作を説明する。

　まず、受け治具５２と固定治具６１の間に板材１を挟持した状態で、回転シャフト５１により板材１を回転させる。ついで、加工具７および加熱器８を板材１の表面３の成形開始点３０に近接する位置に移動し、加熱器８により板材１の成形開始点３０を局所的に加熱する。ついで、加工具７を成形開始点３０に押圧した後、加工具７および加熱器８を同調しながら、径方向の外側に向かって斜め下向きに移動させる。つまり、回転する板材１の表面３に加工具７を押圧しながら、突起１３の内側から突起１３の上方に至るように加工具７を径方向外向きに移動させるとともに、板材１における加工具７が押圧される部分を局所的に加熱する。

　なお、回転シャフト５１の軸方向における加工具７の移動速度Ｖ１と回転シャフト５１の径方向における加工具７の移動速度Ｖ２は、成形中は常に一定であってもよい。あるいは、移動速度Ｖ１，Ｖ２の一方または双方が、成形中に変化してもよい。

　上記のスピニング成形装置４の動作によれば、突起１３の内側では、加工具７の押圧によってしごき加工が行われる。これにより、図２Ａに示すように、板材１における突起１３の内側の所定範囲（成形開始点３０から突起１３まで）はテーパー部１４となる。

　ところで、リング状の突起１３の内周面１３ａの基点となる基準位置での厚さＢが突起Ａの先端での厚さＡとそれほど変わらずに、それらの比Ｒ（＝Ｂ／Ａ）が０．７よりも大きければ（換言すれば、突起１３の高さが小さければ）、突起１３が存する範囲でもしごき加工が行われる。つまり、突起１３は、加工具７の押圧によって回転シャフト５１の軸方向に変形するだけである。

　これに対し、本実施形態では、基準位置２０での厚さＢが、突起１３の先端での厚さＡに対して十分に小さい。しかも、板材１における加工具７が押圧される部分が局所的に加熱される。それ故に、加工具７が基準位置２０の上方を超えたときには、図２Ｂに示すように、その基準位置２０の内側近傍部分であって局所的な加熱によって軟化した部分を支点として曲げ加工が行われ、突起１３が径方向内側に倒れ込む。これにより、テーパー部１４の大径側端部に内向き膨出部１５が形成される。なお、突起１３が径方向内側に倒れ込むことによって突起１３の体積が減少するため、加工具７の外側には余剰の体積分によってバリ１６が形成される。

　すなわち、本実施形態のスピニング成形方法によれば、加工具７を連続的に径方向外向きに移動させるだけで、しごき加工と曲げ加工を順次に行うことができる。従って、テーパー部１４の大径側端部に内向き膨出部１５を有する中空構造体を容易に製造することができる。

　さらに、本実施形態では、板材１における加工具７が押圧される部分が板材１の表面３側から加熱されて突起１３の先端の剛性が保たれるため、板材１の裏面２側から加熱する場合に比べ、基準位置２０の内側近傍部分を支点とする曲げ加工を良好に行うことができる。

　ところで、板材１の突起１３の先端での厚さＡに対する基準位置２０での厚さＢの比Ｒは、０．２以上であることが望ましい。比Ｒが小さすぎると、板材１の材質によっては曲げ加工時に板材１が破断するおそれがある。このような破断が起きる理由は、基準位置２０での厚さＢが薄すぎると、板材１がしごき加工による引張応力の負荷に耐えきれなくなるからである。これに対し、比Ｒが０．２以上であればそのような破断の可能性を低減することができるからである。比Ｒは、０．３以上がより望ましく、０．４以上がさらに望ましい。

　（変形例）
　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、前記実施形態では、板材１の裏面２が断面直線状の複数の平面で構成されていたが、板材１の裏面２は、連続する１つの曲面で構成されてもよい。

　また、板材１の裏面２は、必ずしも突起１３の内側に内向き傾斜面２４を有する必要はない。例えば、図５に示すように、裏面２における突起１３の先端に向かう部分の傾きが４５度以上となる基準位置２０は、外向き傾斜面２２と突起１３の内周面１３ａとの交点であってもよい。

　ただし、前記実施形態のように、外向き傾斜面２２と突起１３の間に内向き傾斜面２４が存在すれば、板材１の裏面２には基準位置２０よりも内側に凹部が形成される。その結果、特に板材１を表面３側から加熱する場合に、しごき加工から曲げ加工に移る際、その熱をテーパー部１４の法線方向において裏面２近くまで浸透させることができる。これにより、基準位置２０の内側近傍部分が高温に保たれ、この部分を支点とする曲げ加工をさらに良好に行うことができる。

　図６Ａは図５に示す板材１を用いたときのしごき加工から曲げ加工に移る際の板材１内の温度分布を示し、図６Ｂは図１に示す板材を用いたときのしごき加工から曲げ加工に移る際の板材１内の温度分布を示す。これらの図から、上記の効果を確認することができる。

　また、板材１の裏面２は、必ずしも突起１３の内側に外向き傾斜面２２を有する必要はない。例えば、図７に示すように、板材１の裏面２は、突起１３以外ではフラットであってもよい。ただし、図１および図５に示すように、板材１の裏面２が突起１３の内側に外向き傾斜面２２を有する、換言すれば板材１が突起１３の内側に径方向外側に向かって厚さが減少する減肉部を有すれば、しごき加工が進むにつれて板材１の厚さが薄くなるため、しごき加工中の加工具７にかかる負荷を徐々に低減することができる。なお、突起１３の内側に存在する減肉部は、例えば図８に示すように、フラットな裏面２と表面３に形成された外向き傾斜面との間の部分であってもよい。図８に示すように、板材１の表面３が突起１３の上方で傾斜している場合には、突起１３の先端での厚さＡは、突起１３の先端と表面３との間の最大距離をいう。

　また、突起１３の断面形状は、必ずしも台形状である必要はない。例えば、突起１３の断面形状は、図７に示すように矩形状であってもよい。あるいは、突起１３の断面形状は、例えば、三角形状であってもよいし、サインカーブのような山形であってもよい。

　また、板材１の最小厚さは、１０ｍｍ未満であってもよい。

　１　　板材
　１３　突起
　２　　裏面
　２０　基準位置
　２２　外向き傾斜面
　２４　内向き傾斜面
　３　　表面
　３０　成形開始点
　７　　加工具

Claims

　外周縁に沿うリング状の突起が裏面に形成された板材であって、前記突起の先端での厚さに対する前記裏面における前記突起の先端に向かう部分の傾きが４５度以上となる基準位置での厚さの比が０．７以下の板材を準備する工程と、
　前記板材を回転させる工程と、
　回転する前記板材の表面に加工具を押圧しながら、前記突起の内側から前記突起の上方に至るように前記加工具を径方向外向きに移動させる工程と、
　前記板材における前記加工具が押圧される部分を局所的に加熱する工程と、
を含む、スピニング成形方法。
　前記板材における前記加工具が押圧される部分を加熱する際には、前記板材の表面側から加熱する、請求項１に記載のスピニング成形方法。
　前記板材は、前記突起の内側に、径方向外側に向かって厚さが減少する減肉部を有する、請求項１または２に記載のスピニング成形方法。
　前記板材の表面は、少なくとも成形開始点から前記突起の上方まではフラットであり、
　前記板材の裏面は、前記成形開始点と前記突起の間に、径方向外側に向かって前記表面に近づくように傾斜する外向き傾斜面を有する、請求項３に記載のスピニング成形方法。
　前記板材の裏面は、前記外向き傾斜面と前記突起との間に、径方向外側に向かって前記表面から遠ざかるように傾斜する内向き傾斜面を有する、請求項４に記載のスピニング成形方法。
　前記板材の前記突起の先端での厚さに対する前記基準位置での厚さの比は、０．２以上である、請求項１～５の何れか一項に記載のスピニング成形方法。
　前記板材は、チタン合金からなる、請求項１～６の何れか一項に記載のスピニング成形方法。
　前記板材の最小厚さは、１０ｍｍ以上である、請求項１～７の何れか一項に記載のスピニング成形方法。