JP2002507153A - レーザの補助によって曲げ加工を行う方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、レーザー光線（６）によって中間製品、例えば金属薄板（１）を選択的に加熱しながら、機械的な力作用によって中間製品を曲げるための方法に関する。本発明による方法では、線状の加熱区分（９）を形成するために、単数または複数のレーザ光線（６）から光線フィールド（７，２１）が形成され、曲げ線（８）に沿った全ての点で中間製品に作用していることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】 レーザの補助によって曲げ加工を行う方法 本発明は、レーザ光線によって曲げ縁部に沿って中間製品を選択的に加熱する と同時に機械的な力によって中間製品の曲げを行うための方法に関する。 Ｖ字形ダイで曲げ加工を行う場合に公知の形式では、先ず曲げたい金属薄板は 、幅ｗを有するダイ上に載置され、曲げポンチが、Ｖ字形ダイの、支持部として 働く端縁部間の中央で薄板上に係合する。このポンチによって加えられる力作用 およびこの力作用よって支持点に発生する反力は、金属薄板に曲げモーメントを 生ぜしめ、これによって金属薄板が曲げられ、ポンチはダイのＶ字形溝の最深部 に向かって引き続き移動する。曲げ工程のこの第１段階では、自由な曲げが行わ れ、つまり曲げ線が薄板内のモーメント分布に基づいてのみ形成され、ダイの肩 部もしくはポンチの形による作用は金属薄板と接触している丸みを除いて及ぼさ れない。ダイおよびポンチの本来の作用は金属薄板が生じる曲げ半径に基づいて ダイにおける始めの支持点から離れて、肩部に沿って最深部の方向に移行する場 合に初めて生じる。この場合、次第にダイとポンチとの間の形状接続的な接触が 得られ、その結果、型曲げ加工の特有のわずかな型締めもしくは正確に規定され た曲げ半径が達成される。型曲げ加工のこの第２段階は、後加圧（Nachdruecken ）または後型打ち（Nachpraegen）とも呼ばれる。この段階は、プレスによって 生じる力の著しい上昇によって特徴づけられている。 型曲げ加工の使用の限度は、一方では降伏伸びおよび降伏応力のような材料特 性によって決定され、他方ではダイ幅および金属薄板の寸法のような幾何学的な 所与事情によって決定される。周知の曲げ加工理論によって明らかなように、必 要な曲げ力は自由な曲げを行っている間は降伏応力、金属薄板の幅、並びに金属 薄板の厚さの２乗に比例しているので、プレスの構造によって規定された最大の プレス力では、材料特性もしくは中間製品寸法に関連した限界が生じる。これに 対して圧縮段階では、プレス力は一次関数的に金属薄板厚さにしか左右されない ものの、この場合、全体的な所要力は、自由な曲げを行っている間よりも、約３ ０倍だけ高くなっている。 別の限界が降伏伸びによって与えられ、降伏伸びの限度を超過した場合に曲げ 縁部にき裂が生じる。公知の曲げ理論によってさらに明らかなように、危険な負 荷が、曲げられた中間製品の最も外側の面に生じ、この場合そこに生じる伸びは 曲げ半径の逆数値に関連している。従って小さな曲げ半径は、このような曲げ半 径が実際には最も多く要求され、降伏伸びの高い値を前提とする。 材料工学の公知のデータでは、降伏応力は一般的に中間製品温度とともに低下 し、これに対して降伏伸びは増大する。際だった青熱脆性を示す鋼のような材料 は例外であり、このような材料では、青熱脆性は材料に特有の限界温度（オーダ 的には２００℃）の上側で生じる。 降伏応力の温度に関する前述の特性から推測されるように、それ自体公知の形 式において材料を曲げ工程前または曲げ工程中に加熱され、その結果、得ようと する最小の曲げ半径もしくは必要な最大力が減少する。しかし中間製品の全体的 な加熱は重要ではない。なぜならばこれには多くのエネルギが必要であり、撓み または酸化被膜が生じ、ひいては材料の組織の不都合な変化が生じるからである 。中間製品全体を加熱することに関連した問題を回避するために、それ自体公知 である、中間製品をレーザ光線で選択的に加熱する、つまりエネルギを中間製品 の本来の変形が行われる箇所のみに供給するという方法がある。この箇所は曲げ 加工の場合には曲げ縁部に沿った直線的な区分であり、この場合、薄板で最大の 引っ張り応力が生じる領域である外側の区域が加熱に特に良好に反応し、なぜな らばそこには、引張り強さを越えることに基づき、最初のき裂の形成が予測され るからである。 米国特許出願公開第５３５９８７２号明細書およびドイツ連邦共和国特許出願 公開第４２２８５２８号明 細書において、一方の面では堅く緊締されかつ、他方の面ではロボットによって 保持されている金属薄板に、レーザー光線が所望の曲げ線に沿って早い速度で周 期的に移動して照射され、その上にロボットが曲げ力を作用させて、金属薄板を 、予め加熱された曲げ線に沿って曲げる。しかし欠点として、レーザ光線の往復 動によって曲げ線の個々の点がレーザ光線によって短い時間でしか加熱されず、 その結果周期的に変動する温度領域が生じて、この温度領域はさらに曲げ線に沿 った位相ずれ（Phasenverschiebung）を示す。この場合往復動の周期数を高くす ることによって、温度の変動が十分に小さくされる。しかし特に、短時間に作用 する強力な光線は、局地的な過熱、極端な場合は融解もしくは高い冷却速度を生 ぜしめ、これにより金属薄板の金属特性は、曲げ線の領域において不都合な影響 を受ける。この問題は使用したいレーザ出力が高くなるほど、つまり加工したい 薄板が厚くなるか、もしくは曲げ線が長くなるほど、深刻なものになる。別の欠 点として、幾何学的な所与事情に基づいてレーザ光線は、常に、中間製品の圧力 負荷される側に作用しており、しかしながら明らかなように、曲げ加工における 危険な区域は最大の引張り応力を受ける領域であり、このため最小の曲げ半径を 下回った場合に、き裂が生じる。上述した往復動を発生させるために、ドイツ連 邦共和国特許出願公開第４２２８５２８号明細書に記 載された光学的なコンバータ装置（Wandlereinrichtung）の他に、欧州特許出願 公開第０５３６６８３号明細書に記載されているようなねじ線状に支持ローラに 組み付けられたリフレクタも適している。 米国特許出願公開第５３５９８７２号明細書およびドイツ連邦共和国特許出願 公開第４２２８５２８号明細書記載の手段で生じる不都合な時間的な温度変動を 完全に回避するために、加熱は曲げ線に沿って、１つの焦点線に形成されるレー ザ光線によって実現されなければならない。レーザ光線をこのように形成するた めに、同様に多数の解決策が公知である。オーストリア特許第１３８８３７号明 細書に記載された方法では線状の焦点を生ぜしめるために、円柱状のミラーとレ ンズの組み合わせユニットを使用しており、金属薄板の磁石特性を好都合に影響 させるために、前記焦点で、連続する薄板が幅に沿って加熱処理される。別の方 法は、欧州特許出願公開第０５４９３５７号明細書に記載されており、この方法 では、レーザ光線のためにも光線のためにも従来のランプを使用可能である。こ の場合、欧州特許出願公開第０５４９３５７号明細書に記載された光線を案内す るための光学装置の幾つかにおいて生じる高いエネルギ損失は、良好に処理され ている。なぜならば組織またはプラスチックの加工のために必要な光線出力はわ ずかであるからである。しかし曲げ加工を行う装置の幾何学的な構成ならびにそ こで必要とされる高い光線出力によって、前述の方法は線状の加熱区分の形成の ためには適していない。 本発明に基づき、周期的に変動する温度分布が回避され、このためにレーザ光 線が線状の光線フィールドとして曲げ線の各点に供給される。このような構成に よって、全ての時点で曲げ線の全ての箇所に等質の状態が得られ、その結果、曲 げ工程が中間製品の全長にわたって完全に均質に行われる。線状の光線フィール ドを形成して、該光線フィールドを曲げ線に供給するために、本発明ではビーム 形成および光線供給を行うための装置が、機械的な力作用を導入する曲げ加工に 必要な装置内に組み込まれている。有利には本発明の方法を、型曲げの過程に使 用することができ、これにより機械的な力が曲げポンチおよび曲げダイによって 中間製品に伝達される。本発明による方法の付加的な利点は、レーザ光線が、中 間製品の最大の引張り応力が生じる面に照射されるという点にある。 レーザ光線を曲げポンチとは反対側の中間製品の表面に供給することは、本発 明の実施態様では、円柱レンズおよび／または円柱ミラーから成る光学系によっ て行われる。この場合、それ自体公知の光学法則が利用される。光学法則に基づ き、垂直な軸を有する２つの円柱レンズおよび／または円柱ミラーを介して、レ ーザ光線の拡散および収束直径に、互いに連続する２つの垂直な遷移方向で、互 いに依存することなく干渉 することを可能にしている。光学系の適切な構成によって、本発明に基づき線状 の光線フィールドひいては曲げ線に沿った加熱区分が形成され、この光線フィー ルドが曲げようとする中間製品の塑性変形を行う領域と重なり合うように設定さ れる。 本発明の別の構成は、それ自体公知のスリットを備えた中空案内部材の使用に 基づいている。例えば銅から形成される中空案内部材は、ＣＯ₂レーザの光線を わずかな損失で伝播することができ、このことはこれは中空案内部材内での損失 の少ない繰り返し反射に基づいている。スリットを設けることによって、中空案 内部材の外周に対するスリット幅の割合に関連した光線の出力量が、中空案内部 材から導出される。この光線の出力量の一部は、材料例えば鋼にぶつかって反射 される。鋼の反射損失は、銅の反射損失より著しく高いので、曲げ縁部の全長に わたる方向で見て、中空案内部材内に導入された元の出力の大部分は吸収される 。中間製品に導入される単位長さ当りの出力を適合させるために、レーザ出力の 他に、中空案内部材のスリット幅と内径とが考慮され、この場合両パラメータは 長さとともに変えられてよい。中空案内部材における損失の減少、もしくは長期 間にわたる低い損失の維持のために、中空案内部材の内側が、それ自体公知の形 式で研磨して成形され、ガス流によって軸方向に洗浄されてよい。中空案内部材 内での軸方向の出力密度が 中間製品による吸収によって減少するので、本発明に基づきレーザ光線を中空案 内部材の両側から中空案内部材内に導入する別の方法が提供される。 中間製品と中空案内部材との間の良好な接触のために、本発明による別の方法 によって、中空案内部材が対応保持体によってばね力で曲げ縁部に対して押しつ けられ、これにより中空案内部材は常に曲げ縁部に形状接続的（formschluessig ;形状による束縛）に接触している。ダイの最深部の領域には切欠が設けられて おり、この切欠は中空案内部材を曲げ工程の最終段階で収容し、これにより曲げ ダイ、曲げポンチ、金属薄板および中空案内部材は互いに形状接続的に接触して いる。 本発明の別の構成では、円柱状の光学システム、もしくは中空案内部材によっ て形成される複数の線状の光線フィールドが、相前後してもしくはオーバラップ して配置されている。このために必要である多量のレーザ光線は、それ自体公知 の方法で分配される高出力の唯一のレーザ光線によってか、または出力の低い複 数のレーザによって生ぜしめられる。 また本発明の別の構成によって、レーザの運転方式、すなわち連続波レーザま たはパルスレーザを選択することによって材料の加熱工程および冷却工程を調整 することができる。しかし曲げ線の全ての点は、同時にレーザ光線によって負荷 される。 最後に有利な方法では、線状の光線フィールドが曲げ工具の上ダイおよび下ダ イを通して導かれて、中間製品の互いに相対する表面に一様な加熱区域を形成す るために曲げ線に沿って供給され、これにより材料特性に基づいて曲げに加工に とって制限された材料が処理でき、もしくは大きな厚さを有する中間製品が処理 できる。 次に図面に基づき本発明の実施例を詳説する。 第１図には、本発明による方法を行うための装置の正面図が示されており、 第２図には、本発明による方法が行われた後の第１図の装置の正面図が示され ており、 第３図には、本発明による別の方法を行うための装置の正面図が示されており 、 第４図には、第３図の装置の側面図が示されており、 第５図には、本発明によるさらに別の方法を行うための装置の正面図が示され ている。 種々異なって記載された実施の形態において、同じ部材は同じ符号もしくは部 材番号で示したことを先ず言及しておく。この場合、明細書全体の開示では、同 様の意味で同じ部材に同じ部材名称が付与されている。明細書内で選択された位 置の指示、例えば上、下、側方等の、直接記載された並びに示された図面に基づ いて示されており、位置が変わった場合には、新しい 位置に基づいて示される。さらに本発明の個々の特徴部、または図示されたおよ び記載された種々異なる実施例の特徴部の組み合わせが、本発明による解決策の ために図示されている。 第１図および第２図には、本発明による、中間製品を曲げる方法のための装置 の１実施形態が示されている。この方法では、レーザ光線６のための中空案内部 材４が中間製品を加熱するために使用される。第１図には曲げ工程直前の配置が 示されており、第２図には曲げ工程後の配置が示されている。曲げ工程の始めに 先ず、中間製品、例えば金属薄板１がダイ２上に位置しており、上方から曲げポ ンチ３が金属薄板１に当て付けられる。下方からは、スリットが設けられた中空 案内部材４が、対応保持部材５を介して金属薄板１に押圧される。曲げ工程時に は、レーザ光線６が中間製品を加熱するために長手方向で中空案内部材４内に導 入されて、これにより線状の光線フィールド７が生じる。この光線フィールド７ は、意図する曲げ線８に沿って加熱区分９を中間製品に形成し、同時に曲げポン チ３が金属薄板１に押圧され、これによってこの金属薄板は曲げられる。スリッ トが設けられた中空案内部材４は、本発明では曲げ工程中、対応保持体５によっ て金属薄板１に押圧され、これにより中空案内部材４は曲げ縁部に相対して常に 同じに位置している。第２図に示したような最終位置では、金属薄板１はダイ２ 、中空案内部材４と曲げポンチ３との間で形状接続的に位置しており、この場合 中空案内部材４は、ダイ２内の切欠の最も深い所に位置している。 第３図および第４図には、本発明による方法を実施する装置の別の実施形態が 示されている。金属薄板１はここでも、ダイ２上に載置されており、他方曲げポ ンチ３によってダイ２に対応する側から曲げ線に沿って押圧される。レーザ光線 ６は、１つのプリズムミラー１０と２つの円柱レンズ１１，１２と２つの円柱状 の偏向ミラー１３，１４とから成る、ビーム形成のための光学系によって２つの 光線フィールドに拡散され、光線フィールドはそれぞれ１つの線状の加熱区分を 金属薄板１に生じさせる。この形成されたレーザ光線６は、ダイ２の下面におけ るスリット状の開口を通して中間製品に供給される。光線発生装置１５としては 、従来技術によって公知であるあらゆる装置がほとんど制限されずに適している 。 第５図には、金属薄板１を曲げる本発明の方法の変化例のための装置が示され ている。曲げ部材３がダイ２に向かう方向に移動される曲げ工程の前もしくは曲 げ工程中に、ダイ２に設けられたスリット状の開口１６を介して、すでに第３図 および第４図で図示したように、光線フィールド７が、曲げ線８に沿って加熱区 分９を形成するためにダイ２に面する表面１７に供給される。矢印１８が示す方 向に力作用を加えるために 設けられた曲げポンチ３は、同様に曲げ線８に沿って延在するスリット状の開口 １９を有している。曲げポンチ３の切欠２０内には中空案内部材４が配置されて おり、この中空案内部材４を介して別の光線フィールド２１が、曲げ線８に沿っ て作用するためにスリット状の開口１９を通って、表面１７とは反対側の金属薄 板１の表面２２に作用している。 この方法は特に、材料特性に基づいて曲げが困難な中間製品もしくは材料に適 している。この方法によって、曲げ線８に沿った相対する加熱区分に異なる温度 を達成することができ、例えばダイに面した、すなわち表面１７に沿っての延び る危険な引張り領域に表面２２に沿った圧縮領域における低い温度と比べて、高 い温度が生ぜしめられる。 本発明による方法を実施するための装置の構成を申し分なく理解するために、 この装置もしくは装置の構成部材は部分的に異なる縮尺で、すなわち拡大および ／または縮小して図示されている。 本発明による別の解決策に基いた課題は、本明細書から推考することができる 。 特に、第１図から第５図に示した個々の実施例は、本発明の解決策を成す構成 である。これに関連した本発明の課題および解決策は、図面の詳細な説明から推 考できる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ， ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，Ｌ Ｓ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ， ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，Ｅ Ｅ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＧＷ，ＨＲ ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ， ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，Ｌ Ｖ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ， ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，Ｕ Ｓ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者 ディーター シュエッカー オーストリア国 ヴィーン オスカー―ヤ シャガッセ 58

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．レーザー光線によって中間製品、例えば金属薄板を曲げ線に沿って選択的 に加熱しながら、機械的な力作用によって中間製品を曲げるための方法において 、 単数または複数のレーザ光線から、線状の光線フィールドを形成し、該光線フ ィールドによって曲げ線に沿った全ての点で中間製品に加熱区分を形成すること を特徴とする、レーザの補助によって曲げ加工を行うための方法。 ２．線状の光線フィールドを形成するための装置として、円柱レンズおよび／ または円柱ミラーを使用して、光線フィールドを曲げダイの開口を介して中間製 品に供給する、請求項１記載の方法。 ３．線状の光線フィールドを形成するための装置として、スリットが設けられ た中空案内部材を使用して、該中空案内部材のスリットが曲げ線に対して平行に 延在しており、中空案内部材の片面または両面でレーザ光線を軸方向に導入する 、請求項２記載の方法。 ４．レーザ光線を供給する中空案内部材が、ガイドによって曲げ線に対して平 行に移動可能であり、かつ曲げ線に圧着される、請求項１から３までのいずれか １項記載の方法。 ５．複数の線状の光線フィールドを、曲げ線の全長 にわたって曲げ線を照射するように、空間的にずらして配置している、請求項１ から４までのいずれか１項記載の方法。 ６．パルスレーザー光線を中間製品に供給する、請求項１から５までのいずれ か１項記載の方法。 ７．光線フィールドが曲げ線に沿って、同時にかつ／または均等に、加熱区分 を形成するために中間製品に作用する、請求項１から６までのいずれか１項記載 の方法。 ８．曲げ線に沿って一列に並べられたまたはオーバーラップされた複数の光線 フィールドが中間製品に作用する、請求項１から７までのいずれか１項記載の方 法。 ９．加熱区分を曲げ線に沿って形成するために、光線フィールドが、中間製品 の相対する両表面に作用する、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。