JP2015202501A - スピニング成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】板材の周縁部の近傍を加熱する際に板材の周縁部の変形を抑制することができるスピニング成形方法を提供する。
【解決手段】スピニング成形方法では、周縁部９３に厚さ方向に突出するリング状の突起９５が設けられた板材９を用い、板材９を回転させながら、板材９における変形対象部位を局所的に加熱するとともに、前記変形対象部位に加工具を押圧して板材９を変形させる。この構成によれば、板材９の周縁部９３の熱容量を増大させることができる。これにより、板材９の周縁部９３の近傍を加熱する際には、周縁部９３が高温となることを防ぐことができる。その結果、板材９の周縁部９３の変形を抑制することができる。
【選択図】図１

Description

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、板材を回転させながらその板材に加工具を押圧して当該板材を変形させるスピニング成形装置が知られている。このようなスピニング成形装置は通常は回転シャフトに取り付けられたマンドレル（成形型）を有し、板材が加工具によってマンドレルに押し付けられることにより成形が行われる。

近年では、板材を局所的に加熱しながらスピニング成形を行うスピニング成形装置が提案されている。例えば、特許文献１には、チタン合金用のスピニング成形装置として、板材におけるヘラ（加工具）によってマンドレルに押し付けられる部位を高周波誘導加熱により加熱するスピニング成形装置が開示されている。

特開２０１１−２１８４２７号公報

ところで、板材を加熱する場合は、加熱位置が板材の周縁部に近づくにつれて、加熱位置から径方向外側への熱の逃げ代（伝導距離）が小さくなる。それ故に、板材の周縁部の近傍を加熱する際には、加熱位置だけでなく周縁部も高温となり、その熱によって周縁部の剛性が低下して周縁部が変形するおそれがある。このような周縁部の変形は、例えば、板材と加熱器との接触を引き起こす。

そこで、本発明は、板材の周縁部の近傍を加熱する際に板材の周縁部の変形を抑制することが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、本発明のスピニング成形方法は、周縁部に厚さ方向に突出するリング状の突起が設けられた板材を用い、前記板材を回転させながら、前記板材における変形対象部位を局所的に加熱するとともに、前記変形対象部位に加工具を押圧して前記板材を変形させる、ことを特徴とする。

上記の構成によれば、板材の周縁部の熱容量を増大させることができる。これにより、板材の周縁部の近傍を加熱する際には、周縁部が高温となることを防ぐことができる。その結果、板材の周縁部の変形を抑制することができる。

例えば、前記突起の幅を前記板材の厚さのｍ倍、前記突起の高さを前記板材の厚さのｎ倍としたときに、０．１≦ｍ・ｎ≦１を満たしてもよい。

前記板材における成形開始位置から前記突起上の成形終了位置までの成形領域において、前記変形対象部位の加熱および前記変形対象部位への加工具の押圧を行ってもよい。この構成によれば、板材を外周面近傍まで所望の形状に成形することができる。しかも、突起によって周縁部の剛性が確保されるため、外周面近傍でも高精度な成形を行うことができる。

例えば、前記板材の変形対象部位を誘導加熱により加熱してもよい。

前記板材の変形対象部位の加熱を、前記板材の回転方向に延びる、前記板材に沿った二重円弧状のコイル部と、前記コイル部との間に前記板材から遠ざかる段差を形成する一対のリード部を含む加熱器を用いて行ってもよい。この構成によれば、突起が板材から加熱器と同じ側に突出していても、突起の内側でコイル部を板材に近接させることができる。

前記突起は、前記板材に一体的に設けられていてもよい。この構成によれば、突起を利用して、最終形状を有する成形品として周縁部が筒状となった成形品を得ることができる。

前記突起は、前記板材とは別体であり、前記板材に接合されていてもよい。この構成によれば、板材自体のコストを低く抑えることができる。

本発明によれば、板材の周縁部の近傍を加熱する際に板材の周縁部の変形を抑制することができる。

（ａ）および（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る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。 （ａ）および（ｂ）は、それぞれ裏側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。 代替的なスピニング成形装置の概略構成図である。

本発明の一実施形態に係るスピニング成形方法は、図１（ａ）に示す板材９を、図１（ｂ）に示すような最終形状（テーパー部を有する形状）に成形する。板材９は、図１（ｂ）に示すように、最終形状で内側を向く裏面９ａと、最終形状で外側を向く表面９ｂを有している。

本実施形態のスピニング成形方法は、図２に示すスピニング成形装置１により実行される。スピニング成形装置１は、板材９を回転させながら、板材９における変形対象部位９２を局所的に加熱するとともに、変形対象部位９２に加工具１０を押圧して板材９を変形させる。

本実施形態では、変形対象部位９２の局所的な加熱は、裏側加熱器４Ａを用いた誘導加熱により行われる。裏側加熱器４Ａは、板材９を挟んで加工具１０と反対側に配置されている。

スピニング成形装置１は、板材９を回転させる回転シャフト２１と、回転シャフト２１に取り付けられて板材９の中心部９１を支持する受け治具２２と、受け治具２２と共に板材９を挟持する固定治具３１を含む。上述した変形対象部位９２とは、回転シャフト２１の軸心２０から所定距離Ｒだけ離れた部位のことである。なお、図１（ａ）および（ｂ）に示すように、回転シャフト２の軸心２０は、板材９の中心軸９０と一致する。

図２に示すように、回転シャフト２１の軸方向（軸心２０が延びる方向）は、本実施形態では鉛直方向である。ただし、回転シャフト２１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２１の下部は基台１１に支持されており、回転シャフト２１は図略のモータによって回転させられる。

板材９は、例えば、フラットな円形状の板である。本実施形態では、図１（ａ）に示すように、板材９の中心に円形状の開口９４が設けられている。開口９４は、例えば、受け治具２２に対する位置決めに利用される。ただし、板材９には必ずしも開口９４が設けられている必要はない。板材９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９の周縁部９３には、厚さ方向に突出するリング状の突起９５が設けられている。本実施形態では、突起９５が、裏面９ａから下向きに突出するように板材９に一体的に設けられている。ただし、突起９５は、表面９ｂから上向きに突出するように設けられていてもよい。あるいは、突起９５は、板材９の裏面９ａと表面９ｂの双方に設けられていてもよい。また、本実施形態では、突起９５が矩形状の断面形状を有している。ただし、突起９５の断面形状はこれに限らず、例えば台形状や半円状などであってもよい。

突起９５は、板材９の周縁部９３の熱容量を増大させるためのものである。板材９の厚さＴに対する突起９５の幅Ｄの比率をｍ（Ｄ＝ｍ・Ｔ）、板材９の厚さＴに対する突起９５の高さＨの比率をｎ（Ｈ＝ｎ・Ｔ）としたときに、突起９５は、０．１≦ｍ・ｎ≦１を満たすように構成されることが望ましい。ｍ・ｎが０．１未満だと、周縁部９３の熱容量を効果的に増大させることができず、ｍ・ｎが１を超えると、材料の無駄や突起９５とその周囲との干渉が起きやすくなるからである。

図１（ｂ）に示すように、板材９における成形開始位置Ｐ１から成形終了位置Ｐ２までの成形領域Ａは、本実施形態では突起９５と重なり合っていない。より詳しくは、成形終了位置Ｐ２は、突起９５の内側側面と、回転シャフト２１の軸方向に延びる同一円筒面上に位置している。成形領域Ａは、変形対象部位９２の加熱および変形対象部位９２への加工具１０の押圧が行われる領域であり、この成形領域Ａがテーパー状に成形される。ただし、成形終了位置Ｐ２が突起９５上に位置していて、成形領域Ａが突起９５と部分的に重なり合っていてもよい。この場合、突起９５は、加工具１０が接触する板材９の表面９ｂと反対側の裏面９ａのみに設けられていることが望ましい。

図２に示すように、受け治具２２は、板材９における成形開始位置Ｐ１（図１（ｂ）参照）によって規定される円に収まるサイズを有している。すなわち、板材９は、受け治具２２の径方向外向きの側面に押し付けられて変形されることはない。ただし、受け治具２２に代えて、側面が板材に対する成形面であるマンドレルが用いられてもよい。

上述した固定治具３１は、加圧ロッド３２に取り付けられており、加圧ロッド３２は、支持部３３によって回転可能に支持されている。支持部３３は、駆動部３４によって上下方向に駆動される。駆動部３４は、回転シャフト２１の上方に配置されたフレーム１２に取り付けられている。ただし、固定治具３１を省略し、例えばボルトによって板材９を受け治具２２に直接的に固定してもよい。

板材９の変形対象部位９２を押圧する加工具１０は、板材９の上方に配置されており、板材９は、受け治具２２を収容するように下向きに開口する形状に成形される。ただし、加工具１０が板材９の下方に配置され、板材９が固定治具３１を収容するように上向きに開口する形状に成形されてもよい。

加工具１０は、径方向移動機構１４により回転シャフト２１の径方向に移動させられるとともに、軸方向移動機構１３により径方向移動機構１４を介して回転シャフト２１の軸方向に移動させられる。軸方向移動機構１３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。加工具１０は、軸方向移動機構１３により板材９に対して下向きに押圧されながら、径方向移動機構１４により成形開始位置Ｐ１から成形終了位置Ｐ２まで移動させられる。

本実施形態では、加工具１０として、板材９の回転に追従して回転するローラが用いられている。ただし、加工具１０は、ローラに限定されず、例えばヘラであってもよい。

裏側加熱器４Ａは、径方向移動機構１６により回転シャフト２１の径方向に移動させられるとともに、軸方向移動機構１５により径方向移動機構１６を介して回転シャフト２１の軸方向に移動させられる。軸方向移動機構１５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。

例えば、裏側加熱器４Ａには、板材９の変形対象部位９２までの距離を計測する変位計（図示せず）が取り付けられる。裏側加熱器４Ａは、その変位計の計測値が一定となるように、加工具１０に連動して、回転シャフト２１の軸方向および径方向に移動させられる。

裏側加熱器４Ａと加工具１０との相対位置は、それらが回転シャフト２１の軸心２０を中心とするほぼ同一円周上に位置している限り、特に限定されるものではない。例えば、裏側加熱器４Ａは、回転シャフト２１の周方向に加工具１０から１８０度離れていてもよい。

図３（ａ）および（ｂ）に示すように、裏側加熱器４Ａは、コイル部４２および一対のリード部４８を有する電通管４１と、コイル部４２の周囲に発生する磁束を集約するためのコア４５を含む。コイル部４２およびコア４５は、板材９と対向する加熱ヘッド４０を構成する。

コイル部４２は、板材９の回転方向に延びる、板材８に沿った二重円弧状をなしている。コイル部４２の開き角度（両端部間の角度）は、例えば６０〜１２０度である。一対のリード部４８は、コイル部４２との間に板材９から遠ざかる段差を形成するように構成されている。より詳しくは、リード部４８は、コイル部４２の中央から一旦下向きに延びた後に、回転シャフト２１の径方向外向きに折れ曲がっている。

本実施形態では、コイル部４２が、１つの内側円弧部４３と、一対のリード部４８がつながる２つの外側円弧部４４を有している。ただし、コイル部４２が一対のリード部４８がつながる２つの内側円弧部４３と１つの外側円弧部４４を有していてもよい。また、突起９５が板材９の表面９ｂのみに設けられる場合は、リード部４８はコイル部４２の中央から真っ直ぐに回転シャフト２１の径方向外向きに延びていてもよい。

コア４５は、コイル部４２の内側円弧部４３を板材９と反対側から覆う１つの内周側ピース４６と、コイル部４２の外側円弧部４４を板材９と反対側から覆う２つの外周側ピース４７とで構成されている。

電通管４１内には、冷却液が流れる。また、電通管４１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、裏側加熱器４Ａ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。

裏側加熱器４Ａは、加熱ヘッド４０が変形対象部位９２の真下に位置するように移動されることが望ましいが、変形対象部位９２が成形終了位置Ｐ２に近づいた後は、図１（ｂ）中に実線で示すように加熱ヘッド４０が突起９５の内側に維持されてもよいし、図１（ｂ）中に二点鎖線で示すように加熱ヘッド４０が突起９５の下方に移動されてもよい。

上述したように、本実施形態のスピニング成形方法では、周縁部９３に突起９５が設けられた板材９を用いているので、周縁部９３の熱容量を増大させることができる。これにより、板材９の周縁部９３の近傍を加熱する際には、周縁部９３が高温となることを防ぐことができる。その結果、板材９の周縁部９３の変形を抑制することができる。

また、成形終了位置Ｐ２が突起９５上に位置していて、成形領域Ａが突起９５と部分的に重なり合っている場合には、板材９を外周面近傍まで所望の形状に成形することができる。しかも、突起９５によって周縁部９３の剛性が確保されるため、外周面近傍でも高精度な成形を行うことができる。なお、成形終了位置Ｐ２が突起９５上に位置している場合は、図１（ｂ）に二点鎖線で示すように、周縁部９３を成形する際に、裏側加熱器４Ａの加熱ヘッド４０が突起９５の下方に移動され、突起９５と共に周縁部９３が加熱される。

また、本実施形態では、突起９５が板材９に一体的に設けられているので、突起９５を利用して、図１（ｂ）に示すように、最終形状を有する成形品として周縁部が筒状となった成形品を得ることができる。

さらに、本実施形態では、裏側加熱器４Ａの一対のリード部４８がコイル部４２との間に板材９から遠ざかる段差を形成しているので、突起９５が板材９から加熱器と同じ側に突出していても、突起９５の内側でコイル部４２を板材９に近接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、板材９の裏面９ａおよび／または表面９ｂに設けられる突起９５は、必ずしも板材９に一体的に設けられている必要はない。例えば、図４に示すように、突起９５は、板材９とは別体であり、板材９に接合されていてもよい。この構成によれば、板材９自体のコストを低く抑えることができる。

また、変形対象部位９２の局所的な加熱は、図５に示すような表側加熱器４Ｂを用いた誘導加熱により行われてもよい。表側加熱器４Ｂは、板材９に対して加工具１０と同じ側に配置されており、裏側加熱器４Ａと同様に構成されている。すなわち、表側加熱器４Ｂは、前記実施形態で説明した加熱ヘッド４０を有している。

また、変形対象部位９２の局所的な加熱は、裏側加熱器４Ａと表側加熱器４Ｂの双方を用いて行われてもよい。この場合は、板材９および突起９５との干渉を避けるために、裏側加熱器４Ａと表側加熱器４Ｂとを別々の径方向移動機構１６および軸方向移動機構１５で移動させてもよい。さらには、変形対象部位９２の局所的な加熱は、例えばガスバーナーなどを用いて行われてもよい。

本発明は、種々の素材からなる板材をスピニング成形する際に有用である。

１０ 加工具
４Ａ，４Ｂ 加熱器
４２ コイル部
４８ リード部
９ 板材
９２ 変形対象部位
９３ 周縁部
９５ 突起

Claims (7)

1. 周縁部に厚さ方向に突出するリング状の突起が設けられた板材を用い、前記板材を回転させながら、前記板材における変形対象部位を局所的に加熱するとともに、前記変形対象部位に加工具を押圧して前記板材を変形させる、
   スピニング成形方法。
2. 前記突起の幅を前記板材の厚さのｍ倍、前記突起の高さを前記板材の厚さのｎ倍としたときに、０．１≦ｍ・ｎ≦１を満たす、請求項１に記載のスピニング成形方法。
3. 前記板材における成形開始位置から前記突起上の成形終了位置までの成形領域において、前記変形対象部位の加熱および前記変形対象部位への加工具の押圧を行う、請求項１または２に記載のスピニング成形方法。
4. 前記板材の変形対象部位を誘導加熱により加熱する、請求項１〜３のいずれか一項に記載のスピニング成形方法。
5. 前記板材の変形対象部位の加熱を、前記板材の回転方向に延びる、前記板材に沿った二重円弧状のコイル部と、前記コイル部との間に前記板材から遠ざかる段差を形成する一対のリード部を含む加熱器を用いて行う、請求項４に記載のスピニング成形方法。
6. 前記突起は、前記板材に一体的に設けられている、請求項１〜５のいずれか一項に記載のスピニング成形方法。
7. 前記突起は、前記板材とは別体であり、前記板材に接合されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載のスピニング成形方法。
   

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