JP2017170483A - インクリメンタル成形方法及び成形用工具 - Google Patents

Abstract

【課題】従来のインクリメンタル成形では、外側面が外観になる成形品の成形には不向きであり、局部的な成形に限られていた。【解決手段】周囲を保持した金属板Ｗに工具２を押し付けて移動させることにより、金属板Ｗを板厚方向に次第に変形させて最終形状に成形するに際し、平面又は曲面から成る先端中央の第１成形部２Ａと、第１成形部２Ａに対して曲率が相対的に大きい先端周囲の第２成形部２Ｂとを備えた工具２を用い、金属板Ｗの部位に応じて、工具２の第１成形部２Ａ及び第２成形部２Ｂを選択的に押し付けて成形を行うインクリメンタル成形方法とし、外側面が外観になる成形品Ｍを成形する場合でも、良好な外観品質を有する成形品Ｍを提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、金属板に工具を押し付けて移動させることにより、金属板を次第に変形させて立体形状に成形するインクリメンタル成形方法、及びこれに用いる成形用工具に関するものである。

従来、インクリメンタル成形としては、板材のダイレスフォーミングの名称で特許文献１に記載されているものがある。特許文献１に記載のインクリメンタル成形では、金属薄板の周囲を固定する板材保持機構と、板材保持機構で保持した金属薄板の上側に配置した工具と、金属薄板の下側に配置した固定押圧機構とを備えた成形装置を用いる。工具は、先端部が、一定の曲率を有する半球状を成している。

そして、上記のインクリメンタル成形は、金属薄板の周囲を板材保持機構で拘束し、その金属薄板を固定押圧機構に押し当てた状態にし、同金属薄板の上面に工具を押し付けて移動させることにより、金属薄板を固定押圧機構に沿って次第に変形させる。この際、成形装置は、金属薄板に押し付けた工具を周回させると共に、周回毎に工具を外側に横移動させつつ下降させるようにし、これに伴って板材保持機構を下降させる。

これにより、上記インクリメンタル成形は、固定押圧機構を内側にして金属薄板を次第に変形させ、同金属薄板を立体的な最終形状に成形する。その最終形状は、下側に開放された凹型になる。

特許第４２８７９１２号公報

ところが、上記したような従来のインクリメンタル成形では、固定押圧機構に金属薄板を押し当てた状態にし、固定押圧機構の反対側である外側面に工具を押し付けて成形を行うことから、外側面が外観になる成形品の成形には不向きであった。つまり、上記のインクリメンタル成形では、外観になる外側面が工具の接触面であり、その外側面に工具による縞状の圧痕が生じる虞があるからである。

そこで、外側面が外観になる成形品を成形する場合は、凹型の固定押圧機構を用い、固定押圧機構の内側に沿うように金属薄板を次第に変形させることが考えられる。つまり、成形品の内側面を工具の接触面にする。しかし、従来のインクリメンタル成形では、固定押圧機構と工具との間で金属薄板が圧縮されるので、外側面に工具の圧痕が転写されたり、成形終了時に材料余りが生じたりして、外観品質が損なわれる虞がある。

このため、固定押圧機構を用いたインクリメンタル成形は、外側面が外観になる成形品を成形する場合は、全工程ではなく、予めプレス成形された成形品の追加工程として行われる線状部分の成形や、外観品質に影響のない部分の成形といった局部的な成形に限られている。

本発明は、上記従来の状況に鑑みて成されたもので、外側面が外観になる成形品を成形する場合でも、良好な外観品質を有する成形品を成形することができるインクリメンタル成形方法及び成形用工具を提供することを目的としている。なお、成形品の外側面とは、例えば、成形品が凹型である場合にはその外周側の面であり、成形品が湾曲状である場合には湾曲の外周側の面である。

本発明に係わるインクリメンタル成形方法は、周囲を保持した金属板に工具を押し付けて移動させることにより、金属板を板厚方向に次第に変形させて最終形状に成形する方法である。このインクリメンタル成形方法では、平面又は曲面から成る先端中央の第１成形部と、第１成形部に対して曲率が相対的に大きい先端周囲の第２成形部とを備えた工具を用いる。そして、インクリメンタル成形方法は、金属板の部位に応じて、工具の第１成形部及び第２成形部を選択的に押し付けて成形を行うことを特徴としている。

本発明に係わる成形用工具は、周囲を保持した金属板に工具を押し付けて移動させることにより、金属板を板厚方向に次第に変形させて最終形状に成形するインクリメンタル成形に用いる工具である。そして、成形用工具は、平面又は曲面から成る先端中央の第１成形部と、第１成形部に対して曲率が相対的に大きい先端周囲の第２成形部とを備えたことを特徴としている。

本発明に係わるインクリメンタル成形方法は、上記構成を採用したことにより、最終形状に近い曲率を有する工具での成形が可能になり、また、金属板の周囲を拘束するだけで成形を行うので、工具による縞状の圧痕や材料余りが抑制される。これにより、上記のインクリメンタル成形方法によれば、外側面が外観になる成形品を成形する場合でも、その内側面を工具の接触面にして、良好な外観品質を有する成形品を成形することができる。

本発明に係わる成形用工具は、上記構成を採用したことにより、最終形状に近い曲率での成形が可能になると共に、金属板における縞状の圧痕や材料余りを抑制し、外側面が外観になる成形品を成形する場合でも、良好な外観品質を有する成形品を成形することができる。

本発明に係わるインクリメンタル成形方法の第１実施形態における基本構成を説明する断面図である。 第１成形部が平面である工具を説明する側面図及び平面図（Ａ）、及び第１成形部が曲面である工具を説明する側面図及び平面図（Ｂ）である。 第１成形部による成形を説明する断面図である。 第２成形部による成形を説明する断面図である。 図４に続いて第２成形部による成形を説明する断面図である。 図５に示す金属板を工具の送り方向から見た状態で示す断面図である。 図５に対して傾斜させた工具の送り方向を変えた状態を示す断面図である。 本発明に係わるインクリメンタル成形方法の第２実施形態を説明するエンジンフードのアウタパネルの平面図である。 図８中のＡ−Ａ線に基づく断面図であって、アウタパネルの成形を説明する断面図である。 図８中のＡ−Ａ線に基づく断面図であって、アウタパネルのキャラクターラインの成形を説明する断面図である。

〈第１実施形態〉
インクリメンタル成形は、図１に示すように、平坦な金属板Ｗの周囲を固定装置１により拘束し、上側に配置した成形用工具２を金属板Ｗに押し付けて移動させることにより、金属板Ｗを板厚方向に次第に変形させて、金属板Ｗを立体的な成形品（最終形状）Ｍに成形するものである。以下の説明では、『成形用工具２』を単に『工具２』とする。

成形品（図５参照）Ｍは、その形態がとくに限定されないが、この実施形態では、周壁部Ｓ及び底壁部Ｂを有する扁平な凹型であり、底壁部Ｂに、外側（図５中で下側）に突出する直線状の突条部Ｔを有している。この成形品Ｍは、周壁部Ｓの外周面を含む外側面を外観とするものである。

また、成形装置は、全体の図示を省略したが、例えば、多軸制御型の作業ロボットやＮＣ工作機械などを用いることができる。なお、この実施形態のインクリメンタル成形方法では、工具２を傾斜させる都合上、工具２の動作の自由度が高い成形装置であることが望ましく、このような観点から、作業ロボットを用いることがより好適である。

固定装置１は、枠状を成すと共に、下側の固定具１Ａと上側の可動具１Ｂとを備えており、金属板Ｗの周囲を挟持して可動具１Ｂを固定することにより、金属板Ｗの周囲を強固に拘束する。

工具２は、図２に示すように、丸棒状を成しており、平面又は曲面から成る先端中央の第１成形部２Ａと、第１成形部２Ａに対して曲率が相対的に大きい（曲率半径が相対的に小さい）先端周囲の第２成形部２Ｂとを備えている。第１成形部２Ａは、曲面として球面を含むものである。

図２（Ａ）に示す工具２は、第１成形部２Ａが円形の平面から成るものであり、その外周に面取り状（Ｒ状）の第２成形部２Ｂを有している。図２（Ｂ）に示す工具２は、第１成形部２Ａが球面（曲面）から成るものであり、その外周に、第１成形部２Ａの曲率よりも大きい曲率の第２成形部２Ｂを有している。図示の第１成形部２Ａは、その曲率が比較的小さい緩やかな球面である。

上記の工具２は、より望ましくは、第１成形部２Ａ及び第２成形部２Ｂが、成形する最終形状（成形品Ｍ）に対応した曲率を有するものとしている。つまり、工具２は、上述の如く、周壁部Ｓ、底壁部Ｂ及び突条部Ｔを有する成形品Ｍを成形する場合、この成形品Ｍの形状に応じて、第１成形部２Ａ及び第２成形部２Ｂの形状や曲率が設定されている。

より具体的には、工具２は、底壁部Ｂに対する周壁部Ｓの角度や、突条部Ｔの幅、高さ（溝深さ）、頂部（溝底部）の形状などに応じて、第１成形部２Ａを平面又は曲面とし、第１成形部２Ａ及び第２成形部２Ｂの曲率を設定する。なお、工具２は、図２（Ａ）及び（Ｂ）に例示したように先端部の形状が異なるものや、径が異なるものなどを複数種用意しておくことも構わない。

上記の工具２は、成形装置において、直交する３軸方向に移動可能に保持され、且つ傾斜角度を変更し得るように回動可能に保持されている。なお、固定装置１及び工具２は、相対的に移動可能であれば良く、固定装置１を不動にしても良いし、３軸方向の相対的な移動を満足するように双方を移動可能にしても良い。

インクリメンタル成形方法は、上記の工具２を用い、金属板Ｗの部位に応じて、工具２の第１成形部２Ａ及び第２成形部２Ｂを選択的に押し付けて成形を行うものとしている。また、インクリメンタル成形方法は、より好ましい実施形態として、工具２を傾斜させて金属板Ｗに第２成形部２Ｂを押し付けて成形を行うものとしている。さらに、インクリメンタル成形方法は、より好ましい実施形態として、工具２の傾斜角度を変更しながら金属板Ｗに工具２を押し付けて成形を行うものとしている。

すなわち、インクリメンタル成形方法は、図３に示すように、固定装置１により平坦な金属板Ｗの周囲を拘束し、その金属板Ｗの一方の面（上面）に工具２を押し付けて、周壁部Ｓを形成する。

より具体的には、インクリメンタル成形方法では、金属板Ｗに対して工具２を垂直な状態にし、金属板Ｗにおいて周壁部Ｓを形成すべき箇所に対して、工具２の第１成形部２Ａを押し付けながら周回させると共に、図３中に太い矢印で示す如く、周回毎に工具２を金属板Ｗの中心方向に移動させつつ下降させる。この際、金属板Ｗに対する工具２の圧接力、工具２の周回速度、周回毎の工具２の移動量及び下降量は、金属板Ｗの材質及び厚さや、周壁部Ｓの形態、及びその形態における部位に応じて決定する。このようにして、金属板Ｗは、図１に示す平坦な状態から図３に移行するように、底壁部Ｂを次第に下げるようにして、周壁部Ｓが傾斜した状態に逐次成形される。

次に、インクリメンタル成形方法は、図４に示すように、工具２を傾斜させて、金属板Ｗの底壁部Ｂに工具２の第２成形部２Ｂを押し付けると共に、その傾斜方向（倒れ方向）に工具２を直線的に移動させる。この際、工具２は、一方向に移動させても良いし、往復移動させても良い。そして、インクリメンタル成形方法は、工具２の直線的移動を繰り返し行うことで、図５及び図６に示すように、底壁部Ｂの一部を次第に溝状に変形させて、外側（下側）に突出する突条部Ｔを逐次成形する。

この際、インクリメンタル成形方法では、金属板Ｗの部位に応じて、工具２の傾斜角度を変更しながら金属板Ｗに工具２を押し付けて成形を行うことができ、突条部（溝状部）Ｔが所望の最終形状に至るように、工具２の傾斜角度を漸増若しくは漸減させて逐次成形することができる。

ここで、インクリメンタル成形方法では、上記の如く突条部Ｔを成形する場合、金属板Ｗの底壁部Ｂの下側に、突条部成形用の治具３を配置することができる。この治具３は、突条部Ｔの反転形状である溝部を有しており、局部的に配置される。この際、インクリメンタル成形では、治具３を配置するだけで、この治具３を金属板Ｗに押し付ける必要はなく、工具２の押し付けにより、金属板Ｗを治具３に沿って局部的に変形させる。

上記のインクリメンタル成形方法は、第１成形部２Ａ及び第２成形部２Ｂを有する工具２を用い、金属板Ｗの部位に応じて、第１成形部２Ａ及び第２成形部２Ｂを選択的に押し付けて成形を行うので、最終形状に近い曲率を有する工具２での成形が可能になる。また、上記のインクリメンタル成形方法は、基本的に、固定装置１によって金属板Ｗの周囲を拘束するだけであるから、従来のような固定押圧機構が不要であるうえに、金属板Ｗが著しく圧縮されることがないので、工具２による縞状の圧痕の発生を抑制する。さらに、上記のインクリメンタル成形方法は、上記工具２の採用により、半球状先端部を有する工具で発生し易い材料余りを抑制し、材料余りによる突起の発生を未然に阻止する。

このようにして、上記のインクリメンタル成形方法によれば、外側面が外観になる成形品Ｍを成形する場合でも、その内側面を工具２の接触面にして、良好な外観品質を有する成形品Ｍを成形することができる。また、上記のインクリメンタル成形方法では、第１成形部２Ａ及び第２成形部２Ｂを有する１本の工具２だけで、成形品Ｍの各部位の成形に対処することが可能である。

また、上記のインクリメンタル成形方法では、工具２を傾斜させて金属板Ｗに第２成形部２Ｂを押し付けて成形を行うことにより、曲率半径の小さい部分を成形することができ、例えば、折れ線のような角部や突出部を高品質に成形することができる。

さらに、上記のインクリメンタル成形方法では、工具２の傾斜角度を変更しながら金属板Ｗに工具２を押し付けて成形を行うことにより、工具交換を行わずに、主体部や局部の成形を行うことができ、製造のサイクルタイムの短縮化、成形品Ｍの生産性の向上、及び製造コストの低減等に貢献することができる。

さらに、上記のインクリメンタル成形方法では、工具２が、平面又は比較的緩やかな曲面から成る第１成形部２Ａを有しているので、金属板Ｗと第１成形部２Ａとの接触が、面接触若しくは面接触に近い接触になる。このため、上記のインクリメンタル成形方法では、工具２の周回毎に行う横移動、すなわち送り方向に対する横方向の移動のピッチを大きくしても、金属板Ｗに縞状の圧痕を生じさせずに逐次成形することが可能になり、横移動のピッチの増大により、成形時間を短縮することができる。

さらに、上記の成形用工具２は、第１成形部２Ａ及び第２成形部２Ｂを有するものとしたため、最終形状に近い曲率での成形が可能になると共に、金属板Ｗにおける縞状の圧痕や材料余りを抑制し、外側面が外観になる成形品Ｍを成形する場合でも、良好な外観品質を有する成形品Ｍを成形することができる

さらに、上記の成形用工具２は、第１成形部２Ａ及び第２成形部２Ｂが、成形する最終形状に対応した曲率を有しているので、１本の工具２だけで、設計とおりの成形品Ｍを高品質で成形することができる。

〈第２実施形態〉
図７に示すインクリメンタル成形方法は、第１実施形態と同様に、周壁部Ｓ、底壁部Ｂ及び突条部Ｔを有する成形品Ｍを成形するものである。先の実施形態では、図５及び図６に示すように、周壁部Ｓの形成後、突条部Ｔを成形する際に、工具２を傾斜させて、その傾斜方向（倒れ方向）に工具２を移動させている。

これに対して、この実施形態では、突条部Ｔを成形する際に、工具２を傾斜させ、その傾斜方向に交差する方向（図７中で紙面垂直方向）に工具２を直線的に移動させている。そして、工具２の直線的移動を繰り返し行うことで、底壁部Ｂの一部を次第に溝状に変形させて、外側（下側）に突出する突条部Ｔを逐次成形する。この突条部Ｔの成形時には、図中仮想線で示す治具３を用いることも可能である。

上記のインクリメンタル成形方法は、先の実施形態と同様に、外側面が外観になる成形品Ｍを成形する場合でも、その内側面を工具２の接触面にして、良好な外観品質を有する成形品Ｍを成形することができる。しかも、上記のインクリメンタル成形方法は、傾斜させた工具２の移動方向を、その傾斜方向に交差する方向にすることで、頂角がより小さい突条部Ｔを高品質で成形することができる。

〈第３実施形態〉
図８〜図１０に示す実施形態において、成形品（Ｍ）は、自動車用エンジンフードのアウタパネルＰである。アウタパネルＰは、緩やかに湾曲した主体部が底壁部Ｂに相当し、底壁部Ｂの両側に、所定角度を成して連続する周壁部Ｓを有している。そして、アウタパネルＰは、底壁部Ｂと周壁部Ｓとの境界線が、局部的に曲率半径が小さいキャラクターラインＣＬである。アウタパネルＰは、底壁部Ｂの湾曲の外周側（図９及び図１０中で下側）が外観になる外側面である。

インクリメンタル成形方法は、上記のアウタパネルＰを成形するに際し、平坦な金属板（ブランク材）の周囲を拘束した状態にし、工具２を垂直状態にして、第１成形部２Ａを金属板Ｗに押し付けて周壁部Ｓを形成する。この際、インクリメンタル成形では、先の実施形態と同様に、工具２を移動させると共に、図９中に太い矢印で示すように、工具２の１回の移動毎に、同工具２を中心側へ横移動させつつ下降させ、底壁部Ｂを押し下げるようにして、周壁部Ｓを逐次成形する。

次に、インクリメンタル成形方法は、図９中に点線で湿すように、工具２の第１成形部２Ａを底壁部Ｂに押し付けて周回させ、周回毎に工具２を中心側へ横移動させつつ下降させ、底壁部Ｂを緩やかな湾曲状に逐次成形する。

その後、インクリメンタル成形方法では、周壁部Ｓ及び底壁部Ｂの成形により、双方の境界線が成形されているが、図１０に示すように、工具２を傾斜させて第２成形部２Ｂを境界線の内側に押し付けて移動させる。これにより、インクリメンタル成形方法では、境界線部分の曲率半径がより小さくなるように次第に変形させ、折れ線状のキャラクターラインＣＬを逐次成形する。

なお、図示しない固定装置により拘束したアウタパネルＰの周囲は、フランジＦとして残り、必要に応じて他の成形や切除が行われる。

このようにして、上記のインクリメンタル成形方法は、アウタパネルＰを成形するに際し、その裏面側に配置した工具２の第１及び第２の成形部２Ａ，３Ｂを選択的に使用することにより、工具２による縞状の圧痕や材料余り等のない良好な外観品質を有するアウタパネルを提供することができる。また、上記のインクリメンタル成形方法は、１本の工具２だけで、所定の傾斜角度を有する周壁部Ｓ、緩やかに湾曲した底壁部（主体部）、及び局部的なキャラクターラインＣＬを高品質に成形することができる。

本発明に係わるインクリメンタル成形方法は、上記各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構成の細部を適宜変更することが可能である。さらに、上記各実施形態では、金属板Ｗの上側に配置した工具で逐次成形を行う場合を例示したが、金属板Ｗを立てた状態にし、横方向から工具２を押し付けて逐次成形することも可能である。

２ 工具
２Ａ 第１成形部
２Ｂ 第２成形部
Ｍ 成形品（最終形状）
Ｐ アウタパネル（成形品）
Ｗ 金属板

Claims (5)

1. 周囲を保持した金属板に工具を押し付けて移動させることにより、金属板を板厚方向に次第に変形させて最終形状に成形するに際し、
   平面又は曲面から成る先端中央の第１成形部と、第１成形部に対して曲率が相対的に大きい先端周囲の第２成形部とを備えた工具を用い、
   金属板の部位に応じて、工具の第１成形部及び第２成形部を選択的に押し付けて成形を行うことを特徴とすインクリメンタル成形方法。
2. 工具を傾斜させて金属板に第２成形部を押し付けて成形を行うことを特徴とする請求項１に記載のインクリメンタル成形方法。
3. 工具の傾斜角度を変更しながら金属板に工具を押し付けて成形を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載のインクリメンタル成形方法。
4. 周囲を保持した金属板に工具を押し付けて移動させることにより、金属板を板厚方向に次第に変形させて最終形状に成形するインクリメンタル成形に用いる工具であって、
   平面又は曲面から成る先端中央の第１成形部と、第１成形部に対して曲率が相対的に大きい先端周囲の第２成形部とを備えたことを特徴とする成形用工具。
5. 第１成形部及び第２成形部が、成形する最終形状に対応した曲率を有していることを特徴とする請求項４に記載の成形用工具。

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