(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
素材の板を３次元曲面状に曲げて曲面板を作製し、
次に、前記曲面板の一方の面を削り出して、該曲面板に第１の面板と複数のリブを形成し、前記第１の面板の一方の面に前記複数のリブが接続して形成されており、前記複数のリブは格子状に形成されており、前記第１の面板のリブとは反対側の面は３次元曲面に形成されており、前記複数のリブの先端を前記第１の面板に実質的に平行に形成しており、
次に、格子状に形成された前記複数のリブの先端に、前記第１の面板に実質的に平行な３次元曲面に形成された第２の面板を固定すること、
を特徴とする曲面構造体の製作方法。
【請求項２】
請求項１の曲面構造体の製作方法において、
前記素材の板を一対の金型でプレスして３次元曲面状に曲げ、
前記金型を用いて前記第２の面板をプレスして３次元曲面状に成形すること、
を特徴とする曲面構造体の製作方法。
【請求項３】
３次元曲面に形成された第１の面板と、前記第１の面板と実質的に平行な３次元曲面に形成された第２の面板とからなり、
前記第１の面板には、その一方の面から実質的に直行する方向に突出した格子状のリブを削り出しによって形成しており、前記リブの先端は前記第１の面板に対して実質的に平行に形成されており、
前記第２の面板は、前記格子状のリブの先端に固定されており、前記第２の面板の前記リブへの固定位置を、前記格子状のリブ同士の交点としたこと、
を特徴とする曲面構造体。
【請求項４】
３次元曲面に形成された第１の面板と、前記第１の面板と実質的に平行な３次元曲面に形成された第２の面板とからなり、
前記第１の面板には、その一方の面から実質的に直行する方向に突出した格子状のリブを削り出しによって形成しており、前記リブの先端は前記第１の面板に対して実質的に平行に形成されており、
前記第２の面板は、前記格子状のリブの先端に固定されており、前記第２の面板の前記リブへの固定位置を、前記格子状のリブ同士の交点と交点の間に伸びるリブの先端としたこと、
を特徴とする曲面構造体。
【請求項５】
請求項４の曲面構造体において、前記第２の面板の前記リブへの固定位置を、前記リブ同士の交点および前記リブ同士の交点と交点の間に伸びるリブの先端したこと、
を特徴とする曲面構造体。
【請求項６】
請求項３または請求項４の曲面構造体において、前記第１の面板の外周部に沿って前記リブが形成されており、
前記第２の面板は、該第２の面板の外周端が前記第１の面板の外周部に形成されたリブに一致する大きさに形成されており、該第２の面板の外周端は前記第１の面板の外周部のリブの先端に固定されていること、
を特徴とする曲面構造体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の曲面板を結合して比較的大きな構造体を製作する方法に関する。例えば、鉄道車両の先頭車，航空機，船体等の先頭部分のように、流体特性向上などから３次元の曲面を有する部分の製作に好適である。
【０００２】
【従来の技術】
鉄道車両の先頭車の先頭部分は空気抵抗や意匠の観点から３次元曲面を有する。それもかなり複雑な曲面を必要としている。このような曲面構造体の製作方法として、特開２０００−３０１３６５号がある。これは先頭車の先頭部分を複数に分割し、この個々のブロックを接合して先頭車にしている。前記ブロックは、板をプレスして曲面板を製作し、次に曲面板の一方の面を切削して格子状のリブを設けて、構成している。
【０００３】
特開平６−２３４５１号は、中空状のパネルの製作方法を示すものである。複数のリブを有する部材を押し出し形材によって設け、リブの上に板を載せて溶接して、中空状パネルを製作する。
【０００４】
特開平９−３０９１６４号公報（ＥＰ  ０７９７０４３  Ａ２）のように、接合手段として摩擦攪拌接合がある。接合変形，寸法変化が少ないという特長がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記特開２０００−３０１３６５号には、板をプレスして曲面板を製作し、次に曲面板の一方側の面を切削してリブを設けたブロックを製作する。しかしながら、リブの一方側には面板が無いので構造強度上から必要なリブの高さが大きい。これは例えば新幹線の場合には２５〜３０mmである。リブの高さが大きいと素材板の厚さが大きい（新幹線の先頭車では３５〜４０mm程度が必要になる。）ので材料費が大きい。また、板厚が大きいと曲面板の成形に時間がかかり、リブの切削にも時間がかかる。このため加工費も大きい。
【０００６】
本発明は、鉄道車両等の比較的大きな曲面構造体を安価に高精度で提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、
板を曲面状に曲げ、
次に、前記板の一方の面を削り出して、複数のリブと該複数のリブを接続する第１の面板を形成し、
次に、前記複数のリブの先端に、前記第１の面板に実質的に平行な第２の面板を固定すること、
によって達成できる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を鉄道車両の先頭車の先頭部分に適用する場合について、図１〜図６によって説明する。図１はブロック５０を車内側から見た図である。図３はブロック同士の結合部分を示す。
【０００９】
車体の先頭部分Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３は、車体の長手方向および幅方向に沿って曲がった３次元曲面を有する。部分Ｓ３には運転席の窓Ｃがある。部分Ｓ３には曲面から更に突出する曲面があることが多い。このため、部分Ｓ３には複雑な曲面を有することが多い。部分Ｓ４は客室部分であり、出入り口Ｄ１，Ｄ２、窓Ｗがある。この部分の外面は車体の長手方向に沿って直線状であるので、従前の構成である。先頭車は、床を構成する台枠１００，台枠１００の上に載せた曲面部Ｓ３，直線部Ｓ４、および曲面部Ｓ３の先端に設置した曲面部Ｓ２，Ｓ３からなる。
【００１０】
ブロック５０は比較的大きな曲面部（車体の高さが高い部分）Ｓ３に適用した場合である。曲面部Ｓ１，Ｓ２も同様に製作できる。曲面部Ｓ３は、複数のブロック５０を車両の長手方向および幅方向に接続して構成している。
【００１１】
複数のブロック５０からなる部分Ｓ３の下端は車体の台枠１００に載っている。他の部分Ｓ４も同様である。
【００１２】
ブロック５０は、車両の外面を成す面板５１と、面板５１の内面に突出させた複数のリブ５５，リブ５５の先端の端面に固定した内側の面板５２とからなる。リブ５５は、縦方向（垂直方向）に沿った複数の縦リブと、横方向（水平方向）に沿った複数の横リブとからなる。リブ５５同士は接続し、格子状になっている。リブ５５の突出代は同一である。リブ５５の先端は平らであり、面板５１に実質的に平行である。個々のブロック５０は端部にリブ５５を有している。このため、ブロック５０の面板５１が四角形なら、面板５１の４辺に沿ってリブ５５がある。面板５２は各リブ５５に適宜な手段で固定されている。固定位置は強度等を考慮して定められる。面板５２はブロック５０の外周端のリブ５５に重なっており、このリブ５５に固定されている。面板５２の外周端よりも内部のリブ５５に重なっており、このリブ５５に固定されている。固定手段は例えば溶接である。
【００１３】
ブロック５０は曲面状であり、面板５１，５２は曲面状である。ブロック５０（面板５１，５２）の外周端は一般に四角形である。４つのブロック５０が接する角部は面取りされている。
【００１４】
一方のブロック５０と隣接する他方のブロック５０とは、端部のリブ５５の部分で接合している。車外側からは溶接Ｗ１している。このため、外周端のリブ５５の車外側の端部には溶接用の開先を設けている。リブ５５同士は一般に接触しているが、若干の隙間があってもよい。車内側からは内側の面板５２，５２とリブ５５，５５の端部を溶接Ｗ２している。もちろん、リブ５５の内側の端部にも溶接用の開先を設けてもよい。外側の溶接Ｗ１は連続しているが、内側の溶接Ｗ２は強度に応じて間欠的でよい。内側の開先は外側の開先よりも小さくてよい。このように車外側の面板５１で荷重を伝達するようにしている。
【００１５】
このように、内側の面板５２を面板５１側から見たとき、両面板５１，５２の外周の形状および大きさはほぼ同一であるといえる。ただし、上記のように開先の形状や角部の形状で異なる。溶接継ぎ手としては、例えば、車外側は、一方のブロック５０の面板５１を隣接するブロック５０の端部のリブ５５に重ね、面板５１同士を突き合わせて接合する。しかし、車内側は前記のように単に突き合わせて溶接することがある。この場合は大きく異なるが、実質同一であるともいえる。
【００１６】
リブ５５への面板５２の固定手段を説明する。面板５２は複数のリブ５５の端面に溶接Ｗ３１,Ｗ３２して固定している。溶接Ｗ３１,Ｗ３２は栓溶接である。このため、面板５２の溶接個所に予め穴ｈ３１，ｈ３２を空けている。穴ｈ３１（Ｗ３１）はリブ５５同士の交点の位置にある。穴ｈ３２（Ｗ３２）はリブ５５同士の交点とリブ５５同士の交点との間の長いリブ５５の位置にある。穴ｈ３２は長穴である。このように、剛性の高いリブ５５に面板５２を間欠的に溶接するので、変形を出さずに精度の良いブロック（曲面構造体）５０が得られる。
【００１７】
面板５２の外周端は、面板５１の外周端のリブ５５の端面よりも内側にある。このため、ブロック５０，５０を突き合わせたとき、面板５２の端部と隣接する面板５２の端部との間には隙間が生じる。この隙間が実質的に溶接Ｗ２のための開先になる。
【００１８】
図１では面板５２を穴ｈ３１，ｈ３２に沿って切断し、ブロック５０の長さよりも短くして示している。
【００１９】
例えば、新幹線の車体の場合、面板５１の厚さは２.５mm 、リブ５５の高さは１５〜２０mmである。この素材の厚さは２５〜３０mmである。また、面板５２の厚さは２.５mm である。ブロック５０の材質はアルミニウム合金である。
【００２０】
ブロック５０の製作手順を図５により説明する。まず、面板５１とリブ５５と
を構成する素材の板を切断する（ステップＳ１００）。
【００２１】
次に、この素材の板をプレスして曲面板にする。このプレスは板を約３００℃に加熱して行う。次に、前記プレスの金型に前記曲面板を所定圧力で挟んだ状態で、約３５０℃に約１時間保持して焼鈍する（ステップＳ１１０）。
【００２２】
次に、５軸マシニングセンタ等で、曲面板の外面側（車両の外面側）を素材表面が除ける程度まで切削して基準面を設ける（ステップＳ１２０）。
【００２３】
次に、曲面板を反転して、曲面板の内面側（車両の内面側）を切削し、リブ５５を形成させる。複数のリブ５５の突出方向は面板５１に対して実質的に直交している。さらに、加工を進めて、面板５１の内面を完成させる。リブ５５の寸法は例えば、高さ１５mmで、厚さ６mm、ピッチは２００mmである。リブ５５と面板５１の付け根の丸みは例えば５mmである（ステップＳ１３０）。
【００２４】
次に、曲面板を反転して、面板５１の外面を切削し、仕上げる。面板の厚さは、例えば２.５mm である。また、要求される強度条件によって部分部分で厚さを大きくすることもできる。次に、同じ状態で、ブロック外周をトリミング切削して外周のリブ５５の端面を仕上げる。また、開先を設ける（Ｓ１４０）。
【００２５】
車内側の面板５２の製作手順を説明する。先ず、面板５２の板を所定の大きさに切断する。板厚は例えば２.５mm であり、ブロック５０の大きさよりも若干大きく切断する（Ｓ２００）。
【００２６】
次に、ステップＳ１１０で用いたプレス金型を用いて面板５２の板をプレスし、曲面板を作る。金型は前記面板５１とリブ５５とが一体パネルの素材と板厚さが近いので同じ型を使用してもわずかな誤差の形状精度の曲面板が得られる。焼鈍は不要である（Ｓ２１０）。
【００２７】
次に、面板５２に穴ｈ３１，ｈ３２を空ける。また、面板５２の外周端のトリミングして、所定の面板５２の大きさにする（Ｓ２２０）。
【００２８】
次に、この面板５２をステップＳ１４０で得られたブロックのリブに溶接Ｗ31，Ｗ３２する。これによって、ブロック５０となる。
【００２９】
このようにして構成したブロックは、主に機械加工によって製作されるため、高精度で、かつ、面板リブ一体構造であるので剛性が高い。このリブに精度良くプレス成形した内側の曲面板を固定しているので、剛性を高めることができる。これらにより、軽量高剛性の高精度曲面構造体，ブロックが得られる。
【００３０】
この大きさは、成形型や加工設備からの制限があるので、実用的な最大寸法は概ね幅２ｍ，長さ３ｍ程度である。
【００３１】
このようにして得られたブロック５０を用いて車体を製作する。この手順を図６により説明する。
【００３２】
まず、架台に複数のブロック５０を載せる（Ｓ３００）。
【００３３】
次に、ブロック５０同士を仮止め溶接する。仮止溶接は内外の溶接線の適当な位置の複数箇所で行う（Ｓ３１０）。
【００３４】
次に、ブロック５０同士を車内側から溶接Ｗ２する。この溶接は例えば溶接長さ５０mm，間隔１５０mmの断続溶接である（Ｓ３２０）。
【００３５】
次に、ブロック５０同士を面板５１側から溶接Ｗ１する（Ｓ３３０）。
【００３６】
次に、車外側の溶接ビードを面板５１と同一面に切削する（Ｓ３４０）。
【００３７】
次に、このように構成したものを車体の台枠に載せ、溶接し、車体とする（Ｓ３５０）。
【００３８】
図７の実施例を説明する。これは溶接Ｗ３１に代えてボルトｂによって固定したものである。ボルトｂの位置はリブ５５，５５の交点の位置である。面板５２には穴ｈ４１，リブ５５の交点にはねじ穴ｔを設けている。溶接Ｗ３２は前記実施例のとおりである。ボルトｂを締めて面板５２を位置決めしてから、アーク溶接Ｗ３２を行う。このため、面板５２の位置ずれや浮き上がりを防止でき、変形を出さずに精度の良いブロック５０が得られる。
【００３９】
なお、ボルトｂに代えてピンで固定してもよい。また、必用強度によっては溶接Ｗ２を除き、ボルトｂまたはピンのみにできる。
【００４０】
図８の実施例を説明する。これは面板５２をリブ５１の端面に重ね、摩擦攪拌接合Ｆで結合したものである。これによれば、溶融させずに結合するので、変形を出さずに精度の良い曲面構造体５０が得られる。摩擦攪拌接合は図８のように面板５２の上方から行う。
【００４１】
摩擦攪拌接合の終了点には穴ｖが発生する。穴ｖが残ってまずい場合は穴ｖを上方からアーク溶接ｗ３１によって埋める。
【００４２】
摩擦攪拌接合する場合は、摩擦攪拌接合のための荷重がリブ５５にかかる。この荷重は大きい。リブ５５は面板５１に直立しており、この直立した方向から摩擦攪拌接合するので、リブ５５の変形を防止して摩擦攪拌接合できるものである。
【００４３】
摩擦攪拌接合時には面板５２を面板５１側に強固に固定しておかなければならない。このため、面板５２の外周端を面板５１の外周端のリブ５５に金具で挟んで強固に固定する。この状態で、先ず中央部のリブ５５に沿って摩擦攪拌接合Ｆする。その後、摩擦攪拌接合する部分の金具を除き、外周端のリブ５５に沿って摩擦攪拌接合Ｆをする。
【００４４】
また、図１の実施例のように必用個所に孔ｈ３１または孔ｈ３２を空けた面板５２を用い、溶接によって面板５２をリブ５５に仮固定する。次に、摩擦攪拌接合Ｆする。孔ｈ３２の長さは短くてよい。
【００４５】
また、摩擦攪拌接合の終了点の孔にさらに孔を空け、ボルト又はピンで結合すれば、摩擦攪拌接合の終了点の孔を埋めて強固な結合ができる。また、このボルト又はピンをその他の位置（例えば、リブの交点）に設けたい場合は摩擦攪拌接合の後、孔を空ける。
【００４６】
本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲の各請求事項に記載の文言あるいは課題を解決するための手段の項に記載の文言に限定されず、同業者がそれから容易に置き換えられる範囲にも及ぶものである。
【００４７】
【発明の効果】
本発明によれば、面板リブ一体パネルの内側に別の面板を固定するので、軽量高剛性の高精度ブロックを安価に製作することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例のブロックの斜視図である。
【図２】図１のブロックを用いた車体の先頭部分の一部切り欠き斜視図である。
【図３】図２の３−３断面図である。
【図４】図３の車体の側面図である。
【図５】ブロックの製作方法を説明するフローチャートである。
【図６】大形構造体の製作方法を説明するフローチャートである。
【図７】本発明の他の実施例の斜視図である。
【図８】本発明の他の実施例の斜視図である。
【符号の説明】
５０…ブロック、５１，５２…面板、５５…リブ、ｂ…ボルト、Ｆ…摩擦攪拌接合、ｗ１，ｗ２…溶接。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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