(57)【要約】【課題】スピニングン加工により外周縁に続く直線状部分まで、しわ、割れの発生を防止しつつ成形できる方法を提供する。【解決手段】断面が楕円形をなす湾曲部３ａと、湾曲部３ａの周縁から軸線方向に延びる真直部３ｂとが一体として成形されている金属製のドーム３を、複数のパスからなるスピニング加工を施して成形する方法であって、予めスピニング加工を施すことで得られる減肉率の変曲点を境界として、先行するパスと、後続のパスとを区分することを特徴とするドームの成形方法。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
断面が楕円形をなす湾曲部と、湾曲部の周縁から軸線方向に延びる真直部と、が一体として成形されている金属製のドームを、複数のパスからなるスピニング加工を施して成形する方法であって、
予めスピニング加工を施すことで得られる減肉率の変曲点を境界として、先行する前記パスと、後続の前記パスとを区分する、
ことを特徴とするドームの成形方法。
【請求項２】
前記スピニング加工の開始から前記変曲点までは、一つの前記パスでスピニング加工し、
前記変曲点を過ぎると複数の前記パスでスピニング加工する、
請求項１に記載のドームの成形方法。
【請求項３】
回転主軸と、
前記回転主軸と一体的に回転され、上面が鏡面状の金型と、
前記金型に固定される金属性のブランクに作用して前記ブランクをスピニング加工する工具と、
前記工具の動作を制御する制御部と、を備え、
前記ブランクを断面が楕円形をなす湾曲部と、湾曲部の周縁から軸線方向に延びる真直部と、が一体とされるドームを成形するスピニング加工装置であって、
前記制御部は、
予めスピニング加工を施すことで得られる前記ブランクの減肉率の変曲点を境界として、先行するパスと、後続のパスと、を区分する複数のパスを実行するように、前記工具の動作を制御する、
スピニング加工装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記工具の動作を、
前記スピニング加工の開始から前記変曲点までは、一つの前記パスでスピニング加工し、
前記変曲点を過ぎると複数の前記パスでスピニング加工するように制御する、
請求項３に記載のスピニング加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム合金からなる圧力容器に使用するドーム（鏡板）、特にロケットタンク用ドームの成形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、液体水素や液体酸素を充填するロケットタンクは、内面が格子状に機械加工されたアイソグリッド構造の円筒部と円筒部の両端に接合されるドーム隔壁（以下、単に「ドーム」）とを備える。円筒部及びドーム隔壁はともに、例えばＡ２０００系のアルミニウム合金で構成されている。特にドームは、偏平なアルミニウム合金板を冷間又は加熱しながらスピニング加工することで、成形される。
【０００３】
このドームの成形方法について、本出願人は、特許文献１、特許文献２にて提案を行っている。
特許文献１は、複数のアルミ合金製の板材を摩擦撹拌接合することにより形成された大型の板材を冷間スピニングにより略ドーム形状に形成、調質後にケミカルミーリング加工及び機械加工仕上げ加工にてドーム形状に形成することを提案している。特許文献１によると、大型の板材や大型の専用機を不要とし、かつ熟練度を必要とすることなく、ドームを製造できるとされている。
また、特許文献２は、略円形のブランクを、ブランクの形状と最終成形品の形状との中間の形状をなす予備成形品を形成し、この予備成形品に溶体化処理を施したのち、予備成形品に冷間しごきスピニング加工を施して、ドーム状の最終成形品を得る。特許文献２によると、加工の再現性が良いとされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２３６６３５号公報
【特許文献２】特開２００６−１２４７７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１，特許文献２に開示されるタンク５０は、図７に示すように、ドーム５１の外周縁が弧状で終わり、筒胴体５３との間には、筒状のスカート５５を介在させることを前提としている。ドーム５１とスカート５５を溶接により繋ぐとともに、スカート５５と筒胴体５３を溶接により繋いでいる。スカート５５の部分も含めてスピニング加工によりドーム５１を一体的に形成すれば、ドーム５１と筒胴体５３の間の溶接を一度で済ませることができる。なお、タンク５０を３ピースのタンクと称し、スカート５５の部分をドーム５１と一体的に形成したタンクを２ピースのタンクと称する。ところが、２ピースのタンクにおいては、外周が軸方向に沿って直線状をなすスカートの部分をドームと一体的に成形をすると、スカートに相当する部分にしわ、割れが生じやすい。しわ、割れを避けるために、スピニング加工する際のパスを多段に分けて行うが、作業者の技量によって、しわ、割れの発生が左右される。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、作業者の技量に関わらず、スピニングン加工により外周縁に続く直線状部分まで、しわ、割れの発生を防止しつつ成形できる方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は、スピニング加工の種々の条件を変更してストレート部を有するドームを作製してしわの発生を観察した。その結果、スピニング加工によりブランクの肉厚が大きく減少する位置でしわが発生することを確認し、さらに、少なくともその位置で加工のパスを切り替えると、しわの発生を抑えることができることを知見した。
この知見に基づく本発明のドームの成形方法は、断面が楕円形をなす湾曲部と、湾曲部の周縁から軸線方向に延びる真直部と、が一体として成形されている金属製のドームを、複数のパスからなるスピニング加工を施して成形する方法であって、予めスピニング加工を施すことで得られる減肉率の変曲点を境界として、先行するパスと後続のパスとを区分することを特徴とする。
【０００７】
本発明の成形方法は、スピニング加工の開始から変曲点までを複数のパスで成形することもできるが、変曲点まではしわが発生するおそれがないとみなせるので、加工効率を考慮すると、変曲点までは一つのパスで加工するのが好ましい。一方、変曲点を過ぎるとしわの発生するおそれが大きいので、複数のパスでスピニング加工するのがよい。つまり、本発明は、スピニング加工の開始から変曲点までは、一つのパスで加工し、変曲点を過ぎると複数のパスで加工することが好ましい。
【０００８】
本発明は、以上の成形方法を実現するスピニング加工装置を提供する。このスピニング加工装置は、回転主軸と、回転主軸と一体的に回転され、上面が鏡面状の金型と、金型に固定される金属性のブランクに作用してブランクをスピニング加工する工具と、工具の動作を制御する制御部と、を備え、ブランクを断面が楕円形をなす湾曲部と、湾曲部の周縁から軸線方向に延びる真直部と、が一体とされるドームを成形するものであって、制御部は、予めスピニング加工を施すことで得られるブランクの減肉率の変曲点を境界として、先行するパスと後続のパスとを区分する複数のパスを実行するように、工具の動作を制御する。
本発明によるスピニング加工装置によると、しわが発生するおそれの大きい変曲点を跨いで加工するのを避けるので、しわの発生を抑えることができる。
【０００９】
本発明のスピニング加工装置において、制御部は、工具の動作を、スピニング加工の開始から変曲点までは、一つのパスで加工し、変曲点を過ぎると複数のパスで加工するように制御することが好ましい。そうすることで、高い加工効率を確保しつつ、しわの発生を抑えることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、予めスピニング加工を施すことで得られる減肉率の変曲点を境界として、先行するパスと後続のパスとを区分することで、作業者の技量に関わらず、しわの発生を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】２ピース型のロケットタンクを示す縦断面図である。
【図２】スピニング加工における半径方向位置とブランクの減肉率の関係を示すグラフである。
【図３】スピニング加工におけるロール送り速度としわ発生位置の関係を示すグラフである。
【図４】スピニング加工における半径方向位置と高さ方向位置の関係を示すグラフである。
【図５】スピニング加工におけるパススケジュールの一例を示すグラフである。
【図６】本実施形態に係るスピニング加工装置の概略構成を示す図である。
【図７】従来の３ピース型のロケットタンクを示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
本実施形態は、図１に示すように、２ピース型のタンク１を製造する方法に関する。タンク１は、タンク１の両端に配置されるドーム３と、ドーム３の間に配置される筒胴体５と、からなり、ドーム３と筒胴体５は溶接により接続されている。
ドーム３は、断面が楕円形をなす湾曲部３ａと、湾曲部３ａの周縁から軸線方向に延びる真直部３ｂとからなる。ドーム３は湾曲部３ａと真直部３ｂがスピニング加工により成形されている単一の部材であり、本実施形態はこのスピニング加工に特徴を有している。
【００１３】
本発明者は、スピニング加工の条件を変更してドーム３を成形したところ、特徴的な知見を得ることができた。図２を参照してそれを説明する。
図２は、ブランクからドーム３をスピニング加工により成形試験を行ったときの、半径方向の位置とブランクの肉厚の減少率（減肉率）との関係を示している。
【００１４】
図２に示すように、減肉率は半径方向の位置が中心から遠ざかるにつれて大きくなる。これは、中心から遠ざかるほどドーム３の湾曲の程度が大きくなるために、加工によるひずみを大きくする必要があることに起因している。ところが、減肉率を示す各曲線ともに、つまりロールの送り速度にかかわらず変曲点Ｐ１が現れ、変曲点Ｐ１を超えると、減肉率は小さくなることが確認された。
【００１５】
一方、上記した成形試験を行ってしわが発生した位置Ｐ２とロール送り速度の関係を図３に示すとともに、図２に示される変曲点Ｐ１を図３にプロットする。各ロール送り速度について、変曲点Ｐ１としわ発生の位置Ｐ２が近接していることが判る。つまり、変曲点Ｐ１をしわが発生する位置とみなすことができる。図４に、しわ発生の位置Ｐ２をドーム３上にプロットしているが、ロール送り速度が速いほど、中心に近い位置でしわが発生することがわかる。
【００１６】
以上の結果に基づいて、変曲点Ｐ１までは加工ローラ１１をブランクから離すことなく１つのパスで加工するが、変曲点Ｐ１よりも先は複数段階に分ける複数パススケジュールによるスピニング加工を行なって湾曲部３ａと真直部３ｂを備えるドーム３を形成した。図５にパススケジュールを示すが、第１パスから第５パスまでの併せて５パスのスピニング加工によりしわを発生させることなく、ドーム３を製造できることを確認した。
【００１７】
ここでは、変曲点Ｐ１を第１パスから第２パスへ移行する境界にしているが、変曲点Ｐ１に至るよりも前に第１パスから第２パスに移行してもよい。ただし、この場合も変曲点Ｐ１を跨いで一つのパスで連続して加工するのを避ける必要がある。つまり、本発明は、変曲点Ｐ１を境にして、加工のパスを分割することを条件とするものであり、変曲点Ｐ１の前後を複数のパスで加工することを許容する。図５に示した例は、変曲点Ｐ１までを１パス、変曲点Ｐ１以降を４パスで加工することで、しわを発生させることなくドーム３を形成している。
【００１８】
本発明を実施するには、少なくとも以下の２つの形態がある。
一つ目の形態は、作業者がロールを操作してスピニング加工する。つまり、変曲点Ｐ１を予め実験的に確認しておき、その後、同じ条件でドーム３を加工、成形する場合に、当該変曲点Ｐ１を考慮してパススケジュールを立て、作業者がこのパススケジュールに従って、ドーム３を加工、成形することができる。この形態は、加工条件（ブランクの仕様、ロールの送り速度など）ごとに予め変曲点Ｐ１を含むパススケジュールが特定されていることになるので、作業者が作業を行う前に当該パススケジュール把握しておき、加工作業を行うことになる。
【００１９】
二つ目の形態は、ロールの操作を含め、スピニング加工を自動で行う。
この自動加工を行うスピニング加工装置の一例を、図６を参照して説明する。
スピニング加工装置１０は、回転主軸１２と、回転主軸１２に結合された上面が鏡面状の金型１３と、加工ローラ１１と、を備える。金型１３は回転主軸１２と一体に回転し、その上面にドーム３の素材となるブランクＢを載せる。このブランクＢは金型１３とともに回転する。
金型１３を挟んで回転主軸１２の反対側には支持軸１４が設けられる。支持軸１４は、ブランクＢと金型１３を上方から回転可能に支持する。加工ローラ１１は、ローラ支持アーム１７に取り付けられ、ローラ支持アーム１７を介してガイドシリンダ１８とアーム軸方向移動シリンダ１９により２軸方向に移動可能に構成される。
【００２０】
回転主軸１２と支持軸１４によりブランクＢを回転させながら、ブランクＢの上面に加工ローラ１１で圧力を加え、更に、この加工ローラ１１を、金型１３の表面形状にほぼ沿った軌跡で内径側から外径側に向けて移動させてブランクＢをドーム３に加工する。ドーム３は、湾曲部３ａに加え真直部３ｂを有している。
【００２１】
スピニング加工装置１０は、制御部２０を備えている。制御部２０は、演算手段及び記憶手段を備え、記憶手段に記憶されているプログラムを演算手段が解釈、実行するコンピュータ装置により構成される。また、制御部２０は、図示を省略する、例えば、入力手段としてのキーボード、及び、表示装置としての液晶ディスプレイを備える。
制御部２０は、スピニング加工装置１０の動作を司る。回転主軸１２及び支持軸１４に関しては、回転の起動及び停止、並びに、回転速度（回転数）を制御する。また、加工ローラ１１に関しては、ガイドシリンダ１８とアーム軸方向移動シリンダ１９を駆動させることで、加工ローラ１１を必要な位置に移動させる。つまり、加工ローラ１１は、ガイドシリンダ１８とアーム軸方向移動シリンダ１９の動作が制御部２０により制御されることで、所望する送り速度Ｖｆでスピニング加工する。
【００２２】
制御部２０は、記憶手段の中にドーム３を成形するためのデータベースが構築されている。データベースは、ドーム３を作製する際のパススケジュールを備えている。その一例を表１に示す。
表１に示すように、データベースには、ドーム３の型番（D-Model）、対応する金型の型番（M-Model）、ブランクＢのサイズ（Ｂ-size，ｔ（板厚）φ（直径））、変曲点（Ｐ１）、及び、パススケジュール（ＰＳ）が対応付けて記憶されている。
【００２３】
変曲点（Ｐ１）は、前述したように、実験的に求められた値である。
パススケジュールは、表１に示すように、第１パス、第２パス、…第ｎパスというように複数のパスから構成され、各々のパスが区画される位置が特定される。この位置は、回転主軸１２（支持軸１４）の中心、つまりブランクＢの中心からの距離である。例えば、型番がＤ−１であるドーム３は、５段階のパスからなるパススケジュール（ＰＳ）を有している。第１パスは、中心からの距離がφ１−１までの範囲を占める。変曲点（Ｐ１）が１−１であり、変曲点（Ｐ１）は第１パスの終点と一致する。第２パスは、加工の始点が変曲点Ｐ１を過ぎており、第１パスとは加工範囲が部分的に重複している。第２パスに対する第３パスの関係、第３パスに対する第４パスの関係、及び、第４パスに対する第５パスの関係も同様である。
【００２４】
制御部２０は、作業者が今回成形するドーム３の型番をキーボードから入力すると、対応する型番（D-Model）と、金型の型番（M-Model）、ブランクＢのサイズ（Ｂ-size，ｔ（板厚），φ（直径））、変曲点（Ｐ１）、及び、パススケジュール（ＰＳ）を対応付けた例えば表形式で液晶ディスプレイに表示させる。作業者は、当該表示を参照することにより、スピニング加工装置１０に装着されている金型、ブランクＢが適切であることを確認できる。また、作業者は、当該表示を参照することにより、パススケジュールを事前に把握できるので、自動で行われるスピニング加工の監視に役立てることができる。
作業者が、当該表示を確認した後に、用意されている加工開始のスイッチを操作すると、制御部２０は、ガイドシリンダ１８とアーム軸方向移動シリンダ１９を介して、加工ローラ１１をパススケジュールに沿うように動作を制御する。データベースに記憶されているパススケジュールは、いずれも、変曲点Ｐ１を境にして、加工のパスを分割しているので、しわを発生させることなくドーム３を形成できる。
【００２５】
【表１】
2014172081.tif 000003
【００２６】
以上、本発明を実施形態に基づいて説明したが、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
例えば、変曲点Ｐ１を決定する方法は任意であり、シミュレーションにより変曲点Ｐ１を予測する、ブランクのテストピースを用いて実験的に変曲点Ｐ１を求める、製品化されるブランクを予備的に成形し、その結果に基づいて変曲点Ｐ１を求める等の方法を選択できる。
【符号の説明】
【００２７】
１      タンク
３      ドーム
３ａ    湾曲部
３ｂ    真直部
５      筒胴体
１０    スピニング加工装置
１１    加工ローラ
１２    回転主軸
１３    金型
１４    支持軸
１７    ローラ支持アーム
１８    ガイドシリンダ
１９    アーム軸方向移動シリンダ
２０    制御部
５０    タンク
５１    ドーム
５３    筒胴体
５５    スカート
Ｂ      ブランク
【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】
2014172081.tif 000009
【図７】
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