(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持枠で周囲を支持された板材の一方の面側に設けられた移動押圧工具で上記板材を押圧し、上記板材と移動押圧工具を相対移動させ、上記板材を３次元形状に成形する逐次成形方法であって、
上記板材が、その表面の融点が加工温度以下であり、
上記板材の表面を溶融させて成形することを特徴とする逐次成形方法。
【請求項２】
上記板材と上記移動押圧工具との摺動摩擦熱で上記板材の表面を溶融することを特徴とする請求項１に記載の逐次成形方法。
【請求項３】
上記板材と、加工温度で合金化しない非合金化材料で形成された移動押圧工具を選択使用することを特徴とする請求項１又は２に記載の逐次成形方法。
【請求項４】
成形部位が上記板材と加工温度で合金化しない非合金化材料で形成された移動押圧工具を選択使用することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の逐次成形方法。
【請求項５】
上記移動押圧工具の成形部位の表面粗さ（Ｒａ）が、０．２μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の逐次成形方法。
【請求項６】
上記移動押圧工具が、表面に硬質層を備えるものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の逐次成形方法。
【請求項７】
上記硬質層が、ダイヤモンド及び／又はダイヤモンドライクカーボンを含むものであることを特徴とする請求項６に記載の逐次成形方法。
【請求項８】
上記板材がメッキ層を有するものであり、
上記メッキ層の融点が加工温度以下であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つの項に記載の逐次成形方法。
【請求項９】
上記板材が、亜鉛メッキされたものであることを特徴とする請求項８に記載の逐次成形方法。
【請求項１０】
下記式（１）を満たすことを特徴とする請求項２〜９のいずれか１つの項に記載の逐次成形方法。
摺動摩擦熱（μＰＶ）≧３×１０８Ｗ／ｍ２  ・・・式（１）
但し、式（１）中、μは摩擦係数、Ｐは接触部の圧力、Ｖはすべり速度を表す。
【請求項１１】
支持枠で周囲を支持された板材の一方の面側に設けられた移動押圧工具で上記板材を押圧し、上記板材と移動押圧工具を相対移動させ、表面の融点が加工温度以下である上記板材の表面を溶融しながら上記板材を３次元形状に成形する逐次成形方法に用いる工具であって、
上記板材を押圧しながら相対移動するものであり、加工温度で上記板材と合金化しない非合金化材料で形成されたものであることを特徴とする逐次成形方法用工具。
【請求項１２】
成形部位が上記板材と合金化しない非合金化材料で形成されたものであることを特徴とする請求項１１に記載の逐次成形方法用工具。
【請求項１３】
成形部位の表面粗さ（Ｒａ）が、０．２μｍ以下であることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の逐次成形方法用工具。
【請求項１４】
表面に硬質層を備えるものであることを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか１つの項に記載の逐次成形方法用工具。
【請求項１５】
上記硬質層が、多結晶ダイヤモンドを含むものであることを特徴とする請求項１４に記載の逐次成形方法用工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、板材に押圧工具を押し当てながら相対移動させ、上記板材を伸ばして所定の立体形状に成形加工する逐次成形方法、及び該逐次成形装置に用いる工具に係り、更に詳細には、加工速度と成形品の表面粗さとを両立できる逐次成形方法、及び該逐次成形装置に用いる工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車の部品などを大量生産するための塑性加工方法として、金型を使用したプレス加工が広く用いられている。
【０００３】
しかしながら、プレス装置と金型とを用いた塑性加工方法では、設備が大型化するとともに、部品ごとに金型を作製しなければならず、多大な費用を要するため、消費者ニーズの多様化に対応した多品種少量生産には不向きである。また、プレス加工では作製できる部品の形状に制約があり、複雑な形状の部品の作製が困難である。
【０００４】
特許文献１の特許第４２８７９１２号公報には、特定形状の金型に代えて、汎用の押圧工具を板材に押し当てながら相対移動させ、上記板材を伸ばしながら所定の立体形状を成形加工する逐次成形装置が開示されている。
【０００５】
上記逐次成形装置は、上記押圧工具の移動を数値制御により行うため、同じ装置構成で異なる形状の部品を作製することができ、加えて、プレス加工では困難な複雑な形状の成形が可能である。そして、成形部位に潤滑剤を供給することで、押圧工具の移動速度を上げても、ステンレス板材においては押圧工具との凝着が防止され、アルミニウム板材においては割れの発生を防止できるとされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４２８７９１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、自動車の部品などを生産する場合には、加工速度をタクトタイムに合わせるために押圧工具の移動速度を上げる必要がある。そこで、押圧工具の移動速度を従来の移動速度よりも速くすると、特許文献１に記載の潤滑剤を供給する方法によっては、板材と押圧工具との凝着を防止できず、加工面を粗らすため、高速化と表面粗さをと両立が困難である。
【０００８】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、加工速度と加工面の表面粗さとを両立できる逐次成形方法、及び該逐次成形装置に用いる工具を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、板材の表面を溶融させて成形することで、上記板材と移動押圧工具との凝着が防止されて表面粗さが向上すると共に、移動押圧工具を従来よりも高速で移動させることができることを見出し、本発明を完成するに至った。  
【００１０】
即ち、本発明の逐次成形方法は、板材の一方の面側に設けられた移動押圧工具で上記板材を押圧し、上記板材と移動押圧工具を相対移動させ、上記板材を３次元形状に成形するものである。
そして、上記板材の表面を溶融させて成形することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の逐次成形方法用工具は、板材の一方の面側に設けられた移動押圧工具で上記板材を押圧し、上記板材と移動押圧工具を相対移動させ、上記板材の表面を溶融しながら上記板材を３次元形状に成形する逐次成形方法に用いる工具である。
そして、逐次成形方法用工具は、加工温度で上記板材と合金化しない非合金化材料で形成され、上記板材を押圧しながら移動し、上記板材を３次元形状に成形することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、板材の表面を溶融させて成形することとしたため、上記板材と移動押圧工具との凝着が防止されて表面粗さが向上すると共に、移動押圧工具を高速で摺動させることができ、加工速度と加工面の表面粗さとを両立できる逐次成形方法、及び該逐次成形装置に用いる工具を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】逐次成形装置の一例を示す概略図である。
【図２】逐次成形方法の加工開始前の状態を説明する図である。
【図３】逐次成形方法の加工中の状態を説明する図である。
【図４】逐次成形方法の加工中の状態を説明する図である。
【図５】他の逐次成形装置の一例を示す概略図である。
【図６】摺動摩擦熱と成形品の表面粗さとの関係を示すプロット図である。
【図７】摺動摩擦熱と成形品の耐食性との関係を示すプロット図である。
【図８】図８（ａ）は摺動摩擦熱μＰＶが５×１０８で成形したものの加工部の断面写真であり、図８（ｂ）は摺動摩擦熱μＰＶが２×１０８で成形したものの加工部の断面写真である。
【図９】移動押圧工具の表面粗さと成形品の表面粗さとの関係を示すプロット図である。
【図１０】移動押圧工具の表面粗さと耐食性との関係を示すプロット図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の逐次成形方法について詳細に説明する。
本発明の逐次成形方法は、支持枠で周囲を支持された板材の一方の面側に設けられた移動押圧工具で上記板材を押圧し、上記板材の表面を溶融させ、上記板材と移動押圧工具を相対移動させて、上記板材を３次元形状に成形する逐次成形方法である。
【００１５】
本発明の逐次成形方法は、従来公知の逐次成形装置を用いることができるが、従来の方法のように、板材を成形するときの摩擦による発熱を抑えて製品に生じる加工痕を減少させるのではなく、逆に、板材の成形領域表面の温度を上昇させ、板材の表面を溶融させることで、加工面の表面粗さを低減させると共に、移動押圧工具の移動速度、すなわち摺動速度を従来の成形速度よりも、さらに速くすることを可能にしている。
【００１６】
一般的に、逐次成形装置１は、図１に示すように、板材２の周囲を支持する支持枠３、移動押圧工具４、及び図示しない制御装置、図示しない駆動装置を備えるものであり、必要に応じて、図２示すように固定押圧工具５を備えることができる。
【００１７】
上記支持枠３及び移動押圧工具４は、駆動装置によって水平方向（Ｘ軸−Ｙ軸方向）及び垂直方向（Ｚ軸方向）に動かされる。上記固定押圧工具５は、上下に動かされるものであってもよい。
【００１８】
そして、上記支持枠によって周囲を支持された板材の一方の面に移動押圧工具を当接させ、移動押圧工具を相対移動させて逐次成形を行う。
【００１９】
具体的には、図２に示すように、固定押圧工具の縁部に対応する板材の部位に移動押圧工具を当接させる。そして、図３に示すように、移動押圧工具を所定量下降させて板材を押圧し、板材を塑性変形させる。そして、図４に示すように、移動押圧工具の高さを変えずに、数値データに基づいて移動押圧工具が成形品の等高線上を移動するように支持枠及び／又は移動押圧工具を動かす。
移動押圧工具が一つの等高線上の移動経路をたどり終わると、さらに移動押圧工具を所定量下降させ、次の等高線上の移動経路を移動させる工程を繰り返すことで、板材を３次元形状に成形する。
なお、固定押圧工具を用いる場合を例について説明したが、成形品の形状や、板材の材質・厚さ等によっては、必ずしも固定押圧工具を用いる必要はない。
【００２０】
本発明は板材の表面を溶融させて成形を行う。板材の表面が溶融していることで、移動押圧工具が滑らかに相対移動することができる。そして、仮に、移動押圧工具が板材表面を引っ掻き、凹凸が形成されたとしても、表面が溶融しているため凹凸がならされて表面が粗れることが防止される。
【００２１】
板材表面の溶融は、移動押圧工具と板材との摺動摩擦熱によって行う。具体的には、上記移動押圧工具の板材に対する相対的な移動速度を高速、例えば０．７５ｍ／ｓｅｃ〜５ｍ／ｓｅｃ以上にすることで摺動摩擦熱により板材の表面を溶融させることができる。
また、移動押圧工具は自転及び／又は超音波振動しながら成形品の等高線上を移動することが好ましい。移動押圧工具が自転及び／又は超音波振動することで発熱量が増え、溶融させることができる。
【００２２】
一般的に、摩擦熱により摩擦面の温度が高温になると、激しい凝着現象、すなわち焼き付き現象が生じる。例えば、鉄と鉄等、同種の材料を摩擦させると凝着し、成形品の表面を粗し易い。
【００２３】
本発明逐次成形方法においては、上記移動押圧工具として、板材の表面を構成する材料と異種材料で形成されたものを選択使用することが好ましく、さらに、上記板材と加工温度で合金化しない非合金化材料で形成されたものを選択使用することが好ましい。
非合金化材料で形成された移動押圧工具を選択使用することで、凝着が防止され成形品の表面粗さを小さくできる。
【００２４】
上記移動押圧工具を構成する材料としては、成形する板材表面を構成する材料や、該表面材料の融点等にもよるが、例えば、炭化タングステン（ＷＣ）、高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ２）、粉末ハイス鋼、及びこれらの表面に硬質層を形成したものや、硬質材を先端に接着接合したもの等を使用することができる。
【００２５】
上記硬質層及び硬質材としては、ダイヤモンド及び／又はダイヤモンドライクカーボンを含むものを挙げることができる。上記ダイヤモンド及びダイヤモンドライクカーボンは、多結晶であることが好ましく、ダイヤモンド、ダイヤモンド焼結体（ＰＣＤ）、及びダイヤモンドライクカーボンの多結晶体を挙げることができる。
上記多結晶ダイヤモンド等を含む硬質層又は硬質材を設けることで、板材との凝着が防止され、成形品の表面粗さを小さくすることができる。
【００２６】
上記多結晶ダイヤモンド等は、単結晶ダイヤモンドのように結晶面及び結晶方向により特性が異なることがなく、等方性であるため、全方位で均一な特性を示し、どのような方向からの力に対しても強く劈開し難い。さらに単結晶ダイヤモンドよりも高硬度で摩擦係数も低いため長期に亘り高速成形が可能である。
【００２７】
上記多結晶ダイヤモンドの平均粒径は、１０μｍ以下であることが好ましい。１０μｍ以下であることで、硬化層の表面粗さを低減することができ、摩擦係数を小さくできる。
【００２８】
平均粒径の測定は、硬化層又は硬質材の表面を撮影した写真像から、ダイヤモンド粒子の最大径（長軸径）を当該粒子の粒径とし、ランダムに選択した１００個のダイヤモンド粒子について粒径を計測する。そして、これらの算術平均からダイヤモンド粒子の個数平均粒径を測定できる。
【００２９】
上記硬質層の厚さとしては、５μｍ〜１ｍｍであることが好ましい。硬質層の厚さが上記範囲であることで、基材との密着性が向上し移動押圧工具の寿命を長くすることができる。
【００３０】
移動押圧工具に上記硬質層を設ける場合は、基材の熱膨張係数が５×１０−６以下であることが好ましい。ダイヤモンドの熱膨張係数との差が小さくなり、膨張収縮による硬質層の剥がれ防止される。
【００３１】
上記移動押圧工具は、板材と接触する成形部分が、上記板材と加工温度で合金化しない非合金化材料で形成され、また板材と接触する成形部分に上記硬質層が形成されていればよく、必ずしも、移動押圧工具の全体が板材と合金化しない非合金化材料で形成される必要はなく、また、移動押圧工具全体に上記硬質層が形成される必要はない。
【００３２】
上記移動押圧工具としては棒状の工具を使用することができ、先端部の形状としては、特に制限はなく円筒、半球、円錐、多角柱、多角錐の他、回転するボールが設けられていてもよいが、半球であることが好ましい。
【００３３】
上記移動押圧工具が板材と接触する成形部位の表面粗さ（Ｒａ）は、０．２μｍ以下であることが好ましく、０．１μｍ以下であることがさらに好ましい。表面粗さ（Ｒａ）が、０．２μｍ以下であることで、摩擦係数が低下し、潤滑剤を供給することなく高速成形が可能となる。また成形面の表面粗さが小さくなり、板材の耐食性が向上する。
なお、表面粗さ（Ｒａ）は、ＪＩＳ  Ｂ  ０６０１の規定に準拠し、触針式表面粗さ計を用いて測定できる。
【００３４】
上記固定押圧工具は、上記移動押圧工具の反対側から板材を押圧するものであり、上記移動押圧工具と同様、棒状の工具を使用することができるが、図５に示すように成形品の輪郭に合わせた簡易な型を用いることができる。
【００３５】
上記固定押圧工具を用いることで、加工時の面圧を高くすることができ、精緻な成形が可能になるだけでなく、成形品の表面粗さを小さくすることができ、耐食性を向上させることができる。
【００３６】
具体的には、支持枠で周囲を支持された板材の一方の面側に固定押圧工具、他方の面側に移動押圧工具を設け、固定押圧工具の縁部に対応する板材の部位を移動押圧工具で押圧し、上記板材と移動押圧工具及び／又は上記固定押圧工具を相対移動させることで、より複雑な成形を行うことが可能である。
【００３７】
上記固定押圧工具を構成する材料としては、樹脂や金属等の他、上記移動押圧工具と同様のものを使用できる。
【００３８】
上記支持枠は、板材の周囲を挟持するものであり、上記制御装置によって数値制御された駆動装置によって水平方向及び垂直方向に動かされて、上記移動押圧工具と協働して板材と成形を行う。
【００３９】
上記支持枠は板材が完全にズレないように挟持するのではなく、板材を挟持する力が調節される。板材の変形により生じる応力が、板材を挟持する力よりも大きくなると板材は支持枠の間を滑って送り込まれ、仕上がり寸法が薄くなりすぎること等が防止される。
板材を挟持する力はバネ等の一定の弾性力を有するものによって調節してもよく、挟持力を出力するアクチュエータ等によって調節してもよい。
【００４０】
上記制御装置は固定押圧工具の高さ、移動押圧工具及び支持枠の位置、並びに押圧力を検出し、成形品の数値データに基づいて上記移動押圧工具が成形品の等高線上を移動するように駆動装置を数値制御して成形を行う。
【００４１】
制御装置としては、例えばマイクロコンピュータを応用した数値制御方式の電子制御装置を用いることができる。電子制御装置では、部品形状を表現する各部寸法、移動押圧工具及び固定押圧工具の相対な移動の順序、押圧力の大きさや発生タイミング等を数値データとして保持し、プログラムによって自動的に駆動装置制御することができる。
【００４２】
本発明の逐次成形方法で成形できる板材としては、塑性変形するものであれば特に制限はなく、例えば、鋼材、ステンレス材、アルミニウム材等の金属製の板材を成形できる。
【００４３】
本発明の逐次成形方法は、板材の表面を溶融させて成形するものであり、融点が高い金属材料の板材を成形する場合は、融点が低い金属材料、例えば、亜鉛（融点：４２０℃）等でメッキされた板材とすることで、板材表面を容易に溶融することができる。
【００４４】
また、亜鉛メッキ鋼板は、メッキ層が厚くなるとプレス成形時にメッキ層に割れが生じやすく剥離が生じ易いが、本発明の逐次成形方法はメッキ層を溶融させて少しずつ逐次成形するため、メッキ層の剥離が防止される。
【００４５】
亜鉛メッキ鋼板としては、純亜鉛メッキ鋼板、合金化亜鉛メッキ鋼板のいずれであってもよい。
【００４６】
本発明の逐次成形方法において、上記メッキ層のすべてを溶融させる必要ななく、表面から０．５μｍ〜５μｍ程度まで溶融させればよい。０．５μｍ未満では表面粗さが大きくなることがあり、メッキ層の厚さにもよるが５μｍを超えると基材が露出し、耐食性が低下することがある。
【００４７】
本発明の逐次成形方法は、摺動摩擦熱（μＰＶ）が３×１０８Ｗ／ｍ２以上であることが好ましく、５×１０８Ｗ／ｍ２以上であることがより好ましい。摺動摩擦熱（μＰＶ）が３×１０８Ｗ／ｍ２以上であることで純亜鉛メッキ層又は合金化亜鉛メッキ層を溶融させることができ表面粗さを小さくすることができる。
【００４８】
ここで、摺動摩擦熱（μＰＶ）について説明する。上記摺動摩擦熱（μＰＶ）は、摩擦係数（μ）、接触部の圧力（Ｐ）、及びすべり速度（Ｖ）から算出される。
そして、上記摩擦係数（μ）は、移動押圧工具に設けられた三分力計で加工抵抗（主分力、背分力、送り分力）を測定することで、摩擦力（Ｆ：主分力）及び垂直荷重（Ｗ：背分力×ＳＩＮθ＋送り分力ＣＯＳθ、但し、θは板材と工具の角度）を算出し、摩擦力（Ｆ）／垂直荷重（Ｗ）から求めることができる。
【実施例】
【００４９】
以下、本発明を実施例により詳細に説明するが、本発明は下記実施例に限定されるものではない。
【００５０】
［実施例１］
超硬基材の表面を、多結晶ダイヤモンドでコーティングした厚さ７μｍの硬質層を有する移動押圧工具（先端の曲率半径Ｒ：３ｍｍ）を、ＮＣ工作機械に取り付け、潤滑剤を供給せずに移動押圧工具の摺動速度を変えて、合金化溶融亜鉛メッキ鋼板（ＧＡ材、板厚：０．８ｍｍ、メッキ厚さ：７μｍ）を逐次成形した。摺動摩擦熱と成形品の表面粗さとの関係を図６に示す。
【００５１】
また、成形品の耐食性を以下の条件で評価した。摺動摩擦熱と耐食性との関係を図７に示す。
＜耐食性評価条件＞
成形した板材を３％の塩化ナトリウム水溶液に浸漬し、試験面積１ｃｍ２として、参照極：Ａｇ／ＡｇＣｌ、対極：Ｐｔとして、分極曲線（腐食電流密度計測）と１ｍＡ定電流放電（亜鉛担持量計測）とから、Ｆｅ溶出までの時間（ｈｒ）を求めた。
Ｆｅ溶出までの時間（ｈｒ）＝亜鉛担持量計測（ｍＡｈ／ｃｍ２）／腐食電流密度（ｍＡ／ｃｍ２）
【００５２】
また、図８に加工部の断面写真を示す。図８（ａ）は摺動摩擦熱μＰＶが５×１０８で成形したものであり、メッキ溶融組織が形成され、鋼板の表面が溶融したことがわかる。図８（ｂ）は摺動摩擦熱μＰＶが２×１０８で成形したものであり、メッキ溶融組織は形成されていない。
【００５３】
図６、図７から、摺動摩擦熱μＰＶが３×１０８以上となる摺動速度が０．７５ｍ／ｓｅｃ以上で亜鉛メッキ鋼板の表面が溶融し、表面粗さが小さくなると共に、耐食性が向上することがわかる。
【００５４】
［実施例２］
移動押圧工具の表面粗さを変えて逐次成形を行った。移動押圧工具の表面粗さと成形品の表面粗さとの関係を図９示す。また、移動押圧工具の表面粗さと耐食性との関係を図１０に示す。
図９、図１０から、移動押圧工具の表面粗さ（Ｒａ）が０．２μ以下であると成形品の表面粗さを１μｍ以下にできると共に、耐食性が向上することがわかる。
【符号の説明】
【００５５】
１    逐次成形装置
２    板材
３    支持枠
４    移動押圧工具
５    固定押圧工具
【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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【図９】
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【図１０】
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