(57)【要約】【課題】金属板をピーンフォーミングするにあたり、設備の省スペース化を図ることのできる方法、および成形装置を提供する。【解決手段】金属板６１の主表面を、ニードル４の先端で衝撃しながら所定パターンに走査して、その主表面側に凸になるように金属板６１をピーンフォーミングする。【選択図】　図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属板の主表面を、ニードルの先端で衝撃しながら所定パターンに走査して、その主表面側に凸または凹になるように前記金属板を成形することを特徴とする金属板の成形方法。
【請求項２】
前記ニードルの投射エネルギーを変化させて、前記金属板を前記主表面側に凸とするか凹とするかを切り換える請求項１記載の金属板の成形方法。
【請求項３】
前記金属板は、被成形金属板と、それを裏側から覆うとともに、その被成形金属板に直接または他部材を介して間接に接合されて一体となった裏側接合材とを含んで構成され、前記裏側接合材との間に成形用工具類を介挿して成形不能な部位であって、前記裏側接合材との非接合部において、前記被成形金属板の表側から前記ニードルで衝撃する請求項１または２記載の金属板の成形方法。
【請求項４】
金属板の主表面を衝撃して、その主表面側に凸状となるように前記金属板をピーンフォーミングするために、複数のニードルが集合されてなるヘッド部と、各ニードルをランダムまたは一定の規則で軸方向に進退させるための動力を与える動力部とを備えたことを特徴とする金属板の成形装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属板の成形方法と、その方法の実施にかかる成形装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ショットの投射エネルギーを利用した加工法として、一般に鋳物の砂落としに用いるショットブラスティングや、スケールを除去したり疲労強度の増大を図ったりする際に用いるショットピーニングが知られている。ところで、これらの加工法を金属板の成形に応用できることが知られており、たとえば下記特許文献１、特許文献２にその技術が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特公平１−２６８２３号公報
【特許文献２】
特開昭５２−９９９６１号公報
【０００４】
すなわち、ピーンフォーミングと呼ばれる上記の技術は、金属板にショットを投射した際、投射面側に凸状となるように金属板が変形する現象を利用した加工方法である。ピーンフォーミングは、航空機の翼の成形では実績を挙げているものの、他の分野においては実績が無いに等しい。しかしながら、プレス加工に代わる成形方法としては期待されており、特に、型工具にかかるコストの償却が難しい少量生産品、試作品等への適用が見込まれている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、ピーンフォーミングを実施するためには、上記した特許文献１の第６図に示すような装置が用いられる。このような装置は、ショットと呼ばれる小粒体が周囲に飛散しないようにするための構成や、ショットを回収するための構成が必要なため大型化しやすい。設備（装置）が大型化すると、単位床面積あたりの生産性が低下するので好ましくない。
【０００６】
そこで本発明は、設備の省スペース化を図ることのできる金属板の成形方法、および成形装置を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上記課題を解決するために本発明の金属板の成形方法は、金属板の主表面を、ニードルの先端で衝撃しながら所定パターンに走査して、その主表面側に凸または凹になるように金属板を成形することを特徴とする。
【０００８】
上記本発明の成形方法は、ショットの代わりにニードルの先端で被加工物である金属板を衝撃して、所望の形状に成形（ピーンフォーミング）するようにしたものである。本発明によると、ショットを投射する場合に比べ、ショットを回収する手間が省ける、ショットが周囲に飛散しないようにする設備が必要ない、という利点がある。
【０００９】
具体的に金属板としては、被成形金属板と、それを裏側から覆うとともに、その被成形金属板に直接または他部材を介して間接に接合されて一体となった裏側接合材とを含んで構成されたものとすることができる。そして、裏側接合材との間に成形用工具類を介挿して成形不能な部位であって、裏側接合材との非接合部において、被成形金属板の表側からニードルで衝撃することにより成形を行う形態は好適である。
【００１０】
一般には、被成形金属板に所期の形状をプレス加工等により付与したあとで、裏側接合材を接合することが考えられる。ところが、上記した形態においては、裏側接合材が一体となったままで、表側からニードルを投射して被成形金属板の成形を行うようにしている。つまり、裏側接合材が一体のままでは工具や型を使用して成形をすることが全くできないような場合に、ピーンフォーミングが極めて有効である。
【００１１】
また、課題を解決するために本発明の金属板の成形装置は、金属板の主表面を衝撃して、その主表面側に凸状となるように金属板をピーンフォーミングするために、複数のニードルが集合されてなるヘッド部と、各ニードルをランダムまたは一定の規則で軸方向に進退させるための動力を与える動力部とを含むことを特徴とする。
【００１２】
上記本発明の成形装置によると、ニードルを進退させながらヘッド部を被加工物である金属板に十分に接近させると、ニードルは金属板を衝撃するようになる。これにより、金属板にショットと呼ばれる小粒体を投射した場合と同等の効果を得ることができる。つまり、ニードルの持つエネルギー（運動エネルギー）を調整することにより、衝撃を加えた側に凸になるように金属板に圧縮応力を残留させることが可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
ピーンフォーミングは、金属板１に多数のショット３を投射した際、図１（ａ）に示すように投射方向と逆方向に金属板１が盛り上がる現象を利用した成形方法である。ただし、図１（ａ）のように金属板１に盛り上がりが生じるのは、ショット３の投射エネルギー（運動エネルギー）を比較的小さく調整した場合であって、ショット３の投射エネルギーを高めれば、当然ながら図１（ｂ）のように、ショット３の投射方向に落ち込みが生じる。盛り上がりの高さは、一般にはショットピーニングの程度を表すＡｌｍｅｎの値として知られている。
【００１４】
図１中の符号１ａ，１ｂは、一つのショット３によってもたらされる塑性変形域を概念的に示している。塑性変形域１ａと１ｂの差異は、金属板１に生じる圧縮応力場の違いに起因している。多数のショット３が投射されると微小な塑性変形が累積され、金属板１の上面１ｐ（表面）と下面１ｑ（裏面）とで塑性変形量に差が生じる。つまり、上面１ｐの伸びが下面１ｑの伸びよりも大きい場合、金属板１は図１（ａ）のように盛り上がり、下面１ｑの伸びが上面１ｐの伸びよりも大きい場合、金属板１は図１（ｂ）のように落ち込むことになる。
【００１５】
図１に示すモデルにおいては、鋼球等のショット３を金属板１に投射してピーンフォーミングを行うようにしているが、本発明においては鋼、ステンレス等の金属からなる複数のニードル４を高速で進退させてその先端部で金属板１を衝撃し、多数のショット３を金属板１に投射した場合と同様の効果を得るようにしている。
【００１６】
具体的には、図２の▲１▼に示すように、金属板１の主表面をニードル４の先端で衝撃しながら所定パターンに走査して、衝撃を加えた主表面側に凸となるようにその金属板１をピーンフォーミングする。この手法によると、投射した後のショット３を回収する手間が省けるという利点がある。
【００１７】
実際に金属板１をピーンフォーミングするにあたっては、所望の形状を得るために必要な全領域を一斉に衝撃することはできないため、金属板１と位置を順次移動させることになる（走査型投射法）。走査型投射法では、投射条件を適切に選択することにより、ピーンフォーミングに必要な全領域を一斉に衝撃する場合と同じ効果を得ることができる。図２の▲１▼に示す形態においては、方形状の金属板１の一辺から向かい合う他辺にわたって位置を少しずつずらしながら、金属板１をニードル４で衝撃するようにしている。これを、破線矢印で示すように、走査を繰り返すことにより、滑らかに湾曲した形状を金属板１に付与することができる。
【００１８】
また、図２の▲２▼には、金属板１の一部に線状の凹部と凸部、すなわちビード２０とビード２２を形成する形態を示している。ニードル４の保有するエネルギーを適宜調整することにより、投射方向に対して凸とするか凹とするかを切り換えることができる。ニードル４のエネルギーが一定値よりも大きい場合には投射方向に凹んだビード２２が形成される。他方、ニードル４のエネルギーが上記一定値よりも小さく、かつ金属板１に圧縮応力場を形成するに十分な場合には、投射方向と逆向きに盛り上がったビード２０が形成される。ニードル４を投射しない部分は、ゴムシート等の保護部材１５を用いて衝撃が加わらないように保護するとよい。
【００１９】
本発明の方法に使用される成形装置１０２は、本体部７１とヘッド部１４を備えている。ヘッド部１４は、複数（たとえば数十本）のニードル４を進退可能に集合させた形となっている。本体部７１は、ニードル４をランダムまたは一定の規則で軸方向に進退させるための動力（圧縮空気、電力等）を与える動力部を含むものとして構成されている。本体部７１とヘッド部１４は、樹脂または金属製のフレキシブルホース１６を介して繋がっている。フレキシブルホース１６には、ニードル４を進退させるための制御信号線や、圧空流通管が通される。
【００２０】
ニードル４には、金属板１と接するその先端が曲面を有する丸棒状のものを採用できる。具体的には、金属板１に接する先端が球面の形態を有し、その球面の直径が金属板１の厚さとほぼ同程度になるよう調整されたニードル４が好適である。金属板１は、そのようなニードル４によって、たとえば１分間に数千回の打刻を受けることとなる。
【００２１】
ニードル４を軸方向に進退させるために、たとえば図３のようにヘッド部１４を装置することができる。図３に示す例では、電磁力を利用してニードル４を駆動するようにしている。具体的には、ニードル４の各々に対応させてソレノイド２５を設け、その励磁／非励磁を高速に切り換えることでニードル４を軸方向に進退させる。各ソレノイド２５への電力供給および励磁／非励磁の切り換えは、本体部７１に設けられたコントローラ２６が担う。コントローラ２６は、図示しないマイコン、ドライバ等から構成されるものである。各ニードル４は、マイコンに記憶された所定の順序にて個別に進退を繰り返す。なお、多数のニードル４が一斉に金属板１を衝撃すると、金属板１は図１（ｂ）のように落ち込むため、多数のニードル４を以って多数のショット３を投射した場合と同じ作用が金属板１に働くようにすることに注意する。
【００２２】
ピーンフォーミングによる金属板１の盛り上がり高さ、曲げ角等の変形量は、投射密度によらず金属板１に与えられる総投射エネルギーによって決まる。したがって、ニードル４の持つ投射エネルギー（運動エネルギー）を適宜調整して金属板１を所望の形状にピーンフォーミングすることになる。図３の例においては、ソレノイド２５としてＤＣソレノイドを使用すると、ニードル４のストローク量、ひいてはニードル４が金属板１に付与するエネルギーを調節できるので好適である。なお、図中の符号２４は、ヘッド部１４を構成するケーシング２４を表している。
【００２３】
一方、上記したソレノイドのような電磁アクチュエータの代わりに、空気圧アクチュエータを使用することもできる。たとえば、図４に示すように、ニードル４、スプリング２３、シリンダチューブ３５により単動形シリンダ機構が構成されるようにする。前述した本体部７１に設けられた圧縮機より供給される圧縮空気は、開閉弁３９を通じてシリンダチューブ３５に送給される。シリンダチューブ３５内に送られた圧縮空気は、ニードル４を軸方向に押し出す。シリンダチューブ３５には、ニードル４が前進すると現れる逃げ孔が設けられており、圧縮空気はその逃げ孔からシリンダチューブ３５の外部に放出される。これにより、ニードル４は慣性によって前進し、金属板１に当たったあとはスプリング２３の復帰力により後退する。このような仕組みによると、圧縮空気の圧力を調整することにより、比較的簡単にニードル４のエネルギーを調整できるという利点がある。開閉弁３９の開閉を制御すれば、複数あるニードル４を個別に進退させることもできる。なお、開閉弁３９は、ヘッド部１４のケーシング２４に収容されてもよいし、本体部７１に収容されてもよい。
【００２４】
次に、図５に示すのは、ニードル４で金属板１を衝撃してピーンフォーミング行う方法を取り入れたシステムの模式図である。ピーンフォーミングシステム２００は、成形装置１１０、搬送機構９を包含するものである。成形装置１１０は、ニードル４を保持したヘッド部１４がロボット２９のハンド先端に取り付けられたものである。このロボット２９の位置および姿勢を制御することにより、搬送機構９により運ばれてきた金属板１と、ヘッド部１４との相対位置関係を自在かつ正確に設定することができる仕組みになっている。
【００２５】
搬送機構９は、たとえばレール９ｂとホイスト９ａにより構成することができる。図５に示す形態では、金属板１をほぼ鉛直に立てて水平方向から衝撃するようにしているが、これ以外にも、たとえば主表面が略水平となるように金属板１を保持し、鉛直上方または鉛直下方よりヘッド部１４を接近させてピーンフォーミングする形態も考え得る。なお、主表面とは、金属板１のうち面積の最も広い表面（おもてめん）と裏面（うらめん）を意味する。
【００２６】
図１に示したようにショット３を投射してピーンフォーミングを行う場合、ショット３を投射するための投射部や搬送機構以外にも、ショット３の回収・循環機構や、ショット３が飛散しないようにするための投射室が必要なため、設備全体が大型化しがちである。しかしながら、ニードル４で金属板１を衝撃する本発明の方法によると、図５のように簡素な設備にてピーンフォーミングを行うことができる。したがって、工場等においてレイアウトが問題となる場合が少ない。
【００２７】
なお、金属板１は、たとえば車輌、金属製家具、電化製品、建築物のいずれかの一部となるべき部材とされる。金属板１の材質としては、特に限定されるものではないが、たとえば鉄、鋼、アルミ、銅などを例示できる。また、ピーンフォーミング後の金属板１の表面粗さが重要になる場合は、サンダーなどで研磨仕上げをするとよい。
【００２８】
これまでは一枚の金属板１をピーンフォーミングすることについて述べたが、ピーンフォーミングが極めて有効な成形方法となり得る場合として、成形用の工具類や型を使用することができない場合がある。たとえば、図６に示すような場合である。図６に示すのは、成形を施すべき金属板６１（被成形金属板６１）が他の金属板６３（裏側接合材６３）に接合部材６ｃを介して接合されて一体となることにより構成された組付け金属板６をピーンフォーミングする例である。
【００２９】
被成形金属板６１の裏側面６ｑは、他の金属板６３によって覆われる形となっており、両者（金属板６１，６３）の間には若干の中空スペースＳＨが形成されている。この中空スペースＳＨにハンマーなどの成形用工具を介挿して被成形金属板６１を成形することはできない。その上、両者（金属板６１，６３）を分離させることもできない。このような状況に置かれた被成形金属板６１について、成形用工具で成形不能な部位であって金属板６３との非接合部６ａを成形する場合、被成形金属板６１の表側面６ｐにショット３を投射してピーンフォーミングを行い、盛り上がり部６ｄを形成することができる。なお、接合部材６ｃを介さずに、溶接などにより直接接合されていても同様である。
【００３０】
また、図７に示すようにして複数の金属板を溶接により接合したり、ボルト／ナットのような締結手段で組付けたりした後でピーンフォーミングを施す形態も好適である。つまり、図７（ａ）に示すように、第１の金属板２ａと第２の金属板２ｂとを、主面同士が略平行となる位置関係で組付けて組付け金属板２を構成し、組付けの境界ＨＬを横断する形でニードル４によりその組付け金属板２を衝撃してピーンフォーミングを行い、組付けの境界ＨＬの左右にまたがって統一的な線状または一定の意匠３０（ビード）を形成する。具体例を挙げると、図７（ｂ）に示すように、自動車４０のドア３２（第１の金属板）をボディ本体３３（第２の金属板）に組付けてこれを最終形態とし、その後ピーンフォーミングを施し、ドア３２とボディ本体３３とにまたがる渾然一体な盛り上がり部３４（ビード）を形成する。この手法によれば、位置ズレを生じさせること無く盛り上がり部３４を形成できる。なお、組付けの境界ＨＬは、組付け前の第１の金属板２ａと第２の金属板２ｂとの境目として定義される。
【００３１】
また、極めて高い成形精度が要求される場合には、図８（ａ）に示すように当て治具２８を金属板１に当接させて、金属板１のピーンフォーミングを行うようにすることもできる。具体的には、金属板１を当て治具２８に沿わせつつ、当て治具２８の配置されている側とは反対側からヘッド部１４を接近させてニードル４を投射する。このようにして、当て治具２８の形状を金属板１に転写するのである。
【００３２】
また、図８（ｂ）に示すように、ニードル４を投射する以前から金属板１を弾性変形させる形で当て治具２８に強制的に沿わせるとともに、固定具２７を用いて互いを固定し、その後にニードル４を投射してピーンフォーミングを行うようにする方法も採用できる。この方法によると、生じた弾性応力が金属板１の変形を促進するとともに、所望の形状に達したときにちょうど弾性応力が消失し、成形の進度が停留するため、そこで成形を終えれば極めて高い成形精度が得られる。もちろん、図５に示したピーンフォーミングシステム２００を使用してピーンフォーミングを行う場合において、当て治具２８を金属板１の背後に配置できるようにしてもよい。その場合は、図８（ｂ）に示した固定具２７をホイスト９ａ（図５参照）で吊下げつつ、金属板１にニードル４を投射することができる。なお、当て治具２８は、プレス金型のような強度や耐久性は必要ないため、たとえば木材や石膏などの材料により比較的安価に作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ピーンフォーミングの原理説明図。
【図２】ニードルによるピーンフォーミングを説明する図。
【図３】ヘッド部の構成を示す模式図。
【図４】ヘッド部の構成の別形態を示す模式図。
【図５】ピーンフォーミングシステムの全体模式図。
【図６】複数の金属板を互いに組付けた後でピーンフォーミングを行う形態の説明図。
【図７】複数の金属板を互いに組付けた後でピーンフォーミングを行う別形態の説明図。
【図８】当て治具を用いてピーンフォーミングを行う形態の説明図。
【符号の説明】
１　金属板
４　ニードル
６　組付け金属板
１４　ヘッド部
６１　被成形金属板
６ｐ　表側面
６ｑ　裏側面
６３　他の金属板（裏側接合材）
７１　本体部（動力部）
１０２，１１０　成形装置
【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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