(57)【要約】【課題】板材を局所的に加熱して成形する際に、板材を精度良く加工することが可能な板材成形方法、板材成形装置、板材成形装置の成形条件決定方法および板材成形装置の成形条件決定装置を提供することを目的とする。【解決手段】本発明に係る板材成形方法は、チタン製またはチタン合金製の板材１０に引張り力を負荷した状態で、引張り力が負荷された板材１０の成形部分を、成形目標の曲率を有する金型２に押し当てる押圧ステップと、板材１０のうち少なくとも成形部分を、互いに平行な複数のライン上で連続的または断続的に加熱する加熱ステップとを含む。【選択図】図１５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チタン製またはチタン合金製の板材に引張り力を負荷した状態で、前記引張り力が負荷された前記板材の成形部分を、成形目標の曲率を有する金型に押し当てる押圧ステップと、
前記板材のうち少なくとも前記成形部分を、互いに平行な複数のライン上で連続的または断続的に加熱する加熱ステップと、
を含む板材成形方法。
【請求項２】
前記板材のうち少なくとも前記成形部分を５００℃以上で加熱する請求項１に記載の板材成形方法。
【請求項３】
前記加熱ステップにおける隣接するライン間のピッチは、前記板材の成形目標の曲率に応じて決定された長さである請求項１または２に記載の板材成形方法。
【請求項４】
前記加熱ステップにおける前記加熱部の加熱温度は、前記板材の成形目標の曲率に応じて決定される請求項１から３のいずれか１項に記載の板材成形方法。
【請求項５】
前記負荷ステップにおいて負荷する前記引張り力は、前記板材の成形目標の曲率に応じて決定される請求項１から４のいずれか１項に記載の板材成形方法。
【請求項６】
前記加熱ステップでは、加熱源として移動可能な光源が用いられ、前記加熱源は前記板材の成形目標の曲率に応じて加熱領域が制御される請求項１から５のいずれか１項に記載の板材成形方法。
【請求項７】
加熱に伴い前記板材と前記金型の間に隙間が生じた場合、前記板材と前記金型の間に隙間が生じないようにした状態で、前記板材を加熱し成形する請求項１から６のいずれか１項に記載の板材成形方法。
【請求項８】
前記板材の加熱領域と非加熱領域で輻射率を変化させて、加熱時の入熱や温度の制御を行う請求項１から７のいずれか１項に記載の板材成形方法。
【請求項９】
前記板材にて加熱されている部分の温度は、放射温度計によって測定される請求項１から８のいずれか１項に記載の板材成形方法。
【請求項１０】
前記加熱ステップにて前記加熱部が前記板材を移動方向に断続的に加熱する場合、一走査ライン上での加熱距離または非加熱距離は、前記板材の成形目標の曲率に応じて決定された長さである請求項１から９のいずれか１項に記載の板材成形方法。
【請求項１１】
前記加熱ステップにて前記加熱部が前記板材のうち前記成形部分以外も加熱する請求項１から１０のいずれか１項に記載の板材成形方法。
【請求項１２】
前記加熱ステップによる成形の後、前記板材のうち前記加熱部によって加熱されていない非加熱領域を除去する請求項１１に記載の板材成形方法。
【請求項１３】
チタン製またはチタン合金製の板材に引張り力を負荷する負荷部と、
引張り力が負荷された前記板材の成形部分を、成形目標の曲率を有する金型に押し当てる押圧部と、
前記板材のうち少なくとも前記成形部分を、互いに平行な複数のライン上で連続的または断続的に加熱する加熱部と、
を備える板材成形装置。
【請求項１４】
前記加熱部は、加熱源として移動可能な熱源が用いられ、前記加熱源は前記板材の成形目標の曲率に応じて加熱領域が制御される請求項１３に記載の板材成形装置。
【請求項１５】
前記板材にて加熱されている部分の温度は、放射温度計によって測定される請求項１３または１４に記載の板材成形装置。
【請求項１６】
チタン製またはチタン合金製の板材に引張り力を負荷する負荷部と、
引張り力が負荷された前記板材の成形部分を、成形目標の曲率を有する金型に押し当てる押圧部と、
前記板材のうち少なくとも前記成形部分を、互いに平行な複数のライン上で連続的または断続的に加熱する加熱部と、
を備える板材成形装置の成形条件決定方法であって、
隣接するライン間のピッチ、前記板材を加熱する加熱温度、および前記板材に負荷する前記引張り力を設定する設定ステップと、
設定された前記ピッチ、前記加熱温度および前記引張り力によって前記板材を加熱したときに得られる前記板材の曲率を、前記板材の加熱による材料の強度変化と熱膨張に基づいて算出する算出ステップと、
前記成形目標の曲率と、算出された前記板材の曲率とを比較して、実際の板材成形における前記ピッチ、前記加熱温度および前記引張り力を決定する決定ステップと、
を備える板材成形装置の成形条件決定方法。
【請求項１７】
チタン製またはチタン合金製の板材に引張り力を負荷する負荷部と、
引張り力が負荷された前記板材の成形部分を、成形目標の曲率を有する金型に押し当てる押圧部と、
前記板材のうち少なくとも前記成形部分を、互いに平行な複数のライン上で連続的または断続的に加熱する加熱部と、
を備える板材成形装置の成形条件決定装置であって、
隣接するライン間のピッチ、前記板材を加熱する加熱温度、および前記板材に負荷する前記引張り力を設定する設定部と、
設定された前記ピッチ、前記加熱温度および前記引張り力によって前記板材を加熱したときに得られる前記板材の曲率を、前記板材の加熱による材料の強度変化と熱膨張に基づいて算出する算出部と、
前記成形目標の曲率と、算出された前記板材の曲率とを比較して、実際の板材成形における前記ピッチ、前記加熱温度および前記引張り力を決定する決定部と、
を備える板材成形装置の成形条件決定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、板材を局所的に加熱して成形する板材成形方法、板材成形装置、板材成形装置の成形条件決定方法および板材成形装置の成形条件決定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
チタン合金を冷間加工すると、スプリングバックや割れが発生しやすい。また、冷間加工では、成形後に生じる残留応力除去が必須である。このため、チタン合金の板材加工では、残留応力除去が不要で、成形性のよい熱間加工が行われている。しかし、熱間加工は、加熱や加工のための専用設備が必要であり、高温に対して強度を有する金型等の設備や治具にかかるコストが高価である。また、熱間加工では、加熱時間や保持時間が必要であり、加工時間が長いという問題がある。
【０００３】
一方、局所加熱成形技術は、板材全体を加熱成形する従来の熱間加工とは異なり、局所的に板材を加熱して目標形状となるように成形する。局所的な加熱には、例えば、移動可能であって、点状又は比較的小さな円形状に板材を加熱できる加熱源を使用する。この技術は、従来の熱間加工に比べて、設備費・治具費が安価であり、短時間での加工が可能である。
【０００４】
特許文献１では、局所加熱成形装置に関する基本的な仕様が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６６０１４２６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
チタン合金は、熱伝導性が低く、加熱源によって照射された加熱領域と、加熱領域以外の非加熱領域との境界で温度勾配が大きくなる。そのため、加熱領域の熱膨張は、加熱領域に比べて低温である周囲の非加熱領域に拘束されて、図１に示すような面外変形が生じる。すなわち、板材１０は、加熱源４によって照射された部分が熱膨張して、金型２に沿った形状に成形されない。
【０００７】
また、高温の加熱領域と低温の非加熱領域の境界で歪みの不整合が生じ、成形後その境界に残留応力が発生する。さらに、加熱源が移動している間に、材料の応力分布が変化し、熱源の移動方向に不均一な歪みが生じる。
【０００８】
一方、特許文献１等の局所加熱成形装置を用いた局所加熱技術は、具体的な成形条件が記載されておらず、上記のような形状精度低下要因が存在することや、成形条件を整えなければ精度の高い成形を行うことができないことは指摘されていない。したがって、従来技術による局所加熱成形装置による成形方法では、精度良く板材を成形することは困難であった。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、板材を局所的に加熱して成形する際に、板材を精度良く加工することが可能な板材成形方法、板材成形装置、板材成形装置の成形条件決定方法および板材成形装置の成形条件決定装置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】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の板材成形方法、板材成形装置、板材成形装置の成形条件決定方法および板材成形装置の成形条件決定装置は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係る板材成形方法は、チタン製またはチタン合金製の板材に引張り力を負荷した状態で、引張り力が負荷された板材の成形部分を、成形目標の曲率を有する金型に押し当てる押圧ステップと、板材のうち少なくとも成形部分を、互いに平行な複数のライン上で連続的または断続的に加熱する加熱ステップとを含む。
【００１１】
この発明によれば、引張り力がチタン製またはチタン合金製の板材に負荷され、引張り力が負荷された板材の成形部分に、成形目標の曲率を有する金型が押し当てられる。そして、板材のうち少なくとも成形部分が、互いに平行な複数のライン上で連続的または断続的に加熱される。なお、加熱に伴い板材が変形して、金型から板材が浮くこともあるが、板材が金型から浮くと、板材が面外変形を起こしやすくなる。そのため、板材が金型から浮く場合には、金型の位置または板材の引張り方向等を調整して、金型と板材が密着した状態を維持しながら板材の加熱を行うことが望ましい。
【００１２】
チタンまたはチタン合金は、アルミニウムまたはアルミニウム合金に比べて熱伝導性が低く、加熱部によって加熱された加熱領域と、加熱されない非加熱領域の境界で温度勾配が大きくなる。よって、加熱領域の熱膨張は非加熱領域によって拘束され、加熱領域は熱膨張によって面外に変形する。本発明では、板材は、一ライン上ではそれぞれ連続的または断続的に加熱され、互いに平行な複数のライン上で加熱される。そのため、板材は、金型が押し当てられた成形部分が全面的または一ラインのみで加熱されるのではなく、加熱される部分が少なくとも２ラインであり、かつ加熱領域が制御されているため、全面的に加熱される場合や一ラインのみで加熱される場合に比べて、板材を成形目標の曲率に成形し易い。
【００１３】
また、板材が一ライン上で断続的に加熱される場合、一ライン上で連続的に加熱される場合に比べて、伸び量を軽減したり、浮き上がりを抑制することができるため、成形精度を向上させることができる。
【００１４】
なお、板材の加熱は、加熱部が板材に対して相対移動可能であり、加熱部が一方向に連続的または断続的に板材を加熱し、その後、隣接するライン上に移動するようにしてもよい。また、板材表面に黒体塗料を塗布し加熱部を板材に対して均一に加熱するようにしてもよい。黒体塗料を塗布した部分は、金属光沢部分に比べて吸収能が高く、加熱されやすい。また、黒体塗料を塗布した部分は、加熱に伴う酸化による輻射率の変化も発生しないため、安定した温度に加熱できる。さらに、加熱部を加熱パターンが形成された形状を有するように構成して、一度の加熱で加熱パターン状に板材を加熱するようにしてもよい。
【００１５】
上記発明において、板材のうち少なくとも成形部分を５００℃以上で加熱することが望ましい。
【００１６】
チタンまたはチタン合金は、通常５００℃以上になることによって、強度が低下する、すなわち、降伏応力が下がる。したがって、この発明によれば、常温の場合に比べて板材に対して塑性変形を与えやすくなり、かつ板材の降伏応力の低下によって弾性変形量が減るため、成形後のスプリングバック量も小さくなる。その結果、板材を金型に沿った形状に加工しやすい。
【００１７】
上記発明において、加熱ステップにおける隣接するライン間のピッチは、板材の成形目標の曲率に応じて決定された長さでもよい。
【００１８】
この発明によれば、ライン間のピッチが、板材の成形目標の曲率に応じて決定されるため、板材において加熱領域と非加熱領域の間隔が調整される。その結果、板材における熱膨張が調整されるため、精度良く板材を成形目標の曲率に成形できる。
【００１９】
上記発明において、加熱ステップにおける加熱部の加熱温度は、板材の成形目標の曲率に応じて決定されてもよい。
【００２０】
この発明によれば、加熱温度が、板材の成形目標の曲率に応じて決定されるため、板材において熱膨張によって生ずる膨張長さが調整される。その結果、精度良く板材を成形目標の曲率に成形できる。なお、加熱温度は、加熱部の設定温度で調整してもよいし、同じ走査ライン上を複数回加熱することで調整してもよい。
【００２１】
上記発明において、負荷ステップにおいて負荷する引張り力は、板材の成形目標の曲率に応じて決定されてもよい。
【００２２】
この発明によれば、引張り力が、板材の成形目標の曲率に応じて適正に設定されるため、板材において生ずるひずみが調整される。その結果、精度良く板材を成形目標の曲率に成形できる。
【００２３】
上記発明において、加熱ステップでは、加熱源として移動可能な光源が用いられ、加熱源は板材の成形目標の曲率に応じて加熱領域が制御されてもよい。
【００２４】
この発明によれば、板材は移動可能な光源によって加熱される。このとき、加熱源による加熱領域は、板材の成形目標の曲率によって制御される。光源は、例えばハロゲンランプ等の光エネルギーを利用したランプ、または各種レーザー等である。また、入熱量や温度を制御できれば、一般に溶接で使用されるアークやガスの燃焼に伴う火炎や、高周波等による加熱でもよい。なお、この場合、温度の制御ができ、熱源が移動できることが望ましい。
【００２５】
上記発明において、加熱に伴い板材と金型の間に隙間が生じた場合、板材と金型の間に隙間が生じないようにした状態で、板材を加熱し成形してもよい。
【００２６】
この発明によれば、板材が金型から浮くことによって、板材と金型の間に隙間が生じる場合、金型の位置または板材の引張り方向等を調整して、金型と板材が密着した状態を維持しながら板材の加熱を行う。板材が金型から浮くと板材が面外変形を起こしやすくなるが、これを防止できる。
【００２７】
上記発明において、板材の加熱領域と非加熱領域で輻射率を変化させて、加熱時の入熱や温度の制御を行ってもよい。
【００２８】
この発明によれば、板材がチタンまたはチタン合金であるため、通常、板材の表面において光の吸収率が悪い。一方、加熱ステップの前に、所要部分にて例えば黒体塗料を塗布したり酸化処理を施したりして、板材の表面の加熱領域と非加熱領域で輻射率を変化させることによって、加熱時の入熱や温度制御を行うことができる。
【００２９】
上記発明において、板材にて加熱されている部分の温度は、放射温度計によって測定されてもよい。
【００３０】
この発明によれば、放射温度計が板材にて加熱されている部分の温度を測定し、測定された温度に基づいて加熱源の出力が制御される。加熱部の温度を制御することによって、プロセスの再現性を高めることと、過熱による材料の劣化を防止することができる。加熱源が移動可能である場合、放射温度計は加熱源と共に移動できるようにしてもよい。
【００３１】
上記発明において、加熱ステップにて加熱部が板材を移動方向に断続的に加熱する場合、一走査ライン上での加熱距離または非加熱距離は、板材の成形目標の曲率に応じて決定された長さでもよい。
【００３２】
この発明によれば、板材が移動方向に断続的に加熱されるとき、一走査ライン上での加熱距離または非加熱距離が、板材の成形目標の曲率に応じて決定されるため、板材において伸び量を軽減したり、浮き上がりを抑制したりする領域が調整される。その結果、精度良く板材を成形目標の曲率に成形できる。
【００３３】
上記発明において、加熱ステップにて加熱部が板材のうち成形部分以外も加熱してもよい。
【００３４】
この発明によれば、板材のうち成形部分だけでなく成形部分以外も加熱され、非加熱領域は、成形部分から外れた領域になるため、成形部分に残留応力を残すことなく成形することが可能になり、品質が高い成形を行うことができる。
【００３５】
上記発明において、加熱ステップによる成形の後、板材のうち加熱部によって加熱されていない非加熱領域を除去してもよい。
【００３６】
この発明によれば、板材のうち加熱部によって加熱されていない非加熱領域が、加熱ステップによる成形の後、成形された板材から除去される。これにより、加熱領域と非加熱領域の境界に生じる残留応力を低減できる。特に、境界よりも加熱領域側において、材料を切断することによって、残留応力の除去と成形精度を改善することが可能である。
【００３７】
また、本発明に係る板材成形装置は、チタン製またはチタン合金製の板材に引張り力を負荷する負荷部と、引張り力が負荷された板材の成形部分を、成形目標の曲率を有する金型に押し当てる押圧部と、板材のうち少なくとも成形部分を、互いに平行な複数のライン上で連続的または断続的に加熱する加熱部とを備える。
【００３８】
この発明によれば、負荷部によって、引張り力がチタン製またはチタン合金製の板材に負荷され、押圧部によって、引張り力が負荷された板材の成形部分に、成形目標の曲率を有する金型が押し当てられる。そして、板材のうち少なくとも成形部分が、互いに平行な複数のライン上で連続的または断続的に加熱される。
【００３９】
板材は、一ライン上ではそれぞれ連続的または断続的に加熱され、互いに平行な複数のライン上で加熱される。そのため、板材は、金型が押し当てられた成形部分が全面的または一ラインのみで加熱されるのではなく、加熱される部分が少なくとも２ラインであり、かつ加熱領域が制御されているため、全面的に加熱される場合や一ラインのみで加熱される場合に比べて、板材を成形目標の曲率に成形し易い。また、板材が一ライン上で断続的に加熱される場合、一ライン上で連続的に加熱される場合に比べて、伸び量を軽減したり、浮き上がりを抑制したりすることができるため、成形精度を向上させることができる。
【００４０】
上記発明において、加熱部は、加熱源として移動可能な熱源が用いられ、加熱源は板材の成形目標の曲率に応じて加熱領域が制御されてもよい。
【００４１】
この発明によれば、板材は移動可能な光源によって加熱される。このとき、加熱源による加熱領域は、板材の成形目標の曲率によって制御される。
【００４２】
上記発明において、板材にて加熱されている部分の温度は、放射温度計によって測定されてもよい。
【００４３】
この発明によれば、放射温度計が板材にて加熱されている部分の温度を測定し、測定された温度に基づいて加熱源の出力が制御される。加熱源が移動可能である場合、放射温度計は加熱源と共に移動できるようにしてもよい。
【００４４】
また、本発明に係る板材成形装置の成形条件決定方法は、チタン製またはチタン合金製の板材に引張り力を負荷する負荷部と、引張り力が負荷された板材の成形部分を、成形目標の曲率を有する金型に押し当てる押圧部と、板材のうち少なくとも成形部分を、互いに平行な複数のライン上で連続的または断続的に加熱する加熱部とを備える板材成形装置の成形条件決定方法であって、隣接するライン間のピッチ、板材を加熱する加熱温度、および板材に負荷する引張り力を設定する設定ステップと、設定されたピッチ、加熱温度および引張り力によって板材を加熱したときに得られる板材の曲率を、板材の加熱による材料の強度変化と熱膨張に基づいて算出する算出ステップと、成形目標の曲率と、算出された板材の曲率とを比較して、実際の板材成形におけるピッチ、加熱温度および引張り力を決定する決定ステップとを備える。
【００４５】
この発明によれば、まず、隣接するライン間のピッチ、板材を加熱する加熱温度、および板材に負荷する引張り力が設定され、次に、設定されたピッチ、加熱温度、および引張り力によって板材が加熱されたときに得られる板材の曲率が、板材の加熱による材料の強度変化（例えば材料の軟化）と熱膨張に基づいて算出される。そして、算出された板材の曲率は、予め決めておいた成形目標の曲率と比較されて、比較結果に基づいて実際に成形するときのピッチ、加熱温度、および引張り力が決定される。そのため、上述した板材成形装置における適切な成形条件を予め推測、決定することができ、精度良く板材を成形することができる。
【００４６】
また、本発明に係る板材成形装置の成形条件決定装置は、チタン製またはチタン合金製の板材に引張り力を負荷する負荷部と、引張り力が負荷された板材の成形部分を、成形目標の曲率を有する金型に押し当てる押圧部と、板材のうち少なくとも成形部分を、互いに平行な複数のライン上で連続的または断続的に加熱する加熱部とを備える板材成形装置の成形条件決定装置であって、隣接するライン間のピッチ、板材を加熱する加熱温度、および板材に負荷する引張り力を設定する設定部と、設定されたピッチ、加熱温度および引張り力によって板材を加熱したときに得られる板材の曲率を、板材の加熱による材料の強度変化と熱膨張に基づいて算出する算出部と、成形目標の曲率と、算出された板材の曲率とを比較して、実際の板材成形におけるピッチ、加熱温度および引張り力を決定する決定部とを備える。
【００４７】
この発明によれば、まず、設定部によって、隣接するライン間のピッチ、板材を加熱する加熱温度、および板材に負荷する引張り力が設定され、次に、算出部によって、設定されたピッチ、加熱温度、および引張り力によって板材が加熱されたときに得られる板材の曲率が、板材の加熱による材料の強度変化（例えば材料の軟化）と熱膨張に基づいて算出される。そして、決定部によって、算出された板材の曲率は、予め決めておいた成形目標の曲率と比較されて、比較結果に基づいて実際に成形するときのピッチ、加熱温度、および引張り力が決定される。そのため、上述した板材成形装置における適切な成形条件を予め推測、決定することができ、精度良く板材を成形することができる。
【発明の効果】
【００４８】
本発明によれば、板材を局所的に加熱して成形する際に、板材を精度良く加工することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】局所加熱によって生じる面外変形を示すため金型と板材を示す側面図である。
【図２】局所加熱における加熱領域と部品部分を示すため金型と板材を示す上面図である。
【図３】応力と温度の関係を示すグラフである。
【図４】本発明の一実施形態に係る板材成形装置を示す側面図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る板材成形装置を示す側面図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る板材成形装置を示す側面図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る板材成形装置を示す側面図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る板材成形装置を示す側面図である。
【図９】本発明の一実施形態に係る板材成形装置による板材成形方法を示すフローチャートである。
【図１０】成形された板材の一例を示す斜視図である。
【図１１】加熱源による照射領域と加熱ピッチを示す説明図である。
【図１２】成形後の板材の曲率半径と照射率の関係を示すグラフである。
【図１３】成形後の板材の曲率半径と加熱温度の関係を示すグラフである。
【図１４】成形後の板材の曲率半径と引張り応力の関係を示すグラフである。
【図１５】局所加熱における加熱ピッチを示すため金型と板材を示す上面図である。
【図１６】（Ａ）は金型の断面を示す部分断面図であり、（Ｂ）は成形後の板材の曲率半径と金型中心からの距離の関係を示すグラフである。
【図１７】成形後の板材の頂点からの高さと金型中心からの距離の関係を示すグラフである。
【図１８】成形後の板材の頂点からの高さと金型中心からの距離の関係を示すグラフである。
【図１９】局所加熱における加熱ピッチを示すため金型と板材を示す上面図である。
【図２０】成形された板材の一例を示す斜視図である。
【図２１】局所加熱における照射部を示すため金型と板材を示す上面図である。
【図２２】局所加熱における照射部を示すため金型と板材を示す上面図である。
【図２３】局所加熱における照射部を示すため金型と板材を示す上面図である。
【図２４】成形後の板材の金型からの距離と板材端部からの幅方向の距離の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００５０】
以下に、本発明に係る実施形態について、図面を参照して説明する。
本発明の一実施形態に係る板材成形装置による板材成形は、例えばチタン製またはチタン合金製の板材を成形対象とする。板材成形によって、例えば航空機の胴体外板、翼前縁、ヘリコプターブレードの金属カバー等が得られる。チタン合金は、チタンを主成分とする合金であり、添加元素としてアルミニウム、鉄、スズ、モリブデン、バナジウムなどを含むものである。
【００５１】
本実施形態に係る板材成形装置１は、図６に示すように、金型２と、金型２を移動させるための油圧シリンダー３と、加熱源４と、クランプ５と、ヒンジ６と、クランプ５を移動させるための油圧シリンダー７等を有する。金型２は、二つのクランプ５の間に配置される。クランプ５，ヒンジ６および油圧シリンダー７は、それぞれ二つ設けられる。なお、本実施形態では、油圧シリンダーを用いるとしているが、長さや荷重を調整できれば、電気駆動式のシリンダーや空気圧を用いたシリンダーでもよい。
【００５２】
金型２は、板材１０を目標とする形状にするための型であり、油圧シリンダー３に固定されている。油圧シリンダー３は、金型２を移動させることができ、被成形材の板材１０へ金型２を近づけたり、板材１０から金型２を離隔したりすることができる。また、油圧シリンダー３は、押圧部の一例であり、金型２を板材１０の成形部分に押し当てる。
【００５３】
加熱源４は、加熱部の一例であり、例えば集光方式のハロゲンランプ等の光エネルギーを利用したランプ、または各種レーザー等の光源である。加熱源４は、移動可能であって、点状又は比較的小さな円形状に板材１０を加熱できる。本実施形態では、加熱源４は、板材１０のうち少なくとも成形部分を、互いに平行な複数のライン上で連続的または断続的に加熱する。なお、板材にて加熱されている部分の温度は、放射温度計（図示せず。）によって測定されてもよい。このとき、放射温度計が板材１０にて加熱されている部分の温度を測定し、測定された温度に基づいて加熱源４の出力が制御される。加熱源４が移動可能である場合、放射温度計は加熱源４と共に移動できるようにしてもよい。
【００５４】
クランプ５は、板材１０を把持したり、板材１０の把持を解除したりする。クランプ５は、例えばねじ止めまたは油圧機構によって板材１０を固定する。ヒンジ６は、一端がクランプ５と接続され、他端が油圧シリンダー７と接続され、油圧シリンダー７に対してクランプ５を回動させ、クランプ５の方向を変更できる。なお、図には示していないが、ヒンジ６は、油圧シリンダー７に対する角度を調整する機能を有しているほうがよい。
【００５５】
油圧シリンダー７は、クランプ５を移動させることができ、クランプ５を金型２側へ近づけたり、金型２から遠ざけたりすることができる。金型２が板材１０を押圧しているとき、クランプ５を金型２から遠ざかる方向へ移動させるようにすることで、油圧シリンダー７は板材１０に引張り力を負荷することができる。
【００５６】
次に、図９を参照して、本実施形態の板材成形装置による板材成形方法について説明する。
まず、図４に示すように、金型２を下げた状態で被成形材である板材１０をクランプ５によって拘束する（ステップＳ１）。次に、図５に示すように、金型２を上昇させつつ、クランプ５の位置を調整する（ステップＳ２）。すなわち、金型２の上昇に伴って、クランプ５が金型２側に寄せられるように油圧シリンダー７が動作する。このとき、ヒンジ６の回動によって板材１０が金型２に密着する。
【００５７】
そして、油圧シリンダー３が金型２の位置を固定しつつ、油圧シリンダー７が板材１０へ引張り力を負荷する（ステップＳ３）。チタン製やチタン合金製ではなく、アルミニウム製やアルミニウム合金製の軟質な板材では、本実施形態のステップＳ３までの状態で成形が完了する。しかし、チタンやチタン合金は、降伏応力が高く、常温では成形後にスプリングバックが生じるため、形状を十分に付与できない。本実施形態は、チタン製やチタン合金製の板材を被成形材とすることから、ステップＳ３の状態を維持したまま、板材１０の表面を加熱源４によって加熱する。
【００５８】
まず、例えば図６に示すように、加熱源４を加熱位置に配置する（ステップＳ４）。そして、加熱源４によって板材１０の必要な部分を加熱する（ステップＳ５）。例えば、引張り力が負荷された板材１０に対して、板材１０に塑性変形が加わる温度域になるまで、加熱源４を用いて板材１０を加熱する。塑性変形が加わる温度域とは、常温時の強度と比べて、半分ぐらいの強度になるまで上昇したときの温度域である。図３に示すような特性を有する材料であれば、材料強度が急激に低下し始める５００℃以上に板材１０を加熱する。これにより、常温の場合に比べて、板材１０に対して塑性変形を与えやすくなり、かつ板材１０の降伏応力の低下によって弾性変形量が減るため、成形後のスプリングバック量も小さくなる。その結果、板材１０を金型２に沿った形状に加工しやすい。
【００５９】
そして、板材１０が加熱によって所定温度まで上昇したら、板材１０の長手方向または長手方向に対して垂直方向に、加熱源４を移動させる。このとき、加熱源４はライン上で連続的または断続的に板材１０を加熱する。加熱源４の移動によって、所定の加熱領域を網羅したところで加熱を終了する。なお、加熱に伴う変形によって、板材１０が金型２より浮くような事象が生じた場合には、油圧シリンダー３及び油圧シリンダー７を駆動することで引張り力を増加させ、板材１０と金型２を密着させる。そして、板材１０と金型２に隙間が生じないようにした状態で、板材１０を加熱し成形することで、より精度の高い部品を得ることができる。
【００６０】
加熱終了後は、加熱によって成形されて成形品となった板材１０を拘束している外力を取り除く（ステップＳ６）。すなわち、油圧シリンダー３，７によって生じている引張り力を解除する。そして、図８に示すように、金型２および成形品を取り外す（ステップＳ７）。これによって、成形品が得られる。なお、必要に応じて、加熱領域と非加熱領域境界に生じる残留応力を低減するために、境界よりも加熱領域側において、材料を切断することによって、部品部分は、残留応力の除去と成形精度を改善することが可能である。
【００６１】
次に、加熱源４による加熱パターンについて説明する。
上述したステップＳ５において、板材１０を加熱して成形する際に、目標とする形状を得るため、金型２の形状だけではなく、加熱源２が材料を照射する部分（加熱領域）の設定、加熱温度の設定、引張り力の設定をする。
【００６２】
図１０に示す板材１０による成形品断面の曲率半径Ｒ１や幅方向の曲率半径Ｒ２は、加熱範囲、加熱温度、引張り力によって変化する。例えば、加熱範囲は、図１５に示すように、幅方向は連続的な直線１４とし、幅方向に対して垂直方向は所定の間隔（加熱ピッチ）だけ離隔して断続的に加熱する。加熱ピッチは、図１５（Ａ）に示すように狭くしてもよいし、図１５（Ｃ）に示すように広くしてもよい。
【００６３】
板材を全面的に加熱せず、隙間をあけて加熱することで、板材１０の幅方向に生じるそりを抑制できる。また、加熱温度を比較的低温に設定し、加熱ピッチも広いほうが、得られる板材１０による成形品断面の曲率半径Ｒ１が大きくなる。さらに、加熱温度を比較的高温に設定し、加熱ピッチを狭くしたほうが、材料１０の幅方向のそりが大きくなる。またさらに、加熱温度を比較的高温に設定し、引張り力を大きくするほど、材料１０の幅方向のそりが大きくなる。
【００６４】
また、図２に示すように、加熱源４によって照射が行われ高温になる部分１２と、照射がまったく行われず低温のままの部分との間の境界が、成形によって得られる部品外（金型２の範囲外）になるように加熱を行う。これによって、高温部分と低温部分の境界で生ずる残留応力を成形部品に残さないことが可能になる。成形後、境界よりも照射部（加熱領域、高温部分）側で切断することによって、部品部分は形状精度の向上と残留応力の軽減を図ることができる。
【００６５】
また、熱源移動による１回当りの変形量を抑制し、同じ加熱領域を複数回加熱することによって目的とする形状となるように変形量を付与するようにしてもよい。これによって、熱源移動方向に不均一なひずみが生じることを防止できる。
【００６６】
以上のように、適切な加熱領域（加熱ピッチ）、加熱温度、引張り力を設定することによって、板材１０を目標とする形状に成形できる。加熱領域（加熱ピッチ）、加熱温度、引張り力の決定は、予備試験、または板材１０の加熱による強度変化特性や熱膨張特性を考慮して、成形後の板材１０の曲率を推定する数値解析によって行われる。
【００６７】
次に加熱パターンの決定方法について説明する。
目標とする形状の曲率半径に応じて、加熱ピッチを変更する場合について説明する。曲率半径と照射率の関係は、例えば図１２に示すようなグラフとなる。曲率半径と照射率の関係は、予備試験又は数値解析によって導出することができる。ここで、照射率は、図１１に示すような加熱半径（Ｌ１）と加熱ピッチ（Ｌ）によって定められる。すなわち、加熱半径（Ｌ１）は、加熱源によって均一に加熱できる領域の幅（円のときは直径）とし、加熱ピッチ（Ｌ）は、照射中心間の距離としたとき、照射率（Ｌ１／Ｌ）が１であれば、全面加熱となり、照射率（Ｌ１／Ｌ）が１よりも大きいときは、重複して加熱される部分が生じ、照射率（Ｌ１／Ｌ）が１よりも小さいときは、加熱されない部分が生じる。
【００６８】
図１２に示すように、加熱温度を比較的低温に設定しつつ、加熱ピッチを広くして照射率を小さくしたほうが、得られる板材１０の幅方向の曲率半径が大きくなる。図１２の例において、目標曲率半径が６００ｍｍの場合は、加熱温度６５０℃、照射率０．４６にすることで目標とする形状を達成できる。
【００６９】
成形後の曲率半径と照射率の関係を数値解析によって導出するためには、設定した温度、引張り力などの成形条件に基づいて、設定した加熱領域における板材１０の加熱による強度変化や板材１０の熱膨張を算出する。そして、板材１０の全領域における形状変化を算出することで、成形によって得られる板材１０の曲率半径を導出する。設定条件のうち、照射率を変えることによって、例えば図１２に示すような曲率半径と照射率の関係が得られる。
【００７０】
次に、目標とする形状の曲率半径に応じて、加熱温度を変更する場合について説明する。曲率半径と加熱温度の関係は、例えば図１３に示すようなグラフになる。曲率半径と加熱温度の関係は、予備試験又は数値解析によって導出することができる。図１３に示すように、加熱温度を比較的低温に設定したほうが、得られる板材１０による成形品断面の曲率半径Ｒ１が大きくなる。図１３の例において、目標曲率半径が５００ｍｍの場合は、加熱温度を６８０℃にすることで目標とする形状を達成できる。
【００７１】
成形後の曲率半径と加熱温度の関係を数値解析によって導出するためには、設定した加熱領域、引張り力などの成形条件に基づいて、設定した加熱温度における板材１０の加熱による強度変化や板材１０の熱膨張を算出する。そして、板材１０の全領域における形状変化を算出することで、成形によって得られる板材１０の曲率半径を導出する。設定条件のうち、加熱温度を変えることによって、例えば図１３に示すような曲率半径と加熱温度の関係が得られる。
【００７２】
また、目標とする形状の曲率半径Ｒ１に応じて、引張り荷重を変更する場合について説明する。曲率半径Ｒ１と引張り応力の関係は、例えば図１４に示すようなグラフになる。曲率半径Ｒ１と引張り応力の関係は、予備試験又は数値解析により導出することができる。図１４に示すように、引張り応力を大きくしたほうが、得られる板材１０の幅方向の曲率半径Ｒ１が大きくなる。図１４の例において、目標曲率半径が５００ｍｍの場合は、引張り応力を１００ＭＰａにすることで目標とする形状を達成できる。
【００７３】
成形後の曲率半径と引張り応力の関係を数値解析によって導出するためには、設定した加熱領域、加熱温度などの成形条件に基づいて、設定した引張り応力における板材１０の加熱による強度変化や板材１０の熱膨張を算出する。そして、板材１０の全領域における形状変化を算出することで、成形によって得られる板材１０の曲率半径を導出する。設定条件のうち、引張り応力を変えることによって、例えば図１４に示すような曲率半径と引張り応力の関係が得られる。
【００７４】
また、曲率半径Ｒ１が一定でない場合の決定方法について説明する。
例えば、図１６に示すような、曲率半径Ｒ１が一定ではなく、金型中心からの距離によって曲率半径Ｒ１が異なるような金型形状の場合、加熱ピッチを一定にするのではなく、金型中心からの距離に応じて加熱ピッチを変化させる。
【００７５】
図１７および図１８は、加熱条件に応じて成形される形状を示すグラフである。図１７の一点鎖線ａは、加熱温度６５０℃、加熱ピッチ７０ｍｍとしたときの形状を示し、図１７の実線ｂは、加熱温度６５０℃、加熱ピッチ３５ｍｍとしたときの形状を示す。また、図１８の実線ｃは、加熱温度６００℃、加熱ピッチ３５ｍｍとしたときの形状を示し、図１８の点線ｄは、加熱温度７００℃、加熱ピッチ３５ｍｍとしたときの形状を示し、図１８の細線ｅは、加熱温度６５０℃、加熱ピッチ３５ｍｍとしたときの形状を示す。
【００７６】
以上から、加熱温度６００℃、加熱ピッチ３５ｍｍとしたとき（実線ｃ）は、目標とする形状（図１８の破線で示す金型形状）と比較して、成形後、頂点部近傍で曲げ不足が生ずることが分かる。そこで、図１９に示すように、加熱領域として直線１５を追加して、頂点部近傍で加熱ピッチを細かくし、１７．５ｍｍとすることで、金型とほぼ同一形状にすることができた。これは、加熱ピッチを細かくして塑性変形不足を補うことができたためである。このように、数値解析または実験結果に基づいて、曲率半径に応じて加熱ピッチや加熱温度などを変化させることによって、成形条件を適正化した結果、目標とする成形形状が得られることが分かる。
【００７７】
次に、板材１０の幅方向の曲率半径Ｒ２を考慮する必要がある場合について説明する。加熱条件によっては、板材１０の幅方向にそりが生じる場合がある。そこで、そりを生じさせず、図２０に示すような形状に成形する場合について説明する。すなわち、図２２に示すように、板材１０を直線状に加熱した場合、図２４の破線ａで示すように成形される板材１０が金型に比べてそりを生じさせる。一方、図２３に示すように、板材１０を断続的に加熱した場合、図２４の実線ｂで示すように成形される板材１０のそりを低減できる。このように、適切な間隔を設定することで、板材１０の幅方向にそりや凹凸のない形状に成形することが可能となる。
【００７８】
そして、図２３のように断続的に板材１０を加熱しつつ、加熱ピッチを設けて板材１０を加熱することによって、図２１に示すように千鳥状に加熱領域１６が配置されるようにしてもよい。このような加熱パターンで加熱することによって、成形精度を向上させることができる。加熱領域の間隔は、板材の幅や剛性などによって変化させて、加工精度を調整する。
【００７９】
次に、加熱源による板材のその他の加熱方法について説明する。
上述の説明では、ハロゲンランプやレーザーなどの光源を用いた加熱源によって、点状（または円形状）に板材１０を加熱しつつ、加熱源を移動させる場合について説明したが、本発明はこの例に限定されない。
【００８０】
例えば、加熱に必要な部分を一度に照射できるように、連続的または断続的に複数の加熱源を配置してもよい。図７は、複数の加熱源４によって板材１０を加熱している状態を示している。これによって、加熱源の移動量を減らし、効率良く加熱に必要な部分を連続的又は断続的に加熱することができ、板材を目標とする形状に成形できる。
【００８１】
また、板材１０側の輻射率を変化させることで、板材１０に入射する熱量を変化させてもよい。例えば、ハロゲンランプを用いて加熱する際、板材の表面に黒体塗料を塗布し、その上をハロゲンランプによって一定出力で加熱することによって、複雑な加熱パターンを実現することもできる。
【００８２】
板材１０は、チタン製またはチタン合金製の金属部材であり、表面は光沢のある状態で輻射率が低い。輻射率は、例えば常温で０．３以下である。そのため、板材１０は、ランプやレーザー等の光の吸収率が悪い。しかし、板材１０に黒体塗料を塗ると、塗布部分は輻射率が０．９以上となり、熱の吸収が良い。または、板材１０を酸化処理すると、酸化部分は輻射率が約０．７となり、比較的熱の吸収が良い。したがって、板材１０の加熱したい部分に、成形のための加熱に先立ち、塗料を塗布したり、酸化処理したりした後、処理部分を一定速度で加熱することで、上述した加熱源４のように板材１０を加熱できる。材料１０がチタンである場合、加熱によって表面の酸化が起こって輻射率が変化するため、光学的な熱源を用いた場合、安定した加熱が困難であるが、黒体塗料を塗布したり予め酸化処理したりすることによって安定した加熱が可能となる。
【００８３】
また、上記説明において、光源は、例えばランプ、または各種レーザー等であるとして説明したが、本発明はこの例に限定されない。例えば、入熱量や温度を制御できれば、一般に溶接で使用されるアークやガスの燃焼に伴う火炎や、高周波等によって、板材を加熱し、成形してもよい。なお、これらの方法によって成形する場合、温度の制御ができ、熱源が移動できることが望ましい。
【００８４】
成形条件の決定には、予備実験のほか、数値解析による方法があるが、これはパーソナルコンピューターなどの情報処理装置によって実行できる。情報処理装置は、例えば、隣接するライン間のピッチ、板材を加熱する加熱温度、および板材に負荷する引張り力を設定する設定部と、設定されたピッチ、加熱温度および引張り力によって板材を加熱したときに得られる板材の曲率を、板材の加熱による材料の強度変化と熱膨張に基づいて算出する算出部と、成形目標の曲率と、算出された板材の曲率とを比較して、実際の板材成形におけるピッチ、加熱温度および引張り力を決定する決定部とを備える。
【００８５】
数値解析によれば、上述した板材成形装置における適切な成形条件を予め推測、決定することができ、精度良く板材を成形することができる。
【符号の説明】
【００８６】
１  板材成形装置
２  金型
３，７  油圧シリンダー
４  加熱源
５  クランプ
６  ヒンジ
１０  板材
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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