(57)【要約】【課題】被加工物に溶融凝固加工を施して加工生産物と成す際の、加工生産物の変形を推測する変形推測方法を提供すること。【解決手段】この変形推測方法は、被加工物において、溶融凝固加工によって溶融凝固部が形成される溶融凝固部１４ａａ（形成領域）と、溶融凝固加工によって溶融凝固部１４ａａが形成されない非形成領域１４ａｂとを分離して認識する第一ステップと、溶融凝固部１４ａａは直交異方性を有するハニカムコア材によって形成されたものとする一方で、非形成領域１４ａｂは等方性を有する無垢材によって形成されたものと置換する第二ステップと、第二ステップにおいて置換したモデルによって、被加工物に溶融凝固加工を施した加工生産物の変形を算出する第三ステップと、を備える。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物に溶融凝固加工を施して加工生産物と成す際の、前記加工生産物の変形を推測する変形推測方法であって、
被加工物において、溶融凝固加工によって溶融凝固部が形成される形成領域と、溶融凝固加工によって溶融凝固部が形成されない非形成領域とを分離して認識する第一ステップと、
前記形成領域は直交異方性を有するハニカムコア材によって形成されたものとする一方で、前記非形成領域は等方性を有する無垢材によって形成されたものと置換する第二ステップと、
前記第二ステップにおいて置換したモデルによって、前記被加工物に溶融凝固加工を施した加工生産物の変形を算出する第三ステップと、を備える変形推測方法。
【請求項２】
前記被加工物は金属板であり、前記溶融凝固加工はレーザ加工であることを特徴とする請求項１に記載の変形推測方法。
【請求項３】
前記第二ステップにおいて、前記溶融凝固部の柱状晶に応じて、対応させる前記ハニカムコア材の大きさおよび方向を追従させることを特徴とする請求項２に記載の変形推測方法。
【請求項４】
前記被加工物を厚み方向に分割し、分割したそれぞれの部分において前記溶融凝固部に対応する前記ハニカムコア材を設定することを特徴とする請求項３に記載の変形推測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被加工物に溶融凝固加工を施して加工生産物と成す際の、加工生産物の変形を推測する変形推測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄道車両のボディを構成する鉄道車両構体は、複数のステンレス鋼板部材といった金属板部材を接合して構成される（例えば、下記特許文献１参照）。鉄道車両は多品種少量生産であることから、鉄道車両構体も多品種少量生産になっている。従って、鉄道車両構体を構成する金属板部材の形状も、多くの種類を少量ずつ生産することが求められている。
【０００３】
一般的に金属板部材を所定の形状にしようとすれば、母材となる加工前の金属板を所定の形状に切り出して、その切り出した金属板に塑性加工を施して金属板部材を形成することになる。少量多品種生産の鉄道車両構体では、プレス加工によって金属板部材を大量生産することは不向きであることから、プレス金型が不要なレーザフォーミング加工といった溶融凝固加工によって部品を塑性変形させ、金属板部材とすることが有効である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−２５７８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように、特に鉄道車両構体のように少量多品種生産を行う場合に、構成物としての金属板部材をレーザフォーミング加工といった溶融凝固加工によって形成することは好ましいものである。しかしながら、レーザフォーミング加工は、その加工による変形後の金属板部材の形状を予測し難いものである。
【０００６】
そこで、レーザフォーミング加工といった溶融凝固加工によって、被加工物に溶融凝固加工を施して加工生産物と成す際に、加工生産物の変形を推測することが求められている。
【０００７】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、被加工物に溶融凝固加工を施して加工生産物と成す際の、加工生産物の変形を推測する変形推測方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために本発明に係る変形推測方法は、被加工物に溶融凝固加工を施して加工生産物と成す際の、前記加工生産物の変形を推測する変形推測方法であって、被加工物において、溶融凝固加工によって溶融凝固部が形成される形成領域と、溶融凝固加工によって溶融凝固部が形成されない非形成領域とを分離して認識する第一ステップと、前記形成領域は直交異方性を有するハニカムコア材によって形成されたものとする一方で、前記非形成領域は等方性を有する無垢材によって形成されたものと置換する第二ステップと、前記第二ステップにおいて置換したモデルによって、前記被加工物に溶融凝固加工を施した加工生産物の変形を算出する第三ステップと、を備える。
【０００９】
本発明によれば、溶融凝固加工によって形成される溶融凝固部を形成領域として認識する一方で、溶融凝固部が形成されない部分を非形成領域として分離認識するので、加工生産物を複合構造物として認識することができる。更に、形成領域はハニカムコア材によって形成されたものとする一方で、非形成領域は無垢材によって形成されたものとするように置換するので、変形挙動を解析し，変形を算出することが可能となる。
【００１０】
好ましくは、前記被加工物は金属板であり、前記溶融凝固加工はレーザ加工である。溶融凝固加工としてレーザ加工を用いているので、溶融凝固部を確実に柱状晶となすことができる。被加工物が金属板であるので、その一部に溶融凝固部である柱状晶が形成された場合の、加工生産物の変形予測を精度良く実行することが可能となる。
【００１１】
好ましくは、前記第二ステップにおいて、前記溶融凝固部の柱状晶に応じて、対応させる前記ハニカムコア材の大きさおよび方向を追従させる。柱状晶は，溶融凝固部の溶け込み深さと冷却速度に応じて、溶融凝固開始端面から最終凝固点の方向に向かって成長する形で形成される。従って、溶融凝固部の柱状晶に応じて、対応させるハニカムコア材の大きさおよび方向を追従させることで、加工生産物の変形予測をより精度良く実行することが可能となる。
【００１２】
好ましくは、前記被加工物を厚み方向に分割し、分割したそれぞれの部分において前記溶融凝固部に対応する前記ハニカムコア材を設定する。被加工物を厚み方向に分割することで、溶融凝固部の柱状晶に対応したハニカムコア材の置換設定がより正確なものとなり、加工生産物の変形予測をより精度良く実行することが可能となる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、被加工物に溶融凝固加工を施して加工生産物と成す際の、加工生産物の変形を推測する変形推測方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態である変形推測方法を検証するための実験装置を示す概略図である。
【図２】図１に用いる被加工物であるステンレス鋼板に、レーザ加工を施した後の加工生産物の態様を模式的に示す図である。
【図３】図２に示す加工生産物を厚み方向に分割する状態を示す図である。
【図４】図２のＡ−Ａ断面を示す図である。
【図５】図２のＢ−Ｂ断面を示す図である。
【図６】図３のＣ−Ｃ矢視を示す図である。
【図７】加工生産物の変形態様を示す図である。
【図８】ハニカムコア材を模式的に示す図である。
【図９】ハニカムコア材の変形態様を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
【００１６】
本発明の実施形態である変形推測方法は、被加工物に溶融凝固加工を施して加工生産物と成す際の、加工生産物の変形を推測する変形推測方法である。本実施形態では、被加工物としてステンレス鋼板を用いる。溶融凝固加工はレーザ加工である。本実施形態の変形推測方法は、第一ステップと、第二ステップと、第三ステップとを備える。
【００１７】
第一ステップでは、被加工物において、溶融凝固加工によって溶融凝固部が形成される形成領域と、溶融凝固加工によって溶融凝固部が形成されない非形成領域とを分離して認識する。第二ステップでは、形成領域は直交異方性を有するハニカムコア材によって形成されたものとする一方で、非形成領域は等方性を有する無垢材によって形成されたものと置換する。第三ステップでは、第二ステップにおいて置換したモデルによって、被加工物に溶融凝固加工を施した加工生産物の変形を算出する。
【００１８】
このように、溶融凝固加工によって形成される溶融凝固部を形成領域として認識する一方で、溶融凝固部が形成されない部分を非形成領域として分離認識するので、加工生産物を複合構造物として認識することができる。更に、形成領域はハニカムコア材によって形成されたものとする一方で、非形成領域は無垢材によって形成されたものとするように置換するので、変形挙動を解析し，変形を算出することが可能となる。
【００１９】
また、溶融凝固加工としてレーザ加工を用いているので、溶融凝固部を確実に柱状晶となすことができる。被加工物が金属板であるので、その一部に溶融凝固部である柱状晶が形成された場合の、加工生産物の変形予測を精度良く実行することが可能となる。
【００２０】
また、第二ステップにおいて、溶融凝固部の柱状晶に応じて、対応させるハニカムコア材の大きさおよび方向を追従させる。柱状晶は，溶融凝固部の溶け込み深さと冷却速度に応じて、溶融凝固開始端面から最終凝固点の方向に向かって成長する形で形成される。従って、溶融凝固部の柱状晶に応じて、対応させるハニカムコア材の大きさおよび方向を追従させることで、加工生産物の変形予測をより精度良く実行することが可能となる。
【００２１】
また、被加工物を厚み方向に分割し、分割したそれぞれの部分において溶融凝固部に対応するハニカムコア材を設定する。被加工物を厚み方向に分割することで、溶融凝固部の溶け込み深さに対応したハニカムコア材の置換設定がより正確なものとなり、加工生産物の変形予測をより精度良く実行することが可能となる。
【００２２】
本実施形態の有効性を検証するため、実際に被加工物としてステンレス鋼板を準備し、レーザ加工を施して変形させ、その変形を予測した例を説明する。
【００２３】
実験装置の概要を図１に示す。図１は、本発明の実施形態である変形推測方法を検証するための実験装置を示す概略図である。レーザ装置１０は、発振波長９４０ｎｍ、最大出力６ｋＷ、連続発振のダイレクトダイオードレーザを用いている。レーザ装置１０では、焦点距離１３０ｍｍの集光光学装置を用いている。試験体である被加工物１４の表面に集光し、スキャニング方向Ｄ１に沿って走査した。半値幅でのビーム集光形状は、矩形で３．５ｍｍ×０．５ｍｍである。実験ではレーザ出力を４．０ｋＷとした。アシストガスノズル１２は，レーザ照射部の雰囲気を調整するためのアシストガスを供給するノズルである。なお，アシストガスにはＡｒを用い，レーザ照射部に３０Ｌ／ｍｉｎの流量で供給した。被加工物１４は両端を自由端で保持できる装置（図示せず）に装着し、試験体の中央部に４．０ｍ／ｍｉｎの走査速度で１回のみレーザを走査し、溶融凝固部を形成した。なお、レーザ照射後は試験体固定治具に３０秒間保持したのち取り外している。
【００２４】
試験体である被加工物１４は、鉄道車両で多く用いられているステンレス鋼板ＳＵＳ３０４である。形状は、幅１７０ｍｍ、長さ１５０ｍｍ、板厚１．０ｍｍとした。
【００２５】
レーザ走査後の試験体である加工生産物１４ａのレーザ走査方向の変形、それに直行する方向の変形を把握した。図２は、図１に用いる被加工物であるステンレス鋼板に、レーザ加工を施した後の加工生産物の態様を模式的に示す図である。図３は、図２に示す加工生産物を厚み方向に分割する状態を示す図である。図２及び図３に示すように、図１に示した装置構成によって、被加工物１４にレーザフォーミング加工を施し、溶融凝固部１４ａａ（形成領域）を形成した。溶融凝固部１４ａａが形成されない残余の領域は、金属無垢材のままの非形成領域１４ａｂである。
このように溶融凝固部１４ａａを形成した影響を把握するため、レーザ走査後の試験体である加工生産物１４ａを、レーザ走査方向と直交する方向に切断した溶融凝固部１４ａａの断面を横断面（断面Ａ−Ａ）、レーザ走査方向と平行方向に切断した溶融凝固部１４ａａの断面を縦断面（断面Ｂ−Ｂ）とした（図２参照）。また、試験体表面から一定の深さまで研磨した面をスライス面（矢視Ｃ−Ｃ）とした（図３参照）。
【００２６】
図２及び図３に示すそれらの断面から、溶融凝固形状と柱状晶を観察した。なお、観察面は鏡面状態まで研磨仕上げを行い、王水塩化第二銅アンモニウム溶液でエッチングし、光学顕微鏡で金属組織を観察した。
【００２７】
レーザ走査方向と直行する方向に切断した溶融凝固部１４ａａ断面の横断面（断面Ａ−Ａ）を図４に示す。図４に示されるように、溶融凝固形状は半楕円形であり、柱状晶は被加工物１４の溶融凝固開始端面１４ａｃから最終凝固点１４ａｄの方向に向かって成長している。
【００２８】
レーザ走査方向と平行な方向に切断した溶融凝固部１４ａａ断面の縦断面（断面Ｂ−Ｂ）を図５に示す。図５に示されるように、試験体板厚方向には均一な柱状晶を観察でき、その成長は、レーザ走査方向に約５度傾いている。
【００２９】
試験体表面から一定の深さまで研磨したスライス面（矢視Ｃ−Ｃ）を図６に示す。母材である被形成領域１４ａｂと溶融凝固部１４ａａが平滑になる深さまで研磨し、溶融凝固部１４ａａの表層を観察した。図６に示されるように、レーザ走査線に対して左右対称で、溶融凝固部１４ａａの幅方向両端から中心に向かう漣状の柱状晶が観察できる。その方向はレーザ走査方向に約５度の傾きがある。溶融凝固部１４ａａの中央は、図４及び図５からもわかるように、柱状晶を真上から見た状態になっている。
【００３０】
図７に示すように、レーザ走査後の試験体は、全体に鞍型に変形している。レーザ走査方向と直交する方向は、レーザ照射による溶融凝固部１４ａａを中心にレーザ照射面側において谷型に折れ曲がるように変形している。また、レーザ走査方向には、レーザ照射面の裏面側遠方に中心がある円弧のように変形している。
【００３１】
当初本発明者らは、図４〜６に示すように柱状晶の成長方向に熱歪みが生じ、これを解析することで変形量や変形方向が予測できると考えた。しかしながら、当初の予測に反して試験体は図７に示すようにカップリングを伴い、鞍型に変形することがわかった。金属組織からこの変形を予測することは難しく、また定式化も容易でないと考えた。
【００３２】
一方で本発明者らは、図４〜６に示すように、柱状晶の成長方向やその大きさが一定であること、また変形挙動が、軽量構造体に用いる蜂の巣状の構造体、ヘキサゴナルハニカムパネルのコア材（ハニカムコア材、図８参照）と類似性があることを見いだした。図９に示すように、六角柱が密接したハニカムコアの両端に曲げモーメントを与え面外変形させると鞍型に変形する。このようなカップリングを伴ったハニカムコアの変形挙動は、力学的に解析することが可能であり、上述したような置換により、ステンレス鋼板にレーザ加工を施した場合の変形挙動を予測することが可能となる。
【００３３】
このように、レーザ加工による溶融凝固部１４ａａを直行異方性のあるハニカムコアに置き換え、未溶融の母材部分である被形成領域１４ａｂを等方的な無垢材に置き換えれば、メルトレーザフォーミングによる変形挙動を予測することができる。
【００３４】
ステンレス鋼板にメルトレーザフォーミングを行った結果、溶融凝固部１４ａａの柱状晶は被加工物１４の溶融凝固開始端面１４ａｃから最終凝固点１４ａｄの方向に向かって成長し、その方向に沿った歪みが生じ、全体に鞍型に変形する。本発明者らは、そこにハニカムコアの変形挙動との類似性を見出し、メルトレーザフォーミングによる変形挙動を予測できることを見出したものである。
【００３５】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
【符号の説明】
【００３６】
１０：レーザ装置
１２：アシストガスノズル
１４：被加工物
１４ａ：加工生産物
１４ａａ：溶融凝固部
１４ａｂ：被形成領域
１４ａｃ：溶融凝固開始端面
１４ａｄ：最終凝固点
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図８】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2012176421.tif 000009
【図７】
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【図９】
2012176421.tif 000011