特許 5751687 スピニング成形装置および成形方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5751687

(24)【登録日】2015年5月29日

(45)【発行日】2015年7月22日

(54)【発明の名称】スピニング成形装置および成形方法

(51)【国際特許分類】

   B21D 22/14 20060101AFI20150702BHJP

【ＦＩ】

   B21D22/14 Z

【請求項の数】18

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2014-529262(P2014-529262)

(86)(22)【出願日】2013年7月17日

(86)【国際出願番号】JP2013004373

(87)【国際公開番号】WO2014024384

(87)【国際公開日】20140213

【審査請求日】2015年1月23日

(31)【優先権主張番号】特願2012-178269(P2012-178269)

(32)【優先日】2012年8月10日

(33)【優先権主張国】JP

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000000974

【氏名又は名称】川崎重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000556

【氏名又は名称】特許業務法人 有古特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】大岸 秀之

(72)【発明者】

【氏名】岩崎 勇人

(72)【発明者】

【氏名】今村 嘉秀

(72)【発明者】

【氏名】坂根 雄斗

(72)【発明者】

【氏名】辻 敏郎

(72)【発明者】

【氏名】北野 博

(72)【発明者】

【氏名】原 一範

【審査官】 矢澤 周一郎

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−２１８４２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０８０３５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−３３１３１３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２１Ｄ ２２／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

成形する板材を回転軸回りに回転させながら成形を行うスピニング成形装置であって、
前記板材が取り付けられる受け治具、および前記板材を前記受け治具と共に前記回転軸回りに回転させる回転シャフト、を含む保持部材と、
前記板材の第１主面に当接させることにより板材を加工して成形する加工具と、
前記板材を加熱する加熱器と、を備え、
前記加熱器は、前記板材を挟んで前記加工具と反対側に配置されており、前記回転軸を中心として前記板材の前記加工具が当接する位置と同一周上にある位置で、前記板材の第１主面と反対側の第２主面を局所的に加熱するよう構成されている、スピニング成形装置。

【請求項2】

前記受け治具は、前記板材における成形開始位置によって規定される円よりも小さなサイズを有している、請求項１に記載のスピニング成形装置。

【請求項3】

前記加熱器は、高周波誘導加熱による加熱を行うものである、請求項１または２に記載のスピニング成形装置。

【請求項4】

前記板材における前記加工具の当接位置よりも径方向外側の位置で前記板材を予備的に加熱する予備加熱器を備える、請求項１〜３の何れかに記載のスピニング成形装置。

【請求項5】

前記加熱器は、前記回転軸と直交する方向に二重の円弧状に形成されたコイルを含む、請求項１〜４の何れかに記載のスピニング成形装置。

【請求項6】

前記加熱器は、前記コイルを前記板材と反対側から覆う磁性体のコアと、前記コイルおよび前記コアを超えて前記板材に向かって突出する非磁性体の凸部を含む、請求項５に記載のスピニング成形装置。

【請求項7】

前記加工具の当接位置よりも径方向外側の位置で前記板材を支持する補助具を備える、請求項１〜６の何れかに記載のスピニング成形装置。

【請求項8】

前記加熱器と前記板材の成形箇所との距離が予め定められた距離となるように、前記加熱器を前記板材に対して相対移動させるように制御する制御装置を備える、請求項１〜７の何れかに記載のスピニング成形装置。

【請求項9】

前記加熱器を、前記加工具による成形動作に同調して移動させるように制御する制御装置を備える、請求項１〜８の何れかに記載のスピニング成形装置。

【請求項10】

前記加工具の当接位置と前記回転軸を中心とする同一周上にある位置で、前記板材の表面温度を計測する放射温度計と、
前記加熱器の出力を調節する出力調節器と、を備え、
前記出力調節器は、前記表面温度が所定の温度範囲内になるように前記加熱器の出力を調節する、請求項１〜９の何れかに記載のスピニング成形装置。

【請求項11】

前記加工具の前記板材への当接による負荷を計測する負荷計測器と、
前記加工具を、前記負荷に応じた送り速度で前記板材に対して相対移動させるように制御する制御装置と、を備える、請求項１〜１０の何れかに記載のスピニング成形装置。

【請求項12】

前記板材は、チタン合金からなる、請求項１〜１１の何れかに記載のスピニング成形装置。

【請求項13】

成形する板材を回転軸回りに回転させながら成形を行うスピニング成形方法であって、
前記板材を保持部材の受け治具に取り付けて当該板材を前記回転軸回りに回転させながら、前記板材の第１主面に加工具を当接させて前記板材を加工して成形する際に、前記板材を挟んで前記加工具と反対側に加熱器を配置し、前記回転軸を中心として前記板材の前記加工具が当接する位置と同一周上にある位置で、前記板材の第１主面と反対側の第２主面を局所的に加熱する、スピニング成形方法。

【請求項14】

前記板材における前記加工具の当接位置よりも径方向外側の位置で前記板材を予備的に加熱する、請求項１３に記載のスピニング成形方法。

【請求項15】

前記局所的な加熱を行う前記加熱器と前記板材の成形箇所との距離が、予め定められた距離となるように、前記加熱器を前記板材に対して相対移動させる、請求項１３または１４に記載のスピニング成形方法。

【請求項16】

前記局所的な加熱を行う前記加熱器を、前記加工具による成形動作に同調して移動させる、請求項１３〜１５の何れかに記載のスピニング成形方法。

【請求項17】

前記加工具の当接位置と前記回転軸を中心とする同一周上にある位置で、前記板材の表面温度を計測し、当該表面温度が所定の温度範囲内になるように前記局所的な加熱を行う前記加熱器の出力を調節する、請求項１３〜１６の何れかに記載のスピニング成形方法。

【請求項18】

前記加工具の前記板材への当接による負荷を計測し、
前記加工具を、前記負荷に応じた送り速度で前記板材に対して相対移動させる、請求項１３〜１７の何れかに記載のスピニング成形方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、成形する板材を回転軸回りに回転させながら成形を行うスピニング成形装置およびスピニング成形方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、鉄鋼材料、アルミ合金、純チタンなどの板材を所定の回転軸回りに回転させながら当該板材に加工具を当接させることにより当該板材を加工して成形するスピニング成形方法が知られている。

【0003】

また、チタン合金のような一般的に加工が難しいとされる材料においても、材料費低減および加工費低減のために、鍛造品からの削り出しによる加工に代わり、板材を加工するスピニング成形方法の適用が望まれている。しかし、例えばＴｉ−６Ａｌ−４Ｖといったチタン合金は、常温では耐力が高く、延性に乏しいため、従来一般的に行われている冷間（常温下）でのスピニング成形方法をそのまま適用すると、材料に割れが発生してしまい、上手く成形することができない。このため、板材を加熱して熱間でのスピニング成形を行う必要がある。

【0004】

このような熱間でのスピニング成形については、例えば特許文献１に開示されている。特許文献１の構成においては、バーナにより板材の表面を加熱した上で板材の加工を行っている。

【0005】

ところで、特許文献１のようなバーナを用いた熱間スピニング成形では、板材が広範囲に加熱される。このため、板材の例えば未成形箇所、成形済み箇所、成形対象外箇所などの非成形箇所も加熱されることとなる。したがって、板材の材質や、その形状（特に厚み）によっては、加工時に発生する応力により、板材の未成形箇所においては変形が生じて精度の高い加工ができないという問題があり、また、板材の成形済み箇所においては割れが発生するという問題があった。

【0006】

そこで、成形箇所に近い位置を局所的に加熱するスピニング成形装置として、特許文献２の構成が提案されている。特許文献２の構成においては、加工具であるへらと板材の未成形側の箇所との間から加工具と板材との当接位置に向けて加熱器である高周波誘導加熱用コイルが配置されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２００７−２８３３６５号公報

【特許文献2】特開２０１１−２１８４２７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかし、特許文献２の構成においては、加工具であるへらと板材の未成形側の箇所との間に加熱器である高周波誘導加熱用コイルの先端部を位置させているため、以下のような問題が生じる。すなわち、加工具の動作により、加熱器の配置箇所が制限されるため、局所加熱をするのに最適な箇所に加熱器を配置できず、成形箇所を適切に加熱できない。また、特許文献２の構成においては板材を成形型であるマンドレルの形状に沿って成形することが前提となっている。このため、板材の成形箇所がマンドレルと接触していることにより、板材を加熱する熱がマンドレルに伝達することによって奪われ、十分に温度が上昇せず（加熱のロスが大きく）板材に割れが発生するという問題も生じ得る。

【0009】

本発明は、以上のような課題を解決すべくなされたものであり、板材の成形箇所を適切に加熱することにより、板材に変形や割れを発生させることなく成形を行うことができるスピニング成形装置およびスピニング成形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】

【0010】

前記課題を解決するために、本発明の発明者らは、鋭意研究の結果、チタン合金板や厚さの厚いステンレス鋼板などの特定の板材については、板材を局所的に加熱する場合、加熱しない箇所で剛性が確保されることがあり、それ故に成形型を用いなくても板材を所望の形状に成形できることを見出した。本発明はこのような観点からなされたものである。

【0011】

本発明のある形態に係るスピニング成形装置は、成形する板材を回転軸回りに回転させながら成形を行うスピニング成形装置であって、前記板材が取り付けられる受け治具、および前記板材を前記受け治具と共に前記回転軸回りに回転させる回転シャフト、を含む保持部材と、前記板材の第１主面に当接させることにより板材を加工して成形する加工具と、前記板材を加熱する加熱器と、を備え、前記加熱器は、前記板材を挟んで前記加工具と反対側に配置されており、前記回転軸を中心として前記板材の前記加工具が当接する位置と同一周上にある位置で、前記板材の第１主面と反対側の第２主面を局所的に加熱するよう構成されている。

【0012】

上記構成によれば、成形型ではなく受け治具が用いられているために、板材の成形箇所の加工具と反対側に空間を確保することができ、その空間に加熱器を配置することができる。その結果、板材における加工具が当接する第１主面とは反対側の第２主面が局所的に加熱されるため、加工具と板材との位置関係によらず、板材の成形箇所を適切に加熱することができる。また、板材が成形型ではない受け治具に取り付けられるため、成形箇所を受け治具と非接触とすることができるとともに、加熱による熱が受け治具に直接的に伝達せず、成形型を用いた場合よりも効率的に加熱することができる。したがって、板材に変形や割れを発生させることなく成形を行うことができる。

【0013】

前記受け治具は、前記板材における成形開始位置によって規定される円よりも小さなサイズを有していてもよい。これにより、成形開始位置から適切な加熱を行うことができる。

【0014】

前記加熱器は、高周波誘導加熱による加熱を行うものであってもよい。これにより、局所的な加熱を簡単かつ効率よく行うことができる。

【0015】

前記スピニング成形装置は、前記板材における前記加工具の当接位置よりも径方向外側の位置で前記板材を予備的に加熱する予備加熱器を備えていてもよい。これにより、成形速度を速くしたり、板材が分厚い場合でも成形速度を遅くすることなく成形に必要な温度までの加熱を効率的に行うことができる。

【0016】

前記加熱器は、前記回転軸と直交する方向に二重の円弧状に形成されたコイルを含んでいてもよい。これにより、成形箇所と同一周上をより効率的に加熱することができる。

【0017】

前記加熱器は、前記コイルを前記板材と反対側から覆う磁性体のコアと、前記コイルおよび前記コアを超えて前記板材に向かって突出する非磁性体の凸部を含んでいてもよい。これにより、コイルに覆われたコアを用いてコイルで発生する磁束が外部へ漏れ出るのを防ぐことで磁束を集中させ、より局所的かつ効率的に熱量を発生させることができる。さらに、非磁性体の凸部によってコイルおよびコアが板材と接触することを防止することができる。その結果、コイルの電気的短絡を防止できるとともに、板材の第２主面におけるコアと対向する箇所に、高い表皮効果を得ることができる。

【0018】

前記スピニング成形装置は、前記加工具の当接位置よりも径方向外側の位置で前記板材を支持する補助具を備えていていてもよい。これにより、板材を安定させ、効率よく加熱および成形を行うことができる。

【0019】

前記スピニング成形装置は、前記加熱器と前記板材の成形箇所との距離が、予め定められた距離となるように、前記加熱器を前記板材に対して相対移動させるように制御する制御装置を備えていてもよい。これにより、成形の際、板材が保持部材の回転軸方向に変位しても加熱器と板材の成形箇所（加熱箇所）との距離を一定に保持することができる。したがって、成形時において板材の成形箇所への加熱を成形状態によらず一定にすることができる。

【0020】

前記スピニング成形装置は、前記加熱器を、前記加工具による成形動作に同調して移動させるように制御する制御装置を備えていてもよい。これにより、加工具による成形動作に応じて加熱器が移動するため、安定した成形が可能となる。また、加熱器で成形箇所を確実に加熱してから加工具による成形を行うことができるため、良好な成形品を得ることができる。

【0021】

前記スピニング成形装置は、前記加工具の当接位置と前記回転軸を中心とする同一周上にある位置で、前記板材の表面温度を計測する放射温度計と、前記加熱器の出力を調節する出力調節器と、を備え、前記出力調節器は、前記表面温度が所定の温度範囲内になるように前記加熱器の出力を調節してもよい。これにより、実際の板材の成形箇所の温度に基づいて加熱器の出力が調節されるため、板材の成形箇所の温度をより適切に調節することができる。

【0022】

前記スピニング成形装置は、前記加工具の前記板材への当接による負荷を計測する負荷計測器と、前記加工具を、前記負荷に応じた送り速度で前記板材に対して相対移動させるように制御する制御装置と、を備えていてもよい。板材を回転させる際の板材に対する加工具の送り速度が速いと成形速度は速いが負荷が大きくなり変形や割れのリスクが高まる。一方、送り速度が遅いと負荷は小さくなるが、成形速度が遅くなる。そこで、負荷が所定の範囲内となるように加工具の送り速度を制御することにより、成形速度をできるだけ落とさずに適切な成形を行うことができる。

【0023】

例えば、前記板材は、チタン合金からなっていてもよい。

【0024】

本発明の他の形態に係るスピニング成形方法は、成形する板材を回転軸回りに回転させながら成形を行うスピニング成形方法であって、前記板材を保持部材の受け治具に取り付けて当該板材を前記回転軸回りに回転させながら、前記板材の第１主面に加工具を当接させて前記板材を加工して成形する際に、前記板材を挟んで前記加工具と反対側に加熱器を配置し、前記回転軸を中心として前記板材の前記加工具が当接する位置と同一周上にある位置で、前記板材の第１主面と反対側の第２主面を局所的に加熱する。

【0025】

上記方法によれば、成形型ではなく受け治具が用いられているために、板材の成形箇所の加工具と反対側に空間を確保することができ、その空間に加熱器を配置することができる。その結果、板材における加工具が当接する第１主面とは反対側の第２主面が局所的に加熱されるため、加工具と板材との位置関係によらず、板材の成形箇所を適切に加熱することができる。また、板材が成形型ではない受け治具に取り付けられるため、成形箇所を受け治具と非接触とすることができるとともに、加熱による熱が受け治具に直接的に伝達せず、成形型を用いた場合よりも効率的に加熱することができる。したがって、板材に変形や割れを発生させることなく成形を行うことができる。

【発明の効果】

【0026】

本発明は以上に説明したように構成され、板材の成形箇所を適切に加熱することにより、板材に変形や割れを発生させることなく成形を行うことができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】図１は本発明の第１実施形態におけるスピニング成形装置を示す概略構成図である。

【図2】図２Ａは図１に示すスピニング成形装置の回転軸、加工具および加熱器の関係を示す下面図、図２Ｂは加熱器の断面図である。

【図3】図３は図１に示すスピニング成形装置の制御態様の一例を示すフローチャートである。

【図4】図４は本発明の第２実施形態におけるスピニング成形装置を示す概略構成図である。

【図5】図５は板材の板厚に対する板材の裏側と表側との表面温度差の関係を示すグラフである。

【図6】図６は本発明の第３実施形態におけるスピニング成形装置を示す概略構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0028】

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下ではすべての図を通じて同一または相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。

【0029】

＜第１実施形態＞
図１は本発明の第１実施形態におけるスピニング成形装置を示す概略構成図である。図１に示すように、本実施形態におけるスピニング成形装置１０１は、板材Ｗを回転軸（rotational axis）Ｓ回りに回転する保持部材１を備えている。本実施形態では、回転軸Ｓは鉛直方向に延びているが、回転軸Ｓが延びる方向は水平方向であってもよいし、斜め方向であってもよい。

【0030】

保持部材１には、被成形材料である板材Ｗが成形型を介さずに取り付けられる。より詳しくは、保持部材１は、回転軸Ｓに略垂直な受け面Ｐを有する受け治具２と、受け治具２が相対回転不能に取り付けられ、板材Ｗを受け治具２と共に回転させる回転シャフト１０を含む。上述した回転軸Ｓは、回転シャフト１０の中心軸である。板材Ｗは、受け治具２の受け面Ｐ上に取り付けられる。つまり、板材Ｗは、回転軸Ｓと略垂直に交わるように配置される。板材Ｗは、当該板材Ｗの上方に受け治具２の受け面Ｐと対向するように配置された固定治具３によって受け面Ｐに固定される。これにより、保持部材１の回転シャフト１０が回転軸Ｓ回りに回転することにより、板材Ｗが回転軸Ｓ回りに回転する。

【0031】

なお、本明細書における板材Ｗは平板に限られない。例えば、板材Ｗは、少なくとも一部に曲面を含む板材や予め折り曲げられた板材（成形途中の材料や成形後の材料）であってもよい。また、例えば板材の一部に他の板材を貼り付けたり、鋳造により一体成形されたような、一部の厚みが他の部分と異なるような材料も板材Ｗに含まれる。

【0032】

また、板材Ｗの材質は、特に限定されないが、例えば、チタン合金、ニッケル基合金、コバルト基合金、高強度鋼、高強度ステンレス鋼、マグネシウム合金など冷間での加工が難しい金属材料が好適である。特に、チタン合金のように、常温と高温（成形温度）とにおける耐力の差が大きい材料においては、従来の方法では割れや変形が発生し易い。このため、このような材料の成形において本実施形態を適用することが効果的である。ただし、冷間での加工が行えるアルミ合金や純チタンなどの金属材料にも同様に本実施形態を適用可能である。冷間での加工が行える金属材料であっても、板材の厚みが厚い場合には、本実施形態を適用することが効果的である。

【0033】

チタン合金には、耐食合金（例えば、Ｔｉ−０．１５Ｐｄ）、α合金（例えば、Ｔｉ−５Ａｌ−２．５Ｓｎ）、α＋β合金（例えば、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ）、β合金（Ｔｉ−１５Ｖ−３Ｃｒ−３Ｓｎ−３Ａｌ）などがある。

【0034】

スピニング成形装置１０１は、受け治具２に取り付けられた板材Ｗの第１主面に当接させることにより板材を加工して成形する加工具４と、板材Ｗを加熱する加熱器５と、をさらに備えている。本実施形態では、加工具４が当接する第１主面が上面、第１主面と反対側の第２主面が下面であるが、第１主面が下面、第２主面が上面であってもよい。加熱器５は、板材Ｗを挟んで加工具４と反対側に配置されている。そして、加熱器５は、板材Ｗの加工具４が当接する位置と回転軸Ｓを中心とする同一周上にある位置で、板材Ｗの第２主面を局所的に加熱するよう構成されている。なお、同一周上とは、例えば、回転軸Ｓと板材Ｗの加工具４が当接する位置との距離をｒとすると、回転軸Ｓからの距離がｒ±１０％となる範囲を意味する。

【0035】

受け治具２は、本実施形態ではフラットな円盤状の板材である。ただし、受け治具２は必ずしもフラットである必要はなく、例えば、板材Ｗがボウル（bowl）状である場合には、板材Ｗの向きによって受け面Ｐの中央が盛り上がったり窪んだりしていてもよい。あるいは、受け治具２は、例えば、複数の棒材が縦横に組み合わされた井桁状であってもよい。また、板材Ｗには、受け治具２と重なる領域に１つまたは複数の貫通穴が設けられていて、受け治具２の受け面Ｐには、その貫通穴に嵌合する位置決めピンが設けられていてもよい。

【0036】

受け治具２は、板材Ｗにおける成形開始位置によって規定される円と同一のサイズを有していてもよいが、その円よりも小さなサイズを有していることが望ましい。すなわち、受け治具２の周縁部は、板材Ｗの成形開始位置の真下に加熱器５が配置できるように板材Ｗの成形開始位置から径方向内側に離間していることが望ましい。

【0037】

本実施形態においては、図１に示されるように、１つの加工具４を備えた構成を例示しているが、これに限られず、加工具４は複数設けられてもよい。この場合、複数の加工具は、それぞれ板材Ｗの第１主面に当接するように配置される。さらに、複数の加工具は、例えば、互いに、回転軸Ｓを中心とした同一周上において、回転軸Ｓ回りに１８０°離間して配置することとしてもよい。加工具４が位置する側を板材Ｗの表面側とすれば、加熱器５は板材Ｗの裏面側に配置される。

【0038】

図２Ａは図１に示すスピニング成形装置の回転軸、加工具および加熱器の関係を示す図である。なお、図２Ａは板材の裏面側（加熱器が位置する側）から視た下面図であり、図１に示す回転シャフト１０、加工具４、加熱器５および板材Ｗ以外の構成は図示を省略している。本実施形態においては、加工具４は、例えば回転軸Ｓと所定の角度（図１の例では約９０°）をなす回転軸Ｑ回りに回転する加工ローラを有する。加工具４は、板材Ｗの表面側に位置し、板材Ｗの第１主面に回転軸Ｑ回りに回転する加工ローラが当接することにより、板材Ｗがしごき加工または絞り加工される。また、加熱器５は、板材Ｗの裏面側に位置する。加工具４および加熱器５は、いずれも、互いに独立して保持部材１に対して三次元的に（少なくとも回転軸Ｓの軸方向および径方向に）移動可能に構成され、回転軸Ｓからの距離が同じ距離ｒ（ｒは可変）となるように位置制御される。なお、加工具４は、上記加工ローラを有するものに限られず、例えばへらなどを有するものであってもよい。

【0039】

加熱器５は、高周波誘導加熱により板材Ｗの第２主面を加熱するコイル６１を備えている。高周波誘導加熱は、例えば、周波数が５ｋＨｚ〜４００ｋＨｚの誘導加熱である。コイル６１へは、誘導加熱電源１１から電流が供給される。本実施形態においては、加熱器５は、平面視において加工具４と回転軸Ｓ（保持部材１）に対して対称な位置（回転軸Ｓを中心とした周方向において加熱器５と加工具４とが回転軸Ｓ回りにθ＝１８０°離間した位置）に位置されている。なお、加熱器５の位置は、板材Ｗの加工具４が当接する側とは反対側で、かつ、板材Ｗの加工具４が当接する位置と回転軸Ｓを中心とする同一周上にある位置で板材Ｗの第２主面を局所的に加熱可能である限りこれに限定されない。例えば、平面視において、加熱器５と加工具４との中心角θ（それぞれと中心軸Ｓとを結ぶ線分の周方向においてなす角）が所定の角度（０°≦θ≦３６０°）になるように配置してもよい。

【0040】

加熱器５のコイル６１は、回転軸Ｓと直交する方向に二重の円弧状に形成されている。具体的には、コイル６１は、互いに平行な内側円弧部および外側円弧部を有する。また、加熱器５は、図２Ｂに示すように、コイル６１の内側円弧部および外側円弧部を板材Ｗと反対側から個別に覆うコア６２と、コア６２を支持するベースプレート６４と、コア６２の径方向外側でベースプレート６４に設けられた凸部６３を含む。コア６２は、磁性体であり、コイル６１の各円弧部の周囲に発生する磁束を集約する。凸部６３は、非磁性体であり、コイル６１およびコア６２を超えて板材Ｗに向かって突出している。このように凸部６３が設けられていれば、凸部６３によってコイル６１およびコア６２が板材Ｗと接触することを防止することができる。その結果、コイル６１の電気的短絡を防止できるとともに、板材Ｗの第２主面におけるコア６２と対向する箇所に、高い表皮効果を得ることができる。なお、コイル６１の電気的短絡を防止するという観点からは、コイル６１の表面に絶縁性の塗料を塗布してもよい。

【0041】

加熱器５のコイル６１は、円弧の両端部と回転軸Ｓとの周方向においてなす角が略９０°となるような三日月形状に形成されている。これにより、成形箇所Ａと回転軸Ｓを中心とする同一周上を効率的に加熱することができる。なお、コイル６１の形状はこれに限られず、円弧の両端部と回転軸Ｓとの周方向においてなす角が９０°以外の角度であってもよいし、円弧の一部に直線部が含まれてもよいし、直線の組み合わせを含むように（折線状に）形成されてもよい。また、円弧状のコイル６１の代わりに、円形に複数回巻いたコイル（円筒数巻きコイル）を円弧状に並べてもよいし、１つの円筒数巻きコイルのみを加熱器５のコイルとして用いてもよい。

【0042】

上記構成のスピニング成形装置１０１によれば、成形型ではなく受け治具２が用いられているために、板材Ｗの成形箇所Ａの加工具４と反対側に空間を確保することができ、その空間に加熱器５を配置することができる。その結果、板材Ｗにおける加工具４が当接する第１主面とは反対側の第２主面が局所的に加熱されるため、加工具４と板材Ｗとの位置関係によらず、板材Ｗの成形箇所Ａを効率的に加熱することができる。また、板材Ｗが成形型ではない受け治具２に取り付けられるため、成形箇所Ａを受け治具２と非接触とすることができる。

【0043】

従来の構成においては、板材Ｗの加工具４が当接する側とは反対側には、成形型が設けられることが一般的で、このような成形型が存在することにより加熱器５の加熱コイルを配置することが困難であった。というのも、加熱コイルは、太さ約数ｍｍ程度の銅管からなる誘導加熱コイルであって、このコイルの一部に肉厚が数ｍｍ〜３０ｍｍ程度の磁束集中用のコアを取り付ける場合もある。このように加熱コイルを配置するにはある程度の空間が必要であり、成形型を用いつつ、加熱コイルを成形箇所Ａの直下に配置しようとすると、成形型と加熱器とが接触してしまい好ましくない。これに対し、本実施形態においては、成形型を用いない構成としており、板材Ｗの加工具４が当接する側とは反対側である、加工具４による板材Ｗの成形箇所Ａの直下に加熱器５を配置している。板材Ｗの加工具４が当接する側に加熱器５を配置すると、板材Ｗの成形形状により加熱器５の加熱コイルの形状が制限されるが、板材Ｗに対して加工具４が当接する側とは反対側（従来の構成であれば成形型が存在する側）に加熱器５の加熱コイルが配置されるため、板材Ｗの成形形状に加熱器５の加熱コイルの形状が制限されることがない。したがって、本実施形態の構成によれば、板材Ｗに対して成形型も加工具４も存在しない側に加熱器５が配置されるため、当該成形箇所Ａの局所的な加熱を容易に行うことができる。さらに、成形型よりも格段に小さな受け治具２を用いることにより、加熱器５の加熱による熱が受け治具２に直接的に伝達せず、成形型を用いた場合よりも効率的に加熱することができる。さらに、本実施形態においては高周波誘導加熱による加熱が行われる。これにより、局所的な加熱を簡単かつ効率よく行うことができる。また、成形型を用いないことにより、成形型の製造コストを削減できるため、成形コストを低減することができる。

【0044】

上述したように、受け治具２は、板材Ｗにおける成形開始位置によって規定される円と同一のサイズを有していてもよい。ただし、この場合には、成形開始位置近傍だけは、加熱器５と受け治具２との干渉により、加熱器９の加熱位置を加工具の当接位置と同一周上にすることはできない。これに対し、受け治具２が、板材Ｗにおける成形開始位置によって規定される円よりも小さなサイズを有していれば、成形開始位置から適切な加熱を行うことができる。

【0045】

本実施形態におけるスピニング成形装置１０１は、図１に示すように、回転シャフト１０の回転制御を行うとともに、加工具４および加熱器５の位置制御を行う成形機コントローラ１２と、加工具４の板材Ｗへの当接による負荷を計測する負荷計測器１３と、板材Ｗの成形箇所Ａの位置を検出する変位センサ１４とをさらに備えている。さらに、スピニング成形装置１０１は、加工具４の当接位置と回転軸Ｓを中心とする同一周上にある位置（成形箇所Ａ）で、板材Ｗの表面温度を計測する放射温度計１５と、加熱器５の出力を調節する出力調節器１６とを備えている。出力調節器１６は、誘導加熱電源１１から出力される電流値を変更することにより加熱器５の出力を調節するよう構成されている。

【0046】

スピニング成形装置１０１は、成形条件や各構成の運転状況に応じて各構成要素に制御命令を伝える制御装置１７を備えている。例えば、制御装置１７は、成形機コントローラ１２からの動作状況（保持部材１、加工具４および加熱器５の制御状況）、負荷計測器１３からの加工具４の板材Ｗへの負荷情報および変位センサ１４からの板材Ｗの成形箇所Ａの位置情報に基づいて、回転シャフト１０の回転制御ならびに加工具４および加熱器５の位置制御を行ったり、変位センサ１４および放射温度計１５の位置制御を行う。また、制御装置１７は、放射温度計１５からの板材Ｗの成形箇所Ａの表面温度情報に基づいて、加熱器５の出力制御を行う。

【0047】

以下、本実施形態におけるスピニング成形装置１０１の制御態様について一例を示して説明する。図３は図１に示すスピニング成形装置の制御態様の一例を示すフローチャートである。ここでは、予め保持部材１に所定の板材Ｗが保持されているものとする。図３に示すように、制御装置１７は、まず、板材Ｗの種類、成形形状、大きさ、厚さなどに応じて保持部材１の回転速度、加工具４の加工ローラの送り速度（回転軸Ｓ方向への移動速度）、径方向移動速度（回転軸Ｓを中心とする加工ローラの径方向への移動速度）および成形角度（板材Ｗに対する加工ローラの回転軸Ｑの傾き）ならびに加熱温度などの設定情報を取得する（ステップＳ１）。制御装置１７は、これらの情報を外部の装置から取得することとしてもよいし、スピニング成形装置１０１が記憶部を有し、制御装置１７が当該記憶部に記憶された情報を読み込むことによって取得することとしてもよい。

【0048】

設定情報の取得後、制御装置１７は、加工具４、加熱器５、変位センサ１４および放射温度計１５の位置決めを行う（ステップＳ２）。具体的には、制御装置１７は、加工具４の加工ローラが板材Ｗにおける所定の成形箇所Ａに当接するように加工具４を位置決めし、当該成形箇所Ａ（回転軸Ｓを中心とする同一周上の領域）を加熱するように加熱器５を位置決めし、当該成形箇所Ａの変位を計測できるように変位センサ１４を位置決めし、当該成形箇所Ａの表面温度を計測できるように放射温度計１５を位置決めする。

【0049】

その上で、制御装置１７は、回転シャフト１０を回転軸Ｓ回りに回転させることにより、板材Ｗを回転させるとともに、加熱器５による板材Ｗの成形箇所Ａへの加熱を開始する（ステップＳ３）。制御装置１７は、放射温度計１５が検出する成形箇所Ａの表面温度を取得し、当該成形箇所Ａの表面温度が成形可能な範囲内の温度となっているかどうか判定する（ステップＳ４）。例えば、チタン合金（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ）からなる板材Ｗを用いる場合、例えば５００〜１０００℃を成形可能な範囲として設定することができる。

【0050】

出力調節器１６は、放射温度計１５により計測される板材Ｗの表面温度が所定の温度範囲内になるように加熱器５の出力を調節する。これにより、実際の板材Ｗの成形箇所Ａの温度に基づいて加熱器５の出力が調節されるため、板材Ｗの成形箇所Ａの温度をより適切に調節することができる。また、本実施形態では、板材Ｗにおける加工具４が当接する第１主面の表面温度、すなわち、加熱器５が位置する側（裏面側）とは反対側（表面側）の板材Ｗの表面温度を放射温度計１５で計測するため、放射温度計１５が加熱器５に干渉されることなく高精度な温度計測を行うことができる。ただし、放射温度計１５は、成形箇所Ａにおいて板材Ｗの第１主面および第２主面の双方の温度を計測するように複数配置されていてもよい。

【0051】

成形箇所Ａの表面温度が成形可能な範囲内の温度となっている場合（ステップＳ４でＹｅｓ）、加工具４を用いて、成形箇所Ａの加工による成形を開始する（ステップＳ５）。一方、成形箇所Ａの表面温度が成形可能な範囲外の温度となっている場合（ステップＳ４でＮｏ）、成形箇所Ａの表面温度が成形可能な範囲内の温度となるまで、加熱器５の出力を調整する。

【0052】

制御装置１７は、加熱器５を、加工具４による成形動作に同調（同期）して移動させるように制御する。なお、同調には、加工具４の移動に追従して加熱器５を移動させることと、加熱器５による加熱が完了してから（成形箇所Ａの表面温度が成形可能な範囲内となってから）加工具４による成形を開始する（加工ローラを板材Ｗの成形箇所Ａに当接させる）こととを含む。これにより、加工具４による成形動作に応じて加熱器５が移動するため、安定した成形が可能となる。また、加熱器５で成形箇所Ａを確実に加熱してから加工具４による成形を行うことができるため、良好な成形品を得ることができる。

【0053】

また、制御装置１７は、加工具４を、負荷計測器１３により検出された負荷に応じた送り速度で板材Ｗに対して相対移動させるように制御する。具体的には、制御装置１７は、負荷計測器１３により検出された負荷が予め設定されている成形可能な範囲内にあるか否かを判定する（ステップＳ６）。負荷が成形可能な範囲内にあると判定された場合（ステップＳ６でＹｅｓ）、加工を続行する。また、負荷が成形可能な範囲外にあると判定された場合（ステップＳ６でＮｏ）、加工ローラの送り速度を変更する制御を行う（ステップＳ７）。加工ローラの送り速度を変更する制御は、負荷が成形可能な範囲内となるまで繰り返し行われる。

【0054】

板材Ｗを回転させる際の板材Ｗに対する加工具４の送り速度が速いと成形速度は速いが負荷が大きくなり割れや変形のリスクが高まる。一方、送り速度が遅いと負荷は小さくなるが、成形速度が遅くなる。そこで、負荷が所定の範囲内となるように加工具４の送り速度を制御することにより、成形速度をできるだけ落とさずに適切な成形を行うことができる。

【0055】

また、制御装置１７は、変位センサ１４により検出される板材Ｗの成形箇所Ａの位置情報と、成形機コントローラ１２から得られる加熱器５の位置制御情報とから、加熱器５と板材Ｗの成形箇所Ａとの距離ｈが、予め定められた範囲内（例えば１ｍｍ〜１０ｍｍ）にあるか否かを判定する（ステップＳ８）。加熱器５と成形箇所Ａとの距離ｈが予め定められた範囲内にある場合（ステップＳ８でＹｅｓ）、加工を続行する。また、距離ｈが予め定められた範囲内にない場合（ステップＳ８でＮｏ）、当該距離ｈが予め定められた距離となるように、加熱器５を板材Ｗに対して相対移動させるように制御する（ステップＳ９）。

【0056】

これにより、加工具による成形の際、板材Ｗが保持部材１の回転軸Ｓ方向に変位しても加熱器５と板材Ｗの成形箇所（加熱箇所）Ａとの距離を一定に保持することができる。特に、本実施形態のように、高周波誘導加熱用のコイル６１を用いる加熱器５においては、板材Ｗの成形箇所Ａに対するコイル６１の距離ｈが変化すると、コイル６１から板材Ｗに加えられる熱量が比較的大きく変化する。したがって、加熱器５と板材Ｗの成形箇所Ａとの間の距離ｈを一定に保持することにより、加工時において板材Ｗの成形箇所Ａへの加熱を加工状態によらず一定にすることができる。

【0057】

このような、制御を行いながら、成形が行われる。そして、制御装置１７は所定の成形タイミングごとに成形が完了したかどうかの判定を行う（ステップＳ１０）。成形が完了していない場合（ステップＳ１０でＮｏ）、制御装置１７は、成形工程を継続する（ステップＳ３〜Ｓ９）。成形が完了した場合（ステップＳ１０でＹｅｓ）、制御装置１７は、処理を終了する。

【0058】

本実施形態においては、成形型を使用していない。その代わり、変位センサ１４からの位置情報によって板材Ｗの成形箇所Ａの位置を把握することができるため、これに基づいて加工具４および加熱器５を適切に制御することができ、板材Ｗを所望の形状に高精度に成形することができる。また、負荷計測器１３からの負荷情報によって板材Ｗの成形箇所Ａへの負荷の大きさを把握することができるため、これによっても成形型を用いることなく板材Ｗの成形精度を高くすることができる。

【0059】

なお、本実施形態においては、加熱器５として高周波誘導加熱用のコイル６１を用いた構成について説明したが、回転軸Ｓを中心として板材Ｗの加工具４が当接する位置と同一周上にある位置で、板材Ｗにおける加工具４が当接する第１主面とは反対側の第２主面を局所的に加熱することが可能な加熱器であればこれに限られない。例えば、加熱器５として、摩擦加熱器を採用することも可能である。

【0060】

＜第２実施形態＞
以下に、本発明の第２実施形態におけるスピニング成形装置について説明する。図４は本発明の第２実施形態におけるスピニング成形装置を示す概略構成図である。本実施形態において第１実施形態と同様の構成については同じ符号を付し説明を省略する。本実施形態におけるスピニング成形装置１０２が第１実施形態と異なる点は、図４に示すように、加工具４の当接位置（成形箇所Ａ）よりも径方向外側の位置（成形進行方向における板材Ｗの未成形箇所側にある位置（予備加熱箇所Ｂ））で、板材Ｗを予備的に加熱する予備加熱器７をさらに備えていることである。なお、図４には制御装置１７や負荷計測器１３などの制御に関する構成は図示を省略している。

【0061】

ここで、成形進行方向は、板材Ｗにおける加工具４による成形が進行する方向として定義される。図４の例において、成形進行方向は、回転軸Ｓの径方向内方から外方に向く方向である。この場合、予備加熱器７は、加熱器５より回転軸Ｓの径方向外側に配置される。

【0062】

本実施形態において、予備加熱器７は、板材Ｗの加熱器５が加熱する側とは反対側で、かつ、板材Ｗの加熱器５が加熱する位置（成形箇所Ａ）より回転軸Ｓの径方向外側の位置と回転軸Ｓを中心とする同一周上にある位置（予備加熱箇所Ｂ）を加熱するように構成されている。すなわち、予備加熱器７は、板材Ｗの未成形箇所を予備的に加熱するように構成される。また、予備加熱器７は、加熱器５と同様に高周波誘導加熱による加熱が採用されるが、予備加熱器７においては、バーナなどによる加熱でもよい。例えば、予備加熱器７は、加熱器５と同様に、回転軸Ｓと直交する方向に二重の円弧状に形成されたコイルを含む。回転軸Ｓから予備加熱器７までの距離は回転軸Ｓから加熱器５までの距離よりも遠いため、予備加熱器７のコイルの曲率半径は、加熱器５のコイル６１の曲率半径よりも大きいことが望ましい。

【0063】

予備加熱器７は、予備加熱箇所Ｂの温度が、加工具４の成形箇所Ａへの押圧力の影響により予備加熱箇所Ｂが変形しない程度の温度となるように、出力が調整される。例えば、加熱器５による加熱より弱い加熱を行うことが好ましい。なお、予備加熱器７の加熱能力を加熱器５の加熱能力より低くするためには、予備加熱器７の出力を加熱器５の出力より低い出力としてもよいし、これに加えてまたはこれに代えて、同じ出力の加熱器において予備加熱器７と板材Ｗとの距離を加熱器５と板材Ｗとの距離より長くしたりしてもよい。また、予備加熱箇所Ｂは成形箇所Ａに隣接することが好ましい。

【0064】

予備加熱器７により、未成形箇所である予備加熱箇所Ｂが予備的に加熱されるため、加熱器５による局所的な加熱の際に温度上昇が早くなる。これにより、加工速度を速くしたり、板材Ｗが分厚い場合でも加工速度を遅くすることなく成形に必要な温度までの加熱を効率的に行うことができる。

【0065】

このような予備加熱は、板材Ｗの種類、板材Ｗの板厚、加熱温度、加工具４の能力（例えば加工ローラの推力）に応じて適宜用いられ得る。特に、板材Ｗの板厚と板材Ｗの表裏の表面温度差と加工具４の能力との関係に応じて予備加熱の要否を検討することができる。図５は板材の板厚に対する板材の裏面と表面との表面温度差の関係を示すグラフである。図５は、チタン合金であるＴｉ−６Ａｌ−４Ｖからなる板材Ｗの加熱器５が加熱する第２主面の温度が９００℃の場合の第２主面と第１主面との温度差（裏側表面温度−表側表面温度）を示す。

【0066】

図５における斜線で示す領域Ｘ（板厚Ｄｔｈ以上かつ表面温度差Ｔｔｈ以上の領域）が予備加熱を用いることが効果的な領域を示している。この領域Ｘは、加工具４の能力の１つである加工ローラの推力に応じて変化する。すなわち、加工ローラの推力が大きくなると板厚のしきい値Ｄｔｈおよび表面温度差のしきい値Ｔｔｈはより大きい値となる。また、加工ローラの推力が小さくなると板厚のしきい値Ｄｔｈおよび表面温度差のしきい値Ｔｔｈはより小さい値となる。要するに、加工ローラの推力が小さくなると、より小さい板厚または表面温度差であっても、予備加熱を行う方が好ましくなる。

【0067】

なお、成形進行方向が、回転軸Ｓの径方向外方から内方に向く方向の場合、予備加熱器７は、板材Ｗの加熱器５が加熱する位置より回転軸Ｓの径方向内側の位置と回転軸Ｓを中心とする同一周上にある位置を加熱することにより、同様の効果が得られる。また、予備加熱器７は、板材Ｗの加熱器５が加熱する位置より回転軸Ｓの径方向外側の位置と回転軸Ｓを中心とする同一周上にある位置を加熱可能な限りどのように配置してもよい。例えば、予備加熱器７は板材Ｗにおける加熱器５と同じ側を加熱するように配置することとしてもよい。また、本実施形態においては予備加熱器７は加熱器５と回転軸Ｓを中心とする周方向に関して略同一位置に配置されているが、周方向にずれた位置に配置されてもよい。

【0068】

＜第３実施形態＞
以下に、本発明の第３実施形態におけるスピニング成形装置について説明する。図６は本発明の第３実施形態におけるスピニング成形装置を示す概略構成図である。本実施形態におけるスピニング成形装置１０３が第１実施形態と異なる点は、図６に示すように、板材Ｗの未成形箇所に当接し、加工具４の当接位置よりも径方向外側の位置で板材Ｗを支持する補助具８をさらに備えていることである。なお、図６には制御装置１７や負荷計測器１３などの制御に関する構成は図示を省略している。

【0069】

本実施形態において、補助具８は、板材Ｗの未成形箇所に当接されることにより従動回転する補助ローラにより構成される。ただし、補助具８の構成は、板材Ｗに当接した状態で板材Ｗを傷付けない（当接による摩擦力が小さい）構成であれば、このようなローラに限られない。

【0070】

このような補助具８を用いることにより、板材Ｗを安定させ、効率よく加熱および加工を行うことができる。すなわち、補助具８により板材Ｗの未成形箇所が保持されることにより、加工具４による加工を行う際に発生する板材Ｗの外周縁の回転軸Ｓ方向の振れを抑制することができる。これにより、加熱器５による加熱を板材Ｗの成形箇所によらず均一化することができる。さらに、加工具４の板材Ｗに与える押圧力を板材Ｗの成形箇所によらず均一化することができる。したがって、板材Ｗの成形精度を高くすることができる。

【0071】

なお、補助具８は、板材Ｗの未成形箇所に当接する限り、どのように配置してもよい。例えば、図６に示すように、補助具８は、板材Ｗの加工具４が当接する側と同じ側に設けてもよいし、反対側に設けてもよい。また、補助具８は、１個でも複数でもよい。

【0072】

以上、上記実施形態は例示であってこれに限定されるものではない。本発明は、上記で説明した範囲ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲での全ての変更が意図される。例えば、複数の上記実施形態における各構成要素を任意に組み合わせることとしてもよい。

【産業上の利用可能性】

【0073】

本発明のスピニング成形装置およびスピニング成形方法は、板材の成形箇所を適切に加熱することにより、板材に変形や割れを発生させることなく成形を行うために有用である。

【符号の説明】

【0074】

１ 保持部材
２ 受け治具
３ 固定治具
４ 加工具
５ 加熱器
６１ コイル
６２ コア
６３ 凸部
７ 予備加熱器
８ 補助具
１０ 回転シャフト
１１ 誘導加熱電源
１２ 成形機コントローラ
１３ 負荷計測器
１４ 変位センサ
１５ 放射温度計
１６ 出力調節器
１７ 制御装置
１０１〜１０３ スピニング成形装置
Ｐ 受け面
Ｑ 加工具の回転軸
Ｓ 保持部材の回転軸
Ｗ 板材

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】