特開 2024-24231 インクリメンタルシート成形工具、インクリメンタルシート成形装置、及びインクリメンタルシート成形方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024024231

(43)【公開日】2024-02-22

(54)【発明の名称】インクリメンタルシート成形工具、インクリメンタルシート成形装置、及びインクリメンタルシート成形方法

(51)【国際特許分類】

   B21D 22/18 20060101AFI20240215BHJP

   B29C 53/04 20060101ALI20240215BHJP

   B21D 31/00 20060101ALI20240215BHJP

【ＦＩ】

B21D22/18

B29C53/04

B21D31/00 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022126906

(22)【出願日】2022-08-09

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り 掲載年月日 令和４年１月２３日 掲載アドレス ｈｔｔｐｓ：／／ｄｏｉ．ｏｒｇ／１０．１０１６／ｊ．ｊｍｒｔ．２０２２．０１．１０３ ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｓｃｉｅｎｃｅｄｉｒｅｃｔ．ｃｏｍ／ｊｏｕｒｎａｌ／ｊｏｕｒｎａｌ－ｏｆ－ｍａｔｅｒｉａｌｓ－ｒｅｓｅａｒｃｈ－ａｎｄ－ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ／ｖｏｌ／１７／ｓｕｐｐｌ／Ｃ

(71)【出願人】

【識別番号】504176911

【氏名又は名称】国立大学法人大阪大学

(71)【出願人】

【識別番号】000003997

【氏名又は名称】日産自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000970

【氏名又は名称】弁理士法人 楓国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】麻 寧緒

(72)【発明者】

【氏名】呉 松

(72)【発明者】

【氏名】宮本 健二

(72)【発明者】

【氏名】三輪 紘敬

【テーマコード（参考）】

4E137

4F209

【Ｆターム（参考）】

4E137AA07

4E137AA08

4E137AA23

4E137BA05

4E137BB01

4E137CA05

4E137CA29

4E137DA02

4E137EA16

4E137EA22

4E137EA25

4E137GA02

4E137GA16

4F209AC03

4F209AF01

4F209AG01

4F209AG05

4F209NA01

4F209NB01

4F209NG02

4F209NJ21

4F209NK07

(57)【要約】

【課題】先端部位をシート材に継続的に接触させつつ押し当て力に連続的な変化を与えることで、シート材への傷の発生、工具自体の長寿命化、及びシート材の割れを抑制する。
【解決手段】インクリメンタルシート成形工具３は、横断面が円形を有する基軸部３１と楕円形状を有する先端軸部３２が軸方向に同軸で設けられている。シート材４に押し当てられる先端軸部３２の先端部位の周面は、軸周りの全周に正の曲率からなる形状を有し、かつ正の曲率は周方向に一定ではなく、方向性を有する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

棒状体をなし、先端部位の周面が軸周りの全周に正の曲率からなる形状を有し、かつ前記曲率が周方向に方向性を有するインクリメンタルシート成形工具。

【請求項2】

前記棒状体は、互いに平行かつ軸方向に連結された基軸部と先端軸部とを備え、前記先端軸部の周面は、前記基軸部の軸周りの全周に正の曲率からなる形状を有し、かつ前記曲率が周方向に方向性を有する請求項１に記載のインクリメンタルシート成形工具。

【請求項3】

前記先端軸部の周面は、楕円形状を有する請求項２に記載のインクリメンタルシート成形工具。

【請求項4】

前記先端軸部の軸は、前記基軸部の軸に対して偏心している請求項２に記載のインクリメンタルシート成形工具。

【請求項5】

請求項１～４のいずれかに記載のインクリメンタルシート成形工具を支持し、前記棒状体の先端部位を成形対象のシート材に押し当てる機構部を備えたインクリメンタルシート成形装置。

【請求項6】

機構部によって、請求項１～４のいずれかに記載のインクリメンタルシート成形工具を支持し、前記棒状体の先端部位を成形対象のシート材に押し当てるインクリメンタルシート成形方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、インクリメンタルシートフォーミングのための技術に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、棒状の成形工具を回転させながら、塑性加工対象であるシート材に対して押し当てた状態で、例えば等高線を描くように相対移動させつつ目標形状に成形する型レスインクリメントシートフォーミング（Incremental Sheet Forming：ISF）が知られている（例えば特許文献１）。

【0003】

特許文献１には、先端形状が半球状のインクリメンタルシート成形工具を用いた場合に、成形部品のエッジ部分に繋がる傾斜面の角度によってはシート材の引張り量が大きくなって割れが生じるおそれがあることから、先端横断面の形状に、例えば花びら状、半円状、三角等の多角形状、星形状等を採用して、工具の回転によって軸周りのいわゆる山の部分を断続的にシート材に押し当てるようにしたことが記載されている。このように断続的な押し当てを行わせることで、成形量が分断されて１回の成形量を小さくすることで割れの発生を抑制するようにしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０００－１５３３１３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、インクリメンタルシート成形工具の先端横断面として特許文献１の図１に示す花びら状を採用した場合、工具の回転に伴う花びら状の形状とシート材との当接状態の変移に起因して以下の問題が生じ得る。まず、軸周りの花びらの部分、すなわち山の部分がシート材に対向する間、シート材は対向する山の部分に押し当てられる。次いで、工具が回転して、山と次の山との間、すなわち溝の部分と対向すると、シート材は溝の部分から略離反して一時的に押し当て動作を受けなくなる。さらに、工具の回転が進むと、シート材は次の山の部分に衝撃を持って当接する。そして、工具の回転中、かかる押し当て動作が断続的かつ逐次の衝撃を持って繰り返し行われることとなるため、シート材の成形部品に断続的な傷が付き、成形部品の品質を低下させる虞がある。また、工具には繰り返し衝撃荷重が反射的に加わることから、工具の変形、破損等が生じ、工具の長寿命化を損なう虞がある。さらに、特許文献１の図１２、図１３及び図１５には、工具の山と山との間に平面状の溝が形成された形状が記載されているが、この溝の平坦面がシート材に一機に当接し、その直後に次の山の部分がシート材に衝撃を持って当接する動作が繰り返されるため、同様の課題がある。

【0006】

本発明は、上記に鑑みてなされたもので、シート材に継続的に接触させつつ押し当て力に連続的な変化を与えて、成形部品の品質の維持及び工具の長寿命化を可能にするインクリメンタルシート成形工具、インクリメンタルシート成形装置、及びインクリメンタルシート成形方法を提供するものである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明に係るインクリメンタルシート成形工具は、棒状体をなし、先端部位の周面が軸周りの全周に正の曲率からなる形状を有し、かつ前記曲率が周方向に方向性を有するものである。

【0008】

また、本発明に係るインクリメンタルシート成形装置は、前記インクリメンタルシート成形工具を支持し、前記棒状体の先端部位を成形対象のシート材に押し当てる機構部を備えたものである。

【0009】

また、本発明に係るインクリメンタルシート成形方法は、機構部によって、前記インクリメンタルシート成形工具を支持し、前記棒状体の先端部位を成形対象のシート材に押し当てるものである。

【0010】

これらの本発明によれば、先端部位の周面がシート材に継続的に接触され、かつ全周に亘って方向性を有する、すなわち周囲方向に一定でない正の曲率を持たせ、先端部位の押し当て力に連続的な強弱変化を与えるようにしたので、先端部位とシート材との衝撃的な当接動作はなく、シート材への傷の発生、工具自体の長寿命化、及びシート材の割れが抑制される。

【0011】

また、前記棒状体は、互いに平行かつ軸方向に連結された基軸部と先端軸部とを備え、前記先端軸部の周面は、前記基軸部の軸周りの全周に正の曲率からなる形状を有し、かつ前記曲率が周方向に方向性を有するものである。この構成によれば、棒状体が基軸部と先端軸部とで構成されるので、基軸部に先端軸部を着脱可能な構成とすれば、種類の異なる工具が組み立てられる。

【0012】

また、前記先端軸部の周面は、楕円形状を有するものである。この構成によれば、先端軸部の横断面を楕円形状とすることで、同軸に設けられても周周りに方向性を有する正の曲率周面が形成される。

【0013】

また、前記先端軸部の軸は、前記基軸部の軸に対して偏心しているものである。この構成によれば、基軸部に対して、周方向における正の曲率の変化が偏心の程度によっても変わることになり、汎用性がある。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、先端部位をシート材に継続的に接触させつつ押し当て力に連続的な変化を与えることで、シート材への傷の発生、工具自体の長寿命化、及びシート材の割れを抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明に係るインクリメンタルシート成形装置の一実施形態を示す概略構成図である。

【図2】インクリメンタルシート成形工具を示す図で、（Ａ），（Ｂ）は従来の汎用型の工具の斜視図及び底面図であり、（Ｃ），（Ｄ）は本発明に係る工具の一実施形態の斜視図及び底面図である。

【図3】成形限界に関する実験１の結果を示す図表である。

【図4】発熱温度に関する実験２の結果を示す図表である。

【図5】面内ひずみに関する実験３の結果を示す図表である。

【図6】ディンプル破面に関する実験４の結果を示す図表である。

【図7】インクリメンタルシート成形工具の他の実施形態を示す図で、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は底面図である。

【図8】インクリメンタルシート成形工具の他の実施形態を示す底面図である。

【図9】インクリメンタルシート成形工具の他の実施形態を示す図で、（Ａ）は側面図、（Ｂ）はＢ―Ｂ’矢視図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

図１は、本発明に係るインクリメンタルシート成形装置１の一実施形態を示す概略構成図である。図２は、インクリメンタルシート成形工具３を示す図で、（Ａ），（Ｂ）は公知の一般的な工具の斜視図及び底面図であり、（Ｃ），（Ｄ）は本発明に係る工具の一実施形態の斜視図及び底面図である。

【0017】

インクリメンタルシート成形装置１（以下、装置１という。）は、図１に示すように、駆動部１０と支持部２０とを備える。駆動部１０は、制御部１１と、制御部１１によって制御されるＸＹＺ移動機構部１２と、回転機構部１３とを備える。回転機構部１３の先端部には棒状体のインクリメンタルシート成形工具３（以下、工具３という。）が垂直方向に取り付けられている。支持部２０は、ＸＹＺ移動機構部１２の下方に配置され、塑性加工対象である所定サイズのシート材４の端縁の複数個所を、図略の締結具で上下方向に挟持する支柱２１と押さえ部材２２とを備える。ＸＹＺ移動機構部１２は、水平な平行平面の一方平面上でＸ方向に、他方平面上でＹ方向に移動する公知のスライダを備えると共に、鉛直のＺ方向に回転機構部１３を昇降させる機構を備える。ＸＹＺ移動機構部１２及び回転機構部１３は、駆動源として、例えばモータが採用されている。

【0018】

制御部１１は、ＸＹＺ移動機構部１２及び回転機構部１３による加工動作の制御を行うプロセッサを備える。制御部１１は、予め成形部品の成形加工データを備え、かかる成形加工データを駆動用の信号に変換して、対応するＸＹＺ移動機構部１２、回転機構部１３に出力することで、工具３を移動させ、かつ回転動作させる。加工中における工具３の移動は、種々の方法が採用可能であり、成形加工データに含まれる例えば所定ピッチ毎に設定された等高線データ（のTool pass）に沿って、白抜き矢印で示すような周回的な移動を順次行わせる態様でもよい。また、制御部１１は、回転機構部１３にモータ回転信号を出力し、工具３を所定回転数での回転を制御する。

【0019】

次に、図２を用いて工具３について説明する。従来の汎用型の工具Toは、（Ａ），（Ｂ）に示すように、所定径を有する棒状体で、シート材４に押し当てられる先端部位が半球状に形成されている。一方、工具３は、（Ｃ），（Ｄ）に示すように、同軸で、かつ軸方向に一体（又は半一体）に構成された基軸部３１と先端軸部３２とを備える。基軸部３１は、横断面が所定径を有する円形の棒状体である。先端軸部３２は、軸方向に直交する横断面が楕円形状を有する棒状体で、その先端部位の周面は、半楕円球に形成されている。工具３は、基軸部３１を介して回転機構部１３に回転可能に取り付けられる。

【0020】

先端軸部３２の形状の一例を図２（Ｄ）に示す。工具３の基軸部３１の半径は10mm（D10と表記）である。先端軸部３２の長軸寸法はD10、短軸寸法はD8であり、先端部位の長軸寸法はD5、短軸寸法はD4である。このように、先端軸部３２の少なくとも先端部位は、周面の全周に亘って正の曲率（すなわち凸状）を有して形成されている。また、周方向の曲率は、軸Ｏに対して１/４周毎に、最大と最小との間で連続的に繰り返し変化し、一定ではなく方向性を有する。従って、加工中の工具３は、１/４周回転する度にシート材４への押し当て力が、強と弱との間で連続的（緩やか）に変化しながら繰り返されることになる。このように、工具３は、全周に亘ってシート材４と常に接触状態にしてシート材４への押し当て状態を維持し、かつ押し当て力の強弱変化を連続的にする。

【0021】

図３は、成形限界に関する実験１の結果を示す図表である。

【0022】

図３は、具体的には、工具の違いによるシート材の成形限界の差異を示すもので、差異を示すパラメータとして、成形深さ（Fracture depth）と板厚減少率（Thinning rate）とを採用した。成形深さとは、シート材４の板面を深さ方向に押し込む際に、シート材４の板面に亀裂などの破損が生じる直前の深さをいう。板厚減少率は、最初の板厚に対する、シート材４の押し込みによってシート材４が板面方向に引き延ばされる際に、シート材４の板面に亀裂などの破損が生じる直前の板厚との比をいう。板厚減少率は、デジタルノギス（モノタロウ社製）で測定した。

【0023】

実験１では、比較例１，２、及び実施例１，２を採用した。比較例１，２は、図２（Ａ），（Ｂ）に示す工具Toを使用し、比較例１は、回転なしで加工を施した場合であり、比較例２は、3,000rpmで回転させて加工を施した場合である。実施例１，２は、図２（C），（D）に示す工具３を使用し、実施例１は、1,500rpmで回転させて加工を施した場合であり、実施例２は、3,000rpmで回転させて加工を施した場合である。実験１に適用されるシート材は、アルミニウム製で、厚さ0.5mm、１辺240mmの正方形の形状を有する。シート材に成形する形状は、傾斜角度0°～90°を有する凹状の円錐台とした。

【0024】

実験１の結果を示す図３について、まず、成形深さに着目すると、比較例１では29.0mm、比較例２では35.0mmであるが、実施例１では37.5mm、実施例２では42.5mmであり、比較例１，２に対して相対的に深い位置まで押し込みができていることが認められた。なお、図３中の上部に記載された成形部品の写真画は、説明の便宜上、天地反転して表示している。

【0025】

また、板厚減少率に着目すると、比較例１では54.0％、比較例２では66.0％であるが、実施例１では76.0％、実施例２では84.0％であり、比較例１，２に対して相対的に薄い寸法まで加工できることが認められた。また、実施例１と実施例２とを比較すると、工具３の回転数が高くなると、成形深さ及び板厚減少率の各値が増大していることが認められた。これは、例えばFSW（Friction Stir Welding：摩擦攪拌接合）のように、シート材４の表面の金属材が工具３の形状および回転運動によって掻き出されて近隣の材と混ざり合うようにすることで、割れの形成が抑制できていると考えられる。以下、実験１の結果を示す各種の要因に関して実験２～４で考察する。

【0026】

図４は、発熱温度に関する実験２の結果を示す図表である。

【0027】

図４は、具体的には、工具の違いによるシート材の発熱の差異を示すもので、横軸に押し込み深さ（Z-displacement(mm)、Tool pass（図１参照）に対応）を、縦軸に温度（℃）を採用した。一般に金属は降伏点を超えると、応力に対するひずみは塑性変形する。この降伏点は、温度依存性を有し、温度が高い程、下がることが知られている。工具の運動に伴う摩擦熱でシート材の温度が上昇すると降伏点が下がるため、工具からの押し付け力によってシート材に割れを生じたり、勢い変形したりする可能性が高くなる。従って、加工中でのシート材の温度上昇を可及的に抑止して、降伏点を高いレベルに維持することが望まれる。

【0028】

実験２では、比較例１と実施例１とを採用した。比較例１は、図２（Ａ），（Ｂ）に示す工具Toを使用し、3,000rpmで回転させて加工を施した場合である。実施例１は、図２（C），（D）に示す工具３を使用し、3,000rpmで回転させて加工を施した場合である。実験２に適用されるシート材は、実験１と同じであり、成形目標の形状も同じである。比較例１では押し込み深さを30mmとし、実施例１では押し込み深さを40mmとした。

【0029】

実験２の結果を示す図４について、比較例１では、押し込み深さが10mmを超えると、温度が150℃程度に上昇し、その後、30mmに達するまで170～180℃の温度を維持していることが認められた。一方、実施例１では、押し込み当初にやや高い温度が見られるものの、その後、40mmに達するまでの間、100℃前後を安定維持していることが認められた。このように、発熱温度が170～180℃と高くなる比較例１では、降伏点の低下があり、加工中のシート材に割れなどが生じやすくなる。一方、実施例１では、発熱温度は相対的に低く低温側に維持されており、降伏点の低下は問題とならず、割れの発生は抑制される。

【0030】

図５は、面内ひずみに関する実験３の結果を示す図表である。

【0031】

図５は、具体的には、工具の違いによる面内ひずみの差異を示すもので、縦軸に縦方向（シート材の傾斜方向）への縦変移比率（D_M/D₀）を、横軸に横方向（シート材の円周方向）への横変移比率（D_C/D₀）を採用した。図５は、より具体的には、工具が押し当てられる面（Inner）と裏面（Outer）との成形寸法差に伴うねじれ変形による割れの生じやすさを示す。

【0032】

実験３では、比較例１，２と実施例１とを採用した。比較例１は、図２（Ａ），（Ｂ）に示す工具Toを使用し、回転数0rpm、すなわち回転なしで加工を施した場合、比較例２は、同工具Toで回転数3,000rpmの場合である。実施例１は、図２（C），（D）に示す工具３を使用し、3,000rpmで回転させて加工を施した場合である。実験３に適用されるシート材は、実験１と同じであり、成形目標の形状も同じである。

【0033】

実験３では、まず、加工前のシート材の適当な位置であって対向する表裏面に所定径の同一円（Initial hole）を表記し、次いで、工具を動作させて成形を施した。成形動作終了後、予め表記した円の径寸法を計測し、当初に描いた円の径との比率を、縦変移比率（D_M/D₀）、横変移比率（D_C/D₀）として求めた。

【0034】

実験３の結果を示す図５において、図表中の下半部に記載の３つの楕円形の図は、左側から順に比較例１，２、実施例１の成形後のInner側（実線）とOuter側（破線）の描画図形を示している。図５から、比較例１は、黒円及び破線円で示すように、いずれの比率も1.0を大きく超えていることが認められ、割れが生じやすい。比較例２は、比較例１より改善されているものの、いずれの比率も1.0を超えていることが認められる。これに対し、実施例１は、黒三角形及び破線三角形に示すように、いずれの比率も1.0に近く、特に黒三角形（Inner側）は、1.0よりも小さいことが認められるから、割れの発生は抑制されると考えられる。

【0035】

図６は、ディンプル破面に関する実験４の結果を示す写真図である。

【0036】

図６は、具体的には、工具の違いによる加工面のディンプル（Dimple：窪み）の差異を示すものである。実験４では、比較例１と実施例１とを採用した。比較例１は、図２（Ａ），（Ｂ）に示す工具Toを使用し、回転数3,000rpmで成形した場合である。実施例１は、図２（C），（D）に示す工具３を使用し、回転数3,000rpmで成形した場合である。図６（Ａ）は、比較例１によるディンプル破面であり、多数のディンプルが形成されている。図６（Ｂ）は、実施例１によるディンプル破面であり、ディンプルのサイズが、図６（Ａ）に比して相対的に小さいことが認められた。

【0037】

比較例１のように、工具を回転させてシート材の表面に均一の成形応力を与え続けると、シート材の表面の材料が引き剥がされてディンプルが形成され、それを起点に亀裂が発生しやすくなる。一方、実施例１の工具のように、シート材への接触状態を維持しつつ押し付け力が連続的（緩やか）に変化する場合、形成されたディンプルに対して近隣の表面金属材が局所的に移動して、すなわち金属材が混ざり合う現象によってディンプルが解消され、亀裂の発生が抑制される。

【0038】

図７は、インクリメンタルシート成形工具の他の実施形態を示す図で、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は底面図である。工具３Ａは、軸Ｏを有する円柱状の基軸部３１Ａを介して、先端に軸Ｑを有する円柱状の先端軸部３２Ａが偏心して設けられている。軸Ｏは、図７（Ｂ）に示すように、先端軸部３２Ａの横断面内に位置するように配置され、先端軸部３２Ａが継続的に（常に）シート材４に接触するように形成されている。なお、円柱状の先端軸部３２Ａの径は、基軸部３１Ａの径よりも小さくてもよいし、大きくてもよい。この構成によれば、先端軸部３２Ａをシート材４に継続的に接触させつつ押し当て力を連続的に変化させることができ、シート材４への傷の発生、工具３Ａの長寿命化、及びシート材４の割れを抑制することができる。

【0039】

図８は、インクリメンタルシート成形工具の他の実施形態を示す底面図である。工具３Ｂは、軸Ｏを有する円柱状の基軸部３１Ｂを介して、先端に軸Ｑを有する楕円柱状の先端軸部３２Ｂが偏心して設けられている。軸Ｏは、先端軸部３２Ｂの横断面内に位置するように配置され、先端軸部３２Ｂが継続的に（常に）シート材４に接触するように形成されている。なお、円柱状の先端軸部３２Ｂの径は、基軸部３１Ｂの径よりも小さくてもよいし、大きくてもよい。この構成によれば、先端軸部３２Ｂをシート材４に継続的に接触させつつ押し当て力を連続的に変化させることができ、シート材４への傷の発生、工具３Ｂの変形、及びシート材４の割れを抑制することができる。

【0040】

図９は、インクリメンタルシート成形工具の他の実施形態を示す図で、（Ａ）は側面図、（Ｂ）はＢ―Ｂ’矢視図である。工具３Ｃは、棒状体３１Ｃの先端部位の半周分が互いに異なる正の曲率を持つ半球部３１１Ｃ及び半球部３１２Ｃを有して構成されている。半球部３１２Ｃは、半球部３１１Ｃに比して大きな曲率で形成されている。なお、半球部３１２Ｃは、周方向の半周分を有する形状の他、半球部３１１Ｃに比して半周以上又は半周以下でもよい。かかる構成によっても、棒状体３１Ｃをシート材４に継続的に（常に）接触させつつ、半球部３１１Ｃと半球部３１２Ｃとで押し当て力を連続的に変化させることで、シート材４側への傷の発生、工具３Ｂの変形、及びシート材４の割れを抑制することができる。

【0041】

なお、本実施形態では、工具３が回転（自転）する構成として説明したが、本発明は、回転を伴わない構成にも適用可能である。回転を伴わない構成であっても、成形部品の形状に沿って、例えば等高線（Tool pass）に沿って周回させることで、シート材４と当接する工具３の軸周りの位相が順次移動し、一周する。従って、少なくとも前記実施形態と同種の作用効果を奏する。

【符号の説明】

【0042】

１ インクリメンタルシート成形装置
１０ 駆動部
２０ 支持部
３，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ 工具
３１，３１Ａ，３１Ｂ 基軸部（棒状体）
３１Ｃ 棒状体
３２，３２Ａ，３２Ｂ 先端軸部（棒状体）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】