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WO2016002164A1 - スピニング成形装置 - Google Patents

スピニング成形装置 Download PDF

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WO2016002164A1
WO2016002164A1 PCT/JP2015/003173 JP2015003173W WO2016002164A1 WO 2016002164 A1 WO2016002164 A1 WO 2016002164A1 JP 2015003173 W JP2015003173 W JP 2015003173W WO 2016002164 A1 WO2016002164 A1 WO 2016002164A1
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WO
WIPO (PCT)
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plate material
heater
cooling device
processing tool
plate
Prior art date
Application number
PCT/JP2015/003173
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English (en)
French (fr)
Inventor
恒平 三上
嘉秀 今村
雄斗 坂根
義郎 壁
勇人 岩崎
博 北野
Original Assignee
川崎重工業株式会社
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Filing date
Publication date
Application filed by 川崎重工業株式会社 filed Critical 川崎重工業株式会社
Priority to US15/323,523 priority Critical patent/US10259030B2/en
Priority to CN201580019717.3A priority patent/CN106457339B/zh
Priority to EP15815658.8A priority patent/EP3165299A4/en
Publication of WO2016002164A1 publication Critical patent/WO2016002164A1/ja

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    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D22/00—Shaping without cutting, by stamping, spinning, or deep-drawing
    • B21D22/14—Spinning
    • B21D22/18—Spinning using tools guided to produce the required profile
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
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    • B21D37/00—Tools as parts of machines covered by this subclass
    • B21D37/16—Heating or cooling
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/34—Methods of heating
    • C21D1/42—Induction heating
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C21D9/0068—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for particular articles not mentioned below
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    • H05B6/02—Induction heating
    • H05B6/10—Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications
    • H05B6/101—Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications for local heating of metal pieces
    • H05B6/102—Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications for local heating of metal pieces the metal pieces being rotated while induction heated
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    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D2221/00—Treating localised areas of an article

Definitions

  • the present invention relates to a spinning forming apparatus that forms a desired shape while rotating a plate material.
  • a spinning molding apparatus that deforms a plate material by pressing the processing tool against the plate material while rotating the plate material.
  • a spinning molding apparatus usually has a mandrel (molding die) attached to a rotating shaft, and molding is performed by pressing a plate material against the mandrel by a processing tool.
  • Patent Document 1 discloses a spinning molding apparatus that heats a portion pressed against a mandrel by a spatula (processing tool) in a plate material by high-frequency induction heating as a spinning molding apparatus for a titanium alloy.
  • an object of the present invention is to provide a spinning molding apparatus that can suppress the bulge of the plate material.
  • a spinning molding apparatus includes a rotating shaft that rotates a plate material to be molded, and a pressure that presses the surface of the plate material while being moved radially outward of the rotating shaft.
  • a tool a heater that is moved so as to be positioned on the same circumference as the processing tool, and locally heats the plate material by induction heating, and a cooling device that cools the surface of the plate material. It is characterized by that.
  • the heater is disposed at a position that does not overlap with the processing tool in the axial direction of the rotating shaft, and the cooling device is located upstream of the processing tool in the rotation direction of the plate member and the heater
  • the surface of the plate material may be cooled at a position on the downstream side.
  • the cooling device may be configured to spray a coolant toward the surface of the plate material, or may be configured to apply the coolant to the surface of the plate material.
  • the cooling device may include a cooling roller that contacts the surface of the plate member.
  • the processing tool may be a forming roller, and the cooling device may be attached to a support member that supports the forming roller or the heater. According to this configuration, the cooling device can be moved together with the processing tool or the heater. As a result, the cooling device can have a compact configuration that performs local cooling.
  • the forming roller has a trapezoidal shape with a reduced diameter in a direction away from the rotating shaft, the shaft center of the forming roller is in point contact with the plate material, and the large diameter portion of the forming roller
  • the angle formed between the side surface of the forming roller and the radial direction of the rotary shaft may be set to be 1 degree or more and 30 degrees or less. According to this configuration, the protrusion of the plate material can be suppressed while the warpage of the outer portion of the plate material from the position where the processing tool is pressed is restricted by the side surface of the forming roller.
  • the spinning molding apparatus further includes a receiving jig that is attached to the rotating shaft and supports a central portion of the plate material, and the heater is disposed so as to face the back surface of the plate material. And at least one of the front side heater arrange
  • plate material may be sufficient. For example, if the heater is both a back side heater and a front side heater, the plate material can be molded well even if the plate material is thick.
  • the bulge of the plate material can be suppressed.
  • FIG. 3A is a plan view of the back side heater
  • FIG. 3B is a bottom view of the front side heater.
  • 4A and 4B are a front view and a side view, respectively, showing the cooling device in the first embodiment.
  • FIG. 1 shows a spinning molding apparatus 1 according to the first embodiment of the present invention.
  • the spinning molding apparatus 1 includes a rotating shaft 21 that rotates a plate material 9 to be molded, a receiving jig 22 that is interposed between the rotating shaft 21 and the plate material 9, and a fixing jig 31.
  • the receiving jig 22 is attached to the rotary shaft 21 to support the center portion of the plate material 9, and the fixing jig 31 holds the plate material 9 together with the receiving jig 22.
  • the spinning molding apparatus 1 includes a back side heater 4 disposed on the back side of the plate material 9, a front side heater 5 and a processing tool 6 disposed on the front side of the plate material 9.
  • the axial direction of the rotating shaft 21 is the vertical direction in this embodiment. However, the axial direction of the rotating shaft 21 may be a horizontal direction or an oblique direction.
  • the lower part of the rotating shaft 21 is supported by the base 11, and the rotating shaft 21 is rotated by a motor (not shown).
  • the upper surface of the rotating shaft 21 is flat, and a receiving jig 22 is fixed to the upper surface.
  • the plate material 9 is, for example, a flat circular plate.
  • the shape of the plate member 9 may be a polygonal shape or an elliptical shape.
  • the plate material 9 does not necessarily need to be flat over the entire surface.
  • the thickness of the central portion may be greater than the thickness of the peripheral portion, or the whole or a part thereof may be processed into a tapered shape in advance.
  • plate material 9 is not specifically limited, For example, it is a titanium alloy.
  • the front surface 9a of the plate material 9 is the upper surface and the back surface 9b is the lower surface
  • the back heater 5 is disposed below the plate material 9
  • the front heater 4 and the processing tool 6 are disposed above the plate material 9.
  • the front surface 9 a of the plate material 9 may be the lower surface and the back surface 9 b may be the upper surface
  • the back heater 5 may be disposed above the plate material 9
  • the front heater 4 and the processing tool 6 may be disposed below the plate material 9.
  • the receiving jig 22 has a size that fits in a circle defined by the molding start position of the plate material 9.
  • the diameter of the receiving jig 22 is equal to or less than the diameter of a circle defined by the forming start position in the plate material 9.
  • the plate member 9 is not deformed by being pressed against the radially outward side surface of the receiving jig 22.
  • the fixing jig 31 is attached to a pressure rod 32, and the pressure rod 32 is rotatably supported by a support portion 33.
  • the support portion 33 is driven in the vertical direction by the drive portion 34.
  • the drive unit 34 is attached to the frame 12 disposed above the rotary shaft 21.
  • the fixing jig 31 may be omitted, and the plate material 9 may be received and fixed directly to the jig 22 by, for example, bolts.
  • the processing tool 6 presses the surface 9a of the plate 9 while being moved radially outward of the rotary shaft 21.
  • a forming roller that rotates following the rotation of the plate 9 is used as the processing tool 6.
  • the processing tool 6 is not limited to a forming roller, and may be a spatula, for example.
  • the processing tool 6 is supported by the support member 7.
  • the processing tool 6 is moved in the radial direction of the rotary shaft 21 by the first radial movement mechanism 14 via the support member 7, and the radial movement mechanism 14 and the support member 7 by the first axial movement mechanism 13. Is moved in the axial direction of the rotary shaft 21.
  • the first axial movement mechanism 13 extends so as to bridge the base 11 and the frame 12 described above.
  • the back side heater 4 is disposed so as to face the back surface 9 b of the plate material 9, and the front side heater 5 is arranged so as to face the surface 9 a of the plate material 9.
  • These heaters 4 and 5 are for locally heating the plate material 9 by induction heating, and are moved so as to be located on the same circumference as the processing tool 6.
  • “on the same circumference” means that the heating center of the heaters 4 and 5 and the center of the processing tool 6 are within a ring-shaped range having a certain width around the central axis of the rotating shaft 21.
  • the heaters 4 and 5 are moved in the radial direction of the rotary shaft 21 by the second radial movement mechanism 16, and the rotary shaft 21 is moved by the second axial movement mechanism 15 via the radial movement mechanism 16. It is moved in the axial direction.
  • the second axial movement mechanism 15 extends so as to bridge the base 11 and the frame 12 described above.
  • a displacement meter (not shown) for measuring the distance to the plate 9 is attached to at least one of the back side heater 4 and the front side heater 5.
  • the back side heater 4 and the front side heater 5 are moved in the axial direction and the radial direction of the rotary shaft 21 so that the measured value of the displacement meter becomes constant.
  • the relative position of the heaters 4 and 5 and the processing tool 6 in the circumferential direction of the rotating shaft 21 is not particularly limited.
  • the heaters 4 and 5 may be disposed at a position directly opposite the processing tool 6 with the rotation shaft 21 interposed therebetween, or may be displaced from a position directly opposite the position (for example, in the circumferential direction of the rotation shaft 21). It may be arranged at a position 90 degrees away from the tool 6.
  • the back-side heater 4 and the front-side heater 5 are disposed at positions that do not overlap with the processing tool 6 in the axial direction of the rotary shaft 21 and that face each other.
  • the backside heater 4 includes a conducting tube 41 having a coil portion 42 and a core 45 for collecting magnetic flux generated around the coil portion 42.
  • a cooling fluid flows in the conductive tube 41.
  • the coil portion 42 has a double arc shape extending along the plate material 9 and extending in the rotation direction of the plate material 9.
  • the opening angle of the coil portion 42 is, for example, 60 to 120 degrees.
  • the core 45 includes one inner peripheral piece 46 that covers the inner arc portion 43 of the coil portion 42 from the side opposite to the plate member 9, and two outer peripheral piece pieces that cover the outer arc portion 44 of the coil portion 42 from the opposite side of the plate member 9. 47.
  • the front heater 5 includes a conductive tube 51 having a coil portion 52 and a core 55 for collecting magnetic flux generated around the coil portion 52.
  • a cooling fluid flows in the conductive tube 51.
  • the coil portion 52 has a double arc shape along the plate material 9 extending in the rotation direction of the plate material 9.
  • the opening angle of the coil portion 52 (the angle between both end portions) is, for example, 60 to 120 degrees.
  • the core 55 includes one inner peripheral piece 56 that covers the inner arc portion 53 of the coil portion 52 from the side opposite to the plate member 9, and two outer peripheral side pieces that cover the outer arc portion 54 of the coil portion 52 from the opposite side of the plate member 9. 57.
  • each of the back-side heater 4 and the front-side heater 5 includes the coil portion (42 or 52) extending in the rotation direction of the plate material 9, and therefore local heating of the plate material 9 is performed in the rotation direction of the plate material 9. Can be performed continuously. Thereby, favorable moldability can be obtained.
  • each of the back side heater 4 and the front side heater 5 does not necessarily have a double arc-shaped coil part (42 or 52).
  • the back-side heater 4 and / or the front-side heater 5 may have a plurality of circular coil portions arranged in an arc shape, or may have only one circular coil portion. .
  • the frequency of the AC voltage is not particularly limited, but is preferably a high frequency of 5 k to 400 kHz. That is, the induction heating by the back side heater 4 and the front side heater 5 is desirably high frequency induction heating.
  • a cooling device 8 that cools the surface 9 a of the plate 9 is attached to the support member 7 that supports the processing tool 6. Note that the drawing of the cooling device 8 is omitted in FIG. 1 for simplification of the drawing.
  • the forming roller 60 that is the processing tool 6 has a trapezoidal shape that is reduced in diameter in a direction away from the rotary shaft 21. That is, the forming roller 60 has a large-diameter bottom surface on the rotating shaft 21 side, a small-diameter surface opposite to the rotating shaft 21, and a tapered side surface connecting them. That is, the corner portion between the side surface and the bottom surface is the large diameter portion, and the corner portion between the side surface and the top surface is the small diameter portion.
  • the large diameter portion of the forming roller 60 makes point contact with the plate material 9, and the angle formed between the side surface of the forming roller 60 and the radial direction of the rotary shaft 21 is 1 degree or more and 30 degrees or less. So that it is set.
  • the forming roller 60 is slightly tilted outward in the radial direction of the rotating shaft 21 so that the surface of the forming roller 60 faces obliquely downward rather than perpendicular to the radial direction of the rotating shaft 21.
  • the axis of the forming roller 60 may be parallel to the radial direction of the rotary shaft 21 or may be inclined opposite to FIG. 4B.
  • the support member 7 rotatably supports the forming roller 60 via the rotating shaft 61 and a bearing (not shown). That is, the axis of the forming roller 60 described above is also the center line of the rotating shaft 61.
  • the support member 7 includes a main body 71 extending in the radial direction of the rotating shaft 21 and a pair of projecting pieces 72 projecting obliquely downward from the main body 71 so as to face the front surface and the bottom surface of the forming roller 60. Both end portions of the rotating shaft 61 described above are supported by a pair of protruding pieces 72.
  • An unillustrated bearing may be interposed between the rotating shaft 61 and the forming roller 60 (the rotating shaft 61 is not rotating), or may be interposed between the rotating shaft 61 and the protruding piece 72 (rotating). The shaft 61 rotates).
  • the cooling device 8 cools the surface 9 a of the plate 9 at a position upstream of the forming roller 60 and downstream of the back side heater 4 and the front side heater 5 in the rotation direction of the plate 9.
  • the cooling device 8 is configured to spray a coolant toward the surface 9 a of the plate 9.
  • the cooling device 8 includes an ejection pipe 81 that injects a coolant toward the surface 9 a of the plate 9.
  • a coolant is supplied to the ejection pipe 81 from a supply device (not shown).
  • the ejection pipe 81 is fixed to the main body 71 of the support member 7.
  • the coolant may be any of gas, liquid and powder.
  • air, carbon dioxide, nitrogen, or the like can be used as the gas, and water, oil, or the like can be used as the liquid. If a liquid or powder having lubricity is used, a lubricating effect between the forming roller 60 and the plate 9 can be expected.
  • the plate 9 is made of a titanium alloy (eg, Ti-6Al-4V)
  • the plate 9 is heated to 900 to 950 ° C. by the back side heater 4 and the front side heater 5.
  • the cooling device 8 desirably cools the surface 9a so that the temperature of the surface 9a of the plate 9 does not fall below 750 ° C. This is because when the temperature of the surface 9a is lower than 750 ° C., the deformation resistance in the vicinity of the surface 9a of the plate 9 increases rapidly.
  • the surface 9a against which the processing tool 6 of the plate material 9 is pressed is cooled by the cooling device 8, and therefore, a decrease in yield strength of the surface 9a of the plate material 9 is suppressed. Can do. As a result, as shown in FIG. 5, it is possible to suppress the bulge 91 formed on the outer side of the portion of the surface 9a of the plate 9 on which the processing tool 6 is pressed.
  • plate material 9 is pressed may incline below.
  • the outer portion of the plate material 9 from the position where the processing tool 6 is pressed may warp toward the forming roller 60.
  • the forming roller 60 having a trapezoidal cross section is used and the axis of the forming roller 60 is set as in the present embodiment, warping of the outer portion of the plate material 9 is restricted by the side surface of the forming roller 60, The protrusion 91 of the board
  • the cooling device 8 cools the surface 9 a of the plate 9 at a position upstream of the forming roller 60 and downstream of the heaters 4 and 5.
  • the cooling effect is maintained only in the vicinity of the surface 9a of the plate 9 heated to an appropriate temperature by the heaters 4 and 5, that is, before the cooling effect proceeds from the surface 9a of the plate 9 to the inside.
  • the plate material 9 can be deformed by the processing tool 6. Thereby, the board
  • the cooling device 8 since the cooling device 8 is attached to the support member 7 of the processing tool 6, the cooling device 8 can be moved together with the processing tool 6. As a result, the cooling device 8 can have a compact configuration that performs local cooling. Further, when the cooling device 8 is attached to the support member 7, for example, if a branch pipe is provided in the ejection pipe 81 and the tip of the branch pipe is directed to the molding roller 60, the cooling roller 8 is used to cool the molding roller 60. You can also
  • the cross-sectional shape of the forming roller 60 may be other shapes such as a substantially rhombus shape, an oblong shape, and a rounded rectangular shape depending on the forming conditions of the plate material 9.
  • the cooling device 8 is configured to apply a coolant to the surface 9a of the plate 9 at a position upstream of the forming roller 60 and downstream of the heaters 4 and 5. Also in this embodiment, the cooling device 8 is attached to the support member 7 of the processing tool 6.
  • the cooling device 8 includes a brush 83 that is in contact with the surface 9 a of the plate member 9 and a supply pipe 82 that supplies the brush 83 with a coolant that is liquid or powder.
  • the supply pipe 82 is fixed to the main body 71 of the support member 7.
  • the cooling device 8 includes a cooling roller 85. Also in this embodiment, the cooling device 8 is attached to the support member 7 of the processing tool 6.
  • the cooling roller 85 is disposed on the upstream side of the forming roller 60 and on the downstream side of the heaters 4 and 5, contacts the surface 9 a of the plate material 9, and rotates following the rotation of the plate material 9.
  • the cooling roller 85 is rotatably supported by the arm 84, and the arm 84 is fixed to the main body 71 of the support member 7.
  • the cooling roller 85 is made of metal or heat resistant resin.
  • a flow path through which the heat medium is circulated is formed in the cooling roller 85, and the heat medium is supplied from the flow path in the cooling roller 85 and the forward path through which the heat medium is sent into the flow path in the cooling roller 85 in the arm 84.
  • a return path to collect is formed.
  • a gas such as air, carbon dioxide, or nitrogen may be used, or a liquid such as water or oil may be used.
  • the cooling device 8 is attached to the front heater 5.
  • the cooling device 8 may be attached to the back heater 4.
  • the cooling device 8 includes an ejection pipe 81 that injects a coolant toward the surface 9a of the plate member 9 as in the first embodiment, and is on the upstream side of the forming roller 60 and the heaters 4 and 5.
  • the surface 9a of the plate material 9 is cooled at a position on the downstream side.
  • the cooling device 8 may include a brush 83 and a supply pipe 82 as in the second embodiment, or may include a cooling roller 85 as in the third embodiment.
  • the same effect as in the first embodiment can be obtained. Furthermore, in this embodiment, since the cooling device 8 is attached to the front heater 5, the cooling device 8 can be moved together with the heaters 4 and 5. As a result, the cooling device 8 can have a compact configuration that performs local cooling.
  • the same effect as in the first embodiment can be obtained.
  • the cooling position by the cooling device 8 is fixed, it is desirable that the cooling device 8 cools a wide range to some extent.
  • the present invention is useful when spinning a plate made of various materials.

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Abstract

　スピニング成形装置は、成形されるべき板材を回転させる回転シャフトと、回転シャフトの径方向外向きに移動させられながら、板材の表面を押圧する加工具と、加工具と同一円周上に位置するように移動させられて、板材を誘導加熱により局所的に加熱する加熱器を含む。さらに、スピニング成形装置は、板材の表面を冷却する冷却装置を含む。

Description

スピニング成形装置
　本発明は、板材を回転させながら所望の形状に成形するスピニング成形装置に関する。
　従来から、板材を回転させながらその板材に加工具を押圧して当該板材を変形させるスピニング成形装置が知られている。このようなスピニング成形装置は通常は回転シャフトに取り付けられたマンドレル（成形型）を有し、板材が加工具によってマンドレルに押し付けられることにより成形が行われる。
　近年では、板材を局所的に加熱しながらスピニング成形を行うスピニング成形装置が提案されている。例えば、特許文献１には、チタン合金用のスピニング成形装置として、板材におけるヘラ（加工具）によってマンドレルに押し付けられる部位を高周波誘導加熱により加熱するスピニング成形装置が開示されている。
特開２０１１－２１８４２７号公報
　ところで、本発明の発明者らは、加工具を径方向外向きに移動させながら板材の表面に押し付けた場合には、板材の表面における加工具が押し付けられる部分の外側に隆起が形成されることを発見した。特に、この隆起は、板材が厚い場合に、板材への入熱量が大きくなるとともに加工具の板材への押付力が大きくなるため、顕著に起こる。そのような隆起は、時には成形が進むにつれて削りくずのように渦を巻くことがある。
　そこで、本発明は、板材の隆起を抑制することができるスピニング成形装置を提供することを目的とする。
　前記課題を解決するために、本発明のスピニング成形装置は、成形されるべき板材を回転させる回転シャフトと、前記回転シャフトの径方向外向きに移動させられながら、前記板材の表面を押圧する加工具と、前記加工具と同一円周上に位置するように移動させられて、前記板材を誘導加熱により局所的に加熱する加熱器と、前記板材の表面を冷却する冷却装置と、を備える、ことを特徴とする。
　上記の構成によれば、板材の加工具が押し付けられる表面が冷却されるため、板材の表面の降伏強度(yield strength)低下を抑制することができる。その結果、板材の隆起を抑制することができる。
　前記加熱器は、前記回転シャフトの軸方向において前記加工具と重なり合わない位置に配置されており、前記冷却装置は、前記板材の回転方向において、前記加工具の上流側であって前記加熱器の下流側の位置で前記板材の表面を冷却してもよい。この構成によれば、加熱器によって適温に加熱された板材の表面近傍にのみ冷却の効果を保った状態で、すなわち、冷却の効果が板材の表面から内部に進行する前に、加工具によって板材を変形させることができる。これにより、板材を良好に成形することができる。
　例えば、前記冷却装置は、前記板材の表面に向かって冷却剤を吹き付けるように構成されていてもよいし、前記板材の表面に冷却剤を塗布するように構成されていてもよい。あるいは、前記冷却装置は、前記板材の表面に接触する冷却ローラを含んでもよい。
　前記加工具は成形ローラであり、前記冷却装置は、前記成形ローラを支持する支持部材または前記加熱器に取り付けられていてもよい。この構成によれば、冷却装置を加工具または加熱器と共に移動させることができる。その結果、冷却装置を局所的な冷却を行うコンパクトな構成とすることができる。
　前記成形ローラは、前記回転シャフトから遠ざかる方向に向かって縮径する断面台形状の形状を有し、前記成形ローラの軸心が、前記成形ローラの大径部が前記板材に点接触し、かつ、前記成形ローラの側面と前記回転シャフトの径方向とのなす角度が１度以上３０度以下となるように、設定されていてもよい。この構成によれば、板材における加工具が押圧される位置よりも外側部分の反り上がりを成形ローラの側面で規制しつつ、板材の隆起を抑制することができる。
　上記のスピニング成形装置は、前記回転シャフトに取り付けられた、前記板材の中心部を支持する受け治具をさらに備え、前記加熱器は、前記板材の裏面に対向するように配置される裏側加熱器と、前記板材の表面に対向するように配置される表側加熱器の少なくとも一方であってもよい。例えば、加熱器が裏側加熱器と表側加熱器の双方であれば、板材が厚くても板材を良好に成形することができる。
　本発明によれば、板材の隆起を抑制することができる。
本発明の第１実施形態に係るスピニング成形装置の概略構成図である。 裏側加熱器および表側加熱器の断面図である。 図３Ａは裏側加熱器の平面図、図３Ｂは表側加熱器の下面図である。 図４Ａおよび図４Ｂはそれぞれ第１実施形態における冷却装置を示す正面図および側面図である。 板材の隆起を示す断面図である。 本発明の第２実施形態における冷却装置を示す正面図である。 本発明の第３実施形態における冷却装置を示す正面図である。 本発明の第４実施形態における冷却装置を示す平面図である。 本発明の第５実施形態における冷却装置を示す側面図である。
　（第１実施形態）
　図１に、本発明の第１実施形態に係るスピニング成形装置１を示す。このスピニング成形装置１は、成形されるべき板材９を回転させる回転シャフト２１と、回転シャフト２１と板材９の間に介在する受け治具２２と、固定治具３１を備えている。受け治具２２は、回転シャフト２１に取り付けられて板材９の中心部を支持し、固定治具３１は、受け治具２２と共に板材９を挟持する。さらに、スピニング成形装置１は、板材９の裏側に配置された裏側加熱器４と、板材９の表側に配置された表側加熱器５および加工具６を備えている。
　回転シャフト２１の軸方向は、本実施形態では鉛直方向である。ただし、回転シャフト２１の軸方向は、水平方向や斜め方向であってもよい。回転シャフト２１の下部は基台１１に支持されており、回転シャフト２１は図略のモータによって回転させられる。回転シャフト２１の上面はフラットであり、この上面に受け治具２２が固定されている。
　板材９は、例えばフラットな円形状の板である。ただし、板材９の形状は、多角形状や楕円状であってもよい。また、板材９は、必ずしも全面に亘ってフラットである必要はなく、例えば中心部の厚さが周縁部の厚さよりも厚かったり、全体または一部が予めテーパー状に加工されたりしてもよい。板材９の材質は、特に限定されるものではないが、例えばチタン合金である。
　本実施形態では、板材９の表面９ａが上面、裏面９ｂが下面であり、裏側加熱器５が板材９の下方、表側加熱器４および加工具６が板材９の上方に配置されている。ただし、板材９の表面９ａが下面、裏面９ｂが上面であり、裏側加熱器５が板材９の上方、表側加熱器４および加工具６が板材９の下方に配置されていてもよい。
　受け治具２２は、板材９における成形開始位置によって規定される円に収まるサイズを有している。例えば、受け治具２２が円盤状である場合は、受け治具２２の直径は、板材９における成形開始位置によって規定される円の直径以下である。また、従来のマンドレルと異なり、板材９は、受け治具２２の径方向外向きの側面に押し付けられて変形されることはない。
　固定治具３１は、加圧ロッド３２に取り付けられており、加圧ロッド３２は、支持部３３によって回転可能に支持されている。支持部３３は、駆動部３４によって上下方向に駆動される。駆動部３４は、回転シャフト２１の上方に配置されたフレーム１２に取り付けられている。ただし、固定治具３１を省略し、例えばボルトによって板材９を受け治具２２に直接的に固定してもよい。
　加工具６は、回転シャフト２１の径方向外向きに移動させられながら、板材９の表面９ａを押圧する。本実施形態では、加工具６として、板材９の回転に追従して回転する成形ローラが用いられている。ただし、加工具６は、成形ローラに限定されず、例えばヘラであってもよい。
　より詳しくは、加工具６は、支持部材７によって支持されている。そして、加工具６は、第１径方向移動機構１４により支持部材７を介して回転シャフト２１の径方向に移動させられるとともに、第１軸方向移動機構１３により径方向移動機構１４および支持部材７を介して回転シャフト２１の軸方向に移動させられる。第１軸方向移動機構１３は、上述した基台１１とフレーム１２を橋架するように延びている。
　裏側加熱器４は、板材９の裏面９ｂに対向するように配置され、表側加熱器５は、板材９の表面９ａと対向するように配置されている。これらの加熱器４，５は、板材９を誘導加熱により局所的に加熱するものであり、加工具６と同一円周上に位置するように移動させられる。ここで、「同一円周上」とは、回転シャフト２１の中心軸を中心とするある程度の幅のリング状範囲内に加熱器４，５の加熱中心と加工具６の中心とがあることをいう。
　より詳しくは、加熱器４，５は、第２径方向移動機構１６により回転シャフト２１の径方向に移動させられるとともに、第２軸方向移動機構１５により径方向移動機構１６を介して回転シャフト２１の軸方向に移動させられる。第２軸方向移動機構１５は、上述した基台１１とフレーム１２を橋架するように延びている。
　例えば、裏側加熱器４および表側加熱器５の少なくとも一方には、板材９までの距離を計測する変位計（図示せず）が取り付けられる。裏側加熱器４および表側加熱器５は、その変位計の計測値が一定となるように、回転シャフト２１の軸方向および径方向に移動させられる。
　回転シャフト２１の周方向における加熱器４，５と加工具６との相対位置は、特に限定されるものではない。例えば、加熱器４，５は、回転シャフト２１を挟んで加工具６の真向かいの位置に配置されていてもよいし、その真向かいの位置からずれた位置（例えば、回転シャフト２１の周方向において加工具６から９０度離れた位置）に配置されてもよい。本実施形態では、裏側加熱器４および表側加熱器５は、回転シャフト２１の軸方向において加工具６と重なり合わない位置であって互いに対向する位置に配置されている。
　図２および図３Ａに示すように、裏側加熱器４は、コイル部４２を有する電通管４１と、コイル部４２の周囲に発生する磁束を集約するためのコア４５を含む。電通管４１内には、冷却液が流れる。コイル部４２は、板材９の回転方向に延びる、板材９に沿った二重円弧状をなしている。コイル部４２の開き角度（両端部間の角度）は、例えば６０～１２０度である。コア４５は、コイル部４２の内側円弧部４３を板材９と反対側から覆う１つの内周側ピース４６と、コイル部４２の外側円弧部４４を板材９と反対側から覆う２つの外周側ピース４７とで構成されている。
　同様に、図２および図３Ｂに示すように、表側加熱器５は、コイル部５２を有する電通管５１と、コイル部５２の周囲に発生する磁束を集約するためのコア５５を含む。電通管５１内には、冷却液が流れる。コイル部５２は、板材９の回転方向に延びる、板材９に沿った二重円弧状をなしている。コイル部５２の開き角度（両端部間の角度）は、例えば６０～１２０度である。コア５５は、コイル部５２の内側円弧部５３を板材９と反対側から覆う１つの内周側ピース５６と、コイル部５２の外側円弧部５４を板材９と反対側から覆う２つの外周側ピース５７とで構成されている。
　上述したように、裏側加熱器４および表側加熱器５のそれぞれは板材９の回転方向に延びるコイル部（４２または５２）を含んでいるので、板材９の局所的な加熱を板材９の回転方向に連続的に行うことができる。これにより、良好な成形性を得ることができる。ただし、裏側加熱器４および表側加熱器５のそれぞれは、必ずしも二重円弧状のコイル部（４２または５２）を有する必要はない。例えば、裏側加熱器４および／または表側加熱器５は、円弧状に並べられた複数の円形のコイル部を有していてもよいし、１つの円形のコイル部のみを有していてもよい。
　裏側加熱器４および表側加熱器５の電通管４１，５１には、交流電圧が印加される。交流電圧の周波数は、特に限定されるものではないが、５ｋ～４００ｋＨｚの高周波数であることが望ましい。すなわち、裏側加熱器４および表側加熱器５による誘導加熱は、高周波誘導加熱であることが望ましい。
　次に、図４Ａおよび図４Ｂを参照して、加工具６の周辺構成を詳細に説明する。本実施形態では、加工具６を支持する支持部材７に、板材９の表面９ａを冷却する冷却装置８が取り付けられている。なお、冷却装置８は、図面の簡略化のため、図１では作図を省略している。
　本実施形態では、加工具６である成形ローラ６０が、回転シャフト２１から遠ざかる方向に向かって縮径する断面台形状の形状を有している。すなわち、成形ローラ６０は、回転シャフト２１側の大径の底面、回転シャフト２１と反対側の小径の頂き面、およびそれらをつなぐテーパー状の側面を有している。つまり、側面と底面の間のコーナー部が大径部、側面と頂き面の間のコーナー部が小径部である。
　成形ローラ６０の軸心は、成形ローラ６０の大径部が板材９に点接触し、かつ、成形ローラ６０の側面と回転シャフト２１の径方向とのなす角度が１度以上３０度以下となるように、設定されている。本実施形態では、成形ローラ６０の頂き面が回転シャフト２１の径方向と垂直ではなく斜め下方を向くように、成形ローラ６０が回転シャフト２１の径方向外向きに少し倒されている。ただし、成形ローラ６０の軸心は、回転シャフト２１の径方向と平行であってもよいし、図４Ｂとは逆に傾けられていてもよい。
　支持部材７は、回転軸６１および図略のベアリングを介して成形ローラ６０を回転可能に支持する。すなわち、上述した成形ローラ６０の軸心は、回転軸６１の中心線でもある。
　具体的に、支持部材７は、回転シャフト２１の径方向に延びる本体７１と、成形ローラ６０の頂き面および底面と対向するように本体７１から斜め下向きに突出する一対の突出片７２を含む。上述した回転軸６１の両端部は、一対の突出片７２に支持されている。図略のベアリングは、回転軸６１と成形ローラ６０の間に介在していてもよいし（回転軸６１が非回転）、回転軸６１と突出片７２の間に介在していてもよい（回転軸６１が回転）。
　冷却装置８は、板材９の回転方向において、成形ローラ６０の上流側であって裏側加熱器４および表側加熱器５の下流側の位置で板材９の表面９ａを冷却する。本実施形態では、冷却装置８が、板材９の表面９ａに向かって冷却剤を吹き付けるように構成されている。
　具体的に、冷却装置８は、板材９の表面９ａに向かって冷却剤を噴射する噴出管８１を含む。噴出管８１には、図略の供給装置から冷却剤が供給される。噴出管８１は、支持部材７の本体７１に固定されている。
　冷却剤は、気体、液体および粉末のいずれであってもよい。例えば、気体としては、空気、二酸化炭素、窒素などを用いることができ、液体としては、水、油などを用いることができる。液体や粉末として潤滑性を有するものを使用すれば、成形ローラ６０と板材９との間の潤滑効果も期待できる。
　例えば、板材９がチタン合金（例えば、Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ）からなる場合、裏側加熱器４および表側加熱器５によって板材９は９００～９５０℃となるように加熱される。このとき、冷却装置８は、板材９の表面９ａの温度が７５０℃を下回らないように表面９ａを冷却することが望ましい。表面９ａの温度が７５０℃を下回ると、板材９の表面９ａ近傍の変形抵抗が急激に大きくなるからである。
　以上説明したように、本実施形態のスピニング成形装置１では、板材９の加工具６が押し付けられる表面９ａが冷却装置８によって冷却されるため、板材９の表面９ａの降伏強度低下を抑制することができる。その結果、図５に示すように板材９の表面９ａにおける加工具６が押し付けられる部分の外側に形成される隆起９１を抑制することができる。
　なお、図５に示すように、板材９における加工具６が押圧される位置よりも外側部分は、下向きに傾斜することがある。このような板材９の変形を抑制するには、例えば、板材９の裏面９ｂの周縁部をローラなどで支持することが望ましい。
　逆に、板材９における加工具６が押圧される位置よりも外側部分は、成形ローラ６０に向かって反り上がることもある。これに対し、断面台形状の成形ローラ６０を用い、成形ローラ６０の軸心を本実施形態のように設定すれば、板材９の外側部分の反り上がりを成形ローラ６０の側面で規制しつつ、板材９の隆起９１を抑制することができる。
　また、本実施形態では、冷却装置８が成形ローラ６０の上流側であって加熱器４，５の下流側の位置で板材９の表面９ａを冷却する。この構成により、加熱器４，５によって適温に加熱された板材９の表面９ａ近傍にのみ冷却の効果を保った状態で、すなわち、冷却の効果が板材９の表面９ａから内部に進行する前に、加工具６によって板材９を変形させることができる。これにより、板材９を良好に成形することができる。
　さらに、本実施形態では、冷却装置８が加工具６の支持部材７に取り付けられているので、冷却装置８を加工具６と共に移動させることができる。その結果、冷却装置８を局所的な冷却を行うコンパクトな構成とすることができる。また、冷却装置８を支持部材７に取り付ける場合は、例えば、噴出管８１に分岐管を設け、その分岐管の先端を成形ローラ６０に向ければ、冷却装置８を利用して成形ローラ６０を冷却することもできる。
　＜変形例＞
　前記実施形態では、裏側加熱器４と表側加熱器５の双方を用いたが、裏側加熱器４と表側加熱器５のどちらか一方のみを用いることも可能である。例えば、表側加熱器５のみを用いる場合は、受け治具２２に代えて、側面が板材に対する成形面であるマンドレルを用いてもよい。ただし、裏側加熱器４と表側加熱器５の双方を用いれば、板材９が厚くても板材９を良好に成形することができる。
　また、成形ローラ６０の断面形状は、板材９の成形条件によっては、略菱形状、長丸状、角丸長方形状などの他の形状であってもよい。
　（第２実施形態）
　次に、図６を参照して、本発明の第２実施形態に係るスピニング成形装置を説明する。なお、本実施形態のスピニング成形装置が第１実施形態のスピニング成形装置１と異なるのは、冷却装置８の構成だけであるので、以下では冷却装置８についてのみ説明する（後述する第３～第５実施形態でも同様）。
　本実施形態では、冷却装置８が、成形ローラ６０の上流側であって加熱器４，５の下流側の位置で、板材９の表面９ａに冷却剤を塗布するように構成されている。また、本実施形態でも、冷却装置８が加工具６の支持部材７に取り付けられている。
　具体的に、冷却装置８は、板材９の表面９ａと接触するブラシ８３と、ブラシ８３に液体または粉末である冷却剤を供給する供給管８２を含む。供給管８２は、支持部材７の本体７１に固定されている。
　本実施形態でも、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
　（第３実施形態）
　次に、図７を参照して、本発明の第３実施形態に係るスピニング成形装置を説明する。本実施形態では、冷却装置８が冷却ローラ８５を含む。また、本実施形態でも、冷却装置８が加工具６の支持部材７に取り付けられている。
　冷却ローラ８５は、成形ローラ６０の上流側であって加熱器４，５の下流側の位置に配置されており、板材９の表面９ａに接触して板材９の回転に追従して回転する。冷却ローラ８５は、アーム８４に回転可能に支持されており、アーム８４は、支持部材７の本体７１に固定されている。
　冷却ローラ８５は、金属または耐熱性樹脂からなる。例えば、冷却ローラ８５内には熱媒体を流通させる流路が形成され、アーム８４内には、冷却ローラ８５内の流路に熱媒体を送り込む往路と冷却ローラ８５内の流路から熱媒体を回収する復路が形成される。熱媒体としては、空気、二酸化炭素、窒素などの気体を用いてもよいし、水や油などの液体を用いてもよい。
　本実施形態でも、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
　（第４実施形態）
　次に、図８を参照して、本発明の第４実施形態に係るスピニング成形装置を説明する。本実施形態では、冷却装置８が表側加熱器５に取り付けられている。ただし、冷却装置８は、裏側加熱器４に取り付けられていてもよい。
　本実施形態では、冷却装置８が、第１実施形態と同様に板材９の表面９ａに向かって冷却剤を噴射する噴出管８１を含み、成形ローラ６０の上流側であって加熱器４，５の下流側の位置で板材９の表面９ａを冷却する。ただし、冷却装置８は、第２実施形態と同様にブラシ８３および供給管８２を含んでいてもよいし、第３実施形態と同様に冷却ローラ８５を含んでいてもよい。
　本実施形態でも、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、本実施形態では、冷却装置８が表側加熱器５に取り付けられているので、冷却装置８を加熱器４，５と共に移動させることができる。その結果、冷却装置８を局所的な冷却を行うコンパクトな構成とすることができる。
　（第５実施形態）
　次に、図９を参照して、本発明の第５実施形態に係るスピニング成形装置を説明する。本実施形態では、板材９の表面９ａを冷却する冷却装置８が、地面に設置されたスタンド８６で支持されている。
　本実施形態でも、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。ただし、本実施形態では、冷却装置８による冷却位置が固定されているため、冷却装置８によってある程度広い範囲を冷却することが望ましい。
　本発明は、種々の素材からなる板材をスピニング成形する際に有用である。
　１　　スピニング成形装置
　２１　回転シャフト
　２２　受け治具
　４　　裏側加熱器
　５　　表側加熱器
　６　　加工具
　６０　成形ローラ
　７　　支持部材
　８　　冷却装置
　８５　冷却ローラ
　９　　板材
　９ａ　表面
　９ｂ　裏面

Claims (8)

  1. 　成形されるべき板材を回転させる回転シャフトと、
    　前記回転シャフトの径方向外向きに移動させられながら、前記板材の表面を押圧する加工具と、
    　前記加工具と同一円周上に位置するように移動させられて、前記板材を誘導加熱により局所的に加熱する加熱器と、
    　前記板材の表面を冷却する冷却装置と、
    を備える、スピニング成形装置。
  2. 　前記加熱器は、前記回転シャフトの軸方向において前記加工具と重なり合わない位置に配置されており、
    　前記冷却装置は、前記板材の回転方向において、前記加工具の上流側であって前記加熱器の下流側の位置で前記板材の表面を冷却する、請求項１に記載のスピニング成形装置。
  3. 　前記冷却装置は、前記板材の表面に向かって冷却剤を吹き付けるように構成されている、請求項１または２に記載のスピニング成形装置。
  4. 　前記冷却装置は、前記板材の表面に冷却剤を塗布するように構成されている、請求項１または２に記載のスピニング成形装置。
  5. 　前記冷却装置は、前記板材の表面に接触する冷却ローラを含む、請求項１または２に記載のスピニング成形装置。
  6. 　前記加工具は成形ローラであり、
    　前記冷却装置は、前記成形ローラを支持する支持部材または前記加熱器に取り付けられている、請求項１～５のいずれか一項に記載のスピニング成形装置。
  7. 　前記成形ローラは、前記回転シャフトから遠ざかる方向に向かって縮径する断面台形状の形状を有し、前記成形ローラの軸心が、前記成形ローラの大径部が前記板材に点接触し、かつ、前記成形ローラの側面と前記回転シャフトの径方向とのなす角度が１度以上３０度以下となるように、設定されている、請求項６に記載のスピニング成形装置。
  8. 　前記回転シャフトに取り付けられた、前記板材の中心部を支持する受け治具をさらに備え、
    　前記加熱器は、前記板材の裏面に対向するように配置される裏側加熱器と、前記板材の表面に対向するように配置される表側加熱器の少なくとも一方である、請求項１～７のいずれか一項に記載のスピニング成形装置。
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