JPH038850B2

JPH038850B2 -

Info

Publication number: JPH038850B2
Application number: JP6404582A
Authority: JP
Inventors: Masaru Kobayashi
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-04-19
Filing date: 1982-04-19
Publication date: 1991-02-07
Also published as: JPS58181426A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は熱応力を利用したダイレス板成形方法
に関するものである。

非量産性の大形構造物及び中小量生産品等のプ
レス成形では、金型代の加工費に占める割合は大
きい。もし、これらの生産品が金型なし（ダイレ
ス）で成形できれば、非常に大きな利点があるこ
とは明らかである。しかし、このような生産品の
ダイレス成形に関する研究報告は少ない。

そのうちの一つに、線状加熱板曲加工法（石川
島重工業株式会社造船部；船舶、第29巻、第12号
（1956）第1037頁〜第1044頁）がある。この方法
は、適当な大きさの酸素アセチレンバーナーを熱
源とし、この熱源を適当な温度で直線的に、また
は曲線を描かせて鋼板の表面を移動させると共に
撒水装置で加熱部の周辺を急冷することによつ
て、鋼板の板厚方向に熱歪差を生ぜしめ、加熱線
を折線として鋼板を加熱両側に曲げ加工しようと
するものである。例えば、第１図ａに示すよう
に、平鋼板１の表面を矢印２で示すように、一定
間隔で直線状加熱線を順次移動すると、第１図ｂ
に示すように、平鋼板は加熱線であつた一点鎖線
３を折線としてわずかずつ加熱面側に湾曲して円
弧状の鋼板４を得ることができるというものであ
る。しかし、本方法の効果を増すためには、被加
工鋼板にはあらかじめ或る程度の荷重（弾性範囲
内のモーメント）を与えておいて加工をすること
が好ましいと述べている。

また、他の一つに、金属材料の加熱・冷却時に
現われる相変態点を中間温度として金属材料に三
角波形の温度サイクルを与えながら低荷重のもと
にプレス成形するという、変態超塑性現象を利用
した薄板金属材料のプレス加工方法がある（特公
昭56−44132号公報参照）。しかも、この加工方法
は、場合によつては、上ダイスの負荷荷重を必要
とせずに、材料の自重だけで充分このような成形
を行ない得るものであることも述べられている。
すなわち、この加工方法は、被加工薄板金属材料
の全体に相変態点を中間温度とする三角波形の加
熱・冷却サイクルを与えると同時に下ダイのみを
用い、被加工材料の自重のみの荷重によつてダイ
レス加工類似の成形加工を行なうというものであ
る。

本発明は、以上のような従来のダイレス成形加
工方法と異なり、あらかじめ荷重を加えることな
く、被加工金属板の表面の加熱と加熱停止直後の
裏面の冷却の際に生ずる熱応力のみを利用してダ
イレス板成形を行なう方法を提供しようとするも
のである。

本発明者らは、金属板の塑性加工について種々
の実験、検討を行なつている過程で、金属材料板
の周辺部を該金属板が外部から拘束されることな
く、自由に動きうるように支持した状態で、該金
属板の表面に点状、直線状または曲線状の断続的
な加熱を加えると同時に前記金属板の裏面の前記
表面加熱位置に対応する位置を前記断続的な加熱
の間の加熱停止直後の非加熱時に冷却する加熱・
冷却処理を所定回数繰返し加え、前記金属板の
表・裏両面間に局部的な温度勾配を繰返し与える
ことにより、前記従来技術のように被加工金属板
に或る程度の荷重を加えることなしに、前記金属
板が前記表面加熱部を中心として加熱両側に曲が
ることを見出し、本発明に到達したものである。

つぎに、本発明の加熱・冷却処理中における被
加工金属板の変形挙動の概略を第２図により説明
する。図ａは加工前の状態を示し、１１は短冊状
の平板試験片、１４は試験片１１の表面中央に幅
方向に設置された高周波加熱コイルで、このコイ
ル１４により、試験片１１は幅方向に狭い幅で直
線状に加熱される。図ｂは高周波加熱コイル１４
により、試験片１１の表面中央を直線状に急速加
熱した状態を示し、熱膨脹だけであれば試験片１
１は破線で示す位置まで下方に曲がるが、実際に
は試験片の板厚剛性のために曲りは実線で示す位
置で留り、試験片１１は加熱線を中心線として下
方に曲がつていることを示す。図ｃは試験片１１
の裏面側直線状冷却時の状態を示し、表面からの
加熱を止めて、その直後に裏面から試験片１１の
裏面の前記表面加熱線に対応する位置を水冷する
と、その際に試験片１１の表面加熱部分は板長手
方向に圧縮応力を受けるためと考えられるが、図
示のように、試験片１１は前記表面加熱線を中心
として上方に曲げられることになる。なお、本発
明において、曲げ角度αは図ｃに示したようにと
るものとする。

つぎに、本発明の熱応力利用ダイレス板成形方
法の一実施例を説明する。まず、厚さが２mm、幅
が５mm、長さが140mmのS10C圧磨鋼板からなる試
験片１１の両端部を耐熱ガラス丸棒上に載置す
る。つぎに、水冷式の高周波加熱コイル１４で試
験片１１の表面中央部を直線上に加熱する。この
場合、加熱速度（Hr）を40deg／secとし、加
熱・冷却処理上限保持温度（Th）すなわち試験
片１１の加熱部の表面が保持されるべき最高温度
を950℃とし、保持時間（H.T.）すなわち試験片
１１の加熱部の表面の温度を加熱・冷却処理上限
保持温度（Th）に保持すべき時間を5secとする。
すなわち、高周波加熱コイル１４で試験片１１を
40deg／secの加熱速度（Hr）で約23sec加熱する
ことより、試験片１１の加熱部の温度を950℃と
したのち、試験片１１の加熱部の温度を5sec間
950℃に保持する。つぎに、高周波加熱コイル１
４を停止するとともに、試験片１１の裏面の表面
加熱位置に対応する位置を25sec間水冷する。つ
ぎに、5sec間放置する。このような加熱・冷却処
理を所定回数繰返す。

さらに、本発明を実験例によつて詳細に説明す
る。

(1) 供試材供試材は、S10C圧延磨鋼板の厚さｔが２及
び３mmのものであり、その化学成分は第３図に
表図で示した。試験片は、これらの素材から切
り出し、幅５mm、長さ140mmに機械加工したも
のである。

(2) 実験方法第４図は本実験に用いた実験装置の概略図で
あり、図ａは正面図、図ｂは側面図である。

図において、１１は試験片で、その両端部は
耐熱レンガ台を有するリフター付支持台１２上
に載置された耐熱ガラス丸棒１３上に外部から
の拘束を受けず、自由に動きうるように線接触
状態で支持されている。

１４は試験片１１の表面中央にその長手方向
に直角に試験片１１に近接して（間隔約0.7mm）
で設けられたＵ字状の水冷式高周波加熱コイル
（管径６mm、中心間隔6.2mm）であり、高周波加
熱電源（出力5kw、周波数430kHz）１５に接
続されており、試験片１１は高周波加熱コイル
１４により、その幅方向に直線状（加熱幅約２
〜３mm）に加熱される。

１６は水冷用管で、同管からの噴出水１７に
より、試験片１１の裏面の前記表面直線状加熱
線に対応する位置を水冷する。

試験片１１の温度制御は、試験片１１の裏面
中央にスポツト溶接されたCA熱電対１８の熱
起電力を熱電対１８に接続された加熱・冷却波
形制御装置１９にフイードバツクすると同時に
この制御装置１９によつて水冷用管１６のバル
ブ２０の開閉も制御するようにして、０〜
90deg／sec間の任意の加熱速度のもとで所定
温度まで加熱し、所定時間保持した後、加熱を
停止して直ちに冷却する加熱・冷却処理を所定
回数繰り返した。なお、加熱・冷却処理回数の
影響を調べるもの以外の繰返し加熱・冷却処理
回数（Ｎ）はすべて20回で行なつた。

(3) 実験結果 (3.1) 加熱・冷却処理回数の影響第５図に曲げ角度（α）と繰返し加熱・冷
却処理回数（Ｎ）の関係を示す。同図は加
熱・冷却処理上限保持温度（Th）を950℃と
一定にして、比較的大きな曲げ角度が得られ
る加熱条件のうち、加熱速度（Hr）、上限保
持温度保持時間（H.T.）、板厚（ｔ）の各パ
ラメータが異なる場合の曲げ角度と加熱・冷
却処理回数の関係を示したものであり、同図
から、曲げ角度と加熱・冷却処理回数の間に
は比例関係が成立していることがわかる。す
なわち、何れの条件の場合にも加熱・冷却処
理回数の増加と共に曲げ角度も増加する。

(3.2) 加熱速度の影響加熱・冷却条件は曲げ角度に著しい影響を
及ぼすものと考えられる。第６図は保持時間
（H.T.）一定条件下での曲げ角度αと加熱速
度（Hr）の関係を加熱・冷却処理上限保持
温度（Th）をパラメータとして示したもの
である。同図から、加熱・冷却処理上限保持
温度（Th）が高いほどよく曲ることがわか
る。そして、加熱・冷却処理上限保持温度
（Th）750℃の場合に比べて、Thが950℃の
ときは明確な最大値が現われる。すなわち、
最適な成形条件が存在することがわかる。

(3.3) 保持時間の影響相変態の速度は加熱速度と大体比例関係に
あり、保持時間も変態の進行に影響するの
で、両者の間には密接な関係があるはずであ
ると考え、この点について調べた。

第７図は加熱・冷却処理上限保持温度
（Th）一定の条件下での曲げ角度（α）と保
持時間（H.T.）の関係を加熱速度（Hr）を
パラメータとして示したものである。保持時
間（H.T.）＝5secにおいて最大の曲げ角度が
得られる。これはHr＝40、80deg／secのい
ずれの加熱速度でも同様の傾向を示すが、加
熱速度の早い方が遅いときより大きな曲げ角
度が得られる。保持時間が長くなると曲げ角
度が小さくなるのは、試験片の加熱線幅の広
がり、及び試験片の平均温度の上昇に基づい
て変形への加熱の効果が低下するためである
と思われる。

(3.4) 板厚の影響試験片寸法の一つである板厚の変化が、こ
のダイレス曲げに及ぼす影響を第８図及び第
９図に示す。第８図は加熱・冷却処理上限保
持温度（Th）＝950℃、保持時間（H.T.）＝
5secの一定条件下での曲げ角度（α）と加熱
速度（Hr）の関係を板厚（ｔ）をパラメー
タとして示したものである。また、第９図は
加熱・冷却処理上限保持温度（Th）＝950℃、
加熱速度（Hr）＝40deg／secの一定条件下で
の曲げ角度（α）と保持時間（H.T.）の関
係を板厚（ｔ）をパラメータとして示したも
のである。両図から、板厚の小さい方がよく
曲ることがわかる。しかし、板厚が異なつて
もほぼ同様な挙動を示すことが明らかとなつ
た。

第１０図は板厚が３mmの場合、保持時間
（H.T.）＝5secの条件下での曲げ角度（α）
と加熱速度（Hr）の関係を加熱・冷却処理
上限保持温度（Th）をパラメータとして示
したものであり、第１１図は板厚が３mmの場
合、加熱・冷却処理上限保持温度（Th）＝
950℃の条件下での曲げ角度（α）と保持時
間（H.T.）の関係を加熱速度（Hr）をパラ
メータとして示したものである。両図から、
板厚が２mmの場合と同様な傾向が見られるこ
とがわかる。

(3.5) 加熱・冷却処理上限保持温度の影響第１２図は板厚２mmの場合、保持時間
（H.T）＝10secの一定条件下での曲げ角度
（α）と加熱・冷却処理上限保持温度（Th）
の関係を加熱速度（Hr）をパラメータとし
て示したものである。同図から明らかなよう
に、各曲線とも上限保持温度が高いほど、ま
た加熱速度が遅いほど曲げ角度は大きいが、
各曲線ともTh＝400℃では加熱・冷却を繰返
してもほとんど曲りは発生していない。しか
し、変態温度区間に対応する750℃、950℃の
場合、すなわち、加熱・冷却がA₁変態点、
A₃変態点を通るような加熱・冷却処理では、
変態点付近で曲線に変態超塑性現象の影響に
よると思われる屈曲が見られるが、この屈曲
はそれほど大きなものではなく、本発明のよ
うな加熱・冷却処理では曲け角度に対する変
態塑性性の影響はそれほど大きなものでない
ことを示している。

(3.6) 曲げ部の性状試験片と同じ軟鋼板をＶ型曲げ（α＝20°）
したもの、素材及び本発明のダイレス板曲げ
をしたものについて、それらの曲げ部の断面
組織（５％ナイタル液で腐食）を第１３図に
示した。図ｄは素材S10C鋼板、図ａ及びｂ
は、それぞれＮ＝20サイクル、Th＝950℃及
び750℃としたもの、図ｃは通常のＶ型曲げ
加工をしたものの組織を示す。図ｃはＶ型曲
げ（α＝20°）加工したものの組織であるが、
図ｄの加工前の組織とは比べてはつきりした
組織の変化は認められなかつた。図ａはダイ
レス板曲げ成形（Th＝950℃）の組織で、図
ｄの加工前のものと比べて結晶微細化の傾向
が著しい。この組織から、パーライト部の
A₁変態とそれに続くフエライト地へのオー
ステナイト化が認められる。なお、図ｂのダ
イレス板曲げ成形（Th＝750℃）の組織には
この微細化は見られなかつた。

第１４図は曲げ断面部の微小硬さ（マイク
ロビツカースHv＝200ｇ）の分布を示す図で
ある。同図から、ダイレス板曲げはＶ型曲げ
における加工硬化による硬さの上昇と同程度
もしくはそれ以上の組織の微細化による硬さ
の上昇を生じる。すなわち、曲げ部の強化が
期待できる。

以上においては相変態点を有する軟鋼板に
本発明を適用した場合について説明したが、
本発明は相変態点を有しないオーステナイ
ト・ステンレス鋼板に対しても同様な効果を
与えるものである。その一例を第１５図に示
す。同図は、板厚ｔ＝２mmのSUS304ステン
レス鋼試験片について、加熱速度（Hr）＝
40deg／sec、保持時間（H.T.）＝5secの条件
下で曲げ角度αと加熱・冷却処理上限保持温
度（Th）の関係を求めた結果である。同図
から、この場合も第１２図に示した軟鋼板の
場合とほぼ同様な結果を示すが、軟鋼に比べ
て熱伝導の悪いSUSの方がむしろよく曲る
ことを示している。

熱伝導のよい金属材料、例えば銅板につい
ても加熱・冷却処理等を適当に選べば曲げる
ことができる。

なお、加熱法としては、高周波誘導加熱以
外に赤外線加熱、レーザー加熱などでもよ
く、また、冷却法も水冷以外に空冷、油冷な
どでもよい。

以上説明したところから明らかなように、
金属板に表面及び裏面から局部的な加熱・冷
却処理を加えることにより、ダイレス板成形
が可能であり、この方法による曲げ角度に及
ぼす影響は、加熱・冷却処理回数については
線形則が成立し、所望の曲げ角度を得るため
には、加熱・冷却処理回数、加熱・冷却処理
上限温度、加熱速度、保持時間を被加工金属
板材料の種類、板厚により適宜に選択すれば
よい。

さらに、点状、直線状または曲線状の局部
的な加熱・冷却処理を板材の所定複数個所に
加えることにより、より複雑な曲面加工が本
発明のダイレス成形によつて可能であること
は明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の線状加熱板曲加工法の説明図、
第２図は本発明における試験片の変形挙動の概略
説明図、第３図は本発明の実験に用いたS10C圧
延磨鋼板の化学成分を示す表図、第４図は本発明
の実験に使用した高周波誘導加熱方式による実験
装置を示す概略図、第５図は加熱・冷却処理上限
保持温度（Th）を950℃と一定にし、加熱速度
（Hr）、保持時間（H.T.）、板厚（ｔ）が異なる
場合の曲げ角度（α）と加熱・冷却処理回数
（Ｎ）の関係を示す図、第６図は保持時間（H.
T.）を５秒と一定にし、加熱・冷却処理上限保
持温度（Th）を変えたときの曲げ角度（α）と
加熱速度（Hr）の関係を示す図、第７図は加
熱・冷却処理上限保持温度（Th）を950℃と一定
にし、加熱速度（Hr）を変えたときの曲げ角度
（α）と保持時間（H.T.）の関係を示す図、第８
図は加熱・冷却処理上限保持温度（Th）＝950℃、
保持時間＝5secと一定にしたときと曲げ角度
（α）と加熱速度（Hr）の関係を示す図、第９図
は加熱・冷却処理上限保持温度（Th）＝950℃、
加熱速度（Hr）＝40deg／secと一定にし、板厚
（ｔ）を変えたときの曲げ角度（α）と保持時間
（H.T.）の関係を示す図、第１０図は板厚（ｔ）
＝３mm、保持時間（H.T.）＝5secとし、加熱・冷
却処理上限保持温度（Th）を変えた場合の曲げ
角度（α）と加熱速度（Hr）の関係を示す図、
第１１図は板厚＝３mm、加熱・冷却処理上限保持
温度（Th）＝950℃とし、加熱速度（Hr）を変え
たときの曲げ角度（α）と保持時間（H.T.）の
関係を示す図、第１２図は板厚＝２mm、保持時間
（H.T.）＝10secとし、加熱速度（Hr）を変えたと
きの曲げ角度（α）と加熱・冷却処理上限保持温
度（Th）の関係を示す図、第１３図は本発明の
ダイレス曲げ加工をしたもの（図ａ及びｂ）、従
来のＶ型曲げ加工をしたもの（図ｃ）および素材
（図ｄ）の顕微鏡組織を示す図、第１４図はダイ
レス板曲げ加工材及びＶ型曲げ加工材の曲げ断面
部の微小硬さの分布を示す図、第１５図は
SUS304ステンレス鋼板における加熱速度（Hr）
＝40deg／sec、保持時間（H.T.）＝5secとしたと
きの曲げ角度（α）と加熱・冷却処理上限保持温
度（Th）の関係を示す図である。図において、１１……試験片、１２……リフター
付支持台、１３……耐熱ガラス棒、１４……高周
波加熱コイル、１５……高周波電源、１６……水
冷用管、１７……噴出水、１８……CA熱電対、
１９……加熱・冷却波形制御装置、２０……バル
ブ。

Claims

【特許請求の範囲】

１外部からの拘束を受けず、自由に動きうるよ
うに支持された金属板の表面に点状、直線状また
は曲線状の断続的な加熱を加えると同時に前記金
属板の裏面の前記表面加熱位置に対応する位置を
前記断続的な加熱の間の加熱停止直後の非加熱時
に冷却する加熱・冷却処理を所定回数繰返し加
え、前記金属板の表・裏両面間に局部的な温度勾
配を繰返し与えることにより、前記金属板を前記
表面加熱位置を中心として前記金属板の表面側に
所定角度だけ曲げることを特徴とする熱応力利用
ダイレス板成形方法。