JP2006116605A - 熱成形用加熱ダイ - Google Patents

Abstract

【課題】 熱成形工具を多数の電気抵抗カートリッジヒーターで加熱する、熱成形用加熱ダイを提供する。
【解決手段】 ヒーターは、成形面全体を所定の温度範囲内に維持するように、工具の本体内に配置される。数値に基づく温度分析及び最適化分析により、各加熱エレメントを同時に同じ時間に亘って賦勢したとき、工具作動温度の工具内に適当な温度分布が発生するように、ヒーターの配置を定める。
【選択図】 図１

Description

本発明は、熱成形又は型成形を行うための加熱金属ダイ即ち工具に関する。更に詳細には、本発明は、各加熱エレメントを同じ加熱時間に亘って賦勢したとき、工具作動温度の工具内に適当な温度分布を発生するように電気抵抗カートリッジヒーターが工具内に配置されたダイに関する。

成形工具の設計及び作動は、大型の部品を高温で賦形する場合に特に困難である。例えば、超塑性のアルミニウムやチタニウムのシート状合金は、アルミニウムについては５００℃程度、及びチタニウムについては１１００℃程度の温度で一部品パネル又は他の複雑な形状の物品に成形されてきた。熱延伸成形では、超塑性シート材料の加熱したブランクの縁部を把持し、加熱工具の成形面上に置く。シートの一方の側部を成形面に従って延伸する。これは、通常は、相補的工具を使用してシートの後側にガス圧を加えることによって行われる。

相補的工具をオーブンのように加熱し、これらの工具を開放位置と閉鎖位置との間で移動するため、加熱したプラテンを持つプレスが使用されてきた。プレスが開放位置にあるとき、熱を用いて完成した部品を注意深く取り出し、新たな高温のシート金属ブランクを挿入する。プレスが閉鎖したとき、ガスで加圧し延伸成形するため、工具の結合面がブランクの縁部を把持する。ブランクを予熱したとき、工具をプレスのプラテンで加熱する。

現在、超塑性ＡＡ５０８３シート材料を成形する上で、加熱がなされない従来の液圧作動式成形プレスで内部加熱式成形工具が使用されてきた。内部加熱式成形工具には、断熱がなされた外側面が設けられている。これらの外側面には、加熱されていないプレスベッドに取り付けられたその底面（即ち成形面と反対側の表面）が含まれる。質量のある鋳鋼製工具の本体に穿孔した穴に埋め込んだ電気抵抗加熱カートリッジで加熱が行われてきた。電気ヒーターエレメントは、工具の特に成形領域の温度を制御するため、成形面の近くに随意に配置される。成形工具の成形面の温度及びガスチャンバ画成工具の成形面近くの温度を良好に制御するため、電力が別々に加えられ且つ制御が別々に行われる複数の加熱ゾーンでヒーターエレメントが使用されてきた。温度制御ゾーンの各々に別々の熱電対が必要とされ、工具の作動において、多くの場合、異なる時期に異なるゾーンが賦勢される。

このように電力が別々に加えられ且つ制御が別々に行われる多くの加熱ゾーンで多くの電気カートリッジヒーターを使用することは、工具成形面の温度を合理的に厳密に制御する上で非常に効果的であった。プラテンの加熱についてこのような改善された温度制御により、自動車の内外の屋根パネル、テールゲートパネル、及び複雑な曲線や深い凹所を持つ同様のパネルを熱延伸成形するのに必要な時間を短くできる。連続した部品についての成形サイクル時間は大幅に短くなり、処理能力が向上し、大型で高価な工具及び機器が良好に使用される。断熱が施された内部加熱式工具は、加熱がなされない従来の液圧プラテンの外側で予熱でき、これらの工具は、プレスを周期的に開閉する長期に亘る成形作業中、成形温度を良好に維持する。

しかしながら、電力が別々に加えられ且つ制御が別々に行われる加熱カートリッジを使用することは、煩わしく且つ費用がかかるということがわかった。幾つかのヒーターを含む各ゾーンについて別々の温度センサ（熱電対）及び別々の電子式制御装置が必要とされる。本発明は、単一の電源で賦勢され、単一の温度計測装置を使用して単一のゾーンとして制御される電気抵抗ヒーターエレメントで適当に加熱できる加熱成形工具を提供する。更に、このような内部加熱式成形工具の製造方法を提供する。このような加熱工具を使用して材料部品を成形する方法を提供する。これらの利点は、全体として、高温での材料の成形に適用できる。しかし、これらの方法は、特に、高度に成形し易いアルミニウムシート金属合金を使用した自動車のボディパネル等のシート金属部品の熱延伸成形に適用できる。

本発明は、高温で成形可能な材料を賦形するための熱成形面を持つ内部加熱式成形工具（即ちダイ）を提供する。工具は、鋳鋼等の強く且つ熱伝導性材料で形成されており、電気抵抗カートリッジヒーターで加熱される。ヒーターは工具内に配置され、工具の本体の加熱に使用される。成形面の様々な領域に亘って加えられる温度は、材料を賦形して有用な物品にするため、適当には均等である。本発明によれば、ヒーターエレメントは、単一の電源から賦勢でき且つ単一の制御装置によって制御できるように工具の本体に配置される。換言すると、工具の本体の加熱エレメントの位置は、工具上の又は工具内の位置で温度を検出し、計測された温度に応じて全てのヒーターカートリッジを同時に賦勢し又は消勢することによって、所望の表面温度を維持する目的で予め定められている。

本発明の実施例を、自動車用アルミニウムボディパネルを熱延伸成形するための大型の鋼製ダイの設計及び製造と関連して説明する。このようなパネルは、高度に成形性の（超塑性）ＡＡ５０８３６シート金属ブランクを使用して製造されてきた。部品の必要な形状が与えられた場合、一対の相補的ダイを商業的なコンピュータソフトウェアを使用して立体的に設計できる。成形ダイ表面の逐次近似設計法の金属賦形挙動は、入手可能な金属型打ちソフトウェアで評価できる。ダイの成形面についての温度範囲を特定する上でシート材料の成形特性の知識を使用する。次いで、本発明によれば、熱伝達分析及び最適化分析を使用し、部品の取り出し及びブランクの挿入を行うためにプレスを繰り返し開放したり閉鎖したりする最中に成形面の全領域を特定の温度範囲内に維持するため、ダイ本体のその成形面近くの加熱エレメントの位置を定める。

分析の好ましい目的は、単一の電源からカートリッジの作動を制御するため、本体内又は表面の選択された位置の温度を検出することによって所望の成形面温度を維持できるように複数のヒーターカートリッジをダイの本体内に位置決めすることである。最も簡単であり且つ好ましい実施例では、単一の電子式制御装置を使用してダイの全てのヒーターの賦勢及び消勢を同時に行う。電気的に加熱及び制御を行う設計により、成形プロセスの作動及びヒーターエレメントの保守及び交換を経済的にし且つ簡単にする。ダイの材料及び寸法は、設計で決まる。熱伝導性、ダイの成形面及びその露呈された側部及びプレス（ベッド又はラム）取り付け面の仮定した温度、及びダイの寸法を含む材料の物理的性質は、ヒーターを位置決めするための分析で使用されるパラメータに含まれる。

カートリッジヒーターについての最適の設定点を決定するため、先ず最初にダイの熱伝導性をアバクス（アバクス（ＡＢＡＱＵＳ）は登録商標である）又はアンシス（アンシス（ＡＮＳＹＳ）は登録商標である）等の幾つかの数値プログラムによって、プログラム可能な適当なコンピュータで分析しなければならない。この目的について有限要素法が適している。この周知の数値分析工具では、工具のドメイン（ｄｏｍａｉｎ）を多くの小さなメッシュ要素に分解し、各要素について熱伝達式を系統的に且つ累進的に解く。ダイ表面について適当な境界条件を特定した後、この分析によりダイの作用面の温度とカートリッジヒーターの制御温度との間に予測可能な関係を確立する。

設計プログラムの目的は、ダイ表面をできるだけ均等にする制御温度を選択することである。この目的のため、目標関数を使用する。目標関数（ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）は、ダイ表面の全ての節（ｎｏｄｅ）での予想温度とターゲット温度との間の差の平方の和と表現される。最適設計（ｏｐｔｉｃａｌ ｄｅｓｉｇｎ）は、存在する何らかの実際上の制限が加わる目標関数を最小にする制御温度組である。最適設計は、勾配調査方法等の最適化アルゴリズムを使用する方法、又は目標関数と設計上の変数との間の関係が線型である場合に、目標関数の偏導関数での定置の点を発生する設計上の変数の組について直接解く方法の二つの方法のうちの一方の方法で見つけることができる。

これにより、賦勢及び制御を簡単に行うことができる電気抵抗ヒーターを持つ、質量のある内部加熱式成形ダイを形成できる。工具の成形面の温度は、ダイの単一の位置又は比較的少数の位置で計測された温度変化に応じて、有効な狭い作用範囲内で効果的に制御できる。繰り返し部品成形サイクル中に成形面の温度を簡単に且つ効果的に制御することにより、工具の生産性を向上し、これによって製造される部品の価格を低減する。

本発明のこの他の利点は、好ましい実施例の以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

ラシッド等に付与された、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第６，２５３，５８８号は、アルミニウム合金のシート材料の急速塑性成形法（Ｑｕｉｃｋ Ｐｌａｓｔｉｃ Ｆｏｒｍｉｎｇ）が記載されている。急速塑性成形法（ＱＰＦ）では、超塑性アルミニウム合金のブランクを二次成形温度まで加熱し、成形工具に当てて空気圧で延伸し、アルミニウム製ボディパネルを製造する。ＱＰＦは熱延伸成形プロセスであり、超塑性成形等の熱吹込二次成形プロセスである。ＱＰＦは、低温で及び高い伸長速度で行われ、この場合、粒界滑り及び溶質抗力クリープの両変形機構が材料の変形に寄与し、全伸びは真の超塑性挙動について得られるよりも幾分小さい。本発明は、改良された内部加熱式成形ダイ又はＱＰＦ及び他の材料熱成形プロセス又は型成形プロセス用の工具を提供する。

自動車のボディパネル用の内部加熱式成形ダイの製造には、パネルの大きさ（代表的には全体に矩形であり、一方の側部が１ｍ程度）、結果的に得られた大きさ、質量、ダイの熱伝導率、及び成形面の複雑な形状等の克服すべき課題があった。例えば、各成形ダイは、代表的には４．５３６ｔ（１００００ポンド）以上の重量があり、ダイの適合組について、一般的には１１．３４０ｔ乃至１３．６０８ｔ（２５０００ポンド乃至３００００ポンド）の重量がある。工具は、通常は鋳鉄で形成されている。これは、数千の部品を製造する上での頑丈さを備えているためである。鋼は熱伝導性であるが、その熱伝導率は例えばアルミニウムよりも遙かに低く、そのため、大質量の加熱ダイの熱勾配は急である。成形面は、どの方向から見ても、これらの面が形成するパネルと同様の曲線及び輪郭を有する。本発明は、このようなダイにヒーターカートリッジを配置する方法を提供する。

図１は、垂直方向で向き合った二つの内部加熱式ダイを含む、プレスアタッチメントプレート及びダイセット組み合わせ１０の側断面図である。下ダイ１２は、予熱したブランク１６を賦形して自動車のボディパネル等の部品にするための成形面１４を提供する成形工具である。下ダイ１２は平面で見て矩形であり、液圧プレス（図示せず）のベッドに取り付けられた鋼製取り付けプレート２０に（ボルト１８によって）取り付けられており且つこのプレートによって支持されている。上ダイ２２は、プレスの垂直閉鎖軸線に沿って下ダイ１２と整合しており、作用ガスチャンバ画成面２４を提供する。上ダイ２２は、プレスのラム（図示せず）に取り付けられた鋼製上取り付けプレート２８に（ボルト２６によって）取り付けられている。

熱成形プロセスでは、成形サイクルのプレス開放部分中、離間されたダイ１２と２２との間に予熱したアルミニウム合金ブランク１６が配置される。プレスは、ダイ１２、２２のバインダー部分３０を閉鎖し、熱延伸成形を行うためにブランク材料１６の縁部３２を把持する。ダイ１２及び２２は、本明細書中で説明するように内部加熱式であり、シート材料の適当な成形温度に維持される。工具の閉鎖時にチャンバ画成面２４とブランク１６の上側との間に形成されたガスチャンバに加圧作用ガスを上ダイ２２のダクト（図示せず）を通して入れる。ガス圧力を適当な所定のスケジュールで増大し、クランプした高温のブランク１６をダイ１２の成形面１４に当てて延伸する。材料を表面１４に当てて注意深く成形した後、熱成形したボディパネル又は他の部品を注意深く取り出すため、プレスを開放してダイ１２及び２２を離間する。

車輛の屋根パネル等の比較的大きな部品を形成するため、ダイ１２及び２２は鋳鋼製ブロックから適当に形成される。これらのブロックは、多くの場合、高さが６０．９６ｃｍ（２フィート）で側部が１８２．８８ｃｍ（６フィート）である。成形面１４及びチャンバ面２４は、ダイ１２及び２２を形成する鋼製ブロックの夫々に機械加工を施すことによって形成される。質量のあるダイ１２及び２２の各々は、これらのダイの側部に穴を穿ち、電気抵抗カートリッジヒーター３４をブロック１２及び２２の両側からボアに挿入することによって加熱される。各カートリッジヒーターは、ダイの幅の半分に亘って延びていてもよく、出力レベルが異なるセグメントをその長さに沿って有する。

従来、ヒーターエレメントは、エンジニアリング上の判断及び経験によって、ダイ１２の成形面１４及びダイ２２のチャンバ画成面２４の近くに配置されてきた。ダイ１２の４０個のヒーター（一つの穴に二つづつ）３４及びダイ２２の４０個のヒーター３４の位置が図１の断面図に示してある。ダイの各ヒーターは、電気ボックス３６（上ダイ２２についてだけ示してある）及び加熱カートリッジ３４への電流の送出を制御する外集電器（図示せず）を介して電源に接続されている。従来、ヒーターカートリッジは、各ダイ１２及び２２の各々で４個乃至８個又はそれ以上の幾つかの異なるヒーターゾーンで纏められていた。各ゾーンは、温度センサ（図１には示さず）、及びヒーターのデューティーサイクルを管理し、各加熱ゾーンの温度を調節する外部制御装置を必要とする。

本発明によれば、各ダイ用の単一の温度制御装置が、ダイに配置された単一の熱電対から温度データを受け取る。制御装置は、ダイのヒーターを作動し、熱電対を所定の温度範囲内に維持する。熱電対の位置及びその特定の温度範囲は、シート材料１６を成形面１４に当てて迅速にしかし安全に成形するのに適当な温度範囲内に成形ダイ１２の成形面１４全体を維持するための基礎として予め決定されている。上ダイ２２の作用ガス圧力チャンバ画成面２４は、適当に配置された温度センサからの温度の読みに基づいて単一の制御装置によって制御される特定の群のヒーターによって加熱される。例えば、ダイ１２の成形面１４及びダイ２２のチャンバ画成面２４は、微粒ＡＡ５０８３シート材料の１．６ｍｍ厚のブランクを熱延伸成形するため、４５０℃乃至約４６５℃の範囲内に制御されていてもよい。

成形工具が非常に高温であるため、工具をプレス及び周囲から断熱するのが好ましい。相補的ダイ１２、２２の各側には、パッケージングされた断熱層３８が取り付けられている。断熱体の性質及び厚さは、プレス成形作業の長期に亘る繰り返し作業中にその外側面の温度を約６０℃（約１４０0F）以下に維持するように選択される。この温度は、ブランクをプレスに装填し、完成した部品を取り出すために他の作動機器を使用できるように、及び製造作業で必要な場合に作業員が一つ高温のダイを他のダイと迅速に交換できるように特定される。

自己加熱式工具１２、２２は従来の液圧プレスで作動される。そのため、これらの工具は、これらの工具をプレスのベッド又はラム（図示せず）に取り付ける取り付けプレート２０、２８から夫々断熱される。工具１２、２２は、好ましくは、取り付けプレート２０、２８から間隔が隔てられており、多数の荷重支持「スプール」形状高温高強度耐酸化金属（例えばＩＮＣＯＮＥＬ）製のコラム４０で支持されている。これらのコラム４０は熱伝導率が比較的低く、コラムの総面積及び強度は、部品を高温で成形する場合に工具１２、２２に加わる数トンにも及ぶ重量を支持するのに十分に大きい。熱流を更に減少するため、低密度セラミックブランケット断熱体４２がコラム４０の周囲及びダイ１２、２２と取り付けプレート２０、２８との間に配置されている。好ましくは、荷重支持スプールコラム４０及び抵密度断熱体４２のこの組み合わせを、図示のように、工具の上下の半部の両方で使用する。

熱ダイ成形では、ダイ１２等の工具は２つの基本的機能を果たす。即ち、工具は、形状を与え、そして熱を加える。多くの場合、第２の機能は制御が更に困難である。これは、工具の熱特性がプロセスの多くの点に影響を及ぼすためである。例えば、工具表面、即ち成形ダイ表面１４は、プレスを開放してダイを離した後に高温のままでなければならないが、成形のためにブランクが工具に置かれたときにブランクを過熱する程高温であってはならない。工具温度は、成形サイクルを短くできるように非常に均等でなければならず、成形したパネルは、取り出し時に温度が比較的均等である必要があり、そうでなければ工具の外で冷却する際に歪んでしまう。

成形工具は、通常は一つ以上の部品の製造に使用されるため、各パネルの製造を行うための工具の開閉によって生じる熱の乱れが次のパネルの成形等に悪影響を及ぼす。工具の温度は、成形されるパネルが増えるにつれて、プロセスが均等な周期的状態に達っするまで徐々に低下し、工具の温度は周期的に変化する。本発明の好ましい実施例では、抵抗ヒーターの配置は、主に、このような定常状態成形作業について決定される。ヒーターの位置をこの定常温度状態を維持するように決定し特定することは、大量生産についての好ましい条件である。

アバクス（アバクス（ＡＢＡＱＵＳ）は登録商標である）又はアンシス（アンシス（ＡＮＳＹＳ）は登録商標である）等の有限要素熱伝達方法を使用し、定常状態での周期的ダイ温度を計算する。この方法の全体としての有効性には、サイクル時間がプロセスの始動時の過渡的状態と比較して短いことを必要とする。これが真の場合、ダイの周期的温度はキャビティ表面の下方僅かの距離のところにだけ及ぶ。質量のある工具におけるダイ温度は、キャビティ表面から特定の距離だけ下のところが時間とは無関係であると仮定することにより理想化される。

機械的機能に基づいて設計してある工具で熱分析を開始する。部品は、商業的なコンピュータ支援設計実務を使用して設計されている。次いで、その成形挙動を、入手可能な応力−歪ソフトウェアでシミュレートする。アルミニウムシートを引き裂いたり割ったりすることなく成形できるということをソフトウェアが表示するまで、様々な設計上の逐次近似を試行する。通常は、次いで、工具製作者はこの表面についての算術データを拡大し、立体的中実工具を製造する。ＣＡＥファイルの形態の完成した工具設計は、熱電対穴、通気穴、導線チャンネル、取り付け用ねじ穴、及び様々な許容差のノッチ等の多くの詳細を含む。これらの詳細の多くは、工具の熱モデルに含まれていなくてもよい。

図２は、側方及び下方の断熱パッケージを外した屋根内パネル成形ダイ即ち工具の斜視図である。
図２を参照すると、鋼製成形ダイ１１２は、熱延伸成形でＡＡ５０８３ブランクを屋根内パネルにするように賦形された機械加工を施した成形面１１４を有する。成形面１１４の反対側の面は、図１のプレスプレート２０と同様のプレス取り付けプレートに取り付けるための底面１１８である。この底面１１８は、図１のコラム４０と同様のインコネルコラム及び図１の断熱層４２と同様の低密度断熱体によってプレスプレートから離間されている。支持コラムは、位置１２０のところで底面１１８を当接する。図２では、成形ダイ１１２の側面１２２及び１２４が見える。ダイ１１２を加熱してプレスに配置する準備をするとき、側面１２２、１２４を、図１のパッケージ３８と同様の断熱パッケージ内に入れる。ダイ１１２は、更に、電気抵抗ヒーターカートリッジを挿入するためのボア穴１２６を有する。図２におけるヒーター穴１２６の位置は例示であり、特定のヒーター位置は、図３及び図４に示すダイ１１２の側面図と関連して例示するように決定される。

理想化したＣＡＥ形状ファイルを有限要素熱分析ソフトウェアに入れ、分析されるべき工具の部分に亘って有限要素メッシュを形成する。このような有限要素メッシュ１２８の小さな部分を図２に概略に示す。工具が中央対称平面を持つ場合には、熱分析を工具形状の半分だけに適用してもよい。この工具についての公称メッシュサイズは約１５ｍｍであるが、この大きさは、含まれる形状の詳細の縮尺に従って変化させてもよい。メッシュが細かければ細かい程、高精度の結果的が得られるが、長い分析時間の費用がかかる。熱分析は、周知の電力消費加熱エレメントの初期配置、及びダイ内における位置での温度特性に関して開始される。この初期配置は、エンジニアリング上の判断に基づく。数値分析を簡単にするため、ヒーターカートリッジは、賦勢されたときに一定の温度であるとして取り扱ってもよい。最初に工具内の熱源を特定することに加え、工具の辺縁部での熱伝導率、境界条件を特定する。

境界条件は、工具１１２の有限要素モデルの表面に断熱の種類に応じて適用される。この例では、以下の四つの異なる表面領域について境界条件が異なる。即ち、第１にインコネル円筒体と接触した工具１１２の底部分１２０、第２にブランケット断熱体と接触した底部分１１８、第３に工具の前部１２４及び側部１２２、及び第４に成形面１１４について境界条件が異なる。これらの境界及び対応する境界条件は予め定められ、電気ヒーターの所与の配置により生じる表面温度の計算に使用される。以下の表１は、表面１、２、及び３についての最初の三つの境界条件についての例示の値を与えるものである。

成形面及びダイの残りの部分の両方を含むダイ１１２の成形面１１４は、工具の開放時の周囲空気及び工具を閉鎖したときの高温空気の周期的温度変化に晒される工具領域である。工具の全ての他の表面は、それを覆う断熱体の種類に応じて熱を常に損失する。適当な熱分析モデルでは、工具の閉鎖時に工具表面からの熱損失がないものと仮定する。これは、工具を閉鎖したとき、キャビティに捕捉された少量の冷却空気が、その熱容量が低いために工具表面の温度まで急速に加熱されるため、適切な仮定である。工具キャビティに配置されたアルミニウムシートは工具とほぼ同じ温度まで予熱してあり、そのため、熱を工具表面に加えることも奪うこともない。従って、離型面での熱束は、工具が開放しているときにだけゼロでない。ソフトウェアは、全サイクル時間及び開放時間から離型面についての有効一定境界条件を計算する。

考えられるべき最終的境界条件は、工具表面を通した熱損失を補償する内部ヒーターの説明である。この熱分析及び最適化分析の目的は、抵抗ヒーターを工具の制御可能な単一のゾーンに組み込んだ一体化工具加熱システムを設計することである。分析は、例えば外径が１９．１ｍｍで長さが７６２ｍｍ（外径が０．７５インチで長さが３０インチ）の工具（又は工具が中心線を中心として対称である場合には工具の半分）を加熱するための定格が１３５０Ｗの加熱エレメントの数を概算することによって開始される。制御システムは、例えば、４８０Ｖで２００Ａの電源を使用してもよい。

加熱システムを設計する上での基本的目的は、加熱力を工具の大きな距離に亘って均等に分配することである。うまく均衡をとることにより、大きな工具容積に亘って比較的に均等な温度が得られる。これは、各工具又は半工具内の単一の熱電対により制御される。

実際の立体的工具を考える場合、図が幾分複雑になる。工具の作用面での局所的温度の制御を最大にするため、工具の大部分の加熱エレメントを、好ましくは、それらの中心線が鋼製工具の内部キャビティ壁から公称７５ｍｍ（３インチ）オフセットさせて配置する（ヒーターの外径と工具表面との間の鋼の厚さは６７ｍｍ（２．６２５インチ）である）。複雑な立体的表面と一連の真っ直ぐなガンドリル穴との間で公称７５ｍｍ（３インチ）オフセットしなければならないため、ヒーターの位置決め中に何らかの妥協を図らなければならない。一般的には公称距離は非常に局所的な領域を除き、最小に維持される。

多くのヒーターは工具の成形面の近くで端部を上に向けて配置されるが、幾つかの追加のヒーターは、工具の比較的深い領域で更に離す必要がある。これらのヒーターは、垂直方向での工具の熱損失を均衡するように機能する。工具全体に亘って温度を均等にすることにより、工具の寸法を更に均等にし、工具の加熱中及び定常状態の作業中の変形を少なくする。

モデルでは、同じヒーターの二つの異なるセグメントに沿って二つの異なる電力強さを特定できる。
図３は、ダイに亘って両側間を延びる２２個のヒーター穴１３０の初期位置及び中間位置を示す、図２のダイ１１２の側面図である。熱電対のところで所望の温度設定を得るためにヒーターへの電力を賦勢したり消勢したりするときを示すため、工具の内側で制御熱電対１３２を使用する。各工具又は工具半部は、更に、主熱電対が故障した場合に使用されるスペア熱電対１３４を含む。ヒーター１３０、制御熱電対１３２、及びスペア熱電対１３４を、これらのエレメントを一ゾーン加熱ダイ設計で更に良好に配置するための熱分析及び最適化を行う前の仮の位置で図３に示す。

ヒーター及び熱電対の初期位置即ち仮の位置が与えられた後、有限要素ソフトウェアを使用し、所与の熱電対設定点についてヒーターの電力を計算する。
有限要素法熱分析を続行し、成形工具１１２の表面１１４に亘って得られる温度を計算する。ガスチャンバ工具（図１のダイ２２等）でのヒーター及び熱電対の仮の位置について同様の分析を行う。結果的に得られた温度マップは、ヒーターの初期配置及びそれらのシミュレーションとしての作動から得られた温度範囲を示す。局所的表面温度が不適切である場合には、特定のヒーターの数及び位置を変更し、計算を繰り返す。これは、多かれ少なかれ定常的作動温度レベルの工具内に受容可能な温度分布を発生するヒーターの数及び位置が得られるまで繰り返される。単一の熱電対（又は可能な数個の温度センサ）でヒーターを制御することによって、及び全てのヒーターに同じ賦勢時間に亘って電力を加えることによって工具が加熱されるように全てのヒーターを配置するのが好ましい。

設計プロセスの目的は、ダイの表面温度をできるだけ均等にするヒーター位置を選択することである。各ヒーター形体について、目標関数（ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を使用する。目標関数は、ダイ表面の全ての節（ｎｏｄｅ）での予想温度とターゲット温度との間の差の平方の和と表現される。最適設計は、存在する何らかの実際上の制限が加わる目標関数を最小にする制御温度組である。最適設計は、勾配調査方法等の最適化アルゴリズムを使用する方法、又は目標関数と設計上の変数との間の関係が線型である場合に、目標関数の偏導関数での定置の点を発生する設計上の変数の組について直接解く方法の二つの方法のうちの一方の方法で見つけることができる。

ヒーター及び熱電対の位置及び制御温度の有限要素熱分析及び最適設計が完了した時、図４に示すような設計が使用について受け入れられる。ヒーター１３６の数を１３まで減らし、これらのヒーター、熱電対１３８、及びスペア熱電対１４０の各々についての位置を特定する。ヒーターの一つのゾーンだけを考える。ヒーターは、数値熱分析で考慮された定格が異なる一つ以上のヒーターエレメントをその長さに沿って備えていてもよい。

定常状態の作動中に成形面１１４に加わる温度範囲は、約４５０℃を中心とする。熱分析では、図４に示す熱電対の構成により、成形面の温度範囲は４４３℃乃至４５９℃となる。これは、ターゲット温度のレベルを考えると、受容可能な温度範囲であると考えられる。作動している熱電対についての（その位置での）ターゲット温度は４５４℃であり、スペア熱電対についてのターゲット温度は４５３℃である。

熱分析によれば、１３個の単ゾーン多セグメントヒーターカートリッジの出力定格は２０３８０Ｗである。これらは、３２．６％のデューティーサイクルについて、１８０秒のサイクル中に５８．７秒の持続時間に亘って一緒に消勢される。これと比較して、図３の２２個のヒーターの最初のヒーター／熱電対構成は、１８０秒のサイクル中に３２．９秒の加熱期間中に３６３９０Ｗを必要とする（デューティーサイクルは１８．３％である）。

このような熱分析を使用し、１ゾーンヒーター制御についてヒーターカートリッジ及び制御熱電対を熱成形ダイに配置する。ヒーターを注意深く配置することによって、成形工具を作動するための簡単なヒーター制御システムが得られ、多くの場合、電力消費が小さい。

本発明の実施を特定の実施例に関して例示した。しかし、本発明は、例示の実施例に限定されない。

アルミニウム合金シートを熱延伸成形し、自動車のボディパネルにするための内部加熱式の断熱された上下の鋼製ダイの側断面図である。 自動車用内テールゲートパネル用の成形ダイの斜視図である。 ダイを横切って延びるボア穴内に配置された電気抵抗ヒーターカートリッジの位置についての第１レイアウトを示す、図２に示すダイの第１側面図である。 数を減らした電気抵抗ヒーターカートリッジの位置についての最適のレイアウトを示す、図２に示す成形ダイの第２側面図である。

符号の説明

１０ プレスアタッチメントプレート及びダイセット組み合わせ
１２ 下ダイ
１４ 成形面
１６ ブランク
１８ ボルト
２０ 取り付けプレート
２２ 上ダイ
２４ ガスチャンバ画成面
２６ ボルト
２８ 取り付けプレート
３０ バインダー部分
３２ 縁部
３４ 電気抵抗カートリッジヒーター
３６ 電気ボックス

Claims (9)

1. シート材料を繰り返し成形するための加熱工具において、
   選択されたシート材料用の成形面を持つ熱伝導性本体部分を含み、
   前記本体部分は、複数の挿入された電熱カートリッジを含み、
   前記カートリッジは、前記本体部分を加熱し、前記本体部分を介しての熱伝導により前記成形面を前記選択されたシート材料のための成形温度又は成形温度範囲まで加熱するように配置され、
   前記配置されたカートリッジは、過熱したカートリッジの各々が同一の加熱時間にわたって電力を与えられたときに前記成形面をシート材料成形温度に維持する温度分布が金属製本体部分内に形成されるように、電源に接続可能とされた、加熱工具。
2. 請求項１に記載の加熱工具において、前記工具は、一つ又はそれ以上の側面及びプレスに取り付けるための底面を持つ金属製本体部分を含む、加熱工具。
3. 請求項１に記載の加熱工具において、前記成形面を前記シート材料成形温度に維持するために前記電熱カートリッジが前記電源により電力を付与されるために前記本体内部に設けられた単一の温度センサを備えた、加熱工具。
4. 請求項１に記載の加熱工具において、前記工具は、一つ又はそれ以上の側面及びプレスに取り付けるための底面を持つ金属製本体部分を含み、前記側面の各々は、断熱体を支持し、前記底面は前記プレスから断熱されている、加熱工具。
5. 超塑性アルミニウム合金シート金属を熱延伸成形するための加熱工具において、
   成形面を有する金属製本体部分を備え、
   前記成形面に対して、一連の予熱したアルミニウム合金シートブランクの各々の一方の側が、各ブランクを連続的に成形して成形部品にするストレッチ成形サイクルの間、前記シートの他方の側に加えられた成形流体圧力によって、延伸されてプレスされ、
   一つ又はそれ以上の断熱された本体側面を備え、
   断熱体を間に置いてプレスに取り付けるための本体底面を備え、
   前記本体内の位置に挿入された複数の電気ヒーターカートリッジを備え、
   前記カートリッジの位置は、前記工具の本体及び成形面を、前記成形面に亘る所定の温度範囲内のシート金属製成形温度まで加熱するために予め決定され、
   前記カートリッジは、これらのカートリッジの各々に対して同一の加熱時間にわたって電力を付与したとき、成形面全域をシート金属成形温度に維持する所定の温度分布が前記本体部分内に発生するように、電源に接続可能とされた、加熱工具。
6. 請求項５に記載の加熱工具において、前記成形面を前記シート材料成形温度に維持するため、前記電熱カートリッジに前記電源から電力を付与する時期を決定するため、単一の温度センサが前記本体部分に設けられている、加熱工具。
7. シート材料を成形するための内部加熱式成形工具を形成する方法において、
   前記シート材料用の成形面、側面、及び成形プレスに取り付けるための、前記成形面とは反対側の取り付け面を持つ金属製工具本体を設計する工程と、
   前記工具の前記成形面を加熱するために前記成形工具の前記金属製工具本体に配置されるべき加熱カートリッジの電力定格を特定する工程と、
   前記成形面についての作動温度、及び前記工具の前記側面及び取り付け面についての熱伝導率を特定する工程と、
   特定の電力定格の前記加熱カートリッジの公理位置について前記工具の前記成形面上の位置の結果的に得られた温度の解析を行う工程と、
   前記加熱エレメントの位置を最適化し、前記成形面の所定の平均温度及び前記成形面上の位置の所定の温度範囲を求める工程と
   を含む、方法。
8. 請求項７に記載のシート材料を成形するための内部加熱式成形工具製造方法において、前記成形面を前記シート材料成形温度に維持するため、前記電熱カートリッジを前記電源によって電力を付与されるべき時期を決定するため、前記本体内の単一の温度センサについての前記工具本体内の位置を定める工程を更に含む、方法。
9. 一連のシート材料物品をこれらの物品用の内部加熱式成形工具の成形面上で連続的に成形する方法において、
   前記シート金属物品用の成形面、少なくとも一つの側面、及び成形プレスに取り付けるための、前記成形面とは反対側の取り付け面を持つ金属製工具を設計する工程と、
   前記工具の前記成形面を加熱するために前記成形工具の本体に配置されるべき加熱カートリッジの電力定格を特定する工程と、
   前記工具の成形面、側面、及び取り付け面についての作動温度を特定する工程と、
   特定の電力定格の前記加熱カートリッジの公理位置について前記工具の前記成形面上の位置の結果的に得られた温度の解析を行う工程と、
   前記加熱エレメントの位置を最適化し、前記成形面の所定の平均温度及び前記成形面上の位置の所定の温度範囲を求める工程と、
   前記物品を成形するための前記工具の前記成形面の所定の平均温度及び温度範囲を維持するため、前記ヒーターカートリッジ用の単一の電源及び電力送出制御装置を使用するために温度を計測するための前記工具本体内の位置を定める工程と、
   前記シート金属物品の成形中、前記電源により前記成形面の温度を制御する工程と
   を含む、方法。

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