JP2008006463A - 材料の成形装置及び材料の成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】材料の成形装置及び材料の成形方法において、成形された材料の成形精度をより向上させることである。
【解決手段】ワーク材１２が配置される金型１４と、ワーク材１２を金型１４と挟んで密着させる蓋１６と、蓋１６に設けられた開口３０から導入され、ワーク材１２を所定の温度で加圧して成形するための流体を供給する流体供給器１８とを備える材料の成形装置１０であって、金型１４は、成形されたワーク材１２へ流体を吹付けるための吹付け口３４を有し、蓋１６に設けられた開口３０と金型１４の吹付け口３４とは、流体搬送配管３６で結ばれ、流体搬送配管３６は、流体を開閉するための弁３８と、流体を熱交換して冷却する熱交換器４０とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、材料の成形装置及び材料の成形方法に係り、特に、ワーク材が配置される金型と、ワーク材を金型と挟んで密着させる蓋と、蓋に設けられた開口から導入され、ワーク材を加圧して成形するための流体を供給する流体供給器とを備える材料の成形装置及び材料の成形方法に関する。

材料、例えば、金属材料の成形方法には、アルミニウム合金やチタニウム合金等の超塑性を利用した超塑性成形法等がある。そして、金属材料の超塑性成形法には、例えば、加熱された金属のワーク材を加圧して成形するブロー成形法等が用いられる。

ブロー成形法は、まず、金型にワーク材を配置し、ワーク材を金型と挟んで蓋で密着させて準備した後、蓋に設けられた加圧ノズル等から導入される空気等で、所定の温度に加熱されたワーク材を加圧することにより変形させて成形する成形法である。そして、成形されたワーク材は、ワーク材を加圧した高温の空気等を開放することにより、金型から離型される。

成形されたワーク材を金型から離型する方法には、例えば、バネ等の弾性部材を使用して金型から離型する方法や、成形されたワーク材の内側を冷却ガス等で冷却することにより成形されたワーク材を収縮させて金型から離型する方法等がある。

例えば、特許文献１には、超塑性成形材料にアルミニウム合金（５０８３Ａ相当）を使用して、５００℃に加熱されたアルミニウム合金をアルゴンガスで加圧して超塑性成形することが示されている。そして、アルゴンガスでアルミニウム合金を加圧して成形した後、加熱されたアルゴンガスを開放して、成形品を冷却させて型から離型することが示されている。

特開平６−３３５７３８号公報

ところで、上述したように、ワーク材の成形後に加熱されたアルゴンガス等の流体を放出する場合には、加熱された流体の熱エネルギが無駄に消費されるために、熱エネルギ効率が低下する場合がある。そして、材料の成形において、熱エネルギ効率が低下することにより、成形された材料の生産性が低下し、製造コストが高くなる可能性がある。

そこで、本発明の目的は、熱エネルギの効率をより高めて、生産性を更に向上させる材料の成形装置及び材料の成形方法を提供することである。

本発明に係る材料の成形装置は、ワーク材が配置される金型と、ワーク材を金型と挟んで密着させる蓋と、蓋に設けられた開口から導入され、ワーク材を所定の温度で加圧して成形するための流体を供給する流体供給器とを備える材料の成形装置であって、金型は、成形されたワーク材へ流体を吹付けるための吹付け口を有し、蓋に設けられた開口と金型の吹付け口とは、流体搬送路で結ばれ、流体搬送路は、流体を開閉するための弁と、流体を熱交換して冷却する熱交換器とを含み、弁を閉めて、ワーク材を流体で加圧して成形し、弁を開けて、ワーク材を加圧した流体を流体搬送路で搬送し、熱交換器で熱交換して冷却し、弁を閉めて、冷却された流体を成形されたワーク材へ吹付けて金型から離型することを特徴とする。

本発明に係る材料の成形装置において、金型は、所定の間隔で、複数の吹付け口を有することを特徴とする。

本発明に係る材料の成形装置において、ワーク材は、超塑性アルミニウム合金または超塑性チタニウム合金であることを特徴とする。

本発明に係る材料の成形方法は、金型にワーク材を配置し、ワーク材を金型と挟んで蓋で密着させて準備する準備工程と、蓋に設けられた開口から導入される流体で、ワーク材を所定の温度で加圧して成形する成形工程と、成形されたワーク材を金型から離型する離型工程とを備える金属材料の成形方法であって、金型は、成形されたワーク材へ流体を吹付けるための吹付け口を有し、蓋に設けられた開口と金型の吹付け口とは、流体搬送路で結ばれ、流体搬送路は、流体を開閉するための弁と、流体を熱交換して冷却する熱交換器とを含み、成形工程では、弁を閉めて、ワーク材を流体で加圧して成形し、離型工程では、弁を開けて、ワーク材を加圧した流体を流体搬送路で搬送し、熱交換器で熱交換して冷却し、弁を閉めて、冷却された流体を成形されたワーク材へ吹付けて金型から離型することを特徴とする。

本発明に係る材料の成形方法において、金型は、所定の間隔で、複数の吹付け口を有することを特徴とする。

本発明に係る材料の成形方法において、ワーク材は、超塑性アルミニウム合金または超塑性チタニウム合金であることを特徴とする。

本発明に係る成形された材料は、金型にワーク材を配置し、ワーク材を金型と挟んで蓋で密着させて準備し、蓋に設けられた開口から導入される流体で、ワーク材を所定の温度で加圧して成形し、成形されたワーク材を金型から離型して製造される成形された材料であって、金型は、成形されたワーク材へ流体を吹付けるための吹付け口を有し、蓋に設けられた開口と金型の吹付け口とは、流体搬送路で結ばれ、流体搬送路は、流体を開閉するための弁と、流体を熱交換して冷却する熱交換器とを含み、弁を閉めて、ワーク材を流体で加圧して成形し、弁を開けて、ワーク材を加圧した流体を流体搬送路で搬送し、熱交換器で熱交換して冷却し、弁を閉めて、冷却された流体を成形されたワーク材へ吹付けて金型から離型して製造されることを特徴とする。

本発明に係る成形された材料において、金型は、所定の間隔で、複数の吹付け口を有することを特徴とする。

本発明に係る成形された材料において、ワーク材は、超塑性アルミニウム合金または超塑性チタニウム合金であることを特徴とする。

本発明に係る材料の成形装置は、ワーク材が配置される金型と、ワーク材を金型と挟んで密着させる蓋と、蓋に設けられた開口から導入され、ワーク材を所定の温度で加圧して成形するための流体を供給する流体供給器とを備える材料の成形装置であって、蓋に設けられた開口と結ばれる流体搬送路を有し、流体搬送路は、流体を開閉するための弁と、流体を熱交換して冷却する熱交換器とを含み、弁を閉めて、ワーク材を流体で加圧して成形し、弁を開けて、ワーク材を加圧した流体を流体搬送路で搬送し、熱交換器で熱交換して冷却することを特徴とする。

上記のように本発明に係る材料の成形装置及び材料の成形方法によれば、熱エネルギ効率をより高めて、生産性を更に向上させることができる。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。図１は、材料の成形装置１０における構成を示す図である。まず、材料の成形装置１０で成形されるワーク材１２について説明する。

ワーク材１２には、いわゆる超塑性変形を生じる金属材料を用いることが好ましい。超塑性変形を生じる金属材料は、所定の温度で一定の歪速度を金属材料に加えることにより１００％〜１０００％程度の大きな伸びを生じさせることができる。そのため、超塑性変形を生じる金属材料を容易に変形させて所定の形状に成形することができる。勿論、他の条件次第では、ワーク材１２は、超塑性変形を生じる金属材料に限定されることはなく、他の金属材料を使用することができる。

超塑性変形を生じる金属材料には、超塑性アルミニウム合金や超塑性チタニウム合金等を用いることが好ましい。超塑性アルミニウム合金や超塑性チタニウム合金等を用いて自動車や航空機等の部品を成形することにより、部品を軽量化することができるからである。勿論、超塑性変形を生じる金属材料は、超塑性アルミニウム合金や超塑性チタニウム合金に限定されることはなく、他の超塑性変形を生じる金属材料を用いることができる。

超塑性アルミニウム合金には、例えば、５０８３アルミニウム合金等の５０００系アルミニウム合金（Ａｌ−Ｍｇ系アルミニウム合金）、２００４アルミニウム合金等の２０００系アルミニウム合金（Ａｌ−Ｃｕ系アルミニウム合金）または７４７５アルミニウム合金等の７０００系アルミニウム合金（Ａｌ−Ｚｎ系アルミニウム合金）等を用いることができる。勿論、超塑性アルミニウム合金は、上記超塑性アルミニウム合金に限定されることはない。

超塑性チタニウム合金には、例えば、６質量％のアルミニウムと、４質量％のバナジウムとを含有するチタニウム合金（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ）、６質量％のアルミニウムと、２質量％の錫と、６質量％のジルコニウムと、２質量％のモリブデンとを含有するチタニウム合金（Ｔｉ６２４２）、４．５質量％のアルミニウムと、３質量％のバナジウムと、２質量％の鉄と、２質量％のモリブデンとを含有するチタニウム合金（ＳＰ７００）等の超塑性チタニウム合金を用いることができる。勿論、超塑性チタニウム合金は、上記超塑性チタニウム合金に限定されることはない。

ワーク材１２には、合成樹脂材料を用いることができる。合成樹脂材料を加熱することにより軟化させて、合成樹脂材料を容易に変形させて所定の形状に成形することができるからである。合成樹脂材料には、ポリスチレン樹脂、塩化ビニル樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ＡＢＳ樹脂等の熱可塑性樹脂を用いることが好ましい。勿論、他の条件次第では、合成樹脂材料は、熱可塑性樹脂に限定されることはなく、熱硬化性樹脂でもよい。

ワーク材１２には、金属材料または合成樹脂材料等のシート材が使用されることが好ましい。ワーク材１２が金属材料の場合には、金属シート材の板厚は、例えば、０．８ｍｍ〜２．０ｍｍである。勿論、他の条件次第では、ワーク材１２の形状は、シート材に限定されることはない。

次に、材料の成形装置１０について説明する。材料の成形装置１０は、ワーク材１２が配置される金型１４と、ワーク材１２を金型１４と挟んで密着させる蓋１６と、蓋１６に設けられた開口３０から導入され、ワーク材１２を所定の温度で加圧して成形するための流体を供給する流体供給器１８とを備えている。

金型１４は、ワーク材１２を所定の形状に成形する機能を有している。金型１４には、その略中央が掘り下げられてキャビティ２０が設けられる。そして、金型１４の内表面には、成形品の外形を模した形状を表す成形面２２が形成される。ワーク材１２は、成形面２２に沿って密着して成形される。

金型１４の成形面２２からは、キャビティ２０内における空気等の流体を金型１４の外へ排出する排出口２４が設けられる。排出口２４により、ワーク材１２が変形して成形面２２に密着するときに、ワーク材１２と成形面２２とで囲まれて圧縮された流体を矢印Ａで示すように外部に排出させることができる。

金型１４の内部には、ワーク材１２を加熱するために図示されない複数のヒータを埋め込むことができる。そして、ヒータが発する熱は、金型１４の全体に伝導される。ヒータは、熱電素子等で構成することができる。また、金型１４の温度は、図示されない制御装置等により自在に制御することができる。金型１４の開口縁部２６にはワーク材１２が配置され、ヒータが発する熱でワーク材１２を加熱することができる。

蓋１６は、金型１４と挟んでワーク材１２を密着させる機能を有し、金型１４の略鉛直上方に配置される。そして、蓋１６は、図示されないプラテン（加圧板）に固定されており、略鉛直方向に移動可能に設けられる。蓋１６の縁部２８は、金型１４の開口縁部２６とともに、金型１４の上に配置されたワーク材１２の周縁部分を挟み込む。これにより、ワーク材１２は、その周縁部分が金型１４と蓋１６とにより挟持される。蓋は、例えば、金属材料を機械加工等して製造することができる。

また、蓋１６の内部には、金型１４と同様に複数のヒータを埋め込むことができる。そして、金型１４に埋め込まれたヒータとともに、金型１４と蓋１６とで挟持されたワーク材１２を、所定の温度に加熱することができる。

ここで、ワーク材１２の加熱には、金型１４や蓋１６に埋め込まれたヒータによる加熱方法に限定されることなく、例えば、加熱炉等の加熱装置を用いて加熱してもよい。加熱炉内に金型１４と蓋１６とで挟持されたワーク材１２をセットすることにより、ワーク材１２を所定の温度まで加熱することができる。加熱炉等には、金属材料の熱処理等に使用される一般的な加熱設備を使用することができる。

蓋１６には、ワーク材１２を加圧して成形するための流体が導入される開口３０が形成される。蓋１６に設けられた開口３０から矢印Ｂに示すように、蓋１６内側に流体を供給することができる。そして、蓋１６の内側に流体を供給することにより、蓋１６とワーク材１２で密閉された空間３１を昇圧することができる。これにより、ワーク材１２は流体により加圧され、金型１４の成形面２２に向けてワーク材１２を変形させることができる。

蓋１６に設けられた開口３０から導入される流体は、アルゴンガス等の不活性ガス、空気、窒素ガス、炭酸ガス等の気体を用いることができる。勿論、他の条件次第では、流体は、気体に限定されることはなく、液体でもよい。

なお、図１に示す材料の成形装置１０では、上側に蓋１６が配置され、下側に金型１４が配置されているが、金型１４と蓋１６との配置は、このような配置に限定されることはない。例えば、上側に金型１４が配置され、下側に蓋１６が配置されるようにしてもよい。

流体供給器１８は、ワーク材１２を加圧して成形するための流体を供給し、蓋１６とワーク材１２とで密閉された空間３１を昇圧する機能を有する。流体供給器１８には、コンプレッサ、例えば、エアコンプレッサを用いることができる。勿論、流体供給器１８は、コンプレッサに限定されることはない。流体供給器１８と蓋１６の開口３０とは、流体を供給するための配管等で結ばれており、配管等で流体を供給することにより、蓋１６とワーク材１２で密閉された空間３１を、例えば、５ＭＰａに昇圧することができる。

材料の成形装置１０において、金型１４は、成形されたワーク材１２へ流体を吹付けるための吹付け口３４を有し、蓋１６に設けられた開口３０と金型１４の吹付け口３４とは、流体搬送配管３６等の流体搬送路で結ばれ、流体搬送路は、流体を開閉するための弁３８と、流体を熱交換して冷却する熱交換器４０とを含んでいる。

金型１４は、成形されたワーク材１２へ、ワーク材１２の加圧に使用した流体を吹付けるための吹付け口３４を有している。成形されたワーク材１２へ流体を吹付けることにより、成形されたワーク材１２を金型１４から離型することができる。吹付け口３４は、例えば、一般的な金属材料の機械加工により金型１４に設けることができる。

吹付け口３４の内径は、１ｍｍ以下であることが好ましい。吹付け口３４の内径が大きい場合には、成形されたワーク材１２に、吹付け口３４の跡が形成される可能性があるからである。勿論、他の条件次第では、吹付け口３４の大きさは、上記サイズに限定されることはない。また、吹付け口３４の断面形状は、円形状とすることができるが、特に、限定されることなく、多角形状等でもよい。

金型１４の吹付け口３４は、所定の間隔で、複数個が設けられることが好ましい。吹付け口３４を金型１４に複数個設けることにより、成形面２２に貼り付いた成形されたワーク材１２に、より均一に流体を吹付けることができるからである。それにより、金型１４から離型された成形品の歪や変形等を抑制することができるからである。

吹付け口３４の数量や配置は、成形品の形状に応じて変えることができる。吹付け口３４は、金型１４から成形されたワーク材１２をより均一に押し上げて離型することができるように、成形品の形状等に合わせて配置される。金型１４には、例えば、略均等の間隔で複数個の吹付け口３４を設けることができる。勿論、所定の間隔は、略均等の間隔に限定されることはなく、異なる間隔であってもよい。

蓋１６に設けられた開口３０と金型１４の吹付け口３４とは、流体搬送配管３６で結ばれる。流体搬送配管３６は、ワーク材１２を加圧した流体を、金型１４の吹付け口３４へ搬送する流体搬送路としての機能を有している。流体搬送配管３６には、気体の搬送に用いられる配管である一般的なガス配管や、液体の搬送に用いられる一般的な液体配管を使用することができる。勿論、他の条件次第では、流体搬送配管３６は、上記配管等に限定されることはない。

また、ワーク材１２を連続して成形する場合には、所定の温度、例えば、５００℃に加熱された流体が流体搬送配管３６で搬送される。そのため、流体搬送配管３６には、耐熱性材料等により製造された耐熱性を有する配管等を使用することが好ましい。

また、金型１４に吹付け口３４が所定の間隔で複数個設けられる場合には、例えば、蓋１６の開口３０と結ばれた流体搬送配管３６を分岐させた後、分岐させた流体搬送配管３６を金型１４の吹付け口３４に接続させた流体搬送配管網を形成させることにより流体を搬送することができる。流体搬送配管網は、蓋１６の開口３０と結ばれた流体搬送配管３６を、例えば、金型１４の吹付け口３４の数だけ分岐させて、各々分岐させた流体搬送配管３６を金型１４の吹付け口３４に接続させることにより設けることができる。勿論、流体搬送配管３６の配置方法は、上記方法に限定されることはない。

流体搬送配管３６は、流体を開閉するための弁３８を有している。まず、ワーク材１２を流体で加圧して成形する場合には、弁３８を閉じることにより、蓋１６とワーク材１２との間の空間３１を流体で昇圧することができる。そして、ワーク材１２を流体で加圧し成形面２２に密着させた後に、弁３８を開けることにより、昇圧された流体を流体搬送配管３６で搬送することができる。そして、再び、弁３８を閉めることにより、蓋１６を開けて、金型１４の吹付け口３４から成形されたワーク材１２へ流体を吹付けることができる。このような弁３８の開閉は、例えば、図示されない制御装置等により自動で行うことができる。

ここで、吹付け口３４が金型１４に複数個設けられる場合には、流体搬送配管３６が分岐する前に、弁３８が設けられることが好ましい。弁３８が、蓋１６の開口３０と流体搬送配管３６の分岐点の間に配置されることにより、１個の弁３８で、複数個の吹付け口３４から吹付けられる流体の開閉を制御できるからである。勿論、他の条件次第では、弁３８の配置や数量は限定されることはない。

また、ワーク材１２を連続して成形する場合には、所定の温度、例えば、５００℃に加熱された流体が流体搬送配管３６で搬送される。そのため、弁３８には、耐熱性材料等により製造された耐熱性を有する弁３８が使用されることが好ましい。勿論、他の条件次第では、弁３８は、上記弁３８に限定されることはない。また、流体に気体を用いる場合には、一般的な気体用の弁が使用され、流体に液体を用いる場合には、一般的な液体用の弁が使用される。

流体搬送配管３６には、ワーク材１２を加圧した流体を熱交換して冷却する熱交換器４０が設けられる。熱交換器４０は、流体搬送配管３６で搬送された、例えば、５００℃に加熱された流体を熱交換して冷却する機能を有している。また、熱交換器４０は、加熱された流体が有していた熱エネルギを、別の流体、例えば、水等に付与して高温水等として取り出す機能を有している。勿論、熱交換器４０で熱交換された熱エネルギを取り出す熱媒体は、水等の液体に限定されることはなく、気体でもよい。ここで、熱交換器４０には、一般的に気体や液体等の熱交換に使用されている熱交換器４０を用いることができる。また、弁３８から熱交換器４０までの流体搬送配管３６には、流体搬送配管３６から熱が逃げるのを抑えるために、図示されない断熱材等を設けることが好ましい。

熱交換器４０で熱交換されて加熱された別の流体、例えば、高温水は、液体用パイプ４２等で搬送される。液体用パイプ４２には、液体用パイプ４２から熱が逃げるのを抑えるため断熱材を設けることが好ましい。そして、液体用パイプ４２は、例えば、加熱板４４に埋め込まれ、加熱板４４は、高温水により加熱される。加熱板４４は、熱伝導性が良い金属材料で製造されることが好ましい。加熱板４４には、例えば、次に成形されるワーク材４６が挟持され、ワーク材４６は、加熱板４４からの熱伝導や輻射等により加熱される。勿論、他の条件次第では、加熱板４４にはヒータ等が埋め込まれており、高温水から伝達される熱を、ヒータの加熱を補助する熱源として用いることができる。

また、熱交換器４０で熱交換されて加熱された高温水等を搬送する液体用パイプ４２は、金型１４に埋め込むことができる。液体用パイプ４２を金型１４に埋め込むことで、高温水が液体用パイプ４２で金型１４へ搬送されるため、金型１４の加熱を補助する熱源とすることができる。勿論、他の条件次第では、熱交換器４０で熱交換することにより取り出された熱エネルギの利用方法は、上記構成に限定されることはない。

次に、材料の成形装置１０における動作について説明する。図２から図５は、材料の成形装置１０における動作を示す図である。図２は、ワーク材１２を材料の成形装置１０にセットした状態を示す図である。図３は、ワーク材１２を流体で加圧して成形している状態を示す図である。図４は、ワーク材１２の加圧に用いた流体を流体搬送配管３６で搬送している状態を示す図である。図５は、ワーク材１２の加圧に用いた流体を成形されたワーク材１２に吹付けて金型１４から離型する様子を示す図である。また、図２から図５において、ワーク材１２の成形時における流体の流れを実線の矢印で示し、ワーク材１２の離型時における流体の流れを破線の矢印で示した。

図２に示すように、ワーク材１２は、金型１４と蓋１６とに挟持されて、材料の成形装置１０にセットされる。ワーク材１２は、金型１４と蓋１６とを図示されないプラテン（加圧板）等の加圧装置で加圧されることにより、金型１４と蓋１６とに挟まれて密着される。そして、ワーク材１２は、金型１４や蓋１６に埋め込まれたヒータ等により、所定の温度、例えば、５００℃まで加熱される。

図３に示すように、コンプレッサ等の流体供給器１８からワーク材１２を加圧する流体が、蓋１６の開口３０から蓋１６とワーク材１２とで密閉された空間３１に導入される。このとき、流体搬送配管３６に設けられた流体を開閉する弁３８は、流体が流体搬送配管３６に流れないように閉じられる。そして、流体は、流体供給器１８等により、例えば、５ＭＰａに昇圧され、加熱されたワーク材１２を加圧する。それにより、流体は、ワーク材１２を所定の歪速度で変形させて金型１４の成形面２２に密着させる。ワーク材１２と金型１４との間の空気等の気体は、金型１４に設けられた排出口２４から排気される。

図４に示すように、ワーク材１２が成形された後、流体搬送配管３６に設けられた流体を開閉する弁３８が開けられる。蓋１６と成形されたワーク材１２との間の流体の圧力は、例えば、５ＭＰａに昇圧されており、流体搬送配管３６中の圧力よりも高い。そのため、流体は、圧力のより低い流体搬送配管３６へ流れ込む。そして、流体は、流体搬送配管３６で金型１４の吹付け口３４へ搬送される。流体が流体搬送配管３６で搬送された後、再び、弁３８が閉じられる。

ここで、高温に加熱されたワーク材１２を加圧した流体は、流体搬送配管３６に設けられた熱交換器４０により熱交換されて冷却され、冷却された流体が金型１４の吹付け口３４へ搬送される。そして、熱交換器４０により熱交換されて加熱された高温水は、液体用パイプ４２で加熱板４４へ搬送され、加熱板４４が高温水により加熱される。そして、次に成形されるワーク材４６が、加熱板４４により予備加熱される。

図５に示すように、蓋１６が成形されたワーク材１２から取り外され、流体搬送配管３６で搬送されない残留した流体が開放される。蓋１６が外されると、流体搬送配管３６の中の流体の圧力は、開放された空間の圧力、例えば、大気圧よりも圧力が高くなるため、流体搬送配管３６で搬送された流体が、圧力差により、金型１４の吹付け口３４から吹出して成形されたワーク材１２に吹付けられる。そして、成形されたワーク材１２が流体で押し上げられることにより、成形されたワーク材１２が金型１４から離型される。そして、予備加熱されたワーク材４６が、材料の成形装置１０に新たにセットされる。

なお、上記構成における材料の成形装置１０では、金型１４に成形されたワーク材１２へ流体を吹付けるための吹付け口３４を有しているが、金型１４に吹付け口３４を設けない構成とすることもできる。図６は、材料の成形装置５０を示す図である。なお、同様な要素は同一の符号を付して詳細な説明を省略する。また、図６において、ワーク材１２の成形時における流体の流れを実線の矢印で示し、ワーク材１２の離型時における流体の流れを破線の矢印で示した。

材料の成形装置５０は、ワーク材１２が配置される金型５２と、ワーク材１２を金型５２と挟んで密着させる蓋１６と、蓋１６に設けられた開口３０から導入され、ワーク材１２を所定の温度で加圧して成形するための流体を供給する流体供給器１８とを備え、蓋１６に設けられた開口３０と結ばれる流体搬送配管５４等の流体搬送路を有し、流体搬送路は、流体を開閉するための弁３８と、流体を熱交換して冷却する熱交換器４０とを含んでいる。そして、弁３８を閉めて、ワーク材１２を流体で加圧して成形し、弁３８を開けて、ワーク材１２を加圧した流体を流体搬送配管５４で搬送する。

ワーク材１２を加圧して成形した流体であるガスは、所定の温度、例えば、５００℃に加熱されて昇圧された高温高圧ガスであるので、流体搬送配管５４に設けられた熱交換器４０で熱交換されて冷却され、例えば、大気開放される。そして、熱交換器４０により取り出された熱エネルギは、例えば、上述したように、高温水として液体用パイプ４２で加熱板４４に運ばれて、次に成形されるワーク材４６の予備加熱等に用いられる。

次に、上記構成における材料の成形装置１０を使用した材料の成形方法について詳細に説明する。図７は、材料の成形方法を示すフローチャートである。材料の成形方法は、準備工程（Ｓ１０）と、成形工程（Ｓ１２）と、離型工程（Ｓ１４）とを含んで構成される。

準備工程（Ｓ１０）は、金型１４にワーク材１２を配置し、ワーク材１２を金型１４と挟んで蓋１６で密着させて準備する工程である。

ワーク材１２、例えば、超塑性アルミニウム合金ワーク材１２が、金型１４に配置される。そして、ワーク材１２は、金型１４と蓋１６とで挟持され、プラテン（加圧板）等で金型１４と蓋１６とに密着して配置される。

成形工程（Ｓ１２）は、蓋１６に設けられた開口３０から導入される流体で、ワーク材１２を加圧して成形する工程である。

ワーク材１２は、金型１４や蓋１６に埋め込まれたヒータにより所定の温度まで加熱される。ここで、ワーク材１２が超塑性変形を生じる金属材料である場合には、所定の温度は、ワーク材１２が超塑性変形を生じる温度とすることが好ましい。超塑性変形が生じる温度でワーク材１２を加熱することにより、ワーク材１２を容易に変形させて成形加工することができるからである。勿論、他の条件次第では、ワーク材１２の加熱温度は、上記温度に限定されることはない。

ワーク材１２が超塑性アルミニウム合金である場合には、加熱温度は、４００℃〜５００℃であることが好ましい。また、ワーク材１２が超塑性チタニウム合金である場合には、加熱温度は、７５０℃〜９５０℃であることが好ましい。超塑性アルミニウム合金及び超塑性チタニウム合金は、上記温度範囲で超塑性変形を生じさせることができるからである。

所定の温度に加熱されたワーク材１２は、コンプレッサ等の流体供給器１８から供給され、蓋１６に設けられた開口３０から導入される流体により加圧される。そして、流体でワーク材１２を加圧する場合には、流体搬送路である流体搬送配管３６に設けられる流体を開閉する弁３８は、流体が流体搬送配管３６へ流れないようにするために閉じられる。

ワーク材１２を加圧する流体には、上述したように、例えば、空気、窒素ガス、炭酸ガスまたはアルゴンガス等の不活性ガスの気体を用いることができる。勿論、他の条件次第では、流体は、気体に限定されることはなく、液体等を用いることができる。

ワーク材１２を加圧する流体は、ワーク材１２が超塑性変形を生じる金属材料である場合には、ワーク材１２が超塑性変形を生じる所定の歪速度でワーク材１２を加圧することが好ましい。超塑性変形が生じる歪速度でワーク材１２を加圧することにより、ワーク材１２を容易に変形させて成形加工することができるからである。流体のブロー圧は、例えば、５ＭＰａ〜５０ＭＰａとすることが好ましい。勿論、他の条件次第では、流体のブロー圧は、上記圧力範囲に限定されることはない。

ワーク材１２が超塑性アルミニウム合金である場合には、超塑性アルミニウム合金ワーク材１２の歪速度が、１．０×１０^−３／ｓ〜１．０／ｓとなるように流体で加圧されることが好ましい。ワーク材１２が超塑性チタニウム合金である場合には、超塑性チタニウム合金ワーク材１２の歪速度が、１．０×１０^−４／ｓ〜１．０／ｓとなるように流体で加圧されることが好ましい。超塑性アルミニウム合金及び超塑性チタニウム合金は、上記歪速度の範囲で超塑性変形を生じさせることができるからである。勿論、他の条件次第では、ワーク材１２の歪速度は、上記歪速度に限定されることはない。

離型工程（Ｓ１４）は、成形されたワーク材１２を金型１４から離型する工程である。

流体搬送配管３６に設けられた弁３８を開けることにより、ワーク材１２を加圧した流体を流体搬送配管３６へ流し搬送する。加熱された流体は、熱交換器４０で熱交換して冷却され、蓋１６に設けられた開口３０と金型１４の吹付け口３４とは、流体搬送配管３６で結ばれているので、冷却された流体は、金型１４の吹付け口３４まで搬送される。そして、弁３８を閉めてから、蓋１６を開けて、成形されたワーク材１２へ冷却された流体を吹付けることにより、成形されたワーク材１２は、金型１４の吹付け口３４から吹付ける冷却された流体で押し上げられ、金型１４から離型される。

また、金型１４の吹付け口３４が、金型１４に、所定の間隔で複数個設けられている場合には、複数の吹付け口３４から冷却された流体が吹付けられるため、成形されたワーク材１２を冷却された状態でより均一に押し上げて、金型１４から離型することができる。

熱交換器４０で熱交換された熱エネルギは、高温水として取り出され液体用パイプ４２で搬送されて加熱板４４を加熱する。そして、次に成形されるワーク材４６が加熱板４４により、予備加熱され、成形されたワーク材１２が金型１４から離型された後、予備加熱されたワーク材４６が金型１４に新たにセットされる。

ここで、ワーク材１２が、例えば、２０００系アルミニウム合金や７０００系アルミニウム合金の場合には、成形後に機械的特性を向上等させるため熱処理してもよい。成形後に、溶体化処理、人工時効処理等を行なうことで、成形されたワーク材１２の強度をより向上させることができるからである。勿論、ワーク材１２が金属材料であっても、熱処理しないで用いることができる。

上記成形品は、車両用部品や航空機用部品として用いることができる。車両用部品、特に、自動車部品としては、例えば、フェンダー、エンジンフードの外板や内板、ラゲージの外板や内板、ドアの外板や内板に用いることができる。勿論、上記成形品は、上記用途に限定されることはない。

上記構成によれば、成形時に使用された流体の熱エネルギを熱交換器４０で取り出してワーク材の予備加熱等に用いることにより、エネルギ効率をより高めてワーク材を連続して成形し、成形サイクルを回すことができる。また、熱交換器を設けて熱エネルギを取り出すため、より簡素化された成形装置でエネルギ効率をより高めることができる。以上により、材料の成形において、生産性を更に向上させて、製造コストを抑えることができる。

上記構成によれば、熱交換器で熱交換されて冷却した流体を成形されたワーク材に吹付けることにより、成形されたワーク材を冷却させながら金型から離型することができるので、成形品の歪や変形等が生じにくく、成形品の寸法精度等の成形精度をより向上させることができる。

上記構成によれば、金型の吹付け口が、金型に、所定の間隔で複数個設けられていることにより、より均一に冷却された流体を成形されたワーク材に吹付けて、金型から成形されたワーク材を離型することができる。それにより、成形品の寸法精度等の成形精度を更に向上させることができる。

上記構成によれば、ワーク材の成形加工に用いた流体を利用して、成形されたワーク材の離型を行うので、新たなコンプレッサ等の設備を必要とすることがないため成形品の製造コスト等を抑えることができる。

本発明の実施の形態において、材料の成形装置１０における構成を示す図である。 本発明の実施の形態において、ワーク材１２を材料の成形装置１０にセットした状態を示す図である。 本発明の実施の形態において、ワーク材１２を流体で加圧して成形している状態を示す図である。 本発明の実施の形態において、ワーク材１２の加圧に用いた流体を流体搬送配管３６で搬送している状態を示す図である。 本発明の実施の形態において、ワーク材１２の加圧に用いた流体を成形されたワーク材１２に吹付けて金型１４から離型する様子を示す図である。 本発明の実施の形態において、材料の成形装置５０における構成を示す図である。 本発明の実施の形態において、材料の成形方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１０，５０ 材料の成形装置、１２ ワーク材、１４，５２ 金型、１６ 蓋、１８ 流体供給器、２０ キャビティ、２２ 成形面、２４ 排出口、２６ 金型の開口縁部、２８ 蓋の縁部、３０ 開口、３４ 吹付け口、３６，５４ 流体搬送配管、３８ 弁、４０ 熱交換器、４２ 液体用パイプ、４４ 加熱板。

Claims (10)

1. ワーク材が配置される金型と、
   ワーク材を金型と挟んで密着させる蓋と、
   蓋に設けられた開口から導入され、ワーク材を所定の温度で加圧して成形するための流体を供給する流体供給器と、
   を備える材料の成形装置であって、
   金型は、成形されたワーク材へ流体を吹付けるための吹付け口を有し、
   蓋に設けられた開口と金型の吹付け口とは、流体搬送路で結ばれ、
   流体搬送路は、
   流体を開閉するための弁と、
   流体を熱交換して冷却する熱交換器と、
   を含み、
   弁を閉めて、ワーク材を流体で加圧して成形し、
   弁を開けて、ワーク材を加圧した流体を流体搬送路で搬送し、熱交換器で熱交換して冷却し、
   弁を閉めて、冷却された流体を成形されたワーク材へ吹付けて金型から離型することを特徴とする材料の成形装置。
2. 請求項１に記載の材料の成形装置であって、
   金型は、所定の間隔で、複数の吹付け口を有することを特徴とする材料の成形装置。
3. 請求項１または２に記載の材料の成形装置であって、
   ワーク材は、超塑性アルミニウム合金または超塑性チタニウム合金であることを特徴とする材料の成形装置。
4. 金型にワーク材を配置し、ワーク材を金型と挟んで蓋で密着させて準備する準備工程と、
   蓋に設けられた開口から導入される流体で、ワーク材を所定の温度で加圧して成形する成形工程と、
   成形されたワーク材を金型から離型する離型工程と、
   を備える材料の成形方法であって、
   金型は、成形されたワーク材へ流体を吹付けるための吹付け口を有し、
   蓋に設けられた開口と金型の吹付け口とは、流体搬送路で結ばれ、
   流体搬送路は、
   流体を開閉するための弁と、
   流体を熱交換して冷却する熱交換器と、
   を含み、
   成形工程では、弁を閉めて、ワーク材を流体で加圧して成形し、
   離型工程では、弁を開けて、ワーク材を加圧した流体を流体搬送路で搬送し、熱交換器で熱交換して冷却し、
   弁を閉めて、冷却された流体を成形されたワーク材へ吹付けて金型から離型することを特徴とする材料の成形方法。
5. 請求項４に記載の材料の成形方法であって、
   金型は、所定の間隔で、複数の吹付け口を有することを特徴とする材料の成形方法。
6. 請求項４または５に記載の材料の成形方法であって、
   ワーク材は、超塑性アルミニウム合金または超塑性チタニウム合金であることを特徴とする材料の成形方法。
7. 金型にワーク材を配置し、ワーク材を金型と挟んで蓋で密着させて準備し、
   蓋に設けられた開口から導入される流体で、ワーク材を所定の温度で加圧して成形し、
   成形されたワーク材を金型から離型して製造される成形された材料であって、
   金型は、成形されたワーク材へ流体を吹付けるための吹付け口を有し、
   蓋に設けられた開口と金型の吹付け口とは、流体搬送路で結ばれ、
   流体搬送路は、
   流体を開閉するための弁と、
   流体を熱交換して冷却する熱交換器と、
   を含み、
   弁を閉めて、ワーク材を流体で加圧して成形し、
   弁を開けて、ワーク材を加圧した流体を流体搬送路で搬送し、熱交換器で熱交換して冷却し、
   弁を閉めて、冷却された流体を成形されたワーク材へ吹付けて金型から離型して製造されることを特徴とする成形された材料。
8. 請求項７に記載の成形された材料であって、
   金型は、所定の間隔で、複数の吹付け口を有することを特徴とする成形された材料。
9. 請求項７または８に記載の成形された材料であって、
   ワーク材は、超塑性アルミニウム合金または超塑性チタニウム合金であることを特徴とする成形された材料。
10. ワーク材が配置される金型と、
    ワーク材を金型と挟んで密着させる蓋と、
    蓋に設けられた開口から導入され、ワーク材を所定の温度で加圧して成形するための流体を供給する流体供給器と、
    を備える材料の成形装置であって、
    蓋に設けられた開口と結ばれる流体搬送路を有し、
    流体搬送路は、
    流体を開閉するための弁と、
    流体を熱交換して冷却する熱交換器と、
    を含み、
    弁を閉めて、ワーク材を流体で加圧して成形し、
    弁を開けて、ワーク材を加圧した流体を流体搬送路で搬送し、熱交換器で熱交換して冷却することを特徴とする材料の成形装置。

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