JP2009279607A - 金属母材の成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プレス成形に必要となる金型を低減すると共に、成形品の破断やしわ等の変形を防止しようとする。
【解決手段】金属の押棒４と、出没制御機構２より該押棒４を出没自在とし、且つ任意の位置で固定可能とするように複数拘束する保持部３から構成される型体１によるオス金型１ａ及びメス金型１ｂにより塑性成形を行うものであって、オス金型１ａを構成する押棒４の先端を球面形状とした上で、オス金型１ａを構成する複数の押棒４を部分ごとに反復して出没させながら金属母材６を打突し徐々に突出させることによって、金属母材は塑性流動が促され、順次塑性変形を起しつつ成形されるため、成形品における破断やしわ等の変形を防止できる。
【選択図】図４

Description

本願発明は、金属の押棒と、該押棒を複数拘束し、出没制御機構により出没自在とし、且つ任意の位置で固定可能とする保持部より構成される型体によってオス金型及びメス金型により塑性成形を行う金属母材の成形方法に関する。

従来、例えば自動車の部品において、外装のパネル材等は、オス金型及びメス金型によって板状の金属母材をプレス成形して製造する。そのため、一つの成形品に対して通常オス金型及びメス金型の二つが必要となり、多数の成形品では金型の数は膨大となる。また成形品の製造後も補修部品の製造ために膨大な数の金型は所定期間保管しなければならない。その結果、膨大な数の金型の製造及び保管のためのコストが必要となり、成形品の製造コストは著しく上昇するものとなる。

また、上記自動車の部品であっても、外装に関わらないインナー材やリンフォース材等は正確な成形は必要であるが、外観についてはそれほど重要視されないものである。そのため、外装材と同様にオス金型及びメス金型を使用してプレス成形をすると過剰品質となり、成形品の製造コスト上昇の原因となる。

そこで、膨大な数の金型に起因するコスト上昇を防止するために、夫々突出可能に複数配設された棒状の駒部材と、これらの駒部材の中の少なくとも１本を、前記所定形状を構成するよう突出した状態で、その突出状態を固定すべく駒部材を締め付ける締め付け手段とを具備する可変型機構が提案されている。

特開平２−２３５５２８号

上記可変型機構は、駒部材を締め付け手段により適宜固定することで様々な形状の金型を作り出すことができるので、多種類の部品を製造する型に対応することができる。そのため、多数の成形品に対応する膨大な金型の製造及び保管するコストを低減させることができる。

しかしながら、上記可変型を利用してプレス成形を行うと、従来のように金属母材に対して一度に圧力を加えるので、成形する金属母材において塑性変形が十分に行われず十分に展伸できないと成形品に破断やしわ等の変形が発生する。また前記駒部材に鋭い突起等が存在すると該突起等に圧力が集中して成形品の破断等が発生するものである。

そこで、本願発明は、金属母材のプレス成形に必要となる金型の数を削減することで成形品の製造コストの低減を図ると共に、成形品での破断やしわ等の変形を防止するものである。

上記課題を解決するため、第１の特徴として、
金属の押棒と、出没制御機構により該押棒を出没自在とし、且つ任意の位置で固定可能とするように複数拘束する保持部から構成される型体により成形品のオス金型及びメス金型を作成し、該オス金型及びメス金型により塑性成形を行う金属母材の成形方法であって、
前記オス金型を構成する押棒の先端を球面形状とした上で、
前記オス金型を構成する単数又は複数の押棒を、全面にわたり又は部分ごとに反復して出没させながら徐々に突出させることで、金属母材を打突しつつ順次塑性変形を起こさせ、メス金型により成形してなるものである。

そのため、押棒の出没による打突の衝撃力は該押棒の球面形状となっている先端に集中する。そして、この押棒の先端に集中した打突の衝撃力は金属母材に対して集中的に伝達される。その結果、該金属母材の塑性変形につながる塑性流動を促すとともに、成形する金属母材の加工硬化度を向上させることができる。

その上、押棒の打突により塑性流動が促された金属母材は、順次塑性変形を起こしながら均一に展伸してメス金型により成形される。その結果、成形品において破断やしわ等の変形を防止できる。ここで、金属母材の展伸性によっては、反復して押棒を金属母材に打突して成形するだけではなく、押棒を金属母材に当接するとともに連続して押圧することで成形するものであっても良いものである。

また、オス金型の押棒の出没の速度又は突出量、単位時間あたりの打突数、乃至は打突位置は出没制御機構により適宜変化させることができる。その結果、成形品における形状のみならず、厚さや加工硬化度を部分的に異なるものとすることができる。

なお、本願発明で成形する金属母材としてはアルミニウム合金が適しているものであるが、そのアルミニウム合金材は圧延材、押出材、鍛造材或いは鋳物のいずれを問わないものである。特に、成形する金属母材が、５００℃前後から急冷する溶体化処理を施す熱処理合金（例えば、ＪＩＳ ６０００系や７０００系等）であるとすると、成形品の加工硬化度はさらに高まるものとなる。
また、成形する上記金属母材に合わせて押棒の素材も適宜変更することで、簡易且つ確実に成形することができる。
そして、オス金型やメス金型の押棒を出没させるにあたっては、ローラー、液圧、クランクシャフト、電磁誘導、超音波の印加乃至は振動モーターを動力として利用し、また前記押棒を出没と同時に回転させるにあたっては、プラグ押し抜き、モーター駆動、歯車連動乃至はベルト連動を動力として利用するものである。

第２の特徴として、金属の押棒と、出没制御機構により該押棒を出没自在とし、且つ任意の位置で固定可能とするように複数拘束する保持部から構成される型体により成形品のオス金型を作成し、該金型により塑性成形を行う金属母材の成形方法であって、
前記オス金型を構成する押棒の先端を球面形状とした上で、
前記オス金型を構成する単数又は複数の押棒を、全面にわたり又は部分ごとに反復して出没させながら徐々に突出させることで、金属母材を打突しつつ順次塑性変形を起こさせるとともに、該金型により成形してなるものである。

そのため、成形する金属母材が管状であり、成形品のメス金型を直接内部に挿入して設置できない場合には、成形品の内周面形状に合わせて押棒の突出量を設定したオス金型において、突出した押棒を一旦保持部内に没入させることで、容易に管状の金属母材内部に該オス金型を挿入し、設置することができる。そして、該オス金型より押棒を前記設定量まで反復して出没させつつ金属母材を打突するとともに、押棒を突出させる。その結果、該押棒は金属母材において塑性流動を促し、順次塑性変形を起こさせる。しかもオス金型より突出する押棒は成形品の内周面形状を再現しているので、前記金属母材を成形することができる。
更に成形後は突出している押棒を保持部内に没入させることで、成形品内よりオス金型を容易に抜出することができる。

そして、第３の特徴として、第１及び第２の特徴を踏まえて、
前記オス金型を構成する単数又は複数の押棒を回転させてなるものである。

そのため、回転する押棒の先端と金属母材の表面との間では摩擦熱が発生し、該金属母材の表面は発生する摩擦熱によって加熱される。その結果、金属母材においては塑性流動がより円滑に促されて塑性変形が容易となるので、簡易且つ確実に成形品の成形を行うことができる。なお、押棒の回転数は押棒ごとに調整することが可能であって、通常の成形加工では加工中押棒の回転数は一定に保持するものであるが、例えば部分的に塑性変形の度合いを大きくさせる必要がある場合には、当該部分に対応する押棒の回転速度を増加させて金属母材の表面で発生する摩擦熱を大きくして塑性流動を更に促すことができるものとなる。

ここで上記押棒集合体の押棒の回転により発生する摩擦熱は、該摩擦熱により加熱された金属母材表面がプレス成形しやすい温度域とするものであり、特にアルミニウム合金材では約２００〜５５０℃とすることが望ましいものである。

なお、押棒を回転させることで、該押棒と金属母材との間で摩擦熱を発生させる代わりに、押棒先端を別途加熱して成形を行っても良いものである。

その上、第４の特徴として、第１乃至第３の特徴を踏まえて、
前記金属母材を成形すると同時に、孔部を穿設してなるものである。

そのため、成形品の製造工程を省略するものであるので、製造作業の作業効率を向上させることができる。

本願発明は、金属母材を塑性成形に供し、その後も保管が必要となる金型の数を低減するとともに、塑性成形において金属母材の塑性流動を円滑に促しつつ順次塑性変形を起こしながら均一に展伸させて成形するため成形品の破断やしわ等の変形を防止し、更に塑性成形と同時に孔部をも穿設して成形品の製造工程を省略できるので、金属母材の簡易且つ確実な塑性成形を図り、成形品の製造コストをも低減させることができる優れた効果を有する。

以下において、本願発明の実施例について説明する。
なお、この実施例は、本願発明の好ましい一実施態様を説明するためのものであって、これにより本願発明が制限されるものでない。

まず、本願発明は、まず図１において示す型体１により成形品のオス金型１ａ及びメス金型１ｂを作成し、該オス金型１ａ及びメス金型１ｂにより板状又は管状の金属母材６を塑性成形してなるものである。
ここで、オス金型１ａ及びメス金型１ｂとなる該型体１は、出没制御機構２により該押棒４を出没自在とし、且つ任意の位置で固定可能とするように複数拘束する保持部３から構成されるものである。

そして、前記オス金型１ａを構成する押棒４の先端５を球面形状とした上で、
前記オス金型１ａを構成する単数又は複数の押棒４ａを、全面にわたり又は部分ごとに反復して出没させながら徐々に突出させることで、金属母材６を打突しつつ順次塑性変形を起こさせ、メス金型１ｂにより成形品７に成形してなるものである。

そこで、上記型体１を使用して板状の金属母材６ａを成形してドーム形状の成形品７ａを製造するにあたっては、次のようにするものである。
まず、オス金型１ａから圧力を受けて成形を行うメス金型１ｂの作成にあたっては、まず成形品７ａの表面に対して前記型体１の押棒４当接させる。
その結果該押棒４は成形品７ａの表面形状に沿って保持部３に対して出没するため、成形品７ａの表面形状は正確に型体１の押棒４に転写される。
そして成形品７ａの表面形状に従って出没した該押棒４を出没制御機構２により固定することで、型体１は成形品７ａの表面形状を押棒４ｂに転写したメス金型１ｂとなる（図３参照）。

次に、上記メス金型１ｂに対して板状の金属母材６ａを設置した上で、該金属母材４ａを挟んでメス金型１ｂに対向する側にオス金型１ａを配置する。
そして、前記オス金型１ａの押棒４ａは、出没制御機構２ａにより、中央よりその同心円状に部分ごとに反復して出没、且つ回転しながら金属母材６ａを打突して徐々にメス金型１ｂ側へ突出するものである。また、上述のオス金型１ａの押棒４ａは、金属母材６ａの展伸性によっては、出没制御機構２ａにより、中央よりその同心円状に部分ごとに連続して突出させながら金属母材６ａに当接しつつ押勢して徐々にメス金型１ｂ側へ突出するものとしても良いものである。
このとき、該押棒４ａの打突或いは押勢、及び回転により発生する摩擦熱によって、金属母材６ａでは塑性流動が促されるので、容易に、しかも徐々に塑性変形を起こしながらメス金型１ｂにより成形されるものとなる。
その結果、破断やシワ等の変形がなく、均一の厚さで、且つ高い加工硬化度を有する成形品７ａを得ることができる（図４参照）。

その上、前記オス金型１ａとメス金型１ｂにより成形された成形品７ａに孔部８を穿設する場合には、次のようにするものである。
すなわち、前記オス型１ａとメス型１ｂにより成形された成形品７ａに対して、オス金型１ａの所定位置の押棒４ａ’を打突或いは押勢し、更にメス金型１ｂ側に突出させると同時に、対向するメス金型１ｂの押棒４ｂ’を保持部２へ没入させる。
その結果、前記オス金型１ａの保持部２より突出する押棒４ａ’は成形品７ａを貫通し、メス金型１ｂ側へと打ち抜くので、該成形品７ａにおいて孔部８が穿設されるものとなる（図５参照）。

そこで、実際に、まず鋼製（ＳＨ３５）による一辺が５ｍｍで、球面形状の先端の曲率Ｒが２０ｍｍの角棒からなる押棒４を１００×１００本を束ねて拘束した保持部３と、該押棒４には１本ずつ接続したアクチュエーター（図示せず）の出没量、突出量並びに固定の有無を制御する出没制御機構２からなる型体１によりオス金型１ａ及びメス金型１ｂを各々作製した。
そして、上記型体１により作製した該メス金型１ｂとともにオス金型１ａによって、厚さ１ｍｍのＪＩＳ ５０８３−Ｏのアルミニウム合金板６ａを弁当箱形状の成形品７ｂに成形した。
なお、この成形にあたっては、まず成形品７ｂの隅部での板厚を確保できるように、該隅部に対応するオス金型１ａの押棒４ａ”を５５０℃に加熱後すぐに反復して出没させながら突出させた。その後に、押棒４ａ全面を中心部から同心円状に、反復して０．３ｍｍずつ保持部３より突出させるとともに０．２ｍｍ没入させ、且つ１サイクル０．１秒で打突しながら徐々にメス金型１ｂ側に突出させた。
その結果、破断やシワ等の変形がなく、板厚がほぼ均一な深い造形を有する弁当箱形状の成形品７ｂを得ることができた（図６参照）。

次に、鋼製（ＳＨ３５）による一辺が５ｍｍで、球面形状の先端の曲率Ｒが１０ｍｍの角棒からなる押棒４を１００×１００本を束ねて拘束した保持部３と、該押棒４には１本ずつ接続したアクチュエーター（図示せず）の出没量、突出量並びに固定の有無を制御する出没制御機構２からなる型体１によりオス金型１ａ及びメス金型１ｂを各々作製した。
そして、上記型体１により作製した該メス金型１ｂとともにオス金型１ａによって、厚さ１ｍｍのＪＩＳ ６０１６−Ｔ４のアルミニウム合金板６ａをドーム形状の成形品７ａに成形した。
なお、この成形にあたっては、オス金型１ａの千鳥位置にある複数の押棒４全面を交互に、反復して０．３ｍｍずつ保持部３より突出させるとともに０．２ｍｍ没入させ、且つ１サイクル０．１秒で打突しながら徐々にメス金型１ｂ側に突出させた。このとき、金属母材６ａの加工度が高い部分ではその温度が２５０℃にまで上昇するものとなった。
その結果、破断やシワ等の変形がなく、通常の塑性成形に得られる成形品の２倍の成形高を有する成形品７ａを得ることができた。

また、本願発明の金属母材の成形方法により管状の成形品７ｃを塑性成形により成形するにあたっては、次のようにするものである。
まず、図７において示すように、使用するオス金型９となる型体１’は、円筒形状である保持部１０と該円筒形状の保持部１０の内周面に、出没制御機構（図示せず）により出没自在とし、且つ任意の位置で固定可能とするように複数拘束する押棒１１から構成される。
一方、使用するメス金型１２となる型体１”は、上記円筒形状のオス金型９の内径より小さい外径を有する円筒形状である保持部１３の外周面に、出没制御機構により出没自在とし、且つ任意の位置で固定可能とするように複数拘束する押棒１４から構成される。
そこで、オス金型９から圧力を受けて成形を行うメス金型１２の作製にあたっては、成形品７ｃの内周面に対して前記型体１”の押棒１４を当接させる。
その結果、該押棒１４は成形品７ｃの内周面形状に沿って保持部１３から出没し、成形品７ｃの内周面形状は正確に型体１”の押棒１４に転写される。
そして、成形品７ｃの内周面形状に従って出没した該押棒１４を出没制御機構により固定することで、型体１”は成形品７ｃの内周面形状を押棒１４に転写したメス金型１２となる。

次に、管状の金属母材６ｂ内部に治具（図示せず）により固持する上記メス金型１２を中心に設置した上で、該金属母材６ｂを挟んで該メス金型１２に対向するようにオス金型９を配置する。なお、前記オス金型９は金属母材６ｂの外周面全面にわたり配置されるものであっても、また外周面の一部のみに配置され、成形時に外周面に沿って順次移動するものであっても良いものである。
そして、前記オス金型９の押棒１１は、出没制御機構により、部分ごとに反復して出没、且つ回転しながら前記金属母材６ｂの外周面を打突してメス金型１２側に徐々に突出するものである。
このとき、該オス金型９の押棒１１の打突及び回転により発生する摩擦熱によって、金属母材６ｂでは塑性流動が促されるので、容易に、しかも徐々に塑性変形を起こしながら、該金属母材６ｂ内に設置されたメス金型１２により成形されるものとなる。
その結果、破断やシワ等の変形がなく、均一の厚さで、且つ高い加工硬化度を有する成形品７ｃを得ることができる（図８参照）。

また、上記管状の金属母材６ｂの成形は、成形品７ｃの内周面形状を転写したメス金型１２が該金属母材６ｂ内に、オス金型９を該金属母材６ｂ外に設置して行うものであるが、該メス金型１２が金属母材６ｂ外に、オス金型９を該金属母材６ｂ内に設置して行うものであっても良いものである。

ところで、管状の成形品７ｄの内周面形状において部分的に内径が異なっていると、上述のように該成形品７ｄの内周面形状を転写したメス金型１２を管状の金属母材６ｂ内に直接挿入することができない。
そこで、上記のような場合において、上記管状の成形品７ｄの成形は次のようにして行うものである。
まず、使用する型体１”は、上述のように、円筒形状である保持部１３の外周面に、出没制御機構により出没自在とし、且つ任意の位置で固定可能とするように複数拘束する押棒１４から構成される。
そして、該型体１”は、金属母材６ｂに対して反復して出没、且つ回転しながら打突して塑性流動を促し、徐々に突出して塑性変形を起こすものである。
そこで、成形品７ｄの内周面に対して前記型体１”の押棒１４を当接させることで、該押棒１４は成形品７ｄの内周面形状に沿って保持部３ｂに対して出没するため、成形品７ｄの内周面形状は正確に該型体１”の押棒１４に転写される。
そして、成形品７ｄの内周面形状に従って出没した該押棒１４を出没制御機構（図示せず）により固定することで、型体１”は成形品７ｄの内周面形状を押棒１４に転写したオス金型１２となるものである。
なお、前記オス金型１２の押棒１４における反復して行う出没、回転及び突出は、保持部３ｂ内の孔３ｂ’内において充填封入される液体や気体を伝達媒体として、該孔３ｂ’内に密嵌させるプラグ１５の摺動によって発生する圧力により行うものである。
また、前記オス金型１２の外周面に配設される各押棒１４の突出量は成形品７ｄの内周面形状に合わせて突出量が出没制御機構により設定されている。その結果、すべての押棒１４が保持部３ｂより突出すると、成形品７ｄの内周面形状が再現されるものである。

次に、予め成形品７ｄの内周面形状を転写したオス金型１２は一旦プラグ１５による圧力を解除して押棒１４を保持部３ｂ内に没入させる。そして管状の金属母材６ｂ内部に治具（図示せず）により固持する上記オス金型１２を中心に設置するものである。
そこで、該管状の金属母材６ｂ内にオス金型１２を設置した後に、前記プラグ１５をメス金型１２の保持部３ｂの孔３ｂ’内を摺動させることで圧力が発生し、オス金型１２を構成する保持部３ｂより押棒１４が突出し、且つ回転しながら金属母材６ｂを打突して徐々に突出させるものである。
このとき、該押棒１４の打突及び回転により発生する摩擦熱によって、金属母材６ｂにおいては塑性流動が促されるので、容易に、しかも徐々に塑性変形を起こしながら該オス金型１２の保持部３ｂより所定の長さに突出した押棒１４により成形されるものである。
その結果、破断やシワ等の変形がなく、均一の厚さで、且つ高い加工硬化度を有する成形品７ｄを得ることができる（図９参照）。
更に、塑性成形後は、オス金型１２の保持部３ｂ内の孔３ｂ’内を摺動するプラグ１５を抜出する等により押棒１４に加わる圧力を解除することで、該保持部３ｂより突出している押棒１４は保持部３ｂ内に没入するものとなる。
その結果、該オス金型１２の外径は小さくなり、容易に成形体７ｄ内より抜出することができる。

本願発明は、外観性を重視しない自動車部品、例えばバンパーシステム、ステアリングハンガー、クラッシュボックス、カバー類乃至はヒートインシュレーターなどの自動車部品の製造において広く適用することができる。

本願発明の金属母材の成形方法において使用する型体の作動状況を示す正面図である。 該型体を構成する押棒の作動状態を示す要部拡大図である。 本願発明における実施例１の金属母材の成形方法において使用するメス金型の作製方法を示す模式図である。 本願発明における実施例１の金属母材の成形方法を示す模式図である。 本願発明における実施例１の金属母材の成形方法による成形品に対する孔部を穿設する方法を示す模式図である。 本願発明における実施例１の金属母材の成形方法により弁当箱形状の成形品の成形方法するを示す模式図である。 本願発明における実施例２の金属母材の成形方法において使用するオス金型とメス金型を示す斜視図である。 本願発明における実施例２の金属母材の成形方法を示す模式図である。 本願発明における実施例３の金属母材の成形方法を示す模式図である。

符号の説明

１、１’、１” 型体
１ａ オス金型
１ｂ メス金型
２、２ａ、２ｂ 出没制御装置
３、３ａ、３ｂ 保持部
３ｂ’ 孔
４、４ａ、４ａ’、４ａ”、４ｂ、４ｂ’ 押棒
５ （押棒の）先端
６ 金属母材
６ａ （板状の）金属母材
６ｂ （管状の）金属母材
７、７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ 成形品
８ 孔部
９ オス金型
１０ 保持部
１１ 押棒
１２ メス金型
１３ 保持部
１４ 押棒
１５ プラグ

Claims (4)

1. 金属の押棒と、出没制御機構により該押棒を出没自在とし、且つ任意の位置で固定可能とするように複数拘束する保持部から構成される型体により成形品のオス金型及びメス金型を作成し、該オス金型及びメス金型により塑性成形を行う金属母材の成形方法であって、
   前記オス金型を構成する押棒の先端を球面形状とした上で、
   前記オス金型を構成する単数又は複数の押棒を、全面にわたり又は部分ごとに反復して出没させながら徐々に突出させることで、金属母材を打突しつつ順次塑性変形を起こさせ、メス金型により成形してなることを特徴とする金属母材の成形方法。
2. 金属の押棒と、出没制御機構により該押棒を出没自在とし、且つ任意の位置で固定可能とするように複数拘束する保持部から構成される型体により成形品のオス金型を作成し、該金型により塑性成形を行う金属母材の成形方法であって、
   前記オス金型を構成する押棒の先端を球面形状とした上で、
   前記オス金型を構成する単数又は複数の押棒を、全面にわたり又は部分ごとに反復して出没させながら徐々に突出させることで、金属母材を打突しつつ順次塑性変形を起こさせるとともに、該金型により成形してなることを特徴とする金属母材の成形方法。
3. 前記オス金型を構成する単数又は複数の押棒を回転させてなることを特徴とする上記請求項１又は２記載の金属母材の成形方法。
4. 前記金属母材を成形すると同時に、孔部を穿設してなることを特徴とする上記請求項１乃至３記載の金属母材の成形方法。
   
   

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