JP2017051962A - アルミニウム合金製バスバーおよびその製造方法 - Google Patents
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例えば、特許文献1には、Si:0.3〜1.5質量%、Mg:0.3〜1.0質量%を含有する6000系アルミニウム合金で構成され、導電率が45.0%IACS以上であり、結晶方位分布関数解析による板表面のCube方位分布密度がランダム方位に対して45以上、板表面における圧延方向の平均結晶粒径が150μm以下であるバスバー用アルミニウム合金素材板が提案されている。
この図14から分るように、前記特許文献1、2による曲げ加工性の評価は、板の板厚方向、すなわち面外(板の平面外)へ曲げ加工するバスバーへの、面外の曲げ試験による評価でしかない。
つまり、前記特許文献1、2では、アルミニウム合金板の一部を、通常の面外(板の平面外)に曲げ加工して曲げ部を形成する場合しか意図していない。
言い換えると、前記特許文献1、2では、アルミニウム合金板あるいは条の中央部などの一部を面内(板と同一平面内)にて曲げ加工(幅曲げ)して曲げ部を形成するようなアルミニウム合金製バスバーの実用化は、全く認識されていなかった。
実際に、アルミニウム合金板あるいは条の素材(以下、単にアルミニウム合金条と言う)からバスバーを製造(成形加工)するに際して、アルミニウム合金条の一部を、前記した面内にて曲げ加工して、曲げ部を形成する、前記銅合金と同じような面内曲げ加工は困難であった。
しかし、このように、板や条の素材から折れ線状のブランクに切り取ると、必然的に材料の未使用部が多くでき、材料歩留まりが低くなり、工程も増すという、製造上の大きな欠点があった。また、バスバー形状も3次元の立体的に大きくならざるを得ず、必要とする設置スペースの点でも不利となる。
勿論、前記曲げ部内側の曲率半径R1と前記板幅Bとの特定の関係は、特定の範囲の、板厚t、板幅B、導電率、0.2%耐力を有するアルミニウム合金条であることを前提としている。
図1〜4に本発明バスバーの一実施態様を示す。
本発明で言うバスバー(bus−bar)は、前記した通り、電動輸送機器の各種の電気機器の電気的な接続部品であり、具体的な用途に応じて、その面内曲げ部を含めて、種々の形状がある。
このうち、図1〜4に示す本発明バスバーの態様は、図13の従来の面外曲げのみのバスバーとは異なり、長手方向の中央部などの一部、あるいは全部が、1箇所以上、必ず面内曲げされているものである。言い換えると、条を面内にて曲げ加工した曲げ部を1箇所以上有するものである。
これに対して、面外の曲げ加工とは、通常汎用される曲げ加工であり、条の板厚方向、すなわち条の平面外へ曲げ加工するものである。
ただ、本発明における特徴的な面内にて曲げ加工した曲げ部=面内の曲げ部を、この従来の一般的な面外の曲げ加工による曲げ部と区別するためには、曲げた後の結果物としての曲げ部からでは、曲げ方向や曲げ形状からの予測の域を出ず、困難である。
例えば、前記図13のバスバーは、面外の曲げ加工のみを繰り返したものか、面内の曲げ加工のみによるものか、あるいはこれらを組み合わせたものか、区別、識別することが、困難である。
したがって、本発明における特徴的な面内の曲げ部は、面内曲げという加工方法を規定(利用)して、「条を面内にて曲げ加工した曲げ部」あるいは同義語である「面内曲げ部」と表現せざるを得ない。
曲げ部6において、R1は曲げ内側の曲率半径(曲げ部6の内側の曲げ半径)、R2は曲げ外側の曲率半径(曲げ部6の外側の曲げ半径)である。
また、θは曲げ部6の平面視での曲げ角度で、この図1の場合、略90°である。
本発明では、前記電気的な接続部品としての具体的な用途に応じて、面内の曲げ加工によって、図4あるいは図1のように、曲げ部6を1箇所以上、必要に応じて設けることが可能である。
本発明では、請求項1で規定する、曲げ部内側の曲率半径R1と条の板幅Bとの関係式(0.3R1+6.5<B<0.3R1+11.5、好ましくは、0.3R1+8.5<B<0.3R1+11.5)と曲げ角度の条件式60°≦θ≦120°が成立する前提として、アルミニウム合金条の、板厚t、板幅B、導電率、0.2%耐力を各々規定する。
このため、先ず、アルミニウム合金条の板厚tは1.5〜4.0mm、板幅Bが7〜20mmの各範囲とする。
これら板厚tや板幅Bが大きいほど、バスバーの断面積が大きくなって導電量が増し、また、通電時の発熱による変形(クリープ変形)に対する耐クリープ性も高くなる。
面内の曲げ加工は、条をその長手方向や幅方向に、条の面外(条の平面外)に曲げる、通常の曲げ加工よりも、曲げ外側の伸びが大きくなるので、元々著しく厳しい加工となる。そして、板幅Bが大きくなるほど、曲げ外側の伸びが大きくなるので、面内曲げ加工の厳しさはより大きくなる。
なお、曲げ角度θが60°より小さいと、電気機器の設置スペース内での配線の自由度が小さくなり、機能的な配線が不可能となり、実用的でなくなる。したがって、当然、曲げ半径や曲げ角度や、条の板厚、板幅、アルミニウム合金条の機械的性質などによっても、その挙動は当然異なるが、面内の曲げ加工による、形状不良や板厚不良、曲げ割れなどが生じやすくなる。
同じく板厚tが大きいほど、面内曲げ(幅曲げ)に対する変形能が増して、面内の曲げ加工がし易くなるが、板厚tが4mm超と厚くなりすぎると、通常の曲げである面外曲げ時の曲げ性が低下するため、バスバーとしての機能を満たせなくなる。
次なる前提として、アルミニウム合金条の導電率も45.0%IACS以上とする。
導電率は、アルミニウム合金条における、アルミニウム合金組成や条の製造条件に深く関わり、この合金組成や製造条件は、強度や曲げ特性として、面内曲げ加工性にも深く関わる。そして、勿論、導電率は、バスバーの導電性に直接関わる。
アルミニウム合金条の導電率が45.0%IACS以上であると、特定した前記板厚tや板幅Bの範囲で、バスバーの導電性を確保することができる。
一方、アルミニウム合金条の電気抵抗が高く、導電率が45.0%IACS未満であると、導電性を確保する所望の電流を流すために、バスバーの断面積を増加させる必要が生じ、部品重量の増加に繋がって、バスバーをアルミ化する意義が無くなる。
なお、導電率については、高ければ高いほどよく、好ましくは47.0%IACS以上、さらに好ましくは50.0%IACS以上である。ただ、導電率を高くしすぎると、すなわち過度な固溶量減少および析出物粗大化が生じることにより耐クリープ性が低下する傾向にある。このため、導電率の上限は60%IACSとすることが好ましい。
更なる前提として、アルミニウム合金条の0.2%耐力は180MPa以上であることとする。
0.2%耐力が180MPa以上であると、バスバーに要求される強度や耐クリープ性を確実に確保することができる。一方、0.2%耐力が180MPa未満であると、耐クリープ性が低下してしまい、要求されるバスバーの特性を満たせなくなる。
なお、0.2%耐力は強度や耐クリープ性には高いほど良く、好ましくは180MPa以上、さらに好ましくは190MPa以上とする。
ただ、あまり0.2%耐力が高くなり過ぎると、面内の曲げ加工が困難となるので、その上限は250MPa程度、好ましくは230MPa程度とする。
以上のアルミニウム合金条の諸特性を満足する合金としては、JIS乃至AAに規格される6000系アルミニウム合金であることが好ましい。
6000系アルミニウム合金は、下記所定量のSiおよびMgを主要元素として含有するとともに、導電性を低下させる合金元素量が少なく、前記した板厚tや板幅Bの範囲で、導電率45.0%IACS以上や、180MPa以上の0.2%耐力を得やすい。また、面内の曲げ加工性や、面外の曲げ加工性にも優れる。
Siは、0.3〜1.5質量%の含有量範囲で、Mgとともに溶体化熱処理後の人工時効処理時に時効析出物を形成して強度を向上させるとともに、Siが高温環境下での転位の移動を阻害することで、耐クリープ性を向上させる。
Mgも、0.3〜1.0質量%の含有量範囲で、Siとともに溶体化熱処理後の人工時効処理時に時効析出物を形成して強度を向上させるとともに、Mgが高温環境下での転位の移動を阻害することで、耐クリープ性を向上させる。
このため、これらSiやMgを含有する6000系アルミニウム合金条は、本発明のバスバー用のアルミ合金として好適である。
本発明では、以上のアルミニウム合金条の条件を前提として、この条を面内にて曲げ加工した曲げ部6の形状を規定する。
曲げ部6の形状は、前記曲げ部内側の曲率半径R1(mm)が、アルミニウム合金条の板幅B(mm)との関係で、0.3R1+6.5<B<0.3R1+11.5、好ましくは、0.3R1+8.5<B<0.3R1+11.5を満たすとともに、曲げ角度θが60°≦θ≦120°の条件を満たす、円弧状の曲げ形状を有することとする。
これら曲げ角度θ、あるいはθ1とθ2同士、前記曲げ部内側の曲率半径R1同士、あるいは前記曲げ部外側の曲率半径R2同士は、前記した範囲内であれば、前記電気的な接続部品としての具体的な用途に応じて、互いに同じ数値であっても、違っていても良い。
図5〜10は、面内曲げ加工時に、割れが生じた場合を×、割れは生じないが板厚の変動が後述する許容変動量を超えた場合を△、板厚の変動が後述する許容変動量内であった場合を〇で示している。
この実際の面内曲げ試験の試験条件を以下に示し、試験結果の一覧を表1に示す。
表1においても、図5〜10と同様に、○印は面内曲げが良好な場合、△印は面内曲げでの肉厚の偏差が許容範囲外の場合、×印は面内曲げで割れが生じた場合である。
実際の面内曲げ試験は、アルミニウム合金条の板厚tを1.0〜2.0mm、曲げ部6の内側の曲率半径R1を5〜10mm、条の板幅Bを8〜16mmまでの範囲で種々変え、面内曲げ加工する条の長さは135mmm(図11に記載)と一定にして、後述する図11、12の面内曲げ方法で、面内曲げ試験を行った。
この際、後述する図11、12の面内曲げ方法も種々変えて試験した。
例えば、図11の予備曲げをせずに、図12の最終曲げを行った場合も試験した。また、予備曲げの曲げ部15の内側の曲率半径R3(図11のポンチ12先端のR3)を、条の板幅Bの1.25〜2.5倍としたうえで、最終曲げの曲げ部6の曲率半径R1(図12のポンチ16先端のR4)を5〜10mm(条の板幅Bの0.3倍から1.25倍)まで種々変えた場合も試験した。
面内曲げの工具は、大きさは前記条の板幅や長さに見合ったものとして、前記図11、12に示すポンチ12、16、ダイス13に記載の各寸法条件とし、ポンチ12、ポンチ16の押圧速度は1mm/s、ダイス13のV字状の溝型14の角度は60°、90°、120°、140°とした。
なお、板厚tが1.0mmのアルミニウム合金条(曲げ素材)は、前記0.2%耐力が197MPaであることを除いて、導電率、組成は、板厚tが2.0mmのアルミニウム合金条と同じであった。
導電率は、日本フェルスター株式会社製の渦流導電率測定装置[型式「シグマテストD2.068」]によって、条表面の互いに間隔を100mm以上開けた任意の5箇所で行い、平均化した。
0.2%耐力は、条から引張方向が圧延方向と平行になるようにJIS5号の試験片を切り出し、JIS Z 2241に準拠して引張試験を実施し、クロスヘッド速度は5mm/分で、試験片が破断するまで一定の速度で行った。
これら図5〜10は、前記した通り、前記表1の試験結果をもとに、縦軸に面内曲げの曲げ半径R1、横軸に板幅Bをとって、各場合の試験結果をプロットしたグラフである。
これら図のうち、図5は、表1の一番上の、板厚が2.0mm、曲げ角度が90°で、予備曲げ加工無しの場合である。
図6は、表1の上から二番目の、板厚が2.0mm、曲げ角度が60°で、予備曲げ加工無しの場合である。
図7は、表1の上から三番目の、板厚が2.0mm、曲げ角度が120°で、予備曲げ加工無しの場合である。
図8は、表1の一番上右側の、板厚が2.0mmで、曲げ角度が90°、予備曲げ加工がありの場合である。
図9は、表1の上から四番目の、板厚が2.0mm、曲げ角度が140°で、予備曲げ加工無しの場合である。
図10は、表1の一番下の、板厚が1.0mm、曲げ角度が90°で、予備曲げ加工無しの場合である。
一方、Bが0.3R1+11.5と同じか、0.3R1+11.5よりも大きければ、板幅Bに対して、曲げ半径R1が小さすぎる、あるいは曲げ半径R1に対して板幅Bが大きすぎることを意味し、面内の曲げ加工が困難となり、やはり、板厚の変動が許容変動量内である円弧状の曲げ部6を確保できない。
したがって、これらの図から,曲げ部6が割れずに、また、後述する板厚(断面積)の許容変動量の範囲で面内曲げが可能であるためには、前記アルミニウム合金条の条件範囲では、曲げ部6の内側の曲率半径R1(mm)と、アルミニウム合金条の板幅B(mm)とに、前記した一定の関係が必要であることが実験的かつ統計的に分る。
図5〜10中には、これらの板幅Bの範囲を規定する直線をプロットしており、上記の板幅範囲が妥当であることが確認できる。
なお、規定する範囲から、前記曲げ部の平面視での曲げ角度θが大きめに外れる、図9の曲げ角度θが140°以上の場合、板厚tが低めに外れる図10の素材板厚が1mmの場合には、上記の板幅範囲内においても、適切な面内曲げ加工がなされず、本発明の適切な曲げ加工範囲に含まれないことが確認できる。
本発明では、前記曲げ部6の形状とともに、アルミニウム合金条を面内にて曲げ加工した曲げ部6の板厚(断面積)の許容変動量を規定する。
すなわち、曲げ部6の板厚(断面積)の許容変動量は、曲げ部6の内側側面4におけるバスバー長手方向に亘る最大板厚増加率が25%未満であるとともに、曲げ部6の外側の側面5の板厚のバスバー長手方向に亘る最大板厚減少率が25%未満であることとする。
面内曲げの場合、図2に一点鎖線で示す板幅の中立軸に対して、曲げ部6の曲げ内側の側面4近くの材料には長手方向へ圧縮応力、曲げ外側の側面5近くの材料には長手方向へ引張応力が作用する。
したがって、曲げ部6の曲げ内側の側面4の板厚は増加する方に変動し、曲げ部6の曲げ外側の側面5の板厚は減少する方に変動する。
この最大板厚増加率が25%以上の場合、曲げ部6において必要とする設置スペースが大きくなり、スペース効率が保持できなくなって、限られた設置スペースでは、他の部材との干渉も生じる。
前記条件を有するアルミニウム合金条を、アルミニウム合金製バスバーに面内曲げ加工する、好ましい製造方法を図11、12に示す。
図11に面内曲げ加工のうちの予備曲げ加工、図12に最終の面内曲げ加工を示す。
その上で、アルミニウム合金条11の中央部を、上方に配置され、先端の半径がR3であるポンチ12の先端部12aによって押圧して(ポンチ12の先端部12aと溝型14のV字先端との軸同士が重なるように押圧)、前記V字状の溝型14に押し付け、板幅Bの方向に、面内で変形させて、円弧状の予備曲げ部15を形成する。
この際、予備曲げの曲げ部内側の曲率半径R3が、アルミニウム合金条の板幅Bの1.5倍未満では、予備曲げの効果が無く、1段のみの面内曲げ加工と大差なくなる。このため、続く図12の最終面内曲げで、曲げ部6が割れたり、曲げ部6の形状を、前記曲げ部の内側の曲率半径R1とアルミニウム合金条の板幅Bとの関係を満たす、円弧状の曲げ形状とすることができない可能性が高くなる。
そして、アルミニウム合金条を板幅Bの方向に変形させて、前記曲げ部の内側の曲率半径R1とアルミニウム合金条の板幅Bとの関係を満たす、最終の円弧状の曲げ部6を形成して、前記図1のバスバー形状とする。
Claims (4)
- 板厚tが1.5〜4.0mm、板幅Bが7〜20mmの各範囲で、かつ、導電率が45.0%IACS以上で、0.2%耐力が180MPa以上のアルミニウム合金条からなり、この条を面内にて曲げ加工した曲げ部を1箇所以上有するアルミニウム合金製バスバーであって、前記曲げ部における、この曲げ部内側の曲率半径R1(mm)と前記条の板幅B(mm)とが、0.3R1+6.5<B<0.3R1+11.5の関係を満たすとともに、前記曲げ部の平面視での曲げ角度θが、60°≦θ≦120°である、円弧状の曲げ形状を有し、前記曲げ部の内側側面におけるバスバー長手方向に亘る最大板厚増加率が25%未満であるとともに、前記曲げ部の外側側面におけるバスバー長手方向に亘る最大板厚減少率が25%未満である、ことを特徴とするアルミニウム合金製バスバー。
- 前記条の板幅Bと、前記曲げ部内側の曲率半径R1とが、0.3R1+8.5<B<0.3R1+11.5を満たす、円弧状の曲げ形状を有する、請求項1に記載のアルミニウム合金製バスバー。
- 前記アルミニウム合金条が6000系アルミニウム合金からなる請求項1または2に記載のアルミニウム合金製バスバー。
- 板厚tが1.5〜4.0mm、板幅Bが7〜20mmの各範囲で、かつ、導電率が45.0%IACS以上で、0.2%耐力が180MPa以上のアルミニウム合金条を、面内にて曲げ加工する際に、前記条を、その板幅Bの1.5倍以上の曲げ部内側の曲率半径で一旦曲げ加工した後に、更に、その板幅Bの1.0倍以下の曲げ部内側の曲率半径で曲げ加工する、段階的な曲げ加工を行って曲げ部を1箇所以上形成し、前記曲げ部における、この曲げ部内側の曲率半径R1(mm)と前記条の板幅B(mm)とが、0.3R1+6.5<B<0.3R1+11.5の関係を満たすとともに、前記曲げ部の平面視での曲げ角度θが、60°≦θ≦120°である、円弧状の曲げ形状を形成し、前記曲げ部の内側側面におけるバスバー長手方向に亘る最大板厚増加率を25%未満とするとともに、前記曲げ部の外側側面におけるバスバー長手方向に亘る最大板厚減少率を25%未満とすることを特徴とするアルミニウム合金製バスバーの製造方法。
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