JP2017192972A

JP2017192972A - アルミニウム樹脂複合積層板の絞り成形用ブランク材及びこれを用いた三次元成形品の製造方法

Info

Publication number: JP2017192972A
Application number: JP2016085265A
Authority: JP
Inventors: 山本　正博; Masahiro Yamamoto; 正博山本
Original assignee: Mitsubishi Aluminum Co Ltd
Current assignee: MA Aluminum Corp
Priority date: 2016-04-21
Filing date: 2016-04-21
Publication date: 2017-10-26

Abstract

【課題】三次元成形品を絞り成形によって製造する際の成形性をさらに向上させて、成形後に良好な外観特性を得る。【解決手段】発泡倍率が１．５倍以上１０倍以下の発泡合成樹脂層の両面にアルミニウム板材が積層状態で接合されてなるアルミニウム樹脂複合積層板を、複数の角部とこれら角部間を連結する面部とによって画成される三次元形状の製品に絞り成形するための絞り成形用ブランク材であって、平面視矩形状に形成されるとともに、角部に対応するコーナー凸部が、２個の外向き凸円弧部の間に凹円弧部が連続して形成されており、凸円弧部の曲率半径が成形深さ寸法の２倍以下に形成され、凹円弧部の曲率半径が成形深さ未満に形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、アルミニウム板と合成樹脂層とを積層してなるアルミニウム樹脂複合積層板を三次元形状の製品に絞り成形するために適切な形状のブランク材に関する。

近年の車両の軽量化に伴い、車体や車両部品の一部の鋼板をアルミニウム板とすることが検討されている。また、制振性、遮音性、断熱性などを付与するため、二枚のアルミニウム板の間に合成樹脂層を挟んで積層したアルミニウム樹脂複合積層板とすることが提案されている。
また、このアルミニウム樹脂複合積層板を車体や車両部品の一部とする場合、通常、プレス等によって絞り加工されることが多い。この絞り加工において、角型容器を成形する場合、特に底辺の角部付近に材料が集まり易く、角部にしわや割れが生じ易い。このため、平面積に対して深さが浅いトレイ状の角型容器しか成形できなかった。

この絞り加工により角型容器を製造する方法として、例えば特許文献１には、ブランク材としては、通常、成形品の形状に合わせた正方形乃至長方形などの方形ブランク材が用いられるところ、アルミニウム樹脂複合積層板の材料の流れ込みを良くするために、方形ブランク材の各々のコーナー部（コーナー凸部）を面取り乃至カットしたブランク材を用いることが好ましいと記載されている。

特開平１１−２８５７４３号公報

しかしながら、特許文献１記載の方法では、１．２ｍｍのアルミニウム板どうしを樹脂を介して接合して２．４ｍｍの複合積層板とすることが例示されており、極めて薄肉の樹脂を積層している。このため、発泡させた樹脂のように厚肉の樹脂を積層させた複合積層板に適用するには、ブランク材のコーナー部（コーナー凸部）を単純に面取り乃至カットするだけでは、しわや割れを生じることなく深絞り加工することは難しい。特に車両の外板に用いられる複合積層板の場合は、肌荒れ等のない良好な表面であることが求められ、さらなる改善が望まれる。

本発明は、前記事情に鑑みてなされたもので、三次元成形品を絞り成形によって製造する際の成形性をさらに向上させて、成形後に良好な外観特性を得ることを目的とする。

本発明のアルミニウム樹脂複合積層板のプレス成形用ブランク材は、発泡倍率が１．５倍以上１０倍以下の発泡合成樹脂層の両面にアルミニウム板材が積層状態で接合されてなるアルミニウム樹脂複合積層板を、底部の上に複数の角部とこれら角部間を連結する面部とが形成された三次元成形品に絞り成形するための絞り成形用ブランク材であって、平面視矩形状に形成されるとともに、前記角部に対応するコーナー凸部が、２個の外向き凸円弧部の間に凹円弧部が連続して形成されており、前記凸円弧部の曲率半径が前記三次元成形品の深さの２倍以下に形成され、前記凹円弧部の曲率半径が前記三次元成形品の深さ未満に形成されている。

一般的なアルミニウム単板や樹脂単板と違い、これらの積層板では面方向の引張、圧縮に加え、板厚方向の変形も考慮する必要があるため、より複雑な塑性流動を考慮する必要がある。このため、角型容器等の三次元成形品を絞り成形する場合、その角部（角型容器の場合は４か所に形成される角部）を形成するためのコーナー凸部を、特許文献１記載のように単純に面取りするだけでなく、２個の凸円弧部の間に凹円弧部が連続して形成された形状とすることにより、角部の深さ方向の流入量を適正な範囲にコントロールできるとともに、側壁方向への変化量も適正にすることにより、縁部が均整のとれた、割れやしわのない成形品を得ることができる。
この場合、凸円弧部の曲率半径を三次元成形品の深さの２倍を超える半径とするのは、角部の引張方向の力が強くなり、角部に割れが生じるため、好ましくない。また、凹円弧部の曲率半径を三次元成形品の深さ以上とするのは、角部に余肉が生じることで圧縮方向の力が強くなり、コーナー部にしわが生じるため、好ましくない。
なお、三次元成形品の深さは５ｍｍ以上とすることができる。
また、発泡合成樹脂層の発泡倍率は、１．５倍から１０倍が対象となるが、アルミニウム樹脂複合積層板に最適な三次元成形品を得るには、２倍以上５倍以下がより好ましい。

本発明のアルミニウム樹脂複合積層板の絞り成形用ブランク材において、前記アルミニウム樹脂複合積層板の厚さが２ｍｍ〜１０ｍｍであり、前記アルミニウム板材の厚さが０．１ｍｍ〜４ｍｍであり、前記発泡合成樹脂層の厚さが１．９ｍｍ〜９．８ｍｍであるとよい。

アルミニウム樹脂複合積層板の厚さが２ｍｍ未満では、成形後の形状保持、強度確保など、複合積層板の効果が発揮されにくい。逆に、アルミニウム樹脂複合積層板の厚さが１０ｍｍを超えると、成形が困難になるとともに、重量も増えて複合積層板としての軽量化の妨げとなる。
また、アルミニウム板材の厚さが０．１ｍｍ未満とすることは、板材料としては限界であり、三次元成形も困難である。アルミニウム板材の厚さが４ｍｍを超える場合、複合積層板におけるアルミニウムの比率が大きくなり、軽量化の効果が損なわれる。また難成形のため、成形も難しくなる。
発泡合成樹脂層の厚さが１．９ｍｍ未満では、複合積層板としての軽量化の効果が小さい。発泡合成樹脂層の厚さが９．８ｍｍを超える場合では、複合積層板としての三次元成形が難しくなる。

本発明の三次元成形品の製造方法は、前述のブランク材を絞り成形することにより三次元成形品を製造する方法である。

本発明によれば、三次元成形品を絞り成形によって製造する際の成形性をさらに向上させて、成形後に良好な外観特性を得ることができる。

本発明の一実施形態のアルミニウム樹脂複合積層板の絞り成形用ブランク材を示す平面図である。図１のアルミニウム樹脂複合積層板のブランク材の断面図である。図１のアルミニウム樹脂複合積層板のブランク材をプレス成形金型に設置した状態を示す断面図である。図３に示す状態から三次元成形品を成形した後の状態を示す断面図である。三次元成形品の例を示す斜視図である。試験により評価した各種形状のブランク材の平面図である。図６に示す形状以外に、試験により評価した各種形状のブランク材の平面図である。

以下、本発明に係るアルミニウム樹脂複合積層板の絞り成形用ブランク材及びこれを用いた三次元成形品の製造方法の実施形態を説明する。
本発明のアルミニウム樹脂複合積層板の三次元成形方法により成形される三次元成形品６０としては、図５に示すように、底部６１の上に複数の角部６２とこれら角部６２間を連結する面部６３とが形成された、有底角筒等の筒状成形品、一方を開放した箱状成形品などであり、その一方（通常、外面側）が凸面となり、他方（内面側）が凹面となっている。

＜ブランク材１０の材料＞
そして、アルミニウム樹脂複合積層板のブランク材１０は、図２に模式的に図示したように、発泡合成樹脂層１３の両面にそれぞれアルミニウム板材１１，１２が積層された構成であり、図１に示す平面形状を有している。以下では、三次元成形品６０における凸面となる側の一方のアルミニウム板材を第１アルミニウム板材１１とし、三次元成形品６０における凹面となる側の他方のアルミニウム板材を第２アルミニウム板材１２とする。

アルミニウム樹脂複合積層板のブランク材１０は、特に限定されるものではないが、引張強さが２０ＭＰａ以上８０ＭＰａ以下、耐力が５ＭＰａ以上７０ＭＰａ以下、伸びが１５％以上であるとよく、さらに望ましくは、伸びが１７．５％以上であると成形性の面で好ましい。このブランク材１０として、発泡合成樹脂層１３、第１アルミニウム板材１１、第２アルミニウム板材１２を接着剤を介して積層することにより製造されるものを好適に用いることができる。

この場合、第１アルミニウム板材１１は、マグネシウムは１．５質量％以上１．８質量％以下、銅は０．０２質量％以下を含有し、残部がアルミニウム及び不可避不純物からなり、引張強さが１５０ＭＰａ以上２５０ＭＰａ以下、耐力が５５ＭＰａ以上２４０ＭＰａ以下、伸びが１０％以上であるのが好ましい。また、第２アルミニウム板材１２は、銅（Ｃｕ）を０．０１質量％以上０．２質量％以下含有し、残部がアルミニウム及び不可避不純物からなり、引張強さが６０ＭＰａ以上１４０ＭＰａ以下、耐力が４０ＭＰａ以上１２０ＭＰａ以下、伸びが２０％以上であるのが好ましい。

ブランク材１０の厚さｔも特に限定されるものではないが、所望の強度、剛性を持たせるために２ｍｍ以上１０ｍｍ以下が好ましい。両アルミニウム板材１１，１２の厚さは０．１ｍｍ以上４ｍｍ以下であるとよく、第２アルミニウム板材１２が第１アルミニウム板材１１より薄いとよい。
第１アルミニウム板材１１は、三次元成形品６０の外面側となるため、外面の肌荒れや割れ等の発生を防止して、良好な表面状態に成形することが求められる。一方、第２アルミニウム板材１２は、第１アルミニウム板材１１よりも薄くすることにより、三次元成形品６０の内面側に用いたときの、発泡合成樹脂層１３の凹凸を第２アルミニウム板材１２により吸収して、その凹凸により外面側の第１アルミニウム板材１１に変形（肌荒れ）が生じることを防止することができる。この場合、第１アルミニウム板材１１と第２アルミニウム板材１２との厚さの差（板厚差）は、０．２ｍｍ以上であることが、複合積層板の三次元成形性の面でより好ましい。

そして、発泡合成樹脂層１３は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリウレタン、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート等を用いることができる。なお、発泡合成樹脂層１３は、厚さが１．８ｍｍ以上９．８ｍｍ以下のフィルム状又は板状に形成され、遮音性、遮熱性を付与するために、発泡倍率が１．５倍以上１０倍以下のものが用いられる。発泡倍率とは、発泡プラスチックの見掛けの密度を発泡前の合成樹脂の密度で割った値である。この発泡倍率を１．５倍以上１０倍以下としたのは、１．５倍未満では主に軽量効果が得られないためであり、１０倍を超える発泡倍率では、主に強度や剛性が不足するからである。より好ましい発泡倍率は２倍以上５倍以下である。
また、発泡合成樹脂の融点は１００℃以上であることが望ましい。また、接着剤は、芯材である発泡合成樹脂層１３の材質と同系樹脂の主成分を選定することが好ましく、例えば発泡合成樹脂層１３がポリプロピレンで構成される場合は、ポリプロピレンが主成分の接着剤等が好適である。
そして、この接着剤を発泡合成樹脂層１３の両面又はアルミニウム板材１１，１２の片面に塗布し、両アルミニウム板材１１，１２の間に発泡合成樹脂層１３を挟み、これらをホットプレスやホットロールにより加圧・加熱することにより、発泡合成樹脂層１３の両面にアルミニウム板材１１，１２を一体に積層する。

＜ブランク材１０の形状＞
このようにして得られたアルミニウム樹脂複合積層板のブランク材１０は、図１に示すように、４個の直線状の辺部２１ａ，２１ｂと、四隅で２個の辺部２１ａ，２１ｂどうしの間に配置されるコーナー凸部２２とを有し、全体としては縦Ａ×横Ｂの平面視矩形に形成されているが、その四隅のコーナー凸部２２が、２個の外向き凸円弧部２３の間に１個の凹円弧部２４が連続して形成されている。
具体的には、各辺部２１ａ，２１ｂは、直交する方向に沿って配置され、これら辺部２１ａ，２１ｂの延長線に対して、両延長線の交点から４５°の斜線Ｘ上に凹円弧部２４が配置され、その凹円弧部２４の両側に連続して凸円弧部２３が配置され、各コーナー凸部２２の凸円弧部２３間が辺部２１ａ，２１ｂにより連結されている。図１に示す例では、各コーナー凸部２２において辺部２１ａ，２１ｂの延長線に対して、これらの交点から４５°の角度の斜線Ｘ上に凹円弧部２４の曲率中心Ｃ１が配置され、その斜線Ｘを中心として線対称位置に、凹円弧部２４の両端に連続する凸円弧部２３の曲率中心Ｃ２，Ｃ３が配置されている。また、凹円弧部２４の曲率半径Ｒ１に対して、二つの凸円弧部２３の曲率半径Ｒ２，Ｒ３は小さく形成され、両凸円弧部２３の曲率半径Ｒ２，Ｒ３は同じ寸法に設定されている。したがって、凹円弧部２４及びこれに続く凸円弧部２３は、斜線Ｘを中心とする線対称となるように形成されている。
ただし、二つの凸円弧部２３の曲率半径Ｒ２，Ｒ３は必ずしも同一でなくてもよい。
また、絞り成形により形成されて三次元成形品６０の深さをＨとすると、凸円弧部２３の曲率半径Ｒ２，Ｒ３は深さＨの２倍以下に形成され、凹円弧部２４の曲率半径Ｒ１は深さＨ未満に形成されている。なお、これら凸円弧部２３及び凹円弧部２４は、図１では、それぞれ単一の曲率半径によって形成されているが、いずれの円弧部とも、複数の曲率半径の円弧を連続させて形成してもよい。

＜三次元成形品の製造＞
このように形成したブランク材１０を、図３に示すように、プレス用金型１００に、第１アルミニウム板材１１が成形品の外面となるように配置する。このとき、成形品の深さが小さい場合には常温で成形するが、複雑な形状の成形品である場合、金型１００の表面及びブランク材１０を予め加温して、温間成形を行う。温間成形の温度としては、ブランク材１０の発泡合成樹脂層１３の荷重たわみ温度よりも高い温度に設定される。発泡合成樹脂層１３の荷重たわみ温度は、プラスチック‐荷重たわみ温度の求め方（ＪＩＳＫ７１９１）に規定された試験方法（Ａ法、フラットワイズ）により得られる温度であり、発泡合成樹脂層１３を形成する発泡合成樹脂が一定の荷重を受けた際に変形する温度（熱変形温度ともいう）のことを表している。

そして、図３に示すように、ブランクホルダー３０上に、第１アルミニウム板材１１が成形品の外面となるようにブランク材１０を配置した後、ダイ４０を下降移動させることにより、ブランク材１０の外周部を、ブランクホルダー３０とダイ４０との間に挟持してしわ押さえ力を付与する。しわ押さえ力Ｆは、ブランク材１０の発泡合成樹脂層１３に変形を生じさせない範囲の低圧に保持する。この際、ブランクホルダー３０とダイ４０とは予め加温されているので、ブランクホルダー３０とダイ４０との間にブランク材１０の外周部が挟まれることにより加熱される。そして、ブランク材１０の外周部がブランクホルダー３０とダイ４０との間で挟持される際に、外周部だけではなくブランク材１０全体が平坦化される効果が望める。

そして、ブランクホルダー３０とダイ４０との間にブランク材１０の外周部を挟持してしわ押さえ力を保持した状態でブランク材１０を下降移動させることにより、ダイ４０とパンチ５０との間でブランク材１０に絞り成形を施して、図４に示すように、三次元成形品６０を成形する。
このとき、前述の凹円弧部２４と凸円弧部２３とからなるコーナー凸部２２を有するブランク材１０としたことにより、凹円弧部２４は角部６２に余肉が生じることなく変形が進み、その結果、割れやしわが生じない良好な三次元成形品が得られる。また両側の凸円弧部２３により、凹円弧部２４で拘束された材料の逃げ道を与えることで、角部６２の成形をさらに向上させている。以上のことから、特に角部６２に割れやしわのない、良好な外観を呈する三次元成形品６０を成形することができる。
また、このアルミニウム樹脂複合積層板のブランク材１０は、外面側に配置される第１アルミニウム板材１１が内面側に配置される第２アルミニウム板材１２より厚く、強度、剛性も第２アルミニウム板材１２より高く形成され、これに対して、内面側に配置される第２アルミニウム板材１２は厚さが小さく、変形が容易であるので、曲げ部分で発泡合成樹脂層１３が凹凸状に変形したとしても、その変形が成形品の内面側の第２アルミニウム板材１２の変形によって吸収され、外面側の第１アルミニウム板材１１に肌荒れや割れが発生することが防止される。また、温間成形することにより、さらに成形性が向上し、表面を平滑にすることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

第１アルミニウム板材として、５０００系アルミニウム合金からなる厚さ０．３５ｍｍの板材を用い、第２アルミニウム板材として、１０００系アルミニウム合金からなる厚さ０．１５ｍｍの材料を用い、発泡合成樹脂層として発泡倍率３．０倍のポリプロピレンからなる厚さ２．５ｍｍのものを用いた。これらを積層してなる複合積層板について、図６及び図７に示す各形状のブランク材を形成した。いずれのブランク材も縦Ａが１５８ｍｍ、横Ｂが２３０ｍｍ、厚さｔが３．０ｍｍとした。図６の（ａ）〜（ｄ）の各ブランク材は、コーナー凸部に、２個の外向き凸円弧部の間に凹円弧部が連続して形成された本発明の実施形態の形状である。このうち、（ｄ）には、コーナー凸部と辺部との境界に辺部に直交する切り込みを形成した。切り込みの長さは５ｍｍとした。図６（ａ）を「鍔型」、同図（ｂ）を「鍔型２」、同図（ｃ）を「鍔型３」、同図（ｃ）を「鍔型＋切込」とする。これら（ａ）〜（ｄ）における各凸円弧部及び凹円弧部の曲率半径は表１に示すものとした。
一方、比較例として、図６（ｅ）：コーナー凸部をＣ面に面取りしたもの（「Ｃ面」）、図６（ｆ）：楕円形状に凸状に形成したもの（「楕円」）、図６（ｇ）：単一の曲率半径で凸円弧状にしたもの（「単一Ｒ」）、図６（ｈ）：辺部を若干外側に膨らむように円弧状に形成し、コーナー凸部を凹円弧状に形成したもの（「逆Ｒ面」）、図７（ｉ）：実施形態とは逆に凹円弧部の両側に凸円弧部を形成したもの（「逆鍔型」）、図７（ｊ）：辺部を若干外側に膨らむように円弧状に形成したもの（「太鼓型」）、図７（ｋ）：コーナー凸部を二つの凹円弧部により形成したもの（「星型」）、その他、図７（ｍ）〜（ｑ）に示すような異形状に形成したもの（「異形１〜異形５」）を用意した。Ｎｏ．１５及びＮｏ．１７の曲率半径の「−」は逆の曲率であることを示し、実施形態の凸円弧部がＮｏ．１５，１７では凹状に形成され、凹円弧部が凸状に形成される。

これらのブランク材の試料について、成形性を角筒絞り試験により評価した。
この成形性の評価は、試料をプレスにより絞り成形したときに縦９８ｍｍ、横１７０ｍｍ、深さ３０ｍｍの角形容器となるようにブランク材の大きさを設定し、これを成形速度２ｍｍ／秒、しわ押さえ力５ｋＮの条件により絞り成形して、製品深さ（絞り深さ）を測定するとともに、割れ、しわ等の有無について目視にて評価した。角形容器の角部は、ほぼ複合積層板の板厚に相当する寸法の曲率半径とした。
評価結果からの判定は、絞り目標深さに対し、途中で割れ等の不具合が発生することなく成形でき、かつ成形加工後の外観において、成形品全体にわたって割れやしわの発生が見られなかったものを良好と判定した。
これらの結果を表１に示す。

この表１において、絞り深さ算出値は、成形品の仕上がり寸法として絞り深さが３０ｍｍとなるようにブランク材を設計したことを示しており、実際に成形した後の深さが評価結果に示す寸法である。
この結果からわかるように、１〜１０のブランク材においては、角形容器の絞り成形において、割れやしわがなく、概ね良好な成形性を示している。これに対して比較例１１〜２２では、割れ又はしわのいずれか、あるいはその両方の発生が認められ、十分な成形性が得られず、三次元成形が困難であることがわかる。

１０アルミニウム樹脂複合積層板のブランク材
１１第１アルミニウム板材
１２第２アルミニウム板材
１３発泡合成樹脂層
２１ａ，２１ｂ辺部
２２コーナー凸部
２３凸円弧部
２４凹円弧部
１００プレス用金型
３０ブランクホルダー（しわ押さえ）
４０ダイ
５０パンチ

Claims

発泡倍率が１．５倍以上１０倍以下の発泡合成樹脂層の両面にアルミニウム板材が積層状態で接合されてなるアルミニウム樹脂複合積層板を、底部の上に複数の角部とこれら角部間を連結する面部とが形成された三次元成形品に絞り成形するための絞り成形用ブランク材であって、平面視矩形状に形成されるとともに、前記角部に対応するコーナー凸部が、２個の外向き凸円弧部の間に凹円弧部が連続して形成されており、前記凸円弧部の曲率半径が前記三次元成形品の深さの２倍以下に形成され、前記凹円弧部の曲率半径が前記三次元成形品の深さ未満に形成されていることを特徴とするアルミニウム樹脂複合積層板の絞り成形用ブランク材。
前記アルミニウム樹脂複合積層板の厚さが２ｍｍ〜１０ｍｍであり、前記アルミニウム板材の厚さが０．１ｍｍ〜４ｍｍであり、前記発泡合成樹脂層の厚さが１．９ｍｍ〜９．８ｍｍであることを特徴とする請求項１記載のアルミニウム樹脂複合積層板の絞り成形用ブランク材。
請求項１又は２記載のアルミニウム樹脂複合積層板の絞り成形用ブランク材を絞り成形することにより三次元成形品を製造することを特徴とする三次元成形品の製造方法。