JP2018114511A - 金属の塑性加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プレス加工後に電磁成形を行う場合に、プレス加工後の被成形体の形状を損なうことなく、電磁成形も確実に行うこと。【解決手段】本発明の金属の塑性加工方法では、被成形体３０をプレス加工により得る。さらにプレス加工された被成形体３０の表面に対して、被成形体３０よりも高い導電率を有する導電性のペースト３７を塗布する。さらにペースト３７の周囲に磁場を発生させることでペースト３７に作用するローレンツ力を利用して、被成形体３０を塑性加工する。【選択図】図４

Description

本発明は金属の塑性加工に関し、特にプレス加工と電磁成形方法とを組み合わせた塑性加工に関する。

特許文献１にはアルミニウム材の電磁成形方法が開示されている。係る方法では図１に示すようにアルミニウム材である被成形体２１上にクラッド材を積層する。クラッド材２２もまたアルミニウム材であるが、被成形体２１よりも導電率が高いものが選択される。

さらに図１に示すように、このクラッド材２２が電磁成形用のコイル２３の側に向くように被成形体２１を設置する。コイル２３に瞬間的に大電流を発生させることでコイル２３の周囲に磁場が発生する。係る磁場はクラッド材２２の周囲にも達する。コイル２３の磁場によりクラッド材２２の内部に誘導電流が生起する。誘導電流によってクラッド材２２の周囲にもまた新たな磁場が発生する。

図１においては、コイル２３の磁場とクラッド材２２の磁場とが反発する方向にそれぞれ生じるため、斥力がクラッド材２２に対して作用する。このためクラッド材２２及び型２６から剪断応力を受けた被成形体２１は塑性変形し、成形体２４となる。なおこのときクラッド材２２も変形するが、変形後のクラッド材の表示は省略されている。

特開２０１１−０７３０５２号公報

発明者らは、プレス加工に電磁成形を組み合わせることで、さらに複雑な形状を被成形体に付与できると考えた。本発明はプレス加工後に電磁成形を行う場合に、プレス加工後の被成形体の形状を損なうことなく、電磁成形も確実に行うことを目的とする。

本発明は金属の塑性加工方法である。係る方法では、被成形体をプレス加工により得る工程と、前記プレス加工された被成形体の表面に対して、前記被成形体よりも高い導電率を有する導電性ペーストを塗布する工程と、前記導電性ペーストの周囲に磁場を発生させることで前記導電性ペーストに作用するローレンツ力を利用して、前記被成形体を塑性加工する工程と、を行う。

本発明により、プレス加工後の被成形体の形状を損なうことなく、電磁成形も確実に行うことができる。

電磁成形の原理図である。 参考例に係る電磁成形の説明図である。 参考例に係る被成形体及び型の断面図である。 実施例に係るプレス加工品の側面図である。 実施例に係る被成形体及び型の断面図である。 電磁成形のＣＡＥ解析結果を表すグラフである。 比較例１に係る被成形体の側面図である。 比較例２に係る被成形体の側面図である。

図を用いて実施例に係る電磁成形方法を説明するが、説明の便宜のため、図２〜３にて参考例を用いて電磁成形の原理と具体的態様を示した後、図４〜５を用いて実施例に係る電磁成形の特徴を説明する。図６では参考例と実施例との比較により、実施例の優れた点を説明する。さらに図７及び８に示す比較例を用いて実施例の優れた点を説明する。なお同等の要素には同一の符号を付すことで重複する説明を省略する。

＜参考例＞

図２に示す電磁成形の説明図において被成形体３０は金属からなるプレス加工品である。本実施例では、すでにプレス加工による一次加工が済んでいるとともに、さらに電磁成形による二次加工を受けるべき被成形体を「プレス加工品」と呼ぶ場合がある。以下では、説明の便宜のため被成形部３１に的を絞って説明する。被成形部３１は被成形体３０を構成する金属からなる

図２に示す参考例では図中のコイル２３の上に絶縁シート３２を設ける。図中ではコイル２３の一部が一本の導体として表されている。さらに絶縁シート３２上に被成形部３１を設ける。さらに被成形部３１上に環状の型３６を設ける。本参考例では背景技術で説明したようなクラッド材は用いない。したがって被成形体とクラッド材との積層に伴う問題は生じない。

図２に示すコイル２３中に大きな電流２５を発生させることでその周囲に磁場を生ずる。被成形部３１はコイル２３の周囲にあることから、被成形部３１は磁場で取り囲まれる。磁場の発生により被成形部３１内に誘導電流が生じる。被成形部３１を構成している上記金属は電気伝導率8.0×10⁶ S/mの鉄である。誘導電流と磁場から生じるローレンツ力が被成形部３１に作用することで電磁成形が行われる。

図３には電磁成形を受けた被成形部３１及び型３６の断面が示されている。係る断面は、図２において断面IIIとして表される断面である。電流２５は図３の紙面の裏側から表側に向かって流れる。電流２５が生じた磁場と、被成形部３１に生じた誘導電流とにより被成形部３１にはローレンツ力３３ａが働く。また被成形部３１に生じた誘導電流により生じた磁場と、元の電流２５とによりコイル２３には斥力としてローレンツ力３３ｂが働く。ここでいう斥力とはコイル２３から遠ざかる方向に働く力である。

図３に示すローレンツ力３３ａとローレンツ力３３ｂとは互いに反発する向きに生じる。被成形部３１はコイル２３よりも質量の小さいので、被成形部３１は大きく変位する。被成形部３１の外縁は型３６によって拘束されているため、被成形部３１の中央が型３６内の空間に向かって張り出す。

図３に示すローレンツ力３３ａと、型３６から受ける抗力とによる剪断応力が、被成形部３１を塑性変形させる。塑性変形により被成形部３１の中央には成形部３４が生ずる。本参考例及び実施例では成形部３４の張り出しの高さＨを成形量と定義する。

＜実施例＞

図４は実施例に係る被成形体３０の側面図である。実施例においても参考例と同様に予め金属からなる被成形体に対してプレス加工を施す。図中の被成形体３０は金属からなるプレス加工品である。本実施例では参考例と異なり導電性のペースト３７をさらに用いる。ペースト３７は被成形部３１を構成している金属よりも高い導電率を有する材料からなる。本実施例ではペースト３７は電気伝導率24.0×10⁶ S/mのアルミニウムからなる。ペースト３７は銅からなるペーストでもよい。

図４に示すように被成形体３０中の被成形部３１の表面に対して、ペースト３７を塗布する。被成形部３１に対して電磁成形を行う前に、塗布を行う。ペースト３７は柔軟であり、また接着力を有するため被成形部３１から剥離しにくい。なおペースト３７を電磁成形による塑性加工が必要な部分に限定して塗布することで、ペースト３７の使用量を節約することが出来る。

図４に示すペースト３７の塗布厚みを大きくすることで電磁成形による変形量を大きくすることもできる。塗布厚みを小さくすることで電磁成形による変形量を小さくすることができる。被成形部中で塗布厚みの大きい領域と小さい領域とを区別することで被成形部中に成形量の大きい領域と小さい領域とを形成することができる。ペーストを用いた方法では、このように導電性高い金属の付着量に分布を設けることができる。またペーストを用いた方法では、厚みの分布を設けることが、上述のクラッド材を利用した方法に比べて容易に行うことができる。

図５には電磁成形前の被成形部３１、型３６及びペースト３７の断面図が示されている。電磁成形にあたって以下の点を除き、各要素を参考例と同様に配置する。本実施例ではペースト３７をコイル２３に向けるように被成形部３１の向きを決定する。被成形部３１のペースト３７の塗布されていない側の表面上に型３６が配置される。ペースト３７とコイル２３との間に絶縁シート３２を挟む。

参考例と同様に図５に示すコイル２３に電流を発生させる。電流の発生に伴い、ペースト３７の周囲に磁場が発生する。磁場の発生によりペースト３７には誘導電流が発生するので、ペースト３７にローレンツ力が働く。ローレンツ力はペースト３７をコイル２３から遠ざけるようとする斥力である。ローレンツ力と、型の抗力とにより被成形部３１に対して剪断応力が働くので、被成形部３１はペースト３７ごと塑性変形する。このようにして被成形部３１を電磁成形によって塑性加工することが出来る。

図６は、参考例及び実施例に係る電磁成形のCAE（computer aided engineering）解析結果を表すグラフである。参考例に比べて実施例では成形量が１．５倍に増加した。これはアルミニウムからなるペーストには、鉄からなる被成形体よりも大きな誘導電流が発生することによると考えられる。言い換えれば図５に示すペースト３７は背景技術で説明したクラッド材と同様の働きをするので、被成形部３１を効率的に塑性変形させることが出来る。

＜比較例１＞

図７には比較例１に係る方法に供する被成形体４１の側面図が示されている。比較例１では予めアルミニウムからなるクラッド材２２を鉄からなる被成形体４１に積層する。その後、プレス用の型４２を用いて被成形体４１のプレス加工を行うことで、電磁成形を受ける前のプレス加工品を得る。

図７に示す被成形体４１とクラッド材２２との間に変形量の差が生じる。これは、プレス加工時の鉄の変形抵抗はアルミニウムよりも大きいことによる。したがって、プレス加工後に被成形体４１とクラッド材２２との間に剥離４３が生じる可能性がある。これに対して、上記実施例ではプレス後に、必要な箇所にペーストを塗布しているのでペーストの剥離は生じない。

＜比較例２＞

図８には比較例２に係る方法に供する被成形体４６の側面図が示されている。比較例２では予めプレス加工された被成形体４６を用いる。被成形体４６に対して電磁成形を行うためにクラッド材２２を被成形体４６の表面に積層する。これにより、プレス加工によるクラッド材の剥離は防止される。しかしながら、クラッド材２２の積層時に被成形体４６に負荷される押圧力４７が被成形体４６を歪ませる恐れがある。

あるいは、プレス加工によって被成形体４６に付与する形状に制限を設けて押圧力４７がその形状に影響を及ぼさないように配慮してもよい。しかしながら、この場合、塑性加工の設計の自由が妨げられる。これに対して上記実施例にかかるペーストの塗布は任意の領域に行うことが出来るため、プレス加工によって被成形品に付与する形状に制限を設ける必要が無い。

なお本発明は上記実施例に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

２１ 被成形体、２２ クラッド材、２３ コイル、２４ 成形体、２５ 電流、２６ 型、３０ 被成形体、３１ 被成形部、３２ 絶縁シート、３３ａ ローレンツ力、３３ｂ ローレンツ力、３４ 成形部、３６ 型、３７ ペースト、４１ 被成形体、４２ 型、４３ 剥離、４６ 被成形体、４７ 押圧力

Claims (1)

1. 被成形体をプレス加工により得る工程と、
   前記プレス加工された被成形体の表面に対して、前記被成形体よりも高い導電率を有する導電性ペーストを塗布する工程と、
   前記導電性ペーストの周囲に磁場を発生させることで前記導電性ペーストに作用するローレンツ力を利用して、前記被成形体を塑性加工する工程と、
   を有することを特徴とする金属の塑性加工方法。

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