JP5094333B2

JP5094333B2 - 電磁拡管方法

Info

Publication number: JP5094333B2
Application number: JP2007275909A
Authority: JP
Inventors: 寛哲細井; 美速今村
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2007-10-24
Filing date: 2007-10-24
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2027-10-24
Also published as: JP2009101389A

Description

本発明は、電磁成形を利用して筒形の金属製被加工材を拡管成形する電磁拡管方法に関する。

筒形の金属製被加工材の内周側に電磁拡管用コイルを配置し、該電磁拡管用コイルに電気エネルギーを投入して前記被加工材を拡管成形する電磁拡管方法は、それ自体周知の技術である。
例えば特許文献１には、チャンネル形押出形材の一対のフランジ面に穴を形成し、その穴にアルミニウム製の円筒補強部材を嵌挿して両端部を各フランジ面から突出させ、補強部材の内周側に電磁拡管用コイルを配置し、電磁拡管用コイルに電気エネルギーを投入して補強部材を電磁拡管し、補強部材を穴の内周面に密着させると共に、補強部材の前記チャンネル形押出形材のフランジ面から突出した部分をフランジ状に拡開し、かつフランジ面間の部分を張り出させ、これによりチャンネル形押出形材に補強部材を結合することが記載されている。特許文献２にも同様の電磁拡管技術が記載されている。

特許文献３には、アルミニウム押出材からなる素材管の周囲を金型で包囲し、素材管の端部を金型の端面から突出させ、素材管の内周側に電磁拡管用コイルを配置し、電磁拡管用コイルに電気エネルギーを投入して素材管を電磁拡管し、素材管の金型端面から突出した端部をフランジ状に拡開することが記載されている。特許文献４にも同様の電磁拡管技術が記載されている。
特許文献５には、アルミニウム押出材からなる軸部材の周囲を金型で包囲し、軸部材の端部を金型の端面から突出させ、穴が形成された板状のフランジ部材を軸部材に嵌めて金型の両端面にセットし、軸部材の内周側に電磁拡管用コイルを配置し、電磁拡管用コイルに電気エネルギーを投入して軸部材を電磁拡管し、軸部材を穴の内周面に密着させると共に、軸部材の端部をフランジ状に拡開し、かつフランジ部材間の部分を張り出させ、これによりフランジ部材に軸部材を結合することが記載されている。特許文献６では軸部材の周囲を金型で包囲していないが、同様の電磁拡管技術が記載されている。

特開２００２−１６００３２号公報（図４）特開２００６−３１５６７６号公報) (図１）特開２００４−２６１８５６号公報（図１）特開２００４−３５１４５５号公報（図１，６）特開２００５−１５２９２０号公報（図２）特開２００６−９６１５４号公報（図１４）

これらの従来技術にも見られるように、筒形の金属製被加工材を電磁拡管用コイルを用いて電磁拡管する場合、被加工材の端部まで十分に成形を行うため、電磁拡管用コイルを被加工材の端部からある程度突出させて配置している。図１はその状態を模式的に示すもので、電磁拡管用コイル１が筒形の金属製被加工材２の両端部から突出している。
なお、電磁拡管コイル１は一般に樹脂等の絶縁性材料からなる軸部に導線３を巻き付け、さらにその表面を絶縁性材料で被覆したものである。軸部の全長は導線３が巻かれた部分の長さより一般に長く、軸方向の両端部に導線３が巻かれていない箇所がある。本発明では、導線３が巻かれていない両端部を含めてこの軸状の部材全体をいうときはコイル体４といい、コイル体４のうち特に導線３が巻かれた部分のみを指していうときは電磁拡管用コイル１という。

このように電磁拡管用コイル１を被加工材２の端部から突出させた状態で、電磁拡管用コイル１に電気エネルギーを投入し電磁拡管を行った場合、被加工材２は端部についても十分に拡管成形されるが、被加工材２が外周側に存在しない部分の導線３には、被加工材が存在する部分の導線３に作用する電磁力とは方向及び大きさが異なる電磁力が作用し、その結果、同部分の劣化が急速に進展し、それが原因となってコイル体４の耐用回数が少なくなるという問題がある。
図１において電磁拡管用コイル１の被加工材２が存在する範囲を１ａで示し、被加工材２の端部から突出した部分を１ｂで示す。

より具体的に説明すると、円筒形状の電磁拡管用コイル１による筒形の被加工材２の電磁拡管では、両部材ともほぼ軸対称であるため、導線３に作用する電磁力は、径方向と軸方向の２方向のみの力となる。そして、有限要素法を用い軸対称モデルで数値解析した結果、一般に以下のようになることが分かった。
導線３に作用する径方向力に関しては、被加工材２が存在する部分では縮小方向にほぼ一定であるが、被加工材２が存在しなくなる位置近傍でわずかに縮小方向の力が増大した後、被加工材２が存在しない部分では端になるほど急激に逆方向の拡大方向の力が作用するようになる（図２（ａ）参照）。
導線３に作用する軸方向力に関しては、被加工材２が存在する部分ではほぼ発生しないが、被加工材２が存在しなくなる位置近傍で導線３を軸方向に大きくさせようとする力が発生し、被加工材２が存在しない部分では端になるほど急激に導線３を軸方向に小さくさせようとする力が作用する（図２（ｂ）参照）。
なお、有限要素法の解析には、ＡＮＳＹＳなど市販の電磁場と変形の連成解析が可能なソルバと同種の計算アルゴリズムが利用できる。解析対象モデルとして、被加工材は６０００系アルミニウム合金、厚さ：２．０ｍｍ、軸方向長さ：１６０ｍｍ、外径：６０ｍｍ、電磁拡管用コイルは軸方向長さ：２００ｍｍ、内径：４０ｍｍ、両端の突出長さ：各２０ｍｍとして、被加工材と電磁拡管用コイルの軸心を一致させ、投与電圧：約１０ｋＶ、コンデンサ容量：約５００μＦとした。得られた電流波形を図３に点線で示す。

従って、被加工材２が存在しない範囲１ｂの導線３は、電磁成形の通電ごとに不均一かつ強力な電磁力を受けることになる。繰り返し通電により同部分の導線３及びその被覆構造の劣化が徐々に進展し、電磁拡管用コイル１が破壊に至るまでの回数が実用的でないことがあった。
本発明は、このような従来の電磁拡管方法の問題点に鑑みてなされたもので、筒形の被加工材が外周側に存在しない範囲にある電磁拡管用コイルの導線に作用する電磁力を緩和して、電磁拡管用コイルの耐用回数を延長させることを目的とする。

本発明に係る電磁拡管方法は、筒形の金属製被加工材の内周側に、電磁拡管用コイルを前記被加工材の端部から突出させて配置し、かつ前記電磁拡管用コイルの突出した部分（筒形の被加工材が外周側に存在しない範囲）の外周側又は内周側に導体からなる筒形部材を配置して、前記電磁拡管用コイルに電気エネルギーを投入し、前記被加工材を拡管成形することを特徴とする。
本発明は、前記筒形部材を設置することにより、筒形部材を設置しない場合に比べて、被加工材が存在しない範囲の電磁拡管コイルに作用する電磁力を緩和し、被加工材が存在しない範囲の電磁拡管コイルに作用する電磁力を、被加工材が存在する範囲の電磁拡管用コイルに作用する電磁力の大きさに近づけるというのが基本概念である。

この電磁拡管方法において、被加工材の両方の端部から電磁拡管用コイルが突出している場合、前記突出している部分の一方又は両方に前記筒形部材を配置することができる。また、前記筒形部材は前記電磁拡管用コイルの突出した部分の軸方向全長にわたって配置されていることが望ましい。
この電磁拡管方法は、一般的な拡管、被加工材端部へのフランジ形成（特許文献３，４参照）、被加工材を他部材に形成された穴に嵌挿した状態で拡管成形し、前記被加工材を前記穴の内周面に密着させて前記被加工材と他部材を結合する場合（特許文献１，２，５，６参照）等、種々の拡管方法に好適に利用できる。

本発明によれば、筒形の金属製被加工材の内周側に、電磁拡管用コイルを前記被加工材の端部から突出させて配置し、前記電磁拡管用コイルに電気エネルギーを投入し、前記被加工材を拡管成形する場合において、被加工材の端部まで十分に拡管成形することができ、かつ電磁拡管用コイルの端部の導線（電磁拡管用コイルの被加工材の端部から突出した部分）に作用する電磁力を緩和して、電磁拡管用コイルの耐用回数を延長させることができる。

図４に本発明に係る電磁拡管方法の典型的な実施形態を示す。図１のものと同じく、筒形の金属製被加工材２の内周側にコイル体４が配置され、電磁拡管用コイル１の両端部が被加工材２の端部から突出している。図４において電磁拡管用コイル１の周囲に被加工材２が存在する範囲を１ａで示し、被加工材２が存在しない範囲（被加工材２の端部から突出した範囲）を１ｂで示し、電磁拡管用コイル１の被加工材２の端部から突出した範囲１ｂの軸方向全長（筒形部材５は被加工材２の端部から電磁拡管用コイル１の端部まで）にわたり、その周囲を取り囲んで導体からなる筒形部材５が配置されている。

このように筒形部材５を被加工材２の端部に連続させる形（筒形部材５と被加工材２は絶縁状態）で配置した場合に、前記と同様に有限要素法を用いて数値解析した結果を、筒形部材５を設置しない場合（図２（ａ），（ｂ）参照）と合わせて、図５（ａ）、（ｂ）に図示した。なお、解析対象モデルは、被加工材及び電磁拡管用コイルは前記と同一とし、筒形部材は被加工材と同材料、厚さ：２．０ｍｍ、軸方向長さ：２０ｍｍ、外径：６０ｍｍとした。電流波形を図３に実線で示す。この配置により被加工材２と筒形部材５がほぼ一つの導電性材料として振る舞い、図５（ａ），（ｂ）に示すように、電磁拡管コイル１の被加工材２が存在しない範囲１ｂの導線３に作用する電磁力が、筒形部材５を設置しない場合に比べて緩和され、電磁拡管コイル１の被加工材２が存在する範囲１ａの導線３に作用する電磁力の大きさに近づく。

本発明において、被加工材２は金属製であり、特に良導体であるアルミニウム、銅、マグネシウム等の金属又は合金が好適に用いられる。被加工材２は筒形であるが、これは閉断面のものに限定されず、例えばＣチャンネルのような開断面のものを含む。
筒形部材５は、電磁拡管コイル１の被加工材２が存在しない範囲１ｂにおいて導線３に作用する電磁力を緩和する（望ましくは被加工材が存在する範囲１ａの導線３に作用する電磁力と同程度にする）ために設置するものである。筒形部材５は当然導体であり、銅やアルミニウムの金属又は合金のような良導体が望ましいが、１０％ＩＡＣＳ程度以上の導電率があれば他の金属又は合金も使用できる。繰り返し使えるように、付加される電磁力により変形しないだけの十分な強度を有することが望ましい。

上記の実施形態では、筒形部材５を被加工材２の端部に連続させる形で配置し、両者の間にほとんど隙間がないが、両者の間に大きい隙間が形成されていると、筒形部材５を設置することによる電磁力緩和作用が減退する可能性があり、またその隙間の高さに位置する導線３に作用する電磁力の方向が異なることにより当該導線３が変形しやすくなる。このため、筒形部材５と被加工材２の間の隙間は小さい方がよく、望ましくは両者をほぼ隙間なく設置する。筒形部材５と被加工材２は、電磁成形時に両者間でスパークが発生するのを防止するため、一般的には絶縁状態（空気又は絶縁材により遮断）であることが望ましい。両者が絶縁状態でない場合、両者を例えば密着させた場合でも、被加工材２が拡管変形する課程で両者が分離する可能性があり、そのときスパークが発生する可能性がある。

上記の実施形態では、筒形部材５は電磁拡管用コイル１の被加工材２から突出した範囲１ｂの軸方向全長をちょうど覆う形（筒形部材５の軸方向長さが前記範囲１ｂの電磁拡管用コイル１の軸方向長さと同じ）で設置されており、それが電磁拡管用コイル１の端部（範囲１ｂ）の導線に作用する電磁力を緩和するうえで最も望ましい。しかし、本発明は、筒形部材５が前記範囲１ｂを越えて設置されている（筒形部材５の軸方向長さが前記範囲１ｂの軸方向全長より大きい）場合や、筒形部材５が電磁拡管用コイル１の被加工材２から突出した範囲１ｂの軸方向全長を覆っていない（筒形部材５の軸方向長さが範囲１ｂの軸方向全長より小さく、電磁拡管用コイル１が筒形部材５の端部から軸方向に突出している）場合を排除しているわけではない。

次に図６以下を参照して、本発明に係る電磁拡管方法の他の実施形態を説明する。
図６に示す実施形態は、筒形部材５が電磁拡管用コイル１の被加工材２から突出した範囲１ｂを越えて設置されている（筒形部材５の軸方向長さが範囲１ｂの軸方向全長より大きい）場合を示す。この場合、筒形部材５の前記範囲１ｂを越えた箇所に誘起される電流が電磁拡管用コイル１の端部導線（前記範囲１ｂ内の導線）に作る磁界が、該端部導線に作用する電磁力を緩和する方向ではないことが、有限要素法による数値解析により確認されている。しかし、筒形部材５の電磁拡管用コイル１を越えた箇所に誘起される電流は、筒形部材５の前記範囲１ｂ内の箇所に誘起される電流量より十分に小さく、図４の実施形態と比べたときの実質上の悪影響はわずかである。
一方、被加工材２及び筒形部材５と電磁拡管用コイル１の軸方向の設置精度が図４の実施形態より緩やかでよくなり、また筒形部材５の汎用性が高くなる（異なる軸方向長さの被加工材又は電磁拡管用コイルに対しても適用できる）利点がある。

図６の実施形態とは逆に、筒形部材５が電磁拡管用コイル１の被加工材２から突出した範囲１ｂの軸方向全長を覆っていない（筒形部材５の軸方向長さが範囲１ｂの軸方向全長より小さく、電磁拡管用コイル１が筒形部材５の先端から軸方向に突出している）場合、図４の実施形態と比べると、電磁拡管用コイル１の端部導線（前記範囲１ｂ内の導線）に作用する電磁力の緩和作用は小さくなる。しかし、電磁拡管用コイル１が筒形部材５の先端から突出する長さが短い場合、筒形部材５の先端に近い側には電流が余り流れないため、電磁拡管用コイル１の保護の上では筒形部材５の端部に近い側の重要度は相対的に低く、図４の実施形態に比べたときの実質上の悪影響は大きくない。

図７に示す実施形態は、筒形部材５が被加工材２より外径側に配置されている（被加工材より電磁拡管用コイル１から離れている）場合を示す。
筒形部材５は、その内径が電磁拡管コイル１に近づくほど、その厚みが大きいほど、その導電率が高いほど、筒形部材５内に誘起される電流量が増加する。筒形部材５内の誘起電流が電磁拡管コイル１の端部導線に作る磁界により、該端部導線に作用する力の方向と大きさが変化し、筒形部材５内に誘起される電流量が大きくなりすぎると、筒形部材５の設置による電磁力の緩和作用が低減する。例えば被加工材２より導電率が高い筒形部材５を用いる場合など、筒形部材５内に誘起される電流量が大きくなりすぎないように、筒形部材５を被加工材２より外径側に配置し、電磁拡管コイル１の被加工材２が存在しない範囲１ｂにおいて導線３に作用する電磁力を有効に緩和することが望ましい。

図８の実施形態は、筒形部材５が被加工材より大きい肉厚を有する。図４に示す実施形態は本発明の基本形であり、筒形部材５が被加工材２とほぼ同じ肉厚を有するが、図８の実施形態に示すように筒形部材５が大きい肉厚を有する場合、筒形部材５に付加される電磁力により変形しないだけの強度を与えることができる。また、筒形部材５の肉厚を大きくすることにより、筒形部材５内に誘起される電流量が増加するので、例えば筒形部材５の導電率が被加工材２の導電率より小さい場合などに、筒形部材５内に誘起される電流量を適正にして、電磁拡管コイル１の被加工材２が存在しない範囲１ｂにおいて導線３に作用する電磁力を有効に緩和することができる。

図９に示す実施形態は、筒形部材５が被加工材２より肉厚が小さい場合を示す。
筒形部材５が小さい肉厚であることにより、筒形部材５の重量が軽くなり、取り扱いが容易となる。また、筒形部材５の肉厚を小さくすることにより、筒形部材５内に誘起される電流量が減少するので、例えば筒形部材５の導電率が被加工材２の導電率より大きい場合などに、筒形部材５内に誘起される電流量を適正にして、電磁拡管コイル１の被加工材２が存在しない範囲１ｂにおいて導線３に作用する電磁力を有効に緩和することができる。
なお、有限要素法による解析によれば、導電率、肉厚、設置位置を考慮した筒形部材５の電磁気的特性が被加工材とほぼ同一になるような場合に、コイル端部に作用する電磁力の緩和効果が上がる傾向がみられた。

図１０に示す実施形態は、筒形部材５に同一材料からなる蓋部５ａが一体化されている点で、図５に示す実施形態と異なる。被加工材２の拡管成形を自動化する場合、蓋部５ａがあることで、筒形部材５の着脱が容易となる利点がある。図６の実施形態と比べると（他の条件が一定の場合）、電磁拡管用コイル１の端部導線（範囲１ｂ内の導線）に作用する電磁力の緩和作用は小さくなる。
図１１に示す実施形態は、筒形部材５に非良導体（不導体を含む）の蓋部５ｂが一体化されている点で、図６に示す実施形態と異なる。これも被加工材２の拡管成形を自動化する場合、蓋部５ｂがあることで、筒形部材５の着脱が容易となる利点がある。図１０の実施形態に比べると（他の条件が一定の場合）、電磁拡管用コイル１の端部導線（範囲１ｂ内の導線）に作用する電磁力の緩和作用は大きい。

図１２に示す実施形態は、筒形部材５の外周側に非良導体（不導体を含む）の外枠５ｃが一体化されている。外枠５ｃにより筒形部材５の変形を強固に拘束することができる。
図１３に示す実施形態は、筒形部材５の外周側に非良導体（不導体を含む）の外枠５ｄが一体化され、かつ筒形部材５が金型６に設置したスライダ７に沿って上下動可能に設置されている。筒形部材５を金型６と連結させることにより、筒形部材５の着脱及び位置決めが容易となり、位置決め精度も向上する。

図１４に示す実施形態は、筒形部材５の肉厚が軸方向に直線的に変化し、軸方向外側になるほど肉厚であり、外周側に非良導体の外枠５ｅが一体化されている。電磁拡管用コイル１の端部導線３への作用力の緩和作用が大きい。
図１５に示す実施形態は、筒形部材５をコイル体４の表面に密着させ、かつ筒形部材５の外周側に非良導体（不導体を含む）の外枠５ｆが一体化され、さらに外枠５ｆ内に冷媒を通している。筒形部材５の蓄熱を防止し、変形を拘束し、コイル体４の冷却を行うことができる。

図１６に示す実施形態は、電磁拡管用コイル１の端部導線（範囲１ｂ）の内周側（コイル体４内）に筒形部材５が埋め込まれている。この実施形態において図８の実施形態と同等の電磁力の緩和作用が得られ、電磁成形ごとにコイル体１から被加工材２を抜き取る際に、筒形部材５が邪魔にならない利点がある。

従来技術の電磁拡管方法を説明する図である。従来技術の電磁拡管方法において電磁拡管用コイルに作用する径方向の電磁力（ａ）及び軸方向の電磁力（ｂ）を示す図である。解析で得られた電流波形である。本発明に係る電磁拡管方法を説明する図である。図４に示す電磁拡管方法において電磁拡管用コイルに作用する径方向の電磁力（ａ）及び軸方向の電磁力（ｂ）を、従来技術の方法と比較して示す図である。本発明に係る電磁拡管方法の別の実施形態を説明する図である。本発明に係る電磁拡管方法のさらに別の実施形態を説明する図である。本発明に係る電磁拡管方法のさらに別の実施形態を説明する図である。本発明に係る電磁拡管方法のさらに別の実施形態を説明する図である。本発明に係る電磁拡管方法のさらに別の実施形態を説明する図である。本発明に係る電磁拡管方法のさらに別の実施形態を説明する図である。本発明に係る電磁拡管方法のさらに別の実施形態を説明する図である。本発明に係る電磁拡管方法のさらに別の実施形態を説明する図である。本発明に係る電磁拡管方法のさらに別の実施形態を説明する図である。本発明に係る電磁拡管方法のさらに別の実施形態を説明する図である。本発明に係る電磁拡管方法のさらに別の実施形態を説明する図である。

符号の説明

１電磁拡管用コイル
２被加工材
３導線
４コイル体
５筒形部材

Claims

筒形の金属製被加工材の内周側に、電磁拡管用コイルを前記被加工材の端部から突出させて配置し、かつ前記電磁拡管用コイルの突出した部分の外周側又は内周側の、前記被加工材が前記電磁拡管用コイルの外周側に存在しない範囲に導体からなる筒形部材を配置して、前記電磁拡管用コイルに電気エネルギーを投入し、前記被加工材を拡管成形することを特徴とする電磁拡管方法。
前記筒形部材が前記電磁拡管用コイルの突出した部分の軸方向全長にわたって配置されていることを特徴とする請求項1に記載された電磁拡管方法。
前記被加工材を他部材に形成された穴に嵌挿した状態で拡管成形し、前記被加工材を前記穴の内周面に密着させて前記被加工材と他部材を結合することを特徴とする請求項１又は２に記載された電磁拡管方法。