JP6019960B2 - 金属成形体、および金属成形体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、軽金属を主体とする金属板を成形し、その成形によってできた角部を有する金属成形体、およびその製造方法に関するものである。

ＭｇやＡｌなどの軽金属を主体とする金属板の金属成形体が、種々の工業製品の構成部品（例えば、パソコンや携帯電話などの電子機器の筐体など）に利用されている。そのような構成部品に、近年ではデザイン性を求められることが多く、具体的には構成部品の角部をシャープエッジにしてスタイリッシュなデザインの工業製品とすることが望まれている。つまり、上記構成部品の素となる金属成形体において、金属板に形成された角部をシャープエッジにすることが望まれている。

例えば、特許文献１には、金属板を二段階のプレス加工をすることで、角部をシャープエッジにする技術が開示されている。具体的には、第一のプレス工程で、角部の内側曲げ半径ｒが実質的に０ｍｍとなるように金属板を曲げ、第二のプレス工程で、角部近傍から角部に向かって構成材料を寄せて、角部の外側曲げ半径Ｒが金属板の厚さｔ以下となるようにする。その結果、図４に示すように、角部２００ｃの内側曲げ半径ｒと外側曲げ半径Ｒの両方ともが小さな金属成形体２００を得ることができる。

特開２０１０−６９５０４号公報

上記特許文献１の技術は、非常にシャープエッジな角部を備える金属成形体を作製できるものの、二段階のプレス加工を行なうことを前提としているため、生産性の点で改善の余地がある。特に、近年のシャープエッジな角部を有する工業製品の需要が増加しており、そのため、シャープエッジな角部を有する金属成形体の生産性をより向上させることが望まれている。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的の一つは、シャープエッジな角部を有する金属成形体と、その金属成形体を生産性良く製造することができる金属成形体の製造方法を提供することにある。

本発明の金属成形体は、軽金属を主体とする金属板を成形し、その成形によってできた角部を有する金属成形体であって、角部には、角部以外の平面部の厚さＴよりも厚みの薄い領域が存在し、角部の外側曲げ半径Ｒ_Ｏが、平面部の厚さＴ以下であることを特徴とする。ここで、『軽金属』とは、比重が５以下の金属、具体的にはＭｇやＡｌ、Ｂｅ、Ｔｉ、アルカリ金属、アルカリ土類金属などである。また、『軽金属を主体とする金属板』とは、『軽金属』を質量％で５０％以上含む金属板のことである。さらに、『成形』とは、金属成形体に角部が形成され得る全ての加工を含む。代表的な『成形』として、プレス加工、絞り加工、曲げ加工などを挙げることができる。

上記本発明の金属成形体は、角部の外側曲げ半径Ｒ_Ｏが平面部の厚さＴ以下のシャープエッジな角部を有するため、スタイリッシュな見た目を備える。

また、本発明の金属成形体の製造方法は、軽金属を主体とする金属板を成形することで金属成形体に角部を作る金属成形体の製造方法であって、次の工程αと工程βとを備えることを特徴とする。なお、『軽金属』および『軽金属を主体とする金属板』、ならびに『成形』の定義は、本発明の金属成形体と同様である。
［工程α］…金属板の一面側に曲げ用溝を形成する。
［工程β］…角部の外側曲げ半径Ｒ_Ｏが、角部以外の平面部の厚さＴ以下となるように、曲げ用溝を曲げの内側にして金属板を成形する。

図１は、本発明の金属成形体の製造方法を簡易的に示す説明図であって、（Ａ），（Ｃ）は成形する前の金属板に曲げ用溝を形成した状態、（Ｂ），（Ｄ）はそれぞれ（Ａ），（Ｂ）の金属板を曲げ用溝の位置で成形することで金属成形体を作製した状態を示す。本発明の製造方法の工程αにおける曲げ用溝の形成手法としては、例えば、切削や押圧、研磨、レーザーによる溶融などを挙げることができる。切削、押圧、研磨を利用すれば、図１（Ａ）に示すように、金属板１の一面側に、金属板１の厚さＴよりも薄い部分ができ、この薄い部分が曲げ用溝１ｇとなる。一方、レーザーによる溶融を利用すれば、図１（Ｃ）に示すように、レーザーが当たった部分が溶融して凹むことで曲げ用溝１ｇとなる。その際、溶融した金属板１の構成材料は、曲げ用溝１ｇの両脇に逃げるので、曲げ用溝１ｇの両脇は盛り上がったように厚くなる。

上記本発明の金属成形体の製造方法に従い、図１（Ａ），（Ｃ）に示すように、金属板１を成形する前に、金属板１に曲げ用溝１ｇを形成することで、その曲げ用溝１ｇの位置で金属板１を成形し易くすることができる。また、その曲げ用溝１ｇを有する金属板１を成形する際、曲げ用溝１ｇを曲げの内側にすることで、図１（Ｂ），（Ｄ）に示すように、角部２ｃの外側曲げ半径Ｒ_Ｏが平面部２ｐの厚さＴ以下となった本発明の金属成形体２を作製することができる。本発明製造方法において金属板１に形成した曲げ用溝１ｇは、角部２ｃにおける厚みの薄い領域として本発明の金属成形体２に痕跡を残す。

なお、厚さの均一な金属板を曲げると、角部の内周側では角部の両側から角部に向かって金属板の構成材料が寄ってきて、その分だけ角部の外周側では角部から角部の両側に向かって金属板の構成材料が逃げていき、角部の外側曲げ半径Ｒ_Ｏが大きくなり易い。特に、その外側曲げ半径Ｒ_Ｏが、角部以外の平面部の厚さＴ（即ち、用意した金属板の厚さＴ）以下になることはない。仮に、平面部の厚さＴよりも大きなこの外側曲げ半径Ｒ_Ｏを平面部の厚さＴ以下とするには、例えば、特許文献１の技術のような第二のプレス工程を行なう必要がある。

以下、本発明の金属成形体、およびその製造方法の好ましい形態について説明する。

本発明の金属成形体の一形態として、角部における厚みの薄い領域（薄肉領域）の内周面には、研磨痕、もしくは溶融痕が形成されている形態を挙げることができる。

曲げ用溝の表面状態は、曲げ用溝を形成する手法に応じた独特の表面状態となる。そのため、曲げ用溝の名残である薄肉領域の内周面を観察すれば、どのような手法で曲げ用溝が形成されたかを知ることができる。上記構成において研磨痕と溶融痕を挙げているのは、特に研磨もしくはレーザーによる溶融を利用して曲げ用溝を形成することが、本発明の金属成形体を作製する上で利点があるからである。その利点については本発明の製造方法の好ましい形態を説明する際に述べる。

本発明の金属成形体の一形態として、角部の外側曲げ半径Ｒ_Ｏが、平面部の厚さＴの３／４以下である形態を挙げることができる。

平面部の厚さＴ未満の外側曲げ半径Ｒ_Ｏを有する角部は、非常にスタイリッシュでシャープな印象を与える。そのため、この本発明の金属成形体を用いて工業製品を作製すれば、その工業製品にもスタイリッシュでシャープな印象を持たせることができる。そこで、外側曲げ半径Ｒ_Ｏが平面部の厚さＴ未満、好ましくは３／４以下とする。上記のような外側曲げ半径Ｒ_Ｏを達成するには、金属板に形成する曲げ用溝の深さ（金属板の表面から曲げ用溝の最深部までの距離）を、金属板の厚さの１／３以上、１未満とすると良い。

本発明の金属成形体の一形態として、金属成形体を構成する金属板は、Ｍｇ合金である形態を挙げることができる。

Ｍｇ合金（純Ｍｇを含む）は、軽量かつ高硬度である。そのため、Ｍｇ合金からなる金属成形体を用いて工業製品を作製すれば、工業製品を軽量化でき、しかもその工業製品の耐久性を向上させることができる。

Ｍｇ合金からなる本発明の金属成形体の一形態として、Ｍｇ合金は、ＡＳＴＭ規格のＡＺ９１相当材である形態を挙げることができる。

Ｍｇ合金のうち、Ｍｇに添加元素としてＡｌを含有させたＭｇ−Ａｌ合金は、耐食性に優れる。特に、ＡＳＴＭ規格のＡＺ９１相当材は、Ａｌを８．３質量％〜９．５質量％、Ｚｎを０．５質量％〜１．５質量％含有し、非常に優れた耐食性を備える。そのため、ＡＺ９１相当材からなる金属成形体を用いて工業製品を作製すれば、工業製品の軽量化・耐久性の向上に加え、工業製品の耐食性の向上を図ることができる。

Ａｌ以外の添加元素としては、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｙ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｓｎ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｌｉ、Ｚｒ、Ｃｅ及び希土類元素（Ｙ、Ｃｅを除く）から選択される少なくとも１種以上の元素が挙げられる。これらの添加元素を含有する場合、その含有量は、合計で０．０１〜１０質量％が好ましく、０．１〜５質量％がより好ましい。これらの添加元素のうち、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｙ、Ｃｅ、Ｃａ及び希土類元素（Ｙ、Ｃｅを除く）から選択される少なくとも１種以上の元素を合計で０．００１質量％以上、好ましくは合計で０．１〜５質量％含有すると、耐熱性や難燃性が向上する。また、希土類元素の場合は０．１質量％以上含有することが好ましく、その中でもＹは０．５質量％以上含有することが好ましい。不純物としては、例えば、Ｆｅなどが挙げられる。

一方、本発明の金属成形体の製造方法の一形態として、曲げ用溝は、研磨もしくはレーザーによる溶融を利用して形成する形態を挙げることができる。

既に述べたように、曲げ用溝の形成には、切削、押圧、研磨、レーザーによる溶融など種々の手法を利用することができる。これらの手法のうち、研磨とレーザーによる溶融は、簡単で、かつ金属板の物理的特性を殆ど変えることなく曲げ用溝を形成することができるため、好ましい。特に、レーザーを用いると、非常に短時間で曲げ用溝を形成することができる。また、レーザーを用いて曲げ用溝を形成する場合、図１（Ｃ）に示すように、溶融した構成材料が曲げ用溝１ｇの両脇に盛り上がる。つまり、曲げ用溝１ｇを有する金属板１のうち、曲げ用溝１ｇの部分が最も薄く、曲げ用溝１ｇの両脇部分が最も厚くなるため、曲げ用溝１ｇの両脇部分がガイドとなり、金属板１を曲げ用溝１ｇに沿って曲げ易くなる。その結果得られる金属成形体２の角部２ｃの内周面には、図１（Ｄ）に示すように、角部２ｃの外側に向かって凹んだ部分と、その凹んだ部分を挟み込んで、金属成形体２の内側に盛り上がった部分と、が形成された独特の形状となる。

本発明の金属成形体は、スタイリッシュでシャープな印象を与える角部を備えるため、この本発明の金属成形体を用いた工業製品にもスタイリッシュでシャープな印象を持たせることができる。また、本発明の金属成形体の製造方法は、上記本発明の金属成形体を生産性良く製造することができる。

本発明の金属成形体の製造方法を簡易的に示す説明図であって、（Ａ）は研磨や切削などで金属板に曲げ用溝を形成した状態、（Ｂ）は（Ａ）の金属板を曲げ用溝の位置で成形することで金属成形体を作製した状態、（Ｃ）はレーザーを用いて金属板に曲げ用溝を形成した状態、（Ｄ）は（Ｃ）の金属板を曲げ用溝の位置で成形することで金属成形体を作製した状態を示す。 実施形態１に記載される金属成形体の製造方法の手順を説明する説明図であって、（Ａ）は金属板を金型に配置した状態、（Ｂ）は金属板をプレス加工した状態を示す。 （Ａ）は実施形態２に記載される追加加工の手順を説明する説明図、（Ｂ）は（Ａ）の丸囲み部分の拡大図である。 従来の金属成形体の製造方法で得られた金属成形体の断面図である。

＜実施形態１＞
実施形態１では、組成の異なる複数の金属板を用意し、それら金属板に曲げ用溝を形成する本発明の金属成形体の製造方法で金属成形体を作製し、その金属成形体の角部の外側曲げ半径Ｒ_Ｏを測定した。また、比較として金属板に曲げ用溝を形成しない従来の金属成形体の製造方法で金属成形体を作製し、その金属成形体の角部の外側曲げ半径Ｒ_Ｏを測定した。

≪金属板の準備≫
用意した金属板は次の３種類である。板厚はいずれも０．８ｍｍの圧延板であった。
［ＡＺ９１相当の金属板］…Ａｌを８．３質量％〜９．５質量％、Ｚｎを０．５質量％〜１．５質量％含有するＭｇ合金板
［ＡＺ３１相当の金属板］…Ａｌを２．５質量％〜３．５質量％、Ｚｎを０．６質量％〜１．４質量％含有するＭｇ合金板
［Ａ５０５２相当の金属板］…Ｍｇを２．２質量％〜２．８質量％、Ｃｒを０．１５質量％〜０．３５質量％、Ｓｉを０．２５質量％以下、Ｆｅを０．４質量％以下、Ｃｕを０．１０質量％以下、Ｍｎを０．１０質量％以下、Ｚｎを０．１０質量％以下含有するＡｌ合金板

≪曲げ用溝の形成≫
用意した各種金属板に対して研磨によって、図１（Ａ）に示すような曲げ用溝１ｇを形成した。具体的には、曲げ用溝１ｇは、金属板１の平面部にほぼ平行する平坦な底面部と、その底面部と金属板１の平面部とを繋ぐなだらかな曲面部と、からなる。曲げ用溝の深さ（平面部と曲げ用溝１ｇの底面部との距離）は、０．２ｍｍもしくは０．４ｍｍとした。また、比較として各種金属板に曲げ用溝を形成しなかったものも用意した。つまり、組成、曲げ用溝の有無、曲げ用溝の深さが異なる合計９種類の金属板を用意した。

≪金属板のプレス加工≫
用意した９種類の金属板をプレス加工して、図２（Ｂ）に示すような平坦な天板部（平面部）２０と、その天板部２０から立設する一対の平坦な側壁部（平面部）２１と、を有する断面『［』状の金属成形体２を製造する。この金属成形体２の作製には、従来と同じプレス機を用いた。プレス加工の手順は、図２に示す通りである。

まず、図２（Ａ）に示すように、金属板１をプレート５１及びダイプレート５２の上に配置して、パンチ５３及び押さえプレート５４で挟む。その際、曲げ用溝を有する金属板１については、曲げ用溝を紙面上方に向けて配置しておく。後述するように、紙面上方が曲げの内側になるからである。

次に、図２（Ｂ）に示すように、プレート５１とパンチ５３とで金属板１を挟持した状態でパンチ５３を紙面下方に移動させて、金属板１の上面を曲げの内側となるように成形し、金属板１を断面『［』状の金属成形体２に成形する。ここで、パンチ５３の肩部の曲げ半径Ｒｐ（図２（Ａ）参照）は実質的に０ｍｍであり、肩部を構成する二面が直交した構成であるため、天板部２０と側壁部２１とは直交する。天板部２０の外周面２０ｏと側壁部２１の外周面２１ｏとの間に角部２ｃが形成され、天板部２０の内周面２０ｉと側壁部２１の内周面２１ｉとの間に隅部が形成される。

なお、プレート５１，ダイプレート５２，パンチ５３，押さえプレート５４は、図示しない加熱手段により加熱可能となっている。プレス加工の際は、部材５１〜５４を加熱し、金属板１の温度がそれら部材５１〜５４と同じ温度となった状態で金属板１をプレス加工する。プレス加工の際の加熱温度は、２００℃〜３００℃程度とすることが好ましく、本実施形態ではプレス加工時の加熱温度は約２５０℃とした。

≪結果≫
上記手順に従い作製した各金属成形体について、天板部（平面部）２０と側壁部（平面部）２１の厚み方向に金属成形体を切断し、その断面をバフ研磨（ダイヤモンド砥粒＃２００を使用）した後、光学顕微鏡（４００倍）にて観察した。その観察像に基づいて、各金属成形体の角部の外側曲げ半径Ｒ_Ｏを測定した。その測定結果を、表１に示す。

表１の結果から明らかなように、プレス加工前に金属板に曲げ用溝を形成することで、ＡＺ９１相当、ＡＺ３１相当、Ａ５０５２相当の金属板のいずれにおいても、外側曲げ半径Ｒ_Ｏが平面部の厚みＴ以下となり、シャープエッジな角部を有する金属成形体が得られた。また、曲げ用溝の深さを金属板の板厚の３／４〜１／２とすることで、外側曲げ半径Ｒ_Ｏを、平面部の厚みＴの３／４とすることができた。一方、プレス加工前の金属板に曲げ用溝を形成しなかった場合、いずれの金属板も、外側曲げ半径Ｒ_Ｏが、平面部の厚みＴよりも大きく、シャープエッジな角部を有するとは言い難い金属成形体しか得られなかった。

＜実施形態２＞
曲げ用溝を有する金属板を用いて作製した金属成形体の角部の外側曲げ半径Ｒ_Ｏを更にシャープにすることもできる。例えば、実施形態１で得られた金属成形体に対して特許文献１における第二のプレス工程に相当する追加加工を行なう。以下、図３を参照して、追加加工について簡単に説明する。なお、図３（Ｂ）は、追加加工を行なった後の図３（Ａ）の丸囲み部分の拡大図である。

追加加工では、図３に示すような凸状の段差パンチ５５と、断面『［』状の凹部を有するダイ５６とを用いて金属成形体２の側壁部２１の端面２１ｅを押圧する。段差パンチ５５は、側壁部２１の端面２１ｅを押圧する端部押圧面５５ｐと、金属成形体２の隅部に対応する肩部５５ｓ（図３（Ｂ）参照）と、天板部２０の内周面２０ｉに対応する主押圧面５５ｍと、を有する。

図３に示すように、箱型の金属成形体２の外形に嵌合する凹部を有するダイ５６に金属成形体２を配置した状態で、段差パンチ５５により金属成形体２の内側を押圧する。このとき、段差パンチ５５の端部押圧面５５ｐがまず側壁部２１の端面２１ｅを押圧すると、側壁部２１全体が下方に移動し、側壁部２１の下部構成材料がダイ５６の凹部の隅部に押し集められて、凹部の隅部に倣って、金属成形体２に鋭角な角部２ｃが形成される。

以上説明した追加加工を実施することで、金属成形体２の角部２ｃをよりシャープエッジにすることができる。押込み量によっては、角部２ｃの外側曲げ半径Ｒ_Ｏを実質的に０ｍｍとすることもできる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるわけではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更して実施することができる。例えば、実施形態１で金属板に形成した曲げ用溝は、平坦な底面部と曲面部とを有するなだらかな形状であったが、Ｖ字溝や曲面のみからなる円弧溝であっても良い。

本発明の金属成形体は、種々の工業製品の構成部材、例えばパソコンの筐体などに好適に利用することができる。また、本発明の金属成形体の製造方法は、本発明の金属成形体の製造に好適に利用することができる。

１ 金属板 １ｇ 曲げ用溝
２ 金属成形体 ２ｃ 角部 ２ｐ 平面部
２０ 天板部（平面部） ２０ｉ 内周面 ２０ｏ 外周面
２１ 側壁部（平面部） ２１ｉ 内周面 ２１ｏ 外周面 ２１ｅ 端面
５１ プレート ５２ ダイプレート ５３ パンチ ５４ 押さえプレート
５５ 段差パンチ ５５ｓ 肩部 ５５ｍ 主押圧面 ５５ｐ 端部押圧面
５６ ダイ
２００ 金属成形体 ２００ｃ 角部

Claims (7)

1. 軽金属を主体とする金属板を成形し、その成形によってできた角部を有する金属成形体であって、
   前記金属板は、Ｍｇ合金から構成されており、
   前記角部には、前記角部以外の平面部の厚さＴよりも厚みの薄い領域が存在し、
   前記角部の外側曲げ半径Ｒ_Ｏが、前記平面部の厚さＴ以下である金属成形体。
2. 前記角部における厚みの薄い領域の内周面には、研磨痕、もしくは溶融痕が形成されている請求項１に記載の金属成形体。
3. 前記角部の外側曲げ半径Ｒ_Ｏが、前記平面部の厚さＴの３／４以下である請求項１または請求項２に記載の金属成形体。
4. 前記Ｍｇ合金は、ＡＳＴＭ規格のＡＺ９１相当材である請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の金属成形体。
5. 軽金属を主体とする金属板を成形することで金属成形体に角部を作る金属成形体の製造方法であって、
   Ｍｇ合金から構成された前記金属板の一面側に曲げ用溝を形成する工程αと、
   前記角部の外側曲げ半径Ｒ_Ｏが、角部以外の平面部の厚さＴ以下となるように、前記曲げ用溝を曲げの内側にして前記金属板を成形する工程βと、
   を備える金属成形体の製造方法。
6. 前記工程βにおいて成形は、加熱温度を２００℃〜３００℃として行う請求項５に記載の金属成形体の製造方法。
7. 前記曲げ用溝は、研磨もしくはレーザーによる溶融を利用して形成する請求項５又は請求項６に記載の金属成形体の製造方法。
   

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