JP6258351B2 - 部品の電気液圧成形の方法、金型およびプレス機 - Google Patents

Description

本発明は、板素材に対して塑性変形を加えることによる部品、特に金属板部品の成形方法であって、スプリングバックが低減された方法に関する。本発明はまた、その方法で使用する金型およびプレス機にも関する。

自動車車体部品など、薄板部品の成形に最も広く使用されている方法の１つは、それぞれが製品の所望の形状と板の厚さを除いてほぼ同一の外形を有する２つの成形型部材（通常はパンチとダイ）の間に平らな板材を拘束するプレス成形である。部品の最終形状を得るまでには、変形を分散し、板材の破れを防ぐために複数の工程が必要となり得る。板材に対して加えられる拘束力は、使用素材の弾性限度を超えて素材の常時塑性変形をもたらすものでなければならない。しかし、加えていた拘束力を緩めると、部品の塑性変形によって吸収されていたその拘束力の一部が、特に部品の屈曲部位などにスプリングバックをもたらし、荷重除去前に得られていた寸法的な特徴に顕著な変化を生じる。そのスプリングバックを埋め合わせるため、スプリングバックを考慮に入れてパンチとダイの形状を補正することができる。そのため、そのスプリングバックを考慮した成形工具の調整はデリケートである。さらに、素材が変われば（したがって素材の弾性限度の変化を生じることになる）、スプリングバックの埋合せは完璧とはいかず、部品間の寸法のずれを生じることになる。そのため、スプリングバックの埋合せ度合が漸増するパンチとダイの複数のセットによるプレス成形の複数のステップを用意するのが普通である。

米国特許出願公開第２００９／０２７２１６７号により、第１の成形ステップと、所定の寸法に適合した部品が得られるようにする第２の適合化ステップとを含んだ部品の成形方法が知られている。この方法では、部品は当初、電気液圧式成形または従来型のプレス成形によって成形され、次いで、部品は、電気液圧式成形工具の槽の中で電気アークにより発生する圧力によって部品が激しく押し付けられるパンチを備える適合化工具に載せられる。このような方法はきわめてコストがかさみ、その実施は困難である。実際、これには新しい機械と新しい金型が必要であり、電気液圧成形法における水などの液体の使用に伴う不都合、すなわち、板素材の周囲の水密性の問題、成形後の部品の腐食のリスクなどもある。また、第１の成形ステップの後に部品を取り出して、新たな金型の中に改めて位置決めする必要もあることから、最善の方法とは言えない。

米国特許出願公開第２００９／０２７２１６７号

そのため、本発明は、スプリングバックのない部品の成形方法であって、先行技術の不都合を有さない方法を提供することを目的とする。とりわけ、本発明は、従来型のプレス成形機に適合可能な低コストの方法を提供することを目的とする。

本発明はまた、プレス成形と電気液圧成形との利点を兼備することができる成形方法であって、従来型のプレス成形機によって発生するスプリングバック現象および内部応力現象を低減する、さらにはなくすことすらできる方法を提供することを目的とする。

本発明はそのほか、１回の作業だけで行う成形方法であって、方法の諸ステップの間で部品をハンドリングする必要のない方法を提供することを目的とする。

本発明はまた、本発明による方法を実施するように適合された成形金型を目的とする。とりわけ、本発明は、従来型のプレス成形機に取り付けることができる成形金型であって、作業環境に軽微な変更しか必要としない金型を目的とする。

本発明は最後に、成形金型を受けるように、かつ本発明による成形方法を実施するように適合されたプレス成形機を目的とする。

そこで、本発明は、塑性変形による部品の成形方法であって、
ａ） 第１の成形型部材と第２の成形型部材とを備える金型であって、それぞれの成形型部材が製品の形状の補完的外形を有する相手方の部材と対向する面を備える金型を装備したプレス機を使用し、
ｂ） 第１の成形型部材と第２の成形型部材との間に板素材を挿入し、
ｃ） 板素材を変形させるのに適した変形圧力と称する圧力が第１の成形型部材と第２の成形型部材との間にかかるようにプレス機を作動させる方法において、
使用する金型の少なくとも１つの成形型部材が、液体で満たされたキャビティを備え、前記キャビティにはキャビティ内に該成形型部材の壁を貫く衝撃波を発生させるのに適した手段が装備されており、該壁が変形圧力下でほぼ変形不能であるように、かつ衝撃波によって壁内に発生する応力を超える弾性限度を有するように適合されていること、および、
ｄ） 板素材の変形後、成形型部材の間の変形圧力を維持し、
ｅ） キャビティ内に、板素材の表面にほぼ直交して板素材を貫く少なくとも１つの衝撃波を発生させ、
ｆ） 板素材の変形圧力を緩め、板素材を取り出すこと
を特徴とする方法を対象とする。

本明細書においては、圧力波の圧力勾配は衝撃波と同一視できるほど十分に高いことから、衝撃波も圧力波も用語として区別せずに使用する。

この方法では、従来のプレス成形の作業シーケンスと似通った作業シーケンスを金型（対をなすパンチとダイ）とともに用い、この金型については、スプリングバックを埋め合わせるために寸法に変更を加える必要はない。金型内で部品に圧力がかかった状態を維持しながら、金型の部材のいずれか一方、すなわちパンチまたはダイに衝撃波を発生させ、金型のキャビティ内に発生したその衝撃波または圧力波が工具の壁を貫き、板素材に対してその表面に主に直交する方向、すなわちその厚さに沿って形状に合わせて印加される。圧力波の発生エネルギーを選択して、その波が通過する材料を通して伝播することによって発生する応力が工具の素材の弾性限度未満であるようにして工具を損傷させないようにする一方で、成形する板素材の弾性限度は超えるようにして、圧力波が板素材中にその表面に主に直交する応力を塑性領域で発生させ、それが、金型内における板素材の変形によって引き起こされた表面と平行な長手方向の応力を軽減する。この長手方向の応力の軽減は、長手方向のスプリングバックを埋め合わせるように行われる。そのため、スプリングバックが起きても、それは部品の厚さ方向のものであり、金型を開けたときにそれによって引き起こされる部品の変形はごくわずかなものに過ぎない。そのため、事後的なプレス成形作業および／または適合化作業を見込んでおく必要がなくなり、従来のプレス成形方法と比べて補足的な作業をなくすことができる。さらに、公称寸法に対する部品の適合化は最初の変形と同じ作業の中で行われるため、成形後の部品の手直しを事後的な適合化作業の中で行う必要もなくなる。そのため、本発明による方法は既知の方法と比べてきわめて経済的である。

有利には、本発明によれば、衝撃波は、キャビティ内に入り込んだ２つの電極の間にトリガされる電気アークによって発生させる。２つの電極の間に大出力の電気アークを発生させることにより、電気アークの経路にある液体がほぼ瞬時に蒸発してキャビティ内部に衝撃波（すなわち、圧力勾配がきわめて大きい圧力波）をトリガする。この圧力波は、キャビティの壁の内面に達するまで電気アークからあらゆる方向に遠ざかる。圧力波はその壁を通して板素材に伝達される。こうして、従来のプレス成形方法と、電気液圧成形の派生的方法であって、電気液圧成形とは異なり、衝撃波が液体と接する板素材をパンチに押し付けるのではなく、衝撃波が金型によって伝達される派生的方法とを組み合わせる。

有利には、本発明によれば、電気アークは１０〜１００ｋＪの範囲のエネルギーを持つ電流パルスによって得られる。このエネルギーは、高圧コンデンサバンク（２ｋＶから３００ｋＶまで、好ましくは２０ｋＶから５０ｋＶまで）における電流の貯蔵と、スパークギャップを用いるなどした電極端子間におけるその急速放電とによって発生させる。

有利には、本発明によれば、複数の衝撃波、好ましくは２つないし４つの衝撃波を、変形圧力を緩めることなく、逐次発生させる。素材、その平面性およびその変形によっては、変形圧力を保持していても、板素材が成形型部材と均一に接触することができない場合があることが確認できた。そこで、一連の衝撃波を印加することにより、板素材と金型の間の部分接触箇所をなくし、より均一で、板素材の表面に直交する応力を得ることが可能となる。

本発明は、塑性変形による部品の成形方法を実施するように適合された成形金型であって、第１の成形型部材と第２の成形型部材とを備えており、それぞれの成形型部材が、部品において得ようとする形状の補完的外形を有する相手方の型部材に対向する面を備える金型において、成形型部材の少なくとも一方が液体で満たされたキャビティを備え、前記キャビティにはキャビティ内に該成形型部材の壁を貫いて少なくとも１つの衝撃波を発生させるのに適した手段が装備されており、該壁が成形型部材の間に印加される変形圧力下でほぼ変形不能であるように、かつ衝撃波によって発生する応力を超える弾性限度を有するように適合されていることを特徴とする金型もその対象とする。そのため、成形金型の部材のいずれか一方の内部に水などの液体が満たされたキャビティを設けることにより、板素材が液体と接することなしに板素材に伝達される衝撃波を金型内に発生させることができる。キャビティは栓などによって好ましくは閉鎖されるが、その機能を変えることなく、その表面積からして比較的小さな部分で開放されたものであってもよいだろう。

有利には、本発明によれば、衝撃波の発生手段は、１０〜１００ｋＪの範囲のエネルギーの電流パルスを供給するように適合された大パルス出力発生器に接続され、キャビティ内に延びた少なくとも１つの電極を具備する。電気アークによる液体の蒸発などによって衝撃波を発生させるためにはキャビティ内に延びた電極が１つあれば足りる。これは、成形金型の壁自体が第２の電極の役を果たすためである。

有利には、本発明によれば、金型は、絶縁ブッシングを通してキャビティの壁を貫通する少なくとも１対の電極を備える。電極を１つしか使用しないことが可能な場合であっても、電極間距離を調整できるようにするためにも、成形金型の壁に電流を通さないようにすることで電食リスクを最小化するためにも、成形金型の壁と絶縁された２つの電極を使用することが好ましい。また、金型の大きさに応じて、部品の表面全体にかかる圧力波が均一化されるように、金型内に分散させた各所から複数の衝撃波が並行して発生するように複数の対の電極を用意することも有益であると考えられる。

有利には、本発明によれば、少なくとも１対の電極の電極間は電流パルスの印加時に蒸発するように適合された金属線によって連結される。このようなフィラメント、すなわち破裂糸は、大電流が通ると蒸発し、プラズマを形成して、そのプラズマ自体が大量のガスを発生させて衝撃波を発する。それぞれが破裂糸を備える複数の対の電極を使用すれば、第１の対の電極の破裂糸を交換する必要なしに複数の衝撃波を連続的に発生させることができる。

有利には、本発明によれば、キャビティを備える成形型部材はキャビティ内部の液体の入替え手段を備える。衝撃波を発する、とりわけ連なって産出する電気放電を繰り返すことで、キャビティの液体の汚染を引き起こす可能性がある。そこで、キャビティを備える金型の部材に、たとえば、いずれも止め弁を装備し、または常時加圧された状態にあって、断続的にまたは一定間隔でキャビティ内に含まれる液体の交換を行えるように適合された給水導管と排水導管など、その液体の入替え手段を備え付けることは有益である。

本発明は、上述の特徴のいずれか１つを少なくとも有する金型を備えるプレス成形機も対象とする。そのため、「従来型」プレス成形機を、適切な電気パルス発生器と、金型のキャビティに水を循環させるのに適した装置とをそのプレス機に付け加えることによって、本発明による金型とともに使用することが可能である。そのため、既存のプレス成形工場への設置を少ないコストで、設備に対する大きな変更を生じることなしに行うことができる。

本発明は、前述または後述の特徴のすべてまたは一部を組み合わせた特徴を有する成形方法、成形金型およびプレス成形機にも関する。

本発明のその他の目的、特徴および利点は、以下の説明および添付の図面を通して明らかとなろう。

適合されたプレス機に取り付けられた本発明による金型の概略断面図である。 本発明による方法の各ステップの概略図である。

コラム式プレスの形で図１に示したプレス機１０は、金型を、たとえば主ジャッキ１４の力によってコラム１２に沿って摺動するように適合された金型ホルダ１３を、あるいは副ジャッキ１５の力によって摺動する板押え１６を案内することができる案内コラム１２が載るフレーム１１を具備する。金型２０は、フレーム１１に固定された第１の成形型部材、すなわちダイ２１と、第２の成形型部材、すなわち金型ホルダ１３に固定されたパンチ２３とで構成される。ダイ２１とパンチ２３は、鋼やアルミニウムの金属薄板などの板素材１８を変形させることができるようにそれぞれが補完的な形状の表面２２および２４を有している。

図１に示した例では、パンチ２３は液体２７で満たされたキャビティ２６を備える。液体２７は一般に水であり、ゼロでない導電率を有するように非蒸留水であることが好ましい。キャビティ２６は、少なくともダイ２１に対向して、ダイ２１の表面２２と協働して製品の形状を規定する外面２４を有する厚い壁２５によって画定される。壁２５の厚さは、パンチの材料および板素材の成形に必要な変形力に応じて決定される。

好ましくは、パンチ２３は、ダイ２１と同様、焼入れした合金鋼で製作され、５００〜１５００ＭＰａ程度の弾性限度を有する。

２つの電極２８が絶縁ブッシング２９を通してキャビティ２６内に入り込み、液体２７の中に延びる。２つの電極２８は、１０〜１００ｋＪの範囲のエネルギーを貯蔵するように適合された複数の高圧コンデンサを具備する大パルス出力発生器１７と、それらのコンデンサからの電極端子におけるスパークギャップなどの急速放電手段とに接続される。発生器１７が２つの電極２８間で放電すると、２つの電極間に大出力の電気アークが生じ、その電気アークに隣接する液体２７を瞬時に蒸発させ、それによってきわめて大きな圧力勾配を有する圧力波、すなわち衝撃波を電気アークレベルに発生させることができ、その衝撃波は径方向のあらゆる方向に伝播する。

当然のことながら、たとえば、シールブッシングを通してキャビティ内に入り込む１つだけの電極を使用し、第２の電極はアースしたパンチそのものによって形成されるものなど、それ以外の電極の構成も可能である。さらに、一部を露出させた同軸ケーブルを使用して、ケーブルのアース用編組線と芯線とが２つの電極を形成するようにすることも可能である。さらに、寸法の大きな部品のプレス成形用の大型の金型の場合は、キャビティの様々な箇所に複数の対の電極を設け、同じ１つの適切な出力の発生器１７に直列または並列に接続するか、あるいは複数の衝撃波が並行して発生するように同期制御した複数の発生器に接続するかして、板素材１８と接する表面２４全体を均一にカバーする圧力波を最終的に作り出すようにすることが有益たり得る。

衝撃波発生手段は、２つの電極２８の間につないだ金属フィラメントを具備することもできる。破裂糸とも呼ばれるフィラメントは、発生器１７の放電時には蒸発してきわめて高温の金属プラズマを発生させる。発生したプラズマはプラズマを取り囲む水の蒸発をもたらし、それによって衝撃波を発生させる。金型は、第１の衝撃波によって破壊された破裂糸を交換するための金型に対する作業を必要とすることなく連続する複数の衝撃波を発生させることができるように、破裂糸によってつながれた複数の対の電極を、少なくともそれらの電極のうちの幾つかについて、具備することもできる。

パンチ２３は、液体２７の入替えが可能となるようにキャビティ２６内の液体２７の供給／排出配管３０をさらに具備することができる。配管３０は、絶対に必要ではないにせよ止め弁３１を備えることができ、キャビティ内の液体は常時供給を行うことによって加圧状態に置くことも、大気圧のままにしておくこともできる。

ここからは、本発明による方法の諸ステップを示した図２を参照する。最初のステップＳ１０１では、プレス機１０のジャッキは、金型２０が開いた状態、すなわちパンチ２３および板押え１６がダイ２１から引き離された状態に保たれるように制御される。その状態で板素材１８をダイ２１上に定置する。続くステップＳ１０２では、プレス機の副ジャッキ１５を操作して板押え１６をダイ２１に近づけ、板押えとダイとの間に板素材１８を保持して動かないようにする。

ステップＳ１０３では、プレス機の主ジャッキ１４を作動させて、パンチ２３をダイの方向に下降させる。変形圧力Ｐの作用により、板素材１８は、所望の最終形状が得られるようにパンチ２３とダイ２１との間で変形する。

その際、パンチ２３とダイ２１との間の変形圧力Ｐを保持したまま、ステップＳ１０４で、電極２８の間に電気アークをトリガして、電気アークから放射状に遠ざかる矢印で表した衝撃波を発生させる。

一例として、電極２８の間に５０ｋＪ程度のエネルギーを印加すると、５００ＭＰａ程度の振幅を有する動圧力波が発生し、それがキャビティ２６内に壁２５の内面に到達するまで拡散する。この圧力波は、壁２５の内面での反射に伴う若干の損失を除いて、応力の形で壁２５に伝わり、次いで板素材１８に伝わり、さらにダイ２１を通してプレス機のフレーム１１まで広がる。この圧力波によってパンチ２３の壁２５に生じる応力は、板素材１８に生じるものと同様、３００ＭＰａ程度である。この応力は、７００ＭＰａ超であるパンチの材料の弾性限度よりも小さく、したがってパンチのいかなる塑性変形も引き起こすものではなく、パンチの形状は保たれる。一方、たとえば弾性限度が１４０ＭＰａ程度であるアルミニウム６０６１ Ｔ４など、アルミニウム合金製円盤からなる板素材１８の場合は、３００ＭＰａという応力は弾性限度を十分に上回る。その結果、板素材１８の厚さ方向に塑性圧縮が起こる。そこで、発明者らは、板素材の表面に対して直交するこの圧縮応力は、板素材の成形時の塑性変形によって生じたその表面と平行な応力、とりわけ曲げ応力および引張応力を和らげ、緩めることができることを確認した。

ステップＳ１０４は、変形圧力Ｐを緩めることなく、何回も繰り返すことができる。発明者らは実際、ステップＳ１０３における板素材１８の変形の際に、成形後の部品の表面の小さな振幅のしわのような意図せざる変形が、パンチ２３と部品との密な接触を妨げ、それが部品の表面に直交する応力の伝達を損なう可能性があることを確認した。ステップＳ１０４の繰返しの際の最初の一連の衝撃波の印加により、接触箇所における表面の応力を緩め、しわを平らにすることで、パンチと部品との接触を改善することができる。それに続く一連の衝撃波は、部品の表面全体に基本的に直交する応力を伝達することができる。

一例として、直径２５０ｍｍの円盤形のアルミニウム６０６１ Ｔ４製の板素材１８を深さ５０ｍｍの円錐形にプレス成形した。円錐の深さについてスプリングバックを測定した。その結果、「従来型の」プレス成形後、すなわち本発明による金型内に衝撃波を印加する前の段階では、スプリングバックがおよそ１．２ｍｍ、すなわち約２．５％であることが確認できた。３００ＭＰａ程度の最初の衝撃波の印加後では、スプリングバックは１％に減少し、第２の衝撃波ではさらに０．６％に、さらに第３の衝撃波の印加後ではスプリングバックは０．０２％でしかなくなった。

本発明による金型を用いることで、繰返し頻度を条件づけるものは発生器１７の充電のみとなり、ステップＳ１０４を比較的迅速に繰り返すことが可能となることに着目すべきである。さらに、部品はその間、金型２０内に留まったままであり、ステップＳ１０４を繰り返すたびに部品のハンドリングを行うことを予定しておく必要もない。

ステップＳ１０４を繰り返すことによって液体２７は汚染する可能性があることから、一定数の繰返しの後に液体を交換するなり、配管３０の間での液体の常時循環させるなりしてその交換が目論まれてよい。

所望の精度および板素材１８の使用素材に応じた数の衝撃波を印加した後、ステップＳ１０５へと移り、ジャッキ１４および１５を操作してパンチ２３および板押え１６を上昇させる。それにより、スプリングバックがほとんどなくなった成形後の部品を取り出すことができる。

プレス機１０は従来型の − 説明した例ではコラム式プレス型の − 液圧プレスであり、それに大パルス出力発生器１７と、必要に応じて液体２７の供給回路とを付け加えたものである。そのため、本発明による成形方法の実施に当たって機械に大きな変更を加えることなく、既存のプレス成形工場を使用することが可能である。

この説明はあくまでも例示的なものとしてのみ行ったものであり、本発明の範囲から逸脱することなく、たとえばグースネック式その他のあらゆる種類のプレス機を使用することなど、そこに多くの変更を加えることができるであろうことは言うまでもない。また、キャビティ２６を備える成形金型の部材は必ずしもパンチ２３である必要はなく、対の形でダイ２１であることもできよう。また、従来型の１つまたは複数のパンチを使用して従来型のプレス成形ステップを実施し、キャビティ２６を備えるパンチ２３は、最後のプレス成形工程の際にのみ、またはその最後の工程の後にのみ使用するということもできよう。しかし、その場合は、衝撃波を発生させる前に部品１８を再び拘束することが必要となる。

Claims (11)

1. 塑性変形による部品の成形方法であって、
   ａ） 第１の成形型部材（２１）と第２の成形型部材（２３）とを備える金型（２０）であって、それぞれの成形型部材が製品の形状の補完的外形を有する相手方の型部材と対向する面（２２、２４）を備える金型を装備したプレス機（１０）を使用し、
   ｂ） 前記第１の成形型部材と前記第２の成形型部材との間に板素材（１８）を挿入し、
   ｃ） 前記板素材を変形させるのに適した変形圧力（Ｐ）と称する圧力が前記第１の成形型部材と前記第２の成形型部材との間にかかるように前記プレス機を作動させる、方法において、
   使用する前記金型（２０）の一方の前記成形型部材（２１、２３）が、液体（２７）で満たされたキャビティ（２６）を備え、前記キャビティには前記キャビティ内に前記成形型部材の壁（２５）を貫く少なくとも１つの衝撃波を発生させるのに適した手段（２８）が装備されており、前記壁が前記変形圧力下でほぼ変形不能であるように、かつ前記衝撃波によって前記壁内に発生する応力を超える弾性限度を有するように適合されていること、および、
   ｄ） 前記板素材の変形後、前記成形型部材の間の前記変形圧力を維持し、
   ｅ） 前記キャビティ内に、前記板素材（１８）の表面にほぼ直交して前記板素材（１８）を貫く少なくとも１つの衝撃波を発生させ、
   ｆ） 前記板素材の前記変形圧力を緩め、前記板素材を取り出すこと
   を特徴とする、方法。
2. 前記衝撃波を、前記キャビティ（２６）内に入り込んだ２つの電極（２８）の間にトリガされる電気アークによって発生させることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記電気アークが１０ｋＪから１００ｋＪの範囲のエネルギーを持つ電流パルスによって得られることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 複数の衝撃波を、前記変形圧力を緩めることなく、逐次発生させることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記複数の衝撃波は、２つないし４つの衝撃波である、請求項４に記載の方法。
6. 塑性変形による部品の成形金型（２０）であって、第１の成形型部材（２１）と第２の成形型部材（２３）とを備えており、それぞれの成形型部材が、前記部品において得ようとする形状の補完的外形を有する相手方の部材に対向する面（２２、２４）を備える、金型において、前記成形型部材（２１、２３）の一方が液体（２７）で満たされたキャビティ（２６）を備え、前記キャビティ内に前記成形型部材の壁（２５）を貫いて少なくとも１つの衝撃波を発生させるのに適した手段（２８）が装備されており、前記壁が前記成形型部材の間に印加される変形圧力（Ｐ）下でほぼ変形不能であるように、かつ前記衝撃波によって発生する応力を超える弾性限度を有するように適合されていることを特徴とする、金型。
7. 前記衝撃波の発生手段が、１０ｋＪから１００ｋＪの範囲のエネルギーの電流パルスを供給するように適合された大パルス出力発生器（１７）に接続され、前記キャビティ内（２６）に延びた少なくとも１つの電極（２８）を具備することを特徴とする、請求項６に記載の金型。
8. 絶縁ブッシング（２９）を通して前記キャビティ（２６）の前記壁を貫通する少なくとも１対の電極（２８）を備えることを特徴とする、請求項７に記載の金型。
9. 少なくとも１対の前記電極（２８）の電極間が前記電流パルスの印加時に蒸発するように適合された金属線によって連結されることを特徴とする、請求項８に記載の金型。
10. 前記キャビティ（２６）を有する前記成形型部材（２３）が前記キャビティ内部の前記液体（２７）の入替え手段（３０、３１）を備えることを特徴とする、請求項６ないし９のいずれか一項に記載の金型。
11. 請求項６ないし１０のいずれか一項に記載の金型を装備することを特徴とするプレス成形機。

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