JP6666926B2 - 放電成形装置 - Google Patents

Description

本発明は放電成形装置に関する。

放電成形装置は、機械部品の製造にますます使用されている。これらの成形装置は、製造コストを抑制しながらも、比較的複雑な外観の部品を得ることを可能にする。例えば、自動車産業や航空宇宙産業はかかる技術を使用する。

流体成形法は、変形による製造方法である。この方法は、厚さが比較的小さな金属部品の塑性変形を可能にする。この変形を達成するために、加圧された場合に金型上での前記部品の変形を可能にする流体が使用される。流体を加圧するためにいくつかの技術が使用される。

使用される方法の１つは、放電成形法である。この方法は、槽内に蓄えられた流体中での電気放電の原理に基づく。電気エネルギーの放出は、流体中を非常に迅速に伝播する圧力波を発生させ、これが、金型に対する機械部品の塑性変形を可能にする。これを行うために、流体中に配置された電極は、エネルギー蓄積コンデンサに蓄積された電荷を放出する。

この変形を達成するには無視できない量の水が必要である。部品の変形は、電気アークによって発生した爆発の間に移動した水の量に比例する。加えて、形成された部品を回収するために、各爆発の後に槽を空にする工程が必要である。したがって、かかる装置は、一般に、部品の小規模量産に好ましい。

しかし、電気アークが発生すると、電極の損耗と小粒子の出現が生じ、小粒子は、重力により、金型の底に位置する部分に落ちる。これらの粒子は、形成された部品の欠陥につながる。

米国特許第７，４９３，７８７号は、膜を用いて２種の液体を保持する放電成形装置を開示している。高電圧パルスを生成するように適合された装置が、一方の液体に衝撃波を生成するために、電極に連結される。このようにして生成された衝撃波は、膜を通って他方の液体に伝えられ、かくして金型に対して部品を変形させる。２種類の液体を分離する膜の使用により、変形すべき部品を交換する際に排出する必要があるのは、その部品が配置される液体のみであり、これにより生産性が向上する。さらに、形成すべき部品は、電極の損耗に起因する粒子から保護される。しかしながら、かかる装置は、少なくとも３つの部品から構成されているので、設計が比較的複雑である。さらに、膜の強度は、装置の信頼性に直接影響を及ぼす。さらに、膜の使用は、衝撃波の単純な伝達のみを可能にする。

米国特許第７，４９３，７８７号

本発明の目的は、設計が比較的単純な放電成形装置を提供することであり、これは、好ましくは、２つの部品のみを備え、従来技術の装置と比較して信頼性が向上していることを意味する。加えて、本発明は、現在の基準を満たしながらも製造コストが低減された放電成形装置を有利に提供する。有利には、形成すべき部品は、電極の損耗に起因する粒子から保護され、所望の表面状態を有する部品を得ることを可能にする。

この目的を達成するために、本発明は、上部、下部、筐体、流路、下部内に配置された金型キャビティおよび電極を有する金型を備える放電成形装置であって、筐体は第１の領域と第２の領域を有し、金型キャビティは第２の領域内に配置され、電極は第１の領域内に配置された電極先端部を有し、放電成形装置は、流路内で流体密封な状態で並進移動可能なように取り付けられ、筐体の第１の領域を第２の領域から分離するピストンをさらに有することを特徴とする。

ピストンの使用により、放電成形装置の信頼性が向上する。また、放電成形装置の金型に含まれる全ての液体を排出する必要がないので、生産性も向上する。

流路内にピストンが詰まる潜在的な危険性を回避するために、ピストンは、流路の第２のガイド手段と相補的な第１のガイド手段を有することができる。

例示的な一実施形態では、ガイド手段は、ピストンの自由度を１に制限する３つのリブを備える。

変形例では、第２のガイド手段は３つの溝を備え、したがって、流路内のピストンの並進運動を最適化する。

金型キャビティ上に配置された部品の変形を最適化するために、ピストンは、平面形状で、金型キャビティの方に向けられた第１の面を有する。

変形例では、ピストンは、一組の凹凸形状から選択された形状で、金型キャビティの方に向けられている第１の面を有することができる。

筐体内のピストンの動きを最適化するために、ピストンは、筐体の形状に適合し、第１の領域の方に向けられた第２の面を有する。

一変形形態では、ピストンは、例えば、一組の凹凸形状から選択された形状で、第１の領域の方に向けられた第２の面を有する。

ピストンが金型の下部に落下するのを防止するために、流路はピストンを保持するように適合されたストッパを有することができる。この例示的な実施形態では、形成すべき部品の細部の再現性を向上するために、ピストンとストッパとの間にばねを配置することができる。ばねの存在により、ピストンは、金型が空になるたびに、所定の同一の高さに戻される。

本発明の特徴および利点は、添付の概略図を参照して以下の説明から明らかになるであろう。

本発明による放電成形装置の概略断面図である。 図１に対応する簡略化された概略図である。 本発明の他の実施形態の詳細を示す拡大および簡略化した概略図である。 異なるピストン形状を示す。

図１は、上部６、下部８、筐体１０、流路１２、下部８内に配置された金型キャビティ１４、および電極１６を有する金型４を備える放電成形装置２の概略図である。

かかる放電成形装置２は、例えば、硬化鋼等の金属または金属合金からなるフレーム（図示せず）上に配置することができる。

図示の実施形態における金型４の上部６は、金型４の下部８の上方に配置されている。下部８は、例えばクランプ手段（図示せず）によって上部６に固定されている。好ましくは、金型４（上部６および下部８を備える）は、例えば金属または金属合金等の高密度材料で構成される。

筐体１０は、第１の領域１８と、第２の領域２０と、流路１２とを有する。図１に示すように、筐体１０は、軸線Ａ−Ａ´に関して回転対称であり、例えば所定の直径を有する円筒形の第１の壁２２を有する。

また、筐体１０は、円錐台形状で、第１の壁２２および流路１２に接続された第２の壁２４も有する。

また、筐体１０は、第１の領域１８において、電極１６の先端部２６を受容するよう適合される。電極１６は、高電圧電極（数十ｋＶ）である。ここでは、電極は回転軸線Ａ−Ａ´に対して垂直に保持されている（図１）。電極１６を金型４から絶縁するために、絶縁スリーブ２８が使用される。

また、電極１６は、調節可能で修正可能な電極間空間を有し、これにより電極間の電気アークの誘発を制御することが可能となる。

電極１６間に少なくとも１つの電気アークを発生させるのに十分な量の電気エネルギーを蓄えるのに適した蓄電装置（図示せず）が使用される。蓄電装置によって電極１６に送達される電気エネルギーの量を制御するために、パルス発生器（図示せず）がエネルギー貯蔵装置に連結される。パルス発生器および蓄電装置は当業者には公知であるので、本明細書では説明しない。

好ましい実施形態では、流路１２は、円筒形の形状を有し、金型キャビティ１４に対向して配置される部品に生ずる変形に対応したピストン３０の移動を可能にするのに十分な所定の長さを有する。また、流路１２は、金型キャビティ１４に適合する。

下部８は、放電成形（ＥＨＦ）によって製造すべき部品３２に付与される最終形状を画定する金型キャビティ１４を受容する。形成すべき部品３２の形状の複雑さに応じて、金型キャビティ１４は、高精度の細部を有する大きな形状因子を有することができる。

また、下部８は、部品３２と金型キャビティ１４との間に存在する空気を排除するための真空手段（図示せず）に連結された配管（図示せず）を含むことができる。したがって、部品３２の形成工程の間に、部品３２の変形に抗する反作用（部品２６と金型キャビティ１４との間に空気が存在することによって生じる）がない。

ピストン３０は、流路１２内において流体密封状態で並進移動可能なように取り付けられ、第１の領域１８と筐体１０の第２の領域２０との間の分離を形成する。第１の領域１８は第１の流体で満たされ、第２の領域２０は第２の流体で満たされる。

ここで考えられる好ましい実施形態では、第１の流体および第２の流体は水である。有利には、流路１２内にピストン３０が存在するため、第１の領域１８に含まれる水は、筐体１０の第２の領域２０に含まれる水から隔離される。したがって、電極１６の先端部２６から離脱した粒子は、ピストン３０によって阻止され、部品３２に到達しない。図１および図２に示すように、第１の領域１８および第２の領域２０は、流路１２内でのピストン３０の位置によって変化することに留意されたい。

ピストン３０は、例えば、金型４の材料と同一の材料で作られている。有利には、第１の領域１８と第２の領域２０との間の流体密封を保証するために、ピストン３０は、流路１２の直径と同一の直径を有する。ピストン３０は、流路１２内で並進移動可能なように取り付けられており、したがって対称軸線Ａ−Ａ´に沿って第１の位置（図１）から第２の位置（図２）への並進運動を可能にする。

第１の領域１８と第２の領域２０との間の封止を最適化するために、例えばピストン３０と流路１２との間に配置された弾性リング３８等の封止手段を使用することができる。

図３は、２つの弾性リング３８を備えた放電成形装置２の部分断面図を示す。他の実施形態では、ピストン３０上の弾性リング３８の保持を向上させるために、ピストンは、ピストン３０と流路１２との間の封止を形成する弾性リング３８を受容して保持するように適合された形状および深さの溝（図示せず）を有することができる。

また、流路１２内のピストン３０の並進運動中に軸線Ａ−Ａ´周りの回転を回避し、したがってピストン３０が詰まる危険性を排除するために、一実施形態において、流路１２は少なくとも１つの溝（図示せず）を備え、ピストン３０は、少なくとも１つのリブを備える。流路１２の溝は、ピストン３０のリブと係合するよう適合される。

放電成形装置２の信頼性を向上させるために、ピストン３０は、ピストン３０の周りに均等に分布した３つのリブを備えることができ、流路１２は３つの均等に分布した溝を備えることができ、リブは溝に対向して配置される。したがって、ピストン３０は単一の自由度を有し、第１の位置（図１）から第２の位置（図２）への移行中に力がより良く配分され、これによって放電成形装置２の耐用年数が向上する。

別の実施形態では、ピストン３０が流路１２から外れるのを防止するために、流路１２は図３に示すようにストッパ４０を有する。好ましくは、ストッパ４０は、流路１２の下部に配置される。さらに、このストッパ４０は、筐体１０の第２の領域２０が排液された際に、ピストン３０が流路１２から出る、および／または。落下するのを防止する。

変形例では、ピストン３０の再位置決めを容易にするために、ばね（図示せず）を使用することができる。ばねは、例えば、ピストン３０の第１の面４２の外縁に配置され、ストッパ４０に当接している。次に、ばねは、金型キャビティ１４内に配置された部品３２の放電成形の工程の後に、ピストン３０を第１の位置に戻すことを可能にする。

上述のように、ピストン３０の第１の位置から第２の位置への移行は、電気アークによって電極１６に生成される第１の波の伝播によって達成される。このようにして生成された第１の波は、第１の領域１８において、軸線Ａ−Ａ´に垂直にピストン３０に向かって、より正確にはピストン３０の第２の面４４に向かって伝播する。

第１の波は、特に、電気アークの電力に依存するエネルギーを有する。流路１２内でのピストン３０の移動は、第１の波のほとんどすべてのエネルギーを第２の領域２０に収容された水に伝達することを可能にし、第２の波を生じさせる。このようにして生成された第２の波は、金型キャビティ１４の上に配置された部品３２を変形させるために、金型キャビティ１４に向かって伝播する。

有利には、第１の領域１８を第２の領域２０から隔離するために流路１２内に配置されたピストン３０を備えた放電成形装置２を使用することにより、部品３２の品質を向上することができる。電気アークが電極１６で誘発されると、比較的少量の材料が電極から剥がれ、流体（この場合は水）に落下する粒子を形成する。これらの剥がれた粒子は、重力によりピストン３０上に落下し、単一の容積の流体を含む従来技術の装置とは対照的に、部品３２に到達しない。

さらに、第１の領域１８に収容された水を第２の領域２０に収容された水から隔離するために流路１２内にピストン３０を使用することにより、第２の領域２０に収容される水を満たして空にするのに要する時間を有利に短縮することができる。

したがって、第１の位置から第２の位置へのピストン３０の移動は、抵抗なしに生じ、例えば１ミリ秒未満のような比較的短時間で行うことができ、これにより部品３２の急激な変形を得ることができ、したがって、部品３２のより良好な変形を可能にする。

第１の波と第２の波との間のエネルギーの伝達を改善するために、ピストン３０の第２の面４４は、例えば凹形状を有してもよく、ピストン３０の第１の面４２は凸形状を有してもよい（図４ｄ）。下部８における第２の波の伝播はこのようにして最適化され、変形後の部品３２の変形品質を改善する。

他の例示的な実施形態では、図４ｄ〜図４ｆに示すように、第１の面４２は、より大きい、または、より小さい曲率半径を有することができる。したがって、選択された曲率半径に応じて、部品３２の変形を最適化するために部品３２上への第２の波の集束を改善することが可能である。

また、第１の面４２および第２の面４４は、図４ａ〜図４ｃに示すように、曲率がより小さく、または、より大きく、部品３２の変形を最適化する他の形状を有することもできる。また、ピストン３０は、流路１２内でのいかなる回転も防止する長方形の形状を有することができる。

より一般的には、第１の面４２は、部分３２に対して行われるべき変形に適合するように成形され、第２の面４４は、第１の領域１８の形状に適合するように成形される。

したがって、本発明は、流路を有する筐体と、前記流路内に配置されたピストンと、金型キャビティとを有する金型を含む放電成形装置を提案する。ここに提案された金型は、２つの部品のみで構成されており、組立が容易であり、その製造コストを抑制する。第１の領域を第２の領域から分離するために流路内にピストンを使用することにより、２つの製造段階の間に排出される流体の量が減少し、生産性が向上する。実際、部品を製造する時間は、金型キャビティに部品を配置し、筐体に流体を充填し、筐体を閉じ、流体が空になる前に電気アークを誘発するのに必要な時間に相当する。さらに、２つの別個の体積の流体の存在により、電気アークが誘発された際に電極から剥がれた粒子が、形成すべき部品に落ちないので、品質に影響を与えない。

本発明は、非限定的な例として上述した実施形態、ならびに、図面および他の変形例に示された形状に限定されるものではなく、当業者が想到する範囲内で、以下の請求項の範囲に含まれる任意の実施形態に関するものである。

Claims (11)

1. 上部（６）、下部（８）、筐体（１０）、流路（１２）、前記下部（８）内に配置された金型キャビティ（１４）および電極（１６）を有する金型（４）を備える放電成形装置（２）であって、前記筐体（１０）は第１の領域（１８）と第２の領域（２０）を有し、前記金型キャビティ（１４）は前記第２の領域（２０）内に配置され、前記電極（１６）は前記第１の領域（１８）内に配置された電極先端部（２６）を有し、前記放電成形装置は、前記流路（１２）内で流体密封な状態で並進移動可能なように取り付けられ、前記筐体（１０）の前記第１の領域（１８）を前記第２の領域（２０）から分離するピストン（３０）をさらに有することを特徴とする放電成形装置。
2. 前記ピストン（３０）は、前記流路の第２のガイド手段と相補的な第１のガイド手段を有する、請求項１に記載の放電成形装置（２）。
3. 前記第１のガイド手段は３つのリブを備える、請求項２に記載の放電成形装置（２）。
4. 前記第２のガイド手段は３つの溝を備える、請求項２または３に記載の放電成形装置（２）。
5. 前記ピストン（３０）は、平面形状であり、前記金型キャビティ（１４）の方に向けられた第１の面（４２）を有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の放電成形装置（２）。
6. 前記ピストン（３０）は、一組の凹凸形状から選択された形状であり、前記金型キャビティ（１４）の方に向けられた第１の面（４２）を有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の放電成形装置（２）。
7. 前記ピストン（３０）は、平面形状であり、前記第１の領域（１８）の方に向けられた第２の面（４４）を有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の放電成形装置（２）。
8. 前記ピストン（３０）は、一組の凹凸形状から選択された形状であり、前記第１の領域（１８）の方に向けられた第２の面（４４）を有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の放電成形装置（２）。
9. 前記流路（１２）は、前記ピストンを保持するように適合されたストッパ（４０）を有する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の放電成形装置（２）。
10. 前記ピストン（３０）と前記ストッパ（４０）との間にばねが配置される、請求項９に記載の放電成形装置（２）。
11. 前記第１の領域（１８）は水で満たされ、前記第２の領域（２０）は水で満たされる、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の放電成形装置（２）。

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