JP6674273B2 - 相当ひずみ付与装置 - Google Patents

Description

本発明は、相当ひずみ付与装置に関する。

従来、被処理物に相当ひずみを付与して新たな特性を付与する手法として、ＨＰＳ（Ｈｉｇｈ−Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｌｉｄｉｎｇ）法が知られている（例えば、特許文献１参照）。ＨＰＳ法では、上下の金型の間に被処理物を加圧挟持しつつ、加圧方向と略垂直な方向に上下の金型を相対的にスライド移動させることにより被処理物に相当ひずみを付与する手法である。

上述した特許文献１に記載のＨＰＳ法で用いる金型は、上金型と下金型の対向面に互いに対向する位置関係でそれぞれ金型のスライド方向に沿って直線状に延びる条溝が設けられている。上下金型の対向面を近づけると上金型の条溝と下金型の条溝とで囲われるスライド方向に沿って延びる筒状の空間が形成され、この空間が被処理物を配置する配置空間となる。

被処理物は上半分を上金型の条溝に嵌合しつつ下半分を下金型の条溝に嵌合した状態で配置空間に配置される。この状態で上下の金型が互いに近づく方向に圧力を加えて上下の金型の間に被処理物を加圧挟持しつつ加圧方向と略垂直な筒状の配置空間の延びる方向に上下の金型を相対的にスライド移動させることで被処理物に相当ひずみを付与する。

特開２００９−６１４９９号公報

上述したように、ＨＰＳ法は被処理物を押し潰す方向に加圧しつつ加圧方向と略直交する方向に上下の金型を相対的にスライド移動させる手法であるため、加圧力によって金型のスライド方向と異なる方向に潰れが発生すると上下金型を相対的にスライド移動して被処理物に付与する相当ひずみの付与効率が低下する。すなわち、相当ひずみは加圧とスライドの組み合わせによって被処理物に付与されるため、潰れによって加圧力の一部がスライド方向と異なる方向に散逸すると相当ひずみが被処理物に効果的に付与できなくなる。

上述した特許文献１の配置空間は、上金型の条溝と下金型の条溝とで囲われたスライド方向に沿って延びる筒状の空間を被処理物の配置空間としてあり、加圧方向及びスライド方向と直交する方向を金型の条溝の側壁によって略閉塞してある。このため、加圧力による加圧方向及びスライド方向と直交する方向への潰れの発生を抑制した状態でＨＰＳ加工を行うことが可能である。しかしながら、このような構造上の制約がゆえに特許文献１に記載のＨＰＳ加工装置では上下金型の対向面よりも大面積の材料に対してはＨＰＳ加工を行うことができなかった。

本願発明者らは、上下金型の対向面の面積を超えるような大面積のシート状材料に対して行うＨＰＳ加工についてもニーズが潜在することを直感し、未だ顕在化しないニーズに応えるべく本願発明を着想し、被処理物を挟持する２つの金型の対向面の面積を超える大面積のシート状材料に対するＨＰＳ加工を実現する上で直面する課題の少なくとも１つを解決するべく具体的な装置構成及びＨＰＳ加工の方法の開発を行ったものである。

本発明の態様の１つは、シート状材料を対向面の間に挟持する第１金型及び第２金型と、前記第１金型の対向面と前記第２金型の対向面とを互いに近づける方向に駆動する駆動装置と、前記第１金型と前記第２金型とを前記対向面の長さ方向に沿う方向に相対スライドさせるスライド装置と、前記シート状材料を前記対向面の幅方向に沿う方向に搬送する搬送装置と、を備え、前記シート状材料は、その幅が前記対向面の幅よりも広く、前記対向面の幅方向の少なくとも一方からはみ出した状態で前記第１金型と前記第２金型との間に加圧挟持され、前記第１金型と前記第２金型は、対向面の互いに対向する部位に、長さ方向に沿って形成された高摩擦面と、前記高摩擦面を挟んで前記対向面の幅方向両側に沿って形成された低摩擦面とを有することを特徴とする相当ひずみ付与装置である。

このように構成された相当ひずみ付与装置においては、駆動装置が第１金型の対向面と第２金型の対向面とを互いに近づける方向に駆動して第１金型と第２金型の対向面の間にシート状材料を加圧挟持させた状態でスライド装置が第１金型と第２金型とを対向面の長さ方向に沿う方向に相対スライドさせる。このとき、第１金型と第２金型の対向面において高摩擦面の間に加圧挟持された部位の部位シート状材料ＳＭには相当ひずみが付与される一方、低摩擦面はシート状材料の幅方向への圧潰伸長を抑制して高摩擦面に加圧挟持されているシート状材料ＳＭに対する相当ひずみの付与効率を向上する。その後、駆動装置が第１金型の対向面と第２金型の対向面とを互いに遠ざかる方向に駆動して第１金型と第２金型の対向面によるシート状材料の加圧挟持を解除し、搬送装置がシート状材料を対向面の幅方向に沿う方向に搬送し、シート状材料の別の部位を第１金型と第２金型とで加圧挟持して相当ひずみの付与を行う。

本発明の選択的な態様の１つは、前記駆動装置が前記第１金型の対向面と前記第２金型の対向面との間に前記シート状材料を加圧挟持しつつ前記スライド装置が前記第１金型と前記第２金型とを前記対向面の長さ方向に相対スライドさせた後、前記駆動装置が前記第１金型と前記第２金型を離間させ、前記搬送装置が前記シート状材料を前記対向面の幅方向に沿う方向に前記高摩擦面の幅員以下の距離を搬送することを特徴とする相当ひずみ付与装置である。

このように構成した相当ひずみ付与装置においては、搬送装置によるシート状材料の搬送距離を高摩擦面の幅員以下とすることによりシート状材料の所望の範囲の全域を網羅するように相当ひずみの付与を行うことができる。

本発明の選択的な態様の１つは、前記第１金型の高摩擦面と前記第２金型の高摩擦面は互いに平行な略平坦面であり、前記第１金型の低摩擦面と前記第２金型の低摩擦面は対向面の幅方向の縁部に近づくほど互いに遠ざかる漸次離間構造を有することを特徴とする相当ひずみ付与装置である。

このように構成した相当ひずみ付与装置においては、高摩擦面の両側に沿って延びる低摩擦面が対向面の幅方向の縁部に近づくほど互いに遠ざかる漸次離間構造となっているため、高摩擦面の間にシート状材料を加圧挟持したときに低摩擦面は高摩擦面付近の部位は高摩擦面と同程度の圧力でシート状材料を加圧挟持する一方、高摩擦面から離れるほど加圧挟持の圧力が小さくなる。従って、高摩擦面に加圧挟持された部位のシート状材料の圧潰伸長を効果的に抑制することができる。

本発明の選択的な態様の１つは、前記第１金型の対向面と前記第２金型の対向面の一方は突条を有し、当該突条の頂面の長さ方向に沿って前記高摩擦面が延設されており、前記第１金型の対向面と前記第２金型の対向面の他方は前記突条と凹凸係合する条溝を有し、当該条溝は溝底面の長さ方向に沿って前記高摩擦面が形成されていることを特徴とする相当ひずみ付与装置である。

このように構成した相当ひずみ付与装置においては、第１金型と第２金型の対向面の間にシート状材料が加圧挟持された際に凸条及び条溝の高摩擦面の両側に沿って延びる段差部分がシート状材料を屈曲させつつ係止するためシート状材料の幅方向への圧潰伸長が抑制され、高摩擦面に加圧挟持されているシート状材料ＳＭに対する相当ひずみの付与効率が向上する。

なお、上述した相当ひずみ付与装置は他の機器に組み込まれた状態で実施されたり他の方法とともに実施されたりする等の各種の態様を含む。

本発明によれば被処理物を挟持する上下金型の対向面の面積を超える大面積のシート状材料に対するＨＰＳ加工を実現する上で直面する課題の少なくとも１つを解決することができる。

第１の実施形態に係る相当ひずみ付与装置の概要を説明する図である。 シート状材料を挟持する第１金型と第２金型の対向面の形状を説明する図である。 各回のＨＰＳ加工の対象部位を説明する図である。 第１金型及び第２金型の具体的形状の一例を示す図である。 相当ひずみ付与装置の具体的な一例の概略構成を示す斜視図である。 相当ひずみ付与装置の具体的な一例の概略構成を示す正面図である。 相当ひずみ付与装置の具体的な一例の概略構成を示す側面図である。 相当ひずみ付与装置の動作を示すタイムチャートである。 第３の実施形態に係る相当ひずみ付与装置の概略構成を示す側面図である。 相当ひずみ付与装置を用いて相当ひずみを付与したＴｉ−６Ａｌ−７Ｎｂ合金の板材に対する試験方法を説明する図である。 図１０（ａ）に示すＡ−Ａ断面の硬度試験の結果を示す図である。 図１０（ａ）に示すＡ−Ａ断面の硬度試験の結果を示す図である。 図１０（ａ）に示すＩ字状部分から採取した試料を用いて行った引張試験の結果を示す図である。 図１０（ａ）に示すＩ字状部分から採取した試料を用いて行った引張試験の結果を示す図である。

以下、下記の順序に従って本発明を説明する。
（１）第１の実施形態：
（２）第２の実施形態：
（３）第３の実施形態：
（４）実施例：

（１）第１の実施形態：
図１は、本実施形態に係る相当ひずみ付与装置の概要を説明する図である。

相当ひずみ付与装置１００は、対向面１１を有する第１金型１０、対向面１１に対向する対向面２１を有する第２金型２０、第１金型１０の対向面１１と第２金型２０の対向面２１とを互いに近づける方向に加圧する駆動装置３０（図１には不図示）、第１金型１０と第２金型２０とを対向面１１，２１の長さ方向Ｄ１（図１においては紙面に垂直な方向）に沿う方向に相対的にスライド移動させるスライド装置４０（図１には不図示）、及び、シート状材料ＳＭを対向面１１，２１の幅方向Ｄ２に搬送する搬送装置９０と、を備える。

シート状材料ＳＭは、そのシート面が対向面１１，２１の面方向に沿うような位置関係で、対向面１１，２１の間を対向面１１，２１に沿う方向に通過するように搬送装置９０によって搬送される。シート状材料ＳＭは、相当ひずみ付与時において対向面１１，２１の間に挟持され、駆動装置３０によって第１金型１０と第２金型２０を介してシート面と略垂直な加圧方向Ｄ３に加圧される。

シート状材料ＳＭは、その幅が第１金型１０の対向面１１の幅ｗ１や第２金型２０の対向面２１の幅ｗ２よりも広く、特に、後述する高摩擦面１２，２２の幅よりも広い。従って、第１金型１０と第２金型２０との間にシート状材料ＳＭを加圧挟持する際は、シート状材料ＳＭの一部は第１金型１０と第２金型２０との間に挟持されるものの、対向面１１，２１の幅方向Ｄ２の少なくとも一方からシート状材料ＳＭがはみ出した状態となる。

相当ひずみ付与装置１００は、第１金型１０の対向面１１と第２金型２０の対向面２１との間にシート状材料ＳＭを挟持した状態で、第１金型１０の対向面１１と第２金型２０の対向面２１とが接近する方向に駆動装置３０が加圧し、スライド装置４０が第１金型１０と第２金型２０とを対向面１１，２１の長さ方向Ｄ１に相対スライドさせる。これにより、シート状材料ＳＭの第１金型１０と第２金型２０の間に加圧挟持されている部分に相当ひずみが付与される。

相当ひずみ付与装置１００が被処理物に加える相当ひずみεは、下記の式（１）で表すことができる。下記（１）式において、ｘは第２金型２０のスライド距離、ｔは被処理物厚さ、をそれぞれ表す。

すなわち、相当ひずみ付与装置１００が被処理物に与える相当ひずみεは、スライド距離ｘに比例し、被処理物であるシート状材料ＳＭの厚みｔに反比例する。更に言えば、相当ひずみεは、被処理物に加えた変形による剪断応力に比例する。

相当ひずみは、駆動装置３０の加圧力、対向面１１，２１と被処理物との間のグリップ力、スライド装置４０が行う第１金型１０と第２金型２０の相対スライドの距離、相対スライドを行う回数（往動のみ、往復動、複数回の往復動、等）、に応じた程度で、シート状材料ＳＭに付与される。付与される相当ひずみの程度は、シート状材料の材質や形状にもよる。すなわち、特定の材質や形状のシート状材料ＳＭに付与される相当ひずみは、駆動装置３０の加圧力、スライド装置４０が行う第１金型１０と第２金型２０の相対スライドの距離、相対スライドを行う回数の選択により、調整することができる。

相当ひずみ付与装置１００は、第１金型１０の対向面１１と第２金型２０の対向面２１の間隔を駆動装置３０により変更することができる。すなわち、駆動装置３０は、シート状材料ＳＭに相当ひずみを付与する際に第１金型１０の対向面１１と第２金型２０の対向面２１とを近づける方向に駆動し、相当ひずみの付与が終了すると第１金型１０と第２金型２０を離間させる。シート状材料ＳＭが第１金型１０と第２金型２０の加圧挟持から解放されてから、搬送装置９０がシート状材料ＳＭを対向面１１．２１の幅方向Ｄ２に搬送する。

なお、以下では、第１金型１０と第２金型２０の間にシート状材料の一部を加圧挟持して拘束してから次に第１金型１０と第２金型２０とを離間してシート状材料の加圧挟持を開放するまでを「１回のＨＰＳ加工」と呼ぶことにする。

図２は、シート状材料ＳＭを挟持する第１金型１０と第２金型２０の対向面１１，２１の形状を説明する図である。

第１金型１０と第２金型２０の対向面１１，２１には、互いに対向する部位に、長さ方向Ｄ１に沿う方向の全長に亘って形成された高摩擦面１２，２２と、高摩擦面１２，２２を挟んで対向面１１，２１の幅方向Ｄ２両側において長さ方向Ｄ１に沿って形成された低摩擦面１３，２３とを有する。高摩擦面１２，２２は滑り性が相対的に低く（摩擦力が相対的に高い）、低摩擦面１３，２３は滑り性が相対的に高い（摩擦力が相対的に低い）。高摩擦面１２，２２及び低摩擦面１３，２３の滑り性の相対的な相違は、例えば対向面１１，２１に対して行う高摩擦加工又は低摩擦加工により実現される。

高摩擦加工のシンプルな一例としては放電加工等で金型表面に微細な凹凸（例えば深さ２０〜３０μｍ程度の凹凸）を砂地状に形成して面粗度を高める方法がある。低摩擦加工のシンプルな一例としては金型表面を研磨して面粗度を低める方法がある。むろん、これら方法は一例であり、その他様々な方法で金型表面の滑り性を調整できる。

高摩擦面１２，２２は、互いに平行な平坦面であり、対向面１１，２１の中で最も近接した部位、又は、最も近接した部位の１つである。このため、例えば相当ひずみ付与装置１００にシート状材料Ｍをセットせずに対向面１１，２１を互いに接近させた場合、高摩擦面１２と高摩擦面２２は、対向面１１，２１の各部位の中で最初に当接し合う部位、又は、最初に当接し合う部位の１つとなる。すなわち、対向面１１，２１の間に加圧挟持されたシート状材料ＳＭは、高摩擦面１２，２２の間に挟持される部位に対する加圧挟持力が最大になる構造である。

一方、低摩擦面１３，２３は、その少なくとも一部が、高摩擦面１２，２２がシート状材料ＳＭを加圧挟持する圧力以下の圧力で加圧挟持する。この低摩擦面１３，２３がシート状材料ＳＭを加圧挟持する部位は、高摩擦面１２，２２が加圧挟持するシート状材料ＳＭに相当ひずみを付与するにあたり、高摩擦面１２，２２が加圧挟持する部位の幅方向Ｄ２への圧潰伸長を抑制する圧潰伸長抑制部として機能する。

圧潰伸長抑制部としての低摩擦面１３，２３は、高摩擦面１２，２２と対向面１１，２１の幅方向Ｄ２における縁部との間の全体に亘って設けられている。すなわち、高摩擦面１２，２２と対向面１１，２１の各縁部との間にそれぞれ長さ方向Ｄ２の略全体にわたって圧潰伸長抑制部が分布するように設けられている。

圧潰伸長抑制部は、低摩擦面１３，２３によって構成されるため、高摩擦面１２，２２と当接するシート状材料ＳＭの表面は対応する金型の対向面１１，２１にグリップされて追従して変位するのに対し、低摩擦面１３，２３と当接するシート状材料ＳＭの表面は対応する金型の対向面１１，２１にグリップされずほとんど追従せずに摺動する。このため、スライド装置４０で第１金型１０と第２金型２０とを相対スライドさせる際に、圧潰伸長抑制部で加圧挟持されているシート状材料ＳＭの部位には高摩擦面１２，２２で挟持される部位に比べて付与される相当ひずみが小さい。

従って、高摩擦面１２，２２の両側に沿って圧潰伸長抑制部を構成する低摩擦面１３，２３を設けることにより、高摩擦面１２，２２の間に加圧挟持されているシート状材料ＳＭの内部に相当ひずみを選択的に付与しつつ、シート状材料ＳＭの幅方向Ｄ２へ圧潰伸長を抑制できる。

なお、シート状材料ＳＭは、対向面１１，２１の幅方向Ｄ２の少なくとも一方からはみ出した状態で第１金型１０と第２金型２０との間に加圧挟持されるため相当ひずみ付与中にシート状材料Ｍが変形して破断・剪断等しないように対向面１１，２１は略平坦面として形成されている。ただし、後述するようにシート状材料ＳＭが破断・剪断等しない程度の歪みを起こす程度の凹凸形状は形成してもよい。

図３は、各回のＨＰＳ加工の対象部位を説明する図である。

第１金型１０の対向面１１と第２金型２０の対向面２１とを離間させ、対向面１１，２１の間にシート状材料ＳＭの対象部位Ｒ１が高摩擦面１２，２２の間に位置するように搬送装置９０でシート状材料ＳＭを幅方向Ｄ２に搬送し、高摩擦面１２，２２の間にシート状材料ＳＭを加圧挟持する。そして、スライド装置４０が第１金型１０と第２金型２０を長さ方向Ｄ１に相対スライドさせて対象部位Ｒ１に相当ひずみを付与した後、駆動装置３０が第１金型１０と第２金型２０を離間させる。

対象部位Ｒ１に対する１回のＨＰＳ加工が終了し、第１金型１０と第２金型２０とを離間してシート状材料ＳＭを加圧挟持から解放すると、シート状材料ＳＭを幅方向Ｄ２に所定距離搬送して高摩擦面１２，２２の間に位置する部位を対象部位Ｒ１から対象部位Ｒ２に変更する。

対象部位Ｒ１から対象部位Ｒ２への移動距離は高摩擦面１１，２１の幅員以下とする。すなわち、シート状材料ＳＭにおいて、直前に相当ひずみが付与された範囲と次に相当ひずみが付与される範囲との少なくとも一部が幅方向Ｄ２において重複する。このため、幅方向Ｄ２においてシート状材料ＳＭに万遍なく相当ひずみを付与していくことができる。

相当ひずみを重複付与される部位には、直前の付与分の相当ひずみに次の付与分の相当ひずみが積算的に付与される。特に、図３に示すように、シート状材料ＳＭの１回の搬送距離を高摩擦面１２，２２の幅員の略半分とすると、初回に相当ひずみを付与する範囲の前半と最終回に相当ひずみを付与する範囲の後半とを除いて幅方向Ｄ２においてシート状材料ＳＭの略全体に２回ずつＨＰＳ加工が為された状態となる。この場合、シート状材料ＳＭに付与する相当ひずみが幅方向Ｄ２において均等化しつつ１回のＨＰＳ加工で付与する相当ひずみの程度を少なくできるためＨＰＳ処理を効率化できる。

図４（ａ）〜（ｃ）は、上述した特徴を持つ第１金型１０及び第２金型２０の具体的形状の一例を示す図である。

図４（ａ）に示す第１金型１０及び第２金型２０には、幅方向Ｄ２の略中央部に長さ方向Ｄ１に沿って延びるように平坦な高摩擦面１２，２２が形成されている。高摩擦面１２，２２の幅方向Ｄ２の両側には、幅方向断面形状において幅方向Ｄ２において対向面１１，２１の縁に近づくほど互いに遠ざかるように傾斜が付けてある低摩擦面１３．２３が形成されている。

低摩擦面１３，２３の傾斜の角度は、高摩擦面１２，２２に対して０°〜２０°程度とし、例えば５°程度とする。これにより、対向面１１，２１でシート状材料ＳＭを加圧挟持した際に高摩擦面１２，２２がシート状材料ＳＭに当接して加圧挟持することはもちろん、低摩擦面１３．２３の高摩擦面１２，２２寄りの部位もシート状材料ＳＭに高摩擦面１２，２２より弱く当接して加圧挟持することになる。このように、高摩擦面１２，２２の両側に沿って設けた傾斜した低摩擦面１３，２３の一部が上述した圧潰伸長抑制部を構成する。

図４（ｂ）に示す第１金型１０及び第２金型２０には、幅方向Ｄ２の略中央部に長さ方向Ｄ１に沿って延びるように平坦な高摩擦面１２，２２が形成されている。高摩擦面１２，２２の幅方向Ｄ２の両側には、幅方向断面形状において幅方向Ｄ２において対向面１１，２１の縁に近づくほど互いに遠ざかるように徐々に傾斜が大きくなる低摩擦面１３．２３が形成されている。低摩擦面１３，２３の傾斜の最大角度は、高摩擦面１２，２２に対して０°〜２０°程度とし、例えば５°程度とする。

対向面１１，２１でシート状材料ＳＭを加圧挟持すると、高摩擦面１２，２２がシート状材料ＳＭに当接して加圧挟持することはもちろん、低摩擦面１３．２３の高摩擦面１２，２２寄りの部位もシート状材料ＳＭに当接して加圧挟持することになる。このように、高摩擦面１２，２２の両側に沿って設けた幅方向Ｄ２の縁に近づくほど大きくなる傾斜を持つ低摩擦面１３，２３の一部が上述した圧潰伸長抑制部を構成する。

図４（ｃ）に示す第１金型１０の対向面１１には、長さ方向Ｄ１に沿って延びる条溝１４が設けられており、第２金型２０の対向面２１には、長さ方向Ｄ１に沿って延びる突条２４が設けられている。条溝１４及び突条２４の深さはいずれも０．５ｍｍ程である。条溝１４の底面には長さ方向Ｄ１に沿って延びる高摩擦面１２が形成され、突条２４の頂面には長さ方向Ｄ１に沿って延びる高摩擦面２２が形成されている。

突条２４の幅は条溝１４の幅よりも若干幅狭に形成されており、突条２４と条溝１４とを接近当接させると凹凸係合する。なお、突条２４の段差を図に示すように裾広がり状の傾斜とし、条溝１４の段差を開口に近づく程徐々に拡幅する傾斜とすると、第１金型１０と第２金型２０の間に挟持されるシート状材料ＳＭの過度の屈曲を抑えつつシート状材料ＳＭの幅方向Ｄ２への伸長を抑制する係止構造を実現できる。

このように、高摩擦面１２，２２の両側に沿って第１金型１０と第２金型２０との間で凹凸係合する若干の段差構造を設けることにより、この段差の部位でシート状材料ＳＭが幅方向Ｄ２において係止されることになる。この段差構造が上述した圧潰伸長抑制部を構成する。

このように、第１金型１０及び第２金型２０は様々な形状で実現可能であり、圧潰伸長抑制部についても様々な形状で実現可能である。すなわち、第１金型１０及び第２金型２０の対向面１１，２１に高摩擦面１２，２２を有し、その幅方向Ｄ２両側に長さ方向Ｄ１に沿って低摩擦面１３，２３を有し、高摩擦面１２，２２がシート状材料ＳＭを加圧挟持する際に低摩擦面１３，２３の少なくとも一部がシート状材料ＳＭを加圧挟持する構成が実現できればその他様々な形状で圧潰伸長抑制部を実現することができる。

（２）第２の実施形態：
図５は、相当ひずみ付与装置１００の具体的な一例の概略構成を示す斜視図、図６は、相当ひずみ付与装置１００の具体的な一例の概略構成を示す正面図、図７は、相当ひずみ付与装置１００の具体的な一例の概略構成を示す側面図である。

相当ひずみ付与装置１００は、第１金型１０、第２金型２０、上アンビル１５、下アンビル２５、ベッド４４、スライド４３、駆動装置としての第１油圧装置４０、スライド装置としての第２油圧装置５０、これら油圧装置の駆動を制御する制御部７０、及び、本体フレーム６０（不図示）を備えている。

第１油圧装置４０、第２油圧装置５０及びベッド４４は、本体フレーム６０に固定されている。相当ひずみ付与装置１００は、略全体が本体フレーム６０を覆うように設けられた筐体８０によって覆われている。

筐体８０には、金型の設置／取り出し／交換等を行うための開口部８１と、シート状材料ＳＭを第１金型１０と第２金型２０の間に搬入する搬入口８２と、シート状材料ＳＭを第１金型１０と第２金型２０の間から搬出する搬出口８３とが設けられている。

開口部８１、搬入口８２及び搬出口８３には、それぞれ、シャッター及び光線式安全器が配設されており、シャッターが閉じていない時は光線式安全器の機能に応じて第１油圧装置４０や第２油圧装置５０の動作が規制される構成になっている。これにより、金型や被処理物の交換／設置／搬入、搬出時の作業者の安全性を確保することができる。

第１油圧装置４０は、本体フレーム６０に固定されたシリンダ部４１と、シリンダ部４１に対して伸縮自在に構成されたピストン部４２とを有している。ピストン部４２は、シリンダ部４１に対して加圧方向Ｄ３に伸縮するべく構成されており、ピストン部４２の先端にはスライド４３が固定されている。

スライド４３の下面には、金型固定用の固定凹部４３１が形成されており、固定凹部４３１に上アンビル１５が固定される。図５〜図７に示す例では、上アンビル１５の基部を固定凹部４３１に埋設状態で固定されており、上アンビル１５はスライド４３から下アンビル２５に向けて突出した状態になっている。上アンビル１５の下面の条溝には、第１金型１０が入れ子状に固定されている。

スライド４３に対する上アンビル１５の固定は、例えば、上アンビル１５の基部より幅広に形成した固定凹部４３１に、基端に近づくほど幅広となる裾広がり状に形成した上アンビル１５を挿入し、上アンビル１５と固定凹部４３１の隙間に楔状のスペーサを嵌合させることにより行うことができる。第１金型１０も同様の方法で上アンビル１５に対して固定することができる。

上アンビル１５及び第１金型１０を固定されたスライド４３の下面は、下アンビル２５を固定されたベッド４４の上面に対面するように対向配置されている。

ベッド４４の上面には、金型固定用の固定凹部４４１が形成されており、固定凹部４４１に下アンビル２５が固定される。図５〜７に示す例では、下アンビル２５の基部が固定凹部４４１に埋設状態で固定されており、下アンビル２５の金型部についてはベッド４４から上アンビル１５に向けて突出した状態となっている。下アンビル２５の上面の条溝には、第２金型２０が入れ子状に嵌合されており、長さ方向Ｄ１（条溝の延びる方向）に沿って摺動可能になっている。すなわち、第２金型２０の摺動移動は下アンビル２５の条溝によって案内される。

ベッド４４に対する下アンビル２５の固定は、例えば、下アンビル２５の基部より幅広に形成した固定凹部４４１に、基端に近づくほど幅広となる裾広がり状に形成した下アンビル２５を挿入し、下アンビル２５と固定凹部４４１の隙間に楔状のスペーサを嵌合させることにより行うことができる。

以上のように構成された相当ひずみ付与装置１００によれば、第１油圧装置４０のピストン部４２を加圧方向Ｄ３に伸縮してスライド４３を駆動すると、上アンビル１５が下アンビル２５に近づく方向に駆動され、ひいては第１金型１０が第２金型２０に近づく方向に駆動される。

第１金型１０は、第２金型２０に対向する対向面１１の長さ方向Ｄ１に沿って上述した高摩擦面１２形成されている。同様に、第２金型２０にも、第１金型１０に対向する対向面２１の長さ方向Ｄ１に沿って上述した高摩擦面２２が形成されている。第２金型２０は、第２油圧装置５０によって第１金型１０に対して相対的に長さ方向Ｄ１にスライド移動するように駆動される。

第２油圧装置５０は、本体フレーム６０に固定されたシリンダ部５１と、このシリンダ部５１から伸縮自在のピストン部５２とを有しており、ピストン部５２の先端には第２金型２０を押すための押棒５３が設けてある。ピストン部５２は、長さ方向Ｄ１に伸縮する。第２油圧装置５０のピストン部５２を長さ方向Ｄ１に伸縮して押棒５３を駆動すると、押棒５３が第２金型２０に当接して第２金型２０を第１金型１０に対してスライド移動させる。

搬送装置９０は、筐体８０に設けられた搬入口８２からシート状材料ＳＭを第１金型１０の対向面１１と第２金型２０の対向面２１との間に送り込むとともに第１金型１０の対向面１１と第２金型２０の対向面２１との間からシート状材料ＳＭを送り出すシート状材料ＳＭの搬送を行う。

次に、上述した相当ひずみ付与装置１００の動作を説明する。図８は、相当ひずみ付与可能の流れを示すフローチャートである。

相当ひずみの付与においては、まず、搬送装置９０を用いてシート状材料ＳＭを筐体８０の中に搬入する（Ｓ１）。すなわち、作業者は制御部７０を操作してシート状材料ＳＭが搬入口８２から搬出口８３へ向かうように搬送する。このとき、最初に相当ひずみの付与を行うシート状材料ＳＭの領域Ｒ１が第１金型１０の対向面１１の高摩擦面１２と第２金型２０の対向面２１の高摩擦面２２の間に位置するまでシート状材料ＳＭを搬送する。これにより、シート状材料ＳＭは、領域Ｒ１が高摩擦面２２の上に載置された状態となる。

シート状材料ＳＭを所定の位置まで搬送完了すると、次に、作業者は、制御部７０に対して所定の操作入力を行って相当ひずみ付与装置１００に相当ひずみ付与動作を開始させる。

制御部７０に対して所定の操作入力がなされると、相当ひずみ付与装置１００は、第１油圧装置４０の駆動を開始する。これにより、第１油圧装置４０のピストン部４２が伸長を開始し、ピストン部４２の先端のスライド４３に上アンビル１５を介して固定された第１金型１０が、ベッド４４に下アンビル２５に嵌合された第２金型２０へ向かって下降する。そして、シート状材料ＳＭの領域Ｒ１に第１金型１０が接触した後も加圧力が目標圧力に達するまでピストン部４２の伸長が継続される。目標圧力の検出は、例えば第１油圧装置４０に設けた圧力センサで行う。又は、第１金型１０の位置の変動量の検出により、第１金型１０の単位時間あたりの移動量が所定値以下になったことをもって被処理物に対する加圧力が目標圧力に達したと判断してもよい。シート状材料ＳＭに対する加圧力が目標圧力に達すると、その後、後述する一連の相当ひずみ付与処理が終了するまで、例えば圧力センサのセンサ出力に基づく油圧回路のフィードバック制御により加圧力が目標圧力に維持される（Ｓ２）。

シート状材料ＳＭに対する加圧力が目標圧力に達すると、第２油圧装置５０の駆動が開始される。すなわち、第２油圧装置５０のピストン部５２及びその先端に設けられた押棒５３が第２金型２０の押圧面２０ａに向けて伸長を開始する。

押棒５３が第２金型２０の押圧面２０ａから一定距離まで近づくと、第２金型２０の押圧面２０ａとの接触前に第２油圧装置５０の吐出しバルブが切り替わって低速高圧力モードに変化する。この低速高圧力モードにおけるピストン部５２の伸長速度は、シート状材料ＳＭに相当ひずみを付与する際の第２金型２０の移動速度と同等とする。また、低速高圧力モードではフィードバック制御に追従するサーボバルブを使用しており、位置、速度、又は圧力に基づくフィードバック制御により負荷の有無に関わらず押棒５３を一定速度で伸長させることができる。すなわち、第２金型２０を第１金型１０に対して相対的に一定速度でスライド移動させることができる（Ｓ３）。

このように、押棒５３の伸長を第２金型２０との接触前は高速で行いつつ第２金型２０との接触までに減速して低速で接触させることにより、押棒５３と第２金型２０との接触時の衝撃が緩和され、これにより金型が保護され、更には被処理物の位置ズレも防止できる。

第２油圧装置５０を用いた第２金型２０の駆動は、第１金型１０に対する第２金型２０の相対移動が所定距離に達するまで継続される。第１金型１０に対する第２金型２０の相対移動距離は、押棒５３の位置又は第２金型２０の位置を検出する位置センサを設けて検出してもよいし第２金型２０を低速高圧力モードに切り替えてからの経過時間に基づいて検出してもよい。

このように第２金型２０が第１金型１０に対して相対的に移動するとシート状材料ＳＭの領域Ｒ１に相当ひずみが付与される。すなわち、シート状材料ＳＭは、高摩擦面１２との当接面が第１金型１０に略固定され、且つ高摩擦面２２との当接面が第２金型２０に略固定されるため、高摩擦面２２との当接面付近の部位と高摩擦面１２との当接面付近の部位とが互いに逆方向に移動する。このため、高摩擦面１２と高摩擦面２２のいずれにも固定されていない内部に剪断応力が加わって相当ひずみが付与される。また、高摩擦面１２，２２に加圧挟持された領域Ｒ１の両側は、低摩擦面１３，２３に加圧挟持されており領域Ｒ１のシート状材料ＳＭの幅方向Ｄ２への伸長を抑制している。

第２金型２０のスライド移動が終了すると第２油圧装置５０の圧抜きを行う。圧抜きにより、ピストン部５２に印加していた油圧が解除されて金型や被処理物の弾性による反力に応じた位置までピストン部５２が自然に戻る。第２油圧装置５０の圧抜きが終了すると、押棒５３を後退させて初期位置に戻す。

押棒５３が後退して初期位置に戻ると、次に第１油圧装置４０の圧抜きを行う。圧抜きにより、ピストン部４２に印加していた油圧を解除されて、金型や被処理物の弾性による反力に応じた位置までピストン部４２が自然に戻る。第１油圧装置４０の圧抜きが終了するとピストン部４２を上昇させて初期位置（又は待機位置）に戻す（Ｓ４）。待機位置は初期位置よりも第２金型２０に近い位置である。

次に、搬送装置９０を用いてシート状材料ＳＭを搬送方向（幅方向Ｄ２）へ一定量だけ搬送する（Ｓ５）。すなわち、作業者は搬送装置９０を操作して、シート状材料ＳＭが搬入口８２から搬出口８３へ一定量だけ移動するように搬送する。このとき、相当ひずみが付与された領域Ｒ１と搬送方向において半分だけ重複する領域Ｒ２が第１金型１０の対向面１１の高摩擦面１２と第２金型２０の対向面２１の高摩擦面２２の間に位置するようにシート状材料ＳＭを搬送する。これにより、シート状材料ＳＭは、領域Ｒ２が高摩擦面２２の上に載置された状態となる。

その後、領域Ｒ２に対し、領域Ｒ１と同様の相当ひずみの付与を行い、押棒５３の後退及びピストン部４２の上昇を行った後、搬送装置９０を用いてシート状材料ＳＭを搬送して、次の領域Ｒ３に対する相当ひずみの付与を行う。このようにしてシート状材料ＳＭの所望の範囲の全域を網羅するように相当ひずみの付与が完了するまでステップＳ２〜Ｓ５を繰り返し行う（Ｓ６）。

このように、シート状材料ＳＭを順次搬送しつつ行う相当ひずみの付与では１回のＨＰＳ加工で相当ひずみを付与できる面積よりも広い範囲に対して相当ひずみを付与することができる。すなわち、シート状材料ＳＭの内部に全体的に相当ひずみを付与し、結晶粒径をナノレベル又はサブミクロンレベルに超微細化することができる。

（３）第３の実施形態：
図９は、本実施形態に係る相当ひずみ付与装置の概略構成を示す側面図である。なお、本実施形態に係る相当ひずみ付与装置１００は、第３油圧装置２００及び筐体１８０（及び不図示の本体フレーム）の形状を除くと、第２の実施形態に係る相当ひずみ付与装置１００と同様の構成であるため共通する構成については同じ符号を付して詳細な説明を省略する。筐体１８０は、第３油圧装置２００の配設スペース分を筐体８０から拡張した構成になっている。

第３油圧装置２００は、上アンビル１５や下アンビル２５等の金型配設部Ａｎｖを挟んで第２油圧装置５０の反対側に設けてある（図１０では金型配設部Ａｎｖの左側）。第３油圧装置２００は、第２油圧装置５０と同様にシリンダ部２０１、ピストン部２０２及び押棒２０３を有しており、シリンダ部２０１が本体フレームに対して固定されており、このシリンダ部２０１から金型配設部Ａｎｖに向けてピストン部２０２が伸縮／後退する構成である。

第３油圧装置２００は、第２油圧装置５０に比べて、ピストン部２０２の可動域が広くなるように長ストローク構成を採用してある。これにより、ピストン部２０２の最大後退時に第３油圧装置２００と金型配設部Ａｎｖとの間に広い空間を確保することができる。従って、金型配設部Ａｎｖにおける被処理物設置作業、被処理物回収作業、金型交換作業等を第３油圧装置２００の側から行うことが可能となる。

第３油圧装置２００を設けることにより、図１０における右側から第２油圧装置５０を用いて行う第２金型２０の押圧推進と、図１０における左側から第３油圧装置２００を用いて行う第２金型２０の押圧推進と、を必要な数だけ交互に行った後、上述した第２の実施形態と同様の第１油圧装置４０の圧抜き及び上昇を行う。

以上説明したように、本実施形態にかかる相当ひずみ付与装置１００は、第１油圧装置４０で第１金型１０及び第２金型２０の間に押圧挟持するシート状材料ＳＭの位置を順次変更しつつ第２油圧装置５０と第３油圧装置２００とで第２金型２０を長さ方向Ｄ１’に往復動させることができるため、往復動式の相当ひずみ付与加工を短時間で精度よく行うことができる。

（４）実施例：
図１０は、上述した相当ひずみ付与装置１００を用いて相当ひずみを付与したＴｉ−６Ａｌ−７Ｎｂ合金の板材に対する試験方法を説明する図、図１１，図１２は、図１０（ａ）に示すＡ−Ａ断面の硬度試験の結果を示す図、図１３，図１４は、図１０（ａ）に示すＩ字状部分から採取した試料を用いて行った引張試験の結果を示す図である。

なお、試験で使用したＴｉ−６Ａｌ−７Ｎｂ合金の板材は、長さ方向Ｄ１が１００ｍｍ、幅方向Ｄ２が３０ｍｍ、厚みが１ｍｍである。ＨＰＳ加工は、室温下で、加圧方向Ｄ３の加圧力Ｐが３ＧＰａ、長さ方向Ｄ１への相対スライド距離ｘが１０ｍｍ、相対スライドの速度ｖが１ｍｍ／ｓ、の条件で行った。

図１１，図１２に示す硬度分布は、図１０（ａ）に示すＡ−Ａ断面において図１０（ｂ）に示すような複数の測定点に対して行った硬度測定の結果を示したものである。図１３，図１４に示す引張試験は、図１０（ａ）に示すＩ字状部分から採取した試料について１０２３Ｋの温度下で行い、図１３には試料が破断するまでの引張応力（ＭＰａ）と伸長長さ（％）の関係をプロットしてあり、図１４には、各被処理物が破断したときの伸長長さを対比して示してある。

図１１，図１２から、相当ひずみを付与した領域Ｒ１，Ｒ２の幅方向Ｄ２の略全域において硬度が上昇し、同範囲内の厚み方向略中心付近まで硬度が上昇していることが分かる。相当ひずみ付与加工により微細化した材料は、室温ではホールペッチの関係に従い強度が高いものの、例えば図１３，図１４に示すように、高温（融点の約半分以上の温度）になると微細結晶粒が示す超塑性による粒界滑りで逆に柔らかくなる。

一般的に合金であれば約４００％伸長すれば超塑性材料と言われており、領域Ｒ１と領域Ｒ２の重複部分は超塑性が発現し、領域Ｒ１と領域Ｒ２の非重複部分についても超塑性に近い塑性が発現している。従って、ＨＰＳ加工の加工強度を高める（スライド距離ｘを長くする、スライドを往復とする、等）ことで、領域Ｒ１と領域Ｒ２の非重複部分についても超塑性を発現させられものと考えられる。

図１３，図１４から、領域Ｒ１と領域Ｒ２の重複部分（ＨＰＳ加工が２回施された部位）から採取した試料は破断までに５８０％伸長し、領域Ｒ１と領域Ｒ２の非重複部分（ＨＰＳ加工が１回施された部位）から採取した試料は破断までに３５０％，３８０％伸長していることが分かる。なお、この伸長の傾向は、採取するＩ字状試料の長さ方向（引張方向）が長さ方向Ｄ１と略平行な場合と略垂直な場合とでほぼ同じ結果であった。

なお、本発明は上述した各実施形態に限られず、上述した各実施形態の中で開示した各構成を相互に置換したり組み合わせを変更したりした構成、公知技術並びに上述した各実施形態の中で開示した各構成を相互に置換したり組み合わせを変更したりした構成、等も含まれる。また、本発明の技術的範囲は上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された事項とその均等物まで及ぶものである。

１０…第１金型、１１…対向面、１２…高摩擦面、２０…第２金型、２１…対向面、２２…高摩擦面、３０…駆動装置、４０…スライド装置、９０…搬送装置、１００…付与装置、Ｄ１…方向、Ｄ２…幅方向、Ｄ３…加圧方向、ＳＭ…シート状材料

Claims (4)

1. シート状材料を対向面の間に挟持する第１金型及び第２金型と、
   前記第１金型の対向面と前記第２金型の対向面とを互いに近づける方向に駆動する駆動装置と、
   前記第１金型と前記第２金型とを前記対向面の長さ方向に沿う方向に相対スライドさせるスライド装置と、
   前記シート状材料を前記対向面の幅方向に沿う方向に搬送する搬送装置と、
   を備え、
   前記シート状材料は、その幅が前記対向面の幅よりも広く、前記対向面の幅方向の少なくとも一方からはみ出した状態で前記第１金型と前記第２金型との間に加圧挟持され、
   前記第１金型と前記第２金型は、対向面の互いに対向する部位に、長さ方向に沿って形成された高摩擦面と、前記高摩擦面を挟んで前記対向面の幅方向両側に沿って形成された低摩擦面と、を有する相当ひずみ付与装置であって、
   前記駆動装置が前記第１金型の対向面と前記第２金型の対向面との間に前記シート状材料を加圧挟持しつつ前記スライド装置が前記第１金型と前記第２金型とを前記対向面の長さ方向に相対スライドさせた後、前記駆動装置が前記第１金型と前記第２金型を離間させ、前記搬送装置が前記シート状材料を前記対向面の幅方向に沿う方向に前記高摩擦面の幅員以下の距離を搬送することを特徴とする相当ひずみ付与装置。
2. 前記第１金型の高摩擦面と前記第２金型の高摩擦面は互いに平行な略平坦面であり、
   前記第１金型の低摩擦面と前記第２金型の低摩擦面は、対向面の幅方向の縁部に近づくほど互いに遠ざかる漸次離間構造を有することを特徴とする請求項１に記載の相当ひずみ付与装置。
3. 前記第１金型の対向面と前記第２金型の対向面の少なくとも一方の幅方向断面形状は、前記高摩擦面を頂部平坦面とする丘陵形状であることを特徴とする請求項２に記載の相当ひずみ付与装置。
4. 前記第１金型の対向面と前記第２金型の対向面の一方は突条を有し、当該突条の頂面の長さ方向に沿って前記高摩擦面が延設されており、
   前記第１金型の対向面と前記第２金型の対向面の他方は前記突条と凹凸係合する条溝を有し、当該条溝は溝底面の長さ方向に沿って前記高摩擦面が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の相当ひずみ付与装置。