JP6677744B2 - 最適化されたチャンバを有する放電成形装置 - Google Patents

Description

本発明は、最適化されたチャンバを有する放電成形装置に関する。

過去１０年間に、流体成形法は多くの産業で使用されてきた。これらの製造法の進歩により、比較的複雑な形態の機械部品を競争力のある製造コストで得ることが可能になった。

流体成形法は、変形による製造方法である。この方法は、厚さが比較的薄い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。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とを可能にする。

米国特許第６，５９１，６４９号は、放電成形装置を開示する。この装置は、金型によって閉じられた実質的に楕円形の槽と、電気エネルギー貯蔵装置に連結された一組の電極とを含む。一組の電極は、金型と平行に槽内に配置され、金型に対向して配置されたワークピースを直接変形させる圧力波を生成するために電気アークを発生するように適合される。

高精度の細部を有する部品の製造は、放電成形で可能であるが、かなりの量のエネルギーまたは複数の放電を必要とする。供給されるエネルギーの量を最適化することにより、発電機の寸法、ひいては必要な投資を小さくすることができ、また、工具、特に放電チャンバおよび電極に加えられる機械的応力を低減することができる。放電の繰り返しは、製造時間を大幅に増加させ、したがって、製造コストを増加させる。さらに、エネルギーまたは放電の繰返しの増加にもかかわらず、放電成形による高形状因子部品の製造から得られる結果は、あまり良好ではない場合があり、ある種の高精度の細部は、非常な困難性を伴ってしか得ることができない。形状因子は、形成すべき部品の占有面積と前記部品の高さの比によって規定される。

米国特許第６，５９１，６４９号

したがって、本発明の１つの目的は、より少ないエネルギーで、または、必要とされる放電回数を減少させて、高精度および／または高形状因子の部品の製造を可能にする放電成形装置を提供することである。これにより、投資、生産コスト、および場合によっては生産時間が減少される。

さらに、本発明の他の目的は、従来技術の装置と比較して信頼性および耐用年数が向上した放電成形装置を提供することである。有利には、この装置は、使用が容易であり、生産コストが競争力のあるものとなるであろう。

この目的のために、本発明は、金型と、第１の壁を有する槽と、槽内に配置され、少なくとも１つの圧力波を生成するための放電を発生するように適合された第１の電極および第２の電極とを備える放電成形装置を提案する。

本発明によれば、第１の壁は回転軸線の周りで回転対称であり、電極は第１の壁の回転軸線と一致する回転軸線を有し、第１の壁は金型に向けられた凹部を有する。

したがって、形成すべき部品を変形させるために主として直接波が使用される従来技術の放電成形装置とは異なり、本開示では、槽の幾何形状および電極の配置により、前記形成すべき部品を変形させるために、間接圧力波が促進される。凹面鏡の態様では、第１の壁は、金型に向けて反射する圧力波を収束させる傾向がある。

例示的な一実施形態では、第１の壁は円錐形または円錐台形であり、形成すべき部品に加えられる圧力のモーメントを増加させるために、間接圧力波の集中を向上させる。

間接波の方向を正確に制御するために、第１の壁は、頂点における半角が２０°〜３５°の間の値を有する。

形状因子の大きな部品を製造するために、槽は、金型と第１の壁との間に位置する第２の壁を備えると有利である。

間接波を集中させるために、第２の壁は円錐台形状であることが好ましい。間接波の伝搬の干渉を回避し、これらの波の集中を改善するために、第２の壁は、頂点における半角が２０°〜３５°の間の値を有する。

別の例示的な実施形態では、第２の壁は放物面形状であり、形成すべき部品への間接波の到達を遅延させることができる。

本発明の有利な一実施形態は、電極が互いに並んで配置され、それらの間に電極間空隙が残っていることを提供する。したがって、電極間に形成された電気アークは、２つの電極を接続し、それらに実質的に平行であり、したがって第１の壁の回転軸線にも一致する。加えて、電極は、回転軸線に対して第１の壁の高さに配置されると有利である。この配置は、主に第１の壁面で反射された波として金型に到達する圧力波をさらに促進する。

好ましくは、第１の電極を第２の電極から分離する電極間空隙は、装置を異なる型に適合させることができるように調整可能である。

槽の耐用年数および信頼性を向上させるために、槽は金属または金属合金製である。

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の放電成形装置の変形実施形態によるチャンバの簡略化した概略図である。 図１の放電成形装置の変形実施形態によるチャンバの簡略化した概略図である。 図１の放電成形装置の変形実施形態によるチャンバの簡略化した概略図である。 図１の放電成形装置の変形実施形態によるチャンバの簡略化した概略図である。 従来技術の放電成形装置、ならびに、図２、図３、および図５に示された各変形実施形態の性能を表す比較グラフである。

添付の図面は、流体１８を収容する槽６上に配置された金型４と、槽６内に配置された少なくとも第１の電極１０および第２の電極１２とを備える放電成形装置２に関する。図１は、この放電成形装置２の簡略化した断面図を示す。

金型４は、下部３８および金型中心４０とを有する。金型は、細部が高精度で形状因子の大きな形成すべき部品１６の作成を可能にするような形状とされている。形成すべき部品１６の形状に応じて、金型４は、例えば、円筒形とすることができる。好ましくは、金型４は、槽６の上部２０に配置され、取り外し可能である。

金型４は、形成すべき部品１６と金型４との間の空気の存在を排除するための真空手段（図示せず）に連結された配管２２を備える。したがって、形成すべき部品１６を形成する過程で、形成すべき部品１６の変形に抗する反作用（形成すべき部品１６と金型４との間の空気の存在によって引き起こされる）がない。

槽６は、好ましくは水である流体１８を収容するように適合されている。任意選択で、配管（図示せず）を使用して、槽６内の液位を一定に維持することができる。槽６は、例えば金属または金属合金等の高密度材料製であることが好ましい。

槽６は、いずれも下部２６に位置する第１の壁８と槽底２４とを備える。また、槽は、上部２０に配置された第２の壁１４を備える（図１）。第１の壁８および第２の壁１４は、図１に示すように接合領域で交わる。

図１〜図３の実施形態では、槽底２４は平面形状であり、槽６と金型４との間の分離面に平行である。第１の壁８および第２の壁１４は、図１に示すように、回転軸線Ａ−Ａ´の周りで回転対称形状を有する。

第１の壁８は凹状である。この壁の凹面は、金型４に向けられている。第１の壁８は、場合によっては槽２４の底部と共に、金型４に向けられた中空空間を形成する。好ましい実施形態では、第１の壁８は軸線Ａ−Ａ´の円錐台であり、頂点で半角α１を有する（図１）。また、第２の壁１４は、軸線Ａ−Ａ´の円錐台形状であり、頂点で半角α２を有する（図１）。頂点における半角α１の値は、２０°〜３５°の間である。頂点における半角α２の値は、２０°〜３５°の間であり、頂点における半角α１の値と異なっていてもよい。槽２４の底部を起点とし、第１の壁８は回転軸線Ａ−Ａ´に平行ではなく、その凹面のために金型４に向かって発散し、第２の壁１４は金型４に向かって収束する。

第１の壁８は高さｈ１を有し、第２の壁１４は高さｈ２を有する（図１）。高さｈ１およびｈ２は、放電成形装置２の特性が所定の仕様の特性に対応するように、槽６の製造中に決定される。

第１の電極１０および第２の電極１２はそれぞれ回転軸線を有する。第１の電極１０および第２の電極１２の回転軸線は、第１の壁８の回転軸線Ａ−Ａ´と一致する。電極は、互いに整列して配置されるので、第１の電極１０と第２の電極１２との間に生成された電気アークは回転軸線Ａ−Ａ´に近接している。

第１の電極１０は、高電圧電極（数十ｋＶ）である。第１の電極は、少なくとも２つの保持アーム３４によって回転軸線Ａ−Ａ´上に維持される。保持アーム３４は、金属または合成材料製とすることができ、槽６に固定される。保持アーム３４が金属製である場合、保持アームは、保持アーム３４と槽６との間に電気アークが走るのを防止するために、槽６から絶縁される。

第２の電極１２は槽底２４に固定される。第２の電極は金属部品として実装され、槽６と同じ電位にある。断熱材３６を、槽６と第２の電極１２との間に設置することができる。一実施例では、槽６および第２電極１２は、電気的接地に連結される。

第１の電極１０は第１の先端部３０を有し、第２の電極１２は第２の先端部３２を有する。第１の先端部３０と第２の先端部３２との間の間隔に対応する調整可能な電極間空隙は、第１の電極１０と第２の電極１２との間の電気アークの誘発を制御することを可能にする。電極間空隙は、第１の先端部３０を第１の壁８から分離する距離よりも小さくなるように調整される。

第１の電極と第２の電極との間に少なくとも１つの電気アークを発生させ、かつ、形成すべき部品１６を変形させるのに十分な電圧（典型的には１ｋＶ〜１００ｋＶ）で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）を用いる。

電気エネルギー貯蔵装置によって第１の電極１０および第２の電極１２に供給される電気エネルギーの持続時間および量を制御するために、パルス発生器（図示せず）をエネルギー貯蔵装置に連結する。パルス発生器および電気エネルギー蓄積装置は当業者には公知であるので、それらについては、以降の説明では提示しない。

説明の明確化のために、図２〜図５は、第１の電極１０、第２の電極１２、槽６、および金型４を簡略化して概略的に示している。また、第１の電極１０と第２の電極１２との間の電気アークも概略的に示されている。電気アークは、直線的でなく、他で生じたアークと同一でもないが、電極は一般に、電気アークが回転軸線Ａ−Ａ´に実質的に平行になるように配置されている。

第１の電極１０と第２の電極１２との間に生成された電気アークは、直接圧力波を発生させる。これらの直接圧力波は、電極間の空間の周囲を同心円状に移動し、直接圧力波（図２ではＯＤ１）は、第１の壁８の方向に伝播する。これらの直接圧力波は、図２〜５において実線の矢印で表されている。

多数の細部および／または大きな形状因子を有する成形すべき部品１６を変形させるために、頂部に半角α１を有する第１の壁８を有し、容器６の第１の壁８に衝突する最大直接圧力波が、金型４の底部３８の方向で回転軸線Ａ−Ａ´に向かって伝播する間接圧力波（点線で概略的に示す）が生じる放電成形装置２が提案されている。

例えば、第１の先端部３０から生じ、第１の壁８に向かって槽底２４に平行に移動する直接圧力波（図２）は、反射されて（角α１）、間接波を発生させ、間接波は金型４の下部３８の方向で回転軸線Ａ−Ａ´に向かって移動する。

同様に、第２の先端部３２から生じ、第１の壁８に向かって槽底２４に平行に移動する直接圧力波（図２）は、反射されて（角α２）、間接波を発生させ、間接波は、第１の電極１０の上方を通過し、回転軸線Ａ−Ａ´に向かって移動する。

金型４に向かう反射は、圧力波を金型４に向かって収束させる第１の壁８の凹形状により得られる。この第１の壁８は、光線を反射する凹面鏡と同様に作用する。したがって、第１の円錐台形壁８の頂点における半角α１は、間接圧力波を金型４の下部３８の方向で回転軸線Ａ−Ａ´に向かって案内する。円錐台形の第２の壁１４の頂点における半角α２は、金型４の下部３８の方向で回転軸線Ａ−Ａ´に沿って間接圧力波の一部を送るよう適合されている。

直接圧力波は、直接圧力波力および形成すべき部品１６への印加時間を有する。間接圧力波は、間接圧力波力および形成すべき部品１６への印加時間を有する。波の印加時間は、前記波に対応する圧力が形成すべき部品に印加された時間に相当する。

したがって、パルスとも呼ばれる圧力のモーメント（Ｐａ．ｓ）を決定することができる。これは、圧力波によって形成すべき部品１６に対して加えられる圧力の時間積分に対応する。直接圧力波の圧力のモーメントと、形成すべき部品１６の所定の面に加えられる間接圧力波の圧力のモーメントとが加算される。

第１の壁８および第２の壁１４の特性により、形成すべき部品１６は、直接波の圧力のモーメントを本質的に用いる従来の放電成形装置の圧力のモーメントよりも３倍大きい圧力のモーメントを受ける。

間接圧力波を用いることにより、形成されるべき所定の細部または所定の形状因子を有する形成すべき部品１６をより少ないエネルギーで製造することが可能である。図６は、槽６の様々な形状に対する、直接圧力波および間接圧力波の適用時間の関数としての圧力のモーメントを示す。曲線Ａは、従来技術の装置の圧力のモーメントを示し、曲線Ｃは、上述の実施形態（図２）の圧力のモーメントを示す。

他の例示的な実施形態（図３）では、第１の壁８の頂点での半角α１は、金型の中心４０の方向で回転軸線Ａ−Ａ´に向けて間接圧力波を導く。第２の壁１４の頂点での半角α２は、金型の中心４０の方向で回転軸線Ａ−Ａ´に沿って間接圧力波を送るように適合されている。

したがって、間接圧力波の閉じ込めが改善され、圧力波の圧力の全モーメントは、従来技術の放電成形装置の圧力のモーメントよりも５倍大きくなる可能性がある。曲線Ｂ（図６）は、上記の実施形態（図３）の圧力のモーメントを示す。

他の例示的な実施形態（図４）では、槽底２４が尖っており、第１の壁８を円錐形にする。さらに、第１の電極１０および第２の電極１２は、槽底２４の近くに配置されている（依然として回転軸線Ａ−Ａ´上にある）。第１の壁８の円錐形と、第２の壁１４の傾斜（角α２）により、間接圧力波は、再結合される前に第２の壁１４によって複数回反射され、直接圧力波および様々な間接圧力波との間の時間的なずれを提供する。

他の例示的な実施形態では、第２の壁１４は、寸法ｈ２（図５）およびその焦点の位置が、形成すべき部品１６への間接圧力波の到着をずらす（図６；曲線Ｄ）ために間接圧力波が複数回反射されるように適応された放物面形状とすることができる。

本発明の他の例示的な実施形態（図示せず）では、槽６は、第２の壁１４または上部２０を有さなくてもよい。その場合、金型４は第１の壁８に連結され、比較的平坦な形状の成形すべき部品１６の製造を可能にする。

これらの実施形態の全てにおいて、電気アークは、回転軸線に実質的に平行に形成され、したがって、直接圧力波を形成し、これは、圧力波を金型および変形すべき部品に向けて導く凹状壁で反射される。しかし、第２の壁は、任意選択であるが、第１の壁で反射した後の圧力波を、その凹面で金型に向かって案内することを可能にするので、有利である。

したがって、高度な細部および／または大きな形状因子を有する部品を形成することを可能にする放電成形装置が提案される。凹形状の第１の壁８および第１の電極１０および第２の電極１２の位置によって、形成すべき部品は、間接圧力波によって主に形成される。本発明に係る放電成形装置の性能は、従来技術の装置の性能に比べて向上している。

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. 金型（４）と、第１の壁（８）を有する槽（６）と、いずれも前記槽（６）内に配置され、少なくとも１つの圧力波を生成するための放電を発生するように適合された第１の電極（１０）および第２の電極（１２）とを備える放電成形装置（２）であって、
   前記第１の壁（８）は回転軸線の周りで回転対称であり、
   前記電極（１０、１２）は前記第１の壁（８）の前記回転軸線と一致する回転軸線を有し、
   前記第１の壁（８）は前記金型（４）に向けられた凹部を有し、
   前記槽（６）は前記金型（４）と前記第１の壁（８）との間に位置する第２の壁（１４）を備えることを特徴とする放電成形装置。
2. 前記第１の壁（８）は円錐台形である、請求項１に記載の放電成形装置（２）。
3. 前記第１の壁（８）は、頂点における半角（α１）が２０°〜３５°の間の値を有する、請求項２に記載の放電成形装置（２）。
4. 前記槽（６）は、流体を収容し、前記電極（１０、１２）は前記流体中に配置される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の放電成形装置（２）。
5. 前記第２の壁（１４）は円錐台形状である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の放電成形装置（２）。
6. 前記第２の壁（１４）は、頂点における半角（α２）が２０°〜３５°の間の値を有する、請求項５に記載の放電成形装置（２）。
7. 前記第２の壁（１４）は放物面形状である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の放電成形装置（２）。
8. 前記電極（１０、１２）が互いに並んで配置され、それらの間に電極間空隙を有する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の放電成形装置（２）。
9. 前記電極（１０、１２）は、それぞれ前記回転軸線に対して前記第１の壁（８）の高さに配置される、請求項１〜８のいずれか一項に記載の放電成形装置（２）。
10. 調整可能な電極間空隙が第１の電極（１０）と第２の電極（１２）とを分離する、請求項１〜９のいずれか一項に記載の放電成形装置（２）。
11. 前記槽（６）は金属または金属合金製である、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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