JP7310211B2 - 電磁成形方法及び電磁成形装置 - Google Patents

Description

本発明は、電磁成形方法及び電磁成形装置に関する。

電磁成形法は、磁界のエネルギを導電性材料に加えることによって該導電性材料を変形加工する、塑性加工法の一つである。この電磁成形法によれば、例えば、瞬間的に高い電磁力を導電性材料に与えることにより該導電性材料を他の部材に衝突させて、該導電性材料と他の部材を接合することができる。

具体的に、特許文献１には、細幅の長い導体板をコの字型に形成した一巻コイルを使用し、この一巻コイルの上板と下板との間に金属薄板を重ねて配設し、この一巻コイルに大電流を瞬間的に流し、電磁誘導の法則を利用して、この重ねて配設した金属薄板に渦電流を生じさせて、この重ねて配設した金属薄板を接合する方法が提案されている。

特許第３７５１１５３号

一方、導電性の低い材料に対しては、電磁力を誘起することが難しいため、従来の電磁成形法が適用できない。そのため、導電性の低い材料を接合する場合、溶接などの手法が用いられる。

しかし、溶接は、材料を接合するとき、大きな電力（エネルギ）を必要とする。また、接合以外の加工、例えば型成形も大きなエネルギを必要とする。加工に必要なエネルギが増えるほど、加工費用は増え、大きなエネルギを発生させる設備を用意する多大な投資が必要となる。加工費用を抑えるため、エネルギ消費の少ない工法を選択することが一般的に好ましい。一方、電磁成形法では、瞬間的に電流を流すときのみ、エネルギが消費される。そのため、電磁成形法は、成形に必要なエネルギ消費が少ない、経済的な加工法である。導電性の低い材料に対しても電磁成形法を適用することができれば、経済的な電磁成形法の適用範囲を拡大することができる。

そこで、本発明は、電磁成形法の上述した利点を利用して、エネルギ消費の少ない、新たな加工方法を提案するもので、例えば、導電性の低い材料の接合又は形状付与を行う電磁成形方法及び電磁成形装置を提供することを目的とする。

この目的を達成するために、請求項１に係る、電磁成形方法は、
第１固定部材と第２固定部材を対向して配置し、
前記第１固定部材から前記第２固定部材に向かって順番に、導電性部材と平板状の被成形部材を配置し、
前記導電性部材は、前記被成形部材に当接するように配置され、
前記被成形部材は、前記第２固定部材から離間して配置され、
前記第１固定部材に電流を印加することによって、電磁誘導の原理に基づいて前記第１固定部材から前記第２固定部材に向かう電磁力（推力）を前記導電性部材に誘起し、前記電磁力によって前記導電性部材を付勢することで、前記被成形部材を前記第２固定部材に衝突させて前記被成形部材に所定形状を付与する、電磁成形方法であって、
前記導電性部材は、前記第１固定部材から前記第２固定部材に向かう方向の中間において、補強繊維を含んでおり、
前記導電性部材の前記被成形部材に対向する面と前記第２固定部材の前記被成形部材に対向する面には前記所定形状に対応する加工形状が付与されており、
前記導電性部材と前記第２固定部材の前記加工形状が前記衝突時に前記被成形部材にそれぞれ付与されて前記所定形状が形成される、ことを特徴とする。

請求項２に係る、電磁成形装置は、
導電性の第１固定部材と、
前記第１固定部材に対向して配置された第２固定部材と、
前記第１固定部材と前記第２固定部材の間に配置された導電性部材と、
前記第１固定部材に接続されており、前記第１固定部材にパルス電流を印加する充放電回路とを備えており、
前記導電性部材と前記第２固定部材との間に平板状の被成形部材を配置して、前記導電性部材が前記被成形部材に当接して、前記被成形部材が前記第２固定部材から離間している状態で、前記充放電回路から前記第１固定部材に前記パルス電流を印加することによって、電磁誘導の原理に基づいて前記第１固定部材から前記第２固定部材に向かう電磁力（推力）を前記導電性部材に誘起し、前記電磁力によって前記導電性部材を付勢することで、前記被成形部材を前記第２固定部材に衝突させて前記被成形部材に所定形状を付与するように構成されている電磁成形装置であって、
前記導電性部材は、前記第１固定部材から前記第２固定部材に向かう方向の中間において、補強繊維を含んでおり、
前記導電性部材の前記被成形部材に対向する面と前記第２固定部材の前記被成形部材に対向する面には前記所定形状に対応する加工形状が付与されており、
前記導電性部材と前記第２固定部材の前記加工形状が前記衝突時に前記被成形部材にそれぞれ付与されて前記所定形状が形成される、ことを特徴とする。

請求項３に係る実施形態の電磁成形装置は、
前記導電性部材の加工形状が前記被成形部材に向かって凸の形状を有し、
前記第２固定部材の加工形状が前記被成形部材に向かって凹の形状を有する、ことを特徴とする。

請求項４に係る実施形態の電磁成形装置は、
前記導電性部材の加工形状が前記被成形部材に向かって凹の形状を有し、
前記第２固定部材の加工形状が前記被成形部材に向かって凸の形状を有する、ことを特徴とする。

請求項５に係る実施形態の電磁成形装置は、
前記導電性部材が、アルミニウム、又は銅、若しくはそれらのいずれかを含む合金であることを特徴とする。

請求項６に係る実施形態の電磁成形装置は、
前記導電性部材は、前記第１固定部材から前記第２固定部材に向かう方向において、前記補強繊維を挟む第１導電性部材と第２導電性部材とを含んでおり、
前記導電性部材は、電磁成形によって、前記第１導電性部材と前記第２導電性部材を前記補強繊維を挟んだ状態で互いに接合させることにより形成され、
前記第１導電性部材と前記第２導電性部材との間の接合界面には、波状模様が設けられている、ことを特徴とする。

本願の請求項１に記載の発明によれば、導電性部材に誘起された電磁力によって、被成形部材に形状を付与する電磁成形方法を提供できる。これにより、エネルギ消費を抑えて、成形部材を提供できる。例えば、被成形部材は非常に大きな力で付勢されて変形するため、成形部材のスプリング・バックは最小化される。
また、被成形部材を第２固定部材に衝突させるときの衝撃に耐えるように、機械的強度の高い補強繊維を含む導電性部材を備える電磁成形方法を提供できる。

本願の請求項２に記載の発明によれば、導電性部材に誘起された電磁力によって、被成形部材に形状を付与する電磁成形装置を提供できる。これにより、エネルギ消費を抑えて、成形部材を提供できる。例えば、被成形部材は非常に大きな力で付勢されて変形するため、成形部材のスプリング・バックは最小化される。
また、被成形部材を第２固定部材に衝突させるときの衝撃に耐えるように、機械的強度の高い補強繊維を含む導電性部材を備える電磁成形装置を提供できる。

本願の請求項３に記載の発明によれば、被成形部材の導電性部材に対向する面と被成形部材の第２固定部材に対向する面に互いに対となる形状をそれぞれ付与する電磁成形装置を提供できる。与えられる形状が複雑であったとしても、スプリング・バックが最小化されるため、成形は確実に行われる。

本願の請求項４に記載の発明によれば、被成形部材の導電性部材に対向する面と被成形部材の第２固定部材に対向する面に互いに対となる形状をそれぞれ付与する電磁成形装置を提供できる。与えられる形状が複雑であったとしても、スプリング・バックが最小化されるため、成形は確実に行われる。

本願の請求項５に記載の発明によれば、電磁力が誘起されるように、導電性の高いアルミニウム又は銅を含む導電性部材を備える電磁成形装置を提供できる。

本願の請求項６に記載の発明によれば、電磁成形によって、第１導電性部材と第２導電性部材を補強繊維を挟んだ状態で互いに接合させることにより、電磁力によって付勢され得ると共に、被成形部材を第２固定部材に衝突させるときの衝撃に耐え得る導電性部材を備える電磁成形装置を提供できる。

本発明の第１実施形態に係る、電磁成形装置を示す概略図である。 第１実施形態における、電磁力が導電性部材に与えられていないときの、第１被成形部材と第２被成形部材の状態を示す概略図である。 第１実施形態における、電磁力が導電性部材に与えられたときの、第１被成形部材と第２被成形部材の状態を示す概略図である。 本発明の第２実施形態に係る、電磁成形装置を示す概略図である。 第２実施形態における、電磁力が導電性部材に与えられていないときの、被成形部材の状態を示す概略図である。 第２実施形態における、電磁力が導電性部材に与えられたときの、被成形部材の状態を示す概略図である。

［１．第１実施形態］
以下、添付図面を参照して、本発明に係る電磁成形方法の第１実施形態を、その成形を行う電磁成形装置と共に説明する。

［１．１：電磁成形装置］
図１は、本発明の実施形態に係る電磁成形装置１００の概略構成を示す。電磁成形装置１００は、第１被成形部材と第２被成形部材を接合する成形装置である。

［１．２：電磁成形装置の概要］
図１に示すように、電磁成形装置１００は、概略、下部構造１０と、該下部構造１０の上に配置された上部構造１２を有する。

下部構造１０は、図１の手前側から奥側に向かって伸びる直方体形状の第１固定部材１４を含む。より詳細には、第１固定部材１４は、導電性を有する導体である。導体１４は、パルス発生回路１６に電気的に接続されている。パルス発生回路１６は、一般的な充放電回路からなり、直流電源１８、コンデンサ２０、及びスイッチ２２を含み、導体１４に大電流を瞬間的に流すことができるように構成されている。

下部構造１０はまた、図１の手前側から奥側に向かって伸びる、導電性部材２４を導体１４の上方に備える。

本実施形態において、導電性部材２４は、板状の第１導電性部材２６、綱又は紐のような複数のストランドからなる補強部材２８、及び板状の第２導電性部材３０を含む。より詳細には、導電性部材２４は、電磁成形によって、第１導電性部材２６と第２導電性部材３０が補強部材２８を挟んだ状態で接合することで得られた部材である。また、導電性部材２４は、第１導電性部材２６と第２導電性部材３０との間の接合界面に電磁成形において特徴的な波状模様３２を有する。

電磁成形装置１００の上部構造１２は、図１の手前側から奥側に向かって伸びる、直方体形状の第２固定部材３４を備える。より詳細には、第２固定部材３４は剛性の高い固定部である。

［１．３：成形方法］
上述の構成を有する電磁成形装置１００を用いた成形方法の一例を説明する。実際の成形にあたって、図１の手前側から奥側に向かって伸びる導電性部材２４は、導体１４の上方に該導体１４との間に隙間をあけて設置される。実施形態において、第１被成形部材３６は、図１の手前側から奥側に向かって伸びる板状の部材で、導電性部材２４の上面に当接して配置される。第２被成形部材３８は、図１の手前側から奥側に向かって伸びる板状の部材で、固定部３４の下に配置される。実施形態では、第２被成形部材３８の幅は第１被成形部材３６の幅と同一又はほぼ同一である。したがって、第２被成形部材３８は、その全面が第１被成形部材３６のほぼ全面に対向している。説明のために、図１において第１被成形部材３６と第２被成形部材３８は、それらの間に十分な隙間をあけて示されているが、実際の成形にあたって、第１被成形部材３６と第２被成形部材３８との距離は両者の接合に最も適した値に設定される。

上述の状態で、導体１４に接続されるパルス発生回路１６は、約１０ｋＡ～約２００ｋＡ、パルス幅約１００μｓｅｃ以下のシングルパルスからなる、一点鎖線で示されるパルス電流４０を導体１４に印加する。

これにより、一点鎖線で示される瞬間的な磁場４２が導体１４の周りに発生する。同時に、電磁誘導により、パルス電流４０と逆方向の（図１における奥側から手前側に向かう）二点鎖線で示される誘導電流４４が、導電性部材２４の内部に流れる。その結果、二点鎖線で示される上方に向かう電磁力４６が、磁場４２と誘導電流４４に直交する方向に発生し、導電性部材２４が、第１被成形部材３６を上面に当接させた状態で、上方の第２被成形部材３８に向けて瞬間的に付勢される。これにより、第１被成形部材３６は第２被成形部材３８に大きな力で衝突し、第１被成形部材３６と第２被成形部材３８が接合する（図３を用いて後述する）。第１被成形部材３６が第２被成形部材３８に衝突するときの衝撃は固定部３４に吸収される。

上述した実施形態において、例えば、導電性部材２４の第１導電性部材２６はアルミニウムのプレートにより構成され、補強部材２８は多数のカーボンファイバ（単繊維）又はガラス繊維などの補強繊維を束ねた長繊維束のフィラメント又は多数のフィラメントからなるトウを複数並列配置して構成され、第２導電性部材３０はアルミニウムのプレートで構成される。

また、上述した実施形態において、例えば、第１被成形部材３６は鉄板で構成され、また第２被成形部材３８も鉄板で構成される。

図３に示すように、この場合、成形された接合部材４８において、鉄板からなる第１被成形部材３６と鉄板からなる第２被成形部材３８の接合界面には電磁成形で特徴的な波状模様５０が表れる。

［２．第２実施形態］
また、本発明に係る電磁成形方法の第２実施形態を、その成形を行う電磁成形装置と共に説明する。

［２．１：電磁成形装置］
図４は、本発明の実施形態に係る電磁成形装置２００の概略構成を示す。電磁成形装置２００は、被成形部材を型成形する成形装置である。

［２．２：電磁成形装置の概要］
図４に示すように、電磁成形装置２００は、概略、下部構造１１０と、該下部構造１１０の上に配置された上部構造１１２を有する。

下部構造１１０は、第１実施形態と同様に、図４の手前側から奥側に向かって伸びる直方体形状の第１固定部材１１４を含む。より詳細には、第１固定部材１１４は、導電性を有する導体である。導体１１４は、第１実施形態と同様の構成を有するパルス発生回路１１６に電気的に接続されている。パルス発生回路１１６は、一般的な充放電回路からなり、直流電源１１８、コンデンサ１２０、及びスイッチ１２２を含み、導体１１４に大電流を瞬間的に流すことができるように構成されている。

下部構造１１０はまた、図４の手前側から奥側に向かって伸びる、導電性部材１２４を導体１１４の上方に備える。

本実施形態において、導電性部材１２４は、第１実施形態と同様に、第１導電性部材１２６、綱又は紐のような複数のストランドからなる補強部材１２８、及び第２導電性部材１３０を含む。より詳細には、導電性部材１２４は、電磁成形によって、第１導電性部材１２６と第２導電性部材１３０が補強部材１２８を挟んだ状態で接合することで得られた部材である。また、導電性部材１２４は、第１導電性部材１２６と第２導電性部材１３０との間の接合界面に電磁成形において特徴的な波状模様１３２を有する。さらに、導電性部材１２４は、第１実施形態とは異なり、図４の左右方向における略中央に上方に向かって凸状の型部１５２を有する。

電磁成形装置２００の上部構造１１２は、第１実施形態と同様に、図４の手前側から奥側に向かって伸びる、直方体形状の第２固定部材１３４を備える。より詳細には、第２固定部材１３４は剛性の高い固定部である。固定部１３４は、第１実施形態とは異なり、図４の左右方向における略中央に上方に向かって凹状の型部１５４を有する。

［２．３：成形方法］
上述の構成を有する電磁成形装置２００を用いた成形方法の一例を説明する。実際の成形にあたって、図４の手前側から奥側に向かって伸びる導電性部材１２４は、第１実施形態と同様に、導体１１４の上方に該導体１１４との間に隙間をあけて設置される。実施形態において、被成形部材１５６は、図１の手前側から奥側に向かって伸びる板状の部材で、導電性部材１２４の型部１５２の上面に当接して配置される。説明のために、図４において固定部１３４と被成形部材１５６は、それらの間に十分な隙間をあけて示されているが、実際の成形にあたって、固定部１３４と被成形部材１５６との距離は被成形部材１５６の型成形に最も適した値に設定される。

上述の状態で、導体１１４に接続されるパルス発生回路１１６は、第１実施形態と同様に、約１０ｋＡ～約２００ｋＡ、パルス幅約１００μｓｅｃ以下のシングルパルスからなる、一点鎖線で示されるパルス電流１４０を導体１１４に印加する。

これにより、第１実施形態と同様に、一点鎖線で示される瞬間的な磁場１４２が導体１１４の周りに発生する。同時に、電磁誘導により、パルス電流１４０と逆方向の（図１における奥側から手前側に向かう）二点鎖線で示される誘導電流１４４が、導電性部材１２４の内部に流れる。その結果、二点鎖線で示される上方に向かう電磁力１４６が、磁場１４２と誘導電流１４４に直交する方向に発生し、導電性部材１２４が、被成形部材１５６を型部１５２の上面に当接させた状態で、上方の固定部１３４に向けて瞬間的に付勢される。これにより、被成形部材１５６は固定部１３４に大きな力で衝突し、第１実施形態とは異なり、被成形部材１５６は形状を付与される（図６を用いて後述する）。固定部１３４は、被成形部材１５６が衝突したときの衝撃を吸収する。

上述した実施形態において、第１実施形態と同様に、例えば、導電性部材１２４の第１導電性部材１２６はアルミニウムのプレートにより構成され、補強部材１２８は多数のカーボンファイバ（単繊維）又はガラス繊維などの補強繊維を束ねた長繊維束のフィラメント又は多数のフィラメントからなるトウを複数並列配置して構成され、第２導電性部材１３０はアルミニウムのプレートで構成される。

また、上述した実施形態において、第１実施形態と同様に、例えば、被成形部材１５６は鉄板で構成される。

［３．その他の実施形態］
上述した実施形態において、導電性部材１２４が、下方に向かって凹状の型部を有してもよい。このとき、固定部１３４が、下方に向かって凸状の型部を有してもよい。

上述した実施形態において、導電性部材１２４の凸状の型部１５２と固定部１３４の凹状の型部１５４は、さらに複雑で、微細な形状を有してもよい。導電性部材１２４は非常に大きな力で被成形部材１５６を付勢するため、成形後の被成形部材１５６のスプリング・バックは最小化される。したがって、型部１５２と型部１５４の複雑で微細な形状を被成形部材１５６に確実に与えることができる。

上述した実施形態において、導電性部材２４，１２４の第１導電性部材２６，１２６及び第２導電性部材３０，１３０は、アルミニウム以外の導電性材料、例えば銅であってもよい。また、導電性部材２４，１２４は、十分な剛性を有するのであれば、補強部材２８，１２８を含まない、アルミニウムなどの単一の金属素材で構成されてもよい。いずれにしても、導電性部材２４，１２４には、成形時の衝撃に耐え得る強度を満足するように適当な材料が選択可能である。

上述した実施形態において、第１被成形部材３６、第２被成形部材３８、及び被成形部材１５６は、鉄以外の金属材料、例えばステンレスであってもよい。いずれにしても、第１被成形部材３６、第２被成形部材３８、及び被成形部材１５６には、導電性に関わらず、最終成形品に要求される強度を満足するように適当な材料が選択可能である。

１００，２００：電磁成形装置
１４，１１４：導体（第１固定部材）
２４，１２４：導電性部材
３４，１３４：固定部（第２固定部材）
３６：第１被成形部材
３８：第２被成形部材
４０，１４０：パルス電流
４６，１４６：電磁力
１５２，１５４：型部（加工形状）
１５６：被成形部材

Claims (6)

1. 第１固定部材と第２固定部材を対向して配置し、
   前記第１固定部材から前記第２固定部材に向かって順番に、導電性部材と平板状の被成形部材を配置し、
   前記導電性部材は、前記被成形部材に当接するように配置され、
   前記被成形部材は、前記第２固定部材から離間して配置され、
   前記第１固定部材に電流を印加することによって、電磁誘導の原理に基づいて前記第１固定部材から前記第２固定部材に向かう電磁力（推力）を前記導電性部材に誘起し、前記電磁力によって前記導電性部材を付勢することで、前記被成形部材を前記第２固定部材に衝突させて前記被成形部材に所定形状を付与する、電磁成形方法であって、
   前記導電性部材は、前記第１固定部材から前記第２固定部材に向かう方向の中間において、補強繊維を含んでおり、
   前記導電性部材の前記被成形部材に対向する面と前記第２固定部材の前記被成形部材に対向する面には前記所定形状に対応する加工形状が付与されており、
   前記導電性部材と前記第２固定部材の前記加工形状が前記衝突時に前記被成形部材にそれぞれ付与されて前記所定形状が形成される、ことを特徴とする電磁成形方法。
2. 導電性の第１固定部材と、
   前記第１固定部材に対向して配置された第２固定部材と、
   前記第１固定部材と前記第２固定部材の間に配置された導電性部材と、
   前記第１固定部材に接続されており、前記第１固定部材にパルス電流を印加する充放電回路とを備えており、
   前記導電性部材と前記第２固定部材との間に平板状の被成形部材を配置して、前記導電性部材が前記被成形部材に当接して、前記被成形部材が前記第２固定部材から離間している状態で、前記充放電回路から前記第１固定部材に前記パルス電流を印加することによって、電磁誘導の原理に基づいて前記第１固定部材から前記第２固定部材に向かう電磁力（推力）を前記導電性部材に誘起し、前記電磁力によって前記導電性部材を付勢することで、前記被成形部材を前記第２固定部材に衝突させて前記被成形部材に所定形状を付与するように構成されている電磁成形装置であって、
   前記導電性部材は、前記第１固定部材から前記第２固定部材に向かう方向の中間において、補強繊維を含んでおり、
   前記導電性部材の前記被成形部材に対向する面と前記第２固定部材の前記被成形部材に対向する面には前記所定形状に対応する加工形状が付与されており、
   前記導電性部材と前記第２固定部材の前記加工形状が前記衝突時に前記被成形部材にそれぞれ付与されて前記所定形状が形成される、ことを特徴とする電磁成形装置。
3. 前記導電性部材の加工形状が前記被成形部材に向かって凸の形状を有し、
   前記第２固定部材の加工形状が前記被成形部材に向かって凹の形状を有する、ことを特徴とする請求項２に記載の電磁成形装置。
4. 前記導電性部材の加工形状が前記被成形部材に向かって凹の形状を有し、
   前記第２固定部材の加工形状が前記被成形部材に向かって凸の形状を有する、ことを特徴とする請求項２に記載の電磁成形装置。
5. 前記導電性部材が、アルミニウム、又は銅、若しくはそれらのいずれかを含む合金であることを特徴とする請求項２～４のいずれかに記載の電磁成形装置。
6. 前記導電性部材は、前記第１固定部材から前記第２固定部材に向かう方向において、前記補強繊維を挟む第１導電性部材と第２導電性部材とを含んでおり、
   前記導電性部材は、電磁成形によって、前記第１導電性部材と前記第２導電性部材を前記補強繊維を挟んだ状態で互いに接合させることにより形成され、
   前記第１導電性部材と前記第２導電性部材との間の接合界面には、波状模様が設けられている、ことを特徴とする請求項２～５のいずれかに記載の電磁成形装置。

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