WO2022186055A1 - 成形システム - Google Patents

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章博 井手
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Definitions

  • the present invention relates to molding systems.
  • a molding system includes a heating unit that heats a metal material by passing an electric current through a plated metal material, a mold that molds the heated metal material, and a metal material that accompanies electric heating. and a plating shift suppression mechanism for suppressing plating shift.
  • the plating shift suppression mechanism may mechanically suppress the plating shift. In this case, it is possible to suppress the force generated during electrical heating due to the relationship with the magnetic material existing around the metal material by structurally devising.
  • the forming die 102 is a die for forming a metal pipe from the metal pipe material 40, and includes a lower die 11 and an upper die 12 facing each other in the vertical direction.
  • the lower die 11 and the upper die 12 are constructed from steel blocks.
  • Each of the lower die 11 and the upper die 12 is provided with a recess in which the metal pipe material 40 is accommodated.
  • the lower mold 11 and the upper mold 12 are in close contact with each other (mold closed state), and each recess forms a target-shaped space in which the metal pipe material is to be molded. Therefore, the surface of each recess becomes the molding surface of the mold 102 .
  • the mold 11 on the lower side is fixed to the base 13 via a die holder or the like.
  • the upper die 12 is fixed to the slide of the drive mechanism 3 via a die holder or the like.
  • the drive mechanism 3 is a mechanism that moves at least one of the lower mold 11 and the upper mold 12.
  • the drive mechanism 3 has a configuration that moves only the upper mold 12 .
  • the drive mechanism 3 includes a slide 21 that moves the upper die 12 so that the lower die 11 and the upper die 12 are joined together, and a pull-back cylinder as an actuator that generates a force to lift the slide 21 upward. 22 , a main cylinder 23 as a drive source that pressurizes the slide 21 downward, and a drive source 24 that applies a drive force to the main cylinder 23 .
  • the heating unit 101 heats the metal pipe material 40 .
  • the heating unit 101 is a mechanism that heats the metal pipe material 40 by energizing the metal pipe material 40 .
  • the heating unit 101 heats the metal pipe material 40 between the lower mold 11 and the upper mold 12 in a state in which the metal pipe material 40 is separated from the lower mold 11 and the upper mold 12.
  • the heating unit 101 includes the lower electrode 26 and the upper electrode 27 on both sides in the longitudinal direction, and a power supply 28 for supplying current to the metal pipe material 40 via these electrodes 26 and 27 .
  • the state in which the metal pipe material 40 is arranged inside the mold 102 means that the metal pipe material 40 is placed in the upper mold 12 and the lower mold 11, while the upper mold 12 and the lower mold 11 face each other. It is arranged in the space between the mold 11 on the lower side.
  • the metal pipe material 40 faces the upper mold 12 while being spaced downward from the upper mold 12, and is spaced upward from the lower mold 11. It faces the mold 11 on the lower side.
  • the fluid supply unit 6 is a mechanism for supplying high-pressure fluid into the metal pipe material 40 held between the lower mold 11 and the upper mold 12.
  • the fluid supply unit 6 supplies high-pressure fluid to the metal pipe material 40 that has been heated by the heating unit 101 to a high temperature state, thereby expanding the metal pipe material 40 .
  • the fluid supply units 6 are provided on both ends of the mold 102 in the longitudinal direction.
  • the fluid supply unit 6 includes a nozzle 31 that supplies fluid from the opening at the end of the metal pipe material 40 to the inside of the metal pipe material 40, and a drive that moves the nozzle 31 forward and backward with respect to the opening of the metal pipe material 40. It comprises a mechanism 32 and a source 33 for supplying high pressure fluid into the metal pipe material 40 through the nozzle 31 .
  • the heating unit 101 heats the metal material 50 by applying an electric current to the metal material 50 .
  • the heating unit 101 includes a pair of electrodes 70A and 70B and a power supply 71.
  • the electrodes 70A and 70B are members for contacting the metal material 50 and causing current to flow through the metal material 50 .
  • the electrical resistance of the metal material 50 itself causes the metal material 50 itself to generate heat due to Joule heat (electrical heating).
  • a power supply 71 is connected to the electrodes 70A and 70B and applies current to the metal material 50 via the electrodes 70A and 70B.
  • the plating shift suppression mechanism 104 can form a layer of plating 52 with a uniform thickness by suppressing the plating shift, as shown in FIGS. 5(a) and 5(c). .
  • the distance may be 20 mm or more.
  • the Lorentz force in the tangential direction becomes large.
  • the outer diameter of the metal pipe material 40 was 60 mm
  • the plate pressure was 1 mm
  • the pipe length was 1000 mm
  • the current was 9000 A
  • the distance from the pipe surface to the mold was 20 mm, 50 mm
  • the results of analyzing the Lorentz force acting per unit area are shown for four cases of 100 mm and no mold.
  • the plating bias suppression mechanism 104 may suppress the current change when the electric heating is stopped. In this case, when the magnetic material exists around the metal material, the magnitude of the force generated between the metal material and the magnetic material due to a sudden change in current can be suppressed.
  • the plating shift suppression mechanism 104 may mechanically suppress the plating shift. In this case, it is possible to suppress the force generated during electrical heating due to the relationship with the magnetic material existing around the metal material by structurally devising.
  • the plating bias suppression mechanism 104 may separate the metal material and the magnetic body by a predetermined distance or more during electrical heating. In this case, it is possible to suppress the force generated between the magnetic body and the metal material during electrical heating.

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Abstract

成形システムは、めっきされた金属材料に電流を流すことで金属材料を加熱する加熱部と、加熱された金属材料を成形する成形型と、通電加熱に伴う金属材料におけるめっきの寄りを抑制するめっき寄り抑制機構と、を備える。

Description

成形システム
　本発明は、成形システムに関する。
　従来、成形システムとして、特許文献１に記載されたものが知られている。この成形システムは、金属材料を加熱して、加熱された金属パイプ材料を成形型で成形することによって、金属パイプ材料の形状を成形金型の成形面の形状としている。また、成形と同時に金属材料の焼き入れも行っている。
特開２００９－２２０１４１号公報
　ここで、上述のように加熱された金属材料を成形型と接触させて成形を行う場合、加熱によって金属材料の表面に酸化スケールが発生する場合がある。そのため、金属材料の表面をめっきすることで、当該酸化スケールの発生を抑制する場合がある。しかし、通電加熱を行うときにめっきが溶融すると共に、通電電流により発生する磁場の影響で、めっきに寄りが発生してしまう場合がある。
　本発明の一形態は、このような課題を解決するためになされたものであり、金属材料のめっきの寄りを低減することができる成形システムを提供することを目的とする。
　本発明の一形態に係る成形システムは、めっきされた金属材料に電流を流すことで金属材料を加熱する加熱部と、加熱された金属材料を成形する成形型と、通電加熱に伴う金属材料におけるめっきの寄りを抑制するめっき寄り抑制機構と、を備える。
　成形システムでは、加熱部が、めっきされた金属材料に電流を流すことで金属材料を加熱する。このため、めっきが通電加熱の熱によって溶融する場合がある。これに対し、成形システムは、通電加熱に伴う金属材料におけるめっきの寄りを抑制するめっき寄り抑制機構を備えている。従って、通電加熱によって溶融しためっきが寄ることを抑制することができる。以上より、金属材料のめっきの寄りを抑制することができる。
　めっき寄り抑制機構は、電気的にめっきの寄りを抑制してよい。この場合、めっき寄り抑制機構は、通電加熱時の電気的な調整によって、容易にめっきの寄りを抑制できる。
　めっき寄り抑制機構は、通電加熱の停止時の電流変化を抑制してよい。この場合、金属材料の周囲に磁性体が存在していた場合に、急激な電流の変化に伴って磁性体との間に発生する力の大きさを抑制することができる。
　めっき寄り抑制機構は、通電加熱の電流を抑制してよい。この場合、金属材料の周囲に磁性体が存在していた場合に、通電加熱時に磁性体との間に発生する力の大きさを抑制することができる。
　めっき寄り抑制機構は、機械的にめっきの寄りを抑制してよい。この場合、金属材料の周囲に存在する磁性体との関係で通電加熱時に発生する力を、構造的な工夫によって抑制することができる。
　めっき寄り抑制機構は、通電加熱時における金属材料と磁性体とを所定の距離以上離してよい。この場合、通電加熱時に磁性体と金属材料との間で発生する力を抑制できる。
　めっき寄り抑制機構は、金属材料を成形型の外部で加熱する加熱部によって構成されてよい。この場合、通電加熱時に成形型と金属材料との間で発生する力の影響を抑制できる。
　めっき寄り抑制機構は、通電加熱時に金属材料の周囲に配置される磁気シールドによって構成されてよい。この場合、通電加熱時に成形型と金属材料との間で力が発生することを抑制できる。
　本発明の一形態によれば、金属材料のめっきの寄りを低減することができる成形システムを提供できる。
本発明の実施形態に係る成形システムの構成を示すブロック図である。 図１に示す成形システムの具体例を示す概略構成図である。 図１に示す成形システムの具体例を示す概略構成図である。 図１に示す成形システムの具体例を示す概略構成図である。 めっきの寄りの様子を示す概略断面図である。 通電加熱中の金属材料の周囲に発生する磁場の分布を示す図である。 平板状の金属材料に発生するローレンツ力を説明するための図である。 金属材料と磁性体との間で発生する力について説明するための概念図である。 電流のグラフと温度の推移を示すグラフである。 金属パイプ材料に発生するローレンツ力を説明するための図である。 磁気シールドを示す概念図である。 金属パイプ材料と金型との距離とローレンツ力との関係を示す解析結果を示す図である。 実験結果を示す図である。 実験結果を示す図である。 実験結果を示す図である。 実験結果を示す図である。 実験結果を示す図である。 図１に示す成形システムの具体例を示す概略構成図である。 図１に示す成形システムの具体例を示す概略構成図である。
　以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、各図において同一部分又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
　図１は、本実施形態に係る成形システム１００の構成を示すブロック図である。また、図２～図４は、図１に示す成形システム１００の具体例を示す概略構成図である。
　成形システム１００は、めっきされた金属材料を加熱し、当該加熱された金属材料を成形型で成形することによって、成形品を製造するシステムである。金属材料として、図２に示すようなパイプ状の金属パイプ材料４０、又は図３に示すような板状の金属材料５０が採用される。金属材料としては、例えば、炭素鋼材や焼入性を向上させたＭｎＢ鋼材などが採用される。本実施形態ではめっきされた金属材料が採用される。めっきされた金属材料は、鋼材の表面がめっきで覆われた材料である。めっきの詳細については後述する。
　図１に示すように、成形システム１００は、加熱部１０１と、成形型１０２を有する成形装置１０３と、めっき寄り抑制機構１０４と、を備える。
　加熱部１０１は、めっきされた金属材料に電流を流すことで金属材料を加熱する。加熱部１０１は、金属材料と接触して電流を流すための電極と、当該電極へ電流を流す電源とを備える。これにより、金属材料自身の電気抵抗により、金属材料自体がジュール熱によって発熱する（通電加熱）。成形装置１０３は、加熱部１０１で加熱された金属材料を成形型１０２で成形する装置である。
　例えば、成形装置１０３として、図２に示す構成を採用してよい。図２に示す成形装置１０３は、加熱された金属パイプ材料４０に流体を供給して成形型の成形面に接触させることで成形及び焼き入れを行う装置である。この成形装置１０３は、加熱部１０１を備えている。
　図２に示すように、成形装置１０３は、ブロー成形によって中空形状を有する金属パイプを成形する装置である。ここでは、成形装置１０３は、水平面上に設置される。成形装置１０３は、成形型１０２と、駆動機構３と、保持部４と、加熱部１０１と、流体供給部６と、冷却部７と、制御部８と、を備える。なお、本明細書において、金属パイプ材料４０（金属材料）は、成形装置１０３での成形完了前の中空物品を指す。金属パイプ材料４０は、焼入れ可能な鋼種のパイプ材料である。また、水平方向のうち、成形時において金属パイプ材料４０が延びる方向を「長手方向」と称し、長手方向と直交する方向を「幅方向」と称する場合がある。
　成形型１０２は、金属パイプ材料４０から金属パイプを成形する型であり、上下方向に互いに対向する下側の金型１１及び上側の金型１２を備える。下側の金型１１及び上側の金型１２は、鋼鉄製ブロックで構成される。下側の金型１１及び上側の金型１２のそれぞれには、金属パイプ材料４０が収容される凹部が設けられる。下側の金型１１と上側の金型１２は、互いに密接した状態（型閉状態）で、各々の凹部が金属パイプ材料を成形すべき目標形状の空間を形成する。従って、各々の凹部の表面が成形型１０２の成形面となる。下側の金型１１は、ダイホルダ等を介して基台１３に固定される。上側の金型１２は、ダイホルダ等を介して駆動機構３のスライドに固定される。
　駆動機構３は、下側の金型１１及び上側の金型１２の少なくとも一方を移動させる機構である。図２では、駆動機構３は、上側の金型１２のみを移動させる構成を有する。駆動機構３は、下側の金型１１及び上側の金型１２同士が合わさるように上側の金型１２を移動させるスライド２１と、上記スライド２１を上側へ引き上げる力を発生させるアクチュエータとしての引き戻しシリンダ２２と、スライド２１を下降加圧する駆動源としてのメインシリンダ２３と、メインシリンダ２３に駆動力を付与する駆動源２４と、を備えている。
　保持部４は、下側の金型１１及び上側の金型１２の間に配置される金属パイプ材料４０を保持する機構である。保持部４は、成形型１０２の長手方向における一端側にて金属パイプ材料４０を保持する下側電極２６及び上側電極２７と、成形型１０２の長手方向における他端側にて金属パイプ材料４０を保持する下側電極２６及び上側電極２７と、を備える。長手方向の両側の下側電極２６及び上側電極２７は、金属パイプ材料４０の端部付近を上下方向から挟み込むことによって、当該金属パイプ材料４０を保持する。なお、下側電極２６の上面及び上側電極２７の下面には、金属パイプ材料４０の外周面に対応する形状を有する溝部が形成される。下側電極２６及び上側電極２７には、図示されない駆動機構が設けられており、それぞれ独立して上下方向へ移動することができる。
　加熱部１０１は、金属パイプ材料４０を加熱する。加熱部１０１は、金属パイプ材料４０へ通電することで当該金属パイプ材料４０を加熱する機構である。加熱部１０１は、下側の金型１１及び上側の金型１２の間にて、下側の金型１１及び上側の金型１２から金属パイプ材料４０が離間した状態にて、当該金属パイプ材料４０を加熱する。加熱部１０１は、上述の長手方向の両側の下側電極２６及び上側電極２７と、これらの電極２６，２７を介して金属パイプ材料４０へ電流を流す電源２８と、を備える。
　ここで、金属パイプ材料４０が成形型１０２の内部に配置された状態とは、互いに対向する上側の金型１２及び下側の金型１１に対し、金属パイプ材料４０が上側の金型１２と下側の金型１１との間の空間に配置される状態である。当該状態では、金属パイプ材料４０は、上側の金型１２に対して下方へ離間した状態で当該上側の金型１２と対向し、下側の金型１１に対して上方へ離間した状態で当該下側の金型１１と対向する。
　流体供給部６は、下側の金型１１及び上側の金型１２の間に保持された金属パイプ材料４０内に高圧の流体を供給するための機構である。流体供給部６は、加熱部１０１で加熱されることで高温状態となった金属パイプ材料４０に高圧の流体を供給して、金属パイプ材料４０を膨張させる。流体供給部６は、成形型１０２の長手方向の両端側に設けられる。流体供給部６は、金属パイプ材料４０の端部の開口部から当該金属パイプ材料４０の内部へ流体を供給するノズル３１と、ノズル３１を金属パイプ材料４０の開口部に対して進退移動させる駆動機構３２と、ノズル３１を介して金属パイプ材料４０内へ高圧の流体を供給する供給源３３と、を備える。駆動機構３２は、流体供給時及び排気時にはノズル３１を金属パイプ材料４０の端部にシール性を確保した状態で密着させ、その他の時にはノズル３１を金属パイプ材料４０の端部から離間させる。なお、流体供給部６は、流体として、高圧の空気や不活性ガスなどの気体を供給してよい。また、流体供給部６は、金属パイプ材料４０を上下方向へ移動する機構を有する保持部４とともに、加熱部１０１を含めて同一装置としても良い。
　冷却部７は、成形型１０２を冷却する機構である。冷却部７は、成形型１０２を冷却することで、膨張した金属パイプ材料４０が成形型１０２の成形面と接触したときに、金属パイプ材料４０を急速に冷却することができる。冷却部７は、下側の金型１１及び上側の金型１２の内部に形成された流路３６と、流路３６へ冷却水を供給して循環させる水循環機構３７と、を備える。
　制御部８は、成形装置１０３全体を制御する装置である。制御部８は、駆動機構３、保持部４、加熱部１０１、流体供給部６、及び冷却部７を制御する。制御部８は、金属パイプ材料４０を成形型１０２で成形する動作を繰り返し行う。
　制御部８は、駆動機構３を制御して上側の金型１２を降ろして下側の金型１１に近接させ、成形型１０２の型閉を行う。その一方、制御部８は、流体供給部６を制御して、ノズル３１で金属パイプ材料４０の両端の開口部をシールすると共に、流体を供給する。これにより、加熱により軟化した金属パイプ材料４０が膨張して成形型１０２の成形面と接触する。そして、金属パイプ材料４０は、成形型１０２の成形面の形状に沿うように成形される。なお、フランジ付きの金属パイプを形成する場合、下側の金型１１と上側の金型１２との間の隙間に金属パイプ材料４０の一部を進入させた後、更に型閉を行って、当該進入部を押しつぶしてフランジ部とする。金属パイプ材料４０が成形面に接触すると、冷却部７で冷却された成形型１０２で急冷されることによって、金属パイプ材料４０の焼き入れが実施される。
　また、成形装置１０３として、図３に示す構成を採用してよい。図３に示す成形装置１０３は、加熱された平板状の金属材料５０を成形型１０２の成形面に接触させることで成形及び焼き入れを行う装置である。この成形装置１０３は、加熱部１０１を備えている。
　成形装置１０３は、金属材料５０を成形して成形品を形成する成形型１０２を備える。成形型１０２は、金属材料５０の上面と接触する上型６２と、金属材料５０の下面と接触する下型６３と、を備える。上型６２の成形面（下面）及び下型６３の成形面（上面）は、例えばハット型に対応する形状などに形成されてよい。成形装置１０３は、上型６２及び下型６３の少なくとも一方を移動させる駆動部（不図示）を備えている。成形装置１０３は、上型６２の成形面と下型６３の成形面とで金属材料５０を挟むことによって、金属材料５０を成形品の形状に成形する。なお、成形型１０２の構成は、上型６２及び下型６３のように上下方向に対向するように型が配置される構成に限定されず、横方向に対向するように型が配置されてもよい。また、成形型１０２を構成する型の数も、二つに限定されず、三つ以上に分割されてもよい。
　加熱部１０１は、成形型１０２の内部に配置された金属材料５０を加熱する。ここで、金属材料５０が成形型１０２の内部に配置された状態とは、図２と同趣旨であり、互いに対向する上型６２及び下型６３に対し、金属材料５０が上型６２と下型６３との間の空間に配置される状態である。
　加熱部１０１は、金属材料５０に電流を流すことで金属材料５０を加熱する。具体的には、加熱部１０１は、一対の電極７０Ａ，７０Ｂと、電源７１と、を備える。電極７０Ａ，７０Ｂは、金属材料５０と接触して、金属材料５０に電流を流すための部材である。これにより、金属材料５０自身の電気抵抗により、金属材料５０自体がジュール熱によって発熱する（通電加熱）。電源７１は、電極７０Ａ，７０Ｂと接続され、当該電極７０Ａ，７０Ｂを介して金属材料５０に電流を流す。
　図３に示す例では、電極７０Ａ，７０Ｂは、それぞれ金属材料５０の長手方向の端部と接触している。電極７０Ａ，７０Ｂが金属材料５０に対してどのような配置で接触するかは特に限定されない。また、電極７０Ａ，７０Ｂは、金属材料５０を保持する機能を備えてよいが、電極７０Ａ，７０Ｂ以外の保持機構を別途設けてもよい。また、電極７０Ａ，７０Ｂは、成形装置１０３に対して、どのような構成で設けられているかは特に限定されない。例えば、電極７０Ａ，７０Ｂは、成形型１０２に取り付けられてよい。この場合、電極７０Ａ，７０Ｂは、通電加熱が完了し、上型６２及び下型６３が型閉するタイミングで、成形型１０２から取り外されてよい。あるいは、電極７０Ａ，７０Ｂを成形型１０２から離間した位置に設けることで、上型６２及び下型６３が型閉しても電極７０Ａ，７０Ｂと干渉しないように構成してもよい。また、電極７０Ａ，７０Ｂには、図示されないアクチュエータが設けられ、電極７０Ａ，７０Ｂが成形型１０２に対して移動可能に構成されてよい。
　図２に示すように、成形システム１００は、制御部８０を備える。制御部８０は、成形システム１００全体を制御する装置である。制御部８０は、加熱部１０１の電源７１に電気的に接続されている。制御部８０は、電源７１に制御信号を送信することで、加熱部１０１による加熱のタイミングを制御すると共に、及び電流の大きさを調整することで加熱温度を制御する。
　また、成形システム１００として、図４に示す構成を採用してよい。図４に示す成形システム１００では、加熱部１０１と成形装置１０３とが、別装置として設けられている。これにより、加熱部１０１は、金属パイプ材料４０を成形型１０２の外部で加熱することができる。このとき、加熱部１０１は、金属パイプ材料４０をＡ３点以上、すなわち８００℃以上に加熱する。加熱部１０１が成形型１０２の外部で加熱を行う状態とは、金型１２，１１と対向する空間の外で加熱を行う状態である。図４に示す例では、加熱部１０１が、成形装置１０３と異なる位置に設けられている。そして、加熱部１０１で加熱された金属パイプ材料４０は、図示されないロボットハンドなどの搬送装置によって、成形装置１０３にセットされる。成形装置１０３のその他の構成は、図２に示す成形装置１０３と同趣旨である。なお、図３に示すような、平板状の金属材料５０を成形する成形システム１００においても、加熱部１０１が成形型１０２の外部で加熱するような構成としてもよい。
　あるいは、加熱部１０１は、図１８に示すように二段階の加熱を行ってよい。まず、加熱部１０１は、成形型１０２の外部で加熱を行う（図１８の左図）。このとき、加熱部１０１は、金属パイプ材料４０を５００℃以上であってＡ３点以下、すなわち８００℃以下に加熱する。次に、搬送装置によって、金属パイプ材料４０を加熱部１０１ごと成形型１０２内に搬送する（図１８の中央図）。次に、加熱部１０１は、金属パイプ材料４０を成形型１０２内で加熱する（図１８の右図）。このとき、加熱部１０１は、金属パイプ材料４０をＡ３点以上、すなわち８００℃以上に加熱する。なお、一回目の成形型１０２の外部の加熱は、炉などによって行われてもよい。これによって、搬送中のパイプの温度低下により、成形開始時のパイプ温度が低くなることで、パイプの変形抵抗が大きくなり、成形自由度が低下することを抑制することができる。なお、金属パイプ材料４０を成形型１０２で加熱する際、すでに外部で加熱を行っているので、寄りを抑制しながらパイプを成形することができる。
　また、図１９に示す構成を採用してよい。図１９に示す加熱部１０１は、二段階の加熱を行い、一回目の加熱の後に自然空冷を行う。まず、加熱部１０１は、成形型１０２の外部で加熱を行う（図１９の左図）。このとき、加熱部１０１は、金属パイプ材料４０を５００℃以上であってＡ３点以下、すなわち８００℃以下に加熱する。次に、加熱部１０１から金属パイプ材料４０を取り外し、自然空冷を行う（図１９の中央図）。次に、金属パイプ材料４０を、成形型１０２に設けられた加熱部１０１に配置して、加熱部１０１は、金属パイプ材料４０を成形型１０２内で加熱する（図１９の右図）。このとき、加熱部１０１は、金属パイプ材料４０をＡ３点以上、すなわち８００℃以上に加熱する。なお、一回目の成形型１０２の外部の加熱は、炉などによって行われてもよい。これによって、自然放熱でパイプの温度が低下することによるパイプの変形抵抗を抑制することができる。なお、金属パイプ材料４０を成形型１０２で加熱する際、すでに外部で加熱を行っているので、寄りを抑制しながらパイプを成形することができる。
　図１に戻り、めっき寄り抑制機構１０４は、通電加熱に伴う金属材料におけるめっきの寄りを抑制する機構である。ここで、金属材料のめっきの寄りについて説明する。図２～図４に示す装置においては、成形と同時に金属材料の焼き入れを行うことができるが、十分な焼き入れを行うためには、通電加熱時に、オーステナイト変態をさせるために、Ａｃ３点以上の温度に金属材料を加熱する必要がある。従って、このような高温に金属材料を加熱した場合、金属材料表面に酸化スケールが発生する可能性がある。このような酸化スケールの発生を抑制するために、金属材料の表面をめっき材でめっきする。めっき材として、例えば、ＡｌＳｉめっき材などが挙げられる。ここで、めっき材としてＡｌＳｉを採用した場合、アルミニウムの融点は６５２℃と、焼き入れ時の加熱目標温度であるＡｃ３点以上の温度である９００～１０００℃よりも低い。そのため、金属材料の表面のめっきが通電加熱時に溶融する可能性がある。このように溶融しためっきには、電流によって生じる磁場と電流によるフレミング左手の法則に従って強い引力が作用し、溶融めっきが移動（ピンチ効果）する現象、いわゆる溶融めっきの寄りが発生する。金属材料のめっきの厚みが場所によって不均一になると、母材の鉄が露出してしまうことで、酸化スケールの抑制効果が低減してしまうという問題が生じる。めっきされた金属材料を用いる場合、溶融しためっきの寄りが発生するという問題がある。例えば、加熱の過程でアルミのめっきが母材の鉄と反応し、鉄とアルミニウムの合金化反応が進み、例えば、融点及び沸点が１０００℃以上の金属間化合物（ＦｅＡｌ３）を形成する。昇温速度が遅い場合、アルミニウムの融点の６５２℃に達する前に、合金化反応が進みアルミニウムの溶融が回避されるが、昇温速度が速く、十分な合金化が進む前にアルミの融点温度（６５２℃）に達してしまう場合、アルミのめっきの一部が溶融し、前述のような寄りが発生してしまう。従って、めっき寄り抑制機構１０４は、このようなめっきの寄りの発生を抑制して、金属材料のめっきの厚みの均一性を確保する。
　例えば、図５（ａ）は、平板状の金属材料５０において、母材５１の表面にめっき５２が均一に形成されている様子を示す概略断面図である。図５（ｂ）は、平板状の金属材料５０において、母材５１の表面のめっき５２が所定の箇所に寄った様子を示す概略断面図である。図５（ｃ）は、パイプ状の金属パイプ材料４０において、母材４１の表面にめっき４２が均一に形成されている様子を示す概略断面図である。図５（ｄ）は、パイプ状の金属パイプ材料４０において、母材４１の表面のめっき４２が所定の箇所に寄った様子を示す概略断面図である。成形システムにおいてめっき寄り抑制機構１０４を設けなかった場合は、図５（ｂ）及び図５（ｄ）に示すようなめっきの寄りが発生する。これに対し、めっき寄り抑制機構１０４は、めっきの寄りを抑制することによって、図５（ａ）及び図５（ｃ）に示すように、均一な厚みのめっき５２の層を形成することができる。
　図６（ａ）は、板状の金属材料５０を通電加熱する場合の、通電加熱中の金属材料５０の周囲に発生する磁場の分布を示す。このとき、図７（ａ）に示すように、金属材料５０の一方向に電流が流れると、金属材料５０には磁界が生じ、その分布は図７（ｂ）に示す様になる。図７（ｂ）の上段側には金属材料５０に生じる磁界の向き及び大きさが模式的に示されており、図７（ｂ）の下段側には金属材料５０の磁界のグラフが示されている。通電加熱中の金属材料５０では、このような磁界分布を発生させながら、電流が流れる事になるので、フレミング左手の法則によるローレンツ力が作用する。図７（ｃ）の上段側には金属材料５０に生じる磁界の向き及び大きさが模式的に示されており、図７（ｃ）の下段側には金属材料５０のローレンツ力のグラフが示されている。図７（ｃ）に示すように、ローレンツ力の向きは金属材料５０のＸ方向における正側ではＸ方向の負側に、金属材料５０のＸ方向における負側ではＸ方向の正側となる（図７（ｃ）参照）。そのため、通電加熱中にめっきが溶融すると、溶融めっきはＸ方向の中央に寄るようになる。
　これに対しめっき寄り抑制機構１０４は、電気的にめっきの寄りを抑制してよい。電気的にめっきの寄りを抑制することとは、加熱部１０１が金属材料５０に流す電流の流し方を制御することによって、めっきの寄りを抑制することである。具体的には、めっき寄り抑制機構１０４は、通電加熱の電流を抑制してよい。なお、このような電気的なめっきの寄りの抑制は、図２～図４の何れのタイプの成形システム１００に適用されてもよい。めっき寄り抑制機構１０４が電気的にめっきの寄りを抑制する場合、めっき寄り抑制機構１０４は、加熱部１０１と、当該加熱部１０１を制御する制御部８，８０によって構成される。例えば、図９は、めっき寄り抑制機構１０４が、めっき寄りを抑制するための電流制御を行った場合の電流のグラフＣＧ１と、当該電流制御を行ったときの温度の推移のグラフＴＧ１と、が示される。なお、グラフＣＧ２及びグラフＴＧ２は、めっき寄り抑制のための電流制御を行わなかったときのグラフである。グラフＣＧ１に示すように、めっき寄り抑制機構１０４は、比較例に係るグラフＣＧ２よりも低い電流に抑制した状態で、電流を流す。このように、めっき寄り抑制機構１０４が電流制御を行う事によって電流を抑制した場合、図７（ｂ）に示す磁界が小さくなり、その結果、図７（ｃ）に示す中央よりのローレンツ力が小さくなる。そのため、めっきの寄りを抑制することができる。なお、グラフＣＧ１は、電流を抑制した分、加熱時間が長くなっている。めっき寄り抑制機構１０４は、特に限定されるものではないが、通電加熱に係る電流を４ｋＡ～１０ｋＡの範囲に抑制してよい。電流が当該範囲より大きい場合、抑制効果が低く、当該範囲より小さい場合、通電加熱に時間がかかり過ぎる。なお、電流の抑制を行わない場合の通電加熱の電流は、９ｋＡ～１８ｋＡの範囲である。
　更に、磁性体である成形型１０２が金属材料５０の近くに存在する場合、通電加熱の開始時には図８（ａ）のような誘電電流が生じる。そのため、金属材料５０に反発力が生じる。一方、通電加熱終了時には図８（ｂ）のような誘電電流が生じる。そのため、金属材料５０に引力が発生する。このような反発力や引力の影響によってめっきの寄りが発生する。これに対し、めっき寄り抑制機構１０４は、電気的なめっきの寄りの抑制方法として、通電加熱の停止時の電流変化を抑制してよい。例えば、めっき寄り抑制機構１０４は、通電加熱を停止するときには、図９の「Ａ」の箇所に示すように、急激に電流を停止するのではなく（仮想線参照）、徐々に電流を小さくすることで、曲線を描くように電流を低下させる。このように、通電加熱の停止時の電流変化を抑制することで、図８（ｂ）に示す引力を抑制し、めっきの寄りを抑制することができる。なお、特に限定されるものではないが、めっき寄り抑制機構１０４は、例えば初期の電流値から、その半分程度の電流値の範囲で電流変化を行ってよい。
　次に、金属パイプ材料４０のめっきの寄りについて説明する。図６（ｂ）には、金属パイプ材料４０を通電加熱する場合の磁場分布を示す。金属パイプ材料４０の形状は、点対称であるため周囲の磁場も対称に分布している。これにより、材料表面に対して垂直方向の磁場はゼロになるため（図１０（ｂ）参照）、接線方向の引力もゼロとなり（図１０（ｃ）参照）、溶融めっきの寄りは抑制される。これに対し、図６（ｃ）に示すように、成形型１０２などのような磁性体が通電加熱時に金属パイプ材料４０の近傍に存在していた場合、磁場分布の均一性が崩れる。これにより、材料表面に垂直方向の磁場が発生する。そのため、金属パイプ材料４０に接線方向の引力が発生し（図１２参照）、めっきが寄る現象が生じる。このようなめっきの寄りの現象に対し、めっき寄り抑制機構１０４は、機械的にめっきの寄りを抑制してよい。機械的にめっきの寄りを抑制するとは、構造的な調整によってめっきを抑制することである。この場合、めっき寄り抑制機構１０４は、通電加熱時における金属パイプ材料４０と磁性体（成形型１０２）とを所定の距離以上離す。この場合、めっき寄り抑制機構１０４は、通電加熱時の金属パイプ材料４０の位置決めをする加熱部１０１によって構成される。あるいは、めっき寄り抑制機構１０４は、金属材料を成形型１０２の外部で加熱する加熱部１０１によって構成される。この場合、めっき寄り抑制機構１０４は、外部に配置された加熱部１０１（図４参照）によって構成される。めっき寄り抑制機構１０４は、通電加熱時に金属材料の周囲に配置される磁気シールドによって構成されてよい。なお、このような機械的なめっき寄り抑制機構１０４は、平板状の金属材料５０の成形システム１００に適用されてよい。
　めっき寄り抑制機構１０４が金属パイプ材料４０と磁性体（成形型１０２）とを所定の距離以上離す場合、２０ｍｍ以上の距離を離してよい。例えば、図１２（ｂ）に示すように、距離が２０ｍｍの場合は、接線方向のローレンツ力が大きくなるが、当該距離より離れていれば、ローレンツ力を抑制出来ている。なお、図１２に示す実験は、金属パイプ材料４０の外径を６０ｍｍとし、板圧１ｍｍとし、パイプ長さ１０００ｍｍとし、通電電流を９０００Ａとして、パイプ表面から金型までの距離を２０ｍｍ、５０ｍｍ、１００ｍｍ、金型無しの４つの場合について単位面積あたりに作用するローレンツ力を解析した結果を示している。
　図１１に示すように、めっき寄り抑制機構１０４を構成する磁気シールド１０５は、通電加熱時に金属パイプ材料４０の周囲を覆うように構成される。磁気シールド１０５は、半円状の二つの部材によって構成されており、通電加熱時には二つの部材を組み合わせることで、金属パイプ材料４０を覆う。また、成形時には、磁気シールド１０５は金属パイプ材料４０の周囲から退避する。
　次に、図１３～図１７を参照して、めっき寄り抑制機構１０４によるめっき寄りの抑制効果の評価の実験について説明する。当該実験では、「Ｕｓｉｂｏｒ（登録商標）」の　ＡｌＳｉめっき厚目付（１５０ｇ／ｍ２）ｔ１．２ｍｍ材を金属パイプ材料４０として用いた。また、成形型１０２の内部で通電加熱を行う場合と、成形型１０２の外部で通電加熱を行う場合について測定をした。加熱温度は、内部加熱及び外部加熱の場合も９００℃、１０００℃、１１００℃、１２００℃とした。内部加熱の条件として、昇温速度を１５℃／ｓｅｃ、１５０℃／ｓｅｃとなるように制御した（初めに狙いの昇温速度となる電流値を確認して、電流値固定で実験）。内部加熱の場合の金型位置として、上金型は磁場の影響がない位置に退避させ、下金型に対して、加熱部１０１による昇降位置（下金型昇降位置）を４５ｍｍ、７０ｍｍの二つの位置にて測定を行った。昇降位置が４５ｍｍの場合、金属パイプ材料４０と金型の距離は、１５ｍｍとなり、７０ｍｍの場合は４０ｍｍとなる。
　図１３に、各種条件における外観の観察結果を示す。図１３に示すように、下金型昇降位置が４５ｍｍで昇温速度が１５０℃／ｓｅｃの場合、ビード位置と隣り合う両側の位置に、めっきが厚い部分が確認される。すなわち、めっきの寄りが発生していることが確認される。当該結果に比して、他の条件ではめっきの厚みが分散しており、めっきの寄りが抑制されていることを確認できる。特に、外部加熱の場合は、めっきの寄りを特に低減できている。これにより、金型の距離を離したり、外部で加熱することによって、めっきの寄りを抑制できることが確認できる。
　図１４～図１６は、各種条件における、金属パイプ材料４０の周方向における表面の高さの分布を示すグラフである。図１４（ａ）（ｂ）からは、金属パイプ材料４０と金型との距離と、めっきの寄りの相関関係を確認できる。図１４（ａ）（ｂ）のいずれにおいても、距離が大きいほどめっきの寄りを抑制出来ている。このことより、金属パイプ材料４０から周囲の磁性体（金型など）の距離を離すほど、めっきの寄りを低減できることが確認できる。
　図１５（ａ）（ｂ）（ｃ）からは、通電加熱による加熱温度とめっきの寄りの相関関係を確認できる。いずれのグラフにおいても、加熱温度によるめっきの寄りの差異は確認できなかった。このことより、めっきの寄りは、通電中に発生しており、最終的な到達温度による影響は少ないことが考えられる。
　図１６（ａ）（ｂ）からは、昇温速度とめっきの寄りの相関関係を確認できる。図１６（ｂ）の方がめっきの寄りが小さくなっているため、昇温速度が遅い方が、めっきの寄りを抑制できる傾向にあることが分かる。通電電流が小さいことでローレンツ力が小さくなると共に、炉加熱と同様に昇温過程での合金化の進む効果が寄与していることが考えられる。
　図１７は、各条件におけるめっき寄りの最大高さを示す棒グラフである。当該グラフより、金属パイプ材料４０と金型との距離を離すことによる、めっき寄りの抑制効果が大きいことが確認される。
　次に、本実施形態に係る成形システム１００の作用・効果について説明する。
　本実施形態に係る成形システム１００は、めっきされた金属材料に電流を流すことで金属材料を加熱する加熱部１０１と、加熱された金属材料を成形する成形型１０２と、通電加熱に伴う金属材料におけるめっきの寄りを抑制するめっき寄り抑制機構１０４と、を備える。
　成形システム１００では、加熱部１０１が、めっきされた金属材料に電流を流すことで金属材料を加熱する。このため、めっきが通電加熱の熱によって溶融する場合がある。これに対し、成形システム１００は、通電加熱に伴う金属材料におけるめっきの寄りを抑制するめっき寄り抑制機構１０４を備えている。従って、通電加熱によって溶融しためっきが寄ることを抑制することができる。以上より、金属材料のめっきの寄りを抑制することができる。
　めっき寄り抑制機構１０４は、電気的にめっきの寄りを抑制してよい。この場合、めっき寄り抑制機構１０４は、通電加熱時の電気的な調整によって、容易にめっきの寄りを抑制できる。
　めっき寄り抑制機構１０４は、通電加熱の停止時の電流変化を抑制してよい。この場合、金属材料の周囲に磁性体が存在していた場合に、急激な電流の変化に伴って磁性体との間に発生する力の大きさを抑制することができる。
　めっき寄り抑制機構１０４は、通電加熱の電流を抑制してよい。この場合、金属材料の周囲に磁性体が存在していた場合に、通電加熱時に磁性体との間に発生する力の大きさを抑制することができる。
　めっき寄り抑制機構１０４は、機械的にめっきの寄りを抑制してよい。この場合、金属材料の周囲に存在する磁性体との関係で通電加熱時に発生する力を、構造的な工夫によって抑制することができる。
　めっき寄り抑制機構１０４は、通電加熱時における金属材料と磁性体とを所定の距離以上離してよい。この場合、通電加熱時に磁性体と金属材料との間で発生する力を抑制できる。
　めっき寄り抑制機構１０４は、金属材料を成形型の外部で加熱する加熱部１０１によって構成されてよい。この場合、通電加熱時に成形型と金属材料との間で発生する力の影響を抑制できる。
　めっき寄り抑制機構１０４は、通電加熱時に金属材料の周囲に配置される磁気シールド１０５によって構成されてよい。この場合、通電加熱時に成形型と金属材料との間で力が発生することを抑制できる。
　本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。例えば、図２～図４の成形装置は一例に過ぎず、本発明の趣旨を逸脱しない限り、成形装置はどのような構成を有していてもよい。
　１００…成形システム、１０１…加熱部、１０２…成形型、１０４…めっき寄り抑制機構、１０５…磁気シールド。

Claims (8)

  1. 　めっきされた金属材料に電流を流すことで前記金属材料を加熱する加熱部と、
    　加熱された前記金属材料を成形する成形型と、
    　通電加熱に伴う前記金属材料における前記めっきの寄りを抑制するめっき寄り抑制機構と、を備える、成形システム。
  2. 　前記めっき寄り抑制機構は、電気的に前記めっきの寄りを抑制する、請求項１に記載の成形システム。
  3. 　前記めっき寄り抑制機構は、通電加熱の停止時の電流変化を抑制する、請求項２に記載の成形システム。
  4. 　前記めっき寄り抑制機構は、通電加熱の電流を抑制する、請求項２又は３に記載の成形システム。
  5. 　前記めっき寄り抑制機構は、機械的に前記めっきの寄りを抑制する、請求項１～４の何れか一項に記載の成形システム。
  6. 　前記めっき寄り抑制機構は、通電加熱時における前記金属材料と磁性体とを所定の距離以上離す、請求項５に記載の成形システム。
  7. 　前記めっき寄り抑制機構は、前記金属材料を前記成形型の外部で加熱する前記加熱部によって構成される、請求項５又は６に記載の成形システム。
  8. 　前記めっき寄り抑制機構は、通電加熱時に前記金属材料の周囲に配置される磁気シールドによって構成される、請求項５～７の何れか一項に記載の成形システム。
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