JP2002011527A - アルミニウム合金シート状金属の急速塑性成形 - Google Patents

アルミニウム合金シート状金属の急速塑性成形

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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 複雑な形状や高い歪伸領域の丈夫な自動車ボ
デイパネル等の実用的な製造方法を提供する。 【解決手段】 マグネシウム含有アルミニウム合金シー
ト状素材４４は、約４００〜５１０℃で作動性ガスの圧
力下で延伸され、成形工具４０の表面に合着する。シー
ト成形圧力は、周囲圧力から約２５０〜５００ｐｓｉ以
上の最終成形レベルに制御される方式で継続的に上昇さ
せる。シートの一部は、１０-3／秒より実質的に高い歪
速度を経ることができるので、そのシートの成形を１２
分以内に完了しうる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、特定のアルミニ
ウム合金シートを自動車のボディパネル又は自動車用で
ない他の複雑な形状の部品に成形することに関する。そ
の成形では、加工用シートの一部が高度に歪められる。
より詳しくは、本発明は、ガス圧力下でそのようなパネ
ルを、例えば、自動車製造に許容しうる速度で製造する
のに適する温度及び圧力で、そのようなシート状金属加
工物を成形することに関する。
【０００２】
【従来の技術】自動車のボディパネルは、低炭素スチー
ル又はアルミニウム合金シート状素材を内面及び外面パ
ネル形状に形づくることにより作られる。車ボディを形
成するために成形及び溶接又は他の方法で互いに組み付
けられなければならないシート状金属片の数は、パネル
の設計形状及びシート状金属の成形適性に依存する。製
造コストの観点及び組み立てられた構造パネルの嵌合性
と一体性の双方から、ボディをできるかぎり少ない部品
から作製することが望ましい。他の製造操作が、出発シ
ート状金属から作られる製造物形状の複雑さによっても
影響を受ける。かくして、無数の単純な小片を互いに溶
接又はボルト締めするのではなく、より複雑な形状の比
較的少数の部品を作り且つ接合して車ボディや他の製品
を作製できるように、より形成性のある金属合金及びよ
り良い成形方法を考案しようとする動機が常に存在す
る。
【０００３】R.L.Hecht及びK.Kannanは、市販ＳＰアル
ミニウム合金５０８３の超塑性成形（ＳＰＦ）の使用を
評価した。この研究及び評価は、The Minerals, Metals
andMaterials Societyにより1995年に発行された彼ら
の出版物である研究論文Superplasticity and Superpla
stic Formingにおける“Mechanical Properties of SP5
083 Aluminum After Superplastic Forming”に記載さ
れいる。彼らは、超塑性を示すように加工されたＡＡ５
０８３を使用し、そして、彼らは、その合金が、５００
℃及びそれを上回る温度で１０-4〜１０-3／秒の歪速度
で単軸試験を行ったときに高い伸び率を示したことを観
察した。Hecht及びKannanは、自動車用のフロントクロ
ス部材の補強ブラケットを超塑性成形により形成した。
ＳＰ５０８３ブラケットが、４９０℃で０．４５ＭＰａ
（６５ｐｓｉ）ガス圧力で、背圧なしで、オス型成形工
具で成形された。彼らは、一部品当たりほぼ４０分の成
形時間を報告した。彼らの実施は、複雑な形状の部品を
単一工程で形成したが、必要とされた時間は、実際の自
動車製造用途にとってあまりにも長すぎた。
【０００４】後に、本田Ｒ＆ＤＣｏ．のNakamura等及び
本田関連会社が、ＡＡ５０８３様組成物のアルミニウム
合金を用いて船体の超塑性加熱ブロー成形を報告した。
彼らの研究は、“A new process for small boat produ
ction based on aluminum hot-blow forming(ABF)”、J
ournal of Materials Processing Technology, 68(199
7) 196-205として出版された。このＡＡ５０８３型合金
（４．５％マグネシウム、少量のマンガンとクロム、及
び不純物の鉄とケイ素を伴うアルミニウム）は、５１０
℃〜５５０℃の温度及び１０-4〜１０-3／秒の歪速度に
おいて高い伸びを示した。本田の研究者達は、船体の成
形を完了するまでに３０分〜１時間を要した。やはり、
使われたＳＰＦ方法は、複雑な形状の成形を可能にした
が、その歪速度は低過ぎ、自動車製造にとって長すぎる
サイクル時間であった。
【０００５】Watanabe等の米国特許4,645,543は、“優
れた超塑性”を有する改変ＡＡ５０８３シート状金属を
作るための方法を記載している。これらの合金は、３．
５〜６重量％のマグネシウム；０．１２〜２重量％の
銅；０．１〜１重量％のマンガン、０．０５〜０．３５
重量％のクロム及び／又は０．０３〜０．２５重量％の
ジルコニウムの少なくとも１種；及び、残りのマグネシ
ウムと不可避な不純物により構成されている。多くの他
の副次的元素の最大量も特定されている。冷却流延及び
注意深く規定された加熱圧延を行った後、冷却圧延を行
って、１８の異なる１．６ｍｍ厚の超塑性シート状サン
プルが、試験のために作られた。Watanabe等の超塑性ア
ルミニウム−マグネシウム−銅合金サンプルは、引っ張
り試験バーとして作製され、５３０℃に加熱され、全体
的な超塑性伸び率を決定するために１．１×１０-3／秒
の初期歪速度にかけられた。多くの合金サンプルの中
で、３３０％〜８００％の総伸び率が得られた。Watana
be等の超塑性引っ張り試験片の低い歪速度は、Hecht等
及びNakamura等の出版物に報告されているこれらマグネ
シウム含有アルミニウム合金についての超塑性成形歪速
度の典型である。Watanabe等の試験が５３０℃での最終
伸びを測定するために多くの分時間がかかったのとまさ
しく同じように、改変ＡＡ５０８３シート状合金素材の
ＳＦＰ成形操作は、成形品に形成するのに３０、４０若
しくは６０分又はそれを上回る時間がかかっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、複雑
な形状や高い歪伸領域の丈夫な自動車ボディパネル及び
それに類したものの実用的な製造を可能にするために、
ＡＡ５０８３のような高い伸び性（超塑性）のマグネシ
ウム含有アルミニウム合金のための高い歪速度の延伸成
形方法を提供することにある。この実施は、自動車製造
のために考案されたが、他の有用な製品を作るために使
用できることは明らかである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】この発明は、材料側面と
成形方法側面とを含む。この発明の急速シート状金属成
形方法側面は、約５〜３０マイクロメートルの安定で均
一に微細な粒状構造に加工された特定のアルミニウム合
金ファミリーのシート状素材で検討していたときに発見
された。好ましい合金は、約４〜５重量％のマグネシウ
ム、０．３〜１重量％のマンガン、最大で０．２５重量
％のクロム、約０．１重量％の銅、約０．３重量％まで
の鉄、約０．２重量％までのケイ素、及び残りすべてが
実質的にアルミニウムの典型的な組成を有するアルミニ
ウム合金５０８３である。一般的に、この合金は、先ず
加熱されて、それから約１〜約４ミリメートルの厚みに
冷却圧延される。
【０００８】ＡＡ５０８３合金では、その微細構造が、
Ａｌ6Ｍｎのような僅かな合金構成成分（minor alloyin
g constituents）を含有する金属間化合物の粒子が良く
散在して細かに分散している、アルミニウム中にマグネ
シウムが固溶化した主要相（principal phase）により
特徴づけられる。そのようなアルミニウム合金は、低い
歪速度の高温引っ張り試験で、数百％の伸び率を経るこ
とができることが知られている。例えば、引っ張り試験
片が、約５５０℃に加熱され、１０-4〜１０-3／秒の引
っ張り荷重にかけられているとき、その試験片は、破壊
されるまでに５００％に及ぶ伸び率を経ることできる。
そのようなシート状合金は、比較的高い成形温度及び低
い歪速度での超塑性成形（ＳＰＦ）方法に使用されてき
た。ＡＡ５０８３シートの場合、この材料のＳＰＦ延伸
成形又は引き伸ばしに許容される実施は、上記のものの
ように、４９０℃〜５６０℃での低い歪速度で成形操作
を受ける。このことは、成形プレスが１時間当たり１〜
３サイクルしか完了できないことを意味し、自動車産業
に期待され且つ要求される生産性を大きく下回る。
【０００９】本発明の好ましい態様によれば、大きなＡ
Ａ５０８３タイプアルミニウム−マグネシウム合金シー
ト状素材は、ＳＰＦ実施により現在達成されるよりもず
っと高い生産性で、ＳＰＦ成形部品のように高い伸び領
域を伴う複雑な３次元形状に成形し得る。マグネシウム
含有アルミニウムシートは、約４００℃〜５１０℃（華
氏７５０度〜９５０度）の成形温度に加熱される。成形
は、多くの場合、４６０℃又はそれを下回る温度で行い
得る。加熱されたシートは、成形工具を背にして延伸さ
れ、そのシートの背面に対する空気又はガス圧力により
工具の成形面に合着する。流体圧力は、初期加圧の０ｐ
ｓｉゲージから、約２５０〜５００ｐｓｉ（すなわち、
周囲圧力を上回るゲージ圧力）又はそれよりも高い最終
圧力へ、好ましくは継続的に又は段階的に上昇させられ
る。上昇圧力の適用の、例えば約１分までの最初の幾秒
間に、シートは、工具の表面上に順応する。シートが伸
びを始めるこの初期加圧時間を過ぎると、圧力を一様に
より速い速度（even faster rate）で上昇させることが
できる。成形されるパネルの大きさ及び複雑さに依存し
て、そのような成形は、通常、約２〜１２分の時間内に
完了することができるので、超塑性成形で実現されるよ
り相当に早い。
【００１０】１つの例として、自動車デッキリッド外面
パネルを、ＡＡ５０８３シートから１．２ミリメートル
の厚みに延伸成形した。デッキリッドパネル（図１に示
される）は、一体化して深く一般に矩形なライセンスプ
レート窪みを組み合わせたデッキリッドの正規曲線のた
めに、困難な１工程１枚成形操作を代表する。そのシー
トを、成形工具の造形面を背にして延伸成形するため
に、約４４６℃（華氏８３５度）に加熱した。シート
を、成形工具の周縁を背にして保持し、そして、初めに
空気圧力をシートの背面に作用させた。圧力を２６０秒
かけて４５０ｐｓｉまでにする漸進速度の適用で継続的
に上昇させた。その圧力を、次の６０秒間、４５０ｐｓ
ｉに維持した。デッキリッド外面パネルについての圧力
下の全成形時間は、たったの３２０秒であった。成形さ
れた部品は、冷却、洗浄及びトリミングのために延伸成
形プレスから運ばれて、その後、相似内面パネルと一緒
に組み付けられた。更なる開発努力で、デッキリッド外
面パネルのためのより速い成形サイクルがもたらされ
た。このより速い成形サイクルでは、段階的に成形され
た部品の分析から、その部品の高度に歪められた領域が
１０-3／秒よりも大きく且つ１０-2／秒もの高さの歪速
度を経たことが判明した。かくして、適するように微細
粒化されたアルミニウム合金シートを、典型的なＳＰＦ
実施よりも有意に低温で且つ連続的に上昇させるより高
いガス圧力で加工することにより、有意により素早くよ
り実用的な成形（少なくとも自動車産業について）時間
が達成された。本発明の他の目的及び利点は、下記の好
ましい態様の詳細な説明から、さらに明白になるであろ
う。その説明では、添付の図面が参照されなければなら
ない。
【００１１】
【発明の実施の形態】この発明によれば、その実施は、
マグネシウム含有（例えば、約６重量％までのマグネシ
ウム）アルミニウム合金シート状金属を使用することで
あるが、それを、信頼性及び反復性のある超過塑性成形
のために選択された典型的な温度領域よりも低い温度領
域で加工するものである。また、本実施は、加熱された
シート状金属に、超塑性成形で実施されるよりも大きな
速度でそのシート状金属を歪ませる漸進的作動性圧力を
かけるものである。高度に歪められた領域を有する複雑
な形状をシート状金属の加工品から成形するとき、それ
らの領域は、１０-3／秒及びそれよりも高い歪速度を経
ることになる。かくして、適するマグネシウム含有アル
ミニウム合金シートが、約４００℃〜５１０℃（華氏７
５０度〜９５０度）の温度に加熱される。典型的には、
シート状金属は延伸形成方法により形成され、この方法
では、加熱されたシートをその周縁面で締め付ける２つ
の半工具（tool halves）の間に保持し、作動性ガス圧
力（例えば、空気、窒素又はアルゴン）をシートの一方
の面に対して導入することで、それを成形工具の成形面
に合着するように押しつける。延伸成形では、シートの
周縁端が相似成形半工具の間に強固に保持されており、
その工具内部のシートの反対側に適用されるガス圧力に
より、加熱されたシートの内側が、１つの半工具の形状
形成面に対して合着するようにして、文字通り延伸され
る。
【００１２】空気又はガス圧力は、ゆっくりとであるが
継続的に、周囲圧力よりも上昇させる。圧力が、例えば
５〜１０ｐｓｉオーダーの未だ比較的低い間、その熱い
金属が延伸されて、成形面と初期的な接触を生じる。概
してこの成形における１分に至らない時点で、シート
が、成形工具上の特にポケット及びフランジへ入る入口
半径で順応する。それから、圧力を漸進速度で上昇させ
ることができる。更に、制御された正規な漸進速度で、
典型的には２５０〜５００ｐｓｉの最終圧力まで圧力を
継続的に上昇させているときに、延伸の速度が上昇し
て、シートは、よりいっそう工具の形状形成面を背にし
て延伸させられる。継続させたガス圧力は、シートが工
具と充分に合着するように延伸を行う。自動車ボディパ
ネルのような大量な製品の急速延伸成形で、そのような
温度及び作動性流体ガス圧力での全成形時間は、驚くほ
ど短く、例えば、部品当たり約１２分までか又はそれを
下回る。
【００１３】本発明の実施は、図１の符号１０で示す自
動車デッキリッド外面パネルの成形に関連して具体的に
説明される。デッキリッド１０は、通例、車ボディの後
部を画定する鉛直部１６へ曲がり部１４に至って曲げら
れる水平上部１２を伴う馴染みのある形状である。勿
論、デッキリッド１０は、乗物のトランク室を囲うた
め、且つ穿設されたキーホール１７を伴う掛け金と錠及
び大抵はライセンスプレートを携えるように形づくられ
ている。水平部１２は、通常、後部窓の下側で車ボディ
に取り付けられるように対応させた前端辺１８、及び車
ボディの後部フェンダー領域に近接して嵌合する側端辺
２０を有する。鉛直部１６も３つの端辺を有する。側端
辺２２は、通常、後部停止燈間で車ボディに近接して嵌
合し、底端辺２４は、乗物のバンパー面に近いボディへ
近接して嵌合する。デッキリッド１０は、デッキリッド
の幅とその水平面の長さの双方にわたり、それを鉛直面
へ落ち込ませる複雑な曲率になっている。しかし、デッ
キリッドの製造で特に難しい成形工程は、ライセンスプ
レートを保持するための急激に押し込まれる領域２６の
延伸である。窪み領域２６は、急勾配な４つの側壁を伴
う平面部２８を含む。２つの側壁３０及び３２が、図１
の概略遠近図で示されている。典型的な型押し（stampi
ng）では、深い窪み２６の成形は、デッキリッドの残部
と同様なシート状金属片が成形されるように達成するこ
とが非常に困難である。窪み２６に加えて、デッキリッ
ド外面パネルは、水平部１２の側端辺２０でのフランジ
３４（その１つが図１に示される）、及び水平部１２の
後端辺１８でのパネルブリーク３６と共に成形される。
また、底端辺２４は、図３に示すフランジ３８を有す
る。デッキリッドの曲がり部１４、フランジ３４，３８
のきつい角度、切り立つ壁３０，３２、及び窪み２６の
底面部２８の組み合わせは、シート状金属の高い局所的
な伸びを要求するので、単一加工物に形成することが困
難である。
【００１４】デッキリッド外面パネルは、ＡＡ５０８３
シート状金属の素材板から開始する本発明に従って成形
された。素材板サイズは、４７インチ×７０インチ、及
び０．０４８インチ厚（１．２ｍｍ）であった。アルミ
ニウム合金の公称組成は、４．５重量％のマグネシウ
ム、０．７重量％のマンガン、０．１５重量％のクロ
ム、０．２重量％より少ない鉄、０．１重量％より少な
いケイ素、及び残りが実質的にアルミニウムであった。
微細な窒化ホウ素滑剤粒子の懸濁水溶液を、アルミニウ
ム合金素材板表面の両側に塗布し、窒化ホウ素の薄膜を
生成するためにその材料を乾燥させた。その素材板を、
華氏８２５度〜８４５度（約４４１℃〜４５２℃）の成
形温度に加熱した。
【００１５】図２には、予め曲げられ且つ加熱されたア
ルミニウム合金素材板４４を図１のデッキリッド外面パ
ネルに延伸成形するための形成工具（下側４０、上側４
２）の２つの半工具が、具体的に示されている。好まし
い態様に従えば、洗浄及び滑剤塗布された平面なシート
状素材板が、これをその成形温度へ加熱し且つ延伸成形
のための半工具４０と４２との間に容易に嵌まるように
３つの単純な曲げ４６を形成する最初の工具（図示せ
ず）で加熱される。下側半工具４０は、１片の外面パネ
ル１０の裏面を規定する複雑な成形面４８を含む。下側
半工具４０は、断面図では、デッキリッドの水平部１２
を規定する成形面部５０を含むことだけが示される。表
面を形状形成する工具の他の部分５２は、デッキリッド
の鉛直部１６を成形する。また、他の部分５４は、ライ
センスプレート窪みを成形する。他の部分５６及び５７
は、デッキリッドの水平部の前端辺及び鉛直部の底部に
おける各フランジを成形する。下側の形状形成工具４０
の矩形な周縁５８は、アルミニウム合金素材板の周縁部
を枠締め付け及び封止するための平面を有する。
【００１６】上側半工具４２は、オス型成形工具４０に
対する形状に相似性であり、且つ、素材板４４の背面に
対する、例えば、空気、窒素又はアルゴンの高い圧力作
動性ガスの導入のための浅い空洞が与えられている。上
側半工具４２の周縁６２は、上側半工具４２が素材板４
４及び下側半工具４０に対して閉じられたときにアルミ
ニウム素材板の周辺端に噛み合うことで作動性ガス圧力
の漏れを封止するように対応させたシーリングビード６
４を除いて、平面である。また、上側半工具４２は、素
材板４４の背面に対して流動性圧力を流すことのできる
作動性ガス入口６５を含む。また、その作動性ガスの圧
力を制御するための手段が付与されている。
【００１７】下側成形半工具４０は、それ自体の重量を
低減するために及び空気や他のトラップされたガスを素
材板４４の下側から逃がす複数の逃げ穴６６の穿設加工
を容易とするために、領域６８でくり抜かれており、そ
の結果、素材板を成形半工具４０の形状形成面４８に厳
密に合着するように延伸し得るようになる。図示しない
電気抵抗加熱手段が、その形状形成工具を華氏約８２５
度〜８４５度の望ましい温度に維持するために付与され
ている。素材板は、オーブンの中でその製造温度まで加
熱されるか、又は、好ましくは上記のように、その加工
物を簡易に加熱して曲げることで図２に示すような単純
な曲げ４６を形成するような成形を開始する最初の工具
で加熱し得る。いずれにしても、平面な素材板又は図２
に示すように曲げられた素材板を、典型的にはロボット
マニュピュレーターにより、開かれた成形工具の上側４
２と下側４０との間に配置する。ひとたび素材板４４が
配置されると、上側半工具４２が素材板の周縁上面に対
して降ろされ、空気は下側半工具から抜けるので、素材
板の周縁が、下側と上側工具の相似保持面５８，６２間
できつく締め付けられるようになる。それから、ガス圧
力が、成形されるデッキリッドの外表面である素材板の
背面に対して適用される。この態様に従い、ガス圧力
は、適用されて下記の表に従った圧力レベルで３２０秒
をかけて上昇させた。圧力を、２０秒間隔で記録される
ゲージ量で、概して連続的な方式となるように上昇させ
た。
【００１８】
【表１】
【００１９】ガス圧力が、２０秒間で周囲から１５ｐｓ
ｉゲージまで上昇し、更に約２６０秒後には、４５０ｐ
ｓｉのレベルまで絶え間なく上昇したことがわかる。こ
の圧力を６０秒又は１分の間、４５０ｐｓｉに維持し
た。図４の曲線Ｄは、表に記載した時間に伴う成形圧力
の適用を図示しており、約１分間保たれるレベルである
４５０ｐｓｉの最大値に至るまで、成形圧力が、常に漸
進速度で絶え間なく上昇させられたことがわかる。全体
の成形時間は、５分２０秒であった。この時間内に、素
材板４４が、成形工具を背にして延伸させられる。更な
る圧力の上昇に伴って、デッキリッド外面パネル１０の
水平部１２及び鉛直部１６が、実質的に成形される。そ
れから、更なる圧力の上昇に伴って、鉛直部が、押し込
まれて工具４０の窪み成形部５４に沿って合致する。そ
れから、圧力を４５０ｐｓｉで保つことによって、シー
ト状金属と成形面との最終的な合致（コンプライアン
ス）が得られる。３２０秒間の満了時に、アルミニウム
合金シートは、変形されて形状形成工具の形成面に正確
に合着したことが見出される。その後、上側の工具が開
かれ、デッキリッドパネル１０は、冷却、トリミング及
びその類の操作のために製造工具から運ばれる。
【００２０】この方法の戦略は、比較的ゆっくりと成形
圧力を上昇させること、及び形成工具の突出部に対して
堅く保持されたシートの延伸を開始することにある。ひ
とたびシート状金属流動が開始されシートが成形工具の
空洞内へ延伸すると、シートと工具の成形面の大部分と
の接触を生じるように、その圧力を、好ましくは時間と
共に１次速度より速い速度で更に上昇させる。その最終
圧力レベルが、シートの成形面への合致を完了させる。
多くの場合、リッドのライセンスプレート窪み域のよう
な高い変形領域における成形を完了させるために、圧力
は、有利には最終レベルで１分間ほど保たれる。かくし
て、作動性ガス圧力は、低い初期値から、２５０〜５０
０ｐｓｉ又はそれを上回る最終圧力へ上昇させられる。
【００２１】デッキリッド内面パネルも、本方法により
成形された。内面パネルについては特に具体的には示し
てない。それは、外面パネルの相似性形状を有し、ライ
センスプレート窪みを有していないだけであった。しか
し、それは、直角に交叉する補強リブを有していた。内
面パネルについての素材板は、同じアルミニウム合金Ａ
Ａ５０８３成形材料で作られた。それは、０．６３イン
チ（１．６ｍｍ）の厚み、及び４３．５インチ×６４イ
ンチの素材板サイズを有していた。この内面素材板を、
華氏８３５度〜８６０度に加熱した。この素材板を、延
伸成形操作により図２及び３に図示されるものと同類の
相似成形用具で成形した。空気圧力は、外面パネルで使
用したものとは異なるスケジュールに従って適用した。
この成形圧力スケジュールは、下記の表及び図５のグラ
フに表される。
【００２２】
【表２】
【００２３】厳密性の低いデッキリッド内面パネルの成
形では、低い最終空気圧力を使用した。圧力は、先ず最
初の３０秒をかけて、成形の６ｐｓｉの低いレベルまで
が適用された。この圧力を、次の３０秒をかけて２倍以
上にし、１４ｐｓｉにした。この期間にシートが成形工
具の空洞の端から端にかけて延伸され、空洞内への初期
的進入が得られると考えられる。その後、圧力を、次の
２４０秒間又は４００ｐｓｉの最大圧力が達成されたと
きの全５分間に、より速い速度で上昇させた。成形方法
のこの段階で、パネルの形状形成の大部分が達成され
る。４００ｐｓｉ圧力は、パネルと成形面との充分な合
致を確実なものとするために、追加の２３秒間保った。
図５の曲線Ｃは、内面パネルの延伸成形の時間圧力関係
を具体的に図示している。上記の成形スケジュールを完
了させた後、上側工具が持ち上げられて、成形された部
品が取り出された。この部品は、冷却時にトリミング及
び洗浄が行われ、素早くデッキリッドに組み上げられ
た。
【００２４】ＳＰＦ方法の詳細から認識される成形温度
を実質的に減少し且つ延伸成形の速度を増加したこの実
施は、驚くほど良い結果を与えた。成形部品の品質は素
晴らしく、且つサイクル時間が、従来の技術において経
験されてきたよりもかなり短い。上記の外面デッキリッ
ドパネルを、同じ温度及び同じ製造設備であるが一様に
より速い時間−圧力成形サイクル（even faster time-p
ressure forming cycle）で形成し得るかが決定され
た。これは、下記の表に記載されたサイクルを使用し
て、首尾良く成し遂げられた。
【００２５】
【表３】
【００２６】華氏８３５度（公称）のシートへの圧力適
用の速度を増加することによって、成形サイクルは、３
２０秒から、３分を少し上回る２００秒までに短縮され
たことがわかる。外面デッキリッドパネルを急速成形す
るのに好結果な２００秒成形サイクルの完了に続いて、
成形部品の高度に歪められた領域における歪速度を実験
的に測定することを決めた。厚み測定は、完成部品の異
なる部分に行われて、最大の歪みが、ライセンスプレー
ト窪みの底の角で生じていることが決定された。この決
定に続いて、上記表にまとめられた５つの一連の成形サ
イクルを開始し、それらを、それぞれ成形サイクルの２
０、４０、６０、１２０及び１６０秒後に中断させた。
各中断されたサイクルの後、厚み測定を、部分的成形材
料のそのときに最も薄い部分に対して行った。サンプル
の厚み及び既知の成形時間に基づき、その成形サイクル
についての歪速度が決定された。２０秒後での歪速度
は、約５×１０-3／秒であった。延伸の３０秒から９０
秒の間に、部品は、約１０-2／秒のほぼ一定の最大歪速
度を有していた。１００秒後に取り出されたサンプル
は、ほぼ完全に成形されていたことがわかり、平均歪速
度は、そのとき約３×１０-3／秒に減少していた。かく
して、実験により、当該急速塑性成形方法における実際
の歪速度は、これらマグネシウム含有アルミニウム合金
の従来のＳＰＦ加工で可能であると考えられる歪速度よ
りも実質的に速い（例えば、１０〜１００倍速い）こと
が決定された。
【００２７】アルミニウム合金シート状金属を約４００
℃（華氏７５２度）〜５１０℃（華氏９５０度）の温度
で２５０ｐｓｉ〜５００ｐｓｉの終局的作動性ガス圧力
で急速塑性成形するこの実施は、マグネシウムの大部分
がアルミニウム中の固溶体であるマグネシウム含有アル
ミニウム合金に適用できる。同種の合金の幾つかの例
は、例えば、Watanabe特許US4,645,543に記載されてい
る。格別に良い成形時間及び結果は、約４〜６重量％ま
でのマグネシウム、約０．３〜１重量％のマンガン、最
大で約０．２５重量％のクロム、約０．１重量％の銅、
約０．３重量％までの鉄、約０．２重量％までのケイ
素、実質的に残りすべてにアルミニウム及び付随的不純
物を含んでなる合金で得られている。これらのマグネシ
ウム−アルミニウム合金で、２〜１２分のシート状金属
成形時間により、部分的な複雑さに依存するが、華氏８
２０度〜８６０度の成形温度で、高品質な上記の自動車
ボディパネルが製造された。
【００２８】図６は、同じＡＡ５０８３合金を適用した
ときの当該急速塑性成形（ＱＰＦ）方法及び従来の超塑
性成形（ＳＰＦ）方法についてのｐｓｉガス圧力対秒時
間を図示して、代表的な成形サイクルを比較している。
曲線Ｄ及びＥは、図４に示すデッキリッド外面パネルに
ついて同じ圧力−時間成形サイクルを描いており、その
時間尺度を超塑性成形サイクルを同図に含ませるために
圧縮させただけである。同じく、曲線Ｃは、図５に示す
デッキリッド内面パネルについての圧力−時間成形サイ
クルを描いている。これに対して、曲線Ｂは、上記と同
じデッキリッド外面パネルのＳＰＦ延伸成形についての
圧力−時間成形サイクル曲線を描いている。ＳＰＦ方法
では、大きなＡＡ５０８３シートを、曲線Ｄ及びＥサイ
クルと同じ成形用具での成形に関して華氏９００度以上
に加熱した。これは、経る歪速度がかなり低いので、従
って作動性ガス圧力を図４の曲線Ｄ及びＥにまとめられ
た急速成形方法よりもかなりゆっくりと上昇させること
を要求する。同じ成形用具で外面パネルを成形するため
にＳＰＦ工学を使用することに、１５００秒（２５分）
の成形時間が必要とされた。
【００２９】更なる比較のために、ＳＰＦ技術をバター
トレイの成形にも使用した。それは、厚切りバターを保
持するために平面な側壁、底及び端辺のある深く矩形な
容器である。バタートレイの形状は、デッキリッド外面
パネルのライセンスプレート窪みに似ており、平面なシ
ート状金属素材から延伸成形するための別異の原型形状
である。バタートレイについての華氏９００度でのＳＰ
Ｆ圧力−時間成形サイクルは、図６の圧力 VS 時間曲
線Ａである。高い成形温度及び低い歪速度のＳＰＦ実施
を使用してトレイを成形するには、ほぼ３０分を要した
ことがわかる。かくして、この発明は、金属延伸操作に
よるアルミニウム合金シート状素材の急速塑性変形のた
めの新規且つ実用的な方法を提供する。速い延伸成形操
作は、その合金についてのＳＰＦ温度よりも首尾よく下
回る成形温度を使用すること、及びＳＰＦ成形で許容さ
れ得るよりもなかり速い速度でシートを成形することに
より達成される。この発明は、幾つかの特定の態様を用
いて記載されているが、他の形式を当業者により容易に
適し得ると考えられる。従って、この発明の範囲は、上
記特許請求の範囲のみを考慮して限定されるべきであ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による成形後の自動車デッキリッド外面
パネルを示す斜視図である。
【図２】図１のデッキリッド外面パネルを成形するため
にアルミニウムシート状素材が挿入された上側及び下側
相似延伸成形工具の断面図である。
【図３】成形されたパネルを有する図２の成形工具の断
面図である。
【図４】図１のデッキリッド外面パネルについての２つ
の製造圧力 VS 成形サイクル時間のグラフである。
【図５】図１の外面パネルに相似のデッキリッド内面パ
ネルについての圧力 VS 時間のグラフである。
【図６】同じマグネシウム含有アルミニウム合金に関す
る２つの比較超塑性成形の比較圧力 VS 時間曲線とし
ての、図４及び５の圧力 VS 時間曲線を含むグラフで
ある。
【符号の説明】
１０ 製造物 ４０，４２ シート成形工具（上側半工具，下側半工
具） ４４ マグネシウム含有アルミニウム合金シート ４８ 形状形成面（成形面） ５８，６２ シート成形工具の周縁面 ６６ 空洞を通気する手段
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） // Ｃ２２Ｆ 1/00 ６２３ Ｃ２２Ｆ 1/00 ６２３ ６３０ ６３０Ｋ ６９４ ６９４Ｂ (72)発明者 チョンミン・キム アメリカ合衆国ミシガン州48350，デビス バーグ，クラーク・ロード 11300 (72)発明者 エドワード・エフ・リンツ アメリカ合衆国ミシガン州48093，ウォー レン，アライン・ドライブ 28231 (72)発明者 フレデリック・アイ・サウンダーズ アメリカ合衆国ミシガン州48310，スター リン・ハイツ，トレイシー・ドライブ 3647 (72)発明者 ラビ・ベルマ アメリカ合衆国ミシガン州48316，シェル バイ・タウンシップ，キングズ・クロス 2438 (72)発明者 ソーホ・キム アメリカ合衆国ミシガン州48098，セイモ ア・ドライブ 4154

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 約６重量％までのマグネシウムを含んで
    なり且つ約５〜３０マイクロメートルの粒度により特徴
    づけられる微細構造を有するマグネシウム含有アルミニ
    ウム合金シート（４４）を製造物（１０）に延伸成形す
    る方法であって、 前記シート（４４）を約４００℃〜５１０℃の温度に加
    熱すること、及び、該加熱されたシート（４４）の少な
    くとも一部を延伸して、該シートの一方の側が、該シー
    トの反対側に作動性ガス圧力（４２，６０，６５）を適
    用することによって形状形成面（４０，４８）に合着す
    るようにし、前記延伸が、前記圧力を、周囲圧力から、
    周囲圧力よりも約２５０ｐｓｉ〜約５００ｐｓｉ上回る
    最終延伸圧力へ継続的に上昇させることによって達成さ
    れること、及び、 前記延伸を約１２分までの時間内に完了させること、を
    含んでなる方法。
  2. 【請求項２】 前記約２５０ｐｓｉ〜約５００ｐｓｉの
    最終延伸圧力への前記圧力の適用の約１分後の時点で、
    前記圧力の上昇速度を増加することを含んでなる、請求
    項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】 前記圧力の適用の最初の１分間に前記圧
    力を１０ｐｓｉ〜５０ｐｓｉレベルへ上昇させること、
    及び、その後、約２５０ｐｓｉ〜約５００ｐｓｉの最終
    延伸圧力まで、前記圧力を１次上昇速度よりも速い速度
    で上昇させることを含んでなる、請求項１に記載の方
    法。
  4. 【請求項４】 前記マグネシウム含有アルミニウム合金
    が、約３．５〜約６重量％のマンガンを固溶体として前
    記アルミニウム中に含んでなる、請求項１〜３のいずれ
    か１項に記載の方法。
  5. 【請求項５】 前記アルミニウム合金が、約３．５〜約
    ６重量％のマグネシウム、約０．１〜約１重量％のマン
    ガン、及びアルミニウムを含んでなる、請求項１〜３の
    いずれか１項に記載の方法。
  6. 【請求項６】 前記アルミニウム合金が、約４〜５重量
    ％のマグネシウム、約０．３〜１重量％のマンガン、約
    ０．２５重量％までのクロム、約０．１重量％までの
    銅、約０．３重量％までの鉄、約０．２重量％までのケ
    イ素、及びアルミニウムを含んでなる、請求項１〜３の
    いずれか１項に記載の方法。
  7. 【請求項７】 超塑性マグネシウム含有アルミニウム合
    金シート状素材（４４）から製造品（１０）を成形する
    方法であって、 前記シート素材（４４）の周縁がそれを背にして封止性
    噛み合わせで保持され得る周縁面（５８，６２）、及び
    前記周縁面（５８）より内面の空洞で前記シート（４
    ４）を成形するためのシート成形面（４８）を有するシ
    ート成形工具（４０，４２）であって、該シート成形工
    具（４０）が前記シートの成形の間に前記空洞を通気す
    る手段（６６）を含むものを提供すること、 前記シートを前記範囲の温度に加熱し、前記シートを前
    記成形工具の前記周縁面で封止性噛み合わせで保持し、
    前記シートが、前記成形面に向いている第１面と、反対
    の面とを有するようにすること、 該シートの反対側に作動性ガス圧力（４２，６０，６
    ５）を適用することによって、前記加熱されたシートを
    延伸して前記成形面に合着するようにし、前記延伸が、
    前記圧力を周囲圧力から、周囲圧力より約２５０ｐｓｉ
    〜約５００ｐｓｉ上回る最終延伸圧力へ継続的に上昇さ
    せることによって達成されること、及び前記延伸を約１
    ２分までの時間内に完了すること、を含んでなる方法。
  8. 【請求項８】 該圧力上昇の速度が、１次上昇速度より
    も大きい、請求項７に記載の方法。
  9. 【請求項９】 前記製品が、自動車ボディパネルであ
    る、請求項７又は８に記載の方法。
  10. 【請求項１０】 約６重量％までのマグネシウムを含ん
    でなり且つ約５〜３０マイクロメートルの粒度により特
    徴づけられる微細構造を有するマグネシウム含有アルミ
    ニウム合金シートを製品に延伸成形する方法であって、 前記シートを約４００℃〜約５１０℃の温度に加熱する
    こと、及び、 該加熱されたシートの少なくとも一部を延伸して、該シ
    ートの一方の側が、該シートの反対の側に作動性ガス圧
    力を適用することによって形状形成面へ合着するように
    し、前記延伸が、該シートの少なくとも一部が１０-3／
    秒よりも大きな歪速度を経るように達成されること、を
    含んでなる方法。
  11. 【請求項１１】 該シートの少なくとも一部が５×１０
    -3／秒よりも大きい歪速度を経るように前記シートを延
    伸することを含んでなる、請求項１０に記載の方法。
  12. 【請求項１２】 前記ガス圧力を、周囲圧力から最終延
    伸圧力へ連続的に上昇させること、及び、前記延伸を、
    約１２分までの時間内に完了させることを含んでなる、
    請求項１０に記載の方法。
  13. 【請求項１３】 前記延伸を、約６分までの時間内に完
    了させる、請求項１２に記載の方法。
  14. 【請求項１４】 前記延伸を、約３分までの時間内に完
    了させる、請求項１２に記載の方法。
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