JP3827563B2

JP3827563B2 - アルミニウム合金板の超塑性加工用金型

Info

Publication number: JP3827563B2
Application number: JP2001363338A
Authority: JP
Inventors: 啓之奥中; 二郎渡邊; 鎮横山; 敬一郎中尾
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2001-11-28
Filing date: 2001-11-28
Publication date: 2006-09-27
Anticipated expiration: 2021-11-28
Also published as: JP2003164923A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はアルミニウム合金の超塑性ブロー成形技術の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アルミニウム合金板を超塑性ブロー成形法で加工することは良く知られており、そのための技術として例えば、▲１▼実開平１−８９８１７号公報「超塑性成形機」や▲２▼特開平７−３２０５８号公報「薄肉半球の製造方法」や▲３▼特開２００１−７１０４６「高温気体加圧成形方法」が提案されている。
【０００３】
前記▲１▼の技術は、同公報の第１図に示される通りに、下型６に凸部４ｂを設け、上型１に凹部４ａを設け、この凹部４ａにヒータ９を設け、このヒータ９でシール部の温度を他の部位とは別個に管理できるようにし、凹部４ａと凸部４ｂとで挟持する材料を塑性温度に保つことで、シール性を確保すると言う技術である。その理由は、一般に上下型１，６の温度管理を行うとそれらのシール部は型の中央より低温になる。この結果、シール部近傍の成形材料は低温になり、塑性変形を十分に発生させることができず、シール性は不十分となる。これを解消するために、単独にヒータ９でシール部の温度を管理するようにした。
【０００４】
前記▲２▼の技術は、同公報の図３に示される通りに、下型１に成形素材３を合せ、溶接にて両者を一体化させることを前提とし、溶接により超塑性加工中のガス洩れを防止することを目的とする。
【０００５】
前記▲３▼の技術は、その特許請求の範囲に示される通りに、材料温度を１５０℃以上４５０℃未満とし、加圧気体圧を板厚１ｍｍあたり１５ｋｇ／ｃｍ²以上１５０ｋｇ／ｃｍ²以下にすることで、２分以内に成形を実施すると言うものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記▲１▼の技術によれば、ヒータ９及び温度コントローラを別個に設ける必要があり、装置が複雑になると共に高価になる。
【０００７】
上記▲２▼の技術は、成形素材３を成形前に下型１に溶接し、成形後に溶接を切断するという２つの工程が不可欠となり、工程時間が延びる。上記▲２▼の段落番号［００１２］の末尾に記載されたように「成形に要する時間は・・・略・・・１〜１．５時間程度である。」とされ、このように成形時間が十分長ければ、前記溶接及び切断を行う余地はあるが、近年の生産性向上に伴なう工程時間の短縮は望めない。
【０００８】
その点、上記▲３▼の技術は、２分以内に成形を行うため生産性を高めることができる。
そこで、本発明者らは前記▲３▼の技術を検証すべく実験を行った。しかし、シール部で材料に亀裂が入ることがあった。そこで、亀裂の発生を防止するためにシール部の押付け力を下げたが、今度は成形用の加圧気体がシール部から洩れるという不都合が発生した。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、シール部でのガス洩れや亀裂の発生が防止できると共に短時間での成形が可能な技術を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、成形材料の加熱・均熱が十分であれば、シール部における成形材料の温度低下は防止できると考えた。しかし、金型内加熱を行う限り、シール部における成形材料の温度低下は免れないので、金型内加熱を止め、別途設けた加熱装置とで成形素材を均一に加熱することを思いついた。これによれば、上記▲１▼（シール部にヒータ配置）と同等の効果が期待できる。
【００１１】
次に、加熱装置における加熱温度を検討した。
図１はアルミニウム合金材料の温度と伸びの関係を調べたグラフであり、横軸は材料温度、縦軸は伸びを示し、４６０℃をピークに５５０℃までは高い伸びが期待できる。４５０℃未満では伸びは比較的小さく、５５０℃を超えると過加熱による結晶粒の粗大化などが顕著となり、好ましくない。従って、加熱装置での加熱範囲を４５０℃〜５５０℃とする。
【００１２】
次に、シール部の構造を検討した。従来から知られている矩形断面突起を１段又は複数段設けた場合は、一定以上の張力を材料に加えると矩形断面の角から材料内に亀裂が発生することが分かった。そこで、内側シールに半円断面突起を設け、この半円断面突起で張力を分担し、残りを外側シールとしての矩形断面突起で分担させるようにした。この結果、前記亀裂の発生を抑えことができた。従って、内側シールが半円断面突起で外側シールが矩形断面突起である金型を使用する。
【００１３】
以上の結果、１５〜６０秒間での高速成形が可能となり、成形工程時間の短縮化が達成できた。
【００１５】
すなわち、請求項１は、アルミニウム合金板の超塑性加工用金型において、この金型は内側シールとして半円断面突起を備え、且つ外側シールとして矩形断面突起を備え、半円断面突起は加圧気体吹込み孔を備える型又は雌型の少なくとも一方に備え、矩形断面突起はアルミニウム合金板の厚さの３０％〜６０％の高さに設定して、加圧気体吹込み孔を備える型に備え、半円断面突起はアルミニウム合金を蛇行させ、矩形断面突起はアルミニウム合金に噛み込ませるシール構造にしたことを特徴とする。
【００１６】
成形金型は、内側シールである半円断面突起でアルミニウム合金板に作用する張力の一部を分担するため、外側シールである矩形断面突起に作用する張力が減少し、アルミニウム合金板に亀裂が発生することを抑えることができる。この結果、成形のための加圧気体の圧力を高めることができ、高速超塑性加工が可能となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図２はアルミニウム合金板の超塑性加工方法の原理図である。
（ａ）は加熱・均熱工程を示し、この工程ではアルミニウム合金板１０を加熱装置２０で４５０℃〜５５０℃に加熱し均熱する。例えば、加熱装置２０は材料を支える支柱２１・・・（・・・は複数個を示す。以下同じ）及び上下にヒータ２２，２２を備えた加熱炉２３と、この加熱炉２３の内部温度をモニターする温度計２４と、温度制御部２５と、からなり、支柱２１・・・に載せたアルミニウム合金板１０を、４５０℃〜５５０℃の範囲の制御温度（例えば５４０℃）になるようにヒータ２２，２２で加熱する。この間に温度制御部２５は温度計２４でモニターした炉内温度と制御温度の偏差に応じてヒータ入熱量を管理する。
炉内温度が制御温度に達したのちに均熱時間をとれば、アルミニウム合金板１０の表面及び中心を制御温度に良好に近づけることができる。
【００１８】
アルミニウム合金板１０は、超塑性加工用のアルミニウム合金５０８３番（４９０℃での伸び率２００％）が好適である。しかし、アルミニウム合金板１０は、超塑性加工用のアルミニウム合金以外の例えば５０００系や６０００系を使用することもできる。従って、アルミニウム合金板１０は、超塑性加工用のアルミニウム合金に限定するものではなく、アルミニウム合金であれば良い。
【００１９】
（ｂ）において、ロボットハンド２６及びそれに取付けた把持具２７などの移載手段を用いて、アルミニウム合金板１０を加熱炉２３から次にブロー成形装置３０へ素早く移載する。移載時間が延びるとアルミニウム合金板１０の温度が低下し、表面と中心との温度差が発生するので、移載時間は短いほど良い。
【００２０】
（ｃ）において、ブロー成形装置３０は、下型３１と上型３２とからなる成形金型３３を要部とする装置であり、下型３１を支える型載置台３４と、上型３２を吊るし上下する昇降フレーム３５と、下型３１へ加圧気体を供給する配管３６、バルブ３７及び加圧気体供給源３８とからなり、アルミニウム合金板１０を下型３１と上型３２との間にセットし、型締めし、型内へ加圧気体供給源３８から１ＭＰａ〜５ＭＰａの加圧気体を吹込むことで１５〜６０秒間をかけてブロー成形を施す。
【００２１】
加圧気体の圧力は、１ＭＰａ未満であるとブロー成形に６０秒以上掛ることがあり、これではアルミニウム合金板がどんどん冷えて延性が低下するため好ましくない。また、加圧気体の圧力が５ＭＰａを超えると、シール切れが発生する虞れがあり好ましくない。そこで、加圧気体の圧力は１ＭＰａ〜５ＭＰａの範囲に設定することが望ましい。
【００２２】
図３は本発明に係るアルミニウム合金板の超塑性加工用金型の断面図であり、上型３２に内側シールとして半円断面突起４１，４１を備え、下型３１に前記半円断面突起４１，４１に対応する半円断面凹部４２，４２及び外側シールとして矩形断面突起４４，４４を備え、加圧気体吹込み孔４５を備える。
【００２３】
図４は図３の要部拡大図であり、上型３２に設けた半円断面突起４１は、便宜的に１／２円柱（半円断面）と呼称したが、正確に半円断面である必要はなく、正円断面の一部や楕円断面の一部であってもよく、要は、アルミニウム合金板に鋭く噛み込む角がなければよい。そのために、半円断面突起４１の裾を上型３２のホルダ部の通常面４６へ円弧４７，４７で滑らかに繋ぐことが望ましい。これに対応する半円断面凹部４２も同様に便宜上半円と呼称したが、正確に半円である必要はなく、円断面の一部や楕円断面の一部であってもよく、要は、アルミニウム合金板に鋭く噛み込む角がなければよい。そのために、半円断面凹部４２の両端を下型３１のホルダ部の通常面４８へ円弧４９，４９で滑らかに繋ぐことが望ましい。
【００２４】
これに対して矩形断面突起４４は、上面５１、内側面５２及び外側面５３からなる矩形断面を呈し、９０゜のコーナ５４，５５を有し、これらのコーナ５４，５５がアルミニウム合金板に鋭く噛み込む。なお、矩形断面突起４４の高さＨは、アルミニウム合金板の厚さの３０〜６０％に設定する。
【００２５】
以上の構成からなる超塑性加工用金型の作用を次の図５，６で説明する。
図５（ａ），（ｂ）の本発明のセット工程説明図である。
（ａ）はセット工程を示し、先ず下型３１に加熱・均熱済のアルミニウム合金板１０を迅速に且つ正確に載せる。そして、上型３２を下げる。
（ｂ）は型締め状態を示し、これでブロー成形の準備が完了したことになる。
【００２６】
図６（ａ），（ｂ）の本発明のブロー成形工程説明図である。
（ａ）はブロー成形工程を示し、下型３１の加圧気体吹込み孔４５から高圧の加圧気体を吹込むことにより、アルミニウム合金板１０を上に凸となるように超塑性変形させることができる。この変形量は吹込む気体の圧力と吹込み時間とで管理することができる。
なお、上型３２は変形中のアルミニウム合金板１０を収納し得る大きな凹部を備えているので「雌型」とも呼ぶ。
【００２７】
（ｂ）は（ａ）の要部拡大図であり、ブロー成形に伴なって、アルミニウム合金板１０には大きな張力Ｆが図右向きに作用する。本発明では、内側シールとしての半円断面突起４１及び半円断面凹部４２でアルミニウム合金板１０を蛇行させることで、抵抗力ｆ１を発生させ、外側シールとしての矩形断面突起４４をアルミニウム合金板１０に強く噛み込ませることで抵抗力ｆ２を発生させ、これらの和（ｆ１＋ｆ２）で前記張力Ｆを相殺するようにした。
【００２８】
図から明らかなように、内側シールとしての半円断面突起４１及び半円断面凹部４２でアルミニウム合金板１０を蛇行させるだけであるから、アルミニウム合金板１０に亀裂の発生起点となる傷をつける心配はない。
【００２９】
一方、外側シールとしての矩形断面突起４４をアルミニウム合金板１０に強く噛み込ませるため、コーナ５５から亀裂が発生する虞れがある。しかし、この部位に作用する張力はＦより小さなｆ２（ｆ２＝Ｆ−ｆ１）であるため、亀裂の発生には至らない。
すなわち、内側に半円断面突起４１を設け、この半円断面突起４１で張力を分担し、残りを矩形断面突起４４に作用するようにしたところ、亀裂の発生を抑えことができたといえる。
【００３０】
または、本発明のシール構造を採用することで、張力Ｆを従来より高めることが可能となり、加圧気体の圧力を従来より急激に高めることができ、高速ブロー成形が可能となる。
【００３１】
図７（ａ），（ｂ）は加圧気体の圧力の新旧対比グラフであり、いずれも横軸は時間軸、縦軸は加圧気体の圧力軸である。
（ａ）は比較例であり、横軸で２００秒までは成形金型内でアルミニウム合金板の加熱・均熱を実施し、２００秒から加圧気体の吹込みを開始した。シール部が矩形断面突起のみ又は半円断面突起のみであるためシール切れが発生しないように徐々に加圧し、且つ最高圧を低めに設定した。この結果、ブロー成形時間は４００秒（４００＝６００−２００）を要した。
（ｂ）は実施例であり、シール構造を改良したので加圧気体の最高圧力を大幅に高めることができ、その結果、約４０秒でブロー成形を終えることができた。
【００３２】
図８（ａ），（ｂ）はアルミニウム合金板の加熱温度の新旧比グラフであり、いずれも横軸は時間軸、縦軸は温度軸である。
（ａ）は比較例であり、従来の型内加熱法では、型にセットした状態で、加熱を開始する。表面に加えた熱は熱伝導により板の中心に向うため、加熱中は不可避的に板中心が表面より低温になる。そこで、加熱末期において均熱保持を行うことで、板中心が表面に追い付くまで待つ。この結果、数百秒経過してからブロー成形可能となり、ブロー成形終了まで６００秒が必要であった。
【００３３】
（ｂ）は実施例であり、ブロー成形装置とは別に設けた加熱装置でアルミニウム合金板を予め十分に加熱し、均熱させたため、ブロー成形は６０秒以内で終えることができたことを示す。温度曲線が若干下降するのは、型内ヒータを持っていないため、成形金型内で温度低下したことを示す。
【００３４】
図９は図４の別実施例図であり、下型３１に矩形断面突起４４及び半円断面突起４１を設け、上型３２に半円断面凹部４２を設けたことを特徴とする。すなわち、図４に対して内側シールを構成する半円断面突起４１と半円断面凹部４２とを天地逆にしたものであり、その他は変更ない。
下型３１に突起（矩形断面突起４４及び半円断面突起４１）を集めたので、下型３１の加工が図４より容易になり、加工工数の削減が期待できる。
【００３５】
図１０は図４の更なる別実施例図であり、下型３１に矩形断面突起４４及び半円断面突起４１を設け、上型３２のホルダは平坦のままとしたことを特徴とする。
下型３１に突起（矩形断面突起４４及び半円断面突起４１）を集めたので、下型３１の加工が図４よりは容易になり、加工工数の削減が期待できることに加え、上型３２の加工工数を削減することができる。
【００３６】
図４，図９及び図１０で説明した通りに、本発明の成形金型は、矩形断面突起４４は全て加圧気体吹込み孔を有する方の型（実施例では下型３１）に設け、半円断面突起４１は、加圧気体吹込み孔を有する方の型（実施例では下型３１）又は雌型（実施例では上型３２）に備える。
【００３７】
なお、外側シールは１条の矩形断面突起４４とするが、半円断面突起４１はアルミニウム合金板１０に傷を付ける心配がないので、内側シールとして２条又はそれ以上の条数の半円断面突起４１を設けることは差支えない。例えば２条の半円断面突起４１，４１を上下型３１，３２に各々設けることや一方にまとめて設けることができる。
【００３８】
従って、本発明のアルミニウム合金板の超塑性加工用金型は、内側シールとして半円断面突起を備え、且つ外側シールとして矩形断面突起を備え、半円断面突起は加圧気体吹込み孔を備える型又は雌型の少なくとも一方に備え、矩形断面突起は加圧気体吹込み孔を備える型に備えることを特徴とする。
【００３９】
この成形金型は、内側シールである半円断面突起でアルミニウム合金板に作用する張力の一部を分担するため、外側シールである矩形断面突起に作用する張力が減少し、アルミニウム合金板に亀裂が発生することを抑えることができる。この結果、成形のための加圧気体の圧力を高めることができ、高速超塑性加工が可能となる。
【００４０】
尚、実施例では便宜上、上型下型で成形金型を構成したが、成形金型は１８０゜反転して使用すること、又は９０゜回転した横置き状態で使用することができる。従って、成形金型の姿勢は任意である。
【００４２】
【発明の効果】
本発明は上記構成により次の効果を発揮する。
請求項１の成形金型は、内側シールである半円断面突起でアルミニウム合金板に作用する張力の一部を分担するため、外側シールである矩形断面突起に作用する張力が減少し、アルミニウム合金板に亀裂が発生することを抑えることができる。この結果、成形のための加圧気体の圧力を高めることができ、高速超塑性加工が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】アルミニウム合金材料の温度と伸びの関係を調べたグラフ
【図２】アルミニウム合金板の超塑性加工方法の原理図
【図３】本発明に係るアルミニウム合金板の超塑性加工用金型の断面図
【図４】図３の要部拡大図
【図５】本発明のセット工程説明図
【図６】本発明のブロー成形工程説明図
【図７】加圧気体の圧力の新旧対比グラフ
【図８】アルミニウム合金板の加熱温度の新旧比グラフ
【図９】図４の別実施例図
【図１０】図４の更なる別実施例図
【符号の説明】
１０…アルミニウム合金板、２０…加熱装置、３０…ブロー成形装置、３１…加圧気体吹込み孔を有する型（下型）、３２…雌型（上型）、３３…アルミニウム合金板の超塑性加工用金型（成形金型）、４１…半円断面突起、４２…半円断面凹部、４４…矩形断面突起、４５…加圧気体吹込み孔。

Claims

アルミニウム合金板の超塑性加工用金型において、
この金型は内側シールとして半円断面突起を備え、且つ外側シールとして矩形断面突起を備え、
前記半円断面突起は加圧気体吹込み孔を備える型又は雌型の少なくとも一方に備え、
前記矩形断面突起は前記アルミニウム合金板の厚さの３０％〜６０％の高さに設定して、加圧気体吹込み孔を備える型に備え、
前記半円断面突起はアルミニウム合金を蛇行させ、前記矩形断面突起はアルミニウム合金に噛み込ませるシール構造にしたことを特徴とするアルミニウム合金板の超塑性加工用金型。