水中爆発成形におけるアルミニウム板の変形速度測定と数値解析

水中爆発成形におけるアルミニウム板の変形速度測定と数値解析
○ 濱田洋史，日向毅（熊本大学大学院），井山裕文（八代工業高等専門学校），伊東繁（熊本大学）
1.
12mm) 立てる． ( 図 2 に示す ) 板がピンにあたる
はじめに
爆発成形法は，火薬類の爆発によって生じる高密
度な衝撃エネルギーを破壊エネルギーではなく，成
ことで，オシロスコープに電流が流れ，その時間差
によって変形速度を求めることができる．
形するためのエネルギー源として，金属板や管など
□230
の試料に作用させて適当な塑性変形を与え所要の形
Explosive
に成形する加工法である．そこで，爆発成形法を用
20
いて難加工材料に関する張出し成形を行い，成形品
30
の材料特性を解析する．ピンコンタクト法を用いて
1
Water
20
Al plate
Air
r
メカニズムの解明を行い数値計算と比較してみた．
50
Die
pin
今回の実験では加工材料に，アルミニウム 5052-O
φ100
材を選定した．理由として現在，環境問題に対応す
べく自動車の燃費向上のため，車体の軽量化が行わ
PMMA
□130
れており，鉄鋼材料に代わりアルミニウム合金を使
図1
実験概略図
図2
ピンコンタクト法の装置
用した自動車が増えつつある．しかし，アルミニウ
ム合金は従来の鉄鋼材料より成形性に限界があり，
成形形状が制約される．そこで，我々は現在爆発成
形法によりアルミニウム合金の成形限界の向上を試
みている．これらの実施にあたり，高速塑性変形に
おける素板の変形メカニズムを明らかにする必要が
ある．
2.
4.
オシロスコープに計測された波形を図 3a ， b に
アルミニウムの性質 5052-O 材
機械的特性
計測結果
n 値：0.28， r 値：0.74，耐力：
90(N/mm2) ，引張り強さ： 195(N/mm2) ，硬さ
(HV) ： 52 である．応力を受けると加工硬化し，
強度が増す．ひずみ速度が増加するにつれ，延性が
急激に増加することが報告されている．正に，高ひ
示す．それぞれ半径からの距離20mm，40mmであ
る．これをもとにかかった時間を調べて変形速度を
計算した．方法として，それぞれの波形が出始める
地点の間の時間を求めて，それをピンの高さの差で
ある 1mm で割って変形速度を求めた．
ずみ速度変形形態をとる爆発成形法に，相応しい材
中心からの距離20mm
板厚
1mm ，縦横 230mm 四方である．
3.
7
6
5
4
3
2
1
0
-1-1
-2
中心からの距離40mm
板からの距離10mm
板からの距離11mm
板からの距離12mm
電圧（v）
は大きい．実験に使用したアルミニウム板
電圧（V）
料である．軽量で，リサイクル性に優れ，利用価値
1
3
5
7
9
7
6
5
4
3
2
1
0
-1-1
-2
9
時間（μs）
実験方法
図 3a ， b
ピンコンタクト法によってアルミニウム板の変形
速度を計測する．図 1 に実験概略図を示す．衝撃波
は水中を伝播し，アルミニウム板を変形させる．従
来の実験では爆薬からの距離が30mmで SEP( 旭化
成ケミカルズ ( 株 ) 製の高性能爆薬，爆轟速度約
表4
19
板からの距離10mm
板からの距離11mm
板からの距離12mm
29
時間（μs）
オシロスコープに計測された波形
所要時間と変形速度
r=20mm
r=40mm
Δt1（μs）
3.73
16.72
Δt2(μs)
3.51
18.12
v1（m/s）
268
60
v2（m/s）
285
55
7000m/s，密度1310kg/m3)10gの爆薬を用いたとき
に成形限界であった． 1) その成形限界となるときの
板からの距離が10mmのピンに板があたってから
変形速度を測定する．半径から20mmと40mmの地
11mmのピンに当たるまでの時間をΔ t1 ，11mmの
点にピンを 3 本 ( 板からの距離10mm，11mm，
ピンから12mmのピンまでをΔ t2 ，これに対応する
39
変形速度をv1 ，v2 として表 4 に示した．半径20mm
速度を示している．アルミニウム板中央部に作用す
のときは変形速度が増加しており，逆に40mmのと
る衝撃圧が大きく，およそ280m/sまで速度が急激に
きは減少している．また中心に近い半径20mmの方
上昇し，その後，大きな圧力作用は起こらず，次第
が変形速度が速いのがわかる．
に変形速度は減少する．また，速度上昇はアルミニ
ウム板中央部から外周方向へと次第に起こり，その
5.
ピーク値も中央部から外周部へと減少する．
数値計算
用いた有限差分法 2) により爆発成形法によるアルミ
ニウム板の変形過程について数値シミュレーション
を行った．
図 5 はアルミニウム板の変形過程を示している．
Velocity(m/s)
次に，同様なモデルにおいてラグランジュ座標を
変形の開始から 300 μ s までは20μ s 毎に示してい
る．図中の20μ s から40μ s において，水中衝撃波
350
300
250
200
150
100
50
0
r
0mm
10mm
20mm
30mm
40mm
50mm
0
50
100
図6
が最初に作用し始める，アルミニウム板中央部から
変形が生じる．その後，60μ s においては，水中衝
150
200
250
Time(µ s)
300
350
400
r=0 ，10，20，30，40，50mmにおける
アルミニウム板の変形速度
撃波が型の肩部近傍に到達し，開口部両側付近の板
が若干下方に曲げ変形が生じていることがわかる．
ここで先ほどの結果と照らし合わせてみると，中心
以後，この曲げ変形が中央方向に移動しているが，
から半径20mmのときは268m/sから285m/sに増加して
同時にアルミニウム板中央部が大きく張り出し，最
おり数値計算の結果より若干高めであるが変形速度
終段階では全体が球面状になる． 400 μ s 時におけ
のピーク付近であると推測できる．一方，40mmのと
るアルミニウム板中央部の外周部表面か中央部底面
きは 60m/s から 55m/s に減少しており変形速度がピ
までの変形量は，およそ43.8mmとなった．
ークに達してその後減少しているところであると推
測できる．
6.
おわりに
本研究では，水中爆発成形によるアルミニウ板
の変形速度測定を行い，また数値計算の結果と照ら
し合わせることができた．今後はさらにメカニズム
の解明及び，難加工材料のチタンやマグネシウムに
着手していきたい．
参考文献
1)
日向毅，井山裕文，伊東繁
水中衝撃波を利用
したアルミニウム合金の自由張り出し成形に関
する研究（第１報）−アルミニウム合金板の最
適成形法について−
Science and Technology
of Energetic Materials
第 66 巻 第 3 冊
別刷
2)
Hirofumi Iyama ， Takeshi Hinata ，
Shigeru Itoh
NUMERICAL SIMULATION
OF SHEET METAL FORMING USING
UNDERWATER SHOCK WAVE
図5
アルミニウム板の変形過程
PVP-Vol.485-1,Emerging Technology in
Fluids,Structures,and Fluids-Structure
図 6 は中心からの半径 r=0 ，10，20，30，40，
50mmにおける，アルミニウム板下面の z 方向の変形
Interactions-2004