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アルミニウムと高張力鋼板の成形技術

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アルミニウムと高張力鋼板の成形技術
アルミニウム材の先端成形技術
ー 軽量自動車部品の成形 ー
Advanced forming technologies for
aluminium automobile parts
豊橋
自動車の環境対策
1.軽量化
愛知県:
• 名古屋,豊橋等,
• 11% の工業生産
• 自動車産業
豊橋技術科学大学
森 謙 一 郎
Ken-ichiro Mori
2.サーメット,ヘテロ表面ダイス
3.サーボプレス
4.ホットスタンピング
名古屋
豊橋
愛知県
動力源
EV, PHV, HV
エンジン
ターボチャージャー,
熱効率向上,可変バ
ルブタイミング,摩擦
低減,アイドリングス
トップ
車体重量低減
車体構造
軽量材料: 高張力鋼
板, アルミニウム, マ
グネ, CFRP
空気抵抗
ボディ形状
5.通電加熱ガスフォーミング
100kg減少:
1km/l燃費向上
6.アルミニウム板と高張力鋼板の塑性接合
NSC
豊橋
三重県
静岡県
駆動系
CVT, 摩擦低減
浜松
転がり抵抗
タイヤ表面パターン
30km
自動車におけるアルミニウムの使用量
自動車の燃費と重量の関係
40
ハイブリッド車
CVT車
MT車
AT車
2015年度基準
2020年度基準
35
燃費値 [km/L]
30
25
Toyota PRIUS
kg/台
150
北米
日本
50
10
0
0
500
1000
2000
1500
自動車重量 [kg]
2500
122
1990
2000
2010
1990
4.ホットスタンピング
Audi A7 Sportback
2000
2.サーメット,ヘテロ表面ダイス
3.サーボプレス
89
51
1990 2000 2010
1.軽量化
フード
欧州
75
61
15
144
117
119
96
100
20
5
車体へのアルミニウム板材の適用
2010
5.通電加熱ガスフォーミング
アルミニウム板材
アルミニウム鋳造材
アルミニウム押出し材
ホットスタンピング材
冷間プレス成形材
バックドア
6.アルミニウム板と高張力鋼板の塑性接合
3000
国土交通省ホームページ http://www.mlit.go.jp/common/001031308.pdf
サーメットダイスを用いた
アルミニウム合金容器のしごき加工
しごき加工ダイス材質
A3003における加工限界に
及ぼすダイスの影響(v=8.3mm/s)
A3003におけるしごき加工後の容器
軸方向
焼付き
素板
深絞り
ダイス
しごき加工
金型焼付き
二次電池
200kg
しごきダイス
しごきダイスランド部の軸方向表面性状
1mm
粗さ測定位置
焼付き
硬さ
ダイス材質 最大高さ 平均粗さ 縦弾性係数
E /GPa
/HV50
/mRz
/mRa
SKD11
0.28
0.02
206
750
0.21
0.02
610
1650
超硬
0.14
0.02
610
超硬,TiC
1650,3000
TiCN
0.20
0.02
410
1550
サーメット
しごき加工後の容器
10 mm
2 高さ /µm
1
0
100
200
軸方向位置 /µm
(a) ラッピング, Rd=0.02µmRa
良好
観察部
1mm
(c)焼付き
(超硬,rr=28.6%)
観察部
50
100
200
軸方向位置 /µm
(b) ヘテロ表面, Rd=0.06µmRa
2
1
0
100
200
軸方向位置 /µm
(c) ヘテロ表面, Rd=0.08µmRa
(a) 加工前
(b) Rd=0.06µmRa, r=36.9%
0.1mm
100
200
軸方向位置 /µm
(d) ヘテロ表面, Rd=0.12µmRa
ラッピング
破断
(c) Rd=0.14µmRa, 焼付き
r=25.3%
(d) ラッピング, Rd=0.02µmRa,
r=36.4%
焼付き
SKD11
焼付き
30
良好
20
超硬合金
SKD11
0
10
SKD11
ヘテロ表面とラッピングダイスの平均
しごき荷重としごき率の関係
10
Rd=0.06µmRa
10
2
1
0
100
200
軸方向位置 /µm
(e) ヘテロ表面, Rd=0.14µmRa
0.1mm
良好
20
12
破断
40
2
1
0
30
0
(d)破断
(サーメット,rr=35.7%)
しごき加工限界に及ぼすダイスランド
平均粗さの影響
破断
焼付き
破断
0.1mm
2
1
0
40
(b)良好
(超硬,rr=24.2%)
(a)加工前
(a)SKD11
しごき率 r /%
軸方向
円周方向
焼付き
焼付き
1mm
10mm
実しごき率 rr /%
しわ押え
電気自動車
電池ケース
ステンレス鋼板
アルミニウム合金板
Rd=0.12µmRa
焼付き
ラッピング
0.05 0.10 0.15 0.20
ヘテロ,
ランド部表面平均粗さ Rd /µmRa Rd=0.14µmRa
平均しごき荷重 /kN
パンチ
ラッピング
8
ヘテロ表面,
Rd=0.06~0.12µmRa
6
4
2
0
20
25
30
35
しごき率 r /%
40
45
メカニカルリンク・トグルタイプ
直接駆動タイプ
コマツ,非常に高価
最大荷重がどのストローク
1.軽量化
クランク式
汎用モーター:下死点付近だけ高荷重
低価格
コマツ
高トルクモーター,比較的低価格
振動モーション
アマダ,アイダ
2.サーメット,ヘテロ表面ダイス
3.サーボプレス
4.ホットスタンピング
link
5.通電加熱ガスフォーミング
6.アルミニウム板と高張力鋼板の塑性接合
servo
motor
アルミニウム合金のバリ出し熱間型鍛造方法
Amada SDE
上型
(250Ԩ)
アルミニウム合金
限界しごき率の向上
パンチの振動モーション
下型
(250Ԩ)
(a) エンボス加工:
下死点付近で減速
(b) ヒートシンク:
下死点位置の制御
(a) 通常
振動による潤滑剤の取り込み
スライドモーション
33
14
A
ビレット
φ17×48
(400Ԩ)
50 A’
下死点からの高さ /mm
振動しごき加工: 摩擦の低下
9.25
精度:スライドモーションの制御
9.25
クランク式サーボプレスのモーション
A-A’断面
16
v=82.5mm/s
16.5mm/s
12
8
4
6.6mm/s
0
1
2
成形時間 /s
3
(b) 振動
日本工大 古閑
コマツ
1
2
成形時間 /s
3
下型
(250Ԩ)
50 A’
A-A’断面
4
0
6.6mm/s
1
2
成形時間 /s
3
下型
(250Ԩ)
50 A’
A-A’断面
60
16.5mm/s
12
8
4
6.6mm/s
0
1
2
成形時間 /s
3
A
製品充満部
ビレット
バリ部
超髙強度鋼部材のホットスタンピング
1000
20
0
成形品(v=82.5mm/s)
製品上部断面形状の比較
最大荷重
30
10
バリ
A-A’断面
1500
40
製品充満部
下型
A’
2000
バリ幅
50
最大荷重 /kN
0
8
16
500
バリ幅
6.6mm/s
ビレット
φ17×48
(400Ԩ)
v=82.5mm/s
バリ幅 /mm
4
上型
(250Ԩ)
16.5mm/s
12
バリ幅および最大荷重と平均スライド速度の関係
スライドモーション
下死点からの高さ /mm
8
16
33
14
A
9.25
ビレット
φ17×48
(400Ԩ)
v=82.5mm/s
9.25
上型
(250Ԩ)
16.5mm/s
12
アルミニウム合金のバリ出し熱間型鍛造方法
スライドモーション
下死点からの高さ /mm
16
33
14
A
9.25
9.25
A-A’断面
v=82.5mm/s
バリ厚さ
1.92mm
0
20
40
60
80
100
平均スライド速度v /mm・s-1
超髙強度鋼部材のホットスタンピング
製品端部からの距離 /mm
10
1.軽量化
8
下死点保持
2.サーメット,ヘテロ表面ダイス
6
v=6.6mm/s
82.5mm/s
4
4.ホットスタンピング
加熱
測定箇所
6.アルミニウム板と高張力鋼板の塑性接合



2
4
6
成形
5.通電加熱ガスフォーミング
2
0
レーザー切断
3.サーボプレス
8
製品端部からの距離 /mm
10

成形荷重の低下
スプリングバックの防止
成形性の向上
引張強さ1.5GPa
ダイクエンチング
後加工
Volkswagen Passat: 車体の16%
Parts per year (in millions)
上型
50 A’
下死点からの高さ /mm
下型
(250Ԩ)
ビレット
φ17×48
(400Ԩ)
9.25
上型
(250Ԩ)
アルミニウム合金のバリ出し熱間型鍛造方法
スライドモーション
33
14
A
9.25
アルミニウム合金のバリ出し熱間型鍛造方法
550
500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
450 million
in 2013
3 million
in 1987
1987
95 million
in 2007
8 million
in 1997
1997
142 lines in 2011,
around the world
Year
’2007 '08 '09 ’10 ’11
’12 ’13
熱処理型アルミニウム合金の航空機部品
急速加熱成形
A2024およびA6061における人工時効
処理後の成形品のビッカース硬さ分布
赤外線炉加熱による航空機部品の成形
パンチ
アルミニウム合金
電気抵抗:低
熱伝導率:高
180
160
140
120
100
80
60
40
20
赤外線炉
1.6
ビッカース硬さ /HV5
通電加熱:難
赤外線炉加熱による航空機部品の成形
300
試験片寸法
赤外線炉
ダイス
炉内温度:1050℃
加熱時間:19s
加熱温度:400℃
(a) 上面
0
(b) 断面
A2024
A
B
A6061
C
A2024-T6
D
成形品
T= 342°C
A6061-T6
フランジ
部
D
A
B
C
x
20
T= 342°C
40 60 80 100 120 140
中心からの距離x /mm
成形目標品
冷間成形
アルミニウム合金管の熱間ガスフォーミング
通電加熱ガスフォーミング
ホンダの通電熱間ガスフォーミング
初期内圧 p0 =0.2-0.8MPa
2.サーメット,ヘテロ表面ダイス
VW Touareg
軸押し速度 v=0~40mm/s
アルミニウム合金
3.サーボプレス
1.0
空気
5.通電加熱ガスフォーミング
100
電極
拡管成形
4.ホットスタンピング
パンチ
6.アルミニウム板と高張力鋼板の塑性接合
Porsche Cayenn
GFU
予備成形
直接通電加熱
サスペンション部品
アルミ合金
空気を封入
通電容量 I =3.0~9.0kA
エアサスペンション
ケース部品
φ22.0
1.軽量化
拡管成形 φ95→φ160 3MPa
Oリング
予備成形
素管
最終成形
最終成形
HEAT form
摩擦攪拌接合
アルミニウム管の通電加熱ガスバルジ成形
電極
Tilt angle
1.軽量化
軸押し速度 v=20mm/s,ストローク s=24mm
電極
2.サーメット,ヘテロ表面ダイス
Rotational
speed
3.サーボプレス
Tool
大きな塑性変形:発熱,材料流動
Seam
Feed rate
Pin
4.ホットスタンピング
パンチ
パンチ
Mazda Motor
5.通電加熱ガスフォーミング
6.アルミニウム板と高張力鋼板の塑性接合
セルフピアスリベッティング
アルミニウム板と鋼板の摩擦攪拌点接合
Rotational speed
R.S.
AA6181-T4
アルミニウム板と高張力鋼板の接合
Feed rate
Aluminium
Steel
A.S.
DP600
有限要素シミュレーション
ダイ形状の最適化
パンチ
板押え
高張力鋼板
リベット
•高強度,高硬度
•延性小
ダイス
<工法のメリット>
板にSPRを打込み,機械的に結合
穴あけ不要
接合部
溶接の難しい材料の締結
異種材料の締結
Cフレーム
曲面ダイ
テーパーダイ形状
リベット硬度に近い
多種の不良が想定
ダイ形状の最適化
(ダイ径,深さ)
(a) 上板
下板
リベット割れ リベット折れ
SPFC980 t1.4,
A5052
t1.5
(b) 上板
下板
A5052
t1.5,
SPFC980 t1.4
上板:SPFC980, 1.4mm, 下板:A5052, 1.5mm
φ8.0
セルフピアシングリベット
リベット使用
高コスト
セルフピアシング
リベット
メカニカル
クリンチング
パンチ
リベット
•リベッ
ト
1.軽量化
2.サーメット,ヘテロ表面ダイス
(a)従来ダイス
パンチ
•パンチ
パンチ
φ8.0
メカニカルクリンチングダイス形状の最適化
(上板:SPFC590, 1.4mm,下板:A5052,1.5mm)
1.8
メカニカルクリンチングダイス形状の最適化
(上板:A5052,1.5mm,下板:SPFC780, 1.4mm)
1.8
メカニカルクリンチングによる
高張力鋼板とアルミニウム合金板の接合
3.サーボプレス
(b)改善ダイス
4.ホットスタンピング
接合部裏側
5.通電加熱ガスフォーミング
メカニカルクリンチング
0.09㎜
t=0.24㎜
リベット不要
低コスト
(a)従来ダイス
放射割れ
ダイ
ダイ
x=0.13㎜
(b)改善ダイス
6.アルミニウム板と高張力鋼板の塑性接合
Fly UP