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