JP2024064701A - 成形装置、及び金属部材 - Google Patents

Abstract

【課題】金属部材と他部材との接着強度を向上できる成形装置、及び金属部材を提供する。
【解決手段】成形装置１は、アルミニウム合金の金属パイプ材料４０の成形を行う金型１１，１２を備える。金型１１，１２の表面には凹凸形状７０が形成されている。これにより、成形装置１は、成形された金属パイプ４１に凹凸形状７１を転写する。金属パイプ４１の凹凸形状７１の表面に接着剤を塗布すると、凹凸形状７１によって表面積が拡大し、凹部に接着剤が入り込むことによるアンカー効果が得られる。そのため、アルミニウム合金の金属パイプ４１と他部材との接着強度を高めることができる。以上より、金属パイプ４１と他部品との接着強度を向上できる。
【選択図】図９

Description

本発明は、成形装置、及び金属部材に関する。

従来、金属材料を成形する成形装置として、特許文献１に記載されたものが知られている。この成形装置は、金属材料をプレスすることによって所望の形状の部品を成形している。

特開２０１３－１８８７９３号公報

上述のような成形装置で成形された部品は、所定の構造物を構築するために用いられる。例えば、自動車においては、燃費向上や環境保護のために軽量化が進められている。そのための方法として、部材ごとに適した材料を選択する方法が採用される場合がある。この場合、異種材料同士を接合することが求められる。アルミニウム合金は、他の金属材料よりも比重が軽いため、軽量材料として用いられる。アルミニウム合金の金属部材と他の金属部材との接合には接着剤が多く用いられる。しかし、アルミニウム合金の金属部材の表面が平滑である場合、密着強度を確保することが難しいという問題がある。

そこで、本発明は、金属部材と他部材との接着強度を向上できる成形装置、及び金属部材を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る成形装置は、アルミニウム合金の金属材料を成形する成形装置であって、金属材料の成形を行う金型を備え、金型の表面には凹凸形状が形成され、成形された金属部材に凹凸形状を転写する。

この成形装置は、アルミニウム合金の金属材料の成形を行う金型を備える。金型の表面には凹凸形状が形成されている。これにより、成形装置は、成形された金属部材に凹凸形状を転写する。金属部材の凹凸形状の表面に接着剤を塗布すると、凹凸形状によって表面積が拡大し、凹部に接着剤が入り込むことによるアンカー効果が得られる。そのため、アルミニウム合金の金属部材と他部材との接着強度を高めることができる。以上より、金属部材と他部品との接着強度を向上できる。

金型は、加熱された金属材料の成形を行ってよい。この場合、加熱された金属材料は常温時よりも変形抵抗が小さいため、金型は低負荷で凹凸形状を金属部材に転写することができる。

金属部材はフランジ部及びパイプ部を有し、少なくともフランジ部に凹凸形状を転写してよい。フランジ部は他部材との接合が行われる箇所であるため、当該箇所における接着強度を向上できる。

金型の表面の凹凸形状は、ショットブラストまたはレーザで形成されてよい。この場合、金型の表面に容易に凹凸形状を形成することができる。

本発明の一態様に係る成形装置は、金属材料を成形する成形装置であって、金属材料の成形を行う部材を備え、部材の表面には凹凸形状が形成され、成形された金属部材に凹凸形状を転写する。

この成形装置によれば、上述の成形装置と同様の作用・効果を得ることができる。

本発明の一態様に係る金属部材は、上述の成形装置によって凹凸形状が転写された金属部材。

この金属部材によれば、他部材との接着強度を向上できる。

本発明によれば、金属部材と他部材との接着強度を向上できる成形装置、及び金属部材を提供できる。

本発明の実施形態に係る成形装置を示す概略構成図である。 図２（ａ）は、加熱膨張ユニットを示す概略側面図である。図２（ｂ）は、ノズルが金属パイプ材料をシールした時の様子を示す断面図である。 図３（ａ）（ｂ）は、成形の様子を示す断面図である。 成形された金属パイプの具体的な例を示す図である。 金型の概略平面図である。 図６（ａ）は凹凸形状が形成されていない金型の表面を示す断面図であり、図６（ｂ）は凹凸形状が形成された金型の表面を示す断面図である。 金型の凹凸形状を金属パイプに転写する手順を示す断面図である。 金型の凹凸形状を金属パイプに転写する手順を示す断面図である。 金型の凹凸形状を金属パイプに転写する手順を示す断面図である。

以下、本発明による成形装置の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、各図において同一部分又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、本実施形態に係る成形装置１の概略構成図である。図１に示すように、成形装置１は、ブロー成形によって中空形状を有する金属パイプを成形する装置である。本実施形態では、成形装置１は、水平面上に設置される。成形装置１は、成形型２と、駆動機構３と、保持部４と、加熱部５と、流体供給部６と、冷却部７と、制御部８と、を備える。なお、本明細書において、金属パイプ材料４０（金属材料）は、成形装置１での成形完了前の中空物品を指す。金属パイプ材料４０は、焼入れ可能な鋼種のパイプ材料である。また、水平方向のうち、成形時において金属パイプ材料４０が延びる方向を「長手方向」と称し、長手方向と直交する方向を「幅方向」と称する場合がある。

成形型２は、金属パイプ材料４０から金属パイプ４１（図５参照）を成形する型であり、上下方向に互いに対向する下側の金型１１及び上側の金型１２を備える。下側の金型１１及び上側の金型１２は、鋼鉄製ブロックで構成される。下側の金型１１及び上側の金型１２のそれぞれには、金属パイプ材料４０が収容される凹部が設けられる。下側の金型１１と上側の金型１２は、互いに密接した状態（型閉状態）で、各々の凹部が金属パイプ材料を成形すべき目標形状の空間を形成する。従って、各々の凹部の表面が成形型２の成形面となる。下側の金型１１は、ダイホルダ等を介して基台１３に固定される。上側の金型１２は、ダイホルダ等を介して駆動機構３のスライドに固定される。

駆動機構３は、下側の金型１１及び上側の金型１２の少なくとも一方を移動させる機構である。図１では、駆動機構３は、上側の金型１２のみを移動させる構成を有する。駆動機構３は、下側の金型１１及び上側の金型１２同士が合わさるように上側の金型１２を移動させるスライド２１と、上記スライド２１を上側へ引き上げる力を発生させるアクチュエータとしての引き戻しシリンダ２２と、スライド２１を下降加圧する駆動源としてのメインシリンダ２３と、メインシリンダ２３に駆動力を付与する駆動源２４と、を備えている。

保持部４は、下側の金型１１及び上側の金型１２の間に配置される金属パイプ材料４０を保持する機構である。保持部４は、成形型２の長手方向における一端側にて金属パイプ材料４０を保持する下側電極２６及び上側電極２７と、成形型２の長手方向における他端側にて金属パイプ材料４０を保持する下側電極２６及び上側電極２７と、を備える。長手方向の両側の下側電極２６及び上側電極２７は、金属パイプ材料４０の端部付近を上下方向から挟み込むことによって、当該金属パイプ材料４０を保持する。なお、下側電極２６の上面及び上側電極２７の下面には、金属パイプ材料４０の外周面に対応する形状を有する溝部が形成される。下側電極２６及び上側電極２７には、図示されない駆動機構が設けられており、それぞれ独立して上下方向へ移動することができる。

加熱部５は、金属パイプ材料４０を加熱する。加熱部５は、金属パイプ材料４０へ通電することで当該金属パイプ材料４０を加熱する機構である。加熱部５は、下側の金型１１及び上側の金型１２の間にて、下側の金型１１及び上側の金型１２から金属パイプ材料４０が離間した状態にて、当該金属パイプ材料４０を加熱する。加熱部５は、上述の長手方向の両側の下側電極２６及び上側電極２７と、これらの電極２６，２７を介して金属パイプ材料４０へ電流を流す電源２８と、を備える。なお、加熱部は、成形装置１の前工程に配置し、外部で加熱をするものであっても良い。

流体供給部６は、下側の金型１１及び上側の金型１２の間に保持された金属パイプ材料４０内に高圧の流体を供給するための機構である。流体供給部６は、加熱部５で加熱されることで高温状態となった金属パイプ材料４０に高圧の流体を供給して、金属パイプ材料４０を膨張させる。流体供給部６は、成形型２の長手方向の両端側に設けられる。流体供給部６は、金属パイプ材料４０の端部の開口部から当該金属パイプ材料４０の内部へ流体を供給するノズル３１と、ノズル３１を金属パイプ材料４０の開口部に対して進退移動させる駆動機構３２と、ノズル３１を介して金属パイプ材料４０内へ高圧の流体を供給する供給源３３と、を備える。駆動機構３２は、流体供給時及び排気時にはノズル３１を金属パイプ材料４０の端部にシール性を確保した状態で密着させ、その他の時にはノズル３１を金属パイプ材料４０の端部から離間させる。なお、流体供給部６は、流体として、高圧の空気や不活性ガスなどの気体を供給してよい。また、流体供給部６は、金属パイプ材料４０を上下方向へ移動する機構を有する保持部４とともに、加熱部５を含めて同一装置としても良い。

保持部４、加熱部５、及び流体供給部６の構成要素は、ユニット化された加熱膨張ユニット１５０として構成されてよい。図２（ａ）は、加熱膨張ユニット１５０を示す概略側面図である。図２（ｂ）は、ノズル３１が金属パイプ材料４０をシールした時の様子を示す断面図である。

図２（ａ）に示すように、加熱膨張ユニット１５０は、上述の下側電極２６及び上側電極２７と、各電極２６，２７を搭載した電極搭載ユニット１５１、上述のノズル３１及び駆動機構３２と、昇降ユニット１５２と、ユニットベース１５３と、を備える。電極搭載ユニット１５１は、昇降フレーム１５４と、電極フレーム１５６，１５７と、を備える。電極フレーム１５６，１５７は、各電極２６，２７を支持して移動させる駆動機構６０の一部として機能する。駆動機構３２は、ノズル３１を駆動させ、電極搭載ユニット１５１と共に昇降する。駆動機構３２は、ノズル３１を保持するピストン６１と、ピストンを駆動させるシリンダ６２とを備えている。昇降ユニット１５２は、ユニットベース１５３の上面に取り付けられる昇降フレームベース６４と、これらの昇降フレームベース６４によって、電極搭載ユニット１５１の昇降フレーム１５４に対して昇降動作を付与する昇降用アクチュエータ６６とを備えている。昇降フレームベース６４は、ユニットベース１５３に対する昇降フレーム１５４の昇降動作をガイドするガイド部６４ａ，６４ｂを有する。昇降ユニット１５２は、保持部４の駆動機構６０の一部として機能する。加熱膨張ユニット１５０は、上面の傾斜角度が異なる複数のユニットベース１５３を有し、これらを交換することにより、下側電極２６及び上側電極２７、ノズル３１、電極搭載ユニット１５１、駆動機構３２、昇降ユニット１５２の傾斜角度を一括的に変更調節することを可能としている。

ノズル３１は、金属パイプ材料４０の端部を挿入可能な円筒部材である。ノズル３１は、当該ノズル３１の中心線が基準線ＳＬ１と一致するように、駆動機構３２に支持されている。金属パイプ材料４０側のノズル３１の端部の供給口３１ａの内径は、膨張成形後の金属パイプ材料４０の外径に略一致している。この状態で、ノズル３１は、内部の流路６３から高圧の流体を金属パイプ材料４０に供給する。なお、高圧流体の一例としては、ガスなどが挙げられる。

図１に戻り、冷却部７は、成形型２を冷却する機構である。冷却部７は、成形型２を冷却することで、膨張した金属パイプ材料４０が成形型２の成形面と接触したときに、金属パイプ材料４０を急速に冷却することができる。冷却部７は、下側の金型１１及び上側の金型１２の内部に形成された流路３６と、流路３６へ冷却水を供給して循環させる水循環機構３７と、を備える。

制御部８は、成形装置１全体を制御する装置である。制御部８は、駆動機構３、保持部４、加熱部５、流体供給部６、及び冷却部７を制御する。制御部８は、金属パイプ材料４０を成形型２で成形する動作を繰り返し行う。

具体的に、制御部８は、例えば、ロボットアーム等の搬送装置からの搬送タイミングを制御して、開いた状態の下側の金型１１及び上側の金型１２の間に金属パイプ材料４０を配置する。あるいは、制御部８は、作業者が手動で下側の金型１１及び上側の金型１２の間に金属パイプ材料４０を配置してよい。また、制御部８は、長手方向の両側の下側電極２６で金属パイプ材料４０を支持し、その後に上側電極２７を降ろして当該金属パイプ材料４０を挟むように、保持部４のアクチュエータ等を制御する。また、制御部８は、加熱部５を制御して、金属パイプ材料４０を通電加熱する。これにより、金属パイプ材料４０に軸方向の電流が流れ、金属パイプ材料４０自身の電気抵抗により、金属パイプ材料４０自体がジュール熱によって発熱する。

制御部８は、駆動機構３を制御して上側の金型１２を降ろして下側の金型１１に近接させ、成形型２の型閉を行う。その一方、制御部８は、流体供給部６を制御して、ノズル３１で金属パイプ材料４０の両端の開口部をシールすると共に、流体を供給する。これにより、加熱により軟化した金属パイプ材料４０が膨張して成形型２の成形面と接触する。そして、金属パイプ材料４０は、成形型２の成形面の形状に沿うように成形される。なお、フランジ付きの金属パイプを形成する場合、下側の金型１１と上側の金型１２との間の隙間に金属パイプ材料４０の一部を進入させた後、更に型閉を行って、当該進入部を押しつぶしてフランジ部とする。金属パイプ材料４０が成形面に接触すると、冷却部７で冷却された成形型２で急冷されることによって、金属パイプ材料４０の焼き入れが実施される。

図４を参照して、成形品である金属パイプ４１（金属部材）について説明する。金属パイプ４１は、アルミニウム合金の金属パイプ材料４０を成形装置１で成形することによって形成された金属部材である。金属パイプ４１は、パイプ部４３及びフランジ部４４を有する成形本体部４５と、長手方向の両端側の被保持部４６と、成形本体部４５と被保持部４６との間の徐変部４７と、を備える。成形本体部４５は、レーザ加工などがなされることによって最終的な製品となる部分である。パイプ部４３は中空の部分である。フランジ部４４は、金属パイプ材料４０の一部を押しつぶすことによってパイプ部４３から突出する、複層の板状部分である。被保持部４６は、電極２６，２７に保持される円筒状の部分である。被保持部４６には、ノズル３１が挿入される。徐変部４７は、被保持部４６の形状から、成形本体部４５の形状へ変化する移行部分である。

次に、図３及び図５を参照して、金型１１，１２について詳細に説明する。図５は、下側の金型１１の平面図である。図３に示すように、金型１１，１２は、成形時に金属パイプ材料４０と接触する成形面８０を有する。成形面８０は、パイプ部４３を成形するためのパイプ部成形面８１と、フランジ部４４を成形するためのフランジ部成形面８２と、を有する。

このような成形型２を用いた成形の手順について説明する。図３（ａ）に示すように、制御部８は、成形型２を型閉すると共に、流体供給部６で金属パイプ材料４０に流体を供給することで、ブロー成形を行う（一次ブロー）。一次ブローでは、制御部８は、パイプ部成形面８１によるメインキャビティ部ＭＣでパイプ部４３を成形すると共に、フランジ部４４に対応する部分をフランジ部成形面８２によるサブキャビティ部ＳＣへ進入させる。そして、図３（ｂ）に示すように、制御部８は、成形型２を更に型閉することで、サブキャビティ部ＳＣに進入した部分を更に潰すことで、フランジ部４４を成形する。次に、制御部８は、上側の金型１２を上昇させて金属パイプ材料４０から離間させることで、型開を行う。これにより、金属パイプ４１が成形される。

図５に示すように、金型１１の表面には凹凸形状７０が形成される。なお、金型１２にも金型１１と同様に凹凸形状７０が形成される。これにより、成形装置１は、成形された金属パイプ４１に凹凸形状７１（図９参照）を転写する。金型１１は、フランジ部成形面８２に凹凸形状７０を有する。そのため、成形装置１は、フランジ部４４に凹凸形状７１を転写する。図４においては、グレースケールが塗られている箇所に凹凸形状７１が転写される。

図６（ａ）は、金型１１，１２のうち、凹凸形状７０が形成されていない表面７２の拡大断面図である。表面７２は、パイプ部成形面８１の表面や、フランジ部成形面８２のうちの凹凸形状７０が形成されていない表面である。図６（ｂ）は、金型１１，１２のうち、凹凸形状７０が形成されている表面７３の拡大断面図である。凹凸形状７０が形成されている表面７３は、凹凸形状７０が形成されていない表面７２よりも表面粗さが粗く、平滑度が低い。

凹凸形状７０は、表面７３に沿って複数の突起部７６が並んだ箇所である。突起部７６と突起部７６との間には凹部７７が形成される。従って、凹凸形状７０は、表面７３に沿って凹部７７が並んだ箇所とも言える。凹凸形状７０の突起部７６は、金属パイプ４１の表面を粗くする程度の大きさがあればよく、金属パイプ４１の成形形状に影響を及ぼす程の大きさはない。例えば、フランジ部成形面８２に大きな突起部が設けられている場合、フランジ部４４の接触面には大きな窪みが形成され、フランジ部４４の裏側の面には押出による突起が形成される。凹凸形状７０の突起部７６は、そのような大きな突起部ではなく、フランジ部４４の接触面だけに微細な凹部を形成する程度の大きさしかなく、裏側の面に突起が形成されるような大きさではない。具体的に、突起部７６の高さは１～１００μｍ程度である。また、突起部７６は密集しており、突起部７６同士の間隔は、フランジ部４４の厚みに比べて極めて小さく、１０～１００μ程度である。

金型１１，１２の表面７３の凹凸形状７０は、ショットブラストまたはレーザで形成されてよい。すなわち、表面７３に対してショットブラストを行って粗くする加工を行うことで凹凸形状７０を形成してよい。また、表面７３にレーザ加工を行って凹凸形状７０を形成してよい。また、表面７３に対する切削加工の加工条件や加工具などを調整することで、他の表面７２よりも粗くすることで凹凸形状７０を形成してよい。

次に、図７を参照して、成形装置１が金属パイプ４１に金型１１，１２の凹凸形状７０を転写する手順について説明する。図７に示すように、金型１１，１２は、加熱された金属パイプ材料４０の成形を行う。前述のように、成形直前の金属パイプ材料４０は加熱されている。次に、図８に示すように、金型１１，１２を金属パイプ材料４０に接触させることで、金属パイプ４１が成形されると共に金型１１，１２に熱が奪われて急冷される。また、金型１１，１２の凹凸形状７０が金属パイプ４１の表面７８に転写される。このとき、金属パイプ４１の変形抵抗は常温時よりも小さいため、低荷重にて転写が可能となる。図９に示すように、金属パイプ４１を金型１１，１２から取り出すと、金属パイプ４１の表面７８には、凹凸形状７１が転写された状態となっている。

次に、本実施形態に係る成形装置１、金属パイプ４１の作用・効果について説明する。

本実施形態に係る成形装置１は、アルミニウム合金の金属パイプ材料４０の成形を行う金型１１，１２を備える。金型１１，１２の表面には凹凸形状７０が形成されている。これにより、成形装置１は、成形された金属パイプ４１に凹凸形状７１を転写する。金属パイプ４１の凹凸形状７１の表面に接着剤を塗布すると、凹凸形状７１によって表面積が拡大し、凹部に接着剤が入り込むことによるアンカー効果が得られる。そのため、アルミニウム合金の金属パイプ４１と他部材との接着強度を高めることができる。以上より、金属パイプ４１と他部品との接着強度を向上できる。なお、本実施形態はアルミニウム合金での実施例の説明を行ったが、鉄等の他の金属材料であってもよい。

金型１１，１２は、加熱された金属パイプ材料４０の成形を行ってよい。この場合、加熱された金属パイプ材料４０は常温時よりも変形抵抗が小さいため、金型１１，１２は低負荷で凹凸形状７１を金属パイプ４１に転写することができる。

金属パイプ４１はフランジ部４４及びパイプ部４３を有し、少なくともフランジ部４４に凹凸形状７１を転写してよい。フランジ部４４は他部材との接合が行われる箇所であるため、当該箇所における接着強度を向上できる。

金型１１，１２の表面の凹凸形状７０は、ショットブラストまたはレーザで形成されてよい。この場合、金型１１，１２の表面に容易に凹凸形状７０を形成することができる。

本実施形態に係る成形装置１は、金属パイプ材料４０を成形する成形装置１であって、金属パイプ材料４０の成形を行う部材（金型１１，１２）を備え、部材の表面には凹凸形状７０が形成され、成形された金属パイプ４１に凹凸形状７１を転写する。

この成形装置１によれば、上述の成形装置と同様の作用・効果を得ることができる。

本実施形態に係る金属パイプ４１は、上述の成形装置１によって凹凸形状７１が転写されている。

この金属パイプ４１によれば、他部材との接着強度を向上できる。

本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。例えば、成形装置の全体構成は図１に示すものに限定されず、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

成形装置は、アルミニウム合金の金属材料を成形する成形装置であればよく、ホットスタンピング法、ハイドロフォーミング法などの成形装置が採用されてもよい。

凹凸形状を転写する箇所は、金属パイプのフランジ部のみならず、金属パイプの他の箇所にも転写されてよい。例えば本体部に凹凸形状を転写しても良い。レイアウト上、フランジ部に他部材との接着が難しい場合は金属パイプの本体部に凹凸形状を転写することで、他部材との接着性を向上させることができる。

上述の実施形態では、金属パイプはフランジ部を有していたがフランジ部を有さなくてもよい。また、金属材料はパイプでなくともよく、板材であってもよい。

［形態１］
アルミニウム合金の金属材料を成形する成形装置であって、
前記金属材料の成形を行う金型を備え、
前記金型の表面には凹凸形状が形成され、成形された金属部材に凹凸形状を転写する、成形装置。
［形態２］
前記金型は、加熱された前記金属材料の成形を行う、形態１に記載の成形装置。
［形態３］
前記金属部材はフランジ部及びパイプ部を有し、
少なくとも前記フランジ部に前記凹凸形状を転写する、形態１又は２に記載の成形装置。
［形態４］
前記金型の前記表面の前記凹凸形状は、ショットブラストまたはレーザで形成される、形態１～３の何れか一項に記載の成形装置。
［形態５］
金属材料を成形する成形装置であって、
前記金属材料の成形を行う部材を備え、
前記部材の表面には凹凸形状が形成され、成形された金属部材に凹凸形状を転写する、成形装置。
［形態６］
形態５に記載の成形装置によって前記凹凸形状が転写された金属部材。

１…成形装置、１１，１２…金型、４０…金属パイプ材料（金属材料）、４１…金属パイプ（金属部材）、４３…パイプ本体部、４４…フランジ部、７０，７１…凹凸形状。

Claims (6)

1. アルミニウム合金の金属材料を成形する成形装置であって、
   前記金属材料の成形を行う金型を備え、
   前記金型の表面には凹凸形状が形成され、成形された金属部材に凹凸形状を転写する、成形装置。
2. 前記金型は、加熱された前記金属材料の成形を行う、請求項１に記載の成形装置。
3. 前記金属部材はフランジ部及びパイプ部を有し、
   少なくとも前記フランジ部に前記凹凸形状を転写する、請求項１に記載の成形装置。
4. 前記金型の前記表面の前記凹凸形状は、ショットブラストまたはレーザで形成される、請求項１に記載の成形装置。
5. 金属材料を成形する成形装置であって、
   前記金属材料の成形を行う部材を備え、
   前記部材の表面には凹凸形状が形成され、成形された金属部材に凹凸形状を転写する、成形装置。
6. 請求項５に記載の成形装置によって前記凹凸形状が転写された金属部材。
   

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