(57)【要約】【課題】金属バルク材料を加熱軟化させて加圧成形するに当たり、安定して確実に短時間に加熱することができる方法及びその装置を提供する。【解決手段】あらかじめ金属バルク材料を目標加熱状態まで加熱するエネルギを決定する工程と、前記金属バルク材料を複数の電極で挟んだ状態で、電圧及び電流を調整して所定時間通電して前記エネルギと等しいジュール熱を金属バルク材料に発生させる電力量を投入する工程と、を有する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属バルク材料を通電により加熱して成形する方法であって、
あらかじめ金属バルク材料を目標加熱状態まで加熱するエネルギを決定する工程と、
前記金属バルク材料を複数の電極で挟んだ状態で、電圧及び電流を所定時間通電して前記エネルギと等しいジュール熱を金属バルク材料に発生させる電力量を投入する工程と、
通電により加熱中の又は加熱された金属バルク材料を成形する工程と、
を有することを特徴とする金属バルク材料の通電加熱成形方法。
【請求項２】
金属バルク材料を通電により加熱して成形する方法であって、
あらかじめ金属バルク材料を目標加熱状態まで加熱するエネルギを決定する工程と、
前記金属バルク材料を複数の電極で挟んだ状態で、低電圧及び高電流で短時間通電して前記エネルギと等しいジュール熱を金属バルク材料に発生させる電力量を投入する工程と、
通電により加熱中の又は加熱された金属バルク材料を成形する工程と、
を有することを特徴とする金属バルク材料の通電加熱成形方法。
【請求項３】
前記電力量を投入する工程が、スパークが発生しない範囲の面圧で金属バルク材料を電極で挟んだ状態でなされることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の金属バルク材料の通電加熱成形方法。
【請求項４】
前記電力量を投入する工程が、金属バルク材料の両端の面積が変化しない範囲の面圧で金属バルク材料を電極で挟んだ状態で開始されることを特徴とする請求項３に記載の金属バルク材料の通電加熱成形方法。
【請求項５】
前記金属バルク材料の目標加熱状態が、前記金属バルク材料が所定の液相率となる半溶融状態であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の金属バルク材料の通電加熱成形方法。
【請求項６】
前記金属バルク材料が低電気抵抗材料であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の金属バルク材料の通電加熱成形方法。
【請求項７】
前記金属バルク材料がアルミニウム、マグネシウム、銅、チタンまたはこれらの合金であることを特徴とする請求項６に記載の金属バルク材料の通電加熱成形方法。
【請求項８】
あらかじめ金属バルク材料を目標加熱状態まで加熱するエネルギを決定する工程と、
前記金属バルク材料をスパークが発生しない範囲の面圧により複数の電極で挟んだ状態で、３０Ａ／ｍｍ２乃至１００Ａ／ｍｍ２の見かけの電流密度で５秒より短い時間に通電して前記エネルギと等しいジュール熱を金属バルク材料に発生する予め設定した電力量を投入する工程と、
通電により加熱中又は加熱された金属バルク材料を成形する工程と、
を有することを特徴とする金属バルク材料の通電加熱成形方法。
【請求項９】
金属バルク材料を通電により加熱して成形する装置であって、相対向して昇降可能に配設された前記金属バルク材料を挟むと共にこの金属バルク材料に電気を供給する複数の電極と、
この複数の電極を相対的に昇降させかつこれらを加圧可能な昇降手段と、
この複数の電極に予め決定された所定電圧で所定時間に通電して所定の電力量を投入する電力量投入手段と、
を具備することを特徴とする金属バルク材料の通電加熱成形装置。
【請求項１０】
前記電力量投入手段は、通電時の電流と電圧を測定し実際に投入される電力量を演算し、予め決定・設定した電力量に達した時点で回路が切断される構造であることを特徴とする請求項９に記載の金属バルク材料の通電加熱成形装置。
【請求項１１】
前記電力量投入手段は、タイマーで通電が入切断できることを特徴とする請求項１０に記載の金属バルク材料の通電加熱成形装置。
【請求項１２】
前記電力量投入手段は、金属バルク材料を目標加熱状態まで加熱するエネルギを決定する決定手段を具備していることを特徴とする請求項１０から請求項１１のいずれか１項に記載の金属バルク材料の通電加熱成形装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属バルク材料の通電加熱成形方法およびその装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
近年、材料供給を容易にするため、金属バルク材料の通電加熱成形方法が開発されている。例えば、金型内で通電加熱を用いたアルミ合金の半溶融成形が試みられている（非特許文献１参照）。
【０００３】
【非特許文献１】
日本機械学会、第８回機械材料・材料加工技術講演会講演論文集、２０００年１１月２７日、ｐ．３８３−３８４
【０００４】
しかしながら、この論文に記載された通電加熱方法では、成形中に素材と金型の絶縁状態が悪化し、素材が十分加熱されず、金型による冷却が生じ、未充填部や割れが生じている。
【０００５】
【解決しようとする課題】
本発明は上記の問題を解消するために成されたものである。本発明の目的は、迅速で安定した成形ができる金属バルク材料の通電加熱成形方法及びその装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の金属バルク材料の通電加熱成形方法は、
あらかじめ金属バルク材料を目標加熱状態まで加熱するエネルギ（以下、エネルギ又は電力量という）を決定する工程と、前記金属バルク材料を複数の電極で挟んだ状態で、電圧及び電流を所定時間通電して前記エネルギと等しいジュール熱を金属バルク材料に発生する電力量を投入する工程と、通電により加熱中又は加熱された金属バルク材料を成形する工程と、を有することを特徴とする。
【０００７】
すなわち、本発明の金属バルク材料の通電加熱成形方法は、金属バルク材料を通電加熱させて成形するときに、極めて短時間に確実に加熱すること可能にしたものである。
本発明は、金属バルク材料の目標加熱状態まで加熱する時間を極力短くするために、金属バルク材料や金型の温度を計測しその計測値をフィードバックして電圧や電流を変えて昇温する方法を採用していない。本発明は、予め目標加熱状態まで加熱させる必要エネルギを予め決定し、この決定されたエネルギを調整された電流及び電圧で短時間に投入する方法を採用する。
本発明によれば、金属バルク材料が極めて短時間に確実に目標加熱状態になるため、加熱中の電極や型による冷却・放熱を極力抑えることができ、安定した成形ができる。
ここで極めて短時間とは、金属バルク材料の材質や熱容量などにより異なるが従来の半分以下の時間である約２０秒以内の短時間である。更に条件により５秒よりも短くすることも可能である。
【０００８】
本発明の前記電力量を投入する工程は、３０Ａ／ｍｍ２乃至１００Ａ／ｍｍ２の見かけの電流密度で短時間通電して前記エネルギと等しいジュール熱を金属バルク材料に発生する電力量を投入することが、より好ましい。通常、低電圧及び高電流での通電になる。
ここで、３０Ａ／ｍｍ２乃至１００Ａ／ｍｍ２は見かけの電流密度であり、実質接触面積で除すると、１８０Ａ／ｍｍ２乃至３００Ａ／ｍｍ２ の実質電流密度となる。より好ましくは、２２０Ａ／ｍｍ２乃至２８０Ａ／ｍｍ２ の実質電流密度である。このときの低電圧としては２０Ｖ以下、好ましくは１０Ｖ以下の電圧である。
また、本発明の前記電力量を投入する工程は、スパーク（火花放電）が発生しない範囲で金属バルク材料を電極で挟んだ状態でなされることが好ましい。
スパークが発生して局所的な過大な電流密度が生じると、金属バルク材料と電極の溶着を生じるからである。スパークを抑えるためには、例えば、金属バルク材料の上下端が電極に均一に密着している状態が必要である。そして、この状態を確保するような面圧が少なくとも必要である。
【０００９】
このスパーク状態を検証するため、異なる平均面圧での金属バルク材料としてアルミニウム合金の１辺１０ｍｍの正方形、２０ｍｍ高さの四角柱を用い、その中心の温度を計測した、通電加熱による温度変化の実験結果を図１に示す。アルミニウム合金の組成を表１（後述）に示す。図３（詳細は後述）に示すように、通電はステンレス製（ＳＵＳ３０４）の仲介部材を介した複数の銅製の電極を用いた。
また、電力量投入手段として、電源の出力インピーダンスは約１ｍΩ、１次側のタップ切り替えで６Ｖ、８Ｖ、１０Ｖを選択できるように構成した。本実験において、電圧は１０Ｖとした。
図１において、面圧を９．８ＭＰａ、１９．６ＭＰａ、２９．４ＭＰａに変えて、２秒間以内に２０ＫＪの電力量を投入したところ、面圧が最も低い９．８ＭＰａにおいてのみスパークが観察された。すなわち、通電当初、いずれの面圧でもスパークは生じなかったが、面圧が低い場合には、電極と金属バルク材料の接触状態が損なわれ、スパークが発生して局所的な過大な電流密度による金属バルク材料と電極の溶着が生じた。したがって、この条件においては１９．６ＭＰａの面圧が必要であった。２９．４ＭＰａの面圧でも溶着は生じなかった。なお、下に向けられた矢印↓は、通電完了時を示す。
【００１０】
また、ジュール熱は電流の二乗に比例することから、電気抵抗が一定であれば、高電流であるほど短時間にジュール熱が発生し電力量を短時間に投入できる。
よって、電力量を投入する工程は、スパークが発生しない範囲で金属バルク材料を電極で挟んだ状態でなされること、また、低電圧かつ高電流で極めて短時間の通電をすることが好ましい。しかも、その投入エネルギは、予め決定された電力量であることから、簡単にかつ確実に投入電力量の制御が可能である。なお、低電圧であることから感電せず、安全上のメリットもある。
【００１１】
本発明における金属バルク材料の目標加熱状態は、前記金属バルク材料が所定の液相率となる半溶融状態とすることができる。
本発明において金属バルク材料の目標加熱状態により、面圧の上限が決まってくる。すなわち目標加熱状態により、液相率が変化し、金属バルク材料の軟化度合いが決まる。そして、金属バルク材料を電極で挟んだ状態で一定面圧の場合、金属バルク材料の断面積が変化する割合は大きく変化するからである。
この入熱量（投入電力量）制御により液相率の制御が可能であることを示す模式図を図２に示す。条件は図１と同じであり、図２（イ）は状態図の概略図を示す。図２（ロ）は入熱量と温度の関係図を示す。  図２（ハ）は液相率と温度の関係を示す。図２（ニ）は入熱量と液相率の関係を示す。
図２（イ）、図２（ロ）、図２（ハ）、図２（ニ）において、温度制御が困難な材料でも入熱量により液相率が制御できることが明らかである。すなわち、図（ロ）と図（ニ）において、液相率は入熱量に１対１に対応するからである。これに対して、図（ハ）から明らかなように、液相率は温度に１対１に対応せず、制御が困難である。
【００１２】
そして、金属バルク材料を電極で挟んだ状態で一定面圧として目標加熱状態の液相率が高過ぎる場合で、かつ、面圧が高すぎるときには、金属バルク材料の軟化が大きくなり、金属バルク材料の断面積が変化する割合は大きく変化する。この結果、特に金属バルク材料の上下端の面積が大きくなり、抵抗が小さくなり電流密度が小さくなるため、投入した電力量が効率よくジュール熱にならない。
【００１３】
したがって、目標加熱状態は金属バルク材料が半溶融の液相率に対応したエネルギが必要である。また液相率に応じた面圧であることが好ましい。この場合、面圧は少なくとも金属バルク材料の両端の面積が大きくならない範囲であることが望ましい。つまり、液相率が０．５である場合には、金属バルク材料の両端の面積が変化しない範囲の面圧で金属バルク材料を電極で挟んだ状態で開始されることが望ましく、液相率の増加に伴い面圧を低くすることが好ましい。
【００１４】
なお、本発明において、金属バルク材料より高電気抵抗性および低熱伝導性で高融点を有する仲介部材を介在させて電極により挟持して金属バルク材料に電圧を印加するようにしてもよい。例えば、電極の先端にステンレス鋼をクラッドした銅電極が採用できる。なお、電極及びクラッドされる仲介部材は少なくとも中央部が金属バルク材料に均一に押圧される形状であることが好ましい。
仲介部材を介在させて金属バルク材料を通電加熱した場合には、金属バルク材料は、通電加熱された仲介部材自体の熱によっても加熱されながら通電加熱されるため、より短時間に加熱されることとなる。
【００１５】
また、本発明の金属バルク材料の通電加熱成形装置は、相対向して昇降可能に配設された前記金属バルク材料を挟むと共にこの金属バルク材料に電力を供給する複数の電極と、この複数の電極を相対的に昇降させかつこれらを加圧可能な昇降手段と、この複数の電極に予め決定された所定電圧、所定電流及び所定時間に通電して所定の電力量を投入する電力量投入手段と、を具備している。
本発明によれば、金属バルク材料を通電加熱して成形するにあたり投入電力量を予め設定し、投入電力量を制御する電力投入手段を具備しているため、極めて短時間に確実に加熱することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
必要なエネルギの決定は、例えば、金属バルク材料を目標加熱状態まで加熱するエネルギを、成形対象の金属バルク材料の抵抗値、体積、融点、加熱効率等から、算出する。また、予め予備実験により複数の投入電力量で実際に加熱成形した結果を用いて最適値を決定してもよい。
本発明において金属バルク材料は、低電気抵抗材料、特に、アルミニウム、マグネシウム、銅、チタン等またはこれらの合金が好適である。
また、本発明において仲介部材は、例えば、ステンレス鋼、チタンのように、電気抵抗が大きくかつ熱伝導率が小さい性質を有する材料から成るものが好ましい。なお、チタン又はチタン合金は、加熱成形対象の金属バルク材料及び仲介部材として使える性質を有している。
【００１７】
【実施例１】
以下、本発明を適用した実施例の装置の一つとして実験装置について図面に基づき詳細に説明する。図３は本発明の実験装置を示す。図３において、本装置には、金属バルク材料１を挟む対向する２個の電極４・５が相対向して昇降可能に配設されている。この電極４・５は、窒化珪素製の円柱空間を有するコンテナＫ内で前記金属バルク材料１に電気を供給する仲介部材２・３を介して設けられている。
【００１８】
また、この２個の電極４・５を相対的に昇降させかつこれらを加圧可能な昇降手段としての油圧シリンダ６・７を圧盤を介して具備している。そして、前記２個の電極２・３に予め決定された所定電圧（電流は金属バルク材料により決定される）で所定時間に通電して所定の電力量を投入する電力投入手段８と、を具備している。なお圧盤は純銅製を用いた。
【００１９】
また、前記電力量投入手段８は、通電時の電流と電圧は同時に測定し、乗算器、積分器を通じて実際に投入されるエネルギ（電力量）を決定し、予め設定した電力量に達した時点で回路が切断される構造となっている。
また、予め設定した電力量を投入するため、比較器を用いることなく、タイマーを利用して電力投入を入切断することで、より簡便に制御することもできる。
【００２０】
このように構成したものは、まず、金属バルク材料の抵抗値、体積、融点等から、必要な投入エネルギ（電力量）を算出する。次いで図３に示すように、油圧シリンダ６・７を伸長作動して、仲介部材２・３を介在させて２個の電極４・５により金属バルク材料１を加圧しながら挟持した状態で、電力投入手段８から低金属バルク材料１に電圧を印加する。すなわち金属バルク材料１としてのアルミニウム合金ビレット（１辺１０ｍｍの正方形、２０ｍｍ高さの四角柱、組成は表１（後述））を、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）ディスクを介して電極で挟み、商用交流電流を、６Ｖ乃至１０Ｖの低電圧で、最大３０ｋＪの電力量を、瞬間的（５秒より短い時間で）に投入する。なお、電流は約８０００Ａであった。見かけの電流密度は８０Ａ／ｍｍ２ で、実質接触面積は、ビレット底面積の１／３であるため、実質電流密度は２４０Ａ／ｍｍ２ であった。
そうすると、金属バルク材料１は通電加熱された仲介部材２・３自体の熱によっても加熱されながら通電加熱される。
【００２１】
このように、金属バルク材料の抵抗値、体積、融点等から、必要な投入エネルギを予め計算し、その電力量を投入するため、短時間であっても、金属バルク材料の目標加熱状態、例えば、液相率が０．６の半溶融状態まで正確に加熱することができる。
【００２２】
次いで、所定電力量を投入した直後に、所定の液相率の半溶融状態となった金属バルク材料を、更に油圧シリンダ６・７により加圧成形する。例えば、製品形状に合わせて１０ＭＰａ以上の圧力で加圧し成形する。
【００２３】
なお、本実施例では、所定電力量投入直後に加圧をしたが、通電と同時に成形加圧力を加えてもよい。
【００２４】
【実施例２】
金属バルク材料の通電加熱成形の実験装置を用いて異なる投入電力量での成形の実験をして、あらかじめ金属バルク材料を目標加熱状態まで加熱するエネルギを決定する工程の実験の結果を次に示す。図４は、実験装置の模式図を示す。図４において、金属バルク材料１を挟む対向する２個の電極４・５が相対向して昇降可能に配設されている。この電極４・５は、窒化珪素製の円柱空間を有するコンテナＫ内で前記金属バルク材料１に電気を供給する仲介部材２・３を介して設けられている。２個の仲介部材２・３は、金属バルク材料１の製品の外形の一部に近似するキャビティを備えている。その他の条件は、図３と同じである。また、金属バルク材料として組成が表１であるアルミ合金（Ａ３５７）を用いた。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
投入電圧１０Ｖで投入電力量を３０ＫＪ、３５ＫＪ、４０ＫＪ、４５ＫＪとして半溶融成形を試みた。ここで通電加熱の当初の面圧を１９．６ＭＰａ、目標加熱状態に加熱された後の成形時の面圧を４９．０ＭＰａとした。
投入電力量４０ＫＪでは変形した金属バルク材は型に充満していた。３０ＫＪ及び３５ＫＪでは入熱不足であり、金属バルク材は型に充満していなかった。４５ＫＪでは投入電力量が多すぎ過剰に生成した液相が型の隙間から流出した。そして、投入電力量は４０ＫＪが最適であると決定した。
次いで、金属バルク材料を２個の電極で挟んだ状態で、電圧及び電流を調整して所定時間通電して前記エネルギと等しいジュール熱を金属バルク材料に発生する電力量を予め決定した投入電力量４０ＫＪまで投入したところ、安定した半溶融成形ができた。
【００２７】
更に、本発明の方法及び装置を用いて異種金属を成形と同時に接合することも可能である。
【００２８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の金属バルク材料の通電加熱成形方法は、あらかじめ金属バルク材料を目標加熱状態まで加熱するエネルギを決定する工程と、前記金属バルク材料を複数の電極で挟んだ状態で、電圧及び電流を所定時間通電して前記エネルギと等しいジュール熱を金属バルク材料に発生する電力量を投入する工程と、通電により加熱中又は加熱された金属バルク材料を成形する工程と、
を有することから迅速で安定した成形が短時間にできる。
【００２９】
また、本発明の金属バルク材料の通電加熱成形装置は、相対向して昇降可能に配設された前記金属バルク材料を挟むと共にこの金属バルク材料に電気を供給する複数個の電極と、この複数個の電極を相対的に昇降させかつこれらを加圧可能な昇降手段と、前記複数個の電極に予め決定された所定電圧、所定電流及び所定時間に通電して所定の電力量を投入する電力投入手段と、を具備していることから、極めて短時間に確実に加熱することができ、迅速で安定した成形ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】異なる平均面圧での金属バルク材料を通電加熱した温度変化の実験結果である。
【図２】入熱量制御により液相率の制御が可能であることを示す模式図である。
【図３】本発明の一実施例の金属バルク材料の通電加熱装置を示す模式図である。
【図４】本発明の別の実施例の金属バルク材料の通電加熱装置を示す模式図である。
【符号の説明】
２；３  仲介部材
４；５  電極
６；７  油圧シリンダ
８      電力量投入手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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