Report
超軽量構造用マグネシウム合金押出し材の超軽量構造用マグネシウム合金押出し材の
ミクロ組織とプレス成形性に関する基礎研究
ミクロ組織とプレス成形性に関する基礎研究
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長谷川*
長谷川収収O. Hasegawa
１．まえがき 既往の研究  により，マグネシウム合金 $= 押出し角

 地球環境の保護・省資源の目的から，エコカーなど輸送管と強度が同等のアルミニウム合金 $7 押出し角用機器の低エミッション化・軽量化が世界規模で進められ管を一定の長さに切出し，長手方向に対して圧縮する実験ており，省エネルギー化と，材料リサイクルの推進が強くを行なった結果，$= 合金は，$ 合金に対して変形エ求められるようになっている．軽合金材料の実用化例としネルギーがおよそ  程度であることがわかっている．実ては，車体の大半をアルミニウム合金で構成した乗用車が験に用いた押出し角管の機械的性質を表  に，変形エネル

少数ながら生産されており，日本の大手メーカーも高級乗

ギーを表  にそれぞれ示す．

用車の前座席の骨格に，鋳造のマグネシウム合金材料を採  押出し角管のミクロ組織とプレス曲げ加工性用したという事例がある．一方，構造用材料として高剛性 プレス曲げ加工における破断限界

化と軽量化が両立可能な「管材」を有効利用するための加既往の研究  により，$= 合金において，押出しの際工，すなわちチューブフォーミングは，塑性加工の分野での初期ビレット温度の違い（℃と ℃）により，機精力的に研究されている課題である．しかし，チューブフ械的性質が変化し，また曲げ加工した際のマグネシウム合ォーミング技術には生産性をいかに高めるかというとこ

金押出し管の大きな特徴である曲げの圧縮側での破断限ろに研究課題が山積している．

界が変化することが解っている．

マグネシウム合金材料はアルミニウム合金よりもさら

まず，ビレット温度が低い方が，強度的因子がやや高いに比強度を高め得るが，他の金属材料に見られるようなす傾向が見られるが，圧縮で高ひずみ速度の場合には，そうべりによる大規模な変形が生じにくいため，室温での塑性でない例も確認された73E と 73E と称するロット

加工は困難であり，加工技術としては鋳造が主流である．

を比較した場合がこれに該当する．

しかし，軽量な構造用材料，さらに衝撃吸収材料として鋳マグネシウム合金管材の曲げ加工において，曲げの圧縮造材よりも強度的に優れた展伸材の塑性加工性について側で破断するのは，圧縮側の変形抵抗が引張側に対して比も基礎研究を進めておく必要がある．

較的低いために中立軸が引張側に移動しやすく，圧縮側のひずみが増大することが原因であると考えているが  ，今申請者のこれまでの研究で，強度レベルの同等なマグネシウム合金押出し角管とアルミニウム合金押出し角管を，回の実験で用いた 73E と称するロットは，その引張り長手方向に対して直交する方向に圧縮変形をさせる際のと圧縮の変形抵抗差が小さく，同じ加工条件で曲げた際に座屈荷重や変形エネルギーを調べると，アルミニウム合金破断を生じなかった．曲げ加工条件を表  に示す．の方が  倍以上の値を示すことが明らかになっている．し マグネシウム合金押出し角管の (%6' 解析かし，押出し形材は横断面形状の設計自由度が高く，たと一方，マグネシウム合金の塑性変形能は，特に室温におえば角管の場合，横断面内にリブを加えたり，板厚に分布いては底面すべりに依存するため，ミクロ組織の影響を大を与えるといった断面形状の工夫を行えば，アルミニウムきく受けることが知られている  ．本研究に用いた上述の合金よりも軽量で，かつ座屈荷重の高いマグネシウム合金

材料はどのような組織をもっているのかを調べるため，角押出し形材が製造できる可能性がある．そこで本研究は，管から試験片を切り出し，(%6' 解析を試みた．

曲げ加工性が実験的に把握できているマグネシウム合金

  押出し角管の座屈荷重

押出し材料のミクロ組織を確認し，変形状態のコンピュー自動車のバンパーリインフォースメントへの適用を考

ターシミュレーションを試みることと，衝撃吸収能と曲げえると，変形エネルギーの大きさが重要であるが  ，軽量加工性を兼ね備えた横断面設計に指針を与えることを目化との両立を実現するとなると問題は複雑になる．本研究的とする．

では，角管の長手方向に対して垂直に圧縮した場合の座屈を扱う．

２．実験および解析方法

まず，角管の横断面は，実験に用いた正方形を基本とし，

  押出し角管の圧縮特性

内部にリブを加えて「日」型や「目」型のようにした場合

* 首都大学東京

東京都立産業技術高等専門学校

機械システム工学コース- 10 -教授表  実験に用いた $= マグネシム合金の機械的性質
引張り -,6% 供試材
73
73
73E
73E
圧縮
供試材
73
73
73E
73E) 値

&+6
PP・PLQ

Q値











03D

耐力σ03D

引張強さ
σ%03D



&+6
PP・PLQ耐力σ03D

圧縮最大応力
σ0$;03D







平均変形抵抗 W03D
（ひずみの範囲）
 ε：～  ε：～  ε：～  ε：～  ε：～  ε：～ 

平均変形抵抗 F03D
（ひずみの範囲）
 ε：～）
 ε：～  ε：～）
 ε：～）
 ε：～）
 ε：～  ε：～）
 ε：～ 

破断伸び


最大応力を示す際の
ひずみ  σ )εQ */ PP

表  角管の圧縮における変形エネルギー
条 件 $=

表  曲げ加工条件
パンチストローク数$7

角管を PP の長さに切出したものを平板で圧縮





角管を表  の条件で曲げ加工
したものを，パンチ肩半径   
PP のパンチで圧縮



Rp

パンチ半径

変形エネルギー  -/spm

60/mm

105

曲げ半径と角管横断面高さの比

4.0/°

45

目標曲げ角度角管と金型（拘束板）とのクリアランス/mm

0.5

ストロークは PP，&+6 PPPLQ


金型に塗布した潤滑油の動粘度 /mm2s-1を検討した．ここでは，座屈荷重を向上させることが変形630

エネルギーを高め得るという考え方に基づき，ジョンソンの式を用いて座屈荷重を推定した．その結果，角管の横断④面は，断面二次モーメントの高い，曲げの面に平行にリブという方法が考えられ，（２）については，

をもつ横断面は座屈荷重を向上させるよりも，重量を増加⑤

圧縮を受ける縦の面（ウエブ）の板厚を増す．

させてしまう傾向が強いことが明らかになった．一方，曲⑥⑤で，上下面に平行に，最小限の板厚のリブを  枚げの面に垂直にリブをもつ横断面の場合は座屈長さが短③でリブの板厚を増す．

追加する．

いため，座屈荷重の向上に有利であることが確認できた．

さらに，

座屈荷重の向上と，角管の単位長さ当たりの重量の低減⑦の双方を図る方法を以下に挙げる．

⑥でリブの板厚を増す．

以上の手順（図 ）で座屈荷重を推定した．

（１） 圧縮する板の高さ（座屈長さ）を低くする．

  数値解析

（２） 圧縮する板の断面積を大きくする（板厚を増 圧縮変形のシミュレーションす）．

角管の長手方向に対して垂直に圧縮した場合の変形状

 さらに，（１）は，態をシミュレーションした．解析に用いたソルバーは，①角管の上下面（フランジ）の板厚を増す．

/6'<1$YHU 5 である．

②

上下面に平行にリブを  枚追加し，その板厚を増す．

 横断面の最適化

③②で，最小限の板厚のリブの枚数を増す．

コンピューターシミュレーションにより，剛性を最大に- 11 -しつつ，質量を削減した際の横断面に形状がどのようなものになるかを，トポロジー最適化によって試みた．ソフト

ウエアは ,163,5( を使用した．





３．解析結果











D

D

座屈長さの低減と圧縮する板の板厚の追加

73 の極点図







E




ウエブの板厚・リブの数・リブの板厚の追加


図１ 座屈荷重の向上と，角管の単位長さ当たりの重量の低減の双方を図るための基本的な考え方
E

３．解析結果 の極点図
図  ビレット温度の異なる供試材の極点図 マグネシウム合金押出し角管の (%6' 解析まず，押出しの際の初期ビレット温度が ℃の 73と，℃の 73 の極点図を図  に示す．
$，$，$ はそれぞれ，角管横断面の高さ方向，幅方さらに，図  にはパターンが明瞭に出た 73E の結果を向，長手方向（押出し方向）である．両者を比べると，大示す．

きな違いは見られず，どちらの材料も底面が押出し方向に

前述の材料と同様，F 軸は押出し方向に垂直な面内で回対して，やや垂直に傾いているが，F 軸は押出し方向に垂転しているが，底面はより押出し方向に垂直な方向を向き，直な面内で回転しているようである．ただし，どちらも特に  の面が押出し方向を向いているようである．

(%6' の測定でパターンが不明瞭なところも多く，粒内のこの供試材は，特に (%6' のパターンが鮮明に得られて微小方位差が大きい．従って，粒内に生じているひずみがおり，結晶粒内の方位差は少なかった．従って，図  に示大きいものと考えられる．

した材料よりは粒内のひずみが小さかったことが考えら- 12 -

れ，押出し温度の条件が近いものであっても，曲げの際に生じる圧縮応力の作用する方向に対して，底面がより垂直方向を向いている材料は圧縮側に生じる変形が抑えられ，破断しにくい材料となることが示唆される．


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
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
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（a）断面形状
図  73E の極点図 マグネシウム合金押出し角管の圧縮変形解析と座（b）総質量 

屈荷重)(0 解析により，比較材のアルミニウム合金角管よりも，単位長さ当たりの質量が 小さい，リブを  枚もつマグ
ネシウム合金角管は，アルミニウム合金角管に対して の座屈荷重が得られた．
また，ジョンソンの式による解析では，曲げの面に垂直に複数のリブをもつ横断面の場合は座屈長さを短かくできるため，座屈荷重の向上に有利であることが確認できた．
（c）総質量 図  横断面形状最適化の例












図  は，横軸に比較材のアルミニウム合金角管（正方形断面）に対し，横断面内部にリブを加えたマグネシウム合



金角管の単位長さ当たりの質量比 UP を横軸にとり，縦軸にジョンソンの式で求めた座屈応力を示したものである．
 例えば，板厚 PP のリブを  枚加えると，重量が 以上
図  種々の断面形状，板厚分布による座屈応力低減でき．座屈応力は 近くにまで近づけられることがわかった．

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 マグネシウム合金押出し角管の横断面の最適化謝 辞

縦の板に，弾性限度の応力レベルが発生するよう角管長

 本研究では，公益財団法人天田財団からの一般研究助成

手方向に対して垂直な荷重を設定し，剛性を最大化した上，により，これまで遅れていた材料のミクロ組織の観察，結設計領域（内側の茶色の部分）の質量を ％まで減じる

晶方位解析，コンピューターシミュレーション技術といっことを目標値とした解析を行った事例を示す．

た分野に新たに挑戦することができました．心から御礼申初期断面（図  D ）は，リブが  枚，縦の板との境界し上げます．にはフィレットを設定した場合であり， E ， F はそれぞれ，総質量が ，となるよう，設計領域の材料を削参考文献減したものである．片側のフィレットは残しつつ，リブの板厚が削減されていく様子が観察できた．


長谷川一樹：平成  年度都立高専卒業研究．

2+DVHJDZDHWDO3URFWK,&73  ４．結びSSマグネシウム合金押出し材の組織については，押出し条件の違いが明確にできておらず，曲げ加工の際の圧縮側でSSの破断限界の高い材料の押出し条件を探求する必要があ

鎌土重晴：マグネシウム合金の成形加工技術の最前線，

山下浩之，平野正和：軽金属学会第  回春期大会講る．

 SS，シーエムシー出版．

耐座屈性の高い横断面形状の設計は，最適化ソフトウエ
アと )(0 解析を併用し，より良好な解が得られるよう繰り返し計算をしていくことが今後の課題である．

長谷川収ほか：塑性と加工   9RO1R

概SS

- 14 -