板鍛造による異種金属積層板作製プロセスの開発	 
名古屋大学大学院	  工学研究科助教	  石黒太浩
（平成 24 年度奨励研究助成 AF-2011033）

キーワード：接合プロセス，軽量化，異種金属

１．研究の目的と背景	 

このプロセスではリベットの様な特殊な形状の助材を使	  環境問題への取り組みとして，自動車を始めとした輸用せず素板および単純形状助材の塑性変形だけで結合さ送機器の車体軽量化が急務である．鋼部材を軽金属材料せるため，素材板厚に応じたリベット形状の最適化も必に置換することで軽量化の実現が図られているが，コス要としない．また溶接や摩擦撹拌接合のように熱を必要ト面，強度面においてのリスクも無視できないため鋼製としないため入熱による材質の変化を回避することがで品の使用率は依然として高いままである．そこで異種金きるため効率の良い接合が期待できる．本研究では提案属を接合し一つの部品の中で材料特性に傾斜を持たせ，したプロセスにおいて工具形状を検討し，より強固な接強度が必要な部分には鋼を，そうでない部分にはアルミ合が得られると考えられる条件を解析的に決定した．	 などの軽金属材料を用い，材料選択を適材適所行うこと	 で軽量化と強度維持を同時に実現しようとする動きが活発化しつつある 1-3)．異種金属の接合技術として溶接などの原子的結合と，リベットなどを用いた機械的結合があるが，Al と鋼の場合一般的に溶接が困難である．その理由として接合部に生じる金属間化合物が脆いために，溶接部で割れが生じてしまうことが挙げられる 4)．またリ
ベットなどを用いた助材結合方式の場合，目的寸法に応じて助材形状の最適化が必要であったり，助材挿入用の２．研究概要	 	  本研究で検討したプロセスでは，決定すべき金型形状因子は数多く存在する．また金型形状以外にも決めるべき加工条件は種々考えられ，それらの条件を個別に調整するのは非効率である．そこで本研究では実験計画法 5)に基づき工程設計の効率化を図った．本章ではその手順について述べる．	 

下穴が必要であるため，被加工材質および目的形状に応	  2.1	  工具形状と直行表への割付け	 じた予備工程が必要である．効率よく積層板を供給する	  本研究ではまず，図 2 で示される工具の形状因子につためには，簡易的かつ強固な接合強度が得られるプロセいて検討した．また，加工条件として潤滑条件，上下のスが望まれている．そこで本研究では塑性加工を利用し材質，助材形状も検討項目とした．それらの制御因子にた異種金属，特にアルミと鋼を機械的に結合させた積層

関して表 1 に示すような水準を設定し L18 直行表 5)に基づ板材の作製プロセス開発を行った．検討したプロセスのいて 18 個の解析条件を決定した．直行表に割付けた解析概略を図 1 に示す．第一工程として，重ねた 2 枚の帯板条件を表 2 に示す．表 2 を見ると制御因子 A 以外の形状に絞り加工を施し接合部の予加工を行う．次の第二工程因子の水準が 3 回ずつ解析条件に組み込まれていること

では予加工部に助材を設置し，絞りとは逆方向に圧縮をが分かる．実験計画法によれば，このような直行表によ行い，その時の材料の座屈を利用して積層鋼板の接合部る割付けを行った場合，全ての組合せを確認すること無を形成する．	 

く，各因子の相互関係や最適解の決定が可能である．	 	  2.2	  SN 比と最適形状の決定	 	  出力した結果に応じて各解析条件における SN 比を算出し，形状因子の水準に関する SN 比を平均したものを求める．検討したプロセスにおいて成形が完了した後，上材と下材の幅方向接触長さが大きいほど接合は強固にできると考えられるため，本研究では評価因子として図 3で定義した接合部長さ L を出力結果として取り扱った．	 

図１	  接合プロセスの概略図	 

この場合は望大特性であるため，各条件における SN 比 ηは(1)式で求めることが出来る．	 

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表１	  工具の形状因子（制御因子）	 	 	 (a)工程１における工具形状因子	 	 	 (b)工程２における工具形状因子	 
図２	  各工程における工具の形状因子	 	 	 図３	  結合の評価パラメーター	 

表２	  L18 直行表に基づいた解析条件の割付け（制御因子の列は表１における水準を意味する）	 	 	 	  η = 10 ⋅ log

1	 
L2行う場合，本来ならば誤差因子も考えなくてはならず，(1)	 (1)式には誤差分散の項が含まれるのが一般的であり，本研究においての誤差因子は，試験片の切り出し方向や素制御因子の各水準における平均 SN 比を算出し，その値が材形状のばらつきなどが考えられる．しかし今回の解析最も大きくなるような組合せが最適な工具形状といえる．	 

的な検討でそれらの誤差因子を表現するのは困難である	  品質工学において直行表と SN 比を用いた工程設計をため，本研究では誤差因子を一切排除した条件で行った．	 

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３．解析条件	 

これは図５(d)の摩擦係数の結果においても同様のこと	  工具形状に関する解析条件の決定方法は２章で述べたがみられる．これらの制御因子については交互作用があ通りである．ここではその他の解析条件について詳細をると考えられ，他の因子の設定値に応じて適した値が変述べる．シミュレーションソフトには DEFORM-2D を用い，わりうることを示している．パンチ幅の結果については平面ひずみとした．素板は上下材ともに板厚 1.6mm，幅わずかに谷型の傾向を示しているものの，SN 比に大きな150mm であり工具-上材，工具-下材および上材-下材間の違いは無いため影響は小さいと考えられる．以上より全摩擦係数は表 1 に従って設定した．材料の組合せとしてての制御因子について SN 比が最も大きかった水準を組鋼には S10C を，アルミには A6061 を想定し，変形抵抗はみ合わせた条件を最適形状と仮定し，接合部長さの評価

DEFORM のデータベースを参照した．助材は A1070 相当のと変形過程を検討した．	 

材料定数を用い，金型は全て剛体，被加工材は全て剛塑性体とした．第二工程では帯板の両端を拘束し，幅方向へ材料が滑らないようにした．被加工材の奥行き方向は50mm を想定し，第二工程の荷重が 300kN に到達した時点で解析を終了し，図３で示した L から SN 比を算出した．
助材の高さは表１で示した通りであるが，幅は第一工程のパンチ幅 Wp と同じ値で設定した．	 	 

４．結果および考察	 	  4.1	  平均 SN 比の算出	 	  表２で示された全ての解析条件について SN 比を算出した結果を図４に示す．SN 比が大きいほど接合部長さ Lが大きいことを意味し，強固な締結ができていると考えられる．次に各因子における水準ごとの平均値を算出した結果を図５に示す．この図の見方について，例えば制御因子 B（パンチ幅）の水準 1（6mm）の場合，解析条件の 1〜3 および 10〜12 に割付けられているので，その全ての条件の SN 比を平均したものが制御因子 B の水準 1 における平均 SN 比となる．まず図５(a)を見ると，ダイス	 肩半径および助材高さは水準が大きいほど，すなわち制御因子の値が大きいほど小さな SN 比を示している．(1)

図５	  各制御因子における平均 SN 比	 

式は望大特性であり SN 比が大きいほど最適形状に近いと考えられるため，これらの因子は水準 1 が適しているといえる．次に図５(b)を見ると水準が大きいほど SN 比は大きくなる．押込み高さの SN 比は水準 2 から 3 にかけてわずかに減少しているものの数値としては小さいため，これらの制御因子は値が大きいほど望ましいと考えられる．図５(c)においてダイス幅の SN 比をみると水準 2 が最も高く，単調増加もしくは単調減少の傾向を示していない．	 	 	 4.2	  最適形状の検証解析	 	  図５において平均 SN 比が最も大きくなる組合せで解析を行った結果を図６に示す．この結果では結合部長さL=5.84mm（SN 比=15.3）となり，図４で示したいずれの条件よりも大きな値を得ることができた．そのため，本研究で行ったように，実験計画法に基づいた金型形状の設計は有効であることを示唆していると考えられる．	 	 	 	 	 図４	  解析条件ごとの SN 比算出結果	 

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図６	  最適形状での最終結合部形状	 

	  しかしながら図６中で示したように結合部に空隙が残	  そのため，助材が据え込まれて下材内部に充満しても，る結果となってしまった．この原因について考察するた空隙が残ったままになってしまうことが分かった．今回

めに第二工程中の被加工材の変形について条件５の結果の解析では助材の幅についての検討は行っていないが，と比較を行った．第二工程における各条件での変形の様今後は制御因子として追加し，空隙が生じずなおかつ SN子を図７に示す．本プロセスにおいて結合部は次のよう比が高くなるような加工条件を検討することが必要であに形成される．まずパンチの降下にともなって，第一工る．またここまでの研究では，接合の評価に接触部長さ程で絞り加工された材料が圧縮され，板が立ち上がったを用いているが，本来ならば接合強度で評価を行うのがような形状になる．そのまま圧縮が進むと材料は座屈し妥当である．解析的に工具形状を決定した後に，金型を始め折り重なった形状になる．その後，助材の A1070 が作製し実験的な調査，および接合強度の評価によるプロ据え込まれるとともに下材の内部に充満し，下材の変形セス設計を行う予定である．	 

を抑制することで最終的に結合部の成形が完了する．空	 隙が生じなかった条件５の過程をみると，座屈が生じ始

５．まとめ	 めた時に下材と助材がすでに接触しており，下材の内側	  鋼とアルミニウム合金の機械的な接合を行うプロセスへの流入を抑制していることが分かる．そのため，図中を確立することを目的として，工具形状の最適化を解析の円囲みで示した部分が閉じる前に上材が流入すること的に検討した．種々あるパラメーターの組合せを効率よができるため空隙が生じることなく成形が行えたと考えく組合せるために実験計画法に基づいた直行表の割付をられる．一方 L が最も大きくなるように決定した条件の行い，結果の評価には SN 比を用いた．接合部における両場合，座屈が生じた時に下材と助材が接触しておらず，材の幅方向接触長さを評価因子とした場合，SN 比が最も下材が内側へ流入してしまい，下材の折れ込みによって大きくなるような組合せで成形を行うと，結合部の接触上材が外側へ押出される状況になっていた．	 	 

幅も長くなるため，本研究で行った実験計画法による工程設計の有用性が確認された．一方で，最適形状で成形した場合，接合部長さは大きくなるものの空隙が残存する結果となってしまった．これは助材の幅を制御因子として検討していないためであると考えられる．今後は助材長さを制御因子として加え，空隙が残らずなおかつ接合部が長くなる加工条件を探る予定である．また実験により接合強度の評価も行っていく予定である．	 	 

謝辞	 	  本研究は公益財団法人天田財団平成 24 年度奨励研究助成（AF-2011033）の支援により遂行された．ここに謝	 (a)	  解析条件５の結果意を表す．	 	 参考文献	 
1)

T.	 Ishikawa,Y.	 Yoshida,	 N.	 Yukawa,	 M.	 Kamiyama,	 
H.	 Ogitani,T.	 Suganuma:	 Steel	 research	 
International,	 81-9	 (2010),	 322-325.	 

2)

T.Matsubara,K.Yasui,Y.Yoshida,Z.G.Wang,T.Ishi
kawa,T.Suganuma:	 Materials	 Research	 Innovations,	 15	 (2011),	 443.	 

3)

安部洋平・加藤亨・森謙一郎：塑性と加工，52-603	 
(2011),	 419-423.	 

4)

及川初彦・斉藤亨・吉村尚・永瀬隆夫：鉄と鋼,	 83-10	 
(1997),	 629-634.	 

5)	 	 (b)	  最適形状での解析結果	 
図７	  第二工程における結合部成形過程	 

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矢野宏：加工品質工学,	 (1994),	 工業調査会