Bulletin of the JSTP vol. 3 no. 36（2020―12）

技術開発賞 中小企業

解 説735

受賞解説

局所加熱コイルによる高周波誘導加熱を利用した高速温間絞り工法の開発
T. ISHIZAKI

N. SHINOMIYA

M. MORIMOTO

T. AIKAWA

K. MIYAZAKI

N. SHIRAKAWA

1.

Development of Highly Productive
Warm Drawing Using HighFrequency Induction Heatingwith Ring Shaped Heating Coils
石崎相川泰造*
孝史*

はじめに

2.

四宮
宮崎徳章**
浩司*

森本白川貢*

信彦**

開発の狙いとその背景

深い容器形状を成形する場合，絞り加工では多工程を経オーステナイト系ステンレスは，高強度，高耐食性の特て徐々に深く成形している．一方，温間絞り工法は，絞り性から幅広いニーズがあり，その深絞り加工品は，電子部変形の大きいフランジ部のみを加熱し，フランジ部の流入品，自動車関連部品等，様々な製品で使用されている．ま抵抗を下げることで，一工程で深い成形品を得られる工法

た，最近では車載システム用電池筐体の材料としても検討

1)である ．渡部は，SUS304 の温間絞りを行っており，90されている．

℃で限界絞り比 3.0 と大幅な成形限界の向上を達成していしかし，オーステナイト系ステンレスは，加工硬化が大る2)．また，Kotkunde らは，オーステナイト系ステンレス

きいため，深絞り加工ではフランジ部の変形抵抗の増大が（ASS）の温間絞りを行っており，ASS-304 および ASS-316

問題となる．そのため，多工程の深絞り加工の場合，通常

3)とも温間絞りを行うことで限界絞り比を向上できている ．の冷間加工では非常に多くの工程数を要する．さらに，場非鉄金属では，チタン合金 Ti-6Al-4V，マグネシウム合金合によっては中間焼鈍の工程が設けられることから，生産AZ31，アルミニウム合金 A5052 および A5182 の温間絞り性が落ち，生産コストが増大する．一方で，従来から用いが行われており，いずれも限界絞り比の向上に成功していられている温間絞り工法では，成形性が向上するので，工る

4)∼6)

程数が少なくなり，中間焼鈍も不要となるが，1 個当たり．

このように，温間絞り工法はさまざまな材料の限界絞り10∼20 秒もの時間を加工に要するため生産性が低い．そ比の向上に有効な加工法である．しかし，例えばオーステ

こで，オーステナイト系ステンレスの多工程深絞り加工に

ナ イ ト 系 ス テ ン レ ス の 温 間 絞 り 工 法 で は，1 個 当 た り

対して高い生産性を達成できる温間絞り工法を開発の狙い

10∼20 秒の低い生産性であるため，プレス 1 機当たり月産とした．
従来の温間絞り工法の概念図を図 1 に示す．この工法は，100 万個といった大量生産が求められる製品には適用させ縮みフランジ変形によって加工硬化するフランジ部を，カがたい．

ートリッジヒータなどで加熱された金型からの熱伝達によ

これに対し当社では，2015 年度∼2017 年度に実施した戦略的基盤技術高度化支援事業において開発した高速温間絞り工法で 1.2 秒 / 個の連続生産を実現した．本工法は，従来工法の生産性をはるかに凌駕し，さらに，オーステナイト系ステンレスの絞り加工だけでなく，他の材料での絞りや曲げ，張出し，高張力鋼板のホットスタンピングにも適用できる技術だと考える．本技術から，特許第 6531265号，第 6531266 号を取得した．本報では，開発した高速温間絞り工法について説明する．
原稿受付 2020 年 7 月 21 日
* 石崎プレス工業㈱ 〒664-0842 伊丹市森本 1-98-2
E-mail: Taizo.I@ispress.co.jp** (地独)大阪産業技術研究所 和泉センター〒594-1157 和泉市あゆみ野 2-7-1

図113

従来の温間絞り工法（左：加工前，右：加工後）

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ぷらすとす（日本塑性加工学会会報誌）第 3 巻

第 36 号（2020―12）って昇温させて変形抵抗を下げつつ，割れの危険があるパンチ肩部の冷却により強度を保ち，成形性を向上させる工法である．搬送炉による板材の全体加熱ではなく，加熱された金型からの熱伝達によって板材の一部を昇温させることが一般的である．
しかし，このような従来の温間絞り工法では，金型からの熱伝達による間接加熱であるため，オーステナイト系ステンレスのような低熱伝導率の素材では加熱時間を長く設定する必要がある．それゆえ，非常に低速なプレス加工になっていた．これらのことから，金型からの熱伝達を用いた加熱では生産性の向上に限界があると判断し，新しい加熱方法を採用した技術開発を行った．

3.
3．1

図3

コイル材の加熱実験結果（サーモグラフィ画像）

高速温間絞り工法の開発
ース型9)での加熱を採用した．図 2 で示すように，フラン開発の方向性

被加工材に対する加熱方法として，従来の金型加熱によジ部の範囲に合わせたリング形状に加熱コイルを形成し，る間接加熱では，目指す水準の生産性の実現は難しいため，コイル材に平行に設置した．板厚 0.15 mm の SUS316 を直接加熱による方法を検討した．直接的に被加工材を加熱用いて加熱実験を行った．結果を図 3 に示す．白く映ってする方法のひとつとしては通電加熱があり，近年ホットスいる部分の温度は 130∼150 ℃程度である．図より，被加タンピングでの使用例が報告されている7)．しかし，この工部外周のフランジ部に相当する領域に限定して加熱でき通電加熱は電極間の板材全域を加熱する方法であるため，ることを確認した．

深絞り加工では，荷重負担部であるパンチ肩部も加熱によ

3．2 開発技術の概要

り板材強度が低下し成形性が損なわれる．よって，フラン開発した高速温間絞り工法を図 4 に示す．プレス機は連ジ部だけの局所加熱を可能にする加熱法の開発に取り組ん

続生産が可能なトランスファプレスを用いた．第一工程のだ．

二ピッチ前で高周波誘導加熱を行う仕様とした．第二絞り

さらに，生産性の向上には連続自動生産が求められるこ

以降の絞り工程では，絞り加工によって材料に生じる熱をとから，被加工材の加熱は，コイル材から切断した被加工フランジ部の昇温に積極的に活用するため，ダイの素材に材 1 枚ごとに行うのではなく，コイル材の被加工部に相当熱伝導率の低いサーメタル CT510（ダイジェット工業製）する領域の加熱とコイル材の自動送りを同期する方法を目を用いた．これにより，加工時の発熱が金型へ放熱するこ指した．とを抑制した10)．

この 2 つの条件を満たす方法として，高周波誘導加熱をプレス機に加熱コイルを取り付けたようすを図 5 および選定し，被加工材となるコイル材をリング状に加熱する方

図 6 に示す．加熱は，プレスの第一工程の前に行うことか法を検討した．通常，高周波誘導加熱で用いられるトンネら，第一工程のダイホルダ前面のコイル材直下に加熱コイ

8)

ル型あるいはチャンネル型 では薄板の加熱が難しいこと，ルを取り付けた．加熱による温度分布のバラツキを抑える

ならびに，部分的な加熱に向かないことから，トランスバには，加熱コイルとコイル材の間隔を一定に保つことが重要である．この間隔を 1 mm で維持するために，コイル材の加熱位置の前後左右 4 箇所を，駆動源にエアシリンダを

図2

被加工材の局部加熱方法

図414

高速温間絞り工法の概念図

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3．3 試作品の成形試作品としては，顧客から開発要求があった高アスペク
ト比の角缶（SUS316L，素材板厚 0.5 mm，外形 10 mm×40mm，深さ 50 mm）を選定した．
まず，SUS316L の引張強度の温度依存性を測定した．
結果を図 8 に示す．室温から温度が上昇するほど，耐力が低下し，100 ℃付近では 12 % 程度の耐力の低下が確認できた．この結果から，上記試作品の成形に本開発技術を適用できると判断した．
リング状の加熱コイルは，当初，被加工材のフランジ部に相当する外周全域を加熱する形状に設計した．しかし，成形シミュレーションおよび実験では，成形性向上の明確な効果を確認できなかった．要因を調べたところ，第一絞りは板厚方向に圧縮するしごきを含む変形様式であり，そ図5のしごきがあることによって成形性の向上が見込めないこ

プレス機に高周波誘導加熱コイルを取り付けた状態とがわかった．そこで，しごきを含む角絞りの成形性向上が見込める温度分布を，成形シミュレーションを用いて検討した．
温度分布を検討するにあたり，第一絞りは複数の曲率を組み合わせた楕円に近い形状となるため，短辺側と長辺側で絞り率の異なる成形様式であることに注目した．短辺側では絞り変形が大きいため，板厚が厚くなり，図 9 に示すように結果的にしごきが大きくなる．そこで，長辺側のみ加熱して，短辺側はあえて加熱しないという加熱方法により，長辺側の変形抵抗を低下させ，短辺側の絞り変形を長図6

加熱部拡大図用いた装置で固定した．加熱位置の上方には加熱温度とその分布状態をモニタ確認できるサーモグラフィを設置した．
高速で連続生産するには，加熱されるコイル材は自動送りでプレス機に供給されることが求められる．コイル材の自動送りに対しては，送り精度が確保される必要がある．
トランスファプレスでは，パイロットピンによるピッチずれの防止を行えないことから，送り装置の送り精度を抜き絞り工程まで確実に維持する技術が必要となる．この送り精度維持に対しては，送り装置から抜き絞り工程間のコイル材の張力を一定に保つパウダクラッチの取り付けなど，

図8

図 7 に示すライン構成によって実現した．

図7

自動送り材の送り精度を確保するライン構成

SUS316L 機械的性質の温度依存性測定

図915

長辺と短辺における絞り率の違い738

ぷらすとす（日本塑性加工学会会報誌）第 3 巻

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辺側にある程度負担させる部分加熱を考えた．図 10 に，成形品の最小板厚に及ぼす長辺側の加熱範囲の影響について，成形シミュレーションを用いて検討した結果を示す．
なお，成形シミュレーションには，Simufact Forming（MSC社製）を用いた．加熱範囲をパンチ外径からいずれの距離とした場合でも，加熱範囲の角度が 70° の条件で板厚が最も厚くなった．つまり，加熱範囲を適切に設定することで，縮み変形の大きい短辺側をあえて加熱しない方法で縮み変形を抑制し，成形性を向上できることを見出した11)．この温度分布を生成するために，図 11 に示すように短辺側の加熱コイルと被加工材の距離を大きくする形状を考案した．
図 12 には，得られた温度分布を，また，図 13 には加熱実

図 12

験時の被加工材の温度上昇を示す．図より，加熱開始 1 秒後には所定の温度まで上昇し，成形が開始となる 3 秒後ま図 10

サーモグラフィにより撮影した部分加熱時の素材の温度分

布最小板厚に及ぼす加熱範囲の影響

図 13

加熱時の温度変化

で，成形性向上に必要と考える 100 ℃以上に温度が維持されていることがわかる．次に成形性向上効果を確認するため，温間絞り加工の試作を行った．加熱範囲の角度は 70°とした．比較のため，加熱なしについても成形を行った．
第一工程成形品の板厚測定結果を図 14 に示す．両条件とも，肩 R から側壁縁にかけて板厚が増加することがわかる．
両条件を比較すると，75° 方向を測定した板厚分布では，部分加熱の側壁部の板厚が薄かった．また，45° 方向を測定した板厚分布では，部分加熱の側壁部の板厚が厚かった．
つまり部分加熱では，75° 方向については絞り変形にとも
図 11

なう増肉が小さく，45° 方向については絞り変形にともな

部分加熱の加熱コイル形状

16

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図 16739

50 spm で連続生産した各工程成形品

きるが，部分加熱では加熱をしない場合と比較して板厚減少を大きく抑えられており，本工法の有効性が確認できた．
3．4

生産実績

本技術は，加熱時間 1 秒の設定で図 16 に示すような八工 程（内，絞 り 七 工 程）の 角 絞 り を 50 spm（shots perminute）で連続生産することに成功しており，高速温間絞り工法を確立している．なお，加熱時間 1 秒に対して加工速度が 50 spm になるのは，連続生産時にはコイル材の送り動作の所要時間 0.1 秒と高周波誘導加熱の ON，OFF 切換の間，加熱停止が必要になるためである.

4.

おわりに高周波誘導加熱を用いた高速温間絞り工法について説明
図 14した．開発した高速温間絞りにより 1.2 秒 / 個の温間絞り成形品の板厚分布（第一工程）の連続生産を実現している．本工法により，従来の 1 個当たり 10∼20 秒もの時間を要していた温間絞り工法の生産
う増肉が大きいと考えられる．これらは，意図したとおり性を飛躍的に向上させた．高周波誘導加熱の加熱能力を上短辺側の絞り変形を長辺側にある程度負担させることがでげれば，さらなる高速化も可能である．

きた結果と推察される．短辺側の絞り変形およびしごき変また本技術は，絞り加工のみならず，曲げ加工，張出し形は長辺側より大きくなるため，角絞りでの成形性低下を加工等にも適用可能である．さらに，近年注目されている招くが，部分加熱により短辺側側壁部の絞り変形にともな高張力鋼板のホットスタンピングにも適用が期待できるた

う増肉を抑制できるため，後工程での絞りおよびしごき変め，その生産性向上に及ぼす効果は大きい．

形を小さくでき，成形性の向上が期待できる．

参

そこで第六工程での成形品の板厚を調べた．短辺側での板厚測定結果を図 15 に示す．両条件とも肩 R 部から側壁文

献1）日本塑性加工学会：わかりやすいプレス加工，（2000），
86-87，日刊工業新聞社．
2）渡部豈臣：塑性と加工，33-375（1992），396-403．
3）Kotkunde, N., Krishinamurthy, H. N., Singh, S. K. &Jella, G.：High Temp. Mater. Process., 37（2018），873-888.
4）奥出裕亮・岩岡拓・中村勲・片桐嵩：塑性と加工，61-714（2020），159-164．
5）真鍋健一・下村修：軽金属，56-10（2006），521-526．
6）大上哲郎・高田健・佐賀誠・菊池正夫：軽金属，50-9（2000），451-455．
7）森謙一郎：ホットスタンピング入門，（2015），132-162，日刊工業新聞社．
8）Tekkaya, A.E.：ぷらすとす，1-1（2018），8-13．
9）鈴木聡史・石間勉：特許第 5269943 号．
10）石崎泰造・四宮徳章・白川信彦・中本貴之：特許第5994055 号．
11）四宮徳章・石崎泰造・白川信彦・相川孝史：特許第6531266 号．

部にかけて板厚が増加し，測定位置 15 mm 以降でしごき変形が加えられ板厚がおおむね一定になることがわかる．
肩 R 部付近では両条件とも板厚が薄く，板厚減少が確認で

図 15考

成形品の板厚分布（第六工程）17