衝撃塑性加工を用いたマグネシウム合金厚板の冷間加工に関する基礎研究
熊本高等専門学校 生産システム工学系 MI グループ
講師 西 雅俊（2018 年度 一般研究開発助成 AF-2018020-B2）
キーワード：マグネシウム合金板，衝撃塑性加工，数値解析

１．研究の目的と背景
環境に配慮した取組みは種々行われており，新幹線車両や航空機，より身近なものでは，自動車などの輸送機器でて，爆薬を衝撃エネルギー源とした衝撃成形法について，実験と数値解析の両方でマグネシウム合金の型成形について調べる．

エネルギー効率改善が継続的に取組まれている．しかし，例えば，新幹線の車両構造，自動車のボディフォームを工夫することによる対策はほぼ飽和しており，さらなる改善

２．実験条件および方法
2・1

実験の概要には，様々な種類の材料を適材適所で使いこなすマルチマ

本稿では，通常の加工方法では成形困難な図１の平板歯テリアル化が必要である．このマルチマテリアル化で注目

車形状を有する金型に対してマグネシウム合金厚板(AZ31，されている材料の一つに，マグネシウム合金がある．マグ厚さ 10mm 程度)の型成形実験を行い，成形形状を調べる．

ネシウム合金は，実用金属中最軽量，高比強度で，高リサ図１(b)は，平板歯車形状を有する金型の正面図であり，イクル性などの特徴を持つため，省エネルギー化を期待で孔の深さ５mm,角度αは 14.5(deg)とする．

きる材料として注目されている．しかし発火性，加工(成形)性，腐食性など課題があり，性能向上に向けて研究されている 1)-3)．
本研究では，そのうち，常温での成形性が低く，かつ大型サイズの成形が難しいという課題に取組む．マグネシウ
ム合金は結晶構造が最密六方構造であり，常温の加工すべり面が一つしかなくプレス成形しにくいため，常温での加工方法は未だ開発されていない．現在，板状加工する圧延時に高温にして冷間プレスでの成形性を向上させる方法，プレス時のマグネシウム合金板と金型を 250℃以上にする方法 4)など，加工工程中の高温加熱により加工成形性能(a)を向上させている．しかし，加熱によるコスト，冷却時の「反り」に伴う不良品や冷却時間による生産性の低下により，加工コストが増大する．そのため，マグネシウム資源は豊富にあり，上述の多くのメリットがあるにも関わらず，市場競争力を持たない．
上述の常温での成形性が低いという課題を解決できる可能性がある塑性加工法の一つに衝撃成形法 5)がある．衝(b)

撃成形法とは，これまでに異種材料の接合や難加工材の成図１ 平板歯車形状を有する金型

形性向上の技術開発に貢献してきた衝撃塑性加工の一つであり，爆薬の爆発により発生した水中衝撃波および爆轟ガスによる水圧作用が試料の金属板に変形を促進し，型に押し付けて金属板を成形する方法である．これまでの先行
研究 4)では，衝撃銃を利用したマグネシウム合金の型成形試験による高速変形挙動の解明が行われており，高速度（820m/s）の場合では，マグネシウム合金が型（深さ 5mm，幅 3mm の溝）に流入して成形が可能であることが示されてる．この衝撃成形法によるマグネシウム合金の成形方法の実用化を目指し，本稿では，この研究の第二ステップとし2・2実験装置の概要

図２(a)に実験装置および図２(b)に実験の概略図を示す．SEP 爆薬を衝撃エネルギー源として利用し，中間板の鋼板（厚み 15mm）を高速度で押し出すことにより，試料であるマグネシウム合金の型成形を達成する．なお，実験は国立大学唯一の総合爆薬実験所を有する熊本大学で適切な安全指導の下で実施する．

(a)

図３
3・2

数値解析モデル

材料モデルについて

マグネシウム合金厚板 AZ31 および鋼板には次式のMie-Gruneisen 状態方程式 6)と，相当塑性ひずみ・ひずみ速度・温度効果を考慮した the Johnson-Cook 構成則 7)を適用する．
(b)
図２

実験装置および概略図

111３．数値解析モデルについて
３・１

数値解析モデルについて

塑性加工において，成形過程・プロセスを調べることは重要である．しかし，本衝撃成形法の実験では，実験開始から 1ms 後には成形が完了すること，また高速度ビデオカメラで撮影するのは困難（図２のホルダー内で成形）であるため，実験において成形過程を観測することは困難であ

表１Mie-Gruneisen 状態方程式のパラメータ
密度行い，成形過程等について調べる．なお，数値解析は衝撃-30 / kg･m

現象解析に特化したコマーシャルソフトウェア ANSYS
図３は，本研究で使用した数値解析モデルを示す．このモデルでは，マグネシウム合金 AZ31，金型・中間板のステンレス鋼および SEP 爆薬を全て Lagrange 要素で摸擬し，ANSYS AUTODYN に組み込まれている Lagrange-AZ31置して行ったため，数値解析モデルでは，ホルダーおよび型の下部は完全固定している．

1.430

音速
c0s

4516

1.256

金属材料には次式の Johnson-Cook 構成モデルを適用している．

では SEP 爆薬を利用しているが，ここでは予備解析等に実験では，ホルダーおよび型の下部には厚いアンビルを設

グルナイ
ゼン係数

1775

Lagrange 相互作用解析機能を用いて解析している．実験より調べた圧力履歴を中間板上部に印加している．また，

1

ここで，P は圧力， は密度，e は内部エネルギー，⁄1，s と c0 はどちらも定数であり衝撃波速度(＝c0+sup)と粒子速度 up の直線関係の勾配と切片である．本稿で使用したパラメータを表 1 に示す．

る．そのため，2 章で実施した実験を模擬した数値解析をAUTODYN を利用する．

12,

ここで， ∗であり，⁄ は∗は義され，1ln ∗ 11.0の無次元塑性ひずみ率∗は室温，⁄∗

で定は溶融温度である。 AZ31 は異方性を有しているが，高ひずみ率では圧延方向と直角方向の構成パラメータは非常に似ている 8)．そのため，本研
究では AZ31 に対して圧延方向のパラメータ 8)を用いた．
本稿で利用した，パラメータ
表 2 に示す．

,,, m および n を入に関しては，左右の山で違いがあり，左側の山はおおよ
表２AZ31そ達成しているが，右側の山では，山の高さが 5[mm]よJohnson-Cook 構成モデルのパラメータ
[MPa]

[MPa]

224

3800.012

MN

1.554

0.761

りやや低いことがわかる．山の中腹部の傾きに関しては，
おおよそ 14.5[deg]であり，型に沿った成形ができている．
このため，爆薬をエネルギー源とする大変形を伴う型成形が可能であることを明らかにしている．図５(b)は，頂点の拡大図を示している．拡大図１では山の頂上部に小さな窪

なお，ステンレス鋼については，ANSYS AUTODYN にみがあり，拡大図２では，山の肩部に小さな窪みがある．

準備されているパラメータを利用している．なお，SEP 爆

これは，4･1 節で述べたように，型肩部の傾きが違う影響

薬では，Jones-Wilkins-Lee（JWL）の状態方程式 9)を数により，マグネシウム合金の流入速度が違うために，型底値解析モデルに適用しており，パラメータは表３に示す．

面への到達タイミングが違うことにより生じている．

表３SEP
爆薬

JWL方程式のパラメータ

AB

[GPa]

[GPa]

365

2.31

4.30

1.000.28４．結果と考察
4・1

成形過程について4 ページ下部に記載している図４に，成形過程を示して(a)いる．初期圧力により中間板が下方向に進み，開始から12[us]後から試料であるマグネシウム合金が変形を開始している．16[us]後においては，マグネシウム合金が同時に型に入り込んでいくが，20[us]後，24[us]後では，左右の穴において，穴の両サイドの流入速度が違うことがわかる．例えば，左側の穴へのマグネシウム合金流入について着目すると，穴の傾きは両サイドともに同じであるが，型の肩部（山の頂点）の形状が違うため，左サイドの流入速度に比べて右サイドの流入速度が速いことがわかる．また，中央の穴では，両サイドの流入速度は同じであるが，中央（肩部と型部の中央）の入流速度が遅いため，マグネシウム合金の下辺が，上に凸のアーチ状になりながら成形している（24[us]後の図を参照）．その後，この解析では，28.6[us]後に成形が達成されている．また，20[us]後以降
では，ホルダーと型およびホルダーと中間板の隙間に，マ(b)図５

実験結果（成形方向と上下逆向き）

図６

数値解析結果（相当塑性ひずみ表示）

グネシウム合金が細長く変形しながら入り込んでいる．これは実験結果にも確認できる現象であり，これの要因や特徴についてもいずれは明らかにしたいと考えている．
4・2

実験結果について

図５に回収されたマグネシウム合金の断面図を示す．ここでは，成形方向と上下逆向きに試料を撮影している．なお，図６(a)は，Solidworks にて写真を取り込み，その上から，定規のメモリを基準とした倍尺 10:1 にて寸法を記入している．図５(a)には，山部の高さ 5[mm]（図６(a)では倍尺 10:1 のため 50[mm]と表示されている）と傾き14.5[deg]を記載している．山部の高さ，すなわち型への流謝

図５(a)では，マグネシウム合金の両端には，型と中間板に辞圧縮される部分があり，実験後には斜め 45[deg]程度のせ

本研究は公益財団法人天田財団一般研究開発助成によん断破壊が生じていることがわかる．図６の相当塑性ひずって行われたことをここに記し，謝意を表します．また，み表示の解析結果からも，この亀裂部分に高い相当塑性ひ

本研究の遂行にご協力いただいた熊本大学産業ナノマテ

ずみが生じることで，せん断破壊が生じていることが明ら

リアル研究所田中茂助教および熊本大学技術部稲尾大介

かである．

様に感謝致します．

4・3

参考文献

考察‐特殊な実験環境が不要な衝撃成形法への発展について

1) C. D. Yumi, B. S. You, J. S. Lee, and W. C. Kim,爆薬を利用する場合には法的制約と特殊な環境が必要

Mater. Trans., 45, 3018-3022 (2004).

である．そこで，マグネシウム合金板の実用化に向けた今

2) R. Matsumoto and K. Osakada, J. Jpn. Inst. Light後の研究では，さらなる大型化だけでなく，特殊な環境でMet., 57, 274-279 (2007).

なくても利用でき，かつ連続で水中衝撃波を発生できる衝3) E. Doege and K. Dröder, J. Mater. Process. Technol.,

撃大電流装置（電気エネルギー）の利用を，本研究の第３115, 14-19 (2001).

ステップとして考えている．現状では，薄板マグネシウム

4) 日本塑性加工学会：衝撃塑性加工, (2017), コロナ社

合金に対して衝撃エネルギーとして，衝撃大電流装置によ

4) P . Manikandan, J. Lee, K. Mizumachi,A. Mori, K.

る型成形および自由成形が実施されている．本研究である

Hokamoto, Materials Science Forum, Volume: 706-709

厚板マグネシウムも同様に第三ステップに進むことを検Pages: 757-762.

討しているが，爆薬を用いる場合に比べると衝撃大電流装

5) L. Ruan, S. Ezaki, M. Fujita, S. Shen, and Y.

置の水中衝撃波圧力は低いため，現状では残念ながら難し

Kawamura, J. Magnesium Alloys, 4, 27-29 (2016)

いと考えている．そのため，今後は，衝撃大電流装置によ6) R. Kinslow and A. J. Cable, “High Velocity Impact

る水中衝撃波圧力を高める方法やこの実験装置の工夫等

Phenomena”, Academic Press (1970).の検討が必要である．

7) M. A. Meyers, “Dynamic Behavior of Materials”,
Wiley Inter science (1994).
8) I. Ulacia, C. P. Salisbury, I. Hurtado, and M. J.

５．結言
衝撃成形法の優位性は，難加工材マグネシウム合金板のWorswick, J. Mater. Process. Technol., 211, 830–839

衝撃成形法の優位性は，室温と同等の温度条件下(常温)で(2011).

成形を行うことができること，大きい成形量を実現できる

9) B. M. Dobratz, “LLNL Handbook of Explosives -ことである．本稿では，爆薬を衝撃エネルギー源とした衝Properties of Chemical Explosives and Explosive

撃成形法について，実験と数値解析の両方でマグネシウムSimulants (UCRL－52997)”, Lawrence Livermore

合金の型成形について調べて，この手法の有効性を明らか

National Laboratory (1981).にしている．

図４

数値解析結果（成形過程）