工業化のための簡便な爆発成形法の確立に関する研究
熊本高等専門学校

機械知能システム工学科講師

西雅俊(平成 25 年度奨励研究助成 AF-2013036)

キーワード：塑性加工，爆発成形法，液中放電成形法

１．

研究目的と背景

中放電成形法および爆薬を用いた実験を行い，実験結果

曲げ加工，プレス加工などの塑性加工では，金型が必を比較検討する．また，著者が所属する研究グループで要である．しかし，被加工物である金属よりも金型の材は，この爆発成形法を用いて，美術品製作を行っている．

料は硬い必要があるため，金型を所望の寸法にするため

この目的は，美術品製作を通じて，大学，高専などの研には技術を必要とする．また，作成された金型の寸法変究機関で行われている難しい技術・科学等の研究を初・更は容易ではなく，寸法変更が大きな場合は金型を一か中等教育の生徒に分かり易く解説するとともに，金属加1), 2)

工の楽しさを伝える活動であり，その活動の一部を本稿ら作り直す必要が生じる．これに対して，爆発成形という手法を用いると，被加工物が金属の場合でも，金の 4 章に紹介している．

属製金型は不要であり，紙やアクリルなどでも塑性変形する．紙やアクリルは加工が簡単なため，寸法変更など

２．試料の設置距離についても容易に可能である．さらに，凸型もしくは凹型のどち本研究で使用する液中放電成形法用耐爆容器の概略

らかの型だけで加工できるという特徴も持ち合わせて図を図 1 に示す．内径 100mm で鉄鋼 4340 steel を使用いる．

している．発破地点からの距離候補である 3 地点は図 2

爆発成形法とは，爆薬が水中爆発するときに発生するの◆で示している．地点 1,地点 2 および地点 3 は発破

水中衝撃波を金属板に作用させ，その高い圧力で金属板地点からそれぞれ 95mm，110mm，125mm の位置とする．

を膨らませ，型と衝突させて，型に沿った形状に成形する加工法である．爆発成形法は，有効な塑性加工法の一つであるが，特殊な環境でしか使用できない．そこで，爆薬を使わずにかつ工程を簡略した爆発成形法についての検討が必要である．
水中

そこで本研究では，水中衝撃波を発生することができ，かつ比較的安全な電気システムを用いた衝撃波発生装

発破地点

置を利用する液中放電成形法による爆発成形法，すなわ耐爆容器

ち爆薬を使わない爆発成形法について検討する．
爆薬を用いた場合に比べると，電気システムを用いた水中衝撃波は圧力が低いといわれているため，液中放電

図 1 耐爆容器の概略図

成形法で行う場合の金属板の材質や厚みを変更しながら検討を行い，爆薬と同程度の成形品が得られる条件を

数 値 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン は 衝 撃 解 析 コ ー ド ANSYS

調べる．本稿の構成は，2 章で条件の一つである衝撃波

AUTODYN を使用し，2 次元軸対象モデルとして計算を行発生源と試料の最適な位置を数値シミュレーションにっている．液中放電成形法の衝撃波に関する計算データより調べた後に，3 章で試料の材質・厚みを変更して液がないため，ここでは爆薬を用いて発破地点からの距離を検討する．図 1 の発破地点に初期密度 1310kg/m3，爆ごう速度 6980m/s の旭化成ケミカルズ株式会社製の高性能爆薬 SEP 1g を配置する．爆薬の圧力は式(1)で示される，JWL 状態方程式により計算される．

𝑃 = 𝐴 (1 −𝜔𝜂𝑅1) 𝑒𝑥𝑝 (− )
𝑅1𝜂

(1)

(a) 1.4μs(b) 7.5μs(c) 21.1μs(d) 33.6μs(e) 46.8μs(f) 53.0μs(g) 62.4μs(h) 74.8μs(i) 53.0μs(j) 90.1μs(k) 104.6μs𝜔𝜂
𝑅2+ 𝐵 (1 − ) 𝑒𝑥𝑝 (− ) + 𝜔𝜂𝜌0 𝑒𝑅2𝜂

ここで，E は内部エネルギ，V は比体積，A，B，R1，R2，
ωは JWL パラメータであり，それぞれの値は表 1 に示す．
表 1 爆薬 SEP の JWL パラメータ

A[GPa]

B[GPa]

𝑅1𝑅2Ω

371

3.23

4.15

0.9500.30

水の圧力計算には式(2)の Mie-Grumeisen 状態方程式を用いており，パラメータを表 2 に示している．ここで
𝜌0 は 初 期 密 度 ， Γ0 は Grumeisen パ ラ メ ー タ ，
η = 1 − 𝜌⁄𝜌0 であり，𝑐0 とsは材料定数である．

𝑃=

𝜌0 𝑐02 𝜂Γ0 𝜂(1 −) + Γ0 𝜌0 𝑒
(1 − 𝑠𝜂)22(2)表 2 水の Mie-Grumeise パラメータ
𝜌0 [kg/m3]

𝑐0100014901sΓ0

1.79

1.65[m/s]

また，耐爆容器は鉄鋼(4340 steel)とし，式(3)のJohnson-Cook のモデル式と表 3 のパラメータを用いて

図 2 衝撃圧が伝播する様子いる．

Y = (A + B ∗ 𝜀 𝑛 )(1 + C ∗ ln𝜀̇)(1 − T ∗𝑚 )(3)

衝撃圧（以後，第一波と呼ぶ）は広がっている，その後，

表 3 4340 Steel の Johnson-Cook パラメータ
ρ[k g⁄m3 ]
2785

G0A

B

[GPa]

[GPa]

[GPa]

81.8

0.7920.51

図 2-a，図 2-b，のように，発破地点から同心円状に

図 2-c，
図 2-d において，衝撃圧が容器の壁面にあたり，

NCm0.260.014

1

その反射によって図 2-f のような強い圧力が生じる．その圧力波（以後，反射波と呼ぶ）は第一波を追いかけるように上昇し，図 3-h で，すなわち発破から 74.8μs

容器内部において衝撃圧が伝播する様子を図 2 に示す．

で地点１に到達する．図 2-g から図 2-k より，反射波はどんどん小さくなり，地点 3 を抜けるころには周囲の圧力と変わらない．この結果より，候補点が最も近い地点

１を採用することとする．なお，さらに地点を近づける

本稿では，4 章に記してある体験授業にしようするたことも考えられるが，水中細線放電 3)などを利用する場

め，型の文字に対して，成形品のエッジがシャープに立合は細線の破片が飛翔してくることもあるため，これ以ち上がることが望ましい．この観点から図５をみると，上近づけるのは試料を破損させる可能性がある．

アルミ板と銅板はシャープに立ち上がりが得られている．

３．実験および考察
本章では，試料の材質による違いと，厚みによる違いについて，実験結果を比較しながら考察を行う．ここでは，熊本大学パルスパワー科学研究所爆発プロセス分
野の研究グループが保有する衝撃波発生装置および実験用耐爆容器を用いて実験を行っている．

(a) アルミ板(b) 銅板前章で求めた発破地点からの距離に試料を設置し，図3 の液中放電の衝撃波発生装置を用いて実験を行う．衝撃圧を発生させるパラメータは，本装置で使用できる最大電源電圧 3.5(kV)，電気容量は 500(μF)とする．そのため，充電エネルギは 4.9(kJ)である．なお，型の材料はカッティングシートとし，図 4 のように反転させた文字 4)を型とする．

(c) チタン板
図 5 液中放電成形法による実験結果

3.2 金属板の厚みによる違いについて
著者が所属する研究グループは銅板の色付けに関する技術があるため，ここでは銅板を採用する．本節では，使用する試料は銅板とし，液中放電成形法を用いて板厚0.3mm，0.2mm，0.15mm および 0.1mm の実験行った．そ図 3 液中放電成形法に使用する衝撃波発生装置(左側の結果を図 6 に示す．また，図 7 は爆薬を用いた場合のが耐爆容器，右側が衝撃波発生装置)

板厚 0.3mm の実験結果である．この爆薬を用いた実験は，文献 2 を参考にして行っている．
液中放電成形法では，板厚 0.3mm，0.2mm の場合では，成形品のエッジの立ち上がりが緩やかであり，精密な転写ができているとは言い難い．また，板厚 0.05mm はエッジの立ち上がりはシャープであるが，非常に薄いため実験前後に折り目がついてしまうことがあり，体験授業にはやや適していないと考えられる．そのため，銅板で図 4 使用した型3.1 金属材料による違いについて試料の材質についての比較を行うために，厚み 0.1mmの銅板 C1100，チタン板 TR270，アルミ板 A1N30 に対して行った実験結果を図 5 に示す．

かつ厚み 0.1mm か 0.15mm を体験授業に使用する．

５．結言
本研究では衝撃波発生のエネルギ源として，電気システムを用いた衝撃波発生装置を利用する液中放電成形法について，試料の材質・厚みによる変形具合について検討している．従来の爆薬を用いる場合には火薬類取扱(a)

厚み 0.05mm(b) 厚み0.15mm

法の規制に触れる点が１つの懸念材料であったがそれを除くことができる点で，この方法の，つまり液中放電成形法を用いた金属薄板成形法の一般社会への広がりが期待できるのではないかと考えている．また，4 章で紹介した活動を今後とも続けていくつもりである．

謝辞(c)

厚み 0.2mm(d) 厚み0.3mm

図 6 液中放電成形法による実験結果

本研究は，公益社団法人天田財団の平成 25 年度奨励研究助成 (AF-2013036)を受けて実施したものであり，ここに感謝の意を表します．また，液中放電成形法の実験にあたりご協力を頂いた熊本大学パルスパワー科学研
究所研究支援推進員の前園漱氏に謝意を表します．

参考文献
1) M. Fujita, et.al : Advance in engineering plasticity
図 7 爆薬を用いた実験結果(銅板厚さ0.3mm)

and its application, Elsevier, 1993.
2) 藤田ほか：チタン板の爆発成形による美術品製作，

４．体験授業について

第 63 回塑性加工連合講演会(2012)．

技術・科学等の研究を初・中等教育の生徒に分かり易

3) H. Maehara, et. al:Experimental study of theく解説するとともに金属加工の楽しさを伝える活動を

underwater shock wave on the high-voltage electric

行ったので紹介する．爆発成形法を用いて葉っぱの葉脈

discharge by carbon fiber., Materials Science Forum

を金属板に転写する技術を紹介・体験実験を行った写真

Vol. 767, pp. 261-264, 2014.

を図 8 に示す.

4)公益社団法人天田財団 HP，参加した生徒たちは熱心に話を聞いており，金属加工の楽しさを知ってもらえる機会になった．

図 8 体験授業の様子

URL : https://www.amada-f.or.jp/