豊橋技術科学大学森 謙 一 郎

Ken-ichiro Mori

アルミニウム材の先端成形技術ー 軽量自動車部品の成形 ー

Advanced forming technologies for aluminium automobile parts

30km

名古屋

NSCNSC

浜松

愛知県

静岡県三重県豊橋

愛知県: • 名古屋，豊橋等，• 11% の工業生産• 自動車産業

豊橋

豊橋

１．軽量化

２．サーメット，ヘテロ表面ダイス

３．サーボプレス

４．ホットスタンピング

５．通電加熱ガスフォーミング

６．アルミニウム板と高張力鋼板の塑性接合

車体構造軽量材料: 高張力鋼板, アルミニウム, マグネ, CFRP

エンジンターボチャージャー，熱効率向上，可変バルブタイミング，摩擦低減，アイドリングストップ

EV, PHV, HV

CVT, 摩擦低減

駆動系

空気抵抗

ボディ形状

タイヤ表面パターン

転がり抵抗

車体重量低減

動力源

100kg減少:1km/l燃費向上

自動車の環境対策

20

25

30

35

40

燃費

値[km/L]

ハイブリッド車CVT車MT車AT車2015年度基準2020年度基準

0500 1000 1500 2000 2500 3000

自動車重量 [kg]

5

10

15

国土交通省ホームページ http://www.mlit.go.jp/common/001031308.pdf

自動車の燃費と重量の関係

61

96119

0

50

100

150

1990 2000 2010

75

117144

1990 2000 2010

51

89

122

1990 2000 2010

日本 北米 欧州

自動車におけるアルミニウムの使用量

kg/台

バックドア

フード

Toyota PRIUS

アルミニウム板材アルミニウム鋳造材アルミニウム押出し材ホットスタンピング材冷間プレス成形材

Audi A7 Sportback

車体へのアルミニウム板材の適用

１．軽量化

２．サーメット，ヘテロ表面ダイス

３．サーボプレス

４．ホットスタンピング

５．通電加熱ガスフォーミング

６．アルミニウム板と高張力鋼板の塑性接合

電気自動車

サーメットダイスを用いたアルミニウム合金容器のしごき加工

しごき加工

パンチ

しごきダイス

電池ケース

ステンレス鋼板アルミニウム合金板深絞り

ダイス

素板

しわ押え

二次電池200kg

金型焼付き

しごき加工ダイス材質

ダイス材質 最大高さ/mRz

平均粗さ/mRa

縦弾性係数E /GPa

硬さ/HV50

SKD11 0.28 0.02 206 750超硬 0.21 0.02 610 1650

超硬，TiC 0.14 0.02 610 1650，3000TiCN

サーメット0.20 0.02 410 1550

粗さ測定位置

1mm(a)SKD11

軸方

向

A3003におけるしごき加工後の容器

(d)破断(サーメット，rr=35.7%)

焼付き

破断

(c)焼付き(超硬，rr=28.6%)

(a)加工前(b)良好

(超硬，rr=24.2%)

10mm

1mm0

10

20

30

40

A3003における加工限界に及ぼすダイスの影響(v=8.3mm/s)

実し

ごき

率r r

/%

1mm

焼付き

焼付き焼付き

焼付き

良好

破断

SKD11

しごきダイスランド部の軸方向表面性状

0.1mm

(a) ラッピング, Rd=0.02µmRa

高さ /µm

0

21

軸方向位置 /µm100 200

(b) ヘテロ表面, Rd=0.06µmRa

0

21

100 200軸方向位置 /µm

(c) ヘテロ表面, Rd=0.08µmRa

0

21

100 200軸方向位置 /µm

(d) ヘテロ表面, Rd=0.12µmRa

0

21

軸方向位置 /µm100 200

(e) ヘテロ表面, Rd=0.14µmRa

0

21

軸方向位置 /µm100 200

観察部

円周方向

軸方

向

しごき加工後の容器

(b) Rd=0.06µmRa, r=36.9%

破断

(d) ラッピング, Rd=0.02µmRa,r=36.4%

良好

(a) 加工前

(c) Rd=0.14µmRa, r=25.3%

10 mm

焼付き

0.1mm

しごき加工限界に及ぼすダイスランド平均粗さの影響

ランド部表面平均粗さ Rd /µmRa

焼付き

0.1mm

観察部

超硬合金しご

き率

r /%

破断

ラッピング

SKD11

0

20

10

30

40

50

0.05 0.10 0.15

良好

0.20

焼付き

ラッピング

SKD11 ヘテロ,Rd=0.14µmRa

Rd=0.12µmRa

Rd=0.06µmRa

焼付き

ヘテロ表面とラッピングダイスの平均しごき荷重としごき率の関係

12

0

2

4

6

8

10

平均

しご

き荷

重/k

N

しごき率 r /%

ラッピング

ヘテロ表面,Rd=0.06~0.12µmRa

20 25 30 35 40 45

１．軽量化

２．サーメット，ヘテロ表面ダイス

３．サーボプレス

４．ホットスタンピング

５．通電加熱ガスフォーミング

６．アルミニウム板と高張力鋼板の塑性接合

コマツ，非常に高価最大荷重がどのストローク

直接駆動タイプ

コマツ 汎用モーター：下死点付近だけ高荷重低価格

メカニカルリンク・トグルタイプ

servo motor

link

アマダ，アイダ

クランク式

高トルクモーター，比較的低価格振動モーション

クランク式サーボプレスのモーション

Amada SDE

(a) エンボス加工： (b) ヒートシンク：下死点付近で減速 下死点位置の制御

精度：スライドモーションの制御

コマツ

振動しごき加工: 摩擦の低下

(a) 通常 (b) 振動

パンチの振動モーション

日本工大 古閑

アルミニウム合金限界しごき率の向上

振動による潤滑剤の取り込み

33

上型（250 ）

下型（250 ）

A

A’ A-A’断面9.25

14

9.25

50

ビレットφ17×48（400 ）

アルミニウム合金のバリ出し熱間型鍛造方法

下死

点か

らの

高さ

/mm

1 2 3

4

8

12

16

0成形時間 /s

v=82.5mm/s

16.5mm/s

6.6mm/s

スライドモーション

33

上型（250 ）

下型（250 ）

A

A’ A-A’断面9.25

14

9.25

50

ビレットφ17×48（400 ）

下型

Ａ’ A-A’断面

Ａ上型

ビレット

下死

点か

らの

高さ

/mm

1 2 3

4

8

12

16

0成形時間 /s

v=82.5mm/s

16.5mm/s

6.6mm/s

スライドモーション

アルミニウム合金のバリ出し熱間型鍛造方法

33

上型（250 ）

下型（250 ）

A

A’ A-A’断面9.25

14

9.25

50

ビレットφ17×48（400 ）

下死

点か

らの

高さ

/mm

1 2 3

4

8

12

16

0成形時間 /s

v=82.5mm/s

16.5mm/s

6.6mm/s

スライドモーション

アルミニウム合金のバリ出し熱間型鍛造方法

33

上型（250 ）

下型（250 ）

A

A’ A-A’断面9.25

14

9.25

50

ビレットφ17×48（400 ）

アルミニウム合金のバリ出し熱間型鍛造方法

成形品（v=82.5mm/s）

バリ

製品充満部

33

製品充満部

バリ部

下死

点か

らの

高さ

/mm

1 2 3

4

8

12

16

0成形時間 /s

v=82.5mm/s

16.5mm/s

6.6mm/s

スライドモーション

バリ

厚さ

1.92

mm

バリ幅および最大荷重と平均スライド速度の関係

最大

荷重

/kN

20 40 60 80 1000

10

20

30

40

50

60

0

500

1000

1500

2000

平均スライド速度v /mm・s-1

最大荷重

バリ幅

バリ

幅/m

m

バリ

幅

製品上部断面形状の比較

測定箇所

v=6.6mm/s82.5mm/s

製品端部からの距離 /mm2 4 6 8 10

2

4

6

8

10

0

製品

端部

から

の距

離/m

m １．軽量化

２．サーメット，ヘテロ表面ダイス

３．サーボプレス

４．ホットスタンピング

５．通電加熱ガスフォーミング

６．アルミニウム板と高張力鋼板の塑性接合

超髙強度鋼部材のホットスタンピング

加熱 成形 ダイクエンチング

成形荷重の低下 スプリングバックの防止 成形性の向上 引張強さ1.5GPa

レーザー切断下死点保持

後加工

超髙強度鋼部材のホットスタンピング

Volkswagen Passat: 車体の16%

550500450400350300250200150100500

1987 1997 ’2007 '08 '09 ’10 ’11 ’12 ’13Year

Par

tspe

ryea

r(in

milli

ons)

3 million in 1987

8 millionin 1997

95 million in 2007

450 millionin 2013

142 lines in 2011,around the world

熱処理型アルミニウム合金の航空機部品急速加熱成形

成形目標品

アルミニウム合金

電気抵抗：低熱伝導率：高

炉内温度：1050℃加熱時間：19s加熱温度：400℃

赤外線炉

3001.6

通電加熱：難

(a) 上面

(b) 断面

試験片寸法

赤外線炉加熱による航空機部品の成形

パンチ

ダイス

赤外線炉

赤外線炉加熱による航空機部品の成形A2024およびA6061における人工時効処理後の成形品のビッカース硬さ分布

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0 20 40 60 80 100 120 140

ビッ

カー

ス硬

さ/HV5

中心からの距離x /mm

A6061

A2024

A B C DA2024-T6

A6061-T6

x

A B C

D

冷間成形

T= 342°C

フランジ部

成形品T= 342°C

１．軽量化

２．サーメット，ヘテロ表面ダイス

３．サーボプレス

４．ホットスタンピング

５．通電加熱ガスフォーミング

６．アルミニウム板と高張力鋼板の塑性接合

エアサスペンションケース部品

アルミニウム合金

サスペンション部品

アルミ合金

VW Touareg

Porsche Cayenn

HEAT form

GFU

アルミニウム合金管の熱間ガスフォーミング

直接通電加熱

拡管成形 φ95→φ160 3MPa

予備成形

最終成形最終成形

予備成形

拡管成形

ホンダの通電熱間ガスフォーミング

φ22.0

1.0

100

Oリング 素管

パンチ

電極

空気

初期内圧 p0 =0.2-0.8MPa通電容量 I =3.0~9.0kA軸押し速度 v=0～40mm/s

通電加熱ガスフォーミング

空気を封入

軸押し速度 v=20mm/s，ストローク s=24mm

パンチ パンチ

電極電極

アルミニウム管の通電加熱ガスバルジ成形

１．軽量化

２．サーメット，ヘテロ表面ダイス

３．サーボプレス

４．ホットスタンピング

５．通電加熱ガスフォーミング

６．アルミニウム板と高張力鋼板の塑性接合

摩擦攪拌接合

大きな塑性変形：発熱，材料流動

Tool

Pin

Tilt angle

SeamFeed rate

Rotational speed

A.S.R.S.

Feed rateRotational speed

AA6181-T4 DP600

アルミニウム板と鋼板の摩擦攪拌点接合

AluminiumSteel

Mazda Motor

板にSPRを打込み，機械的に結合穴あけ不要溶接の難しい材料の締結異種材料の締結

ダイス

板押え リベット

パンチ

Cフレーム

接合部

＜工法のメリット＞

セルフピアスリベッティング

高張力鋼板

•高強度，高硬度•延性小

ダイ形状の最適化（ダイ径，深さ）

リベット硬度に近い

多種の不良が想定

リベット割れ リベット折れ

アルミニウム板と高張力鋼板の接合

(a) 上板 SPFC980 ｔ1.4,下板 A5052 ｔ1.5

(b) 上板 A5052 ｔ1.5,下板 SPFC980 ｔ1.4

有限要素シミュレーション

曲面ダイ テーパーダイ形状

ダイ形状の最適化

上板：SPFC980, 1.4mm, 下板：A5052, 1.5mm

•リベット

メカニカルクリンチング

セルフピアシングリベット

•パンチパンチ

パンチ

メカニカルクリンチング

リベット使用高コスト

セルフピアシングリベット

リベット不要低コスト

ダイ

リベット

パンチ

ダイ

メカニカルクリンチングによる高張力鋼板とアルミニウム合金板の接合

メカニカルクリンチングダイス形状の最適化（上板：A5052，1.5mm，下板：SPFC780， 1.4mm）

ｔ=0.24㎜

ｘ=0.13㎜

1.8φ8.0

（a）従来ダイス （b）改善ダイス

φ8.0 1.8

放射割れ

接合部裏側

0.09㎜

メカニカルクリンチングダイス形状の最適化（上板：SPFC590， 1.4mm，下板：A5052，1.5mm）

（a）従来ダイス （b）改善ダイス

１．軽量化

２．サーメット，ヘテロ表面ダイス

３．サーボプレス

４．ホットスタンピング

５．通電加熱ガスフォーミング

６．アルミニウム板と高張力鋼板の塑性接合