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
NSC NSC
浜松 愛知県
三重県 豊橋 静岡県 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 96
119
0 50 100 150
1990 2000 2010 75
117 144
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 1650，3000
TiCN 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
1mm
0 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rr/%
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 2 1
軸方向位置100 /µm200
(b)ヘテロ表面, Rd=0.06µmRa 0
2 1
100 200 軸方向位置/µm
(c)ヘテロ表面, Rd=0.08µmRa 0
2 1
100 200 軸方向位置/µm
(d)ヘテロ表面, Rd=0.12µmRa 0
2 1
軸方向位置100 /µm200
(e)ヘテロ表面, Rd=0.14µmRa 0
2 1
軸方向位置100 /µm200 観察部 円周方向
軸方向
しごき加工後の容器
(b) R
d=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
しごき率r /% 超硬合金
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/kN
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
（250Ԩ）
下型
（250Ԩ）
A
A’ 9.25 A-A’断面
14
9.25
50
ビレット φ17×48
（400Ԩ）
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
（250Ԩ）
下型
（250Ԩ）
A
A’ 9.25 A-A’断面
14
9.25
50
ビレット φ17×48
（400Ԩ）
下型
Ａ’ A-A’断面
上型 Ａ
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
（250Ԩ）
下型
（250Ԩ）
A
A’ 9.25 A-A’断面
14
9.25
50
ビレット φ17×48
（400Ԩ）
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
（250Ԩ）
下型
（250Ԩ）
A
A’ 9.25 A-A’断面
14
9.25
50
ビレット φ17×48
（400Ԩ）
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 1.92mm
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 80 100
0 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/mm バリ幅
製品上部断面形状の比較
測定箇所 v=6.6mm/s
82.5mm/s
製品端部からの距離
/mm
2 4 6 8 10
2 4 6 8 10
0
製品端部からの距離/mm
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%
550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0
1987 1997 Year ’2007 '08 '09 ’10 ’11’12 ’13
Partsperyear(inmillions)
3 million in 1987
8 million in 1997
95 million in 2007
450 million in 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
300 1.6 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 CA2024-T6D
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
Feed rate Seam Rotational speed
A.S.
R.S.
Feed rate Rotational speed
AA6181-T4 DP600
アルミニウム板と鋼板の摩擦攪拌点接合
Aluminium Steel 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
