ホットメタルガス成形（HMGF）は、金属管を融点付近で融点未満の柔軟な状態まで加熱し、その後、ガスで内部を加圧することで、金型キャビティで囲まれた形状に成形する金型 成形法です。高温により、金属は従来の冷間成形法や温間成形法よりもはるかに大きな伸び（伸長）を破断することなく実現できます。さらに、金属はより微細な形状に成形でき、従来の方法よりも全体的な成形力が少なくて済みます。
歴史と従来の技術との比較
HMGFは、超塑性成形、熱間ブロー成形、[1] 、ハイドロフォーミングなど、 既存のいくつかの商用プロセスの費用対効果と適用性における進化です。
複雑なチューブは、複数のシート部品を成形して溶接することで作ることができますが、これにより不要なコストが加わり、接合部の品質に懸念が生じます。ハイドロフォーミングでは、超高圧の液体を使用して金属チューブを成形します。これは配管業界向けに開発され、1990 年までには大量生産の自動車に適した生産効率を達成しました。通常、ハイドロフォーミングは常温で行われ、金属の成形伸びは、アルミニウムの場合は直径の 8～12% の増加、鋼の場合は 25～40% の増加に制限されます。これにより、製造できる部品の形状の複雑さが制限されます。さらに、常温でチューブを成形するために必要な内部流体圧力のために、ワークセンターとツールが大型で高価になる可能性があります。HMGF では、1 回の成形ステップでより形状が複雑なチューブを成形でき、一般に従来のチューブ ハイドロフォーミングよりも内部圧力が低くなります。
ブロー成形は古くからガラスから始まり、現在ではプラスチックを中空構造に成形する広く普及した方法です。ここでも、加熱された材料特性は多くの加工上の利点をもたらします。温間成形は過去数十年にわたり広範な研究の対象となってきました。温間成形とは、合金の再結晶温度より低い温度で成形することと定義され[2]、ハイドロフォームの原理を用いることでチューブの成形が可能です。加熱された成形流体の安全性への懸念から、温度は通常制限されています[3] 。これらの温度でも、サイクルタイムは比較的長く、伸びは熱間成形に匹敵するものではありません[4] 。
超塑性成形は航空宇宙産業でよく用いられますが、非常に微細な粒子を持つ金属合金を使用し、非常に大きなひずみ値まで変形させる必要がありますが、その際のひずみ速度は非常に低くなければなりません。そのため、HMGFは超塑性成形よりも高速化が期待できます。
自然な流れとして、HMGFの必要性は1990年代から研究のきっかけとなりました。ハイドロフォーミングよりも桁違いに低い圧力で実現する高速サイクルタイム、安価な工具と機械、そして高温成形による極めて高い成形比は、大量生産と低コスト製造の魅力的なビジネスケースを生み出しました。
1999年、HMGF技術の開発は、米国国立標準技術研究所（NIST）の資金提供を受けた先端技術プログラム（ATP）プロジェクトとして開始されました。 [5]このプロジェクトは1993年に完了し、アルミニウムでは最大150%、鋼鉄では最大50%の膨張率が可能であることが研究で示されました。さらに、材料を端部から供給することで、壁の薄肉化を最小限に抑え、さらなる膨張が可能であることが示されました。[1]
米国の研究に追随するため、石炭鉄鋼研究基金（RFCS）の資金提供を受けた欧州プロジェクトが行われた。2004年7月から3年間にわたり、このプロジェクトはHMGFプロセスのさらなる研究を行った。2007年までに、欧州の研究機関と民間企業のコンソーシアムは、より簡素化された加熱と金型構造の概念を実証し、より要求の厳しい鋼合金に焦点を当てながら、端部供給を用いることで壁の減肉を抑制し破断を遅らせることで140%の自由変形を実現した。[6]これらの実験で使用された方法は、米国特許7,285,761で特許取得済みである。[要出典]
ヨーロッパでも、並行して行われた研究により、この概念に対する革新的なアプローチが生まれました。2006年までに、熱間金属ガス成形法であるHEATform法は、「これまではガラス吹き成形とブロー成形部品の分野でしか実現できなかった」独特な金属形状の実現を実証しました。アルミニウム成形では、20秒という生産サイクルタイムで270%を超える膨張率を達成しました。アルミニウム合金は460℃（860°F）以下では硬化とそれに伴う破損により成形が制限されるため、550℃（1,022°F）で最良の流動挙動が観察されました。これは、温液成形や温間ガス加圧成形の能力を大幅に上回ります。HEATformのエンドフィーディング制御技術は、最大300%のひずみ値まで均一な肉厚を実現しました。[7]
材料の適合性や予測分析技術に関する重要な研究が進行中である一方で、熱間膨張と材料の端部供給を組み合わせた熱金属ガス成形を提供している企業が少なくとも 1 社あり、すでに商業化されています。
アプリケーション
代表的な用途としては、ハイドロフォーミングの前身技術として広く知られている自動車産業と航空宇宙産業が挙げられます。その他の用途としては、スポーツ用品や家具などがあります。マルチマテリアル成形能力は、装飾部品や配管設備に利用されています。[要出典]
材料
HMGF プロセスは、ほぼすべての金属と互換性があります。[引用が必要] HMGF の最も重要な利点は、冷間成形に耐える材料を複雑な成形に使用できるようになることです。多くの場合、合金は、冷間成形を可能にして機械加工性を高めるために高価な材料で強化されますが、HMFG ではより安価な合金を使用できるため、部品の価格が下がります。1 つの例は、排気部品用の 1.4512 合金などのフェライト系ステンレス鋼の使用です。通常、複雑な成形を必要とする部品には、1.4301 合金などのより高価なオーステナイト系ステンレスが選択されますが、これは、その常温成形性における 40% の利点 (38.5% 対 27.4% の標準的な A%) によるものです。 [8] HMGF では、硬化性金属合金 (例、ボロン鋼) を使用できます。この場合、金型は成形ツールとしてだけでなく、成形および冷却後の成形チューブの最終的な硬度が高くなるように、焼き戻しツールとしても使用できます。この場合、このプロセスは「プレス硬化」と呼ばれることがよくあります。
注記
- ^ ビル・ダイクストラ (2001). 「車両構造部品の製造におけるホットメタルガスフォーミング」MetalForming
- ^ 「熱間成形と冷間成形、温間成形とその中間 - 機械エンジニア」。2009年6月6日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2009年7月27日閲覧。
- ^ xiHarry Singh (2006)「HEATforming: 管状構造の成形における新たな自由」(会議報告); 第4回北米ハイドロフォーミング会議・展示会 – 2006年9月
- ^ Yingyout Aue‐u‐lan他 (2006)、「温間成形マグネシウム、アルミニウムチューブ」、The Fabricator、2006‐3‐10、thefabricator.comから2009‐12‐6に取得
- ^ ATP プロジェクト概要、http://jazz.nist.gov/atpcf/prjbriefs/prjbrief.cfm?ProjectNumber=98‐01‐0168 2016年3月4日アーカイブ、Wayback Machine
- ^ Zarazua, JI; Vadillo, L.; Mangas, A.; Santos, M.; Gutierrez, M.; Gonzalez, B.; Testani, C.; Argentero, S. (2007年5月)、「自動車産業における高強度およびステンレス鋼チューブの代替ハイドロフォーミングプロセスIDDRG2007」(PDF)、IDDRG 2007 国際会議、ジェール、ハンガリー、オリジナル(PDF)から2011年7月28日アーカイブ。
- ^ ハリー・シン (2006)「HEATforming: 管状構造の成形における新たな自由」(会議報告); 第4回北米ハイドロフォーミング会議・展示会 – 2006年9月
- ^ Vadillo, L.; Santos, MT; Gutierrez, MA; Pérez, I.; González, B.; Uthaisangsuk, V. (2007年5月). 「高強度鋼およびステンレス鋼管成形のためのホットメタルガス成形技術のシミュレーションと実験結果」(PDF) . Materials Processing and Design: Modeling, Simulation and Applications: NUMIFORM '07 . IDDRG 2007 International Conference; Győr, Hungary. Vol. 908. p. 1199. Bibcode :2007AIPC..908.1199V. doi :10.1063/1.2740973. オリジナル(PDF)から2011年7月28日にアーカイブ – Tutemp経由.
外部リンク
- 油圧マンドレルチューブベンダーの使用
