JP6678104B2 - 放電成形装置 - Google Patents

Description

本発明は、放電成形装置に関する。

ハイドロフォーミングによって部品を製造するプロセスが、多くの産業において、過去１０年程度にわたって用いられてきた。実際、これらの製造プロセスの変化により、現在では比較的、複雑な形状の機械部品を競争力のある生産コストで得ることが可能である。そのため、例えば自動車及び航空産業はこのような技術を用いている。

このようなハイドロフォーミングプロセスは、変形により製造するためのプロセスである。それは厚さが、比較的薄い金属部品の塑性変形を可能にする。この変形を行うために、加圧されたときに、金型の上の部品を変形させることができる流体が用いられる。流体を加圧するために、いくつもの技術が用いられる。

使用されているプロセスの１つは、放電成形といわれるプロセスである。このプロセスは、タンク内に蓄えられた流体中で電気放電の原理に基づいている。放出される電気エネルギーの量は、流体中の伝搬速度が非常に速く、金型に対して機械部品の塑性変形を可能にする衝撃波を生成する。そのため、流体中に配置された電極が、エネルギー蓄積コンデンサに蓄積された電荷を放出する。

米国特許第６５９１６４９号明細書には放電成形装置が開示されている。この装置は、流体を収容するのに適切なタンク、変形される部品、及び衝撃波を生成するのに適切なエネルギー蓄積装置に結合された一組の電極を備えている。製造段階の間、比較的強い力を有するこの衝撃波は、放電成形装置のある部分に故障の問題を引き起こす可能性がある。

米国特許第３２１４９５０号明細書には、水中での衝撃の影響下で金属シート及び予備成形部品を変形する装置が開示されている。この場合の変形は、中空金型の真空スペース内で変形される部品の上に、水によって伝達される衝撃波を用いる圧力によって行われる。この装置は、地中に沈められた水容器、中空金型、及び装薬用支持フレームを備えている。水タンクは、上端部がバンドによって一緒に保持され、下端部がコンクリートに打設されるＵボルトからなる壁部も備えている。タンクを衝撃から保護するために、タンクの下部は吸収性の材料で覆われる。そのため、コンクリートに打設するＵボルトの使用は、爆発の間、装置を保護する。

衝撃波を生成するために、電極、金型、及び変形されるべき部品は、一般に、タンクの底部に配置され、そのため流体中に浸かっている。そのため、部品を取り換えるたびに、操作者は液体環境で成形される部品を取り換えなければならない。

したがって、本発明の目的は、部品製造において生産増加を向上させることを可能とする放電成形装置を提供することにある。さらに、本発明の目的は、従来の装置に比べて信頼性及び寿命が向上する放電成形装置を提供することにある。

当然、提案される装置は、施行されている標準規格に従い、産業用途で必要とされる特性を維持することが好ましい。有利には、装置は使いやすく、競争力のある製造コストを有することである。

この目的のために、本発明は、フレームワークと、タンクとを備える放電成形装置を提案する。

本発明によれば、この放電成形装置は、タンクを覆うために適合されるカバー、金型、成形チャンバー、少なくとも１つの電極装置を有する放電チャンバー、及びカバーに固定され、金型を支持する支持手段を含む可動エンクロージャと、を備え、可動エンクロージャは、タンクがカバーによって閉じられる第１の位置と、放電チャンバー及び成形チャンバーがタンクの外側となる第２の位置との間で可動である。

可動エンクロージャの２つの位置により、タンク内に蓄えられた流体を空にすることなく成形される部品にアクセスすることができる。そのため、生産時間が向上する。さらに、この設計によれば、有利なことに、成形される部品と液体との間を排気することなく、成形される部品の上部に液体、したがって圧力波を位置付けることができ、成形される部品に液体を接触させることができる。

本発明の１つの有利な形態は、支持手段をカバーに固定するクランプディスクと、クランプディスクとカバーとの間に取り付けられる第１の減衰手段と、をさらに備える。このようにして、流体中に伝搬する衝撃波が装置の種々の部分に及ぼす影響が低減される。

衝撃波が装置に及ぼす影響をより一層顕著に低減させるために、支持手段と、金型を支える金型支持部との間に取り付けられる第２の減衰手段をさらに備える。

装置の寿命を最適化するために、カバーとタンクとの間に取り付けられる第３の減衰手段をさらに備え、これにより、このような装置の寿命が大幅に向上する。

衝撃波の減衰を最適化するために、第１、第２、及び第３の減衰手段は弾性ブロックである。

部品の変形を最適化するために、生成される衝撃波を制御し、導くことが重要である。このために、放電チャンバーは、放物面状の少なくとも１つの反射器を備える。反射器のセットは、必要に応じて、例えば、円錐状、平坦状、又は楕円形状とすることができる。

さらに、成形される部品を金型に最も近い安定した位置に維持するために、成形チャンバーは、真空引き手段に関連付けられる。

衝撃波の生成及び伝搬の間、装置のある部分の意図しない変形又は破損を防ぐために、装置の安定性は非常に重要である。このために、支持手段は、１２０°の間隔で配置される３つの脚を備える。

最後に、部品の変形を制御し最適化するために、カバーと金型との間の距離は調整可能にして、これにより、変形される部品が受ける力を調整する。

本発明の詳細及び利点は、添付の概略図を参照してなされる以下の説明から明らかになるであろう。

本発明による放電成形装置の等角概略図である。 図１に示された装置の、他の位置における拡大詳細断面図である。 図３Ａは、図２の位置からの、図１の装置の正面図であり、図３Ｂは、第３の位置における図１の装置の正面図である。 本発明の変形実施形態に対する図２の視点に対応する視点の拡大詳細断面図である。

当業者は、図１の放電成形装置を認識するであろう。このような装置は、タンク４を支持するのに適したフレームワーク２を備える。さらに、本発明の放電成形装置は、可動エンクロージャ６と、図面にはともに示されていない電気エネルギー蓄積装置及び電気パルス発生器とを備える。電気パルス発成器に結合される電気エネルギー蓄積装置は、タンク４内に蓄えられた液体中での電気放電プロセスを所定のストラテジーにしたがってトリガして、成形される部品５を構造化する。このプロセスについては、後にさらに詳細に説明する。

フレームワーク２は、タンク４を支持するために適合される。タンクは、本実施形態の一例では、タンク４の周りに一定間隔で配置される固定具を用いてフレームワーク２に取り付けることができる。フレームワーク２は、例えば、鉄又は硬化鋼といった金属又は金属合金で作ることができる。本実施形態の一例では、フレームワーク２は、平行六面体形状であり、タンク４を支持するのに適した寸法を有する。

フレームワーク２は、基部８の上に配置される。この基部８は、例えば、装置が取り付けられる箇所を破損しないように、フレームワーク２を該基部８の上に配置することができる金属又は他の任意の材料とすることができる。また、基部８は、横材１０を固定させることができる（図示されていない）２つの固定具を備える。

横材１０は、少なくとも２つの垂直部１２及び１４と、少なくとも１つの水平部１６とを有する。垂直部１２及び１４は、水平部１６をｘ軸（図１）に沿って変位可能にするために適合される。記載を複雑にしないために、また、垂直部１２及び垂直部１４は構造的に同一であるため、以下の説明では、垂直部１４のみにつき詳述する。

垂直部１４（図１）は、基部８上に垂直部１４を固定するために、基部８の固定具と協働するよう意図した（不図示の）相補的な固定具を備える。また、垂直部１４は、水平部１６をｘ軸に沿って変位可能にするキャリッジ１８も有する。本実施形態の一例では、キャリッジ１８は、第１の環状ネジ付きシャンク２０及び第２の環状ネジ付きシャンク２２をそれぞれ受け入れるように適合された２つの部位を備える。

本実施形態の一例では、キャリッジ１８は、少なくとも１つのモータと、モータ用の給電及び制御装置と、ギアホイールと（これらは不図示）を備える。給電及び制御装置は、所定のストラテジーに応じてギアホイールを一方向又は反対方向に回転させるために、電気エネルギーをモータに搬送するよう適合される。ギアホイールの歯は、モータが作動すると、キャリッジ１８がｘ軸に沿って第１の環状ネジ付きシャンク２０に沿ってスライドするように、第１の環状ネジ付きシャンク２０のネジ溝内に配置される。

本実施形態の他の例では、前述したような制御系を有する第２のモータが第２の環状ネジ付きシャンク２２の上に配置される。

垂直部１２は、特徴がキャリッジ１８の特徴と同じであるキャリッジを備えることに留意されたい。この実施形態は一例にすぎず、例として、例えば油圧ジャッキシステムのような変位手段の他の例の実施形態も可能である。

キャリッジ１８は、ピン１８２を受容するために適合された開口部１８１を備える。さらに、キャリッジ１８は、（不図示の）回転制御手段を備える。回転制御手段は、例えば、モータ及びギアを備える。回転制御手段は、モータの回転方向に応じてｙ軸に沿う水平部１６の回転を可能にするために適合される。このために、ギアの歯が、ピン１８２の外周の歯とかみ合うため、水平部１６を回転することができる。

水平部１６は、それぞれピン１８２を受容する２つの軸受け部を両端部に有する梁状をしている。水平部１６は、適合された固定具を用いて可動エンクロージャ６を支持するために適合される。

図２は、放電成形装置の詳細な断面図を示す。これは、タンク４と、カバー２６、閉鎖手段２８、３つの脚３０，３１，３２によって形成される支持手段、金型３６２、及び成形チャンバー３６４を含む可動エンクロージャ６とを備える。

タンク４は流体を受け入れて収容するために適合され、流体は好ましくは水である。これを達成するために、タンク４は、一方では、該タンク４に蓄えられる水を収容することができ、他方では、水中での電気放電の間に発生する衝撃又は爆風に耐えることができる十分な耐性材料製である。本実施形態の一例では、タンク４は、例えば鋼鉄のような金属製である。

さらに、タンク４は、底部の直径が、成形される部品の寸法に適するとするのが好適である。有利には、タンクが円形状であることによって、電気放電中のタンク４内の衝撃波を最適に分散させることができ、そのためタンク４の寿命を延ばすことができる。

本実施形態の他の例では、タンク４は、操作者が、プロセスの開始前に成形される部品５の正しい位置を確認できるようにする、少なくとも１つの（不図示の）確認窓を備える。タンク４は、タンク４上にカバー２６を保持するために適合される閉鎖手段２８を備える。これらの閉鎖手段２８は、図１及び２に示されるようにフランジを用いて作ることができる。

カバー２６は、シート成形プロセスの間、タンク４を覆うために適合される。カバー２６は、タンク４の材料と同一の材料で作ることができる。カバー２６は、放電成形装置の仕様に合う、１つ以上の部品で作ることができ、１つ以上の材料又は合金で作ることができる。

図２に示される実施形態において、カバー２６は、３つの脚３０，３１，３２を通すのに適した直径を有する３つの穴を備える。３つの脚は、クランプディスク３０１，３０５，３０７、及びネジ３８，４０，６０によって、それぞれカバー２６に固定される。

カバー２６は、一方では、タンク４の方に向けられた面上で電極装置４２を支持し、他方では、カバー２６及び可動エンクロージャ６を水平部１６に固定するための接続手段を支持する。

機械及び人の安全性のために、放電成形装置は、減衰手段としての機能も果たすシーリングジョイント２６３を備えるのがよい。このシーリングジョイント２６３は、カバー２６の縁部、すなわちカバー２６とタンク４との間の接触領域に配置される。シーリングジョイント２６３は、良好な封止及び減衰性能を得ることを可能とする材料、例えば、合成材料、好ましくは可撓性材料で作る。

３つの脚３０，３１，３２は同一であるため、脚３０のみについて説明する。脚３０は、好ましくは、円筒の棒の形状をしており（図２）、この円筒棒の一方の端部にはネジ３８を受け入れるネジ切り部があり、他方の端部には、金型３６２を支える金型支持部３６１を保持するのに適切なヘッド部がある。脚３０の長さは、金型３６２が放電チャンバー３４４の底部から所定の距離の所に位置するよう適合される。

好ましい一実施形態では、３つの脚は１２０°の間隔で配置される。そのため、可動チャンバー６の安定性及び頑丈性は向上する。

放電チャンバー３４４は、所定のストラテジーにしたがって、タンク４に蓄えられた水中で電気アークを発生させるために適合される電極装置４２を備える。また、この放電チャンバー３４４は、電気アークが流体中で放電されると、成形される部品の方へ圧力波を向けるための、好ましくは放物面状の、少なくとも一組の反射器を備える。本実施形態は、実質的に、成形部品の仕上がりを向上させる。しかし、成形される部品５の複雑さに応じて、反射器の組は、円錐状、平坦状、又は楕円形状とすることができる。

電極装置４２は、２つの電極を少なくとも一組、備える。これらは、好ましくは、対称軸ＡＡ’の両側で、水中にて電気アークを発生させることができる所定の距離のところに取り付けられる。他の実施形態では、２つの電極の少なくとも二組が用いられる。有利には、本実施形態において、（２つの電極の一組に関連して）同等の電力で、流体中での爆燃波をより均一にすることができ、そのため、得られる成形部品の仕上がりをより良くすることができる。電極装置４２及び（電極装置４２をパルス発生器に接続する）その関連するコネクタは当業者に知られているため、それらは、ここでは詳述しない。

金型３６２は、金型支持部３６１の上に配置される。金型支持部３６１は、好ましくは、金型３６２を収容することができる十分な直径を有する円形状である。さらに、金型支持部３６１は、脚３０，３１，３２を通すのに適した直径を有する３つの穴を備える。

金型３６２は、例えば、ネジを用いて金型支持部３６１に固定される。さらに、金型３６２は、成形される部品５の下の成形チャンバー３６４内を所望の真空にすることができる（図では不可視の）ポンプ装置に連結された内部配管システム３６５を備える。

金型３６２は、好ましくは円形状であり、成形される部品に対応するエンクロージャを備える。成形チャンバー３６４は、金型３６２と成形される部品５との間のスペースに相当する。

固定具３６３が、金型３６２の反対側に配置され、成形される部品５を所望の位置に保持し、また、成形チャンバー３６４を封止する。リング３６３は、締めつけネジを用いて金型３６２に固定される。リング３６３の材料は、好ましくは金型３６２の材料と同一である。

実施形態の変形例では、例えば合成材料のような可撓性材料の、少なくとも１つのジョイントを、金型３６２と成形される部品５との間、及び成形される部品５とリング３６３との間に挿入するのがよい。

有利には、成形される部品５とカバー２６との間の距離は、液体中に電極装置４２によって提供される電気放電によって発せられるエネルギーが、成形される部品５を一工程にて所望の形状にし得るように適合される。実際には、強力な爆燃は、流体中で数ミリ秒（１ｍｓ＝１０^−３ｓ）の間に、極めて迅速に変位する衝撃波を生成し、成形される部品を塑性変形する。

有利には、放電成形プロセスを用いてプレートの変形を最適化するために、金型３６２とカバー２６との間の距離を調整することが可能である。このために、シム４００，４０１，４０２（図２）がクランプディスク３０１，３０５，３０７とカバー２６との間に取付けられる。本実施形態の変形例では、金型３６２とカバー２６との間の距離を正確に調整するために、所望の距離を得るよう数個のシムを挿入することが可能である。

本明細書の初めに説明したように、本発明の放電成形装置は、２つのプレート成形の間の生産時間をかなり最適化する。これを達成するために、可動エンクロージャ６が提案され、これは、タンク４がカバー２６によって閉じられる第１の位置と、可動エンクロージャ６がタンク４の外側となり、金型３６２に接近できる第２の位置とを占めるように適合される。

第１の位置は図３Ａに示される。ここでは、可動エンクロージャ６は、この可動エンクロージャ６のカバー２６がタンク４、より具体的には、シーリングジョイント２６３と接触するまで、タンク４内に位置付けられる。タンク４には、あらかじめ所定のレベルまで水で満たされていることを理解されたい。さらに、可動エンクロージャ６を第１の位置に配置する前にタンク４内に水を補給することができる。

カバー２６が、固定手段２８によってタンク４に固定されたら、放電成形プロセスを実行することができる。電気パルス発成器に結合された電気エネルギー蓄積装置は、成形される部品５を（金型３６２にしたがって）構造化するために、タンク４内に蓄えられた液体中で、電極装置４２を介して電気放電させることができる。有利には、金型３６２の正面に放電チャンバー３４４を配置することによって、成形される部品５を極めて良好に仕上げることができる。

第２の位置は図３Ｂに示される。ここでは、横材１０及び関連する変位手段により、可動エンクロージャ６は、タンク４の外側に位置付けられる。そのため、金型３６２は、タンク４の外側に位置付けられる。この位置では、放電チャンバー３４４は、タンク４に入っている水の外側にあり、そのため、操作者は成形される部品を容易に据え付けたり（又は交換したり）することができる。

有利には、成形チャンバー３６４内の残留水の全てを取り除くために、可動エンクロージャ６を、横材１０及び変位手段を用いて傾けて、残留水を排出する。

有利には、本発明のような放電成形装置により、２つの部品成形工程の間の処理時間が短縮し、金型３６２上への成形される部品の交換も容易になる。そのため、製造コスト、及び得られる部品の品質も向上する。

放電成形装置の所定の部分の寿命を最適化及び改善するために、好適な実施形態は、可動エンクロージャ６に及び衝撃波の影響を減少させ、これにより装置の寿命を延ばす第１の減衰手段４４，４８，５４を提供する。これら第１の減衰手段４４，４８，５４は、クランプディスク３０１，３０５，３０７とカバー２６との間に取り付けられる（図４）。

第１の減衰手段４４，４８，５４は、好ましくは、例えば、クランプディスク３０１，３０５，３０７の径に等しい外径、及び脚３０，３１，３２の径に適合される内径を有するリング形状である。さらに、第１の減衰手段４４，４８，５４は、タンク４に入っている水を経て本装置によって生成される衝撃波の一部又は全部を減衰させることができるのに十分な厚さを有する。

最適な方法で衝撃波を減衰させるために、ここでは、金型支持部３６１と脚３０，３１，３２のヘッド部３０２，３２０，３２２との間に取り付けられる第２の減衰手段４６，５０，５６が用いられる。第２の減衰手段４６，５０，５６も、例えばヘッド部３０２，３２０，３２２の径に等しい外径、及び脚３０，３１，３２の径に適合される内径を有するリング形状である。第２の減衰手段４６，５０，５６の厚さは、衝撃波の一部又は全部を減衰するのに十分である。

第１の減衰手段４４，４８，５４、及び第２の減衰手段４６，５０，５６は、例えば、合成材料で作ることができる。しかし、衝撃波を減衰させることができる他の任意の材料又は構造物を用いることができる。

シーリングジョイント２６３も減衰手段として用いられることに、留意されたい。そのため、３つの減衰手段２６３があり（図４）、その厚さは、タンク４内に入っている水の中での波の伝搬中の残留エネルギーを部分的に又は全部、吸収するのに十分である。

有利には、前述の第１の減衰手段４４，４８，５４、第２の減衰手段４６，５０，５６、及び第３の減衰手段２６３を、部分的に又は完全に組み合わせることが可能である。実際上、これらの手段それぞれは、衝撃波の垂直成分（図２の中心線ＡＡ’）に作用する。第１の減衰手段４４，４８，５４、第２の減衰手段４６，５０，５６、及び第３の減衰手段２６３は、単独で、又は組み合わされて、（電極４２を支持する）カバー２６と（金型３６２を含む）金型支持部３６１との間の僅かな動きを減衰させることが可能である。このように、衝撃によるエネルギーの一部は、構造物によって全て吸収される代わりに減衰手段によって消散される。これにより、放電中に生成される応力を構造物の各部分にて低減させることができる。このようにして、質量を低減させ、そのため、より簡易かつ迅速に扱えるより小さいシステムとすることができ、コストを低くすることができる。

そのため、本発明は、懸垂型エンクロージャを有する放電成形装置を提案する。可動エンクロージャの位置の２つの位置のおかげで、成形チャンバーに容易に接近することができ、処理時間がかなり短縮され、そのため製造コストを最適化することができる。放電成形プロセス、厳密にいえば、放電を実行する他のプロセスでは、タンク内を伝搬する電気油圧圧力が高く、場合によっては、装置の種々の部分を破損することがある。減衰手段により、装置の種々の部分への衝撃波の影響を減少させ、さらに、放電成形装置の寿命を延ばすことができる。

本発明は、非限定の例による上述の実施形態、図面によって示された形状、言及された他の変形例に限定されず、本発明は、後述の請求項の範囲で当業者が到達する任意の実施形態に関する。

Claims (9)

1. フレームワーク（２）と、
   流体を収容可能なタンク（４）と、
   前記タンク（４）を覆うために適合されるカバー（２６）、金型（３６２）、成形チャンバー（３６４）、少なくとも１つの電極装置を有する放電チャンバー（３４４）、及び前記カバー（２６）に固定され、前記金型を支持する支持手段（３０，３１，３２）を含む可動エンクロージャ（６）と、
   前記可動エンクロージャ（６）に適合された横材（１０）と、を備え、
   前記可動エンクロージャ（６）は、前記タンク（４）が前記カバー（２６）によって閉じられる第１の位置と、前記放電チャンバー（３４４）及び前記成形チャンバー（３６４）が前記タンク（４）の外側となる第２の位置との間で可動であり、
   前記可動エンクロージャ（６）は前記横材（１０）によって傾けられることを特徴とする、放電成形装置。
2. 前記支持手段（３０，３１，３２）を前記カバー（２６）に固定するクランプディスク（３０１，３０５，３０７）と、
   前記クランプディスク（３０１，３０５，３０７）と前記カバー（２６）との間に取り付けられる第１の減衰手段（４４，４８，５４）と、
   をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の放電成形装置。
3. 前記支持手段（３０，３１，３２）と、前記金型（３６２）を支える金型支持部（３６１）との間に取り付けられる第２の減衰手段（４６，５０，５６）をさらに備えることを特徴とする、請求項１又は２に記載の放電成形装置。
4. 前記カバー（２６）と前記タンク（４）との間に取り付けられる第３の減衰手段（２６３）をさらに備えることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の放電成形装置。
5. 前記第１の減衰手段（４４，４８，５４）、前記第２の減衰手段（４６，５０，５６）、及び前記第３の減衰手段（２６３）は、弾性ブロックであることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の放電成形装置。
6. 前記放電チャンバー（３４４）は、放物面状の、少なくとも１つの反射器を備えることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の放電成形装置。
7. 前記成形チャンバー（３６４）は、真空引き手段に関連付けられることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の放電成形装置。
8. 前記支持手段（３０，３１，３２）は、１２０°の間隔で配置される３つの脚を備えることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の放電成形装置。
9. 前記カバー（２６）と前記金型（３６２）との間の距離は調整可能であることを特徴とする、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の放電成形装置。
   

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