JP2007253182A

JP2007253182A - 電磁成形装置

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Publication number: JP2007253182A
Application number: JP2006079772A
Authority: JP
Inventors: Yoshihaya Imamura; 美速今村; Noritaka Eguchi; 法孝江口; Takayoshi Sugizaki; 孝良杉崎; Kazushige Sakuraba; 一茂桜庭
Original assignee: TECHNO DENKI KOGYO KK; Kobe Steel Ltd
Current assignee: TECHNO DENKI KOGYO KK; Kobe Steel Ltd
Priority date: 2006-03-22
Filing date: 2006-03-22
Publication date: 2007-10-04

Abstract

【課題】コンデンサを含むインダクタ用駆動回路の大電流化を回避しつつ、生産性を上昇させることができる電磁成形装置を提供する。
【解決手段】複数個（ｎ個：ｎは自然数）のインダクタ２１１〜２１ｎが、夫々放電端子２５１〜２５ｎと接地端子２５０との間に接続されている。コンデンサ２４が適宜の電源装置により充電されるようになっており、コンデンサ２４の一方の端子は夫々複数個のスイッチ２２１〜２２ｎを介して放電端子２５１〜２５ｎに接続されている。スイッチ２２１〜２２ｎのオンオフは、低電流低電圧のトリガ電流の供給によりオンになるスイッチであり、トリガ切り替えスイッチ２３を介して、適宜のトリガ電源からトリガ電流が供給される。
【選択図】図１

Description

本発明は複数個の素材を電磁成形する電磁成形装置に関する。

電磁力を利用して金属を塑性加工する電磁成形技術は、板状又は管状等の多様な形状に柔軟に対応できるため、種々の分野への適用が検討されている。この電磁成形技術は、高電圧で蓄えられた電荷を電磁成型用コイルに瞬時に放電させて、その周囲に極めて短時間で強力な磁場を形成し、この磁場の中に被加工材を配置することにより、被加工材と成形用コイルとの間に反発力を発生させて成形を行うものである。図１１は、この電磁成形技術を示す概念図である。金属管を電磁成形により拡管成形する場合、導線が巻回されている電磁拡管成形用コイル１６の軸部を、被加工材である金属管１４に挿入し、これらを成形型１５の所定の位置に配置する。そして、配線１７ａ及び１７ｂから電磁拡管成形用コイル１６の導線に衝撃大電流を流して、電磁拡管成形用コイル１６の軸部の周囲に磁場を発生させる。これにより、金属管１４は磁場の反発力による強い拡張力を受けて拡管され、成形型１５の内面に押しつけられて、金属管１４が成形型１５により成形される。

この電磁成形技術は、電気の良導体であるアルミニウム及びアルミニウム合金並びに銅及び銅合金の成形に適しており、現在、アルミニウム合金管への溝の成形及びアルミニウム合金管同士の接合等に使用されている。また、アルミニウム合金管の端部の折り曲げ加工又は大径管のカシメ等のように変形量が大きい加工及び高強度材料の加工等にも、電磁成形の適用が検討されている。更に、車両、自動車及び二輪車等のフレーム材又は部品の加工への適用も検討されている。そして、特許文献１には、拡管成形を利用したフランジ材付き管状部材の例が記載されている。また、板状のインダクタを使用して板状金属素材を皿形状に成形する技術として特許文献２等が知られている。

特開２００３−３９３０１３号公報特開２００１−５２６９６３号公報

しかしながら、上述の例は基本的に、単一のインダクタに対して単一のコンデンサ、スイッチを使用する単品生産用装置である。図１２（ａ）はこの単品生産用電磁成形装置の駆動回路を示す回路図である。成形用のインダクタ１の１端子が２個の放電スイッチ２及び充電スイッチ３を介して充電部４に接続されている。そして、放電スイッチ２と充電スイッチ３との接続点と、インダクタ１の他端子との間に、コンデンサ５が接続されている。この電磁成形装置においては、放電スイッチ２をオフ、充電スイッチ３をオンにして、充電部４から電流を供給してコンデンサ５を充電する。その後、充電スイッチ３をオフにした後、放電スイッチ２をオンにしてコンデンサ５に蓄積した電荷をインダクタ１に流し、インダクタ１に衝撃的に大電流を供給する。

しかしながら、単品生産では生産性が低く、生産コストを低減するためには、複数の素材を同時に成形する複数品生産装置により量産化することが必要である。このため、図１２（ｂ）に示すように、インダクタ１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄを並列に接続し、複数個のインダクタ１ａ等を使用して同時に複数個の素材を電磁成形することが必要である。しかし、この図１２（ｂ）に示すように、同時に複数個のインダクタ１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄに大電流を供給するためには、容量が大きなコンデンサを使用する必要がある。また、コンデンサの容量を大きくすれば、より高電圧大電流回路となり、回路を構成する導線、コンデンサ、及びスイッチは、高電圧大電流に耐える専用品が必要となる。また、短時間大電流を繰返し通電することにより、構成部品の消耗が激しくなる。

また、大電流を通電することにより、インダクタは熱を発生し、発生熱を蓄積するため、量産時においても、一定時間の通電間隔が必要であり、生産性が悪くなる。これに対して、図１２（ｃ）に示すように、各インダクタ１ａ、１b、１c、１dへの通電電流を交互に切替えるためのスイッチ６を設け、各インダクタ１ａ、１b、１c、１dへの通電電流は１個のインダクタに必要な電流ですむようにし、コンデンサ５への充電と、コンデンサ５から１個の各インダクタへの通電とを交互に繰り返すようにした電磁成形装置も考えられる。しかし、この電磁成形装置においては、大電流が流れる切替え接点において、抵抗による電流ロスが発生し、更には大電流通電時に端子部の配線が電磁力作用により移動したり、変形したりする。更に、コンデンサからの放電時のコンデンサ、放電スイッチ、インダクタを経てコンデンサに戻る回路配線も回路抵抗となり、電流ロスを発生する。

放電スイッチ２及び充電スイッチ３においても、放電してから、再度充電するまでの待機時間は長いほうが好ましく、量産時においても、一定の放電間隔をとることが必要である。このため、図１２（ｃ）に示す装置では、生産性が十分にあがらない。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、コンデンサを含むインダクタ用駆動回路の大電流化を回避しつつ、生産性を上昇させることができる電磁成形装置を提供することを目的とする。

本発明に係る電磁成形装置は、複数個の素材を成形するための複数個のインダクタと、これらのインダクタに電流を供給するコンデンサと、このコンデンサから前記インダクタへの電流の供給のオンオフを切り替える複数個の放電スイッチと、前記コンデンサを充電するための充電部と、前記複数個の放電スイッチのオンオフを切り替えて前記インダクタを選択的に駆動する制御部とを有することを特徴とする。

本発明に係る他の電磁成形装置は、複数個の素材を成形するための１又は複数個のインダクタからなる複数個の集合インダクタと、前記各集合インダクタ毎に接続され前記インダクタに電流を供給する複数個のバンクユニットと、充電部と、を有し、前記各バンクユニットは、前記充電部により充電されるコンデンサと、前記集合インダクタが接続され前記集合インダクタへ電流を供給する放電端子と、前記コンデンサと前記放電端子との間に接続され前記放電端子への電流の供給のオンオフを切り替える放電スイッチと、を有し、更に、前記放電スイッチのオンオフを切り替えて前記集合インダクタを選択的に駆動する制御部を有することを特徴とする。

この電磁成形装置において、例えば、前記集合インダクタは、複数個のインダクタが直列接続されたものであるか、又は複数個のインダクタが並列接続されたものである。

本発明に係る更に他の電磁成形装置は、複数個の素材を成形するための１又は複数個のインダクタからなる複数個の集合インダクタと、複数個の前記集合インダクタ毎に接続され前記インダクタに電流を供給する複数個のバンクユニットと、充電部と、を有し、前記各バンクユニットは、前記充電部により充電されるコンデンサと、前記複数個の集合インダクタが接続され前記集合インダクタへ電流を供給する複数個の放電端子と、前記コンデンサと前記複数個の放電端子との間に接続され前記放電端子への電流の供給のオンオフを切り替える複数個の放電スイッチと、前記放電スイッチのオンオフを選択的に切り替える切替スイッチと、を有し、更に、前記切替スイッチを制御して前記集合インダクタを選択的に駆動する制御部を有することを特徴とする。

この電磁成形装置において、例えば、前記各バンクユニットに接続された複数個の集合インダクタは、夫々、複数個のインダクタが直列接続されたものであるか、又は、夫々、複数個のインダクタが並列接続されたものである。

本発明によれば、コンデンサを含むインダクタ用駆動回路の大電流化を回避しつつ、複数個の素材を同時に電磁成形することができ、量産効果により生産性を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態について添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は、本発明の第１実施形態の電磁成形装置の回路部分を示す図である。複数個（ｎ個：ｎは自然数）のインダクタ２１１〜２１ｎが、夫々放電端子２５１〜２５ｎとコンデンサバンク電源２０の接地端子２５０との間に接続されている。コンデンサバンク電源２０においては、コンデンサ２４が適宜の電源装置により充電されるようになっており、コンデンサ２４の一方の端子は夫々複数個のスイッチ２２１〜２２ｎを介して放電端子２５１〜２５ｎに接続されている。スイッチ２２１〜２２ｎのオンオフは、トリガ電圧の供給によりオンになるスイッチであり、トリガ切り替えスイッチ２３を介して、適宜のトリガ電圧からトリガ電圧が供給される。

このように構成された本実施形態の電磁成形装置においては、コンデンサ２４に１個のインダクタに供給する電流に相当する電荷が蓄積される。その後、トリガースイッチ２３をスイッチ２２１に切り替えてトリガ電圧をこのスイッチ２２１に供給する。これにより、スイッチ２２１がオンとなり、コンデンサ２４から成形インダクタ２１１に成形用大電流が供給され、インダクタ２１１にて素材が電磁成形される。

次に、スイッチ２３を無効とし（いずれのスイッチ２２１〜２２ｎにも接続しない）、コンデンサ２４を充電する。その後、トリガ切り替えスイッチ２３を次のスイッチ（図示せず）に接続し、このスイッチをオンにしてコンデンサ２４を放電させ、次のインダクタ（図示せず）に成形用の大電流を供給する。次いで、トリガ切り替えスイッチ２３を無効にし、コンデンサ２４を充電し、次のスイッチをオンにして放電電流を次のインダクタに供給する。この操作を繰り返して、最後に、コンデンサ２４を充電した後、トリガ電圧をスイッチ２２ｎに供給してスイッチ２２ｎを介して放電電流をインダクタ２１ｎに供給する。

本実施形態においては、トリガ切り替えスイッチ２３が切り替える電流は低電圧低電流のトリガ電圧であるので、大電流通電部分を切替る必要がない。従って、大電流切り替えに伴う電流ロス及び端子部の消耗が無い。

図２は本発明の第２実施形態に係る電磁成形装置の回路部分を示す図である。複数個（ｎ個）のインダクタユニット３１１〜３１ｎに夫々バンクユニット３２１〜３２ｎが接続されている。各バンクユニット３２１〜３２ｎ内には、スイッチ３２とコンデンサ３４とが設けられており、充電部３３の充電端子がコンデンサ３４に接続されており、コンデンサ３４が充電部３３により充電されるようになっている。スイッチ３２はコンデンサ３４の充電端子とユニット３２１〜３２ｎの放電端子との間に接続されており、コンデンサ３４の接地端子はユニット３２１〜３２ｎの接地端子に接続されている。インダクタユニット３１１〜３１ｎは、例えば、夫々３個の成形用インダクタ３１が直列に接続されており、１ユニットで３個の素材を同時に成形することができる。

このように構成された電磁成形装置においては、全てのバンクユニット３２１〜３２ｎのコンデンサ３４に対し、充電部３３から電流を供給して、コンデンサ３４を充電する。そして、トリガ電圧をスイッチ３２に供給してスイッチ３２をオンにする。これにより、コンデンサ３４の放電電流が集合インダクタ３１１の３個の直列接続のインダクタ３１に供給される。

本実施形態においては、１個のコンデンサ３４の充電により、３個のインダクタ３１に一度に大電流を供給して、３個の素材を電磁成形することができる。従って、ｎ個のバンクユニット３２１〜３２ｎを使用して、３ｎ個の素材を同時に成形することができる。本実施形態においては、コンデンサの容量として、３個のインダクタ３１に給電できる容量は大容量のものであることが必要であるが、スイッチのオンオフは、低電圧低電流のトリガ電圧により切り替えられるので、従来技術の図１２（ｃ）のように、大電流を切り替えるときの不都合はない。また、充電部をコンデンサ、放電スイッチ、インダクタを経てコンデンサに戻る回路が別ユニットとして設けられているので、ユニット３２１〜３２ｎの回路配線を短く集約でき、回路抵抗による電流ロスを低減できる。

また、本実施形態においては、ｎ個のユニット３２１〜３２ｎに分けているので、コンデンサ容量は３個分のインダクタに衝撃電流を流すだけでよい。また、３ｎ個のインダクタを直列接続した場合（従来の図１２（ｃ））に比して、各ユニット内では比較的低電流低電圧とすることができる。このため、回路を構成する導線、コンデンサ、スイッチをより低電圧小電流仕様のものを使用することができる。また、各バンクユニットへの充電部を兼用することで装置全体のコストを下げることができる。更に、各バンクユニットのスイッチ３２を駆動するための制御部を設けてあり、各ユニットでの成形を一定の時間間隔で順次行う差動通電を行うことにより、インダクタの冷却期間をとることができ、各部品の寿命を長くすることができる。更に、大電流切替え部を持たないため、切換接点を廃止でき、電流ロス及び端子部の損耗が無い。

図３はこの図２に示す実施形態において、各集合インダクタ３１１〜３１ｎに３個のインダクタ３１を直列接続した場合の電圧低減効果を示す回路図である。本実施形態のように、１個の集合インダクタにおいては、３個のインダクタ３１が直列に接続されているため、１ユニット内に設けられた全てのインダクタ３１に共通して同じ電流が流れるため、ユニット内のインダクタ３１は全て同じ電磁気力を発生することができる。このため、成形／接合される素材の変形量はバラつきが少なく、均一な成形を行うことができる。更に、直列接続にすることで、ユニット１個の場合にＶの電圧が必要であるとすると、Ｎ個の場合では、Ｎ×Ｖではなくそれよりも低いＶ√Ｎだけの電圧で済むため、ユニット内の各部品は、より低電圧小電流使用の部品を使用することができる。

図３に示すように、成形用インダクタ３１が１個の場合、コンデンサ３４が２００μＦ、充電電圧が５ｋＶのときに、インダクタ３１に供給できるエネルギは、Ｐ＝（１／２）ＣＶ^２＝２．５（ｋＪ）である。

一方、成形用インダクタ３１が３個直列接続の場合、各インダクタ３１に２．５ｋＪのエネルギを供給するためには、全体で７．５ｋＪのエネルギが必要であるが、これは、コンデンサ３４の容量が２００μＦであるとすると、充電電圧ＶはＶ＝√（（２×Ｐ）／Ｃ）＝８．６６Ｖとなる。つまり、インダクタ１個あたりの必要電圧は、５ｋＶ×３＝１５ｋＶではなく、８．６６ｋＶとなり、より低電圧小電流用の電源装置を使用することができる。なお、集合インダクタ内のインダクタの数は３個に限らず、任意である。

図４は、本発明の第３実施形態に係る電磁成形装置の回路部分を示す図である。本実施形態においては、集合インダクタ３１１〜３１ｎ内の３個のインダクタ３１が並列に接続されている。インダクタ３１が並列接続の場合、導線の距離においてコンデンサから近いインダクタと遠いインダクタでは、流れる電流量が異なるため、成形能力に差が生じる。この効果を活用し、ユニット内で異なる形状の成形を行うことが可能である。なお、図２又は図４は、全てのユニット内の集合インダクタが直列又は並列に接続されているが、直列の集合インダクタと並列の集合インダクタが混在していてもよい。

図５は本発明の第４実施形態に係る電磁成形装置の回路部分を示す図である。バンクユニット３２１においては例えば４個のスイッチ３２１１〜３２１４が並列接続されて設けられており、これらのスイッチはトリガ切り替えスイッチ３５によりトリガ電圧を供給すべきスイッチ３２１１〜３２１４が切り替えられる。そして、バンクユニット３２１の４個の切り替えスイッチ３２１１〜３２１４には、夫々、集合インダクタ３１１１〜３１１４が接続されている。これらの集合インダクタ３１１１〜３１１４においては、例えば３個のインダクタ３１が直列に接続されている。

本実施形態においては、トリガ切り替えスイッチ３５がスイッチ３２１１〜３２１ｎに順次トリガ電圧を供給してオンにし、例えば、３個のインダクタ３１が直列に接続された４個のユニットに一定の時間間隔で順次差動通電を行う。これにより、３×４×ｎ個のインダクタに対し電磁成形することができる。また、インダクタの冷却期間をとることができ、各部品の寿命を長くすることができる。更に、大電流切替え部を持たないため、切換接点を廃止でき、電流ロス及び端子部の損耗が無い。

図６は本発明の制御部のシステム系統図を示す。各バンクユニットへの充放電をコントロール盤によって一括制御するため、以下に示すような差動通電が可能である。この差動通電の手順の一例を下記表１に示す。なお、ここでは説明していないが、バンクユニット間での差動通電も可能である。

表１

図７は本発明の第５実施形態に係る電磁成形装置の回路部分と制御部分との関係を示す図である。バンクユニット１〜ｎにおいて、３個のインダクタを接続した集合インダクタが例えば４個並列に接続され、これらの集合インダクタには夫々放電スイッチＤＷが接続されている。更に、全ての放電スイッチ及び充電スイッチは外部コントロール部からの指令によって制御されるよう接続されているため、各バンクユニット内のスイッチ又は各バンクユニット間のスイッチを任意の順番、運転間隔で充電、通電を繰り返すことができる。

図８は本発明の第６実施形態に係る電磁成形装置の回路部分を示す図である。本実施形態は、ｎ個のバンクユニット３２１〜３２ｎに夫々４個の集合インダクタ３１１１〜３１１４、３１ｎ１〜３１ｎ４が接続されている。本実施形態が図５に示す第４実施形態と異なる点は、各集合インダクタ３１１１〜３１１４，３１ｎ１〜３１ｎ４が、３個のインダクタ３１が並列接続されたものである点にある。本実施形態も図５に示す実施形態と同様の効果を奏する。

図９は本発明の第７実施形態に係る電磁成形装置の回路部分を示す図である。本実施形態は、ｎ個のバンクユニット３２１〜３２ｎに夫々４個の集合インダクタ３１１１〜３１１４、３１ｎ１〜３１ｎ４が接続されている。本実施形態が図５に示す第４実施形態と異なる点は、一部の集合インダクタ３１１１〜３１１４等が、３個のインダクタ３１が並列接続されたものである点と、残りの集合インダクタ３１ｎ１〜３１ｎ４等が、３個のインダクタ３１が直列接続されたものである点にある。つまり、集合インダクタが、インダクタの並列接続体と、直列接続体とが混在したものである。本実施形態も図５に示す実施形態と同様の効果を奏する。

図１０は本発明の第８実施形態に係る電磁成形装置の回路部分を示す図である。複数個のインダクタ６０の直列接続体又はインダクタユニットとコンデンサ６３との間に、複数個の放電スイッチ６１，６２が並列接続されている。

本実施形態においては、コンデンサ６３の充電に必要な時間に対して、スイッチの待機時間が長い場合は、このように複数の放電スイッチ６１，６２を並列接続し、順番に使用することにより、待機時間を保ちつつ、電磁成形体を量産することができる。

なお、本発明に用いる放電スイッチは、高速、高電圧大電流始動スイッチとして、ギャップスイッチ、サイラトロンスイッチ、半導体スイッチ、イグナイトロンスイッチ等、種々のスイッチを使用することができる。本図にはスイッチは一個の例を記載しているが、スイッチの損耗を抑えるため、複数個のスイッチを並列接続しても良い。

本発明は、自動車材、容器材等アルミニウム及びアルミニウム合金並びに銅及び銅合金等、その他の金属又は合金の電磁成形を利用した加工及び接合において、低コスト化を実現できる。

本発明の第１実施形態に係る電磁成形装置の回路部分を示す図である。本発明の第２実施形態に係る電磁成形装置の回路部分を示す図である。この第２実施形態において、集合インダクタの３個の直列接続されたインダクタの電圧低減効果を示す概念図である。本発明の第３実施形態に係る電磁成形装置の回路部分を示す図である。本発明の第４実施形態に係る電磁成形装置の回路部分を示す図である。本発明の制御部のシステム系統図である。本発明の第５実施形態に係る電磁成形装置の回路部分と制御部分との関係を示す図である。本発明の第６実施形態に係る電磁成形装置の回路部分を示す図である。本発明の第７実施形態に係る電磁成形装置の回路部分を示す図である。本発明の第８実施形態に係る電磁成形装置の回路部分を示す図である。電磁成形技術を示す模式図である。（ａ）乃至（ｃ）は従来の電磁成形装置を示す図である。

符号の説明

１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ：インダクタ
２：放電スイッチ
３：充電スイッチ
６：切り替えスイッチ
４：充電部
５：コンデンサ
１４：金属管
１５：成形型
１６：コイル
１７ａ、１７ｂ：配線
２０：電源
２１１〜２１ｎ：インダクタ
２２１〜２２ｎ：スイッチ
２３：スイッチ
２３：トリガースイッチ
２４、３４：コンデンサ
２５０：接地端子
２５１〜２５ｎ：放電端子
３１：インダクタ
３１１１〜３１１４、３１ｎ１〜３１ｎ４：集合インダクタ
３２、３２１１〜３２１４：放電スイッチ
３２１〜３２ｎ：バンクユニット
３３：充電部
３４：コンデンサ
３５：トリガ切替スイッチ
６０：インダクタ
６１，６２：放電スイッチ
６３：コンデンサ
６４：充電スイッチ

Claims

複数個の素材を成形するための複数個のインダクタと、これらのインダクタに電流を供給するコンデンサと、このコンデンサから前記インダクタへの電流の供給のオンオフを切り替える複数個の放電スイッチと、前記コンデンサを充電するための充電部と、前記複数個の放電スイッチのオンオフを切り替えて前記インダクタを選択的に駆動する制御部とを有することを特徴とする電磁成形装置。
複数個の素材を成形するための１又は複数個のインダクタからなる複数個の集合インダクタと、前記各集合インダクタ毎に接続され前記インダクタに電流を供給する複数個のバンクユニットと、充電部と、を有し、前記各バンクユニットは、前記充電部により充電されるコンデンサと、前記集合インダクタが接続され前記集合インダクタへ電流を供給する放電端子と、前記コンデンサと前記放電端子との間に接続され前記放電端子への電流の供給のオンオフを切り替える放電スイッチと、を有し、更に、前記放電スイッチのオンオフを切り替えて前記集合インダクタを選択的に駆動する制御部を有することを特徴とする電磁成形装置。
前記集合インダクタは、複数個のインダクタが直列接続されたものであることを特徴とする請求項２に記載の電磁成形装置。
前記集合インダクタは、複数個のインダクタが並列接続されたものであることを特徴とする請求項２に記載の電磁成形装置。
複数個の素材を成形するための１又は複数個のインダクタからなる複数個の集合インダクタと、複数個の前記集合インダクタ毎に接続され前記インダクタに電流を供給する複数個のバンクユニットと、充電部と、を有し、前記各バンクユニットは、前記充電部により充電されるコンデンサと、前記複数個の集合インダクタが接続され前記集合インダクタへ電流を供給する複数個の放電端子と、前記コンデンサと前記複数個の放電端子との間に接続され前記放電端子への電流の供給のオンオフを切り替える複数個の放電スイッチと、前記放電スイッチのオンオフを選択的に切り替える切替スイッチと、を有し、更に、前記切替スイッチを制御して前記集合インダクタを選択的に駆動する制御部を有することを特徴とする電磁成形装置。
前記各バンクユニットに接続された複数個の集合インダクタは、夫々、複数個のインダクタが直列接接続されたものであることを特徴とする請求項５に記載の電磁成形装置。
前記各バンクユニットに接続された複数個の集合インダクタは、夫々、複数個のインダクタが並列接続されたものであることを特徴とする請求項５に記載の電磁成形装置。