ストレッチ成形：航空宇宙および自動車用の精密金属成形
共有
Table Of Content
Table Of Content
定義と基本概念
ストレッチ成形は、シートまたは押出物を引き伸ばし、同時に金型の上に曲げて特定の形状を作成する金属成形プロセスです。この技術は、最小限のスプリングバック、優れた寸法安定性、および均一な材料厚さを持つ部品を生産します。
このプロセスは、材料の降伏強度を超える引張力を適用しながら、同時にそれを輪郭のある金型の上に成形することを含みます。純粋な曲げ操作とは異なり、ストレッチ成形は、ワークピース全体にわたって制御された塑性変形を生み出し、より安定した成形部品を実現します。
冶金学的には、ストレッチ成形は純粋な引き伸ばし操作と曲げプロセスの間に独自の位置を占めています。これは、金属のひずみ硬化特性を活用し、従来の成形方法では生産が難しい複雑な輪郭を達成するために材料の流れを管理します。
物理的性質と理論的基盤
物理的メカニズム
微細構造レベルでは、ストレッチ成形は金属の結晶格子を通る転位の制御された移動を含みます。引張応力が降伏強度を超えると、転位が増殖し、すべり面に沿って移動し、永久変形を引き起こします。
張力と曲げの同時適用は、材料全体にわたって複雑な応力状態を生み出します。この応力分布は、曲げの外半径から内半径にかけて変化する塑性変形の勾配を生み出し、中立軸が内半径に移動します。
制御された塑性変形は、ひずみ硬化をもたらし、転位密度が増加し、転位が相互作用し、さらなる変形が困難になります。この現象は、最終部品の強度と寸法安定性に寄与します。
理論モデル
ストレッチ成形の主要な理論モデルは、塑性変形理論と膜応力解析を組み合わせたものに基づいています。このアプローチは、材料を三次元の輪郭に適合させながら、二軸引張の下にある薄い膜として考えます。
歴史的な理解は、20世紀初頭の単純な曲げ理論から、1940年代と1950年代のより洗練されたモデルへと進化しました。航空機メーカーが大きなアルミニウム部品のための高度な成形技術を必要としたためです。ヒルの異方性降伏基準（1948年）は、板金の挙動をモデル化する上で重要な進展を提供しました。
現代のアプローチには、材料の異方性、ひずみ硬化、およびひずみ速度感度を組み込んだ有限要素解析（FEA）モデルが含まれます。成形限界図（FLD）もストレッチ成形操作中の材料の挙動を予測するために使用され、結晶塑性モデルは微細構造レベルでの洞察を提供します。
材料科学の基盤
ストレッチ成形の挙動は結晶構造に強く影響され、面心立方（FCC）金属（アルミニウムやオーステナイト系ステンレス鋼など）は、体心立方（BCC）金属（フェライト系鋼など）よりも一般的に成形性が良好です。この違いは、各構造における利用可能なすべり系の数に起因します。
粒界は、転位の移動を妨げることによってストレッチ成形において重要な役割を果たします。細粒材料は一般的により良い成形性を示しますが、より高い強度要件があります。粒のサイズと方向（テクスチャ）は、ストレッチ成形に対する材料の応答に大きな影響を与えます。
このプロセスは、基本的に作業硬化と塑性変形の原則に依存しています。塑性領域における応力とひずみの関係、特にひずみ硬化指数（n値）と塑性ひずみ比（r値）は、ストレッチ成形性と最終部品の特性に直接影響を与えます。
数学的表現と計算方法
基本定義式
基本的なストレッチ成形プロセスは、適用された張力と結果として生じるひずみとの関係によって特徴付けられます：
$$\sigma = K\varepsilon^n$$
ここで：
- $\sigma$ は真応力
- $\varepsilon$ は真ひずみ
- $K$ は強度係数
- $n$ はひずみ硬化指数
関連計算式
ストレッチ成形で達成可能な最小曲げ半径は次のように計算できます：
$$R_{min} = \frac{Et}{2\sigma_y} \cdot \frac{1}{1+\varepsilon_t}$$
ここで：
- $R_{min}$ は最小曲げ半径
- $E$ はヤング率
- $t$ は材料の厚さ
- $\sigma_y$ は降伏強度
- $\varepsilon_t$ は総延伸率
必要な引張力は次のように推定できます：
$$F = \sigma_f \cdot A \cdot (1 + \frac{t}{2R})$$
ここで：
- $F$ は必要な力
- $\sigma_f$ は流動応力
- $A$ は断面積
- $t$ は材料の厚さ
- $R$ は曲率半径
適用条件と制限
これらの式は等温条件を仮定しており、一般的に材料の融点（ケルビン）以下の温度で有効です。高温では、クリープメカニズムが重要になり、異なるモデルを適用する必要があります。
モデルは、重大な欠陥や不純物のない連続的で均質な材料を仮定しています。実際の材料は、微細構造の変動や加工履歴により、予測された挙動から逸脱する可能性があります。
これらの計算は通常、比例負荷経路を仮定しており、複雑で非比例な変形経路下での挙動を正確に予測できない場合があります。さらに、異方性の影響は、基本的な計算ではしばしば単純化または無視されます。
測定と特性評価方法
標準試験仕様
ASTM E8/E8M: 金属材料の引張試験の標準試験方法 - ストレッチ成形に関連する基本的な機械的特性を決定するための基盤を提供します。
ISO 6892-1: 金属材料 — 引張試験 — 常温での試験方法 - ストレッチ成形計算に使用される引張特性を決定する手順を確立します。
ASTM E517: 板金の塑性ひずみ比 r の標準試験方法 - ストレッチ成形挙動を予測するために重要な塑性ひずみ比の決定をカバーします。
ISO 12004-2: 金属材料 — シートおよびストリップ —