JP3382955B2 - チューブの形成及び穿孔方法 - Google Patents

チューブの形成及び穿孔方法

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Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は管状材料の形成及び穿孔に関し、特に、構造
部材を作るための管状材料の冷間形成及び穿孔に関す
る。
チューブの液圧形成（hydroforming）は、例えば自動
車産業において構造部材を作るために金属チューブを冷
間形成する既知の方法である。典型的な液圧形成プロセ
スにおいては、チューブをダイス内でスタンピングする
ことにより、チューブを部分的に変形させる。次いで、
チューブ壁の降伏強さを越える流体内圧を加えてチュー
ブを押圧膨張させ、ダイス空洞の形に合致させる。これ
は風船を膨らませるのによく似ている。液圧形成方法は
いくつか提案されている。これらの提案は、「挟持を伴
わないチューブ形成方法」なる名称の米国特許第5,339,
667号明細書、「フランジ付きの管状部材を形成する方
法」なる名称の米国特許第5,070,717号明細書、「箱様
のフレーム部材を形成する方法」なる名称の米国特許第
4,744,237号明細書、及び、国際本体工学会議（Interna
tional Body Engineering Conference）（1994年９月）
での本体及び製造議事録（Body Assembly ＆ Manufactu
ring Proceedings）におけるサンジャイ・シャー外（Sa
njay Shah et al.）著による「チューブ液圧形成：プロ
セス能力及び生産応用」（Tube Hydroforming:Process
Capability and Production Applications）なる文献に
記載されている。
液圧形成プロセスは金属チューブを冷間形成する従来
のダイスタンピングプロセスよりも優れたいくつかの利
点を与える。これらの利点は、最終部品におけるバラツ
キが少ないこと、最終部品を製造するのに必要な工程数
が少ないこと、最終部品の構造上の完全度が改善される
こと、及び、別個にプレス加工された部品を溶接により
結合する必要がないことである。しかし、液圧形成は、
チューブが晒される極限圧力を取り扱うために高価で特
殊なダイス装置を必要とするという欠点を有する。特
に、液圧形成はチューブの流体内圧を上昇させるために
ポンプや増強器の如き、ダイス外部の付加的な機械類を
必要とする。更に、液圧形成に必要な高圧は機械の操作
者にとって危険を及ぼすことがある。
液圧形成のいくつかの変形例がある。例えば、「箱様
のフレーム部材を形成する方法」なる名称の米国特許第
4,829,803号明細書は、ダイス閉鎖中のチューブ壁の変
形の良好な制御を可能にするために、ダイスを閉じる前
にチューブの内部空間を液圧的に加圧する工程を開示し
ている。チューブを最初に加圧する圧力（典型的には30
0p.s.i.g.）は、チューブ壁の降伏限度よりも小さくな
るように選択されるが、ダイス閉鎖中（即ち、スタンピ
ング中）、上方及び下方のダイス区分がチューブを圧縮
するときに、チューブ壁がダイス空洞の隅部の方へ均一
に押されるのに十分な高い値に選択される。詳細には、
ダイスが閉じるとき、チューブ内の流体圧力は、チュー
ブ壁が上方及び下方のダイス区分の表面にわたってチュ
ーブ壁の横断方向移動に抵抗する傾向を有する摩擦力に
打ち勝つようにする。従って、チューブ壁がダイス区分
の表面上で摺動し、ダイス区分が合体されるときに上方
ダイス区分と下方ダイス区分との間にチューブ壁が挟ま
れないように、内圧が選択される。
上記米国特許第4,829,803号明細書に開示されたプロ
セス（以下、「803プロセス」という）の最中のチュー
ブ内圧がダイスタンピング中にチューブ壁の降伏を生じ
させるような大きさまで上昇しないことを保証するた
め、チューブの一端に圧力逃し弁を配置し、チューブの
降伏限度以下の圧力で液体を解放するようにする。しか
し、このスタンピングプロセス完了時のチューブ壁は内
側に湾曲しているので、803プロセスは、チューブ壁の
降伏限度を越える内圧を加え、チューブを膨張させてダ
イス空洞の形に合致させるような最終液圧形成工程を必
要とする。従って、803プロセスは液圧形成プロセスの
欠点を免れることができない。むしろ、803プロセスは
液圧形成プロセスに初期加圧工程を追加することとな
り、チューブ形成プロセスを遅鈍化し、液圧形成のコス
トを増大させてしまう。
液圧形成プロセスの別の変形例は「管状フレーム部材
を形成する装置及び方法」なる名称の米国特許第5,353,
618号明細書に記載され、この米国特許明細書は、均一
で座屈変形のないチューブを保証するために、チューブ
を曲げ加工及びダイスタンピングする前にチューブの破
裂圧力（降伏強さ）のすぐ下の値にチューブの内部を液
圧的に加圧する技術を開示している。圧力逃し弁及び液
圧源は曲げ工程及びダイスタンピング工程中にチューブ
の破裂圧力のすぐ下の値にチューブの内部を維持させる
ように作用する。
上記米国特許第5,353,618号明細書に開示されたプロ
セス（以下、「618プロセス」という）を利用する際、
予備形成されたチューブの横断面周長がチューブのある
領域においてダイス空洞の横断面周長より小さい場合
は、次の液圧形成により、チューブを膨張させてダイス
空洞の小半径隅部内へ進入させなければならない。しか
し、ダイス空洞の横断面周長が予備形成されたチューブ
の横断面周長にほぼ等しい場合は、ダイスタンピング前
のチューブ内圧がチューブの破裂内圧にほぼ等しいかま
だ小さい状態で、次の液圧形成を行わずに、チューブは
ダイス空洞の形に合致される（第18欄、第７−33行参
照）。
618プロセスはいくつかの欠点を有する。ダイスタン
ピング前にチューブの内部を加圧しなければならないと
いう要求が工程数を増やし、チューブ形成プロセスの複
雑さを増大させ、加工を完成させるのに必要な機器の量
を増大させてしまう。更に、スタンピング前にチューブ
を高圧に晒すため、形成プロセスを遅鈍化させそれ故チ
ューブ形成のコストを増大させる工程が必要となる。ま
た、スタンピング前にチューブを加圧するため、スタン
ピング作業の安全性が減少する。618プロセスの最後の
欠点は、ダイスタンピング工程中のチューブの内圧をチ
ューブ壁の降伏強さ（即ち、破裂圧力）以下に維持しな
ければならないという制限である。ダイス空洞の横断面
周長が予備形成されたチューブの周長よりも大きな場合
には、この制限はチューブを膨張させる付加的な液圧形
成工程を最後に必要とする。
パイプ曲げ加工という無関係分野において、パイプの
内部液圧を増大させると、パイプの曲げ加工時にパイプ
壁の座屈や皺の防止を補助できることが知られている。
例えば、「パイプの曲げ」なる名称の米国特許第3,105,
537号明細書、「パイプの曲げ機構」なる名称の米国特
許第567,518号明細書、及び「配管工用トラップ装置（P
lumbers' Traps）の曲げ方法」なる名称の米国特許第20
3,842号明細書を参照されたい。液圧形成圧力より低い
値ではあるが、静水圧を上昇させると、上述と同じ欠点
が生じる。更に、パイプの曲げの明白な（express）目
的は曲げ後にも同じ横断面を維持させることである。
パイプ又はチューブの曲げ加工という無関係分野にお
いて、曲げプロセス中にチューブ壁が座屈したり、収縮
したり、皺になったりするのを阻止するために、チュー
ブを曲げる前に、液状の鉛又は鉛ビスマス合金でチュー
ブを満たし、その金属を固化することも知られている。
曲げ後、金属で満たされたチューブを加熱し、充填物を
溶融し、排出させる。例えば、セロ・メタル・プロダク
ツ社（Cerro Metal Products Company）により発行され
た「薄壁チューブ、モールド物及び押出し形状物の曲
げ」（Bending Thin−walled Tubing,Moldings and Ext
ruded Shapes）なる文献を参照されたい。また、このチ
ューブ曲げ応用の明白な目的は、チューブの曲げ中にチ
ューブの横断面が歪むのを阻止することである。更に、
パイプ又はチューブを曲げるときに液体金属充填物を使
用すると、不利な必要性が生じる。すなわち、チューブ
を液体金属で満たす前にチューブの内部を清掃し、油塗
布しなければならないこと、溶融した金属充填物の排出
後に化学手段でチューブ内部を頻繁に清掃しなければな
らないこと、金属充填物を溶融するときに充填物の酸化
を阻止しなければならないこと、及び、金属充填物がチ
ューブの金属と反応し、これに固着するのを阻止しなけ
ればならないことである。これらの付加的な工程は多大
な労力を要し、それ故高価となる。
典型的には、ポンチプロセスにより、形成された金属
シート内に穴が形成される。明確な穿孔を可能にし、穴
を取り巻く金属領域の歪みを阻止するため、ポンチが金
属シートを穿孔している間、「ダイスボタン」を使用し
て金属シートをバックアップ（支持）する。しかし、形
成され曲げられたチューブにおいては、ポンチプロセス
中にバックアップを提供するのが困難である。曲げられ
たチューブの幾何学形状は、バックアップを提供するた
めのチューブ内部への接近を妨げる。例えば、形成され
たチューブがその軸線に沿って１以上の屈曲部を有する
場合、又は、穿孔すべき領域がチューブの端部からある
程度（例えば、約12インチ即ち約304.8mm）離れている
場合は、ポンチ作業におけるバックアップは困難であ
る。更に、穴を有するチューブを曲げると、許容できな
い穴の歪みを生じさせることがある。
チューブ内部の高圧液体はチューブの穿孔時に支持を
提供できる。しかし、液圧形成の場合のように、この方
法はチューブの内部流体圧力を上昇させるために付加的
な費用及び設備を必要とする。
鋳造という無関係分野において、高融点構造体の製造
に使用する低融点マンドレルを準備することが知られて
いる。鋳造後、鋳造されたユニットを加熱し、マンドレ
ルを溶融し、排出させる。例えば、「ゼロドラフト即ち
再挿入幾何学形状を有する構造体のための再使用可能な
マンドレル」なる名称の米国特許第3,864,150号明細書
を参照されたい。
発明の概要 上述の問題点は、固体で満たされたチューブをダイス
タンピングしてチューブを非円形形状に冷間形成するよ
うな本発明により解決される。詳細には、プロセスは次
の工程を含む。第１に、チューブの融点より低い融点を
有する液体状態変化材料でチューブを満たす。第２に、
液体状態変化材料を冷凍し、固体で満たされたチューブ
を形成する。第３に、固体で満たされたチューブをシー
ルする。第４に、固体で満たされたチューブをダイス内
でスタンピングし、スタンピングされた部材を形成す
る。最後に、スタンピングされた部材内の状態変化材料
を溶融し、形成されスタンピングされた部材から排出さ
せる。
好ましくは、状態変化材料は水とする。また好ましく
は、固体で満たされたチューブ内の状態変化材料の一部
はスタンピング工程中に解除される。更にまた好ましく
は、チューブ内で状態変化材料を冷凍する前に、バルク
部材をチューブ内に挿入する。
本発明の別の実施の形態においては、固体で満たされ
たチューブを穿孔することにより、チューブに穴を形成
する。詳細には、方法は次の工程を必要とする。第１
に、チューブの融点より低い融点を有する液体状態変化
材料でチューブを満たす。第２に、液体状態変化材料を
冷凍し、固体で満たされたチューブを形成する。第３
に、固体で満たされたチューブを穿孔し、穴を備えた穿
孔チューブを形成する。最後に、状態変化材料を溶融
し、穿孔チューブから排出させる。
固体で満たされた穿孔チューブでは、穿孔により形成
された穴を取り巻く部分の変形が状態変化固体充填物の
無い状態で穿孔された比較用チューブよりも小さい。
本発明の更に別の実施の形態においては、チューブは
その外方に膨らんだ領域で穿孔され、穴を形成する。詳
細には、この方法は次の工程を必要とする。第１に、外
方に膨らんだ領域を有するようにチューブを形成する。
第２に、形成されたチューブを外方に膨らんだ領域で穿
孔し、穴を形成する。穿孔工程と同時に、外方に膨らん
だ領域を押し下げる。外方に膨らんだ領域は実質的に平
坦となる。更に、穿孔されたチューブでは、穴を取り巻
く部分の変形が、外方に膨らんだ領域を最初に形成され
ずに穿孔された比較用チューブよりも小さい。
好ましくは、方法は更に、同時の押し下げ及び穿孔工
程に続き、外方に膨らんだ領域を圧縮する工程を有す
る。
本発明はチューブをダイスタンピングする前にチュー
ブの内圧を上昇させる必要性を排除する。更に、本発明
は液圧形成を必要としない。すなわち、本発明はスタン
ピングされたチューブの壁をダイス空洞の壁の形状に合
致させるために、ダイスタンピング後にチューブの内圧
を上昇させる付加的な工程を必要としない。従って、本
発明の方法は液圧形成についての上述の利点を維持しな
がら、かつ、予備形成加圧工程又は後スタンピング液圧
形成工程についての上述の欠点を回避しながら、最小数
のプロセス工程でのチューブの冷間形成を可能にする。
更に、本発明の方法は冷間形成されたチューブの著しく
大なる生産率を可能にする。また、本発明の方法は特殊
なダイスやプレスを必要とせず、方法は十分な寸法及び
総トン容量を有する標準の機械的又は液圧的なダイスや
プレスと一緒に使用できる。
更に、本発明の方法では、状態変化充填材料として水
を使用することができ、パイプ曲げという無関係な分野
に関連して既述したように、状態変化充填材料としての
金属合金の使用に付随する欠点を回避することができ
る。
また、本発明は穴を取り巻く部分の変形量を最小限に
抑えながら穴を形成するためにチューブを穿孔する有効
な方法を提供する。この方法は従来のポンチプロセスで
はバックアップが困難であるようなチューブに沿った複
数の位置でチューブを穿孔するために使用できる。
本発明のこれら及びその他の目的、利点及び特徴は、
好ましい実施の形態の詳細な説明及び添付図面を参照す
ることにより、一層容易に理解でき、認識できよう。
図面の簡単な説明 第１図は開位置における従来のダイスを示す従来のス
タンピング方法の斜視図、 第２図は閉位置における第１図のダイスの斜視図、 第2a図は穴を形成するためにチューブを穿孔する従来
の方法を示す横断面図、 第３図は液体に浸されたチューブの側面図、 第４図は液体に浸され、液体で満たされてシールされ
たチューブの側面図、 第4a図は第４図のキャップ及び逃し弁の側横断面図、 第５図は開いたダイス内に置かれた液体で満たされて
シールされたチューブの斜視図、 第６図は閉位置における第５図のダイスの斜視図、 第7a図は固体状態変化材料で満たされ、スタンピング
された部材を示す、第６図のVII−VII線における断面
図、 第7b図はバルク部材を含む、固体で満たされスタンピ
ングされた部材を示す第６図のVII−VII線における断面
図、 第８図は予備形成されたチューブの横断面と併せて示
される、別のダイス空洞形状から形成されたチューブの
端横断面図、 第９図は予備形成されたチューブの横断面と併せて示
される、更に別のダイス空洞形状から形成されたチュー
ブの端横断面図、 第10図は別のダイス区分形状を示す開位置での別のダ
イスの斜視図、 第11図は固体状態変化材料で満たされスタンピングさ
れた部材の斜視図、 第12図は形成プレス内のスタンピングされた部材及び
ポンチを示す第11図のXII−XII線における断面図、 第13図はチューブ壁を穿孔するポンチを示す第12図と
同様の断面図、 第14図は本発明の方法に従って形成された、穿孔さ
れ、スタンピングされた部材の斜視図、 第15図は形成プレス内で外方に膨らんだ領域を有する
ように形成されたチューブの横断面図、 第16図は部分的に穿孔され押し下げられた外方に膨ら
んだ領域を示す第15図と同様の断面図、 第17図は穿孔され平坦化された外方に膨らんだ領域を
示す第16図と同様の断面図である。
好ましい実施の形態の詳細な説明 I.中空チューブのダイスタンピング及び穿孔（従来技
術） 第１図は下方及び上方のダイス区分２、３を備えた従
来のダイスの斜視図である。チューブ４は、スタンピン
グ前、即ち、ダイスを合体させる（閉じる）前に、下方
のダイス区分２と上方のダイス区分３との間に置かれ
る。チューブ４はチューブ内部６に任意の液体又は固体
を含んでいない。
第２図は、下方及び上方のダイス区分２、３を閉じて
チューブ４をスタンピングした後のチューブ４の形状を
示す。ダイス区分２、３を合体させることにより形成さ
れたダイス空洞８の形に合致する代わりに、チューブ壁
10は収縮し、ダイス区分２の内壁12の形に合致しなくな
る。典型的には、次いで、チューブ４のダイスタンピン
グの後、従来の液圧形成プロセスが使用され、チューブ
内部６内の圧力がチューブ４の材料の降伏強さを越える
ように増大せしめられ、チューブ４はダイス空洞８の形
に合致するように強制押圧される。
第2a図はスラグ112を形成し、穴114を画定するために
ポンチ110により穿孔されたチューブ４を示す。ここで
使用されるものとして、「穿孔」なる用語は切開（lanc
ing）、穴あけ、又は、穴を形成する等価の方法を意味
し、「穴」なる用語は、穿孔され押出された穴や切開さ
れたタブ穴の如き、穿孔により形成された任意の型式の
穴を意味するものとする。従来のチューブの内部６はい
かなる固体をも含んでいない。チューブ壁10がポンチプ
ロセス中にバックアップされないため、チューブ壁10は
穴114を取り囲む領域116で変形する。これは、許容でき
ない明確でない変形穴114を形成する。
II.本発明 A.固体で満たされたチューブのダイスタンピング 本発明の第１の実施の形態においては、固体で満たさ
れたチューブがダイスタンピングされて、チューブを非
円筒形状に冷間形成する。プロセスは次の工程を含む。
第１に、液体状態変化材料でチューブを満たす。第２
に、液体状態変化材料を冷凍し、固体で満たされたチュ
ーブを形成する。第３に、固体で満たされたチューブを
シールする。第４に、固体で満たされたチューブをダイ
ス内でスタンピングし、スタンピングされた部材を形成
する。最後に、スタンピングされた部材内の状態変化材
料を溶融し、形成されスタンピングされた部材から排出
させる。これらの工程は上記で列挙した順序で詳細に述
べる。
1.状態変化材料でのチューブの充填 本発明においては、チューブをダイス内でスタンピン
グする前に、ほぼ大気圧で液体状態にある状態変化材料
でチューブを満たす。状態変化材料は金属製でも非金属
製でもよく、また、常温で固体でも液体でもよい。しか
し、状態変化材料はチューブ材料の融点より低い融点を
有しなければならない。好ましくは、以下に一層詳細に
説明するように、状態変化材料が液体から固体に変化す
るときに、状態変化材料はチューブの内部にボイド即ち
空気空間が形成されるのを阻止する補助を行うように僅
かに膨張する。好ましい非金属製の状態変化材料は水で
ある。安価で容易に入手できるからである。所望するな
ら、従来既知のように、潤滑剤、殺菌剤又は防錆剤の如
き添加剤を水に加えることができる。他の非金属製の状
態変化材料はワックス及び熱可塑性物を含む。
適当な金属製の状態変化材料は「CERRO ALLOYS」、
「CERROBEND」、「CERROBASE」、「CERROSAFE」又は「C
ERROCAST」なる登録商標名で販売され、ペンシルバニア
州ベレフォンテ（Bellefonte）の上記セロ・メタル・プ
ロダクツ社により製造されているような鉛ビスマス合金
を含む。これらの合金は上記セロ・メタル・プロダクツ
社により発行された「CERRO ALLOY 物理データ応用」
（CERRO ALLOY Physical Data Applications）及び上記
「薄壁チューブ、モールド物及び押出し形状物の曲げ」
なる文献に記載されている。
第３図は常温で通常液体の状態にある水の如き状態変
化材料でチューブを満たす好ましい方法を示す。チュー
ブ４は開口端14、16と、一定の内部容積（図示せず）と
を有する。チューブ４は液体状態変化材料20を収容した
タブ即ち槽18内に浸される。開口端16は開口端14よりも
上方に位置し、チューブの内部容積内の空気が上方に位
置した開口端16を通って出るときに、チューブ４の内部
容積が開口端14を通って進入する液体状態変化20で満た
される。
好ましくは、チューブ４が常温で通常固体となる液体
状態変化材料で満たされるとき、液体状態変化材料20
は、閉じられた端部（図示せず）よりも上方に位置する
開口端16を通って重力でチューブ４内へ流入する。この
充填方式はチューブの内部に空気ロックが形成されるの
を阻止する補助をなす。
内部を満たすのに必要な状態変化材料の量を減少させ
るために、バルク部材（第7b図に符号136にて示す）を
チューブ４の内部へ挿入することができる。内部へのバ
ルク部材136の挿入により、チューブを満たすのに必要
な状態変化材料の量が減少し、従って引き続き冷凍され
る液体の量を減少させる。バルク部材136は、次のプロ
セス中の温度及び圧縮力に耐えつつチューブ４内へ挿入
するように形成できかつ状態変化材料20に対して矛盾を
生じないような可撓性材料で作られる。バルク部材136
はワイヤ、ひも又はケーブルの形として形成できる。好
ましくは、バルク部材136はチューブ４の内部の中央位
置に位置する。
2.状態変化材料の冷凍 チューブ４内の状態変化材料はダイスタンピング前に
冷凍される。チューブ４内の状態変化材料20が冷凍時に
膨張するような型式のものである場合は、好ましくは、
材料はチューブ４の開いた閉塞されていない端部を通し
てチューブ４の外部へ膨張する。この場合、状態変化材
料が固化する間、チューブ４は垂直状態に置かれる。後
述するように、シールされたチューブ30を形成するため
にキャップ22を取り付ける前に、チューブ４の開口端の
外部で膨張した固体状態変化材料はチューブ４の端部と
同一面となるように切断又は剪断できる。
状態変化材料が常温で通常液体である場合は、液体で
満たされたチューブは液体が冷凍するまで冷凍器内に置
かれる。好ましくは、液体は完全に冷凍され、液体又は
空気のボイド又はポケットが存在しないようにする。状
態変化材料として水を使用する場合、液体が完全に冷凍
するのを保証し、氷を溶かさずに次のプロセス中にある
暖めを許容するように、温度を32゜F（０℃）の冷凍温
度より十分低い値に下げることができる。
状態変化材料が常温で通常固体である場合は、状態変
化材料を冷却し、冷凍工程を迅速化するために、液体状
態変化材料で満たされたチューブはチューブを冷水タン
ク（図示せず）内へ下降させることにより急冷すること
ができる。また、従来既知のように、状態変化材料に高
延性の微粒子結晶構造を与えるために急冷プロセスが望
ましい。
3.固体で満たされたチューブのシール 第４図を参照すると、状態変化材料が冷凍工程中に十
分な量だけ膨張しない場合は、冷凍前に、液体状態変化
材料が詰まった状態で、満たされたチューブをシールで
きる。常温で通常液体の状態変化材料20が詰まった状態
でチューブ４をシールする１つの方法は、チューブを浸
したままチューブ４の両端にキャップ22、24を取り付け
て、チューブ４内に液体状態変化材料を閉じ込めること
である。キャップは、チューブが後のプロセスにおいて
受ける上昇圧力に耐えることができるようなシールを形
成するように取り付けなければならない。
耐圧シールを形成するようにチューブの端部にキャッ
プを取り付ける方法は従来既知である。キャップを取り
付ける好ましい方法を第4a図に示す。内側溝23を有する
キャップ22はチューブ４の一端を包囲する。従来既知の
ように、好ましくはある予備負荷応力を加えた状態で、
Ｏ−リング24を内側溝23内に配置する。Ｏ−リング24は
キャップ22とチューブ４との間にシールを形成し、チュ
ーブ４の内部の状態変化材料20が次のプロセス中に漏洩
するのを阻止する。好ましくは、Ｏ−リング24は3/16イ
ンチ（約4.76mm）の直径を有し、例えば90ジュロメータ
ーのニトリルゴムの如き硬質ゴムで作られる。好ましく
は、従来既知のように、Ｏ−リング24に関連して、「バ
ックアップ」即ちナイロンワッシャ（図示せず）を使用
する。
チューブ４をシールするためのキャップの使用が好ま
しいシール方法であるが、チューブをシールするために
従来知られている他の方法を使用することができる。例
えば、チューブの端部を締め付け、溶接して閉じること
ができる。また、ダイス区分をチューブの端部に係合さ
せてチューブをシールすることができる。
再度第４図を参照すると、逃し弁28がキャップ22に取
り付けられる。キャップ22、24をチューブ４に取り付
け、逃し弁28を閉じた後、チューブ４の内部は完全にシ
ール即ち包囲され、ほぼ大気圧の状態変化材料20が詰ま
ったシールされたチューブ30を形成する。
4.固体で満たされたチューブのスタンピング 第５図を参照すると、ダイスの閉鎖前即ち上方のダイ
ス区分34が下方のダイス区分32と合体される前の、ほぼ
大気圧の固体状態変化材料で満たされた内部容積を有す
るシールされたチューブ30が下方のダイス区分32内に配
置された状態が示されている。第５図は上方及び下方の
ダイス区分を有するダイスを示すが、本発明の方法は、
２以上のダイス区分を有するダイス、例えば側壁ダイス
区分をも有するダイスと一緒に、又は、垂直ではなく水
平に閉じるダイス区分と一緒に使用できる。冷間形成プ
ロセス中に付加的な制御を与えるように、カムスチール
（図示せず）と一緒にガススプリング（図示せず）をダ
イスモールド内に組み込むことができる。
第６図は、一定の外部形状及び一定の内部容積（図示
せず）を有するスタンピングされた部材35を形成するた
めにシールされたチューブをダイスタンピングするよう
に、閉位置即ち合致位置にある下方のダイス区分32及び
上方のダイス区分34を示す。チューブのダイスタンピン
グ即ちスタンピング動作は１つのスタンピング工程で行
うことができ、または、スタンピングされた部材35を完
全に形成するために複数のスタンピング工程を必要とす
る場合もある。好ましくは、キャップ24（図示せず）及
び圧力逃し弁28（従って、間接的にはキャップ22）はダ
イス区分（図示せず）により適所に保持され、スタンピ
ング動作中にチューブ内の圧力が増大するときに、キャ
ップ22、24がチューブの端部から抜け出る（滑出する）
のを阻止する。
第7a図は第６図の閉じたダイスの横断面を示す。ダイ
ス区分32、34は合致されて一定の内部形状を有するダイ
ス空洞36を形成する。好ましくは、シールされたチュー
ブ（図示せず）はダイス空洞36の周長の約95ないし約10
5％の周長、一層好ましくはダイス空洞36の周長にほぼ
等しい周長を有する。しかし、スタンピング前のシール
されたチューブ（図示せず）の周長はダイス空洞36の周
長（即ち、下方のダイス区分32と上方のダイス区分34と
の合致により形成されたダイス空洞36の内部の横断面周
長）の約70％まで小さくすることができる。
第7b図は本発明の別の態様を示し、この態様において
は、上記II.A.1.の項目で先に述べたように、バルク部
材136は、状態変化材料20を冷凍（固化）し、スタンピ
ングされたチューブ35を形成するためにスタンピングを
行う前に、チューブ４の内部36に挿入される。
第7a図及び第7b図のダイス空洞36は矩形の横断面形
状、従って、箱状の内部形状を有するものとして示され
ているが、ダイス空洞は他のダイス空洞内部形状を形成
するように他の非円形又は多角形横断面形状を有するこ
とができる。例えば、第８図は、チューブ４の横断面と
併せて、五角形の横断面形状を有するダイス空洞内でス
タンピングされた後のスタンピングされた部材37の横断
面を示す。チューブ４は円筒形状即ちスタンピング前の
外部形状を有するものとして示されているが、典型的に
は、スタンピングに供されるチューブは、真円横断面形
状ではなく、円形に近い多角形の形状をした横断面を有
する。
別の例として、第９図は別の五角形の横断面形状を有
するダイス空洞内でスタンピングされた後のスタンピン
グされた部材39の横断面を示す。スタンピングされた部
材39はまた、チューブ４の横断面と併せて示されてい
る。
第7a図に戻ると、スタンピングされた部材35を形成す
るためにダイスを閉じたときに発生する圧縮力はまた、
形状が変化するときのシールされたチューブの内部の固
体状態変化材料20を圧縮するように作用する。固体状態
変化材料20は圧縮に抵抗するので、この材料はダイス空
洞36の内表面の方へ外方にチューブ壁10を押圧する。ダ
イス区分32、34がシールされたチューブのまわりで十分
に閉じてしまった後、チューブ壁10はダイス空洞36の内
壁の形状に実質上合致し、スタンピングされた部材35の
外部形状はダイス空洞36の内部形状に実質上合致する。
本明細書において、「実質上合致」なる用語は、例え
ば、スタンピングされたチューブが、好ましくはダイス
空洞モールド形状からの最小のずれで、ダイス空洞モー
ルド形状を基本的に反映することを意味する。
非円筒形のスタンピングされた部材35となるようにチ
ューブをスタンピングするためにダイスを閉じると、典
型的には、シールされたチューブの内部容積が減少する
ので、最終のスタンピングされた部材35の内部容積を越
えた状態変化材料20の容積分はスタンピングプロセス中
にチューブの内部から解放される。この解放は第4a図に
詳細に示す圧力逃し弁28を使用することにより達成され
る。上方及び下方のダイス区分の合体中に圧力が逃し圧
力設定値以上に上昇したときに、圧力逃し弁28はシール
されたチューブ内から状態変化材料を解放する。例え
ば、状態変化材料が水である場合、微細な「雪」即ち氷
の結晶粉末が解放される。逃し圧力設定値は試行錯誤に
より決定される。最適な逃し圧力設定値は、チューブの
スタンピングに必要なエネルギが最小となるように、ス
タンピング中にダイスの隅部内へチューブを膨張させる
ことのできる最も低い圧力である。大半の形状に対し
て、チューブ内の圧力はチューブ壁がその降伏強さを越
えてしまうような圧力まで上昇する。２−3/8インチ
（約60.33mm）の外径及び0.060インチ（約1.52mm）の壁
厚を有する1010又は1020ERWの市販スチールについて
は、状態変化材料として水を用いた場合、圧力逃し設定
値は約20,000p.s.i.g.である。
第4a図で説明を続けると、圧力逃し弁28はボルト41に
よりキャップ22に直接取り付けられる。圧力逃し弁28を
備えたキャップ22を使用する場合、キャップ22は出口ポ
ート45及び均等化ポート47を形成するように構成され
る。第4a図に閉位置にて示される逃し弁28は出口ポート
45に着座しているボール49を有し、もって、チューブ４
内の液体38が出口ポート45を通って流出するのを阻止す
る。位置決め器51は出口ポート45に対してボール49を適
所に保持する。スプリング53は逃し弁のケーシング55の
内壁と位置決め器51を押圧し、位置決め器51をボール49
に押し付ける。本発明に必要な高逃がし圧力設定値（例
えば、20,000p.s.i.g.）に対しては、一連のスプリング
ワッシャはコイルスプリングよりも良好に作用する。逃
し圧力設定値はスプリングワッシャの数及び圧縮度を調
整することにより変更することができる。20,000p.s.i.
g.の逃し圧力設定値に対しては、16個のスプリングワッ
シャで十分である。
逃し弁のケーシング55は通気ポート57、59を具備す
る。均等化ポート47と通気ポート59との間の経路は第4a
図に示すようにピストン61により遮断され、従って、ピ
ストン61は閉位置にある。内圧が比較的低い（即ち、ほ
ぼ大気圧）場合は、スプリング63がピストン61を押圧し
てピストン61を開位置（図示せず）に保持し、その結
果、状態変化材料20はピストン61のまわり及び通気ポー
ト59を通過することができる。従って、両者が液体状態
変化材料に浸されたままでキャップ22がチューブ４に取
り付けられる場合、チューブ４内での液体状態変化材料
20の圧縮により生じるキャップ取り付けに対する抵抗を
排除できる。これにより、両者が液体状態変化材料に浸
されているときに、チューブ４へのキャップ22の取り付
けが容易になる。状態変化材料20の圧力が大気圧以上に
上昇して、ピストン61を押圧し、ピストン61を開位置に
保持するスプリング63の力に打ち勝つと、ピストン61が
移動してそのまわりの経路を閉じ、出口ポート59をシー
ルする。状態変化材料20の圧縮度が出口ポート45を遮断
する位置からボール49を脱座させるような点まで上昇す
る（即ち、逃し圧力設定値に到達する）と、状態変化材
料20は出口ポート45及び通気ポート57を通過することが
できる。
本発明は１つのみの圧力逃し弁（即ち、キャップ22に
取り付けられた圧力逃し弁28）と一緒に作用するが、安
全性の理由から、逃し弁28より大きな設定値で圧力を解
放するように設定されたバックアップ即ち予備圧力逃し
弁（図示せず）をも使用することができる。予備圧力逃
し弁は、逃し弁28をキャップ22に取り付けるのと同様の
方法で、チューブの他端のキャップ（即ち、キャップ2
4）に取り付けることができる。
本発明の方法を使用して潤滑されていないチューブを
冷間形成するためには、圧縮度がチューブの内部の最小
レベルに到達するのに十分な高さに圧力逃し弁を設定す
る必要がある。典型的には、冷間形成プロセスにおい
て、チューブの外部を潤滑して、ダイス空洞の内壁に合
致する際のチューブ壁の抵抗を減少させる。しかし、形
成されたチューブ片を自動車の構造要素として使用すべ
き場合は、一般に、製造者の仕様はチューブを潤滑する
ために水溶性潤滑剤のみの使用を許容する。チューブが
状態変化材料としての水に浸される場合、任意の水溶性
潤滑剤は溶けることができる。チューブを潤滑しない場
合は、、好ましくは、逃し圧力設定値はシールされたチ
ューブ内の圧縮度が少なくとも約20,000p.s.i.g.まで上
昇できるように設定されるべきである。さもなければ、
チューブを潤滑しない場合、シールされたチューブの壁
がダイス空洞の内壁に完全に合致しなくなることがあ
る。
第10図は本発明の発展した態様を示し、この態様にお
いては、上方のダイス区分42と下方のダイス区分44とが
合体したときに形成されるダイス空洞横断面積はダイス
空洞の長さに沿って変化している。固体状態変化材料で
満たされたシールされたチューブ30のまわりでダイスが
閉じられたとき、チューブのある部分はスタンプイング
中にダイス区分により縮小されるか又はダイス区分によ
り絞られる横断面積を有する。ダイス空洞の周長よりも
小さな周長を有するチューブの他の部分は膨張してダイ
ス空洞の内壁に合致する。チューブのこの膨張は、上方
及び下方のダイス区分42、44が閉じてシールされたチュ
ーブ30を圧縮したときに発生する状態変化材料の圧縮度
の増加により生じる。ある部分において、チューブ30の
壁厚及び材料強度にもよるが、シールされたチューブ30
の円周方向の膨張は元の周長の約30ないし40％もの大き
さになることがある。本発明の先に述べた態様と同様、
最終のスタンピングされた部材の内部容積を越える状態
変化材料の容積分はスタンピングプロセス中に圧力逃し
弁28を通してチューブの内部から解放できる。
5.状態変化材料の溶融及び排出 ダイス区分32、34を合体させて（即ち、閉じて）非円
筒（例えば、多角形横断面）形状を有するスタンピング
された部材を形成した後、ダイスを開いてスタンピング
された部材35を解放する。キャップ22、24を取り外す。
状態変化材料20を溶融し、スタンピングされたチュー
ブ35から排出させる。水の如き状態変化材料が通常常温
で液体である場合は、状態変化材料はこれが周囲の状態
と平衡するときに溶融する。状態変化材料が通常常温で
固体である場合は、材料を溶融し、排出させるために材
料を加熱することができる。これは、例えば、固体状態
変化材料を含んだスタンピングされたチューブを温水タ
ンク内に浸すことにより達成できる。通常液体又は通常
固体のいずれの状態変化材料においても、作業のエネル
ギ効率モードを提供するために、結果として生じた溶融
液体を回収して、冷凍前に次のチューブを満たすために
使用するように引き続きリサイクルすることができる。
代わりに、スタンピングされた部材35がポンチで形成さ
れる穴を有すべき場合は、後述するように、固体状態変
化材料はこの引き続きのプロセス中スタンピングされた
部材35内に保持させることができる。
所望するなら、従来既知の方法を使用して、チューブ
の端部を仕上げ加工する。
B.固体で満たされたチューブの穿孔 本発明の第２の実施の形態においては、固体で満たさ
れたチューブをダイポンチングすることによりチューブ
に穴を形成する。この方法は次の工程を必要とする。第
１に、固体で満たされたチューブを形成するように冷凍
される液体状態変化材料でチューブを満たす。第２に、
固体で満たされたチューブを穿孔する。最後に、状態変
化材料を溶融し、穿孔されたチューブから排出させる。
1.固体状態変化材料でのチューブの充填 上記II.A.1.及び2.の項目で先に述べたように後に固
化される液体状態変化材料でチューブを満たす。第11図
を参照すると、既述のように、チューブをスタンピング
してスタンピングされたチューブ120を形成することが
できる。キャップはスタンピングされたチューブ120の
端部から取り外されているが、固体状態変化材料は溶融
又は排出されていない。
2.固体で満たされたチューブの穿孔 第12図は壁10に穴を形成する前の固体で満たされスタ
ンピングされた部材120の横断面を示す。従来のポンチ
機械を使用して、固体で満たされスタンピングされた部
材120に穴を穿孔する。例えば、切開タブ穴を形成すべ
き場合は、ポンチ122の形状を有するポンチを使用す
る。穿孔され押出しされる穴を形成すべき場合は、ポン
チ124の形状を有するポンチを使用する。穿孔された穴
を形成すべき場合は、ポンチ126の形状を有するポンチ
を使用する。ポンチ及びその形状は従来既知である。
第13図を参照すると、ポンチ122、124、126はスタン
ピングされた部材120の壁10を穿孔して穴128を形成す
る。これらのポンチが壁10を穿孔するとき、固体状態変
化材料20は壁10を支持即ち「バックアップ」する。それ
故、壁10は穴128を取り巻く領域130においてある程度変
形するが、その変形量は穿孔前に固体で満たされていな
い比較用チューブにおける変形量よりも小さい。図示の
ように、穿孔され固体で満たされた部材120の穴128を取
り巻く領域130における変形は固体で満たされていない
穿孔されたチューブの領域116（第2a図）における変形
よりも少ない。（もちろん、穿孔及び押出しポンチ124
は、従来既知のように、穴を取り巻く一定の変形量即ち
「引出し部」（draw）を生じさせるように設計される。
しかし、この穿孔及び押出し穴は、本発明に係る固体充
填物を有するチューブ内に形成される場合は、ポンチの
設計を一層容易なものにする。） チューブ120の端部の近くに穴128を形成しない場合
は、チューブの端部をシールする必要はない。その理由
は、チューブ120内の固体状態変化材料20がチューブの
端部から押し出されることなくバックアップ即ち「マン
ドレル」機能を遂行するからである。しかし、チューブ
即ちスタンピングされた部材120の端部の近くに穴128を
形成すべき場合は、好ましくは、固体で満たされたチュ
ーブの端部はキャップ22又は24によりシールされるか、
さもなければ、例えば支持ブロック132、134によりシー
ルされる。
3.状態変化材料の溶融及び排出 第14図に戻ると、上記II.A.5.の項目で先に述べたよ
うに、固体状態変化材料20を溶融し、スタンピングされ
穿孔された部材136の内部から排出させる。前述のよう
に、形成及び穿孔を同じチューブに対して行う場合は、
好ましくは、固体で満たされたチューブの形成及びスタ
ンピングに続いて穿孔工程を行う。
C.外方に膨らんだチューブに穴を作る方法 本発明の更に別の実施の形態においては、チューブは
外方に膨らんだ領域においてポンチ加工され、穴を形成
する。この方法は次の工程を必要とする。第１に、外方
に膨らんだ領域を有するようにチューブを形成する。第
２に、形成されたチューブを外方に膨らんだ領域におい
て穿孔し、穴を形成する。穿孔工程と同時に、外方に膨
らんだ領域を押し下げる。出来上がった穿孔チューブに
おける外方に膨らんだ領域は実質的に平坦となる。
1.膨らんだ領域を有するチューブの形成 第15図に戻ると、チューブ140は壁部分143により形成
された外方に膨らんだ領域142を有する。壁部分143は外
方に膨らんだ領域142全体にわたってのみ延びる、即
ち、外方に膨らんだ領域に対応する。チューブ140は、
上述の形成方法又は他の従来既知の方法を使用して、外
方に膨らんだ領域142を有するように形成することがで
きる。外方に膨らんだ領域142がチューブ140から突出す
る度合いは試行錯誤により決定され、ポンチ加工すべき
材料の種類及び厚さ、チューブ及び穴の形状、並びに、
ポンチの種類及び寸法の如き因子に依存する。典型的に
は、丸い穿孔された穴を作るためには、外方に膨らんだ
領域142は、穿孔される穴の直径の約３倍の直径を有
し、かつ、その頂部において、チューブが外方に膨らん
だ領域を有さずに穿孔された場合に膨らみが内方へ延び
る距離の約75％だけ外方へ延びる。
チューブ140は支持ブロック132、134により適所に保
持される。外方に膨らんだ領域142は切断部分150と平坦
部分152とを有するポンチ144の下方でセンタリングされ
る。
2.外方に膨らんだ領域の穿孔 第16図を参照すると、ポンチ144の切断部分150が下降
して外方に膨らんだ領域142と接触する。切断部分150が
最初に壁部分143を穿孔するとき、切断部分150は同時に
外方に膨らんだ領域142の壁部分143を押し下げ、壁部分
143をチューブ140の内部154の方へ押圧する。切断部分1
50が外方に膨らんだ領域142を実質的に平坦にし、穴を
形成するまで、切断部分150は下降し続けて壁部分143を
同時に押し下げて穿孔する。本明細書において、「実質
的に平坦」なる用語は、例えば、先に外方に膨らんでい
た領域をじかに取り巻く領域の湾曲に対する、穴128を
取り巻く内方又は外方の膨らみの量の比較による、湾曲
壁形状を含むことができる。支持ブロック132、134は壁
部分143以外は予め穿孔された形状の領域で壁10を支持
する。
第17図に戻ると、穿孔されたチューブ146はポンチ144
の切断部分150により形成された穴148を有する。穴148
を取り巻く領域156の変形は最初に形成された外方に膨
らんだ領域142（第15図）を有さずに穿孔された比較用
チューブよりも少ない。図示のように、本発明に従って
形成された第17図の穿孔チューブ146を、最初に形成さ
れた外方に膨らんだ領域を有さずに穿孔された第2a図の
チューブと比較されたい。
本発明の発展した態様においては、同時の穿孔及び押
し下げ工程に続く圧縮工程において、外方に膨らんだ領
域が実質的に平坦にされる。例えば、ポンチ144の切断
部分150がチューブ壁143を穿孔した後、ポンチ144はそ
のストロークの下限に達し、ポンチ144の平坦部分152が
穴148を取り巻く領域156と接触する。この接触により、
チューブ壁143が更に圧縮されて、上述のように、チュ
ーブ壁が実質的に平坦になるのを保証する。
前述のように、液体又は固体で満たしている間に、チ
ューブ140の外方に膨らんだ領域142を穿孔し、押し下げ
ることができる。しかし、好ましくは、チューブ140は
「空」の間に同時に穿孔され、押し下げられる。すなわ
ち、チューブ140の外方に膨らんだ領域142は液体又は固
体の充填物無しに穿孔され、押し下げられる。これは、
液体又は固体を収容するようにチューブを充填及び（又
は）シールする付加的な工程及び費用を伴わずに、穿孔
チューブ146を形成するという利点を提供する。
上述の説明は本発明の好ましい実施の形態についての
ものである。本発明の要旨を逸脱することなく種々の変
形及び変更を行うことができる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭52−149255（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−149256（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−156622（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−127029（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−269939（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−71335（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−122776（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−76970（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−289331（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−292223（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−182842（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−122775（ＪＰ，Ａ) 米国特許1693011（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B21D 22/00 - 28/36 B21C 37/15

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】チューブの外壁内に穴を作る方法におい
    て、 外方に膨らんだ領域を生じるように内壁表面及び外壁表
    面を有するチューブを形成する工程と； 上記外方に膨らんだ領域の外チューブ壁表面にポンチを
    係合させる工程と； 加圧されていないチューブの上記外方に膨らんだ領域を
    上記ポンチにより押し下げて、穴を形成するように上記
    チューブを穿孔と同時に、当該外方に膨らんだ領域を実
    質上平坦にする工程； を有することを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】請求の範囲第１項に記載の方法において、
    前記穿孔工程に続いて、上記外方に膨らんだ領域を実質
    的に平坦にするように当該外方に膨らんだ領域を圧縮す
    る工程を更に有することを特徴とする方法。
  3. 【請求項３】請求の範囲第２項に記載方法において、前
    記穿孔工程がポンチによる穿孔を含み；前記圧縮する工
    程がポンチのストロークの下限において行われることを
    特徴とする方法。
  4. 【請求項４】請求の範囲第２項に記載の方法において、
    前記圧縮する工程中ブロックにより前記外チューブ表面
    を支持する工程を更に有することを特徴とする方法。
  5. 【請求項５】請求の範囲第１項に記載の方法において、
    前記穿孔する工程中ブロックにより前記外チューブ表面
    を支持する工程をさらに有することを特徴とする方法。
  6. 【請求項６】チューブの外壁内に穴を作る方法におい
    て、 外方に膨らんだ領域を生じるように内壁表面及び外壁表
    面を有するチューブを形成する工程と； 上記外方に膨らんだ領域の外チューブ壁表面に切断部分
    と該切断部分に隣接する平坦部分とを有するポンチを係
    合させる工程と； 加圧されていないチューブの上記外方に膨らんだ領域を
    上記ポンチの切断部分により押し下げて、穴を形成する
    ように上記チューブを穿孔する工程と、 続いて当該外方に膨らんだ領域を実質上平坦にするため
    に上記ポンチの平坦部分で該外方に膨らんだ領域を圧縮
    する工程； を有することを特徴とする方法
  7. 【請求項７】請求の範囲第６項に記載の方法において、
    前記穿孔する工程および圧縮する工程中ブロックにより
    前記外チューブ表面を支持する工程を更に有することを
    特徴とする方法。
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