JP4133465B2 - ハイドロフォーム加工方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車用の排気系部品やサスペンション系部品等の製造に用いられるもので、金属管を分割した金型に入れ、当該金型を型締めした後、金属管内に内圧と管軸方向の押し力を負荷することにより所定形状に成形するハイドロフォーム加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年ハイドロフォーム技術は、部品数削減によるコスト削減や軽量化等の手段の一つとして自動車分野で注目を浴びており、欧米では数年前から既に実車に採用され、国内でも１９９９年から実車への適用も開始した。それ以降、ハイドロフォーム加工の適用部品は年々増加し、その市場規模は大幅に拡大してきた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ハイドロフォーム加工とプレス加工を比較した際、技術的にハイドロフォーム加工の方が優れる点の一つに、大変形が可能であるということが挙げられる。図１にハイドロフォーム加工（●印）とプレス加工（□印）において発生する歪状態図を示す。一般にプレス加工では、等２軸引張状態から平面歪状態を経て単軸引張状態までの領域で変形が行われる。等２軸引張状態とは、Ｘ方向の引張歪がＸ方向と直角方向の引張歪と等しく働く状態をいい、平面歪状態とは、Ｘ方向の歪が０で、Ｘ方向と直角方向の引張歪のみ働く状態をいい、単軸引張状態とは、Ｘ方向の引張応力が０で、Ｘ方向と直角方向の引張応力のみ働く状態をいう。従って、プレス加工では材料の成形限界から見ると変形能が少ない領域での変形となり、特に平面歪状態で歪が進行すると破断しやすい。それに対し、ハイドロフォーム加工では内圧を負荷すると同時に軸押しを負荷するため、材料に剪断変形を与えることが可能になり、歪の状態も単軸引張から純粋剪断状態の領域で変形が進行する。純粋剪断状態とは、Ｘ方向の圧縮歪がＸ方向と直角方向の引張歪と等しく働く状態をいう。従って、材料の成形限界から見ると、変形能が非常に広い領域での加工となるため、その結果、大変形が可能になる。すなわち言い換えると、ハイドロフォーム加工で大変形の加工を実現するためには、いかに純粋剪断側に歪の状態をもっていくかにかかっていると言っても過言ではない。
【０００４】
純粋剪断側で変形させるには、単純に軸押しを積極的に負荷させることが効果的であることは言うまでもない。しかし単純に軸押しを増加させると当然座屈という問題が発生する。この座屈を防止するには内圧を高めることが効果的であるが、内圧を高めると言うことは、歪状態が剪断側から平面歪側に移動することを意味するため、破断しやすくなる。従って、図２のように金型がない自由バルジにおいては、座屈を起こさないためには単軸引張状態よりも平面歪側でしか成形できない（非特許文献１より抜粋）。
【０００５】
それでは前述の図１のようなＴ−成形（ハイドロフォーム加工）で剪断変形が実現できていた理由は、金型の拘束による効果のためである。周囲に金型が存在するため、自由バルジの場合よりも座屈を抑制することが可能になる。また金型があるため自由バルジの場合よりも内圧を高圧にすることが可能になり、それによって更に金型との密着が高まり、座屈抑制に効果がある。このようにＴ−成形においては、金型の存在ゆえに座屈を抑えながら剪断変形を実現することができるため、大変形が可能になる。
【０００６】
またＴ−成形以外にも、剪断変形させやすい形状として図３のような例がある。しかし、これらの例に共通していることは、何れもある１つの面上で拡管或いは枝管張出しをしているという点である。例えば、長方形拡管の例では、素管をＹＺ平面上でＹ方向にのみ拡管しており、Ｚ方向には拡管していない。
【０００７】
上記に対し、図４の例では、拡管する方向が１つの面上だけに制限されていない。例えば正方形拡管や半球拡管の例では素管をＹＺ平面上で、Ｙ方向に拡管するだけでなくＺ方向にも拡管している。このような例では、素管の一部が金型に接触するまでは、自由バルジと同じ状態になるため、座屈を起こさずに剪断変形を実現することができなくなり、その結果、拡管率は大きくできなかった。
【０００８】
本発明は、上述のように、面内で拡管する方向が一方向に制限されない形状の部品をハイドロフォームによって加工することを可能にしたハイドロフォーム加工方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【非特許文献１】
塑性と加工、森ら：vol.29 no.325(1988) p.131
【００１０】
【課題を解決するための手段】
係る課題を解決するため、本発明の要旨とするところは下記の通りである。
（１）金属管を分割した金型に装着し、型締めした後で、前記金属管に内圧と管軸方向押し込み力を負荷するハイドロフォーム加工方法において、第１ハイドロフォーム工程で、前記金属管断面の一方向に前記金属管を拡管させながら、前記一方向における拡管率より小さくなるように、前記一方向と直角方向に前記金属管の径を板厚の２倍〜素管径の１．４倍（素管径の１倍を除く）に変形させた後で、第２ハイドロフォーム工程で、前記金属管断面において前記一方向と直角方向に前記金属管を拡管させながら、前記第２ハイドロフォーム工程での前記直角方向における拡管率より小さくなるように、前記一方向に前記金属管の径を板厚の２倍〜前記変形後の幅の１．４倍に成形することを特徴とするハイドロフォーム加工方法。
但し、拡管率＝成形後の管の径（幅）／成形前の管の径（幅）とする。
（２）第１ハイドロフォーム工程で、金属管を金属管断面の一方向に拡管させながら、前記一方向における拡管率より小さくなるように、前記一方向と直角方向に前記金属管の径を板厚の２倍〜素管径の１．４倍（素管径の１倍を除く）に変形させた後で、第２ハイドロフォーム工程で、最終製品形状の金型に装着し、前記金属管断面において前記一方向と直角方向に金属管を拡管させながら、前記第２ハイドロフォーム工程での前記直角方向における拡管率より小さくなるように、前記一方向に前記金属管の径を板厚の２倍〜前記変形後の幅の１．４倍に成形することを特徴とする（１）記載のハイドロフォーム加工方法。
（３）金属管を分割した金型に装着し、型締めした後で、前記金属管に内圧と管軸方向押し込み力を負荷するハイドロフォーム加工方法において、第１ハイドロフォーム工程で、前記金属管断面の一方向に前記金属管を拡管させながら、前記一方向における拡管率より小さくなるように、前記一方向と直角方向に前記金属管の径を板厚の２倍〜素管径の１．４倍（素管径の１倍を除く）に変形させた後で、第２ハイドロフォーム工程で、前記金属管断面において前記一方向と直角方向に金属管を拡管させながら、前記第２ハイドロフォーム工程での前記直角方向における拡管率より小さくなるように、前記一方向に前記金属管の径を板厚の２倍〜前記変形後の幅の１．４倍に成形させ中間製品とし、第３ハイドロフォーム工程で、その中間製品を最終製品形状の金型に装着し、ハイドロフォーム加工することを特徴とするハイドロフォーム加工方法。
但し、拡管率＝成形後の管の径（幅）／成形前の管の径（幅）とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図５の例では、まず、金属管１を下金型２に装着し、上金型３を閉める。この時、金型２、３の空洞部の形状は、金属管１の径に対して、水平方向に拡管されると共に、水平方向における拡管率より小さくなるように、金属管の径が垂直方向にも素管径の１倍より大きく最大で元の素管径（幅）の１．４倍まで拡管されるような形状にしておく。元の素管径（幅）の１．４倍までであれば、ある程度材料に剪断変形を負荷することが可能である。次に、セットされた管１の内部に内圧を負荷すると同時に左右の端部を軸押しパンチ４、５で管軸方向に押し込み、中間製品６の形状まで仕上げる。ここまでを、第１ハイドロフォーム工程とする。
【００１２】
次に、中間製品６を第１ハイドロフォーム金型２、３から取り出し、最終製品形状に対応する別の下金型７に装着し、別の上金型８を閉める。この時、金型７、８の空洞部の形状は、中間製品６の形状に対して、垂直方向に拡管されると共に、水平方向にも、第２ハイドロフォーム工程での垂直方向における拡管率より小さくなるように、金属管の径が最大で第１ハイドロフォーム成形後の管の径（幅）の１〜１．４倍まで拡管されるような形状にしておく。垂直方向の空洞部の形状（高さ）を第１ハイドロフォーム成形後の管の径（幅）の１．４倍を超えると、材料に剪断変形を負荷することが難しくなるからである。次に、セットされた中間製品６の内部に内圧を負荷すると同時に左右の端部を軸押しパンチ９、１０で管軸方向に押し込み、最終製品１１の形状まで仕上げる。この結果、最終的には、管１に対して水平方向および垂直方向とも拡管された最終製品１１が完成される。
【００１３】
上記の例では、第１ハイドロフォーム工程で主に水平方向に拡管し、第２ハイドロフォーム工程で主に垂直方向に拡管したが、当然その逆でも構わなく、すなわち、第１ハイドロフォーム工程で主に垂直方向、第２ハイドロフォーム工程で主に水平方向に拡管しても、本発明の効果を同様に得ることができる。
また、第１ハイドロフォーム工程で成形した中間製品を第２ハイドロフォーム工程にセットする際に、同じ向きに入れる必要はなく、例えば９０°傾けた方向で中間製品をセットしても良い。この場合、第２ハイドロフォーム工程の金型空洞部の方向は、第１ハイドロフォーム工程の金型空洞部の方向と同じになる。
【００１４】
また、型締め時に型締め方向に断面を扁平にしてから、拡管しても同様の効果が得られる。図６の例では、まず、金属管１を下金型２に装着し、上金型３を閉める。この時、金型２、３の空洞部の形状は、金属管１の径に対して、水平方向に拡管されると共に、金属管の径が垂直方向にも板厚の２倍以上から元の素管径（幅）より小さくなるような形状にしておく。板厚の２倍以上から元の素管径（幅）より小さくすれば剪断変形を付与することができるが、金型との密着が高まるため、高潤滑性の潤滑剤を塗布する等、金属管１と上下金型２、３との間の潤滑をよくしておくことが好ましい。次に、セットされた管１の内部に内圧を負荷すると同時に左右の端部を軸押しパンチ４、５で管軸方向に押し込み、中間製品６の形状まで仕上げる。ここまでを、第１ハイドロフォーム工程とする。
【００１５】
次に、中間製品６を第１ハイドロフォーム金型２、３から取り出し、最終製品形状に対応する別の下金型７に装着し、別の上金型８を閉める。図６の例では、第１ハイドロフォーム工程で成形した中間製品を第２ハイドロフォーム工程にセットする際に、９０°傾けた方向で中間製品をセットした。
すなわち、この場合は、金型７、８の空洞部の形状は、中間製品６の形状に対して、水平方向に拡管されると共に、拡管する方向に垂直な方向（図６の場合、垂直方向）の変形が、第２ハイドロフォーム工程での水平方向における拡管率より小さくなるように、金属管の径が板厚の２倍から第１ハイドロフォーム工程における変形後の幅（図６の場合、高さ）の１．４倍までとなるような形状とした（図６参照）。型締めが板厚の２倍より小さいと剪断変形を付与することが困難になるからである。また、変形後の幅の１．４倍を超えると、材料に剪断変形を負荷することが難しくなるからである。
【００１６】
次に、セットされた中間製品６の内部に内圧を負荷すると同時に左右の端部を軸押しパンチ９、１０で管軸方向に押し込み、最終製品１１の形状まで仕上げる。この結果、最終的には、管１に対して水平方向および垂直方向とも拡管された最終製品１１が完成させる。
【００１７】
上記の例では、第１ハイドロフォーム工程で成形した中間製品を第２ハイドロフォーム工程にセットする際に９０°傾けたが、傾けずに中間製品をセットしても良い。この場合、第２ハイドロフォーム工程の金型空洞部の方向は、第１ハイドロフォーム工程の金型空洞部の方向と直角になる。この際、第１ハイドロフォーム工程で水平方向に拡管し、第２ハイドロフォーム工程で垂直方向に拡管しても良いし、当然その逆でも構わない。すなわち、第１ハイドロフォーム工程で主に垂直方向、第２ハイドロフォーム工程で水平方向に拡管しても、本発明の効果を同様に得ることができる。
【００１８】
図５及び図６に説明した発明を総合すると、拡管する方向に垂直な方向の変形は、拡管する方向における拡管率より小さくなるように、金属管の径が板厚の２倍までの縮小から当該工程の元の径（幅）の１．４倍まで（第１ハイドロフォーム工程では素管径の１倍を除く）の拡大であれば、当該発明の効果が同様に得られる。
【００１９】
また、成形中のバーストや座屈を防ぎ、拡管率を上げる方法に図７のようなカウンターパンチや管軸方向に可動する可動金型等がある（SchulerのMetal Forming Handbookより抜粋）が、それらの方法を各ハイドロフォーム工程に使用すると、各工程における拡管率を更に上げることが可能になり、最終的な拡管率も更に向上できる。
【００２０】
更に図８の例は、第１ハイドロフォーム工程でカウンターパンチ１２、１３を、第２ハイドロフォーム工程で可動金型１４、１５、１６、１７を使用した例である。
【００２１】
また、第１ハイドロフォーム工程と第２ハイドロフォーム工程を同一金型２０、２１内で加工した例が図９である。一対の金型２０、２１は金属管１が拡管可能な空洞部を水平方向に有し、空洞部に対応する拡管方向と直角方向(上下方向)に、成形初期の金属管外面から最終形状の金属管外面まで位置制御自在な可動金型２４、２５を有する。このようにすると、金型機構は複雑になるが、金型数が削減できてコスト的には有利である。
また、一体型金型においても図７の例のようなカウンターパンチや可動金型を併用すると、より大きな拡管率まで成形可能になり有利な成形となる。
【００２２】
また、図８、図９の例は、第１ハイドロフォーム工程においても第２ハイドロフォーム工程においても、拡管する方向に垂直な方向には全く変形しない例である。但し、当該工程の元の径（幅）の１．４倍以下までの変形であれば、ほとんど同様の効果が得られるのは言うまでもない（図５参照）。
【００２３】
上述のいずれの例も、水平方向に拡管している際には垂直方向の拡管を制限しており、また垂直方向に拡管している際には水平方向の拡管を制限しているため、どうしても最終製品形状は単純な形状になってしまう場合が多い。そこで自動車部品のように複雑な形状に仕上げるには更にもう一工程加えると有効である。すなわち、上述の第１・第２ハイドロフォーム工程（或いは一体型金型による加工工程）によって最終製品相当の拡管率まで管を拡管し、中間製品２６とした後で、最終部品形状の金型に装着し、形状のみ整えるようなハイドロフォーム加工を行う（図１０参照）。当該方法により複雑形状でかつ拡管率の大きな部品のハイドロフォーム加工も可能になる。中間製品２６の成形は第１、第２ハイドロフォーム工程を同一の金型で実施しても良い。
金属管として、鋼管、ステンレス管、アルミニウム管、チタン管等を使用できる。
【００２４】
【実施例】
下記に本発明の実施例を示す。
素管は、外径６３．５mm、板厚２．３mm、長さ５００mm、材質ＪＩＳ規格ＳＴＫＭ１１Ａ（機械構造用炭素鋼鋼管）を用いた。図５に示すように、加工する製品形状としては、正方形に拡管する形状で、正方形の１辺の長さを１５０mm、コーナーＲは８mm、拡管部の管軸方向長さを１００mmとした。
【００２５】
まず、第１ハイドロフォーム工程において、水平方向に拡管すると共に垂直方向にも拡管し中間製品を得た。その際、軸押し量は、左右とも５０ｍｍで内圧は最大３０ＭＰａで成形した。この第１ハイドロフォーム工程により、金属管の径は素管径に対して水平方向に約１．９倍、垂直方向に約１．１倍に拡管された。
次に、上記で成形された中間製品を最終製品形状となる第２ハイドロフォーム金型に装着し、垂直方向に拡管した。その際、軸押し量は、左右とも４０ｍｍで内圧は最大３０ＭＰａで成形した。この第２ハイドロフォーム工程により、金属管の径は第１ハイドロフォーム成形後の管の径（幅）に対して水平方向に約１．２倍、垂直方向に約２．１倍に拡管された。
【００２６】
また、比較のため、本発明のような方法でない従来方法でも成形を行った。すなわち、第１ハイドロフォーム工程を省略し、素管を、第２ハイドロフォーム工程の金型に直接挿入して成形した。その結果、軸押しと内圧をどんなに調整しても、拡管箇所の金型まで接触することもなく、バーストあるいは座屈が生じて成形ができなかった。
【００２７】
【発明の効果】
本発明により、従来バーストや座屈がネックとなり加工できなかった大拡管率のハイドロフォーム加工が可能になり、その結果ハイドロフォーム適用部品の範囲が拡大する。それにより、冒頭に述べたような自動車部品のコスト削減や軽量化の効果に寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】プレス加工とハイドロフォーム加工における歪状態の説明図。
【図２】自由バルジ加工における成形限界の説明図。
【図３】剪断変形に適した場合のハイドロフォーム形状例の説明図。
【図４】剪断変形が困難な場合のハイドロフォーム形状例の説明図。
【図５】拡管する方向に垂直な方向の変形が、元の径（幅）の１倍から１．４倍の場合の本発明の説明図。
【図６】拡管する方向に垂直な方向の変形が、板厚の２倍から元の径（幅）の１倍の場合の本発明の説明図。
【図７】カウンターパンチと可動金型の説明図。
【図８】ハイドロフォーム加工方法にカウンターパンチや可動金型を併用した場合の説明図。
【図９】一体型金型を用いたハイドロフォーム加工方法例の説明図。
【図１０】本発明の第３ハイドロフォーム工程を追加したハイドロフォーム加工方法例の説明図。
【符号の説明】
１……金属管
２……第１ハイドロフォーム工程下金型
３……第１ハイドロフォーム工程上金型
４……第１ハイドロフォーム工程左軸押しパンチ
５……第１ハイドロフォーム工程右軸押しパンチ
６……第１ハイドロフォーム工程後の中間製品
７……第２ハイドロフォーム工程下金型
８……第２ハイドロフォーム工程上金型
９……第２ハイドロフォーム工程左軸押しパンチ
１０……第２ハイドロフォーム工程右軸押しパンチ
１１……最終製品
１２……第１ハイドロフォーム工程前側カウンターパンチ
１３……第１ハイドロフォーム工程後側カウンターパンチ
１４……第２ハイドロフォーム工程左下側可動金型
１５……第２ハイドロフォーム工程右下側可動金型
１６……第２ハイドロフォーム工程左上側可動金型
１７……第２ハイドロフォーム工程右上側可動金型
１８……第２ハイドロフォーム工程左側金型軸押し工具
１９……第２ハイドロフォーム工程右側金型軸押し工具
２０……第１第２工程一体型下金型
２１……第１第２工程一体型上金型
２２……第１第２工程一体型左軸押しパンチ
２３……第１第２工程一体型右軸押しパンチ
２４……第１第２工程一体型前側カウンターパンチ(可動金型)
２５……第１第２工程一体型前側カウンターパンチ(可動金型)
２６……第２ハイドロフォーム工程後の中間製品
２７……第３ハイドロフォーム工程下金型
２８……第３ハイドロフォーム工程上金型
２９……第３ハイドロフォーム工程左軸押しパンチ
３０……第３ハイドロフォーム工程右軸押しパンチ

Claims (3)

1. 金属管を分割した金型に装着し、型締めした後で、前記金属管に内圧と管軸方向押し込み力を負荷するハイドロフォーム加工方法において、第１ハイドロフォーム工程で、前記金属管断面の一方向に前記金属管を拡管させながら、前記一方向における拡管率より小さくなるように、前記一方向と直角方向に前記金属管の径を板厚の２倍〜素管径の１．４倍（素管径の１倍を除く）に変形させた後で、第２ハイドロフォーム工程で、前記金属管断面において前記一方向と直角方向に前記金属管を拡管させながら、前記第２ハイドロフォーム工程での前記直角方向における拡管率より小さくなるように、前記一方向に前記金属管の径を板厚の２倍〜前記変形後の幅の１．４倍に成形することを特徴とするハイドロフォーム加工方法。
   但し、拡管率＝成形後の管の径（幅）／成形前の管の径（幅）とする。
2. 第１ハイドロフォーム工程で、金属管を金属管断面の一方向に拡管させながら、前記一方向における拡管率より小さくなるように、前記一方向と直角方向に前記金属管の径を板厚の２倍〜素管径の１．４倍（素管径の１倍を除く）に変形させた後で、第２ハイドロフォーム工程で、最終製品形状の金型に装着し、前記金属管断面において前記一方向と直角方向に金属管を拡管させながら、前記第２ハイドロフォーム工程での前記直角方向における拡管率より小さくなるように、前記一方向に前記金属管の径を板厚の２倍〜前記変形後の幅の１．４倍に成形することを特徴とする請求項１記載のハイドロフォーム加工方法。
3. 金属管を分割した金型に装着し、型締めした後で、前記金属管に内圧と管軸方向押し込み力を負荷するハイドロフォーム加工方法において、第１ハイドロフォーム工程で、前記金属管断面の一方向に前記金属管を拡管させながら、前記一方向における拡管率より小さくなるように、前記一方向と直角方向に前記金属管の径を板厚の２倍〜素管径の１．４倍（素管径の１倍を除く）に変形させた後で、第２ハイドロフォーム工程で、前記金属管断面において前記一方向と直角方向に金属管を拡管させながら、前記第２ハイドロフォーム工程での前記直角方向における拡管率より小さくなるように、前記一方向に前記金属管の径を板厚の２倍〜前記変形後の幅の１．４倍に成形させ中間製品とし、第３ハイドロフォーム工程で、その中間製品を最終製品形状の金型に装着し、ハイドロフォーム加工することを特徴とするハイドロフォーム加工方法。
   但し、拡管率＝成形後の管の径（幅）／成形前の管の径（幅）とする。

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