JP4799812B2 - テーラードチューブのハイドロフォーム加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、自動車用の排気系部品、サスペンション系部品、ボディ部品等の製造に用いられるもので、板厚や材料が異なる金属管を連結したテーラードチューブを金型に入れ、当該金型を型締めした後、テーラードチューブ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および成形品に関する。

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、国内でも１９９９年から実車への適用を開始した。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。

一方、同様に軽量化の観点からプレス部品においてはテーラードブランクの技術が広まってきている。テーラードブランクとは、板厚や材料の異なる複数の金属板をあらかじめ結合したものである。すなわち、必要な箇所に必要な板厚を配置しているため、自動車部品の軽量化に非常に有効な技術として注目されている。

この軽量化を目的とした二つの技術、すなわちハイドロフォームとテーラードブランクを複合したのが、テーラードチューブによるハイドロフォーム加工である。当該分野における従来技術としては、特許文献１や特許文献２のように、テーラードチューブを用いたハイドロフォーム部品を組み込んだ具体的な自動車部品の発明例や、特許文献３のようなハイドロフォーム性に優れたテーラードチューブの発明例などがある。
特開２００１-３２１８４３号公報 特開２００２-５３０６９号公報 特開２００３-２１１２３４号公報

ハイドロフォームの成形において最も難しいのは管内部の内圧（以後、内圧と称す）と管軸方向の押し込み量（以後、軸押し量と称す）のバランスである。テーラードチューブでない通常の一様板厚・一様材料の管（以後、単管と称す）におけるハイドロフォーム時の負荷経路例を図１に示す。このように単管でも複雑な負荷経路を示し、最終の内圧と軸押し量だけでなく、その途中の経路も非常に重要となる。例えば、途中の内圧が高すぎると（同図（ａ））成形途中で管が破裂したり、途中の圧力が低過ぎると（同図（ｃ））しわが残ったりする。この適正な負荷経路は、当然、管の板厚や材料特性によって異なる。
従って、異なる板厚や材料を有しているテーラードチューブの場合、その負荷経路は更に難しくなる。例えば、高強度側の材料に適した負荷経路で成形すると低強度側の材料にとっては高圧すぎるため途中で破裂しやすくなる。また図２に示すように、低強度側の材料１に適した負荷経路で成形すると途中の破裂は防止できるが、高強度側の材料１はほとんど膨らまず、その材料１が低強度側の材料２の中に入り込むような現象が発生する。その後、成形を継続させても継ぎ目部で座屈が残ってしまう（図２）。

以上のようにテーラードチューブは単管に比べて非常にハイドロフォームしにくく、現状ではあまり拡大率（＝（最大周長−最小周長）／最小周長×１００）を大きくならないような部品形状に設計している。あるいは、材料間の強度差（具体的には、高強度側の材料の引張強さ×板厚の値と低強度側の材料の引張強さ×板厚の値との差）が小さくなるように設定している。しかし、それでは本来のテーラードチューブやハイドロフォームのメリットが活かしきれず、軽量化の効果も薄れてしまう。
尚、拡大率とは成形後の部位別の拡大率を示す指標であり、成形前の素管径と成形後の製品径から求めた拡管率とは異なる指標である。

本発明は、上述のように、従来は成形不可能であった、材料間の強度差が大きいテーラードチューブで拡大率の大きいハイドロフォーム成形品の加工を可能にしたハイドロフォーム加工方法及び当該加工方法にて可能になった、材料間の強度差が大きくて拡大率の大きいハイドロフォーム成形品を提供することを目的とする。

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）引張強さＴＳ_１［ＭＰａ］、板厚ｔ_１［ｍｍ］の第１の金属管と、引張強さＴＳ_２［ＭＰａ］、板厚ｔ_２［ｍｍ］の第２の金属管が、軸方向に直列に配列され溶接された円筒形のテーラードチューブを、該テーラードチューブの外径よりも内側平面部の間隔が小さい、断面が概長方形の金型に型締めすることで、該テーラードチューブ側面が、該金型内側平面部に、該テーラードチューブ軸方向に直線状に接しさせ、該テーラードチューブに内圧と管軸方向の押し力を負荷するハイドロフォーム加工方法において、引張強さ×板厚の小さい低強度側の金属管のみが拡管する圧力に昇圧した状態で、低強度側の金属管の管端から軸押しを負荷することにより低強度側の金属管を拡管させた後、引張強さ×板厚の大きい高強度側の金属管の管端から軸押しを負荷することにより高強度側の金属管を拡管させることを特徴とするテーラードチューブのハイドロフォーム加工方法。

本発明により、従来のハイドロフォームでは成形できなかった材料間の強度差が大きいテーラードチューブで拡大管率の大きいハイドロフォーム加工が可能になる。それにより、冒頭に述べたような自動車部品の軽量化の効果に寄与できる。

図３は、高強度側の材料１と低強度側の材料２が溶接部３で結合されているテーラードチューブ４を長方形断面に拡管する場合のハイドロフォーム加工の例である。但し、ここでいう強度とは、材料の引張強さ×板厚を意味しており、この値が大きい方を高強度側の材料、低い方を低強度側の材料としている。この例を用いて本発明の詳細を説明する。

ハイドロフォーム加工では、まず軸押し量がほとんどない状態（管内部の水が漏れない程度には押しておく）で昇圧するが、その際の内圧は、低強度側の材料２が単管の場合に適した圧力に設定する（ａ）。これは、低強度側の材料２の破裂を防ぐためである。

次に、その状態で軸押しを行う。通常、単管の場合は両管端とも軸押しを加えていくが、ここでは低強度側の材料２の管端のみ軸押しを負荷していく。軸押しが負荷されるに従って、低強度側の材料２は拡管されていき、次第に金型に沿った形状、すなわちこの例では長方形断面に成形されていく（ｂ）。
そして低強度側の材料２の目標軸押し量まで軸押しする。この間、高強度側の材料１は、軸押しもされず、また内圧も材料１にとっては低い圧力のため、ほとんど拡管もされなければ、材料２の中に入り込むような座屈も生じない（ｃ）。

その後、内圧を昇圧するが、その際の圧力は高強度側の材料１が単管の場合に適した圧力に設定する。この時点では、低強度側の材料２は、拡管がかなり進行しており、金型の拘束が大きいため、昇圧しても破裂し難くなっている（ｄ）。

その状態で今度は高強度側の材料１の管端のみを軸押ししていく。軸押しが負荷されるに従って、今度は高強度側の材料１の方が拡管されていき、次第に長方形断面に成形されていく。そして最終的に高強度側の材料１の目標軸押し量まで軸押しする。ここまでの工程で、両材料とも拡管され、しかも継ぎ目のところに座屈もない良好な形状が得られる（e）。

最後に、必要に応じ、軸押しなしで昇圧のみを行うが、これはコーナーＲをシャープにする工程で、通常の単管のハイドロフォームでも良く用いられる。以上で、成形中に破裂を起こさず、最終的にも座屈やしわが残らないテーラードチューブのハイドロフォーム成形品が完成させる（ｆ）。

上述の負荷経路ではわかりやすく、各軸押し中の内圧は一定とした。しかし、部品形状や材料によっては、成形時の破裂や座屈を防ぐために単管のハイドロフォーム成形でも軸押し中の内圧を変化させた方が良い場合もある。その場合は、図４のように、各材料の単管における負荷経路をもとに軸押し中の内圧を変化させれば良い。

上述の方法により、低強度側の金属管の引張強さ×板厚に対する高強度側の金属管の引張強さ×板厚に対する比が１．２以上で拡大率が１５％以上の断面形状を有するテーラードチューブのハイドロフォーム成形品を得ることができる。

下記に本発明の実施例を示す。
素管として用いたテーラードチューブの外径は６３．５ｍｍとし全長は４９０ｍｍとした。高強度側の材料は、引張強さ３３０ＭＰａで板厚１．４ｍｍの鋼管とし、低強度側の材料は、引張強さ３３０ＭＰａで板厚１．０ｍｍの鋼管とした。ハイドロフォームに用いた金型は図５（ａ）に示すような長方形断面に拡管する形状で、拡大率（＝（最大周長−最小周長）／最小周長×１００）は５４％である。尚、本部品形状に限っては、最小周長が両端の６３．５φであり、素管の外径と一致していることから、拡管率（＝（製品の最大周長−素管の周長）／素管の周長×１００）は拡大率と同一の５４％になる。現在実際に単管で量産しているハイドロフォームでもせいぜい拡管率は４０％程度であることから、本形状は、拡管率としてはかなり大きいレベルといえる。

加工負荷経路は図５（ｂ）に示す通りであり、まずは薄肉材（１．０ｍｍ）の方の条件に合わせて１２ＭＰａまで昇圧し、そのまま薄肉側の管端のみ３０ｍｍまで軸押しした。但し、軸押し後半は若干圧力を高め１４ＭＰａとした。薄肉側の軸押し完了後、今度は厚肉材（１．４ｍｍ）の条件に合わせ１７ＭＰａまで昇圧してから厚肉側の管端のみ軸押しし、薄肉側と同じ３０ｍｍの位置で軸押しを停止させた。最後に両管端を固定したまま内圧を３７ＭＰａまで昇圧して成形を完了した。

図５（ｃ）に示すように、本ハイドロフォーム加工方法でしわなどの加工不良がない良好な成形品が得られることが分かる。すなわち、本方法によって強度比１．４のテーラードチューブで拡大率５４％（管端部の周長＝１９９．４ｍｍ、長方形断面部の周長＝３０６．６ｍｍ）のハイドロフォーム成形品を得た。

単管のハイドロフォーム加工における一般的な負荷経路の説明図を示す。 単管のハイドロフォームの負荷経路をテーラードチューブに適用した際に発生する加工不良の説明図を示す。 本発明例によるテーラードチューブのハイドロフォーム加工方法の説明図を示す。 本発明例によるテーラードチューブのハイドロフォーム加工方法のうち、内圧の制御が複雑な例を示す。 本発明の実施例の説明図を示す。

符号の説明

１・・・高強度側の材料
２・・・低強度側の材料
３・・・溶接部
４・・・テーラードチューブ

Claims (1)

1. 引張強さＴＳ_１［ＭＰａ］、板厚ｔ_１［ｍｍ］の第１の金属管と、引張強さＴＳ_２［ＭＰａ］、板厚ｔ_２［ｍｍ］の第２の金属管が、軸方向に直列に配列され溶接された円筒形のテーラードチューブを、該テーラードチューブの外径よりも内側平面部の間隔が小さい、断面が概長方形の金型に型締めすることで、該テーラードチューブ側面が、該金型内側平面部に、該テーラードチューブ軸方向に直線状に接しさせ、該テーラードチューブに内圧と管軸方向の押し力を負荷するハイドロフォーム加工方法において、引張強さ×板厚の小さい低強度側の金属管のみが拡管する圧力に昇圧した状態で、低強度側の金属管の管端から軸押しを負荷することにより低強度側の金属管を拡管させた後、引張強さ×板厚の大きい高強度側の金属管の管端から軸押しを負荷することにより高強度側の金属管を拡管させることを特徴とするテーラードチューブのハイドロフォーム加工方法。

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