WO2009014233A1 - ハイドロフォーム加工方法及びハイドロフォーム加工部品 - Google Patents

ハイドロフォーム加工方法及びハイドロフォーム加工部品 Download PDF

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metal tube
internal pressure
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Masaaki Mizumura
Koichi Sato
Yukihisa Kuriyama
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Nippon Steel Corporation
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    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49805—Shaping by direct application of fluent pressure

Definitions

  • the present invention is a hydroform that is processed into a predetermined shape by placing an internal pressure in the pipe after the metal pipe is placed in the mold and the mold is clamped.
  • the present invention relates to a processing method and a hydroformed component processed by the processing method.
  • the metal tube 1 shorter than the length of the mold is installed in the groove of the lower mold 2 so that the tube end of the metal tube 1 is located inside the end surface of the mold ((a) in the figure).
  • the metal pipe 1 in this example is an example of a straight pipe. In the case of a bent tube, it is necessary to perform bending work in advance so that the shape matches the groove of the lower mold 2.
  • the upper mold 3 is lowered and the mold is closed, and the metal tube 1 is sandwiched between the lower mold 2 and the upper mold 3 ((b) in the figure).
  • the pressure inside the metal tube 1 (hereinafter referred to as internal pressure) is increased to obtain a molded article 8 (FIG. (D)).
  • internal pressure the pressure inside the metal tube 1
  • the cross-sectional shapes of the pipe end 9 and the pipe end vicinity 9 ′ of the metal pipe 1 should be circular with the same shape as before processing.
  • the tube end is not circular but has the same rectangular cross section as the end product shape of the final product.
  • the metal tube is mounted on the lower die while maintaining a circular cross section so that the tube end of the metal tube is inside the end surface of the die, As the pipe descends, the tube end is deformed into a rectangular cross-section, and the seal punch with the rectangular cross-section is brought into contact with it.
  • this method can be applied to relatively simple cross sections such as oval, rectangular, oval, etc., but the tip of the seal punch must be processed into the same shape as the end of the molded product, which is complicated. It seems difficult to apply to the cross section.
  • the mold in order to prevent wrinkles that occur during mold clamping of the hydroform, the mold is also clamped while internal pressure is applied.
  • the tube end in this case is limited to a simple cross-sectional shape such as a circle or an ellipse.
  • hide mouth form processing is difficult to spot weld and port-join with other parts after molding.
  • an object is to process the product shape to the end of the tube as much as possible.
  • the gist of the present invention is as follows.
  • the pipe end of the metal pipe is mounted in a state of protruding from the lower mold, and the seal punch is gradually inserted into the pipe end of the metal pipe while injecting pressurized fluid into the metal pipe through the inside of the seal punch.
  • the metal pipe is filled with a pressurized fluid and pressurized to a predetermined internal pressure, and then the upper mold is lowered while the internal pressure and the pressing force are applied.
  • a process for hydroforming characterized in that, by clamping, the pipe end is deformed in a state where the pipe end protrudes from the mold, and the processing is terminated.
  • the seal length is The hydroforming method according to any one of (1) to (4) above, wherein the thickness is 2 to 4 times the plate thickness of the metal tube.
  • the cuff well hardness of the surface of the seal punch that contacts the tube end of the metal tube is HRC 50 or more and the surface roughness is Ra 2.0 or less.
  • Hide mouth foam processed parts characterized by having flanges over the entire length in the longitudinal direction.
  • Fig. 1 shows an illustration of the conventional general process for forming a foam mouth.
  • FIG. 2 shows an explanatory view of the process for processing the foam mouth of the present invention.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram of processing conditions in the hydroforming process of the present invention.
  • Fig. 4 shows the experimental results of investigating the effect of pushing force during clamping on the critical seal pressure.
  • Figure 5 shows the experimental results of examining the effect of the pushing force during pressure increase on the limit seal pressure.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram of a molded article 8 having a flange at the entire length obtained by the present invention.
  • FIG. 7 shows a cross-sectional view of the hydroform mold used in the example.
  • FIG. 8 is an explanatory diagram of the die under the form of the foam used in the example in the case of a bent shape.
  • FIG. 2 shows an example of processing a part shape having two flanges over the entire length by the method of the present invention. Hereinafter, this will be described with reference to this drawing.
  • the metal tube 1 is mounted on the lower mold 2
  • the length of the metal tube 1 is set to be longer than that of the lower mold 2 and the tube end 9 is mounted with the tube end 9 protruding slightly from the end of the mold.
  • This punch is a typical hydroform sill punch as shown in Figure 1 above.
  • the shape is different from 4 5, and the sealing surface 14 that contacts the pipe end is flat and wider than the area of the pipe end.
  • the seal punch 4 has a water inlet 6 as a pressurized fluid and its position is shown in Fig. 2 below.
  • the seal punch 1 2 1 3 is gradually advanced while filling the inside of the metal pipe 1 with water 7 through the water tank inlet 6, and the pipe of the metal pipe 1 as shown in Fig. 2 (b). Press and seal end 9 and apply the specified pressing force. Further, the metal pipe 1 is filled with water 7 as a pressurized fluid and loaded to a predetermined internal pressure.
  • the seal punch 1 2 1 3 is pressed against the pipe end 9, and the upper mold 3 is lowered and clamped while the internal pressure is applied to the metal pipe 1.
  • the cross section in contact with the lower mold 2 and the upper mold 3 but also the protruding portion 15 which is not in contact is clamped while its cross section is deformed.
  • the mold is clamped while maintaining the internal pressure, no wrinkles etc. remain after the mold is clamped. If the mold is clamped without internal pressure, the flat part on the upper surface side of the cross section B-B will not be flat, but will have a concave shape.
  • the pressing force F during mold clamping (the pressing force from process diagram 3 (b) to (c)) will be described.
  • the force due to the internal pressure P i is calculated by multiplying the internal pressure by the cross-sectional area of the inner surface of the pipe.
  • the cross-sectional area of the inner surface of the pipe gradually changes due to deformation during clamping. Since it is difficult to accurately determine the value of the gradually changing cross-sectional area, in the cross section perpendicular to the axial direction of the metal tube 1 that is considered to be when the cross-sectional area is the largest, considering the safest side.
  • the cross-sectional area S 2 inside the raw pipe (the pipe in the initial round state before deformation) was adopted. That is, the force due to the internal pressure P i is calculated as ⁇ S 2 . Therefore, the effective force to seal the pipe end is-P! ⁇ S 2
  • the present inventors conducted a test under various conditions to investigate the sealing performance.
  • Example 1 a test was performed using a hide-opening mold and changing the force F, which pushes the seal punch during mold clamping.
  • the internal pressure was increased.
  • the internal pressure (limit seal pressure (MPa)) when water 7 inside the pipe began to leak at the seal part was measured.
  • MPa limit seal pressure
  • S 3 is the sum of the pipe area and the cross-sectional area of the pipe itself in the cross section perpendicular to the axial direction, if S 3 is a metal tube after forming, so the pipe area is S 3 -S! It becomes. Therefore, the effective force for sealing the tube end 9 is F— P ⁇ (S 3-S!). This The present inventors also investigated the appropriate value of force.
  • the upper limit of F— ⁇ ⁇ (S 3 — S i) is 1.5 YS ⁇ S
  • the lower limit is at least about half of the maximum limit seal pressure of each steel pipe (approx. 100 MPa for a thickness of 2.5 mm, approx. 80 MPa for a thickness of 3.2 mm). The pressure was within the range that could be sealed, and 0.5 YS ⁇ S i was the lower limit.
  • the length (seal length L s ) of the protruding portion 15 of the pipe end of the metal pipe 1 from the end of the mold when mounted on the lower mold 2 will be described.
  • the inventors of the present invention conducted tests with various seal lengths L s as a result of testing. —If the length L s is too long, the end of the tube will buckle due to the pressing force of the seal punches 1 2 and 1 3 and it will be impossible to seal. In addition, the metal tube 1 expands in the circumferential direction due to the internal pressure, so it shrinks slightly in the axial direction. Therefore, it was also found that if the seal length L s is too short, the metal tube 1 enters the mold cavity and cannot be sealed.
  • the seal length L s can be either too long or too short. Specifically, it has been found that a value about three times the plate thickness t is appropriate. Therefore, it is desirable to set the seal length L s in the range of 2 to 4 times the plate thickness in consideration of variations in materials and processing conditions (the invention according to (5) above).
  • the seal surface 14 of the seal punches 1 and 1 and 3 slide while the pipe end is pressed in the state shown in Fig. 3 (c) and (d). good. Specifically, it is desirable to finish the surface roughness to Ra 2.0 or less. In order to minimize wear during mass production, the sealing surface 14 should have high strength. Specifically, it is desirable that the Rockwell hardness is HRC 50 or more (the invention according to the above (6)).
  • the base pipe was a steel pipe with an outer diameter of 60.5 mm, a wall thickness of 2.5 mm, and a total length of 3700 mm, and the steel grade was ST KM 1 3 B, a carbon steel pipe for machine structures.
  • the tip of the seal punch had a flat square shape of 120 x 120 mm, the material was SKD61, and the surface hardness was HRC 54-57 in Rockwell hardness. The surface roughness of the tip was finished to about R al. Hydroforming was performed using the above tube and mold.
  • the internal pressure P i during mold clamping was set to 10 MPa, and the pressing force was set to 1 0 0, 0 0 0 N.
  • the cross-sectional area d of the steel pipe is 4 5 6 mm 2
  • the cross-sectional area S 2 in the pipe is 2 4 19 mm 2
  • YS is 3 8 2 MPa.
  • 3 is 1 8 8 0 mm 2 .
  • Fig. 8 shows the lower mold 17 for flange forming in the bent shape.
  • the cross-sectional shape of the groove in the mold cavity is the same as in Fig. 5, and it has flanges on both sides over the entire length.
  • the same pipe as in Example 1 having an outer diameter of 60.5 mm, a thickness of 2.5 mm, a total length of 3700 mm, and a steel grade S TKM 1 3 B was used as the base pipe.
  • the bent tube is installed in the groove of the lower mold 17 in FIG.
  • the distance between the mold ends at the center of the groove is 3 60 mm
  • the seal length L s of Example 2 can be secured twice as much as the plate thickness of 2.5 mm.
  • a pressing force is applied while applying an internal pressure using a seal punch having the same shape as in Example 1.
  • the conditions for the internal pressure and the pressing force were also set in the same manner as in Example 1.
  • the application range of the hide mouth foam parts is expanded, and the parts can be integrated and reduced in weight.
  • the application to automobile parts can improve fuel efficiency by reducing the weight of the vehicle and, as a result, contribute to the suppression of global warming. It can also be expected to spread to industrial fields that have not been applied so far, such as home appliances, furniture, construction equipment parts, motorcycle parts, and construction materials.

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Abstract

管端の捨て代を極力削減することによる歩留り向上、内圧を負荷した型締めによるしわの防止、複数工程のハイドロフォームや事前の管端加工の削減、金型機構の簡略化による金型費用の削減、全長に渡ってフランジ成形されたハイドロフォーム部品の採取を目的とする。　そのために本発明は、金属管の管端を下金型からはみ出した状態で装着し、シールパンチの内部を介して前記金属管内に加圧流体を注入しながら徐々に前記シールパンチを前記金属管の管端に押し付けて所定の押し付け力と、前記金属管内部に加圧流体を充満させて所定の内圧を付加する。次いで前記内圧と押し付け力を付加したまま、上金型を下降して型締めすることにより、前記管端を金型からはみ出した状態で変形させて加工を終了するか、または、その型締め後、前記金属管内の内圧を昇圧して加工を終了するハイドロフォーム加工方法、及び、それらの工法を用いて加工した長手方向の全長に渡ってフランジを有するハイドロフォーム加工部品を提供する。

Description

ハイ ドロフオーム加工方法及びハイ ドロフオーム加工部品
〔技術分野〕
本発明は、 金属管を金型に入れ、 当該金型を型締めした後、 管内 に内圧を負荷することにより所定形状に加工するハイ ドロフォーム 明
加工方法、 及びそれにより加工されたハイ ドロフォーム加工部品に 関する。 田
書
〔背景技術〕
従来のハイ ドロフォーム加工の一般的な加工工程を、 図 1 を用い て以下に説明する。
まず、 金型の長さより短い金属管 1 を、 金属管 1の管端が金型の 端面より内側に位置するように、 下金型 2の溝の中に装着する （同 図（a) ) 。 本例の金属管 1は、 直管の例である。 曲げ管の場合は、 下金型 2の溝に合う形状となるように事前に曲げ加工を施す必要が ある。
次いで上金型 3を下降して金型を閉じ、 金属管 1 を下金型 2 と上 金型 3の間に挟みこむ （同図（b) ) 。
その後、 シールパンチ 4、 5を前進させる。 水揷入口 6 を有する シールパンチ 4から加圧流体としての水を揷入しながら前進させ、 水 7 を金属管 1の内部に充満させるとほぼ同時に,シールパンチ 4、 5 を金属管 1の端面に接触させ、 水 7が漏れないようにシールする (同図（c) ) 。
その後、 金属管 1の内部の圧力 （以後、 内圧と称す） を昇圧する ことでハイ ド口フォーム成形品 8が得られる （同図（d) ) 。 このェ 程で水 7を漏らさずシールを確保するためには、 金属管 1の管端 9 及び管端近傍部 9 'の断面形状は加工前と同一形状の円形にする方 がよい。
しかし、 最終製品 1 0 の端面形状が素管と同一形状でない場合は 、 この管端 9及び管端近傍部 9 '及び遷移部 1 1は不要なため、 切 断して廃棄される （同図（e) ) 。 すなわち、 その分、 歩留りが低下 する。
この歩留り低下を改善した例が 「自動車技術 （Vo l . 57, No. 6 ( 20 03) , 23頁） 」 に記載されている。 この例では、 管端は円形でなく 最終製品形状の端面形状と同じ長方形断面となっている。 しかし、 この場合、 金属管を金型に装着する前に管端を長方形断面に成形す る前加工が必要になる。
特開 2004- 42077号公報に記載されている方法では、 金属管の管端 が金型の端面より内側になるように、 金属管を円形断面のまま下金 型に装着し、 上金型の降下に伴って管端を長方形断面に変形させ、 そのまま長方形断面のシ一ルパンチを当接した後に金属管の内部に 加圧流体を供給して、 必要に応じて軸押しを行っている。 ただし、 当該方法では、 楕円形、 長方形、 小判型、 等の比較的単純な断面に は適用できるが、 シールパンチの先端を成形品の端部と同じ形状に 加工しなければならず、 複雑な断面への適用は困難と思われる。
また、 ハイ ドロフォームの型締め時に発生するしわを防止するた めに、 内圧を負荷しながら型締めすることも行われる。 当該方法で は、 型締め完了前から管端をシールする必要があるため、 例えば特 開 2001-9529号公報に記載されているように、 管端だけを型締めし ておいてシールパンチを押し付けてシールが確保された後に管中央 部を型締めするなどの方法が採られている。 よって、 この場合の管 端は円形か、 楕円形などの単純な断面形状に限られる。 一方、 ハイ ド口フォーム加工には、 成形後の他部品とのスポッ ト 溶接やポルト締結が難しいという欠点がある。 そこで、 ハイ ドロフ オーム加工時にフランジ成形する技術が特開 2001-259754号公報や 特開 2006- 61944号公報に提案されている。 ただし、 これらの方法で は、 複数のハイ ド口フォーム工程や、 あるいは金型内で可動する別 パンチが必要となる。 また当該工法では、 内圧を負荷しながら全長 に渡るフランジを成形することは困難と思われる。
〔発明の開示〕
本発明では、 ハイ ド口フォーム加工品の歩留りを上げるため、 極 力管端まで製品形状に加工することを目的としている。 また、 ーェ 程でハイ ドロフォーム加工した部品で、 長手方向に渡って全長にフ ランジを有する八ィ ドロフォーム加工部品を提案する。
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 ) 金属管の管端を下金型からはみ出した状態で装着し、 シール パンチの内部を介して前記金属管内に加圧流体を注入しながら徐々 に前記シールパンチを前記金属管の管端に押し付けて所定の押し付 け力を負荷し、 前記金属管内部に加圧流体を充満させて所定の内圧 まで負荷し、 次いで前記内圧と押し付け力を負荷したまま、 上金型 を下降して型締めすることにより、 前記管端を金型からはみ出した 状態で管端を変形させて加工を終了することを特徴とするハイ ドロ フォーム加工方法。
( 2 ) 型締めした後に、 更に前記金属管内の内圧を昇圧して加工を 終了することを特徴とする前記 （ 1 ) 記載のハイ ド口フォーム加工 方法。
( 3 ) 前記金属管の軸方向に垂直な断面における、 前記金属管の素 管の断面積を エ [mm2 ] 、 前記金属管の素管の内部の断面積を S 2 [mm2 ] 、 前記金属管の降伏応力を Y S [M P a ] 、 前記所 定の内圧を [M P a ] としたとき、 前記シールパンチで型締め 中に押し込む力 [N] を、 （ 1 ) 式を満たす範囲とすることを 特徴とする前記 （ 1 ) 又は （ 2 ) 記載のハイ ドロフォーム加工方法
P！ - S 2 + 0. 3 Y S - S i ≤ F！
≤ P , - S 2 + 0. 7 Y S - S ! · · · · ( 1 )
( 4 ) 前記金属管の軸方向に垂直な断面における、 前記金属管の素 管の断面積を S i [mm2 ] 、 前記金型の空洞部の断面積を S 3 [ mm2 ] 、 前記金属管の降伏応力を Y S [M P a ] 、 型締め後に昇 圧する内圧を P [MP a ] としたとき、 前記シールパンチで型締め 後の昇圧中に押し込む力 F [N] を、 （ 2 ) 式を満たす範囲とする ことを特徴とする前記 （ 3 ) 記載のハイ ドロフォーム加工方法。
Ρ · ( S 3 - S i ) + 0. 5 Y S - S x ≤ F
≤ P - ( S 3 - S ! ) + 1. 5 Y S - S x · · · ( 2 )
( 5 ) 前記シールパンチで前記金属管の管端を押し付ける前の状態 で、 前記金属管の管端が前記金型からはみ出した長さをシール長さ としたとき、 前記シール長さを、 前記金属管の板厚の 2〜 4倍とす ることを特徴とする前記 （ 1 ) 〜 （ 4 ) の何れか 1項に記載のハイ ドロフォーム加工方法。
( 6 ) 前記金属管の管端と接触する前記シールパンチの表面の口ッ クウエル硬さが H R C 5 0以上で、 かつ表面粗さが R a 2. 0以下 であることを特徴とする前記 （ 1 ) 〜 （ 5 ) の何れか 1項に記載の ハイ ドロフォーム加工方法。
( 7 ) 前記 （ 1 ) 〜 （ 6 ) の何れか 1項に記載の方法により、 ーェ 程のハイ ド口フォーム加工をしたままの一体から成る部品であって 、 長手方向の全長に渡ってフランジを有することを特徵とするハイ ド口フォーム加工部品。
( 8 ) 長手方向に曲げ部を有することを特徴とする前記 （ 7 ) 記載 のハイ ドロフォーム加工部品。
本発明によって、 ハイ ドロフォーム加工において以下のような効 果が期待できる。
• 管端の捨て代を極力削減でき、 歩留りが向上する。
， 内圧を負荷しながら型締め加工ができるため、 型締め時のしわが 防止できる。
• 複数工程のハイ ド口フォームや事前の管端加工が不要なため、 ェ 程数が削減できる。
• 複雑な機構のハイ ドロフォーム金型が不要なため、 金型費用が削 減できる。
• 全長に渡ってフランジ成形されたハイ ドロフォーム部品が得られ る。
• フランジ部を用いて他部品とスポッ ト溶接やポルト締結が可能に なる。
〔図面の簡単な説明〕
図 1 は、 従来の一般的なハイ ド口フォーム加工工程の説明図を示 す。
( a ) 金属管 1 を下金型 2の溝の中に装着した状態
( b ) 上金型 3を下降して金型を閉じた状態 （型締め）
( c ) シールパンチ 4， 5で金属管 1の管端 9 をシールした状態 ( d ) 内圧を昇圧して成形を終了した状態
( e ) 金型から取り出した最終製品 1 0
図 2は、 本発明のハイ ド口フォーム加工工程の説明図を示す。 ( a ) 金属管 1を下金型 2の溝の中に装着した状態
( b ) シールパンチ 1 2， 1 3で金属管 1の管端 9 をシールして 内圧を負荷した状態
( c ) シールパンチ 1 2， 1 3を管端 9に押し付けて内圧を負荷 した状態のまま、 上金型 3を下降して型締めした状態
( d ) 型締め後、 内圧を昇圧して成形を終了した状態
図 3は、 本発明のハイ ドロフォーム加工工程における加工条件の 説明図を示す。
( a ) 金属管 1 を下金型 2の溝の中に装着した状態
( b ) シールパンチ 1 2， 1 3で金属管 1の管端 9をシールして 内圧を負荷した状態
( c ) シールパンチ 1 2， 1 3を管端 9に押し付けて内圧を負荷 した状態のまま、 上金型 3を下降して型締めした状態
( d ) 型締め後、 内圧を昇圧して成形を終了した状態
図 4は、 限界シール圧に及ぼす型締め中の押し込み力の影響を調 ベた実験結果を示す。
図 5は、 限界シール圧に及ぼす昇圧中の押し込み力の影響を調べ た実験結果を示す。
図 6は、 本発明によって得られる全長にフランジを有するハイ ド 口フォーム成形品 8の説明図を示す。
( a ) 全長に渡って直線状のフランジを有するハイ ドロフォ ーム加工部品
( b ) 長手方向に曲率を有するフランジを有する Λイ ドロフ オーム加工部品
図 7は、 実施例に用いたハイ ドロフォーム金型の断面図を示す。 図 8は、 曲げ形状の場合の実施例で使用したハイ ド口フォーム下 金型の説明図を示す。 〔発明を実施するための最良の形態〕
図 2は、 全長に渡ってフランジを 2ケ所有する部品形状を本発明 の方法で加工する例である。 以後、 本図を用いて説明する。
まず 、 同図 （ a ) のように、 金属管 1 を下金型 2の上に装着する
。 その際、 金属管 1 の長さは下金型 2の長さよりも長く しておき、 管端 9が金型の端部より少しはみ出した状態で装着する。
で平坦型シールパンチ 1 2 1 3 の説明をする 。 このパンチ は、 前述の図 1 のような一般的なハイ ドロフォームのシ ルパンチ
4 5 とは形状が異なり、 管端に当たるシール面 1 4が、 平坦で管 端の面積より広い面になっている。 シールパンチ 4の方には加圧流 体としての水の揷入口 6が付いている力 その位置は 、 後述の図 2
( b ) （ c ) ( d ) の状態でも金属管 1 の内部に入るような位 置に 定しておく ことが必要である。
上記のシールパンチ 1 2 1 3 を、 水揷入口 6を介して水 7 を金 属管 1の内部に充填しながら徐々に前進させていき、 図 2 ( b ) の ように金属管 1の管端 9を押し付けてシールし、 所定の押し付け力 を負荷する。 また、 前記金属管 1の内部に加圧流体としての水 7 を 充満させて所定の内圧まで負荷する。
次に図 2 ( c ) のように、 シールパンチ 1 2 1 3 を管端 9 に押 し付けて金属管 1内に内圧を負荷した状態のまま上金型 3 を下降さ せ型締めする。 その過程で、 下金型 2及び上金型 3 と接触している 断面はもちろんのこと、 接触していないはみ出し部 1 5 も断面が変 形しながら型締められる。 また、 内圧を維持したまま型締めしてい るため、 型締め後には、 しわ等は残らない。 仮に内圧なしで型締め してしまうと、 断面 B— Bの上面側の平坦部が平坦とならず、 凹形 状になってしまう。
図 2 ( c ) の状態で最終部品形状に加工できれば、 同図 （ c ) で 加工は完了する （以上、 前記 （ 1 ) に係る発明） 力 、 さらに周長を 拡管する必要がある場合は、 このまま更に、 内圧を昇圧して加工を 終了する。 すると、 同図 （ d ) のように、 金型内面に沿った形状に 仕上げられ、 最終的なハイ ド口フォーム加工品 8が得られる （前記 ( 2 ) に係る発明） 。
以上が本発明によるハイ ドロフォーム加工方法の説明であるが、 さらに当該シールを確実に実行するために、 望ましい適正な条件に ついて図 3 を用いて以下に説明する。
まず、 シールを確保するために望ましい押し付け力に関して説明 する。
型締めする際の押し付け力 Fェ （工程図 3 ( b ) から （ c ) にか けての押し付け力） に関して述べる。 シールパンチ 1 2 , 1 3には 、 管端 9を押し付けた際の反力だけでなく、 前記所定の内圧 P i に よる力も作用する。 内圧 P i による力は、 内圧 に管内面の断面 積を乗じて計算されるが、 管内面の断面積は型締め時の変形によつ て徐々に変化する。 その徐々に変化する断面積の値を正確に求める ことは困難なため、 一番安全サイ ドに考えて、 一番断面積が大きい 時と考えられる、 金属管 1 の軸方向に垂直な断面における、 素管 （ 変形前の初期の真円状態である管） 内部の断面積 S 2 を採用した。 すなわち、 内圧 P i による力は · S 2 と計算される。 よって、 管端をシールするために有効な力は、 - P！ · S 2 となる。 こ の力の適正値を調べるため、 本発明者らは、 各種条件で試験を行つ てシール性を調査した。
後述の実施例 1で説明するように、 ハイ ド口フォーム金型を用い て型締め中にシールパンチを押し込む力 F ,を各種変えて試験を行 つた。 いずれの F ,でも、 その他の加工条件は同一 （型締め中の内 圧 P , = 1 0 M P a、 昇圧時の押し付け力 F = 3 0 0 k N) にして 内圧を昇圧した。 シール部にて管内部の水 7が漏れ始めたときの内 圧 （限界シール圧 （M P a ) ) を測定した。 なお素管には実施例 1 で使用する 2. 5 mmの肉厚の鋼管以外に 3. 2 mmの鋼管も使用 した。
結果を図 4に示す。 本結果より、 型締め中に管端をシールするた めに有効な力 - P！ · S 2 は、 素管の降伏応力を Y S、 断面積 を S としたときに、 0. 5 Y S · S i 近傍が最も限界シール圧は 高くなる。 0. 5 Y S · S ！ より小さい範囲では、 端面がシールに 適した形状になりにく く、 その後の昇圧で漏れやすくなる。 逆に 0 . 5 Y S · S , より大きい範囲では、 端面が座屈したような形状に なるため、 その後の昇圧で漏れやすくなる。 F t - P x · S 2 の適 正な範囲としては、 図 4より 0. S Y S ' S i 以上、 0. 7 Y S * S！ 以下である。 よって、 の適正な範囲としては次のように表 現できる。 P i - S 2 + 0. 3 Y S - S x ≤ F X ≤ P X · S 2 + 0 . 7 Y S · S x (前記 （ 3 ) に係る発明） 。
次に、 その後、 更に昇圧する工程 （ d ) の適正な押し付け力 Fに 関して説明する。
この工程でもシールパンチ 1 2 , 1 3 には内圧による力が作用す るため、 押し付け力 Fも内圧 Pの変化に対して変える必要がある。 前述の検討と同様に、 少なくとも内圧 Pに管内面の断面積を乗じた 値の力は必要となる。 この工程の管内面の断面積も徐々に変化する が、 やはり安全サイ ドの考え方で一番断面積が大きい場合を想定し 、 金属管の軸方向に垂直な断面における、 最終目標形状の金型空洞 部の面積 S 3 を採用した。 但し、 S 3 は成形終了後の金属管で言え ば、 軸方向に垂直な断面における、 管内面積と管自体の断面積の和 となるので、 管内面積は、 S 3 - S！ となる。 よって、 管端 9 をシ —ルするために有効な力は、 F— P · ( S 3 - S ！ ) となる。 この 力の適正値に関しても本発明者らは調査した。
前述と同様のハイ ド口フォーム金型と鋼管 （肉厚 2. 5 mm及び 3. 2 mm) を用いて昇圧中に押し込む力 Fを各種変えて試験を行 つた。 いずれの Fでも、 その他の加工条件は同一 （型締め中の内圧 P , = 1 0 P a , 型締め中の押し付け力 F , = 7 5 k N) にして、 内圧を昇圧し、 シール部から管内部の水が漏れるときの圧力 （限界 シール圧 （MP a) ) を測定した。
その結果を図 5に示す。 なお、 本図における横軸は、 昇圧中に管 端をシールするために有効な力 F— P · ( S 3 - S ！ ) で整理して いるが、 その際の Pは、 最終的に漏れる時の圧力である限界シール 圧の値で計算している。 本結果より、 昇圧中に管端をシールするた めに有効な力 F— P ， ( S 3 - S ！ ) の増加とともに限界シール圧 は増加するが、 1. 0 Y S · S i を境にして傾きが緩やかになり、 1. 5 Y S · S ！ 以上ではほとんど増加せず逆に低下する傾向も見 られる。
これは押し付け力が高過ぎて端面が座屈してシールが漏れやすく なるからである。 よって F— Ρ · ( S 3 — S i ) の上限は、 1. 5 Y S · S , とする。 一方、 下限に関しては、 少なく とも、 それぞれ の鋼管における最大の限界シール圧 （肉厚 2. 5 mmなら約 1 0 0 M P a、 肉厚 3. 2 mmなら約 8 0 M P a) の半分程度の圧力はシ ールできる範囲とし、 0. 5 Y S · S i を下限とした。
以上のことから、 Fの適正な範囲としては次のように表現できる 。 Ρ · ( S a - S χ ) + 0. 5 Y S - S x ≤ F≤ P - ( S 3 - S x ) + 1. 5 Y S · S x (前記 （ 4 ) に係る発明） 。
次に、 下金型 2の上に装着した際の、 金型の端部からの金属管 1 の管端のはみ出し部 1 5の長さ （シール長さ L s ) に関して述べる 。 本発明者らはシール長さ L s を各種変えて試験を行った結果、 シ —ル長さ L s が長過ぎると、 シールパンチ 1 2、 1 3の押し付け力 によって管端が座屈してしまい、 シールが不可能になると分かつた 。 また、 内圧によって金属管 1 は周方向に広がるため、 軸方向には 若干縮む。 よって、 シール長さ L s が短過ぎると、 金属管 1が金型 空洞部内に入り込んでシール不可能になることも分かった。
以上のことから、 シール長さ L s は長過ぎても短過ぎても良くな く、 具体的には板厚 t の 3倍程度の値が適正であると判明した。 よ つて、 シール長さ L s は、 素材や加工条件のばらつき等を考慮すれ ば、 板厚の 2〜4倍の範囲に設定することが望ましい （前記 （ 5 ) に係る発明） 。
また、 シールパンチ 1 2、 1 3のシール面 1 4は、 図 3 ( c ) 、 ( d ) の状態で、 管端が押し付けられながらスライ ドしていくため 、 その面の性状は平坦なほど良い。 具体的には表面粗さで R a 2 . 0以下に仕上げておく ことが望ましい。 また量産時の磨耗を極力少 なくするために、 当該シール面 1 4は高強度の方が良い。 具体的に は、 ロックウェル硬さで H R C 5 0以上であることが望ましい （前 記 （ 6 ) に係る発明） 。
以上のような要領でハイ ドロフォーム加工すると、 一工程のハイ ドロフォーム加工をしたままの一体からなる部品であって、 図 6 ( a ) に示すような、 全長にフランジ部を有するハイ ド口フォーム加 ェ品が得られる （前記 （ 7 ) に係る発明） 。
また、 事前に曲げ加工を施し、 その曲げ形状に沿った空洞部を有 するハイ ドロフォーム金型に装着して同様の要領でハイ ドロフォー ム加工すると、 同図 （ b ) のように、 曲げ内側及び外側の全長に曲 率を有するフランジ部を有するハイ ドロフォーム加工品が得られる (前記 （ 8 ) に係る発明） 。
図 6 ( a ) 、 ( b ) において、 両側にフランジ部を有する部材の 例を示したが、 片側のみ全長に渡ってフランジ部を有する部材を本 発明により成形できることは言うまでもない。
下記に本発明の実施例を示す。
〔実施例 1〕
素管には外径 6 0. 5 mm、 肉厚 2. 5 mm, 全長 3 7 0 mmの 鋼管を用い、 鋼種は機械構造用炭素鋼鋼管の S T KM 1 3 Bを採用 した。 ハイ ド口フォーム金型は、 断面形状は全長に渡って図 7に示 すとおりで、 長さは 3 6 0 mmで、 直線状である。 よって、 この場 合のシ一ル長さ L s は 5 mm (= ( 3 7 0 - 3 6 0 ) / 2 ) となり 、 板厚 2. 5 mmの 2倍となる。 また、 シールパンチの先端は 1 2 0 X 1 2 0 mmの平坦な正方形形状とし、 材質は S KD 6 1 を採用 して、 表面硬度はロックウェル硬度で H R C 5 4〜 5 7 とした。 先 端の表面粗さは R a l . 6程度に仕上げた。 以上の素管と金型類を 用いて、 ハイ ドロフォーム加工を行った。
ハイ ド口フォームの加工条件としては、 型締め時の内圧 P i は 1 0 M P a、 押し付け力 は 1 0 0 , 0 0 0 Nとした。 当該鋼管の サイズより、 鋼管断面積 エ は 4 5 6 mm2 、 管内の断面積 S 2 は 2 4 1 9 mm2 であり、 Y Sは 3 8 2 M P aである。 以上より、
P x · S 2 + 0. 3 Y S · S ！ = 10 X 2419 + 0.3 X 382 X 456
= 7 6 , 4 4 8
P！ · S 2 + 0. 7 Y S · S！ = 10 X 2419 + 0.7 X 382 X 456
= 1 4 6 , 1 2 4
と計算され、 7 6， 4 4 8≤ F！ (= 1 0 0 , 0 0 0 ) ≤ 1 4 6 , 1 2 4、 となっている。 よって、 型締め中には内圧はほとんど下が らず、 内圧が負荷された状態で型締めできた。
次に、 型締め後に内圧 Pを昇圧しながら、 押し付け力 Fを変化さ せた。 具体的には、 以下の （ 1 ) → ( 2 ) → ( 3 ) という負荷経路 で試験した。
( 1 ) 内圧 1 0 M P aで軸押し力 1 1 0 , 0 0 0 N
( 2 ) 内圧 2 0 M P aで軸押し力 2 5 0 , 0 0 0 N
( 3 ) 内圧 8 0 M P aで軸押し力 2 5 0 , 0 0 0 N
上記の （ 1 ) 〜 （ 3 ) のそれぞれの場合における 、 P - ( S 3 -
S！ ) + 0. 5 Y S · S ！ 及び P · ( S 3 - S ！ ) + 1. 5 Y S ·
S , の値を （ 1 ) 〜 （ 3 ) の場合で計算する。 なお 、 金型断面積 s
3 は 1 8 8 0 mm2 である。
P · ( S 3 - S ！ ) + 0. 5 Y S · S！ =
( 1 ) 101, 336、 ( 2 ) 115, 576、 ( 3 ) 201, 016
P · ( S 3 - S 丄 ） + 1. 5 Y S · S ！ =
( 1 ) 275, 528、 ( 2 ) 289, 768、 ( 3 ) 以上のような値となり 、 （ 1 ) 、 （ 2 ) 、 ( 3 ) とも望ましい押 し付け力の範囲に入っている。 よって、 上記のような負荷経路で型 締め後の加工を行った結果、 シールが漏れることな <成形できた。
以上のハイ ドロフォームの結果、 全長にフランジ成形された八ィ ドロフォーム加工品を得ることができた。
〔実施例 2〕
図 8は、 曲げ形状の場合のフランジ成形用の下金型 1 7である。 なお、 金型空洞部の溝の断面形状は図 5 と同一で、 全長に渡って、 フランジ部を両側に有している。 曲率は、 長手方向の全長に渡って 、 2. 0 7 X 1 0 - 3 (= 1 / 4 8 4 ) ( 1 /mm) である。 素管 には、 実施例 1 と同一の外径 6 0. 5 mm, 肉厚 2. 5 mm, 全長 3 7 0 mm, 鋼種 S TKM 1 3 Bの鋼管を使用した。
まず、 当該素管の中央を、 回転引き曲げ加工にて曲げ半径 4 8 4 mm (==素管外径の 8倍） で曲げた。 その曲げ管を図 8の下金型 1 7の溝に装着する。 溝中心における金型端部間の距離は 3 6 0 mm のため、 3 7 0 m m長さの素管を装着すると金型端部より、 それぞ れ 5 m mずつはみ出すことになる。 よって、 この実施例 2のシール 長さ L s も板厚 2 . 5 m mの 2倍確保できることになる。 その後、 実施例 1 と同一形状のシールパンチを用いて内圧を負荷しながら押 し付け力を負荷する。 その内圧や押し付け力の条件も実施例 1 と同 じに設定した。 その状態のまま上金型 （図示しない） を降下させ型 締めする。 なお、 上金型の断面形状は図 7 に示した上金型の断面と 同一形状である。 型締めした後の昇圧条件及びその時の押し付け力 条件も実施例 1 と同じ条件とした。
以上のような工程で、 曲げ形状の場合にも全長フランジ付きのハ ィ ドロフォーム成形品を得ることができた。
〔産業上の利用可能性〕
以上説明したように、 本発明によりハイ ド口フォーム部品の適用 範囲が広がり、 部品統合や軽量化が実現できる。 特に自動車部品へ の適用は、 車両の軽量化が進むことで燃費が向上し、 その結果、 地 球温暖化の抑制に貢献できる。 また、 これまで適用が進んでいなか つた産業分野、 例えば、 家電製品、 家具、 建機部品、 二輪部品、 建 築部材への広がりも期待できる。

Claims

1. 金属管の管端を下金型からはみ出した状態で装着し、 シール パンチの内部を介して前記金属管内に加圧流体を注入しながら徐々 に前記シールパンチを前記金属管の管端に押し付けて所定の押し付 け力を負荷し、 前記金属管内部に加圧流体を充満させて所定の内圧 請
まで負荷し、 次いで前記内圧と押し付け力を負荷したまま、 上金型 を下降して型締めすることにより、 前記管端を金型からはみ出した 状態で管端を変形させて加工を終了することを特徴とするハイ ドロ フォーム加工方法。
2. 型締めした後に、 更に前記金属管内の内圧を昇圧して加工を 囲
終了することを特徴とする請求の範囲 1 に記載のハイ ド口フォーム 加工方法。
3. 前記金属管の軸方向に垂直な断面における、 前記金属管の素 管の断面積を [mm2 ] 、 前記金属管の素管の内部の断面積を S 2 [mm2 ] 、 前記金属管の降伏応力を Y S [M P a ] 、 前記所 定の内圧を P i [MP a ] としたとき、 前記シールパンチで型締め 中に押し込む力 [N] を、 （ 1 ) 式を満たす範囲とすることを 特徴とする請求の範囲 1又は 2のいずれかに記載のハイ ドロフォー ム加工方法。
P 1 · S 2 + 0. 3 Y S - S i ≤ F x
≤ Ρ Χ - S 2 + 0. 7 Y S - S ! · · · ( 1 )
4. 前記金属管の軸方向に垂直な断面における、 前記金属管の素 管の断面積を S t [mm2 ] 、 前記金型の空洞部の断面積を S 3 [ mm2 ] 、 前記金属管の降伏応力を Y S [MP a] 、 型締め後に昇 圧する内圧を P [ P a ] としたとき、 前記シールパンチで型締め 後の昇圧中に押し込む力 F [N] を、 （ 2 ) 式を満たす範囲とする ことを特徴とする請求の範囲 3 に記載のハイ ドロフォーム加工方法
Ρ · ( S 3 - S ！ ) + 0 . 5 Y S - S ！ ≤ F
≤ Ρ - ( S g ) + 1 . 5 Y S - S x · · · ( 2 )
5 . 前記シールパンチで前記金属管の管端を押し付ける前の状態 で、 前記金属管の管端が前記金型からはみ出した長さをシール長さ としたとき、 前記シール長さを、 前記金属管の板厚の 2〜 4倍とす ることを特徴とする請求の範囲 1 〜 4のいずれか 1項に記載のハイ ドロフオーム加工方法。
6 . 前記金属管の管端と接触する前記シールパンチの表面のロッ クウエル硬さが H R C 5 0以上で、 かつ表面粗さが R a 2 . 0以下 であることを特徴とする請求の範囲 1 〜 5のいずれか 1項に記載の ハイ ドロフオーム加工方法。
7 . 請求の範囲 1 〜 6のいずれか 1項に記載の方法により、 ーェ 程のハイ ド口フォーム加工をしたままの一体から成る部品であって 、 長手方向の全長に渡ってフランジを有することを特徴とするハイ ドロフオーム加工部品。
8 . 長手方向に曲率を有することを特徴とする請求の範囲 7 に記 載のハイ ドロフォーム加工部品。
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