CN101754821A

CN101754821A - 液压成形加工方法以及液压成形加工部件

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Publication number: CN101754821A
Application number: CN200880025336A
Authority: CN
Inventors: 水村正昭; 佐藤浩一; 栗山幸久
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2007-07-20
Filing date: 2008-07-18
Publication date: 2010-06-23
Anticipated expiration: 2028-07-18
Also published as: KR101239927B1; KR20100010510A; JP4478200B2; WO2009014233A1; BRPI0814517A2; EP2172285A4; BRPI0814517A8; CA2693332C; CN101754821B; US20100186473A1; BRPI0814517B1; EP2172285B1; EP2172285A1; JPWO2009014233A1; US8297096B2; CA2693332A1

Abstract

本发明的目的在于，通过尽量削减管端的废弃量而提高材料利用率，通过负载了内压地合模而防止褶皱，削减多工序的液压成形、事先的管端加工，通过模具机构的简略化而削减模具费用，并采用遍及全长地成形有凸缘的液压成形部件。因此，本发明提供下述液压成形加工方法以及使用这些方法加工的遍及长度方向的全长地具有凸缘的液压成形加工部件。所述液压成形加工方法，以使金属管的管端从下模具超出的状态安装，一边经由密封冲头的内部向所述金属管内注入加压流体一边逐渐将所述密封冲头按压到所述金属管的管端而施加预定的按压力，使加压流体充满所述金属管内部而施加预定的内压。接下来保持施加所述内压与按压力地，使上模具下降而合模，由此使所述管端在从模具超出的状态下变形，结束加工。或者，在该合模后，使所述金属管内的内压上升，结束加工。

Description

液压成形加工方法以及液压成形加工部件

技术领域

本发明涉及在将金属管放入模具并将该模具合模后、向管内负载内压由此加工成预定形状的液压成形加工方法以及通过该方法加工的液压成形加工部件。

背景技术

下面使用图1对以往的液压成形加工的一般的加工工序进行说明。

首先，将比模具的长度短的金属管1以金属管1的管端位于比模具的端面靠内侧的位置的方式，安装在下模具2的槽中(图1(a))。本例的金属管1为直管的例子。在弯管的情况下，需要事先进行弯曲加工以形成与下模具2的槽一致的形状。

接下来将上模具3下降而将模具关闭，将金属管1夹在下模具2与上模具3之间(图1(b))。

然后，使密封冲头4、5前进。一边从具有水插入口6的密封冲头4插入作为加压流体的水一边使其前进，与使水7充满金属管1的内部大致同时地使密封冲头4、5与金属管1的端面接触，进行密封使水7不会泄漏(图1(c))。

然后，使金属管1的内部的压力(以后，称作内压)升压，从而得到液压成形成形品8(图1(d))。为了在该工序中不使水7泄漏地确保密封，金属管1的管端9以及管端附近部9’的剖面形状优选设为与加工前相同形状的圆形。

但是，在最终产品10的端面形状与坯管的形状不同的情况下，不需要该管端9、管端附近部9’以及过渡部11，所以将这些部分切断而废弃(图1(e))。即，相应地材料利用率降低。

改善了该材料利用率下降的例子在“汽车技术(Vol.57，No.6(2003)，23页)”中有所记载。在该例中，管端不是圆形，为与最终产品形状的端面形状相同的长方形截面。但是，此时，需要在将金属管安装在模具上之前将管端成形为长方形截面的前加工。

在日本特开2004-42077号公报所记载的方法中，以金属管的管端位于比模具的端面靠内侧的位置的方式，保持圆形截面地将金属管安装在下模具上，伴随着上模具的下降而使管端变形为长方形截面，保持原样地使长方形截面的密封冲头抵接后，向金属管的内部供给加压流体，根据需要进行轴向按压。但是，在该方法中，能够应用于椭圆形、长方形、卵形(小判型)等比较简单的截面，但必须将密封冲头的顶端加工为与成形品的端部相同的形状，难以应用于复杂的截面。

另外，为了防止在液压成形的合模时产生的褶皱，一边负载内压一边进行合模。在该方法中，需要从合模结束前将管端密封，所以如日本特开2001-9529号公报所记载那样，采用仅将管端合模、按压密封冲头而确保密封、然后将管中央部合模等方法。因此，此时的管端限定于圆形、椭圆形等简单的截面形状。

另一方面，在液压成形加工中，具有成形后难以与其他部件点焊、螺栓连接的缺点。因此，在日本特开2001-259754号公报、日本特开2006-61944号公报中提出了在液压成形加工时成形凸缘的技术。但是，在这些方法中，需要多个液压成形工序或者在模具内可动的另外的冲头。另外在该方法中，难以一边负载内压一边成形遍及全长的凸缘。

发明内容

本发明的目的在于，为了提高液压成形加工品的材料利用率，尽量直到管端都加工为产品形状。另外，提出了一种液压成形加工部件，其是用一个工序进行了液压成形加工的部件，遍及长度方向地在全长上具有凸缘。

为了解决该课题，本发明的主旨如下所述。

(1)一种液压成形加工方法，其特征在于：以使金属管的管端从下模具超出(越出、伸出)的状态进行安装，一边经由密封冲头的内部向所述金属管内注入加压流体一边逐渐将所述密封冲头按压到所述金属管的管端并负载预定的按压力，使加压流体充满所述金属管内部而负载到预定的内压，接下来保持着负载了所述内压和按压力的状态，使上模具下降而合模，由此在使所述管端从模具超出的状态下使管端变形，结束加工。

(2)如所述(1)所述的液压成形加工方法，其特征在于：合模后，进而使所述金属管内的内压上升，结束加工。

(3)如所述(1)或(2)所述的液压成形加工方法，其特征在于：在将与所述金属管的轴方向垂直的截面上的所述金属管的坯管的截面面积设为S₁[mm²]、将所述金属管的坯管的内部的截面面积设为S₂[mm²]、将所述金属管的屈服应力设为YS[MPa]、将所述预定的内压设为P₁[MPa]时，在合模中用所述密封冲头压入的力F₁[N]为满足(1)式的范围，

P₁·S₂+0.3YS·S₁≤F₁≤P₁·S₂+0.7YS·S₁……(1)。

(4)如所述(3)所述的液压成形加工方法，其特征在于：在将与所述金属管的轴方向垂直的截面上的所述金属管的坯管的截面面积设为S₁[mm²]、将所述模具的空腔部的截面面积设为S₃[mm²]、将所述金属管的屈服应力设为YS[MPa]、将合模后升压的内压设为P[MPa]时，在合模后的升压中用所述密封冲头压入的力F[N]为满足(2)式的范围，

P·(S₃-S₁)+0.5YS·S₁≤F≤P·(S₃-S₁)+1.5YS·S₁……(2)。

(5)如所述(1)～(4)中的任意一项所述的液压成形加工方法，其特征在于：在将在用所述密封冲头按压所述金属管的管端之前的状态下所述金属管的管端从所述模具超出的长度设为密封长度时，将所述密封长度设为所述金属管的板厚的2～4倍。

(6)如所述(1)～(5)中的任意一项所述的液压成形加工方法，其特征在于：与所述金属管的管端接触的所述密封冲头的表面的洛氏硬度为HRC50以上，并且表面粗糙度为Ra2.0以下。

(7)一种液压成形加工部件，其特征在于，是由通过上述(1)～(6)中的任意一项所述的方法进行了一个工序的液压成形加工而得到的一体构成的部件，遍及长度方向的全长具有凸缘。

(8)如所述(7)所述的液压成形加工部件，其特征在于：在长度方向上具有弯曲部。

根据本发明，在液压成形加工中能够期待下述的效果。

·能够尽量削减管端的废弃量(

て代，非结构性材料量、构造用料量)，材料利用率提高。

·能够一边负载内压一边进行合模加工，所以能够防止合模时的褶皱。

·不需要多个工序的液压成形、事先的管端加工，所以能够削减工序数。

·不需要机构复杂的液压成形模具，所以能够削减模具费用。

·能够得到遍及全长地成形了凸缘的液压成形部件。

·能够使用凸缘部与其他部件进行点焊、螺栓连接。

附图说明

图1表示以往的一般的液压成形加工工序的说明图。

(a)将金属管1安装在下模具2的槽中的状态

(b)使上模具3下降而将模具关闭的状态(合模)

(c)通过密封冲头4、5将金属管1的管端9密封的状态

(d)使内压升压、结束成形的状态

(e)从模具取出的最终产品10

图2表示本发明的液压成形加工工序的说明图。

(a)将金属管1安装在下模具2的槽中的状态

(b)通过密封冲头12、13将金属管1的管端9密封而负载内压的状态

(c)保持将密封冲头12、13按压到管端9而负载内压的状态地，使上模具3下降而合模的状态

(d)在合模后，使内压升压，结束成形的状态

图3表示本发明的液压成形加工工序中的加工条件的说明图。

(a)将金属管1安装在下模具2的槽中的状态

(d)在合模后，使内压升压，结束成形的状态

图4表示对合模中的按入力对临界密封压的影响进行调查的实验结果。

图5表示对升压中的按入力对临界密封压的影响进行调查的实验结果。

图6表示通过本发明得到的在全长上具有凸缘的液压成形成形品8的说明图。

(a)遍及全长地具有直线状的凸缘的液压成形加工部件

(b)在长度方向上具有曲率的、具有凸缘的液压成形加工部件

图7表示实施例中使用的液压成形模具的剖视图。

图8表示在弯曲形状时的实施例中使用的液压成形下模具的说明图。

具体实施方式

图2是通过本发明的方法加工遍及全长地具有2处凸缘的部件形状的例子。下面，使用本图进行说明。

首先，如该图(a)所示，将金属管1安装在下模具2上。此时，金属管1的长度设置成比下模具2的长度长，以管端9稍微比模具的端部超出的状态安装。

在这里对平坦型密封冲头12、13进行说明。该冲头的形状与所述的图1那样的一般的液压成形的密封冲头4、5不同，与管端接触的密封面14形成为平坦且比管端的面积宽的面。在密封冲头4带有作为加压流体的水的插入口6，但其位置必须设定为即使在后述的图2(b)、(c)、(d)的状态下也可进入金属管1的内部的位置。

一边经由水插入口6将水7填充到金属管1的内部一边使上述的密封冲头12、13逐渐前进，如图2(b)那样按压金属管1的管端9而密封，负载预定的按压力。另外，使作为加压流体的水7充满所述金属管1的内部而进行负载直到预定的内压。

接下来如图2(c)那样，保持着将密封冲头12、13按到管端9而向金属管1内负载了内压的状态，使上模具3下降，进行合模。在该过程中，不但与下模具2以及上模具3接触的截面、不接触的超出部15其截面也变形地，进行合模。另外，由于维持内压地合模，所以在合模后不会残留褶皱等。如果没有内压地合模，则截面B-B的上面侧的平坦部不会变得平坦，变为凹陷形状。

如果能以图2(c)的状态加工为最终部件形状，则在图2(c)加工结束(以上为所述(1)的发明)，但在进而需要将周长扩大时，保持原样地进而将内压升压、结束加工。于是，如图2(d)那样，加工为沿着模具内面的形状，得到最终的液压成形加工品8(所述(2)的发明)。

上面是本发明的液压成形加工方法的说明，但为了更可靠地执行该密封，下面使用图3对优选的适当的条件进行说明。

首先，对于为了确保密封而优选的按压力进行说明。

对合模时的按压力F₁(工序图3(b)到(c)的按压力)进行叙述。在密封冲头12、13上，不仅作用有按压管端9时的反作用力，还作用有由所述预定的内压P₁产生的力。由内压P₁产生的力通过管内面的截面面积乘以内压P₁来计算，但管内面的截面面积由于合模时的变形而逐渐变化。难以准确地求出该逐渐地变化的截面面积的值，所以从最安全方面考虑，采用被认为是截面面积最大时的、与金属管1的轴方向垂直的截面上的坯管(为变形前的初始的真圆状态的管)内部的截面面积S₂。即，由内压P₁产生的力计算为P₁·S₂。因此，用于密封管端的有效的力为F₁-P₁·S₂。为了调查该力的适当值，本发明者在各种条件下进行试验，调查密封性。

如后述的实施例1所说明那样，使用液压成形模具，在合模中对按压密封冲头的力F₁进行各种改变，进行试验。在任何F₁下，使其他的加工条件都相同(合模中的内压P₁＝10MPa，升压时的按压力F＝300kN)而将内压升压。测定在密封部、管内部的水7开始泄漏时的内压(临界密封压(MPa))。另外对于坯管，除了实施例1中使用的2.5mm的壁厚的钢管以外，还使用3.2mm的钢管。

将结果表示在图4中。由本结果可知，对于用于在合模中密封管端的有效的力F₁-P₁·S₂，在将坯管的屈服应力设为YS、将截面面积设为S₁时，临界密封压在0.5YS·S₁附近变得最高。在比0.5YS·S₁小的范围内，端面难以变为适于密封的形状，在之后的升压时容易泄漏。相反在比0.5YS·S₁大的范围内，端面成为纵弯曲了的形状，所以在之后的升压时容易泄漏。通过图4可知，作为F₁-P₁·S₂的适当的范围为大于等于0.3YS·S₁且小于等于0.7YS·S₁。因此，作为F₁的适当的范围，可以如下所述那样表达。P₁·S₂+0.3YS·S₁≤F₁≤P₁·S₂+0.7YS·S₁(所述(3)的发明)。

接下来，对于之后进而升压的工序(d)的适当的按压力F进行说明。

在该工序中，在密封冲头12、13上也作用由内压产生的力，所以按压力F也需要相对于内压P的变化而变化。与上述的研究同样，至少需要管内面的截面面积乘以内压P的值的力。该工序的管内面的截面面积也逐渐变化，但还是从安全方面考虑，假设截面面积最大的情况，采用与金属管的轴方向垂直的截面上的最终目标形状的模具空腔部的面积S₃。但是，对于成形结束后的金属管来说，S₃为与轴方向垂直的截面上的管内面积与管自身的截面面积的和，所以管内面积为S₃-S₁。因此，用于密封管端9的有效的力变为F-P·(S₃-S₁)。对于该力的适当值，本发明者也进行了调查。

使用与上述同样的液压成形模具与钢管(壁厚2.5mm以及3.2mm)，在升压中使按压力F进行各种改变，进行试验。在任何F下，其他的加工条件都相同(合模中的内压P₁＝10MPa，合模中的按压力F₁＝75kN)，将内压升压，测定管内部的水从密封部泄漏时的压力(临界密封压(MPa))。

将结果表示在图5中。另外，本图中的横轴以在升压中密封管端用而有效的力F-P·(S₃-S₁)进行整理，但此时的P以作为最终泄漏时的压力的临界密封压的值计算。通过本结果可知，临界密封压随着升压中密封管端而有效的力F-P·(S₃-S₁)的增加而增加，但以1.0YS·S₁为界，倾斜变得缓和，在大于等于1.5YS·S₁时，几乎不增加，相反能够看到下降的倾向。

这是因为按压力过高、端面纵弯曲从而密封容易泄漏。因此F-P·(S₃-S₁)的上限设为1.5YS·S₁。另一方面，对于下限，至少各钢管中的最大的临界密封压(如果壁厚2.5mm则大约为100MPa，如果壁厚3.2mm则大约为80MPa)的一半程度的压力设为能够密封的范围，将0.5YS·S₁设为下限。

如上可知，作为F的适当的范围，可以如下所述那样表达。P·(S₃-S₁)+0.5YS·S₁≤F≤P·(S₃-S₁)+1.5YS·S₁(所述(4)的发明)。

接下来，对于安装在下模具2上时的金属管1的管端从模具的端部超出的超出部15的长度(密封长度L_s)进行叙述。本发明者对密封长度L_s进行各种改变，进行试验，结果得知：如果密封长度L_s过长，则由于密封冲头12、13的按压力，管端纵弯曲，变得不能密封。另外，还得知下述情况。由于内压，金属管1在周方向上扩大，所以在轴方向上稍稍缩小。因此，如果密封长度L_s过短，则金属管1进入模具空腔部内，变得不能密封。

根据上述情况，判明了：密封长度L_s过长或过短都不好，具体地说，板厚t的3倍左右的值是合适的。因此，如果考虑原料、加工条件的偏差等，密封长度L_s优选设为板厚的2～4倍的范围(所述(5)的发明)。

另外，关于密封冲头12、13的密封面14，由于在图3(c)、(d)的状态下，管端一边被按压一边滑动，所以该面的性状越平坦越优选。具体地说，优选加工为表面粗糙度Ra2.0以下。另外为了尽量减少大量生产时的磨损，该密封面14优选具有高强度。具体地说，优选洛氏硬度为HRC50以上(所述(6)的发明)。

如果通过上面那样的要领进行液压成形加工，则能够得到下述液压成形加工品，其是进行了一个工序的液压成形加工就得到的一体的部件，如图6(a)所示在全长上具有凸缘部(所述(7)的发明)。

另外，如果事先实施弯曲加工，安装在具有沿着该弯曲形状的空腔部的液压成形模具上，通过同样的要领进行液压成形加工，则能够得到图6(b)所示那样在弯曲部内侧以及外侧的全长上具有凸缘部的液压成形加工品，该凸缘部具有曲率(所述(8)的发明)。

图6(a)、(b)中，表示了在两侧具有凸缘部的部件的例子，但当然也可以通过本发明成形仅在单侧遍及全长地具有凸缘部的部件。

下面表示本发明的实施例。

[实施例1]

作为坯管，使用外径60.5mm、壁厚2.5mm、全长370mm的钢管，钢种采用机械构造用碳钢钢管的STKM13B。液压成形模具，截面形状在全长上如图7所示，长度为360mm，为直线状。因此，此时的密封长度L_s为5mm(＝(370-360)/2)，为板厚2.5mm的2倍。另外，密封冲头的顶端设为120×120mm的平坦的正方形形状，材质采用SKD61，表面硬度设为洛氏硬度HRC54～57。将顶端的表面粗糙度加工为Ra1.6左右。使用上面的坯管与模具类，进行液压成形加工。

作为液压成形的加工条件，合模时的内压P₁设为10MPa，按压力F₁设为100，000N。通过该钢管的尺寸可知，钢管截面面积S₁为456mm²，管内的截面面积S₂为2419mm²，YS为382MPa。由以上计算出：

P₁·S₂+0.3YS·S₁＝10×2419+0.3×382×456

＝76，448

P₁·S₂+0.7YS·S₁＝10×2419+0.7×382×456

＝146，124，

成为76，448≤F₁(＝100，000)≤146，124。因此，在合模中内压几乎不下降，能够在负载有内压的状态下合模。

接下来，在合模后一边使内压P升压，一边使按压力F变化。具体地说，通过下面的(1)→(2)→(3)这样的负载路径进行试验。

(1)内压10MPa，轴向推力110，000N

(2)内压20MPa，轴向推力250，000N

(3)内压80MPa，轴向推力250，000N

上述的(1)～(3)的各自的情况下的P·(S₃-S₁)+0.5YS·S₁以及P·(S₃-S₁)+1.5YS·S₁的值，以(1)～(3)的情况计算。另外，模具截面面积S₃为1880mm²。

P·(S₃-S₁)+0.SYS·S₁＝

(1)101，336、(2)115，576、(3)201，016

P·(S₃-S₁)+1.5YS·S₁＝

(1)275，528、(2)289，768、(3)375，208

变为上述那样的值，(1)、(2)、(3)均在优选的按压力的范围内。因此，通过上述那样的负载路径进行合模后的加工，结果是能够不出现密封泄漏地成形。

进行上面的液压成形，结果能够得到在全长上成形有凸缘的液压成形加工品。

[实施例2]

图8是弯曲形状时的液压成形用的下模具17。另外，模具空腔部的槽的截面形状与图5相同，遍及全长地在两侧具有凸缘部。曲率在长度方向的全长上为2.07×10^-3(＝1/484)(1/mm)。作为坯管，使用与实施例1相同的外径60.5mm、壁厚2.5mm、全长370mm、钢种STKM13B的钢管。

首先，通过旋转拉伸弯曲加工(回転引き曲げ加工)，以弯曲半径484mm(＝坯管外径的8倍)，将该坯管的中央弯曲。将该弯曲管安装在图8的下模具17的槽。槽中心的模具端部之间的距离为360mm，所以如果安装长度370mm的坯管，则比模具端部分别各超出5mm。因此，该实施例2的密封长度L_s也能够确保为板厚2.5mm的2倍。然后，使用与实施例1相同形状的密封冲头，一边负载内压一边负载按压力。该内压、按压力的条件也设定为与实施例1相同。保持该状态地使上模具(未图示)下降，进行合模。另外，上模具的截面形状与图7所示的上模具的截面形状相同。合模后的升压条件以及此时的按压力条件也与实施例1相同。

通过上面那样的工序，即使在弯曲形状时也能够得到在全长上带有凸缘的液压成形成形品。

如上面所说明，通过本发明，液压成形部件的应用范围扩大，能够实现部件综合、轻型化。特别是，在应用于汽车部件时，通过车辆的轻型化进展，燃料经济性提高，其结果，能够对地球温室效应的抑制做出贡献。另外，也能够期待扩展到此前没有应用的工业领域，例如家电产品、家具、建筑机械部件、两轮车部件、建筑部件。

Claims

1.一种液压成形加工方法，其特征在于：以使金属管的管端从下模具超出的状态进行安装，一边经由密封冲头的内部向所述金属管内注入加压流体一边逐渐将所述密封冲头按压到所述金属管的管端并负载预定的按压力，使加压流体充满所述金属管内部而负载到预定的内压，接下来保持着负载了所述内压和按压力的状态，使上模具下降而合模，由此在使所述管端从模具超出的状态下使管端变形，结束加工。

2.如权利要求1所述的液压成形加工方法，其特征在于：在合模后，进而使所述金属管内的内压上升，结束加工。

3.如权利要求1或2所述的液压成形加工方法，其特征在于：在将与所述金属管的轴方向垂直的截面上的所述金属管的坯管的截面面积设为S₁[mm²]、将所述金属管的坯管的内部的截面面积设为S₂[mm²]、将所述金属管的屈服应力设为YS[MPa]、将所述预定的内压设为P₁[MPa]时，在合模中用所述密封冲头压入的力F₁[N]为满足(1)式的范围，

P₁·S₂+0.3YS·S₁≤F₁≤P₁·S₂+0.7YS·S₁......(1)。

4.如权利要求3所述的液压成形加工方法，其特征在于：在将与所述金属管的轴方向垂直的截面上的所述金属管的坯管的截面面积设为S₁[mm²]、将所述模具的空腔部的截面面积设为S₃[mm²]、将所述金属管的屈服应力设为YS[MPa]、将合模后升压的内压设为P[MPa]时，在合模后的升压中用所述密封冲头压入的力F[N]为满足(2)式的范围，

P·(S₃-S₁)+0.5YS·S₁≤F≤P·(S₃-S₁)+1.5YS·S₁......(2)。

5.如权利要求1～4中的任意一项所述的液压成形加工方法，其特征在于：在将在用所述密封冲头按压所述金属管的管端之前的状态下所述金属管的管端从所述模具超出的长度设为密封长度时，将所述密封长度设为所述金属管的板厚的2～4倍。

6.如权利要求1～5中的任意一项所述的液压成形加工方法，其特征在于：与所述金属管的管端接触的所述密封冲头的表面的洛氏硬度为HRC50以上，并且表面粗糙度为Ra2.0以下。

7.一种液压成形加工部件，其特征在于：是由通过权利要求1～6中的任意一项所述的方法进行了一个工序的液压成形加工而得到的一体构成的部件，遍及长度方向的全长具有凸缘。

8.如权利要求7所述的液压成形加工部件，其特征在于：在长度方向上具有曲率。