JP2001321844A - 金属管のハイドロフォーム方法および金型 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】膨出部が部分的に板厚や強度が異なる異形管状
製品をハイドロフォームにより得る方法、およびその方
法に用いる金型の提供。 【解決手段】金属素管内300に液体105を導入し、液体に
圧力を負荷して金属素管を部分的に膨出させ異形管状製
品に成形するハイドロフォーム方法において、金属素管
の膨出し易い部位300aと膨出しにくい部位300bで構成さ
れる膨出予定部の少なくとも膨出し易い部位の外周面を
押圧し、膨出し易い部位と膨出しにくい部位とが同調し
て膨出するように拘束力を制御して膨出加工するハイド
ロフォーム方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、肉厚あるいは強度
が異なる複数の短尺金属管を長手方向に接合した組立素
管（以下、テーラード素管という）をハイドロフォーム
によって異形管状製品に成形する方法および金型に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】金属素管（以下、単に素管という）をハ
イドロフォームによって各種の断面形状を有する異形管
に成形する技術が、自動車などの構造部材の成形に使用
されている。

【０００３】図４は、従来のハイドロフォーム方法を説
明するための金型部の縦断面図で、図４（ａ）は膨出加
工する直前の状態を示し、図４（ｂ）は膨出加工後の状
態を示す図である。

【０００４】素管１１０は、板を素材として管状に成形
加工した後で溶接して製造した溶接管であっても、継目
無管であってもよい。

【０００５】図示しないプレス装置に搭載された下型１
０２に素管１１０がセットされ、図示しない加圧装置に
よって降下せしめた上型１０１が下型１０２に押しつけ
られる。次いで、上型素管ガイド部１０１ａと下型素管
ガイド部１０２ａで挟持された素管１１０の両管端に向
かって、図示しない駆動装置によって軸押し工具１０
３、１０４を前進せしめ、軸押し工具先頭部１０３ａ、
１０４ａを素管内に圧入し、一方の軸押し工具１０４を
貫通する流路１０４ｂから加工液を注入するとともに、
素管内の空気を他方の軸押し工具を貫通する流路１０３
ｂから追い出し、流路１０３ｂの延長先の図示しないバ
ルブを閉じ、素管内を加工液１０５で満たして圧力を付
与して膨出加工がおこなわれる。加工液としては、防錆
剤を添加した水が一般的に用いられる。

【０００６】軸押し工具先頭部１０３ａ、１０４ａを素
管１１０内に圧入するのは、加工液１０５をシールする
ためである。なお、ハイドロフォーム製品が長手方向に
曲がった形状の場合は、あらかじめ曲げ加工した素管を
ハイドロフォーム金型にセットする。また、製品幅が素
管径よりも小さい場合には、ハイドロフォーム金型内に
セット可能な断面寸法につぶし加工した素管をハイドロ
フォーム金型にセットする。次いで、流路１０４ｂの延
長先の図示しない増圧機によって加工液１０５の圧力を
増加させながら、軸押し工具１０３、１０４を前進させ
て素管１１０に軸圧縮力を付加し、素管の長さを減少さ
せながら、上下型内の空間１０６内に膨出させる。図４
（ｂ）は、膨出した材料表面全体が上型内郭部１０１
ｂ、下型内郭部１０２ｂに接触した状態を示す。この
後、加工液１０５の圧力を減じ、軸押し工具１０３、１
０４の後退と上型１０１の上昇とをさせ、製品１０７を
下型１０２から取り出す。

【０００７】以上のハイドロフォーム方法においては、
膨出部の肉厚が周長増加にともなって減少し、場合によ
っては破断を生ずる恐れがある。軸押し工具１０３、１
０４による材料の押し込みは、材料を膨出部に送り込む
ことによって膨出部の減肉や破断を抑制するのが目的で
ある。もちろん、膨出部の周長増加が小さくて減肉や破
断が問題とならない場合には積極的な材料の軸方向押し
込みは必要がなく、軸押し工具１０３、１０４は加工液
のシールのみに使用される。

【０００８】ところで、ハイドロフォーム製品の膨出部
の剛性や強度を部分的に向上させる必要がある場合には
素管１１０の肉厚を厚くしたり、強度の大きい材質を選
択する必要がある。しかしながら、厚肉の素管を使用し
た場合には膨出部以外の部分も厚肉となるので、ハイド
ロフォーム製品の重量が嵩んでしまうのが問題である。
また、材料強度の増加を合金成分の添加で達成する場合
には材料コストの上昇を招いてしまう。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、膨出
部が部分的に板厚や強度が異なる異形管状製品をハイド
ロフォームにより得る方法、およびその方法に用いる金
型を提供することにある。

【００１０】本発明者は、肉厚あるいは強度が異なる複
数の短尺金属管を長手方向に接合した組立素管をハイド
ロフォームする方法に着目し、下記のような試験をおこ
なった。

【００１１】図６は、試験に用いた素管を示す縦断面図
でる。図６（ａ）は、同一材質の薄肉管３００ａと厚肉
管３００ｂを組み合わせた素管３００（以下、異肉厚素
管という）で、溶接部３０１は全周溶接されている。図
６（ｂ）は同一肉厚の低強度管３１０ａと高強度管３１
０ｂを組み合わせた素管３１０（以下、異強度素管とい
う）で、溶接部３１１は全周溶接されている。

【００１２】図６（ａ）に示した異肉厚素管３００を用
いてハイドロフォームをおこなった場合の問題点は下記
の通りであった。

【００１３】図８は、図６（ａ）に示した異肉厚素管を
用いてハイドロフォームした場合の問題点を説明するた
めの図である。図８（ａ）は、異肉厚素管３００を上下
金型内にセットし、両管端を軸押し工具１０３、１０４
でシールして素管内を加工液１０５で満たした状態を示
す。加工液１０５の圧力を増加させていくと、まず薄肉
部３００ａが周方向引張力で降伏し、図８（ｂ）のよう
に薄肉部が膨出する。この状態では溶接部３０１に軸方
向の引張力が作用し、溶接部３０１が破断する危険があ
る。なお、図６（ａ）の異肉厚素管３００が切削加工な
どで製作した一体品の場合でも、やはり肉厚が急変する
境界部が破断し易いという問題がある。溶接部が破断せ
ず、引き続いて増圧が可能な場合でも、厚肉部３００ｂ
の膨出が遅れることにより問題が生じる。図８（ｃ）
は、厚肉部と薄肉部との肉厚差が大きい場合に生じる現
象で、厚肉部３００ｂと金型内郭部１０１ｂ、１０２ｂ
の間に膨出した薄肉部が入り込み、しわ３０２が形成さ
れた状態を示す。また、図８（ｄ）は、厚肉部の膨出が
完了する時点までに薄肉部が軸方向に伸ばされているこ
とによってしわ３０３が残る場合で、図８（ｂ）の場合
よりも軽度である。図８（ｃ）（ｄ）のしわは、軸押し
をおこなう場合にはさらに助長されることになる。以上
の問題点は、膨出し易い部分と膨出しにくい部分が隣り
合っていることに起因するものであり、図６（ｂ）の異
強度素管３１０の場合でも同様である。図８（ｂ）
（ｃ）（ｄ）のような不良現象は膨出部の周長増加率を
小さくすれば回避できるが、製品形状が制約されてしま
う問題がある。

【００１４】以上は膨出部の剛性や強度を部分的に増加
させるハイドロフォーム製品の成形についての問題点で
あるが、逆に膨出部の剛性や強度を部分的に弱くしたハ
イドロフォーム製品もある。これはハイドロフォーム製
品に外力が加わった時の変形を特定部位（複数でも良
い）に集中させることを目的としている。

【００１５】図９は、そのようなハイドロフォーム製品
の例を示し、図９（ａ）は膨出部に部分的に薄肉部４０
０ｂがあり、他が厚肉部４００ａで構成されているハイ
ドロフォーム製品４００、図９（ｂ）は膨出部の一部が
低強度材質部４１０ｂで、他が高強度材質部４１０ａで
構成されているハイドロフォーム製品４１０である。こ
れらの製品をハイドロフォームで成形する場合において
も、膨出部が膨出し易い部分と膨出しにくい部分が隣り
合っているために、図８（ｂ）（ｃ）（ｄ）と同様の問
題が生ずる。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記のような実験をおこ
ない検討した結果下記のような知見を得た。

【００１７】ａ）異肉厚素管や異強度素管をハイドロフ
ォームすると、肉厚や強度が急変する境界部にしわが発
生するのは、素管の肉厚が薄い部分や強度が低い部分に
相当する膨出し易い部位が、膨出しにくい部位よりも先
に膨出し過ぎることによる。

【００１８】ｂ）このしわの発生を防止するには、素管
の膨出予定部を全体的に膨出させるのがよい。

【００１９】ｃ）そのためには、少なくとも膨出予定部
の膨出し易い部位の外周面を押圧して膨出を抑制し、膨
出しにくい部位の膨出に合わせて膨出し易い部位を膨出
させる必要がある。本発明は、このような知見に基づき
なされたもので、その要旨は以下の通りである。

【００２０】（１）金属素管内に液体を導入し、液体に
圧力を負荷して金属素管を部分的に膨出させ異形管状製
品に成形するハイドロフォーム方法において、膨出し易
い部位と膨出しにくい部位で構成された金属素管を用
い、膨出予定部の少なくとも膨出し易い部位の外周面を
押圧して、膨出し易い部位と膨出しにくい部位とが同調
して膨出するように押圧力を制御して膨出加工するハイ
ドロフォーム方法。

【００２１】（２）成形工具を内蔵した上下一対の金型
であって、成形工具は、金型内に収納された膨出し易い
部位と膨出しにくい部位からなる膨出予定部を備えた金
属素管の少なくとも膨出予定部の膨出し易い部位の外周
面を押圧することができ、かつ金型内の空間において金
型に収納した金属素管の軸方向に直交する方向に進退可
能で、押圧力を付与した状態で後退可能であるハイドロ
フォーム金型。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明のハイドロフォーム
方法および金型について図に基づき具体的に説明する。

【００２３】図１は、図６（ａ）で示した異肉厚素管を
ハイドロフォームするための金型例と成形方法について
説明するための図で、図１（ａ）は成形開始直前の金型
部の縦断面図、図１（ｂ）は横断面図である。

【００２４】金型１は、一対の上型１ａおよび下型１ｂ
からなっており、金型内の空間部５ａ、５ｂに成形工具
２ａ、２ｂが設けられている。この成形工具は、金型内
部に収納した膨出し易い部位である薄肉部３００ａと膨
出しにくい部位である厚肉部３００ｂからなる金属素管
３００の少なくとも膨出予定部の膨出し易い部位の外周
面を押圧することができ、かつ金型内部の空間５ａ、５
ｂにおいて、金属素管３００の軸方向に直交する方向
｛図１（ａ）においては上下方向｝に進退自在となって
いる。また、成形工具２ａ、２ｂと油圧シリンダ３ａ、
３ｂはロッド４ａ、４ｂを介して連結されている。油圧
シリンダ３ａ、３ｂは、成形工具２ａ、２ｂを膨出する
材料に押しつけて拘束力を付与するためのもので、成形
工具の２ａ、２ｂの長さと押しつけ力の大きさに応じて
必要な数が金型に装着されている。

【００２５】成形工具２ａの下面および成形工具２ｂの
上面は製品膨出部の外面形状にならった形状にしてお
く。一例を下記に示す。

【００２６】図７は、製品膨出部の外面が凸状になって
いる例を示す図で、図７（ａ）は素管の縦断面図を、図
７（ｂ）はその素管を膨出加工した製品の縦断面図を示
す。

【００２７】異肉厚素管３２０は、外径が大きい厚肉管
３２０ｂとそれより外径が小さい薄肉管３２０ａが溶接
部３２１で接合されている。

【００２８】図７（ｂ）のハイドロフォーム製品２２０
の場合には、膨出部の段差形状にならった面形状の成形
工具２ａ、２ｂを使用することにより、図７（ｂ）に示
したような製品が得られる。

【００２９】次に、本発明のハイドロフォーム方法につ
いて説明する。ハイドロフォームは、図１（ａ）に示す
ように、先ず上下一対の金型の内部に異肉厚素管３００
をセットし、両管端を軸押し工具１０３、１０４でシー
ルし、素管内に加工液１０５を満たす。

【００３０】図１（ｂ）は、図１（ａ）のイ−イ部にお
ける横断面を示し、素管３００は予め円形断面から矩形
断面につぶし加工されており、成形工具２ａ、２ｂは素
管３００の膨出予定部の上下面に当接されている。次い
で、加工液１０５の圧力を増加させながら、必要に応じ
て軸押し工具１０３、１０４を前進させ、素管３００を
上下方向に徐々に膨出させる。成形工具２ａ、２ｂの役
割は、図８（ｂ）で示したように素管薄肉部３００ａが
厚肉部３００ｂに先行して膨出するのを防止し、薄肉部
３００ａと厚肉部３００ｂが同調して膨出するように膨
出形状を制御することである。

【００３１】したがって、油圧シリンダ３ａ、３ｂが材
料を押さえつける力は、薄肉部の先行膨出を抑制するの
に必要な大きさでよく、成形工具２ａ、２ｂは材料の膨
出とともに徐々に後退する。したがって、油圧シリンダ
３ａ、３ｂは所定の押圧力で圧力媒体である作動油を逃
がしていく機能を備えておくようにすればよい。

【００３２】図１（ｃ）は、成形工具２ａ、２ｂが上型
１ａ、下型１ｂの内部空間５ａ、５ｂ内の後退限まで移
動して膨出が完了した状態を示し、図８（ｃ）（ｄ）に
示すしわ３０２、３０３の如き不良現象が防止される。

【００３３】図１（ｄ）は、図１（ｃ）のイ−イにおけ
る横断面である。この後、油圧シリンダ３ａ、３ｂの押
さえ力を解除し、さらに加工液１０５の圧力を低下せし
め、上型１ａを上昇させて製品２００を取り出す。

【００３４】図１で示した実施態様では、素管の膨出を
上下方向におこなうために上下に成形工具２ａ、２ｂを
配置している。上あるいは下のみに膨出させる製品形状
の場合には成形工具は膨出させる側のみでよい。

【００３５】ところで、図１の例では膨出部全面を成形
工具２ａ、２ｂで押さえながら膨出させる例を説明した
が、図８（ｂ）（ｃ）（ｄ）で示したような不良現象を
回避するには膨出し易い部位を選択的に押さえる方法で
もよい。

【００３６】図２は、素管の膨出し易い部位を選択的に
成形工具で拘束して成形する例を示す図で、図２（ａ）
は成形開始直前状態の縦断面図、図２（ｂ）は成形終了
状態を示す縦断面図である。

【００３７】図２（ａ）は、素管３００を上下一対の金
型１′にセットした成形開始直前の状態を示し、上型１
ａ′および下型１ｂ’の内部空間５ａ′、５ｂ′には膨
出予定部の素管薄肉部３００ａを押さえるための成形工
具２ａ、２ｂが収納されており、それぞれの成形工具は
ロッド４ａ、４ｂを介して油圧シリンダ３ａ、３ｂに連
結されている。なお、図８（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示す不
良現象を安定的に回避するためには、成形工具２ａ、２
ｂは素管厚肉部３００ｂの端部近傍も押さえられるよう
な長さにしておくことが推奨される。図２（ｂ）は、膨
出とともに成形工具２ａ、２ｂが金型内部空間５ａ′、
５ｂ′内に後退し、ハイドロフォームが終了した状態を
示す。なお、図２においては素管薄肉部３００ａと素管
厚肉部３００ｂの膨出を完全に同調させる必要はなく、
図８に示した破断やしわが発生しない範囲で素管薄肉部
３００ａの膨出を僅かに先行させてもよい。

【００３８】図１、図２で示した方法は、膨出を上下方
向におこなう場合であるが、左右方向に膨出させること
も可能である。

【００３９】図３は、異肉厚素管３００を水平方向に膨
出して異肉厚製品２００に成形する方法を説明するため
の図である。図３（ａ）は、素管３００を上下一対の金
型２０にセットした成形開始直前の状態を示し、図３
（ｂ）は図３（ａ）のロ−ロ部における横断面を示す。
上型２０ａ、下型２０ｂで構成される内部空間５ａ、５
ｂに成形工具２ａ、２ｂが左右進退自在に収納されてお
り、成形工具２ａ、２ｂはロッド４ａ、４ｂを介して横
置きの油圧シリンダ３ａ、３ｂに連結されて、油圧シリ
ンダ３ａ、３ｂは下型２０ｂに固定されている。加工液
１０５の圧力増加による材料の膨出にともなって、成形
工具２ａ、２ｂは膨出部を押さえながら左右に後退し、
図８（ｂ）（ｃ）（ｄ）のような不良現象を抑制する機
能は図１あるいは図２で示した場合と同様である。図
１、図２および図３で示した方法は、一つのハイドロフ
ォーム製品に対して長手方向の部位別に適宜選択して用
いることも可能である。

【００４０】以上、異肉厚素管の成形について説明した
が、異強度素管についても上記と同様の方法で成形でき
る。

【００４１】図５は、本発明の方法で成形されたハイド
ロフォーム製品の縦断面図で、図５（ａ）は膨出部２０
２が薄肉部２０２ａと厚肉部２０２ｂで構成され、両者
が溶接部２０３で接合されている製品２００、図５
（ｂ）膨出部２１２が低強度材質部２１２ａと高強度材
質部２１２ｂで構成され、溶接部２１３で接合されてい
る製品２１０を示す。

【００４２】製品の断面形状は円形、矩形など種々であ
り、膨出部の断面形状が長手方向に変化してもよい。ま
た、図５（ａ）、（ｂ）では厚肉部２０２ｂあるいは高
強度材質部２１２ｂがそれぞれ１ケ所の場合を示した
が、これらが膨出部に複数個あってもよい。

【００４３】本発明のハイドロフォーム方法は、図５
（ｂ）の異強度製品２１０の場合、図７（ｂ）の異肉厚
製品２２０の場合、図９（ａ）の異肉厚製品４００の場
合、図９（ｂ）の異強度製品４１０の場合にも同様に適
用できる。

【００４４】なお、溶接組立素管は、図６（ａ）および
（ｂ）で示した素管を組み合わせた異肉厚異強度素管で
あってもよい。図６に示す素管は外径が長手方向に一定
であるが、これに限定されるものではない。

【００４５】

【実施例】（実施例１）図６（ａ）に示した異肉厚素管
を、下記の２種の鋼管を溶接して製作した。

【００４６】すなわち、外径Ｄ＝８９．１ｍｍ、肉厚ｔ
_b＝４ｍｍ、長さｌ_b＝２００ｍｍの電気抵抗溶接製管プ
ロセスで製造された機械構造用炭素鋼鋼管ＳＴＫＭ１１
Ａ（ＪＩＳ−Ｇ３４４５）の両端に、外径Ｄ＝８９．１
ｍｍ、肉厚ｔａ＝２．３ｍｍ、ｌ_a1、ｌ_a2＝２００ｍｍ
の電気抵抗溶接で製造された機械構造用炭素鋼鋼管ＳＴ
ＫＭ１１Ａをレーザ溶接した。

【００４７】この異肉厚素管の全長を７６ｍｍ幅×７６
ｍｍ高さの矩形断面形状にプレスによりつぶし加工した
のち、図１に示したハイドロフォーム金型１にて長さｌ
＝４００ｍｍ、幅ｗ＝７６ｍｍ、高さｈ＝９０ｍｍの膨
出部を有する製品を加工液最高圧力２０００気圧で成形
した。

【００４８】一方、図８に示した従来のハイドロフォー
ム金型１００にて上記異肉厚素管と同様の素管を成形し
た場合には、加工液内圧１２００気圧で図８（ｃ）に示
すしわ３０２が発生し、成形の続行が不可能となった。

【００４９】（実施例２）図６（ｂ）に示す異強度素管
を、下記の２種の鋼管を溶接して製作した。

【００５０】すなわち、外径Ｄ＝８９．１ｍｍ、肉厚ｔ
_b＝２．３ｍｍ、長さｌ_b＝２００ｍｍの電気抵抗溶接製
管プロセスで製造された引張強さ５５０ＭＰａの機械構
造用炭素鋼鋼管ＳＴＫＭ１４Ａ（ＪＩＳ−Ｇ３４４５）
の両側に、同上外径、肉厚で長さｌ_a1、ｌ_a2＝２００ｍ
ｍの同上プロセスで製造された引張強さ３５０ＭＰａの
機械構造用炭素鋼鋼管ＳＴＫＭ１１Ａをレーザ溶接して
製作した。

【００５１】この素管を、実施例１と同じつぶし加工を
実施したのち、実施例１と同一のハイドロフォーム金型
を用いて加工液最高内圧１５００気圧で成形した。一
方、図８に示す金型にて前記異強度素管を成形した場合
には、加工液内圧８００〜９００気圧で溶接部が破断
し、目標形状への成形が不可能であった。

【００５２】

【発明の効果】本発明によれば、部分的に板厚や強度が
異なる異形管状製品をハイドロフォームにより、破断、
しわなどの不良現象を伴うことなく容易に生産ができ、
テーラード素管を使用したハイドロフォームの成形可能
範囲を拡大することができ、ハイドロフォーム製品の機
能を向上させる上で大きな効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】異肉厚素管を用いた本発明のハイドロフォーム
方法と金型を説明するための図で、（ａ）は成形開始直
前状態の縦断面図、（ｂ）は横断面図である。

【図２】異肉厚素管を用いた本発明の他のハイドロフォ
ーム方法と金型を説明するための図で、（ａ）は成形開
始直前状態の縦断面図、（ｂ）は横断面図である。

【図３】異肉厚素管を用いた本発明の左右方向に膨出ハ
イドロフォームする方法を説明するための図で、（ａ）
は成形開始直前状態の縦断面図、（ｂ）は横断面図であ
る。

【図４】従来のハイドロフォーム方法説明するための金
型部の縦断面図である。

【図５】膨出が容易な部位と膨出しにくい部位で構成さ
れた素管をハイドロフォームにより膨出加工した製品の
縦断面図である。

【図６】膨出し易い短管と膨出しにくい短管とを溶接し
て製作した素管の縦断面図である。

【図７】厚肉部の外径が大きい素管と、それをハイドロ
フォームした製品の縦断面図である。

【図８】異肉厚素管を従来の金型でのハイドロフォーム
した場合に生じる問題を説明するための図で、（ａ）は
成形開始直前の状態を示す図、（ｂ）（ｃ）（ｄ）は薄
肉部が先行膨出することにより生じる不良現象発生状態
を示す図である。

【図９】本発明の方法により得られるハイドロフォーム
製品の他の例を示す縦断面図である。

【符号の説明】

１ａ 上金型 １ｂ 下金型 ２ａ、２ｂ 成形工具 ３ａ、３ｂ 油圧シリンダー ４ａ、４ｂ ロッド ５ａ、５ｂ 金型内空間部 105 加工液 200 ハイドロフォーム製品 300 素管

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】金属素管内に液体を導入し、液体に圧力を
   負荷して金属素管を部分的に膨出させ異形管状製品に成
   形するハイドロフォーム方法において、膨出し易い部位
   と膨出しにくい部位で構成された金属素管を用い、膨出
   予定部の少なくとも膨出し易い部位の外周面を押圧し
   て、膨出し易い部位と膨出しにくい部位とが同調して膨
   出するように押圧力を制御して膨出加工することを特徴
   とするハイドロフォーム方法。
2. 【請求項２】成形工具を内蔵した上下一対の金型であっ
   て、成形工具は、金型内に収納された膨出し易い部位と
   膨出しにくい部位からなる膨出予定部を備えた金属素管
   の少なくとも膨出予定部の膨出し易い部位の外周面を押
   圧することができ、かつ金型内の空間において金型に収
   納した金属素管の軸方向に直交する方向に進退可能で、
   押圧力を付与した状態で後退可能であることを特徴とす
   るハイドロフォーム金型。