JP2003516862A - 圧縮ハイドロフォーミング - Google Patents

圧縮ハイドロフォーミング

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Abstract

(57)【要約】 【課題】圧縮ハイドロフォーミング 【解決手段】被加工素材(19)の内部に液圧(21)を付与し、加圧された被加工素材(19)をダイキャビティ(18)を有するダイ(11,12)内で包囲することによって、チューブ状の被加工素材(19)を成形する。ダイキャビティ(18)の一部または全部は、その被加工素材(19)の外側周辺部よりも小さい内側周辺部を有する。これが、被加工素材(19)に圧縮成形を施す。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 この発明は、チューブ状被加工素材にハイドロフォーミングを施す方法に関す
る。現在では、ハイドロフォーミングは道路上の乗り物のフレームのコンポーネ
ントの製造用に大規模に用いられる。ハイドロフォーミングプロセスは、例えば
、宇宙産業や家具の製造のような、非常に精密な寸法に形成されるチューブ状製
品や強度と重量の加工特性が望まれる場合に、他の製造分野および工業的なプロ
セスに応用される。
【0002】 ハイドロフォーミングの工程においては、チューブ状の被加工素材は、プレス
中にダイスによって形成されるダイキャビティ内に閉じ込められ、被加工素材は
、通常は液体、例えば水によって内部で圧縮される。例えば、この加圧力は、ハ
イドロフォームが施されるパーツに応じて、約28〜250MPaである。この内部加圧
は、チューブ状被加工素材のダイキャビティの内部形状追従を発生する。有利な
ことには、このチューブ状被加工素材は、ダイを同時に閉じて被加工素材をダイ
キャビティ内に完全に閉じ込める前に、パートに応じて、典型的には、約3〜20M
Paに予備加圧される。この予備加圧によって、被加工素材は、ダイセクションが
一緒に閉じられるときに発生するブランクの食い切りを生じることなく、チュー
ブ状被加工素材の外側寸法に較べて過度に大きくはないダイキャビティ内に閉じ
込められることを可能にする。1992年7月14日、同人(Cudini)に譲渡されたUS特
許Re.33990は、例えば、被加工素材をダイキャビティの形状に合わせて形成す
る結果が、被加工素材のゼロ膨張、或いは、約5%より小さい膨張率となるように
、その周囲の大きさが、チューブ状被加工素材と同じであるか、これよりも僅か
に大きいキャビティ内におけるハイドロフォーミングを開示する。チューブ状被
加工素材を0から5%に膨張させるこの手順は高い膨張率が採用されるプロセスに
おいては大きな利点を有する。例えば、成形ダイ中において加圧されつつある間
に、ハイドロフォーミングが施される被加工素材の側壁に孔を打ち抜くことが容
易に行われる。更に、寸法安定性、すなわち、パーツ毎の寸法の反復再現性が改
善され、壁の厚さに対する断面の曲率半径を備えるシャープなコーナー部を有す
る製品が可能である。更にまた、製品の降伏強度も或る程度まで改良される。
【0003】 しかしながら、知られた方法をもってしては、孔を打ち抜く段階における加圧
液の漏洩という問題は、特に、大きな幅を備える孔を形成するときは、依然とし
て発生する、更に、寸法安定性、降伏強度および創り出すことができるコーナー
部の断面の鋭さは、望ましいと考えられるほどには大きくない。
【0004】 この発明は、被加工素材の外周よりも小さい内周を備えるダイキャビティを有
するダイ内において被加工素材を加圧してダイを閉じる前に、被加工素材の内部
に液圧を付与し、それによって、被加工素材が圧縮成形を受けるチューブ状被加
工素材の成形方法を提供する。このダイは次いで開かれ圧縮成形された被加工素
材が取り出される。
【0005】 この方法においては、キャビティをチューブ状被加工素材よりも小さくし、比
較素材の圧縮成形を有効に行うことによって、チューブ壁の素材は、被加工素材
の壁を穿孔する段階において打ち抜きに抗して押圧され、このことによって、ダ
イ内に閉じ込められる間に、被加工素材に大きな幅の複数の孔が打ち抜かれると
きに発生する加圧液の漏洩の問題を回避する。更に、被加工素材のチューブ状壁
に付与される圧縮力が、極めて大きい寸法的安定性を創造して、改善された降伏
強度を提供するとともに、極めて鋭い断面コーナー部の成形を可能にする。チュ
ーブ状壁の素材に作用する圧縮力は、チューブ状壁の素材を、通常は流れようと
しない非常に鋭いコーナー部のエリアへと押圧する。
【0006】 この発明の好ましい具体例を添付図面を参照しつつ説明する。
【0007】 添付図面を参照すると、図1は、それぞれに、ダイキャビティ13、14を備
える上部ダイ11と下部ダイ12と、それぞれに、合わせ面16、17の一部を
示す断面図である。図2に見られるように、上部と下部のダイセクション11、
12の閉じた位置においては、合わせ面の部分16、17が合わさり、その一方
でキャビティ部13、14が閉じたダイキャビティ18を形成する。
【0008】 このハイドロフォーミング方法の好ましい形態においては、最初は、例えば、
円形または楕円形断面をなすチューブ状被加工素材19が、ダイセクション11
と12が開いた状態にあり、合わせ面16、17が、被加工素材19をダイセク
ション11と12の間に導入することができるように充分に離間している間に、
ダイセクション11と12の間に載置される。ダイセクション11、12は、ダ
イキャビティ13、14の内側面が被加工素材19を軽くグリップする一部が閉
じた位置に移動されることが好ましい。被加工素材の対向する両端部は、次に、
チューブ状被加工素材19の内部を充填するために、それを介して通常は水であ
る加圧液21が導入されるシール装置と係合される。被加工素材内部の液体は、
シール後に、ダイセクション11と12が一緒に閉じられたときチューブ状被加
工素材19の望ましくない変形を避ける所望の圧力にまで加圧されることが好ま
しい。そのような望ましくない変形は、例えば、被加工素材19の壁の皺の形成
や、コルゲート化であり、これは内部の加圧や、ダイセクション11と12が、
同時に閉じられたとき、ダイセクション11と12の合わせ面16、17の間に
おける被加工素材19の側部壁の一部の内部の加圧や食い切りに付随して取り除
くことはできない。
【0009】 ダイセクション11と12は同時に閉じられるので、合わせ面部16と17は
、図2に示すように合致し、チューブ状被加工素材19は図2に示すように、閉
じられたダイキャビティ18内に閉じ込められる。通常は、チューブ状被加工素
材19内の圧力が次いで増大され、壁が受ける歪が素材の降伏強度よりも大きい
か小さくなるように維持される。要求される圧力は、チューブ状被加工素材19
の壁をダイキャビティ18の内部に強制的に追従させるために必要な圧力である
【0010】 チューブ状被加工素材が、一旦所望の断面に成形されると、チューブの壁を貫
通して複数個の孔が打ち抜かれる。次に内部圧力が緩和され、チューブにドレー
ンが施されて、ダイセクション11と12が開かれ、成形されたチューブ状被加
工素材19がダイから離型される。
【0011】 新たなチューブ状被加工素材が次に開いたダイセクションの間に載置されて上
記の作業サイクルが反復される。
【0012】 ハイドロフォーミングのプロセスを上に説明したように成功裡に行うために必
要な技術、手順、圧力および装置は、当業者にはよく知られており、ここでは詳
細には述べない。予備圧縮、チューブ端部のシール、孔の形成、および、ハイド
ロフォーミングプロセスのその他の段階に使用される技術、手順、圧力および装
置の諸例は、前記のUS特許Re第33990号を含む通常通りに譲渡された多数のUS特
許、すなわち、1991年2月5日付けUS特許第4,989,482号(Mason)、1993年8月17日
付けUS特許第5,235,836号(Klages等)、1997年7月8日付けUS特許第5,644,829号(M
ason等)、1995年8月29日付けUS特許第5,445,002号(Cudini等)およびMorphy等
の名において1999年2月16日に出願されたUS特許出願第09/249,764号および199年
7月28日Klages等の名において出願されたUS特許出願第09/361,998号に記載され
る。これらの特許お出願のすべての開示は、参照によって本件の説明中に組み込
まれる。
【0013】 この発明においては、前記のハイドロフォーミング技術が、ダイキャビティ1
8の周辺部が、チューブ状被加工素材19の外側周辺部よりも小さくなるように
変形されるので、ダイセクション11、12が同時に閉じられると、チューブ状
被加工素材19の壁の素材が圧縮を受ける。この発明のいくつかの形態において
は、それらの好ましい形態において、その全長に沿って圧縮を受けることができ
ることが考えられるが、ダイキャビティ18の周辺部は、被加工素材19の長さ
の一部分または複数の部分に沿う被加工素材19の長さよりも小さい。そのよう
な一部分または複数の部分は、例えば、その断面形状が長さに沿って変化しても
よく、また、断面形状が一様であっても差し支えない。この部分は、例えば、1
個または複数個の孔がチューブ壁を貫通して形成されることができる部分であっ
ても、或いは、断面形状に見られるように、外側または内側のコーナー部が、密
接に近い曲率半径を備えることが好ましい。更に、そのような部分は、役割上異
常に高い歪みを受ける製品の一部分であるか、或いはまた、連続して成形される
製品同士の間に、例外的に良好な寸法安定性を具備することが望まれる場合の部
分である。そのような一部分または複数の部分は、例えば、全体として、チュー
ブ状製品の長さの約1〜50%、より好ましくは約5〜40%、更により好まし
くは、5〜20%を占めることができる。
【0014】 前記の手順は、多くの利点を提供する。例えば、ダイキャビティ18の周辺部
が、当初のチューブ状被加工素材19の周辺部よりもゼロ〜約5%大きい知られ
た手順においては、シャープなコーナー部を備える被加工素材19を成形するこ
とは困難である。この発明にしたがって行われる圧縮成形が存在しない、多少と
も拡大されたスケールにおける図3に示すコーナーエリアにおいては、ダイキャ
ビティ18内部において成形されることができる最もシャープなコーナー部は、
その曲率半径Rが、少なくとも約1.8Tである。ここに、Tは、チューブ状被加工
素材19の壁の厚さである。チューブ状被加工素材19の内部に付与された圧力
には関係なく、チューブ状壁19の素材は、コーナー部の両側においてダイキャ
ビティ18と係合し、シャープな半径を備えるコーナー部を得ることは達成され
ない。壁19が圧縮成形されるこの発明にあっては、有意にシャープなコーナー
部、例えば、約2.5〜0.5T、より好ましくは約2.0T以下、更により好ましくは約1
.7T以下、最も好ましくは1.5T以下の範囲のシャープなコーナー部が達成される
。コーナー部が鋭ければ鋭いほど、完成したパーツの剛性が高まり、完成したパ
ーツの設計における選択の自由度を拡大することができ、特別な応用に合致する
ように仕立てることが可能になる。
【0015】 更に、高度に改善された寸法安定性が達成されて、すなわち、同一のダイ内に
おいて連続してハイドロフォーミングが施されて製造されたパーツは、類似する
か、または、同一の寸法を備える傾向があり、そして、完成したパーツの降伏強
度は、圧縮成形されない同様なパーツと比較して増大されることができる。
【0016】 この発明の圧縮成形方法の別の利点は、チューブ状被加工素材19の壁、少な
くとも、圧縮成形される被加工素材の一部においてこれを貫く複数個の孔の形成
を適切に行うことである。望ましくは、被加工素材が閉じられたダイキャビティ
内において、例えば図5におけるように、内部が加圧される間に、被加工素材の
側壁を貫いて複数個の孔が形成されることである。通常は、打ち抜き部材22が
ダイセクション11、12の構造体内に組み込まれる。この打ち抜き部材は、ダ
イキャビティ18と連通するとともに、通常は、長手方向のチューブ軸を横断す
る方向に配置されるボアすなわち通路23を備える。これらの打ち抜き部材は、
打ち抜き駆動手段、例えば、ダイセクション11、12にマウントされるか、こ
れに隣接して配置された圧力シリンダーとピストン構造体24の制御の下に、こ
れらのボア内を往復運動するので、例えば、図5に見られる打ち抜き部材22は
、 ダイキャビティ18内に延出して、チューブ状被加工素材19の側壁を刺し通し
て、そこからスラグ26を切り取って、このチューブ状被加工素材19の側壁に
開口部27を創り出すべく進出することができる。チューブ状被加工素材に開口
部を打ち抜くために用いられる方法と装置は、それ自体が当業者には周知のもの
なのでここでは詳細に説明することはしない。装置と打ち抜きの手順は、例えば
、上記のUS特許第4,989,482号およびUS特許出願第09/361,764号に記載されてい
る。
【0017】 自動車または他のフレームにおける完成したチューブ状パーツに関連して採用
されるコンポーネントを収容するために、チューブ状被加工素材19の壁内に比
較的幅の広い開口部を設けること、したがって、開口部を形成するために比較的
幅の広い打ち抜き部材を使用することが頻繁に望まれる。打ち抜き部材が例えば
比較的幅が広い場合は、完成したパーツの断面の幅が相当なパーセンテージに達
するので、打ち抜きによって形成された孔がパーツを弱くする。したがって、こ
のパーツは、内圧がかかった状態の下で変形したり、膨張したりする結果、孔の
境界部と打ち抜き部材の側部との間の接触が失われる。この結果として、被加工
素材19の内部から液体の漏洩が起こり、被加工素材内部にに減圧が生じる。減
圧というこれらの問題は、打ち抜き部材の幅、したがって、それによって形成さ
れる孔の幅が、打ち抜かれた孔をその横断方向に測定した、完成パーツの断面の
幅の約15%よりも大きい場合に大規模な程度に遭遇する傾向があ、そして、こ
の幅が前記断面の幅の約25%より大きい場合、特に、約50%よりも大きい場
合は、更になお深刻である。この幅は例えば、前記の断面の幅の約95%にまで
達することができ、より普通には、前記断面の幅の約90%より大きくはない。
チューブ状被加工素材19の内部における加圧の損失は被加工素材19の加工の
困難性に到る。例えば、通常は、成功する打ち抜きは、チューブ状パーツ内部に
維持される加圧力に依存する。一つのダイは、しばしば、複数の打ち抜き部材を
備えるものである。その理由は、ハイドロフォーミングが施された各パーツ内に
多数の孔を形成することが望まれるからである。様々な理由で、打ち抜き部材は
通常同時に正確には作動しない。例えば、打ち抜き部材を駆動するシリンダーは
、サイズを異にしており、作動圧力パルスを圧力発生器から様々なシリンダーに
移送する導管の長さに不一致が存在する。もしも、一つの打ち抜き部材の作動に
加圧力の損失が生じる結果になれば、後からパーツに向かって延出する打ち抜き
部材は不正確な打ち抜きを達成するに過ぎないか、打ち抜きに完全に失敗する可
能性がある。何故ならば、パーツ内には最早液圧が存在せず、被加工素材の壁を
外側に向かって押圧した状態を維持することができないからであり、外側に向か
って押圧された壁を打ち抜いて切り取ることができないからである。圧縮成形区
域において、被加工素材19の側壁が、圧縮成形されるこの発明にあっては、た
とえ、上に言及したような比較的幅の寸法が大きい打ち抜き部材が採用される場
合であっても、加圧力の漏洩と損失が有意に減少するか、ともに排除される。圧
縮成形はチューブ壁の素材を、被加工素材の壁を刺し貫く間中、打ち抜き部材の
側に向かって押圧する傾向がある点が見出されており、チューブ内の加圧力を維
持するための加圧液の供給が、加圧力の有意でない損失しか生じないように補充
することができる程度に漏洩を排除するか、減少させることができる。
【0018】 この方法を実行する好ましい形態において、被加工素材の寸法が製造者の許容
誤差に左右される場合には、出発素材の製造者の許容誤差に注意が払われるべき
である。言い換えれば、キャビティ18の内側の周辺部は、出発素材ブランク1
9の実際の外側周辺部が呼称上のものよりも小さく、製造者の最小の許容誤差の
水準にある場合であっても、所望の圧縮が達成されるように、その大きさが決定
されるべきである。しかしながら、通常は、これらの許容誤差は比較的小さい。
現明細書および添付の請求項においては、被加工素材の「外側周辺部」というタ
ームは、その被加工素材の外側周辺部が最小の製造者の許容誤差に考慮すること
、すなわち、製造者の許容誤差によって規定されるサイズの範囲内に存在する最
小のサイズであることを意味する。疑いを避けるために具体例を挙げれば、製造
者は、直径が2.000インチ(50.8mm)±(プラスまたはマイナス)5/1000インチ(0.12
7mm)である実質的に完全な円形断面のチューブを提供する。最大の直径は、2.00
5(50.927mm)で、最小直径は、1.995(50.675mm)インチである。ギリシャ記号piの
数値で乗算を行うことによって、最大周辺部は6.300インチ(160.0mm)最小周辺部
は、6.268インチ(159.2mm)と計算される。そのような場合は、この被加工素材の
「外側周辺部」は6.268インチ(159.2mm)、ダイキャビティ18の内側周辺部は、
6.268インチ(159.2mm)よりも小さくされる。
【0019】 知られた手順においては、ダイキャビティは、製造者の最大の許容誤差を考慮
した被加工素材と少なくとも同じ周辺部を備えている点に注目することができる
【0020】 この発明の方法においては、ダイキャビティ18が被加工素材の外側周辺部よ
りも少なくとも約0.1%小さい内側周辺部を備えることが好ましい(他に指示され
ている場合を除くすべてのパーセンテージは被加工素材の外側周辺部に基づく)
。もしも、ダイキャビティの内側周辺部と被加工素材の外側周辺部との間の公差
が約0.1%よりも小さいならば、チューブ状被加工素材に付与される圧縮力が不
充分なので、被加工素材にシャープな曲率半径を有するコーナー部を設けること
、または、被加工素材に孔が打ち抜かれるとき、被加工素材の内部からの液体の
漏洩を有意に減少したり、これを防ぐことが困難であるか不可能であり、寸法安
定性の所望水準、または、増大された降伏強度の所望の水準が達成されないこと
がわかる。ダイキャビティの内側周辺部は、被加工素材の外側周辺部よりも約10
%以上小さくはないことが好ましい。被加工素材の外側周辺部よりも10%以上小
さいダイキャビティを用いることは、卓越した結果を達成するようには見えず、
被加工素材を圧潰するとともに、チューブの中心線に平行な皺をその内部に生じ
る傾向がある。
【0021】 ダイキャビティ18の内側周辺部は、最大約5%小さいことがより好ましく、
被加工素材の外側周辺部よりも最大約3%小さいことが更により好ましく、被加
工素材の外側周辺部よりも約0.1%〜約1%小さいことが最も好ましい。
【0022】 圧縮とダイの閉鎖を達成するためには、通常プレス機に採用される閉鎖力より
もやや大きいプレス閉鎖力が、プレス機を有効に閉鎖するために必要である。要
求される力は、単純な試行と実験によって容易に決定することができる。
【0023】 添付図面を参照しつつ行った上記の詳細な説明は、通常の当業者の一人が、こ
の方法を実行することを可能にする単純な情報を提供するが、疑いを回避するた
めに1つの詳細な実施例を用意する。
【0024】 実施例 1.5mmの呼称壁厚と50.8mmの呼称直径を備える1つのHSLA 345 MPAスチール
チューブ(製造者の許容誤差プラスまたはマイナス0.006インチ(0.15mm))が、図
1、2および4に関連して上に詳細に説明した態様で圧縮ハイドロフォーミング
を受けた。
【0025】 ハイドロフォーミングの工程においてこのチューブは7MPAの内圧に加圧され
た。
【0026】 ダイキャビティ18の内側周辺部は、158.0mm(被加工素材の外側周辺部よりも
0.7%小さい)である。ダイの閉鎖後、内圧は42MPAに増大された。
【0027】 ダイキャビティ18は、シャープなコーナー部を含んでおり、被加工素材は、
3mm(2T、この場合Tは、被加工素材の壁厚)の半径を有するシャープなコーナー部
を備えていた。
【図面の簡単な説明】
【図1】 一部が閉じられている両ダイセクションの間に位置する加圧されたチューブ状
コンポーネントを示す多少とも概略的な断面図。
【図2】 完全に閉じられたダイ内部においてハイドロフォーミングを受けるパーツを示
す。
【図3】 従来技術の方法によって成形されるチューブ状被加工素材のコーナー部を示す
断面図の一部。
【図4】 この発明の方法によって成形された鋭いコーナー部を示す断面図の一部。
【図5】 チューブ状被加工素材の壁を貫通する孔の打ち抜きを示す断面図の一部。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE,TR),OA(BF ,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW, ML,MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,G M,KE,LS,MW,MZ,SD,SL,SZ,TZ ,UG,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ, MD,RU,TJ,TM),AE,AG,AL,AM, AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BR,BY,B Z,CA,CH,CN,CR,CU,CZ,DE,DK ,DM,DZ,EE,ES,FI,GB,GD,GE, GH,GM,HR,HU,ID,IL,IN,IS,J P,KE,KG,KP,KR,KZ,LC,LK,LR ,LS,LT,LU,LV,MA,MD,MG,MK, MN,MW,MX,MZ,NO,NZ,PL,PT,R O,RU,SD,SE,SG,SI,SK,SL,TJ ,TM,TR,TT,TZ,UA,UG,US,UZ, VN,YU,ZA,ZW (72)発明者 クレイジス、ジェラルド・エー カナダ国 エヌ4エス・8エックス5、オ ンタリオ州、シーエー、アンダーソン・ス トリート 209 Fターム(参考) 4E048 KA02

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 被加工素材の内部に液圧を付与することと、加圧された被加
    工素材を、少なくともその一部が被加工素材の外側周辺部よりも小さい内側周辺
    部を備えるダイキャビティを有するダイ内部に包囲することと、 それによって、被加工素材に圧縮成形を施し、ダイを開き、被加工素材を前記
    ダイから取り出すこと、からなる外側周辺部を有するチューブ状被加工素材の成
    形方法。
  2. 【請求項2】 前記内側周辺部は、外側周辺部よりも約0.1%〜約10%小さ
    い請求項1記載の方法。
  3. 【請求項3】 前記内側周辺部は、外側周辺部よりも最大約5%小さい
    請求項2記載の方法。
  4. 【請求項4】 前記内側周辺部は、外側周辺部よりも最大約3%小さい
    請求項2記載の方法。
  5. 【請求項5】 前記内側周辺部は、外側周辺部よりも約0.1%〜約1%小さい
    請求項2記載の方法。
  6. 【請求項6】 前記ダイキャビティは、被加工素材の長手方向軸を横断する
    断面において少なくとも1つのコーナー部を有し、前記の成形された被加工素材
    は、それによって1つのコーナー部を備える請求項1記載の方法。
  7. 【請求項7】 前記被加工素材は1つの壁厚を有し、前記コーナー部は、1
    つの曲率半径を有し、前記曲率半径は、前記壁厚の約2.5〜約0.5倍である請求項
    6記載の方法。
  8. 【請求項8】 前記曲率半径は、前記壁厚の約2.0倍よりも小さい請求項7
    記載の方法。
  9. 【請求項9】 前記曲率半径は、前記壁厚の約1.7倍よりも小さい請求項7
    記載の方法。
  10. 【請求項10】 前記曲率半径は、前記壁厚の約1.5倍よりも小さい請求項
    9記載の方法。
  11. 【請求項11】 被加工素材がダイキャビティ内において内部的に加圧され
    る間に、少なくとも1つの打ち抜き部材を側壁を貫通して通過させることによっ
    て、被加工素材の前記側壁を貫通する少なくとも1つの孔を形成するステップを
    含む請求項1記載の方法。
  12. 【請求項12】 前記打ち抜き部材は、圧縮成形される被加工素材の断面の
    幅の約15%よりも大きい幅の寸法を有する請求項11記載の方法。
  13. 【請求項13】 前記幅は、前記断面の幅の25%よりも大きい請求項12記
    載の方法。
  14. 【請求項14】 前記幅は、前記断面の幅の約50%よりも大きい請求項12
    記載の方法。
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