JP2004042077A

JP2004042077A - ハイドロフォーム用ノズルおよびハイドロフォーム方法

Info

Publication number: JP2004042077A
Application number: JP2002201420A
Authority: JP
Inventors: Mitsutoshi Uchida; 内田　光俊; Masanobu Ichikawa; 市川　正信
Original assignee: Toyoda Iron Works Co Ltd; Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp; Toyoda Iron Works Co Ltd
Priority date: 2002-07-10
Filing date: 2002-07-10
Publication date: 2004-02-12

Abstract

【課題】ハイドロフォーム用ノズルの挿入が容易であり、かつ、余長部を発生させずに高い歩留まりで製品をハイドロフォームにより製造することができるハイドロフォーム用ノズルとハイドロフォーム方法とを提供する。
【解決手段】ハイドロフォームを行われる素管７の端部内側に先端部を挿設されて使用されるハイドロフォーム用ノズル１０である。先端部は、ハイドロフォーム後における素材７の端部の目標内面形状に一致する外面形状を有する嵌合部１２と、嵌合部１２の先方に設けられ、素材７が配置されたハイドロフォームを行う型１、２の型締めの前の素材７の端部内側に挿設されるとともに、型締めの後の前進により嵌合部１２を素材７の内面に嵌合させることが可能な外形を有する突出部１３とを備える。このハイドロフォーム用ノズル１０の突出部１３を、素管７の端部内側に挿設した後に型の型締めを行い、ハイドロフォーム用ノズル１０を前進させて嵌合部１２を素管７の内面に当接させてから、素管７の内部に加圧流体を供給する。
【選択図】　　　　　　図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ハイドロフォーム用ノズルおよびハイドロフォーム方法に関する。具体的には、本発明は、ハイドロフォーム（液圧成形）により例えば管材等の被加工材から閉断面構造を有する中空の製品を製造する際に好適に用いることができる、ハイドロフォーム用ノズルと、このハイドロフォーム用ノズルを用いたハイドロフォーム方法とに関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車車体の構造部材である各種メンバ類（例えばサイドメンバ）等の閉断面構造を有する中空の製品は、以前はプレス加工により成形されていた。しかし、近年では、安全性の向上、軽量化、コスト低減の観点から、管材を素材としたハイドロフォームにより成形されるようになってきた。ハイドロフォームは、被成形材である管材を、そのままあるいは曲げや潰し等のプリフォーム（予備成形）を行ってから、ハイドロフォーム用の上下の金型内に設置して上金型を下金型に押し付け（以下、この操作を「型締め」という）、その後に、管材の端部開口から、ハイドロフォーム用ノズルを挿入して管材内部に加圧流体を供給することにより、行われる。
【０００３】
図７（ａ）　〜図７（ｄ）　は、ハイドロフォームにより成形される製品２１の一般的な成形工程を経時的に示す説明図である。
図７に示すように、被加工材である金属管２０（以下、「素管」ともいう）は、図７（ａ）　に示す曲げ工程と、図７（ｂ）　に示す潰し成形あるいは予成形（予備成形）と呼ばれるプリフォーム工程と、図７（ｃ）　に示すハイドロフォーム工程とにより所望の形状に成形され、その後、図７（ｄ）　に示す端末切断工程により端末の切断を行われて、製品２１の形状とされる。
【０００４】
図７（ａ）　に示す曲げ工程により素管２０に曲がり形状が付与されるが、製品形状が直線に近い場合にはこの曲げ工程は省略されることもある。図７（ｂ）　に示すプリフォーム工程では、プレス加工等により、曲がり工程で曲がりが付与された素管２０を部分的あるいは全体的に潰す成形、いわゆる予成形が行われる。さらに、図７（ｃ）　に示すハイドロフォーム工程では、下金型に形成されたダイキャビティにプリフォームされた素管２０をセットしてから型締めを行い、次いで、素管２０の両端をシールして素管２０の内部に加圧流体を供給し、さらに必要に応じて軸押しを行うことによって、素管２０を膨出変形させ、これにより、素管２０を上下金型のダイキャビティの内面形状と同一の製品形状に成形する。
【０００５】
ところで、図７（ｂ）　に示すプリフォーム工程を経る目的は、ハイドロフォーム用の金型にセットできるように素材２０の幅寸法を調整するとともに、製品２１の管端形状が円形でない場合にハイドロフォーム工程終了時に加工品の端末に不可避的に発生して切断される余剰部を低減することにより歩留まりを極力向上することにある。
【０００６】
図８は、素管２０にプリフォーム加工を行わずにハイドロフォームを行われた製品２１の管端部２１ｂ　の形状例を示す斜視図である。また、図９は、このハイドロフォームの際に用いられるハイドロフォーム用ノズル２２の形状例を示す説明図である。
【０００７】
図８に示すように、素管２０にプリフォーム加工を行わずにハイドロフォームを行うためには、ハイドロフォームを行われた製品の管端部２１ｂ　を素管２０と同じく円形とし、図９に示すように嵌合部２２ａ　が円形の横断面形状を有するハイドロフォーム用ノズル２２を用いることとなる。しかし、通常、製品２１の端部２１ａ　の横断面形状は、矩形形状等の非円形形状であることが多く、この場合には、ハイドロフォームを行われた製品２１の端部形状は、図８に示すように、矩形の横断面形状を有する製品部２１ｃ　に円形の横断面形状を有する余長部２１ｄ　を随伴した形状となる。このため、ハイドロフォーム後にこの余長部２１ｄ　を切断して切り捨てることにより、図１０に示すように、ハイドロフォーム後の製品２３の端部２３ａ　の形状を、最終製品の形状とすることとなり、歩留りが低下する。
【０００８】
しかし、端部の横断面形状が矩形である製品を成形する際、プリフォーム工程において素管２０の端部を製品に近い矩形形状に潰して成形しようとすると、図１１に示すように、中央部２０ａ　が潰れて端部が８字状に凹んで変形するため、管端へハイドロフォーム用ノズルを挿入できなくなる。この対策としては、プリフォームの際には、被成形材の端部内部に変形防止のための中子を挿設しておけばよい。しかしながら、これではプリフォーム工程での作業を煩雑化して作業トラブルを増加したり、プリフォーム設備の自動化を難しくする。
【０００９】
そこで、特開２０００−２０２５３５号公報には、図１２に示すように、先端部に、最終製品の端部内面に嵌合する矩形の横断面形状を有する嵌合部２４ａ　と、その先端にテーパ状に設けられた突出部２４ｂ　とを有するハイドロフォーム用ノズル２４が提案されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、本発明者らの検討によれば、このハイドロフォーム用ノズル２４を用いてハイドロフォームを行って製品を製造する際にも、プリフォーム工程や型締めの際の端部成形時に、端部が８字状に凹んで変形し、ハイドロフォーム用ノズルの挿入が困難となる場合がある。また、プリフォームにおける管端の変形は複雑であるため、ノズル先端形状の最適化に多大な工数と費用を要するといった問題もある。
【００１１】
本発明の目的は、極めて簡単な方法で、ハイドロフォーム用ノズルの挿入が容易であり、かつ、高い歩留まりで製品をハイドロフォームにより製造することができるハイドロフォーム用ノズルと、このハイドロフォーム用ノズルを用いたハイドロフォーム方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解消すべく鋭意検討を重ねた結果、被加工材の目標内面形状に一致する外面形状を有する嵌合部と、ハイドロフォーム加工を行う型の型締めに起因する被加工材の端部における凹状の変形を防止できる突出部とを有するハイドロフォーム用ノズルを用いれば、金型で型締めを行う際には、突出部を被加工材の内部に挿設しておき潰し加工を行ってからハイドロフォーム用ノズルを被加工材に対して相対的に前進させて嵌合部を被加工材に挿設して嵌合させることにより、型締めに伴う被加工材の端部における凹状の変形を生じることなく、余長部を低減して歩留まりの低下を極力抑制しながら、ハイドロフォームを行うことができることを知見した。また、このようなハイドロフォームによれば、被成形材の端部に対するプリフォーム　（端部のつぶし加工）　を省略できることも知見した。本発明は、これらの新規な知見に基づき、さらに検討を重ねた結果、得られたものである。
【００１３】
本発明は、ハイドロフォームを行われる中空の被加工材の端部内側に先端部を挿設されて使用されるハイドロフォーム用ノズルであって、この先端部が、ハイドロフォーム後における被加工材の端部の目標内面形状に一致する外面形状を有する嵌合部と、この嵌合部の先方に設けられ、被加工材が配置されたハイドロフォームを行う型の型締めの前の被加工材の端部内側に挿設されるとともに、型締めの後の前進により嵌合部を被加工材の内面に嵌合させることが可能な外形を有する突出部とを備えることを特徴とするハイドロフォーム用ノズルである。
【００１４】
この本発明にかかるハイドロフォーム用ノズルの突出部は、型締めに起因する被加工材の端部における凹状の変形を防止するものである。
これらの本発明にかかるハイドロフォーム用ノズルでは、突出部が、嵌合部よりも小さな外法を有することが例示される。
【００１５】
これらの本発明にかかるハイドロフォーム用ノズルでは、突出部が、少なくとも一部が曲面状に形成されることが望ましい。
別の観点からは、本発明は、中空の被加工材の端部内側に、上記のハイドロフォーム用ノズルの突出部を挿設した後に、被加工材が設置された型の型締めを行い、次いで、ハイドロフォーム用ノズルを前進させて嵌合部を被加工材の内面に当接させ、その後、被加工材の内部に加圧流体を供給することを特徴とするハイドロフォーム方法である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかるハイドロフォーム用ノズルおよびハイドロフォーム方法の実施の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本実施の形態で用いるハイドロフォーム装置０の構成を示す正面図である。
このハイドロフォーム装置０において、金型は、下金型２と上金型１とにより構成される。下金型２はプレス装置６の下部に取り付けられ、一方、上金型１はプレス装置６のラムヘッド６ａに取り付けられる。ラムヘッド６ａは、油圧シリンダ（図示しない）　により上昇および下降し、所定位置まで下降することにより上金型１を下金型２に所定の力で押し付け、これにより、型締めを行う。
【００１８】
上金型１はダイキャビティ１ａを有するとともに下金型２はダイキャビティ１ｂを有する。上金型１および下金型２の軸方向の両側には、シリンダ３ａにより軸押しを行う軸押し装置３と、シリンダ４ａにより軸押しを行う軸押し装置４とが配置されている。
【００１９】
そして、軸押し装置３の先端には、下金型２のダイキャビティ１ｂに配置された、中空の被加工材である素管７に挿入および嵌合して、素管７内に流体を供給する本実施の形態のハイドロフォーム用ノズル８が装着される。また、軸押し装置４の先端には、下金型２のダイキャビティ１ｂに配置された、中空の被加工材である素管７に挿入および嵌合して、素管７内に流体を供給する本実施の形態のハイドロフォーム用ノズル９が装着される。
【００２０】
シリンダ３ａおよびハイドロフォーム用ノズル８には、流体を流通させるための流路３ａａ　が形成されているとともに、シリンダ４ａおよびハイドロフォーム用ノズル９には、流体を流通させるための流路４ａａ　が形成されている。流路３ａａ　には、加圧力発生装置５が接続されている。これにより、加圧力発生装置５が発生した加圧力が、型締め後において素管７に伝達される。
【００２１】
次に、本実施の形態で用いるハイドロフォーム用ノズル８、９について説明する。なお、これらのハイドロフォーム用ノズル８、９は同一の構成を有するものであるため、以降の説明ではハイドロフォーム用ノズル８、９と同一の構成を有するハイドロフォーム用ノズル１０を例にとって行う。
【００２２】
図２は、ハイドロフォーム用ノズル１０の先端部の構造を示す説明図であり、図２（ａ）　は斜視図、図２（ｂ）　は突出部１３の先端の外形を示す説明図、図２（ｃ）　は他の例の突出部１３−１の先端の外形を示す説明図、図２（ｄ）　はさらに他の例の突出部１３−２の先端の外形を示す説明図である。
【００２３】
図２（ａ）　に示すように、本実施の形態のハイドロフォーム用ノズル１０は、基部１１と、嵌合部１２と、突出部１３とを有する。
基部１１は、シリンダ３ａ、４ａに保持されるための部分であり、本実施の形態では直方体状に形成される。
【００２４】
嵌合部１２は、型締め前の素管７の端部に挿入されて、型締め後に素管７の内面に嵌合する部分であり、矩形の横断面形状を有する。すなわち、この嵌合部１２は、ハイドロフォーム後における素管７の目標内面形状、すなわち最終製品の目標内面形状に一致する外面形状を有する。
【００２５】
さらに、突出部１３は、嵌合部１２よりも先方に突出して形成され、型締めの前に素管７の端部に挿設されることにより、型締めに起因して、素管７の内側への変位、すなわち素管７の中央部における凹状の変位が生じようとすると、この素管７の内面に当接してかかる変位の発生を防止するものである。すなわち、突出部１３によれば、素管７の内側への凹状の変位が、嵌合部１２の挿入が可能となる範囲に、抑制される。
【００２６】
突出部１３の外法は、嵌合部１２よりも小さいとともに、この突出部１３の先端には、突出部１３の幅および高さが漸減するテーパ部１４ａ　が形成され、突出部１３と嵌合部１２との間にもテーパ部１４ｂ　が形成されている。これにより、後述する型締め後におけるハイドロフォーム用ノズル１０の前進と、嵌合部１２の素管７の内面への嵌合とがともに確実に実現される。
【００２７】
このように、本実施の形態のハイドロフォーム用ノズル１０における突出部１３は、型締めの前の素管７の端部内側に挿入可能であるとともに、型締めを行った後にハイドロフォーム用ノズル１０を前進させて嵌合部１２を素管７の内面へ嵌合させることができる外形を有している。
【００２８】
本実施の形態では、図２（ｂ）　に示すように、突出部１３が、下部の一部が円弧状に形成されるとともに上部が直線状に形成される形状を有するように、構成した。これにより、嵌合部１２の挿入が容易になるとともに、ハイドロフォームの際の素管７の位置決めも容易となる。
【００２９】
しかし、本発明はこの形状に限定されるものではなく、突出部１３の少なくとも一部が曲面状に形成されることが望ましい。例えば、図２（ｃ）　に示すように、上部および下部がいずれも円弧状に形成された突出部１３−１とすれば、使い回しが利くために予備品のストック数を半減できる。また、図２（ｄ）　に示すように円形の断面形状を有する突出部１３−２とすれば、製作が容易である。
【００３０】
また、図２（ｂ）　〜図２（ｄ）　に示すこれらの突出部１３の寸法について図３（ａ）　〜図３（ｃ）　を参照しながら、より具体的に説明する。
金型１、２のダイキャビティの幅をＷとし、高さをＨとし、ハイドロフォームを行われる素管７の外径をＤとし、素管７の厚さをｔとすると、図３（ａ）　〜図３（ｃ）　に各部の寸法Ｗ_３、Ｒ、Ｈ_３は、下記（１）　〜（４）　式の関係を満足することが、突出部１３を、型締めの前の素管７に確実に挿設するとともに型締めの後に金型１、２との干渉を防止するために、望ましい。
【００３１】
Ｈ_３＜Ｈ−２ｔ　　　　　　・・・・・（１）
Ｗ_３＜Ｗ−２ｔ　　　　　　・・・・・（２）
Ｗ_３＜Ｄ−２ｔ　　　　　　・・・・・（３）
Ｒ　＜（Ｄ−２ｔ）／２　　・・・・・（４）
本実施の形態におけるハイドロフォーム用ノズル１０は、以上のように構成される。次に、このハイドロフォーム用ノズル１０を用いたハイドロフォーム方法を説明する。
【００３２】
図４（ａ）　〜図４（ｄ）　は、本実施の形態のハイドロフォーム方法を経時的に示す二面図である。
図４（ａ）　に示すように、端部を除いた部分にプリフォーム加工を行われた素管２１を下金型２のダイキャビティの所定の位置にセットする。
【００３３】
次に、図４（ｂ）　に示すように、軸押しシリンダ　（図示しない）　を前進させ、ハイドロフォーム用ノズル１０の先端の突出部１３を素管２１の管端内部に挿設する。
次に、図４（ｃ）　に示すように、上金型１を下降させることにより、上下の金型１、２により型締めを行う。このとき、素管７の管端における凹状の変形　（８字状のくびれ変形）　は、素管２１の内部に挿設された突出部１３が素管２１の内部への倒れ込みを支持するために、完全に防止される。
【００３４】
次に、図４（ｄ）　に示すように、型締めした状態で、軸押しシリンダによりハイドロフォーム用ノズル１０をさらに前進させることにより、嵌合部１２を管端に挿入して嵌合させる。これにより、ハイドロフォーム用ノズル１０と素管２１との間のシールが完了する。
【００３５】
そして、液体をハイドロフォーム用ノズル１０から供給し、高圧発生装置により液体の圧力を上げ、必要に応じで軸押しをさらに行い、ダイキャビティの内面形状に素管２１を膨出成形する。
【００３６】
このようにして製造される製品は、端部が所望の形状に成形されており、予兆部を生じない。このため、歩留りを顕著に向上することができる。
このように、本実施の形態のハイドロフォーム用ノズル、およびこのハイドロフォーム用ノズルを用いたハイドロフォーム方法によれば、ハイドロフォーム用ノズルの挿入が容易であり、かつ、余長部を発生させずに高い歩留まりで製品をハイドロフォームにより製造することができる。
【００３７】
【実施例】
図１に示す、上述したハイドロフォーム装置０を用いて、確認試験を行った。図５には、上下の金型１、２のダイキャビティの形状を示す。本実施例では、Ｗ＝６９．５ｍｍ、Ｈ＝１３ｍｍ、Ｒ＝７ｍｍとした。また、素管７としては、規格ＳＴＫＭ１１Ａ　、外径５７ｍｍ、肉厚２．３ｍｍ　の機械構造用鋼管を用いた。
【００３８】
また、ハイドロフォーム用ノズル８、９は、図６に示す形状および寸法のものを用いた。なお、図６に示す図中符合は、図２で用いた符合と同一である。本実施例では、図６において、Ｗ１＝６９．１ｍｍ、Ｗ２＝６４．９ｍｍ、Ｗ３＝３８ｍｍ、Ｈ１＝２５．６ｍｍ、Ｈ２＝２１．４ｍｍ、Ｈ３＝１８ｍｍ、Ｒ＝２４ｍｍとした。
【００３９】
本発明にかかるハイドロフォーム用ノズル８、９を用い、▲１▼下金型２のダイキャビティに素管７をセットし、軸押しシリンダ３ａ、４ａを前進させてハイドロフォーム用ノズル８、９の突出部１３を素管７に挿設する、▲２▼型締めを行い、素管７を変形させる、▲３▼軸押しシリンダ３ａ、４ａによりハイドロフォーム用ノズル８、９を管端内でさらに前進させて、嵌合部１２を素管７の内面に嵌合させる、および▲４▼高圧流体を素管７の内部に供給して素管７を膨出変形させるという手順で、ハイドロフォームを行った。
【００４０】
その結果、問題なく、管端にハイドロフォーム用ノズル８、９を挿入でき、２０００ａｔｍ　でもシール漏れを生じなかった。また、成形品の端部をそのまま製品端とすることができ、歩留りを１００　％とすることができた。
【００４１】
なお、比較のため、突出部１３を有さないノズルを用いた以外は、上記条件にて試験を行つた。その結果、型締め後にノズルを挿入しようとしたところで管端のエッジにノズル先端が干渉し、挿入できなかった。
【００４２】
また、比較のため、図９に示すノズルを用いた場合、成形品端部に大きな余長部が発生し、歩留まりの低下が著しかった。
さらに、比較のため、特開２０００−２０２５３５号公報により開示されたハイドロフォーム用ノズルを試験のために製作し、同様の条件でハイドロフォームを行った。しかし、型締めの際に素管に著しい凹状の変形を生じてしまい、型締め後に前進により嵌合部を被加工材の内面に嵌合させることができなくなった。
【００４３】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明により、極めて簡単な方法で、ハイドロフォーム用ノズルの挿入が容易であり、かつ、余長部を小さく、歩留まりロスを小さくすることができるハイドロフォーム用ノズルおよびハイドロフォーム方法を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態で用いるハイドロフォーム装置の構成を示す正面図である。
【図２】ハイドロフォーム用ノズルの構造を示す説明図であり、図２（ａ）　は斜視図、図２（ｂ）　は突出部の先端の外形を示す説明図、図２（ｃ）　は他の例の突出部の先端の外形を示す説明図、図２（ｄ）　はさらに他の例の突出部の先端の外形を示す説明図である。
【図３】図３（ａ）　〜図３（ｃ）　は、突出部の寸法を示す説明図である。
【図４】図４（ａ）　〜図４（ｄ）　は、本実施の形態のハイドロフォーム方法を経時的に示す二面図である。
【図５】実施例で用いた上下の金型のダイキャビティの形状を示す説明図である。
【図６】実施例で用いたハイドロフォーム用ノズルの寸法を示す説明図である。
【図７】図７（ａ）　〜図７（ｄ）　は、ハイドロフォームにより成形される製品の一般的な成形工程を経時的に示す説明図である。
【図８】素管にプリフォーム加工を行わずにハイドロフォームを行われた製品の管端部の形状例を示す斜視図である。
【図９】ハイドロフォームに用いられるハイドロフォーム用ノズルの形状例を示す説明図である。
【図１０】ハイドロフォーム後の製品の端部の形状例を示す説明図である。
【図１１】中央部が潰れて端部が８字状に変形した素管の管端面を示す説明図である。
【図１２】特開２０００−２０２５３５号公報により開示されたハイドロフォーム用ノズルの形状例を示す説明図である。
【符号の説明】
１、２　型
７　素管
１０　ハイドロフォーム用ノズル
１２　嵌合部
１３　突出部

Claims

ハイドロフォームを行われる中空の被加工材の端部内側に先端部を挿設されて使用されるハイドロフォーム用ノズルであって、
該先端部は、前記ハイドロフォーム後における前記被加工材の端部の目標内面形状に一致する外面形状を有する嵌合部と、
該嵌合部の先方に設けられ、前記被加工材が配置された前記ハイドロフォームを行う型の型締めの前の前記被加工材の端部内側に挿設されるとともに、前記型締めの後の前進により前記嵌合部を前記被加工材の内面に嵌合させることが可能な外形を有する突出部とを備えること
を特徴とするハイドロフォーム用ノズル。
前記突出部は、前記型締めに起因する前記被加工材の端部における凹状の変形を防止する請求項１に記載されたハイドロフォーム用ノズル。
前記突出部は、前記嵌合部よりも小さな外法を有する請求項１または請求項２に記載されたハイドロフォーム用ノズル。
前記突出部は、少なくとも一部が曲面状に形成される請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載されたハイドロフォーム用ノズル。
中空の被加工材の端部内側に、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載されたハイドロフォーム用ノズルの前記突出部を挿設した後に、該被加工材が設置された型の型締めを行い、次いで、前記ハイドロフォーム用ノズルを前進させて前記嵌合部を前記被加工材の内面に当接させ、その後、前記被加工材の内部に加圧流体を供給することを特徴とするハイドロフォーム方法。