JP2005007481A - 高速ハイドロフォーミング法による車両フレーム部品の製法 - Google Patents

Abstract

【課題】中空の管状部材と内部型空洞を持つ型とを用意することを含む車両フレームを高速ハイドロフォーミング法により作ること。
【解決手段】管状部材３０を内部型空洞２８内に位置させ、流体３８を満たす。この流体３８内に衝撃波を生成することにより、管状部材３０のハイパープラスチック成形処理を行い管状部材３０を外方に膨張させ内部型空洞２８の形状に合致させる。衝撃波は、流体３８内に浸した１対の電極４６の間にアークを放電することによって生成することができる。管状部材３０の各端部３２は、膨張中に型空洞２８内に送り込まれ、変形した管状部材３０に比較的一様な壁厚を生じさせることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、一般に車両フレーム部品、ことに車両フレーム部品を高速ハイドロフォーミング法（ｈｉｇｈ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｈｙｄｒｏｆｏｒｍｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ）により作る改良された方法に関する。

自動車又は軽トラックのような車両は、その主要な構造部品のうちでボディ、エンジン、駆動列及びサスペンション・システムを含む。車両は、さらに他の部品用のプラットフォームとして作用する車両フレームを備える。ボディ及びエンジンは車両フレームの上部に積重ねられ、又駆動列及びサスペンション・システムは車両フレームの下側につり下げる。

車両フレームは典型的には、２本の細長い互いに平行なサイド・レールを備えこれ等のレールの間に複数本のクロス・メンバが延び各サイド・メンバを互いに接続するようにしてある。クロス・メンバは一般に各サイド・レールに直交し相互に平行に延びている。

従来は、サイド・レールのような車両フレーム部品は、車両フレーム・アセンブリを形成するように成形し互いに固着した開いたみぞ形構造部材（たとえばＣ字形又は帽子状のみぞ形部材のような、不連続な断面形状を持つ構造部材）から作られている。このような開いたみぞ形構造部材は、所望の形状に作り互いに固着することが比較的容易で安価である。しかしなお近年では多くの車両フレーム部品を閉じたみぞ形構造部材（たとえば管状又は箱形のみぞ形部材のような連続した断面形状を持つ構造部材）から形成するのが望ましいことが分った。一般に閉じたみぞ形構造部材は同等の重量を持つ開いたみぞ形構造部材より強く剛性が一層高い。これ等の又その他の理由で、ハイドロフォーミングは車両フレーム部品製造の分野で近年認められていることが分った。

ハイドロフォーミング（ｈｙｄｒｏｆｏｒｍｉｎｇ）は、中空部材を所望の形状に変形させるのに加圧流体を使うよく知られた方法である。この中空部材は、この中空部材に対し所望の最終形状を持つ型空洞を閉じたときに形成するハイドロフォーミング装置の２個の可動な型セクションの間に初めに配置してある。型空洞は、通常成形前中空部材よりいくぶん大きいが、２個の型セクションを閉じ合せると若干の例では中空部材に若干の機械的変形を生ずる。次いでこの中空部材は、加圧流体典型的には水のような比較的非圧縮性の液体を満たす。流体の圧力は、中空部材を空洞に適合する状態に外方に増大させる。従って中空部材は加工品に対し所望の最終形状に変形させる。

従来のハイドロフォーミング法による車両のフレーム部品の製造は満足が得られているが管状部材の断面膨張量は制限を受ける。このことはとくに鋼より成形しにくいアルミニウム及びマグネシウムのような金属に対し言えることである。すなわち金属の一層大きい膨張性を許容できるハイドロフォーミング法により管状金属車両フレーム部品を製造する方法を持つことが望ましい。

本発明は、高速ハイドロフォーミングにより車両フレーム部品を作る新規な方法に係わる。

型内に入れる中空管状部材を用意する。この型は、高速ハイドロフォーミング法により形成した車両フレーム部品の所望の最終形状に合致する寸法形状を持つ内部型空洞を持つ。この場合管状部材は水又はオイルのような流体を満たす。この流体内に衝撃波を生ずることにより管状部材を外方に急速に膨張させ型空洞の形状に合致させる。

衝撃波は電気衝撃波発生器を使うことにより生ずることができる。電気衝撃波発生器は、流体内に浸した１対の電極に電気的に接続したコンデンサ・バンク（ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｂａｎｋ）を備える。各電極は比較的小さい距離を互いに隔てる。電気エネルギーはコンデンサ内に生成し、次いで急速に放電し電極を横切ってアーク（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｒｃ）が生成する。アークにより周囲の流体が急速に気化し、流体を経て比較的高い速度で伝わる高圧パルスすなわち衝撃波が生ずる。

電撃は又機械式衝撃波発生器によっても生ずる。機械式衝撃波発生器は、ピストン・アーマチュア（ｐｉｓｔｏｎ ａｒｍａｔｕｒｅ）を内部に配置した流体シリンダを備える。流体シリンダは、管状部材の内部の流体に連通する流体を満たしてある。電磁石に通電し（ｅｎｅｒｇｉｚｅ）、ピストン・アーマチュアを管状部材に向かう方向に急速に加速することにより流体に衝撃波を生ずる。

最終送り込み（ｅｎｄ ｆｅｅｄｉｎｇ）の付加的ステップは、高速ハイドロフォーミング処理中に行われる。最終送り込み中に管状部材の各端部の一方又は両方が管状部材の膨張及び変形中に型空洞に向かい上方に押される。最終送り込みは変形中に管状部材の全長にわたり比較的一様な壁厚が得られるのに役立つ。

本発明の目的及び利点は添付図面についての以下の説明から明らかである。

図１には車両フレーム１０を示してある。車両フレーム１０は、詳しく後述するように本発明による高速ハイドロフォーミング法により作ることのできる種種の部品から成る。車両フレーム１０は、互いに間隔を置いて相互に大体平行に延びる１対のサイド・レール１２を備える。各サイド・レール（ｓｉｄｅ ｒａｉｌ）１２は一般に種種のベンドを内部に形成した細長いビームの形状を持つ。複数のクロス・メンバ（ｃｒｏｓｓ ｍｅｍｂｅｒ）１４は各サイド・レール１２間にこれ等のレールを互いに接続するように延びている。各クロス・メンバ１４は一般にサイド・レール１２より比較的短かいビームの形状を持つ。クロス・メンバ１４は、互いに間隔を置いて相互に平行にサイド・レール１２に大体直交して延びている。サイド・レール１２及び種種のクロス・メンバ１４は、鋼、アルミニウム、マグネシウム又はその他適当な金属合金のような任意適当な材料から作ることができる。

各サイド・レール１２は、車両の全長にわたって延びる単一部材として作る。或はサイド・レール１２は、所望の長さのサイド・レール１２を形成するようにボルト、リベット、溶接部又はその他任意適当な締付け手段により相互に接合して所望の長さのサイド・レール１２を形成する２個又はそれ以上の部材から形成する。直線形状のサイド・レール１２は大体直線形から１個又は複数個のベンドを持つ形に長さに沿って変えてもよい。各サイド・レール１２は管状の又は連続した断面形状を持つ。典型的にはサイド・レール１２の断面形状は長方形又は箱形である。サイド・レール１２の１個所又は複数個所の部分は１つの断面形状を持つが、残りの部分は異なる断面形状を持つ。詳しく後述するようにサイド・レール１２は本発明による高速ハイドロフォーミング法により形成する。

クロス・メンバ１４は、溶接、リベット締め、ボルト締め又はその他の適当な手段によりサイド・レール１２に固定する。クロス・メンバ１４の形状は若干の要因に従って広範囲に変わる。これ等の要因はあるとすれば、クロス・メンバ１４が支える種種の荷重とクロス・メンバ１４をサイド・レール１２に取付ける場所とを含む。クロス・メンバ１４の典型的な形状には長方形、正方形、円形、Ｃ字形又はＨ形がある。閉じたみぞ形構造及び開いたみぞ形構造は共にクロス・メンバ１４を作るのに使う。管状の断面形状を持つクロス・メンバ１４は本発明による高速ハイドロフォーミング法により形成する。

図２及び図３には、本発明の高速ハイドロフォーミング法を行う形成装置すなわちハイドロフォーミング装置２０を例示してある。ハイドロフォーミング装置２０は、１対の型半部分又は型ブロックを持つ型（ｄｉｅ）２２を備える。とくに型２２は上部型ブロック２４及び下部型ブロック２６を備える。上部型ブロック２４及び下部型ブロック２６は開位置及び閉位置の間で相互に近づく向きに可動である。対の型ブロック２４、２６は図２に閉位置で示してある。上部型ブロック２４と共に下部型ブロック２６は、これ等の型ブロックが閉じた位置にあるときは密封した内部型空洞（ｉｎｔｅｒｎａｌ ｄｉｅ ｃａｖｉｔｙ）２８を形成する。多くのハイドロフォーミング装置２０は二分割型を備えるが、ハイドロフォーミング装置２０の主型２２は所望の最終形状を得るのに必要に応じ多重の型ブロックを備える。さらに型ブロック２４、２６に適用した「上部」及び「下部」という用語はこれ等をブロック２４、２６に適用する際にブロック２４、２６を逆にし又は側方から側方まで裏返す場合に限定するものではない。

高速ハイドロフォーミング法では、内部型空洞２８の形状に合致するように中空管状部材３０を膨張させる。管状部材３０は、内部型空洞２８内で上部及び下部の型ブロック２４、２６間に位置させる。内部型空洞２８の形状及び寸法は、車両フレーム１０のサイド・レール１２又はクロス・メンバ１４のような最終高速ハイドロフォーミング処理した製品の所望の形状及び寸法に合致するように形成してある。典型的には管状部材３０は、実質的に一様な壁厚を持ち必ずしも必要なことではないが実質的に一様な外径を持つ。たとえば管状部材３０は正方形又は長方形のような他の閉じた断面形状を備えてもよい。又管状部材３０は、図示のように単一の材料体から形成してもよく、又は溶接等により互いに固着した２個又はそれ以上の材料体から作ってもよい。本発明方法の各ステップの例示のために、中空の管状部材１０は１対の端部３２と中央区分３４とを持つように示してある。この場合中央区分３４は、比較的剛性を持つように形成するのがよいが、鋼又はその他の金属質材料のような変形しやすい材料から形成してもよい。鋼が好適であるが、アルミニウム、マグネシウム又は任意適当な金属合金のようなその他の適当な材料を使ってもよい。

高速ハイドロフォーミング法は、管状部材３０に流体を満たし次いで詳しく後述するように流体内に衝撃波を生じ管状部材２０を膨張させる。従って本装置２０は、管状部材３０を満たすのに使う流体３８の源を含む１対の流体槽３６を備える。流体３８の源は１対の密封ヘッド４０を介し管状部材３０の内部に通じている。密封ヘッド４０は、管状部材３０内に流体を密封するように管状部材３０の端部３２に選択的に結合してある。

ハイドロフォーミング装置２０はさらに流体３８の各源に対し１組ずつ１対の電気衝撃波発生器（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｈｏｃｋ ｗａｖｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）４２を備える。電気衝撃波発生器４２は、流体内に衝撃波を生ずることのできる任意適当な装置でよい。好適な実施例では衝撃波発生器４２は、１対の電極４６に電気的に接続したコンデンサ・バンク（ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｂａｎｋ）４４を備える。電極４６は流体槽３６内に入れた流体３８の源内に浸してある。電極４６は比較的短い距離を互いに隔てて位置させた端部４８を持つ。各スイッチ５０は、コンデンサ・バンク４４と電極４６の１つとの間に電気的に接続されこれ等両者間の電気径路を電気的に断続する。

ハイドロフォーミング本装置２０を管状部材３０の両端部に１対の槽３６と密封ヘッド４０と衝撃波発生器４２とを持つものとして示してあるが、装置２０が管状部材３０の一端部３２に連通する状態に単一の槽３６、密封ヘッド４０及び電気衝撃波発生器４２を備えることができるのはもちろんである。この場合管状部材３０の他端部は密封し又は締切る。

作動時にはハイドロフォーミング装置２０は、初めに上下部の型ブロック２４、２６を開き、次いで管状部材３０を内部型空洞２８内に位置させることにより初めに設定する。上下部のブロック２４、２６は次いで図２及び図３に示すように閉じた位置に動かす。次いで管状部材３０の端部３２は図２に示すように対の密封ヘッド４０で密封する。管状部材３０は次いで、槽３６内に入れた流体３８の源から流体を満たす。電気エネルギーはコンデンサ・バンク４４内で生成するコンデンサ・バンク４４内に十分なエネルギーを蓄積した後スイッチ５０を作動しコンデンサ・バンク４４及び各電極４６間の電気径路を閉じる。各電極４６の端部４８を横切って高電流アークを放電する。このアークは周囲の流体を急速に蒸発させ高圧パルス又は衝撃波を生成する。この衝撃波は流体を経て比較的高い速度で伝わる。この流体は衝撃波を伝搬させる任意適当な媒体たとえば水又はオイルでよい。衝撃波は、図３に示すように内部型空洞２８の形状に合致するように中心区分３４を外方に膨張させることにより管状部材３０を急速に変形させる。

高速ハイドロフォーミング中の管状部材３０の急速な変形又は膨張によって、ハイパープラスチック金属成形条件（ｈｙｐｅｒｐｌａｓｔｉｃ ｍｅｔａｌ ｆｏｒｍｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）が生ずる。ハイパープラスチック金属成形条件によって、管状部材３０の比較的多量の伸びを生じさせることができる。このことは、各種のアルミニウム及びマグネシウム合金のような比較的低い金属成形性（ｍｅｔａｌ ｆｏｒｍａｂｉｌｉｔｙ）を持つ金属には特に有利である。高速ハイドロフォーミング法の一層大きい膨張性能によって、図１に示された車両フレーム１０のサイド・レール１２のようなフレーム部品の成形において一層大きい設計の融通性（ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ）を提供できる。

高速ハイドロフォーミングの若干の応用例では、変形膨張中に管状部材３０の各端部３２を「最終送り込みする」（ｅｎｄ ｆｅｅｄ）ことが必要である。最終送り込み中に管状部材３０の端部３２の一方又は両方を図３に示すように型空洞２８に向かい内方に押す。管状部材３０の端部３２を内方に動かすに伴い、変形した管状部材３０の長さは、管状部材３０の幅が増大し、空洞２８の形状に合致するに伴い減小する。最終送り込みは、変形中に管状部材３０の長さにわたって比較的一様な壁厚を得るのに役立つ。各端部３２は、任意適当な機構により、たとえば密封ヘッド４０に作動的に接続した流体圧アクチュエータにより動かすことができる。本方法は高速ハイドロフォーミング法を含むから、管状部材３０の端部送給も又同様に高速度で行われる。

管状部材３０内の流体を経て伝わる衝撃波は、他の方法たとえば機械式アクチュエータによっても生成できる。図４には機械式衝撃波発生器６０を示してある。機械式発生器６０は水又はオイルのような流体を満たした流体シリンダ６２を備える。流体シリンダ６２内にはピストン・アーマチュア（ｐｉｓｔｏｎ ａｒｍａｔｕｒｅ）６４を配置してある。ピストン・アーマチュア６４は電磁石６６により作動する。機械式衝撃波発生器６０はさらに、図２及び図３に例示した密封ヘッド４０と同様な機能を持つ密封ヘッド６８を備える。密封ヘッド６８は、図２及ぶ図３に例示した型２２と同様な型７４内に位置させた管状部材７２の端部７０を密封する。型７４は内部型空洞７６を持つ。型空洞７６は、図１に示す車両フレーム１０のサイド・レール１２又はクロス・メンバ１４のような最終高速ハイドロフォーミング処理製品の所望の形状及び寸法に合致するように形成してある。

作動時には電磁石６６を管状部材７２に向かう方向にピストン・アーマチュア６４を急速に加速するように付勢する。ピストン・アーマチュア６４の急速加速により流体シリンダ６２に入れた流体に衝撃波を生じ管状部材７２を膨張させ型７４の内部型空洞７６の形状に合致させる。所望により機械式衝撃波発生器６０は、管状部材７２の端部７０を型空洞７６に向かい内方に押す端部送給装置を備えてもよい。管状部材７２を同時に変形させるように、管状部材７２の各端部に１対の機械式衝撃波発生器６０を位置させてもよい。

以上本発明による原理及び方式について述べたが本発明はその精神を逸脱しないで種種の変化変型を行うことができるのはもちろんである。

本発明による高速ハイドロフォーミング法により形成した部品部材を含む車両フレームの斜視図である。 本発明による高速ハイドロフォーミング法を実施する装置の縦断面図である。 図２に示した装置を成形ステップで示す縦断面図である。 本発明装置の実施例の縦断面図である。

符号の説明

１０ 車両フレーム
２２ 型
２８ 内部型空洞
３０ 管状部材

Claims (5)

1. 車両フレーム部材を高速ハイドロフォーミング法により形成する方法において、
   ａ．内部型空洞を持つ型を用意するステップと、
   ｂ．管状部材を用意するステップと、
   ｃ．この管状部材を前記型空洞内に位置させるステップと、
   ｄ．前記管状部材に流体を満たすステップと、
   ｅ．この流体内に衝撃液を生成し、前記管状部材を膨張させ、前記内部型空洞の形状に合致させることにより、車両フレーム部材を形成するステップと、
   から成る方法。
2. さらに、前記管状部材の端部を、この管状部材の膨張中に前記内部型空洞内に送り込むステップを含む請求項１の方法。
3. 前記流体内にアークを放電することにより、前記衝撃波を生成する請求項１の方法。
4. 前記流体に連通する流体シリンダ内のピストンを急速に前進させることにより前記衝撃波を生成する請求項１の方法。
5. 前記ピストンを電磁界により前進させる請求項４の方法。

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