JP2005205488A - 金属管の加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 同一金型を用いた曲げ加工，ハイドロフォーミングにより、素管Ｍ₀から製品プロフィールをもつ製品管Ｍ₂を製造する。
【解決手段】 凹内面１aをもつ受け金型１と凸内面２aをもつ押し金型２との合せ面に軸押しパンチ５，６を備え、凹内面１aに穿設した孔部３にカウンターパンチ４を挿入したハイドロフォーミング金型を用い、ハイドロフォーミング金型にセットした素管Ｍ₀内に加圧流体を送り込み、軸押しパンチ５，６を金型方向に押し込んで素管Ｍ₀に圧縮力を加えながら、素管Ｍ₀を曲管Ｍ₁に曲げ加工する。次いで、曲管Ｍ₁に圧縮力，内圧Ｐを加えながら加工中の張出し高さに同調してカウンターパンチ４を製品プロフィールに相当する位置まで移動させ、曲管Ｍ₁を製品管Ｍ₂に成形する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、車両用排気管を始め、曲管部や分岐部をもつ各種流体輸送管の製造に適した加工方法に関する。

自動車，二輪車等の車両用排ガス系統には、車体形状に応じて曲げ加工，バルジ加工した金属管や所定個所に分岐口を空けた金属管が使用されている。通常は、所定形状にプレス加工した素管を溶接する方法で製造されるが、複雑形状の素管を溶接しているので溶接不良，溶接部の強度低下等が生じやすい。プレス，溶接の多工程を経ることは製造コスト低減のネックでもあり、工数の削減が望まれている。
複雑形状の製品管を製造する方法として、割り型にセットした素管の内部に高圧流体を導入し、流体圧で割り型の内面形状に対応するプロフィールに素管を成形するハイドロフォーミング法が知られており、車両用排ガス系統への適用も検討されている。家電，空調，サニタリ，建築，電力，ガス，水道等の分野で使用される曲管や分岐管も同様な方法で製造可能である。

ハイドロフォーミングされる素管は、通常、中間段階の曲管形状に予成形されている。被加工物に鋼管を使用する場合、別工程で鋼管を予成形した後、ハイドロフォーミング用金型に鋼管をセットし、内圧，軸押込みによって目標形状に成形する。しかし、予成形工程で曲げ加工された金属管は曲げ部の肉厚が増減しており、ハイドロフォーミング時に加わる内圧，軸押込み力に対する変形抵抗が肉厚に応じて異なるため、割れ，皺等の加工欠陥が発生しやすい。なかでも、曲げ部外側の肉厚は、張出し加工が困難な程度に著しく減少する傾向にある。

曲げ加工時の偏肉は、浮動プラグを素管に挿入した状態で曲げ加工することにより抑制される（特許文献１）。素管内径よりも大きな径の浮動プラグを素管に挿入し、浮動プラグを相対移動させながら拡管，曲げ加工すると、曲げ方向に沿って浮動プラグが偏心し、管軸方向の圧縮変形が偏心側で大きくなり、曲げ部の扁平，偏肉が抑えられる。
ハイドロフォーミング時、張出し部となる側の素管押込み量を大きく設定することによっても偏肉が少なくなる。局部的に大きな押込み量は、管端が傾斜した素管や段部付き拡径部を管端に形成した素管を使用することにより達成できる（特許文献２）。
特公平6-42967号公報 特開2003-71528号公報

しかし、ハイドロフォーミング前に別途曲げ加工又は予成形することは、工数の増加を意味し、生産性向上のネックとなりやすい。曲げ又は予成形工程からハイドロフォーミング工程に素管を搬送しセットすることや、比較的作業スペースの少ない工場内空間を有効利用する上でも改善の余地があり、同一設備を用いた曲げ加工，ハイドロフォーミングが望まれる。

本発明は、素管曲げ加工時のメタルフローに関する調査・検討結果から得られた知見をベースとし、曲げ加工時の素管に圧縮力を加え、ハイドロフォーミング時にカウンターパンチを移動制御することにより、同一金型内での曲げ加工，ハイドロフォーミングによって素管を加工欠陥のない製品プロフィールに成形することを目的とする。

本発明は、製品プロフィールを区画する凹内面をもつ受け金型と凸内面をもつ押し金型との合せ面両側に軸押しパンチを備え、凹内面に穿設した孔部にカウンターパンチを移動自在に設けたハイドロフォーミング金型を用い、同一金型内で素管を曲げ加工し、製品プロフィールにハイドロフォーミングする。

ハイドロフォーミング金型にセットした素管内に加圧流体を送り込み、軸押しパンチを金型方向に押し込んで素管に圧縮力を加えながら、受け金型に押し金型を押し込んで素管を曲管に曲げ加工する。次いで、曲管に圧縮力及び内圧を加えながら加工中の張出し高さに同調してカウンターパンチを製品プロフィールに相当する位置まで移動させ、曲管を製品管に成形する。

曲げ加工時には、軸押しパンチの押込みにより曲管の長手方向線長を素管長さ以下に設定することが好ましい。加圧開始当初から軸押込みによる圧縮，内圧が素管に加えられるが、内圧-軸押込み量の二次元平面において割れ限界線，皺座屈限界線，張出し高さ限界線で区画される領域内で軸押込み量，内圧を増加させると、割れ，皺，座屈等の加工欠陥が抑えられた製品プロフィールに成形される。割れ限界線，皺座屈限界線，張出し高さ限界線は、素管の材質，サイズ，製品プロフィールの張出し部形状に応じて予め作成できる。

本発明では、素管Ｍ₀の外径に対応するサイズの溝が形成された受け金型１，押し金型２を組み合わせたハイドロフォーミング用金型に使用している（図１a）。金型１，２の内面１a，２aは、製品プロフィールに対応するキャビティを区画する。受け金型内面１aは中央が凹んだ凹面に形成されており、素管Ｍ₀の管軸方向に直交する孔部３がほぼ中央に開口している。孔部３には、孔部３の長手方向に沿って移動可能なカウンターパンチ４が挿入される。押し金型内面２aは凸曲面をもち、中央の突出部２bが孔部３に対向している。

金型１，２の合せ面に、両側から軸押しパンチ５，６が挿し込まれている。軸押しパンチ５，６は、素管Ｍ₀の管軸方向に沿って移動可能に配置される。
曲げ加工では、素管Ｍ₀に内圧を加えながら受け金型１に押し金型２を押し込むことにより、素管Ｍ₀が中間形状の曲管Ｍ₁に成形される（図１b）。受け金型１の押込みと同時に軸押しパンチ５，６を管軸方向に押し込み、素管Ｍ₀の圧縮変形で生じるメタルフローによって曲げ変形時の肉不足を解消する。

曲げ加工時に軸押しパンチ５，６の押込みにより曲管Ｍ₁の長手方向線長Ｌ₁を素管長さＬ₀以下に設定すると、パンチ５，６の押込みで生じたメタルフローにより曲げ外周部分の線長増加に伴う肉厚減少が抑えられる。
次いで、内圧Ｐを加えながら軸押しパンチ５，６を曲管Ｍ₁に更に押し込むと、加工中の張出し高さに同調してカウンターパンチ４が移動し、目標とする製品プロフィールに成形される（図１c）。偏肉が抑えられた曲管Ｍ₁から製品管Ｍ₂が成形されるので、従来のハイドロフォーミングで生じがちであった割れ，皺等の加工欠陥がない良好な形状の製品管Ｍ₂が得られる。

素管Ｍ₀が曲管Ｍ₁を経て製品管Ｍ₂に成形加工される際、軸押しパンチ５，６の軸押込みによって張出し部Ｂに材料が供給され、張出し部Ｂの減肉が抑制される。内圧に対する軸押込み量の比率が大きくなるほど大きな減肉抑制効果が得られるが、過剰な軸押込み量は皺発生の原因となるので、内圧負荷に対する最適な比率で軸押込みする必要がある。そこで、素管の材質，サイズ，製品プロフィールの張出し部形状に応じて割れ限界線，皺座屈限界線，張出し高さ限界線を予め作成しておき、内圧-軸押込み量の二次元平面において割れ限界線，皺座屈限界線，張出し高さ限界線で区画される領域内で内圧，軸押込み量を増加させることが好ましい。

割れ限界線，皺座屈限界線は、たとえば次の手順で求められる。
金型１，２にセットした素管Ｍ₀に加える軸押込み量Ｕ，内圧Ｐを一定比率で負荷する負荷経路Ｇ（ΔＰ／ΔＵ）で増加させ、皺や割れの発生状況を調査する。比率Ｇを種々変えながら、皺や割れが発生した時点の軸押込み量Ｕ，内圧Ｐを測定する。測定結果を軸押込み量Ｕ-内圧Ｐの二次元平面にプロットし、割れが発生した座標位置を結ぶと割れ限界線Ｗ，皺や座屈が発生した座標位置を結ぶと皺座屈限界線Ｓが求められる（図２）。割れ限界線Ｗ，皺座屈限界線Ｓに挟まれた座標領域が、割れや皺の発生がなく製品プロフィールに成形できる加工条件を表す。割れ限界線Ｗ，皺座屈限界線Ｓは、素管Ｍ₀の材質，サイズ，製品プロフィールに応じて定まる特性曲線であることから、予め作成しておくことが可能である。

素管Ｍ₀が曲管Ｍ₁を経て製品管Ｍ₂に成形加工される際、加工段階に応じて軸押込み量Ｕ，内圧Ｐを上昇させるが、割れ限界線Ｗ，皺座屈限界線Ｓを横切らない経路(１)→(２)を経るとき、割れや皺のない製品プロフィールに成形できる。
割れ限界線Ｗ，皺座屈限界線Ｓに加え張出し高さ限界線ｈを予め求めておくことで、張出し部Ｂの張出し高さｈを制御できる（図３）。張出し高さ限界線ｈは，図２に示すように種々の負荷経路によって求めた同一の張出し高さの座標を結ぶことにより得られる。目標とする張出し高さをもつ製品管Ｍ₂は、割れ限界線Ｗ及び皺座屈限界線Ｓで挟まれた座標領域を通り張出し高さ限界線ｈ以上の軸押込みで内圧を負荷することにより成形できる。

このように曲げ加工，ハイドロフォーミングを組み合わせるとき、一連の工程を同一金型で実施でき、予成形工程が別途必要であった従来のハイドロフォーミング法に比較して生産性が飛躍的に向上する。オーステナイト系は勿論、難加工性材料であるフェライト系のステンレス鋼管も欠陥のない製品プロフィールに成形でき、ステンレス鋼本来の優れた耐食性，高温強度，高温疲労特性等を活用した製品が得られる。

直径：４５ｍｍ，長さ：３００ｍｍ，肉厚：２.０ｍｍのSUS430ステンレス鋼高周波溶接管を素管Ｍ₀に用いた。図４の寸法をもつS50C工具鋼製金型を受け金型１，押し金型２に使用し、素管Ｍ₀と金型１，２との間に粘度：６７ｍｍ²／ｓのプレス加工油を塗布した。
金型１，２に素管Ｍ₀をセットした後、内圧Ｐ：４１ＭＰａを素管Ｍ₀に加えた状態で押込み圧：１５０トンで押し金型２を４９.７ｍｍまで押し込み型締めした。このとき、押し金型２の押込みに同調して、９.８ｍｍづつ各軸押しパンチ５，６を素管Ｍ₀に押し込んだ。成形された曲管Ｍ₁（図５）の外周部Ｍoutの最大減肉率を式（１）に従って計算したところ５％であった。
減肉率（％）＝(素管肉厚−曲げ後の外周部肉厚)／素管肉厚×１００ ・・・・(１)

次いで、最終的な内圧Ｐを１６８ＭＰａ，軸押しパンチ５，６それぞれの追加押込み量を２８ｍｍに設定し、曲管Ｍ₁を製品管Ｍ₂にハイドロフォーミングした（図６）。ハイドロフォーミング時、加工の進展に伴い比例関係で内圧Ｐ，軸押込み量Ｕを増加させた（図７）。製造された製品管Ｍ₂（図８）について、張出し部Ｂの最大減肉率を式（２）に従って算出したところ２５％であった。
減肉率（％）=(素管肉厚−張出し部の肉厚)／素管肉厚×１００ ・・・・(２)

更に、曲げ加工，ハイドロフォーミング時の加工条件を種々変更し、曲管Ｍ₁，製品管Ｍ₂への成形に及ぼす影響を調査した。表１の調査結果にみられるように、内圧Ｐを加えながら所定の軸押込み量で曲げ加工する工程，圧縮力及び内圧Ｐを加えながらハイドロフォーミングする工程の組合せ（パターン３）によって初めて割れや皺がない目標形状の製品管Ｍ₂を製造できることが判った。

直径：４５ｍｍ，長さ：３５０ｍｍ，肉厚：２ｍｍのSUS430ステンレス鋼高周波溶接管を素管Ｍ₀に用い、実施例１と同じ製品プロフィールに曲げ，ハイドロフォーミングした。素管Ｍ₀の材質，サイズ，製品プロフィールから予め求められた割れ限界線Ｗ，皺座屈限界線Ｓ，張出し高さ限界線ｈを図９に示す。本実施例では、張出し高さ限界線ｈを１５ｍｍとし、張出し高さが１５ｍｍ以上となることを目標とした。ハイドロフォーミングでは、内圧：４１ＭＰａ，片側の軸押込み量：９.８ｍｍで曲げ加工した後、三種類の負荷経路パターンに沿って内圧Ｐ，軸押込み量Ｕを増加させた（図１０）。
パターン(ａ)では、曲げ加工後に内圧Ｐを４１ＭＰａから１４５ＭＰａまで上昇させ、次いで片側の軸押込み量Ｕが９.８ｍｍから２７.５ｍｍになるまでパンチ５，６を押し込んだ。
パターン(ｂ)では、曲げ加工後に片側の軸押込み量Ｕが９.８ｍｍから２７.５ｍｍになるまではパンチ５，６を押し込み、次いで内圧Ｐを４１ＭＰａから１４５ＭＰａまで上昇させた。
パターン(ｃ)では、曲げ加工後、内圧Ｐ，片側軸押込み量Ｕの負荷経路ＧをＧ(ΔＰ／ΔＵ)＝５．９に設定してハイドロフォーミングし、内圧Ｐが１４５ＭＰａ，片側軸押込み量Ｕが２７.５ｍｍになるまで曲管Ｍ₁を成形した。
三パターンに沿って内圧Ｐ，軸押込み量Ｕを増加させながら成形した三種の製品管Ｍ₂を目視観察し、割れ，皺，座屈の発生状況を調査すると共に張出し高さを測定した。ハイドロフォーミングに及ぼす負荷経路Ｇの影響を表２に示す。
パターン(ａ)で製造された製品管Ｍ₂では、成形内圧Ｐ：９３ＭＰａで割れが発生した。割れ発生は、軸押込み量Ｕなしで内圧Ｐを増加させたことにより生じた肉厚減少が原因と考えられる。また、成形が張出し高さ限界線ｈに達しなかったため，張出し高さが目標値（１５ｍｍ）を下回る１０ｍｍに留まっていた。
パターン(ｂ)で製造された製品管Ｍ₂では、目標張出し高さ：１５ｍｍを達成できたものの、管端部に皺が発生していた。皺の発生は、内圧Ｐの増加なしに軸押込み量Ｕを増加させたことで過剰なメタルフローが生じた結果と考えられる。
パターン(ｃ)で製造された製品管Ｍ₂は、割れや皺の発生がなく、目標値を超える１６ｍｍの張出し高さが得られた。良好な製品プロフィールは、内圧Ｐ，軸押込み量Ｕの適正管理によって曲げ変形から張出し変形に至る各段階で適正量のメタルフローが生じ、製品管Ｍ₂の各部分が肉不足や肉余りなく成形されたことを意味する。
以上の結果から、割れ限界線Ｗ，皺座屈限界線Ｓ，張出し高さ限界線ｈで挟まれる領域内で内圧Ｐ，軸押込み量Ｕを増加させると、張出し部Ｂの成形に必要なメタルが軸押しパンチ５，６の押込みで過不足なく確保され、割れ，皺，座屈が発生することなく目標とする張出し高さを出すことができる。

以上に説明したように、素管Ｍ₀の軸方向に圧縮力を加えながら曲げ加工すると、圧縮変形で生じるメタルフローが曲げ加工時の肉不足を解消し、中間製品である曲管Ｍ₁の肉厚減少が抑えられる。その後、内圧，管軸方向の圧縮を加えるハイドロフォーミングで曲管Ｍ₁を製品プロフィールに成形しても、割れ，皺等の加工欠陥がない製品管Ｍ₂が得られる。この方法によるとき、同一金型を用いた曲げ加工，ハイドロフォーミングが可能なため、別に予成形工程を必要としていた従来のハイドロフォーミングに比較して生産性が大幅に向上し、各種流体輸送管を安価に提供できる。

素管（a）が曲管（b）を経て製品管（c）となるまでの過程を説明するフロー図 割れ限界線，皺座屈限界線を軸押込み量−内圧の二次元平面で表したグラフ 張出し高さ位置を示す図 実施例１で使用した金型の寸法を説明する図 曲げ加工で成形された曲管の断面図 ハイドロフォーミングの加工条件を説明する図 曲げ，ハイドロフォーミング時に加える軸押込み量と内圧の関係を示すグラフ 製品プロフィールに成形された製品管の断面図 実施例２で採用した割れ限界線Ｗ，皺座屈限界線Ｓ，張出し高さ限界線ｈを示すグラフ 実施例２で採用した内圧，軸押込み量の変化パターンを示すグラフ

符号の説明

１：受け金型 １a：受け金型内面 ２：押し金型 ２a：押し金型内面 ２b：押し金型突出部 ３：孔部 ４：カウンターパンチ ５，６：軸押しパンチ
Ｍ₀：素管 Ｍ₁：曲管 Ｍ₂：製品管 Ｍout：曲管外周部 Ｂ：張出し部
Ｌ₀：素管長さ Ｌ₁：曲管の長手方向線長
Ｗ：割れ限界線 Ｓ：皺座屈限界線 ｈ：張出し高さ限界線 Ｇ：負荷経路

Claims (3)

1. 凹内面をもつ受け金型と凸内面をもつ押し金型との合せ面両側に軸押しパンチを備え、凹内面に穿設した孔部にカウンターパンチを移動自在に設けたハイドロフォーミング金型を用意し、
   ハイドロフォーミング金型にセットした素管内に加圧流体を送り込み、軸押しパンチを金型方向に押し込んで素管に圧縮力を加えながら、受け金型に押し金型を押し込んで素管を曲管に曲げ加工し、
   次いで、曲管に圧縮力及び内圧を加えながら加工中の張出し高さに同調してカウンターパンチを製品プロフィールに相当する位置まで移動させ、曲管を製品管に成形することを特徴とする金属管の加工方法。
2. 曲げ加工時に各軸押しパンチの押込みにより曲管の長手方向線長を素管長さ以下に設定する請求項１記載の加工方法。
3. 素管の材質，サイズ及び製品プロフィールの張出し部形状に応じて定まる内圧-軸押込み量の二次元平面において割れ限界線，皺座屈限界線，張出し高さ限界線で区画される領域内で、加工開始当初から素管又は曲管に加える内圧，軸押込み量を増加させる請求項１記載の加工方法。

Images