JP2005262241A

JP2005262241A - 管体のハイドロフォーミング方法

Info

Publication number: JP2005262241A
Application number: JP2004075077A
Authority: JP
Inventors: Masahito Otsuka; 雅人大塚; Junji Sugama; 淳史須釜; Shigeru Morikawa; 茂森川
Original assignee: Nisshin Steel Co Ltd; 日新製鋼株式会社
Priority date: 2004-03-16
Filing date: 2004-03-16
Publication date: 2005-09-29

Abstract

【目的】管体への内圧と軸押し込み量の組合せ付与によって管体をハイドロフォーミングする際、高強度，薄肉の管体であっても成形不良の発生を無くし、信頼性の高い成形品を生産性良く成形する。
【構成】被加工素管の材質およびサイズ、ならびに成形しようとする形状に応じて、内圧と軸押込み量との間で予め割れ限界線Ｗおよびしわ座屈限界線Ｓを作成し、前記しわ座屈限界線に近接するように、或いは前記しわ座屈限界線Ｓを一部横切るように負荷経路ｙで前記内圧と軸押込み量を組合せて連続的に付与し、所定軸押込み量になった時点で、前記割れ限界線およびしわ座屈限界線の間の所定内圧までのｚの量の内圧のみを付与する。
肉厚変化が少ないために信頼性の高い製品が得られる。しわが発生しても、その後に加えられた内圧で所望形状に修復される。
【選択図】図６

Description

本発明は、自動車用サスペンションメンバー材等の製造に適用されるハイドロフォーミング方法に関する。

近年ハイドロフォーム技術は、部品の軽量化，剛性の向上，部品数削減によるコスト削減等の観点から自動車業界において注目されており、国内メーカーでの採用も増えている。ハイドロフォーミングは、金型内に設置された管体への負荷内圧と軸押し込み量の組合せによって管体を様々な形状に成形するものである。
しかし、ハイドロフォーミングでは、最終的な内圧と軸押し量が同じでも途中の負荷経路が異なると、最終的な成形品の出来映えが全く変わってくるという問題点がある。例えば、目標とする最終内圧と軸押し量が同一でも負荷経路によっては、途中で割れたり、割れないまでもしわが出たり、コーナー部形状が目標値に達しない等の不良品が発生することが多い。適切な負荷経路の設定には困難を要し、試行錯誤で設定しているのが現状である。

一例として、特許文献１では、管体に内圧を負荷して昇圧した後、軸押し込みをかけ、再び昇圧する工程が紹介されている。また、特許文献２では、管の初期座屈荷重と、成形に伴い増加して行く材料内の内圧上昇分、材料と金型との摩擦分、材料の塑性変形分といったパンチに及ぼす抵抗分の合力を軸押し力とし、成形内圧の上昇にほぼ比例して軸押し力を負荷して行く軸押し制御方法が提案されている。

上記特許文献１で提案された方法では、最初の昇圧はシーリングを目的とした軸押込みを除き軸押込みなしの完全昇圧である。そして次の軸押込みは昇圧なしの完全軸押込みである。そのため、初期の昇圧によって成形品の板厚を大きく減少させてしまい、その後の軸押込み前に成形品が割れることがある。割れないまでも、軸押込み時において軸押込み量の過剰によるしわの発生や座屈を起こしやすくなる。
また、上記特許文献２で提案された方法では、チューブ成形時に、軸押し力は成形内圧，摩擦抵抗，塑性変形における抵抗といった数種の合力を制御しなければならないが、加工中の摩擦抵抗，塑性変形における抵抗を計測することは困難である。また、これらの抵抗力を計測するために、設備が複雑化するといった問題点が生じる。

そこで、本発明者等は、管体への内圧と軸押し込み量の組合せ付与によって管体をハイドロフォーミングする際、負荷経路を割れやしわの発生領域を回避するように制御して、それらを原因とした成形不良の発生をなくすために、管体を内圧と軸押し込み量の組合せ付与によってハイドロフォーミングする際、被加工素管の材質およびサイズ、ならびに成形しようとする形状に応じて、内圧と軸押込み量との間で予め割れ限界線およびしわ座屈限界線を作成し、加工開始当初から内圧と軸押込み量を前記割れ限界線およびしわ座屈限界線の間で連続的に付与することを、特許文献３で提案した。

特開２００２−６６６４８号公報特開２００１−２８６９４５号公報特願２００３−２３０００号

しかし、昨今、部品の軽量化，剛性の向上の観点から、自動車用サスペンションメンバー材等に用いられる材料にも、高強度化，薄肉化の要望が高まっている。高強度，薄肉の管体をハイドロフォーミングしようとすると、材料強度が高くなるほど、また板厚が薄くなるほど、前記割れ限界線およびしわ座屈限界線で囲まれる成形可能領域は次第に狭くなって、ハイドロフォーミングし難くなる。
ところで、ハイドロフォーミングされた成形品にあっては、外観を重要視するものと、機械的特性を重要視するものとがある。成形品の外観をさほど重要視することなく機械的特性を重要視するものにあっては、割れを発生させることなく、生産性良くハイドロフォーミングすることが望まれる。
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、管体への内圧と軸押し込み量の組合せ付与によって管体をハイドロフォーミングする際、高強度，薄肉の管体であっても成形不良の発生を無くし、信頼性の高い成形品を生産性良く成形することを目的とする。

本発明のハイドロフォーミング方法は、その目的を達成するため、管体を内圧と軸押し込み量の組合せ付与によってハイドロフォーミングする際、被加工素管の材質およびサイズ、ならびに成形しようとする形状に応じて、付与内圧と軸押込み量との間で予め割れ限界線およびしわ座屈限界線を作成し、前記しわ座屈限界線に近接するように、或いは前記しわ座屈限界線を一部横切るように前記内圧と軸押込み量の組合せ付与を連続的に行ない、所定軸押込み量になった時点で、前記割れ限界線およびしわ座屈限界線の間の所定内圧まで内圧の付与のみを行なうこと特徴とする。

本発明によれば、被加工素管の材質およびサイズ、ならびに成形しようとする形状に応じて、内圧と軸押込み量との間で予め割れ限界線およびしわ座屈限界線を作成し、前記しわ座屈限界線に近接するように、或いは前記しわ座屈限界線を一部横切るように前記内圧と軸押込み量の組合せ付与を連続的に行ない、所定軸押込み量になった時点で、前記割れ限界線およびしわ座屈限界線の間の所定内圧まで内圧の付与のみを行なっている。したがって、内圧と軸押込み量の負荷経路が前記割れ限界線と交差することがないので割れを発生させることはない。しかも、内圧と軸押込み量の負荷経路が前記割れ限界線から離れているために、均一な減肉で成形される。このため、機械的特性が均一なハイドロフォーミング製品が得られる。
内圧と軸押込み量の負荷経路がしわ座屈限界線を横切るために、成形途中で微小なしわが生じるが、最終段階で内圧のみを加えて所望形状に修復成形しているので、この段階でしわも消滅し、外観的にも問題のないハイドロフォーミング製品が得られる。

ハイドロフォーミングは、図１に示されるような装置を使用して行われる。すなわち、下金型３にセットした円形断面の管体１にプレスにより上金型２を押し当て、軸４による押込みと液体５による昇圧を加えて成形していく。
本発明では、予め、被加工素管の材質およびサイズ、ならびに成形しようとする形状に応じて、内圧と軸押込み量との間で割れ限界線およびしわ座屈限界線を作成しておくので、まず、その作成手順について説明する。

成形しようとする成形品形状に応じた金型に、被加工素管をセットする。成形においては軸押込み量と内圧量は一定の比率で増加させていく。軸押込み量Ｕと内圧Ｐとで、Δｐ／Δｕ＝Ｇ（単位はＭＰａ／ｍｍ）とし（ただし、Δｐ：内圧の増分、Δｕ：軸押込み量の増分）、本明細書中ではこの値を“負荷経路”と称することにする。成形を進めていく段階でしわや割れが発生する。その時点の内圧値と押込み量を検出する。図２に示すように、Ｇを種々変えて、各Ｇに対応する内圧値と押込み量を網羅的に調べ、グラフ上にプロットして、それらの点をつなぐ近似線を設定する。図２中、割れが発生した×点をつなぐ線が“割れ限界線Ｗ”であり、しわ乃至座屈が発生した×点をつなぐ線が“しわ座屈限界線Ｓ”である。

実際のハイドロフォーム加工品においては、しわ等がないばかりでなく、コーナー部が小さく成形できていることも要求される。したがって、上記２つの限界線とは別に、成形しようとする成形品に応じて目標の“コーナー部限界線Ｒ”を上記限界線設定試験の途中で、成形品形状から判定し、設定する。
上記“割れ限界線Ｗ”，“しわ座屈限界線Ｓ”および“コーナー部限界線Ｒ”で囲まれる領域Ｐが、割れることなく、またしわや座屈を発生させることなく、しかも所望のコーナーＲを有する製品を成形することが可能なハイドロフォーミングの条件となる（図３参照）。すなわち、図４に示すように、しわ座屈限界線Ｓを通過することがないように、図中ａ，ｂで示す負荷経路を選択・調整して上記領域Ｐまで内圧を高めつつ軸押込みを増加して行けば、不良品を出すことなく所望のコーナーＲを有する製品がハイドロフォーミングで成形できることになる。

ところで、ハイドロフォーミングで成形しようとする被加工素管の材質や板厚によって、前記割れ限界線Ｗ，しわ座屈限界線Ｓの位置が変わってくる。
本発明者等が種々検討したところ、大よそ、次のようなことがわかった。
被加工素管の材質が高強度化すると、例えば図４に示す割れ限界線Ｗは上方に移動する。また、しわ座屈限界線Ｓは同図上で左上方に移動するとともに傾きもわずかに大きくなるように変化する。材料強度が高いほど限界内圧は高くなるために、割れ限界線Ｗは上方に移動し、降伏強度が高いほど低い内圧でしわが発生しやすいために、しわ座屈限界線Ｓは左上方に移動すると考えられる。さらに、コーナー部限界線Ｒも同図上で上方に移動するような形態となる。その結果、被加工素管の材質が高強度化するにつれ、成形可能領域は次第に狭くなる。さらにまた、しわ座屈限界線Ｓは、軸押込み量が少ない領域ではしわ限界線Ｓ_Sと座屈限界線S_Zに明確に分岐される。
被加工素管の板厚が薄肉化すると、割れ限界線Ｗ，しわ座屈限界線Ｓおよびコーナー部限界線Ｒの位置は大きく移動する。すなわち、板厚が薄肉化すると、しわ座屈限界線Ｓは傾きを減じて下方に移動する。割れ限界線Ｗも傾きを減じて下方に移動する。さらに、コーナー部限界線Ｒも下方に移動する。そして、しわ座屈限界線Ｓの移動量よりも割れ限界線Ｗの下方への移動量の方が大きいので、成形可能領域は大幅に減少することになる。

したがって、被加工素管として高強度で、板厚の薄いものを用いてハイドロフォーミングしようとすると、成形不良を生じさせることなく成形するための内圧と軸押込み量の負荷経路の設定は極めて難しくなる。
ところで、ハイドロフォーミング技術を用いて自動車用サスペンションメンバー材等に用いられる部品を製造しようとするとき、コーナーＲ等も含めて製品外観も重要視されるるが、最も重要視されるのは製品強度である。製品強度が要求されるハイドロフォーミング製品にあっては、成形後の板厚減少が抑制されることが望ましい。
そこで、内圧と軸押込み量の負荷経路の好ましい範囲から外れて成形された場合に、成形品の板厚が部位に応じてどのように変化するかを検討した。

所定板厚で所定径の素管から、割れ限界線Ｗとしわ座屈限界線Ｓが予め作成されたハイドロフォーミング法で、図５に示す形状の成形品を、図６に示す２つの負荷経路ｘ，ｙを採って成形した。
負荷経路ｘは、割れ限界線Ｗとしわ座屈限界線Ｓの間のほぼ中央を経由しているので、割れやしわを発生させることなく、奇麗な外観の成形品が得られる。これに対して、負荷経路ｙを採ると、この経路は、しわ限界線Ｓ_Sを横切るため、成形品にはしわが発生している。負荷経路ｙを採り、軸押し込みを終えた段階では、長手方向の寸法は確保できているが、膨らませ方は未だ十分ではない。

２つの負荷経路ｘ，ｙでハイドロフォーミングした成形品について、それぞれ図５に示した成形品中央の円周方向、および成形品コーナーＲ部の長手方向について、板厚の減少状況を観察した。その結果、いずれの負荷経路で成形したものも、成形品中央の円周方向のコーナーＲ部近傍では他の部位に比べて板厚が減少していた。しかし、コーナーＲ部近傍の板厚減少度合いをみると、負荷経路ｘで成形したものの方が負荷経路ｙで成形したものよりも板厚減少度合いは大きかった。
製品強度が要求されるような成形品にあっては、板厚減少が少ない負荷経路ｙで成形することが優位であることがわかる。

しわ座屈限界線Ｓを横切る負荷経路ｙを採って成形すると、しわや座屈が発生するので、板厚減少を少なくしつつしわや座屈の発生を抑えた成形を行なうためには、しわ座屈限界線Ｓを横切ることなく、しかもその限界線Ｓに近接した経路を採って、内圧および軸押し込みを付与していくことが好ましい。
しかし、負荷経路がしわ限界線Ｓ_Sを横切っても、座屈限界線Ｓ_Zを横切らなければ、しわが発生するだけで、製品強度を損なうことはない。そして、図５に示したような成形では、十分に膨らませるだけの内圧は未だ加えられていない。そこで、図６中、ｚに相当する分の内圧を、軸押し込みを行なわない状態で加えると、所定形状に膨らみ、その過程でしわも消滅してしまう。
ただし、負荷経路が座屈限界線Ｓ_Zをも横切ってしまうとしわ発生の他に座屈も生じるので、その後の内圧の付与によっても外観形状を修復することが難しくなる。したがって、負荷経路の設定にあたっては、座屈限界線Ｓ_Zを横切らないような経路を選択する必要がある。

供試材として、高周波溶接で造管されたＳＴＡＭ４４０Ｇ，外径６３．５ｍｍ，肉厚２．０ｍｍ，長さ４００ｍｍの鋼管を使用した。その機械的特性を表１に示す。金型には図７に示すような６３．５ｍｍ×８５ｍｍの長方形断面形状を有するものを使用した。なお、バルジ長さは１７０ｍｍである。型締め力は１１０ｔｏｎとし、潤滑油として粘度６０ｍｍ²／ｓ（４０℃）のものを使用した。さらに、軸押し装置をして最大６０ｔｏｎのプレス装置を使用した。
そして、最終成形内圧は６０ＭＰａ、最終両管端軸押込み量を７５ｍｍとした。
成形可能範囲は図８に示すように、事前調査により求めており、目標コーナー部を２１Ｒ以内とした。

負荷経路として、図８のｍ，ｎで示されるように２つの負荷経路を採用してハイドロフォーミングを行った。
負荷経路ｍでは、前述のＧ（ＭＰａ／ｍｍ）を２として、昇圧と軸押し込みを開始し、内圧が３０ＭＰａに、両管端の軸押込み量が１５ｍｍに達した後、Ｇを０．５に変えて成形を進め、最終成形内圧６０ＭＰａ，最終両管端軸押込み量７５ｍｍに達した時点で成形を終了した。
負荷経路ｎでは、上記と同様にＧ（ＭＰａ／ｍｍ）を２として、昇圧と軸押し込みを開始し、内圧が２０ＭＰａに、両管端の軸押込み量が１０ｍｍに達した時点で、Ｇを０．５に変えて成形を進め、成形内圧５０ＭＰａ，両管端軸押込み量７５ｍｍに達するまでの成形を行なった。負荷経路ｎを採った成形法では、両管端の軸押込み量が７５ｍｍに達した時点で軸押し込みをやめ、内圧を加えるのみで最終成形内圧が６０ＭＰａになるまで昇圧して成形を終了した。

ｍ，ｎの２つの負荷経路で成形したいずれの成形品も割れやしわの発生は観られず、外観的に問題はなかった。負荷経路ｎを採ったものにあっては、しわ限界線Ｓ_Sを横切っているものの座屈限界線Ｓ_Zを横切っていないので、しわのみが発生したと思われるが、最終段階での内圧の付与により、発生していたしわも修復されたものと思われる。
次に、図５に示した成形品中央の円周方向、および成形品コーナーＲ部の長手方向に沿って成形品を切断した。そして図９に示すように、（ａ）中央の円周方向、および（ｂ）コーナーＲ部の長手方向の各部位について、板厚変化率を測定した。その結果を図１０に示す。

図１０に示す結果からもわかるように、いずれの負荷経路ｍ、ｎで成形したものも、コーナーＲ部近傍では他の部位に比べて板厚が減少していた。しかし、コーナーＲ部近傍の板厚減少度合いをみると、負荷経路ｍで成形したものの方が負荷経路ｎで成形したものよりも板厚減少度合いは大きかった。負荷経路ｍで成形した成形品にあっては、コーナーＲ部近傍は板厚の２５％近くも減少しており、外力が加わるような部品として使用するには不安が残る。これに対して、負荷経路ｎで成形した成形品では、最大１５％程度の減少で収まっており、局部的な減肉となっておらず、製品強度が十分に確保でき、外力が加わるような部品にも十分に使用可能である。

以上に説明したように、本発明によれば、外観をさほど低下させることなく、板厚減少割合の少ない成形品がハイドロフォーミング法で製造できる。
このため、高強度，かつ薄肉の素管を使用しても、不良品を出すことなく肉厚変化が少なく製品強度の高いハイドロフォーミング成形品を得ることができ、軽量で信頼性が高い自動車部品等を低コストで提供できることになる。

ハイドロフォーミング方法の概略を説明する図負荷経路Ｇの違いにより割れ限界線およびしわ座屈限界線の作成手順を説明する図割れやしわあるいは座屈を発生させることなく成形可能な条件範囲を説明する図割れやしわあるいは座屈を発生させることのない負荷経路を説明する図ハイドロフォーミング法で成形する成形品形状を説明する図図５に示す形状の成形品をハイドロフォーミングする際の負荷経路を説明する図実施例で用いた金型の断面形状を説明する図実施例で採用した２つの負荷経路を説明する図実施例で成形した成形品の板厚分布の測定個所を説明する図実施例で成形した成形品の板厚分布状況を説明する図

符号の説明

１：管体２：上金型３：下金型４：押込み軸５：液体Ｗ：割れ限界線Ｓ：しわ座屈限界線Ｒ：目標コーナーＲ限界線Ｐ：成形可能条件範囲Ｇ，ｘ，ｙ，ｚ，ｍ，ｎ：負荷経路

Claims

管体を内圧と軸押し込み量の組合せ付与によってハイドロフォーミングする際、被加工素管の材質およびサイズ、ならびに成形しようとする形状に応じて、付与内圧と軸押込み量との間で予め割れ限界線およびしわ座屈限界線を作成し、前記しわ座屈限界線に近接するように、或いは前記しわ座屈限界線を一部横切るように前記内圧と軸押込み量の組合せ付与を連続的に行ない、所定軸押込み量になった時点で、前記割れ限界線およびしわ座屈限界線の間の所定内圧まで内圧の付与のみを行なうことを特徴とする管体のハイドロフォーミング方法。