JP2005262241A - 管体のハイドロフォーミング方法 - Google Patents

管体のハイドロフォーミング方法 Download PDF

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Masahito Otsuka
雅人 大塚
Junji Sugama
淳史 須釜
Shigeru Morikawa
茂 森川
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Nisshin Steel Co Ltd
日新製鋼株式会社
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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SSと座屈限界線SZ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SS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SSを横切っても、座屈限界線SZ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SZ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SZ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SSを横切っているものの座屈限界線SZ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 (1)

  1. 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。
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