JP2006198646A - ハイドロフォーミング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 管体の途中に膨出部を有する製品をハイドロフォーミングにより製造する際に、成形高さが高くしかも平坦度が優れた膨出部を安定して得ることが可能なハイドロフォーミング方法を提供。
【解決手段】 膨出用孔３を有する下型１が上型２と組合され、前記膨出用孔３内に付勢力がかけられたカウンターパンチ４を配置した金型を用いてハイドロフォーミングする際に、カウンターパンチ４として、その表面粗さが、Ｒ部を含め前記膨出用孔の内壁面の表面粗さと同じかそれよりも小さいものを用いることにより、内圧及び軸押し力６を加えて材料を流動変形させるとき、材料を型の膨出用孔３内壁面及びカウンターパンチ４の表面にそって自由に流動させる。カウンターパンチの表面での材料流動を自由にさせることにより、材料流動が一部に偏ったり、膨出部７の一部に歪みが集中したりすることはなく、所望の成形高さや平坦度が得やすくなる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、自動車用エンジンの排気管等に用いられる金属管のハイドロフォーミング方法に関する。

ハイドロフォーミング技術は、センターピラーやエンジンクレードルといった自動車構造部材に加え、エキゾーストマニホールドやマフラー分岐管のような排ガス部材の製造への適用が進められており、今後、このような排ガス部材の製造への適用がさらに増加していくと考えられている。
ところで、ハイドロフォーミングは、金型内に設置された管体への成形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。

通常、排ガス部材の製造の際には、例えば図１に示すように、素管（ａ）にハイドロフォームを施して膨出部を形成し（ｂ）、その先端に孔を開けたり切断により形状を整えたりした後（ｃ）、他の部材と溶接接合している（ｄ）。
この際、前記膨出部の形成を自由張出し成形により行うと、膨出部への材料流入が不足してその頭頂部の減肉が著しく、例えば図２に示すように、溶接を行うために必要な成形高さを得ることが難しくなる。

そこで、膨出部の成形高さ及び平坦度を出すために、例えば非特許文献１に記載されているように、膨出部形成用孔内にカウンターパンチを配置する技術が採用されている。
すなわち、図３に示すように、下金型１に設けられた膨出用孔３にカウンターパンチ４を配置して、ハイドロフォーミングを行っている。
金型１，２内に設置された素管Ｍの両端を軸押しパンチ５で固定した後、前記軸押しパンチ５を貫通している通液孔（図示せず）から液体を圧入して管内の内圧を高めていくとともに前記軸押しパンチ５に軸押し力６を加えて膨出用孔内に材料を流入させて膨出部７を形成する。この際、膨出用孔３に配置され、かつ付勢力が加えられたカウンターパンチ４の作用により、カウンターパンチ４と金型１との間にコーナーＲが形成される。これによりカウンターパンチ４がない場合と比較して変形域が小さくなるため、割れが発生し難くなる（図４）。
第49回塑性加工連合講演会講演論文集（1998.11.21〜23），ｐ．323

ところで、ハイドロフォーミングにより形成された膨出部は、前記したように他の部材と溶接接合されるための所定の成形高さと平坦度が要求される。
しかしながら、成形内圧，軸押し込み量，或いはカウンターパンチ付勢力が同じ条件の下でハイドロフォーミングしても、成形高さや平坦度にバラツキが生じ、製造効率を悪くしている。
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、管体の途中に膨出部を有する製品をハイドロフォーミングにより製造する際に、成形高さが高くしかも平坦度が優れた膨出部を安定して得ることが可能なハイドロフォーミング方法を提供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、型の一部に膨出用孔を有する下型又は上型を、上型又は下型と組合せ、前記膨出用孔内に付勢力がかけられたカウンターパンチを配置した金型を用いてハイドロフォーミングする際に、カウンターパンチとして、その被成形材との当接面の表面粗さが、Ｒ部を含め前記膨出用孔の内壁面の表面粗さと同じかそれよりも小さいものを用いることを特徴とする。

本発明によれば、膨出用孔内に配置されるカウンターパンチとして、膨出用孔を形作る内壁面の表面粗さよりも大きくない表面粗さを有するものが用いられているので、内圧及び軸押し力が加えられて材料が流動変形するとき、材料は型の膨出用孔内壁面及びカウンターパンチの表面にそって自由に流動する。
このため、材料流動が一部に偏ったり、膨出金属の一部に歪みが集中したりすることはなく、所望の成形高さや平坦度が得やすくなる。

本発明者等は、型の一部に膨出用孔を有する下型又は上型を、上型又は下型と組合せ、前記膨出用孔内に付勢力がかけられたカウンターパンチを配置した金型を用いてハイドロフォーミングする際に、成形内圧，軸押し込み量，或いはカウンターパンチ付勢力が同じ条件の下でハイドロフォーミングしても、その他の条件の違いにより膨出部の成形高さや平坦度がばらつく原因について検討を重ねてきた。
その結果、型内面の潤滑性や潤滑剤の使用状況の違いにもよるが、潤滑条件が一定のもとでは、カウンターパンチ表面の表面粗さによる潤滑状況の違いが大きく影響していることを見出した。

カウンターパンチ表面の粗さが小さいと、内圧がかけられて素管構成材料が流動変形するとき、変形を拘束するものがないためにカウンターパンチ表面に当接した材料も自由に流動変形する。逆に、カウンターパンチ表面が粗く、摺動し難くなると、カウンターパンチ表面に当接した材料は流動が妨げられるために、当該部分は変形し難く、カウンターパンチ表面に当接していない部分にのみ変形が集中する。このため、変形が集中した部分が割れやすく、結果として、所望の成形高さや平坦度が得られなくなる。

本発明者等は、表面粗さを種々変更したカウンターパンチを用いたハイドロフォーミング試験を行って、上記現象を実験的に確認した。
以下にその試験方法及び試験結果を紹介する。
直径：４５ｍｍ，長さ：３５０ｍｍ，肉厚：２．０ｍｍのＳＵＳ４３０フェライト系ステンレス鋼高周波溶接鋼管を素管に用いた。
金型として、図３に示す構造を持ち、Ｓ５０Ｃ工具鋼製で、直線部内径：４５ｍｍ，膨出部内径：４２．７ｍｍで、両者の間のコーナーＲを１５Ｒとしたものを用いた。カウンターパンチもＳ５０Ｃ工具鋼製とし、直径：４２ｍｍ，高さ：２７．５ｍｍのものを用いた。
また、素管と金型及びカウンターパンチとの間に粘度：６７ｍｍ²／ｓのプレス油を塗布した。

カウンターパンチとして、その表面粗さが異なる３種類のものを使用した（表１）。
また、金型の膨出用孔内壁面の表面粗さは、Ｒａ≒１．４７μｍとした。なお、それぞれの表面粗さは、ポータブル式の表面粗さ計であるテーラーホブソン社製サートロニック「デュオ」により測定した。
そして、ハイドロフォーミングは、図５で示す負荷経路Ｇ＝５（成形内圧（ＭＰａ）：軸押込み量（ｍｍ）＝５：１）により割れが生じるまで行った。また、カウンターパンチへは、成形内圧の１／６になるように比例的な圧を加えた。

成形後、図６に示すような成形高さと膨出頭頂部のコーナーＲを測定した。ここで、膨出頭頂部のコーナーＲが小さいほど平坦度が高いと評価した。また、膨出部の裾野を１５Ｒにしており、膨出部先端を切断して溶接部を形成する際に直径：４２．７ｍｍを満たすには成形高さは１５ｍｍ以上必要であるため、成形高さが１５ｍｍ以上のものを成形性が良いと評価した。
表１に、用いたカウンターパンチの表面粗さと得られた成形体の成形高さ及びコーナーＲを、併せて示す。

上記表１の結果からもわかるように、カウンターパンチ表面の表面粗さを金型の膨出用孔内壁面の表面粗さよりも小さくしたカウンタ−Ａ，Ｂを用いてハイドロフォーミングしたものにあっては、高い成形高さと優れた平坦度を有する成形品が得られている。
これに対して、カウンターパンチ表面の表面粗さを金型の膨出用孔内壁面の表面粗さよりも大きくしたカウンタ−Ｃを用いてハイドロフォーミングしたものにあっては、成形性が悪かった。

ハイドロフォーミング製品の成形及び使用態様を説明する図 ハイドロフォーミング製品に発生しやすい割れ箇所を説明する図 カウンターパンチを用いてハイドロフォーミングする態様を説明する成形前の図 カウンターパンチを用いてハイドロフォーミングする態様を説明する成形後の図 ハイドロフォーミング時の負荷経路Ｇを説明する図 ハイドロフォーミング製品の成形性評価位置を示す図

符号の説明

１：下型 ２：上型 ３：膨出用孔 ４：カウンターパンチ
５：軸押しパンチ ６：軸押し力 ７：膨出部

Claims (1)

1. 型の一部に膨出用孔を有する下型又は上型を、上型又は下型と組合せ、前記膨出用孔内に付勢力がかけられたカウンターパンチを配置した金型を用いてハイドロフォーミングする際に、カウンターパンチとして、その被成形材との当接面の表面粗さが、Ｒ部を含め前記膨出用孔の内壁面の表面粗さと同じかそれよりも小さいものを用いることを特徴とするハイドロフォーミング方法。

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