JP2006305587A - アルミニウム製管材の端部拡管方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 アルミニウム製管材の端部を電磁成形により拡管加工してフランジを形成する場合において、低エネルギーで所定形状のフランジの形成を可能とする。
【解決手段】 アルミニウム製管材１４の端部を、予めプレス金型２０によるプレス成形により所定角度（傾斜半角ψ）に拡管加工し、その端部に略円錐台状の電磁成形用コイル２１を挿入し、前記拡管した端部を電磁成形によりさらに拡管加工してフランジ２２ａを形成する。プレス成形により傾斜半角ψまで予加工している分だけ、電磁成形に要するエネルギーが少なくて済む。コイル２１の傾斜半角αを、管材の端部の傾斜半角ψとほぼ同じとすることにより、コイル２１を管材の端部に近接して配置できる。
【選択図】 図７

Description

本発明は、電磁成形によりアルミニウム製管材の管端部を拡管加工してフランジを形成する端部拡管方法に関する。

自動車など輸送機の構造部品は、強度、剛性の観点から閉断面構造であるものが多い。この閉断面構造部品は、板材をプレス成形した後溶接する場合、ロール成形後に溶接し、管材として形成する場合、及び押出加工により形成する場合に大別される。

このように閉断面を形成したフレーム材を構造部品として用いる場合、管軸方向に対して略直交する部品に接合し、いわゆるＴ字形あるいはＬ字形の構造を形成することが必要になる場合が多い。従来、このような構造体を得る場合、隅肉溶接が用いられてきた。しかし、隅肉溶接で所定の強度を得るためには、接合部間のクリアランスを適切に保つ必要があり、高い形状精度が要求される。この形状誤差を吸収し、安定した接合を可能とするため、管端部にフランジ板を溶接し、このフランジ板を介して他部品と接合することがよく行われている。
しかし、フランジ板の溶接は、溶接に伴うコストアップあるいは熱変形による形状不整を招くことが多いという問題がある。

また、管端部をプレス成形などにより拡管加工し、接合用のフランジを形成する手法も一般的に用いられている。しかし、形成するフランジが管軸方向に対し傾斜している（垂直でない）場合、あるいは三次元的に複雑な形状である場合には、フランジに面ひずみや破断が発生しやすいという問題があった。これは、プレス成形が金型を一方向に押し付ける加工であるために、上記のようなフランジを形成する場合には、工程中、管端部に金型が接触しない部分が生じ、これに応じて管端部の変形が不均一になることが原因である。
図１，２は、円形の管材１の端部に管軸方向に対して傾斜した（垂直でない）フランジを形成する工程を模式的に示すものである。第１工程（図１）では、管材１の端部を押さえ金型２から突出させ、円錐形のプレス金型３（パンチ半角θ）を管軸方向に押し込んで、管端部を所定角度（傾斜半角ψ）に拡管加工（フレア加工）し、第２工程（図２）では、この管材１の管端部を端面が傾斜（傾斜角φ）した金型４外に突出させ、平らな成形面を有するプレス金型５を前記管端部に押し付け、管端部のフレアを管軸方向に垂直な面から傾斜角φだけ傾斜した平らなフランジに成形する。この第２工程のはじめに、プレス金型５は管端部の一部（○で囲った箇所）に片当たりするため、管端部の変形が不均一になる。

一方、このような接合用のフランジをもつ部品（フランジ付き管）の成形技術として、電磁成形技術の適用が提案されている。なお、電磁成形自体は高電圧で蓄荷電されている電気エネルギー（電荷）を、電磁成形用の通電コイルに瞬時に投入し（放電させ）、極めて短時間の強力な磁場を形成することにより、この磁場内におかれたワーク（被加工物、金属部材）が磁場の反発力（フレミングの左手の法則に従ったＬｏｒｅｎｔｚ力）によって強い拡張力や収縮力を受けて、高速で塑性変形することを利用して、ワークを所定形状に塑性加工乃至成形する技術である。

例えば下記特許文献１には、図３（ａ），（ｂ）に示すように、アルミニウム管材６を金型７の貫通孔に挿入してその端部を金型端面（成形面）から突出させ、管材６の内部に円筒状の電磁成形用コイル８を挿入し、前記コイル８に電気エネルギーを投入して管材６を拡管加工し、管材６の金型端面から突出した管端部の外表面を該金型端面に押圧してフランジ６ａを形成することが提案されている。
また、特許文献２には、このようにして製造したフランジ付き管材を自動車用バンパー補強材のステイに適用することが提案されている。

特開２００４−４２０６６号公報 特開２００４−１８９０６２号公報

この電磁成形は、高速変形であるとともに、管材の面に均一な圧力が加わる。これにより、従来のプレス成形による端部拡管加工では加工困難であった管軸方向に対して角度を持つフランジや、三次元的な複雑形状をもつフランジを形成することも可能である。図４は電磁成形により管端部に形成したフランジの例を示す。フランジ１０ａは他部品１１の外表面に対応する三次元的形状を有し、フランジ付き管材１０と他部品１１が略Ｔ字形に接合している。
また、電磁成形は、管端部を金型に押圧して所定の形状を得るため、形状精度がよいという利点がある。

しかし、電磁成形において十分な電磁成形力を得るためには、管材に近接して電磁成形用コイルを設置する必要がある。このため、従来から用いられている円筒状のコイルを用いた電磁成形では、管材の径に応じたコイルを製作する必要がある。これにより、設備費が増大するとともに、設計変更などがあった場合に容易に対応できないという問題があった。

加えて、上記電磁成形による拡管加工は、厚肉材、高強度材又は導電率の低い管材を成形する場合には、拡管加工に要するエネルギーが不足し、所定のフランジ形状が得られないという問題があった。あるいは、このエネルギーを得るために大型、かつ高出力の装置が必要となるという問題があった。このような高出力の装置を用いた場合、電力費用の増大とともに、コイル寿命の短命化によるコスト増、加工に用いる金型の高剛性化に伴う設備コストの増大も生じる。

本発明はこのような事情に着目してなされたもので、その目的は、アルミニウム製管材の端部を電磁成形により拡管加工して、フランジを形成する場合において、被加工物である管材の径が異なる場合にもある程度汎用的に適用可能とし、さらには比較的低エネルギーで電磁成形による拡管を可能とすることである。

本発明に係るアルミニウム製管材の端部拡管方法は、略円錐台状の電磁成形用コイルをアルミニウム製管材の端部に挿入し、前記端部を電磁成形により拡管加工してフランジを形成することを特徴とする。この電磁成形は１回に限られず、２回以上繰り返し行うことができ、また、他の拡管加工法により管端部を拡管加工（予加工）した後に、この電磁成形による拡管加工を適用することもできる。なお、本発明において略円錐台状の電磁成形用コイルとは、導体素線が略円錐台状に巻き回されたコイルを意味する。

上記製造方法の望ましい形態として、円錐台状の電磁成形用コイルを予め端部を所定の角度に拡管加工したアルミニウム製管材の前記端部に挿入し、前記端部を電磁成形によりさらに拡管加工してフランジを形成することが挙げられる。この場合、アルミニウム製管材の端部を予め拡管加工する方法は、プレス成形や電磁成形でも、あるいはスエージングやスピニングなどでもよい。さらに、端部拡管部が形成されるように予めプレス成形した２つ以上の部材を溶接接合するのでもよい。ただし、より低コスト、かつ大量生産可能な方法として、プレス成形が最も望ましい。

上記拡管方法において、アルミニウム製管材の少なくとも拡管加工がなされる端部は、略円形断面であることが望ましい。管材の断面形状が円に近づくほど、拡管時の塑性変形が円周方向に均一に近づき、拡管加工における破断を抑制し、拡管率の大きいフランジが得られるからである。なお、本発明の拡管方法において、フランジとは、管端部を所定の開き角度（テーパー）に拡管加工した状態のもの、すなわちフレアを含むものとする。
本発明は、電磁成形を行うため、余り低伝導率の素材には適用できない。このため、アルミニウム製管材を構成するアルミニウム（アルミニウム合金を含む）の導電率は４０％ＩＡＣＳ以上であることが望ましい。特に軽量化が必要な自動車などの輸送機用構造部品への適用を考えれば、この管材はアルミニウム５０００系又は６０００系合金であることが望ましい。また、アルミニウム製管材は押出材からなることが望ましい。

本発明によれば、アルミニウム製管材の端部に、管軸方向に対し傾斜していたり（垂直でない）、接合される他部品の形状に応じた三次元的に複雑な形状をもつフランジを容易に形成することができる。本発明により製造された端部フランジ付きアルミニウム管材は、例えばバンパーステイなど輸送機用構造部品の製造に好適に適用できる。

そして、本発明によれば、略円錐台形の電磁成形用コイルを用いることにより、アルミニウム管材の径が異なっても、コイル位置を調整するだけで、管材の端部にコイルを挿入して電磁拡管し、フランジを形成することが可能である。
予め端部を所定の角度に拡管加工したアルミニウム管材を用いる場合、電磁拡管前の形状と電磁拡管後の形状（目標とする形状）の差異（電磁成形の拡管率）が小さくなることで、従来の円筒形コイルを用いた成形に比べて小さい変形エネルギーで電磁成形することが可能である。これにより、装置の低出力化が可能となり、コイルの高寿命化、省電力化によりコスト低減が可能となる。逆に同一出力で考えれば、電磁成形による拡管が生じにくい高耐力、厚肉材、あるいは低導電率材についても、従来の円筒形コイルに比べて、トータルでより拡管率の高い製品を得ることが可能となる。この場合、さらに略円錐台形の電磁成形用コイルを使用することにより、管径が異なる場合でも、コイル位置を調整するだけで、コイルを管材の拡管した端部に近接した位置に配置することが可能である。これにより、異なる管径のアルミニウム管材を同じコイルを用いて電磁成形することが可能になり、設備費を圧縮できるとともに、多品種少量の生産にも容易に対応できる。

以下、図５〜１３を参照して、本発明に係るアルミニウム製管材の端部拡管方法をより具体的に説明する。
まず、図５，６により、円筒形の電磁成形用コイル（導体素線が円筒形に巻き回されたコイル；前記特許文献１の段落００７４〜００８０及び図５，６参照）を用いた従来の拡管方法について説明する。
図５に示すように、円筒形の電磁成形用コイル１２を用いる場合、（ｂ）ではコイル１２がアルミニウム製管材１４の内面に近接して配置されているが、（ａ）では管材１３の内径が小さく、同じ電磁成形用コイル１２では管材１４内に挿入できないため、電磁成形による拡管加工が不可能であり、（ｃ）では管材１５の径が大きく、同じ電磁成形用コイル１２では管材１５の内面との隙間が大きくなり、所定の成形力が得られない。なお、図５において、１６〜１８は押さえ型である。

図５（ｂ）のように、コイル１２が管材１４の内面に近接して配置されていたとしても、先に述べたように、例えば管材１４の肉厚が大きい等の理由により、拡管加工に要するエネルギーが不足すると、図３（ｂ）に仮想線で示すように、拡管加工が不十分で所定形状（この例では傾斜半角ψが９０°）のフランジが形成できない。
電磁成形エネルギーの不足を補うため、図６（ａ），（ｂ）に示すように、２工程でフランジを形成することが考えられる。すなわち、予成形（第１工程（ａ））として、管材１４の端部を押さえ金型１９から突出させ、円錐形のプレス金型２０を管軸方向に押し込んで、プレス加工により管材１４の端部を所定角度に拡管加工（フレア加工）し、第２工程（ｂ）で、この管材１４を金型１７の貫通孔に挿入し、その拡管した端部を金型１７の端面から突出させ、管材１４の内部に円筒状のコイル１２を挿入し、拡管した端部を電磁成形によりさらに拡管加工して所定形状のフランジを成形する。この場合、電磁成形前のフランジ形状と電磁成形後のフランジ形状（目標とする形状）の差異が小さくなり、その分だけ電磁成形の変形エネルギーが少なくて済むはずである。しかし、この場合、図６（ｂ）から明らかなように、コイル１２を管材１４の拡管した端部に近接して配置できないため、拡管加工が不十分となり、所定形状のフランジが形成できない可能性がある。

これに対し、図７は円錐台形の電磁成形用コイルを用いる本発明の方法を示すもので、予成形（第１工程（ａ））は同じであるが、第２工程（ｂ）において円錐台形の電磁成形用コイル２１を用いている。円錐台形のコイル２１の傾斜半角αを、プレス金型２０のパンチ半角θ又はプレス後の管端部の開き角度（傾斜半角ψ）とほぼ同じにしておけば、コイル２１を、管材１４の拡管した端部（フレア）にごく近接して配置することができる。従って、本発明の方法によれば、図７（ｃ）に示すように、少ない変形エネルギーで管材１４の端部をさらに拡管加工し、所定形状（この例では傾斜半角ψ＝９０°）のフランジ１４ａを形成して、フランジ付き管材を製造することができる。
なお、電磁成形用コイル２１では、導体素線が円錐台形に巻き回されているが、コイルの芯に相当するボビン部（特許文献１の段落００７４及び図５参照）は、図７に示すように円錐台形でも円錐形（図示せず）でもよい。また、アルミニウム製管材１４が軟質であれば、予成形（第１工程）において、円錐形のプレス金型２０の代わりに、電磁成形用コイル２１を用いてプレスによる拡管加工を行い、ついでに第２工程に入り、同じ電磁成形用コイル２１を用いて電磁成形による拡管加工を行うことも可能である。

図８は、円錐台形の電磁成形用コイル２１が、アルミニウム管材の径が異なる場合にも適用できることを示すもので、（ａ）〜（ｃ）はいずれもプレス金型による予成形（拡管加工）後の第２工程（図８（ｂ）は図７（ｂ）と同じ）において、管材２２，１４，２３、金型２４，１７，２５及びコイル２１をセットした状態を示す。管材２２，２３は管材１４とは径が異なるが、拡管した端部（フレア部）の傾斜半角ψとほぼ同じ傾斜半角αを有する円錐台形のコイル２１を用いることにより、そのコイル位置（挿入深さ）を調整するだけで、容易に管材の拡管した端部に近接して配置することが可能である。

予成形（第１工程）で拡管加工される端部（フレア部）の開き角度（傾斜半角）は、続く電磁成形による拡管加工により所望の最終形状のフランジが得られるように、適宜設定される。しかし、１回のプレス成形により、パンチ半角θを余りに大きくして、プレス後の管端部の開き角度（傾斜半角）が余り大きくなるように拡管加工すると、図９（ａ），（ｂ）を比較して明らかなように、拡管方向の荷重Ｐａが同じになるように荷重を加えたとき、管軸方向に過大な荷重Ｐｂが加わり、管材２６自体に座屈変形２６ａが生じる場合があるため、パンチ半角θ（又はプレス後の管端部の傾斜半角）は４５°以下にすることが望ましい。プレス成形でそれ以上の開き角度に管材の端部を拡管加工する場合、プレス工程を２回以上に分割し、順次傾斜半角θの大きいプレス金型を用いて行うことが望ましい。なお、図９において、２７，２８はプレス金型、２９は押さえ金型である。

予成形である管端部の拡管加工（フレア加工）については、例えば図１０に示すように、ハイドロフォーミングとともに行い、管端部以外の部分に変断面部分を形成してもよい。図１０において、３１はアルミニウム製管材、３２はハイドロフォーム用端部抑え治具を兼ねる拡管加工用パンチ、３３はハイドロフォーム後の管材３１の外形を規定する押さえ金型である。押さえ金型３３内に管材３１を配置し、端部から拡管加工用パンチ３２を押し込み管端部を拡管加工すると同時に閉鎖し、導液孔３４を通して、加圧用液体を管材３１の内部に導入して、ハイドロフォーミングを行う。

あるいは、図１１に示すように、予成形である管端部の拡管加工を穴開け加工と同時に行うこともできる。図１１において、３５はアルミニウム製管材、３６は穴開け用中子を兼ねる拡管加工用パンチ、３７は拡管加工用パンチ、３８は穴開け用パンチである。管材３５内に拡管加工用パンチ３６を挿入し、両側から拡管加工用パンチ３６，３７を押し込み管端部を拡管加工し、続いて穴開け用パンチ３８により管材３５の側面に穴開け加工を行う。
図１０，１１に示すように、予成形である管端部の拡管加工は、他加工と同時に行うことも可能であり、この場合には予成形に伴う加工コストの増加は最小限に抑えることができる。

図１２は、本発明の方法の他の例を示すもので、同じ円錐台形の電磁成形用コイル２１を用い、複数回の電磁成形のみで所定形状のフランジを形成して、フランジ付き管材を製造する。まず、アルミニウム管材１４を金型１７の貫通孔に挿入してその端部を金型端面から突出させ、突出させた端部にコイル２１を挿入し（図１２（ａ））、電磁成形により管端部を拡管加工する。次いでコイル２１の位置を深くして、コイル２１と管材１４の拡管した端部を近接させ、再度電磁成形により管端部を拡径加工する（図１２（ｂ））。さらにコイル２１の位置を深くして、コイル２１と管材１４の拡管した端部を近接させ、電磁成形により管端部を拡管加工し（図１２（ｃ））、所定形状のフランジを形成する。このように、同じ円錐台形のコイル２１を用いることができ、かつ拡管加工前でも拡管加工後でも、コイル２１を管端部に近接した位置に配置することができる。

図１３は、本発明に係る円錐台形の電磁成形用コイルが、アルミニウム管材の径が異なる場合にも適用できることを別の形で示すものである。（ａ）はアルミニウム管材４０を金型４１の貫通孔に挿入してその端部を金型端面から突出させ、突出させた端部に円錐台形のコイル４２を挿入し、電磁成形により管端部を拡径加工するもので、（ｂ）は径の大きいアルミニウム管材４３を金型４４の貫通孔に挿入して、その端部を金型端面から突出させ、突出させた端部に円錐台形のコイル４２を挿入し、電磁成形により管端部を拡径加工する。このように、管材の径が異なっていても、同じコイルを用いることができる。

プレス金型を用いて拡管加工し、管材の端部に管軸方向から傾斜したフランジを形成する場合の第１工程を示す図である。 同じく第２工程を示す図である。 円筒形のコイルを用いて電磁成形により管材の端部を拡管加工し、フランジを形成する方法を示す図である。 電磁成形により端部を拡管加工してフランジを形成したフランジ付き管材と他部材との接合形態の一例を示す図である。 電磁成形により管材の端部を拡管加工してフランジを形成する場合に、円筒形のコイルの問題点を説明する図である。 管端部をプレス金型により予め拡管加工し、電磁成形によりさらに端部を拡管加工してフランジを形成する場合において、円筒形のコイルの問題点を説明する図である。 管端部をプレス金型により予め拡管加工し、電磁成形によりさらに端部を拡管加工してフランジを形成する本発明の方法を説明する図である。 管端部をプレス金型により予め拡管加工し、電磁成形によりさらに端部を拡管加工してフランジを形成する本発明の方法において、同じコイルが径の異なる管材に共通して利用できることを説明する図である。 管端部をプレス金型により予め拡管加工する場合に、望ましいプレス金型の形状を説明する図である。 プレス金型による管端部の拡管加工とハイドロフォーミングを同時に行うことを示す図である。 プレス金型による管端部の拡管加工と管材側面への穴開けを同時に行うことを示す図である。 同じコイルを用いて電磁成形による管端部の拡管加工を複数回行うことにより、フランジを形成する本発明の方法を説明する図である。 電磁成形により端部を拡管加工してフランジを形成する本発明の方法において、円錐台形の同じコイルが径の異なる管材に共通して利用できることを説明する図である。

符号の説明

１４，２２，２３，４０，４３ アルミニウム製管材
１７，２４，２５，４４ 電磁成形の金型
１９ プレス成形の押さえ金型
２０ プレス金型（パンチ）
２１ 電磁成形用コイル

Claims (6)

1. 略円錐台状の電磁成形用コイルをアルミニウム製管材の端部に挿入し、前記端部を電磁成形により拡管加工してフランジを形成することを特徴とするアルミニウム製管材の端部拡管方法。
2. 略円錐台状の電磁成形用コイルを予め端部を所定の角度に拡管加工したアルミニウム製管材の前記端部に挿入し、前記端部を電磁成形によりさらに拡管加工してフランジを形成することを特徴とするアルミニウム製管材の端部拡管方法。
3. アルミニウム製管材の端部を予めプレス成形により所定の角度に拡管加工し、その端部に略円錐台状の電磁成形用コイルを挿入し、前記端部を電磁成形によりさらに拡管加工してフランジを形成することを特徴とするアルミニウム製管材の端部拡管方法。
4. 前記アルミニウム管材が押出材からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載されたアルミニウム製管材の端部拡管方法。
5. 請求項１〜４の方法により製造された端部フランジ付きアルミニウム製管材。
6. 請求項５に記載された端部フランジ付きアルミニウム製管材からなる輸送機用構造部品。

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