JP2007105788A - ピアシング方法及びそれに用いるカウンターパンチ - Google Patents

Abstract

【課題】先端が開口した張出し部を有する分岐管をハイドロフォーム加工により製造する際に、張出し部の成形高さが高くしかも先端の開口をハイドロフォーム加工と同時に穿つことができる方法を提供する。
【解決手段】ハイドロフォーム加工により側面に円形断面の張出し部を形成する金属素管の前記張出し成形部分に、所望の開口部径と同じ外径の押圧面を有する内型とその外周側に張出し部径と同じ外径の押圧面を有する外型を組み合わせた複動式のカウンターパンチを配置した後、前記金属素管に軸方向圧縮力と内圧を加えるとともに、前記カウンターパンチを後退させて金属素管側面に円形断面の張出し部を形成させつつ、前記カウンターパンチの内型と外型を相対的に移動させて前記張出し部の先端面に前記開口部径に沿った段差部を形成させ、前記張出し部が所望高さになった時点で、前記カウンターパンチを強制後退させてカウンターパンチ内型押圧面に当接している張出し部先端面を前記段差部に沿ってせん断分離させる。
【選択図】図７

Description

本発明は、自動車用エンジンの排気管等に用いられる、張出し部先端に開口を有する分岐張出し管をハイドロフォーム加工法により製造する方法に関する。

ハイドロフォーム加工技術は、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、ハイドロフォーム加工は、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加工を施して張出し部を形成し（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、前記張出し部の形成を自由張出し成形により行うと、張出し部への材料流入が不足してその頭頂部の減肉が著しく、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、張出し部の成形高さ及び平坦度を出すために、張出し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２に示すように、上金型１に設けられた張出し用孔３にカウンターパンチ４を配置して、ハイドロフォーム加工を行っている。
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を加えて張出し用孔内に材料を流入させて張出し部７を形成する。この際、張出し用孔３に配置され、かつ付勢圧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と上金型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、割れが発生し難くすることができるものである（図３）。

そして、特許文献１には、カウンターパンチ４として、先端に凸部が突出した凸型のカウンターパンチを用い、張出し部成形工程の最終段階で当該凸型カウンタ−パンチを作動させて張出し成形部分の端面に開口を形成することが示されている。
特開２００１−２８６９４７号公報

しかしながら、上記のような凸型形状のカウンターパンチを用いると、ハイドロフォーム加工による成形の初期段階から凸部の溝に材料が入り込むため、張出し部成形の早期に割れが発生しやすく、所望の成形高さが得難いといった問題点がある。また、凸型カウンターパンチを内側に作動させているため、抜きカス８が被加工管内に残存し、別途払出し工程が必要になって作業が煩雑になるといった問題点もある（図４参照）。
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、先端が開口した張出し部を有する分岐管をハイドロフォーム加工により製造する際に、張出し部の成形高さが高くしかも先端の開口をハイドロフォーム加工と同時に穿つ方法を提供することを目的とする。

本発明のピアシング方法は、その目的を達成するため、ハイドロフォーム加工により金属素管の側面に円形断面の張出し部を形成し、当該張出し部の先端にピアシング加工により開口部を設ける方法であって、前記金属素管の張出し成形部分に、前記開口部径と同じ外径の押圧面を有する内型とその外周側に張出し部径と同じ外径の押圧面を有する外型を組み合わせた複動式のカウンターパンチを配置した後、前記金属素管に軸方向圧縮力と内圧を加えるとともに、前記カウンターパンチを後退させて金属素管側面に円形断面の張出し部を形成させつつ、前記カウンターパンチの内型と外型を相対的に移動させて前記張出し部の先端面に前記開口部径に沿った段差部を形成させ、前記張出し部が所望高さになった時点で、前記カウンターパンチを強制後退させてカウンターパンチ内型押圧面に当接している張出し部先端面を前記段差部に沿ってせん断分離させることを特徴とする。

カウンターパンチを後退させて金属素管側面に円形断面の張出し部を形成する際、当該張出し部が所望高さになった時点で前記カウンターパンチの内型と外型を相対的に移動させて前記張出し部の先端面に前記開口部径に沿った段差部を形成させ、その後に前記カウンターパンチを強制後退させてカウンターパンチ内型押圧面に当接している張出し部先端面を前記段差部に沿ってせん断分離させてもよい。
張出し部の先端面に開口部径に沿った段差部を形成させるための、カウンターパンチの内型と外型の相対的な移動距離は被加工素管の板厚以下にすることが好ましい。

そのピアシング方法に用いる複動式のカウンターパンチは、張出し部先端の所望開口部径と同じ外径の押圧面を有する内型とその外周側に張出し部径と同じ外径の押圧面を有する外型が被加工金属素管の板厚以下の距離で相対的に移動可能に組込まれていることを特徴とする。
このカウンターパンチは、駆動用の油圧シリンダーに接続され、当該油圧シリンダーと内型の間、又は当該油圧シリンダーと外型の間にバネが介挿されていることが好ましい。
また、内型と外型がそれぞれ別々の油圧シリンダーにより接続されていてもよい。

本発明によれば、張出し用に用いられるカウンターパンチとして、内型とその外周側に移動可能に組込んだ外型からなるものを使用することにより、張出し部先端に施すピアシング工程を、張出しの工程に引続いて行うことができる。また、ピアシングに伴う抜きカスを払いだす必要もなくなる。したがって、結果的に、張出し高さの高い分岐管が低コストで製造できることになる。

本発明者等は、前記特許文献１で提案された凸型のカウンターパンチを用いてピアシングを行うとき、張出し部成形の早期に割れが発生しやすく、所望の成形高さが得難くなる原因について鋭意検討を重ねてきた。
その結果、凸型のパンチは開口部を打抜く観点では有効であるものの、ハイドロフォーム加工による成形の初期段階から凸部の溝に材料が入り込むために、当該部分に歪みが集中し、肉厚が急激に減少するため、比較的低い内圧条件下にて破断に至ることがわかった。

そこで、張出し加工の初期の段階にあっては、カウンターパンチの当接面全体で張出し部を受け、材料を均等に流動させて張出しをできるだけ高くすることが有効であること、所望の張出し高さになった時点で、張出し部の先端面に所望開口部径に沿った段差部を設け、この段差部の肉厚を薄くした後、カウンターパンチによる付勢状態を一気に解除すると、肉厚減少部は内圧に耐えられなくなって、せん断破断を生じ、結果的にピアシング加工が張出し工程に引続いて行えることがわかった。内圧で破断させるため、抜きカスは管体の外側に押出されるので、別途の払出し工程は必要なくなる。

以下に、本発明方法を具体的に説明する。
通常通り、型の一部に張出し用孔を有する下型又は上型を、上型又は下型と組合せ、前記張出し用孔内に付勢圧が掛けられるようにカウンターパンチを配置した金型を用いる。この際、カウンターパンチとして、その要部のみを図５に示すような複動式のものを用いる。
このカウンターパンチは、全体としては金属素管の側面に形成する張出し部の径、すなわち、金型の一部に形成した張出し用孔の内径に近似した外径を有するものであって、内型と外型が組合されている。その内型は、張出し部先端に形成する開口部の径と同じ外径の押圧面を備えている。また外型は、張出し部の径、すなわち金型に形成した張出し用孔の内径に近似した外径の押圧面を有し、内型の外周側に、その側面に沿って摺動可能に組み合わされている。なお、内型と外型は同軸に組み合わされていることが好ましい。

そして、内型及び外型間の相対的な移動可能距離は、被加工金属素管の板厚よりも狭くしている。
具体的には、例えば図６（ａ）に示すように、外型は直接に、内型はバネを介して油圧シリンダーの作用面に取り付ける。この際、外型及び内型の高さとバネの付勢力の調整により、カウンターパンチに成形内圧が掛かっていない状態では外型及び内型の押圧面が面一になり、成形時の最大内圧が掛かった時点で、外型の内側で内型が摺動した距離ｈが素管の板厚ｔ以下になるように調整されているものとする（図６（ｂ）参照）。

このような複動式のカウンターパンチを、図７（ａ）に示すように、上型の張出し用孔内に付勢圧を付加して取り付ける。
この状態で、金属素管に軸方向圧縮力と内圧を加えると、張出し用孔内で外側に張出す圧力が油圧シリンダーの付勢圧を上回ってカウンターパンチが徐々に後退するようになり、金属素管の側面に円形断面の張出し部が形成させる。
この際、カウンターパンチの内型押圧面に係る内圧がバネの付勢力を上回ると、内型と外型の押圧面に段差部が形成されるようになる（図７（ｂ）参照）。

金属素管に掛かる変形内圧が大きくなると、上記段差部に沿って張出し部の金属壁が変形し、段差部金属壁の肉厚が次第に減少して行く。
張出し部の高さが所望高さになった時点で、油圧シリンダーの作動をＯＦＦにし、カウンターパンチに加えていた付勢圧を一挙に解除すると、前記張出し部の肉厚減少部は成形内圧に耐え切れなくなる。そしてその部分から張出し部先端面はせん断破断し、カウンターパンチは強制後退する（図７（ｃ）参照）。
被加工金属素管には、まだ内圧が掛かった状態であるから、せん断破断した破断片はカウンターパンチの内型押圧面に付着した状態で、張出し部先端から離される。また、カウンターパンチ内型の押圧面は、形成しようとする開口部と同じ大きさに形作られているので、張出し部の先端には、カウンターパンチ内型の押圧面と同じ形状の開口部が形成されることになる。

ところで、上記態様では、外型を直接に、内型をバネを介して油圧シリンダーの作用面に取り付けている。しかしながら、図８（ａ）に示すように、逆に内型を直接に、外型をバネを介して油圧シリンダーの作用面に取り付けてもよい。この場合には、外型及び内型の高さとバネの付勢力の調整により、カウンターパンチに成形内圧が掛かっていない状態では外型及び内型の押圧面が同位置になり、成形時の最大内圧が掛かった時点で、内型の外側で外型が摺動した距離ｈが素管の板厚ｔ以下になるように調整されていればよい（図８（ｂ）参照）。
このようなカウンターパンチを用いて成形した場合、開口形成部の金属壁が内側になるように段差部が形成される点以外に変形態様や肉厚減少態様に差異がない。張出し高さが所定の高さになった時点で、油圧シリンダーの作動をＯＦＦにし、カウンターパンチの付勢圧を解除すると、同様に開口部が形成される。

上記２つの態様では、内型と外型の相対的に摺動可能とするためにバネの付勢力を使用したが、バネに限らず、油圧シリンダーを利用してもよい。すなわち、カウンターパンチを構成する内型及び外型を、それぞれ別個の油圧シリンダー作用面に取り付けてもよい。
この場合、張出し成形を開始し、所定の張出し高さを得るまでは２つの油圧シリンダーは、当接面積当り同じ付勢圧が掛かるように圧力調整する。そして、所定の張出し高さになった時点で何れかの油圧シリンダーの付勢圧を調整し、内型と外型の押圧面に段差部を形成させる。この際、この段差が板厚よりも僅かに小さくなるように、前記付勢圧を調整することが好ましい。形成された段差部は前記と同様に肉厚が減少している。
したがって、その後に２つの油圧シリンダーの作動を同時にＯＦＦにし、カウンターパンチに加えていた付勢圧を一挙に解除すると、前記と同様に開口部が形成される。

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２に示す構造を持ち、Ｓ５０Ｃ工具鋼製で、直線部内径：４５ｍｍ，張出し部内径：４２．７ｍｍで、両者の間のコーナーＲを１５Ｒとしたものを用いた。また、カウンターパンチもＳ５０Ｃ工具鋼製とし、外径：４２ｍｍ，内径４０ｍｍ，高さ：４０ｍｍの外型と、外径４０ｍｍ，高さ２０ｍｍの内型を組み合わせたものを用い、内型の裏面と油圧シリンダーの間に縮み量を種々変更したスプリングバネを配した。

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、図９で示す負荷経路Ｇ＝２（成形内圧（ＭＰａ）：軸押込み量（ｍｍ）＝２：１）により張出し高さ（カウンターパンチ外型の移動量）が２７．５ｍｍになるまでハイドロフォーム加工を行った。なお、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。内型の裏面と油圧シリンダーの間に縮み量を種々変更したスプリングバネを配しているため、本実施例では、図６に示す態様で張出し形成を行いつつ張出し部の先端に段差部を形成している。
そして、張出し高さ（カウンターパンチ外型の移動量）が２７．５ｍｍになった時点で、カウンターパンチに加えていた圧を一挙に解除した。
その後、張出し部の成形高さ及び開口部の抜き状態を観察した。
その結果を表１に示す。

なお、表１中、ｈは種々変更したバネの縮み量に応じた複動式カウンターパンチの外型の移動量が２７．５ｍｍになった時点での内型の可動量を示している。
また、開口部の抜き状態については、問題なくピアシングできたものを○で，ピアシングできなかったものを×で表している。

この結果からもわかるように、カウンターパンチを外型と内型とで構成し、内型の高さとバネの縮み量の調整により、所望の張出し高さ２７．５ｍｍに成形するに必要な内圧が掛かった時点で、外型の内側で内型が摺動した距離ｈが素管の板厚２．０ｍｍ以下になるように調整されると、張出し部を問題なく成形することができ、その後のカウンターパンチ付勢圧の解除により、正常なピアシングも行えた。
これに対して、バネの縮み量を大きくし、所望の張出し高さ２７．５ｍｍに成形するに必要な内圧が掛かった時点で、外型の内側で内型が摺動した距離ｈが素管の板厚２．０ｍｍを超えるように調整されると、ピアシングは行えたものの、張出し高さが２７．５ｍｍになる前に張出し部で破断を生じたため、目標高さが得られなかった。

ハイドロフォーム加工製品の成形及び使用態様を説明する図 カウンターパンチを用いてハイドロフォーム加工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ム加工する態様を説明する成形後の図 ハイドロフォーム加工時にカウンターパンチでピアシングする従来の方法を説明する図 本発明のピアシング時に用いる複動式のカウンターパンチの構造を説明する図 外型と内型からなるカウンターパンチを複動式とする形態を説明する図 本発明の複動式カウンターパンチを用いてハイドロフォーム加工時にピアシングする方法を説明する図 外型と内型からなるカウンターパンチを複動式とする他の形態を説明する図 ハイドロフォーミング時の負荷経路Ｇを説明する図

符号の説明

１：上型 ２：下型 ３：張出し用孔 ４：カウンターパンチ
５：軸押しパンチ ６：軸押し力 ７：張出し部 ８：抜きカス
Ｍ：素管

Claims (6)

1. ハイドロフォーム加工により金属素管の側面に円形断面の張出し部を形成し、当該張出し部の先端にピアシング加工により開口部を設ける方法であって、前記金属素管の張出し成形部分に、前記開口部径と同じ外径の押圧面を有する内型とその外周側に張出し部径と同じ外径の押圧面を有する外型を組み合わせた複動式のカウンターパンチを配置した後、前記金属素管に軸方向圧縮力と内圧を加えるとともに、前記カウンターパンチを後退させて金属素管側面に円形断面の張出し部を形成させつつ、前記カウンターパンチの内型と外型を相対的に移動させて前記張出し部の先端面に前記開口部径に沿った段差部を形成させ、前記張出し部が所望高さになった時点で、前記カウンターパンチを強制後退させてカウンターパンチ内型押圧面に当接している張出し部先端面を前記段差部に沿ってせん断分離させることを特徴とするピアシング方法。
2. ハイドロフォーム加工により金属素管の側面に円形断面の張出し部を形成し、当該張出し部の先端にピアシング加工により開口部を設ける方法であって、前記金属素管の張出し成形部分に、前記開口部径と同じ外径の押圧面を有する内型とその外周側に張出し部径と同じ外径の押圧面を有する外型を組み合わせた複動式のカウンターパンチを配置した後、前記金属素管に軸方向圧縮力と内圧を加えるとともに、前記カウンターパンチを後退させて金属素管側面に円形断面の張出し部を形成させ、前記張出し部が所望高さになった時点で前記カウンターパンチの内型と外型を相対的に移動させて前記張出し部の先端面に前記開口部径に沿った段差部を形成させ、その後に前記カウンターパンチを強制後退させてカウンターパンチ内型押圧面に当接している張出し部先端面を前記段差部に沿ってせん断分離させることを特徴とするピアシング方法。
3. カウンターパンチの内型と外型の相対的な移動距離を被加工素管の板厚以下にする請求項１又は２に記載のピアシング方法。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載のピアシング方法に用いる複動式のカウンターパンチであって、張出し部先端の所望開口部径と同じ外径の押圧面を有する内型とその外周側に張出し部径と同じ外径の押圧面を有する外型が被加工金属素管の板厚以下の距離で相対的に移動可能に組込まれていることを特徴とするピアシング用カウンターパンチ。
5. 油圧シリンダーにより駆動されるカウンターパンチであって、油圧シリンダーと内型の間、又は油圧シリンダーと外型の間にバネが介挿されている請求項４に記載のピアシング用カウンターパンチ。
6. 油圧シリンダーにより駆動されるカウンターパンチであって、内型と外型がそれぞれ別々の油圧シリンダーにより接続されている請求項４に記載のピアシング用カウンターパンチ。

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