JP2007245180A - 金属管のハイドロフォーミング加工方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】上下金型合わせ部でのカジリ、材料の噛み込みが発生せず、延性の低い高強度金属管でも成形中に破裂することなくシャープなコーナＲ形状に成形しうる、金属管のハイドロフォーミング加工方法および装置を提供する。
【解決手段】金属管10被成形部の上下を倣わせる型形状を有し締込・開放可能に相対する上下一対の金型１，２の合わせ部に、前記金属管被成形部の左右を倣わせる型形状を有する左右一対の金型３，３を配設し、これら上下左右の金型で形成される成形空間内に金属管を装入し、該管に液体による内圧を負荷した状態、あるいはさらに該管の管端部に管軸方向の圧縮力を負荷しつつ押し込む状態で、上下の金型を締め込む。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属管のハイドロフォーミング加工方法および装置に関し、とくに、高強度の金属管を適用した自動車構造部品などを製造する際に好ましく用いうるものである。

車両軽量化の観点から、サスペンションアーム等の自動車足回り部品、フレーム等の自動車構造部品等々において、鋼管等の金属管を拡管加工の一種であるハイドロフォーミング加工により成形した部品が採用されはじめている。ハイドロフォーミング加工法では、通常、材料（被成形材料）に電縫鋼管などの金属管を用い、該金属管を所定形状の金型に入れ、管内に液体を導入して内圧をかけるという方法がとられている。この方法によれば、金属管は、内圧により被成形材表面が型形状に倣うところまでバルジ変形し、所定の形状をもつ成形品を得ることができる。

しかしながら、最近、車体衝突時のより高い衝撃吸収能やさらなる軽量化が求められるようになり、材料がいっそう高強度化してきているため、従来のバルジ変形により金属管を金型断面形状に倣わせるハイドロフォーミング加工法で部品に成形しようとすると、問題点が生じるケースが増えてきた。
すなわち、高強度の金属管は、材料延性が低いものであるためハイドロフォーミング加工中に破断したり、変形しにくいためシャープなコーナＲ形状に成形できないといった問題点が発生する。このような問題の解決を図った技術として、低圧ハイドロフォーミングと呼ばれる方式（非特許文献１、２参照）が開示されている。低圧ハイドロフォーミング方式では、金型形状を工夫し、金属管内に液体を注入して内圧を負荷した状態の下で、金属管を上金型と下金型で挟圧（潰し成形）する方法が用いられている。
"Hydroforming High Strength Steel Tube for Automotive Structural Applications Using Expansion",SAE Thechnical Paper Series 96MJA436,by Gary Morphy. "TUBE HYDROFORMING ADVANCEMENTS USING SEQUENCED FORMING PRESSURES",Proceedings of "INNOVATIONS IN HYDROFORMING TECHNOLOGY",(1966) by Murray Mason.

しかし、上記低圧ハイドロフォーミング方式は、比較的拡管率が小さくかつ断面形状の変化が小さい成形条件の場合には好適であるが、上下金型による金属管の潰し量が大きく断面形状の変化が大きい成形条件の場合には、例えば図１(a)に示すように、上金型１と下金型２の合わせ部での材料の噛み込み（カジリも含む）が発生しやすい問題を有する。
本発明は上述の問題を解決し、上下金型合わせ部でのカジリ、材料の噛み込みが発生せず、延性の低い高強度金属管でも成形中に破裂することなくシャープなコーナＲ形状に成形しうる、金属管のハイドロフォーミング加工方法および装置を提供することを目的とする。

発明者らは、前記目的を達成すべく鋭意検討した結果、上下金型合わせ部に、金属管被成形部の左右を倣わせる型形状を有する左右側面金型を配設して潰し成形を行なうことにより、上下金型合わせ部での材料の噛み込みが発生せず、延性の低い高強度金属管でも成形中に破裂することなくシャープなコーナＲ形状に成形しうるという知見を得て本発明をなした。すなわち本発明は、以下のとおりである。

１． 金属管被成形部の上下を倣わせる型形状を有し締込・開放可能に相対する上下一対の金型の合わせ部に、前記金属管被成形部の左右を倣わせる型形状を有する左右一対の金型を配設し、これら上下左右の金型で形成される成形空間内に金属管を装入し、該管に液体による内圧を負荷した状態、あるいはさらに該管の管端部に管軸方向の圧縮力を負荷しつつ押し込む状態で、上下の金型を締め込むことを特徴とする金属管のハイドロフォーミング加工方法。

２． 前記左右の金型を締込・開放可能とした前項１に記載の方法。
３． 金属管被成形部の上下を倣わせる型形状を有し締込・開放可能に相対する上下一対の金型と、前記金属管被成形部の左右を倣わせる型形状を有し前記上下の金型の合わせ部に配設された左右一対の金型と、これら上下左右の金型で形成される成形空間内に装入された金属管に液体による内圧を負荷する液圧印加手段と、あるいはさらに該管の管端部に管軸方向の圧縮力を負荷しつつ押し込む軸押し手段と、前記上下の金型の締込・開放動作を付勢する金型付勢手段とを有することを特徴とする金属管のハイドロフォーミング加工装置。

４． 前記左右の金型を締込・開放可能とし、該締込・開放動作を付勢する左右金型付勢手段を設けた前項３に記載の装置。

本発明によれば、上下の金型の合わせ部に左右の金型を配設したので、上下の金型による金属管の潰し加工時に、上下の金型に挟圧された状態になる左右の金型によって、材料の噛み込みが阻止され、延性の低い高強度金属管でも成形中に破裂することなくシャープなコーナＲ形状に成形することができる。

本発明では、図１(b)に示すように、上金型１と下金型２の合わせ部に左右一対の金型（側面金型）３を配設する。上金型１、下金型２、左、右の側面金型３は、金属管10の被成形部の上、下、左、右の成形形状にそれぞれ対応する型形状を有する。金属管10は、上下の金型１，２と左右の金型３，３とで形成される成形空間内に装入される。上，下金型１，２は締込・開放可能であり、金属管装入時は開放状態とされている。側面金型３，３は固定型でもよく、締込・開放可能な可動型でもよい。後者の場合、側面金型は、金属管装入時は締込、開放いずれの状態でもよいが、潰し成形開始時までには締込状態とするのがよい。この場合、側面金型の締込・開放動作は、油圧シリンダ等で構成した左右金型付勢手段により付勢することが好ましい。

金属管10の左右に側面金型３，３が配設されているので、自由バルジ成形力（成形内圧）および軸押し（管軸方向の圧縮力による押し込み）を負荷しつつ、潰し（上下金型の締込力）を負荷する加工を行なう途上で、側面金型３，３は上下の金型１，２によって挟圧された状態に保たれる。この状態となった側面金型３，３により上下金型合わせ部での材料の噛み込みが阻止され、延性の低い高強度金属管でも成形中に破裂することなくシャープなコーナＲ形状に成形することができる。

なお、軸押しは、場合によってはその負荷を省略することもできるが、より良好な成形形状を得るためには、成形内圧とともに負荷する方が好ましい。
図２は、図１(b)における成形力の負荷過程と金属管の成形過程の好適例を示す模式図である。図２(a)〜(d)はそれぞれ成形開始、成形内圧（液圧）負荷＋軸押し、上下金型による潰し、昇圧（内圧上昇）による形状凍結の各段階における金属管10の形状および上下左右の金型１，２，３，３の相対位置を示している。また、図２(e)は成形内圧、軸押し、潰しの各成形力の負荷スケジュールを示している。

上下の金型１，２と左右の側面金型３，３に、金属管10被成形部の上下左右の形状を確実に倣わせるには、図２(e)に示すように、まず成形内圧を負荷し、漸増させてゆく途上のある時点T1から軸押しを負荷し、次いで成形内圧と軸押しを漸増させてゆく途上のある時点T2から潰しを負荷して漸増させてゆき、上，下金型１，２が側面金型３，３と接触した時点T3から軸押しと潰しとを保定しつつ、成形内圧をさらに増していって最高値に到達した時点Tnから所定の時間保定する（この保定により金属管10被成形部の形状が凍結される）ような、成形力負荷スケジュールを採用するのが好ましい。

図３は、本発明の実施例１の装置（ハイドロフォーミング加工装置）を示す概略図であり、(a)は側面、（b）は正面（(a)のA-A’視）、(c)は平面（(a)のB-B’視）を示している。この装置は、上，下金型１，２をそれぞれ上，下金型ホルダー４，５で、上，下金型１，２の締込・開閉可能に保持し、上金型ホルダー４は昇降自在としてなる。上，下金型１，２は、金型用油圧シリンダ（図示省略）とこれの油圧を制御する油圧制御器（図示省略）からなる金型付勢手段によって締込・開放動作を駆動される。また、上金型ホルダー４は、ホルダー用油圧シリンダ（図示省略）とこれの油圧も共に制御する前記油圧制御器からなるホルダー昇降手段（図示省略）によりその昇降動作（下金型ホルダー５との型締め・開放動作）を付勢される。

なお、本発明の装置は、図３の上下を反転させたものであってもよい。
左右（図１(b)（正面図）内での左右である）の側面金型３，３は、上下の金型１，２の合わせ部に配設され、下金型ホルダー５でその配設位置を固定された固定型のものとしている。なお、側面金型３，３の配設位置を固定する手段は、本例のような下金型ホルダー５とする代りに、別の固定手段を用いてもよい。また、側面金型３，３は本例のような固定型とする代りに、上下の金型１，２と同様、締込・開放可能な可動型としてもよい。

また、本例の装置は、金型１，２，３，３で形成される成形空間内に金属管10被成形部が位置するように装入された金属管10に該管の両端から管軸方向の圧縮力を負荷しつつ押し込む押し込み手段として、軸押しヘッド６，６、ならびに該軸押しヘッド６，６を付勢する軸押し用油圧シリンダ（図示省略）と軸押しヘッドの移動量も共に制御する軸押しヘッド位置制御手段を有し、かつ、軸押しヘッド６，６に設けた液注入孔を介して金属管10内に液体を注入して内圧（液圧）を負荷する液圧印加手段（図示省略）を有する。

図４は、図３の装置の動作の概要を側面図で示したものである。まず、図４(a)に示すように、上，下金型ホルダー４，５および上，下金型の開放下で金属管10を挿入（成形空間内に被成形部をセット）する。次に、図４(b)に示すように、上金型ホルダー４を下降させて上，下金型ホルダー４，５を型締めし、軸押しヘッド６，６を前進させて該ヘッド先端のシール部で金属管10の両端開口を密閉する。次に図４(c)に示すように、液圧（成形内圧）＋軸押し＋潰しの３加工モードを組み合わせたハイドロフォーミング加工を行なう。各加工モードの実行スケジュールは図２(e)と同様である。この実行スケジュールは、前記液圧印加手段および前記軸押しヘッド位置制御手段の動作を司令するパソコン（図示省略）に予めプログラミングされている。

図４(c)のハイドロフォーミング加工の完了後、図４(d)に示すように、上，下金型１，２を開放とし、最後に、図４(e)に示すように、上金型ホルダー４を上昇させて上，下金型ホルダー４，５を開放にした後、軸押しヘッド６，６を後退させて開放にし、金属管10成形品を取出す。

図５は、本発明の実施例２の装置（ハイドロフォーミング加工装置）を示す概略図であり、(a)は側面、（b）は正面（(a)のA-A’視）、(c)は平面（(a)のB-B’視）を示している。この装置は、実施例１において、側面金型６に代えて、これを上下に分割して上側面金型７、下側面金型８となし、上側面金型７を上金型ホルダー４にこれらの下面が面一となるように固定し、下側面金型８を下金型ホルダー５にこれらの上面が面一となるように固定したものである。この変更点以外は、実施例１と同じ仕様である。

図６は、図５の装置の動作の概要を側面図で示したものである。この動作は実施例１と同じであるから、詳しい説明は省略する。なお、上述のように上，下側面金型７，８が上，下金型ホルダー４，５にそれぞれ固定されており、それゆえ、実施例２では、図６(a),(e)に示すように、金属管10の挿入段階と取出し段階において、上側面金型７が上金型ホルダー４とともに上昇し、上，下側面金型７，８間が開放されるから、挿入・取出しの作業性が実施例１に比べて向上する利点がある。図６(b)〜(d)の段階では上，下側面金型７，８がキス状態となっており、実施例１と同様、材料の噛み込みを有効に阻止できる。

本発明の実施形態の一例(b)を従来例(a)と比較して示す模式図である。 図１(b)における成形力の負荷過程と金属管の成形過程の好適例を示す模式図である。 実施例１の装置を示す概略図（(a)側面,(b)正面(A-A’視),(c)平面(B-B’視)）である。 図３の装置の動作の概要を示す側面図である。 実施例２の装置を示す概略図（(a)側面,(b)正面(A-A’視),(c)平面(B-B’視)）である。 図５の装置の動作の概要を示す側面図である。

符号の説明

１ 上金型（上下一対の金型のうちの上のもの）
２ 下金型（上下一対の金型のうちの下のもの）
３ 側面金型（左右一対の金型のうちのいずれか１つ）
４ 上金型ホルダー
５ 下金型ホルダー
６ 軸押しヘッド
７ 上側面金型
８ 下側面金型
10 金属管（材料）

Claims (4)

1. 金属管被成形部の上下を倣わせる型形状を有し締込・開放可能に相対する上下一対の金型の合わせ部に、前記金属管被成形部の左右を倣わせる型形状を有する左右一対の金型を配設し、これら上下左右の金型で形成される成形空間内に金属管を装入し、該管に液体による内圧を負荷した状態、あるいはさらに該管の管端部に管軸方向の圧縮力を負荷しつつ押し込む状態で、上下の金型を締め込むことを特徴とする金属管のハイドロフォーミング加工方法。
2. 前記左右の金型を締込・開放可能とした請求項１に記載の方法。
3. 金属管被成形部の上下を倣わせる型形状を有し締込・開放可能に相対する上下一対の金型と、前記金属管被成形部の左右を倣わせる型形状を有し前記上下の金型の合わせ部に配設された左右一対の金型と、これら上下左右の金型で形成される成形空間内に装入された金属管に液体による内圧を負荷する液圧印加手段と、あるいはさらに該管の管端部に管軸方向の圧縮力を負荷しつつ押し込む軸押し手段と、前記上下の金型の締込・開放動作を付勢する金型付勢手段とを有することを特徴とする金属管のハイドロフォーミング加工装置。
4. 前記左右の金型を締込・開放可能とし、該締込・開放動作を付勢する左右金型付勢手段を設けた請求項３に記載の装置。

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