JP2009045672A - アルミニウム中空押出材のハイドロフォーミング加工方法 - Google Patents

Abstract

【目的】 マンドレル押出材と同等の拡管成形を可能とするポートホール押出によるアルミニウム中空押出材を用いるハイドロフォーミング加工方法を提供する。
【構成】 ポートホール押出により成形されまたは該成形後に冷間加工されたアルミニウム中空押出材であって、該アルミニウム中空材の母材部と溶着部の平均結晶粒径がいずれも１００μｍ以下であり、且つ母材部と溶着部の平均結晶粒径の差が１５μｍ以下であるものを、上下の金型にセットし、金型に沿わせるよう拡管成形するハイドロフォーミングを行うことを特徴とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、アルミニウム中空押出材のハイドロフォーミング加工方法、とくに、自動車車体用のアルミニウム構造部材の素材として好適なアルミニウム中空押出材を得るためのアルミニウム中空押出材のハイドロフォーミング加工方法に関する。なお、本発明において、アルミニウムは工業用純アルミニウムおよびアルミニウム合金を含む。

ハイドロフォーミングは、液圧バルジ成形、静水圧バルジ成形ともいわれ、金属管、中空形材などの中空材を素材として、この中空材を上下の金型にセットし、中空材内部に低圧で液体、例えば油や水を送り込み、中空材の両端部から中空材内部の空気を排除しながらシリンダーを装入して両端部をシールし、中空材内部に附加される圧力とシリンダーの押し込み圧を相互に調整しながら中空材を所定形状に成形する成形方法である。シリンダーの押し込み圧を付与せず、液体の圧力のみで成形する場合もある。

ハイドロフォーミングによれば、中空素材の断面形状を自由に変形することができ、種々の形状への一体成形が可能となるから、部品数削減によるコストダウンが期待でき、成形された部材の強度についての信頼性が向上する。このため、自動車車体用のパイプ状構造部材の成形方法として広く使用され始めている。

近年、自動車産業においては、地球環境保護やエネルギー消費削減に対処して、燃費の向上を実現するために、アルミニウム材の使用による車体の軽量化が進行しているが、従来の車体の剛性を維持するために、自動車車体用のアルミニウム構造部材の素材としてのアルミニウム中空押出材についてもハイドロフォーミングが試みられている。

アルミニウム中空押出材のうち、５０００系（Ａｌ−Ｍｇ系）アルミニウム合金以外のものは、コストの面から通常ポートホール押出（以下、ＰＥ）により作製される。ポートホール押出は、複数のポート孔をそなえたマンドレルボディとダイスを組合わせたポートホールダイスを使用して行われ、アルミニウムビレットはポート孔で分断された後、マンドレルを取り囲んで再び溶着して一体化し、内面をマンドレルで外面をダイスで成形されて中空材となる。このため、ＰＥ材には溶着部が存在し、溶着部と溶着部以外の母材部との組織差に起因して、図１に示すように、溶着部のないマンドレル押出（以下、ＭＤ）材に比べハイドロフォーミングにおける成形性（限界拡管率）が劣るという問題点がある。

本発明は、ハイドロフォーミングにより加工される自動車車体用のアルミニウム構造部材の素材として適用されるＰＥ材における上記従来の問題点を解消するためになされたものであり、その目的は、ＭＤ材と同等の拡管成形を可能とするアルミニウム中空押出材のハイドロフォーミング加工方法を提供することにある。

上記の目的を達成するための請求項１によるアルミニウム中空押出材のハイドロフォーミング加工方法は、ポートホール押出により成形されまたは該成形後に冷間加工されたアルミニウム中空押出材であって、該アルミニウム中空押出材の母材部と溶着部の平均結晶粒径（結晶粒径は真円換算による直径をいう、以下同じ）がいずれも１００μｍ以下であり、且つ母材部と溶着部の平均結晶粒径の差が１５μｍ以下であるものを、上下の金型にセットし、金型に沿わせるよう拡管成形するハイドロフォーミングを行うことを特徴とする。

本発明によれば、ＭＤ材と同等の拡管成形を可能とするアルミニウム中空押出材のハイドロフォーミング加工方法が提供される。軟質なアルミニウム材を用いた場合にも、ハイドロフォーミングによる加工硬化で高強度のものを得ることができ、ポートホール押出によりコストの低減も可能となる。

ハイドロフォーミング用のＰＥ材は、焼鈍、場合によってはＴ４調質またはＴ６調質などが行われ使用に供されるが、焼鈍、調質後も溶着部と母材部との組織差が残り、図２（６０６３合金ＰＥ材（押出後の冷間加工無し）を焼鈍した後の溶着部と母材部の組織）に示すように、溶着部の結晶粒径は大きく母材部に比べて変形能が低いため拡管成形性（以下、単に成形性）が劣る。

溶着部の成形性を改善し、全体としての成形性を向上させるためには、ＰＥ押出材の母材部と溶着部の平均結晶粒径（但し、結晶粒径は真円換算による直径。以下同じ）をいずれも１００μｍ以下とし、且つ母材部と溶着部の平均結晶粒径の差を１５μｍ以下、好ましくは１０μｍ以下、さらに好ましくは５μｍ以下とすることが必要である。

母材部と溶着部の平均結晶粒径のいずれかが１００μｍを越えて粗大化すると、ＰＥ材の成形性が低下し、母材部と溶着部の平均結晶粒径の差が１５μｍを越えると、両者の成形能の差に起因して成形性が低下する。

このような液圧バルジ成形用ＰＥ材を製造するには、ポートホール押出を行った後、加工度（断面減少率）１０％以上の冷間加工を施すのが好ましい。冷間加工方法としては、抽伸加工、圧延加工などが適用できる。ポートホール押出後の冷間加工度が１０％未満では、図３（６０６３合金ＰＥ材に５％の抽伸加工を施し焼鈍処理した後の溶着部と母材部の組織−平均結晶粒径は母材部、溶着部ともに１８０μｍ）に示すように、１００μｍを越える粗大組織となり成形性が低下する。

ポートホール押出後、１０％以上の冷間加工を加えた場合には、図４（６０６３合金ＰＥ材に３０％の抽伸加工を施し焼鈍処理した後の溶着部と母材部の組織−平均結晶粒径は母材部、溶着部ともに２０μｍ）に示すように、母材部と溶着部の組織の差が無く、共に平均結晶粒径が１００μｍ以下の組織となり、良好な成形性が得られる。冷間加工度の上限は、工業的に達成できる範囲であればよく、とくに限定しない。例えば、ポートホール押出後、加工度６０％の抽伸加工が行われた実績もある。

ポートホール押出を押出比（押出前のビレットの断面積／押出後の押出材の断面積）を３０以上として行うことにより、ポートホール押出後に冷間加工を行わなくても、焼鈍またはＴ４調質、Ｔ６調質後、優れた成形性が達成できる。この場合、ポートホール押出後に冷間加工を行えば、さらに優れた成形性を得ることができる。押出比の上限は、工業的に達成できる範囲であればよく、とくに限定しない。例えば、押出比が５０を越えるポートホール押出が行われた例もある。

以下、本発明の実施例を比較例と対比して説明し、その効果を実証する。なお、これらの実施例は、いずれも断面が円形の押出材の拡管成形についてのものであるが、本発明は断面円形の押出材に限定されるものではなく、種々の形状の断面を有する押出中空材にも適用することができる。

実施例１
常法に従って、Ａ６０６３合金のＰＥ材（外径：２３．０ｍｍ、肉厚：１．２ｍｍ）およびＭＤ材（外径：２３．０ｍｍ、肉厚：１．２ｍｍ）を作製し、一部については冷間抽伸加工を施し、焼鈍処理またはＴ４、Ｔ６調質を行い、試験材とした。

別に、常法に従って、Ａ６０６３合金のＭＤ材（外径：２３．０ｍｍ、肉厚：１．２ｍｍ）を作製し、押出後、加工度２０％の冷間抽伸加工を施し、焼鈍処理またはＴ４、Ｔ６調質を行い、試験材とした。

図５に示すように、試験材６を定盤上の下金型３にセットし、上金型２を降下させて下金型３に押し付けるように金型１を固定し、試験材の内部に低圧で液体、例えば油や水を送り込み、空気を排除しながら軸押込シリンダ（図示せず）を介して左右の軸押込工具４、５を前進させて試験材６の端部に僅かに押し込んで試験材６の両端部をシールする。

ついで、試験材６の内部の圧力を増加させ（軸押込無しの拡管成形）、または試験材６の内部の圧力と軸押込シリンダの圧力を相互に調整しながら軸押込工具４、５を押し込み（軸押込による拡管成形）、図５の右半分に示すように、試験材６を金型に沿わせるよう拡管成形するハイドロフォーミングを行い製品７とする。

実際のハイドロフォーミングにおいては、直管状の材料のみでなく、種々の形状の管材料が成形され、成形性は、軸押込無しで拡管率（｛（拡管後の外径−拡管前の外径）／拡管前の外径｝×１００（％））が大きいほど優れている。すなわち、限界拡管率（｛（拡管後割れに至った時の外径−拡管前の外径）／拡管前の外径｝×１００（％））が大きいほど優れている。

しかし、直管状の材料においては、軸押込みを行いながら拡管すると成形限界が向上するから、一定の拡管率において成形可能とするための軸押込量を比較することにより成形性を評価することもできる。軸押込量が大きいほど成形し難い材料となり、軸押込量が小さいほど成形性の良好な材料となる。

最大５０％の拡管ができる金型を用い、表１に示すように、ポートホール押出後の冷間加工度、ポートホール押出の押出比、調質、平均結晶粒径を変えた試験材について軸押込無しの拡管成形を行い、限界拡管率を評価した。結果を表１に示す。

また、３０％の拡管ができる金型を用い、表２に示すように、ポートホール押出後の冷間加工度、ポートホール押出の押出比、調質、平均結晶粒径を変えた試験材について軸押込による拡管成形を行い、拡管率３０％での成形が可能となる軸押込量を求めた。結果を表２に示す。

表１にみられるように、本発明に従う試験材Ｎｏ．１〜１０についてはいずれも、溶着部が無いＭＤ材と同等の優れた限界拡管率が得られることが確認された。また、表２にみられるように、本発明に従う試験材Ｎｏ．１４〜２３についてはいずれも、拡管率３０％の金型への成形を行うことができ、その場合の軸押込量をＭＤ材と同等まで小さくすることができることが確認された。

比較例１
常法に従って、Ａ６０６３合金のＰＥ材（外径：２３．０ｍｍ、肉厚：１．２ｍｍ）およびＭＤ材（外径：２３．０ｍｍ、肉厚：１．２ｍｍ）を作製し、一部については冷間抽伸加工を施し、焼鈍処理またはＴ４、Ｔ６調質を行い、試験材とした。

ついで、試験材について、最大５０％の拡管ができる金型を用い、表３に示すように、ポートホール押出後の冷間加工度、ポートホール押出の押出比、調質、平均結晶粒径を変えた試験材について軸押込無しの拡管成形を行い、限界拡管率を評価した。結果を表３に示す。

また、３０％の拡管ができる金型を用い、表４に示すように、ポートホール押出後の冷間加工度、ポートホール押出の押出比、調質、平均結晶粒径を変えた試験材について軸押込による拡管成形を行い、拡管率３０％での成形が可能となる軸押込量を求めた。結果を表４に示す。

表３に示すように、押出比が２０で押出後に冷間加工を行わない試験材Ｎｏ．２７、２９、３１は、母材部の平均結晶粒径は１００μｍであったが、溶着部は不均一な組織となり、とくにＴ４、Ｔ６調質の試験材は限界拡管率が低く溶着部の近傍で破断が生じた。押出比が２０で押出後の冷間加工度が小さい試験材Ｎｏ．２８、３０、３２は母材部、溶着部ともに平均結晶粒径が大きくなり、母材部と溶着部との平均結晶粒径の差も大きく、とくにＴ４、Ｔ６調質の試験材は限界拡管率が低く溶着部の近傍で破断が生じた。

また、表４に示すように、Ｏ調質およびＴ４調質の試験材Ｎｏ．３３〜３６は、成形はできたが大きい軸押込量が必要であり、Ｔ６調質の験材Ｎｏ．３７〜３８は、２５ｍｍ以上の軸押込みを行っても、拡管率３０％に達する前に座屈し、成形できなかった。

ＰＥ材およびＭＤ材の限界拡管率を示す図である。 ＰＥ材における母材部と溶着部の組織を示す顕微鏡写真である。 押出後の抽伸加工度が小さい場合のＰＥ材における母材部と溶着部の組織を示す顕微鏡写真である。 本発明で用いるＰＥ材における母材部と溶着部の組織を示す顕微鏡写真である。 本発明におけるハイドロフォーミングの工程を示す概略図である。

符号の説明

１ 金型
２ 上金型
３ 下金型
４ 軸押込金具
５ 軸押込金具
６ 試験材
７ 製品

Claims (1)

1. ポートホール押出により成形されまたは該成形後に冷間加工されたアルミニウム中空押出材であって、該アルミニウム中空押出材の母材部と溶着部の平均結晶粒径がいずれも１００μｍ以下であり、且つ母材部と溶着部の平均結晶粒径の差が１５μｍ以下であるものを、上下の金型にセットし、金型に沿わせるよう拡管成形するハイドロフォーミングを行うことを特徴とするアルミニウム中空押出材のハイドロフォーミング加工方法。但し、結晶粒径は真円換算による直径をいう。

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