JP2010284676A

JP2010284676A - ハイドロフォーム加工装置及びハイドロフォーム加工方法

Info

Publication number: JP2010284676A
Application number: JP2009139339A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Mizumura; 正昭水村; Koichi Sato; 浩一佐藤; Manabu Wada; 学和田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2009-06-10
Filing date: 2009-06-10
Publication date: 2010-12-24
Anticipated expiration: 2029-06-10
Also published as: JP5152106B2

Abstract

【課題】本発明は、可動金型を用いたハイドロフォーム加工において、大量に生産される場合でも可動金型エッジ部が損傷することなく、かつ、エッジ部厚を厚くするなどによる割れ等の不具合を防止できるハイドロフォーム加工装置及び加工方法を提案する。
【解決手段】固定金型と、固定金型の空洞部で摺動する可動金型と、金属管端部と可動金型を同時に軸押しする手段と、金属管内部に内圧を負荷する手段を有しているハイドロフォーム加工装置において、固定金型の空洞部で摺動する可動金型の部位のうち、金属管および金属管が変形したハイドロフォーム加工品と接触する面と、固定金型の空洞部と摺動する面とのなす角が35°以上かつ55°以下の角度に設定されていることを特徴とするハイドロフォーム加工装置、及びハイドロフォーム加工方法。
【選択図】図６

Description

本発明は、空洞部を有する固定金型と、前記固定金型の空洞部を摺動する可動金型とを有し、前記固定金型と前記可動金型の両方に囲まれてセットされた金属管の端部と前記可動金型とを同時に、金属管の軸方向に押す手段と、前記金属管内部に内圧を負荷する手段を有している金属管のハイドロフォーム加工装置、及びその加工装置を用いたハイドロフォーム加工方法に関する。

近年ハイドロフォーム加工は自動車部品分野を中心に適用が拡大されている。ハイドロフォーム加工の利点としては、従来複数個のプレス加工品で構成されていた自動車部品を１本の金属管から加工できるという部品統合によるコストダウンのほか、溶接箇所が減ることによる軽量化などが挙げられる。

ハイドロフォームの適用部品を拡大するためには、素材となる金属管の周長をどこまで拡大できるかが大きなポイントとなる。周長が拡大される指標は一般に拡管率と呼ばれ、ここでは素管の周長に対するハイドロフォーム加工後の周長の比で定義する。拡管率を向上させる技術は各種提案されているが、その中でも有効なのが可動金型を使う方法である。通常のハイドロフォームでは、図１に示されるように、固定の金型の空洞部にセットされた金属管の内部から水圧などの圧力と管端の押し込み（以後、軸押しと称す）によって加工される。それに対して図２に示されるハイドロフォーム加工法は、軸押しが金属管の管端からだけでなく、周囲の金型も同時に押し込む加工法である。この可動する金型を可動金型と称すが、例えば特許文献１〜３記載の方法が提唱されている。

しかし、実際に可動金型を使って量産を行っているという報告はない。発明者らの実施した試験によると、量産に向けては可動金型の形状設計に大きな問題があることが分かった。例えば図３（ａ）のように、素管径と同一の幅を有する小判型断面の枝管となるような加工を可動金型で実現しようとすると、可動金型の形状は同図（ｂ）のようになる。つまり、可動金型の被加工材（金属管）に対向する面と固定金型と摺動する面とが交わる部分、いわゆる可動金型のエッジ部（端部）の形状は、ナイフエッジのようにシャープな形状になる。ハイドロフォームでは金属管内部に高圧が負荷され、しかも可動金型自体で金属管を押し込んでいく為、可動金型のエッジ部には非常に大きな力がかかる。よって、図３（ｂ）のように、可動金型のエッジ部がシャープな形状では、数回レベルの試作には耐えられても自動車部品のような何万個というレベルの量産には耐えられずに破損してしまう（図３（ｃ）にエッジ部が破損した状況を模式的に示す。）。

可動金型のエッジ部をシャープにしない形状で設計する場合、図４の（ｂ）のような構造が考えられる。本図は金型上部から見た断面図であるが、従来（図３（ｂ）に相当）の金型構造である図４（ａ）に対して（ｂ）は可動金型のエッジ部に厚みを持たせている。しかし、図４（ｂ）のような形状の可動金型でハイドロフォーム加工すると、管端側の直管部に比べて中央の変形部の幅が素管外径よりも大きくなり（同図（ｃ））、製品形状の設計上の制約が生じる。この問題を解決するため、図４（ｄ）のような固定金型にすると、ハイドロフォーム加工したとき、可動金型を押し込む前に隙間があるため、その隙間に金属管が入り込んでしまって可動金型で金属管を挟み込んでしまう可能性がある（図４（ｅ））。

また、ハイドロフォーム加工において、内圧で成形されるコーナーＲはあまりシャープに加工されないが（図５（ａ））、可動金型で押し込む場合は物理的に材料を押し込むため、図５（ｂ）のように非常にシャープな形状に加工される。そのまま製品となる場合は問題ないが、この後に、さらに曲げ戻されるような加工をする場合は、図５（ｃ）のようにシャープな形状が故に割れる場合が多い。

特開2002-153917号公報特開2004-314151号公報特開2004-268066号公報

本発明では、可動金型を用いたハイドロフォーム加工において、自動車部品のような大量に生産される場合でも可動金型、特に可動金型エッジ部（端部）が損傷することなく、かつ、エッジ部厚を厚くするなどにより、ハイドロフォーム加工中の材料挟み込み等の不具合や、加工後の別工程のハイドロフォーム加工における割れ等の不具合を防止できる加工装置及び当該加工装置を用いた加工方法を提案することを目的とする。

本発明者らは、係る課題を解決するため、鋭意検討を重ねた結果、可動金型のエッジ部において、被加工材（金属管）に対向する面と固定金型と摺動する面とでなす角度（いわゆる二面角）を調整することにより、可動金型のエッジ部の損傷も少なく、且つ被加工材の成形性も良好な、最適な角度が存在することを見出し、本発明を成すに至った。その要旨とするところは下記の通りである。

（１）空洞部を有する固定金型と、前記固定金型の空洞部で摺動する可動金型と、前記固定金型と前記可動金型の両方に囲まれてセットされた金属管の金属管端部と前記可動金型を同時に軸押しする手段と、前記金属管内部に内圧を負荷する手段を有しているハイドロフォーム加工装置において、前記可動金型における前記金属管又は前記金属管が変形したハイドロフォーム加工品と対向する面のうち前記可動金型のエッジ部を形成する面と、前記可動金型における前記固定金型の空洞部と摺動する面のうち前記可動金型のエッジ部を形成する面とのなす角が３５°以上かつ５５°以下に設定されていることを特徴とするハイドロフォーム加工装置。

（２）上記（１）に記載のハイドロフォーム加工装置を用いて前記金属管をハイドロフォーム加工することを特徴とするハイドロフォーム加工方法。

上記のように可動金型のエッジ部は、可動金型における被加工材（金属管又は金属管が変形したハイドロフォーム加工品）と対向する面と、固定金型の空洞部と摺動する面とが、ナイフエッジのように近接する部分を指す。これら両面が交わるところ（いわゆるエッジ）を微視的に見れば、これら両面が微小な曲面や平面で接続されていてもよい。この両面を接続する面が、ハイドロフォーム加工に影響を与えるほどの有意な長さを有していなければ構わない。

本発明によって、可動金型を用いたハイドロフォーム加工において、自動車部品のような大量に生産される場合でも可動金型が損傷することなく加工できる。また、ハイドロフォーム加工中の材料挟み込み等の不具合や、加工後の別工程のハイドロフォーム加工における割れ等の不具合も防止できる。これによって、ハイドロフォーム加工品の適用範囲が拡大され、部品統合や軽量化が実現できる。特に自動車部品への適用は、車両の軽量化が進むことで燃費が向上し、その結果、地球温暖化の抑制に貢献できる。また、これまで適用が進んでいなかった産業分野、例えば、家電製品、家具、建機部品、二輪部品、建築部材等への広がりも期待できる。

従来行われていた、可動金型を用いず固定金型だけを用いたハイドロフォーム加工の説明する概念図である。図１（ａ）は、素管装着時の状況を示す。図１（ｂ）は、ハイドロフォーム加工終了時の状況を示す。可動金型を用いたハイドロフォーム加工を説明する概念図である。図２（ａ）は、素管装着時の状況を示す。図２（ｂ）は、ハイドロフォーム加工終了時の状況を示す。可動金型を用いたハイドロフォーム加工における、固定金型と可動金型の関係を説明する概念図である。図３（ａ）は、この金型で成形されるハイドロフォーム加工品の例を示す。図３（ｂ）は、固定金型と可動金型を用いたハイドロフォーム金型構造の例を示す。図３（ｃ）は、可動金型のエッジ部が損傷した例を示す。従来の可動金型における問題点を説明する概念図である。図４（ａ）は、可動金型エッジ部がナイフエッジ形状である可動金型の例を示す。図４（ｂ）は、可動金型エッジ部に厚みを持たせた可動金型の例を示す。図４（ｃ）は、図４（ｂ）の金型でハイドロフォームした場合の被加工材の変形を説明する概念図である。図４（ｄ）は、図４（ｂ）の可動金型とそれに合う突起部を固定金型に設けた場合の金型構造の例を示す。図４（ｅ）は、図４（ｄ）の金型でハイドロフォームした場合の被加工材の変形を説明する概念図である。従来のハイドロフォーム加工における被加工材のコーナー部分成形を説明する概念図である。図５（ａ）は、従来の固定金型による加工でのコーナー部分を成形した例を示す。図５（ｂ）は、可動金型による加工でのコーナー部分を成形した例を示す。図５（ｃ）は、可動金型で成形したコーナー部分（図５（ｂ））を、さらに固定金型でハイドロフォーム加工したときのコーナー部分が割れる状態を説明した概念図本発明による可動金型の説明図を示す。従来の可動金型と本発明による可動金型との比較を説明する概念図である。図７（ａ）は、従来の可動金型で加工した例を示す。図７（ｂ）は、本発明に係る可動金型で加工した例を示す。本発明の実施例に係る可動金型を用いたハイドロフォーム加工の金型構造を説明する概念図である。図８（ａ）は、一次ハイドロフォーム金型の構成を示す図である。図８（ｂ）は、二次ハイドロフォーム金型の構成を示す図である。一部円弧を伴う断面形状の場合の本発明による可動金型を説明するための概念図である。可動金型が左右２個ずつある場合の金型構造を説明するための概念図である。

前述の図３（ａ）のように被加工材となる金属管の管径と同一長さの幅を有する枝管を有する金属管を成形する例を用いて説明する。金型構成は、図３（ｂ）と同様に、一つの固定金型２の空洞部２１を２個の可動金型７が移動する構造とした。但し、可動金型７は図６に示すような形状にする。

従来の可動金型５と本発明の可動金型７の上面から見た比較と管端側から見た比較を図７に示す。従来の可動金型５は金属管と接触する箇所のエッジ部（図７（ａ）の管端側から見た図を参照）も枝管が張り出す箇所のエッジ部（図７（ａ）の上面から見た図を参照）も鋭利なナイフエッジになっているのに対して、本発明の可動金型７では、いずれの箇所のエッジ部も固定金型２との摺動面に対しておよそ45°の角度を有したエッジとなっている（図７（ｂ）参照）。

この可動金型７における、可動金型のエッジ部を形成する金属管に対向する面７１と固定金型２の空洞部２１との摺動面７２とのなす角度α（可動金型のエッジ部の角度）が小さ過ぎるとエッジが破損しやすい。反対に、角度αが大き過ぎると図５（ｃ）のように次工程のハイドロフォーム加工で割れやすくなる。そこでαを各種変えた可動金型を用いてハイドロフォーム加工を行った。金属管には外径６３．５ｍｍ、板厚２．３ｍｍの鋼種ＳＴＫＭ１１Ａの鋼管を用い、図８（ａ）に示すような一次ハイドロフォーム金型で加工後、図８（ｂ）に示す二次ハイドロフォーム金型で加工した。加工は、αを変えたそれぞれの可動金型で１００回ずつ行った。結果を表１に示す。その結果、αが３５°未満では可動金型のエッジが途中で破損したが、３５°以上では破損しなかった。一方、αが５５°を超えると二次ハイドロフォーム加工でコーナー部の割れが確認された。更にαが７５°以上では金属管断面に対して隙間が大きくなるためシールすることができず、一次ハイドロフォーム加工ができなかった。以上のことから、本発明の可動金型のエッジ角度は３５°以上、５５°以下と定めた。

上述の説明では、図７（ｂ）に示すように本発明の可動金型の被加工材（金属管）に対向する面７１の断面は多角形状にしたが、可動金型のエッジ部の角度が所定の角度であればよく、それを満足していれば、可動金型の被加工材と対向する面の断面形状は、特に規定しない。例えば、図９に示すような円弧状であってもよい。
可動金型エッジ部を形成する面のうち、被加工材と対向する面や固定金型の空洞部と摺動する面が平面でない場合は、これら両面が交わるところ（いわゆるエッジ）での両面の接線がなす角をもって規定する。

また、図１０のように可動金型７の数が増えても構わない。例えば、図１０は、上下２分割した固定金型２２と２３にそれぞれ可動金型７が２個ずつ配置されている金型構造となっている。また、図示はしていないが、固定金型２（または２２）に空洞部２１が複数個所設置されており、そこに可動金型が少なくとも一つ配置され、ハイドロフォーム加工されてもよい。
もちろん、可動金型と被加工材（金属管）の一方の端部を別々に押し付けてもよい。しかし、押し付け機構を別々に有すると、その金型構造が複雑になるだけでなく、ハイドロフォーム加工装置の機構も複雑になるので、設備費用がかかり、コストが高くなる欠点がある。

下記に本発明の実施例を示す。
上記説明したように、図８（ａ）、図８（ｂ）に示したハイドロフォーム金型（一次及び二次ハイドロフォーム金型）を用いて、外径６３．５ｍｍ、肉厚２．３ｍｍ、鋼種ＳＴＫＭ１１Ａの鋼管を用いてハイドロフォーム加工を行った。結果を表１に示す。本発明で提案した３５°以上５５°以下のαを有する可動金型で加工すると、可動金型のエッジ部が破損することなく、かつ、その後の二次ハイドロフォーム加工における割れも発生しなかった。なおα＝４５°の可動金型では、さらに加工回数を増やし、１０００個まで加工したが、可動金型のエッジ部は破損しなかった。つまり、耐久性の向上効果が確認された。

そして、本発明により、可動金型を用いたハイドロフォーム加工において、可動金型の耐久性が飛躍的に向上し、金型寿命が格段に長くなることが確認された。これは、自動車部品のような大量生産品へ適用すると、その効果が顕著に奏されることになることは言うまでもない。本発明は、可動金型を使用するあらゆるハイドロフォーム加工に広く適用することができ、自動車工業、機械産業などに、大きく貢献するものと確信する。

１金属管（被加工材）
２ハイドロフォーム固定金型
３軸押しパンチ
４圧力媒体（例えば水）
５従来の可動金型
６管端及び可動金型の同時軸押しパンチ
７本発明の可動金型
２１固定金型の空洞部
２２分割した固定金型の上側の金型
２３分割した固定金型の下側の金型
７１可動金型の固定金型空洞部との摺動面
７２可動金型の被加工材（金属材）との対向面

Claims

空洞部を有する固定金型と、前記固定金型の空洞部で摺動する可動金型と、前記固定金型と前記可動金型の両方に囲まれてセットされた金属管の金属管端部と前記可動金型を同時に軸押しする手段と、前記金属管内部に内圧を負荷する手段を有しているハイドロフォーム加工装置において、前記可動金型における前記金属管又は前記金属管が変形したハイドロフォーム加工品と対向する面のうち前記可動金型のエッジ部を形成する面と、前記可動金型における前記固定金型の空洞部と摺動する面のうち前記可動金型のエッジ部を形成する面とのなす角が３５°以上かつ５５°以下に設定されていることを特徴とするハイドロフォーム加工装置。
請求項１記載のハイドロフォーム加工装置を用いて前記金属管をハイドロフォーム加工することを特徴とするハイドロフォーム加工方法。