JP2011104612A - 管状体拡縮成形方法及び管状体拡縮成形用金型 - Google Patents

Abstract

【課題】多角形断面形状で、山部と谷部の比率が大きく、且つ、断面形状が一定ではなく部位毎に変化したような管状体を成形可能な管状体拡縮成形方法を提供する。
【解決手段】管状体拡縮成形方法は、素材管を提供する過程（ステップＳ１）と、金型を提供する過程（ステップＳ２）と、素材管に内圧を与える過程（ステップＳ３）と、谷部成形過程（ステップＳ４）と、山部成形過程（ステップＳ５）とからなる。金型提供過程（ステップＳ２）では、素材管の半径方向に移動可能に複数に分割され金型山部及び金型谷部を有する金型を提供する。谷部成形過程（ステップＳ４）では、金型を閉じながら金型山部により素材管に谷部を成形する。山部成形過程（ステップＳ５）では、金型を閉じた後に、谷部が成形された管の内圧を上昇させ、金型谷部により素材管に山部を成形する。
【選択図】図１

Description

本発明は管状体の拡縮成形方法に関し、特に、流体を用いた管状体の拡縮成形方法に関する。

管状体を種々変形させて、例えば自動車の部品等に加工することが一般的に行われている。このような形状の管状体を成形するための加工法の１つに、バルジ加工と呼ばれる加工法がある。バルジ加工は、管状体の全体又は一部を外側へ拡管させ、目的の形状とする加工法である。ここで、管状体内部に水等の液体を注入し、水圧を利用する方法を、特にハイドロフォーム加工という。バルジ加工により、膨張した管状体が金型内側に付着するという過程で、種々の形状の管状体が成形可能となった。また、形状の複雑化に応じてバルジ加工を利用した種々の成形方法が提案されている。

例えば特許文献１には、コーナ部に分割金型を有する金型に管を装着し、分割した金型を型締めし、分割金型を後退させたまま、管内部の内圧と管軸方向の押し力を負荷して管を変形させ、次いで管内部に内圧を負荷しながら分割金型を金型の内面と同一位置まで前進させるハイドロフォーム加工方法が開示されている。即ち、この加工方法は、一旦ハイドロフォーム加工により拡管した後に、一部を分割金型により縮管することでコーナを角ばらせるものである。

また、例えば特許文献２では、素材管として山の外径と谷の外径との略中間の外径のものを用い、塑性加工によって中間外径管を谷の外径に縮径し、次いで縮径部分に圧延減肉加工を行い、その後に、残された中間外径の部位を塑性加工によって減肉を与えつつ山部を張り出し成形するものである。具体的には、成形される管は２重管であり、内部の管の径までローラにて圧縮することで谷部を成形し、次に山部をハイドロフォーム加工で拡大し、最大山径と最小谷径の比率の大きな拡縮管を成形する方法が開示されている。

また、断面形状が一定ではなく部位毎に変化したような管状体を成形するために、金型の開閉方向に負角が生じないように、金型の分割を行う方法がある（例えば特許文献３）。特許文献３に開示の技術においては、各々負角が生じないように軸方向に分割されて形成された複数の金型ユニットで構成された金型により、ハイドロフォーム加工のみで、ねじれ多角形断面形状を有する管状体の成形が可能である。

特開２００４−２５５４４５号公報 特開２００３−１８１５４５号公報 特開２００５−３２４３１９号公報

しかしながら、多角形断面形状で、山部と谷部の高さの差が大きく、且つ、断面形状が一定ではなく部位毎に変化したような、より複雑な形状の管状体を成形したいという要求がある。

ところが、特許文献１に開示の技術は、素材管を内圧により拡管した後に、縮管するものであり、内圧の高さや、形状の複雑さによっては、目的の形状に成形できないという問題がある。また、特許文献２に開示の技術では、ローラにて縮管する構成のため、円形断面形状の管状体の成形に限られ、多角形断面形状の管状体を成形することはできないという問題がある。また、特許文献３に開示の技術では、ねじれ多角形断面形状が複雑になると、軸方向に分割される金型ユニットの数が増加し、金型形状も複雑なものとなる。また、ねじれ角度が規定されており、それを超えるような、山部と谷部の高さの差の大きな管状体を成形することができないという問題がある。

本発明は、斯かる実情に鑑み、多角形断面形状で、山部と谷部の高さの差が大きく、且つ、断面形状が一定ではなく部位毎に変化したような管状体を成形可能な管状体拡縮成形方法を提供しようとするものである。

上述した本発明の目的を達成するために、本発明による管状体拡縮成形方法は、素材管を提供する過程と、素材管の半径方向に移動可能に複数に分割され、金型山部及び金型谷部を有する金型を提供する過程と、素材管に内圧を与える過程と、金型を閉じながら、金型山部により素材管に谷部を成形する谷部成形過程と、金型を閉じた後に、谷部が成形された素材管の内圧を上昇させ、金型谷部により素材管に山部を成形する山部成形過程と、を具備するものである。

ここで、素材管の直径は、金型を閉じたときの金型内部空間の内接円の直径よりも大きく、外接円の直径よりも小さいものであれば良い。

また、金型は、金型山部と金型谷部に負角が生じないように、素材管の半径方向に複数に分割されれば良い。

また、形成される管状体の軸に垂直な断面形状が回転対称の場合、谷部成形過程は、素材管に途中まで谷部を成形するように金型を途中まで閉じる過程と、金型を一旦開放する過程と、途中まで谷部を成形された素材管を軸周りに回転させる過程と、を具備するものであれば良い。

また、多角形の仮想上底面及び下底面に挟まれる側面に対角線の折り線を有する多角柱の反転螺旋型折紙構造からなる最小ユニットが仮想上底面又は仮想下底面に垂直な方向に複数段成形される管状体を拡縮成形する場合、金型は、多角形の仮想上底面及び下底面に挟まれる側面を成形するための金型谷部と、多角形の仮想上底面及び下底面に挟まれる側面に対角線の折り線を成形するための金型山部とを具備するものであれば良い。

ここで、金型は、多角形の角数に応じて、素材管の軸に対して半径方向に複数に分割されれば良い。

また、本発明による素材管拡縮成形用金型は、素材管の半径方向に移動可能に複数に分割される分割金型と、分割金型に設けられ、素材管に内圧を与えながら素材管に谷部を成形する金型山部と、分割金型に設けられ、谷部が成形された素材管の内圧を上昇させて素材管に山部を成形する金型谷部と、を具備するものである。

本発明の管状体拡縮成形方法には、多角形断面形状で、山部と谷部の高さの差が大きく、且つ、断面形状が一定ではなく部位毎に変化したような管状体であっても成形可能であるという利点がある。

図１は、本発明による管状体拡縮成形方法における製造過程を説明するためのフロー図である。 図２は、本発明による管状体拡縮成形方法を用いて成形された管状体の一例を示す斜視図である。 図３は、本発明による管状体拡縮成形用金型を説明するための図である。 図４は、本発明による管状体拡縮成形用金型を説明するための一部拡大平面図である。 図５は、本発明による管状体拡縮成形方法の谷部成形過程において素材管を回転させる場合を説明するためのフロー図である。 図６は、本発明による管状体拡縮成形方法を用いて成形された管状体の他の例を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態を図示例と共に説明する。図１は、本発明による管状体拡縮成形方法における製造過程を説明するためのフロー図である。図示の通り、本発明による管状体拡縮成形方法は、素材管提供過程（ステップＳ１）と、金型提供過程（ステップＳ２）と、内圧付与過程（ステップＳ３）と、谷部成形過程（ステップＳ４）と、山部成形過程（ステップＳ５）とからなる。

素材管を提供する過程（ステップＳ１）では、素材管として筒状の金属体を提供する。素材管は、目的物の用途や機能に応じて種々の材料や厚み、長さのものが選択可能である。

金型を提供する過程（ステップＳ２）では、金型山部及び金型谷部を有する金型を提供する。金型は、素材管の半径方向（放射方向）に移動可能に複数に分割される。金型は、金型の移動方向に対して金型山部と金型谷部に負角が生じないように半径方向に複数に分割されれば良い。金型は、少なくとも２個に分割されれば良いが、本発明では、より複雑な管状体の成形が可能なように３個以上に半径方向に分割されることが好ましい。

ここで、ステップＳ１の素材管を提供する過程において、素材管の直径は、金型を閉じたときの金型内部空間の内接円の直径よりも大きく、外接円の直径よりも小さいものを用いれば良い。なお、成形する管状体の断面が回転対称ではない場合等で、内接円や外接円が存在しない場合には、成形する管状体の形状に応じて、肉薄部等ができないように適切な直径の素材管を選択すれば良い。

素材管に内圧を与える過程（ステップＳ３）では、素材管の開口部から圧力媒体を注入し、素材管に内圧を与える。このとき、内圧を与える圧力媒体は、液体や気体、例えば、水、油、空気或いは流動性のあるゴム等であれば良い。

谷部成形過程（ステップＳ４）では、ステップＳ３の素材管に内圧を与える過程で内圧が与えられた素材管に、金型を閉じながら谷部を成形する。このとき、金型山部が素材管に食い込み、素材管に谷部が成形される。

山部成形過程（ステップＳ５）では、ステップＳ４の谷部成形過程の後、即ち、金型を閉じた後に、谷部が成形された管の内圧をさらに上昇させ、金型谷部により素材管に山部を成形する。

本発明の管状体拡縮成形方法では、このような過程を経ることで、例えば、多角形断面形状で、山部と谷部の高さの差が大きく、且つ、断面形状が一定ではなく部位毎に変化したような管状体であっても成形可能となる。

以下、本発明による管状体拡縮成形方法を用いて、より具体的に説明する。図２は、本発明による管状体拡縮成形方法を用いて成形された管状体の一例を示す斜視図である。図示例では、成形する管状体として、反転螺旋型折紙構造を有する管状体を示した。図示の通り、反転螺旋型折紙構造を有する管状体は、多角形の仮想上底面及び仮想下底面に挟まれる側面に対角線の折り線を有する多角柱の反転螺旋型折紙構造からなる最小ユニットを、仮想上底面又は仮想下底面に垂直な方向に例えば３段有する管状体である。なお、このような構造は、例えば本願の発明者の１人による特願２００９−２０９８５８に、より詳細に開示されている。なお、図２に示される反転螺旋型折紙構造を有する管状体は、例えば自動車の衝突時衝撃吸収のためのサイドメンバ等のエネルギ吸収体として用いることができるものである。

図３は、本発明による管状体拡縮成形用金型を説明するための図であり、図３（ａ）がその上面図、図３（ｂ）がｂ−ｂ断面図である。また、図４は、本発明による管状体拡縮成形用金型を説明するための一部拡大平面図である。図３（ａ）に示されるように、金型２は、素材管１の半径方向に移動可能に３個に分割されている。また、図４に示されるように、金型２は、金型山部３及び金型谷部４を有する。金型山部３が反転螺旋型折紙構造の側面の対角線の折り線（谷部）を成形する部分であり、金型谷部４が他の折り線（山部）、例えば多角柱の折り線等を成形する部分である。

ここで、金型２は、金型２の移動方向に対して金型２の金型山部と金型谷部に負角が生じないように複数に分割されれば良い。

なお、金型の分割数は、反転螺旋型折紙構造の多角形の角数に応じて、決定されれば良い。例えば、反転螺旋型折紙構造の多角形（仮想上底面又は仮想下底面における断面形状）の角数がｎのときは、金型はｎ個に分割されれば良い。また、金型の数を減らす目的で、例えば分割数をｎ／２としても良い。

なお、図２に示される反転螺旋型折紙構造を有する管状体は、その多角形の角数が６であるため、図３に示される金型２は、３個に分割されたものを示した。しかしながら、本発明はこれに限定されず、金型２は６個に分割されたものであっても良い。また、図示例では３段の反転螺旋型折紙構造のものを示したが、本発明はこれに限定されず、複数段のものであれば良い。

さて、このような金型２を用いて管状体を成形する場合、まず、ステップＳ１において素材管を提供する。提供される素材管の直径は、図３（ａ）に示されるように、金型を閉じたときの金型内部空間の内接面の直径よりも大きく、外接面の直径よりも小さいものから選択されれば良い。金型内部空間の内接円の直径が例えば１８ｍｍで外接円の直径が例えば６０ｍｍの場合、素材管の直径は、例えば４８．６ｍｍのものを用いれば良い。より具体的には、素材管として、例えば機械構造用炭素鋼鋼管の肉厚１．０ｍｍのものを用いる。

そして、図３及び図４に示されるような金型がステップＳ２で提供され、ステップ３において素材管に内圧が与えられる。素材管の開口部から圧力媒体が注入され、素材管に内圧が与えられる。素材管に与えられる内圧は、素材管の材質及び肉厚で決定される、より具体的には、素材管として上述の機械構造用炭素鋼鋼管の肉厚１．０ｍｍのものを用いた場合には、ステップ３では内圧は例えば４ＭＰａ付与されれば良い。なお、このとき、素材管に与えられた内圧によって、素材管の拡管が開始されても良いし、拡管が開始されない状態でステップＳ４の谷部成形過程へ進んでも良い。この過程での拡管の諾否の条件は、素材管の材質、肉厚、成形される筒状体の形状等を考慮して決定されれば良い。

内圧が与えられた素材管に対して、ステップ４の谷部成形過程が施される。このとき、図４の金型２の金型山部３により、素材管に谷部が成形される。素材管に内圧が与えられることで、金型を閉じても無用な変形を防止することが可能となる。

ここで、成形する管状体の軸に垂直な断面が回転対称の場合であって、金型の分割数をｎ／２にした場合、即ち、図２に示されるような多角形の角数が６であり、金型が３個に分割された場合の谷部成形過程について説明する。金型の分割数を減らした場合、金型間の接合面のところの金型谷部と接合面でないところの金型谷部とで、素材管の肉厚が不均一となってしまう場合がある。このような不均一さを防止するために、谷部成形過程では、以下のような回転過程を行えば良い。

図５は、本発明による管状体拡縮成形方法の谷部成形過程において素材管を回転させる場合を説明するためのフロー図である。金型を３個に分割した場合、谷部成形過程（ステップＳ４）は、金型を途中まで閉じる過程（ステップＳ４１）と、金型を一旦開放する過程（ステップＳ４２）と、回転させる過程（ステップＳ４３）とを行えば良い。

ステップＳ４１では、金型を閉じきらずに途中まで閉じる。これにより、素材管には途中まで谷部が成形される。そして、ステップ４２で、一旦金型を開放する。ステップＳ４３において、途中まで谷部が成形された素材管が軸周りに回転させられる。このとき、回転後の断面形状が回転前の断面形状と一致する角度分回転させられれば良い。より具体的には、図３（ａ）を参照すると、金型２の接合面の角部に位置する素材管１の角部が、接合面ではない角部に位置するように、例えば６０度回転させられる。

そして、回転後に金型を閉じきることで、素材管に谷部が成形され、ステップＳ４の谷部成形過程が完了する。なお、上述のステップＳ４１〜ステップＳ４３は、複数回繰り返し行っても良い。

このような回転過程を行うことで、素材管の肉厚が不均一となることを防止することが可能となる。したがって、成形する管状体の軸に垂直な断面が回転対称であって、金型の分割数をｎ／２とした場合等には、上述の回転過程を行っても良い。なお、金型の分割数をｎとした場合では、上述の回転過程は行わなくても良いが、接合面での不均一さが生じ得る場合には、上述の回転過程を行っても良い。

次に、本発明による管状体拡縮成形方法の山部成形過程（ステップＳ５）について説明する。ステップＳ５では、金型を閉じた後に、谷部が成形された管の内圧を上昇させ、管を拡管させ、金型の金型谷部により素材管に山部を成形する。具体的には、素材管として上述の機械構造用炭素鋼鋼管の肉厚１．０ｍｍのものを用いた場合には、ステップＳ５では、内圧を例えば１００ＭＰａまで上昇させ、素材管を拡管すれば良い。これにより、金型の金型谷部に素材管が付着し、素材管に山部が形成される。なお、拡管時の内圧についても、素材管の材質、肉厚、成形される筒状体の形状等を考慮して決定されれば良い。

以上のステップＳ１〜ステップＳ５により、図２に示す反転螺旋型折紙構造を有する管状体が成形される。

このように、本発明による管状体拡縮成形方法によれば、多角形断面形状で、山部と谷部の高さの差が大きく、且つ、断面形状が一定ではなく部位毎に変化したような管状体であっても成形可能である。なお、上述の具体的な材質や寸法、圧力については、単なる一例であり、目的となる管状体の用途や機能に応じて種々変更されるものであることは勿論である。

次に、本発明による管状体拡縮成形方法を用いて形成された管状体の他の例について説明する。図６は、本発明による管状体拡縮成形方法を用いて成形された管状体の他の例を示す図であり、図６（ａ）はその斜視図であり、図６（ｂ）はその上面図である。図示のように、この管状体は、円柱部の中央に、３角柱部を一連に成形したような形状である。また、３角柱部の側面が円柱の径より内側に入り込み、３角柱部の頂点が円柱部の径より外側に突出している。

このような形状の管状体であっても、本発明による管状体拡縮成形方法のステップＳ１〜Ｓ５を行うことで、成形可能である。なお、用いられる金型は、３個に分割されれば良い。また、円柱部よりも内側に入り込む３角柱部の側面部分が谷部成形過程（ステップＳ４）により成形され、円柱部の外側に突出している３角柱部の頂点部分が山部成形過程（ステップＳ５）により成形される。

以上のように、本発明による管状体拡縮成形方法によれば、断面形状の角数が部位毎に変化したような管状体であっても成形可能である。

本発明による管状体拡縮成形方法によれば、管状体の拡管と縮管を、分割金型を用いて行うことが可能であるため、単に拡管のみにより山部と谷部の差が大きい管状体を成形した場合に比べて、成形された管状体が肉薄になることを防止可能である。

さらに、成形する管状体の山部と谷部の差がより大きい場合等には、谷部成形過程や山部成形過程において、軸方向に素材管を圧縮させても良い。これにより、管状体の肉厚を確保することも可能となる。

なお、本発明による管状体拡縮成形方法及び管状体拡縮成形用金型は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１ 素材管
２ 金型
３ 金型谷部
４ 金型山部

Claims (7)

1. 管状体を拡縮成形する方法であって、該方法は、
   素材管を提供する過程と、
   前記素材管の半径方向に移動可能に複数に分割され、金型山部及び金型谷部を有する金型を提供する過程と、
   前記素材管に内圧を与える過程と、
   前記金型を閉じながら、金型山部により素材管に谷部を成形する谷部成形過程と、
   前記金型を閉じた後に、谷部が成形された素材管の内圧を上昇させ、金型谷部により素材管に山部を成形する山部成形過程と、
   を具備することを特徴とする管状体拡縮成形方法。
2. 請求項１に記載の管状体拡縮成形方法において、前記素材管の直径は、金型を閉じたときの金型内部空間の内接円の直径よりも大きく、外接円の直径よりも小さいことを特徴とする管状体拡縮成形方法。
3. 請求項１又は請求項２に記載の管状体拡縮成形方法において、前記金型は、金型山部と金型谷部に負角が生じないように、素材管の半径方向に複数に分割されることを特徴とする管状体拡縮成形方法。
4. 請求項１乃至請求項３の何れかに記載の管状体拡縮成形方法において、形成される管状体の軸に垂直な断面形状が回転対称の場合、前記谷部成形過程は、
   前記素材管に途中まで谷部を成形するように金型を途中まで閉じる過程と、
   前記金型を一旦開放する過程と、
   途中まで谷部を成形された素材管を軸周りに回転させる過程と、
   を具備することを特徴とする管状体拡縮成形方法。
5. 請求項１乃至請求項４の何れかに記載の管状体拡縮成形法において、多角形の仮想上底面及び下底面に挟まれる側面に対角線の折り線を有する多角柱の反転螺旋型折紙構造からなる最小ユニットが仮想上底面又は仮想下底面に垂直な方向に複数段成形される管状体を拡縮成形する場合、
   前記金型は、多角形の仮想上底面及び下底面に挟まれる側面を成形するための金型谷部と、多角形の仮想上底面及び下底面に挟まれる側面に対角線の折り線を成形するための金型山部とを具備することを特徴とする管状体拡縮成形方法。
6. 請求項５に記載の管状体拡縮成形方法において、前記金型は、前記多角形の角数に応じて、素材管の軸に対して半径方向に複数に分割されることを特徴とする管状体拡縮成形方法。
7. 素材管を拡縮成形する金型であって、該素材管拡縮成形用金型は、
   素材管の半径方向に移動可能に複数に分割される分割金型と、
   前記分割金型に設けられ、素材管に内圧を与えながら素材管に谷部を成形する金型山部と、
   前記分割金型に設けられ、谷部が成形された素材管の内圧を上昇させて素材管に山部を成形する金型谷部と、
   を具備することを特徴とする金型。