JP2014004626A - 異径管状部品の製造方法および成形金型 - Google Patents

Abstract

【課題】生産性が良く、製造コストが低く、然も製品寸法精度に優れた異径管状部品の製造方法を提供する。
【解決手段】金属板のブランクをプレス成形して小径部、大径部および小径部と大径部の間の径変化部で構成される異径管状部品１の製造方法であって、ブランクをＵ字成形金型にてプレス成形してＵ字成形品となし、これをＯ字成形金型にてプレス成形して円断面成形品となす工程を有する。Ｕ字成形金型には、Ｕ字成形品の縦壁部長よりも長い縦壁長をもたせた金型を用い、Ｏ字成形金型には、金型合わせラインを下斜め方向にとり、ブランクの板厚ｔと小径部、大径部に対応する金型部分の直径Ｄとの比であるｔ/Ｄが０．０１０≦ｔ/Ｄ≦０．０８０である金型を用い、周方向の圧縮ひずみ＝（管周方向になる板幅方向のブランク幅−金型の周長）/金型の周長×１００（％）で示される周方向の圧縮ひずみが０．５％以上であることとした。
【選択図】図１

Description

本発明は、異径管状部品の製造方法に関し、詳しくは、金属板（例えば引張強さ（TS）が300MPa以上の高強度鋼板）のブランクを用いてプレス成形により製造された、寸法精度に優れ且つ生産性の高い、異径管状部品（管軸方向に管径の相異なる部分を有する管状部品を意味する）の、前記プレス成形による製造方法とプレス成形金型に関する。
ここで、ブランクとは、成形加工用の素材であって、原板から切り出され、該切り出しの際、前記成形加工後の管状部品形状に対応した形状の単一平板である。

自動車用部品の一部に、剛性や衝突強度に優れた管状部品（断面が円形状）が使用されている。また、他部品との接合の観点から異径管状とされた部品も多い。異径管状部品を得る製造プロセスとして、ＵＯＥプロセスやロールフォーミングなどで製造した金属管を用い、口絞り加工、口広げ加工、ハイドロフォーミング等の管材の二次加工を施す方法（従来技術Ｉと呼ぶ）がある。また、プレス成形により製造した異径管状部品およびその製造方法に関する従来技術として、成形後の板厚減少、しわ等の不具合を回避するためにブランク形状を工夫し、Ｕ字形への成形後Ｏ字形への成形を行う成形方法が公知である（特許文献１参照；従来技術ＩＩと呼ぶ）。

特許第４７１３４７１号公報

前記従来技術Ｉは、管材製造後に口絞り加工、口広げ加工、チューブフォーミング等の二次加工を行うものである為、専用加工機が必要となり、生産性の低下やコストアップを招く。また、縮径加工や拡管加工は主に管端近傍の加工に限定される場合が多く、汎用性に難点がある。チューブハイドロフォーミングは、長手方向に断面形状を自由に変化させることが可能であるが、張出し変形部は板厚が大きく減少するため、均一な板厚の部品を得ることが困難であり、また、成形時間が長いため生産性に難点がある。

前記従来技術ＩＩは、Ｏ字成形の際、Ｕ字成形品の縦壁部を上型へ挿入させるために、ガイドブレードと称する中子を必要とし、また、Ｕ字成形前にブランク端部を内側に曲げる工程が必要となる。また、成形品の断面寸法精度に関する記載はなされていない。自動車部品として適用する場合は、剛性等の部品性能、組付けやすさの点から、断面寸法精度は重要である。すなわち従来技術ＩＩでは、製造コストや製品の寸法精度に難点がある。

つまり、従来技術では、生産性が良く、製造コストが低く、然も製品寸法精度に優れた異径管状部品を提供する事はできないという課題があった。

発明者らは上述の課題を解決する為に鋭意検討し、次の知見を得た。即ち、小径部、大径部および小径部と大径部の間の径変化部で構成される管状部品において、素材の板厚と小径部と大径部に対応する成形金型の直径の比を適切な範囲とすることで、成形後部品に発生するシワや局部的な板厚変化を防止することが可能であり、成形時に周方向に圧縮ひずみを導入することで部品の真円度を向上させることが可能である。また、Ｕ字形に成形後、円断面に成形する工程で製造する際に用いる金型において、Ｕ字成形金型の縦壁長を長くすることでシワを抑制でき、円断面成形金型の金型合わせラインを下斜め方向にすることで追加工程や中子無しで成形可能である。

本発明は上記知見に基づいてなされたものであり、その要旨は以下のとおりである。
（１） 金属板のブランクをプレス成形して小径部、大径部および前記小径部と前記大径部の間の径変化部で構成される異径管状部品となす異径管状部品の製造方法であって、前記ブランクをＵ字成形金型にてプレス成形してＵ字成形品となし、これをＯ字成形金型にてプレス成形して円断面成形品となす工程を有し、前記Ｕ字成形金型には、前記Ｕ字成形品の縦壁部長よりも長い縦壁長をもたせた金型を用い、前記Ｏ字成形金型には、金型合わせラインを下斜め方向にとり、前記ブランクの板厚ｔと前記小径部、大径部に対応する金型部分の直径Ｄとの比であるｔ/Ｄが０．０１０≦ｔ/Ｄ≦０．０８０である金型を用い、下記（1）式で示される周方向の圧縮ひずみが０．５％以上であることを特徴とする異径管状部品の製造方法。
記
周方向の圧縮ひずみ＝（管周方向になる板幅方向のブランク幅−金型の周長）/金型の周長×１００（％）・・・（1）

（２） 前記Ｕ字成形において、大径部と径変化部の間に曲げ形状を付与することを特徴とする前記（１）に記載の異径管状部品の製造方法。
（３） 前記Ｏ字成形金型は、上金型の円弧部頂点に溝をもたせ該溝の溝幅Ｗと前記ブランクの板厚ｔの比Ｗ/ｔを２．０〜３．０とした金型であることを特徴とする前記（１）または（２）に記載の異径管状部品の製造方法。
（４） 前記（１）〜（３）のいずれか１つに記載の製造方法に用いる成形金型であって、先に用いる前記Ｕ字成形金型と後に用いる前記Ｏ字成形金型とからなることを特徴とする成形金型。

本発明によれば、高い真円度を有した異径管状部品を必要最小限のプレス成形工程で製造することが可能となる。

本発明の実施形態の一例を示す立体図である。 図２（a）は図１の例に対応するブランクを示す平面図である。図２（b）は、成形時のシワ発生の対策として、大径部と幅変化部の境界に切込みを入れたブランクを示す平面図である。 本発明に係るＯ字成形金型の一例を示す側面図である。 本発明に係るＵ字成形工程の一例を示す断面図である。 本発明に係るＵ字成形金型の一例を示す概略図である。 本発明に係る円断面成形工程の一例を示す断面図である。 本発明に係る円断面成形工程の一例（溝付き上型使用）を示す断面図である。

図１は、本発明の実施形態の一例を示す立体図であり、図２（a）は、図１の例に対応するブランクを示す平面図である。図１、図２（a）において、１は異径管状部品、２はブランクである。板厚ｔのブランク２はプレス成形されて異径管状部品１となる。異径管状部品１は、小径部、大径部および前記小径部と前記大径部の間の径変化部で構成されている。径変化部は大径部と小径部を線形に繋いだ形状である。ブランク２は、前記大径部、小径部、径変化部に夫々対応させる大幅部（幅La）、小幅部(幅Lb)、及びこれらを繋ぐ幅変化部をもたせた平面形状とされている。また、図２（b）は、成形時のシワ発生の対策として大径部と幅変化部の境界に切込みを入れたブランクを示す平面図であり、本形状のブランクを用いてもよい。

図３は、本発明に係るＯ字成形金型の一例を示す側面図であり、図１の異径管状部品に対応している。
異径管状部品１の形状について、シワを抑制し、且つ、優れた真円度を確保するために、ブランク板厚（t）と小径部、大径部に対応する金型部分の直径(D)（Dは小径部の直径Db、大径部の直径Da）の比(t/D)、周方向の圧縮ひずみを適切な値に管理することが重要である。ここで、真円度は、異径管状部品の外径を等角度間隔で８箇所以上測定し、（最大外径-最小外径）/金型直径×100（％）で計算される値であり、目標直径に対する誤差を示すパラメータである。また、周方向の圧縮ひずみは、前記(1)式で計算される値である。

前記比t/Dは、真円度や成形中の座屈に影響する因子である。
t/Dが過小、すなわち板厚が薄すぎるもしくは径が大きすぎる場合は、後述する円断面成形工程時に座屈が発生しやすくなるばかりか、周方向の圧縮ひずみを十分に与えることが出来ず、真円度が劣化するためt/Dを０．０１０以上と規定する。t/Dが過大、すなわち板厚が厚すぎるもしくは径が小すぎる場合は、円断面成形時にブランクが金型に十分に沿わず、真円度が劣化するためt/Dは０．０８０以下と規定する。なお、Dは前記Db、Daである。

大径部と径変化部に対応する金型部分のなす角度（傾斜角度）θは、大径部と径変化部間の突合せ部近傍の成形時のシワ発生抑制の観点から30度以下が好ましい。
管周方向の圧縮ひずみは、成形品断面の真円度確保や突合せ部の開き量を小さくする上で重要な因子である。管周方向の圧縮ひずみを付与することで、円断面成形の最終段階でブランクが金型に密着するため、真円度が向上する。また、圧縮曲げ変形で円断面成形されるため、離型後のスプリングバック変形が減少し、突合せ部の開き量が減少する。突合せ部は成形後に溶接等で接合するため、開き量が小さいほど接合時の突合せ精度が向上し接合が容易となる。真円度２．０％以内とするために、管周方向の圧縮ひずみは０．５％以上と規定する。管周方向の圧縮ひずみが大きい場合、金型合わせ面での材料の噛み込み、成形荷重の上昇が懸念されるため、管周方向の圧縮ひずみは５％以下とすることが好ましい。板厚が薄く、径が大きい場合、圧縮ひずみを大きくすると座屈が発生するため、t/Dが０．０２０以下では圧縮ひずみを２．０％以下とすることが好ましい。

本発明の異径管状部品は、例えば図４〜図７に示す様に、ブランク２をＵ字成形してＵ字成形品３を得る工程と、得られたＵ字成形品３を円断面成形して円断面成形品４を得る工程との、２工程を有するプレス成形により製造される。
図４に示すＵ字成形はフォーム成形であり、これに用いるＵ字成形金型の下型の縦壁長がＵ字成形品３の目標縦壁部長よりも長く設計されることが重要である。大径部と径変化部の間はＵ字成形時にシワが発生しがちな領域であり、シワが発生した状態で円断面成形を行うと種々の成形不良や金型損傷を招く惧れがある。金型縦壁長を長くし、Ｕ字成形時にブランク２のＵ字成形品縦壁対応部にしごき加工を導入することで、Ｕ字成形時に発生するシワを緩和することが可能となる。離型後のＵ字成形品３の断面形状は、スプリングバック変形により開いたＵ字断面形状となる。

また、図５にＵ字成形金型の一例を示す様に、Ｕ字成形において、大径部と径変化部の間に曲げ形状を付与する事で、次工程のＯ字成形の間に大径部と径変化部に発生し易いしわを、より抑制する事が可能となる。部品の大径部と径変化部のなす角度θが大きいほど、Ｕ字成形時の曲げ角度θ１を大きくすればしわ抑制に有効である。しかし、θ１が大き過ぎるとＵ字成形時に縦壁部にしわが発生しＯ字成形が困難になるため、θ１は１０度以下が好ましい。

図６に示す円断面成形金型は上下金型とも半円形状を有する形状で、金型合せ面が水平ではなく下斜め方向であることが特徴である。円断面成形工程は以下の通りである。まず、Ｕ字成形品３を下型にセッティングし、上型を降下させる。この際、Ｕ字成形品３は上述の通り開いたＵ字断面形状となっているため、その縦壁部の開端が上下の金型合せ面と接触するが、該金型合せ面を下斜め方向とすることで金型合せ面上を縦壁部の開端が滑るように移動するため、縦壁部を押し潰すことなく成形を進めることが可能となる。金型合わせ面は直線でもよいが，図６、図７のように端部の合わせ面角度を曲線状に変化させる事により、縦壁部の開端の移動がより滑らかになる。その後、左右縦壁部の開端同士が接触し、曲げ変形を伴いながら金型になじむように変形し、円断面に成形される。離型後の円断面成形品４はスプリングバック変形により突合せ部に開きが生じる。周方向の圧縮ひずみが小さい場合、金型へのなじみが不十分となり、曲げ線が残存するため真円度が低下する。また、スプリングバック変形も大きくなるため、突合せ部の開き量も大きくなる。離型後は突合せ部を接合し、最終製品となる。

上記製造方法では、上述の通り突合せ部の接合が必要となる。接合方法としては、レーザ溶接、アーク溶接、スポット溶接などの溶接が挙げられる。このときブランクが薄肉材であると、溶け落ち等の問題で接合が困難な場合があるが、フランジが存在すれば接合が容易になる。図７に示すとおり、上金型円弧部の頂点に溝を付けることにより、成形中に左右縦壁の開端同士が溝の中で接触し、その後円断面に成形されるため、フランジ付き円断面成形品の製造が可能となる。但し、溝幅Wとブランクの板厚tの比W/tが２．０未満では溝に左右両先端が収まらず円断面の座屈が発生し易くなるため、W/tは２．０以上とするのが好ましい。また、W/tが３．０より大きいとフランジがきちんと成形されず、左右フランジ同士の合わせ面に隙間が生じ接合が困難となることが懸念されるためW/tは３．０以下とするのが好ましい。

表１に示す機械的特性を有する鋼板から切り出したブランクを素材とし、図４および図６、図７の形態で表２に示す種々の条件としたプレス成形により、図１の形状を有する全長１４００ｍｍの円断面成形品を作製し、離型後、管軸方向の複数点で周方向突合せ端部の仮付け溶接をした上で、その形状を、真円度の測定、及びシワ・座屈といった成形不良の有無の目視判定で評価した。真円度は、大径部、小径部のそれぞれ１箇所の外径を、円周方向に２２．５度ピッチで８箇所測定し、以下の式で求め、大径部、小径部の真円度のうち、小さくない方の値で評価した。
真円度（％）＝（最大外径-最小外径）/金型直径×100
前記評価の結果を表２に示す。本発明例であるNo.1,2,4,6,7〜10は図４に次いで図６の工程で成形した場合、No.11〜13は図４に次いで図７の工程で成形した実施例である。なお、大径部と小径部間の傾斜角度は、径変化部の長さと金型の大径部直径および小径部直径から算出できる（本発明例では4.8〜9.7度）。いずれも良好な真円度を示し、且つ、シワ・座屈といった成形不良も見られなかった。これに対し、比較例をみると、No.14はt/Daが小さいため、真円度が劣化し、また座屈が発生した。No.15はt/Dbが大きく周方向の圧縮ひずみを大きくしても真円度の確保が困難であった。No.16は真円度が確保できなかった。

１ 異径管状部品
２ ブランク
３ Ｕ字成形品
４ 円断面成形品

Claims (4)

1. 金属板のブランクをプレス成形して小径部、大径部および前記小径部と前記大径部の間の径変化部で構成される異径管状部品となす異径管状部品の製造方法であって、前記ブランクをＵ字成形金型にてプレス成形してＵ字成形品となし、これをＯ字成形金型にてプレス成形して円断面成形品となす工程を有し、前記Ｕ字成形金型には、前記Ｕ字成形品の縦壁部長よりも長い縦壁長をもたせた金型を用い、前記Ｏ字成形金型には、金型合わせラインを下斜め方向にとり、前記ブランクの板厚ｔと前記小径部、大径部に対応する金型部分の直径Ｄとの比であるｔ/Ｄが０．０１０≦ｔ/Ｄ≦０．０８０である金型を用い、下記（1）式で示される周方向の圧縮ひずみが０．５％以上であることを特徴とする異径管状部品の製造方法。
   記
   周方向の圧縮ひずみ＝（管周方向になる板幅方向のブランク幅−金型の周長）/金型の周長×１００（％）・・・（1）
2. 前記Ｕ字成形において、大径部と径変化部の間に曲げ形状を付与することを特徴とする請求項１に記載の異径管状部品の製造方法。
3. 前記Ｏ字成形金型は、上金型の円弧部頂点に溝をもたせ該溝の溝幅Ｗと前記ブランクの板厚ｔの比Ｗ/ｔを２．０〜３．０とした金型であることを特徴とする請求項１または２に記載の異径管状部品の製造方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１つに記載の製造方法に用いる成形金型であって、先に用いる前記Ｕ字成形金型と後に用いる前記Ｏ字成形金型とからなることを特徴とする成形金型。

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