JP3738659B2

JP3738659B2 - 金属管の液圧バルジ加工におけるピアシング方法及び金型並びに液圧バルジ加工部品

Info

Publication number: JP3738659B2
Application number: JP2000122843A
Authority: JP
Inventors: 光俊内田
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2000-04-24
Filing date: 2000-04-24
Publication date: 2006-01-25
Anticipated expiration: 2020-04-24
Also published as: JP2001300652A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属素管内に導入した液体に圧力を負荷して金属管を膨張加工し、その膨出部にピアシング加工により開口部を設ける加工方法およびその加工に用いる金型および前記方法により得られる液圧バルジ加工部品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
素管としての金属管あるいはそれを予備加工して得られた管状素材（以下これらを金属素管と記す）を金型内にセットし、この金属素管の内部から液圧をかけるとともに必要に応じて管端から管の軸方向に圧縮力を加えることにより、金属素管を膨張させて金型内に設けられたダイス溝の内殻にならった成形品（以下、液圧バルジ加工部品と記す）を得る液圧バルジ加工方法が自動車部品等の閉断面構造の部品の製造に適用されている。
【０００３】
通常の金属板のプレス加工においては、金型によるプレス成形と同時にダイスとポンチからなるピアシング装置により穴あけ加工が施される。液圧バルジ加工においては、成形後の形状は通常管状であり、管端近く以外では管内部にダイスを配置させることが困難であるため、ポンチとダイスによる穴あけ加工をおこなうことができない。そこで、バルジ加工での穴あけでは、以下のようなバルジ加工中の内圧を利用した方法が用いられる。
【０００４】
図１は、従来の液圧バルジ加工におけるピアシング方法を説明するためのダイス部の縦断面図である。図１(a)は上下の金型内に金属素管がセットされた状態を、図１(b)は内圧により膨出加工された状態を、図１(c)は内圧を保持した状態でポンチを前進させピアシング加工をおこなった状態をそれぞれ示す。
【０００５】
図１（ａ）に示すように、液圧バルジ加工では上金型１と下金型２の一対の金型が用いられる。金型内にはダイス溝３が設けられており、ダイス溝は膨出部を成形するための大径部Ｌが設けられている。また、膨出部にピアシング加工を施すために、ダイスの外面６から膨出部を成形するためのダイス溝３に向かってピアシングホルダー孔４が設けられており、その中に進退自在にピアシングポンチ５が設けられている。
このような金型を用い、図１（ａ）に示すように、先ずダイス溝３に金属素管７がセットされ、その両管端に軸押し工具８が当接されて、金属素管内部に加工液を導入し、その加工液に負荷した圧力（以下、内圧という）と、必要に応じて管端からの軸押し工具を介しての軸押し力とを組み合わせることによって金属管を種々の断面の異形管に膨出加工される。図１（ｂ）は、膨出加工が終了した状態を示し、長さＬの膨出部が成形されている。
【０００６】
次いで、内圧を保持したままで、ピアシングポンチ５を図示しない油圧装置等により前進させて膨出部に開口部が設けられる。図１（ｃ）は、ピアシング加工が終了した状態を示す。
【０００７】
板プレスでのピアシングではポンチと対になるダイスがあるため開口部の縁がたわむことはない。しかし、上記の従来の液圧バルジ加工におけるピアシング加工では図１（ｃ）に示するように液圧バルジ成型品の開口部の周縁に大きなたわみ９が生じ、ポンチを後退させても同図に示すような開口部周縁が管の内部にたわんだ状態で製品になるという問題があった。
【０００８】
また、管軸方向の圧縮力を積極的に付与する加工では金属管と金型面が高面圧下で相対的に滑り、ポンチ端面と金型面の段差やポンチとポンチホルダ孔の隙間のため、バルジ加工後の製品の表面に疵が発生するといた問題があった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、液圧バルジ加工により成形した膨出部にピアシング加工する方法において、膨出部の開口部周縁に生じるたわみ、および膨出加工時に開口部周辺に生じる掻き疵の発生を防止することのできるピアシング加工方法、その加工に使用する金型および開口部周縁にたわみや疵のない液圧バルジ加工部品を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解消すべく種々実験、検討した結果、ピアシング加工する前の液圧バルジ加工により膨出部を成形する際、ピアシング加工予定部とその周辺を、ピアシング時に開口部周縁がたわむ方向とは逆方向に、該周辺部までポンチホルダー孔先端周縁とダイス溝とのなすダイス角部が曲面状に面取り加工された金型形状に沿って凸状の変形を与えておけば、ピアシング時に生じるたわみと相殺しあって、たわみのない良好な開口部を設けることができるとの知見を得た。本発明はこのような知見に基づきなされたもので、その要旨は以下の通りである。
【００１１】
（１）液圧バルジ加工により金属素管に膨出部を成形し、その膨出部にピアシング加工により開口部を設ける方法であって、上下一対の金型のダイス溝内に収納した金属素管の内部に液体を導入し、液体に圧力を負荷して金属素管に膨出部を成形するに際し、膨出部のピアシング加工予定部とその周辺を、該周辺部までポンチホルダー孔先端周縁とダイス溝とのなすダイス角部が曲面状に面取り加工された金型形状に沿って断面形状が凸状になるように膨出させた後、ピアシングポンチによりピアシング加工することを特徴とする金属管の液圧バルジ加工におけるピアシング加工方法。
【００１２】
（２）液圧バルジ加工により金属素管に膨出部を成形し、その膨出部にピアシング加工するための金型であって、金属素管に膨出部を成形するためのダイス溝と、ダイス外面からダイス溝に向かって設けられたポンチホルダー孔と、そのポンチホルダー孔内を進退可能に設けられたピアシングポンチとを備え、ピアシング加工周縁部に相当するポンチホルダー孔先端周縁とダイス溝とのなすダイス角部が曲面状に面取り加工されていることを特徴とする金属管の液圧バルジ加工用金型。
【００１３】
（３）金属管状体に液圧バルジ加工による膨出部とその膨出部にピアシング加工による開口部が設けられている液圧バルジ加工部品であって、上記ピアシング加工によって管内面側に形成される破断面からなる連続した突起を有する開口部周縁の肉厚が該開口部周縁以外の肉厚よりも厚いことを特徴とする液圧バルジ加工部品。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図２は、本発明の金型の１例を示す面図で、図２（ａ）は縦断面図、図２(ｂ)はポンチホルダー孔先端部近傍の拡大図である。
【００１５】
図２（ａ）に示すように、金型は上金型１と下金型２とが対になっており、上下金型の界面にダイス溝３が設けられており、ダイス溝３は膨出部を成形するために深いダイス溝部Ｌ１が設けられている。ダイスの外面６からダイス溝３に向かってダイスホルダ孔４が設けられており、そのホルダ孔内を進退可能にピアシングポンチ５が設けられている。また、ピアシング加工周縁部に相当するポンチホルダー孔先端周縁とダイス溝とのなすダイス角部１０が曲面状に面取り加工されている。
【００１６】
通常、膨出部を開口する際にはポンチ周辺が素管の内側にたわみそのたわみ形状がそのまま製品に残り、不良品となる。本発明の金型は、ピアシング加工時のたわみを除去する目的でピアシング加工周縁部に相当するポンチホルダー孔先端周縁とダイス溝とのなすダイス角部１０が曲面で面取り加工されている。基本的には、たわみ量と同程度の深さの面取りをおこなうのがよい。
【００１７】
図２（ｂ）に面取り後の形状例を示すもので、その形状１２は図１のたわみ形状９とは逆の形状となっている。この面取り後の形状は特に限定しないが、逆たわみ形状がピアシング加工時に生じるたわみにより相殺されて、ピアシング加工後にたわみが発生していない状態になるように決定すればよい。この逆形状の大きさは、下記式により求まる範囲内にするのがよく、また面取り形状はダイス溝となめらかにつながるように円弧、２次曲線や３次曲線等による曲面とする。
０．３ｔ＜Ｈ＜１．５ｔ
１．０ｔ＜Ｗ＜５ｔ
ここで、図２（ｂ）に示すように、逆たわみの深さをＨ、ピアシングホルダー孔周縁からの逆たわみの距離をＷ、材料の肉厚をｔとする。
【００１８】
Ｗが小さすぎると、素管を膨出させるのが困難になり、また大きすぎるとピアシング加工後の開口部周囲の形状がいびつになる恐れがある。
【００１９】
Ｈは小さすぎると、ピアシング加工後にたわみが残り、また大きすぎると逆たわみが生じる恐れがある。
【００２０】
次に、上記のような金型を用いてピアシング加工する方法について以下に説明する。
【００２１】
図３は、本発明のピアシング加工を説明するための図で、図３（ａ）は素管を上下金型１、２間に設けられたダイス溝３に収納した液圧バルジ加工前の状態、図３（ｂ）は内圧による膨出加工後の状態、図３（ｃ）は内圧を保持した状態でポンチを前進させピアシング加工をおこなった状態を示す。
【００２２】
素管７が液圧バルジ加工される際、ピアシング加工周縁部に相当するポンチホルダー孔先端周縁とダイス溝とのなすダイス角部が曲面状に面取り加工されているので空隙部１３が存在するため、素管はこの部分で図３（ｂ）のようにポンチとその周辺部がその他の部分よりも大きく膨出し凸状態となる。膨出した部位は金型角部や、ポンチの刃先（ポンチ先端の周縁）に触れないため、素管表面に疵が発生することはない。
【００２３】
図３（ｃ）に示すように、凸状に膨出させた部位にポンチを前進させると、膨出部を素管の内側にたわませながらポンチ刃先が素管表面に食い込み、さらに前進させることにより開口される。このようにして、膨出部のピアシング加工予定部位とその周辺を、該周辺部までポンチホルダー孔先端周縁とダイス溝とのなすダイス角部が曲面状に面取り加工された金型形状に沿って断面形状が凸状になるように膨出させた後、ピアシングポンチによりピアシング加工することにより、ピアシング後に開口部周辺部がたわむことなく平坦な形状とすることができる。
【００２４】
上記例では、上金型にポンチを設けているが、ポンチ位置はピアシングを行いたい位置であればどこでもよく、また下金型であってもよく、特に位置を限定するものでない。
【００２５】
上記の方法で製造した液圧バルジ加工部品は、ピアシング加工によって管内面側に形成される破断面からなる連続した突起を有する開口部周縁の肉厚が該開口部周縁以外の肉厚よりも厚くなっており、開口部の強度が高いという利点を有する。
【００２６】
図４は、開口部近傍の断面図で、図４（ａ）は従来の液圧バルジ加工部品の開口部の断面図、図４（ｂ）は本発明の液圧バルジ加工部品の開口部の断面図である。開口部の周縁は、ピアシング開始面側から、たわみ部Ｂｅ、剪断部Ｓおよび破断面Ｂ rからなっている。
【００２７】
図４から明らかなように、本発明の液圧バルジ加工部品は、たわみＢｅはほとんどなく、また従来品は図４（ａ）に示すように開口部周縁部の肉厚は他の部分と同じなのに対し、本発明の部品は図４（ｂ）に示すように、ピアシング加工によって管内面側に形成される破断面からなる連続した突起を有する開口部周縁の肉厚がｔからｔ′に増加し、孔部の補強効果が得られる。
【００２８】
本発明の液圧バルジ加工部品は、開口部の強度が高いので繰り返し荷重を受け開口部からの疲労破壊が問題となるような用途に好適である。
【００２９】
【実施例】
図２（ａ）に示す金型と、外径６０．５ｍｍ、肉厚２．０ｍｍ、長さ９００ｍｍの機械構造用炭素鋼管ＳＴＫＭ１１Aを用いて、液圧バルジ加工とピアシング加工をおこなった。
【００３０】
図５は、使用した金型のダイス溝の断面図で、図５（ａ）は素管を膨出させる方向の縦断面図、図５（ｂ）はその側面図、図５（ｃ）は素管を膨出させる方向に対する直角方向の縦断面図、図５（ｄ）はその側面図である。
【００３１】
ダイス溝両端部近傍の直径Ｄは、素管の外径と同じ６０．５ｍｍである。膨出部は幅ｗ：８０ｍｍ、高さｈ：５０ｍｍ、膨出部コーナｒ：８ｍｍであった。ポンチホルダー孔１６の先端周縁１４とダイス溝３とのなすダイス角部１０を曲面状に面取り加工し、ポンチホルダー孔１６の先端１４からの面取り幅Ｗと高さＨとを種々変化させ、表１に示すようにＷ／ｔは０、１．０、２．５、５．０および１０の５種とし、各比毎にＨ／ｔを０、０．１、０．３、０．５、１．５、および２となるような金型を用意した。
【００３２】
このような種々の金型を用い、液圧バルジ加工をおこなった。
【００３３】
図６は、液圧バルジ加工時の内圧と、軸押し量との関係およびポンチの動作パターンを示す図である。金属素管の両端から軸押し力を付与して液圧でバルジ加工した後、内圧を保持したままポンチを前進させ、ピアシング加工をおこなった。開口部の形状は全て円形とし直径１２ｍｍとした。
【００３４】
上記条件で液圧バルジ加工とピアシング加工をおこなった後、たわみ量を断面を投影機で投影して測定した。このたわみ量は、成形品の開口部の周縁がピアシング加工方向にたわんでいる量を示す。表中のたわみ量が−のものはピアシング加工方向とは逆にたわんでいることを示す。
【００３５】
【表１】

同表から明らかなように、Ｈ／ｔとＷ／ｔの両方が０の従来の金型を用いた場合、たわみ量が０．８ｍｍと大きいが、本発明の面取り加工された金型を用いた場合、いずれも従来例よりたわみ量が少なかった。
【００３６】
また、Ｈ＝１．０ｍｍ、Ｗ＝５．０ｍｍの金型を用いてピアシング加工した成形品も開口部の周縁の肉厚を測定した結果、成形前の２．０ｍｍから２．６ｍｍに増肉していた。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、膨出部の開口部周縁に生じるたわみ、および膨出加工時に開口部周辺に生じる掻き疵の発生を防止することができ、金属管を素材として優れた液圧バルジ加工部品が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の液圧バルジ加工でのピアシング方法を説明するための断面図である。
【図２】本発明の金型を示す縦断面図である。
【図３】本発明の液圧バルジ加工でのピアシング方法を説明するための図である。
【図４】ピアシング加工後の開口部の断面図である。
【図５】実施例で用いたダイス溝の図である。
【図６】内圧と軸押し量との関係を示す図である。
【符号の説明】
１上金型
２下金型
３ダイス溝
４ピアシングポンチホルダー孔
５ピアシングポンチ
７金属素管

Claims

液圧バルジ加工により金属素管に膨出部を成形し、その膨出部にピアシング加工により開口部を設ける方法であって、上下一対の金型のダイス溝内に収納した金属素管の内部に液体を導入し、液体に圧力を負荷して金属素管に膨出部を成形するに際し、膨出部のピアシング加工予定部とその周辺を、該周辺部までポンチホルダー孔先端周縁とダイス溝とのなすダイス角部が曲面状に面取り加工された金型形状に沿って断面形状が凸状になるように膨出させた後、ピアシングポンチによりピアシング加工することを特徴とする金属管の液圧バルジ加工におけるピアシング加工方法。
液圧バルジ加工により金属素管に膨出部を成形し、その膨出部にピアシング加工するための金型であって、金属素管に膨出部を成形するためのダイス溝と、ダイス外面からダイス溝に向かって設けられたポンチホルダー孔と、そのポンチホルダー孔内を進退可能に設けられたピアシングポンチとを備え、ピアシング加工周縁部に相当するポンチホルダー孔先端周縁とダイス溝とのなすダイス角部が曲面状に面取り加工されていることを特徴とする金属管の液圧バルジ加工用金型。
金属管状体に液圧バルジ加工による膨出部とその膨出部にピアシング加工による開口部が設けられている液圧バルジ加工部品であって、上記ピアシング加工によって管内面側に形成される破断面からなる連続した突起を有する開口部周縁の肉厚が該開口部周縁以外の肉厚よりも厚いことを特徴とする液圧バルジ加工部品。