JP4082743B2 - ハイドロフォーミング装置及びその方法 - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は、全体として、管状材料を冷間成形する分野、より具体的には、ブランク管から複雑な形状のフレームをハイドロフォーミング（hydroforming）する装置及びその方法に関する。
関連技術の説明
業界は、標準的なブランク管を単一体で複雑な管状の形状体に成形することを要求している。自動車業界において、自動車のフレームは、典型的に、強度を増し且つ荷重を支持する目的のため「箱」型式の構造をしている。これらのフレーム部材は、水平方向及び垂直方向輪郭の双方の点にて大きく相違することがしばしばである。かかる部材の断面は、略四角の断面から、矩形の断面、円形の断面、また、著しく平坦な断面まで、更に、上記のものを不規則に組み合わせた形状まで、極めて顕著に相違することがしばしばである。このことは、導波管に対し多岐に亙る断面形状を要求するアンテナ業界にてもそうである。
マンドレルを使用し又は使用せずに、管ブランクを曲げ、引伸ばし、圧縮し且つ半径方向に膨張させる全体的な工程は公知である。大部分の金属にとって、小径の管を曲げて、半径の大きい円弧状部分にすることは、かなり容易なことである。しかし、管の直径が増し、管をその周りで曲げる半径が小さくなるのに伴なって管の曲げ工程は、内側曲げ半径による管の圧縮と、外半径による引伸ばしとをある程度、組み合わせることを必要とする。管の外側曲げ面は、材料の所定の延伸特性の限界まで引伸ばすことができるが、所定の直径の管は、内側曲げ面にて顕著な屈曲又は外側曲げ半径にて望ましくない変形を招来することなく、比較的小さい曲げ半径にて満足し得るように曲げることはできない。その幾つかは、管の内面を制御可能にへこませ又は制御されたリップリングを許容し、これにより、管の外面の引伸ばしを少なくすることにより、比較的小さい曲げ半径にて特定の直径の管を曲げることを可能としている。
標準的な機械プレスは、ブランク管を整形する１つの装置である。図１ａ及び図１ｂには、標準的な機械プレス１０が図示されている。該機械プレス１０は、固定の下側ダイベッド１６により支持された静止下側ダイ１２を有している。図１ｂに図示するように、ブランク管２０は、下側ダイ１２のキャビティ内に配置される。ブランク管２０を整形するため、上側ダイ１４は、ラムプレス１８により推進されて下方に動く。ラムプレス１８は、接触する下側ダイ１２と上側ダイ１４との間にてブランク管２０を圧縮するのに必要な力を提供する。ブランク管２０を整形するために機械プレスを使用することに伴なう主たる問題点は、押された管が、特に、複雑な形状体の場合、キャビディの深い凹所内に押し込まれないことである。押された管は、キャビティの凹所を充填しないため、整形した管は、下側ダイ１２と上側ダイ１４との間のキャビティにより提供される所望の形状に順応しない。
複雑な管状の形状体を形成する装置は、ハイドロフォーミングプレスである。該ハイドロフォーミングプレスは、一連のステップに従って所望の管状の形状体を形成する。一般に、管の所望の成形形状を画定するキャビティを有する一対のダイの間に管、すなわち被加工物が配置される。ダイは合体し、また、被加工物の端部は一対の密封装置によって密封される。被加工物に流体を充填し、その後、その流体を加圧する。被加工物中の流体を加圧すると、管は成形され且つ膨張して、キャビティの形状に順応する。流体を管から排出して、密封装置を除去して被加工物を解放する。ハイドロフォーミングプレスに伴なう主要な問題点は、極めて高価なことである。単一のハイドロフォーミングプレスは、約300万ドルもする。
機械プレスは広く使用可能であり、永年に亙って多くの工場にて使用されているため、上記のハイドロフォーミングを行うために機械プレスを改造する試みが為されている。標準的な機械プレスをハイドロフォーミングプレスに改造するとき、ブランク管の端部を密封する密封装置を追加しなければならない。ラムプレスが上側ダイを下降させて、その下降位置にて停止させる。密封装置は、ブランク管に対して成形流体を供給し、その成形流体をその後に加圧する。ブランク管内にて成形流体を加圧すると、ブランク管は成形され且つ膨張して、キャビティの形状に順応する。所要形状の管が成形された後、成形流体を管から排出し、密封装置を除去して、成形された管を解放する。
機械プレスを改造したハイドロフォーマに伴なう主要な問題点は、上側ダイが下降し且つ停止したとき、上側ダイがダイの間のキャビティを閉じるべく下側ダイに接触しない点である。ラムプレスは、その移動時、下方への楕円形の経路に従い、上側ダイが下側ダイに接触するようにする。下側ダイは固定されているため、ラムプレスは、丁度、２つのダイが接触したときにその動きを停止しなければならない。しかしながら、標準的な機械プレスにおける許容公差は、ダイが閉じた状態に接触する180°の点から±５°の位置にて停止するようなラムプレスとする。ダイは、管が加圧されたとき、完全に閉じる可能性はないため、キャビティの深い凹所を充填すべく、内圧下にて膨張する管は、また、かみ合わさるダイの間にて圧縮される。改造した機械による最終製品は、接触しない２つのダイの間のスペースに適合するリブを有する不良に成形された管となる。
本発明は、上述した１つ以上の問題点の影響を解消し又は少なくとも軽減することを目的とするものである。
発明の概要
本発明の１つの形態によれば、次のステップを備える、ブランク管から複雑な形状のフレーム部材を成形するハイドロフォーミング方法が提供される。ブランク管は下側ダイ内の第一のキャビティ内に配置され、上側ダイは、開き位置から下側ダイに極く近接する位置まで下降させる。上側ダイは、上記第一のキャビティと整合させた第二のキャビティを有している。ブランク管の両端は一対の密封装置で密封されており、成形流体がこの密封したブランク管内に導入される。ブランク管内の成形流体は内部にて低レベルまで加圧され、管が下側ダイと上側ダイとの間にて潰れるのを防止する。上側ダイ及び下側ダイがかみ合わさり、第一及び第二のキャビティを接続しブランク管を包み込む成形キャビティとなるように下側ダイを上昇させる。ブランク管は、内部にて更に加圧され、該ブランク管が成形キャビティに順応するようにブランク管を膨張させる。膨張した管が成形された後、成形流体を管から排出し、密封装置は管の端部から引っ込む。下側ダイ及び上側ダイは、仕上がった複雑な形状のフレーム部材を形成し得るようにその端部が切り落とされた成形管を解放する。
本発明の別の形態によれば、ブランク管から複雑な形状のフレーム部材を成形する装置が提供される。該管のハイドロフォーミング装置は、下側ダイと上側ダイとを備えている。下側ダイは下降位置と上昇位置との間にて移動可能である。下側ダイは、ブランク管を受け入れることのできる第一のキャビティを有している。開き位置と下側ダイに極く近接する位置との間にて移動可能な上側ダイは、第一のキャビティと整合された第二のキャビティを有している。一対の密封装置が引込み位置と密封位置との間にて移動可能である。密封装置は、引込み位置にてブランク管の両端から離れた位置に配置され、該密封装置は密封位置にてブランク管の両端を密封する。流体供給手段は、密封装置が密封位置にあるとき、ブランク管に成形流体を充填することができる。下側ダイの昇降手段は、該下側ダイを下降位置から上昇位置まで上昇させ、上記上側ダイ及び上記下側ダイがかみ合わさり、第一及び第二のキャビティを接続して成形キャビティとすることができる。流体制御手段は、密封したブランク管内の成形流体を加圧し、ブランク管を膨張させて成形キャビティに順応させる。
本発明の更なる形態によれば、両端を有するブランク管を成形する改良に係る機械プレスが提供される。該機械プレスは、ブランク管を受け入れることのできる下側ダイキャビティを有する下側ダイと、ラムプレスと、該ラムプレスに取り付けられた上側ダイとを備える型式のものである。上側ダイは、開き位置と下側ダイに極く近接する位置との間にて可動である。上側ダイは、下側ダイキャビティと整合させた上側ダイキャビティを有している。この機械プレスに対する改良点は、一対の密封装置と、下側ダイの昇降手段と、流体制御手段とを備えることである。該密封装置は、引込み位置と密封位置との間で可動である。引込み位置において、密封装置は、管の端部から離れた位置に配置される。密封位置において、密封装置は、上記管の上記端部と密封可能に係合する。また、成形流体を密封した管内に導入するため、流体供給手段が設けられる。位置決定手段が上側ダイ及び下側ダイの分離距離を決定する。下側ダイの昇降手段は、下側ダイを所定の距離だけ上昇させ、上側ダイキャビティ及び下側ダイキャビティを接続し、１つの成形キャビティを形成する。流体制御手段は管内の成形流体を加圧し、該管を膨張させ、該管が成形キャビティに順応するようにする。
【図面の簡単な説明】
本発明の上記及びその他の有利な点は、以下の詳細の説明を読み且つ添付図面を参照することにより明らかになるであろう。添付図面において、
図１ａは、開き位置にある標準的な機械プレスの側面図である。
図１ｂは、線１ａ−１ａに沿った図１ａの機械プレスの端面図である。
図２ａは、開き位置にある管のハイドロフォーミング用ダイ機械プレスの１つの好適な実施の形態の側面図である。
図２ｂは、線２ａ−２ａに沿った図２ａのプレスの端面図である。
図２ｃは、線２ｂ−２ｂに沿った図２ａのプレスの１つの実施の形態の底面図である。
図３ａは、上側ダイが下側ダイに極く近接する位置にある、図２ａのプレスの側面図である。
図３ｂは、図３ａの密封装置の側面図である。
図４は、下側ダイが上昇位置にある、図２ａのプレスの側面図である。
図５は、制御装置の好適な実施の形態のブロック図である。
図６ａ、図６ｂ、図６ｃは、制御装置のプログラムに対する好適な実施の形態のフローチャートである。
本発明は色々な改変例及び代替的な形態にて具体化可能であるが、特別な実施の形態を一例として図面に図示し、これについて以下に詳細に説明する。しかしながら、本発明を開示した特別な形態にのみ限定することを意図するものではないことを理解すべきである。本発明は、添付した請求の範囲により規定される本発明の精神及び範囲に属する全ての改変例、均等例及び代替例を包含するものである。
発明の詳細な説明
驚くべきことに、本発明に従って標準的な機械プレスはハイドロフォーミング装置に効率的にて改造可能であることが判明した。本発明のハイドロフォーミング装置及びその方法は、標準的な機械プレスをブランク管から複雑な形状のフレーム部材を形成することのできる装置に改造可能であることが判明した。固定のダイベッドに代えて、可動のボルスタープレートに下側ダイを取り付けることにより、機械プレスの停止許容公差に関係なく、下側ダイを上側ダイとかみ合わせることができる。２つのダイが分離している距離だけボルスタープレート上の下側ダイを上昇させることにより、下側ダイ及び上側ダイキャビティは、常に接続して１つの成形キャビティを形成する。更に、このハイドロフォーミング装置及びその方法は、複雑な形状のフレーム部材を形成し得るように効果的に且つ経済的に作動させ且つ保守を行うことができる。
本発明のハイドロフォーミング装置及びその方法は、標準的な機械プレスをブランク管から複雑な形状のフレーム部材を形成する装置に改造する。機械プレスの標準的な要素は、下側ダイと、ラムプレスに取り付けられた上側ダイとを備えている。一般に、下側ダイは固定のダイベッドに取り付けられる。標準的な機械プレスを管のハイドロフォーミング用の機械プレスに改造するため、本発明は、下側ダイを可動のボルスタープレートに取り付け、該可動のボルスタープレートは、下側ダイを移動させ上側ダイとかみ合い接触するように制御装置の命令を受ける移動手段により移動される。また、本発明は、ブランク管の両端を密封すると共に、加圧した成形流体を管内に導入する密封装置も備えている。
複雑な形状のフレーム部材を成形するため、ブランク管は、下側ダイの下側キャビティ内に配置される。上側ダイを下側ダイに極く近接する位置まで下降させる。上側ダイの上側ダイキャビティを下側ダイキャビティと整合させる。極く近接点において、上側ダイキャビティはブランク管に接触しない。上側ダイと下側ダイとの分離距離は約12.7ｍｍ（約0.5インチ）である。上側ダイは、管に接触するように下降させることができるが、管は、上側ダイキャビティ及び下側ダイキャビティの間にて潰れるであろう。
機械プレスのラムプレスは、楕円形の経路に沿って移動し、上側ダイを下降させる。ラムプレスは、±５°の許容公差にてその経路の約180°の点にて停止する。本発明は、上側ダイを下側ダイに極く近接する位置まで下降させ、上側ダイキャビティが管に接触しないようにする。上側ダイにより管が潰れるのを防止するため、ラムプレスは、上側ダイが管に接触せずに停止するように調節することができ、又は、下側ダイは、標準的な機械プレスにおけるよりも下方位置に調節し、上側ダイが完全に下降したとき、管に接触しないようにすることができる。
上側ダイが極く近接点にあるとき、密封装置が引込み位置から密封位置に移動する。引込み位置において、密封装置は管の端部から離れた位置に配置される。密封位置において、密封装置が管の端部と密封可能に係合し、緊密な流体シールを提供する。体発明にて緊密な流体シールを提供する任意の型式の密封装置を使用することができる。
密封装置が密封位置となったならば、密封装置は成形流体を管内に導入する。上側ダイ及び下側ダイがかみ合わさるとき、管が潰れるのを防止するため、管内の成形流体の圧力を低圧範囲まで上昇させる。成形流体の圧力を低圧範囲まで上昇させると、管の潰れを防止する液体マンドレルが提供される。この低圧範囲は、ブランク管の材料によって決まる。低圧範囲は、ダイがかみ合わさるとき、管がそれ自体に潰れるのを防止する圧力よりも高圧で且つ管を膨張させる降伏点圧力以下の圧力範囲とする。本発明の通常の作動時、低圧範囲は、3447.38乃至8273.71ｋＰａ（500乃至1200ｐｓｉ）の範囲にある。
管内の流体圧力が低圧範囲となったならば、下側ダイは上昇して上側ダイとかみ合わさる。上側ダイ及び下側ダイがかみ合わさると、上側ダイ及び下側ダイキャビティは接続して成形キャビティを成形する。該成形キャビティは、成形した管の所望の断面形状を表わす。
上側ダイとかみ合わさるように下側ダイを上昇させるため、下側ダイ及び上側ダイを分離させる距離を決定する。下側ダイ及び上側ダイの分離距離を決定する任意の手段を使用することができる。１つの好適なセンサの一例は、上側ダイの正確な位置を決定し、他のセンサは、下側ダイの正確な位置を決定する。ＮＳＤ・コーポレーション（NSD Corporation）が供給するアブソコーダ・VRE・シリーズ一回転レゾルバ＃VRE−P062FAC（Absocoder VRE series single turn Resolver＃VER−P062FAC）が上側ダイの位置を決定する１つの好適なセンサの一例である。NSD・コーポレーションが供給するアブソコーダVLS線形レゾルバ＃VLS−256PW588（Absocoder VLS series linear Resolver ＃VLS−256PW588）は、下側ダイの位置を決定する好適なセンサの一例である。センサの情報を使用して、制御装置は、２つのダイの間の距離を計算し、ボルスタープレートの移動手段に対しダイを分離させる距離だけ下側ダイを上昇するように命令する。好適な制御装置の一例は、アレン・ブラッドレー・カンパニー（Allen-Bradley Company）1747シリーズ・ソフトウェアをプログラム化されたアレン・ブラッドレー・カンパニーのSLC−5−03プロセッサである。ダイの分離距離を決定するその他の方法は、センサがその距離を直接的に測定し、その距離を制御装置に供給するようにすることである。分離距離を決定する別の手段は、ダイがかみ合わさるときを正確に決定し、ダイがかみ合わさるとき、ボルスタープレートの移動手段が下側ダイを更に上昇させるのを停止させるセンサを備えることである。
下側ダイを上昇させるため、ボルスタープレートを下降位置から上昇位置まで上昇させなければならない。ボルスタープレートの移動手段がボルスタープレートに取り付けられた下側ダイを上昇させ且つ下降させる。適当な移動手段の例は、液圧シリンダ組立体及びモータとスクリューの組み合せを含む。該移動手段は、ボルスタープレートを上昇させ、ラムプレス及び加圧された管の下方への力を支持する。該移動手段は、ボルスタープレートに対し必要な支持力を提供し得るように選択され且つ配置される。
下側ダイ及び上側ダイがかみ合わさった後、管内の圧力は、高圧範囲まで上昇する。この高圧範囲は、ブランク管の材料によって決まる、管を膨張させ且つ成形キャビティの凹所を充填するのに十分な圧力である。この高圧範囲は、管を成形キャビティの凹所内に膨張させる降伏点圧力よりも高く、ダイ及び密封装置の降伏点圧力よりも低い圧力範囲である。通常の作動時、高圧範囲は20684.3乃至68947.6ｋＰａ（3000乃至10000ｐｓｉ）の範囲にある。高圧範囲は、密封装置がそのシールを維持し且つダイが分離されない限り、206843ｋＰａ（30000ｐｓｉ）といったより高圧な圧力までも増大する。この高圧範囲は、20684.3乃至206843ｋＰａ（3000乃至30000ｐｓｉ）の範囲とすることができる。
成形流体の圧力を高圧範囲まで増加させることにより、管は成形キャビティの凹所内に膨張する。管が膨張した後、成形流体に加わる圧力を除去し、成形流体を成形した管から排出する。上側ダイを上昇させ、成形した管がハイドロフォーミングプレスから除去され得るようにする。成形した管は、昇降装置を使用して除去することができる。
上記のハイドロフォーミングステップは、同様の結果が得られるように改変することができる。例えば、上側ダイキャビティと下側ダイキャビティとの間にて管に接触し且つ管を潰れさせるように上側ダイを下降させることができる。管が潰れると、管の潰れた部分を除去し且つ成形キャビティの凹所を充填するため、より高圧が必要とされる。ダイをかみ合わせる前に管に成形流体を充填するステップと、ダイをかみ合わせる前に管内の圧力を低圧範囲まで上昇させるステップとを含む、管の潰れを防止することを目的とする他のステップを不要にすることができる。これらステップがなければ、管はかみ合わさるダイの間にて潰れ、後のステップにてその潰れた部分を除去するため、より高圧が必要とされるであろう。
一例としての実施の形態の説明
次に、図面を参照すると、図２ａ、図２ｂ、図２ｃ、図３ａ、図３ｂ、図４、図５及び図６には、管のハイドロフォーミング用の機械プレス３０の現在の好適な実施の形態が図示されている。図２ａの管のハイドロフォーミング用機械プレス３０は、ラムプレス１８、上側ダイ１４及び下側ダイ１２を含む、図１ａ及び図１ｂの標準的な機械プレスと同様の要素を備えている。しかしながら、管のハイドロフォーミング用の機械プレス３０は、ブランク管２０を複雑な管状の形状体に整形するハイドロフォーミング工程を実施する。全体として、ハイドロフォーミング工程は、ブランク管を合体した２つのダイの間の成形キャビティ内に包み込むことを必要とする。ブランク管の端部は密封され、ブランク管は加圧した成形流体で充填され、ブランク管を成形キャビティの凹所内に膨張させ、成形キャビティに順応する複雑な管状の形状体を形成する。
図２ａには、管のハイドロフォーミング用の機械プレス３０に対する始動位置が図示されている。上側ダイ１４及びラムプレス１８は、下側ダイ１２の上方に上昇した開き位置にある。プレスの始動位置において、図２ｂに図示するように、ブランク管が下側ダイ１２のキャビティ２２に装填される。ブランク管２０を装填するとき、当該技術分野にて公知の電子式装置がブランク管２０の溶接継目を読み取り、継目をキャビティ２２内で適宜に位置決めすることができる。プレスの始動位置において、一対の密封装置３２は、管２０の両端から離れた引込み位置にあり、下側ダイ１２は下降位置にある。下側ダイ１２はボルスタープレート３４に取り付けられている。複数の昇降シリンダ組立体３６がピストンロッド３８にてボルスタープレート３４を支持する。接続板４０がピストンロッド３８をボルスタープレート３４に接続する。昇降シリンダ組立体３６は床又は固定のベッド４２にて静止している。
図２ｃには、昇降シリンダ組立体３６の配置が図示されている。好適な実施の形態において、２６個の昇降シリンダがボルスタープレート３４及び下側ダイ１２を支持する。
昇降シリンダ組立体３６は、152.4ｍｍ（６インチ）のボア及び76.2ｍｍ（３インチ）の行程距離を有する。昇降シリンダ組立体３６は、下側ダイ１２を下降位置から上昇位置に上昇させるのに必要な力を提供する。上昇位置において、下側ダイ１２は極く近接位置にて上側ダイ１４とかみ合わさる。また、昇降シリンダ組立体３６は、成形流体が管２０内で著しく加圧されたとき、下側ダイ１４を上昇位置に維持するのに十分な力も提供する。図２ｃに図示した実施の形態は、下側ダイ１２に対する成形圧力に加えて850トンのラムプレスを支持する。昇降シリンダ組立体３６は、任意の範囲のラムプレス及びハイドロフォーミング圧力を支持し得る寸法、配置及び数とすることができる。従来の液圧管（図示せず）が昇降シリンダ３６に液圧圧力を供給し、ピストンアーム３８を移動させる。また、図２ｃには、ボルスタープレート３４の４つの隅部に配置された４つの案内ピン３７も図示されている。該案内ピン３７は、ボルスタープレート３４の上昇及び下降を案内する。
管のハイドロフォーミング用の機械プレス３０を作動させるためには、操作者は、始動釦（図５参照）を押して、管のハイドロフォーミング工程を開始する。管のハイドロフォーミング用の機械プレス３０の制御装置は以下に詳細に説明する。始動釦が押されたならば、ラムプレス１８は上側ダイ１４を下側ダイ１２と極く近接する位置まで下降させる。上側ダイ１４は、下側ダイキャビティ２２と整合させたキャビティ２４を有している（図２ｂ参照）。上側ダイ１４を下方に移動させるラムプレス１８は、零°にて開始する楕円形の経路に従う。理想的には、ラムプレス１８は、180°の点にて停止するようにする。しかしながら、典型的なラムプレス１８は、±５°の停止許容公差を有している。好適な実施の形態において、その180°の点にて、上側ダイ１４を下側ダイ１２から約12.7ｍｍ（約0.5インチ）だけ分離させるように、ラムプレス１８が調節される。ラムプレス１８が停止し、上側ダイ１４が下側ダイ１２に極く近接するとき、典型的に、約12.7ｍｍ（約0.5インチ）の距離だけ２つのダイ１２及び１４が分離する。上側ダイキャビティ２４が管２０に接触するのを防止し得るようにラムプレスが調節される。他の実施の形態において、ラムプレス１８は、上側ダイキャビティ２４及び下側ダイキャビティ２２の間にて管を潰れさせるのに十分な距離まで上側ダイ１４を下降させることができる。
図３に図示するように、上側ダイ１４が、下側ダイ１２と極く近接する位置になった後、密封装置３２は密封位置まで前進する。密封位置において、密封装置３２はブランク管２０の端部に密封可能に係合する。密封シリンダ組立体４４は密封装置３２を引込み位置から密封位置まで移動させる。密封位置において、密封装置は、ブランク管２０の端部に緊密な流体シールを提供する。密封装置３２は、管２０の端部を密封する任意の型式の密封装置とすることができる。
図３ｂには、管のハイドロフォーミング用の機械プレス３０に対する現在の好適な密封装置が図示されている。この密封装置は、1997年5月15日付けで出願された、発明者ジェームズ・エフ・ブラウン（James F.Brown）による「ハイドフォーミング装置用の密封装置（Sealing Unit for Hydroforming Apparatus）」という名称の同時係属出願に詳細に図示され且つ記載された密封装置と同様である。図３ｂの密封装置３２は、テーパー付き要素５０と、密封リング４９とを備えている。該テーパー付き要素５０は、管２０の内径よりも小さい外径の挿入端部４７と、管２０の内径よりも大きい外径のハウジング端部５１とを備えている。密封リング４９は、管２０の外径に等しく又は該外径よりも僅かに大きい均一な内径を有している。密封装置３２が図３ｂに図示した密封位置にあるとき、テーパー付き要素５０は管２０の内壁と密封可能に係合し、テーパー付き要素５０と管２０の内壁との間に緊密な流体シールを提供する。テーパー付き要素が管の内壁に係合すると、該テーパー付き要素は管２０の壁を密封リング４９に対して外方に押し、密封リング４９と管２０との間に緊密な流体シールを提供する。密封装置３２を動かすため、密封シリンダ組立体４４は、接続板４８にて密封装置３２に接続する外方伸長ピストンロッド４６を有している。従来の液圧管（図示せず）が液圧力を密封シリンダ組立体４４に供給して、ピストンアーム４６を移動させる。
密封装置３２が図３に図示した密封位置となった後、流体制御手段すなわち増幅装置５６（図４参照）が管２０を成形流体にて充填する。成形流体は、水95％と、潤滑剤、洗浄剤及び防食剤を含む５％の水添加剤とから成っている。流体供給チャンバ５４（図４参照）は、中央流体通路５２を通じて管２０に対し成形流体を供給する。管２０が満杯となった後、増幅装置５６（図４参照）が、流体圧力を管２０内で低圧範囲まで上昇させて、上側ダイ及び下側ダイがかみ合わさるとき、管が潰れるのを防止する液体マンドレルを提供する。この低圧範囲は、管２０の材料及び厚さに対応する。低圧範囲は、ダイがかみ合わさるとき、管がそれ自体に潰れるのを防止する圧力よりも高圧であり且つ管を膨張させる降伏点圧力以下の圧力範囲である。通常の作動時、低圧範囲は、3447.38乃至8273.71ｋＰａ（500乃至1200ｐｓｉ）である。
好適な実施の形態において、管２０内の成形流体の圧力は、上側ダイキャビティ２４及び下側ダイキャビティ２２を接続する前に、低レベルまで上昇させ、管２０が潰れるのを防止する。キャビティ２２、２４を接続した後、管２０を充填し且つ加圧するといった他の実施の形態も可能である。好適な実施の形態において、管２０内の低圧の成形流体は、管２０の内壁を支持する液体マンドレルを形成する。この液体マンドレルのため、キャビティ２２、２４が接続されたとき、管２０が潰れることはない。管２０を充填する前に、ダイ１２、１４が接続されると、管２０は潰れて、管２０を成形キャビティの凹所内に膨張させるため著しく高圧の内部流体が必要とされる。
管２０内の流体圧力が低レベルとなった後、昇降シリンダ３６がボルスタープレート３４及び下側ダイ１２を上昇位置に上昇させ、下側ダイキャビティ２２を上側ダイキャビティ２４と合体させ、成形キャビティとなるようにする。昇降シリンダ３６は、図４に図示するように、下側ダイ１２及び上側ダイ１４を接続するのに必要な距離だけボルスタープレート３４を上昇させる。ラムプレス１８の停止と関係した許容公差を考慮して、制御装置７０（図５参照）は上側ダイ１４の正確な位置を決定する。上側ダイ１４の位置を使用して、制御装置７０は、下側ダイ１４を上昇させるべき距離を決定する。制御装置７０及びその機能については、以下に詳細に説明する。制御装置７０は、２つのダイキャビティ２２、２４を合体させるための決定された距離だけそのピストンアーム３８を伸長させるように昇降シリンダ組立体３６に命令する。
上側ダイ１４及び下側ダイ１２が図４に図示するようにかみ合わさった後、増幅装置５６は、管２０内の内部圧力を高圧範囲まで上昇させる。この高圧範囲は、管２０の材料及び厚さによって決まる圧力範囲である。この圧力範囲は、管を成形キャビティの凹所内に膨張させる降伏点以上で且つダイ及び密封装置が変形するのを防止すべくこれらダイ及び密封装置の降伏点圧力よりも低圧の範囲である。要するに、この高圧範囲は、管２０を成形キャビティの隅部内に膨張させるのに十分でなければならない。典型的に、この圧力範囲は、20684.3乃至68947.6ｋＰａ（3000乃至10000ｐｓｉ）の範囲にある。
図４には、増幅装置５６が図示されている。該増幅装置は、供給板６２に接続されたピストンロッド６０を有するプッシュシリンダ５８を備えている。管２０内の流体圧力を上昇させるため、増幅装置５６は、供給板６２を動かすそのピストンアーム６０を伸長させ、流体供給チャンバ５４の容積を減少させる。流体供給チャンバ５４の容積を減少させると、管２０内の成形流体の圧力が上昇する。管２０内の高圧の内部圧力は管壁を付勢して、成形キャビティの凹所内に膨張させる。高圧に達した後、増幅装置は、流体供給チャンバ５４の容積の圧縮を停止する。
管２０が成形キャビティを充填したならば、増幅装置５６は、そのピストンアーム６０を引っ込め、成形流体を流体供給チャンバ５４に戻す。成形流体は管２０から排出され、密封装置３２は引込み位置に引っ込む。昇降シリンダ組立体３６は、ボルスタープレート３４及び下側ダイ１２を下降位置に下降させ、ラムプレス１８及び上側ダイ１４は開き位置に移動する。仕上がった成形管は下側ダイキャビティ２２から除去し、操作者はプレスを再始動させることができる。当該技術分野にて公知の昇降装置（図示せず）が成形した管を下側ダイキャビティ２２から除去するのに役立つであろう。
制御装置７０は、管のハイドロフォーミング用の機械プレス３０の作動を制御する。図５には、好適な実施の形態について、制御装置７０への入力及び制御装置７０からの出力のブロック線図が図示されている。制御装置７０は、任意の型式の制御回路又はマイクロプロセッサとすることができる。好適な実施の形態において、プレス３０のハイドロ成形工程を制御すべくアレン・ブラッドレー・カンパニーSLC−5−03プロセッサがアレン・ブラッドレー・カンパニーの1747シリーズのソフトウェアでプログラム化されている。
該制御装置７０は、周辺装置から情報を受け取る多数の入力部を有している。始動釦７２はハイドロフォーミング工程を開始する信号を提供する。該始動釦７２は、簡単な手動釦又は複雑な操作者インターフェースとすることができる。ラムプレスの位置センサ７４が、下側ダイ１２に極く近接したときのラムプレス１８の位置を表すデータを提供する。好適な実施の形態において、ラムプレス位置センサ７４は、ＮＳＤ・コーポレーションにより供給されるアブソコーダＶＲＥシリーズのレゾルバＮｏ．VRE−P062FACである。該レゾルバは、制御装置７０に対しラムプレス１８の角度位置を表す信号を提供する。該制御装置７０は角度位置データを使用して、上側ダイ１４が下側ダイ１２から分離する距離を決定する。ボルスタープレートの位置センサ７６は、ボルスタープレート３４の位置を表すデータを提供する。好適な実施の形態において、ボルスタープレートのセンサ７６はＮＳＤ・コーポレーションにより供給されるアブソコーダＶＬＳシリーズのリニアレゾルバＮｏ．VLS−256PW588である。好適な実施の形態において、ボルスタープレート３４が水平であることを確実にするため、ボルスタープレート３４の両隅部にボルスタープレートの位置センサ７６が２つ配置される。
制御装置７０への他の入力部は、プッシュシリンダ５８における流体圧力を表わすデータを提供する増幅装置の圧力センサ７８と、管２０内の流体圧力を表わすデータを提供する成形流体の圧力センサ８０とを含む。制御装置７０は、圧力センサの入力部７８、８０からのデータを使用して管２０内の流体圧力を制御する。昇降シリンダの圧力センサ８２は、昇降シリンダ３６における流体圧力を表わすデータを提供し、密封シリンダの圧力センサ８４は、密封シリンダ４４内の流体圧力を表わすデータを提供する。制御装置７０は、圧力センサの入力部８２、８４からのデータを使用して、引込み位置と密封位置との間における密封装置３２の動きを制御すると共に、下降位置と上昇位置との間における下側ダイ１２の動きを制御する。好適な実施の形態において、圧力センサ７８、８０、８２、８４は、圧力変換器である。また、流れスイッチ８６は成形流体が管２０内に流動していることを表わすデータを制御装置７０に提供する。ボルスタープレートの近接スイッチ８８は、ボルスタープレート３４が下降位置又は上昇位置にあるかどうかについて制御装置７０に信号を送る。密封装置の近接スイッチ９０は、密封装置３２が引込み位置又は密封位置にあるかどうかについて制御装置７０に信号を送る。管の存在近接スイッチ９２は、ブランク管２０が下側ダイ１２内に存在するか、又は管２０が下側ダイ１２内に存在しないかどうかについて制御装置７０に信号を送る。
図５には、ハイドロ成形プレスの作動を制御する制御装置７０からの複数の出力部が示してある。制御装置７０は、上側ダイ１４を極く近接位置と開き位置との間にて上側ダイ１４を動かすようにラムプレス１８に命令する信号をラムプレスの制御装置９４に提供する。また、制御装置７０は、引込み位置又は密封位置になるように密封装置に命令する密封シリンダ４４の液圧弁を制御する信号を密封弁ソレノイド９６に送る。また、該制御装置７０は、ボルスタープレート３４を下降位置又は上昇位置に動かすように命令する信号を昇降シリンダ３６の昇降弁ソレノイド９８に送る。別の出力部が、増幅装置のソレノイド弁１００に信号を送り、管２０内の成形流体の圧力を制御する。
図６ａ、図６ｂ、図６ｃは、プログラム化された制御装置７０の作動にとって好適な実施の形態の概略を示すフローチャートである。このプログラムは、ステップ１１２にて開始し、制御装置７０は、始動釦７２が押されたかどうかを決定する。ステップ１１２の答えが否であるならば、制御装置７０はステップ１１０に戻る。ステップ１１２の答えが是であるならば、制御装置７０は、ステップ１１４にて管の存在近接スイッチ９２を読み取ることにより、管２０が下側ダイキャビティ２２内に存在するかどうかを決定する。ステップ１１４の答えが否であるならば、制御装置７０はステップ１１２に戻る。ステップ１１４の答えが是であるならば、制御装置７０はステップ１１６にてラムプレス制御装置９４に命令し、ラムプレス１８における上側ダイ１４を極く近接位置に下降させる。ステップ１１８において、制御装置７０は密封弁ソレノイド９６を作動させ、密封装置３２を引込み位置から密封位置に移動させる。ステップ１２０において、制御装置７０は、密封装置の近接スイッチ９０を読み取ることにより、密封装置が密封位置にあるかどうかを決定する。ステップ１２０の答えが否であるならば、制御装置は１１８に戻り、密封装置３２を密封位置に移動させる。ステップ１２０の答えが是であるならば、制御装置はステップ１２２にて増幅装置の弁ソレノイド１００に信号を送ることにより、管２０を成形流体で充填する。ステップ１２３において、制御装置は、フロースイッチ８６を読み取ることにより成形流体が管２０内に流動しているかどうかを決定する。ステップ１２３の答えが否であるならば、制御装置はステップ１２２に戻る。ステップ１２３の答えが是であるならば、制御装置７０は増幅装置の弁ソレノイド１００に更に信号を送り、管２０内の流体圧力を上昇させる。ステップ１２６において、制御装置７０は、成形流体の圧力センサ８０を読み取ることにより、管２０内の流体圧力が低圧範囲にあるかどうかを決定する。ステップ１２６の答えが否であるならば、制御装置はステップ１２４に戻る。ステップ１２６の答えが是であるならば、制御装置７０はラムプレスの位置センサ７４から上側ダイの位置を読み取り、また、下側ダイ位置センサ７６から下側ダイの位置を読み取る。制御装置７０は、上側ダイ及び下側ダイの位置を使用して、ステップ１２８にて下側ダイ１２及び上側ダイ１４を接続するために下側ダイを上昇させる必要のある距離を計算する。ステップ１３０において、制御装置は、昇降弁ソレノイド９８に命令して下側ダイ１２をその計算された距離だけ上昇させる。ステップ１３２において、制御装置７０は、ボルスタープレートの近接スイッチ８８を読み取ることにより、下側ダイ１２が上昇位置にあるかどうかを決定する。ステップ１３２の答えが否であるならば、制御装置はステップ１３０に戻る。ステップ１３２の答えが是であるならば、制御装置はステップ１３４にて管２０内の流体圧力を上昇させるよう増幅装置の弁ソレノイド１００に信号を送る。ステップ１３６において、制御装置７０は、成形流体の圧力センサ８０を読み取ることにより、管２０内の流体圧力が高圧範囲にあるかどうかを決定する。ステップ１３６の答えが否であるならば、制御装置はステップ１３４に戻る。ステップ１３６の答えが是であるならば、制御装置は、ステップ１３８にて増幅装置の弁ソレノイド１００に信号を送ることにより、流体圧力の上昇を停止させる。
例えば、好適な時間間隔が管２０が成形キャビティ内で膨張するのを許容し得るように１秒である所定の時間間隔の後、制御装置はステップ１４０にて増幅装置の弁ソレノイド１００に信号を送ることにより、管から流体を排出するように命令する。ステップ１４において、制御装置７０は密封弁ソレノイド９６に命令し、密封装置を引込み位置に引き込める。ステップ１４４において、制御装置７０は密封装置の近接スイッチ９０をチェックすることにより、密封装置３２が引込み位置にあるかどうかを決定する。ステップ１４４の答えが否であるならば、制御装置はステップ１４２に戻る。ステップ１４４の答えが是であるらならば、制御装置７０はステップ１４６にて、昇降弁ソレノイド９８に命令し下側ダイ１２を下降位置に下降させる。ステップ１４８において、制御装置はボルスタープレートの近接スイッチ８８をチェックすることにより、下側ダイ１２が下降位置にあるかどうかを決定する。ステップ１４８の答えが否であるならば、制御装置７０はステップ１４６に戻る。ステップ１４８の答えが是であるならば、ステップ１５０にて上側ダイ１４を上昇させるようにラムプレス制御装置９４に信号を送る。ステップ１５２において、制御装置７０は始動釦を押すのを待つプログラムを再開する。
本発明の特定の実施の形態及び適用例に関して図示し且つ説明したが、本発明は、本明細書に開示した正確な構造及び構成にのみ限定されず、添付した請求の範囲に規定された本発明の精神及び範囲から逸脱せずに、上記の説明から色々な改変例、変更及び変形が明らかであろう。

Claims (15)

1. 両端を有するブランク管から複雑な形状のフレーム部材を成形する方法において、
   該ブランク管を下側ダイの第一のキャビティ内に配置するステップと、
   前記第一のキャビティと整合した第二のキャビティを有する上側ダイを、開き位置から、前記下側ダイに対して極く近接する位置まで下降させるステップと、
   前記ブランク管の前記両端を密封するステップと、次に
   成形流体を前記密封した管内に導入するステップと、
   前記下降させるステップの後、前記上側ダイが前記下側ダイから分離している距離を測定するステップと、
   前記上側ダイ及び前記下側ダイが合わさって、前記第二のキャビティ及び前記第一のキャビティを接続して１つの成形キャビティとなるように、前記下側ダイを測定された前記距離だけ上昇させるステップと、次に
   前記上側ダイを前記下側ダイと合わさる位置に保ちつつ、前記成形キャビティに順応するように、前記管を膨張させるのに十分な圧力まで、前記密封した管内で前記成形流体を加圧するステップとを備えており、
   前記極く近接する位置は、前記上側ダイの前記第二のダイキャビティが前記管に接触しないものであり、前記方法は更に前記上側ダイを下降するためのラムプレスを備える、方法。
2. 請求項１に記載の方法において、前記管を膨張させる前記圧力が、前記管の降伏点以上の圧力で、且つ前記上側ダイ及び前記下側ダイが分離する圧力以下の圧力範囲にある、方法。
3. 請求項１に記載の方法において、前記導入するステップの後、前記下側ダイ及び前記上側ダイがかみ合わさるとき、管の潰れ圧力以上の圧力範囲で、且つ前記管の降伏点以下の圧力の範囲にて、前記成形流体を前記ブランク管内で加圧するステップを更に備える、方法。
4. 請求項３に記載の方法において、前記下側ダイ及び前記上側ダイがかみ合わさるときの前記管の潰れ点以上の前記圧力と前記管の前記降伏点以下の前記圧力との間の前記範囲内の前記圧力が、3447.38乃至8273.71kPa(500乃至1,200psi)の範囲にある、方法。
5. 請求項１に記載の方法において、前記管を膨張させるのに十分な前記圧力が、20684.3乃至206842.8kPa(3,000乃至30,000psi)の範囲にある、方法。
6. 請求項１に記載の方法において、成形流体が、水と、潤滑剤と、洗浄剤と、防錆剤とから成る、方法。
7. 両端を有するブランク管から複雑な形状のフレーム部材を成形する方法において、
   該ブランク管を下側ダイの第一のキャビティ内に配置するステップと、
   前記第一のキャビティと整合した第二のキャビティを有する上側ダイを、開き位置から、前記下側ダイに対して極く近接する位置まで下降させるステップと、
   前記ブランク管の前記両端を密封するステップと、
   前記上側ダイ及び前記下側ダイがかみ合わさり、前記第二のキャビティ及び前記第一のキャビティを接続して１つの成形キャビティとなるように、前記下側ダイを上昇させるステップと、次に
   前記管を成形流体にて充填するステップと、次に
   前記管が前記成形キャビティに順応するように、前記管を膨張させるのに十分な圧力まで、前記密封した管内の前記成形流体を加圧するステップとを備えており、
   前記極く近接する位置は、前記上側ダイの前記第二のダイキャビティが前記管に接触しないものであり、前記方法は更に前記上側ダイを下降するためのラムプレスを備える、方法。
8. 両端を有するブランク管から複雑な形状のフレーム部材を成形する方法において、
   該ブランク管を下側ダイの第一のキャビティ内に配置するステップと、次に、
   前記第一のキャビティと整合する第二のキャビティを有する上側ダイを降下させるステップであって、前記上側ダイを、開き位置から、前記下側ダイに対して極く近接する位置まで下降させて、前記上側ダイと前記下側ダイとの間に空隙を形成する、下降させるステップと、
   前記ブランク管の前記両端を密封するステップと、
   前記密封した管を成形流体にて充填するステップと、
   前記下降させるステップの後、前記上側ダイが前記下側ダイから分離している距離を測定するステップと、
   前記上側ダイ及び前記下側ダイが緊密に接触して、前記第二のキャビティ及び前記第一のキャビティを接続して１つの成形キャビティとするように、前記下側ダイを測定された前記距離だけ直線的に上昇させるべく、液圧圧力を使用するステップと、
   液圧圧力を使用して、前記上側ダイを前記下側ダイと緊密に接触する状態を保ちつつ、前記管が前記成形キャビティに順応するように、前記管を膨張させるのに十分な圧力まで、前記密封した管内の前記成形流体を加圧するステップとを備えており、
   前記極く近接する位置は、前記上側ダイの前記第二のキャビティが前記管に接触しないものであり、前記方法は更に前記上側ダイを下降するためのラムプレスを備える、方法。
9. 請求項８に記載の方法において、前記管を膨張させる前記圧力が、20684.3乃至206842.8kPa(3,000乃至30,000psi)の範囲にある、方法。
10. 両端を有するブランク管から複雑な形状のフレーム部材を成形する装置において、
    前記ブランク管を受け入れることのできる第一のキャビティを有し、下降位置と上昇位置との間にて可動である下側ダイと、
    前記第一のキャビティと整合した第二のキャビティを有し、開き位置と、前記下側ダイに対して極く近接する位置との間にて可動である上側ダイと、
    引込み位置と密封位置との間にて可動である一対の密封装置であって、前記引込み位置にて前記管の前記両端から離れて配置され、且つ前記密封位置において前記管の前記両端に密封可能に係合する、一対の密封装置と、
    前記管に成形流体を供給する流体供給手段と、
    前記下降位置にある前記下側ダイに対して前記極く近接する位置にて、前記上側ダイが分離している距離を測定する位置測定手段と、
    下側ダイの昇降手段であって、前記上側ダイが、前記下側ダイに対して前記極く近接する位置にあるとき、且つ前記下側ダイが前記下降位置にあるとき、前記上昇位置に対して測定された前記距離だけ、前記下降位置から前記下側ダイを上昇させて、前記下側ダイ及び前記上側ダイをかみ合わせ、前記第一のキャビティ及び前記第二のキャビティを接続して、１つの成形キャビティとする、下側ダイの昇降手段と、
    前記管内で前記成形流体を加圧し前記管を膨張させて、前記管を前記成形キャビティに順応させる、流体制御手段とを備えており、
    前記極く近接する位置は、前記上側ダイの前記第二のキャビティが前記管に接触しないものであり、前記装置は更に前記上側ダイを下降するためのラムプレスを備える、装置。
11. 請求項１０に記載の装置において、前記管を膨張させる前記圧力が、20684.3乃至68947.6kPa(3,000乃至10,000psi)の範囲にある、装置。
12. 請求項１０に記載の装置において、前記位置測定手段が、上側ダイ位置センサと、制御装置回路とを備え、前記上側ダイ位置センサが、前記制御装置の回路に対して上側ダイ位置信号を供給し、前記制御装置の回路が、測定された前記距離を決定すべく前記上側ダイ位置信号を分析し、前記制御装置回路が、前記下降位置から前記上昇位置まで前記距離だけ、前記下側ダイを上昇させるように前記下側ダイの昇降手段に命令するようにされた、装置。
13. 請求項１２に記載の装置において、前記位置測定手段が、下側ダイ位置センサを更に備え、前記下側ダイ位置センサが、前記制御装置の回路に対し、下側ダイ位置信号を供給し、前記制御装置の回路が、前記下側ダイ位置信号を分析し、測定された前記距離を決定する、装置。
14. 請求項１０に記載の装置において、前記上側ダイが前記下側ダイに前記極く近接する位置にあり、前記密封装置が前記密封位置にあり、前記下側ダイが前記下降位置にあるとき、前記流体制御手段が、前記下側ダイ及び前記上側ダイがかみ合わさると、管の潰れ点以上の圧力と前記管の降状点以下の圧力との範囲内の圧力まで、前記管内の前記成形流体を加圧し、前記上側ダイが前記極く近接する位置にあり、前記密封装置が前記密封位置にあり、前記下側ダイが前記上昇位置にあるとき、前記管が前記成形キャビティに順応するように前記管を膨張させるべく、前記管の降状点以上の圧力で、且つ前記上側ダイ及び前記下側ダイの降状点以下の圧力範囲まで、前記管内の前記成形流体を加圧する、装置。
15. 両端を有する金属のブランク管から複雑な形状のフレーム部材を成形する装置において、
    前記ブランク管を受け入れることのできる第一のキャビティを有し、下降位置と上昇位置との間にて可動である下側ダイと、
    前記第一のキャビティと整合した第二のキャビティを有し、開き位置と、前記下側ダイに対して極く近接する位置との間にて可動である上側ダイと、
    引込み位置と密封位置との間にて可動である一対の密封装置であって、前記引込み位置にて、前記管の前記両端から離れて配置され、且つ前記密封位置において前記管の前記両端に密封可能に係合する、一対の密封位置と、
    前記管に成形流体を供給する流体供給装置と、
    制御装置と、
    該制御装置に対して、上側ダイ位置信号を供給することのできる、上側ダイ位置センサであって、前記制御装置の回路が、前記上側ダイ位置信号を分析して、前記下降位置において、前記下側ダイに対して前記極く近接する位置にて、前記上側ダイが分離している距離を測定する、上側ダイ位置センサと、
    ボルスタープレート及び当該ボルスタープレートに接続された少なくとも1つの液圧シリンダであって、前記上側ダイが前記下側ダイに対して前記極く近接する位置にあるとき、且つ前記下側ダイが前記下降位置にあるとき、前記液圧シリンダが、前記上昇位置に対して前記距離だけ、前記下降位置から前記ボルスタープレート及び前記下側ダイを上昇させることができ、前記下側ダイ及び前記上側ダイがかみ合わさって、前記第一のキャビティ及び前記第二のキャビティを接続し、１つの成形キャビティを形成する、液圧シリンダと、
    前記管内で前記成形液体を加圧し前記管を膨張させて、前記管を前記成形キャビティに順応させる、流体制御装置とを備えており、
    前記極く近接する位置は、前記上側ダイの前記第二のキャビティが前記管に接触しないものであり、前記装置は更に前記上側ダイを下降するためのラムプレスを備える、装置。

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