JP4095910B2 - 二重壁を有する管部材の製造方法、金型セット、製造装置及び管部材 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二重壁を有する管部材を製造する方法と、この方法の実施に使用する金型セット及びこの金型セットを備えた液圧バルジ加工装置と、この装置を用いて前記本発明方法により製造した管部材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、自動車エンジンの排気ガスのコンヂットのような二重壁を有する管部材においては、内管と外管の間の隙間は単に最低値であるだけではなく、均一な隙間を有することが望まれる。
【０００３】
このような二重壁を有する管部材を製造する方法として、外管に内管を挿入した後内管を拡径して外管に圧着させ、密着した外管及び内管を所定の形状に湾曲形成して湾曲二重管を形成し、その後、この湾曲二重管を構成する内管と外管との間、及び、内管に圧力流体を流入させることで、内管を拡管することなく外管のみを拡管させて内管と外管の間に隙間を形成する加工法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−５２７２１号公報（第２頁、図７）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の加工法では、湾曲部分においては圧力流体の流入後に内管が曲げ外周部側に著しく偏り、湾曲部における内管と外管との隙間が、曲げ内周部側で広く、曲げ外周部側で狭くなるという不良現象が生じることが判明した。
【０００６】
以下、図１０〜図１３を用い、上記不良現象のメカニズムを成形中の変形挙動と共に説明する。
図１０は、外管２ａの中に内管２ｂをセットした状態で曲げ加工を施した部材（以下、「二重素管２」と言う。）を、金型１に形成したキャビティ１ａ内にセットした状態を示した図である。
【０００７】
図１１〜図１３は内管２ｂの内側及び外管２ａと内管２ｂの間に流入させた流体の圧力を増加し、外管２ａを膨出させていく途中段階を示した図である。ここで、流体は図示しない二重素管２の管端から、前述のように内管２ｂと外管２ａの隙間３ａ及び内管２ｂの内側３ｂに流入される。この時、内管２ｂは管の内外から流体圧が作用するため流体圧によって変形することはない。
【０００８】
二重素管２を金型１にセットした状態では、管の軸心はキャビティ１ａにおける湾曲部１ａａ、直線部１ａｂを問わず、図１０に示したように、キャビティ１ａの軸心と一致している。しかしながら、増圧初期においては、図１１に示すように湾曲部１ａａに位置する二重素管２が曲げ外周部側に移動する。その後は、図１２に示すように直線部１ａｂに位置する二重素管２の外管２ａが拡管して、湾曲部の移動が拘束され、最後に図１３に示したように湾曲部１ａａに位置する二重素管２の外管２ａが拡管する。
【０００９】
図１１の段階で湾曲部１ａａに位置する外管２ａが曲げ外周部側に移動するのは、管内に流体圧Ｐが付与された時、湾曲部の曲げ内周部側の投影面積をＳ１、曲げ外周部側の投影面積をＳ２としたとき、Ｓ２＞Ｓ１であることから、単位面積当りの圧力をｐとした場合、ｐ（Ｓ２−Ｓ１）なる荷重が曲げ内周部側から曲げ外周部側に向けて生じるためである。
【００１０】
この荷重は例えば外管２ａの外径が２１．６ｍｍ、湾曲半径が４５ｍｍ、曲がり角度を９０°としたとき、水圧がわずか１００atm であっても６００ｋｇを超える荷重が発生するため、外管２ａは曲げ外周部側に容易に移動することになるのである。
【００１１】
図１１の段階では、外管２ａの移動に伴い、外管２ａに当接する内管２ｂも曲げ外周部側に移動するが、図１３の段階では、外管２ａの拡管時には外管２ａと内管２ｂは当接しないため、内管２ｂは移動することなく曲げ外周部側に位置したままとなる。従って、成形完了後は内管２ｂが湾曲部で曲げ外周部側に偏り、内管２ｂと外管２ａの隙間は、曲げ内周部側が広く、曲げ外周部側が狭くなってしまうのである。
【００１２】
本発明は、上記した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、直線部、湾曲部を問わず、内管と外管の間の隙間を均一とすることができる、二重壁を有する管部材の製造方法と、この方法の実施に使用する金型セット及びこの金型セットを備えた液体バルジ加工装置と、この装置を用いた前記本発明方法により製造した管部材を提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明は、湾曲部を有し、内管と外管からなる二重素管の前記湾曲部において外管の曲げ外周部側の少なくとも一部が接する内面を有する第１金型と、二重素管を所望の形状に成形するための第２金型とからなる金型セットを備えた液圧バルジ加工装置を使用し、前記第１金型内に、前記二重素管を設置した後、内管の内側及び内管と外管の間に流体を導入し、前記湾曲部において、第１金型により外管を介して内管を固定し、内管の曲げ外周部側に向かう移動を拘束しつつ、第１金型内で外管を膨出させた後、製品形状のキャビティ形状を有する第２金型内で前記外管を膨出させ、製品形状に成形することとしている。
【００１４】
そして、このようにすることで、直線部、湾曲部を問わず、内管と外管の間の隙間が均一となる二重壁を有する管部材を製造することができるようになる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
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、ハイドロフォームの工程を２工程に分け、第１工程で内管の移動を拘束し、次いで、第２工程で金型のキャビティ形状を製品形状としてハイドロフォームによって外管に膨出加工を施せば、ハイドロフォーム中における外管と内管の間の隙間が偏ることがないことを知見した。
【００１６】
本発明は、上記の知見に基づいてなされたもので、その要旨は以下の通りである。
本発明に係る二重壁を有する管部材の製造方法は、
湾曲部を有し、内管と外管からなる二重素管の前記湾曲部において、外管の曲げ外周部側の少なくとも一部が接する内面を有する第１金型と、二重素管を所望の形状に成形するための第２金型とからなる本発明に係る金型セットを備えた本発明に係る液圧バルジ加工装置を使用し、
前記二重素管を、金型内に設置した後、内管の内側及び内管と外管の間に流体を導入し、外管を拡管させて二重壁を有する管部材を製造する方法であって、
前記湾曲部において、第１金型により外管を介して内管を固定し、内管の曲げ外周部側に向かう移動を拘束しつつ、第１金型内で外管を膨出させた後（第１工程）、
製品形状のキャビティ形状を有する第２金型内で前記外管を膨出させ、製品形状に成形する（第２工程）ものである。
【００１７】
上記本発明によれば、第１工程における増圧初期に、第１金型のキャビティにおける湾曲部に位置する二重素管が曲げ外周部側に移動するのを防止でき、二重壁を有する管部材のハイドロフォーム中における外管と内管との間の隙間の偏りを抑制できる。
【００１８】
上記の本発明は、第１工程における外管の膨出の有無は問わず、かつ、第２工程において内管が移動するものをも含むものであるが、上記本発明に係る金型セットの、前記第１金型は、この第１金型により成形を完了した前記湾曲部における外管の曲げ外周部側の最膨出部位の外周面位置と、この外周面位置と相対する第２金型の内周面位置との間隔ａが、前記最膨出部位の外周面位置と同一直径線上にある内周側の内周面位置と、この内周面位置と相対する内管の外周面位置との間隔ｂよりも小さくなるように形成したものを使用し、上記の本発明に係る二重壁を有する管部材の製造を行えば、
前記第２工程で内管の移動を拘束した状態で外管を膨出させ、製品形状に成形するようにした場合には、第２工程でも内管が移動しない状態で外管を膨出させるので、
また、前記第１工程で少なくとも曲げ外周部側に向けて外管を膨出させた場合には、第２工程における外管の膨出量が少なくなるので、
それぞれ製造する管部材の、ハイドロフォーム中における外管と内管との間の隙間の偏り抑制がより効果的に行えるようになる。
【００１９】
上記の本発明において、図９に示したように、第１金型１１により成形を完了した湾曲部における外管２ａの曲げ外周部側の最膨出部位の外周面位置と、この外周面位置と相対する第２金型の内周面位置との間隔ａが、前記最膨出部位の外周面位置と同一直径線上にある内周側の内周面位置と、この内周面位置と相対する内管２ｂの外周面位置との間隔ｂよりも小さくなるように形成した第１金型１１を使用するのは、このような第１金型１１を使用した場合、第２工程におけるハイドロフォーム時に、外管２ａが曲げ外周側に移動しても、外管２ａが内管２ｂに衝突して位置を拘束している内管２ｂを曲げ外周部側に移動させることがないからである。
【００２０】
そして、本発明に係る金型セットにおける前記第１金型を、湾曲部における外管の曲げ外周部側が接しない金型内面の少なくとも一部が、第２金型の金型内面と同一形状であるようにした第１金型を使用した場合には、
前記第１工程における前記曲げ外周部側に向けた外管の膨出により、少なくとも外管の曲げ外周部側の一部を第２金型と同形状とすることができ、製造する管部材の、ハイドロフォーム中における外管と内管との間の隙間の偏りが完全に防止できるようになる。
【００２１】
上記の本発明に係る金型セットを備えた本発明に係る液圧バルジ加工装置は、第１金型と第２金型を切替えて使用できるものに限らず、第１金型のみを設置した第１液圧バルジ加工装置と、第２金型のみを設置した第２液圧バルジ加工装置とからなるものでも良い。さらには同一液圧バルジ加工装置に第１金型と第２金型を設置させたものでもよい。
【００２２】
以下、上記の本発明において、第１金型１１及び第２金型１２におけるキャビティ１１ａ，１２ａの湾曲部を取り出した図面を参照しつつ、外管２ａの曲げ外周部側が接しないキャビティ１１ａ内面の少なくとも一部が、第２金型１２のキャビティ１２ａ内面と同一形状であるように形成した第１金型１１を使用した本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００２３】
図１は本発明の第１工程に使用する第１金型におけるキャビティの湾曲部を示した図、図２は同じく製品形状である第２工程に使用する第２金型におけるキャビティの湾曲部を示した図である。
【００２４】
本発明例では、前記第１金型１１におけるキャビティ１１ａの湾曲部の外周側部分１１ａａ（図１（ａ）における右下がり斜線部）を、第２工程で使用する第２金型１２におけるキャビティ１２ａの湾曲部の外周側部分１２ａａと異ならせ、断面を異形形状となしている。
【００２５】
例えば図１（ｂ）に示すように第１金型１１におけるキャビティ１１ａの湾曲部の断面は、
▲１▼ 曲げ外周側部分１１ａａの一部が、第２工程で使用する第２金型１２の曲げ外周側部分１２ａａの形状と同一であり（図４及び図５の（ｂ）参照）、
▲２▼ 二重素管２をセットした時点で曲がり中立線より曲げ外周部側で、第１金型１１の一部が二重素管の外管の一部と当接する（図４（ｂ）参照）
ように形成している。
【００２６】
これら条件を満たせば、第１金型１１の形状は如何なるものであっても良い。例えば第１金型１１におけるキャビティ１１ａの湾曲部の形状としては、図３（ａ）〜（ｃ）に示すような形状を採用することができる。図３（ａ）は曲げ外周部側（紙面上側）がテーパ状に欠けているもの、図３（ｂ）は加工の容易さから楕円形状としたもの、図３（ｃ）は曲げ外周部側（紙面上側）が円弧状に欠けているもので、第１工程にて外管２ａを曲げ外周部側まで拡管させ、第２工程での外管の移動をさらに拘束するものである。
【００２７】
これら第１金型１１にセットされた二重素管２は図示しないシール工具にて管端をシールされて内管２ｂの内側及び外管２ａと内管２ｂの間に流体を導入され、増圧することで第１金型１１のキャビティ形状にハイドロフォームされる。
【００２８】
以下、図４〜図７を用いて本発明における成形工程の一例について説明する。図４は第１金型１１に二重素管２をセットした状態を説明する断面図、図５は第１金型１１でハイドロフォームした状態を説明する断面図、図６は第２金型１２に第１金型１１で成形された二重素管２をセットした状態を説明する断面図、図７は第２金型１２でハイドロフォームした状態を説明する断面図である。
【００２９】
本発明では、第１工程を実施する第１金型１１を前述したような形状に形成したので、図４（ａ）に示したように二重素管２をセットした状態からハイドロフォームしても、内管２ｂは第１金型１１の前記外周側部分１１ａａによって、図４（ｂ）に示したように外管２ａを介して曲げ外周部側への移動が拘束される。従って、内管２ｂは前記セットした状態のハイドロフォーム前の位置から移動せず、図５（ｂ）に示したように外管２ａのみ第１金型１１のキャビティ形状に液圧成形される。
【００３０】
次に、前記二重素管２を第２工程を実施する第２金型１２にセットした図６に示した状態では、外管２ａの曲げ外周部側の一部はＢ部で第２金型１２と当接しており、内管２ｂは前記第１金型１１にセットした状態のハイドロフォーム前と同じく、第２金型１２のキャビティ１２ａの軸心に位置する。従って、その後ハイドロフォームを行っても、図７に示したように外管２ａは一部が第２金型１２と当接しているため、成形中に曲げ外周部側に移動することができず、外管２ａが曲げ外周部側に動けないので内管２ｂは前記セット状態から移動することはない。
【００３１】
本発明は上記の請求項６を引用する請求項７に記載の金型セットを備えた請求項８に記載の液圧バルジ加工装置を使用して、請求項４記載の方法で請求項９記載の管部材を製造する場合に限らず、他の請求項に記載の本発明であっても、夫々その技術的思想が備えた上記の作用効果を奏するものであることは言うまでもない。
【００３２】
【実施例】
以下、本発明の効果を確認するための行った試験結果について説明する。
試験に用いた二重素管は、内管は外径が１９．０ｍｍ、肉厚が１．０ｍｍ、長さが２１０ｍｍ、外管は外径が２１．６ｍｍ、肉厚が１．２ｍｍ、長さが２５０ｍｍのもので、材質はどちらもＳＵＳ３０４Ｌステンレス鋼であった。
【００３３】
試験は以下の手順で実施した。
先ず、外管の中に内管を通し、内管の片方の管端を外管とスポット溶接してベンダにて半径が４５ｍｍ、角度は９０°に湾曲させた。次に、湾曲部の加工硬化を軟化させるため１０５０℃で溶体化処理を行った。
【００３４】
ハイドロフォームに用いた金型のキャビィティ形状を図８（ａ）に示す。図８（ｂ）は第１工程で使用する第１金型における図８（ａ）のＡ−Ａ断面図、図８（ｃ）は第２工程で使用する第２金型における図８（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図８（ａ）中の寸法はＲが４５ｍｍ、Ｄ１が２１．６ｍｍ、Ｄ２が２６．４ｍｍ、Ｌが１００ｍｍである。
【００３５】
ハイドロフォームは、第１工程、第２工程共に、内管と外管の間及び内管の内側に注水し、軸押しを行わずに内圧を２００ＭＰａまで上昇させて行った。
比較のため、同じ条件で第２工程のみでハイドロフォームしたもの（従来品）も製作した。
【００３６】
本発明により成形した発明品と、第２工程のみで成形した従来品における内管と外管の間の隙間を測定したところ、従来品では内管が曲げ外周部側に偏芯しており内管と外管の隙間は、曲げ外周部側で０．３ｍｍ、曲げ内周部側で４．７ｍｍあったのに対し、発明品では内管が偏芯することなく曲げ外周部側、曲げ内周部側ともに２．５ｍｍであった。
なお、測定は、内管と外管の間に樹脂を流し込んで内管と外管を固定した後に湾曲部を切断して行った。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、直線部のみならず湾曲部においても、内管と外管の間の隙間が均一となる二重壁を有する部材を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は第１工程における第１金型の湾曲部の上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図２】（ａ）は製品形状である第２工程における第２金型の湾曲部の上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図３】本発明の第１金型の断面形状を示す図で、（ａ）は曲げ外周部側がテーパ状に欠けているもの、（ｂ）は楕円形状のもの、（ｃ）は曲げ外周部側が円弧状に欠けているものである。
【図４】（ａ）は第１金型に二重素管をセットした状態を説明する図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図５】（ａ）は第１金型でハイドロフォームした状態を説明する図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図６】（ａ）は第２金型に第１金型で成形された二重素管をセットした状態を説明する図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図７】（ａ）は第２金型でハイドロフォームした状態を説明する図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図８】（ａ）は実施例で用いた金型の形状を説明する図、（ｂ）は、（ｃ）はである。
【図９】第１金型におけるキャビティの湾曲部の形状を説明する図である。
【図１０】（ａ）は従来の二重素管のハイドロフォームでの金型へのセット状態を説明する図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図１１】（ａ）は従来の二重素管のハイドロフォームでの曲がり部の変形挙動の第１段階を説明する図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図１２】（ａ）は従来の二重素管のハイドロフォームでの曲がり部の変形挙動の第２段階を説明する図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図１３】（ａ）は従来の二重素管のハイドロフォームでの曲がり部の変形挙動の第３段階を説明する図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【符号の説明】
２ 二重素管
２ａ 外管
２ｂ 内管
１１ 第１金型
１１ａ キャビティ
１１ａａ 外周側部分
１２ 第２金型
１２ａ キャビティ
１２ａａ 外周側部分

Claims (9)

1. 湾曲部を有し、内管と外管からなる二重素管を金型内に設置した後、内管の内側及び内管と外管の間に流体を導入し、外管を拡管させて二重壁を有する管部材を製造する方法であって、
   前記湾曲部において、第１金型により外管を介して内管を固定し、内管の曲げ外周部側に向かう移動を拘束しつつ、第１金型内で外管を膨出させた後（第１工程）、
   製品形状のキャビティ形状を有する第２金型内で前記外管を膨出させ、製品形状に成形する（第２工程）ことを特徴とする二重壁を有する管部材の製造方法。
2. 請求項１記載の製造方法であって、
   前記第２工程では内管が移動しない状態で外管を膨出させ、製品形状に成形することを特徴とする二重壁を有する管部材の製造方法。
3. 請求項１又は２記載の製造方法であって、
   前記第１工程では少なくとも曲げ外周部側に向けて外管を膨出させることを特徴とする二重壁を有する管部材の製造方法。
4. 請求項３記載の製造方法であって、
   前記第１工程における前記曲げ外周部側に向けた外管の膨出により、少なくとも外管の曲げ外周部側の一部を第２金型と同形状とすることを特徴とする二重壁を有する管部材の製造方法。
5. 湾曲部を有し、内管と外管からなる二重素管を、液圧バルジ加工により所望の形状を有する管部材に製造するための第１金型と第２金型とからなる金型セットであって、
   前記湾曲部において、外管を介して内管を固定し、内管の曲げ外周部側に向かう移動を拘束すべく、外管の曲げ外周部側の少なくとも一部が接する内面を有する第１金型と、
   二重素管を所望の形状に成形するための第２金型とからなることを特徴とする金型セット。
6. 請求項５記載の金型セットであって、
   前記第１金型は、この第１金型により成形を完了した前記湾曲部における外管の曲げ外周部側の最膨出部位の外周面位置と、この外周面位置と相対する第２金型の内周面位置との間隔ａが、前記最膨出部位の外周面位置と同一直径線上にある内周側の内周面位置と、この内周面位置と相対する内管の外周面位置との間隔ｂよりも小さくなるように形成したことを特徴とする金型セット。
7. 請求項５又は６記載の金型セットであって、
   前記第１金型は、前記湾曲部における外管の曲げ外周部側が接しない金型内面の少なくとも一部が、第２金型の金型内面と同一形状であることを特徴とする金型セット。
8. 請求項５〜７の何れか記載の金型セットを備えたことを特徴とする液圧バルジ加工装置。
9. 請求項５〜７の何れか記載の金型セットを備えた請求項８記載の液圧バルジ加工装置を使用し、請求項１〜４の何れか記載の方法で直線部及び湾曲部における内管と外管の間の隙間が均一な製品形状に成形したことを特徴とする二重壁を有する管部材。

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