JP4374394B1 - ハイドロフォーム加工装置及びハイドロフォーム加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ハイドロフォームの負荷経路を簡単に求めることが可能なハイドロフォーム加工装置および加工方法を提案する。
【解決手段】金型の内部に、金属管との接触を判定することが可能な接触感知センサが、少なくとも２ヶ所以上の異なる管軸方向の位置に装着されているハイドロフォーム金型を用いて、内圧を一定の値で保持させた状態で管端を軸押しし、管端に最も近い位置に装着されている未接触の接触感知センサが金属管の接触を感知した時に軸押しの進行を停止させる第１工程を行い、次に、管端の位置を固定したまま内圧のみを上昇させ、未接触である接触感知センサのうち少なくとも一つが接触を判定した時に内圧の上昇を停止させる第２工程を行い、引き続き管端の位置を固定したまま、上昇前の値まで内圧を降下させる第３工程を行い、前記第１工程から第３工程を接触感知センサが全部接触を感知するまで繰り返すハイドロフォーム加工方法。
【選択図】図２

Description

本発明は、金属管を金型に入れ、当該金型を型締めした後、管内に内圧と管軸方向の押し込み（以後、軸押しと称す）を負荷することにより所定形状に加工するハイドロフォーム加工装置、及びその装置を用いて加工するハイドロフォーム加工方法に関する。

近年ハイドロフォーム加工は自動車部品分野を中心に適用が拡大されている。ハイドロフォーム加工の利点としては、従来複数個のプレス加工品で構成されていた自動車部品を１本の金属管から加工できるという部品統合によるコストダウンのほか、溶接箇所が減ることによる軽量化などが挙げられる。

一方、ハイドロフォーム加工では、内圧と軸押しの２つのパラメータを制御して加工する必要がある。この２つのパラメータの負荷経路（以後、単に負荷経路と称す）が不適切であると、加工途中で金属管が割れたり、座屈やしわが残ってしまうなどの加工不良が発生する。

負荷経路の一般的な例を図１に示す。まず内圧のみを昇圧する工程１（管端をシールするために微小な軸押しを伴う場合もある）、内圧と軸押しを折れ線状に負荷する工程２、コーナーをシャープに加工するために内圧のみを昇圧する工程３（コーナーのない形状では省略する場合もある、また管端のシールを確保するために微小な軸押しを伴う場合もある）で構成される。このうち工程２の適切な経路を求めるのに一番労力が費やされ、ハイドロフォーム加工技術者の熟練に依るところが大きい。

以上のような背景から、最近では当該負荷経路を簡単に得るための方法がいくつか提案されている。例えば特許文献１は、予め割れ限界線としわ限界線を作成しておき、その両限界線の間で負荷経路を選択する方法である。しかし実際には、この両限界線を作成することが難しく、通常、多くの実験や数値解析の試行錯誤が必要になる。また、限界線自体が折れ線状になる場合も多く、そうなるとその折れ線を決定するためのパラメータが多くなるため試行錯誤に多大な労力が必要とされる。

また特許文献２には、ＦＥＭ解析を行って金属管の表面積や体積や肉厚を監視して適正な負荷経路を求める方法が提案されている。但し、これらの情報はＦＥＭ解析では監視可能だが、実際のハイドロフォーム加工中には監視できない。それに対して特許文献３では、本発明者が実際のハイドロフォーム金型に応力または歪を測定するセンサを埋め込んで、その情報から適正な負荷経路を導く加工方法および加工装置を提案している。

しかし上記の従来方法ではいずれも負荷経路の中の工程２（図１）では、軸押しの増加と共に内圧も上昇させる経路である。そのため、少なくとも２つのパラメータ、例えば内圧と軸押し量、あるいは軸押し量と傾き、を決定する必要があるため非常に複雑である。また、工程２の間が折れ線状になる場合はよりパラメータが増加するため、適正な負荷経路探索は更に困難になる。

特開２００４−２３０４３３号公報 特開２００４−３５１４７８号公報 特開２００７−２７５９７２号公報 平成12年度塑性加工春季講演会論文集，（2000），433頁

本発明では、従来多大な試行錯誤や熟練が必要であったハイドロフォームの負荷経路探索を簡単に求めることが可能なハイドロフォーム加工装置およびハイドロフォーム加工方法を提案する。

係る課題を解決するため、本発明の要旨とするところは下記の通りである。
（１）金型と、軸押し手段と、内圧負荷手段を有し、金型にセットされた金属管に内圧を負荷して所定形状に成形するハイドロフォーム加工装置において、前記金型に前記金属管がセットされた時点で前記金属管と接触していない箇所、または、該箇所及びハイドロフォーム加工の進行に伴って非接触となる箇所の前記金型の内部に、前記金属管との接触を判定することが可能な接触感知センサが、少なくとも２ヶ所以上の異なる管軸方向の位置に装着されており、前記接触感知センサで得られる前記金型と前記金属管との接触判定によって、軸押し及び内圧を制御する制御手段を有し、前記制御手段は、内圧を一定の値で保持させた状態で管端を軸押しし、前記金属管と未接触の前記接触感知センサのうち、管端に最も近い位置に装着されている接触感知センサが前記金属管の接触を判定した時に軸押しの進行を停止させる第１工程を行い、次に、管端の位置を固定したまま内圧のみを上昇させ、前記接触感知センサのうち未接触であるセンサのうち少なくとも一つが接触を判定した時に内圧の上昇を停止させる第２工程を行い、引き続き管端の位置を固定したまま、上昇前の値まで内圧を降下させる第３工程を行い、前記第１工程から第３工程を前記接触感知センサが全部接触を判定するまで繰り返す機能を有することを特徴とするハイドロフォーム加工装置。
（２）前記金属管があらかじめ所定形状に曲げられており、該金属管の曲げ内側位置に対面する箇所であって、前記金属管がセットされた時点で前記金属管と接触し、ハイドロフォーム加工の進行に伴って前記金属管と一旦非接触となり、最終的に前記金属管と再度接触する箇所となる前記金型の内部に、前記接触感知センサが装着されており、更に、前記金属管の前記曲げ内側位置に対して、軸方向の前後の曲げ内側に対面する箇所であって、前記金属管がセットされた時点で前記金属管と非接触となる箇所の前記金型の内部における少なくとも１ヶ所以上の異なる位置に、前記接触感知センサが装着されていることを特徴とする（１）に記載のハイドロフォーム加工装置。
（３）金型と、軸押し手段と、内圧負荷手段を有する加工装置を用い、前記金型にセットされた金属管に内圧を負荷して所定形状に成形するハイドロフォーム加工方法において、前記金属管がセットされた時点で前記金属管と接触していない箇所、または、該箇所及びハイドロフォーム加工の進行に伴って前記金属管と非接触となる箇所の前記金型の内部に、前記金属管との接触を判定することが可能な接触感知センサを、少なくとも２ヶ所以上の異なる管軸方向の位置に装着しておき、内圧を一定の値で保持させた状態で管端を軸押しし、前記金属管と未接触の前記接触感知センサのうち、管端に最も近い位置に装着されている接触感知センサが前記金属管の接触を判定した時に軸押しの進行を停止させる第１工程を行い、次に、管端の位置を固定したまま内圧のみを上昇させ、前記接触感知センサのうち未接触であるセンサのうち少なくとも一つが接触を判定した時に内圧の上昇を停止させる第２工程を行い、引き続き管端の位置を固定したまま、上昇前の値まで内圧を降下させる第３工程を行い、以後、前記第１工程から第３工程を前記接触感知センサが全部接触を判定するまで繰り返すことを特徴とするハイドロフォーム加工方法。
（４）前記金属管があらかじめ所定形状に曲げられており、該金属管の曲げ内側位置に対面する箇所であって、前記金属管がセットされた時点で前記金属管と接触し、ハイドロフォーム加工の進行に伴って前記金属管と一旦非接触となり、最終的に前記金属管と再度接触する箇所となる前記金型の内部に、前記接触感知センサを装着しておき、更に、前記金属管の前記曲げ内側位置に対して、軸方向の前後の曲げ内側に対面する箇所であって、前記金属管がセットされた時点で前記金属管と非接触となる箇所の前記金型の内部における少なくとも１ヶ所以上の異なる位置にも、前記接触感知センサを装着しておくことを特徴とする（３）に記載のハイドロフォーム加工方法。
（５）前記接触感知センサの全部接触を判定した後、さらに内圧のみを上昇させることを特徴とする前記（３）または（４）に記載のハイドロフォーム加工方法。

本発明によって、ハイドロフォーム加工の適正な負荷経路探索が容易になる。これによって、ハイドロフォーム加工を実施する加工メーカーが増加し、すなわちハイドロフォーム加工の適用部品も増加する。よって、部品統合や軽量化が実現できる。特に自動車部品への適用は、車両の軽量化が進むことで燃費が向上し、その結果、地球温暖化の抑制に貢献できる。また、これまで適用が進んでいなかった産業分野、例えば、家電製品、家具、建機部品、二輪部品、建築部材等への広がりも期待できる。

図２に示すような円形断面の金属管を長方形断面に拡管する場合のハイドロフォーム加工を例にとって本発明を説明する。

ハイドロフォーム加工される金属管１は、断面が長方形状の加工空間が形成されている金型２、３内にセットされる。初期状態では、金属管１と金型２、３の型面は長方形の短辺方向には接触しているが、長辺方向には非接触である。
この非接触方向の面の中央（本例の場合ではちょうど金型２、３の型合せ部）の位置で金型２および金型３に穴６（本例ではちょうど型合せ部のため、それぞれの金型では合わせ面に設けられた溝となる。後記の穴７も同様である。）を設ける。

この穴６にレーザー変位計８を装着する。穴６が金型内部の表面に通じる箇所はレーザー９が通る穴７が貫通しているが、ハイドロフォーム加工上は、穴７は極力小さいほうが好ましい。このレーザー変位計８を用いて金属管１との距離を計測することで、金型２、３と金属管１との接触を正確に判断することが可能になる。しかし、金型内部に取り付ける水晶感圧センサ（特許文献１）なども金属管との接触を感知できるので、本発明の接触感知センサに含まれる。

以後、上記のようなレーザー変位計８およびそれを取り付ける穴６などを総称して接触感知センサと呼ぶ場合もある。
本例では、接触感知センサとしてレーザ変位計を管軸方向の異なる断面５ヶ所（Ｘ₁〜Ｘ₅）に設置した。

次に、上記の接触感知センサを用いて適正な負荷経路を求める方法を説明する。なお適正な負荷経路の概略図を図３に示す。

まず、従来方法と同様に軸押しを負荷しないで、金属管１内に溶媒（例えば水）５を注入して内圧のみ昇圧する。ただし、場合によっては管端からのシール漏れを防ぐために微小な軸押しをする場合がある。この初期圧力Ｐ_Hは、金属管が割れることなく塑性変形される圧力であり、計算や実験で比較的容易に求められる。
例えば、本発明者らが研究した結果、金属管の平面歪状態における降伏開始圧力Ｐ_p（下式（１）参照）を初期圧力Ｐ_Hの目安にできることが分かっている（非特許文献１参照）。なお、式中のＤは素管の外径（ｍｍ）、ｔは肉厚（ｍｍ）、ｒはｒ値を示し、ＹＳおよびＹＳ_pは単軸引張状態および平面歪状態の0.2％耐力をそれぞれ示している。

ただし、形状が複雑な場合などは上式との誤差が大きくなるので、初期圧力Ｐ_Hは実験的に求める方が確実である。具体的には、軸押しを負荷せずに金属管が割れるまで内圧を昇圧させて割れたときの圧力を参考に初期圧力Ｐ_Hを定める。例えば、割れた時の圧力の０．７〜０．８倍の圧力などに設定する。以上のように、計算あるいは実験で求めた初期圧力Ｐ_Hまで内圧を昇圧するが、この状態では金属管１はほとんど拡管されない。

次に、内圧と軸押しが負荷される工程に入るが、本発明方法では、まず内圧を初期圧力Ｐ_Hに保持したまま、軸押しパンチ４を進行させて軸押しのみ負荷する。本発明者らの研究の結果、内圧を昇圧しない軸押しのみの負荷でも金属管は拡管されるが、その場合は中央部からではなく端部のＸ₁およびＸ₅が最も拡管される。そして、Ｘ₁およびＸ₅における接触感知センサが接触を感知したら軸押しを停止させる（図２、３（ｂ））。ここまでの工程を第１の工程と呼ぶ。

軸押しを停止させた後は内圧のみ昇圧する。本発明者らの研究の結果、軸押しを伴わない内圧だけの拡管の場合は、端部ではなく中央部から拡管される。本例の場合ではＸ₃が最も拡管される。そして、Ｘ₃における接触感知センサが接触を感知したら昇圧を停止させる（図２、３（ｃ））。ここまでの工程を第２の工程と呼ぶ。

この後、軸押しを停止したまま一旦圧力を初期圧力Ｐ_Hまで低下させる。この工程を第３の工程と呼ぶ。仮に、内圧を下げずに軸押しを負荷すると、圧力が高過ぎるため金属管はすぐに割れてしまう。

以上のように第１から第３の工程が行われた後は、また、上記の第１の工程から順次繰り返して上記工程を行い、全ての位置の接触感知センサが金属管との接触を感知した時点で工程を終了する。
その際、繰り返しの第１の工程では、管端に対し次に近い位置に装着されている接触感知センサが前記金属管の接触を感知した時に軸押しの進行を停止させる。

本例の場合は、ここまでの加工工程を終えた時点でＸ₂とＸ₄が未接触である。そこで、繰り返しの第１工程では、圧力Ｐ_Hを保持したまま再び軸押しを負荷していき、Ｘ₂とＸ₄の接触が感知されたら軸押しを停止させる。
この場合、センサＸ₂とＸ₄は、前記次に近い位置に装着されている接触感知センサであるので、結果的には、Ｘ₂とＸ₄が金属管の接触を感知した時と全ての位置の接触感知センサが接触を感知したときが一致することになる。そのため、この時点で工程を終了することができる。

加工部が長いなどの理由で、この時点で、金属管と未接触の接触感知センサが存在している場合には、続いて第２、第３の工程を実施し、全ての位置の接触感知センサが接触を感知するまで、同様に第１から第３の工程を繰り返し行う。

以上のようなハイドロフォーム加工方法により、全長に渡って座屈やしわのない一様に拡管された形状となる。従来方法のように、軸押しと内圧を同時に増加させる方法では、端部が優先して拡管されるため管軸方向に長い加工品の形状では中央部が拡管されずに座屈やしわが残る場合がある。それに対して本発明方法では端部と中央部が交互に拡管されるため座屈やしわが残りにくいという点で非常に有利である。

さらに、第１の工程でも第２の工程でも変化させるパラメータが軸押しあるいは内圧のいずれか一方だけであるため、適正条件の探索が非常に簡便であるということも本発明の大きな利点と言える。

上記の一連のハイドロフォーム加工方法は、前記（２）に係る本発明の説明となるが、ここまでの工程で最終的な所定の形状にまで達しない場合、例えばコーナーＲをシャープに成形したい場合などは、さらに内圧のみ高圧まで負荷させる（前記（３）に係る本発明）。

また、上記の加工方法を、接触感知センサの検出結果を見ながら内圧の上昇・停止及び軸押しの進行・停止をそれぞれ手動で制御して実施してもよいが、センサの検出結果を自動的に感知して軸押しあるいは内圧を自動的に制御する制御手段を有するハイドロフォーム加工装置（前記（１）に係る本発明）によって実施してもよい。

また本例では、接触感知センサにレーザー変位計を採用して説明したが、他の方法を用いても同様の効果が得られる。例えば、金属管が金型に接触した時に金型の応力や歪が変化する現象を利用して、金型内部に水晶感圧センサや歪ゲージを取り付けてもよい。また接触式の変位計などでも構わない。

接触感知センサは、基本的には、金型に金属管がセットされた時点で、金型と金属管が非接触の位置に取り付ける。しかし、図４に示すように、初期状態では金型に接触しているが、ハイドロフォーム加工の進行と共に一旦非接触となる場合もあり、そのような場合には、進行と共に一旦非接触となるような位置にも取り付けた方がよい。
図４の例では、あらかじめ所定形状に曲げられた金属管１の曲げ内側中央位置は、初期状態では、（ａ）に示すように金型３に接触しているが、ハイドロフォーム加工の進行に伴って（ｂ）のように一旦非接触となる。この場合、初期状態では金属管に接触していない曲げ内側中央位置の前後の箇所にそれぞれ接触感知センサを取り付けるとともに、初期状態では金型に接触している金属管１の曲げ内側中央に対面する箇所にも接触感知センサを取り付けて最終的な金型との接触を感知できるようした。

下記に本発明の実施例を示す。

素管には外径６３．５ｍｍ、肉厚２．０ｍｍ、長さ７００ｍｍの鋼管（鋼種：ＪＩＳ規格ＳＴＫＭ１３Ｂ）を用いた。材料特性は、ＹＳが３８５ＭＰａ、ｒ値が０．９である。ハイドロフォーム金型は、図５に示すように長方形断面に拡管する形状とした。接触感知センサにはレーザー変位計を採用し、図５に示すように管軸方向５ヶ所に設置した。
尚、図２の詳細な取り付け図と同様に、上金型２および下金型３の境界面に、それぞれ幅８８ｍｍ、深さ１８ｍｍの溝が掘り込まれており、その中にレーザー変位計６を装着した。当該溝が金型内部の表面に通じる箇所はレーザー９が通る溝が上金型２および下金型３の境界面に深さ１ｍｍでそれぞれ掘り込まれている。

ハイドロフォームの負荷経路を図６に示す。まず初期圧力Ｐ_Hは以下の手順で決定した。前述の式（１）より平面歪状態における降伏開始圧力Ｐ_pを計算すると２８．４ＭＰａであった。しかし、実際に軸押しなしで当該鋼管が割れるまで内圧を昇圧したところ２６．５ＭＰａで割れた。よって、初期圧力Ｐ_Hは、実際に割れた圧力２６．５ＭＰａの０．７６倍の２０ＭＰａに設定した。

次に、初期圧力以降の条件は決めずに本発明装置を用いて自動的に負荷経路を求めることを試みた。すると図６に示すように、内圧２０ＭＰａ一定で軸押しを負荷していくと軸押し量２０ｍｍで接触感知センサ１１と１５が接触を感知して軸押しが自動的に停止した。その後、軸押しを停止したまま内圧のみが昇圧され、接触感知センサ１３が接触を感知すると昇圧が自動的に停止した。なお、この時の圧力は、２５．５ＭＰａであった。さらにその後、即座に２０ＭＰａまで内圧が降下した。引き続き内圧を２０ＭＰａで保持しながら軸押しを負荷していくと、今度は接触感知センサ１２と１４が接触を感知して軸押しが自動的に停止した。

なお、本実施例の断面形状は、コーナーＲ＝８ｍｍと小さいため、最終的な昇圧も自動的に負荷させた。その最終的な圧力は１５０ＭＰａに設定して加工したところ目標となるＲ＝８ｍｍを達成していたため、その値で決定した。

以上のように、初期圧力と最終昇圧圧力は実験的に求めたが、それ以外の負荷経路のパラメータは全て自動的に求められ、加工不良のないハイドロフォーム加工品が自動で加工できた。なお、初期圧力と最終昇圧圧力を求める際の実験回数はそれぞれ１回ずつであったため労力はそれほど負担にならないし、単純な形状の場合なら、簡単な計算でもある程度の目安は立てられる。

ハイドロフォーム加工の一般的な負荷経路の説明図を示す。 本発明のハイドロフォーム加工装置の説明図を示す。 本発明のハイドロフォーム加工方法の説明図を示す。 初期に金型と接触している金属管がハイドロフォーム加工の進行と共に一旦非接触となる場合の説明図を示す。 本発明の実施例で用いたハイドロフォーム金型の説明図を示す。 本発明の実施例で用いたハイドロフォーム負荷経路の説明図を示す。

符号の説明

１ 金属管
２、３ ハイドロフォーム
４ 軸押しパンチ
５ 溶媒
６ レーザー変位計取り付け用の穴（溝）
７ レーザー通過用の穴（溝）
８、１１〜１５ レーザー変位計
９ レーザー
１０ レーザー変位計コード

Claims (5)

1. 金型と、軸押し手段と、内圧負荷手段を有し、金型にセットされた金属管に内圧を負荷して所定形状に成形するハイドロフォーム加工装置において、前記金属管がセットされた時点で前記金属管と接触していない箇所、または、該箇所及びハイドロフォーム加工の進行に伴って前記金属管と非接触となる箇所の前記金型の内部に、前記金属管との接触を判定することが可能な接触感知センサが、少なくとも２ヶ所以上の異なる管軸方向の位置に装着されており、前記接触感知センサで得られる前記金型と前記金属管との接触判定によって、軸押し及び内圧を制御する制御手段を有し、
   前記制御手段は、内圧を一定の値で保持させた状態で管端を軸押しし、前記金属管と未接触の前記接触感知センサのうち、管端に最も近い位置に装着されている接触感知センサが前記金属管の接触を判定した時に軸押しの進行を停止させる第１工程を行い、次に、管端の位置を固定したまま内圧のみを上昇させ、前記接触感知センサのうち未接触であるセンサのうち少なくとも一つが接触を判定した時に内圧の上昇を停止させる第２工程を行い、引き続き管端の位置を固定したまま、上昇前の値まで内圧を降下させる第３工程を行い、前記第１工程から第３工程を前記接触感知センサが全部接触を判定するまで繰り返す機能を有することを特徴とするハイドロフォーム加工装置。
2. 前記金属管があらかじめ所定形状に曲げられており、該金属管の曲げ内側位置に対面する箇所であって、前記金属管がセットされた時点で前記金属管と接触し、ハイドロフォーム加工の進行に伴って前記金属管と一旦非接触となり、最終的に前記金属管と再度接触する箇所となる前記金型の内部に、前記接触感知センサが装着されており、更に、前記金属管の前記曲げ内側位置に対して、軸方向の前後の曲げ内側に対面する箇所であって、前記金属管がセットされた時点で前記金属管と非接触となる箇所の前記金型の内部における少なくとも１ヶ所以上の異なる位置に、前記接触感知センサが装着されていることを特徴とする請求項１に記載のハイドロフォーム加工装置。
3. 金型と、軸押し手段と、内圧負荷手段を有する加工装置を用い、前記金型にセットされた金属管に内圧を負荷して所定形状に成形するハイドロフォーム加工方法において、前記金属管がセットされた時点で前記金属管と接触していない箇所、または、該箇所及びハイドロフォーム加工の進行に伴って前記金属管と非接触となる箇所の前記金型の内部に、前記金属管との接触を判定することが可能な接触感知センサを、少なくとも２ヶ所以上の異なる管軸方向の位置に装着しておき、内圧を一定の値で保持させた状態で管端を軸押しし、前記金属管と未接触の前記接触感知センサのうち、管端に最も近い位置に装着されている接触感知センサが前記金属管の接触を判定した時に軸押しの進行を停止させる第１工程を行い、次に、管端の位置を固定したまま内圧のみを上昇させ、前記接触感知センサのうち未接触であるセンサのうち少なくとも一つが接触を判定した時に内圧の上昇を停止させる第２工程を行い、引き続き管端の位置を固定したまま、上昇前の値まで内圧を降下させる第３工程を行い、以後、前記第１工程から第３工程を前記接触感知センサが全部接触を判定するまで繰り返すことを特徴とするハイドロフォーム加工方法。
4. 前記金属管があらかじめ所定形状に曲げられており、該金属管の曲げ内側位置に対面する箇所であって、前記金属管がセットされた時点で前記金属管と接触し、ハイドロフォーム加工の進行に伴って前記金属管と一旦非接触となり、最終的に前記金属管と再度接触する箇所となる前記金型の内部に、前記接触感知センサを装着しておき、更に、前記金属管の前記曲げ内側位置に対して、軸方向の前後の曲げ内側に対面する箇所であって、前記金属管がセットされた時点で前記金属管と非接触となる箇所の前記金型の内部における少なくとも１ヶ所以上の異なる位置にも、前記接触感知センサを装着しておくことを特徴とする請求項３に記載のハイドロフォーム加工方法。
5. 前記接触感知センサが全部接触を判定した後、さらに内圧のみを上昇させることを特徴とする請求項３または４に記載のハイドロフォーム加工方法。

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