JP4459834B2

JP4459834B2 - ハイドロフォーミング装置及び方法

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Publication number: JP4459834B2
Application number: JP2005032940A
Authority: JP
Inventors: 隆額賀; 秀彦金子
Original assignee: Press Kogyo Co Ltd
Current assignee: Press Kogyo Co Ltd
Priority date: 2005-02-09
Filing date: 2005-02-09
Publication date: 2010-04-28
Anticipated expiration: 2025-02-09
Also published as: JP2006218494A

Description

本発明は、管材内に液圧を付加して所望の箇所を径方向に拡管するハイドロフォーミング装置及び方法に関するものである。

従来、管材（パイプ材）を径方向に拡管成形するときに、ハイドロフォーミング（ハイドロフォーム）が用いられる場合がある。そのハイドロフォーミングは、拡管形状（製品形状）に合わせて凹部が設けられた金型に管材を収容した後、その管材に液体を注入して液圧を付加した状態で管材を軸押しし、管材の一部を膨張、変形させることで行われる（例えば、特許文献１参照）。

ところで、大きい拡管率でハイドロフォーミングする場合、成形前の管材と金型の凹部との隙間が大きいため、管材を自由バルジ成形することとなり、管材が破裂（バースト）し易くなる。そこで、ハイドロフォーミング時に管材の変形に合わせて金型を移動させ、管材を押さえ込むことで破裂を防止するようにしている。

例えば、図１４に示すように、管材７１の周方向の一部を拡管して管材７１をＴ字状に成形する場合には、金型７０内に、管材７１の径方向に沿って移動可能なクッション金型７２を設け、そのクッション金型７２を管材７１の拡管箇所の外周から押さえ、軸押し工具７４の軸押しに連動させてクッション金型７２を径方向外側に動かすようにしている。これにより、管材７１の破裂を防止することができる。

特開２００２−３０１５２１号公報

しかしながら、上述のようなクッション金型では、成形できる製品形状が限られてしまう。例えば、図１５のように、目標拡管形状が軸対称形状である場合（成形品７１’を製造する場合）には、クッション金型を、周方向と軸方向とに間隔を隔てて多数配置することになるが、それらクッション金型を配置するスペースの確保や、クッション金型を連動して移動することを考慮すると現実には採用できない。つまり、軸対称形状など、管材をその全周に亘り径方向に拡管する場合では、クッション金型による破裂防止対策を適用することが困難である。

一方、クッション金型を用いないと、図１６に示すように、管材７１を自由バルジ成形せざるを得ず、管材７１が破裂し易くなる（図１６中Ｂ参照）。そのため、大きな拡管率の成形が困難となる。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、管材を破裂させることなく、大きな拡管率で管材を拡管することができるハイドロフォーミング装置及び方法を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、管材内に液圧を付加して所望の箇所を径方向に拡管するハイドロフォーミング装置において、上記管材を収容する金型を、互いに軸方向で嵌合する櫛歯部を有する一対の金型で形成すると共に、その櫛歯部の内面を上記管材の拡管形状に合わせて傾斜させて拡管形成部を形成し、上記一対の金型の櫛歯部を上記管材の成形に合わせて軸方向に互いに離れるように移動して、上記櫛歯部で形成される上記拡管形成部が順次上記管材を拡管するように構成したものである。

上記目的を達成するために本発明は、管材内に液圧を付加して所望の箇所を径方向に拡管するハイドロフォーミング方法において、上記管材を収容する金型を、互いに軸方向で嵌合する櫛歯部を有する一対の金型で形成すると共に、その櫛歯部の内面を上記管材の拡管形状に合わせて傾斜させて拡管形成部を形成し、上記一対の金型の櫛歯部を上記管材の成形に合わせて軸方向に互いに離れるように移動して、上記櫛歯部で形成される上記拡管形成部が順次上記管材を拡管するものである。

本発明によれば、管材を破裂させることなく、大きな拡管率で管材を拡管することができるという優れた効果を発揮するものである。

以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

本実施形態のハイドロフォーミング装置は、管材内に液圧を付加して所望の箇所を管材の径方向に拡管するものである。

そのハイドロフォーミング装置は、例えば、金属管材の軸方向中央部を全周に亘り径方向に均等に拡管して、軸対称な拡管部を形成する場合に用いられる。

本実施形態のハイドロフォーミング装置は、図１５に示すように軸方向両側に至るにつれ径が順次縮小された形状の拡管部７１ａを形成するためのものである。

図１及び図２に示すように、ハイドロフォーミング装置１は、管材（被成形材）７１を収容する金型２と、管材７１内に液圧を付加するための液圧付加手段と、管材７１を軸方向（図１及び図２において左右方向）内側に押圧する（つまり、軸押しする）軸押し手段４とを備える。

液圧付加手段は、管材７１内に液体（例えば、水など）を注入して管材７１に液圧（内圧）を付加するものであり、図示しない液圧ポンプと、一端がその液圧ポンプに接続され、他端が後述する軸押し工具６を介して管材７１の内部に連通する配管５とを備える。

軸押し手段４は、管材７１と略同じ径の円柱形状を有する一対の軸押し工具６、６と、それら一対の軸押し工具６、６を介して管材７１を軸方向に圧縮するための軸押しシリンダ８、８とを備える。各軸押し工具６には、管材７１内と液圧付加手段の配管５とを連通するための貫通孔６ａ（図１参照）が形成される。その貫通孔６ａを通り管材７１内に液体が注入されると共に、軸押し工具６により管材７１の両端部が封止される。

図３及び図４に示すように、本実施形態の金型２は、上下二分割の構成とされ、上型１１と下型２１とから構成される。上型１１及び下型２１は、各々上型ホルダー１２及び下型ホルダー２２内に保持され、それら上型ホルダー１２及び下型ホルダー２２が、例えば、ボルトなどの締結部材（図示せず）になどにより互いに結合される。また、上型１１及び下型２１の合わせ面には、拡管部７１ａを形成するための凹部（以下、拡管形成部）１１ａ、２１ａと、管材７１の非加工部を支持するための凹部（以下、素管支持部）１１ｂ、２１ｂとが各々形成される。

特筆すべき点は、本実施形態では、上型１１及び下型２１が、拡管形成部１１ａ、２１ａの長手方向中央部を境に左右に分割されていることにある。

最初に上型１１について説明すると、上型１１は、長手方向（図１の左右方向）に分割された一対の分割上型１３、１３で構成される。

それら各分割上型１３、１３は、長手方向内側に配置された上型インサート１４と、長手方向外側に配置された上型エンドキャップ１５とを備える。上型インサート１４の内面に拡管形成部１１ａ及び素管支持部１１ｂの一部が形成され、上型エンドキャップ１５の内面に素管支持部１１ｂが形成される。

各上型インサート１４には、櫛歯部１７が各々形成される。上型インサート１４、１４同士は、櫛歯部１７、１７を介して互いに長手方向に相対移動可能に嵌合する（図３参照）。

櫛歯部１７は、長手方向に延出する複数本（具体的には、６本）の櫛歯から構成される。それら櫛歯は、互いに所定間隔を隔てて配置され、上型インサート１４の外面から内面に向かって放射状に延出する（図４参照）。各櫛歯間の間隔は、それらの間に、他方の上型インサート１４の櫛歯が挿入可能であり、かつ液圧が付加された管材７１が櫛歯間に入り込まないよう、管材７１の肉厚などを考慮して適切に設定される。

これら各櫛歯部１７の内面に、上述した拡管形成部１１ａが形成され、本実施形態の拡管形成部１１ａは、長手方向内側から長手方向外側に向かうにつれて下方に位置するように傾斜される。

また、上型インサート１４の上面には、上方に突出し、後述するインサート駆動シリンダ４１のロッドと係合する係合部１４ａが設けられる（図１参照）。

各上型エンドキャップ１５の長手方向内側の端部には、櫛歯部１９が各々形成される。上型エンドキャップ１５と上型インサート１４とは、櫛歯部１９と櫛歯部１７とを介して互いに長手方向に相対移動可能に嵌合する。

櫛歯部１９は、長手方向に延出する複数本（具体的には、６本）の櫛歯から構成される。それら櫛歯は、周方向に間隔を隔てて配置され、上型エンドキャップ１５の外面から内面に向かって放射状に延出する（図４参照）。これら各櫛歯部１９の内面に、上述した素管支持部１１ｂの一部が形成される。

また、上型エンドキャップ１５の長手方向外側の端部には、上型ホルダー１２と係合する鍔部１５ｂが形成され、その鍔部１５ｂにより、長手方向内側への上型エンドキャップ１５の移動が規制される。

下型２１は上型１１を上下反転した構造を有し、一対の分割上型１３、１３が、一対の分割下型２３、２３に対応する。その分割下型２３は、上型インサート１４及び上型エンドキャップ１５に各々対応する下型インサート２４及び下型エンドキャップ２５を備える。

図１及び図２に示すように、ハイドロフォーミング装置１は、上型インサート１４及び下型インサート２４を長手方向外側に移動させるための駆動手段を備える。駆動手段としては、様々なものを用いることが可能であり、本実施形態では、油圧シリンダ装置（以下、インサート駆動シリンダ）３１が用いられる。そのインサート駆動シリンダ３１は、各上型インサート１４及び各下型インサート２４ごとに設けられ、合計四つ設けられる。各インサート駆動シリンダ３１は、ロッドの進退方向を長手方向に一致させて、上型ホルダー１２（又は下型ホルダー２２）内に配置され、ロッドの先端が上型インサート１４（又は下型インサート２４）の係合部１４ａ（又は２４ａ）と係合する。これにより、ロッドを進退させることで上型インサート１４及び下型インサート２４を長手方向に沿って移動させることができる。

さらに、本実施形態のハイドロフォーミング装置１は、インサート駆動シリンダ３１と液圧ポンプと軸押しシリンダ８とを制御するための制御手段（図示せず）を備え、その制御手段により、管材７１のハイドロフォーミング時に、インサート駆動シリンダ３１の移動量と、軸押しシリンダ８の移動量と、液圧（内圧）とを適宜調整する。

次に、本実施形態のハイドロフォーミング装置１を用いたハイドロフォーミング方法について説明する。

まず、一対の上型インサート１４、１４は櫛歯部１７、１７を最大限に嵌合、挿入させた状態で、上型インサート１４と上型エンドキャップ１５とは櫛歯部１７と櫛歯部１９とを最小限に嵌合させた状態で、それら上型インサート１４及び上型エンドキャップ１５を上型ホルダー１２に設置する。下型２１も同様に設置する。

それら上型１１及び下型２１の間（より詳しくは、拡管形成部１１ａ、２１ａと素管支持部１１ｂ、２１ｂとにより区画される空間）に管材（被成形材）７１を収容させた後、上型ホルダー１２と下型ホルダー２２とを組み付けて、それら上型１１と下型２１とを固定する。次に、軸押し工具６、６を、各上型エンドキャップ１５及び下型エンドキャップ２５の間（より詳しくは、素管支持部１１ｂ、２１ｂにより区画される空間）に、管材７１の軸方向両側から各々嵌め込む。

上述したように、上型インサート１４及び下型インサート２４の拡管形成部１１ａ、２１ａが、長手方向外側に向かうほど下方及び上方に位置するので、上型インサート１４及び下型インサート２４を最大限に挿入させた状態では、拡管形成部１１ａ、２１ａにより区画される空間（金型空間、以下キャビティＣとする）が最大限狭められる。このとき、拡管形成部１１ａ、２１ａと成形前の管材７１との間には若干の隙間が形成されている（図１参照）。

次に、液圧付加手段を作動させてセットされた管材７１に所定圧力で液圧を付加しつつ、軸押しシリンダ８を伸長させて軸押し工具６により軸押しする。

この結果、管材７１が全周に亘り径方向に拡管され、管材７１の外周部が拡管形成部１１ａ、２１ａと当接する（図５参照）。成形初期は、管材７１と拡管形成部１１ａ、２１ａとの間に若干の隙間がある状態で拡管を行うことになるが、その隙間は十分小さく（つまり、拡管率の小さなハイドロフォーミングであり）、また成形初期は管材７１の肉厚が厚いため、管材７１が破裂することはない。

次に、軸押しシリンダ８をさらに伸長させると共に、その伸長量に合わせてインサート駆動シリンダ３１を伸長させる。つまり、管材７１の軸押しに合わせて、一対の上型インサート１４、１４及び一対の下型インサート２４、２４を各々互いに離れるように長手方向外方に移動させる。

この結果、拡管形成部１１ａ、２１ａにより形成されるキャビティＣが管材７１の径方向及び軸方向に徐々に拡大する。そのキャビティＣの拡大に伴い、管材７１の外周部が拡管形成部１１ａ、２１ａに当接（接触）しつつ全周に亘り径方向に順次拡管され、かつ、その拡管箇所が軸方向に拡大する（図６参照）。

このとき、軸押しシリンダ８とインサート駆動シリンダ３１とは、拡管部７１ａの肉厚が過度に減少してしまわないように、移動量を連動させる（制御する）。なお、管材７１に付加する液圧も軸押しに合わせて適宜制御する。

各上型インサート１４、１４及び各下型インサート２４、２４を、各々長手方向内側端面が一致するまで移動させると、拡管形成部１１ａ、２１ａが全て露出し（正面視で、拡管形成部１１ａ、２１ａが最小限の重なりとなり）、キャビティＣの形状が目標とする拡管形状となる。従って、管材７１の拡管部７１ａが目標とする拡管形状と同一となり成形品７１’が得られる。（図７参照）。

以上により軸対称な拡管部７１ａが形成された成形品（製品）７１’が得られる。

軸押しシリンダ８の移動量と、インサート駆動シリンダ３１の移動量と、管材７１内の液圧とを制御するためのタイムチャートの一例を、図８に示す。

なお、本実施形態では、一対の上型インサート１４、１４及び一対の下型インサート２４、２４の両方を移動したが、一方のみを移動して管材を拡管させるようにしてもよい。

また、本実施形態では、上型インサート１４、１４及び下型インサート２４、２４を、それらが最小限に嵌合するまで移動させたが、これに限定されず、上型インサート及び下型インサートを、ある程度嵌合させて、拡管形成部により区画されるキャビティが目標拡管形状となるようにし、その状態で最終的な製品形状が得られるようにしてもよい。

このように本実施形態のハイドロフォーミング装置１では、拡管形状が軸対称形状の場合にも、管材７１の外面を常に押さえた状態で拡管することができ、管材７１の破裂を防止することができる。それにより、ハイドロフォーミング可能な最大拡管率を従来よりも向上させることができる。

また、同じ拡管率でハイドロフォーミングを行う場合には、より薄い板厚の管材７１を用いることができ、製品の材料コストを低減させることができる。

ここで、本実施形態のハイドロフォーミング装置１による管材の破裂防止効果を確認すべく、上述した図１６の従来の装置との比較を、シミュレーションにより行った。そのシミュレーションでは、φ８０の管材（素管）の中央部をφ１６０に２００％の拡管率でハイドロフォーミングすることを模擬した。管材は、材質がＳＴＫＭ１３Ａ、板厚が４ｍｍ（ｔ＝４ｍｍ）とした。また、板厚減少率３３％を破断限界とした。

本実施形態のハイドロフォーミング装置１の場合、板厚の最大減少率が２７％であった。従来の装置の場合、板厚の最大減少率が３３％を超えた。この結果から、本実施形態のハイドロフォーミング装置１では、従来の装置と比べて管材の板厚減少を抑制でき、管材の破裂を防止できることが分かる。なお、板厚の減少を抑制すべく、内圧を低くすると管材の座屈が発生することが分かった。

このように本実施形態では、管材を破裂させることなく、大きな拡管率で管材を拡管することできる。

ここで、本実施形態による拡管率の大きな成形を予備成形とすると、ハイドロフォーミング（成形）で成形できる製品形状の自由度をより高めることができる。

以下に、以上説明したハイドロフォーミング装置１により予備成形を行って、例えば、小型トラックの駆動軸アクスルハウジングを製造する方法の一例を説明する。

まず、駆動軸アクスルハウジングの概略構造を説明する。

図９に示すように、駆動軸アクスルハウジング５１は、直管状部材の長手方向中央部に、略半球状に突出するバンジョー部５２が形成された形状を有する。そのバンジョー部５２は、管状部分（以下、素管部）５３の径よりも大きな径を有し、径方向外側に延出する。また、バンジョー部５２の背面は、平坦に形成され、その中心部にバンジョー部５２の径よりも小さな径のディファレンシャルギヤ取り付け穴５４が形成される。

このような駆動軸アクスルハウジング５１を、ハイドロフォーミングを用いて管材から形成する場合には、バンジョー部５２があるため拡管率（拡管比）が大きなものとなる。

そこで、上述したハイドロフォーミング装置１を用いて、予備成形を行うことで、管材を破裂させることなく、駆動軸アクスルハウジング５１を製造することができる。その駆動軸アクスルハウジング５１の製造方法を説明する。

まず、予備成形工程（第一ハイドロフォーミング工程）として、ハイドロフォーミング装置１を用いて、管材７１の軸方向中央部を全周に亘り径方向に拡管して、軸対称な拡管部７１ａを有する第一次成形品７１’を形成する（図１０参照）。このとき、第一次成形品７１’の拡管部７１ａの周長が、最終的に得られる駆動軸アクスルハウジング５１のバンジョー部５２の周長よりも長くなるようにする。

次に、仕上げ成形工程（第二ハイドロフォーミング工程）として、図１０から図１２に示されるような金型を用いて、第一次成形品７１’を型締め（プレス加工）した後（図１１参照）、その第一次成形品７１’に液圧を付加してハイドロフォーミングを行う（図１２参照）。

この金型５６は、略矩形体の上型５８と下型５９とから構成される。上型５８の合わせ面には、第一次成形品７１’の拡管部７１ａをバンジョー部５２に成形するための凹部５８ａが設けられる。下型５９の合わせ面には、拡管部７１ａを平坦に加工するための凹部５９ａが設けられる。その凹部５９ａの中心部には、ハイドロフォーミング時に、材料が余り拡管部７１ａにしわが発生するのを防止するための凸部５９ｂが設けられる。

以上の金型５６を用いて仕上げ成形することで、図１３に示すように、拡管部７１ａの一部が平坦に形成される共に、その中央部に突出部７１ｂが形成された第二次成形品７１’’が形成される。

さらに、最終工程として、図１３の第二次成形品７１’’の突出部７１ｂの周りをカットし（その切断箇所を図１３中矢印Ｈで示す）、ディファレンシャルギヤ取り付け穴５４を形成する。

以上により図９に示すような駆動軸アクスルハウジング５１が得られる。

この方法によれば、一体的で強度が高い駆動軸アクスルハウジング５１が得られる。

本発明に係る一実施形態によるハイドロフォーミング装置の断面図である。本実施形態のハイドロフォーミング装置の断面図である。本実施形態のハイドロフォーミング装置の金型の斜視図であり、金型を組み立てた状態を示す。本実施形態のハイドロフォーミング装置の金型の詳細な斜視図である。本実施形態のハイドロフォーミング装置の金型の断面図であり、成形初期状態を示す。本実施形態のハイドロフォーミング装置の金型の断面図であり、成形中期状態を示す。本実施形態のハイドロフォーミング装置の金型の断面図であり、成形完了状態を示す。本実施形態のハイドロフォーミング方法を説明するための図であり、液圧と軸押しシリンダの移動量とインサート駆動シリンダの移動量とのタイムチャートを示す。（ａ）は、駆動軸アクスルハウジングの正面図であり、（ｂ）は、図９（ａ）の側面図であり、（ｃ）は、図９（ａ）の平面図である。駆動軸アクスルハウジングの製造に用いられる金型の断面図であり、管材を金型にセットした状態を示す。図１０の金型の断面図であり、金型を型締めする途中の状態を示す。図１０の金型の断面図であり、金型を型締めした状態を示す。（ａ）は、第二次成形品の正面図であり、（ｂ）は、図１３（ａ）の断面図である。従来のハイドロフォーミング装置の金型の断面図である。（ａ）は、管材の正面図であり、（ｂ）は、図１５（ａ）の側面図である。従来のハイドロフォーミング装置の金型の断面図である。

符号の説明

１ハイドロフォーミング装置
２、１１、２１金型
１１ａ、２１ａ拡管形成部
１３、２３分割金型
１７、２７櫛歯部
７１管材

Claims

管材内に液圧を付加して所望の箇所を径方向に拡管するハイドロフォーミング装置において、
上記管材を収容する金型を、互いに軸方向で嵌合する櫛歯部を有する一対の金型で形成すると共に、その櫛歯部の内面を上記管材の拡管形状に合わせて傾斜させて拡管形成部を形成し、
上記一対の金型の櫛歯部を上記管材の成形に合わせて軸方向に互いに離れるように移動して、上記櫛歯部で形成される上記拡管形成部が順次上記管材を拡管するように構成したことを特徴とするハイドロフォーミング装置。
管材内に液圧を付加して所望の箇所を径方向に拡管するハイドロフォーミング方法において、
上記管材を収容する金型を、互いに軸方向で嵌合する櫛歯部を有する一対の金型で形成すると共に、その櫛歯部の内面を上記管材の拡管形状に合わせて傾斜させて拡管形成部を形成し、
上記一対の金型の櫛歯部を上記管材の成形に合わせて軸方向に互いに離れるように移動して、上記櫛歯部で形成される上記拡管形成部が順次上記管材を拡管することを特徴とするハイドロフォーミング方法。