JP4630218B2 - ハイドロフォーム加工における金型の割れ検知方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、素材となる管体（以下、素材管と記載する）を流体圧を用いて所定形状に成形するハイドロフォーム加工における金型の割れ検知方法および装置に関する。

近年、ハイドロフォーム加工は、部品数削減や軽量化等の手段の一つとして、自動車用の排気系部品やサスペンション系部品等の製造分野で注目を浴びている。
このハイドロフォーム加工は、図１０ａに示すように、素材管１１を分割した上下の金型１２にセットし、金型を型締めした後、素材管内に液体を注入して素材管に内圧Ｐを負荷するとともに、管軸方向の軸押しδを負荷することにより、管軸方向の伸びを抑えながら管周方向に伸びを与え、素材管を所定形状に成形する技術であり、内圧Ｐと軸押しδについて、例えば図１０ｂのような負荷経路が用いられている。

このようなハイドロフォーム加工は、古くからバルジ加工という名称で配管継ぎ手などの加工に用いられてきた技術ではあるが、上記のような軽量化などのニーズにより、短時間に大量生産する必要のある自動車部品への適用に関しては比較的新しい技術であり、成形条件が複雑なこともあり、種々の技術的課題が残されている。
例えば、素材管ごとの材質のバラツキによって、同一製品の加工でも、加工中に素材管が座屈して、金型空間へとスムーズに張り出さないことや、加工中に素材管が破断してしまうなどの問題がある。

また、ハイドロフォーム加工においては、高圧な液圧が素材管内に供給され、金型キャビティを形成する内壁の角部に、素材管を通して角部を押し開こうとする大きな引張応力が発生する。この引張応力により角部近傍の金型内壁に割れが発生し、金型が破損することがある。この場合、亀裂が発生するとその影響で金型がわずかに変形し、その変形の結果、所定の製品形状が得られず、高い寸法精度の要求される製品では、不良品の発生につながることがあった。

従来、素材管ごとの材質のバラツキに対しては、金型キャビティ内にセンサを配置することにより、素材管の成形途中の張り出し状態を検出して、素材管毎の材質や寸法特性の違いに応じた適切な負荷経路に修正する方法が、特許文献１、２などによって知られている。
また、金型の割れに対しては、割れの発生しやすい金型コーナー部を中子式とし、コーナー部の応力集中を緩和する金型構造として、割れの発生を防止することが特許文献３などで知られている。
しかしながら、金型の状態を絶えず監視して、亀裂の発生の早い段階でそれを事前に検出し、不良品の発生を防止する技術については従来知られていなかった。
特開２００３−３９１２１号公報 特開２００３−３１１３４３号公報 特開２００４−２９１０３０号公報

本発明は、上記のような事情に鑑み、ハイドロフォーム加工において、金型の割れ発生を事前に検出して不良品の発生を未然に防止できる技術を提供することを課題とするものである。なお、本発明では、亀裂の段階を含め割れと表現する。

上記の課題を解決するために、本発明は次のようにしたことを特徴とする。
請求項１のハイドロフォーム加工における金型の割れ検知方法の発明は、該請求項に記載されているように、金型のキャビティ内壁の角部のうち、少なくとも１箇所の角部に近接する金型内部における応力又は歪を、ハイドロフォーム加工中に交差する２方向から測定し、測定された金型内部の応力又は歪に基づいて金型の割れを検知することを特徴とする。

請求項２のハイドロフォーム加工装置における金型の割れ検知装置の発明は、該請求項に記載されているように、金型のキャビティの角部のうち、少なくとも１箇所の角部に近接する金型本体内部に配置され、ハイドロフォーム加工中における金型内の応力又は歪を交差する２方向から測定する測定手段と、該応力測定手段により測定された応力又は歪に基づき金型の割れを検知する割れ検知手段とからなることを特徴とする。
請求項３のハイドロフォーム加工における金型の割れ検装置の発明は、該請求項に記載されているように、前記測定手段が、金型の軸方向断面で、金型の全ての角部に近接する金型本体内部に配置されることを特徴とする。
請求項４のハイドロフォーム加工における金型の割れ検装置の発明は、該請求項に記載されているように、前記割れ検知手段は、ハイドロフォーム加工中に測定された応力値又は歪値を内圧値と関連させて記憶する記憶手段と、記憶された応力値又は歪値から、あらかじめ定められた内圧値における応力値又は歪値を加工毎に演算する検出値演算手段と、金型毎の基準となる応力値又は歪値を記憶する基準値記憶手段と、検出値演算手段により演算された応力値又は歪値と基準値記憶手段から呼び出された金型に対応する基準値とを加工毎に比較し、比較結果に基づき割れの発生の有無を判定する判定手段とよりなることを特徴とする。

請求項１、２、４の発明によれば、金型内部における応力又は歪をハイドロフォーム加工中に測定するという簡単な方法で金型の割れ発生を検出することができ、金型の微小なゆがみによる不良品の発生を未然に防止することができる。
請求項３の発明によれば、上記ハイドロフォーム加工中の金型の割れ発生をさらに精度よく検出することができる。

以下、本発明の一実施の形態を、図１〜９を用いて詳細に説明する。
本発明者らは、ハイドロフォーム加工中に変化する状態量として、従来着目されていなかったハイドロフォーム加工中に金型が受ける応力に注目した。そして、ハイドロフォーム加工中に金型が受ける応力、あるいは金型に発生する歪の変化を内圧との関係で知ることができれば、金型の状態に関する情報が得られるのではないかと考えて、金型が受ける応力、あるいは金型に発生する歪の変化を内圧との関係で検討した。

図１〜４に、上記関係を検討する際に用いたハイドロフォーム加工用金型を示す。
１は、上下に分割されたハイドロフォーム加工用金型の下金型であり、その分割面２の中央部分には、金型キャビティ３が設けられている。金型キャビティ３は、断面が円形の素材管の中央部を方形に膨出させるために、素材管の外径に対応した半円形凹部３ａ、ｂと、中央部の方形部に対応した方形凹部３ｃと、凹部３ａと３ｃを滑らかに連結するための凹部３ｄと、これと同様の凹部３ｅとにより構成されている。
また、下金型に対応する上金型も下金型と同一形状に構成されている。
なお、９は、型締時に上下の金型を位置決めする位置決めピンであり、上金型には、位置決めピンが挿入される位置決め穴が形成されている。

この金型は、金型キャビティ３を形成する内壁に、軸方向断面で上下の金型でそれぞれ２箇所ずつ、合計４箇所の角部４が形成されており、上下の全ての角部に近接する各金型本体内部に、成形加工中の金型内の歪又は金型が受ける応力を測定するセンサとして水晶圧電式センサを設置した。
センサの設置は、図２でより詳細に示すように、金型の底面５および側面６からキャビティ内壁の角部に向かって、先端が前記角部に近接して位置する細孔７を設け、細孔の先端部に前記センサを配置した。また、金型の底面５には、一端が前記細孔７に接続し、他端が前記金型の側面６に達している溝８を設け、センサの配線を該溝によって金型外に引き出せるようにした。
センサの配置位置は、一箇所の角部につき３箇所とし、上下の金型合計で１２箇所とした。

上記金型に、引張強度が４４０ＭＰａで、肉厚が２．３ｍｍの素材鋼管をセットし、型締め力１５０００ｋＮで型締め後、内圧を０〜２５０ＭＰａまで昇圧した。軸押しは左右各々５０ｍｍとした。その際、加工途中におけるセンサの検出値（以下応力値で代表する。）を内圧の変化と合わせて記録するとともに、素材鋼管の変形過程を観察した。

図５に、このときの、内圧とセンサの検出した応力値の変化の一例を示す。また、図６ａ〜６ｃに、図５の（１）〜（３）で示した各点における素材鋼管の成形状態を示す。
図５に示すように、下金型右側の測定位置と上金型右側の測定位置とではセンサの検出値に多少の差がみられたが、変化の仕方はほぼ同様であった。
なお、上金型および下金型とも左右の測定位置でセンサの検出応力にほとんど差がなかったため、図５にはそれらの値を図示していない。

図５の（１）は、素材鋼管が膨出し、管外面がまづ最初により距離の近い金型キャビティの上下の内壁に接触を開始した位置（図６ａの状態）を、（２）は、左右の内壁にも接触を開始した位置（図６ｂの状態）を、（３）は、金型内壁のコーナーＲ部以外はほぼ接触した状態となった位置（図６ｃの状態）をそれぞれ示している。また、（４）は、金型内壁にほぼ全接触した位置を示している。

内圧の上昇とともに図５のように金型内の応力値が変化するのは、次のように説明できる。
金型は、成形開始時は、素材鋼管の内圧からの応力を受けないから、型締め力に対応した一定の応力を受けている。その後内圧の上昇とともに素材管が膨出を開始し、まず（１）の点において、管の中央部外面がより近い金型キャビティの上下の内壁に接触する。管はさらに膨出を続け、（２）の点で左右の内壁にも接触する。それ以降、最終的に金型角部の細かい形状に倣った形状まで変形し、金型内壁にほぼ全接触した状態になるには大きな内圧を必要とするから、検出される応力も内圧の上昇とともに上昇する。

以上の図５、６に示されるような結果から、鋼管外面が上下左右の金型内壁に接触した後、金型内壁にほぼ全接触した状態になるまでに検出される応力は、大きく上昇するが、上金型と下金型とで検出応力値に僅かな差が生じており、金型の変形状態の微小な変化によって検出応力値に差が生じることが予想できた。

そこで、金型キャビティ内壁に割れが発生した場合の応力の変化について調べるために、擬似的に割れが発生した金型を準備して、検出応力値の変化を調べた。
そのような金型として、上記図１〜４に示した下金型の左角部のＲ部の基部に微細な切れ込みを形成した金型を用い、図５を作成したときと同様の素材管や加工条件を用いてハイドロフォーム加工を行った。

図７に得られた検出応力と内圧の関係の一例を示す。図７に示されるように、微細な切れ込みを形成した箇所に近い下金型左位置に配置されているセンサの検出応力の値が、下金型右位置に配置されているセンサの値よりも高くなる。
このことから、加工終了時の応力、加工中の最大応力などの検出値を記録しておけば、高い応力値が連続的に検出された場合など、応力の変化から金型キャビティ内壁の亀裂の発生を予め検知することが可能となる。

以上の検討結果に基づく本発明の金型の割れを検知する手段について説明する。
金型の割れ発生を検知するために、加工中の金型の歪又は応力を測定する測定手段としてのセンサを金型に取付ける。センサは、成形に影響を与えることなく、キャビティ付近の応力をより正確に測定するために、金型のキャビティの角部に近接する金型本体内部に配置されなければならない。

図２のような直角のコーナーＲを有する金型の場合は、素材管が金型に接触した後、金型角部に負荷される応力の主応力方向が、水平方向および垂直方向となるから、センサの配置も水平方向及び垂直方向に配置するのが好ましい。しかし、キャビティのコーナーＲ部が直角(９０度)よりも広角もしくは狭角の場合は、直角の場合とは主応力方向が異なるため、ＦＥＭ解析などでセンサの配置する向きを事前に評価する必要があり、必ずしも水平方向及び垂直方向の配置に限られるものではない。

センサの配置位置は、金型のキャビティの角部のうち割れが一番発生しやすい角部、例えば素材管が最初に接触する金型内壁に近い角部、に少なくとも設置するのが望ましく、少なくとも１箇所の角部に近接する金型本体内部であればよいが、望ましくは、全てのコーナーＲ部にセンサを設置することである。

金型のキャビティの各角部には、図１〜４に示した金型では３箇所としたが、それに限られるものではなく、角部の長さに応じた個数とすることはもちろんである。
配置されるセンサとしては、例えば歪を測定するものとしては、水晶感圧センサ、歪ゲージ、レーザ歪測定器などが使用でき、応力を測定するものとしては、応力ゲージ、レーザ応力測定器などが使用できる。

センサを配置する方法は、特に図２に示したように、金型の底面および側面から金型キャビティの角部に向かって、先端が金型キャビティの角部に近接して位置する細孔を設け、その細孔の先端部にセンサを配置するのが、既存の金型に適用できるので好ましい。
しかし、例えば金型製造時に細管を埋め込む方法など、細孔を形成する他の方法を採用することもできる。この場合には、細孔を曲線とすることができる。
細孔先端部の位置は、角部から５〜２０ｍｍ以上離れているのが望ましい。図２の例では、Ｌとして１５ｍｍ程度が好ましい。

以上のようにハイドロフォーム加工金型内に配置されたセンサを用い、金型の割れ発生を例えば次のようにして検知する。
割れの入っていない状態の金型を用い、所定回数のハイドロフォーム加工を行い、各回の加工毎にセンサの検出した応力値を内圧値とともに記憶し、各回の加工毎に、例えば最大内圧時の応力値を求めておく。そして、所定回数の加工後に応力値の平均値を演算して、その値をその金型の割れ判定のための基準値として設定する。以後、加工ごとに記憶された応力値から最大内圧時の応力値を検出値として算出し、この検出値を基準値と比較し、その差がある値を超えたかどうか判断し、超えた回数が所定回数に達すると金型に割れが発生したと判定する。
同じ金型で、材質や寸法特性の異なる素材管を加工する場合は、上記素材管ごとに基準応力値を設定しておく。

このような金型の割れ発生の検知方法は、図８、９に示すような装置で実施される。
図８において、１は、ハイドロフォーム加工金型であり、各金型のコーナーＲ部に近い金型内部には、上記のように金型内の応力や歪を測定するセンサ１０が配置されている。１１は、金型内の素材鋼管を管端側から軸押し工具１２を介して軸押しする油圧ピストン等の軸押し手段であり、１３は、軸押し量検出手段である。１４は、素材鋼管内に液体を注入して、素材管に内圧を負荷するための内圧負荷手段であり、１５は内圧検出手段である。軸押し量検出手段１３及び内圧検出手段１５からの信号は、制御装置１６に送られ、制御装置内の制御部によって所定の負荷経路になるように軸押し手段１１及び内圧負荷手段１４が制御される。

センサ１０の応力あるいは歪についての検出信号は、変換手段１７によって応力値に変換され、制御装置１６に送られる。制御装置１６には金型割れ検知手段１８が設けられており、変換手段１７から送られてきた値に基づいて金型の亀裂発生を検知し、その信号を制御装置の制御部に送り出すとともにそれを外部に通知できるようになっている。

金型割れ検知手段１８は、図９に示されるように、毎回の加工毎に検出された応力値を内圧値と関連させて記憶する応力値記憶手段１９と、記憶された応力値から内圧の最大値に対応する応力値を演算する検出値演算手段２０と、金型毎、素材管毎の割れ判定の基準となる応力値を記憶する基準値記憶手段２１と、検出値演算手段２０の応力値と基準値記憶手段２１の応力値を比較し、その差が所定の値を超えたかどうか判断するとともに、所定の値を超えた回数が所定回数に達したかどうかを判断し、所定回数に達した場合割れ発生と判定する割れ発生判定手段２２とで構成されている。

割れ発生判定手段２２の信号は、制御装置の制御部２３に送られ、表示・警報手段２４によって、金型に割れが発生したことを表示し警報できるようになっている。

以上説明した実施の形態は本発明の例であり、本発明は、該実施の形態により制限されるものではなく、特許請求の範囲の請求項に記載される事項によってのみ規定されており、上記以外の実施の形態も実施可能である。

本発明のハイドロフォーム加工用金型の上面図である。 図１のハイドロフォーム加工用金型のＡ−Ａ矢視図および一部拡大図である。 図１のハイドロフォーム加工用金型の側面図である。 図１のハイドロフォーム加工用金型の底面図である。 ハイドロフォーム加工中の内圧とセンサの検出した応力値の変化を示す図である。 ハイドロフォーム加工中の素材管の変形状態を示す図である。 キャビティ内壁に亀裂がある場合のハイドロフォーム加工中の内圧とセンサの検出した応力値の変化を示す図である。 本発明のハイドロフォーム加工装置の概略を説明する図である。 金型の割れ検知装置の概略を説明する図である。 従来のハイドロフォーム加工技術の説明図である。

符号の説明

１ ハイドロフォーム加工用金型の下金型
２ 金型の分割面
３ 金型キャビティ
４ 金型キャビティの角部
５ 金型の底面
６ 金型の側面
７ 細孔
８ 配線引き出し用溝
９ 位置決めピン
１０ センサ（金型内の歪又は応力の測定手段）
１１ 軸押し手段
１２ 軸押し工具
１３ 軸押し量検出手段
１４ 内圧負荷手段
１５ 内圧検出手段
１６ 制御装置
１７ 変換手段
１８ 金型の割れ検知手段
１９ 応力値記憶手段
２０ 検出値演算手段
２１ 基準値記憶手段
２２ 割れ発生判定手段
２３ 制御装置１６の制御部
２４ 表示・警報手段

Claims (4)

1. 素材管を金型にセットし、金型を型締めした後、予め定められた負荷経路に基づいて素材管に対して内圧を負荷するとともに管軸方向に軸押しし、素材管を所定形状に成形するハイドロフォーム加工において、
   金型のキャビティ内壁の角部のうち、少なくとも１箇所の角部に近接する金型内部における応力又は歪を、ハイドロフォーム加工中に交差する２方向から測定し、測定された金型内部の応力又は歪に基づいて金型の割れを検知することを特徴とするハイドロフォーム加工における金型の割れ検知方法。
2. 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素材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、
   前記金型のキャビティ内壁の角部のうち、少なくとも１箇所の角部に近接する金型本体内部に配置され、ハイドロフォーム加工中における金型内の応力又は歪を交差する２方向から測定する測定手段と、該測定手段により測定された応力又は歪に基づき金型の割れを検知する割れ検知手段とからなることを特徴とするハイドロフォーム加工装置における金型の割れ検知装置。
3. 前記測定手段が、金型の軸方向断面で、金型の全ての角部に近接する金型本体内部に配置されることを特徴とする請求項２に記載のハイドロフォーム加工装置における金型の割れ検知装置。
4. 前記割れ検知手段は、ハイドロフォーム加工中に測定された応力値又は歪値を内圧値と関連させて記憶する記憶手段と、記憶された応力値又は歪値から、あらかじめ定められた内圧値における応力値又は歪値を加工毎に演算する検出値演算手段と、金型毎の基準となる応力値又は歪値を記憶する基準値記憶手段と、検出値演算手段により演算された応力値又は歪値と基準値記憶手段から呼び出された金型に対応する基準値とを加工毎に比較し、比較結果に基づき割れの発生の有無を判定する判定手段とよりなることを特徴とする請求項２または３に記載のハイドロフォーム加工装置における金型の割れ検知装置。

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