JP4696367B2

JP4696367B2 - 金属管のハイドロフォーム成形方法

Info

Publication number: JP4696367B2
Application number: JP2001029580A
Authority: JP
Inventors: 治園部; 裕二橋本
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2001-02-06
Filing date: 2001-02-06
Publication date: 2011-06-08
Anticipated expiration: 2021-02-06
Also published as: JP2002224760A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属管のハイドロフォーム成形方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ハイドロフォーム（以下、適宜ＨＦと略称する）成形とは、鋼管に代表される金属管（以下、適宜、パイプまたは管とも称する）に軸力と液体による内圧とをかけて一体成形により中空閉じ断面構造部品を製造する技術である。具体的には、図７に示すように、金属管を金型内に装填し、管内に液体を装入して軸力をかけながらその液体の管内圧力を高めることにより、管周方向に伸びを与えて金型形状に沿わせ、金属管を所定の形状に拡管加工する。この技術は、主に自動車部品の製造に用いられている。
【０００３】
ＨＦ成形において、金属管に軸力をかける軸押の動作の制御方法には、通常、１）軸押量を制御する方法、２）軸押速度を制御する方法、３）軸押力を制御する方法、の３種類がある。これに液体の管内圧力の制御が加わるのである。
【０００４】
上記１）の軸押量を制御する方法では、例えば図５に示すように成形時間に対して破線で示すように軸押量を制御している。なお、図５には成形時間に対する液体の管内圧力 (以下、成形圧力とも称する) も実線で示している。以下、このような成形時間と制御対象量との関係をローディングパスと言う。
【０００５】
また、上記２）の軸押速度を制御する方法では、一般に、ある成形ステップの時間内では軸押速度を一定に保ち、次のステップでは軸押速度を変更して、当該ステップの時間内ではその変更した軸押速度を保つように、軸押速度を制御している。ここで、軸押速度×時間＝軸押量、となるので、上記１）の軸押量を制御する方法と２）の軸押速度を制御する方法とは、同類の制御方法と言える。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＨＦ成形においては、成形圧力を上昇させると、所定の圧力に達した時点で拡管が開始する。今、仮りに軸押しが無いとして、この時の液体の管内圧力ｐ(0) は、相当歪みをε、金属管の降伏応力を
【外１】

、金属管の肉厚をｔ( ε) 、拡管部分の金属管の内径をＤｉ( ε) とすると、近似的に下記の（１）式が成り立つ。
【数１】

【０００７】
その後、拡管が進むとある程度までは液体の管内圧力ｐ( ε) は増大するが、下記の（２）が成立する条件で必要管内圧力は極大値に到達し、それ以上拡管すると必要管内圧力は低下する。
【数２】

【０００８】
したがって、液体の管内圧力を単調に増加させるように制御すると、上記（２）式が成立する条件を越えた拡管率から先は、拡管が一気に進むことになるため、上記１）の軸押量を制御する方法や２）の軸押速度を制御する方法では、軸押が不足しがちとなりやすい。
【０００９】
この対策としては、上記の一気に拡管するときに軸押量が大きくなるように設定することが考えられるが、軸押量が変わると拡管に必要な成形圧力も変わるために制御が困難となり、最悪の場合には軸押過多となって座屈や皺が生じ、成形不良品となって廃棄せざるを得ないことになる。
【００１０】
そこで、従来は、拡管が一気に進む以前から僅かに積極的に軸押を行って軽度の座屈や皺を発生させながら拡管し、拡管を完了させる最後の操作において軸押を停止させて、管内圧力を高圧にすることで座屈や皺を消すようにしている。
【００１１】
しかし、この方法は、一気に拡管するときにもっと積極的に軸押を行う場合に比べて、軸押の効果が低下して拡管部の肉厚減少が大きくなり、破断に至る場合もある、という問題がある。
【００１２】
これに対し、上記３）の軸押力を制御する方法の場合には、軸押力が適正であれば、一気に拡管するときに積極的な軸押が可能となるから、前述の拡管部の肉厚減少の問題に対しては有利な解決策となるが、他方では、金属管の材質のばらつき、潤滑の条件等の変化により、最終的な軸押量が同一材質、同一サイズのＨＦ成形においても異なる結果となり、出来あがった製品の長さがばらついてしまうという問題がある。この問題に関しては、成形後に管端をカットすることで寸法を整えるという手段をとることにより、一応の解決はつくとはいえ、工数が増え、生産能率が低下するとともに、生産コストも増大する不利がある。また、軸押が過多となって、金属管が成形されて金型に完全に沿った後も軸押力が作用した場合には、図６に示すように、金属管の非拡管部（直管部）が拡管した部分にめり込むような形の座屈、皺が発生してしまうという現象が生じ、やはり成形不良品となって廃棄せざるを得なくなり、歩留まりが大きく低下するという重大な問題が生じることになる。
【００１３】
したがって、かかる点に鑑みてなされた本発明の第１の目的は、拡管部の肉厚減少を可能な限り抑えることができると共に、成形不良の発生を防止できるハイドロフォームによる金属管の成形方法を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記第１の目的を達成する請求項１に係る発明は、金属管を金型内に装填し、金属管内に液体を装入し、ポンチを介して軸力をかけながら該液体の管内圧力を高めることにより金属管を成形する金属管のハイドロフォーム成形方法において、先ず、成形圧力および軸押力を設定入力すると共に、最大軸押速度および最大軸押量を入力し、次いで、上記ポンチによる金属管の軸押力、軸押量および軸押速度をモニターしながら、上記軸押力が予め設定した値となるように軸押力を制御しつつ管内圧力を加えて成形を開始し、軸押量が予め設定した最大軸押量に達せず、かつ軸押速度が最大軸押速度以下の状態が継続される場合には、検出される成形圧力が設定入力された成形圧力を超えるまで軸押力制御による成形を実行し、成形圧力が最大圧力を超えた時点で成形を終了し、上記軸押力制御による成形中に、上記軸押量が予め設定した最大軸押量に達したら軸押を停止して成形を実行して、成形圧力が最大圧力を超えた時点で成形を終了し、上記軸押力制御による成形中に、上記軸押速度が予め設定した最大軸押速度を超えたら上記軸押速度が上記最大軸押速度となるように軸押速度を制御して成形して、軸押量が予め設定した最大軸押量に達したら、軸押を停止して成形を実行して、成形圧力が最大圧力を超えた時点で成形を終了し、軸押量が予め設定した最大軸押量に達しないときには、成形圧力が最大圧力を超えた時点で成形を終了することを特徴とする金属管のハイドロフォーム成形方法である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明に係るハイドロフォームによる鋼管の成形方法を実施するＨＦ成形装置の一例の概略構成図である。このＨＦ成形装置は、基本的には従来のＨＦ成形装置と同様の構成を有するもので、成形すべき金属管１を上型２および下型３を有する金型内に装填し、金属管１内に液体を装入して両管端側からそれぞれポンチ４，４によって軸力をかけながら該液体の管内圧力を高めることにより、管周方向に伸びを与えて金属管１を所定の形状に拡管加工するものである。ポンチ４，４は、制御手段５の制御のもとに、それぞれ油圧ピストン等の駆動手段６，６によって管軸方向に駆動されるようになっている。
【００１８】
本実施の形態では、ポンチ４，４の軸押量をそれぞれ検出する軸押量検出手段１１，１１を設け、その出力を制御手段５に供給して軸押量をモニターすると共に、その軸押量を制御手段５において時間微分して軸押速度をモニターする。また、ポンチ４，４による軸押力を検出する軸押力検出手段１２，１２を設けて、それらの出力を制御手段５に供給すると共に、金属管１の管内圧力（成形圧力）を検出する管内圧力検出手段（図示せず）を設けて、その出力を制御手段５に供給する。さらに、制御手段５には、入力手段１３を介して、成形される素材パイプの材質や寸法に応じた成形圧力および軸押力をそれぞれ設定入力すると共に、最大軸押速度および最大軸押量を入力する。成形圧力や軸押力は、時間変化パターンとして設定入力してももちろんよい。
【００１９】
このようにして、本実施の形態では、入力手段１３を介して入力される液体の管内圧力設定値、設定軸押力、最大軸押速度および最大軸押量と、検出される軸押量、軸押速度および成形圧力とに基づいて、制御手段５により駆動手段６，６を介してポンチ４，４の駆動を制御して、金属管１を拡管加工する。
【００２０】
以下、本実施の形態によるＨＦ成形装置の動作について、図２に示すフローチャートを参照しながら説明する。
先ず、入力手段１３を介して制御手段５に成形圧力および軸押力を設定入力すると共に、最大軸押速度および最大軸押量を入力する（ステップＳ１）。ここで、注目すべき点は、本実施の形態では、軸押に関しては主として軸押力を制御することにある。
【００２１】
この軸押力は、設定値に対して、実際に管に伝わる力は、ポンチ４が成形圧力に押し戻される力の分だけ弱くなる。図３にローディングパスを示すように、例えば破線で示すようにある時点までは一定値に設定し制御するのがよい。理論上は、管端を軸押する場合、成形圧力が増加するとそれに伴ってポンチ４に対して作用する反力が比例的に増加するため、管端にかける力を一定とするためには、設定圧力を比例的に漸増させなければならないと考えやすいが、軸押開始して初期のまだ成形圧力が低い段階では、金属管１がＨＦ成形により拡管する過程で、軸押力の制御が軸押量の過多につながり、前述したように金属管に座屈や皺が発生し易くなるため、設定値を一定にしておいた方が上手くいく場合が多い。
そして、前述したある時点以降は、成形圧力が高くポンチへの反力が高くなる段階では図３の破線で示すように、該反力をキャンセルするように軸押力を漸増させる設定とする。この、ある時点は、何回かテストし、経験的に定める。
【００２２】
なお、この軸押力として適正な値は、金属管の材質や寸法毎に予め同じ種類の金属管を使用して何回かテストし、適正な値に決定しておく。その決定にあたって重要なことは、拡管が開始する前に金属管に座屈や皺が発生してしまうような軸押力、あるいは拡管中に大きな座屈や皺が発生して軸押力が効率的に伝わらないような高い軸押力に決定しないことである。また、成形後に直管部が拡管部にめり込んでしまう現象は無視し、拡管部の肉厚減少が可能な限り小さくなるような軸押力に決定する。
【００２３】
最大軸押速度は、前記の何回かのテストにより軸押力を決定する過程において、成形後に拡管部に座屈や皺が残留しなかった場合の最大の軸押速度とする。測定は制御手段５において軸押速度をモニターすることで行う。
【００２４】
また、最大軸押量については、成形前後の金属管の表面積が一定となる軸押量に係数η（≦１）を乗じた量とし、ηは本実施の形態に従った実際の制御の中で予め何回かのテストにより求めておく。
【００２５】
ステップＳ１で、成形圧力設定入力、軸押力設定入力、最大軸押速度入力および最大軸押量入力を行ったら、軸押力を加えるとともに管内圧力を加えることで成形動作を開始して（ステップＳ２）、先ず軸押力制御による成形を実行する（ステップＳ３）。この軸押力制御による成形では、軸押力検出手段１２，１２で検出される軸押力が設定入力された軸押力となるように、制御手段５により駆動手段６，６を介してポンチ４，４の駆動を制御すると共に、その制御中に、軸押量検出手段１１，１１の出力に基づいて軸押量および軸押速度をモニターして（ステップＳ４）、軸押量が入力された最大軸押量に達したか否か（ステップＳ５）、軸押速度が入力された最大軸押速度を超えたか否か（ステップＳ６）をそれぞれ判断し、さらに図示しない成形圧力検出手段で検出される成形圧力が設定入力された成形圧力 (最大圧力) を超えたか否かを判断する（ステップＳ７）。
【００２６】
ここで、検出される軸押量が最大軸押量に達せず、かつ軸押速度が最大軸押速度以下の状態が継続される場合には、検出される成形圧力が設定入力された成形圧力 (最大圧力) を超えるまで軸押力制御による成形を実行し、成形圧力が最大圧力を超えた時点で成形を終了する。
【００２７】
一方、ステップＳ５において軸押量が最大軸押量に達するかあるいはそれ以上になったと判定したら、そのまま軸押力制御による成形を継続すると拡管部が金型に張り付いた後も軸押が進んで直管部が拡管部にめり込んでしまうため、軸押量が最大軸押量に達するかあるいはそれ以上になったと判定した時点で、軸押を停止して軸押停止による成形に移行する（ステップＳ８）。
【００２８】
この軸押停止による成形では、軸押量をモニターしながら（ステップＳ９）軸位置を固定して（ステップＳ１０）成形を実行し、成形圧力が最大圧力を超えた時点（ステップＳ１１）で成形を終了する。
【００２９】
また、軸押力制御による成形中に、ステップＳ６において軸押速度が最大軸押速度を超えたら、その時点で軸押速度一定制御による成形に移行する（ステップＳ１２）。
【００３０】
この軸押速度一定制御による成形では、軸押速度が最大軸押速度となるように（ステップＳ１３）軸押量をモニターしながら（ステップＳ１４）軸押速度を制御し、さらに軸押量が最大軸押量に達するかあるいはそれ以上になったと判定したか否か（ステップＳ１５）、成形圧力が最大圧力を超えたか否か（ステップＳ１６）をそれぞれ判断しながら、軸押量が最大軸押量未満の状態が継続される場合には、成形圧力が最大圧力を超えるまでは軸押速度一定制御による成形を実行し、成形圧力が最大圧力を超えた時点で成形を終了する。
【００３１】
また、この軸押速度一定制御による成形中に、ステップＳ１５において軸押量が最大軸押量に達したら、そのまま軸押速度一定制御による成形を継続すると、やはり拡管部が金型に張り付いた後も軸押が進んで直管部が拡管部にめり込んでしまうため、軸押量が最大軸押量に達するかあるいはそれ以上になったと判定した時点で、軸押を停止してステップＳ８の軸押停止による成形に移行する。
【００３２】
【実施例】
図４に、以下に説明する本発明の実施例におけるＨＦ成形加工の素材パイプ（パイプ）およびその成形後の姿の寸法関係を示す。また、表１にＨＦ成形装置の仕様を示す。なお、図４において、符号２１は成形前のパイプ寸法の概略を示し、符号２２は成形後のパイプ外形の寸法の概略を示し、符号２３はコーナ部を示している。
【表１】

【００３３】
パイプは、引張り強さが約４００ＭＰａのJIS STKM11A 相当のものを用い、このパイプに対して本発明例では、図１に示したようなＨＦ成形装置を用いて図２に示したフローチャートに従って成形した。その場合の成形圧力と軸押力とのローディングパスは、図３に示したように設定した。図３において、軸押力の設定は、成形開始から成形圧力が４６ＭＰａになるまでは一定値とする、軸押力が一定の制御を行っているが、４６ＭＰａ以上では成形圧力によるポンチへの反力が軸押力を超えてしまう恐れがあるため、ポンチが押し戻されてしまわないように軸押力を漸増させる設定とした。
本発明例の場合、成形途中で軸押量が設定した最大軸押量に達したり、軸押速度が設定した最大軸押速度以上になると、結果的に図３に示した設定軸押力は制御方式の切り替わりに伴って変化し、実際の軸押力は制御方式が切り替わった時点から、図３に示した軸押力の値と異なったものとなる (図示せず) 。
【００３４】
ここで、最大軸押量は成形前後のパイプの表面積一定の条件から算出した軸押量に係数η＝０．９を乗算して片側３３ｍｍとした。また、座屈や皺を発生させない最大軸押速度は、図３に示したローディングパスでの成形条件下における種々の実験結果から、６ｍｍ／sec であることがわかったので、その値を設定値とした。
【００３５】
比較例１として、従来の軸押量制御（軸押速度制御と等価）によるＨＦ成形を行った。この場合の成形圧力と軸押量とのローディングパスは、図５に示したように設定した。
【００３６】
また、比較例２として、従来の軸押力制御のみによるＨＦ成形を行った。この場合のローディングパスは図３と同じであるが、この比較例２では、制御プログラムが終了するまで、図３に示したローディングパスで成形を行った。
【００３７】
本発明例、比較例１および比較例２のＨＦ成形は、それぞれ１００本のパイプをテストし、成形された各パイプの最小肉厚を測定すると共に、座屈・皺の有無、破断の有無を確認してその本数をカウントした。そのテスト結果を、表２に示す。
【００３８】
【表２】

【００３９】
表２では、座屈・皺の発生を伴った破断が生じている場合には、双方にカウントしているため、パイプ本数の合計が１００本を超えているものがある。また、最小肉厚は、破断が発生しなかった場合の各パイプ、すなわち座屈・皺が生じていても破断が発生していない各パイプの拡管部の肉厚最小部の測定値を、本発明例、比較例１および比較例２毎に平均値を取った。
【００４０】
表２から明らかなように、本発明例によるＨＦ成形によれば、破断、座屈・皺の発生、最小肉厚のいずれの項目においても、比較例１および比較例２よりも優れた結果を得ることができた。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば、ＨＦ成形に関して破断や、座屈・皺が発生することが極めて少なくなり、歩留まりを有効に向上できると共に、拡管部の肉厚減少を可能な限り抑えることができ、強度的にも有利となる。また、金属管の軸押力、軸押量および軸押速度を検出し、その検出した軸押力、軸押量および軸押速度と、予め設定した所望の軸押力、最大軸押量および最大軸押速度とに基づいて駆動手段によるポンチの駆動を制御すればよいので、簡単に実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るハイドロフォームによる金属管の成形方法を実施するＨＦ成形装置の一例の概略構成図である。
【図２】図１に示すＨＦ成形装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図３】本発明に従ってポンチの軸押を軸押力で制御するローディングパスの一例を示す図である。
【図４】実施例に用いた拡管前後のパイプの寸法仕様を示す図である。
【図５】ポンチの軸押を軸押量で制御する従来のＨＦ成形におけるローディングパスを示す図である。
【図６】金属管の非拡管部が拡管部にめり込む成形不良の生じるようすを示す図である。
【図７】一般的なハイドロフォームによる鋼管の成形方法を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１金属管
２上型
３下型
４ポンチ
５制御手段
６駆動手段
１１軸押量検出手段
１２軸押力検出手段
１３入力手段

Claims

金属管を金型内に装填し、金属管内に液体を装入し、ポンチを介して軸力をかけながら該液体の管内圧力を高めることにより金属管を成形する金属管のハイドロフォーム成形方法において、
先ず、成形圧力および軸押力を設定入力すると共に、最大軸押速度および最大軸押量を入力し、
次いで、上記ポンチによる金属管の軸押力、軸押量および軸押速度をモニターしながら、上記軸押力が予め設定した値となるように軸押力を制御しつつ管内圧力を加えて成形を開始し、
軸押量が予め設定した最大軸押量に達せず、かつ軸押速度が最大軸押速度以下の状態が継続される場合には、検出される成形圧力が設定入力された成形圧力を超えるまで軸押力制御による成形を実行し、成形圧力が最大圧力を超えた時点で成形を終了し、
上記軸押力制御による成形中に、上記軸押量が予め設定した最大軸押量に達したら軸押を停止して成形を実行して、成形圧力が最大圧力を超えた時点で成形を終了し、
上記軸押力制御による成形中に、上記軸押速度が予め設定した最大軸押速度を超えたら上記軸押速度が上記最大軸押速度となるように軸押速度を制御して成形して、軸押量が予め設定した最大軸押量に達したら、軸押を停止して成形を実行して、成形圧力が最大圧力を超えた時点で成形を終了し、軸押量が予め設定した最大軸押量に達しないときには、成形圧力が最大圧力を超えた時点で成形を終了することを特徴とする金属管のハイドロフォーム成形方法。