JP4713182B2 - ハイドロピアシング方法およびそれに用いられる装置、並びにハイドロピアシング加工製品 - Google Patents

Description

本発明は、管状の金属素材の内部に供給された加工液に圧力を負荷して膨出成形するハイドロフォームの工程内でピアシング（孔明け加工）を行うハイドロピアシング方法、およびその加工に用いられるハイドロピアシング装置、並びにその方法によって成形されるハイドロピアシング加工製品に関するものである。

通常、ハイドロフォームでは、素材となる金属管（以下、「金属素管」という）の内部に加工液を供給し、この加工液に圧力（以下、単に「内圧」という）を負荷し、金属素管を保持する金型形状にならって膨出成形することにより、種々の複雑形状の管状製品を加工することできる。このため、ハイドロフォームは自動車部品をはじめとして種々の加工分野の成形加工に広く利用されている。

図１は、一般的な金属管のハイドロフォームの加工工程を説明する図であり、（ａ）は加工前の状態を示し、（ｂ）は加工後の状態を示している。図１（ａ）、（ｂ）に示すように、ハイドロフォームでは、上下一対の金型１、２にセットされた金属素管３の内部に導入孔５を通じて加工液を導入し、この加工液の内圧を高めつつ、金属素管３の両端をシール工具を兼ねた軸押し工具４を図示しない油圧シリンダーで前進させ、軸押しを行うことにより金型キャビティ壁面１ａ、２ａに接触するまで、金属素管３の膨出成形を行い、種々の断面形状を有する加工製品を得ることができる。

なお、軸押しは、膨出変形における金属素管のメタルフローを促進し、拡管限界を向上させることができることから、極めて重要な加工技術である。軸押しなしで加工液の内圧を高めるだけで成形する場合には、膨出にともなう肉厚減少が著しいために破断が生じやすく、限られた拡管しかできないことになる。このような技術的な要因から、ハイドロフォームにおいて軸押し加工は必須の技術要素となっている。

上記ハイドロフォームは、他の成形加工法に比べて種々の特長を発揮することができる。主なもののうち第１の特長としては、長手方向に断面形状の異なるやや複雑な形状を得ることができることから、従来の加工法では溶接で組み付けられていた部品を一体成形できることが挙げられる。

次に、第２の特長は、製品の全体に亘って加工硬化が得られ易いため、低強度の金属素管を用いても高強度の加工製品を得られることである。さらに、第３の特長は、加工後のスプリングバックが少ないため、製品の寸法精度が良好、すなわち形状凍結性に優れることから、手直しの工程が省略できる。

このようなハイドロフォームの優れた特長が評価され、近年においては、特に自動車部品の製造工程での主要な加工方法として採用されるようになっている。

ところで、自動車部品などの加工製品では、塗装時の液の出し入れ用の孔、他の部品を取り付けるための孔、位置決めをするための孔など各種の孔をあける必要がある。金属板のプレス成形品の場合には、プレス成形の後工程でダイスとポンチとを用いて、簡単に孔明け加工を行うことができる。

しかしながら、管のハイドロフォーム品の場合には閉断面形状であるため、後工程での工具による孔明けは難しく、管内部の所定位置にダイスを配置するのが困難な場合が多い。このため、ハイドロフォーム工程中の孔明け加工、すなわち「ハイドロピアシング」と呼ばれる孔明け加工法が用いられている。「ハイドロピアシング」は、金属素管を孔明け用ポンチを装備した一対の金型に保持し、内部に供給した加工液に圧力を負荷するとともに、管端から軸方向に押付け工具で軸押しを加えるハイドロフォームの工程内で加工液の内圧を利用してピアシング（孔明け加工）を行う加工方法である。

ハイドロピアシングには内向きピアシングと外向きピアシングの二つの方法がある。図２は、内向きピアシングを説明する図であり、（ａ）はピアシング前のハイドロフォーム状態を、（ｂ）はピアシング後の孔周辺部の状態を示している。図２（ａ）では上型１のダイス孔１ｂ内に収容された孔明け用ポンチ６は後退しないように保持され、ポンチ底面６ａは上型キャビティ壁面１ａの一部を構成いている。金属素管３を膨出成形した後、加工液の内圧を保ったまま油圧シリンダー１００によって孔明け用ポンチ６を前進せしめ、金属素管３の内側に向かってピアシングを行う。

図２（ｂ）では、シャープなポンチエッジ６ｂによって金属素管３に亀裂を発生させた状態を示し、ポンチ底板に接触していた材料は、抜き屑３ｂとなる。内向きピアシングの過程で金属素管内面を支えるのは加工液の内圧だけであり、打ち抜き孔周縁部３ａが金属素管内部に向かって曲がる現象（以下、「孔縁曲がり」という）が現れる。加工液の内圧を増加することによって孔縁曲がりをある程度小さくすることはできるが、皆無にすることができない。

図３は、外向きピアシングを説明する図であり、（ａ）はピアシング前のハイドロフォーム状態を、（ｂ）はピアシング後の孔周辺部の状態を示している。図３（ａ）では油圧シリンダー１００を加圧前進させることによって孔明け用ポンチ６は後退しないように保持され、ポンチ底面６ａは上型キャビティ壁面１ａの一部を構成している。金属素管３を膨出成形した後、加工液の内圧を保ったまま油圧シリンダー１００を後退させたときに、孔明け用ポンチ６が加工液の内圧によって高速後退し、金属素管３の外側に向かってピアシングを行う。

図３（ｂ）では、シャープなダイス孔１ｃによって金属素管３に亀裂を発生させた状態を示し、ポンチ底板に接触していた材料は抜き屑３ｂとなって、ダイス孔１ｂ内に入り込む。抜き屑３ｂは、金属素管３を型から抽出した後、油圧シリンダー１００によって孔明け用ポンチ６を前進させることによって除去する。外向きピアシングでは、その過程で打ち抜き孔周縁部３ａが常に上型キャビティ壁面１ａに押し付けられているので、内向きピアシングで見られる孔縁曲がりは発生しない。

特開２００１−１８０１６号公報

前述の通り、自動車部品等のハイドロフォーム品には各種の孔明け加工が要求され、孔縁曲がりの要求精度、孔形状や寸法精度、抜き屑の処理などを考慮して、加工液の内圧負荷を利用した内向きハイドロピアシング、外向きハイドロピアシングが使い分けられている。

しかしながら、前記図２に示す内向きハイドロピアシング法または前記図３に示す外向きハイドロピアシングのいずれであっても、ピアシング後における打ち抜き孔の寸法精度が悪化したり、内向きピアシングの場合に孔明け用ポンチの寿命が短くなるという問題がある。特に、打ち抜き孔の寸法が大きい場合、若しくは異形形状の孔をピアシングする場合、または多数の孔を同時にピアシングする場合には、寸法精度の悪化が顕著になる。

このため、高精度が要求される打ち抜き寸法が大きな孔、若しくは異形形状の孔、または多数の孔を同時にピアシングする場合には、ハイドロピアシングを適用することができず、ハイドロフォーム後に新たな工程として孔明け加工を追加することが必要になる。前述したように、ポンチとダイスを用いた打ち抜きによる孔明け加工が困難であることから、エンドミルなどによる切削加工やレーザ切断などを採用せざるを得ない。

これらの切削加工やレーザ切断はいずれも非効率であるばかりではなく、前者の場合には切削による変形が生じやすい薄肉品には適用し難い。また、後者の場合には、レーザ切断時にスパッタとよばれる溶融した金属の粉が製品に付着し、このスパッタを除去するために新たな工程を追加しなければならないという問題も生じることになる。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、自動車部品等の各種の孔明け加工に際し、高精度が要求される大寸法の孔、若しくは異形形状の孔、または多数の孔を同時にピアシングする場合であっても、ハイドロピアシングで加工された打ち抜き孔の寸法精度を向上させることができ、また内向きピアシングの場合には孔明け用ポンチの寿命を低下させない、ハイドロピアシング方法およびそれに用いられる装置、並びにハイドロピアシング加工製品を提供することを目的としている。

本発明者らは、前述の課題を達成するため、外向きピアシングで加工された打ち抜き孔の寸法精度が悪化する原因を調査すべく、各種の加工試験を繰り返した。

図４は、ハイドロピアシングによる孔寸法精度の調査に用いた試験装置の全体構成を示す図である。図５は、同試験装置の中央部の断面構造を示す図である。本試験装置は、外向きハイドロピアシングが可能な装置構成であり、ベッド２０１上には下金型２およびその両端に対面させた軸押しシリンダー７が設置され、昇降ラム２００には上型１が取り付けられている。軸押しシリンダー７に接続される軸押し工具４は、油圧により前後進が可能である。

金型１には、前記図３と同様に孔明け用ポンチ６と油圧シリンダー１００が内蔵されている。下金型２に金属素管３を載置し、上金型１を降下させて下金型２に所定の力で押し付けた後、軸押し工具４を前進させて金属素管３の管端に押しつけ、軸押し工具４内に設けられている導入孔５から金属素管３内に加工液を注入する。金属素管３の内部に充満した加工液の内圧を増加させながら、軸押し工具４を前進せしめ、金属素管３を図５に示すように、矩形断面に膨出加工する。

図６は、ハイドロピアシングにおけるダイスの孔形状（破線）とピアシング後の孔形状（実線）とを比較した図である。同図に示すように、金属素管３を図５に示すように、矩形断面に膨出加工した後、矩形孔を外向きピアシングしたところ、ダイス孔形状３００に対して、打ち抜き孔３０１は歪んだ形状となった。

図７は、今回の試験装置におけるハイドロピアシングの制御シーケンスを示すフローチャートである。試験では、加工液の内圧を軸押し工具の導入孔５に連絡した圧力計２０２で測定するとともに、軸押しシリンダーに接続された軸押し工具の変位をベッド上に載置した変位計２０３で、孔明け用ポンチの変位を金型内に設置した変位計２０４で測定した。

図８は、試験で得られたハイドロピアシングの加工時間の経過にともなう加工液の内圧、軸押し工具の変位、および孔明け用ポンチの変位の関係を示す図である。図８（ａ）〜（ｃ）においては、上下一対の金型にセットされた金属素管の中に加工液が充満した時点を基準点とし、加工液の内圧、軸押し工具の変位、および孔明け用ポンチの変位を０（ゼロ）としている。

図８に示すように、加工時間の経過にともなって加工液の内圧が増大し、軸押し工具の変位が増大し、ハイドロフォームが進行していく。Ａ点で所定の成形圧力に達して膨出成形は完了し、軸押し工具は一定位置に保持されている。この状態を所定の時間保持した後、Ｂ点から孔明け用ポンチを後退させ外抜きハイドロピアシングを開始する。Ｃ点でピアシングが完了し、その後加工液の内圧が急激に低下する。

ここで、本発明者らは、加工液の内圧が急激に低下した時点で、それまで一定位置に保持されていた軸押し工具が軸押し方向に前進する現象（以下、「軸押しオーバーラン」という）に注目し、この軸押しオーバーランが前記図６に示すピアス孔の形状のゆがみの原因と考えた。また、内向きピアシングにおける孔明け用ポンチの寿命低下の問題も軸押しオーバーランにより、孔明け用ポンチに局部的な力が加わることが原因と考えた。

そこで、軸押しオーバーランの具体的な防止手段として、（Ａ）軸押しシリンダーに機械的なストッパーを設けること、（Ｂ）ハイドロピアシングによる孔明け加工の制御シーケンスを改善すること、および（ｃ）軸押しシリンダーを加工液の圧力変動にバランスさせる構造にすることが有効であることを知見した。

また、軸押しオーバーランを抑制するには、さらに（ｄ）軸押しシリンダーの前進端を軸押し終了ポイントとすること、（ｅ）軸押しシリンダーの直近にチェッキ弁を設置することなども適用できることも知見した。

そもそも、ハイドロピアシングの打ち抜き孔に要求される寸法精度は、孔の用途によって異なることに加え、打ち抜き孔の寸法精度の悪化の程度も、加工製品の形状や軸押し量、孔形状、打ち抜き孔の位置によっても異なる。このため、必ずしも両側の軸押しシリンダーに軸押しオーバーランを防止する手段を施す必要はなく、片側の軸押しシリンダーに施すだけでも有効な場合が多いことも知見した。

本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、下記（１）〜（３）のハイドロピアシング方法およびハイドロピアシング装置、並びに（４）のハイドロピアシング加工製品を要旨としている。
（１）金属素管を孔明け用ポンチを装備した一対の金型に保持し、内部に供給した加工液に圧力を負荷するとともに、両端から軸方向に押付け工具で軸押しを加えるハイドロフォーム工程を有するハイドロピアシング方法であって、前記孔明け用ポンチでピアシングした際に、ピアシングの完了にともなって加工液の内圧が急激に低下した時点から、前記押付け工具のうち少なくとも片側の押付け工具を軸押し方向に前進させないことを特徴とするハイドロピアシング方法である。
（２）孔明け用ポンチを装備した一対の金型に保持された金属素管の内部に供給した加工液を加圧するとともに、両端から軸方向に押付け工具で軸押しを加えるハイドロフォーム工程を具備するハイドロピアシング装置であって、前記押付け工具を押圧する軸押しシリンダーと、前記孔明け用ポンチでピアシングした際に、ピアシングの完了にともなって加工液の内圧が急激に低下した時点から、前記押付け工具のうち少なくとも片側の押付け工具を軸押し方向に前進させない手段とを具備していることを特徴とするハイドロピアシング装置である。
（３）上記（１）、（２）のハイドロピアシング方法および装置において、ピアシングした際に押付け工具のうち少なくとも片側の押付け工具を軸押し方向に前進させない手段として、押付け工具を保持する軸押しシリンダーに機械的なストッパーを備えることができる。

同様な手段として、ハイドロピアシングの制御シーケンスを改善することができ、具体的には、ハイドロフォームによる金属素管の膨出成形後であって、孔明け用ポンチ作動からの経過時間、孔明け用ポンチの変位量、または加工液の内圧低下量のうちいずれかを基準として、押付け工具を保持する軸押しシリンダーを後退させるように制御するのが望ましい。

さらに、同様な手段として、押付け工具を保持する軸押しシリンダーをピアシングした際の加工液の圧力変動にバランスさせる構造とすることができる。
（４）上記（１）または（３）のいずれかに記載されたハイドロピアシング方法によって成形されたことを特徴とするハイドロピアシング加工製品である。

本発明のハイドロピアシング方法およびハイドロピアシング装置によれば、自動車部品等の各種の孔明け加工に際し、高精度が要求される大寸法の孔、若しくは異形形状の孔、または多数の孔を同時にピアシングする場合であっても、適切に軸押しオーバーランの発生を回避することができ、孔明け加工により寸法精度の優れた打ち抜き孔の成形加工が可能になる。また、内向きピアシングについては、孔明け用ポンチの寿命の低下を防止することができる。これにより、付加的な工程が省略できるとともに、自動車部品等の加工効率やコスト低減を図ることができる。

本発明のハイドロフォーム方法は、金属素管を孔明け用ポンチを装備した一対の金型に保持し、内部に供給した加工液に圧力を負荷するとともに、両端から軸方向に押付け工具で軸押しを加えるハイドロフォーム工程で孔明け加工するに際し、前記押付け工具のうち少なくとも片側の押付け工具を軸押し方向に前進させないこと、すなわち、軸押しオーバーランを防止することを特徴としている。以下に、本発明の具体的な構成および手段について、機械的なストッパーの設置、制御シーケンスの設定、および内圧バランスシリンダーの構成に区分して説明する。
１．機械的なストッパーの設置
図９は、ハイドロピアシング装置の軸押しシリンダーに機械的なストッパーを備えた構成を示す図である。図９に示す構成では、軸押し工具４を接続する軸押しシリンダー７にストッパー８を設置し、ハイドロフォームで加工製品を成形するのに必要な軸押し量に対応して、ストッパー８の長さＬを決定している。

図１０は、軸押しシリンダーに機械的なストッパーを備えた場合における、ハイドロフォームの加工時間の経過にともなう加工液の内圧、軸押し工具の変位、および孔明け用ポンチの変位の関係を示す図である。前記図８と同様に、一対の金型内にセットされた金属素管の内部に加工液を導入した時点を基準点とし、加工液の内圧、軸押し工具の変位、および孔明け用ポンチの変位を０（ゼロ）としている。

図１０に示すように、加工時間の経過にともない、加工液の内圧と軸押し工具４の変位が増大しハイドロフォームが進行していく。Ａ’点においてストッパー８が金型１、２の側面に当たり、軸押し工具４の変位は機械的に保持され一定の値で推移する。ストッッパー８の長さＬは、予め必要な軸押し量を確保できるように設定されている。また、前述の通り、軸押しシリンダー７へ指令される軸押し量は、ストッパー８で制限される軸押し量より大きく設定されているため、Ａ’点では軸押し工具は金属素管の管端を押圧する状態である。

引き続き、軸押し工具４の変位は一定で推移し、Ａ点で加工液の内圧が所定圧力に達すると、ハイドロフォームによる膨出成形が完了し、Ｂ点からピアシングが開始され、孔明け用ポンチ６の作動にともない変位が増大する。そして、ピアシングが完了するＣ点から加工液の内圧が急激に低下しているが、軸押し工具４は金属素管３を押圧したままの状態であり、その変位が増加することがなく軸押しオーバーランを防止するこができる。

図９に示す構成において、軸押しシリンダー７に付加的なストッパー８を設置することなく、軸押しシリンダー７の前進端で軸押しシリンダーの変位量を制限するようにして、軸押しシリンダー７の前進端をＡ’点で示す変位量と一致するようにしてもよい。
２．制御シーケンスの設定
（孔明け用ポンチ作動からの経過時間を基準にする場合）
図１１は、孔明け用ポンチ作動からの経過時間を基準にする場合の制御シーケンスのフローチャートである。図１１に示す制御シーケンスでは、ピアシングの開始指令後であって、孔明け用ポンチ作動から所定時間の経過後に軸押しシリンダーへ後退指令を出すことにしている。

図１２は、前記図１１に示す制御シーケンスにおける、ハイドロフォームの加工時間の経過にともなう加工液の内圧、軸押し工具の変位、および孔明け用ポンチの変位の関係を示す図である。Ａ点でハイドロフォームによる膨出成形が終了した後、孔明け用ポンチに作動指令（後退指令）が出され、その指令に基づき孔明け用ポンチが外側に移動し、Ｂ点からピアシングを開始し、Ｃ点でピアシングを完了する。

前記図１１に示す制御シーケンスでは、ピアシングが完了するＣ点直後に軸押しシリンダーが後退するように、孔明け用ポンチ作動を基準にタイマーを設定し、所定時間の経過後に軸押しシリンダーへ後退指令を出す。

このため、ピアシング終了後に加工液の内圧が低下する場合であっても、軸押しオーバーランを防止でき、軸押し工具により加工製品を過大に押圧することがなく成形加工できる。通常、装置構成により応答速度が異なることから、孔明け用ポンチ作動時を基準にするタイマー設定は予め実験などにより決定する必要がある。
（孔明け用ポンチ変位量を基準にする場合）
図１３は、孔明け用ポンチ変位量を基準にする場合の制御シーケンスのフローチャートである。図１３に示す制御シーケンスでは、ピアシングの開始指令後であって、孔明け用ポンチ変位量が所定量に達した後に軸押しシリンダーへ後退指令を出すことにしている。

図１４は、前記図１３に示す制御シーケンスにおける、ハイドロフォームの加工時間の経過にともなう加工液の内圧、軸押し工具の変位、および孔明け用ポンチの変位の関係を示す図である。Ａ点でハイドロフォームによる膨出成形が終了した後、孔明け用ポンチに作動指令が出され、その指令に基づき孔明け用ポンチが外側に移動し、Ｂ点からピアシングを開始し、Ｃ点でピアシングを完了する。

前記図１３に示す制御シーケンスでは、ピアシングが完了するＣ点直後に軸押しシリンダーが後退するように、孔明け用ポンチ変位の測定信号に基づき、孔明け用ポンチの変位量が所定の設定量に達した後に軸押しシリンダーへ後退指令を出す。

このため、ピアシング終了後に加工液の内圧が低下する場合であっても、軸押しオーバーランを防止でき、軸押し工具により加工製品を過大に押圧することがなく、成形加工を完了することが可能になる。また、装置構成により応答速度が異なることから、孔明け用ポンチの変位量の設定は予め実験などにより決定する必要がある。
（加工液の内圧低下量を基準にする場合）
図１５は、加工液の内圧低下量を基準にする場合の制御シーケンスのフローチャートである。図１５に示す制御シーケンスでは、ピアシングの開始指令後であって、加工液の内圧低下量が所定量に達した後に軸押しシリンダーへ後退指令を出すことにしている。

図１６は、前記図１５に示す制御シーケンスにおけるハイドロフォームの加工時間の経過にともなう加工液の内圧、軸押し工具の変位、および孔明け用ポンチの変位の関係を示す図である。同様に、Ａ点でハイドロフォームによる膨出成形が終了した後、孔明け用ポンチに作動指令が出され、その指令に基づき孔明け用ポンチが外側に移動し、Ｂ点からピアシングを開始し、Ｃ点でピアシングを完了する。

前記図１５に示す制御シーケンスでは、ピアシングが完了するＣ点直後に軸押しシリンダーが後退するように、加工液の内圧の測定信号に基づき、例えばＤ点で示すように、加工液の内圧低下量が所定の設定量に達した後に軸押しシリンダーへ後退指令を出す。これにより、軸押しオーバーランを有効に防止することができる。さらに、加工液の内圧低下量の設定は予め実験などにより決定する必要がある。
３．内圧バランスシリンダーの構成
本発明方法では、軸押しシリンダーをピアシングした際の加工液の圧力変動にバランスさせる構造にすることにより、ハイドロピアシング後において、加工液の内圧が低下した場合でも、内圧の変化に追従することが可能となり、軸押しオーバーランを抑制することができる。

図１７は、本発明で適用できる内圧バランスシリンダーの構成例を示す図である。内圧バランスシリンダー９は、ピストン１０と、ピストン１０を内装するシリンダー１１とからなる複動シリンダー構造である。ピストン１０は、前方で軸押し工具４と接続する接続端部１０ａ、内部で圧力を受ける受圧面１０ｂ、および後方で図示しない油圧装置に連結する連結端部１０ｃからなり、シリンダー１１の内壁面とＯリング１３、１３によりシールされる。

シリンダー１１の内部には、シリンダー１１のボア面１１ａとピストン１０の受圧面１０ｂとで区画され、ピストン１０の移動にともなって容積が変化するバランス流体室１２が形成されている。そして、軸押し工具４が金属素管３の管端を押圧する状態において、ピストン１０および軸押し工具４の内部にバランス流体室１２と金属素管３の内部とを導通する導入孔５が設けられる。さらに、その導入孔５でバランス流体室１２に相当する位置に貫通孔５ａが配置され、バランス流体室１２と金属素管３の内部を導通し、加工液が自由に流通することができるようになっている。

ハイドロフォームに際しては、加工液が導入孔５を通して金属素管の内部に供給されるとともに、ピストン１０が前進して軸押し工具４が金属素管３の管端を押圧することにより、バランス流体室１２および導入孔５に加工液が充満する状態となる。

本発明の内圧バランスシリンダー９では、軸押し工具４が押圧する金属素管３の内径断面積Ｄ３と、バランス流体室１２におけるピストン１０の受圧面１０ｂとが等しく設計されている。このため、ハイドロフォームおよびその後のピアシングによって加工液の内圧が変動した場合であっても、バランス流体室１２には導入孔５によって加工液の内圧が導圧されており、常時、加工液の内圧とピストン１０の軸押し力をバランスさせることができる。

このため、ピアシング終了後に加工液の内圧が低下する場合であっても、これに対応してピストン１０の軸押し力を低減し、バランスさせることができるので、軸押し工具の変位を保持したままで軸押しオーバーランを防止することができる。これにより、寸法精度に優れる打ち抜き孔を成形加工できる。

本発明のハイドロピアシング方法による効果を確認するため、前記図３に示す試験装置を用いて、前記図６の破線で示す孔形状（孔寸法：ｗ１＝１５ｍｍ、ｗ２＝１５ｍｍ、ｗ３＝１５ｍｍ）の外向きハイドロピアシングまたは内向きハイドロピアシングを実施し、打ち抜き孔の寸法精度を調査した。使用した金属素管は外径が６０．５ｍｍ、肉厚２．０ｔの溶接鋼管であり、機械構造用鋼管ＳＴＫＭ１１Ａとした。
（実施例１）
本発明例１では、外向きハイドロピアシングを行い軸押しシリンダーに機械的なストッパーを設置した（前記図９参照）。ハイドロフォームでの最大内圧は２００Ｍｐａとし、トータルの軸押し量は２０ｍｍした。ストッパーの長さＬは、この軸押し量が確保できるように設定した。加工液の内圧が２００ＭＰａに達した後、孔明け用ポンチを外側に移動させることにより、外向きハイドロピアシングを実施した。

比較例は、前記図７に示す制御シーケンスに基づく外向きハイドロピアシングとした。すなわち、加工時間の経過にともない加工液の内圧が増大し、同時に軸押し工具の変位も増大させ、ハイドロフォームによる膨出成形を完了後、外向きハイドロピアシングを行い、ピアシングの完了後には加工液の内圧が急激に低下した。

比較例では、軸押し工具のオーバーランが約１．２ｍｍ発生したのに対して、本発明例１では、軸押し工具のオーバーランは皆無であった。

また、打ち抜き後の孔寸法は、比較例ではＷ１〜Ｗ３の偏差ΔＷが０．８ｍｍであったのに対し、本発明例では、ΔＷが０．０５ｍｍ以下となり、製品として問題のないレベルであった。
（実施例２）
本発明例２では、前記図１１に示す制御シーケンスに基づく外向きハイドロピアシングとし、孔明け用ポンチ作動から所定時間の経過後に軸押しシリンダーへ後退指令を出し、軸押し工具の後退変位を１．５ｍｍとした。トータルの軸押し量と加工液の最大内圧は実施例１と同様とした。比較例についても、実施例１の場合と同様とした。

比較例では、約１．２ｍｍの軸押し工具のオーバーランが発生したのに対して、本発明例２では、軸押しオーバーランは発生しなかった。また、打ち抜き後の孔寸法は、比較例ではΔＷ＝０．８ｍｍであったのに対し、本発明例２では、ΔＷが０．０５ｍｍ以下となり、製品として問題のないレベルであった。
（実施例３）
本発明例３では、前記図１３に示す制御シーケンスに基づく外向きハイドロピアシングとし、孔明け用ポンチ変位量を基準に軸押しシリンダーへ後退指令を出し、軸押し工具の後退変位を１．５ｍｍとした。トータルの軸押し量と加工液の最大内圧は実施例１と同様とした。比較例についても、実施例１の場合と同様とした。

比較例では、約１．２ｍｍの軸押し工具のオーバーランが発生したのに対して、本発明例３では、軸押しオーバーランは発生しなかった。また、打ち抜き後の孔寸法は、比較例ではΔＷ＝０．８ｍｍであったのに対し、本発明例３では、ΔＷが０．０５ｍｍ以下となり、製品として問題のないレベルであった。
（実施例４）
本発明例４は、前記図１３に示す制御シーケンスに基づく外向きハイドロピアシングとし、加工液の内圧低下量を基準に軸押しシリンダーへ後退指令した。基準となる内圧低下量を１５ＭＰａ（内圧値で１８５ＭＰａ）とし、軸押し工具の後退変位を１．５ｍｍとした。トータルの軸押し量と加工液の最大内圧は実施例１と同様とした。比較例についても、実施例１の場合と同様とした。

比較例では、約１．２ｍｍの軸押し工具のオーバーランが発生したのに対して、本発明例４では、０．３ｍｍの軸押し工具のオーバーランが発生後、軸押し工具は後退している。また、打ち抜き後の孔寸法は、比較例ではΔＷ＝０．８ｍｍであるのに対し、本発明例４では、ΔＷが０．１５ｍｍ以下となり、製品として問題のないレベルであった。
（実施例５）
実施例５では、内向きピアシングを行い、孔明け用ポンチの寿命を測定した。他の条件は実施例１の場合と同様であり、本発明例５では軸押しオーバーランは発生しなかった。機械的なストッパーを設置しなかった比較例の孔明け用ポンチの寿命に対して、本発明例５の孔明け用ポンチの寿命は１．５倍となった。

本発明のハイドロピアシング方法およびハイドロピアシング装置によれば、自動車部品等の各種の孔明け加工に際し、高精度が要求される大寸法の孔、若しくは異形形状の孔、または多数の孔を同時にピアシングする場合であっても、適切に軸押しオーバーランの発生を回避することができ、孔明き加工により寸法精度の優れた打ち抜き孔の成形加工が可能になる。また、内向きピアシングについては孔明け用ポンチの寿命も向上する。これにより、付加的な工程が省略できるとともに、自動車部品等の加工効率やコスト低減を図ることができるので、自動車用部品の加工技術として広く適用できる。

一般的な金属管のハイドロフォームの加工工程を説明する図であり、（ａ）は加工前の状態を示し、（ｂ）は加工後の状態を示している。 内向きピアシングを説明する図であり、（ａ）はピアシング前のハイドロフォーム状態を、（ｂ）はピアシング後の孔周辺部の状態を示している。 外向きピアシングを説明する図であり、（ａ）はピアシング前のハイドロフォーム状態を、（ｂ）はピアシング後の孔周辺部の状態を示している。 ハイドロピアシングによる孔寸法精度の調査に用いた試験装置の全体構成を示す図である。 ハイドロピアシングによる孔寸法精度の調査に用いた試験装置の中央部の断面構造を示す図である。 ハイドロピアシングにおけるダイスの孔形状（破線）とピアシング後の孔形状（実線）とを比較した図である。 ハイドロピアシングによる孔明け加工の制御シーケンスを示すフローチャートである。 ハイドロピアシングの加工時間の経過にともなう加工液の内圧、軸押し工具の変位、および孔明け用ポンチの変位の関係を示す図である。 ハイドロピアシング装置の軸押しシリンダーに機械的なストッパーを備えた構成を示す図である。 軸押しシリンダーに機械的なストッパーを備えた場合における、ハイドロフォームの加工時間の経過にともなう加工液の内圧、軸押し工具の変位、および孔明け用ポンチの変位の関係を示す図である。 孔明け用ポンチ作動からの経過時間を基準にする場合の制御シーケンスのフローチャートである。 前記図１１に示す制御シーケンスにおける、ハイドロフォームの加工時間の経過にともなう加工液の内圧、軸押し工具の変位、および孔明け用ポンチの変位の関係を示す図である。 孔明け用ポンチ変位量を基準にする場合の制御シーケンスのフローチャートである。 前記図１３に示す制御シーケンスにおける、ハイドロフォームの加工時間の経過にともなう加工液の内圧、軸押し工具の変位、および孔明け用ポンチの変位の関係を示す図である。 加工液の内圧低下量を基準にする場合の制御シーケンスのフローチャートである。 前記図１５に示す制御シーケンスにおけるハイドロフォームの加工時間の経過にともなう加工液の内圧、軸押し工具の変位、および孔明け用ポンチの変位の関係を示す図である。 本発明で適用できる内圧バランスシリンダーの構成例を示す図である。

符号の説明

１：上金型、 ２：下金型
１ａ、２ａ：金型キャビティ壁面、 １ｂ、１ｃ：ダイス孔
３：金属素管、 ３ａ：抜き孔周縁部、 ３ｂ：抜き屑
４：軸押し工具、 ５：導入孔
６：孔明け用ポンチ、 ６ａ：ポンチ底面、 ６ｂ：ポンチエッジ
７：軸押しシリンダー、 ８：ストッパー
９：内圧バランスシリンダー、 １０：ピストン
１１：シリンダー、 １２：バランス流体室
１３：Ｏリング、
１００：油圧シリンダー、 ２００：昇降ラム
２０１：ベッド、 ２０２：圧力計
２０３、２０４：変位計、 ３００：ダイス孔形状
３０１：打ち抜き孔

Claims (9)

1. 金属素管を孔明け用ポンチを装備した一対の金型に保持し、内部に供給した加工液に圧力を負荷するとともに、両端から軸方向に押付け工具で軸押しを加えるハイドロフォーム工程を有するハイドロピアシング方法であって、
   前記孔明け用ポンチでピアシングした際に、ピアシングの完了にともなって加工液の内圧が急激に低下した時点から、前記押付け工具のうち少なくとも片側の押付け工具を軸押し方向に前進させないことを特徴とするハイドロピアシング方法。
2. 前記押付け工具を保持する軸押しシリンダーに機械的なストッパーを備え、少なくとも片側の押付け工具を軸押し方向に前進させないことを特徴とする請求項１に記載のハイドロピアシング方法。
3. ハイドロフォームによる前記金属素管の膨出成形後であって、孔明け用ポンチ作動からの経過時間、孔明け用ポンチの変位量、または加工液の内圧低下量のうちいずれかを基準として、前記押付け工具を保持する軸押しシリンダーを後退させ、少なくとも片側の押付け工具を軸押し方向に前進させないことを特徴とする請求項１に記載のハイドロピアシング方法。
4. 前記押付け工具を保持する軸押しシリンダーをピアシングした際の加工液の圧力変動にバランスさせる構造とし、少なくとも片側の押付け工具を軸押し方向に前進させないことを特徴とする請求項１に記載のハイドロピアシング方法。
5. 孔明け用ポンチを装備した一対の金型に保持された金属素管の内部に供給した加工液を加圧するとともに、両端から軸方向に押付け工具で軸押しを加えるハイドロフォーム工程を具備するハイドロピアシング装置であって、
   前記押付け工具を押圧する軸押しシリンダーと、
   前記孔明け用ポンチでピアシングした際に、ピアシングの完了にともなって加工液の内圧が急激に低下した時点から、前記押付け工具のうち少なくとも片側の押付け工具を軸押し方向に前進させない手段とを具備していることを特徴とするハイドロピアシング装置。
6. 前記押付け工具のうち少なくとも片側の押付け工具を軸押し方向に前進させない手段として、前記押付け工具を保持する軸押しシリンダーに機械的なストッパーを具備したことを特徴とする請求項５に記載のハイドロピアシング装置。
7. 前記押付け工具のうち少なくとも片側の押付け工具を軸押し方向に前進させない手段として、孔明け用ポンチ作動からの経過時間、孔明け用ポンチの変位量、または加工液の内圧低下量のうちいずれかを基準として、前記押付け工具を保持する軸押しシリンダーを後退させる制御シーケンスを具備したことを特徴とする請求項５に記載のハイドロピアシング装置。
8. 前記押付け工具のうち少なくとも片側の押付け工具を軸押し方向に前進させない手段として、前記押付け工具を保持する軸押しシリンダーがピアシングした際の加工液の圧力変動にバランスさせる構造を具備したことを特徴とする請求項５に記載のハイドロピアシング装置。
9. 上記請求項１〜４のいずれかに記載されたハイドロピアシング方法によって成形されたことを特徴とするハイドロピアシング加工製品。

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