JP4823850B2 - ハイドロフォーム成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属管を金型内に装着し、金属管内に成形液を充填し、その後内圧を高めながら、ポンチを介し軸押し力を負荷することで材料を金型内部に流入させつつ、金属管を膨張させ金型に密着させて成形するハイドロフォーム成形方法に関する。

ハイドロフォーム成形では、図１のように金属管１を金型２内に装着し、金属管内に成形液を充填し、その後、しわが発生したり、割れが生じたりすることがない適切な内圧を負荷しながら、ポンチ３を介し軸押し力を負荷することで材料を金型２内部に流入させつつ、金属管１を膨張させ金型２に密着させて所望の部品形状を得る。この際、従来のハイドロフォーム成形では、例えば特許文献１に開示されているように量産を開始するまえにテスト材を用いて試行錯誤により割れやしわの無い良成形品が得ることが出来る、図２のような内圧と軸押し量で表される最適な負荷経路を求め、この負荷経路を量産時の成形条件として内圧と軸押し量を制御して生産を行っている。 ところが、実際には、金属管１の製造工程や予加工の工程で生じるばらつきによりハイドロフォーム成形前の金属管の強度や板厚にはばらつきが存在する。その為、最適な負荷経路を策定した際に用いたテスト材に比べ強度が高い側もしくは板厚が厚い側にばらついた場合、あらかじめ策定した負荷経路では内圧が低すぎる為、しわが発生し、一方で強度が低い側もしくは板厚が薄い側にばらついた場合、あらかじめ策定した不可経路では内圧が高すぎて割れが発生してしまう。このように軸押しの進行に伴い内圧を制御して生産を実施した場合、材料の板厚や強度のバラツキによって成形不良が発生してしまう問題があった。このようなバラツキによる成形不良の原因は、現在のハイドロフォーム成形が一般に力のパラメータである内圧を制御値として成形を行っていることに起因している。
特開2000-42646

従来のハイドロフォーム成形では、軸押し量の増加にともない適切な内圧を負荷する制御を行うことで成形を行っていた。この為、材料強度や板厚がバラついた場合、割れやしわが発生し不良率が増加する問題があった。
本発明は、材料バラつきの影響を受け難く安定性の高いハイドロフォーム成形方法を提供することを目的とする。

係る課題を解決する為に、本発明の要旨とするところは、下記の通りである。
（１）金属管を金型内に装着し、金属管内に成形液を充填し、その後内圧を高めながら、ポンチを介し軸押し力を負荷することで材料を金型内部に流入させつつ、金属管を膨張させ金型に密着させて成形するハイドロフォーム成形方法において、事前にテスト材を用いて成形中の内圧Ｐとポンチの軸押出し量Ｄの負荷経路を決定しておき、当該負荷経路を用いて成形を行なった際の成形の進行に伴い、軸押出し量Ｄ、内圧Ｐ、増圧機内部および高圧配管内部の容積の合計値Vipの値を測定し、これらの値および成形開始前の金属管内部の容積V0、成形開始前の増圧機内部および高圧配管内部の容積の合計値Vi0、成形液の体積弾性率Ｒから式（１）を用いて成形品内部の容積Vｚを求め、さらに当該Vｚと軸押出し量Ｄの関係を再現するように軸押出しの進行に伴い増圧機ピストンの位置を制御することを特徴とするハイドロフォーム成形方法。
Vz＝（（V0＋Vi0）×（Ｒ−Ｐ）／Ｒ）−Vip ・・・・・・・（１）

本発明により、材料バラツキの影響を受けにくい安定性の高いハイドロフォーム成形方法を提供することができる。

図3（a）平面図、（ｂ）正面図、（ｃ）側面図は、パイプの中央部分が長方形断面に拡管成形されているハイドロフォーム部品の例であるが、この例を用いて本発明の詳細を説明する。

図４および図５に示すように、ハイドロフォーム成形では、左右の軸押しポンチ３により金属管１に軸押しを加えると共に増圧機４のピストン５を押し込み増圧機４内部の成形液を成形品内部に流入させることで内圧を制御して拡管を進行させる。成形時の内圧は、増圧機４と成形品をつなぐ高圧配管内に取り付けられた、圧力ゲージ６によって測定されている。このように従来の成形方法では、内圧という力を制御することで成形を行っている。その為、成形条件を決定する為に用いたテスト材料と同じ材質、強度、板厚の材料であれば成形不良は、発生しないが材質、強度、板厚がばらついた場合、負荷している内圧が適正な値ではなくなってしまい成形不良が発生する。一方で本発明のハイドロフォーム成形方法では、軸押しに伴い、負荷する圧力の強さを制御するのではなく、成形品の拡管量である成形品の内部体積Vzを制御する。このように、軸押し量に対して成形品の拡管の進み具合を適正に保つ制御を行って成形することで、強度が高く、板厚の大きい材料に対しては自然に高い内圧が負荷され一方で強度が低く板厚が小さい材料に対しては低い内圧が負荷されることになり材料バラツキによる不良を抑えることができる。この際、制御の実績値が目標のVzに対して上下数パーセント程度の範囲にあれば本発明の効果は失われない。尚、ハイドロフォーム成形前の金属管内部の容積V0、ハイドロフォーム成形開始前の増圧機内部および高圧配管内部の容積の合計値Vi0、成形液の体積弾性率R、ハイドロフォーム成形中の内圧Pとすると、成形中の全成形液の体積は（（V0＋Vi0）×（Ｒ−Ｐ）／ Ｒ）とあらわせる。ここから、ハイドロフォーム成形中の増圧機内部および高圧配管内部の容積の合計値Vipを差し引いた残りが成形中の成形品の内部容積Vzとなり、これは式（１） Vz＝（（V0＋Vi0）×（Ｒ−Ｐ）／Ｒ）−Vip のように表す事ができる。実際の手順としては、以下のようになる。
（１） 通常のハイドロフォーム成形と同じように、テスト材料を用いて内圧と軸押し量の関係を試行錯誤によって調整し、シワおよび割れのない良成形品を得ることのできる内圧と軸押しの負荷経路を決定する。
（２）この負荷経路を用いて成形を行った際に、成形の進行に伴い軸押し量D、内圧P、増圧機４内および高圧配管内の容積Vipがどのような値となったかを測定する。ここで、Vipは、増圧機４のピストン位置とピストンの断面積からもとまる増圧機内の容積と高圧配管内部の容積から測定できる。 これらの値から、式（１）を用いて良成形品が得られた成形での成形品内部の容積Vzと軸押し量Dの関係を求める。ここで求めた、軸押し量Dと成形品内部の容積Vzとの関係が本発明の成形法における成形条件となる。
（３）（２）で得られた成形品内部の容積Vzと軸押し量Dの関係を常に再現するように軸押しの進行にともない増圧機ピストン５の位置を制御してハイドロフォーム成形を行う。

以下に、具体的な実施の一例を示す。
長さ530ｍｍで外径63．5mmの鋼管を用いて図３においてa1=460ｍｍ,a2=100ｍｍ,a3=400ｍｍ,b1=63.5ｍｍ,b2=75ｍｍ,b3=90ｍｍとした成形品をハイドロフォーム成形により生産する。まず、生産前に適切な成形条件を決定する為の、テスト材として引張強度が440MPaで板厚1.4ｍｍの鋼管を用いて試行錯誤によって割れおよびシワのない成形品を得る事ができる内圧と軸押しの関係からなる図６に示すような負荷経路を策定した。つづいて図６の負荷経路を用いてテスト材を成形し良成形品を得た際の内圧P、軸押し量D、増圧機４内部および高圧配管の容積Vipのデータから、式（１）を用いて成形進行に伴う成形品の内部容積Vzの変化を求めたところ図７のような軸押し量Dと内部容積Vzの関係を得る事ができた。図７の軸押し量Dと内部容積Vzの関係が満たされるように、増圧機４のピストン位置を制御しながら軸押しを負荷して成形を行った。材料強度、板厚のバラツキに対する安定性を確認する為に、板厚1.4ｍｍ、引張強度340MPaの鋼管、板厚1.4ｍｍ、引張強度590MPaの鋼管および板厚1.3ｍｍ、引張強度440MPaの鋼管を用いて成形を行った際の成形結果を表１に示す。比較例として図６に示した内圧と軸押しの関係が満たされるように制御して成形を行う従来の成形法による結果も併記した。

表１に示されるように、本発明の成形法を用いることで成形条件を決定する為に用いたテスト材から強度板厚が大きくバラつく場合でも良成形品を得られることがわかった。一方、内圧を制御する従来の成形方法では、テスト材から強度・板厚がずれた場合割れやシワが発生してしまい成形不良となる事が分かる。

ハイドロフォーム成形方法を示す断面図であり、(a)は軸押し負荷前、(b)は成形中の状態を示す。 従来のハイドロフォーム成形方法の成形条件を示すグラフである。 パイプの中央部分が長方形断面に拡管成形されているハイドロフォーム部品の例を示す三面図である。 ハイドフォーム成形に伴い成形品の内部容積が変化する様子を示す断面図であり、軸押しを負荷および増圧機ピストンによる成形液流入が起こる前の状態を示す。 成形液が増圧機ピストンにより成形品内部に流入するとともに軸押しが負荷され拡管が進んだ状態を示す断面図である。 実施例における成形条件策定用テスト材を成形するためのハイドロフォーム成形条件を示すグラフである。 実施例における本発明のハイドロフォーム成形方法の成形条件を示すグラフである。

符号の説明

１ 金属管
２ 金型
３ ポンチ
４ 増圧機
５ 増圧機ピストン
６ 圧力ゲージ
７ 成形品

Claims (1)

1. 金属管を金型内に装着し、金属管内に成形液を充填し、その後内圧を高めながら、ポンチを介し軸押し力を負荷することで材料を金型内部に流入させつつ、金属管を膨張させ金型に密着させて成形するハイドロフォーム成形方法において、事前にテスト材を用いて成形中の内圧Ｐとポンチの軸押出し量Ｄの負荷経路を決定しておき、当該負荷経路を用いて成形を行なった際の成形の進行に伴い、軸押出し量Ｄ、内圧Ｐ、増圧機内部および高圧配管内部の容積の合計値Vipの値を測定し、これらの値および成形開始前の金属管内部の容積V0、成形開始前の増圧機内部および高圧配管内部の容積の合計値Vi0、成形液の体積弾性率Ｒから式（１）を用いて成形品内部の容積Vｚを求め、さらに当該Vｚと軸押出し量Ｄの関係を再現するように軸押出しの進行に伴い増圧機ピストンの位置を制御することを特徴とするハイドロフォーム成形方法。
   Vz＝（（V0＋Vi0）×（Ｒ−Ｐ）／Ｒ）−Vip ・・・・・・・（１）

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